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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Auspufftopf, der mit einem
Ausslasskanal eines Verbrennungsmotors zusammenarbeiten kann und
mit einer Ausdehnungskammer und einem Abgasreinigungskatalysator
versehen ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen
Auspufftopf mit einem katalytischen Konverter, der zur Verwendung
in einem kleinen luftgekühlten
Zweitakt-Benzinmotor in einem tragbaren Leistungsgerät, wie z.B.
einem Heckenschneider oder einer Kettensäge, geeignet ist.
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STAND
DER TECHNIK
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In
den letzten Jahren ist es sogar für einen Verbrennungsmotor,
wie z.B. einem kleinen luftgekühlten
Zweitakt-Benzinmotor zur Verwendung in einem tragbaren Leistungsgerät, wie einem
Heckenschneider oder einer Kettensäge, eine strenge Forderung,
wie im Falle eines Fahrzeugmotors, die Menge an Kohlenwasserstoff
(HC), Kohlenstoffmonoxid (CO) usw. in den Abgasen zu minimieren.
Folglich wurde vorgeschlagen, in dem im Abgassystem des Motors eingebauten
Auspufftopf einen Abgasreinigungskatalysator einzusetzen, um den
Abgasen zu ermöglichen,
durch den Katalysator hindurchzuströmen und dabei die Abgase (HC,
CO usw. minimierend) zu reinigen (siehe die Patentschrift
US 5 521 339 A -
4 veranschaulicht, zusammen
mit einem Teil des Verbrennungsmotors 1', ein Beispiel des herkömmlichen
in den Auspufftopf eingebauten Katalysators, der, wie oben ausgeführt, beschrieben
ist. Der in 4 gezeigte
Verbrennungsmotor 1' ist
ein kleiner luftgekühlter
Zweitakt-Benzinmotor des Spülsystems
der Schnürle
Bauart, der als Energiequelle in einem tragbaren Arbeitsge rät, wie einem
Heckenschneider oder einer Kettensäge, eingesetzt werden kann.
Das Volumen des Motors 1' kann
z.B. etwa 23 bis 45 mL betragen. Dieser Motor 1' ist mit einem
Zylinder 2' versehen,
der eine kuppelförmige
Verbrennungskammer 5' hat.
Der Zylinder 2' ist
mit einer großen
Anzahl von Kühlrippen 6' an seinem Außenumfang
versehen. Darüber
hinaus ist der Zylinder 2',
wie in 5 gezeigt, mit
einem Auslasskanal 10' versehen,
der im Querschnitt rechtwinklig ist, nahezu runde Ecken aufweist
und sich in der Form verengt, d.h. die Querschnittfläche des
Auslasskanals 10' wird
von dem inneren Ende (Zylinderbohrungsseite 2a') zu dessen äußerem Ende
allmählich
größer. Obwohl
in der Zeichnung nicht gezeigt, ist der Zylinder 2' außerdem mit
einer Lufteingangsöffnung
und einer Spül-Eintrittsöffnung versehen,
die in der bekannten Art entlang der inneren Umfangswand der Zylinderbohrung 2a' angeordnet
sind.
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Auf
der Außenseite
des Auslasskanals 10' des
Zylinders 2' ist
ein Auspufftopf 20' angebracht. Dieser
Auspufftopf 20' ist
mit einem Paar Außenwandplatten 21' und 22' versehen, d.h.
einer linksseitigen Außenwandplatte 21' und einer rechtsseitigen Außenwandplatte 22', die durch
eine flache Verbindungsnaht luftdicht miteinander verbunden sind
und dadurch eine Ausdehnungskammer 25' bilden. Die linksseitige Außenwandplatte 21' an der Seite
des Auslasskanals 10' ist
mit einer Öffnung 21a' versehen, die ungefähr die gleiche
Form hat wie der Außenabschnitt 10a' des Auslasskanals 10'. Entlang der Öffnung 21a' ist durch Schweißen eine
Verstärkungsplatte 28' fest montiert
usw. Ferner ist die rechtsseitige Außenwandplatte 22' mit einem Vertiefungsabschnitt 22a' versehen, der
sich direkt vor dem Auslasskanal 10' befindet. Ein geschlossener zylindrischer
Katalysatorträger 40' ist zwischen
dem Vertiefungsteil 22a' und
der Verstärkungsplatte 28' so eingeschoben,
dass er den Vertiefungsabschnitt 22a' mit der Verstärkungsplatte 28' verbindet.
Zwischen den Katalysatorträger 40' und den Vertiefungsabschnitt 22a' ist eine Wärmeisolier-
und Stoßdämpferplatte 27' eingefügt.
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An
einem inneren Endabschnitt 41' (an der Seite des Auslasskanals 10') des Katalysatorträgers 40' ist ein Befestigungsloch 40a' zum Anbringen
und starren Befestigen (durch Schweißen usw.) ein kurzer zylindrischer
Abgasreinigungskatalysator 30' vorgesehen. An einem äußeren Endabschnitt 42' (an der Seite
der Aussparung 22a')
des Katalysatorträgers 40' ist eine geeignete
Anzahl von Abgasdurchlassungslöchern 43' vorgesehen.
Der Katalysator 30' wird
aus einem Oxidationskatalysator gebildet, der einen gasdurchlässigen Metallträger aufweist
und in einer zylindrischen Hülse 32' eingeschlossen
ist. Dieser Katalysator 30' wird
von dem Katalysatorträger 40' so gehalten,
dass die sich entlang der Durchgangsrichtung der Abgase erstreckende
zentrale Achse "O" des Katalysators 30' ungefähr entlang
der zentralen Linie des Auslasskanals 10' (d.h. dessen äußerem Endabschnitt 10a') und auch der
Zentrallinie des Katalysatorträgers 40' ausgerichtet
ist.
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Ferner
ist die rechtsseitige Außenwandplatte 22' an seinem tieferen
Abschnitt mit einem Auslasskanal 29' zum Entleeren der Abgase aus dem
Auspufftopf 20' versehen.
Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, kann ein Funkengitterschirm,
ein Abgas-Führungselement
zum Regulieren der Ausstoßrichtung
der Abgase usw. an diesem Auslasskanal 29' angebracht werden.
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In
dem Auspufftopf, wie oben beschrieben konstruiert, werden die Abgase,
die durch den Auslasskanal 10' beinahe mit Schallgeschwindigkeit
geblasen werden, durch den inneren Endabschnitt 41' des Katalysatorträgers 40', der sich in
dem Auspufftopf 20' befindet,
zum Katalysator 30' geleitet
und gezwungen, durch das Innere des Katalysators 30' zu strömen, wie
in 4 mit einem deutlich
schraffierten Pfeil gezeigt ist. Da die Abgase durch den Katalysator 30' strömen, werden
die Mengen an HC, CO usw. in den Abgasen durch den Katalysator 30' minimiert. Die
Abgase, die den Katalysator 30' passiert haben, werden durch die
Abgasdurchführungslöcher 43' des Katalysatorträgers 40' in die Ausdehnungskammer 25' geblasen und
gezwungen, sich auszubreiten und zu verteilen. Die Folge ist, dass
das Auspuffgeräusch gedämpft werden
kann. Somit können
die Abgase, die sich in der Ausdehnungskammer 25' ausgebreitet und
verteilt haben, nach unten strömen
und aus dem Auspufftopf 20' durch
den Auslasskanal 29' entsorgt werden.
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Im
Falle des herkömmlichen
in den Auspufftopf 20' eingebauten
Katalysators wird jedoch, da die Querschnittanordnung des Katalysators 30' sich von der
Form des sich Öffnens
des Auslasskanals 10' und
von der Querschnittanordnung des Katalysatorträgers 40' (d.h. dessen inneren Endabschnitts 41'), wie in 5 gezeigt, unterscheidet,
der größte Teil der
Abgase veranlasst, durch einen zentralen Teil des Katalysators 30' zu strömen, so
dass der Katalysator 30',
der sich an dessen Peripherie befindet, im Wesentlichen von der
Strömung der
Abgase ferngehalten wird. Außerdem
ist es unmöglich,
Abgase mit höherer
Temperatur aufzunehmen, da der Katalysator 30' von dem Außenendabschnitt 10a' des Auslasskanals 10' weit weg angeordnet
ist. Somit ist der herkömmliche
Auspufftopf 20' mit
einem eingebauten Katalysator mit dem Problem verbunden, dass die Reinigungskapazität des Katalysators 30' nicht genügend ausgenutzt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die Beseitigung des oben
genannten Problems gemacht worden, und daher ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, für
einen Verbrennungsmotor einen Auspufftopf mit eingebautem Katalysator
bereitzustellen, der die Reinigungskapazität eines Katalysators so gut
wie möglich
nutzen kann.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Dies
im Hinblick zur Verdeutlichung der oben genannten Aufgabe: der in
einen Auspufftopf eingebaute Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung ist
im Prinzip so konstruiert, dass er eine Ausdehnungskammer und einen
gasdurchlässigen
Abgasreinigungskatalysator aufweist, so dass die aus dem Auslasskanal
eines Verbrennungsmotors ausgestoßenen Abgase durch den Katalysator
in die Ausdehnungskammer einströmen
und dass ein Endabschnitt des Katalysators in einem äußeren Endabschnitt
des Auslasskanals angebracht ist.
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Vorzugsweise
ist der Katalysator in seiner Form zylindrisch oder prismatisch,
und eine Querschnittform im Außenumfang
des Katalysators ist identisch mit einer Querschnittform im Innenumfang des äußeren Endabschnitts
des Auslasskanals.
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Der
Katalysator ist vorzugsweise ein Oxidationskatalysator, der aus
einem metallischen Trägermaterial
geformt ist.
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Der
Auslasskanal verjüngt
sich vorzugsweise in seiner Form, wobei sich seine Querschnittfläche von
dem inneren Ende zu dem äußeren Ende
erweitert.
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Der
Motor ist vorzugsweise ein kleiner luftgekühlter Zweitakt-Benzinmotor.
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Da
der Abgasreinigungskanal eine zylindrische oder prismatische Form
hat und eine Außenumfangs-Querschnittform
des Katalysators genau gleich einer Innenumfangs-Querschnittform
des äußeren Endabschnitts
des Auslasskanals ist, ist es gemäß dem Auspufftopf mit eingebautem
Katalysator der vorliegenden Erfindung möglich, dass ein Endabschnitt
des Katalysators (d.h. seine Abgas-Zuführungsseite) in einen äußeren Endabschnitt
des Auslasskanals wirklich hermetisch passt, und dadurch wird es
möglich,
den ganzen Bereich des Katalysators für die Reinigung der Abgase
verfügbar
zu machen. Folglich kann man nun die Reinigungskapazität des Katalysators
bis zu einem maximalen Grad nutzen und daher die Abgasreinigungsleistung
des Katalysators bedeutend steigern.
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Da
ein Teil des Katalysators in den Auslasskanal eingebaut ist, kann
außerdem
die Temperatur der Abgase, die in den Katalysator strömen, höher gehalten
werden als bei dem herkömmlichen
Auspufftopf. Somit kann die reagierende Kapazität (die Aktivierung) des Katalysators
gesteigert werden, und somit wird ermöglicht, die Abgasreinigungskapazität des Katalysators
weiter zu steigern.
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Außerdem kann,
da der Katalysator nahe am Auslasskanal (der Verbrennungskammer)
liegt, der Abstand zwischen dem distalen Ende (der Abgas-Ausströmseite)
des Katalysators und dem Auslasskanal des Auspufftopfes verlängert werden.
Folglich kann die Temperatur der Abgase an dem Auslasskanal des
Auspufftopfes stark reduziert sein.
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KURZE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittansicht, die schematisch ein Ausführungsbeispiel
des Auspufftopfes mit eingebautem Katalysator gemäß der vorliegenden
Erfindung zusammen mit einem Teil des Verbrennungsmotors zeigt,
an den dieser Auspufftopf angebracht ist;
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2 ist
eine Querschnittansicht entlang der Linie II-II in 1;
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht,
die den Auslasskanal und seine Umgebung in dem in 1 gezeigten
Verbrennungsmotor zeigt;
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4 ist
eine Querschnittansicht, die schematisch ein Beispiel des herkömmlichen
Auspufftopfes mit eingebautem Katalysator zusammen mit einem Teil
des Verbrennungsmotors zeigt, an dem dieser Auspufftopf angebracht
ist; und
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5 ist
eine Querschnittansicht entlang der Linie V-V in 4.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Als
Nächstes
wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
des Auspufftopfes unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
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Genau
wie der in 4 gezeigte herkömmliche
Verbrennungsmotor ist ein in 1 gezeigter Verbrennungsmotor 1 ein
kleiner luftgekühlter
Zweitakt-Benzinmotor
der Schnürle-Bauart
mit einem Spülsystem,
der als Energiequelle in einem tragbaren Arbeitsgerät, wie einem
Heckenschneider oder einer Kettensäge, eingesetzt werden kann.
Das Verdrängungsvolumen
des Motors 1 kann z.B. etwa 23 bis 45 mL betragen. Dieser
Motor 1 ist mit einem Zylinder 2 versehen, der
eine kuppelförmige
Verbrennungskammer 5 aufweist. Der Zylinder 2 ist
mit einer großen
Anzahl von Kühlrippen 6 an
seinem Außenumfang
versehen. Darüber
hinaus ist der Zylinder 2 mit einem Auslasskanal 10 versehen,
der im Querschnitt kreisförmig
ist, wie in 2 gezeigt, und sich im Allgemeinen
in der Form (glockenähnlich)
verengt, d.h. die Querschnittfläche
des Auslasskanals 10 wird von dem inneren Ende (Zylinderbohrungsseite 2a)
zu dessen äußerem Ende
allmählich
größer, ausgenommen
der äußere Endabschnitt 10a des Auslasskanals 10,
dessen innerer Umfangsquerschnitt zylindrisch geformt ist (der einen
Innendurchmesser von Φx
hat, wie in 3 gezeigt). Obwohl in der Zeichnung
nicht gezeigt, ist der Zylinder 2 ferner mit einer Lufteingangsöffnung und
einer Spülöffnung versehen,
die beide in der bekannten Art entlang der inneren Umfangswand der
Zylinderbohrung 2a angeordnet sind.
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An
der Außenseite
des Auslasskanals 10 des Zylinders 2 ist ein Auspufftopf 20 angebracht. Dieser
Auspufftopf 20 ist mit einem Paar Außenwandplatten 21 und 22 versehen,
d.h. einer linksseitigen Außenwandplatte 21 und
einer rechtsseitigen Außenwandplatte 22,
die miteinander mit Hilfe einer flachen Verbindungsnaht hermetisch
verbunden sind und dadurch eine Ausdehnungskammer 25 bilden. Die
an der Auslasskanalseite 10 befindliche linksseitige Außenwandplatte 21 ist
mit einer Öffnung 21a versehen,
die etwa die gleiche Form wie der äußere Endabschnitt 10a des
Auslasskanals 10 hat. Ferner ist die rechtsseitige Außenwandplatte 22 mit
einem Vertiefungsabschnitt 22a versehen, der sich genau gegenüber dem
Auslasskanal 10 befindet. Zwischen dem Vertiefungsabschnitt 22a und
einem Anschlussrandabschnitt der Öffnung 21a der linksseitigen
Außenwandplatte 21 ist
ein zylindrischer Katalysatorträger 40 mit
einem geschlossenen Ende eingefügt,
um dadurch den Vertiefungsabschnitt 22a mit dem Anschlussrandabschnitt
der Öffnung 21a miteinander zu
verbinden. Zwischen dem Katalysatorträger 40 und dem Vertiefungsabschnitt 22a ist
eine wärmeisolierende,
stoßdämpfende
Platte 27 eingefügt.
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An
einem inneren Endabschnitt 41 (an der Seite des Auslasskanals 10)
des Katalysatorträgers 40 ist
ein kurzer zylindrischer Abgasreinigungskatalysator 30 so
montiert, dass ein Endabschnitt 30a im Wesentlichen hermetisch
in das Innere des äußeren Endabschnitts 10a des
Auslasskanals 10 eingesetzt ist, und sein anderer Endabschnitt 30b (an
der Abflussseite der Abgase) ist in den inneren Endabschnitt 41 des
Katalysatorträgers 40 eingesetzt und
z.B. mittels Schweißen
daran sicher befestigt. An einem äußeren Endabschnitt 42 (an
der Vertiefungsabschnittseite 22a) des Katalysatorträgers 40 ist
eine geeignete Anzahl von Abgasdurchführungslöchern 43 vorgesehen.
Der Katalysator 30 wird von einem Oxidationskatalysator
gebildet, der einen gasdurchlässigen
Metallträger
aufweist und von einer zylindrischen Kapsel 32 umschlossen
ist. Dieser Katalysator 30 wird von dem Katalysatorträger 40 so
gehalten, dass die Mittelachse "O" des Katalysators 30,
die sich entlang der Durchlassrichtung der Abgase erstreckt, ungefähr mit der
Mittellinie des Auslasskanals 10 (d.h. dessen äußerem Endabschnitt 10a)
und auch mit der Mittellinie des Katalysatorträgers 40 verläuft.
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Ferner
ist die rechtsseitige Außenwandplatte 22 an
ihrem unteren Abschnitt mit einem Auslasskanal 29 zur Entladung
der Abgase aus dem Auspufftopf 20 ausgestattet. Obwohl
in der Zeichnung nicht gezeigt, kann ein funkenhemmender Schirm,
ein die Abgase leitendes Element zum Regulieren der Entladerichtung
der Abgase usw. in diesem Auslasskanal 29 eingebaut werden.
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In
dem Auspufftopf, wie oben beschrieben konstruiert, werden die aus
dem Auslasskanal 10 mit nahezu Schallgeschwindigkeit ausgeblasenen
Abgase dem Katalysator 30 zugeführt, der teilweise in den Auslasskanal 10 eingesetzt
ist, und gezwungen, diesen entlang der Mittelachse "O" zu durchfließen, wie mit einem stark schraffierten
Pfeil in 1 gezeigt wird. Da die Abgase
durch den Katalysator 30 strömen, sind die Mengen an HC,
CO usw. in den Abgasen durch den Katalysator 30 minimiert.
Die Abgase, die den Katalysator 30 passiert haben, werden
durch die Abgas-Durchführungslöcher 43 des
Katalysatorträgers 40 in
die Ausdehnungskammer 25 geblasen und dazu gezwungen, sich
auszudehnen und zu zerstreuen. Als Folge kann der Auspuffschall
gedämpft werden.
Die Abgase, die so in der Ausdehnungskammer 25 ausgedehnt
und zerstreut worden sind, können
sich dann nach unten bewegen und aus dem Auspufftopf 20 durch
den Auslasskanal 29 entladen.
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Gemäß dem Auspufftopf 20 mit
installiertem Katalysator in diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, da
der Abgasreinigungskatalysator 30 eine zylindrische Form
hat und eine (kreisförmige) äußere Umfangs-Querschnittform
des Katalysators 30 (in der Schale 32) mit einer
(kreisförmigen)
inneren Umfangs-Querschnittform
des äußeren Endabschnitts 10a des
Auslasskanals identisch ausgeführt
ist, einen Endabschnitt des Katalysators (d.h. seiner Abgas-Einführungsseite)
in einen äußeren Endabschnitt 10a des
Auslasskanals 10 im Wesentlichen hermetisch einzupassen
und dadurch zu ermöglichen,
den gesamten Bereich des Katalysators für die Reinigung der Abgase
zur Verfügung
zu stellen. Folglich kann nun die Reinigungskapazität des Katalysators 30 in
einem maximalen Umfang genutzt und so auch die Abgasreinigungsleistung
des Katalysators 30 sehr gesteigert werden.
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Ferner
kann, da sich ein Teil des Katalysators 30 in dem Auspufftopf
befindet, die Temperatur der Abgase, die in den Katalysator 30 geleitet
werden sollen, höher
als bei dem herkömmlichen
Auspufftopf gehalten werden. Folglich kann die reagierende Kapazität (Aktivierung)
des Katalysators verbessert werden, und somit wird ermöglicht,
die Abgasreinigungskapazität
des Katalysators weiter zu steigern.
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Außerdem kann
der Abstand zwischen dem distalen Ende (Abgas-Ausströmseite) des Katalysators 30 und
dem Auslasskanal 29 des Auspufftop fes 20 verlängert werden,
da der Katalysator 30 nahe bei dem Auslasskanal 10 (Verbrennungskammer)
liegt. Folglich kann die Temperatur der Abgase an dem Auslasskanal 29 des
Auspufftopfes 20 stark gesenkt werden.
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Obwohl
in der obigen Beschreibung ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ausführlich
zum Zwecke der Erläuterung
erklärt
worden ist, ist verständlich,
dass die Konstruktion der Vorrichtung unterschiedlich modifiziert
werden kann, ohne von dem Sinn und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen,
wie in den hier beigefügten
Patentansprüchen
beansprucht.
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Z.B.
kann der Auspufftopf der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auch
bei einem Viertaktmotor anders als dem luftgekühlten Zweitakt-Benzinmotor
des oben erwähnten
Ausführungsbeispiels
verwendet werden.
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Außerdem ist
es in Bezug auf den Abgasreinigungskatalysator auch möglich, einen
Katalysator in der Form eines aus Schaum geformten Körpers oder
eines Keramikträgers
zu verwenden, anders als in dem oben erwähnten Beispiel (Oxidationskatalysator,
der aus einem Metallträger
geformt ist).