CN101107430A - 用于将蜂窝体支承在排气管内的无纺纤维网 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于处理移动式内燃机(2)的废气的装置(1)，该装置至少包括：具有延伸方向(4)的排气管(3)、包括至少陶瓷或挤出材料的蜂窝体(5)和至少一个金属无纺纤维网(6)，该无纺纤维网至少部分地设置在排气管(3)和蜂窝体(5)之间。通过至少一个无纺纤维网(6)沿延伸方向(4)形成至少两个不同功能的区域(7、8、9)，其中至少一个第一区域(7)具有用于支承蜂窝体(5)的结构，至少一个附加区域(8、9)包括选自下列结构的结构：用于隔热的结构和用于相对于气体形成密封的结构。

Description

用于将蜂窝体支承在排气管内的无纺纤维网

技术领域

本发明涉及一种用于处理移动式内燃机的废气的装置，该装置具有至少一个带一延伸方向的排气管、一包括至少陶瓷或挤出材料的蜂窝体和至少一个至少部分地设置在排气管和蜂窝体之间的金属无纺纤维网。本发明的优选应用领域是运输工具，特别是汽车。

背景技术

汽车内燃机的排气系统可受到相当大的热和动态负荷。这一方面由燃烧过程造成，另一方面也由运输工具的运动造成。内燃机中交变的负荷状态造成不同的废气温度、废气成分、压力波动等。这使得排气系统的结构也经受交变热应力。尤其对于排气系统的结构包括不同材料的情况，对相应的热膨胀性能始终提出对于这些结构的相互连接和可靠固定的新要求，以使结构永久保持在排气系统内的规定位置上。这里应该特别注意由陶瓷或挤出材料制成的蜂窝体相对于通常是金属的排气管的固定。

在这种结构方面，已知通过设置在蜂窝体和排气管之间的补偿层来补偿蜂窝本和排气管的不同的热膨胀性能。为此通常采用所谓的膨胀垫，它们具有吸水能力。所述垫通过吸收包含在废气中的水而膨胀，由此防止蜂窝体、膨胀垫和排气管的连接松动。但是对于这种膨胀垫问题是，它们通常不能持久地胜任动态要求，这可能造成膨胀垫的局部松脱。这里还存在这样的危险，即从膨胀垫内分解出来的组成部分挥发，它对环境的影响目前还不太清楚。

用于补偿不同热膨胀性能的其它已知方式包括使用弹性结构，例如衬套、垫片等，它们同样固定在蜂窝体和排气管之间。它们有时还可以形成设有阻尼材料的空间，所述材料例如为耐高温的松散的颗粒或粉末。但这种结构制造相当复杂，并且有时同样不能保证长的使用寿命。

此外，还已知在陶瓷蜂窝体和金属排气管之间放置金属丝编织物。US4,158,037和DE 3804559就包括这种结构的示例。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置，它能至少部分地缓解针对现有技术所提到的技术问题。特别是提供这样一种装置，它保证相应蜂窝体在排气管中的持久固定，并且优选同时确保在转化包含在废气中的有害物质方面的高的效率。此外，该装置应具有更好的冷启动性能，即能在很短的时间内达到催化活性涂层的所需要的起动温度。而且，该装置应该可以经济并且简单地成批生产。

这些目的通过具有权利要求1的特征的装置实现。该装置的其它优良构型以及特别优选的应用领域在从属权利要求中列出。这里应该指出，在权利要求中列出的各个特征可以任意地以技术上有价值的方式相互组合，并同样代表本发明的装置的构型。为了进一步说明本发明装置的特征可以参考说明书中的其它特征。

用于处理移动式内燃机的废气的装置，包括至少：

-具有延伸方向的排气管，

-至少包括陶瓷或挤出材料的蜂窝体，

-至少一个金属无纺纤维网，它至少部分地设置在排气管和蜂窝体之间。

现在，本发明装置的特征为，用至少一个无纺纤维网沿延伸方向构成至少两个不同功能的区域，其中至少一个第一区域具有用于安置蜂窝体的结构，至少一个附加区域(至少另一个区域)具有选自用于隔热的结构和用于相对于气体形成密封的结构的结构。

“移动式内燃机”特别是指用于运输工具(例如汽车、船舶、飞行器等)、用于作业器械(例如割草机、锯等)的发动机、可移动的内燃机。这里所用的燃料无关紧要。

排气管的“延伸方向”基本反映废气的流动方向。排气系统的部件通常在排气管中固定成使得废弃可沿排气管延伸方向流过它们。

“蜂窝体”是指例如用于催化活性涂层的基体，该基体具有大量通道。通道通常基本上相互平行并沿延伸方向延伸。通道由通道壁围成，通道壁常常由挤出的陶瓷构成。

“无纺纤维网”是指金属纤维的复合体，例如形式为织物、编织物、杂乱层等。这里所用的金属纤维包括耐高温和耐腐蚀的材料。它们特别包括添加合金元素的铁基材料，其中有利地存在至少一种由镍(18-60重量％)或铬(15-25重量％)组成的合金元素。一种合适的纤维的例子是：70重量％的铁、25重量％的铬和5重量％的铝，以及不可避免的杂质。

无纺纤维网可以用(例如在纤维长度和纤维直径方面)相同或不同的纤维制造。对于大多数应用场合，在蜂窝体(或多个蜂窝体)和排气管之间仅固定一个金属无纺纤维网，但是在特殊情况下也可设置多个特别是沿延伸方向相邻设置的无纺纤维网。

这里从这样的假设出发，即无纺纤维网只有纯粹的支承功能。因此建议，用至少一个无纺纤维网形成两个不同功能的区域。其中第一区域具有用于支承蜂窝体的结构，亦即用于安置蜂窝体的已知功能。用于此目的的结构特别是适当厚度的无纺纤维网或者与排气管和蜂窝体的膨胀特性匹配的纤维类型和/或纤维结构。

但是除此之外还实现至少一个附加区域，该区域(至少局部并优选主要地)具有另一功能。这里应该说明性地指出，“区域”是指蜂窝体和排气管之间确定的一段，其中区域可以由一种无纺纤维网、多种无纺纤维网形成或者形成在无纺纤维网之间。

另一功能可以例如是，至少在蜂窝体和排气管之间或这两个结构的朝向无纺纤维网之间的分区域内提供隔热。通过提供具有隔热结构的无纺纤维网区域可使得蜂窝体在冷起动后被迅速加热，从而蜂窝体通过与热的或者高温的废气的接触而迅速达到可以启动催化反应的温度。隔热的设置减少了由蜂窝体吸收的热能向较冷的边缘区域例如无纺纤维网或排气管的流出。由此例如可以使设计成催化转化器的蜂窝体具有更好的转化性能。

此外，还可使该附加区域封闭所述至少一个无纺纤维网，即设计成沿一个方向不透气。至少一个无纺纤维网通常填充蜂窝体和排气管之间的环形腔。当然，无纺纤维网本身也具有一定的多孔性，从而在无纺纤维网内存在大量用于气体的空腔或通道。这使得废气可以从蜂窝体旁流过，因此存在部分废气流未被转化的危险。为避免这种情况，用至少一个金属无纺纤维网形成相对于气体密封的结构。这使得废气内有害物质的转换更高效。为此，金属无纺纤维网优选由纤维直径在0.02mm-0.1mm(特别是0.02mm-0.06mm)的纤维构成。在这种情况下，废气在无纺纤维网的整个厚度上流向该无纺纤维网，从而可在无纺纤维网的整个长度上密封该无纺纤维网。也就是说，无纺纤维网本身允许具有一定的多孔性，只要在无纺纤维网的整个长度上(例如5mm-15mm之间)没有明显的废气流透过该无纺纤维网即可。其中多孔性是可变的，例如在小于80％的范围内变化，其中优选的范围是60％至80％。

根据装置的一种改进结构，第一区域仅包括相互连接的金属纤维。这里建议，在考虑蜂窝体和排气管存在不同的热膨胀性能的情况下选择纤维类型或无纺布类型。无纺纤维网的该第一区域最好持续地受到压应力，从而该第一区域确保无纺纤维网和排气管及蜂窝体的持久接触。金属纤维通过接合技术相互连接，特别通过高温钎焊、烧结、焊接等连接。金属纤维特别优选具有0.1mm-0.4mm的纤维直径。该纤维优选设计成“无限长”纤维，并相互编织成金属丝编织物。如果无纺纤维网设计成杂乱的纤维层，则它优选具有平均纤维长度在5mm至25mm的纤维。还应该指出，无纺纤维网可以设计成基本光滑的或至少局部形成构造(结构)的，其中特别是在使用金属丝编织物的构型时，优选具有波形构造。

此外建议，对于蜂窝体设置多个第一区域，在它们之间设置至少一个附加(第二、第三等)区域。设置多个第一区域特别是两个第一区域是用于保证对蜂窝体的局部限制和均匀支承。其中第一区域最好分别设置在蜂窝体端面附近。从而存在一适合由附加区域实现的其它功能的中心段。此时，该中心段有利地大于第一区域，特别是在居中设置的附加区域具有隔热结构的情况下。

在这种情况下还建议，多个第一区域设有单独的无纺纤维网，它们与至少一个附加区域的结构连接。亦即例如，第一区域的单独的无纺纤维网通过单独的构件相互连接，而本身相互不直接接触。这种构件可以是销、板、钩等，特别是金属构件。它们与相应的无纺纤维网不可脱开地连接，特别是高温钎焊、焊接或卡紧。用这种方法可以在考虑在排气系统内的位置或应力的情况下相应地选择要适应的无纺纤维网，从而使例如无纺纤维网具有不同的性能。这里这两种无纺纤维网可以通过单独的构件连接，它们除了其固定功能外还具有其他功能，例如隔热和/或密封功能。因此可以得到非常灵活的结构，其中同时保证按成批生产的规模经济地制造。

按照本装置的一种改进结构，至少两个区域至少在其沿延伸方向的区域长度或垂直于延伸方向的区域厚度方面有区别。这里优选这样一种结构，其中第一区域总共具有一小于其余区域的区域长度之和的预定区域长度。原则上，每个单独的区域可以具有一单独的区域长度和/或区域厚度，但是也可使多个区域(特别是相同功能的区域)具有相同的区域长度和/或区域厚度。

此外建议，将隔热结构设置成包围蜂窝体。因此，隔热结构形成径向热辐射或热传导方面的保护套。这样显著减少从受热的蜂窝体向周围环境的热传递。其中这个隔热结构也可以包括多个相互同心设置的结构。

在这种情况下，隔热结构包括具有相对于至少一个无纺纤维网具有较小导热性能的薄膜层是有利的。此薄膜层可以设置在无纺纤维网层的表面上，但是薄膜层也可以内置在或结合进无纺纤维网内。薄膜层最好包括以下材料中的至少一种：带至少一种选自镍、铬、铝的合金元素的铁基材料。该层的厚度在0.03mm至0.2mm的范围内。

按照本装置的另一种结构，用于相对于气体形成密封的结构在整个区域厚度上延伸。其中用于形成密封的结构优选在一侧直接紧贴蜂窝体，而在另一侧直接紧贴排气管。特别优选的是，这些结构至少与蜂窝体和排气管之一通过接合技术连接。密封结构有利地设计成使得它们可借助于(弹性)变形补偿使用中出现在蜂窝体和排气管之间的不同间距，而不失去与部件的接触。

这里特别有利的是，相对于气体形成密封的结构由下列结构中的至少一种制备：

-与第一区域不同类型的纤维，

-与第一区域不同的纤维布局，

-附加的填充材料，

-附加的不透气的阻拦元件(拦挡元件)。

纤维的类型例如通过材料、纤维长度、纤维直径、纤维表面等反映。纤维布局例如涉及不同纤维的混合比、相互的取向、纤维相互连接的方式等。因此例如可以，通过按特别的方式例如以织物形的形式设置较粗的纤维构成相对于气体接近于密封的区域。为进行加强，可以例如添加附加的填充材料，所述材料设置在残存的空腔内或无纺纤维网的表面上以使无纺纤维网最终是不透气的。同时还可以在无纺纤维网之间，在无纺纤维网内内置和/或在无纺纤维网的表面上固定不透气的阻拦元件。例如可以采用板条、密封圈、密封唇口等作为阻拦元件。

此外还建议，在至少一个附加区域内设置隔热结构和相对于气体形成密封的结构，这些结构做成一体。这特别是指通过一个构件满足两种功能，例如使该构件包含合适的隔热材料，并且同时将该构件设置成使得相对于气体形成密封。

本发明装置的以下(三段式)构型特别优选：

无纺纤维网的废气所流入的端面(第一区域)包括具有较高多孔度例如60-80％的多孔度的金属丝编织物。它用于蜂窝体的径向和轴向的固定和支承。

在中间段内设置用于密封的第二区域。该区域包括至少一个具有一沿蜂窝体轴线方向的8mm至15mm宽度的环形无纺纤维网。这里纤维直径优选在0.01mm至0.1mm的范围内，特别是在0.02-0.04mm的范围内。优选采用比第一区域的纤维长的纤维，特别是所谓的“无限长纤维”，有时还采用陶瓷纤维。在该第二区域内，多孔度较小，例如为40-70％，特别是在约40-60％的范围内。为使环形无纺纤维网在所有运行条件下都紧密地贴合在壳体和蜂窝体上，推荐采用可弹性变形性。特别应当围绕环形无纺纤维网形成空腔(在相邻区域的方向的两侧)，该空腔具有环形无纺纤维网体积的至少20％，从而提供用于变形的空间。此外，有利地，第二区域或环形无纺纤维网的至少一段配备催化活性涂层，以便在现场转化有时渗入的废气。

在第二区域的另一侧同样设置金属丝编织物(第一区域)，该金属丝编织物具有基本相当于在废气流入端面的区域内的金属丝编织物的性能。在此，另一第一区域优选沿蜂窝体的轴线方向至少在30mm的长度上延伸。该金属丝编织物有利地包围剩余的圆周面，有时例如直至蜂窝体的90mm的长度。

优选所述至少一个无纺纤维网在所有区域内都具有基本相同的厚度，例如厚度在3mm至8mm的范围内，特别是在3mm至5mm的范围内。

此外，作为特别优选的应用领域，建议一种运输工具，该运输工具包括移动式内燃机和排气系统，它带有上述按本发明的装置。

附图说明

下面借助于附图详细说明本发明。应该指出，附图示出本发明的特别优选的实施例，但本发明并不局限于此。还应该指出，附图中的视图是示意性的，特别是它们通常不适合按尺寸比例来表示。

在附图中：

图1示出带有排气系统的运输工具；

图2示出排气管、蜂窝体和无纺纤维网的透视图；

图3示出带多个区域的金属无纺纤维网的实施方案的局部视图；

图4示出带多个区域的无纺纤维网的另一种实施方案；

图5示出带蜂窝体的无纺纤维网的另一种实施方案的局部视图。

具体实施方式

图1示意性地示出一运输工具16，它包括移动式内燃机2(例如汽油机或柴油机)。在内燃机2内产生的废气穿过排气系统17，在这里使包含在废气内的有害物质转化，最后将废气向外界排放。排气系统17包括设置在排气管3内的多个部件。因此废气沿排气管2的延伸方向4流过多个具有不同功能的蜂窝体5。例如，蜂窝体5可以设置成催化转化器、过滤器、颗粒分离器、吸附器、加热结构、混和器等。

图2示意性地示出由陶瓷材料制成的蜂窝体5。该蜂窝体5包括多个由通道壁9构成的通道18。蜂窝体5在此示出为柱形，但是原则上也可以采用其它构型的蜂窝体5。在蜂窝体5周围设置金属无纺纤维网6，蜂窝体5通过该无纺纤维网固定在排气管3内。在所示实施方案中，金属无纺纤维网6沿延伸方向4分布在蜂窝体5的整个长度上，但这不是绝对必需的。如在右下方所示的局部视图中可以看到的那样，金属无纺纤维网6由具有规定纤维长度20和规定纤维直径21的纤维10做成。

沿延伸方向4看去，金属无纺纤维网具有多个不同功能的区域。首先为第二区域8，该区域具有相对于气体形成密封的结构。接下来是具有用来支承蜂窝体5的结构的第一区域7，然后是带有隔热结构的第三区域9，最后是带有支承蜂窝体5的结构的另一第一区域7。区域7、8、9的这种布局有这样的优点，即，(对于废气的流动方向对应于延伸方向4的情况)高温废气首先流到第二区域8，该第二区域阻止废气进一步透入金属无纺纤维网6。蜂窝体5的支承原则上形式为环形并设置在蜂窝体5端面附近的两个第一区域7进行。在这两个第一区域7之间为较大的第三区域9，在该第三区域中可达到特别高效率的隔热。

图3示出用于处理废气的装置1的细部。其中蜂窝体5带有大量通道18，其中以剖视图示出通道壁19。在蜂窝体5和排气管3之间设置多个部件，它们根据功能而配设于不同的区域。在所示实施方案中，蜂窝体5和排气管3之间的连接借助于两个独立的无纺纤维网6实现，所述无纺纤维网沿延伸方向4相互离开一定距离并通过一与这两个无纺纤维网6都接触的薄膜层13连接。作为附加防护措施，在左面所示的无纺纤维网6的端面区域内设置防护元件22，该防护元件22用于防止纤维直接经受动态载荷。

沿延伸方向4-即在图3中从左向右，用无纺纤维网实现以下区域：用于相对于排气管3支承蜂窝体5的第一区域7，紧随该第一区域的带隔热结构的第三区域9。在无纺纤维网6和蜂窝体5之间设置薄膜层13以作为隔热结构。该层阻止从蜂窝体5向无纺纤维网6和排气管3的热传递。接着是具有相对于气体形成密封的结构的第二区域8，这些结构同样由薄膜层13实现。由于在第二区域8内选择了这样的设置，即，层13跨接蜂窝体5和排气管3之间的缝隙，因此沿延伸方向4或者说沿流动方向没有废气流过第二区域8。在其中层13紧贴排气管3的段内，亦即在第二无纺纤维网6和排气管3之间，同样设有带隔热结构的第三区域9。该第三区域连接另一带有蜂窝体5支承结构的第一区域7。

图4示出设置在蜂窝体5和排气管3之间的无纺纤维网6的另一种实施方案。为了固定无纺纤维网6，排气管3设有突起23，金属无纺纤维网6紧贴在该突起上。在左面所示的金属无纺纤维网6区域内，该无纺纤维网设有填充材料14。填充材料14用于例如强化纤维结合、形成密封或作为用于有害物质转化的催化器。紧接该填充材料设有阻拦元件15，该阻拦元件用于密封无纺纤维网6。阻拦元件随后接合无纺纤维网6的既直接接触蜂窝体5又直接接触排气管3的段，从而形成带有用于支承蜂窝体5的结构的第一区域7。接着金属无纺纤维网6的区域厚度12发生变化，其中通过内置薄膜层13形成第三区域9。该层13附加地设有弹性元件24，从而即使与排气管3的接触区域非常小，仍可保证金属无纺纤维网6在第三区域9的范围内持久地紧贴在蜂窝体5上。该第三区域9在右侧又邻接一第一区域7，该第一区域同样具有加大的区域厚度12。在该第一区域右侧可以看到一第三区域9，该第三区域的区域长度11基本由层13的构型确定。这里的层13同样具有弹性元件24，该弹性元件特别用于确保阻止无纺纤维网6与蜂窝体5在该第三区域9的范围内接触，从而形成一同样用于隔热的额外的气隙。

图5示出无纺纤维网6连同蜂窝体5的另一种实施方案的细部视图。这里陶瓷蜂窝体5具有薄的通道壁25和较厚的外壁26，该外壁允许蜂窝体5承受较大的压力负荷。在排气管3和蜂窝体5之间同样设有无纺纤维网6。在此，该无纺纤维网不是光滑的，而是具有一种构造28，该构造具有规则分布的极点30，例如波峰和波谷。这些极点30优选不是平行于通道18的延伸方向而是垂直于该延伸方向分布。所示无纺纤维网6设计成金属丝编织物，并具有纤维直径为0.2mm的“无限长”纤维。因此，无纺纤维网6具有维持构造28的固有稳定性。为使无纺纤维网6具有密封功能，可在构造28内(从两侧)结合封闭件29。设有压力分配器27，以避免在形成构造的无纺纤维网6通过极点30接触蜂窝体5的区域内出现压力峰值。压力分配器27也可例如由光滑的杂乱纤维层构成。

原则上，还应该指出，可利用此处所述的无纺纤维网和附加结构的构型在排气管内(同时或相互分开地)固定多个蜂窝体。其中各区域相对于其它区域的布局基本上也可以任意改变。优选在待净化废气入首先流到的蜂窝体区域设置隔热结构，以保证该区域尽早被加热并达到启动温度。一旦起动催化活性，则温度的上升将通过蜂窝体几乎自动地继续进行。

附图标记列表

1装置        2内燃机

3排气管      4延伸方向

5蜂窝体      6无纺纤维网

7第一区域    8第二区域

9第三区域    10纤维

11区域长度   12区域厚度

13层         14填充材料

15阻拦元件   16运输工具

17排气系统   18通道

19通道壁     20纤维长度

21纤维直径   22保护结构

23突起       24弹性元件

25通道壁     26外壁

27压力分配器 28构造

29封闭件     30极点

Claims (11)

1.用于处理移动式内燃机(2)的废气的装置(1)，至少包括：

-具有延伸方向(4)的排气管(3)，

-至少包括陶瓷或挤出材料的蜂窝体(5)，以及

-至少一个金属无纺纤维网(6)，它至少部分地设置在排气管(3)和蜂窝体(5)之间，

其特征为：

由所述至少一个无纺纤维网(6)沿所述延伸方向(4)形成至少两个不同功能的区域(7、8、9)，其中至少一个第一区域(7)具有用于支承蜂窝体(5)的结构，至少一个附加区域(8、9)具有选自下列结构的结构：用于隔热的结构和用于相对于气体形成密封的结构。

2.按权利要求1的装置(1)，其特征为：第一区域(7)仅包括相互连接的金属纤维(10)。

3.按权利要求1或2的装置(1)，其特征为：对于一个蜂窝体(5)设置多个第一区域(7)，在所述第一区域之间设置所述至少一个附加区域(8、9)。

4.按权利要求3的装置(1)，其特征为：所述多个第一区域(7)设有独立的无纺纤维网(6)，它们与所述至少一个附加区域(8、9)的结构连接。

5.按上述权利要求之任一项的装置(1)，其特征为：至少两个区域(7、8、9)至少在其沿延伸方向(4)的区域长度(11)上或垂直于延伸方向(4)的区域厚度(12)上相互不同。

6.按上述权利要求之任一项的装置(1)，其特征为：用于隔热的结构设置成包围蜂窝体(5)。

7.按权利要求6的装置(1)，其特征为：用于隔热的结构包括薄膜层(13)，该薄膜层具有比至少一个无纺纤维网(6)小的导热性能。

8.按上述权利要求之任一项的装置(1)，其特征为：用于相对于气体形成密封的结构在整个区域厚度(12)上延伸。

9.按权利要求8的装置(1)，其特征为：用于相对于气体形成密封的结构设有以下结构中的至少一个：

-与第一区域(7)不同类型的纤维(10)，

-与第一区域(7)不同的纤维(10)布局，

-附加的填充材料，

-附加的不透气的阻拦元件(15)。

10.按上述权利要求之任一项的装置(11)，其特征为：在所述至少一个附加区域(8、9)内设置用于隔热的结构和用于相对于气体形成密封的结构，这些结构形成一体。

11.运输工具(16)，该运输工具包括移动式内燃机(2)和排气系统(17)，该运输工具内设有按权利要求1至10的装置(1)。

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