DE102004023585A1 - Katalysatorstütze, Befestigung am Flansch Katalysatorausgang, ohne Schweißverbindung - Google Patents

Abstract

Eine Katalysatorbefestigung für einen Verbrennungsmotor hat einen Motorblockhalter (13) zur Befestigung an einem Verbrennungsmotor, einen Katalysatorhalter (12) zur Befestigung an einem Flansch (5) eines Katalysators und Verbindungsmittel (14, 24) zur Verbindung von Motorblockhalter (13) und Katalysatorhalter (12). Der Katalysatorhalter (12) ist so ausgebildet, dass er an einem Verbindungsbauteil des Rohrabschnitts (4) befestigt werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Katalysatorstütze bzw. eine Katalysatorbefestigung, Befestigung am Flansch Katalysatorausgang, ohne Schweißverbindung.
• Durch immer strengere Emissionsgesetze gewinnt die Abgasnachbehandlung immer mehr an Bedeutung. Diese gesetzliche Anforderungen werden erfüllt durch entsprechend dimensionierte Katalysatoren. Damit der Katalysator schnell seine erforderliche Betriebstemperatur erreicht, besonders nach dem Kaltstart, wird dieser möglichst motornah angeordnet. Die häufigste Lösung bei modernen Motoren ist ein Abgaskrümmer mit integriertem Katalysator, so dass Abgaskrümmer und Katalysator ein Teil bilden. Dadurch nimmt das Gesamtteil an Gewicht erheblich um mehrere kg zu, und die Verbindung Abgaskrümmer zum Zylinderkopf wird stärker belastet. Hinzu kommt noch eine hohe Temperaturbelastung mit Temperaturen bis zu 1000° C am Abgaskrümmer, z.B. bei Volllastbetrieb mit Turboladermotor.
• Es wird im Betrieb beobachtet, dass es bei einigen Motoren vermehrt zu Rissen am Abgaskrümmer sowie auch teilweise am Rohrabgang unterhalb des Katalysators kommt. Diese erhöhten Belastungen werden durch zusätzliche Katalysatorstützen aufgefangen werden.
• Aus der WO 97/130 90 ist eine Klammer zu Halterung von Rohren bekannt. Die offenbarte Halteklammer wird aus einem einzigen Blechstreifen aus Federstahl hergestellt und dient zur Halterung von Rohren und insbesondere von Wellrohren auf Trägekörpern aus massivem und relativ festem Material.
• Des Weiteren ist es in der Automobilindustrie üblich, zur Befestigung eines Katalysators an diesem mehrere Teile, wie etwa spezielle Flansche, durch Schweißen anzubringen, mit deren Hilfe der Katalysator dann befestigt und gestützt wird.
• Die in der WO 97/130 90 offenbarte Halterung ist zur Befestigung eines Katalysators nur schlecht geeignet, da der von der Halterung zur Befestigung der Halterung selber benötigte Bauraum nicht immer zur Verfügung gestellt werden kann.
• Die in der Automobil üblichen Befestigungen haben die Nachteile, dass zum einen durch den mehrteiligen Aufbau das Gewicht erheblich zunimmt und deshalb die Verbindungselemente stärker belastet werden und dass zum anderen die durch das Betreiben des Motors auftretenden Wärmeausdehnungen nicht aufgefangen werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine leichte Katalysatorstütze bzw. eine Katalysatorhalterung bereitzustellen, welche innerhalb des vorgegebenen Bauraums befestigt werden kann und welche die Ausdehnungen des Katalysators auffangen kann.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
• Eine Katalysatorstütze bzw. eine Katalysatorbefestigung gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Motorblockhalter zur Befestigung an einem Verbrennungsmotor, einen Katalysatorhalter zur Befestigung an einem Rohrabschnitt eines Katalysators und Verbindungsmittel zur Verbindung von Motorblockhalter und Katalysatorhalter. Der Katalysatorhalter ist so ausgebildet, dass er an einem Verbindungsbauteil des Rohrabschnitts befestigt werden kann.
• Die erfindungsgemäße Katalysatorstütze unterscheidet sich von einer anderen, intern bei der Anmelderin vorhandenen Katalysatorstütze, die nicht zum veröffentlichten Stand der Technik gehört. Diese Katalysatorstütze ist zweiteilig ausgelegt und weist einen Halter und einen Gegenhalter auf. Um eine einfache und schnelle Montage eines Katalysators zu ermöglichen, ist der Halter mit dem Gegenhalter auf der einen Seite durch ein Befestigungselement und auf der anderen Seite durch einen in ein Langloch einzuführenden Zapfen verbunden. Das Befestigungselement weist in einer einfachsten Ausführungsform eine Stiftschraube und eine Schweißmutter auf. Das Langloch und der einzuführende Zapfen können auch so ausgelegt werden, dass eine Ausdehnung des Katalysators in dieser Richtung kompensiert werden kann. Sowohl der Halter, als auch der Gegenhalter gebogene Führungsflächen aufweisen, deren Krümmungsradius können an den Durchmesser des Katalysators angepasst sein.
• Dadurch verspricht man sich auch, dass Wärmeausdehnungen am Katalysator in X-, Y- und Z-Richtung elastisch aufgefangen werden, die ansonsten zusätzliche Spannungen verursachen und zu Rissbildungen führen können. Am stärksten hierbei ist die Längenausdehnung des Katalysators in Achsrichtung durch die hohen Temperaturen.
• Hierfür gibt es die unterschiedlichsten Katalysatorstützen, speziell für einen bestimmten Motor abgestimmt, um das Katalysatorgewicht, die Wärmeausdehnungen, Belastungen, Schwingungen, Vibrationen usw. aufzunehmen. Vielfach werden hierbei Befestigungsaugen, Halterkonstruktionen am Katalysatormantel, Katalysatorausgangskonus und/oder Katalysatorausgangsrohr angeschweißt. Auch werden z.B. Dreiecksflansche unterhalb des Katalysators mit zusätzlichen Befestigungsaugen mit Gewindebohrungen versehen, und zwar zur Befestigung an Katalysatorstützen.
• Bei der vorliegenden Erfindung müssen keine Veränderungen am vorhandenen Krümmer mit integriertem Katalysator vorgenommen werden. Weder müssen zusätzliche Befestigungsaugen mit Gewindebohrungen am Katalysatorflansch angebracht werden, noch müssen irgendwelche Teile am Katalysator angeschweißt werden, so dass der Katalysator durch Entfall von Schweißoperationen nicht mit zusätzlichen Wärmespannungen und im Verhalten beeinträchtigt wird.
• Die Erfindung geht einen anderen Weg. Bei der Erfindung wird ein Halter aus Blech entsprechend gebogen, und zwar mit Befestigungsaugen zum Befestigen am Motorblock oder an einer anderen Stelle des Motors. Außerdem sind elastische Laschen mit Schweißmuttern zum Befestigen am Katalysatorhalter vorgesehen. Ein zweiter Halter mit Rändelschrauben wird in dessen Durchgangsbohrungen z. B. an einem Dreiecksflansch unterhalb des Katalysators befestigt, ohne dass dabei eine Schweißoperation nötig wird. Eine Schweißoperation wird erfindungsgemäß möglichst vermieden. Hierdurch wird verhindert, dass sich der Flansch verzieht und wegen Undichtigkeiten, bei denen das Abgas ausströmen kann, nachgearbeitet werden muss.
• Anschließend wird der Krümmer mit integriertem Katalysator parallel der Stehbolzen am Auslassflansch am Zylinderkopf aufgeschoben, und der zweite Halter mit dem bereits befestigten Halter am Motorblock sehr einfach und unkompliziert verschraubt. Diese Katalysatorstütze ist ausgesprochen kompakt ausgeführt mit sehr geringem Gewicht und sehr einfachen Blechteilen. Die Montage ist sehr einfach und gut zugänglich.
• Es ergeben sich erhebliche Kostenvorteile durch sehr geringen Zeitaufwand bei Herstellung und Montage der Katalysatorstütze, sowie günstige Material-, Werkzeug-, Bearbeitungs- und Montagekosten.
• Bei einem erfindungsgemäßen Krümmer mit integriertem Katalysator und mit Ausgangskonus und Ausgangsrohr, das z. B. mit einem Dreiecksflansch verbunden ist, wird ein Halter mit Rändelschrauben befestigt.
• Durch je eine Bohrung des erfindungsgemäßen Halters und je eine Bohrung des erfindungsgemäßen Flanschs wird eine Rändelschraube gesteckt, so dass der Halter mit dem Flansch verbunden ist. Die Zentrierung der Rändelschraube zentriert und verpresst den Halter in den Durchgangsbohrungen des Katalysatorflanschs, während das Gewinde der Rändelschraube durch die Durchgangsbohrungen des Gegenflanschs der Auspuffanlage hindurchgeführt und mit Sechskantmuttern verschraubt wird.
• Zwischen dem Katalysatorflansch und dem Gegenflansch der Auspuffanlage ist eine Metalldichtung vorhanden. An den Zylinderblock oder an einer anderen geeigneten Stelle wird der Motorblockhalter mit dem Zentrierloch und dem Langloch in Traverse durch Befestigungsschrauben angeschraubt, und zwar an entsprechende bearbeiteten Stellen mit Gewindebohrungen. Der Halter besteht aus einer Traverse, die über z.B. zwei Bögen in die Schenkel münden, welche dann nach weiteren Bögen zu den Laschen mit den Durchgangslöchern führen, an deren Rückseite Schweißmuttern angeschweißt sind.
• Mit Hilfe einer S-Kontur der Bögen und der Schenkel des Halters kann die größte Wärmedehnung bei ca. 500 °C in Katalysatorachse des Katalysators sehr elastisch aufgefangen werden.
• Die Radiengrößen der Bögen mit den Schenkellängen des Halters, können je nach den unterschiedlichen Anforderungen, nach Katalysatorgröße, -form, -gewicht usw. optimiert werden. Ebenso kann die Breite und Dicke der Laschen sowie die Aussparungstiefe des Halters, je nach Elastizität und Steifigkeit optimiert und auch im Material entsprechend der unterschiedlichen Umwelteinflüsse ausgelegt werden.
• In der Regel besteht der Halter gegen Korrosionsbeständigkeit und den entsprechenden Festigkeitsanforderung aus unterschiedlich legierten Edelstählen, ebenso deren Befestigungselemente wie z.B. Schrauben, Schweißmuttern und Schweißnähten usw. Dasselbe gilt auch für Katalysatorhalter mit dessen Befestigungselementen.
• Der Katalysatorhalter ist entsprechend der Form und Lage dem Katalysatorflansch angepasst, welcher z.B. in zwei unter schiedlichen Ebenen im Raum stehen kann, und ist ebenso mit der Innenkontur an das Katalysatorausgangsrohr des Katalysators angepasst. Am Ende der Halterform sind z.B. zwei Laschen mit den für den Spielausgleich vergrößerten Durchgangslöchern angebogen, die z.B. senkrecht zur Motorhochachse, oder in einem anderen Winkel dazu stehen.
• Diese erfindungsgemäße zweiteilige Katalysatorstützenausführung ist völlig unabhängig von der Außenform des Katalysatormantels des Katalysators, und sehr kompakt und einfach in der Ausführung, bei sehr geringem Gewicht.
• Die Montage der erfindungsgemäßen Katalysatorstütze ist sehr einfach. Zuerst wird der Motorblockhalter mit den Befestigungsschrauben durch die Zentrierbohrung und der Langlochbohrung am Zylinderblock befestigt.
• Anschließend wird der Krümmer mit integriertem Katalysator parallel zu den Stehbolzen am Auslassflansch des Zylinderkopfs befestigt. Dabei sitzen die für den Spielausgleich vergrößerten Durchgangsbohrungen des Halters, welcher mit den Rändelschrauben bereits auf dem Katalysatorflansch des Katalysators vormontiert wurden, vor den Gewindebohrungen der Schweißmuttern, vor welchen sich die Durchgangsbohrungen des Halters befinden.
• Danach wird Halter befestigt, indem die Befestigungsschrauben durch die Durchgangslöcher des Halters geschoben werden, und mit den Gewindelöchern der Schweißmuttern des Halters verschraubt werden.
• Die Erfindung lässt sich leicht herstellen, denn keine Teile sind fest mit dem Katalysator verschweißt. Somit entsteht keine Beeinträchtigung durch Schweißnähte beim Katalysatorverhalten. Zusätzlichen Spannungen im Katalysator werden durch Entfall der Schweißnähte vermieden. Spezielle Flansche mit Befestigungsaugen unterhalb des Katalysators für die Katalysatorstützen entfallen, und ein wesentlich kostengünstigerer Serienflansch kann verwendet werden. Schließlich ergibt sich eine einfachere Montage bei der Katalysatorbefestigung und ein geringerer Zeitaufwand bei Herstellung u. Montage der Katalysatorstütze. Weiterhin ergeben sich günstigere Materialkosten, geringere Werkzeugkosten, geringere Bearbeitungskosten und geringere Montagekosten.
• Die Erfindung ist geeignet für alle Katalysatoren bei Otto-, Diesel- und Erdgasmotoren in allen Fahrzeugen. Hierzu werden die Einzelteile der Erfindung aus Stahl bzw. aus Stahlblech hergestellt.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Katalysatoreinrichtung in einer perspektivischen Ansicht,
• 2 zeigt eine erfindungsgemäße Katalysatorhalterung der Katalysatoreinrichtung aus 1,
• 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Halters der Katalysatorhalterung aus 2 und
• 4 zeigt Einzelteile des Halters aus 3 in einer perspektivischen Ansicht.
• 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Katalysatoreinrichtung 1. Die Katalysatoreinrichtung 1 gliedert sich in einen Katalysator 2, der an seiner Oberseite ein in dieser Ansicht nicht dargestelltes Eingangsrohr und an seiner Unterseite einen Ausgangskonus 3, ein Ausgangsrohr 4 sowie ein mit dem Ausgangsrohr 4 verschweißten Dreiecksflansch 5 aufweist. Außerdem ist ein Halter 6 vorgesehen, der als zweiteiliges Blechteil ausgebildet ist, wie am besten in 3 zu sehen ist.
• Wie man am besten in 2 sieht, ist der Halter 6 mit dem Dreiecksflansch 5 über drei Rändelschrauben 7 verbunden, von denen eine in 2 in näherem Detail dargestellt ist. Die Rändelschraube 7 gliedert sich in ihrer Längsrichtung in einen Rändelkopf 8, in einen sich daran anschließenden Zentrierbereich 9 und in einen sich an den Zentrierbereich 9 anschließenden Gewindebereich 10. Untenseitig am Gewindebereich 10 ist noch ein etwas dünnerer Einführbereich 11 vorgesehen.
• 2 zeigt die erfindungsgemäße Katalysatorhalterung in einer perspektivischen Ansicht in näherem Detail, wobei der besseren Übersicht halber der Katalysator 2 mit dem Ausgangsrohr 4 aus 1 weggelassen ist. Wie man in dieser Ansicht besonders gut sieht, ist der Halter 6 über die drei Rändelschrauben 7 mit dem Dreiecksflansch verbunden, wobei in dieser Ansicht nicht gezeigte Durchgangslöcher durch den Halter 6 und ebensolche Durchgangslöcher durch den Dreiecksflansch 5 so ausgebildet sind, dass je ein Zentrierbereich 9 einer Rändelschraube 7 den Halter 6 bezüglich des Dreiecksflanschs 5 zentriert. Auf die in 2 nach unten überstehenden Bereiche der Rändelschrauben 7 wird ein in dieser Ansicht nicht gezeigter Gegenflansch einer Auspuffanlage eines Verbrennungsmotors aufgesetzt, wobei eine ebenfalls nicht gezeigte Metalldichtung zwischen den Dreiecksflansch 5 und den Gegenflansch eingelegt wird. Mit in dieser Ansicht nicht gezeigten Gewindemuttern wird der Gegenflansch fest an den Dreiecksflansch 5 angeschraubt.
• Wie man in 2 und 3 am besten sehen kann, gliedert sich der Halter 6 in zwei Teile, nämlich in einen Katalysatorhalter 12 sowie in einen Motorblockhalter 13. Der Katalysatorhalter 12 und der Motorblockhalter 13 sind durch zwei Verbindungsschrauben 14 miteinander verbunden. Der Motorblockhalter 13 ist mit zwei Befestigungsschrauben 15 an einem in dieser Ansicht nicht gezeigten Motorblock eines Kraftfahrzeugs angeschraubt. Wie man am besten in 4 sieht, ist dazu der Motorblockhalter 13 mit zwei Befestigungslöchern 16 und mit zwei Verbindungslöchern 17 versehen.
• Auch der Katalysatorhalter weist Verbindungslöcher 18 auf, die für den Durchgang der Verbindungsschrauben 14 bestimmt sind. In 4 sind die Zentrierlöcher 19 besonders gut zu sehen, durch die die Rändelschrauben 7 gesteckt werden. Wie man besonders gut in 2 sieht, sind die Verbindungslöcher 18 im Katalysatorhalter 12 in abgekröpften Verbindungslaschen 20 vorgesehen, die sich schräg vom Katalysatorhalter 12 nach oben erstrecken. Der Motorblockhalter 13 ist als S-Feder ausgebildet, wobei sich ein Bogenbereich 21, der in der Seitenansicht S-förmig ausgebildet ist, von je einer Verbindungslasche 22 aus zu einer Befestigungstraverse 23 des Motorblockhalters erstreckt. Dabei sind an den Verbindungslaschen 22 Schweißmuttern 24 angeschweißt, in die je eine Verbindungsschraube 14 eingeschraubt ist.
• Zur Montage der Katalysatoreinrichtung 1 wird wie folgt vorgegangen. Zuerst wird der Motorblockhalter 13 mit den Befestigungsschrauben 15 am Motorblock des Verbrennungsmotors angeschraubt. Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen kann hierbei eines der Befestigungslöcher 16 als Langloch ausgebildet sein. Anschließend wird der komplette Krümmer des Verbren nungsmotors mit dem Eingangsrohr, mit dem Katalysator 2 und mit dem Ausgangsrohr auf die Stehbolzen am Auslassflansch des Zylinderkopfs mit dem Krümmerflansch (nicht dargestellt) aufgesetzt und festgeschraubt. In diesem Stadium ist der Halter 6 bereits mit den Dreiecksflansch 5 verschraubt, so dass die Verbindungslöcher 18 im Katalysatorhalter 12 im Bereich der Verbindungslöcher 17 im Motorblockhalter 13 zum Liegen kommen. Zur vereinfachten Montage können dabei die Verbindungslöcher 18 im Katalysatorhalter 12 vergrößert ausgeführt sein, so dass ein Toleranz- bzw. Spielausgleich gewährleistet ist. Durch die Verbindungslöcher 18 werden die Verbindungsschrauben 14 hindurch gesteckt und in die Schweißmuttern 24 fest eingeschraubt.
• Im Betrieb der erfindungsgemäßen Katalysatoreinrichtung hat sich ergeben, dass diese sehr zuverlässig und schadensfrei arbeitet.

1

Katalysatoreinrichtung

2

Katalysator

3

Ausgangskonus

4

Ausgangsrohr

5

Dreiecksflansch

6

Halter

7

Rändelschraube

8

Rändelkopf

9

Zentrierbereich

10

Gewindebereich

11

Einführbereich

12

Katalysatorhalter

13

Motorblockhalter

14

Verbindungsschraube

15

Befestigungsschraube

16

Befestigungsloch

17

Verbindungsloch

18

Verbindungsloch

19

Zentrierloch

20

Verbindungslasche

21

Bogenbereich

22

Verbindungslasche

23

Befestigungstraverse

24

Schweißmutter

Claims (7)

1. Katalysatorbefestigung für einen Verbrennungsmotor mit den folgenden Merkmalen: – einen Motorblockhalter (13) zur Befestigung an einem Verbrennungsmotor, – einen Katalysatorhalter (12) zur Befestigung an einem Flansch (5) eines Katalysators, – Verbindungsmittel (14, 24) zur Verbindung von Motorblockhalter (13) und Katalysatorhalter (12), wobei der Katalysatorhalter (12) so ausgebildet ist, dass er an einem Flansch (5) befestigbar ist.
2. Katalysatorbefestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorhalter (12) Zentrierlöcher (19) aufweist, die so angeordnet sind, dass Flanschverbindungsschrauben (7) eines Verbindungsflansches (5) am Rohrabschnitt durch die Zentrierlöcher (19) hindurch verlaufen.
3. Katalysatorbefestigung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorhalter (12) und/oder der Motorhalter (13) nachgiebige Bereiche (20, 21) aufweisen.
4. Katalysatorbefestigung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebigen Bereiche als sich S-förmig zwischen Befestigungsbereichen (17, 23) erstreckende Bogenbereiche (21) oder als quer zur Erstreckungsrichtung des Katalysatorhalters (12) bzw. des Motorhalters (13) abgekröpfte Laschen (20) ausgebildet sind.
5. Katalysatorbefestigung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebigen Bereiche aus elastisch biegsamen Stahlblech hergestellt sind.
6. Verbrennungsmotor mit einer Katalysatoreinheit, die eine Katalysatorbefestigung nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
7. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 5.