DE10313155A1

DE10313155A1 - Verfahren zur Herstellung eines Abgaskatalysators

Info

Publication number: DE10313155A1
Application number: DE10313155A
Authority: DE
Inventors: Jacek Schneider; Frank Neurath
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: DE10313155B4; FR2852539A1; FR2852539B1

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. DOLLAR A Hierzu ist vorgesehen, dass DOLLAR A (a) eine äußere Gestalt des von dem Gehäusemantel (18) zu umhüllenden Bereichs des Substrates (12) zumindest teilweise erfasst wird, DOLLAR A (b) das Mantelblech entsprechend der erfassten Gestalt des Substrates (12) zugeschnitten und/oder vorgeformt wird, DOLLAR A (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 DOLLAR A (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 eine_m ungleichmäßigen Spaltmaß zwischen Substrat und Mantelblech führt und damit zu einer mechanischen Überbeanspruchung des Monolithen in dem Mantelüberlappungsbereich.
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.
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/oder vorgeformt,
(c) das Substrat in das zugeschnittene und/oder vorgeformte Mantelblech eingebracht oder das zugeschnittene und/oder vorgeformte Mantelblech um das Substrat aufgebracht, und
(d) das Mantelblech an seinen aufeinander stoßenden Kanten im Wesentlichen 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 und 2 schematisch dargestellt. 1 zeigt den insgesamt mit 10 bezeichneten Abgaskatalysator im Längsschnitt und 2 einen herkömmlich gefertigten Katalysator 10 im Längsschnitt gemäß dem in 1 gezeigten Schnitt.
Wesentliches Element des Katalysators 10 ist ein Substrat 12, beispielsweise ein Keramikmonolith aus Cordierit. Das von vielen vom Abgas durchströmbaren Kanälen durchzogene Substrat 12 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 Substrat 12 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form mit ovalem Querschnitt (vergleiche 2). In 1 ist eine Anströmseite des Substrates 12 mit Bezugzeichen 14 und eine Abströmseite mit 14' gekennzeichnet.
Das Substrat 12 ist von einem Dämmmaterial 16 umwickelt. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine hochtemperaturbeständige Fasermatte, die bei hohen Temperaturen ausdehnende Zusatzstoffe enthält.
Substrat 12 und Dämmmaterial 16 werden ferner an ihrem äußerem Umfang von einem Gehäusemantel 18 aus Metallblech umhüllt.
Um die Einbaulage des Katalysators 10 in einem Abgastrakt eines Kraftfahrzeuges zu verdeutlichen, ist in 1 ferner die Strömungsrichtung eines Abgasstroms 20 angedeutet.
Nach herkömmlichen Canning-Verfahren erfolgt der Zusammenbau des Substrates 12 und des Cannings, bestehend aus dem Dämmmaterial 16 und dem Gehäusemantel 18, indem zunächst das Substrat 12 in eine zugeschnittene Fasermatte des Dämmmaterials 16 gewickelt wird. Anschließend wird das in das Dämmmaterial 16 gewickelte Substrat 12 in das mit Übermaß zugeschnittene und gegebenenfalls vorgewalzte Mantelblech gewickelt.
Schließlich erfolgt eine Verschweißung des Mantelbleches im Überlappungsbereich 22 (vergleiche 2).
Diese Vorgehensweise führt zu dem unerwünschten Effekt, dass unterhalb der Überlappungsstelle 22 ein vorgegebenes Spaltmaß zwischen Substrat 12 und Gehäusemantel 18 nicht eingehalten wird, insbesondere unterschritten wird (siehe Pfeil in 2). 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 Substrates 12 von einem gewünschten Maß. Sowohl Überlappungsstelle 22 als auch Fertigungstoleranzen des Substrates 12 führen zu unregelmäßigen Spaltmaßen zwischen Substrat 12 und dem Gehäusemantel 18 sowie zu einer Nichteinhaltung einer gewünschten Materialdichte des Dämmmaterials 16. Aufgrund der hierdurch bedingten mechanischen Belastung des Substrates 12 während des Canning-Prozesses und beim Zusammenbau des Katalysators 10 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 Substrate 12 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 in 3 wiedergegeben ist. Das Verfahren beginnt mit Schritt S1, in dem eine äußere Kontur des Substrates 12 zumindest bereichsweise maschinell erfasst wird. Insbesondere wird der später von dem Gehäusemantel 18 zu umhüllende äußere Umfang des Substrates 12 bestimmt. Beispielsweise kann hierbei ein über den Abgasweg sich verjüngender Querschnitt des Substrates 12 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 Substrates 12. Dabei wird das gewünschte Spaltmaß zwischen Substrat 12 und Gehäusemantel 18 in Form einer gewissen (berechneten) Materialzugabe berücksichtigt. Die Abmessungen des Zuschnitts werden computergestützt ermittelt, wobei die im Schritt S1 ermittelte dreidimensionale äußere Form des Substrates 12 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, Dämmmaterial 16 und Mantelblech 18. Dabei wird das Substrat 12 in das zugeschnittene Dämmmaterial 16 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 Substrat 12 durchgeführt. Auf diese Weise erhält jedes individuelle Substrat 12 einen quasi maßgeschneiderten Gehäusemantel 18.
Das vorteilhafte Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 4 erkennbar, wo ein so hergestellter Katalysator 10 im Querschnitt dargestellt ist. Dabei sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 bezeichnet. Der auf diese Weise hergestellte Katalysator 10 zeichnet sich insbesondere durch ein über den gesamten Substratumfang gleichmäßiges Spaltmaß zwischen Substrat 12 und Gehäusemantel 18 aus. Insbesondere weist auch das unter der Schweißstelle 24 liegende Spaltmaß keinerlei Einengung gegenüber den übrigen Bereichen auf.

10: Abgaskatalysator
12: Substrat
14: Anströmseite
16: Dämmmaterial/Matte
18: Gehäusemantel
20: Abgasstrom
22: Überlappungsbereich
24: Schweißstelle

Claims

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/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.
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.