CN101128655B - 具有带裂口的端面侧的蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由金属薄板(2、3)卷绕、缠绕和/或堆叠而成的蜂窝体(1)，该蜂窝体具有多个至少部分地形成结构的金属薄板层(2)，所述金属薄板层的这种结构化形成从蜂窝体(1)的入口端面侧(5)通向出口端面侧(6)的通道(4)。按照本发明，至少一部分金属薄板层(2、3)在入口端面侧(5)和/或出口端面侧(6)在其边缘(7、8)上具有缺口(9、10)，以便得到入口端面侧(5)和出口端面侧(6)的带裂口的结构。此时，可以是只有平滑的金属薄板(3)具有缺口(9或10)，或只有波纹状的金属薄板(2)具有缺口(9或10)，或两者都具有缺口(9或10)。至少一部分金属薄板(2、3)还可由多孔材料尤其是由压实的金属纤维(16)构成。通过缺口(9、10)可大大地防止炭黑颗粒(17)堆积在蜂窝体(1)的端面侧(5、6)上。

Description

具有带裂口的端面侧的蜂窝体
技术领域
本发明涉及一种金属蜂窝体，尤其是用于净化内燃机排气的金属蜂窝体。特殊的应用领域为去除排气中的颗粒。
背景技术
金属蜂窝体主要分成两种典型的结构形式。一种早期的结构形式是螺旋形的结构形式，DE 29 02 779 A1示出其典型示例，其中，基本是一平滑的和一波纹状的金属薄板彼此叠置并卷绕成螺旋形。在另一种结构形式中，蜂窝体由许多交替布置的平滑的和波纹状或不同波纹状的金属薄板构成，其中，金属薄板首先形成一个或多个彼此缠绕的堆垛。此时，所有金属薄板的端部都位于外部，并可与一壳体或套管连接，由此形成许多可提高蜂窝体耐久性的连接部分。这种结构形式的典型示例在EP 0 245 737 B1或WO 90/03220中作了描述。长久以来还已知，使金属薄板形成附加的结构，以便影响流动和/或实现各个流动通道之间的横向混合。这种构型的典型示例为WO 91/01178、WO 91/01807和WO 90/08249。最后，还有以锥形结构形式制成的蜂窝体，必要时其还具有用于影响流动的其它附加结构。这种蜂窝体例如在WO 97/49905中作了描述。此外，还已知在蜂窝体中留出一用于传感器的缺口，尤其是用于安装兰姆达(lambda)探测器的缺口。其示例在DE 88 16 154 U1中作了描述。
所有这类蜂窝体都具有多个至少部分地形成(表面)结构/结构化的金属薄板层，所述金属薄板层的这种结构化形成从蜂窝体的入口表面通向出口表面的通道。金属薄板层指的是蜂窝体的彼此依次叠置的层，而不管这些金属薄板层是由一个还是多个分开的金属薄板构成。对此要指出，原则上一个蜂窝体可只由单独的一个金属薄板构成，其中，例如金属板条带的一部分做成波纹状，而金属板条带的其余的平滑部分则通过弯折折叠在所述波纹状部分上。如此形成的构造可以从弯折线开始按螺旋形卷绕成蜂窝体。下一个可能性为，使用一个平滑的和一个波纹状的金属薄板以用于制造按螺旋形卷绕的蜂窝体。还可用三个或更多个金属薄板形成多头的螺旋形。最后，有大量的结构形式是由交替的平滑和波纹状的金属薄板的一个或多个堆垛制造的。这种蜂窝体包含多个金属薄板，但是其中金属薄板的数量和依次叠置的金属薄板层的数量无需相等。出于这个原因，原则上金属薄板与金属薄板层有所区别，尽管这例如在只示出蜂窝体的一个细部的图中常常是无法区分的。
试验表明，在包含炭黑颗粒的排气流中，蜂窝体在端面侧可由于沉积的炭黑颗粒而全部或部分地堵塞。这妨碍其正常功能，尤其是作为炭黑过滤器的功能，和/或使其难于再生。因此，本发明的目的是提供一种蜂窝体，其中在端面侧沉积炭黑颗粒的可能性降低。
发明内容
如权利要求1所述的蜂窝体用于实现该目的。有利的改进和实施例在从属权利要求中加以描述。
认为炭黑颗粒在蜂窝体的端面侧沉积的一个原因是，蜂窝体结构的端部表面垂直于流动方向。因此，炭黑颗粒差不多正好垂直地撞击在蜂窝体的端部表面上。通过在入口端面侧建立一带裂口的结构，可同时实现两种作用。一方面，纯粹源自几何意义，即蜂窝体的端部表面现在不再有相当大的部分正好垂直于流动方向，另一方面，在进入各个通道时的流动形态如此受到影响，使得只有少量的颗粒能正面地打在端部表面上。此外，可能产生的炭黑沉积已经部分地位于通道的内部，从而可更容易地在运行中通过与具有催化涂层的通道壁接触而产生催化反应。因此，可更容易地再次消除可能产生的沉积。
原则上，可通过非常不同的措施在蜂窝体的端面侧得到有裂口的结构。一种可能是在蜂窝体中采用不同宽度的金属薄板层，但是这在制造技术上并且就可复现性而言会产生困难。如果能采用相同宽度的金属薄板层则更加有利。为了仍能制造有裂口的端面侧，至少一部分金属薄板层必须设有端面侧缺口，其中缺口的大小和形状可在较宽的范围内变化。为了实现所设定的目的，原则上，只需将蜂窝体的入口侧的端面侧做出裂口，但是，常常不希望蜂窝体在安装时具有确定的取向。出于这个原因，有利的是将蜂窝体构造成对称的，由此它在任何安装方向下都可使用。
因此，按照本发明的蜂窝体用金属薄板卷绕、缠绕和/或堆叠而成，具有多个至少部分地形成结构/结构化的金属薄板层，所述金属薄板层的这种结构化形成从蜂窝体的入口端面侧通向出口端面侧的通道。按照本发明，至少一部分金属薄板层在入口端面侧和/或出口端面侧在其边缘上具有缺口，以便得到入口端面侧和出口端面侧的带裂口的结构。
蜂窝体通常用交替设置的基本平滑的和波纹状的金属薄板来构建，其中，按照本发明，可以是只有平滑的金属薄板有缺口，或只有波纹状的金属薄板有缺口，或者甚至两者都有缺口。
在作为颗粒过滤器尤其是作为用于去除炭黑颗粒的过滤器而形成的蜂窝体中，一部分金属薄板层常常由多孔材料尤其是压实的金属纤维构成。因此，按照本发明的意义，金属薄板也可由多孔材料尤其是纤维材料构成。本发明实际上可用于所有已知的、用一个或多个金属薄板构建成的金属蜂窝体，而不管这种蜂窝体是否具有附加的开口、结构或其它特征。
但是，出于较高的机械强度要求的原因，用金属薄板层构建的金属蜂窝体常常在其端面侧进行钎焊，也就是说，金属性的金属薄板层在端面侧在其接触点处彼此钎焊。此处，在端面侧的具有高程度裂口的结构中自然存在这样的问题，即用于将金属薄板层彼此钎焊在一起的传统方法无法再直接使用。出于这个原因，如同在本发明的一种构型中给出的那样，有利的是，金属薄板并不在其整个端面侧上都设置缺口，而是在其端面侧的边缘上设置没有缺口的部段，所述部段足够长并且其出现频率足够高，使得在金属薄板层的最前面的以及最后面的边缘之间仍按统计学分布地存在多个接触点。为了制造耐久的蜂窝体，并非一定需要对金属薄板层之间的位于端面侧的每个单独的接触点进行钎焊。通过金属薄板层的端面侧边缘的适当构型，可对由于形成结构的金属薄板层而在金属薄板之间在理论上可能存在的接触点中的例如5％、优选超过10％的接触点用传统的方法施加焊料并进行钎焊，这是因为，这些接触点与具有平滑端面侧的蜂窝体中的接触点并无差别。
该连接优选用于由金属薄板的一个或多个堆垛形成的蜂窝体，其中，每个堆垛的金属薄板具有预定的长度和预定的宽度且长度大于宽度，并且每个堆垛的金属薄板各自沿长度具有多个缺口。因此缺口位于金属薄板的纵向侧，而宽度侧则优选地但非必须地做成无缺口的。这是因为，在制造蜂窝体时，宽度侧通常必须与蜂窝体的套管连接，而在此处缺口未必有利。
按照本发明的一个优选的实施形式，缺口具有圆形的边界线，由此可大大地避免缺口效应，即避免缺口区内的金属薄板边缘开裂。
特别优选的是其形状为圆弧段的缺口，最好是分别为半圆或较小的圆弧段。由于颗粒过滤器例如还由具有孔的金属薄板层制造，故在必要时甚至还可使用本来用以在金属薄板层中打孔的机器在金属薄板层的边缘制造缺口。甚至可以在宽的金属板条带上均匀地制出孔，然后将金属板条带切割成所要求的宽度，其中切割线优选延伸通过一排孔的中心。
为了获得避免在端面侧沉积炭黑的期望效果，如果超过80％的通道在按照本发明的蜂窝体的至少一个端面侧在至少一个缺口的区域内终止，则是有利的。特别优选的是，甚至超过90％的通道都是这样。按此方式可以保证，炭黑在端面侧的甚至是局部堆积也可得以避免。
此外，推荐一种蜂窝体，其在入口端面侧具有至少一个空腔。此空腔优选地布置在中央并且特别地具有一锥形渐缩的段。这种构型的一个优点在于，由此可形成具有不同长度的通道，它们相对于相邻的通道产生压差。由此将促进部分排气流在蜂窝体中的混合。
还优选蜂窝体的这样一种构型，其中，一部分通道在出口端面侧附近被封闭。通道的这种封闭可通过通道壁的压紧和/或通过提供闭锁件来实现。特别优选的是，至少一部分布置在蜂窝体外边缘上的通道被封闭，以使蜂窝体内的强制流动通过缺口进入内部的分体积中。
按照蜂窝体的另一种改进，蜂窝体具有多个分体积，这些分体积具有彼此不同的每单位截面积的通道数。此时，优选(例如对于蜂窝体的圆柱形构型而言)两个分体积成同轴布置。
按照本发明的蜂窝体的应用领域主要是内燃机尤其是柴油机的排气净化，其中在此处主要关注的尤其是从排气中去除炭黑颗粒。
附图说明
下面将参照附图更详细地说明本发明的其它细节和实施例，在附图中：
图1示出按照本发明的蜂窝体在制造过程中的示意图，
图2示出按照本发明的具有缺口的形成结构的金属薄板的视图，
图3示出按照本发明的蜂窝体的小的端部侧细部的示意性透视图，
图4示出金属薄板边缘的构型的各种不同的可能性，
图5示意性地示出按照本发明的蜂窝体在内燃机排气系统中的应用，
图6示出按照本发明的蜂窝体的另一种实施变型，以及
图7示出按照本发明的蜂窝体的又一种实施变型。
具体实施方式
图1示意性地示出制造过程中的蜂窝体1。该蜂窝体1由形成结构的金属薄板2和平滑的金属薄板3构成，其中，形成结构的金属薄板2在两个纵向侧的边缘上具有缺口9。具有宽度B和长度L的平滑金属薄板3在其端面侧的边缘8上沿长度L也具有多个缺口10。这些缺口10的边界线12是圆形的，从而缺口10具有大致为圆弧形的形状。在进一步卷绕金属薄板2、3时，形成蜂窝体1的通道4，其中，尽管存在缺口9、10，但在平滑的和波纹状的金属薄板层2、3之间仍产生足够多的端面侧连接点11。此后，制造好的蜂窝体具有带裂口的入口端面侧5和带裂口的出口端面侧6，但是在需要时仍有足够多的连接点11可通过传统的方法彼此钎焊。
图2示出适于构建按照本发明的蜂窝体的具有宽度B的波纹状金属薄板2。在此实施例中，只有入口端面侧5具有缺口9，而出口端面侧6则具有无缺口的边缘带15。波纹状金属薄板2的端面侧的边缘7具有带圆弧段形状的边界线12的缺口9。此外，在形成结构的金属薄板2的内部还具有孔13。对于本发明，孔13和缺口9的精确形状并不重要，但是，有利的是其形状要如此选择，使得这些孔或缺口在形成结构的金属薄板2的中心平面上的投影是圆形的或圆弧段形的。
图3以示意性透视图的形式示出颗粒过滤器中的典型状况，其中，排气由转向结构14引导穿过用金属纤维16制成的多孔的平滑金属薄板3。流动路径19用箭头示出。炭黑颗粒17通过孔13和转向结构14转向至多孔性的金属薄板层3，在该处保持并转化。在此实施例中，也可通过平滑的金属薄板3中的缺口10减少炭黑颗粒17在形成结构的金属薄板2的端面侧的金属薄板边缘7或平滑的金属薄板3的端面侧的金属薄板边缘8上的沉积。此处，缺口10的边界线12也大致具有圆弧段的形状。可以看到，缺口10影响流动进入相邻的通道4时的流动状态，并由此很少可能有颗粒沉积。
图4示意性地示出具有缺口的金属薄板边缘的构型的各种不同的可能性。在本实施例中，平滑的金属薄板3的一个端面侧的金属薄板边缘8设有单独的缺口10，而相对侧的金属薄板边缘则有波浪线18的形状。按照本发明的意义，波浪线18也可看作是具有缺口的金属薄板边缘。
按照本发明的蜂窝体1的典型安装状况示出在图5中。排气从内燃机20到达排气系统21，该系统具有按照本发明的蜂窝体1和可能有的其它部件，尤其是接在后面的氧化催化转化器22。
图6示出置于壳体23中的蜂窝体1，该蜂窝体1在入口端面侧5具有布置在中央的空腔25。此空腔25具有一锥形渐缩的段。由于空腔25而形成为不同长度的通道4产生压差，从而按所示的流动方向24进入的排气如用箭头示意性示出的那样在蜂窝体的内部转向。为了加强该作用，一部分通道4还借助于做成环形的闭锁件26在出口端面侧6附近被额外地封闭。
图7示出在一个壳体23中的两个蜂窝体1，它们各自具有两个同心的分体积27、28，这些分体积具有彼此不同的每单位截面积的通道4的数量。此处，所述蜂窝体1以例如小于10mm的间隙29彼此隔开，并且分体积27、28具有相反的布置，使得第一蜂窝体的具有高通道密度的分体积27和第二蜂窝体的具有较低通道密度的分体积28彼此面对面地(沿流动方向24看去)设置。此时，所示变型是优选的，其中第一蜂窝体在外侧具有通道密度较高的第一分体积27。尤其是，第一分体积27具有至少比第二分体积28大1.5倍的通道密度。优选地，第一分体积具有在至少为800cpsi(孔道每平方英寸，1cpsi大致相当于6.4516孔道每平方厘米)范围内的通道密度。
此外，考虑到蜂窝体1在车辆排气系统中的相当大的热载荷和动载荷，有利的是，在分体积27、28之间至少部分地设置至少一个支承元件30。在此处示出的同心布置中，此支承元件30可例如为一管段。
本发明用于进一步改进在作为排气净化部件使用时的金属蜂窝体，尤其是用于从排气中去除有害物质颗粒的蜂窝体。本发明防止或减少颗粒尤其是炭黑在蜂窝体端面侧上的沉积。
附图标记表
1、蜂窝体；                2、形成结构的金属薄板；
3、基本平滑的金属薄板；    4、通道；
5、入口端面侧；            6、出口端面侧；
7、形成结构的金属薄板的端面侧的金属薄板边缘；
8、基本平滑的金属薄板的端面侧的金属薄板边缘；
9、波纹状金属薄板中的缺口；10、平滑金属薄板中的缺口；
11、连接点；               12、边界线；
13、孔；                   14、转向结构；
15、边缘带；               16、金属纤维；
17、炭黑颗粒；             18、波浪线；
19、流动路径；     20、内燃机；
21、排气净化设备； 22、催化转化器；
23、壳体；         24、流动方向；
25、空腔；         26、闭锁件；
27、第一分体积；   28、第二分体积；
29、间隙；         30、支承元件
L、长度；          B、宽度

Claims (17)

1.由金属薄板(2、3)卷绕、缠绕和/或堆叠而成的蜂窝体(1)，该蜂窝体具有多个至少部分地形成结构的金属薄板层(2)，所述金属薄板层的这种结构化形成从所述蜂窝体(1)的入口端面侧(5)通向出口端面侧(6)的通道(4)，其特征在于，至少一部分金属薄板层(2、3)在所述入口端面侧(5)和/或出口端面侧(6)在其边缘(7、8)上具有缺口(9、10)，以便得到所述入口端面侧(5)和出口端面侧(6)的带裂口的结构，所述金属薄板(2、3)是基本平滑的金属薄板(3)和波纹状金属薄板(2)，至少所述平滑的金属薄板具有所述缺口(9、10)。
2.如权利要求1所述的蜂窝体(1)，该蜂窝体由基本平滑的金属薄板(2)和波纹状金属薄板(3)的交替布置的层构建而成，其特征在于，只有所述平滑的金属薄板(2)具有缺口。
3.如权利要求1或2所述的蜂窝体，其特征在于，至少一部分金属薄板(2、3)由多孔材料构成。
4.如权利要求3所述的蜂窝体，其特征在于，所述多孔材料是压实的金属纤维(16)。
5.如权利要求1或2所述的蜂窝体，其特征在于，所述金属薄板(2、3)在其端面侧的边缘(7、8)上具有无缺口(9、10)的部段，该部段足够长并且其出现频率足够高，使得在金属薄板层(2、3)的最前面的以及最后面的边缘(7、8)之间按统计学分布地存在多个接触点(11)。
6.如权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体(1)由金属薄板(2、3)的一个或多个堆垛形成，其中每个堆垛的金属薄板(2、3)具有长度L和宽度B，其中L＞B，并且每个堆垛的金属薄板(2、3)各自沿长度L具有多个缺口(9、10)。
7.如权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，所述缺口(9、10)具有圆形的边界线(12)。
8.如权利要求1或2所述的蜂窝体，其特征在于，所述缺口(9、10)具有圆弧段的形状。
9.如权利要求8所述的蜂窝体，其特征在于，所述圆弧段为半圆或较小的圆弧段。
10.如权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，超过80％的通道(4)在至少一个端面侧(5、6)在至少一个缺口(9、10)的区域内终止。
11.如权利要求10所述的蜂窝体(1)，其特征在于，超过90％的通道(4)在至少一个端面侧(5、6)在至少一个缺口(9、10)的区域内终止。
12.如权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体是内燃机(20)的排气净化设备(21)的一部分，并且有助于从内燃机(20)的排气中去除炭黑颗粒(17)。
13.如权利要求12所述的蜂窝体(1)，其特征在于，所述内燃机(20)是柴油机。
14.如权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体具有处于金属薄板(2、3)内的附加的孔(13)和/或通道(4)内的转向结构(14)。
15.如权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体在入口端面侧(5)具有至少一个空腔(25)。
16.如权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，一部分通道(4)在出口端面侧(6)附近封闭。
17.如权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体(1)具有多个分体积(27、28)，这些分体积具有不同的每单位截面积的通道(4)的数量。
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