用於過濾內燃機排放氣體中含有的顆粒的過濾塊的製作方法
2023-07-27 04:41:41
專利名稱：用於過濾內燃機排放氣體中含有的顆粒的過濾塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一過濾塊，其用於過濾內燃機尤其是柴油機型內燃機的排放氣體中含有的顆粒；並且涉及一過濾體，所述過濾體包括根據本發明的至少一過濾塊。
背景技術：
蜂窩狀多孔結構用作過濾體，以便過濾柴油車排放出的顆粒。所述過濾體通常是陶瓷的(堇青石、碳化矽……)。它們可以是整體式，也可以由不同過濾塊構成。在後一情況下，過濾塊彼此間利用一陶瓷粘合劑通過粘結相互接合在一起。再對組件進行加工以便具有所希望的斷面，所述斷面一般為圓形或橢圓形。過濾體包括多個孔道。過濾體安插在一金屬罩殼裡。各孔道在其端部之一上被封閉。因此存在入口孔道和出口孔道。排放氣體因此被迫穿過入口孔道的側壁以到達出口孔道；因此顆粒或炭黑沉積在過濾體裡。
使用一段時間後，炭黑積聚在過濾體的孔道裡，這會增大過濾器的載荷損失，並使發動機的性能下降。為此，過濾器應該定期再生，當載荷損失達到一約150dPa(對於汽缸工作容積約2升的一發動機一其帶有一約4升的過濾體在高速公路上運行)的數值時，一般在運行約7到10小時後進行再生。
再生在於將炭黑氧化。為此，必須加熱炭黑，因為在一般運行條件下，排放氣體的溫度約300℃，而炭黑的自燃溫度卻達約600℃。儘管進行所述再生，但燃燒殘渣仍積留在過濾體內。因此，再生後由過濾體造成的載荷損失總是大於再生前過濾器造成的載荷損失。所述淤塞現象在每次再生時都會繼續，並且必須在機動車修理場徹底清洗過濾器，例如每80000公裡徹底清洗一次。所述清洗構成過濾器應用的一缺陷。
FR 2 473 113提出一過濾器，所述過濾器可以通過擠壓法製得，而且所述過濾器有入口孔道，所述入口孔道的橫斷面大於出口孔道的橫斷面。設計者提出一過濾面積為7.89cm2/cm3過濾塊(即0.789m2/l)，且入口孔道的橫斷面恆定並小於12.9mm2而且一壁厚小於或等於0.7mm。
然而FR 2 473 113中所描述的過濾體導致一很大的載荷損失，這即表示過濾體應該經常進行再生。因此很難考慮對其所述過濾體進行工業應用。
因而存在對一過濾體的需求，所述過濾體在其使用壽命的任何時刻都呈現一小的載荷損失，並且不必經常清洗。本發明的目的即是要滿足所述需求。
發明內容
本發明尤其涉及一過濾塊，其用於過濾一內燃機的排放氣體中含有的顆粒，所述過濾塊包括相鄰入口孔道和出口孔道的迭瓦式(imbriqué)組件，所述入口孔道和出口孔道通過它們的側壁使流體流通，所述側壁在橫斷面上具有一條確定的波紋線，以便通過縮減出口通道的總容積而增大入口孔道的總容積，且入口孔道的總容積大於出口孔道的總容積，其特徵在於●所述出口孔道的水力直徑(diamètre hydraulique)介於0.9至1.4mm之間，優選大於0.95mm，●所述入口孔道的總容積與所述出口孔道的總容積之比介於1.15至4之間，優選大於1.35和/或小於3，●過濾面積介於0.825m2/l至1.4m2/l過濾塊之間，優選大於0.92m2/l。
●所述波紋線的不對稱率小於20％。
正如在以下描述中將能更詳細地看到的，所述特怔可以顯著地降低過濾塊導致的載荷損失，並且因此可以減少對過濾塊所屬的過濾體進行再生的頻率。
按照本發明的其它優選特徵，[11]一所述出口孔道具有一橫斷面，所述橫斷面的面積在所述過濾塊的整個長度上是恆定的； —所述入口孔道和所述出口孔道是筆直且平行的；[13]—所述入口孔道和所述出口孔道彼此間相對布置，以便由任意一入口孔道過濾的所有氣體都通進與所述入口孔道相鄰的出口孔道裡；[14]—所述波紋線在橫斷面上呈現一正弦的形式；所述波紋線的不對稱率小於15％，優選小於12％，和/或大於5％，優選大於6％；[15]—所述波紋線是周期性的，而且所述波紋線的半個周期延伸在所述孔道之一的寬度上；[16]—所述入口孔道和出口孔道按照所述過濾塊的任意一橫行或一縱列交替布置，因此在過濾塊的前或後表面形成一格式結構。
本發明還涉及一用於顆粒過濾器的過濾體，其特徵在於它具有至少一個根據本發明的過濾塊。
下面的描述參照附圖以及實施例，將能更好地了解和評價本發明的優點。在圖中[19]—圖1a是現有技術的過濾塊的前表面(即排放氣體到達的表面)的局部視圖，而圖1b是所述過濾塊按圖1a的剖面線AA的剖面圖，而圖1c是為製造所述過濾塊而設計的一擠壓模的橫剖面視圖，[20]—圖2a至圖2c是與圖1a至1c分別相似的視圖，並且示出一根據本發明的過濾體的第一實施方式，[21]—圖3是根據本發明第二實施方式的一根據本發明的過濾塊的前表面的局部視圖，[22]—圖4是一線圖，其示出對於經過測試的新的即「清潔」的不同過濾體，其隨使用時間而變化的載荷損失。
—圖5是一線圖，其示出對於不同的被測試過濾體，其隨使用時間而變化的載荷損失，在所述過濾體中，燃燒殘渣佔據一容積，所述容積對應參照過濾器的入口孔道容積的50％，這相當於車輛行駛約80 000公裡的距離。所述過濾體稱為已「淤堵」。所述殘渣一般停留在入口孔道的底部裡。
具體實施例方式圖1到圖3全都對應過濾塊的局部視圖。事實上，它可以涉及一整體式過濾體的局部視圖、或者一由過濾塊組裝而形成的過濾體的局部視圖。
在所述圖中，分隔不同孔道的壁的厚度不是按比例畫的，且不構成對本發明的限制。
圖1a表示一目前使用的過濾塊的前表面，所述前表面用於阻擋由柴油機驅動的機動車的排放氣體中含有的顆粒。所述過濾塊包括全都相同的孔道，所述孔道的橫斷面呈正方形，且所述橫斷面的尺寸在過濾體的整個長度上保持恆定。在所述前表面上，一半孔道被淤堵。孔道1和孔道2是暢通的，且因此構成被稱為的入口孔道。孔道3和孔道4是淤堵的，且因此構成被稱為的出口孔道。圖1b是按圖1a的剖面線AA的一縱向剖面圖。排放氣體流F通過入口孔道進入過濾塊中，然後穿過孔道的側壁以便到達出口孔道。圖1c是擠壓模的一橫剖面圖，所述擠壓模應用於製造如圖1a所示的目前使用的過濾決。在所述圖上，實線表示通過加工挖空的部分，陶瓷漿可以從所述部分裡通過。
圖2a示出一根據本發明的過濾塊的第一實施方式的前表面。孔道10和11暢通且構成入口孔道。孔道12和13淤堵且構成出口孔道。孔道根據孔道網布設—所述孔道的橫斷面為變形的三角形狀，以便通過縮減出口孔道的總容積而增大入口孔道的總容積。因此如圖2a所示，介於一入口孔道和一出口孔道之間的一不平直的中間壁在入口孔道一側可以是凹形的，而在出口孔道一側是凸形的。
圖2b是按圖2a的線AA的一剖面圖。排放氣體流F通過入口孔道進入過濾體裡，然後穿過孔道壁從而到達出口孔道。由於所述的入口孔道總容積增加，入口孔道壁上的可用面積或「過濾面積」相對於一如圖1所示的現有技術的過濾體而言，(通過縮減出口孔道的可用面積)而增加。
有利地是，入口孔道的全部面積用於排放氣體的過濾。事實上，不存在一個或多個入口孔道的一個或幾個區域—其通進另一入口孔道裡，由於排放氣體能夠在兩個方向上穿過所述區域，因而所述區域無法對過濾起作用。
優選入口孔道和出口孔道相互平行且筆直的。因此有利地是，可以用擠壓法製造根據本發明的過濾塊。
圖2c是為製造圖3a的過濾塊而使用的擠壓模的一橫剖面圖；在所述圖上，實線表示通過加工挖空的部分，陶瓷漿可以從所述部分裡通過。所述擠壓模能夠製造其橫斷面在過濾塊的整個長度上恆定的孔道，這便於對其進行擠壓。
孔道沿過濾體的長度是筆直的。因此在縱剖面視圖上(見圖2b)，孔道具有一在其整個長度L上平直而恆定的斷面。因而方便過濾塊的製造。
入口孔道有一橫斷面，所述橫斷面大於出口孔道的橫斷面，以便增加用於存放炭黑的可用容積。入口孔道與出口孔道彼此間相對地布置，以便由任何一入口孔道過濾的所有氣體進入與所述入口孔道相鄰的出口孔道裡，對於一已確定的過濾塊容積，這使可用過濾面積最優化。
圖3示出根據本發明的一過濾塊的另一實施方式的前表面。孔道10和11是暢通的且構成入口孔道。孔道12和13淤堵且構成出口孔道。所述孔道按照一孔道網布設—所述孔道的橫斷面為變形的正方形狀，以便通過縮減出口孔道的總容積而增大入口孔道的總容積。入口孔道和出口孔道按照任意一橫行(x)或縱列(y)交替布置，從而形成格式結構。因此，一入口孔道11的側壁14由四個側壁部14a-14d形成，所述四個側壁部將所述孔道的內部容積與四個相鄰出口孔道的四個內部容積分隔開。
優選地，孔道的一中間壁15—其不是平直的且將兩橫行R1和R2和/或兩縱列分隔開(且因此所述中間壁由標號161至168的所有側壁部形成)，在入口孔道一側呈凹形的，並在出口孔道一側呈凸形的。
沿著一孔道橫行(沿x軸)或縱列(沿y軸)，中間壁15在橫斷面上優選呈現一波紋或「波浪」的形式(英語為「wavy」)，所述中間壁15在一孔道的寬度上基本波動半個波長。
波的「波長」，指分隔所述波的兩點—所述兩點處於相同的高度上且具有相同的斜率變化方向—之間的距離。在一周期波的情況下，所述波的「長度」稱為「周期」。
所述波紋線優選是周期性的，但波幅可以恆定也可以是可變化的。所述波幅優選恆定。還優選地，波紋線呈現一正弦的形式，其半周期等於孔道網的孔距「p」，如圖3所示。
最後，一過濾塊的所有中間壁15—其垂直或水平地延伸，在橫斷面上優選呈現一相同形狀的波紋狀。
「不對稱率」指所述波的波幅「h」與其半波長之比(或者在一周期波的情況下，指波幅「h」與半周期之比)。圖表1裡概括的下述例子，以示意性的且非限制性的給出。圖4和圖5分別示出對於清潔的和淤堵的過濾器，載荷損失隨時間而增加的曲線圖，其對應圖表1的某些例子。
被測試過濾體由16個過濾塊組裝而構成，所述過濾塊通過一厚度1毫米的接圈相連接。所述過濾體呈柱形，其直徑為144毫米且長度為9英寸(即228.6毫米)。孔道是圖4所示的孔道類型，所述孔道壁呈一大致正弦形的型面，且入口孔道和出口孔道具有一橫斷面，所述橫斷面在過濾體的整個長度L上面積保持恆定。
為計算需要，排放氣體引入被測試過濾體的入口孔道裡，所述排放氣體在一250℃的溫度下且其具有一320立方米/小時的流量。所述排放氣體裡的顆粒濃度達2.2×10-5千克/立方米。
為測試淤堵過濾體，入口孔道裡燃燒殘渣的濃度是1.8×10-9立方米/立方米排放氣體。
參照例「Ref」對應一過濾器，所述過濾器由16個過濾塊組裝而構成，所述過濾塊通過一厚度1毫米的接圈相連接。所述過濾體呈柱形，其直徑為144毫米且長度為9英寸(即228.6毫米)。孔道是圖1中所示的孔道類型，入口孔道和出口孔道具有一正方形橫斷面，所述橫斷面的面積在過濾體的整個長度L上是恆定的。孔道網的孔距是1.8毫米且壁的厚度為350微米。
過濾面積、孔道容積和載荷損失的計算已由土魯斯流體力學學院(法國)(Institut de Mécaniques des Fluides de Toulouse)實施。
一橫斷面或一孔道的「水力直徑」，指孔道斷面面積的四倍與孔道周長之比。
孔道密度是按每平方英寸的孔道數(cpsi，英文即「cells per squareinch」)測定。
Ve表示入口孔道的總容積，Vs表示出口孔道的總容積。以下述方式定義比r∶r＝Ve/Vs。
「過濾面積」指可以讓需過濾的氣流穿過的入口孔道壁的面積。過濾面積按m2/l過濾塊來估算。
過濾體的性能通過測量為達到一確定的載荷損失「dP」而所需的時間「t」(單位分鐘)以及通過初始載荷損失(即t＝0時的dP值》進行衡量。測得的為達到一值為x毫巴的載荷損失「dP」所需的時間「t」(單位分鐘)記為t/x。
可以認為一過濾體符合以下標準是有利的●初始載荷損失小於50毫巴；●對於一清潔的過濾器，t/100≥300；●對於一清潔的過濾器，t/150≥500；●對於一淤堵的過濾器，t/150≥200；[52]表1以及圖5和圖6可以得出以下說明[53]對於新過濾體，過濾面積越大，載荷損失的增加隨時間越慢。換言之，載荷損失由於過濾面積大而越小。但如比較例15和參照例而顯示的，過濾面積並非唯一的標準。從所述比較中看出根據本發明，有利地是，當過濾器淤堵時，一大的比r可以補償一小的過濾面積。
本申請人採用以下方式解釋所述現象，而無需涉及任何理論。
一大的比r表示在入口孔道裡有一更大的容積，以便儲存燃燒殘渣。對於一給定的過濾面積以及一給定的燃燒殘渣容積(即一再生次數)，由於燃燒殘渣的覆蓋而導致無效的過濾面積的比例因而更小。因此造成的載荷損失更小。在兩次再生之間，由過濾體引起的載荷損失增加因而更緩慢。
另外，入口孔道裡的最大容積可以儲存一更大量的燃燒殘渣。在過濾器拆卸/重裝前的再生次數因此可能增加。
在壁厚恆定的情況下，不對稱率的增加意味著入口孔道的儲存容量增加和過濾塊的過濾面積增加。
但不對稱率不應過度增加，否則會造成出口孔道的斷面減小，因而導致有害的載荷損失增加。
因此應當確定一折衷方案。優選地，不對稱率低於20％，優選低於15％，優選低於12％，且大於5％，優選大於6％。
根據本發明，兩次拆卸/清洗過濾體作業之間的時間間隔因而增加，這不僅因為每次再生後過濾器表面由燃燒殘渣引起的淤塞更少—這使得兩次再生之間炭黑汙塞更緩慢，而且因為可以進行更多次的再生，燃燒殘渣的儲存容積更大。
因此，機動車駕駛員可以行駛更多公裡的裡程，而無需對過濾器進行維護。
根據本發明，認為使其最優化要有●一比r，所述比大於或等於1.15，優選大於1.35，並且小於4，優選小於3，●一過濾面積，所述過濾面積至少等於0.825m2/l過濾塊，優選大於或等於0.92m2/l過濾塊。
對於入口孔道和出口孔道—它們具有一個在過濾塊的整個長度上保持恆定面積的橫斷面，比r增加造成入口孔道的水力直徑增大，和/或出口孔道的水力直徑減小。在表1中可看出(尤其參見例3、6和10)當出口孔道的水力直徑很小時，清潔過濾體引起的載荷損失太高。這可能造成嚴重瑕疵，因為檢驗發動機功率性能是否合格要考慮排放線路。
根據本發明，出口孔道的水力直徑應該大於和等於0.9毫米，且優選介於0.95至1.4毫米之間。
當然，本發明並不局限於以上描述和圖示出的實施方式，所述實施方式以舉例且非限制性的方式給出。
因此，本發明還涉及一整體式過濾體。過濾塊可具有任何形狀和任何孔道排列。
最後，孔道的橫斷面不受所述實施方式的限制。
表1
ND不可用
權利要求
1.過濾塊，其用於過濾一內燃機的排放氣體中含有的顆粒，所述過濾塊包括相鄰的入口孔道(10，11)和出口孔道(12，13)的迭瓦式組件，並且所述入口孔道和所述出口孔道通過它們的側壁使流體流通，所述過濾塊具有一組側壁部(161-168)，所述側壁部形成一中間壁(15)，所述中間壁介於所述入口孔道(10，11)和出口孔道(12，13)之間並且在橫斷面上呈一確定的波紋線，以便通過縮減所述出口通道(12，13)的總容積而增大所述入口孔道(10，11)的總容積，且所述入口孔道(10，11)的總容積(Ve)大於所述出口孔道(12，13)的總容積(Vs)，其特徵在於●所述出口孔道(12，13)的水力直徑介於0.9至1.4mm之間，●所述入口孔道(10，11)的總容積(Ve)與所述出口孔道(12，13)的總容積(Vs)之比r介於1.15至4之間，●所述過濾面積介於0.825m2/l至1.4m2/l過濾塊之間，●所述波紋線的不對稱率小於20％。
2.按照權利要求1所述的過濾塊，其特徵在於，所述出口孔道(12，13)的水力直徑大於0.95mm。
3.按照權利要求1或2所述的過濾塊，其特徵在於，所述比r大於135。
4.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述比r小於3。
5.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述過濾面積大於0.92m2/l過濾塊。
6.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述出口孔道(12，13)具有一橫斷面，所述橫斷面的面積在所述過濾塊的整個長度(L)上是恆定的。
7.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述入口孔道(10，11)和所述出口孔道(12，13)是筆直且平行的。
8.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述入口孔道(10，11)和所述出口孔道(12，13)彼此間相對布置，以便由任意一入口孔道(10，11)過濾的所有氣體都通進與所述入口孔道(10，11)相鄰的出口孔道(12，13)裡。
9.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述波紋線的不對稱率小於15％。
10.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述波紋線的不對稱率小於12％。
11.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述波紋線的不對稱率大於5％。
12.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述波紋線呈周期性的，而且所述波紋線的半周期延伸在所述孔道(10，11，12，13)之一的寬度上。
13.按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊，其特徵在於，所述波紋線在橫斷面上呈現一正弦的形式。
14.過濾體，其用於一顆粒過濾器，其特徵在於，它具有至少一個按照上述權利要求中任一項所述的過濾塊。
全文摘要
過濾塊，其用於過濾一內燃機的排放氣體中含有的顆粒，所述過濾塊包括相鄰的入口孔道(10，11)和出口孔道(12，13)的迭瓦式組件，並且所述入口孔道(10，11)和所述出口孔道(12，13)通過它們的側壁使流體流通，所述側壁在橫斷面上呈一確定的波紋線，以便通過縮減所述出口通道(12，13)的總容積而增大所述入口孔道(10，11)的總容積，且所述入口孔道(10，11)的總容積(Ve)大於所述出口孔道(12，13)的總容積(Vs)。
文檔編號F01N3/022GK1822891SQ200480019907
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月15日 優先權日2003年7月18日
發明者塞巴斯蒂安·巴爾東 申請人:聖戈班歐洲設計研究中心