CN1511222A - 用于过滤内燃机尾气中所含微粒的过滤体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由多个相邻的通道构成的过滤体，通过该所述通道的侧壁对尾气进行过滤。其包括第一过滤区域(12－23)和第二过滤区域(8－11)，相对于所述过滤体(7)的单位进气表面，该过滤面在所述第一过滤区域(12－23)和所述第二过滤区域(8－11)是不同的。本发明应用于柴油内燃机。

Description

用于过滤内燃机尾气中所含微粒的过滤体

技术领域

本发明涉及用于过滤内燃机、尤其是柴油内燃机尾气中所含微粒的过滤体。

背景技术

蜂巢状的多孔结构一直被用作过滤由柴油机车排出微粒的过滤体。通常，这种过滤体由陶瓷材料制成(堇青石，碳化硅，......)。其可以是单块体的或最好由多个块体构成。在后种情况下，这些块体通过使用一种陶瓷接合剂的方法彼此组合在一起。然后该整体被加工为所希望的截面，通常是圆形或椭圆形。该过滤体可包括多个相邻的通道。其被放入一金属套中。每个通道在其端部中的一个处封闭；因而尾气被迫通过这些通道的侧壁；因而颗粒或烟炱沉积在该过滤体内。

在一特定的使用时间之后，烟炱聚集在该过滤体的通道内，这增加了该过滤体的负载损失并增加了对该马达性能的损坏。因为这个原因，该过滤体必须有规律地加以再生处理(例如每500公里全部再生处理)。

该再生处理包括氧化所述烟炱。为此，需要使所述烟炱过热。事实上尾气的温度为300℃左右，而在通常的操作条件下烟炱的自燃温度超过600℃。可在碳化剂内加入添加剂，所述添加剂可催化该烟炱氧化反应并将该烟炱的自燃温度降低约150℃。该加热涉及尾气、该过滤体的上游表面或甚至直接涉及沉积在该过滤体上的烟炱。已经研究出了不同技术，但是它们需要很多能量且通常非常难以控制。

最近的优选方法包括局部(例如在该过滤体前面)加热以便点燃所述烟炱并使其燃烧，该燃烧通过所述烟炱延伸到整个过滤体。这类技术例如已在专利申请FR-A-2 771 449或DE-A-19530749中公开。

这个解决方案具有缺陷，尤其是因为所述烟炱是以不均匀的方式排布在该过滤体内的。事实上，由于提供给该过滤体的尾气的排气管的截面比该过滤体的截面小得多，所以尾气的气流在该过滤体中心比该过滤体周围要大得多。因此，沉积在该过滤体中心的烟炱同样要大得多。

在这种条件下，当局部引燃时，例如在该过滤体前表面上，烟炱在中心部分(纵向)很好地燃烧，但是在周边的烟炱的量太小以致不能传递热和在该整个过滤体上传播燃烧。

这会造成严重影响过滤体使用寿命的问题。事实上，该过滤体的径向向内的不良热传导造成了在热的中心区与冷得多的周边区之间很强的热-机械应力。这种应力使该过滤体的结构变得脆弱。此外，烟炱燃烧的蔓延在该周边区是很差的，因而该过滤体的再生处理是不充分的且在再生处理后该过滤体的功效明显有所减退。

因而存在用于过滤内燃机、尤其是柴油内燃机尾气中所含微粒的过滤体的需要，该过滤体改善再生处理条件。

发明内容

本发明致力于满足该需要。

更为特定的，本发明的目的是提供一种微粒过滤器的过滤体，用于净化一内燃机、尤其是一柴油内燃机的尾气，它由多个相邻的通道构成，通过所述通道的侧壁对所述尾气进行过滤，其特征在于，所述过滤体包括至少第一过滤区域和第二过滤区域，相对于所述过滤体的单位进气表面，所述过滤面在所述第一过滤区域和所述第二过滤区域是不同的。

至于过滤面，可理解为用于收集微粒的总的自由表面，由该过滤体的正截面或该过滤体的“输入面”的单位表面表示。

本发明的其它特征为：

-所述第一过滤区域和所述第二过滤区域分别占据所述过滤体的一周边部分和一中央部分，且该过滤体的周边部分具有比该中央部分更大的过滤面。

-该过滤体为一圆柱体的形状，其中每个通道沿以所述圆柱体的轴为中心的一螺线延伸，所述通道的长度和侧表面是所述螺线的半径的一增量函数。

-该过滤面较大的区域按功能被设置于靠近一引发所述过滤体的再生处理的热源处。

-一个所述区域的过滤面比另一个区域的过滤面大至少10％。

-该过滤体由碳化硅或堇青石制成。

附图说明

通过参考附图，以下描述有助于更好地理解本发明并透悉本发明的优点。附图中：

-图1是一个已有技术的由九个块体装合制成的一过滤体的横剖图；

-图2是一个已有技术一单块过滤体的横剖图，所述过滤体由方形截面的通道构成；

-图3是一个根据本发明的由16个块体装合而成的一过滤体的上游表面的视图；

-图4表示如图3所示的过滤体的一区域的一块体的上游表面的一部分的一示意图；

-图5表示如图3所示的过滤体的一区域的一块体的上游表面的另一部分的一示意图；

-图6表示如图3所示的过滤体的一区域的一块体的另一实施方式的上游表面的一部分的一示意图；

-图7也表示根据本发明的一过滤体的另一实施方式，包括具有不同特征的两个同心区域；

-图8和图9分别是根据本发明的一过滤体的再一实施方式的透视图和顶视图；

-图10表示图8和图9的一过滤体的特点的曲线图。

具体实施方式

为了评估该过滤表面，此处不关心构成该过滤器的材料的特性。事实上，如果在该过滤体的不同区域有不同的可渗透率、孔隙率，等等，那么其很快会被构成烟炱床的厚度所补偿。因此，该过滤面只与该过滤体的几何形状有关。考虑到用于制造过滤体的所需装置的公差，如果差值大于或等于5％，那么可认为所述过滤表面是不同的。

在下文中所说的“表面疏密度”(densitésurfacique)是指对于一给定的区域，通道的全部数量除以该区域的正表面面积。

图1示出已有技术的被一金属套2围绕的过滤体1的一横剖图。该过滤体1由不同块体1a，1b，1c，...通过一种陶瓷接合剂3彼此粘结构成。每个块体包括多个方形截面的通道4，正如公知，这些通道交替在该过滤体的上游表面或下游表面被阻塞。在这种情况下，该过滤表面等于该通道的内周长乘以该过滤体的表面疏密度、除以2(两个通道中有一个被阻塞)并乘以该过滤体的长度。典型的，一通道的内周长为4～6mm，该表面疏密度为200～300 cpsi(每平方英寸的网格数)，即31～47个通道/平方厘米，且该过滤体的长度为15～30cm。对于25cm的过滤长度，该过滤表面一般为200～300平方厘米/每平方厘米正表面。

图2表示已有技术的被其金属套2围绕的过滤体5的另一例子。该过滤体为单块体且包括多个方形截面的通道6，且这些通道交替地在该过滤体的上游表面或下游表面上被阻塞。

图3表示根据本发明的过滤体7的一实施例，去掉了它的金属套2。其由不同块体8～23通过一种陶瓷接合剂装合构成。每个块体包括多个通道，这些通道在该图中未示出，而在图4和图5的详细的剖视图中被示意性地示出。

在图4中，可以看到图3的中央块体8～11所含的通道。每个通道的壁24厚度为0.5mm，且两个相邻通道之间的距离λ等于1.8mm。该表面疏密度为200cpsi，即31个通道/平方厘米。为了清楚起见，在图4～6中没有示出这些通道的交替阻塞，对于图4所示的这类结构，且对于25cm的过滤长度，该过滤面为201平方厘米/每平方厘米正表面。

在图5中，可以看到图3的块体12～23所含的通道。每个通道的壁25厚度为0.2mm，且通道之间的距离λ以及表面疏密度与图4的相同。与图4所示的该区域不同，此处的过滤面要大得多。对于每平方厘米正表面，该过滤面为247平方厘米。这个过滤面与所有这些通道的累积内周长成比例。

因而，在该过滤体7的外周边设置较大的过滤表面的块体，迫使更大比例的所排出气流通过这个外部过滤区。在这个区域进行的烟炱沉积更多，且因而沉积的微粒的量以更均匀的方式分布在整个过滤体上。因而可创造出一良好的热再生处理所必须的条件。通过烟炱，热的逐步传递明显得以改善，且烟炱的燃烧可在该整个过滤体上延续。

此外，烟炱在该过滤体上的分布更为均匀造成负载损失降低。这构成本发明的一个重要的优点。

在这些发明的变型中，显然可通过增大表面疏密度来增大过滤面。事实上，部分因为制造方法的改善，其进展使表面疏密度更大且壁的厚度更小成为可能。例如，对于如图4所示的25cm长度的一过滤元件，壁的厚度等于0.2mm，对于1cm²正表面，如果该表面疏密度等于100cpsi或15.5通道/cm²(λ＝1.27mm)那么该过滤面为182平方厘米，如果该表面疏密度等于400cpsi，62通道/cm²(λ＝1.27mm)那么其就为331平方厘米。可以看出这个表面疏密度参数可在保持该壁的厚度不变的情况下大大地增大过滤面。

此处可以注意到由于燃烧的残余物(烟炱燃烧后)造成的潜在的该通道的堵住问题将造成通道尺寸的减小。

图6表示图3的过滤体的块体11～23的另一种实施方式。在该例子中，通道的截面为三角形，表面疏密度为200cpsi(31通道/cm²)且壁的厚度为0.36mm。在该例子中，对于25cm长度的一过滤体，1cm²正表面的该过滤面为245平方厘米。作为对比，具有一如图4和5所示类型几何形状的一过滤体，壁的厚度为0.36mm，且一表面疏密度等于200cpsi，即31通道/cm²，(λ＝1.8mm)，对于25cm长的一过滤，呈现为1cm²正表面的该过滤面为222平方厘米。因而该图6的实施方式可获得一更大的过滤表面，且因而烟炱的沉积更均匀。但是要注意在这种对照条件下，该三角形的几何形状造成该过滤体的质量更大，这在汽车制造工业中会造成不便。

在该实施方式的变型中，为了避免该缺陷，显然可采用图6所示布置的通道类型，而通道的壁的厚度较小。这就使由如图4构成的块体制成一过滤体而保持同样重量，且制成如图6的过滤体，而至少一个块体包括带较薄壁的较小通道，但是该壁厚度的降低造成通道制造困难且构成该块体的通道具有太薄的壁会使该块体具有一定的易碎性，事实上这些壁的厚度不得小于50μm。

采用三角截面是特别令人感兴趣的，因为这种几何形状类型的热传导性好于由方形截面通道构成的一网格的热传导性。

另一种实施变型涉及如图3所示的一过滤体，其中块体14，17，20和23具有比其它块体大的过滤面——例如具有如图5或6示出的对于块体14，17，20和23的通道，且如图4示出的其它块体的通道。如果设计引发燃烧的受热点位于块体14，17，20和23的端部，那么这种实施变型尤其是优选的。事实上，过滤面的局部增大保证了烟炱的良好积累以及确保在该区域一良好再生处理的进行。

图7示出本发明的另一种实施方式，通过一种陶瓷接合体28，得到以同心方式粘合的限定了过滤区域26和27的两个部分。该区域26可由例如图4所示的通道构成。该区域27可由例如图5或图6所示的通道构成。在该实施方式中，该过滤体越是靠外的部分越具有更大的过滤面，这可使烟炱更均匀地沉淀且因而改善了再生处理效率，大大减小了热-机械应力。

作为该例子的变型，两个部分26和27可以是同一个单块过滤体的两个区域，还可考虑在两个区域之间过渡得更缓和。

本发明的这些实施方式带来了上述优点而没有在有关它们的制造或者使用中的缺点。尤其是相对于例如图1所示的已有技术的一过滤体，其不需要额外的加工步骤或粘合步骤。另一方面，该过滤体的整体形状保持不变，且因而不会改变汽车工业的自动化装配生产线。

还可从该过滤体的中心向周边逐渐增大该过滤面，如在图8和9中示出的根据本发明的该实施方式的情况。

如在这些图中明显示出的，该过滤体具有一半径为R₀且高为l₀的圆柱体，该圆柱体在两底31和32之间。

图中以粗点划线示出该过滤体中的一个通道(33)占据的体积，为了图示的清晰起见，其它的通道没有示出。所有的通道具有被垂直于该圆柱体的X轴的面截出的相同的截面。

根据本发明，该过滤体任何一个通道例如该通道33的轴沿一例如螺距为常数的螺旋形弧线延伸，该螺线定中心于该圆柱体32的轴X上，该弧线具有一开度角θ(见图9)以及从该轴X测出的一半径r。

可证明出该螺旋形弧线的长度l_c由该关系式给出：

$l_c=\sqrt{l_0^1+r^2{\mathrm{\θ}}^2}$

该附图10示出，对于开度角θ的两个值π/2和π，该比值I_c/l₀随所述的由所述通道轴跟进的螺旋形弧线的半径r的增大而增大，这种增大显然引起一通道的侧壁的相应增大，进而引起所述局部过滤表面从该过滤体的X轴起至该过滤体的周边为止渐次增大。

由该过滤体提供给尾气的总过滤面SF也是该通道的开度角θ的函数，该开度角θ在所有的过滤体中都是恒定的。

因而，例如对于高度l₀＝152mm且半径R₀＝72mm的过滤体来说，该总过滤面SF比长度为l₀平行于X轴的垂直通道的总过滤面高12％(θ＝π/2)或43％(θ＝π)。

显然对于本领域的技术人员来说，在所谓“3D printing”的制造方法通常采用各种材料，其中陶瓷材料也很适于制造图8和图9的过滤体。

上述的各种实施方式只作为实施例，且不对本发明的范围起任何限制作用。其包括任何类型的过滤体，无论其通道是什么形状有多大尺寸，只要是该过滤体包括至少两个过滤面不同的区域，一个区域具有比另一个区域大5％且优选为大10％的过滤面。

已经制出的根据本发明的过滤体的概念可优化烟炱在该过滤体内的分布，这可根据需要表现为烟炱沉积在该过滤体的不同区域的量的均匀性，或表现为烟炱的量在某一确定点的“强迫”积累，该确定点例如靠近引发再生处理的一热点。

本发明不相关于任何一种原理，而是其结果在于平衡该过滤体的所有点的负载损失，事实上，所谓平衡，就是指该过滤体的所有点的负载损失都是相同的。但是该负载损失主要相关于通过构成该过滤体的通道的侧壁的气体。该气体的通过速度在所有点都是相同的，该排出气体的流量应该在不同的过滤面进行补偿。通过提供具有不同过滤面的区域，可建立通过增大过滤面来增大尾气的流量的区域，因而该区域沉积的烟炱比没有这种增量的区域多。

Claims (6)

1.微粒过滤器的过滤体，用于净化一内燃机、尤其是一柴油内燃机排出的气体，所述过滤体由多个相邻的通道构成，通过所述通道的侧壁(24，25)对所述尾气进行过滤，

其特征在于，所述过滤体(7；26；27；28)包括至少第一过滤区域(12-23；27)和第二过滤区域(8-11；26)，相对于所述过滤体(7)的单位进气表面，该过滤面在所述第一过滤区域(12-23；27)和所述第二过滤区域(8-11；26)是不同的。

2.如权利要求1所述的过滤体，其特征在于：所述第一过滤区域(12-23；27)和所述第二过滤区域(8-11；26)分别占据所述过滤体(7)的一周边部分和一中央部分；且所述过滤体(7)的周边部分具有比中央部分更大的过滤面。

3.如权利要求1所述的过滤体，其特征在于：所述过滤体具有一圆柱体的形状，其中，每个通道的的轴沿一以所述圆柱体的轴(X)为中心的螺线延伸，所述通道的长度为和侧表面是所述螺线的半径(r)的一增量函数。

4.如权利要求1所述的过滤体，其特征在于：所述的过滤体包括至少一个过滤面较大的区域，该区域设置于靠近一引发所述过滤体的再生处理的热源处。

5.如权利要求1至3中任一项所述的过滤体，其特征在于：一个所述区域的过滤面比另一个区域的过滤面大至少10％。

6.如权利要求1至5中任一项所述的过滤体，其特征在于：所述的过滤体由碳化硅或堇青石制成。

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