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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf einen Katalysator und im Besonderen auf ein Verfahren
zur Befestigung einer inneren Abschirmungen in einem Katalysator
und der Katalysator-Anordnung eines Fahrzeugs.
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Fahrzeuge, die mit fossilen Kraftstoffen
betrieben werden, sind auf der ganzen Welt eine Quelle der Luftverschmutzung.
Moderne Fahrzeugmotoren kontrollieren sorgfältig die Kraftstoffmenge, die
sie verbrennen, aber die Verbrennung ist nicht perfekt und einige
unerwünschte
Emissionen, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide
werden unerwünscht
erzeugt.
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Um die Emissionen zu verringern,
verwenden Fahrzeuge zur Behandlung dieser Emissionen einen so genannten
Katalysator. Katalysatoren-Anordnungen
integrieren typischerweise ein keramisches Substrat mit einem metallischen
Katalysator wie Platin oder Palladium. Der Katalysator fördert die weitere
Verbrennung und chemische Reaktionen, so dass Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff-
und Stickoxid- Moleküle
in ungefährliche
Moleküle
umgewandelt werden. Die chemischen Prozesse im Katalysator sind
exotherme Reaktionen und lassen die Wärme in den Auspuff-Gasstrom
und das Katalysator-Gehäuse
frei.
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Katalysatoren haben traditionell
eine äußere Hülle, die
das Substrat umgibt, und kegelförmige
Einlass- und Auslass – Baugruppen,
mit denen der Katalysator an den Auspuffrohren oder den weiteren Auspuff-Komponenten
des Fahrzeugs angebracht wird. Hitzeschilder werden verwendet, um
die Überhitzung
der Bodenwanne zu verhindern, die für die Fahrzeuginsassen unerwünscht ist,
und weiterhin, um die Wahrscheinlichkeit der Entzündung von
Materialien unter dem Fahrzeug zu vermindern. Die inneren Kegel
(oder inneren Abschirmungen) sind im Allgemeinen Konstruktionen
aus einem Teil oder aus zwei Teilen, die mit der äußeren Hülle am Einlass
und Auslass des Katalysators durch Punktschweißen verbunden sind. Die beiden
Hälften
der äußeren Hülle werden
dann in die richtige Position der Anordnung gepresst und schließlich miteinander
verschweißt.
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Das gegenwärtige Design hat mehrere Hauptprobleme,
die mit der Anordnung der inneren Kegel, dem Substrat und den Spalten
der äußeren Hüllen zusammenhängen. Werden
die äußeren Hüllen zusammengepresst,
ist die Lokalisierung der inneren Abschirmungen schwierig, was das
erste Problem darstellt. Die zweite Sorge taucht auf, wenn sich die
Größe des Substrats
deutlich verändert.
Geschieht dies, ist das Schließen
des Spaltes zwischen dem Substrat und der äußeren Hülle, wegen der Anwesenheit
der inneren Abschirmungen, schwierig. Ein weiteres Problem bei dem
gegenwärtigen
Design ist, dass die Hersteller den inneren Teil des Kegels nicht
mit der äußeren Hülle verschweißen. Dies
kann zu Problemen mit Geräusch
und Vibration führen
und ebenfalls das keramische Substrat potentiell beschädigen.
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Sowohl bei der Automobil-Industrie
als auch in anderen Industrien besteht deshalb ein Bedarf für eine verbesserte
Auslegung und für
einen verbesserten Prozess, die inneren Abschirmungen eines Katalysators
mit den äußeren Hüllen zu
befestigen. Hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Katalysator und
einen Herstellungsprozess für
diesen anzugeben, der die erwähnten
Nachteile nicht hat. Diese Aufgabe wird durch einen Katalysator
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 9 gelöst.
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Gemäß der gegenwärtigen Erfindung
können
die inneren Kegel, ähnlich
der äußeren Hülle, die aus
zwei Halbschalen gefertigt wird, aus Teilstücken gefertigt werden. Die äußeren Hüllenteile,
im folgenden Halbschalen genannt, haben Längskanten, um bei dem endgültigen Schritt
des Fertigungs-Prozesses
die Abschirmungen zu verbinden. Jeweils eine Hälfte bzw. ein Teilstück jedes
der beiden inneren Kegel ist mit jeder Halbschale der äußeren Hülle in einer Tasche
an jeder Seite punktgeschweißt.
Diese Anordnung (unter)stützt
die inneren Kegel und legt ihre Position fest. Das Substrat ist
dann zwischen den inneren Kegeln und der äußeren Hülle angeordnet. Die beiden
Halbschalen bzw. Hälften
der äußeren Hülle können dann
an ihren Längskanten
miteinander verschweißt
werden.
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Die Anordnung der Teilstücke der
inneren Kegel und der Halbschalen der äußeren Hülle ist in der Art, dass die
Längskanten
an einer der Halbschalen der Hülle
hochgezogen (abgekantet) werden, um an die geraden Kanten der anderen
Halbschale der Hülle
zu passen. Das Design ist vergleichbar das Stülpen eines Deckels auf einen
Schuhkarton.
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Zusätzlicher Nutzen und zusätzliche
Vorteile der gegenwärtigen
Erfindung werden Fachleuten deutlich, an die sich die gegenwärtige Erfindung durch
die folgende Beschreibung der bevorzugten Realisierungen und die
anschlie ßenden
Ansprüchen, in
Verbindung mit der begleitenden Zeichnung, wendet. In der Zeichnung
zeigen:
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1:
eine Draufsicht auf eine obere Halbschale mit einem eingesetzten
ersten Teilstück
und einem eingesetzten dritten Teilstück eines Katalysators der gegenwärtigen Erfindung
mit geraden Kegeln,
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2:
eine Untersicht auf eine untere Halbschale mit einem eingesetzten
zweiten Teilstück
und einem eingesetzten vierten Teilstück des Katalysators nach 2,
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3:
einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A in 1,
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4:
einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B in 1,
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5:
ein Montagebild in Draufsicht des Katalysators der gegenwärtigen Erfindung,
die äußere Hülle ist
entfernt,
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6:
eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Katalysators
der gegenwärtigen Erfindung
mit versetzten Kegeln, und
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7:
eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Katalysators
der gegenwärtigen Erfindung
mit schräg
gestellten Kegeln.
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Die folgende Beschreibung zeigt und
erläutert
bevorzugte Realisierungen der Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser
Diskussion und der begleitenden Zeichnung und den Ansprüchen sofort
erkennen, dass Anderungen und Modifikationen der Erfindung möglich sind,
ohne den wahren Geist und den fairen Geltungsbereich der Erfindung,
defiziert in den folgenden Ansprüchen,
zu verlassen. Die Erfindung ist in einer illustrativen Art und Weise
be schrieben und es ist selbstverständlich, dass die verwendete
Terminologie beabsichtigt, eher in der Natur der Worte der Beschreibung
zu liegen als in einer Beschränkung.
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Bezugnehmend auf 1 ist eine Draufsicht eines Katalysators 10 der
gegenwärtigen
Erfindung dargestellt. Eine äußere Hülle 12 des
Katalysators 10 weist innere Kegel 80 und 82 und
ein katalytisches Substrat 48 (dargestellt in 5) auf. Die äußere Hülle 12 ist
ein Design aus zwei Halbschalen bzw. Teilen und besteht aus der
Oberseite der äußeren Hülle, der
Halbschale 40, und der Unterseite der äußeren Hülle, nämlich der Halbschale 42 (dargestellt in 3). Die äußere Hülle 12 hat einen Einlass 14 und
einen Auslass 16, der mit einem Auspuff-Rohrsystem verbunden
ist (nicht dargestellt). Der Einlass 14 und der Auslass 16 sind
im Wesentlichen entlang einer Einlass-Seite 13 und einer Auslass-Seite 15 der äußeren Hülle 12 zentriert.
Emissionen des Motors treten in den Katalysator 10 durch
den Einlass 14 ein, werden durch das katalytische Substrat 48 behandelt und
treten durch den Auslass 16 aus.
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Der Einlass 14 und der Auslass 16 sind
die engsten Stellen der äußeren Hülle 12 des
Katalysators 10. Vom Einlass 14 erweitert sich
die äußere Hülle 12 über konische
Seiten 18 und 20, die eine im Wesentlichen gleiche
Länge haben.
Die konischen Seiten 18 und 20 enden an jeweiligen
geraden Seiten 26 und 28. Die äußere Hülle 12 des Katalysators 10 erreicht
ihre weiteste Stelle entlang von geraden Flächen 26 und 28,
die ebenfalls eine im Wesentlichen gleiche Länge haben. Die geraden Seiten 26 und 28 erweitern
sich mindestens auf der Länge
des katalytischen Substrats 48, bevor die jeweiligen konischen Seiten 22 und 24 erreicht
werden. Die konischen Seiten haben eine im Wesentlichen gleiche
Länge.
Die äußere Hülle 12 verengt
sich dann erneut, entlang von konischen Seiten 22 und 24,
bis der Auslass 16 erreicht ist.
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Der innere Einlass-Kegel 80 und
der innere Auslass-Kegel 82, durch gestrichelte Linien
innerhalb der oberen Halbschale 40 der äußeren Hülle dargestellt, sind jeweils
ebenfalls ein Design aus zwei Teilen. Der innere Einlass-Kegel 80 weist
auf der Oberseite bzw. dem ersten Teilstück 44 des inneren
Einlass-Kegels 80 Anschweißfahnen 41 und 43 auf.
Der innere Auslass-Kegel 82 weist
Anschweißfahnen 451 und 47 auf.
Die obere Halbschale 40 der äußeren Hülle hat vertiefte Anschweißflächen 17, 19, 21, 23. Die
Anschweißfahnen 41 und 43 des
inneren Einlass-Kegels 80 sind mit den jeweiligen Anschweißflächen 17 und 19 der
oberen Halbschale 40 der äußeren Hülle durch einen Fertigungsprozess,
wie Punktschweißen,
verbunden, obwohl (auch) andere Fertigungsprozesse möglich sind.
Die Anschweißfahnen 451 und 47 des
inneren Auslass-Kegels 82 sind mit den jeweiligen Anschlussflächen 21 und 23 der
oberen Halbschale 40 der äußeren Hülle verbunden.
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Die Oberseite bzw. das erste Teilstück 44 des
inneren Einlass-Kegels und die obere Halbschale 40 der äußerer, Hülle sind
ebenfalls, durch Punktschweißen
oder ein ähnliches
Verfahren, über
die Verbindungspunkte 51 und 53 der Einlass-Seite 13 des
Einlasses 14 des Katalysators 10 miteinander verbunden.
Die Oberseite bzw. das dritte Teilstück des inneren Auslass-Kegels 45 und
die obere Halbschale 40 der äußeren Hülle sind ähnlich an den Anschluss-Flächen 55 und 57 an
der Auslass-Seite 15 des Katalysators 10 miteinander
verbunden.
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In 2 ist
der Katalysator 10 der gegenwärtigen Erfindung von unten
dargestellt. Der innere Einlass-Kegel 80 weist Anschweißfahnen 41a und 43a an
seinem unterem Teilstück,
dem zweiten Teilstück 46,
auf. Der innere Auslass-Kegel 82 hat eine Unterseite bzw.
ein viertes Teilstück 30 des
inneren Auslass-Kegels, das die Anschweißfahnen 45a und 47a aufweist.
Die Anschweißflächen 17a, 19a, 21a und 23a sind
auf der äußeren Hülle, an
der unteren Halbschale 42, vertieft angeordnet. Die Anschweißfahnen 41a und
43a sind
mit den jeweiligen Anschweißflächen 17a und 19a der
Unterseite der äußeren Hülle, nämlich der
unteren Halbschale 42, verbunden. Die Anschweißfahnen 45a und 47a der
Unterseite 30 des inneren Kegels 82 sind mit den
jeweiligen Anschluss-Flächen 21a und 23a der
unteren Halbschale 42 der äußeren Hülle verbunden.
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Die Unterseite des inneren Einlass-Kegels 46 und
der unteren Halbschale 42 der äußeren Hülle sind ebenfalls, durch Punktschweißen oder
ein ähnliches
Verfahren, an den Anschluss-Flächen 51a und 53a der
Einlass-Seite 13 des Einlasses 14 des Katalysators 10 miteinander
verbunden. Auf ähnliche Weise
sind die Unterseite des inneren Auslass-Kegels 30 und die
untere Halbschale 42 der äußeren Hülle an den Anschluss-Flächen 55a und 57a der Auslass-Seite 15 des
Katalysators 10 miteinander verbunden.
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In 3 ist
ein Schnitt des Katalysators 10 entlang der Längsachse
A-A der oberen Halbschale 40 der äußeren Hülle und des inneren Einlass-Kegels 44 dargestellt.
Die äußere Hülle 12 hat
eine obere Halbschale 40 der äußeren Hülle. Der innere Einlass-Kegel 80 hat
eine Oberseite bzw. ein erstes Teilstück 44 des inneren
Einlass-Kegels 80. An der Einlass-Seite 13 weist
die obere Halbschale 40 der äußeren Hülle die Anschweißfläche 31 auf,
die in der Oberseite der äußeren Hülle vertieft
ist, und das erste Teilstück 44 des
inneren Einlass-Kegels 80 hat entsprechend eine Anschweißfläche 33.
Die obere Halbschale 40 der äußeren Hülle ist mit der Oberseite, also
dem ersten Teilstück 44 des
inneren Einlass-Kegels über
die Anschweißflächen 31 und 33 durch
ein Verfahren, wie z.B. Punktschweißen, verbunden.
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Auf ähnliche Weise ist die obere
Halbschale 40 der äußeren Hülle mit
der Oberseite des inneren Einlass-Kegels über die Anschweißfläche 41,
die ebenfalls in der oberen Halbschale 40 der äußeren Hülle vertieft
ist, verbunden.
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Die Anschweißfahne 41 ist durch
Punktschweißen
oder ein vergleichbares Verfahren mit der oberen Halbschale 40 der äußeren Hülle an der
(vertieten) Anschweißfläche 17 verbunden.
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In 4 ist
ein Querschnitt entlang der Achse B-B des Katalysators 10 dargestellt.
Die äußere Hülle 12 besteht
aus zwei Teilen, der oberen Halbschale 40 der äußeren Hülle und
der unteren Halbschale 42 der äußeren Hülle. Der innere Einlass-Kegel 80 besteht
ebenfalls aus zwei Teilen, der Oberseite bzw. dem ersten Teilstück 44 des
inneren Einlass-Kegels und der Unterseite bzw. dem zweiten Teilstück 46 des
inneren Einlass-Kegels. Die Oberseite 40 der äußeren Hülle schließt die Oberseite 44 des
inneren Kegels ein. Die Unterseite 42 der äußeren Hülle schließt die Unterseite 46 des
inneren Kegels ein.
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Zur Unterstützung der Montage oberen Halbschale 40 weisen
die obere Halbschale 40 der äußeren Hülle und die untere Halbschale 42 der äußeren Hülle gerade
und hochgezogene Längskanten
auf. Die Oberseite 40 der äußeren Hülle hat die geraden Längskanten 50 und 54,
und die Unterseite 42 der äußeren Hülle weist die hochgezogenen
Längskanten 52 und 56 auf.
Wird die äußere Hülle 12 zu
einem Stück
zusammen gefügt,
schiebt sich die hochgezogene Längskante 52 der
Unterseite 42 der äußeren Hülle über die
gerade Längskante 50 der
Oberseite 40 der äußeren Hülle. Auf
der gegenüber
liegenden Seite der äußeren Hülle 12 sitzt
die gerade Längskante 54 der
Oberseite 40 der äußeren Hülle neben der
hochgezogenen Längskante 56 der
Unterseite 42 der äußeren Hülle.
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Übereinstimmend
mit der Montage der äußeren Hülle 12 wird
der innere Einlass-Kegel 80 montiert. Zur Unterstützung der
Montage der Oberseite 44 des inneren Kegels mit der Unterseite 46 des
inneren Kegels weist die Oberseite 44 des inneren Kegels
die gerade Längskanten 60 und
die hochgezogenen Längskanten 64 auf,
und die Unterseite 46 des inneren Kegels hat die gerade
Längskante 66 und
die hochgezogene Längskante 62.
Wird der innere Kegel montiert, passt die hochgezogene Längskante 62 der Unterseite 46 des
inneren Kegels über
die gerade Längskante 60 der
Oberseite 44 des inneren Kegels. Auf der gegenüber liegenden
Seite des inneren Kegels 80 sitzt die hochgezogene Längskante 64 der Oberseite 44 des
inneren Kegels auf der geraden Längskante 66 der
Unterseite 46 des inneren Kegels. Entsprechendes gilt für den Auslass-Kegel 82 und seine
Teilstücke,
nämlich
das dritte Teilstück 45 und das
vierte Teilstück 30.
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In 5 ist
eine Draufsicht des Katalysators 10 dargestellt, die äußere Hülle 12 ist
entfernt. Das katalytische Substrat 48 sitzt zwischen dem
inneren Einlass-Kegel 80 und dem inneren Auslass-Kegel 82.
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Ähnlich
der Form der äußeren Hülle 12 hat der
innere Einlass-Kegel 80 seinen engsten Bereich am Einlass 14.
Vom Einlassbereich 14 aus erweitert sich der Einlass-Kegel 80 über die
konischen Seiten 84 und 86, die eine im Wesentlichen
gleiche Länge haben.
Die konischen Seiten 84 und 86 enden an den jeweiligen
geraden Seiten 88 und 90. Die geraden Seiten 88 und 90 haben
eine im Wesentlichen gleiche Länge.
Der Einlass-Kegel 80 des Katalysators 10 erreicht
seine größte Weite
an den geraden Seiten 88 und 90. Die geraden Seiten 88 und 90 enden
an der inneren Fläche 72.
Die innere Fläche 72 des
inneren Einlass-Kegels 80 passt mit der Eingangsfläche 76 des
katalytischen Substrats 48 zusammen.
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Auf der gegenüber liegenden Seite des katalytischen
Substrats 48 passt die Ausgangsfläche 78 des katalytischen
Substrats 48 mit der Eingangsfläche 74 des inneren
Auslass-Kegels 82 zusammen. Die geraden Seiten 96 und 98 des
inneren Auslass-Kegels, die eine im Wesentlichen gleiche Länge haben,
erweitern sich von der inneren Fläche 74 und bilden
die größte Weite
des inneren Auslass-Kegels 82. Die geraden Seiten 96 und 98 enden
an den jeweiligen konischen Seiten 92 und 94.
Die konischen Seiten 92 und 94, die eine im Wesentlichen
gleiche Länge
haben, verringern die Weite des inneren Aus lass-Kegels 82,
bis der Ausgang 16 erreicht ist, welcher der Bereich mit
der geringsten Weite des inneren Auslass-Kegels 82 ist.
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In 6 ist
eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der gegenwärtigen Erfindung dargestellt.
Der Katalysator 110 weist die äußere Hülle 112 mit dem Einlass 114 und
dem Auslass 116 auf. Einlass 114 und Auslass 116 bilden
die geringste Weite des Katalysators 110.
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Vom Einlass 114 erweitert
sich die äußere Hülle 112 über die
konischen Seiten 118 und 120, die unterschiedliche
Länge haben.
In dieser Realisierung ist die konische Seite 118 im Wesentlichen
länger
als die konische Seite 120, wodurch der Ort des Einlasses 114,
entlang der Einlass-Fläche 113 der äußeren Hülle, außermittig
sitzt. Die konischen Seiten 118 und 120 enden
an den jeweiligen geraden Seiten 126 und 128.
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Die äußere Hülle 112 des Katalysators 110 erreicht
ihre größte Weite
entlang der geraden Seiten 126 und 128, die die
gleiche oder eine im Wesentlichen unterschiedliche Fläche haben
können.
In dieser Realisierung ist die gerade Seite 126 kürzer als die
gerade Seite 128. Die geraden Seiten 126 und 128 erweitern
sich auf mindestens die Länge
des katalytischen Substrats 48, bevor die jeweiligen konischen
Seiten 122 und 124 erreicht werden. Die konischen
Seiten 122 und 124 können die gleiche oder eine
im Wesentlichen unterschiedliche Länge haben. In dieser Realisierung
ist die konische Seite 122 länger als die konische Seite 124.
Die äußere Hülle 112 verringert
dann, entlang der konischen Seiten 122 und 124,
erneut ihre Weite, bis der Auslass 116 erreicht ist. Der
Auslass 116 sitzt, entlang der Auslass-Fläche 115 der äußeren Hülle 112,
außermittig.
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In 7 ist
eine Draufsicht einer zweiten Realisierung der gegenwärtigen Erfindung
dargestellt. Der Katalysator 210 hat die äußere Hülle 212 mit dem Einlass 214 und
dem Auslass 216. Der Einlass 214 und der Auslass 216 bilden
die geringste Weite des Katalysators 210.
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Die äußere Hülle 212 erweitert
sich vom Einlass 214 über
die bogenförmige
Seiten 218 und 220, die eine unterschiedliche
Länge haben.
In dieser Realisierung ist die bogenförmige Seite 218 im
Wesentlichen kürzer
oder, wie in 7 dargestellt,
ist sie nicht länger
als die bogenförmige
Seite 220. Der Ort des Einlasses 214 liegt unter
einem Winkel, entlang der Einlass-Fläche 213 der äußeren Hülle 212.
Die bogenförmigen
Seiten 218 und 220 enden an den jeweiligen geraden
Seiten 226 und 228.
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Die äußere Hülle 212 des Katalysators 210 erreicht
ihre größte Weite
entlang der geraden Seiten 226 und 228, welche
die gleiche oder eine im Wesentlichen unterschiedliche Länge haben
können. Die
geraden Seiten 226 und 228 erweitern sich auf mindestens
die Länge
des katalytischen Substrats 48, bevor die jeweiligen bogenförmigen Seiten 222 und 224 erreicht
werden. Die bogenförmigen
Seiten 222 und 224 haben eine im Wesentlichen
unterschiedliche Länge.
In dieser Realisierung ist die bogenförmige Seite 222 länger als
die bogenförmige Seite 224.
Die äußere Hülle 212 verringert
dann, entlang der bogenförmigen
Seiten 222 und 224, erneut ihre Weite, bis der
Auslass 216 erreicht ist. Der Auslass 216 liegt
unter einem Winkel entlang der Auslass-Fläche 215 der äußeren Hülle 212.
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Während
die obige Beschreibung die bevorzugten Realisierungen der gegenwärtigen Erfindung darstellt,
wird anerkannt, dass die Erfindung Modifikationen, Variationen und Änderungen
zulässt,
ohne sich vom richtigen Geltungsbereich und der fairen Bedeutung
der begleitenden Ansprüche
zu entfernen. Jede beliebige Kombination der Unteransprüche ist
möglich.