CN1471611A - 具有热点型陶瓷点火器的用于净化内燃机废气的颗粒过滤器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于净化内燃机、特别是柴油发动机的废气的颗粒过滤器，这种过滤器包括一个过滤体和一些用于点燃聚积在过滤体上和过滤体中的炭黑的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括至少一个热点型陶瓷点火器(3)。本发明用于汽车工业。

Description

具有热点型陶瓷点火器的 用于净化内燃机废气的颗粒过滤器

技术领域

本发明涉及陶瓷点火器的使用，用于净化内燃机、特别是汽车柴油发动机的废气的颗粒过滤器的再生。

背景技术

人们使用蜂窝状的孔隙结构作为过滤体，用于过滤柴油车排出的颗粒。这些过滤体一般是陶瓷的(堇青石、碳化硅……)。它们可以是整块的，或者由不同的块组成。在后者的情况下，用一种陶瓷水泥把不同的块粘结组装在一起。然后整体经过加工，使其具有所需的截面，一般为圆形或椭圆形。过滤体可以包括多个通道，它们的端部互相封闭，并且可以有不同的横截面、形状和直径，过滤体插在一个金属套中，例如文献FR-A-2789327所述。

使用一定时间后，炭黑聚积在过滤体的通道中，特别是聚积上游面上，这增加了由于过滤体而产生的负荷损失，因此降低发动机的性能。由于这个原因，过滤体应该定期地进行再生(例如每500公里)。

再生是使炭黑氧化。为了做到这一点，需要加热，已经知道炭黑在普通运行条件下的自燃温度约为600℃，而废气的温度只有300℃。但是，可以在碳氢燃料中加入可以催化炭黑的氧化反应并使自燃温度降低约150℃的添加剂。加热可以涉及废气、过滤体，或者甚至直接涉及炭黑。已经开发了不同的技术，但它们需要许多能量，并且常常难以控制。

一种最近的先进方法在于局部加热(在过滤体前面)，以启动燃烧，然后燃烧逐渐扩展到整个过滤体。例如文献FR-A-2771449或DE-A-19530749中描述了这种技术。

加热沉积在过滤体上的颗粒的装置与汽车的一个电源连接，例如该装置由柴油发动机的预热火花塞组成。

这些加热装置有一些缺点。首先，它们的体积较大，使它们很难相对过滤体就位。在文献FR-A-2771449的图2中看到不可能使这些加热装置直接与炭黑接触，更不能放在过滤体的中心。另外，人们发现，这些加热装置的存在使过滤体一定数量的通道不能使废气通过，这就大大降低了过滤体的效率。另一方面，消耗的能量大，并且温度上升相当慢，因此再生系统的响应时间不太好。

其它加热装置、如简单的电阻不适用，因为炭黑燃烧时过滤器中的温度可能达到1000℃以上，在这种温度和氧化的条件下，几乎没有什么材料可以使用，由于腐蚀而产生的快速磨损问题变得非常严重。

因此，需要没有上述缺点的用于净化内燃机、特别是柴油发动机的废气的颗粒过滤器的加热装置。

发明内容

本发明旨在满足这一需要。

更特别的是，本发明的主题是一种净化内燃机、特别是柴油发动机的废气的颗粒过滤器，该过滤器包括一个过滤体和所述过滤体的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括至少一个热点型陶瓷点火器。

热点型陶瓷点火器在商业上可以得到，并且是小的零件，当电流穿过时，局部达到可以点燃气体的非常高的温度(1200-1400℃)。这些零件用于某些家用器具中，如燃气烹调器，用于点燃燃烧器。这些点火器一般由一种高电阻的陶瓷材料构成，如碳化硅，有时由与其它陶瓷成分的混合物构成。

这些零件的电阻与它们的几何形状之间的关系已经知道；因此，陶瓷点火器可以采用许多不同的形状，使它们容易使用。例如，在从NORTON公司得到的MINI-IGNITER点火器的系列内，零件的长度可以在2到4厘米之间变化，宽度为几毫米。

有关陶瓷点火器的结构和制造的详细信息可以在美国专利5191508、5085804、5045237、4429003和3974106中得到，它们都属于NORTON公司的专利。

使用这些陶瓷点火器有很多优点。

首先，它们的体积小，重新使他们可以在过滤器中更有利地就位。由于更接近炭黑，这些加热装置传递热量，并消耗最小。

另外，热点陶瓷点火器消耗很少的能量，因为它们要加热的面积很小，并且使用的陶瓷材料完全适用。因此，完全可以通过过滤器安装在上面的汽车能源给它们提供能量。

尤其是使用热点陶瓷点火器可以有一个响应时间非常短的系统。实际上，火花塞用10-40秒达到1000℃，而陶瓷点火器只用3-6秒达到同样的温度。这是很关键的，因为如果加热不够快，则炭黑有被消耗而不是点燃的倾向；由此产生一种妨碍燃烧传播的障碍。另外，过滤器的再生只有在发动机处于最佳状态时被控制并一般被起动。实际上，再生的效率在很大程度上取决于发动机的状态。由于响应时间非常短，大大限制了再生过程的起动与炭黑有效燃烧的时刻之间很大的状态变化。

每个点火器的低能耗使得可以同时使用多个点火器，并且实验已经证明了这一点。但是，根据点火器本身的特点以及使用点火器的过滤器的类型，点火器的数量可以或多或少。

点火器的小尺寸使得可以非常准确地就位。这是有利的，特别是很好地覆盖传统系统中人们知道的再生不好的区域，这些区域常常在过滤体外围。这些热源的体积小还可以尽可能靠近过滤体，甚至可以在点火器的热点与过滤体或沉积在过滤体表面的炭黑之间有一个接触点。

有利的是，所述过滤体包括多个过滤块，这些过滤块通过至少一个粘结区、也称为“组装连接”组装在一起，至少一个所述点火器位于所述区域的厚度中。

本发明还涉及一种减轻颗粒过滤器中的热-机械应力的方法，该方法在于，选择性地加热所述过滤器的比较冷的区域时，以降低造成所述应力的温度梯度。

本发明最后涉及一种实施本发明的减轻热-机械应力的方法的装置，其特征在于，该装置包括一些能够加热至少一个所述区域的点火器、一个控制所述点火器的计算机和一些能够通知所述计算机的应力评估装置，所述计算机进行了编程，以便能够在所述应力超过一个确定的阈值时，控制点火器的选择性点火。

附图说明

通过下面参照附图进行的描述可以更好地了解本发明的优点。图中：

图1a和1b是本发明过滤器的两个实施例的纵剖面示意图，其中热点陶瓷点火器穿过包围过滤体的金属套固定在过滤体的上游。

图2a和2b分别为另一个实施例的轴向纵剖面示意图和沿图2a中II-II线的横剖面示意图，其中热点陶瓷点火器固定在一个与过滤体的前表面接触的环上。

图3a和3b分别为又一个实施例的轴向纵剖面示意图和沿图3a中III-III线的横剖面示意图，其中热点陶瓷点火器位于过滤体的通道中。

图4是另一个实施例的横剖面示意图，其中热点陶瓷点火器与过滤体的上游面接触。

图5是另一个实施例的轴向纵剖面示意图，其中热点陶瓷点火器位于过滤体中，但是穿过金属套。

图6是一个补充实施例的轴向纵剖面示意图，其中热点陶瓷点火器位于过滤体的下游。

图7示意地示出一个实施本发明的减轻热-机械应力的方法的装置，过滤器用横剖面图表示。

具体实施方式

图1a和1b示出一个包在一个金属套2中的过滤体1。如图2b中更好地看到的，过滤体1由一些互相粘结并且钻有多个通道的过滤块组成。废气通过入口4到达。在所示的两个实施例中，四个热点陶瓷点火器3(图1a和1b上只能看到两个)穿过金属套2。它们两两相对地位于正交平面中，或者倾斜于过滤器的纵轴(图1a)，或者与该轴垂直(图1b)，使每个点火器的热点3’直接位于过滤体的上游面附近。因此热的辐射和发射可以点燃炭黑，并通过传播使炭黑在整个过滤体上燃烧。

图2a和2b示出一个实施例，其中点火器由一个位于金属套2中并就在过滤体1前面的一个环5支承。为了使环相对过滤体的定位非常准确，可以考虑用粘结构成过滤体的不同通道块所使用的相同类型的陶瓷水泥粘结该环。该环5可以由和过滤体一样的材料构成，并且有相同的截面。在本例中，如图2b所示，环5的截面是一个圆形。四个陶瓷点火器3等角度地分布在环5的内周上，例如图2b所示。在该图中，从后平面(用虚线表示)上看见构成过滤体的不同块7之间的粘结区6，块7钻有通道。为了使图简化，只在一个块中示出了通道，它们的数量被减少，它们的截面以及两个相邻通道之间的壁厚增加。环5的方向使点火器3与粘结区重合。

该实施例比图1a和1b的实施例有几个优点。

实际上，它可以避免点火器穿过金属套，这对汽车工业中使用的自动装配线是很重要的一点。

点火器的热点与过滤体或聚积在过滤体上的炭黑之间有紧密的接触，因此热通过传导而不是只通过辐射从一个传递给另一个。点火器的温度迅速上升以及上面提到的紧密接触使系统的响应时间比老工艺的装置大大改善。

另外，该实施例的一个补充的优点是完全不影响过滤器的运行。实际上，点火器与粘结区6相对，避免堵塞通道。

该实施例涉及一种过滤器，它的过滤体由一些方形截面的不同块组装构成，但原则是把点火器安装在一个与过滤体不同并且与过滤体毗邻的支座上，该原则可以应用在过滤体的其它设计上。

图3a和3b也示出一个实施例，其中把一个环5”插入到金属套2中，在过滤体1前面。在这里，环内接一个由与环同样材料构成并且与环连在一起的支撑格栅8。四个与支撑格栅垂直的陶瓷点火器3固定在支撑格栅的交叉点9上，并插在过滤体的通道内。和前面一样，从后表面示意性地示出通道7的几个截面。

点火器的小尺寸显然可以这样定位。

该实施例与过滤器一起描述，过滤器的过滤体由方形截面的不同块组装得到，但它的原理是把点火器装在过滤体的通道内，这种原理显然可以用于过滤体的其它设计。

图4示出一个位于一个金属套2内的过滤体1的前表面。过滤体由一些根据粘结区6互相粘结的块组成。用和图2b和3b一样的规则进行简化。在该实施例中，过滤体的上游面在粘结区域6处经过加工，以形成凹陷，陶瓷点火器3嵌入其中。点火器3可以粘结或不粘结在过滤体的表面上。

作为该例子的变型，并且由于简化使用的原因，可以把点火器简单地粘在过滤体的上游面上，而无须加工过滤体的上游面。

这些实施例的优点是不用穿过金属套，并且不需要加入一个补充零件，如一个环。另外，废气的通过不受影响，因为点火器没有堵塞任何通道。

该实施例与一个过滤器一起进行描述，过滤器由一些方形截面的不同块组装形成，但原理是把点火器直接固定在过滤体上，或固定在过滤器表面加工出的凹陷中，该原理可以用于过滤体的其它设计。

图5示出一个实施例，其中外套和过滤体都有钻孔，陶瓷点火器安装在这些孔中。因此，用该实施例可避免加热气流，因此所有的热能都传递给炭黑。

出乎意料的是，陶瓷点火器能够在这些特殊使用条件下工作。实际上，以日常的方式使用这些点火器，以点燃它们周围的气体，或者在现在的新应用中，它们常常与要点燃的固体颗粒接触，或直接或通过一种胶与陶瓷过滤器接触。这种接触改进了点火器的工作：以提供的等量能量，工作的温度将更低。在该应用中，温度约为1000℃，而传统方法使用的点火器的温度达到1200-1400℃。但是，如果需要，可以携带更多的能量，因此达到更高的温度。这些温度水平使热的传递主要通过辐射进行。因此也可以考虑使点火器位于有大量炭黑的过滤器下游面上，如图6所示，该图示出与图2a和2b相似的支承点火器的环5贴靠过滤器1的下游面的布置。还可以考虑用一些点火器替换堵塞过滤体下游面上某些通道的塞子。

一个颗粒过滤器的正常工作在过滤器的不同区域的受热情况不同，特别是在再生阶段。实际上，在这些阶段，过滤体1位于下游面附近的区域比上游面附近的区域更热，因为废气把炭黑燃烧释放的所有热能向下游输送。

另外，由于颗粒过滤器和废气产生的路径的形状，炭黑不一定以均匀的方式聚积，例如优先聚积在过滤体纵轴附近的区域。因此，炭黑的燃烧造成过滤体中心的温度高于周边区域。

在没有炭黑燃烧时，热的废气的路径和金属外壳2被周围的空气冷却也导致过滤体1中心的温度较高，但程度较差。

过滤体1中的温度不均匀产生很强的热-机械应力，这可能是造成降低颗粒过滤器寿命的裂隙的根源。

本发明的过滤器可以有利地在过滤体1中建立并保持一个基本均匀的温度。

为此，图7所示的装置包括：分别通过电线20a、20b、20c与一个计算机18连接的点火器3a、3b、3c和评估过滤体1中热-机械应力的装置22。评估装置22可以通知计算机18。

评估装置22可以包括测量过滤体1内部温度梯度的装置，例如位于过滤体1中的温度传感器和从温度梯度得出热-机械应力装置。评估装置还可以包括能够评估这些梯度和/或热-机械应力的模型化装置，例如作为车辆行驶速度的函数。

当接收到一个警告不可接受的局部热-机械应力的存在和位置的信息“i”，例如因为局部热-机械应力超过一个预先确定的阈值，计算机18向一个或多个点火器3a-3c送出一个点火电流，使这些应力涉及的比较冷的区域加热。加热降低了温度梯度，因此也降低了热-机械应力的强度。

热点陶瓷点火器3a-3c还可以进入到粘结区域的厚度中。

上述实施例的唯一目的是说明本发明，因此在任何情况下都不是限定性的。特别是，点火器在过滤体中和/或过滤器附近的位置可以是其它方各种方式的，均利用本发明使用的陶瓷点火器的小体积的特点。另外，由于简化的原因，只示出了小杆形状的点火器，但是为了使本发明所述的过滤器再生，也可以使用具有适于使用的其它形状和尺寸的点火器。

Claims (11)

1.一种净化内燃机、特别是柴油发动机的废气的颗粒过滤器，该过滤器包括一个过滤体和所述过滤器的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括至少一个热点型陶瓷点火器(3)。

2.如权利要求1所述的过滤器，其特征在于，它包括多个点火器。

3.如权利要求1或2所述的过滤器，其特征在于，至少一个点火器的热点与过滤体或沉积在过滤体上的炭黑直接接触。

4.如权利要求2或3所述的过滤器，其特征在于，点火器位于过滤体的上游面附近。

5.如权利要求2或3所述的过滤器，其特征在于，点火器位于过滤体的下游面附近。

6.如权利要求2或3所述的过滤器，其特征在于，点火器的热点位于过滤体内。

7.如权利要求5所述的过滤器，其特征在于，点火器与过滤体的通道垂直。

8.如权利要求5所述的过滤器，其特征在于，点火器位于过滤体的通道内。

9.如上述权利要求之一所述的过滤器，其特征在于，所述过滤体(1)包括多个通过至少一个粘结区(6)组装在一起的过滤块(7)，至少一个所述点火器(3)位于所述粘结区的厚度中。

10.减轻颗粒过滤器中的热-机械应力的方法，其特征在于，选择性地加热所述过滤器的比较冷的区域，以降低造成所述应力的温度梯度。

11.实施权利要求10所述方法的装置，其特征在于，该装置包括一些能够加热至少一个所述区域的点火器(3a，3b，3c)、一个控制所述点火器(3a，3b，3c)的计算机和能够通知所述计算机(18)的应力评估装置(22)，所述计算机(18)经过编程，以便在所述应力超过一个确定的阈值时，控制所述点火器(3a，3b，3c)的选择性点火。

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