CN101755108B - 过滤元件 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的过滤元件(100)包括过滤容积(150)，该过滤容积具有限定平均流动方向的流入侧和流出侧。过滤容积(150)具有基本上平行于平均流动方向的轴线，还包括外壳(140)，该外壳沿着平均流动路径的方向限定过滤容积的外界面。外壳(140)在径向是透气的。过滤容积(150)充填有包括纤维的过滤材料(111)，大多数纤维(102)至少部分地包围该轴线。

Description

过滤元件
技术领域
本发明涉及过滤元件和用于形成过滤元件的方法，具体地说，涉及适于从废气中过滤烟灰的过滤元件，例如适于过滤诸如柴油发动机和/或可能的DOC催化剂载体之类的柴油燃烧装置的柴油废气的过滤元件。
背景技术
包括金属纤维的过滤介质在本领域是已知的。例如，WO03/047720披露了一种多层烧结金属纤维过滤介质，用于从柴油发动机的废气中过滤柴油机烟灰。尽管表现令人满意，但是该介质可能有以下缺点：在介质堵塞之前只能保持有限数量的烟灰。对于使用具有较低孔隙率的过滤介质尤其如此。结果，需要进行非常频繁和多次的再生作用，例如通过使用电再生来进行再生(即，引导电流通过介质，引起介质由于焦耳效应而发热)，或者通过将催化化合物喷射入柴油或废气中来进行再生。其它缺点是，该介质效率有限，在介质上显示出较高的压降，且相当昂贵。
WO04/104386中描述了另外一种多层过滤介质，适于过滤诸如柴油发动机之类的柴油燃烧装置的柴油废气。该介质由于其基本上较大的厚度而具有增大的烟灰保持能力。该介质有以下缺点，为了达到该增大的烟灰保持能力，需要大的容量，且在过滤介质上会获得相对较高的压降，在生的(即，未使用的)过滤介质的情况下也是如此。
过滤介质包括金属纤维层，这些金属纤维层借助本领域中已知的空气敷设或湿法敷设方法来提供。纤维层也可称作纤维幅。纤维基本上在平行于幅面的平面上延伸。在每个平面中，纤维具有随机的定向。可供选择的是，在一体形成在过滤元件中之前，多个这种纤维幅堆叠起来以提供所需厚度的纤维幅。
例如在要提供圆柱形过滤元件而该圆柱形过滤元件包括沿其平均流动路径、即圆柱体轴线的多个相邻连续纤维幅时，就要提供多个具有近似厚度的纤维幅。可供选择的是，对纤维幅进行烧结以将纤维结合在幅中和/或增大纤维幅的密度、即孔隙率。从每个纤维幅上切下(例如通过冲切)圆盘。圆盘以正确的顺序堆叠且封闭在圆柱形罩壳中。过滤元件形成为具有位于圆柱形罩壳的两个外端的流入口和流出口，从而限定基本上平行于圆柱形外壳的轴线的流动路径。由于纤维基本上在平行于幅面的平面中延伸，所以过滤元件中的纤维定向成基本上垂直于流动路径。
在外纤维幅、即形成过滤元件的流入侧或流出侧的两个纤维幅未被烧结的情况下，可设置用来防止纤维随设在过滤元件中的气体一起流出圆柱形外壳的装置。这种装置可以是金属丝网或多孔板或片。
切割或冲切操作可能会影响纤维幅的整体性。除非纤维幅经过烧结，已被冲切或切割的纤维幅会丧失其整体性并破裂瓦解。由于可压缩性，在冲切或切割过程中以及在使用过程中，难以一直控制和保持高孔隙率。
发明内容
本发明的目的是提供一种良好的包括过滤介质的过滤元件以及形成和使用该过滤元件的方法。本发明的诸实施例的一优点是，对于给定的孔隙率来说，该过滤介质与包括已知过滤介质的已知过滤元件相比具有增大的透气率。在过滤元件用来过滤废气，例如过滤来自诸如柴油发动机之类的柴油燃烧装置的废气的情况下，过滤介质上减小的压降引起燃烧装置在其排气处经受较小的背压。因此，这会导致诸如柴油发动机之类的柴油燃烧装置具有较低的燃耗和因此较低的工作成本。
根据本发明的一些过滤元件具有纤维，可供选择的是金属纤维，尽管这些纤维没有彼此烧结，但这些纤维不会沿轴向移位。烧结是一个非常耗能和耗时的处理步骤，根据本发明的过滤元件和形成过滤元件的方法具有以下优点，过滤元件可用更加成本经济的方式来形成。
以上目的通过根据本发明的方法和装置来实现。
根据本发明的第一方面，提供一种过滤元件。该过滤元件包括外壳，该外壳限定过滤容积的外界面，该外壳具有限定平均流动方向的流入侧和流出侧。外壳和过滤容积具有基本上平行于平均流动方向的轴线，外壳沿着平均流动路径的方向限定过滤容积的外界面。外壳在径向是透气的。外壳内的过滤容积充填有包括纤维的过滤材料，大多数纤维至少部分地包围该轴线。
根据本发明的一些实施例，过滤容积中的过滤材料中的至少50％的纤维至少部分地包围该轴线。根据本发明的一些实施例，过滤容积中的过滤材料中的至少85％的纤维至少部分地包围该轴线。
术语“包围”应被理解成围绕地经过。因此，“纤维至少部分地包围轴线”是指纤维至少部分地围绕轴线而经过。这可通过将纤维沿着平均流动路径的方向投影到平面AA’上来最佳地看到，该平面AA’垂直于平均流动路径。
纤维沿着平均流动路径在平面AA’(垂直于平均流动路径)上投影而成的投影线并不一定是圆或圆弧，其中心与轴线在该平面AA’上的投影相重合。沿着平均流动路径的方向投影到平面AA’(垂直于平均流动路径)上的最佳匹配线，即最接近地匹配纤维投影线的线，具有其定向至该平面AA’上的轴线投影的凹入侧。
包括纤维(可供选择的是金属纤维)的过滤材料具有70％-99％的孔隙率。与包括相同容积的纤维材料、具有相同孔隙率且用相同纤维形成、但其纤维与垂直于流动路径的平面平行地定向的过滤元件相比，根据本发明第一方面的过滤元件可获得显著增大的透气率。可获得60％以上的增大。在过滤元件用来过滤例如来自诸如柴油发动机之类的柴油燃烧装置的废气的情况下，这种对于给定纤维性质(诸如覆盖面积、当量直径、平均横截面外形等)和给定纤维介质性质(诸如充填有纤维材料的纤维容积的孔隙率和高度)的较高透气率是尤其有利的。
根据本发明的一些实施例，过滤容积可以是圆柱形的。
过滤容积可以可供选择地是锥形的，例如具有圆形或椭圆形的横截面。对于柱形过滤容积来说，可供选择的是，过滤容积可以具有圆形或椭圆形横截面的柱形。
根据本发明的一些实施例，大多数纤维基本上至少沿着过滤元件的轴向延伸。过滤材料中的至少50％纤维基本上可以至少沿着过滤元件的轴向延伸。可供选择的是，过滤材料中的至少85％纤维基本上可以至少沿着过滤元件的轴向延伸。
根据本发明的一些实施例，纤维可以是固结纤维结构的一部分，该固结纤维结构围绕基本上平行于平均流动方向的盘绕轴线而盘绕。固结纤维结构可以是纤维幅。纤维幅可以是用任何合适的成幅工艺获得的纤维幅，诸如空气敷设幅、湿法敷设幅或梳理幅。该幅较佳地是无纺幅，可供选择的是穿针的。
固结纤维结构可包括至少一个纤维束。固结纤维结构可包括至少一个、可供选择地多个相同的或不同的束，这种不同可以是纤维类型、纤维性质(诸如纤维当量直径或纤维材料)、或束性质(诸如束的细度)上的不同。
纤维束可以是通过任何合适的成束工艺获得的纤维束。例如，纤维束可以是粗梳条子。
围绕平行于其一边的轴线进行盘绕或卷绕、可供选择地围绕该边进行卷绕的固结纤维结构(诸如幅或至少一个纤维束)在去除外壳的情况下趋于径向膨胀。在外壳给过滤材料的界面施加径向向内的力的情况下尤其如此。这种向内定向的力具有以下效果，在气体流过过滤元件的情况下，过滤材料很少有或者甚至没有沿着平均流动路径的方向在过滤容积内移位的趋势。过滤材料被夹紧在外壳内。由于过滤材料很少有或者甚至没有移位的趋势，所以用来保持纤维使其不移出圆柱形罩壳的装置就可以不是必需的，即使在过滤容积的流入侧或流出侧处的纤维未被烧结的情况下也是如此。
可供选择的是，纤维介质的所有层包括金属纤维，或者甚至由金属纤维构成。
任何合适类型的金属或金属合金可用来形成金属纤维。金属纤维例如由诸如不锈钢之类的钢制成。可供选择地是，不锈钢合金是AISI 300或AISI 400系列合金，诸如AISI 316L或AISI 347，或包括铁、铝和铬的合金，也可使用含有重量比分比为0.05-0.3％的钇、铈、镧、铪或钛的含铁、铝和/或铬不锈钢，诸如DIN 1.4767合金或
Figure G2008800243415D00041
还可使用铜或铜合金、或者钛或钛合金。金属纤维也可由镍或镍合金制成。
金属纤维可以由任何已知的金属纤维生产方法制成，例如通过束拉操作、如JP3083144中所述的卷刮操作、金属刮削操作(诸如钢丝绒)、或从熔融金属合金浴槽中形成金属纤维的方法。为了形成具有其平均长度的金属纤维，金属纤维可以使用如WO02/057035所述的方法、或使用如US4664971所述的用来形成金属纤维颗粒的方法切割而成，或者可以拉断而成。
较佳的是，金属纤维的当量直径D是100μm以下，诸如65μm以下，更佳的是36μm以下，诸如35μm、22μm或17μm。可供选择的是，金属纤维的当量直径是15μm以下，诸如14μm、12μm或11μm，或者甚至是9μm以下，诸如8μm。可供选择的是，金属纤维的当量直径D是7μm以下或6μm以下，例如5μm以下，诸如1μm、1.5μm、2μm、3μm、3.5μm或4μm。
金属纤维可以是环状金属纤维，环状纤维也称为细丝，或者可以具有平均纤维长度L纤维，其可供选择地例如为0.1cm-5cm。
因此束可以是卷刮金属纤维的束。或者，束可以是通过束拉获得的金属纤维的束。束拉金属纤维可供选择地是卷曲纤维，例如借助EP280340所述的方法来获得。
束可包括多根金属纤维，诸如200-10000根纤维或细丝，甚至更多。
在使用包括金属纤维的幅的情况下，该幅可通过空气敷设或湿法敷设工艺来形成。金属纤维幅例如可以具有1mm-50mm的厚度和100g/m2-600g/m2的表面重量。
过滤材料还可包括诸如金属粉末颗粒之类的粉末元件，和/或可包括催化部件。
过滤容积的高度，即过滤容积沿平均流动路径的长度，不被认为是对本发明的限制。它例如可以是3cm-20cm，诸如典型地是5cm。
充填过滤容积的过滤材料可具有例如70％-99％的孔隙率。过滤材料的孔隙率可以沿着过滤容积的高度是均匀的，或者可以沿着过滤容积的高度而变化。孔隙率可从流入侧至流出侧逐渐地或逐步地变化，流入侧的孔隙率大于流出侧的孔隙率。
过滤容积沿着垂直于平均流动路径的平面的横截面表面积可以沿着过滤容积的高度是均匀的(诸如在圆柱形过滤容积的情况下)，或者可以变化(诸如在锥形过滤容积的情况下)。沿着垂直于平均流动路径的平面的横截面表面积可以例如是450mm2-100000mm2，诸如450mm2-13000mm2，例如12500mm2或96200mm2。
在使用金属纤维的情况下，外壳可以是金属外壳，可供选择的是由与用来形成金属纤维的金属合金相似或相同的金属合金来形成的。
在一较佳实施例中，过滤材料包括沿轴向大体锥形的空腔和/或沿轴向大体锥形的延伸部。具体地说，锥形空腔可定位在流入侧，而锥形延伸部定位在流出侧。由于该锥形空间，过滤元件在流入侧的表面就增大了。可延迟或者甚至防止过滤元件在流入侧的阻塞。具体地说，锥形空腔和锥形延伸部成形为大体相同的，从而为相邻定位的过滤材料提供轴向的面面接触。通过将一个过滤材料的锥形延伸部插入另一过滤材料的锥形空腔中，可将相邻的过滤元件卡合在一起。应该理解，词语“锥形”也意味着成形为截头锥形，或者包括三角形的横截面、或者部分圆形或椭圆形的横截面。
根据本发明的第二方面，提供一种用于形成过滤元件的方法。该方法包括下列步骤：
提供包括纤维的固结纤维结构，所述固结纤维结构具有至少一个前边；
围绕平行于所述前边的盘绕轴线来盘绕所述固结纤维结构，由此形成过滤材料；
提供透气外壳，所述外壳沿着基本上平行于所述盘绕轴线的方向接触所述过滤材料的外界面，从而提供充填有过滤材料的过滤容积，所述外壳为所述过滤容积提供限定平均流动方向的流入侧和流出侧，所述过滤容积具有基本上平行于所述平均流动方向的轴线。
这样，形成包括外壳的过滤元件，该外壳限定充填有过滤材料的过滤容积。根据本发明的第一方面，过滤材料包括纤维，其中的大多数纤维，诸如至少50％或至少85％的纤维至少部分地包围轴线。
根据本发明的一些实施例，透气外壳是通过用箔片或板沿着基本上平行于盘绕轴线的方向覆盖过滤材料的外界面、围绕过滤材料盘绕箔片或板、以及密封箔片或板来提供的，从而提供沿其轴向接触过滤容积的外界面而沿径向是透气的外壳。通过围绕被盘绕的过滤材料盘绕箔片或板(诸如金属箔片或金属板)来提供的外壳可对过滤材料施加径向向内(即朝向盘绕轴线)的力。
根据本发明的一些实施例，过滤容积可设有接触过滤容积的外界面的外壳，该过滤容积可沿着过滤容积的轴线分成至少两个区段，形成至少两个过滤元件。可以高效地形成多个包括相同过滤材料的过滤元件。
根据本发明的一些实施例，固结纤维结构可以围绕其前边进行盘绕。
根据本发明的一些实施例，固结纤维结构可以是纤维幅。
根据本发明的一些实施例，固结纤维结构可以包括至少一个纤维束。
在沿着平均流动路径的给定位置所具有的纤维数量可作出改变，这是通过改变存在于给定位置的幅中的纤维数量、或局部增多所盘绕或卷绕的幅或束的层数来作出改变的。具体地说，在使用纤维束进行盘绕时，在沿着平均流动路径的给定高度处的纤维数量和因此在过滤元件的该截面处的孔隙率可以容易地进行改变。
可供选择的是，纤维是金属纤维，外壳通过将金属箔片或板围绕包括金属纤维的过滤材料进行盘绕而形成。
根据本发明的第三方面，提供一种用于形成过滤模块的方法。该方法包括下列步骤：
根据本发明的第二方面且如上所述，提供N个过滤元件，N等于或大于2；
将第i个过滤元件的流入侧联接至第i-1个过滤元件的流出侧，i在2至N间变化。
N个过滤元件的外壳可以具有相同的外周界。在外壳由金属形成的情况下，过滤元件的联接可通过将外壳焊接或夹紧至彼此来完成。
不同的过滤元件可包括不同的过滤材料。过滤材料通过盘绕相同的或不同的固结纤维结构来形成。
在一较佳实施例中，过滤材料设有沿轴向大体锥形的空腔和/或沿轴向大体锥形的延伸部，参见图2e。锥形形式可通过借助对应形状的工具沿轴向对过滤元件施加压力来实现。过滤元件可通过例如夹具等的保持装置经由其外壳来保持。在过滤元件被固定之后，可将锥形工具压入过滤材料之中以形成锥形空腔。由于所施加的压力，过滤材料可沿着施压方向部分地移动，从而过滤材料沿轴向的厚度保持恒定。假如这样的话，可在相对位置提供对应形状的工具，以保护过滤材料的规定形状的锥形延伸部。
根据一些实施例，N个过滤元件中的至少一个可包括催化剂部件。假如N个过滤元件中的至少两个包括催化剂部件，则N个过滤元件中的一个过滤元件的催化剂部件可与另一过滤元件的催化剂部件不同。
根据本发明的一些实施例，该方法可包括以下步骤：提供至少一个加热器，所述加热器位于第一过滤元件之前或两个相继的过滤元件之间。可供选择的是，加热器设置在第一过滤元件之前和某对或每对相继的过滤元件之间。加热器可以是电加热器。
对于加热器的控制可基于位于相继的过滤元件之前或之间的温度和/或压力传感器来完成。
根据本发明的第四方面，提供一种过滤模块。该过滤模块包括N个过滤元件，N等于或大于2，所述过滤元件是如上所述根据本发明第一方面的过滤元件。N个过滤元件通过将第i个过滤元件的流入侧联接至第i-1个过滤元件的流出侧而彼此联接，i在2至N间变化。
根据本发明的实施例，至少一个过滤元件可包括催化剂部件。
根据本发明的实施例，过滤模块可包括至少一个、可供选择地多个(诸如N个)加热器，加热器位于第一过滤元件之前或两个相继的过滤元件之间。
本发明的具体和较佳方面在所附的独立和从属权利要求中进行了阐述。来自从属权利要求的特征可与来自独立权利要求的特征和来自其它从属权利要求的特征合适地进行组合，并不是仅仅如同权利要求书中所阐述的那样。
尽管在该领域对装置经常有改进、改变和革新，但是本发明的原理被认为代表了相当新的和新颖的改进，包括与现有实践的不同之处，从而导致提供这种更加高效、稳定和可靠的装置。
本发明的说明允许设计改进的柴油废气过滤系统，例如用来过滤诸如柴油发动机之类的柴油燃烧装置的废气。由于增大的透气率而造成的过滤介质上的减小压降引起燃烧装置经受较小的背压。因此，由于诸如柴油发动机之类的柴油燃烧装置设有根据本发明的包括过滤介质的废气过滤器，这可导致该柴油燃烧装置的较低的燃耗和因此较低的工作成本。较低的燃耗也意味着较低的CO2排放，符合对于颗粒物质和NOx进行较低温室排放的严格柴油排放规范。
本发明的以上和其它特点、特征和优点将会从以下结合附图的详细描述中变得明显，附图借助示例来示出了本发明的原理。该描述仅仅是为了示例而给出的，而并不对本发明的范围进行限制。下面引用的图指的就是附图。
附图说明
图1a至1c、图2a至2d和图3a至3c示意地示出了一种用来形成根据本发明一方面的过滤元件的方法的连续步骤。图2e示出了根据本发明的过滤元件的另一实施例，其具有增大的入口表面积。
图4a和图4b是存在于根据本发明一方面的过滤元件中的纤维的投影图。
图5示意地示出了用来提供根据本发明一方面的过滤模块的方法的连续步骤。
图6示意地示出了根据本发明一方面的过滤模块。
在不同的图中，相同的附图标记指的是相同或相似的元件。
具体实施方式
本发明将针对具体实施例并参照某些附图来进行描述，但是本发明并不局限于此，而是只由权利要求书来限定。所述的附图仅仅是示意性的，不是限制性的。在附图中，为示例目的，一些元件的尺寸可能是夸大的，而并未按比例绘制。尺寸和相关尺寸并不对应于实施本发明的实际缩小比。
说明书和权利要求书中的词语“第一”、“第二”、“第三”等用来在相似的元件之间进行区分，并不一定以排序或任何其它方式描述时间上或空间上的顺序。应该理解，所用的词语在适当的情况下是可互换的，这里所述的本发明诸实施例能以与这里所述或所示的顺序不同的其它顺序进行工作。
而且，说明书和权利要求书中的词语“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”等是用来进行说明的，并不一定描述相对位置。应该理解，所用的词语在适当的情况下是可互换的，这里所述的本发明诸实施例能以与这里所述或所示的定向不同的其它定向进行工作。
应该注意，用在权利要求书中的词语“包括”不应被解释为局限于其后所列出的装置；它并不排除其它元件或步骤。因此，它被解释为规定存在所涉及的所述特征、整体、步骤或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤或部件、或其组合。因此，“一种装置包括部件A和B”的表述范围将不局限于只由部件A和B构成的装置。这就意味着，对于本发明来说，该装置仅有的相关部件是A和B。
类似地，应该注意，同样用在权利要求书中的词语“联接”不应被解释为局限于仅仅直接连接。可以使用词语“联接”和“连接”及其衍生词。应该理解，这些词语并不是想要彼此同义。因此，“装置A联接至装置B”的表述范围不应局限于其中装置A的输出端直接连接至装置B的输入端的装置或系统。这就意味着，在装置A的输出端和装置B的输入端之间存在一路径，该路径可以是包括其它装置的路径。“联接”可以是指两个或更多个元件直接实体接触或电接触，或者两个或更多个元件彼此不直接接触但仍然彼此协作或相互作用。
在整个说明书中涉及“一个实施例”或“一实施例”是指，联系该实施例进行描述的具体特点、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的表面意思不一定都是指同一个实施例，而是可以指同一个实施例。此外，如同从本公开中对于熟悉本领域的技术人员所显而易见的那样，具体的特点、结构或特征可以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。
类似地，应该意识到，在本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时一起组合在单个实施例、图或说明书中，以便清楚地公开并有助于理解本发明各方面中的一个或多个方面。然而，公开文本的方法并不诠释为反映出要求保护的本发明需要比各权利要求中所明确描述的更多的特征。而是，如以下权利要求所反映的那样，发明的各方面在于比单个上述所揭示的实施例的所有特征要少的特征。因此，具体实施方式之后的权利要求书在此清楚地结合入该具体实施方式中，各个权利要求自身可作为本发明的单独实施例。
此外，尽管这里描述的一些实施例包括一些并不包含在其它实施例中的其它特征，但是不同实施例的特征组合是落入本发明的范围之内的，且形成不同实施例，如同熟悉本领域的技术人员所理解的那样。例如，在下面的权利要求书中，任何所要求保护的实施例都可以任何组合进行使用。
此外，一些实施例在这里描述成方法或方法的元素组合，也可由计算机系统的处理器或实施该功能的其它装置来实现。因此，具有实施这种方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，这里所述的装置实施例的元素是用该元素来实施功能的装置的一例子，用来实现本发明。
在这里提供的说明书中，对多个具体细节进行阐述。但是，应当理解，没有这些细节也可实施本发明的各实施例。在其它情况下，未详细示出已知的方法、结构和技术，从而并不妨碍对本说明书的理解。
提供下面的术语仅仅是用来帮助理解本发明。
术语“孔隙率”P应被理解为P＝100*(1-d)，其中d＝(1m3烧结金属纤维介质的重量)/(SF)，其中SF＝形成烧结接触纤维介质的金属纤维的合金的每m3的特定重量。
“透气率”(也称为AP)是用NF95-352(相当于ISO 4002)中所述的装置来测量的。NF95-352、因此ISO 4002的测试方法被修改以使装置适应过滤容积的更大直径。这通过在过滤容积和装置的流入孔之间安装中间漏斗状元件来完成。该漏斗状元件在一侧匹配流入孔的周界，在另一侧匹配过滤外壳的周界。漏斗状元件被密封至流入孔和过滤外壳以避免泄漏。
术语特定纤维的“当量直径”应被理解为具有圆形径向横截面的假想纤维的直径，该横截面的表面积等于特定纤维的横截面的表面积的平均值。
现在本发明将通过具有本发明若干实施例的具体实施方式来进行描述。显然，本发明的其它实施例可根据熟悉本领域的技术人员的知识进行构造，而不脱离本发明的精神实质或技术指示，本发明仅由附后的权利要求书来限定。
根据本发明的第二方面的形成过滤元件的连续步骤示于图1a至1c中。
如图1a中的第一步骤所示，提供固结的纤维结构101，该纤维结构101包括纤维102。固结的纤维结构是纤维幅，具有前边103、后边104、以及两个侧边105和106。固结纤维结构101是基本上矩形的纤维幅。
固结纤维结构的一些实施例例如是当量直径为35μm的卷刮金属纤维的随机空气敷设幅。该幅的宽度例如是10mm-150mm，表面重量是约300g/m2。另一替换方案是采用当量直径为22μm的卷刮金属纤维的随机空气敷设幅。该幅的宽度例如是10mm-150mm，表面重量是约450g/m2。另一替换方案是采用当量直径为17μm的束拉金属纤维的随机空气敷设幅。该幅的宽度例如是10mm-150mm，表面重量是约300g/m2。另一替换方案是采用当量直径为12μm的束拉金属纤维的随机空气敷设幅。该幅的宽度例如是10mm-150mm，表面重量是约200g/m2。
固结纤维结构101中的纤维102基本上定向在一平面中，该平面平行于幅面107。在该平面中，纤维的定向是随机的。一些纤维基本上与后边或前边对准，其它纤维沿着平行于侧边的方向延伸，还有其它纤维具有其间的定向。
沿着后边104，金属箔片110例如通过沿着后边借助焊缝112将箔片110焊接至固结纤维结构101来附连至固结纤维结构101。该箔片1 10是诸如
Figure G2008800243415D00121
箔片之类的铁铬铝合金箔片，其宽度W等于固结纤维结构101的宽度，其长度Lf至少足够长以包围卷绕后的固结纤维结构的一周。箔片可具有约230μm的厚度。可通过将约700mm宽的箔片切成具有宽度为W的合适部分来调节箔片的宽度。
固结纤维结构101现在围绕盘绕轴线130进行卷绕或盘绕，该盘绕轴线130平行于前边103。在该实施例中，固结纤维结构101围绕其自身的后边103进行卷绕。该卷绕是沿着箭头131所示方向完成的。在卷绕过程中，由于固结纤维结构101是基本上矩形的，所以侧边105或106可保持对准，从而一旦盘绕完成之后，侧边105或106就处在一个平面中。
通过卷绕固结纤维结构101，可形成过滤材料111。如同将进一步详细说明的那样，大部分纤维102(在该实施例中例如大于85％)至少部分地围绕轴线130。这是因为纤维存在于幅中，且基本上平行于幅面107而定向。因为幅面107现在转变成绕轴线130卷曲的螺旋形，所以与幅面107共面的纤维将遵循一沿着该螺旋形至少部分地围绕轴线130的路径。
通过沿着基本上平行于盘绕轴线130的方向用箔片110覆盖过滤材料111的外界面113，就可形成透气外壳。这是通过如图1b所示围绕过滤材料继续盘绕箔片来完成的。由于箔片110和固结纤维结构101彼此联接，所以这可用一次操作完成。箔片110至少围绕过滤材料111卷绕一周。在箔片110的后边114接触箔片的情况下，例如通过沿着焊缝141的焊接来将箔片密封至箔片自身，如图1c所示。这样，形成外壳140，该外壳140沿着基本上平行于盘绕轴线130的方向接触过滤材料111的外界面113，从而提供充填有过滤材料111的过滤容积150。
外壳140在径向、即从轴线130朝向的方向是透气的。
通过在卷绕过程中对箔片施加足够大的卷绕张力，过滤材料111将被径向向内压缩。该压缩因此过滤材料径向预加张力。该张力夹紧外壳中的过滤材料，避免过滤材料和过滤材料的纤维部分移位，即避免沿着周向与穿过过滤元件的气体一起移位。
这样，可提供根据本发明第一方面的过滤元件100。过滤元件100包括透气外壳140，该外壳形成流入侧151和流出侧152，对于过滤容积150限定平均流动方向153。圆柱形的过滤容积150具有等同于盘绕轴线130的轴线，该轴线基本上平行于平均流动方向153。过滤元件100的过滤容积150的高度等于宽度Ww。
位于幅中的纤维根据具有平行于前边或后边的分量的方向将至少部分地围绕轴线130。位于幅中的纤维根据具有平行于侧边的分量的方向将至少部分地沿着过滤元件100的轴向延伸。
作为纤维幅的固结纤维结构101和箔片110盘绕成，过滤元件的直径D为127mm。过滤材料的孔隙率为例如95％或97％或更高。透气率可用流入侧151和流出侧152之间的200Pa的压降来测量，透气率尤其取决于纤维当量直径、过滤容积的高度、孔隙率，如下表I所示。
表I
实施例标号 过滤容积的高度 圆柱形过滤容积的直径 孔隙率 纤维当量直径 200Pa下的透气率
mm  mm  ％  μm L/dm2/min
 A1  127  115  97  35* 355
 A2  127  50  97  35* 635
 A3  127  50  98  35* 888
 B1  127  75  97  22* 252
 B2  127  50  97  22* 349
 B3  127  50  98  22* 519
 C1  127  50  97  17° 238
 C2  127  50  98  17° 395
 C3  127  50  98  17° 368
°＝束拉纤维
*＝卷刮纤维
根据本发明第一方面的另一过滤元件200可使用以下方法来提供，该方法的连续步骤示意地示于图2a至2d中。
如图2a中所示，提供固结的纤维结构201，该纤维结构201包括纤维202的束208。固结纤维结构201具有前边203。
束208包括卷刮或束拉金属纤维，其具有任何合适的当量直径，例如35μm或22μm。束的细度通常为3 g/m。在使用束拉金属纤维的束的情况下，可供选择的是，束中的纤维设置成卷绕的以增大纤维的蓬松度，因此增大束的蓬松度。
固结纤维结构201中的纤维202在束208中基本上平行地定向。
固结纤维结构201现在围绕轴232进行卷绕或盘绕，该轴限定盘绕轴线230。该卷绕是沿着箭头231所示方向完成的。束208围绕轴232卷绕长度L1。借助往复引导装置234来引导该束，从而在轴的两个极端(标示为点a和b)之间引导该束208。轴的转动和引导装置的往复移动将该束沿着例如螺旋或盘旋路径卷绕在轴232上。
通过在沿着轴长度的给定位置小心限定卷绕圈数，可决定和改变在不同位置的纤维数量。如图2b所示，可形成锥形卷绕的纤维层，该纤维层具有沿着锥形长度的不同厚度。在图2b中，示出了卷绕操作过程中引导装置所遵循的路径。在第一阶段I，沿着区域Z1形成束，该区域是锥形的整个长度。在第二阶段II，沿着区域Z2的长度卷绕该束，而在第三阶段III，只沿着区域Z3卷绕该束。在区域Z3，提供最多的纤维，而在区域Z1，提供最少的纤维。
通过卷绕固结纤维结构201，可形成过滤材料211。如同将进一步详细说明的那样，大部分纤维202(在该实施例中例如85％或更多)至少部分地围绕轴线230。这是因为束中的纤维沿着平行于该束的方向。因为束208现在转变成具有轴线230的螺旋形，所以纤维遵循一至少部分地包围轴线230的路径。
在图2c所示的另一步骤中，箔片210是诸如FECRALLOY
Figure G2008800243415D00151
箔片之类的铁铬铝合金箔片，其宽度Wf等于固结纤维结构101的卷绕长度L1，其长度Lf至少足够长以包围卷绕后的固结纤维结构一周。箔片可具有约230μm的厚度。可通过将约700mm宽的箔片切成具有宽度为W的合适部分来调节箔片的宽度。
通过沿着基本上平行于盘绕轴线230的方向用箔片210覆盖过滤材料211的外界面213，就可形成透气外壳。这是通过如图2c所示围绕过滤材料继续盘绕箔片来完成的。箔片210至少围绕过滤材料211卷绕一周。在箔片210的后边214接触箔片的情况下，例如通过沿着焊缝241的焊接来将后边密封至箔片自身，如图2d所示。这样，形成外壳240，该外壳240沿着基本上平行于盘绕轴线230的方向接触过滤材料211的外界面213，从而提供充填有过滤材料211的过滤容积250，如图2d所示。
外壳240在径向、即从轴线230朝向的方向是透气的。
通过在卷绕过程中将足够大的卷绕张力施加至箔片，过滤材料211将径向向内压缩，从而在卷绕或盘绕过程中获得的过滤材料211的锥形形状将转变成圆柱形形状。具有较多纤维的区域将被压缩较大的程度，从而在这些区域中的过滤材料将变得较为密实。可获得过滤材料211，其在连续区域P1、P2和P3具有不同的孔隙率。
在提供外壳240之后，可通过将轴拉出过滤材料211来去除该轴232。
这样，过滤元件200设置成包括透气外壳240，该外壳形成流入侧251和流出侧252，对于过滤容积250限定平均流动方向253。圆柱形的过滤容积250具有等同于盘绕轴线230的轴线，该轴线基本上平行于平均流动方向253。过滤元件200的过滤容积250的高度H等于宽度Wf。
应该理解，束208可卷绕成提供圆柱形的过滤容积，并设有围绕所卷绕的过滤容积而卷绕的外壳(例如箔片)。可获得类似的过滤元件，其具有沿轴向基本均匀的孔隙率。例如，作为具有当量直径为22μm的卷刮纤维的纤维束的固结纤维结构201、以及箔片210卷绕成，过滤元件的直径D为127mm且长度为50mm。设置成孔隙率为97％的过滤材料具有470l/dm2/min的透气率。卷绕成孔隙率为98％的等同束具有635l/dm2/min的透气率。又例如，作为具有当量直径为35μm的卷刮纤维的纤维束的固结纤维结构201、以及箔片210卷绕成，过滤元件的直径D为127mm且长度为50mm。设置成孔隙率为97％的过滤材料具有722l/dm2/min的透气率。卷绕成孔隙率为98％的等同束具有926l/dm2/min的透气率。使用流入侧251和流出侧252之间200Pa的压降来测量透气率。
因为大部分纤维沿着束的方向存在于束208中，所以大部分纤维将至少部分地包围轴线230。因为束是螺旋或盘旋卷绕的，纤维的方向可设有轴向分量，所以大部分纤维将至少部分地沿着过滤元件200的轴向延伸。
可供选择的是，但在图1a至1c或图2a至2d中未示出，一旦设有接触过滤容积的外界面的外壳，该过滤容积就可沿着过滤容积的轴线分成至少两个区段，形成至少两个过滤元件。根据从过滤容积和外壳切下的长度，可提供具有不同或相同高度的过滤元件。
图2e示出了根据本发明的过滤元件的另一实施例，其具有锥形过滤介质211。在该实施例中，过滤材料包括沿轴向大体锥形的空腔和/或沿轴向大体锥形的延伸部。具体地说，锥形空腔可定位在流入侧，而锥形延伸部定位在流出侧。由于该锥形空间，过滤元件在流入侧的表面就增大了。与没有锥形形式而只是平坦的表面相比，这种增大可使过滤元件的表面积高达2倍。该增大的表面积可减少过滤元件在流入侧的阻塞或延迟该阻塞。具体地说，锥形空腔和锥形延伸部成形为大体相同的，从而为相邻定位的过滤材料提供轴向的面面接触。
根据本发明第一方面的另一过滤元件300可使用以下方法来提供，该方法的连续步骤示意地示于图3a至3c中。
锥形过滤介质211用如图2a至2b所示的方法相同地形成。
通过沿着基本上平行于盘绕轴线230的方向用两个锥形壳体301和302覆盖过滤材料211的外界面213，就可形成透气外壳340。过滤材料211被夹紧在两个壳体301和302之间，这两个壳体301和302彼此连接。这可通过例如将径向延伸的凸缘310和311彼此螺栓连接、焊接或铆接在一起来完成。可供选择的是，密封件312可设置在凸缘之间。这样，形成外壳340，该外壳340沿着基本上平行于盘绕轴线230的方向接触过滤材料211的外界面213，从而提供充填有过滤材料211的过滤容积350，如图3a至3c所示。
外壳340在径向、即从轴线230朝外的方向是透气的。
由于锥形卷绕而存在较多纤维的区域将为沿基本上垂直于轴线230的平面的横截面提供较大的表面积。
在提供外壳340之后，可通过将轴拉出过滤材料211来去除该轴232。
这样，过滤元件300设置成包括透气外壳340，该外壳形成流入侧351和流出侧352，对于过滤容积350限定平均流动方向353。锥形过滤容积350具有等同于盘绕轴线230的轴线，该轴线基本上平行于平均流动方向353。过滤元件300的过滤容积350的高度H等于盘绕长度L1。
因为大部分纤维沿着束的方向存在于束208中，所以大部分纤维将至少部分地包围轴线230。因为束是螺旋或盘旋卷绕的，纤维的方向可设有轴向分量，所以大部分纤维将至少部分地沿着过滤元件300的轴向延伸。
图4a和4b中的401和411示意地示出一些纤维的投影线403和413，其在平面AA’上沿着平均流动路径的方向投影，该平面AA’垂直于平均流动路径400。
图4a和4b中的402和412示意地示出一些纤维的投影线404和414，其在包括平均流动路径的平面BB’上沿着垂直于该平面BB’的方向投影。
图4a对应于过滤元件100。附图标记405表示轴线130的投影。
图4b对应于过滤元件200。附图标记415表示轴线230的投影。
如同从401处清楚可见的那样，纤维在平面AA’上的投影示出一至少部分地包围轴线投影405的路径。因此，从三维上观察，投影在平面AA’上的纤维至少部分地包围轴线。最佳匹配线的凹侧定向至投影405。
如同从402处清楚可见的那样，纤维在平面BB’上的投影示出一具有沿轴向延伸分量的路径。例如，由附图标记406标示其投影的纤维沿着轴向延伸的长度为La。
如同从411处清楚可见的那样，纤维在平面AA’上的投影示出一至少部分地包围轴线投影415的路径。这是更加显然的，因为用来形成过滤材料的束208中的纤维可能比用来形成过滤元件100的幅中的纤维要长。因此，从三维上观察，投影在平面AA’上的纤维至少部分地包围轴线。最佳匹配线的凹侧定向至投影415。
如同从412处清楚可见的那样，纤维在平面BB’上的投影示出一具有沿轴向延伸分量的路径。例如，由附图标记416标示其投影的纤维沿着轴向延伸的长度为La。
转到本发明的第三方面，图5示意地示出了用来提供过滤模块的方法。该方法包括以下步骤：提供N个过滤元件501、502和503，在该实施例中是3个。过滤元件例如是圆柱形过滤元件。每个过滤元件通过以下方式来形成：根据本发明的任一方法，首先形成过滤容积510、520和530，其分别设有接触该过滤容积的外界面的外壳511、521和531。沿着过滤容积的轴线，将设有接触其外界面的外壳的过滤容积分成几个区段，由此一次形成至少两个根据本发明的过滤元件。
在该实施例，形成三种不同的过滤元件501、502和503。每种过滤元件都具有流入侧510和流出侧511。
在下一步骤，将第i个过滤元件的流入侧联接至第i-1个过滤元件的流出侧，在该实施例中，i在2至3间变化。沿着外壳的外端，将作为金属外壳的外壳气密地联接、例如沿着焊缝507彼此焊接。这样，过滤模块500形成有流入侧505和流出侧506，且包括多个根据本发明的过滤元件。应该理解，可作出多种组合来将过滤元件组合成过滤模块，这些过滤元件是根据本发明的方法来形成的。
例如，过滤模块500形成有流入侧505和流出侧506，且包括三个直径为127mm的圆柱形过滤元件，这些过滤元件是：
第一过滤元件501，其提供流入侧505，包括30μm卷刮纤维，这些纤维借助作为空气敷设的随机网状纤维幅的、300g/m2的幅来提供。该幅根据图1所示的实施例来卷绕。过滤元件的高度例如是10mm-150mm，典型地是50mm。
第二中间的过滤元件502，其包括22μm卷刮纤维，这些纤维借助作为空气敷设的随机网状纤维幅的、450g/m2的幅来提供。该幅根据图1所示的实施例来卷绕。过滤元件的高度例如是10mm-150mm，典型地是50mm。
第三过滤元件503，其包括17μm束拉纤维，这些纤维借助作为空气敷设的随机网状纤维幅的、300g/m2的幅来提供。该幅根据图1所示的实施例来卷绕。过滤元件的高度例如是10mm-150mm，典型地是50mm。第三过滤元件提供流出侧506。
可供选择的是，但在图5中未示出，可沿着流动方向在第三过滤元件503之后设置第四过滤元件。该第四过滤元件12可包括12μm束拉纤维，这些纤维借助作为空气敷设的随机网状纤维幅的、200g/m2的幅来提供。该幅根据图1所示的实施例来卷绕。过滤元件的高度例如是10mm-150mm，典型地是50mm。应该理解，在该包括第四过滤元件的实施例中，第四过滤元件而不是第三过滤元件提供流出侧。
或者，第一过滤元件通过卷绕细度为3g/m的至少一束、可供选择地多束30μm卷刮纤维来提供。束根据图2的实施例来卷绕，且提供在轴向具有基本均匀孔隙率的圆柱形过滤容积。过滤元件的高度可以是10mm-150mm，但典型地是50mm。
或者，第二过滤元件通过卷绕细度为3g/m的至少一束、可供选择地多束22μm卷刮纤维来提供。束根据图2的实施例来卷绕，且提供在轴向具有基本均匀孔隙率的圆柱形过滤容积。过滤元件的高度可以是10mm-150mm，但典型地是50mm。
如图6所示，过滤模块600包括加热器601，例如，电加热器可设置在第一过滤元件610之前，和/或各个相继的过滤元件620和630之间，和过滤元件630和640之间。
这些加热器可同时或单独进行控制和通电，以加热通过过滤模块的气体。气体的升高温度可点燃借助过滤元件610、620、630和/或640保持的碳，以使过滤模块600再生。
对于加热器601的控制可基于位于相继的过滤元件之前或之间的温度和/或压力传感器来完成。
在根据本发明任一实施例的过滤模块中，至少一个过滤元件可例如通过对过滤容积的至少部分金属纤维进行涂敷来设置催化剂。根据本发明的过滤元件可以是DOC催化剂载体。DOC是指柴油氧化催化剂，可在柴油颗粒过滤器之前设置该元件。例如，DOC元件将碳氢化合物氧化成CO2和H2O，并能从NOx中产生N2O。根据本发明的DOC元件尤其涉及具有较高纤维直径的纤维：＞50μm，例如是100μm。
在根据本发明的过滤模块的另一实施例中，至少一个过滤元件可例如通过对过滤容积的至少部分金属纤维进行涂敷来设置催化剂，从而适于使用选择性催化还原(SCR)来还原废气中的NOx。
在根据本发明的过滤模块的另一实施例中，至少一个过滤元件可设置催化剂，从而对碳、含碳化合物的燃烧、或者从CO转变成CO2进行催化。
在根据本发明的过滤模块的另一实施例中，至少一个过滤元件设有催化剂，从而在从废气中过滤了大量碳颗粒之后将NOx氧化成NO2。位于至少第一过滤元件下游的至少第二过滤元件的至少部分纤维可涂敷有催化剂，从而有利于使用对NO2还原而产生的氧气来氧化已过滤的碳颗粒。
用于实现本发明的方法和过滤元件的目的的其它结构对于熟悉本领域的技术人员来说将是显而易见的。
应该理解，尽管这里已经对于根据本发明的装置讨论了较佳实施例、具体结构和构造、以及材料，但是可以在形式上和细节上作出各种改变或修改而不脱离由附后权利要求书限定的发明范围。

Claims (15)

1.一种过滤元件，包括：外壳，所述外壳限定过滤容积的外界面，所述外壳具有限定平均流动方向的流入侧和流出侧，所述外壳具有基本上平行于所述平均流动方向的轴线，所述外壳沿着平均流动路径的方向限定所述过滤容积的外界面，所述外壳在径向是透气的，所述过滤容积充填有包括纤维的过滤材料，其中，大多数纤维至少部分地包围所述轴线，大多数纤维基本上至少沿着所述过滤元件的轴向延伸。
2.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述纤维是固结纤维结构的一部分，所述固结纤维结构围绕基本上平行于所述平均流动方向的盘绕轴线而盘绕。
3.如权利要求2所述的过滤元件，其特征在于，所述固结纤维结构是纤维幅。
4.如权利要求3所述的过滤元件，其特征在于，所述幅是无纺的。
5.如权利要求2所述的过滤元件，其特征在于，所述固结纤维结构包括至少一个纤维束。
6.如权利要求1所述的过滤元件，其特征在于，所述过滤材料包括沿轴向大体锥形的空腔和/或沿轴向大体锥形的延伸部。
7.如权利要求6所述的过滤元件，其特征在于，所述锥形空腔定位在所述流入侧，而所述锥形延伸部定位在所述流出侧，其中，所述锥形空腔和所述锥形延伸部成形为大体等同，从而为相邻定位的过滤材料提供轴向的面面接触。
8.一种用于形成过滤元件的方法，所述方法包括下列步骤：
提供包括纤维的固结纤维结构，所述固结纤维结构具有至少一个前边；
围绕平行于所述前边的盘绕轴线来盘绕所述固结纤维结构，由此形成过滤材料，大多数纤维基本上至少沿着所述过滤元件的轴向延伸；
提供透气外壳，所述外壳沿着基本上平行于所述盘绕轴线的方向接触所述过滤材料的外界面，从而提供充填有过滤材料的过滤容积，所述外壳为所述过滤容积提供限定平均流动方向的流入侧和流出侧，所述过滤容积具有基本上平行于所述平均流动方向的轴线。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述透气外壳是通过用箔片或板沿着基本上平行于所述盘绕轴线的方向覆盖所述过滤材料的外界面、围绕所述过滤材料盘绕所述箔片或板、以及密封所述箔片或板来提供的，从而提供沿其轴向接触所述过滤容积的外界面而沿径向是透气的外壳。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，沿着所述过滤容积的轴线将所述外壳和所述过滤容积分成至少两个区段，从而形成至少两个过滤元件。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述固结纤维结构是围绕其前边而盘绕的。
12.一种用于形成过滤模块的方法，所述方法包括下列步骤：
根据包括下列步骤的方法来提供N个过滤元件，N等于或大于2，所述步骤是：
提供包括纤维的固结纤维结构，所述固结纤维结构具有至少一个前边；
围绕平行于所述前边的盘绕轴线来盘绕所述固结纤维结构，由此形成过滤材料，大多数纤维基本上至少沿着所述过滤元件的轴向延伸；
提供透气外壳，所述外壳沿着基本上平行于所述盘绕轴线的方向接触所述过滤材料的外界面，从而提供充填有过滤材料的过滤容积，所述外壳为所述过滤容积提供限定平均流动方向的流入侧和流出侧，所述过滤容积具有基本上平行于所述平均流动方向的轴线；以及
将第i个过滤元件的流入侧联接至第i-1个过滤元件的流出侧，i在2至N间变化。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过借助对应形状的工具沿轴向对所述过滤元件施加压力，来为所述过滤元件设置沿轴向大体锥形的空腔和/或沿轴向大体锥形的延伸部。
14.一种过滤模块，包括N个过滤元件，N等于或大于2，所述过滤元件包括外壳，所述外壳限定过滤容积的外界面，所述外壳具有限定平均流动方向的流入侧和流出侧，所述外壳具有基本上平行于所述平均流动方向的轴线，所述外壳沿着平均流动路径的方向限定所述过滤容积的外界面，所述外壳在径向是透气的，所述过滤容积充填有包括纤维的过滤材料，其中，大多数纤维至少部分地包围所述轴线，大多数纤维基本上至少沿着所述过滤元件的轴向延伸，其中，所述N个过滤元件通过将第i个过滤元件的流入侧联接至第i-1个过滤元件的流出侧而彼此联接，i在2至N间变化。
15.如权利要求14所述的过滤模块，其特征在于，所述过滤模块包括至少一个加热器，所述加热器位于第一过滤元件之前或两个相继的过滤元件之间。
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