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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rußsensor, eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Rußsensor sowie ein Rußpartikelerfassungsverfahren.
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Rußpartikelsensoren werden beispielsweise im Abgassystem einer Brennkraftmaschine verwendet. Insbesondere werden Rußsensoren in Strömungsrichtung des Abgases hinter einem Partikelfilter eines Dieselmotors eingesetzt. Die dort eingesetzten Rußsensoren erkennen beispielsweise einen Filterbruch des Rußpartikelfilters oder eine vollständige Beladung des Rußpartikelfilters. Eine Messung eines Rußpartikelanteils in dem Abgas kann mittels elektrischen Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels Widerstandsmessung oder Impedanzmessung. Weiterhin kann die Messung des Rußparitkelanteils mit thermischen Verfahren erfolgen. Bei diesen Verfahren wird eine Änderung von thermischen Eigenschaften erkannt, beispielsweise eine Veränderung eines Wärmeübergangs aufgrund einer Rußschicht.
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Ein optischer Rußsensor ist aus der
WO 2005/024400 A1 bekannt. Dieser Rußpartikelsensor weist eine Lichtquelle, ein lichtleitendes Element mit einer Grenzfläche sowie einen Lichtdetektor auf. Die Grenzfläche reflektiert aus dem inneren des Elements einfallendes Licht der Lichtquelle mit einem Reflexionsvermögen, das von einer äußeren Belegung der Grenzfläche mit einer Rußschicht abhängig ist. Der Lichtdetektor wird mit dem reflektierten Licht beleuchtet. Dementsprechend misst dieser Rußsensor eine Störung der Reflexion durch Rußpartikel an einem Übergang von einem optisch transparenten Körper in das Abgas.
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Ein Nachteil dieser Vorrichtung und dieses Verfahrens ist, dass eine Abschwächung einer Lichtintensität ausgewertet wird. Dies bedeutet, dass eine Änderung eines Signals wie die Gesamtintensität des Lichts detektiert werden muss. Schwankungen in der von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtintensität führen somit beispielsweise zu Fehlern in der Erkennung einer Rußschicht. Dadurch wird das Verfahren ungenau.
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Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Optimierung eines optischen Rußpartikelsensors im Hinblick auf die Genauigkeit sowie das Bereitstellen einer entsprechenden Abgasvorrichtung und eines entsprechenden Rußpartikelerfassungsverfahrens.
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Die oben genannten Aufgaben werden durch einen erfindungsgemäßen Rußsensor gemäß Anspruch 1, eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rußsensor gemäß Anspruch 6 sowie einem Rußpartikelerfassungverfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen hervor.
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Ein erfindungsgemäßer Rußsensor umfasst eine Lichtquelle, einen optisch transparenten Körper mit einer ersten Seite, an der von der Lichtquelle eingestrahltes Licht reflektiert wird und an der eine Rußschicht anlagerbar ist, sowie einen Lichtdetektor, der an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des optisch transparenten Körpers angeordnet ist und mit dem von der Rußschicht gestreutes Licht detektierbar ist.
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Der Rußsensor besteht aus einer Lichtquelle, einem optisch transparenten Körper, sowie einem Lichtdetektor. Die Lichtquelle strahlt Licht in den optisch transparenten Körper ein, beispielsweise an einer ersten Stirnseite einer Glasplatte oder Saphirglasplatte. Das eingestrahlte Licht wird an einer ersten Seite des optisch transparenten Körpers reflektiert und tritt aus dem optisch transparenten Körper aus, beispielsweise an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite der Glasplatte oder der Saphirglasplatte. Eine Strahlfalle fängt den aus dem optisch transparenten Körper ausgetretenen Lichtstrahl ein.
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Der Lichtdetektor ist an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des optisch transparenten Körpers angeordnet und erfasst eine Lichtintensität. Die Anordnung erfolgt in der Weise, dass der Lichtdetektor das an der ersten Seite reflektierte Licht nicht erfassen kann.
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Hat sich an der ersten Seite des optisch transparenten Körpers eine Rußschicht angelagert, wird das Licht in dem optisch transparenten Körper aufgrund der Rußschicht gestreut. Dadurch gelangt ein Teil des Lichts zum Lichtdetektor.
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Ein Vorteil dieses Rußsensors ist, dass nicht die Abschwächung des Lichts durch die Rußschicht auf der reflektierenden Fläche gemessen wird, sondern die Intensität des aufgrund der Rußschicht gestreuten Lichts. Wie oben ausgeführt erfolgt die Messung der Intensität des gestreuten Lichts an einer Stelle, an die kein reflektiertes Licht gelangen kann. Daher ist die durch den Lichtdetektor gemessene Lichtintensität ohne Rußschicht annähernd Null. Ist aber die erste Seite des optisch transparenten Körpers mit einer Rußschicht belegt, führt dies zu einer Streuung des Lichts, die mit dem Lichtdetektor detektiert wird.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass sie nur minimale Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität der Lichtquelle und des Lichtdetektors im Vergleich zum Stand der Technik stellt, da die Lichtstreuung durch eine Rußschicht nur geringfügig von anderen Streueffekten überlagert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform tritt an der ersten Seite eine Totalreflexion des eingestrahlten Lichts auf. Ein Vorteil der Totalreflexion ist, dass kein Licht an der ersten Seite aus dem optisch transparenten Körper austritt, beispielsweise in eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine. Auf diese Weise wird vermieden, dass beispielsweise eine Wand der Abgasvorrichtung Licht streut. Diese Lichtstreuung aufgrund der Wand der Abgasvorrichtung würde wiederum von dem Lichtdetektor erkannt und so eine im Vergleich zur Totalreflexion erhöhte Grundlichtintensität verursachen. Daher kann bei Vorliegen von Totalreflexion an der ersten Seite des optisch transparenten Körpers die Genauigkeit des Rußsensors im Vergleich zu keiner Totalreflexion weiter erhöht werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der Rußsensor ein Heizelement aufweist. Mit dem Heizelement ist die erste Seite des optisch transparenten Körpers beheizbar, sodass insbesondere die dort angelagerte Rußschicht entfernbar ist. Beispielsweise kann dies mittels Freibrennen durch das Heizelement erfolgen. Das Heizelement kann beispielsweise ringförmig sein oder eine Mäanderstruktur aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle des Rußsensors ein Laser. Ein Laserlichtstrahl ist im Vergleich zu einem Lichtstrahl einer herkömmlichen Lichtquelle schmal. Aufgrund des schmalen Laserlichtstrahls im Vergleich zu einem herkömmlichen Lichtstrahl kann der optisch transparente Körper kleiner gestaltet werden. Zudem ist eine Fläche, an der der Laserlichtstrahl die erste Seite des optisch transparenten Körpers trifft und an dieser reflektiert wird kleiner im Vergleich zu einem herkömmlichen Lichtstrahl. Im Folgenden wird dieser Bereich allgemein als Reflexionsfläche bezeichnet. Die im Vergleich zu einem herkömmlichen Lichtstrahl kleiner Reflexionsfläche aufgrund des Laserlichtstrahls erlaubt eine einfache Reinigung der berußten Fläche mittels eines ringförmigen Heizbereichs.
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Weiterhin vorteilhaft ist die Verwendung von Saphirglas für den optisch transparenten Körper. Aufgrund des Saphirglases ist eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Temperatur- und Alterungsbeständigkeit erzielbar.
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Eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine weist einen erfindungsgemäßen Rußsensor auf. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich beispielsweise um einen Dieselmotor. In der Abgasvorrichtung des Dieselmotors ist weiterhin ein Rußpartikelfilter angeordnet. In Strömungsrichtung hinter dem Rußpartikelfilter befindet sich dann der erfindungsgemäße Rußsensor, mit den oben geschriebenen Vorteilen. Ein optisch transparenter Körper des Rußsensors ist beispielsweise tangential an einem Ausschnitt der Abgasvorrichtung angeordnet.
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Ein Rußpartikelerfassungsverfahren verwendet einen erfindungsgemäßen Rußsensor und weist die folgenden Schritte auf: Einstrahlen von Licht von einer Lichtquelle in einen optisch transparenten Körper, Reflektieren des eingestrahlten Lichts an einer ersten Seite des optisch transparenten Körpers, Anlagern einer Rußschicht an der ersten Seite des optisch transparenten Körpers und Detektieren des an der ersten Seite gestreuten Lichts mittels eines Lichtdetektors an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des optisch transparenten Körpers.
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Licht wird von einer Lichtquelle in einen optisch transparenten Körper eingestrahlt und an einer ersten Seite des optisch transparenten Körpers reflektiert. An einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des optisch transparenten Körpers ist ein Lichtdetektor angeordnet. Beispielsweise befindet sich der Lichtdetektor gegenüber einer Fläche, an der das eingestrahlte Licht reflektiert wird (Reflexionsfläche).
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Wird eine Rußschicht an der ersten Seite des optisch transparenten Körpers angelagert, tritt neben der Reflexion des eingestrahlten Lichts an der ersten Seite eine Streuung des Lichts auf. Diese Streuung ist durch die Rußpartikelschicht hervorgerufen. Eine Intensität der auftretenden Lichtstreuung wird mittels des Lichtdetektors erfasst.
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Die Vorteile dieses Aufbaus wurden bereits weiter oben beschrieben, sodass sie an dieser Stelle nicht wiederholt werden. Das Rußpartikelerfassungsverfahren weist ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile auf.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das eingestrahlte Licht an der ersten Seite total reflektiert. Aufgrund der Totalreflexion ist die Genauigkeit des Verfahrens im Vergleich zu keiner Totalreflexion steigerbar, wie bereits oben dargelegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Rußpartikelerfassungsverfahren den weiteren Schritt auf: Beheizen der ersten Seite des optisch transparenten Körpers mit einem Heizelement, sodass die angelagerte Rußschicht entfernbar ist. Das Heizelement kann in Abhängigkeit von einem für den optisch transparenten Körper verwendeten Material auf der ersten Seite des optisch transparenten Körpers oder in der Nähe des optisch transparenten Körpers angeordnet sein. Wird als Lichtquelle ein Laser verwendet, kann das Heizelement insbesondere ringförmig sein und sich um die Reflexionsfläche herum erstrecken.
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Besonders bevorzugt ist das Rußpartikelerfassungsverfahren, das die weiteren Schritte aufweist: Erfassen einer ersten Streulichtintensität mittels Lichtdetektor vor dem Beheizen der ersten Seite, Erfassen einer zweiten Streulichtintensität mittels Lichtdetektor nach dem Beheizen der ersten Seite, Erfassen einer Temperatur an der ersten Seite nach dem Beheizen, Ermitteln einer Zusammensetzung der Rußschicht, insbesondere eines Kohlenstoffanteils, in einer Auswerteeinheit aufgrund eines Vergleichs der erfassten ersten und zweiten Streulichtintensität unter Berücksichtigung der erfassten Temperatur.
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Mit Hilfe dieser Verfahrensschritte kann eine Zusammensetzung der Rußschicht ermittelt werden. Das Heizelement kann als Temperatursensor verwendet werden, wenn es nicht heizt. In der Auswerteeinheit kann beispielsweise ein Kennfeld hinterlegt sein. Mit diesem Kennfeld können in Abhängigkeit der nach dem Beheizen der ersten Seite vorhandenen zweiten Streulichtintensität unter Berücksichtigung der ersten Streulichtintensität und aufgrund der maximal an der ersten Seite erreichten Temperatur Rückschlüsse auf eine Zusammensetzung der Rußschicht getroffen werden.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Rußsensors und
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2: einen schematischen Verfahrensablauf eines Rußpartikelerfassungsverfahrens.
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Ein erfindungsgemäßer Rußsensor ist beispielsweise in einer Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine angeordnet, insbesondere an einem Abgasrohr eines Dieselmotors. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Rußsensors 1, der an einem Abgasrohr 2 angeordnet ist. Ein optisch transparenter Körper 10 ist tangential an einem Ausschnitt des Abgasrohres 2 angeordnet, so dass eine erste Seite 16 zumindest teilweise von einem im Betrieb der Brennkraftmaschine durch das Abgasrohr 2 strömenden Abgasstrom überströmt wird.
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Licht wird von einer Lichtquelle 4 durch eine erste Stirnseite 12 in den optisch transparenten Körper 10 eingestrahlt. Der optisch transparente Körper ist beispielsweise eine Glasplatte, vorzugsweise eine Saphirglasplatte.
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Das von der Lichtquelle 4 eingestrahlte Licht wird an einer ersten Seite 16 des optisch transparenten Körpers 10 reflektiert. Die Fläche an der das Licht reflektiert wird, wird als Reflexionsfläche 20 bezeichnet. Bei der Lichtquelle 4 handelt es sich insbesondere um einen Laser. Ein Lichtstrahl eines Lasers ist schmaler als ein Lichtstrahl einer herkömmlichen Lichtquelle. Somit kann die Reflexionsfläche 20 bei Verwendung eines Lasers als Lichtquelle 4 kleiner gestaltet werden im Vergleich zu einer Reflexionsfläche 20 bei Verwendung einer herkömmlichen Lichtquelle 4.
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Weiterhin tritt an der ersten Seite 16 des optisch transparenten Körpers 10 eine Totalreflexion des Lichtstrahls auf, sodass bei einer Rußschichtfreien ersten Seite 16 praktisch kein Licht in das Abgasrohr 2 austritt, sondern vollständig reflektiert wird. Das reflektierte Licht tritt an einer der ersten Stirnseite 12 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 14 des optisch transparenten Körpers 10 aus und läuft in eine Strahlfalle 8.
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Im Betrieb des Dieselmotors strömt Abgas mit einem Rußanteil durch das Abgasrohr 2 und über den Rußsensor 1. Eine Rußschicht lagert sich an der ersten Seite 16 des optisch transparenten Körpers 10 in dem überströmten Bereich ab.
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Das eingestrahlte Licht tritt an der Reflexionsfläche 20 in Wechselwirkung mit der an der ersten Seite 16 angelagerten Rußschicht. Für diese Wechselwirkung muss die Rußschicht der ersten Seite 16 des optisch transparenten Körpers 10 näher sein als ungefähr eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Das eingestrahlte Licht weist insbesondere eine Wellenlänge unter 500 nm auf.
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Aufgrund der Rußschicht an der ersten Seite 16 des optisch transparenten Körpers tritt eine Streuung des Lichts an der Reflexionsfläche 20 auf. Auf diese Weise gelangt nun auch Licht an den Detektor 6, der gegenüber der Reflexionsfläche 20 an einer zweiten Seite 18 des optisch transparenten Körpers 10 angeordnet ist.
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Um die Reflexionsfläche 20 herum ist ein Heizelement (nicht dargestellt) angeordnet. Insbesondere bei der Verwendung eines Lasers als Lichtquelle 4 kann das Heizelement ringförmig um die Reflexionsfläche 20 herum angeordnet sein. Dadurch ist eine Reinigung der Reflexionsfläche mittels Freibrennen durch den ringförmigen Heizbereich sichergestellt.
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In 2 ist ein schematischer Verfahrensablauf eines Rußpartikelerkennungsverfahrens dargestellt. In einem Schritt A wird Licht von einer Lichtquelle in einen optisch transparenten Körper eingestrahlt, beispielsweise von einem Laser mit einer Lichtwellenlänge unter 500 nm. Der optisch transparente Körper ist eine Glasplatte oder vorzugsweise eine Saphirglasplatte in die das Licht durch eine erste Stirnseite eingestrahlt wird.
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Das eingestrahlte Licht wird an einer ersten Seite des optisch transparenten Körpers reflektiert (Schritt B) und verlässt den optisch transparenten Körper an einer zweiten Stirnseite. Die zweite Stirnseite des optisch transparenten Körpers liegt der ersten Stirnseite des optisch transparenten Körpers gegenüber. Nach dem Austritt des Lichts aus dem optisch transparenten Körper wird das Licht in einer Strahlfalle gefangen.
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Die Fläche an der das Licht an der ersten Seite des optisch transparenten Körpers reflektiert wird, wird als Reflektionsfläche bezeichnet. Gegenüber der Reflektionsfläche ist an einer zweiten Seite des optisch transparenten Körpers ein Lichtdetektor angeordnet. Der Aufbau des Rußsensors ist insbesondere so, dass eine Totalreflexion des Lichts an der ersten Seite des optisch transparenten Körpers auftritt. Dementsprechend detektiert der Lichtdetektor kein Licht, wenn keine Rußschicht an der ersten Seite des optisch transparenten Körpers angelagert ist, insbesondere an der Reflexionsfläche.
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In einem Schritt C lagert sich eine Rußschicht an der ersten Seite des optisch transparenten Körpers ab, beispielsweise während eines Betriebs einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasvorrichtung der Rußsensor angeordnet ist. Aufgrund der sich anlagernden Rußschicht wird das Licht an der Reflektionsfläche gestreut. Durch die Streuung gelangt Licht zu dem Lichtdetektor. Der Lichtdetektor detektiert in einem Schritt D eine Lichtintensität des gestreuten Lichts.
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Nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeit oder in Abhängigkeit von einem vorbestimmbaren Grenzwert für die durch den Lichtdetektor erfasste Lichtintensität, kann die erste Seite des optisch transparenten Körpers mittels eines Heizelements beheizt werden (Schritt E). Auf diese Weise erfolgt ein Freibrennen des optisch transparenten Körpers, insbesondere wird die Rußschicht an der Reflexionsfläche entfernt.
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Vor dem Beheizen der ersten Seite des optisch transparenten Körpers erfolgt in einem Schritt F das Erfassen einer ersten Streulichtintensität durch den Lichtdetektor. In einem ursprünglichen Ausgangszustand des Rußsensors und bei Totalreflexion des Lichts ist die Streulichtintensität Null. Die vom Lichtdetektor detektierte Streulichtintensität steigt in Abhängigkeit von der angelagerten Rußschicht.
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In einem Schritt E wird die erste Seite beheizt und die dort angelagerte Rußschicht mindestens teilweise entfernt. Das Heizelement wird abgeschaltet und eine Temperatur der ersten Seite des optisch transparenten Körpers wird mittels eines Temperatursensors erfasst (Schritt H). Bei dem Temperatursensor handelt es sich insbesondere um das ausgeschaltete Heizelement.
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Weiterhin wird eine zweite Streulichtintensität mittels Lichtdetektor nach dem Beheizen erfasst (Schritt G). Die erfassten ersten und zweiten Streulichtintensitäten sowie die gemessene Temperatur werden an eine Auswerteeinheit übermittelt. Aufgrund eines Vergleichs der erfassten ersten und zweiten Streulichtintensitäten in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur kann beispielsweise über ein Kennfeld in der Auswerteeinheit die Zusammensetzung der Rußschicht bestimmt werden, insbesondere ein Kohlenstoffanteil in der Rußschicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rußsensor
- 2
- Abgasrohr
- 4
- Lichtquelle
- 6
- Lichtdetektor
- 8
- Strahlfalle
- 10
- Optisch transparenter Körper
- 12
- Erste Stirnseite
- 14
- Zweite Stirnseite
- 16
- Erste Seite
- 18
- Zweite Seite
- 20
- Reflexionsfläche