DE10226282A1

DE10226282A1 - Nicht-zylindrischer Katalysator-Trägerkörper sowie Werkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10226282A1
Application number: DE10226282A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Wieres
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2003-12-24
Also published as: US20050095180A1; US20080206514A1; JP2005528982A; DE10392744B4; AU2003232837A1; WO2003106027A1; JP5022566B2; DE10392744D2; US7383633B2; US8389438B2

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines einen metallischen Wabenkörper (2) umfassenden Katalysator-Trägerkörper (1), wobei der Wabenkörper (2) aus einer Mehrzahl Blechlagen, insbesondere von Glattlagen (3) und Welllagen (4), mit Lagenenden (5) so aufgebaut ist, dass mittels der Lagenenden (5) eine äußere Gestalt (6) des Wabenkörpers (2) gebildet ist, bei dem zumindest die folgenden Schritte umfasst sind: DOLLAR A - Herstellen mindestens eines Stapels (7) mit mehreren abwechselnd angeordneten Blechlagen (3, 4), die so strukturiert sind, dass für ein Fluid durchströmbare Kanäle (8) gebildet sind; DOLLAR A - Umformen des mindestens einen Stapels (7) zu einem Wabenkörper (2) mit einer zylindrischen Form (9); DOLLAR A - Verformen des Wabenkörpers (2) aus einer zylindrischen Form (9), so dass eine von der zylindrischen Form (9) abweichende äußere Gestalt (6) erzeugt wird. DOLLAR A Weiterhin wird ein entsprechender Katalysator-Trägerkörper und ein Werkzeug zur Herstellung angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator-Trägerkörper sowie ein Werkzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Katalysator- Trägerkörper hat einen metallischen Wabenkörper aus einer Mehrzahl von Glattlagen und Welllagen mit Lagenenden, die so aufgebaut sind, dass mittels der Lagenenden eine äußere Gestalt des Wabenkörpers gebildet ist. Derartige Katalysator-Trägerkörper werden insbesondere zur Reinigung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen, wie beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren, in der Automobiltechnik eingesetzt.
Im Hinblick auf die Anordnung eines solchen Katalysator-Trägerkörpers im Abgassystem beispielsweise eines Pkws haben sich unterschiedliche Einbau- Positionen bewährt. So werden Katalysator-Trägerkörper beispielsweise relativ nahe zu der Verbrennungskrafimaschine angeordnet, insbesondere im oder nahe dem Ventilauslass, im Krümmer oder vor einem Abgas-Turbolader. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Motorraum oder in dessen Nähe sind derartige Katalysator-Trägerkörper relativ kleinvolumig ausgeführt (z. B. mit einem Gesamtvolumen, welches vorzugsweise kleiner als 20% des Hubraums der Verbrennungskraftmaschine entspricht). Weiter ist es bekannt, derartige Katalysator- Trägerkörper im Bereich des Unterbodens eines Pkws anzuordnen. Bei einer solchen Anordnung des Katalysator-Trägerkörpers ist insbesondere darauf zu achten, dass die Bodenfreiheit des Automobils nicht nachteilig beeinträchtigt wird, um einen Kontakt des Katalysator-Trägerkörpers mit der Fahrbahn zu verhindern. Um dies zu vermeiden, ist es auch bekannt, derartige Katalysator-Trägerkörper zumindest teilweise im Unterboden zu versenken und/oder die äußere Gestalt des Katalysator-Trägerkörpers abzuflachen.
Weiterhin werden auch beim Einsatz derartiger Katalysator-Trägerkörper im Bereich der Zweikrafträder, Motorsägen, Rasenmäher oder dergleichen besondere Ausgestaltungen gewünscht, da hier infolge der räumlichen Gegebenheiten eine möglichst vollständige Ausnutzung der verfügbaren Räume erreicht werden soll. Das hat den Vorteil, dass die zuvor genannten Geräte sehr klein, kompakt, handlich und leicht gebaut werden können und so die Bedienungsfreundlichkeit erheblich verbessert wird.

Ein ovaler Katalysator-Trägerkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung geht beispielsweise aus der DE 28 56 030 A1 hervor. Zur Herstellung des metallischen Wabenkörpers wird vorgeschlagen, zunächst Metallfolien spiralig zu einem kreiszylindrischen Körper aufzuwickeln. Dazu ist es erforderlich, dass die Metallfolienenden der einen Seite mit einem Kern verbunden werden, wobei durch die Drehung des Kerns die Metallfolien um diesen herum angeordnet werden. Der Kern mit den spiralförmig aufgewickelten Metallfolien wird anschließend in zwei Halbschalen eingelegt und befestigt. Dann wird der im Inneren befindliche Kern herausgezogen, so dass ein hohlzylindrischer Raum im Zentrum des Wabenkörpers entsteht. Nachfolgend werden die Halbschalen zusammengefahren, so dass diese stumpf aufeinander stoßen und in dieser Position direkt verschweißt oder zumindest schweißgepunktet werden können. Beim Zusammenfahren der Halbschalen wird die kreiszylindrische Form des Wabenkörpers so verändert, dass der Wabenkörper letztendlich sich an den Innenseiten der Halbschalen gleichmäßig anlagen. Dies setzt allerdings voraus, dass der Außendurchmesser des kreiszylindrischen Körpers sowie der Innendurchmesser des hohlzylindrischen Raums des Wabenkörpers vor dem Zusammenfahren der Halbschalen eine bestimmte Beziehung zueinander einhalten.

Der so hergestellte Katalysator-Trägerkörper sowie das dort beschriebene Verfahren hat jedoch einige Nachteile. So ist beispielsweise die Herstellung des Gehäuses des Katalysator-Trägerkörpers mit zwei Halbschalen, die miteinander verschweißt werden müssen, aufwendig und kostenintensiv, wobei die hier generierte Schweißnaht zusätzlich Ursache für ein zumindest teilweises Versagen des Katalysator-Trägerkörpers aufgrund der im Abgassystem herrschenden hohen thermischen und dynamischen Belastung sein kann. Auch die spiralförmige Anordnung der Metallfolien ist nachteilig im Hinblick auf die im Abgassystem herrschenden Vibrationen, die insbesondere ihren Ursprung in dem intermittierenden Verbrennungsprozess in der Verbrennungskraftmaschine haben, welche sich periodisch durch das Abgassystem fortsetzende Druckstöße zur Folge haben. Aufgrund der Tatsache, dass die Metallfolien wegen ihrer Spiralform eine relativ große Länge haben und nur mit jeweils einem Metallfolienende an dem Gehäuse befestigt sind, besteht die Gefahr des Teleskopierens, also des Verschiebens der Metallfolien in Strömungsrichtung zueinander, und/oder des Ablösens zumindest von Teilen der Metallfolien vom Gehäuse.

Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass die Metallfolien enormen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, die beispielsweise einerseits aus der Temperatur des Abgases selbst resultieren, wobei diese zunimmt, wenn der Katalysator- Trägerkörper näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Andererseits führt auch die chemische, katalytische Umsetzung zu einer Temperaturerhöhung des Katalysator-Trägerkörpers, da dieser im Allgemeinen exotherm abläuft, so dass unter Umständen Temperaturen erreicht werden, die deutlich höher als die Abgastemperatur selbst ist (bis über 1200°C). Sowohl die Temperaturänderung als auch die Schwingungszustände im Abgassystem ändern sich mit relativ großer Geschwindigkeit, wodurch die Belastung für den Katalysator-Trägerkörper weiter erhöht wird.

Im Hinblick auf die oben genannten Schwierigkeiten ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Katalysator-Trägerkörper anzugeben, der sich flexibel auch im Abgassystem eines Automobils unter extrem beengten Platzverhältnissen anordnen lässt und der dauerhaft den thermischen und dynamischen Belastungen im Abgassystem standhält. Weiterhin soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, welches einfach und kostengünstig die Herstellung eines solchen Katalysator- Trägerkörpers ermöglicht. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug anzugeben, mit dessen Hilfe schnell, einfach und preiswert ein Wabenkörper für einen Katalysator-Trägerkörper mit einer nicht-zylindrischen Gestalt hergestellt werden kann.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines einen metallischen Wabenkörper aufweisenden Katalysator-Trägerkörpers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Katalysator-Trägerkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Werkzeug zur Herstellung eines metallischen Wabenkörpers für einen Katalysator-Trägerkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest folgende Schritte:

- Herstellen mindestens eines Stapels mit mehreren abwechselnd angeordneten Blechlagen, die so strukturiert sind, dass für ein Fluid durchströmbare Kanäle gebildet werden;
- Umformen des mindestens einen Stapels zu einem zylindrischen Wabenkörper; und
- Verformen des Wabenkörpers, so dass eine von der zylindrischen Form abweichende äußere Gestalt erzeugt wird.

In diesem Zusammenhang sei zunächst darauf hingewiesen, dass es sich vorliegend nicht um einen Wabenkörper handelt, welcher aus spiralförmig aufgewickelten Metallfolien gebildet ist. Vielmehr wird hier eine Mehrzahl von Blechlagen, insbesondere Glattlagen und Welllagen so aufgebaut, dass mittels der Lagenenden die äußere Gestalt des Wabenkörpers gebildet ist. Das heißt insbesondere, dass alle Lagenenden der Glattlagen und/oder Welllagen radial außen angeordnet sind und derart einerseits die äußere Gestalt des Wabenkörpers begrenzen und gleichzeitig die Möglichkeit eröffnen, jede Lage mit beiden Enden an einem Gehäuse zu fixieren. Auf diese Weise wird das Teleskopieren der Lagen, wie es insbesondere bei der Spiralform auftreten kann, vermieden. Zur Ausgestaltung eines derartigen Wabenkörpers, insbesondere im Hinblick auf die Anordnung der Glattlagen und Welilagen zueinander, sei an dieser Stelle auf die Dokumente WO 90/03220, EP 0 245 737 und EP 0 831 969 verwiesen, deren Offenbarungsinhalt hier vollständig mit umfasst ist. Dort wird insbesondere eine S-förmige, U-förmige, V-förmige Anordnung der Glattlagen und Welllagen beschrieben.

Nach dem Stapeln der Glatt- und Welllagen sind im Wesentlichen geradlinige und sich über die gesamte Länge des Stapels erstreckende Kanäle gebildet. Nun wird der mindestens eine Stapel zumindest teilweise gebogen, gewunden oder gewickelt, so dass insgesamt ein Wabenkörper mit einer zylindrischen Form gebildet ist. Mit zylindrischer Form ist dabei im Wesentlichen die Ausgestaltung der Mantelfläche des Wabenkörpers gemeint, welche vorzugsweise alle Lagenenden der Glatt- und Welilagen umfasst. Die Umformung des Stapels zunächst zu einem zylindrischen Körper hat den Vorteil, dass eine relativ homogene Spannung innerhalb des Wabenkörpers bewirkt werden kann, wobei auf bekannte und bewährte Werkzeuge, Vorrichtungen und Verfahren zurückgegriffen werden kann. Diese haben bereits im Rahmen einer automatisierten Fertigung eine hohe Prozesssicherheit erreicht. Bei der Herstellung des Wabenkörpers mit dem zylindrischen Körper werden bereits Stirnseiten definiert, die einen vorgebbaren Flächeninhalt aufweisen. Diese sind im Wesentlichen kreisrund ausgeführt und weisen einen bestimmten Durchmesser auf.

Nun wird durch Verformen des zylindrischen Körpers eine hiervon abweichende äußere Gestalt des Wabenkörpers erzeugt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich der Flächeninhalt der Stirnflächen vor und nach der Deformierung des Wabenkörpers nicht ändert, also im Wesentlichen konstant bleibt. Die Deformierung erfolgt vorzugsweise über die Mantelfläche des Körpers, so dass nach der Verformung beispielsweise ovale, elliptische oder sonstige äußere Gestalten generiert werden. Dabei erfolgt vorzugsweise lediglich eine zumindest teilweise Relativverschiebung der Glattlagen und Welllagen zueinander, insbesondere ohne eine Deformierung der Kanalstruktur bzw. der Kanaldichte. Um sicherzustellen, dass trotz dieser Relativbewegung der Welllagen und Glattlagen zueinander deren Lagenenden nahe der Mantelfläche des Wabenkörpers angeordnet sind, ist es unter Umständen vorteilhaft, die Glattlagen und Welliagen mit einer unterschiedlichen Länge auszuführen (Länge in radialer Richtung des Wabenkörpers).

Das zuvor beschriebene Verfahren ist besonders einfach und kostengünstig. Aufgrund der Tatsache, dass eine separate Deformierung des Wabenkörpers unabhängig von dem Gehäuse erfolgt, sind nur geringe Kräfte notwendig, um nahezu beliebige äußere Gestalten des Katalysator-Trägerkörpers herzustellen, solange gewisse Grenzen der Deformierbarkeit nicht überschritten werden. Typischerweise können Abweichungen von der Zylinderform von 10 bis 20% des Zylinderdurchmessers gut erreicht werden. Somit können die Katalysator-Trägerkörper einfach an die entsprechenden Platzverhältnisse in Kleingeräten oder im Motorraum bzw. nahe dem Unterboden eines Automobils angepasst werden. Bisher war die Fachwelt davon ausgegangen, dass sich vollständig ausgefüllte Wabenkörper nicht wesentlich in ihrer Querschnittsform verformen lassen, sondern in direkt in der gewünschten Endform hergestellt werden müssen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Verformen des Körpers mittels einer auf eine Mantelfläche des Körpers wirkenden Kraft, wobei diese vorzugsweise über einen Umfang der Mantelfläche ungleichmäßig verteilt eingeleitet wird. Um zu verhindern, dass eine Veränderung der Kanalstruktur bzw. eine Stauchung der Welllagen stattfindet, erfolgt die Krafteinwirkung zunächst lediglich in einem vorgegebenen Umfangsabschnitt, wobei die Lagen in Folge einer Relativbewegung zueinander in hiervon beabstandete Umfangsbereiche ausweichen. Dabei ist in Richtung der Krafteinwirkung eine Reduzierung des Ausgangsdurchmessers der zylindrischen Form feststellbar.

Weiter wird vorgeschlagen, dass das Verformen des Körpers mittels eines Werkzeuges mit einem Eingangsquerschnitt und einem Ausgangsquerschnitt erfolgt, wobei der Eingangsquerschnitt im Wesentlichen kreisförmig ist und der Ausgangsquerschnitt einem Querschnitt der zu fertigenden äußeren Gestalt einspricht, wobei der Körper durch das Werkzeug von dem Eingangsquerschnitt hin zu dem Ausgangsquerschnitt hindurchgeführt wird. Das Werkzeug weist dabei eine stetige Innenfläche auf, so dass ein schonender Übergang von dem zylindrischen Körper hin zur gewünschten äußeren Gestalt des Wabenkörpers stattfindet. Dieser Verfahrensschritt ist besonders einfach und kostengünstig, da der vorbereitete Wabenkörper mit seiner zylindrischen Form lediglich durch das Werkzeug hindurchgeschoben werden muss bzw. das Werkzeug über den Wabenkörper geführt werden muss. Eine elliptische, ovale oder sonstige Form wird demnach durch eine einfache Relatiwerschiebung von Werkzeug und Wabenkörper bewirkt.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Glattlagen und die Welllagen zumindest bei dem zylindrischen Körper S-förmig gebogen sind, wobei diese S-förmige Anordnung der Glattlagen und Welllagen vorzugsweise auch nach der Verformung des Körpers vorliegt. Zur Herstellung von Wabenkörpern mit S-förmig gebogenen Lagen sei an dieser Stelle auf US 4,923,109 verwiesen, deren Offenbarungsinhalt hier vollständig zum Gegenstand des Beschreibungsinhalts gemacht wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der zylindrische Körper nur teilweise verformt, so dass die von dem zylindrischen Körper abweichende äußere Gestalt lediglich in einem Teilbereich in Richtung einer Achse des Wabenkörpers gebildet ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der Wabenkörper in einem Teilbereich einen wesentlichen zylindrischen Aufbau hat, während der restliche Teilbereich mit einer hiervon abweichenden äußeren Gestalt (oval, elliptisch oder dergleichen) ausgeführt ist. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, dass der Körper nur teilweise in ein Werkzeug mit unterschiedlichem Eintritts- und Austrittsquerschnitt hindurchgeführt und anschließend in entgegengesetzter Richtung wieder herausgeführt wird. In Folge dieses Fertigungsschrittes sind auf einfache Weise eine Vielzahl unterschiedlicher äußerer Gestalten herstellbar.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wabenkörper mit seiner äußeren Gestalt nun zumindest teilweise in ein Mantelrohr eingeführt. Das Mantelrohr selbst ist bevorzugt einstückig ausgebildet, wobei die innere Begrenzungsfläche im Wesentlichen der äußeren Gestalt des Wabenkörpers entspricht. Das heißt auch, dass nun vorzugsweise alle Lagenenden der Glattlagen und Welllagen mit dem Mantelrohr in Kontakt sind, so dass eine Veränderung der äußeren Gestalt nun nicht mehr erfolgt.

Nun wird der zumindest teilweise im Mantelrohr eingeführte Wabenkörper nach bekannten Verfahren mit einem Lotmittel versehen und danach einer thermischen Behandlung zur Generierung von fügetechnischen Verbindungen zwischen den Glattlagen und den Welilagen sowie vorzugsweise auch zwischen dem Wabenkörper und dem Mantelrohr unterzogen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Katalysator-Trägerkörper vorgeschlagen, der insbesondere nach dem oben geschilderten Verfahren hergestellt wird. Dieser Katalysator-Trägerkörper umfasst einen metallischen Wabenkörper mit durch sich hindurch erstreckenden Kanälen, wobei der Wabenkörper eine Mehrzahl von Glattlagen und Welllagen mit Lagenenden umfasst. Die Lagen sind so aufgebaut, dass die Lagenenden eine äußere Gestalt des Wabenkörpers bilden und der Wabenkörper eine erste Stirnseite mit einem ersten Flächeninhalt und eine zweite Stirnseite mit einem zweiten Flächeninhalt hat. Der Katalysator- Trägerkörper zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Stirnseite und die zweite Stirnseite betragsmäßig einen gleichen Flächeninhalt aufweisen, allerdings nicht deckungsungleich sind. Das heißt beispielsweise, dass die erste Stirnseite oval und die zweite Stirnseite kreisrund ausgeführt ist. Beiden Stirnseiten weisen den gleichen Flächeninhalt auf, allerdings würden sich die äußeren Ränder der Stirnseiten bei einer direkten Überlagerung schneiden. Wie bereits bei dem oben geschilderten Verfahren erläutert, kann ein solcher Wabenkörper zunächst einen zylindrischen Teilbereich aufweisen, an den sich direkt ein beispielsweise ovaler Teilbereich anschließt. Solche Katalysator-Trägerkörper sind insbesondere dazu geeignet, in Verbindungselementen von beispielsweise Abgasrohren angeordnet zu werden. Auch Bereiche der Abgasleitungen mit Änderungen der Querschnittsform können nun als katalytisch aktiver Bereich im Abgassystem eingesetzt werden, indem ein so ausgeführter Katalysator-Trägerkörper dort angeordnet wird.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass der Katalysator-Trägerkörper eine erste Stirnfläche mit einer maximalen Ausdehnung und einer minimalen Ausdehnung hat, und die zweite Stirnfläche rund mit einem konstanten Durchmesser ausgeführt ist, wobei die maximale Ausdehnung und die minimale Ausdehnung höchstens um 30% vom Durchmesser abweichen. Die Begrenzung der "Deckungsungleichheit" soll gewährleisten, dass die Glattlagen und Welllagen bei der Deformierung, wie sie beispielsweise mit Bezug auf das Verfahren oben geschildert wurde, zum Knittern oder Reißen neigen. Auch Materialversprödung bzw. Kaltverfestigung kann so wirkungsvoll verhindert werden, um bei den hohen thermischen Belastungen später im Einsatz eine lange Lebensdauer des Katalysator- Trägerkörpers zu erreichen. Deshalb ist eine Abweichung vom Durchmesser Meiner 25%, insbesondere kleiner 20% und vorteilhafter Weise kleiner 15% bevorzugt. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die "Deckungsungleichheit" nicht ausschließlich in Folge von Fertigungstoleranzen, also im niedrigen Prozentbereich (z. B. kleiner 5%, insbesondere kleiner 2%, insbesondere kleiner 1%) liegt.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Werkzeug zur Herstellung eines metallischen Wabenkörpers für einen Katalysator-Trägerkörper vorgeschlagen, das sich insbesondere in Verbindung mit dem oben vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung des Katalysator-Trägerkörpers eignet. Das Werkzeug dient zur Überführung eines metallischen Wabenkörpers mit einem zylindrischen Körper in eine davon abweichende äußere Gestalt. Das Werkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Eingangsquerschnitt und einem Ausgangsquerschnitt ausgeführt ist, wobei der Eingangsquerschnitt im Wesentlichen kreisförmig ist und der Ausgangsquerschnitt einen Querschnitt der zu fertigen äußeren Gestalt entspricht, wobei der Wabenkörper durch das Werkzeug von dem Eingangsquerschnitt hin zu dem Ausgangsquerschnitt hindurch geführt werden kann. Dabei ist es vorteilhaft, dass der Ausgangsquerschnitt eine maximale Weite und eine minimale Weite hat, und der Eingangsquerschnitt eine Abmessung aufweist, wobei die maximale Weite und die minimale Weite höchstens um 30% von der Abmessung abweicht. Die Innenfläche des Werkzeuges von dem Ausgangsquerschnitt hin zum Eingangsquerschnitt ist vorzugsweise stetig, das heißt, dass im Wesentlichen geradlinige Konturen verwendet werden, um eine übermäßige Deformierung bzw. Relatiwerschiebung der Glattlagen bzw. Welllagen zu vermeiden. Dabei ist es unter Umständen vorteilhaft, die Abweichung der Weiten im Hinblick auf die Abmessungen des Eingangsquerschnittes kleiner 20%, gegebenenfalls sogar kleiner 15%, auszuführen. Auch hier ist in der Regel erst von unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsquerschnitten auszugehen, wenn die Abweichung der Weiten den Bereich der Fertigungstoleranzen verlassen hat.

Weitere besonders bevorzugte Ausgestaltungen sowie Vorteile der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei ist festzuhalten, dass die dargestellten Ausgestaltungen lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, welche die Erfindung nicht begrenzen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine stirnseitige Ansicht einer Ausgestaltung eines Wabenkörpers in zylindrischer Form;

Fig. 2 eine Ausgestaltung eines Wabenkörpers mit einer elliptischen äußeren Gestalt;

Fig. 3a, 3b, 3c schematisch weitere Ausgestaltungen der äußeren Gestalt eines Wabenkörpers;

Fig. 4a, 4b, 4c perspektivisch einige Ausgestaltungen eines Wabenkörpers;

Fig. 5 schematisch eine Detailansicht eines Katalysator- Trägerkörpers im Schnitt;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeuges;

Fig. 7 eine Schnittansicht des in Fig. 6 dargestellten Werkzeuges; und

Fig. 8 schematisch eine Ausgestaltung eines Verfahrens zur Herstellung eines deformierten Wabenkörpers.

Fig. 1 zeigt schematisch in einer Draufsicht eine Ausgestaltung eines Wabenkörpers 2 mit zylindrischer Form 9. Der Wabenkörper 2 umfasst eine Mehrzahl von Glattlagen 3 und Welllagen 4, wobei in der Fig. 1 lediglich eine Glattlage 3 und eine Welllage 4 exemplarisch dargestellt sind. Die Glattlagen 3 und Welllagen 4 sind um Wickelpunkte 28 herum angeordnet, wobei die Lagenenden 5 der Glattlagen 3 und Welilagen 4 alle radial außen angeordnet sind, so dass diese die Mantelfläche 10 des Wabenkörpers 2 bilden. Der Wabenkörper 2 in seiner zylindrischen Form 9 hat einen Durchmesser 24 sowie einen Umfang 11, weiterhin lässt sich der Wabenkörper 2 auch durch zwei Hauptachsen 29 beschreiben, wobei eine Hauptachse 29 durch die Wickelpunkte 28 verläuft und die zweite Hauptachse 29 mit einem Achswinkel 30 von 90° zur ersten Hauptachse 29 angeordnet ist.

Während Fig. 1 die zylindrische Form vor der Deformierung darstellt, zeigt Fig. 2 die äußere Gestalt 6 des Wabenkörpers 2 nach der Verformung. Die äußere Gestalt 6 ist hierbei elliptisch ausgeführt. Parallel zu den Hauptachsen 29 weist der Wabenkörper 2 nun eine maximale Ausdehnung 22 und eine minimale Ausdehnung 23 auf. Die maximale Ausdehnung 22 und die minimale Ausdehnung 23 weichen hierbei höchstens um 30% vom Durchmesser 24 der zylindrischen Form 9 ab. Bei dem hier vorgeschlagenen Herstellungsverfahren lässt sich insbesondere ein Wabenkörper herstellen, bei dem eine spezielle Anordnung der Wickelpunkte 28 in Relation zur maximalen Ausdehnung 22 in Richtung der zweiten Hauptachse 29 erkennen lässt. Die Wickelpunkte 28 liegen nämlich außerhalb dieser zweiten Hauptachse 29, welche die maximale Ausdehnung 22 bildet. Insbesondere liegen die Wickelpunkte 28 außerhalb eines Öffnungswinkels 31 größer 10°, insbesondere größer 40°, bevorzugt größer 90°.

Fig. 3a zeigt schematisch eine äußere Gestalt des Wabenkörpers, der "Race- Track" genannt wird. Diese Gestalt weist zwei Halbkreise mit einem konstanten Radius 32 auf, welche durch einen geradlinig verlaufenden Abschnitt 34 verbunden sind. Eine weitere Ausgestaltung des Wabenkörpers 2 ist in Fig. 3b dargestellt. Dort wird die äußere Gestalt durch zwei beispielsweise elliptische Randbereiche gebildet, welche durch einen Abschnitt mit einer Krümmung 33 verbunden werden. Die Krümmung 33 kann dabei in die gleiche Richtung oder aber (wie dargestellt) entgegengesetzt ausgerichtet sein. Fig. 3c zeigt eine äußere Gestalt gemäß eines Ovals bzw. einer Eilinie. Die äußere Gestalt 6 ist hier als geschlossene ebene Kurve dargestellt, deren Krümmung überall positiv ist. Die gegenüberliegenden Scheitelbereiche weisen unterschiedliche Radien 32 auf. Die in den Fig. 3a, 3b und 3c dargestellten äußeren Gestalten 6 stellen lediglich eine Basis für eine Vielzahl von Varianten dar, die sich für den Fachmann in naheliegender Weise aus den Darstellungen ergeben, insbesondere ist die Kombination einzelner Merkmale der gezeigten Anordnungen miteinander möglich.

Fig. 4a zeigt einen Wabenkörper 2 in zylindrischer Form 9. Der Wabenkörper 2 weist dabei runde Stirnseiten mit einem vorgegebenen Flächeninhalt 21 auf Zwischen den Stirnseiten 19 und 20 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu einer Achse 16 die Kanäle 8 (nicht dargestellt). Fig. 4b zeigt einen deformierten Wabenkörper 2 mit einer äußeren Gestalt 6, welche einen ovalen Qeuerschnitt aufweist. Fig. 4c zeigt einen nur teilweise umgeformten Wabenkörper 2. Nahe einer ersten Stirnseite 19 mit einem ersten Flächeninhalt 21 weist der Wabenkörper 2 über einen Teilbereich 15 in Richtung der Achse 16 eine beispielsweise elliptische äußere Gestalt 6 auf. In einem Teilbereich zwischen der zweiten Stirnseite 20 mit dem zweiten Flächeninhalt 42 und dem deformierten Teilbereich 15 ist der Wabenkörper 2 in zylindrischer Form 9 ausgeführt.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Detailansicht einer Ausgestaltung eines Katalysator-Trägerkörpers. Dargestellt ist hier der Grenzbereich von Wabenkörper 2 und Mantelrohr 17. Der Wabenkörper 2 umfasst Glattlagen 3 und Welilagen 4, welche im Inneren des Mantelrohres 17 angeordnet sind. Durch die Struktur der Welllagen 4 werden Kanäle 8 gebildet, welche sich im Wesentlichen parallel zur Achse 16 erstrecken. Die Lagen 3, 4 miteinander bzw. die Lagen 3, 4 mit dem Mantelrohr 17 weisen fügetechnische Verbindungen 18 auf, welche insbesondere als Lotverbindung ausgeführt sind. Die Lagen 3, 4 sind in der Regel hochtemperatur- und korrosionsfeste Metallfolien (umfassend zumindest die Elemente Chrom, Aluminium, Eisen) und weisen jeweils eine Lagendicke 36 auf, welche bevorzugt kleiner 30 µm, insbesondere kleiner 20 µm, vorzugsweise kleiner 15 µm beträgt. Das (metallische) Mantelrohr 17 weist eine Manteldicke 35 auf, die größer als die Lagendicke ausgeführt ist, insbesondere liegt die Manteldicke in einem Bereich von 0,8 mm bis 2 mm. Die Kanäle 8 bzw. die Lagen 3, 4 weisen eine Beschichtung 37 mit Katalysatoren 38 auf, die eine chemische Umsetzung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe beschleunigen sollen bzw. diese schon bei niedrigeren Temperaturen in Gang setzen (ca. 300°C).

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Ausgestaltung eines Werkzeugs 12 zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers 1. In der dargestellten Ausführungsform ist das Werkzeug 12 ringförmig ausgebildet und weist einen im Wesentlichen runden Eingangsquerschnitt 13 und einen nahezu elliptischen Ausgangsquerschnitt 14 auf. Der kreisrunde Eingangsquerschnitt 13 ist durch die Abmessung 27 eindeutig beschrieben. Zur Beschreibung der Ellipsenform des Ausgangsquerschnittes 14 dienen die maximale Weite 25 und die minimale Weite 26. Die Umformung bzw. Verformung des Wabenkörpers (nicht dargestellt) erfolgt in der Weise, dass dieser beim Hindurchschieben zunächst durch den im Wesentlichen kreisrunden Eingangsquerschnitt 13 fixiert wird. Indem der Wabenkörper weiter in Richtung der Pfeile 13 gedrückt bzw. geschoben wird, werden die Lagen bzw. deren Enden mittels der Innenfläche 40 des Werkzeugs 12 in die gewünschte äußere Gestalt gezwungen. Für den Fall, dass der herzustellende Katalysator-Trägerkörper einen über die gesamte axiale Länge gleichmäßig ausgebildeten euerschnitt aufweisen soll, ist dieser komplett durch das Werkzeug 12 in Richtung der Pfeile 39 hindurch zu schieben und auf dem Ausgangsquerschnitt 14 zu entnehmen.

Fig. 8 zeigt schematisch eine Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers 1. Im ersten Schritt werden Glattlagen 3 und Welllagen 4 abwechselnd so zu einem Stapel 7 angeordnet, dass für ein Abgas durchströmbare Kanäle 8 gebildet werden. Nachfolgend werden, wie in Schritt 2 dargestellt, mehrere Stapel 7 mittels Formsegmenten 41 zu einem zylindrischen Wabenkörper 2 geformt. Diese zylindrische Form 9 wird anschließend in Richtung der Pfeile 39 durch ein Werkzeug 12 hindurch geschoben, so dass eine von der zylindrischen Form abweichende äußere Gestalt 6 des Wabenkörpers 2 generiert wird (siehe Schritt 3). Gemäß Schritt 4 wird der Wabenkörper 2 mit der äußeren Gestalt 6 nun in ein Mantelrohr 17 zumindest teilweise eingefügt. Der so vorbereitere Katalysator-Trägerkörper 1 kann nun mit Haftmittel und/oder Lotmittel versehen, seine Komponenten zueinander ausgerichtet und einer thermischen Behandlung unterzogen werden. Bezugszeichenliste 1 Katalysator-Trägerkörper
2 Wabenkörper
3 Glattlage
4 Welllage
5 Lagenende
6 Gestalt
7 Stapel
8 Kanal
9 zylindrische Form
10 Mantelfläche
11 Umfang
12 Werkzeug
13 Eingangsquerschnitt
14 Ausgangsquerschnitt
15 Teilbereich
16 Achse
17 Mantelrohr
18 Verbindung
19 Erste Stirnseite
20 Zweite Stirnseite
21 Erster Flächeninhalt
22 Maximale Ausdehnung
23 Minimale Ausdehnung
24 Durchmesser
25 Maximale Weite
26 Minimale Weite
27 Abmessung
28 Wickelpunkt
29 Hauptachse
30 Achswinkel
31 Öffnungswinkel
32 Radius
33 Krümmung
34 Abschnitt
35 Manteldicke
36 Lagendicke
37 Beschichtung
38 Katalysator
39 Pfeil
40 Innenfläche
41 Formsegment
42 Zweiter Flächeninhalt

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines einen metallischen Wabenkörper (2) umfassenden Katalysator-Trägerkörpers (1), wobei der Wabenkörper (2) aus einer Mehrzahl Blechlagen (3, 4), insbesondere von Glattlagen (3) und Welllagen (4), mit Lagenenden (5) so aufgebaut ist, dass mittels der Lagenenden (5) ein äußere Gestalt (6) des Wabenkörpers (2) gebildet ist, bei dem zumindest die folgenden Schritte umfasst sind:

- Herstellen mindestens eines Stapels (7) mit mehreren abwechselnd angeordneten Blechlagen (3, 4), die so strukturiert sind, dass für ein Fluid durchströmbare Kanäle (8) gebildet werden;

- Umformen des mindestens einen Stapels (7) zu einem Wabenkörper (2) mit einer zylindrischen Form (9);

- Verformen des Wabenkörpers (2), so dass eine von der zylindrischen Form (9) abweichende äußere Gestalt (6) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verformen des Wabenkörpers (2) aus der zylindrischen Form (9) mittels einer auf eine Mantelfläche (10) des Wabenkörpers (2) wirkenden Kraft erfolgt, wobei diese vorzugsweise über einen Umfang (11) der Mantelfläche (10) ungleichmäßig verteilt eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verformen des Wabenkörpers (2) aus der zylindrischen Form (9) mittels eines Werkzeugs (12) mit einem Eingangsquerschnitt (13) und einem Ausgangsquerschnitt (14) erfolgt, wobei der Eingangsquerschnitt (13) im wesentlichen kreisförmig ist und der Ausgangsquerschnitt (14) einem Querschnitt der zu fertigenden Gestalt (6) entspricht, wobei der Wabenkörper (2) durch das Werkzeug (12) von dem Eingangsquerschnitt (13) hin zu dem Ausgangsquerschnitt (14) hindurch geführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Glattlagen (3) und die Welllagen (4) zumindest in der zylindrischen Form (9) S-förmig gebogen sind, wobei diese S-förmige Anordnung der Glattlagen (3) und Welllagen (4) vorzugsweise auch nach der Verformung des Wabenkörpers (2) vorliegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zylindrische Form (9) nur teilweise verformt wird, so dass die von der zylindrischen Form (9) abweichende äußere Gestalt (6) lediglich in einem Teilbereich (15) in Richtung einer Achse (16) des Wabenkörpers (2) gebildet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zylindrische Form(9) nur teilweise in ein Werkzeug (12) mit unterschiedlichem Eintritts- (13) und Austrittsquerschnitt (14) hindurchgeführt und anschließend in entgegengesetzter Richtung wieder herausgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wabenkörper (2) mit seiner äußeren Gestalt (6) anschließend in ein Mantelrohr (17) zumindest teilweise eingeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der zumindest teilweise im Mantelrohr (17) eingeführte Wabenkörper (2) mit einem Lotmittel versehen und danach einer thermischen Behandlung zur Generierung von fügetechnischen Verbindungen (18) zwischen den Glattlagen (3) und den Weillagen (4) sowie vorzugsweise auch zwischen dem Wabenkörper (2) und dem Mantelrohr (17) unterzogen wird.

9. Katalysator-Trägerkörper (1), insbesondere ein nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellter Katalysator-Trägerkörper (1), Umfassend einen metallischen Wabenkörper (2) mit durch sich hindurch erstreckenden Kanälen (8), wobei der Wabenkörper (2) eine Mehrzahl von Glattlagen (3) und Welilagen (4) mit Lagenenden (5) umfasst und so aufgebaut ist, dass diese Lagenenden (5) eine äußere Gestalt (6) des Wabenkörpers (2) bilden, und der Wabenköper (2) eine erste Stirnseite (19) mit einem ersten Flächeninhalt (21) und eine zweite Stirnseite (20) mit einem zweiten Flächeninhalt (42) hat, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnseite (19) und die zweite Stirnseite (20) betragsmäßig einen gleichen Flächeninhalt (21, 42) aufweisen, allerdings deckungsungleich sind.

10. Katalysator-Trägerkörper (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnfläche (19) eine maximale Ausdehnung (22) und eine minimale Ausdehnung (23) hat und die zweite Stirnfläche (20) rund ist und einen Durchmesser (24) hat, wobei die maximale Ausdehnung (22) und die minimale Ausdehnung (23) höchstens um 30% vom Durchmesser (24) abweichen.

11. Werkzeug (12) zur Herstellung eines metallischen Wabenkörpers (2) für einen Katalysator-Trägerkörper (1), wobei der Wabenkörper (2) mit dem Werkzeug (12) von einer zylindrischen Form (9) in eine davon abweichende äußere Gestalt (6) überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (12) mit einem Eingangsquerschnitt (13) und einem Ausgangsquerschnitt (14) ausgeführt ist, wobei der Eingangsquerschnitt (13) im wesentlichen kreisförmig ist und der Ausgangsquerschnitt (14) einem Querschnitt der zu fertigenden äußeren Gestalt (6) entspricht, wobei der Vabenkörper (2) durch das Werkzeug (12) von dem Eingangsquerschnitt (13) hin zu dem Ausgangsquerschnitt (14) hindurchgeführt werden kann.

12. Werkzeug (12) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsquerschnitt (14) eine maximale Weite (25) und eine minimale Weite (26) hat und der Eingangsquerschnitt (13) eine Abmessung (27) aufweist, wobei die maximale Weite (25) und die minimale Weite (26) höchstens um 30% von der Abmessung (27) abweicht.