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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Opazimeter zur Untersuchung der
Trübung
von Abgasen eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines mit Diesel betriebenen
und mit einem Rußfilter
ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
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Dieselmotoren
werden sowohl in Personenkraftwagen als auch in Nutzfahrzeugen eingesetzt. Die
Leistungsfähigkeit,
die gute Drehmomentcharakteristik und der niedrige Verbrauch von
Dieselmotoren führen
zu einer ständig
zunehmenden Akzeptanz auf dem PKW-Markt.
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Um
den Schadstoffausstoß von
Dieselmotoren zu minimieren, befinden sich in seinem Abgasstrang
ein Dieseloxidationskatalysator und ein Rußfilter. Ergänzend dazu
wird mit modernen Einspritzsystemen eine rußarme Verbrennung des Dieselmotors erzielt.
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Die
Funktionsfähigkeit
des Rußfilters
wird im Rahmen der gesetzlich vorgeschriebenen Abgasuntersuchung überprüft. Man
führt dabei
eine Messung der Abgastrübung
durch und erkennt dadurch beispielsweise kleine Brüche des
Rußfilters.
Die Abgastrübung
wird mit einem Opazimeter ermittelt, das zu groß und zu teuer ist, um es in
Kraftfahrzeugen einzubauen. Zudem ist die Optik dieser Opazimeter
anfällig
gegen Verschmutzung, wie beispielsweise Rußpartikel, da diese Messgeräte nur für den kurzzeitigen
Einsatz im Abgasstrang von Dieselmotoren ausgelegt sind. Ein weiterer
Nachteil bekannter Opazimeter besteht darin, dass eine große Messrohrlänge erforderlich
ist, um eine hohe Genauigkeit der Trübungsmessung zu erzielen. Des
Weiteren ist es erforderlich, dass das Messrohr mittels Heizung
auf mindestens 100°C
erhitzt wird, da andernfalls kondensierender Wasserdampf bzw. kondensierende Flüs sigkeit
aus dem Abgasstrang des Dieselmotors die Messwerte verfälschen würde. Sowohl
die Messrohrlänge
als auch die erforderliche Heizung verhindern die Miniaturisierung
bekannter Opazimeter, um diese im Kraftfahrzeug einzubauen.
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Daher
werden Dieselrußfilter
mit Hilfe von Differenzdrucksensoren überwacht, die die Belegung des
Filters mit Rußpartikeln
bestimmen. Die Auswertung der Signale der Differenzdrucksensoren
erfolgt mit Hilfe der On-Board-Diagnose, d. h. die Auswertung wird
permanent im Kraftfahrzeug durchgeführt und erfolgt nicht nur zu
bestimmten zeitlichen Wartungsintervallen in dafür vorgesehenen Untersuchungsstationen.
Der Differenzdrucksensor erfasst zumindest zwei kritische Druckniveaus
am Dieselrußfilter:
ein oberes Niveau, das auf die Notwendigkeit zur Reinigung des Filters
aufmerksam macht, und ein unteres Niveau, das einen Schaden des
Filters signalisiert.
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Anhand
der durch den Differenzdrucksensor gelieferten Daten entscheidet
eine Motorsteuerung des Dieselmotors über einen sinnvollen Zeitpunkt
zur Regeneration des Rußfilters.
Zudem nutzt die Motorsteuerung die vorhandenen Informationen, um
beispielsweise durch die Anpassung der Betriebsparameter des Dieselmotors
eine höhere
Abgastemperatur zu erzielen. Die höhere Abgastemperatur hat dann
eine stärkere
Verbrennung des Rußes
zur Folge.
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Ein
Bruch in einem kleinen Bereich des Rußfilters führt jedoch zu Druckveränderungen
im Abgasstrang des Dieselmotors, die durch den Differenzdrucksensor
nicht aufgelöst
werden können.
Daher können
Abgase des Dieselmotors und somit Ruß durch diesen Bruch ungehindert
an die Atmosphäre austreten.
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Es
ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
bereitzustellen, mit der die Funktionsfähigkeit von Rußfiltern
in mit Dieselmotoren betriebenen Kraftfahrzeugen permanent überwacht
werden kann.
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Das
obige Problem wird durch die im unabhängigen Patentanspruch 1 definierte
Vorrichtung gelöst.
Die Gestaltung von weiteren Ausführungsformen
und Weiterentwicklungen der obigen Vorrichtung geht aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die
obige Vorrichtung, insbesondere ein Opazimeter, bestimmt die Trübung von
Abgasen eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs
mit Dieselmotor und Rußfilter.
Sie umfasst eine Lichtquelle zum Erzeugen einer Lichtmenge, mit der
die Abgase des Kraftfahrzeugs durchstrahlbar sind, einen gegenüber der
Lichtquelle angeordneten Sensor zum Erfassen der Lichtmenge und
eine Halterung, mit der die Lichtquelle und der Sensor permanent
angrenzend an einen Abgasstrang des Fahrzeugs installierbar sind.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein einfach aufgebautes Opazimeter
in kompakter Bauweise, das sich aufgrund seiner begrenzten Anzahl
von Komponenten durch ein geringes Gewicht und eine geringe Störanfälligkeit
auszeichnet. Diese konstruktiven Besonderheiten sind die Voraussetzung
dafür, dass
das Opazimeter entgegen bisherigen Anwendungsformen permanent im
Kraftfahrzeug installierbar ist. Mit dieser permanent installierten
Vorrichtung ist es dem Fahrer und/oder dem Betreiber von Kraftfahrzeugen
möglich,
ständig
oder in variabel einstellbaren Zeitabständen die Trübung der Abgase bei Dieselmotoren
zu überprüfen. Dies
bildet die Grundlage, um ständig über die
Funktionsfähigkeit
von Dieselrußfiltern
informiert zu sein. Des Weiteren geben die Informationen über die
Trübung
der Abgase einem Betriebssteuergerät des Dieselmotors die Möglichkeit,
die Motorparameter derart anzupassen, dass der Rußausstoß und/oder
die Filterbeladung des Dieselrußfilters
reduziert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird die Vorrichtung mit einer Optik ausgestattet, die die Lichtmenge
der Lichtquelle auf den Sensor ausrichtet. Diese Optik umfasst mindestens
eine Linse, die mit Schutzgas umspülbar ist, um Verschmutzungen
der Optik durch Ruß-
und Schmutzablagerungen zu verhindern.
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Die
Bündelung
und Ausrichtung der durch die Lichtquelle erzeugten Lichtmenge reduziert
die notwendige Leistung der Lichtquelle, um die Abgase zur Trübungsuntersuchung
ausreichend durchstrahlen zu können.
Dies trägt
dazu bei, eine kompakte Vorrichtung mit geringem Platzbedarf im
Abgasstrang eines Dieselkraftfahrzeugs zu realisieren.
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Als
weitere Alternative kann ein Laser in Kombination mit der obigen
Optik oder allein als Lichtquelle verwendet werden. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird der Laser oder allgemein die Lichtquelle in einer gepulsten
Betriebsweise genutzt, um die Vorrichtung in den Dunkelphasen der Lichtquelle
zu justieren und zu kalibrieren.
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Des
Weiteren ist es denkbar, die Lichtquelle nur mit Licht definierter
Wellenlänge
und/oder mit Licht eines definierten Wellenlängenbereichs zu betreiben.
Die Wellenlängenauswahl
der Lichtquelle eröffnet
in Kombination mit einer Wellenlängenfilterung die
Möglichkeit,
im Rahmen der Auswertung der durch den Sensor erfassten Lichtmenge
den Einfluss von Streulicht zu reduzieren.
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Die
Auswertung der erfassten Messwerte der vorliegenden Vorrichtung
als auch ihre Steuerung kann über
eine separate Auswerteschaltung realisiert werden. Es ist ebenfalls
möglich,
die Auswerteschaltung in das Betriebssteuergerät zur Motorsteuerung des Dieselmotors
zu integrieren.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten
Opazimeters, das während
der Abgasuntersuchung verwendet wird,
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2 eine
schematische Darstellung der Anordnung der Vorrichtung zur Messung
der Abgastrübung
im Abgastrakt eines Dieselkraftfahrzeugs,
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3 eine
vergrößerte schematische
Darstellung einer Auspuffanlage mit der installierten Vorrichtung
zur Bestimmung der Abgastrübung,
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4a,
b eine vergrößerte schematische Darstellung
der Vorrichtung zur Messung der Abgastrübung bestehend aus Lichtquelle,
Messkammer, Sensor und Halterung und
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5a,
b eine schematische Darstellung der Lichtquelle, deren ausgesandte
Lichtmenge durch eine Sperrgasgeschützte Optik ausgerichtet ist.
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Zunächst werden
unter Bezugnahme auf 1 das Grundprinzip und der Grundaufbau
eines aus dem Stand der Technik bekannten Opazimeters beschrieben,
wie es bei der Abgasuntersuchung von Kraftfahrzeugen eingesetzt
wird. Zur Abgasuntersuchung wird das Opazimeter in den Abgasstrang
des Kraftfahrzeugs eingeführt,
so dass über
das Ventil V entsprechend der Pfeilrichtung die Messkammer 50 mit
Abgasen versorgt wird. Die Messkammer 50 wird von der Lichtquelle 10 durchstrahlt.
In Abhängigkeit von
Rußanteil
in den Abgasen wird die von der Lichtquelle 10 ausgesandte
Lichtmenge reduziert, so dass nur noch eine der Trübung der
Abgase entsprechende Lichtmenge vom Sensor 20 erfasst werden kann.
Entsprechend der erfassten Lichtmenge erzeugt der Sensor 20 ein
elektrisches Signal, das mit Hilfe einer Auswerteschaltung verarbeitet
wird.
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Die
Messkammer 50 ist mit einer Heizung 80 ausgestattet.
Mit Hilfe der Heizung 80 wird die Temperatur der Messkammer 50 derart
eingestellt, dass die in den Abgasen enthaltenen Flüssigkeiten
nicht in der Messkammer 50 kondensieren und auf diese Weise
die Messung der Abgastrübung
beeinflussen. Um eine weitere negative Beeinflussung der Trübungsmessung
zu verhindern, wird Schutzgas G über
entsprechende Auslässe
an der Lichtquelle 10 und dem Sensor 20 vorbeigespült (vgl.
Pfeile in 1). Durch die Spülung mit
Schutzgas G wird die Ablagerung von Verunreinigungen auf der Lichtquelle 10 und
dem Sensor 20 und die dadurch bedingte Behinderung der
Messwerterfassung verhindert.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung zur Messung der Abgastrübung, die
permanent in mit Dieselmotoren betriebenen Kraftfahrzeugen installierbar
ist. Basierend auf dieser Vorrichtung wird eine On-Board-Diagnose
der Trübung
der Abgase des Kraftfahrzeugs sichergestellt, die zur ständigen Überwachung
der Funktionsfähigkeit
des Rußfilters
im Abgasstrang genutzt werden kann. Zudem können basierend auf der ermittelten
Abgastrübung Motorparameter
ein- und nachgestellt werden, so dass eine verbesserte Rußverbrennung
des Dieselmotors, beispielsweise durch die Erhöhung der Abgastemperatur, erzielt
werden kann.
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Wie
es in 2 schematisch dargestellt ist, wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im hinteren Teil des Abgasstrangs bzw.
des Auspuffs 100 eines Dieselkraftfahrzeugs eingebaut. Die
Vorrichtung 1 umfasst die Lichtquelle 10, deren Lichtmenge
das im Auspuff 100 vorbeiströmende Abgas des Dieselmotors
durchstrahlt. Gegenüber
der Lichtquelle 10 ist der Sensor 20 angeordnet,
der die durch die Abgase hindurchgelassene Lichtmenge erfasst. Zur
Untersuchung der Abgase durchstrahlt die Lichtquelle 10 die
Messkammer 50, die unten näher erläutert wird. Die Messkammer 50 ist
im hinteren Teil des Auspuffs 100 angeordnet, weil hier
die Abgase keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten
zeigen und daher dieser Teil na hezu drucklos ist. Die Bedingungen
wirken sich günstig
aus, um beispielsweise eine mit der Lichtquelle 10 genutzte
Optik 40 und/oder den Sensor 20 mittels einer
Schutzgasumspülung
vor Verunreinigungen zu schützen
(siehe unten).
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Die
Lichtquelle 10 und der Sensor 20 sind mit Hilfe
einer Halterung 30 getrennt von der Messkammer 50 befestigt.
Mit einer entsprechenden Konstruktion, Werkstoffauswahl und Befestigung
der Halterung 30 werden die Lichtquelle 10 und
der Sensor 20 vom Abgasstrang thermisch und mechanisch
isoliert. Dies ermöglicht
die Verwendung von einfacheren und weniger wärmeresistenten Werkstoffen
in Lichtquelle 10, Optik 40 und Sensor 20,
was zur Kostensenkung der vorliegenden Vorrichtung 1 beiträgt. Zudem
werden die Komponenten der Vorrichtung 1 gegen die durch
die Auspuffanlage 100 übertragenen mechanischen
Erschütterungen
geschützt,
was einerseits die Verfälschung
von Messwerten minimiert und andererseits die Lebensdauer der Vorrichtung 1 erhöht.
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Die
Lichtquelle 10 kann gemäß unterschiedlicher
Ausführungsformen
durch eine Glühlampe, eine
oder mehrere Leuchtdioden, ein Licht-führendes Lichtleitkabel oder
einen Laser gebildet werden. Um die durch die Lichtquelle 10 abgegebene
Lichtmenge zusätzlich
zu bündeln
und/oder auszurichten, wirkt die Lichtquelle 10 mit einer
Optik 40 zusammen. Die Optik 40 erzeugt einen
Lichtstrahl geringen Durchmessers, der die Messkammer 50 durchstrahlt.
In Anpassung an den Strahldurchmesser kann auf diese Weise der Durchmesser
der Messkammer 50 verkleinert werden, was einen geringeren
Platzbedarf der Vorrichtung 1 zur Folge hat.
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Wie
in den 5a und 5b schematisch dargestellt
ist, kann die Optik 40 beispielsweise durch eine oder mehrere
Linsen 42 gebildet werden. Die Linse 42 und die
Lichtquelle 10 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 90 angeordnet.
Zusätzlich
kann die Optik 40 durch eine Blende 44 unterstützt werden, die
im Gehäuse 90 angeordnet
ist. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Sensor 20 ähnlich wie
die Lichtquelle 10 in einer Gehäuse-Blende-Anordnung unterzubringen.
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Um
die Lichtquelle 10 und den Sensor 20 vor Verunreinigungen,
beispielsweise durch Rußpartikel zu
schützen,
werden sie bevorzugt mit Schutzgas G umspült (vgl. 5a, 5b).
Nach einer geeigneten Filterung zur Entfernung von Verunreinigungen wird
das Schutzgas G über
eine Öffnung 92 dem
Gehäuse 90 zugeführt und
verlässt
dieses wieder über die
Blende 44. Auf diese Weise wird/werden die Lichtquelle 10 und/oder
die Optik 40 und/oder der Sensor 20 vollständig (vgl. 5a)
oder teilweise (vgl. 5b) mit Schutzgas G umspült. Eine
teilweise Umspülung
mit Schutzgas G wird realisiert, indem die Lichtquelle 10 und
beispielsweise ein Teil der Linse 42 in einem durch eine
innere Gehäusewand
abgetrennten Gehäusebereich
angeordnet sind, der nicht mit Schutzgas G durchströmt wird.
Die Umspülung
der Lichtquelle 10, der Optik 40 und/oder des Sensors 20 verhindert,
dass die obigen Komponenten mit Abgasen oder Luft in Kontakt kommen.
Dadurch werden beispielsweise Rußablagerungen oder die Ablagerung
von Verunreinigungen aus der Luft auf den obigen Komponenten verhindert.
Somit sichert die Schutzgasumspülung
einen langfristigen Betrieb der Vorrichtung 1 bei geringem
Wartungsaufwand.
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Ein
weiterer positiver Effekt der Schutzgasspülung besteht darin, dass die
teilweise und vollständig
umspülten
Komponenten der Vorrichtung 1 durch das Schutzgas G gekühlt werden.
Auf dieser konstruktiven Grundlage können preiswerte und nicht hochtemperaturfeste
Werkstoffe eingesetzt werden, wie beispielsweise Kunststofflinsen
und dergleichen.
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Aufgrund
der bereits oben angesprochenen geringen Strömungsgeschwindigkeiten der
Abgase im hinteren Teil des Auspuffs 100 ist der Schutzgasstrom
einfach anzupassen und erfordert keine aufwändigen Druck- und Strömungsverhältnisse
im Gehäuse 90.
Die strömungstechnische
Bereitstellung des Schutzgases G kann beispielsweise ähnlich der Zufuhr
von Sperrgasen in ei nem Bearbeitungskopf einer Laserschneidanlage
ausgeführt
sein. Zudem könnte
das Schutzgas G z. B. am Ausgang der Vakuumpumpe des Bremskraftverstärkers oder
hinter dem Ladeluftkühler
entnommen und der Vorrichtung 1 zugeführt werden. Alternativ ist
die Druckdifferenzerzeugung zum Abgasgegendruck oder Umgebungsdruck
mit Hilfe eines Gebläses
oder einer Unterdruckpumpe denkbar.
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Die
Messkammer 50 (vgl. 4a und 4b)
wird durch einen Kanal gebildet, der den Auspuff 100 durchläuft. Der
Kanal ist im Mittelbereich teilweise geöffnet (nicht dargestellt),
so dass er zumindest teilweise von dem quer zum Kanal strömenden Abgas
durchströmt
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Alternative besteht die Messkammer 50 aus zwei
Teilkanälen 52,
die gegenüberliegend
am Auspuff 100, beispielsweise durch Schweißen, befestigt
sind. Der Durchmesser der Messkammer 50, 52 ist
an den Durchmesser des Lichtstrahls der Lichtquelle 10 angepasst.
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Die
Lichtquelle 10 und der Sensor 20 sind bevorzugt
beabstandet von der Messkammer 50, 52 angeordnet,
so dass sie in die Messkammer 50, 52 „hineinschauen". Da das Licht der
Lichtquelle 10 entsprechend fokussiert die Messkammer 50, 52 nur „durchleuchtet", die Messkammer 50, 52 aber
offen ist, werden sämtliche
Abdichtungsprobleme umgangen. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, die
Enden der Messkammer 50, 52 mit Hilfe von transparenten Dichtungen
zu versehen, um das Austreten von Abgasen zu vermeiden. Die bereits
oben erwähnte
Beabstandung zwischen Lichtquelle 10, Sensor 20 und der
Messkammer 50, 52 ist zur Reduktion der thermischen
und mechanischen Belastung der genannten Komponenten von Vorteil.
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Um
den Einfluss von Streulicht auf die Messwerterfassung zu reduzieren,
können
die Lichtquelle 10 und der Sensor 20 mit geeigneten
Blenden oder Abdeckungen versehen werden. Zudem wird der Einfluss
von Streulicht dadurch reduziert, dass die Lichtquelle 10 bevorzugt
in einer gepulsten Betriebsweise verwendet wird. Basierend auf der
gepulsten Betriebsweise werden die Dunkelphasen zur Justierung des
Offsets einer Auswerte- bzw. Verarbeitungsschaltung der Vorrichtung 1 verwendet.
Außerdem werden
mit Hilfe dieser Schaltung die durch den Sensor 20 erfassten
Signale erst nach einer Hochpassfilterung ausgewertet.
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Eine
weitere Maßnahme,
um den Einfluss von Streulicht auf die Messwerterfassung zu minimieren,
besteht darin, die Lichtquelle 10 mit einer definierten
Wellenlänge
oder in einem definierten Wellenlängenbereich zu betreiben. In
diesem Fall wird das durch den Sensor 20 erfasste Lichtsignal
erst nach einer Wellenlängenfilterung
bzw. Farbfilterung ausgewertet. Auf diese Weise wird mit einfachen
Mitteln eine erhöhte
Genauigkeit der Messung der Trübung
der Abgase erzielt.
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Um
die negative Beeinflussung der Trübungsmessung durch die Kondensation
von Flüssigkeiten
innerhalb der Messkammer 50, 52 zu verhindern,
wird die Vorrichtung 1 erst dann betrieben, wenn die Messkammer 50, 52 die
Kondensattemperatur von ca. 100°C überschritten
hat. Die zur Temperaturbestimmung der Messkammer 50, 52 erforderlichen
Daten können
beispielsweise mit Hilfe eines Temperaturfühlers ermittelt werden. Es
ist ebenfalls möglich,
die Temperatur der Messkammer 50, 52 aus den in
dem Betriebssteuergerät
zur Motorsteuerung vorhandenen Daten, wie beispielsweise Ansauglufttemperatur,
Lastzustand und Laufzeit des Motors, abzuschätzen. Auf diese Weise werden
Messfehler durch in der Messkammer 50, 52 kondensierenden Wasserdampf
auch ohne definierte Beheizung der Messkammer 50, 52 ausgeschlossen.
Zudem wird der apparative Aufwand für eine separate Beheizung der
Messkammer 50, 52 eingespart. Sollte die Messkammer 50, 52 die
Kondensattemperatur noch nicht überschritten
haben, wird noch keine Messwerterfassung durchgeführt und
für den
Rußfilter
angenommen, dass dieser vollständig
funktionstüchtig
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird die Messkammer 50, 52 mit Rippen und Lochblechwandung
versehen, wie es beispielsweise aus den Endrohren der Auspuffanlage
des VW-Käfers
bekannt ist. Diese konstruktive Ausstattung trägt zur Schwingungsdämpfung bei.
Zudem werden Fehler bei der Messwerterfassung reduziert, die durch
die Vermischung der Abgase mit Umgebungsluft auftreten. Des Weiteren
kann durch diese Anordnung die Verschmutzungsneigung der Linsen
trotz Schutzgasspülungssystem
verringert werden.
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Wie
bereits oben erwähnt
worden ist, werden die durch die Vorrichtung 1 erfassten
Messwerte mit Hilfe einer Auswerteschaltung verarbeitet. Diese Auswerteschaltung
kann als eine separate Rechnereinheit ausgeführt sein. Es ist ebenfalls
möglich,
die Auswerteschaltung als ein Softwaremodul im Betriebssteuergerät zur Motorsteuerung
zu realisieren. Diese Auswerteschaltung – egal welcher Ausführung – kann zur
weiteren Steigerung der Genauigkeit der Trübungsmessung die Drehzahl-
und/oder Last-abhängige
Vermischung der Umgebungsluft mit den Abgasen an den offenen Enden
der Messkammer 50, 52 berücksichtigen. Diese Berücksichtigung
bzw. Berechnung ist nicht zeitkritisch und sollte im Betriebssteuergerät zur Motorsteuerung
realisiert sein, weil dort bereits alle benötigten Daten vorhanden sind.
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Es
ist weiterhin bevorzugt, mit Hilfe der obigen Auswerteschaltung
und Vorrichtung 1 vor dem Anspringen des Motors reine Luft
in der Messkammer 50, 52 zu messen. Dieser Messwert
wird dann für
die Kalibrierung der Empfindlichkeit der Schaltung verwendet. Auf
diese Weise wird ohne apparativen Aufwand im Langzeitbetrieb eine
meist unvermeidliche Abnahme der Empfindlichkeit der Messwerterfassung
durch Verschmutzung und Bauteilalterung ausgeglichen.
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- 1
- Vorrichtung
- 10
- Lichtquelle
- 20
- Sensor
- 30
- Halterung
- 40
- Optik
- 42
- Linse
- 44
- Blende
- 50
- Messkammer
- 52
- Teilkanal
- 80
- Heizung
- 90
- Gehäuse
- 92
- Gehäuseöffnung
- 100
- Auspuff
- G
- Schutzgas