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Anordnung zum selbsttätigen Regeln des Luftüberschusses
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einer Verbrennung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum selbsttätigen
Regeln des Luft- bzw. Sauerstoffüberschusses einer Verbrennung von strömenden Brennstoffen,
mit einem Regelsystem, welches das Brennstoff-Luftverhältnis auf einen voreingestellten
Sauerstoffsollwert des Abgases regelt.
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Um die Verbrennung von strömenden Brennstoffen, wie Öl oder Brenngas,
in Feuerungsanlagen mit gutem Wirkungsgrad durchführen zu können, muß der Luft-
bzw. Sauerstoffüberschuß der Verbrennung möglichst gering sein.
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Der Luftüberschuß wird durch den Sauerstoffgehalt der Abgase erfaßt
und bei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Anlagen für die Verhältnisregelung
von Brennstoff-Luft derart ausgenutzt, daß im Abgas ein vorgegebener, möglichst
geringer Sauerstoffgehalt auftritt. Auf der anderen Seite darf das Brennstoff-Luftverhältnis
jedoch nicht derart gewählt werden, daß im
Abgas neben Sauerstoff
noch wesentliche Anteile an unverbrannten Gaskomponenten, hauptsächlich Kohlenmonoxid,
auftreten. Kohlenmonoxid kann auch bei richtig eingestellter Feuerung dann entstehen,
wenn im Laufe der Betriebszeit Verschmutzungen und/oder Abnutzungen der Verbrennungsvorrichtungen,
wie Öl- oder Gasbrenner, stattfinden und die gute Durchmischung von Brennstoff und
Luft daher nicht mehr gewährleistet ist. Um die Entstehung von Kohlenmonoxid von
vorherein auszuschalten, war es daher erforderlich, die Verbrennung mit erhöhtem
Luft- bzw. Sauerstoffüberschuß durchzuführen mit der Folge einer Verschlechterung
des Wirkungsgrades.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der
eingangs genannten Art, die sich in der Praxis für die Regelung des Luft- bzw. Sauerstoffüberschusses
der Verbrennung bewährt hat, derart weiterzubilden, daß die Verbrennung mit möglichst
geringem Luft-bzw. Sauerstoffüberschuß durchgeführt werden kann ohne daß nennenswerte
Mengen von unverbrannten Gasbestandteilen, insbesondere Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffverbindungen,
entstehen. Zusätzlich soll die Anordnung einfach im Aufbau, daher kostengünstig
herzustellen und für störungsfreien Langzeitbetrieb geeignet sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun erfindungsgemäß darin, daß der
Sauerstoffsollwert am Regelsystem durch ein Hilfsregelsystem, das einen durch das
Abgas beaufschlagbaren Kohlenmonoxid-Sensor aufweist, auf einen Betrag einstellbar
ist, bei dem gerade Spuren von Kohlenmonoxid im Abgas auftreten. Das Hilfsregelsystem
verstellt
also den Sauerstoffsollwert des Regelsystems auf solche Werte, bei denen Kohlenmonoxidbildung
gerade einsetzt, während das Regelsystem die Verhältnisregelung von Brennstoff und
Luft auf den eingestellten Sauerstoffsollwert übernimmt. Ein Verbrennungsablauf
mit dem jeweils kleinstmöglichen Sauerstoffüberschuß, das heißt mit dem höchstmöglichen
Wirkungsgrad, ist somit selbst beim Auftreten von Störfaktoren wie Verschmutzungen,
Abnutzungen der Verbrennungseinrichtungen, Schwankungen des Heizwerts und/oder der
Zusammensetzung des Brennstoffes sowie Luftdruckschwankungen sichergestellt. Auch
läuft bei dieser Betriebsweise der Verbrennungsvorgang ohne Rußbildung ab, da Öl-
und/oder Gasbrenner, die nach dem neuesten Stand der Technik gebaut sind, erst dann
die Verbrennung unter Rußbildung vollziehen, wenn großere Anteile von Unverbranntem
wie z. B. Kohlenmonoxid im Abgas auftreten. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß
eine Rußbildung ausgeschlossen ist, solange nur Spuren von Unverbranntem im Abgasstrom
enthalten sind.
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Der Begriff Kohlenmonoxid-Sensor dient in vorliegender Anmeldung zur
Bezeichnung eines Sensors, der neben Kohlenmonoxid auch andere unverbrannte Gaskomponenten,
inS-besondere Kohlenwasserstoffverbindungen (C-H-Verbindungen), erfaßt. Ebenso umfaßt
der Begriff "Kohlenmonoxid zusätzlich auch andere unverbrannte Gaskomponenten, insbesondere
Kohlenwasserstoffe.
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Da Störgrößen, wie Änderungen des Brennerzustandes und/ oder Änderungen
der Brennstoffqualität, nicht schnell auftreten, genügt es, daß nach einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung, der Sauerstoffsollwert in vor-
bestimmten
Zeitabständen und jeweils kurzzeitig einregelbar ist und der eingeregelte Sauerstoffsollwert
bis zum nächsten Regeleingriff unverändert bleibt. Die Zeitabstände haben hierbei
einen Betrag von etwa 0,5 bis 3 Stunden, vorzugsweise 1 bis 2 Stunden,wogegen die
Einregelzeit kurz ist und 1 bis 5 Minuten beträgt.
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Zur weiteren Optimierung des Verbrennungsprozesses ist es empfehlenswert,
daß die Spuren von Kohlenmonoxid, auf welche das Hilfsregelsystem anspricht, einen
Betrag von 100 bis 1000 ppm, vorzugsweise 200 bis 400 ppm, aufweisen. Bei einer
Verbrennung mit Kohlenmonoxidspuren dieser Größe im Abgas tritt mit Sicherheit keine
Rußbildung, oder zumindest keine beachtenswerte Rußbildung, auf.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin
zu sehen, daß eine genaue quantitative Erfassung des Gehaltes an Unverbranntem des
Abgases nicht erforderlich ist, sondern lediglich das Auftreten von Spuren erfaßt
werden muß. Hierdurch kann vorteilhaft ein Sensor verwendet werden, der ein halbleitendes
Metalloxid oder Mischoxid enthält, dessen elektrische Leitfähigkeit vom Kohlenmonoxidgehalt
des Abgases abhängig ist. Ein bevorzugtes Metalloxid dieser Art ist Zinnoxid vom
n-Typ.
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Eine besonders bevorzugte betriebssichere und kostengünstige Weiterbildung
der Erfindung mit einem Verbrennungsregelsystem, das einen Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühler
mit einer ersten und einer zweiten Elektrode aufweist, von denen die erste Elektrode
mit einem
Abgasteilstrom beaufschlagbar ist, kann darin bestehen,
daß der Sensor unter Zwischenschaltung einer Elektronen nichtleitenden Isolierschicht
auf dem Festelektrolyten des Meßfühlers in Form einer Schicht angeordnet ist. Es
wird also der Sauerstoff-Meßfühler mit dem Kohlenmonoxid-Sensor kombiniert, wodurch
eine separate Beheizung des Kohlenmonoxid-Sensors entfällt, da diese Beheizung von
der Heizung des Sauerstoff-Meßfühlers zusätzlich übernommen wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen
hervor.
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Hierbei zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung als Blockschaltbild
im Zusammenhang mit einem Heizkessel, Fig. 2 die Einzelheit II der Fig. 1 als Ausführungs
variante und Fig. 3 das kuppenförmig verschlossene linke Ende des Festelektrolytrohres
mit darauf angeordnetem Kohlenmonoxid-Sensor als Einzelheit und in größerer Darstellung.
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Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Gemäß Fig. 1 ist ein Heizkessel 10 mit einem Brenner 12 für strömende
Brennstoffe, wie Öl oder Gas, ausgerüstet.
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Der Brennstoff wird durch die Rohrleitung 14, in die ein von einer
Stellvorrichtung 16 betätigtes Regelventil 18
angeordnet ist, von
einer Brennstoffquelle wie Öltank oder Gasversorgungsnetz zugeführt. Die Verbrennungsluft
wird von einem schematisch angedeuteten Gebläse 20, das im Brenner angeordnet ist,
durch die Ansaugöffnung 22 dem Verbrennungsvorgang zugeführt, wobei die Ansaugöffnung
mit einer Luftklappe 24 versehen ist, welche von einer zweiten Stellvorrichtung
24 betätigt werden kann.
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Die Brennermündung, an der eine Auslaßdüse 26 für den Brennstoff sowie
der Auslaß für die Verbrennungsluft vorgesehen sind, steht mit dem Feuerraum 28
des Heizkessels 10 in Verbindung. Der Feuerraum 28 ist durch einen Heizgaszug 30
mit dem Abgaskanal 32 verbunden, der zu einem nicht dargestellten Kamin führt.
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Im Abgaskanal 32 ist ein Sauerstoffmeßfühler 34 angeordnet und durch
eine elektrische Leitung 36 mit dem elektrischen Regelgerät 38 des Regelsystems
40 in Wirkverbindung. Der Ausgang des Regelgerätes 38 ist über eine Leitung 42 mit
der ersten 16 und zweiten Stellvorrichtung 24 in Wirkverbindung.
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Im Abgaskanal 32 ist, stromaufwärts des Sauerstoffmeßfühlers 34, der
Kohlenmonoxid-Sensor 44 vorgesehen und über eine elektrische Leitung 46 mit dem
elektrischen Regelgerät 48 des Hilfsregelsystems 50 in Verbindung.
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Der Ausgang 52 des Regelgerätes 48 ist mit dem Sollwerteinsteller
des Regelgerätes 38 in Wirkverbindung.
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Während des Betriebs wird vom Gebläse 20 Verbrennungsluft durch die
Ansaugöffnung 22 in den Brenner 12 gesaugt und an der Brennermündung mit dem Brennstoff
gemischt, der durch die Rohrleitung 14 zugeführt wird und
durch
die Auslaßdüse 26 austritt. Das Brennstoff-Luftgemisch wird im Feuerraum 28 verbrannt,
und das Abgas strömt durch den Heizgaszug 30 und den Abgaskanal 32 zum nicht dargestellten
Abgaskamin, wobei der Sauerstoffmeßfühler 34 und der Kohlenmonoxid-Sensor 44 vom
AbgaS beaufschlagt werden.
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Vom Sauerstoffmeßfühler 34 wird der Sauerstoffgehalt des Abgases erfaßt
und ein entsprechendes Signal über die Leitung 36 dem Regelgerät 38 zugeführt, das
Regelbefehle an die erste 16 und/oder zweite Stellvorrichtung 24 durch die Leitung
42 abgibt.
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Eine Verbrennung läuft umso wirtschaftlicher ab, je geringer der Luftüberschuß
bzw. der Sauerstoffüberschuß der Abgase ist, andererseits besteht jedoch die Gefahr,
daß bei zu geringem Luft- bzw. Sauerstoffüberschuß die Verbrennung nicht vollständig
abläuft und unverbrannte Gaskomponenten im Abgas enthalten sind. Da diese unverbrannten
Gaskomponenten den Wirkungsgrad der Verbrennung erheblich vermindern, ist das Hilfsregelsystem
50 vorgesehen. Dieses erfaßt durch den Kohlenmonoxid-Sensor 44 das Kohlenmonoxid
und andere unverbrannte Gaskomponenten, wie Kohlenwasserstoffverbindungen, des Abgases,
die bei jeder unvollständigen Verbrennung entstehen, und gibt entsprechende Signale
durch die Leitung 46 zum Regelgerät 48. Der Ausgang 52 des Regelgerätes 48 ist nun
mit dem Sauerstoffsollwert-Einsteller des Regelgerätes 38 in Wirkverbindung und
stellt den Sauerstoffsollwert des Regelsystems 40 derart ein, daß beim Verbrennungsprozeß
im Abgas höchstens Spuren von Kohlenmonoxid auftreten. Hierzu wird vom Regelsystem
40 die
Luftzufuhr zum Brenner mit Hilfe der zweiten Stellvorrichtung
24 und der hiervon betätigten Luftklappe 25 eingeregelt. Erforderlichenfalls kann
auch noch die Brennstoffzufuhr durch die Stellvorrichtung 16 und das Regelventil
18 beeinflußt werden, wenn die Beeinflussung der Luftklappe 24 nicht ausreichen
sollte. In manchen Fällen kann auch allein die Brennstoffzufuhr beeinflußt werden.
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Es wird also der Luft- bzw. Sauerstoffüberschuß und somit das Brennstoff-Luftverhältnis
durch das Regelsystem 40 eingeregelt, dessen Sollwert durch das Hilfsregelsystem
50 entsprechend der Entwicklung von Unverbranntem bei der Verbrennung eingestellt
wird. Es ist somit gewährleistet, daß die Verbrennung mit möglichst geringem Luft-
bzw. Sauerstoffüberschuß durchgeführt wird und gleichzeitig die Bildung von nennenswerten
unverbrannten Gasbestandteilen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, ausgeschlossen
ist. Der Sauerstoffsollwert des Regelsystems 40 muß nicht kontinuierlich eingeregelt
werden. Es genügt, daß das Hilfsregelsystem 50 nur in bestimmten Zeitabständen eine
Sollwerteinstellung durchführt und der eingestellte Sollwert beibehalten wird bis
zur nächstfolgenden Sollwerteinstellung.
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Der intermittierende Eingriff des Hilfsregelsystem 50 kann durch geeignete
Maßnahmen, wie z. B. elektronische Zeitschaltglieder, erreicht werden.
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Fig. 2 zeigt den Ausschnitt II der Fig. 1 als Ausführungsvariante.
Während in Fig. 1 der Sauerstoffmeßfühler 34 und der Kohlenmonoxid-Sensor 44 im
Abgaskanal 32 angeordnet sind, sind sie im vorliegenden Ausführungsbei-
spiel
außerhalb vorgesehen und von einem Abgas-Teilstrom beaufschlagt. Der Sauerstoffmeßfühler
ist hier alS Festelektrolyt-Sauerstoffmeßfühler 54 ausgebildet und weist ein Festelektrolytrohr
56 auf, dessen eines Ende mit einer Kuppe 58 verschlossen ist. Das FestelektrolytFohr
ist auf der Außenseite mit der ersten Elektrode 60 versehen, welche den Bereich
der Kuppe 58 freiläßt. Auf der Innenseite des Festelektrolytrohres 56 ist die zweite
Elektrode 62 angeordnet, die sich ungefähr im gleichen Bereich wie die erste Elektrode
erstreckt. Beide Elektroden sind im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet und
jeweils durch eine elektrische Leitung 64 mit ded Regelgerät 68 des Regelsystems
40 verbunden. Auf der Kuppe 58 des Festelektrolytrohres 56 ist der Kohlenmonoxid-Sensor
66 vorgesehen. Die Ausbildung und Anordnung dieses Sensors ist in der Detaildarstellung
gemäß Fig. 3 besser zu erkennen. Danach ist auf der Kuppe 58 des Festelektrolytrohres
56 zunächst eine elektrische Isolierschicht 72, z. B. aus Glas oder Aluminiumoxid
Al203, angeordnet, auf der sich der Kohlenihnoxi d-Sensor 66 in Form einer Schicht
74 befindet. Die Schicht 74 kann, ebenso wie die Isolierschicht 72, kuppenförmig
ausgebildet sein, es ist jedoch auch möglich, auf der kuppenförmigen Isolierschicht
72 die Schicht 74 in ForM eines Streifens anzuordnen. Jeweils an zwei ungefähr diametral
gegenüberliegenden Stellen ist die Schicht 74 mit elektrischen Anschlußleitungen
76 versehen, die zum Regelgerät 78 des Hilfsregelsystems 50 führen. Die Schicht
74 ist porös ausgebildet und enthält ein halbleitendes Metalloxid, dessen elektrische
Leitfähigkeit vom Kohlenmonoxid und/oder von unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen
des Abgases abhängig ist. Ein bevorzugtes Metalloxid dieser Art ist Zinnoxid vom
n-Typ.
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Das Festelektrolytrohr 56 ist mit Abstand von einem metallischen Gehäuse
80 umgeben, so daß ein Zwischenraum 81 entsteht. Jene Stellen, an denen die elektrischen
Leitungen 64 und 76 das Gehäuse 80 durchdringen, sind elektrisch isoliert, z. B.
mit Hilfe von Isolierperlen.
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Dies ist in Fig. 2 nicht dargestellt.
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Jenes Ende des Gehäuses 80, das dem Sensor 66 benachbart ist, weist
einen Stutzen 82 auf, der durch eine Rohrleitung 84 mit dem Abgaskanal 32 verbunden
ist. Hierbei endet die Rohrleitung 84 ungefähr in der Mitte des Abgaskanals 32 und
bildet dort die Entnahmestelle 86 für das Abgas. Das der Kuppe 58 entgegengesetzte
Ende des Gehäuses 80 ist mit einem Stutzen 88 versehen, der durch die Rohrleitung
90 mit dem Abgaskanal 32 stromabwärts der Entnahmestelle 86 verbunden ist. In die
Rohrleitung ist eine Saugvorrichtung 92, z. B. in Form einer Gaspumpe, sowie ein
Strömungskonstanthalter 94 eingefügt.
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Weitere Erläuterungen über den Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühler
54 samt Strömungskonstanthalter 94 und Saugvorrichtung 92 können der DE-PS 29 45
698 oder der US-PS 43 68 431, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen
wird, entnommen werden. Im Innenraum des Festelektrolytrohres 56 ist noch ein elektrischer
Heizkörper 96 angeordnet, dessen Anschlußleitungen nicht dargestellt sind. Der Heizkörper
96 bringt das Festelektrolytrohr auf die erforderliche Betriebstemperatur, die größer
als 400° Celsius sein muß.
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Während des Betriebs wird durch die Saugvorrichtung 92 auf dem Weg
86, 84, 82, 81, 88, 90, 94, 92 ein Abgas-
teilstrom am Kohlenmonoxid-Sensor
66 und der Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßzelle 54 vorbeigeführt und wieder in den
Abgaskanal 32 geleitet. Der Abgasteilstrom wird hierbei durch den Strömungskonstanthalter
94 konstant gehalten. Vom Regelgerät 68 wird eine elektrische Gleichspannung an
die Elektroden 60, 62, gelegt und der hierbei durch das Festelektrolytrohr 56 fließende
elektrische Strom, der linear abhängig ist vom sauertofrgehalt des Abgasteilstromes,
wird im Regelgerät 68 als Maß für den Sauerstoffgehalt des Abgases benutzt.
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Gleichzeitig werden auftretende Spuren von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffverbindungen
im Abgasteilstrom erfaßt. Hierzu wird vom Regelgerät 78 über die Leitungen 76 der
elektrische Widerstand der Schicht 74 des Köhlenmonoxid-Sensors ermittelt, denn
dieser Widerstand ist vom Kohlenmonoxidgehalt des Abgasteilstromes abhängig.
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Das Regelgerät 78 des Hilfsregelsystems 50 stellt dann den Sauerstoffsollwert
des Regelgerätes 68 derart ein, daß möglichst wenig Sauerstoffüberschuß im Abgas
enthalten ist bei gleichzeitig weitgehender Freiheit von Kohlenmonoxid wie es im
Zusammenhang mit Fig. 1 bereits beschrieben wurde.
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Der Kohlenmonoxid-Sensor 66 ermöglicht im vorliegenden Fall zwar keine
genaue quantitative Erfassung des Kohlenmonoxid-Gehalts und des Gehalts an Kohlenwasserstoffen,
er ändert jedoch seinen elektrischen Widerstand bereits bei Spuren dieser Stoffe.
Dies ist hier vollkommen ausreichend, da ja die eigentliche Regelung des Verbrennungsvorgangs
von der Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßzelle 54 übernommen wird, mit der der Sauerstoffüberschuß
ausreichend genau erfaßt werden kann.
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Die Elektroden 60, 62 bestehen aus einem keramischen oder metallischen
Material, durch welches der Sauerstoff ungehindert dringen kann, z. B. durch poröse
Ausbildung des Materials. Hierfür geeignete Werkstoffe sind z. B.
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Silber oder Platin, als Werkstoff für das sauerstoffionenleitende
Festelektrolytrohr 62 kann Zirkoniumoxid verwendet werden, das mit Calciumoxid oder
Yttriumoxid dotiert ist. Das Aufbringen der Elektroden 60, 62 und der Schicht 74
des Kohlenmonoxid-Sensors kann in bekannter Weise durch Sintern oder Plasmaspritzen
erfolgen.
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Der Sauerstoffsollwert, auf den die Verbrennung durch das Hilfsregelsystem
eingeregelt wird, beträgt ungefähr 0,5 bis 2 Vor%, wobei für gasförmige Brennstoffe
der Sauerstoffwert mehr in der Nähe des unteren Grenzwertes, für flüssige Brennstoffe
mehr in der Nähe des oberen Grenzwertes eingestellt wird.
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Zu bemerken ist noch, daß weitere Sensoren für Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe
in der deutschen Offenlegungsschrift 21 42 796 beschrieben sind. Auf die Offenbarung
dieser Schrift wird ausdrücklich Bezug genommen.