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Abgasnachbehandlung

Neue Applikationstechnik zum

Löten von Katalysatoren Die Metallträger von Abgaskatalysatoren lassen sich durch einen Hochtemperatur-Lötprozess stabilisieren, um die Lebensdauer und Leistung zu verbessern. Stand der Technik ist die Applikation des Hochtemperaturlotes auf die Enden des Metallträgers durch einfaches Eintauchen in Lotpaste oder Lotpulver. Eine neue Applikationstechnik ermöglicht es nun, die zu lötenden Zonen über die gesamte Länge des Katalysators frei zu wählen. Diese Designfreiheit gestattet es dem Katalysatorhersteller, Leistung und Lebensdauer wirtschaftlich weiter zu optimieren. Hierzu wurde ein auf die Anforderungen der Applikation abgestimmtes Pastensystem entwickelt. Ein Beitrag der BrazeTec GmbH und Ecocat Oy.

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Die Autoren 1 Einleitung

Um die Zeit bis zum Anspringen des Katalysators zu verkürzen, wird dieser so motornah wie möglich eingebaut. An dieser Stelle trifft er jedoch auf äußerst anspruchsvolle Bedingungen. Die Temperatur, Abgasdruck, Vibrationen und Beschleunigungswerte sind in dieser Einbauposition deutlich höher als im Unterbodenbereich. Bei der motornahen Anordnung des Katalysators können die Temperaturen bis auf nahezu 1100 °C steigen und Beschleunigungen von bis zu 100 g erreicht werden. Hauptziel dieses Projekts war die Entwicklung einer Lotpaste, einer Applikationstechnik zum Aufbringen dieser Lotpaste mit definierten Mengen auf Lamellen und eine mechanisch robuste Lamellenstruktur für anspruchsvolle Kfz-Anwendungen. Gleichzeitig wurde versucht, den Wärmeverlust des Katalysators zu reduzieren und die mechanische Haltbarkeit und Flexibilität zu verbessern. Kritische Punkte bei herkömmlichen Metall-Katalysatoren sind ■ die Lötverbindung zwischen Ummantelung und Katalysator ■ Hartlöten der Katalysatorvorderseite ■ Druckbeanspruchung bei flachen und gewellten Folien in der äußersten Matrixschicht ■ instabile oder unkontrollierte Menge an Lotpaste auf der Matrix des Katalysators Die Katalysatormatrix erwärmt sich schneller und kühlt schneller ab als die dickere Ummantelung. Dies führt zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie hoher Dehnungsbeanspruchung und Druckspannung der hartgelöteten Verbindungen. Die Temperaturgefälle sowohl in Strömungsrichtung des Abgases als auch senkrecht zur Strömungsrichtung bewirken unterschiedliche Ausdehnungen im Katalysatorkern und in der Ummantelung. Dieses Temperaturgefälle verursacht Dehnungsbeanspruchung im Inneren des Katalysators und Druckspannung an den äußeren Folienschichten. Ungleichmäßig hartgelötete Verbindungen verursachen zusätzliche Spannung im Träger und können zu Rissen im Katalysator führen, Bild 1. Ein hohes Temperaturgefälle zwischen Katalysatorkern und der äußeren Schicht der Ummantelung ist in Bild 2 zu sehen. Die Temperatur des Katalysators steigt bis zum Anspringen zuerst linear an. Nach dem Anspringen steigt die Temperatur im Katalysatorkern sehr schnell weiter an. Gleichzeitig steigt die Temperatur der äußersten Schichten sowie die der Ummantelung viel langsamer an als die des Katalysatorkernes. Im betriebswarmen Zustand steigt die Temperatur im Katalysatorkern

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schneller an als die Temperatur des Abgases, der äußeren Schichten und der Ummantelung. Der ungleiche Temperaturanstieg verursacht Druckspannungen an den Lamellen und flachen Folien sowie an den Lötverbindungen. Nach der Aufwärmphase beginnt die Abgastemperatur wieder zu sinken, während die Temperatur im Katalysatorkern noch etwas weiter ansteigt. Die Temperatur im Katalysatorkern sowie in der näheren Umgebung des Kerns steigt in vergleichbarem Maße an. Die Temperatur in der äußeren Schicht des Katalysatorkerns sowie in der Ummantelung steigt viel langsamer an als die Temperatur der inneren Region des Katalysators. Dieser Unterschied führt zu einem Temperaturgefälle im Katalysator. Während die Temperatur des Katalysatorkerns in der Abkühlphase noch etwas ansteigt, sinkt gleichzeitig die Temperatur in der äußeren Schicht. Ist der Träger mit seiner Rückseite an die Ummantelung gelötet, so ist der Wärmeübergangskoeffizient in dieser Region viel höher als in der Nähe der nicht gelöteten Stellen, Bild 1. Die unterschiedlichen Wärmeübergangskoeffizienten führen zu einem weiteren Temperaturgefälle in dieser Region. Auf Grund langjähriger Versuche und von Ergebnissen aus Datenanalysen können Fehler isoliert und identifiziert werden. Typische Fehler an der Frontseite von Metallträger-Katalysatoren sind in Bild 3 zu sehen. Die Fehlerarten in Bild 3: ■ oben links: Der Katalysator wird im Tauchverfahren an den Enden mit Lotpaste beschichtet. Beide Enden des Katalysators werden anschließend an die Umman-

1 Einleitung

Bild 1: Temperaturprofil des Katalysators bei voller Beanspruchung Figure 1: Temperature profile over the catalytic converter under full-load operation

Dipl.-Ing. Heikki Tuomola ist Project Manager und Experte für Mechanik von Materialien bei Ecocat Oy, Vihtavuori, Finland. Dipl.-Ing. (FH) Martin Stroiczek ist Projektingenieur und Experte für Hartlöten und Hartlöttechnologie im Brazing Center der BrazeTec GmbH in Hanau.

telung gelötet. Es entstehen Risse an der Verbindung zwischen Ummantelung und Träger. Diese Rissbildung setzt sich immer weiter fort. Die Ursache liegt in der zu starren Vorderseite des Trägers sowie in der starren Verbindung zwischen Träger und Ummantelung. ■ oben rechts: Der Katalysator wird gelötet, indem Lötpulver auf mit Bindemittel überzogene Lamellen gestreut wird. Der Schwachpunkt dieses Verfahrens ist der enge Kontakt zwischen Träger und Ummantelung. Das Temperaturgefälle verursacht Druck- und Dehnungsspannungen in den flachen Folien. Diese Spannungen sind der Grund für Risse in flachen und gewellten Folien. Es kommt zum Aufbrechen der äußeren Katalysatorschicht. ■ links unten: Die flachen Trägerfolien reißen auf Grund des Temperaturgefälles und der uneinheitlichen Lötverbindungen, die wegen der Pulverbeschichtungsmethode eine zu enge Verbindung zur Ummantelung haben. Dies führt zu hoher Druckspannung und Knicken der Folien. In der Abkühlphase ziehen die Spannungskräfte die Folien wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Werden die Folien immer wieder geknickt und zurückgezogen, entstehen erste kleine Risse, die mit der Zeit größer werden; schließlich fallen Teile ab und das potenzielle Risiko eines Motorschadens steigt. ■ rechts unten: Bei mit Tauchverfahren beloteten Katalysatoren reißen die flachen Katalysatorfolien auf Grund des Temperaturgefälles und der uneinheitlichen Lötverbindungen. Durch die Abgasströmung hervorgerufene Vibrationen verursachen erste kleine Risse in der Lötverbindung, welche zunehmend größer werden; schließlich bricht die gewellte Folie, Teile fallen ab und das potenzielle Risiko eines Motorschadens steigt.

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Abgasnachbehandlung

1 Einleitung

2 Ein neuer hartgelöteter Metallträger

Bild 4: Motornaher Katalysator und Zustand der Vorderseite nach dem Test Figure 4: Close-coupled catalytic converter after the test, and substrate’s front-face condition

Bild 2: Während eines Aufwärmzyklus wurde die Katalysatortemperatur zwischen Katalysatorkern und Ummantelung gemessen. Die Temperatur wurde im Zentrum des Trägers gemessen Figure 2: Catalytic temperature was measured from the centre to the housing in one heating cycle; the temperature was measured from the centre of the substrate

Bild 3: Verschiedene Fehlerarten bei herkömmlich gelöteten Metall-Katalysatoren Figure 3: Different failure types for classic brazed metallic substrates

2 Ein neuer hartgelöteter Metallträger

Ecocat Oy und die BrazeTec GmbH arbeiteten zusammen, um einen neuen hartgelöteten Metallträger mit neuem Design sowie eine Applikationsmethode für Lotpas-

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te zu entwickeln. Mit diesem Verfahren sind die Zonen des Katalysators, die gelötet werden sollen, frei wählbar, was zu sehr zuverlässigen Lötergebnissen führt. Tests zeigen, dass die neuen Metallträger die klassischen Fehler an der TrägerVorderseite nicht mehr aufweisen, Bild 4.

3 Motorenprüfstand für Temperaturwechselbeanspruchung

Der Thermoschocktest soll die verschiedenen Temperaturbelastungen simulieren, die beim tatsächlichen Betrieb vorkommen. Der Katalysator wird direkt mit einem Abgaskrümmer verbunden. Sehr hohe Temperaturen, Temperaturschwankungen und willkürliche Vibrationen simulieren den Betrieb unter realistischen Bedingungen. Der Testzyklus ist in Bild 5 abgebildet. Tabelle 1 veranschaulicht die Testparameter des Motorprüfstands für einen motornahen Katalysator (CCC close-coupled catalyst). Der Abgaskrümmer-Test besteht aus drei Phasen. Die erste Phase besteht aus der Beschleunigungsphase, in der der Motor innerhalb von 10 s vom Leerlauf auf eine Drehzahl von 5500/min bei maximaler Leistung beschleunigt wird. Nach der Beschleunigungsphase verringert sich die Motorgeschwindigkeit auf Grund des steigenden Drehmoments auf 5100/min. Nach 50 s Betrieb mit voller Leistung verringert sich die Motorgeschwindigkeit so schnell wie möglich auf Leerlaufgeschwindigkeit und das Drehmoment geht fast auf Null. Während der Beschleunigungsphase steigt die Abgastemperatur von 600 °C auf 950 °C. Gleichzeitig steigt die Katalysatortemperatur auf fast 1000 °C an. Am Ende dieser Phase des Betriebs mit voller Leistung und nach Unterbrechung der Benzinzufuhr sinkt die Abgastemperatur rasch auf 700 °C ab und die Katalysatortemperatur steigt auf 1000 °C oder höher an. In der Abkühl-/

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Leerlaufphase fällt die Abgastemperatur auf 600 °C und die Katalysatortemperatur auf fast 750 °C zurück. Nach 100 Teststunden befand sich der Katalysator, wie in Bild 4 zu sehen, in einem ausgezeichnetem Zustand. Der Druckverlust des Katalysators blieb über die gesamte Testperiode konstant. Dies wurde durch die homogen und gleichmäßig ausgefüllten Lotspalte erreicht, Bild 6. 4 Das neue Anwendungsverfahren für Katalysatoren

Grundlage für das neue Verfahren ist die sogenannte „fin tip roller coating“-Beschichtung, die im CuproBraze-Verfahren für Kupfer-Messing Kühler verwendet wird. Bild 7 zeigt das Schema des Beschichtungsverfahrens. Zwei Beschichtungswalzen bewegen sich durch einen Lotpastenbehälter. Die Dicke der Lotpaste wird mit Hilfe eines Abstreichers eingestellt. Die so vorbereitete Lotpaste kommt an beiden Seiten des sich vorwärts bewegenden Lamellenbandes mit den Lamellenspitzen in Kontakt. Die Lotpaste wird von der Beschichtungswalze auf die Lamellenspitze übertragen und bleibt dort haften. Das beschichtete Lamellenband wird zum Verfestigen der Lotpaste durch eine Trockenstation geführt. Durch Gestaltung der Beschichtungswalze und der Verstellmöglichkeit des Abstreichers kann die Beschichtungsdicke geändert und an jeder beliebigen Zone auf dem Lamellenband angebracht werden, Bild 8. Die Katalysatoren lassen sich für jede spezielle Ausführung optimiert verlöten. Die hohe Zuverlässigkeit des Beschichtungsverfahrens wurde durch die Entwicklung einer spezifischen Lotpastenvariante, Tabelle 2, erreicht, bei der die Viskosität, das thixotrope Verhalten, Haftungs- und Übertragungsverhalten sowohl auf den

3 Motorenprüfstand für Temperaturwechselbeanspruchung Bild 5: Test-Temperaturprofile des Abgaskrümmers, 25 mm von der Vorderseite entfernt gemessen Figure 5: Manifold’s test temperature profiles

Tabelle 1: Temperaturparameter des Motors Table 1: Engine based thermal cycle parameters

Temperaturwechselbeanspruchung

Parameter

Verlauf

Motor ohne Lufteinblasung

Höchsttemperatur

1000 °C Trägerkern

Niedrigere Temperatur

600 °C

Delta-Temperatur

400 °C

Aufwärmzeit

50 s

Abkühlzeit

50 s

Aufheizgradient

+3500 °C/min

Abkühlgradient

-500 °C/min

Luftmassenstrom

380 kg/min

Dauer eines Zyklus

100 s

Summe aller Zyklen

3600 Zyklen

Dauer

100 hrs (minimum)

Bild 6: Schnitt durch den Katalysator mit zwei gut ausgebildeten Lötverbindungen Figure 6: Cut section of catalytic converter with two brazed joints in perfect quality

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Abgasnachbehandlung

4 Das neue Anwendungsverfahren für Katalysatoren

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Bild 7: Schema des Beschichtungsprozesses Figure 7: Schematic of the roller coating process

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Beschichtungswalzen als auch auf den Lamellen, Trocknungsgeschwindigkeit sowie Klebefestigkeit nach der Trocknung optimiert wurden. 5 Zusammenfassung

BrazeTec RN 500 Lotpaste

Lotlegierung NI 105 acc. EN1044 Schmelztemperatur 1080-1135 °C

Das Ziel der gemeinsamen Entwicklung war, die klassischen Fehler bei Metallkatalysatoren zu beheben und auszuschließen. Dies wurde möglich durch die Entwicklung einer neuen Hartlotpaste und Applikationstechnik. Mechanische Haltbarkeitstests zeigten deutlich verbesserte Eigenschaften der gelöteten Metallkatalysatoren neuen Designs im Vergleich zu herkömmlich gelöteten Katalysatoren. Die Tests bestätigten, dass das Ziel des Projekts erreicht wurde. ■

Table 2: Technische Daten der Lötpaste RN500 Table 2: Technical data of the brazing paste RN500

Löttemperatur >1180 °C Metallgehalt ca. 85 wt%

Bild 8: Beispiele für das Vorbereiten der Lötpaste und die Positionierung am Träger Figure 8: Samples of paste charging and positioning over substrate length

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