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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Katalysator-Trägerkörper gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 11 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Derartige
Katalysator-Trägerkörper werden
insbesondere zur Reduzierung des Schadstoffanteils von Abgasen mobiler
Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt.
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Katalysator-Trägerkörper werden in Abgassystemen
mobiler Verbrennungskraftmaschinen (z.B. Diesel- oder Otto-Motoren)
eingesetzt. Hierzu werden die Katalysator-Trägerkörper üblicherweise mit einer Trägerschicht
(insbesondere Wash-Coat) versehen, welche sich durch eine sehr große Oberfläche auszeichnet
und üblicherweise
mit mindestens einem katalytisch aktiven Material (z.B. Platin,
Rodium oder dergleichen) imprägniert
ist. Beim Kontakt des Abgases mit diesen katalytisch aktiven Materialien erfolgt
eine Reduzierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe, wie beispielsweise
Kohlenmonoxid, ungesättigte
Kohlenwasserstoffe, Stickstoffmonoxid. Um bereits eine relativ große Oberfläche für die Trägerschicht
bereitstellen zu können,
werden die Katalysator-Trägerkörper üblicherweise
als Wabenkörper ausgeführt, welche
eine Vielzahl für
ein Fluid durchströmbare
Kanäle
aufweisen. Hierbei sind keramische, extrudierte und metallische
Wabenkörper
bekannt. Die Wabenkörper
werden im Allgemeinen in ein Gehäuse
eingebracht, welches wiederum direkt in die Abgasleitung integriert
wird. In einer solchen mobilen Abgasanlage ist der Katalysator-Trägerkörper hohen
thermischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt.
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Die thermischen Belastungen resultieren beispielsweise
einerseits aus der Temperatur des Abgases selbst, wobei diese zunimmt,
wenn der Katalysator- Trägerkörper näher an die
Verbrennungskraftmaschine angeordnet wird. Andererseits führen auch
die chemische, katalytische Umsetzung zu einer Temperaturerhöhung des
Katalysator-Trägerkörpers, da
diese im Allgemeinen exotherm abläuft, so dass unter Umständen Temperaturen
erreicht werden, die deutlich höher
als die Abgastemperatur selbst ist. Die wesentlichen Faktoren im
Hinblick auf die dynamischen Belastungen resultieren aus dem Verbrennungsprozess
sowie externen Schwingungsanregungen. Da der Verbrennungsprozess
in der Verbrennungskraftmaschinen intermittierend erfolgt, setzen
sich die hieraus resultierenden Druckstöße periodisch durch das Abgassystem
fort. Externe Schwingungsanregung erfolgt beispielsweise aufgrund
von Fahrbahn-Unebenheiten, über
welche sich das Automobil bewegt. Aufgrund dieser hohen thermischen
und dynamischen Belastung ist eine dauerhafte Verbindung des Wabenkörpers mit
dem Gehäuse
von besonderem Interesse. Diese Verbindung muss einerseits geeignet
sein, unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten des Wabenkörpers gegenüber dem
Gehäuse
zu kompensieren, andererseits muss ein Ablösen des Wabenkörpers vom Gehäuse langfristig
vermieden werden.
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Gerade im Hinblick auf die Verwendung
metallischer Wabenkörper
und einer dauerhaften Anbindung an ein metallisches Gehäuse ist
es bekannt, die Verbindung des Wabenkörpers mit dem Gehäuse über eine
Zwischenlage auszuführen,
die auf ihrer Innenseite mit dem Wabenkörper und auf ihrer Außenseite
mit dem Gehäuse
verbunden ist. Eine solche Zwischenlage geht beispielsweise aus
der japanischen Veröffentlichung
JP 04-222636 A hervor.
Die Zwischenlage ist dort als Wellblech ausgeführt und einerseits mit dem
Wabenkörper
sowie andererseits mit dem Gehäuse
verbunden. Dabei wird ausgeführt, dass
sich dieses Wellblech bei einer radialen Expansion des Wabenkörpers deformieren
kann. Zur Gewährleistung
einer solchen Deformation wird dort vorgeschlagen, dass eine Verbindung
des Wellbleches hin zum Wabenkörper
nicht in demselben Querschnitt anzuordnen ist, wie eine Verbindung
hin zum Gehäuse.
Unter diesen Umständen
sei auch eine Expansion bzw. Kontraktion in axialer Richtung des
Wabenkörpers
gewährleistet.
Der dort beschriebene Wabenkörper
besteht aus einem glatten und einem gewellten Blech, welche spiralig
zu einem zylindrischen Wabenkörper
zusammen gerollt sind. Dabei stellt die äußere Begrenzung des Wabenkörpers ein glattes
Blech dar. Unter dieser Voraussetzung ist eine Anbindung des zur
Anbindung am Gehäuse
dienenden Wellblech relativ unproblematisch, da eine nahezu glatte
Oberfläche
des Wabenkörpers
bereitgestellt wird.
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Ein solcher spiralförmiger Aufbau
des Wabenkörpers
hat jedoch im Hinblick auf die Fertigung bzw. das Langzeitverhalten
einige Nachteile. Beim Herstellungsverfahren gestaltet es sich schwierig,
die einzelnen Lagen mit einer gleichmäßigen Vorspannung zu versehen,
so dass ein inniger Kontakt der benachbarten Blechlagen zueinander
nicht sicher gestellt werden kann. Dies führt beispielsweise dazu, dass
derartige Wabenkörper
bei einer lang andauernden thermischen und dynamischen Belastung zum
so genannten „Teleskopieren"
neigen. Damit ist gemeint, dass sich die Lagen zueinander nach einer gewissen
Einsatzdauer verschieben. Dies führt
zu einem inhomogenen Aufbau, der letztendlich auch das Versagen
des Bauteiles zur Folge haben kann.
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Aus diesem Grund wurden bereits frühzeitig andere
Anordnungsformen der Blechfolien gewählt. Diese umfassen insbesondere
Wabenkörper,
welche aus einer Vielzahl von glatten und gewellten Metallfolien
gebildet werden, die S-förmig
und/oder U-förmig gebogen
sind. Zur näheren
Beschreibung derartiger metallischer Wabenkörper sei insbesondere auf die
EP 0 245 737 , WO 90/03220
sowie
DE 3743723 verwiesen,
deren Offenbarungsinhalt hiermit vollständig integriert ist. Bei derartigen
Ausgestaltungen des Wabenkörpers
wird dieser aber nicht von einer glatten Lage begrenzt, vielmehr
sind am Umfang des Wabenkörpers
eine Vielzahl freier Enden der glatten und gewellten Blechlagen
angeordnet.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe
der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers anzugeben,
wobei eine dauerhafte fügetechnische
Verbindung des Wabenkörpers
mit einem zwischen dem Gehäuse
und dem Wabenkörper
angeordneten Wellmantel gewährleistet
ist. Dabei steht insbesondere eine dauerhafte Anbindung der freien
Enden der einzelnen Lagen des Wabenkörpers mit dem Wellmantel im
Vordergrund. Zusätzlich
soll das Verfahren eine einfache Durchführbarkeit im Rahmen einer Serienfertigung
sicherstellen. Außerdem
soll ein Katalysator-Trägerkörper angegeben
werden, der eine stabile Anbindung des Wabenkörpers an dem Wellmantel auch
unter hohen thermischen und dynamischen Belastungen gewährleistet.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Katalysator-Trägerkörper mit
den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
des Verfahrens bzw. des Katalysator-Trägerkörpers sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die Merkmale der einzelnen Unteransprüche sind dabei beliebig miteinander kombinierbar.
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Das Verfahren dient somit zur Herstellung
eines Katalysator-Trägerkörpers, der
einen Wabenkörper
umfasst, welcher zumindest teilweise strukturierte Lagen hat, welche
für ein
Fluid durchströmbare Kanäle bilden.
Weiter umfasst der Katalysator-Trägerkörper ein Gehäuse, welches
den Wabenkörper zumindest
teilweise umgibt, sowie mindestens einen Wellmantel, der zwischen
dem Wabenkörper
und dem Gehäuse
angeordnet ist und den Wabenkörper mit
dem Gehäuse
verbindet. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- – Herstellen
des Wabenkörpers,
wobei dieser eine äußere Ausdehnung
hat, die zumindest teilweise durch Enden der Lagen gebildet ist;
- – Herstellen
des mindestens einen Wellmantel mit einem Profil;
- – Herstellen
eines Gehäuses
mit einer Innenkontur;
- – Einfügen des
Wabenkörpers
in den mindestens einen Wellmantel;
- – Einfügen des
mindestens einen Wellmantels mit dem Wabenkörper in das Gehäuse;
- – Kalibrieren
des Gehäuses,
wobei zumindest die Innenkontur und bevorzugt auch das Profil des mindestens
einen Wellmantels reduziert wird.
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Die Herstellung des Wabenkörpers erfolgt bevorzugt
in einer Art und Weise, wie sie beispielsweise in der
EP 0 245 737 , der WO 90/03220 oder der
DE 3743723 beschrieben ist.
Insofern weist der Wabenkörper
eine Mehrzahl freier Enden auf, welche die äußere Ausdehnung bilden. Bevorzugt
weist der Wabenkörper
mehr als vier freie Enden nahe seiner äußeren Ausdehnung auf. Der Begriff
der „äußeren Ausdehnung"
soll hierbei im Wesentlichen den Abstand voneinander gegenüberliegender
Oberflächen des
Wabenkörpers
beschreiben. Die äußere Ausdehnung
entspricht somit beispielsweise dem Durchmesser des Wabenkörpers, falls
dieser einen im Wesentlichen zylindrischen Aufbau hat. Aufgrund
der Tatsache, dass derartige Wabenkörper grundsätzlich aber auch mit einem
ovalen oder polygonalen Querschnitt bzw. konisch hergestellt werden
können,
soll der Begriff der „Ausdehnung"
einen auch diese Querschnittsformen beschreibenden Parameter bilden.
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Weiter wird mindestens ein Wellmantel
mit einem Profil hergestellt. Dies erfolgt üblicherweise in der Form, dass
ein glattes Blech z.B. mittels zwei kämmender Walzzahnräder mit
einer Struktur versehen wird, mit den gewünschten Maßen zurecht geschnitten und
anschließend
die Enden miteinander verbunden werden. Mit dem Begriff „Profil"
ist hier wiederum der Abstand gegenüberliegender Seiten des Wellmantels
im zusammengefügten
Zustand zu verstehen, so dass wiederum nicht allein auf den Durchmesser
bei einer zylindrischen Anordnung des Wellmantels Bezug genommen
wird. In Anbetracht der Tatsache, dass der Wellmantel eine Struktur
aufweist, existieren „Wellenberge"
sowie „Wellentäler", wobei
bevorzugt mit „Profil"
der Abstand eines Wellenberges mit dem gegenüberliegenden Wellental gemeint
ist.
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Die Herstellung des Gehäuses mit
einer Innenkontur umfasst beispielsweise auch die Herstellung eines
zylindrischen Gehäuses.
Die „Innenkontur"
beschreibt dabei wiederum den Abstand der gegenüberliegenden Gehäuseinnenflächen, da
diese maßgeblich
zur Anbindung des Wabenkörpers
bzw. des Wellmantels sind.
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Ein wesentlicher Gesichtspunkt des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der Kalibrierung des Gehäuses
nach dem Einfügen
des Wabenkörpers und
des mindestens einen Wellmantels zu sehen. Bei einer solchen Kalibrierung
wird zumindest die Innenkontur, also der Abstand der gegenüberliegenden
Innenflächen,
des Gehäuses
reduziert. Dies wird bevorzugt mittels von außen auf das Gehäuse einwirkenden
Kräften
bewirkt. Hierzu bieten sich beispielsweise plastische Verformungen
des Gehäuses,
insbesondere mittels einer Druckwalze oder ähnlichen Werkzeugen an. Das
Kalibrieren des Gehäuses
bewirkt in der Regel eine Deformierung bzw. Verlagerung des Wellmantels,
wodurch ein inniger Kontakt der freien Enden des Wabenkörpers mit
dem Wellmantel sowie des Wellmantels mit dem Gehäuse sicher gestellt wird. Im
Rahmen eines solchen Kalibrier-Vorgangs wird bevorzugt auch das
Profil des mindestens einen Wellmantels reduziert. In der Regel
erfolgt dabei eine Veränderung
der Struktur des Wellmantels, wobei die freien Enden der den Wabenkörper bildenden
Lagen in diese Struktur „einschnappen"
und nahezu vollständig
an den Wellmantel anliegen. Somit werden frei flatternde Enden vermieden,
welche einerseits gegebenenfalls nicht mit dem Wellmantel fügetechnisch
verbunden werden können und
andererseits infolge der hohen dynamischen Belastung später im Abgassystem
leicht zum Abreißen neigen.
Dank dieses Kalibrierungsvorgangs bzw. der gemeinsamen Deformation
vom Gehäuse
und dem mindestens einen Wellmantel (gegebenenfalls auch noch des
Wabenkörpers)
ist somit ein inniger Kontakt gegeben, der Voraussetzung für eine vollständige Anbindung der
Lagen des Wabenkörpers
an den mindestens einen Wellmantel sowie des Wellmantels an dem
Gehäuse
ist.
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Alternativ oder kumulativ zur mechanischen Kalibrierung
ist es unter Umständen
auch möglich, das
Gehäuse
mittels eines thermischen Schrumpfvorganges zu kalibrieren. In der
Regel lassen sich die Kalibrierungsvorgänge stets aufgrund bestimmter Oberflächenstrukturen
des Gehäuses
und/oder Gefügeänderungen
des Materials selbst erkennen, selbst wenn diese Komponenten nachfolgend
noch einer thermischen Behandlung, insbesondere zur Ausbildung von
fügetechnischen
Verbindungen, unterzogen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
des Verfahrens ist das Profil des mindestens einen Wellmantels und/oder
die Innenkontur des Gehäuses größer als
die Ausdehnung des Wabenkörpers.
Besonders bevorzugt ist das Profil und/oder die Innenkontur zwischen
0,2 mm und 2 mm größer als
die äußere Ausdehnung
des Wabenkörpers,
insbesondere zwischen 0,3 mm und 1,2 mm. Auf diese Weise kann verhindert
werden, dass bereits beim Einfügen
des Wabenkörpers
in den Wellmantel bzw. bei einem anschließenden Einfügen des Wellmantels mit dem Wabenkörper in
das Gehäuse
die freien Enden des Wabenkörpers
so „eingeklemmt"
bzw. fixiert werden, dass eine Anpassung an die Struktur des Wellmantels
bei dem nachfolgenden Kalibrierverfahren nicht oder nicht in dem
gewünschten
Umfang erfolgt.
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Im Rahmen von technischen Vorversuchen hat
sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, die unterschiedlichen
Abmaße
der Komponenten auf die verwendete Struktur des mindestens einen Wellmantels
abzustimmen. Insofern wird weiter vorgeschlagen, dass der mindestens
eine Wellmantel eine Struktur mit einer Strukturlänge und
einer Strukturhöhe
aufweist, und das Profil des mindestens einen Wellmantels und/oder
die Innenkontur des Gehäuses
um etwa den Betrag der Strukturhöhe
gößer als
die äußere Ausdehnung
des Wabenkörpers
ist. Die Struktur des Wellmantels kann dabei unterschiedlich ausgeführt sein. Üblicherweise
hat diese Struktur eine wellenartige, sinusförmige, rechteckige, trapezförmige Gestalt
oder eine ähnliche
Form. Mit Strukturlänge
ist dabei der Abstand eines „Wellenberges"
von einem in Umfangsrichtung des Wellmantels benachbart angeordneten „Wellentales"
gemeint. Die Strukturhöhe
beschreibt dabei den zur Umfangsrichtung senkrechten Abstand benachbarter
Wellenberge und Wellentäler.
In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass insbesondere bei der
Verwendung mehrerer Wellmäntel,
welche gegebenenfalls axial zueinander beabstandet sein können, auch
voneinander verschiedene Strukturen mit unterschiedlichen Strukturlängen und/oder
Strukturhöhen
eingesetzt werden können,
wobei diese Strukturen dann in der Regel an die entsprechenden thermischen
und dynamischen Belastungen des Wabenkörpers angepasst sind. Auch
bei einer Ausgestaltung des Katalysator-Trägerkörpers mit mehreren Wellmänteln, welche in
radialer Richtung sich überlagern
bzw. ineinander eingeifen, können
ebenfalls unterschiedliche Strukturen zum Einsatz gelangen.
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Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des
Verfahrens erfolgt das Herstellen des Wabenkörpers derart, dass die Lagen
abwechselnd jeweils aus einer Glattlage und einer Welllage oder
aus unterschiedlichen Welllagen aufgebaut, dann gestapelt und anschließend S-förmig und/oder
U-förmig
gebogen und/oder gewickelt werden, so dass die Enden der Lagen zumindest
teilweise die äußere Ausdehnung
des Wabenkörpers
begrenzen. Die abwechselnde Anordnung einer Glattlage und einer
Welllage hat eine erhöhte
Stabilität
des Wabenkörpers
selbst zur Folge. Auch kann hierbei eine nahezu vollständige Verbindung
benachbarter Lagen miteinander gewährleistet werden, da die Glattlage
stets eine gleichmäßig ebene
bzw. leicht gebogene Anlagefläche
für die
Wellenberge bzw. Wellentäler
bereitstellt, um somit ausreichend Kontaktbereiche für eine spätere fügetechnische
Verbindung der Lagen miteinander zu gewährleisten. Die Welllage weist
im Allgemei nen ebenfalls eine Struktur der oben genannten Art auf, wobei
durch das abwechselnde Stapeln von Glattlagen und Welllagen die
Kanäle
gebildet werden, die später
mit einer katalytisch aktiven Trägerschicht
versehen werden. Die Struktur der Welllage läuft dabei bevorzugt senkrecht
zu einer Achse des Wabenkörpers,
so dass die Kanäle
im Wesentlichen parallel zu dieser Achse ausgeführt sind. Üblicherweise weist ein so hergestellter
Wabenkörper
eine Kanaldichte von 400 cpsi („cells per square inch") bis
1600 cpsi auf.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des
Verfahrens gelangen die Enden der Lagen infolge der Kalibrierung
mit einer Struktur des mindestens einen Wellmantels in Eingriff,
wobei diese insbesondere an den mindestens einen Wellmantel zum
Anliegen kommen. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass mindestens
90% der freien Enden der Lagen den mindestens einen Wellmantel kontaktieren,
wobei dies bevorzugt über
die gesamte axiale Länge des
Wabenkörpers
bzw. der Lagen erfolgt.
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Im Hinblick auf die Ausgestaltung
der fügetechnischen
Verbindungen zwischen dem mindestens einen Wellmantel und dem Gehäuse wird
vorgeschlagen, dass der mindestens eine Wellmantel vor dem Einfügen in das
Gehäuse
mit mindestens einem Lotstreifen versehen wird, der bevorzugt zur
nachfolgenden Anbindung des mindestens einen Wellmantels mit dem
Gehäuse
dient. Derartige Lotstreifen bzw. -bänder sind besonders gut geeignet,
um eine definiert begrenzte Verbindung des Wellmantels mit dem Gehäuse sicher
zu stellen. Vorzugsweise erfolgt dabei eine Verbindung des Wellmantels
mit dem Gehäuse
in einem Bereich, in dem ein verhältnismäßig geringes unterschiedliches
thermisches Ausdehnungsverhalten von Wabenkörper und Gehäuse zu erwarten
ist. Ein solcher Bereich ist insbesondere in einiger Entfernung
von den Stirnseiten des Wabenkörpers
(insbesondere von der Stirnseite, von der das heiße Abgas
in den Katalysator-Trägerkörper eintritt)
anzutreffen, da gerade beim Aufheiz- bzw. Abkühlverhalten des Wabenkörpers dieser
zu einer tonnenförmigen
Verformung neigt, bei der gerade die Stirnseiten ein signifikant
höheres
Expansions- bzw. Kontraktionsverhalten gegenüber innen liegenden Bereichen
zeigen.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der
Katalysator-Trägerkörper über mindestens
eine Stirnseite mit einem Lotmittel versehen wird, welches sich
in Kontaktbereichen der Lagen miteinander und/oder mit dem mindestens
einen Wellmantel anlagert. Das bedeutet, dass der Katalysator-Trägerkörper im
zusammengefügten
Zustand stirnseitig insbesondere mit einem pulverförmigen Lotmittel
in Kontakt gebracht wird. Hierzu ist es unter Umständen vorteilhaft,
die zu belotenden Kontaktbereiche zunächst mit einem Haftmittel zu
versehen, an dem das stirnseitig zugeführte Lotpulver haften bleibt.
Das Haftmittel wird dabei bevorzugt auch über die Stirnseite des zusammengefügten Katalysator-Trägerkörpers eingegeben,
wobei sich das (flüssige)
Haftmittel infolge eines Kapilar-Effektes gerade und insbesondere
ausschließlich
in diesen Kontaktbereichen anordnet. Das hat unter anderem auch
den vorteilhaften Effekt, dass über
die Menge des zugeführten
Haftmittels auch die haftenbleibende Anzahl von Lotkörnern definiert
eingestellt werden kann.
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Insbesondere für den Fall, dass eine fügetechnische
Verbindung der Komponenten miteinander bzw. betreffend den Wabenkörper der
Lagen untereinander exakt begrenzt (also nicht über die gesamte axiale Länge des
Wabenkörpers)
ausgeführt werden
soll, wird vorgeschlagen, vor dem Beloten Passivierungsmittel vorzusehen,
welche mindestens einen Lotbereich begrenzen. Derartige Passivierungsmittel
können
einerseits strukturelle Maßnahmen
an den Komponenten selbst umfassen, wie beispielsweise die Vorsehung
von Mikrostrukturen oder Veränderungen
der Oberflächentopographie
(Aufrauen etc.). Es ist aber beispielsweise auch möglich, derartige
Passivierungsmittel in Form einer zusätzlichen Beschichtung (Metall-Oxide,
keramische Beschichtungen und dergleichen) aufzutragen bzw. zu generieren,
welche ebenfalls einen Fluss des Lotmittels über die Passivierungsmittel
hinaus verhindern.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der
Katalysator-Trägerkörper eine
thermische Behandlung erfährt,
welche fügetechnische
Verbindungen der Lagen untereinander, der Lagen mit dem mindestens
einen Wellmantel und/oder dem mindestens einen Wellmantel mit dem
Gehäuse
zur Folge hat. Dies umfasst einerseits eine Lotverbindung der einzelnen Komponenten
miteinander bzw. untereinander. Alternativ hierzu können jedoch
im Rahmen der thermischen Behandlung alternativ oder kumulativ Schweißverbindungen
oder Diffusionsanbindungen generiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird ein Katalysator-Trägerkörper vorgeschlagen, welcher
einen Wabenkörper
umfasst, der zumindest teilweise strukturierte Lagen mit Enden hat, wobei
die Lagen für
ein Fluid durchströmbare
Kanäle bilden.
Der Katalysator-Trägerkörper umfasst
zudem ein Gehäuse,
welches den Wabenkörper
zumindest teilweise umgibt, sowie mindestens einen Wellmantel, der
zwischen dem Wabenkörper
und dem Gehäuse
angeordnet ist und den Wabenkörper
mit dem Gehäuse
verbindet. Der Katalysator-Trägerkörper zeichnet
sich dadurch aus, dass mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95%,
insbesondere mehr als 98% der Enden mit dem mindestens einen Wellmantel
fügetechnisch
verbunden sind. Vorzugsweise sind alle freien Enden des Wabenkörpers mit
dem Wellmantel verbunden, wobei ein solcher Katalysator-Trägerkörper bevorzugt
nach einer Ausgestaltung des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt
wird. Wie bereits erläutert,
hat der innige Kontakt der freien Enden des Wabenkörpers mit
dem mindestens einen Wellmantel eine deutlich erhöhte Anzahl
von fügetechnischen
Verbindungen zur Folge, die einen langzeitigen Einsatz derartiger
Katalysator-Trägerkörper gerade
in mobilen Abgasanlagen sicherstellt. Ganz besonders bevorzugt sind
dabei die Enden über
den gesamten Überdeckungsbereich
von Wabenkörper und
Wellmantel miteinander in Kontakt bzw. verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst
der Katalysator-Trägerkörper metallische Glattlagen
und Welllagen, welche bevorzugt abwechselnd zueinander angeordnet
und S-förmig
und/oder U-förmig
gebogen sind, so dass alle Enden zumindest teilweise eine äußere Ausdehnung
des Wabenkörpers
bilden. Besonders bevorzugt ist dabei die Ausgestaltung der Lagen
mit einer Lagendicke kleiner als 0,1 mm, insbesondere kleiner als
0,05 mm und bevorzugt kleiner als 0,02 mm. Die Glattlagen und Welllagen
bestehen dabei aus einem ferritischen Metall bzw. einer entsprechenden
Metalllegierung, welche Aluminium und Chrom umfassen, um eine Korrosionsfestigkeit
der Lagen auch bei sehr hohen Temperaturen (Betriebstemperaturen
des Katalysator-Trägerkörpers bis
1300°C)
standhalten. Die vorgeschlagene Lagendicke bewirkt, dass der Wabenkörper bzw.
der Katalysator-Trägerkörper eine
relativ geringe oberflächenspezifische
Wärmekapazität aufweist.
Dies hat zur Folge, dass der Katalysator-Trägerkörper den schnell wechselnden
Umgebungsbedingungen infolge unterschiedlicher Lastwechsel der Verbrennungskraftmaschine
rasch folgen kann, wobei insbesondere beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine
ein schnelles Anspringen der katalytisch motivierten Reaktionen
gewährleistet
ist.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der
Wabenkörper,
der mindestens eine Wellmantel und das Gehäuse eine zylindrische Form
aufweisen. Die zylindrische Form hat den Vorteil, dass eine relativ
unkomplizierte und einfache Integration des Katalysator-Trägerkörpers in
das Abgassystem selbst realisiert werden kann, ohne zusätzliche
Positionierungshilfen.
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Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des
Katalysator-Trägerkörpers ist
ein Verbindungsbereich des mindestens einen Wellmantels mit dem Gehäuse flä chenmäßig kleiner
als ein Anbindungsbereich des mindestens einen Wellmantels mit dem Wabenkörper, wobei
sich vorzugsweise der Verbindungsbereich und der Anbindungsbereich
zumindest teilweise überlagern.
Ganz besonders ist die Ausgestaltung eines Katalysator-Trägerkörpers bevorzugt, bei
dem sich der Anbindungsbereich über
die gesamte axiale Länge
des Wabenkörpers
erstreckt, wobei der Verbindungsbereich zwischen Wellmantel und dem
Gehäuse
als schmaler (Breite kleiner 10 mm) umlaufender Streifen in der
Mitte des Katalysator-Trägerkörpers ausgeführt ist.
Unter Umständen kann
es jedoch auch vorteilhaft sein, dass die Anbindung des Wellmantels
an den Wabenkörper
lediglich auf schmale Bereiche nahe den Stirnseiten des Wabenkörpers ausgeführt ist.
Bei der letztgenannten Ausgestaltung ist allerdings bevorzugt an
der mittigen Anordnung des Verbindungsbereiches betreffend die Anbindung
des Wellmantels an das Gehäuse
festzuhalten.
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Betreffend die Dimensionierung des
Katalysator-Trägerkörpers wird
vorgeschlagne, dass die Manteldicke des mindestens einen Wellmantels
betragsmäßig zwischen
der Lagendicke der Lagen und der Gehäusedicke des Gehäuses liegt,
insbesondere in einem Bereich von 0,08 mm bis 0,25 mm. Dies hat zur
Folge, dass der Wellmantel eine oberflächenspezifische Wärmekapazität aufweist,
die zwischen der oberflächenspezifischen
Wärmekapazität der Lagen und
der des Gehäuses
liegt. Insofern ist ein so ausgeführter Wellmantel besonders
gut geeignet, die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der
Lagen und des Gehäuses
zu kompensieren. Der mindestens eine Wellmantel und bevorzugt auch
das Gehäuse
sind dabei aus dem gleichen bzw. einem ähnlichen Material wie die Lagen
des Wabenkörpers hergestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
des Katalysator-Trägerkörpers hat
der Wabenkörper
eine Länge
in Richtung einer Achse, die einer Erstreckung des Wellmantels in
Richtung der Achse entspricht. Während
generell die Länge
des Wa benkörpers,
die Erstreckung des Wellmantels sowie das Abmaß des Gehäuses in Richtung der Achse
frei variierbar sind, schließt
bei der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der Wellmantel bündig mit
den Stirnseiten des Wabenkörpers
ab. Dies ist gerade im Hinblick auf die Fertigung und insbesondere
die Positionierung des mindestens einen Wellmantels bezüglich des
Wabenkörpers
vorteilhaft.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
des mindestens einen Wellmantels wird vorgeschlagen, dass dieser
eine Strukturlänge und
eine Strukturhöhe
hat, wobei die Strukturlänge im
Bereich von 1,5 mm bis 3,5 mm liegt, und die Strukturhöhe vorzugsweise
0,3 mm bis 1 mm beträgt. Ein
so ausgeführter
Wellmantel gewährleistet
einerseits eine ausreichende axiale, radiale oder in Umfangsrichtung
gerichtete Expansion bzw. Kontraktion des Wabenkörpers, andererseits wird dadurch
auch sicher gestellt, dass die freien Enden der Lagen „einschnappen"
und ein Vorbeiströmen
von unbehandeltem Abgas beim späteren
Einsatz des Katalysator-Trägerkörpers im
Abgassystem mobiler Verbrennungskraftmaschinen verhindert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
einiger Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei wird hier ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
nicht begrenzt ist, sondern diese im Wesentlichen zur näheren Illustrierung
der Vorteile der Erfindung ausgewählt wurden.
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Es zeigen:
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1:
eine Ausgestaltung des Katalysator-Trägerkörpers in einer Explosionsdarstellung;
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2:
eine Detailansicht einer Ausgestaltung des Katalysator-Trägerkörpers im
Schnitt;
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3:
schematisch den Ablauf einer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens
eines Katalysator-Trägerkörpers; und
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4:
eine perspektivische Detaildarstellung einer Ausgestaltung des Katalysator-Trägerkörpers im
Randbereich.
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1 zeigt
perspektivisch und in einer Explosionsdarstellung eine Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Katalysator-Trägerkörpers 1 umfassend
einen Wabenkörper 2 sowie
ein zum Wabenkörper 2 bzw.
einer Achse 27 konzentrisch angeordneten Wellmantel 7 und
ein ebenfalls konzentrisch angeordnetes Gehäuse 6. Der Wabenkörper 2 ist
hier zylindrisch ausgeführt,
wobei dieser einer Mehrzahl von Welllagen 3 und Glattlagen 4 umfasst,
die so angeordnet bzw. gestapelt und/oder gewickelt sind, dass deren
Enden 9 den Umfang des zylindrisch ausgeführten Wabenkörpers 2 zumindest
teilweise bilden. Infolge der abwechselnden Anordnung von Welllagen 3 und
Glattlagen 4 sind Kanäle 5 gebildet, welche
für ein
Abgas durchströmbar
sind. Bei der dargestellten Ausführungsform
des Wabenkörpers 2 erstrecken
sich die Kanäle 7 von
einer Stirnseite 16 bis zur gegenüberliegenden Stirnseite 16 über die gesamte
Länge 26 des
Wabenkörpers 2,
wobei diese im Wesentlichen parallel zur Achse 27 ausgebildet sind.
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Der dargestellte Katalysator-Trägerkörper 1 umfasst
einen Wellmantel 7, dessen Erstreckung 28 im Wesentlichen
der Länge 26 des
Wabenkörpers 2 entspricht.
Dabei wird der Wellmantel 7 so über den Wabenkörper 2 gestülpt, dass
die Kanten des Wellmantels 7 im Wesentlichen bündig zu
den Stirnseiten 16 des Wabenkörpers 2 angeordnet
sind. Auch das dargestellte Gehäuse 6 weist
ein Abmaß 29 in
Richtung der Achse 27 auf, welche im Wesentlichen der Erstreckung 28 des
Wellmantels 7 sowie der Länge 26 des Wabenkörpers 2 entspricht.
Das hat zur Folge, dass der Katalysator-Trägerkörper 1 im zusammengefügten Zustand
eine nahezu bündige
Anordnung von Wabenkörper 2,
Wellmantel 7 und Gehäuse 6 darstellt.
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2 zeigt
die Hälfte
eines Querschnittes einer Ausgestaltung des Katalysator-Trägerkörpers 1. Hierbei
lässt sich
erkennen, dass der Wabenkörper 2 von
einem Wellmantel 7 umgeben wird, der wiederum von dem Gehäuse 6 umgeben
ist. Im oberen Bereich dieser Darstellung sind Welllagen 3 und
Glattlagen 4 angedeutet, welche für das Abgas durchströmbare Kanäle 5 bilden.
Die Welllagen 3 und Glattlagen 4 weisen dabei
jeweils eine Lagendicke 21 auf, die bevorzugt im Bereich
von 0,05 mm und 0,015 mm liegt. Aus dieser Darstellung lässt sich
erkennen, dass die äußere Ausdehnung 8 des
Wabenkörpers 2 zumindest
teilweise durch die Enden 9 der Welllagen 3 bzw.
Glattlagen 4 gebildet ist.
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Die dargestellte Ausführungsform
betrifft einen Katalysator-Trägerkörper 1,
dessen Gehäuse 6 bereits
kalibriert wurde. Dies lässt
sich dadurch erkennen, dass mindestens 90% der Enden 9 der
Lagen 3, 4 mit dem Wellmantel 7 in Kontakt
stehen bzw. mit diesem fügetechnisch
verbunden sind. Dies konnte dadurch bewirkt werden, dass die Innenkontur 11 des
Gehäuse 6 sowie
das Profil 10 des Wellmantels 7 infolge dieses
Kalibriervorgangs reduziert wurde, und dabei eine Deformierung bzw.
Verlagerung der Struktur 12 des Wellmantels 7 erfolgte.
Die Enden 9 der Lagen 3, 4 passen sich
derart an, dass diese nun an der Innenseite des Wellmantels 7 anliegen,
wodurch eine dauerhafte fügetechnische
Verbindung des Wabenkörpers 2 mit
dem Wellmantel 7 sicher gestellt ist. Der Wellmantel 7 weist
hier eine Manteldicke 24 auf, die zwischen der Lagendicke 21 der
Welllagen 3 und Glattlagen 4 einerseits und der Gehäusedicke 25 des
Gehäuses 6 andererseits
liegt.
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3 zeigt
schematisch einen Ablauf einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der
erste Schritt umfasst dabei die Herstellung eines Wabenkör pers 2,
eines Wellmantels 7 sowie eines Gehäuses 6, welche anschließend ineinander
gefügt werden.
Der Wabenkörper 2 umfasst
S-förmig
gebogene Lagen, welche in einem Anbindungsbereich 23, der
hier praktisch die gesamte Außenfläche des
Wabenkörpers 2 umfasst,
mit dem Wellmantel 7 verbunden werden soll. Der Wellmantel 7 weist
auf seiner Außenseite
bereits einen umlaufenden Lotstreifen 15 auf, der bei einer
nachfolgenden thermischen Behandlung des Katalysator-Trägerkörpers 1 eine
Verbindung mit dem Gehäuse 6 bewirken
soll. Der Verbindungsbereich 22 ist dabei deutlich größer ausgeführt als
der Anbindungsbereich 23 zwischen Wabenkörper 2 und
Wellmantel 7. Die beiden Lotbereiche 20 weisen
jeweils eine definierte Begrenzung auf. Während der Anbindungsbereich 23 durch
die Stirnseiten 16 des Wabenkörpers 2 begrenzt wird,
weist der Wellmantel 7 Passivierungsmittel 19 auf,
welche den Verbindungsbereich 22 definieren. Dadurch wird verhindert,
dass das Lot des Lotstreifens 15 bei einer Erwärmung über die
Grenzen des Verbindungsbereiches 22 hinwegfließt.
-
Im zweiten Schritt erfolgt das gemeinsame Kalibrieren
der Komponenten des Katalysator-Trägerkörpers 1. In der dargestellten
Abbildung erfolgt eine plastische Verformung des Gehäuses 6 mittels eines
Werkzeuges 30, das hier als Walzrolle dargestellt ist.
Die Kalibrierung erfolgt insbesondere nur in dem Bereich, in dem
auch ein Wellmantel 7 angeordnet ist. Der Kalibriervorgang
selbst hat eine Reduzierung der Innenkontur 11 und bevorzugt
auch des Profils 10 des mindestens einen Wellmantels 7 zur
Folge, wodurch mindestens 90% der Enden 9 der Lagen an
der Struktur des Wellmantels 7 anliegen.
-
Im dritten Schritt erfolgt die Kontaktierung des
Katalysator-Trägerkörpers 1 mit
einem Verteiler 31, wobei Haftmittel 32 in innere
Bereiche des Wabenkörpers 2 bzw.
des Katalysator-Trägerkörpers 1 eingeleitet
werden. Das Haftmittel 32 lagert sich dabei bevorzugt in
den Kontaktbereichen der Lagen miteinander bzw. der Lagen mit dem
Wellmantel an, da hier überwiegend
Kapillar-Kräfte
eine gleichmäßige Verteilung
des Haftmittels 32 bewirken.
-
Im vierten Schritt ist die stirnseitige
Belotung des Katalysator-Trägerkörpers 1 dargestellt,
wobei das Lotpulver 17 mittels eines Wirbelbettes 33,
also mit Unterstützung
beispielsweise eines Gebläses,
in die inneren Bereiche des Katalysator-Trägerkörpers 1 gelangt.
Das pulverförmige
Lotmittel 17 bleibt dabei an den mit Haftmittel benetzten
Kontaktbereichen haften.
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Im fünften Schritt ist eine thermische
Behandlung des Katalysator-Trägerkörpers dargestellt, wobei
dieser bevorzugt in einem Hochtemperatur-Vakuum-Ofen 34 erwärmt wird.
Bei der Erwärmung
des Katalysator-Trägerkörpers verflüssigt sich
das Lotmittel 17 bzw. der Lotstreifen 15, wobei
nach Abkühlung
des Katalysator-Trägerkörpers fügetechnischen Verbindungen
der Komponenten untereinander generiert sind. Ein so hergestellter
Katalysator-Trägerkörper 1 wird
in der Regel anschließend
mit einer Trägerschicht
versehen, mit katalytisch aktivem Material imprägniert und in den Abgasanlagen
unterschiedlichster mobiler Verbrennungskraftmaschinen von Pkw's,
Lkw's Motorrädern,
Rasenmähern,
Kettensägen
oder dergleichen eingesetzt.
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4 zeigt
schematisch und perspektivisch eine Detailansicht eines Katalysator-Trägerkörpers 1 in
dessen Randbereich. Es ist ein Teil des Gehäuses 6 dargestellt,
das mit einem Wellmantel 7 in Kontakt steht. Der Wellmantel 7 weist
eine Struktur 12 auf, welche durch eine Strukturhöhe 14 sowie
eine Strukturlänge 13 charakterisiert
ist. Zudem weist der Wellmantel 7 als Passivierungsmittel 19 eine
Mikrostruktur auf, die verhindert, dass beispielsweise Lot aus dem
Lotbereich 20 über
das Passivierungsmittel hinaus fließt, da an dieser Stelle der
Kapillar-Effekt unterbrochen wird. Somit werden Verbindungen außerhalb
des Verbindungsberei ches 22 (nicht dargestellt) zwischen
Wellmantel 7 und Gehäuse 6 einfach
und effektiv vermieden.
-
In dem dargestellten Detail wird
der Wabenkörper 2 nicht
durch freie Enden 9 (nicht dargestellt) begrenzt, vielmehr
liegen hier die Welllagen 3 und Glattlagen 4 im
Wesentlichen parallel zum Wellmantel 7. Eine solche Anordnung
ergibt sich beispielsweise bei S-förmig gebogenen Lagen 3, 4,
wo in Umfangsrichtung die äußere Ausdehnung
des Wabenkörpers
abwechselnd durch Enden der Lagen und mittleren Bereichen der Lagen
begrenzt wird. Die Lagen 3, 4 liegen aneinander
an und bilden Kontaktbereich 18, die anschließend zur
Ausbildung von fügetechnischen
Verbindungen herangezogen werden. Nach dem Belotungsvorgang sind
in diesen Kontaktbereichen 18 das pulverförmige Lotmittel 17 angeordnet,
wobei dieses bevorzugt an einem dort angelagerten Haftmittel klebt.
-
Das hier beschriebene Verfahren zur
Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers ist
relativ einfach und kann mit einer hohen Prozesssicherheit gerade
in den Fertigungsablauf einer Serienfertigung von Katalysator-Trägerkörpern integriert
werden. Der hieraus resultierende Katalysator-Trägerkörper zeichnet sich insbesondere
durch seine langlebige strukturelle Integrität aus, so dass dieser robuste bzw.
stabile Katalysator-Trägerkörper gerade
für extreme
Belastungsverhältnisse
besonders gut geeignet ist.
-
- 1
- Katalysator-Trägerkörper
- 2
- Wabenkörper
- 3
- Welllage
- 4
- Glattlage
- 5
- Kanal
- 6
- Gehäuse
- 7
- Wellmantel
- 8
- Ausdehnung
- 9
- Ende
- 10
- Profil
- 11
- Innenkontur
- 12
- Struktur
- 13
- Strukturlänge
- 14
- Strukturhöhe
- 15
- Lotstreifen
- 16
- Stirnseite
- 17
- Lotmittel
- 18
- Kontaktbereich
- 19
- Passivierungsmittel
- 20
- Lotbereich
- 21
- Lagendicke
- 22
- Verbindungsbereich
- 23
- Anbindungsbereich
- 24
- Manteldicke
- 25
- Gehäusedicke
- 26
- Länge
- 27
- Achse
- 28
- Erstreckung
- 29
- Abmaß
- 30
- Werkzeug
- 31
- Verteiler
- 32
- Haftmittel
- 33
- Wirbelbett
- 34
- Ofen