CN101460718B - 具有改进的过滤效率的旁通过滤器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旁通过滤器(1)，包括由至少一个形成结构的壁层(3)和一过滤层(4)构成的多个流道(2)，其中至少在大部分所述流道(2)中设置有突出的导向叶片(5)以及由壁层(3)形成的、通向另一流道(2)的通路(6)，其中所述通路(6)具有渐缩的横截面(7)，所述横截面(7)的渐缩部分(8)朝向相邻的导向叶片(5)取向。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括多个流道的旁通过滤器，所述流道由至少一个形成结构的壁层和一过滤层构成。这种所谓的旁通过滤器与具有在交替的侧部完全封闭的流道的过滤器不同。这种旁通过滤器的特别的应用领域是机动车辆的排气后处理领域。
背景技术
由例如德国实用新型No.201 17 873公开了一种旁通过滤器，其中该文中描述为“开放的”过滤器体具有形成结构的薄板和光滑的过滤层。该薄板具有多个具有叶片高度的叶片，该叶片分别形成带有叶片入口和叶片出口的通路，其中叶片入口和叶片出口设置成彼此成一角度。该文中描述的过滤器体的特别之处在于，叶片高度为结构高度的100％到60％之间，其中确保至少20％的流动自由度。所示的流动自由度表明，这里不是封闭过滤器的概念，而是实现了一种旁通过滤器。在叶片构型方面还公开了，将叶片有利地设置在交替侧并且取向相同。在交替侧是指叶片位于相邻的结构末端(Extrema)，其中，该叶片朝向薄板的不同侧突出。在此处取向相同是指叶片的通路开口都处于相同的过滤器体的轴向方向。
如WO 2005/099867 A1所述，根据这种过滤器体的改进方案，应当使向叶片的入流经过倾斜的导向叶片。在移动式内燃机系统中，这特别是起到减小过滤器体被排气穿流时的压力损失的作用。
在该文中提出的过滤器体已实现了相当大的转化率，同时可形成较小的压力损失。然而，特别是考虑到满足将来的法规，希望提高这种旁通过滤器的效率。这里应当同时保持相对于封闭系统压力损失小的优点。
发明内容
以此为基础，本发明的目的在于提供一种旁通过滤器，该旁通过滤器至少部分地解决或减弱现有技术中存在的技术问题。特别是提出一种旁通过滤器，该旁通过滤器在转化排气所含的有害物质方面的效率得到改善，其中正是改善了对排气所含的颗粒的捕集和必要时的氧化。同时应保持该旁通过滤器可经济地制造，其中旁通过滤器还应当可持续地承受移动式内燃机的排气系统内的高热载荷和高动力学载荷。
所述目的由具有权利要求1或权利要求3的特征的旁通过滤器实现。有利的实施形式或变型由各从属权利要求得到。应当指出，在权利要求中单独提出的特征可以任意地以技术上适当的方式相互组合并得到另外的本发明的实施形式。
旁通过滤器包括由至少一个形成结构的壁层和一过滤层构成的多个流道。至少在所述流道中的大部分中设置有突出的导向叶片，以及在壁层中形成有通向另一流道的通路。这里所述通路具有渐缩的横截面。所述旁通过滤器的突出之处在于，所述横截面的渐缩部分朝向相邻的导向叶片取向。
旁通过滤器特别是指一种过滤器体，其中所处理的排气能够(理论上)沿一路径流动而不会穿过过滤层。因此旁通过滤器与其中流道在一侧完全封闭而所有排气必须不可避免地流过多孔壁的“封闭”式过滤器的原理不同。此处例如由这样的设想出发：旁通过滤器具有基本上分离的流道，虽然所述流道能够相互连通或进行流动交换。对于旁通过滤器的这种构型，形成有通向相邻的流道的通路。所述通路通常由壁层形成，其中这借助于对壁层穿孔和/或使壁层变形来实现。
形成结构的壁层有利地由气密性材料制成，例如金属或陶瓷，其中金属壁层是优选的。对于壁层由金属制成的情况，该壁层优选是至少部分呈波纹状的金属薄板。对于过滤层优选丝网(例如无纺织物等)，其中优选以与壁层相同的或在某种条件下相似的材料制成。在过滤器体的非螺旋状的结构中，通常这样规则地相互设置多个壁层和多个过滤层，使得所述层共同地分别限定多个流道。壁层和过滤层可连接地这样缠绕或卷绕，使得具有任意横截面的旁通过滤器能够装入壳体中。
在流道内通过设置导向叶片形成流动障碍，从而在该导向叶片上游形成速滞压力/背压。该速滞压力导致，穿流过流道的气流的相当大的一部分穿流过滤层。如果气流能够从相应的通路逸出到一压力较小的流道，这种速滞压力被减小。
这里发现，所述通路的构型或取向在净化作用方面具有显著的影响。因此根据本发明提出，所述通路具有渐缩的横截面，其中所述横截面的渐缩部分朝向相邻的导向叶片取向。换言之，所述横截面的渐缩部分朝向使通路附近产生速滞压力的导向叶片取向。通常，通路沿流道的方向延伸几毫米的距离。在迄今已知的布置中，最大的横截面总是朝向导向叶片取向。这导致速滞压力不连续地/陡然减小，所以在过滤层的覆盖相邻流道部分的区域内不能够建立任何显著的颗粒的累积。通过以扩大横截面的方式改变通路的布置，从而可以利用在导向叶片附近区域内的过滤层。最初试验显示，这里可使效率提高近10％。因此，实现了对过滤层的更均匀加载，另外降低了部分排气流在不经过过滤层的情况下穿过旁通过滤器的可能。
在这种情况下特别有利的是，所述渐缩的横截面的面积为0.8mm2至18mm2。特别地非常有利的是，在流道宽度范围为1mm至2.5mm时，所述面积的范围是1mm2至7mm2。因此非常清晰地显示出，这里可以是较大的面积，该面积特别是不会在工作中被污物和/或颗粒阻塞。由此确保了，旁通过滤器即使在不希望的工作条件下也持续地保持压力损失低的特性。
根据本发明的另一方面，提出的旁通过滤器包括多个相邻设置的流道，所述流道由至少一个形成结构的壁层和一过滤层构成。这里，至少在大部分流道中设置有带有入流面/迎流面(Anstr
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che)的导向叶片。该旁通过滤器的突出之处在于，在相邻的流道中相互偏置的导向叶片设置成具有取向相同的入流面。
这种旁通过滤器特别是用于形成上述的、具有通路的横截面渐缩的部分的旁通过滤器。因此，在这方面可参照上文中的壁层、过滤层、流道以及导向叶片的布置。
这里，另外的特征还有，导向叶片具有入流面。该入流面布置成基本上朝向流道或者说朝向流道轴线倾斜。这里提出，这些直接相互偏置设置的导向叶片的入流面取向相同，其中，这优选是指旁通过滤器的所有的导向叶片。换言之，这是说例如，以与排气的主流动方向相同的倾斜角度布置入流面。这里，不一定要求入流面本身具有同样的倾斜角度，但所有入流面应相对于主流动方向取向一致。也就是说，导向叶片规则地设置成，使得流入的排气对于所考虑的叶片撞上入流面的伸入流道中最远的区域(“叶片端部”)，并且对于相邻的叶片，首先撞上邻近壁层的区域(“根端”)或相反(所谓“交替布置”)。导向叶片的这种入流面取向相同的布置致使，这样形成的通路具有渐缩的横截面，其中该横截面的渐缩部分指向相邻的导向叶片取向。因此在导向叶片的这种具体的布置中，可以实现上述的与保持这种导向叶片的上游的速滞压力相关的正面效果。
根据一种有利的改进形式，通路设计成带有设置在相邻的流道中的导向叶片，该导向叶片具有入流面，其中相互偏置的导向叶片设置在壁层的相邻的末端中。换言之，这是指(例如在壁层的规则波纹结构中)相互偏置设置的导向叶片设置在一波峰与一相邻的波谷内。这里，所述导向叶片有利地沿相反的方向延伸，其中，设置在波谷内的导向叶片向上延伸而设置在波峰内的导向叶片向下延伸。由于波纹层在这些区域内的凹陷或者为了形成导向叶片，为通路形成横截面的渐缩部分。在这种情况下有利的构型是，其中在相邻的末端内的导向叶片设计成相对于各流道基本对称，然而这不是必须的。
根据旁通过滤器的另一种改进方案，其中为通路形成有带有入流面的导向叶片，该入流面设计成与流道轴线成直到45°的角度。这里特别优选的是，在流道宽度直到2.5mm的情况下，入流面的角度在5°到20°的范围内。该角度特别是涉及到入流面相对于穿流旁通过滤器的排气流动方向的倾斜。
另外还提出，在一旁通过滤器中，其中为通路设置有具有入流面的导向叶片，入流面的长度设计成3mm至8mm。特别是非常有利的是，该入流面的长度在4mm至6mm的范围内。
这里显而易见的是，在选择导向叶片的入流面的角度和长度时，要考虑到壁层的结构高度和结构长度。通常，首先，波纹高度或流道宽度应当在1-5mm的范围内，特别是在1-2.5mm之间。在实施时进一步有利地确保，流道的总横截面有利地不被这种导向叶片封闭，然而在考虑到导向叶片的形状的情况下该叶片可以在波纹的整个高度上延伸。
根据旁通过滤器的另一种实施形式，其中，所述通路由具有入流面的导向叶片形成，其特征在于，所述入流面的高度为流道宽度的50％到100％。有利地，该高度在(流道宽度的)70％至100％的范围内。
在一旁通过滤器内，其中，所述通路由具有入流面的导向叶片形成，有利的是，相邻的导向叶片沿流道轴线方向偏置至少10mm。这里，该偏置基本上表征出这种导向叶片上游的分区的特征，其中保持了希望的速滞压力，从而使在该处流动的排气的尽可能大的部分穿过过滤层。特别优选的是，该偏置量在10mm至20mm之间。在偏置量更大的情况下，在该流道内布置的导向叶片的数量可较小，这又在某些条件下会导致效率降低。
另外提出，在一流道中设置至少6个导向叶片。特别是非常优选的是，设置成每个流道具有至少10个或甚至14个导向叶片。通过在流道内设置足够大量的导向叶片，可使从过滤层旁边流过的排气在下一个(可能穿过过滤层)的机会中被迫穿过过滤层的可能性显著提高。
根据旁通过滤器一种改进方案，形成结构的壁层是金属薄板，过滤层是金属丝网。对于金属薄板应当指出，优选由耐高温并防腐蚀的金属制成，特别是包含合金元素铬和铝。所述丝网优选包括(随机地或规则地)形成丝网的、特别是焊接在一起的多个金属丝。
另外提出，多个包括壁层和过滤层的板设置成在壳体中彼此连接。这特别是指分别包括形成结构的壁层和基本上光滑的过滤层的板的S形布置。尽管如此，板的堆叠式(直线延伸)或螺旋形的布置也是可行的，因此不应当限制旁通过滤器的具体实施形式。尽管如此，S形或堆叠式的布置的优点在于，可以使板或者说壁层和过滤层的所有端部都利用连接技术例如通过钎焊或焊接与壳体相连接。因此确保了各板彼此之间以及板与壳体之间的可靠连接。
另外提出一种旁通过滤器，其中至少是壁层或过滤层的至少一个分区包括催化活性涂层。这里特别有利的一种实施形式是，其中，在旁通过滤器的部分容积内的壁层和过滤层具有催化活性涂层。催化活性涂层优选包括稀有金属催化剂，该催化剂例如用于氧化排气所含的有害物质。这种稀有金属催化剂为例如铂、铑或钯。
这种旁通过滤器的优选应用领域是移动式内燃机的排气后处理领域。因此提出一种具有上述根据本发明的旁通过滤器的车辆排气系统，以及具有这种旁通过滤器的车辆。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明及背景技术。这里，附图示出了本发明的特别优选的实施形式，本发明不限于这些实施形式。附图中：
图1示出带有构成通路的导向叶片的、形成结构的壁层的透视图，
图2示出图1中示出的壁层以及过滤层和各种部分排气流，
图3详细示出旁通过滤器的另一实施形式的剖视图，
图4示出另一实施形式的旁通过滤器的侧示图，
图5示出根据本发明的旁通过滤器的另一实施形式的剖视图，以及
图6示出带有旁通过滤器的机动车辆。
具体实施方式
图1示意性地示出壁层3的一部分的剖视图，该壁层由金属薄板17形成。金属薄板17具有基本上规则的波纹形状，该形状带有彼此相邻的末端10，该末端以波峰35和波谷36的形式形成。这种波纹结构或流道2设计成流道宽度15具有基本上相同的大小。流道2基本上相互平行，并沿流道轴线12延伸。
在一种简单的波纹结构中，排气沿流道2层流地流过。为使穿流过流道2的排气转向，提出借助于多个导向叶片5形成转向。在此处示出的实施形式中，布置于波峰35中的导向叶片5被向下压，而基本上设置在波谷36中的导向叶片5向上翻转。导向叶片5的形状特征基本上由入流面9代表，其中在该入流面的出口处可以设置领口式的、接近于部分圆柱形的部分。导向叶片的其它具体的结构的细节可参见开头所述的德国实用新型No.201 17 873。通过该导向叶片5隔断了流道2的横截面的大部分，从而实现了流经该处的排气的转向。导向叶片5建立了穿流阻力，使得在该导向叶片5或入流面9前方形成相应的速滞压力。为确保强烈的流动转向以及由此确保有效的排气净化，有利的是，将导向叶片设计成具有10mm到20mm的偏置量16。
对于导向叶片5的构型特别有益的是，彼此偏置地设置在相邻的流道2内的导向叶片5的入流面9的取向相同。换句话说，对于图1所示的示图，更加靠左方的导向叶片5具有入流面9，该入流面的取向从左下方向指向右上方。在相邻的流道2内与之相偏置地布置的导向叶片5具有相同的取向，也就是说从左下方向指向右上方。如果仅考虑被向下压的导向叶片5，则这分别形成用于相邻的流道的通路6，该通路具有渐缩的横截面。通过使导向叶片5的入流面9具有相同的取向，横截面的渐缩的部分指向相邻的导向叶片5。下面参照图2示出这种布置的作用。
为此，图2示出了与图1中的壁层3相同的布置。另外示出了过滤层4的部分区域，所述过滤层基本上放置在壁层3的波峰上。对于流道2，由相应的箭头示例性地示出流动条件。流入流道2的排气撞到导向叶片5，而该导向叶片却形成了流动阻力。这使上游的流道区域中产生速滞压力，该速滞压力造成排气的大部分穿过过滤层4，这种流动由标志过滤流24的箭头示出。旁通过滤器1不仅实现了过滤流24，而且允许一部分排气流从旁边流过，其中，一方面经过导向叶片5本身，这被称为支路流25，另一方面从流道2经由通路6向相邻的流道溢出(所谓的旁通流26)。通过根据本发明说明的通路6或指向相同的入流面9的构型，能够在较大的流道区域内维持速滞压力，其中同时保持相邻的导向叶片的间隔或偏置量。这使得这种旁通过滤器的效率惊人地升高。
图3中再次示意性地示出旁通过滤器1的以剖面表示的另一实施实施形式的局部。其中示出了一由形成结构的金属薄板17和丝网18界定出的流道2。示出的金属薄板17具有导向叶片5，该导向叶片具有入流面9。入流面9优选与流道轴线12成角度11，该角度的范围有利地是5°到25°，其中该入流面9的长度13的范围为4mm到8mm，因此最终高度14的范围为流道宽度15的70％到100％。因此，流道横截面明显变窄了，使得否则会沿流动方向27流动的排气转向。逆着流动方向27，也就是说在导向叶片5上游设置有通向相邻的流道的通路6。该通路6，例如由相应的设置于波峰上的导向叶片形成，具有渐缩的横截面7，其中横截面7的渐缩部分8取向为朝向相邻的、在右侧示出的、沿流动方向27位于后面的导向叶片5。有利地，通路6和相应的导向叶片5被不超过10mm、优选在2mm到6mm的范围内的延伸部34间隔开。
使通路6的渐缩部分8朝向所示的导向叶片5取向致使，在导向叶片5上游建立的速滞压力仅“缓慢地”降低，从而可利用丝网18的较大区域来过滤排气。因此实现旁通过滤器的效率显著升高。
图4示出旁通过滤器1的端面示意图。该旁通过滤器包括多个板19，该多个板分别包括用于形成多个流道2的壁层3和过滤层4。所述板至少部分地以大致的S形相互卷绕并在其端部通过接合技术连接特别是焊接在壳体20上。通过在两端固定板19，实现了特别稳定的旁通过滤器1，该旁通过滤器可承受高的热交变载荷和动力学交变载荷。
图5示出旁通过滤器1的另一种实施形式的剖面图。旁通过滤器1包括多个板19，该多个板分别包括用于形成多个流道2的壁层3和过滤层4，该旁通过滤器又设置在壳体20内。沿流动方向27流动的排气首先撞到在左侧示出的端面28，被分成多个部分排气流，并流过流道2。由于设置在流道2内的导向叶片5具有相应地取向的入流面9而使部分排气流偏转，从而驱使所述部分排气流穿过过滤层4，其中并未完全封闭流道2。
在所示的实施形式中，旁通过滤器1设置有分区21，其中在该分区内所述壁层和过滤层设置有催化活性涂层22。特别优选的是，所述涂层22包括稀有金属催化剂，从而可在此处例如根据“连续再生捕集器”(CRT)技术形成二氧化氮，该二氧化氮在旁通过滤器1的后面的分区内即使在约600℃的低温下也会促进所捕集的炭黑颗粒转变成二氧化碳。
最后，图6示出具有如上所述的旁通过滤器1的车辆30。内燃机32(特别是汽油机或柴油机)根据发动机控制器31产生成分不同的排气，所述排气流过排气系统23。在所示的示例中，排气首先经过用于形成二氧化氮的氧化催化器29，然后进入设置在下游的旁通过滤器1，其中捕集并借助于之前产生的二氧化氮转化炭黑颗粒。然后，在排气被最终排放入环境之前，排气可流入另一排气处理单元32，从而转化排气中的其它有害成分。
所提出的旁通过滤器的构型使效率显著提高。
附图标记列表
1 旁通过滤器
2 流道
3 壁层
4 过滤层
5 导向叶片
6 通路
7 横截面
8 渐缩部分
9 入流面
10 末端
11 角度
12 流道轴线
13 长度
14 高度
15 流道宽度
16 偏置量
17 金属薄板.
18 丝网
19 板
20 壳体
21 分区
22 涂层
23 排气系统
24 过滤流
25 支路流
26 旁通流
27 流动方向
28 端面
29 氧化催化器
30 车辆
31 发动机控制器
32 内燃机
33 排气处理单元
34 延伸部
35 波峰
36 波谷
Claims (12)
1.一种旁通过滤器(1)，包括由至少一个形成结构的壁层(3)和一过滤层(4)构成的多个相邻设置的流道(2)，其中至少在大部分所述流道(2)中分别设置有带有入流面(9)的多个导向叶片(5)，该入流面用以在这些导向叶片(5)的前方形成速滞压力，该导向叶片(5)形成通路(6)，该通路允许一部分排气流向相邻的流道溢出以及从过滤层(4)的旁边流过，其特征在于，在相邻的流道(2)中在流动方向(7)上相互偏置的导向叶片(5)设置有取向相同的入流面(9)，相邻的流道(2)由相同的形成结构的壁层(3)构成。
2.根据权利要求1所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，相互偏置的导向叶片(5)设置于壁层(3)的相邻的末端(10)中。
3.根据权利要求1或2所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，所述入流面(9)相对于流道轴线(12)成直到45°的角度。
4.根据权利要求1或2所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，所述入流面(9)的长度(13)为3mm到8mm。
5.根据权利要求1或2所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，所述入流面(9)的高度(14)为流道宽度(15)的50％到100％。
6.根据权利要求1或2所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，相邻的导向叶片(5)沿流道轴线(12)的方向的偏置量(16)至少为10mm。
7.根据权利要求1或2所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，在一个流道(2)中设置至少6个导向叶片(5)。
8.根据权利要求1或2所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，所述形成结构的壁层(3)是金属薄板(17)，过滤层(4)是金属丝网(18)。
9.根据权利要求1或2所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，多个包括壁层(3)和过滤层(4)的板(19)设置成在壳体(20)中彼此卷绕。
10.根据权利要求1或2所述的旁通过滤器(1)，其特征在于，至少是壁层(3)或过滤层(4)的至少一个分区(21)包括催化活性涂层(22)。
11.一种车辆(30)的排气系统(23)，包括根据上述权利要求中任一项所述的旁通过滤器(1)。
12.一种车辆(30)，包括根据权利要求1至10中任一项所述的旁通过滤器(1)。
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