專利名稱：包括金屬纖維層的顆粒過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括一外殼和一體部的顆粒過濾器，其中體部由至少一個(gè)金屬纖維層形成。該纖維層如此布置在外殼中，以穿過所述體部形成流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑分別至少在一個(gè)位置具有一流動(dòng)阻止器。
背景技術(shù)：
對于例如在汽車內(nèi)燃機(jī)(汽油機(jī)、柴油機(jī)等)的排氣裝置中使用的顆粒過濾器，基本上可分為“開放”式和“封閉”式系統(tǒng)。“開放”式系統(tǒng)通常具有可自由流過的流動(dòng)路徑，其中，提供了靜止區(qū)和/或渦旋區(qū)，它們使顆粒朝限定流動(dòng)路徑的壁移動(dòng)。同時(shí)，以這種方式提高了位于廢氣中的顆粒與反應(yīng)物接觸并由此進(jìn)行顆粒變?yōu)闊o害組分的轉(zhuǎn)化的可能性，所述反應(yīng)物通過流動(dòng)路徑的壁或廢氣本身提供。這種開放式系統(tǒng)的實(shí)例在DE20117873U1或WO 03/038248A1中公開。
按照“封閉”式系統(tǒng)的顆粒過濾器通常具有交替封閉的流動(dòng)路徑，從而部分廢氣流穿過流動(dòng)路徑的一個(gè)壁至少流過一次。為此，按已知的方式在流動(dòng)路徑的入口或出口放置密封元件或流動(dòng)阻止器，此外，還已知在流動(dòng)路徑內(nèi)設(shè)置這種元件。流動(dòng)路徑的壁例如由多孔材料形成，所述材料主要具有陶瓷的特性。
還知道一種“封閉”式系統(tǒng)，其中過濾材料為金屬纖維層。這種結(jié)構(gòu)例如在EP 0764455B1中公開。在該文獻(xiàn)中說明的過濾器中，為了從廢氣中分離碳黑顆粒，將金屬纖維層這樣安裝在一殼體中，以使廢氣流一次性地穿過所述纖維層。除了進(jìn)行基本上軸向地穿過金屬纖維層流動(dòng)的平面形或波紋形的結(jié)構(gòu)外，還說明了纖維層的圓柱形和星形結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，在中部輸入氣流并由于相對放置的封閉蓋引導(dǎo)氣流徑向向外地通過金屬纖維層。
尤其是在提供按照“封閉”式系統(tǒng)的顆粒過濾器時(shí)，有這樣的危險(xiǎn)，即當(dāng)沒有以充足的量提供化學(xué)轉(zhuǎn)化所需要的反應(yīng)物時(shí)，多孔壁或由纖維層制成的壁會(huì)附著顆粒(常常可以理解為汽車廢氣中大量固體的總稱，尤其是還有碳黑和灰分)。這就導(dǎo)致流動(dòng)路徑的壁有不斷增加的阻力。這就造成例如阻滯壓力(Staudruck)的升高并同時(shí)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的功率減小。因此，通常需要清理顆粒過濾器，除去積存在其中的顆粒，這一般都用術(shù)語“再生”來稱呼。
為了實(shí)現(xiàn)再生，已知各種熱過程，其中，有目的地在廢氣或顆粒過濾器中產(chǎn)生溫度升高，例如產(chǎn)生超過800℃的溫度，在這個(gè)溫度下顆粒被燃燒或氧化。這種熱再生可通過專門的加熱元件導(dǎo)入，所述加熱元件為顆粒過濾器本身的一部分或與其相連。但是，也可以通過廢氣流中的誘發(fā)的、有時(shí)為催化的反應(yīng)引發(fā)一種后燃燒。為此，例如作為添加劑加入氨或還有一定量的燃料。除了顆粒過濾器這種不連續(xù)的熱再生以外，還已知連續(xù)的方法。
這種連續(xù)的方法通常稱為所謂的CRT系統(tǒng)(“連續(xù)再生器”)。此時(shí)，首先引導(dǎo)廢氣通過一氧化催化器并接著將其導(dǎo)入一碳黑過濾器中。氧化催化器的任務(wù)是，將包含在廢氣中的一氧化氮(NO)轉(zhuǎn)化成二氧化氮(NO2)。提高的二氧化氮成分的優(yōu)點(diǎn)是，在連接在后面的顆粒過濾器中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，其中，碳(C)氧化成二氧化碳(CO2)，而二氧化氮(NO2)則還原成純氮(N2)。結(jié)果，特別是通常包含在顆粒中的一氧化碳(CO)和長鏈碳?xì)浠衔?HC)在200℃和450℃之間的溫度范圍內(nèi)就已經(jīng)幾乎被完全轉(zhuǎn)化。但是，在這種CRT系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)注意，只能使用幾乎沒有硫(少于10ppm的S)的柴油燃料，以便不致危害上述氧化還原系統(tǒng)。為了補(bǔ)充包含在廢氣中的一氧化氮或由其形成的二氧化氮，在氧化催化器的上游另外添加氨會(huì)帶來更多的優(yōu)點(diǎn)。
此外，顆粒過濾器的有效性或過濾作用還通過所提供的過濾器壁的表面或孔隙等來描述。此時(shí)，目的總是提供盡可能大的、用于過濾顆粒的表面。同時(shí)，顆粒過濾器應(yīng)該能承受汽車內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中大的熱載荷和動(dòng)態(tài)載荷。此處，要特別考慮顆粒過濾器(各)部件不同的熱膨脹性能。此外，為了保證持久地使用，顆粒過濾器應(yīng)當(dāng)可以再生。

發(fā)明內(nèi)容
由此出發(fā)，本發(fā)明的目的是提供一種顆粒過濾器，它滿足前面提到的目標(biāo)。此外，這種過濾器應(yīng)當(dāng)提供盡可能大的過濾面并可承受較頻繁的再生。此外，所提供的顆粒過濾器還應(yīng)可以承受顆粒過濾器內(nèi)部有時(shí)短時(shí)的、限定在局部的和明顯升高的溫度尖峰/峰值，因而即使考慮到重復(fù)的再生，也能保證有長的壽命。
所述目的可利用按照權(quán)利要求1的特征的顆粒過濾器來實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中說明了其它有利的實(shí)施形式。這里應(yīng)當(dāng)指出，其中所述的特征可以彼此組合，并可以與整個(gè)說明書的其它說明組合，而且可以導(dǎo)致本發(fā)明其它有利的實(shí)施形式。
按照本發(fā)明的顆粒過濾器由一外殼和至少一個(gè)包含至少一個(gè)金屬纖維層的體部構(gòu)成。所述纖維層布置成，使得由體部形成多個(gè)空間上分開的流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑分別至少在一個(gè)位置具有一流動(dòng)阻止器。顆粒過濾器的特征為，所述至少一個(gè)金屬纖維層具有一在400至1200焦耳每開爾文平方米[J/Km2]的范圍內(nèi)的與面積相關(guān)的熱容。
這里，金屬纖維層最好由耐熱、耐腐蝕的材料制成，尤其是所述纖維層包括鐵基或鋼基的纖維，其中，包括鋁和鉻的成分。特別是用以鐵為基礎(chǔ)的、具有鋁和鉻的成分以及必要時(shí)具有稀土例如釔的成分的材料制成的纖維作為用于金屬纖維層的材料。鋁含量優(yōu)選至少為4.5個(gè)百分?jǐn)?shù)[％]，特別是超過5.5％。鉻含量優(yōu)選在18％～21％的范圍內(nèi)。
其中，纖維彼此定向形成一織物、無紡物、針織物或按其它方式形向。纖維本身之間接頭同樣做成耐熱的和耐腐蝕的，尤其纖維是彼此燒結(jié)的。
為了形成體部，優(yōu)選對所述至少一個(gè)纖維層進(jìn)行堆疊、纏繞、卷繞或按其它方式進(jìn)行布置。這里，體部可只由一個(gè)纖維層形成，但也可以將多個(gè)、必要時(shí)設(shè)計(jì)成不同的金屬纖維層連接成連貫的纖維帶和/或設(shè)有多個(gè)這樣的纖維層。
此時(shí)，至少一個(gè)金屬纖維層至少部分地限定流動(dòng)路徑，即構(gòu)成流動(dòng)路徑的至少一個(gè)壁或一個(gè)壁段。流動(dòng)路徑最好彼此基本上平行地布置，并且特別是沿其整個(gè)長度彼此分開。在這種情況下，分開不一定意味著在相鄰的流體路徑之間不可能存在氣體交換，而是指流體路徑蜂窩狀的布置。
每個(gè)這種流動(dòng)路徑最好只在一個(gè)位置有一流動(dòng)阻止器。原則上建議，選擇流動(dòng)路徑的入口截面或出口截面作為所述位置。可選地或與其組合地，將流動(dòng)阻止器設(shè)置在流動(dòng)路徑的內(nèi)部，即設(shè)置在入口截面與出口截面之間也是適宜的。流動(dòng)阻止器最好設(shè)計(jì)成，與作為流動(dòng)路徑邊界的(形成過濾層的)纖維相比，使該流動(dòng)阻止器對于流體流的流過有較大的阻力。由此，還意味著，流動(dòng)阻止器設(shè)計(jì)成具有比金屬纖維層大的比體積密度，特別還是氣體不可透過的。
在由至少一個(gè)用以提供多個(gè)通道的金屬纖維層制成的體部的這種實(shí)施形式中，在一些情況下，顆粒過濾器的再生會(huì)出現(xiàn)問題。纖維層的部分區(qū)域的彼此密封的疊放/層和在一些情況下時(shí)貯存在其中的碳黑量可以造成，在轉(zhuǎn)化碳黑時(shí)可能在再生時(shí)產(chǎn)生限定在局部的、極度的溫度尖峰。這可導(dǎo)致線維層結(jié)構(gòu)的損壞，尤其是纖維層組分的熔化和/或纖維層之間連接的破壞。為了防止纖維層的部件由于這種所謂的“熱點(diǎn)”而松脫，并由此在一些情況下堵塞顆粒過濾器的其它部分區(qū)域，或破壞連接在顆粒過濾器后面的廢氣處理裝置的部件，這里按照本發(fā)明建議，所述至少一個(gè)金屬纖維層具有在約400至1200J/Km2范圍內(nèi)的與面積相關(guān)的熱容。這里與面積相關(guān)的熱容的數(shù)據(jù)以室溫為基準(zhǔn)。所述至少一個(gè)金屬纖維層優(yōu)選具有大于750J/Km2或甚至大于1000J/Km2的與面積相關(guān)的熱容。已經(jīng)證明，特別在這種有多個(gè)通道或流動(dòng)路徑的顆粒過濾器中，提供所述與面積相關(guān)的熱容，以使金屬纖維層(例如還有在顆粒過濾器的位于內(nèi)部面的、冷卻不良的部分區(qū)域中)可承受汽車內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中出現(xiàn)的熱交變載荷，還有所謂的“熱點(diǎn)”。
按照顆粒過濾器的另一種實(shí)施形式，纖維層在至少一個(gè)段中具有下列參數(shù)中的至少一個(gè)a)纖維直徑20μm至90μm；b)纖維間距5μm至300μm；c)層厚0.2mm至1.5mm；d)層的面密度250g/m2至2000g/m2；e)層的孔隙度30％至90％；f)每1m2的層表面積的纖維表面積9m2至15m2；g)單根纖維長度5μm至100μm。
對于所述至少一個(gè)“段”，應(yīng)當(dāng)指出，它最好包括纖維層的總長度、寬度或空間范圍/尺度，不過，也可能是，它只例如描述沿纖維層的軸向和/或徑向的部分區(qū)域。在一些情況下，纖維層包括多個(gè)這種段也是適宜的，其中，所述段不一定總是設(shè)計(jì)成相同的，而是，尺寸的確定可以變化地與例如內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中的條件相匹配。
“纖維直徑”指的是纖維層的纖維的平均直徑。這里，平均值不僅對單根纖維的所有直徑平均得出的，而且纖維直徑優(yōu)選是至少一個(gè)段中的纖維層的所有纖維的特征性值。纖維直徑優(yōu)選在40μm至70μm(0.04～0.07mm)的范圍內(nèi)。
“纖維間距”特別指的是纖維層的相鄰纖維的距離，其中，此處主要指彼此之間的最大距離。纖維間距是一個(gè)特別用于表示氣體通過性或纖維層密度的參數(shù)。纖維間距最好在20um至300μm(0.02至0.3mm)的范圍內(nèi)。
“層厚”指的是所述至少一個(gè)金屬纖維層的厚度，特別是沿廢氣的流過方向的厚度。層厚最好為0.3mm至0.5mm。
描述每單位面積的金屬纖維層的重量的“層的面密度”最好在750至1500克每平方米[g/m2]的范圍內(nèi)。
層的孔隙度最好在45％和60％之間。
“纖維表面積”就其意義為由單個(gè)纖維共同形成的面積。與之相對，“層表面積”指的是金屬纖維層本身的(包絡(luò))表面積。
“單根纖維長度”可以理解為主要用于制造所述至少一個(gè)金屬纖維層采用的纖維的長度。單根纖維長度最好為10μm至30μm(0.01至0.03mm)。
此外還建議一種顆粒過濾器的實(shí)施形式，其中，所述至少一個(gè)纖維層這樣布置在體部中，即有下列參數(shù)中的至少一個(gè)a)比層表面積0.15m2/l至2.0m2/l；b)層距0.5mm至10mm。
“比層表面積“可以理解為1升[l]的顆粒過濾器體積中的層表面積。由此得到這樣一個(gè)特征量，它適于作為給定的過濾器的體積的尺度/度量。對于采用光滑的和形成波紋的金屬纖維層構(gòu)成顆粒過濾器的情況，可以優(yōu)選不同的范圍。如果只有光滑層由金屬纖維層組成，則優(yōu)選0.15m2/l和1.0m2/l之間的比層表面積。如果只是波紋層用金屬纖維層形成，則比層表面積在0.25m2/l至1.0m2/l的范圍內(nèi)。對于波紋層和光滑層都用金屬纖維層制成的情況，比層表面積最好在0.4m2/l和2.0m2/l之間。特別是考慮到柴油車中的應(yīng)用，特別推薦一種顆粒過濾器，它具有一0.5m2/l至0.9m2/l的比層表面積。
“層距”指的是彼此相鄰布置的段或纖維層本身之間的距離。這里，層距描述的是相鄰纖維層之間的最大距離的區(qū)域內(nèi)的距離。層距的所述值特別理解為氣流通過它流入或流出的層表面之間的值。該值還可在顆粒過濾器的軸向長度上或在流動(dòng)路徑的長度上變化。
按照顆粒過濾器的另一種實(shí)施形式，體部包括至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)，它至少部分地將彼此相鄰地布置的纖維層區(qū)域彼此隔開。由此，該支承結(jié)構(gòu)至少在部分區(qū)域上實(shí)現(xiàn)這樣的功能，即防止彼此相鄰地布置的纖維層區(qū)直接相互貼靠。這種支承結(jié)構(gòu)特別用于形成通道或流動(dòng)路徑。支承結(jié)構(gòu)可以布置在單獨(dú)的纖維層之間，也可布置在單個(gè)纖維層的褶皺、曲折等之間。支承結(jié)構(gòu)最好由金屬制成并在所形成的流動(dòng)通道的整個(gè)長度上延伸。作為用于支承結(jié)構(gòu)的材料，如同在上面結(jié)合纖維所述的那樣，又優(yōu)選包括鐵-鋁-鉻的材料。
在這種情況下，特別優(yōu)選的是，至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)下列部件，可以是單個(gè)的或多個(gè)的柵網(wǎng)，板，金屬絲，拉制金屬網(wǎng)(Streckmetal)。對于柵網(wǎng)，可以理解為各種金屬織物、金屬編織物、無定向金屬網(wǎng)層等。此時(shí)，它們最好氣體透過性地設(shè)計(jì)成具有孔、通口等。還可以在所述孔、開口等中放置其它的過濾材料。后一種變型方案特別在將支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成拉伸金屬時(shí)出現(xiàn)。也可以在過濾層或纖維層之間放置特別是形成結(jié)構(gòu)的板等。所述板最好對氣流是不能穿過的，但必要時(shí)也可以包含孔或?qū)Я髅?。還可以在纖維層區(qū)之間布置特別設(shè)計(jì)的金屬絲，所述金屬層區(qū)例如是形成結(jié)構(gòu)的或光滑的。這種金屬絲優(yōu)選布置在流動(dòng)路徑的入口區(qū)或出口區(qū)。也可以將多個(gè)這種金屬絲布置成一金屬絲束，并設(shè)置在纖維層區(qū)之間。
按照顆粒過濾器的另一種實(shí)施形式，體部的部件至少局部地彼此和/或與外殼利用接合技術(shù)(fügetechnisch)連接。體部的部件特別是指纖維層和支承結(jié)構(gòu)。其中利用接合技術(shù)的連接最好布置在下列區(qū)域顆粒過濾器的端面(廢氣打擊在所述端面上或廢氣從所述端面上出來)，靠近支承結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)峰值點(diǎn)，纖維層與支承結(jié)構(gòu)的接觸區(qū)內(nèi)，兩個(gè)纖維層之間的接觸區(qū)內(nèi)。這里，利用接合技術(shù)的連接最好設(shè)計(jì)成擴(kuò)散連接、焊接和/或釬焊連接。對于(各)部件與外殼的連接，優(yōu)選纖維層和/或支承結(jié)構(gòu)所有的端部分別都按上述意義與外殼進(jìn)行利用接合技術(shù)的連接。
此外還建議，所述至少一個(gè)流動(dòng)阻止器是至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)的一部分，其中，所述支承結(jié)構(gòu)在至少一個(gè)位置封閉所述至少一個(gè)流動(dòng)路徑。這意味著，所述支承結(jié)構(gòu)例如被卷邊、形成翼部，設(shè)計(jì)成凸緣(Kragen)等，并且直接貼靠在至少一個(gè)相鄰的金屬纖維層上。為此，流動(dòng)阻止器優(yōu)選設(shè)計(jì)成基本上氣密的，從而氣流不能穿過它(至少在如在汽車的排氣裝置中所出現(xiàn)的條件下)。這里支承結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計(jì)成繞相鄰的金屬纖維層的邊緣包圍作用的板。
按照另一種實(shí)施形式，所述至少一個(gè)流動(dòng)阻止器具有至少部分地貼合在至少一個(gè)纖維層的輪廓分布的設(shè)計(jì)構(gòu)形，其中，所述流動(dòng)阻止器至少在體部的流入側(cè)或流出側(cè)的附近封閉流動(dòng)路徑的一部分。在這種情況下，流動(dòng)阻止器設(shè)計(jì)成單獨(dú)的構(gòu)件，其中，流動(dòng)阻止器布置成使它至少封閉一部分流動(dòng)路徑。在這里所述的顆粒過濾器的實(shí)施形式中，要如此出發(fā)，即纖維層布置成分層的、纏繞的或卷繞的。即，其端面構(gòu)成螺旋形、直線形、S形等輪廓分布。由于纖維層至少部分地限定貼合其表面的流動(dòng)路徑，因此位于各纖維層附近的流動(dòng)路徑由各流動(dòng)阻止器封閉。為此，流動(dòng)阻止器基本遵循至少一個(gè)纖維層的輪廓分布。由于這里優(yōu)選描述了按照“封閉“式系統(tǒng)的顆粒過濾器，由此實(shí)現(xiàn)了交替封閉的通道或流動(dòng)路徑，即第一(部分)數(shù)量的流動(dòng)阻止器在流入側(cè)封閉一定數(shù)量的流動(dòng)路徑，而第二(部分)數(shù)量的流動(dòng)阻止器則在流出側(cè)封閉其余的流動(dòng)路徑。作為流動(dòng)路徑阻止器，優(yōu)選采用金屬絲或一索狀的、基本上氣密的設(shè)計(jì)。
在這種情況下，特別有利的是，所述至少一個(gè)流動(dòng)阻止器包括適于再生顆粒過濾器的裝置和/或適于確定下列參數(shù)中的至少一個(gè)的裝置氣流的溫度、組分。在這里述的顆粒過濾器的實(shí)施形式中，除密封流動(dòng)路徑的功能以外，流動(dòng)阻止器還有一附加的功能，即例如啟動(dòng)顆粒過濾器的再生或確定測量值。考慮到顆粒過濾器的再生，流動(dòng)阻止器可例如設(shè)計(jì)成加熱絲，其中，所述加熱絲可流過電流，并由于電阻加熱在顆粒過濾器中發(fā)出熱反應(yīng)所需的熱量。還可以將流動(dòng)阻止器本身設(shè)計(jì)成傳感器。對于這種情況，所述傳感器用作溫度傳感器或用作用于確定廢氣流的氣體組分(例如氧，二氧化氮，碳?xì)浠衔锏?的傳感器。
按照顆粒過濾器的又一種實(shí)施形式，體部具有每1.0升[l]的相應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)排量為0.5至3.0升[l]的總體積。在此情況下，總體積指的是體部的體積，包括金屬纖維層、支承結(jié)構(gòu)、流動(dòng)阻止器等并包括包含流動(dòng)路徑的空間。體部的總體積通常由體部的流入側(cè)和流出側(cè)以及由外殼的內(nèi)表面限定?？傮w積的優(yōu)選范圍為每升排量1.0～1.5l/1.5。排量指的是內(nèi)燃機(jī)中全部可供使用的燃燒體積，它通常用來表示內(nèi)燃機(jī)的參量。
進(jìn)一步還建議，體部設(shè)計(jì)成具有多個(gè)通道的蜂窩體，而且給出通過體部的單位橫截面積的通道密度，它在100cpsi至400cpsi的范圍內(nèi)。這里首先還要再次清楚地指出，通道由至少一個(gè)纖維層的表面以及必要時(shí)還由至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)的表面限定。通道密度用“cpsi”給出，它表示“每平方英寸單元數(shù)“(每平方英寸通道數(shù))。
按照顆粒過濾器的一個(gè)改進(jìn)方案，體部有多個(gè)纖維層，它們交替地在相對的流入側(cè)和流出側(cè)彼此連接，以形成流動(dòng)阻止器和空腔(Tasche)。在纖維層之間設(shè)置分別一具有最小高度和最大高度的支承結(jié)構(gòu)，其中，所述支承結(jié)構(gòu)按交變的(交替的)取向布置在相鄰的空腔中。換句話說，支承結(jié)構(gòu)在纖維層之間形成逐漸加寬的流動(dòng)路徑，其中，具有最大高度的支承結(jié)構(gòu)位于其中的流動(dòng)路徑與有最小高度的支承結(jié)構(gòu)位于其中的流動(dòng)路徑相鄰。流動(dòng)阻止器優(yōu)選放置在體部的一個(gè)區(qū)域附近，在所述流動(dòng)阻止器中，支承結(jié)構(gòu)有其最小高度，相鄰的纖維層也彼此盡可能緊密地放置。如果考慮穿過顆粒過濾器的假想橫截面，設(shè)置這類支承結(jié)構(gòu)導(dǎo)致形成V形的空腔，其中，V形的開口交替地指向流入側(cè)或流出側(cè)?？紤]到這里產(chǎn)生的阻滯壓力以及纖維層與支承結(jié)構(gòu)簡單的利用接合技術(shù)的連接，特別優(yōu)選采用顆粒過濾器的這種設(shè)計(jì)。此外還應(yīng)指出，不僅是單個(gè)的支承結(jié)構(gòu)，包括(可變的)多個(gè)相同取向的支承結(jié)構(gòu)的組也可以交替地布置。
此外還建議，體部沿一軸線方向具有帶有不同的或組合的功能的段。這些段形成廢氣流依次流過的顆粒過濾器的部分區(qū)域，其中，對包含在廢氣中的組分應(yīng)該分別實(shí)現(xiàn)不同的作用。例如，這類功能包括灰分過濾，碳黑過濾，氧化，加熱，貯存廢氣組分，氣流脫水等。在這些段中，金屬纖維層以及支承結(jié)構(gòu)和/或流動(dòng)阻止器與功能協(xié)調(diào)地設(shè)計(jì)，特別是具有與其它段不同的參數(shù)。例如也可以在這種顆粒過濾器中具有這樣一個(gè)段，其中優(yōu)選使流動(dòng)路徑中的部分氣流充分混合。為此，必要時(shí)可以設(shè)置附加的流動(dòng)阻止器和/或流動(dòng)路徑的壁中的開口，以實(shí)現(xiàn)部分氣流的充分混合。
因此，按照顆粒過濾器的另一種實(shí)施形式，有利的是，體部包括至少一個(gè)內(nèi)部的邊界，所述邊界由彼此對齊的流動(dòng)阻止器限定。相應(yīng)地，例如有利的是，在金屬纖維層的不同設(shè)計(jì)中，在不同的區(qū)段中總是應(yīng)該保證與整個(gè)廢氣流的接觸。為此目的，可以在這種區(qū)段下游的端部，通過流動(dòng)阻止器設(shè)置一邊界，該邊界迫使流動(dòng)經(jīng)過該區(qū)段中的纖維層。這里流動(dòng)阻止器優(yōu)選支承結(jié)構(gòu)的部分和/或金屬纖維層本身的部分。特別是對于流動(dòng)阻止器形成上述區(qū)段的邊界的情況有利的是，將流動(dòng)阻止器布置在一個(gè)平面中。
按照顆粒過濾器的另一種實(shí)施形式，體部通過至少一個(gè)包圍它的密封圈與外殼連接。在由(在材料、材料厚度等上)不同的部件構(gòu)成的顆粒過濾器中，考慮到耐久性，熱膨脹性能總是在內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中起重要的作用。此外還出現(xiàn)，顆粒過濾器在再生時(shí)受到極大的熱沖擊載荷。這里，一方面存在優(yōu)選設(shè)計(jì)成薄壁的支承結(jié)構(gòu)，同樣存在略厚的、但是為此致密性較差的金屬纖維層，以及實(shí)心的、例如設(shè)計(jì)成具有1mm或更大厚度的外殼。所有這些部件具有不同的熱容，所述熱容特別是在加熱或冷卻顆粒過濾器時(shí)導(dǎo)致不同的膨脹性能。根據(jù)這樣的事實(shí)，即這里仍必須保證部件的利用接合技術(shù)的連接，這在接合位置可導(dǎo)致明顯的熱應(yīng)力，所述熱應(yīng)力在一些情況下造成部件或部件之間的連接的損壞。
為了避免這種情況，對此，建議一種密封圈，所述密封圈繞體部布置，并在一側(cè)與體部連接，在另一側(cè)與外殼(在一非常狹的帶形區(qū)中)連接。該密封圈最好對中布置，并只在體部外殼面的小范圍上延伸。這意味著，體部在周向面的大部分上不與外殼固定地連接，即可以與外殼無關(guān)地膨脹或收縮。由此，對體部可以保證盡可能大的軸向和徑向膨脹自由度。此外，所述密封圈設(shè)計(jì)成沿周向形成結(jié)構(gòu)的，從而以這種方式允許不同的周向上的膨脹。這種密封圈的實(shí)例特別由WO03/008774A1已知，其中，這里可以引用該文獻(xiàn)的說明書以作為補(bǔ)充。在該情況下，密封圈或顆粒過濾器最好設(shè)計(jì)成附加地具有密封裝置，以防止廢氣在體部旁邊流過。該密封裝置可以是密封圈本身的一部分，但是也可以將其布置在其它位置，最好布置在體部與外殼之間。
按照另一個(gè)實(shí)施形式，體部至少部分地設(shè)有涂層。考慮到不同性質(zhì)的功能，涂層可以施加在纖維、支承結(jié)構(gòu)和/或顆粒過濾器的其它部件上。這里優(yōu)選例如鉑-氧化物涂層，其中，設(shè)有40至120克每升[g/l]的載體涂料(Washcoat)(沸石)，而貴金屬含量則為20至100克每立方英尺[g/ft3]。作為其它優(yōu)選的涂層，顆粒過濾器至少在部分區(qū)域內(nèi)具有吸收氮氧化物的涂層，其中設(shè)置150至300g/l的載體涂料，它設(shè)計(jì)成具有20至100g/ft3的貴金屬含量。
在按照顆粒過濾器的又一實(shí)施形式中，流動(dòng)限制器布置在體部的流入側(cè)和流出側(cè)附近，并在多個(gè)纖維層之間分別設(shè)置支承結(jié)構(gòu)，根據(jù)該實(shí)施形式建議，至少一個(gè)纖維層有一連接段，以形成與至少一個(gè)流動(dòng)阻止器和/或支承結(jié)構(gòu)形成利用接合技術(shù)的連接。這特別意味著，金屬纖維層設(shè)計(jì)成可與相鄰的部件進(jìn)行釬焊連接。對此，例如用于纖維層中的空腔的填充材料是合適的，在金屬纖維層本身中專門使纖維致密化也是合適的。對所述連接段致密化可通過在部分區(qū)域進(jìn)行翻折并壓縮纖維層來實(shí)現(xiàn)。
在這種情況下，特別有利的是，連接段是纖維層的一個(gè)具有與其余的區(qū)域不同的參數(shù)的段，或是一拼接連接的單個(gè)部件。這意味著，例如這樣改變開始所述的參數(shù)(纖維直徑，平均纖維間距，層厚，層的面密度，層的孔隙度，單根纖維長度等)中的一個(gè)，以在這里實(shí)現(xiàn)纖維材料的可釬焊性。例如還可以通過附加拼接接合的、特別是可以釬焊的單個(gè)部件如板段等形成所述連接區(qū)。


現(xiàn)在參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明及其技術(shù)領(lǐng)域。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意圖中示出本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例，但是，本發(fā)明并不受其限制。圖中圖1示意地和透視地示出按照本發(fā)明的顆粒過濾器的一種實(shí)施形式，圖2用纖維層和支承結(jié)構(gòu)的透視圖示出細(xì)部圖，圖3用剖視圖示出另一細(xì)部圖，其中，用透視圖示出支承結(jié)構(gòu)與纖維層之間的流動(dòng)路徑，圖4示出金屬纖維層的另一細(xì)部圖，圖5示出按照本發(fā)明的顆粒過濾器的另一實(shí)施形式的半剖視圖，圖6示出金屬纖維層和支承結(jié)構(gòu)在形成流動(dòng)阻止器時(shí)的布置的另一細(xì)部圖，以及圖7示意地示出一移動(dòng)式內(nèi)燃機(jī)的排氣裝置。
具體實(shí)施例方式
圖1示意地用透視圖示出顆粒過濾器1的第一實(shí)施形式，它包括一外殼2和一體部3。體部3由多個(gè)金屬纖維層4形成，這里所述纖維層S形地繞兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)45卷繞布置。體部3設(shè)計(jì)成蜂窩體27并具有多個(gè)通道28。通道28從流入側(cè)19出發(fā)基本上平行地延伸到體部3的流出側(cè)20。這里流動(dòng)方向48用一箭頭表示。在流入側(cè)19的范圍內(nèi)示出多個(gè)流動(dòng)阻止器6，它們基本上遵循金屬纖維層4的布置的S字形曲線分布。流動(dòng)阻止器在流入側(cè)19封閉一半通道28，而通道28的另一部分在流出側(cè)20同樣由流動(dòng)阻止器6封閉(未示出)。
此處設(shè)計(jì)成圓柱形管的外殼2在兩側(cè)19、20都越過體部3伸出。在流入側(cè)19附近設(shè)置一添加劑發(fā)生器21，其中，所述添加劑發(fā)生器設(shè)計(jì)成用于例如氨或含碳?xì)浠衔锏娜剂系膰娮臁?br> 蜂窩體27與殼體或者說外殼2利用接合技術(shù)的連接通過密封圈36進(jìn)行，所述密封圈設(shè)置在體部3的外周上。密封圈36設(shè)計(jì)成波紋帶，并具有比蜂窩體27的長度49小的寬度50。密封圈36一方面與蜂窩體27的所有板端47連接，而在相對側(cè)與外殼2連接。按此方式，特別是沿半徑51的方向提供了對不同的熱膨脹性能進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目赡苄浴?br> 圖2示出具有空腔30的顆粒過濾器的一個(gè)實(shí)施形式的設(shè)計(jì)構(gòu)型，所述空腔通過金屬纖維層4之間的支承結(jié)構(gòu)14形成。這里，沿半徑51的方向交替地分別布置一金屬纖維層4和一支承結(jié)構(gòu)14。這里，纖維層4的一段7和設(shè)計(jì)成波紋板的支承結(jié)構(gòu)14共同限定流動(dòng)路徑5。支承結(jié)構(gòu)14在一個(gè)端側(cè)有較大的波結(jié)構(gòu)，而在相對的端側(cè)形成很小的波幅。在支承結(jié)構(gòu)14的波紋的小波幅附近也設(shè)置封閉流動(dòng)路徑5的流動(dòng)阻止器6。支承結(jié)構(gòu)14彼此交替地布置，從而這里在剖視圖中，每隔一個(gè)的金屬纖維層4是基本上彼此平行地延伸的。但特別如果支承結(jié)構(gòu)14在相鄰的空腔30中不是設(shè)計(jì)成相同的，則情況不是這樣。廢氣流例如通過流動(dòng)路徑5或通道28被引入顆粒過濾器的內(nèi)部區(qū)域，并通過流動(dòng)阻止器6或設(shè)計(jì)成流動(dòng)阻止器的金屬絲17迫使其穿過金屬纖維層4至少一次，從而能從相對的端側(cè)流出。
圖3示出金屬纖維層4和支承結(jié)構(gòu)的堆疊的另一細(xì)部圖，該支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成板16。所示的纖維層4具有在小于1mm的范圍內(nèi)的層厚。通過布置在纖維層4之間的形成波紋的板層16又形成流動(dòng)路徑5，所述流動(dòng)路徑使得廢氣可沿流動(dòng)方向48流入。在流動(dòng)路徑5中形成一流動(dòng)阻止器6，所述流動(dòng)阻止器迫使進(jìn)入流動(dòng)路徑5中的部分氣流轉(zhuǎn)向而穿過相鄰布置的纖維層4。該部分氣流被引入相鄰的通道或流動(dòng)路徑5中，并可按此方式沿流動(dòng)方向48又從顆粒過濾器流出。流動(dòng)阻止器6設(shè)計(jì)成板16上的突起或?qū)蛎?1。為了封閉一部分通道，纖維層4具有一連接段38，其中在上面所示的變型方案中，連接段設(shè)計(jì)成致密化的纖維層4，而在下面所示的變型中，它設(shè)計(jì)成單獨(dú)的部件39(例如一段板箔)。在相鄰的連接段38之間也形成一流動(dòng)阻止器6，它在這里是一單獨(dú)的構(gòu)件，例如一密封索。
如所述特征那樣，圖4詳細(xì)示出圖3的金屬纖維層4的部分區(qū)域。由此可以看出一些前面提到的、用于描述纖維層的參數(shù)，尤其是纖維直徑8、纖維間距9、纖維表面積11、層表面積12以及單根纖維長度13。纖維之間的空間可以用空氣和/或至少部分地用附加的材料填充。所述附加的材料包括例如涂層。
圖5用半剖視圖示出按照本發(fā)明的顆粒過濾器1的另一實(shí)施形式。這里體部3具有多個(gè)金屬纖維層4，所述纖維層交替地在相對的流入側(cè)19和流出側(cè)20通過流動(dòng)阻止器6或加熱絲22和金屬絲17封閉。在這種情況下，不僅起密封作用的金屬絲17設(shè)計(jì)成用于產(chǎn)生熱再生的加熱絲22，此外，在外殼2與體部3之間，在體部3的外周上，還設(shè)有其它的用于起動(dòng)再生的加熱絲22。纖維層4與流動(dòng)阻止器6共同形成流動(dòng)路徑5，所述流動(dòng)路徑基本上如空腔30那樣形成。在這些空腔30中分別設(shè)置支承結(jié)構(gòu)14，所述支承結(jié)構(gòu)具有最小高度31和最大高度32，并按交替地布置在相鄰的空腔30中。這里支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成格柵15或拉伸金屬網(wǎng)18。
體部3沿一軸線33的方向具有一安裝在前面的區(qū)段34，所述區(qū)段例如設(shè)有起氧化作用的涂層37。為了保證設(shè)有涂層的纖維層4被入流的廢氣流穿過至少一次，體部3具有一內(nèi)部的邊界35，所述邊界由在支承結(jié)構(gòu)14中形成的流動(dòng)阻止器6形成。
此外，顆粒過濾器1設(shè)計(jì)成具有一監(jiān)控顆粒過濾器1的功能性的測量傳感器23?？蓪⒗脺y量傳感器23得到的信息轉(zhuǎn)送給一處理單元40，該處理單元例如可觸發(fā)再生。
圖6詳細(xì)示出在顆粒過濾器1的流入側(cè)或流出側(cè)附近的流動(dòng)阻止器6的一種設(shè)計(jì)。為此，金屬纖維層4設(shè)計(jì)成比支承結(jié)構(gòu)14長，從而纖維層越過支承結(jié)構(gòu)14伸出并相互接觸。纖維層4在該連接段38內(nèi)設(shè)計(jì)成使纖維層可保證彼此利用接合技術(shù)的連接。這里概略地示出，兩個(gè)彼此相鄰布置的纖維層4借助于滾縫焊彼此連接，并由此形成一流動(dòng)阻止器6。
圖7示意地示出一內(nèi)燃機(jī)—特別是乘用車中的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)—的排氣裝置的構(gòu)造。所示的為一可通過排量25來描述其特征的內(nèi)燃機(jī)26。在排量25中產(chǎn)生的廢氣通過排氣管路43沿流動(dòng)方向48流入周圍環(huán)境中。為了轉(zhuǎn)化包含在廢氣中的有害物質(zhì)，首先將廢氣輸送給一氧化催化器42，然后輸送按照本發(fā)明的、具有與排量25相匹配的總體積24的顆粒過濾器1，最后輸送給三元催化器44。由此，還可以進(jìn)行例如顆粒過濾器1的連續(xù)再生。
對在開始時(shí)提到的技術(shù)問題和要求，這里說明的顆粒過濾器是一種有利的解決方案。通過采用金屬纖維層，可以容易與使用目的相匹配地制造顆粒過濾器，此外，即使非常頻繁地進(jìn)行其中偶然形成所謂的“熱點(diǎn)”的的再生，金屬纖維層所給定的導(dǎo)熱性以及其所提供的比熱容也允許在汽車的排氣裝置中持久使用。
參考標(biāo)號(hào)表1 顆粒過濾器2 外殼3 體部4 纖維層5 流動(dòng)路徑6 流動(dòng)阻止器7 段8 纖維直徑9 纖維間距10層厚11纖維表面積12層表面積13單根纖維長度14支承結(jié)構(gòu)15格柵16板17金屬絲18拉伸金屬網(wǎng)19流入側(cè)20流出側(cè)21添加劑發(fā)生器22加熱絲23測量傳感器24總體積25排量26內(nèi)燃機(jī)27蜂窩體
28通道29橫截面30空腔31最小高度32最大高度33軸線34區(qū)段35邊界36密封圈37涂層38連接段39單個(gè)部件40處理單元41導(dǎo)向面42氧化催化器43排氣管路44三元催化器45轉(zhuǎn)折點(diǎn)46密封裝置47板端48流動(dòng)方向49長度50寬度51半徑
權(quán)利要求
1.包括外殼(2)和至少一個(gè)體部(3)的顆粒過濾器(1)，所述體部包括至少一個(gè)金屬纖維層(4)，其中，所述纖維層布置成形成多個(gè)空間上分開的、穿過體部(3)的流動(dòng)路徑(5)，所述流動(dòng)路徑分別至少在一個(gè)位置具有一流動(dòng)阻止器(6)，該顆粒過濾器的特征為，所述至少一個(gè)金屬纖維層(4)具有在400至1200焦耳每開爾文平方米[J/Km2]的范圍內(nèi)的與面積相關(guān)的熱容。
2.如權(quán)利要求1的顆粒過濾器(1)，其特征為，所述至少一個(gè)纖維層(4)在至少一個(gè)段(7)中具有下列參數(shù)中的至少一個(gè)a)纖維直徑(8)20μm至90μm；b)纖維間距(9)5μm至300μm；c)層厚(10)0.2mm至1.5mm；d)層的面密度250g/m2至2000g/m2；e)層的孔隙度30％至90％；f)每1m2層表面積(12)的纖維表面積(11)9m2至15m2；g)單根纖維長度(13)5μm至100μm。
3.如權(quán)利要求1或2的顆粒過濾器(1)，其特征為，所述至少一個(gè)纖維層(4)這樣布置在體部(3)中，即使得存在下列參數(shù)中的至少一個(gè)a)比層表面積(12)0.15m2/l至2.0m2/l；b)層距(39)0.5mm至10mm。
4.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)包括至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)(14)，所述支承結(jié)構(gòu)至少部分地使彼此相鄰布置的纖維層區(qū)域相互隔開。
5.如權(quán)利要求4的顆粒過濾器(1)，其特征為，所述至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)(4)包括下列部件中至少一種，可以是單個(gè)或多個(gè)——格柵(15)，——板(16)，——金屬絲(17)，——拉伸金屬網(wǎng)(18)。
6.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)的部件至少局部地彼此和/或與外殼(2)利用接合技術(shù)連接。
7.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，所述至少一個(gè)流動(dòng)阻止器(6)是所述至少一個(gè)支承結(jié)構(gòu)(14)的一部分，其中，所述支承結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)位置封閉流動(dòng)路徑(5)。
8.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，所述至少一個(gè)流動(dòng)阻止器(6)具有至少部分地貼合所述至少一個(gè)纖維層(4)的輪廓分布的構(gòu)型，并且至少在體部(3)的流入側(cè)(19)或流出側(cè)(20)附近封閉流動(dòng)路徑(5)的一部分。
9.如權(quán)利要求8的顆粒過濾器(1)，其特征為，所述至少一個(gè)流動(dòng)阻止器(6)包括用于再生顆粒過濾器的裝置(21、22；23)和/或適于用來確定下列參數(shù)中的至少一個(gè)溫度，氣流的組分。
10.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)有在對于每1.0升相應(yīng)內(nèi)燃機(jī)(26)的排量(25)為0.5至3.0升的范圍內(nèi)的總體積(24)。
11.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)設(shè)計(jì)成具有多個(gè)通道(28)的蜂窩體(27)，并且存在穿過體部(3)的、在100cpsi至400cpsi范圍內(nèi)的單位橫截面積(29)的通道密度。
12.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)具有多個(gè)纖維層(4)，所述纖維層交替地在相對的流入側(cè)(19)和流出側(cè)(20)彼此連接，以形成流動(dòng)阻止器(6)和空腔(30)，并且在纖維層(4)之間分別設(shè)置具有最小高度(31)和最大高度(32)的支承結(jié)構(gòu)(14)，其中，所述支承結(jié)構(gòu)按交替的取向布置在相鄰的空腔(30)中。
13.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)沿一軸線(33)的方向有具有不同的或組合的功能的區(qū)段(34)。
14.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)包括至少一個(gè)內(nèi)部的邊界(35)，所述邊界由彼此對齊的流動(dòng)阻止器(6)限定。
15.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)通過至少一個(gè)包圍該體部的密封圈(36)與外殼(2)連接。
16.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其特征為，體部(3)至少部分地設(shè)有涂層(37)。
17.如前述權(quán)利要求之一的顆粒過濾器(1)，其中，流動(dòng)阻止器(6)布置在體部(3)的流入側(cè)(19)和流出側(cè)(20)附近，并在多個(gè)纖維層(4)之間設(shè)置支承結(jié)構(gòu)(14)，其特征為，至少一個(gè)所述纖維層(4)具有一連接段(38)，以與所述至少一個(gè)流動(dòng)阻止器(6)和/或支承結(jié)構(gòu)(14)形成利用接合技術(shù)的連接。
18.如權(quán)利要求17的顆粒過濾器(1)，其特征為，所述連接段(38)為纖維層(4)的一個(gè)具有與其余的區(qū)域不同的參數(shù)的段，或是一拼接安裝的單個(gè)部件(39)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括外殼(2)和至少一個(gè)體部(3)的顆粒過濾器(1)，所述體部包括至少一個(gè)金屬纖維層(4)，其中，纖維層布置成形成多個(gè)穿過體部(3)的、空間上分開的流動(dòng)路徑(5)，所述流動(dòng)路徑分別至少在一個(gè)位置具有一流動(dòng)阻止器(6)，其特征為，所述至少一個(gè)金屬纖維層(4)具有在400至1200焦耳每開爾文平方米[J/Km
文檔編號(hào)B01D39/12GK1918368SQ200480041719
公開日2007年2月21日 申請日期2004年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者R·布呂科, P·希爾特, T·黑里希 申請人:排放技術(shù)有限公司