CN103221109A - 包括排气可流过的金属层的颗粒分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于处理内燃机（2）的排气的颗粒分离器（1），在壳体（4）中布置了排气可流过的至少一个金属层（3），所述壳体包括进入开口（5）、排出开口（6）、横截面（25）和中心轴（7）。所述至少一个金属层（3）具有横跨该壳体（4）的横截面（25）的至少一个波纹部（9）。这种类型的颗粒过滤器具有大的表面，以使流动阻力尽可能地低并且使堵塞的危险很小。

Description

包括排气可流过的金属层的颗粒分离器

技术领域

本发明涉及一种用于处理内燃机的排气的颗粒分离器，所述颗粒分离器具有排气可流过的至少一个金属层，尤其是筛分层。本发明尤其用于移动的内燃机，例如设置在机动车中的内燃机。

背景技术

内燃机的排气通常包含有害物质和固体物质，在考虑相应的用于保护健康和环境的规定的情况下，必须去除这些有害物质和固体物质。针对固体物质，已经提出的建议有，从排气中过滤并随后（以催化和/或热和/或化学的方式）去除或转化燃料中的组分，例如炭烟或未燃烧的碳氢化合物、硫化合物等。对此已知使用过滤器，例如该过滤器具有多孔的壁部，该固定物质被阻拦在该壁部上或壁部中。

除了这些从燃烧的燃料中产生的固定物质之外，排气还可能夹带其它颗粒，该颗粒具有不同的来源且比该固体物质大数个数量级。内燃机和相关排气设备在工作中经常承受强烈震动。因此，颗粒尤其以碎屑、碎块的形式可从涂层和沉积物，排气处理单元的部分脱离，以及—被排气流携带—由于脉冲的冲击损坏随后的部件。此外，对排气系统中移动的部件来说，尤其像涡轮增压器或涡轮压缩机来说，该颗粒会由于密封间隙中摩擦效应的增大导致磨损的增大。此外，已知把产生的排气的一部分再次输送回内燃机的排气系统（AGR/EGR：废气再循环），从而对这种情况同样存在这样的危险，即内燃机承受这种颗粒并受到损坏。

WO-A-2007110170提出一种用于处理内燃机的排气的布置，其中使用了比排气线路的横截面更大的筛分层。该筛分层尤其用于保护沿排气流动方向定位在下游的涡轮增压器不被从定位在上游的蜂窝体脱落的陶瓷颗粒损害。

在此已经发现，随着工作时间的延长被阻拦的颗粒会产生问题。在此，要考虑到，该颗粒例如是陶瓷和/或金属的并且在排气系统中不转化。因此，该颗粒在排气系统中聚集，例如在颗粒分离器附近和/或始终不断地撞击到该颗粒分离器上。颗粒的这种聚集会导致排气流中局部或波动的压力损失，这种压力损失会导致内燃机中和/或排气系统中不期望的（减小功率）的效果。此外，在这种情况下也增大了颗粒分离器的负荷，使得颗粒分离器的稳定性更加重要。

发明内容

基于此，本发明的目的在于至少部分地解决鉴于现有技术描述的技术问题。尤其寻求给出一种用于处理排气的颗粒分离器，该颗粒分离器在颗粒的大的聚集速率的情况下仍持续保持排气的可透过性伴随小的压力损失。此外，本发明寻求在稳定性和对汽车工业的批量生产来说（灵活且简单的）制造方面改进该颗粒分离器。

该目的通过根据独立权利要求1的特征所述的颗粒分离器实现。在从属权利要求中给出该布置的其它有利的设计方案。要指出，在这些权利要求中描述的单个特征可以以任意技术上有意义的方式彼此组合并描述本发明的其它设计方案。说明书、尤其结合附图描述了本发明以及其它实施例。

根据本发明的用于处理内燃机的排气的颗粒分离器包括位于壳体中并且排气可流过的至少一个金属层，所述壳体具有进入开口、排出开口、横截面和中心轴，其中所述至少一个金属层具有至少一个波纹部，所述波纹部横跨（跨越）所述壳体的横截面。

在此，颗粒分离器尤其指这样一种装置，该装置阻拦了例如（陶瓷和/或金属的）碎屑、碎片、碎块等，该碎屑、碎片、碎块例如由于在工作中的振动和/或排气流的脉动和/或老化而从排气系统的部件脱离。尤其可以阻拦从陶瓷或金属的涂层的蜂窝体脱离的颗粒。还可以基于脉动并与颗粒分离器的刚性或惯性共同作用把较不稳定的颗粒分开为较小的、不对其它布置在下游的部件造成威胁的颗粒。

特别针对前述颗粒的阻拦形成排气可流过的金属层。在此优选的是，仅使用一个（单个）金属层。必要时该金属层可以具有多个层（子层）（例如用于筛出颗粒的第一层和用于在壳体中固定第一层的第二层），其中这些层优选彼此钎焊、熔焊、烧结等。因此该金属层尤其表现为（单个的）平面构型物，该平面构型物（完全）跨越壳体的横截面，从而不可能从金属层旁边流过。在此金属层设计成坚固的或形状稳定的，以便该金属层可以持久地承受排气系统的使用地点处的条件（尤其是与颗粒的接触）。

例如，金属层可以为穿孔的金属薄板、为网格金属薄板等。此外，金属层（优选）可以为织物，该织物包括规律地和/或不规律地相对彼此布置的金属丝、长丝和/或碎片。也可以使用由金属丝、长丝和/或碎片形成的无褶皱织物和缠结物。这些金属丝、长丝和/或碎片可以例如借助于电阻焊、烧结和/或钎焊彼此连接。金属层的特征尤其在于它的排气可穿过性，其中出现极小的压力损失。在此，“金属”尤其是指含铁和/或含铝的金属合金。

壳体通常是金属薄板外壳，该金属薄板外壳与排气线路的形状相配。壳体可以由管形材料形成，并具有不同的横截面形状，如圆形、椭圆形、多边形或其它需要的形状。在此尤其使用基本上为圆柱形的壳体，该壳体例如可以插入排气线路的邻接的部分之间并焊接到这些部分上。

通常排气通过进入开口流入壳体中并通过排出开口再次排出。壳体的中心轴通常延伸经过进入开口和排出开口的几何面积形心，在此当壳体具有弯曲部时，中心轴必要时也可以是弯曲的。因此，例如在圆柱形的实施方案中该中心轴形成经过圆形横截面的中心的中心轴。进入开口和排出开口之间的壳体的横截面垂直于中心轴定向，并且可以具有变化的面积大小和/或面积形状。然而，优选横截面的大小和形状沿着中心轴是均匀的，即进入开口、横截面和排出开口在此方面是相同的。就所述至少一个金属层在壳体中的位置而已，优选该金属层既不延伸超出进入开口，也不延伸超出排出开口。

此外，金属层具有至少一个波纹部。优选波纹部（即尤其是波峰或波谷）的数量极少。尤其优选的是，设置最多5个波纹部（即波峰和波谷）。通过波纹部实现了显著放大的表面，流入的排气可流过该表面。从而结合颗粒分离器的小的尺寸和良好的流动特性实现了最佳的面积利用。同时波纹部可以引起颗粒的转向，从而颗粒在金属层的预定区域中聚集。因为波纹部实际上从壳体的一个区域延伸至壳体的与所述一个区域间隔开的另一个区域，所以例如在中间被阻拦的颗粒由于排气流而向外朝向壳体移动。在那里颗粒表现为较小的流动阻力。由此例如实现了，颗粒分离器的其它区域对于排气来说始终（相对不受干扰地）可流过。此外这实现了，颗粒横向于排气的流动方向在波纹部中（重复地）运动。由于排气系统中变化的流动条件而产生的运动对颗粒有磨蚀作用，因此颗粒一再被切碎/切小并随后在到达不危险的大小之后能穿过金属层。这种作用恰恰表现为相对于筛分件的显著地改进，这种筛分件仅在中间具有凹部，在该凹部处颗粒（无摩擦地）聚集在主流动的区域中。在颗粒分离器中尤其设置了偏移件，该偏移件使在中间（在排气的主流动的区域中）被阻拦的颗粒向外（在排气的边缘流动的区域中）移动。此外，排气本身可以有利于或甚至导致颗粒的移动，从而偏移件表现为对来自中心的颗粒的（被动的）引导。金属层的波纹部优选形成偏移件。例如，附加地或可选地，金属层的沉积侧的表面为粗糙的，从而在强制的例如从内向外的相对运动中，被阻拦的颗粒被粉碎。此外要注意的是，该波纹部也可以在两侧固定在壳体上，并进而即使金属层本身设计为金属丝编织物，整体上也可以特别稳定地设置和保持金属层的位置和相对于排气流动方向的定向。

在根据本发明的颗粒分离器的另一有利的实施方案中，多个波纹部以割线（正切）的方式横跨横截面。在此，尤其表示设置了多个直线延伸的波纹部，该波纹部延伸直至壳体的对置的区域。在此优选设置至少两个波纹部，该波纹部具有比横截面的直径小的长度（根据割线的类型）。定位在壳体的边缘处的波纹部在颗粒分离器的流动特性方面比较不重要（较缓慢的边缘流动），因此此处也可以提供颗粒的较小的运动空间。同时，该波纹部确保金属层横向于中心轴的特别高的稳定性，并因此尤其有助于形状刚性和坚固性。

在根据本发明的颗粒分离器的另一个有利的实施方案中，至少一个波纹部在垂直于中心轴的平面中延伸。进一步优选的是，多个波纹部终止在壳体的共同的横截面平面中，即尤其是波峰和/或波谷基本上具有距壳体的进入开口或至排出开口的相同的距离。波纹部沿径向（或沿横向于中心轴的方向）相对彼此的距离可以变化，然而优选至少对于波纹部的一部分来说大致相同。由此可以实现向金属层的均匀的流入。此外能以小的制造费用以及必要时相同壳体部件的大的件数制造周围的部件，如壳体。

在颗粒分离器的另一个有利的实施方案中，所述至少一个波纹部延伸经过相对于中心轴倾斜的平面。由此实现了金属层的表面相对于壳体的横截面的进一步放大。此外，可以通过波纹部的合适的布置实现例如颗粒的预分离和/或在壳体的较难流经的区域中的聚集区，同时不过分限制流动横截面。

此外，所述至少一个波纹部可以具有波纹上升部，该波纹上升部相对于所述平面倾斜至少45°。在此尤其建议，波纹部具有相对于平面成至少60°或甚至至少80°的角度的波纹上升部或波纹齿面（侧翼）。通过陡峭的波纹上升部可以实现，在较大量的颗粒垂直于到来的流聚集之后，排气在阻力不增大的情况下流经始终自由（未被占据）的波纹上升部（波纹齿面）。此外，通过陡峭的波纹上升部可有效减小波峰和波谷的背压作用。

在颗粒分离器的另一个有利的实施方案中，所述至少一个波纹部具有横向于壳体延伸的最高处和横向于壳体延伸的最低处，并且最高处至最低处的间距对应于壳体的至少一个平均半径。因为用于流体的（非圆形的）线路通常对流动计算来说换算为圆形线路（例如为液压直径），所以在此把平均直径作为参考。因为在多边形的横截面中出现了具有延缓的流动的放大的区域，所以在流动技术中借助于通过各个横截面的线路的（被润湿的）圆周除以线路的面积得到液压的半径。在这种情况下，平均半径对应于液压半径。例如在壳体的椭圆形曲线的情况下，平均半径涉及两个叠加的圆的算术平均数，所述圆在0°和180°或在90°和270°时形成最高处。对波纹部的最高处（波峰）和波纹部的最低处（波谷）之间的这种间距来说，实现了颗粒分离器的被流入的面积的倍增。所以由此实现了颗粒分离器的表面的倍增，这种倍增不会导致—对本身来说—颗粒分离器的结构尺寸的进一步增大。

在颗粒分离器的另一个有利的实施方案中，至少一个金属层布置在壳体的环绕的间隙中。如上所述，所有部件在排气系统中承受持续的（外部）振动和排气脉动。然而同时值得追求的是，使所述至少一个金属层为尽可能薄壁的，从而保持小的、被排气流入的且进而形成有效的阻力的、流动有效的面积。这种金属丝编织物的结构、织物和缠结物层具有高的灵活性且仅能较差地可塑地成为波纹状。此外，为了此处建议的金属层能简单地（弹性）变形以及确保即使在振动和排气脉动的情况下在颗粒分离器的安装状态中形状保持稳定，金属层在其波纹部中通过壳体中环绕的间隙固定。金属层可以不变形地推入或插入这种间隙中，或者通过间隙夹紧在两个—彼此重叠放置的—壳体半部中。这并未排除，金属层仍材料锁合地与壳体连接，例如通过熔焊、粘合或钎焊。“材料锁合的”指的是其中连接配件（壳体部件和/或金属层）通过原子或分子力固定的所有连接。

例如，考虑无纺织物作为金属层，该无纺织物具有彼此烧结的金属长丝。该无纺织物优选可以利用如下特征中的至少一个描述：

-金属长丝的直径：在20和50μm之间；尤其利用两个不同类型的（彼此混合和/或连接的）金属长丝形成（例如一方面20至25μm；另一方面38至42μm）；

-无纺织物的单位面积质量：在350g/mm²和550g/mm²之间；

-无纺织物的透气性：在2300和3500l/m²/s之间。

这种无纺织物可以用于阻拦排气中的炭烟和/或其它固体物质。

在根据本发明的颗粒分离器的另一个有利的实施方案中，所述至少一个金属层具有宽度在至少0.05mm范围内的开口。更尤其优选的是，该金属层仅具有大小至少为0.05mm的开口。在这种情况下，金属层优选（仅）对大于开口的颗粒具有分离效应。更尤其优选的是，开口最大具有0.25mm以内的宽度，尤其是在0.1至0.2mm范围内的宽度。通过该颗粒分离器尤其应该阻拦住这种颗粒，所述颗粒会损坏或阻塞排气系统的随后（位于下游）的组件。然而同时也应该设置尽可能大的开口，从而该开口导致的流动阻力尽可能地小。来自燃料（汽油、柴油等）的燃烧的固体物质的（优先的）转化在此不是主要问题。

在根据本发明的颗粒分离器的另一个有利的实施方案中，所述至少一个金属层设计为无过滤的。这意味着金属层未起到用于去除燃烧的燃料的炭烟或类似固体物质的近壁过滤器和/或深度过滤器的作用。同样还可以如此理解，即金属层不具有可用于转化固体物质（炭烟等）的催化涂层。因此，金属层实际上仅针对会堵塞和/或损坏下游部件的质量大的、体积大的或大面积的颗粒进行了机械的保护。金属层尤其提供了针对尖棱的碎片、尤其是陶瓷的蜂窝体和/或陶瓷的涂层的碎片的保护。在此无过滤器的金属层尤其具有纯粹的筛分功能，从而仅阻拦这种比在汽车领域使用的燃料的燃烧中普遍产生的固体物质（像尤其是炭烟）大数倍的颗粒。

在本发明的框架中也描述了一种机动车，该机动车具有至少一个内燃机和排气系统，其中排气系统具有废气再循环线路，其中在废气再循环线路中布置了至少一个根据本发明的颗粒分离器。

在内燃机和排气系统中设有移动的部分。内燃机的气缸和活塞以及涡轮压缩机的压缩机叶片尤其表明，在大的热负荷的情况下仍起到良好的密封作用。尖棱的陶瓷部分尤其会损坏涡轮压缩机叶片和活塞密封环。在此尤其建议，根据本发明的颗粒分离器布置在陶瓷的蜂窝体和/或陶瓷涂层的蜂窝体下游，尤其是在废气再循环线路中（也就是说包括“紧邻”）处于涡轮压缩机上游。通过颗粒分离器实际上可持久地忽略放大的流动阻力的不利影响。此外，颗粒分离器由于其可匹配的结构上的尺寸和灵活性可极灵活地使用，尤其是用在排气线路的区域中，所述排气管路迄今为止由于结构原因而未被利用过。

附图说明

下面根据附图详细描述本发明以及技术领域。附图示出尤其优选的实施例，然而本发明不局限于这些实施例。附图是示意性的且相同的部件具有相同的附图标记。附图示出：

图1示出具有在竖直平面内的多个波纹部的颗粒分离器；

图2示出具有多个波纹部和壳体中的间隙的颗粒分离器；

图3示出沿着倾斜的平面具有单个波纹部的颗粒分离器；

图4示出沿着竖直的平面具有单个波纹部的颗粒分离器；

图5示出双层式的金属层；

图6是具有非圆形横截面的颗粒分离器的俯视图；以及

图7是具有内燃机并具有带废气再循环线路的排气系统的机动车。

具体实施方式

图1以侧视图示出颗粒分离器1，其中金属层3通过壳体4中心中的波浪线表示。在此，当应该从下向上进行穿流时，进入开口5布置在壳体4的底部，排出开口6布置在壳体4的顶部。因此，在穿流相反时可以简单地颠倒这些符号。在这种情况下，壳体4的中心轴7同样形成用于示出的颗粒分离器1的对称轴。横向（在此是垂直）于中心轴7示出平面8，在示出的例子中平面8在中间穿过壳体4且延伸通过金属层3的左和右边缘。此处示出的波纹部9具有三个最低处12（即沿排气的流动方向看为波谷）和两个最高处11（即沿排气的流动方向看为波峰）。每个波纹部9的波纹上升部10（或波纹齿面）相对于平面8倾斜约90°。在流入时，颗粒可以在最低处12中聚集，尽管如此，形式为波纹上升部10的金属层的最大部分对穿流来说仍保持自由。此外，在该图示中可看出，最高处11和最低处12之间的间距13沿中心轴7的方向看略微大于示出的颗粒分离器1或壳体4的平均半径14。

图2中以三维图示出与图1的颗粒分离器1相似的变型方案。示出的壳体4在整个轴向延展上具有均匀的圆形横截面25。金属层3保持在壳体4中的环绕的间隙15中。该间隙15可以以不同方式制造，例如通过壳体4的内侧上铣切出的槽形成或者通过两个（之前分开的）壳体半部形成，这些壳体半部在金属层3位于其间的情况下接合形成壳体4。由于金属层3的波纹部，该间隙15或壳体的接合连接以及金属层不具有“直线的”走向，而是在圆周上的路径中（多次）首先接近进入开口并且其次接近排出开口（部分回纹/蜿蜒的走向）。这种稳定的连接显著影响了颗粒分离器1的稳定性。

图3示出颗粒分离器1，其中金属层3仅具有沿着平面8的一个波纹部9，该平面相对于中心轴7倾斜或倾侧。在该图示中，进入开口5在上并且排出开口6在下，然而也可以考虑颠倒的构型。由于波纹部9，颗粒分离器仅可能在图示的左侧区域中被聚集的颗粒堵塞。颗粒分离器1的面积的其余部分对穿流来说保持自由。

图4示出颗粒分离器1，其中金属层3同样具有（唯一的）波纹部9，然而该波纹部沿着与壳体4的中心轴7垂直的平面8定向。所示颗粒分离器1的流入方向通过进入开口5示出且沿着中心轴7从上向下并从排出开口6离开。在此，排气流中可能的颗粒聚集在外侧上。例如当颗粒分离器1为圆形时，用于可能的颗粒的沉积地点明显小于保持自由的面积。这也能通过壳体4的另一横截面实现。此外，波纹部的最高处11和最低处12之间的间距13大于壳体4的平均半径14，由此实现了可流入面积相对于颗粒分离器1的横截面25的加倍。

图5示出金属层3的多层式版本，其中第一层28和第二层29以直接的平面的接触方式相对彼此布置（在此部分地为分解视图）。首先流过的第一层28具有开口16的宽度17，该宽度比随后第二层29中的开口16的宽度17小了数倍。因此，第一层（仅）承担分离颗粒的功能，而第二层29（仅）用于第一层28的（背面的）支承或部分对接。金属层3（或本例中的第一层28）至少具有开口16，该开口具有在0.05至0.25mm范围内的宽度17。

图6以俯视图示出颗粒分离器1，其中为了简单示出具有一种结构的金属层3，该结构在外观上不对应于波纹部。图6仅示出壳体4或进入开口5的横截面25的多种可能构型中的一种。同样可行的是，进入开口和排出开口6具有彼此不同和/或与壳体4的其它横截面25不同的形状。

图7示出机动车20，该机动车具有内燃机2、颗粒分离器1、涡轮增压器22和可选地具有排气净化单元23。排气系统27由排气线路19和废气再循环线路26组成。内燃机2的行程容积（活塞排量）18在左侧被供应增压的排气，而在另一侧，排气又沿流动方向24流出。通过废气再循环线路26中的颗粒分离器1，涡轮增压器22的涡轮压缩机被保护而免受排气系统27中的较大颗粒的损害。该颗粒例如可以来自排气之前已经流过的、（部分）陶瓷的排气净化单元23。因此，颗粒分离器1保护所有随后的（下游布置的）部件以及排气线路19的位于颗粒分离器1上游的部段免受来自内燃机2的颗粒的损害。这些部件尤其是涡轮增压器22和/或其它排气净化单元和/或冷却器21（或换热器），尤其是废气再循环线路26中的冷却器。因此，也保护内燃机2和其行程容积18不受较大颗粒的损害。图7示出颗粒分离器1的任意技术上有意义的布置，但不表示对颗粒分离器1的精确布置的限制。

因此本发明至少部分地解决了联系现有技术描述的技术问题。尤其提出了一种颗粒分离器，其在小的结构尺寸的情况下仍具有对尽可能小的流动阻力来说大的表面以及在持续的运转的过程中小的磨损倾向。

附图标记列表

1  颗粒分离器

2  内燃机

3  金属层

4  壳体

5  进入开口

6  排出开口

7  中心轴

8  平面

9  波纹部

10 波纹上升部

11 最高处

12 最低处

13 间距

14 平均半径

15 间隙

16 开口

17 宽度

18 行程体积

19 排气线路

20 机动车

21 冷却器

22 涡轮增压器

23 排气净化单元

24 流动方向

25 横截面

26 废气再循环线路

27 排气系统

28 第一层

29 第二层。

Claims (10)

1.一种用于处理内燃机（2）的排气的颗粒分离器（1），其中在壳体（4）中布置有排气可流过的至少一个金属层（3），所述壳体具有进入开口（5）、排出开口（6）、横截面（25）和中心轴（7），其中，所述至少一个金属层（3）具有至少一个波纹部（9），该波纹部横跨所述壳体（4）的横截面（25）。

2.根据权利要求1所述的颗粒分离器（1），其中，多个波纹部（9）以割线的形式横跨所述横截面（25）。

3.根据权利要求1或2所述的颗粒分离器（1），其中，所述至少一个波纹部（9）在垂直于所述中心轴（7）的平面（8）中延伸。

4.根据前述权利要求之一所述的颗粒分离器（1），其中，所述至少一个波纹部（9）延伸通过相对于所述中心轴（7）倾斜的平面（8）。

5.根据前述权利要求之一所述的颗粒分离器（1），其中，所述至少一个波纹部（9）具有波纹上升部（10），所述波纹上升部相对于所述平面（8）倾斜至少45°。

6.根据前述权利要求之一所述的颗粒分离器（1），其中，所述至少一个波纹部（9）具有横向于所述壳体（4）延伸的最高处（11）和横向于所述壳体（4）延伸的最低处（12），所述最高处（11）至所述最低处（12）的间距（13）对应于所述壳体（4）的至少一个平均半径（14）。

7.根据前述权利要求之一所述的颗粒分离器（1），其中，所述至少一个金属层（3）布置在所述壳体（4）的环绕的间隙（15）中。

8.根据前述权利要求之一所述的颗粒分离器（1），其中，所述至少一个金属层（3）具有开口（16），所述开口具有在至少0.05mm范围内的宽度（17）。

9.根据前述权利要求之一所述的颗粒分离器（1），其中，所述至少一个金属层（3）为无过滤器的。

10.一种机动车（20），该机动车具有至少一个内燃机（2）和排气系统（27），其中，该排气系统（27）具有废气再循环线路（26），其中，该废气再循环线路（26）中布置有至少一个根据前述权利要求之一所述的颗粒分离器（1）。

Images