CN101119801A - 具有内部空腔的蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蜂窝体(1)，该蜂窝体(1)具有限定通道(4)的内壁(2，3)，该通道(4)从蜂窝体(1)的入口面(5)通到出口面(6)，其中至少在蜂窝体(1)的部分区域内存在多个没有内壁(2，3)的空心空腔(9)，该空腔(9)形状和尺寸使得该空腔分别包含至少一个球形空间(10)，该球形空间(10)的最大横截面面积(Qmax)至少为相关的部分区域(T)内的通道(4)的平均横截面面积(q)的10倍。蜂窝体(1)特别地可以由至少一块板(2，3)卷绕、扭合和/或堆叠而成，该蜂窝体(1)具有大量至少部分形成结构的板层(3)，所述结构形成通道(4)，至少在蜂窝体(1)的一个分区内板层(2，3)具有大于在相关分区内的通道(4)平均横截面面积(q)10倍的有效横截面面积的孔(7，8)，其中孔(7，8)的设置和形状使得在蜂窝体(1)内这些孔与相邻板层(2、3)的孔(7，8)形成相连的大体积的空腔(9)，其中至少5块相互叠放的板层(2，3)的孔相互交叠，使得在所有这5块板层(2，3)内的相关孔(7，8)重合面积至少为该分区(T)内通道(4)平均横截面面积(q)的10倍，并且孔(7，8)沿流动方向(S)的尺寸至少为通入空腔内的通道(4)的平均液力直径的2倍，优选为3倍以上。这种蜂窝体(1)特别有利地用在机动车的排气净化系统中，特别是用作颗粒过滤器。

Description

具有内部空腔的蜂窝体
技术领域
本发明涉及一种蜂窝体，特别是用于净化内燃机排气的蜂窝体。在排气系统中，这种蜂窝体可以具有金属或陶瓷的基体结构，并用于提供与排气相互作用的大的表面积。特别地，蜂窝体涂有催化活性材料和/或构造为使该蜂窝体能够从排气中分离出微粒并将其转化。此外这种蜂窝体还涂有吸附材料，该吸附材料用来暂时吸附污染物质，特别是碳氢化合物和/或氮氧化物。
背景技术
这种蜂窝体典型地具有大量的大致平行分布的通道，该通道从蜂窝体的入口面通到出口面。因此在已安装状态中，排气沿流动方向大致均匀流过这种蜂窝体，其中排气在蜂窝体的各个通道的分配首先主要取决于在入口面处的流动断面。在现有技术中还已知许多影响在各个通道内的流动和/或在蜂窝体内的流动分配的措施。高度发展的由各板层构成的金属蜂窝体通常应用许多各种已知措施来优化蜂窝体的流动性能。对于金属蜂窝体主要分成两类典型结构形式。DE 2902779A1示出典型例子的早期结构形式是螺旋结构形式，其中主要是一光滑板层和一波纹板层彼此叠放并螺旋形卷绕。在另一种结构形式中，蜂窝体由大量交替设置的光滑板和波纹板或不同的波纹板层构成，其中板层首先形成一个或多个叠层，再将所述叠层相互缠绕。这样所有板层的末端都位于外部，并可以由一壳体或套管连接，由此形成许多连接部，从而提高了蜂窝体的耐用性。在EP 0 245 737B1或WO90/03220中介绍了这些结构形式的典型例子。长久以来已知的还有，板层设置有附加结构，以影响流动和/或实现各个流动通道间的横向混合。这种结构的典型例子为WO 91/01178、WO 91/01807和WO90/08249。最后还有圆锥形结构形式的蜂窝体，必要时也具有用来影响流动的附加结构。例如在WO 97/49905中介绍了这种蜂窝体。
本发明基于WO 2004/022937A1。由该文件可知，蜂窝体由打有孔的板层制成，其中板层上的孔可以大于通道的横截面。因为通过孔平衡各个通道内的压力差并且同时使流过的气体产生涡流，所述涡流改善与表面的接触，所以由这种打有孔的板层组成的蜂窝体在其内部的流动分配方面具有特别有利的性能。孔的数量和位置可以在大的范围内变动，因此可以制造与不同的条件相适应的蜂窝体。
此外在WO 2004/022937A1中还介绍了，在制造时如何通过在各板层内形成合适的空隙来在蜂窝体内产生大的空间，例如用来安装λ探针。现代的制造技术允许精确地预先确定应该在所制造的蜂窝体的那个部位形成空间。关于其他细节参看WO 2004/022937A1，其公开的内容的全文引用在此作为参考。
在EP 1 428 577A1中也介绍了一种在其板层上带孔的蜂窝体。这种蜂窝体由一块光滑板和一块波纹板螺旋形卷绕而成。当然，在由带孔的金属板层组成的蜂窝体的所有制造方法中也可能出现这样的情况：在相互叠放的(连续)板层上的一些孔大致相互对准。这样在蜂窝体中会偶然形成较大的空间，下面称为空腔。在没有特别的措施，特别地在孔均匀设置在板层上时，根据薄片面积与孔的面积之比，这些空腔的形式非常不规则，特别地这些空腔通常剧烈弯曲或者甚至中断。
现在可以证实，对于不同的应用，特别是对于从排气中排除颗粒，如果在蜂窝体内各个方向形成具有较大尺寸的较多的空腔，则特别有利。描述这些空腔的性能的困难在于，这些空腔不是由连续的壁所包围，而是由在光滑和波纹板层上的大致相互对齐的孔所确定。这些孔的边缘形成空腔的包络线。一种对于蜂窝体的性能有利的描述这种空腔的方法是说明在空腔内能放入多大的球。因此在下面借助于附图，试图用可置于空腔内的最大的球来描述空腔的性能。显而易见，在蜂窝体内没有一个空腔能容纳比能穿过薄板上的孔的球更大的球。一方面能装入空腔的球的尺寸由孔的尺寸决定，另一方面由相邻孔的重合程度确定。
还应该指出，在考虑本发明波纹薄板上的孔时，始终仅仅考虑孔在波纹板的中心平面上的投影。对于本发明和空腔的形成起决定性作用的不是波纹的类型，而只是孔在波纹板层上的投影的尺寸。然而波纹对于蜂窝体内通道的大小起作用。在结构简单的蜂窝体中所有的通道都具有大致相同的横截面积，但是也存在其中在一定的横截面区域内存在不同的通道横截面面积的蜂窝体。因此，下文中通道横截面面积一般指平均通道横截面面积，这在最简单的情况下就是指每条通道的横截面面积；但是在复杂的情况下是指，对于蜂窝体一定的横截面区域，蜂窝体的总横截面面积除以在这个横截面区域内的通道数。
发明内容
本发明基于这样的目：提供一种蜂窝体，该蜂窝体在流动分配、压力损失、排气内污染物质和/或颗粒的转化方面具有更好的性能。
根据独立权利要求1或根据独立权利要求8的蜂窝体用来实现所述目的。在各个从属权利要求中给出优选实施例和改进结构。
根据本发明的蜂窝体具有限定通道的内壁，所述通道从蜂窝体的入口面通到出口面。其中蜂窝体在至少一个分区内包含多个无内壁的空腔，所述空腔如此成形和确定尺寸，使得它们分别包含至少一个球形空间，所述空间的最大横截面积至少为相关分区内通道平均横截面积的十倍。
实际表明，虽然在蜂窝体的内壁上具有许多孔能很好地平衡各个通道之间的压力差，但是，如果相邻通道之间不存在大的压力差，则仍然可能形成直线形流线。这些流仅均匀流过较小的空间，因此不出现特别的横向混合或提高的颗粒的转化或分离。如果内壁上的孔设置成使得形成至少一个球形空间，该空间最大横截面积为至少通道平均横截面积的十倍，则情况不同。这意味着至少10条紧密靠在一起的通道引入空腔内，并在相对一侧再从该空间中引出。无论如何，在空腔的这种尺寸布局中都会发生大的横向混合，因此有利于在蜂窝体内所希望的过程。重要的前提是，在内壁上构成空腔的孔的横截面积同样具有至少十倍于平均通道横截面积的大小。在本发明的对于在单位横截面面积内具有大量通道的蜂窝体具有重要意义的优选实施例中，球形空间的最大横面面积为平均通道横截面积的20至100倍，优选为30至50倍。因此存在相对于通道尺寸而言巨大的空腔，在该空腔中特别地在脉冲式气流的情况下可以形成涡流和横向流动，该涡流和横向流动可以在无大的压力损失的情况下实现更好的转化性能。
如果大量通道，例如10至500条通道都引入空腔并从中再引出，实际上是有利的。
为使本发明空腔的有利性能能够对蜂窝体内的尽可能大部分的流动产生影响，50％至100％的蜂窝体的通道应该与至少一个、优选为多于三个空腔相交。出于稳定性原因，蜂窝体内的空腔不完全伸展到最外部侧面，使得也许不是100％的所有通道与空腔相交。但是优选尽可能大部分通道与一个或最好是多个空腔相交，以便充分利用空腔的有利性能。
为此，空腔在蜂窝体体积上均匀分布是有利的。
然而提供一种不均匀分布、优选在蜂窝体的内部区域内和/或沿朝向入口面或出口面方向的聚集分布并不存在困难，并且根据排气净化系统内的流动特性，这种分布是有利的。这使本发明能够适应不同的应用场合。
根据空腔引入蜂窝体内的方式，空腔本身当然不是球形的。球形空间仅用于在理论上对空腔内的尺寸关系进行描述。实际上出现的空腔更可能具有圆柱形或弯曲的圆柱形的形式，其中优选地该空腔的轴向长度(方向)大致垂直于通道的走向。
上文对本发明的说明并不局限于由板层组成的蜂窝体，只要应用适当的产生空腔的方法，也可以适用于陶瓷蜂窝体。在制造陶瓷蜂窝体时，例如可以在烧结之前比较容易地加工毛坯，并通过穿刺或在挤出时的措施产生空腔。
特别地，独立权利要求8针对由板材卷绕、扭合和/或堆叠而成的蜂窝体。这种蜂窝体具有大量至少部分形成结构的板层，该板层的结构形成通道，该通道从蜂窝体的入口面通向出口面。板层是指蜂窝体的相互叠放的层，而与所述板层是否包括一块或多块分开的板无关。应该指出，蜂窝体也可以仅由单独一块板构成，其中部分板条形成波纹，板条的其余的光滑部分通过折弯而折叠于形成波纹的部分上。这样形成的结构可以从折叠线开始螺旋形地卷绕成蜂窝体。下一种可能性是应用一块光滑的板和一块形成波纹的板制造螺旋形卷绕的蜂窝体。也可以由三块或更多板卷成多头螺旋。最后还有由一个或多个交替堆放的光滑板和波纹板的叠层制成的大量的结构形式。这种蜂窝体包含大量板，但是其中板的数量和相互交叠的板层的数量不必一定相同。由于这个原因，原则上板和板层之间是可以区分的，尽管这在例如仅示出蜂窝体一部分的视图中常常是不可能的。对于本发明，结构形式近似地不起作用，这里做成螺旋形的蜂窝体比由许多单独的板制成的蜂窝体容易计算用来形成空腔的孔的位置。但是没有一种结构形式存在原则性的问题。根据本发明的蜂窝体的特征在于，至少在蜂窝体的分区内，板层具有带有一有效横截面面积的孔，此面积大于相关分区内平均通道横截面面积的十倍，其中该孔如此设置和成形，使得在蜂窝体内该孔与相邻板层的孔一起形成相连的体积大的空腔，其中在至少五块相互叠放的板层内的孔相互交叠，在所有这五块板层中各孔的交叠面积至少为该分区内平均通道横截面积的十倍。如下文借助于附图更详细地说明的一样，在由打有孔的板层组成的蜂窝体内总是存在一些空腔，其中在极端情况下所有空腔甚至可以相互连通，这种情况总是在每块板层内孔的面积大于板层的剩余面积时出现。对波纹板应用有效面积的概念，该有效面积通过板层内的孔在波纹板的中心平面上的投影得到。
对于本发明重要的是，在蜂窝体内这些孔不形成小的分叉的空间，而是形成体积比较大的空腔，该空腔在相邻板层上的孔几乎相互对齐或大面积交叠的情况下出现。根据本发明的布置产生具有希望性能的空腔。孔的形状原则上可以任意选择，但是由于机械方面的原因，建议选择具有圆形边缘的孔以避免形成裂纹；此外，孔还要在流动方向的横向上分别使三个或更多通道相互连通。在流动方向上孔也应该具有确定的最小尺寸，即至少为引入空腔内的通道的平均液力直径的2倍，优选为3倍以上。液力直径由通道的横截面面积及其横截面形状得到，并且除了圆形通道的情况外液力直径小于通道的最大宽度。
在本发明的优选实施例中，蜂窝体为圆柱形，并由一个或多个板的叠层构成，每个叠层的板分别具有长度L和宽度B，其中L大于B；并且每个叠层的板分别具有许多孔，在一个叠层的所有板上，孔沿宽度B方向上的间距基本恒定，但是沿长度L方向上不同。在现有技术中的已知结构形式中却恰恰不是这种情况。为了便于加工以及由于缺乏本发明的知识，打有孔的板通常在其整个长度上均匀地设置孔，不管在螺旋形卷绕板层时还是在由一个或多个板的叠层制造蜂窝体时，所述打有孔的板都不能形成根据本发明的蜂窝体。
本发明的另一个优选实施例是由至少一块具有长度L和宽度B的板组成的蜂窝体，其中L大于B，其中蜂窝体螺旋形卷绕而成，并且该至少一块板具有许多孔，这些孔在宽度方向上具有大致恒定的间距，但在长度方向具有不同的间距。孔的确切结构图案取决于相应的应用情况。但是所有卷绕的蜂窝体有一个共同点，在所用板的宽度方向适宜于要求大致恒定的孔间距。用这种方法使得在制造时便已经决定了孔沿流动方向相互对齐，而对于这些距离不必特别加以注意。仅仅必须精确计算每块板上的孔沿纵向的距离。这里可以例如通过按规定距离留出各个孔而按要求围成空腔，或通过改变孔的结构图案而例如在板层上在蜂窝体外部区域内设置比在蜂窝体内部多的每圈的空腔数。
为了补偿一定的加工误差，孔构造为长孔可能是有利的，其中该孔在垂直于通道方向上的尺寸应该大于沿通道方向上的尺寸。
根据本发明的蜂窝体在其内部在板上附加地设置有其他结构。用来影响蜂窝体内部的流动的所有已知措施都可以附加于此处所述的本发明的措施中。根据现有技术中已知的措施，也可以(将蜂窝体)结合在壳体内并且例如构造为圆锥形的结构形式。
根据本发明的蜂窝体特别适合于作为内燃机、特别是柴油机的排气净化装置的一部分。一般优选应用领域是机动车中的排气净化。
附图说明
下面借助于附图详细说明本发明及其实施例，其中：
图1示意性示出根据本发明的由打有孔的板层组成的蜂窝体的结构，
图2示意性示出穿过本发明蜂窝体内的空腔区域的横截面。
具体实施方式
图1示出蜂窝体1，该蜂窝体1例如可由一光滑板2和一波纹板3制成螺旋形。在图中尚未制造完成的蜂窝体1具有由波纹板3的结构形成的通道4，该通道4从蜂窝体的入口面5通到出口面6。待净化排气可以沿流动方向S流过蜂窝体1。光滑板2具有宽度B和长度L，并设有大量的孔7。在本例子中这些孔是长孔，该长孔在光滑板2的长度L方向上亦即在垂直于流动方向S的方向上具有最长的尺寸。波纹板3也具有许多孔8，该孔8在此情况下同样地构造为沿(与孔7)相同方向的长孔。可以知道，波纹板3上的孔8在该板层拉伸时必然显著长于在光滑板上的孔7，从而使波纹板3上的孔8在形成波纹的状态下的尺寸大致相当于在光滑板2上的孔7的尺寸。对于本发明，只有波纹板3上的孔8在波纹板3的中心平面上的投影有意义。孔7、8的相互间距在板2、3的宽度B的方向上基本上是恒定的，使得在这个方向上相邻板层的孔实际上总是完全地相互交叠。但是也可以知道，如果孔7、8沿板2、3的长度L的方向上相互之间的间距也相同，则随着所卷绕的蜂窝体1的直径的逐渐加大，总是出现孔的偏移。因此，为了达到具有根据本发明性能的大的空腔，孔7、8沿板2、3的长度L方向上的间距必须相应地调整。对最简单的情况，在加工之前确定应该在蜂窝体内什么部位形成多大尺寸的空腔，然后确定在板2、3的什么部位上布置什么形状的孔。对于不同结构形式的蜂窝体这个过程的复杂程度是不同的，但是可以通过简单的试验和对产生孔7、8的机器的适当控制而毫无问题地进行。在图1中的孔7、8不一定是按比例示出的，因此根据本发明它们也可以大得多。
图2示意性示出在根据本发明的空腔9区域内的穿过蜂窝体的截面图。光滑板层2和波纹板层3相互叠放，其中板层2、3中的孔基本上相互重合，并由此形成空心空腔9。这些空腔9包含具有最大横截面面积Qmax的球形空间10，亦即在理论上具有这个直径的球可以放入此空腔。球的最大横截面面积Qmax是指该球的最大横截面(处的面积)。如在附图中同样用阴影线所表示的，每个单独的通道4具有横截面面积q，在本例中它对于所有通道大致一样大。然而也存在这种结构形式的蜂窝体，在该蜂窝体内存在不同的通道横截面面积。在这种情况下可以简单地计算平均通道横截面面积q。根据本发明，空腔9的大小与形状为可以装入球形空间10，球形空间10的最大横截面面积Qmax至少十倍于平均通道横截面面积q的尺寸。优先采用这样的实施形式，其中在空腔9内可以放入相对而言大得多的球形空腔，特别是在蜂窝体具有例如600cpsi(每平方英寸单元数)至1200cpsi以上的大的单元密度时。
本发明可以进一步改善高度发展的用于排气净化系统的蜂窝体的性能，特别是在压力损失、材料利用和流动性能方面具有有利性能的同时能够更好地净化排气中的颗粒。
附图标记列表
1蜂窝体
2基本光滑的板层(光滑板)
3波纹板层(波纹板)
4通道
5入口面
6出口面
7光滑板上的孔
8波纹板上的孔
9空腔
10最大球形空间
B    板的宽度
L    板的长度
AB   孔在宽度B方向上的间距
AL   孔在长度L方向上的间距
S    流动方向
Qmax 最大横截面面积
q    平均通道横截面面积

Claims (13)

1.一种特别用来净化内燃机的排气的蜂窝体(1)，该蜂窝体(1)具有限定通道(4)的内壁(2，3)，该通道(4)从蜂窝体(1)的入口面(5)通到出口面(6)，其特征在于，在蜂窝体(1)的至少一个分区内存在多个没有内壁(2，3)的空心空腔(9)，空腔(9)形状和尺寸使得该空腔分别包含至少一个球形空间(10)，该球形空间(10)的最大横截面面积(Qmax)至少为相关分区(T)内通道(4)的平均横截面面积(q)的10倍。
2.根据权利要求1所述的蜂窝体(1)，其特征在于，球形空间(10)的最大横截面面积(Qmax)为通道(4)的平均横截面面积(q)的20至100倍，优选为30至50倍。
3.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，空腔(9)分别与10至500条通道(4)相交。
4.根据前述权利要求中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，蜂窝体(1)的通道(4)的50％至100％优选与至少一个优选为三个以上的空腔(9)相交。
5.根据前述权利要求中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，空腔(9)均匀地分布在蜂窝体的体积上。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，空腔(9)不均匀地分布在蜂窝体(1)内，优选地聚集在蜂窝体(1)的内部区域和/或沿朝向蜂窝体的入口面(5)或出口面(6)的方向聚集。
7.根据上述权利要求中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，空腔(9)大致具有圆柱形或弯曲的圆柱形的形式，优选地空腔(9)的轴向长度方向大致垂直于通道(4)的走向。
8.一种由至少一块板(2，3)经过卷绕、扭合和/或堆叠而形成的蜂窝体(1)，该蜂窝体(1)具有大量至少部分形成结构的板层(3)，所述板层的结构形成通道(4)，该通道(4)从蜂窝体(1)的入口面(5)通到出口面(6)，其特征在于，板层(2，3)至少在蜂窝体(1)的一个分区内具有孔(7，8)，该孔的有效横截面面积大于相关分区内通道(4)的平均横截面面积(q)的10倍，其中孔(7，8)的设置和形状使得在蜂窝体(1)内这些孔与相邻板层(2，3)的孔(7，8)形成相连的大体积的空腔(9)，其中至少5块相互叠放的板层(2、3)中的孔相互交叠，使得在所有这5块板层(2，3)内的相关孔(7，8)的重合面积至少为该分区(T)内通道(4)平均横截面面积(q)的10倍，并且孔(7，8)沿流动方向(S)的尺寸至少为通入空腔内的通道(4)的平均液力直径的2倍，优选为3倍以上。
9.根据上述权利要求中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，蜂窝体(1)为圆柱形并由一个或多个板的叠层构成，每个叠层的板具有长度(L)和宽度(B)，其中L＞B，并且每个叠层的板分别具有多个孔(7，8)，这些孔(7，8)在一个叠层的所有板上的间距(AB，AL)在宽度(B)方向上基本恒定，但在长度(L)方向上则不同。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，蜂窝体(1)由至少一块具有长度(L)和宽度(B)的板(2，3)螺旋形卷绕而成，其中L＞B，所述至少一块板(2，3)具有多个孔(7，8)，这些孔(7，8)在宽度(B)方向上具有大致恒定的间距(AB)，但是在长度(L)方向上具有不同的间距(AL)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，至少一部分孔(7，8)在通道(4)方向上具有比在垂直于通道(4)的方向上小的尺寸，其中孔(7，8)优选为长孔。
12.根据前述权利要求中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体(1)是内燃机特别是柴油机的排气净化装置的一部分，并有助于从内燃机排气中除去碳黑颗粒。
13.根据前述权利要求中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体(1)在通道(4)内具有附加的孔和/或涡流结构。
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