DE2233299B2 - Einrichtung an einer Brennkraftmaschine zur Regelung der Zusammensetzung der Abgase - Google Patents

Einrichtung an einer Brennkraftmaschine zur Regelung der Zusammensetzung der Abgase

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DE2233299B2
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Description

mittel vorgesehen sein. Das stabilisierende Oxyd kann Elektrolyten 61, der zwischen zwei Goldelektroden 62
in Anteilen von etwa 10 bis etwa 20 Molprozent der und 63 angeordnet ist. Die Goldelektroden wirken
Gesaratlösung vorgesehen sein, was von dem prakti- als Sammelelemente für Ladungen und stehen <nit
sehen, noch tragbaren Innenwidei stand abhäagt Da einem elektrisch leitfähigen Halter 66 auf der Abgas-
der Elektrolyt auch als Thermoelement wirkt und eine 5 seile des Elektrolyten und einer Leitung 65 auf der Be-
Spannung erzeugt, die sich mit der Temperatur des zugsseite des Elektrolyten in Verbindung. Die Leitung Elektrolyten ändert, muß eine Kompensationsan- 65 besteht vorzugsweise aus demselben Material wie Ordnung dieser elektrischen Charakteristik vorgesehen der Halter 66. Sie berührt dr: Goldelektrode 63 und
sein, da die auszuwertenden Abgase Temperatur- ist hierzu durch eine Luftöffnung 69 eines porösen,
ändei jagen unterworfen sind. " keramischen Teils 68 hindurchgeführt. Sie wird in
Bei einer Einrichtung nach der Erfindung ist ein Druckberührung mit der Elektrode 63 gehalten, wozu Umsetzer bzw. eine Nachverbrennungseinrichtung in ein mit Innengewinde versehener Teil 70 des Halters 66
die Abgasleitung eingesetzt Vorteilhaft wird das mit einer eingeschraubten Röhre 64 versehen ist, die
Kraftstoff-Luft-VerhältnisderMaschinezurEinstellung vorzugsweise aus ähnlichem Material wie der Halter 66
der Zusammensetzung der dem Umsetzer zugeführten 15 besteht. Die Elektrode 63 steht über die Röhre 64
Abgase reguliert. Dies kann durch Einstellung der mit der Luft in Verbindung, die als Bezugsgas dient. Luftklappe, durch Einstellung des Drucks im Schwim- Ein abgedichteter Behälter für das Bezugsgas kann
mergehäuse, durch Einleitung zusätzlicher Luft oder gleichfalls vorgesehen sein. Der elektrisch leitfähige
zusätzlichen Kraftstoffs in die Ansaugleitungen oder Elektrolythalter 66, der durch den Gewindeteil 70
die Abgasleitung erfolgen. Nur eine dieser Variablen ao und die Röhre 64 gebildet ist, ist über eine Leitung 114
muß eingestellt werden. Wenn die Maschine beispiels- mit einer Klemme 80 verbunden. Die Leitung 65 ist
weise angereichert betrieben wird, so muß lediglich mit einer Klemme 77 verbunden. Die Größe der
zusätzliche Luft eingeleitet werden, um stöchio- Spannung Ee zwischen den Klemmen 80 und 77
metrische Abgasbedingungen zu erhalten. hängt von dem Sauerstoffanteil in dem Bezugsgas und
Vorzugsweise wird ein katalytischer Umsetzer as in der Leitung 6 ab, ferner von dem Thermoelektrizi-
verwendet. Eine katalytische Funktion ist deswegen tätseffekt des Elektrolyten 61. Nahe dem Sensor ist ein
vorzuziehen, da bei ihr die Komponenten der Abgase thermoelektrisches Element 72 angeordnet, das dieselbe
allgemein bei geringeren Temperaturen oxydiert und Temperatur wie der Sensor hat und eine Kompen-
reduziert werden können, als dies nach anderen sationsspannung erzeugt, die den Thermoelektrizitäts-
Verfahren möglich wäre. Katalytische Vorgänge laufen 30 effekt des Elektrolyten 61 kompensiert, im allgemeinen auch ohne Flamme ab. Zur einwandfreien Funktion sollen die Spannungs-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im eigenschaften des thermoelektrischen Elements 72
folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. weitgehend dieselben wie diejenigen des Elektrolyten
Es zeigt 61 sein. Hierzu kann das thermoelektrische Element F i g. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines 35 aus demselben Material wie der Elektrolyt bestehen. Steuersystem zur Anwendung der Erfindung, Ferner kann bei einem Elektrolyten 61 aus Zirkon,
F i g 2 ein schematisches Blockdiagramm eines das mit Calcium stabilisiert ist, eine Temperaturweiteren Steuersystems zur Anwendung der Erfindung, kompensation mit einem thermoelektrischen Element
F i g. 3 ein schematisches Blockdiagramm eines aus Chromel-Alumel erzielt werden. Die thermo-
dritten Steuersystems zur Anwendung der Erfindung, 4° elektrischen Eigenschaften dieses Materials führen
F i g. 4 den Schnitt eines Sauerstoffühlers in einer zu einer Spannung von ungefähr 0,04 Millivolt pro Anordnung nach der Erfindung und 0C. Die Verwendung eines anderen bestimmten F i g. 4a -"n schematisches Schaltungsbeispiel für thermoelektrischen Elements oder einer Kombination
den in F i g. 4 gezeigten Fühler. mehrerer solcher Elemente hängt von dem jeweils
F i g. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einer 45 verwendeten Elektrolyten und dessen Thermoelektri-Zuleitung 2 für Kraftstoff und Luft. Diese beiden zitätseigenschaften sowi ■ vo 1 den· ?u überwachenden Stoffe werden über Leitungen 3 und 4 zugeführt, Sauerstoff partiald ruck ab. Das thermoelektrische EIemiteinander gemischt und über die Leitung 5 in die ment ist mit dem Elektrolyten in Reihe geschaltet und Maschine eingeleitet. Die Zuführung 2 kann ein über Leitungen 74 und 73 mit den Anschlüssen 77 Vergaser mit Schwimmergehäuse, ein Kraftstoff-Luft- 50 und 81 verbunden. Eine zusätzliche Spannung kann Einspritzsystem oder ein Vergaser mit Ladevorrich- angeschaltet werden, um eine Bezugsspannung für tung od. ä. sein. Die Abgase werden über eine Lei- hohe Temperaturbereiche zur thermischen Kompentung 6 und einen Umsetzer 13 in die Atmosphäre sation zur Verfugung zu haben. Ein Potentiometer 82, abgegeben. Eine Reguliervorrichtung 11, die mit der das als Spannungsumsetzer dient, ist ^wischen die Zuführungsleitung 2 über eine Leitung 12 verbunden 55 Anschlüsse 80 und 81 geschaltet Andere Spannungsist, «teilt das Kraftstoff-Luft-Verhältnis ein und kann umsetzer können verwendet werden; solche Anord-Kraftstoffdüsen, Luttdüsen, mechanische Vorrich- nungen sollen jedoch tinen hohen Eingangswiderstand tungen zur Steuerung einer Luftklappe, des Drucks haben, so daß der durch den Elektrolyten und das im Schwimmergehäuse od. ä. umfassen. Ein Fühler 7 thermoelektrische Element fließende Strom vernachist mit einem festen Sauerstoffionen-Elektrolyt ver- 60 lässigbar gering ist. Die Spannung Es zwischen den sehen, der ein elektrisches Signal entsprechend dem Anschlüssen 80 und 81 hängt dann nicht von dem Sauerstoffgehalt der Abgase in der Leitung 6 erzeugt. durch den Elektrolyten fließenden Strom ab. Der
In den F ig. 4 und 4 a sind Einzelheiten des Fühlers 7 Stromkreis für das thermoelektrische Element ist mit
dargestellt. F i g. 4 zeigt die Abgasleitung 6. Eine dem des Elektrolyten, in Reihe geschaltet, so daß eine
öffnung 92 in dieser Abgasleitung ist mit einem 65 Kompensationsspannung Et entgegengesetzter Polari-
Flansch 90 versehen, an dem der Fühler oder Sensor 7 tat gegenüber der Thermoelektrizitätsspannung des
in der Leitung 6 befestigt ist. Der Fühler enthält einen Elektrolyten erscheint. Bei einem thermoelektrischen
stabilisierten, festen und auf Sauerstoff ansprechenden Element aus Chromel-Alumel besteht die Leitung 74
5 6
aus Alumel und die Leitung 73 aus Chromel. Um die stoff in den Abgasen ein Spannungssignal EB, das an
Thermoelektrizitätseffekte der Verbindung zwischen die Steuervorrichtung weitergeleitet wird, die auf eine
der Leitung 74 und der Leitung 65 (am Anschluß 77) bestimmte Spannung voreingestellt ist. Sie ist vorzugs-
zu beseitigen, besteht die Leitung 114 gleichfalls vor- weise ein proportional arbeitendes Element, das an
zugsweise aus Alumel. Die Kompensationsspannung 5 der Reguüervorrichtung 11 eine Zugabe entweder von
beseitigt dann denjenigen Anteil der Spannung Ee, Luft oder von Kraftstoff zur Steuerung des Sauerstoff-
der auf thermische Variationen innerhalb des Elektro- anteils in den Abgasen bewirkt,
lyten zurückzuführen ist. Die Anschlüsse 80 und 81 In F i g. 2 ist ein weiteres Steuersystem dargestellt,
sind über Leitungen mit Klemmen 83 und 84 verbun- Die Brennkraftmaschine 21 ist mit einer Einlaß-
den, die mit der Steuervorrichtung des Systems ver- io leitung 22 versehen, an der ein Lufteinlaß 23 und ein
bunden sein können. Kraftstoffeinlaß 26 sowie eine Mischvorrichtung 25
Die galvanische Zellenspannung (ohne Thermo- vorgesehen sind. Die letztere kann ein Vergaser
elektrizitätseffekt) kann nach der folgenden Gleichung üblicher Bauart sein. Mit der Maschine ist ferner eine
berechnet werden: Abgasleitung 26a verbunden. Ein Umsetzer 32 in der
_ (PO2) I 15 Abgasleitung 26a setzt schädliche Komponenten der
be — Klog-.p^Y jj Abgase in unschädliche um. Die so behandelten
Abgase werden über eine Leitung 33 abgeführt. Der
wobei I und II jeweils die Bezugsseite bzw. die Abgas- Umsetzer 32 arbeitet vorzugsweise katalytisch, seine
seite des Elektrolyten betreffen, V eine Konstante in Umseu-ung erfolgt bei relativ niedrigen Temperaturen.
Vo :t ist, die sich mit der Temperatur des Elektrolyten *° Ein Fühler 27 ist in der Abgasleitung 26 vor dem
ändern kann und PO2 der Partialdruck des Sauerstoffs Umsetzer angeordnet und mit einer Steuervorrichtung
auf der jeweiligen Seite des Elektrolyten ist. 29 über eine Leitung 28 mit einem Ventil 36 über
Einzelheiten der Konstruktion und der Herstellung eine Leitung 30 verbunden. Dieses Ventil 36 kann
des Sauerstoffsensors sind bekannt und müssen pneumatisch, mechanisch oder elektrisch gesteuert
nicht weiter erläutert werden. 25 werden. Es steuert die Strömung der Sekundärluft
Der feste Elektrolyt 61 hat vorzugsweise eine Dicke oder des Sekundärkraftstoffs in der Leitung 34, 35. von etwa 1,5 mm oder weniger. Er soll nicht dicker F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines sein, da dann sein Innenwiderstand zu hoch wird. Steuersystems. Eine Brennkraftmaschine 41 mit einer Der Elektrolyt soll so dünn wie bei der Herstellung Einlaßleitung 42 mit Lufteinlaß 43 und Kraftstoffmöglich sein, dabei die erforderliche mechanische 3·> einlaß 44 ist mit einer Mischvorrichtung 45 versehen. Festigkeit und das Leitungsvermögen nur für Sauer- Mit der Maschine 41 sind ferner eine Abgasleitung 46 stoffionen aufweisen. Um eine Diffusion molekularer sowie ein Umsetzer 54 verbunden. Die behandelten Gase durch den Elektrolyten zu verhindern, ist es Abgase werden über eine Leitung 53 in die Atmoferner erforderlich, daß das Material eine relativ Sphäre abgegeben. Ein Fühler 47 ist vor dem Umsetzer hohe Dichte oder zumindest keine miteinander ver- 35 52 angeordnet und steht mit den nicht behandelten bundcnen Poren hat. Abgasen in Verbindung. Der Fühler 47 ist über eine
Der SauersioTsensor beginnt seine Funktion bei Leitung 48 mit einer Steuervorrichtung 49 verbunden,
relativ hohen Temperaturen von etwa 371 °C oder mehr. die mit einer Reguliervorrichtung 51 über eine Leitung
Daher kann der Sensor zur Auswertung von Abgasen 50 verbunden ist. Die Reguliervorrichtung 51 kann
verwendet werden. Die chemische Stabilität der 40 das Kraftstoff-Luft-Verhältnis der Brennkraftmaschine
Elektroden setzt eine praktische Temperaturgrenze bei ändern. Der Ein>tellpunkt der Steuervorrichtung ist
etwa 12000C. vorzugsweise derart vorgesehen, daß eine optimale
Die Elektroden oder Ladungssammler 62 und 63 Umsetzung der schädlichen Komponenten der Abgase
müssen gleichfalls sorgfältig ausgewählt sein, um guten 46 im Umsetzer 52 erfolgt.
Kontakt mit dem Elektrolyten, hohe chemische 45 Der Umsetzer kann auch vor dem Fühler angeordnet
Temperaturstabilität, ausreichende elektrische Leit- sein, wie es in F i g. 1 durch eine gestrichelte Linie 13
fähigkeit, Porosität und einen dem festen Elektrolyten dargestellt ist.
61 angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten Beispiel
zu gewährleisten. Hierzu sind Gold sowie andere
Stoffe geeignet. so Ein katalytischer Umsetzer, der Kupfer-Eisen-
In Fig. 1 ist zuerkennen, daß das Spannungssignal Tonerde als Katalysator enthält, wird in der Abgasdes Sensors 7 über eine Leitung 8 einer Steuervor- leitung einer stehenden Brennkraftmaschine angerichtung 9 zugeführt wird, diese ist mit der Regulier- ordnet. Ein Sensor der in F i g. 4 gezeigten Art wird vorrichtung 11 über eine Leitung 10 verbunden. Die nach dem Umsetzer angeordnet und eine Luftpumpe Reguliervorrichtung 11 kann Gebläse oder Pumpen 55 zur Regulierung der dem Umsetzer zugeführten zur Einstellung des Kraftstoff-Luftgemisches der Sekundärluft vorgesehen. Als Elektrolyt wird ein Brennkraftmaschine enthalten. Die Steuervorrichtung Material mit 85% ZrO8 und 15% CaO verwendet, kann auf eine bestimmte Spannung eingestellt sein, Die Pumpe wird mit einer Steuervorrichtung besteuert, die einem vorbestimmten Sauerstoffgehalt in den die durch ein Signal des Sensors angesteuert wird. Abgasen entspricht. Vorzugsweise soll der gewünschte 60 Die Maschine wird im Leerlauf, in Beschleunigung, Sauerstoffanteil der Abgase ungefähr den stöchio- Verzögerung und Normalbetrieb bei 48 km/h betrieben, metrischen Bedingungen der Brennkammer der Brenn- Im Leerlauf beträgt der Kohlenmonoxidanleil 5%, kraftmaschine entsprechen. bei 48 km/h 3% des Gesaratdurchsatzes. Ohne einen
Die Größe des Signals des Sensors 7 hängt von dem Sensor zur Steuerung der Sekundärluft v.-erden nur SauerstoffpartiaJdruck im Abgas ab. Eine Spannungs- 65 15% CO. 10% Kohlenwasserstoffe und 50% Stickstoff
änderung von 10 bis 200 Millivolt umfaßt die meisten umgesetzt. Mit eingesetztem Sensor worden 90% CO, vorkommenden Werte des Partialdracks. Wenn die 90% Kohlenwasserstoffe und 90% Stickoxide umge-
Brennkraftmaschine betrieben wird, erzeugt der Sauer- s.tzt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 Bezugsgas vornimmt. Eine derartige Einrichtung ist Patentansprüche: z. B. durch die US-PS 2 389 797 bekannt Im Zusammenhang mit dem Problem der Luft-
1. Einrichtung an einer Brennkraftmaschine zur Verschmutzung durch Abgase von Brennkraftmaschi-RegeluEg der Zusammensetzung der Abgas» mittels S nen ist es bekannt, daß die Abgase weniger schädliche fines Abgasanalysators, der in einem Stromkreis Bestandteile, d. h. Kohlenwasserstoffe, Kohlenmoneinen Sensor mit einem Haltekörper aufweist, in oxyd (CO) und Stickoxyde (NOx) enthalten, wenn das dem Bauelemente angeordnet sind, welche ein Kraftstoff-Luftgemisch währecd der meisten Betriebs-Spannungssignal erzeugen, das einer die Zw- zustände im Bereich stöchiometrischer Bedingungen sammensetzung der Abgase beeinflussenden Stell- « gehaben wird. Wenn ein Umsetzer bzw. eine Nachvorrichtung zugeführt wird, wobei der Analysator verbrrnnungseinrichtung die Abgabe einer Brenneinen Vergleich zwischen den Abgasen und einem kraftmaschine verarbeitet, kann eine sehr wirksame Bezugsgas vornimmt, dadurch gekenn- Umsetzung schädlicher Bestandteile erfolgen, wenn zeichnet, daß die Abgase eine Nachver- die Zusammensetzung der Abgase in geeigneter Weise breimungseinrichtung (13, 32, 54) durchströmen, 15. beeinflußt wird. Versuchsdaten zeigen, daß die beste 4aß die Bauelemente einen sauerstoffempfindlichen katalytische Umsetzung erreicht wird, wenn die Brennfesten Elektrolyt (61) enthalten, der zwischen zwei kraftmaschine unter ungefähr stöchiometnschen BeElektroden (62,63) befestigt ist, von denen eine mit dingungen arbeitet. Ein solcher Betrieb kann näheden Abgasen und die andere roh dem Bezugsgas rungsweise erreich! werden, wenn bei angereichertem in Verbindung steht, und daß ein durch die Abgase 2° Gemisch vor dem Reaktor Luft in die Abgase geleitet beaufschlagtes thermoelektnsches Element (72) eine wird.
Kompensationsspannung in den Sensorstromkreis Es ist bereits bekannt (US-PS 3 514 377 und
liefert. 3 454 486), den Sauersioffpartialdruck mit einem
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- festen Elektrolyten zu messen. Ferner ist es bekannt kennzeichnet, daß die Stellvorrichtung (29, 36) an »5 (»MTZ«, 1968, S. 374), im Zusammenhang mit der einer Stelle zwischen der Brennkraftmaschine (21) Schadstoffbestimmung der Abgase von Brennkraft- und der Nachverbrennungseinrichtung (32) an die maschinen Abgasanalysatoren zu verwenden, die auf Abgasleitung (26) angeschlossen ist. den in den Abgasen enthaltenen Sauerstoff ansprechen.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine kennzeichnet, daß eine katalytische Nachver· 30 Einrichtung zu schaffen, die die Zusammensetzung brennungseinrichtung (32) vorgesehen ist. der Abgase unabhängig von deren Temperatur unter
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch Anwendung der bekannten Analysierungsmöglichgekennzeichnet, daß die Stellvorrichtung (29, 36) keiten und Versuchsergebnisse so einstellt, daß eine eine Einleitung von Sekundärluft in die Abgas- möglichst geringe Luftverschmutzung gewährleistet ist. leitung (6) bewirkt. 35 Eine Einrichtung der eingangs genannten Art ist
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart dadurch gekennzeichnet, daß cite Stellvorrichtung ausgebildet, daß die Abgase eine Nachverbrennungs· (9, 11) mit den Speiseleitungen (2) der Brennkraft- einrichtung durchströmen, daß die Bauelemente einen maschine (1) verbunden ist und das Kraftstoff- sauerstoffempfindlichen festen Elektrolyt enthalten, Luft-Verhältnis reguliert. 40 der zwischen zwei Elektroden befestigt ist, von denen
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, eine mit uen Abgasen und die andere mit dem Bezugsdadurch gekennzeichnet, daß als Bezugsgas atmo- gis in Verbindung steht, und daß ein durch die sphärische Luft dient, die auf einer der Absas- Abgase beaufschlagtes thermoelektrisches Element temperatur im wesentlichen gleichen Temperatur eine Kompensationsspannung in den Sensorstromkreis gehalten wird. 45 liefert.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, Die Erfindung ermöglicht die Steuerung einer dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) in der Brennkraftmaschine mittels eines festen, stabilisierten Abgasleitung (6) der Nachverbrennungseinrichtung Elektrolyten, der ein Signal proportional dem Sauer-(13) nachgeordnet ist. stoffgehalt der Abgase erzeugt. Dieses Signal kann zur
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 50 Steuerung der Maschine ausgenutzt werden. Der dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (27) in Sauerstoffsensor enthält eine Anordnung zur Erzeuder Abgasleitung (26) der Nachverbrennungs- gung einer Kompensationsspannung, die solche Äneinrichtung (32) vorgeordnet ist. derungen der erzeugten Steuerspannung kompensiert,
welche durch thermische Schwankungen verursacht
55 werden. Mit der Erfindung kann ein geschlossener
_____ Regelkreis zur Einstellung der Abgase verwirklicht
werden, wobei keine notwendige Abhängigkeit von
dem jeweils eingestellten Betriebszustand der Ni aschine
gegeben ist.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung an einer 60 Vorzugsweise besteht der feste Elektrolyt aus einer Brennkraftmaschine zur Regelung der Zusammen- festen Lösung ionisch leitfähiger Oxyde. Die Oxyde setzung der Abgase mittels eines Abgasanalysators, der vierwertigen Elemente Zirkonium, Thorium und der in einem Stromkreis einen Sensor mit einem Hafnium sind beispielsweise ausgezeichnete Elektro-Haltekörper aufweist, in dem Bauelemente angeordnet lyten* Ihre Struktur ist dabei stabilisiert mit Oxyden sind, welche ein Spannungssignal erzeugen, das einer 65 der Elemente Calcium, Barium, Strontium, Ytterbium, die Zusammensetzung der Abgase beeinflussenden Lanthan, Scandium und Samarium. Weitere Elemente, Stellvorrichtung zugeführt wird, wobei der Analysator die im Ox'yd Kationen mit stabilen +2- und +3-Wereinen Vergleich zwischen den Abgasen und einem tigkeiten bilden können gleichfalls als Stabilisierungs-
DE2233299A 1971-07-06 1972-07-06 Einrichtung an einer Brennkraftmaschine zur Regelung der Zusammensetzung der Abgase Ceased DE2233299B2 (de)

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