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DE69712149T2 - Verfahren zur Herstellung eines Katalysators einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Katalysators einer Brennkraftmaschine

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DE69712149T2 DE69712149T DE69712149T DE69712149T2 DE 69712149 T2 DE69712149 T2 DE 69712149T2 DE 69712149 T DE69712149 T DE 69712149T DE 69712149 T DE69712149 T DE 69712149T DE 69712149 T2 DE69712149 T2 DE 69712149T2
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Description

    1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren zur Reinigung von Abgasen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung des Katalysators unter Verwendung eines vorgeformten, rechtwinkligen Metallbleches, das eine im wesentlichen gleichförmige Krümmung aufweist.
    • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Wie bekannt ist, wird die Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren, insbesondere aus Kraftfahrzeugen, im allgemeinen durch ein Abgasreinigungssystem erreicht, bei dem ein keramisches Element mit einer Waben-Zellstruktur bzw. mit einer Verbundkörperstruktur als ein Katalysator-Träger dient. Genauer gesagt ist die Waben-Zellstruktur mit einem ein Edelmetall enthaltenden Katalysator bedeckt, das in Gegenwart von O&sub2; dazu dient, schädliche Bestandteile des Abgases, wie beispielsweise HC und CO, zu CO&sub2; und H&sub2;O umzuwandeln. Die Waben-Zellstruktur befindet sich innerhalb eines gasdichten Blech- oder Gußmetall-Gehäuses oder -Behälters, der hitzebeständig ist.
  • Gegenwärtig verwendete Waben-Strukturen umfassen typischerweise ein keramisches Material wie beispielsweise Kordierit, ein brüchiges Material, das eine begrenzte mechanische Festigkeit aufweist. Aus diesem Grund schließen Katalysatoren, die heute in Gebrauch sind, typischerweise eine Trag- bzw. Stützmatte bzw. -vlies ein, die um den Rand der Wabe herumgewickelt ist. Das elastische Material, das alle Druckkräfte gleichförmig auf die Keramik verteilt, dehnt sich typischerweise aus, wenn die Temperatur zunimmt. Wenn dies der Fall ist, nimmt der Preßstützdruck auf den Verbundkörper bzw. die Wabe bei erhöhten Temperaturen zu und kompensiert bis zu einem gewissen Grad die thermische Ausdehnung des äußeren Metallgehäuses. Weil sich das Metallgehäuse mehr als die eingeschlossene keramische Wabe ausdehnt, verhindert diese Mattenausdehnung bei einem Anstieg der Temperatur, daß die Wabe im Behältergehäuse lose wird.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren, wie oben beschrieben, bekannt, einschließlich der Einfügung von enganliegenden, in Matten eingewickelten Waben in rohrförmige Gehäuse (siehe beispielsweise US Patent Nr. 4 093 423 (Neumann)), ebenso wie die Verwendung von zwei Metallgehäusehälften, die um eine in eine Matte eingewickelte Wabe herum geschlossen werden und danach zusammengeschweißt werden, siehe beispielsweise US Patent Nr. 5 273 724 (Bös). Ein weiteres derartiges Verfahren der Herstellung, das üblicherweise als "Rührkreuz-Umhüllungs"-Verfahren ("tourniquet wrap"-Verfahren) bezeichnet wird, schließt die Ausformung eines rechtwinkligen flachen Metallblechstückes zu einem zylindrischen Körper mit einer Überlappung ein. Eine mit einer Matte umhüllte Wabe wird locker in den zylindrischen Metallbehälter eingefügt und die kombinierte Anordnung wird zusammengezogen, so daß die erwünschte Matten-Kompression gebildet wird. Danach wird die Überlappung zusammengeschweißt, wodurch der Behälter in der erwünschten Kompression gehalten wird, während zur selben Zeit ein Gasleck vermieden wird; siehe beispielsweise US-Patent-Nr. 5 082 479 (Miller).
  • Das vorher erwähnte Ausformen eines rechtwinkligen flachen Metallblechstückes zu einem zylindrischen Körper wird üblicherweise unter Verwendung einer Dreiwalzen- Metallblechwalzvorrichtung und -technik erreicht. Ein diesen vorgewalzten Metallkörpern eigener Mangel besteht darin, daß die Endabschnitte des zylindrischen Metallkörpers nicht dieselbe Krümmung wie der Mittelabschnitt des zylindrischen Bleches aufweisen. Eine Folge der Verwendung dieser zylindrischen Metallkörper, die eine nicht gleichförmige Krümmung zeigen besteht darin, daß sich unregelmäßige Lücken zwischen der Wabenstruktur und dem Metall-Körper oder -Behälter bilden. Während die Trägermatte dazu dient, einen gewissen Teil dieser Ungleichförmigkeit auszugleichen bzw. abzumildern, wird auf die Wabe eine nicht gleichförmige Druckbelastung ausgeübt. In denjenigen Gebieten, in denen die Lücke am kleinsten ist, führt eine konzentrierte Belastung zu einem lokalen Druck-Fehler bzw. einer Bruchstauchung der Waben-Struktur, d. h. zu einem Brechen der brüchigen Waben-Struktur.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist deswegen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme und Nachteile des herkömmlichen "tourniquet wrap"-Verfahrens zur Bildung von Katalysatoren zu überwin den. In anderen Worten, ein Verfahren zur Bildung von Katalysatoren bereit zu stellen, das eine im wesentlichen gleichförmige Druckbelastung auf die Waben-Struktur erreicht, wodurch eine lokalisierte Bruchstauchung (d. h. Brechen) der Wabe verhindert wird.
  • Diese Aufgabe, ebenso wie andere Aufgaben, die in der folgenden Diskussion ersichtlich werden, werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß ein zylindrischer Blechkörper verwendet wird, der eine im wesentlichen gleichförmige Krümmung zeigt. Das Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren mit einer Waben-Keramikstruktur, die von einer Stützmatte umgeben ist, und sich in einem Gehäuse befindet, umfaßt die folgenden Schritte: (1) Ausbilden eines zylindrischen Metallgehäuses, das eine innere und eine äußere Oberfläche aufweist, die beide eine im wesentlichen gleichförmige Krümmung zeigen und die eine Überlappung mit einer Innenoberfläche aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Krümmung wie die äußere Oberfläche des Metallgehäuses zeigt; (2) Umhüllen der Waben-Struktur mit einer ausreichenden Menge des Stützmatten-Materials und Einfügen der umhüllten Struktur in das Metallgehäuse; (3) Schließen des Metallgehäuses um die umhüllte Wabe unter Druck, wodurch eine im wesentlichen gleichförmige Druckbelastung auf die Wabe durch die Stützmatte erzeugt wird.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht in Längsrichtung eines Katalysators mit einer Wabenstruktur, der gemäß des hierin beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde;
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Katalysators von Fig. 1, die entlang der Schnittlinie A- A vorgenommen wurde;
  • Fig. 3 ist eine Darstellung der "gleichförmigen Krümmung" des vorgeformten zylindrischen Metallgehäuses der Fig. 1 und 2 vor Einfügung der Wabe.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Nunmehr bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 ist darin ein Katalysator dargestellt, der eine keramische Wabenstruktur umfaßt, die als die Katalysatorstruktur oder -Träger dient. Der Katalysator 10 umfaßt eine zylindrische keramische Wabe 14 und ein Metallgehäuse oder einen Behälter 12, der dieselbe einschließt. Der Behälter 12 ist aus einem Material gebildet, das dazu in der Lage ist, Salz unter dem Kraftfahrzeug, Temperatur und Korrosion zu widerstehen; ferretische rostfreie Stähle einschließlich der Güten SS-409, SS-439 und aktueller SS-441 werden jedoch im allgemeinen bevorzugt. Die Auswahl des Materials hängt von der Gasart, der maximalen Temperatur und dergleichen ab. Die Wabe 14 wird durch Extrudieren eines keramischen Materials wie beispielsweise Kordierit gebildet. Der Behälter 12 weist Einlaß- und Auslaßöffnungen 16 und 18 auf. Das durch die Einlaßöffnung eingebrachte Gas strömt durch einzelne Zellen der Wabe 14 hindurch und aus dieser durch Auslaßöffnung 18 heraus.
  • Die keramische Wabe 14 weist quadratische Zellen auf, obwohl die Zellen der Wabe auch andere als quadratische Formen aufweisen können, einschließlich dreieckiger, rechtwinkliger und dergleichen Formen. Unter Berücksichtigung der Werkzeug-Kosten zum Extrusionsgießen oder dergleichen sind die Zellen jedoch im allgemeinen von quadratischer Form.
  • Die keramische Wabe 14 ist auf einem Behälter 12 mittels einer keramischen Fasermatte oder eines Drahtgeflechtes 24 zur Verwendung als Schockabsorber gelagert. Die Matte 24 ist typischerweise geformtes Keramikfasermaterial, entweder ein einfaches nichtexpandierendes Keramikmaterial, ein anschwellendes Material, beispielsweise eines, das einen Vermikulit-Bestandteil enthält, der sich in der Hitze ausdehnt, so daß ein fester Druck aufrechterhalten wird, wenn sich das äußere Blech nach außen vom keramischen Monolithen weg ausdehnt, ebenso wie Matten, die eine Kombination von beiden einschließen. Akzeptable sich nicht ausdehnende Keramikfaser-Materialien schließen Keramikmaterialien wie beispielsweise diejenigen ein, die unter der Marke "NEXTEL" von der "3M" Company, Minneapolis, MN vertrieben werden oder denjenigen, die unter der Marke "FI- BERFRAX" von der Carborundum Co., Niagara Falls, NY, vertrieben werden. Eine akzeptable anschwellende Keramik schließt Keramikmaterialien ein, wie beispielsweise diejenigen, die unter der Marke "INTERAM" durch die die "3M" Company, Minneapolis, MN vertrieben werden. Die Fasermatte 24, die eine Breite aufweist, die im wesentlichen der Länge der Wabe 14 gleich ist, wird zwischen 14 eingelegt und durch geeignetes Erhitzen festgesetzt. Die festgesetzte Fasermatte drückt auf den äußeren Rand der Wabe, wodurch dieser gegen einen Widerstand, der durch den Gasstrom verursacht wird, fixiert wird. Vorspringende Stücke 20 und 22 ragen aus dem Innenrand des Behälters 12 hervor, wodurch vermieden wird, daß die Fasermatte 24 in Längsrichtung bezüglich Behälter 12 durch den Widerstand aus dem Gasstrom oder durch damit verbundene Vibrationsbeschleunigungen verschoben wird.
  • Die Herstellung des Katalysators, der in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, schließt im allgemeinen die folgenden Schritte ein: (1) Ausbilden eines zylindrischen Metallgehäuses, das eine im wesentlichen gleichförmige Krümmung zeigt und eine Überlappung aufweist; (2) Umhüllen eines Waben-Substrats mit einer ausreichenden Menge von Stützmattenmaterial und Einfügen der umhüllten Wabe in das Metallgehäuse; (3) Schließen des Metallgehäuses um die umhüllte Wabe unter Druck, wodurch der so gebildete Katalysator eine im wesentlichen gleichförmige Druckbelastung auf die Wabe durch die Stützmatte zeigt; und (4) Befestigen der Behälterenden aneinander an der Überlappung, um den Druck aufrecht zu erhalten.
  • Bezugnehmend auf Fig. 3 ist dort ein zylindrisches Metallgehäuse 12 mit "gleichförmiger Krümmung" in seinem vor-komprimiertem Zustand dargestellt, d. h. vor Einfügung der umhüllten Wabe und dem anschließenden Schließen des Metallgehäuses unter Druck, um so den so gebildeten Katalysator herzustellen. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Krümmung der inneren und äußeren Oberflächen 26 bzw. 28 des Metallgehäuses über ihre gesamte Länge im wesentlichen gleichförmig. Das zylindrische Metallgehäuse 12 schließt weiterhin eine Überlappung 30 ein, die eine Innenoberfläche besitzt, die die im wesentlichen gleiche Krümmung wie diejenige zeigt, wie sie durch die äußere Metallgehäuse- Oberfläche 28 gezeigt wird. Die beträchtliche Ähnlichkeit zwischen den Krümmungen der Überlappungs-Innenoberfläche 32 und der Metallgehäuse-Außenoberfläche 28 ermöglicht es, daß die jeweiligen beiden Oberflächen wirksam und glatt während des Schließschrittes unter Druck in Wechselwirkung treten. Mit anderen Worten gleitet während des gesamten Druckschließens die äußere Oberfläche des Metallgehäuses 28, das eine Krümmung aufweist, entlang der Innenoberfläche 32 der Überlappung, die die im wesentlichen gleiche Krümmung aufweist, wodurch der Katalysator ohne Entwicklung irgendeiner der vorher erwähnten und unerwünschten konzentrierten Belastungen entlang der Überlappung gebildet wird. Es sollte darüber hinaus erwähnt werden, daß eine weitere Folge der beträchtlichen Ähnlichkeit der Krümmungen diejenige ist, daß die sich ergebende Druckbelastung auf die Keramikwabe durch die Stützmatte entlang der Überlappung gleichförmig ist.
  • Um nunmehr speziell auf die letzten Schritte des Befestigens der beiden Enden aneinander einzugehen, schließt der bevorzugte Weg, dies zu erreichen, ein Verschweißen der Innenoberfläche der Überlappung an die äußere Oberfläche des äußeren Metallgehäuses ein, um eine gasdichte Dichtung bereitzustellen und um die Druckbelastung aufrecht zu erhalten.
  • Weitere wünschenswerte Merkmale der vorkomprimierten zylindrischen Metallgehäuse sind wie folgt: (1) Die Größe des zylindrischen Metallgehäuses und die Länge der äußeren Überlappung sind derartig, daß die Kombination einen Nettoinnendurchmesser ermöglicht, der ausreichend ist, um die Einfügung der umhüllten nichtkomprimierten Wabe zu ermöglichen; (2) Die Überlappung des zylindrischen Metallgehäuses ist von einer derartigen Länge, daß ein Verschluß der Vorderkante der Überlappung die diametrale Stufe 34 nicht berührt, die die Überlappung mit dem Hauptkörper des zylindrischen Metallgehäuses verbindet.
  • Wie bei dem Verfahren zur Ausbildung des zylindrischen Metallgehäuses mit "gleichförmiger Krümmung" ist es nicht entscheidend, welche Technik dazu verwendet wird, um das Gehäuse auszubilden, es ist lediglich entscheidend, daß das Verfahren, das verwendet wird, die Bildung einer inneren und äußeren Oberfläche zur Folge hat, die jeweils eine im wesentlichen gleichförmige Krümmung und eine Überlappung aufweisen, die eine Innenoberfläche aufweist, die im wesentlichen dieselbe Krümmung wie die Außenoberfläche aufweist.
  • Ein vorgeschlagenes Verfahren zur Bildung des zylindrischen Metallgehäuses schließt im allgemeinen ein Drahtschneiden eines Paares von Stanzwerkzeugen zu einem genau passenden, koinzidenten Paar von Stempeln ein, die dazu in der Lage sind, die jeweiligen Enden eines Metallbleches zur erwünschten Krümmung zu stanzen. Speziell würde ein Stanzpaar zum Stanzen des einen Endes des zylindrischen Metallbleches gebildet werden, wohingegen ein zweites Stanzpaar mit einer geringen unterschiedlichen Krümmung zum Stanzen der Überlappung gebildet werden würde, die am anderen Ende des zylindrischen Metallbleches gebildet wird. Nach Verwendung der Stanzwerkzeuge wird, um sicherzustellen, daß die jeweiligen Enden die erwünschte Krümmung zeigen, der Mittelanteil des zylindrischen Metallbleches unter Verwendung der vorher erwähnten und in der Technik wohlbekannten "drei Walzen"-Technik ausgebildet.
  • Es sollte klar sein, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und daß verschiedenartige Veränderungen und Modifikationen darin durch einen Fachmann bewirkt werden können, ohne vom beabsichtigten Umfang oder Geist der Erfindung abzuweichen.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators (10) zur Reinigung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor, wobei der Katalysator ein monolithisches keramisches Substrat aufweist (14), das von einer Stützmatte (24) umgeben ist und das sich innerhalb eines Gehäuses (12) befindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Ausbilden eines zylindrischen Metallgehäuses (12) mit einer inneren (26) und einer äußeren (28) Oberfläche, die jeweils eine im wesentlichen gleichförmige Krümmung zeigen und die überlappende (30) Enden mit einer Innenoberfläche (32) aurweisen, die im wesentlichen die gleiche Krümmung wie die Außenoberfläche (28) des Metallgehäuses (12) zeigen;
Umhüllen des Substrats in einer ausreichenden Menge des Stützmatten (24)-Materials und Einfügen des umhüllten Substrats in das Metallgehäuse (12);
Schließen des Metallgehäuses (12) unter Druck, um das umhüllte Substrat, so daß eine im wesentlichen gleichförmige Druckbelastung auf das Substrat (14) durch die Stützmatte (24) ausgeübt wird; und
Befestigen der Innenoberfläche (32) der Überlappung (30) an dem äußeren Metallgehäuse (28), um eine gasdichte Dichtung bereitzustellen, und um die Druckbelastung aufrecht zu erhalten, so daß dadurch ein Katalysator (10) gebildet wird;
dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Metallgehäuse (12) gebildet wird, indem ein erstes Ende eines rechtwinkligen Metallgehäuses gestanzt wird, so daß sich eine innere (26) und äußere (28) Oberfläche ergibt, die jeweils eine Krümmung aurweisen, und indem ein zweites Ende des rechtwinkligen Metallgehäuses gestanzt wird, so daß sich ein überlappendes Ende (30) mit einer Innenoberfläche (32) ergibt, die im wesentlichen dieselbe Krümmung wie die äußere Oberfläche des ersten Endes aufweist, und indem danach die verbleibenden Nichtendabschnitte des rechtwinkligen Metallgehäuses gewalzt werden, so daß sich ein zylindrisches Metallgehäuse (12) ergibt.
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