DE2757782A1 - Verfahren zum betreiben eines dreiwegekatalysators fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines dreiwegekatalysators fuer brennkraftmaschinen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Dreiwegekatalysators, wie er als Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt ist und in das Abgassystem einer Brennkraftmaschine eingebaut
wird. 25
Als ein Mittel zur simultanen Entfernung unerwünschter Komponenten (CO, HC, NO ), die in den aus einer Brennkraftmaschine ausgetragenen Abgasen enthalten sind, ist die Verwendung eines Dreiwegekatalysators im Hinblick auf die strengeren Vorschriften bezüglich verschiedener Abgasemissionen gründlich untersucht worden. Ferner sind viele unterschiedliche Arten verwandter Systeme vorgeschlagen worden,
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Wie aus dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm ersichtlich ist, das die Beziehung zwischen der Wirksamkeit der Reinigung und dem Luft-Brennstoff-Verhältnis zeigt, ist der Bereich, in dem der Dreiwegekatalysator die drei Komponenten CO, HC, NO mit hoher Wirksamkeit reinigen kann (d. h. der Bereich von Luft-Brennstoff-Verhältnissen, in dem eine hohe prozentuale Reinigung von über 80 % erreichbar ist und der nachstehend als Luft/Brennstoff-Fenster bezeichnet ist), auf ein sehr begrenztes Gebiet um das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis herum beschränkt. Demgemäß sind die bisher vorgeschlagenen Abgasemissionssteuersysteme, die einen Dreiwegekatalysator verwenden, so ausgelegt, daß ein Luft-Brennstoff-Verhältnis-Datektor zur Anzeige des stöchiometrisehen Verhältnisses in das Abgassystem eingebaut ist, und die Gemisch erzeugende Einrichtung (z. B. der Vergaser oder das elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzsystem) in dem Ansaugsystem wird rückgekoppelt gesteuert, so daß damit das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Gemische um das stöchiometrische Verhältnis herum gehalten wird und damit der Dreiwegekatalysator wirksam arbeiten kann.
Mit einem derartigen Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuersystem ist es jedoch unmöglich, das Luft-Brennstoff-Verhältnis ständig beim stöchiometrischen Verhältnis zu halten; das tatsächliche Luft-Brennstoff-Verhältnis neigt dazu, abwechselnd zur fetten und mageren Seite hin zu variieren, wobei das stöchiometrische Verhältnis einen Schwellenwert darstellt. Der Bereich oder die Frequenz derartiger Änderungen variiert in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Maschine beträchtlich. Das Luf t-Brennstoff-Verhältnis-Rückkopplungs-rSteuersy stem ist somit unfähig, eine wirksame Verwendung des Dreiwegekatalysators sicherzustellen.
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Es sind ferner Katalysatoren entwickelt worden, die trotz einiger Änderung beim Luft-Brennstoff-Verhältnis mit hoher prozentualer Reinigung arbeiten können. Dabei werden beispielsweise Platin (Pt) und Rhodium (Rh) in geeignetem Ausmaß auf einem Katalysatorbett getragen, so daß das Luft/Brennstoff-Fenster eines Dreiwegekatalysators vergrößert wird. Ferner ist es bekannt, einem Katalysator Sauerstoffspeichermaterial zuzufügen, um auf diese Weise gleichermaßen eine Vergrößerung des Luft/Brennstoff-Fensterbereiches sicherzustellen.
Diese Techniken sind jedoch alle darauf abgestellt, die Katalysatoren selbst zu verbessern; keine dieser vorgeschlagenen Techniken beschreibt, wie ein derartiger Dreiwegekatalysator betrieben werden kann, um den Dreiwegekatalysator auf wirkungsvollste Art und Weise zu betreiben oder den Bereich des Luft/Brennstoff-Fensters für die Dreiwegekatalysatoren zu erhöhen.
Andererseits sind Verfahren für den Betrieb von 20
Dreiwegekatalysatoren bekannt, um ein wirkungsvolles Arbeiten sicherzustellen. Dabei wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis des einer Maschine zugeführten Gemisches abwechselnd zur fetten und mageren Seite hin verändert, wobei das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis den Schwellenwert bildet; damit wird der Luft/Brennstoff-Fensterbereich des Katalysators vergrößert. Der mit diesem Arbeitsverfahren erzielbare Luft/Brennstoff-Fensterbereich beträgt jedoch nur 0,18 Einheiten in bezug auf das Luft-Brennstoff-Verhältnis für Benzin, so daß es notwendig ist, ein Rückkopplungssteuersystem mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis-Detektor zu verwenden, so daß dieses Verfahren für den Betrieb eines Dreiwegekatalysators als nicht zufriedenstellend angesehen werden kann.
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Dieses Verfahren hat darüber hinaus den Nachteil, daß bei abwechselnder Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zugeführten Gemisches (d. h. das Gemisch in dem Ansaugsystem) zur fetten und mageren Seite hin der Lauf der Maschine mit einem Ansteigen der Veränderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses unstabil wird. Die Auswirkungen werden ferner mit einem Absinken der Frequenz der Änderungen verstärkt.
Dieses mit dem Dreiwegekatalysator arbeitende Verfahren hat somit nachteilige Auswirkungen auf den Lauf der Maschine.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Dreiwegekatalysators zu schaffen, mit dem ein wirksames Arbeiten des Dreiwegekatalysators sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem ein Dreiwegekatalysator , der ein Metall (Material) mit einer SauerstoffSpeicherkapazität enthält, in das Abgassystem einer Brennkraftmaschine eingebaut ist, das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches im Vergleich mit dem stöchiometrisehen Verhältnis zur fetten Seite hin eingestellt, z. B. 13 : 1, und Sekundärluft intermittierend in das Abgassystem stromauf des Dreiwegekatalysators eingeführt wird, um auf diese Weise das Luft-Brennstoff-Verhältnis der dem Dreiwegekatalysator zugeführten Abgase abwechselnd zur fetten und mageren Seite hin zu ändern, wobei das stöchiometrisehe Verhältnis einen Schwellenwert darstellt, und somit ein wirksames Arbeiten des Dreiwegekatalysators zu ermöglichen.
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Mit dem Verfahren soll ferner ein Dreiwegekatalysator betrieben werden, bei dem bei gleichem Änderungsbetrag des Luft-Brennstoff-Verhältnisses jeweils zur fetten und mageren Seite diejenige Periode (Zyklus), während der das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf der mageren Seite gehalten wird, im Vergleich mit der Periode (Zyklus) verkleinert wird, während der das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf der fetten Seite gehalten wird, wobei das durchschnittliche Luft-Brennstoff-Verhältnis im Vergleich mit dem stöchiometischen Verhältnis auf der fetten Seite gesteuert wird, so daß damit ein wirksameres Arbeiten des Dreiwegekatalysators sichergestellt ist.
Weiterhin soll mit dem Verfahren ein Dreiwegekatalysator betrieben werden, bei dem das Katalysatorbett ein monolithisches Katalysatorbett ist, wodurch ein wirksames Arbeiten des Dreiwegekatalysators auch dann möglich ist, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase mit höheren Frequenzen variiert (z. B. 10 Hz und darüber).
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der prozentualen Reinigung eines
üblichen Dreiwegekatalysators und dem Luftbrennstoffverhältnis in Abhängigkeit von den einzelnen Abgaskomponenten dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die in dem Abgasgemisch erhaltenen Änderungen dargestellt sind, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis der einer Maschine zugeführten Gemische von Ί3 : 1 bis auf 16 : 1 verändert wird.
Fig. 3A bis 3D sind schematische Darstellungen einer Sauerstoffspeicherung und-Abgabevorgänge eines ein Sauerstoffspeichermaterial ent haltenden Dreiwegekatalysators, wobei die
Fig. 3B bis 3D eine Vergrößerung der Einzelheit A von Fig. 3A sind.
Fig. 4 zeigt schematisch eine bei den erfindungsgemäßen Versuchen verwendete Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem die prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten dargestellt ist, die erhalten wurde , wenn nach und nach
Sekundärluft stromaufwärts des Dreiwegekataly
sators zugeführt wurde, wodurch das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase von 13:1 bis auf 16 : 1 verändert wurde.
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Fig. 6 zeigt ein Diagramm, in dem die Änderungen der Abgaszusammensetzung dargestellt ist, die bei Aufrechterhaltung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zugeführten Gemisches bei 13:1 und allmählicher Zufuhr von Sekundärluft in das Abgassystem erhalten wurden, wodurch das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase von 13:1 bis auf 16:1 verändert wurde. 10
Fig. 7 zeigt ein Diagramm, in dem die Beziehung
zwischen den Veränderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses und der Abgaskomponenten- -Verhältnisse dargestellt ist, die erhalten wurden, wenn die Abgaszusammensetzung,
wie jeweils in den Fig. 2 und 6 gezeigt, verändert wurde.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm, in dem die prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten durch einen Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreiwegekatalysator dargestellt ist, die bei Aufrechterhaltung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zugeführten Gemisches bei 13:1 und Veränderung des durchschnittlichen Luft-Brennstoff-Verhältnisses der Abgase von 13:1 bis auf 16 : erhalten wurde, indem Sekundärluft intermittierend in das Abgassystem eingeführt wurde.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm, in dem die prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten durch einen Dreiwegekatalysator ohne Sauerstoffspeichermaterial dargestellt ist, die durch inter-
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mittlerende Zufuhr von Sekundärluft in das Abgassystem auf gleiche Weise wie im Falle von Fig. 8 erhalten wurde.
Fig. 1OA und 1OB zeigen Wellenformendiagramme,
die jeweils das Ausgangssignal der Luft-Brennstoff-Verhältnis-Detektoren darstellen, die jeweils am Einlaß und Auslaß des Dreiwegekatalysators angeordnet sind.
Fig. 11 zeigt ein Diagramm, in dem die Auswirkung einer Frequenzänderung der intermittierenden Sekundärluftzufuhr auf die prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten dargestellt ist.
Fig. 12 zeigt ein Diagramm, in dem der Frequenzbereich dargestellt ist, in dem über 80 % der prozentualen Reinigung der Abgaskompo nenten mit sich ändernden Mengen an Sauer
stoff speichermaterial erzielbar sind.
Fig. 13 zeigt ein Diagramm, in dem die Auswirkung
einer Änderung des abgasseitigen Luft-
Brennstoff-Verhältnisses auf die prozentuale
Reinigung der Abgaskomponenten dargestellt ist.
Fig. 14 und 15 zeigen Diagramme, in denen die Be-Ziehung zwischen dem ansaugseitigen Luft-
Brennstoff-Verhältnis und dem wirksamen Betriebs-Luft-Brennstoff-Verhältnisbereich des abgasseitigen Luft-Brennstoff-Verhältnisses. 35
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Fig. 16 zeigt ein Schema, in dem der allgemeine
Aufbau eines ersten Ausfiihrungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betrieb eines Brennkraft-
maschinen-Dreiwegekatalysators gemäß der
Erfindung.
Fig.. 17 zeigt einen vergrößerten Querschnitt des in Fig. 16 gezeigten Vergleichers.
Fig. 18 zeigt die Schaltung eines
in Fig. 16 gezeigten elektrischen
Schaltungsblocks.
Fig. 19 zeigt ein charakteristisches Diagramm, in
dem die Beziehung zwischen dem Venturi-Unterdruck und der Ansaugluftmenge dargestellt ist.
Fig. 20 zeigt ein Schema, in dem der allgemeine
Aufbau eines zweiten Ausf iihrungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt ist.
Fig. 21 zeigt ein Schema, in dem der allgemeine
Aufbau eines dritten AusfUhrungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt ist.
Fig. 22 zeigt ein charakteristisches Diagramm, in
dem die Beziehung zwischen den Abgas-Luft-Brennstoff-Verhältnissen am Einlaß einer ersten Abgasleitung mit dem Dreiwegekatalysator des dritten AusfUhrungsbeispiels und dem Maschinenkurbel wellenwinkel dargestellt ist.
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Fig. 23 zeigt ein Schema, in dem der allgemeine
Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels des Apparates zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt ist. 5
Im folgenden wird der Reinigungsvorgang eines Dreiwegekatalysators mit Sauerstoffspeicherkapazität beschrieben, bevor die bevorzugten AusfUhrungsbeispiele beschrieben werden.
10
In Fig. 2 ist die Auswirkung einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einer Maschine zugeführten Gemisches auf die Abgaszusammensetzung der Brennkraftmaschine dargestellt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß der O2- und CO-Gehalt um das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis herum stark variieren, wodurch der Dreiwegekatalysator mit größtmöglicher Wirksamkeit arbeiten kann. Die in dem Dreiwegekatalysator stattfindenden Reaktionen
können durch folgende Reaktionsformeln wiedergegeben werden: 20
co + 1/2 NO O2 —* ι 1/2 CO2 nC02 + I H2O (D
H2 + 1/2 no O2 — 1/2 H2O CO2 (2)
cnHm 4 η + m „ HoO (3)
CO + 4 N2 + (4)
H^ + — iio + (5)
CA + -ΪΎ-Ε N0
+ nC02 + § H2O (6)
lnLJD N2 + nco2 + §
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Die Formeln (1) bis (3) stellen Oxydationsreaktionen und die Formeln (4) bis (6) Reduktionsreaktionen dar. Diese Reaktionen gehen in dem Dreiwegekatalysator gleichzeitig vor sich. Bei bekannten Dreiwegekatalysatoren, die Pt -Rh-Metalle enthalten, sind die wirksamen Arbeitsbereiche (Luft/Brennstoff-Fensterbereiche) äußerst begrenzt, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist (normalerweise im Bereich von 0,05 bis 0,1 Einheiten, bezogen auf Luft-Brennstoff-Verhältnis-Einheiten) . Wie dies aus dem Zusammensetzungsdiagramm von Fig. 2 ersichtlich ist, bedeutet diese Tatsache, daß insbesondere im Hinblick auf die Änderung des O2-Gehaltes, mit dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis als Schwellenwert die Oxydationsreaktionen der Formeln (1) bis (3) als erstes auf der mageren Seite erfolgen, während die Reduktionsreaktionen der Formeln (4) bis (6) zuerst auf der fetten Seite erfolgen. Im Falle der ersteren werden folglich die für die Reaktionen der Formeln (4) bis (6) erforderlichen CO, H0 und C H entfernt und somit
i η m
die Reduktionsreaktionen von NO verhindert, und im Falle der letzteren, bei durch die Gegenwart von CO, H- und C H geförderten Reduktionsreaktionen der Formeln (4) bis (6) , die in großem Überschuß zu den äquivalenten Mengen bezüglich NO vorhanden sind, wird die Menge an 0-, die mit dem verbleibenden CO, H2 und C Hm nach ihrer Reaktion mit NO reagieren sollen, kleiner sein als der äquivalenten Menge entspricht, so daß auf diese Weise die Oxydationsreaktionen der Formeln (1) bis (3) verhindert werden. Es ist somit ersichtlich, daß die drei Komponenten O2, CO und H-, deren Gehalt sich um das stöchiometrische Verhältnis herum sehr stark ändert, die Oxydations- und Reduktionsreaktionen der Formeln (1) bis (6) daran hindern, gleichzeitig abzulaufen, wenn die Gehalte dieser Komponenten dazu gebracht werden, sich langsam zu ändern, bei praktisch gleicher Zusammensetzung (CO, NO, HC, H2, O2) wie das stöchiometerische Gemisch, so wäre es möglich, den wirksamen Arbeitsbereich (Luft/Brennstoff-Fensterbereich) des Dreiwegekatalysators
§09826/0990
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zu vergrößern. Wenn jedoch die Verbrennungsreaktion einer Brennkraftmaschine nicht erheblich verändert wLrd, um die erwünschte Abgaszusammensetzung erhalten wird, können diese erwünschten Resultate nicht erwartet werden; in der Tat ist es nahezu unmöglich, diese Resultate zu erhalten.
Die bekannten Techniken sind mit der Absicht entwickelt worden, diese erwünschten Auswirkungen mittels Katalysatoren zu erreichen. Diese Techniken sind so ausge legt, daß die erwünschten Auswirkungen mit dem O--Gehalt erzielt werden, und zusätzlich zu den Pt-Rh-Katalysator metallen, die die Reaktionen der Formeln (1) bis (6) bewirken, werden Dreiwegekatalysatoren verwendet, die ein Sauerstoffspeichermaterial enthalten, das selber die Fähigkeit hat »02 zu speichern (oder zu absorbieren), wie beispielsweise die bekannte Gruppe der Lanthaniden (CeO2, La2O3 usw.), Halbleiter vom η-Typ (CuO, ZnO, ZrO2 usw.) o. dgl. Ein derartiges zusätzliches Material trägt nicht selbst zu den Reaktionen der Formeln (1) bis (6) bei; das Material wirkt so, daß es in Abhängigkeit von der Änderung des Sauerstoffpartialdruckes in der Abgaszusammensetzung auf der mageren Seite, auf der der Sauerstoffpartialdruck hoch ist, Sauerstoff speichert, während es den gespeicherten Sauerstoff auf der fetten Seite freigibt, bei der der Sauerstoffpartial druck niedrig ist, wodurch der Sauerstoffpartialdruck (Gehalt) auf der aktiven Katalysatoroberfläche übergangslos geändert wird. Im Falle eines Systems, bei dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis der der Maschine zugeführten Gemische abwechselnd zur fetten und mageren Seite variiert wird, wird somit die Atmosphäre auf der aktiven Katalysatoroberfläche derjenigen des stöchiometrisehen Gemisches angenähert und damit der wirksame Arbeitsbereich (Luft/Brennstoff-Fensterbereich) des Dreiwegekatalysators vergrößert.
Die Fig. 3A bis 3D zeigen schematisch das Speichern
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und Freigeben von Sauerstoff durch einen ein Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreiwegekatalysator. Fig. 3A zeigt ein Dreiwegekatalysatorteilchen in Kugel-bzw.Pelletform, das ein aus γ-Aluminiumoxid (Al-O3) hergestelltes Katalysatorbett und ein Pt-Rh-Katalysatormetall und ein Sauerstoffspeichermaterial aufweist, die von dem Katalysatorbett getragen werden; Fig. 3B zeigt schematisch die Anordnung des Katalysatormetalls 1 und des Sauerstoffspeichermaterials 2. Fig. 3C zeigt die Art und Weise, mit der Sauerstoff 3 (CK) in den Abgasen von dem Sauerstoffspeichermaterial 2 gespeichert (absorbiert) wird, wenn die Abgasatmosphäre mager ist. Fig. 3D zeigt die Art und Weise, mit der der gespeicherte Sauerstoff 3 aus dem Sauerstoffspeichermaterial 2 in die Abgase abgegeben wird, wenn die Abgasatmosphäre fett ist.
Die Atmosphäre in der Nähe . des Katalysatormetalls 1 wird folglich sogar bei magerer Abgasatmosphäre infolge der Tatsache in dem um das stöchiometrische Verhältnis herum erzielbaren Zustand erhalten, daß der Zusatzsauerstoff 3 in dem Sauerstoffspeichermaterial 2 gespeichert wird, wohingegen bei fetter Abgasatmosphäre die Atmosphäre um das Katalysatormetall 1 herum auf ähnliche Weise infolge des freigegebenen Sauerstoffs in dem um das stöchiometerische Verhältnis herum erzielbaren Zustand erhalten wird.
Auf diese Weise dient das zugefügte Sauerstoffspeichermaterial dazu, die in die Nähe des Katalysatormetalls gebrachte Abgasatmosphäre so einzustellen, daß sogar bei sich etwas änderndem Luft-Brennstoff-Verhältnis die Atmosphäre um das Katalysatormetall herum in einem um das stöchiometrische Verhältnis herum erzielbaren Zustand erhalten werden kann, so daß der Luft/Brennstoff-Fensterbereich somit vergrößert ist.
Anhand von Fig. 4 wird nunmehr eine bei den ver-
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schiedenen Experimenten gemäß der Erfindung verwendete Testvorrichtung beschrieben. .Das Schema zeigt die Vorrichtung mit einer 2000 ecm, Viertakt', Sechszylinder-Benzinbrennkraftmaschine 11 und einem Vergaser 12. In einer Abgasleitung 13 ist ein ein Sauerstoff- speichermaterial enthaltender Dreiwegekatalysator 14 angeordnet. Der Dreiwegekatalysator 14 ist vom Pellet- oder Kugeltyp, bei dem das Katalysatorbett aus }*-Alumiumoxyd (γ -Al2O3) hergestellt ist,.das 1,5 g/l Pt-Rh-Katalysator metall und 20 g/l Ceriumoxyd (CeO2) als Sauerstoffspeicher material trägt und das in einem 2,5 1-Gehäuse eingeschichtet ist. Als Luftzuführung mündet ein Rohr 15 für die Zufuhr von Sekundärluft stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 14 in die Abgasleitung 13. In dem Luftzuführungsrohr 15 ist ein elektromagnetisches Ventil 16 angeordnet, das das Rohr 15 in Beantwortung der Signale aus einem Oszillator öffnet und schließt. Eine übliche Luftpumpe 20wird als Sekundärluftquelle verwendet; die Luft aus der Purtpe 20 wird über einen Luftdruckregler 21 und einen Öffnungsregler 22 zu dem elektromagnetischen Ventil 16 geführt. Bekannte Luft-Brennstoff -Verhältnis-Detektoren 18 und 19 sind jeweils stromauf und stromab des Dreiwegekatalysators 14 angeordnet, und die Detektorausgangssignale werden von einem elektromagnetischen Oszilloskop 30 gemessen. Als Brennstoff wird Benzin mit dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis von 14,5 : 1 verwendet. Die Arbeitsbedingungen der Maschine 11 lagen bei einer Drehzahl von 1600 U/min und einem Ansaugunterdruck von -375 mmHg.
Versuch 1
Es wurde die anhand Fig. 4 vorbeschriebene Vorrichtung verwendet, wobei das Luft-Brennstoff-Verhältnis des in dem Vergaser 12 erzeugten Gemisches bei 13 : 1 aufrechterhalten, das elektromagnetische Ventil 16 in der Stellung AUF (geöffnet) gehalten und nach und nach Sekundärluft in die Abgas-
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leitung 13 eingeführt wurde. Die sich ergebende prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten ist in Fig. 5 mit unterbrochenen Linien dargestellt.
Die ausgezogenen Linien in Fig. 5 zeigen dagegen die prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten, die durch Halten des elektromagnetischen Ventils 16 in der Stellung ZU (geschlossen) erhalten wurde, wobei nach und nach das Luft-Brennstoff-Verhältnis der in dem Vergaser 12 erzeugten Gemische von 13:1 auf 16:1 verändert wurde. Die durch diese ausgezogenen Linien dargestellten Reinigungskurven entsprechen praktisch den Reinigungskurven von Fig. 1.
Ein Vergleich zwischen den ausgezogenen und unterbrochenen Linien in Fig. 5 zeigt, daß ein größerer Luft/ Brennstoff-Fensterbereich durch Zuführen von Sekundärluft in das Abgassystem erhalten werden könnte, während das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches in dem Ansaugsystem konstant gehalten wird.
20
Während bei einem derartigen Fall die erhaltene Abgaszusammensetzung von dem gegebenen Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches in dem Ansaugsystem abhängt, würde sich in dem vorliegenden Fall (das Ansaugsystem-Gemisch-Verhältnis ist 13 : 1) die entstehende Abgaszusammensetzung wie in Fig. 6 gezeigt ergeben. Ein Vergleich zwischen den Fig. 6 und 2 zeigt klar, daß diese Abgaszusammensetzungsdiagramme sich stark voneinander unterscheiden.
Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Zusammensetzungsdiagrammen besteht darin, daß bei einer Veränderung (Fig. 2) des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches in dem Ansaugsystem mit dem stöchiometrischen Verhältnis als Schwellenwert die CO-, O2" und H_-Gehalte wie
vorbeschrieben stark variieren und darüber hinaus die NO-
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und HC-Gehalte ebenfalls relativ stark variieren, wohingegen bei Zufuhr von Sekundärluft in das Abgassystem (Fig. 6) die ansaugseitig festgelegte Zusammensetzung nur mit der Sekundärluft verdünnt wird, mit dem Resultat, daß die CO-, H2"/ NO- und HC-Gehalte nur sehr gleichmäßig bzw. sachte verändert werden und einzig der O2-Gehalt in größerem Maße praktisch in linearer Abhängigkeit von der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses verändert wird.
Mit diesen beiden Verfahren der Änderung des Luft-
Brennstoff-Verhältnisses kann im Hinblick auf die Reinigungskapazität des Dreiwegekatalysators eine größere wirksame Fläche (der Luft-Brennstoff-Verhältnisbereich, in dem mehr als 80 % der drei Komponenten CO, HC und NO entfernt werden kann) für den Dreiwegekatalysator sichergestellt werden, wenn, wie in Fig. 5 gezeigt, Sekundärluft in die Abgasleitung eingeführt wird; der Grund hierfür kann in dem Unterschied zwischen den sich ergebenden Abgaszusammensetzungen gesucht werden. Fig. 7 zeigt vergleichend Komponenten- Verhältnisse, d- h. die CO-, H2-, HC/O - und NO/CO-Verhält- nisse, die typischerweise aus den Zusammensetzungsdiagrammen der Fig. 2 und 6 entsprechend den Reaktionsformeln (1) bis (6) erhalten wurden. Die Unterschiede der in Fig. 5 dargestellten prozentualen Reinigung können auf der Grundlage von
2^ Fig. 7 wie folgt erklärt werden:
NO/CO-Verhältnis: Bei Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses der Gemische
in dem Ansaugsystem bei magerer werdendem Luft-Brennstoff- Verhältnis und größer werdendem NO-Gehalt verringert sich der Gehalt an CO oder an Reduktionsmittel von NO, so daß die Reduktionsreaktion der Reaktionsformel (4) verändert wird, mit dem Ergebnis, daß die prozentuale Reinigung von NO geringer wird. Wenn andererseits die Sekundärluft in das Abgassystem eingeführt wird, bleibt das NO/CO-Verhältnis praktisch unverändert und somit die befriedigenden Bedingungen im Hinblick auf das äquivalente Verhältnis von NO/CO = 1 erhalten; damit wird die Wirksamkeit dieses Verfahrens für
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eine Reduzierung von NO-Emissionen auf der mageren Seite bewiesen. Das CO-, H3-, HC/O2~Verhältnis hat selbstverständlich ebenfalls Einfluß auf die Wirksamkeit, wie dies nachstehend beschrieben wird, und es besteht ein Grenzwert für die Reinigung von NO auf der mageren Seite.
(Da die Reinigung von NO gestoppt wird, wenn die Reduzierungsmittel, wie beispielsweise CO, H2, HC usw., durch Reaktion mit 0~ entfernt werden.)
CO-, H2-, HC/O2-Verhältnis:
Dies ist das Verhältnis des O2~Gehaltes in dem Abgas zu dem für eine vollständige Oxydierung der CO-, H2~ und HC-Gehalte in dem Abgas erforderliche O2~Gehalt für die Reaktionsformeln (1), (2) und (3), mit dem in Form von C,H0 (Propan) für die Reaktionformel (3) berechneten HC in dem Abgas, wobei das Verhältnis 1 der äquivalenten Menge entspricht (dies stellt jedoch nur einen Bezugswert dar, da die Werte von CO, H2 und HC für die Reduzierung von NO vernachlässigt sind).
Unter der Annahme, daß ein Verhältnis von weniger als 1 einen unvollständigen Oxydationszustand darstellt, bei dem die zu oxydierenden Substanzmengen groß sind, und daß ein Verhältnis von größer als 1 einen vollständigen Oxydationszustand darstellt, bei dem die O_-Menge groß ist, wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist, kreuzen sich die Kurve, die das durch Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses der Gemische in dem Ansaugsystem erhaltene Verhältnis darstellt, und die Kurve, die das durch Änderung des Gemischverhältnisses mittels Sekundärluft in dem Abgassystem erhaltene Verhältnis darstellt,bei dem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 14,5 : 1 , wo das Verhältnis 1 ist; bei den Luft-Brennstoff-Verhältnissen auf beiden Seiten dieses Verhältnisses trennen sich die Kurven voneinander.
Dies erklärt deutlich den Unterschied in der prozentualen
θ 0 9 β 2 6 / D 9 91D
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Reinigung zwischen den Verfahren, d. h. im Falle des ersteren (bei dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis in dem Ansaugsystem verändert wurde) wird die für eine Oxydation von CO und HC erforderliche O2-Menge auf der mageren Seite äußerst knapp, während die O2-Menge auf der fetten Seite in großem Überschuß vorhanden ist, mit dem Ergebnis, daß die vollständige Oxydation von CO und HC gefördert und eine Reduktionsreaktion von NO verhindert wird; auf diese Weise wird zusammen mit den.vorbeschriebenen NO/CO-Diagrammen nachgewiesen, daß die Reinigungsbedingungen für NO auf der mageren Seite unbefriedigend sind. Dagegen verläuft im Falle des letzteren Verfahrens (wo Sekundärluft in das Abgassystem eingeführt wird) die sich ergebende Kurve sehr glatt bzw. übergangslos, womit gezeigt ist, daß das Verhältnis auf der fetten Seite kleiner ist als im ersteren Fall, womit es sich für eine Oxydation von CO und HC als vorteilhaft herausstellt, wohingegen das Verhältnis auf der mageren Seite größer ist als in dem ersteren Fall, womit es sich für eine Reduktion von NO aufgrund der Abwesenheit jeglichen großen Überschusses von O2 zusätzlich zu dem NO/ CO-Verhältnis als vorteilhaft erweist.
Zusätzlich zu dem Vorstehenden kann die exotherme Reaktion eine Ursache für die Unterschiede in Fig. 5 sein.
Die Oxydationsreaktionen der Reaktionsformeln (1) bis (3) sind exotherme Reaktionen. Bei Betrachtung der Gehalte an CO, HC und H2 oder der Oxidation unterworfenen Substanzen in diesen Reaktionen verringern sich im Falle der ersteren Gehalte rapid mit magerer werdendem Luft-Brennstoff-Ver hältnis (s. Fig. 2), während im Falle der letzteren die Gehalte auf bestimmten Niveaus bleiben (s. Fig. 6), so daß die Reaktionswärme auf der Katalysatoroberfläche im letzteren Fall größer ist; dies scheint für eine Förderung der Reaktionen auf der Katalysatoroberfläche wirksam zu sein.
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Versuch 2
Unter den gleichen Bedingungen wie bei Versuch 1 wurde das elektromagnetische Ventil 16 in der AUF-oder geöffneten Stellung gehalten und die zugeführte Sekundärluftmenge so eingestellt, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches in dem Abgassystem bei 16:1 gehalten wurde. In diesem Zustand wurde das elektromagnetische Ventil 16 wiederholt an- und ausgeschaltet, wodurch das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase wiederholt abwechselnd zwischen der fetten Seite oder 13:1 (ZU ) und der mageren Seite 16:1 (AUF) geändert wurde. Bei der auf 1 Hz eingestellten Schwingungsfrequenz des Oszillators wurde das elektromagnetische Ventil 16 betrieben durch Änderung des Verhältnisses der "AUF"-Zeit zur "zu "-Zeit (das Verhältnis des Zyklus der Verstellung zur fetten Seite zum Zyklus der Verstellung zur mageren Seite des Luft-Brennstoff-Verhältnisses) von AUF/ZU = 0 sec/1 see über 0,5 sec/0,5 see zu 1 sec/0 see, und das Luft-Brennstoff-Verhältnis (Durchschnitt) der Abgase am Einlaß des Dreiwegekatalysators 14 und das Reinigungsverhalten des Dreiwegekatalysators 14 wurden gemessen. Die erhaltenen Resultate sind mit ausgezogenen Linien in Fig. 8 gezeigt. In der Figur betrug das Verhältnis der "AUF"-Zeit zur "ZU "-Zeit oder das AUF/ZU -Verhältnis am Kreuzungspunkt der Reinigungskurven von NO und CO oder der Punkt mit der größten prozentualen Reinigung der drei Komponenten 0,45 see/ 0,55 see.
Aus Gründen des Vergleichs zwischen den Ergebnissen des Versuchs 1 mit dem Ergebnissen des Versuchs 2 sind die unterbrochenen Linien in Fig. 5 so wie die unterbrochenen Linien in Fig. 8 gezeigt. Die unterbrochenen Linien in Fig. 8 stellen die Reinigungskurven der drei Komponenten dar, die erhalten wurden durch Aufrechterhalten des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches in dem Ansaugsystem
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bei 13:1 und allmählichem Verändern des Abgas-Luft-Brennstoff -Verhältnisses von 13 auf 16 : 1, indem nach und nach Sekundärluft in das Abgassystem eingeführt wurde. Die ausgezogenen Linien in Fig. 8 stellen demgegenüber die Reinigungskurven der drei Komponenten dar, die erhalten wurden durch Aufrechterhalten des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Ansaugsystem bei 13:1 und intermittierende Zufuhr von Sekundärluft in das Abgassystem, wodurch das Abgas-Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen 13 : 1 und 16 : 1 hin und her bewegt wurde; hierdurch wurde das durchschnittliche Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase von 13:1 auf 16 :1 verändert.
Aus einem Vergleich zwischen den beiden Verfahren ist ersichtlich, daß von diesen beiden Verfahren der
Sekundärluftzufuhr das Verfahren der intermittierenden Sekundärluftzufuhr für ein Vergrößern des Luft/Brennstoff-Fensterbereiches wirksamer sein Wird als die allmähliche (kontinuierliche) Sekundärluftzufuhr. 20
Versuch 3
Der Versuch wurde auf die gleiche Art und Weise
durchgeführt, wie Versuch 2, wobei anstelle des Dreiwege-
katalysators von Versuch 2 ein 2,5 1-Dreiwegekatalysator vom Pellet-Typ mit 1,5 g/l eines Pt-Rh-Katalysatormetalls verwendet wird, der kein Sauerstoffspeichermaterial (CeO2) enthält.
Die erhaltenen Ergebnisse sind mit unterbrochenen Linien in Fig. 9 gezeigt. Am Xreuzungspunkt der NO- und CO-Reinigungskurven war das Verhältnis von "AUF"-zeit zu " ZU "-Zeit des elektromagnetischen Ventils AUF/ZU = 0,5 see/ 0,5 see und der Betrag der Verstellung zur fetten Seite war praktisch der gleiche wie der zu der mageren Seite.
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Aus Gründen des Vergleichs zwischen den Ergebnissen der Versuche 2 und 3 sind die ausgezogenen Linien in Fig. 8 so wie die ausgezogenen Linien in Fig. 9 dargestellt.
Verwendet man einen Dreiwegekatalysator ohne Sauer
stoffspeichermaterial bei dem Verfahren der intermittierenden Sekundärluftzufuhr, dann würde, wie aus den Ergebnissen des Versuchs 3 (die ausgezogenen Linien in Fig. 9) ersichtlich ist, kein Luft-Brennstoff-Verhältnis auftreten, bei dem die schädlichen Komponenten (CO, HC, NO) in den Abgasen gleichzeitig mit einer prozentualen Reinigung von über 80 % entfernt werden können. Ferner zeigt ein Vergleich zwischen den ausgezogenen und unterbrochenen Linien in Fig. 9, daß der das Sauerstoffspeichermaterial enthaltende Dreiwegekatalysator eine weitaus größere Reinigungswirksamkeit hat als der Dreiwegekatalysator, der kein Sauerstoff speichermaterial enthält.
In Versuch 2 (die ausgezogenen Linien in Fig. 8) betrug das Verhältnis von "AUF"-Zeit zu "zu "-Zeit des elektromagnetischen Ventils entsprechend der Zufuhrrate von Sekundärluft, bei der die Reinigung der schädlichen Komponenten in den Abgasen mit der größtmöglichen Wirksamkeit sichergestellt werden konnte, oder das Verhältnis am Kreuzungspunkt der Reinigungskurven (die ausgezogenen Linien in Fig. 8)AUF/ZU -Verhältnis - 0,45/0,55. Der folgende Versuch wurde durchgeführt, um die Ursache für dieses Ergebnis ersichtlich zu machen.
Versuch 4
Unter den gleichen Bedingungen wie bei den Versuchen 2 und 3 wurde das elektromagnetische Ventil 16 an- und ausgeschaltet und die Luft-Brennstoff-Verhältnisse auf den stromauf und stromab gelegenen Seiten des Dreiwegekatalysators 14 wurden von den Detektoren 18 und 19 gemessen, wenn das AUF/ZU -Verhältnis des elektromagnetischen Ventils 16 0,5/0,5
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bzw. 0,45/0,55 war. Das sich ergebende wellenförmige Ausgangssignal der Detektoren 18 und 19 1st jeweils In den Flg. 1OA und 1OB gezeigt.
In den Figuren ist auf der Abszisse die Zeit und
auf der Ordinate das Detektorausgangssignal (Spannung) aufgetragen. Die ausgezogene Linie a bezeichnet das wellenförmige Ausgangssignal des Detektors 18 am Einlaß (auf der stromauf gelegenen Seite) des Dreiwegekat^alysators, die unterbrochene Linie b bezeichnet das wellenförmige Ausgangssignal des Detektors 19 am Auslaß (auf der stromab gelegenen Seite) des Dreiwegekatalysators, der kein Sauerstoff speichermaterial enthält, und die Strichpunktlinie c bezeichnet das wellenförmige Ausgangssignal des Detektors 19 am Auslaß des Dreiwegekatalysators, der das Sauerstoffspeichermaterial (CeO2) enthält.
Wie aus den Fig. 10A und 1OB ersichtlich ist, ändert sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis am Einlaß des Dreiwege katalysators in Abhängigkeit von dem AUF-ZU (Zuführen- Nichtzufuhren) von Sekundärluft, und der Betrag der Verschiebung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zur fetten Seite (die durch den gestrichelten Abschnitt A in Fig. 1OA gekennzeichnete Fläche) wird gleich groß mit dem Betrag der Verschiebung zur mageren Seite (die durch den gestrichelten Abschnitt B in 1OA gekennzeichnete Fläche).
Das Luft-Brennstoff-Verhältnis am Auslaß des Dreiwegekatalysators, der kein Sauerstoffspeichermaterial ent- hält, ändert sich (wie durch die unterbrochene Linie b in der Figur gezeigt) praktisch in Abhängigkeit von der Änderung (die ausgezogene Linie a) des Luft-Brennstoff-Verhältnisses am Einlaß des Dreiwegekatalysators mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung.
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Das Luft-Brennstoff-Verhältnis am Auslaß des Dreiwegekatalysators, der Sauerstoffspeichermaterial enthält, ändert sich andererseits, wie durch die Strichpunktlinie c in der Figur angedeutet, wobei diese Änderung sich beträchtlich von der Änderung (die ausgezogene Linie a) des Luft-Brennstoff-Verhältnisses am Katalysatoreinlaß unterscheidet. Diese Änderung erfolgt wegen der Sauerstoffspeicher- und Abgabevorgänge des SauerstoffSpeichermaterials.
Eine weitere überprüfung der Änderung dieses Luft-Brennstoff-Verhältnisses (die strichpunktierte Linie c) zeigt, daß der Zeitintervall in Fig. 1OA von dem Moment an, an dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis am Einlaß des Dreiwegekatalysators sich von der fetten zur mageren Seite hin ändert (der Moment ,an dem das Detektorausgangssignal von dem hohen zu dem niedrigen Niveau mit 0,5 V als Schwellenwert wechselt), bis das Luft-Brennstoff-Verhältnis am Auslaß des Katalysators sich von der fetten zur mageren Seite hin ändert (nachfolgend als Fett-Mager-Umschaltrate bezeichnet) kürzer ist als das Zeitintervall von dem Moment an,an dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis am Einlaß des Dreiwegekatalysators von der mageren zur fetten Seite wechselt, bis das Luft-Brennstoff-Verhältnis am Auslaß des Katalysators von der mageren zur fetten Seite wechselt (nachfolgend als Mager-Fett - Umschaltrate bezeichnet).
Die Fett-Mager - Umschaltrate ist mit anderen Worten schneller als die Mager-Fett -Umschaltrate. Dies bedeutet, daß die Rate, mit der Sauerstoff in dem Sauerstoffspeichermaterial (CeO2) gespeichert wird, nicht die gleiche ist,
wie diejenige Rate, mit der das Material den gespeicherten Sauerstoff abgibt.
Aufgrund der Tatsache, daß die Speicher- und Abgaberate des Sauerstoffspeichermaterials nicht die gleiche ist, (die Speicherrate ist größer als die Abgaberate) und wenn
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das AUF-ZU -verhältnis des elektromagnetischen Ventils mit 0,5/0,5 ausgewählt wird, dann kann angenommen werden, daß die aus dem Sauerstoffspeichermaterial in Abhängigkeit von der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses abgegebene Sauerstoffnenge zur fetten Seite hin geringer ist als diejenige Menge, die von dem Sauerstoffspeichermaterial in Abhängigkeit zu der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zur mageren Seite hin gespeichert wird, womit die .Abgasatmosphäre in der NU he ' des Dreiwegekatalysators zur mageren Seite hin eingestellt wird. Wie aus der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses am Auslaß des Dreiwegekatalysators, der Sauerstoffspeichermaterial enthält, in Fig. 1OA ersichtlich, zeigt ferner die Tatsache, da G am Auslaß der Betrag der Verschiebung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zur fetten Seite hin (die durch die Strich- punktlinie c auf der fetten Seite bestimmte Fläche) kleiner ist als der Verschiebungsbetrag zur mageren Seite hin (die Fläche, die durch die Strichpunktlinie c auf der mageren Seite bestimmt ist), daß sogar bei einem dem Dreiwegekatalysator zugeführten, auf das stöchiometrische Ver- hältnis eingestellten durchschnittlichen Luft-Brennstoff-Verhältnis die Abgasatmosphäre in der Nähe des Dreiwegekatalysators durch die Wirkung des Sauerstoffspeichermaterials auf der mageren Seite eingestellt wird.
Bei einem Versuch, die Atmosphäre um den Dreiwegekatalysator herum auf das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis einzustellen, wurde somit das ÄUF-zu -Verhältnis des elektromagnetischen Ventils 16 auf 0,45/0,55 eingesteuert, wodurch die in Fig. 10B gezeigten Ergebnisse er- halten wurden. Dies führte dazu, daß am Auslaß des Dreiwegekatalysators der Betrag der Verschiebung zur fetten Seite hin (das Gebiet C) gleich groß mit dem Betrag der Verschiebung zur mageren Seite hin (das Gebiet D) gemacht wurde, wie dies durch die gestrichelten Abschnitte C und D in Fig. 1OB gekennzeichnet ist. Durch Einstellung des AUF-ZU-Verhältnisses des elektromagnetischen Ventils auf 0,45/0,55
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wurde es möglich, die Sauerstoffspeichermenge nahezu gleich groß der Abgabemenge zu machen und auf diese Weise die Atmosphäre um den Dreiwegekatalysator herum auf das stöchiometrische Verhältnis einzustellen.
Versuch 5
Unter Verwendung des bei dem vorbeschriebenen Versuch 4 erhaltenen AUF-ZU ^-Verhältnisses = 0,45/0,55 des elektromagnetischen Ventils wurde die Frequenz der AUF-ZU-Vorgänge des elektromagnetischen Ventils verändert und die erhaltene prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten gemessen. Mit anderen Worten, unter den gleichen Bedingungen wie bei Versuch 2 wurde das AUF-ZU-Verhältnis des elektromagnetischen Ventils 16 konstant bei 0,4 5/0,55 gehalten, die Frequenz der AUF-ZU -Vorgänge des elektromagnetischen Ventils 16 wurde jedoch von 0,5 bis 10 Hz verändert und die erhaltene prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten geroessen. Fig. 11 zeigt die Ergebnisse dieser Messungen.
Bei größer als 5 Hz werdender Frequenz verringert sich, wie aus Fig. 11 zu sehen, die prozentuale Reinigung von CO und HC und insbesondere die prozentuale Reinigung von CO. Um die prozentuale Reinigung der Komponenten (NO, CO, HC) bei 80 %oder darüber zu halten, muß die Frequenz in dem Bereich von 0,5 bis 5 Hz gewählt werden. Dies hängt natürlich von dem Gehalt an Sauerstoffspeichermaterial ab, wie dies aus dem folgenden Versuch 6 hervorgeht; daraus folgt, daß die Frequenz von 0,5 bis 5 Hz für diesen Fall angemessen ist (wo 20 g/l CeO- als Sauerstoffspeichermaterial verwendet wird).
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Versuch 6
Bei Versuch 5 war der Gehalt an Sauerstoffspeichermaterial (CeO2) 20 g/l, und es war natürlich anzunehmen / daß die Menge an gespeichertem Sauerstoff von der Größe des Gehaltes abhängt; ebenso muß sich die Summe der Sauerstoffspeicherzeit und der Abgabezeit unterscheiden. Dieser Versuch wurde deswegen auf die gleiche Art und Weise und unter gleichen Bedingungen wie bei Ver such 5 ausgeführt, jedoch wurde der Gehalt an Sauerstoff- speichermaterial (CeO2) von 5 g/l auf 30 g/l geändert. Die erhaltenen Ergebnisse wurden auf gleiche Weise wie bei Fig. 11 aufgezeichnet, und aus den sich ergebenden Diagrammen wurde Fig. 12 erhalten, die die Beziehung zwischen dem Gehalt an Sauerstoffspeichermaterial und dem Frequenzbereich zeigt, bei dem eine Reinigung der Abgaskomponenten mit mehr als 80 % sichergestellt ist.
Obwohl vom Wesen her qualitativ, bekräftigen die
Versuche 5 und 6, daß bei vergrößertem Gehalt an Sauerstoffspeichermaterial der Frequenzbereich der AUF-ZU-Vorgänge des elektromagnetischen Ventils, die eine hochprozentige (über 80 %) Reinigung der Abgaskomponenten sicherstellt, in der Richtung verschoben wird, in der die Frequenz kleiner wird.
Der folgende Versuch 7 wurde zur Untersuchung der Beziehung zwischen der Frequenz und dem Katalysatorbett durchgeführt. 30
Versuch 7
Unter Verwendung eines Dreiwegekatalysators mit einem Paar kreisförmiger monolithischer Katalysatorbetten, die jeweils in Reihe zueinander angeordnet und aus einem als
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Cojelite bekanntem Material hergestellt und mit bekannter Technik bedeckt waren und 0,75 g Pt-Rh und 5 g CeO2 (Pt-Rh = 1,5 g/l und CeO2 = 10 g/l) trugen, und unter Auswahl des AUF/ZU -Verhältnisses von 0,45/0,55, wurde die Schwingungsfrequenz bei 15 Hz gehalten und die sich ergebende prozentuale Reinigung der drei Komponenten gemessen. Gleichzeitig wurden in dem Versuch 6 die gleichen Tests mit dem 10 g/l CeO2 enthaltenden Dreiwegekatalysator durchgeführt und die sich ergebende prozentuale Reinigung gemessen. Folgende Werte wurden aus diesen Testergebnissen erhalten:
Katalysatorbett
typ		 Prozentuale Reinigung
der Abgaskomponenten
(%)
Monolithischer
Typ		 NO CO HC
Pellettyp 92,4 96,0 98,0
98,5 70,0 72,5
Bei Verwendung im Hochfrequenzbereich (z. B. über 10 Hz) ist aus diesen Ergebnissen ersichtlich, daß die prozentuale Reinigung von CO und HC zerstört wird und die Atmosphäre auf dem Katalysator im Falle des Katalysators vom Pellet-Typ zur fetten Seite hin abweicht. Das Katalysatorbett vom monolithischen Typ kann deswegen bei Verwendung im Hochfrequenzbereich wünschenswerter sein als das Katalysator bett vom Pellet-Typ.
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Versuch 8
Unter den gleichen Bedingungen wie bei Versuch 1 mit in der"AUF"-Stellung gehaltenem elektromagnetischen Ventil 16 wurde die zugeführte Menge an Sekundärluft auf einem konstanten Wert gehalten, so daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis abgasseitig bei 15 : 1 gehalten wurde. Bei konstanter Aufrechterhaltung der Menge an zugeführter Sekundärluft wurde durch wiederholtes An- und Ausschalten des elektromagnetischen Ventils 16 bei einer Frequenz von 1 Hz mit dem AUF/ZU -Verhältnis * 0,45/0,55 die Sekundärluft intermittierend zugeführt. Auf diese Weise wurde das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase im Bereich zwischen 13 : 1 und 16 : 1 verändert, und die sich ergebende prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten wurde gemessen. Auf gleiche
Weise wurde die Zufuhrmenge an Sekundärluft verändert, so
daß das abgasseitige Luft-Brennstoff-Verhältnis jeweils bei 15,5 : 1, 16,0 : 1, 16,5 :1, ...., 18,0 : 1 gehalten wurde; auf diese Weise wurde das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases entsprechend verändert und die sich ergebende pro zentuale Reinigung der Abgaskomponenten gemessen. Die er haltenen Ergebnisse sind in Fig. 13 gezeigt. Der wirksame. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich in der Figur ist der abgasseitige Luft-Brennstoff-Verhältnis-Bereich , bei dem die prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten NO « 80 % oder darüber und CO, HC ■ 90 % oder darüber betrug. In diesem Versuch entsprach dieser Bereich praktisch dem Bereich zwischen 16,0 : und 16,5:1.
Versuch 9
Bei Versuch 8 wurde da· ansaugseitige Luft-Brennstoff-Verhältnis bei 13:1 gehalten und der sich ergebende wirksame Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich gemessen. Bei diesem Versuch wurde das ansaugseitige Luft-Brennstoff-
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Verhältnis fortlaufend bei 13 : 1 bis 14 : 1 gehalten und die wirksamen Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereiche entsprechend den jeweiligen ansaugseitigen Luft-Brennstoff-Verhältnissen auf gleiche Weise wie bei Versuch 8 gemessen. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind durch den gestrichelten Abschnitt a in Fig. 14 gezeigt.
Versuch 10
Während bei Versuch 9 der wirksame Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich des das Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreiwegekatalysators gemessen wurde, wurden bei diesem Versuch gleiche Tests mit dem Dreiwegekatalysator durchgeführt, der kein Sauerstoffspeichermaterial enthielt,wo· bei das AUF/ZU-Verhältnis des elektromagnetischen Ventils bei 0,5/0,5 gehalten wurde; die Meßergebnisse sind durch einen gestrichelten Abschnitt b in Fig. 14 gezeigt.
Versuch 11
Während bei den Versuchen 9 und 10 die Messungen bei Halten der AUF/ZU -Frequenz des elektromagnetischen Ventils 16 bei 1 Hz durchgeführt wurden, wurde bei diesem Versuch die Frequenz bei 2 Hz gehalten und der sich ergebende wirksame Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich auf gleiche Weise wie bei den Versuchen 9 und 10 gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 15 gezeigt. Der gestrichelte Abschnitt a in der Figur kennzeichnet den wirksamen Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich des das Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreiwegekatalysators, und der gestrichelte Abschnitt b bezeichnet den wirksamen Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich des kein Sauerstoffmaterial enthaltenden Dreiwegekatalysators.
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Wie aus den Figuren 13 bis 15ersichtlich, existiert praktisch für den kein Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreiwegekatalysator kein wirksamer Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich. Bei dem das Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreiwegekatalysator existiert auf der anderen Seite ein befriedigender wirksamer Luft-Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich mit einem ansaugseitigen Luft-Brennstoff-Verhältnis in dem Bereich von 13:1 bis 14 : 1, mit dem Ergebnis, daß im Falle einer Montage der aktuellen Maschine auf ein Fahrzeug sogar bei ansaugseitigem Verändern des Luft-Brennstoff-Verhältnisses das erfindungsgemäße Dreiwegekatalysator-Arbeitsverfahren geeignet ist, den Dreiwegekatalysator mit hoher prozentualer Reinigung zu betreiben. Im folgenden wird dementsprechend eine Vorrichtung zur Durchführung des Dreiwegekatalysator-Arbeitsverfahrens gemäß der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Bei dem in den Fig. 16 bis 18 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Brennkraftmaschine 100 mit einem Abgaskrümmer 102 und einem Ansaugkrümmer 103 versehen, und stromauf des Ansaugkrümmers 103 ist eine Drosselklappe 104 angeordnet. Stromauf der Drosselklappe 104 ist ein Vergaser 105 und ein Venturi-Rohr 106 vorgesehen. Eine Abgasleitung 107 ist mit dem stromab gelegenen Ende des Abgaskrümmers 102 verbunden; in der Abgasleitung 107 ist ein Pt-Rh-Dreiwegekatalysator 108 angeordnet, der ein Sauerstoffspeichermaterial wie beispielsweise CeO2 enthält. Der Vergaser 105 ist so eingestellt, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Maschine 100 zugeführten Gemisches über den Bereich der Arbeitsbedingungen der Maschine 100 oder den Steuerbereich des Reinigungssystems konstant und kleiner (z. B. 13 : 1) als das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis gehalten wird.
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Eine Sekundärluftzufuhreinheit 110 hat eine Luftpumpe 111, eine Sekundärluftzufuhrleitung 112, ein Rückschlagventil 113 und eine Sekundärlufteinführdüse 114. Die Luftpumpe 111 ist über einen Riemen mit der Maschine 100 verbunden und wird von der Maschine angetrieben. Die Sekundärluftzufuhrleitung 112 ist mit ihrem einen Ende mit dem Auslaß der Luftpumpe 111 verbunden, und mit ihrem anderen Ende über das Rückschlagventil 113 mit der Einführdüse 114. Die Einführdüse 114 mündet unmittelbar vor dem Einlaß in den Dreiwegekatalysator 108 in die Abgasleitung 107. Die Sekundärluftzufuhrleitung 112 und die Einführdüse 114 bilden eine Luftleitung für die Luftzufuhr aus der Luftpumpe 111 in die Abgasleitung 107. Die Sekundärluftzufuhrleitung 112 ist mit einer Luftaustrittsleitung 115 versehen, so daß das Verhältnis der Leitungsfläche der Sekundärluftzufuhrleitung 112 zu der Fläche der Luftaustrittsleitung 115 von einem teller- bzw. rohrventilartigen Steuerventil 130 gesteuert wird, das von einer Betätigungseinrichtung 140 betätigt werden kann. Das Steuerventil ist stromauf vom Rückschlagventil 113 angeordnet.
Die Vorrichtung hat ferner einen Vergleicher 160 für die Erzeugung eines ersten Steuersignals in Beantwortung eines für die Ansaugluftmenge kennzeichnenden Signals und eines weiteren für die Sekundärluftmenge kennzeichnenden Signals, ein Umschaltventil 109 mit beispielsweise einem elektromagnetischen Dreiwegeventil für das Weiterleiten entweder des ersten Steuersignals oder eines zweiten Steuersignals, und eine elektrische Schaltung 170 für eine periodische Betätigung des Umschaltventils 109, wodurch die Betätigungseinrichtung 140 entweder von dem ersten Steuersignal oder dem zweiten Steuersignal betätigt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Druckunterschied an einer Drossel 150 (der Unterschied zwischen dem Druck vor und hinter der Drossel), die stromab der Austrittsleitung 115 in der Sekundärluftzufuhrleitung 112 ausgebildet ist, als
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die Sekundärluft kennzeichnendes Signal verwendet; der Druck vor und hinter der Drossel 150 wird jeweils durch eine erste und zweite Druckleitung 151 und 152 zu dem Vergleicher 160 geführt. Andererseits wird der im Venturi-Rohr 106 erzeugte Venturi-Unterdruck als für die Ansaug- luftmenge kennzeichnendes Signal verwendet; der Venturi-Unterdruck wird über eine dritte Druckleitung 153 zu dem Vergleicher 160 geführt. Der stromab der Drosselklappe 104 erzeugte Ansaugunterdruok wird als Druckquelle für das erste Steuersignal verwendet, und der Unterdruck über eine vierte Druckleitung 154 dem Vergleicher 160 zugeführt, der seinerseits den Betrag des Ansaugunterdruckes steuert und diesen als erstes Steuersignal über eine fünfte Druckleitung 155 dem Umschaltventil 109 zuleitet. Der Ansaug- unterdruck selbst wird ferner als zweites Steuersignal verwendet und über eine sechste Druckleitung 156, die von der vierten Druckleitung 154 abzweigt, dem Umschaltventil 109 zugeführt. In Beantwortung des Steuersignals der elektrischen Schaltung 170 läßt das Umschaltventil 109 wahlweise das erste und zweite Steuersignal hindurch, und das eine oder das andere Steuersignal wird über eine siebte Druckleitung 157 der Betätigungseinrichtung 140 zugeleitet.
Die Betätigungseinrichtung 140 hat zwei Druck
kammern 144 und 145, die von einem Gehäuse 141 und einem darin angeordneten Diaphragma 142 begrenzt werden. Das von dem Umschaltventil 109 ausgewählte erste oder zweite Steuersignal wird über die siebte Druckleitung 157 der ersten Druckkammer 144 in der Figur links zugeführt und die Luft über einen Atmosphärenlufteinlai 147 in die zweite Druckkammer 145 eingeleitet.Eine Stange 148 ist mit einem Ende mit dem Diaphragma 142 und mit dem anderen Ende mit dem Steuerventil 130 verbunden. In der ersten Druckkammer 144 ist eine Feder 143 so angeordnet, daß das Diaphragma 142 in der Figur nach rechts gedrückt wird. Die Druckkraft
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der Feder 143 ist so ausgelegt, daß bei Einleitung des zweiten Steuersignals in die erste Druckkammer 144 die Austrittsleitung 115 auch dann vollständig geöffnet ist, wenn das zweite Steuersignal ein geringer Unterdruck ist, der bei Vollast erzeugt wird.
Führt man bei wie vorbeschrieben aufgebauter Betätigungseinrichtung 140 und Steuerventil 130 den Unterdruck des ersten Steuersignals in die erste Druckkammer 144 ein, wirkt eine Kraft auf das Diaphragma 142, die das Diaphragma in der Figur nach links zieht; ferner übt die Feder 143 eine entgegengesetzte Kraft auf das Diaphragma 142 aus, so daß damit der Betrag der Anhebung des Steuerventils 130 in Übereinstimmung mit dem Gleichgewicht der zwei Kräfte bestimmt ist. Bei Einführung des zweiten Steuersignals in die erste Druckkammer 144 wie vorbeschrieben, wird die Luftaustrittsleitung 115 vollständig geöffnet, so daß keine Sekundärluft in die Abgasleitung 107 eingeführt wird, da die Einführdüse 114 in die übliche Uberdrucklage geöffnet ist. Führt man andererseits das erste Steuersignal in die erste Druckkammer 144 ein und ist die Zugkraft des ersten Steuersignals größer als die Gegenkraft der Feder 143, wird die Fläche der Austrittsleitung 115 vergrößert und der Sekundärluftstrom verhindert; ist dagegen die Druckkraft der Feder 143 größer als die Zugkraft, wird die Fläche der Austrittsleitung 115 durch das Steuerventil 130 verkleinert und der Sekundärluftstrom erleichtert.
Der Aufbau und die Arbeitsweise des bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Vergleichers 1 60 wird nachstehend anhand Fig. 17 beschrieben. Von einem Gehäuse 161 werden fünf Druckkammern 166, 167, 168, 169 und 170 begrenzt; in dem Gehäuse 161 sind vier Diaphragmen 162, 163, 164 und 165 angeordnet. Der Venturi-Unterdruck wird über
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eine erste Leitung 171 und die in Fig. 16 gezeigte dritte Druckleitung 153 in die von dem Gehäuse 161 und dem ersten Diaphragma 162 begrenzte erste Druckkammer 166 eingeleitet. Der Atmosphärendruck wird über einen ersten Atmosphärenlufteinlaß 172 in die von dem Gehäuse 161 und dem ersten und zweiten Diaphragma 162 und 163 begrenzte zweite Druckkammer 167 eingeleitet. Der unmittelbar hinter der Drossel 150 entstehende Druck wird über eine zweite Leitung 173 und die in Fig. 16 gezeigte zweite Druckleitung 152 in die von dem Gehäuse 161 und dem zweiten und dritten Diaphragma 163 und 164 begrenzte dritte Druckkammer 168 eingeführt. Der Druck unmittelbar vor der Drossel 150 wird über eine dritte Leitung 174 und die in Fig. 16 gezeigte erste Druckleitung 151 in die von dem Gehäuse 161 und den dritten und vierten Diaphragma 164 und 165 begrenzte vierte Druckkammer 169 eingeleitet. Der in die vierte Druckkammer 169 eingeleitete Druck ist in diesem Fall infolge der Wirkung der Drossel 150 größer als der in die dritte Druckkammer 168 eingeleitete Druck. Diese Drücke sind alle positiv bzw. Überdrücke. Der Atmosphärendruck wird über einen zweiten AtmosphärenlufteinlaB 175 in die von dem Gehäuse 161 und dem vierten Diaphragma 165 begrenzte fünfte Druckkammer 170 eingeleitet. Die vier Diaphragmen 162, 163, 164 und 165 sind miteinander über eine Stange 176 verbun den. An einem Ende der Stange 176 ist ein Ventilsitzteil 177 angebracht, das eine Verbiiidungsöffnung 179 öffnet und schließt, die die fünfte Druckkammer 170 mit einer vierten Leitung 178 verbindet. Ein Ende der vierten Leitung 178 ist mit der in Fig. 16 gezeigten vierten Leitung verbunden und leitet in diese den Ansaugunterdruck stromab der Drosselklappe 104 ein. Das andere Ende der vierten Leitung 178 ist mit der in Fig. 16 gezeigten fünften Druckleitung 155 verbunden und führt dieser das von dem Vergleicher 160 gesteuerte erste Steuersignal zu.
Mit einer ersten und zweiten Feder 180 und 181 ist die Stellung des Ventilsitzteiles 177 bestimmbar. Das dritte
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Diaphragma 164 hat eine kleinere Druckaufnahmefläche als diejenigen der anderen Diaphragmen 162, 163 und 165.
Mit dem vorbeschriebenen Vergleicher 160 wird das erste Diaphragma 162 durch den in die erste Druckkammer eingeleiteten Venturi-Unterdruck nach oben gezogen. Durch den in die dritte Druckkammer 168 eingeleiteten Druck (überdruck) wird andererseits das zweite Diaphragma 163 in der Figur nach oben gedruckt und durch den in die vierte Druckkammer 169 eingeleiteten Druck (überdruck) wird das vierte Diagramm 165 in der Figur nach unten gedrückt. In Beantwortung des Druckunterschiedes zwischen der dritten und vierten Druckkammer 168 und 169 wird das dritte Diaphragma 164 durch eine geringfügige Kraft in der Figur
'-* nach oben gedrückt. Bei Betrachtung der auf das zweite, dritte und vierte Diaphragma 163, 164 und 165 insgesamt wirkenden Kräfte ist die in der Figur nach unten wirkende Druckkraft infolge des Druckunterschiedes zwischen der dritten und vierten Druckkammer 168 und 169 größer. Diese sich ergebende Kraft ist nachstehend als resultierende Kraft W bezeichnet. Die Stange 176 und das Ventilsitzteil 177 werden in Abhängigkeit von dem Druck zwischen der resultierenden Kraft W und der nach oben ziehenden Kraft aufgrund des Venturi-Unterdruckes bewegt. Unter der Annahme
" einer Ausbalancierung der zwei Kräfte unter den geschilderten Umständen und bei Vergrößerung der Ansaugluftmenge mit dem daraus sich ergebenden erhöhten Venturi-Unterdruck, der der ersten Druckkammer 166 zugeführt wird, werden die Stange 176 und das Ventilsitzteil 177 in der Figur nach oben bewegt, so daß die durch die Verbindungsöffnung 179 in die vierte Leitung 178 fließende Atmosphärenluft vermehrt und der Betrag des durch die vierte Leitung 178 geführten Unterdruckes des ersten Steuersignals verringert. Verkleinert man im Gegensatz dazu den Venturi-Unterdruck, bewegt sich das Ventilsitzteil 177 in der Figur nach unten.
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so daß die in die vierte Leitung 178 fließende Atmosphärenluft verringert oder vollständig abgeschlossen wird, wobei der Betrag des durch die vierte Leitung 178 geführten Unterdruckes des ersten Steuersignals im Vergleich mit dem unmittelbar zuvor bestehenden erhöht ist. Wird andererseits die Sekundärluftmenge erhöht, wodurch der in die dritte und vierte Druckkammer 168 und eingeführte Druckunterschied vor und hinter der Drossel 150 außerordentlich groß wird, werden die Stange 176 und das Ventilsitzteil 177 in der Figur nach unten bewegt, so daß die durch die vierte Leitung 178 fließende Atmosphärenluft verringert oder vollständig abgeschlossen und der Betrag des durch die vierte Leitung 178 geführten Unterdruckes des ersten Steuersignals im Vergleich mit dem unmittelbar zuvor bestehenden erhöht wird. Wenn im Gegensatz dazu der Unterschied zwischen dem in die dritte und vierte Druckkammer 168 und 169 eingeleiteten Druck vor und hinter der Drossel 150 äußerst klein wird, dann wird das Ventilsitzteil 177 in der Figur nach oben bewegt, so daß die Menge der in die vierte Leitung 178 fließenden Atmosphärenluft erhöht wird und der Betrag des durch die vierte Leitung 178 geführten Unterdruckes des ersten Steuersignals verkleinert wird.
Bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion wird
die von der Maschine 100 in einer von der öffnung der Drosselklappe 104 bestimmten Menge angesaugte Luft mit dem Brennstoff in dem Vergaser 105 vermischt, das Gemisch wird in die Maschine 100 eingefüllt und verbrannt und die Abgase werden über den Abgaskrümmer 102 und die Abgasleitung dem Dreiwegekatalysator 108 zugeführt.
In diesem Fall wird, wie aus Fig. 19 ersichtlich, am Venturi-Rohr 106 des Vergasers 105 ein Venturi-Unterdruck erzeugt, der in Bezug steht zu der Menge der von der
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Maschine 100 angesaugten Luft (Q = ciAi VΛΡ1; Q - Ansaugluftmenge, A = Querschnittsfläche des Venturi-Rohrs 106, AP = absoluter Betrag des Venturi-Unterdruckes, C1 == Austragungskoeffizient) .
Bei Einleitung des ersten Steuersignals in die erste
Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 wird andererseits Sekundärluft unter Druck von der Luftpumpe 111 der Sekundärluftzufuhreinheit 110 zugeführt" die von der Maschine 100 angetrieben wird- so daß das Rückschlagventil 113 durch diese Sekundärluft über die Zufuhrleitung 112 geöffnet und die Sekundärluft der Einführdüse 114 zugeführt wird, die ihrerseits die Luft in die Abgasleitung 107 der Maschine 100 einleitet.
In diesem Fall hat die Druckdifferenz an der Drossel
150 in der Zufuhrleitung 112 einen auf die zugeführte Menge an Sekundärluft bezogenen Wert (q = C^A-XäTF7; q - Menge der zugeführten Sekundärluft, A2 = Querschnittsfläche der Drossel 150, 4P1 = Betrag der Druckdifferenz an der Drossel 150, C2 = Austragungskoeffizient).
Der Betrag des Ansaugunterdruckes wird von dem Vergleicher 160 gesteuert, der den Venturi-Unterdruck der Maschine 100 mit dem Betrag des Druckunterschiedes an der Drossel 150 vergleicht, so daß das Sekundärluft-Steuerventil 130 entsprechend dem Druckwert des auf diese Weise gesteuerten ersten Steuersignals von der Betätigungseinrichtung 140 betätigt wird, um die Fläche der Austrittsleitung 115 in der Sekundärluftzufuhrleitung 112 zu steuern, so daß die Druckdifferenz an der Drossel 150 proportional zu dem absoluten Betrag des Venturi-Unterdruckes wird. Wenn mit anderen Worten der Leitungsquerschnitt so gesteuert wird, daß £P = K1AP1 (wobei K1 ein Proportionalitätsfaktor ist), dann wird Q = qK2 erhalten (wobei K2 ein Proportionalitätsfaktor ist), so daß die Sekundärluftmenge
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proportional der Ansaugluftmenge wird.
Als nächstes wird die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispieles beschrieben. Die Arbeitsweise bezieht sich auf den Fall, bei dem das erste Steuersignal der ersten Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 zugeleitet wird. Es wird angenommen, daß unter den in Fig. 16 gezeigten Bedingungen das die Ansaugluftmenge darstellende Signal proportional ist dem die Sekundärluftmenge darstellenden Signal.
Bei Vergrößerung der Ansaugluftmenge, so daß der Venturi-Unterdruck erhöht ist, wird unter diesen Bedingungen der Betrag des Unterdruckes des in die erste Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 geleiteten ersten Steuersignals verringert und das Sekundärluft-Steuerventil 130 in Schließrichtung bewegt, wodurch die Fläche der Austrittsleitung 115 verkleinert und damit die Menge der Sekundärluft erhöht, die über die Sekundärluftzufuhrleitung 112, das Rückschlagventil 113 und die Einführdüse 114 in die Abgasleitung 107 strömt. Wenn im Gegensatz dazu die Menge an Ansaugluft verringert wird, so daß der Venturi-Unterdruck ebenfalls verringert wird, wird in Abhängigkeit von der zuvor beschriebenen Betätigung des Vergleichers 160 der Betrag des Unterdruckes des der ersten Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 zugeführten ersten Steuer signals erhöht und folglich das Sekundärluft-Steuerventil 130 in eine Offenstellung bewegt, so daß die in die Abgasleitung 107 einströmende Sekundärluftmenge verringert wird. Erhöht man andererseits die Sekundärluftmenge, so daß die Druckdifferenz an der Drossel 150 außerordentlich groß wird, wird infolge der zuvor beschriebenen Betätigung des Vergleichers 160 der Unterdruckbetrag des der ersten Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 zugeführten ersten Steuersignals erhöht und das Sekundärluft-Steuerventil 130 in üffnungsrichtung bewegt, so daß die Fläche der Austritts-
leitung 115 vergrößert und damit die in die Abgasleitung
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einströmende Sekundärluftmenge verringert wird. Verringert man im Gegensatz dazu die Sekundärluftmenge, so daß der Betrag des Druckunterschiedes an der Drossel 150 außerordentlich klein wird, wird der Betrag des Unterdruckes des der ersten Druckkammer 144 zugeführten ersten Steuersignals verringert und das Sekundärluft-Steuerventil 130 in Schließrichtung bewegt, so daß die in die Abgasleitung 107 einströmende Sekundärluftmenge erhöht wird.
Steuert man auf diese Weise das Sekundärluft-Steuerventil 130 so, daß das die Sekundärluftmenge kennzeichnende Signal proportional dem die Ansaugluftmenge kennzeichnenden Signal wird, dann ist es möglich, während der Zeitperiode, während der das erste Steuersignal in die erste Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 eingeleitet wird, die Sekundärluftmenge proportional der Ansaugluftmenge zu machen.
Als nächstes wird die in Fig. 18 gezeigte elektrische Schaltung 170 beschrieben. Die elektrische Schaltung 170 hat einen Schwingkreis mit Invertern 170a und 170b, Widerständen 17Oe und 17Of und einemKondensator 170g, einen Frequenzteiler mit einem binären Zähler 17Od und einem Inverter 170c, und einen Arbeitsstromkreis mit Widerständen 170h, 17Oi und 17Oj, Transistoren 170k und 1702 und einer Diode 170m. Das Umschaltventil 109 hat eine Spule 109a; ferner ist ein schlüsselbetätigter Schalter 171 und eine Batterie 172 vorgesehen. Bei dem beschriebenen Aufbau werden die Ausgangssignale des Schwingkreises in dem Frequenzteiler. einer Frequenzteilung unterworfen,der seinerseits Signale einer festgelegten, von dem System geforderten Frequenz erzeugt . Die sich ergebenden geteilten Signale werden über den Inverter 170c dem .Arbeitsstrortureis zugeführt,so daß der zu der Spule 109a fließende Strom mit der festgelegten Frequenz ein-und ausgeschaltetwird und das Umschaltventil 109 mit der festgelegten Frequenz betätigt wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das AUF/ZU-Verhältnis des Umschaltventils 109 mit 1 : 1 vorgegeben.
Als nächstes wird die Arbeitsweise des gesamten
Systems beschrieben. Die elektrische Schaltung 170 betätigt bei der festgelegten Frequenz das Umschaltventil 109, so daß das Umschaltventil 109 abwechselnd die fünfte Druckleitung 15.5 mit der siebten Druckleitung 157 und die sechste Druckleitung 156 mit der siebten Druckleitung 157 verbindet; das erste und zweite Steuersignal wird folglich abwechselnd zu der ersten Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 geleitet.
Wenn das zweite Steuersignal in die erste Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 geleitet wird, öffnet das Sekundärluft-Steuerventil 130 vollständig die Austrittsleitung 115 und die Einführdüse 114 führt keine Sekundärluft mehr in die Abgasleitung 107 ein. Die in den Dreiwegekatalysator 108 strömenden Abgase werden also durch das Verbrennen des von dem Vergaser 105 vorgebenen Gemisches mit kleinem Luft-Brennstoff-Verhältnis erzeugt, und das sich ergebende Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases ist kleiner als das stöchiometrische Verhältnis.
Wenn das erste Steuersignal in die erste Druckkammer
144 der Betätigungseinrichtung 140 eingeleitet wird, steuert das Sekundärluft-Steuerventil 130 die Austrittsleitung so, daß die Sekundärluft in einer zur Ansaugluftmenge proportionalen Menge zugeführt wird. Diese zur Ansaugluftmenge proportionale Sekundärluftmenge ist auf eine Weise vorgegeben, daß das durchschnittliche Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases der durch Zufuhr von Sekundärluft erzeugten Abgase und der ohne Zufuhr von Sekundärluft erzeugten Abgase in den gestrichelten Bereich in Fig. 1 fällt.
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Es ist somit ersichtlich, daß bei intermittierender Zufuhr einer der Ansaugluftmenge proportionalen Luftmenge inform von Sekundärluft in die Abgasleitung stromauf des Dreiwegekatalysators, auch wenn die Ansaugluftmenge in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen der Maschine verändert wird, das dem Dreiwegekatalysator zugeführte Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase beständig bzw. stetig abwechselnd zur fetten und mageren Seite veränderbar ist.
Als nächstes wird das in Fig. 20 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zur Ansaugluftmenge proportionale Sekundärluft intermittierend zugeführt und Zusatzluft ständig in einer zur Ansaugluftmenge proportionalen Menge in die Abgasleitung stromauf des Dreiwegekatalysators eingeleitet. In der Figur sind die Bauteile, die die gleichen Bezugszeichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel haben, die gleichen oder äquivalente Bauteile wie die entsprechenden Gegenstücke des ersten Ausführungsbeispiels. Das zweite Ausführungsbeispiel wird demgemäß mit Schwerpunkt auf die Unterschiede zwischen dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.
In Fig. 20 ist eine Zufuhrleitung 222 mit einer Luftpumpe 111 verbunden, wobei die von der Luftpumpe 111 bereitgestellte und durch eine in der Leitung 222 ausgebildete Drossel 150 hindurchgeführte Luftmenge durch eine Betätigungseinrichtung 140 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel pro* portional der Ansaugluftmenge gemacht wird. Die Leitung 222 ist über die Betätigungseinrichtung 140 mit einer Uberdruckleitung 223 mit dem Einlaß der Luftpumpe 111 verbunden. Die Leitung 222 ist ferner mit einer ersten und zweiten Sekundärluftzufuhrleitung 222A und 222B, die in eine Abgasleitung 107 stromauf eines Dreiwegekatalysators 108 münden, und mit einer Überbrückungsleitung 224 verbunden, die stromab des Dreiwegekatalysators 108 in die Abgasleitung 107 mündet; die erste
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Zufuhrleitung 222A und die Überbrückungsleitung 224 werden alternativ durch ein Umschaltventil 230 mit der Leitung 222 verbunden. Die Leitungen 222A und 222B und die Leitung 224 sind jeweils mit Drosseln 225A, 225B und 225C für eine Ein stellung der Durchflußrate ausgebildet, wobei diese Drosseln in diesem Ausführungsbeispiel so vorgewählt sind, daß die Drosseln 225A und 225C einander gleich sind und die Durchflußrate der Drossel 225Ά ungefähr das Vierfache der Durchflußrate der Drossel 225B beträgt. Auf diese Weise wird ständig eine der Ansaugluftmenge proportionale Sekundärluftmenge durch die zweite Sekundärluftzufuhrleitung 222B in die Abgasleitung 107 stromauf des Dreiwegekatalysators 108 eingeführt und somit das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases im Vergleich mit dem ansaugseitigen Luft-Brennstoff- Verhältnis leicht auf der mageren Seite eingestellt. Andererseits wird eine der Ansaugluftmenge proportionale Sekundärluftmenge intermittierend aus der ersten Sekundärluftzufuhrleitung 222A durch das Umschaltventil 230 zugeführt und dementsprechend das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases ab- wechselnd zur fetten und mageren Seite hin verändert, wobei das stöchiometrische Verhältnis einen Schwellenwert bildet. In dem Ausführungsbeispiel ist das ansaugseitige Luft-Brennstoff-Verhältnis (das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches) mit 13 : 1 angesetzt, während die aus der zweiten Sekundär luftzufuhrleitung 222B zugeführte Sekundärluftmenge mit 0,5/ 13 der Ansaugluftmenge und die aus der ersten Sekundärluftzufuhrleitung 222A zugeführte Sekundärluftmenge mit 2/13,0 der Ansaugluftmenge gewählt ist. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases ist folglich durch die aus der zweiten Zu- fuhrleitung 222B zugeführte Sekundärluft auf 13,5 : 1 eingestellt, und das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases wird durch die intermittierend aus der ersten Zufuhrleitung 222A zugeführte Sekundärluft zwischen 13,5 : 1 und 15,5 : 1 abwechselnd verändert. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Ab- gases wird mit anderen Worten abwechselnd mit gleichen Intervallen zur fetten Seite (13,5 : 1) und zur mageren Seite
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(15,5) verändert, wobei das stöchiometrische Verhältnis (14,5 : 1) einen Schwellenwert darstellt.
Das Umschaltventil 230 hat zwei Druckkammern 233 und 234, die von einem Diaphragma 232 begrenzt sind, und eine an dem Diaphragma 232 befestigte Stange 237, die in einem Gehäuse 231 hin- und herbewegbar ist. Die Zufuhrleitung 222, die erste Sekundärluftzufuhrleitung 222A und die Überbrückungsleitung 224 münden in eine Kammer des Gehäuses 231, wobei die Zufuhrleitung 222A und die Überbrückungsleitung 224 durch ein Ventil 238 geöffnet und geschlossen werden. Das Ventil 238 ist am Vorderende der Stange 237 angebracht, wobei die oberen und unteren konischen Flächen Öffnungen (Ventilsitze) der Leitungen 222A und gegenüberstehen, die in die Kammer 239 des Gehäuses 231 münden. Druckkammern 233 und 234 des Umschaltventils sind jeweils mit elektromagnetischen Dreiwegeventilen und 236 verbunden, so daß über die Dreiwegeventile 23b und 236 Atmosphärendruck in die eine Kammer und Ansaugkrümmerunterdruck in die andere Kammer eingeleitet wird, wobei die Ventile 235 und 236 für ein Wechseln bzw. Umschalten der Druckkammern betätigt werden, in die Atmosphärenluft und der Ansaugkrümmerunterdruck eingeleitet werden. Die elektromagnetischen Dreiwegeventile 23 5 und 236 werden von einer elektrischen Schaltung 170 betrieben, die die gleiche wie ihr Gegenstück in dem ersten Ausführungsbeispiel sein kann.
Mit dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel kann ständig eine feste Sekundärluftmenge stromauf des Dreiwegekatalysators in die Abgasleitung eingeführt und auch intermittierende Sekundärluft stromauf des Dreiwegekatalysators in die Abgasleitung eingeleitet werden, womit der Luft-Brennstoff-Fensterbereich vergrößert und insbesondere die prozentuale Reinigung von CO und HC mittels der zu jeder Zeit
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zugeführten festen Menge an Sekundärluft vergrößert werden.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel nimnt die aus der ersten Sekundärluftzufuhrleitung in die Abgasleitung 107 zugeführte Sekundärluft eine rechtwinklige Wellenform ein; es ist aber auch möglich, daß die intermittierend zugeführte Sekundärluft für die Erzielung der gleichen funktionalen Wirkungen Sägezahnform hat. Das Verfahren der intermittierenden Zufuhr von Sekundärluft wird somit anhand der in Fig. 20 gezeigten Vorrichtung beschrieben. Durch Anordnung von Drosseln 240 und 241 in den jeweils die elektromagnetischen Dreiwegeventile 235 und 236 mit den Druckkammern 233 und 234 des Umschaltventils 230 verbindenden Leitungen ist es möglich, den Druck in den Druckkammern 233 und 234 all mählich und nicht rapide veränderbar zu machen, so daß da mit die Sekundärluft mit Sägezahnwellenform zugeführt wird.
Nachstehend wird das in Fig. 21 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel beschrieben. Eine in diesem Ausführungs beispiel verwendete Brennkraftmaschine 100 ist eine Vier takter-, Vierzylindermaschine, deren Zylinder mit C1 bis C. bezeichnet sind, wie dies in der Figur unten gezeigt ist, wobei der erste Zylinder C1, der zweite Zylinder C2, der dritte Zylinder C3 und der vierte Zylinder C4 bezeichnet ist; die Zündfolge ist dann 1 - 3 - 4 - 2. Es ist ein zweiteiliger Abgaskrümmer 1 und 2 vorgesehen, dessen erster Krümmerteil 102a mit dem ersten und vierten Zylinder C. und C4 verbunden ist, deren ZUndseiten um 360° gegeneinander verschoben sind, und dessen zweiter Krümmerteil 102b mit dem zweiten und dritten Zylinder C- und C3 verbunden ist, deren ZUndseiten auf gleiche Weise um 360° gegeneinander verschoben sind. Der zweiteilige Abgaskrümmer 102 ist mit einer zweiteiligen Abgasleitung 107 verbunden, die eine erste mit dem ersten Abgaskrümmerteil 102a verbundene Ab gasleitung 107a und eine zweite mit dem zweiten Abgas-
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krümmerteil 102b verbundene Abgasleitung 107 b hat. Stromab der Verbindungsstelle der ersten und zweiten Abgasleitung 107a und 1o7b ist ein Dreiwegekatalysator 108 angeordnet. 5
Auf gleiche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Vergaser 105 so angeordnet, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Maschine 100 zugeführten Gemisches über den gesamten Bereich der Arbeitsbedingungen der Maschine 100 oder den Steuerbereich des Reinigungssystems konstant und kleiner als das stöchiometrische Verhältnis gehalten wird.
Bei einer Sekundärluftzufuhreinheit 110 mündet eine
Einführdüse 114 nur auf der Seite des vierten Zylinders C^ des ersten Abgaskrümmerteils 102a und folglich wird während des Ansaug- und Arbeitstaktes des vierten Zylinders C4 Sekundärluft aus der Einführdüse 114, wie nachstehend ausführlicher beschrieben, eingeführt. Ferner sind eine Be- tätigungseinrichtung 140 und ein Vergleicher 160 identisch mit ihren Gegenstücken bei dem ersten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel wird ständig ein erstes Steuersignal mit einem von dem Vergleicher 160 gesteuerten Druckbetrag durch eine fünfte Druckleitung 155 in eine erste Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 eingeleitet, wobei die Fläche der Austrittsleitung 115 von einem Sekundärluft-Steuerventil 130 gesteuert wird, so daß damit die durch die vorbeschriebene Sekundärlufteinführung zugeführte Sekundärluftmenge proportional der Ansaugluft menge ist. Diese zu der Ansaugluftmenge proportionale Sekundärluftmenge wird so voreingestellt, daß das durchschnittliche Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases der mit Sekundärluftzufuhr und der ohne Sekundärluftzufuhr erzeugten Abgase in die gestrichelte Fläche von Fig. 1 fällt.
Demzufolge ist bei Zufuhr von Sekundärluft das sich er-
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gebende Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases größer als das stöchiometrische Verhältnis.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung im dritten Ausführungsbeispiel mit dem vorbeschriebenen Aufbau ist wie folgt. Die Vorrichtung benützt das Pulsieren des Gegendruckes der Maschine 100; da das erste Abgaskriimmerteil 102a, in das die Einführdüse 114 mündet, mit dem ersten und vierten Zylinder C. und C4 verbunden ist, deren Zünd zeiten um 360° gegeneinander verschoben sind, und weil der vierte Zylinder C4 einen Verdichtungstakt hat, wenn der erste Zylinder C1 einen Ausstoßtakt hat, wird der Gegendruck in dem ersten Abgaskrümmerteil 102a während des Ansaug- und Arbeitstaktes des vierten Zylinders C4 kleiner und folglich Sekundärluft jeweils während des Ansaug- und Arbeitstaktes aus der Einführdüse 114 in den ersten Abgaskrümmerteil 102a auf der Seite des vierten Zylinders C4 eingeführt. Die Abgase aus dem vierten Zylinder C4 werden durch die eingeführte Sekundärluft verdünnt, und die der maßen verdünnten Abgase (λ> 1) mit den Abgasen (X < 1) aus dem ersten Zylinder C. vereint und dann in die erste Abgasleitung 107a der geteilten Abgasleitung 107 eingeführt. Die durchgeführten Versuche zeigten, daß sich die Größe des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Abgases bezüglich des stöchiometrischen Verhältnisses am Einlaß der ersten Abgasleitung 107a wie in Fig. 22a verändert; es nimmt eine schwingungsartige Form mit einer Periode an, die einem Zyklus (Ansaugen - Verdichten - Arbeiten - Ausstoßen) der Maschine 100 entspricht. Die Abgase mit dem sich schwingungs artig verändernden Luft-Brennstoff-Verhältnis werden beim Durchströmen der ersten Abgasleitung 107a grob durchmischt und das sich ergebende durchschnittliche Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases ist größer als das stöchiometrische Verhältnis ( λ = 1). Dies resultiert aus der Tatsache, daß wie vorstehend erwähnt die Zufuhr von Sekundärluft so einge-
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stellt ist, daß das durchschnittliche Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases am Einlaß des Dreiwegekatalysators 108 sich dem stöchiometrischen Verhältnis annähert. Die erste Abgasleitung 107a, durch die die Abgase mit dem relativ großen durchschnittlichen Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases strömen, und die zweite Abgasleitung 107b, durch die die Abgase mit dem relativ kleinen durchschnittlichen Abgas-Luft-Brennstoff-Verhältnis strömen, treffen einander an einer Stelle vor dem Einlaß des Dreiwegekatalysators 108. Die durchgeführten Versuche zeigten ferner, daß die Größe des Luft-Brennstoff-Verhältnisses der in den Dreiwegekatalysator 108 strömenden Abgase bezüglich des stöchiometrischen Verhältnisses wie in Fig. 22b gezeigt variiert, wobei die Änderung eine schwingungsartige Form mit einer Periode hat, die einem halben Zyklus der Maschine 100 entspricht.
In dem dritten Ausführungsbeispiel wird Sekundärluft nur auf der Seite des vierten Zylinders C4 in das erste Abgaskrümmerteil 102a eingeführt; dies ist nicht unbedingt notwendig, es ist vielmehr möglich, das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase am Einlaß des Dreiwegekatalysators 108 schwingungsförmig mit einer Periode zu ändern, die einem halben Zyklus der Maschine 100 entspricht, wie im Falle des dritten Ausführungsbeispieles, indem Sekundärluft in irgendeinen der vier Zylinder oder in die zwei Zylinder eingeführt wird, die mit dem einen oder dem anderen Abgaskrümmerteil 102a oder 102b verbunden sind.
Bei Verwendung eines geteilten Abgaskrümmers mit zwei Abgaskrümmerteilen, die jeweils mit einem Zylinderpaar verbunden sind, deren Zündzeiten um 180° gegeneinander verschoben sind, kann Sekundärluft ferner nur in einen der vier Zylinder oder in die zwei Zylinder eingeführt werden, die mit dem einen oder dem anderen Abgaskrümmerteil ver-
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bunden sind, so daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase am Einlaß des Dreiwegekatalysators 108 schwingungsartig mit einer Periode variiert , die einem Zyklus der Maschine 100 entspricht; hierdurch sind die gleichen Aus-Wirkungen wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel erzielbar.
Als nächstes wir das in Fig. 23 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel beschriebenϊ Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem dritten dadurch, daß die Luft pumpe 111 durch ein in die Luftleitung eingesetztes Klappen oder Zungenventil 116 ersetzt ist, daß die Austrittsleitung 115 mit einer Faltenmanschette 149 geschlossen ist und daß ein Sekundärluft-Steuerventil 330 vom Drosselklappentyp in der Luftleitung angeordnet ist. Bei diesem Aufbau öffnet das Zungenventil 116 mit einer relativ dünnen Metallzunge und ermöglicht das Strömen von Sekundärluft nur dann, wenn in dem ersten Abgaskrümmerteil 102a ein Unterdruck herrscht; das Sekundärluft-Steuerventil 330 wird durch den Vergleicher 160 und die Betätigungseinrichtung 140 gesteuert, um die
Fläche der Luftleitung zu verändern und auf diese Weise
die Sekundärluftmenge proportional der Ansaugluftmenge zu machen. Da nur dann Sekundärluft zugeführt wird, wenn in dem ersten Abgaskrümmerteil 102a Unterdruck herrscht, verändert sich bei diesem Ausführungsbeispiel das Luft-Brenn- stoff-Verhältnis der Abgase schwingungsartig und die Frequenz ist die gleiche wie im Falle des dritten AusfUhrungsbeispiels, so daß damit die gleichen Auswirkungen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sichergestellt sind.
Mit den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen
wird infolge der Tatsache, daß bei Zufuhr von Sekundärluft, wenn diese zugeführt wird, die Sekundärluftzufuhrmenge proportional der Ansaugluftmenge ist und das entstehende Abgas-Luft-Brennstoff-Verhältnis bei den Arbeitsbedingungen der
Maschine 100 ständig konstant gehalten wird,wobei das Luft-
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Brennstoff-Verhältnis des zugeführten Gemisches auf einen konstanten Wert voreingestellt ist, so daß als Folge das sich ergebende durchschnittliche Abgas-Luft-Brennstoff-Verhältnis ständig auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Auf diese Weise resultiert eine Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine 100 unter gleichbleibenden und übergangsmäßigen Arbeitsbedingungen zugeführten Gemisches in einer Änderung des durchschnittlichen Abgas-Luft-Brennstoff-Verhältnisses, wodurch der Bereich (der Luft-Brenn- stoff-Fensterbereich) der durchschnittlichen Abgas-Luft-Brennstoff-Verhältnisse, die eine hohe prozentuale Reinigung aufrechterhalten, wie vorbestehend beschrieben, vergrößert wird, so daß damit der Dreiwegekatalysator ständig wirksam arbeiten kann, unabhängig von Veränderungen in dem durchschnittlichen Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases.
Mit der Erfindung wird somit ein Verfahren zum Betreiben eines Dreiwegekatalysators geschaffen, der ein Sauerstoffspeichermaterial enthält und der in das Abgassystem einer Brennkraftmaschine eingebaut ist. Für ein wirksames Arbeiten des Dreiwegekatalysators wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches fetter als das stöchiometrische Verhältnis eingestellt, und stromauf des Dreiwegekatalysators wird Sekundärluft intermittierend in das Abgassystem eingeführt, wodurch das Luft-Brennstcff-Verhältnis der dem Dreiwegekatalysator zugeführten Abgase bezüglich des stöchiometrischen Verhältnisses abwechselnd zur fetten und mageren Seite verändert wird.
Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Dreiwegekatalysator von dem Typ, der in das Abgassystem der !Maschine eingebaut ist und ein Element enthält, das eine SauerstoffSpeicherkapazität hat (Sauerstoffspeichermaterial) wird lionii t ein Verfahren zum Betreiben des Dreiwegekal a]ysai ors angegeben, wobei das huft-Brennstof f-Verhäl tni:; des Luf t-Brennstof f-Gemisches in dem
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Maschinenansaugsystem (d.h. das der Maschine zugeführte Gemisch) kleiner eingestellt wird als das stöchiometrische Verhältnis, d.h. die Gemischanreicherung wird zur fetten Seite hin eingestellt, und Sekundärluft wird auf der stromauf gelegenen Seite des Dreiwegekatalysators in das Abgassystem intermittierend mit einer bestimmten Frequenz eingeführt, so daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Abgase abwechselnd zur fetten und mageren Seite hin variiert, wobei das stöchiometrische Verhältnis einen Schwellenwert bildet.
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Leerse i t e

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    V· Verfahren zum Betreiben eines Dreiwegekatalysators im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, wobei der Dreiwegekatalysator ein Sauerstoffspeichermaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Maschine ein Luft-Brennstoff-Gemisch mit einem kleineren Luft-Brennstoff- Verhältnis als dem s töchiome tr i sehen Luft-Brennstoff-Verhältnis für den verwendeten Brennstoff zugeführt und dem Abgassystem der Maschine stromauf des Dreiwegekatalysators Sekundärluft mit einer Frequenz intermittierend zugeführt wird, um damit die Luft-Brennstoff-Verhältnisse der Abgase zur fetten Seite hin, bei der das Luft-Brennstoff-Verhältnis kleiner ist als das stöchiometrische, und zur mageren Seite hin zu verändern, bei der das Luft-Brennstoff-Verhältnis größer ist als das stöchiometrische.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Luft-Brennstoff-Verhältnisse der Abgase ausgehend vom stöchiometrisehen Zustand um gleiche Beträge zur fetten und mageren Seite hin verschoben werden, wobei der Zyklus der Verschiebung zur mageren Seite kürzer ist als derjenige zur fetten Seite.
    Dresdner Bank (München) KIO. 3939844
    PoMSdMGk (München) KIo. »70-43-β04
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  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Zyklus der Verschiebung
    zur mageren Seite zu demjenigen der fetten Seite 0,45/ 0,55 beträgt.
    5
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Änderungen der Luft-Brennstoff-Verhältnisse größer als 1 Hz ist.
  5. 5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Luft-Brennstoff-Verhältnisse der Abgase größer ist als eine Einheit des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zur fetten und mageren Seite hin, ausgehend von dem stöchiometrischen Zustand.
  6. 6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysatorbett für den Dreiwegekatalysator monolithisch ist.
  7. 7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Katalysatorbett als Sauerstoffspeichermaterial 20 g/l eines Ceriumoxydes zugefügt wird, wobei die Frequenz der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses für eine Änderung des Luft-Brennstoff -Verhältnisses im Bereich zwischen 0,5 und 5 Hz liegt.
  8. 8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Katalysatorbett als Sauerstoffspeichermaterial 10 g/l eines Ceriumoxydes zugefügt wird, wobei die Frequenz der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zur Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Bereich zwischen 5 und 10 Hz liegt. 35
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  9. 9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Intermittierenden Zufuhr von Sekundärluft kontinuierlich Zusatzluft in das Abgassystem stromauf des Dreiwegekatalysators eingeführt wird.
DE2757782A 1976-12-26 1977-12-23 Verfahren zum Betreiben eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Abgasreinigung angeordneten Katalysators Expired DE2757782C2 (de)

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