DE102018214359A1

DE102018214359A1 - Katalysator

Info

Publication number: DE102018214359A1
Application number: DE102018214359.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Voit; Sven Seifert; Hubertus-Franz Kotthoff; Ferdi Kurth; Alf Niedmann; Kosaku Ito; Vishal Sadafal
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-02-27
Also published as: CN112513434A; WO2020038962A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors oder einer anderen Abgasquelle, mit einem Außenmantel (1) und mit einem in dem Außenmantel (1) angeordneten Wabenkörper, welcher eine Mehrzahl entlang einer axialen Richtung des Katalysators durchströmbarer Strömungskanäle aufweist, wobei der Wabenkörper mit dem Außenmantel (1) entlang einer sich in Umfangsrichtung des Katalysators zumindest abschnittsweise erstreckende Lötverbindung dauerhaft verbunden ist, wobei der Außenmantel (1) an seiner nach innen gerichteten Fläche pro Lötverbindung zumindest zwei Begrenzungsmittel (2, 3) aufweist, welche die axiale Ausbreitung der Lötverbindung begrenzen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors oder einer anderen Abgasquelle, mit einem Außenmantel und mit einem in dem Außenmantel angeordneten Wabenkörper, welcher eine Mehrzahl entlang einer axialen Richtung des Katalysators durchströmbarer Strömungskanäle aufweist, wobei der Wabenkörper mit dem Außenmantel entlang einer sich in Umfangsrichtung des Katalysators zumindest abschnittsweise erstreckende Lötverbindung dauerhaft verbunden ist.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper für eine Abgasbehandlungseinheit, die wenigstens eine Wabenstruktur und zumindest ein Gehäuse umfasst, welches die wenigstens eine Wabenstruktur zumindest teilweise umgibt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Ausbildung einer Hartlot-Verbindung zwischen der Wabenstruktur und dem Gehäuse. Solche Wabenkörper werden vielfach zur Reinigung von Abgasen in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Solche Wabenkörper weisen in der Regel eine metallische oder keramische Wabenstruktur auf. Auch wenn die nachfolgenden Aspekte vielfach auch für keramische Wabenstrukturen anwendbar sind, so wird hier insbesondere eine metallische Wabenstruktur betrachtet, die mittels einer Hartlot-Verbindung an beziehungsweise in dem Gehäuse fixiert wird. Die Ausbildung gezielter Hartlot-Verbindungen ist von besonderer Bedeutung, um eine dauerhafte Verbindung von Wabenstruktur und Gehäuse zu gewährleisten. Dies hat seinen Ursprung darin, dass beide Komponenten ein unterschiedliches thermisches und dynamisches Verhalten in Abgasanlagen mobiler oder stationärer Verbrennungskraftmaschinen zeigen. Für eine gewisse Relativbewegung von Wabenstruktur und Gehäuse zueinander ist es gewünscht, dass beide nur teilweise, also nicht über die gesamte Mantelfläche beziehungsweise Kontaktfläche, miteinander verlötet sind.
Grundsätzlich ist bereits eine Vielzahl von Möglichkeiten beschrieben wurde, wie und an welchen Stellen Hartlot appliziert und eine Hartlot-Verbindung generiert werden soll. Dabei wurde bis jetzt jedoch nicht in ausreichendem Maße berücksichtigt, dass gerade während des Lötprozesses selbst oder auch schon bereits während der Montage des Wabenkörpers beziehungsweise der nachfolgenden Lagerung oder dem Transport Zustände vorliegen können, die dazu führen, dass sich die Hartlot-Verbindungen schließlich über den gewünschten Bereich hinaus erstrecken. Eine solche Ausbreitung der Hartlot-Verbindungen über den gewünschten Bereich hinaus führt zu einem veränderten thermischen Ausdehnungsverhalten des Wabenkörpers, was unter Umständen zu Fehlfunktionen des Wabenkörpers führen kann.
Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die Ausbreitung der Lötverbindung in axialer Richtung des Katalysators nicht in ausreichendem Maße begrenzbar ist, um die Erstreckung der Lötverbindung in axialer Richtung genau zu definieren.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Katalysator mit einem Mantel und einem darin angeordneten Wabenkörper zu schaffen, wobei der Wabenkörper mit dem Mantel durch ein Lötverfahren verbunden ist, wobei die Ausbreitung der Lötverbindung in axialer Richtung des Katalysators genau definiert beziehungsweise begrenzt werden kann.
Die Aufgabe hinsichtlich des Katalysators wird durch einen Katalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Katalysator zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors oder einer anderen Abgasquelle, mit einem Außenmantel und mit einem in dem Außenmantel angeordneten Wabenkörper, welcher eine Mehrzahl entlang einer axialen Richtung des Katalysators durchströmbarer Strömungskanäle aufweist, wobei der Wabenkörper mit dem Außenmantel entlang einer sich in Umfangsrichtung des Katalysators zumindest abschnittsweise erstreckende Lötverbindung dauerhaft verbunden ist, wobei der Außenmantel an seiner nach innen gerichteten Fläche pro Lötverbindung zumindest zwei Begrenzungsmittel aufweist, welche die axiale Ausbreitung der Lötverbindung begrenzen.
Der Außenmantel ist bevorzugt als Rohr ausgebildet, in dessen Innenquerschnitt ein Wabenkörper eingesetzt werden kann. Das Rohr weist eine definierte Wandstärke auf. Zwischen dem Rohr und dem Wabenkörper wird zur Herstellung des Katalysators ein Lot, beispielsweise in Form von Lotstreifen, die eingelegte werden, oder einer Lotbeschichtung aufgetragen. Durch das Zuführen von Hitze wird das Lot aufgeschmolzen und beim Abkühlen entsteht eine dauerhaltbare Verbindung zwischen dem Rohr beziehungsweise dem Außenmantel und dem Wabenkörper.
Das erhitzte und flüssige Lot breitet sich durch die zwischen dem Wabenkörper und dem Außenmantel wirkenden Kapillarkräfte sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung des Katalysators aus.
Während die Verteilung in Umfangsrichtung erwünscht ist und je nach Ausgestaltung der Verbindung entlang des gesamten Umfangs gewünscht ist, ist die Ausbreitung in axialer Richtung nur innerhalb definierter Grenzen erwünscht. Insbesondere soll vermieden werden, dass flüssiges Lot in die die Strömungskanäle ausbildenden Strukturen übertritt und diese somit blockiert.
Auch soll durch die genaue Definition der Verbindungslänge zwischen Mantel und Matrix in axialer Richtung sichergestellt werden, dass die Eigenschaften der Verbindung unter thermischen Stress genau bekannt sind und so sichergestellt werden kann, dass die Verbindung im Betrieb des Katalysators dauerhaltbar ist. Daher ist es notwendig eine genaue Kenntnis der räumlichen Ausdehnung der Verbindung zu haben. Eine zu lange Anbindung in axialer Richtung kann dazu führen, dass Risse entstehen, da der Mantel und der Wabenkörper regelmäßig unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen und sich unter thermischen Stress unterschiedlich verformen. Eine undefiniert lange Verbindung könnte zu starr sein, um die entstehenden Spannungen aufzunehmen.
Der Katalysator kann mehrere Verbindungsstellen aufweisen. Typischerweise ist eine Verbindung zwischen dem Wabenkörper und dem Außenmantel an der Einströmseite vorgesehen und eine Verbindung an der Ausströmseite des Katalysators. Es ist aber auch denkbar einen Mittenlotstreifen vorzusehen.
Erfindungsgemäß sind Begrenzungsmittel vorgesehen, die insbesondere die axiale Erstreckung der Verbindung begrenzen. Im Unterscheid zu den im Stand der Technik bekannten Lösungen sind pro Verbindung zumindest zwei Begrenzungsmittel vorgesehen.
Bei dem hier beanspruchten und im Nachfolgenden weiter beschriebenen Katalysator handelt es sich um einen Katalysator auf metallischer Basis. Der Wabenkörper des Katalysators ist durch einen metallischen Wabenkörper gebildet, der in einen metallischen Außenmantel eingesetzt ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Begrenzungsmittel durch zwei zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung umlaufende Sicken gebildet sind. Dies ist vorteilhaft, da durch die Sicken die Kapillarwirkung zwischen Wabenkörper und Außenmantel geschwächt oder vollständig unterbrochen wird, und weiterhin das Auffangvolumen für das flüssige Lot gebildet wird. Die Funktion der Kapillarsperre und des Auffangvolumens ist nicht genau zwischen den beiden Sicken abgrenzbar, da bei ausreichend großer Lotmenge die erste dem Lot zugewandte Sicke überlaufen kann und somit auch die zweite Sicke als Kapillarsperre und Auffangvolumen wirken kann.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine zweite Sicke positiv auf die Begrenzung der axialen Ausbreitung der Verbindung einwirkt. Und im Vergleich zu einer Ausführung mit einer einzelnen Sicke eine deutlich genauere Abgrenzung der axialen Ausbreitung der Verbindung möglich ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Sicken vollständig in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet sind. Vollständig in Umfangsrichtung umlaufende Sicken sind vorteilhaft, um eine vollständig umlaufende Verbindung zu erzeugen und gleichzeitig entlang der gesamten Umfangslänge die axiale Begrenzung der Verbindung sicherzustellen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken parallel zueinander ausgerichtet sind. Parallel zueinander ausgerichtete Sicken sind vorteilhaft, damit die Aufnahme des Lots gleichmäßig erfolgen kann und insbesondere eine definierte Grenze für die Ausbreitung der Verbindung in axialer Richtung erreicht werden kann.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn beide Sicken das gleiche Innenvolumen aufweisen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um eine einfacherer Herstellung zu ermöglichen. Außerdem geht von identischen Sicken auch eine identische Kerbwirkung aus, weswegen die Einflüsse auf die strukturelle Integrität besser erfasst und eingeplant werden können.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Sicken unterschiedliche Innenvolumen aufweisen. Je nach Ausgestaltung der einzelnen Sicken, kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Innenvolumen und damit die Aufnahmevolumen unterschiedlich groß sind. So kann beispielsweise die dem Lot zugewandte Sicke als erste Aufnahmesicke verwendet werden, welche ein größeres Innenvolumen aufweist als die zweite vom Lot abgewandte Sicke. Die zweite Sicke dient somit praktisch als Überlaufkapazität für die erste Sicke.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn jeweils zwei Sicken in axialer Richtung direkt benachbart zu einem zwischen Außenmantel und Wabenkörper angeordnetem Lotstreifen angeordnet sind. Dies ist vorteilhaft, um die Ausdehnung des Lotes im flüssigen Zustand bestmöglich zu begrenzen. Wenn die Sicken besonders nah am Lot angeordnet sind, entsteht die Verbindung praktisch nur an den Stellen, die vor dem Lötprozess bereits mit dem Lot beaufschlagt worden sind. Die Verbindung kann dabei besonders genau definiert werden.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die beiden Sicken eine maximale Tiefe aufweisen, die der Hälfte der Materialstärke des Außenmantels im Bereich der Sicken entspricht. Um die strukturelle Integrität des Außenmantels durch die Sicken nicht zu gefährden, ist die maximal mögliche Tiefe der Sicken begrenzt. Um einer dauerhaft haltbare Struktur des Außenmantels zu gewährleisten sollte die Sicke nicht tiefer sein als die Hälfte der Materialstärke des Außenmantels.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das gesamte Innenvolumen der beiden Sicken größer ist als das Volumen des überschüssigen Lotes. Dies ist vorteilhaft um sicherzustellen, dass die beiden Sicken nicht überlaufen und das Lot sich nicht über die zweite Sicke hinaus in axialer Richtung verbreitet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:

1 eine Schnittansicht durch einen Außenmantel mit erfindungsgemäßen Sicken.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Außenmantel 1 eines Katalysators. Innerhalb dieses Außenmantel 1 ist ein nicht gezeigter Wabenkörper angeordnet.
Der Außenmantel 1 weist eine erste Sicke 2 und eine zweite Sicke 3 auf. Die erste Sicke 2 ist dabei dem nicht gezeigten Lot zugewandt. Die Sicken 2, 3 weisen eine Breite 4 und einen Abstand 5 zueinander auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel stimmt die Breite 4 mit dem Abstand 5 zueinander überein. Alternative Bemaßungen können in anderen Ausführungsbeispielen ebenso vorgesehen werden.
Die Sicken 2, 3 weisen eine Erstreckung 6 in radialer Richtung des Außenmantel 1 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die radiale Erstreckung 6, also die Tiefe der Sicken 2, 3 etwa die Hälfte der Materialstärke des Außenmantels 1.
Die Sicken 2, 3 in 1 weisen eine trapezartigen Querschnitt auf und haben an ihrer Basis eine schmalere Breite 7. Alternativ können die Sicken auch halbkreisförmig oder ähnlich ausgebildet sein. Grundsätzlich ist es auch möglich den Querschnitt der beiden Sicken 2, 3 voneinander abweichend auszugestalten.
Die Sicken 2, 3 der 1 weisen identische Abmessungen auf und haben somit auch ein identisches Innenvolumen. Je nach Ausgestaltung des Katalysators beziehungsweise des Außenmantels und der verwendeten Lotmenge, können hier auch abweichende Gestaltungen der beiden Sicken vorgesehen werden.
Das Ausführungsbeispiel der 1 weist insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dient der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims

Katalysator zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors oder einer anderen Abgasquelle, mit einem Außenmantel (1) und mit einem in dem Außenmantel (1) angeordneten Wabenkörper, welcher eine Mehrzahl entlang einer axialen Richtung des Katalysators durchströmbarer Strömungskanäle aufweist, wobei der Wabenkörper mit dem Außenmantel (1) entlang einer sich in Umfangsrichtung des Katalysators zumindest abschnittsweise erstreckende Lötverbindung dauerhaft verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) an seiner nach innen gerichteten Fläche pro Lötverbindung zumindest zwei Begrenzungsmittel (2, 3) aufweist, welche die axiale Ausbreitung der Lötverbindung begrenzen.
Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsmittel (2, 3) durch zwei zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung umlaufende Sicken (2, 3) gebildet sind.
Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken (2, 3) vollständig in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet sind.
Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken (2, 3) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sicken (2, 3) das gleiche Innenvolumen aufweisen.
Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken unterschiedliche Innenvolumen aufweisen.
Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Sicken (2, 3) in axialer Richtung direkt benachbart zu einem zwischen Außenmantel (1) und Wabenkörper angeordnetem Lotstreifen angeordnet sind.
Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sicken (2, 3) eine maximale Tiefe aufweisen, die der Hälfte der Materialstärke des Außenmantels (1) im Bereich der Sicken entspricht.
Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Innenvolumen der beiden Sicken (2, 3) größer ist als das Volumen des überschüssigen Lotes.