专利名称：包括金属纤维层的颗粒过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括一外壳和一体部的颗粒过滤器，其中体部由至少一个金属纤维层形成。该纤维层如此布置在外壳中，以穿过所述体部形成流动路径，所述流动路径分别至少在一个位置具有一流动阻止器。
背景技术：
对于例如在汽车内燃机(汽油机、柴油机等)的排气装置中使用的颗粒过滤器，基本上可分为“开放”式和“封闭”式系统。“开放”式系统通常具有可自由流过的流动路径，其中，提供了静止区和/或涡旋区，它们使颗粒朝限定流动路径的壁移动。同时，以这种方式提高了位于废气中的颗粒与反应物接触并由此进行颗粒变为无害组分的转化的可能性，所述反应物通过流动路径的壁或废气本身提供。这种开放式系统的实例在DE20117873U1或WO 03/038248A1中公开。
按照“封闭”式系统的颗粒过滤器通常具有交替封闭的流动路径，从而部分废气流穿过流动路径的一个壁至少流过一次。为此，按已知的方式在流动路径的入口或出口放置密封元件或流动阻止器，此外，还已知在流动路径内设置这种元件。流动路径的壁例如由多孔材料形成，所述材料主要具有陶瓷的特性。
还知道一种“封闭”式系统，其中过滤材料为金属纤维层。这种结构例如在EP 0764455B1中公开。在该文献中说明的过滤器中，为了从废气中分离碳黑颗粒，将金属纤维层这样安装在一壳体中，以使废气流一次性地穿过所述纤维层。除了进行基本上轴向地穿过金属纤维层流动的平面形或波纹形的结构外，还说明了纤维层的圆柱形和星形结构，在这种结构中，在中部输入气流并由于相对放置的封闭盖引导气流径向向外地通过金属纤维层。
尤其是在提供按照“封闭”式系统的颗粒过滤器时，有这样的危险，即当没有以充足的量提供化学转化所需要的反应物时，多孔壁或由纤维层制成的壁会附着颗粒(常常可以理解为汽车废气中大量固体的总称，尤其是还有碳黑和灰分)。这就导致流动路径的壁有不断增加的阻力。这就造成例如阻滞压力(Staudruck)的升高并同时导致内燃机的功率减小。因此，通常需要清理颗粒过滤器，除去积存在其中的颗粒，这一般都用术语“再生”来称呼。
为了实现再生，已知各种热过程，其中，有目的地在废气或颗粒过滤器中产生温度升高，例如产生超过800℃的温度，在这个温度下颗粒被燃烧或氧化。这种热再生可通过专门的加热元件导入，所述加热元件为颗粒过滤器本身的一部分或与其相连。但是，也可以通过废气流中的诱发的、有时为催化的反应引发一种后燃烧。为此，例如作为添加剂加入氨或还有一定量的燃料。除了颗粒过滤器这种不连续的热再生以外，还已知连续的方法。
这种连续的方法通常称为所谓的CRT系统(“连续再生器”)。此时，首先引导废气通过一氧化催化器并接着将其导入一碳黑过滤器中。氧化催化器的任务是，将包含在废气中的一氧化氮(NO)转化成二氧化氮(NO2)。提高的二氧化氮成分的优点是，在连接在后面的颗粒过滤器中进行氧化还原反应，其中，碳(C)氧化成二氧化碳(CO2)，而二氧化氮(NO2)则还原成纯氮(N2)。结果，特别是通常包含在颗粒中的一氧化碳(CO)和长链碳氢化合物(HC)在200℃和450℃之间的温度范围内就已经几乎被完全转化。但是，在这种CRT系统中应当注意，只能使用几乎没有硫(少于10ppm的S)的柴油燃料，以便不致危害上述氧化还原系统。为了补充包含在废气中的一氧化氮或由其形成的二氧化氮，在氧化催化器的上游另外添加氨会带来更多的优点。
此外，颗粒过滤器的有效性或过滤作用还通过所提供的过滤器壁的表面或孔隙等来描述。此时，目的总是提供尽可能大的、用于过滤颗粒的表面。同时，颗粒过滤器应该能承受汽车内燃机的排气系统中大的热载荷和动态载荷。此处，要特别考虑颗粒过滤器(各)部件不同的热膨胀性能。此外，为了保证持久地使用，颗粒过滤器应当可以再生。
发明内容
由此出发，本发明的目的是提供一种颗粒过滤器，它满足前面提到的目标。此外，这种过滤器应当提供尽可能大的过滤面并可承受较频繁的再生。此外，所提供的颗粒过滤器还应可以承受颗粒过滤器内部有时短时的、限定在局部的和明显升高的温度尖峰/峰值，因而即使考虑到重复的再生，也能保证有长的寿命。
所述目的可利用按照权利要求1的特征的颗粒过滤器来实现。在从属权利要求中说明了其它有利的实施形式。这里应当指出，其中所述的特征可以彼此组合，并可以与整个说明书的其它说明组合，而且可以导致本发明其它有利的实施形式。
按照本发明的颗粒过滤器由一外壳和至少一个包含至少一个金属纤维层的体部构成。所述纤维层布置成，使得由体部形成多个空间上分开的流动路径，所述流动路径分别至少在一个位置具有一流动阻止器。颗粒过滤器的特征为，所述至少一个金属纤维层具有一在400至1200焦耳每开尔文平方米[J/Km2]的范围内的与面积相关的热容。
这里，金属纤维层最好由耐热、耐腐蚀的材料制成，尤其是所述纤维层包括铁基或钢基的纤维，其中，包括铝和铬的成分。特别是用以铁为基础的、具有铝和铬的成分以及必要时具有稀土例如钇的成分的材料制成的纤维作为用于金属纤维层的材料。铝含量优选至少为4.5个百分数[％]，特别是超过5.5％。铬含量优选在18％～21％的范围内。
其中，纤维彼此定向形成一织物、无纺物、针织物或按其它方式形向。纤维本身之间接头同样做成耐热的和耐腐蚀的，尤其纤维是彼此烧结的。
为了形成体部，优选对所述至少一个纤维层进行堆叠、缠绕、卷绕或按其它方式进行布置。这里，体部可只由一个纤维层形成，但也可以将多个、必要时设计成不同的金属纤维层连接成连贯的纤维带和/或设有多个这样的纤维层。
此时，至少一个金属纤维层至少部分地限定流动路径，即构成流动路径的至少一个壁或一个壁段。流动路径最好彼此基本上平行地布置，并且特别是沿其整个长度彼此分开。在这种情况下，分开不一定意味着在相邻的流体路径之间不可能存在气体交换，而是指流体路径蜂窝状的布置。
每个这种流动路径最好只在一个位置有一流动阻止器。原则上建议，选择流动路径的入口截面或出口截面作为所述位置。可选地或与其组合地，将流动阻止器设置在流动路径的内部，即设置在入口截面与出口截面之间也是适宜的。流动阻止器最好设计成，与作为流动路径边界的(形成过滤层的)纤维相比，使该流动阻止器对于流体流的流过有较大的阻力。由此，还意味着，流动阻止器设计成具有比金属纤维层大的比体积密度，特别还是气体不可透过的。
在由至少一个用以提供多个通道的金属纤维层制成的体部的这种实施形式中，在一些情况下，颗粒过滤器的再生会出现问题。纤维层的部分区域的彼此密封的叠放/层和在一些情况下时贮存在其中的碳黑量可以造成，在转化碳黑时可能在再生时产生限定在局部的、极度的温度尖峰。这可导致线维层结构的损坏，尤其是纤维层组分的熔化和/或纤维层之间连接的破坏。为了防止纤维层的部件由于这种所谓的“热点”而松脱，并由此在一些情况下堵塞颗粒过滤器的其它部分区域，或破坏连接在颗粒过滤器后面的废气处理装置的部件，这里按照本发明建议，所述至少一个金属纤维层具有在约400至1200J/Km2范围内的与面积相关的热容。这里与面积相关的热容的数据以室温为基准。所述至少一个金属纤维层优选具有大于750J/Km2或甚至大于1000J/Km2的与面积相关的热容。已经证明，特别在这种有多个通道或流动路径的颗粒过滤器中，提供所述与面积相关的热容，以使金属纤维层(例如还有在颗粒过滤器的位于内部面的、冷却不良的部分区域中)可承受汽车内燃机的排气系统中出现的热交变载荷，还有所谓的“热点”。
按照颗粒过滤器的另一种实施形式，纤维层在至少一个段中具有下列参数中的至少一个a)纤维直径20μm至90μm；b)纤维间距5μm至300μm；c)层厚0.2mm至1.5mm；d)层的面密度250g/m2至2000g/m2；e)层的孔隙度30％至90％；f)每1m2的层表面积的纤维表面积9m2至15m2；g)单根纤维长度5μm至100μm。
对于所述至少一个“段”，应当指出，它最好包括纤维层的总长度、宽度或空间范围/尺度，不过，也可能是，它只例如描述沿纤维层的轴向和/或径向的部分区域。在一些情况下，纤维层包括多个这种段也是适宜的，其中，所述段不一定总是设计成相同的，而是，尺寸的确定可以变化地与例如内燃机的排气系统中的条件相匹配。
“纤维直径”指的是纤维层的纤维的平均直径。这里，平均值不仅对单根纤维的所有直径平均得出的，而且纤维直径优选是至少一个段中的纤维层的所有纤维的特征性值。纤维直径优选在40μm至70μm(0.04～0.07mm)的范围内。
“纤维间距”特别指的是纤维层的相邻纤维的距离，其中，此处主要指彼此之间的最大距离。纤维间距是一个特别用于表示气体通过性或纤维层密度的参数。纤维间距最好在20um至300μm(0.02至0.3mm)的范围内。
“层厚”指的是所述至少一个金属纤维层的厚度，特别是沿废气的流过方向的厚度。层厚最好为0.3mm至0.5mm。
描述每单位面积的金属纤维层的重量的“层的面密度”最好在750至1500克每平方米[g/m2]的范围内。
层的孔隙度最好在45％和60％之间。
“纤维表面积”就其意义为由单个纤维共同形成的面积。与之相对，“层表面积”指的是金属纤维层本身的(包络)表面积。
“单根纤维长度”可以理解为主要用于制造所述至少一个金属纤维层采用的纤维的长度。单根纤维长度最好为10μm至30μm(0.01至0.03mm)。
此外还建议一种颗粒过滤器的实施形式，其中，所述至少一个纤维层这样布置在体部中，即有下列参数中的至少一个a)比层表面积0.15m2/l至2.0m2/l；b)层距0.5mm至10mm。
“比层表面积“可以理解为1升[l]的颗粒过滤器体积中的层表面积。由此得到这样一个特征量，它适于作为给定的过滤器的体积的尺度/度量。对于采用光滑的和形成波纹的金属纤维层构成颗粒过滤器的情况，可以优选不同的范围。如果只有光滑层由金属纤维层组成，则优选0.15m2/l和1.0m2/l之间的比层表面积。如果只是波纹层用金属纤维层形成，则比层表面积在0.25m2/l至1.0m2/l的范围内。对于波纹层和光滑层都用金属纤维层制成的情况，比层表面积最好在0.4m2/l和2.0m2/l之间。特别是考虑到柴油车中的应用，特别推荐一种颗粒过滤器，它具有一0.5m2/l至0.9m2/l的比层表面积。
“层距”指的是彼此相邻布置的段或纤维层本身之间的距离。这里，层距描述的是相邻纤维层之间的最大距离的区域内的距离。层距的所述值特别理解为气流通过它流入或流出的层表面之间的值。该值还可在颗粒过滤器的轴向长度上或在流动路径的长度上变化。
按照颗粒过滤器的另一种实施形式，体部包括至少一个支承结构，它至少部分地将彼此相邻地布置的纤维层区域彼此隔开。由此，该支承结构至少在部分区域上实现这样的功能，即防止彼此相邻地布置的纤维层区直接相互贴靠。这种支承结构特别用于形成通道或流动路径。支承结构可以布置在单独的纤维层之间，也可布置在单个纤维层的褶皱、曲折等之间。支承结构最好由金属制成并在所形成的流动通道的整个长度上延伸。作为用于支承结构的材料，如同在上面结合纤维所述的那样，又优选包括铁-铝-铬的材料。
在这种情况下，特别优选的是，至少一个支承结构包括至少一个下列部件，可以是单个的或多个的栅网，板，金属丝，拉制金属网(Streckmetal)。对于栅网，可以理解为各种金属织物、金属编织物、无定向金属网层等。此时，它们最好气体透过性地设计成具有孔、通口等。还可以在所述孔、开口等中放置其它的过滤材料。后一种变型方案特别在将支承结构设计成拉伸金属时出现。也可以在过滤层或纤维层之间放置特别是形成结构的板等。所述板最好对气流是不能穿过的，但必要时也可以包含孔或导流面。还可以在纤维层区之间布置特别设计的金属丝，所述金属层区例如是形成结构的或光滑的。这种金属丝优选布置在流动路径的入口区或出口区。也可以将多个这种金属丝布置成一金属丝束，并设置在纤维层区之间。
按照颗粒过滤器的另一种实施形式，体部的部件至少局部地彼此和/或与外壳利用接合技术(fügetechnisch)连接。体部的部件特别是指纤维层和支承结构。其中利用接合技术的连接最好布置在下列区域颗粒过滤器的端面(废气打击在所述端面上或废气从所述端面上出来)，靠近支承结构的结构峰值点，纤维层与支承结构的接触区内，两个纤维层之间的接触区内。这里，利用接合技术的连接最好设计成扩散连接、焊接和/或钎焊连接。对于(各)部件与外壳的连接，优选纤维层和/或支承结构所有的端部分别都按上述意义与外壳进行利用接合技术的连接。
此外还建议，所述至少一个流动阻止器是至少一个支承结构的一部分，其中，所述支承结构在至少一个位置封闭所述至少一个流动路径。这意味着，所述支承结构例如被卷边、形成翼部，设计成凸缘(Kragen)等，并且直接贴靠在至少一个相邻的金属纤维层上。为此，流动阻止器优选设计成基本上气密的，从而气流不能穿过它(至少在如在汽车的排气装置中所出现的条件下)。这里支承结构优选设计成绕相邻的金属纤维层的边缘包围作用的板。
按照另一种实施形式，所述至少一个流动阻止器具有至少部分地贴合在至少一个纤维层的轮廓分布的设计构形，其中，所述流动阻止器至少在体部的流入侧或流出侧的附近封闭流动路径的一部分。在这种情况下，流动阻止器设计成单独的构件，其中，流动阻止器布置成使它至少封闭一部分流动路径。在这里所述的颗粒过滤器的实施形式中，要如此出发，即纤维层布置成分层的、缠绕的或卷绕的。即，其端面构成螺旋形、直线形、S形等轮廓分布。由于纤维层至少部分地限定贴合其表面的流动路径，因此位于各纤维层附近的流动路径由各流动阻止器封闭。为此，流动阻止器基本遵循至少一个纤维层的轮廓分布。由于这里优选描述了按照“封闭“式系统的颗粒过滤器，由此实现了交替封闭的通道或流动路径，即第一(部分)数量的流动阻止器在流入侧封闭一定数量的流动路径，而第二(部分)数量的流动阻止器则在流出侧封闭其余的流动路径。作为流动路径阻止器，优选采用金属丝或一索状的、基本上气密的设计。
在这种情况下，特别有利的是，所述至少一个流动阻止器包括适于再生颗粒过滤器的装置和/或适于确定下列参数中的至少一个的装置气流的温度、组分。在这里述的颗粒过滤器的实施形式中，除密封流动路径的功能以外，流动阻止器还有一附加的功能，即例如启动颗粒过滤器的再生或确定测量值。考虑到颗粒过滤器的再生，流动阻止器可例如设计成加热丝，其中，所述加热丝可流过电流，并由于电阻加热在颗粒过滤器中发出热反应所需的热量。还可以将流动阻止器本身设计成传感器。对于这种情况，所述传感器用作温度传感器或用作用于确定废气流的气体组分(例如氧，二氧化氮，碳氢化合物等)的传感器。
按照颗粒过滤器的又一种实施形式，体部具有每1.0升[l]的相应的内燃机排量为0.5至3.0升[l]的总体积。在此情况下，总体积指的是体部的体积，包括金属纤维层、支承结构、流动阻止器等并包括包含流动路径的空间。体部的总体积通常由体部的流入侧和流出侧以及由外壳的内表面限定。总体积的优选范围为每升排量1.0～1.5l/1.5。排量指的是内燃机中全部可供使用的燃烧体积，它通常用来表示内燃机的参量。
进一步还建议，体部设计成具有多个通道的蜂窝体，而且给出通过体部的单位横截面积的通道密度，它在100cpsi至400cpsi的范围内。这里首先还要再次清楚地指出，通道由至少一个纤维层的表面以及必要时还由至少一个支承结构的表面限定。通道密度用“cpsi”给出，它表示“每平方英寸单元数“(每平方英寸通道数)。
按照颗粒过滤器的一个改进方案，体部有多个纤维层，它们交替地在相对的流入侧和流出侧彼此连接，以形成流动阻止器和空腔(Tasche)。在纤维层之间设置分别一具有最小高度和最大高度的支承结构，其中，所述支承结构按交变的(交替的)取向布置在相邻的空腔中。换句话说，支承结构在纤维层之间形成逐渐加宽的流动路径，其中，具有最大高度的支承结构位于其中的流动路径与有最小高度的支承结构位于其中的流动路径相邻。流动阻止器优选放置在体部的一个区域附近，在所述流动阻止器中，支承结构有其最小高度，相邻的纤维层也彼此尽可能紧密地放置。如果考虑穿过颗粒过滤器的假想横截面，设置这类支承结构导致形成V形的空腔，其中，V形的开口交替地指向流入侧或流出侧。考虑到这里产生的阻滞压力以及纤维层与支承结构简单的利用接合技术的连接，特别优选采用颗粒过滤器的这种设计。此外还应指出，不仅是单个的支承结构，包括(可变的)多个相同取向的支承结构的组也可以交替地布置。
此外还建议，体部沿一轴线方向具有带有不同的或组合的功能的段。这些段形成废气流依次流过的颗粒过滤器的部分区域，其中，对包含在废气中的组分应该分别实现不同的作用。例如，这类功能包括灰分过滤，碳黑过滤，氧化，加热，贮存废气组分，气流脱水等。在这些段中，金属纤维层以及支承结构和/或流动阻止器与功能协调地设计，特别是具有与其它段不同的参数。例如也可以在这种颗粒过滤器中具有这样一个段，其中优选使流动路径中的部分气流充分混合。为此，必要时可以设置附加的流动阻止器和/或流动路径的壁中的开口，以实现部分气流的充分混合。
因此，按照颗粒过滤器的另一种实施形式，有利的是，体部包括至少一个内部的边界，所述边界由彼此对齐的流动阻止器限定。相应地，例如有利的是，在金属纤维层的不同设计中，在不同的区段中总是应该保证与整个废气流的接触。为此目的，可以在这种区段下游的端部，通过流动阻止器设置一边界，该边界迫使流动经过该区段中的纤维层。这里流动阻止器优选支承结构的部分和/或金属纤维层本身的部分。特别是对于流动阻止器形成上述区段的边界的情况有利的是，将流动阻止器布置在一个平面中。
按照颗粒过滤器的另一种实施形式，体部通过至少一个包围它的密封圈与外壳连接。在由(在材料、材料厚度等上)不同的部件构成的颗粒过滤器中，考虑到耐久性，热膨胀性能总是在内燃机排气系统中起重要的作用。此外还出现，颗粒过滤器在再生时受到极大的热冲击载荷。这里，一方面存在优选设计成薄壁的支承结构，同样存在略厚的、但是为此致密性较差的金属纤维层，以及实心的、例如设计成具有1mm或更大厚度的外壳。所有这些部件具有不同的热容，所述热容特别是在加热或冷却颗粒过滤器时导致不同的膨胀性能。根据这样的事实，即这里仍必须保证部件的利用接合技术的连接，这在接合位置可导致明显的热应力，所述热应力在一些情况下造成部件或部件之间的连接的损坏。
为了避免这种情况，对此，建议一种密封圈，所述密封圈绕体部布置，并在一侧与体部连接，在另一侧与外壳(在一非常狭的带形区中)连接。该密封圈最好对中布置，并只在体部外壳面的小范围上延伸。这意味着，体部在周向面的大部分上不与外壳固定地连接，即可以与外壳无关地膨胀或收缩。由此，对体部可以保证尽可能大的轴向和径向膨胀自由度。此外，所述密封圈设计成沿周向形成结构的，从而以这种方式允许不同的周向上的膨胀。这种密封圈的实例特别由WO03/008774A1已知，其中，这里可以引用该文献的说明书以作为补充。在该情况下，密封圈或颗粒过滤器最好设计成附加地具有密封装置，以防止废气在体部旁边流过。该密封装置可以是密封圈本身的一部分，但是也可以将其布置在其它位置，最好布置在体部与外壳之间。
按照另一个实施形式，体部至少部分地设有涂层。考虑到不同性质的功能，涂层可以施加在纤维、支承结构和/或颗粒过滤器的其它部件上。这里优选例如铂-氧化物涂层，其中，设有40至120克每升[g/l]的载体涂料(Washcoat)(沸石)，而贵金属含量则为20至100克每立方英尺[g/ft3]。作为其它优选的涂层，颗粒过滤器至少在部分区域内具有吸收氮氧化物的涂层，其中设置150至300g/l的载体涂料，它设计成具有20至100g/ft3的贵金属含量。
在按照颗粒过滤器的又一实施形式中，流动限制器布置在体部的流入侧和流出侧附近，并在多个纤维层之间分别设置支承结构，根据该实施形式建议，至少一个纤维层有一连接段，以形成与至少一个流动阻止器和/或支承结构形成利用接合技术的连接。这特别意味着，金属纤维层设计成可与相邻的部件进行钎焊连接。对此，例如用于纤维层中的空腔的填充材料是合适的，在金属纤维层本身中专门使纤维致密化也是合适的。对所述连接段致密化可通过在部分区域进行翻折并压缩纤维层来实现。
在这种情况下，特别有利的是，连接段是纤维层的一个具有与其余的区域不同的参数的段，或是一拼接连接的单个部件。这意味着，例如这样改变开始所述的参数(纤维直径，平均纤维间距，层厚，层的面密度，层的孔隙度，单根纤维长度等)中的一个，以在这里实现纤维材料的可钎焊性。例如还可以通过附加拼接接合的、特别是可以钎焊的单个部件如板段等形成所述连接区。
现在参考附图详细说明本发明及其技术领域。此时，应当注意图中示出本发明的特别优选的实施例，但是，本发明并不受其限制。图中图1示意地和透视地示出按照本发明的颗粒过滤器的一种实施形式，图2用纤维层和支承结构的透视图示出细部图，图3用剖视图示出另一细部图，其中，用透视图示出支承结构与纤维层之间的流动路径，图4示出金属纤维层的另一细部图，图5示出按照本发明的颗粒过滤器的另一实施形式的半剖视图，图6示出金属纤维层和支承结构在形成流动阻止器时的布置的另一细部图，以及图7示意地示出一移动式内燃机的排气装置。
具体实施例方式
图1示意地用透视图示出颗粒过滤器1的第一实施形式，它包括一外壳2和一体部3。体部3由多个金属纤维层4形成，这里所述纤维层S形地绕两个转折点45卷绕布置。体部3设计成蜂窝体27并具有多个通道28。通道28从流入侧19出发基本上平行地延伸到体部3的流出侧20。这里流动方向48用一箭头表示。在流入侧19的范围内示出多个流动阻止器6，它们基本上遵循金属纤维层4的布置的S字形曲线分布。流动阻止器在流入侧19封闭一半通道28，而通道28的另一部分在流出侧20同样由流动阻止器6封闭(未示出)。
此处设计成圆柱形管的外壳2在两侧19、20都越过体部3伸出。在流入侧19附近设置一添加剂发生器21，其中，所述添加剂发生器设计成用于例如氨或含碳氢化合物的燃料的喷嘴。
蜂窝体27与壳体或者说外壳2利用接合技术的连接通过密封圈36进行，所述密封圈设置在体部3的外周上。密封圈36设计成波纹带，并具有比蜂窝体27的长度49小的宽度50。密封圈36一方面与蜂窝体27的所有板端47连接，而在相对侧与外壳2连接。按此方式，特别是沿半径51的方向提供了对不同的热膨胀性能进行补偿的可能性。
图2示出具有空腔30的颗粒过滤器的一个实施形式的设计构型，所述空腔通过金属纤维层4之间的支承结构14形成。这里，沿半径51的方向交替地分别布置一金属纤维层4和一支承结构14。这里，纤维层4的一段7和设计成波纹板的支承结构14共同限定流动路径5。支承结构14在一个端侧有较大的波结构，而在相对的端侧形成很小的波幅。在支承结构14的波纹的小波幅附近也设置封闭流动路径5的流动阻止器6。支承结构14彼此交替地布置，从而这里在剖视图中，每隔一个的金属纤维层4是基本上彼此平行地延伸的。但特别如果支承结构14在相邻的空腔30中不是设计成相同的，则情况不是这样。废气流例如通过流动路径5或通道28被引入颗粒过滤器的内部区域，并通过流动阻止器6或设计成流动阻止器的金属丝17迫使其穿过金属纤维层4至少一次，从而能从相对的端侧流出。
图3示出金属纤维层4和支承结构的堆叠的另一细部图，该支承结构设计成板16。所示的纤维层4具有在小于1mm的范围内的层厚。通过布置在纤维层4之间的形成波纹的板层16又形成流动路径5，所述流动路径使得废气可沿流动方向48流入。在流动路径5中形成一流动阻止器6，所述流动阻止器迫使进入流动路径5中的部分气流转向而穿过相邻布置的纤维层4。该部分气流被引入相邻的通道或流动路径5中，并可按此方式沿流动方向48又从颗粒过滤器流出。流动阻止器6设计成板16上的突起或导向面41。为了封闭一部分通道，纤维层4具有一连接段38，其中在上面所示的变型方案中，连接段设计成致密化的纤维层4，而在下面所示的变型中，它设计成单独的部件39(例如一段板箔)。在相邻的连接段38之间也形成一流动阻止器6，它在这里是一单独的构件，例如一密封索。
如所述特征那样，图4详细示出图3的金属纤维层4的部分区域。由此可以看出一些前面提到的、用于描述纤维层的参数，尤其是纤维直径8、纤维间距9、纤维表面积11、层表面积12以及单根纤维长度13。纤维之间的空间可以用空气和/或至少部分地用附加的材料填充。所述附加的材料包括例如涂层。
图5用半剖视图示出按照本发明的颗粒过滤器1的另一实施形式。这里体部3具有多个金属纤维层4，所述纤维层交替地在相对的流入侧19和流出侧20通过流动阻止器6或加热丝22和金属丝17封闭。在这种情况下，不仅起密封作用的金属丝17设计成用于产生热再生的加热丝22，此外，在外壳2与体部3之间，在体部3的外周上，还设有其它的用于起动再生的加热丝22。纤维层4与流动阻止器6共同形成流动路径5，所述流动路径基本上如空腔30那样形成。在这些空腔30中分别设置支承结构14，所述支承结构具有最小高度31和最大高度32，并按交替地布置在相邻的空腔30中。这里支承结构设计成格栅15或拉伸金属网18。
体部3沿一轴线33的方向具有一安装在前面的区段34，所述区段例如设有起氧化作用的涂层37。为了保证设有涂层的纤维层4被入流的废气流穿过至少一次，体部3具有一内部的边界35，所述边界由在支承结构14中形成的流动阻止器6形成。
此外，颗粒过滤器1设计成具有一监控颗粒过滤器1的功能性的测量传感器23。可将利用测量传感器23得到的信息转送给一处理单元40，该处理单元例如可触发再生。
图6详细示出在颗粒过滤器1的流入侧或流出侧附近的流动阻止器6的一种设计。为此，金属纤维层4设计成比支承结构14长，从而纤维层越过支承结构14伸出并相互接触。纤维层4在该连接段38内设计成使纤维层可保证彼此利用接合技术的连接。这里概略地示出，两个彼此相邻布置的纤维层4借助于滚缝焊彼此连接，并由此形成一流动阻止器6。
图7示意地示出一内燃机—特别是乘用车中的柴油发动机—的排气装置的构造。所示的为一可通过排量25来描述其特征的内燃机26。在排量25中产生的废气通过排气管路43沿流动方向48流入周围环境中。为了转化包含在废气中的有害物质，首先将废气输送给一氧化催化器42，然后输送按照本发明的、具有与排量25相匹配的总体积24的颗粒过滤器1，最后输送给三元催化器44。由此，还可以进行例如颗粒过滤器1的连续再生。
对在开始时提到的技术问题和要求，这里说明的颗粒过滤器是一种有利的解决方案。通过采用金属纤维层，可以容易与使用目的相匹配地制造颗粒过滤器，此外，即使非常频繁地进行其中偶然形成所谓的“热点”的的再生，金属纤维层所给定的导热性以及其所提供的比热容也允许在汽车的排气装置中持久使用。
参考标号表1 颗粒过滤器2 外壳3 体部4 纤维层5 流动路径6 流动阻止器7 段8 纤维直径9 纤维间距10层厚11纤维表面积12层表面积13单根纤维长度14支承结构15格栅16板17金属丝18拉伸金属网19流入侧20流出侧21添加剂发生器22加热丝23测量传感器24总体积25排量26内燃机27蜂窝体
28通道29横截面30空腔31最小高度32最大高度33轴线34区段35边界36密封圈37涂层38连接段39单个部件40处理单元41导向面42氧化催化器43排气管路44三元催化器45转折点46密封装置47板端48流动方向49长度50宽度51半径
权利要求
1.包括外壳(2)和至少一个体部(3)的颗粒过滤器(1)，所述体部包括至少一个金属纤维层(4)，其中，所述纤维层布置成形成多个空间上分开的、穿过体部(3)的流动路径(5)，所述流动路径分别至少在一个位置具有一流动阻止器(6)，该颗粒过滤器的特征为，所述至少一个金属纤维层(4)具有在400至1200焦耳每开尔文平方米[J/Km2]的范围内的与面积相关的热容。
2.如权利要求1的颗粒过滤器(1)，其特征为，所述至少一个纤维层(4)在至少一个段(7)中具有下列参数中的至少一个a)纤维直径(8)20μm至90μm；b)纤维间距(9)5μm至300μm；c)层厚(10)0.2mm至1.5mm；d)层的面密度250g/m2至2000g/m2；e)层的孔隙度30％至90％；f)每1m2层表面积(12)的纤维表面积(11)9m2至15m2；g)单根纤维长度(13)5μm至100μm。
3.如权利要求1或2的颗粒过滤器(1)，其特征为，所述至少一个纤维层(4)这样布置在体部(3)中，即使得存在下列参数中的至少一个a)比层表面积(12)0.15m2/l至2.0m2/l；b)层距(39)0.5mm至10mm。
4.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)包括至少一个支承结构(14)，所述支承结构至少部分地使彼此相邻布置的纤维层区域相互隔开。
5.如权利要求4的颗粒过滤器(1)，其特征为，所述至少一个支承结构(4)包括下列部件中至少一种，可以是单个或多个——格栅(15)，——板(16)，——金属丝(17)，——拉伸金属网(18)。
6.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)的部件至少局部地彼此和/或与外壳(2)利用接合技术连接。
7.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，所述至少一个流动阻止器(6)是所述至少一个支承结构(14)的一部分，其中，所述支承结构至少在一个位置封闭流动路径(5)。
8.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，所述至少一个流动阻止器(6)具有至少部分地贴合所述至少一个纤维层(4)的轮廓分布的构型，并且至少在体部(3)的流入侧(19)或流出侧(20)附近封闭流动路径(5)的一部分。
9.如权利要求8的颗粒过滤器(1)，其特征为，所述至少一个流动阻止器(6)包括用于再生颗粒过滤器的装置(21、22；23)和/或适于用来确定下列参数中的至少一个温度，气流的组分。
10.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)有在对于每1.0升相应内燃机(26)的排量(25)为0.5至3.0升的范围内的总体积(24)。
11.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)设计成具有多个通道(28)的蜂窝体(27)，并且存在穿过体部(3)的、在100cpsi至400cpsi范围内的单位横截面积(29)的通道密度。
12.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)具有多个纤维层(4)，所述纤维层交替地在相对的流入侧(19)和流出侧(20)彼此连接，以形成流动阻止器(6)和空腔(30)，并且在纤维层(4)之间分别设置具有最小高度(31)和最大高度(32)的支承结构(14)，其中，所述支承结构按交替的取向布置在相邻的空腔(30)中。
13.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)沿一轴线(33)的方向有具有不同的或组合的功能的区段(34)。
14.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)包括至少一个内部的边界(35)，所述边界由彼此对齐的流动阻止器(6)限定。
15.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)通过至少一个包围该体部的密封圈(36)与外壳(2)连接。
16.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其特征为，体部(3)至少部分地设有涂层(37)。
17.如前述权利要求之一的颗粒过滤器(1)，其中，流动阻止器(6)布置在体部(3)的流入侧(19)和流出侧(20)附近，并在多个纤维层(4)之间设置支承结构(14)，其特征为，至少一个所述纤维层(4)具有一连接段(38)，以与所述至少一个流动阻止器(6)和/或支承结构(14)形成利用接合技术的连接。
18.如权利要求17的颗粒过滤器(1)，其特征为，所述连接段(38)为纤维层(4)的一个具有与其余的区域不同的参数的段，或是一拼接安装的单个部件(39)。
全文摘要
本发明涉及一种包括外壳(2)和至少一个体部(3)的颗粒过滤器(1)，所述体部包括至少一个金属纤维层(4)，其中，纤维层布置成形成多个穿过体部(3)的、空间上分开的流动路径(5)，所述流动路径分别至少在一个位置具有一流动阻止器(6)，其特征为，所述至少一个金属纤维层(4)具有在400至1200焦耳每开尔文平方米[J/Km
文档编号B01D39/12GK1918368SQ200480041719
公开日2007年2月21日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年1月9日
发明者R·布吕科, P·希尔特, T·黑里希 申请人:排放技术有限公司