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Verfahren zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses an Otto-
oder Dieselmotoren Für die Übersendung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses an Otto-
oder Dieselmotoren sind Geräte bekannt, bei denen die Anzeige durch die Messung
des Widerstandes einer in einem Abgasteilstrom liegenden beheizten Spirale bewirkt
wird, die einen mit der Zusammensetzung der Abgase veränderlichen Widerstand besitzt.
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Die Wärmeleitfähigkeit der Abgase wird bei Betrieb des Motors mit
Luftunterschuß durch die Gehalte an Kohlen,dioxyd und Wasserstoff, bei Betrieb des
Motors mit Luftüberschuß allein durch den Gehalt an Kohlendioxyd bestimmt. Da bei
vollkommener Verbrennung im Motor der Kohlendioxydgehalt der Abgase für das theoretisch
richtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis einen Höchstwert und damit die Wärmeleitfähigkeit
einen Tiefstwert erreicht, hat sowohl ein Arbeiten mit Luftüberschuß als auch ein
Arbeiten mit Luftunterschuß ein Anwachsen der Wärmeleitfähigkeit zur Folge.
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Diese bekannten Verhältnisse sind aus den Fig. I und 2 der Zeichnung
zu ersehen. Auf der Ordinate sind in Fig. I die Anteile der verschiedenen Gase im
Abgas und in Fig. 2 die resultierende Wärmeleitfähigkeit aufgetragen, während in
beiden Figuren auf der Abszisse die zugeführte Luft angegeben ist.
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Aus Fig. 2 geht deutlich hervor, daß die Anzeige der obenerwähnten
Meßgeräte doppeldeutig sein muß.
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Hier schafft nun die Erfindung Abhilfe, die sich auf ein Verfahren
zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses an Otto- oder Dieselmotoren bei
Luftunter- bzw. Luftüberchuß
bezieht und hierzu in bekannter Weise
die Ermittlullb der Wärmeleitfähigkeit der Abgase mit Hilfe elektrischer Widerstandsmessung
benutzt. Gemäß der Erfindung werden zur eindeutigen Bestimmung, ob der Motor bei
Luftunter- oder Luftüberschuß arbeitet, die Wärmeleitfähigkeiten der Abgase sowohl
unmittelbar als auch nach Beseitigung des in den Abgasen enthaltenen Kohlendioxydes
gegenüber einem Bezugsgas, orzugsiveise Luft, gemessen und die erhaltenen Meßwerte
getrennt angezeigt. Die beiden Messungen werden vorzugsweise in zwei ei ls trömen
des Abgases durchgeführt.
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I)ie Beseitigung des Kohlendioxyds erfolgt beispielsweise dadurch,
daß der eine der Teilströme vor dem Eintritt in den Wärmeleitfähigkeitsmesser durch
eine Kohlendioxyd absorbierende Vorlage geleitet wird.
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An sich sind Verfahren zur Gasanalyse nach der Wärmeleitfähigkeitsmethode
bekannt, bei dellen sowohl das unveränderte Gas als auch das durch Absorption veränderte
Gas einer Messung unterworfen werden. So ist eine Apparatur angegeben worden, bei
der die Bestimmung des Anteiles eines Gases an einem Gasgemisch durch Differenzmessung
erfolgt, und zwar mit Hilfe zweier heheizter Drähte, die in benachbarten Zweigen
einer Wheatstoneschen Brücke liegen, von denen der eine dem Einfluß des veränderten
Gases ausgesetzt ist. Die Anzeige des in einer Brückendiagonale liegenden Meßwerkes
ist dann ein Maß für den gesuchten Gasanteil.
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Ein anderes Gerät für die Analyse von Rauchgasen gestattet die Bestimmung
der Prozentsätze des Gemisches an Kohlendioxid, an unverbrannten Gasen und an Kohlendioxyd
unverbrannten Gasen. Dies wird beispielsweise durch eine Anordnung erreicht, die
vier beheizter Drähte aufweist, von denen zwei in den benachbarten Zweigen einer
Wheatstoneschen Brücke und die beiden uderen in benachbarten Zweigen einer weiteren
Wheatstoneschen Brücke liegen. Jede Brücke speist ein Meßwerk. Steht nun der eine
beheizte Draht jeder Brücke unter dem Einfluß eines Vergleichsgases, der andere
beheizte Draht der einen Brücke unter dem Einfluß eines durch Verbrennung in einem
Oxydationsofen von unverbrannten Bestandteilen befreiten Gases. der andere beheizte
Draht der anderen Brücke unter dem Einfluß des durch eine Kohlenoxyd absorbierende
Vorlage geleiteten und anschließend durch Verbrennen in einem Oxydationsofen von
unverbrannten Bestandteilen befreiten Gases. so ist der Ausschlag des Meßwerkes
der einen Brücke ein Maß für den Prozentsatz des Kohlenoxyd unverbrannten Gases.
wo hingegen der Ausschlag des Meßwerkes der anderen Brücke ein daß für den n J @rozentsatz
an unverbrannten Gasen ist. Die Differenz ergibt den dritten gesuchten Wert, den
Kohlendioxydgehalt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt jedoch eine andere Aufgabe zugrunde
als die, die zu den obenerwähnten Einrichtungen geführt hat, und dementsprechend
sind auch die Lösungsmittel abweichend. Handelt es sich bei den bekannten Geräten
darum, die Analyse eines Gasgemisches durchzuführen, so ist hicr lediglich die Anzeige
erforderlich, ob und in welchem Maße der Motor mit Gasunter- oder -überschuß arbeitet.
Dies läßt sich nun bei der Überwachung der Abgase von Motoren, bei denen die Gesamtwärmeleitfähigkeit
des Abgases ein Aíali für die Güte der Verbrennung sein soll, in wesentlich einfacherer
Weise als bei der bekannten Einrichtung, nämlich ohne die zusätzliche Verwendung
von Verbrennungseinrichtungen, durch den neuen Vorschlag erreichen, ohne daß, wie
bei gewissen Geräten, wie oben zum Stande der Technik ausgeführt wurde. die Anzeige
doppeldeutig ist.
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Daß die Doppeldeutigkeit durch die Erfindung ausgeschaltet wird,
ergibt sich aus folgender Überlegung: Aus Fig. i ist zu ersehen, daß bei den; theoretisch
richtigen Verhältnis von Eraftstoff zu Luft, das im mit I bezeichneten Punkt vorliegen
soll, das Abgas nur Kohlendioxyd enthält. Bei Luftunterschuß sind im Abgas außerdem
Kohlenoxyd und Wasserstoff und bei Luftüberschuß Sauerstoff enthalten. Entsprechend
diesen Anteilen ist selbstverständlich der Gehalt an Kohlendioxyd geringer als im
Maximum. Arbeitet nun der Motor bei dem richtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, also
im Punkt I, SO wird das eine Meßgerät, das die Wärmeleitfähigkeit des Gases nach
der Absorption mißt. keinen Ausschlag geben. Steigt jetzt die Zutuht von Luft, arbeitet
der Motor also im Gebiet des Laftuüberschusses, rechts von Punkt I in den Figuren,
so wird das erstgenannte Anzeigegerät auch weiterhin keinen Ausschlag zeigen. Dagegen
wird der Ausschlag des Gerotes, das die Wärmeleitfähigkeit des Gases ohne Absorption
mißt, sich ändern, da ja der Gehalt an Kohlendioxyd, wie aus der Fig. 1 ersichtlich,
abnimmt. Dies ist dann eben ein Kennzeichen dafür, daß der Alotor - zu'-iel Luft
erhält. Arbeitet der Motor mit zu geringe r Luft, so zeigt auch das erstgenannte
Gerät einen Ausschlag, da jetzt im Gas NVasserstoft vorhanden ist, dessen Wärmeleitfähigkeit
sehr gut ist. Gleichzeitig wird sich damit natürlich auch der Ausschlag des zweiten
Gerätes ändern. Der Vergleich beider Instrumente gibt also die Möglichkeit,
eindeutig
festzustellen, ob der WIotor richtig arbeitet oder ob er Luftunter- bzw. Luftüberschuß
aufweist.
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Hier sei erwähnt, daß dieses erfindungsgemäße Verfahren im übrigen
nicht auf Abgase beliebiger Herkunft angewendet werden kann, da es nicht gleichgültig
ist, ob das zu analysierende Gas einer Feuerung, einem Motor oder einer anderen
Quelle entstammt.
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So ist eine derartige Überwachung z. B. bei Kesselfenerung nicht möglich-,
da bei den dort entstehenden Abgasen bei Luftunterschuß meist nur Kohlenoxyd enthalten
ist, das vom NVärmeleitfähigkeitsmesser nicht angezeigt wird, und nicht Wasserstoff.
Bei Benzinmotoren dagegen enthält das Abgas bei Luftunterschuß sowohl Kohlenoxyd
als auch Wasserstoff, wodurch diese vorgeschlagene Art der Messung ermöglicht wird.
Wichtig ist dabei ferner, daß hier das Verhältnis von Kohlenoxyd zu Wasserstoff
praktisch konstant bleibt im Gegensatz zu anderen Feuerungen, sofern bei deisen
überhaupt Wasserstoff auftritt.
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Zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens könnte
vorteilhaft die in den beiden Abgasteilströmen liegenden Meßkammern zu einem baulichen
Ganzen vereinigt werden. Ebenso können die beiden die Wärmeleitfähigkeit erfassenden
Anzeigegeräte zusammengebaut sein. Eine besonders zweckmäßige Anordnung dieser Art
ist so ausgestaltet, daß das vom zweiten Abgasteilstrom gesteuerte Instrument eine
bewegliche Skala trägt, die dem Zeiger des vom ersten Teilstrom gesteuerten Anzeigegerätes
nachgeführt wird. Solange eine zweite feststehende Skala sichtbar bleibt, werden
Mischungsverhältnisse bei Kraftstoffüberschuß angezeigt. Bei Luftüberschuß bleibt
die bewegliche Skala, die eine andere Teilung in den Einheiten der Luft-Kraftstoff-Verhältnisse
trägt, in Ruhe. Da die Anzeige des vom ersten Abgasstrom gesteuerten Galvanometerzeigers
mit Erreichung des theoretischen AIischungsverhältnisses umkehrt, werden nun auf
der beweglichen, jedoch stillstehenden Skala die Luft-Eraftstoff-Verllältnisse bei
Luftüberschuß angezeigt.
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Da die Unterschiede in den Wärmeleitfähigkeiten bei Luftunterschuß
bei Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wegen des anfallenden Wasserstoffes
unverhältnismäßig größer sind als bei Luftüberschuß, ist es zweckmäßig, mit Hilfe
des Meßstromes der zweiten Meßeinrichtung eine Änderung der Empfindlichkeit der
Anzeige herbeizuführen. Diese Vergrößerung der Anzeigeempfindlichkeit im Gebiete
der Luftüberschüsse kann beispielsweise durch Nachführen eines Zusatzmagneten bewirkt
werden, der das Feld des im ersten Meßkreis liegenden Instrumentes verstärkt. -
Auch ist es möglich,- bei Verwendung von Lichtmarkengerä-ten die Meßempfindlichkeit
für Messungen bei Luftüberschüssen durch einen vom zweiten Meßkreis gesteuerten
Spiegel zu erhöhen. Schließlich kann man, sobald das zweite Gerät die der Luft entsprechende
Wärmeleitfähigkeit ergibt, einen Widerstand im Diagonalzweig der Brückenanordnung
unter Benutzung von Kontakt- und Relaisanordnungen umschalten.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung gibt nun auch die Möglichkeit,
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen vorbestimmten Wert einzuregeln, und zwar
mittels eines Gemischreglers, der in Abhängigkeit von den in den beiden Abgasteilströmen
erfaßten Wärmeleitfähigkeiten gesteuert wird. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Meßströme stets eindeutig entweder einen Luftuberschuß oder einen Luftunterschuß
angeben, erfolgt auch eine eindeutige Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
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Da für einen Gemischregler oftmals Verstellkräfte benötigt werden,
die durch die Meßströme der Wärmeleitfähigkeits-Widerstandsmeßanordnungen nicht
geliefert werden können, ist die Verwendung eines Röhrenverstärkers zweckmäßig.
In diesem Falle kann der Meßstrom des zweiten Meßkreises dazu benutzt werden, um
eine variable Gittervorspannung zu liefern. Hierdurch wird die gewünschte Empfindlichkeit
der Steueranordnung infolge der Änderungen der proportionalen Steigerung des Anodenstromes
gegenüber konstanten Spannungsänderungen, die am Gitter infolge der Beeinflussung
durch den erste Meßkreis erhalten werden, erhalten.