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Die Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung für Abgas aus einer Abgasquelle, insbesondere einem Verbrennungsmotor mit einer Abgassonde, einer Transferleitung und einer Messeinrichtung für Komponenten des Abgases, insbesondere Schmieröl.
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Zur Erfüllung immer stringenter werdender Abgasstandards ist eine genaue Bestimmung nicht nur der quantitativen Abgasmenge erforderlich, sondern auch eine Bestimmung über die einzelnen Zeitpunkte im Motorlauf, an denen die jeweils relevanten Schadstoffe emittiert werden. Angestrebt wird hierbei nicht nur eine hohe zeitliche Auflösung, die vorzugsweise im Millisekundenbereich oder besser liegt, sondern auch eine Zuordenbarkeit zum jeweiligen Betriebsmodus der Abgasquelle. Bei einem Verbrennungsmotor mit Hubkolbenantrieb ist dies insbesondere der jeweilige Kurbenwellenwinkel, da er Aufschluss über den Betriebszustand liefert, in welchem die jeweils gemessene Abgasmenge anfällt. Es wird insbesondere für die Anwendung bei Hubkolbenverbrennungsmotoren erwartet, dass die Analysevorrichtung hinreichend schnell ist und eine Zuordenbarkeit zum Kurbelwinkel ermöglicht.
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Bisher sind insbesondere zwei verschiedene Ansätze zur Messung der Komponenten im Abgas bekannt geworden, welche jedoch beide nicht in Bezug auf die vorstehend genannten Anforderungen befriedigen können. Bei einer ersten Methode wird Gas aus dem Brennraum mittels Ventilen entnommen, die getaktet angesteuert werden. Damit kann ein verhältnismäßig enges Winkelfenster bestimmt werden, während dem eine Messung erfolgt. Es wird durch das Antakten des Ventils also gleichsam ein „Zeitfenster” gebildet, während dem das Abgas entnommen und gemessen wird. Zwar bietet dieses Verfahren den Vorteil, auch bei Motoren mit hohen Arbeitsdrücken im Brennraum anwendbar zu sein (insbesondere aufgeladene Dieselmotoren), jedoch weist es auch einen gravierenden Nachteil auf. Denn durch die Messung eines (auch wegen der Enge des Winkelfensters verhältnismäßig kleinen) Zeitfensters kann ein vollständiges Arbeitsspiel, welches beim Viertaktmotor aus Ansaugen, Verdichten, Expansions- und Ausschiebephase besteht, nicht in einem Zug gemessen werden. Vielmehr erfolgt die Messung immer während des gleichen Zeitfensters (bspw. innerhalb der Ausschiebephase) und wird auf einen Sensor geführt, der über mehrere Zeitfenster hinweg integriert. Aufgrund der durch die Integration bewirkten Mittelung ist es bei dieser Methode auch unmöglich, vereinzelt auftretende Ereignisse (bspw. eine Vorentflammung) zuverlässig zu detektieren, geschweige denn sie zeitlich zuzuordnen.
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Bei der anderen Methode wird zu analysierendes Gas aus den Brennraum über eine direkte Leitung zur Analyseeinrichtung geführt. Diese Methode bietet den Vorteil, dass sie die Einengung auf ein enges Winkelfenster, wie bei den getakteten Ventilen, nicht erfordert. Jedoch ist bei ihr eine richtige Zuordnung zu dem Kurbelwellenwinkel nicht möglich, weil Gasdruck und Gastemperatur im Brennraum den Gastransfer maßgeblich beeinflussen. Dies kann so weit gehen, dass Rückströmungen in der Transferleitung auftreten, was nicht nur zu nicht konstanten Transferzeiten und damit unmöglich gewordener zeitlicher Zuordnung führt, sondern im Extremfall auch zu einer Unterbrechung des Gasflusses zum Messsensor und einem Verlust von bereits entnommenen Gas führt. Überdies hat die direkte Leitung den Nachteil, dass sie wegen der hohen auftretenden Arbeitsdrücke bei einigen Motorkonzepten, insbesondere aufgeladenen Dieselmotoren, nicht verwendet werden kann.
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Weiter hat sich im praktischen Betrieb herausgestellt, dass bei den bekannten Methoden es häufig zu einem Verschmutzungsproblem des Sensors kommt, insbesondere aufgrund von im Abgas enthaltenen Partikeln.
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Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Analysevorrichtung zu schaffen, die eine verbesserte Messgenauigkeit mit erhöhtem Verschmutzungsschutz verbindet.
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Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einer Analysevorrichtung für Abgas aus einer Abgasquelle, insbesondere einem Verbrennungsmotor, mit einer Abgassonde, einer Transferleitung und einer Messeinrichtung für Komponenten des Abgases, insbesondere Schmieröl, ist erfindungsgemäß vorgesehen eine Absaugeinrichtung für das Abgas, die einen Feststoffseparator aufweist, der Feststoffpartikel längs eines Hauptpfads und eine Teilmenge des Abgases in einen Messpfad führt, wobei der Messpfad quer zur Strömungsrichtung des Hauptpfads angeordnet ist, und wobei die Transferleitung mit ihrem Eingang an den Messpfad angeschlossen ist und eine Vielzahl von Druckstufen mit stufenweise größerem Querschnitt aufweist.
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Nachfolgend seien zuerst einige verwendete Begriffe erläutert:
Unter einer Abgassonde wird eine Einrichtung verstanden, welche Abgas direkt aus einem Raum entnimmt, in welchem es entsteht. Bei einem Verbrennungsmotor handelt es sich hierbei um die Brennkammer, genauer gesagt bei einem Hubkolbenmotor um den Brennraum im Zylinder.
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Unter einem Hauptpfad wird der Pfad des Abgases verstanden, längs dem sich Feststoffpartikel bevorzugt unter dem Einfluss ihrer Massenträgheit bewegen.
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Unter einer Vielzahl wird eine Anzahl von mindestens drei verstanden.
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Die Erfindung beruht auf einem Zusammenwirken sich gegenseitig bedingender und fördernder Effekte. Eine Besonderheit der Erfindung ist die Seitenabsaugung des zu analysierenden Gases. Dadurch werden zwei Vorteile auf einmal erreicht, zum einen ein nur geringer Anteil an Partikeln im Messpfad, da die Partikel im Wesentlichen der Strömung im Hauptpfad folgen, und zum anderen eine Verstetigung des Massenstroms im Messpfad. Dies wird dadurch erreicht, dass wegen des wesentlich kleineren Durchmessers im Messpfad (verglichen mit dem Hauptpfad) es ermöglicht ist, größere Leitungslängen vorzusehen, ohne dass dadurch die Messung träge wird. Dieser Vorteil wirkt zusammen mit einer weiteren Besonderheit der Erfindung, nämlich dass die Transferleitung mehrstufig ausgeführt ist. Die mögliche große Länge erlaubt es zumindest, eine mittlere Stufe der Transferleitung so lang zu gestalten, dass es an ihrem quellfernen Ende nicht zu Rückströmungen kommt. Das bedeutet, die Strömungsrichtung ist stets zu der Messeinrichtung gerichtet, so dass eine eindeutige zeitliche Beziehung zwischen den von der Messeinrichtung bestimmten Werten und den quellseitigen Abgasemissionen besteht. Insbesondere ist es damit ermöglicht, aus der zeitlichen Auflösung des Messergebnisses auf den Kurbelwellenwinkel eines Hubkolbenmotors zu schließen.
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Vorzugsweise ist der Messpfad zumindest an seinem Anfang (erste Druckstufe) im Querschnitt kleiner als der Hauptpfad, und zwar zweckmäßigerweise beträgt sein Querschnitt bezogen auf den Querschnitt des Hauptpfads lediglich ein Fünftel, weiter vorzugsweise weniger als ein Zehntel. Damit wird nicht nur die Wahrscheinlichkeit eines Partikeleintritts in den Messpfad verringert und damit der Schutz der Messeinrichtung vor Beeinträchtigung aufgrund von Verschmutzungen durch Partikel maximiert, sondern es entsteht auch ein zusehends stärkerer Kapillareffekt im Messpfad und dadurch eine verbesserte Entkopplung von Druckpulsationen. Um den für die Standzeit der Analysevorrichtung besonders bedeutsamen Partikeleintrag möglichst zu minimieren, ist der Feststoffseparator vorzugsweise mit einer solchen Verzweigung ausgebildet, dass der Messpfad einen Winkel von 80° bis 100°, weiter vorzugsweise von 87° bis 93°, zum Hauptpfad einschließt. Eine solche nahezu lotrecht quer erfolgende Absaugung des zur Messeinrichtung geführten Gases wird dann besonders wirksam im Hinblick auf minimalen Partikeleintritt, wenn sie kombiniert ist mit der Anordnung des Feststoffseparators im Bereich einer Aufweitung. Bei der Aufweitung divergieren die Trajektorien der Partikel zwar, jedoch können sie wegen der Massenträgheit nicht genau der Kontur der Aufweitung folgen, sondern die volle Divergenz wird erst eine beträchtliche Distanz hinter der Aufweitung erreicht. Indem der Feststoffseparator im Nahbereich der Aufweitung angeordnet ist, befindet er sich an einer Stelle, an der noch keine vollständige Divergenz des Partikelstroms aufgrund der Aufweitung stattgefunden hat. Unter Nahbereich wird hier der Bereich verstanden, welcher dem Maß der Aufweitung entspricht.
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Die Transferleitung kann auch aus mehreren Teilen bestehen. In diesem Fall genügt es, wenn in jedem Teil für sich aufeinanderfolgende Druckstufen einen jeweils größeren Querschnitt aufweisen. Es hat sich bewährt, einen ersten Teil in Strömungsrichtung vor dem Feststoffseparator anzuordnen. Damit kann die Aufweitung im Feststoffseparator mitgenutzt werden zur Bildung einer Druckstufe für die Transferleitung. Besonders bevorzugt ist es zum einfacheren Aufbau und Kalibrierung, den ersten Teil in die Sonde und/oder den Feststoffseparator zu kombinieren. Dies ermöglicht eine kompakte und im Hinblick auf Totvolumina optimierte Ausführung der Transferkapillare.
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Bei einer bewährten Ausführungsform ist die Transferleitung so dimensioniert, dass der Druck in einer letzten Stufe der Transferleitung einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet. Damit kann erreicht werden, dass der Druck unabhängig vom Betriebszustand des Motors einen bestimmten Grenzdruck nicht überschreitet, so dass die Strömung unterkritisch bleibt. Man spricht dann davon, dass die Transferleitung in dieser Stufe für einen unterkritischen Betrieb ausgelegt ist. Damit kann eine vollständige Auskoppelung von Druckwellen erreicht werden, bevor sie die im Anschluss an die letzte Stufe der Transferleitung angeordneten Messeinrichtung erreichen. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise eine Drucksteuerung vorgesehen, welche auf die letzte Druckstufe der Transferleitung einwirkt und so den Druck auf einen vorgegebenen Grenzwert regelt. So kann auch bei stark wechselnden Betriebszuständen gewährleistet werden, dass die Strömung in der Transferkapillare unterkritisch Grenze bleibt.
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Vorzugsweise ist die Transferleitung mit der Messeinrichtung über eine Restriktionskapillare verbunden, deren Mündung in die Druckstufe der Transferleitung ragt, für die der Druck geregelt ist. Damit wird ein Teil des Massenstroms aus der letzten Stufe der Transferleitung in die Messeinrichtung überführt.
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In der Transferleitung sind vorzugsweise die Querschnittsverhältnisse der Druckstufen so gewählt, dass die letzte Druckstufe zur ersten Druckstufe ein Querschnittsverhältnis von mindestens 5:1, vorzugsweise aber nicht mehr als 20:1 aufweist. Damit kann auch bei sehr hohen Einlassdrücken am zu untersuchenden Motor, wie sie insbesondere bei aufgeladenen Dieselmotoren auftreten können, ein ausreichender Druckabbau über die Transferleitung gewährleistet werden. Damit ist sichergestellt, dass auch bei Volllast der Druck am Ende der Transferleitung nicht übermäßig ansteigt. Vorzugsweise ist die Transferleitung so dimensioniert, dass die Strömung in der letzten Druckstufe nicht überkritisch wird, d. h. unterkritisch bleibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
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1: eine Übersichtsdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Analysevorrichtung;
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2: eine Detailansicht eines Feststoffseparators;
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3: eine Detailansicht einer Transferkapillare gemäß einer alternativen Ausführungsform;
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4: ein Druck-Diagramm; und
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5: ein Strömungsgeschwindigkeits-Diagramm.
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Die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Analysevorrichtung ist angeschlossen an eine Abgasquelle, welche in dem Ausführungsbeispiel durch einen Hubkolbenverbrennungsmotor 9 gebildet ist. Die Analysevorrichtung 1 umfasst als Hauptkomponenten ein Einlasssystem 2, welches unmittelbar an einen Zylinder 90 des Motors 9 in dessen Kopfbereich 93 angeschlossen ist, eine als Massenspektrometer ausgebildete Messeinrichtung 3 sowie eine Prozessleiteinrichtung 4, die sowohl mit der Messeinrichtung 3 verbunden ist als auch einen Betrieb des Motors 9 erfasst.
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Der Motor 9 ist als Hubkolbenverbrennungsmotor ausgeführt. Er umfasst mindestens einen Zylinder 90, in dem ein Kolben 94 auf und ab beweglich geführt ist. Der Kolben 94 ist über eine Pleuelstange 95 mit einem Kurbelzapfen 96 der Kurbelwelle 97 verbunden. An der Kurbelwelle 97 ist ein Winkelgeber 98 angeordnet, dessen Messsignale an die Prozessleiteinrichtung 4 angeschlossen sind.
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Zur Entnahme des Abgases aus dem oberen Bereich des Zylinders 90 in dem Motor 9 ist dort eine durch die Wandung des Zylinderkopfes führende Messsonde 11 angeordnet. Sie ist als Spitzensonde mit einem mehrstufig verengten Durchmesser ausführt. An die Sonde 11 ist ein Einlass einer Transferkapillare 22 angeschlossen, deren Querschnitt in Stufen erweitert ist (zur Bildung von Druckstufen) und an deren Ende eine im Querschnitt stark verengte Resektionskapillare 27 angeordnet ist. Sie bildet eine Verbindung zu der Messeinrichtung 3.
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Um der Gefahr zu begegnen, dass das Einlasssystem 2 mit seinen Kapillaren im Messbetrieb zugesetzt werden, und zwar insbesondere durch Partikelemissionen aus dem entnommenen Abgas, ist erfindungsgemäß ein Partikelseparator 12 an der Messsonde 11 vorgesehen (s. 2). Er umfasst einen Einlassstutzen 13 mit einem an die Messsonde 11 angeglichenen Querschnitt und einen Auslass 14 mit einem erweiterten Querschnitt. Dazwischen ist eine Expansionsstelle 15 angeordnet, in deren Bereich sich der Durchmesser erhöht. Der Einlass 13 und Auslass 14 sind fluchtend angeordnet und bilden so einen Hauptpfad 18 für das entnommene Abgas, wobei der Hauptpfad 18 einer Mittellinie von Trajektionslinien im Abgas enthaltener Partikel entspricht. Unmittelbar hinter der Expansionsstelle 15 ist im Bereich des Auslasses 14 eine Verzweigungsstelle 16 vorgesehen, an der ein Messanschluss 17 quer zur Strömungsrichtung im Auslass 14 angeordnet ist. Der Messanschluss 17 befindet sich dabei maximal so weit vom Expansionsbereich 15 entfernt, wie es dessen Durchmesseraufweitung d2 – d1 (s. 2) entspricht. An den Anschluss 17 ist dann die Transferkapillare 22 angeschlossen.
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Wie aus dem Strömungsbild in 2 ersichtlich, bewegen sich die Partikel im Abgas entlang von Trajektorien, die im Wesentlichen mit dem Hauptpfad 18 zwischen Einlass 13 und Auslass 14 übereinstimmen. Im Bereich der Expansionsstelle 15 weiten sich die Trajektorien 10 der Partikel auf, wobei jedoch im Bereich unmittelbar angrenzend an die Expansionsstelle 15 eine Zone entsteht, in welcher kaum Partikel eindringen, da sie der Änderung in der Weite des Querschnitts nicht hinreichend schnell folgen können. Da die Entnahmestelle in dieser Zone quer zur Richtung des Hauptpfads und der Trajektorien 10 angeordnet ist, gelangen kaum Partikel in den Messpfad 19. Damit werden die Transportkapillare 22, die Resektionskapillare 27 und das daran anschließende Massenspektrometer der Messeinrichtung 3 optimal vor negativer Beeinträchtigung, insbesondere Verschmutzung, durch Partikel geschützt.
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Eine alternative Ausführungsform der Transferkapillare 22 ist in 3 dargestellt. Die Transferkapillare 22 ist zweiteilig aufgebaut und umfasst insgesamt vier Stufen 23 bis 26. Der erste Teil 22' ist in Strömungsrichtung vorne angeordnet und mit dem Feststoffseparator kombiniert, während der zweite Teil 22'' sich daran anschließt und die Verbindung zur Messeinrichtung 3 herstellt. Im ersten Teil 22' schließt die erste Druckstufe 23 unmittelbar an die Sonde 11 an. Dank dieses Anschlusses an die Sonde 11 ist die Transferkapillare 22 direkt mit dem Brennraum in dem Zylinder 90 verbunden, und zwar unabhängig von der Stellung der Ventile im Kopf des Zylinders. Damit ist dank des direkten Anschlusses eine Entnahme von Probengas aus dem Zylinder 90 über die gesamte Zeit hinweg, also in allen Arbeitstakten des Kolbenverbrennungsmotors, ermöglicht. Über die Kapillare 22 erfolgt eine schnelle Überführung des von der Messsonde 11 entnommenen Abgases zu der Messeinrichtung 3.
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Aufgrund der Gestaltung der Kapillare 22, die nachfolgend näher beschrieben wird, wird eine weitgehende Entkopplung von Druckschwingungen erreicht. Um dies zu bewirken, sind die einzelnen Stufen 23 bis 26 der Transferkapillare 22 mit verschiedener Dimensionierung ausgeführt. Bei einer bewährten Ausführungsform ist die erste Druckstufe 23 mit einer Länge von 1 mm verhältnismäßig kurz und weist einen Durchmesser von 0,3 mm auf. Die zweite Stufe 24 ist mit 100 mm deutlich länger und hat einen Durchmesser von 0,8 mm. Sie sind beide im ersten Teil 22' angeordnet und mit dem Feststoffseparator kombiniert verbaut. Im zweiten Teil 22' sind die dritte Stufe 25 mit einer Länge von 1 mm und einem Durchmesser von 0,02 mm und die letzte, vierte Stufe 26 mit einer Länge von 400 mm und einem Durchmesser von 1 mm angeordnet. An diese vierte Druckstufe 26 ist ein Anschluss für eine Druckmesseinrichtung 20 sowie für einen Vakuumtank 28 angeordnet. In das Volumen der vierten Druckstufe 26 teilweise hineinragend angeordnet ist die Restriktionskapillare 27. Sie weist eine mit der zweiten Druckstufe 24 vergleichbare Länge auf, jedoch eine erheblich kleinere Weite mit einem Durchmesser von 0,2 mm. Sie führt an einen Eingangsanschluss der als Massenspektrometer ausgeführten Messeinrichtung 3. Durch die erhebliche Querschnittsverminderung der Restriktionskapillare 27 gegenüber der Transferkapillare 22 (etwa auf 1/25), insbesondere deren letzter Druckstufe 26, erfolgt eine Teilung des Massenstroms, der in die Messeinrichtung 3 fließt sowie eine druckmäßige Entkoppelung.
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Die Dimensionierung der Transferkapillare 22 und Resektionskapillare 27 ist so gewählt, dass in der ersten Druckstufe 23 ein überkritischer Betriebszustand herrscht, und in den folgenden Druckstufen 24, 25 der Betriebszustand je nach Last zwischen unterkritisch (Teillast) und überkritisch (Volllast) wechselt. Die letzte Druckstufe 26 wird stets im unterkritischen Betriebszustand gehalten. Dadurch werden Druckpulsationen nicht an die Messeinrichtung 3 weitergeleitet, und zwar unabhängig vom Betriebszustand.
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Zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Grenzdrucks in der vierten Druckstufe 26 ist eine Drucksteuerung 29 vorgesehen. Sie umfasst eine Saugeinrichtung und ein Regelventil, welches an den Vakuumtank 28 angeschlossen ist. Über die gleichfalls an die vierte Druckstufe angeschlossene Druckmesseinrichtung 20 kann eine Rückführung des aktuellen Drucksignals erreicht werden, so dass die Drucksteuerung 29 auch als Regelung betrieben sein kann. Mit ihr wird der gewünschte Grenzdruck eingestellt und dank des Vakuumtanks 28 auch bei Pulsationen gehalten.
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Bei der Messeinrichtung
3 handelt es sich um ein Massenspektrometer, wie es zur Bestimmung von Schadstoffen im Abgas, insbesondere Ölemissionen, aus dem Stand der Technik bekannt ist (
WO 2005/066605 ). Sie bestimmt die Anteile von Schadstoffkomponenten im Abgas anhand ihrer molekularen Masse und kann so in Echtzeit Auskunft bspw. über den Schmierölgehalt im Abgas geben. Um die Emissionen in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel setzen zu können, ist die Messeinrichtung
3 über die Prozessleiteinrichtung
4 mit dem Kurbelwellensensor
98 verbunden. So kann die gemessene Schadstoffemission in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel dargestellt werden.
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In 4 sind Druckverläufe in den verschiedenen Stufen der Transferkapillare (TK) 22 dargestellt. Die obere Kurve stellt einen Volllastfall dar, während die untere Kurve einen (niedrigen) Teillastfall darstellt. Wertebereiche für Voll- (V) und Teillast (T) sind in durch die beiden Doppelpfeile in der linken Hälfte von 4 dargestellt. Man erkennt, dass in der ersten Druckstufe (DS1) 23 der Druck so hoch ist, dass eine überkritische Strömung entsteht (durchgezogene Linie) und in der zweiten Druckstufe (DS2) 24 der Druck bei Teillast noch so niedrig ist, dass die Strömung unterkritisch bleibt, und bei Volllast so hoch ist, dass die Strömung wiederum überkritisch wird. In der dritten Druckstufe (DS3) 25 fällt der Druck aufgrund der großen Länge dieser Stufe gleichförmig ab, so dass die Strömung unterkritisch ist. Der am Ende der vierten Druckstufe (DS4) 26 erreichte Wert ist durch die Drucksteuerung 28 konstant auf einen solchen Wert geregelt ist, dass die Strömung noch unterkritisch bleibt. Die weitere Strecke zur Messeinrichtung 3 über die Resektionskapillare (RK) realisiert einen weiteren Druckabbau, um das notwendige Vakuum am Eingang des Massenspektrometers (MS) als Messeinrichtung 3 zu erreichen. Dessen Arbeitsbereich ist durch den Doppelpfeil in der rechten Hälfte von 4 dargestellt.
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Die in der Transferkapillare 22 erreichten Geschwindigkeitsgradienten in Abhängigkeit von der Position entlang der Transferkapillare 22 sind in 5 dargestellt. Man erkennt, dass unabhängig von der Last und dem Kurbelwellenwinkel φ (dargestellt ist der kritischere Kurbelwellenwinkelbereich von 360° bis 720°) stets eine positive Geschwindigkeit erreicht wird, d. h. es kommt nicht zu das Messergebnis verfälschenden Rückströmungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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