CN100518885C - 用于内燃机废气的颗粒过滤器的过滤结构及相关管线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构，其包括第一和第二过滤元件(15A，15B)，第一和第二过滤元件(15A，15B)分别具有彼此相对的第一和第二横向面(24A，24B)；以及连接所述面(24A，24B)的密封件(17)。第一面(24A)至少包括与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第一区域(35A)，其相对于与第二面(24B)的所述密封件(17)具有强附着力的第一区域(33B)相反地延伸。第一区域(35A)至少由相对于第一面(24A)和排出面(23)为公共边(37)的一部分界定，并包括侧边(41A)，侧边(41A)朝向排出面(23)分叉并延伸到所述公共边(37)。本发明可用于发动机的废气的颗粒过滤器。

Description

用于内燃机废气的颗粒过滤器的过滤结构及相关管线
技术领域
本发明涉及一种过滤结构，特别是用于内燃机废气的颗粒过滤器，所述类型的过滤器包括：
—至少第一和第二过滤元件，每个过滤元件具有由至少三个横向面面连接起来的入口面和排出面，所述第一和第二过滤元件分别具有彼此相对布置的第一和第二横向面；以及
—密封件，其连接所述面并在所述面之间延伸；
第一横向面至少包括与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第一区域，所述第一区域朝着与第二横向面的所述密封件具有强附着力的第一区域相对的方向延伸，与所述密封件无附着力或具有弱附着力的所述第一区域至少由相对于第一面和排出面为公共边的一部分限定。
背景技术
这种结构尤其用于内燃机废气的降污装置中。这些装置包括消音器，消音器具有串接的催化净化装置和颗粒过滤器。催化净化装置可处理气态的污染物，而颗粒过滤器可保留由发动机放出的烟尘颗粒。
在前述现有结构(FR-A-2 833 857)中，过滤元件包括一组具有平行轴线的相邻导管，导管被多孔的过滤壁隔开。这些导管在要被过滤的废气的入口面和已被过滤的废气的排出面之间延伸。这些导管还在它们的一个端部或其它端部处封闭以将入口腔的开口限定在入口面上，将排出腔的开口限定在排出面上。
这些结构在连续的过滤和再生阶段工作。在过滤阶段，由发动机放出的烟尘颗粒被沉积在入口腔的壁上。通过过滤器的压力损失逐渐增加。当所述压力损失超出预定值时，进行再生阶段。
在再生阶段，主要包含碳的烟尘颗粒利用辅助加热装置在入口腔的壁上燃烧，以便使结构恢复到初始特性。
但是，烟尘在过滤器中燃烧不均匀。燃烧在前部开始，然后在中间散开。在再生阶段，过滤器中出现温度梯度。
过滤结构内的温度梯度产生不同的局部扩张，结果在各过滤元件中和/或之间产生纵向和横向应力。
这些明显的热机械应力导致过滤元件中和/或过滤元件之间的连接密封件中出现裂纹。
为了限制出现裂纹的风险，上述申请FR-A-2 833 857提出在所述第一面上，在所述公共边缘的附近形成与所述密封件无附着力或具有弱附着力的区域，尤其是通过在该区域涂施非粘接覆盖层。该区域的存在使得密封件中的热机械应力被释放，如果这些应力太大，密封件中任何裂纹的扩展都被沿着该区域导向。
这一结构并不是完全令人满意的。事实上，在一定数量的再生阶段之后，在过滤元件内还可能出现裂纹。这些裂纹基本上在横过该元件的纵向的破裂平面上扩展。如果过滤元件的横向面还包括在排出面附近的、与所述密封件无附着力或具有弱附着力的区域，裂纹也在这些区域扩展。
因此，被这样限制在破裂面和排出面之间的过滤元件的下游部分不再被密封件保持。因此，该下游部分有可能与过滤结构分离并在排出管线的下游方向被带走。
发明内容
本发明的主要目的是克服上述缺点，即提供用于颗粒过滤器的多孔过滤结构，其在过滤元件内保持有机械结合力。
因此。本发明涉及一种前述的过滤结构，其特征在于，在与所述公共边相邻的区域，与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第一区域包括至少一个朝向排出面分叉的侧边，所述侧边延伸到所述公共边。
根据本发明的过滤结构可包括下述特征中的一个或多个特征，它们可以是独立的或组合的技术特征。
—所述区域的其余部分在所述第一面上具有与所述密封件具有强附着力的第二区域，并延伸到所述公共边，在所述第二面上具有相对于与所述密封件具有强附着力的第二区域相反的、与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第二区域；
一由所述侧边和所述公共边形成的角度小于或等于约50°；
—与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第一区域大致沿着所述公共边的整个长度延伸；
—与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第一区域被界定为三角形；
—第一横向面包括与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第三区域，所述第三区域区别于与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第一区域，并且至少部分由所述公共边界定，并包括至少一个朝向排出面分叉的侧边，该侧边延伸到所述公共边；
—第一面至少包括与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第四区域，其包括至少一个朝向排出面会聚的会聚边，所述会聚边延伸到与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第一区域，与所述密封件无附着力或具有弱附着力的所述第四区域被布置成相对于与第二面的所述密封件具有强附着力的第四区域相对；
—第一过滤单元具有第三横向面，所述第三横向面布置成与第三过滤单元的第四横向面相对，并且至少包括与所述密封件具有强附着力的第五区域，所述第五区域至少部分由对于第三面和排出面为公共边的排出边界定，
以及，在与所述排出边相邻的区域中，与所述密封件具有强附着力的第五区域包括至少一个朝向排出面分叉的侧边，该侧边延伸到所述排出边，与所述密封件具有强附着力的第五区域被布置成与所述第四面上的、与所述密封件无附着力或具有弱附着力的第五区域相对。
本发明还涉及一种废气管线，其特征在于，其包括上述的过滤结构。
附图说明
下面参考附图详细描述本发明的实施例。
图1是本发明的第一过滤结构的立体图；
图2是图1所示的过滤结构的局部分解立体图；
图3是图2所示的过滤元件中相对的两个面的平面图；
图4是与图2类似的视图，其显示的是过滤结构的几个再生周期之后的状态；
图4A是沿图4的平面IV-IV所截取的局部视图，其是相对于过滤元件的中心轴线移动的纵向平面；
图5是类似于图3的视图，显示本发明的第二过滤结构；
图6是类似于图3的视图，显示本发明的第三过滤结构；
图7是类似于图4的视图，显示本发明的第三过滤结构；
图8是类似于图4的视图，显示本发明的第四过滤结构；
图9是类似于图3的视图，显示本发明的第五过滤结构；
图10是类似于图3的视图，显示本发明的第六过滤结构；
具体实施方式
图1中所示的颗粒过滤器11被布置在车辆的柴油发动机的废气管线13(部分显示)中。
排出管线13延伸到颗粒过滤器11的端部之外并界定废气流通路径。
颗粒过滤器11沿着纵向废气流通方向X-X’延伸。其包括多个利用连接密封件17相互连接起来的过滤单元15。
每个过滤单元15是沿着纵向X-X’延伸的基本成直角的平行六面体形状。
术语“过滤单元”总体表示一个组件，该组件包括入口面、排出面以及将入口面连接到排出面的至少三个横向面(在示例中为四个横向面)。
如图2所示，每个过滤单元15A，15B包括多孔过滤结构19、用于要被过滤的废气的入口面21、用于已被过滤的废气的排出面23以及四个横向面24。
多孔过滤结构19由整体结构的过滤材料制成，尤其是由陶瓷材料(堇青石或碳化硅)制成。
该结构19具有足够的孔以允许废气通过。但是，如所知道的，孔的直径被选择为足够小以确保能够保持烟尘颗粒。
多孔结构19包括一组轴线平行于纵向X-X’的相邻导管。这些导管被多孔过滤壁25分隔开。在图2所示的示例中，这些壁25是恒定厚度的，并在过滤结构19中从入口面21纵向延伸到排出面23。
这些导管被分成第一组入口导管27和第二组排出导管29。入口导管27和排出导管29被布置成首尾相连。
入口导管27在过滤单元15A，15B的排出面23的区域中封闭，在它们的另一端处开口。
相反，排出导管29在过滤单元15A，15B的入口面21的区域中封闭，沿着其排出面23开口。
在图1所示的示例中，入口导管27和排出导管29沿着它们的整个长度具有恒定截面。
如图2所示，所述过滤单元15A，15B的相互面对的横向面24A，24B是平面。
如图2和3所示，位置与另一过滤单元相对的每个平面24A，24B包括至少一个刚性连接到密封件17的区域33，以及至少一个区域35，区域35在制造结构19的过程中被非粘接覆盖层覆盖。该覆盖层例如基于纸、聚四氟乙烯、或氮化硼。
所述连接密封件17和过滤单元15的平面24在牢固地附着到该密封件上的区域33上的附着力是与密封件17无附着力或具有弱附着力的区域35的附着力的至少10倍。与密封件17无附着力或具有弱附着力的区域35的附着力为0—50Mpa。
下面，术语“具有强附着力的区域”将适用于与密封件17具有强附着力的区域33，“具有弱附着力的区域”将适用于与密封件17无附着力或具有弱附着力的区域35。
在图2和3中示出了区域33和区域35在过滤单元15的平面24上的布置结构。
第一过滤单元15A的第一横向面24A包括由排出面23和第一横向面24A的公共边37界定的具有弱附着力的第一三角形区域35A。该区域35A还由两个朝向排出面23分叉的两侧边41A界定，侧边41A延伸到公共边37。因此，如图3所示，具有弱附着力的第一区域35A由一等腰三角形限定，该等腰三角形的底边由公共边37形成。所述第一横向面是平面。
由每条边41A和公共边37形成的角度α优选小于或等于50°。在所示示例中，该角度等于45°。
如图2和3所示，具有弱附着力的第一区域35A与第二横向面24B的具有强附着力的第一区域33B向相对的方向延伸。具有弱附着力的第一区域35A与具有强附着力的第一区域33B的形状基本相同。所述第二横向面是平面。
第一过滤单元15A的第一横向面24A还包括具有强附着力的第二区域33A。
该具有强附着力的第二区域33A至少延伸到公共边37的一个点43。优选地，该具有强附着力的区域33A至少延伸到公共边37的两个点43。在图3所示示例中，这两个点43位于边37的横向端部。
因此，第一横向面24A的具有弱附着力的第一区域35A与具有强附着力的区域33A的形状是互补的。
另外，第二横向面24B上具有强附着力的区域33B与具有弱附着力的第二区域35B向相反方向延伸。
第一横向面24A的具有强附着力的区域33A与第二横向面24B上具有弱附着力的第二区域35B也具有基本相同的形状。
连接密封件17被布置在过滤单元15的平面24之间。该连接密封件17由陶瓷水泥制成，通常包括硅石和/或碳化硅和/或氮化铝。在烧结后，所述水泥具有500至约5000Mpa的弹性模量。所述水泥将过滤单元15彼此连接起来。
下面将描述本发明的第一过滤结构的操作。
在过滤阶段(图1)中，带有颗粒的废气通过废气管线13被引导到过滤单元15的入口面21。如图2中箭头所示，它们然后进入入口导管27，并穿过多孔结构19的壁25。在该通过过程中，烟尘被沉积在入口导管27的壁25上。烟尘优选沉积在颗粒过滤器11的中心轴线的区域，并朝向过滤单元15的排出面23(在图的右侧)。
被过滤后的废气通过排出导管29排出，并被引导朝向消音器排放。
当车辆已经行驶了约500km时，通过过滤器11的压力损失明显增加。于是发生再生阶段。
在这一阶段，烟尘通过升高过滤器11的温度而被氧化。该氧化过程发热，并且在过滤器的中间和前面开始。因此，这在过滤器的前面和后面区域之间以及周边和中间之间产生温度梯度。
另外，过滤单元15和密封件17在温度影响下扩张。该扩张的局部长度取决于温度。
这些在温度梯度的影响下产生的扩张的变化产生明显的热机械应力。具有弱附着力的区域35的存在使得应力被释放，并避免在过滤单元15或连接密封件17中形成裂纹。
另外，如图4所示，如果结构的热机械应力太大，则其中一个单元，例如第一过滤单元15A可能沿着垂直于轴线X-X’横向破裂面P破裂。裂纹展开到密封件17以及密封件17内部。但是，具有弱附着力的区域35与具有强附着力的区域33被布置成在优选区域内发生破裂。
这样，如图4所示，在裂纹在密封件17中的展开被沿着过滤单元15的平面24上的具有弱附着力的区域35导向。
接着，如图4和4A所示，即使过滤单元15A和密封件17在平面P内完全破裂，分开过滤单元15A的下游部分115A，密封件17的第一部分51A仍然与下游部分115A保持一体，下游部分115A与具有强附着力的第二区域33A的相应部分133A相对。密封件17的第一部分51A在下游方向界定三角形凹部53A，凹部53A被布置成与具有弱附着力的第一区域35A相对，并由斜边41A限定。
另外，位置与第二横向面24B的具有强附着力的第一区域33B相反的密封件17的第二部分51B与第二过滤单元15B保持一体，并形成相对于该过滤单元15B伸出的三角形的保持止动件55B。
这样，如果由破裂面P和排出面23界定的第一过滤单元15A的下游部分115A在过滤单元15A内部的横向裂纹以及密封件17中的裂纹的影响下开始从过滤单元15A分离，部分115A通过与部分115A一体的凹部53A的壁和与第二过滤单元15B一体的止动件55B之间的配合来保持。
因此，不管入口面21和排出面23之间的破裂面P的纵向位置如何，通过止动件55B的分叉形式，防止了部分115A在过滤器11的下游方向上的移动。止动件55B的形状是由侧边41A和公共边37形成的角度直接导致。
在图5所示的第二过滤结构中，第一横向面24A具有分别由公共边37的相互补的区段61A和61C界定的具有弱附着力的第一和第三区域35A和35C。每个具有弱附着力的区域35A和35C包括朝向排出面23分叉的两对侧边41A和41C。如图5所示，这些对侧边41A和41C是弯曲和凸起的。每对的两侧边彼此切向连接。
另外，第一横向面24A的具有强附着力的第一区域33A包括与公共边37的三个接触点43，它们位于区段61A和61C的端部。
如图5所示，第一横向面24A的具有弱附着力的区域35A，35C中的每个都与具有基本相同形状的、第二横向面24B的具有强附着力的区域33B，33D相对。
本发明的第二结构的操作与第一结构的操作相似。但是，此结构在发生破裂时有可能更有效地保持第一过滤单元15A的任何分离的下游部分。
图6和7中示出了本发明的第三过滤结构。
与第一结构不同，第一横向面24A包括在第一横向面24A上的具有弱附着力的第四区域35E，其在入口边63与至少两条线65E之间延伸，所述入口边63是相对于入口面21和第一横向面24A的公共边，所述至少两条线65E朝向排出面23会聚。
具有弱附着力的第一和第四区域35A，35E在具有弱附着力的第四区域35E的两条会聚线65E与不附着或具有弱附着力的第一区域35A的两侧边41A在相交处具有接触点67。
如图6所示，第一横向面24A的其余部分形成两个具有强附着力的区域33A和33E，它们在接触点67的区域相邻。
与在第一结构中一样，第一横向面24A上的具有弱附着力的区域35A，35E中的每个与具有基本相同形状的、第二横向面24B上的具有强附着力的区域33B，33F相对地布置。
该结构的操作与用于第一过滤单元的第一结构的操作类似。但是，如果有破裂，则与第一横向面24A的具有强附着力的区域33A，33E相反的密封部71A，71E形成保持止动件73A和73E，用于与第二横向面24B的具有强附着力的第四区域33F相对地布置的密封部75F。
这样，与第一结构中一样，在过滤单元15A内部发生破裂的情况下，第二过滤单元15B通过止动件55B保持由破裂面P和排出面23界定的、第一过滤单元15A的所有下游部分115A。
此外，第一过滤单元15A通过止动件73A和73E保持第二过滤单元15B的所有下游部分115B，下游部分115B一方面由位于入口面21和垂直于纵向轴线Y-Y’并穿过接触点67的平面P”之间的任一横向破裂面P’来界定，另一方面，由排出面23来界定。
图8示出了本发明的第四结构。第一过滤单元15A(在图中的下右侧)在邻近第一横向面24A处具有第三横向面24H，其布置成与第三过滤单元15G的第四横向面24G相对。
如图8所示，第三横向面24H包括由三角形界定的具有强附着力的第五区域33H，所述三角形与限定第一横向面24A的具有弱附着力的第一区域35A的三角形相似。
这样，具有强附着力的第五区域33H由对于第三横向面24H和排出面23为公共边的排出边81以及朝向排出面23分叉的两侧边41H界定。
另外，第三面24H的其余部分具有带弱附着力的第六区域35H，第六区域35H的形状与具有强附着力的第五区域33H的形状互补。
第三面24H的具有弱附着力的第六区域35H被布置得与第四横向面24G的具有强附着力的第六区域33G相对，并且第三面24H的具有强附着力的第五区域33H被布置得第四横向面24G的具有强附着力的第五区域33G相反，这些区域的形状基本相同。
本发明的第四结构的操作与第一结构类似。在破裂的情况下，第一过滤单元15A的所有下游部分115A由破裂面P界定，排出面23由与第二过滤单元15B一体的止动件55B保持。另外，由横向面P’’’和排出面23界定的、第三过滤单元15G的所有下游部分115G由与具有强附着力的第五区域33H相对的、第一过滤单元15A的第三面24H一体的止动件55H保持。
在与图1所示的过滤器相似的过滤器实例中，每个过滤单元15包括如图8所示的具有与第一过滤单元15A的第一横向面24A相似结构的两个相对面24以及具有与第一过滤单元15A的第三面24H相似结构的两个相对面。因此限制了每个单元15的向后运动。
如图9所示，在本发明的第五结构中，第一横向面24A的具有弱附着力的第一区域35A只沿着公共边37的中心部37A延伸。第一横向面24A的具有强附着力的第二区域33A沿着公共边37的、与公共边37的部分37A互补的部分37B延伸。
如图10所示，本发明的第六结构是本发明的第二结构(图5)的变体。与第二结构不同，第一横向面24A上的无附着力或具有弱附着力的第二区域33A延伸到与公共边37的单个接触点43，接触点43位于公共边37的中间。具有弱附着力的第一和第三区域35A和35C中的每个由直角三角形界定，所述直角三角形由公共边37的半边61A，61C、在点43处起始的分叉边41A，41C、以及相对于第一过滤单元15A的第一横向面24A和与第一横向面24A相邻的、该过滤单元15A的横向面为公共边的横向边部分141A，141C形成。
通过使用上面描述的发明，可以具有这样的过滤结构，其能够经受多个再生阶段而保持其机械粘合力和不透烟尘的特性。
该结构一方面能够保持过滤元件之间的机械粘合力，另一方面，能够保持过滤元件的可能与这些装置分离的下游部分。

Claims (10)

1.过滤结构(11)，所述过滤结构包括：
—至少第一和第二过滤单元(15A，15B)，每个过滤单元(15A，15B)具有由至少三个横向面(24)连接起来的入口面(21)和排出面(23)，所述第一和第二过滤单元(15A，15B)分别具有彼此相对布置的第一和第二横向面(24A，24B)；以及
—密封件(17)，其连接所述第一和第二横向面(24A，24B)并在所述横向面(24A，24B)之间延伸；
第一横向面(24A)至少包括与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第一区域(35A)，所述第一区域(35A)相对于与第二横向面(24B)的所述密封件(17)具有强附着力的第一区域(33B)相对地延伸，无附着力或具有弱附着力的所述第一区域(35A)至少由相对于第一横向面(24A)和排出面(23)为公共边(37)的一部分界定；
其特征在于，在与所述公共边(37)相邻的区面，与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第一区域(35A)包括至少一个朝向排出面(23)分叉的侧边(41A)，所述侧边(41A)延伸到所述公共边(37)，
其中，所述密封件(17)和过滤单元(15A，15B)的横向面(24)在牢固地附着到该密封件上的区域(33)上的附着力是与密封件(17)无附着力或具有弱附着力的区域(35)的附着力的至少10倍。
2.根据权利要求1所述的过滤结构(11)，其特征在于，所述区面的其余部分在所述第一横向面(24A)上具有与所述密封件(17)具有强附着力的第二区域(33A)，并延伸到所述公共边(37)，在所述第二横向面(24B)上具有相对于与所述密封件(17)具有强附着力的第二区域(33A)相对的、与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第二区域(35B)。
3.根据权利要求1或2所述的过滤结构(11)，其特征在于，由所述侧边(41A)和所述公共边(37)形成的角度(α)小于或等于50°。
4.根据权利要求1或2所述的过滤结构(11)，其特征在于，与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第一区域(35A)沿着所述公共边(37)的整个长度延伸。
5.根据权利要求1或2所述的过滤结构(11)，其特征在于，与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第一区域(35A)被界定为三角形。
6.根据权利要求1或2所述的过滤结构(11)，其特征在于，第一横向面(24A)包括与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第三区域(35C)，所述第三区域(35C)的位置不同于所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第一区域(35A)，并且至少部分由所述公共边(37)的相互补的区段界定，并包括至少一个朝向排出面(23)分叉的侧边(41C)，该侧边(41C)延伸到所述公共边(37)。
7.根据权利要求1或2所述的过滤结构(11)，其特征在于，第一横向面(24A)至少包括与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第四区域(35E)，其包括至少一个朝向排出面会聚的会聚边(65E)，会聚边(65E)延伸到与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第一区域(35A)，与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的所述第四区域(35E)被布置成相对于与第二横向面(24B)的所述密封件(17)具有强附着力的第四区域(33F)相对。
8.根据权利要求1或2所述的过滤结构(11)，其特征在于，还包括第三过滤单元(15G)，并且，第一过滤单元(15A)具有第三横向面(24H)，所述第三横向面(24H)布置成与第三过滤单元(15G)的第四横向面(24G)相对，并且至少包括与所述密封件(17)具有强附着力的第五区域(33H)，所述第五区域(33H)至少部分由对于第三横向面(24H)和排出面(23)为公共边的排出边(81)界定，
以及，在与所述排出边(81)相邻的区域中，与所述密封件(17)具有强附着力的第五区域(33H)包括至少一个朝向排出面(23)分叉的侧边(41H)，该侧边(41H)延伸到所述排出边(81)，与所述密封件(17)具有强附着力的第五区域(33H)被布置成与所述第四横向面(24G)上的、与所述密封件(17)无附着力或具有弱附着力的第五区域(35G)相对。
9.根据权利要求1或2所述的过滤结构(11)，其特征在于，所述过滤结构是用于内燃机废气的颗粒过滤器。
10.废气管线(13)，其特征在于，其包括根据权利要求1或2所述的过滤结构(11)。
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