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DE2460066C3 - Verfahren und Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln des Brenstoff-Luftverhältnisses einer Verbrennung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln des Brenstoff-Luftverhältnisses einer Verbrennung

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Publication number
DE2460066C3
DE2460066C3 DE2460066A DE2460066A DE2460066C3 DE 2460066 C3 DE2460066 C3 DE 2460066C3 DE 2460066 A DE2460066 A DE 2460066A DE 2460066 A DE2460066 A DE 2460066A DE 2460066 C3 DE2460066 C3 DE 2460066C3
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DE
Germany
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oxygen
exhaust gas
exhaust
sensor
arrangement according
Prior art date
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DE2460066A
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English (en)
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DE2460066A1 (de
DE2460066B2 (de
Inventor
Hubert Dipl.-Ing. 6840 Lampertheim Holick
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ABB AG Germany
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Germany
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Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri AG Germany filed Critical BBC Brown Boveri AG Germany
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Priority to IT52746/75A priority patent/IT1052861B/it
Priority to FR7538928A priority patent/FR2295354A1/fr
Priority to JP50150217A priority patent/JPS614980B2/ja
Priority to US05/642,449 priority patent/US4032285A/en
Priority to GB52151/75A priority patent/GB1534288A/en
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Publication of DE2460066B2 publication Critical patent/DE2460066B2/de
Application granted granted Critical
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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
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    • F02D41/1473Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation method
    • F02D41/1475Regulating the air fuel ratio at a value other than stoichiometry
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum selbsttätigen Regeln des Brennstoff-Luft-Verhältnisses einer Verbrennung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art wird von der Eigenschaft eines Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühlers Gebrauch gemacht, seine abgegebene elektromotorische Kraft im Bereich einer Luftzahl λ vom Betrag ungefähr 1 sprunghaft zu ändern (MTZ Motortechnische Zeitschrift 34 (1973), Heft 1, Seiten 7 bis 11). Da in anderen Luftzahl-Bereichen jedoch keine besondere Empfindlichkeit des Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühlers gegeben ist, eignet sich die bekannte Anordnung lediglich für eine Regelung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses auf eine Luftzahl λ gleich 1.
In vielen Fällen ist jedoch eine Regelung des Luftverhältnisses auf Luftzahlen verschieden vom Wert etwa λ gleich 1 erwünscht. So ist zum Beispiel für den Betrieb eines Otto-Motores mit geringen Anteilen von Stickoxyden im Abgas eine Luftzahl von etwa λ = 1,25, also Luftüberschuß, erforderlich, während zum Starten des Motors meist eine Luftzahl λ < 1 also Luftmangel, eingestellt sein muß. In Feuerungsanlagen werden die Brennstoffe meist mit Luftüberschuß verbrannt, eine Regelung des Luftverhältnisses auf λ > 1 ist daher auch hier erforderlich.
Des weiteren ist eine Feuerungsanlage mit geregelter Brennstoff- und Sauerstoffzufuhr zu einem Brenner im vofgeschriebenen Mischungsverhältnis bekanntgeworden (DE-OS 15 26 277). Hierbei wird der Sauerstoffgehalt der Abgase mit einer Festelektrolyt-SauersU-ffzelle gemessen. Das von dieser abgegebene, vom Mischungs-
Ί5 verhältnis der Reaktionskomponenten abhängige elektrische Signal dient zusammen mit einem Regler zur Einstellung des vorgeschriebenen Mischungsverhältnisses von Brennstoff und Sauerstoff. Da sich jedoch das von der Festelektrolyt-Sauerstoffzelle abgegebene elektrische Signal bei einer Veränderung des Sauerstoffgehaltes der Abgase verhältnismäßig wenig ändert, ist eine genaue Regelung des Mischungsverhältnisses kaum zu erreichen.
Schließlich ist durch die US-PS 3514 377 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Sauerstoff enthaltenden Gases bekannt. Hierzu wird durch eine erste Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßzelle festgestellt, ob das Gas oxidierend oder reduzierend ist, d. h., ob Sauerstoffüberschuß oder
fao Sauerstoffmangel vorliegt. Durch eine in einem Teilstrom des Gases angeordnete Festelektrolyt-Sauerstoffpumpe werden die oxidierenden bzw. reduzierenden Eigenschaften des Gases verändert und mit Hilfe einer nachgeschalteten zweiten Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßzelle auf einen konstanten Wert geregelt. Hierbei wird im Falle eines oxidierenden Gaser, d. h. bei I-uftüberschuß, die Gaszusammensetzung auf einen Arbeitspunkt im unteren Knick der Kennlinie der
zweiten Meßzelle geregelt, wogegen im Falle eines reduzierenden Gases, d.h. bei Luftmangel, auf einen anderen Arbeitspunkt, nämlich im steilen Bereich der Kennlinie entsprechend λ ist gleich 1, eingeregelt wird. Aus den Meßwerten des elektrischen Purrpstromes der Sauerstoffpumpe, der elektrischen Spannungen und des Gasflusses werden dann die einzelnen Gasbestandteile in einem Computer errechnet In Kenntnis dieser Gasbestandteile ließe sich zwar dann die Luftzahl λ des Gases errechnen, doch ist dieser Weg durch den Einsatz κι von zwei Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßzel'.en und eines Computers sehr aufwendig.
Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, deren Einsatzbereich auf einfache Weise auf Luftverhältnisse außerhalb des besonderen Empfindlichkeitsbereichs des Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühlers erweitert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Der den Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühler beaufschlagende Abgasteilstrom wird also immer auf eine Luftzahl λ vom Betrag ungefähr gleich 1 gehalten bzw. geregelt, wogegen die Verbrennung mit anderen Luftverhältnissen bzw. Luftzahlen abläuft. Zur Einstellung dieser Luftverhältnisse auf die gewünschten Werte wird der Abgasteilstrom verändert und somit der Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühler getäuscht. Der Vorteil liegt darin, daß der besondere Empfindlichkeitsbereich des Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühlers bei ungefähr λ gleich 1 auch für Regelungen auf Werte λ S 1 Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben, wobei Anspruch 6 eine besonders einfache Weiterbildung beschreibt. &
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen um Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung als Blockschaltbild im Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor,
F i g. 2 einen axialen Längsschnitt durch ein Teilstück der Abgas-Zweigleitung im Bereich des Meßfühlers und Katalysators als Einzelheit,
F i g. 3 einen axialen Längsschnitt durch ein Teilstück der Abgas-Zweigleitung in einer Ausführungsvariante mit einer Festelektrolyt-Sauerstoff-Zelle Für die Zufuhr von Luftsauerstoff oder den Entzug von Sauerstoff und
Fig.4 die erfmdungsgemäße Anordnung im Zusammenhang mit einem Heizkessel.
Gleiche oder gleichwirkende Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Regelung der Verbrennung in einem Otto-Motor als Blockschaltbild dargestellt. An die Abgasleitung 13 des Motors 6 ist strömungsmäßig vor der Abgasanlage 24, die aus Schalldämpfern bestehen kann, die Abgas-Zweigleitung 11 angeschlossen. An diese ist an der Zufuhrstelle 7 für das Hilfsgas bzw. für den Sauerstoff die von einer Hilfsgas- bzw. Sauerstoffquelle vorzugsweise in Form eines Gasspeichers 5 kommende Verbindungsleitung 14 angeschlossen. Der Gasspeicher 5 selbst ist über eine Steuerleitung mit einem Steuergerät 26 verbunden. Nach der Zufuhrstelle 7 führt die Abgas-Zweigleitung 11 zu einem Katalysator 3 und anschließend zum Meßfühler 1. Nach dem Meßfühler verläuft die Abgas-Zeigleitung über die einstellbare Drossel 19 zur Saugseite des Abgasförderers 17 dessen Druckseite ebenso wie die Abgasanlagc in den Außenraum 25 mündet Der Meßfühler 1 ist über elektrische Leitungen
10 an einen Verstärker 2 angeschlossen, der seinerseits eine Verbindung zu einem Regelorgan 4 aufweist das die Luft- und/oder die Kraftstoffzufuhr zum Otto-Motor nach Maßgabe des Verstärkersignals dosiert und somit das Brennstoff-Luft-Gemisch einstellt
Im vorliegenden Fall ist der Meßfühler und der Katalysator sowie die Zufuhrstelle für das Hilfsgas in einer Abgas-Zweigleitung vorgesehen. Hierdurch fließt ein gegenüber dem Hauptstrom geringer Abgasteilstrom, der sich durch Zufuhr oder Entzug entsprechend geringer Mengen von Hilfsgas bzw. Sauerstoff leicht verändern und sich auch leicht konstant halten läßt
In F i g. 2 ist das Teilstück 20 der Abgas-Zweigleitung
11 im axialen Längsschnitt als Einzelheit in anderem Maßstab dargestellt welches die Zufuhrstelle 7, den Katalysator 3 und den Meßfühler 1 beinhaltet Dieses Teilstück ist rohrförmig ausgebildet und weist vor dem ebenfalls rohrförmigen Katalysator 3 einen Gasmischer in Form eines Siebes 12 auf. Zwischen Katalysator 3 und dem Meßfühler t ist ebenfalls ein Gasmischer (Sieb 12) vorgesehen. Der Meßfühler 1 selbst besteht aus einem Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühler in Form eines Rohres aus dotiertem Zirkondioxyd. Seine Innen- und Außenseite ist mit je einer porösen Platinelektrode 39, 40 versehen und sein verschlossenes Ende ragt in das Teilstück 20 und wird vom zu messenden Abgasstrom umspült. Hierbei steht die Innenseite des Meßfühlers 1 mit dem Außenraum 25 in Verbindung. Zur Weiterleitung der von den Elektroden 39,40 abgeleiteten Signale sind sie über die elektrischen Leitungen 10 mit dem Verstärker 2 verbunden. Auf der Außenseite der Abgas-Zweigleitung ist im Bereich des Katalysators und des Meßfühlers eine elektrische Heizung 27 in Form einer Heizwenael vorgesehen. Am einen Ende des Teilstückes 20 der Abgas-Zweigleitung ist vor dem Katalysator 3 und vor dem Sieb 12 die Zufuhrstelle 7 vorgesehen. Das Hilfsgas bzw. Sauerstoff ist in dem Gasspeicher 5 enthalten, der über eine Veibindungsleitung 14 und ein Regulierorgan 16 mit der Zufuhrstelle 7 verbunden ist. Am anderen Ende des Teilstückes 20 strömungsmäßig nach dem Meßfühler 1 ist die Abgaszweigleitung 11 über die Drossel 19 zur Saugseite des Abgasförderers 17 weitergeführt, dessen Ausblas in den Außenraum 25 mündet. Das Regulierorgan 16 wird vom Steuergerät 26 eingestellt. Im vorliegenden Beispiel ist der Katalysator 3 rohrförmig ausgebildet und in das Teilstück 20 der Abgas-Zeigleitung nahtlos eingefügt. Ebensogut wäre jede andere Ausbildung des Katalysators möglich. Um die Wirkung des strömungsmäßig vor dem Katalysator vorgesehenen Siebes 12 zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn zwischen Sieb und Katalysator eine Mischstrecke vorgesehen ist, d. h. der Abstand Katalysator 3 — Sieb 12 sollte etwa dem ein- bis zweifachen lichten Durchmesser des Teilstückes 20 entsprechen. Bei entsprechend langer Mischstrecke wäre unter Umständen ein als Mischer dienendes Sieb
12 nicht erforderlich.
In F i g. 3 ist ein anderes für die Zufuhr oder Entnahme von Sauerstoff eingerichtetes Teilstück 20 der Abgas-Zweigleitung im axialen Längsschnitt dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Eigenschaft einer Festelektrolyt-Sauerstoff-Zelle 23 ausgenutzt, die darin besteht, daß durch ihre Wand ein Sauerstofftransport möglich ist, wenn man mit Hilfe der inneren und äußeren porösen Elektroden 39,40, z. B. aus
Platin, einen elektrischen Strom durch die Wand der Zelle schickt. Die Richtung des Sauerstofftransportes ist von der Stromrichtung abhängig. In das Teilstück 20 ist eine solche Festelektrolyt-Sauerstoff-Zelle, z. B. aus Zirkondioxyd, eingefügt. Sie ist im vorliegenden Beispiel rohrförmig ausgeführt und bildet das Teilstück 20 mit. Die innere poröse Elektrode 39 bildet gleichzeitig den Katalysator. Sie ist über ein Amperemeter 22 mit dem einen Pol einer Gleichstromquelle verbunden. Auf der äußeren, gegenüberliegenden Seite der Zelle 23 ist ebenfalls eine poröse Elektrode 40 angebracht, die über einen einstellbaren Widerstand 28 mit dem zweiten Pol der Gleichstromquelle in Verbindung steht. Diese Zelle 23 dient für die Zufuhr von Luftsauerstoff aus dem Außenraum zum Abgasstrom oder für den Entzug von Sauerstoff aus dem A.bgasstrorn. Darüber hinaus wird ihre innere Elektrode 39 noch als Katalysator eingesetzt.
Strömungsmäßig nach der Festelektrolyt-Sauerstoff-Zelle 23 ist der Meßfühler 1 vorgesehen, der im vorliegenden Fall ebenfalls das Teilstück 20 mitbildet. Seine inneren und äußeren Elektroden sind über die elektrischen Leitungen 10 mit dem Verstärker 2 verbunden, der auf das Regelorgan 4 einwirkt. Nach dem Meßfühler ist die Abgas-Zweigleitung über die einstellbare Drossel 19 zur Saugseite des Abgasförderers 17 weitergeführt, dessen Ausblas in den Außenraum 25 mündet. Meßfühler 1 und Zelle 23 sind mit einer elektrischen Heizung 27 ausgerüstet, z. B. in Form einer Heizspirale.
In Fig.4 ist ein Heizkessel 36 in der Seitenansicht dargestellt. Er ist mit einem Ölbrenner 38 als Feuerung versehen. Als Abgas-Zweigleitung 11 dient hier ein kurzes, in der Abgasleitung 13 vorgesehenes, an den Enden offenes Rohr 15 von im Verhältnis zur Abgasleitung geringem Durchmesser. Dieses Rohr 15 fluchtet mit der Abgasleitung, hat Abstand zu ihr und ist in der Nähe des Abgasaustrittes aus dem Kessel vorgesehen. Das Rohr 15 wird mittels eines Stutzens 41 von der Abgasleitung 13 getragen. Dabei nimmt der Stutzen 41 einen Teil des Meßfühlers 1 in sich auf und bildet so eine Abschirmung des Meßfühlers 1 gegen den Abgasstrom 18 bei dem Durchdringen des Abgasrohres 13. Strömungsmäßig vor dem Meßfühler, der in das Rohr 15 eintaucht ist am Rohr 15 die Zufuhrstelle 7 für das Hilfsgas bzw. Sauerstoff in Form einer Öffnung vorgesehen, an die die Verbindungsleitung 14 zur Elektrolyse-Zelle 21 angeschlossen ist.
Der Meßfühler 1 hat hier etwa den gleichen Aufbau und die gleiche Anordnung wie in Fig.2. Ein gesonderter Katalysator ist jedoch nicht vorhanden, denn die abgasseitige Elektrode des Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühlers wird gleichzeitig als Katalysator eingesetzt. An den Meßfühler ist in üblicher Weise ein Verstärker 2 angeschlossen, der über elektrische Leitungen 34 mit dem Brenner 38 zur Gemischregelung verbunden ist Im Bereich des Meßfühlers 1 kann erforderlichenfalls eine elektrische Heizung 27 vorgesehen sein.
Das Hilfsgas bzw. Sauerstoff wird im vorliegenden Beispiel in der Elektrolyse-Zelle 21 erzeugt Sie besteht aus einem U-förmig gebogenen Rohr, das mit einem wäßrigen Elektrolyten 29 gefüllt ist In ihn tauchen Elektroden 30, die über ein Amperemeter 42 bzw. einen regelbaren Widerstand 48 mit den Polen einer Gleichstromquelle in Verbindung stehen. Das Gasräume der beiden Schenkel der Elektrolyse-Zelle 21 sind je mit einer Rohrleitung an einen Dreiwegehahn 31 angeschlossen, dessen dritter Abgang für den Anschluß der Verbindungsleitung 14 vorgesehen ist. Durch entsprechende Einstellung des Dreiwegehahnes 31 kann die Zufuhrstelle 7 mit der Sauerstoff oder Wasserstoff r) erzeugenden Seite der Elektrolyse-Zelle wahlweise verbunden werden.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung soll zunächst anhand der F i g. 1 näher erläutert werden.
Soll das Luftverhältnis, mit dem der Otto-Motor 6
ίο betrieben wird, auf eine Luftzahl geregelt werden, die außerhalb des Empfindlichkeitsbereiches des Meßfühlers liegt, so wird dem für die Messung bestimmten Abgasteilstrom ein dosiertes Hilfsgas bzw. Sauerstoff aus dem Gasspeicher 5 an der Zufuhrstelle 7
r> beigemischt. Dieses Gemisch wird nun zum Katalysator 3 geleitet, wo seine Bestandteile gegebenenfalls miteinander reagieren, so daß ein neuer korrigierter Abgasteilstrom entsteht. Dieser wird über den Meßfühler 1 und die Drossel 19 vom Abgasförderer 17 abgesaugt und in den Außenraum 25 geblasen. Der Abgasförderer erzeugt hierbei einen gleichmäßigen Fluß des zu messenden Abgases. Unterstützt wird dies durch die einstellbare Drossel 19, die einen hohen Druckabfall bewirkt, so daß Druck- und/oder Durch-
2r> flußänderungen in der Abgasleitung 13 kaum oder keinen Einfluß auf die vom Abgasförderer abgezweigte Abgasmenge haben. Das vom Meßfühler 1 gemessene Signal wird über die elektrischen Leitungen 10 an einen Verstärker 2 weitergegeben, der auf ein Regelorgan 4
«ι einwirkt, das die Anteile von Brennstoff bzw. Kraftstoff und Luft des zugeführten Brennstoff-Luftgemisches einstellt. Die Luft-Brennstoff-Mischung kann außerhalb des Motors, z. B. in einem Vergaser oder innerhalb der Zylinder des Motors, erfolgen, z. B. durch Luftansau-
r> gung und Brennstoffeinspritzung.
Zur Regelung der Verbrennung auf eine Luftzahl λ > I wird dem Abgasteilstrom ein reduzierendes Hilfsgas z. B. Wasserstoff beigemischt. Dieser reagiert im Katalysator 3 mit dem Abgas, und es entsteht ein
■ni korrigierter Abgasstrom, der Luftmangel und damit eine korrigierte Luftzahl von λ < 1 aufweist. Der Meßfühler registriert nun das Abweichen aus seinem Empfindlichkeitsbereich sehr rasch und veranlaßt über den Verstärker 2 und das Regelorgan 4, daß dem
•ti Brennstoff-Luftgemisch ein erhöhter Luftanteil beigemischt wird. Dieser Anteil wird soweit gesteigert, bis der Luftanteil im Abgas so groß ist daß bei der Reaktion des Abgasteilstromes mit dem zugesetzten Wasserstoff im Katalysator 3 ein korrigiertes Abgas mit der Luftzahl
ϊιι etwa A=I entsteht, die vom Regler eingehalten wird. Die Verbrennung verläuft hierbei wegen der erhöhten Luftzufuhr mit Luftüberschuß. Die in der Zeiteinheit zugeführte Menge des Wasserstoffes bestimmt die Höhe des Luftüberschusses, man kann den Wasserstoff-
ϊΓ· mengen unmittelbar Luftzahlen zuordnen.
Soll der Motor dagegen mit Luftmangel, d.h. mit einer Luftzahl λ < 1 betrieben werden, so wird dem Abgasteilstrom Sauerstoff zugeführt Am Meßfühler 1 wird jetzt eine Luftzahl λ > 1 (Luftüberschuß) regi-
w striert und eine Drosselung der Luftzufuhr am Regelorgan 4 veranlaßt oder, was gleichwertig wäre, die Brennstoffzufuhr eventuell erhöht oder beides zusammen. Die Verbrennung im Motor geschieht unter Luftmangel, sein Abgas weist unverbrannte Bestandteils Ie auf. Die Regelung greift so lange ein, bis am Meßfühler wieder eine Luftzahl von etwa λ = 1 gemessen wird, d. h-bei die zugeführte Sauerstoffmenge die unverbrauchten Bestandteile des Abgasteilstroms
kompensiert hat und sich wieder eine Luftzahl von etwa λ = 1 am Meßfühler 1 einstellt, wogegen die Verbrennung im Motor mit Luftmangel abläuft.
Allein durch die Zufuhr eines reduzierenden Hilfsgases oder Sauerstoff läßt sich somit das Luftverhältnis der Verbrennung auf beliebige Werte einstellen durch Einregeln der Luftzahl des für die Messung bestimmten Abgasstromes auf einen Wert von etwa A=I.
Beim Otto-Motor wird die Dosierung des Hilfsgases oder Sauerstoffs in vorteilhafter Weise über die Motortemperatur und/oder seine Drehzahl und/oder andere Faktoren gesteuert (Steuergerät 26).
Bei der Ausbildung nach F i g. 2 wird dem Teilstück 20 der Abgas-Zweigleitung 11 das Hilfsgas an der Zufuhrstelle 7 beigemischt. Zur Verbesserung der Mischung ist in Strömungsrichtung ein Gasmischer in Form eines Siebes 12 nachgeschaltet, so daß ein gleichmäßiges Gemisch in den Katalysator 3 eintritt. Hier reagiert das Hilfsgas bzw. Sauerstoff mit den Abgasbestandteilen, vermischt sich nochmals an dem nachgeschaiteten Sieb 12 und wird zum Meßfühler 1 geleitet. Da für die Messung und für die Reaktion am Katalysator eine bestimmte Mindesttemperatur erforderlich ist, ist noch eine elektrische Heizung 27 vorgesehen, die in Tätigkeit gesetzt wird, wenn das Abgas z. B. kälter als 3000C ist Die Einstellung auf verschiedene Luftverhältnisse erfolgt in der vorbeschriebenen Weise.
Anstelle der Zufuhr eines reduzierenden Hilfsgases kann dem Abgasteilstrom, falls vorhanden, auch Sauerstoff entzogen werden, um einen Luftmangel des korrigierten Abgasstromes einzustellen und um das Regelsystem zu einer erhöhten Luftzufuhr zur Verbrennung zu veranlassen. In F i g. 3 ist die hierzu geeignete Vorrichtung dargestellt, mit der dem zu messenden Abgasstrom Sauerstoff auch zugeführt werden kann.
Soll dem Abgasteilstrom Sauerstoff entzogen werden, so wird über die Elektroden 39, 40 der Festelektrolyt-Sauerstoff-Zelle ein Gleichstrom in entsprechender Richtung geleitet. Die Folge ist, daß ein Sauerstofftransport durch die Wand aus dem Innenraum der Zelle 23 zum Außenraum 25 erfolgt, die Luftzahl des Abgasteilstromes wird geringer. Der Meßfühler 1 erfaßt diesen Zustand und regelt ihn in vorbeschriebener Weise aus durch Erhöhen der Luftzufuhr zur Verbrennung.
Soll die Verbrennung unter Luftmangel erfolgen, so wird dem zu messenden Abgasstrom Sauerstoff zugeführt, indem die Richtung des elektrischen Stromes, der durch die Wand der Zelle 23 fließt, umgekehrt wird, jetzt wird dem Außenraum 25 Sauerstoff entnommen und dem zu messenden Abgasstrom zugeführt Es entsteht Luftüberschuß, der vom Meßfühler 1 registriert wird und durch eine Drosselung der Luftzufuhr zur Verbrennung kompensiert wird, bis an dem Meßfühler
wiederum eine Luftzahl von etwa λ = 1 gemessen wird. Die in der Zeiteinheit entzogene oder zugeführte Sauerstoffmenge kann als Maß für die Luftzahlen benützt werden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 ist unmittelbar in der Abgasleitung 13 ein an den Enden offenes, kurzes Rohr 15 als Abgas-Zweigleitung 11 eingesetzt Vom Abgas 18, das den Heizkessel verläßt, strömt ein Teil durch dieses offene Rohr 15.
Kurz nach seinem Eintritt in das Rohr wird an der Zufuhrstelle 7 das Hilfsgas bzw. Sauerstoff beigemischt. Unter Zwischenschaltung einer Mischstrecke 33 gelangt es zum Meßfühler 1. Auch hier ist kein besonderer Katalysator zwischengeschaltet; die abgasseitige Elektrode des Meßfühlers übernimmt zusätzlich die Funktion des Katalysators. Das Meßergebnis wird über Leitungen dem Verstärker 2 zugeführt, der über eine elektrische Leitung 34 mit dem ölbrenner 38 zur Brennstoff-Luftregelung verbunden ist. Da Feuerungsanlagen meist mit Luftüberschuß betrieben werden, wird dem zu messenden Abgasstrom ein reduzierendes Hilfsgas, z. B. Wasserstoff, zugesetzt, so daß ein korrigierter Abgasteilstrom mit Luftmangel entsteht Durch vermehrte Luftzufuhr zum Verbrennungsvorgang wird der Sauerstoffgehalt des Abgases 18 so weit erhöht, bis das am Meßfühler 1 anstehende, korrigierte Abgasgemisch eine Luftzahl von etwa A = 1 aufweist, die vom Regelsystem eingehalten wird, während die Verbrennung mit Luftüberschuß erfolgt.
Der Wasserstoff — wenn erforderlich auch Sauerstoff — wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einer Elektrolyse-Zelle 21 erzeugt. Hierzu wird ein geeigneter, wäßriger Elektrolyt zersetzt und der entstehende Wasserstoff dem Abgas beigemischt. Die Dosierung des Hilfsgases kann über die zur Elektrolyse benutzte Stromstärke eingestellt werden. Hierzu ist in den Stromleitungen ein verstellbarer Widerstand 48 und für die Einstellkontrolle ein Amperemeter 42 vorgesehen.
Grundsätzlich kann jede Art von Hilfsgaserzeuger oder Hilfsgasspeicher eingesetzt werden, wie z. B. Druckgasspeicher oder Feststoffspeicher.
Auch ist die Art des reduzierenden Hilfsgases belanglos, es kann auch aus einem Gasgemisch bestehen. Auch kann als reduzierendes Hilfsgas vorzugsweise ein Brennstoff, Kraftstoff, deren Spaltprodukte oder ein Brennstoff-Luftgemisch verwendet werden. Im Falle des Einsatzes von Kraftstoff in Form von Benzin kann dieses an der Zufuhrstelle 7 in den Abgasteilstrom eingespritzt werden.
Es ist selbstverständlich, daß die Anordnung gemäß Fig.4 auch bei Otto-Motoren angewendet werden kann, ebenso wie die in den Fig.2 oder 3 gezeigte Ausführung auf Heizkessel übertragbar ist
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Anordnung zum selbsttätigen Regeln des Brennstoff-Luft-Verhältnisses einer Verbrennung durch Verändern des Brennstoff-Luft-Gemisches unter Verwendung eines Regelsystems, das für eine Regelung auf eine Luftzahl λ ungefähr 1 ausgebildet ist und das einen vom Abgasstrom beaufschlagbaren Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßfühler mit einem steilen Kennlinienverlauf bei einer Luftzahl λ = 1 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (1) in einer Abgaszweigleitung (11) angeordnet und von einem konstanten Abgasteilstrom beaufschlagbar ist, und daß Mittel (5, 21, 23) ΐΐ vorgesehen sind für die dosierte Zufuhr von Sauerstoff oder eines reduzierenden Hilfsgases in den Abgasteilstrom oder für den dosierten Cntzug von Sauerstoff aus dem Abgasteilstrom, und daß die Zufuhr oder der Entzug stromaufwärts des Meßfühlers(l) erfolgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaszweigleitung (11) als ein an den Enden offenes Rohr (15) ausgebildet und innerhalb einer Abgasleitung (13) angeordnet ist, wobei das Rohr (15) und die Abgasleitung (13) etwa gleiche Achsrichtung aufweisen und der lichte Querschnitt des Rohrs (15) klein ist im Verhältnis zum lichten-Querschnitt der Abgasleitung (13).
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch i() gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung des Abgasteilstroms strömungsmäßig nach dem Meßfühler (1) die Saugseite eines Abgasförderers (17) über eine einstellbare Drossel (19) an die Abgaszweigleitung (11) angeschlossen ist, wobei die Fördermenge des Abgasförderers (17) auf beliebige konstante Werte einstellbar ist
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die dosierte Zufuhr von Sauerstoff oder eines reduzierenden Hilfsgases aus mindestens einem Gasspeicher (5), einer von diesem Zur Abgaszweigleitung (11) ausgehenden Verbindungsleitung (14) und einem zwischengeschalteten Regulierorgan (16) bestehen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die dosierte Zufuhr von Sauerstoff oder eines reduzierenden Hilfsgases aus einer Elektrolyse-Zelle (21) bestehen, wobei die Dosierung über den Elektrolysestrom einstellbar ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die dosierte Zufuhr oder den dosierten Entzug von Sauerstoff aus einer Festelektrolyt-Sauerstoff-Zelle (23) bestehen, deren eine Wandseite an den zu messenden Abgasstrom und deren andere Seite an den Außenraum (25) grenzt, wobei der die Wand der Festelektrolyt-Sauerstoff-Zelle (23) durchfließende elektrische Strom zur Dosierung des Sauerstoffs einstellbar ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolyt-Sauerstoff-Zelle (23) einer Teil der Abgaszweigleitung (11) bildet.
8. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierende Hilfsgas Wasserstoff ist.
9. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierende Hilfsgas ein Brennstoff oder dessen Spaltprodukte sind.
DE2460066A 1974-12-19 1974-12-19 Verfahren und Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln des Brenstoff-Luftverhältnisses einer Verbrennung Expired DE2460066C3 (de)

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