DE102007001613A1

DE102007001613A1 - Verfahren zur Herstellung einer Abgasnachbehandlungseinheit

Info

Publication number: DE102007001613A1
Application number: DE200710001613
Authority: DE
Inventors: Marco Kollmeier; Christian Dr. Smatloch
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-01-04
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2027-01-05
Also published as: DE102007001613B4

Abstract

Die Erfindung erläutert ein Verfahren zur Herstellung einer Abgasnachbehandlungseinheit, welche ein rohrförmiges Gehäuse 4 und einen darin angeordneten, von einer Lagermatte 3 umgebenen Katalysatorkörper 2 aufweist. Zur Herstellung der Abgasnachbehandlungseinheit 1 werden die Außenmaße des Katalysatorkörpers 2 vermessen. Des Weiteren wird die Lagermatte 3 gewogen und vermessen. Anschließend werden die gewonnenen Daten zur Bestimmung der optimalen Gehäusegröße in Bezug auf die Dichte und Abmessungen der montierten Lagermatte 3 herangezogen. Der Gehäuseinnenradius g<SUB>ri</SUB> wird so bestimmt, dass abhängig vom gemessenen Radius des Katalysatorkörpers 2 und der Ausgangsdichte und -höhe der Lagermatte 3 der Kompressionsweg der Lagermatte 3 zur Erzielung einer konstanten Mattenanpressdichte GBD im gestopften Zustand dimensioniert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Abgasnachbehandlungseinheit, welche ein rohrförmiges Gehäuse und einen darin angeordneten, von einer Lagermatte umgebenen Katalysatorkörper aufweist.
Zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren kommen Katalysatoren und Dieselpartikelfilter, vorliegend Abgasnachbehandlungseinheit genannt, zum Einsatz. Hierdurch können die Schadstoffemmissionen im Abgas deutlich reduziert werden. Bei bekannten Abgasnachbehandlungseinheiten ist der vom Abgas des Verbrennungsmotors durchströmte Katalysatorkörper üblicherweise durch einen mit einem katalytisch wirksamen Material versehenen Monolithen in keramischer oder metallischer Bauweise gebildet. Der Katalysatorkörper ist mit einer Lagermatte umwickelt, welche die Aufgabe hat, den Katalysatorkörper in einem Gehäuse zu lagern.
Bei der Herstellung von Katalysatoren und Dieselpartikelfiltern auf Basis von zylindrischen Katalysatorkörpern werden der sogenannte Canning-Prozess, also das Lagern des Katalysatorkörpers mittels Matten und das Umschließen des Katalysatorkörpers mittels eines Stahlmantels auf unterschiedliche Art und Weise umgesetzt. Ein bevorzugtes Verfahren ist das sogenannte Stuffing, das Stopfen von Katalysatorkörpern in vorgefertigte Rohrkörper. Dabei wird der mit der Lagermatte umwickelte Katalysatorkörper zur Montage mit einem Werkzeug radial zusammen gepresst und in den Rohrkörper eingeführt. Im Rohrkörper entspannt sich die Lagermatte und der Katalysatorkörper sitzt fest. Die Einschubkräfte werden gemessen und dürfen einen festgelegten Sollwert nicht über- oder unterschreiten. Kritisch hierbei sind die Form- und Lagetoleranzen des Katalysatorkörpers und der Lagermatte im Verhältnis zum relativ konstanten Rohrkörperdurchmesser. Übermaße des Katalysatorkörpers führen entweder zu einer nicht möglichen Montage oder zu nachteilig hohen Anpresskräften auf den gestopften Katalysatorkörper bzw. zu einer zu hohen Verdichtung der Lagermatte. Untermaße führen zu einer zu losen Lagerung und erfordern dickere Lagermatten. In beiden Fällen wirkt sich dies negativ auf die Lebensdauer der Abgasbehandlungseinheit aus.
Um die vorgeschilderten Nachteile zu vermeiden, sind verschiedene Ansätze im Stand der Technik bekannt. Das Verfahren gemäß der DE 44 39 974 A2 bzw. der EP 0 703 354 B1 sieht eine Anpassung des Rohrgehäusemaßes auf einen konstanten Lagerspalt durch Aufkalibrieren bzw. Aufweiten eines vorgefertigten Rohres vor, welches einstückig mit einem kleineren Querschnitt hergestellt ist. Eine ähnliche Technologie verfolgt die EP 0 681 095 B1 .
In der DE 199 45 350 A1 wird vorgeschlagen, ein im Querschnitt rundes, ovales oder polygones Rohr aus zwei vorzugsweise identischen Rohrformteilen vorzufertigen, wobei die Rohrformteile nach Einbringen des Katalysatorkörpers bzw. Monolithen nebst Lagermatte zu einem Rohr zusammengesetzt und dann nach Einstellung des konstanten Lagerspalts beidseitig längsverschweißt werden.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, den Sitz eines Katalysatorkörpers und die Mattendichte im Gehäuse der Ab gasnachbehandlungseinheit zu verbessern sowie eine rationelle Herstellung der Abgasnachbehandlungseinheit zu ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Erfindungsgemäß werden zur Herstellung der Abgasnachbehandlungseinheit die Außenmaße des Katalysatorkörpers vermessen. Des Weiteren wird das Gewicht der aus einem Gewebe bestehenden Lagermatte bestimmt, welche um den Katalysatorkörper gewickelt werden soll. Die Lagermatte wird gewogen und vermessen, so dass auch die Dichte der Lagermatte bestimmt werden kann. Anschließend werden die gewonnenen Daten zur Bestimmung der optimalen Gehäusegröße in Bezug auf die Dichte der montierten Lagermatte herangezogen. In diesen Prozess wird die gewünschte bzw. angestrebte Mattenanpressdichte (GBD) einbezogen. Der Gehäuseinnenradius g_n wird so bestimmt, dass abhängig vom gemessenen Radius m_r des Katalysatorkörpers und der Ausgangsdichte und -höhe der Lagermatte, der Kompressionsweg der Lagermatte zur Erzielung einer konstanten Dichte im gestopften Zustand dimensioniert wird. Hierbei wird der Gehäuseinnenradius g_ri wie folgt bestimmt:
wobei

g_ri: Gehäusinnenradius in Millimeter [mm]
G_M: Gewicht der Lagerungsmatte in Gramm [g]
F_M: Fläche einer Flachseite der Lagermatte in Quadratmeter [m²]
m_r: Radius des Katalysatorkörpers in Millimeter [mm]
GBD: Mattenanpressdichte in Gramm pro Kubikzentimeter [g/cm³] ist.

Danach wird eine Metallplatine aus Stahlblech auf Maß entsprechend den benötigten Abmessungen her- bzw. bereitgestellt und zu dem rohrförmigen Gehäuse umgeformt. Hierbei wird der gewünschte Gehäuseinnenradius eingestellt und das Gehäuse vorzugsweise schweißtechnisch gefügt. Anschließend werden der Katalysatorkörper und die ihn umgebende Lagermatte verpresst und dieses Paket in das Gehäuse gestopft.
Zur Herstellung der Metallplatine kann ein Stahlband von einem Coil abgezogen und auf das benötigte Längen- bzw. Breitenmaß für das Gehäuse abgetrennt werden. Hierbei kann die Breite des Stahlbands bereits der Länge des späteren Gehäuses entsprechen. Von dem Stahlband werden dann Längenabschnitte abgeteilt, entsprechend der Abwicklung des zu fertigenden Gehäuses.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann sichergestellt werden, dass die Verdichtung der Lagermatte und die Anpresskräfte auf den Katalysatorkörper optimiert sind. Hierdurch können die großen Fertigungstoleranzen des Katalysatorkörpers und der aus einem Gewebe bestehenden Lagermatte anwendungstechnisch optimiert ausgeglichen werden. Auf diese Weise wird die Ausschussrate durch Beschädigung der Katalysatorkörper erheblich reduziert. Auch kann der Einsatz von dickeren und damit teureren Lagermatten vermieden werden, da der Toleranzausgleich über die Einstellung der Gehäusegeometrie erfolgt.
Vorteilhafte Weiterbildungen und praktische Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 charakterisiert.
Im Hinblick auf eine konstante Einpresskraft des aus Katalysatorkörper und Lagermatte gebildeten Pakets wird die Einpresskraft beim Stopfen kontrolliert. Sollte trotz Optimierung der Gehäusegeometrie eine schädliche Abweichung festgestellt, also eine zu geringe Einpresskraft oder eine zu hohe Einpresskraft gemessen werden, kann eine Anpassung der Gehäusefertigung durch Einjustierung des Gehäusedurchmessers (größer oder kleiner) an die Einpresskraft vorgenommen werden. Dies ermöglicht eine deutliche Qualitätssteigerung.
Durch An- bzw. Abgleichen der relevanten Parameter erfolgt so eine Verfahrensoptimierung.
Zur Herstellung des Gehäuses kann eine Metallplatine bereitgestellt werden, die der Abwicklung des Gehäuses entspricht. Die Metallplatine wird dann zu einem Rohrkörper geformt und entlang der aneinander stoßenden Rohrkanten schweißtechnisch gefügt.
Eine Alternative zur Herstellung des Gehäuses sieht vor, eine auf Maß gefertigte Metallplatine zu einem Rohrkörper zu formen, wobei die Rohrkanten sich überlappen. Das Gehäuse wird dann entlang der außen liegenden Rohrkante, vorzugsweise durch eine Längsnaht, gefügt. In diesem Zusammenhang kann die Metallplatine vor der rohrförmigen Umformung an einer Längskante mit einer Abkantung versehen werden. Die Rohrkanten des Rohrkörpers überlappen sich dann im abgekanteten Bereich. Der Durchmesser des Rohrkörpers wird durch Variieren des Überlappungsgrads auf das gewünschte Maß des Gehäuseinnenradius bzw. -Durchmessers eingestellt. Anschließend wird das Gehäuse gefügt.
Eine für die Praxis als besonders vorteilhaft angesehene Ausführungsform sieht zur Herstellung des Gehäuses vor, eine Metallplatine bereitzustellen und diese rohrförmig umzuformen, wobei sich die Rohrkanten überlappen. Wiederum wird der Rohrkörperdurchmesser auf das benötigte Innenmaß des Gehäuseradius eingestellt durch Variieren des Überlappungsgrads und das Gehäuse verschweißt. Der sich im Bereich der übereinander liegenden Rohrkanten ergebende Absatz wird durch einen parallel- oder nachgeschalteten Umformvorgang rohrinnenseitig egalisiert. Hierzu wird der Überlappungsbereich eingepresst und rohrinnenseitig eingeebnet, so dass am Innendurchmesser des Gehäuses ein vorsprungloser Übergang entsteht. Dies ist besonders vorteilhaft für eine gleichmäßige Flächenpressung auf Lagermatte und Katalysatorkörper.
Zur Erzeugung eines integrierten Stopfkonus kann der Rohrkörper an einem Ende aufgeweitet werden. Vorzugsweise erfolgt dies zumindest bereichsweise konisch. Hierbei wird ein fixes Maß eingestellt, um die Abgasnachbehandlungseinheit mit vor- bzw. nachgeschalteten Anlagenkomponenten zu koppeln.
Des Weiteren ist es möglich, dass der Rohrkörper vor dem Stopfen an einem Ende zumindest bereichsweise im Durchmesser verkleinert wird. Hierdurch kann eine Positionier- und Abschlusskante für die Lagermatte als sogenannter Mattenschutz erzeugt werden. Auf diese Weise kann der Spalt zwischen Katalysatorkörper und Gehäuse minimiert werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Abgasnachbehandlungseinheit in einem Längsschnitt;
2 eine erste Ausführungsform eines Gehäuses der Abgasnachbehandlungseinheit im Querschnitt;
3 den Ausschnitt A der 2 in vergrößerter Darstellung;
4 eine zweite Ausführungsform eines Gehäuses einer Abgasnachbehandlungseinheit im Querschnitt;
5 den Ausschnitt B der 4 in vergrößerter Darstellung;
6 und 7 im Querschnitt einen ersten und einen zweiten Fertigungsschritt zur Herstellung einer dritten Ausführungsform eines Gehäuses einer Abgasnachbehandlungseinheit.
1 zeigt eine Abgasnachbehandlungseinheit 1 in Form eines Fahrzeugkatalysators. Die Abgasnachbehandlungseinheit 1 umfasst einen aus einem keramischen oder metallischen Monolithen gebildeten zylindrischen Katalysatorkörper 2, welcher von einer Lagermatte 3 umwickelt in einem rohrförmigen Gehäuse 4 integriert ist.
Zur Herstellung der Abgasnachbehandlungseinheit 1 werden die Außenmaße des Katalysatorkörpers 2 vermessen sowie das Gewicht der Lagermatte 3 be stimmt. Hierzu wird die Lagermatte 3 gewogen und ebenfalls geometrisch vermessen. Die gewonnenen Daten werden verarbeitet und die optimale Gehäusegröße in Bezug auf die Mattenanpressdichte (GBD) der montierten Lagermatte 3 bestimmt. Der Gehäuseinnenradius g_ri wird so bestimmt, dass abhängig vom gemessenen Radius m_r des Katalysatorkörpers 2 und der Ausgangsdichte und -höhe der Lagermatte 3 der Kompressionsweg der Lagermatte 3 zur Erzielung einer konstanten Mattenanpressdichte (GBD) im gestopften Zustand dimensioniert wird. Die Bestimmung des Gehäuseinnenradius g_ri erfolgt nach folgender Formel:
wobei

g_ri: Gehäusinenradius in Millimeter [mm]
G_M: Gewicht der Lagerungsmatte in Gramm [g]
F_M: Fläche einer Flachseite der Lagermatte in Quadratmeter [m²]
m_r: Radius des Katalysatorkörpers in Millimeter [mm]
GBD: Mattenanpressdichte in Gramm pro Kubikzentimeter [g/cm³]

Das Gehäuse 4 wird dann durch rohrförmige Umformung einer auf Maß gefertigten Metallplatine zu einem Rohrkörper 5 unter Einstellung des Gehäuseinnenradius g_ri und Fügen entlang der Rohrkanten hergestellt.
An einem Ende 6 wird der Rohrkörper 5 im Durchmesser aufgeweitet mit einem zylindrischen Abschnitt 7 und einem sich hieran anschließenden Stopfkonus 8. An den Stopfkonus 8 schließt sich ein zylindrisches Mittelteil 9 mit dem Gehäuseinnenradius g_ri bzw. dem Gehäusedurchmesser 2 × g_ri an, in dem der Katalysatorkörper 2 sitzt. Am anderen Ende 10 ist der Rohrkörper 5 im Durchmesser verkleinert. Hierbei geht der Rohrkörper 5 vom Mittelteil 9 über einen konischen Abschnitt 11 in einen zylindrischen Abschnitt 12 mit einem gegenüber dem Durchmesser des Mittelteils 9 kleineren Durchmesser über. Hier durch wird im Rohrkörper 5 eine Positionier- und Abschlusskante 13 für die Lagermatte 3 erzeugt.
In das fertiggestellte Gehäuse 4 wird das aus Katalysatorkörper 2 und der diesen umhüllenden Lagermatte 3 gebildete Paket 14 eingeschoben. Hierzu werden der Katalysatorkörper 2 und die Lagermatte 3 radial verpresst und in Bildebene von links in das Gehäuse 4 gestopft. Dieser Vorgang wird durch den Stopfkonus 8 erleichtert. Die korrekte Lage ist erreicht, wenn das Paket 14 an der Positionier- und Abschlusskante 13 anliegt. Beim Stopfen wird die Einschubkraft überwacht und gemessen, um unzulässige Abweichungen feststellen zu können und hierauf ggf. durch Abänderung der Gehäusegeometrie zu reagieren.
Die 2 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch das Mittelteil einer ersten Ausführungsform eines Gehäuses 4a. Zur Herstellung wird eine auf Maß gefertigte Metallplatine zu einem zylindrischen Rohrkörper 5a umgeformt und entlang der aneinander stoßenden Rohrkanten 15, 16 verschweißt (s. hierzu 3).
Bei der Ausführungsform eines Gehäuses 4b, wie anhand der 4 und 5 erläutert, wird eine auf Maß geschnittene Metallplatine zunächst an einer Längskante 17 mit einer Abkantung 18 versehen. Die Metallplatine wird anschließend zu einem Rohrkörper 5b geformt, wobei sich die Rohrkanten 19, 20 überlappen. Der Durchmesser des Rohrkörpers 5b wird durch Variieren des Überlappungsgrads auf das benötigte Maß des Gehäuseinnenradius g_ri bzw. -durchmessers eingestellt. Anschließend wird das Gehäuse 5b entlang der außen liegenden Rohrkante 20 verschweißt.
Auch bei der Herstellung eines Gehäuses 4c, wie anhand der 6 und 7 erläutert, wird zunächst eine auf Maß gefertigte Metallplatine zu einem Rohrkörper 5c umgeformt, wobei die Rohrkanten 21, 22 in einem Überlappungsbereich 23 übereinander liegen. Der benötigte Gehäuseinnenradius g_ri wird durch Variieren des Überlappungsgrads der Rohrkanten 21, 22 eingestellt. Anschließend wird der Rohrkörper 5c entlang der außen liegenden Rohrkante 22 ver schweißt. Nach dem Verschweißen wird der Überlappungsbereich 23 mit Hilfe eines Umformwerkzeugs 24 eingepresst und der sich im Bereich der übereinander liegenden Rohrkanten 21, 22 ergebende Absatz rohrinnenseitig egalisiert, so dass am Innendurchmesser des Rohrkörpers 5c ein vorsprungloser Übergang entsteht.

1: Abgasnachbehandlungseinheit
2: Katalysatorkörper
3: Lagermatte
4: Gehäuse
4a: Gehäuse
4b: Gehäuse
4c: Gehäuse
5: Rohrkörper
5a: Rohrkörper
5b: Rohrkörper
5c: Rohrkörper
6: Ende von 5
7: Abschnitt von 5
8: Stopfkonus
9: Mittelteil
10: Ende von 5
11: Abschnitt von 5
12: Abschnitt von 5
13: Positionier- und Abschlusskante
14: Paket
15: Rohrkante von 5a
16: Rohrkante 5a
17: Längskante
18: Abkantung
19: Rohrkante von 5b
20: Rohrkante von 5b
21: Rohrkante von 5c
22: Rohrkante von 5c
23: Überlappungsbereich
24: Umformwerkzeug
g_ri: Gehäuseinnenradius
m_r: Radius von 2
GBD: Mattenanpressdichte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4439974 A2 [0004]
- EP 0703354 B1 [0004]
- EP 0681095 B1 [0004]
- DE 19945350 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Abgasnachbehandlungseinheit, welche ein rohrförmiges Gehäuse (4, 4a–4c) und einen darin angeordneten, von einer Lagermatte (3) umgebenen Katalysatorkörper (2) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Vermessen der Außenmaße des Katalysatorkörpers (2); b) Bestimmung des Gewichts der Lagermatte (3); c) Bestimmung des Gehäuseinnenradius g_ri gemäß der Formel
wobei g_ri = Gehäusinnenradius in Millimeter [mm] G_M = Gewicht der Lagerungsmatte in Gramm [g] F_M = Fläche einer Flachseite der Lagermatte in Quadratmeter [m²] m_r = Radius des Katalysatorkörpers in Millimeter [mm] GBD = Mattenanpressdichte in Gramm pro Kubikzentimeter [g/cm³] ist; d) Umformung einer auf Maß gefertigten Metallplatine zu dem rohrförmigen Gehäuse (4, 4a–4c) unter Einstellung des Gehäuseinnenradius g_ri und Fügen des Gehäuses; e) Stopfen des aus Katalysatorkörper (2) und Lagermatte (3) gebildeten Pakets (14) in das Gehäuse (4, 4a–4c).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Gehäuses (4a) die Metallplatine zu einem Rohrkörper (5a) geformt und entlang der aneinander stoßenden Rohrkanten (15, 16) gefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Gehäuses (4b, 4c) die Metallplatine zu einem Rohrkörper (5b, 5c) geformt wird, wobei die Rohrkanten (19, 20; 21, 22) überlappend gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatine an einer Längskante (17) mit einer Abkantung (18) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich (23) des Rohrkörpers (5c) rohrinnenseitig vorsprunglos ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (5) an einem Ende (6) aufgeweitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (5) an einem Ende (10) zumindest bereichsweise im Durchmesser verkleinert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresskraft beim Stopfen des Pakets (14) in das Gehäuse (4) überwacht wird.