DE2757782C2 - Verfahren zum Betreiben eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Abgasreinigung angeordneten Katalysators - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Abgasreinigung angeordneten Katalysators

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Abgasreinigung angeordneten Katalysators, wobei als mi Katalysator ein Dreifachkatalysator mit einem Sauerstoffspeichermaterial verwendet wird, das in Abhängigkeit von dem Sauerstoffpartialdruck in den Abgasen Sauerstoff speichern oder gespeicherten Sauerstoff rbgebenkann. *->
Bei einer katalytischen Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen ist der Bereich von Luft/Brennstoff-Verhältniswerten des Ansauggemisches, in dem unter Verwendung eines Dreifachkatalysators ein hoher Reinigungsprozentsatz von mehr als 80% hinsichtlich der drei maßgeblichen Schadstoffe CO, HC und NOt erzielbar ist, auf ein sehr eng begrenztes Gebiet um den stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältniswert herum beschränkt Üblicherweise wird daher bei Verwendung eines Dreifachkatalysators das jeweilige Luft/ Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches über einen Abgasmeßfühler ermittelt und die Genuschaufbereitung, d. h„ die Vergasereinstellung oder die brennstoffeinspritzung in einem geschlossenen Regelkreis auf Gemischwerte im Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses eingeregelt, so daß der Dreifachkatalysator wirksam arbeiten kann.
So ist z. B. aus der DE-AS 23 63 726 eine Regeleinrichtung für die Zumessung einer Zusatzluftmenge bei Brennkraftmaschinen bekannt, bei der zur Verbesserung einer Abgasnachverbrennung mehrere Führungsgrößen in einem geschlossenen Regelkreis Verwendung finden sollen, die im wesentlichen aus dem Saugrohrdruck, dem Auspuffgasgegendruck, der Maschinendrehzahl und dem Sauerstoffgehalt oder Kohlenmonoxydgehalt der Abgase bestehen. Diese Führungsgrößen dienen zur Regelung der Entnahme und Rückführung einer von einer Luftpumpe drehzahlabhängig in die Regeleinrichtung eingepumpten Luftmenge, was im wesentlichen in einem mechanischen Luft- bzw. Druckregler durch zwei auf einer gemeinsamen Führungsstange übereinander angeordnete Dosierkegel erfolgt, die derart angeordnet sind, daß bei Zunahme der abströmenden Zusatzluftmenge die rückgeführte Luftmenge abnimmt und umgekehrt. Hierbei ist stromab eines im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordneten ersten Nachbrenners eine zusätzliche Leitung für die Zuführung von Zusatzluft in das Auspuffrohr und stromab dieser Leitung ein weiterer Nachbrenner angeordnet. Die über die zusätzliche Leitung eingespeiste Zusatzluftmenge kann durch Abzweigung eines Teils der dem Hauptnachbrenner zugeführten Luftmenge geregelt werden oder es kann auch eine völlig ungeregelte Einspeisung der Zusatzluft z. B. über eine stromab der Luftpumpe abzweigende Leitung erfolgen. Der zweite Nachbrenner kann hierbei aus einem kleinen Oxidationskatalysator oder aus einem besonderen thermischen Oxidationsraum bestehen. Grundsätzlich wird hierbei jedoch der in das Abgassystem eingespeiste Zusatzluftstrom mittels eines Schaltventils in synchroner Abhängigkeit von dem Impulssignal eines dem Abgasstrom ausgesetzten Abgasmeßfühlers unterbrochen. Das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches der Brennkraftmaschine zeigt daher trotz dieses recht aufwendigen Regelkreises die Tendenz, in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine stark zwischen unter- und überstöchiometrischen Verhältniswerten zu schwanken, da die Regelung in synchroner Abhängigkeit von dem Abgasmeßfühlersignal und demzufolge mit der niedrigen Frequenz von ca. I bis 4 Regelzyklen/Sek. erfolgt, was erhebliche Regelamplituden zur Folge hat, die eine optimale Ausnutzung eines Abgasreinigungskatalysators insbesondere im Falle eines Dreifachkatalysators nicht zulassen.
Ferner ist aus der DE-OS 17 51 799 eine katalytische Abgasnachverbrennungseinrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der zur Verringerung der Nachverbrennungstemperatur und Schonung eines zur Nachverbrennung eingesetzten Oxidationskatalysators eine diesem vorgeschaltete Übertemperatur-Schutzein-
richtung vorgesehen ist, die im wesentlichen aus einem topfartigen Gehäuse mit einem mit Perforationen versehenen Rohr besteht, das sich im Bereich der Auslaßöffnung zu einer Düse verjüngt. Hierdurch soll der Anteil der noch reaktionsfähigen Abgasbestandteile verringert werden, bevor die Abgase den Oxidationskatalysator erreichen, so daß sich die bei der Nachverbrennung anfallenden Temperaturwerte verringern. Weiterhin wird Zusatzluft in nicht näher ausgeführter Weise stromauf des Katalysators kontinuierlich in das Abgassystem der Brennkraftmaschine eingespeist. Bei diesem bekannten katalytischen Abgasnachverbrennungssystem findet somit einerseits kein Mehrfach-Katalysator, sondern lediglich ein einfacher Oxidationskatalysator zu Nachverbrennungszwecken durch Oxidation unverbrannter Abgasbestandteile unter Zuführung von Zusatzluft Verwendung, während andererseits die Zusatzluft im wesentlichen konstant eingespeist wird und lc-diglich mittels eines stromab des Katalysators vorgesehenen Ventils die Aufrechterhaltung eines gewissen Rückstaudruckwertes im Abgassystem gewährleistet ist, der über dem normalerweise auftretenden RücKstaudruckwert liegen soll. Kne gezielte Steuerung oder Regelung der Zusatzluftzufuhr findet somit nicht statt
Es sind jedoch auch bereits Katalysatoren bekannt (JP-OS 52-56 216, JP-OS 52-56 217), die trotz einiger Schwankungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mit hohen Reinigungsprozentsätzen arbeiten. Beispielsweise können PIr.tin (Pt) und Rhodium (Rh) in geeigneter Weise auf einem Katalysatorbett angeordnet werden, wodurch sich der wirksame Reinigungsbereich eines Dreifachkatalysators vergrößert Darüber hinaus kann einem Katalysator zu diesem Zweck ein Sauerstoffspeichermaterial hinzugefügt werden (JP-OS 52-27 087).
Diese Maßnahmen sind jedoch sämtlich auf eine Verbesserung der Katalysatoren selbst abgestellt und nicht auf ein möglichst wirkungsvolles Betreiben eines Dreifachkatalysators zur Erhöhung der erzielbaren Reinigungswirkung gerichtet.
Darüber hinaus sind auch Verfahren zum Betreiben von Dreifachkatalysatoren bekannt, die ein wirkungsvolles Arbeiten eines Dreifachkatalysators gewährleisten sollen, indem z. B. das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches einer Brennkraftmaschine abwechselnd zur unterstöchiometrischen und überstöchiometrischen Seite hin verändeu wird, wobei das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis einen Schwellenwert bildet (US-PS 40 24 706). Der mit einem solchen Verfahren zur Erzielung einer wirksamen Abgasreinigung ausrn.".zbare Bereich von Luft/Brennstoff-Verhältniswerten ist jedoch trotzdem relativ eng und datr.it unbefriedigend, wobei darüber hinaus der wesentliche Nachteil gegeben ist, daß die abwechselnden Änderungen des Luft/Brennstoff-Ansauggemisches ein instabiles Betriebsverhalten einer Brennkraftmaschine zur Folge haben.
Weiterhin ist aus der US-PS 38 09 743 ein katalytisches Abgasreinigungsverfahren für Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem der Abgasstrom über zwei getrennt hintereinander angeordnete Katalysatoren geführt wird. Einer der beiden Katalysatoren dient im wesentlichen zur Reduktion von Stickoxiden (NO,) und besteht zu diesem Zweck aus zwei Katalysatorbereichen bzw. Katalysatorschichten, nämlich einem Rhuteniumbereich unH einem weiteren Edelmetallbereich, während der andere Katalysator zu Oxidationszwecker dient Ferner wird dem Abgassystem der Brennkraftmaschine kontinuierlich Zusatzluft zugeführt, und zwar nach einem Start zunächst dem ersten Katalysator, um durch Herbeiführen einer kurzzeitigen exothermen Oxidationsreaktion eine rasche Erwärmung dieses Katalysators zu gewährleisten, woraufhin nach einer sehr kurzen Zeit von 10 bis 200 Sekunden eine Umschaltung der Zusatzlufteinspeisung dahingehend erfolgt, daß die Zusatzluft nunmehr nur noch desn zweiten Katalysator zugeführt wird, während der erste
ίο Katalysator dann ohne weitere Zusatzluftzufuhr nur noch reduzierend wirkt Das heißt der erste Katalysator wirkt nur während einer sehr kurzen Zeitdauer oxidierend und sodann ohne Zusatzluftzufuhr nur noch reduzierend, während der Oxidationsprozeß über den zweiten Katalysator erst nach Beginn der Zusatzluftzufuhr einsetzt. Bei diesem Abgasreinigungsverfahren findet somit ein aufwendiges katalytisches Doppelsystem Verwendung, dem Zusatzluft kontinuierlich zugeführt wird, wobei lediglich eine Richtungsumschaltung in bezug auf die Beaufschlagung der jeweiligen Katalysatoren mit Zusatzluft erfobt
Der Erfindung Hegt daher die Aufgabe zugrunde, stets einen optimalen Wirkungsgrad eines zur Abgasreinigung bei einer Brennkraftmaschine eingesetzten Dreifachkatalysators durch Erweiterung dessen Arbeitsbereiches ohne Verwendung eines aufwendigen Regelkreises zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst
jo Erfindungsgemäß findet somit ein Dreifachkatalysator mit einem Sauerstoffspeichermaterial Verwendung, der außer der Oxidation von CO und HC gleichzeitig auch eine Reduktion von NO1 bewirkt, in der Regel jedoch nur in einem sehr engen Bereich der Luft/Brennstoff-Zufsammensetzung der Abgase mit einem zufriedenstellend hohen Reinigungswirkungsgrad arbeitet. Durch die mit fest vorgegebener Frequenz in ganz bestimmter Weise intermittierend erfolgende erfindungsgemäße Zusatzlufteinspeisung läßt sich dieser normalerweise sehr enge Bereich nun erheblich vergrößern, da durch die spezielle Art der luftzufuhr gewährleistet ist daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis der dem Dreifachkatalysator zugeführten Abgase mit einer zweckmäßig gewählten und genau eingehaltenen Periode bzw. einem geeigneten Tastverhältnis zwischen dem unterEtöchiomctrischen und dem überstöchiometrischen Verhältniswertebereich hin- und herschwingt. Das heißt, während der Zeitdauer, in der das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase im überstöchiometrischen Bereich verbleibt, wird dem Sauerstoffspeichermaterial des Dreifachkatalysators eine ausreichende Sauerstoffaufnahme ermöglicht, während im unterstöchiometrischen Bereich eine zufriedenstellende Sauerstoffabgabe gewährleistet ist. Zur Erzielung dieser Steuerung der Zusatzluftzufuhr ist kein aufwendiger geschlossener Regelkreis, sondern ledicUch eine einfache offene Steuerkette erforderlich. Hierdurch ist somit der Vorteil erzielbar, daß ein äußerst wirkungsvoller Dreifachkatalysator in einem erheblich breiteren Arbeitsbereich ~:ur Abgasreinigung eingesetzt werden kann, wobei zu dessen Betreiben lediglich eine einfache offene Steuerkette ohne aufwendige Betriebsparametcrabhängigkeit erforderlich ist.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestai-
h j Hingen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 den mit einem üblichen Dreifachkatalysator erzielbaren Abgasreinigungsprozentsatz bei den wichtigsten Abgas-Schadstoffen in Abhängigkeit vom Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches einer Brennkraftmaschine,
F i g. 2 Änderungen der Abgaszusammensetzung bei Luft/Brennstoff-Verhältniswerten des Ansauggemisches einer Brennkraftmaschine im Bereich von 13:1 bis 16: 1,
F i g. 3A bis 3D Sauerstoffspeicherungs- und Sauerstoffabgabevorgänge bei einem ein Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreifachkatalysator, wobei die Fig. 3B bis 3D den Bereich A gemäß F i g. 3A in Vergrößerung zeigen.
F i g. 4 in schematischer Darstellung eine bei Versuchen verwendete Vorrichtung.
F i g. 5 den Reinigungsprozentsatz der wesentlichen Abgas-Schadstoffe bei allmählichem Übergang des Luft/Brennstoff- Verhältnisses der Abgase von 13:1 auf 16:1 aufgrund von Zusatzlufteinspeisung stromaut des Dreifach katalyse tors.
F i g. 6 Änderungen der Abgas-Zusammensetzung hei Aufrechterhaltung eines Luft/Brennstoff-Verhältniswertes des Ansauggemisches der Brennkraftmaschine von 13:1 und allmählicher Zusatzlufteinspeisung in das Abgassystem zur Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase von 13 : I auf 16 : I.
F i g. 7 Änderungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses und der Abgas-Schadstoffverhältnisse in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung gemäß F i g. 2 bzw. F i g. 6.
Fig.? den Reinigungsprozentsatz der Abgas-Schadstoffe mittels eines ein Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreifachkatalysators bei Aufrechterhaltung eines Luft/Brennstoff-Verhältniswertes des Ansauggemisches der Brennkraftmaschine von 13:1 und Änderung des durchschnittlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase von 13:1 auf 16:1 durch intermittierende Einspeisung von Zusatzluft in das Abgassystem.
F i g. 9 den Reinigungsprozentsatz der Abgas-Schadstoffe mittels eines Dreifachkatalysators ohne Sauerstoifspeichermaterial bei intermittierender Einspeisung von Zusatzluft in das Abgassystem auf die gleiche Weise wie im Falle von F i g. 8.
Fig. 1OA und 1OB Ausgangssignale von jeweils am Einlaß und Auslaß des Dreifachkatalysators angeordneten Abgasmeßfühlern.
Fig. 11 die Auswirkungen einer Frequenzänderung der intermittierenden Zusatzlufteinspeisung auf den Reinigungsprozentsatz der Abgas-Schadstoffe.
Fig. !2 den Frequenzbereich, in dem ein über 80% liegender Reinigungsprozentsatz der Abgas-Schadstoffe in Abhängigkeit von der verwendeten Menge an Sauerstoffspeichermaterial erzielbar ist
Fig. 13 die Auswirkungen von Änderungen des Luft'Brennstoff-Verhältnisses der Abgase auf den Reinigungsprozentsatz der Abgas-Schadstoffe,
Fig. 14 und 15 die Beziehung zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches .n.d dem wirksamen Betriebsbereich des Luft/Brenn off-Verhältnisses der Abgase.
F ig-16 den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Abgasreinigung angeordneten Dreifachkataiysators.
Fig. 17 einen vergrößerten Querschnitt des Vergleichers gemäß Fig. 16.
Fig. 18 die Schaltung 170 gemäß Fig. 16.
Fig. 19 eine Kennlinie, die die Abhängigkeit des Venturi-Unterdrucks von der Ansatigluftmenge veranschaulicht.
Fig. 20 den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
Fig. 21 den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
F-" i g. 22 das I.uft/Brermstoff-Verhältnis der Abgase am Einlaß einer ersten Abgaszuleitung für den Dreifachkatalysator des dritten Ausführungsbeispiels in Abhängigkeit vom Kurbelwellendrehwinkel der Brennkraftmaschine und
F i g. 23 den Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Nachstehend wird zunächst auf die "wirkungsweise eines Dreifachkatalysators mit Sauerstoffspeicherkapazität näher eingegangen.
In Fig. I ist der bei einer Brennkraftmaschine mit Hilfe eines üblichen Dreifachkatalysators hinsichtlich der wichtigsten Abgas-Schadstoffe erzielbare Reinigungsprozentsatz in Abhängigkeit vom Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches veranschaulicht. Wie F i g. I zu entnehmen ist, ist der Bereich von Luft/BYennstoff- Verhältniswerten des Ansauggemisches, in dem ein hoher Reinigungsprozentsatz von mehr als 80% erzielbar ist, auf ein sehr eng begrenztes Gebiet um das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis herum beschränkt.
In F i g. 2 ist die Auswirkung einer Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Ansauggemisches einer Brennkraftmaschine auf die Abgaszusammensetzung dargestellt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß der O2- und CO-Gehalt um das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis herum stark variieren, wodurch der Dreifachkatalysator mit größtmöglicher Wirksamkeit arbeiten kann. Die in dem Dreifachkatalysator stattfindenden Reaktionen können durch folgende Reaktionsformeln wiedergegeben werden:
co + 1/2 O 2 2 H ,O (1)
H2 - 1 /2 O2 (2)
CH..- O2 - (3)
4 - CO2
-> H2O
-> „CO: H
CO + NO
H, + NO -
1/2 N; + CO, (4)
1/2 N; + H2O (5)
N2 + "CO2 + — Η,Ο (6)
Die Formeln (1) bis (3) stellen Oxydationsreaktionen und die Formeln (4) bis (6) Reduktionsreaktionen dar. Diese Reaktionen gehen in dem Dreifachkatalysator gleichzeitig vor sich. Bei bekannten Dreifachkatalysatoren, die Pt-Rh-Metalle enthalten, sind die wirksamen Arbeitsbereiche (Luft/Brennstoff-Fensterbereiche) äußerst begrenzt, wie dies aui F i g. 1 ersichtlich ist (normalerweise im Bereich von 0,05 bis 0,1 Einheiten, bezogen auf Luft/Brennstoff-Verhältnis-Einheiten). Wie
aus clem Diagramm von f ι g 2 ersichtlich ist. bedeutet diese Tatsache, daß insbesondere im Hinblick auf die Änderung des Ο..-Gehaltes mn dem stochiometrischcn Luft/Brennstoff-Verhältnis als Schwellenwert die Oxydationsreaktionon der Formeln (I) bis (3) zunächst im überstochiometiischcn Bereich erfolgen, während die Reduktionsreaktionen der Formeln (4) bis (ti) zuerst im untcrstöehiometrischui Bereich eriolgen. Im Falle der ersven werden folglich die für die Reaktionen tier Formeln (4) bis (b) erforderlichen C(I, Mj und C Il entfern' und somit die Reduktionsicaktionen von NO verhindert, während im Falle der let/tere,'.. bei durch die Gegenwart von CO. Il und 'Il gelörderten Kcdnk tionsreiiklionen der Formeln (4) bis (n) die in itomYiv. I iherschuH zu den ,κιυιν .iIcri'cη Mengen bezüglich NO vorhanden sind, die Menge an '). die mn dc;:i \erbleihenden CO. Il um! C Il cn h deien Reaktion mit NO reagieren soll, kleine ι .ils die äqmv a Ie r. te Menge ist. daß auf diese Weise du ( K ^ da ti on srea μ ionen der 1....,,.,Im i\\ Ki c ι i\ . c:!:::;;!iT! v. c; ■· i c r; i);;· ;irc; Komponenten O.·. ( (' und 11.. deren C ieiiait sich um das stöchiometnsche Verhältnis herum sehr st.uk ändert, verhindern somit einen gictchze ngen Abiaul der O\yc!aiions- und Reductions: eakuonen der IOi mein (I) bis (b). wenn erreicht vvcden konnte, daß sn.li die Anteile dieser Komponenten langsam ändern h:-i praktisch gleicher Zusammensetzung (I O. NO I IC. IK O.) wie das stöchionuMMsche Cm',· lisch. konr;c Jc.' wirksame Arbeitsbereich (Luft Biennsioff-I ensterbereich) des Drcifachkatalysa'ors vergrößert uip.L"! Bevor jedoch die Verbrennungsreakti<"i einer H'cnn kr,)' maschine nicht erheblich \ „-ränder! wn>! :v\ <ii. erwünschte Abgas/iisammensetziing /u (.-•"halter, können diese Resultate nicht erw artet \\ ei den.
IVe bekannten Techniken 'ind mit der \bsiiht entwickelt worden, diese erwünschten -\;i>w ■■ - .innen mittels Katalysatoren zu erreichen Hui bei ■■ H die erwünschte Wirkung nut dem O.-Gehalt er/ieii werden, wobei zusätzlich zu den Pt-Rh-Katalvsalorme.'üen die die Reaktionen der Formein (i) bi«. (tO γιο»:γημι. Dreifachkatalysa;orcr mit .'ne':i SauerstofNpcKher material verwendet w e'tien. das Wi-. Fähigkeit h.ü O. /·.! speicher:! (oder zu ab- i-biere·'.). wie beispieiswe^e die bekannte Gruppe der L.anthaniden (CeO;. La;O. usw.). Halbleiter vom η-Typ ICnO ZnO. ZrO- usw.) od dgl. Ri^ cier.irtiges zusätzliche^ Mater i1 triigi nicht seil;-; :n der. Reaktionen der Formein (1) "n-- (hi bei. sonciem wiri·1 derart, daß es in Abhängigkeit ■■<>"' :er \nden"·3 ύ·.:· Sa'iCrstoffpartialdruckes ip d ■·; \bgas/iis,im:'iei .m-i-/ung im überstöchionietrisi.pen B.:reich. in dem der Sauerstoffpartialdruck hoch ist. Sjuer-<tf)ff speichert, während es den gespeicherten Sauerstoff im unterstochiomctrisehen Bere:„h fre:gib;. :r. dem der Sjur-rstoffpartialdruck niedrig Ist. wodurch si^h der Sauerstoffpartialdruck (Gehalt) auf der aktiven Katalysatoroberfläche übergangslos ändert. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches einer Brennkraftmaschine abwechselnd zu unter- und überstöchiometrischen Seite variiert wird, w ird somit die Atmosphäre auf der aktiven Katalysatoroberfläche derjenigen des stöchiometrischen Gemisches angenähert und damit der wirksame Arbeitsbereich (Luft/Brennstoff-Fensterbereich) des Dreifachkataiysators vergrößert.
Die F i g. 3A bis 3D zeigen schematisch das Speichern und Freigeben von Sauerstoff durch einen ein Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreifachkataiysator. F i g. 3A zeigt ein Dreifachkataiy satorteiichen in Kugel- bzw. Pelletform, das ein aus y-Aluminiumcxid (Ali),) hergestelltes Katalysatorbett sowie ein Pt-Rh-K.italysatormetall I und ein Sauerstoffspcichcrmaterial 2 aufweist, die von dem Katalysatorbett getragen werden. Fig. 3B zeigt schematisch die Anordnung des Katalysatormetalls 1 und des Sauerstoffspeicherimiteinils 2. Fig. 3C zeigi. wie der Sauerstoff 3 (O;) in den Abgasen von dem SauerstuMspeiehermaterial 2 gespeichert (absorbiert) wird, wenn die Abgasatmosphäre ubcrstochiometrisch ist. Fig. Jü zeigt, wie der gespeicherte Sauerstoff 3 aus dem Sauerstoffspeiehermaterial 2 in die Abgase abgegeben wird, wenn die Abgasatniosphiire nnterstoehiometriseh ist. Oie Atmosphäre in der Nahe des Kataly satormetalls I wird folglich sogar bei liberstöchio'iielrisehei Abgas,itrnosphärc infolge der latsache in dem um das s-ochiometrische Verhältnis herum eivielharen Zustand gehalten, daß der Zusatzsau erstoff 3 in dem Satieisiolfspeichermaterial 2 gespeichert vMitl. wohingegen bei unterstochiometrischer Nbg.isaimosphäre die Atmosphäre um das Katalysator- :::e!::!! ! !ie::.'::: ;:::f ;:hn!:chc Wci'c ;r,f;;l"c dc% ireigegcbenei. Sauerstoffes in dem um das stochiomemsche Verhii'tiiis herum erzielbaren Zustand gehalten wird.
Auf diese Weise dient das zugefügte Sauerstoffspeiehermaterial da/u, die 'ii die Nähe des Katalysatoritietalls gebrathte Abgasatmosphäre derart einzustellen, daß sogar bei sich etwas änderndem Luft/Brennstoff-Verhahnis die Atmosphäre Lim das Katalysatormetall herum uv, Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses gehalten werden kann, so daß der I.uft''Brennstoff-Fensterbereich vergroßen ist.
Anhand von I ig 4 wird nunmehr eine bei verschie i'etK π Versuchen verw endete Testvorrichtung beschrieben, die mit einer 20()()-ccm-\ lertakt-Sechszylinder-Ben/inbrennkraftmaschine Il mit einem Vergaser 12 betrieben wird. In einer Abgasleitung H ist ein ein Sauerstoffspeiehermaterial enthaltender Dreifachkatavsiitor 14 vom Pellet- oder Kugeltyp angeordnet, bei dem das Katalysatorbett aus y-Aluminiumovyd (V-AFO:) hergestellt ist. das 13 g/l Pt-Rh-Kataiysator-'iietall und 2OgI Cer.umowd (CeO:) als Sauerstoff- -peichermateria! trag' uni in einem 2.5-l-Gchäuse e'niicschichtei ist. Fi:^ Rohr 15 mundet zur Zufuhr von Zusatzluft stromauluärts des Dreifachkatalysators 14 in G'c Abgasleitung Ii. In dem Luftzuführungsrnhr 15 ist ein Magnetventil 16 angerodnet. das das Rohr 15 in Abhängigkeit von der: -\i:sgangssignalen eines Oszilla- ;ors 17 ofinet und schließt. Eine übliche Luftpumpe 20 dient ais Zt!iaizluftque!le. wobei die Luft aus der Pumpe 20 über einen l.öitdruckregier 21 und einen Öffnungsregler 22 Jem Magnetventil 16 zugeführt wird. Bekannte Lu!": Brennstoff-Verhältnis-Detektoren 18 '.,nd 19 sind jeweils stromauf und stromab des Dreifachkatalysators 14 angeordnet, wobei die Detektorausgangssignale von einem elektromagnetischen Oszilloskop 30 gemessen werden. 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 1600U/'min und einem Ansaugunterdruck von 375 mm Hg.
Versuch 1
Unter Verwendung der Vorrichtung gemäß F i g. 4 wurde ein Luft/Brennstoff-Verhältnis des in dem Vergaser 12 erzeugten Ansauggemisches von 13:1 aufrechterhalten, das Magnetventil 16 in der Stellung AUF (geöffnet) gehalten und nach und nach Zusatzluft
in die Abgasleitung 13 eingeführt. Die sich ergebende prozentuale Reinigung der Abgaskotnponenten ist in F i g. 5 mit gestrichelten I .inien dargestellt.
Die ausgezogenen Linien in Fig.") /eigen dagegen die prozentuale Reinigung der Abgaskomponcnlcn. die durch Halten des Magnetventils 16 in der .StClIiIn;: ZlJ (geschlossen) erhalten wurde. '.·. nbei nach und nach das Luft/Brennstoff-Verhältnis des in dem Vergaser 12 erzeugten , >nsauggemisches von Ii: I auf 16:1 verändert wurde. Die durch diese ausgezogenen Linien dargestellten Reinigungskurven entsprechen praktisch den Reinigungskurven von f-'ig. I.
Min Vergleich zwischen den ausgezogenen und gestrichelten Kurven in F-" i g. > zeigt, daß ein größerer I.iift/Brennstoff-Fensterbereich durch Zuführung von Zusatzluft in das Abgassystem erhalten werden könnte, während das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansiiuggemisches konstant gehalten wird.
Während in einem derartigen lall die erhaltene
<\hiJ;t<*/iisammpnspt7nnp; von drm
I lift/
Brennstoff-Verhältnis des Ansauggcniisches abhängt, würde sich im vorliegenden Fall (in dem das Ansauggemis^h-Verhällnis 13:1 ist) die Abgas/usammensetzung gemäß F i g. b ergeben, !"in Vergleich zwischen I' i g. b und 2 zeigt, daß diese Abgaszusami.ien-Setzungen sich stark voneinander unterscheiden.
Der wichtigste Unterschied zwischen diesen beiden Diagram men besteht darin, daß bei einer Veränderung (F:ig. 2) des Luft/Brennstoft-Vcrhältnisses des Ansanggemisches mit dem stöchiomctrischcn Verhältnis als Schwellenwert die CO-. Or und H.-Gehalte und darüber hinaus auch die NO- und HC-Gehalie relativ stark variieren, während bei Zufuhr von Zusatzluft in das Abgassystem (Fig. b) die ansaugseitig festgelegte Zusammensetzung nur durch die Zusatzluft verdünnt wird, mit dem Resultat, daß die CO-. H2-. NO- und HC-Gehaite nur sehr mäßig verändert werden und einzig der OrGehalt 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 de' Dreifachkatalysators ein größerer wirksamer Bereich (der Luft/Brennstoff-Verhältnisbereich, in dem mehr als 80% der drei Komponenten CO. HC und NO entfernt werden kann) für den Dreifachkatalysator sichergestellt werden, wenn, wie in F i g. 5 gezeigt. Zusatzluft in die Abga->leitung eingeführt wird. Der Grund hierfür kann in dem Unterschied zwischen den sich ergebenden Abgaszusammensetzungen gesehen werden. F i g. 7 zeigt vergleichend Komponentenverhältnisse, d.h. die CO-. H;- HOOr und NO/CO-Verhältnisse. die typischerweise aus den Diagrammen der F i g. 2 und 6 entsprechend den Reaktionsformeln (1) bis (6) erhalten werden. Die Unterschiede der in F i g. 5 dargestellten prozentualen Reinigung können auf der Grundlage von F i g. 7 wie folgt erklärt werden:
NO/CO-Verhältnis
Bei Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Ansauggemisches bei überstöchiometrisch 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 dagegen Zusatzluft in das Abgassystem eingeführt wird, bleibt das NO/CO-Verhältnis praktisch unverändert und somit der zufrieden siellende Ziisiand im Hinblick auf das äquivalente Verhältnis von NO/CO--I erhalten, womit die Wirk sainkeit dieses Verfahrens für eine Reduzierung von NO-F.rnissioncn im übcrstöchionietrischcn Bereich bewiesen ist. Das CO-. IL-. I !C'/C).-Verhältnis hat selbstverständlich ebenfalls Kinfluß auf die Wirksam keit. wie dies nachstehend noch näher beschrieben wird, und es besteht ein Grenzwert für die Reinigung von NO im überstöehiometrischen Bereich (da die Reinigung von NO beendet wird, wenn die Reduzierungsmittel, wie beispielsweise CO. IL-. HC usw.. durch Reaktion mit O. entfern! werden).
CO-.llr. HC ().Ve-h,j|tnis
Dies ist das Verhältnis des O-Gehaltes in !en Abgasen zu dem für eine vollständige Oxydierung der CO-. II?- und HC-Gehalte in den Abgasen erforderlichcn O.-f '.eh;!!' für cüe Resk'.ionsiorrneln (!). (2) un.d '3). mit dem in Form von C1H. (Propan) für die Reaktionsformel (3) berechneten HC in den Abgasen, wobei das Verhältnis I tier äquivalenten Menge entspricht (dies stellt jedoch nur cnen Bezugswert dar. da die Werte von CO. H- und HC für die Reduzierung von NO vernachlässigt sind).
Unter der Annahme, daß ein Verhältnis von weniger als I 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 F i g. 7 ersichtlich ist. kreuzen sich die Kurve, die das durch Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses Jes Ansauggemisches erhaltene Verhältnis darstellt, und die Kurve, die das durch Änderung des Gemischverhältnisses mittels Zusatzluft im Abgassystem erhaltene Verhältnis darstellt, bei einem Luft/Brennstoff-Verhältnis von 14.5 : 1. wo dieses Verhältnis I ist. Bei den Luft/Brennstoff-Verhältniswerten auf beiden Seiten dieses Verhältnisses trennen sich die Kurven wieder voneinancer. Dies erklärt deutlich den Unterschied in der prozentuale" Reinigung zwischen den Verfahren, d. h. im Falle des ersteren (bei dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches verändert wurde) wird d e fü- eine Oxydation von CO und HC erforderliche Oj-Menge im überstöehiometrischen Bereich äußerst knapp während die OrMenge im unterstöchiometrischen Bereich in großem Überschuß vorhanden ist. mit dem Ergebnis, daß die vollständige Oxydation von CO urd HC gefördert und eine Reduktionsreaktion von NO verhindert wird. Auf diese Weise ist in Verbindung mit den vorbeschriebenen NO/CO-Diagrammen nachgewiesen, daß die Reinigungsbedingungen für NO in überstöehiometrischen Bereich unbefriedigend sind. Dagegen verläuft im Falle des letzteren Verfahrens (wo Zusatzluft in das Abgassystem eingeführt wird) die sich ergebende Kurve sehr glatt bzw übergangslos, womit gezeigt ist, daß das Verhältnis im unterstöchiometrischen Bereich kleiner ist als im ersteren Fall, so daß es sich für eine Oxydation von CO und HC als vorteilhaft herausstellt, wohingegen das Verhältnis im überstöchiometrischen Bereich größer ist als im ersteren Fall, womit es sich für eine Reduktion von NO aufgrund keines großen Überschusses von O3 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
Il
..em. Die Oxydationsrcaktionen dor Rcaktionsformeln (I) bis (3) sind exotherme Reaktionen. Hei Betrachtun·.: der Anteile an CC). HC und H_> oder der Oxidation unterwoi innen Substanzen in diesen Reaktionen verrin gern sich die ersteren Anteile rasch mit iilierstöchiome Irisch werdendem l.ufl/Brennsloff-Verhältnis (.s. I i g. 2), wahrend die letzteren Anteile auf bestimmten Niveaus bleiben (s. F i g. 6). so daß die Reaktionswärme auf der Katalysatoroberfläche im letzteren Fall größer ist. Dies seheint die Reaktionen auf der Katalysatoroberfläche /u fördern.
Versuch 2
Unter dci. gleichen Bedingungen wie bei Versuch I wurde das Magnetventil 16 in der geöffneten Stellung gehalten und die zugeführte /usatzluftmenge derart eingestellt, daß das I.ufi/Breivistoff-Verhältnis des Gasgemisches im Abgassystem bei lh : I krhalirn wurde. In i'iescm Zustand wurde das Magnetventil 16 wiederhol, an- und ausgeschaltet, wodurch das Luft Brennstoff-Verhältnis der Abgase wiederholt abwechselnd zwischen dem unterstöchiometrischen Wert 5 3:1 (ZU) und dem übcrstöchiomeirischen Wert 16 : 1 (AIII") geändert wurde. Bei der auf 1 Mz eingestellten .Schwingungsfrequenz des Oszillators 17 wurde das Magnetventil 16 betrieben durch Änderung des Verhältnisses der »AUF«-Zeit zur »ZU«-Zeit (das Verhältnis des Zyklus der Verstellung in den unterstöchiometrischen Bereich zum Zyklus der Verstellung in den überstöchiometrischen Bereich des Luft/Brennstoff-Verhältnisses) von AUFZZU=OsM s über 0.5s· 0.5 s zu I s/0s, wobei das Luft'Brennstoff-Verhältnis (Durchschnitt) der Abgase am Einlaß des Dreifachkatalysators 14 und das Reinigungsverhalten des Dreifachkatalysator 14 gemessen wurden. Die erhaltenen Resultate sind mit ausgezogenen Linien in F i e. 8 gezeigt. In der Figur beträgt das Verhältnis der »AUF«-Zeit zur »ZU«-Zeit am Kreu/ungspunkt der Reinigungskurven von NO und CO bzw. dem Punk; mit der größten prozentualen Reinigung der drei Komponenten 0,45 s bis 0.55 s.
Zum Vergleich der Ergebnisse des Versuches 1 mit den Ergebnissen des Versuches 2 sind die gestrichelten Kurven gemäß Fig. 5 auch in F i g. 8 gezeigt. Die gestrichelten Kurven in F i g. 8 stellen somit die Reinigungskurven der drei Komponenten dar. die erhalten wurden durch Aufrechterhaitung eines Luft/ Brennstoff-Verhältnisses des Ansauggemisches von 13 : 1 und allmählicher Veränderung des Abgas-Luft-Brennstoff-Verhältnisses von 13 auf 16 : 1. indem nach und nach Zusatzluft in das Abgassystem eingeführt wurde. Die ausgezogenen Linien in Fig. 8 stellen demgegenüber die Reinigungskurven der drei Komponenten dar, die erhalten wurden durch Aufrechterhaltung eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Ansaugge misches von 13:1 und intermittierende Einspeisung von Zusatzluft in das Abgassystem, wodurch das Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnis zwischen 13 : 1 und 16 : 1 hin und her bewegt wurde, so daß sich das durchschnittliche Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase von 13:1 auf 16:1 veränderte.
Aus einem Vergleich zwischen den beiden Verfahren ist ersichtlich, daß das Verfahren der intermittierenden Zusatzluftzufuhr zur Vergrößerung des Luft/Brennstoff-Fensterbereiches wirksamer als die allmähliche (kontinuierliche) Zusatzluftzufuhr ist.
Versuch
Der Versuch wurde auf die gleiche Art und Weise durchgeführt wie Versuch 2, wobei anstelle des Dreifachkatalysators von Versuch 2 ein 2,5-l-l>reifachkat-'lysalor vom Pellet-Typ mit 1.5 g/l eines Pt-Rh-Kata Ivsatormetalls verwendet wurde, der kein Sauersloffspeichermatenal (CeO.) enthielt.
Die erhaltenen Ergebnisse sind mit gestrichelten Kurven in F i g. 9 gezeigt. Am Kreuzungspunkt der Nt * und CO-Reinigungsktirven war das Verhältnis von »AUF«-Zeit zu »ZU«-Zeit des Magnetventils AUF/ /.U —0.5 s/0.5 s und der Betrag der Verstellung in den unterstöchiometrischen Bereich praktisch der gleiche wie der in den überstöchiometrischen Bereich.
Zum Vergleich der Ergebnisse der Versuche 2 und 5 sind die ausgezogenen Kurven gemäß Fig.« aii'h in I i g. 9 dargestellt.
Verwendet man einen Drcifaciikatalvsator ohne SaiirrUnffspeirhrrmatpiial hei (Irin Vnrfahrpn ili-r intermittierenden Zusatzluftzufuhr, dann würde, wie aus den Ergebnissen des Versuchs 3 (die ausgezogenen Kurven in F i g. 9) ersichtlich ist. kein Luft/Brennstoff-Verhältnis auftreten, bei dem die Schadstoff-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 gestrichelten Kurven ir. F i g. 9. daß der das Säuerst ^(speichermaterial enthaltende Dreifachkatalysator eine weitaus größere Reinigungswirksamkeit hr>t als der Dreifachkatalysator. der kein Sauerstoffspeichermaterial enthält.
In Versuch 2 (die ausgezogenen Kurven gemäß F i g. 8) betrug das Verhältnis von »AUF«-Zeit zu »ZI J'(-Zeit des Magnetventils entsprechend der Zufuhi rate von Zusatzluft, bei der die Reinigung der Schadstoff-KomDonenten in den Abgasen nut der größtmöglichen Wirksamkeit sichergestellt werden konnte bzw. das Verhältnis am Kreuzungspunkt der Reinigungskurven (die ausgezogenen Kurven gemäß Fig. 8) 0.45 bis 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 Magnetventil 16 an- und ausgeschaltet und die Luft-'Brennstoff-Verhaltniswerte stromauf und stromab des Dreifaehkatalvsators 14 wurden von den Detektoren 18 und 19 gemessen, wenn das ALT ZU-Verhältnis des Magnetventils 16 0.5.0.5 bzw. 0.45 0,55 war. Das sich ergebende wellenförmige Ausgangssignal der Detektoren 18 und 19 ist jeweils in den F i g. 1OA und 1 OB gezeigt.
In den Figuren ist über der Abszisse die Zeit und über der Ordinate das Detektorausgangssignal (Spannung) aufgetragen. Die ausgezogene Kurve a bezeichnet das wellenförmige Ausgangssignal des Detektors 18 am Einlaß bzw. stromauf des Dreifachkatalysators, während die gestrichelte Kurve b das wellenförmige Ausgangssignal des Detektors 19 bzw. stromab des kein Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreifachkatalysators und die Stnchpunktiinie c das wellenförmige Ausgangssignal des Detektors 19 am Auslaß des das Sauerstoffspeichermaterial (CeO2) enthaltenden Dreifachkatalysators bezeichnen.
Wie aus den Fig. 1OA und 1OB ersichtlich ist, ändert sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis am FinlaR rlpc
Dreifachkatalysators in Abhängigkeit von dem AUF-ZU (Zuführen-Nichizuführen) von Zusatzluft, wobei der Betrag der Verschiebung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in den unterstöchiometrischen Bereich (die durch den gestrichelten Abschnitt A in Fig. 1OA gekennzeichnete Räche) gleich dem Betrag der Verschiebung in den üöerstochiomeirischen Bereich (die durch den gestrichelten Abschnitt B in 1OA gekennzeichnete Fläche) wird.
Das Luft/Brennstoff-Verhältnis am Auslaß des kein Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreifachkatalysators ändert sich (wie durch die gestrichelte Kurve b in der Figur gezeigt) praktisch in Abhängigkeit von der Änderung (ausgezogene Kurve a) des Luft/Brennstoff-Verhältnisses am Einlaß des Dreifachkatalysators mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung.
Das Luft/Brennstoff-Verhältnis am Auslaß des das Sauerstcffspeichermaterial enthaltenden Dreifachkatalysators ändert sich dagegen gemäß der Strichpunktlinie c in der Figur, wobei diese Änderung sich beträchtlich von der Änderung (die ausgezogene Kurve a) des ! iift/Brennstoff-Verhältnisses am Katalysatoreinlaß unterscheidet. Diese Änderung erfolgt wegen der Sauerstoffspeicher- und Abgabevorgänge des Sai-erstoffspeichermaterials.
Eine weitere Überprüfung der Änderung dieses Luft/Brennstoff-Verhältnisses (die strichpunktierte Kuve erzeigt, daß das Zeitintervall in F i g. 1OA von dem Moment an. in dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis am üTmlaß des Dreifachkatalysators sich vom unter- zum überstöchiometrischen Bereich hin ändert (und das Detektorausgangssignal von einem hohen zu einem niedrigen Pegel mit 0,5 V als Schwellenwert übergeht), bis zum Übergang des Luft/Brennstoff-Verhältnisses am Auslaß des Katalysators vom unter- zum überstöchiometrischen Bereich (nachfolgend als Fett-Mager-Unischaltrate bezeichnet) kürzer ist als das Zeitintervall von dem Moment an, in dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis am Einlaß des Dreifachkatalysators vom über- zum unterstöchiometrischen Bereich wechselt, bis zum Übergang des Luft/Brennstoff-Verhältnisses am Auslaß des Katalysators vom über- zum unterstöchiometrischen Bereich (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, 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), kann bei Wahl eines AUF-ZU-Verhältnisses des Magnetventils von 03/03 figenommen werden, daß die von dem Sauerstoffspeichermaterial in Abhängigkeit von der Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses abgegebene Sauerstoffmenge zur unterstöchiometrischen Seite hin geringer ist als diejenige Menge, die von dem Sauerstoffspeichermaterial in Abhängigkeit von der Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zur überstöchiometrischen Seite hin gespeichert wird, womit die Abgasatmosphäre in der Nähe des Dreifachkatalysators auf den überstöchiometrischen Bereich eingestellt wird. Wie aus der Änderung des Luft/ Bi fjnnstoff- Verhältnisses am Auslaß des Dreifachkatalysators mit Sauerstoffspeichcnnatenal gemäß Fig. 1OA ersichtlich, zeigt ferner die Tatsache, daß am Auslaß der Betrag der Verschiebung des I.iift/Brcnnstoff-Verhältnisses in den unterstöchiometrischen Bereich (die durch die Strichpunktlinie c im unterstöchiometrischen Bereich bestimmte Fläche) kleiner ist als der Verschiebungsbetrag in den überstöchiometrischen
-. Bereich (die Fläche, die durch die Strichpunktlinie c'im überstöchiometrischen Bereich bestimmt ist), daß sogar bei einem dem Dreifachkatalysator zugeführten, auf das stöchiometrische Verhältnis eingestellten durchschnittlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis die Abgasatmosphäre
ι. in der Nähe des Dreifachkaialysptors durch die Wirkung des Sauerstoffspeichermaierials auf den überstöchiometrischen Bereich eingestellt wird.
Bei einem Versuch, die Atmosphäre um den Dreifachkatalysator herum auf das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis einzustellen, wurde somit das AUF-ZU-Verhältnis des Magnetventils 16 auf 0,45/0,55 eingesteuert wodurch die in Fig. 1OB gezeigten Ergebnisse erhalten wurden. Dies führte dazu, daß am Auslaß des Dreifachkatalysators der Betrag der
μ Verschiebung in den unterstöchiometrischen Bereich (das Gebiet C) gleich dem Betrag der Verschiebung in den überstöchiometrischen Bereich (das Gebiet D) wurde, wie dies durch die gestrichelten Abschnitte C und Din F i g. 1OB gekennzeichnet ist. Durch Einstellung
:ϊ des AUF-ZU-Verhältnisses des Magnetventils auf 0,45/035 wurde es möglich, die Sauerstoffspeichermenge nahezu gleich der Abgabemenge zu halten und auf diese Weise die Atmosphäre um den Dreifachkatalysator herum auf das stöchiometrische Verhältnis einzustel-
;i ι len.
Versuch 5
Unter Verwendung des in Versuch 4 erhaltenen AUF-ZU-Verhältnisses 0,45/035 des Magnetventils
r, wurde die Frequenz der AUF-ZU-Vorgänge des Magnetventils verändert und die erhaltene prozentuale Reinigung der Absaskomponenten gemessen. Das heißt, unter den gleichen Bedingungen wie bei Versuch 2 wurde das AUF-ZU-Verhältnis des Magnetventils 16
»ι konstant bei 0,45/035 gehalten, die Frequenz der AUF-ZU-Vorgänge des Magnetventils 16 jedoch von 0,5 bis 10 Hz verändert und die erhaltene prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten gemessen. F i g. 11 zeigt die Ergebnisse dieser Messungen.
■»> Bei größer als 5 Hz werdender Frequenz verringert sich, wie aus Fig. 11 ersichtlich, 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. Eine Frequenz von 0,5 bis 5 Hz ist somit in diesem Fall
>", angemessen (wo 20 g/l CeOj als Sauerstoffspeichermaterial verwendet wird).
Versuch 6
Bei Versuch 5 betrug der Anteil an Sauerstoffen speichermaterial (CeÜ2) 20 g/l, wobei davon auszugehen war, daß die Menge an gespeichertem Sauerstofl von der Größe dieses Anteils abhängt und die Summe der Sauerstoffspeicherzeit und der Abgabezeit unter schiedlich ist. Dieser Versuch wurde deswegen auf die • '> gleiche Weise und unter gleichen Bedingungen wie be Versuch 5 ausgeführt, jedoch wurde der Anteil ar Siuierstoffspeichermaterial (CeO>) von 5 g/l auf 30 g/ geändert. Die erhaltenen Ergebnisse wurden in dei
gleichen Weise wie bei F i g. 11 aufgezeichnet und damit 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 /ergrößertem Gehalt an Sauerstoffspeichermaterial der Frequenzbereich der AUF-ZU-Vorgänge des Magnetvnetils, der eine hochprozentige (über 80%) Reinigung der Abgaskomponen- in te sicherstellt, in Richtung niedrigerer Frequenzen verschoben wird.
Der folgende Versuch 7 wurde zur Untersuchung der Beziehung zwischen der Frequenz und dem Katalysatorbett durchgeführt.
Versuch 7
Unter Verwendung eines Dreifachkatalysators mit einem Paar kreisförmiger monolithischer Katalysatorbetten, die jeweils in Reihe zueinander angeordnet, aus einem als Cojelite bekannten Material hergestellt und mit y-Ali-Oj bedeckt waren und 0,75 g Pt-Rh und 5 g CeO2 (Pt-Rh = 1,5 g/l und CeO2= 10g/l) trugen, sowie 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 im Versuch 6 die gleichen Tests mit dem 10 g/l CeO2 enthaltenden Dreifachkataylsator durchgeführt und die sich ergebende prozentuale Reinigung gemessen. Folgende Werte wurden erhalten:
Katalysatorbetttyp
Prozentuale Reinigung der
Abgaskomponenten (%)
NO
CO
HC
Monolithischer Typ 92,4 96.0 98,0
Pellettyp 98,5 70.0 72,5
Im Hochfrequenzbereich (z.B. über 10 Hz) ist aus diesen Ergebnissen ersichtlich, daß die prozentuale Reinigung von CO und HC abnimmt und die Atmosphäre am Katalysator im Falle des Katalysators vom Pellet-Typ zum unterstöchiometrischen Bereich hin abweicht. Das Katalysatorbett vom monolithischen Typ kann deswegen für den Hochfreuqenzbereich zweckmäßiger sein als das Katalysatorbett vom Pellet-Typ.
Versuch 8
Unter den gleichen Bedingungen wie bei Versuch 1 mit in der »AUF«-Stellung gehaltenem Magnetventil 16 wurde die zugeführte Menge an Zusatzluft auf einem konstanten Wert gehalten, so daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis abgasseitig bei 15:1 gehalten wurde. Bei konstanter Aufrechterhaltung der zugeführten Zusatz- mi luftmenge wurde durch wiederholtes An- und Ausschalten des Magnetventils 16 bei einer Frequenz von I Hz mit dem AUF/ZU-Vcrhällnis 0,45/0.55 die Zusatzluft intermittierend zugeführt. Auf diese Weise wurde das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase im Bereich h-, zwischen 13:1 und 16:1 veriindert und die sich ergebende prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten gemessen. Auf die gleiche Weise wurde die eingespeiste Zusatzluftmenge 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 der Abgase entsprechend verändert und die sich ergebende prozentuale Reinigung der Abgaskomponente gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 13 gezeigt. Der wirksame Luft/Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich in der F i g. 13 ist der abgasseitige Luft/Brennstoff-Verhältnis-Bereich, in dem die prozentuale Reinigung der Abgaskomponenten NO = 80% oder mehr und CO, HC=90% oder mehr betrug. Bei diesem Versuch entsprach dieser Bereich praktisch dem Bereich zwischen 16,0 :1 und 16,5 :1.
Versuch 9
Bei Versuch 8 wurde das ansaugseitige Lui t/Brennstoff-Verhältnis bei 13: 1 gehalten und der sich ergebende wirksame Luft/Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich gemesser.. Bei Versuch 9 wurde das ansaugseitige Luft/Brennstoff-Verhältnis fortlaufend bei 13:1 bis 14 :1 gehalten und die wirksamen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsberuiche entsprechend den jeweiligen ansaugseitigen Luft/Brennstoff-Verhältniswerten auf die gleiche Weise wie bei Versuch 8 gemessen. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind durch den gestrichelten Abschnitt a in F i g. !4 gezeigt.
Versuch 10
Während bei Versuch 9 der wirksame Luft/Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich des das Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreifachkatalysators gemessen wurde, wurden bei diesem Versuch gleiche Tests mit dem Dreifachkatalysator durchgeführt, der kein Sauerstoffspeichermaterial enthielt, wobei das AUF/ ZU-Verhältnis des Magnetventils bei 0,5/0,5 gehalten wurde. Die Meßergebnisse sind durch einen gestrichelten Abschnitt ft in Fig. 14 veranschaulicht.
Versuch 11
Während bei den Versuchen 9 und 10 die Messungen bei einer AUF/ZU-Frequenz des Magnetventils 16 von 1 Hz durchgeführt wurden, wurde bei diesem Versuch die Frequenz bei 2 Hz gehalten und der sich ergebende wirksame Luft/Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich in der gleichen 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 Dreifachkatalysators, während der gestrichelte Abschnitt öden wirksamen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich des kein Sauerstoffmaterial enthaltenden Dreifachkatalysators bezeichnet.
Wie aus den Fig. 13 bis 15 ersichtlich, existiert praktisch für den kein Sauerstoffspeichermaterial enth.'Henden Dreifachkatalysator kein wirksamer Luft/ Brennstoff- Verhältnis-Arbeitsbereich. Bei dem das Sauerstoffspeichermaterial enthaltenden Dreifachkatalysator existiert dagegen ein befriedigender Luft/Brennstoff-Verhältnis-Arbeitsbereich mit einem ansaugseitigen Luft/Brennstoff-Verhältnis in dem Bereich von 13:1 bis 14:1. so daß der Dreifachkatalysator sogar bei
ansaugseitiger Veränderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mit hoher prozentualer Reinigung betrieben werden kann. Im folgenden wird dementsprechend eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Bei dem in den Fig. 16 bis 18 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Brennkraftmaschine 100 mit einem Abgaskrümmer 102 und einem Ansaugkrümmer 103 versehen, wobei stromauf des Ansaugkrümmers 103 eine Drosselklappe IiM angeordnet ist. 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-Dreifachkatalysator 108 angeordnet, der ein Sauerstoffspeichermaterial wie beispielsweise CeO2 enthält Der Vergaser 105 ist derart eingestellt, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis des der Maschine 100 zugeführten Ansauggemisches über den Bereich der Arbeitsbedingungen der Maschine 100 bzw. den Steuerbereich des Abgas-Reinigungssystems konstant und kleiner (z.B. 13:1) als das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gehalten wird.
Eine Zusatzluft-Zuführungseinrichtung 110 weist eine Luftpumpe 111, eine Luftzufuhrleitung 112, ein Rückschlagventil 113 und eine Einführdüse 114 auf. Die Luftpumpe 111 ist über einen Riementrieb mit der Maschine 100 verbunden und wird so von der Maschine angetrieben. Die Luftzufuhrleitung 112 ist mit ihrem einen Ende mit dem Auslaß der Luftpumpe 111 und mit ihrem anderen Ende über das Rückschlagventil 113 mit der Einführüuse 114 verbunden. Die Einführdüse 114 mündet unmittelbar νοί dem Einlaß des Dreifachkatalysators 108 in die Abgasleitung 107. Die Luftzufuhrleitung 112 und die Einführdüse Π4 bewirken somit die Luftzufuhr aus der Luftpumpe 111 in die Abgasleitung 107. Die Luftzufuhrleitung 112 ist mit einer Luftaustrittsleitung 115 versehen, wobei das Verhältnis der Leitungsfläche der Luftzufuhrleitung 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 130 ist stromauf des RückschJagventils 113 angeordnet.
Die Vorrichtung weist ferner einen Vergleicher 160 zur Erzeugung eines ersten Steuersignals in Abhängigkeit von einem die Ansaugluftmenge angebenden Signal und einem weiteren die Zusatzluftmenge angebenden Signal, ein Umschaltventil 109 mit beispielsweise einem elektromagnetischen Dreiwegeventil zum Weiterleiten, entweder des ersten Steuersignals oder eines zweiten Steuersignals, und eine elektrische Schaltung 170 zur periodischen Betätigung des Umschaltventils 109 auf, wodurch die Betätigungseinrichtung 140 entweder von dem ersten Steuersignal oder dem zweiten Steuersignal betätigt wird. Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel wird der Druckunterschied an einer Drossel 150 (der Unterschied zwischen dem Druck vor und hinter der Drossel), die stromab der Austrittsleitung 115 in der Luftzufuhrleitung 112 ausgebildet, als das die Zusatzluftmenge angebende Signal verwendet, wobei der Druck vor und hinter der Drossel 150 jeweils durch eine erste und zweite Druckleitung 151 und 152 dem Vergleicher 160 zugeführt wird. Ferner wird der im Venturi-Rohr 106 erzeugte Venturi-Unterdruck als das die Ansaugluft menge angebende Signal verwendet, wobei Her Venturi-Unterdruck über eine dritte Druckleitung 153
dem Vergleicher 160 zugeführt wird. Der stromab der Drosselklappe 104 erzeugte Ansaugunterdruck 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 Ansaugunterdruck selbst wird ferner als zweites Steuersignal verwendet und über eine sechste Druckleitung 156, ,!ie von der vierten Druckleitung 154 abzweigt, dem Umschaltventil 109 zugeführt In Abhängigkeit von dem Steuersignal der elektrischen Schaltung 170 leitet das Umschaltventil 109 wahlweise das erste oder zweite Steuersignal weiter, die dann übe; eine siebte Druckleitung 157 der Betätigungseinrichtung 140 zugeführt werden.
Die Betätigungseinrichtung 140 hat zwei Druckkammern 144 und 145, die von einem Gehäuse 141 mit einer darin angeordneten Membran 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 Atmosphärenlufteinlaß 147 in die zweite Druckkammer 145 eingeleitet Eine Stange 148 ist mit einem Ende mit der Membran 142 und mit dem anderen Ende mit dem Steuerventil 130 verbunden. In der ersten Druckkammer 144 ist eine Feder 143 derar; angeordnet, daß die Membran 142 in der Figur nach rechts gedrückt wird. Die Druckkraft der Feder 143 ist derart ausgelegt, daß bei Einleitung des zweiten Steuersignals in die erste Druckkammer 144 die Austrittsleitung 115 auch dann vollständig geöffnet ist ist, der bei Vollast erzeugt wird.
Beaufschlagt der Unterdruck des ersten Steuersignals die erste Druckkammer 144, wirkt eine Kraft auf die Membran 142, die sie in der Figur nach links zieht, während die Feder 143 eine entgegengesetzte Kraft auf die Membran 142 ausübt, so daß der Betrag der Anhebung des Steuerventils 130 in Übereinstimmung mit dem Gleichgewicht der beiden Kräfte bestimmt ist. Bei Einführung des zweiten Steuersignals in die erste Drukkammer 144 wie vorbeschrieben, wird die Luftaustrittsleitung 115 vollständig geöffnet, so daß keine Zusatzluft in die Abgasleitung 107 eingespeist wird, da die Einführdüse 114 in die übliche Oberdrucklage geöffnet ist. Beaufschlagt dagegen das erste Steuersignal die erste Druckkammer 144 und ist die Zugkraft des ersten Steuersignals größer als die Gegenkraft der Feder 143, wird die Fläche der Austrittsleitung Ϊ15 vergrößert und der Zusatzluftstrom verhindert. Ist jedoch die Druckkraft der Feder 143 größer als die Zugkraft, wird die Fläche der Austrittsleitung 115 durdi das Steuerventil 130 verkleinert und der Zusatzluftstrom gefördert.
Der Aufbau und die Arbeitsweise des bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Vergleichers 160 wird nachstehend anhand von Fig. 17 beschrieben. Von einem Gehäuse 161 werden fünf Druckkammern 166, 167,168,169 und 170 begrenzt. In dem Gehäuse 161 sind vier Membranen 162,163,164 und 165 angeordnet. Der Venturi-Unterdruck wird über eine erste Leitung 171 und die in Fig. 16 gezeigte dritte Druckleitung 153 in die von dem Gehäuse 161 und der ersten Membran 162 begrenzte erste Druckkammer 166 eingeleitet. Der Atmosphärendruck wird über einen ersten Atmosphärenlufteinlaß 172 in die von dem Gehäuse 161 und der ersten und zweiten Membran 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 der zweiten und dritten Membran 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 !61 und der dritten und vierten Membran 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. Oberdrücke. Der Atmosphärenddruck wird über einen zweiten Atmosphärenlufteinlaß 175 in die von dem Gehäuse 161 und der vierten Membran 165 begrenzte fünfte Druckkammer 170 eingeleitet. Die vier Membranen 162, 163, 164 und 165 sind miteinander über eine Stange 176 verbunden. An einem Ende der Stange 176 ist ein Ventilsitzteil 177 angebracht, das eine Verbindungsöffnung 179 öffnet und schließt, die die fünfte Druckkammer 170 mit einer vierten Leitung 178 verbindet Ein Ende der vierten Leitung 178 ist mit aer in Fig. 16 gezeigten vierten Druckleitung 154 ve.iuinden 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 Ventilsitzteils 177 bestimmbar. Die dritte Membran 164 hat eine kleinere Druckaufnahmeflärhe als die anderen Membranen 162,163 und 165.
Mit dem vorbeschriebenen Vergleicher 160 wird die erste Membran 162 durch den in die erste Druckkammer 166 eingeleiteten Venturi-Unterdruck nach oben gezogen. Durch den in die dritte Druckkammer 168 eingeleiteten Druck (Überdruck) wird andererseits die zweite Membran 163 in der Figur nach oben gedrückt und durch den in die vierte Druckkammer 169 eingeleiteten Druck (Oberdruck) wird die vierte Membran 165 in der Figur nach unten gedrückt. In Abhängigkeit von dem Druckunterschied zwischen der dritten und vierten Druckkammer 168 und 169 wird die dritte Membran 164 durch eine geringfügige Kraft in der Figur nach oben gedrückt. B<:i Betrachtung der auf die zweite, dritte und vierte Membran 163,164 und 165 insgesamt wirkenden Kräfte ist die in der Figur nach unten wirkende Druckkraft infolge des Druckunterschiedes zwischen d^r dritten und vierten Druckkammer 168 und 169 größer. Diese 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 gerichteten Kraft aufgrund des Venturi-Unterdruckes bewegt. Da sich diese beiden Kräfte unter den geschilderten Umständen im Gleichgewicht befinden, werden bei Vergrößerung der Ansaugluftmenge mit dem daraus sich ergebenden erhöhten Venturi-Unterdruck, der der ersten Druckkammer 166 zugeführt wird, die Stange 176 und das Ventilsitztei! 177 in der Figur nach oben bewegt, so daß die durch die Verbindungsöffnung 179 in die vierte Leitung 178 fließende Atrnosphärenluft vermehrt und der Betrag des durch die vierte Leituni; 178 geführten Unterdruckes des ersten Steuersignals verringert wird. Verkleinert man im Gegensatz dazu den Venturi-Unterdruck,
ν-,
-■,η
bewegt sich das Ventilsitzteil 177 in der Figur nach unten, 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 zu dem unmittelbar zuvor bestehenden erhöht ist. Wird dagegen die Zusatzluftmenge erhöht, wodurch der in die dritte und vierte Druckkammer 168 und 169 eingeführte Druckunter schied 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 zu dem unmittelbar zuvor bestehenden erhöht wird. Wenn dagegen der Unterschied zwischen dem in die dritte und vierte Druckkammer 168 und 169 eingeleiteten Druck vor und hinter der Drossel 150 äußerst klein wird, bewegt sich das Ventilsitzteil 177 in der Figur nach oben, so daß die Menge der in die vierte L ,iung Ϊ78 fließenden Atinosphäreniuit erhöht 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 Brennkraftmaschine 100 in einer von der Öffnung der Drosselklappe 104 bestimmten Menge angesaugte Luft mit dem Brennstoff in dem Vergaser l'O5 vermischt. Das Gemisch wird in die Brennkraftmaschine 100 eingefüllt und verbrannt, und die Abgase werden über den Abgaskrümmer 102 und die Abgasleitung 107 dem Dreifachkatalysator 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 Brennkraftmaschine 100 angesaugten Luft
(Q = GAiJÄF;
Q = Ansaugluftmenge,
A\ = Querschnittsfläche des Venuri-Rohres 106,
AP = absoluter Betrag des Venturi-Unterdrukkes,
Ci = Austragungskoeffizient).
Etei Einleitung des ersten Steursignals in die erste Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 wird andererseits Zusatzluft unter Druck von der Luftpumpe 111 zugeführt, die von der Brennkraftmaschine 100 angetrieben wird, so daß das Rückschlagventil 113 durch diese Zusatzluft über die Luftzuleitung 112 geöffnet und die Zusatzluft der Einführdüse 114 zugeführt wird, die ihrerseits die Luft in die Abgasleitung 107 der Brennkraftmaschine 100 einleitet.
In diesem Fall hat die Druckdifferenz an der Drossel I1X) in der Luftzuleitung H2 einen auf die zugeführte Menge an Zusatzluft bezogenen Wert
(q = C1A1TfAF;
q = Menge der zugeführten Zusatzluft,
Ai = Querschnittsfläche der Drossel 150,
Δ P' = Betrag der Druckdifferenz an der Drossel 150,
Ο - Austragungskoeffizient).
Der Betrag des Ansaugunterdruckes wild von dem Vergleicher 160 gesteuert, der den Venturi-Unterdruck der Brennkraftmaschine 100 mit dem Betrag des Druckunterschied an der Drossel 150 vergleicht, wodurch das Zusatzluft-Steuerventil 130 entsprechend dem Druckwert des auf diese Weise erhaltenen ersten
Steuersignals von der Betätigungseinrichtung 140 betätigt wird, um die Flüche der Austritisleiturig IH in der Luftzuleitung 112 /u steuern, so daß die Druckdifferenz an der Drossel 150 proportional dem absoluten Betrag des Venturi-Unterdruckes wird. Das heißt, wenn der Leitungsquerschniu derart gesteuert wird, daß JP= KiAP'isl (wobei K ein Proporlionalitätsfaktor ist), dann wird Q= qK; erhalten (wobei Ki ein Proprotionalitätsfaktor ist), so daß die Zusatzluftmenge proportional der Ansaugluftmenge wird.
Nachstehend wird näher auf die Arbeitsweise dieses Ausfiihrungsbeispiels eingegangen, und /war auf den Fall, daß das erste Steuersignal der ersten Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 zugeleitet wird Es wird angenommen, daß unter den in ι "ig. I^ gezeigten Bedingungen this die Ansaugluftmenge angebende Signal proportional ist dem die Zusatzluftmenge angebenden Signal. Bei Vergrößern'),« der Ansaugluftmenge, so d.iß tier Vcnturi-i 'ntcrdruck
di-s I rvtrdruckes des in die erste Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 geleiteten ersten Steuersignals verengert und das Steuerv entii I 30 in Schließm h tung bewegt, wodurch Jic Fläche der 'Vistriti-.leiumg 115 verkleinert und damit die Zusat/Iut'tmengc erhöht wird, die über die l.ufi/ufuhrleituiig 112. das Rückschlagventil II? und die F.inführdiise 114 iri die Abgasleitung 107 strömt. Wenn daüe^·;. η die Menge .in •\nsauglui': '.erringen wird, so daß <:?· Venturi-l nter druck ebenfalls verringert wird, wir·: ii· Abhängigkeit von der zuvor beschriebenen Betätigen;. ■> Veiylei-.hers 160 der Betrag des Unterdrmkes ue~ mt ■ -ton Druckkamnier 144 der Betätigungseinrichtui. . 140 /ugeführten ersten Steuersignal* erhöht und folglich das Steuerventil 130 in eine Offenstellung bewegt, so daß die in die Abgasleitung 107 einströmend·:· Zusa'zluf'menge \erringer· wird. F.rhöht man andererseits liie Zusatzluftmengc ■<> daß die Druckdifferenz an der Drossel 150 außerordentlich groß wird, wird infolge d-.-r zuvor beschriebener, Betätigung des Vergleichers 160 der ; I 'n'erdruckbetrag des der ersten Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 zugeführten ersten Steuersignals erhöht und das Steuerventil 130 in Öffnungsnch-"jr.g bewegt, so daß die Fläche der Austrittsleitung 115 vergrößert und damit die in die Abgasleitung 107 : einströmende Zusa'zluftmenge verringert wird. Verringert man dageeen die Zusatzluftmenge, so daß der Betrag des Druckunterschiedes an der Drossel 150 außerordentlich klein wird, wird der Betrae des I.'r.terdruckes des der ersten Druckkammer 144 " zugeführten ersten Steuersignais verringert und das Steuerventil 130 ·η Sch'ießnchtung bewegt, so daß die in die Abgasleitung 107 einströmende Zusatzluftmenge erhöht wird.
Steuert man auf diese Weise das Zusatzluft-Steuer- r, ventil 130 derart, daß das die Zusatzluftmenge angebende Signal proportional dem die Ansaugiuftmenge angebender. Signa! wird, dann ist es möglich, während der Zeitperiode, während der da5 e^te Steuersigna! in die erste Druckkamer 14-: .er -■■■■ Betätigungseinrichtung 140 eingeleitet wird, die 7- \lluftmenge proportional zur Ansaugluftmenge zu halten.
Nachstehend wird die in Fig. 5 8 gezeigte elektrische Schaltung 170 näher beschrieben. Die elektrische Schaltung 170 weist einen Schwingkreis mit Irr-ertern -ί 170a und 1706. Widerständen 17Oe und 170/"und einem Kondensator 170^. einen Frequenzteiler mit einem Binärzähler MQd und einem Inverter 170c. und einen Arbeitsstroinkreis mit Widerstünden 170/?. 170; und 170/. Transistoren 170/r und 170/und einer Diode 170m auf. Das Umschaltventil 109 hat eine Spule 109,·;. Ferner sind ein schliisselhetätigter Schalter |7| und eine Batterie 172 vorgesehen. Die Ausgangssignale des Schwingkreises werden in dem Frequenzteiler einer Frequenzteilung unterwürfen, der seinerseits Signale einer festgelegten, von dem S\stem geforderten Frequenz erzeugt. Die sich ergebenden geleilten Signale weiden über den Inverter 170c· dem Arbeitsstromkreis zugeführt, so daß der zu der Spule 109;; fließende Strom mit der festgelegten Frequenz ein- und ausgeschaltet u:i.! das Umschalneniil 109 mit der festgelegten I p.'qiieiiz betätigt wird
Bei diesem Ausfühningsbeispiel ist das Al II'V.l I- Verhältnis des I 'mschaltveiitiK 109 nut ! : I vorgegeben.
N.u'li'-iehend wird die Ai beitsw ei-c des gesamten Svst'-'ns b'.'si.i-'-iehen. Die elektrische Schaltung 170 bot.iMgt mit der feMgelegten Frequenz das Umschaltventil KM u, chill das I.'i"-,vh;iItventil 109 abwechselnd die fünfte Druckleitung ΙΪ5 mit der siebten Drucklei tung 157 und die sechste Druckleitung 156 mit der siebten Druckleitung 157 verbinde' und das erste und /vielte Steuersignal abwechselnd zn der ersten Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 geleitet werden.
Wenn das zweite Steuersignal in die erste Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 geleitet wird öffnet 'as Steuerventil 130 vollständig die Austrittslei tung 115 und die F.inführdiise 114 führt keine Zusatzluft mehr in die Abgasleitung 107 ein. Die in den Dri.i...chkataI>siUor 108 stromonden Abgase werden hierbei durch Verbrennung des von dem Vergaser 105 vorgegebenen Ansauggemisches mit kleinem Luft Brennstoff-Verhältnis erzeugt, so daß das sich ergebende Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist.
Wenn das erste Steuersignal in die erste Druckkammer 144 der Betätigungseinrichtung 140 eingeleitet wird, steuert das Steuerventil 130 die Austrittsleitiing 115 derart, daß Zusatzluft in einer zur Ansaupl.n'tmenge proportionalen Menge zugeführt wird. D'cso zur Ansaugluftmenge proportionale Zusatzluftmenge ist derart vorgegeben, daß das durchschnittliche Luft' Brennstoff-Verhältnis der durch Zufuhr von Zusatzluft erzeugten Abgase und der ohne Zufuhr von Zusatzluft erzeugten Abgase in den gestrir· ?!ten Bereich In F i e. '. fällt. "
Es ist somit ersichtlich, ei a 3 bei in:err~.· .:erendei Zufuhr einer der Ansaugluftmenge proponionaier Zusatzluftmenge in die Abgasleitung stromauf de« Dreifachkatalysators, auch bei Veränderung der/ Tsaugluftmenge in Abhängigkeit von den ArDeitsbedingunger der Maschine, das dem Dreifachkatalysator zugeführtc Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase stetig abwechselnd zur unter- und überstöchiometrischen Seit« veränderbar ist.
Nachstehend wird das in Fig. 20 gezeigte zweite Ausfühningsbeispiel beschrieben. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel wird zur Ansaugluftmenge proportional« Zusatzluft intermittierend zugeführt und Zusatzlufi ständig in einer zur Ansaugluftmenge proportionaler Menge in die Abgasleitung stromauf des Dreifachkata lysators eingeleitet. In der Figur sind die Bauteile, die die gleichen Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausfüh rungsbeispiel tragen, gleich oder äquivalent. Das zweite Ausführungsbeispiei wird demgemäß im Hinblick au die Unterschiede zwischen dem ersten und zweiter
Ausführiingsbeispiel beschrieben.
In Fig. 20 ist eine Zuführleitung 222 mit einer Luftpumpe 111 verbunden, wobei die von der Luftpumpe III bereitgestellte und durch eine in der Leitung 222 ausgebildete Drossel 150 hindurchgeführte Luftmenge durch eine Betätigungseinrichtung 140 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel proportional zur Ansaugluftmenge gehalten wird. Die Leitung 222 ist über die Betätigungseinrichtung 140 und eine Oberdruckleitung 223 mit dem Einlaß der Luftpumpe III verbunden. Die Leitung 222 ist ferner mit einer ersten und zweiten Zusatzluftzuleitung 222A ut»d 222S, die in eine Abgasleitung 107 stromauf eines Dreifachkatalysa- ;ors 108 münden, und mit einer Überbrückungsleitung 224 verbunden, die stromab des Dreifachkatalysators 108 in die Abgasleitung 107 mündet, wobei die erste Zuführleitung 222/4 und die Überbrückungsleitung 224 alternativ durch ein Umschaltventil 230 mit der Leitung 222 verbindbar sind. Die Leitungen 222A und 222ßund die Leitung 224 sind jeweils mit Drosseln 225/4, 225ß und 225Czur Einstellung der Durchflußrate ausgebildet, wobei diese Drosseln in diesem Ausführungsbeispiel so vorgewählt sind, daß die Drosseln 225A und 225t" einander gleich sind und die Durchflußrate der Drossel 225,4 ungefähr das Vierfache der Druchflußrate der Drossel 225 ß beträgt. Auf diese Weise wird ständig eine der Ansaugluftmenge proportionale Zusatzluftrnenge durch die zweite Zusatzluftzuleitung 2225 in die Abgasleitung 107 stromauf des Dreifachkatalysators 108 eingeführt und somit das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase im Vergleich zum ansaugseitigen Luft/ Brennstoff-Verhältnis leicht auf den überstöchiometrisehen Bereich eingestellt. Andererseits wird eine der Ansaugluftmenge proportionale Zusatzluftmenge intermittierend aus der ersten Zusatzluftzuleitung 222.4 durch das Umschaltventil 230 zugeführt und dementsprechend das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase abwechselnd zur unter- und überstöchiometrischen Seite hin verändert, wobei das stöchiometrische Verhältnis einen Schwellenwert bildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das ansaugseitige Luft/Brennstoff-Verhältnis mit 13:1 angesetzt, während die über die zweite Zusatzluftzuleitung 222ö zugeführte Zusatzluftmenge mit 0.5/13 der Ansaugluftmenge und die über die erste Zusatzluftzuleitung 222A zugeführte Zusatzluftmenge mit 2/13.0 der Ansaugluftmenge gewählt ist. Das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase ist folglich durch die über die zweite Zusatzluftzuleitung 222S zugeführte Zusatzluft auf 13,5 : 1 eingestellt, während das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase durch die intermittierend über die erste Zusatziuftzuleitung 222A zugeführte Zusatzluft zwischen 13.5 : 1 und 15,5 : i abwechselnd verändert wird. Das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase wird somit abwechselnd mit gleichen Intervallen zur unterstöchiometrischen Seite (13,5 : 1) und zur überstöchiometrischen Seite (153) verändert, wobei das stöchiometrische Verhältnis (14,5 :1) einen Schwellenwert darstellt.
Das Umschaltventil 230 hat zwei Druckkammern 233 und 234, die von einer Membran 232 begrenzt sind, und eine an der Membran 232 befestigte Stange 237. die in einem Gehäuse 231 hin- und herbewegbar ist. Die Zufuhrleitung 222. die erste Zusatzluftzuleitung 222-4 und die Überbrückungsleitung 224 münden in eine Kammer 239 des Gehäuses 231, wobei die Zufuhrleitung 222/4 und die Überbrückungsleitung 224 durch ein Venti! 238 geöffnet und geschlossen werden. Das Venti! 238 ist am Vorderende der Stange 237 angebracht.
wobei die oberen und unteren konischen Flächen Öffnungen (Ventilsitze) der Leitungen 222A und 224 gegenüberstehen, die in die Kammer 239 des Gehäuses 231 münden. Druckkammern 233 und 234 des Umschaltventils 230 sind jeweils mit elektromagnetischen Dreiwegeventilen 235 und 236 verbunden, so daß über die Dreiwegeventile 235 und 236 Atmosphärendruck in die eine Kammer und Ansaugleitungsunterdruck in die andere Kammer eingeleitet wird, wobei die Ventile 235 und 236 zum Umschalten der Druckkammern betätigt werden, in die Atmosphärenluft und der Ansaugleitungsunterdruck eingeleitet werden. Die elektromagnetischen Dreiwegeventile 235 und 236 werden von einer elektrischen Schaltung 170 betrieben, die die gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel sein kann
Mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann ständig eine feste Zusatzluftmenge stromauf des Dreifachkatalysators in die Abgasleitung eingeführt und darüber hinaus Zusatzluft stromauf des Dreifachkatalysators intermittierend in die Abgasleitung eingeleitet werden, womit der Lufl/Brennstoff-Fensterbereich vergrößert und insbesondere die prozentuale Reinigung von CO und HC mittels der standig zugeführten festen Zusatzluftmenge erhöht werden.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nimmt die über die erste Zusatzluftzuleitung in die Abgasleitung 107 eingespeiste Zusatzluft eine rechtwinklige Wellenform an, jedoch kann die intermittierend zugeführte Zusatzluft zur Erzielung der gleichen funktionalen Wirkung auch in Sägezahnform eingespeist werden. Das Verfahren der intermittierenden Zufuhr von Zusatzluft wurde anhand der in F i g. 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 kann der Druck in den Druckkammern 233 und 234 allmählich verändert werden, so daß die Zusatzluft in Sägezahnwellenform zugeführt wird.
Nachstehend wird das in Fig. 21 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel beschrieben. Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Brennkraftmaschine 10υ ist eine Viertakt-Vierzylindermaschine, deren Zylinder mit C] bis G bezeichnet sind, wobei der erste Zylinder C;. der zweite Zylinder Ci. der dritte Zylinder Cs und der vierte Zylinder G die Zündfolge 1-3-4-2 aufweisen. Es ist ein zweiteiliger Abgaskrümmer 1 und 2 vorgesehen, dessen erster Krümmerteil 102a mit dem ersten und vierten Zylinder C\ und G verbunden ist, deren Zündzeiten um 360c gegeneinander verschoben sind, und dessen zweiter Krümmerteil 1026 mit dem zweiten und dritten Zylinder G und G verbunden ist, deren ,Tündzeiten 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 Abgasleitung 107a und eine zweite mit dem zweiten Abgaskrümmerteil 102£> verbundene Abgasleitung 107£> aufweist. Stromab der Verbindungsstelle der ersten und zweiten Abgasleitung 107a und 107fc ist ein Dreifachkatalysator 108 angeordnet.
Auf gleiche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Vergaser 105 derart angeordnet, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine 100 zugeführten Ansauggemisches über den gesamten Bereich der Arbeitsbedingungen der Brennkraftmaschine 100 bzw. den Steuerbereich des Abgasreinigungssystems konstant und kleiner als das stöchiometrische
2b
Verhältnis gehalten wird.
Bei einer Zusatzluft-Zuführungseinrichtung 110 mündet eine Einführdiise 114 nur auf der Seite des vierten Zylinders G in den ersten Abgaskrümmerteil 102/i, und folglich wird während des Ansaug- und Arbeitstaktes des vierten Zylinders G Zusatzluft aus der Eiinführclüse 114, wie nachstehend ausführlicher beschrieben, eingeführt. Ferner sind eine Betätigungseinrichtung 140 und ein Verglei-hcr 160 identisch mit ihren Gegenstücken bei dem erden Auüführungsbeispiel. Beim vorliegenden 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 der Durchlaßbereich der Austrittsleitung 115 von einem Zusatzluft-Steuerventil 130 derart gesteuert wird, daß die zugeführte Zusatzluftmenge proportional der Ansaugluftmenge ist. Diese der Ansaugluftmenge proportionale Zusatzluftmenge wird derart voreingestellt, daß das durchschnittliche Luft/ Brennstoff-Verhältnis der mit Zusatzluftzufuhr und der ohne Zusatzluftzufuhr erzeugten Abgase in den gestrichelten Bereich von F i g. 1 fällt. Demzufolge ist bei Zufuhr von Zusatzluft das sich ergebende Luft/ Brennstoff-Verhältnis der Abgase größer als das siöchiometrische Verhältnis.
Nachstehend wird näher auf die Arbeitsweise des dritten Au^führungsbeispiels eingegangen. Die Vorrichtung nutzt das Pulsieren des Gegendruckes der Brennkraftmaschine 100 aus. Da das erste Abgaskrümmerteil 102a, in das die F.inführdüse 114 mündet, mit dem ersten und vierten Zylinder G und G verbunden ist. deren Zündzeiten um 360° gegeneinander verschoben sind, und weil der vierte Zylinder G im Verdichtungstakt arbeitet, wenn der erste Zylinder G im Ausstoßtakt arbeitet, wird der Gegendruck in dem ersten Abgaskrümmerteil 102a während des Ansaug- und Arbeitstaktes des vierten /.ylinders G kleiner und folglich Zusatzluft jeweils während des Ansaug- und Arbeitstaktes aus der Einführdüse 114 in den ersten Abgaskrümmerteil 102a auf der Seite des vierten Zylinders G eingeführt. Die Abgase aus dem vierten Zylinder C4 werden durch die eineeführte Zusatzluft verdünnt und die dermaßen verdünnten Abgase (A>l) mit den Abgasen (λ < 1) aus dem ersten Zylinder G 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 der Abgase bezüglich des stöchiometrischen Verhältnisses am Einlaß der ersten Abgasleitung 107a wie in Fig. 22 verändert. Fs nimmt eine schwingungsartige Form mit einer Periode an, die einem Takt-Zyklus (Ansaugen — Verdichten -Arbeiten — Ausstoßen) der Brennkraftmaschine 100 entspricht. Die Abgase mit dem sich schwingungsartig verändernden Luft/Brennstoff-Verhältnis werden beim Durchströmen der ersten Abgasleitung 107a grob durchmischt, so daß das sich ergebende durchschnittliche Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase größer als das stöchiometrische Verhältnis (A=I) ist Dies resultiert aus der Tatsache, daß die Zufuhr von Zusatzluft so eingestellt ist, daß das durchschnittliche Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase am Einlaß des Dreifachkatalysators 108 sich dem stöchiometrischen Verhältnis annähert Die erste Abgasleitung 107a, durch die die Abgase mit dem relativgroßen durchschnittlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis strömen, und die zweite Abgasleitung 107ö, durch die die Abgase mit dem relativ kleinen durchschnittlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis strömen, treffen vor dem Kinlaß des Dreifachkatalysators 108 aufeinander. Die durchgeführ °n Versuche zeigten ferner, daß die Größe des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der in den Dreifachkatalysator 108 strömenden Abgase bezüglich des stöchiometrischen Verhältnisses wie in F i g. 22b gezeigt variiert, wobei die Änderung eine schwingunjsartige Form mit einer Periode hat, die einem halben Takt-Zyklus der Brennkraftmaschine 100 entspricht.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel wird Zusatzluft nur auf der Seite des vierten Zylinders G in das erste Abgaskrümmerteil 102a eingeführt, jedoch ist dies nicht unbedingt erforderlich, sondern das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase kann am Einlaß des Dreifachkatalysators 108 schwmgungsförmig mit einer Periode geändert werden, die einem halben Takt-Zyklus der Brennkraftmaschine 100 entspricht, wie im Falle des dritten Allsführungsbeispiels, indem Zusatzluft in irgendeinen der vier Zylinder oder in die zwei Zylinder eingeführt wird, die mit dem einen oder dem anderen Abgaskrümmerteil 102a oder 102i> verbunden sind.
Bei Verwendung eines geteilten Abgaskriimmers mit zwei Abgaskrümmerteilen, die jeweils mit einem Zylinde'paar verbunden sind, deren Zündzeiten um 180° gegeneinander verschoben sind, kann Zusatzluft ferner nur in einen der vier Zylinder oder in die zwei Zylinder eingeführt werden, die mit dem einen oder dem anderen Abgaskrümmerteil verbunden sind, so daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase am Einlaß des Dreifachkatalysators 108 schwingungsanig mit einer Periode variiert, die einem Takt-Zyklus der Brennkraftmaschine 100 entspricht, womit die gleiche Wirkung wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel erzielbar ist.
Nachstehend wird das in F i g. 23 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem dritten dadurch, daß die Luftpumpe 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 Zusatzluft-Steuerventil 330 vom Drosselklappentyp in der Luftleitung angeordnet ist. Bei diesem Aufbau öffnet das Zungenventil 116 mit einer relativ dünnen Metallzunge und ermöglicht das Einspeisen von Zusatzluft nur dann, wenn in dem ersten Abgaskrümmerteil 102a ein Unterdruck herrscht. Das Zusatzluft-Steuerventil 330 wird durch den Vergleicher 160 und die Betätigungseinrichtung 140 zur Änderung des Durchlaßbereiches dahingehend gesteuert, daß die Zusatzluftmenge proportional zur Ansaugluftmenge gehalten wird. Da nur dann Zusatzluft zugeführt wird, wenn in dem ersten Abgaskrümmerteil 102a Unterdruck herrscht, verändert sich bei diesem Ausführungsbeispiel das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase schwingungsartig, und die Frequenz ist die gleiche wie im Falle des dritten Ausführungsbeispiels, so daß die gleiche Wirkung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gewährleistet ist
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird infolge der Tatsache, daß die Zusatzluftzufuhrmenge proportional der Ansaugluftmenge ist das entstehende Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnis bei den Arbeitsbedingungen der Brennkraftmaschine 100 ständig konstant gehalten, wobei das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches auf einen konstanten Wert voreingestellt ist, so daß das sich ergebende durchschnittliche Abgas-Luft/Brennstoff-Verhältnis ständig auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Auf diese Weise bewirkt eine Änderung des Luft/Brennstoff-Ver-
ältr-'sses d.j der Brennkraftmaschine 100 unter lekiibleibenden und übergangsmäßigen Arbeitsbedinungen /ugeführten Ansauggemisches eine Änderung es durchschnittlichen Abgas-Luft/Brcnnstoff-Verhältisses, wodurch der Bereich (der Liift/Brenrtsloff-f'enterbereich) der durchschnittlichen Abgas-Luft/Brenn-
stofi-Verhältnisse, die e nc hohe prozentuale Reinig'jng gewährleisten, vergrößert wird, so daß der Dreifach!.atalysator ständig wirksam arbeiten kann, unabhängig von Veränderungen des durchschnittlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase.
Hierzu 13 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betreiben eines im Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Abgasreinigung angeordneten Katalysators, wobei als Katalysator ein Dreifachkatalysator mit einem Sauerstoffspeichermaterial verwendet wird, das in Abhängigkeit von dem Sauerstoffpartialdruck in den Abgasen Sauerstoff speichern oder gespeicherten Sauerstoff ι ο abgeben kann, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzluft intermittierend mit einer fest vorgegebenen Frequenz derart in den Dreifachkatalysator eingespeist wird, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase jeweils während einer ersten Zeitdauer im unterstöchiometrischen Bereich verbleibt, um dem Sauerstoffspeichermaterial eine zufriedenstellende Sauerstoffabgabe zu ermöglichen, und jeweils während einer zweiten Zeitdauer im überstöchiometrischen Bereich verbleibt, um dem Sauerstcflspeichermaterial eine zufriedenstellende Sauerstoffspeicherung zu ermöglichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungsfrequenz des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses größer als 1 Hz ist
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzluft vor ihrer intermittierenden Einspeisung kontinuierlich in das Abgassystem der Brennkraftmaschine stromauf des Dreifachkatalysators eingespeist wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase ausgehend vom stöchiometriscnen Verhältniswert um gleiche Beträgt in den unterstöchiometrischen und J5 den überstöchiometrischen Bereich hinein erfolgen, wobei der während der zweiten Zeitdauer erfolgende Verschiebungszyklus in den überstöchiometrischen Bereich kürzer ist als der während der ersten Zeitdauer erfolgende Verschiebungszyklus in den unterstöchiometrischen Bereich.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Verschiebungszyklus in den überstöchiometrischen Bereich zum Verschiebungszyklus in den unterstöchiometrischen Bereich 0,45 bis 0,55 beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase ausgehend vom stöchiometrischen Verhält- w niswert 14,5 :1 im unterstöchiometrischen Bereich den Wert 13,5 :1 unterschreiten und im überstöchiometrischen Bereich den Wert 15^5 :1 überschreiten.
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