DE3204969A1

DE3204969A1 - Kraftstoffbrennvorrichtung in kombination mit einer vorrichtung zum regeln des kraftstoffluftverhaeltnisses

Info

Publication number: DE3204969A1
Application number: DE19823204969
Authority: DE
Inventors: Kenneth R. Westfield N.J. Burns; Jack J. Perth Amboy N.J. Early
Original assignee: Engelhard Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1981-02-13
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1982-08-19
Also published as: JPS57151042A; GB2093228A; BR8200773A; CA1183238A; SE8200867L

Description

Kraftstoffbrennvorrichtung in Kombination mit einer Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses

Be Schreibung

Die Erfindunq betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses eines einer Verbrennungsvorrichtung zugeführten verbrennbaren Gemisches. Das erfindungsgemäße Verfahren und die er-

• 5 findungsgemäße Vorrichtung sind im breitesten Sinne für derartige Zwecke anwendbar und eignen sich insbesondere zum Regeln oder Einstellen des Kraftstoffluftverhältnisses eines verbrennbaren Gemisches, das einer Brennkraftmaschine oder einem katalytischen Brenner zugeführt wird. 10

Es sind eine Vielzahl von Methoden zum Regeln des Kraftstoff luftverhältnisses, insbesondere zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zuoeführten verbrennbaren Gemisches bekannt. Der Zweck der Regelung des Kraftstoff luftverhältnisses besteht oftmals darin, die Arbeit einer katalytischen Abgasreinigungseinrichtung zu verstärken, während gleichzeitig die Leistung und der Wirkungsgrad der Maschine auf annehmbaren Werten gehalten werden. In der US PS 4 202 301 ist eine Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses beschrieben, die teilweise auf eine Steuerschaltung ansprechend arbeitet, die ihrerseits auf das Ausgangssignal eines Sauerstoff sensors anspricht, der in der Abgasleitung der Maschine angebracht ist. Diese Anordnung ist allgemein bekannt und wird oftmals als eine mit geschlossener Schleife arbeitende Anordnung bezeichnet, bei der der Vergaser oder eine andere Kraftstoff und Luft bemessende Einrichtung über eine Steuereinrichtung geregelt wird, die als Eingangs signal ein Signal empfängt, das dem vom Sensor wahrgenomme-

nen Gehalt an Sauerstoff im Maschinenabgas entspricht.

Aus der US PS 4 019 474 ist eine Vorrichtung zu entnehmen, die einen Detektor umfaßt, der die Dichte eines Bestandteils, beispielsweise des Sauerstoffs in den Abgasen einer Brennkraftmaschine aufnimmt, um das Kraftstoffluftverhältnis zu regeln. Die Regelung basiert auf dem aufgenommenen Wert des Bestandteiles derart, daß das Kraftstoffluftverhältnis dem theoretisch richtigen Kraftstoffluftverhältlis, d.h. dem stöchiometrischen Verhältnis, nahekommt.

In der US PS 3 986 352 wird eine Kraftstoffregelung für eine Maschine mit einem katalytischen Wandler beschrieben, wobei die Maschine normalerweise mit geschlossener Regelschleife mit einem Rückführungssignal von einem Kraftstoffluftverhältnissensor im Maschinenabgas betrieben wird. Wie es in dieser Druckschrift dargestellt ist, erzeugt ein Abgassensor eine Ausgangsspannung, die auf Zusammensetzungsänderungen ansprechend ein großes Maß an Änderung zeigt, wenn in der Nähe des stöchiometrischen Kraftstoffluftverhältnisses gearbeitet wird. Das vom Sensor erzeugte Signal geht durch eine Steuereinheit und beeinflußt schließlich die das Kraftstoffluftverhältnis steuernde Einrichtung eines Vergasers. Ein mit relativ geringen Kosten verbundener und käuflich erhältlicher Zirkonerde-Sauerstoffsensor zeigt diese Kennlinie mit einer großen Änderung in der Spannung des Ausgangssignals mit einer Änderung des Kraftstoffluftverhältnisses in der Nähe des stöchiometrischen Kraftstoffluftverhältnisses. Seine Empfindlichkeit auf eine Änderung im Kraftstoffluftverhältnis nimmt jedoch schnell ab, wenn das Kraftstoffluftverhältnis vom stöchiometrischen Wert weg entweder zur armen oder.zur reichen Seite wandert. Wenn es daher wünschenswert ist, in einem erheblichen Abstand vom stöchiometrischen Wert auf der reichen oder armen Seite zu arbeiten, ist es nicht möglich, mit einem Zirkonerde-

Sauerstoffsensor das Kraftstoffluftverhältnis auf einen gewählten Wert zu regeln, der sich erheblich vom stöchiometrischen Wert unterscheidet.

Diese Sauerstoffsensoren oder Sensoren für andere Gasbestandteile eigene Beschränkung stellt kein Problem bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen, beispielsweise bei Kraftfahrzeugmotoren dar, die mit sogenannten Dreiwegeumwandlungskatalysatoren ausgerüstet sind, die dazu dienen, das Abgas zu reinigen. Dreiwegeumwandlungskatalysatoren dieser Art sind in der US PS 4 157 316 beschrieben und dienen im typischen Fall dazu, die Abgase zu behandeln, indem im wesentlichen gleichzeitig Kohlenmonoxid und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe oxidiert und Stickstoffoxide zu Stickstoff·reduziert werden. Damit diese Katalysatoren am wirkungsvollsten arbeiten, sollte die Maschine bei stöchiometrischen Kraftstoffluftverhältnissen oder sehr nahe an diesen Verhältnissen betrieben werden. Ein herkömmlicher Zirkonerde-Sensor oder ein anderer Sensor ist somit verwendbar, da er für Änderungen in einem Kraftstoffluftverhältnis bereich um die stöchiometrischen Verhältnisse herum empfind lieh ist. Das vom Sensor erzeugte Bezugssignal kann daher dazu verwandt werden, Einstellungen an der Kraftstoffluftverhältnissteuerung des Vergasers oder der Kraftstoffeinspritzvorrichtung vorzunehmen, um den Betrieb bei stöchiometrischen Verhältnissen oder sehr nahe an diesen Verhältnissen zu halten.

Bei bestimmten Anwendungszwecken ist es jedoch wünschenswert, entweder auf der reichen oder auf der armen Seite des stöchiometrischen Verhältnisses mit einem Kraftstoffluftverhältnis zu arbeiten, das außerhalb des Empfindlichkeitsbereiches oder des Ansprechbereiches der verfügbaren Sauerstoffsensoren oder der verfügbaren Sensoren für andere

Gasbestandteile liegt. Es kann beispielsweise angenommen werden, daß die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauches bei armen Kraftstoffluftverhältnissen,allgemein um etwa 1 bis 3 ärmeren Kraftstoffluftverhältnissen als dem stöchiometrischen Wert erhöht oder maximiert werden kann. Eine Arbeit in diesem Bereich schließt jedoch die Verwendung eines Systems mit geschlossener Regelschleife unter Verwendung eines Abgassensors aus, der nur in einem beqrenzten Bereich um den stöchiometrischen Wert herum empfindlich ist. Bei bestimmten anderen Anwendungszwecken ist es wünschenswert, auf der reichen Seite des stöchiometrischen Wertes außerhalb des Ansprechbereiches herkömmlicher Sensoren zu arbeiten. Mit Erdgas als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschinen von einem Typ wie er beispielsweise in Pipelines oder auf ölfeidern verwandt wird, erfordern die Aufrechterhaltung eines reichen Kraftstoffluftverhältnisses, das außerhalb des begrenzten Bereiches der mit vertretbaren Kosten verbundenen und zur Verfügung stehenden Sensoren liegt.

Obwohl es Einrichtungen gibt, die die Konzentrationswerte eines Abgasbestandteiles bestimmen, die aus Kraftstoffluftverhältnissen resultieren, die außerhalb des Ansprechbereiches herkömmlicher Sensoren liegen, sind derartige Ausrüstungen oder Einrichtungen mit hohen Kosten verbunden, kompliziert und/oder empfindlich verglichen mit Sensoren des oben beschriebenen Typs, so daß sie sich bei Anwendungen bei den meisten Brennkraftmaschinen oder katalytischen Brennern nicht eignen. Unabhängig von der Verwendung bei einem Kraftfahrzeug oder bei einer ortsfesten Anlage, beispielsweise bei einer ortsfesten Brennkraftmaschine oder einem katalytischen Brenner wäre es wünschenswert, einen mit geringeren Kosten verbundenen und relativ unempfindlichen Sensor statt der komplizierteren,empfindlicheren und/

oder mit höheren Kosten verbundenen Sensoren oder analytischen Einrichtungen verwenden zu können.

Ziel der Erfindung sind daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses auf einen gewählten Wert oder auf gewählte Werte, die außerhalb des Ansprechbereiches eines herkömmlichen Sauerstoffsensors oder eines Sensors für einen anderen Gasbestandteil liegen können, jedoch nicht notwendigerweise müssen, wobei dennoch ein derartiger Sensor als Abgassensoreinrichtung verwandt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung, die einen Sensor für einen Abgasbestandteil zum Steuern des Kraftstoffluftverhältnisses eines einer Verbrennungseinrichtung, beispielsweise einer Brennkraftmaschine oder einem katalytischen Brenner zugeführten Gemisches, verwenden, ohne daß ein schnelles Schwingen zwischen einem Betrieb mit reichem und armen Gemisch notwendig ist.

Ziel der Erfindung ist es weiterhin, das von einem herkömmlichen Sauerstoffsensor oder von einem Sensor für einen anderen Gasbestandteil erzeugte Signal dazu zu verwenden, eine Verbrennungseinrichtung, beispielsweise eine Erdgasbrennkraftmaschine, auf einem Kraftstoffluftverhältnis zu regeln, das vom stöchiometrischen Verhältnis versetzt ist, beispielsweise reicher als das stöchiometrische Verhältnis ist, während Abwanderungen des Kraftstoffluftverhältnisses zur falschen Seite, beispielsweise zur armen Seite vom stöchiometrischen Verhältnis auf ein Minimum herabgesetzt oder im wesentlichen ausgeschlossen werden.

Ziel der Erfindung ist auch eine Regelvorrichtung, die mit offenem Wirkungskreis für einen Anteil der Arbeitszeit, d.h. ohne fortlaufende Nachstellung des Kraftstoffluftverhältnisses, arbeitet.

Dazu wird erfindungsgemäß eine Kraftstoffbrennvorrichtung in Kombination mit einer Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoffluftverhaltnisses geschaffen, wobei die Kraftstoffbrennvorrichtung eine einstellbare Kraftstoff und Luft proportionierende Einrichtung, eine Verbrennungskammer und eine Abgasleitung aufweist, die in Reihe und in Strömungsverbindung miteinander verbunden sind, wobei ein wahlweise proportioniertes Kraftstoffluftgemisch von der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung zur Verbrennung in die Verbrennungskammer eingeführt werden kann und die Abgase von der Verbrennungskammer durch die Abgasleitung abgezogen werden können. Die Vorrichtung zum Regeln, des Kraftstoffluftverhaltnisses umfaßt eine Sensoreinrichtung, die sich in der Abgasleitung befindet und einen begrenzten Bereich des Ansprechens auf die Höhe des Anteils eines gasförmigen Bestandteils im Abgas aufweist, um ein dieser Höhe entsprechendes Bezugssignal zu erzeugen. Eine Rücksetzeinrichtung steht in Arbeitsverbindung mit der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung, um periodisch das Kraftstoffluftverhältnis auf einen ersten Wert einzustellen, der so gewählt ist, daß sich eine Höhe des Anteils des Bestandteils im Abgas ergibt, die im Ansprechbereich des Sensors liegt, um dadurch periodisch ein von der Sensoreinrichtung erzeugtes Bezugssignal auszulösen.

Eine Stelleinrichtung steht in Arbeitsverbindung mit der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung und spricht auf das Bezugssignal an, um das Kraftstoffluftverhältnis auf einen zweiten Wert einzustellen, der um einen gewählten Betrag vom ersten Wert abweicht und zu einer Höhe des Anteils des Bestandteils im Abgas führen kann, jedoch nicht muß, der außerhalb des Ansprechbereiches liegt, wobei das "Kraftstoffluftverhältnis periodisch auf den zweiten Wert eingestellt wird. Die Stelleinrichtung kann so

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ausgebildet sein, daß sie das Kraftstoffluftverhältnis entweder auf der reichen oder der armen Seite vom stöchiometrischen Verhältnis einstellt.

Gemäß der Erfindung kann die Sensoreinrichtung eine Sauerstoff sensoreinrichtüng, beispielsweise ein Zirkonerde-Sensor sein, der auf einen Bereich des Sauerstoffanteils im Abgas anspricht, der einem Betrieb um das stöchiometrische Kraftstoffluftverhältnis herum entspricht, wobei die Stelleinrichtung einstellbar sein kann, um die Wahl des Betrages der Abweichung vom ersten gewählten Wert zu ermöglichen, mit der die Kraftstoff und Luft bemessende Einrichtung durch die Stelleinrichtung beaufschlag wird.

Gemäß der Erfindung kann weiterhin die Kraftstoffbremsvorrichtung einen katalytischen Brenner oder eine Brennkraftmaschine umfassen, wobei im^;'zuletzt genannten Fall ein Katalysator zum Reinigen des Abgases in der Abgasleitung stromabwärts von der Sensoreinrichtung angeordnet sein kann

Weiterhin wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses für eine Kraftstoffbrennvorrichtung unter Verwendung der wahrgenommenen Höhe des Anteils eines Bestandteils im Abgas geschaffen,das es erlaubt das Verhältnis auf Werten zu halten, die zu Anteilen des Bestandteiles im Abgas außerhalb des Ansprechbereiches der zur Wahrnehmung des Anteils des Bestandteiles verwandten Sensoreinrichtung führen, wobei die Verbrennungseinrichtung eine einstellbare Kraftstoff und Luft propor- tionierende Einrichtung, eine Verbrennungskammer und eine Abgasleitung aufweist, die in Reihe und in Strömungsverbindung miteinander verbunden sind, und ein wahlweise proportioniertes Kraftstoffluftgemisch von der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung in die Verbrennungskammer zur Verbrennung darin eingeführt werden kann, während die Abgase von der Verbrennungskammer über die Abgas-

leitung abgezogen werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte. Das Kraftstoffluftverhältnis wird periodisch auf einen ersten Wert eingestellt, der so gewählt ist, daß sich eine Höhe des Anteils des Bestandteils im Abgas ergibt, die im Ansprechbereich des Sensors liegt, um dadurch periodisch ein vom Sensor erzeugtes Ansprechbereichbezugssignal auszulösen. Das Kraftstoffluftverhältnis wird auf das Bezugssignal ansprechend in eine Richtung entgegen der, die zum Erzielen des ersten Wertes verwandt wurde, und um einen Betrag zur Erzielung eines zweiten Wertes des Kraftstoffluftverhältnisses verstellt, der vom ersten Wert um einen gewählten Betrag abweicht und der zu einer Höhe des Anteils des Bestandteiles im Abgas führt, die außerhalb des Sensoransprechbereiches liegt. Das hat zur Folge, daß das Kraftstoffluftverhältnis periodisch auf das periodische Auslösen des Bezugssignals ansprechend auf den zweiten Wert eingestellt wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Kraft stoffluftverhältnis in die arme Richtung zum Erreichen des ersten Wertes und in die reiche Richtung zum Erreichen des zweiten Wertes verstellt, während bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung das Kraftstoffluftverhältnis in die reiche Richtung zum Erreichen des ersten Wertes und in die arme Richtung zum Erreichen des zweiten Wertes verstellt wird.

. Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrie ben:

Figur 1 zeigt eine graphische Darstellung, bei der auf der vertikalen Achse das Ausgangssignal des im Abgas von einer Verbrennungskammer angeordneten

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Sauerstoffsensors in Millivolt gegenüber dem später definierten spezifischen Kraftstoffluftverhältnis des verbrennbaren Gemisches aufgetragen ist, das der Kammer zugeführt wird.

Figur 2 zeigt eine graphische Darstellung, in der auf der

vertikalen Achse das spezifische Kraftstoffluftverhältnis des verbrennbaren Gemisches, das einer Verbrennungskammer zugeführt wird/ gegenüber der Zeit aufgetragen 1st, um die Arbeitsweise einer -Q bekannten Regelvorrichtung darzustellen.

Figur 3 zeigt das schematische elektrische und mechanische Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Brennkraftmaschine, die mit einer Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses ausgerüstet ist und einen Kata

lysator zum Behandeln des Abgases von der Maschine verwendet.

Figur 4 zeigt das schematische elektrische und mechanische Blockschaltbild des elektrischen Schaltungsteils des in Figur 3 dargestellten Ausführungs

beispiels mehr im einzelnen.

Figur 5 zeigt das schematische elektrische Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der elektronischen Schaltung, die gemäß der Erfindung verwendbar ist.

Figur 6 zeigt eine graphische Darstellung, in der auf der vertikalen Achse das spezifische Kraftstoffluftverhältnis eines verbrennbaren Gemisches, das einer Verbrennungskammer zugeführt wird, gegenüber der Zeit aufgetragen ist, um die Arbeits

weise eines Ausführungsbeispielsweise der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung darzustellen.

Wie es bereits angegeben wurde, besteht ein Ziel der Erfindung darin, die Regelung des Kraftstoffluftverhältnisses

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auf eine gewählte Einstellung außerhalb des Bereiches des Ansprechvermögens eines bekannten Sauerstoffsensors oder Sensors für einen anderen Gasbestandteil zu ermöglichen. Der Ansprechbereich¹, eines derartigen Sensors ist durch die graphische Darstellung von Figur 1 gezeigt, in der auf der vertikalen Achse das Ausgangssignal in Millivolt aufgetragen ist, das von einem herkömmlichen Zirkonerde-Sauerstoffsensor erzeugt wird, der sich im unbehandelten Abgas von einer Brennkraftmaschine befindet.

Auf der horizontalen Achse ist das Verhältnis des tatsächlichen Kraftstoffluftverhältnisses zum stöchiometrischen Kraftstoffluftverhältnis aufgetragen, das im folgenden als spezifisches Kraftstoffluftverhältnis L bezeichnet wird. Die Bezugnahme auf das spezifische Verhältnis ist gebräuchlich, da diese Bezugnahme zweckmäßig ist, um Verwirrungen oder Verwechslungen bei der Durchführung der Vergleiche zwischen verschiedenen Arbeitsweisen zu vermeiden. Ein Kraftstoffluftverhältnis von 14,65 (Gewicht der Luft zum Gewicht des Kraftstoffes) ist das stöchiometrische Verhältnis, das der Verbrennung eines Kohlenwasserstoffkraftstoffes der mittleren Formel CH_{1 Qö} entspricht. Kraft-

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stoffe mit verschiedenen Kohlenstoff-Wasserstoffverhältnissen benötigen verschiedene Kraftstoffluftverhaltnisse, um ein stöchiometrisches Gemisch zu erzeugen. Mit L wird daher die Beziehung eines bestimmten oder tatsächlichen Kraftstoffluftverhältnisses zum stöchiometrischen Verhältnis wiedergegeben. Das tatsächliche Kraftstoffluftverhältnis wird durch das stöchiometrische Kraftstoffluftverhältnis geteilt, so daß L =1 das stöchiometrische Gemisch, L <^ 1 ein an Kraftstoff armes Gemisch und L ^> 1 ein an Kraftstoff reiches Gemisch bezeichnet. Bei einem tatsächlichen Kraftstoffluftverhältnis von 14,5 für einen Kohlenwasserstoff kraftstoff mit CH_{1 88} ist L=14,5:14,65= 0,9898 ein an Kraftstoff reiches Gemisch.

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In Figur 1 ist auf der vertikalen Achse bei L = 1,0 der stöchiometrische Betrieb einer Brennkraftmaschine wiedergegeben, wobei die graphische Darstellung zeigt, daß unter diesen Umständen das Ausgangssignal des Zirkonerde-Sensors im Abgasstrom einen Signalpegel von etwa 400 Millivolt hat. Wie es durch die graphische Darstellung von Figur 1 gezeigt ist, hat die Kurve des Ausgangssignals vom Sensor einen steilen Abfall in einem relativ engen Bereich auf beiden Seiten des stöchiometrischen Kraftstoffluftverhältnisses, der von etwa 900 Millivolt bei L = 0,985 auf etwas weniger als 100 Millivolt bei L = 1,015 geht. Die Form der Kurve variiert etwas mit Änderungen im Maschinenbetrieb. Grundsätzlich kann die Kurve jedoch eine sehr kleine Neigung außerhalb des Bereiches L = 0,985 bis 1,015 haben, so daß es sich von dieser Kurve ohne weiteres ergibt, daß es schwierig oder unmöglich ist, eine zuverlässige Anzeige für Werte von L außerhalb des obigen Bereiches zu erhalten.

Herkömmliche Regelvorrichtungen mit geschlossenem Wirkungskreis sind hauptsächlich für die katalytische Abgasreinigung unter Verwendung eines Dreiwegeumwandlungskatalysators bestimmt, der,wie oben erwähnt, einen Betrieb beim stöchiometrischen Wert für die Wirkungsvollste Reinigung des Abgases benötigt. Das wird dadurch erreicht, daß das Kraftstoff luftverhältnis so beeinflußt wird, daß es schnell um den stöchiometrischen Wert schwingt. Ein derartiger Arbeits Vorgang macht einen genauen und empfindlichen Vergaser oder eine genaue und empfindliche Kraftstoffeinspritzanlage mit einer logischen Steuerschaltung speziell für die Charakteristiken der gegebenen Maschine erforderlich, bei der die Regelvorrichtung angewandt wird. Eine derartige Regelvorrichtung ist daher mit relativ hohen Kosten verbunden. Eine derartige bekannte Arbeitsweise ist schematisch in Figur 2 dargestellt, in der das spezifische Verhältnis L

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auf der vertikalen Achse gegenüber der Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Der Wert L= 1,0 auf der horizontalen Achse gibt den stöchiometrischen Betrieb wieder, während der Betrieb oberhalb des Wertes L = 1,0 der arme Bereich und der Betrieb unterhalb L = 1,0 der reiche Bereich ist. Der Bereich des Ansprechvermögens des Sensors ist durch gestrichelte horizontale Linien jeweils bei L = 0,985 und L = 1/015 angegeben. Die bekannte Regelvorrichtung ist darauf eingestellt, ein Signal zu erzeugen, wenn das Kraftstoffluftverhältnis den stöchiometrischen Wert bei L = 1,0 kreuzt. Da der Ansprechbereich so schmal ist, ist es nicht möglich, Verhältnisse in dem sehr schmalen Band zwischen L = 0,985 und 1,015 beizubehalten» Es wird daher versucht, schwingende reiche und arme Verhältnisse längs der Arbeitslinie 0 beizubehalten. Der Dreiwege umwandlungskatalysator kann begrenzte Abwanderungen in den reichen und armen Bereich tolerieren, die sich auf einen annähernd stöchiometrischen Betrieb herausmitteln. Es ist daher wünschenswert, daß die Arbeit im armen Bereich außerhalb eines sehr schmalen Bandes um den stöchiometrischen Wert beispielsweise in dem von a,b,c,a in Figur 2 begrenzten Flächenbereich durch eine sich anschließende Arbeit im reichen Bereich in einem Flächenbereich,der von d,e,f,d begrenzt wird, kompensiert wird. Da der Sensoransprechbereich begrenzt ist, sind die vom Sensor wahrgenommenen Verhältnisse durch die gestrichelte Sensorlinie S wiedergegeben. Dieses Regelsystem arbeitet in der folgenden Weise. Es sei angenommen, daß der Vergaser oder eine andere Kraftstoff und Luft proportionierende Einrichtung sich in ■ die arme Richtung längs der Arbeitslinie 0 bewegt und zum Zeitpunkt t₀ den Wert L = 1,0 kreuzt. An den Punkten P₁, Ρ- und P-. nimmt der Sensor eine Änderung zwischen einem reichen und einem armen Gemisch wahr. Ausgehend vom Zeitpunkt t₁ wird das System eine Änderung des Vergasers oder der anderen Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrich-

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tung weg von der armen Richtung zur reichen Richtung für ein gewähltes Zeitintervall t, mit einer gewählten Bewegungsgeschwindigkeit oder mit gewählten Bewegungsgeschwindigkeiten auslösen. Zum Zeitpunkt t_ wird die Richtung des Vergasers oder der anderen Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung umgekehrt, um sich in die reiche Richtung für ein Zeitintervall t mit einer gewählten Be-Wegungsgeschwindigkeit oder gewählten Bewegungsgeschwindigkeiten zu bewegen. Am Ende des ZeitIntervalls t , d.h.

zum Zeitpunkt t.,, wird der Vergaser oder die andere Einrichtung zu armen Verhältnissen zurückgeführt, um den Arbeitszyklus zu wiederholen.

Diese Art des Regelzyklus ist in der SAE (Society of Automotive Engineers) Veröffentlichung "Development of the Volvo Lambda-Sond System" von Grüne T. Engh und Stephen Wallman unter der Veröffentlichungs-Nr. 770295 herausgegeben von International Automotive Engineering Congress and Exposition, Cobo Hall, Detroit, 28. Februar bis 4. März 1977, insbesondere Figur 23 dieser Veröffentlichung beschrieben. Bei dieser Art der Regelung kann das Ausmaß der jeweiligen Abwanderungen in den reichen und den armen Bereich durch den Sensor nicht bestimmt werden und können Verhältnisse auftreten, unter denen eine Abwanderung beispielsweise längs des Weges a'b'c' in den reichen Bereich oder längs des Weges d'e'f in den armen Bereich auftreten. Eine Abweichung in den reichen Bereich kann natürlich nicht notwendigerweise durch eine entsprechende Abweichung in den armen Bereich kompensiert werden und extreme Abwanderungen können sehr wohl die Toleranz des Dreiwegeumwandlungskatalysators überschreiten. Das hat zur Folge, daß die schädlichen Bestandteile im Abgas nicht wirksam behandelt werden. Schnei!schwingende Regelsysteme sind nichtsdestoweniger für Dreiwegeumwandlungskatalysatoren bei Maschinen brauchbar, die einen flüssigen Kohlen-

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wasserstoffkraftstoff,beispielsweise Benzin, verbrennen. Die Erfindung ermöglicht jedoch nicht nur eine bessere Regelung und eine bessere Arbeit bei einem gewählten Kraftstoffluftverhältnis, das erheblich reicher oder armer als das stöchiometrische Verhältnis sein kann, sondern ist auch ohne weiteres bei einer Vorrichtung mit gasförmigem Kraftstoff anwendbar, die nicht die kurze Kraftstoff Strömungsansprechzeit hat, die eine Vorrichtung mit flüssigem Kraftstoff liefert. Wenn die in Figur 2 dargestellte bekannte Regelung bei gasförmigem Kraftstoff verwandt würde, wären größere Abwanderungen längs der Linien a'b'c¹ und d'e'f' der Arbeitslinie 0' die Folge, was von einer wirksamen katalytischen Behandlung wegführt. Im Gegensatz zu den schwingenden Regelungen erlaubt die vorliegende Erfindung gleichfalls wesentliche Zeitspannen des Betriebes mit offenem Wirkungskreis, über die die Regelvorrichtung nicht aktiv das Kraftstoffluftverhältnis einstellt.

In Figur 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine Brennkraftmaschine 2, die eine mit Erdgas als Kraftstoff arbeitende Brennkraftmaschine vom Typ eines Otto-Motors sein kann, mit Luft und Erd-' gas als Kraftstoff über jeweilige Leitungen 4 und 6 versorgt wird. Ein Kraftstoffsteuerventil 8 befindet sich in der Leitung 6. Die Leitungen 4 und 6 bilden einen Teil eines Vergasers 10, der eine Kraftstoff und Luft proportionierende Einrichtung 12 umfaßt, die ein verbrennbares Kraftstoffluftgemisch mit einem gewählten Kraftstoffluftverhältnis über eine Leitung 14 der Maschine 2 zuführt. Die Maschine weist eine Abgasleitung 16, 16a, 16b auf, durch die die Verbrennungsabgase gehen. Ein Sensor 18 von einem Typ mit einem begrenzten Ansprechbereich, wie er in der graphischen Darstellung von Figur 1 gezeigt ist, ist in der Abgasleitung zwischen den Leitungsteilen 16 und 16a angeordnet.

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Ein Katalysator 19 befindet sich in der Abgasleitung, um die Gase zu reinigen, bevor sie über den Leitungsteil 16b ausgegeben werden. Es kann irgendein geeigneter Katalysator verwandt werden.

Das Ausgangssignal des Sensors 18 liegt über eine elektrische Verbindung 20 an einer Steuereinheit 22, die eine Rücksetzeinrichtung 22a und eine Stelleinrichtung 22b umfaßt. Das elektrische Ausgangssignal von der Rücksetzein- richtung 22a wird über eine elektrische Verbindung 24a,26 übertragen, um das Kraftstoffsteuerventil 8 zu betätigen. Das elektrische Ausgangssignal von der Stelleinrichtung 22b wird gleichfalls über eine elektrische Verbindung 24b, 26 übertragen, um das Kraftstoffsteuerventil 8 zu betätigen.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dient das Kraftstoffsteuerventil 8 als Stelleinrichtung der das Kraftstoffluftverhältnis bemessenden Einrichtung über eine Einstellung des Anteils des Kraftstoffes relativ zur Luft, der dem Vergaser 10 zugeführt wird. Es kann ersichtlich irgendeine das Kraftstoffluftverhältnis proportionierende Einrichtung, beispielsweise ein Vergaser oder eine Kraftstoffeinspritzanlage verwandt werden, und es kann eine geeignete Antriebseinrichtung angeschlossen sein, um die Stellschrauben am Vergaser oder die Steuereinrichtungen einer Kraftstoffeinspritzanlage zu betätigen und dadurch das Kraftstoffluftverhältnis gemäß der Erfindung einzustellen. Bevor im folgenden die Arbeitsweise des in Figur gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben wird, werden einige zusätzliche Einzelheiten einer Form des Aufbaues gemäß der Erfindung anhand des schematischen Schaltbildes von Figur 4 dargestellt. Wie es in Figur 4 gezeigt ist, wird eine Brennkraftmaschine 2¹ mit einem verbrennbaren Kraftstoffluftgemisch über eine Leitung 14' versorgt und werden die Abgase über Abgasleitungen 16',16" und 16a¹ ausgegeben,

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durch einen Katalysator 19' geführt und schließlich über einen Leitungsteil 16b¹ abgegeben. Ein Sauerstoffsensor 18 befindet sich mit seinem Sondenende in der Abgasleitung 16' und erzeugt auf die Höhe des Sauerstoffanteils, der im Abgas wahrgenommen wird, ein Ausgangssignal Ξ , das über eine geeignete elektrische Verbindung 21 auf einen Komparator 28 übertragen wird. Ein Bezugssignal E wird gleichfalls über eine geeignete elektrische Verbindung 25 von einer Bezugssignalquelle 30 dem Komparator 28 zugeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Bezugssignalquelle 30 so eingestellt sein, daß das Bezugssignal E_r einen Wert von 400 Millivolt hat, was dem stöchiometrischen Betrieb für den in Figur 1 dargestellten Fall entspricht. Der Komparator 28 ist über eine elektrisehe Verbindung 32 mit einem Zeitglied B verbunden, das seinerseits über eine elektrische Verbindung 34 mit einem in die Richtung eines armen Gemisches steuernden Motor 36 verbunden ist, der über eine Verbindungseinrichtung 38 mit der das Kraftstoffluftverhältnis bemessenden Einrichtung in Arbeitsverbindung steht. Eine Rücksetzverbindung 44 verbindet den Ausgang des Zeitgliedes B mit einem Zeitglied A, das seinerseits über eine elektrische Verbindung 46 mit einem in die Richtung eines armen Gemisches steuernden Motor 48 verbunden ist. Der Motor 48 steht über eine Verbindungseinrichtung 50 in Arbeitsverbindung mit der das Kraftstoffluftverhältnis bemessenden Einrichtung 42.

Es sei angenommen, daß während des Betriebes die Brennkraftmaschine 2¹ mit einem reichen Kraftstoffluftgemisch läuft.

Das wären die normalen gewünschten Verhältnisse bei einer mit Erdgas als Kraftstoff arbeitenden Brennkraftmaschine. Das Zeitglied A läuft und ist auf ein vorbestimmtes Zeitintervall von beispielsweise 5 Minuten eingestellt. Wenn das 5 Minuten-Intervall erreicht ist, gibt das Zeitglied A ein Signal über die elektrische Verbindung 46 aus, das den Mo-

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tor 48 betreibt, so daß die das Kraftstoffluftverhältnis steuernde Einrichtung 42 in die Stellung eines armen Kraftstoffluftgemisches bewegt wird. Das ändert die Abgasverhältnisse, so daß der Sauerstoffsensor 18' sein Ausgangssignal E erzeugt, wenn die Beschaffenheit des Abgases sich so ändert, daß die Höhe des Anteils des Sauerstoffs in den Ansprechbereich des Sensors 18* fällt. Wenn das übertragene Ausgangssignal E kleiner als das Bezugssignal E mit einem Pegel von 400 Millivolt wird, was dann der Fall ist, wenn der Wert L die Linie 1,0 in die Richtung eines armen Gemisches kreuzt, wie es in Figur 1 dargestellt ist, erzeug der Komparator 28 ein Signal E-, das über die elektrische Verbindung 3 2 übertragen wird und ein Ausgangssignal E„ auslöst, das den Motor 36 betreibt, um die das Kraftstoffluftverhältnis proportionierende Einrichtung 42 inudie Richtung eines reichen Gemisches für ein vorgewähltes Zeitintervall von beispielsweise 1 Sekunde zu steuern. Statt eines zeitlich gesteuerten Antriebs kann auch eine Einrichtung verwandt werden, die die Stelleinrichtung einer derartigen Proportionierungseinrichtung, beispielsweise die Stellschraube eines Vergasers, über eine gewählte Strecke bewegt, was durch einen Orts- oder Versetzungssensor wahrgenommen wird. Das Signal E„ wird gleichfalls über die Verbindung 44 auf das Zeitglied A übertragen, um das Zeit-.glied A auf 0 zurückzusetzen und das 5-Minuten-Intervall des Zeitgliedes A wieder in Gang zu setzen. Wenn das durch das Zeitglied A bemessene Intervall von 5 Minuten abgelaufen ist, beginnt die Arbeitsabfolge erneut. Es ist somit ersichtlich, daß über eine periodische,im vorliegenden Fall alle 5 Minuten erfolgende Einstellung der Steuervorrichtung 42 für das Kraftstoffluftverhältnis zur Änderung des Kraftstoffluftverhältnisses in Richtung auf den stöchiometrischen Wert, d.h. in diesem Fall in Richtung auf ein armes Gemisch ein Signal erzeugt wird, wenn ein gewählter Punkt, d.h. im vorliegenden Fall der stöchiometrische Wert erreicht ist, was bewirkt, daß die das Kraftstoffluft-

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verhältnis bemessende Einrichtung um einen gewählten Betrag von dem gewählten Punkt weg im vorliegenden Fall in Richtung auf reiche Gemischverhältnisse betätigt wird. Der kurzzeitig und periodisch herbeigeführte stöchiometrische Zustand dient somit als Bezugspunkt, von dem aus über ein geeignetes Steuerintervall des Motors 36 für die Steuerung in Richtung eines reichen Gemisches eine vorgewählte Einstellung auf irgendeinen gewünschten Bereich im Arbeitsbereich des reichen Gemisches erfolgen kann. Das Bezugssignal E kann ersichtlich zweckmäßigerweise auf irgendeinen Wert zwischen etwa 100 und etwa 900 Millivolt eingestellt sein, um ein Bezugssignal irgendwo im Ansprechbereich des Sensors 18' zu bilden. In dieser Weise kann der Sensor 18' dazu benutzt werden, das auf irgendeinen Wert, d.h. auf einen reichen oder armen Wert eingestellte Kraftstoff luftverhältnis zu regeln, obwohl dieser Wert außerhalb des Ansprechbereiches des Sensors 18' liegt.

Aus Figur 3 ist erkennbar, daß das Ausgangssignal E vom Sensor 18 über die Leitung 20 auf die Stelleinrichtung 22b übertragen wird und dann, wenn dieses Signal das vorgewählte Bezugssignal überschreitet, die Stelleinrichtung 22b (die dem Motor 36 und seinen zugehörigen Inbetriebnahmeeinrichtungen entspricht) das Steuerventil 8 durch eine öffnung dieses Ventils in einem bestimmten Ausmaß so einstellen wird, daß das Kraftstoffluftverhältnis auf die gewünschten vorgewählten reichen Gemischverhältnisse verschoben wird. Die Rücksetzeinrichtung 22a, die dem Motor 48 und seinem zugehörigen Zeitglied 8 entspricht, wird periodisch in einem gewählten Zeitintervall das Kraftstoffventil 8 in die Schließrichtung bewegen, um das Kraftstoffluftverhältnis in Richtung eines armen Gemisches zu verschieben. Die Bezugssignalquelle 30 (Figur 3) kann in geeigneter Weise so eingestellt werden, daß der Komparator 28 eine Steuerabfolge in Richtung auf reiche Gemischverhältnisse von einem gewählten Bezugspunkt aus in Gang setzt, damit die

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Stelleinrichtung 22b das Kraftstoffsteuerventil 8 in einem vorgewählten Maß in Öffnungsrichtung betätigt und dadurch das gewünschte Kraftstoffluftverhältnis wieder hergestellt wird.
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Der Steuereinheitsteil (siehe Figur 3) der Vorrichtung, der im wesentlichen mit dem grob in Figur 4 dargestellten Steuerteil übereinstimmt, ist im einzelnen in Figur 5 dargestellt. Das Signal, das vom Sauerstoffsensor 50 erzeugt wird und über einen Pufferverstärker 52 geht, ist das Ausgangssignal E , das einen Wert hat, der eine Funktion der Sauerstoffmenge im Abgas ist, mit dem der Sensor 50 in Berührung kommt. Die Höhe des Signals E ist umgekehrt proportional zum Sauerstoffgehalt des Abgases, wobei das Signal E als eines von zwei Eingangssignalen an einer Komparatorschaltung 54 liegt. Eine Bezugssignalschaltung 56 legt ein Bezugssignal von beispielsweise 400 Millivolt als zweites Eingangssignal an die Komparatorschaltung 54. Ersichtlich kann irgendein gewünschtes Bezugssignal gewählt werden. Wenn die Grenzen des herkömmlichen Sauerstoffsensors in der oben beschriebenen Weise gegeben sind, würde ein Bezugssignal zwischen etwa 100 und 900 Millivolt gewählt werden. Ein sich davon unterscheidender Sensor, beispielsweise ein Kohlendioxidsensor, der einen anderen An-Sprechbereich haben kann, würde die Wahl eines geeigneten Bezugssignals in seinem Ansprechbereich erforderlich machen.

Wenn das Ausgangssignal E unter die Höhe von beispielsweise 400 Millivolt des von der Bezugssignalschaltung 56 gelieferten Signals fällt, was dann der Fall ist, wenn die Maschine mit einem armen Gemisch läuft, oder wenn der Sauerstoff sensor 50 ausfällt, liefert der Komparator 54 einen übergang des Ausgangssignals E₁ von plus 12 auf 0 Volt. Das Signal E liegt am Zeitglied 58, nämlich einem auf 0,1 Sekunde bis 10 Sekunden einstellbaren Zeitglied und am NAND-Glied 60, um einen Zeitzyklus des Zeitgliedes 58

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in Gang zu setzen. Das Ausgangssignal E- des Zeitgliedes 58, das ein Signal mit einem Pegel von plus 12 Volt ist, liegt am Relais 6 2 zum Steuern in Richtung auf ein reiches Gemisch und über einen monostabilen Multivibrator aus NAND-Gliedern 66 und 68 am Zeitglied 64, sowie über einen Inverter 70 am Zeitglied 64. Das Ausgangssignal E-, das am Relais 62 liegt, betreibt die in Figur 4 nicht dargestellte, jedoch dem Bauelement 42 in Figur 3 entsprechende Einrichtung zum Proportionieren des Kraftstoffluftverhältnisses in Richtung auf ein reiches Gemischverhältnis, bis das Ausgangssignal E₁ einen Pegel von 12 Volt hat und das Zeitglied 58 abläuft.

Wenn das Zeitglied 58 abläuft, und das Ausgangssignal E des Sensors 50 einen Pegel hat, der über 400 Millivolt liegt, was anzeigt, daß die Maschine mit einem reichen Kraftstoffluftgemisch läuft, geht das Signal E₂ von 12 Volt auf 0 Volt. Dieser Übergang des Signals E₂ setzt über die NAND-Glieder 66 und 68, die als monostabiüer Multivibrator geschaltet sind, und den Inverter 70 das Zeitglied 64 in Gang. Wenn das Signal E„ den Wert 0 Volt erreicht, dient es auch dazu, das Relais 62 zum Steuern in Richtung eines reicheren Gemisches zu entregen. Das Zeitglied 64 ist auf eine Zeitverzögerung von 1 bis 10 Minuten einstellbar, wobei dann, wenn das Zeitglied 64 läuft und das Ausgangssignal E des Sauerstoffsensors 50 anzeigt, daß die Maschine unter reichen Gemischverhältnissen arbeitet, die das Kraftstoffluftverhältnis bemessende Einrichtung durch die Vorrichtung nicht nachgestellt wird, d.h. nicht arbeitet.

Nach einem festgelegten Zeitintervall läuft das Zeitglied 64 ab und kommt das Signal E- von plus 12 Volt auf 0 Volt. Das Signal E₃ geht durch die NAND-Glieder 60,72 und die Inverter 74,76, erregt das Relais 78 zum Steuern in Richtung auf ein armes Gemisch und bereitet das Zeitglied 58 vor, mit dem Zeitablauf zu beginnen. Wenn der Sensor 50

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arme Gemischverhältnisse aus der Höhe des Sauerstoffanteils im Abgas wahrnimmt, kommt sein Ausgangssignal E von plus 12 Volt auf 0 Volt und wird der oben beschriebene Arbeitszyklus wiederholt.
5

Bei dem speziellen in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stiftzahlangaben des Pufferverstärkers 52 und des Komparators 54 diejenigen des Quad operational amplifier LM-324N von National. Die Inverter 70,74 und 76 sind Hex Buffer CD-4049AE von RCA, die NAND-Glieder 66,68 60 und 72 sind Quad Nand Gate's CD-4011AE von RCA und die Zeitglieder 64 und 68 sind Timer CA-888G von RCA.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich anhand von Figur 6, in der auf der vertikalen Achse das spezifische Verhältnis L gegenüber der Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen ist, wie es bei der graphischen Darstellung von Figur 2 der Fall ist. Die horizontale Achse liegt somit bei L = 1,0, wobei ein Betrieb oberhalb dieser Achsenlinie im armen Bereich und ein Betrieb unterhalb dieser Linie im reichen Bereich liegt. Der Ansprechbereich des Sensors ist durch gestrichelte Linien bei L = 0,985 und 1,015 jeweils angegeben. Es sei angenommen, daß die Maschine mit reichen Gemischverhältnissen außerhalb des Ansprechbereiches des Sensors arbeiten soll, wobei die vorgewählten reichen Gemischverhältnisse durch die horizontale gestrichelte Linie R-R angegeben sind. Ausgehend von der vertikalen Achse ist ersichtlich, daß die Maschine mit dem gewünschten Kraftstoffluftverhältnis arbeitet. Zum Zeitounkt t hat das Zeitglied A das Ende

seines Zeitzyklus erreicht, so daß die Steuereinrichtung für das Kraftstoffluftverhältnis in Richtung auf arme Gemischverhältnisse betätigt wird. Zum Zeitpunkt t_fa sind stöchiometrische Verhältnisse erreicht, was dazu führt, daß das Zeitglied B betätigt wird, um seinen Steuermotor

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in Betrieb zu setzen und die Steuereinrichtung für das
Kraftstoffluftverhältnis für ein gegebenes Zeitintervall
zu betreiben, das für die jeweils spezielle befaßte Maschine bemessen ist, so daß zum Zeitpunkt t das gewünschte reiche Kraftstoffluftverhältnis längs der Achse R-R

erreicht wird. Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t kann sich in der durch die graphische Darstellung von Figur 6 angegebenen Weise die Stöchiometrie des Kraftstoffluftverhältnisses aus einem oder mehreren verschiedenen Gründen, beispielsweise aufgrund einer Änderung in der Last, einer Änderung in der Kraftstoffzusammensetzung oder anderen unerwarteten oder sich ändernden Verhältnissen, wie beispielsweise einer Änderung im Druck oder der Außentemperatur,
oder einer Änderung im Auspuffdruck ändern. Das bewirkt,

eine Drift tiefer in den reichen Bereich, da sich das tatsächliche Kraftstoffluftverhältnis und/oder das stöchiometrische Verhältnis ändert. Die erfindungsgemäße Ausbildung erlaubt es, den Änderungen im stöchiometrischen Verhältnis nachzulaufen. Zum Zeitpunkt t. hat jedoch das Zeitglied A seinen Zeitablauf beendet, so daß der Motor 48 zum Steuern in Richtung auf ein armes Gemisch betätigt wird, um dadurch die Steuereinrichtung 42 in Richtung auf arme Gemischverhältnisse nachzustellen, was so lange fortgesetzt wird, bis stöchiometrische Verhältnisse durch den Sensor wahrgenommen werden, wodurch wiederum die oben beschriebene Abfolge ausgelöst wird, um die das Kraftstoffluftverhältnis bemessende Einrichtung um einen vorgewählten Betrag zu reichen Gemischverhältnissen längs der Achse R-R zurückzuführen.
Das nächste Zeitintervall t.. zeigt stabile Arbeitsverhältnisse der Maschine nahe am gewählten Kraftstoffluftverhältnis. Nach dem nächsten Einstellungszyklus, der zum Zeitpunkt t, endet, beginnt die Maschine jedoch aufgrund unvorhergesehener oder variabler Verhältnisse damit, sich in die Richtung eines armen Gemisches zu bewegen, so daß zum Zeitpunkt t stöchiometrische Verhältnisse erreicht werden.

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Diese selbsterreichten stöchiometrischen Verhältnisse lösen das Signal E. in derselben Weise aus, als wären die stöqhiometrischen Verhältnisse durch die Arbeit der das Kraftstoffluftverhältnis steuernden Einrichtung in Richtung auf arme Gemischverhältnisse auferlegt worden, und setzt die Abfolge der Zurückbewegung des Ventils in Richtung auf die reichen Gemischverhältnisse um einen vorgewählten Betrag in Gang, bis ein Betrieb längs der Kraftstoff luftverhältnisachse R-R erreicht ist. Figur 6 zeigt, daß der Arbeitsablauf nach dem Zeitpunkt t wieder auf den normalen Betrieb zurückkehrt. Es versteht sich, daß das normale Zeitintervall t., zwischen den Arbeitsvorgängen an den Bezugspunkten im Zeitintervall t^ verkürzt ist, da die Maschine die armen Geinischverhältnisse erreicht, bevor diese durch das Zeitglied A und den zugehörigen Motor 48 auferlegt worden sind. Zum Zeitpunkt t. setzt die Arbeitsabfolge auch das Zeitglied A zurück, so daß die nächste folgende Arbeitsabfolge in dem normalen vorgewählten Zeitintervall t₁ auftritt. 20

Im wirklichen Betrieb kann das Zeitintervall t.. zweckmäßigerweise auf etwa 1 bis 10 Minuten, vorzugsweise etwa 3 bis 5 Minuten, gewählt sein und kann die Zeit der Hälfte des Zeitintervalls t₃, während der die Steuereinrichtung für das Kraftstoffluftverhältnis in den reichen Bereich gesteuert wird, zweckmäßigerweise zwischen etwa 0,1 bis etwa 5 Sekunden gewählt sein. Die addierte Zeit, während der das Kraftstoffluftverhältnis auf den zweiten, durch die Stelleinrichtung auferlegten Wert gesetzt ist, ist somit etwa wenigstens zwölfmal größer als die addierte Zeit, für die das Kraftstoffluftverhältnis auf den ersten durch die Rücksetzeinrichtung auferlegten Wert gesetzt ist. Ersichtlich können beliebige Zeitintervalle gewählt werden, die sich für die spezielle betroffene Einrichtung eignen. Durch die öffnung eines gegebenen Ventils oder einer gege-^ benen Stellschraube oder einer anderen Einrichtung mit ei-

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ner gegebenen Laufgeschwindigkeit für ein gegebenes Zeitintervall kann in jedem Fall ohne Schwierigkeiten das öff-. nungszeitintervall (oder Schließzeitintervall) bestimmt werden, das notwendig ist, um ein gewünschtes Kraftstoffluftverhältnis zu wählen. Es können auch Versetzungs- oder Stellungssensoren dazu verwandt werden, das Ausmaß der Bewegung zu steuern. Die jeweiligen Zeitintervalle t₁ und t₃ sind nicht notwendigerweise in Figur 6 maßstabsgerecht aufgetragen, tatsächlich sind die Zeitintervalle t- gewöhnlich relativ viel größer als die Zeitintervalle t₃, die in Figur 6 dargestellt sind. Wenn somit die am meisten effektive Arbeitsweise für eine gegebene Maschine oder eine andere Vorrichtung die Arbeitsweise längs der Achse R-R ist, so ist ersichtlich, daß die additive Zeit der Abwanderungen von der Achse R-R zum Aufsuchen des stöchiometrischen Bezugspunktes und zur Rückkehr von diesem Punkt relativ zur additiven Zeit des Betriebes längs der gewünschten Achse R-R sehr klein ist. Praktische Erfahrungen mit Maschinen, die mit Erdgas betrieben werden, haben gezeigt, daß die periodische Einstellung eines stöchiometrischen oder armen Gemischbezugspunktes den Gesamtbetrieb der Maschine nicht merklich beeinflußt. Die Anwendung der Erfindung zeigt sich weiterhin in der Praxis in einer Kraftstoffeinsparung. Der Grund dafür besteht darin, daß Maschinen, die mit Erdgas arbeiten, oftmals über eine sehr lange Zeitdauer in abgelegenen Gebieten, beispielsweise in Pipeline-Pumpstationen arbeiten und nicht fortlaufend gewartet werden. Wenn daher die Maschine ein bestimmtes reiches Kraftstoffluftverhältnis benötigt, um den Betrieb fortzusetzen, wird eine Maschine, die ohne den Vorteil der vorliegenden Erfindung arbeitet, durch die Bedienungsperson auf Verhältnisse eingestellt, die etwas reicher als das ideale Kraftstoffluftverhältnis sind. Das erfolgt, um einen Sicherheitsspielraum im Fall von Übergangsverhältnissen, Laständerungen und ähnlichem zu ermöglichen, die eine Drift der Maschine

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in Richtung auf arme Gemischverhältnisse hervorrufen. Die Maschine arbeitet somit normalerweise mit einem reicheren Gemisch als es notwendig ist, was von einem übermäßigen Kraftstoffverbrauch begleitet wird. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Maschine so eingestellt werden, daß sie für den extrem überwiegenden Teil der Zeit genau mit dem idealen Kraftstoffluftverhältnis arbeitet, wobei gemäß der Erfindung sichergestellt ist, daß dieses Verhältnis beibehalten wird.

Obwohl im vorhergehenden insbesondere auf eine Arbeitsweise bei einem reichen Kraftstoffluftverhältnis Bezug genommen wurde, gilt das ersichtlich in gleicher Weise auch auf eine Arbeit mit einem armen Kraftstoffluftverhältnis. Beispielsweise kann der Betrieb auf ein Kraftstoffluftverhält nis festgelegt sein, das in Figur 6 durch die horizontale Achse L-L angegeben ist. Das kann dadurch erreicht werden, daß einfach eine geeignete Abwandlung im Schaltbild von Figur 4 derart vorgenommen wird, daß die das Kraftstoffluftverhältnis steuernde Einrichtung 42 periodisch in die Richtung reicher Gemischverhältnisse von der Einstellung längs der Achse L-L in Richtung auf stöchiometrische Verhältnisse betrieben wird, um einen Bezugspunkt zu finden, woraufhin die Einrichtung 42 für ein gewähltes Steuerintervall auf eine arme Einstellung rückgesetzt werden kann. Ersichtlich kann eine Einrichtung wie beispielsweise ein einstellbares Zeitglied vorgesehen werden, um die Wahl der Dauer des Steuerintervalls zu ermöglichen.

Eine Regelung des Kraftstoffluftverhältnisses ist nicht nur zum Beibehalten des Leistungsvermögens der Maschine und eines gleichmäßigeren oder runden Laufes der Maschine sondern auch dazu wichtig, die Leistungsfähigkeit eines Katalysators zu erhöhen, der in der Abgasleitung dazu benutzt werden kann, daß Abgas zu reinigen. Derartige Katalysatoren, die in einer einzigen Stufe oder in mehreren Stu-

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fen verwandt werden können, dienen dazu, die Stickstoffoxide zu Stickstoff zu reduzieren und/oder nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu Wasser und Kohlendioxid zu oxidieren. Die Wahl eines bestimmten Kraft-Stoffluftverhältnisses erfolgt somit in bekannter Weise sowohl der Leistungsfähigkeit der Maschine als auch der Leistungsfähigkeit des Katalysators angepaßt. Oxidationskatalysatoren, wie sie in der US PS 3 565 830 dargestellt sind, Dreiwegekatalysatoren, wie sie in der US PS 4 157 beschrieben werden und nicht selektive NO Veritiinderungskatalysatoren, wie sie in der US PS 3 118 727 beschrieben sind, können einzeln oder in Kombination zur Behandlung der Abgase benutzt werden.

Um unter Verwendung eines nicht selektiven Stickstoffoxidreduktionsprozesses Stickstoffoxide NO im Abgas einer mit

Ji

Erdgas betriebenen Maschine zu reduzieren, muß das Vergasersystem der Maschine so eingestellt sein, daß die Maschine etwas auf der reichen Gemischseite vom stöchiometrischen Verhältnis läuft. Es muß ein gesteuerter Überschuß an Erdgaskraftstoff über dem stöchiometrischen Verhältnis im Kraftstoffluftgemxsch vorhanden sein, das der Maschine zugeführt wird, so daß das NO im Abgas katalytisch reduziert

Ji

werden kann.
25

Das von der Maschine austretende Abgas geht durch einen katalytischen Reaktor, in dem das NO vermutlich nach den folgenden Reaktionen reduziert wird:

(T) NO₂ + H₂ »NO + H₂O

(2) 2N0 + 2H₂ S-N₂ + 2H₂O

(3) NO₂ + CO NO ₊ CO₂

(4) 2N0 + 2CO =>N₂ + 2CO₂

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Das erfindungsgemäße Regelverfahren und die erfindungsgemäße Regelvorrichtung eignen sich insbesondere zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses auf einen reicheren Wert, der zur Verstärkung der Arbeit der katal'ytischen Reinigungseinrichtung gewählt ist. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung haben in der oben beschriebenen Weise weitere Vorteile, beispielsweise einen wirtschaftlichen Kraftstoffverbrauch, da ein Kraftstoffluftverhältnis enger beibehalten werden kann, das die Verminderung von NO und die Leistung der Maschine optimiert.

Beispiel

Die folgende Maschine wurde mit einer Regelvorrichtung für das Kraftstoffluftverhältnis gemäß der Erfindung versehen:

Maschine: Waukesha L7042GU

Leistung: Nennleistung: 1000 PS bei einer 1200 Umdrehungen pro Minute.

Arbeitsleistung: 580 PS bei 750 Umdrehungen / Minute.

Auspuff rohr anschluß: 20,3 cm oder 25,4 cm (8 oder 10 inch)' Kraftstoffzusammensetzung: Methan 89,37 %

Äthan 6,66 % Propan 1,48 % Butan 0,26 % Pentan 0,04 % Hexan 0,03 % CO₂ 0,99 % Stickstoff 1,15% Sauerstoff 0,01 %

Abgasdurchsatz: 36,75 Normalkubikmeter / Minute bei einer Umgebungstemperatur von 15,6°C und einer Arbeit der Maschine mit 900 Umdrehungen / Minute. Abgastemperatur: 514⁰C

Verfügbarer Druckabfall: 25,4 cm Wassersäule.

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Der Auspuffrohranschluß führt zu einem katalytischen Wandler mit einem darin angeordneten monolittLschen Honigwabenkatalysator. Der Katalysator hat einen Durchmesser von 96,5 cm und eine Tiefe von 7,6 cm und weist 46 im Querschnitt rechteckige Gasströmungsdurchlässe

2 2

pro cm (300 / Inch ) auf. Die monolithische Honigwabe besteht aus Cordierit mit einer Tonerde- oder Aluminiumhydroxidbeschichtung (vorherrschend Gamma-Aluminiumhydroxid) auf der Oberfläche. Auf die Tonerdebeschichtung ist ein katalytisches Metall, das Platin, Rhodium und Ruthenium in einem Gewichtsverhältnis von 5:2:1 umfaßt_raufgeblasen oder aufgebracht. Das gesamte Edelmetall (Platin, Rhodium und Ruthenium) mit dem der Katalysator beschickt ist, liegt zwischen 1,4 und 1,76 Gramm Edelmetall pro .dm .- katalytischer monolithischer Honigwabe (40 bis 50 Gramm Edelmetall pro Puss ). Der Katalysator ist in einem Wandler aufgenommen, der 152,4 cm lang ist und mit dem die Auspuffleitung verbunden ist. In dem Wandlergehäuse befindet sich eine Verteilerplatte, um die Verteilung der Abgasströmung im wesentlichen über die gesamte Fläche des Katalysators zu unterstützen. Der monolithische honigwabenförmige Katalysator ist im wesentlichen scheibenförmig, wobei seine Gasströmungsdurchlässe parallel zueinander von der im wesentlichen kreisförmigen Einlaßfläehe zu der im wesentlichen kreisförmigen Auslaßfläche verlaufen .

Die folgende Tabelle zeigt die Abgasanalyse des Abgases

vor und hinter der katalytischen monolithischen Honigwabe: 30

Analyse A: Unbehandeltes Abgas stromaufwärts vom Katalysator .

Analyse B: Behandeltes Abgas stromabwärts vom Katalysator.

Analyse C: Unbehandeltes Abgas stromaufwärts vom Katalysator, wobei die Maschine auf einem gewählten Kraftstoffluftverhältnis arbeitet, das durch

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eine Steuervorrichtung gemäß der Erfindung beibehalten wird.
Analyse D: Behandeltes Abgas stromabwärts vom Katalysator, wobei das Kraftstoffluftverhältnis durch dieselbe Steuervorrichtung wie bei der Analyse C

beibehalten wird.

Volumen-% (%-Vol) oder Volumen-Teile pro Million, d.h. 10 Vol.%(ppmv)

Analyse Spindt NO CO Kohlenwasserstoffe

K/L-Verh.

A 15,0 660 ppmv 3,ο Vo.% 1750 ppmv

B 15,0 75 ppmv 2,7Vol.% 1250 ppmv

(88,6% ümwandl.) (10% ümwandl.) (28% ümwandl.)

C 16,5 2790 ppmv 8706 ppmv 1100 ppmv

D 16,5 183 ppmv 870 ppmv 650 ppmv. (93% ümwandl.) (90% ürawandl.) (41% ümwandl.)

Das Spindt Kraftstoffluftverhältnis ist ein Kraftstoffluftverhältnis, das nach dem Verfahren berechnet wird, das in dem Aufsatz "Air/Fuel Ratios From Exhaust Gas Analysis" von R.S. Spindt, SAE Veröffentlichung 650507 beschrieben wird. Auf diese Veröffentlichung wird Bezug genommen.

Das obige Beispiel zeigt, daß es das erfindungsgemäße Regelververfahren und die erfindungsgemäße Regelvorrichtung erlauben, ein gewähltes Kraftstoffluftverhältnis selbst auf Werten zu halten, die wesentlich außerhalb des Ansprechbereiches eines herkömmlichen Sauerstoffsensors liegen, um dadurch die Arbeit eines Abgasreinigungskatalysators zu verstärken sowie ein hohes Leistungsvermögen der Maschine zu erzielen. Aus der Analyse C ist beispielsweise erkennbar, daß die nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe erheblich im Vergleich zum Betrieb bei einem niedrigeren Kraftstoffluftverhältnis herabgesetzt sind und daß ein höherer Umwandlungswirkungsgrad der Schadstoffe bei dem beibehaltenen höheren Kraftstoffluftverhältnis erhalten wird.

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Ein erfolgreicher Betrieb wurde auch mit einem ansonsten identischen Katalysator erzielt, der Platin und Rhodium in einem Gewichtsverhältnis von 4:1 als katalytische Metalle enthält. Zusätzlich zu Brennkraftmaschinen ist die vorliegende Erfindung in gleicher Weise dazu anwendbar, das Kraftstoffluftverhältnis eines Gemisches zu steuern, das katalytischen Brennern zugeführt wird. Derartige katalytische Brenner verwenden einen Katalysator, wie er beispielsweise in der US PS 3 928 961 dargestellt ist, um die Verbrennung eines Kraftstoffes bei einer niedrigeren Temperatur zu ermöglichen, als sie bei einer unkatalysierten Verbrennung auftreten würde. Dieses Arbeiten hat den Vorteil, daß die Erzeugung von Stickstoffoxiden vermieden oder so klein wie möglich gehalten werden, was eine immer wichtiger werdende Betrachtung bei der Einhaltung von Luftverschmutzungsnormen und-Vorschriften darstellt. Derartige Brenner . haben zahlreiche Verwendungszwecke als Zündheizquelle, wie es beispielsweise in der US PS 3 928 961 beschrieben ist.

Im obigen wurden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, an denen verschiedene Änderungen im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise müssen die periodischen Intervalle zwischen dem Bilden der Bezugspunkte in der Nähe des stöchiometrischen Betriebes nicht regelmäßig, d.h. von gleicher Dauer sein, obwohl sie es vorzugsweise sind. Der Begriff der Verbrennungskammer soll weiterhin auch mehrere einzelne Kammern, wie beispielsweise die einzelnen Zylinder einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine umfassen.

Leerseite

Claims

.PATENTANSPRÜCHE

1.) Kraftstoffbrennvorrichtung in Kombination mit einer \7orrichtung zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses, wobei die Kraftstoffbrennvorrichtung eine einstellbare Kraftstoff und Luft proportionierende Einrichtung, eine Verbrennungskammer und eine Abgasleitung aufweist, die in Reihe und in Strömungsverbindung miteinander verbunden sind,und wobei ein wahlweise proportioniertes Kraftstoffluftgemisch von der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung in die Verbrennungskammer eingeführt werden kann, um darin verbrannt zu werden, und die Abgase von der Verbrennungskammer über die Abgasleitung abgezogen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoffluftverhältnisses eine Sensoreinrichtung (18), die sich in der Abgasleitung (16) befindet und einen begrenzten Bereich des Ansprechens auf die Höhe des Anteils eines gasförmigen Bestandteils im Abgas aufweist, um ein der Höhe des Anteils des gasförmigen Bestandteils entsprechendes Bezugs-

TEUEFCN (089) 332362

signal zu erzeugen, eine Rücksetzeinrichtung (22a), die in Arbeitsverbindung mit der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung (12,42) steht, um periodisch das Kraftstoff luftverhältnis auf einen ersten Wert einzustellen, der so gewählt ist, daß er zu einer Höhe des Anteils des Bestandteils im Abgas führt, die im Ansprechbereich der Sensoreinrichtung (18) liegt, um dadurch periodisch ein Ansprechbereic hsbezugssignal. auszulösen, das von der Sensoreinrichtung (18) erzeugt wird, und eine Stelleinrichtung (22b) umfaßt, die in Arbeitsverbindung mit der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung (12,42) steht und auf das Bezugssignal anspricht, um das Kraftstoffluftverhältnis auf einen zweiten Wert einzustellen, der um einen gewählten Betrag vom ersten Wert abweicht, so daß das Kraftstoffluftverhältnis periodisch auf den zweiten Wert auf das periodische Auslösen des Bezugssignales ansprechend eingestellt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch.·, gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (18) eine Sauer- stoffsensoreinrichtung ist, die auf einen Bereich der Höhe des Sauerstoffanteils im Abgas anspricht, der einem Betrieb um das stöchiometrische Kraftstoffluftverhältnis herum entspricht, und daß der zweite Wert des Kraftstoffluftverhältnisses zu einer Höhe des Sauerstoffanteils im Abgas führt, die außerhalb des Sensoransprechbereiches liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (22b) einstellbar ist, um eine Wahl des Betrags der Abweichung vom ersten gewählten Wert zu ermöglichen, die der Kraftstoff und Luft zumessenden Einrichtung (12,42) durch die Stelleinrichtung (22a) auferlegt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Kraftstoffbrennvorrichtung eine mit Erdgas als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschine (2) umfaßt und daß ein das Abgas reinigender Katalysator (19)

vorgesehen ist, der sich in der Abgasleitung (16) stromabwärts von der Sensoreinrichtung (18) befindet, wobei die Stelleinrichtung (22b) so ausgebildet ist, daß sie das Kraftstoffluftverhältnis auf einen zweiten Wert einstellt, der kraftstoffreicher als der stöchiometrische Wert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (18) eine Sauerstoff sensoreinrichtung ist, die Zirkonerde umfaßt, deren Ansprechbereich eine Höhe des Sauerstoffanteils im Abgas umschließt, die einem Betrieb um das stöchiometrische Kraftstoffluftverhältnis herum entspricht,und daß die Stelleinrichtung (22b) so ausgebildet ist, daß sie das Kraftstoffluftverhältnis auf einen zweiten Wert einstellt, der so gewählt ist, daß sich eine Höhe des Sauerstoffanteils im Abgas ergibt, die außerhalb des Bereiches des AnsprechVermögens des Sensors (18) liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Kraftstoff und Luft zumessende Einrichtung (42) eine Einstelleinrichtung aufweist, um die Einstellung des Kraftstoffluftverhältnisses der Zumeßeinrichtung (12,42) zu ändern, daß die Rücksetzeinrichtung (22a) eine erste Antriebseinrichtung (48), die von einer rücksetzbaren ersten Zeitgebereinrichtung betätigt wird und in Arbeitsverbindung mit der Einstelleinrichtung steht, um periodisch die Einstelleinrichtung so anzutreiben, daß die Kraftstoffluftverhältniseinstellung der Zumeßeinrichtung (42) geändert wird, und eine Einrichtung umfaßt, die periodisch die erste Zeitgebereinrichtung rücksetzt, und daß die Stelleinrichtung (22b) eine zweite Antriebseinrichtung (36) umfaßt,die durch eine zweite Zeitgebereinrichtung betätigt wird und in ArbeitsVerbindung mit der Einstelleinrichtung steht, um die Kraftstoffluftverhältniseinstellung der Zumeßeinrichtung (42) in eine Richtung zu ändern, die der Richtung der Rücksetzeinrichtung entgegengesetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Komparatoreinrichtung (28) mit Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen, wobei die Eingangsanschlüsse jeweils mit einer Bezugssignalquelle (30) und mit dem Sensor (18) verbunden sind, um jeweils ein Bezugssignal und das Ausgangs signal des Sensors (18) zu empfangen, und der Ausgangsanschluß mit der zweiten Zeitgebereinrichtung verbunden ist, um dieser dann, wenn das Sensorausgangssignal einen gewählten Pegel relativ zu dem Bezugssignalpegel erreicht, ein Betätigungssignal zu liefern.

8. Verfahren zum Regeln des Kraftstoffluftverhaltnisses einer Kraftstoffbrennvorrichtung unter Verwendung der wahrgenommenen Höhe des Sauerstoffanteils in Abgas, wobei es das Verfahren erlaubt, das Verhältnis auf Werten zu halten, die zu Sauerstoffanteilen im Abgas führen, die außerhalb des Ansprechbereiches einer Sensoreinrichtung liegen, die dazu verwandt wird, die Höhe des Sauerstoffanteils im Abgas wahrzunehmen, und wobei die Brennvorrichtung eine einstellbare Kraftstoff und Luft proportionierende Einrichtung, eine Verbrennungskammer und eine Abgasleitung aufweist, die in Reihe zueinander und in Strömungsverbindung miteinander verbunden sind, so daß ein wahlweise proportioniertes Kraftstoffluftgemisch von der Zumeßeinrichtung in die Verbrennungskammer eingeführt werden kann, um darin verbrannt zu werden, und die Abgase von der Verbrennungskammer über die Abgasleitung abgezogen werden können, dadurch gekennzeichnet daß periodisch das Kraftstoffluftverhältnis auf einen ersten Wert eingestellt wird, der so gewählt ist, daß er zu einer Höhe des Sauerstoffanteils im Abgas führt, die im Ansprechbereich des Sensors liegt, um dadurch periodisch ein Ansprechbereichsbezugssignal auszulösen, das von Sensor erzeugt wird, und daß das Kraftstoffluftverhältnis auf das Bezugssignal ansprechend in eine Richtung entgegen der Richtung, die zum Erreichen des ersten Wertes verwandt wird, und in einem Ausmaß verstellt wird, daß ein zweiter Wert des Kraftstoffluftverhaltnisses erreicht wird, der vom ersten Wert durch einen gewählten Betrag abweicht, so daß das Kraftstoffluftverhältnis

II) * *

periodisch auf den zweiten Wert auf das periodische Auslösen des Bezugssignals ansprechend eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wert zu einer Höhe des Sauerstoff anteils im Abgas führt, die außerhalb des Sensoransprechbereiches liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η ze lehnet, daß das mittlere Zeitintervall,für das das Kraftstoffluftverhältnis auf den ersten Wert gesetzt wird, etwa 0,1 bis etwa 5 Sekunden beträgt und daß das mittlere Zeitintervall, für das das Kraftstoffluftverhältnis auf den zweiten Wert gesetzt wird, etwa 1 Minute bis etwa 10 Minuten beträgt.