專利名稱：從廢氣中去除顆粒的方法以及相應(yīng)的纖維層和顆粒過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于移動式內(nèi)燃機(jī)排氣設(shè)備中的纖維層。此外推薦 一種同樣用途的顆粒過濾器，其次本發(fā)明涉及一種用透氣的過濾層從內(nèi)燃 機(jī)廢氣中去除顆粒的方法。
背景技術(shù)：
為了減少燃燒過程所產(chǎn)生的廢氣中的顆粒的排放，已知使用由陶瓷基 質(zhì)制成的顆粒陷阱。這些陷阱具有通道，使得待凈化廢氣可以流入顆粒陷
阱。相鄰?fù)ǖ赖哪┒私惶娴胤忾]，^f吏得廢氣從入口端iiX通道，強(qiáng)制地穿 過陶瓷壁，并沿相鄰?fù)ǖ涝诔隹诙酥匦屡懦?。這種過濾器在出現(xiàn)的顆粒大 小的整個范圍內(nèi)達(dá)到約95%的效率。
除了顆?；蛱亢谂c添加的特殊涂層不希望的相互化學(xué)作用之外，這種 過濾器在汽車排氣系統(tǒng)內(nèi)可靠地再生始終仍然是一個問題。顆粒陷阱需要 再生，因為由于小顆粒越來越多的堆積在所要流過的通道壁上使過濾器上 的壓力損失或它前面的阻滯壓力不斷加大，這對發(fā)動機(jī)效率有不利影響。 再生通常包括顆粒陷阱或積聚在它里面的顆粒的短時間加熱，以使炭黑顆 粒轉(zhuǎn)化成氣態(tài)組成部分。這例如可以通過這樣的方法實現(xiàn)，即借助于上游 的放熱反應(yīng)(例如額外噴入排氣管內(nèi)的燃料的氧化后燃燒)使廢氣在短 時間內(nèi)達(dá)到足以使附著在顆粒陷阱內(nèi)的顆粒轉(zhuǎn)化的溫度。然而顆粒陷阱這 種高的熱負(fù)荷對使用壽命有不利影響。此外，有時也許需要監(jiān)測顆粒陷阱 的堵塞程度，以便只有在需要時才起動這種加熱再生。
為了避免這種斷續(xù)的和造成熱磨損的再生，已經(jīng)開發(fā)了一種用于過濾 器或顆粒陷阱連續(xù)再生的系統(tǒng)(CRT:"連續(xù)再生陷阱")。在這種系統(tǒng)
中，在200X:以上的溫度時顆粒借助于NO2的氧化而燃燒。為此所需要的 N02常常通過設(shè)置在顆粒陷阱上游的氧化催化器產(chǎn)生。但是，在用于使用
柴油燃料的汽車時會產(chǎn)生這樣的問題，即，在廢氣中能夠轉(zhuǎn)化成所希望的
二氧化氮(N02)的一氧化氮(NO)的份量不夠。因此也許需要添加產(chǎn)生 NO或N02的物質(zhì)或添加劑(例如氨)，以便最終使得排氣系統(tǒng)中的顆粒 陷阱可以連續(xù)再生。
這些基本考慮得出一種新的過濾器方案，它主要以"開式過濾器系統(tǒng)" 或"PM. Kat"的概念眾所周知。這些開式過濾器系統(tǒng)的特征是過濾器通 道在結(jié)構(gòu)方面不再在末端交替封閉。這里設(shè)想，通道壁至少部分由多孔材 料制成，并且開式過濾器的流動通道具有轉(zhuǎn)向和/或?qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)。通道內(nèi)的裝 入件或微結(jié)構(gòu)使得氣流或包含在它里面的顆粒向多孔材料區(qū)域轉(zhuǎn)向，這時 令人難以置信地得到，顆粒通過攔截和/或沖擊附著在多孔通道壁上和/或 內(nèi)。要出現(xiàn)這種效果，出現(xiàn)在流過的廢氣的流動圖內(nèi)的壓力差起重要作用。 通過轉(zhuǎn)向或微結(jié)構(gòu)可以附加地產(chǎn)生局部低壓或高壓狀態(tài)，它們穿過多孔通 道壁達(dá)到過濾效果，因為必須平衡上述壓差。
在此，這種和已知的封閉濾網(wǎng)或過濾器系統(tǒng)不同的顆粒陷阱是"開式" 的，因為這里沒有流動死胡同，或者說(至少幾乎)每條通道都具有雖然 是變化的但是最終也是可以自由流通的橫截面。這種特性也可以用來表示 這種顆粒過濾器的特征，例如參數(shù)"流動自由度"適合于用來描述這種特 征。例如文獻(xiàn)DE20117873、 WO02/00326、 WO01/92692、 WO01/80978 中說明了這種"開式"過濾器元件，所述文獻(xiàn)的內(nèi)容全部作為本說明書的 內(nèi)容，下面也可以結(jié)合本發(fā)明較詳細(xì)地說明這種過濾器元件的特征。
制備用于多孔通道段的合適的材料必須與很多因素協(xié)調(diào)，特別是原料、 耐腐蝕性、耐高溫性、可加工性、過濾效率。例如還建議采用金屬纖維層， 它們設(shè)計成帶有保護(hù)套，以滿足一些在汽車制造方面所要求的因素。它們 例如在DE10153283或WO03/038248中介紹過。
已知的"開式過濾器系統(tǒng)"或這里所用的過濾層在過去一段時間內(nèi)已 經(jīng)證實是非常良好的。其中特別突出的是壓力損失小，并且這種過濾器系 統(tǒng)可能安裝得離內(nèi)燃機(jī)比較近一在那里顆粒陷阱通常經(jīng)受較高的溫度。盡 管如此，這里應(yīng)該指出，將已知顆粒過濾器的凈化作用設(shè)計得更有效的可 能性。此外應(yīng)該提供一種纖維層或過濾層，它也可以在成批生產(chǎn)的規(guī)3莫內(nèi) 經(jīng)濟(jì)地制造并適合于用在金屬顆粒陷阱中，因此它們能持久地經(jīng)受在汽車 排氣系統(tǒng)內(nèi)的高的熱負(fù)荷和動態(tài)負(fù)荷。發(fā)明內(nèi)容這些目的通過按照對應(yīng)的裝置獨(dú)立權(quán)利要求的纖維層和顆粒過濾器以 及按照方法獨(dú)立權(quán)利要求的用于去除顆粒的方法實現(xiàn)。所述本裝置和方法 的其它有利方案在各從屬權(quán)利要求中說明。在這種條件下應(yīng)該指出，在各 項權(quán)利要求中給出的單個特征可以用技術(shù)上有意義的任何方法相互組合， 并呈現(xiàn)為本發(fā)明另一些優(yōu)良的方案。本發(fā)明的纖維層適合于用在移動式內(nèi)燃機(jī)的排氣設(shè)備中，并包括由纖 維組成的復(fù)合體。它具有從纖維層的一面延伸到相對的一面的層厚。其中纖維層的特征可借助于以下參數(shù)中的至少一個表示多孔度、纖維直徑、 纖維種類的含量?，F(xiàn)在該纖維層的特征在于，所述參數(shù)中的至少一個具有 在層厚方向變化的值，其中這些值的極值位于離纖維層表面一定距離處。 這里"纖維"是指細(xì)長的元件，其中其纖維長度是纖維直徑的很多倍。 這些纖維相互連接成一板狀層，復(fù)合體可以是規(guī)則的也可以是雜亂無序的。 規(guī)則復(fù)合體的例子包括編織品、織物、網(wǎng)，雜亂復(fù)合體的例子是雜亂層。 纖維可以直接進(jìn)行材料融合，但也可以通過添加劑相互焊接連接。纖維或 纖維層由耐高溫且耐腐蝕的材料組成，因此它們能夠持久經(jīng)受排氣設(shè)備內(nèi) 的環(huán)境條件。描述纖維的主要量是纖維長度、纖維直徑和纖維種類成分。 在這種纖維中纖維長度優(yōu)選在0,05-0.4mm[毫米l的范圍內(nèi)。纖維直徑通常 在小于0.09mm的范圍內(nèi)，尤其是在0.015-0.05mm的范圍內(nèi)。纖維相對于 彼此的布局可以通過多孔度說明。這里多孔度是指在纖維層橫截面上介質(zhì) 可以自由流通的區(qū)域的比例。通常多孔度在50%至90%的范圍內(nèi)。由纖維 組成的復(fù)合體通常形成空腔、孔或氣孔，其最大尺寸在0.001-0.1mm的范
圍內(nèi)，并可根據(jù)待去除的顆粒進(jìn)行選擇。另一個參數(shù)是所謂的纖維種類成 分，該術(shù)語表示在采用不同種類或不同構(gòu)型的纖維形成纖維層時各纖維所 占的比例。如果纖維層例如一方面具有一定數(shù)量的有較小纖維直徑的纖維(F小)，另一方面具有一定數(shù)量的有較大纖維直徑的纖維(F大)，則纖 維種類成分由F ,j,或F大相對于(F小+F大)之比得到。 一種纖維種類的纖維 種類成分優(yōu)選在層厚上以至少10%，特別是20%的范圍變化。在這里所推薦的纖維層中，至少一個特征參數(shù)沿層厚方向變化，其中 極值出現(xiàn)在纖維層內(nèi)部。這里"纖維層"實際上僅僅指纖維復(fù)合體，而不 包括用來制造過濾層的其它材料形式的附加構(gòu)件(例如薄板)。這并不是 指這些構(gòu)件不存在，而僅是在考慮變化的參數(shù)時不考慮它們。其中沒有觸 及到纖維層與相鄰設(shè)置的用來調(diào)整所希望的纖維層參數(shù)的不同種類纖維或 纖維層的構(gòu)型。這特別是指纖維層的邊緣分層和中間分層結(jié)構(gòu)不一樣。"極值"是指所考察參數(shù)的最大值或最小值。這里優(yōu)選使數(shù)值相對于 層厚的中間或中心基本對稱。這有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即纖維層在其過濾效果方 面設(shè)計得在兩面效果一樣，因此從制造工藝的觀點(diǎn)看容易進(jìn)行制造、運(yùn)輸 和后續(xù)加工。特別優(yōu)選地，各極值基本上設(shè)置在纖維層的一共同橫截面內(nèi)， 即到纖維層表面都具有大致相同的距離。這里所推薦的纖維層構(gòu)型在纖維層的不同深度為流過的氣流或夾帶在 氣流里的顆粒提供不同的流動阻力。從而，氣流;限據(jù)外部的流動力或壓力 差前進(jìn)到纖維層的不同層或深度內(nèi)。這個事實可以用來更有效地凈化氣流， 其中同時避免壓力損失的不希望的升高。按照纖維層的一種優(yōu)良的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，該纖維層包括金屬纖維。這里優(yōu) 選采用具有以下合金元件中的至少一種的鐵材料鋁、鉻、鎳。這種材料 本身優(yōu)選是可燒結(jié)的，這意味著纖維本身由可燒結(jié)材料制成或者用燒結(jié)方 法制造，并且纖維相互的焊接連接也采用燒結(jié)方法。此外建議，纖維層沿層厚方向具有多個分區(qū)，在所述分區(qū)中至少一個 參數(shù)是恒定的。換言之，這意味著纖維層分層制造，其中一個這種層內(nèi)所 考慮的參數(shù)基本上是恒定的。這種分層結(jié)構(gòu)的纖維層原則上也可以具有其
它纖維材料，其中這些層最終相互結(jié)合。但是優(yōu)選采用只有一種材料的纖 維層方案，其中纖維本身和其相互布局設(shè)計成使得形成層。這有這樣的優(yōu) 點(diǎn)，即確保各個層穩(wěn)定和持久的結(jié)合，這在具有不同材料的分層或在通過 附加的連接材料相互連接的分層時并不是強(qiáng)制性的。在纖維層的這種層狀結(jié)構(gòu)下，特別有利的是設(shè)置奇數(shù)個分區(qū)，其中設(shè) 置在中心的分區(qū)具有參數(shù)的極值。這種纖維層優(yōu)選具有三個(有時五個) 分區(qū)，其中邊緣分層內(nèi)的參數(shù)選擇成基本一樣，并且與設(shè)置在中心的分區(qū) 內(nèi)的參數(shù)值不同。這里在各個分區(qū)的邊界區(qū)域內(nèi)參數(shù)的值可以跳躍性地或 連續(xù)地變化。原則上，這種纖維層或過濾層的層厚小于3.0mm，尤其是在0.1mm至 2.0mm的范圍內(nèi)。具有0.3111111至0.5111111的層厚的纖維層對于移動式的應(yīng) 用場合顯示出良好的結(jié)果，其中分區(qū)形成為具有約0.1mm的厚度。層厚可 以分配在不同分區(qū)內(nèi)，但是不必分成相同的份量。對于纖維層設(shè)計得具有變化的多孔度的情況，特別建議極值是最小值。 換言之，在位于內(nèi)部的特別是纖維層中心區(qū)域的纖維層的多孔度最小，即 那里對于流過的氣流存在最大的流動阻力。這意味著為了能夠完全流過纖 維層，必須存在可觀的壓力差，而在邊緣區(qū)域內(nèi)在較小的壓力差時氣體便 已經(jīng)可以流過。此外應(yīng)該指出，經(jīng)驗已經(jīng)表明，這些多孔度減小的分區(qū)將 首先被固體或顆粒填充，這意味著它們可能被部分堵塞，直至顆粒轉(zhuǎn)化成 氣態(tài)成分和纖維區(qū)被再生為止。然而纖維層通常在這些部位仍然具有過濾 作用，因為廢氣或氣流還可流過纖維層的邊緣分層，從而繼續(xù)被凈化。對于纖維直徑設(shè)計成在纖維層的層厚上變化的情況，優(yōu)選建議極值是一極小值。換言之，這意味著在纖維層內(nèi)部的分區(qū)內(nèi)存在的纖維具有比在 邊緣分層內(nèi)的纖維小的直徑。試驗表明，纖維在其凈化作用和/或其顆粒的 沉積潛力方面的效率隨纖維直徑減小而加大。這意味著存在這樣的纖維層， 即在中心區(qū)內(nèi)具有特別高的效率，而在邊緣區(qū)域內(nèi)具有較低的效率。例如， 在中心區(qū)內(nèi)可以采用纖維直徑小于50nm[微米或甚至小于25nm的纖維， 而在邊緣區(qū)內(nèi)可以存在例如纖維直徑為50nm至100fim的纖維。此外，例如還可將纖維種類成分"^殳計成在纖維層的層厚上可變，其中具有較小纖維直徑的纖維(F小)和具有較大纖維直徑的纖維(F大)相互 混合并連接。特別優(yōu)選F,』、具有20-25nm[微米的纖維直徑，而F大設(shè)計成 具有35-45fim的纖維直徑。這里纖維種類成分參數(shù)的極值優(yōu)選位于從F小 =約0.3-0.4至F大=約0.7-0.6的范圍內(nèi)。這種纖維種類成分在顆粒分離方面 已經(jīng)顯示出優(yōu)良的結(jié)果，如果它在層厚上基本保持不變的話。但是如果纖 維種類成分在至少一個邊緣區(qū)域附近在從F ,、=0.0-0.2至F大=1.0-0.8的范圍 內(nèi)的話，還可以實現(xiàn)更多的優(yōu)點(diǎn)。按照纖維層的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，至少部分纖維在其纖維長度上具有變化 的纖維直徑。換言之，這意p木著纖維層不必用不同造型的纖維制成，而是 至少一部分纖維本身配備變化的纖維直徑。這特別是在成批生產(chǎn)的情況下 顯著簡化這種具有變化的參數(shù)的纖維層的制造。在這種情況下，纖維直徑的大小在纖維的中心段內(nèi)具有極值特別是最 小值則特別有利。換言之，這意味著提供這樣的纖維，其具有兩個粗的末 端和一個細(xì)的中間段。這樣，這些纖維可相互這樣設(shè)置成一復(fù)合體，例如 使得纖維的具有相同纖維直徑的段彼此相鄰設(shè)置(特別是設(shè)置在基本平行 于表面的橫截面內(nèi))，從而形成纖維層的不同分層。本發(fā)明的另一方面推薦一種顆粒過濾器，它適合于用在移動式內(nèi)燃機(jī) 的排氣設(shè)備中，并包括至少一個纖維層以及至少一塊至少局部形成構(gòu)造的 薄板。所述至少一個纖維層以及至少一個至少局部形成構(gòu)造的薄板共同構(gòu) 成蜂窩體的通道，其中至少一部分通道具有至少一個蜂窩結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的顆粒過濾器中，至少一個纖維層具有至少一個沿層厚方向變化的選自多 孔度和纖維直徑的參數(shù)組中的至少一個參數(shù)。這里特別極其優(yōu)選采用一種 具有一如上所述的按本發(fā)明的纖維層結(jié)構(gòu)的顆粒過濾器。這種顆粒過濾器優(yōu)選是如開頭所述的所謂的開式過濾器，其中上述公 開文獻(xiàn)DE20117873、 WO02/00326、 WO01/92692、 WO01/80978的乂>開內(nèi) 容可以用來補(bǔ)充說明下面的說明。本發(fā)明的顆粒過濾器的再生可以采用目 前已知的方法特別是連續(xù)和不連續(xù)的所有方法進(jìn)行，但優(yōu)選采用"CRT"
方法進(jìn)行連續(xù)再生。原則上已知具有蜂窩體的顆粒過濾器結(jié)構(gòu)。這里形成許多基本上相互 平行設(shè)置的通道，所述通道使蜂窩體的輸入端與蜂窩體的輸出端連接。待 凈化廢氣通過輸入端流入，并作為部分廢氣流流過通道。微結(jié)構(gòu)形成蜂窩 體內(nèi)的壓力差，使得部分廢氣流至少部分穿過纖維層，并在這時被凈化。這種蜂窩體優(yōu)選設(shè)計成具有至少100cpsi且優(yōu)選1S0cpsM00cpsi的單元密 度(cpsi:單元平方英寸上的單元數(shù),1 cpsi 相當(dāng)于每6.4516平方厘米上有 1個通道)。這些通道通常分別由一在局部區(qū)域內(nèi)形成構(gòu)造的板以及纖維 層的部分區(qū)域圍成。薄板同樣由耐高溫且耐腐蝕的材料特別是金屬組成。 薄板優(yōu)選具有小于100nm[微米l的板厚，并優(yōu)選具有重復(fù)的(微)結(jié)構(gòu)， 例如波紋(褶皺)。薄板和纖維層都可至少局部地設(shè)有一種或不同種類的 涂層，有時還配備催化活性材料。為了保證薄板和纖維層持久地結(jié)合，它 們特別通過釬焊或焊接相互接合。按照顆粒過濾器的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，建議在通道內(nèi)設(shè)置至少一種微結(jié)構(gòu)， 以使流過該通道的氣流向至少一個纖維層偏轉(zhuǎn)。為此，可將微結(jié)構(gòu)設(shè)計成 導(dǎo)流面、突起、凸臺等，以提供壓力差或逆流棱邊，并由此促使在通道內(nèi) 通常為層流的氣流向纖維層偏轉(zhuǎn)。所夾帶的顆粒也和氣流一起向纖維層偏 轉(zhuǎn)，最終它們在穿過或接觸纖維層時沉積在那里。顆粒在通道、纖維層或 顆粒過濾器內(nèi)部的逗留時間 一直保持到至少大部分顆粒轉(zhuǎn)化成氣態(tài)成分為 止。為此，可以進(jìn)行熱轉(zhuǎn)化以及利用氮氧化物進(jìn)行轉(zhuǎn)化或再生。特別地，將顆粒過濾器設(shè)計成使孩吏結(jié)構(gòu)和纖維層形成一縫隙，該縫隙 具有小于1.5mm的縫隙寬度?？p隙寬度優(yōu)選為約l.Omm或在0.5mm至 0.8mm的范圍內(nèi)。原則上應(yīng)該指出，在通道內(nèi)部可以設(shè)置許多微結(jié)構(gòu)，其 中在通道內(nèi)或在相鄰?fù)ǖ纼?nèi)的縫隙不必^L計成一樣的，但i殳有縫隙以確保 存在"開式過濾器系統(tǒng)"。因此，使至少一部分流過通道的氣流作為"旁 路"從微結(jié)構(gòu)旁流過，而不是完全穿過纖維層。微結(jié)構(gòu)的尺寸和/或形狀對 朝向纖維層或流過纖維層的流動反向具有顯著影響。在這里所推薦的其中參數(shù)沿層厚方向變化的纖維層結(jié)構(gòu)中， 一部分廢
氣或氣流穿過纖維層，并以這種方法到i^目鄰?fù)ǖ纼?nèi)，而另一部分廢氣或 氣流繞過孩i:結(jié)構(gòu)以沿通道繼續(xù)流動。纖維層的具有一對氣流的流動阻力比 設(shè)置在中心的分層小的邊緣分層的結(jié)構(gòu)使得該"旁路"分氣流至少部分穿 過邊緣分層，從而同樣使夾帶的部分顆粒沉積在纖維上。這提高了顆粒過 濾器在從氣流特別是內(nèi)燃機(jī)廢氣中去除顆粒特別是炭黑方面的效率。此外推薦一種內(nèi)燃機(jī)的排氣設(shè)備，該排氣設(shè)備包括按本發(fā)明的顆粒過 濾器。術(shù)語內(nèi)燃機(jī)特別是指產(chǎn)生具有固體顆粒的廢氣的發(fā)動機(jī)。在這方面 特別應(yīng)該指出燃燒柴油燃料的移動式發(fā)動機(jī)。其次，本發(fā)明還推薦一種包括上述類型的顆粒過濾器的車輛。車輛是 除其它應(yīng)用領(lǐng)域(割草機(jī)、鏈鋸等)外的優(yōu)選應(yīng)用領(lǐng)域，因為按照法律頭見 定，來自車輛的廢氣特別需要有效地凈化。這尤其適用于客車和貨車。按照本發(fā)明的另 一方面，推薦一種利用透氣的過濾層從氣流中去除顆 粒的方法，其中過濾層沿層厚方向具有不同參數(shù)值的分區(qū)。該參數(shù)至少涉 及纖維層的多孔度或纖維的纖維直徑。在方法方面，氣流分成分別穿過過 濾層的不同分區(qū)的分氣流。換言之，這意味著分氣流雖然共同流過過濾層 的一個或多個分區(qū)，但是最終進(jìn)行分配，其中一個分氣流流過過濾層的另 一個和/或其它的分區(qū)。因此應(yīng)該特別說明，各分氣流的分離不是在過濾層 的表面方向進(jìn)行，而是在其層厚方向上進(jìn)行，這特別是說， 一個分氣流完 全流過透氣的過濾層，而氣流的其它部分僅僅進(jìn)入透氣的過濾層內(nèi)，但在 同一側(cè)或表面重新流出，而不完全穿透過濾層。其中分氣流在例如其流動 方向、流動速度、溫度、顆粒含量等方面各不相同。如前所述，如果一個分氣流僅穿過過濾層的至少一個邊緣分層，而另 一個分氣流穿過過濾層的所有分區(qū)，則特別有利。這里還應(yīng)該指出，纖維 層既指本發(fā)明類型的纖維層，但也可以是由其它材料或物質(zhì)構(gòu)成的纖維層， 所述纖維層沿層厚方向同樣具有數(shù)值變化的所述參數(shù)，其中這些數(shù)值的極 值離過濾層表面 一定距離。按照本方法的另 一種方案，僅流過邊緣分層的分氣流沿一過濾路徑(過 濾距離)穿過邊緣分層，該過濾路徑至少相當(dāng)于過濾層層厚。這意^^木著，
不完全流過過濾層的分氣流("旁路")在流動路徑的至少相同的路程上 與過濾材料接觸。上面已經(jīng)說過，過濾層的分層或分區(qū)在其效率方面可以 是不同的，其中通過保證這里所述的過濾路程來確保對于這些僅在邊緣分 層內(nèi)穿過過濾材料的廢氣的至少一部分具有過濾效果。過濾路程優(yōu)選加大 相當(dāng)于與相鄰分層在其效率或其它參數(shù)方面相差的倍數(shù)。此過濾路程可以 通過按要求提供壓力差或強(qiáng)制的流動圖而形成，例如通過在由這種透氣的過濾層圍成的流動通道內(nèi)的^:結(jié)構(gòu)的特殊造型實現(xiàn)。最后還建議，通過過濾層本身來實現(xiàn)對相應(yīng)分氣流的量的確定。換言 之，這意味著纖維層結(jié)構(gòu)本身具有將總氣流分解成分氣流的元件。這些元 件可以通過纖維層參數(shù)的不同方案來實現(xiàn)，即，可以是固有的。因此，例 如沿層厚方向具有不同流動阻力或多孔度的過濾層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一種實現(xiàn)這種 量的確定或者說分配的可能性。這里所述的方法可以用本發(fā)明所推薦的纖維層或本發(fā)明的顆粒過濾器 所推薦的結(jié)構(gòu)特別好地實現(xiàn)。


下面借助于附圖詳細(xì)說明本發(fā)明和本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域，這些附圖還表 示本發(fā)明顆粒過濾器和本發(fā)明纖維層的特別優(yōu)選的實施形式，但是本發(fā)明 不局限于此。在附圖中圖1示意性地示出適于本發(fā)明方法的過濾層；圖2示出本發(fā)明纖維層的一種實施形式；圖3示意性的示出本發(fā)明纖維層的另一種方案；圖4以局部示意圖示出顆粒過濾器一種實施形式的通道；圖5以示意透視圖示出帶排氣設(shè)備的車輛；圖6示意性地示出顆粒過濾器的結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
圖1以示意性透視圖示出一過濾層23，它通常制備得具有規(guī)定的層長29和層寬30。過濾層23 (或者說纖維層1)由最終限定過濾層23層厚5 的兩個面6圍成。在該層厚5的方向上，透氣的過濾層23具有多個分區(qū) 10 (10.1， 10.2, 10.3),它們在用于描述過濾層23的參數(shù)方面各不相同。 如果將過濾層23做成纖維層1，則過濾層23的特征性參數(shù)包括例如多孔 度7或纖維4的直徑8。如由局部^f見圖所看到的那樣，出現(xiàn)在過濾層23上的氣流22部分?jǐn)D入 過濾層23內(nèi)部區(qū)域。在整個氣流22已經(jīng)流過第一分區(qū)10.1以后，該氣流 到達(dá)第二分區(qū)10.2。該設(shè)置在中心區(qū)域的第二分區(qū)10.2具有對于氣流22 的一部分不可流通的多孔度和/或纖維直徑。因此，該分氣流24.1在交界處 從第二分區(qū)10.2偏轉(zhuǎn)，流回第一分區(qū)10.1并離開過濾層23。 ^旦另一例如 具有例如較高流速、較少顆粒含量等的分氣流24.2還流過第二分區(qū)10.2。 接著，該分氣流24.2到W目鄰分區(qū)10.3內(nèi)，流過該分區(qū)并在相對的一面6 上重新流出。雖然第一分氣流24.1和第二分氣流24.2都與過濾層23的至 少第一分區(qū)10.1接觸，但是第一分氣流24.1只流過一個分區(qū)10.1，而分氣 流24.2則流過所有分區(qū)10.1、 10.2、 10.3。這里分氣流24的定量確定通過 過濾層23本身進(jìn)行，因為該過濾層在其分區(qū)10內(nèi)提供不同的流動阻力， 從而導(dǎo)致氣流22的這種分配。圖2示意性地示出纖維層1的局部。在圍成纖維層1的表面6附近設(shè) 置具有第一纖維直徑8的纖維4。在中心區(qū)域內(nèi)還設(shè)有同樣的但具有另一 纖維直徑8的纖維4。所述形狀不同的纖維4通過接合技術(shù)相互持久連接 并形成一雜亂的復(fù)合體，這時同時實現(xiàn)一多孔度7。在纖維層l的這個局 部視圖旁邊，該圖的左側(cè)和右側(cè)示意性地示出在層厚5上的多孔度7和纖 維直徑8的參數(shù)數(shù)值曲線。圖2左側(cè)示出多孔度7的曲線。其中多孔度7最小的極值9位于中心 區(qū)，即離表面6—定距離處。多孔度7的曲線基本上相對于纖維層1的中 間分層對稱，并具有連續(xù)的過渡。在圖2的左側(cè)1/3內(nèi)以類似的方法示出纖維直徑8在層厚5上的曲線。 由于在中心區(qū)內(nèi)設(shè)置具有小的纖維直徑8的纖維4，而在邊緣分層內(nèi)設(shè)置
具有較粗纖維直徑8的纖維4，從而形成如右側(cè)的圖所示的纖維直徑8的 跳躍式分布。這里同樣在中心區(qū)域內(nèi)形成極值9。圖3同樣示意性地示出一具有特殊表示的細(xì)節(jié)的纖維層1。該細(xì)節(jié)示 出在兩個面6上具有涂層31的纖維層1,該涂層當(dāng)然也可延伸到內(nèi)部區(qū)域 或者甚至到纖維4的所有外露表面上。這里纖維層1做成纖維4的規(guī)則復(fù) 合體，其中纖維4在其纖維長度11上具有變化的纖維直徑8。為此，纖維 4具有一中心段12，在該段內(nèi)纖維直徑8達(dá)到極值9，如同樣在右側(cè)由示 意性示出的曲線可以看到的那樣。在這里所示的例子中，在每個面6附近 纖維直徑8做得不同，因此這里在纖維長度9或?qū)雍?上存在不對稱分布 的纖維直徑8。這些相同的、規(guī)則定向或?qū)R的纖維4則促使形成邊緣分 層25，該邊緣分層提供具有在層厚5的方向上變化的參數(shù)的纖維層1構(gòu)型。 在這里所示的纖維4的構(gòu)型中，也可在纖維層1的分區(qū)內(nèi)^1置其它纖維4 (例如由不同材料構(gòu)成或具有恒定的纖維直徑)，這些其它纖維集成在纖 維復(fù)合體內(nèi)。圖4以局部橫剖面示出本發(fā)明顆粒過濾器13的結(jié)構(gòu)，它適于用在移動 式內(nèi)燃機(jī)的排氣設(shè)備中。顆粒過濾器13包括纖維層1和至少一個至少局部 形成構(gòu)造的薄板14，該纖維層1具有至少一個沿層厚5方向變化的選自多 孔度和纖維直徑的參數(shù)，纖維層1和薄板14 一起構(gòu)成大量通道15。在所 示實施形式中，薄板14具有微結(jié)構(gòu)17。在圖4的由"A"表示的上面部分 內(nèi)以縱剖視圖詳細(xì)示出一這種通道15。在該圖下面用"B"表示的部分示 意性示出通道15的橫截面，其橫剖平面也在圖"A"中以觀察方向示出。下面詳細(xì)說明工作原理。夾帶著顆粒21的氣流22—特別是廢氣流一 流過通道15,出現(xiàn)在伸入通道15內(nèi)的孩史結(jié)構(gòu)17上。由此4吏氣流22向纖 維層1偏轉(zhuǎn)，該纖維層1具有邊緣分層25和位于內(nèi)部的中心分層。整個氣 流22都流過第一個邊緣分層25,中間分層則由于其參數(shù)(例如多孔度和/ 或纖維直徑)對分氣流24產(chǎn)生流動阻力，使得所述分氣流不能穿過該分層。 相反，該偏轉(zhuǎn)的分氣流24在最終流回到通道15之前，沿過濾路徑26穿過 邊緣區(qū)25流動。氣流22的另一部分穿過該中間分層和與之相連的邊緣分
層25，并在相對的面上重新流出。在氣流22流過纖維層1時，夾帶的顆 粒沉積在纖維層1的纖維4上，最終使氣流22凈化。微結(jié)構(gòu)17設(shè)置用于流動轉(zhuǎn)向以及實現(xiàn)相鄰?fù)ǖ?5內(nèi)的壓力差。這些 微結(jié)構(gòu)17包括加工在薄板14上的材料或構(gòu)造內(nèi)的突起。這里可以純粹采 用成形加工工序，但也可以通過沖壓或其它切削工藝形成這種微結(jié)構(gòu)17， 其中通常在薄板14內(nèi)加工孔32。由此也提供了相鄰?fù)ǖ?5的流動連通， 從而使待凈化廢氣總是重新混合。在此形成為導(dǎo)流面的微結(jié)構(gòu)17與纖維層 1 一起形成具有預(yù)定縫隙寬度19的縫隙18?，F(xiàn)在微結(jié)構(gòu)17的構(gòu)型和纖維 層1的構(gòu)型以及氣流22的流動特征實現(xiàn)不同分氣流24的定量分配。圖5以透視圖示意性示出一包括帶有所述排氣設(shè)備2的內(nèi)燃機(jī)3的車 輛20。在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)3內(nèi)產(chǎn)生的廢氣沿優(yōu)先流動方向33流過排氣設(shè)備，并 在凈化后向外界排放。排氣設(shè)備2包括排氣管28，該排氣管內(nèi)順序設(shè)有許 多不同的廢氣處理裝置。在本例中，廢氣相繼流過下列元件氧化催化器 27、顆粒過濾器13、催化器27。但在原則上顆粒過濾器13可以內(nèi)置在已 知廢氣處理裝置的任何組合中。這里所示的氧化催化器27和顆粒過濾器 13的串聯(lián)使得可以特別地按開頭所述的"CRT"原理進(jìn)行顆粒過濾器的連 續(xù)再生。圖6示意性的示出顆粒過濾器13的端視圖，該過濾器包括一殼體34 和一位于該殼體內(nèi)的蜂窩體16。蜂窩體16用由纖維層1和薄板14組成的 多個堆疊35構(gòu)成，所述堆疊相互巻曲。交替堆放的纖維層l和形成構(gòu)造的 薄板14形成對于廢氣可流通的通道15。在通道內(nèi)部設(shè)置微結(jié)構(gòu)17 (未示 出)，該微結(jié)構(gòu)促使氣流22流過纖維層1。顆粒,
附圖標(biāo)記列表 l纖維層3內(nèi)燃機(jī)5層厚7多孔度9極值11纖維長度13顆豐立過濾器15通道17微結(jié)構(gòu)19縫隙寬度21顆粒23過濾層25邊緣分層27催化器29層長31涂層33流動方向35堆疊2排氣設(shè)備 4纖維 6面8纖維直徑 10分區(qū) 12段 14薄板 16蜂窩體18縫隙 20車輛 22氣流 24分氣流 26過濾路徑 28排氣管 30層寬 32孔 34殼體
權(quán)利要求
1.適合于用在移動式內(nèi)燃機(jī)(3)的排氣設(shè)備(2)中的纖維層(1)，該纖維層包括由纖維(4)組成并具有層厚(5)的復(fù)合體，該層厚從纖維層(1)的一個面(6)向相對的另一面(6)延伸，該纖維層(1)的特征可通過下列參數(shù)中的至少一個來描述多孔度(7)、纖維直徑(8)、纖維種類成分，其特征為所述參數(shù)中的至少一個具有沿層厚(5)方向變化的數(shù)值，其中這些數(shù)值的極值(9)存在于離纖維層(1)的表面(6)一定距離處。
2. 按權(quán)利要求1的纖維層(1)，其特征為纖維層(1)包括金屬纖 維(4 )。
3. 按權(quán)利要求1或2的纖維層(1)，其特征為纖維層(1)沿層厚 (5)方向具有多個分區(qū)(10),在所述分區(qū)中分別有至少一個參數(shù)是不變的。
4. 按權(quán)利要求3的纖維層(1)，其特征為存在奇數(shù)個分區(qū)(10), 其中設(shè)置在中心的分區(qū)(10)具有參數(shù)的極值。
5. 按上述權(quán)利要求之任一項的纖維層(1)，其特征為|*是多孔度 (7)，極值(9)表現(xiàn)為極小值。
6. 按上述權(quán)利要求之任一項的纖維層(1)，其特征為參數(shù)是纖維直 徑(8),極值(9)表現(xiàn)為極小值。
7. 按上迷權(quán)利要求之任一項的纖維層(1)，其特征為至少一部分纖 維(4)在其纖維長度(11)上具有變化的纖維直徑(8)。
8. 按權(quán)利要求7的纖維層(1)，其特征為纖維直徑(8)的數(shù)值在 中心段(12)內(nèi)呈現(xiàn)極值。
9. 適合于用在移動式內(nèi)燃機(jī)(3 )的排氣設(shè)備(2 )內(nèi)的顆粒過濾器(13 ), 該顆粒過濾器包括至少一個纖維層(1)以及至少一個至少部分形成構(gòu)造的 薄板(14)，所述纖維層和薄板共同形成蜂窩體(16)的通道(15)，其 中至少一部分通道(15)具有至少一個微結(jié)構(gòu)(17)，其特征為所述至 少一個纖維層(1)具有至少一個沿層厚(5)方向變化的#,該#選 自多孔度(7)和纖維直徑(8)。
10. 按權(quán)利要求9的顆粒過濾器(13)，其特征為在通道(15)內(nèi) 設(shè)有至少一個微結(jié)構(gòu)(17),以使流過該通道的氣流(22)向所述至少一 個纖維層(1)偏轉(zhuǎn)。
11. 按權(quán)利要求9或10的顆粒過濾器(13 )，其特征為微結(jié)構(gòu)(17 ) 和纖維層(1)形成一縫隙，該縫隙具有小于1.5毫米的縫隙寬度(19)。
12. —種內(nèi)燃機(jī)(3 )的排氣設(shè)備(2 )，包括按權(quán)利要求9至11之 任一項的顆粒過濾器(13)。
13. —種車輛(20)，包括按權(quán)利要求9至11之任一項的顆粒過濾 器(13)。
14. 利用透氣的過濾層(23)從氣流(22)中去除顆粒(21)的方法， 該過濾層在層厚(5)方向上具有帶不同數(shù)值的參數(shù)的分區(qū)(10)，該參數(shù) 至少涉及過濾層(23)的纖維(4)的纖維直徑(8)或多孔度(7)，其中 氣流(22)分成分氣流(24)，所述分氣流分別流過過濾層(23)的不同 分區(qū)(10)。
15. 按權(quán)利要求14的方法，其特征為 一個分氣流(24)僅流過過 濾層(23)的至少一個邊緣分層(25)，而另一分氣流(24)流過所有分 區(qū)(10)。
16. 按權(quán)利要求15的方法，其特征為所述僅與邊緣分層(25)接 觸的分氣流(24 )流過一至少對應(yīng)于過濾層(23)的層厚(5 )的過濾路徑。
17. 按權(quán)利要求14或15的方法，其特征為通過過濾層(23 )本身 來實現(xiàn)對相應(yīng)分氣流(24)的量的確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用透氣的過濾層(23)從氣流(22)中去除顆粒(21)的方法，該過濾層在層厚(5)方向具有帶不同大小參數(shù)的分區(qū)(10)。所述參數(shù)至少涉及過濾層(23)的多孔度(7)、纖維(4)的纖維直徑(8)或纖維種類成分。該方法的特征在于使氣流(22)分成分氣流(24)，它們分別流過纖維層(23)的不同分區(qū)(10)。本發(fā)明還涉及基于所述方法的纖維層、顆粒過濾器、排氣設(shè)備和車輛。
文檔編號F01N3/022GK101155976SQ200680007227
公開日2008年4月2日 申請日期2006年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者P·希爾特, R·布呂科, T·黑里希 申請人:排放技術(shù)有限公司;豐田自動車株式會社