DE2135650A1

DE2135650A1 - Verfahren zum betrieb von verbrennungskraftmaschinen und spaltvergaser zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2135650A1
Application number: DE2135650A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl Chem Henkel; Christian Dipl Ing Koch; Hanna Dipl Ing Kostka; Alfred Dipl Phys Dr Michel; Richard Dr Ing Schnarz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-07-16
Filing date: 1971-07-16
Publication date: 1973-01-25
Also published as: FR2146756A5; SU464999A3; BR7204700D0; CS157150B2; JPS4835227A; CA967440A; DE2135650B2; BE786225A; DE2135650C3; NL7208580A; SE377164B; ZA724858B; IT962852B; GB1395260A; JPS5531306B2; AU473458B2; LU65732A1; SU493073A3; AU4459072A

Description

ΛΕΪΒ-^SELLaomH Erfand, 1 5. JOU «" υκΐ Lunchen Y/erne:r--von-~Sio;rKmf3-~fitr.

TJnJJer Zeichen: VPA 71/4047 Ko/Rat

VeriVr-ren ζνΐ,ι Betrieb von Vei in

iijicl ^rt>pri.llvc'rr;a.-ⁱer zur Durchfüh'-uns dos 'Verfahrens

Die );rfinaung betrifft sunächst ein Verfahren zum Betrieb von Vey.-l-rennLaigskraftHaachiiien, wonach Kohlenstoff und Y/asserr.toff enthaltender Brennstoff wie beispielsweise Benzin unter Zugabe von. Priiaärluft oder Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine zur rußfreien Umwandlung bei erhöhter Temperatur in Methan, Y/asserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Spaltgas über einen mit Katalysator versehenen Katalysatorträger geleitet und unter Zuführung von Sekundärluft der Verbvyrmungskraftmaschine zugeleitet wird. Als Katalysatorträger eignet sich ein feine Kanäle enthaltender, poröser Sintevlochstein. Mit einem solchen Verfahren, das an anderer Stelle bereits vorgeschlagen worden ist (VPA 71/7505), ist es gelungen, die bekannten Vergaser, die das Gemisch aua . Brennstoff, und Primärluft katalytisch in Spaltgas umwandeln, so BU Miniaturisieren, daß ein Vergaser zur Durchführung dieses Verfahrens, der nachstehend als Spaltvergaser bezeichnet werden soll, für Kraftfahrzeuge geeignet ist und dabei wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht. Die Erfindung betrifft weiter einen völlig neuartigen Spaltvergaser zur Durchführung des Verfahrens.

Ein bekannter Vergaser nach der deutschen Patentschrift · 044 315, der auf den Einsatz für Kraftfahrzeuge abgestellt ist, arbeitet mit aufwendiger äußerer Beheizung der Um-set:-:un_tTfjkammer, wozu ein Teil des erzeugten Spaltgases über Rohrleitungen zugeführt; wird. Außerdom fehlen Vorkehrungen, die eine Abgasrückführung ermöglichen und als Katalysatortrülf/ii* wird eine' erschütterungsempfindliohe Schüttung verwendet , die einen hohen SsrömuKgüwiderat&nd darstellt und abricbgc-fährdet ist.

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SAD ORIGINAL

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Abgasrückführung wird beim Vergaser iiaoli der deutsehen Patentschrift 720 535 ermöglicht. Hierbei v/erden Rohre in einem schweren Kessel mit Metallkatalysator massiv ausgekleidet. Mit einem solchen Kossei als Katalysatorträger arbeitet auch die Vergaservorrichtung nach der deutschen Patentschrift 739 518. Daraus ist auch, die Vermutung bekannt, daß Methan und Kohlenmonoxid als Spaltgas anfallen kann.

Bei den bekannten Vergasern, des geschilderten Typs fehlt ein Aufbau und eine Prozeßführung gemäß des an anderer Stelle bereits vorgeschlagenen Verfahrens. Bei den bekannten Maß-" nahmen fehlt auch die Einsicht, daß durch, bestimmte Betriebsweise besonders schadstoffarme Abgase bei der Verbrennungskraftmaschine erzielt werden können.

Der Erfindung liegt die Zielsetzung sugriiD.de, das an anderer Stelle bereits vorgeschlagene Verfahren noch wesentlich zu verbessern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bisher bei bekannten Spaltvergasera problematische - insbesondere hinsichtlich des Betriebs von Kraftfahrzeugen - praxisgerechte Hochfahren aus kalten Zustand und die lastwechselgerechte Versorgung mit Spaltgas zu erzielen^ eine Prozeß™ · steuerung zu ermöglichen, die während des Anlassens, Warmlaufens und unter Last sowie auch im Schubbetrieb gleichermaßen umweitschonende Abgase erbringt.

Gemäß der Erfindung wird die geschilderte Aufgabe dadurch gelöst, daß zum Anlassen Brennstoff und schwach, unterstöchiornetrisoh in Bezug auf eine vollständige Verbrennung Primär-IuCt zugeführt und an einer Zündeinrichtung gezündet v/erden und die schwach unterstöchiometrische Zuführung der Primärluft bis zur Aiispringtemperatür des Katalysators beibehalten wird. Nach Erreichen der Anspringtemperatur vermindert man dann zum Warmlaufen die Zugabe von Primärluft oder erhöht die Zugabe von Brennstoff - im Sinne der Verminderung des Iiuftanteils im Gemisch - so lange bis die Reformierungstemperatur für ein Brennst off-Abgas-Gemisch erreicht ist _f.

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foiiil-d-fiß i?um Übergang auf Lastbetrieb/ab Erreichen der Reformierungstemper^tur Primärluft und ein Teil des Brennstoffe« durch Abgas unter Wärmeaustausch mit dem zum Katalysator ge führten Gemisch in der Weise ersetzt [.vird,, daß die Kstalysatortemperatur auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur ansteigt und auf diese einschwingt. Die Primärluft läßt sich dabei weitgehend durch Abgas ersetzen. 2)as Umstellen von Hochfahren über Anlassen und Warmlaufen auf Lastbetrieb bedeutet, von exothermen aufVehaotiiermen Prozeß umzustellen.

Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt es, einen einschlägigen Spaltvergaser aus kaltem Zustand schnell auf Nenn.betriebszustand hochzufahren, ohne ein starkes tiberschwingen in Kauf nehmen zu müssen. Bei Lastbetrieb läßt sich die Betriebstemperatur des Katalysators in engen Grenzen halten. Deshalb kann die Primärluft nahezu vollständig durch Abgas ersetzt werden, was einen wirtschaftlichen und Brennstoff sparenden Betrieb bedeutet. Las Verfahren nach der Erfindung eignet sich in gleicher Weise für Maschinen mit .kontinuierlicher sowie solche mit diskontinuierlicher innerer Verbrennung .

Als Kraftstoff eignet sich unter anderem aliphatischen ge rad-· kettiger Kohlenwasserstoff Meiner Kettenlänge, also niedriger Oktanzahl, wie z.B, C₇EL,-. Man benötigt daher nicht den Zusatz von Antiklopfmitteln wie Blei und aromatischen Kohlenwasserstoffen, die beim konventionellen Betrieb einer Brenn-· kraftmaschine umweltbelastende Schadstoffe im Abgas verursachen. Andererseits ist ein Betrieb mit einem Brennstoff, dor aromatische Kohlenwasserstoffe enthält, möglich, da diese in unschädliche Bestandteile zerlegt werden. Der auf Methan und Kohlenmonoxid und gegebenenfalls Y'anoerstoff enthaltenden Spaltgas eingestellte Betrieb Vcdfutüt eine starke L'midrrun,·!; der UMweltbel astenden Stickoxide wie KO, JLJ)₁ Ή,,Ο. und T¹O₀.

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Nach dem erfindungsgemäßeii Verfahren arbeitende Spaltvergaser ermöglichen, Kraftfahrzeuge am vorhandenen Tankstellennetz aufzutanken. Da man dem Kraftstoff keine Antiklopfmittel zugeben muß, erniedrigt sich der Aufwand in der Raffinerie.

Im Vergleich zu einem konventionellen Vergaser wird der Wirkungsgrad dadurch erhöht, daß eine spezifische Leistungsminderung (pro Hubraum) durch eine Minderung des spezifischen Brennstoffverbrauchs (pro aufgebrachter Arbeit) eines Kraftfahrzeuges überkompensiert wird. ■

Es ermöglicht, den Übergang auf Lastbetrieb einfach zu regeln und einen sicheren schadetoffarmen Betrieb zu erzielen, wenn Primärluft und Abgas im Verhältnis 1:1 ersetzt werden und man den Brennstoff bei vollständigem Ersatz der Luft durch Abgas um 1/3 vermindert und bei teilweisem Ersatz die Verminderung anteilig zur ersetzten Luftmenge vornimmt.

Nach einer wesentlichen Ausgestaltung des erf-indungsgemäßen Verfahrens wird im Lastbetrieb zur Regelung der Katalysatortemperatur bei sinkender Temperatur der Abgasanteil vermindert und der Luftanteil sowie der Brennstoff.erhöht. Bei steigender Temperatur wird der Abgasanteil erhöht und der Luftanteil sowie der Brennstoff vermindert.

Es ist besonders günstig, dabei Primärluft und Abgas im Verhältnis 1;1 zu ersetzen und den Brennstoff bei vollständigem Ersatz der Primärluft, durch Abgas um 1/3 zu vermindern und bei teilweisem Ersatz die Verminderung anteilig zur ersetzten Luftmenge vorzunehmen. Wenn Abgas durch Primärluft ersetzt wird, ist der Brennstoff in umgekehrter Weise zu erhöhen.

Wenn man beim Anlassen die Zugabe von Sekundärluft stark drosselt und beim Warmlaufen mit zunehmender Brennst off zugabe bzw-, sinkender Zugabe von Primär luft zunehmend mehr Sekundärluft zugibt, erreicht der Spaltvergaser schnell den Ifennbetriebszustand und die mit dem Spaltgas versorgte Verbrennungs-,

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kraftmaschine kann schon beim Warmlaufen des Spaltvergaser belastet werden, ohne daß Schadstoffe im Abgas auftreten. Besonders rasches Hochfahren erzielt man, wenn beim Warmlaufen mit zunehmender Brennstoffzugabe verhältig mehr Sekundärluft zugegeben wird.

Nach einer weiteren wesentlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ' Verfahrens wird im Lastbetrieb zur Regelung der Katalysatortemperatur bei sinkender Temperatur Primärluft mit einer dazu stöchiometrischen Menge an Brennstoff zusätzlich zugegeben und bei steigender Temperatur die Zufuhr an Primärluft vermindert und die Zugabe an Brennstoff um eine der Luftminderung stöchiometrische Menge Brennstoff vermindert. Wenn man so verfährt, vereinfacht man die Regelung noch weiter und erzielt noch ausreichend sicher schadstoffarme Abgase aus einer Verbrennungskraftmaschine.

Zur freien Steuerung der Brennkraftmaschine ist es günstig, den Gasdurchsatz in Strömungsrichtung hinter der Zuführung für Sekundärluft zur Leistungserhöhung zu steigern und verhältig mehr Brennstoff zuzugeben und zur Leistungsminderung den Gasdurchsatz zu drosseln und verhältig weniger Brennstoff zuzugeben. Durch eine solche Steuerung der Brennkraftmaschine und durch die geschilderten Regelungsarten des Lastbetriebs werden rasche Lastwechsel ermöglicht, die Betriebstemperatur am Katalysator in verhältnismäßig engen Grenzen auf einfache Weise konstant gehalten und auch bei schnellen Lastwechseln wird Spaltgas in wesentlichen gleicher Zusammensetzung erzeugt .

Schadstoffarme Abgase im Schubbetrieb eines Kraftfahrzeuges erzwingt man, wenn bei einem vorgewählten Betrag oberhalb des bei Lastwechselö sonst üblicherweise auftretenden größten TJnterdrucks in der Spaltgas zur Verbrennungskraftmaschine zuführenden Ansaugleitung - die Abgasrückführung unterbindet

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und im Vergleich, zum üblichen Lastbetrieb geringe Mengen Primärluft und Brennstoff in stöchiometrisehern Verhältnis zugibt. Dadurch kann ein Kraftfahrzeugmotor auch, im Schubbetrieb (z.B. Bergabfahrt) keine unvollständig verbrennenden Gase ansaugen.

Allgemein empfiehlt es sich, beim Umschalten bei einer Temperatur zwischen der Reformierungstemperatur und der Betriebstemperatur auf zunehmende Abgasrückführung bei raschem Hochfahren von Anlassen über das Warmlaufen die Temperatur nahe der Reformierungstemperatur vorzuwählen. Man erzielt dadurch k ein Gegensteuern zum Hochfahren in der letzten Phase und begünstigt ein rasches Einschwingen auf die Betriebstemperatur. Andererseits wird das Einschwingen bei langsamem Hochfahren begünstigt, wenn man nahe der Betriebstemperatur mit zunehmender Abgasrückführung beginnt.

Bei extremen Betriebsbedingungen, wie sie Leerlauf und Schubbetrieb darstellen, kann es vorkommen, daß im Lastbetrieb die Reformierungstemperatur unterschritten oder eine vorgewählte Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur überschritten wird, • obwohl die geschilderten Gegenmaßnahmen vorgenommen werden.

Solche Fälle bekommt man in den Griff, wenn die Abgasrück- * führung unterbunden wird und man Primärluft und Brennstoff analog zur Warmlaufphase zugibt. Es werden dann also Brennstoff und Primärluft dem Katalysator in geeigneter Weise unterstöchiometrisch. zugeführt.

Es ist besonders günstig, einen Wärmeaustausch zwischen Abgas und dem zum Katalysator geführten Gemisch durchzuführen, bevor das Gemisch über den Katalysator geleitet wird und einen weiteren Wärmeaustausch zwischen dem Spaltgas hinter dem Katalysator und dem zum Katalysator zugeführten Gemisch vorzunehmen, bevor man das Gemisch in Wärmeaustausch mit dem Abgas bringt. Der zweite Wärmeaustausch in

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der geschilderten Weise trägt zusätzlich zur Wirkungsgradverbesserung bei und ermöglicht dennoch unterhalb der Klopfgrenze zu bleiben.

Es ist ein weiterer wesentlicher Torteil des Verfahrens nach der Erfindung, daß sich ein Spaltvergaser durch eine zentrale Steuer- und Regeleinrichtung betreiben läßt. Hierbei ist ausschlaggebend, daß aus' der hohen Anzahl an Parametern erfindungsgemäß solche ausgewählt werden, die einen einfachen Eingriff in den Prozeßverlauf ermöglichen.

Ein vorteilhafter Spaltvergaser zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht aus einer Kammer mit Sinterlochsteinen, Temperaturfühler und Zündeinrichtung vor einem Sinterlochstein und einem der Kammer vorgeschalteten sowie aus einem der Kammer naehgeschalteten Wärmetauscher. Eine Rohrleitung vom naehgeschalteten Wärmetauscher führt zu einem steuerbaren Drosselventil - Lastventil - und einem Anschluß für die Brennkraftmaschine, vor dem eine Rohrleitung mit Sekundärluftventil mündet. Eine weitere Rohr leitung führt vom naehgeschalteten Wärmetauscher zu einer Brennstoffdosiervorrichtung, vor der ein Primärluftventil angeordnet ist und zwischen diesen mündet eine Rohrleitung, in der sich ein Abgasventil befindet. Die Rohrleitung mit dem Abgasventil führt zum vorgeschalteten Wärmetauscher. Die Wärmetauscher sind zweifach miteinander verbunden und vom vorgeschalteten Wärmetauscher führt eine Rohrleitung zu einem Anschluß für die Abgasleitung der Brennkraftmaschine.

Wenn die Zündeinrichtung mit Glühdrahten.auf die Katalysatorsubstanz aufgebracht ist, intensiviert man die Spaltgaserzeugung in der Anlaßphase, so daß die Verbrennungskraftmaschine schon in der ersten Phase des Hpchfahrens des Spaltvergasers belastet werden kann. Es ist auch möglich, &θά

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Sinterloehstein anstelle eines Glühdrahtes oder Gitters unmittelbar in den Heizstromkreis der Zündeinrichtung zu legen, da Metallkatalysatoren und selbst Katalysatoren aus Halbleitern unter den gegebenen Betriebsbedingungen ausreichend stromleitend sind. Dabei wird der Sinterlochstein unmittelbar elektrisch aufgeheizt.

Eine günstige Steuer- und Regeleinrichtung für einen solchen Spaltvergaser ist so ausgelegt, daß in Abhängigkeit von der beim Katalysator gemessenen Temperatur im Bereich unterhalb der Anspringtemperatur die Zündeinrichtung eingeschaltet und die Benzindosiervorrichtung in Abstimmung auf schwach unterstöchiometrische Verbrennung in Betrieb gesetzt wird. Bei der Anspringtemperatur gibt die Steuer- und Hegeleinrichtung ein Aussehaltsignal für den Schalter der Zündeinrichtung. Die Einrichtung ist weiterhin mit an sich bekannten Mitteln so ausgelegt, daß oberhalb der Anspringtemperatur bis zum Erreichen der 4H*gas«ai«*t-2;tHiggtemperatur proportional zu der die Anspringtemperatur übersteigenden Temperatur am Katalysator das Sekundärluftventil geöffnet und die Benzinzugabe erhöht wird. Beim Erreichen der Reformierungstemperatur wird das Abgasventil geöffnet und auf Regelung geschaltet$ wonach die am Katalysator gemessene Temperatur als Rührungsgröße für Primärluft-Brennstoffzuführung und gegebenenfalls Abgasrückführung dient. Überlagert ist eine Steuerung der Benzindosiervorrichtung in Abhängigkeit vom Öffnungszustand des lastventils. Nach einer Variante sind Mittel vorgesehen, die das Sekundärluftventil proportional zu der die Anspringtemperatur übersteigenden Temperatur öffnen, jedoch das Primärluftventil verhältig drosseln.

Die Erfindung soll anhand des in der Zeichnung grob schematisch dargestellten Spaltvergasers weiter erläutert werden.

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In Fig. 1 ist ein Spaltvergaser wiedergegeben und in Pig. ein schematisiertes Diagramm dargestellt, das den Vorgang beim Hochfahren des Spaltvergasers vom kalten Zustand in den Nennbetriebszustand veranschaulicht.

Ani ft««/ Spaltvergaser 1 nach Fig. 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 2 bei 3 angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel soll die Verbrennungskraftmaschine 2 den Motor eines Kraftfahrzeuges darstellen. Der Spaltvergaser 1 besteht im wesentlichen aus einer Kammer 4» in der Sinterlochsteine 5 zusammen mit einem Temperaturfühler 6 und einer Zündeinrichtung 7 angeordnet sind. Die Zündeinrichtung 7 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen, zumindest vor einem Sinterlochstein anzuordnen. Der Kammer 4 ist ein Wärmetauscher 8 vorgeschaltet und ein Wärmetauscher 9 nachgeschaltet. Von dem nachgeschalteten Wärmetauscher 9 führt eine Rohrleitung 10 zu einem steuerbaren Drosselventil 11, das nachfolgend als Lastventil bezeichnet werden soll. Im Falle eines Kraftfahrzeuges ist es mit dem Fahrpedal gekoppelt. Falls die Verbrennungskraftmaschine 2 nicht wie bei einem Kraftfahrzeugmotor während des Lastbetriebs in ihrer Leistung /niehtf frei gesteuert werden muß,· kann das Lastventil 11 entfallen. Die Anschlüsse für die Verbrennungskraftmaschine sind mit 3 bezeichnet. Vor dem Lastventil mündet eine Rohrleitung 12, in der ein.Ventil 13 für Sekundärluft angeordnet ist.

Vom nachgeschalteten Wärmetauscher 9 führt eine weitere Rohrleitung 10 zu einer Brennstoffdosiervorrichtung 14. Dieser Brennstoffdosiervorrichtung wird beispielsweise über das Ventil 15 Brennstoff und über die FwOhrleitung 16 Primärluft bzw. Abgas zugeleitet. Vor der Brennstoffdosiervorrichtung 14 ist ein Ventil 17 für Primärluft angeordnet. Zwischen dem Primärluftventil 17 und der Brennstoffdosiervorrichtung 14 mündet die Rohrleitung 18 in die Rohrleitung 16. In der

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Rohrleitung 18 ist das Ventil.19 für Abgas angeordnet, von wo die Rohrleitung 18 weiter zum vorgeschalteten Wärmetauscher 8 führt. Die Wärmetauscher 8 und 9 sind einmal über die Kammer 4 und zum anderen über die Rohrleitung 20 miteinander verbunden.

Vom vorgeschalteten Wärmetauscher 8 führt eine Rohrleitung 21 zum Anschluß 3 für die Abgasleitung 22 der Brennkraftmaschine 2. Der Auspuff der Anlage ist mit 23 bezeichnet. Hier können Mittel vorgesehen sein, die einen Strömungswiderstand darstellen und gleichzeitig zum Schalldämpfen dienen. Gegebenenfalls kann im Auspuff 23 auch ein weiteres Ventil angeordnet sein, das mit dem Abgasventil 19 so gekoppelt ist, daß das Ventil im Auspuff in Drosselstellung geht, wenn das Abgasventil 19 öffnet und das selbst geöffnet wird, wenn man das Abgasventil schließt.

Es ist günstig·und es erleichtert den Aufbau einer einfachen Zentralelektronik 24, wenn man die Ventile folgendermaßen auslegt: Das Primärluftventil 17 mit offener Ruhestellung, die Brennstoff dosiervorrichtung 14 für Brennstoffzugabe im Betrieb, das Abgasventil 19 mit geschlossener·Ruhestellung, das Sekundärluftventil 13 und das lastventil 11 mit gedrosselter Ruhestellung. An den Ventilen sind Stellmittel 25 angeordnet.

Von der im Ausführungsbeispiel als Zentralelektronik ausgebildeten Steuer- und Regeleinrichtung 24 führen Anschlüsse 26 jeweils zum Steller 25 des Primärluftventils 17, des Abgasventils 19, der Brennstoffdosiervorrichtung 14 bzw. zum Ventil 15, sowie zum Steller 25 des Sekundärluftventils 13, zu einem Geber am Lastventil 11, zu einem Schalter 27 für die Zündeinrichtung 7 und zu Meßstellen, im Ausführungsbeispiel einem Temperaturfühler 6, in der Kammer 4 mit Sinterlochsteinen 5. Der einfache Aufbau einer Zentralelektronik mit den geläufigen Mitteln wird durch das erfindungs-

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gemäße Verfahren ermöglicht, da hiernach eine unkomplizierte Eingriffsmöglichkeit in den an sich komplizierten Prozeßvorgang ermöglicht wird.

Es soll jetzt die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Spaltvergasers näher erläutert werden:

Zum Anlassen - im Falle eines Kraftfahrzeugmotors mit Einschalten des Zündschlosses - wird Brennstoff mittels des Ventils 15 und schwach unterstöchiometrisch - in Bezug auf eine vollständige Verbrennung - Primärluft der Brennstoffdosiervorrichtung 14 zugeführt, dort vermischt und der Kammer 4 über die beiden Wärmetauscher 9 und 8 zugeleitet uni an der Zündeinrichtung 7 gezündet. Der Verbrennungsvorgang heizt die Sinterlochsteine 5 in der Kammer 4 dadurch auf und bildet eine geringe Menge Spaltgas, das mit der entsprechenden geringen Sekundärluftmenge der Verbrennungskraftmaschine 2 zur Verbrennung zugeführt wird, wodurch der Leerlauf der Mschine aufrechterhalten werden kann. Der Anlasser, der das Verbrennungsgemisch durch die Verbrennungskraftmaschine zunächst ansaugen ließ, kann daher abgeschaltet werden. Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine werden durch den vorgeschalteten Wärmetauscher 8 dem Auspuff 23 zugeführt. Die schwach unterstöchicmetrische Zuführung der Primärluft wird solange beibehalten, bis die Anspringtemperatur des Katalysators, mit dem die Sinterlochsteine versehen sind, erreicht ist. Unter Anspringtemperatur wird dabei - wie üblich - die Temperatur verstanden, bei der die Wirkung des Katalysators zu einer merklichen Reaktion führt.

Zum Warmlaufen des Spaltvergasers wird dann der Luftanteil im Gemisch solange vermindert, bis die Reformierungstemperatur für ein Brennstoff-Abgas-Gemisch bei Verwendung eines Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Brennstoffes er*- reicht ist. Unter Reformierungstemperatur wird hier nach üblicher Terminologie in der Chemie die Temperatur verstanden,

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der. aus einem Gemisch von Brennstoff und Abgas der Verbrennungskraftmaschine - das unter anderem Wasserdampf und Kohlenoxid enthält - Methan, Kohlenmonoxid und gegebenenfalls Wasserstoff gewonnen wird. Dadurch wird der Verbrennungskraftmaschine 2 laufend mehr umgewandelter Brennstoff zugeführt, der mit Sekundärluft vermischt für die Verbrennung in deT Verbrennungskraftmaschine zur Verfugung steht. Beim Warmlaufen wird das Sekundärluftventil, das zunächst stark gedrosselt ist, mit zunehmender Brennstoffzugabe bzw. sinkender -Zugabe von Primärluft zunehmend weiter geöffnet, so daß verhältig mehr Sekundärluft zum umgewandelten Brennstoff hinter der Kammer 4 zugegeben wird.

Wenn zur Verminderung des Luftanteils im Gemisch die Primärluft vermindert wird, verlangsamt man das Aufheizen in der Kammer 4 so, daß ein weicher Übergang in die Betriebstemperatur oberhalb der Reformierungstemperatur ohne weitere Steuerungseingriffe erzielt wird. Dagegen wird die Anlage besonders rasch hochgefahren, wenn man die Zugabe von Brennstoff erhöht. Bei Trägheiten im System, die insbesondere von der Länge der Abgasleitung zwischen Verbrennungskraftmaschine und Wärmetauscher, dem Hohrdurchmesser sowie der Dimensionierung der Wärmetauscher bestimmt werden, steigt dann die Temperatur zunächst über die Betriebstemperatur hinaus an und schwingt dann gedämpft in die Nennbetriebstemperatur ein.

Zum Übergang auf Lastbetrieb wird ab Erreichen der Reformierungstemperatur Primärluft und ein Teil des Brennstoffes durch Abgas - bei Durchleiten des dem Katalysator zugeführten Gemisches durch den im Abgasstrom liegenden Wärmetauscher 8 - in der Weise ersetzt, daß die Katalysatortemperatur auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur ansteigt und auf diese einschwingt. Hierzu wird beispielsweise Primärluft zunehmend durch Abgas ersetzt und zwar im Verhältnis 1:1. Der Brennstoff wird dabei anteilig zur ersetzten Luftmenge um 1/3 vermindert.

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Wenn beispielsweise] zunächst 12 m Primärluft und 3 kg Benzin zugeführt wurden und zunehmend Abgas bis zu 6 m Abgas und verbleibende 6 m Luft zugeführt werden, so ist der Brennstoff um i/3 von 1/2, also um i/o zu vermindern. Es sind dann schließlich nur noch 3(kg) - 3(kg) . I/6 = 3-0,5 (kg) =2,5 (kg) Brennstoff zuzuführen.

Zur Regelung des Lastbetriebes kann dann die Betriebstemperatur des Katalysators bei näherungsweise gleichbleibender Spaltgaserzeugung dadurch aufrechterhalten, daß bei sinkender Temperatur Primärluft mit einer dazu stöehiometrisehen Menge an Brennstoff zusätzlich zugegeben wird. Bei steigender Temperatur vermindert man die Zufuhr an Primärluft und Zugabe an Brennstoff um eine der Luftminderung stöchiometrischen Menge.

Völlig gleichbleibende Spaltgaserzeugung erzielt man, wenn zur Regelung des Lastbetriebs folgendermaßen vorgegangen wird: Bei sinkender Temperatur des Katalysators wird der Abgasanteil vermindert und der Luftanteil sowie der Brennstoff erhöht. Das Abgas wird dabei günstig im Verhältnis 1:1 durch Primärluft ersetzt und der Brennstoff anteilig so erhöht, daß bezogen auf vollständigen Ersatz der Primärluft durch Abgas er um 1/3 gegenüber Luftbetrieb vermindert ist. Bei steigender Temperatur wird in umgekehrter analoger Weise verfahren.

Zur freien Steuerung der Brennkraftmaschine wird der Gasdurchsatz in Strömungsrichtung hinter der Zuführung für Sekundärluft zur Leistungserhöhung gesteigert, beispielsweise indem das Lastventil 11 über ein Fahrpedal weiter geöffnet wird. Die Brennstoffdosiervorrichtung 14 ist in konventioneller Weise entweder so ausgelegt, daß bei erhöhtem Gasdurchsatz die Brennstoffzugabe erhöht wird oder daß man wie im Ausführungsbeispiel über die Zentraleinheit 24 das Zupurnpen von Brennstoff so steuert, daß bei erhöhtem Gas-

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durchsatz verhältig mehr Brennstoff zugegeben wird. Zur Leistungsminderung der Yerbrennungskraftmaschine wird der Gasdurchsatz mittels des lastvei'ntils 11 gedrosselt und verhältig weniger Brennstoff zugegeben.

Der zur Kammer 4 nachgeschaltete Wärmetauscher 9 kühlt den dampf- bzw. gasförmigen umgewandelten Brennstoff, so daß man eine Selbstentzündung bei Zugabe von Sekundärluft und Klopfen des Motors vermeidet und sich der Füllgrad der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine erhöht, was leistungssteigernd wirkt. Gleichzeitig trägt dieser nachgeschaltete Wärmetauscher dazu bei,¹ das der Kammer 4 zugeführte " Brennstoffgemisch aufzuheizen. Durch die besondere Anordnung und Schaltung der Wärmetauscher gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 wird eine höhere Y/ärme rückführung als durch die übliche Serienschaltung von zwei Wärmetauschern ermöglicht.

Die Steuer- und Regeleinrichtung 24 ist mit den gängigen Mitteln dafür ausgelegt, in Abhängigkeit von der beim Katalysator mittels des Temperaturfühlers 6 gemessenen Temperatur im Bereich unterhalb der Anspringtemperatur, die Zündeinrichtung 7 einzuschalten und die Benzindosiervorrichtung in Abstimmung auf schwach unterstöchiometrische-Verbrennung in \ Betrieb zu setzen. Bei der Anspringtemperatur erfolgt die Signalgabe, die Zündeinrichtung abzuschalten; oberhalb der Anspringtemperatur bis zum Erreichen der Reformierungstemperatur ist die die Anspringtemperatur übersteigende Temperatur am Katalysator maßgebend. Proportional zu dieser Temperaturdifferenz wird das Sekundärluftventil geöffnet und die Benzinzugabe erhöht. Beim Erreichen der Reformierungstemperatur erfolgt die Signalgabe, das Abgasventil allmählich zu öffnen und gleichzeitig ist selbsttätig auf Regelung zu schalten, wonach die Meßtemperatur als Führungsgröße für Primärluft, Brennstoffzuführung und Abgasrückführung dient. Es können Mittel für eine gleichzeitig überlagerte Steuerung vorgesehen

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sein, die eine Steuerung der Benzindosiervorrichtung in Abhängigkeit vom Öffnen des Lastventils bewirken. Solche Mittel erübrigen sich, wenn anstelle einer Dosiervorrichtung mit Einspritzpumpe eine Dosiervorrichtung verwandt wird, die abhängig vom Gasdurchsatz Brennstoff ansaugt. Mit der geschilderten Steuer- und Regeleinrichtung wird ein schnelles Hochfahren der Anlage erzielt.

Für die bereits geschilderte Variante mit besonders weichem Übergang der Temperatur in die Betriebstemperatur ist der Steuerteil so abzuändern, daß zwar das Sekundärluftventil proportional zu der die Anspringtemperatur übersteigenden Temperatur geöffnet wird, jedoch das Primärluftventil verhältig gedrosselt wird.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert werden:

Bei einem Sinterlochstein aus AIpO- als Katalysatorträger und Platin als Katalysator, wobei etwa 5 mg Platin auf ^ Trägermaterials kommen, erzielt man eine Anspringtemperatur von 12O⁰G, eine Reformierungstemperatur, die bei 420⁰C liegt und die Betriebstemperatur stellt sich etwa bei 48O⁰O ein. Der angeführte Katalysatorträger ist dabei aus Aluminiumoxid in reiner Form, beispielsweise als Sinterlochstein, herzustellen. Ein solcher Katalysatorträger kann bis 80O⁰C bi
vermindert.

bis 800⁰C belastet werden, ohne daß sich die Lebensdauer

Die Sinterlochsteine werden so aufgebaut, daß eine Vielzahl paralleler Gaskanäle entstehen, die naturgegebener Maßen poröse Oberfläche haben. Das Porenvolumen der Sintersteine . beträgt 20 bis 60 ?6, vorzugsweise 40 bis 50 $. Die Durchtrittsöffnungen, in Form von Bohrungen senkrecht zur Oberfläche, liegen in einem Bereich von 0,1 bis 2 mm. Die Anzahl der Durch-

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trittsöffnungen pro cm ist abhängig von deren Durchmesser.

2 Bei einem Durchmesser von etwa 1 mm weist 1 cm Sinterloch- Bteinfläche senkrecht zu den Gaskanälen beispielsweise etwa 40 Bohrungen auf. In einer Katalysatorkammer mit einer Innenabmessung von etwa 80 mm χ 80 mm χ 215 mm ist der Katalysatorträger im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 in Form -von drei zueinander parallel aufgestellten Sinterlochsteinen angeordnet, die eine Dicke von je 15 mm aufweisen und untereinander um 5 mm beabstandet sind.

Wenn eine Verbrennungskraftmaschine bei Betätigen eines Anlassers etwa 10 m Primärluft je kg CgH₁₆ ansaugt, was 50 Mol Luft je 1 Mol CqH₁₆ Brennstoff entspricht, so ist die Zündeinrichtung beispielsweise 10 Sekunden lang zu betätigen, bis die Anspringtemperatur von 120⁰C erreicht ist-.

Während des Warmlaufens wird das Luft/Brennstoffverhältnis beispielsweise von 10 m Primärluft je kg Brennstoff CoH₁/-bis auf 4 m Luft je kg Brennstoff durch Luftminderung verändert. Es kommen dann auf 20 Mol Luft etwa ein Mol Brennstoff. Dabei läuft in der Katalysatorkammer folgende Reaktion ab: .'· - .

4 (O₂ + 4 N₂) + CgH₁₆- ^ 4 CH₄ + 4 CO₂ + 16 N₂

In der Verbrennungskraftmaschine läuft dann bei zugesetzter Sekundärluft nachstehende Verbrennungsreaktion abi

(4 CH₄ + 4 CO₂ + 16 N₂) + 8 (O₂ + 4 N₂) ^

^ 8 CO₂ + 8 H₂O + 48 N₂

Ersetzt man' beim Umschalten auf Lastbetrieb die Primärluft solange zunehmend durch Abgas, bis die Katalysatortemperatur in-Richtung zur Betriebstemperatur zu sinken beginnt und erhöht dann wieder den Primärluftanteil zum Einschwingen in die

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Betriebstemperatur, so läuft dabei in der Katalysatorkammer folgende Reaktion abs

2 (O₀ + 4 N₀) + 2 (GO₀ + H₀O + 6 N₀) + C_nH

_o f Vt i*2^} "·" ^c ^"p 2 2' 8 16

5 CH₄ + 5 CO₂ + 20

In der Verbrennungskraftmaschine läuft dann nachstehende Verbrennungsreaktion ab:

5 CH₄ + 5 CO₂ + 2£§\ + 10 (O₂ + 4

10 CO₂ + 10 H₂O + 60

Im Diagramm nach Figur 2 ist auf der Ordinate die Temperatur T, die in der Nähe des Katalysators gemessen wird - Katalysatortemperatur - und auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Die dargestellte Kurve zeigt grob schematisch den Temperaturverlauf für zunehmende Brennstoffzugabe beim Warmlaufen. Mit T. ist die Anspringtemperatur, mit T„ die Reformierungstemperatur, mit T-D die Betriebstemperatur und mit T™ die Temperatur, bei der Abgas rückgeführt wird, bezeichnet. Daß der Temperaturverlauf oberhalb von T. nicht geradlinig ansteigt, hängt im wesentlichen damit zusammen, daß in der Katalysatorkammer 4 der Energiebedarf zum Aufheizen und der für die Brennstoffumwandlung als zwei parallel geschaltete Wärmesenken wirken. Deshalb wird ta^e^a erhöhter Zugabe von Brennstoff bei steigenden Temperaturen die Heizleistung vermindert.

22 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, wonach Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltender Brennstoff, wie beispielsweise Benzin, unter Zugabe von Primärluft oder Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine zur rußfreien Umwandlung bei erhöhter Temperatur in Methan und Kohlenmonoxid enthaltendes Spaltgas über einen mit Katalysator versehenen, feine Kanäle enthaltenden porösen Katalysatorträger geleitet und unter Zuführung von Sekundärluft der Verbrennungskraftmaschine zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlassen Brennstoff und

" schwach unterstöchiometrisch in Bezug auf eine vollständige Verbrennung Primärluft zugeführt und an einer Zündeinrichtung gezündet werden und die schwach unterstöchiometrische Zuführung der Primärluft bis zur Anspringtemperatur des Katalysators beibehalten wird und nach Erreichen der Anspringtemperatur zum Warmlaufen die Zugabe von Primärluft vermindert oder die Zugabe von Brennstoff - im Sinne der Verminderung des Luftanteils im Gemisch so lange erhöht wird, bis die Reformierungstemperatur für Brennstoff-Abgas-Gemisch erreicht ist und daß zum · Übergang auf Lastbetrieb ais Erreichen der Eeformierungstemperatur Primärluft und ein Teil des Brennstoffes durch

k Abgas unter Wärmeaustausch mit dem zum Katalysator geführten Gemisch in der Weise ersetzt wird, daß die Katalysatortemperatur auf eine vorbestimmte Betriebstemperatür ansteigt und auf diese einschwengt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übergang auf Lastbetrieb Primärluft durch Abgas im Verhältnis 1:1 ersetzt und der Brennstoff bei vollständigem Ersatz der Luft durch Abgas um i/3 vermindert wird . und daß bei teilweisem Ersatz die Verminderung anteilig zur ersetzten Luftmenge erfolgt.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Lastbetrieb zur Regelung der Katalysatortemperatur bei sinkender Temperatur der Abgasanteil vermindert und der Luftanteil sowie der Brennstoff erhöht werden und daß bei steigender Temperatur der Abgasanteil erhöht und der Luftanteil sowie der Brennstoff vermindert werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß im Lastbetrieb Primärluft und Abgas im Verhältnis 1:1 ersetzt werden und daß der Brennstoff bei vollständigem Ersatz der Primärluft durch Abgas um 1/3 vermindert und daß bei teilweisem Ersatz die Verminderung anteilig zur ersetzten Luftmenge erfolgt bzw. bei Ersatz des Abgases durch Primärluft der Brennstoff in umgekehrter Weise erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anlassen die Zugabe von Sekundärluft stark gedrosselt und beim Warmlaufen mit zunehmender Brennstoffzugabe bzw. sinkender Zugabe von Primärluft zunehmend mehr Sekundärluft zugegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen 1 und 5t dadurch gekennzeichnet, daß im Lastbetrieb zur Regelung der Katalysatortemperatur bei sinkender Temperatur Primärluft mit einer dazu stöchiometrischen Menge an Brennstoff zusätzlich zugegeben und bei steigender Temperatur die Zufuhr an Primärluft vermindert und die Zugabe an Brennstoff um. eine der Luftminderung stöchiometrische Menge Brennstoff vermindert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 1 bis • 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei enem vorgewählten Betrag oberhalb des bei Lastwechsels üblicherweise auf-

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tretenden größten Unterdrucks in der Spaltgas zur Verbrennungskraftmaschine zuführenden Ansaugleitung - Schub-, betrieb - die Abgasrückführung unterbunden wird und im Vergleich zum üblichen Lastbetrieb geringe Menge Primärluft und Brennstoff in stöchiometrischem Verhältnis zugegeben werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten auf Abgasrückführung zwischen der Reformierungs- und Betriebstemperatur bei schnellem Anstieg die Katalysatortemperatur - rasches Hochfahren von Anlassen über Warmlaufen -

ψ bei einer Temperatur- nahe der Reformierungstemperatur und bei langsamen Temperaturanstieg -langsames Hochfahren nahe der Betriebstemperatur vorgenommen wird. .

9· Verfahr.en nach Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen T und

7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten der Reformierungstemperatur sowie bei Überschreiten einer vorgewählten Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur bei extremen Betriebsfällen wie Leerlauf- oder Schubbetrieb, die Abgasrückführung unterbunden wird und daß . Primärluft und Brennstoff analog zur Warmlaufphase zugegeben werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einen der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Brennkraftmaschine der Gasdurchsatz in Strömungsrichtung hinter der Zuführung für Sekundärluft zur Leistungserhöhung gesteigert und verhältig mehr Brennstoff zugegeben wird und daß zur Leistungsminderung der Gasdurchsatz gedrosselt und verhältig weniger Brennstoff zugegeben wird.

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11. Verfahren nach Anspruch 1 oder einen der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeaustausch zwischen Abgas und dem zum Katalysator geführten Gemisch durchgeführt wird, bevor das Gemisch über den Katalysator geleitet wird und daß ein weiterer Wärmeaustausch zwischen dem Spaltgas hinter dem Katalysator und dem zum Katalysator zugeführten Gemisch durchgeführt wird, bevor man das Gemisch in Wärmeaustausch mit dem Abgas bringt.

12. Spaltvergaser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einen der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß einer Kammer (4) mit Sinterloch-, steinen (5), Temperaturfühler (6) und Zündeinrichtung (7) vor einem Sinterlochstein ein Wärmetauscher (8) vorgeschaltet und ein Wärmetauscher (9) nachgeschaltet ist;

daß eine Rohrleitung (10) vom nachgeschalteten Wärmetauscher zu einem steuerbaren Drosselventil (11) - Lastventil - und einem Anschluß (3) für die Brennkraftmaschine führt, vor dem eine-Rohrleitung (12) mit Sekundärluftventil (13). mündet;

und daß eine weitere Rohrleitung (10) vom nachgeschalteten Wärmetauscher (9) zu einer Brennstoffdosiervorrichtung (Ventil 15) führt, vor der ein Primärluftventil (17) angeordnet ist und daß zwischen diesen eine Rohrleitung (18) mündet, in der ein Abgasventil angeordnet ist, die zum vorgeschalteten Wärmetauscher (8) führt, wobei die Wärmetauscher zweifach miteinadner verbunden sind;

und daß vom vorgeschalteten Wärmetauscher (8) eine Rohrleitung (21) zu einem Anschluß (3) für die Abgasleitung (22) der Brennkraftmaschine (2) führt.

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13. Spaltvergaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (7) Glühdrähte aufweist, auf die Katalysatorsubstanz aufgebracht ist.

14. Spaltvergaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ScBTi Sinterlochstein (5) in den Heizstromkreis der Zündeinrichtung einschaltbar ist.

15. Spaltvergaser, insbesondere nach Anspruch 12, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zentrale Steuer- und Regeleinrichtung (24) mit Anschlüssen' (26) zum Steller (25) des Primärluft-

W . ventils (17), des Abgasventils 19, der Brennstoffdosiervorrichtuiig (H)₉ des Sekundärluftventils (13), des Lastventils (11), zu einem Schalter (27) für die Zündeinrichtung und Meßstellen in der Kammer (4) mit Sinterlochsteinen (5).

16. Spaltvergaser nach den Ansprüchen 12 und 15, gekennzeichnet durch ein Primärluftventil (17) mit offener Ruhestellung.

17. Spaltvergaser nach den Ansprüchen 12 und 15, gekennzeichnet durch eine Brennstoffdosiervorrichtung (14) für Brenn-

h stoffzugabe im Betrieb.

1-8. Spaltvergaser nach den Ansprüchen 12 und 15, gekennzeichnet durch ein Abgasventil (19) mit geschlossener Ruhestellung.

19. Spaltvergaser nach den Ansprüchen 12 und 15, gekennzeichnet durch ein Sekundärluftventil (13) mit gedrosselter Ruhestellung.

20c" Spaltvergaser nach den Ansprüchen 12 und 15» gekennzeichnet durch ein Lastventil (11) mit gedrosselter Ruhestellung,=

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21. Spaltvergaser nach. Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Steuer- und Regeleinrichtung (24), die in Abhängigkeit von der "beim Katalysator gemessenen Temperatur im Bereich unterhalb der Anspringtemperatur die Zündeinrichtung einschaltet und die Benzindosiervorrichtung in Abstimmung auf schwach unterstöchiometrische Verbrennung in Betrieb setzt; bei der Anspringtemperatur die Zündeinrichtung abschaltet und oberhalb der Anspringtemperatur bis zum Erreichen der Reformierungstemperatur proportional zu der die Anspringtemperatur übersteigenden Temperatur am Katalysator das Sekundärventil öffnet und die Benzinzugabe erhöht; beim Erreichen der Reformierungstemperatur das Abgasventil öffnet und auf Regelung schaltet, wonach die Meßtemperatur als Pührungsgröße für Primärluft-, Brennstoffzuführung und gegebenenfalls Abgasrückführung dient i;nd eine überlagerte Steuerung der Benzindosiervorrichtung in Abhängigkeit vom Öffnen des Lastventils bewirkt.

22. Spaltvergaser nach Anspruch 7 mit einer Steuer- und Regeleinrichtung nach Anspruch 13, dahingehend abgeändert, daß. das Sekundärluftventil proportional zu I^ die Anspringtemperatur übersteigenden Temperatur beim Katalysator geöffnet wird, jedoch das Primärluftventil verhältig gedrosselt wird.

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