DE10313155B4 - Verfahren zur Herstellung eines Abgaskatalysators - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Abgaskatalysators (10), der ein eine katalytische Beschichtung aufweisendes Substrat (12) und einen zumindest bereichsweise das Substrat (12) umhüllenden Gehäusemantel (18) aus Mantelblech umfasst. Hierzu ist vorgesehen, dass (a) eine äußere Gestalt des von dem Gehäusemantel (18) zu umhüllenden Bereichs des Substrates (12) zumindest teilweise erfasst wird, (b) das Mantelblech entsprechend der erfassten Gestalt des Substrates (12) zugeschnitten und/oder vorgeformt wird, (c) das Substrat (12) in das zugeschnittene und/oder vorgeformte Mantelblech (18) eingebracht oder das zugeschnittene und/oder vorgeformte Mantelblech (18) um das Substrat (12) aufgebracht wird, und (d) das Mantelblech an aufeinander stoßenden Kanten im Wesentlichen überlappungsfrei verbunden wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Abgaskatalysators gemäß Anspruch 1.
- Katalysatoren für die Nachbehandlung von Abgasen, insbesondere solchen von Kraftfahrzeugen, umfassen als wesentliches Element ein von Luft durchströmbares Substrat, das mit einer katalytischen Beschichtung (dem so genannten Washcoat) versehen ist. Derartige Substrate besitzen in der Regel eine zylindrische Form mit ovalem oder kreisrundem Querschnitt und sind aufgrund kleiner Kanäle von dem Abgas in axialer Richtung durchströmbar. Das Substrat besteht üblicherweise aus einem porösen Keramikkörper (Keramikmonolith), oft auch aus einem gewickelten Metallkörper mit axialen Luftkanälen.
- Der Umfang des Substrates ist – mit Ausnahme der beiden Stirnflächen (Anström- und Abströmfläche) – von einem Gehäusemantel aus Mantelblech umgeben. Zum Zwecke der thermischen Isolierung und der Stoßdämpfung ist das Substrat ferner von einem zwischen Substrat und Mantelblech angeordneten Dämmmaterial umgeben. Dabei finden in der Regel Gestricke oder Matten Anwendung. Häufig werden Fasermatten verwendet, die sich bei hohen Temperaturen ausdehnen (Blähmatten) und somit die Temperaturausdehnung des Gehäusemantels kompensieren. Diese Mantelanordnung, bestehend aus Mantelblech und Dämmmaterial, wird auch als Canning bezeichnet. Die Substrate werden innerhalb dieser Anordnung durch eine Kombination von Druck und Reibung gehalten.
- Für den Zusammenbau von Substrat, Dämmmaterial und Mantel sind verschiedene Prozesse (Canning-Prozesse) wie Stopfprinzip, Schalentechnik oder Wickelprinzip bekannt. Bei der Wickeltechnik wird beispielsweise das Mantelblech entsprechend den vorgegebenen Soll-Abmessungen des Substrates zuzüglich einer gewissen ”Überlappungszugabe” zugeschnitten und das zugeschnittene und gegebenenfalls vorgewalzte Mantelblech um das mit dem Dämmmaterial umwickelte Substrat gewickelt. Anschließend wird das Mantelblech an der Überlappungsstelle verschweißt. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Mantelüberlappung an der Verbindungsstelle des Mantelblechs, die zu einem ungleichmäßigen Spaltmaß zwischen Substrat und Mantelblech führt und damit zu einer mechanischen Überbeanspruchung des Monolithen in dem Mantelüberlappungsbereich.
- Ein Verfahren nach dem vorstehend beschriebenen Wickelprinzip unter Erzeugung eines Überlappungsbereichs des das Gefüge aus Substart und Lagermatte umgebenden Mantelblechs ist beispielsweise aus
DE 698 27 161 T2 bekannt. AuchDE 100 18 805 A1 beschreibt ein nach dem Wickelprinzip arbeitendes Verfahren, wobei das dort verwendete Substrat einen polygonen Querschnitt mit stark abgerundeten Ecken aufweist. -
DE 26 27 597 U beschreibt ein Herstellungsverfahren für einen Abgaskatalysator nach dem Stopfprinzip. Dabei wird das Katalysatorsubstrat zunächst mit einer dämpfenden Hülle umwickelt und dieses Gefüge in ein zylindrisches Rohr eingelegt. Das Substrat wird durch zwei umlaufende Dämpfungsringe in seiner axialen Position fixiert und das offene Ende des zylindrischen Rohres radial nach innen umgebogen und mit einem Eingangstrichter verschweißt. - Ferner sind die bekannten Verfahren nicht in der Lage, einen genauen Umfang oder eine individuelle Form des Substrates zu berücksichtigen. Unvermeidliche Fertigungstoleranzen der äußeren Dimensionen des Substrates führen daher ebenfalls zu ungleichmäßigen Spaltmaßen und damit zur Nichteinhaltung einer gewünschten Dämmmaterialdichte zwischen Substratkörper und Mantelblech. All dies resultiert in einem erhöhten Ausschuss der Substrate bei der Fertigung und erfordert die Verwendung teurer, präzisionsgefertigter Substrate mit niedriger Toleranz. Zudem kann es im Falle eines zu großen Spaltmaßes beim späteren Betrieb des Katalysators aufgrund der extremen und stark variierenden Abgastemperaturen zu einer unerwünschten Lockerung und Verschiebung des Substrates innerhalb des Abgastraktes kommen, was häufig die Zerstörung des Substrates zur Folge hat.
-
DE 699 04 124 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Abgaskatalysators, bei dem zunächst die äußere Gestalt des Substrats mittels Laserabtastung an exemplarischen Bereichen vermessen wird, das Substart in eine Matte gewickelt wird und das Gefüge aus Substrat und Matte in ein übergroßes Mantelrohr eingebracht wird. Anschließend erfolgt entsprechend der erfassten Gestalt des Substrats eine Größenverringerung des Mantels. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Abgaskatalysators bereitzustellen, das die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
- (a) eine äußere Gestalt des von dem Gehäusemantel zu umhüllenden Bereichs des Substrates zumindest teilweise erfasst,
- (b) das Mantelblech entsprechend der erfassten Gestalt des Substrates zugeschnitten und optional vorgeformt,
- (c) das Substrat in das zugeschnittene und gegebenenfalls vorgeformte Mantelblech eingebracht oder das zugeschnittene und gegebenenfalls vorgeformte Mantelblech um das Substrat aufgebracht, und
- (d) das Mantelblech an seinen aufeinander stoßenden Kanten überlappungsfrei verbunden.
- Das Verfahren ermöglicht somit eine sehr genaue Berücksichtigung einer individuellen äußeren Kontur, insbesondere Umfang und Form jedes einzelnen Substrates, und eine auf das Substrat zugeschnittene präzise Anfertigung des Mantelblechs. Dies gestattet erfindungsgemäß die überlappungsfreie Verbindung des Mantelblechs und die Einhaltung eines gleichmäßigen Spaltmaßes zwischen Substrat und Mantelblech. Im Ergebnis können kostengünstigere Substrate mit größeren Fertigungstoleranzen Verwendung finden. Zusätzlich wird ein niedrigerer Ausschuss der Substrate aufgrund der reduzierten mechanischen Beanspruchung sowohl während des Canning-Prozesses als auch im späteren Betrieb bewirkt.
- Es ist bevorzugt vorgesehen, die Gestalt des Substrates maschinell zu erfassen, wodurch das Verfahren an Präzision und Schnelligkeit gewinnt. Dies kann vorzugsweise berührungsfrei, beispielsweise durch (computergestützte) Laserabtastung, Videoscannen und andere berührungsfreie Formerfassungsmethoden erfolgen.
- Wesentlich für die Herstellung ist, dass in erster Linie der später von dem Mantelblech zu umhüllende äußere Bereich des Substrates in relevanten Stellen erfasst wird, um die Maßanfertigung des Mantelblechs zu ermöglichen. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass zumindest ein Umfang des Substrates beziehungsweise sein Durchmesser berührungsfrei erfasst wird. Es ist besonders bevorzugt vorgesehen, einen Verlauf des Durchmessers über eine in Abgasströmungsrichtung axiale Länge des Substrates zu ermitteln, so dass beispielsweise eine gewisse lineare Verbreiterung, Verdrehung entlang der Achse oder Verjüngung (Konizität) des Substrats erfasst wird. Es kann darüber hinaus besonders vorteilhaft vorgesehen sein, nicht nur den Umfang hinsichtlich seines Radius, sondern auch eine komplexe äußere Form des Substrates, das heißt seine dreidimensionale Kontur, zu erfassen.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
- Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Aufbau eines Abgaskatalysators im Längsschnitt; -
2 einen Aufbau eines gemäß Stand der Technik hergestellten Abgaskatalysators im Querschnitt; -
3 ein Fließschema eines Verfahrensablaufs zur Herstellung eines Abgaskatalysators gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung und -
4 einen Aufbau eines erfindungsgemäß hergestellten Abgaskatalysators im Querschnitt. - Ein typischer Aufbau eines Abgaskatalysators ist in den
1 und2 schematisch dargestellt.1 zeigt den insgesamt mit10 bezeichneten Abgaskatalysator im Längsschnitt und2 einen herkömmlich gefertigten Katalysator10 im Längsschnitt gemäß dem in1 gezeigten Schnitt. - Wesentliches Element des Katalysators
10 ist ein Substrat12 , beispielsweise ein Keramikmonolith aus Cordierit. Das von vielen vom Abgas durchströmbaren Kanälen durchzogene Substrat12 ist Träger einer nicht dargestellten katalytisch aktiven Beschichtung, die sich aus dem so genannten Washcoat und einer Edelmetallkomponente zusammensetzt. Der Washcoat ist eine poröse Schicht aus Aluminiumoxid, welche der Vergrößerung der Substratoberfläche und der Edelmetallhaftung dient. Das Substrat12 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form mit ovalem Querschnitt (vergleiche2 ). In1 ist eine Anströmseite des Substrates12 mit Bezugzeichen14 und eine Abströmseite mit14' gekennzeichnet. - Das Substrat
12 ist von einem Dämmmaterial16 umwickelt. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine hochtemperaturbeständige Fasermatte, die bei hohen Temperaturen ausdehnende Zusatzstoffe enthält. - Substrat
12 und Dämmmaterial16 werden ferner an ihrem äußerem Umfang von einem Gehäusemantel18 aus Metallblech umhüllt. - Um die Einbaulage des Katalysators
10 in einem Abgastrakt eines Kraftfahrzeuges zu verdeutlichen, ist in1 ferner die Strömungsrichtung eines Abgasstroms20 angedeutet. - Nach herkömmlichen Canning-Verfahren erfolgt der Zusammenbau des Substrates
12 und des Cannings, bestehend aus dem Dämmmaterial16 und dem Gehäusemantel18 , indem zunächst das Substrat12 in eine zugeschnittene Fasermatte des Dämmmaterials16 gewickelt wird. Anschließend wird das in das Dämmmaterial16 gewickelte Substrat12 in das mit Übermaß zugeschnittene und gegebenenfalls vorgewalzte Mantelblech gewickelt. Schließlich erfolgt eine Verschweißung des Mantelbleches im Überlappungsbereich22 (vergleiche2 ). - Diese Vorgehensweise führt zu dem unerwünschten Effekt, dass unterhalb der Überlappungsstelle
22 ein vorgegebenes Spaltmaß zwischen Substrat12 und Gehäusemantel18 nicht eingehalten wird, insbesondere unterschritten wird (siehe Pfeil in2 ). Typische Spaltmaße variieren von 2,7 mm bis 3,8 mm und hängen von dem Flächengewicht [g/m2] und der Art [Faser oder Blähmatte] der Matte ab. Ferner berücksichtigt das Verfahren keinerlei fertigungsbedingte Abweichungen des Umfanges des Substrates12 von einem gewünschten Maß. Sowohl Überlappungsstelle22 als auch Fertigungstoleranzen des Substrates12 führen zu unregelmäßigen Spaltmaßen zwischen Substrat12 und dem Gehäusemantel18 sowie zu einer Nichteinhaltung einer gewünschten Materialdichte des Dämmmaterials16 . Aufgrund der hierdurch bedingten mechanischen Belastung des Substrates12 während des Canning-Prozesses und beim Zusammenbau des Katalysators10 kommt es zum Zusammenbruch einiger Substratzellen bis schließlich zur kompletten Zerstörung des Substrates im späteren Betrieb. Um dies zu vermeiden, ist man herkömmlich darauf angewiesen, teure Substrate12 mit geringen Fertigungstoleranzen zu verwenden. - Um diese Nachteile zu überwinden, wurde erfindungsgemäß ein neues Herstellungsverfahren für den Katalysator
10 entwickelt, dessen Ablauf in einem Fließschema in3 wiedergegeben ist. Das Verfahren beginnt mit Schritt S1, in dem eine äußere Kontur des Substrates12 zumindest bereichsweise maschinell erfasst wird. Insbesondere wird der später von dem Gehäusemantel18 zu umhüllende äußere Umfang des Substrates12 bestimmt. Beispielsweise kann hierbei ein über den Abgasweg sich verjüngender Querschnitt des Substrates12 erfasst werden. Die Erfassung erfolgt vorzugsweise computergesteuert mit einem berührungslosen System. - Im anschließenden Schritt S2 erfolgt der Zuschnitt des für den Gehäusemantel
18 dienenden Mantelbleches entsprechend der zuvor erfassten Form des Substrates12 . Dabei wird das gewünschte Spaltmaß zwischen Substrat12 und Gehäusemantel18 in Form einer gewissen (berechneten) Materialzugabe berücksichtigt. Die Abmessungen des Zuschnitts werden computergestützt ermittelt, wobei die im Schritt S1 ermittelte dreidimensionale äußere Form des Substrates12 in die entsprechende zweidimensionale Fläche umgesetzt wird. Auch der Vorgang des Zuschneidens erfolgt vorzugsweise automatisch. Das Maßermitteln und dem entsprechend das Zuschneiden kann in einen voll automatischen Canning-Prozess eingebunden werden. - In einem optionalen Schritt S3 kann eine Vorformung des Mantelbleches erfolgen. Dabei kann insbesondere durch Walzen eine Vorkrümmung des Mantelbleches erzeugt werden.
- Anschließend erfolgt in Schritt S4 der Zusammenbau von Substrat
12 , Dämmmaterial16 und Mantelblech18 . Dabei wird das Substrat12 in das zugeschnittene Dämmmaterial16 gewickelt. Anschließend wird diese Einheit in das zugeschnittene und vorgeformte Mantelblech eingebracht beziehungsweise von diesem umwickelt. - Schließlich erfolgt in Schritt S5 die Verbindung der Stoßkanten des Mantelbleches zu dem Gehäusemantel
18 . Dabei werden die aneinander stoßenden Kanten des Mantelbleches überlappungsfrei (auf Stoß) miteinander verbunden, insbesondere verschweißt. Das Verschweißen kann beispielsweise durch Laserschweißen erfolgen. - Die gesamte in
3 dargestellte Prozedur wird für jedes einzelne Substrat12 durchgeführt. Auf diese Weise erhält jedes individuelle Substrat12 einen quasi maßgeschneiderten Gehäusemantel18 . - Das vorteilhafte Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in
4 erkennbar, wo ein so hergestellter Katalysator10 im Querschnitt dargestellt ist. Dabei sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den1 und2 bezeichnet. Der auf diese Weise hergestellte Katalysator10 zeichnet sich insbesondere durch ein über den gesamten Substratumfang gleichmäßiges Spaltmaß zwischen Substrat12 und Gehäusemantel18 aus. Insbesondere weist auch das unter der Schweißstelle24 liegende Spaltmaß keinerlei Einengung gegenüber den übrigen Bereichen auf. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Abgaskatalysator
- 12
- Substrat
- 14
- Anströmseite
- 16
- Dämmmaterial/Matte
- 18
- Gehäusemantel
- 20
- Abgasstrom
- 22
- Überlappungsbereich
- 24
- Schweißstelle
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines Abgaskatalysators (
10 ), der ein eine katalytische Beschichtung aufweisendes Substrat (12 ) und einen zumindest bereichsweise das Substrat (12 ) umhüllenden Gehäusemantel (18 ) aus Mantelblech umfasst, wobei (a) eine äußere Gestalt des von dem Gehäusemantel (18 ) zu umhüllenden Bereichs des Substrates (12 ) zumindest teilweise erfasst wird, (b) das Mantelblech entsprechend der erfassten Gestalt des Substrates (12 ) zugeschnitten und optional vorgeformt wird, (c) das Substrat (12 ) in das zugeschnittene und gegebenenfalls vorgeformte Mantelblech (18 ) eingebracht oder das zugeschnittene und gegebenenfalls vorgeformte Mantelblech (18 ) um das Substrat (12 ) aufgebracht wird, und (d) das Mantelblech an aufeinander stoßenden Kanten überlappungsfrei verbunden wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Gestalt des Substrates (
12 ) maschinell erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Gestalt des Substrates (
12 ) berührungsfrei, insbesondere durch Laserabtastung, Videoscannen oder andere berührungsfreie Formerfassungen erfolgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Gestalt zumindest einen Umfang des Substrates (
12 ) in Abgasströmungsrichtung beinhaltet. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf des Umfangs über eine Länge des Substrates (
12 ) in Abgasströmungsrichtung erfasst wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Form des Substrates (
12 ) erfasst wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator einen zumindest bereichsweise zwischen Substrat (
12 ) und Gehäusemantel (18 ) angeordnetes Dämmmaterial (16 ) umfasst und vor dem Aufbringen des zugeschnittenen und/oder vorgeformten Mantelblechs das Substrat (12 ) mit dem Dämmmaterial umwickelt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Zuschnitt des Mantelblechs ein vorgebbares Spaltmaß zwischen Substrat (
12 ) und Gehäusemantel (18 ) berücksichtigt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschnitt des Mantelblechs automatisiert, insbesondere computergesteuert erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der aufeinander stoßenden Kanten des Mantelblechs (
18 ) durch Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen, erfolgt.
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