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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen variabel positionierbaren
Katalysator, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen variabel
positionierbaren Katalysator und auf ein Verfahren zum Steuern eines
in eine Brennkraftmaschine eingegliederten variabel positionierbaren
Katalysators.
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Die
Eingliederung eines Turboladers in eine mit einem Katalysator ausgestattete
Brennkraftmaschine ist bekannt. Der Katalysator wird durch das von
der Kraftmaschine kommende Abgas angetrieben und verdichtet zu der
Kraftmaschine zuzuführende
Luft, um die Kraftmaschine mit einer erhöhten Sauerstoffmenge zu versorgen,
was zur Erzeugung von mehr Kraft führt. Im Ergebnis verbraucht
der Turbolader Wärme
von dem Abgas.
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Einerseits
befindet sich der Katalysator in der Abgasleitung der Kraftmaschine
an einer Position stromabwärts
des Turboladers und er ist dort angeordnet, um Emissionen des Abgases
zu absorbieren. Ein solcher Katalysator kann beispielsweise ein
Oxidationskatalysator sein, der zum Reduzieren von NOx und zum Oxidieren
von HC und CO ein bestimmtes Temperaturniveau benötigt, um
zuverlässig zu
funktionieren. Dies bedeutet, dass vom Anlassen der Kraftmaschine
eine gewisse Zeitspanne erforderlich ist, bis das Abgas zum Aufwärmen des
Katalysators genügend
Wärme bereitgestellt
hat.
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Da
der Turbolader jedoch in der Abgasleitung stromaufwärts des
Katalysators angeordnet ist und die Temperatur des Abgases verringert,
kann das Aufwärmen
des Katalysators verzögert
werden, was zu einer verlängerten
Zeitspanne führt,
in welcher der Katalysator nicht auf geeignete Weise arbeitet und
in der ein Abgas mit einem höheren
Emissionsniveau in die Umwelt ausgelassen wird (Kaltstartemissionen).
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Um
mit diesem Problem umzugehen, wurde vorgeschlagen, an der stromaufwärtigen Seite
des Turboladers einen Vorkatalysator anzuordnen. Diese Position
versorgt den Vorkatalysator mit einer schnelleren Anspringeigenschaft,
was zu einer Abnahme der Kaltstartemissionen führt.
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Ferner
ist ein variabel positionierbarer Katalysator gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 in der
US
5,058,380 A offenbart.
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Es
besteht ein Bedarf, einen verbesserten Vorkatalysator für eine Brennkraftmaschine
mit einem Turbolader bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird der
vorgenannte Bedarf mit einem variabel positionierbaren Katalysator mit
den Merkmalen von Anspruch 1 gedeckt.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung hat ein variabel positionierbarer Katalysator ein
Katalysatorgehäuse,
das einen Katalysatorkörper
aufnimmt, und ein Stellglied zum Bewegen des Katalysatorkörpers mit
Bezug auf das Katalysatorgehäuse,
so dass der Katalysatorkörper
auf eine aktive Katalysatorposition oder auf eine inaktive Katalysatorposition
bewegt werden kann. Mit einem solchen Katalysatoraufbau ist es möglich, den
Katalysator gemäß dem Zustand
der Brennkraftmaschine in eine geeignete Position zu bringen.
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Gemäß beispielhaften
Ausführungsformen kann
die aktive Katalysatorposition einem Abgasstrom einer Kraftmaschine
ausgesetzt sein. Ferner kann zumindest die inaktive Katalysatorposition
innerhalb des Katalysatorgehäuses
vorgesehen sein. Im Ergebnis kann der Katalysatorkörper während einer
Aufwärmzeitspanne
der Kraftmaschine einem an der aktiven Katalysatorposition strömenden Abgas ausgesetzt
sein und er kann auf die inaktive Katalysatorposition zurückgezogen
werden, in der der Katalysator den Abgasstrom nicht stört und/oder
einem wesentlichen Betrag des Abgasstroms nicht ausgesetzt ist,
wenn die Kraftmaschine aufgewärmt
ist. Dies bringt den vorteilhaften Effekt mit sich, dass Emissionen
in dem Abgas während
einer Kaltstartzeitspanne der Kraftmaschine absorbiert werden können. Ferner
wird der Abgasstrom zu einem Turbolader nicht gestört oder
er wird beträchtlich
weniger gestört,
wenn der Katalysatorkörper
von dem Abgas zurückgezogen
ist, als dann, wenn sich der Katalysator in der aktiven Position
befindet.
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Ferner
kann der Katalysatorkörper
in einem mittels einer Stellstange an dem Stellglied angeschlossenen
Gerüst
gehalten sein. Zudem kann das Katalysatorgehäuse eine zylindrische Innengestalt haben
und das Gerüst
kann eine zylindrische Außengestalt
haben, wobei der Innendurchmesser des Gehäuses zu dem Außendurchmesser
des Gerüsts passt.
Dies stellt gute Führungseigenschaften
des Katalysatorkörpers
sicher und das Gerüst
selbst passt vorteilhafter Weise die Gestalt des Katalysatorkörpers an
die Gestalt des Katalysatorgehäuses
an, die beide entsprechend unterschiedlicher Anforderungen ausgebildet
sind.
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Das
Gerüst
kann zudem zwei scheibenförmige
Platten aufweisen, zwischen denen der Katalysatorkörper gehalten ist.
Somit kann der Katalysatorkörper
stabil zwischen den Platten gehalten sein, während ein guter Zugang des
Abgases zu dem Katalysatorkörper
ermöglicht
ist.
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Das
Stellglied kann eine pneumatische Vorrichtung sein. Alternativ kann
das Stellglied eine elektrische Vorrichtung sein. Im Ergebnis kann
der variabel positionierbare Katalysator vorteilhafterweise durch
eine Einrichtung betätigt
werden, die für
unterschiedliche Anwendungsbereiche geeignet ist.
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Außerdem kann
die Stellstange den Katalysatorkörper
auf die aktive Katalysatorposition bewegen, wenn das Stellglied
betätigt
wird, und sie kann den Katalysatorkörper auf die inaktive Katalysatorstellung
bewegen, wenn das Stellglied gelöst
wird. Somit ist eine Betätigung
lediglich während
der Kaltstartzeitspanne erforderlich, während das Stellglied für den Hauptteil
einer Langstreckenfahrt eines Fahrzeugs oder wenn das Fahrzeug ausgeschaltet
ist, gelöst
bleiben kann.
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Der
Katalysatorkörper,
das Katalysatorgehäuse
und das Stellglied können
eine gemeinsame Achse aufweisen, entlang der der Katalysatorkörper beweglich
ist. Da das Stellglied sich außerhalb
des Katalysatorgehäuses
befinden kann und die Stellstange das Katalysatorgehäuse entlang
der gemeinsamen Achse durchdringen kann, kann ein einfacher Zusammenbau
der Komponenten des variabel positionierbaren Katalysators erreicht
werden.
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Außerdem kann
das Gerüst
eine Führungskante
aufweisen, die mit einem die inaktive Position bereitstellenden
Abschnitt des Katalysatorgehäuses ständig in
Kontakt ist. Dies verbessert die Leiteigenschaften des Gerüsts, während selbiges
zwischen der aktiven und inaktiven Katalysatorposition bewegt wird.
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Der
variabel positionierbare Katalysator kann stromaufwärts eines
Turboladers einer Kraftmaschine vorgesehen sein. Somit kann der
variabel positionierbare Katalysator das Aufwärmen des Turboladers vorteilhafterweise
beschleunigen, wenn er sich in seiner aktiven Position befindet,
während gleichzeitig
die Kaltstartemissionen des Abgases verringert werden. Überdies
stört der
variabel positionierbare Katalysator vorteilhafterweise den Abgasstrom
zu dem Turbolader nicht, wenn er sich in seiner inaktiven Position
befindet, nachdem die Kraftmaschine und ein gemeinsamer Katalysator
stromabwärts
des Turboladers ihre Betriebstemperaturen erreicht haben.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
kann in einer Brennkraftmaschine ein Abgas der Kraftmaschine durch
einen Abgasdurchlass geführt
werden. Die Brennkraftmaschine kann ferner einen variabel positionierbaren
Katalysator aufweisen, wie er vorstehend beschrieben ist, und kann
einen stromabwärts
des variabel positionierbaren Katalysators angeordneten Turbolader
aufweisen. Somit können
die vorstehend beschriebenen Vorteile für eine Brennkraftmaschine erzielt
werden.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
kann ein Verfahren zum Steuern eines in eine Brennkraftmaschine
eingegliederten variabel positionierbaren Katalysators, wie er vorstehend
beschrieben ist, vorgesehen werden, wobei der Katalysatorkörper auf
die aktive Katalysatorposition bewegt werden kann, wenn sich die
Kraftmaschine im einem vorbestimmten ersten Betriebszustand befindet,
und der Katalysatorkörper
auf die inaktive Katalysatorposition bewegt werden kann, wenn sich
die Kraftmaschine in einem vorbestimmten zweiten Betriebszustand
befindet. Außerdem
können
der erste und der zweite Betriebszustand der Kraftmaschine zumindest von
der Temperatur der Kraftmaschine abhängig sein. Dies ermöglicht es,
den variabel positionierbaren Katalysator in der vorstehend beschriebenen
Art und Weise so zu steuern, dass die Kaltstartemissionen vorteilhafterweise
reduziert werden, während
der Leistungsabfall des Turboladers minimiert wird.
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In
der folgenden Beschreibung sind weitere technische Lösungen der
Aufgabe der Erfindung ausführlich
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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1 eine
Schnittansicht des variabel positionierbaren Katalysators gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist, wobei sich ein Katalysatorkörper in einer aktiven Katalysatorposition
befindet;
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2 eine
Schnittansicht des variabel positionierbaren Katalysators von 1 ist,
wobei sich der Katalysatorkörper
in einer inaktiven Katalysatorposition befindet.
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Ein
variabel positionierbarer Katalysator gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform
weist im Wesentlichen eine Katalysatorhaltestruktur (Gerüst) 5,
eine Katalysatorbetätigungsstruktur 6 und
ein Katalysatorgehäuse 7 auf.
Die Katalysatorbetätigungsstruktur 6 kann
so betätigt
werden, dass sie die Katalysatorhaltestruktur 5 von dem
Katalysatorgehäuse 7 auf
eine aktive Katalysatorposition bewegt, in der ein durch die Katalysatorhaltestruktur 5 gehaltener
Katalysatorkörper 1 einem
in einem Abgasdurchlass 8 strömenden Abgasstrom ausgesetzt
ist. Alternativ kann die Katalysatorbetätigungsstruktur 6 so
betätigt
werden, dass sie die Katalysatorhaltestruktur 5 zurück in das
Katalysatorgehäuse 7 bewegt.
Der Katalysatorkörper 1 ist
ein Miniaturkatalysator von ca. 24 cc, der in Folge seiner kleinen
Größe die Eigenschaften
eines schnellen Anspringens bereitstellt. Somit können Kaltstartemissionen
zu einer frühen
Stufe absorbiert werden.
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Die
Katalysatorhaltestruktur 5 ist aus rostfreiem Stahl ausgebildet
und hat zwei scheibenförmige Platten 2, 3,
die gleiche Konturen haben und die koaxial bei einem bestimmten
Abstand angeordnet sind, so dass sie den Katalysatorkörper 1 zwischen sich
halten. Die Platten 2, 3 sind über zwei dünnwandige Pfosten 4,
die so gebogen sind, dass sie zu der Krümmung des Außenumfangs
der Platten 2, 3 passen, miteinander verbunden.
Die Pfosten 4 sind im Wesentlichen parallel zueinander
und zu der Richtung des Abgasstroms angeordnet. Zwei Gewindestifte 27 stehen
axial von der Seite der Platte 3 vor, die dem Katalysatorgehäuse 7 zugewandt
ist.
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Die
Katalysatorbetätigungsstruktur 6 hat
ein pneumatisches Stellglied 9, das mit einer Stange 19 wirkverbunden
ist. Eine Membran 40 befindet sich zwischen zwei Halbschalen 41, 42 des
pneumatischen Stellglieds 9, um eine Kammer 11 mit
variablem Volumen zu bilden. Das pneumatische Stellglied 9 ist
auf einer tischartigen Stützstruktur
aufgeständert,
die drei Beine 22 zum Montieren des Stellglieds 9 an
dem Katalysatorgehäuse 7 hat.
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Innerhalb
der Kammer 11 ist eine Feder 12 zum Vorspannen
der Membran 40 auf eine Position angeordnet, in der die
Kammer 11 ein maximales Volumen hat. Auf die Kammer 11 kann
ein Unterdruck aufgebracht werden, so dass die Membran 40 gegen die
Kraft der Feder 12 auf eine Position eines kleineren Volumens
der Kammer 11 gedrückt
wird. Wenn der Unterdruck in der Kammer 11 entlastet wird,
dann werden die Membran 40 und somit die Stange 10 durch
die Kraft der Feder 12 auf ihre Ausgangsposition bewegt.
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Das
Katalysatorgehäuse 7 stellt
eine zylindrische Katalysatorkammer 14 bereit, die einen
zu dem Außendurchmesser
der scheibenförmigen
Platten 2, 3 passenden Innendurchmesser hat. Die
Katalysatorkammer 7 ist so dimensioniert, dass sie die Katalysatorhaltestruktur 5 vollständig aufnehmen kann.
Die Katalysatorkammer 14 ist vollständig zu einer Abgasstromseite
geöffnet
und hat eine kleindurchmessrige Bohrung 23 an der Stellgliedseite. Wenn
die Katalysatorhaltestruktur 5 vollständig in der Katalysatorkammer 7 aufgenommen
ist, dann ist die Außenfläche der
scheibenförmigen
Platte 2 mit der Innenwand des Abgasdurchlasses 8 bündig, so
dass der Abgasstrom nicht gestört
wird. Ferner ist an der Außenseite
des Katalysatorgehäuses 7 ein
sich radial erstreckender Wulst 15 vorgesehen, der die
Katalysatorkammer 14 an ihrem axial mittleren Abschnitt umgibt.
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Über den
Umfang des Wulstes 15 des Katalysatorgehäuses 7 sind
bei gleichen Intervallen vier Augen 16 verteilt und diese
Augen 16 axial durchdringenden Bohrungen 17 sind
vorgesehen, so dass Schrauben 18 aufgenommen werden können. Zusätzlich stehen
von dem Wulst 15 drei sich axial erstreckende säulenförmige Vorsprünge 19 zu
der Stellgliedseite des Katalysatorgehäuses 7 vor. Die säulenförmigen Vorsprünge 19 sind
mit Gewindeblindlöchern
21 zum Aufnehmen der Schrauben 20 versehen. Das Stellglied 9 ist
an dem Katalysatorgehäuse 7 montiert,
indem die Beine 22 mittels der Schrauben 20 an
den säulenförmigen Vorsprüngen 19 verschraubt
werden.
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Ein
Montageelement 13 ist als eine Verbindung der Katalysatorhaltestruktur 5 mit
dem Stellglied 9 vorgesehen. Das Montageelement 13 ist
im Wesentlichen scheibenförmig
und stellt einen Außendurchmesser
bereit, der zu dem Innendurchmesser der Katalysatorkammer 14 passt.
Das Montageelement 13 besteht im Wesentlichen aus einem
Führungsabschnitt 13a,
einem Ringabschnitt 13b, einem Übergangsabschnitt 13c und
einem Rohrabschnitt 13d.
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Der
Führungsabschnitt 13a befindet
sich an dem Außenumfang
des Montagelements und erstreckt sich axial zu der Stellgliedseite
des Katalysatorgehäuses 7.
Der Ringabschnitt 13b erstreckt sich radial einwärts von
dem Führungsabschnitt 13a zu dem Übergangsabschnitt 13c,
der mit Bezug auf den Ringabschnitt 13a zu der Stellgliedseite
des Katalysatorgehäuses 7 versetzt
ist. Schließlich
ist der innerste Abschnitt des Montageelements 13 der Rohrabschnitt 13d,
der sich entlang einer relativ langen Strecke axial zu der Stellgliedseite
erstreckt. Der Ringabschnitt 13b ist mit Durchgangslöchern 28 zur
Aufnahme der Gewindestifte 27 der Katalysatorhaltestruktur 5 versehen.
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Zum
Zusammenbauen der Struktur wird das Montageelement 13 über die
Stange 10 geschoben, bis es an einem Anschlag 24 der
Stange 10 anliegt und es wird daraufhin daran mittels einer
Mutter 25 fixiert, die auf ein Gewinde geschraubt wird,
das an dem dem Anschlag 24 gegenüberliegenden Ende der Stange 10 ausgebildet
ist. Dann wird die Katalysatorhaltestruktur an dem Montageelement 13 fixiert, indem
die Dübelstifte 27 in
die Durchgangslöcher 28 des
Ringabschnitts 13b eingesetzt werden und selbige mit Hilfe
der Muttern 29 festgezogen werden. Auf diese Weise wird
die Katalysatorhaltestruktur 5 an dem Montageelement 13 fixiert,
welches die sich durch den Rohrabschnitt 13c erstreckende
und davon vorstehende Stange hat.
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Die
auf diese Art zusammengebaute Struktur der Katalysatorhaltestruktur 5,
dem Montageelement 13 und der Stange 10 kann in
die Katalysatorkammer 14 eingesetzt werden, wobei die Stange 10 und
der Rohrabschnitt 13c durch das Durchgangsloch 23 hindurchführen, um
die Stange 10 an dem Stellglied 9 anzukoppeln.
Als ein Ergebnis wird der variabel positionierbare Katalysator hergestellt.
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Nun
wird die Eingliederung des variabel positionierbaren Katalysators
in die Abgasleitung der Kraftmaschine, die den Turbolader hat, erläutert.
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Ein
Verbindungselement 39 bildet einen Teil eines stromaufwärts des
Turboladers liegenden Abgasrohrs. Die Gestalt des Anschlusselements 39 ist einerseits
durch einen aktiven Katalysatorabschnitt 35 bestimmt, der
zum Aufnehmen der Katalysatorhaltestruktur 5 eine zylindrische
Innengestalt hat, und ist andererseits durch einen Abgasdurchlassabschnitt 34 bestimmt,
der einen Einlass 45 und einen Auslass 36 des
Anschlusselements 39 verbindet. Darin verläuft die
Achse des aktiven Katalysatorabschnitts 35 koaxial zu der
Achse der Katalysatorkammer 14 jedoch senkrecht zu der
Achse des Abgasdurchlassabschnitts 34. Mit anderen Worten
ist die Gestalt des Anschlusselements 39 die Einhüllung der Vereinigungsmenge
des Abgasdurchlassabschnitts 34 und des Katalysatorabschnitts 35.
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Der
Querschnittsfortschritt des Abgasdurchlasses 34 von dem
Einlass 45 zu dem Auslass 36 folgt dem Übergang
von dem Querschnitt des Einlasses 45 über den Querschnitt des aktiven
Katalysatorabschnitts 35 zu dem Querschnitt des Auslasses 36.
Diese Querschnitte unterscheiden sich in Folge der Druckanforderungen
und der unterschiedlichen Gestalten der Komponenten.
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Zusätzlich ist
das Anschlusselement 39 mit einem Verbindungsabschnitt 33 ausgestattet,
um den variabel positionierbaren Katalysator mit dem Anschlusselement 39 zu
verbinden. Der Verbindungsabschnitt 33 stellt eine Öffnung bereit,
die den gleichen Durchmesser wie der aktive Katalysatorabschnitt 35 hat,
sowie einen Wulst 37 um die Öffnung, der mit Bezug auf die Öffnung radial
versetzt ist. Der Versatzbetrag des Wulstes 37 entspricht
der Wanddicke des Katalysatorgehäuses 7,
so dass Letzteres in das Innere des Wulstes 37 eingesetzt
werden kann, während
die Innenfläche
des Katalysatorgehäuses 7 an
dem Innenrand der Öffnung
ausgerichtet ist.
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Außerdem ist
der Wulst 37 mit Augen 38 versehen, die Bohrungen
mit Innengewinden haben. Die Augen 38 sind so über den
Wulst 37 verteilt, dass die Bohrungen der Augen 38 an
den Bohrungen der Augen 17 ausgerichtet werden können, wenn
das Katalysatorgehäuse 7 in
den Wulst 37 des Verbindungsabschnitts 33 eingesetzt
ist. Somit kann der variabel positionierbare Katalysator mittels
durch die Augen 17 und in die Augen 38 eingeschraubter
Schrauben 18 dicht an das Anschlusselement 8 gepasst
werden. Zusätzlich
kann zwischen dem Anschlussabschnitt 33 und dem Katalysatorgehäuse 7 eine
Dichtungseinrichtung angeordnet sein.
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Das
Anschlusselement 39 ist über sich an dem Einlass 45 und
an dem Auslass 36 des Durchlasses 34 jeweils befindliche
Flansche 31, 32 mittels herkömmlicher Verbindungstechniker
in die Abgasleitung integrierbar.
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Im
Ergebnis kann mit der zusammengebauten Struktur des an dem Abgasdurchlass
der Kraftmaschine angeschlossenen variabel positionierbaren Katalysators
der Katalysatorkörper 1 mit
Hilfe des Stellglieds 9 so betätigt werden, dass der Katalysatorkörper 1 dem
in dem aktiven Katalysatorabschnitt strömenden Abgasstrom ausgesetzt
ist oder dass er in die Katalysatorkammer 14 des Katalysatorgehäuses 7 zurückgezogen
wird, wo der Katalysatorköper 1 nicht
aktiv ist.
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Während des
Betriebs des variabel positionierbaren Katalysators ist die Leitkante 13a des
Montageelements 13 ständig
mit der Innenfläche
der Katalysatorkammer 14 in Kontakt, so dass die den Katalysatorkörper 1 haltende
Katalysatorhaltestruktur 5 in ihrer Bewegung stabil geführt wird.
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Wenn
sich der Katalysatorkörper 1 in
der aktiven Katalysatorposition befindet, d.h., in dem aktiven Katalysatorabschnitt
angeordnet ist, dann wird ein schnelles Anspringen des relativ kleinen
Katalysatorkörpers 1 erreicht,
wodurch eine Umwandlung des Abgasgehalts und eine gewünschte Beschränkung der
Emissionen geschaffen wird. Zusätzlich werden
die Turbine des Turboladers sowie der stromabwärts des Turboladers montierte
konventionelle Katalysator aufgewärmt, so dass sie ihren Vollleistungszustand
früher
erreichen werden.
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Zu
einem geeigneten Zeitpunkt, beispielsweise wenn der konventionelle
Katalysator seine Temperatur zum geeigneten Betrieb erreicht hat,
wird der Katalysatorkörper 1 von
dem Abgasstrom in die Katalysatorkammer 14 zurückgezogen,
so dass der Abgasstrom zu dem Katalysator nicht mehr durch die Katalysatorhaltestruktur 5 gestört wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform
beschränkt,
sondern kann in unterschiedlichen Modifikationen geändert werden.
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Beispielsweise
kann die Anzahl der Augen zum Fixieren des variabel positionierbaren
Katalysators an dem Anschlusselement oder ein hydraulisches Stellglied
gemäß unterschiedlichen
Anforderungen variiert werden.
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Zusätzlich ist
das Stellglied nicht auf ein pneumatisches Stellglied beschränkt und
es kann genauso gut ein elektrisches Stellglied verwendet werden.
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Außerdem kann
der variabel positionierbare Katalysator so ausgebildet sein, dass
sowohl die aktive als auch die inaktive Katalysatorposition in dem Katalysatorgehäuse angeordnet
sind. In diesem Fall würde
das Abgasrohr unterbrochen werden und seine beiden Enden würden an
entsprechende Verbindungsabschnitte des Katalysatorgehäuses angeschlossen
werden.