CN101539046A - 带有流动装置的微粒物过滤器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有流动装置的微粒物过滤器组件。提供一种微粒物(PM)过滤器组件，包括PM过滤器和旋流元件，该PM过滤器从排气流中过滤PM并且包括面向排气流的第一流向的入口面，该旋流元件布置在排气流中并且包括叶片，该叶片沿不同于第一流向的第二流向引导一部分排气流。叶片引导该部分排气流以使排气流分布在PM过滤器的入口面的正面面积上。还提供一种从排气流中过滤微粒物的相关方法。

Description

带有流动装置的微粒物过滤器组件
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2008年3月21日提交的美国临时申请No.61/038,501的权益。上述申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
[0002]本发明涉及车辆排放，并且尤其涉及微粒物过滤器组件。
背景技术
[0003]此处的背景技术描述是为了大概介绍本发明的背景。
[0004]柴油机在有空气存在的情况下燃烧柴油以产生动力。柴油的燃烧会产生包含微粒物的排气。使用柴油机微粒物过滤器(DPF)可以从排气中过滤微粒物。随着时间的过去，微粒物会积存在DPF内，从而会限制流过DPF的排气流量。通过称为再生的过程可去除堆积在DPF内的微粒物。在再生期间，将DPF内的微粒物烧掉。
[0005]例如，可以通过向DPF上游的排气流中喷射燃料来完成再生。还可以在排气流中布置一个或多个催化转化器，燃烧所喷射的燃料。由催化转化器引起的所喷射燃料的燃烧会产生热量，由此升高排气温度。排气温度的升高会促使积存在DPF内的微粒物燃烧。
[0006]柴油机产生的排气还包含气态化合物，例如氮氧化物(NOX)，并且可以进行处理以降低气态化合物的排放。例如，可以使用选择性催化还原(SCR)系统来降低NOX化合物的排放，该SCR系统向排气中喷射氨化合物。
发明内容
[0007]在一种形式中，本发明提供一种微粒物(PM)过滤器组件，其包括PM过滤器和旋流元件，所述PM过滤器从排气流中过滤PM并且包括面向排气流的第一流向的入口面，所述旋流元件布置在排气流中并且包括叶片，该叶片将一部分排气流沿不同于第一流向的第二流向引导。
[0008]在一个例子中，本发明提供一种PM过滤器组件，其包括PM过滤器、入口管、膨胀管和旋流元件，所述PM过滤器从排气流中过滤PM并且包括面向排气流的第一流向的入口面，所述入口管将排气流供给PM过滤器而且包括第一端和处于第一端下游的第二端，其中，所述第二端限定排气流的第一流动面积，所述膨胀管布置在入口管和PM过滤器之间并且限定邻接入口面的空腔，所述膨胀管包括连接到第二端的第三端和邻接入口面的第四端，其中，所述空腔在第四端处大于在第三端处，所述旋流元件布置在第二端中并且伸入所述空腔中，所述旋流元件包括多个叶片，这些叶片安置成围绕第一轴线成若干旋转角，其中，第一流动面积小于入口面的正面面积(frontal area)，并且，其中各叶片都将一部分排气流沿不同于第一流向的多个第二流向之一引导以使排气流分布在正面面积上。
[0009]在另一种形式中，本发明提供一种过滤微粒物的方法，其包括下列步骤：提供具有在第一流向上的第一流动面积的排气流；提供从排气流中过滤PM的PM过滤器，该PM过滤器包括面向所述第一流向且具有比第一流动面积更大的正面面积的入口面；以及通过将一部分排气流沿不同于第一流向的第二流向引导而将排气流分布在入口面的正面面积上，其中，分布排气流的步骤还包括在排气流中布置将一部分排气流沿第二流向引导的叶片。
[0010]从本文提供的详细描述中将更明显地看出本发明的更多适用范围。应当理解，本描述和特定例子只是起到举例的作用，而不意图限制本发明的范围。
附图说明
[0011]通过详细说明和附图将更完整地理解本发明，其中：
[0012]图1是依照本发明原理的示例性发动机和排气系统的原理框图；
[0023]图2是依照本发明原理的示例性微粒物过滤器组件的剖视图；
[0033]图3是依照本发明原理的示例性旋流元件的立体图；
[0015]图4是图3所示旋流元件的正视图；
[0016]图5是图3所示旋流元件的侧视图；以及
[0017]图6是图3所示旋流元件的分解图。
具体实施方式
[0018]下列描述本质上仅仅是示例性的，并且决不意图限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，附图中将使用相同的附图标记表示相似的元件。
[0019]参照图1，示出用于机动车的示例性发动机和排气系统100的原理框图。发动机和排气系统100可以包括柴油机系统102。尽管示出的是柴油机系统102，但本发明也适用于汽油机系统、均质充气压燃式发动机系统和/或其它发动机系统。
[0020]柴油机系统102包括发动机104和排气系统106。发动机104燃烧空气和柴油的混合物以产生动力(例如转矩)。空气燃料混合物的燃烧产生高温排气，其可以从发动机104排出进入排气系统106。发动机产生的高温排气会包含气态化合物和微粒物的混合物，该混合物进入排气系统并且在排出排气系统106之前在其中进行处理。
[0021]排气系统106可以包括排气歧管组件108、中间管组件110、微粒物(PM)过滤器组件112和消声器组件114。排气系统106还可以包括排气再循环(EGR)组件(未示出)，该组件将一部分排气再循环回到发动机104。排气歧管组件108、中间管组件110、PM过滤器组件112和消声器组件114可以通过一系列法兰接头116或任何其它适当的方法如通过焊接而连接在一起。
[0022]发动机104产生的排气流过排气歧管组件108，经中间管组件110流到PM过滤器组件112。离开PM过滤器组件112的排气流过消声器组件114并且通过尾管118排入大气。中间管组件110可包括排气后处理系统，例如但不限于柴油机氧化催化剂(DOC)组件和选择性催化还原(SCR)组件。可加入DOC组件以氧化微粒物，例如排气中的碳氢化合物和/或碳氧化物。可加入SCR组件以向排气中喷射氨或尿素并且由此降低排气中的NOX排放。
[0023]PM过滤器组件112将微粒物从流过PM过滤器组件112的排气中过滤出。在称为加载的过程中微粒物会积存在PM过滤器组件112内，并且由此限制流过PM过滤器组件112的排气流量。通过称为再生的过程可以去除积存在PM过滤器组件112内的微粒物。在再生期间，排气所带的热量被用来燃烧存在于PM过滤器组件112之中的微粒物。DPF组件和再生过程的详述可以在2005年11月22日提交的共同转让的美国专利申请No.11/233,450中找到，其通过引用并入本文。
[0024]参照图2，示出了依照本发明原理的示例性微粒物过滤器组件112的剖视图。PM过滤器组件112包括壳体120、整体式过滤器组件122和旋流元件124。壳体120包括容纳着过滤器组件122的中段130。壳体120还包括位于过滤器组件122的入口面134附近的进口段132和位于过滤器组件122的出口面138附近的出口段136。
[0025]进口段132可定位在过滤器组件122的上游以将过滤器组件122流体连接到中间管组件110。例如，进口段132可包括入口管142和膨胀管144。入口管142把离开中间管组件110的排气传送到膨胀管144。因此，入口管142可包括通过法兰148连接到中间管组件110的第一端146和伸入膨胀管144中的第二端150。入口管142大体上为直的，如图所示(图2)。因此，入口管142具有圆柱形内壁151。
[0026]膨胀管144将离开入口管142的排气传送到过滤器组件122。更具体地说，膨胀管144将离开入口管142的排气传送到过滤器组件122的入口面134。在一种典型布置中，入口管142的第二端150可限定开口部分152，该开口部分的横截面积小于入口面134的迎接排气的正面面积153。因此，膨胀管144具有用于容纳入口管142第二端150的窄端154和与窄端154相对的、邻接过滤器组件122入口面134的宽端156。膨胀管144、入口管142和法兰148可以通过任何适当的方式(包括一个或多个焊接点158)而固定在一起。
[0027]出口段136可定位在过滤器组件122的下游以将过滤器组件122流体连接到消声器组件114。例如，出口段136可包括渐缩管160和出口管162。渐缩管160将离开过滤器组件122的排气传送到出口管162。渐缩管160具有邻接过滤器组件122出口面138的第一端164和与第一端164相对的、连接到出口管162的第二端166。第一端164比第二端166大，如图所示。渐缩管160和出口管162可以与中段130一体形成。出口段136还可具有与出口管162合作的法兰168以将PM过滤器组件112连接到消声器组件114。
[0028]过滤器组件122可包括过滤器载体170，该载体限定出一系列从入口面134延伸到出口面138的蜂窝状通道172。每个通道172在其一端被端部塞子174堵住，使得由此形成一系列交替的入口180和出口182。以大体均匀的方式将入口180布置在入口面134的正面面积153上。排气进入过滤器组件122并且在离开过滤器组件122之前被迫通过过滤器载体170的多孔壁184。排气中的微粒物被壁184捕集并且积存从而在通道172中形成沉积物186。过滤器载体170的壁184可由任何适于过滤排气中微粒物的材料制成。例如，壁184可由堇青石或碳化硅材料制成。
[0029]旋流元件124布置在入口管142中的第二端150处并且突入由膨胀管144形成的空腔188中。旋流元件124安置成与过滤器组件122的入口面134相距一距离190。旋流元件124可将进入PM过滤器组件112的排气流192分成流场194。旋流元件124在不同于排气流192流向的流向上提升且引导流场194。旋流元件124将流场194朝着膨胀管144的宽端156沿离开排气流192流向的方向向外引导。旋流元件124还以在旋流元件124的下游形成排气蜗旋或旋流(即涡流)的方式引导流场194。
[0030]通过对进入PM过滤器组件112的排气进行分离、引导和施加旋流，旋流元件124可用来更均匀地将排气流192含有的热量和微粒物分布在过滤器组件122的入口面134上。因此，旋流元件124可用来在加载和再生期间在通道172之间获得更均匀分布的热量和炭烟(即沉积物186)。同样，旋流元件124可用来获得对排气的其它组分的更好分布和混合，例如在旋流元件的上游喷入排气流192中的碳氢化合物和尿素。
[0031]这样，旋流元件124可用来提高PM过滤器组件112的效率。旋流元件124还可用来控制过滤器载体170内的最高温度并且由此提高PM过滤器组件112的可靠性。
[0032]现在参照图3-图5，示出了旋流元件124的示例性实施例。旋流元件124包括一个或多个叶片200，这些叶片围绕轴线202可旋转地安置。例如，旋流元件124可具有四个叶片200，如图所示。这四个叶片200可定位在围绕轴线202的旋转位置上(图3)。每个叶片200可具有大体上相同的大小和形状并且可以通过一个或多个角焊缝204固定在一起。
[0033]旋流元件124还可包括一个或多个辅助翼片(attachmenttab)206，这些翼片可用来将旋流元件124安置并固定在入口管142的第二端150内。当旋流元件124定位在入口管142内时，轴线202会沿着基本上平行于入口管142的内壁151的方向延伸(图2)。本文所用的″基本上平行″是指在正或负十度范围内的平行。
[0034]替换性地，旋流元件124可以安置在入口管内以使轴线202沿着与内壁151成期望角(未示出)的方向延伸。轴线202与内壁151之间的角度可以改变，并且可以是例如在0度和75度之间。轴线202可以定位成与排气流192的中心相距一定距离(即偏置)。替换性地，轴线202可以定位在排气流192的中心处(图2)。
[0035]在上述方式中，旋流元件124可以安置在入口管142内以使轴线202沿着基本上平行于排气流192流向的方向延伸，如图所示(图2)。替换性地，旋流元件124可以安置在入口管142内以使轴线202沿着与排气流192流向成期望角的方向延伸。入口管142中排气流192的流向可以通过发动机和排气系统100的物理试验推定，或者通过计算机方法推定，例如计算流体动力学建模仿真。
[0036]入口管142与膨胀管144合作，以将旋流元件124安置成使得在投影图上轴线202穿过正面面积153的中心。换句话说，入口管142和膨胀管144合作以将轴线202与正面面积153的中心对齐。
[0037]特别参照图4-图5，叶片200可以是薄宽的元件，其包括前缘部210和从前缘部210伸出的后缘部212。前缘部和后缘部210、212可合作以提供叶片200的主表面214，该表面接收一部分排气流192并且提升和引导所得到的流场194。
[0038]前缘部210的形状可以是大体平坦的，并且可沿轴线202与入口管142的内壁151之间的一个方向(即，径向地)延伸，以及沿基本上平行于轴线202的另一个方向延伸。这样，前缘部210可定向成基本上平行于排气流192的流动。前缘部210可包括前边缘216，该前边缘限定在相邻叶片200之间的夹角218。前边缘216大体上为直的并且沿垂直于轴线202的径向延伸。因此，前边缘216沿着横向于排气流192流向的方向延伸。这些前缘部210沿着轴线202邻接，如图所示(图4)。
[0039]后缘部212总体上是为弯曲的形状并且沿离开轴线202的方向从前缘部210延伸。例如，后缘部212包括弯曲的内、外后边缘220、222，该内外后边缘与轴线202形成偏离角224(图5)。偏离角224可以改变，例如可以在0度和75度之间。更特别地，偏离角224可在40度和60度之间。例如，已经发现基本上等于45度的偏离角224是合适的。本文所用的″基本上相等的角″是指在正或负十度范围内相等的角。
[0040]由内后边缘220限定的偏离角224可以大于由外后边缘222限定的偏离角224。换句话说，后缘部212可以围绕轴线202扭曲，这样，内后边缘220就对经过内后边缘220的排气提供比经过外后边缘222的更多的提升。由内、外后边缘220、222限定的偏离角224还可以沿着它们各自的长度方向改变。
[0041]尽管如上所述叶片200可包括前缘部210和后缘部212，但后缘部212也可包括前边缘216。因此，设想叶片200可包括单个弯曲元件(例如后缘部212)。另外，尽管将后缘部212描述成弯曲元件，但后缘部212也可以总体上为平坦的形状并且如上所述地沿离开轴线202的方向延伸。
[0042]叶片200可旋转地围绕轴线202对称布置，这样，相邻叶片200之间的夹角218基本上相等(图4)。例如，在设有四个叶片的情况下，夹角218等于约90度。
[0043]叶片200还可布置成使后缘部212围绕轴线202按相同旋转方向(例如，顺时针或逆时针)延伸，如图3-图4最佳所示。这样，旋流元件124可用来在旋流元件124的下游形成排气螺旋流(即流场194)。
[0044]主表面214限定出正面面积226(图4)和弦长228(图5)。旋流元件124的特征，例如但不限于正面面积226、弦长228和偏离角224，可以进行选择以获得流场194的期望定向流动同时最小化排气流192中的背压。例如，在设有四个叶片200并且偏离角224等于45度的情况下，就可以实现小于两个千帕的压力损失。另外，旋流元件124可以定位在PM过滤器组件112内以获得热量和微粒物在PM过滤器组件112内的期望分布。例如，旋流元件124在入口管142内的位置以及后缘部212与入口面134之间的距离190可以进行选择以获得流场194中的热量和微粒物向入口面134的期望分布。
[0045]辅助翼片206可从叶片200沿垂直方向突出并且可具有滑动配合入口管142内壁151的外表面230。每个叶片200都可具有相应的一个辅助翼片206。这些辅助翼片206可通过任何合适的方式被固定在入口管142的第二端150上。例如，辅助翼片206可被焊接到入口管142。这样，辅助翼片206可用来将叶片200固定地安置在入口管142内。
[0046]现在参照图6，示出了旋流元件124的示例性结构。旋流元件124可包括一对互补元件240、242。元件240、242可以由有适合厚度的任何适合的金属片压制而成。例如，厚度在1.4和1.7毫米之间的409不锈钢金属片被认识是合适的。另外，316不锈钢金属片可用在排气系统106包括DOC组件或SCR组件的情况下，其中，SCR组件向旋流元件上游的排气中喷射碳氢化合物或尿素(即喷入排气流192中)。
[0047]每个元件240、242都可包括通过连接部244、246而连在一起的一对叶片200。连接部244、246与叶片200合作从而分别限定互补槽250、252。这些槽250、252沿着轴线202延伸并且使它们的大小制成可彼此滑动配合。这样，这些槽250、252可用来彼此之间相对滑动地安置元件240、242。元件240、242可以在连接部244、246(例如焊接点204)处焊在一起。
[0048]每个元件240、242还可包括一对辅助翼片206，当沿着轴线202看时，这些翼片从叶片200的外缘按相同旋转方向延伸(例如，顺时针、逆时针)。每个元件240、242包括邻近辅助翼片的间隙槽260、262以便于元件240、242的制造。
[0049]现在，本领域技术人员可以从上面的描述认识到本发明的宽泛教导可以以多种形式实施。因此，尽管本发明包括特定例子，但是本发明的真实范围不会由此受到限制，因为本领域技术人员在研究附图、说明书和所附权利要求书的基础上，将很明显得到其它改型。

Claims (20)

1.一种微粒物过滤器组件，即PM过滤器组件，包括：
PM过滤器，其从排气流中过滤PM并且包括面向所述排气流的第一流向的入口面；和
旋流元件，其布置在所述排气流中并且包括叶片，该叶片沿不同于所述第一流向的第二流向引导所述排气流的一部分。
2.如权利要求1所述的PM过滤器组件，其中，所述排气流具有小于所述入口面的正面面积的第一流动面积，并且其中，所述叶片引导所述排气流的所述一部分以使所述排气流分布在所述正面面积上。
3.如权利要求1所述的PM过滤器组件，其中，所述第一流向和所述第二流向在所述旋流元件的下游形成涡流。
4.如权利要求3所述的PM过滤器组件，其中，所述叶片包括沿所述第二流向延伸的后缘部，并且其中，所述后缘部包括限定第一偏离角的第一边缘和限定第二偏离角的第二边缘，并且其中，所述第一偏离角大于所述第二偏离角。
5.如权利要求1所述的PM过滤器组件，其中，所述旋流元件包括安置成围绕第一轴线成旋转角的多个叶片，并且其中所述多个叶片中的每一个都沿多个第二流向中的一个引导所述排气流的相应部分，并且其中，所述多个第二流向中的每一个都不同于所述第一流向。
6.如权利要求5所述的PM过滤器组件，其中，所述第一轴线平行于所述第一流向。
7.如权利要求5所述的PM过滤器组件，其中，所述叶片沿着所述第一轴线邻接。
8.如权利要求5所述的PM过滤器组件，其中，所述旋转角相等。
9.如权利要求5所述的PM过滤器组件，其中，所述叶片包括围绕所述第一轴线沿相同旋转方向延伸的弯曲后缘部。
10.如权利要求9所述的PM过滤器组件，其中，所述弯曲后缘部包括限定第一偏离角的第一边缘和限定小于所述第一偏离角的第二偏离角的第二边缘，并且其中，所述第一偏离角和第二偏离角小于75度。
11.一种微粒物过滤器组件，即PM过滤器组件，包括：
PM过滤器，其从排气流中过滤PM并且包括面向所述排气流的第一流向的入口面；
入口管，其将所述排气流供给所述PM过滤器且包括第一端和处于所述第一端下游的第二端，其中，所述第二端限定所述排气流的第一流动面积；
膨胀管，其布置在所述入口管和所述PM过滤器之间并且限定出邻接所述入口面的空腔，且该膨胀管包括连接到所述第二端的第三端和邻接所述入口面的第四端，其中，所述空腔在所述第四端处大于在所述第三端处；和
旋流元件，其布置在所述第二端中并且伸入所述空腔中，该旋流元件包括多个叶片，这些叶片安置成围绕第一轴线成旋转角，
其中，所述第一流动面积小于所述入口面的正面面积，并且其中，每个所述叶片都沿不同于所述第一流向的多个第二流向中的一个引导所述排气流的一部分，以使所述排气流分布在所述正面面积上。
12.如权利要求11所述的PM过滤器组件，其中，所述多个叶片包括前缘部和后缘部，所述前缘部沿所述第一流向延伸并且包括安置在所述第二端中的、沿着横向于所述第一流向的方向延伸的前边缘，所述后缘部从所述前缘部沿所述第二流向延伸。
13.如权利要求12所述的PM过滤器组件，其中，所述前缘部沿着所述第一轴线邻接。
14.如权利要求12所述的PM过滤器组件，其中，所述第一轴线平行于所述第一流向。
15.如权利要求12所述的PM过滤器组件，其中，所述旋转角相等。
16.一种过滤微粒物即PM的方法，包括：
提供具有在第一流向上的第一流动面积的排气流；
提供从所述排气流中过滤PM的PM过滤器，该PM过滤器包括面向所述第一流向且具有比所述第一流动面积大的正面面积的入口面；以及
通过沿不同于所述第一流向的第二流向引导所述排气流的一部分，从而将所述排气流分布在所述正面面积上，
其中，所述分布所述排气流的步骤还包括在所述排气流中布置叶片，所述叶片沿所述第二流向引导所述排气流的所述一部分。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述分布所述排气流的步骤还包括在所述叶片下游的所述排气流中形成涡流。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述分布所述排气流的步骤还包括沿多个第二流向引导所述排气流的多个部分，并且其中，所述多个第二流向中的每一个都不同于所述第一流向。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述分布所述排气流的步骤还包括在所述排气流中布置多个叶片，这些叶片沿所述多个第二流向引导所述排气流的所述多个部分。
20.如权利要求16所述的方法，还包括使所述正面面积的中心与所述第一轴线对齐。
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