JPH07180543A - 排気ターボ過給器を備えた内燃機関用排気装置 - Google Patents
排気ターボ過給器を備えた内燃機関用排気装置Info
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- JPH07180543A JPH07180543A JP6246385A JP24638594A JPH07180543A JP H07180543 A JPH07180543 A JP H07180543A JP 6246385 A JP6246385 A JP 6246385A JP 24638594 A JP24638594 A JP 24638594A JP H07180543 A JPH07180543 A JP H07180543A
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
- B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
- B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
- B01D53/9454—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific device
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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- F01N13/009—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having two or more separate purifying devices arranged in series
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- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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- F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
- F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
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- F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 内燃機関の始動時に、排気浄化が開始される
までの遅延時間を短縮することである。 【構成】 排気ターボ過給器を備えた内燃機関1用排気
装置7は、排気を浄化するために、三元触媒を備えてい
る。ターボ過給器3の下流の排気管内に、排気が常に流
過する第1の触媒13が設けられ、ターボ過給器の上流
に、排気が一時的に流過する第2の触媒11が設けられ
ている。排気系が所定の温度に達するまで、排気が第2
の触媒を流過する。
までの遅延時間を短縮することである。 【構成】 排気ターボ過給器を備えた内燃機関1用排気
装置7は、排気を浄化するために、三元触媒を備えてい
る。ターボ過給器3の下流の排気管内に、排気が常に流
過する第1の触媒13が設けられ、ターボ過給器の上流
に、排気が一時的に流過する第2の触媒11が設けられ
ている。排気系が所定の温度に達するまで、排気が第2
の触媒を流過する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、排気ターボ過給器と少
なくとも一つの触媒を備えた内燃機関用排気装置に関す
る。
なくとも一つの触媒を備えた内燃機関用排気装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】排気ターボ過給器を備えた内燃機関は、
内燃機関のパワー密度を高めるために傑出したポテンシ
ャルと、ひいては内燃機関によって駆動される自動車の
走行能力を増大させるための大きなポテンシャルを提供
する。排気ターボ過給器を備えた内燃機関のこれからの
発展における目的の一つは、エミッションの改善であ
る。これに関連して、三元触媒が使用されると、全負荷
運転の場合化学量論的燃料/空気比(λ=1)のときに
非常に高い排気温度が発生し、ターボ過給器の上流に触
媒を配置すると、触媒が破壊されるという問題がある。
他方では、ターボ過給器の下流に触媒を配置すると、触
媒の運転温度に達するまでに長い時間がかかる。なぜな
ら、この場合、スタート時にまだ温度が低いターボ過給
器が排気から熱を奪うからである。
内燃機関のパワー密度を高めるために傑出したポテンシ
ャルと、ひいては内燃機関によって駆動される自動車の
走行能力を増大させるための大きなポテンシャルを提供
する。排気ターボ過給器を備えた内燃機関のこれからの
発展における目的の一つは、エミッションの改善であ
る。これに関連して、三元触媒が使用されると、全負荷
運転の場合化学量論的燃料/空気比(λ=1)のときに
非常に高い排気温度が発生し、ターボ過給器の上流に触
媒を配置すると、触媒が破壊されるという問題がある。
他方では、ターボ過給器の下流に触媒を配置すると、触
媒の運転温度に達するまでに長い時間がかかる。なぜな
ら、この場合、スタート時にまだ温度が低いターボ過給
器が排気から熱を奪うからである。
【0003】この問題を解決するために、排気ターボ過
給器の下流に熱的に保護して設けた触媒の場合に、触媒
を外部加熱することにより、触媒の加熱までの時間を短
縮することが知られている。
給器の下流に熱的に保護して設けた触媒の場合に、触媒
を外部加熱することにより、触媒の加熱までの時間を短
縮することが知られている。
【0004】これに関連して、ドイツ連邦共和国特許出
願公開第2344022号公報により、内燃機関の排気
中の有害物質を減らすための装置が知られている。この
装置の場合には、ターボ過給器のタービンの上流と下流
に、排気エミッションを減らすための熱式反応装置が設
けられている。これによって、排気中で完全な化学反応
が可能になり、同時に、ターボ過給器のタービンの上流
に設けた反応装置から放出されたエネルギーがターボ過
給器を駆動するために利用される。
願公開第2344022号公報により、内燃機関の排気
中の有害物質を減らすための装置が知られている。この
装置の場合には、ターボ過給器のタービンの上流と下流
に、排気エミッションを減らすための熱式反応装置が設
けられている。これによって、排気中で完全な化学反応
が可能になり、同時に、ターボ過給器のタービンの上流
に設けた反応装置から放出されたエネルギーがターボ過
給器を駆動するために利用される。
【0005】更に、ドイツ連邦共和国特許出願公開第2
549934号公報により、排気ターボ過給器を備えた
内燃機関のために、排気ターボ過給器の上流または下流
に触媒を設け、排気ターボ過給器と触媒の下流に設けた
最終消音器と内燃機関との間に、バイパス管を平行に設
けることが知られている。このバイパス管は、排気ター
ボ過給器によって発生した過給正圧が所定の値を上回る
ときに、開放する。この手段により、過給される内燃機
関の排気エミッションが触媒によって改善され、過負荷
による触媒の損傷を回避するための付加的な装置が不要
である。
549934号公報により、排気ターボ過給器を備えた
内燃機関のために、排気ターボ過給器の上流または下流
に触媒を設け、排気ターボ過給器と触媒の下流に設けた
最終消音器と内燃機関との間に、バイパス管を平行に設
けることが知られている。このバイパス管は、排気ター
ボ過給器によって発生した過給正圧が所定の値を上回る
ときに、開放する。この手段により、過給される内燃機
関の排気エミッションが触媒によって改善され、過負荷
による触媒の損傷を回避するための付加的な装置が不要
である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この技術水準から出発
して、本発明の根底をなす課題は、内燃機関の始動時
に、排気浄化が開始されるまでの遅延時間が短縮され
る、排気浄化のために三元触媒を備えた排気ターボ過給
器を具備する内燃機関用排気装置を提供することであ
る。
して、本発明の根底をなす課題は、内燃機関の始動時
に、排気浄化が開始されるまでの遅延時間が短縮され
る、排気浄化のために三元触媒を備えた排気ターボ過給
器を具備する内燃機関用排気装置を提供することであ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の排気装置は、排気ターボ過給器の下流に、
排気流が常に通過する第1の触媒を設け、排気ターボ過
給器の上流に、排気流が一時的に通過する第2の触媒を
設けたことを特徴とする。この場合、第2の触媒は、排
気装置が所定の温度に達するまで、排気流が通過する。
本発明による排気装置の場合には、両触媒が熱による過
負荷に対して保護されるという利点がある。これは、全
負荷時の内燃機関の運転にも当てはまり、排気温度が非
常に高いときに化学量論的な燃料/空気比(λ=1)が
発生する。ターボ過給器の上流に設けた第2の触媒は、
内燃機関のすぐ後に設けられているため、内燃機関の始
動後の排気の流過状態で非常に高い排気温度にさらされ
るので、第2の触媒は短い時間内にその運転温度に達
し、それによって排気を効果的に浄化する。なぜなら、
ターボ過給器によって排気からエネルギーが奪われない
からである。
に、本発明の排気装置は、排気ターボ過給器の下流に、
排気流が常に通過する第1の触媒を設け、排気ターボ過
給器の上流に、排気流が一時的に通過する第2の触媒を
設けたことを特徴とする。この場合、第2の触媒は、排
気装置が所定の温度に達するまで、排気流が通過する。
本発明による排気装置の場合には、両触媒が熱による過
負荷に対して保護されるという利点がある。これは、全
負荷時の内燃機関の運転にも当てはまり、排気温度が非
常に高いときに化学量論的な燃料/空気比(λ=1)が
発生する。ターボ過給器の上流に設けた第2の触媒は、
内燃機関のすぐ後に設けられているため、内燃機関の始
動後の排気の流過状態で非常に高い排気温度にさらされ
るので、第2の触媒は短い時間内にその運転温度に達
し、それによって排気を効果的に浄化する。なぜなら、
ターボ過給器によって排気からエネルギーが奪われない
からである。
【0008】特許請求の範囲の従属請求項には本発明の
有利な実施形が記載されている。この実施形により、第
2の触媒の接続状態で排気流はほとんど損失を生じない
でこの第2の触媒を通過し、排気ターボ過給器のタービ
ンの効率的に最適な衝突過給を可能にする。この配置構
造により同時に、第2の触媒は熱過負荷から有利に保護
される。
有利な実施形が記載されている。この実施形により、第
2の触媒の接続状態で排気流はほとんど損失を生じない
でこの第2の触媒を通過し、排気ターボ過給器のタービ
ンの効率的に最適な衝突過給を可能にする。この配置構
造により同時に、第2の触媒は熱過負荷から有利に保護
される。
【0009】第1の触媒が排気浄化を開始する瞬間に、
第2の触媒を接続することにより、内燃機関のスタート
後第2の触媒がすぐに作用することによって、排気浄化
が常に保証される。
第2の触媒を接続することにより、内燃機関のスタート
後第2の触媒がすぐに作用することによって、排気浄化
が常に保証される。
【0010】すべての実施形において、いわゆる“ウォ
ッシュコート”、すなわち第2の触媒のコーティングか
ら、高温排気流によって小さな粒子が剥離することによ
るタービンロータの損傷に対して、排気ターボ過給器が
保護される。この粒子はその後排気流の大きなエネルギ
ーで加速されてタービンロータに衝突する。第1の触媒
の位置は広い範囲内で選定可能である。なぜなら、内燃
機関の始動相でできるだけ迅速に温めるために、第1の
触媒を排気ターボ過給器のすぐ下流に配置する必要がな
いからである。
ッシュコート”、すなわち第2の触媒のコーティングか
ら、高温排気流によって小さな粒子が剥離することによ
るタービンロータの損傷に対して、排気ターボ過給器が
保護される。この粒子はその後排気流の大きなエネルギ
ーで加速されてタービンロータに衝突する。第1の触媒
の位置は広い範囲内で選定可能である。なぜなら、内燃
機関の始動相でできるだけ迅速に温めるために、第1の
触媒を排気ターボ過給器のすぐ下流に配置する必要がな
いからである。
【0011】
【実施例】次に、図に示した実施例に基づいて本発明を
説明する。内燃機関1は吸気管2から新鮮空気を吸い込
む。この新鮮空気は排気ターボ過給器3、圧力管4、過
給空気冷却器5および絞り弁6を経て吸気分配器23に
達し、そして内燃機関1に流入する。内燃機関1からの
排気流は排気装置7を経て大気に案内される。排気装置
7内において、排気は先ず最初に、内燃機関1に取付け
られた排気捕集管10と、スタート触媒11を通って、
排気ターボ過給器3の排気タービン12内に流れ、続い
て主触媒13を通って大気に流れる。更に、新鮮空気は
二次空気流入管15を経て排気捕集管10に供給され
る。
説明する。内燃機関1は吸気管2から新鮮空気を吸い込
む。この新鮮空気は排気ターボ過給器3、圧力管4、過
給空気冷却器5および絞り弁6を経て吸気分配器23に
達し、そして内燃機関1に流入する。内燃機関1からの
排気流は排気装置7を経て大気に案内される。排気装置
7内において、排気は先ず最初に、内燃機関1に取付け
られた排気捕集管10と、スタート触媒11を通って、
排気ターボ過給器3の排気タービン12内に流れ、続い
て主触媒13を通って大気に流れる。更に、新鮮空気は
二次空気流入管15を経て排気捕集管10に供給され
る。
【0012】スタート触媒11は切換触媒として形成さ
れている。この触媒は流入部16、流出部17およびそ
れらの間にあるリング状に形成された触媒本体18を備
えたケーシング26からなっている。触媒本体18内に
同心的にかつこの触媒本体に対して絶縁されて、バイパ
ス管19が設けられている。流入部16とバイパス管1
9の間および流出部17とバイパス管19の間に、それ
ぞれ一つの環状隙間が形成されているので、排気流は触
媒本体18とバイパス管19を通って流れることができ
る。流入部16、バイパス管19および流出部17は互
いに一直線上に並んでいる。この場合、バイパス管19
の有効直径は流入部16の有効直径よりも大きく、流出
部17の有効直径はバイパス管16の有効直径よりも大
きい。更に、バイパス管19内には制御弁20が設けら
れている。この制御弁はバイパス管19を遮断すること
ができ、負圧容器21によって操作される。負圧容器2
1は管22を介して内燃機関1の吸気分配器23に接続
されている。この場合、管22は電磁弁24を備えてい
る。
れている。この触媒は流入部16、流出部17およびそ
れらの間にあるリング状に形成された触媒本体18を備
えたケーシング26からなっている。触媒本体18内に
同心的にかつこの触媒本体に対して絶縁されて、バイパ
ス管19が設けられている。流入部16とバイパス管1
9の間および流出部17とバイパス管19の間に、それ
ぞれ一つの環状隙間が形成されているので、排気流は触
媒本体18とバイパス管19を通って流れることができ
る。流入部16、バイパス管19および流出部17は互
いに一直線上に並んでいる。この場合、バイパス管19
の有効直径は流入部16の有効直径よりも大きく、流出
部17の有効直径はバイパス管16の有効直径よりも大
きい。更に、バイパス管19内には制御弁20が設けら
れている。この制御弁はバイパス管19を遮断すること
ができ、負圧容器21によって操作される。負圧容器2
1は管22を介して内燃機関1の吸気分配器23に接続
されている。この場合、管22は電磁弁24を備えてい
る。
【0013】電磁弁24は信号導線25を介して図示し
ていない制御装置によって制御される。停止状態、すな
わち電磁弁24が励起されていないときには、制御弁2
0は開放している。作動状態、すなわち電磁弁24が励
起されている状態では、吸気分配器23内の負圧が負圧
容器21に作用し、負圧容器の作動行程が制御弁20を
閉鎖する。電磁弁24を制御するために、制御装置は排
気ガスレーンの温度を評価し、この温度が設定値を下回
る間は信号を発生する。温度の検出は主触媒13上また
は主触媒内の温度センサによって行われ、主触媒が最低
運転温度を達成するように、温度閾値は300℃に選定
される。
ていない制御装置によって制御される。停止状態、すな
わち電磁弁24が励起されていないときには、制御弁2
0は開放している。作動状態、すなわち電磁弁24が励
起されている状態では、吸気分配器23内の負圧が負圧
容器21に作用し、負圧容器の作動行程が制御弁20を
閉鎖する。電磁弁24を制御するために、制御装置は排
気ガスレーンの温度を評価し、この温度が設定値を下回
る間は信号を発生する。温度の検出は主触媒13上また
は主触媒内の温度センサによって行われ、主触媒が最低
運転温度を達成するように、温度閾値は300℃に選定
される。
【0014】上記の装置は次のように作用する。内燃機
関1の低温始動の後で、制御装置は、主触媒13の温度
が300℃よりも低いことを確認する。従って、制御装
置は導線25を経て電磁弁24に信号を与え、吸気分配
器23から管22を経て取り出された負圧は、負圧容器
21を介して制御弁20を閉鎖する。内燃機関の排気流
は全部が触媒本体18を通って流れ、この触媒本体を迅
速に加熱する。従って、排気浄化は同様に迅速に開始さ
れる。内燃機関1を更に運転することにより、時間的に
遅れて排気タービン12と主触媒13が加熱される。主
触媒13がその最低運転温度である300℃に達したこ
とを制御装置が知ると、電磁弁24が閉じ、負圧容器2
1が制御弁20を開放状態にする。その後、内燃機関1
の排気流はほとんど全部がバイパス管19を通過してス
タート触媒11を迂回する。この場合、触媒本体18
は、排気流が流れないので、もはやこれ以上作用しな
い。妨害されない流れにより、スタート触媒11によっ
て排気流の圧力変動が生じるので、排気タービンの衝突
過給が可能である。これによって他方では、触媒本体1
8はこれ以上加熱されない。特に、触媒本体18はその
熱的過負荷、すなわち破壊につながる、全負荷時に発生
する排気流の温度に達しない。これに対して、主触媒1
3は内燃機関1から離れかつ排気タービン12の下流に
配置されることによって、この温度に対して保護され
る。
関1の低温始動の後で、制御装置は、主触媒13の温度
が300℃よりも低いことを確認する。従って、制御装
置は導線25を経て電磁弁24に信号を与え、吸気分配
器23から管22を経て取り出された負圧は、負圧容器
21を介して制御弁20を閉鎖する。内燃機関の排気流
は全部が触媒本体18を通って流れ、この触媒本体を迅
速に加熱する。従って、排気浄化は同様に迅速に開始さ
れる。内燃機関1を更に運転することにより、時間的に
遅れて排気タービン12と主触媒13が加熱される。主
触媒13がその最低運転温度である300℃に達したこ
とを制御装置が知ると、電磁弁24が閉じ、負圧容器2
1が制御弁20を開放状態にする。その後、内燃機関1
の排気流はほとんど全部がバイパス管19を通過してス
タート触媒11を迂回する。この場合、触媒本体18
は、排気流が流れないので、もはやこれ以上作用しな
い。妨害されない流れにより、スタート触媒11によっ
て排気流の圧力変動が生じるので、排気タービンの衝突
過給が可能である。これによって他方では、触媒本体1
8はこれ以上加熱されない。特に、触媒本体18はその
熱的過負荷、すなわち破壊につながる、全負荷時に発生
する排気流の温度に達しない。これに対して、主触媒1
3は内燃機関1から離れかつ排気タービン12の下流に
配置されることによって、この温度に対して保護され
る。
【0015】試験エンジンによる試験の結果、前述の装
置において、スタート触媒11は28秒後に排気浄化の
開始のためのそのスタート温度に達し、主触媒13はス
タート後65秒後にそのスタート温度に達した。すなわ
ち、スタート触媒11を備えていない場合よりも約40
秒早く、排気浄化が開始される。
置において、スタート触媒11は28秒後に排気浄化の
開始のためのそのスタート温度に達し、主触媒13はス
タート後65秒後にそのスタート温度に達した。すなわ
ち、スタート触媒11を備えていない場合よりも約40
秒早く、排気浄化が開始される。
【0016】二次空気流入管15による新鮮空気の吹き
込みは始動後の内燃機関1の排気の状態を一層改善す
る。この相において、一方ではラムダゾンデ14はまだ
その運転温度に達していない。他方では、内燃機関は、
ショックのない回転を保証するために、常に化学量論的
な燃料/空気比(λ=1)で運転されるとは限らない。
スタート触媒11の最適な作用のために、少なくとも化
学量論的な燃料/空気比(λ=1)または空気余剰率
(λ>1)が必要であるので、化学量論的な燃料/空気
比(λ=1)による内燃機関1の運転が不可能である間
は、内燃機関1の負荷状態に依存して、空気余剰率(λ
>1)を確実に達成するために必要であるような量の新
鮮空気が二次空気流入管15を経て排気流に供給され
る。
込みは始動後の内燃機関1の排気の状態を一層改善す
る。この相において、一方ではラムダゾンデ14はまだ
その運転温度に達していない。他方では、内燃機関は、
ショックのない回転を保証するために、常に化学量論的
な燃料/空気比(λ=1)で運転されるとは限らない。
スタート触媒11の最適な作用のために、少なくとも化
学量論的な燃料/空気比(λ=1)または空気余剰率
(λ>1)が必要であるので、化学量論的な燃料/空気
比(λ=1)による内燃機関1の運転が不可能である間
は、内燃機関1の負荷状態に依存して、空気余剰率(λ
>1)を確実に達成するために必要であるような量の新
鮮空気が二次空気流入管15を経て排気流に供給され
る。
【0017】
【発明の効果】本発明による排気装置は、内燃機関の始
動時に、排気浄化が開始されるまでの遅延時間が短縮さ
れるという利点がある。更に、第1と第2の両触媒が熱
による過負荷に対して保護される。更に、第2の触媒は
短い時間内にその運転温度に達し、それによって排気を
効果的に浄化する。
動時に、排気浄化が開始されるまでの遅延時間が短縮さ
れるという利点がある。更に、第1と第2の両触媒が熱
による過負荷に対して保護される。更に、第2の触媒は
短い時間内にその運転温度に達し、それによって排気を
効果的に浄化する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による排気ガス装置を示す。
1 内燃機関 3 排気ターボ過給器 7 排気装置 11 第2の触媒 13 第1の触媒 16 流入部 17 流出部 18 触媒本体 19 バイパス管 20 制御弁 26 ケーシング
Claims (5)
- 【請求項1】 排気ターボ過給器(3)と少なくとも一
つの触媒(13)を備えた内燃機関(1)用排気装置に
おいて、排気ターボ過給器(3)の下流に、排気流が常
に通過する第1の触媒(13)を設け、排気ターボ過給
器の上流に、排気流が一時的に通過する第2の触媒(1
1)を設けたことを特徴とする排気装置。 - 【請求項2】 第2の触媒(11)が流入部(16)と
流出部(17)を備えたケーシング(26)を備え、こ
の流入部(16)と流出部(17)の間に、リング状の
触媒本体(18)が設けられ、この触媒本体(18)内
に同心的にバイパス管(19)が保持され、このバイパ
ス管が外部操作の制御弁(20)によって閉鎖可能であ
ることを特徴とする請求項1の排気装置。 - 【請求項3】 排気装置(7)の温度が所定の限界値よ
りも低いときに、排気流が第2の触媒(11)を通過す
ることを特徴とする請求項1または2の排気装置。 - 【請求項4】 排気装置(7)の温度が第1の触媒(1
3)の温度によって検出され、温度限界値が第1の触媒
の最低運転温度に等しいことを特徴とする請求項3の排
気装置。 - 【請求項5】 流入部(16)とバイパス管(19)と
流出部(17)が互いに一直線上に並んでおり、流入部
(16)の有効直径がバイパス管(19)の有効直径以
上であり、流出部(17)の有効直径がバイパス管(1
9)の有効直径以上であることを特徴とする請求項2の
排気装置。
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