炭煙過濾器的製作方法

2024-01-29 16:17:15

專利名稱：炭煙過濾器的製作方法
技術領域：
本申請涉及機動車輛排放控制領域，尤其是涉及去除機動車輛發動機排氣中的炭 煙。
背景技術：
機動車輛排氣系統可以包括炭煙過濾器，其用來捕集發動機排氣中的炭煙及其他 微粒。該炭煙過濾器可以支持一個再生階段，在此階段過濾器中所捕集的炭煙通過燃燒而 被消滅。這樣，炭煙過濾器的持續捕集能力就可以在需要時恢復。特別是當炭煙過濾器被 配置用來去除柴油發動機排氣中的微粒以及由柴油發動機排氣再生時，本文所述的炭煙過 濾器可以被稱為「柴油機微粒過濾器」(DPF)。炭煙過濾器可以包括陶製基片或金屬基片。陶製基片可以具有聚集所捕集的微粒 的穿孔壁；這種配置實現了高捕集效率，但為實現再生就需要周期性暴露於高溫排氣流。這 種情況降低了燃料經濟性並可以使排放控制整體複雜化，尤其是當涉及氮氧化物(NOX)排 放物時。另一方面，金屬基片呈現許多相對長的流動通道，其用來聚集所捕集的微粒；這種 配置可能導致低捕集效率，但可以在較低溫度下再生，甚至是在發動機正常工作條件下再 生。已知的是炭煙過濾器的多種配置。在一個示例中，美國專利6，582，490描述了一 種排氣後處理過濾器的雛形，其具有從進氣口延伸至排氣口的多個平行流動通道。在另一 個示例中，美國專利申請2007/0128089描述了一種具有平行的進氣通道層的微粒過濾器， 該進氣通道層堆疊在平行的排氣通道交替層中，其中進氣通道定向為與排氣通道垂直。在 此示例中，進氣通道層和排氣通道層通過多孔板分隔開。

實用新型內容然而，本發明人在此意識到上述引用比對文件中公開的通道排列方式可能無法為 提高金屬基片炭煙過濾器的捕集效率提供最有效的流動幾何結構。本實用新型用於解決上 述一些問題。因此，一個實施例提供了用於從發動機排氣中去除炭煙的炭煙過濾器。該炭 煙過濾器包括進氣口 ；置於進氣口對面的排氣口 ；第一瓦楞層，其具有從進氣口延伸到排 氣口且與第一方向對準的第一組平行稜線；以及第二瓦楞層，其具有從進氣口延伸到排氣 口且與第二方向對準的第二組平行稜線。在這個實施例中，第二方向與第一方向相互傾斜， 其中第一組平行稜線沿從進氣口到排氣口的整個路線成傾斜角度。按照另一個方面，提供了一種用於從發動機排氣中去除炭煙的炭煙過濾器。該炭 煙過濾器包括進氣口 ；放置為與所述進氣口相對的排氣口 ；第一瓦楞層，其具有從進氣口 延伸到排氣口且與第一方向對準的第一組平行稜線；以及第二瓦楞層，其具有從進氣口延 伸到排氣口且與第二方向對準的第二組平行稜線。第二方向與第一方向相互傾斜，其中第 一組平行稜線沿從進氣口到排氣口的整個路線成傾斜角度。按照再一個方面，提供了一種系統。該系統包括發動機；配置為從發動機接收排氣並包括第一催化劑的排氣系統，所述第一催化劑用於降低排氣中的汙染物濃度；以及連 接在排氣系統中的炭煙過濾器，該炭煙過濾器包括進氣口 ；放置為與所述進氣口相對的排 氣口 ；具有從進氣口延伸到排氣口並與第一方向對準的多條筆直、平行稜線的第一瓦楞層； 以及具有從進氣口延伸到排氣口並與第二方向(與第一方向相互傾斜)對準的多條筆直、 平行稜線的第二瓦楞層。

圖1示意性地顯示了根據本實用新型實施例的包括炭煙過濾器的示例性系統的 多個方面。圖2示意性地顯示了根據本實用新型實施例的兩個示例性炭煙過濾器的外部配置。圖3顯示了根據本實用新型實施例的箱形炭煙過濾器的多個方面。圖4顯示了表明排氣流變化的液壓區域作為通過根據本實用新型實施例的箱形 炭煙過濾器的距離的函數的圖示。圖5圖解說明了通過根據本實用新型實施例的一種示例性情況的箱形炭煙過濾 器的排氣流模式的多個方面。圖6示意性地顯示了根據本實用新型實施例的兩種示例性炭煙過濾器的進氣口。
具體實施方式
現在以示例的方式並參考特定的說明性實施例來描述本實用新型的主題。在兩個 或更多個實施例中可能基本相同的部件被同等地標識並以最少的重複進行說明。然而，需 要注意的是在本實用新型的不同實施例中同等地標識的部件可能存在至少部分的差異。需 要進一步注意的是包括在本實用新型中的附圖是示意性的。圖解說明的實施例的視圖一般 不按比例繪製；縱橫比、特徵尺寸以及特徵數量可能有意地失真以便更容易看清選定的特 徵或關係。圖1顯示了將在以下進一步說明的包括炭煙過濾器12的示例性系統10的多個方 面。該系統包括發動機14，其中多個燃燒室16分別連接到進氣歧管18以及排氣歧管20。 在燃燒室中，燃燒可以在任何變型中通過火花點火和/或壓縮點火開始並維持。進一步地， 發動機可以被配置為消耗多種燃料中的任意燃料汽油、酒精、柴油、生物柴油、壓縮天然氣 等。該燃料可以通過直接噴射、埠噴射或它們的任意組合而提供到燃燒室。系統10被配置為提供壓縮空氣到發動機14。空氣經由空氣淨化器22進入系統並 流動至壓縮機24。該壓縮機實際上可以是任意類型的空氣壓縮機，例如增壓壓縮機或電驅 動壓縮機。如圖1所示實施例中，該壓縮機為與渦輪26機械連接的渦輪增壓壓縮機，該渦 輪由來自排氣歧管20的排氣驅動。經壓縮後，進氣在流向節流閥30途中在中間冷卻器28 中冷卻。該中間冷卻器可以是配置為冷卻進氣以求理想燃燒性能的任何適宜的熱交換器。 在圖示實施例中，設置旁通閥32以通過引導被壓縮的進氣返回增壓壓縮機的進氣口，從而 可以按要求降低節流閥上遊的進氣壓力。如上所述，來自排氣歧管20的排氣流到渦輪26從而驅動該渦輪。當需要減小渦 輪轉矩時，一部分排氣可能會被引導通過繞行該渦輪的廢氣門34。來自渦輪和廢氣門的混合流體而後流經包括炭煙過濾器12的多個排氣後處理裝置36。在本實用新型的不同實施 例中，該排氣後處理裝置的數量、性質以及排布是變化的。一般來說，該排氣後處理裝置將 包括至少一種催化劑，其配置為降低排氣流中汙染物的濃度。在一個示例中，在排氣流稀 薄時，催化劑可以配置為從排氣流中捕集氮氧化物(NOX)，而當排氣流富集時，該催化劑可 以配置為還原被捕集的氮氧化物(NOX)。在其他示例中，催化劑可以配置為打亂氮氧化物 (NOX)的比例，或是藉助於還原劑有選擇地還原氮氧化物(NOX)。在其他示例中，催化劑可 以配置為氧化排氣流中殘餘的碳氫化合物和/或一氧化碳。具有任何此類功能的不同催化 劑可以被單獨或共同布置在載體塗料中或排氣後處理裝置的其他部分中。在一些實施例中，炭煙過濾器12可以被安裝在多個排氣後處理裝置36的上遊位 置處。如果該炭煙過濾器無需定期的高溫排放就可以再生，那麼它就可以被安裝在上遊位 置，所述高溫排放可以使例如以上所述的催化劑等下遊排氣系統部件退化。在一個實施例 中，該炭煙過濾器可以通過發動機排氣持續再生，即在發動機運行條件下再生，該運行條件 導致排氣大於相對較低的第一最小再生溫度(例如，無後噴射等)，與此形成對比的是在周 期性再生階段中，排氣流中提供了額外的熱量和/或未燃燒的燃料，從而使排氣溫度升高 到大於相對較高的最小再生溫度。仍如圖1所示，自排氣後處理裝置36流過的部分排氣可以經由消聲器、尾管等釋 放到大氣中。然而，排氣的剩餘部分進入EGR(排氣再循環)導管38並流到EGR冷卻器40。 該EGR冷卻器可以是配置為冷卻排氣至適於混入進氣中的溫度的任意適當的熱交換器。圖1中所示的特定實施例包括配置為抽吸來自EGR導管38的排氣並將其混入進 氣中的喉管裝置42。可用於混合的排氣量由EGR閥44調節。新鮮進氣與排氣的混合物被 相應地提供到壓縮機24的進氣口並在壓縮機中壓縮，並在冷卻後被供給到節流閥30的上 遊。在一些實施例中，節流閥30、旁通閥32、廢氣門34以及EGR閥44中的一些或全 部可以是配置為在電子控制系統的命令下關閉和開啟的電控閥。進一步地，一個或更多個 此類閥可以是可連續調節的。相應地，圖1示出了電子控制系統46，其可以是安裝有系統 10的任何車輛電子控制系統。該電子控制系統可以可操作地連接到每個電控閥，並被配置 為按需要命令這些閥的開啟、關閉和/或調節，以便執行適當的控制功能。為此目的，所述 電子控制系統還可以可操作地連接到遍布圖示說明的系統布置的多種傳感器，如溫度傳感 器、踏板位置傳感器、壓力傳感器等。應該理解的是，系統10代表了包括下文將深入闡述的炭煙過濾器的眾多預期的 發動機系統實施例中的一種。其他的實施例可能因為省略了某些部件(如EGR部件、渦輪 增壓器部件等)和/或因為包含了圖1中未顯示的其他部件而與圖示系統不同。圖2示意性地顯示了兩個示例性實施例中炭煙過濾器12的外部配置。該圖特別顯 示了箱形炭煙過濾器12A以及圓柱形炭煙過濾器12B。箱形炭煙過濾器包含進氣口 48A以 及排氣口 50A，它們可以是矩形的，或箱形炭煙過濾器可以包含至少一條筆直的外圍邊緣。 同樣的，該圓柱形炭煙過濾器包括可以具有整體或部分圓形邊緣的進氣口 48B以及排氣口 50B。兩個圖示實施例中，炭煙過濾器從進氣口到排氣口的長度被表示為FL。應該理解，各 種其他外部配置的炭煙過濾器已被本實用新型涵蓋。圖3顯示了一個示例性實施例中的箱形炭煙過濾器12A的多個方面。該圖特別顯示了第一瓦楞層52，該層具有由進氣口 48A延伸到排氣口 50A且與第一方向A對準的多條 筆直、平行的稜線(例如稜線54)。該圖還顯示了第二瓦楞層56，該層具有由進氣口延伸到 排氣口且與第二方向B對準的多條筆直、平行的稜線(例如稜線58)，第二方向B與第一方 向A相互傾斜。如圖3進一步所示，第一瓦楞層的稜線與第二瓦楞層的稜線沿從進氣口到排 氣口的整個路線成傾斜角度。因此，圖示的實施例未提供沿從進氣口到排氣口的最短(直 線)路線的流動通道。圖3所示實施例中，第一瓦楞層52與第二瓦楞層56是可堆疊的，並 且相應地，如圖中所示第一瓦楞層堆疊在第二瓦楞層之上。應該理解，圖中所示第一及第二 瓦楞層可以在被布置在箱形炭煙過濾器12A中的多個疊置層之間。因此，第一瓦楞層可以 處於具有與第一方向對準的稜線的第一組瓦楞層之中，而第二瓦楞層可以處於具有與第二 方向對準的稜線的第二組瓦楞層之中。相應地，第一組中的每個瓦楞層都可被直接堆疊在 第二組中的瓦楞層之上。圖3所示實施例中，第一及第二瓦楞層是可堆疊的，因為每層的稜 線均對準由稜線高度H間隔開的兩個平行的平面。因此，箱形炭煙過濾器可以包含相互堆 疊於其上的多個瓦楞層，這樣所有稜線均對準相互平行的平面。然而，在其他的實施例中， 即使稜線未對準相互平行的平面，瓦楞層也可以是可堆疊的(見下文)。在一些實施例中，箱形炭煙過濾器12A的各個瓦楞層可由被彎折以提供理想瓦楞 基片的金屬片形成。在其他的實施例中，瓦楞層可以由任意其他適當的耐熱材料通過模製、 擠壓或任意其他適當的工藝形成。理想的瓦楞基片成型之後，催化劑的載體塗料可通過噴 塗、浸漬塗布、電解或任意其他適當的工藝提供到瓦楞層。該催化劑的載體塗料可以包含氧 化催化劑，該氧化催化劑可以使發動機排氣中炭煙的氧化反應處於適宜的低溫狀態，包括 柴油發動機的正常排氣溫度。因此，該載體塗料可包含DPF載體塗料。為了圖解說明的目的，箱形炭煙過濾器12A中各種量度在圖3中標明。這些量度 包括稜線高度H、通道長度CL、通道間距P、稜線曲率半徑R以及層偏置角Θ，該偏置角是 與方向A對準的射線和與方向B對準的交叉射線之間的夾角。此外，如圖3所示，每條通道 的前方開放區域OFA被定義為進氣口平面中第一及第二瓦楞表面間的陰影區域。在進氣口 斜向於進氣氣流的方向的實施例中，OFA可以被定義為兩個瓦楞表面間陰影區域在正交於 進氣流方向的平面中的幾何投影。應該理解，圖3是以示例性的方式繪製的，未施加對方向A或B的特別限制。因此， 層偏置角 的各個範圍都被本實用新型涵蓋。例如，在一個實施例中， 可以是10度到 80度之間的任意角度。而在另外的實施例中，θ可以是30度到60度之間的任意角度。圖4顯示了表明排氣流變化的液壓區域作為通過箱形炭煙過濾器12Α的距離的函 數的圖示。該圖示包含，當取值為60時，液壓區域相對於從進氣口 48Α沿箱形炭煙過濾器 的長度方向(例如，從進氣口到排氣口的直線)的距離的曲線圖。對於在此方向上的排氣 流來說，最大液壓區域出現在進氣口並遵循周期函數。當排氣流從進氣口至排氣口通過過 濾器時，液壓區域減小並在標記為S的一系列交錯點中的每個交錯點處達到零。當排氣繼 續流向排氣口時，液壓區域增大，並在兩個相鄰交錯點間的每個中間點處達到最大值。圖4還顯示了當取值為62時，液壓區域相對於沿任意給定流動通道在方向A或B 上的距離的曲線圖。在此方向上關於流動的液壓區域同樣在進氣口 48Α處達到最大值且遵 循周期函數，在標記為HS的一系列半交錯點中的每個點處減小到最大值的一半。當排氣繼 續流向排氣口時，液壓區域增大，並在兩個相鄰半交錯點間的每個中間點處達到最大值。[0030]基於圖4所示特性，箱形炭煙過濾器12A內的排氣流速永遠不會是恆定的，不管是 在長度方向上或是在任意給定通道方向上。當流經通道的排氣碰到減小的液壓區域時，該 排氣趨向於橫跨入液壓區域更大的通道。這種行為導致了如圖5所示的具有細長流動路線 的複雜流動模式。細長流動路線連同發動機排氣經過濾器的更長停留時間，可以使本文所 述的微粒捕集相對於缺少本實用新所述傾斜的瓦楞層的創造性結構的炭煙過濾器更具效 率。進一步地，由圖4明顯看出，排氣流經過的交錯點及半交錯點的數量隨過濾器長度FL 以及層偏置角 的增大而增大。因此，流動路線以及停留時間可以通過改變這些參數中的 一者或兩者而被調節以適應特定的發動機系統及應用。圖5說明了在一個示例性情況下經過箱形炭煙過濾器12Α的排氣流的模式的多個 方面。當排氣沿通道方向(Α或B)流經通道進氣口時，半交錯點附近通道的減小的液壓區 域致使排氣溢出相鄰通道的稜線。與此相類似，箱形炭煙過濾器長度方向上的排氣流被迫 繞過每個交錯點，因此偏離長度方向並且增加其流經過濾器的有效路線長度。圖4及圖5所示的流動特性說明了當發動機排氣通過箱形炭煙過濾器12Α時，雖 然第一排氣流的橫截面在第一區域範圍(例如在0FA/2與OFA之間)內周期性變化，但第 一排氣流可以在第一方向(方向A或B)上通過炭煙過濾器。同時，雖然第二排氣流的橫截 面在第二區域範圍(如0與OFA之間)內變化，但第二排氣流可以在第二方向(例如，與第 一方向相互傾斜的炭煙過濾器長度方向)上通過炭煙過濾器。進一步地，第三排氣流可以 在炭煙過濾器中第一排氣流橫截面相對於OFA減小的區域中從第一排氣流中轉移。通過橫 跨瓦楞稜線並進入相鄰流動通道，第三排氣流可繼續在第一方向上流經炭煙過濾器。以這 種方式流經炭煙過濾器的發動機排氣提供了通過過濾器的有利的更長的網狀路線以及在 炭煙過濾器內的更長的停留時間，由此提高了微粒捕集的效率。圖6示意性地顯示了箱形炭煙過濾器12Α的進氣口 48Α以及圓柱形炭煙過濾器 12Β的進氣口 48Β。圓柱形炭煙過濾器的瓦楞層的基本設置實質上可以與上文所述箱形炭 煙過濾器相同。此外，影響流動通道中的液壓區域的因素實質上也如上文所述。然而，某些 特定差異緣於兩個說明性實施例的不同配置。例如，在圓柱形炭煙過濾器中，每個瓦楞層的 稜線都與同心殼對準而不是與相互平行的平面對準。相應地，第一組和第二組瓦楞層可以 被同心布置，並且第一組中的每個瓦楞層都可以直接布置在第二組的瓦楞層之上。進一步 地，雖然箱形炭煙過濾器中的通道可以具有相同的尺寸和形狀，但圓柱形炭煙過濾器中通 道的尺寸和形狀隨著其與中心軸線距離的變化而變化。特別是上文定義的稜線間距P，其可 以自中心軸線向外增大，以便相鄰層的稜線可以在進氣口處保持相互之間的對齊。最後，應該理解的是，本文所述的製品、系統以及方法實質上是可效仿的，並且這 些特定的實施例或示例不應被視為限制意味，因為各種變型是可預期的。因此，本實用新型 包括本文所公開的各種系統和方法的所有新穎和非顯而易見的組合以及子組合及其任意 和全部等價物。
權利要求1.一種用於去除發動機排氣中的炭煙的炭煙過濾器，其特徵在於，該炭煙過濾器包括進氣口 ；放置為與所述進氣口相對的排氣口；第一瓦楞層，其具有從所述進氣口延伸到所述排氣口並與第一方向對準的多條筆直、 平行稜線；以及第二瓦楞層，其具有從所述進氣口延伸到所述排氣口並與第二方向對準的多條筆直、 平行稜線，所述第二方向與所述第一方向相互傾斜。
2.根據權利要求1所述的炭煙過濾器，其特徵在於，所述進氣口和所述排氣口中的至 少一個具有圓形外圍。
3.根據權利要求1所述的炭煙過濾器，其特徵在於，所述進氣口和所述排氣口中的至 少一個具有筆直外圍邊緣。
4.根據權利要求1所述的炭煙過濾器，其特徵在於，所述第二方向被定位為自所述第 一方向傾斜10度至80度之間。
5.根據權利要求1所述的炭煙過濾器，其特徵在於，所述第二方向被定位為自所述第 一方向傾斜30度至60度之間。
6.根據權利要求1所述的炭煙過濾器，其特徵在於，所述第一瓦楞層及所述第二瓦楞 包括金屬基片。
7.根據權利要求1所述的炭煙過濾器，其特徵在於，所述第一瓦楞層及所述第二瓦楞 層包括氧化催化劑。
8.根據權利要求1所述的炭煙過濾器，其特徵在於，所述氧化催化劑包含在施加到所 述第一及第二瓦楞層的載體塗料中。
9.一種用於去除發動機排氣中的炭煙的炭煙過濾器，其特徵在於，該炭煙過濾器包括進氣口 ；放置為與所述進氣口相對的排氣口；第一瓦楞層，其具有從所述進氣口延伸到所述排氣口並與第一方向對準的第一組平行 稜線；以及第二瓦楞層，其具有從所述進氣口延伸到所述排氣口並與第二方向對準的第二組平行 稜線，所述第二方向與所述第一方向相互傾斜，其中所述第一組平行稜線沿從所述進氣口 到所述排氣口的整個路線成傾斜角度。
10.根據權利要求9所述的炭煙過濾器，其特徵在於，所述第一瓦楞層處於具有與所述 第一方向對準的稜線的第一組瓦楞層之中，並且所述第二瓦楞層處於具與所述第二方向對 準的稜線的第二組瓦楞層之中。
專利摘要本實用新型提供一種用於去除發動機排氣中的炭煙的炭煙過濾器。該炭煙過濾器包括進氣口；放置為與進氣口相對的排氣口；第一瓦楞層，其具有從進氣口延伸到排氣口並與第一方向對準的第一組平行稜線；以及第二瓦楞層，其具有從進氣口延伸到排氣口並與第二方向對準的第二組平行稜線。所述第二方向與所述第一方向相互傾斜，其中第一組平行稜線沿從進氣口到排氣口的整個路線成傾斜角度。這樣，可以提供多種流動路線以增大微粒捕集。
文檔編號F01N3/022GK201786420SQ20102027349
公開日2011年4月6日 申請日期2010年7月27日 優先權日2009年7月27日
發明者張小鋼 申請人:福特環球技術公司