用於控制及製造微粒過濾裝置的方法

2023-05-26 19:55:51 3

專利名稱：用於控制及製造微粒過濾裝置的方法
用於控制及製造微粒過濾裝置的方法技術領域[OOOl]本發明涉及在柴油發動機的排氣管路中使用的、用於除去燃料燃燒所製造的煙塵的微粒過濾器的領域。本發明尤其是涉及用於控制 和診斷這樣一個過濾器的熱機械特性的方法，且還涉及用於製造微粒過濾器的方法。
背景技術：
已知柴油發動機是製造大量煙塵的。這是在燃燒火焰的極其 中心處無氧的情況下由烴類熱裂解、以及在燃燒室內不足以燃燒因而產 生的全部煙塵微粒的溫度而產生的。此煙塵當被排放到車輛外面時，作 為在其上凝結未燃燒碳氬化合物的晶粒，因而組成了可以被吸入的、且 其微小粒度允許它們直接進入肺泡的固態微粒。
為限制煙塵排放出車輛外面、並滿足日益嚴格的環境標準， 已經知道在排氣管路中提供可選擇與催化裝置相組合的過濾裝置，催化 裝置具有將汙染性氣體排放物轉化為惰性氣體的目標。在該汙染性氣體 排放物中出現的尤其是未燃燒的碳氫化合物、且還有氮的氧化物(NOx) 或者一氧化碳(CO)。
—般被稱為"微粒過濾器"的煙塵過濾裝置，通常是由多孔陶 瓷過濾支撐件組成的。此支撐件通常具有蜂巢結構，所述結構的一面允 許待過濾廢氣的進入，且其它面允許過濾後的廢氣排出。介於這些面中 間，過濾結構具有^L多孔壁彼此隔開的縱向和平行通道的組件，所述通 道在它們的一端處被封閉，以便推壓廢氣通過所述多孔壁。為了該組件 的良好密封，結構的外圍部分由稱為塗層接合劑的接合劑所包圍。該過 濾器也被保護性覆蓋層所包圍，該保護性覆蓋層經常被稱為"罐裝 (canning)"、且是由玻璃纖維墊及金屬外殼製成的。為了產生較好的 抗熱衝擊性(thermal shock resistance),該過濾器有時是由具有蜂巢結 構的平4亍立體面單塊(parallelepipedal monolithic )元件的組件組成，所 述元件是用接合劑裝配的。
通常使用的陶瓷是堇青石(Mg2Al4Si2Q18 )或矽的碳化物(SlC),後者因其導熱性及耐腐蝕特性而被優選。
在發動機運行期間，；微粒過濾器裝滿了沉積在多孔壁上的煙 塵微粒。與在燃燒室內同樣地，存在著允許煙塵燃燒的最低溫度的問題。 因為煙塵被保持在過濾器中，燃燒動力學可以比在燃燒室內更低，這使 得有可能將煙塵的燃燒溫度降低到60(TC左右。然而此收益不足以確保 在發動機的整個工作範圍上的過濾器內的煙塵燃燒。因此有必要在過濾 循環之後提供一個再生循環，在該再生循環期間煙塵燃燒。
該微粒過濾器因此才艮椐下列方法而運行 -當廢氣溫度允許時的煙塵的準"同時"過濾和燃燒； -當廢氣溫度過低時在過濾器中保持和積聚煙塵微粒； -在煙塵積聚引起的壓降變得不可接受之前的過濾器再生；
在菸灰保持階段期間，過濾器的逐漸堵塞明確地導致壓降增 加，這表現為發動機的燃料消耗的增加。
通過使用後注入法提高廢氣的溫度來執行再生步驟，後注入 法要-點是在發動機循環中的稍後時間裡，注入將在排氣管路中燃燒的 燃料。[OOIO]在再生期間，且因為煙塵的放熱燃燒，隨著煙塵顆粒優選地 沉積在過濾器的中心部分內、且還有在其下遊部分內，過濾器承受了高 而且不均一的溫度。該過濾器因此承受了能在材料內產生導致其過濾能 力部分或完全損失的微裂紋的高的熱衝擊。
為了承受其魯棒性，則能夠根據熱機械強度來預測並控制特 定過濾器的性能是重要的。
在本發明的內涵中，將術語"魯棒性"理解成意為過濾器在不 直接介入的情況下，在慣常的行車條件下維持可接受的工作水準的能 力，尤其是在這種類型的行車條件下，即60%的時間在幹線公路上，15% 的時間在城鎮裡，25%的時間在高速公路上。
被稱為"煙塵質量限制(soot mass limit)"的一個常用參數， 要點是從所謂的嚴格再生循環產生裂化時開始，確定積聚在過濾器中(通常變為800rpm的速度)。這具有通過大量供應氧氣用於低廢氣流 率來加速煙塵燃燒的效果。煙塵質量限制因而得以確定，隨後汽車製造 廠商的問題是改變再生頻率，以便使得後者僅在此質量限制下對所積聚的煙塵質量而發生。已經研發了用於在線估計積聚在過濾器中的煙塵質 量的系統。且其通常基於對壓降的測量，也就是說基於在過濾器上遊和 下遊之間的壓差。
發明人不論用何種方法已經論證了該參數在預測魯棒性方面 是不足的，且尤其是不可能在過濾器的隨後的運行期間確保所有的再生 將在該煙塵質量限制下執行。對發明人而言，很顯然多種因素能夠得到這樣的結杲即重生對明顯高於煙塵質量限制的、尤其是大約是該質量限制兩倍的煙塵質量發生。特別是，在所測得的壓降與實際積聚的煙塵 質量之間的弱相關、或尤其是當在城鎮環境中或在發動機技術問題的情 況下駕駛時低估了排放到燃燒室外面的煙塵數量，可能是一個問題。對 此問題的一個解決方案可以是增加再生頻率，其不論通過何種方法會具 有增加燃料消耗的缺陷。
因此，還存在對能檢查並診斷微粒過濾器的魯棒性、且能選 擇允許保證此魯棒性的過濾器材料及結構的需要。發明內容
為此，本發明的第一主題是用於檢查打算在柴油發動機的排 氣管路中使用的微粒過濾器的魯棒性的方法，其包括下列步驟-已首先確定了所述過濾器的煙塵質量限制，將新過濾器裝滿了至 少等於所述質量限制兩倍、至多等於所述質量限制三倍的水平的煙塵， 隨後使得所述過濾器以任何順序經歷嚴格再生-確定所述過濾器的過濾效率；-測量它的壓降並將其與新過濾器的壓降相比較；-測量它的裂化程度；和最後-測量在機械應力之後它的完整性。
本發明的另 一主題是用於診斷打算用在柴油發動機的排氣管 路中的微粒過濾器的魯棒性的方法，包括以下步驟，要點是根據本發 明實施檢查過程，並通過將過濾效率、壓降變化、所述過濾器的裂化程 度及完整性與預定值和/或預定程度想對比，來診斷過濾器為魯棒性的。
對發明人而言，4艮顯然這種處置方式使得有可能在有很高確 定性的情況下，確保微粒過濾器有或無魯棒性，且這樣做有可能有較低 成本，所扭J於的該組測試構成了必需的、且足以完成此目標的一組。
確定煙塵質量限制優選地包括了以下步驟，要點是將至少 10個過濾器的總體(population)裝載不同的煙塵質量，使得每個所述過濾 器經歷嚴格再生，隨後確定出現肉眼可見的裂紋的煙塵質量。
嚴格再生優選地包括煙塵燃燒的啟動，隨後將發動機變為慢 速。當存在著確定一種類型的過濾器的煙塵質量限制的問題、和當有在 根據本發明經歷該組測試之前重生裝滿煙塵的過濾器的問題時，嚴格再 生步驟以相同方式有利地^丸行。
在經歷嚴格再生之前，新過濾器優選地裝滿大約是煙塵質量 限制兩倍半水平的煙塵。
過濾器的過濾效率是通過測量在過濾器出口處相對於入口處 煙量的排煙量而有利地測量的。為了執行它，有可能將排煙濃度計 (smoke meter)放置到農i粒過濾器的上遊和下遊。該排煙濃度計使得有 可能通過測量由於煙霧引起的發黑度來確定煙塵微粒的量。
表述"壓降"在本發明的內涵中被理解成意為在過濾器的上遊 和下遊之間的壓差。該壓降必需根據用於新過濾器和再生過濾器相同的 協議來測量。存在各種方法，它們為本領域的技術人員所熟知。尤其是藉助於在專利申請FR-A-2 840 405中所說明的方法，且特別是通 過測量穿過過濾器的超聲波的傳播。在傳播參數(傳播速度、波的頻率 和幅值)中，速度已被證明是裂紋的數量及嚴重程度的可靠指標。相對 於通過新材料的超聲波傳播速度的傳播速度的過大降低，可以明顯是優 選地與裂紋的出現相關的。因此通過對穿過過濾器的超聲波傳播速度的 測量、與穿過新過濾器的超聲波傳播速度的等價測量之間的比較，而優 選地執行對裂化程度的測量。
在過濾器已受到振動、尤其是代表了在發動機的排氣管路中 的過濾器所經受的那些振動之後，通過驗證過濾器的構件保持穩固地附 接，來優選地檢查過濾器的機械完整性。此處，術語"構件"被理解成意 為圍繞過濾器的纖維墊、且還有在組裝的過濾器的情況下通過接合劑而 組裝到一起的平行立體面單塊元件。不足的機械完整性可以通過纖維墊 及股濾器的分離、或是通過組裝的過濾器的一個或多個單塊元件的分離 而呈現。[Q026]為了運行方便，優選地在環境溫度處糹丸行測試。它有時可以在4交高溫度處執行。所經歷的振動優選地是以介於50和250Hz之間的 頻率、和用於30g加速度的至少15分鐘的持續時間為特徵。
更具體地，在本發明的內涵中，定義了下列指標-過濾效率指數；-壓降指數；-裂化指數；-完整性指數。
通過在先前已經確定煙塵質量限制、並在滿載有兩倍半於此 煙塵質量限制的過濾器之上執行嚴格再生，對這些指數進行測量，下面 是在下文中定義的方案。
對煙塵質量限制的確定和嚴衝各再生是在配備有用於測量壓降 的裝置的發動機試驗臺上執行的。所使用的發動機是PSA所製造的 DW10A型的發動機。它是具有21位移的直接噴射式柴油發動機。此發 動才幾被供以含碌L量低於350ppm且包含25ppm 二氧化鑹含量的燃料，後 者是一般用來減少煙塵燃燒溫度的添加劑。微粒過濾器與它的防護罩一 起安裝到發動機和氧化催化劑的下遊。
至少10個過濾器的新過濾器總體接連地經歷下列步驟。
發動機以4000rpm全功率運轉30分鐘，以便熱穩定如前所述 安裝的過濾器，也就是說與它們的防護罩一起。過濾器隨後與它們的防 護罩 一起被拆卸並稱量以確定初始質量。過濾器隨後被重新安裝在排氣 管路中，隨後在不同的持續期內經歷以3000rpm產生50Nm扭矩的發動 機運行，以便裝載不同的煙塵質量。過濾器隨後被稱量，由所獲得質量 和初始質量之間的差值確定每個過濾器的煙塵質量。
因而負載的過濾器被有序地重新安裝，以便經受因此定義的 嚴才備再生在將發動才幾用於產生95Nm扭矩的1700rpm的發動機速度穩 定2分鐘之後，以70。的相位調整4丸行後注入，來實現18mm3/shot的後 注入流率。 一旦啟動煙塵燃燒，更精確地是當壓降降低進行至少4秒時， 發動機速度減少到1050rpm、產生40Nm的扭矩達5分鐘，以便加速煙 塵燃燒。過濾器隨後承受4000rpm的發動機速度30分鐘，以便排出殘 餘煙塵。
因而再生的過濾器在切斷後祐:觀察以揭示肉眼可見的裂紋的 可能存在。煙塵質量限制對應於出現這些裂紋的煙塵質量。
隨後在與因而所測試的過濾器相同性質的同樣的新過濾器上 執4亍^r查過程。
對應於大於100mVh的流率，新過濾器(沒有煙塵)的壓降 被測量。超聲波的傳播速度也在通常50kHz的頻率處被測量。所用的裝 備可以是例如CNS Farnell銷售的名為"Pundit plus，，的裝備。
過濾器隨後被裝滿如前所定義的、含量等於其煙塵質量限制 的兩倍半的煙塵，並隨後還根據前面所說明的協議進行再生。
過濾效率指數被定義為介於過濾器上遊的煙塵微粒的數量、 和所述過濾器下遊的相對於所述過濾器上遊的煙塵微粒的數量之間的 差值。
為了實現這點，將排煙濃度計;改置到孩i4立過濾器的上遊和下 遊，後者被放置到以4000rpm全功率運行的發動機的排氣管路中30分 鍾。
發明人已經論證了魯棒性過濾器必須在這些測量條件下具有 大於或等於85%的過濾效率指數。
接下來，通過遵循與新過濾器相同的運4於協議來測量再生過 濾器的壓降，且壓降指數被定義為再生過濾器的壓降相對於新過濾器壓 降的變化的百分比。此指數可以是正或負的，後者的情況通常由於裂紋 的出現而發生。
魯棒性過濾器必須具有絕對值小於或等於10%的壓降指數。
裂化指數對應於根據本發明的通過再生過濾器的超聲波的傳 播速度、和通過新過濾器的超聲波的傳播速度之間的百分比變化，並根 據相同的運行協議執行兩次測量。通常，此指數為負。
魯棒性過濾器必須具有大於或等於-30%的裂化指數。
過濾器隨後經受完整性測試。
過濾器在配備有位於各不同位置處的若干加速度計的電動力 學測試臺上被放置於它的防護罩內。第 一加速度計^L安置成與它的平面 中心處的過濾器相接觸，第二加速度計被安置在防護罩的金屬外殼上。 這兩個雙軸加速度計使得有可能測量在過濾器的軸線方向內的振動。
再生過濾器在185Hz的頻率處經受振動循環，該振動循環包 括每個對應於給定加速度的15分鐘的連續保持。第一保持對應於5g的 加速度，第二個則對應於10g的加速度，加速度隨後按每個連續保持10g的步長而增加。
此振動測試可以在由LDS測試與測量有限責任々V司所銷售的 電動力學試驗臺上執行，該電動力學試驗臺具有35kN的容量，並配備 具有10kN最大力、在0- 500Hz頻率範圍內運行的、且裝備了具有2
1/min的流率的200bar液壓控制單元的液壓千斤頂。
完整性指數是由在測試末期從過濾器分離開的構件數量所定 義的。魯棒性過濾器必定具有零完整性指數。
本發明的另一個主題是診斷打算在柴油發動機的排氣管路中 使用的微粒過濾器的魯棒性，包括了如下步驟即要點在於確定它的過濾 效率指數、它的壓降指數、它的裂化指數和它的完整性指數，如它們在 上面被定義的範圍內；且要點還在於當過濾器具有大於或等於85%的過 濾效率指數、絕對值小於或等於10%的壓降指數、大於或等於-30%的 裂化指數及零完整性指數時，將診斷為過濾器是魯棒性的。
本發明的最後主題是用於製造打算用在柴油發動機的排氣管 路中的微粒過濾器的方法，包括下列步驟將按化學性質和/或它們的 微粒粒度定義的礦物和可選有機原材料的混合物成形，隨後根據 一定參 數來乾燥並烘烤，其特徵在於，它還包括下列步驟-對於原材料化學性質和微粒粒度和/或成形、乾燥及烘烤參數的每 種組合，實現根據本發明的診斷；-選定使得有可能獲得魯棒性微粒過濾器的組合；-選定的組合被用來製造微粒過濾器；
所用的礦物原材4+由它們的化學性質和它們的微粒粒度或微 粒粒度分布來定義。這兩個參數將對過濾器的魯棒性和熱機械特性有極 大影響，特別是通過它們將在所獲得的材料的化學性質及結構上具有的 最重要影響、尤其是對材料多孔性(孔粒度分布、孔分布均勻性)以及 晶粒和晶界的化學性質的影響。
有機材料經常被添加，這使得有可能在成形之前調節混合物 的粘性和塑性。
形狀參數及成形類型將也影響所獲得的材料的結構。因此，在通過擠出來成形以獲得蜂巢結構期間，模具的形狀例如將直接影響壁 厚或通道密度。
乾燥及烘烤參數，尤其是時間/溫度循環，也具有對材料結構及其性質、和可能地對烘烤的影響，例如，導致所使用的礦物原材料的化學或結晶的變型、或材料密度稠化(densificatkm)。
具體實施方式
本發明將通過下列的具體實施例的具體i充明而得以更好理解。晶碳化矽(R-SiC):維是根據下列過程而得到的、所述元;被擠壓， 隨後在超過200(TC處被烘烤，並最終使用基於碳化矽的接合劑而組裝起 來。所獲得的該結構隨後被機加工以便賦予它帶有圓形基座的圓筒狀， 隨後它被接合劑所覆蓋。因而製造的過濾器具有14.38cm的直徑和 25.4cm的長度。單塊元件的通道密度是31通道/每平方釐米。這種過濾 器的製造是，例如在專利申請EP-A-816 065或EP-1-1 142 619中所說明 的。
為了確定其過濾效率、壓降、裂化及完整性指標，過濾器的 此類煙塵密度限制是根據上面定義的協議、使用12個同樣性質的過濾 器來測量的。所獲得的煙塵質量限制是7g/1,也就是說7克/過濾器每公 升。
新過濾器隨後特徵根據本發明使用控制過程。該新過濾器的 壓降是16.1mbar。
過濾器隨後以這樣一種方式被裝滿煙塵，即它的煙塵質量是 18克、或大約2倍半於它的煙塵質量限制。隨後它^4居前面所說明的程 序經受嚴格再生，之後根據本發明經受測試。它的過濾效率指數為88 %,這意味著88%的煙塵被過濾掉。再生過濾器的壓降是16.3mbar，即 僅僅1.2%的增加，這個值對應於壓降指數。超聲波的傳播速度相對於 通過新過濾器的傳播速度減少了 23%,這使得有可能確定等於-23%的 裂化指數，因此大於-30%。完整性指數本身為零，在振動測試後沒有 過濾器的元素分離。
等同於受測試過濾器的新過濾器承受這樣的行車條件，即包 括約120 OOO公裡的60%的時間在幹線公路上、15%的時間在城鎮裡、 25%的時間在高速公路上，和能維持過濾器的可接受的運行。
4艮據本發明的控制及診斷過程可以;波應用於控制新過濾器和恢復的過濾器兩者的質量的控制。表述"恢復的過濾器"被理解成意為 在發動機的排氣管路中運行之後已經被清潔的過濾器。或適於在新穎性材料的研發或製造過程的情況下來選擇魯棒性過濾
前述il明〗吏得有可能解說本發明的某些可能的實施例。〉百足 的認識到，此說明沒有以任何方式作出限制，且本領域的技術人員能夠 在不以任何方式離開本發明的情況下執行本發明的其它變型。
權利要求
1、檢查用於在柴油發動機的排氣管路中使用的微粒過濾器的魯棒性的方法，其包括下列步驟-已首先確定了所述過濾器的煙塵質量限制，將新過濾器裝滿了至少等於所述質量限制兩倍、至多等於所述質量限制三倍的水平的煙塵，隨後使得所述過濾器以任何順序經歷嚴格再生-確定所述過濾器的過濾效率；-測量它的壓降並將其與新過濾器的壓降相比較；-測量它的裂化程度；和最後-控制在機械應力之後它的完整性。
2、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，新過濾器被裝載大約 為兩倍半於其煙塵質量限制的水平的煙塵。
3、 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，確定煙塵質量限 制包括了以下步驟，將至少10個過濾器的總體裝載不同的煙塵質量， 使得每個所述過濾器經歷嚴格再生，隨後確定出現肉眼可見的裂紋的煙 塵質量。
4、 如前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，嚴格再生包括 煙塵燃燒的啟動，隨後將發動機變為慢速。
5、 如前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，過濾器的過濾 效率是通過測量在過濾器出口處相對於入口處煙量的排煙量而測量的， 所迷過濾器被安置在設置在它的對應於最大功率的工作點處的柴油發 動機的排氣管路中。
6、 如前述權利要求之一所述的方法，其特4正在於，通過對穿過過 濾器的超聲波傳播速度的測量、與穿過新過濾器的超聲波傳播速度的等 價測量之間的比較，而優選地執行對裂化程度的測量的步驟。
7、 如前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在過濾器已受 到振動之後，通過驗證過濾器的構件保持穩固地附接，來控制過濾器的 機械完整性。
8、 診斷用於在柴油發動機的排氣管路中使用的微粒過濾器的魯棒 性的方法，包括以下步驟，實施如前面的權利要求之一中所述控制過程， 並通過將過濾效率、壓降的變化、裂化程度及所述過濾器的完整性來與 預定值和/或預定程度對比，來診斷過濾器是魯棒性的。
9、 如前述權利要求中所述的診斷方法，其特徵在於，當過濾器具有大於或等於85%的過濾效率指數、絕對值小於或等於10%的壓降指 數、大於或等於-30%的裂化指數及零完整性指數昧，將診斷過濾器是 魯棒性的。
10、 製造用於在柴油發動機的排氣管路中使用的微粒過濾器的方 法，包括下列步驟將按化學性質和/或它們的微粒粒度定義的礦物和 可選有機原材料的混合物成形，隨後根據一定參數來乾燥並烘烤，其特 徵在於，它還包括下列步驟-對於原材料化學性質和微粒粒度和/或成形、乾燥及烘烤參數的每 種組合，實施如權利要求8或9中所述的診斷方法； -選定使得有可能獲得魯棒性微粒過濾器的組合； -選定的組合被用來製造微粒過濾器。
全文摘要
本發明的一個主題是用於檢查打算用在柴油發動機的排氣管路中的微粒過濾器的魯棒性的方法，包括以下步驟，要點是已首先確定了所述過濾器的煙塵質量限制，將新過濾器裝滿了至少等於所述質量限制兩倍、至多等於所述質量限制三倍的水平的煙塵，隨後使得所述過濾器以任何順序經歷嚴格再生，確定所述過濾器的過濾效率，測量它的壓降並將其與新過濾器的壓降相比較，測量它的裂化程度；和最後測量在機械應力之後它的完整性。本發明的另一主題是用於診斷過濾器的魯棒性的方法。
文檔編號G01M99/00GK101268263SQ200680034570
公開日2008年9月17日 申請日期2006年9月19日 優先權日2005年9月23日
發明者P·J·D·吉羅特, S·巴頓, V·M·格萊澤 申請人:歐洲技術研究聖戈班中心