CN1276171C - 用来处理工业燃烧过程产生的废气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来处理废气的装置，它可设置在内燃机废气流内或固定的燃烧装置的排气管内，并具有一输入管接头和一输出管接头。输入和输出管接头(3、4)安装在壳体(6)上，壳体内装入过滤材料，此过滤材料具有至少一个由金属丝或金属纤维组成的织物层。为了使流入的废气流(1)内的颗粒转向和过滤，以及为了在废气流内消声和净化废气在壳体(6)内设有成形体(8)，成形体由作为复合材料(19)的金属材料(19.1、19.2)组成，其中在壳体(6)内含有的空腔(11、16、17)用金属纤维材料填充。

Description

用来处理工业燃烧过程产生的废气的装置
技术领域
本发明涉及一种用来处理工业燃烧过程中产生的废气的装置，例如内燃机的废气、燃烧装置或其它工业应用场合产生的废气。
背景技术
EP0505832B1涉及一种过滤器或催化器基体，推荐了一种过滤器或催化器基体，以排除内燃机，特别是柴油机废气中的有害成分。基体包含至少一种金属丝或金属纤维织物层，其中在网眼内加入和在金属丝或纤维上烧结粉末、颗粒、纤维碎片或切屑状的可烧结的材料。织物做成基体金属丝织物，在基网眼内放入可烧结的材料，并与金属丝或纤维烧结在一起。
DE3731766C2公开了一种炭黑过滤器、炭黑过滤器设置在内燃机，特别是空气压缩内燃机的废气流中，并包含一具有用于废气流的输入输出管接头的壳体，在它里面多层或多重设置具有编结的纤维和矿物丝或线的过滤材料。过滤材料至少部分或完全由一种由矿物丝或圆形编织的织物构成。
由EP0446422A1已知一种空气压缩内燃机的炭黑过滤器。推荐了一种用于柴油机的炭黑过滤器，它具有一用来引入废气的入口，一出口和一在入口和出口之间的过滤区，它具有大量管状多孔陶瓷的滤烛或滤筒，废气径向进入它们的圆柱形壁，并通过其轴向内腔废气又轴向排出。多孔陶瓷滤烛或滤筒在其末端上径向借助于由金属编织物、金属针织物、金属编结层或金属织物制成的套且轴向借助于一垫圈弹性支承和密封。
AT397694B涉及一种用于废气的炭黑分离器。该炭黑分离器包括一安装在排气管道后面的壳体，在壳体内炭黑分离材料中埋入一打孔的排气管道段，并且壳体具有一废气出口。排气管道的打孔段在炭黑分离材料中之字形分布。炭黑分离材料连同埋入的管道段安装在一可从壳体中拔出的、可与壳体的废气出口流通连接的箱体内。此箱体可用玄武岩棉、石棉、钢或铝丝/棉填充。
GB2256006A的内容是一废气消声器。废气通道由可变形的由金属丝编结物组成的管子构成。在可变形的管子周围设置许多阻尼层。可变形的管子装在一壳体内。在可变形的管子或阻尼层发热时它们径向向外膨胀，并贴合在安装可变形的管子的壳体的内侧上。
最后由EP0437685B1已知一种炭黑过滤器。炭黑过滤器具有一由带有Ni、Al或Ni3Al的金属间化合相的金属材料组成的耐高温、多孔金属过滤体，以分离内燃机废气中的颗粒，其中炭黑过滤器的过滤体通过烧结制成。过滤体由金属丝编结结构组成，其中为了改善烧结性能在材料中混入金属或金属化合物。
在迄今为止用于在汽车制造中的废气处理的系统中，例如在废气消声装置中应用反射原理，其中通过借助于多空腔系统使废气流转向和折射在可以在前消声器或主消声器内的排气管内造成消声。在吸收原理时消声借助于由不同材料组成的填充剂进行。通常消声系统内废气流的转向通过不同形状的孔板，例如可以是管子或冲压件完成。由所述元件通过咬接、焊接等等相互连接，产生排气消声器的比较刚硬的内部结构。在将由冲压件和管子组成的内部结构覆盖外部结构后得到的空腔用不同的填充材料，例如可以是矿物棉(玄武岩)或玻璃棉填充。例如采用特种钢棉作为用于其它填料的热分配器和热防护器，其中通过特种钢棉打破进入的废气流的一次高声频。
迄今为止的消声器结构完全遵循的吸收原理带来这样的缺点，即由于形成消声器内部结构的零件打排孔或冲压非常费料和费钱，因为需要用来冲压、打孔或钻孔和焊接的极其不同的昂贵工具，并且容易产生不可忽略的废料。对于用来净化内燃机废气流的催化器的结构也一样。按照各有所别的消声器结构设计使孔板成形要求构件由型号确定的结构设计，并由于校准、冲压和库存带来高的消耗和可观的费用。其次骨架形地放入可以是主消声器或前消声器的消声器壳体内的复合结构的制造特别费工，此外其中形成的结构具有很大的固有重量。但与其相反在汽车制造中有使用越来越轻的结构的倾向。目前配备骨架形结构的消声器的空腔的填充通常通过矿物棉、陶瓷以及其它材料进行。但是这阻碍排气消声器可再生设计，因为为了它的再生，亦即熔化，事先必须将矿物棉或陶瓷组成部分从排气消声器内部取出，使得留下的剩余部分可以完全熔化。
发明内容
鉴于由现有技术指出的废气处理装置的解决方案以及迄今为止已知的消声器结构显示的缺点，本发明的目的是，明显简化用于废气处理的系统-它可以是消声系统、炭黑过滤系统或用来净化废气流的废气催化器-的制造，并改善其再生能力。
按照本发明这个目的通过这样的方法来实现，即在用于废气处理的装置中为了使包含在废气中颗粒转向、把它们滤掉以及为了消声在壳体内放入由金属纤维材料组成的成形体，成形体填充用于废气处理装置的壳体，此废气处理装置装在内燃机废气流内，并具有装在一壳体上的输入管和输出管接头，壳体内放入过滤材料，它具有至少一个由金属丝或金属纤维组成的织物层。
用本发明所推荐的方案可以达到的优点首先可以从以下方面看出，即设置在用于废气处理的装置的壳体内的成形体可以用简单的方法成形，并在其几何形状方面具有很大的灵活性。成形体例如可以设计成这样，使它们沿轴向，也就是平行于待处理废气流的流动方向穿过炭黑过滤器、废气催化器或消声器体的壳体，它们可以螺旋弹簧形盘绕穿过壳体内部，但是它们也可以之字形穿过壳体，从而迫使废气流以较长的路程穿过壳体。此外也可以考虑其它的加长经过壳体的废气流的路程的废气流结构。此外这样的消声系统、催化器系统或炭黑过滤系统的结构在自重方面比类似的采用打孔的或不打孔的板的结构有利得多。所用的金属复合材料可以由具有大的表面积的特种钢棉或其它金属纤维组成，它们放在用作基体材料的网目/线圈织物内。由此可以取消由板材组成所有单个成形件，以及其在催化器、消声器或炭黑过滤器系统的壳体内部的分开的安装。
在本发明所推荐的装置的优良结构中金属复合材料由一种起基体材料作用的网目织物和加入它里面的金属纤维组成。金属维纤提供这样的优点，即最迅速地发散包含在进入的废气流内的热量，并具有大的表面积，这在用于炭黑过滤器时在颗粒过滤方面是有利的。
由金属复合材料组成、放在壳体内部的成形体可以非常灵活地加工，其中加工特别简单。仅仅由金属基体材料制成的成形体具有可根据其制造过程调整的多孔性。多孔性决定性地影响流过按本发明结构的消声器或炭黑过滤器的废气的流动速度，因此通过各种材料在金属复合材料内的挤压方式可以控制在催化器、炭黑过滤器或消声器内部废气流的停留时间。
按照本发明推荐的用于废气处理的装置的一种优良结构方案放入壳体内部的用来处理废气流的成形体可以平行于废气流流动方向设置。可以形成通过用于废气处理的装置-它可以是炭黑过滤器、用来净化废气的催化器或消声器-内部的不同的废气流路程。这里是一个、两个还是多个沿着或平行于做成圆形、椭圆形或其它几何形状的壳体的对称轴线(的成形体)并不重要。由金属复合材料组成的成形体除同心分布地延伸外还可以毫无问题地设想，由金属复合材料组成的成形体之字形分布延伸通过壳体内部，由此可以加长或按要求控制引入成形体内的废气在消声器、催化器或炭黑过滤器壳体内部的停留时间。
除了成形体在壳体内部的同心造型或可调整的之字形分布外，也可以设想设计成螺旋形的—螺旋弹簧的形状—成形体几何形状，它离壳体的外壳很小距离地分布在这个壳体的内部。通过成形件的加长，亦即路程加大，迫使废气以较长的通行路程穿过壳体内部，由此一方面可调整其在壳体内部的停留时间，从而改善颗粒的过滤，另一方面可在壳体外表面上更好地散热。
在本发明所推荐的装置的另一种结构中金属纤维材料放在空腔、亦即壳体内部空间内，由金属复合材料组成的成形体没有穿过这个空腔。由此达到由金属复合材料组成的成形体的无振动支承，以及壳体内部均匀的加热和热量分布。在本发明推荐的装置的一种优良的可能的结构中—它可以是用在汽车行业中的炭黑过滤器、消声器或废气催化器—在壳体入口端面区域内金属复合材料中的特种钢材料成分与设置在壳体出口端的特种钢成分相比可以高得多，以排出来自流入的废气的热量。
用于处理废气流的装置既可以用在消声系统，它可以是主消声器或前消声器，在汽车中用作用货车或小轿车的来过滤炭黑颗粒的炭黑过滤元件，其次本发明所推荐的用于处理废气的装置也可以用作用本净化内燃机废气的催化器。此外按本发明的方案可以用于工业和家用的固定燃烧装置。
在本发明所推荐的用来过滤颗粒的装置亦即炭黑过滤器中可以通过这样的方法显著提高颗粒的过滤亦即净化废气流的效率。即一方面迫使进入的包含颗粒的空气压缩内燃机的废气流有长的停留时间，亦即在长的路程上通过壳体内部。此外如果在炭黑过滤器可在制造金属复合材料时产生强烈的挤压或两种金属复合材料的缠结，那么在几乎完全填满壳体内部的金属复合材料内便形成多孔性，它显著改善废气流中的颗粒的过滤。
附图的简要描述
下面借助于附图详细说明本发明。
附图表示：
图1一局部打开的废气处理装置的壳体的横截面连同它里面的示意表示的成形体；
图2一由金属复合材料组成的轴向延伸的简单几何形状的成形体。
本发明具体的实施方式
由按图1的视图可以看到一用于处理废气流的装置，例如内燃机上的消声装置的示意结构。
由按图1的视图可以看出，一流入的内燃机-它可以是燃烧汽油的内燃机或空气压缩内燃机-的废气流1经过一入口管接头3进入废气流1处理装置的壳体6内部。在按图1的结构中管接头直径5基本上相当于放入壳体6内部的由金属复合材料19组成的成形体8的直径，其中在按图1的视图中画出了两个成形体，它们基本上平行于壳体6的对称线延伸。入口管接头3固定在用来处理废气流的装置壳体6的入口7的外侧7.1上。入口管接头通过一个开口直接通入设置在壳体6内部的穿过第一空腔11以及另外一些空腔16和17的成形体8。
在壳体6的出口端上设一出口管接头2，它固定在出口端面14的外侧14.1上，并且管接头直径5做得和入口管接头3一样，基本上相当于由金属复合材料19组成的成形体的外径15。相应地处理过的废气流经过出口管接头2离开壳体6内部。壳体6可以是消声设备的组成部分，此外也可以是一废气净化设备-它可以是目前在汽车制造中使用的炭黑过滤器或废气催化器-的组成部分。
壳体6除端面7和14外还包括一外壳13，它围绕端面7和14圆柱形延伸。端面7、14之间通过壁板12、18分隔，在壳体6内部形成各个空腔11、16和17。在壳体6内部的所述空腔用是金属纤维材料的填充材料填充，以改善例如在消声系统中的消声性能以及进入的高温废气流1中的热传导。
在按图1的视图中只举例画出其中两个的成形体8基本上沿与壳体6的几何线同心的方向分布。相对于安装在壳体6内的、基本上与入口和出口管接头3、4同心安装的上成形体8在壳体6内部还有另一成形体8，它仅仅断开画出，并且平行于连接管接头3、4的成形体8。除了这里所示的成形体8的几何形状外它还可以之字形分布地穿过壳体6内部，以迫使流入的废气流1在壳体6内部走较长的路程，以及提高其在壳体6内部的停留时间。在用来处理废气流的装置的壳体6内部较长的停留时间允许流入的废气流1进一步降低温度，以及在炭黑过滤装置中在包含在空气压缩内燃机的度气中炭黑颗粒的过滤率方面有更好的过滤结果。
除了成形体之字形穿过壳体6内部之外它还可以按照螺旋弹簧的方式以沿壳体6外壳13的各个绕圈穿过壳体6内部。这有这样的优点，即除了到壳体6外表面上良好的热传导以外还使流入的废气流1在壳体6内部有尽可能长的停留时间，这在空气压缩内燃机时带来有利的效果，使得包含在废气中的颗粒可以被尽可能地滤掉。
在图1中所示的实施例中成形体8在开口20和21区域穿过各个壁12、18。成形体8由带有组分19.1和19.2的金属纤维复合材料组成。用附图标记19.1表示起基体材料作用的网目织物，其网目具有不同的大小，并可以采用任意的几何形状，网目内可放入一种金属纤维材料，例如特种钢棉。这里设计成杆状的成形体8在其外表面9上分别包裹填充材料，尤其是金属纤维材料。因此壳体6内部完全由金属材料组成，这对其可再生性产生有利的影响，因为现在可以在按本发明设计的废气流处理装置的再使用过程中不必将不同的材料，例如陶瓷、玻璃纤维、矿物棉分开。现在起可以取消在迄今为止的结构中作为填充料装在空腔11、16、17内的矿物棉或玻璃棉单独的处理，这对本发明所推荐的装置-它可以用作消声器、炭黑过滤器或废气催化器-的可再生性起有利的影响。
由按图1的视图可以看出，最复杂的几何形状也可以方便地制造的成形体8相互离开以附图标记23标记的距离设置在壳体6内部。在壳体6内部的被外表面13包裹的各个成形体可以设置在离外表面较大的距离24处。通过由金属复合材料19组成的成形体8的外表面和壳体6外壳13的内壁之间的距离24确定设置在这个区域内的填充材料尤其是金属纤维材料的量。由此可以控制流过成形体8的废气向壳体6外壳面13外侧上的热转移。除了流入的废气流1通过由金属复合材料19制成的并具有最复杂几何形状的成形体8按之字形或螺旋形导流以外从流入的废气流1向壳体6的外壳面13上的热转移也可以通过由金属复合材料制成的成形体的预先选择的距离24预先确定。
为了考虑通过入口管接头3进入壳体6内部的废气流1所携带的高温，在入口侧端面7的区域内不管是在由金属复合材料19组成的成形体8内还是在包围成形体的在第一空腔11内的填充材料内可以存在较高的特种钢成分，它保证较好地散热。在壳体6的出口侧端面14上在金属复合材料内的特种钢成分可以降低，因为从用来处理废气流的装置的壳体6内部流出的气流2的出口温度通常低于流入的还未处理的废气流1的入口温度。尽管表示了用于废气流的消声器，用于净化废气的催化器的结构或用于过滤颗粒的炭黑过滤器的结构类似于在图1中用草图表示的消声器。
由按图2的视图可以较详细地看出这里仅仅示意表示的成形体构件8。
成形体构件8由挤压的或相互缠结的、从而可影响与废气流的穿透能力有关的多孔性的金属复合材料19组成。复合材料19一方面具有一用作基体织物的网目织物19.1，它可以具有一网目大小和任意的网目几何形状，它可以是圆形，多角形，菱形等等。在在基体材料19.1内存在的单个网眼内放入金属纤维19.2，这些金属纤维可以用熔炼或用切削方法制造，两种材料19.1和19.2可以相互挤压、缠结或任何其它可以想像的方式方法相互结合，使得产生复合材料。根据可以通过金属复合材料19.1和19.2的挤压或缠结的程度调整的多孔性的不同可以有利地影响颗粒，例如来自空气压缩内燃机的废气的炭黑颗粒的过滤率。如果在过滤时通过螺旋形或之字形结构的废气流穿过壳体6内部的路径选择停留时间并合适地选择成形体8内的孔隙度，那么可以用这种类型的由纯金属材料组成的炭黑过滤器或废气催化器达到在这里未画出的空气压缩内燃机的废气流内的显著的颗粒过滤率。此外这样设计的炭黑过滤系统或催化器系统可以用最简单的方法处理，因为它只由金属材料组成，因此可以容易地熔化。在这样制成的炭黑过滤器中不需要分离不同的材料，如玻璃棉、矿物棉或陶瓷材料。在将本发明推荐的用于废气处理的装置用作炭黑过滤器或废气催化器时也可以实现在壳体内部的考虑流入的废气流1的温度分布的特种钢材料分布。例如在炭黑过滤器或催化器中在离壳体入口侧端面7最近的空腔11的区域内可以设置比在用来处理废气流1的装置的壳体6的出口侧端面14处高的特种钢成分，以改善热传导。壳体其余的空腔11、16和17可以例如用特种钢棉填充，因为它和已经提到过的玻璃棉或矿物棉材料不同是可再生的，可以取消分离过程。
按图2的视图，流入的废气流1以及流出的已处理废气流2流过成形体8在流通方向的流通通过横截面15进行，在按图2所示实施例中此横截面例如设计成圆形。在由金属复合材料19组成的成形体8的内部区域10内形成由成形体8的制造确定的多孔性，这种多孔性导致在在空气压缩内燃机的废气中的炭黑颗粒的过滤方面有利的结果。
成形体8的外壳面9被填充材料包围-尽管图2中未画出，填充材料同样是金属复合材料19，并且它装在用来处理废气流用于消声的装置的壳体6的空腔11、16、17(参见图1)内。此外除了消声以外通过填充材料19可以改善从入口端的高温废气流向壳体6的外壳面13的热传导和热转移。
用本发明推荐的用于废气处理的装置的设计使这种罐状壳体结构的装置可以完全由金属制成，这对可再生性产生有利影响，并使用来分开不同材料的分离过程成为多余。本发明所推荐的结构的用来处理废气流的装置的自重与由孔板和管子组成的普通的骨架结构相比显著减小，此外从现在起可以完全取消迄今为止在消声器、炭黑过滤器或废气催化器所用的工作量大、成本很高的骨架结构。现在起还可以完全取消用于在汽车中的由型号确定的消声器结构的极其不同的孔板配置的库存。
                                     附图标记表
  1   流入废气流   2   流出废气流
  3   入口管接头   4   出口管接头
  5   管接头直径   6   壳体
  7.1   外侧   7.2   内侧
  8   成形体   9   外壳
  10   内部区域   11   空腔
  12   壁板   13   外壳面
  14   出口端面   14.1   外侧
  14.2   内侧   15   成形体横截面
  16   空腔   17   空腔
  18   壁板   19   金属复合材料
  19.1   基体织物   19.2   基体织物+金属纤维
  20   壁板12穿通口   21   壁板18穿通口
  22   成形体长度   23   距离
  24   外壳面距离   25   流通面积
  26   壁板厚度   27   空腔11、16、17的填充材料

Claims (9)

1.用来处理废气(1)的装置，它设置在内燃机废气流内或固定的燃烧装置的排气管内，并具有一输入管接头(3)和一输出管接头(4)，这些管接头安装在壳体(6)上，壳体内装入过滤材料(19)，此过滤材料具有至少一个由金属丝或金属纤维组成的织物层，其特征为：为了使废气流(1)转向、过滤掉颗粒以及消声在壳体(6)内设有成形体(8)，成形体由包括用作基体织物的网目织物(19.1)以及在各个网眼内挤压和缠结的金属纤维(19.2)组成，其中在壳体(6)内的空腔用金属纤维(19.2)填充。
2.按权利要求1所述的装置，其特征为：放入壳体(6)内部的用来处理废气流(1、2)的成形体(8)平行于废气流(1、2)的流动方向设置。
3.按权利要求1所述的装置，其特征为：成形体(8)以之字形路线穿过壳体(6)内部。
4.按权利要求1所述的装置，其特征为：成形体(8)以螺旋形路线穿过壳体(6)内部。
5.按权利要求1所述的装置，其特征为：在壳体(6)的入口端面(7)的区域内复合材料(19)中的特种钢材料(19.2)的成分高于壳体(6)出口侧端面(14)处的特种钢材料成分，以传导来自流入的废气流(1)的热量。
6.按权利要求1所述的装置，其特征为：此装置作为主消声器和/或前消声器用于排气系统内。
7.按权利要求1所述的装置，其特征为：此装置用作用来滤掉来自流入的废气流(1)中的颗粒的炭黑过滤器。
8.按权利要求7所述的装置，其特征为：通过成形体(8)的长度(22)、流通面积(25)以及成形体(8)金属复合材料(19)的孔隙度影响颗粒的过滤。
9.按权利要求1所述的装置，其特征为：该装置用作用来净化废气流的废气催化器。
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