CN105324167A - 设计成具有通道结构的壁流式过滤器的微粒过滤器 - Google Patents

Abstract

设计成具有通道结构的壁流式过滤器的微粒过滤器用于分离在内燃机的废气中携带的微粒，尤其是炭黑微粒。微粒过滤器具有带有多个通过过滤器壁围成的过滤器通道的基底。此外，微粒过滤器具有至少一条支路用于提供从基底的流入侧到流出侧的流通性，而不必流经过滤器壁。基底的过滤器壁具有约55％至约75％之间的孔隙度以及在最小约20μm至最大35μm之间的孔径。

Description

设计成具有通道结构的壁流式过滤器的微粒过滤器

本发明涉及一种设计成具有通道结构的壁流式过滤器的微粒过滤器，用于分离在内燃机废气中携带的微粒、尤其炭黑微粒，该微粒过滤器具有配备多个由过滤器壁围成的过滤器通道的基底，并且具有至少一条支路，该支路用于提供从基底流入侧到流出侧的流通性或流通路径，而不必流经过滤器壁。

为减少内燃机、例如柴油发动机的排放，在这种内燃机的废气线路中接入微粒过滤器。该微粒过滤器用于分离在内燃机废气中携带的微粒、尤其炭黑微粒。在此，人们通常努力，尽可能完全地抑制炭黑微粒排放，因此在许多情况下微粒过滤器设计成整体过滤器(Vollfilter)。这种整体过滤器是壁流式过滤器，也就是说：待过滤的介质(此处为携带微粒，即炭黑微粒的废气)必须流经过滤器壁的过滤器，以便从基底的流入侧到达流出侧(净化侧)上。这种微粒过滤器的基底包括多个相互平行延伸的、被过滤器壁包围的过滤器通道。广泛使用陶瓷材料作为材料。在本过滤器中，过滤器通道根据蜂窝的类型分别通过过滤器壁相互分离并且交替地在流入侧或流出侧封闭。微粒整体过滤器也已知由烧结金属材料制成。

这种微粒过滤器设计成，使得通过它即使在炭黑积累越来越多时废气背压或废气回压也不会升高太大。因为这个原因所以要求，这种基底在炭黑足够多地载入时进行再生。在这种再生过程中，积累的炭黑被氧化，从而也反应为被控制的炭黑氧化皮(Ruβabbrand)。这种再生可以被动地并因此在达到一定的炭黑温度时自动地或主动控制地进行。在被动再生时，给积累在流入侧上的炭黑输入NO₂，由此能够实现在更低的温度时炭黑的氧化。为了满足前述要求，将这种微粒过滤器或其基底设计成，使得它们具有相对较小的一般仅在5μm至15μm之间的孔径和不大于50％的孔隙度。此外，设计基底，以便基于未加载的基底，将过滤过程尽可能迅速地调节为表面过滤。在至少很大程度地发生表面过滤之前，处于过滤器壁中的孔必须已添加一些炭黑，由此，有效的孔隙度相对基底的孔隙度再次减小。在深度过滤的持续时间以内，通过这种过滤器仍然不能实现期望的大于98％的分离度。因此，人们努力，将这种微粒过滤器设计成，使得该微粒过滤器快速地进入其表面过滤状态。

对于一些应用，不要求完全地减少炭黑排放。在这些应用中，有时足够的是，内燃机的炭黑排放量减少了50％或仅20％至25％。

为此目的，开发所谓的部分过滤器。部分过滤器具有以期望的量级的最大额定分离度。这意味着，这种过滤器可以截获内燃机废气中携带的微粒，尤其是炭黑微粒的与分离度相应的份额。部分过滤器可以设计成壁流式过滤器。在这种情况下，采用用于整体过滤器的基底并且该基底通过不同的措施构造一条或多条、一般许多的支路通道。支路通道提供从基底的流入侧向流出侧的流通性或流通路径，而废气不必流经过滤器壁。通过将在流出侧被封闭的过滤通道与一个或多个流出侧开口的过滤器通道连接来设置这种支路。可通行支路的可流经的横截面设计用于一定份额的废气流未过滤地流经它。根据可通行支路的可流经的横截面确定可通过这种部分过滤器实现的分离度。

除了这种设计成壁流式过滤器的微粒部分过滤器也已知这种微滤部分过滤器，其中，过滤仅通过从过滤器壁旁边流过的废气的壁沉积(Wandablagerungen)实现。一般，这种过滤器壁配有例如金属毛毡或类似类型的捕获结构。

即使通过这些已知的过滤器类型可以实现具有不同分离度的部分过滤器，也会期望改善这种设计为壁流式过滤器的部分过滤器的构造。此外期望的是，可以减小这种过滤器的重量或其基底的重量。恰好在汽车结构中人们努力的目标是，尽可能节省重量。

因此基于这些讨论的现有技术，本发明所要解决的技术问题是，建议一种设计成壁流式过滤器的微粒过滤器作为部分过滤器，该部分过滤器不仅允许它具有更大的设计自由度，而且还优选具有更小的重量。

该技术问题按本发明通过开头所述的、按本发明类型的微粒过滤器解决，其中，基底的过滤器壁具有在约55％到约75％之间的孔隙度以及在约20μm到35μm之间的孔径。

在设计成部分过滤器的微粒壁流式过滤器中，采用基底，该基底具有比传统基底的孔隙度明显更高的孔隙度。此外，按本发明的基底的孔径同样明显大于在传统使用的基底的孔径。因此，由基底制造的微粒部分过滤器的特性已经引入基底的此设计中。明显更高的孔隙度和同样明显更大的孔径允许由这种基底形成的过滤器壁更低阻力的通行性。因此，在按本发明的设计方案中，对于设计成具有通道结构的壁流式过滤器的部分过滤器，深度过滤效果保持明显更长时间。可通行支路的自由横截面因此可以相对已知的设计成壁流式过滤器的微粒部分过滤器尺寸设计得更小。结果，这在相同的基底体积中导致分离度效率的提高。同时，由于该基底相对已知基底明显更高的孔隙度，很大程度地减小了按本发明基底的重量。

在孔隙度为60％到70％之间的时，可以提高这种微粒部分过滤器的分离度。

按一种优选的结构方案，基底的过滤器壁的孔隙度为约65％，而孔径优选不大于30μm，尤其是约22μm。

除了孔隙度和孔径外，令人惊奇的发现，在基底的直径与长度比例为1到1.5之间，尤其是约1.4时，设计成壁流式过滤器的微粒部分过滤器对于所述目的特别有效。这意味着，该基底相比传统的基底设计得短很多，这主要带来的优点是在再生时有利于基底耐热性。若期望或需要更大的基底总长度，可以容易地在废气方向上串联多个这种基底以便提高总分离度。在这种情况下，在本实施方式的范围内，多个基底总体上也与概念“微粒过滤器”有关。

相比整体过滤器，在用已述设计标准设计部分过滤器时表明，在一个基底或多个基底参照发动机尺寸或待净化的废气质量流具有更小的直径时，部分过滤器特别有效地工作。除了这种微粒部分过滤器的其他设计标准外，基底的直径会影响流经基底的废气的流动速度。太大的流动速度(即直径相对小的基底)会导致，支路通行性表示相对高的流动阻力，使得分离度高于必要的情况。此外设想，在较高的流经速度情况下，通过过滤器壁的转向并不可以理想地实施。相反若流动速度太小(即基底的直径较大)，则导致废气优选流过可通行支路并且不可以实现期望的分离度。因此优选微粒过滤器的至少一个基底的直径与待净化的废气的体积流匹配并因此与发动机尺寸匹配。

这种微粒部分过滤器的分离度也由过滤器通道密度确定。这个也与细胞密度有关的特征优选在约180cpsi到约225cpsi(cpsi：每平方英寸的孔数)之间。特别有效的微粒部分过滤器在考虑已有设计标准的情况下具有约200cpsi。

因此，在设计基底时已可以考虑用于基底用途的过滤器通道密度。若过滤器通道密度更小，则已表明，通过过滤器壁的流动速度比较高并因此减小在设计这种微粒部分过滤器时期望的深度过滤并因此降低分离度。此外，支路通行性的横截面还相对较大。在更高的细胞密度时，支路通行性的横截面相对较小。此外已表明，随后在过滤器壁中仅更多地发生次级的深度过滤，这导致仅在表面上快速积累炭黑。

在这样设计的微粒部分过滤器中，由于期望的深度过滤效果主要也利用过滤器壁来过滤出在废气流中携带的微粒。已证实壁厚在0.3mm到0.7mm之间，尤其是约0.4mm特别适合用于满足对这种部分过滤器提出的要求。

设计成壁流式过滤器的微粒过滤器允许设计使用具有多个这种基底的微粒过滤器，多个这种基底然后在废气的流动方向上相互串联。这些至少两个或多个串联的基底随后确定微粒过滤器的总分离度。

很可能的是，包括唯一基底的微粒过滤器连接在传统的整体过滤器或传统结构方式的微粒部分过滤器前方。若该微粒过滤器前置有氧化催化剂或其流入侧表面涂覆有氧化催化涂层，则特别适合使用这种前置于微粒过滤器的第一部分过滤器。这种第一微粒部分过滤器相比在废气的流动方向上后置的主过滤器具有更小的体积并因此非常靠近发动机、一般直接后置于废气歧管或对于设有涡轮增压器的情况后置于涡轮增压器。该靠近发动机的布置确保，该微粒部分过滤器由于设计成被动工作，所以即使在内燃机不同的动态负载时也能以优化的分离度工作。由此，一部分排出的微粒已被有效地分离，从而减轻了后置的主微粒过滤器的过滤工作的负载。因此在更长时间间隔之后才需要再生作为传统的微粒过滤器或微粒过滤器装置。若主动再生该后置的微粒过滤器，则这意味着减少为此所需的能耗，例如被燃烧器需要用于提高废气温度的燃料消耗。

在一个具体的实施例中规定，具有在自身壳体中的这种第一基底的微粒过滤器直接靠近发动机地布置并因此布置在废气线路的第一区段内部。该微粒部分过滤器可以是具有约20％的分离度的微粒过滤器。基底具有仅较小的体积，从而能够实现前述的靠近发动机的布置。然后，实际的主微粒部分过滤器与发动机相隔相应的距离地布置，即在汽车上的存在相应结构空间的部位处。该第二过滤器同样是例如前述类型的具有40％的分离度的部分过滤器。第一基底在流入侧配有氧化催化涂层并因此受被动再生策略的影响。在此，氧化催化涂层设计成，使得从该氧化催化涂层中可以生成足够的NO₂，以便给在废气线路中进一步后方布置的主过滤器或其上积累的用于再生基底的炭黑提供以NO₂。这两个串联的微粒部分过滤器的额定累积的分离度为52％。

在这种结构方案中还有利的主要是，也用于主微粒过滤器的NO₂-供给的氧化催化剂或与之相关的氧化催化涂层非常靠近发动机地布置，因此非常快地达到运行温度。因此，在下游第二微粒部分过滤器上积累的炭黑已经在发动机很短的运行时间之后也获得为再生所需的NO₂。

氧化催化剂装置的非常靠近发动机的布置或用于此目的从流入侧施加到第一基底上的氧化催化涂层也会促使，已经在较短的运行时间并因此快速达到其运行温度之后分解其他的排放物，例如在废气中携带的HC。通过整个在氧化催化表面上的放热反应，氧化催化剂仍更快速地上升至运行温度。

清楚的是，在设置多个形成这种微粒过滤器的基底时，基底可以布置在一个共同的壳体中。在之前描述的应用例中，其中，第一基底直接靠近发动机布置，而第二基底位于废气线路中的其他部位上，第一基底包围在自己的壳体中，而一个或多个随后连接的基底包围在一个自己的壳体中。

在一个优选的实施例中规定，微粒过滤器的至少一个基底设计用于被动再生。在此，各基底在结构上这样设计并且在废气线路内部布置成，使得在基底的分离度达到其额定最大分离度之后，当然在分离度通过炭黑连续的积累下降到其最小分离度之前发生基底再生。基底优选的结构设计成，使得在IST-分离度下降额定最大分离度和最小分离度之间的差值的50％之前已经进行再生。因此，为保持微粒部分过滤器或其基底的效率而遵循的再生范围明显更大于整体过滤器的再生范围。这意味着，即使由于可能不存在的再生条件而明显延迟再生，也能在没有明显提高废气背压的情况下维持微粒过滤器以期望的分离度运行。

在一个优选的实施例中规定，基底是碳化硅材料。原则上，还可以使用另外的材料，例如陶瓷材料或烧结金属用于制造这种微粒过滤器的基底。

本发明根据各实施例描述。只要不超出有效权利要求的范围，对于本领域技术人员还能获得很多实现本发明的其他可能性。

Claims (15)

1.一种设计成具有通道结构的壁流式过滤器的微粒过滤器，用于分离在内燃机的废气中携带的微粒、尤其是炭黑微粒，所述微粒过滤器具有配备多个通过过滤器壁围成的过滤器通道的基底和至少一条用于提供从基底的流入侧到流出侧的流通性的支路，而不必流经过滤器壁，其特征在于，所述基底的过滤器壁具有在约55％到约75％之间的孔隙度以及在约20μm到35μm之间的孔径。

2.根据权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述基底的过滤器壁的孔隙度为约65％。

3.根据权利要求1或2所述的微粒过滤器，其特征在于，所述基底的过滤器壁的孔径不大于30μm，尤其孔径约是22μm。

4.根据权利要求1至3之一所述的微粒过滤器，其特征在于，所述基底具有在1到1.5之间的，尤其是约1.4的直径长度比。

5.根据权利要求1至4之一所述的微粒过滤器，其特征在于，所述基底具有在约180cpsi到约225cpsi(cpsi：每平方英寸的孔数)之间，尤其是约200cpsi的过滤器通道密度(细胞密度)。

6.根据权利要求1至5之一所述的微粒过滤器，其特征在于，所述过滤器壁的壁厚为在0.3mm到0.7mm之间，尤其是约0.4mm。

7.根据权利要求1至6之一所述的微粒过滤器，其特征在于，所述微粒过滤器包括两个或更多在废气的流动方向上相继连接的基底，其中，沿废气的流动方向在第一基底之后连接的第二基底的分离度大于之前连接的基底的分离度。

8.根据权利要求7所述的微粒过滤器，其特征在于，之后连接的基底的分离度比之前连接的基底的分离度高至少10％。

9.根据权利要求7所述的微粒过滤器，其特征在于，所述微粒过滤器包括两个基底，所述第一基底的分离度为约20％，在它之后连接的基底的分离度为约40％。

10.根据权利要求7至9之一所述的微粒过滤器，其特征在于，所述基底布置在一个共同的壳体中。

11.根据权利要求7至9之一所述的微粒过滤器，其特征在于，第一基底与所述基底或其他基底分离地布置在自身的壳体中并且与其他基底间隔地布置，并且所述第一基底具有比另一个基底或在第一基底之后连接的其他基底的总和更小的基底体积。

12.根据权利要求11所述的微粒过滤器，其特征在于，所述第一基底与所述发动机出口直接相邻地被布置在所述废气线路中。

13.根据权利要求1至12之一所述的微粒过滤器，其特征在于，一个基底或多个基底中的至少一个基底被催化涂层，如配有氧化催化涂层。

14.根据权利要求1至13之一所述的微粒过滤器，其特征在于，所述微粒过滤器的一个或多个基底为了被动再生被这样地设计，使得在各基底的分离度达到它的额定最大分离度之后并且在所述分离度通过其他炭黑的连续积累减小到其最小分离度之前，在各基底载入炭黑时发生被动再生。

15.根据权利要求1至14之一所述的微粒过滤器，其特征在于，所述微粒过滤器的一个或多个基底由多孔碳化硅材料制成。