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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen katalytischen Wandler,
ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors, welches einen katalytischen Wandler
aufweist, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines katalytischen
Wandlers. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung
auf einen katalytischen Wandler, der konfiguriert ist, um teilweise zumindest
einen Teil von unerwünschten Verbrennungsnebenprodukten
zu katalysieren, die aus einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors
ausgestoßen werden.
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Hintergrund
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Es
gibt Millionen von Motoren im Gebrauch auf der ganzen Welt. Viele
dieser Motoren sind Verbrennungsmotoren, welche mit Diesel und mit
Benzin versorgte Motoren für Automobile mit einschließen. Die
meisten dieser Motoren stoßen unglücklicherweise
umweltschädliche Luftverunreinigungen aus, wie beispielsweise
Stickoxyde („NOx"), unverbrannten Brennstoff oder Kohlenwasserstoffe
und Kohlenmonoxyde, um einige zu nennen.
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In
einer Bemühung, die Erzeugung von diesen schädlichen
Verunreinigungen zu minimieren, fahren Regierungen in den Vereinigten
Staaten und auf der gesamten Welt fort, Luftreinhaltungsgesetze zu
erlassen, die die Menge der schädlichen Emissionen regeln,
die Motoren gesetzesgemäß erzeugen dürfen.
Um die Luftreinhaltungsgesetze zu erfüllen, müssen
Motorhersteller kontinuierlich die Motortechnologie verfeinern.
Ein Gebiet der Motortechnologie, welches oft verbessert wird, um
strenge Regulierungen zu erfüllen, ist die Technologie
von katalytischen Wandlern.
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Ein
katalytischer Wandler ist eine Vorrichtung, die einen chemischen
Katalysator verwendet, um dabei zu helfen verschiedene schädliche
Emissionen des Motorabgases in harmlose – oder in weniger
schädliche – chemische Verbindungen umzuwandeln.
Wie zuvor erwähnt, weisen einige dieser schädlichen
Emissionen Kohlenwasserstoffe, NOx und Kohlenmonoxyd auf.
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Einige
katalytische Wandler werden aus einer Keramikstruktur hergestellt,
wie beispielsweise aus einer Wabenstruktur bzw. einem Honeycomb,
die dann mit einem Katalysator beschichtet wird und später
in einer schalldämpferartigen Packung aufgenommen wird,
die an einem Abgasrohr angebracht ist. Andere katalytische Wandler
weisen Metallfolien auf, die dann um eine Achse gerollt werden,
um eine zylindrische Struktur zu bilden, die dann in einer schalldämpferartigen
Packung aufgenommen wird, die an dem Abgasrohr angebracht wird.
Bei diesen gerollten katalytischen Wandlern muss der Katalysator
entweder bevor die Folien zusammengewickelt werden oder danach aufgebracht
werden. Der Wandler weist gewöhnlicher Weise zahlreiche
benachbart liegende Kanäle auf, durch die Abgas fließt.
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Die
meisten katalytischen Wandler sind mit einem chemischen Katalysator
beschichtet. Diese Katalysatoren können ein wertvolles
Metall aufweisen, wie beispielsweise Rhodium, Platin und Paladium.
Solche Katalysatoren helfen beispielsweise dabei, Kohlenmonoxyd
in Kohlendioxyd umzuwandeln. Andere Katalysatoren können
dabei helfen, Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxyd und Wasser umzuwandeln,
während noch andere Katalysatoren dabei helfen können,
NOx in Stickstoff und Sauerstoff umzuwandeln.
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Wenn
der katalytische Wandler aus einem Keramiksubstrat gemacht ist,
kann der Wandler durch Extrusion hergestellt werden, was Kanäle
zur Folge hat, die gerade Kanäle entlang der gesamten Länge
haben.
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Wenn
der katalytische Wandler aus Metall gemacht ist, werden gewellte
Streifen oder Folien abwechselnd mit flachen Streifen angeordnet,
wobei beide davon um eine Achse oder um mehrere Achsen gewickelt
werden, wie bei der Emitec-Konstruktion. Die daraus resultierende
Kanalquerschnittsform ist gewöhnlicher Weise rechteckig
oder trapezförmig. Zusätzlich – wie bei
den Kanälen in Wandlern mit keramischem Substrat – sind
die daraus resultierenden Kanäle in Metallwandlern auch
typischerweise entlang ihrer gesamten Länge gerade.
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Weil
viele der katalytischen Wandler von entweder der keramischen Bauart
oder der metallischen Bauart gerade Kanäle haben, und zwar
mit glatten und ebenen Oberflächen, und weil die Geschwindigkeiten
der Gase, die durch sie hindurch fließen, vergleichsweise
gering sind, ist der Fluss innerhalb der Kanäle oft laminar.
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Bei
einem laminaren Strömungsmittelfluss wird eine Grenzschicht
in der Nähe der Kanalwand gebildet. Bei dieser Grenzschicht
ist die Geschwindigkeit des Gases nahezu Null. Als eine Folge reduziert
die Grenzschicht den Koeffizienten der Massenübertragung,
was die Effizienz des katalytischen Wandlers verringern kann.
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Ein
Maß für die Effizienz eines katalytischen Wandlers
hängt von der Umwandlung der schädlichen Emissionen
in dem Wandler ab. Als solches ist es wünschenswert, einen
hocheffizienten Wandler zu haben. Damit der katalytische Wandler
einen hohen Wirkungsgrad hat, muss im Allgemeinen auch der Koeffizient
der Massenübertragung, der die Massenübertragungsrate
misst, ebenfalls hoch sein.
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Um
den Massenübertragungskoeffizienten und genauso die Effizienz
bzw. den Wirkungsgrad des katalytischen Wandlers zu steigern, kann
der Abgasfluss durch die Kanäle von laminarem Fluss auf turbulenten
Fluss umgewechselt werden, obwohl dies typischerweise den Druckabfall
am Filter steigert. Ein turbulenter Fluss kann auf verschiedene
Arten erzeugt werden. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit des
Abgases wesentlich gesteigert werden, was einen turbulenten Fluss
in den Kanälen erzeugen wird. Alternativ kann das Anordnen
von Kanälen derart, dass sie nicht entlang ihrer gesamten Länge
gerade sind, auch turbulente Flüsse erzeugen.
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Das
US-Patent Nr. 6,187,274 von
Nilson ("Nilson") offenbart eine Turbulenzeinleitungsvorrichtung
in einem Kanal eines katalytischen Wandlers. Bei Nilson wird ein
katalytischer Wandler offenbart, der Längskanäle
aufweist. Bei Nilson haben die Kanäle erste und zweite
Turbulenzgeneratoren, die in der Längsrichtung beabstandet
sind, um den Gasfluss turbulent zu machen. Bei Nilson weist auch
jeder Turbolenzgenerator eine Hinterseite auf, die nach vorne in
einem Winkel von 35° bis 60° von der Basis des
Kanals geneigt ist und nach hinten weist, weiter eine Verbindungsstirnseite,
die sich nach vorne von einer freien Kante der Hinterseite erstreckt,
und eine Vorderseite, die zur Basis hin von einer Vorderkante der
Verbindungsstirnseite vorsteht und nach vorne weist.
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Obwohl
Nilson die Verwendung von Turbulenzeinleitungsvorrichtungen lehrt,
um einen turbulenten Fluss in zumindest einem Teil des Kanals des katalytischen
Wandlers zu erzeugen, gibt es mehrere Merkmale des katalytischen
Wandlers, der bei Nilson offenbart wird, die den katalytischen Wandler
unpraktisch machen. Aufgrund der Anwesenheit der Turbulenzgeneratoren
können beispielsweise die Herstellungskosten des katalytischen
Wandlers von Nilson in schädlicher Weise teuer sein. Zusätzlich
kann der Fluss in der gesamten Länge des Kanals bei Nilson immer
noch laminare Charakteristiken beibehalten, und zwar abhängig
von verschiedenen Faktoren, welche den Abstand zwischen den Turbulenzgeneratoren
mit einschließen.
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Die
vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere
der Probleme oder der Nachteile zu überwinden, die beim
Stand der Technik existieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel ist ein katalytischer Wandler vorgesehen.
Der katalytische Wandler kann mindestens einen Kanal aufweisen, der
konfiguriert ist, um einen Abgasfluss aufzunehmen, und einen Katalysator,
der auf dem mindestens einen Kanal beschichtet ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der mindestens eine Kanal zumindest teilweise nicht linear entlang
seiner Länge.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Abgassystem
eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Das System kann ein Abgasrohr
in Strömungsmittelverbindung mit einer Auslasssammelleitung
des Verbrennungsmotors aufweisen, weiter ein Gehäuse in
Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasrohr und einen katalyti schen
Wandler, der in dem Gehäuse aufgenommen ist. Der katalytische
Wandler kann mindestens einen Kanal aufweisen, der konfiguriert
ist, um einen Abgasfluss aufzunehmen, und einen Katalysator, der
auf dem mindestens einen Kanal beschichtet ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann
der mindestens eine Kanal nicht linear entlang zumindest eines Teils
der Kanallänge sein. Das Abgassystem kann auch vorgesehen
sein, indem der katalytische Wandler konfiguriert ist, um zumindest teilweise
einen Abgasbestandteil katalytisch zu behandeln.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren
zur Herstellung eines katalytischen Wandlers vorgesehen. In diesem
Ausführungsbeispiel kann das Verfahren die Schritte aufweisen,
zumindest eine erste Metallfolie vorzusehen, wobei die erste Metallfolie
im Wesentlichen flach ist, zumindest eine zweite Metallfolie vorzusehen,
wobei die zweite Metallfolie nicht lineare Kanäle aufweist,
und die mindestens eine erste Metallfolie und die mindestens eine
zweite Metallfolie um eine Achse zu wickeln.
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Gemäß noch
einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein weiteres Verfahren
zur Herstellung eines katalytischen Wandlers vorgesehen. In diesem speziellen
Ausführungsbeispiel kann das Verfahren die Schritte aufweisen,
mindestens eine Folie vorzusehen, wobei die Folie nicht linear Kanäle
aufweist, und die mindesten eine Folie um eine Achse zu wickeln.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Folie eines katalytischen Wandlers
mit nicht linearen Kanälen;
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2 ist
eine schematische Ansicht eines Teils der Folie des katalytischen
Wandlers der 1;
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht von vorne des Teils der Folie
des katalytischen Wandlers der 1;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht von zwei Folien eines katalytischen
Wandlers mit nicht linearen Kanälen, die alternativ zwischen
zwei flachen Folien angeordnet werden;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer Folie eines katalytischen Wandlers
mit nicht linearen Kanälen, die teilweise um eine Achse
herum gewickelt ist;
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6 ist
eine Perspektivansicht von zwei Folien eines katalytischen Wandlers,
wobei nicht lineare Kanäle teilweise um eine Achse zusammen
mit zwei flachen Folien gerollt sind; und
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7 ist
eine perspektivische Ansicht eines Abgases, welches durch ein spezielles
Ausführungsbeispiel eines katalytischen Wandlers fließt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Folie 10 eines katalytischen
Wandlers mit nicht linearen Kanälen 16. In diesem
speziellen Ausführungsbeispiel sind die Kanäle 16 entlang
der gesamten Länge der Kanäle 16 sinusförmig
geformt. Die Kanäle 16 sind konfiguriert, um einen
Strömungsmittelfluss aufzunehmen, wie beispielsweise einen
Strömungsmittelfluss aus Abgas 40, wenn diese
als Teil eines katalytischen Wandlers 30 ausgeformt sind (wie
in 7 gezeigt). Die nicht lineare Natur der Kanäle 16 begünstigt
einen turbulenten Strömungsmittelfluss, was oftmals die
Effizienz des chemischen Katalysators steigert.
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Obwohl
die abgebildeten Kanäle 16 in den 1–7 sinusförmig
sind, sollte der Leser bemerken, dass irgendwelche nicht linearen
Kanäle 16 verwendet werden könnten. Beispielsweise
könnten die Kanäle 16 scharfe Kanten,
unregelmäßige Konturen, die inkonsistent mit einer
typischen Sinuswelle sind, und irgendeine andere nicht lineare Form
aufweisen, so lange ein turbulenter Fluss in zumindest einem Teil
des Kanals 16 erzeugt wird.
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Der
Leser sollte auch bemerken, dass die nicht lineare Natur des Kanals 16 nicht über
die gesamte Länge des Kanals 16 vorhanden sein
muss. Obwohl die 1–7 eine
nicht lineare Welle abbilden, die über die gesamte Länge
des Kanals 16 vorhanden ist, sind die offenbarten Ausführungsbeispiele
nicht auf diese Struktur eingeschränkt. Beispielsweise
könnte der Kanal 16 nicht lineare Wellen, Biegungen, Konturen
oder Kurven, beispielsweise nur für einen Teil der Länge
des Kanals 16 aufweisen. Über den Rest des Kanals 16 könnte
der Kanal 16 gerade sein.
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2 bildet
eine Teildraufsicht der Folie 10 ab. Wie zu sehen ist,
weist die Folie 10 sinusförmige Kanäle 16 mit
einer Amplitude 11 und einer Periode 12 auf. In
mindestens einem Ausführungsbeispiel ist die Amplitude 11 ungefähr
0,25 Inch oder weniger, und die Periode 12 ist ungefähr
2,0 Inch oder weniger. Obwohl 2 spezielle
Werte für die Amplitude 11 und die Periode 12 vorsieht,
sollte der Leser erkennen, dass verschiedene unterschiedliche Werte verwendet
werden könnten, um einen turbulenten Fluss in den Kanälen 16 zu
begünstigen. Wie zuvor besprochen, sollte der Leser bemerken,
dass der katalytische Wandler 30 nicht darauf eingeschränkt
ist, dass er Kanäle 16 mit Sinusformen erfordert,
wie abgebildet, sondern dass er irgendeine nicht lineare Form aufweisen
kann, die einen turbulenten Strömungsmittelfluss begünstigt.
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Nun
mit Bezug auf 3 ist eine von vorne gesehene
Teilquerschnittsansicht der Folie 10 gezeigt. Wie zu sehen
ist, ist die Folie 10, zusätzlich dazu, dass sie
sinusförmige Kanäle 16 hat (wie in 1 gezeigt)
auch entlang ihres Endes gewellt. In diesem Ausführungsbeispiel
haben die Wellen einen Radius 15, eine Amplitude 13 und
eine Periode 14. In mindestens einem Ausführungsbeispiel
ist der Radius 15 ungefähr 0,038 Inch, die Amplitude
ist ungefähr 0,15 Inch oder weniger, und die Periode 14 ist
ungefähr 0,15 Inch oder weniger. Obwohl 3 spezielle
Werte für den Radius 15, die Amplitude 13 und
die Periode 14 aufweist, sollte der Leser bemerken, dass
verschiedene unterschiedliche Werte bei der Konstruktion der Folie 10 und
der Kanäle 16 (in 1 gezeigt) verwendet
werden könnten. Weiterhin sollte der Leser bemerken, dass
der katalytische Wandler nicht darauf eingeschränkt ist,
dass er Kanäle 16 mit halbkreisförmigen
oder gewellten Querschnitten erfordert, wie in 3 abgebildet,
sondern dass er irgendeine Querschnittsform aufweisen kann. Beispielsweise
können die Kanäle 16 Polygon-Querschnittsformen
aufweisen, wie beispielsweise trapezförmige, rechteckige
oder dreieckige Formen, um nur einige zu nennen.
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Nun
mit Bezug auf die 4–7 kann
der katalytische Wandler 30 auf verschiedene Arten hergestellt
werden. In einem Beispiel, und wie in 5 abgebildet,
kann die Folie 10 aufgerollt werden, um den zylindrischen
katalytischen Wandler 30 zu bilden, der in 7 abgebildet
ist. In diesem Beispiel ist die Achse 17 des gerollten
Wandlers 30 im Wesentlichen parallel zur Richtung der nicht
linearen Kanäle 16. Obwohl das abgebildete Ausführungsbeispiel
die Achse 17 derart veranschaulicht, dass sie im Wesentlichen
parallel zu den Kanälen 16 ist, sollte der Leser
bemerken, dass die Folie 10 auch zusammen um die Achse 17 gerollt
werden könnte, sodass die Achse 17 nicht im Wesentlichen
parallel zur Richtung der nicht linearen Kanäle 16 ist.
Beispielsweise kann die Folie 10 um die Achse 17 derart
gerollt sein, dass die Richtung der Kanäle 16 in
einem gewissen Winkel bezüglich der Achse 17 versetzt
ist. Solange der Wandler 30 einen Abgasfluss 40 von
einem Ende 31 aufnehmen kann und das Abgas zu dem anderen Ende 32 leiten
kann, können die Kanäle 16 in irgendeiner
möglichen Weise bezüglich der Achse 17 ausgerichtet
sein.
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Zusätzlich
sollte der Leser bemerken, dass irgendeine Anzahl von Folien 10 zusammen
um die Achse 17 gerollt sein kann, um den katalytischen Wandler 30 zu
bilden. Beispielsweise könnten zwei, drei, vier oder fünf
Folien 10 zusammengerollt sein, um den katalytischen Wandler 30 zu
bilden.
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Wie
in den 4 und 6 abgebildet, kann der katalytische
Wandler 30 alternativ hergestellt werden, indem zwei flache
Folien 20 benachbart zu zwei sinusförmigen Folien 10 angeordnet
werden. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel sind die
Folien 10 und 20 zusammen um die Achse 17 gerollt,
sodass die Achse 17 im Wesentlichen parallel zur Richtung
der sinusförmigen Kanäle 16 ist. Wie
zuvor besprochen, sollte der Leser bemerken, dass die Folien 10 und 20 auch
zusammen um die Achse 17 gerollt sein könnten,
sodass die Achse 17 nicht im Wesentlichen parallel zur
Richtung der sinusförmigen Kanäle 16 ist.
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In
mindestens einem Ausführungsbeispiel können die
Folie 10 und/oder die Folie 20 aus irgendeinem
Material zusammengesetzt sein, welches dem Fachmann bekannt ist,
einschließlich flexibler Materialien. In einem speziellen
Ausführungsbei spiel sind die Folie 10 und die
Folie 20 aus ähnlichen Metallen zusammengesetzt.
In einem Beispiel weisen die Folien 10 und 20 Aluminium
auf. Zusätzlich können die Folie 10 und/oder
die Folie 20 auch mit einem Katalysator beschichtet sein,
wie beispielsweise Paladium, Rhodium und/oder Platin. In einem speziellen Ausführungsbeispiel
sind die Folien 10 und 20 beide mit dem gleichen
chemischen Katalysator beschichtet.
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Es
gibt verschiedene bekannte Katalysatoren, die verschiedene unterschiedliche
Abgaskomponenten katalytisch behandeln, die in den offenbarten Wandlern 30 verwendet
werden können. Der Fachmann wird verstehen, dass die offenbarten
Ausführungsbeispiele nicht darauf eingeschränkt
sind, nur Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxyde und NOx zu katalysieren.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Der
offenbarte katalytische Wandler 30 kann in vielen verschiedenen
Anwendungen verwendet werden, einschließlich im Abgasstrom
eines Verbrennungsmotors. Beispielsweise kann der katalytische Wandler 30 in
einem (nicht gezeigten) zylindrischen Gehäuse angeordnet
sein, welches Abgas 40 von einer Auslasssammelleitung des
Motors aufnimmt. In einer solchen Anwendung kann das Abgas 40 teilweise
oder vollständig katalytisch behandelt werden, bevor es
in die Umgebung ausgestoßen wird oder zurück in
das Einlasssystem des Motors zirkuliert wird – beispielsweise
bei Motoren mit Abgasrückzirkulation.
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Im
Betrieb, und wie in dem speziellen Ausführungsbeispiel
der 7 gezeigt, fließt das Abgas 40 von
links nach rechts durch den katalytischen Wandler 30. Wenn
das Gas 40 in das linke Ende 31 des katalytischen
Wandlers 30 eintritt, kann das Abgas 40 unerwünschte
Bestandteile haben, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxyde und/oder
NOx.
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Wenn
das Abgas 40 in den katalytischen Wandler 30 eintritt,
können umweltschädliche Abgasbestandteile vollständig
oder teilweise in weniger schädliche Produkte umgewandelt
werden. Während dieser Umwandlung wirken die uner wünschten
Bestandteile mit dem Katalysator zusammen, der die chemischen Reaktionen
erleichtert. Durch Vorsehen von nicht linearen Kanälen 16 kann
der Fluss des Abgases 40 durch den Wandler 30 turbulenter
sein, was eine bessere Oberflächengegenwirkung zwischen dem
Abgas 40 und dem chemischen Katalysator zur Folge hat.
Als eine Folge werden mehr umweltschädliche Abgasbestandteile
umgewandelt.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen bezüglich der hier offenbarten Ausführungsbeispiele vorgenommen
werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Andere Ausführungsbeispiele der offenbarten Erfindung werden
dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer
praktischen Ausführung der hier offenbarten Materialien
offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung
und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein
wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche
und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
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Zusammenfassung
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KATALYTISCHER WANDLER
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Ein
katalytischer Wandler, ein Abgassystem, welches einen katalytischen
Wandler aufweist und ein Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Wandlers
werden vorgesehen. Der katalytische Wandler weist mindestens einen
Kanal auf, der konfiguriert ist, um einen Gasfluss aufzunehmen,
und einen Katalysator, der auf den mindestens einen Kanal beschichtet
ist. In einem der offenbarten Ausführungsbeispiele ist
bei dem katalytischen Wandler mindestens ein Kanal nicht linear
geformt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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