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Vorrichtung zum Nachbrennen von Abgasen einer Brennkraftmaschine Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachbrennen von Abgasen einer Brennkraftmaschine,
versehen mit einem Nachbrenner im Nebenschluß zum Auspuffrohr. Die Erfindung soll
insbesondere bei Motoren Anwendung finden, die vor dem Motor gemischverbessernde
Einrichtungen enthalten, so daß in den
Gleichfahrstufen bis ca.
loo km pro Stunde die CO-Anteile im Abgas nicht mehr als o,8 % und die CH-Anteile
nicht mehr als loo ppm betragen. Motoren mit solchen sehr guten gemischverbessernden
Einrichtungen haben nur etwa 1 - 1,5 % Sauerstoff bei einem Anteil von o,5 - 1 %
CO im Abgas.
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Ein für solche Motoren wirksamer Nachbrenner mit und ohne katalytischem
Material kann kleiner sein und benötigt keine oder nur ganz geringe Menge an zusätzlicher
Brennluft. Ist der Nachbrenner klein, so kann man ihn nahe an den Motor setzen,
gleich am Ausgang des Auspuffkrümmers bzw. am Anfang des Auspuffrohres. Dort sind
die Abgase noch so heiß, daß die thermische oder katalytische Nachverbrennung schnell
nach dem Kaltstart des Motors einsetzt.
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Es sind katalytische Nachbrenner bekannt, die nur in bestimmten Bereichen
das Abgas über den Katalysator führen. Darunter gibt es zwei Gruppen. Eine erste
Gruppe, die ab einer bestimmten Temperatur oder aber einem vorgesehenen Drehzahl-
bzw. Leistungsbereich des Motors ein Ventil umschaltet und die gesamten Abgase um
den Nachbrenner herum führen.
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Diese Nachbrenner haben sehr viele Nachteile, usa.,
daß
sie eine Entgiftung der Abgase ab einem bestimmten Bereich nicht mehr vornehmen.
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Die zweite Gruppe sind Nachbrenner mit oder ohne Katalysator, die
im unteren Drehzahl- bzw. Lastbereich des Motors Abgase voll über die Entgiftungseinrichtung
führen und ab einem bestimmten Bereich nur einen Teil der Abgase herumführen. Diese
haben den unter der ersten Gruppe angeführten Nachteil nicht. Sie haben jedoch in
der Strömungstechnik und der Mischungsmöglichkeit Nachteile, die unter anderem zu
Leistungsverlusten führen bzw. zu mangelhafter Durchmischung der beiden Abgasströme.
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Mit der Erfindung sollen die bei der zweiten Gruppe aufgeführten Nachteile
behoben werden, und zwar dahingehend, daß eine vollkommene Abgasentgiftung vom Leerlauf
bis Vollast stattfindet, obwohl nur ca. 15 - 20 % Abgase, bezogen auf Vollast, über
die Entgiftungseinrichtung gehen. Im oberen Drehzahl-und Lastbereich sollen ferner
keine Leistungsverluste entstehen. Außerdem sollen sämtliche thermischen Probleme
für Reaktoren und katalytische Nachbrenner so gelöst werden, daß keine gefährlichen
Momente auftreten.
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Eine Vorrichtung nach der Erfindung ist demgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß der Nachbrenner Ringkammern aufweist, die um den inneren Hauptkanal herumliegen
und deren Strömungsweg zwischen Eingang und Ausgang wenigstens 1800 beträgt. Durch
die Wahl dieses Strömungsweges wird erreicht, daß die hindurchgeleiteten Gase eine
ausreichend lange Zeit in den Ringkammern bleiben und dort entgiftet werden können.
Der Nachbrenner kann daher sehr klein sein, obwohl er von Leerlauf bis nahezu Vollast
die giftigen brennbaren Bestandteile im Abgas katalytisch und durch thermische Reaktion
vollständig verbrennt.
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Es wird bevorzugt, wenn der Strömungsweg in den Ringkammern nahe bei
360° liegt. Bei dieser Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes werden mehrere Ringkammern
von etwa 3600 Umfang übereinander gesetzt, so daß die Gesamtabmessungen praktisch
nicht vergrößert werden.
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Mit Vorteil werden mehrere derartige Ring kammern in Strömungsrichtung
hintereinander geschaltet, wobei eine erste Ringkammer mit katalytischem Material
zur Reduzierung von Stickoxyden vorgesehen ist, eine zweite
Ringkammer
Lufteinblasung mittels Pumpe erhält und eine darauf folgende dritte Ringkammer mit
katalytischem Material zur Reduzierung von CO und CH versehen ist.
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In der ersten Ringkammer werden somit die Stickoxyde reduziert, während
in der zweiten Ringkammer zusätzlicher Sauerstoff hinzugeführt wird, der in der
daran anschließenden dritten Ringkammer zur Reduzierung von CO und CH verwendet
wird.
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Mit Vorteil ist die zweite Ringkammer mit Vorsprüngen versehen, die
so klein gehalten sind, daß sie oder zumindest ihre Spitzen beim Durchgang der Abgase
mit Brennluft zu glühen beginnen. Hierdurch wird auf konstruktiv einfache Weise
die notwendig Erhitzung der Abgase unterstützt.
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Nach einer Ringkammer mit katalytischem Material oder nach der zweiten
Ringkammer (Mischkammer) kann eine weitere Ringkammer mit katalytischem Material
angebracht sein, in der die Abgase längst zum Hauptgaskanal strömen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, wenn einer Kammer
mit katalytischem Material oder der Mischkammer eine sich in Strömungsrichtung verengende
Kammer nachgeschaltet ist, die gleich nach dem engsten
Querschnitt
Öffnungen enthält. Diese nachgeschaltete Kammer saugt somit durch die Öffnungen
nach Art einer Venturi-Düse Luft von außen an, die etwaige restliche Giftgasbestandteile
zuende verbrennt.
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In diese Öffnungen kann dabei Luft mit oder ohne Pumpe in den Gasstrom
eingebracht werden. Wegen der Venturi-Wirkung kann im allgemeinen auf eine zusätzliche
Pumpe verzichtet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung wird darin gesehen, wenn die Luft einen
äußeren Mantelraum durchströmt. Sie kann sich dabei also an den mit katalytischem
Material gefüllten Ringkammern erwärmen und die Außenwand des Mantelraumes dient
gleichzeitig als Schutz für die Ringkammern.
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Falls der Mantelraum mit Metallwolle gefüllt ist, wird die Wärmeübertragung
zum Mantelraum weiter unterstützt.
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Die Kammer kann sich nach ihrer engsten Stelle wieder in einen Ringraum
erweitern. In diesem Ringraum können aus den oben erwähnten Gründen an den Wänden
wiederum Vorsprünge vorgesehen sein.
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Es wird bevorzugt, wenn sich der Ausgang des Hauptkanals konisch verengt
und zentrisch oder nahezu zentrisch in das Auspuffrohr hineinragt, jedoch im Querschnitt
kleiner ist als dieses und ringsherum einen Ringspalt freiläßt, der das Ausgangsende
des untersten Ringraumes ist. Das durch den Hauptkanal strömende Gemisch saugt hierbei
also über den Ringspalt das Gemisch aus dem untersten Ringraum, und zwar ebenfalls
nach Art einer Venturi-Düse, so daß unterstützt durch die beschriebeneAusbildung
des Hauptkanals und des unteren Ringraumes eine besonders intensive Durchwirbelung
und Mischung der sich dort vereinigenden Gasströme erreicht wird.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale der Erfindung ergeben.
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Es zeigt: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der
Erfindung; Figur 2 einen Schnitt längs der Linie A, B der Figur 1 und Figur 3 einen
Schnitt längs der Linie C, D der Figur 1.
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Die vorzugsweise aus einem Motor mit gemischverbessernden Einrichtungen
austretenden Auspuffgase treten am Eingang 1 in einen Hauptdurchgangskanal 2 ein.
Dieser ist durch eine excentrisch gelagerte Drosselklappe 3 unterteilt. Die Drosselklappe
3 wird außerhalb des Hauptdurchgangskanals mittels einer Feder 4 in ihrer geschlossenen
Stellung gehalten.
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Der Hauptdurchgangskanal 2 verjüngt sich an seinem Ausgang 5 konisch
zu einem engeren Querschnitt als am Eingang. Eine Öffnung 6 am Eingang des Hauptdurchgangskanals
gibt einen Durchgang frei vom Hauptdurchgangskanal in eine Ringkammer 7. Diese Ringkammer
7 hat an der öffnung einen freien Raum 8, während der übrige Raum 9 mit einem katalytischen
Material zur Reduzierung von NOx gefüllt ist. In Strömungsrichtung, durch Pfeile
40 angezeigt, befindet sich am Ende des Raumes 9 wieder ein freier Raum lo, der
mit Öffnungen 11 nach unten versehen ist. Zwischen dem mit katalytischem Material
gefüllten Raum 9 und den Räumen 8 und lo befindet sich als Begrenzung ein Siebblech
41, was genügend Öffnungen hat, um den Gasstrom durchzulassen, die jedoch so klein
sind, daß das katalytische Material nicht hindurchgehen kann.
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In den Raum lo führt ein Kanal 12 über den von einer Pumpe
Luft
eingeblasen wird. Unter diesem Ringraum 8, 9, lo befindet sich der nächste Ringraum
13. Dieser Raum 13 ist mit gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Vorsprüngen 14 versehen.
Er enthält außerdem in Strömungsrichtung am Ende nach unten Öffnungen 15. Unterhalb
dieses Ringraumes befindet sich ein weiterer Ringraum 16.
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Dieser hat an dem Ende, das unterhalb der öffnung 15 liegt, noch einen
weiteren Raum 17. Der Ringraum 16 ist wie auch der Raum 17 mit katalytischem Material
für die Reduzierung von CO und CH versehen.
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Unter dem Ringraum 16 befindet sich ein weiterer Ringraum 18. Ein
Siebblech 19 verbindet an einem Teil des Umfanges die Ringräume 16 und 18. Unter
dem Ringraum 18 befindet sich ein längerer Ringraum 20. Ein Siebblech 21 ist die
Begrenzung zwischen diesen beiden Räumen. Der Ringraum 20 wird wieder mit katalytischem
Material zur Reduzierung von CO und CH gefüllt und hat an seiner unteren Begrenzung
ein Siebblech 22. Unterhalb des Ringraumes 20 befindet sich ein freier Ringraum
23, der sich nach unten stark verjüngt und an der Stelle 24 einen sehr engen venturiähnlichen
Querschnitt freiläßt.
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Unterhalb dieser engen Stelle erweitert sich dieser Raum bei 25 wieder
und hat bei26 seinen Ausgang. Im Bereich 25 sind ebenfalls Vorsprünge 27 an der
Wand vorgesehen.
über einen Außen-Ringraum 28, der mit Stahlspänen
gefüllt ist, entsteht eine Verbindung zwischen der Atmosphäre und dem Ringraum 29.
Am gesamten Umfang verteilte Öffnungen 30 bilden einen Durchgang zwischen dem Ringraum
29 und den Ringräumen 23, 25 etwas unterhalb der engsten Stelle.
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Der Ausgang des Hauptdurchgangskanals 2 sowie des Ringraumes 25 an
seinem Ende 26 in den Raum 31 ist so gestaltet, daß durch die Strömung des Gasstromes
vom Hauptdurchgangskanal 2 eine Saugwirkung am Ausgang 26 entsteht Die Arbeitsweise
dieser Einrichtung ist folgende: Das Abgas, welches am Eingang 1 eintritt, wird
im unteren Drehzahl- und Lastbereich etwa bis 60 oder 80 km/h infolge der geschlossenen
Drosselklappe 3 voll durch die Öffnung 6 in den Ringkanal 7 geleitet. Dort tritt
dieses Gas durch das Siebblech hindurch und geht einrichtung des Pfeiles 40 nach
Figur 2 durch ein katalytisches Material, welches Stickoxide reduziert. Am Ende
strömt es wieder durch das Siebblech 41 in den Raum lo. Dieser Raum lo hat öffnungen
11 nach unten und außerdem eine Luftzuführung 12.
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Die Gemischbildung des Motors wird so reguliert, daß ein sehr homogenes
Gemisch gebildet wird mit etwa o,5 bis 1 % CO, ca. 100 ppm CH und nach Möglichkeit
nicht mehr alslbis 1 1/2 % 02. Es werden durch Teilrückführung von ca. lo - 15 %
Abgasen in die Brennluft außerdem Maßnahmen getroffen, um die Stickoxidbildung im
Motor um etwa 75 % herabzusetzen.
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Dadurch wird es möglich, mit verhältnismäßig geringem katalytischem
Material eine Restreduzierung der Stickoxide zu erreichen.
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Notwendig ist jedoch eine bestimmte Zeit- bzw. Weglänge.
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Deshalb wird das Abgas in der hier gezeigten Form nahezu um 3600 um
den Hauptdurchgangskanal herumgeführt.
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Nachdem das Gas von Stickoxiden befreit durch die Offnung 11 in den
Ringkanal 13 eingetreten ist und entweder im Raum lo oder 13 über eine Pumpe Zusatzluft
erhalten hat, geht nun das Auspuffgas im Ringraum 13 wieder seinen Weg um den Hauptkanal;
siehe Figur 3.
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Dieser Ringraum 13 enthält an seinen Wänden innen und außen eventuell
auch oben und unten gleichmäßige oder
ungleichmäßige Vorsprünge
14. Diese Vorsprünge sind aus verhältnismäßig dünnem, wärmefestem Material, die
jedoch an den Spitzen bei ca. 4000C zu glühen beginnen.
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Die Vorsprünge bewirken, daß sich in Strömungsrichtung hinter ihnen
Wirbel bilden, die zur besseren Durchmischung der Abgase mit der eingeführten Brennluft
beitragen. Außerdem entsteht in den glühenden Spitzen der Vorsprünge 14 eine Verbrennung
des Abgases mit der eingeblasenen Luft.
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Das so sich im Verbrennungsprozess befindliche, nun mit Sauerstoffüberschuß
versehene Abgas strömt durch die Öffnungen 15nach unten in den Raum 17, nachdem
es ebenfalls einen längeren Weg und damit die notwendige Zeit im Mischraum 13 verbracht
hat.
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Der Raum 17 ist dem Ringraum 16 vorgelagert und mit diesem durch ein
Siebblech solcher Größe versehen, daß das gesamte Abgas ohne starken Gegendruck
in den Ringraum 16, der mit dem katalytischen Material gefüllt ist, einströmen kann.
Auch hier geht das Abgas nahezu 360° in dem gesamten Hauptdurchgangskanal herum
und strömt wieder am Ende dieses Ringraumes nach unten durch ein Siebblech l9 in
den Ringkanal 18.
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Hier kann sich das Abgas gleichmäßig verteilen und strömt nun durch
das Siebblech 21 in den größeren und längeren Ringraum 20. Auch dieser ist mit katalytischem
Material zur Reduzierung von CO und CH gefüllt. Am unteren Ende dieses Ringraumes
strömt das Abgas durch das Siebblech 22 in den Ringraum 23, der an der Stelle 24
eine starke Verengung hat. An dieser Verengung entsteht eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit,
die über die Öffnungen 30 Luft in den Abgasstrom einsaugt. Die Luft wird aus der
Atmosphäre über den Raum 28 in den Ringraum 29 angesaugt. Der Raum 28 ist nach der
Erfindung außen um die Kammer mit dem katalytischen Material gelegt und vorzugsweise
mit Stahlwolle ausgefüllt. Diese Stahlwolle dient zur Dämpfung des Ansauggeräusches
und außerdem überträgt es in hohem Maße die Temperatur, die von den katalytischen
Kammern ausgestrahlt wird, auf die angesaugte Brennluft. Gleichzeitig bildet damit
die Kammer 28 auch eine Schutzisolierung nach außen.
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Das Abgas, welches aus der Kammer 20 ausströmt, hat infolge katalytischer
Verbrennung eine sehr hohe Temperatur und ist schon ziemlich frei von CO und CH-Anteilen.
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Um jedoch diese Anteile ganz auf Null zu bringen, wird noch einmal
über eine große Anzahl der kleinen Öffnungen 30 ringsherum gleichmäßig sehr heiße
Luft in den heißen
Abgasstrom eingeführt, so daß eventuell noch
verbleibende CO- und CH-Bestandteile restlos nachbrennen.
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Diese Nachbrennung wird noch durch folgende Maßnahmen gefördert: An
den im Ringraum 25 angebrachten Vorsprüngen 27 entsteht wieder wie in der Kammer
13 eine zusätzliche Vermischung und ein Glühen der Spitzen, was endgültig zur restlosen
Verbrennung jedes brennbaren Bestandteils im Abgas beiträgt Im Drehzahl- und Lastbereich
über etwa 60 bis 80 km/h wird über einen stärker werdenden Druck des Auspuffgasstromes
die excentrisch gelagerte Klappe gegen den Zug der Feder 4 mehr und mehr geöffnet.
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So geht ein Teil des Auspuffgases durch den Hauptkanal 2 glatt hindurch.
Die Klappe 3 wird so gesteuert, daß sie schon ab 3/4-Last ganz geöffnet ist und
keinen Widerstand im Kanal 2 bildet. Am unteren Ende des Kanals 2 entsteht infolge
des sich verengenden Auslaufs 5 eine höhere Strömungsgeschwindigkeit. Da außerdem
der Querschnitt des Ausganges 31 größer ist als der des Ausganges 5, entsteht in
Kombination mit der hohen Strömung am Ausgang 5 eine Saugwirkung am Ausgang des
Ringkanals 26.
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Infolgedessen entsteht, unterstützt durch den Druck, den der Motor
auf die Auspuffgase ausübt, und mit dem die Auspuffgase durch die Kammern 7 bis
20 geführt werden, und über den Strömungssog, der vom Austritt 26 sich bis zu den
Öffnungen 30 fortpflanzt, die Möglichkeit, Zusatzbrennluft über die Öffnungen 30
ohne Pumpe ziiühren. Man kann diese Luft auch mit Pumpe zuführen, was jedoch mehr
Aufwand bedeutet.
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Es sind Einrichtungen bekannt, die die Auspuffgase'über mehrere Kammern
führen, wovon auch die ersten Kammern mit katalytischem Material- zur Reduzierung
von Stickoxiden versehen sind, danach eine Lufteinblasung stattfindet und wiederum
danach die Auspuffgase über katalytisches Material zur Reduzierung von CO und CH
geführt werden.
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Es sind auch Nachbrenner bekannt, bei denen über irgendwelche Steuerungen
auch durch Gasdruck die Umlenkung bzw. Nichtumlenkung vorgenommen wird.
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Demgegenüber besitzt die Erfindung, wie am Ausführungsbeispiel erläutert
wurde, folgende Merkmale: 1. Umlenkung der Gasströme bzw. Teilumlenkung derselben
durch eine Klappe, die in ihrer geöffneten Stellung
praktisch keinen
Strömungswiderstand liefert.
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2. Ausführungen von katalytischen oder nichtkatalytischen Kammern,
durch die das Gas strömen muß, derart, daß die notwendige Zeit über einen entsprechenden
längeren Weg durch Herumführen der Abgase um den Hauptkanal um jeweils nahezu 3600
stattfindet.
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3. Zuführung der Brennluft vor der katalytischen Kammer zur Reduzierung
von CO und CH in eine Mischkammer 13, die mit Vorsprüngen 14 versehen ist, welche
nicht nur eine Wirbelbildung und damit bessere Durchmischung des Auspuffgases mit
der zugeführten Brennluft bewirken, sondern außerdem dort durch das Glühen der Spitzen
die Verbrennung einleiten.
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4. Weitere Zuführung von Brennluft nach Austreten des sehr heißen
Auspuffgases aus dem Katalysator vorzugsweise ohne Pumpe.
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5. Zusammenführen des Hauptgasstromes mit dem entgifteten Gasstrom
derart, daß a. der entgiftete Gasstrom über Strömungssog in den Hauptgasstrom hineingerissen
wird und b. der entgiftete Gasstrom infolge der geschilderten Maßnahmen der Erfindung
nicht nur frei von brennbaren
Bestandteilen ist, sondern außerdem
sehr heiß ist und einen Überschuß an Brennluft enthält.
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im Dadurch wird es möglich, auch die/Hauptgasstrom noch befindlichen
brennbaren Bestandteile zu verbrennen, ohne daß hierfür katalytisches Material benötigt
wird.
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Nachbrenner dieser Konstruktion enthalten alle Maßnahmen und Einrichtungen,
die sonst in mehreren hintereinandergeschalteten katalytischen bzw. Reaktortöpfen
enthalten sind, wovon jeder mindestens doppelt so groß ist als ein solcher nach
dieser Erfindung.
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Wesentlich ist jedoch, daß der Einbau ohne Änderungen in den Ausmaßen
des Fahrzeugs möglich ist, während die anderen Einrichtungen fast den gleichen Platz
beanspruchen wie der Motor selbst.
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Patentansprüche