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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberEP0121175 A1
Publication typeApplication
Application numberEP19840103016
Publication date10 Oct 1984
Filing date19 Mar 1984
Priority date30 Mar 1983
Also published asDE3311724A1, EP0121175B1
Publication number1984103016, 84103016, 84103016.6, EP 0121175 A1, EP 0121175A1, EP-A1-0121175, EP0121175 A1, EP0121175A1, EP19840103016, EP84103016
InventorsTheodor Dipl.-Ing. Cyron
ApplicantINTERATOM Gesellschaft mit beschränkter Haftung
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: Espacenet, EP Register
Helically wound conical shape metal strip catalyst supporting matrix for internal-combustion engines
EP 0121175 A1
Abstract
1. A catalyst support body for internal combustion engines consisting of a supporting matrix with flat (8) and/or corrugated (7) sheet-metal strips which are spirally and, at least in sub-regions, helically wound and are connected to one another and to the inner side of a casing (20) by welding, soldering or sticking, characterized in that the ratio of the width (b) of the sheet-metal strips (7, 8) to the slope(s) of the helix or the diameter of the supporting matrix is so selected that no cross-section through the winding cuts all the sheet-metal strip layers, i.e. the axial spread (h) of the supporting matrix, which is in the form of a hollow cone, is greater than twice the width (b) of the sheet-metal strips (7, 8).
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Claims(4)  translated from German
1. Katalysator Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus einer Trägermatrix mit glatten (8) und/oder gewellten (7) Blechbändern, welche wendel- und/oder spiralförmig aufgewickelt und in einem Mantelrohr (2) fügetechnisch befestigt sind, 1. A catalyst carrier body for internal combustion engines comprising a carrier matrix with smooth (8) and / or corrugated (7) sheet metal strips, which helical and / or spiral wound and in a tubular casing (2) are fixed by a joining technique,
dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von Breite (b) der Blechbänder (7,8) zu der Steigung (s) der Wendel bzw. dem Durchmesser der Trägermatrix so gewählt ist, daß kein Querschnitt durch die Wicklung alle Lagen von Blechbändern schneidet, dh die axiale Ausdehnung (h) der hohlkegelartigen Trägermatrix größer als die zweifache Breite (b) der Blechbänder (7, 8) ist. characterized in that the ratio of width (b) of the sheet metal strips (7,8) to the slope (s) of the helix or the diameter of the supporting matrix is so selected that no cross-section cuts through the winding all layers of sheet metal bands that is, the axial extent (h) of the hollow cone-shaped support matrix is greater than twice the width (b) of the sheet metal strips (7, 8).
2. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermatrix eine Hohlkegelstumpfform (9) hat. 2. A catalyst carrier body according to claim 1, characterized in that the carrier matrix has a hollow truncated cone shape (9).
3. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermatrix im Längsschnitt W-förmig(10) gestaltet ist. 3. Catalyst-carrier body according to claim 1, characterized in that the carrier matrix in longitudinal section, a W-shape (10) is formed.
4. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus mehreren mit Freiraumabstand axial hintereinander angeordneten Matrix-Teilstücken besteht. 4. A catalyst carrier body according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the carrier body consists of a plurality of clearance distance axially consecutively arranged matrix-sections.
Description  translated from German
  • [0001] [0001]
    Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Trägerkörper für Beschichtungen von katalytisch wirkenden Stoffen zur Reinigung von Abgasen, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen. The present invention relates to a metallic carrier body for coatings of catalytically active materials for the purification of exhaust gases, particularly for internal combustion engines. Diese metallischen Katalysator-Trägerkörper bestehen aus einer Trägermatrix mit spiralig aufgewickelten, sehr dünnwandigen, glatten und/ oder gewellten Blechbändern, die in einem kreiszylindrischen oder auch ovalzylindrischen Mantelrohr fügetechnisch durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden sind. These metallic catalyst carrier body consisting of a carrier matrix with spirally wound, very thin-walled, smooth and / or corrugated sheet metal bands which are ADD connected to one another in a circular cylindrical or oval cylindrical casing by welding, soldering or gluing.
  • [0002] [0002]
    In,der deutschen Offenlegungsschrift 29 24 592.9 sind zahlreiche Lötverfahren zur Herstellung solcher Katalysator-Trägerkörper angedeutet und in Fig. 7 der entsprechenden Beschreibung ist auch ein Katalysator-Trägerkörper dargestellt, der eine besonders feste Lötverbindung zwischen seiner äußeren Lage und dem Mantelrohr bildet. In the German Offenlegungsschrift 29 24 592.9 numerous soldering processes for making such catalyst support body are indicated, and in Fig. 7 of the corresponding description of a catalyst carrier body is shown, which forms a particularly strong solder joint between its outer layer and the jacket tube. Diese Katalysator-Trägerkörper werden beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, erheblichen und wechselnden thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. This catalyst support body are subjected in the operation of internal combustion engines, in particular motor vehicle engines significant and varying thermal and mechanical stresses. Die dünnwandigen Bleche der Trägermatrix werden bei hoher Motorleistung in kürzester Zeit durch die katalytische Umsetzung des Abgases von ca:.500° C Betriebstemperatur örtlich. The thin sheets of the carrier matrix are at high engine power in the shortest time by the catalytic conversion of the exhaust gas of approximately: locally .500 ° C operating temperature. über mehr oder minder große Bereiche auf Temperaturen über 900° C erhitzt, während das sie umgebende dickwandige Mantelrohr seine durch äußere Luftkühlung relativ niedrige Betriebs- .temperatur von ca. 300° C noch längere Zeit beibehält und somit die Trägermatrix an einer spannungsfreien thermischen Ausdehnung ihres Volumens hindert. heated more or less large areas to temperatures above 900 ° C, while the surrounding thick-walled jacket tube of about 300 ° C still retains its relatively low by external air cooling operating .Temperature longer time and thus the carrier matrix in a tension-free thermal expansion of their volume hindrance. Die hierdurch bei hoher Temperatur entstehenden plastischen Druckverformungen der Trägermatrixzellen bewirken in der Abkühlungsphase durch trägheitsbedingte Temperaturgradienten zwischen Matrix und Mantelrohr hohe Zugbelastungen auf die Zellenwände und ihre Verbindungsstellen, die infolge der plastischen Wechselverformungen schon nach kurzer Betriebszeit reißen und in den Zonen hoher Wechselbeanspruchung zur Ablösung von ganzen Teilstücken des Trägermatrixkörpers führen können. The thus incurred at high temperature plastic compressive deformation of the support matrix cells cause in the cooling phase by inertial temperature gradient between the matrix and the jacket tube high tensile loads on the cell walls and their connection points, the tear and because of the plastic alternate deformations after a short operating time of all the zones of high alternating stress for separation of can cause portions of the carrier matrix body.
  • [0003] [0003]
    In Erprobungsversuchen mit Hochleistungs-Katalysatoren wurde eindeutig ermittelt, daß in Bezug auf die Stabilität und eine funktionsgerechte Lebensdauer von metallischen Katalysator-Trägerkörpern nicht nur die durch Gasdruck, Pulsation und Schwingungen erzeugten axialen und radialen Kräfte beachtet werden müssen, sondern die durch eine Dehnungsbehinderung bei der Erwärmung und Abkühlung der Trägermatrix hervorgerufenen radialen Wechselbelastungen von weitaus größerer Bedeutung sind. In trial experiments with high-performance catalysts was clearly determined that with respect to the stability and functionally correct life of metallic catalyst carrier bodies, not only the axial and radial forces generated by gas pressure, pulsation and vibration have to be considered, but by an elongation disability in are warming and cooling of the carrier matrix induced radial alternating loads of far greater importance.
  • [0004] [0004]
    In der deutschen Offenlegungsschrift 29 05 241 wird ein Katalysator-Trägerkörper aus einer konischen Wicklung beschrieben, der die bekannten zylindrischen Wicklungen bezüglich der Durchströmung, der Wärmebelastung, des Anspringverhaltens und der Einbaufähigkeit verbessern soll. In the German Offenlegungsschrift 29 05 241 is a catalyst carrier body is described of a conical winding, which is to improve the known cylindrical windings with respect to the flow, the heat load, the light-off performance and the installation capability. Diese Schrift bezieht sich auf Wickelkörper in den normal üblichen und vielfach verwandten Abmessungen und mißt an keiner Stelle der Lösung der anstehenden, dort jedoch nicht angedachten thermischen Dehnungsprobleme in radialer Richtungdem Durchmesser-Längenverhältnis die erforderliche Wertung bei. This document relates to the winding body in the normal standard and often related dimensions and measures the required classification at any point of the solution to current, but there is not envisaged thermal expansion problems in the radial Richtungdem diameter aspect ratio. Dementsprechend wird mit der dort vorgeschlagenen Lösung, wie im weiteren noch ausführlich dargelegt, die zuvor genannte Wechselbelastungs-Bruchgefahr nicht beseitigt. Accordingly, the above-mentioned alternating stress fracture risk is presented with the solution proposed there, as detail in the further still not eliminated.
  • [0005] [0005]
    Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Katalysator-Trägerkörper aus glatten und/oder.gewellten, spiralig aufgewickelten und in einem Mantelrohr fügetechnisch befestigten Blechbändern, der die oben erwähnten Nachteile vermeidet. The object of the present invention is a catalyst carrier body made of smooth and / oder.gewellten, spirally wound and fixed by a joining technique in a casing tube sheet metal strips, which avoids the above mentioned disadvantages.
  • [0006] [0006]
    Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Katalysatorkörper nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen. To achieve this object, a catalyst body is proposed according to the first claim. Danach soll das Verhältnis von Breite der Blechbänder zu der Steigung bzw. dem äußeren Radius der wendelförmigen Wicklung so gewählt sein, daß kein Querschnitt durch die Wicklung alle Lagen von Blechbändern schneidet, dh die axiale_Abmessung der hohlkegelartigen Trägermatrix ist größer als die zweifache Breite der Blechbänder . Thereafter, the ratio of width of the sheet metal strips to the slope and the outer radius of the helical coil to be chosen so that no cross-section cuts through all layers of sheet metal strips through the winding, that is, the axiale_Abmessung the hollow-conical support matrix is greater than twice the width of the sheet metal strips. Ein so gestalteter Katalysator-Trägerkörper hat den Vorteil, daß jeder Querschnitt senkrecht zur Längsachse nur relativ schmale Ringzonenaus Trägermatrixzellen aufweist, die in radialer Richtung sowohl nach außen wie nach innen nicht von Nachbarzellen in ihrer Dehnungsfreiheit behindert werden und somit keinen plastischen Wechselverformungen unterworfen sind wie bei den bisherigen Trägerkörpern. A so shaped catalyst carrier body has the advantage that each cross-section perpendicular to the longitudinal axis only relatively narrow Ringzonenaus carrier matrix cells, which are hindered in the radial direction both externally and internally not of neighboring cells in their elongation freedom and hence no plastic alternate deformations are subjected, as in the previous carrying bodies. Da die Dehnungsspannungen der Matrixzellen in Bezug auf die über die Anströmfläche unterschiedlich verteilten Temperaturgradienten mit zunehmender Ringzonenbreite überproportional steigen,sind Trägerkörperstücke.mit geringer Blechbandbreite besonders vorteilhaft. Because the tensile stresses of the matrix cells with respect increase disproportionately to the inflow via the different distributed temperature gradient with increasing ring zone width Trägerkörperstücke.mit lower plate bandwidth are particularly advantageous. Andererseits entfällt der erfindungsgemäße Vorteil einer ungehinderten radialen Dehnungsfreiheit der Matrixzellen bei Katalysator-Trägerkörpern deren Wickelbandbreite größer als die halbe axiale Ausdehnung der wendelförmigen Wicklung ist. On the other hand, the advantage of the present invention of an unobstructed radial expansion of freedom of the matrix cells in catalyst carrier bodies whose winding bandwidth deleted is greater than half the axial extent of the helical winding. Entsprechendes gilt auch für die Wickelbandbreite im Verhältnis zum äußeren Radius der Wicklung, weil das hohe Widerstandsmoment des gewellten Bandes quer zur Wellungsrichtung wegen der erforderlichen schraubenlinienförmigen Krümmung der Wellenlängsachse nur in geringem Maße eine konische Formung des Wickelkörpers in seiner Längsachse zuläßt. The same applies also for the winding band width in relation to the outer radius of the winding, because the high modulus of the corrugated strip transversely allows to curl because of the required helical curvature of the shaft longitudinal axis only slightly conical shaping of the wound body in its longitudinal axis. Bei zu großer.Wickelbandbreite verbleibt ein großer Teil der Länge des Trägerkörpers über die Gesamtfläche des Querschnitts senkrecht zur Längsachse vollkommen mit Zellstrukturen gefüllt, so daß in diesem Teil der Matrix die vorgenannten Probleme unverändert auftreten. In großer.Wickelbandbreite to a large part of the length of the support body over the whole area of the cross section remains completely filled with the cell perpendicular to the longitudinal structures so that occur in this part of the matrix, the foregoing problems unchanged. Dies trifft auch für den oben genannten Katalysatorkörper entsprechend der DE-OS 29 05 241 zu. This is also true for the above catalyst body according to DE-OS 29 05 241st
  • [0007] [0007]
    In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Trägermatrix eine Hohlkegelstumpfform haben soll. In a further embodiment of the invention, it is proposed that the carrier matrix to have a hollow truncated cone shape. Sofern die Höhe des Hohlkegelstumpfes dabei immer noch größer als die zweifache Breite des Wickelbandes ist, bleiben die bisher beschriebenen Vorteile erhalten,so daß sich der innere Teil ohne Behinderung durch das Mantelrohr ausdehnen kann. Unless the height of the hollow truncated cone there is still greater than two times the width of the winding tape, the advantages described previously are retained, so that the inner part can expand without being hindered by the casing tube.
  • [0008] [0008]
    In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß der Katalysator-Trägerkörper im Längsschnitt W-förmig gestaltet ist. In a further embodiment of the invention, it is proposed in claim 3 that the catalyst carrier body is designed W-shaped in longitudinal section. Diese Form ergibt sich, wenn die Steigung beim Wickeln der wendelförmigen Wicklung an-einer Stelle ihr Vorzeichen wechselt. This form is obtained when the pitch in winding the helical coil changes to a point-sign. Sofern auch in diesem Falle die gesamte axiale Ausdehnung der wendelförmigen Wicklung die zweifache Breite der Wickelbänder überschreitet, bleiben die beschriebenen Vorteile erhalten. Provided that in this case the entire axial extent of the helical coil exceeds twice the width of the winding strips, the advantages described are preserved. Bei dieser Anordnung, die insbesondere für Katalysatorkörper von größerem Durchmesser geeignet ist, werden die Einbaumaße gegenüber der normalkegeligen Form erheblich reduziert, ohne die Flexibilität der Matrix hinsichtlich der Dehnungsfreiheit einzuschränken. In this arrangement, which is particularly suitable for catalyst bodies of larger diameter, the installation dimensions in relation to the shape normalkegeligen be substantially reduced without limiting the flexibility of the matrix in elongation freedom. Die bisher beschriebenen Formen der Trägermatrix lassen sich durch eine zunächst spiralige Wicklung und anschließendes Drücken in die gewünschte Form herstellen. The previously described forms of carrier matrix can be produced by a first spiral winding and pressing into the desired shape.
  • [0009] [0009]
    Im Anspruch 4 wird vorgeschlagen, daß der Trägerkörper aus mehreren mit Freiraumabstand axial hintereinander angeordneten Matrix-Teilstücken bestehen soll. In claim 4 is proposed that the carrier body is to consist of a plurality of clearance distance axially consecutively arranged matrix-sections. Wegen der entsprechend dem vorliegenden Erfindungsgedanken geringeren Breite der Wickelbänder kann es sein, daß für eine ausreichende Katalyse mehrere Matrix-Teilstücke nötig sind. Due to the lower according to the present invention thought width of the wrapping tapes, it may be that more matrix sections are needed for a sufficient catalysis. Die Aufteilung der Katalysator-Gesamtlänge in mehrere schmale Teilstücke mit dazwischenliegenden Freiräumen führt noch zu einem weiteren Vorteil in anderer Hinsicht. The division of the total catalyst length in a plurality of narrow portions with intervening free spaces still leads to another advantage in other respects. Berechnungen und Versuche haben gezeigt, daß bei den üblichen Abmessungen und den Gasgeschwindigkeiten in den parallelen.. Kanälen der bisherigen Abgaskatalysatoren die Strömung nach etwa 20 - 30 mm in den laminaren Zustand übergeht, der für die in einem Katalysator ablaufenden chemischen Vorgänge wegen der mangelnden Oberflächenkontaktierung des Abgases weniger günstig ist als eine turbulente Strömung. Calculations and tests have shown that when the usual dimensions and the gas velocities in the parallel .. channels of the existing exhaust gas catalysts, the flow after about 20 - 30 mm in the laminar state transitions that for the processes occurring in a catalytic chemical processes because of the lack of surface contact of the exhaust gas is less favorable than a turbulent flow. Durch die Aufteilung in mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Katalysator-Teilkörper wird jedes Katalysator-Teilstück nur im turbulenten Zustand angeströmt / wodurch die katalytische Wirksamkeit erheblich verbessert wird. By dividing into a plurality of successively arranged in the flow direction catalyst body part of each catalyst portion is flown only in the turbulent state / result of which the catalytic activity is significantly improved. Beim.Austritt des Abgases aus dem vorhergehenden Katalysator-Teilstück in den Zwischenfreiraum zum nächsten Teilstück entsteht eine sehr gute Durchmischung des Abgases,die in Bezug auf die Wärmeverteilung, das Anspringverhalten und die Umsatzrate ebenfalls zur Verbesserung des-katalytischen Wirkungsgrades beiträgt. Beim.Austritt of the exhaust gas from the previous catalyst portion in the intermediate space to the next section, a very good mixing of the exhaust gas also contributes in respect to the heat distribution, the light-off performance and the conversion rate for the improvement of catalytic efficiency.
  • [0010] [0010]
    Es erscheint zweckmäßig, daß die im ersten Anspruch vorgeschlagene kegelartige Form des Katalysatorkörpers der Anströmrichtung des heißen Abgases entgegengerichtet ist. It seems appropriate that the proposed in the first claim cone-like shape of the catalyst body to the inflow direction of hot exhaust gas is directed opposite. Bei dieser Anordnung, die auch noch durch eine entsprechende konische Form des Gehäuses verbessert werden kann, werden die heißen Abgase von der Mitte etwas mehr als bisher zu den Randbezirken des Katalysatorkörpers umgeleitet, so daß die heißen Gase gleichmäßiger als bisher über den Querschnitt des Katalysatorkörpers verteilt werden. In this arrangement, which can be improved also by a corresponding conical shape of the housing, the hot exhaust gases from the center are slightly more than previously diverted to the outskirts of the catalyst body, so that the hot gases evenly distributed than in the past over the cross section of the catalyst body become.
  • [0011] [0011]
    Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. The figures show embodiments of the invention.
    • Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen rotationssymmetrischen Abgaskatalysator, bestehend aus drei Katalysator-Teilkörpern von hohlkegeliger Form in einem zylindrischen Mantelrohr. Fig. 1 shows a longitudinal section through a rotationally symmetrical exhaust gas catalyst consisting of three part-bodies of catalyst hohlkegeliger form in a cylindrical jacket tube.
    • Fig. 2 zeigt einen Querschnitt AA durch Fig. 1. Fig. 2 shows a cross section AA of Fig. 1,.
    • Fig. 3 zeigt die Schnittkontur eines einzelnen Katalysatorkörpers von kegelstumpfartiger Form. Fig. 3 shows the cross-sectional contour of an individual catalyst body of frustoconical shape.
    • Fig. 4 zeigt ebenfalls die Schnittkontur eines einzelnen Katalysatorkörpers mit einem W-förmigen Längsschnitt. Fig. 4 also shows the cross-sectional contour of an individual catalyst body with a W-shaped longitudinal section.
  • [0012] [0012]
    In Fig. 1 sind die kegelförmigen Katalysator-Trägerkörper 1 in dreifacher Stückzahl in dem zylindrischen Mantelrohr 2 befestigt, das über konische Übergangsstücke 3 und 5 mit den zylindrischen Rohrstutzen 4 und 6 verbunden ist. In Fig. 1, the cone-shaped catalyst carrier body 1 are fixed in a threefold quantity in the cylindrical tubular casing 2, which is connected via conical transition pieces 3 and 5 with the cylindrical pipe socket 4 and 6. Der Pfeil am Rohrstutzen 4 zeigt die Strömungsrichtung des eintretenden Abgases an. The arrow on the pipe socket 4 indicates the flow direction of the incoming exhaust gas. Es ist erkannbar, daß die Strömung aufgrund der konischen Form und aufgrund des Widerstandes im Katalysatorkörper auf den gesamten Querschnitt des Katalysatorkörpers verteilt wird. It is erkannbar that the flow is distributed over the entire cross section of the catalyst body due to the conical shape and due to the resistance in the catalyst body. Die Katalysatorkörper sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, in an sich bekannter Weise aus jeweils einem glatten 8 und einem gewellten 7 Blechband aufgewickelt, wobei.zB die äußere Lage aus einem gewellten Blechband annder Innenfläche des Mantelrohres 2 anliegt. The catalyst bodies are, as is evident from Fig. 2, wound in a known manner from in each case a smooth 8 and a corrugated 7 sheet-metal strip, wobei.zB the outer layer annder of a corrugated sheet metal strip inner surface of the casing tube 2 is applied. Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind die Blechbänder vergleichsweise schmal und wendelförmig aufgewickelt. According to the present invention, the sheet metal bands are relatively narrow and helically wound. Die Breite b der Blechbänder und die Steigung s der wendelförmigen Wicklung, sowie die axiale Gesamtausdehnung h der wendelförmigen Wicklungen sind in Fig. 1 eingezeichnet. The width b of the sheet metal strips and the pitch s of the helical coil, and the overall axial extension h of the helical windings are shown in FIG. 1. Es ist zu erkennen, daß ein Schnitt senkrecht zur Längsachse des Katalysator-Trägerkörpers nur dann niemals alle Wicklungslagen schneiden kann, wenn die axiale Ausdehnung h mehr als doppelt so groß ist wie die Breite der Wickelbänder b. It can be seen that a cut only can never intersect all winding layers perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst carrier body, if the axial extent h more than twice as large as the width of the winding bands b.
  • [0013] [0013]
    In Figl 3 und 4 werden weitere Ausgestaltungsformen für die Abgaskatalysator-Trägerkörper dargestellt. In Figl 3 and 4 show additional embodiments of the exhaust gas catalyst carrier body are presented. Dabei -zeigt Fig. 3 eine hohlkegelstumpfförmige Trägermatrix 9 und Fig. 4 eine W-förmige Form 10. Axial betrachtet sehen diese Ausführungen aus, wie in Fig. 2 dargestellt. Here, FIG. 3 4 -shows a hollow frusto-conical support matrix 9 and FIG. 10, a W-shape when viewed axially seen from these embodiments, as shown in Fig. 2.
Patent Citations
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Classifications
International ClassificationF01N13/02, F01N3/28
Cooperative ClassificationF01N3/28, F01N3/2892, F01N13/0097, F01N2330/02, F01N3/281, F01N3/2821
European ClassificationF01N3/28, F01N3/28B2B, F01N3/28E, F01N3/28B2B3
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