专利名称：用于过滤内燃机废气中微粒的具有叶片的过滤块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于过滤内燃机尤其是柴油式内燃机排放的废气中所含的微粒的过滤块，以及一种包含至少一个本发明的过滤块的过滤器主体。
背景技术：
通常，在废气排入大气之前，可以利用如图1和图2所示的现有技术的微粒过滤器对废气进行净化。
图1示出了一微粒过滤器1沿图2所示的B-B截断面的横截面，图2示出了微粒过滤器1沿图1所示的A-A截断面的纵截面。
微粒过滤器1通常包括至少一个插入到金属壳5中的过滤器主体3。过滤器主体3通过加工并组装多个用附图标记11a-11i表示的块11而制成。
将陶瓷材料(堇青石、金刚砂等)挤压形成一种多孔的蜂窝结构，以制造块11。通常，挤压形成的多孔结构为在上游面12和下游面13两个面之间延伸的长方体形状，该上游面12和下游面13大致为正方形，在其上开有多个互相靠近的、沿直线的、平行的通道14。
在挤压完成后，如现在已知的，该挤压形成的毛孔结构分别通过上游塞15s和下游塞15e交替地在上游面12或者下游面13被堵住，以分别形成“出口通道”14s型和“入口通道”14e型的通道。在出口通道14s和入口通道14e的分别与上游塞15s和下游塞15e相对的端部，出口通道14s和入口通道14e分别通过出口19s和入口19e与外部相通，该出口19s和入口19e分别延伸过下游面13和上游面12。
从而入口通道14e和出口通道14s分别限定了内部空间20e和20s，该内部空间20e和20s分别由侧壁22e和22s、封闭的塞15e和15s以及与外部相通的开口19s或19e所限定。两个相邻的入口通道14e和出口通道14s通过其侧壁22e和22s的共有部分而流体连通，以下称该共有部分为“共有部分22”。
块11a-11i通过利用由陶瓷接合剂制成的密封体27连结而组合到一起，该陶瓷接合剂通常由硅和/或金刚砂和/或氮化铝组成。制成的组合件可以在随后进行加工，例如制造一种圆形的横截面。从而，外部的块11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g和11h具有加工成圆形的外表面。
这就制成了一种具有纵轴C-C的可以插入到壳5中的圆柱形的过滤器主体3。在外部过滤块11a-11h和壳5之间设有用于密封废气的外围密封体28。
图2中的箭头指示出废气的气流F通过入口通道14e的开口19e进入到过滤器主体3中，然后穿过该通道的侧过滤壁以进入到出口通道14s中，随后通过开口19s排出到外部。
经过一定的工作时间后，积聚在过滤器主体3的入口通道14e中的微粒或者“煤烟”会改变发动机的性能。因此，过滤器主体3必须定期再生，例如每500千米再生一次。再生(regeneration)，也称为“清洗”，包括通过把煤烟加热到使其烧掉的温度来使其氧化。
在再生期间，过滤器主体3的各区域的温度是不同的，并且其变化也不均匀。
废气向下游传送煤烟燃烧所释放的热能。进一步地，煤烟在各个通道内并非均匀沉积，例如其优先积聚在纵轴附近的区域内，该区域也被称为过滤器主体的“中心”。因此，燃烧区域在过滤器主体3中的分布也不是均匀的。从而煤烟燃烧使过滤器主体中心的温升大于外围区域的温升。最终，过滤器主体3的外围区域通过金属壳5被周围的空气冷却。
过滤器主体3内的温度的不均匀性以及过滤块11a-11i和密封体27的材料的不同属性(nature)会产生局部的高幅值应力，该局部的高幅值应力会导致破裂或者局部裂缝。具体来说，块11a-11h和壳5之间的以及块11a-11i和结合体27之间的接触面上的局部应力可能导致块11a-11i的内部产生裂缝，从而降低了微粒过滤器1的使用寿命。
为了限制这种裂缝出现的风险，已知的做法是，根据其保证过滤块接合的能力以及其热传导率的函数来选择密封体的接合剂。例如，伊比登(Ibiden)的国际专利申请WO-A-01/23069提出了利用厚度介于0.3mm[毫米]至3mm的范围内并由热传导系数介于0.1W/m.K[瓦特/米.开尔文]至10W/m.K的接合剂构成的密封件。但是，该密封体并不能完全地克服裂缝出现的风险。
类似的，美国专利US-A-2004/037754描述了一种过滤器主体，该过滤器主体包括多个由相邻的入口通道和出口通道形成的呈叠瓦状的组合件，该相邻的入口通道和出口通道以交替的方式设置以在截面形成棋盘状图案。入口通道和出口通道的总容积大致相等。某些入口和/或出口通道的内部空间具有用于接收催化剂的叶片。该叶片具有增加限定通道的侧壁的总面积的优点。US-A-2004/037754没有限定在何种条件下该叶片可以具有限制裂缝出现的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供新型的过滤器主体和过滤块，其能够在基本不减小过滤面积的前提下，进一步地降低裂缝出现的危险并增加总的可用面积，例如用于在其中固定催化剂。
根据本发明，该目的通过用于过滤内燃机所排放的废气中包含的微粒的过滤块而实现，该过滤块包括多个由相邻的入口通道和出口通道形成的呈叠瓦状的组合件，所述入口通道和出口通道以交替的方式设置以在截面形成棋盘状图案，所述入口通道的总容积大于所述出口通道的总容积。本发明的过滤块的特点在于一个所述通道的至少一个内部空间包含至少一个内部叶片。
术语“叶片”指在入口通道或出口通道的侧壁上且热传导率大于废气的热传导率的固定的元件。叶片可以具有任意的形式隔板、板、薄片等。
某些通道内的叶片的存在促进了辐射热传导，所述叶片形成了用于散热的优选路径。从而与现有技术的过滤块相比，散热更快，并且限制了过滤器的中心和外围的温差。因而降低了热机械应力(thermomechanical stress)并增加了微粒过滤器的使用寿命，该热机械应力可能是密封体中和/或过滤块中裂缝产生的原因。
根据本发明的其他优选特性在横截面处以米为单位测量得到的内部叶片的厚度“Ea”满足下面的表达式，该厚度优选地为一常量Ea≤0.39*p-0.7*((2*Epf)-Epf2)其中，“Epf”表示在所述横截面处以米为单位测得的包括所述叶片的通道的过滤壁的平均厚度；
“p”表示在所述横截面处以米为单位测得的块的通道阵列的间距；所述叶片大致为平面，且优选地沿纵向平面延伸；所述叶片限定一连续的表面且/或利用所述通道的侧壁的材料整体地形成；所述叶片分隔所述内部空间，即，将其分成多个内部子空间；入口通道，且仅限于入口通道，的所有内部空间包括至少一个叶片；至少一个分隔开两个水平行或者垂直行通道的中间壁具有波浪状的，优选地为正弦状的横截面形状。优选地，所有的分开两水平行或者垂直行通道的中间壁具有波浪状的，优选地为正弦状的形状；在所述横截面处以米为单位测得的内部叶片的厚度“Ea”满足下面的表达式，该厚度优选地为一常量Ea≤p-Epf-[420*p2/(1+A)]其中“Epf”和“p”具有与上面给出的意思；以及“A”表示所述横截面的不对称度；内部叶片(30)的厚度“Ea”小于或等于包括所述叶片的通道的过滤壁的平均厚度“Epf”；过滤块包括多个从一接合线延伸出的叶片，所述叶片优选地相对于该接合线等角排列；通道的内部叶片组从横截面看具有X形，X的四个分支中的每个的端部与所述通道的一个角相接触。
本发明还提供一种用于微粒过滤器的过滤器主体，其特点在于该过滤器主体包含至少一个本发明的过滤块。
为了更好的理解和认识本发明的优点，下面结合附图和实施例对本发明进行说明，附图中图1示出了现有技术的微粒过滤器沿图2所示的B-B截断面的横截面；图2为同一微粒过滤器沿图1所示的A-A截断面的纵截面；图3a至3f、4和5示出了过滤块的上游面或过滤块的局部，以说明叶片的不同的可能的排列，图3e、4和5中的块是根据本发明的，图5示出了优选的实施例。
为了使图更加清晰，所示的通道的标号远小于传统商用过滤块中的标号。
在并不限定属性的图中，各种零件不是必须以相同的比例示出。具体来说，叶片和分隔不同通道的壁的厚度并非是按比例的，同时也不作为对本发明的限制。
在不同的图中使用相同的附图标记表示相同的或者相似的零件。
具体实施例方式
在背景技术中对图1和图2进行了说明，下面的叙述参考图3a-3f和图4。
块11包括相邻的入口通道14e和出口通道14s的组合，该相邻的入口通道14e和出口通道14s相对于彼此排列使得所有的经由任何入口通道过滤的气体进入到与该入口通道相邻的出口通道。有利的是，不存在一个或者多个入口通道向另外的入口通道开放的区域，因为既然废气可以沿任一方向通过因而这样的区域不能用于过滤。对于一预定体积的过滤块，这充分利用了可用的过滤面积(即，待过滤的气流可以通过的入口通道的壁的面积)。
优选地，入口通道14e和出口通道14s沿过滤块的长度L相互平行且呈直线。有利的是，随后可以通过挤压来制造适用于制造本发明过滤块的蜂窝结构。
入口通道14e和出口通道14s的组合是一个叠覆到另一个上的，从而在横截面形成棋盘状的图形，在该图形中，所述入口通道14e与所述出口通道14s在高度方向(y方向)和宽度方向(x方向)交错排列。从而入口通道14e的侧壁22e由壁的共有部分22形成，该壁的共有部分22将所述通道14e的内部容积与相邻的出口通道的内部容积20s分隔开。类似地，出口通道14s的侧壁22s由壁的共有部分22形成，该壁的共有部分22将所述通道14s的内部容积20s与相邻的入口通道的内部容积20e分隔开(参见图4)。
根据本发明，至少一个通道包括叶片30。图3a至3f和图4示出了叶片30的不同的可能的形式。所示的实施例的任意组合是显而易见的。
不同于分隔出口和入口通道的从而与在入口通道中流动的未经过滤的废气和在出口通道中流动的过滤后的废气都相接触的壁的共有部分22，根据叶片30是位于入口通道的内部空间20e内还是位于出口通道的内部空间20s，所述叶片30仅与未经过滤的气体相接触或者仅与过滤后的气体相接触。
对叶片30的形式没有限制。叶片可以是弯曲的，或者优选地为平面的，其可以是不连续的，即具有“孔”，或者优选地为连续的，其可以仅在通道的一部分内延伸，或者也可以优选地在通道的整个长度L上延伸，其可以通过固定点固定到侧壁上，或者也可以优选地通过固定线固定到侧壁上。
当叶片30以多个固定点固定到侧壁上时，其有利于增加过滤块11的刚性。在刚性相同的情况下，通道壁的厚度可以因此而降低。有利的是，由此增加了通道的过滤面积。此外，也增加了通道的内部空间，该内部空间限制了跨越过滤块的压降，并且对于入口通道增加了用于存储煤烟的可用容积。从而，延长了两次再生之间的周期，也增加了与残留物存储容积相关的使用寿命。
为了最优化叶片30对于块11的刚性的作用，叶片30优选地大致为平面，并沿两固定线32和34固定到通道的侧壁上，其中，该叶片30在该通道中延伸(参见图3a)。确定固定线的位置以使对机械应力的抵抗能力和/或散热最优化。
叶片30还优选地大致沿纵向延伸，优选地沿块的整个长度L延伸。这有利于通过挤压来制造块，叶片30随后利用通道的侧壁的材料一体地制成，其中，该叶片30在该通道内延伸。
如图4所示，一个通道可以包含一个或者多个叶片30a-30d，该叶片优选地通过大致沿通道的轴线延伸的接合线36连接到一起。优选地，叶片30a-30d关于该轴线等角排列。
如图3e所示，不同叶片30a和30b之间的结合线36还可以与通道侧壁一起形成固定线。
优选地，如图3a-3f和图4所示，所有的入口通道14e设置有相同的叶片装置。优选地，所有的出口通道14s也具有相同的叶片装置，该叶片装置与入口通道的叶片装置相同或不同。
在将过滤块11用作催化剂载体的变形例中，叶片30被催化剂所覆盖。这样，叶片30的存在增加了可用于催化剂的载体的数量。在某些应用中，例如处理氮的氧化物NOx，过滤块的效率是气体和催化剂之间接触面积的函数。因此由于叶片30的存在而增加催化剂的承载面积是特别有利的。
由于叶片30被限定为非过滤壁，沉积在叶片上的煤烟和灰会很少。从而沉积在叶片上的催化剂所承受的温度要低于沉积在过滤器侧壁上的催化剂所承受的温度。进一步地，煤烟/催化剂或灰/催化剂的化学反应被降低了(更少被腐蚀)。因而有利地显著增加了催化剂的使用寿命。
在这个变形中，叶片30优选地只设置在入口通道14e内，优选地设置在所有的入口通道14e内。
不考虑变形例，如图3f和图4所示，根据本发明，入口通道的横截面大于出口通道14s的横截面，以增加可用于存储残留物的容积。有利的是，由此降低了过滤器的清洗频率。
如图4所示，壁的共有部分可以变形以增加入口通道14e的总容积以减少出口通道14s的总容积。例如，入口通道14e和出口通道14s之间的共有部分22可以在入口通道14e的那侧是凹的而在出口通道14s的那侧是凸的。
优选地，分隔通道的两水平行R1和R2的通道的非平面的中间壁40(并因此由一组所述通道的侧壁的共有部分22形成)，或者分隔两垂直通道的非平面的中间壁40，在入口通道14e的那侧是凹的而在出口通道14s的那侧是凸的。
通过沿着一水平行(沿x轴)或者一垂直行(沿y轴)的通道，中间壁40优选地具有一不变的厚度，优选地，在横截面处具有波浪状或者波纹状的形状，中间壁40大体上按这样的方式呈波浪状即其一个波浪的一半长度(half-length)可跨越一个通道的宽度。
术语波浪的“长度”指该波浪中位于具有相同斜率变化方向的相同高度上的两点之间的分隔距离。对于周期性波浪，波浪的“长度”被称为“周期”。
该波浪是周期性的且该波浪的振幅是恒定的。如图4所示，波浪具有正弦的形状，其半周期等于通道阵列的间距“p”。
最后，优选地，沿垂直或水平延伸的块的所有的中间壁40的横截面具有相同形状的波浪。
不对称度“A”表示该波浪的半个振幅“h”和半个长度之间的比率，即，对一周期性波浪，半个振幅“h”和半个周期之间的比率。表1以半长度的百分比形式示出了该比率A＝h/2×(1/p)总结在表1中的下面的例子作为非限定性的例子而提出。
例*1表示包含方形结构且没有叶片的参考块。
被研究特定块包括“波纹”结构，中间壁按半周期跨越一个通道宽度的方式成正弦波浪状。与图5中所示的类似，所有的入口通道包括X形的内部叶片。每个内部空间20e因此被分隔成体积大致相等的四部分。所有的出口通道都不包括叶片。
表1中按照每平方英寸的通道数(cpsi)的方式给出了通道密度“Dc”，并给出了过滤器壁的厚度“Epf”，不对称度“A”，以及叶片的厚度“Ea”。在表1中使用了下述缩写CAT面积入口通道的壁的总面积，包括叶片的面积。当该面积用于被催化剂覆盖时，该面积越大越好。催化剂的效果由此而增加。大的总面积也促进燃烧产生的气体和块之间的热交换，并因此而促进散热。从而有利地限制了出现裂缝的风险。
OFA入口通道的截面。这个面积代表了入口通道的容积，从而也代表了燃烧所产生的残留物(没有燃烧的部分煤烟和发动机排出的不可燃的残留物)的存储空间的容积。
FA过滤面积。当过滤面积较大时过滤块造成更大的阻碍，此外，对相同级别的阻碍，当过滤块的过滤面积较大时引起的压降也较低。以及Dp在给定的流速和温度下，穿过过滤块的压降。
表1的所有的值V，即FA、CAT面积、OFA和Dp，均为按百分比给出的相对值，这些相对值通过将特定块与参考块相比较而获得V＝((V计算-V参考)/V参考)×100，其中V计算为特定块的计算出的理论值；以及V参考为参考块的计算出的理论值。
表1
*本发明范围外的例子。
表1显示出当叶片存在时的总面积(CAT面积)至少为参考块的的总面积的两倍。
还应当注意，与参考块相比，本发明的块中存储容量提高了10％至90％。
其它的试验也显示出通道中的叶片的位置和形状的影响。优选地，从横截面看，通道的内部叶片为X形，X的四个分支中的每个的端部分别与该通道的一个角相接触。这种结构对应于图5所示的实施例，该实施例为优选实施例。
如上表中的结果所示，发明人还发现较小的叶片厚度会导致结构机械强度的降低、和/或由穿过过滤块所引起的压降的增加、和/或过滤面积的减小。
发明人因此研究了提供机械强度、压降和过滤面积的最佳折衷结果的叶片的厚度。具体来说，已被证实有利的是，压降保持小于参考块的压降的2.2倍且过滤面积等于或大于参考块的过滤面积。
最后，发明人发现了叶片的厚度Ea较佳地不超过一值MAX2(国际标准单位)，该值MAX2等于0.39*p-0.7*((2*Epf)-Epf2)和/或，当分隔相邻通道的水平行和相邻通道的垂直行的中间壁40在横截面具有波浪形状时，叶片的厚度Ea较佳地不超过一值MAX1(国际标准单位)，该值MAX1等于p-Epf-[420*p2/(1+A)]其中“Epf”表示以米为单位测得的包括该叶片的通道的过滤壁的平均厚度；“p”为以米为单位的块的通道阵列的间距；“A”表示不对称度。
优选地，过滤块的至少一个叶片满足这两个条件，优选地，过滤块的所有的叶片都满足这两个条件。
此外，Ea优选地小于或等于Epf。
明显地，本发明并不局限于上述实施例，该实施例仅仅作为非限定性的例子给出。
从而，本发明还提供一种整体式的过滤块。该过滤块可以具有任何形式，或任意排列的通道。
优选地，叶片采用通道的壁的材料整体地形成，其中，该叶片固定在该通道上，但是也可以在利用现有技术形成过滤块后粘附或者插入到该通道中。
在横截面处测得的其中延伸有叶片的通道的过滤壁的厚度Epf，优选地对所有的壁均为常量。优选地，本发明的过滤块的所有过滤壁具有相同的厚度。优选地，厚度Epf为与被考虑的横截面的平面无关的常量。但是，这些特性并不是限制性的。
最后，通道的横截面也不限于所描述的形状。
权利要求
1.一种用于过滤内燃机所排放的废气中包含的微粒的块，包括多组由相邻的入口通道(14e)和出口通道(14s)形成的呈叠瓦状的组，所述入口通道(14e)和出口通道(14s)以交替的方式设置以在截面形成棋盘状图案，所述入口通道(14e)的总容积大于出口通道(14s)的总容积，其特征在于，一个所述通道(14e、14s)的至少一个内部空间(20e、20s)包含至少一个内部叶片(30)。
2.根据权利要求1所述的块，其特征在于，在横截面以米为单位测量得到的内部叶片(30)的厚度“Ea”满足下面的表达式Ea≤0.39*p-0.7*((2*Epf)-Epf2)其中，“Epf”表示在所述横截面以米为单位测得的包括所述叶片的通道的过滤壁的平均厚度；“p”表示在所述横截面以米为单位测得的块的通道阵列的间距。
3.根据权利要求1或2所述的块，其特征在于，所述叶片(30)大致为平面且沿大致纵向的平面延伸。
4.根据前述任一权利要求所述的块，其特征在于，所述叶片(30)限定一连续的表面。
5.根据前述任一权利要求所述的块，其特征在于，所述叶片(30)利用所述通道(14e、14s)的侧壁(22e、22s)的材料整体地形成。
6.根据前述任一权利要求所述的块，其特征在于，所述叶片(30)分隔所述内部空间(20e、20s)。
7.根据前述任一权利要求所述的过滤块，其特征在于，仅限于入口通道(14e)的全部内部空间(20e)包括至少一个叶片(30)。
8.根据前述任一权利要求所述的过滤块，其特征在于，至少一个分隔开两水平行(R1、R2)或者垂直行通道的中间壁(40)具有正弦状的横截面形状。
9.根据前述任一权利要求所述的过滤块，其特征在于，至少一个分隔开两水平行(R1、R2)或者垂直行通道的中间壁(40)具有波浪状的横截面形状。
10.根据权利要求9所述的块，其特征在于，以米为单位的内部叶片(30)的厚度“Ea”满足下面的表达式Ea≤p-Epf-[420*p2/(1+A)]其中“Epf”表示在所述横截面处以米为单位测得的包括所述叶片的通道的过滤壁的平均厚度；“p”表示在所述横截面处以米为单位测得的块的通道阵列的间距；以及“A”表示所述横截面的不对称度。
11.根据前述任一权利要求所述的过滤块，其特征在于，内部叶片(30)的厚度“Ea”小于或等于包括所述叶片的通道的过滤壁的平均厚度“Epf”。
12.根据前述任一权利要求所述的过滤块，其特征在于，该过滤块包括多个从一接合线(36)延伸出的叶片(30a-30d)。
13.根据权利要求11所述的过滤块，其特征在于，所述叶片(30a-30d)关于该接合线(36)等角排列。
14.根据权利要求12所述的过滤块，其特征在于，通道的叶片组从横截面看具有X形，X的四个分支中的每一个的端部与所述通道的一角相接触。
15.一种用于过滤微粒的过滤器主体，其特征在于，该过滤器主体包含至少一个前述任一权利要求所述的块(11)。
全文摘要
一种用于过滤内燃机排放的废气中所含的微粒的过滤块，包括多组由相邻的入口通道(14e)和出口通道(14s)形成的呈叠瓦状的组，该入口通道和出口通道以交替的方式设置以在横截面形成棋盘状图案，该入口通道(14e)的总容积大于出口通道(14s)的总容积。本发明的过滤块的特点在于一个所述通道(14e、14s)的至少一个内部空间(20e、20s)包含至少一个内部叶片(30)。
文档编号F01N3/022GK101018932SQ200580028464
公开日2007年8月15日 申请日期2005年8月22日 优先权日2004年8月25日
发明者塞巴斯蒂安·巴尔东, 贝尔纳·布泰耶 申请人:圣戈班欧洲设计研究中心