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Vorrichtung zum Entgiften von Abgasen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entgiften von Abgasen, insbesondere aus
Verbrennungsmotoren.
Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt, u. zw. gibt es Geräte, die mit Hilfe von
Katalysatoren die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenoxyd bei Temperaturen von etwa 260 bis 6000C oxydieren. Da die Reaktion im Katalysator exotherm abläuft, steigt die Temperatur im
Bereich des Katalysators bis zirka 8700C an und es können sich sogar Temperaturen bis über 10000C einstellen, insbesondere bei Ausfall einer Zündkerze und/oder z. B. bei zu fetter Gemischeinstellung am
Vergaser. Die Schwierigkeiten bei Anwendung von Katalysatoren liegen einerseits in der Aktivierung des
Katalysators bei tiefen Temperaturen, anderseits in der Erhaltung der notwendigen
Betriebstemperaturen sowie in der Verhinderung einer überhitzung im Katalysatorenbereich.
Bei andern bekannten Geräten sind Nachbrennkammer vorgesehen, in denen eine offene Flamme oder sonstige strahlende Wärmequellen zur direkten Oxydation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenoxyds verwendet werden. Durch die stark wechselnden Belastungen, sehr unterschiedlichen Abgastemperaturen und Abgasumsetzungen bedingt, konnte jedoch ein einsatzfähiges Gerät dieser Art bisher noch nicht geschaffen werden.
Insbesondere die Motoren europäischer Kraftfahrzeuge haben in der Mehrzahl einen kleinen Hubraum und sind auf einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch abgestellt. Diese sparsame Einstellung bedingt relativ kleine Abgasmengen und damit kleine Anteile an unverbranntem Kohlenwasserstoff und Kohlenoxyd.
Ein marktfähiges Entgiftungsgerät muss gleichzeitig als Schalldämpfer wirken und unterliegt demgemäss den Gesetzmässigkeiten der Schalldämpfung, die mit einem Leistungsverlust von 2 bis 5% der Motorleistung verbunden ist. Dieser Leistungsverlust wird bei der Motorauslegung berücksichtigt. Jede Auslegung eines Entgiftungsgerätes, sei es nach der Katalysatortechnik oder als Brennkammer, bringt eine Erhöhung des inneren Widerstandes mit sich. Eine Erhöhung des Rückstaues in der Abgasleitung wirkt sich bis in die Zylinderräume aus, ergibt einen fühlbaren Leistungsabfall und eine Veränderung der Kennlinien des Motors über dessen Betriebsbereich.
Neben den Massnahmen zur chemischen Entgiftung auf katalytischem Wege ist also auch die Aufgabe zu lösen, die Entgiftungsvorrichtung so auszubilden, dass durch die im Hinblick auf eine Entgiftung zu treffenden Massnahmen der gewissermassen einkalkulierte innere Widerstand eines solchen Gerätes für die Schalldämpfung nicht noch erhöht wird.
Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung zum Entgiften von Abgasen, insbesondere aus Verbrennungsmotoren, durch Nachverbrennung und/oder katalytische Oxydation, wobei den Abgasen auf dem Weg zu einer Kammer, die Oxydations-Katalysatoren enthält, Luft zugeführt werden kann und die aus zwei hintereinander liegenden Schubdüseneinheiten besteht, wobei die in Strömungsrichtung vorn liegende Schubdüseneinheit einer Mischvorrichtung und in der nachfolgenden Schubdüseneinheit ein Katalysatorkörper sich befindet, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der in der zweiten
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Schubdüseneinheit angeordnete Katalysator-Formkörper aus zwei siebkorbartigen Bauteilen besteht, die zuströmseitig ein strömungsgünstig profiliertes ungelochtes Leitblech als Deckel und abströmseitig einen mit Schlitzen oder Löchern versehenen Abschlussdeckel tragen,
wobei zwischen der inneren Wand der
Kammer und dem Katalysator-Formkörper ein sich verengender Strömungskanal und in der Mitte des
Katalysator-Formkörpers ein sich verengender und am Ende teilweise oder ganz abgeblendeter
Strömungskanal verläuft. Dieser abgeblendete Strömungskanal dient dem Zweck einer
Staudruckbildung, um dadurch die Geschwindigkeiten bei wählbarer Freifläche der Strömungskanal- wand für den Durchtritt des zufliessenden Abgas-Luftgemisches durch die Katalysatormasse, die vorzugsweise aus Katalysatorkörpern wählbarer stereometrischer Form mit aufgebrachter
Katalysatormasse besteht, auf die Reaktionsfähigkeit und Reaktionszeiten der Katalysatormasse abzustimmen.
Durch dieses besonders ausgebildete Zweikammersystem im Sinne hintereinander geschalteter
Resonatoren in Verbindung mit der dazwischen liegenden Venturidüse ergibt sich durch die thermischen
Vorgänge in der nachfolgenden Schubdüseneinheit eine Düsenwirkung, die in ihrer Grösse etwa dem
Mass der inneren Widerstandserhöhung, bedingt durch den Einbau der Entgiftungsvorrichtungen, entspricht.
Die erste Schubdüseneinheit stellt mit einem Übergang in Form einer Venturidüse von rundem oder anderem, z. B. ovalem Querschnitt zur zweiten Schubdüseneinheit ein Schubaggregat dar. Werden derartige Schubaggregate bei diesel-od. ähnl. ölverbrennenden Motoren mit im Abgas vorhandenen geringen Mengen an Kohlenoxyd, jedoch hohem Kohlenstoffgehalt neben ungesättigten
Kohlenwasserstoffen verwendet, dann erhält die erste Schubdüseneinheit vorzugsweise eine offene
Flamme, ein Glühelement, im einfachsten Falle einen isolierten Wärmekondensator, z. B. in Form eines profilierten gelochten Bleches.
Der Öffnungswinkel der Kammer beträgt etwa 50 bis 600, vorzugsweise 57 , wodurch eine Vorstauwirkung gegen die Strömung nach vorne auf ein Minimum gebracht wird und in Verbindung mit der am andern Austrittsende befindlichen Venturidüse eine Schubwirkung erzeugt wird. Die durch die Querschnittserweiterung der ersten Kammer eingetretene Druckerhöhung im zugeführten Abgas wird durch die Schubwirkung weitgehend in Geschwindigkeitsenergie zurückverwandelt, so dass die Abgase mit grosser Geschwindigkeit in die zweite Kammer eintreten. In der zweiten Schubdüseneinheit ist ein Formkörper als Träger des Katalysatormaterials angeordnet, mit Siebgeflechten oder Lochblechen, die eine der Korngrösse des Katalysatormaterials angepasste Maschenweite besitzen.
Der Formkörper hat vorzugsweise konische Aussen- und Innenwandungen mit gegenläufiger Koinzität, wodurch sich unterschiedliche Schichtdicken des Katalysatormaterials über die Länge des Formkörpers ergeben. Der innere Strömungskanal mit abnehmendem Durchmesser zum Abgasaustritt hin ist am Ende vorzugsweise mit einer auswechselbaren Düse, insbesondere einer genormten Blende, ausgestattet. Der Blendendurchmesser stellt ein Regulativ für den erforderlichen Wirkdruck und damit für die Durchströmgeschwindigkeit des zu entgiftenden Abgasanteils dar, die mit Rücksicht auf die notwendige Verweilzeit des durchströmenden Abgasanteils im Katalysatormaterial gegeben ist. Der durch die Blende abströmende Abgasanteil, der nicht oder nur teilentgiftet ist, z.
B. befreit vom giftigen CO-Anteil, dessen Oxydation schon bei zirka 200 bis 3000 eintritt, wirkt gewissermassen als Strahlpumpe auf den Abgasanteil, der den Formkörper umströmt und gegebenenfalls auch nur teilentgiftet ist.
Bei der Oxydation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenoxyds im Katalysator treten Dauertemperaturen auf, die durch die exothermen Umsetzungsvorgänge zwischen 800 bis 9000C liegen.
Der heisse Katalysator-Formkörper hat als Wärmestrahlungsquelle auf jeden Fall ein erhöhtes Temperaturgefälle zur ersten Kammer, so dass auch die zweite Kammer nach düsengesetzlichen
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tritt eine Schubwirkung zum Abgasaustritt hin ein. Diese thermisch bedingte und strömungstechnisch erzielbare Schubwirkung wirkt dem inneren Widerstand im Katalysatorkörper entgegen.
Durch die mögliche Umströmung des Katalysator-Formkörpers und die Durchströmung der Blende durch Teilströme ist vorteilhaft für einen widerstandsarmen Durchfluss gesorgt. Diese strömungstechnisch, in bezug auf eine Widerstandsreduktion vorteilhafte Massnahme ist möglich, da eine Vollentgiftung der Abgase gesetzlich nicht erforderlich ist und ein hoher Prozentsatz an Kohlenoxyd bereits beim Durchlaufen der ersten aber auch in der zweiten Kammer nur beim Vorbeiströmen am heissen Katalysator oxydiert wird. Der notwendigen Zufuhr von Frischluft ist unter Berücksichtigung
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der Gefahr, dass z. B. bei zu fettem Gemisch die Katalysatorentemperatur auf etwa 1000 C und mehr ansteigen kann, erfindungsgemäss wie folgt Rechnung getragen.
Durch vorteilhafte strömungstechnische Führung des Abgas-Luftgemisches, weitgehend ohne örtlichen Wärmestau, wird die Temperatur des Mischgases so eingestellt, dass sich keine Übertemperatur über die normale Reaktionstemperatur in der Umgebung des Katalysators einstellen kann. Der unvermeidliche Anstieg der Temperaturen beim exothermen Katalysationsvorgang wird durch den
Sekundärstrom aus Abgas und Frischluft, der das Katalysatormaterial nicht durchströmt, auf den
Katalysator-Formkörper beschränkt. Bei entsprechend gross ausgebildeten Entgiften gemäss der
Erfindung wird in an sich bekannter Weise ein gegebenenfalls regelbares Frischluftgebläse vorgesehen.
Dabei kann die Frischluftmenge thermostatisch vom Katalysatorbereich aus gesteuert werden, indem beispielsweise durch Drehzahlregelung des Gebläses die jeweils geeignete Frischluftmenge eingebracht wird.
Die Erfindung geht dabei von dem sogenannten "By-pass-System" aus. Dieses System sieht vor, dass im unteren Fahrbereich von bis etwa 60 km/h der Katalysator voll eingeschaltet ist, während bei höheren Geschwindigkeiten der Katalysator ausgeschaltet wird. Hiezu wurde schon vorgeschlagen, ein druckgesteuertes Ventil vorzusehen, das die Abgasluft im unteren Geschwindigkeitsbereich durch den
Katalysator führt, während im oberen Geschwindigkeitsbereich das Abgas nicht durch den Katalysator geführt wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bei warmem Motor und richtig eingestelltem
Vergaser im Mittellastbereich eine Entgiftungsmassnahme bei kleineren und mittleren Motoren im allgemeinen nicht zwingend erforderlich ist.
Die Erfindung betrifft also eine, auf der Wirkung der katalytischen Oxydation basierende Entgiftungsvorrichtung, die eine "by-pass-ähnliche" Wirkung ohne zusätzliche Vorrichtungen wie Ventile od. dgl. aufweist. Weiterhin ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung so aufgebaut, dass gleichzeitig mit der Entgiftung auch die erforderliche Schalldämpfung erzielt wird.
Hiezu kann die eine
Strömungskanalwand bildende Katalysator-Formkörperoberfläche aus einem Aussenmantel mit wählbaren Freiflächen und einem zentrischen, vorzugsweise kegelstumpfförmigen Mantel mit ebenfalls wählbaren Freiflächen bestehen, wobei zwischen den beiden, den Innenraum dieses Katalysator-Formkörpers bildenden Mantelflächen an sich bekannte Katalysatorenträgerkörper mit aufgebrachter Katalysatormasse in geeigneter stereometrischer Form zur Erzielung einer möglichst grossen Oberfläche angeordnet sind.
Dabei kann auch in der Kammer der vorne liegenden Schubdüseneinheit ein Katalysator-Formkörper angeordnet sein, der vorzugsweise die gleiche Ausführung aufweist, wie der Katalysator-Formkörper in der Kammer der nachfolgenden Schubdüseneinheit, lediglich mit dem Unterschied, dass der Innenkanal des Katalysator-Formkörpers mittels einer Drossel abgeschlossen ist.
Die Anordnung der Drossel hat den Zweck, unter Verzicht auf einen Leitstrahl, wie dieser bei einer Blende erzeugt würde, die gesamte zentral zufliessende Abgas-Luftgemischmenge zu stauen und dadurch zentral der Katalysatormasse zum Zwecke der Entgiftung zuzuführen. Weiterhin ist die Drossel aus Gründen der Schalldämpfung vorteilhaft. Die Schubdüseneinheiten werden durch eine gemeinsame Isolationshülle nach aussen abgeschirmt, wobei diese Hülle vorzugsweise als Formling aus keramischem Material gebildet ist.
An Hand der Zeichnungen soll am Beispiel von bevorzugten Ausführungsformen der Gegenstand der Erfindung mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt im Prinzip und in perspektivischer Ansicht einen Katalysatorkörper, der in eine Vorrichtung gemäss der Erfindung eingesetzt werden kann. Fig. 2 zeigt ein Detail des Katalysatorkörpers gemäss Fig. 1 im Schnitt. Fig. 3 zeigt drei Möglichkeiten von Formen der Trägerkörper für die Katalysatormasse. Fig. 4 zeigt ein weiteres Detail des Katalysatorkörpers gemäss Fig. 1 im Schnitt. Die Fig. 5 und 6 zeigen Längsschnitte durch zwei verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung gemäss der Erfindung. Fig. 7 zeigt einen Querschnitt A-B von Fig. 5 bzw. Fig. 6. Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch die besonders ausgebildete Frischluftzuführung bei einer Vorrichtung gemäss der Erfindung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht der Katalysatorkörper im wesentlichen aus einem Metallgehäuse welches eine z. B. sechseckige Form aufweist und das vorzugsweise aus einem Lochblech
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Wänden des Gehäuses--l--sowie der beiden Deckel--2 und 3--ist Katalysatormaterial eingebracht, das auf geeignete Trägerkörper aufgebracht ist. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, können diese Trägerkörper entweder kleine Kugeln--7--, sogenannte Berl-Sättel --8-- oder Raschigringe
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nach der Grösse der verwendeten Katalysatorträgerkörper.
Wie sich aus Fig. 4 ergibt, besteht das Gehäuse-l--aus zwei Hälften, die derart zusammengesetzt sind, dass sich ein Führungsflansch --9-- bildet, der zur Lagerung in einer Keramikauskleidung dient.
In Fig. 5 ist eine Vorrichtung gemäss derr Erfindung im Längsschnitt dargestellt, die etwa bei Kraftfahrzeugen der kleinen und mittleren Hubraumklasse von etwa 850 bis 1500 cm3 angewendet werden kann. In einem Gehäusemittelteil --10--, der durch eine vordere Abschlusskappe --11-- und eine hintere Abschlusskappe --12-- abgeschlossen ist, werden durch einen geeignet geformten Keramikkörper --13-- zwei gleichgrosse Kammern-14 und 15-gebildet, die über eine
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--13-- ist-14-- steht über eine Öffnung --19--, die den Keramikdeckel-17-und die Abschlusskappe - durchdringt, mit der Abgasleitung bzw.
dem Frisch1uftmischer in Verbindung, wobei das
Abgas in Richtung des Pfeiles --20- in die Kammer --14-- einströmt. In der Kammer-14- ist ein Formblech-21--vorgesehen, das vorzugsweise aus einem zunderfreien Lochblech besteht und das zur akustischen Dämpfung und zur intensiven Durchmischung des Abgas-Luftgemisches dienen soll. Der Keramikdeckel-17-und die Auslaufseite der Verbindungsdüse-16-zwischen den beiden Kammern--14 und 15-- sind vorzugsweise so ausgebildet, dass am Abgas-Luftgemischeintritt ein öffnungswinkel zwischen 500 bis 60 , vorzugsweise 570, gewählt wird. Die Abströmseite der Kammer wird dabei so schlank wie konstruktiv möglich ausgebildet.
Damit wird einer Vorstauwirkung bei Überwindung eingebauter strömungstechnischer Widerstände entgegengewirkt. Beim Auftreten genügend hoher thermischer Gefälle und vorzugsweise bei Durchströmgeschwindigkeiten am engsten Querschnitt von etwa 20 m/sec stellt sich eine deutlich fühlbare Schubwirkung ein. Diese wirkt der Widerstandserhöhung durch den Katalysatoreinbau entgegen und braucht lediglich den Widerstandsanteil über den akustisch eingeplanten Widerstand auszugleichen.
Der Keramikkörper-13-kann femer unter Zwischenlegung eines wärmeisolierenden und stossdämpfenden Formteils, vorzugsweise aus Asbest, in das äussere Gehäuse eingesetzt werden und aus zwei spiegelbildlichen Halbschalen bestehen, die eine längsverlaufende Mitteltrennfuge aufweisen. Durch diese Ausbildung kann in Verbindung mit den Keramikdeckeln--17 und 18--sowie den Abschlussklappen-11 und 12-leicht ein Zugang zu den beiden Kammern-14 und 15-hergestellt werden, um die darin befindlichen Teile auszutauschen, zu kontrollieren oder die Kammern zu reinigen.
In der Kammer--15--ist, wie sich auch aus dem Schnitt gemäss Fig. 7 ergibt, der aus dem Gehäuse --1--, den beiden Abschlussdeckeln--2 und 3--, dem Innenstaukanal--4--und dem im Innern vorgesehenen Trägerkörper für die Keramikmasse bestehende Katalysatorkörper angeordnet. Die Grösse des Katalysatorkörpers zur Grösse der Kammer --15-- ist so gewählt, dass ein Teil des Abgssgemisches entsprechend bei grossen Geschwindigkeiten den Katalysatorkörper umströmen kann. Die Kammer --15-- ist mit einer Ausgangsöffnung --22-- versehen, an welche das hintere Abgasrohr bis zum Ende des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist.
Wie sich aus Fig. 7 ergibt, kann der Katalysatorkörper mit dem seitlichen Führungsflansch --9-- in der Keramikauskleidung derart befestigt werden, dass zwischen dem Keramikeinsatz und dem Katalysatorkörper, diesen umgebend, ein freier Raum-23-zur Umströmung des Teilabgasstromes entsteht. Wird noch eine wärmeisolierende und stossdämpfende Zwischenlage zwischen dem Keramikkörper und dem äusseren Gehäuse--10-- gewählt, so ergibt sich der Vorteil, dass diese Asbesteinlage Stossbelastungen von aussen aufnimmt und eine gute Wärmeisolation in Verbindung mit den Keramikeinsätzen herstellt. Auch wird bezüglich des Körperschalls eine Schalldämpfung damit erzielt. Die Vorrichtung gemäss der Erfindung arbeitet dabei wie folgt.
Das in Richtung des Pfeiles-20-zuströmende Abgas-Frischluftgemisch wird in der ersten Kammer --14-- intensiv gemischt. Hiezu kann auch das profilierte Formblech-21-dienen.
Diese Mischung ist vor allem bei relativ kleinen Abgasmengen für die anschliessende katalytische Oxydation von besonderer Wichtigkeit. Akustisch gesehen, wirkt die Wirbelung sich besonders in
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Verbindung mit der Querschnittsänderung in dieser Zone schalldämpfend aus. In der zweiten Kammer - wird nun der darin angeordnete Katalysatorkörper je nach den Abgasgeschwindigkeitsverhältnissen, wie oben dargelegt, mehr oder weniger durchströmt, wobei vor allem bei geringen Geschwindigkeiten und im Stillstand der Anteil des durchströmten Abgases am grössten ist, so dass in diesem Bereich die grösstmöglichste Oxydation stattfindet.
Bei grösseren Geschwindigkeiten wird sich infolge des Innenstaus im Kanal--4--ein mehr oder weniger grosser Teil des Abgases über den Katalysatorkörper hinweg in Richtung auf den Ausgang --22-- hin bewegen, da in diesem Fahrbereich eine eingehende Verbrennung nicht mehr zwingend erforderlich ist.
In Fig. 6 ist im Schnitt eine Vorrichtung gemäss der Erfindung gezeigt, die vor allem bei Fahrzeugen der grösseren Hubraumklasse etwa zwischen 1500 und 2500 cm3 angewendet werden soll. Da in diesen Hubraumklassen bedeutend grössere Abgasmengen zur Entgiftung anfallen, werden entweder erheblich grössere Katalysatorkörper benötigt oder es ist erforderlich, bereits in der ersten Kammer --14-- einen Katalysatorkörper gemäss Fig. 1 anzubringen. In der Kammer --14-- ist aus
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Injektorwirkung für das abströmende Abgas-Luftgemisch ausübt, bei dem Einlauf in die Venturidüse - als Verbindungskanal der beiden Kammern nicht mehr erforderlich ist.
Selbstverständlich kann, je nach den gewünschten Verhältnissen, der Abschlussdeckel-5-auch ine mehr oder weniger grosse Öffnung -- 6-- aufweisen.
In Fig. 8 ist im Schnitt eine Anordnung zur Frischluftmischung mit demAbgas dargestellt. Diese besteht aus einem Gehäuse-24-, welches im Querschnitt gegenüber dem Abgasrohr-19verdickt ist, in welches ein Frischluftzuführrohr--25--eingeführt ist. Das Frischluftrohr--25-- kann beispielsweise an eine Frischluftpumpe angeschlossen werden und ist nach Einlaufen in das Abgasrohr --19-- verjüngt. Die Verjüngung kann so gewählt werden, dass die Austrittsgeschwindigkeit der Frischluft etwa gleich der Geschwindigkeit des Abgases ist. Am Rohrende des Frischluftrohres - können mehrere Öffnungen --26-- vorgesehen sein. Die Zuführungsanordnung für die Frischluft kann vorzugsweise an eine Vorrichtung gemäss Fig. 5 und 6 angeschlossen werden.
Der in das Abgasrohr reichende Teil des Frischluftzuführungsrohres kann ferner so lang gewählt werden, dass dieser als Vorwärmer für die Frischluft dient.
Das Frischluftzuführungsrohr kann aber auch unmittelbar in die erste Kammer eingeführt werden, welche beispielsweise die Nachverbrennungseinrichtung enthält. Diese Nachverbrennungseinrichtung kann beispielsweise aus einem mit Aussparung versehenen Blech bestehen, welches wärmeisoliert auf Stegen gelagert ist. Ferner kann im Bereich der zweiten Kammer ein Thermostat angeordnet sein, der mit einem Gebläseantrieb in Verbindung steht. Schliesslich kann die Frischluftzuführ auch im Bereich der engsten Stelle der Venturidüse erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Entgiften von Abgasen, insbesondere aus Verbrennungsmotoren durch Nachverbrennung und/oder katalytische Oxydation, wobei den Abgasen auf dem Weg zu einer Kammer, die Oxydations-Katalysatoren enthält, Luft zugeführt werden kann und die aus zwei hintereinander liegenden Schubdüseneinheiten besteht, wobei die in Strömungsrichtung vorn liegende Schubdüseneinheit einer Mischvorrichtung und in der nachfolgenden Schubdüseneinheit ein
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Schubdüseneinheit angeordnete Katalysator-Formkörper (1) aus zwei siebkorbartigen Bauteilen besteht, die zuströmseitig ein strömungsgünstig profiliertes ungelochtes Leitblech als Deckel (2) und abströmseitig einen mit Schlitzen oder Löchern versehenen Abschlussdeckel (3) tragen, wobei zwischen der inneren Wand der Kammer (15)
und dem Katalysator-Formkörper (1) ein sich verengender Strömungskanal und in der Mitte des Katalysator-Formkörpers (1) ein sich verengender und am Ende teilweise oder ganz abgeblendeter Strömungskanal (4) verläuft.
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