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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung von
Dauerhaltbarkeits- bzw. Alterungsversuchen für Katalysator-Trägerkörper mit einer
Halterung für
eine vibrierende, thermisch beanspruchte Abgasleitung. Solche Abgasleitungen
umfassen üblicherweise
eine Mehrzahl von Komponenten zur Abgasbehandlung mobiler Verbrennungskraftmaschinen,
wie beispielsweise katalytische Konverter, Adsorber, Filter, Partikelfallen,
Wärmetauscher,
Heizelemente oder dergleichen.
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Die
gesetzlichen Anforderungen an erhöhte Dauerhaltbarkeit der emissionsrelevanten
Komponenten im Fahrzeug werden immer höher, wodurch der finanzielle
Aufwand in der Dauerhaltbarkeitserprobung bei allen Fahrzeugherstellern
zunimmt. Bei der Entwicklung von Abgasnachbehandlungskonzepten neuer
Motorengenerationen bzw. -applikationen stehen die Motoren sowie
das endgültige
Motormanagement erst kurz vor Serieneinführung zur Verfügung. Würde man
erst zu diesem Zeitpunkt mit der Dauerhaltbarkeitserprobung der
Abgasanlagen beginnen, wäre
bei der heutigen Komplexität
der Abgasnachbehandlungssysteme ein rechtzeitiger Abschluss der
Entwicklung kaum zu gewährleisten. Demnach
wären erste
Aussagen über
die Dauerhaltbarkeit der Abgasnachbehandlungssysteme erst durch
eine Erprobung am Motorprüfstand
auf der Basis von Serienmotoren zu erhalten. Diese Möglichkeit ist
aber erstens teuer und führt
zweitens nicht immer zum gewünschten
Erfolg, da die Belastungsparameter für die Abgasanlage nur in engen
Grenzen variiert werden können.
Des weiteren steht zu diesem Zeitpunkt in der Regel noch keine entsprechende
Abgasanlage für
Testzwecke zur Verfügung,
so dass auch hierdurch noch kein genaues Abbild des Belastungsprofils
gezeichnet werden kann.
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Da
jedoch aufgrund der Lastenheftangaben für die Motoren bereits frühzeitig
ein Teil der thermischen und mechanischen Belastungsparameter für die Abgasanlage
bekannt sind, ist man in der Lage, eine Vorauslegung des Designs
mit Hilfe von bestimmten Berechnungen durchzuführen. Vor diesem Hintergrund
stellt ein Komponenten-Prüfstand
auf der Basis von Abgassimulatoren eine deutlich effektivere Methode
dar. Hier hat der Entwickler ein Werkzeug zur Verfügung, mit
dem er zum einen die im Einsatz zu erwartenden Belastungsarten,
wie z. B. Thermoschock oder Schwingungen, voneinander trennen und
zum anderen die entscheidenden Belastungsparameter in weiten Grenzen
unabhängig
voneinander variieren kann. Ziel dieses Systems ist es, die Thermodynamik
des realen Motorbetriebs zu simulieren und erhöhte Freiheitsgrade bei der
Festlegung des thermischen Profils zu geben. In diesem Zusammenhang
ist unter thermischen Profilen die Zusammenfassung aller thermischen
Belastungskomponenten zu verstehen, insbesondere die maximale Temperatur,
die minimale Temperatur und/oder Temperaturänderungsgeschwindigkeiten.
Hierbei ist besonders zu erwähnen,
dass auch Belastungen (thermisch/mechanisch) erzeugt werden können, die
nicht im Kennfeldbereich des Motors liegen, z. B. hoher Massendurchsatz
bei sehr niedrigen Temperaturen, oder sehr hohe Temperaturen bei
sehr kleinen Massenströmen.
Diese Eigenschaft spielt bei der Verkürzung der Testzeiten eine wichtige
Rolle. Die Grundvoraussetzung bei der Erprobung auf dem Prüfstand ist,
dass die Belastungen zu denen im Fahrzeug korrelieren. Hierbei sind
natürlich
in erster Linie die thermischen und mechanischen Belastungen zu
berücksichtigen.
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Sowohl
im tatsächlichen
Einsatz einer solchen Abgasanlage bei Kraftfahrzeugen als auch im Versuchsstadium
bei einem Prüfstand
werden die thermischen und dynamischen Belastungen von der Abgasleitung
selbst auf die Halterungen der Abgasleitungen übertragen. Aus diesem Grund
stellen solche Halterungen eine Gefahrenquelle hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit
solcher Abgasanlagen dar. Diese Halterungen müssen einerseits gewährleisten,
dass die Abgasleitung auch bei ho hen Kräften bzw. Beschleunigungen
sicher am Unterboden eines Fahrzeugs oder einer sonstigen Bezugsfläche dauerhaft fixiert
ist, andererseits müssen
sie infolge der auftretenden thermischen Wechselbeanspruchung das Ausdehnungsverhalten
der unterschiedlichen Komponenten kompensieren.
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Grundsätzlich wurden
bereits einige unterschiedliche Konzepte zur Befestigung von Abgassystemkomponenten
miteinander vorgeschlagen. So beschreiben beispielsweise die
DE 199 21 682 A1 eine schwingungsentkoppelte
Flanschverbindung zwischen Teilen eines Abgasstranges oder die
DE 40 32 431 C1 und
die
DE 39 04 912 A1 verschiedene
Aufhängevorrichtungen
für eine
Abgasanlage an einem Kraftfahrzeug.
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Darüber hinaus
sind auch bereits diverse Prüfstände für Abgasanlagen
bekannt. So wird z. B. in der
US 2001/000 24 59 A1 eine Anordnung vorgeschlagen,
bei der der Motor eines Kraftfahrzeuges mit dem Abgassystem auf
Tischen fixiert ist, die mittels Aktuatoren bewegt werden können, um
die Situation des Verhaltens des Abgassystems später im Einsatz simulieren zu
können.
Ein weiterer Prüfstand geht
aus der
DE 198 25
798 C1 hervor, die eine einfache Verbindung der Abgasanlage
mit dem Motor angibt, so dass die Original-Abgasanlagen mit diversen Motoren oder
Attrappen verbindbar sind. An dieser Stelle kann auch noch die
DE 25 31 440 A1 erwähnt werden,
die ein Schwingungssystem für
die Prüfung
keramischer Wabenstrukturen angibt.
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Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Prüfstand zur
Untersuchung der thermo-mechanischen Dauerhaltbarkeit von Katalysatoren
anzugeben, wobei eine Halterung für eine vibrierende, thermisch
beanspruchte Abgasleitung bereitzustellen ist, die einfach aufgebaut
ist, eine geringe Anzahl von Komponenten umfasst und eine dauerhafte
Fixierung der Abgasanlage auch bei Übertragung hohe Beschleunigungskräfte und/oder thermischer
Wechselbeanspruchungen sicherstellt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen
des Patentanspruch 1.
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Die
Anordnung zur Durchführung
von Dauerhaltbarkeits- bzw. Alterungsversuchen für Katalysator-Trägerkörper umfasst
zumindest eine nachfolgend beschriebene Halterung sowie eine Vibrationsvorrichtung
mit einer Ebene und mit Mitteln zur Erzeugung einer Schwingung senkrecht
zur Ebene, welche sich dadurch auszeichnet, dass die mindestes eine
Halterung so angeordnet ist, dass eine Leitungsachse der Abgasleitung
die Ebene in einem Winkel von 30° bis
60° schneidet,
insbesondere in einem Winkel von 45 Grad. Eine solche Anordnung eignet
sich hervorragend zur Durchführung
von Dauerhaltbarkeits- bzw. Alterungsversuchen für Katalysator-Trägerkörper mobiler
Verbrennungskraftmaschinen.
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Ziel
solcher Tests ist es, den „End
of life"-Zustand
des Katalysators in möglichst
kurzer Zeit wiederzuspiegeln. Daher wird auch für den Alterungstest an dem
thermischen Grundprofil festgehalten. Zur Erzeugung des Abgases
wird ein Ab gassimulator mit modulierender Leistungs- und Massenstromregelung verwendet.
Die Schwingungsbelastung wird mit einem elektrodynamischen Schwingungserreger
erzeugt. Dieser Schwingungserreger kann bei dem zuvor genannten
Aufbau relativ einfach ausgeführt
sein und braucht beispielsweise nur Schwingungen in eine Richtung
zu erzeugen. Aufgrund der schräg
zur Schwingungsanregung gelagerten Leitungsachse wird bewirkt, dass
die Belastungen für
die Abgasleitungen in alle Richtungen (axial und radial) einwirken. Die
Variation des Winkels erlaubt, dass die letztendliche Anordnung
z. B. eines Katalysator-Trägerkörpers im
Inneren einer Abgasleitung eines Automobils simuliert werden kann,
so dass unter Umständen auch
unsymmetrische Krafteinleitungsverteilungen erprobt werden können. Weiterhin
ist zur berücksichtigen,
dass nicht alle Katalysator-Trägerkörper zylindrisch
aufgebaut sind, sondern unter Umständen andere Querschnittsformen
(elliptisch, polygonal etc.) oder einhüllende Körper (Konus) aufweisen. Die
Variierung des Winkels bezogen zur Krafteinleitungsebene der Vibrationsvorrichtung
erlaubt genauere Aussagen bezogen auf die Dauerhaltbarkeit.
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Weiter
wird die Aufgabe auch gelöst
durch eine Halterung, welche auf die Abgasleitung eine solche Kraft
ausübt,
die betragsmäßig einerseits
größer als
die Beschleunigungskraft ist, welche auf die Halterung infolge der
auftretenden Vibration einwirkt, jedoch gleichzeitig kleiner als
die thermische Kraft ist, welche infolge der thermischen Ausdehnung
der Abgasleitung auf die Halterung ausgeübt wird.
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Unter
der Beschleunigungskraft ist die Kraft zu verstehen, die ihren Ursprung
im wesentlichen in der Schwingungsanregung der Abgasleitung hat. Diese
Kraft (FB) lässt sich beispielsweise über die Masse
(m) der Abgasleitung mit Komponenten und den auftretenden Beschleunigungen
(g) bestimmen (FB = m·g). Üblicherweise treten bei Abgasleitungen mobiler
Verbrennungskraftmaschinen Beschleunigungen bis zu dem 30fachen
der Erdbeschleunigung auf, in Testsituationen (wie bei spielsweise
dem zeitlich verkürzten
Alterungsprozess auf einem Prüfstand)
können
sogar Beschleunigungen bis maximal dem 150fachen der Erdbeschleunigung
erreicht werden.
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Mit
der thermischen Kraft ist insbesondere die Kraft gemeint, welche
infolge der Ausdehnung der Abgasleitung auf die Halterung wirkt.
Da es sich überwiegend
um metallische Abgasleitungen handelt, wird diese maximal ausübbare Kraft
der Abgasleitung auf die Halterung im wesentlichen durch die Streckgrenze
des Materials der Abgasleitung bestimmt. Zur Erläuterung sei angemerkt, dass
sich bei plastischen, viskosen oder visko-plastisch verformbaren
Materialien nach Überschreiten
der rein elastischen Verformung der Bereich der irreversiblen Verformung
anschließt.
Treten die irreversiblen Verformungen erst nach Überschreiten eines Schwellenwertes
der Spannung ein, spricht man von plastischer Verformung. Erfolgt
die Verformung ohne einen derartigen Schwellenwert bezeichnet man
sie als viskose Verformung. Als charakteristische irreversible Verformungskennwerte
dienen die obere Streckgrenze ReH bzw. die
Spannung, bei der eine bleibende Verformung von 0,2% vorliegt. Dieser
Wert ändert sich
in Abhängigkeit
von der Temperatur. Hierbei hat sich herausgestellt, dass austenitische
Stähle
gerade im Hochtemperaturbereich ein günstigeres Verhalten zeigen,
während
die Streckgrenze eines ferritischen Werkstoffs bei einer Temperaturerhöhung von
300° Celsius
auf 800° Celsius
um einen Faktor 11 zurückgeht.
Es existieren exakte Nachschlagewerke, anhand derer sich die Streckgrenzen
der jeweiligen Werkstoffe temperaturabhängig (insbesondere hinsichtlich
der maximalen Einsatztemperaturen im Abgassystem von bis zu 900°C, oder sogar
bis ca. 1100°C)
bestimmen lassen.
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Die
oben geschilderte Ausgestaltung der Halterung hat nun den Vorteil,
dass diese zwar die auftretenden Beschleunigungskräfte fast
starr überträgt, jedoch
im Hinblick auf die auftretenden thermischen Kräfte nachgiebig ist. Das heißt z. B.,
dass die Halterung infolge von thermischen Ausdehnungskräften, die
in der Regel deutlich höher
anzusiedeln sind als Beschleunigungskräfte, nachgibt. Dies ist von
besonderem Interesse, wenn die Abgasleitung zwischen zwei oder mehreren
festen Bezugspunkten fixiert werden soll. Außerdem wird verhindert, dass die
Abgasanlage selbst bei hohen Temperaturen plastisch verformt wird.
Dies hätte
wiederum ein Spiel bzw. einen Spalt zur Halterung nach dem Abkühlen zur
Folge, wodurch die Gefahr des „Losrüttelns" besteht.
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Im
Hinblick auf die Durchführung
von Alterungstestes betreffend Katalysator-Trägerkörper ist es
vorteilhaft, dass die Abgasleitung einen Katalysator-Trägerkörper umfasst,
der zentrisch bezüglich
der Weitungsachse in der Abgasleitung fixiert ist. Das bedeutet,
dass die Leitungsachse der Abgasleitung gleichzeitig die Mittelachse
des Katalysator-Trägerkörpers darstellt.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass die Vibrationsvorrichtung mit Mitteln zur
Erzeugung einer Schwingung senkrecht zur Ebene ausgeführt ist,
die eine Frequenz bis mindestens 3 × 103 Hz
und bevorzugt maximale Beschleunigungen bis zum 150fachen der Erdbeschleunigung
ermöglichen.
Die angegebenen Frequenzen bzw. Beschleunigungen erlauben die Simulation
von derzeit anerkannten Fahrzyklen, die zur Beurteilung des Alterungsprozesses
von Katalysator-Trägerkörpern in
Automobilen geeignet sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Anordnung ist die Abgasleitung mit einer
Wärmequelle,
insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, verbunden, die einen
Abgasstrom erzeugt, welcher bevorzugt zumindest einen der folgenden Kennwerte
aufweist:
- – einen
Massendurchsatz im Bereich von 50 bis 400 kg/h und/oder
- – eine
Temperatur im Bereich von 200° bis
1000° Celsius.
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Dabei
sollten sowohl die Temperatur als auch die Strömungsparameter des Abgases
einzeln und unabhängig
voneinander regelbar sein, um die später auftretenden Einsatzbedingungen
möglichst exakt
simulieren bzw. verstärken
zu können.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass die Abgasleitung Mittel zur Kompensation
von thermischen Dehnungen umfasst, insbesondere umlaufende Sicken
in einer Zuleitung, einem Auslass und/oder einem Gehäuse der
Abgasleitung. Solche Sicken weiten sich bei hohen Temperaturen auf
und kompensieren das Schrumpfen beim Abkühlen.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass die Anordnung mindestens eine Halterung
aufweist, die um eine Drehachse schwenkbar ist. Eine solche schwenkbare
Halterung hat den Vorteil, dass einerseits unterschiedliche Winkel
hinsichtlich der Einleitung von Beschleunigungskräften bzw.
-schwingungen ermöglicht
werden, andererseits ist so auf einfache Weise die Anpassung an
unterschiedliche Ausgestaltungen von Abgasleitungen möglich. Der Schwenkbereich
solcher Halterungen liegt bevorzugt zwischen 0° und 30°.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass die Abgasleitung in Strömungsrichtung aufwärts und/oder
abwärts
der äußersten
Halterung eine Entkopplungseinheit hat, die eine Übertragung
von Vibrationen auf weitere Komponenten deutlich reduziert. Wie
bereits oben ausgeführt,
ist die Abgasleitung zumindest mit einer Wärmequelle zu verbinden, wobei
eine dauerhafte Fixierung der Abgasleitung mit der Wärmequelle
nur gewährleistet
werden kann, wenn keine Relativbewegungen zwischen Abgasleitung
und Wärmequellen
nahe der Verbindung beider Komponenten auftreten. Aus diesem Grund
werden Entkopplungseinheiten vorgeschlagen, die den Schwingungsweg der
Abgasleitung insbesondere außerhalb
der Haltepunkte bzw. Halterungen und/oder nahe der Wärmequelle
dämpfen.
Hierzu eignen sich ver schiedene flexible Verbindungen (Muffen, Wellschläuche, etc.),
die gegebenenfalls von einem Dämmmaterial
(z. B. Sand) umgeben sind.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass die Abgasleitung Anschlüsse für Sensoren aufweist, insbesondere
für Thermosensoren
und/oder Beschleunigungsmesser.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Halterung umfasst diese mindestens eine
Klemme mit wenigstens einem Spannelement, wobei das Spannelement
auf die Klemme einwirkt, und die Klemme die Abgasleitung zumindest
teilweise umschließt.
Durch das teilweise Umschließen
der Abgasleitung mittels der Klemme wird eine große Anlagefläche bereitgestellt,
die einen sicheren Halt und eine dauerhafte Fixierung ermöglicht.
Als Spannelement kommen neben Klammern, Nieten, Schrauben alle weiteren,
dem Fachmann bekannten Spannmittel in Frage, die eine definierte
Krafteinleitung ermöglichen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung wirkt das wenigstens eine Spannelement über ein
Ausgleichselement auf die Klemme ein, das bevorzugt als flexibler
Kraftüberträger ausgeführt ist.
Das bedeutet insbesondere, dass zwischen dem Spannelement und der
Klemme eine Baueinheit vorgesehen ist, die gerade die Kompensation
von thermischen Ausgleichsdehnungen übernimmt. Die Anordnung des
Ausgleichselements im Hinblick auf die Position zwischen Spannelement
und Klemme ist grundsätzlich
frei wählbar,
wobei das Ausgleichselement auch Teil des Spannelements und/oder
der Klemme selbst sein kann. Es ist jedoch besonders vorteilhaft,
wenn das Ausgleichselement ein separates Bauteil ist, welches zwischen
Kontaktbereichen von Spannelement und Klemme angeordnet ist.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, dass das Ausgleichselement zumindest
eine Tellerfeder umfasst, die einen Ausgleichsweg von mindestens
3 mm, bevorzugt mindestens 5 mm und insbesondere von 8 mm, gewährleistet.
Die Tellerfedern sind entsprechend den im Einsatz der Abgasanlage
auftretenden Kräften
mit bestimmten Federkennlinien auswählbar, wobei bis zu einem bestimmten
Kraftniveau eine „starre" Kraftübertragung
sichergestellt ist, und bei darüber
hinaus auftretenden Kräften
eine Deformierung der Tellerfeder erfolgt bis zu einer Maximalkraft.
Versuche haben in diesem Zusammenhang gezeigt, dass hinsichtlich
Abgasleitungen mobiler Verbrennungskraftmaschinen zumindest ein
Ausgleichsweg von 3 mm gewährleistet
sein sollte. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Halterungen
beispielsweise am Unterboden des Kfz positioniert sind, wo keine
extrem hohen Temperaturen mehr auftreten. Größere Ausgleichswege sind jedoch
beispielsweise bei Halterungen vorzusehen, die motornah angeordnet
sind und somit höheren
thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung beträgt die
mindestens eine Tellerfeder zumindest Kräfte bis 2 × 103 N
(Newton), bevorzugt mindestens 3 × 103 N und
insbesondere nur bis höchstens
5 × 103 N, ohne sich in einem Extrempunkt des Ausgleichsweges
zu befinden. Das bedeutet, dass beispielsweise bis 3 kN eine starre
Halterung vorgesehen ist, und somit die Beschleunigungskräfte sicher
und dauerhaft kompensiert werden. Dadurch, dass die Tellerfedern
nur bis höchstens
5 × 103 N starr übertragen, ist gewährleistet,
dass bei darüber
hinaus auftretenden Kräften (wie
beispielsweise einer thermischen Beanspruchung) eine Deformierung
der Tellerfeder möglich
ist und somit eine Beschädigung
der Abgasleitung verhindert wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weist die Halterung einer thermische Isolierung
auf, die einen Wärmeübergang
zwischen der mindestens einen Klemme und dem wenigstens einen Spannelement
verhindert. Eine solche thermische Isolierung kann auch gleichzeitig
zur besseren Kraftübertragung
genutzt werden, so dass die thermische Isolierung als Unterlegscheibe
oder ein ähnliches
Bauteil ausgeführt
ist. Die thermische Isolierung unterbindet so auch Differenzdehnungen
der Komponenten der Halterung. Deshalb ist es besonders vorteilhaft,
dass die thermische Isolierung eine Scheibe ist, die zwischen den
Komponenten Klemme und das Spannelement, und/oder Klemme und Ausgleichselement, und/oder
Ausgleichselement und Spannelement angeordnet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist zwischen der Halterung (insbesondere
der Klemme) und der Abgasleitung ein Einziehschutz vorgesehen, der einem
thermischen Schrumpfen der Abgasleitung zwischen den Haltepunkten
entgegenwirkt. Betrachtet man beispielsweise eine sich in einer
Achse erstreckende Abgasleitung, die an zwei Haltepunkten fixiert
ist, so dehnen sich die thermisch erhitzten Teilbereiche der Abgasleitung
aus, so dass sich die Abgasleitung durch die Halterung hindurchschiebt.
Bei der Abkühlung
der Abgasleitung würden
sich die zwischen den Haltepunkten liegenden Teilbereiche der Abgasleitung
wieder zusammenziehen bzw. schrumpfen, wobei dieser Vorgang unter
Umständen über das
Maß hinausgeht,
um welches sich die Abgasleitung infolge der Erhitzung vorher ausgedehnt hat.
Dies hat jedoch zur Folge, dass unter Umständen angeschlossene Komponenten
ungewünschte Kräfte ausüben, und
eine Materialermüdung
der Abgasleitung bzw. sogar Risse entstehen. Um dieses übermäßige Schrumpfen
zu vermeiden, hat die Halterung bzw. die Abgasleitung einen Einziehschutz. Dieser
ist beispielsweise als ringförmiger
Metallbeschlag ausgeführt,
der außerhalb
der beiden Haltepunkte im kalten Zustand an einer der Halterungen anliegt,
sich während
der Erwärmung
der Abgasleitung von den Haltepunkten entfernt und bei einer Abkühlung wieder
an vorgesehenen Anlagekanten anschlägt und auf diese Weise ein
weiteres Schrumpfen verhindert. Dabei ist der Einziehschutz bevorzugt fügetechnisch,
dauerhaft mit der Abgasleitung verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei
zeigen die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die
Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigen:
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1 Schematisch
den Aufbau einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung,
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2 ein
Detail der erfindungsgemäßen Halterung,
und
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3 ein
Detail aus der 2.
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1 zeigt
schematisch und vereinfacht eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung 13.
Dabei handelt es sich hier um einen Aufbau zur Durchführung von
Dauerhaltbarkeitstests von Katalysatoranlagen automobiler Abgasbehandlungssysteme.
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Die
dargestellte Anordnung 13 umfasst ein Gestell 30,
welche eine Ebene 15 definiert. Die Erzeugung von Schwingungen
erfolgt unter Einsatz einer Vibrationsvorrichtung 14 mit
Erregern 31, die eine Vibration in Vibrationsrichtung 37 gewährleisten.
Die Vibrationsrichtung 37 ist im wesentlichen senkrecht zur
Ebene 15 ausgerichtet. Die Anordnung 13 hat zwei
Halterungen 1 bzw. Haltepunkte 12 für eine Abgasleitung 2.
Die Halterungen 1 sind drehbar bzw. schwenkbar um eine
Drehachse 23 so einstellbar, dass die Leitungsachse 16 der
Abgasleitung 2 in einem definierten Winkel 17 zur
Ebene 15 ausgerichtet werden kann. Dieser Winkel 17 beträgt vorzugsweise 45°, um eine
symmetrische Schwingungsanregung in axialer und radialer Richtung
des in der Abgasleitung 2 integrierten Katalysator-Trägerkörper 18 zu
gewährleisten.
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In
der 1 ist die Abgasleitung 2 gestrichelt dargestellt.
Diese ist über
Entkopplungseinheiten 25 unter anderem mit einer Verbrennungskraftmaschine 3 verbunden.
Die Abgasleitung 2 hat eine im wesentlichen zylindrisch
geformte Zuleitung 20 sowie einen entsprechend ausgebildeten
Auslass 21. Zwischen der Zuleitung 20 und dem
Auslass 21 ist ein Gehäuse 22 angeordnet,
welches in einen sich weitenden bzw. einengenden Randbereich und
einen im wesentlichen zylindrischen Mittelabschnitt unterteilt ist.
Dieser Mittelabschnitt dient zur Befestigung des Katalysator-Trägerkörpers 18.
Dieser Katalysator-Trägerkörper 18 umfasst
eine Mehrzahl von zumindest teilweise strukturierten Blechlagen 29,
die so angeordnet sind, dass für
das Abgas in einer bevorzugten Strömungsrichtung 24 durchströmbare Kanäle 28 gebildet
sind. In der dargestellten Ausgestaltung ist am Gaseintritt des
Katalysator-Trägerkörpers ein
Sensor 27 vorgesehen, der über einen Anschluss 26 in
innenliegende Bereiche der Abgasleitung 2 gasdicht eingeführt wird.
Die gesamte Abgasleitung 2 wird in die Halterungen 1 eingelegt
und mittels Klemmen 4 in der Anordnung 13 eingespannt.
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2 zeigt
schematisch und perspektivisch eine Halterung 1. Die Abgasleitung 2 ist
im Teilschnitt dargestellt und weist einen Einziehschutz 11 und
eine umlaufende Sicke 19 im Auslassbereich auf. Der Einziehschutz 11 ist
fügetechnisch
auf der Oberfläche der
Abgasleitung 2 fixiert und verhindert, dass die unter ihm
angeordneten Bereiche der Abgasleitung 2 unter der Halterung 1 beim
Schrumpfen hindurchwandern. Dies wird dadurch gewährleistet,
dass der Einziehschutz 11 gegen Anschlagkanten der Klemme 4 bzw.
der Halterung 1 stößt. Die
Abgasleitung 2 wird wie dargestellt im wesentlichen parallel
zur Leitungsachse 16 von einem Abgas in Strömungsrichtung 24 durchströmt.
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Die
Halterung 1 ist schwenkbar auf dem Gestell 30 befestigt.
Das Gestell 30 ist mit Rippen 40 versehen, wodurch
die Steifigkeit der Anordnung deutlich erhöht wird. Die Schwenkbewegung
der Halterung 1 wird durch einen Bolzen 39 mit
einer Drehachse 23 ermöglicht,
der einen Schwenkbereich 38 von bis zu 30° gewährleistet.
Die gewünschte
Stellung bzw. Neigung der Halterung 1 bezüglich der Ebene 15 der
Anordnung 13 kann lösbar
fixiert werden, so dass eine Verschwenkung im Einsatz nicht stattfindet.
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Die
Einspannung der Abgasleitung 2 in die Halterung 1 erfolgt über eine
Klemme 4 und zwei Spannelemente 5. Nach dem Einlegen
der Abgasleitung 2 wird die Klemme 4 geschlossen,
so dass diese nun die Abgasleitung 2 umgibt. Die Klemme
wird einseitig oder, wie hier dargestellt beidseitig, über Spannelemente 5 gegen
einen Anschlag 36 der Halterung 1 verspannt, wobei
die Klemme 4 bevorzugt den Anschlag 36 kontaktiert.
Als Spannelement 5 sind hier Schrauben vorgesehen, die
beispielsweise eine Streckgrenze von mindestens 1000 N/mm2 aufweisen (Rm =
1000 N/mm2). Der Wärmeübergang von der Abgasleitung 2 über die
Klemme 4 auf die Spannelemente 5 wird durch thermische
Isolierungen 9 unterbunden, welche zwischen der Klemme 4 und den
Spannelementen 5 vorgesehen sind. Auf der der thermischen
Isolierung 9 abgewandten Seite der Halterung 1 sind
Ausgleichselemente 6 vorgesehen, die eine dauerhafte Fixierung
der Abgasleitung gewährleisten.
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Das
Ausgleichselement 6 aus 2 ist im Detail
in 3 dargestellt. Diese Schnittansicht zeigt ein
als Schraube ausgeführtes
Spannelement 5, welches mit einer Mutter 34 infolge
des Drehens der Mutter 34 bzw. des Spannelements 5 in
Drehrichtung 35 eine Kraft in Richtung des Pfeils 33 generiert.
Das Ausgleichselement 6 ist hier mit Hilfe von x-förmig angeordneten
Tellerfedern 7 gebildet. Die Tellerfedern 7 liegen
einerseits an einer thermischen Isolierung 9 und andererseits
an einer Scheibe 10 an, die eine gleichmäßige Krafteinleitung
auch bei der Deformation der Tellerfedern 7 gewährleistet.
Die Tellerfedern 7 zeichnen sich dadurch aus, dass sie
ein zumindest teilweise elastisch deformierbares Verhalten aufweisen.
Dieses ist charakterisiert durch einen Ausgleichsweg 8,
der von zwei Extrempunkten 41 begrenzt ist. Der in 3 unten
dargestellte Extrempunkt 41 zeigt die Ausdehnung der Tellerfedern 7,
die ohne Krafteinwirkung vorliegt. Der in 3 oben dargestellte
Extrempunkt 41 begrenzt die Restlänge 32, die die minimale
Ausdehnung bei maximaler Krafteinwirkung charakterisiert. Die mit
der Halterung 1 auf die Abgasleitung 2 ausgeübte Kraft
ist so einzustellen, dass sie betragsmäßig einerseits größer als die
Beschleunigungskraft ist, welche auf die Halterung 1 infolge
der auftretenden Vibration einwirkt, jedoch gleichzeitig kleiner
als die thermische Kraft, welche infolge der thermischen Ausdehnung
der Abgasleitung 2 auf die Halterung ausgeübt wird.
Der Ausgleichsweg 8 der Tellerfedern 7 sollte
mindestens 3 mm betragen. Bevorzugt sind mit den Tellerfedern 7 Kräfte übertragbar,
die im Bereich von 2 × 103 N bis 5 × 103 N
liegen, ohne dass eine Kompression der Federelemente stattfindet,
also die Ausdehnung der ursprünglichen
unbelasteten Tellerfedern nicht verändert wird.
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Die
hier vorgeschlagenen Halterungen bzw. Anordnungen eigenen sich in
hervorragender Weise zur Untersuchung der thermo-mechanischen Dauerhaltbarkeit
von Katalysatoren. Der weite Leistungsbereich dieser Systeme erlaubt
die Simulation thermischer und mechanischer Belastungen, wie sie
an heutigen Katalysatorapplikationen noch nicht auftreten. Des weiteren
sind diese Systeme in der Lage, die heutigen und zukünftig zur
erwartenden Belastungskollektive in sehr guter Korrelation zur realen Anwendung
nachzubilden. Dies erlaubt die Untersuchung und Bewertung der Dauerhaltbarkeit
von Katalysatorsystemen ohne auf Motoren oder gar Fahrzeuge zurückgreifen
zu müssen.