CN101040104A

CN101040104A - 内燃机排放气体的过滤结构体及相关联的排气管线

Info

Publication number: CN101040104A
Application number: CNA2005800344588A
Authority: CN
Inventors: S·巴尔东; A·布里奥; V·格莱兹
Original assignee: Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Current assignee: Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-09-19
Also published as: FR2874963A1; FR2874963B1

Abstract

该结构体(11)包括：第一和第二过滤构件(15A、15B)，这些过滤构件平行于所述结构体(11)的一纵轴线(X－X’)地延伸在一引入区域(21)和一排出区域(23)之间，所述引入区域(21)用于将气体引入所述结构体(11)中而所述排出区域(23)用于将气体从所述结构体排出；以及一连接件(17)，其连接所述过滤构件(15A、15B)。所述连接件(17)包括至少一下游部分(43)，所述下游部分具有的每单位长度热惯量大于所述连接件(17)的一上游部分(41)的每单位长度热惯量。本发明尤其应用于机动车柴油机排放气体用的颗粒过滤器。

Description

内燃机排放气体的过滤结构体及相关联的排气管线

技术领域

[01]本发明涉及一种内燃机排放气体的过滤结构体，该类型的结构体包括：

[02]—至少第一和第二过滤构件，这些过滤构件大致平行于所述结构体的一纵轴线地延伸在一引入区域和一排出区域之间，所述引入区域用于将气体引入所述结构体中而所述排出区域用于将气体从所述结构体排出；以及

[03]—一连接件，其连接所述过滤构件。

[04]这类结构体特别用于机动车柴油机的排放气体去污装置。这些装置包括一条排气管线，该排气管线串联地包括一催化净化构件和一颗粒过滤器。催化净化构件适合于处理气相污染排放物，而颗粒过滤器适合于吸附发动机排出的炭黑颗粒。

背景技术

[05]在上述类型的已知结构体中(例如参见FR 2 816 002)，过滤构件包括一组具有平行轴线的相邻管道，这些管道被有孔隙的过滤壁隔开。这些管道延伸在一引入表面与一排出表面之间。另外，这些管道在它们的一端或另一端被封堵，以便限定向引入表面开放的输入室以及向排出表面开放的输出室。

[06]这些结构体按一系列的过滤和再生阶段运行。在过滤阶段时，发动机排放的炭黑颗粒沉积在输入室的壁上。穿过过滤器的压力损失逐渐增加。该压力损失超过一预先确定的值时，则进行一再生阶段。

[07]在再生阶段，主要由碳组成的炭黑颗粒(particule de suie)在输入室的壁上被燃烧，以使所述结构体恢复它的最初特性。

[08]炭黑颗粒不是以均匀的方式聚集在过滤构件上。因此，炭黑优先在过滤结构体的中央并朝排放气体排放表面聚集。

[09]为使炭黑点火燃烧，点火器位于排气管线中，靠近过滤构件的引入表面。因此，燃烧在过滤器前部和中央开始，然后向后部扩散。

[10]这类结构体不能完全令人满意。实际上，在有些情况下，由于过滤构件中上游表面附近的炭黑含量低，点火燃烧很困难。另外，当燃烧到达排放表面时，由于炭黑含量高，该表面附近的温度急剧增加。因此再生阶段很难控制。

发明内容

[11]本发明的一目的是提供一种内燃机的排放气体过滤结构体，在这种结构体中再生阶段的控制很方便。

[12]为此，本发明的目的是一种上述类型的过滤结构体，其特征在于，所述连接件包括至少一下游部分，所述下游部分具有的每单位长度热惯量(masse thermique)大于所述连接件的一上游部分的每单位长度热惯量。

[13]术语“热惯量”意指：对于给定体积的材料，该材料的平均热容量(capacité calorifique)与该给定体积中材料质量的乘积。

[14]过滤结构体可以包括以下特征中的一个或多个，这些特征可以单独考虑，也可以是所有可能的技术组合：

[15]—所述连接件具有的每单位长度热惯量在所述引入区域与所述排出区域之间沿所述连接件基本持续递增；

[16]—所述连接件沿所述纵轴线具有多个部分，所述每个部分具有的每单位长度热惯量是基本恒定的；

[17]—所述连接件的下游部分具有的平均厚度大于所述连接件的上游部分的平均厚度；

[18]—所述连接件的厚度沿所述纵轴线是基本恒定的；

[19]—所述连接件的下游部分具有的密度大于所述连接件的上游部分的密度；

[20]—所述连接件的下游部分具有的孔隙度小于所述连接件的上游部分的孔隙度；

[21]—所述第一和第二过滤构件中的至少之一包括至少一下游区域，所述下游区域具有的每单位长度热惯量大于所述过滤构件的一上游区域的每单位长度热惯量；

[22]—该结构体具有一周边区域，该周边区域具有的每单位体积热惯量低于所述结构体的一中央区域的每单位体积热惯量；以及

[23]—所述过滤构件分别具有第一和第二表面，所述第一和第二表面相互面对，并且通过所述连接件相互间连接，所述第一表面包括：

[24]—至少一个与所述连接件强附着的区域，所述区域大致位于所述第二表面的一与所述连接件弱附着或无附着的区域的对面；和

[25]—至少一个与所述连接件弱附着或无附着的区域，所述区域大致位于所述第二表面的一与所述连接件强附着的区域的对面。

[26]另外，本发明的目的是一机动车排气管线，其特征在于，该排气管线包括一如上定义的结构体。

附图说明

[27]现在参照以下附图描述本发明的实施例，附图中：

[28]—图1是符合本发明的第一过滤器的透视图；

[29]—图2是沿图1过滤器的平面II-II的局部剖面图；

[30]—图3是符合本发明的第二过滤器的与图2类似的图；

[31]—图4是符合本发明的第三过滤器的与图1类似的图；以及

[32]—图5是符合本发明的第一过滤器的一变型的与图2类似的图。

具体实施方式

[33]图1所示的颗粒过滤器11位于一机动车柴油机的排气管线13中，该排气管线被局部地示出。

[34]该排气管线13延长到颗粒过滤器11的端部以外，并形成一排放气体流动通道14。

[35]颗粒过滤器11沿一排放气体流动纵轴线X-X’延伸在一长度L上，并且它包括多个长度为L的并置过滤单元(bloc de filtration)15，这些过滤单元通过位于过滤单元15的相邻表面之间的连接件17彼此连接。该过滤器另外包括再生点火部件18。

[36]每个过滤单元15的形状基本为平行于轴线X-X’地延伸的正平行六面体。

[37]如图2所示——该图中示出两个过滤单元15A、15B，每个过滤单元15A、15B包括一多孔隙过滤结构体19、一待过滤排放气体引入表面21、一已过滤排放气体排出表面23、和工作侧表面24(对于一般的过滤单元有四个侧表面)。

[38]表面21和23为平坦的，并且与轴线X-X’基本垂直。

[39]多孔隙过滤结构体19由一种由整体结构体构成的过滤材料特别是陶瓷(堇青石、碳化硅等)制成。

[40]该结构体19具有一足够允许排放气体通过的孔隙度。但是，正如本领域已经知道的，所选择的孔隙直径要足够小，以便保证吸附炭黑颗粒。

[41]多孔隙结构体19包括一组相邻的管道，这些管道的轴线与轴线X-X’基本平行。这些管道被多孔隙过滤壁25间隔开。在图1所示的例子中，这些壁25的厚度恒定，并且从引入表面21到排出表面23在过滤结构体19中纵向地延伸。

[42]管道分布成第一组输入管道27和第二组输出管道29。输入管道27和输出管道29头尾相接地布置。

[43]输入管道27在过滤单元15A、15B的排出表面23处被封堵，并且在它们的另一端是开放的。

[44]相反，输出管道29在过滤单元15A、15B的引入表面21处被封堵，并且通向它的排出表面23。

[45]在图1所示的例子中，输入管道27和输出管道29的截面在它们的整个长度上是恒定的。

[46]一方面过滤单元15的引入表面21以及另一方面它们的排出表面23基本上是共面的，并且分别形成一将气体引到过滤器11中的引入表面和一将气体排到过滤器11之外的排出表面。

[47]如图1所示，所述过滤单元的与另一过滤单元相面对的侧表面24是平坦的。与排气管线13相面对的侧表面31具有相适配的形状，以便保证与该排气管线13的柱形内壁的接触。

[48]连接件17位于过滤单元15的平坦表面24之间。该连接件17例如是基于陶瓷水泥(ciment céramique)制成，这种陶瓷水泥一般由二氧化硅(silice)和/或碳化硅和/或氮化铝构成。这种水泥焙烧后的弹性模量约为5000MPa。过滤单元15因此通过连接件17相互间固定在一起。

[49]在图2所示的例子中，连接件17具有的厚度沿轴线X-X’持续递增。该厚度在引入表面21的平面中的一厚度e₁与排出表面23的平面中的一厚度e₂之间线性地增加。

[50]厚度e₁例如在0.5mm到1mm之间，且厚度e₂例如在2mm到5mm之间。

[51]另外，连接件17具有一沿过滤器11均匀的结构体。

[52]如图2所示，连接件17的上、下游部分41、43分别延伸在一平面P的两侧，该平面P相对于过滤器11呈横向的，并位于过滤单元15A、15B的引入表面21与排出表面23之间。另外，这些上游和下游部分41、43分别被引入表面21的平面和排出表面23的平面所限定。

[53]下游部分43的沿轴线X-X’的每单位长度热惯量大于上游部分41的每单位长度热惯量。

[54]参照图1，再生点火部件(moyens d′amorcage de larégénération)18包括点火器51，这些点火器在上游表面21附近突起于所述排放气体流动通道14中。

[55]这些点火器51例如为专利申请FR 2 816 002中描述的类型。

[56]现在描述符合本发明的第一过滤器11的运行。

[57]在过滤阶段(图1)时，带有颗粒的排放气体通过排气管线13被引至过滤单元15的输入表面21。然后，如图2中的箭头指出的，这些带有颗粒的排放气体进入到输入管道27中，并穿过多孔隙结构体19的壁25。在穿过壁25时，炭黑沉积在输入管27的壁25上。这些炭黑优先在颗粒过滤器11的中央并朝过滤单元15的排出表面23(图中右侧)沉积。

[58]过滤后的排放气体通过排出管道29排出，并被引向排出管线13的出口。

[59]当机动车行驶约500km时，穿过过滤器11的压力损失明显增加。因此要实施一再生阶段。

[60]该再生阶段时，点火器51被启动，从而在引入表面21附近排放气体的温度增加。当这些气体达到足够的温度时，它们在位于引入表面21附近的过滤器上游区域71中点燃过滤单元15中的炭黑。

[61]由于上游区域71中的每单位长度热惯量低，该区域中的温度因而迅速上升到一能够使炭黑燃烧的范围，尽管该区域71中的炭黑含量低。

[62]然后，燃烧向排出表面23扩散。由于在过滤器11的下游区域73中的炭黑含量很高，因而在该区域73中，这些炭黑燃烧产生的热功率很高。

[63]但是，该下游区域73的温度增加受到连接件17的下游部分43中的高的每单位长度热惯量的限制。

[64]因此，在再生阶段时，符合本发明的过滤器11便于在引入表面21附近使炭黑点火燃烧，并且在该燃烧到达排出表面23附近时限制该燃烧的失控(emballement)。因此便于在该过滤器11中控制再生阶段。

[65]在图3所示的符合本发明的第二过滤器101中，连接件17沿轴线X-X’具有一恒定的厚度。

[66]连接件17沿轴线X-X’且从上游到下游包括多个部分103、105、107，每个部分103、105、107具有一恒定的密度。连接件17的部分103、105、107的密度沿过滤器增大，从而下游部分107的每单位长度热惯量大于中间部分105的每单位长度热惯量，而中间部分105的每单位长度热惯量又大于上游部分103的每单位长度热惯量。

[67]因此，下游部分107的密度例如在2到3之间，中间部件105的密度例如在1.5到2.5之间，且上游部分103的密度例如在1到1.5之间。

[68]在该过滤器101的第一变型中，连接件17沿轴线X-X’从上游到下游包括多个部分103、105、107，每个部分具有一恒定的孔隙度。

[69]所述部分103、105、107的孔隙度沿过滤器101减小，从而下游部分107的每单位长度热惯量大于中间部分105的每单位长度热惯量，中间部分105的每单位长度热惯量大于上游部分103的每单位长度热惯量。

[70]因此，上游部分103的孔隙度例如在45％到50％之间，中间部分105的孔隙度例如在40％到45％之间，下游部分107的孔隙度例如在35％到40％之间。

[71]在该过滤器101的第二变型中，连接件的孔隙度和/或密度沿连接件17持续变化，从而每单位长度热惯量也沿连接件17持续变化。

[72]在该过滤器101的第三变型中，过滤单元15A、15B的壁本身的孔隙度也沿轴线X-X’递减。因此单元15A、15B有一下游区域111，所述下游区域沿过滤器101的每单位长度热惯量大于一上游区域113的每单位长度热惯量。因此，过滤单元15A、15B的每单位长度热惯量沿过滤器101增加。

[73]在图4所示且不同于图1所示过滤器11的过滤器201中，周边过滤单元15D在至少一横向平面中具有的每单位体积热惯量小于位于过滤器201中央的过滤单元15C的每单位体积热惯量。

[74]因此，炭黑含量相对更高的中央区域203具有的每单位体积热惯量大于炭黑含量相对更低的周边区域205的每单位体积热惯量。

[75]另外，和图1中的过滤器11一样，连接件17包括一下游部分，该下游部分的每单位长度热惯量大于该连接件17的一上游部分的每单位长度热惯量。

[76]由于刚才描述的本发明，可以获得一过滤结构体，在该过滤结构体中，再生阶段的实施和控制都很方便。实际上，所述结构体的热惯量与炭黑在该结构体中的分布相适应，从而碳黑聚集多的区域具有的热惯量大于炭黑聚集少的区域中的热惯量。

[77]特别是，热惯量在该结构体中的这种分布有利于在引入表面附近点火燃烧炭黑，并且在再生阶段限制排出表面附近温度的增加。

[78]图5所示的过滤器301不同于图1和2所示的过滤器11在于以以下特征。

[79]第一和第二过滤单元15A和15B互相面对的对应侧表面24A和24B每一个包括至少一个与连接件17紧密连接的区域303，和至少一个区域305，所述区域305在制造过滤器301时被覆有一防粘层。该防粘层例如以纸、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、石墨或氮化硼为基础形成。

[80]因此，每个区域303构成一与连接件17强附着的区域，后文称之为“强附着区”，而每个区域305构成一与连接件17弱附着或无附着的区域，后文称之为“弱附着或无附着区”。

[81]在强附着区303中连接件17与侧表面24之间的附着度，比弱附着或无附着区305中连接件17和侧表面24之间的附着度高至少十倍，该弱附着度介于0到50MPa之间。

[82]在图5所示的例子中，第一过滤单元15A的侧表面24A从引入表面21朝排出表面23相继地包括一第一强附着区303A、一弱附着或无附着区305A、和一第二强附着区303C。

[83]第一表面24A的每个强附着区303A、303C大致布置在第二表面24B的弱附着或无附着区305B、305D的对面。同样，第一表面24A的每个弱附着或无附着区305A大致布置于第二表面24B的一强附着区303B的对面。

[84]该变型也可用在图3所示的过滤器201中。

Claims

1.内燃机排放气体的过滤结构体(11；101；201；301)，该类型的结构体包括：

—至少第一和第二过滤构件(15A、15B)，这些过滤构件大致平行于所述结构体(11；101；201；301)的一纵轴线(X-X’)地延伸在一引入区域(21)和一排出区域(23)之间，所述引入区域用于将气体引入所述结构体中而所述排出区域用于将气体从所述结构体排出；以及

—一连接件(17)，其连接所述过滤构件(15A、15B)；

其特征在于，所述连接件(17)包括至少一下游部分(43；107)，所述下游部分具有的每单位长度热惯量大于所述连接件(17)的一上游部分(41；103)的每单位长度热惯量。

2.如权利要求1所述的结构体(11；201；301)，其特征在于，所述连接件(17)具有的每单位长度热惯量在所述引入区域(21)与所述排出区域(23)之间沿所述连接件(17)基本持续递增。

3.如权利要求1所述的结构体(101)，其特征在于，所述连接件(17)沿所述纵轴线(X-X’)具有多个部分(103、105、107)，所述每个部分具有的每单位长度热惯量是基本恒定的。

4.如权利要求1至3中任一项所述的结构体(11；301)，其特征在于，所述连接件(17)的下游部分(43)具有的平均厚度大于所述连接件(17)的上游部分(41)的平均厚度。

5.如权利要求1至3中任一项所述的结构体(101)，其特征在于，所述连接件(17)的厚度沿所述纵轴线(X-X’)是基本恒定的。

6.如上述权利要求中任一项所述的结构体(101)，其特征在于，所述连接件(17)的下游部分(107)具有的密度大于所述连接件(17)的上游部分(103)的密度。

7.如上述权利要求中任一项所述的结构体(101)，其特征在于，所述连接件(17)的下游部分(107)具有的孔隙度小于所述连接件(17)的上游部分(103)的孔隙度。

8.如上述权利要求中任一项所述的结构体(101)，其特征在于，所述第一和第二过滤构件(15A、15B)中的至少之一包括至少一下游区域(111)，所述下游区域具有的每单位长度热惯量大于所述过滤构件(15A、15B)的一上游区域(113)的每单位长度热惯量。

9.如上述权利要求中任一项所述的结构体(201)，其特征在于，该结构体具有一周边区域(205)，该周边区域具有的每单位体积热惯量低于所述结构体(201)的一中央区域(203)的每单位体积热惯量。

10.如上述权利要求中任一项所述的结构体(301)，其特征在于，所述过滤构件(15A、15B)分别具有第一和第二表面(24A、24B)，所述第一和第二表面相互面对，并且通过所述连接件(17)相互间连接，所述第一表面(24A)包括：

—至少一个与所述连接件(17)强附着的区域(303A、303C)，所述区域大致位于所述第二表面(24B)的一与所述连接件(17)弱附着或无附着的区域(305B、305D)的对面；和

—至少一个与所述连接件(17)弱附着或无附着的区域(305A)，所述区域大致位于所述第二表面(24B)的一与所述连接件(17)强附着的区域(303B)的对面。

11.机动车排气管线(13)，其特征在于，该排气管线包括一如上述权利要求中任一项所述的结构体(11；101；201；301)。