CN1910030A - 用于过滤内燃机排气中的颗粒的块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特别用于过滤内燃机排气中的颗粒的过滤块(11)，包括在所述块(11)的周缘交替布置的周向进入通道(50，14p2)和排出通道(52，14p1)，每个通道包括暴露于所述块(11)外部的外壁(44；54；401；402；403)和设置在所述块内的内壁(46；56；404，405；406，407，408)。本发明的块的特征在于，该块包括至少一个由两个相邻周向通道(50，52)构成的组(G)，在横向剖平面(P)中，所述组(G)的全体外壁(44，54)的平均厚度E与所述组(G)的全体内壁(46，56)的平均厚度e的比值R大于1.2。

Description

用于过滤内燃机排气中的颗粒的块
技术领域
本发明涉及一种特别用于过滤内燃机排气中的颗粒的过滤块，该过滤块包括在所述块的周缘交替布置的周向进入通道和排出通道，每个通道包括暴露于所述块外部的外壁和置于所述块内部的内壁。
本发明还涉及通过组装多个所述块而成的过滤体，以及用于挤出本发明的块的挤压模。
背景技术
通常，在将排气释放到大气之前，可利用颗粒过滤器一例如现有技术已知的如图1和2所示的过滤器来净化排气。
图1以横向剖面并且图2以纵向剖面示出一颗粒过滤器1，图1为沿图2中的线B-B的剖面，图2为沿图1中的线A-A的剖面。
该颗粒过滤器1通常包括至少一个插置在金属壳体5中的过滤体3。过滤体3是由标号为11a-11i的多个块11经组装和加工而得到的。
为了生产块11，将陶瓷材料(堇青石、碳化硅等)挤出成蜂窝状的多孔结构。所挤出的多孔结构通常具有长方六面体的形状，其包括四个在两个基本为正方形的上游面12和下游面13之间沿轴线D-D延伸的纵向棱边11’，多个平行于轴线D-D的正方形截面的相邻直通道14通至所述面上。
挤出后，如众所周知的，在上游面12上或在下游面13上分别用上游塞15s和下游塞15e交替地塞住所挤出多孔结构，以分别形成“排出通道”14s和“进入通道”14e型的通道。分别地，在排出通道14s和进入通道14e的与上游塞15s和下游塞15e相对的端部，所述排出通道14s和进入通道14e分别向外通至分别在下游面13和上游面12上延伸的出口19s和入口19e。
由此，每个通道14均限定了由侧壁22、填充塞15s或15e和通向外面的开口19s或19e所界定的内部空间20。进入通道14e和排出通道14s通过其侧壁22流体连通。
使用由陶瓷胶合剂制成的密封垫27通过粘接将块11a-11i组装在一起，所述陶瓷胶合剂通常由硅土和/或碳化硅和/或氮化铝组成。然后可对由此形成的组装件进行加工以得到例如倒圆的截面。因此，外部块11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g、11h具有一通过加工倒圆的外部面。
由此制成具有轴线C-C的柱状过滤体3和外周密封件28，该过滤体3可插置在壳体5中，该密封件对排气是气密的并设置在外过滤块11a-11h与壳体5之间。
如图2中的箭头所示出的，排气流F经由进入通道14e的开口19e进入过滤体3、经过这些通道的过滤侧壁22到达排出通道14s、然后经由开口19s排到外面。
使用一定时间后，颗粒或“碳黑”聚积在过滤体3的进入通道14e中，削弱了发动机的性能。由于这个原因，过滤体3应该定期地进行再生，例如每(行驶)500千米再生一次。这种再生或“清除堵塞”是指通过将碳黑加热到能使它们燃烧的温度来使这些碳黑氧化。
在再生阶段，排气向下游传送由碳黑的燃烧所发出的全部热能。此外，由于碳黑不是均匀地沉积在不同通道中，所以燃烧区域不是均匀地分布在过滤体3中。最后，过滤体3的周缘区域通过金属壳体5被外界空气冷却。
因此，温度随着过滤体3的区域的不同而不同，并且不均匀地改变。过滤体3内温度的不均匀性以及过滤块11a-11i与密封件27所使用的材料性质的不同产生高振幅的局部应力，这可能导致局部破裂或开裂。特别地，块11a-11h与壳体5之间的分界面处以及块11a-11i与密封件27之间的分界面处的局部应力可能导致块11a-11i内出现开裂，从而降低颗粒过滤器1的寿命。
本发明的目的是提供一种能减少开裂危险的新颖的块11。
发明内容
该目的通过一种特别用于过滤内燃机排气中的颗粒(微粒)的过滤块来实现，该过滤块包括在所述块的周缘交替设置的周向进入通道和排出通道，每个通道包括暴露于所述块外部的外壁和置于所述块内部的内壁。
本发明过滤块的显著之处在于，它包括至少一个由两个相邻周向通道构成的组，在横向剖平面中，所述组的全体外壁的平均厚度E与所述组的全体内壁的平均厚度e的比值R大于1.2。
如在下面的说明中将更详细地看到的，由所述组中的通道的外壁所形成的周向壁的平均厚度因此增加，从而局部地增强了该块，并由此有利地限制了开裂(龟裂)的危险。
在周向壁相交叠的周向通道处，周向壁局部地具有比这些通道的内壁的平均厚度大的平均厚度。从而，该周向壁具有平均厚度余量，这不排除这样的可能性，即在所述及的外壁部分—例如在所述通道之一的宽度上或甚至超过其宽度，该周向壁的厚度可比这些通道的内壁的平均厚度的1.2倍小。
但是优选地，在所述横向剖平面中，所述组中通道的外壁的厚度完全大于或等于这些通道的全体内壁的平均厚度e。
还优选地，在所述横向剖平面中，所述组的全体外壁的最小厚度Emin与所述组的全体内壁的平均厚度e的比值R*大于1.2。由此，进一步增强了它的抗开裂性。
本发明还涉及一种用于颗粒过滤器的过滤体，该过滤体的显著之处在于它包括至少一个根据本发明的过滤块。
本发明还涉及一种成形的挤压模，以便通过挤出陶瓷材料而形成一种结构，该结构具有适于生产本发明的过滤块的通道。
附图说明
通过下面参照附图的说明将能更好地理解和认识本发明的优点。在这些附图中：
图1以横向剖面示出现有技术的颗粒过滤器，该图是沿图2中的线B-B的横剖面；
图2示出同一颗粒过滤器，该图是沿图1中的线A-A的剖面；
图3示出本发明的优选实施方式的块的透视图；
图4是朝块的下游面看去的本发明过滤块的沿横向平面P的横截面示意图；
图5示出图4的细部；
图6和7分别是根据本发明和未根据本发明的16个块构成的过滤体经过严格的再生试验后的俯视图，该图是沿图8的中间平面M的剖面；
图8以横向剖面示出用于所述试验的过滤体。
具体实施方式
为提高图4的清晰度，所示出的通道数量远低于通常销售的过滤块中通道的数量。
在这些非限制性的附图中，各种不同的元件不是必然以相同的比例示出的。特别地，将不同通道分开的壁的厚度未使用该比例，并且该壁的厚度也不对本发明构成限制。
相同或相似的元件在不同附图中采用相同的标号。
图1、2和3已经在序言部分进行了说明，下面参见图4-该图也在前面进行了部分说明。
在图4中详细示出的块11包括由相邻进入通道14e和排出通道14s构成的组体，所述通道组体相对于彼此布置以使由任何进入通道过滤的全部气体都经过与所述进入通道相邻的排出通道。有利地，不存在通到其它进入通道的一个或多个进入通道区域，这种区域不能用于过滤，因为排气可能沿两个方向通过该区域。因此，对于确定体积的过滤块，可使用的过滤表面积达到了最优。
优选地，进入通道14e和排出通道14s沿过滤块的长度L是平行且笔直的。有利地，可由此通过挤出加工来生产适于制造本发明过滤块的蜂窝结构。
进入通道14e和排出通道14s组彼此交错排列，以在横截面上形成棋盘样式(图样)，其中所述进入通道与所述排出通道在高度方向(方向y)以及宽度方向(方向x)上交替排列。
进入通道29e和排出通道29s称为“角部通道”，它们限定了块11的棱边11’。
在任何横向剖面中，所述进入通道14e都具有沿块的整个长度L基本恒定的相同横截面。同样地，全体排出通道14s都具有沿块的整个长度L基本恒定的相同横截面。这有利于过滤块的生产。
在图4所示的本发明优选实施方式中，进入通道14e的横截面与排出通道14s的横截面不同。优选地，进入通道14e的横截面大于排出通道14s的横截面，以便牺牲排出通道的总体积而增加进入通道的总体积。从而，有利地增加了碳黑的储存容量。
为此，通过非平面的壁元件40来限定进入通道14e和排出通道14s，优选在进入通道14e侧用凹面元件限定，而在排出通道14s侧用凸面元件限定。
由接合部42限定的通道侧壁部分22称为“壁元件”。侧壁部分与相邻通道的公共边界称为“接合部”。对于内通道，该线对应于两个相同类型通道的侧壁之间的接合区域。对于正方形截面的通道网，这些通道接合部因此是内部空间20的“角部”或“角材”。
优选地，壁元件40在横向剖面上并沿通道的水平列(按照轴x)或竖直列(按照轴y)彼此相随，以限定正弦形或“波浪形”。壁元件40在通道的宽度上基本以半个正弦周期起伏/波动。
位于块11的周缘的通道称为“周向通道”14p。周向通道14p的侧壁22包括外壁44和内壁46，所述外壁即为与块11的外部接触的壁，所述内壁即为与相邻通道共用的壁。根据所述及的通道—分别为14p1和14p2—是否为角部通道，外壁44包括壁元件中的两个(401、402)或一个(403)。同样地，根据所述及的通道—分别为14p1和14p2—是否为角部通道，内壁44包括壁元件中的两个(404和405)或三个(406、407、408)。
周向通道的外壁44构成周缘侧壁30，从而形成过滤块11的外表面16中的四个面16a-d。
假设两个相邻周向通道50和52构成一组G。通道50的侧壁由外壁44和内壁46构成。通道52的侧壁由外壁54和内壁56构成。该组必定包括由共同的壁元件58隔开的进入通道50和排出通道52。分别用“E”和“e”表示该组中两个外壁44和54以及两个内壁46和56的在横向剖平面P中测得的平均厚度。采取与通道壁垂直的位置来测量通道壁的厚度，这排除了在通道内部空间的角部的任何厚度测量。
用R表示E/e的比值，R*表示所述组G中全体外壁44和54的最小厚度Emin与所述平均厚度e的比值Emin/e。
根据本发明，R—优选R*—大于1.2，优选地大于1.5。更优选地，比值R—优选R*—大于1.9并优选小于2.1。最优选地，比值R—优选R*—基本等于2。
优选地，无论所考虑的所述横向剖平面P如何，比值R和/或比值R*都是恒定的。
优选地，由不包括角部通道的两个相邻周向通道构成的所有可能的组G都具有本发明的比值R或R*，优选所有这些组的比值R或R*都相同。更优选地，包括角部通道的所有组也具有本发明的比值R或R*，优选所有这些组的比值R或R*都相同。
优选地，由角部通道的外壁构成的壁元件具有与由不包括角部通道的组构成的同类通道的外壁的壁元件相同的轮廓。
优选地，在剖平面P内，块11的周向壁的平均厚度基本等于任何由不包括角部通道的两个相邻周向通道构成的组G的平均厚度E。优选地，平均厚度E和/或最小厚度Emin在块的整个长度L上都是恒定的。
因此，块11的周向壁30由在四个面16a-d上规则地布置并从上游面12到下游面13沿该块11的整个长度L延伸的材料的“平均厚度余量”增强。
优选地，对于由两个相邻周向通道构成的组，排出通道的外壁的平均厚度大于进入通道的外壁的平均厚度。
优选地，周向通道50、52的外壁44、54的外部面60基本是平的，而内面62具有正弦曲线或部分正弦曲线的形状。
更优选地，使周向通道的外壁形状一致以使块11的四个面16a-d是平的。有利地，这有利于块的操作和储存，在自动生产的情况下这是特别有效的。
位于块11内—即不包括外壁—的通道称为“内通道”14i。
优选地，将块的周向壁的平均厚度余量设置成使得在任何横向剖平面P内，周缘的进入和排出通道14p的通过截面分别与内部的进入和排出通道14i的通过截面基本相同。有利地，厚度余量的使用不会改变周向通道14p的体积，并因此不会改变过滤块11的总效率。
优选地，本发明的块是整体式的，并且根据本技术领域的技术人员已知的技术利用合适的挤压模通过挤出进行制造。周向壁的“平均厚度余量”不是添加在过滤块上的，而是与该过滤块形成一体。从而有利地改进了过滤块的硬度及其抗开裂性。另外，由此有利地避免了形成这种厚度余量的材料脱落的危险。最后，由此简化了过滤块的生产。
组装后，本发明的过滤块组体形成一种具有局部厚度余量的结构。优选地，这些厚度余量是基本上均匀地分布的。
可在任选地对这种结构进行加工以形成过滤体后，将材料厚度余量添加到过滤体的周缘。由此进一步降低了开裂的危险。
优选地，所组装的块包括周向壁30，该壁具有规则地分布在块的外表面上的“平均厚度余量”(即考虑由两个周向通道构成的组的外壁的平均厚度)。
因此，将块组装可形成过滤体内的厚度余量内网，从而进一步提高了抗开裂性。
在本发明的一种实施方式中，所有组装块的全体周向壁30都具有至少为这些块中内通道的内壁平均厚度的1.2倍的恒定厚度。组装后，这些块的周向厚度余量由此在横向剖平面中形成一种网格，与在其周缘无厚度余量的过滤体相比，这种网格大大增强了抗开裂性。
优选地，该厚度余量围绕该块有规律地变动—优选基本以正弦方式变动，从而与排出通道的体积相比增加进入通道的体积，如图4所示。
更优选地，无论实施方式如何，周向通道的内壁56的厚度与内通道的壁的厚度相同。因此无论所述及的内壁如何，穿过全体内壁的过滤效率都基本相同。
由此，还简化了过滤体的生产，因为这些过滤块可以互换地地组装在过滤体中的任何位置。
已经进行了一些试验来评价过滤体的抗开裂性，所述过滤体是由16个常规过滤块组成的过滤体(图7)以及由16个相同类型但如图4所示的包括本发明的增强的周向壁30的块组成的过滤体(图6)。在发动机试验台上对这两个过滤体以5g/l进行严格的再生(相应于120km/h发动机转速，然后转换到怠速，接着进行后注射)。然后沿中间平面纵向切割这些过滤块。从而观察这四个过滤块的纵剖面。图6和7所示的纵剖面比较清楚地表明，本发明的块没有任何裂纹，而现有技术的块具有裂纹“f”—其总体长度超过0.5mm并且可能沿块的整个长度L延伸。这些裂纹可用肉眼以及显微镜看到。
正如现在清楚地示出的，带有本发明的增强结构的过滤块比现有技术的块具有更好的抗开裂性。
当然，本发明不限于前面所说明和示出的仅以说明性和非限制性方式提供的实施方式。
因此，由两个相邻周向通道构成的所有组不必都具有同样的构型。
由两个相邻周向通道构成的组的外壁的厚度余量不必沿块的整个长度L延伸。该厚度余量也可以在纵向平面或横向平面内周期性地或非周期性地变化。有利地，因此可使增强部分的厚度适合于局部热-机械应力强度。
通道的横截面也可以沿该通道周期性地或非周期性地变化。
尽管优选外壁具有厚度余量以增强块的抗开裂性，但不是所有由两个相邻周向通道构成的组都包括具有厚度余量的外壁。
优选地，至少由包括角部通道的两个相邻周向通道构成的组具有本发明的厚度余量。
通道的形状—特别是截面、尺寸和数量是没有限制的。进入通道的截面也可以与排出通道的截面相同。
周向通道也可具有与同一类型的内通道不同的截面，例如由于周向通道在块的工块期间已被截去一段。
过滤块11可以有任何形状。
也可通过粘接(胶合)、焊接或其它任何已知技术在块11的表面上固定附加材料以在该表面上设置厚度余量。所附加的材料可以与构成块11的材料相同或不同。优选在挤出后以及在烧结前，在已加工的块的表面上—如在块11a-11b的倒圆的外部面上施加厚度余量材料。
本发明过滤块的生产方法可以包括下列相继的/连续的步骤：
a)挤出陶瓷材料以形成蜂窝状的多孔结构；
b)在所述多孔结构的至少一部分外表面上施加与所述陶瓷材料相同或不同的厚度余量材料；以及
c)干燥以及烧结所述多孔结构以得到过滤块。
任选地，可以在步骤a)与b)之间使多孔结构干燥，然后加工，优选在至少一部分已加工的所述外表面上施加厚度余量材料。

Claims (15)

1.特别用于过滤内燃机排气中的颗粒的过滤块，包括在所述过滤块的周缘交替布置的周向进入通道(50，14p2)和排出通道(52，14p1)，每个通道包括暴露于所述过滤块外部的外壁(44；54；401；402；403)和设置在所述过滤块内的内壁(46；56；404，405；406，407，408)，其特征在于，该过滤块包括至少一个由两个相邻周向通道(50，52)构成的组(G)，在横向剖平面(P)中，所述组(G)的全体外壁(44，54)的平均厚度E与所述组(G)的全体内壁(46，56)的平均厚度e的比值R大于1.2。
2.根据权利要求1所述的过滤块，其特征在于，在所述横向剖平面(P)中，所述组(G)的全体外壁(44，54)的最小厚度Emin与所述组(G)的全体内壁(46，56)的平均厚度e的比值R*大于1.2。
3.根据权利要求1或2所述的过滤块，其特征在于，无论所述及的所述横向剖平面(P)如何，所述比值R和/或对于权利要求2为所述比值R*是恒定的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，所述组(G)的所述进入通道(50)和/或排出通道(52)的横截面以及/或者所述平均厚度E和/或对于权利要求2为所述最小厚度Emin在所述过滤块(11)的整个长度(L)上是基本恒定的。
5.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，所述比值R和/或对于权利要求2为所述比值R*在1.9至2.1之间，优选基本上等于2。
6.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，所述组(G)中排出通道的外壁的平均厚度大于所述组(G)中进入通道的外壁的平均厚度。
7.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，在任何横向剖平面(P)中，所有的所述进入通道(14e)具有相同的横截面，所有的所述排出通道(14s)具有相同的横截面，所述进入通道的所述横截面不同于所述排出通道的所述横截面，优选其表面积大于所述排出通道的所述横截面。
8.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，该过滤块包括由非平面的壁元件(40)分开的至少一个进入通道(14e)和至少一个排出通道(14s)。
9.根据权利要求8所述的过滤块，其特征在于，所述非平面的壁元件(40)在横向剖平面中具有至少一个正弦曲线形或部分正弦曲线形的面。
10.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，所述组(G)的所述外壁(44，54)具有平的外部面(60)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，所述过滤块的每个由不包括限定所述过滤块棱边(11’)的通道(14p1)的两个相邻周向通道构成的组体即为所述的组(G)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，所述过滤块的每个由包括限定所述过滤块棱边的通道的两个相邻周向通道构成的组体即为所述的组(G)。
13.根据上述权利要求中任一项所述的过滤块，其特征在于，在所述剖平面(P)中，所述过滤块(11)的周向壁(30)的平均厚度基本上等于任何由不包括角部通道的两个相邻周向通道构成的组的所述厚度E。
14.用于颗粒过滤器的过滤体，其特征在于，该过滤体包括至少一个根据上述权利要求中任一项所述的过滤块。
15.成形的挤压模，以用于通过挤出陶瓷材料来形成一种结构，该结构具有适于生产根据上述权利要求中任一项所述的过滤块的通道。
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