DE3006525A1

DE3006525A1 - Verfahren und geraet zum messen des brennstoff-/luftverhaeltnisses eines gemisches, das einem verbrennungssystem zugefuehrt wird

Info

Publication number: DE3006525A1
Application number: DE19803006525
Authority: DE
Inventors: Peter Howard; David Weetman
Original assignee: Ricardo Consulting Engineers Ltd
Current assignee: Ricardo PLC
Priority date: 1979-03-15
Filing date: 1980-02-21
Publication date: 1980-09-25
Also published as: SE8002020L; GB2047898B; NL8001062A; GB2047898A; IT1145264B; IT8047898A0; FR2451581B1; FR2451581A1; US4283256A; JPS55132948A

Description

Verfahren und Gerät zum Messen des Brennstoff-/Luftverhältnisses eines Gemisches, das einem Verbrennungssystem zugeführt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Messen des Brennstoff-VLuftverhaltnisses, der sogenannten Anreicherung, eines Brennstoff-Luft-Gemisches, das einem Verbrennungssystem zugeführt wird, welches mit einem flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff arbeitet (im folgenden als Verbrennungssystem der angegebenen Art bezeichnet).

Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für die Messung der Gemischanreicherung bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, z.B. Kraftfahrzeugmotoren, anwendbar. Seit einigen Jahren lastet auf der Automobil Industrie in verschiedenen Ländern großer Druck zur Verringerung der Schadstoffe in den Auspuffgasen von Strassenfahrzeugen, und der von der .Gesetzgebung erfaßte Bereich dehnt sich progressiv aus, um alle Arten und Größen von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung zu erfassen.

Eine große Anzahl von Geräten wurde zum Messen der verschiedenen Komponenten in Brennkraftmaschinen-Auspuffgasen, wie Kohlenmonoxid, Stickoxide , unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid und Sauerstoff entwickelt. Diese Geräte wurden für Forschungs- und Entwick!ungszwecke zum Verringern der Auspuffgas-Emissionen, für amtliche Tests, ob neue Fahrzeugmodelle den gesetzlichen Vorschriften entsprechen, und für Routinetests von zufällig herausgegriffenen Fahrzeugen aus der Serie verwendet.

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Teils zur Minimattierung der Stickoxid-Menge in den Auspuffgasen und teils zur Erzielung von Verbesserungen beim Brennstoffverbrauch besteht eine zunehmende Tendenz, Benzinmotoren mit magerem Gemisch zu betreiben, d.h. mit Gemisch, in dem ein Sauerstoff-überschuss über der zur stöchiometrisehen Verbrennung erforderlichen Menge vorhanden ist. Somit besteht einzunehmender Bedarf an Geräten zur schnellen und vollständigen Bestimmung der Anreicherung des einer Brennkraftmaschine zugeführten Brennstoff-/Luftgemisches. Solche Geräte müssen mit den Abgasen der Brennkraftmaschine

IQ betrieben werden, und es ist zweckmäßig, die Bestimmung der Gemischanreicherung auf der unmittelbaren Messung der in den Abgasen enthaltenen Gasanteile zu gründen.

Bekannte Verfahren arbeiten für Forschungs-, Produktions- und Inspektionstests in der Fabrik meist zufriedenstellend. Es besteht jedoch ein zunehmender Bedarf für kleinere, unabhängige und tragbare Geräte. Solche Geräte werden dazu benötigt, Forschungs- und Entwicklungsversuche an Fahrzeugen in einem ganzen Bereich von Betriebszuständen auf der Straße durchführen zu können, einschließlich der Wirkung von Betrieb in großer Höhe, wobei verschiedene Gemisch-Regeleinrichtungen benutzt'werden können sollen. Da die strengen Anforderungen der Emissionsgesetze über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeuges beachtet werden müssen, wird der Bedarf für ein relativ kleines, leichtgewichtiges, unabhängiges, robustes und tragbares Gerät geschaffen, das relativ leicht zu bedienen ist. Ein solches Gerät kann die Wartung in der Werkstatt, periodische Fahrzeug-Wartungsteste und die polizeiliche überwachung erleichtern.

Es besteht nach alldem der Bedarf für ein leichtes, tragbares, unabhängiges Gerät, das ausgehend von den Abgasen direkt das jeweils zutreffende Äquivalenz-Verhältnis anzeigt oder unter Zuhilfenahme eines geeigneten Schreibers eine kontinuierliche Aufzeichnung des Äquivalenzverhältnisses über der Zeit bewerkstelligt.

Unter "Äquivalenz-Verhältnis" ist dabei das Verhältnis des Ist-Brennstoff-/Luftverhältnisses des dem Motor zugeführten Gemisches

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zum stöchiometrisehen Brennstoff-/Luftverhältnis des verwendeten Brennstoffs verstanden. Zahlenwerte größer als 1 für dieses "Äquivalen verhältnis" bezeichnen eine magere Gemischanreicherung, d.h. einen SauerstoffÜberschuß in dem Gemisch. Zahlenwerte kleiner als 1 bezeichnen einen Sauerstoffmangel , d.h. ein fettes Gemisch.

Gemäß der Erfindung ist ein Gerät der eingangs genannten Art durch Mittel zum kontinuierlichen, vollständigen Verbrennen einer kontrollierten Menge eines Gemisches aus einem Kohlenwasserstoff-Heizbrennstoff

1Q mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas oder Gasgemisch (im folgenden als "Luft" bezeichnet) zur Erzeugung einer kontinuierlichen Speisung eines Referenzgases aus gasförmigen Verbrennungsprodukten, die einen bekannten Anteil freien Sauerstoffs enthalten; Mittel zum Mischen

eines Probenstroms der Auspuffgase aus dem Verbrennungssystem r~x ——^r¹

kontrollierten Anteilen; Mittel zum katalytisehen Oxidieren des Gemisches aus dem Probengas und dem Referenzgas zur Oxidation sämtlicher unverbrannter Komponenten, die aus dem Probenstrom in dem Gemisch abgeleitet sind, wobei die durch die Verbrennung des Heizbrennstoffes und der Luft erzeugte Wärme zum Aufrechterhalten der katalytisehen Oxidation verwendet wird; und eine überwachungsvorrichtung zum Messen des Anteiles an freiem Sauerstoff in den gasförmigen Reaktionsprodukten der katalytischen Oxidation, von welcher Messung zusammen mit vorbestimmten Daten das Brennstoff-/Luftverhältnis hergeleitet werden kann , gekennzeichnet.

Sehr geeignet als Heizbrennstoff ist Propangas, das ohne weiteres in kompakter Flaschen form , erhältlich ist und den Aufbau eines kompakten und einfach tragbaren Gerätes gestattet, welches unabhängig von äusseren Energiequellen ist. Es können jedoch auch andere flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe einschließlich Alkoholen als Heizbrennstoffe anstelle vonPropangas verwendet werden.

Zur Messung des Sauerstoffgehaltes der katalytischen Reaktionsprodukte kann eine Sauerstoff-Sensor-Zelle verwendet werden, die eine Feststoff-Elektrolyt-Oxid-Zelle, z.B. einen Zirkon-Sauerstoff-Sensor, aufweist.

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Viele bekannte Sauerstoff-Meßgeräte nutzen die bekannten Eigenschaften eines Zirkon-Feststoff-Elektrolyt-Sauerstoff-Sensors, um die Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch zu bestimmen. Das Sensorelement dieser Bauart ist oft im wesentlichen ein einseitig geschlossen Zirkon-Röhr- dessen elektrisches Leitfähigkeitsverhalten über der Temperatur durch stabilisierende Zusätze wie Kalzium, Yttrium, Magnesium oder dergleichen bei der Herstellung verändert worden ist. Dünne Schichten aus porösem Platin sind auf den Innen- und Außenflächen des Zirkon-Röhrchens abgelagert und wirken als Elektroden. Es wurde gefunden, daß bei einer derartigen Zelle ein Unterschied der elektromotorischen Kraft vorhanden ist, der sich logarithmisch mit dem Verhältnis des Sauerstoff-Partial-Druckes über das Zirkon-Röhrchen verändert. Dieser Effekt wird beträchtlich verstärkt, wenn das Zirkon-Röhrchen auf eine hohe Temperatur aufgeheizt ist. In einem solchen Gerät wird bei Verwendung eines Zirkon-Sauerstoff-Sensors zweckmäßig mit einer Betriebstemperatur nahe 700⁰C gearbeitet, und die durch die Verbrennung des Heizbrennstoffes und der Luft erzeugte Temperatur kann auch dazu benutzt werden, die geforderte hohe Betriebstemperatur des Zirkonsensors bereitzustellen. 20

In der Praxis wurde es als 'zweckmäßig gefunden, atmosphärische Luft als Referenzgas für die Zirkon-Sensor-Zelle zu verwenden, weil Luft einainahezu konstanten Prozentsatz an Sauerstoff enthält, der 21% oder einer Konzentration von 0,21 entspricht.Dementsprechend wird ein Strom atmosphärischer Luft als Referenzgasstrom durch das Innere des Zirkon-Röhrchens geleitet, während die Außenseite des Röhrchens einem Strom des Gasgemisches ausgesetzt wird, von welchem die Sauerstoff-Konzentration ermittelt werden soll. Die elektromotorische Kraft an der Zirkonzelle, welche beim Vorbeiströmen des katalytischen Reaktions-Gasgemisches an der Außenseite des Zirkon-Sensors erzeugt wird, wird zum Anzeigen oder, falls erforderlich, kontinuierlichen Aufzeichnen über der Zeit der Konzentration an freiem Sauerstoff in den katalytischen Reaktionsprodukten ausgenutzt. Die abgegebene EMF des Zirkon-Sensors hat einen geraden Verlauf bezüglich des Logarithmus des Verhältnisses der Sauerstoff-Partial-Drücke auf den

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Z.B. kann eine Gasströmungsschaltung vorgesehen sein, bei welcher volumetrische Ströme mit bekannten Anteilen des Probengases und des Referenzgases , z.B. gleiche Ströme, dazu veranlaßt werden, unter gleichen Druckabfällen durch zwei ähnliche Rohrwicklungen mit bekannten proportionalen Strömungswiderständen, z.B. gleichen Strömungswiderständen, hindurchzuströmen, wobei die Wicklungen/Wärmeaustausch mit den Verbrennungsprodukten der katalyti sehen Reaktion im ersten Reaktor stehen, und die beiden Ströme können nach dem Passieren der beiden Wicklungen gemischt und die Mischung durch das zentrale Gehäuserohr geschickt werden, um den zweiten Reaktor und die genannte Zelle zu durchströmen.

beiden Seiten des Sensors,solange freier Sauerstoff stets in den zugeführten Gasen vorhanden ist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Gerätes nach der Erfindung ist \ vorgesehen, daß ein Gehäuse einen ersten katalytisehen Reaktor . _; mit einem Hohlteil von Ringquerschnitt und einer offenendigen, zentralen Bohrung enthält, durch welche sich ein zentrales Gehäuserohr ent- · ; haltend einen kleineren zweiten katalytisehen Reaktor sowie den Betriebsteil der Zelle erstreckt; daß Mittel zum Passierenlassen eines kontrollierten Stromes des Gemisches aus Heizbrennstoff und Luft ] durch den ersten Reaktor außerhalb des zentralen Rohres vorgesehen jsind, wodurch die Betriebstemperatur in der Zelle und des zweiten i Reaktors erzeugt und durch katalytisehe Reaktion im ersten Reaktor : aufrechterhalten wird, und daß Mittel zum Durchleiten des Gemisches I aus Probengas.und Referenzgas durch das zentrale Gehäuserohr zuerst \ durch den zweiten Reaktor und dann durch die Zelle vorgesehen sind.

Es sind ferner Mittel zum Abziehen eines Probenstroms des Referenzgases , welches den ersten Reaktor verläßt, sowie Mittel zum Zuführen einer Mischung dieses Probenstromes und des Probenstromes aus den Auspuffgasen aus dem Verbrennungssystem in bekannten Anteilen zu dem zentralen Gehäuserohr vorgesehen, so daß das Gemisch zunächst den zweiten Reaktor und dann die überwachende Zelle passiert.

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Wenn das Gerät zum Messen der Gemischanreicherung am Einlaß einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung verwendet wird, kann der Meßweri der genannten Zelle elektronisch weiterverarbeitet werden, um über ein Anzeige- oder Aufzeichnungsgerät direkt das Äquivalenzverhälttiis (wie oben definiert) des brennbaren, zum Motor oder einem anderen· Verbrennungssystem gespeisten Gemisches anzugeben.

Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zum Messen des Brennstoff-Luftverhältnisses eines zu einem Verbrennungssystem gespeisten Brennstoff-Luft-Gemisches, wobei das Verbrennungssystem mit flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen arbeitet, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß eine kontinuierliche, vollständige Verbrennung einer kontrollierten Speisemenge eines Gemisches aus Kohlenwasserstoff-Heizbrennstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Gas oder einer gasförmigen Mischung (im folgenden als "Luft" bezeichnet) vorgenommen wird, um als Referenzgas eine kontinuierliche Menge gasförmiger, in bekanntem Anteil Sauerstoff enthaltender Verbrennungsprodukte zu erzeugen, daß ein Probenstrom von Auspuffgasen aus dem Verbrennungssystem mit einem Strom des Referenzgases in kontrollierten Anteilen gemischt wird,daß die genannte Mischung aus Proben- und Referenzgas zum Oxidieren jeglicher unverbrannter , im Probenstrom des Gemisches enthaltener Komponenten katalytisch oxidiert wird, wobei die Verbrennungswärme des genannten Gemisches aus Heizbrennstoff und Luft zum Aufrechterhalten der katalytischen Oxidation verwendet wird; daß der Anteil an freiem Sauerstoff in den gasförmigen Reaktionsprodukten der katalytischen Oxidation gemessen wird und daß das Meßergebnis zusammen mit vorbestimmten Daten zum Ableiten des Brennstoff-/ Luftverhältnisses der brennbaren Mischung, die zu dem Verbrennungssystem gespeist wird, verwendet wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Meßteil und einen katalytischen Oxidationsteil eines tragbaren Gerätes gemäß der Erfindung;

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Fig. 2 ein Blockschaltbild für den Strömungsverlatif und die Regelung des gesamten Gerätes nach Fig. 1;

Fig. 2A ein entsprechendes Widerstands-Netzwerk, das dem Strömungs- |

Blockschaltbild nach Fig. 2 entspricht und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung, welche in Verbindung mit dem Gerät nach Fig. 2 verwendet ist.

Das tragbare Gerät 10 gemäß den Figuren 1 und 2 dient zur direkten Messung des resultierenden Sauerstoff-Gehaltes eines Probenstroms " ; von Auspuffgasen beispielsweise einer Brennkraftmaschine mit innerer >.

Verbrennung nach der Zumischung eines bekannten Anteiles eines getrennten Referenzgases, daß ausschließlich Stickstoff, Kohlendioxid und Sauerstoff enthält, wobei das resultierende Gemisch einer katalytischen Oxidation in einem Hohl teil oder einer Matrix zum Oxidieren der kleinen, in der Maschine unverbrannten Kohlenmonoxid- ,

und/oder Kohlenwasserstoffanteile unterzogen wird und wobei davon '

die direkte Messung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses einer der Brenn- j

kraftmaschine zugeführten nominellen Gasladung abgeleitet wird. '. j

Der Auspuffgas-Probenstrom wird von der Auspuffleitung 11 der Brennkraftmaschine gemäß Figur 2 abgezweigt. Das Gerät weist eine schnell ansprechende Feststoff-Elektrolyt-Oxidzelle 12 in Gestalt eines Zirkon-Sensors auf, dessen Betriebsteil von einem ersten katalytischen Reaktor 13 mit Ringquerschnitt in einem Gehäuse 14 umgeben ist. Das Gehäuse 14 hat einen Einlaß 15 für Luft und einen Einlaß 16 für Heizbrennstoff, in diesem Fall Propangas, wobei die Einlasse 15 und in eine Mischkammer 17 im äußeren Ringteil des Gehäuseinneren stromaufwärts vom ersten Reaktor 13 münden. Ein kleiner zweiter katalytischer Reaktor 18 ist in einem zentralen Rohr 14A des Gehäuses untergebracht, wobei sich dieses Rohr durch die Bohrung 19 des ringförmigen ersten Reaktors 13 erstreckt und wobei der zweite Reaktor 18 stromaufwärts von dem Zirkon-Sensor 12 im zentralen Rohr 14A angeordnet ist.

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Die beiden konzentrischen katalytischen Reaktoren 13 und 18 sind vorzugsweise von der Bauart mit monoliti scher Matrix-Unterstützung, wobei auf den beiden Oberflächen der Matrizes ein Oxidationskatalysator aus Platin oder einem Platin mit Aditiven aufgebracht ist. Der größere erste Reaktor 13 wird dazu eingesetzt, das Gemisch aus Heizbrennstoff und Luft, welches der Kammer 17 zugeführt wird, zu verbrennen, um die gesamte innere Anordnung aufzuheizen und die verlangte Betriebstemperatur von etwa 700 ° C- aufrecht zu erhalten, die für den Zirkon-Sensor 12 erforderlich ist. Beim Starten aus dem Kaltzustand wird eine kleine elektrische Heizung (nicht gezeigt) örtlich eingesetzt, um die Matrix des Reaktors 13 zu heizen. Sobald die Oxidation des Heizbrennstoff-Luft-Gemisches begonnen hat, erzeugtdas Verfahren aus sich selbst heraus Wärme; die elektrische Heizung kann abgeschaltet werden. Diese Startheizung kann wenn erforderlich von einer Fahrzeugbatterie gespeist werden.

Nach dem Einsetzen des Oxidationsprozesses des Heizbrennstoff-Luft-Genrisches, welches einen Sauerstoffüberschuß aufweist, und nach dem Aufwärmen der Katalysator-Matrizes auf die gewünschte Betriebstemperatur sind Vorkehrungen dafür getroffen, daß Proben gleicher Gasvolumina bei gleichen Drücken aus den Heizbrennstoff-Verbrennungsprodukten bei 24 und aus der Auspuffleitung 11 -der Brennkraftmaschine entnommen werden und getrennt voneinander durch KapiUarrohr-Wicklungen 51 und 47 gleichen Widerstandes in den Raum 22 im zentralen Rohr 14A zur linken Seite der kleinen zweiten Oxidations-Katalysator-Matrix 18 geführt werden, wo die beiden Proben miteinander gemischt und über das Bett des Katalysators geleitet werden. Hier werden sämtliche im Auspuffgas verbliebenen oxidierbaren Produkte zu Kohlendioxyd oder Wasser oxidiert. Die vollständig oxidierten· Verbrennungsprodukte passieren die Außenseite des Zirkon-Sensors 12, welcher die in den Gasen verbleibende Sauerstoffkonzentration mißt, und verlassen dann das Gerät über einen Auslaß 23. Derjenige Anteil der Heizbrennstoff-Verbrennungsgase, die nicht mit der Probe aus Auspuffgas der Maschine gemischt worden!

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sind, wird über einen ersten Bypass 24 in die Atmosphäre entlassen. Die Temperatur-Meßspitze eines Thermopaares 25 ist nahe dem Zirkon-Sensor 12 angeordnet und in erster Linie dazu eingesetzt, daß Temperaturen nahe 700 ° C gehalten werden könnnen, wobei ein direkt ablesendes Meßinstrument verwendet ist, das in Figur 3 mit 26 bezeichnet ist und als "Feuer-AuSrML?sser"("Flame-Qut Meeter") benannt werden kann. Ferner ist das Thermopaar in Verbindung mit einem Analogrechner 62 benutzt, der ebenfalls zu dem tragbaren Gerät 10 gehört, um die von dem Zirkon-Sensor 12 abgegebene EMF bei kleineren Abweichungen der Temperatur von dem vorbemessenen Betriebswert zu korrigieren.

Wie beschrieben verwendet das Gerät einen gesonderten Heizbrennstoff, um die Katalysatoren-Betten und den Zirkon-Sensor aufzuheizen und bei der erforderlichen Betriebstemperatur zu halten, und um ferner das Referenzgas zur Mischung mit den Probengas bereitzustellen. Während ursprünglich allein geplant war, in Flaschen abgefülltes Propan- oder Butangas zu verwenden, das einfach als Heizbrennstoff im Einzelverkauf erstanden werden kann, wäre es auch ■ /<:

möglich, bei Vornahme geeigneter Abänderungen andere Brennstoffe einschließlich flüssiger .Brennstoffe als Heizbrennstoff zu verwenden, sogar beispielsweise den Brennstoff, mit welchem die Brennkraftmaschine betrieben wird.

Im folgenden sollen nun die Mittel zum Speisen des Heizbrennstoffes, das heißt des Propangases, und der Luft zusammen mit der Probe des · j ' Auspuffgases zu den Katalysatorbetten anhand der Figur 2 beschrieben werden, welche schematisch ein Gas-Flußdiagramm für das gesamte Gerät zeigt. Figur 2A wurde zur Erleichterung des Verständnisses der Figur 2 als entsprechendes Widerstands-Netzwerk gezeichnet.

Gemäß Figur 2 werden ein Luftverdichter 30 und eine Vakuumpumpe 31 mittels eines gemeinsamen Elektromotors (nicht gezeigt) angetrieben. Der Luftverdichter 30 speist Luft in ein Reservoir 33, in welchem der Druck mittels eines einstellbaren, selbsttätigen Ent-

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lüftungsventiles 34 gesteuert wird. Der Druck wird auf einen Pegel zwischen 1,1 und 1,5 bar eingestellt, wobei der Ist-Druck von dem ausgewählten Brennstoff-Luft-Verhältnis abhängt, wenn das Gerät für Testzwecke eingestellt wird, und wobei der Ist-Druck ferner mit der Menge des von einer Speiseflasche 35 über ein Regelventil 36 und eine Drossel 37 mit kritischer Strömungsgeschwindigkeit gespeisten Heizbrennstoffes in Wechselwirkung steht. Die aus dem Reservoir 33 gespeiste Luft passiert ebenfalls eine Drossel 38 mit kritischer Geschwindigkeit. Stromabwärts von den kritischen Drossel öffnungen vereinigen sich die Gas- und Luftströme, vermischen sich miteinander und strömen in die Kammer 17 stromaufwärts von der ersten Verbrennungs- (Oxidations-) Katalysator-Matrix 13 ein. (In Figur 1 sind die Gas- und Luft-Ströme als in die Kammer 17 im Gehäuse 14 getrennt eintretend und sich in der Kammer 17 mischend dargestellt. Beide Anordnungen können verwendet werden).

Stromabwärts von der Matrix 13 strömen die Verbrennungsprodukte der Heizbrennstoff-Verbrennung, die immer noch Sauerstoff enthalten, zu dem ersten Bypass 24, der am Punkt P stromabwärts des Punktes S zur Entnahme der Auspuffgasprobe in das Auspuffgas-Probenentnahmerohr 44 über einen Knotenpunkt N strömt, von dem aus zwei parallele Strömungswege abzweigen. Der eine Strömungsweg führt über eine Leitung 39 mit einer Drossel 40, und der andere Strömungsweg führt über eine Leitung 41 mit einem Druckregel ventil 42. Die Strömung durch die Leitung 39 endet in einem T-Stück an einem Punkt X, von dem aus ein Zweig über ein drosselndes Rohr 45 die Verbindung mit dem Auspuffgas-Probenentnahmerohr 44 am Punkt P herstellt, während der zweite 7weig an eine Leitung 46 angeschlossen ist. Diese Leitung 46 führt über ein gewundenes Kapillarrohr 47, welches die heißen Verbrennungsprodukte im äußeren Ringteil des Gehäuses 14 stromabwärts vom ersten Reaktor 13 eintaucht, in die Kammer 22 auf der stromaufwärts gelegenen Seite des zweiten Reaktors 18. Der Druck in dem Auspuffgas-Probenentnahmerohr 44 bei S und P liegt gewöhnlich geringfügig über dem atmosphärischen Druck,

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während der Druck auf der stromabwärts gelegenen Seite des zweiten Reaktors 18 bei einem geringfügig negativen Druck mittels einer Leitung 48 gehalten ist, die zur Vakuumpumpe 31 führt, wobei ein Regelventil 49 in einem T-Abzweig den Druck auf einem gewünschten Wert unterhalb Atmosphären druck hält. Im Ergebnis strömen Auspuffgase von Punkt S durch eine Leitung 50 über ein zweites Kapillarrohr 51, das in die heißen Verbrennungsgase aus dem ersten Reaktor eintaucht, zur Kammer 22 auf der stromaufwärts gelegenen Seite des zweiten Reaktors 18.

Weil die Drücke an den Punkten X und Y in den Leitungen 46 und 50 gleich gehalten werden und die Leitungsführung von diesen beiden Punkten aus so gewählt ist', daß gleiche Strömungswiderstände herrschen, sind die Volumina, der aus dem ersten Reaktor abgegebenen Gase und der Maschinenauspuffgase, die in der Zeiteinheit durch die Kapilarröhren 47 und 51 strömen, gleich. Diese Ströme mischen sich in der Kammer 22, und die Mischung passiert den zweiten Reaktor 18, in welcher jegliche, in den Maschinenjabgasen enthaltenen brennbaren Produkte vollständig durch den Überschuß Sauerstoff oxidiert werden, der in den sauerstoffreichen Verbrennungsprodukten aus dem ersten Reaktor enthalten ist.

Vor dem Durchführen eines Tests ist erforderlich, das Brennstoff-Luftverhältnis für die Heizbrennstoff-Verbrennung so einzustellen, daß eine adäquate Sauerstoffmenge in den aus dem ersten Reaktor entweichenden Gasen noch enthalten ist, um jegliche unverbrannte Restmengen in den Maschinen-Auspuffgasen oxidieren zu könnnen. Zu diesem Zweck wird eine normalerweise abgeschaltete Hilfsluftquelle an einem Punkt 52 stromaufwärts von der kritischen Drossel abgezweigt, wobei dieser Zweig über ein einstellbares Druckventil und über ein Kapiliarrohr 54 zum Verbindungspunkt Y mit der normalen Auspuffgas-Probenleitung 50 geführt ist. Bei Eichbedingungen steht die Maschine still, so daß am Punkt Y ausschließlich reine Luft in die Leitung 50 eintreten kann. Es werden Druckeinstellungen vorgenommen; weil aber gleiche Drücke bei X und Y herrschen, sind auch die Volumina der reinen Luft und der Abgasprodukte aus dem ersten

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Reaktor, die in der Rammer 22 zusammengeführt sind, gleich.

Wie schon gesagt besteht ein wesentliches Merkmal des Gerätes in der Verwendung einer getrennten Ifelle aus brennbarem Dampf oder Gas, daß mit einem Luftüberschuß vermischt wird, so daß die katalytischen Matrizes auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden. Die folgende Beschreibung des chemischen Hintergrundes und einer Rechneranordnung basiert auf der Verwendung eines Zirkon-Sauerstoff-Sensors 12, der als Sauerstoff-Konzentrati ons Sensor, wohl bekannt ist. AußeHdem Zirkon-Sensor können auch andere Sensoren zur Messung der Sauerstoff-Konzentration eingesetzt werden, so_ufern entsprechende Modifikationen an der Ausgabeschaltung vorgenommen werden.

Signal-Konditionierungs-Schaitung (Figur 3)

Wenn ein Zirkon-Sensor mit freiem Sauerstoff betrieben wird, welcher in einem ■ dem Sensor zugeführten Gasgemisch enthalten ist, wird ■■ .· - j eine elektromotorische Kraft (Spannung) über der Zellenwand erzeugt, von der jede Seite eine dünne Schicht aus darauf aufgebrachtem porösenPlatin enthält, die als Elektrode wirkt. Die dabei erzeugte Spannung folgt dem Nernst' sehen Gesetz:

_V=K.T.log_e_

Worin V=die erzeugte Spannung ...... K=Konstante für eine -vorgegebene Zelle T=absolute Betriebstemperatur

' . pO2"=PartTaldruck'des"in dem: zu messenden Gasgemisch vorhandenen Sauerstoffes

p0p=Partialdruck des im Referenzgas enthaltenden Sauerstoffes; bei der vorliegenden Anmeldung handelt es sich um atmosphärische Luft.

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Für den zufriedenstellenden Betrieb muß die Betriebstemperatur der Zirkon-Zelle 12 ausreichend hoch liegen. Für den vorliegenden Fall wird vorgeschlagen, daß die Betriebstemperatur bei 700 ⁰C (973°K) liegt. Da das Ausgangssignal des Zirkon-Sensors 12 jedoch temperaturabhängig ist, wird das Thermopaar 25 dazu verwendet, die Ist-Arbeitstemperatur zu messen.

In Figur 3 sind der Zirkon-Sensor 12 und das Thermopaar 25 auf der linken Seite dargestellt. Das "Feuer-Aus"-Meßgerät 26 ist ein Millivoltmeter hoher Impedanz, der ein visuelles überwachen der Betriebstemperatur in den katalytischen Betten 13 und 18 unmittelbar benachbart dem Zirkon-Sauerstoff-Sensor 12 ermöglicht.

Das Thermopaar 25 ist an der. Eingang hoher Impedanz eines Verstärkers 60 angeschlossen, welcher Schaltungen zum Liniarisieren des vom Thermopaar empfangenen Signals aufweist, weil die EMF des Thermopaares nicht ganz linear mit der Temperatur geht. Dies ist übliche moderne Praxis.

Nun entspricht das Ausgangssignal des Zirkon-Sensors 12 nur einer kleinen Anzahl von Millivolt und wird durch den Widerstand der Meßschaltung bestimmt. Aus diesem Grund ist der Sensor 12 mit dem Eingang hoher Impendanz eines Pufferverstärkers 61 verbunden.

Die Ausgänge des Verstärkers 60 und des Pufferverstärkers 61 werden so geschaltet, daß sie getrennte Eingänge einer Temperatur-Kompensations-Verstärkerschaltung 62 bilden, deren Zweck es ist, das aus der Sensor-Zelle 12 über den Pufferverstärker 61 ankommende Signal davon abhängig zu vergrößern oder zu verkleinern, ob der Thermopaar-Meßwert unterhalb oder oberhalb der gewünschten Referenztemperatur von 700 ⁰C (973°K) liegt. Der Ausgang des Verstärkers erzeugt ein Signal V_f, das proportional zum Logarithmus des Verhältnisses p0₂"/p0₂ bei Normal temperatur von 700 ⁰C (973°K) ist,

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nämlich

P⁰Z "

V_f - K₁ ,uy_e — , ₍₂₎

^P 2

worin K.. eine Konstante der in Gebrauch befindlichen Zirkon-ZeITe bei einer Standard-Betriebstemperatur von 700 ⁰C verbunden mit dem elektrischen Multiplizierfaktor in den Schaltungen ist, die bis zu diesem Stadium benutzt wurden. Gleichung (2) kann in folgende Form gebracht werden: 10

P°2 " V,

_w = Antilog_e _f _(&)

Der Baustein 63 ist ein üblicher Baustein zur elektrischen Durchführung dieses Anti-Logarithmierens.

Nun ist p^'/P^ proportional zum Verhältnis des volumetrisehen Anteils von Sauerstoff in der gemessenen Probe zum Anteil des im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffs, das in diesem Fall Luft ist. Dies ist der Wert C des a.nti-Loga-i 1hmiertenAusgangssignals des Zirkon-Sensors 12. In dem Rechner- und Verstärker-Netzwerk 27, daß entweder analog oder digital sein kann, werden zwei Eingangsgrößen η und Cp eingegeben, η ist das bekannte Wasserstoff-ZKohlenstoffverhältnis für den in der betreffenden Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung verwendeten Brennstoff, und η und Cp sind während eines spezifischen Tests konstant.

Das Ausgangssignal aus dem Rechner-Netzwerk 27 kann dazu benutzt werden, eine direkte Anzeige des Brennstoff-Luftverhältnisses des der Maschine zugeführten brennbaren Gemisches mittels einer di Anzeigevorrichtung 64 zu geben. Das Ausgangssignal des Rechners 27 kann auch über einen Impedanz-Anpassungs-Trennverstärker (Impedance matching buffer) 65 zu Ausgangsklemmen 66 geführt werden,

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um den Schreibstift eines zweckmäßigen Schreibers anzutreiben und so eine kontinuierliche Aufzeichnung über der Zeit von Schwankungen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses zu erzeugen.

Chemische Gleichungen, die beim Erhalten von Beziehungen_für die Anzeige eine Rolle spielen.

Die Verbrennungsgleichung für den Maschinenbrennstoff lautet grundsätzlich:
10

2CH + (2 + n) O₉ = 2CO₉ + n.HLC·

oder volumetrisch:

1CH + (1 + n) O₉ = 1CO₉ + n.O η -^e. c^c

Luft enthält 21 % O₂ und 79 % N₂, das hei fit ein Teil O₂ ist 3,76 Teilen N₂ zugeordnet. Somit gilt:

1 vol CH + (1 + n) (O₉ + 3,76 N₉) vol Luft

Π ^c. C

= 1 vol CO₂ + !5 vols H₂O + 3,76 (1 + -j) vol N₂

Wenn gilt:
25

Heizbrennstoff für Gerät 10 hat H/C-Verhältnis = n₁ ,-Maschinenbrennstoff hat H/C-Verhältnis = n. das Maschinen-Äquivalenz -Verhältnis Λ ist

Ist-Brennstoff-Luft-Verhältnis

λ -

2Q Stöchiometrisches Brennstoff-Luft-Ver

hältnis

das Brennstoff-Luftverhältnis für die Heizbrennstoff-Verbrennung = x;

030039/0636 ' '

dann gilt für die Heizbrennstoff-Verbrennung 3006525

I vol CH 4 x(J 4 nj_) (O₂ + 3,76n₂) vol\ -+

ⁿl 4

1 vol CO₂ + n_i_ vol H₂O + 3,76 (1 + nj) vol.- N₂
2 4

+ (x - ])(1 + IT₁)(O₃ + 3,76 N₂) vol ^!

-- 1 vol CO₃ 4 nj vol H₂ O 4 3.76 (1 4 ry_) (x - 1 4 1) vol N₂

2 4 ^;

4 (x - 1) (1 + ni > vol O₂

und fordie Maschine:

3 vol CH + λ(1 f n) (O₂ + 3,76 N₂) vol

ⁿ 4

-> 1 vol CO₂ + n_ vol. H₂O + 3,76 (1 + n) vol N₂
2 4

4 (λ - J } (1 + η) vol O₂ + (λ - 1) (1 +η) 3,76 vol N₂

4 4

- 1 vol CO₂ + η vol. H₂O + 3,76 . λ (1 + η) vol -N₂

2" 4.

4 (λ - 1) (1 +η) vol O₂
4

Nun werden gleiche Volumina der Verbrennungsprodukte des Heizbrennstoffes und derjenigen der Maschinenabgase kombiniert.

Dann ergibt sich für das Einheitsvolumen der Verbrennungsprodukte aus dem Heizbrennstoff + das Einheitsvolumen der Maschinenabgasproduktej unter Weglassung des Wortes "vol " zur Vereinfachung:

ÜL ILl Ξ2_

CO₂ + 2 . H₂O + 3,76 (14- 4 ) (χ) N₂ + (χ - 1) (1 + A ) O₂ 1 + n_]_ - 3, 76 (1 + nj_) (x) + (χ - 1) (1 -f nj_)

2 4 4 j

Ξ Ε. Ξ

₊ CO₇ + "2* H; O + 3,76. λ(1 +T) K₂ 4 (λ - I)(I 4 T) Q₂

1 + £ + 3,7ΐΓλ (1 4 η) 4 (λ - 1) (1 + η) '

2 4 4 .

und ein Gesamtvolumen =2.

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Das Gesamtvolumen des 0~ in 2 Volumenteilen des Abgasgemiscnes beträgt

iscnes beträqt!

ill

1 + hi + 3,76(l+ni ) (x) + (x-l) (1+nj) 2 4 4'

(λ - .1) {1 + 4)

- η + 3,76λ (1+η) + (λ-1) (Hn) 2 4 ..-

(X-D

λ -

¹I + JT₁ ~] + 3,76χ + (χ -1)

+ η_ι 4'

+ rp

+ η
J

+ 3,76 λ + (λ

- D

(X-D

(λ - D

4(4 + H

4j76x -

h(2 + η)Ί + 4,76 λ -

\h(2 + np] + 4, [4(4 + η) J

(χ - D

(λ - D

(3)

4,76χ

+ η)

4,76χ

omit beträgt die Sauerstoff-Konzentration je Einheitsvolumen (wie es von der irkon-Zelle 12 als Bruchteil gemessen wurde) - C

(x - D

(λ - l)

(4)

+ 4,76x

4 + η

+ 4,76λ

3r erste Ausdruck in der Klammer ist die Sauerstoff-Konzentration aufgrund der ;rbrennung des Heizbrennstoffes, die während der anfänglichen Einstellung ;s Brennstoff-Luft-Verhältnis - Meßgerätes zur Verwendung z.B. bei einer "ennkraftmaschine mit innerer Verbrennung beispielsweise auf den Wert C einstellt ist.

imit kann Gleichung(4) geschrieben werden:

C =

h.

[λ - l)

4 + η)

+ 4,7-6/.

(5)

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Daraus folgt:
2C - C = (λ - 1)

η + 4,76 λ

4 + η

[2C-C)
P

-^(2C - Vf
und somit

Jl I + (2C-Cp) 4,76 λ = λ - 1

Jl \ +I = Il- (2C - C ) (4,76)"1 ^λ

^λ - ~ ίΤ?¹^

(2C - CpJ -

In dieser Formel bedeuten:

η - Wasserstoff-ZKohlenstoff-Verhältnis des verwendeten Maschinen-Brennstoffes;

C - antilogarithmierterAusgang des Zirkon-Sensors aus der ursprünglichen Einstellung mit dem Heizbrennstoff. Dies

ist bei einem.bestimmten Maschinentest eine Konstante; 15

C - der "lebende", antilogarithmierte, momentane Arbeits-Ausgangswert der Zirkonzelle nach dem Vermischen der Heizbrennstoff-Verbrennungsprodukte und der Maschinen-Abgasprobe. Dieser Ausgang repräsentiert die verbleibende Sauerstoff-Konzentration in den vereinigten Produkten.

Einstellen von C

Vor dem Starten der Test-Maschine werden die Luft- und Heizbrennstoff-Speisungen eingeschaltet und mittels einer kurzen elektrischen Heizperiode in der Matrix des ersten katalytischen Reaktors 13 "gezündet" (Fig. 1). Wenn die katalytische Oxidation des Heizbrennstoff-Luftgemisches beginnt, wird die Heizung des ersten Reaktors von selbst besorgt, und die elektrische "Start-Heizung" wird abgeschaltet. Nach

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einer kurzen Aufwärmzeit zum Heizen beider katalytischen Matrices und des Zirkon-Sensors auf etwa 700°C kann der gewünschte Wert für die Sauerstoff-Konzentration in den Verbrennungsprodukten des Heizbrennstoff-Luft-Genrisches durch Einstellen der Regelventile 36 und 34 eingestellt werden. Dieser Einstellwert entspricht C , der dann für den nachfolgenden Maschinentest fix ist.

Währendder Einstellzeit wird reine Luft üher das Probenentnnhinerohr für das Maschinen-Auspuffgas vom Knotenpunkt Y her zugoführt, so daß das Gemisch, welches das zweite Katalysatorbett passiert, aus gleichen Volumina»einer Luft und Verbrennungsprodukten des Heizbrennstoff-Luft-Gemisches besteht. Die Sauerstoff-Kcnzentration stromabwärts vom Reaktor 18 wird vom Zirkon-Sensor 12 ermittelt.Die volumetrische Konzentration des Sauerstoffs in reiner Luft ist o,21 (21%). Somit führen gleiche Volumina von reiner Luft und den Produkten der Heizbrennstoff-Verbrennung zu einem Ausgangswert aus dem Zirkon-Sensor 12:

'cal

= 1/2 (C_p + C_air) = 1/2 (C_p + 0,21)

worin

Z 1 = der beobachtete Ausgang aus dem Zirkon-Sensor, welcher die Sauerstoff-Konzentration im Gemisch repräsentiert;

) = Sauerstoff-Konzentrati on in den Heizbrennstoff-Verbrennungsprodukten ;

C . = Sauerstoff-Konzentration in reiner Luft = 0,21.

all

Somit ist

-0,21,-

welcher Wert auf den gewünschten Wert eingestellt werden kann,jedoch nach dem anfänglichen Einstellen über die Dauer des nachfolgenden Maschinentests konstant bleibt.

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BAD ORIGINAL

Das Gerät 10 kann kompakt und leichtgewichtig, etwa in der Größenordnung von 5 kg, ausgebildet werden. Mit einer kleinen Propangas-Flasche bildet das Gerät eine ideale Baueinheit zur Verwendung als Testgerät im Fahrzeug für Forschung und Entwicklung, z.B. zum Untersuchen von Brennstoff-Vergaser-und Einspritzanlagen bei Betrieb, insbesondi Richtung auf maximal abgemagertes Kraftstoffgemisch. ^ln

Der Bedarf an elektrischer Energie für das Gerät ist gering; er enstpricht nur dem Energiebedarf für anfängliche Zündung, Magnetventil betätigung und Antrieb für" die Pumpen zum Umwälzen der Proben-und Referenzgase. Der Propanbrennstoff kann in im Handel erhätlicher Form als kleine 3kg-Flasche eingesetzt werden, die für etwa 280 Betriebsstunden ausreicht. Das Gerät erzeugt ein Referenzgas mit festem 0p-Gehalt bei konstanter Temperatur aufgrund der geregelten katalytischen Reaktion des Brennstoffs und der Luft, wobei die thermsichen Gleichgewichte für die katalytische Reaktion und für den Zirkon-Sensor aufrechterhalten werden, wobei ferner Luft als Eichgas verwendet werden kann und der Zirkon-Sensor einen absoluten Ausgangswert nach der Nernst'schen Gleichung liefert. Ein sehr schnelles Ansprechen auf Umgebungsänderungen (50 Millisekunden) wird aufgrund der direkten Zuordnung zwischen dem Probenentnahmepunkt und dem Analysierpunkt erhalten , und ein sehr großer Bereich von Brennstoff-Luft-Verhältnissen kann durch einfaches Einstellen des Anteils an Überschußsauerstoff im Referenzgas abgedeckt werden. Wenn das untersuchte Gas sehr mager ist, z.B. das Abgas einer Gasturbine, stellt man das Referenzgas gerade mit einer Magerkeit nahe dem stöchiometrisehen Verhältnis ein, um eine vernünftige Empfindlichkeit zu erhalten, weil das Abgas mehr Sauerstoff als das Referenzgas enthalten kann, mit der Folge, daß das Gemisch aus Probengas und Referenzgas gerade oberhalb des stöchiometrisehen Verhältnisses liegt.

Durch Verstellung der Heizbrennstoff- und Luft-Zumeßvorrichtungen und bei Vorsehen von Mitteln zum Atomisieren oder Verdampfen flüssigen Brennstoffes kann das Gerät auch so eingestellt werden, daß es mit flüssigem Brennstoff anstatt mit Propan arbeitet, und kann also falls erforderlich auch mit dem gleichen Brennstoff betrieben

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werden,wie er für den zu untersuchenden Verbrennungsprozeß verwendet wird. Dies ist insbesondere bedeutsam bei der Anwendung in Prozeß-Steuerungen, bzw. -regeiungen.

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Claims

- - -. .:. D-SPOO München.SD- .Sckellstrasse 1 I Telefon (0β9) 4 48 24 96 ; Telex 5 215 «35 '| Telegramme patemus münchen j I Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang !2SAiSA1TA i j ugelassan beim Europäischen Patentamt — admitted to the European Patent Office — Mandatulre agreo aupres Γ Office European des Brevels j RICARDO CONSULTING ENGINEERS LTD. Shoreham-by-Sea, Großbritannien P 096 46 Ansprüche

1.J Gerät zum Messen des Brennstoff-Luftverhältnisses eines 1

ν—/ Brennstoff-Luft-Gemisches, welches einem mit flüssigen oder j

gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen arbeiten Ver- »

brennungssystem zur Verbrennung zugeführt wird, g e k e η η - I

zeichnet durch Mittel (13) zum kontinuierlichen, J

vollständigen Verbrennen einer kontrollierten Menge eines
Gemisches aus einem Kohlenwasserstoff-Heizbrennstoff m_:it
einem Sauerstoff enthaltenden Gas oder Gasgemisch (im folgenden
als "Luft" bezeichnet) zur Erzeugung einer kontinuierlichen

Speisung eines Referenzgases aus gasförmigen Verbrennungsprodukten, die einen bekannten Anteil freien Sauerstoffs enthalten; Mittel (47,51,22) zum Mischen eines Probenstromes der J Auspuffgase aus dem Verbrennungssystem mit dem Referenzgas in · kontrollierten Anteilen; Mittel (18) zum katalytischen Oxidieren ·

des Gemisches aus dem Probengas und dem Referenzgas zur \

Oxidation sämtlicher unverbrannter Komponenten, die aus dem I

Probenstrom in dem Gemisch abgeleitet sind, wobei die durch die f Verbrennung des Heizbrennstoffes und der Luft erzeugte Wärme zum
Aufrechterhalten der katalytischen Oxidation verwendet wird; und
eine überwachungsvorrichtung (12) zum Messen

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des Anteiles an freiem Sauerstoff in den gasförmigen Reaktionsprodukten der katalytischen Oxidation, von welcher Messung zusammen mit vorbestimmten Daten das Brennstoff-/ Luftverhältnis hergeleitet werden kann.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine tragbare Quelle (25) von Heizgas als Heizbrennstoff vorgesehen ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die überwachungsvorrichtung eine Feststoff-Elektrolyt-Oxid-ZeIle (12) umfaßt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzei chnet, daß die genannte Zelle von einem Zirkon-Sauerstoff-Sensor (12) gebildet ist.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (14) einen ersten katalytischen Reaktor (13) mit einem Hohlteil von Ringquerschnitt und einer offenendigen, zentralen Bohrung (19) enthält, durch welche sich ein zentrales Gehäuserohr (14A) enthaltend einen kleineren zweiten katalytischen Reaktor(18) sowie den Betriebsteil der Zelle (12) erstreckt, daß Mittel (35,36,37;30,33,38) zum Passierenlassen eines kontrollierten Stromes des Gemisches aus Heizbrennstoff und Luft durch den ersten Reaktor (13) außerhalb des zentralen Rohres (14A) vorgesehen sind, wodurch die Betriebstemperatur in der Zelle (12) und des zweiten Reaktors (18) erzeugt und durch katalytische Reaktion im ersten Reaktor aufrechterhalten wird, und daß Mittel (47,51,22) zum Durchleiten des Gemisches aus Probengas und Referenzgas durch das zentrale Gehäuserohr zuerst durch den zweiten Reaktor (18) und dann durch die Zelle (12) vorgesehen sind.

6. Gerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel (24,40) zum Abziehen eines Stromes der katalytischen Verbrennungsprodukte, welche don ersten Reaktor (13) verlassen, und Mittel

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(47,51) zum Speisen eines Gemisches dieses Stromes und des j

Probenstromes aus Auspuffgas in bekannten Mengenanteilen zum V-

zentralen Gehäuserohr (14A), so daß das Gemisch zunächst den j

zweiten Reaktor (18) und dann die genannte Zelle (12) passiert. 5

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom aus den katalytisehen Verbrennungsprodukten und der Probenstrom aus Auspuffgasen dazu veranlasst werden, unter gleichen Druckdifferenzen durch zwei ähnliche Wicklungen (47,

51) von Wärmeaustauschrohren bekannter proportionaler Strömungswiderstände zu strömen, wobei die Wicklungen im Wärmeaustausch mit den Verbrennungsprodukten aus der Reaktion des Heizbrennstoffes und der Luft stehen und wobei die beiden Ströme nach dem Passieren der beiden Wicklungen (47 und 51) gemischt werden (bei 22) und das Gemisch durch das zentrale Gehäuserohr (14A) geschickt wird.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (47,51) gleichen Strömungswiderstand ha ben und daß die beiden Strömungen gleichen Volumenfluß aufwei sen.

9. Verfahren zum Messen des Brennstoff-/Luftverhältnisses eines zu einem Verbrennungssystem gespeisten Brennstoff-Luft-Gemisches, wobei das Verbrennungssystem mit flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierliche, vollständige Verbrennung einer kontrollierten Speisemenge eines Gemisches aus Kohlenwasserstoff-Heizbrennstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Gas oder einer gasförmigen Mischung (im folgenden als"Luft"bezeichnet) vorgenommen wird, um als Referenzgas eine kontinuierliche Menge gasförmiger, in bekanntem Anteil Sauerstoff enthaltender Verbrennungsprodukte zu erzeugen, daß ein Probenstrom von Auspuffgasen aus dem Verbrennungssystem mit einem Strom des Referenz- gases in kontrollierten Anteilen gemischt wird; daß die genannte Mischung aus Proben- und Referenzgas zum Oxidieren jeglicher

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unverbrannter, im Probenstrom des Gemisches enthaltener Komponenten katalytisch oxidiert wird, wobei die Verbrennungswärme des genannten Gemisches aus Heizbrennstoff und Luft zum Aufrechterhalten der katalytisehen Oxidation verwendet wird; daß der Anteil an freiem Sauerstoff in den gasförmigen Reaktionsprodukten der katalytisehen Oxidation gemessen wird und daß das Meßergebnis zusammen mit vorbestimmten Daten zum Ableiten des Brennstoff-/Luftverhältnisses der brennbaren Mischung, die zu dem Verbrennungssystem gespeist wird, verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzei chnet, daß die Verbrennung des Heizbrennstoffes und der Luft mittels eines ersten katalytisehen Reaktors (13) vorgenommen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlteil des primären katalytischen Reaktors (13) einen zweiten katalytischen Reaktor (18) umgibt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem das Verbrennungssystem eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ist, dadurch gekennzei chnet, daß aus dem Meßergebnis des Anteils an freiem Sauerstoff bei der katalytischen Reaktion und anderen Daten automatisch das Äquivalenzverhältnis (wie in der Beschreibung definiert) des brennbaren, zu der Maschine gespeisten Brennstoff-Luft-Gemisches ermittelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Produkte der katalytischen Oxidation an einer schnell ansprechenden Sauerstoff-Sensor-Zelle (12) der Feststoff-Elektrolyt-Oxid-Bauart vorbeigeführt werden, die auf einer angehobenen Betriebstemperatur mittels der durch die Verbrennung des Heizbrennstoffes und der Luft erzeugten Wärme gehalten wird.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Anwendung für die Messung der Gemischanreicherung einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung.

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