用蜂窩式過(guò)濾器過(guò)濾汽油直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)廢料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及汽油直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)廢料的過(guò)濾。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知使用不同類(lèi)型的陶瓷過(guò)濾器從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢料中去除顆粒物質(zhì)。通常稱(chēng)為 "蜂窩"的過(guò)濾器具有從入口端到出口端延伸過(guò)濾器的長(zhǎng)度的軸向小區(qū)。小區(qū)通過(guò)多孔壁界 定和分隔。小區(qū)以一定圖案插塞，迫使進(jìn)入過(guò)濾器的廢料在其離開(kāi)過(guò)濾器之前傳送通過(guò)小 區(qū)壁。顆粒物質(zhì)被小區(qū)壁捕獲。
[0003] 在傳統(tǒng)地主要是進(jìn)氣口燃料噴射（PFI)型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用這些顆粒過(guò)濾器 很不常見(jiàn)。當(dāng)適當(dāng)?shù)夭僮鲿r(shí)，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生極少顆粒物質(zhì)，并且因此幾乎不需要顆粒過(guò)濾 器。但是，較新類(lèi)型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，所謂的汽油直接噴射（GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)在較常規(guī)的進(jìn)氣口燃 料噴射（PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)付費(fèi)的情況下獲得市場(chǎng)份額。在例如空載期間、當(dāng)在恒定速度下或在 低加速度下操作時(shí)和/或當(dāng)下坡行進(jìn)時(shí)遇到的輕負(fù)載條件下，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)具有優(yōu)于PFI發(fā) 動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。在這些條件下，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以在比PFI發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)潔的條件下操作。這潛在 地提供燃料經(jīng)濟(jì)性的改進(jìn)和在短暫加速和減速期間的較好性能。
[0004] ⑶I發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題是其傾向于產(chǎn)生比PFI發(fā)動(dòng)機(jī)多的顆粒排放物。許多管轄區(qū)的 汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)要求大部分這些排放物從發(fā)動(dòng)機(jī)廢料中去除。如同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這可以通過(guò) 傳送廢料通過(guò)陶瓷過(guò)濾器來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，經(jīng)設(shè)計(jì)用于處理柴油廢料的陶瓷過(guò)濾器在GDI系 統(tǒng)中運(yùn)行不良。對(duì)此的原因是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比極不同的條件下操作。特定 問(wèn)題是在過(guò)濾器中所見(jiàn)的壓降。在極高壓縮比率和因此較高壓力下操作的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可以 承受這些壓降而無(wú)明顯性能損失。但是，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在較低壓縮比率和較低壓力下操作。在 顆粒過(guò)濾器中的壓降可以對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有明顯影響，其降低功率輸出且增加燃料消 耗。
[0005] 另一個(gè)重要差異是與在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中相比，較少粒子在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中形成，并且 那些粒子傾向于顯著較?。ú⑶乙虼烁y以過(guò)濾）。在柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器的情況下，所見(jiàn)的 最有效的過(guò)濾不是用干凈過(guò)濾器，而是用已經(jīng)操作一段時(shí)間并且已經(jīng)積聚"煙灰塊"的過(guò)濾 器。GDI過(guò)濾器不傾向于積聚許多煙灰塊，并且因此需要在沒(méi)有受益于煙灰塊的情況下有效 去除GDI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的極小顆粒。有人想要在任何情況下避免在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)濾器中形成 厚煙灰塊以避免增加背壓。
[0006] 因此，需要在低壓降下高效操作以從GDI發(fā)動(dòng)機(jī)廢料中有效去除顆粒物質(zhì)的顆粒 過(guò)濾器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是一種從汽油直接噴射（GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中去除顆粒物質(zhì)的方法，其包 含將含顆粒的廢氣引入到含有通過(guò)交叉多孔壁界定的多個(gè)軸向延伸小區(qū)的陶瓷蜂窩的入 口端中，傳送所述廢氣通過(guò)至少一個(gè)所述多孔壁以在所述多孔壁中截獲所述顆粒物質(zhì)，并 且然后從所述陶瓷蜂窩的出口端排放所述廢氣，其中：
[0008] 所述陶瓷蜂窩的所述多孔壁的壁厚是150 ym到750 ym，所述蜂窩的有效滲透率 是至少0. 8 X l(T12m2并且所述陶瓷蜂窩每平方米橫截面積含有45, 000到230, 000個(gè)小區(qū)。 [0009] 在某些實(shí)施例中，陶瓷蜂窩的特征在于具有如以下闡述所測(cè)定的小于2 X KfnT1的 粘性阻力（Rv)。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 出人意料地，高滲透率過(guò)濾器在從GDI發(fā)動(dòng)機(jī)廢料中去除顆粒物質(zhì)時(shí)保持高效， 同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)的有效操作所需的低壓降下操作。
[0011] 出于本發(fā)明的目的，汽油直接噴射（GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中使用火花點(diǎn) 燃系統(tǒng)點(diǎn)燃燃料（汽油或含汽油的混合物），并且其中燃料在與空氣混合之前以液滴形 式直接噴射到氣缸中并且在氣缸內(nèi)變?yōu)榕c空氣混合。⑶I發(fā)動(dòng)機(jī)不同于進(jìn)氣口燃料噴射 (PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)，部分因?yàn)樵赑FI發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料與空氣在引入到氣缸中之前混合。相信直接引 入燃料液滴相對(duì)于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)促成GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中所見(jiàn)的顆粒排放物增加。
[0012] ⑶I發(fā)動(dòng)機(jī)不同于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，部分因?yàn)棰荌發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料-空氣混合物在正常 操作期間是火花點(diǎn)燃的。
[0013] ⑶I發(fā)動(dòng)機(jī)可以是單氣缸或多氣缸。多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)可以具有2個(gè)或2個(gè)以上氣缸， 典型地4個(gè)到16個(gè)氣缸并且為了汽車(chē)用途，最典型地將含有4個(gè)到12個(gè)或4個(gè)、6個(gè)或8 個(gè)氣缸。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以是二沖程或四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0014] 在操作期間，燃料在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸中燃燒以形成熱氣（主要是二氧化碳和 水），其膨脹為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。在每個(gè)燃燒循環(huán)結(jié)束時(shí)，廢氣從發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸去除以形成 排放到大氣的廢氣流。在多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，來(lái)自多個(gè)氣缸的廢氣可以在釋放之前組合（如 在排氣歧管中）。在汽車(chē)應(yīng)用中，廢氣典型地通過(guò)管道系統(tǒng)引導(dǎo)到車(chē)輛的后部上方或后部處 的釋放點(diǎn)。
[0015] 在本發(fā)明中，來(lái)自GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣通過(guò)在將氣體排放到大氣中之前傳送其通過(guò) 多孔壁過(guò)濾器來(lái)過(guò)濾。多孔壁過(guò)濾器是含有多個(gè)軸向延伸小區(qū)的陶瓷蜂窩。軸向延伸小區(qū) 從陶瓷蜂窩的入口端延伸到出口端。陶瓷蜂窩的入口端是引入廢氣以便過(guò)濾的端口，而出 口端是在過(guò)濾之后排放廢氣的端口。軸向延伸小區(qū)由交叉多孔壁界定，其充當(dāng)活性過(guò)濾介 質(zhì)。大部分或所有小區(qū)典型地在一端或另一端而非兩端處并且典型地以交替圖案插塞。插 塞形成入口小區(qū)，其在入口端打開(kāi)并且在出口端關(guān)閉。插塞還形成出口小區(qū)，其在出口端打 開(kāi)并且在入口端關(guān)閉。在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣進(jìn)入陶瓷蜂窩的入口小區(qū)，穿過(guò)至少 一個(gè)交叉多孔小區(qū)壁到出口小區(qū)中，并且從蜂窩的出口端處的出口小區(qū)排放。顆粒去除發(fā) 生在具有夾帶顆粒的氣體穿過(guò)多孔小區(qū)壁時(shí)并且顆粒被多孔小區(qū)壁捕獲并且從氣體去除。
[0016] 陶瓷蜂窩安置在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的廢料系統(tǒng)內(nèi)，因此來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣在排放到大氣 中之前穿過(guò)陶瓷蜂窩。廢料系統(tǒng)包括一個(gè)或一系列導(dǎo)管，其將廢氣引導(dǎo)到陶瓷蜂窩并且在 過(guò)濾后，引導(dǎo)廢氣離開(kāi)陶瓷蜂窩到排放到大氣中的位置。廢料系統(tǒng)可以包括例如聲音消除 措施（例如一或多個(gè)消聲器）、一或多個(gè)其它凈化裝置、一或多個(gè)催化轉(zhuǎn)化器等的組件。陶 瓷蜂窩典型地安置在罐或其它容器中。這個(gè)罐或其它容器的目的是將陶瓷蜂窩維持在理想 位置和定向上，并且防止廢氣逸出蜂窩邊緣或圍繞蜂窩邊緣傳送。罐或其它容器通常包括 廢氣通過(guò)其引導(dǎo)到陶瓷蜂窩的入口端的入口和通過(guò)其從陶瓷蜂窩的出口端排放的廢氣被 引導(dǎo)離開(kāi)的出口。
[0017] 陶瓷蜂窩的軸向延伸小區(qū)可以具有任何適宜的橫截面形狀，例如圓形、橢圓、多邊 形（例如三角形、正方形、矩形、五邊形、六邊形、八邊形等）等等，或可以替代地具有復(fù)雜形 狀，例如"啞鈴"或類(lèi)似形狀。一些小區(qū)可以具有與其它不同的橫截面形狀并且可以具有與 其它不同的尺寸（即，不同橫截面積）。小區(qū)的橫截面優(yōu)選地是矩形、正方形或三角形并且 最優(yōu)選地橫截面是正方形。
[0018] 陶瓷蜂窩可以是整體（即，以單塊形成）或可以是分段的，即是較小蜂窩結(jié)構(gòu)的組 裝，所述較小蜂窩結(jié)構(gòu)單獨(dú)制造并且然后組裝在一起，通常使用陶瓷水泥將個(gè)別塊體粘著 在一起。
[0019] 陶瓷蜂窩可以具有外邊緣"表皮"。這一表皮可以由蜂窩的邊緣小區(qū)的外部小區(qū)壁 形成?；蛘撸砥た梢允窃谥圃焯沾煞涓C之后應(yīng)用的應(yīng)用表皮。
[0020] 陶瓷蜂窩的外部尺寸是與特定應(yīng)用結(jié)合來(lái)選擇。陶瓷蜂窩的橫截面積可以是例如 5cm2到2000cm 2,尤其75cm2到500cm2。陶瓷蜂窩的長(zhǎng)度可以是例如5cm到50cm，尤其6cm 到 15cm〇
[0021] 陶瓷蜂窩的多孔交叉壁由陶瓷材料制成。陶瓷材料可以由任何可以耐受在操作期 間遇到的溫度條件而不永久變形或熱降解的材料制成。陶瓷可以是例如針狀多鋁紅柱石、 非針狀多鋁紅柱石、堇青石、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮氧化硅、碳氮化硅、 0鋰輝石、鈦酸鋁、硅酸鍶鋁、硅酸鋰鋁、二氧化硅、其它鋁-硅酸鹽等等，或其中的任何兩 種或兩種以上的復(fù)合物，例如多鋁紅柱石-堇青石復(fù)合物、多鋁紅柱石-鈦酸鋁（tialite) 復(fù)合物、針狀多鋁紅柱石-堇青石復(fù)合物、針狀多鋁紅柱石-鈦酸鋁復(fù)合物等等。其它實(shí)例 可以包括纖維與粘合劑的復(fù)合物，例如多鋁紅柱石纖維、氧化鋁纖維、鋁硅酸鹽纖維、鋁氧 化錯(cuò)（aluminozirconia)纖維，以及適當(dāng)粘合劑材料，例如氧化錯(cuò)等等。
[0022] 在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，陶瓷過(guò)濾器的多孔交叉壁（界定軸向延伸小區(qū)）是針 狀多鋁紅柱石，或針狀多鋁紅柱石與一或多種其它陶瓷的復(fù)合物。通過(guò)"針狀"，意指多鋁紅 柱石呈至少在其一些交叉點(diǎn)處接合在一起的細(xì)長(zhǎng)針狀物形式。交叉壁中的孔部分或完全由 交叉針狀物之間的空隙界定。針狀多鋁紅柱石針狀物的縱橫比（長(zhǎng)度除以中值直徑）可以 是至少2,優(yōu)選是至少5并且最優(yōu)選是10或10以上。針狀多鋁紅柱石針狀物的中值直徑可 以是0. 5微米到50微米。
[0023] 適合的針狀多鋁紅柱石蜂窩結(jié)構(gòu)的實(shí)例包括美國(guó)專(zhuān)利第5, 194, 154號(hào)、第 5, 173, 349 號(hào)、第 5, 198, 007 號(hào)、第