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Die Erfindung betrifft eine Fluidreinigungsvorrichtung, insbesondere zur Reinigung von Verbrennungsmotorabgasen, ein Gehäuse aufweisend, in dem ein Katalysator oder ein Partikel- oder Gasfilter, der von einer Vielzahl von Kanälen durchzogenen ist, angeordnet ist, das einen Eingangsbereich mit einer Zuströmöffnung und einen Ausgangsbereich mit einer Abströmöffnung besitzt, wobei im Eingangsbereich eine Einrichtung zur Verringerung der anströmbaren Stirnfläche des Katalysators befindlich ist, einen Verbrennungsmotor, eine Fluidreinigungsvorrichtung aufweisend sowie ein Kraftfahrzeug, einen derartigen Verbrennungsmotor aufweisend.
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Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen.
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Bekannte Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren stellen bezüglich der Größe des Monolithen, dessen Zelligkeit und Beschichtung einen Kompromiss aus Bauraum, Aufheizverhalten, Konversionsrate und Druckverlust dar.
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Bei gegebenem Abgasstrom, Volumen des Monolithen, Zelligkeit und Beschichtungsparametern besitzt ein Monolith mit großem Durchmesser und kurzer Länge gegenüber einem Monolithen mit geringem Durchmesser und großer Länge einen geringeren Druckverlust.
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Der im Vergleich längere Monolith hingegen weist aufgrund seines geringen Durchmesser Vorteile bezüglich einer gleichmäßigen Anströmung auf. Aufgrund dessen und der größeren durchströmten Länge stellt sich hier gegenüber dem Monolithen mit großem Durchmesser und kurzer Länge ein besseres, d.h. schnelleres Aufheizverhalten hinsichtlich der Tiefendurchwärmung dar.
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Zudem fördert die höhere Strömungsgeschwindigkeit im Katalysator mit geringem Durchmesser die Gas/Wandinteraktion und somit die Reaktivität mit der katalytisch wirksamen Beschichtung .
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Insbesondere Hochleistungsmotoren mit hohen Abgasmassenströmen und -temperaturen erfordern aufgrund der stark eingeschränkten zulässigen Druckverluste über dem Katalysator vergleichsweise große Katalysatordurchmesser und kurze -längen (bei gegebener Zelligkeit).
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Dies ist jedoch mit Einschränkungen der Konversionseffizienz verbunden. Diese kann zwar durch eine erhöhte Edelmetallbeladung des Monolithen gesteigert werden, jedoch führt dies nachteilhafterweise zu erhöhten Kosten.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, um die Wirkung monolithischer (metallisch oder keramisch) Katalysatoren insbesondere hinsichtlich des Aufheizverhaltens und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zu optimieren.
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So wird in der
DE 195 18 536 B4 beschrieben, wie bei einer Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Abgasbehandlungskörper mittels einer Strömungserschwerungseinrichtung im Ausgangsbereich eine gleichmäßigere Ausnutzung des Abgasbehandlungskörpers über seinen Querschnitt bewirkt werden kann.
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In der
DE 92 02 798.9 U wird ein Katalysator offenbart, der mit einfachen Mitteln eine besonders rasche Aufheizung erlaubt. Dazu wird der Durchflussquerschnitt des Katalysators zwischen einem Maximum und einem Minimum mittels beispielsweise einer Klappe variiert, wobei stets zumindest ein Teilsegment des Katalysators von dem Abgas durchströmbar bleibt.
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DE 196 44 498 A1 beschreibt einen Katalysator, bei dem das Einströmen des Abgases mittels einer Blende gedrosselt und auf eine elektrisch beheizte Zone fokussiert werden kann, wodurch ebenfalls eine sehr schnelle Aufheizung und damit eine hohe Konversionsrate erzielt wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Fluidreinigungsvorrichtung, insbesondere für Abgase eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise behebt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Fluidreinigungsvorrichtung, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, einen Verbrennungsmotor sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeich net.
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Fluid bedeutet im Rahmen dieser Erfindung nicht nur Abgase und ein sonstiges Gas, sondern auch Flüssigkeiten, wie Motorenöl und sonstige Flüssigkeiten, jeweils in den verschiedensten technischen Bereichen, die einer Reinigung bedürfen.
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Erfindungsgemäß wird eine Fluidreinigungsvorrichtung, insbesondere zur Reinigung von Verbrennungsmotorabgasen bereitgestellt, die ein Gehäuse aufweist, in dem zumindest ein Monolith angeordnet ist, der als Katalysator oder als ein Partikel- oder Gasfilter bzw. eine beliebige Kombination aus Katalysator, Partikel- und Gasfilter ausgebildet sein kann. Maßnahmen, um einen Monolithen für genannte Zwecke auszubilden, sind dem Fachmann bekannt.
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Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform mit einem Monolithen, nachstehend wird auch eine Ausführungsform mit mehreren Monolithen beschrieben.
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Dieser Monolith weist eine Vielzahl von parallelen Kanälen auf, die im Betrieb der Fluidreinigungsvorrichtung von beispielsweise Abgasen durchströmt werden. Das Gehäuse weist zudem einen Eingangsbereich mit einer Zuströmöffnung für das Fluid/Abgas und einen Ausgangsbereich mit einer Abströmöffnung für das gereinigte Fluid/Abgas auf, wobei im Eingangsbereich eine Einrichtung zur Verringerung der anströmbaren Stirnfläche des Monolithen befindlich ist.
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Die Einrichtung zur Verringerung der anströmbaren Stirnfläche ist ausgebildet, den Eingangsbereich reversibel in ein erstes und ein zweites Volumen zu teilen, wobei in das erste Volumen des Eingangsbereichs die Zuströmöffnung mündet.
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Zudem ist auch der Ausgangsbereich mit einer Einrichtung zur Unterteilung versehen, die zur reversiblen Teilung in ein erstes und ein zweites Volumen eingerichtet ist, wobei von dem ersten Volumen die Abströmöffnung abgeht.
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Die Kanäle vom ersten Volumen des Eingangsbereichs erstrecken sich bis zum zweiten Volumen des Ausgangsbereich. Vom zweiten Volumen des Ausgangsbereichs erstrecken sich Kanäle zum zweiten Volumen des Eingangsbereichs und vom zweiten Volumen des Eingangsbereichs erstrecken sich Kanäle zum ersten Volumen des Ausgangsbereichs.
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Für die beiden Einrichtungen zur Unterteilung sind zwei Positionen vorgesehen, entweder sind diese geschlossen, so dass der Eingangs- und der Ausgangsbereich in jeweils zwei Volumina unterteilt sind, oder diese sind offen, wodurch der Eingangs- und Ausgangsbereich jeweils als ein Volumen vorliegt.
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Wenn beide Einrichtungen zur Unterteilung geöffnet sind, werden alle Kanäle des Monolithen gleichzeitig in der gleichen Richtung durchströmt. Es ist somit bei dieser Position der Einrichtungen ein Monolith mit großem Durchmesser und kurzer Länge gegeben im Vergleich zu der Variante, wenn beide Einrichtungen geschlossen sind, da hierbei das Fluid/Abgas den Monolithen dreimal in unterschiedlicher Richtung durchdringt, wobei jeweils nur ein Teil der Kanäle durchströmt wird. Bei dieser letztgenannten Variante erfolgt eine serielle Durchströmung der Kanäle, wobei sich ein Monolith mit einem vergleichsweise geringen Durchmesser und einer größeren Länge ergibt.
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Vorteilhafterweise können somit durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Fluidreinigungsvorrichtung zwei Katalysator-, Partikelfilter-, Gasfiltertypen oder Kombinationen daraus in einer Einheit bereitgestellt werden.
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So tritt das Fluid in die Kanäle, die an das erste Volumen des Eingangsbereichs angrenzen ein, und gelangt über diese zum zweiten Volumen des Ausgangsbereichs und wird in die an das zweite Volumen des Ausgangsbereichs anliegenden Kanäle umgeleitet, die das Fluid in das zweite Volumen des Eingangsbereichs führen. Hier erfolgt eine zweite Umlenkung des Fluids in die Kanäle, die zum ersten Bereich des Ausgangsbereichs führen und das Fluid gelangt von dort in die Abströmöffnung.
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Die parallele Durchströmung aller Kanäle führt zu einem minimalen Fluidgegendruck, wie es beispielsweise bei der Abgasreinigung für den Betrieb nahe des Nennleistungspunktes bei betriebswarmen Verbrennungsmotoren vorteilhaft ist. Die serielle Durchströmung der Kanäle weist verbesserte Anströmbedingungen auf und führt bei der Abgasreinigung zu einem schnelleren Aufheizen des Katalysators oder Partikelfilters, so dass bei Kaltstartvorgängen oder im Niedriglastbereich eine ausreichende Konversion gegeben ist.
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Weist die Fluidreinigungsvorrichtung im Rahmen der Abgasreinigung einen Partikelfilter auf, so ist der serielle Modus für den Kennfeldbereich mit hoher Partikelrohemission oder einer geringen Filtrationseffizienz, z.B. aufgrund zu großer Partikel vorteilhafterweise besonders geeignet. Hingegen ist der parallele Modus für den Nennleistungsbereich besonders geeignet, wobei oftmals dieser Betriebspunkt nicht der Kennfeldbereich mit der höchsten Partikelrohemission ist.
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Als Einrichtung werden vorzugsweise Klappen (Abgasklappen) oder dergleichen verwendet. Dem einschlägigen Fachmann sind weitere technische Lösungen zur Ausgestaltung derartiger Einrichtungen bekannt, beispielsweise Tellerventile.
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Diese Einrichtungen werden beispielsweise in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors (Drehzahl, Last) bzw. der Temperatur im Abgasstrang gesteuert Vorzugsweise erfolgt eine Steuerung über eine zentrale Steuereinheit mit Sensoren, die vorzugsweise Bestandteil der Motorsteuerung ist, z.B. Drucksensoren vor, nach der Reinigungsvorrichtung bzw. deren einzelnen Segmenten.
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Sofern in der Abgasreinigungsvorrichtung ein Partikelfilter verbaut ist, kann dieser zusätzlich auch mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen sein, wie bereits oben ausgeführt.
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Der Monolith kann vorzugsweise in Segmente, (räumliche Gruppierung der Kanäle) unterteilt sein, so dass die einzelnen Gruppen der verschiedenen Kanäle klar voneinander getrennt sind. Die Segmentgrenzen verlaufen parallel zur Längsachse/zu den Kanälen. Damit wird eine problemlose Anordnung der Einrichtungen an den Stirnflächen ermöglicht, ohne dass einzelne Kanäle ganz oder teilweise davon überdeckt werden.
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Trotz der Segmentierung kann der Monolith einstückig ausgebildet sein. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, separate Segmente zu einer Einheit zu fügen. Beim Fügen separater Segmente zu einer Einheit können zwischen den Segmenten Einlegebleche vorgesehen sein, die über die Stirnflächen des Monolithen hinausragen, um beispielsweise für die Klappen einen Anschlag zu bilden. In diesem Zusammenhang, aber auch unabhängig von den Einlegeblechen, sind die Einrichtungen und insbesondere die Klappen derart ausgeformt, dass diese mit der Segmentierung korrespondieren. Dies wird nachstehend in der Figurenbeschreibung näher erläutert.
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Vorzugsweise erfolgt eine Unterteilung in drei Segmente, da hierüber eine ausreichende Länge des Katalysators bzw. des Partikelfilters erzielt werden kann und sich hierbei der konstruktive Aufwand in wirtschaftlichen Grenzen hält. Vorzugsweise weisen die Segmente eine gleiche Anzahl von Kanälen auf oder, sofern dies nicht der Fall ist, ist die Summe der Querschnittsflächen der Kanäle der Segmente gleich, um keine Druckunterschiede hervorzurufen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steigt die Anzahl der durchströmten Kanäle bzw. die durchströmte Fläche in den Segmenten in Strömungsrichtung an, um einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch Temperaturerhöhung aufgrund exothermer Reaktionen im Katalysator Rechnung zu tragen.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind neben dem einen Monolithen zumindest zwei weitere separate Monolithen vorgesehen. Vorzugsweise sind insgesamt drei separate Monolithen vorgesehen, die derart miteinander verschaltet sind, dass jeweils ein Monolith die Funktion eines Segmentes eines vorgeschriebenen Monolithen aufweist,
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Gegenüber den Abgasreinigungsvorrichtungen aus dem Stand der Technik bietet die erfindungsgemäße Fluidreinigungsvorrichtung bei der Abgasreinigung den Vorteil, dass sich die Strömungsführung durch den Monolithen in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors schalten lässt, so dass entweder eine parallele Durchströmung der Kanäle des Monolithen oder eine serielle Durchströmung gewählt werden kann, mit den jeweils bereits beschriebenen Vorteilen.
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Gegenstand der Erfindung sind zudem ein Verbrennungsmotor mir der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Motor
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Die erfindungsgemäße Fluidreinigungsvorrichtung ist vorteilhafterweise für alle Typen von Verbrennungsmotoren geeignet und auch für Industrieanlagen mit einer Abgasnachbehandlung. Ferner ist diese Vorrichtung geeignet für alle technischen Bereiche, in denen Fluide durch entsprechend ausgestaltete Monolithen zu reinigen sind.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 in einer geschnittenen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Fluidreinigungsvorrichtung in einem Betriebszustand mit geschlossenen Klappen,
- 2 in einer quer geschnittenen Ansicht den Eingangsbereich der erfindungsgemäßen Fluidreinigungsvorrichtung gemäß 1,
- 3 in einer quer geschnittenen Ansicht den Ausgangsbereich der erfindungsgemäßen Fluidreinigungsvorrichtung gemäß 1
- 4 in einer geschnittenen Seitenansicht die erfindungsgemäße Fluidreinigungsvorrichtung gemäß 1 in einem Betriebszustand mit offenen Klappen,
- 5 in einer quer geschnittenen Ansicht den Eingangsbereich der erfindungsgemäßen Fluidreinigungsvorrichtung gemäß 4, und
- 6 in einer quer geschnittenen Ansicht den Ausgangsbereich der erfindungsgemäßen Fluidreinigungsvorrichtung gemäß 4.
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In den 1 bis 6 wird eine erfindungsgemäße Fluidreinigungsvorrichtung 10 in zwei Betriebszuständen (1 bis 3 bzw. 4 bis 6) dargestellt.
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Nachstehend wird die Fluidreinigungsvorrichtung 10 in der Ausgestaltung mit einem Katalysator (Monolith) 12 beschrieben. Partikel-, Gasfilter oder beliebige Kombinationen daraus, auch wenn hier nicht beschrieben, sind gleichermaßen geeignet.
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Die Fluidreinigungsvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in dem ein Katalysator 12 angeordnet ist. Der Katalysator 12 weist einen monolithischen Körper aus Metall oder Keramik auf, der von einer Vielzahl von einer zur anderen Stirnfläche des Katalysators 12 führenden, parallelen Kanälen 13 durchdrungen wird. Der monolithische Körper des Katalysators 12 ist mit katalytisch wirkenden Elementen versehen.
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Der Katalysator 12 und die Kanäle 13 sind in den 2, 3, 5 und 6 nicht dargestellt.
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Das Gehäuse 11 besitzt einen Eingangsbereich 14 und einen Ausgangsbereich 15, von denen Abgase (in allen Figuren dargestellt durch Pfeile) in die Kanäle 13 des Katalysators 12 bzw. aus den Kanälen 13 wieder austreten. In den Eingangsbereich 14 werden die Abgase durch eine Zuströmöffnung 16 geleitetet und aus dem Ausgangsbereich 15 über eine Abströmöffnung 17 wieder abgeleitet.
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Im Eingangsbereich 14 findet sich eine Einrichtung zur Verringerung der anströmbaren Stirnfläche des Katalysators 12 in Form einer Klappe 18, die im geschlossenen Zustand (1 bis 3) bewirkt, dass der Eingangsbereich 14 in ein erstes Volumen 19 und ein zweites Volumen 20 unterteilt ist. Der Katalysator 12 weist drei gleich große Segmente 21, 22, 23 auf, wobei die Segmentgrenzen (in den quer geschnittenen Ansichten, sofern nicht durch die Klappen 18, 24 verdeckt gestrichelt dargestellt) in der Stirnfläche des Katalysators 12 mit der Formgebung der Klappe 18 korrespondieren, d.h. die Abgasklappe 18 weist eine mittige Abkantung auf, die den Segmentgrenzen des Segments 21 innerhalb des ersten Volumens 19 des Eingangsbereichs 14 entspricht.
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Das erste Volumen 19 weist die Zuströmöffnung 16 auf, so dass Abgas in die Kanäle 13, die an das erste Volumen 19 grenzen, eintreten und durch den Katalysator 12 hindurchtreten kann. Die Abgase gelangen so in den Ausgangsbereich 15. In dem Ausgangsbereich 15 ist ebenfalls eine Klappe 24 als Einrichtung zur reversiblen Unterteilung in ein erstes und ein zweites Volumen 25, 26 vorgesehen, wobei von dem ersten Volumen 25 die Abströmöffnung 17 abgeht. Die Formgebung der Klappe 24 entspricht der Formgebung der Abgasklappe 18 im Eingangsbereich 14, also weist die Klappe 24 eine Abkantung auf, die den Segmentgrenzen des Segments 22 innerhalb des ersten Volumens 25 entspricht.
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In den 1 bis 3 sind beide Klappen 18, 24 geschlossen. Daher sind der Eingangs- und der Ausgangsbereich 14, 15 jeweils in ein erstes Volumen 19, 25 und ein zweites Volumen 20, 26 unterteilt.
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Hierbei tritt das Abgas in die Kanäle 13, die an das erste Volumen 19 des Eingangsbereichs 14 angrenzen ein, und gelangt über diese zum zweiten Volumen 26 des Ausgangsbereichs 15 und wird in die an das zweite Volumen 20 des Ausgangsbereichs 15 anliegenden Kanäle 13 umgeleitet, die das Abgas in das zweite Volumen 20 des Eingangsbereichs 14 führen. Hier erfolgt eine zweite Umlenkung des Abgases in die Kanäle 13, die zum ersten Volumen 25 des Ausgangsbereichs 15 führen und das Abgas gelangt von dort in die Abströmöffnung 17.
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Wenn beide Klappen 18, 24 (4 bis 6) geöffnet sind, werden alle Kanäle 13 des Katalysators 12 gleichzeitig in der gleichen Richtung durchströmt, ohne dass eine Umlenkung erfolgt. Das Abgas gelangt daher von der Zuströmöffnung 16 direkt durch den Katalysator 12 zur Abströmöffnung 17.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fluidreinigungsvorrichtung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Katalysator/Monolith
- 13
- Kanal
- 14
- Eingangsbereich
- 15
- Ausgangsbereich
- 16
- Zuströmöffnung
- 17
- Abströmöffnung
- 18
- Klappe
- 19
- erstes Volumen
- 20
- zweites Volumen
- 21, 22, 23
- Segmente
- 24
- Klappe
- 25
- erstes Volumen
- 26
- zweites Volumen
- Pfeil
- Abgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19518536 B4 [0010]
- DE 9202798 U [0011]
- DE 19644498 A1 [0012]
