专利名称：用于过滤内燃机排气中的颗粒的块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特别用于过滤内燃机排气中的颗粒的块和通过组装多个所述块而制成的过滤体，该内燃机尤其是柴油机类的内燃机。
背景技术：
通常，在将排气释放到大气之前，可利用颗粒过滤器—例如现有技术已知的如图1和2所示的过滤器—来净化排气。
图1以横向剖面并且图2以纵向剖面示出一颗粒过滤器1，图1为沿图2中的线B-B的剖面，图2为沿图1中的线A-A的剖面。
该颗粒过滤器1通常包括至少一个插置在金属壳体5中的过滤体3。过滤体3是由标号为11a-11i的多个块11经组装和加工而得到的。
为了生产块11，将陶瓷材料(堇青石、碳化硅等)挤出成蜂窝状的多孔结构。所挤出的多孔结构通常具有长方六面体的形状，其包括四个在两个基本为正方形的上游面12和下游面13之间沿轴线D-D延伸的纵向棱边11’，多个平行于轴线D-D的正方形截面的相邻直通道14通至所述面上。这些通道通过两组平坦且平行的隔板相互贯穿而形成，第一组隔板垂直于第二组隔板。限定一通道14的四个隔板部分构成该通道的侧壁22。通常，这两组隔板具有同样的厚度，即任意通道14的侧壁22具有恒定的厚度。
挤出后，如众所周知的，在上游面12(排出通道14s)上或在下游面13(进入通道14e)上分别用上游塞15s和下游塞15e交替地塞住所挤出的多孔结构。分别地，在排出通道14s和进入通道14e的与上游塞15s和下游塞15e相对的端部，所述排出通道14s和进入通道14e分别向外通至分别在下游面13和上游面12上延伸的出口19s和入口19e。
由此，每个通道14均限定了由侧壁22、填充塞15s或15e和通向外面的开口19s或19e所界定的内部空间20。
位于块11的周缘的通道或“周向通道”14p的通道外部面组15’形成该块11的外表面16(参见图3)。由于该块11的横截面基本上为正方形，因此该外表面16包括两两垂直的四个表面16a-16d。
使用由陶瓷胶合剂制成的密封垫27通过粘接将块11a-11i组装在一起，所述陶瓷胶合剂通常由硅土和/或碳化硅和/或氮化铝组成。然后可对由此形成的组装件进行加工以得到例如倒圆的截面。因此，外部块11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g、11h具有一通过加工倒圆的外部面。
由此制成具有轴线C-C的柱状过滤体3和外周密封件28，该过滤体3可插置在壳体5中，该密封件对排气是气密的并设置在外过滤块11a-11h与壳体5之间。
如图2中的箭头所示出的，排气流F经由进入通道14e的开口19e进入过滤体3、经过这些通道的过滤侧壁22到达排出通道14s、然后经由开口19s排到外面。
使用一定时间后，颗粒或“碳黑”聚积在过滤体3的进入通道14e中，削弱了发动机的性能。由于这个原因，过滤体3应该定期地进行再生，例如每(行驶)500千米再生一次。这种再生或“清除堵塞”是指通过将碳黑加热到能使它们燃烧的温度来使这些碳黑氧化。
在再生阶段，排气向下游传送由碳黑的燃烧所发出的全部热能。此外，由于碳黑不是均匀地沉积在不同通道中，所以燃烧区域不是均匀地分布在过滤体3中。最后，过滤体3的周缘区域通过金属壳体5被外界空气冷却。
因此，温度随着过滤体3的区域的不同而不同，并且不均匀地改变。过滤体3内温度的不均匀性以及过滤块11a-11i与密封件27所使用的材料性质的不同产生高振幅的局部应力，这可能导致局部破裂或开裂。特别地，块11a-11h与壳体5之间的分界面处以及块11a-11i与密封件27之间的分界面处的局部应力可能导致块11a-11i内出现开裂，从而缩短颗粒过滤器1的寿命。
本发明的目的是提供一种能减少开裂危险的新颖的块11。
发明内容
该目的通过一种特别用于过滤内燃机排气中的颗粒(微粒)的块实现，所述块包括多个用于所述排气的流通通道，所述通道均由侧壁、填充塞和通向外部的开口限定。
根据本发明的过滤块的特征在于，所述通道中至少一个称为“加强通道”的通道的侧壁的第一部分具有与所述侧壁中形成该侧壁第二部分的其余部分相比的厚度增量(厚度余量)，在横向剖平面内，所述第一部分的厚度“E”与所述第二部分的厚度“e”的比值在1.1至3之间。
从下面的详细说明中可以看出，厚度增量的存在局部地加强了该块，从而有利地减少开裂(龟裂)的危险。
根据本发明的过滤块优选地还包括以下其它特征-该过滤块包括由相邻的所述加强通道构成的组，所述加强通道设置成使得加强通道的所述第一部分形成连续的加强隔板。因而由所述加强通道形成的厚度增量是连续的。该厚度增量的连续性为该过滤块增加了硬度，从而有利地进一步减少了裂纹的出现。
-所述组中的加强通道延伸到所述块的周缘。因而该加强隔板可环绕—至少部分地环绕—内部通道并对其进行加固。因而有利地限制了由此“被保护”的内部通道的开裂。
-所述第一部分包括与所述块的外部接触的外表面。
-所述组中的所述加强通道设置成使得所述加强隔板覆盖所述过滤块的纵向棱边。过滤块的纵向棱边是热机械应力出现最多的区域。因此通过加强隔板覆盖这些区域是有利的。
-所述加强通道组包括所述块的全部周向通道。因而加强隔板环绕所述块。这种环绕有利地以特别有效的方式加强了该块的所有通道的硬度。优选地，所述加强隔板处于所述块的外表面。
-无论所述及的横向剖平面P如何，所述比值R＝E/e都是恒定的。因而厚度增量或加强隔板的加固效果在该过滤块的整个长度L上是基本恒定的。
-所述厚度增量在所述块的任意纵向剖平面内是基本上/实质上恒定的。有利地，由此简化了该块的生产，尤其是最初的多孔结构的挤出。
-在任意横向剖平面内和/或在任意纵向平面内，所述厚度增量对于所述组中的全部加强通道是基本上恒定的。因而该加强隔板具有基本恒定的厚度。
-所述比值R在1.9至2.1之间，优选基本等于2。这样的比值R可有利地使开裂程度最小。
本发明还涉及一种用于颗粒过滤器的过滤体，其特征在于，该过滤体包括至少一个根据本发明的过滤块。
本发明还涉及一种成形的挤压模，以便通过挤出陶瓷材料而形成一种结构，所述结构具有适于制造本发明的过滤块的通道，并且包括所述厚度增量。根据本发明，该过滤块优选为“一体件”，即该厚度增量不是添加在过滤块上而是与过滤块形成一体。由此，有利地提高了过滤块的硬度和抗开裂性。此外，由此有利地避免了形成厚度增量的材料脱落的危险。最后，由此简化了过滤块的制造。
本发明还涉及一种制造过滤块的方法，包括下列相继的/连续的步骤a)挤出陶瓷材料以形成蜂窝状的多孔结构；b)在所述多孔结构的至少一部分外表面上施加与所述陶瓷材料相同或不同的材料厚度增量；以及c)干燥以及烧结所述多孔结构以得到过滤块。
任选地，可以在步骤a)与b)之间使多孔结构干燥，然后加工，优选至少在所述外表面的已经加工的部分上施加材料厚度增量。
优选通过插入连续或不连续的密封垫来将所得到的过滤块与其它过滤块组装在一起以制造过滤体。
通过下面参照附图的说明将能更好地理解和认识本发明的优点。在这些附图中图1以横向剖面示出现有技术的颗粒过滤器，该图是沿图2中的线B-B的横剖面；图2示出同一颗粒过滤器，该图是沿图1中的线A-A的剖面；图3示出本发明优选实施方式的块的透视图；图4示出图3所示的块在沿图3所示平面P的横向剖面中的细部；图5和6分别是由根据本发明和未根据本发明的16个块构成的过滤体经过严格的再生试验后的俯视图，该图是沿图7的中间平面M的纵剖面；图7以横向剖面示出用于所述试验的过滤体。
具体实施例方式
在这些非限制性的附图中，各种不同的元件不是必然以相同的比例示出的。相同或相似的元件在不同附图中采用相同的标号。
根据本发明，通道的侧壁部分包括“厚度增量”，该部分的厚度比该通道侧壁的其余部分的厚度大。因而该通道称为“加强通道”。如图4所示，采取与通道壁垂直的位置来测量通道壁的厚度，这排除了在通道内部空间的角部的任何厚度测量。
术语“加强隔板”表示由具有厚度增量的壁部分构成的组，所述组形成连续且平坦或不平坦的表面。
图1和2已经在序言部分进行了说明，下面参见图3-该图也在前面进行了部分说明。
图3所示的过滤块11包括加强隔板30，该隔板构成该过滤块11的外表面16的四个面16a-d。
该图4详细示出了分别由侧壁22’、22和22”限定的三个相邻的周向通道14’p、14p和14”p。这些侧壁22’、22和22”每一个都分别具有与该块11的外部相接触的外部部分34’、34和34”以及分别将相邻通道的内部空间38’、38和38”隔开的内部部分36’、36和36”。
这些外部部分34’、34和34”具有标示为“E”的恒定厚度，该厚度与横向剖平面P无关。
根据所述及的通道是否沿块11的纵向棱边延伸，内部部分包括两个或三个基本平坦的内局部。
因而，所示通道14p的侧壁22的内部部分36包括三个局部361、362和363；而限定纵向棱边11’的角部通道14”p的侧壁22”的内部部分36”包括两个局部36”和363，其中局部363为两个侧壁22和22”所共有。
所述内局部具有标示为“e”的相同的恒定厚度，该厚度与横向剖平面P无关。
所有的周向通道都具有上述模式的侧壁，其带有恒定厚度为“e”的内部部分和恒定厚度为“E”的外部部分。
加强隔板30由所有周向通道的侧壁的外部部分形成。它的厚度是恒定的且等于“E”。该加强隔板30从上游面12到下游面13沿块11的整个长度“L”延伸，从而形成该块11的外表面16。
厚度“E”与厚度“e”的比值R在1.1至3之间，优选在1.9至2.1之间，更优选为如图所示的基本等于2。
因而该加强隔板具有套筒的形状，其带有恒定厚度为E的四个面16a、16b、16c和16d并朝向块11的上游面和下游面开口。
优选地，将加强隔板的厚度增量设置成，使得在任意横向剖平面P内，加强的进入通道和排出通道的流通截面基本上分别等于其它进入通道和排出通道的流通截面。有利地，厚度增量的使用因此不会改变加强通道的体积并且因此不会改变过滤块的整体效率。
优选地，所述加强隔板沿纵向延伸且在将该块11挤出时利用合适的挤压模由本领域技术人员公知的技术制出。
将根据本发明的块组装以形成具有加强隔板内网的结构，从而提高该块的抗开裂性。
可以在对该结构进行任选的加工以形成过滤体后，在该过滤体的周缘添加材料厚度增量。从而进一步降低开裂的危险。
在本发明的一种实施方式中，所有组装的块沿其整个外表面16具有优选为恒定的厚度增量。组装之后，所述块的周向厚度增量由此在横剖面中形成一种网格，该网格与在周缘无厚度增量的过滤体相比大大增强了抗开裂性。
更优选地，无论实施方式如何，过滤块的周向通道侧壁的内部部分的厚度都等于该块的内部通道(即除周缘通道之外的通道)的壁的厚度。因而无论所述及的内壁如何，穿过过滤块的全体内壁—即不接触该块外部的壁—的过滤效率都相同。
由此，还简化了过滤体的制造，因为这些过滤块可以互换地组装在过滤体中的任何位置。
已经进行了一些试验来评价过滤体的抗开裂性，所述过滤体是由16个常规过滤块组成的过滤体(图6)以及由16个相同类型但如图3所示包括根据本发明的周向加强隔板的过滤块组成的过滤体(图5)。在发动机试验台上对这两个过滤体以5g/l进行严格的再生(相应于120km/h的发动机转速，然后转换到怠速，接着进行后注射)。然后沿中间平面纵向切开这两个过滤块。从而观察这四个过滤块的纵剖面。图5和图6示出的纵剖面对比清楚地表明，本发明的块没有任何裂纹，而现有技术的块具有裂纹“f”-其总体长度大于0.5mm并且可能沿块的整个长度L延伸。这些裂纹可用肉眼以及显微镜看到。
正如现在清楚地示出的，根据本发明的带加强结构的过滤块具有比现有技术的过滤块更好的抗开裂性。
当然，本发明不限于前面所说明和示出的仅以说明性和非限定性方式提供的实施方式。
该厚度E不是必须在具有厚度增量的壁部分的横剖面上为恒定的。特别地，所述壁部分可具有平坦的面和拱形或波纹状的面。如果块11包括构成其外表面16的加强隔板，则优选构成该隔板的壁部分的平坦面为外表面，以便在横剖面中使该块的外表面16形成平坦结构，而使加强隔板的内部面呈现为波浪形。
对于构成加强隔板的不同加强通道，该厚度E也不是必须为恒定的。例如，排出通道的厚度E可大于进入通道的厚度。
因而，加强隔板可由不具有厚度增量的“袋状部”局部中断、可不沿块的整个长度L延伸或者可仅沿块的周向通道的部分延伸。
在后一种情况下，优选加强隔板仍然覆盖过滤块的至少一个纵向棱边，优选覆盖所有纵向棱边。优选地，加强隔板在块的整个长度L上延伸。
加强隔板的形状、尺寸和数量不受限制。
优选地，块11只包括一个连续的加强隔板，该加强隔板形成块的外表面16。实际上，块的外表面16不用于或很少用于气体的过滤，与该外表面16接触的密封垫27对气体构成基本气密的阻挡。因而将加强隔板设置在块的周缘可避免减小块的整体过滤面积，并因而避免降低块的过滤效率。优选地，加强隔板的平均厚度E*大于壁的平均厚度或者大于该块的构成加强隔板的壁部分以外的通道壁部分的厚度。
但是，也可在块内插置一个或多个加强隔板，优选完全横穿该块，更优选基本上平行于块的侧面16a-16d延伸。
加强隔板的厚度也可在纵向或横向平面内周期性或非周期性地变化。有利地，这样可使加强隔板的厚度适应局部热机械应力的强度。
在横向剖平面中，优选厚度增量均匀地变化—优选基本上以正弦方式变化，以便与排出通道的体积相比增大进入通道的体积。
也可通过粘接、焊接或其它任何已知技术在块11的表面上固定附加材料以在该表面上设置厚度增量。所附加的材料可与构成该块11的材料相同或者不同。优选在挤出之后，在块的已经加工的面一例如该块的倒圆的外部面11a-11b上应用材料厚度增量。
过滤块11可具有任意形状。通道14的横截面并不限定于正方形。进入通道的截面也可不同于排出通道的截面。通道的横截面也可沿该通道周期性或非周期性地改变。
权利要求
1.一种特别用于过滤内燃机排气中的颗粒的块，所述块(11)包括多个用于所述排气的流通通道(14e，14s)，所述通道(14e，14s)均由侧壁(22)、填充塞(15e，15s)和通向外部的开口(19e，19s)限定，其特征在于，所述通道中至少一个称为“加强通道”的通道(14p，14”p)的侧壁(22)的第一部分(34)包括有与所述侧壁(22)的形成该侧壁第二部分(36)的其余部分相比的厚度增量，在横向剖平面(P)内，所述第一部分(34)的厚度与所述第二部分(36)的厚度的比值(R)在1.1至3之间。
2.如权利要求1所述的块，其特征在于，该块包括由相邻的所述加强通道(14p，14’p，14”p)构成的组，所述加强通道设置成使得加强通道的所述第一部分形成连续的加强隔板(30)。
3.如权利要求2所述的块，其特征在于，所述组中的所述加强通道(14’p，14p，14”p)在所述块的周缘延伸。
4.如上述权利要求之一所述的块，其特征在于，所述第一部分(34)包括与所述块(11)的外部接触的外部面。
5.如权利要求2至4之一所述的块，其特征在于，所述组中的所述加强通道(14’p，14p，14”p)设置成使得所述加强隔板(30)覆盖所述过滤块的纵向棱边(11’)。
6.如权利要求2至5之一所述的块，其特征在于，所述由加强通道(14’p，14p，14”p)构成的组包括所述块(11)的全部周向通道，从而所述加强隔板(30)环绕所述块，优选所述加强隔板(30)处在所述块(11)的外表面(16)。
7.如上述权利要求之一所述的块，其特征在于，无论所述及的横向剖平面(P)如何，所述比值(R)是恒定的。
8.如上述权利要求之一所述的块，其特征在于，在所述块的任意纵向剖平面中，所述厚度增量是实质上恒定的。
9.如权利要求2至8之一所述的块，其特征在于，在任意横向剖平面和/或在任意纵向平面内，所述厚度增量对于所述组中的全部加强通道是实质上恒定的。
10.如上述权利要求之一所述的过滤块，其特征在于，所述比值R在1.9至2.1之间，优选基本等于2。
11.一种用于颗粒过滤器的过滤体，其特征在于，该过滤体包括至少一个如上述权利要求之一所述的过滤块。
12.一种成形的挤压模，该挤压模用于通过挤出陶瓷材料来形成一种结构，所述结构具有用于制造如上述权利要求之一所述的过滤块的通道，并且包括所述厚度增量。
13.一种制造如权利要求1至10之一所述的块的方法，包括下列连续的步骤a)挤出陶瓷材料以形成蜂窝状的多孔结构；b)在所述多孔结构的至少部分外表面上施加与所述陶瓷材料相同或不同的材料厚度增量；以及c)干燥以及烧结所述多孔结构以得到过滤块。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该方法还包括在步骤a)和步骤b)之间使所述多孔结构干燥的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法还包括在步骤b)之前对所述已干燥的多孔结构进行加工的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在步骤b)，将所述材料厚度增量至少应用到所述外表面的已经加工的部分上。
17.一种组装多个过滤块(11a-11b)以制造过滤体(3)的方法，其特征在于，通过如权利要求13至16之一所述的方法制造所述过滤块中的至少一个过滤块。
全文摘要
本发明涉及一种特别用于过滤内燃机排气中的颗粒的块。所述块(11)包括多个用于所述排气的流通通道(14e，14s)，所述通道(14e，14s)均由侧壁(22)、填充塞(15e，15s)和通向外部的开口(19e，19s)限定。本发明的块的特征在于，所述通道中至少一个称为“加强通道”的通道(14p，14”p)的侧壁(22)的第一部分(34)包括有与所述侧壁(22)的形成该侧壁第二部分(36)的其余部分相比的厚度增量，在横向剖平面(P)内，所述第一部分(34)与所述第二部分的厚度的比值(R)在1.1至3之间。
文档编号F01N13/04GK1926315SQ200480038645
公开日2007年3月7日 申请日期2004年12月22日 优先权日2003年12月24日
发明者S·巴顿, A·布里奥特, V·格雷泽 申请人:圣戈班欧洲研究与学习中心