柴油機顆粒過濾器的製作方法
2023-11-10 04:27:22 2
專利名稱：柴油機顆粒過濾器的製作方法
技術領域：
一般來說，本發明涉及一種柴油發動機顆粒收集過濾器結構，更具體地，涉及一種包含使壓降減至最小的陶瓷燒結體的柴油發動機顆粒收集過濾器結構。
背景技術：
近年來，與汽車數量的快速增長成比例，由汽車內燃發動機排出的排出物數量也顯著增加。特別地，柴油發動機排出物中所包含的各種物質成為汙染源，並且對全球環境造成非常不利的影響。另外，已經有研究報導發現排出物中的顆粒(柴油機顆粒)可能導致過敏和精子數量的降低。因此，去除排出物中的顆粒成為非常緊迫的研究目標。這裡所使用的術語「顆粒」(在下文中稱為「PM」)是用於含碳顆粒、含硫顆粒(如硫酸鹽)和高分子量碳氫化合物顆粒的一般性術語。
各種傳統的排出物淨化裝置已經被提出。典型的排出物淨化裝置包括外殼和過濾器，其中外殼設置在與發動機排氣總管相連的排氣管中間，而過濾器容納在外殼中，並且具有精細單元。構成過濾器的材料可以是金屬、合金或陶瓷，而由陶瓷構成的過濾器的代表性例子為由堇青石構成的蜂窩狀過濾器。目前，一種多孔碳化矽燒結體經常被用作構成過濾器的材料，這種材料的優勢在於具有高的熱阻、機械強度、捕集效率和化學穩定性，並且壓力損失很低。術語「壓力損失」表示流入過濾器的氣體壓力減去從過濾器中流出的氣體壓力所獲得的數值。排出物流過過濾器時產生的阻力是影響壓力損失的最大因素。
柴油發動機排出物淨化裝置的過濾器分為捕集式(或壁流)和開放式(或直流)。其中，蜂窩狀結構(柴油機PM過濾器，DPF)屬於捕集式排出物過濾器的一種。
傳統的蜂窩狀過濾器具有許多軸向排列的單元。當排出物通過過濾器時，顆粒被單元壁捕集，從而從排出物中去除顆粒。但是，在蜂窩狀過濾器中，PM沉積於其上，由此增加了壓力損失。因此，當使用PDF時，必須定期清除沉積的PM。因此，當壓力損失增加時，通過使用燃燒器或加熱器使沉積的PM燃燒，從而去除PM。但是，沉積的PM的燃燒溫度隨著沉積的PM的數量增加而升高，這樣，DPF可能因為溫度升高產生的熱應力而損壞。
下面，將對柴油發動機排出物淨化裝置1及傳統的蜂窩狀過濾器的結構進行詳細說明。
如圖1中所示，排出物淨化裝置1是一種用於淨化從用作內燃機的柴油發動機2中排出的排出物的裝置。柴油發動機2具有多個汽缸，並且所述汽缸與金屬製成的總管3的支管部件4相連。支管部件4與總管主體5連通，用於在一個位置收集汽缸排出的排出物。由金屬製成的第一排氣管6和第二排氣管7與排氣總管3的下遊端相連。第一排氣管6的上遊端與總管主體5連通。由金屬製成的管狀的外殼8被置於第一排氣管6和第二排氣管7之間。外殼8的上遊端與第一排氣管6的下遊端連通，外殼8的下遊端與第二排氣管7的上遊端連通。因此，外殼8被置於排氣管6和7之間。此外，第一排氣管6、外殼8和第二排氣管7彼此連通，以允許排出物從中通過。
如圖1中所示，外殼8的中間部分具有比排氣管6、7更大的直徑。因此，外殼8具有比排氣管6、7更大的內部空間，並且陶瓷過濾器結構9容納在外殼8中。絕熱體10通常被置於結構9的外表面與外殼8的內表面之間。包含陶瓷纖維的絕熱體10具有墊子的形狀，並且作為一種防止熱從過濾器結構9的最外側散發，從而將淨化過程中的能量損失減至最小的元件。
圖2是蜂窩狀過濾器的剖視圖，其中在外殼內部設置有典型的圓柱形陶瓷過濾器。因為陶瓷過濾器結構能夠去除柴油機顆粒，因此通常稱其為柴油機顆粒過濾器(DPF，DSF)。陶瓷過濾器結構由一種多孔碳化矽燒結體構成，所述碳化矽燒結體為一種陶瓷燒結體。使用碳化矽燒結體的原因在於其熱阻和導熱性與其它陶瓷相比很優秀。除了碳化矽之外，可以選擇氮化矽、矽鋁氧氮陶瓷(sialon)、氧化鋁、堇青石(cordierite)或多鋁紅柱石(mullite)用於燒結體。在蜂窩狀結構中，具有沿軸向規則排列的幾乎方形截面的多個通透單元12，並且所述通透單元12由薄單元壁13隔開。在單元壁13的外表面上包含有氧化型催化劑，所述催化劑包括鉑族元素或其它金屬元素及其氧化物。每個通透單元12在9a或9b任意一端的開口由密封劑密封。因此，傳統過濾器結構的截面具有棋盤狀的圖案。單元的密度設定為200單元/英寸，並且單元壁的厚度設定為大約0.3mm。半數單元在其進入端9a敞開，而剩餘的一半則在其流出端9b敞開。
發明內容
但是傳統的蜂窩狀過濾器結構其缺陷在於，因為排出物很難通過蜂窩狀結構，因此壓力損失很高。也就是說，因為進入過濾器的氣體壓力與流出過濾器的氣體壓力之間的壓差很高，過應變作用在內燃發動機上，具體地說，機械控制的柴油發動機上。因此，其工作狀態和燃料消耗率惡化，操作方便性降低，在最差的情況下，發動機停止工作。本發明的發明人認為巨大的壓力損失部分是由傳統蜂窩狀過濾器結構的密封結構引起的，因此發明了一種通過改進傳統蜂窩狀過濾器結構而獲得的過濾器結構。
因此，本發明的一個目的是提供一種能夠將壓力損失減至最小的過濾器結構。
本發明的另一個目的是提供一種改進機械控制柴油發動機工作狀態的過濾器結構。
本發明的再一個目的是將傳統壁流蜂窩狀結構與直流蜂窩狀結構結合起來，以防止PM的沉積並且提高淨化效率。
為了達到上述目的，本發明提供了一種顆粒的收集過濾器結構。
根據本發明，改進的柴油發動機顆粒收集過濾器結構包括多個軸向規則排列於其中的通透單元。通透單元由薄的單元壁隔開，半數通透單元在其流出端由密封劑密封，並且剩餘的一半通透單元在其流出端敞開。
在過濾器結構中，所有通透單元在其進入端敞開，並且半數的通透單元在其流出端密封。具有由密封劑密封的流出端的密封單元可以與敞開單元相鄰排列，從而它們在過濾器結構的橫截面中形成棋盤狀圖案。作為選擇，密封單元可以排列成圓，並且所述圓在過濾器結構的橫截面中同心排列。或者，密封單元可以排列在由過濾器結構橫截面的中心線劃分的兩部分中的任一部分中。此外，每個通透單元橫截面為方形或六邊形。另外，可以在單元壁的外表面上包含有包括鉑族元素或其它金屬元素及其氧化物的氧化型催化劑。優選地，根據本發明的改進的柴油發動機的顆粒收集過濾器結構具有1-50μm的平均孔徑。當平均孔徑小於1μm時，過濾器由於顆粒的積聚很容易阻塞。當平均孔徑大於50μm時，則不可能收集到小顆粒，於是降低了收集效率。優選地，根據本發明的改進的柴油機發動機顆粒收集過濾器結構具有30-70％的孔隙率。如果孔隙率小於30％，過濾器變得非常密集，於是排出物不可能從其中通過。如果孔隙率大於70％，就會形成大量的孔，於是強度和顆粒收集率就會不利地降低。
將要設置於柴油發動機中的根據本發明的柴油發動機顆粒收集過濾器結構可以解決由壓力損失帶來的傳統問題。因此，有可能避免由於過應變作用在機械控制的柴油發動機上引起的以下問題工作狀態和燃料消耗率惡化，操作方便性降低，及在最差的情況下，發動機停止工作。
圖1示意性示出了一種排出物淨化裝置；圖2為圖1所示的排出物淨化裝置的主要部件的剖視圖；和圖3為裝配有根據本發明過濾器結構的淨化裝置的主要部件的剖視圖；圖中主要部件的參考標記的說明1排出物淨化裝置 2柴油發動機3總管 4支管部件5總管主體 6，7排氣管
8外殼9過濾器結構9a進入端 9b流出端10絕熱體 12通透單元13單元壁 14密封劑15密封單元 16敞開單元具體實施方式
圖3為具有根據本發明的過濾器結構的外殼的剖視圖。
在圓柱形的過濾器結構中，排出物進入圓柱形過濾器結構的一端完全敞開，並且排出物從中流出的圓柱形過濾器結構的另一端部分密封。多個通透單元12由密封單元15和敞開單元16組成。所有通透單元在其進入端敞開。半數通透單元在其流出端由密封劑14密封，並且剩餘的一半通透單元在其流出端敞開。敞開單元16和密封單元15以基本相等的數量設置，並且敞開單元可以與密封單元相鄰排列，從而其在過濾器結構的橫截面中形成棋盤狀圖案。作為選擇，敞開單元可以環繞著過濾器結構中心排列成圓，並且所述圓在過濾器結構的橫截面中同心排列。或者，敞開單元可以不對稱地排列在過濾器結構的橫截面中。因此，當過濾器結構為圓柱形時，敞開單元和密封單元可以在過濾器結構的橫截面中以不同的半圓形排列。此外，每一個單元在截面上可以是方形或六邊形。本發明的過濾器結構可以包含燒結體，如碳化矽、氮化矽、矽鋁氧氮陶瓷、氧化鋁、堇青石或多鋁紅柱石。優選地，氧化型催化劑層可以形成於單元壁層上。排出物中包含的HC和CO可以由氧化型催化劑層氧化和淨化。氧化型催化劑層在氧化和淨化過程中產生熱量，由此很容易升高根據本發明的過濾器結構的溫度。圖3示出了單個過濾器結構，但是不用說，多個顆粒收集過濾器結構可以沿排出物的流動方向以5mm的間隔排列。
接下來將對使用碳化矽燒結體的顆粒收集過濾器結構的生產過程進行說明。
首先，製備在擠制步驟中用作原料的陶瓷漿料，並且製備在密封步驟中用於形成密封單元的密封膏。
將預定量的有機粘結劑和水與碳化矽粉末混合併揉捏以製備陶瓷漿料。將有機粘結劑、潤滑劑、增塑劑和水與碳化矽粉末混合併揉捏以製備密封膏。
將陶瓷漿料供入擠壓機中，並且使用模具連續擠壓以製備具有預定形狀截面的第一擠出物，所述第一擠出物包括多個具有敞開進入端和流出端的單元。用密封膏將擠出的第一過濾器的一半的敞開單元流出端密封。密封單元可以與敞開單元相鄰排列，從而其在過濾器結構的橫截面中形成棋盤狀圖案。作為選擇，密封單元可以排列成圓，並且所述圓在過濾器結構的橫截面中同心排列，並且敞開單元可以沿過濾器結構的圓周排列。或者，密封單元和敞開單元可以在過濾器結構的橫截面中以不同的半圓形排列。將溫度和時間設定為預定值，並且進行燒結，由此產生由多孔碳化矽燒結體構成的顆粒收集過濾器結構。催化劑層可以通過下面步驟形成。將氧化物粉末或複合氧化物粉末與粘結劑組分(如氧化鋁溶膠)和水混合製備漿料。漿料沉積在過濾器的單元壁上，然後進行燒結。可以使用具有代表性的浸漬法使漿料沉積在單元壁上。可以在催化劑層中包含催化劑組分，所述催化劑組分能夠通過催化反應減少NOx並且促進PM的氧化。優選地，催化劑層中包含選自包括鉑族貴重金屬，如Pt、Rh和Pd的組中的一種或多種。
下面將對顆粒的捕集進行簡單的說明。
排出物通過外殼的上遊端進入容納在外殼8中的過濾器結構9。排出物流經第一排氣管6進入所有帶有敞開進入端的單元中。隨後，排出物沿著單元壁13流動，由密封單元15的密封端阻擋，並且通過敞開單元16的敞開端流出。排出物中包含的顆粒被捕集在密封單元15中，並且淨化的排出物通過第二排氣管7排出。此外，當過濾器內部溫度達到預定值時，藉助於催化劑，捕集的顆粒被點燃並燃燒。同時，流入具有與密封單元相同的截面面積的敞開單元中的排出物通過過濾器，而不產生壓力損失，由此防止了過應變作用在柴油發動機上。
權利要求
1.一種用於柴油發動機的顆粒收集過濾器結構，所述過濾器結構包括多個軸向規則排列於其中的通透單元，其中，所述通透單元由薄的單元壁隔開，半數的通透單元在其流出端由密封劑密封，並且剩餘的一半通透單元在其流出端敞開。
2.根據權利要求1所述的顆粒收集過濾器結構，其中，具有敞開流出端的敞開單元及密封流出端的密封單元交替排列，從而所述敞開和密封單元在所述過濾器結構的橫截面上形成棋盤狀的圖案。
3.根據權利要求1所述的顆粒收集過濾器結構，其中具有密封流出端的密封單元排列成圓，所述圓在過濾器結構的橫截面中同心排列。
4.根據權利要求1所述的顆粒收集過濾器結構，其中具有密封流出端的密封單元排列在由過濾器結構橫截面的中心線劃分的兩部分中的任一部分中。
5.根據權利要求1-4之一所述的顆粒收集過濾器結構，其中每一個通透單元的橫截面為方形或六邊形。
全文摘要
本發明公開了一種柴油發動機顆粒收集過濾器結構。所述過濾器結構包括多個軸向規則排列其中的通透單元。所述通透單元由薄單元壁隔開。半數的通透單元在其流出端由密封劑密封，並且剩餘的一半通透單元在其流出端敞開。過濾器結構設置在柴油發動機中，以解決由於壓力損失引起的傳統的問題。有可能避免由於過應變作用在機械控制的柴油發動機上而引起的以下問題工作狀態和燃料消耗率惡化，操作方便性降低，及在最差的情況下，發動機停止工作。
文檔編號B01J35/04GK1853034SQ200480026612
公開日2006年10月25日 申請日期2004年7月14日 優先權日2004年4月30日
發明者韓賢植, 裴宰皓, 李泰旴 申請人:喜星恩格爾哈德公司