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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trübungsmessung an partikelbeladenen Gasströmen, insbesonders am Abgas einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer im wesentlichen rohrförmigen Messkammer, die im Bereich eines ihrer offenen Enden eine einstrahlende Beleuchtungsanordnung und im Bereich des gegenüberliegenden Endes eine Sensoranordnung aufweist, sowie mit einer im Mittenbereich der Messkammer in diese einmündenden Zuführleitung.
Derartige Einrichtungen bzw. die damit durchgeführten Messverfahren arbeiten nach dem Beer-Lambert'schen Gesetz, wonach durch die im Gas bzw. Abgas befindlichen Partikel eine Abschwächung eines Lichtstrahles hervorgerufen wird. Die Grössenordnung der Abschwächung wird als Mass für die Partikelbelastung des Gases herangezogen. Im speziell angesprochenen Fall der Abgasmessung an Diesel-Brennkraftmaschinen wird das Abgas zumeist durch den Staudruck der Brennkraftmaschine über eine im Auspuffrohr befindliche Sonde mit anschliessendem Sondenschlauch in die Messkammer geleitet, wobei ein vorgeordnetes Umschaltventil eine Kalibrierung und Spülung auch bei laufender Brennkraftmaschine ermöglicht.
Speziell im Zusammenhang mit als Antriebsmotoren in Fahrzeugen verwendeten Dieselbrennkraftmaschinen sind vom Gesetzgeber mittlerweile in einer Vielzahl von Ländern periodische Abgasuntersuchungen vorgeschrieben, wobei zur Sicherstellung reproduzierbarer und vergleichbarer Ergebnisse eine möglichst optimale Befüllung der Messkammer mit dem zu messenden Abgas gefordert wird. Bei den bisher bekannten konstruktiven Ausführungen derartiger Vorrichtungen bestehen allerdings oft Schwierigkeiten mit dem gewünschten schnellen Ansprechverhalten der Messkammer.
So wird beispielsweise bei einer im Mittenbereich der Messkammer in Form eines einfachen T-Stückes einmünenden Zuführleitung bewirkt, dass sich die Strömung nach der Aufteilung in die beidseitigen Messkammerhälften an einer glatten Innenwand der Messkammer anlegt, was erst nach einer relativ grossen Wegstrecke des in die Messkammer eingeströmten Abgases eine Vergleichmässigung des Geschwindigkeitsprofils über den Querschnitt der Messkammer ermöglicht. Es kann damit eine optimale Befüllung der Messkammer nicht sichergestellt werden, bzw. wird eine relativ grosse Messkammerlänge erforderlich (ergibt ein schlechtes Ansprechverhalten der Messkammer) um überhaupt mit einiger Sicherheit messen zu können (siehe dazu auch Fig. 1 und die zugehörige Beschreibung).
Weiters ist beispielsweise aus der EP 0 586 363 A1 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt geworden, bei der durch in einer rohrförmigen Messkammer mit relativ grossem Durchmesser eingebaute Blenden eine rasche Verwirbelung des mittig einströmenden Abgases und damit eine relativ rasche Vergleichmässigung des Strömungsprofiles des Abgases innerhalb der Messkammer erreicht wird.
Allerdings erzeugen diese eingebauten Blenden ein grosses Totvolumen sowie Reibungsverluste, was wiederum zu einer Verlängerungen der Ansprechzeit sowie auch zu einer Verwirbelung des Trübungsprofiles führt (siehe dazu auch Fig. 2 und die zugehörige Beschreibung).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass auf einfache Weise eine möglichst rasche Vergleichmässigung des Strömungsprofiles des im Mittenbereich der Messkammer zugeführten Abgases nach beiden Seiten der Messkammer hin erfolgt, sodass eine optimale Befüllung der Messkammer und ein schnelles Ansprechverhalten möglich wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass gegenüber der Einmündung der Zuführleitung in der Messkammer ein Prallbereich mit von der ansonsten im wesentlichen glatten Innenwand der Messkammer abweichender Oberfläche angeordnet ist. Durch die gezielte Ausbildung dieses Prall bereiches legt sich das zugeführte Abgas nicht an der Innenwand der Messkammer an, sondern wird durch den Prallbereich verwirbelt und reflektiert, wonach sich im Anschluss an den Prattbereich auf beiden Seiten sehr rasch eine weitgehende Vergleichmässigung des Geschwindigkeitsprofiles über den Messkammerquerschnitt ergibt.
Durch diesen Effekt kann die sonstige Innenwand der Messkammer glatt und ohne wesentliche Reibungsverluste ausgebildet werden, womit ein sehr schnelles Ansprechverhalten bei optimaler Befüllung der Messkammer und weitgehend ausgeschlossener Verwirbelung des Trübungsprofiles erhalten wird.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Prallbereich eine bezüglich der Achse der einmündenden Zuführleitung und der beidseitigen Abströmrichtung der auftreffenden Gasströme im wesentlichen symmetrische, gegenüber der Innenwand der Messkammer vertiefte Mulde aufweist. Diese Mulde ermöglicht eine konstruktiv sehr einfache Ausbildung des Prallbereiches, die sehr wirkungsvoll den zugeführten Abgasstrom reflektiert und für eine rasche Verwirbelung unter Verhinderung eines Anlegens an die Innenwand der Messkammer sorgt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mulde - in Richtung der Achse der Zuführleitung betrachtet - eine sich mit ihrer längeren Ausdehnung in Richtung der Achse der Messkammer erstreckende Rechteckform, einen im wesentlichen ebenen, gegenüber der Innenwand der Messkammer abgesenkten Boden und im wesentlichen senkrecht zu diesem stehende Seitenwände aufweist. Diese Form der Mulde bzw. des Prallbereiches hat sich in der praktischen Ausführung sehr bewährt und ermöglicht
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auch eine einfache Herstellung der Messkammer.
Die Rechteckform der beschriebenen Mulde kann in besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ein Verhältnis von Breite zu Länge im Bereich von 1 : 1, 5 bis 1. 2, 5 aufweisen, was sich in praktisch durchgeführten Versuchen als sehr effektiv für die angestrebte Verwirbelung und möglichst rasche Ver- gleichmässigung des Geschwindigkeitsprofiles des zugeführten Abgases nach beiden Seiten der Messkammer hin gezeigt hat.
Der Boden der Mulde kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gegenüber der Innenwand der Messkammer um einen Wert im Bereich vom 0, 1- bis 0, 3-fachen des Innendurchmessers der Messkammer abgesenkt sein, was sich ebenfalls bei praktischen Versuches als sehr effektiv im Hinblick auf die gesteckten Ziele erwiesen hat.
Die Übergänge von der Mulde zur Innenwand der Messkammer sind nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung im wesentlichen scharfkantig ausgebildet, was die Verwirbelung der Strömung in diesem Bereich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sehr positiv beeinflusst.
Um nun das zugeführte und auf beschriebene Weise hinsichtlich seines Geschwindigkeitsprofiles schnell und einfach vergleichmässigte Abgas auch auf der Abströmseite aus den beiden offenen Enden der Messkammer nicht in für die Befüllung bzw. Stabilität der Messlänge ungünstiger Weise zu beeinflussen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt vorgesehen, dass gegenüber den offenen Enden vor der Beleuchtungsanordnung bzw. der Sensoranordnung der Messkammer weitere Prallbereiche angeordnet sind, die das jeweilige Ende im wesentlichen topfförmig überdecken, im Bereich des Durchstosses der Achse der Messkammer eine gegenüber deren Innendurchmesser kleine Öffnung aufweisen und deren Rand mit dem Ende der Messkammer einen offenen Ringspalt für den Austritt des Gasstromes bildet.
Bei den beiden eingangs beschriebenen bekannten Vorrichtung der genannten Art (siehe auch Fig. 1 und Fig. 2) ist abströmseitig ein definiertes Totvolumen vorgesehen, in welchem das austretende Abgas verwirbelt wird und von dem es sodann an einer seitlichen Ausströmöffnung in einem Winkel von ca. 90. ausströmen muss.
Durch diese Verwirbelung und die erzwungene einseitig, beengte Ausströmung ergeben sich Reibungsverluste und unerwünschte Beeinflussungen des Ansprechens der Messung bzw. der Stabilität der Messlänge. Demgegenüber ist durch die beschriebene, entsprechende Ausgestaltung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine einfache Umlenkung des austretenden Abgases nach allen Seiten ohne wesentliche Verwirbelung und Beeinflussung der Stabilität der Messlänge erreicht, wonach das Abgas rotationssymmetrisch um die Achse der Messkammer nach allen Seiten abströmen kann.
Damit wird dem abströmenden Abgas geringstmöglicher Widerstand entgegengesetzt und eine möglichst geringe Vermischung zwischen dem ausströmenden Abgas und dem üblicherweise zur Beleuchtungsanordnung sowie zur Sensoranordnung hin vorgesehenen Spülluftvorhang sichergestellt.
Im zuletzt genannten Zusammenhang ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung von besonderem Vorteil, gemäss welcher der Rand der topfförmigen weiteren Prallbereiche einen Innendurchmesser im Bereich vom 2- bis 3-fachen des Innendurchmessers der Messkammer aufweist, wobei der Abstand vom Ende der Messkammer bis zum Boden des jeweiligen topfförmigen Prallbereiches etwa der Breite des Ringspaltes zwischen Ende der Messkammer und Rand des topfförmigen Prallbereiches entspricht. Damit ist ein möglichst geringer Widerstand für das aus dem Ende der Messkammer austretende und mittels des topfförmigen Prallbereiches umgelenkte Abgas gegeben.
Zwischen der Aussenseite der topfförmigen weiteren Prallbereiche und der Sensor- bzw. Beleuchtungs- anordnung sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung Spülluftvorhänge in mehreren Kanälen im wesentlichen senkrecht zur Achse der Messkammer geführt, wobei die Kanalwände im Bereich der Durchstosspunkt der Achse der Messkammer Öffnungen aufweisen, die vorzugsweise gleich der Öffnung im zugeordneten topfförmigen Prallbereich sind. Auf diese Weise wird das unter Umständen durch die kleine mittige Öffnung des topfförmigen Prallbereiches noch in den Bereich des Spülluftvorhangs eindringende Abgas sicher und schnell abgeführt und eine Verunreinigung der Sensor- bzw. Beleuchtungsanordnung bzw. von diesen Anordnungen vorgeschalteten Fenstern mit Sicherheit vermieden.
Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der in der Zeichnung teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen dabei schematische Messkammeranordnungen nach dem Stande der Technik, Fig. 3 zeigt eine entsprechende Anordnung nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 4 bis 6 zeigen Details einer erfindungsgemässen Vorrichtung betreffend die Messkammer und die Zuführleitung, und Fig. 7 zeigt eine im wesentlichen den Fig. 4 bis 6 entsprechende Messkammer eingebaut in einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der Anordnung nach dem Stande der Technik gemäss Fig. 1 ist eine im wesentlichen rohrförmige Messkammer 1 vorgesehen, die im Bereich eines ihrer offenen Enden 2,3 eine hier nicht dargestellte einstrahlende Beleuchtungsanordnung und im Bereich des gegenüberliegenden Endes 3,2 eine ebenfalls nicht dargestellte Sensoranordnung aufweist. Im Mittenbereich 4 der Messkammer 1 ist eine in diese
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einmündende Zuführleitung 5 vorgesehen, mittels der im Messbetrieb der Vorrichtung Abgas zugeführt wird.
Die Strömung dieses zugeführten Abgases legt sich nach der Aufteilung in die beiden Rohrhälften 6,7 der Messkammer 1 vorerst wie anhand der Strömungslinien 8 ersichtlich an der glatten Innenwand der Messkammer 1 an, womit eine Vergleichmässigung des symbolisch eingezeichneten und mit 9 gekennzeichneten Geschwindigkeitsprofiles erst zu einem relativ späten Zeitpunkt erreicht wird und eine optimale Befüllung der Messkammer nicht sichergestellt werden kann.
An den beiden offenen Enden 2,3 der Messkammer 1 tritt im Messbetrieb der Vorrichtung das Abgas in ein definiertes Totvolumen 10 aus, verwirbelt nach dem Aufprall an der messkammerseitigen Begrenzung 11 von Spülluftkanälen 12 vor den hier nicht dargestellten Beleuchtungs- bzw. Sensoranordnungen und muss sodann in einem Winkel von ca. 90. an einer Ausströmöffnung 13 einseitig ausströmen. Damit ergeben sich unnötige Reibungsverluste bzw. auch eine unstabile gesamt Messlänge.
Fig. 2 zeigt eine weitere Vorrichtung nach dem Stande der Technik (beispielsweise EP 0 586 363 A1).
Hier ist nun die Messkammer 1 mit relativ grossem Durchmesser ausgeführt und weist eingebaute Blenden 14 auf, welche für eine gegenüber Fig. 1 schnellere Verwirbelung der über die Zuführleitung 5 im Messbetrieb einströmenden Abgase sorgen, womit das Strömungsprofil 9 innerhalb der Messkammer 1 schneller vergleichmässigt wird. Allerdings erzeugen diese Blenden 14 auch relative grosse Totvolumina sowie Reibungsverluste, welche zu einer Verlängerung der Ansprechzeit sowie zu einer Verwirbelung des Trübungsprofiles führen. Ausströmseitig sind die Verhältnisse wiederum ähnlich wie zu Fig. 1 beschriebenzur Vermeidung von Wiederholungen wird diesbezüglich auf die obigen Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.
In Fig. 3 ist nun eine Anordnung nach der vorliegenden Erfindung prinzipiell dargestellt. Gegenüber der Einmündung 15 der Zuführleitung 5 ist hier im Mittenbereich 4 der ansonsten innen im wesentlichen glatten Messkammer 1 ein Prallbereich 16 zur Verwirbelung der auftreffenden Gasströme (Strömungslinien bzw.
Pfeile 8) angeordnet, der eine bezüglich der Achse 17 der einmündenden Zuführleitung 5 und der beidseitigen Abströmrichtung (Pfeile 18) der auftreffenden Gasströme symmetrische, gegenüber der Innenwand 19 der Messkammer 1 vertiefte Mulde 20 aufweist. Damit wird nun erreicht, dass sich das im Messbetrieb einströmende Abgas nicht an der Innenwand der Messkammer 1 anlegt, sondern durch die Muldenform verwirbelt und reflektiert wird, womit bereits knapp nach dem Verlassen der Mulde bzw.
Einströmen in die beiden Rohrhälften 6,7 der Messkammer 1 ein weitgehend homogenes Geschwindigkeitsprofil 9 erzielt wird. Dies ermöglicht eine optimale Befüllung der gesamten Messkammer mit dem zu messenden Abgas ohne wesentliche Reibungsverluste.
Gegenüber den offenen Enden 2,3 der erfindungsgemässen Messkammer 1 sind nach Fig. 3 weitere Prallbereiche 21 angeordnet, die das jeweilige Ende 2,3 im wesentlichen topfförmig überdecken, im Bereich 22 des Durchstosses der Achse 23 der Messkammer 1 eine gegenüber deren Innendurchmesser kleine Öffnung 24 aufweisen und deren Rand 25 mit dem Ende 2,3 der Messkammer 1 einen offenen Ringspalt 26 für den Austritt des Gasstromes bildet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Abströmen der Abgase möglichst ohne Verwirbelung und unnötige Reibungsverluste erfolgen kann, was günstige Auswirkungen auf die Stabilität der Messlänge und das Ansprechverhalten hat.
In den Fig. 4 bis 6 ist in verschiedenen Ansichten eine konkret ausgebildete Messkammer 1 samt Zuführleitung 5 für die Verwendung in einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei gleichen bzw. zumindest von der Funktion her gleichwertigen Teilen sind die auch bisher bereits verwendeten Bezugszeichen wieder verwendet. Bezüglich der allgemeinen Ausführungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zu Fig. 3 verwiesen.
Insbesonders aus der, einen von unten betrachteten Teilschnitt von Fig. 4 darstellenden, Fig. 6 ist zu ersehen, dass die Mulde 20 - in Richtung der Achse 17 der Zuführleitung 5 betrachtet - eine sich mit ihrer längeren Ausdehnung in Richtung der Achse 23 der Messkammer 1 erstreckende Rechteckform aufweist.
Aus dem Längsschnitt nach Fig. 4 bzw. dem Querschnitt nach Fig. 5 ist zu ersehen, dass die Mulde 20 einen im wesentlichen ebenen, gegenüber der Innenwand 19 der Messkammer 1 abgesenkten Boden 27 und im wesentlichen senkrecht zu diesem stehende Seitenwände 28 aufweist. Die Rechteckform der Mulde 20 weist bevorzugt ein Verhältnis von Breite zu Länge im Bereich von 1 : 1, 5 bis 1 : 2, 5 auf, wobei der Boden 27 der Mulde 20 gegenüber der Innenwand 19 der Messkammer 1 um einen Wert 29 im Bereich vom 0, 1- bis 0, 3-fachen des Innendurchmessers 30 der Messkammer 1 abgesenkt ist. Die Übergänge vom Boden 27 zu den Seitenwänden 28 und von diesen zur Innenwand 19 der Messkammer 1 sind im wesentlichen scharfkantig ausgebildet, wobei die Mulde 20 bzw. deren Rechteckform an den Ecken mit einem Radius 31 abgerundet ist.
Der in Fig. 7 dargestellte Teilschnitt durch eine gesamte Vorrichtung zur Trübungsmessung am Abgas einer nicht weiter dargestellten Diesel-Brennkraftmaschine zeigt als zentralen Teil wiederum die Messkammer 1 samt Zuführleitung 5 ausgebildet wie in den Fig. 4 bis 6 dargestellt. Am der Messkammer 1 abgewandten Ende der Zuführleitung 5 ist nur schematisch ein Umschaltventil 32 zu erkennen, welches die
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auf nicht dargestellte Weise eingangsseitig mit der Probensonde verbindbare Einströmleitung 33 im normalen Messbetrieb mit der Zuführleitung 5 und damit der Messkammer 1 verbindet. In einer zweiten Schaftstellung wird die Einströmleitung 33 abgeschlossen und Kalibrierluft mittels eines hier nicht dargestellten Ventilators von oben her in die Zuführleitung 5 gedrückt.
Der am offenen Ende 3 der Messkammer 1 angeordnete weitere Prallbereich 21 ist hier in einem Bauteil mit dem Spülluftkanal 12 kombiniert, dem von der in der Darstellung oberen Seite her ebenfalls vom nicht dargestellten Ventilator Spülluft zugeführt wird, die unten ausströmt und somit einen Spülluftvorhang vor der Beleuchtungs- bzw. Sensoranordnung 34 bildet. Der Rand 25 des topfförmigen weiteren Prallbereiches 21 weist hier einen Innendurchmesser im Bereich vom 2- bis 3-fachen des Innendurchmessers 30 der Messkammer 1 auf, wobei der Abstand 34'vom Ende 3 der Messkammer 1 bis zum Boden 35 etwa der Breite des Ringspalts 26 zwischen Ende 3 der Messkammer 1 und Rand 25 des topfförmigen Prallbereiches 21 entspricht.
Zwischen der Aussenseite 36 des topfförmigen Prallbereiches 21 und der Sensor- bzw. Beleuchtungsan- ordnung 34 sind einzelne Spülluftvorhänge hier in drei Kanälen 37 im wesentlichen senkrecht zur Achse 23 der Messkammer 1 geführt, wobei die Kanalwände im Bereich der Durchstosspunkte der Achse 23 der Messkammer 1 Öffnungen 38 aufweisen, die vorzugsweise gleich der Öffnung 24 im zugeordneten topfförmigen Prallbereich 21 sind.
Das aus dem Ringspalt 26 im Messbetrieb der Vorrichtung austretende Abgas, bzw. die dort im Kalibrierbetrieb austretende Kalibrierluft, wird an Gehäuseöffnungen 39 ins Freie geleitet, welche im Mittenbereich des Gehäuses 40 in der Darstellung hinter dem Prallbereich 16 angeordnet sind.
Aufgrund der beschriebenen Prall bereiche am mittigen Eintritt in die Messkammer und an den endseitigen Austritten aus der Messkammer kann diese und damit die gesamte Vorrichtung sehr kurz gebaut werden, ohne dass Messgenauigkeit oder Ansprechgeschwindigkeit negativ beeinflusst werden.