專利名稱：具有熱點型陶瓷點火器的用于凈化內(nèi)燃機廢氣的顆粒過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷點火器的使用，用于凈化內(nèi)燃機、特別是汽車柴油發(fā)動機的廢氣的顆粒過濾器的再生。
背景技術(shù)：
人們使用蜂窩狀的孔隙結(jié)構(gòu)作為過濾體，用于過濾柴油車排出的顆粒。這些過濾體一般是陶瓷的(堇青石、碳化硅……)。它們可以是整塊的，或者由不同的塊組成。在后者的情況下，用一種陶瓷水泥把不同的塊粘結(jié)組裝在一起。然后整體經(jīng)過加工，使其具有所需的截面，一般為圓形或橢圓形。過濾體可以包括多個通道，它們的端部互相封閉，并且可以有不同的橫截面、形狀和直徑，過濾體插在一個金屬套中，例如文獻FR-A-2789327所述。
使用一定時間后，炭黑聚積在過濾體的通道中，特別是聚積上游面上，這增加了由于過濾體而產(chǎn)生的負荷損失，因此降低發(fā)動機的性能。由于這個原因，過濾體應(yīng)該定期地進行再生(例如每500公里)。
再生是使炭黑氧化。為了做到這一點，需要加熱，已經(jīng)知道炭黑在普通運行條件下的自燃溫度約為600℃，而廢氣的溫度只有300℃。但是，可以在碳氫燃料中加入可以催化炭黑的氧化反應(yīng)并使自燃溫度降低約150℃的添加劑。加熱可以涉及廢氣、過濾體，或者甚至直接涉及炭黑。已經(jīng)開發(fā)了不同的技術(shù)，但它們需要許多能量，并且常常難以控制。
一種最近的先進方法在于局部加熱(在過濾體前面)，以啟動燃燒，然后燃燒逐漸擴展到整個過濾體。例如文獻FR-A-2771449或DE-A-19530749中描述了這種技術(shù)。
加熱沉積在過濾體上的顆粒的裝置與汽車的一個電源連接，例如該裝置由柴油發(fā)動機的預(yù)熱火花塞組成。
這些加熱裝置有一些缺點。首先，它們的體積較大，使它們很難相對過濾體就位。在文獻FR-A-2771449的圖2中看到不可能使這些加熱裝置直接與炭黑接觸，更不能放在過濾體的中心。另外，人們發(fā)現(xiàn)，這些加熱裝置的存在使過濾體一定數(shù)量的通道不能使廢氣通過，這就大大降低了過濾體的效率。另一方面，消耗的能量大，并且溫度上升相當慢，因此再生系統(tǒng)的響應(yīng)時間不太好。
其它加熱裝置、如簡單的電阻不適用，因為炭黑燃燒時過濾器中的溫度可能達到1000℃以上，在這種溫度和氧化的條件下，幾乎沒有什么材料可以使用，由于腐蝕而產(chǎn)生的快速磨損問題變得非常嚴重。
因此，需要沒有上述缺點的用于凈化內(nèi)燃機、特別是柴油發(fā)動機的廢氣的顆粒過濾器的加熱裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在滿足這一需要。
更特別的是，本發(fā)明的主題是一種凈化內(nèi)燃機、特別是柴油發(fā)動機的廢氣的顆粒過濾器，該過濾器包括一個過濾體和所述過濾體的加熱裝置，其特征在于，所述加熱裝置包括至少一個熱點型陶瓷點火器。
熱點型陶瓷點火器在商業(yè)上可以得到，并且是小的零件，當電流穿過時，局部達到可以點燃氣體的非常高的溫度(1200-1400℃)。這些零件用于某些家用器具中，如燃氣烹調(diào)器，用于點燃燃燒器。這些點火器一般由一種高電阻的陶瓷材料構(gòu)成，如碳化硅，有時由與其它陶瓷成分的混合物構(gòu)成。
這些零件的電阻與它們的幾何形狀之間的關(guān)系已經(jīng)知道；因此，陶瓷點火器可以采用許多不同的形狀，使它們?nèi)菀资褂?。例如，在從NORTON公司得到的MINI-IGNITER點火器的系列內(nèi)，零件的長度可以在2到4厘米之間變化，寬度為幾毫米。
有關(guān)陶瓷點火器的結(jié)構(gòu)和制造的詳細信息可以在美國專利5191508、5085804、5045237、4429003和3974106中得到，它們都屬于NORTON公司的專利。
使用這些陶瓷點火器有很多優(yōu)點。
首先，它們的體積小，重新使他們可以在過濾器中更有利地就位。由于更接近炭黑，這些加熱裝置傳遞熱量，并消耗最小。
另外，熱點陶瓷點火器消耗很少的能量，因為它們要加熱的面積很小，并且使用的陶瓷材料完全適用。因此，完全可以通過過濾器安裝在上面的汽車能源給它們提供能量。
尤其是使用熱點陶瓷點火器可以有一個響應(yīng)時間非常短的系統(tǒng)。實際上，火花塞用10-40秒達到1000℃，而陶瓷點火器只用3-6秒達到同樣的溫度。這是很關(guān)鍵的，因為如果加熱不夠快，則炭黑有被消耗而不是點燃的傾向；由此產(chǎn)生一種妨礙燃燒傳播的障礙。另外，過濾器的再生只有在發(fā)動機處于最佳狀態(tài)時被控制并一般被起動。實際上，再生的效率在很大程度上取決于發(fā)動機的狀態(tài)。由于響應(yīng)時間非常短，大大限制了再生過程的起動與炭黑有效燃燒的時刻之間很大的狀態(tài)變化。
每個點火器的低能耗使得可以同時使用多個點火器，并且實驗已經(jīng)證明了這一點。但是，根據(jù)點火器本身的特點以及使用點火器的過濾器的類型，點火器的數(shù)量可以或多或少。
點火器的小尺寸使得可以非常準確地就位。這是有利的，特別是很好地覆蓋傳統(tǒng)系統(tǒng)中人們知道的再生不好的區(qū)域，這些區(qū)域常常在過濾體外圍。這些熱源的體積小還可以盡可能靠近過濾體，甚至可以在點火器的熱點與過濾體或沉積在過濾體表面的炭黑之間有一個接觸點。
有利的是，所述過濾體包括多個過濾塊，這些過濾塊通過至少一個粘結(jié)區(qū)、也稱為“組裝連接”組裝在一起，至少一個所述點火器位于所述區(qū)域的厚度中。
本發(fā)明還涉及一種減輕顆粒過濾器中的熱-機械應(yīng)力的方法，該方法在于，選擇性地加熱所述過濾器的比較冷的區(qū)域時，以降低造成所述應(yīng)力的溫度梯度。
本發(fā)明最后涉及一種實施本發(fā)明的減輕熱-機械應(yīng)力的方法的裝置，其特征在于，該裝置包括一些能夠加熱至少一個所述區(qū)域的點火器、一個控制所述點火器的計算機和一些能夠通知所述計算機的應(yīng)力評估裝置，所述計算機進行了編程，以便能夠在所述應(yīng)力超過一個確定的閾值時，控制點火器的選擇性點火。


通過下面參照附圖進行的描述可以更好地了解本發(fā)明的優(yōu)點。圖中圖1a和1b是本發(fā)明過濾器的兩個實施例的縱剖面示意圖，其中熱點陶瓷點火器穿過包圍過濾體的金屬套固定在過濾體的上游。
圖2a和2b分別為另一個實施例的軸向縱剖面示意圖和沿圖2a中II-II線的橫剖面示意圖，其中熱點陶瓷點火器固定在一個與過濾體的前表面接觸的環(huán)上。
圖3a和3b分別為又一個實施例的軸向縱剖面示意圖和沿圖3a中III-III線的橫剖面示意圖，其中熱點陶瓷點火器位于過濾體的通道中。
圖4是另一個實施例的橫剖面示意圖，其中熱點陶瓷點火器與過濾體的上游面接觸。
圖5是另一個實施例的軸向縱剖面示意圖，其中熱點陶瓷點火器位于過濾體中，但是穿過金屬套。
圖6是一個補充實施例的軸向縱剖面示意圖，其中熱點陶瓷點火器位于過濾體的下游。
圖7示意地示出一個實施本發(fā)明的減輕熱-機械應(yīng)力的方法的裝置，過濾器用橫剖面圖表示。
具體實施例方式
圖1a和1b示出一個包在一個金屬套2中的過濾體1。如圖2b中更好地看到的，過濾體1由一些互相粘結(jié)并且鉆有多個通道的過濾塊組成。廢氣通過入口4到達。在所示的兩個實施例中，四個熱點陶瓷點火器3(圖1a和1b上只能看到兩個)穿過金屬套2。它們兩兩相對地位于正交平面中，或者傾斜于過濾器的縱軸(圖1a)，或者與該軸垂直(圖1b)，使每個點火器的熱點3’直接位于過濾體的上游面附近。因此熱的輻射和發(fā)射可以點燃炭黑，并通過傳播使炭黑在整個過濾體上燃燒。
圖2a和2b示出一個實施例，其中點火器由一個位于金屬套2中并就在過濾體1前面的一個環(huán)5支承。為了使環(huán)相對過濾體的定位非常準確，可以考慮用粘結(jié)構(gòu)成過濾體的不同通道塊所使用的相同類型的陶瓷水泥粘結(jié)該環(huán)。該環(huán)5可以由和過濾體一樣的材料構(gòu)成，并且有相同的截面。在本例中，如圖2b所示，環(huán)5的截面是一個圓形。四個陶瓷點火器3等角度地分布在環(huán)5的內(nèi)周上，例如圖2b所示。在該圖中，從后平面(用虛線表示)上看見構(gòu)成過濾體的不同塊7之間的粘結(jié)區(qū)6，塊7鉆有通道。為了使圖簡化，只在一個塊中示出了通道，它們的數(shù)量被減少，它們的截面以及兩個相鄰?fù)ǖ乐g的壁厚增加。環(huán)5的方向使點火器3與粘結(jié)區(qū)重合。
該實施例比圖1a和1b的實施例有幾個優(yōu)點。
實際上，它可以避免點火器穿過金屬套，這對汽車工業(yè)中使用的自動裝配線是很重要的一點。
點火器的熱點與過濾體或聚積在過濾體上的炭黑之間有緊密的接觸，因此熱通過傳導(dǎo)而不是只通過輻射從一個傳遞給另一個。點火器的溫度迅速上升以及上面提到的緊密接觸使系統(tǒng)的響應(yīng)時間比老工藝的裝置大大改善。
另外，該實施例的一個補充的優(yōu)點是完全不影響過濾器的運行。實際上，點火器與粘結(jié)區(qū)6相對，避免堵塞通道。
該實施例涉及一種過濾器，它的過濾體由一些方形截面的不同塊組裝構(gòu)成，但原則是把點火器安裝在一個與過濾體不同并且與過濾體毗鄰的支座上，該原則可以應(yīng)用在過濾體的其它設(shè)計上。
圖3a和3b也示出一個實施例，其中把一個環(huán)5”插入到金屬套2中，在過濾體1前面。在這里，環(huán)內(nèi)接一個由與環(huán)同樣材料構(gòu)成并且與環(huán)連在一起的支撐格柵8。四個與支撐格柵垂直的陶瓷點火器3固定在支撐格柵的交叉點9上，并插在過濾體的通道內(nèi)。和前面一樣，從后表面示意性地示出通道7的幾個截面。
點火器的小尺寸顯然可以這樣定位。
該實施例與過濾器一起描述，過濾器的過濾體由方形截面的不同塊組裝得到，但它的原理是把點火器裝在過濾體的通道內(nèi)，這種原理顯然可以用于過濾體的其它設(shè)計。
圖4示出一個位于一個金屬套2內(nèi)的過濾體1的前表面。過濾體由一些根據(jù)粘結(jié)區(qū)6互相粘結(jié)的塊組成。用和圖2b和3b一樣的規(guī)則進行簡化。在該實施例中，過濾體的上游面在粘結(jié)區(qū)域6處經(jīng)過加工，以形成凹陷，陶瓷點火器3嵌入其中。點火器3可以粘結(jié)或不粘結(jié)在過濾體的表面上。
作為該例子的變型，并且由于簡化使用的原因，可以把點火器簡單地粘在過濾體的上游面上，而無須加工過濾體的上游面。
這些實施例的優(yōu)點是不用穿過金屬套，并且不需要加入一個補充零件，如一個環(huán)。另外，廢氣的通過不受影響，因為點火器沒有堵塞任何通道。
該實施例與一個過濾器一起進行描述，過濾器由一些方形截面的不同塊組裝形成，但原理是把點火器直接固定在過濾體上，或固定在過濾器表面加工出的凹陷中，該原理可以用于過濾體的其它設(shè)計。
圖5示出一個實施例，其中外套和過濾體都有鉆孔，陶瓷點火器安裝在這些孔中。因此，用該實施例可避免加熱氣流，因此所有的熱能都傳遞給炭黑。
出乎意料的是，陶瓷點火器能夠在這些特殊使用條件下工作。實際上，以日常的方式使用這些點火器，以點燃它們周圍的氣體，或者在現(xiàn)在的新應(yīng)用中，它們常常與要點燃的固體顆粒接觸，或直接或通過一種膠與陶瓷過濾器接觸。這種接觸改進了點火器的工作以提供的等量能量，工作的溫度將更低。在該應(yīng)用中，溫度約為1000℃，而傳統(tǒng)方法使用的點火器的溫度達到1200-1400℃。但是，如果需要，可以攜帶更多的能量，因此達到更高的溫度。這些溫度水平使熱的傳遞主要通過輻射進行。因此也可以考慮使點火器位于有大量炭黑的過濾器下游面上，如圖6所示，該圖示出與圖2a和2b相似的支承點火器的環(huán)5貼靠過濾器1的下游面的布置。還可以考慮用一些點火器替換堵塞過濾體下游面上某些通道的塞子。
一個顆粒過濾器的正常工作在過濾器的不同區(qū)域的受熱情況不同，特別是在再生階段。實際上，在這些階段，過濾體1位于下游面附近的區(qū)域比上游面附近的區(qū)域更熱，因為廢氣把炭黑燃燒釋放的所有熱能向下游輸送。
另外，由于顆粒過濾器和廢氣產(chǎn)生的路徑的形狀，炭黑不一定以均勻的方式聚積，例如優(yōu)先聚積在過濾體縱軸附近的區(qū)域。因此，炭黑的燃燒造成過濾體中心的溫度高于周邊區(qū)域。
在沒有炭黑燃燒時，熱的廢氣的路徑和金屬外殼2被周圍的空氣冷卻也導(dǎo)致過濾體1中心的溫度較高，但程度較差。
過濾體1中的溫度不均勻產(chǎn)生很強的熱-機械應(yīng)力，這可能是造成降低顆粒過濾器壽命的裂隙的根源。
本發(fā)明的過濾器可以有利地在過濾體1中建立并保持一個基本均勻的溫度。
為此，圖7所示的裝置包括分別通過電線20a、20b、20c與一個計算機18連接的點火器3a、3b、3c和評估過濾體1中熱-機械應(yīng)力的裝置22。評估裝置22可以通知計算機18。
評估裝置22可以包括測量過濾體1內(nèi)部溫度梯度的裝置，例如位于過濾體1中的溫度傳感器和從溫度梯度得出熱-機械應(yīng)力裝置。評估裝置還可以包括能夠評估這些梯度和/或熱-機械應(yīng)力的模型化裝置，例如作為車輛行駛速度的函數(shù)。
當接收到一個警告不可接受的局部熱-機械應(yīng)力的存在和位置的信息“i”，例如因為局部熱-機械應(yīng)力超過一個預(yù)先確定的閾值，計算機18向一個或多個點火器3a-3c送出一個點火電流，使這些應(yīng)力涉及的比較冷的區(qū)域加熱。加熱降低了溫度梯度，因此也降低了熱-機械應(yīng)力的強度。
熱點陶瓷點火器3a-3c還可以進入到粘結(jié)區(qū)域的厚度中。
上述實施例的唯一目的是說明本發(fā)明，因此在任何情況下都不是限定性的。特別是，點火器在過濾體中和/或過濾器附近的位置可以是其它方各種方式的，均利用本發(fā)明使用的陶瓷點火器的小體積的特點。另外，由于簡化的原因，只示出了小桿形狀的點火器，但是為了使本發(fā)明所述的過濾器再生，也可以使用具有適于使用的其它形狀和尺寸的點火器。
權(quán)利要求
1.一種凈化內(nèi)燃機、特別是柴油發(fā)動機的廢氣的顆粒過濾器，該過濾器包括一個過濾體和所述過濾器的加熱裝置，其特征在于，所述加熱裝置包括至少一個熱點型陶瓷點火器(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的過濾器，其特征在于，它包括多個點火器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的過濾器，其特征在于，至少一個點火器的熱點與過濾體或沉積在過濾體上的炭黑直接接觸。
4.如權(quán)利要求2或3所述的過濾器，其特征在于，點火器位于過濾體的上游面附近。
5.如權(quán)利要求2或3所述的過濾器，其特征在于，點火器位于過濾體的下游面附近。
6.如權(quán)利要求2或3所述的過濾器，其特征在于，點火器的熱點位于過濾體內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的過濾器，其特征在于，點火器與過濾體的通道垂直。
8.如權(quán)利要求5所述的過濾器，其特征在于，點火器位于過濾體的通道內(nèi)。
9.如上述權(quán)利要求之一所述的過濾器，其特征在于，所述過濾體(1)包括多個通過至少一個粘結(jié)區(qū)(6)組裝在一起的過濾塊(7)，至少一個所述點火器(3)位于所述粘結(jié)區(qū)的厚度中。
10.減輕顆粒過濾器中的熱-機械應(yīng)力的方法，其特征在于，選擇性地加熱所述過濾器的比較冷的區(qū)域，以降低造成所述應(yīng)力的溫度梯度。
11.實施權(quán)利要求10所述方法的裝置，其特征在于，該裝置包括一些能夠加熱至少一個所述區(qū)域的點火器(3a，3b，3c)、一個控制所述點火器(3a，3b，3c)的計算機和能夠通知所述計算機(18)的應(yīng)力評估裝置(22)，所述計算機(18)經(jīng)過編程，以便在所述應(yīng)力超過一個確定的閾值時，控制所述點火器(3a，3b，3c)的選擇性點火。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于凈化內(nèi)燃機、特別是柴油發(fā)動機的廢氣的顆粒過濾器，這種過濾器包括一個過濾體和一些用于點燃聚積在過濾體上和過濾體中的炭黑的加熱裝置，其特征在于，所述加熱裝置包括至少一個熱點型陶瓷點火器(3)。本發(fā)明用于汽車工業(yè)。
文檔編號F01N3/027GK1471611SQ01818228
公開日2004年1月28日 申請日期2001年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月31日
發(fā)明者塞巴斯泰因·巴登, 塞巴斯泰因 巴登, 威爾肯斯, 克萊格·威爾肯斯 申請人:圣戈班歐洲設(shè)計研究中心