TW570836B - Diesel exhaust particulate filter and honeycomb extrusion die - Google Patents

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Description

570836 五、發明說明（1) 相關申請： 本發明依據2001年8月30日申請之美國第09/943, 258 號專利申請案主張優先權。 發明背景： 本發明是關於特別用來捕獲並燃燒柴油廢氣粒子的多 孔結構例如蜂巢體。 壁流過濾器被使用於柴油廢氣的淨化中。通常這類的 柴油粒子過濾器是由堇青石或是矽碳化物製成，其包含蜂 體，此蜂巢體具有薄的交互連結多孔性壁板，其形成具有相 同水力直徑的平行單元通道，縱向地延伸在此結構的末端 面之間。在蜂巢體末端面上的交替單元被塞入陶瓷填充料 材料而形成”西洋棋盤”的圖案。此圖案在另外一端被倒轉 過來，使付母個單元的末端只有在結構的一端被阻斷。當 柴油廢氣穿過一個末端面（也就是入口端）進入此過渡器時 ，會被強迫通過多孔性壁板，以便經由另一個末端面（也就 是出口端）而離開。 對於柴油粒子的過濾，我們認為單元密度在大約丨〇和 300單元/平方英吋之間（大約1· 5到46. 5單元/平方公分）， 更典型的是在大約100和200單元/平方英吋之間（大約ns 到3 1單元/平方公分）的蜂巢體結構可以使用於緊密結構中 以提供足夠薄的壁板表面積。壁板厚度可以從提供結構完 整性的最小尺寸，大約是0· 002英吋（大約〇· 05毫米）向上變 動，但是通常都小於大約0. 0 60英吋（1· 5毫米）以便降低過 濾器的體積。大約0· 010和0· 030英吋（大約〇· 25和〇· 76毫
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在較好的單元密度下最常 米）之間的範圍例如0 · 〇 1 9英忖， 選用這些材料。 缚壁板的交互連結開孔孔隙率可以變動，但最一般的 ;ΐ: ΐ Π的薄壁板體積，通常是大於大約35%以便允 此Γ板。當開孔細孔體積超過大賴時，柴 的ίί 性會變得有問題;因此，典型的是大約50% =積。對於柴油粒子的過渡，我們相信開孔孔隙率可以 1平均直徑在大約1到60微米範圍内，優先地是在大約i 〇 到50微米範圍内的通道壁板中細孔來提供。 達到或超過90%柴油廢氣粒子（以重量來看）的過濾效 率可以使用描^ s青石材料來達成。較少但是仍然^著 之，子部分（也就是小於50%)的過渡，對於其他過濾應用可 能是必要的，這包括較小柴油引擎的廢氣過濾。當然，效率 會隨著廢氣流内所運載之粒子的尺寸範圍和分佈而變動。 體積孔隙率和平均細孔尺寸，通常是由傳統的水銀浸入孔 隙率測量法來決定。 在Frost等人的美國第4, 420, 316號專利中提出了堇青 石壁板流柴油粒子過濾器設計。美國第5，9丨4，丨8 7號專利 中提出了石夕碳化物壁板流柴油粒子過渡器。 其中所描述的傳統過濾器類型有一些問題。特別是當 廢氣通過過濾器時，粒子材料（也就是碳煤煙）會累積在單 元通道的壁板上，或是在壁板的細孔中而形成碳粉塵。此 碳粉塵會降低單元通道的水力直徑，造成橫過過濾器長度 的壓力降，以及過濾器對引擎之背向壓力的逐步上升。
第5頁 570836 五、發明說明（3) 最後，此壓力降會變成無法接受，而需要過濾器的再生 。在傳統系統中，此再生過程牽涉到將過濾器加熱以啟動 碳粉塵的燃燒。通常，再生期間過濾器中的溫度，從大約 400-600 C，上升到大約800-1000。〇的最大值。在某些情況 下，當燃燒開始時，會合併或立即跟隨著廢氣中的高氧含量 和低流動速率（例如引擎空轉的情況乂因而發生所謂的，，失 控再生。在失控再生期間，碳粉塵的燃燒可能在過濾器内 產生度的大峰值，此溫度尖峰值會產生熱衝擊和造成破 裂，或甚至熔化此過濾器。當廢氣流將燃燒熱運載下過濾 器時，由於碳粉塵燃燒波從入口面進展到出口面的累積效 應，因此在再生期間的最高溫度容易發生在接近過滤器的 出口端。 除了捕獲碳粉塵之外，此過濾器也捕獲由廢氣所運載 的”塵埃"粒子。這些粒子包括金屬氧化物雜質以自潤滑 油的添加劑硫酸鹽和類似的材料，它們是不可燃的而不能 在再生期間被除去。此外，如果在失控期間的溫度夠相當 二些廡塵埃粒子最後可能會燒結到過濾器，或者甚 至跟過/慮為反應而造成部分溶化。 ，首的i:: ί ：為在運作上碳粉塵的累積會降低單元通 道的有> w動面積，因此會在單元壁板表面上和細孔 成結塊的粒子收集，最後也會塑 、 七斗，Λ 1 Q01 λ, ρ 1无也貧〜警&力降。解決此問題的 直^中已妳描+月3〇日發給〇UUand的美國第4,276,0 1 7號 m^L〇UtUnd提出了一種過德器的設計，其入 口通道㈣斷面積’大於相鄰出口或排氣通道的橫斷面積
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五、發明說明（4) 等=面積：入口和出口通道，°utland揭示出不 元通；/、二 早疋通道，鄰接三角橫斷面的出口單 、δ、， σ圖j所示；以及具有彎曲或凸出入口和/或出 口，道的圖案，*圖5卜p所示。在此過 構: 並不每際、更番座點之3外，例如在角落處。然而，這樣的設計 出。^:枯卞沾❺是很難以有效而節省成本的方式製造 出目别技術的鑄模限制了這類複雜蜂窩結構 k 我們需要獲得柴油廢氣粒子過濾器，1yy 的碳粉塵和塵埃粒子貯存容量^寺還 加 省成本地製的禱模技術有效並且節 發明大要： 以用供的柴油粒子過濾器，其具有增加的容量可 來財存奴粉塵和塵埃粒子，同時 體，速率。同時，本發明結構能夠=前: 、技術，以有效並節省成本的方式製造出。 括嗖：工：ί ΐ的優點之外，本發明過濾器的其他優點包 t ^此上的優點。這類優點在於較低 (也就<>5克/公升)下，較:’的壓力增加 ί:構：流過濾器的M力降決定於很多因素，包括 ==，上9的填塞密度，以及碳粉塵透過内:： ’、、王又，特別疋在碳粉塵沉積的早期階段。當碳 第7頁 570836 五、發明說明（5) 粉塵累積量增如時，水力 碳粉塵之阻力的逐步增加二會降低’造成廢氣流經壁板和 度來測量，會導玆掛a馨 此流動阻力可以橫過過濾器長 在本發明之過y:二背向壓力的增加。 粉塵量會造成較薄；碳於^大入口單元通道中，相同的碳 低。因此，廢氣不只能夠以及較少水力直徑的有害降 易流過内側壁板上的碳令易流過皁兀通道，而且也較容 -項相關的優點是車二古。結果’就需要較少的再生。 碳粉塵一樣被沉積在入口=的塵埃貯存容量。塵埃，就像 大的入口單亓本二社π早元的内側壁板上。再次地，較 丁〜衣面積可以办， 頻繁的清洗周期。、 令納較高的塵埃量，而需要較不 一項進—步的優點是/Ν 塵埃或碳粉塵覆蓋或阻^^表面閉塞。表面閉塞是當 際上會在這些開孔單元中:早7°而發生的一種情況，實 地破壞過濾器的功能。知^生柱塞。這種情況會不如預期 問題。 χ大的入口通道可以降低或消除此 本發明的過濾器設計 的高熱質量，同時還具有卓c厚壁板蜂巢體結構所有 前方開孔面積，和大入口 内單70壁板結構才有的增加 明結構中，單元密度力直徑。為了說明起見，在本發 具有，翠元密：而為壁母 的熱負量，而前方開孔 、、、 笔米之蜂巢體結構 密度，但是壁板厚度為ο·〇12和毫水f力之直^\等於具有相同單元 熱質量可以在柴油廢氣系‘=體結構的值。高的 亍、、死所疋遇的情況下，顯著地確定
第8頁 570836 五、發明說明（6) 對熔化和熱破裂具有更多抵抗力；而入口端較大的前方開 孔面積，以及入口單元通道較大的水力直徑，可以在高破粉 塵負載下維持較低的壓力降，如同前面所討論的。 本發明的柴油粒子過濾器包含蜂巢體，含有一個入口 端和一個出口或排氣端，彼此相對著；還有多個單元通道沿 著中心軸從入口端延伸到出口端。這些單元通道具有不同 的水力直徑，交替地橫過此結構的表面。水力直徑代表廢 氣流過單元的有效橫斷面積。這些單元通道具有正方形的 橫斷面積，由筆直的内部多孔壁板形成，其中入口單元的橫 斷面積比出口單元的還大。在本發明的結構中，内側壁板 包含了第一部分以協助入口和出口單元之間的溝通，而其 餘或第二部分只跟入口單元接合，而沒有和出口單元溝通 。優先地，第一内側壁板部分是具過濾效用的，意指著允許 廢氣很谷易通過以離開入口單元通道而進入出口單元通道 ，而碳質碳粉塵，塵埃粒子和類似物可以被收集並捕獲在其 中。内側壁板的其餘部分優先地是不具過濾效用，其係指 我們不希望柴油廢氣通過它而離開入口並進入出口單元。 此第二内側壁板部分延伸在入口通道周圍，而且只跟入口 通道溝通。優先地，入口單元的橫斷面比出口單元還大大 約1二卜2· 0倍，優先地是1 · 3 —丨· 6倍。本發明的配置以正方 形k截面單兀的設計，提供不同入口和出口通道的優點，也 就是增加的碳粉塵和塵埃粒子貯存容量，以及較少的表面 閉塞；此設計可以使用目前的鑄模設計技術以有效和節省 成本的處理製造出。
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此蜂巢體結構可以由堇青石，石夕碳化物，或其他類似的 2但是耐熱的陶究材料製造出。雖然單元密度在本發明 中並不重要’但是此蜂巢體結構的單元通道密度優先地大 約是1 00-300單元/平方英吋（15 5_46 5單元/平方公分 更優先地的是大約200單元/平方英吋（15. 5_31單元/平方 公分），而壁板厚度大約是〇. 01到〇· 25英吋（〇. 25_〇. 64毫米 本發明也關於製造本發明之蜂巢體結構的擠壓模可 以很容易地使用目前的鑄模技術製造出。此創新的鑄模包 含鑄模本體，此鑄模本體合併了 一個入口面，一個排出面而 跟該入口面相對著，多個供應孔，從入口面延伸到本體中， 以及父叉陣列的排出細縫，從排出面延伸到本體中，在鑄模 内的供應孔/細縫交又點，跟供應孔連接；此交叉陣列的排、 出細縫是由具有兩種不同橫斷面積之多個針銷的側表面而 形成，在尺寸上父替因而形成西洋棋盤陣列。 詳細說明： 參考圖1，其中顯示了先前技術之末端閉塞蜂巢體結構 j頂視圖，其單元通道具有相同的水力直徑。本發明一°個 實施例的頂視圖顯示在圖2中。蜂巢體丨〇具有前面或入口 女而1 2。雖然沒有顯不出來，但是出口端是在入口端丨2的對 具有多個單元通道被區分成入口單元通道14，和出口 單兀通道16,延伸在入口和出口端之間。這些單元通道具 ，，同的橫斷面，由内部多孔壁板丨8所形成。内側壁板& 是筆直的，大致上縱向並且相互平行地架設在此結構的入
第10頁 570836 五、發明說明（8) 口和出口端之間。這些單元通道的排列在入口單元通道工4 寿出口單元通道之間交替，產生了具有小和大的水力直 徑父替單元通道圖案。因此，每個入口單元通道14的所有 側邊都鄰接出口單元通道i 6，反之亦然。 參考圖3，顯示了圖2中區段1〇〇的放大圖，可以更優先 地地顯示本發明的蜂巢體結構。内側壁板丨8的第一部分為 入口1j和出口 1 6單元共有。此部分由數字11 0表示，駐留在 出口單元16的全部長度之間，但是只有在部分入口單元1 4 之間。内側壁板1 8的部分11 〇優先地具有過濾效用，意指著 在運作上，柴油廢氣經由這裡從入口通道丨4流到出口通道 1 6 ]内側壁板1 8的其餘部分丨丨2，跟入口通道丨4沒有和出口 通道1 6J冓&通的區段接合。内側壁板丨丨2優先地不具有過濾 放用’思私著在運作上廢氣比較不可能經由這裡從入口通 f 14流到出口通道16。然而，要注意的是，一些碳質和塵埃 ^可能被捕獲並收集在這裡。人口單元通道14的橫斷面 ^ 7力直徑，比出口單元通道丨6的水力直徑還大大約^ ^ 一 46 5 ΐ疋/^M 大約是1〇〇_3〇〇單元/平方英吋（丨5. 5- 5早兀/平方公分），更優先地的是大約2〇〇單元/ °、 =.5-31單元/平方公分），而壁板厚度、 .到〇.。25英忖(0.25-0.64毫米)，更優先地的是^ 0.〇19 英吋（ 0.486 毫米）。 m 的-；二=道i4和出口單元通道16都在沿著它們長度 。刀被土住，要不是在入口端就是在出口端。在圖2和
第11頁 570836 五、發明說明（9) 3中，因為顯示的是入口端，因此出口單元通道丨6被塞住。 阻塞厚度優先地大約是2毫米到5毫米深。因此，入口單元 通道1 4在入口端打開，而在出口端塞住。相反地，出口單元 通道16在入口端被塞住，而在出口端打開。此閉塞的西洋 ，盤構造可以讓液體流和此結構的多孔壁板之間，有更緊 =的接觸。液體由入口單元通道流入此蜂巢體結構，然後 牙過多孔單兀壁板，由出口單元通道離開此結構。 參考圖4a-d，經由並排比較對稱的先前技術蜂巢體，和 =匕所製造的末端閉塞過濾器；以及本發明的蜂巢體結構， =由二所產生的末端閉塞過濾器，我們可以更優 釋目前的發明。 肝 本發明的結構特別適合作為柴油粒子過減器特 局部高溫，因此需要優良之/二時，！能在過渡器内產生 的蜂巢體結構可以由堇青石、、、”抵抗力的應帛。本發明 但是耐熱的陶变材料製或其他類似的多孔 是圓形或正方形。鈇而此/蜂巢體結構的橫斷面可以 形狀，而可以是擴圓形而長此方過 可以由欲使用的特定排氣车可其他検斷面形狀，這 本發明也關於用來;計來指定。 模。如本發明所描述的^ χ明之蜂巢體結構的擠壓鑄 徑之蜂巢體的蜂巢體擠’愿用且，造出^有交替通道直 針銷陣列。對本發明來二有包含交替尺寸針銷的 此可以由多種熟知方法的兄，：些每模如何製造並不重要，因 的任何-種來提供，包括陣列板的 • 第12頁 570836 五、發明說明（ίο) 組合，如美國第4, 468, 365號專利中所描述；或者經由將針 銷陣列接合到適當的鑄模基板，如美國第5, 761，787號專利 中所描述。然而，較好的方法是使用浸入EDM處理，將EDM電 極配置成具有交替排列之兩種不同橫斷面積的多列平行對 齊調整片。 因此，此創新的鑄模包含鑄模本體，合併了一個入口面 ，一個排出面，跟此入口面對立，多個供應孔，從入口面延伸 到本體中，以及一個交叉陣列的排出細縫，從排出面延伸到 本體中，在鑄模内的供應孔/細縫交叉點跟供應孔連接；此 交 ， 叉陣列的排出細縫是由具有不同橫斷面積之多個針銷的側 表面所形成，在尺寸上交替著因而形成西洋棋盤陣列。 用來製造本發明結構的適合方法是形成粉末狀原始材 料的增塑混合物，然後將它擠壓成具有交替單元通道直徑 的蜂巢體，附加性地烘乾，然後燃燒以形成產品結構。此燐 ，過之蜂巢體過濾器的安裝通常是將此過濾器恰當地放置 圓柱狀鋼製過濾器外殼内，並使用耐火彈性襯墊放置在 ^，器的側壁板和外殼的壁板之間。然後將外殼的末端配 口和出口圓錐體以將廢氣傳輸進入，並且經過此結構 、父$閉塞通道和多孔壁板。 得閉ΐΐ發明中，由於入口和出口單元通道的尺寸不同，使 ，牽涉V"在理Λ為$易。常閉塞處理是用人工方式來執行 案中的12濾15的-一端使用彈性遮罩以覆蓋西洋棋盤圖 、 個單元通道。然後將曝露通道填入陶瓷糊狀
第13頁 570836 五、發明說明（li) 物（使用類似蜂寫二構的材料)，此糊狀物可以被燃燒來產 ”究塞子。在結！相ί端的圖案是倒轉的，以便只塞住 每個皁元通道的ϋ過程的缺點是在塞住第―邊後， 很難決定在第二端中有那些孔需要插入遮罩。在優先實施 例中，使用分開的遮罩來配適前面或人π端和f面或出口 端’以便克服前面提到的缺點。此蜂巢體結構可以在燃燒 之前或之後，使用糊狀物來塞住，此糊狀物具有跟未淬火本 體相同或相似的組成；使用適當量的液相來提供可加工的 才^ ^性；隨意地加入點合劑和增塑劑；如 29,162 號專利中所描述。 除了這裡所提屮&替^, 將了解到，對上面所接t貫=例之外，那些熟悉此技術的人 都不脫離預定的精神&和的範發圍明可以有多種修改和改變，但是
570836 圖式簡單說明 第一圖（圖1)顯示入口和出口單元通道具有相同直徑 之先前技術的末端閉塞蜂巢體結構。 第二圖（圖2 )顯示根據本發明之末端閉塞蜂巢體結構 實施例，其中入口單元通道的直徑比出口單元通道還大。 第三圖（圖3)顯示圖2結構的區段100。 第四圖A-D(圖4a_4d)是一組圖片，對稱地顯示出先前 技術的蜂窩結構，和由它所製造的壁板流過濾器（圖4a，b); 以及根據本發明所揭示所製造的蜂巢體結構，以及由它所 製造的壁板流過濾器（圖4c，d)。 附圖元件符號說明： 蜂巢體10;入口端12;入口單元通道14;出口單元通 道1 6 ;内側壁板1 8 ;内側壁板的第一部分11 0 ;内側壁板 其餘部分11 2。
第15頁

Claims (1)

  1. 570836 六、申請專利对圍 銷側邊表面所形成，其形成尺寸相互交替之針銷棋盤陣 列。 7.依據申請專利範圍第6項之蜂巢體擠製模，其中入針銷具 有方形斷面。
    第17頁
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