CN101346533A

CN101346533A - 织造金属纤维柴油机颗粒过滤器

Info

Publication number: CN101346533A
Application number: CNA2006800493727A
Authority: CN
Inventors: 法布里齐奥·C·里纳尔迪
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2009-01-14

Abstract

一种用于过滤柴油机废气的无源颗粒过滤组件。该组件包括限定具有入口和出口的过滤室的壳体单元。圆筒形内芯件设置在过滤室中并被具有第一和第二相反端的褶式圆筒形过滤件包围。端帽与过滤件的第一端结合并配置来防止废气流通过。端板连接至过滤件的第二端并配置来将过滤件固定至所述壳体单元。所述过滤件包括优选由具有约2至约15μm孔隙度的不锈钢或镍－铬－铁合金制成的织造金属纤维介质。

Description

织造金属纤维柴油机颗粒过滤器

技术领域

本发明涉及柴油机废气的颗粒过滤。

背景技术

本部分的说明仅提供与本发明有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

在汽车工业中，环境问题要求持续降低从柴油机中排出的颗粒的量，所述颗粒包括炭烟颗粒和未燃烧颗粒。已经进行了各种尝试以减少这些由于使用柴油燃料而导致的颗粒排放物。典型的催化转化器由于其内部的温度太低而不能有效地燃烧碳、油以及未燃烧的燃料颗粒，因此在一些柴油机中它们经常并不能很好地发挥作用。目前，已经使用具有柴油机颗粒过滤器(DPF)的废气过滤系统进行了研究，该柴油颗粒过滤器插入发动机的排气管中以收集颗粒。通常，DPF由多孔陶瓷体制成，其中限定有多个废气通道。当废气通过限定废气通道的DPF的多孔壁时，颗粒被DPF的多孔壁吸附并收集。

当收集的颗粒积聚在DPF中时，压力损失增加，并且发动机性能变差。因此，收集的颗粒需要进行燃烧并从DPF中除去以便以适当的时机再生DPF。通过加热装置如燃烧器或加热器，或通过在后燃料喷射(post fuelinjection)中将热的废气供应至DPF来增加DPF的温度而执行DPF的再生。

考虑到上述问题，需要可以成功地除去颗粒物质的无源柴油机废气过滤系统。还期望过滤系统是可再生的并且在不加维护的长时间周期内是可靠的。

发明内容

本发明提供了一种用于过滤柴油机废气的无源颗粒过滤组件。在多个实施方案中，该组件包括限定具有入口和出口的过滤室的壳体单元。圆筒形内芯件设置在过滤室中并被具有第一和第二相反端的褶式圆筒形过滤件(filter pack)包围。端帽连接过滤件的第一端并配置来防止废气流通过。端板连接至过滤件的第二端并配置来将过滤件固定至壳体单元。过滤件包括织造金属纤维介质，该金属纤维介质优选由具有约2至约15μm平均孔隙度的不锈钢或镍-铬-铁合金制成。

在其他一些实施方案中，本发明提供了一种无源柴油机颗粒过滤组件，该过滤组件包括限定具有入口和出口的过滤室的壳体单元。穿孔圆筒形内芯件设置在过滤室内。具有双层织造烧结金属纤维介质的褶式圆筒形过滤件包围内芯件并具有第一和第二相反端。过滤件的最内层具有约2至约7μm的平均孔隙度并且过滤件的最外层具有约7至约15μm的平均孔隙度。端帽连接至过滤件的第一端并配置来防止废气流通过。凸缘端板连接至过滤件的第二端并配置来将过滤件固定至壳体单元。在不同的实施方案中，过滤组件配置来使得柴油机废气从入口进入过滤室中并向内穿过双层过滤件至内芯件的内部并从出口排出。

在又一些实施方案中，本发明提供了一种用于柴油机的废气过滤系统。该系统包括无源柴油机颗粒过滤组件，该过滤组件包括限定过滤室的壳体单元，该过滤室具有被双层织造烧结金属纤维介质包围的圆筒形内芯件。过滤件的最内层具有约2至约7μm的平均孔隙度并且过滤件的最外层具有约7至约15μm的平均孔隙度。该系统进一步包括二次喷射组件，该二次喷射组件连接至壳体单元并配置来选择性地将柴油机废气加热至适合于无源柴油机颗粒过滤器再生的温度。

通过本文提供的描述，可适用的其他领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体实施例仅用于说明的目的并且不用于限制本发明的范围。

附图说明

此处描述的附图仅用于说明的目的并且不以任何方式限制本发明的范围。

图1示出了根据本发明的用于柴油机废气的无源颗粒过滤系统的分解透视图；

图2示出了过滤组件的透视图；

图3是图2的截面图并且除了端帽和端板之外还示出了内芯件；

图4是褶式过滤件的侧视图；

图5是图4的截面图；

图6是图5的局部放大图；

图7是凸缘端板的平面图；

图8是图7的截面图；

图9是图8的局部放大图；

图10是端帽的平面图；

图11是图10的截面图；以及

图12是图11的局部放大图。

具体实施方式

以下描述实际上仅是示例性的并且不用于限制本发明、应用或用途。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相似或相应的部件和特征。

图1示出了根据本发明教导的示例性无源颗粒过滤组件的分解透视图并用数字20标记。过滤组件20主要用于从柴油发动机的废气中除去颗粒物质并且优选为圆筒形的构造以便于制造、使用和维护。由于过滤组件20是无源的，因此不需要在过滤器自身内提供复杂、昂贵的电源和连接。在不同的实施方案中，提供二次喷射系统以再生所述过滤器并在下面更详细地进行描述。

如所示出的，所述组件包括限定过滤室的壳体单元并包括具有入口24的入口壳体22和与其连接的具有出口28的出口壳体26。如在图2和图3中所进一步示出的，组件20进一步包括圆筒形内芯件30，该内芯件30设置在过滤室内并被具有第一和第二相反端34、36的褶式圆筒形过滤件32包围。端帽38连接至过滤件32的第一端34并配置来防止废气流通过。端板40连接至出口28附近的过滤件32的第二端36并配置来将过滤件32固定至壳体单元的出口壳体部分26。端板40通常连接和/或机械固定至出口壳体26并用由耐高温材料制成的合适垫圈42隔开。入口和出口壳体22、24可以包括合适的孔21和凸缘23、27，并可以用如本领域已知的螺丝44或其他机械手段连接。在不同的实施方案中，所述组件进一步包括一个或更多个焊接带46，如22-24规格的不锈钢或其他耐腐蚀高强度材料，该焊接带46圆周地设置在过滤件32的周围以使过滤件32固定至内芯件30。

图3示出了图2的截面图并且除了过滤件32、端帽38和端板40之外还示出了内芯件30的透视图。如所示出的，示例性的废气空气流路径300限定为从壳体的入口区302到过滤室内。空气通常围绕端帽38流动并向内穿过过滤件32并穿过内芯件30的多个穿孔48到达芯30的内部区域并通过出口28排出。

图4是褶式过滤件32的侧平面图而图5是沿图4中的基准线5-5截取的截面图。本发明的过滤件32包括织造的金属或合金纤维介质。在不同的实施方案中，金属纤维可以是烧结的、非烧结的，或者可以包括烧结和非烧结纤维的混合物。这样的多孔织造材料的一个非限制性实例包括可从纽约的Martin Kurz & Co.，Inc.购得的优选地，所述纤维由诸如镍-铬-铁合金(例如

)或不锈钢(包括例如304、306、310和316合金)的材料制成。织造介质优选具有约2至约15μm的平均孔隙度。在不同的实施方案中，织造介质包括双层层合材料，其中外层具有外孔隙度并且内层具有不同于外孔隙度的内孔隙度。例如，最外层可以具有约7至约15μm的平均孔隙度，而最内层可以具有约2至约7μm的平均孔隙度。应当理解，根据过滤器的设计和将与其一起使用的和发动机的尺寸，该实施方案包括孔隙度的众多组合。目前非限制性的优选组合包括8/3.5、15/3和15/8μm的外层/内层平均孔隙度之比。如果期望的话，双层介质还可以包括两层具有相同或相似平均孔隙度的织造材料。本发明的颗粒过滤组件20的示例性炭烟负载能力通常在发动机行程容积的约0.5g/l至约4g/l的范围内并且将基于设计参数和期望的效率而变化。

在不同的实施方案中，褶式过滤件32的表面积为发动机行程容积的约2.5至约8倍，优选为发动机行程容积的约4至约8倍。例如，对于6升发动机，过滤组件可以具有约15至约48平方英尺(ft²)、并且更优选约24至约48平方英尺(ft²)的总表面积。表面积也可以取决于所期望的过滤效率，该过滤效率可以根据本发明的教导而在低至约20％直到100％效率的范围内变化。

图6是图5的局部放大图并示出了织造介质的褶式布置。在不同的实施方案中，过滤件构造成具有至少约150个褶，并且可以包括约175个褶，甚至大于约200个褶，这取决于过滤组件20和发动机的尺寸和构造。褶之间的距离D将取决于褶的高度H和期望的角度α。优选具有使峰到峰的距离D最大化的褶组合几何结构。在多种目前优选的布置中，褶式过滤件32具有约170个高度约0.5英寸、角度α约22度的褶。

图7示出了根据本发明教导的凸缘端板40的平面图。图8是图7的截面图，而图9是图8的局部放大图。端板40优选包括具有内和外直立壁52、54的基底部分50，该内和外直立壁52、54配置来形成连接并固定过滤件32的第二端34的开口56。内直立壁52限定孔58，使得过滤后的废气可以流过该孔58而到达出口。基底50的外边缘限定凸缘60，该凸缘60配置来将端板40固定至出口壳体26。凸缘60可以设置有适当的孔(未示出)以使端板40可以与壳体26进行机械固定。

图10示出了根据本发明教导的端帽38的平面图。图11是图10的截面图，以及图12是图11的局部放大图。端帽38优选包括配置来防止废气流通过的基底部分60。基底部分60包括内和外直立壁62、64，该内和外直立壁62、64限定连接并固定过滤件32的第一端34的开口66。一旦组装，在多个实施方案中，内芯件30就可以固定在端板40和端帽38的相应内直立壁52、62之间，如图3中进行了最佳图示。在优选的实施方案中，端帽38和端板40由不锈钢或相当的高强度非腐蚀性材料制成。

在多种实施方案中，本发明教导的柴油机颗粒过滤组件通过二次喷射装置再生以便燃烧所述过滤件内捕获的积聚的颗粒物质。因此，过滤组件20的每一个部件都是非常耐高温的。一种常用的再生方法是将引入的废气加热至适合于燃烧和烧尽所述积聚的颗粒物质的温度。

通常，在将燃料从燃料喷射阀喷射到相应的燃烧室中时，进行后燃料喷射或燃料喷射正时的延迟，或者作为替代方案，与为废气过滤系统的正常操作周期设定的打开节流阀的正常程度相比，打开节流阀的程度降低。这样，引入的废气的温度增加，这是因为燃烧能的一部分被转化为热能而不是由于例如点火正时延迟而导致的以旋转驱动力转化。因此，引入了较高温度的废气。类似地，当节流阀的打开程度与节流阀的正常打开程度相比降低时，引入的空气的流速降低，并且供应到发动机的相应燃烧室中的气体的热容量降低并且废气温度增加。还应当注意，可以提供多个再生装置，并且可以基于发动机的操作状态使用一个合适的再生装置。另外，燃烧器或加热器还可以用来代替再生装置或者与再生装置一起使用。本发明的独特过滤件组件配置来以少于约3％的再生燃料损失进行操作。

本领域已知许多方法可以用来确定在过滤件中收集的颗粒的量以及什么时候需要再生。一种用来确定颗粒过滤器负载状态的常用方法是监控废气系统中的背压。典型的方法可以包括使用差压传感器来确定过滤组件的背压。差压传感器测量过滤组件的上游侧与过滤组件的下游侧之间的压力差。通常，信号被发送至控制器，例如控制废气再循环(EGR)阀的发动机控制单元(ECU)。虽然背压本身并不总是代表对于具体负载状态而言的合适标准，这是因为在炭烟层中存在的任何孔洞事实上都很可能导致相对低的背压，而这会错误地显示负载状态过低，但是仍然可以通过监控背压来提供在确定负载状态方面的额外确定性。

虽然温度单独可能不代表对于再生用途的燃料的有效二次喷射而言的合适标准，但应当理解，在每一种情况下的燃料的二次喷射或后喷射都用于通过在特定的废气温度范围内发生的放热反应来实现提高废气温度的目的。因此，可以在过滤组件的出口处布置废气温度传感器和空燃比传感器，以用作另外的感测装置来将数据提供给用于确定适当的再生时间的控制器。作为替代方案，可以进行设置，使得再生之间的时间不超过阈值。类似地，再生时间的再激活可以基于预定因素，这取决于发动机的使用。

Claims

1.一种无源柴油机颗粒过滤组件，包括：

壳体单元，限定具有入口和出口的过滤室；

圆筒形内芯件，设置在所述过滤室中；

褶式圆筒形过滤件，具有第一和第二相反端并包围所述内芯件；

端帽，连接至所述过滤件的第一端并配置来防止废气流通过；和

端板，连接至所述过滤件的第二端并配置来将所述过滤件固定至所述壳体单元；

其中，所述过滤件包括织造金属纤维介质。

2.根据权利要求1所述的过滤组件，其中，所述过滤件包括具有约2至约15μm的平均孔隙度的织造烧结金属纤维。

3.根据权利要求1所述的过滤组件，其中，所述过滤件由选自镍-铬-铁合金和不锈钢的材料制成。

4.根据权利要求1所述的过滤组件，其中，所述过滤件包括具有外层和内层的双层层合织造材料。

5.根据权利要求4所述的过滤组件，其中，所述外层具有外孔隙度而所述内层具有不同于所述外孔隙度的内孔隙度。

6.根据权利要求5所述的过滤组件，其中，平均外孔隙度为约7至约15μm而平均内孔隙度为约2至约7μm。

7.根据权利要求1所述的过滤组件，其中，所述壳体单元包括连接至出口壳体的入口壳体。

8.根据权利要求1所述的过滤组件，配置来以小于约3％的燃料损失进行操作。

9.根据权利要求1所述的过滤组件，具有约0.5g/l至约4g/l的炭烟负载能力。

10.根据权利要求1所述的过滤组件，进一步包括至少一个焊接带，所述焊接带圆周地设置在所述过滤件的周围并配置来将所述过滤件固定至所述内芯件。

11.根据权利要求1所述的过滤组件，其中，所述过滤件包括至少150个褶并具有大于约7平方英尺的表面积。

12.根据权利要求1所述的过滤组件，构造为使得柴油机废气从所述入口进入所述过滤室中并向内通过所述圆筒形过滤件到达所述内芯件的内部并从所述出口排出。

13.一种无源柴油机颗粒过滤组件，包括：

壳体单元，限定具有入口和出口的过滤室；

穿孔圆筒形内芯件，设置在所述过滤室内；

褶式圆筒形过滤件，包括包围所述内芯件的双层织造烧结金属纤维介质并具有第一和第二相反端，其中最内层具有约2至约7μm的平均孔隙度而最外层具有约7至约15μm的平均孔隙度；

凸缘端板，连接至所述过滤件的第二端并配置来将所述过滤件固定至所述壳体单元；

其中，所述过滤组件配置来使得柴油机废气从所述入口进入所述过滤室中并向内通过所述双层过滤件到达所述内芯件的内部并从所述出口排出。

14.根据权利要求13所述的过滤组件，配置来以小于约3％的燃料损失进行操作。

15.根据权利要求13所述的过滤组件，其中，所述织造烧结金属纤维介质由选自镍-铬-铁合金和不锈钢的材料制成。

16.根据权利要求13所述的过滤组件，其中，所述过滤件包括至少150个褶并具有大于约7平方英尺的表面积。

17.一种用于柴油机的废气过滤系统，包括：

无源柴油机颗粒过滤组件，包括限定具有圆筒形内芯件的过滤室的壳体单元，所述圆筒形内芯件被双层织造烧结金属纤维介质包围，其中，所述金属纤维介质的最内层具有约2至约7μm的平均孔隙度而所述金属纤维介质的最外层具有约7至约15μm的平均孔隙度；和

二次喷射组件，连接至所述壳体单元并配置来选择性地将柴油机废气加热到适合于所述无源柴油机颗粒过滤器再生的温度。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述织造烧结金属纤维介质由选自镍-铬-铁合金和不锈钢的材料制成。

19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述过滤组件配置来使得柴油机废气进入所述过滤室中并向内通过所述双层过滤件到达所述内芯件的内部并通过所述出口排出。

20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述二次喷射组件配置来以约3％的最大燃料损失再生负载后的过滤组件。