專利名稱：柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾器和柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾器包括纖維如金屬或者陶瓷纖維，這些是公知的。
JP2002058939描述了一種柴油機(jī)炭煙過(guò)濾器，該過(guò)濾器包括由多孔材料所形成的結(jié)構(gòu)，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)而言，沿著要過(guò)濾的廢氣的流動(dòng)方向，使過(guò)濾器的網(wǎng)眼形成得更加精細(xì)。
過(guò)濾器包括許多過(guò)濾介質(zhì)層，這些介質(zhì)層相互鄰近，對(duì)于這些介質(zhì)層而言，每層具有所限定出的網(wǎng)眼粗糙度，或者作為一個(gè)替換方式，網(wǎng)眼粗糙度在過(guò)濾介質(zhì)的深度上逐漸改變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改善下面這樣過(guò)濾器的過(guò)濾性能，該過(guò)濾器具有這種逐漸改變的網(wǎng)眼粗糙度或者過(guò)濾精度，從而當(dāng)纖維如金屬纖維或者陶瓷纖維用來(lái)提供過(guò)濾介質(zhì)時(shí)能夠過(guò)濾柴油機(jī)炭煙。
作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)包括纖維和柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，該過(guò)濾介質(zhì)具有流入側(cè)和流出側(cè)。作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)的特征在于，所述流入側(cè)和所述流出側(cè)之間的過(guò)濾介質(zhì)厚度T等于或者大于5cm，并且所述流入側(cè)上的S/V大于50m2/m3，而流出側(cè)上的S/V小于80000m2/m3，及S/V從所述流入側(cè)到所述流出側(cè)逐漸增大。
S應(yīng)該理解成體積V內(nèi)的纖維的所有覆蓋表面的總和。
在作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)的流入側(cè)上，S/V大于50m2/m3，優(yōu)選地大于100m2/m3，或者甚至大于300m2/m3。有利的是，流入側(cè)上的S/V小于1000m2/m3。
在作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)的流出側(cè)上，S/V小于80000m2/m3，優(yōu)選地小于50000m2/m3如小于30000m2/m3，優(yōu)選為小于28000m2/m3或者甚至小于25000m2/m3。有利的是，流出側(cè)上的S/V大于15000m2/m3。
作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)可以包括許多層的纖維介質(zhì)，這些層相互鄰近。每層的S/V基本上等于該層的整個(gè)體積V。使用合適的隔開裝置使這些層相互隔開，或者可以使一層與另一層相接觸。
這里所使用的術(shù)語(yǔ)“層”應(yīng)該理解成過(guò)濾介質(zhì)的體積部分，它在整個(gè)體積中基本上具有相同的性能。
S/V從過(guò)濾介質(zhì)的流入側(cè)到流出側(cè)逐漸增大。
此外，作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)可以只包括一個(gè)過(guò)濾介質(zhì)，對(duì)于該一個(gè)過(guò)濾介質(zhì)而言，S/V在介質(zhì)的整個(gè)厚度上逐漸改變。借助計(jì)算出體積V的S，可以近似地估計(jì)出S/V，其中體積V是垂直于流動(dòng)方向的過(guò)濾介質(zhì)的一部分，厚度接近0。S/V從過(guò)濾介質(zhì)的流入側(cè)到流出側(cè)逐漸增大。
術(shù)語(yǔ)“過(guò)濾介質(zhì)厚度T”應(yīng)該理解成柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)的流入側(cè)和流出側(cè)之間的最小距離。如果柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)包括許多單個(gè)的過(guò)濾介質(zhì)層，那么T應(yīng)該理解成每個(gè)單個(gè)層i的最小厚度t1的總和。T大于5cm，但是有利的是，T大于8cm，或者甚至大于10cm，如大于15cm或者甚至大于20cm。
作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)包括纖維，或者甚至由纖維組成。
優(yōu)選地，用于過(guò)濾介質(zhì)的纖維是金屬纖維，如拉成束的纖維或者刮成圈的纖維。此外，可以使用金屬棉。
根據(jù)金屬纖維所能承受的溫度范圍來(lái)選擇金屬或者鋼的合金。由300或者400系列的AlSl合金或者合金如Inconel所形成的不銹鋼纖維是優(yōu)選的。如果不得不承受高溫，那么包括Fe、Al和Cr的合金是優(yōu)選的，如Fecralloy。
最優(yōu)選的是，使包括金屬纖維的過(guò)濾介質(zhì)燒結(jié)，從而結(jié)合金屬纖維。
術(shù)語(yǔ)“覆蓋表面S的總和”定義成所有覆蓋表面或者過(guò)濾介質(zhì)的體積V內(nèi)的纖維的總和。纖維的覆蓋表面是這樣的表面該表面基本上平行于纖維的軸線。覆蓋表面可以計(jì)算為S＝L*A其中L是體積(volume)V內(nèi)的纖維長(zhǎng)度的總和；A是體積V內(nèi)的纖維的周長(zhǎng)。
提供纖維介質(zhì)的纖維的特征在于當(dāng)量直徑(D)、表面形狀和“平均長(zhǎng)度(LM)對(duì)當(dāng)量直徑”的比率(LM/D)。
術(shù)語(yǔ)“當(dāng)量直徑”表示假想圓的直徑，沿著垂直于纖維的主要軸線切割該纖維部分，該假想圓的表面與纖維部分的表面相同。用來(lái)提供作為本發(fā)明主題的過(guò)濾介質(zhì)的這些層的纖維的范圍為0.5μm到100μm，如該范圍為2μm到75μm，例如該范圍為12μm到50μm，例如25μm、35μm或者40μm。
平均長(zhǎng)度LM對(duì)當(dāng)量直徑D的比率即LM/D優(yōu)選為大于5或者10，或者甚至大于25或者50，最優(yōu)選的是大于100。
纖維的表面形狀可以在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行改變。這種形狀由纖維的徑向橫截面的幾何外形限定。例如，這可以是矩形或者正方形、圓形、三角形，或者包括合適鋸齒形部分的圓周。對(duì)于所使用的大部分纖維而言，徑向截面的形狀在纖維的整個(gè)長(zhǎng)度上基本相同。該形狀在很大程度上限定出柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)中的纖維周長(zhǎng)A。
可能的是，如果過(guò)濾介質(zhì)包括不同的層，那么這些層可以相互燒結(jié)在一起，從而把這些不同的層相互結(jié)合起來(lái)。在第一燒結(jié)周期期間，這些不同的層可以被燒結(jié)并且獨(dú)立地產(chǎn)生所需要的孔隙度。在相互疊置之后，它們?cè)诘诙Y(jié)周期期間相互被燒結(jié)。可供選擇地，不同的層可以在燒結(jié)之前相互疊置。在一個(gè)燒結(jié)周期期間，這些層被燒結(jié)并且借助該燒結(jié)操作而相互結(jié)合起來(lái)。
如果借助從卷曲板中進(jìn)行削刮來(lái)得到金屬纖維(如在WO97/04152中更加詳細(xì)地描述的那樣)，這種金屬纖維的徑向截面基本上是矩形。計(jì)算包括這些纖維的體積的S時(shí)要考慮兩側(cè)部的長(zhǎng)度。
如果借助束拉制來(lái)得到金屬纖維，那么金屬纖維的五邊形徑向截面基本上是圓形的。已發(fā)現(xiàn)，借助使用假想圓的圓周使纖維徑向截面的圓周充分接近，它的表面與纖維的徑向截面的表面相同。
借助調(diào)整介質(zhì)的孔隙度或者調(diào)整構(gòu)成介質(zhì)一部分的層的孔隙度，或者借助選擇纖維表面形狀和纖維當(dāng)量直徑來(lái)調(diào)整柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)的S/V值。
例如，所提供的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)在它的總體積上具有均勻的孔隙度。在流入側(cè)上，使用具有相對(duì)較大當(dāng)量直徑的、相對(duì)粗糙的纖維。更向著介質(zhì)的流出側(cè)，纖維的當(dāng)量直徑逐漸減小。
在這種情況下，而對(duì)于所選擇的每個(gè)體積(volume)V而言，可以得到相同重量，體積V的覆蓋表面S的總和增大了，因?yàn)楦泳?xì)的纖維具有單位纖維體積或者重量的增大纖維覆蓋表面。當(dāng)借助有選擇地選擇纖維的當(dāng)量直徑使過(guò)濾介質(zhì)的整個(gè)體積中的孔隙度相等時(shí)，可以提供作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)。
可供選擇地，借助有選擇地選擇纖維橫截面形狀，可以提供在其整個(gè)體積上具有均勻孔隙度的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)。例如，在流入側(cè)上，可以使用具有基本上是圓形的橫截面和當(dāng)量直徑d的纖維。這些纖維的橫截面的表面是π*d2/4。這些纖維的覆蓋表面是π*d*L，其中L是纖維的長(zhǎng)度。
進(jìn)一步向著過(guò)濾介質(zhì)的流出側(cè)，使用具有基本上是正方形的、具有側(cè)長(zhǎng)度的截面的纖維。a以這樣的方式進(jìn)行選擇，使a2＝π*d2/4。因此，d是這些正方形纖維的當(dāng)量直徑。這些正方形纖維的覆蓋表面(mantle surface)是4*a*L，其大于過(guò)濾介質(zhì)的流入側(cè)上的圓形纖維的覆蓋表面。
進(jìn)一步向著流出側(cè)，可以使用矩形纖維，該矩形纖維具有短邊b和長(zhǎng)邊c。以這樣的方式選擇b和c，使b*c＝π*d2/4，因此d是矩形纖維的當(dāng)量直徑。這些矩形纖維的覆蓋表面是2*(b+c)*L，其大于向上向著過(guò)渡介質(zhì)的流入側(cè)的、圓形纖維和正方形纖維的覆蓋表面。向著流出側(cè)越多，那么可以選擇邊b和c的尺寸大小，以致帶c之間的差值增大了，因此當(dāng)量直徑保持等于d。因此，纖維的覆蓋表面向著過(guò)濾介質(zhì)的流出側(cè)增大。當(dāng)在整個(gè)過(guò)濾介質(zhì)體積中孔隙度相等時(shí)，借助改變纖維橫截面的形狀使比率S/V從流入側(cè)到流出側(cè)增大。
作為另一個(gè)例子，所提供的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)在整個(gè)過(guò)濾介質(zhì)中具有相同的纖維。在流入側(cè)上，提供了較大的孔隙度，而向著流出側(cè)，孔隙度減小了。減少孔隙度意味著向著流出側(cè)在單位體積中具有更大的纖維量。由于所有纖維是相等的，因此這意味著，向著流出側(cè)在單位體積中具有更大的纖維覆蓋表面。借助有選擇地選擇孔隙度、橫截面形狀和纖維當(dāng)量直徑，可以得到作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)。
其結(jié)果是，驚奇地發(fā)現(xiàn)，作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)可以具有提高的過(guò)濾效率，該過(guò)濾效率高達(dá)85％到95％或者甚至高于99％，這個(gè)發(fā)生在一個(gè)較短的裝載時(shí)間之后。已發(fā)現(xiàn)，就氣體流過(guò)該過(guò)濾器的表面速度而言，該效率主要是由于選擇流出側(cè)上的S/V比率。
即使在較大的過(guò)濾廢氣相速度范圍內(nèi)，也能提高炭煙裝載時(shí)間和碳煙裝載量。已發(fā)現(xiàn)，如果該過(guò)濾介質(zhì)是該厚度并且逐漸地增大S/N比率，那么可以被捕獲的炭煙量主要依賴于過(guò)濾介質(zhì)本身的尺寸大小。
盡管過(guò)濾介質(zhì)的厚度T相對(duì)較高，但使壓力降最小化，因?yàn)榭梢允褂妹黠@較大的孔隙度，它的范圍為85％到99.5％，甚至是通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)更多的所有方式。
應(yīng)該理解，過(guò)濾介質(zhì)可以設(shè)置有催化劑以得到捕獲炭煙的氧化作用?？赡艿氖牵呋衔锉惶峁﹣?lái)減少?gòu)U氣中的NOx含量。在過(guò)濾介質(zhì)的整個(gè)深度上可以提供不同的催化劑。
柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)可以用來(lái)提供柴油機(jī)炭煙過(guò)濾器，該過(guò)濾器包括作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)。柴油機(jī)炭煙過(guò)濾器還可以包括其它元件，如過(guò)濾器殼體或者罐和用來(lái)再生過(guò)濾介質(zhì)以除去捕獲在介質(zhì)上的炭煙的裝置。


現(xiàn)在，參照附圖來(lái)更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1示意性地示出了作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)。
圖2示意性地示出了作為本發(fā)明主題的其它柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)。
圖3示出了下文所描述的實(shí)施例的S/V曲線。
具體實(shí)施例方式
作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)1000在圖1中示出。柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)1000具有用來(lái)過(guò)濾廢氣的流入側(cè)1001和流出側(cè)1002，該廢氣的流動(dòng)方向用箭頭1003來(lái)表示，該過(guò)濾介質(zhì)1000安裝在過(guò)濾罐1004內(nèi)。
柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)包括用1010、1020、1030、1040、1050、1060、1070、1080、1090和1100來(lái)表示的10層纖維介質(zhì)。這些層彼此鄰近地存在。在圖1中，示出了這些層安裝成彼此分開，但是這種分開對(duì)于本發(fā)明的目的來(lái)講不是重要的。可供選擇地，它們可以安裝成彼此接觸。
每層具有一厚度，該厚度用1011、1021、1031、1041、1051、1061、1071、1081、1091、1101來(lái)表示。
過(guò)濾介質(zhì)厚度T應(yīng)該理解為這些層的厚度的總和。
對(duì)于第一實(shí)施例而言，由金屬纖維組成的這些層的纖維介質(zhì)特性列在表1中。
表1

通過(guò)層厚度的Al、纖維橫截面形狀、纖維周長(zhǎng)、纖維當(dāng)量直徑、孔隙度和S/V基本上都相同。層1060、1070、1080、1090和1100被燒結(jié)。
在圖3的曲線301中可以看到逐漸增大的、過(guò)濾介質(zhì)中的位置函數(shù)的S/V。圖3中的橫坐標(biāo)31是用mm來(lái)表示的、過(guò)濾器中的實(shí)際位置到過(guò)濾器流入側(cè)之間的距離。縱坐標(biāo)32是用m2/m3來(lái)表示的、那個(gè)位置上的S/V值。
用來(lái)提供纖維介質(zhì)的金屬纖維優(yōu)選為Fecralloy或者Aluchrome合金纖維。每層設(shè)置成直徑為168mm的盤，并且插入到內(nèi)徑相同的管形的罐1004中。
在表1中所給出的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)用在柴油機(jī)中，該柴油機(jī)產(chǎn)生具有大約30g/m3炭煙顆粒的廢氣。廢氣通過(guò)過(guò)濾器的相速度大約為1.5m/s。
在5分鐘的負(fù)荷之后，柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)提供了大于85％的炭煙過(guò)濾效率。
包括10層纖維介質(zhì)的、作為本發(fā)明主題的另一種柴油機(jī)炭煙過(guò)濾介質(zhì)提供在表II中。
表II

通過(guò)層厚度的Al、纖維橫截面形狀、纖維周長(zhǎng)、纖維當(dāng)量直徑、孔隙度和S/V基本上都相同。層1060、1070、1080、1090和1100被燒結(jié)。
在圖3的曲線302中可以看到逐漸增大的、過(guò)濾介質(zhì)中的位置函數(shù)的S/V。
用來(lái)提供纖維介質(zhì)的金屬纖維優(yōu)選為Fecralloy或者Aluchrome合金纖維。每層設(shè)置成直徑為168mm的盤，并且插入到內(nèi)徑相同的管形的罐1004中。
在與表I的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)相同的環(huán)境下，對(duì)所提供的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在5分鐘的負(fù)荷時(shí)間之后，炭煙過(guò)濾效率大于90％。
作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)的另一個(gè)實(shí)施例給出在表III中。該介質(zhì)包括17層金屬纖維，所有這些纖維優(yōu)選為由Aluchrome來(lái)制成，Aluchrome是包括Fe、Cr和Al的不銹鋼合金。
表III

在圖3的曲線303中可以看到逐漸增大的、過(guò)濾介質(zhì)中的位置函數(shù)的S/V。
作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)的另一個(gè)實(shí)施例給出在表IV中。該介質(zhì)包括17層金屬纖維，所有這些纖維優(yōu)選為由Aluchrome來(lái)制成，Aluchrome是包括Fe、Cr和Al的不銹鋼合金。
表IV

作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)2000的另一個(gè)實(shí)施例示出在圖2中。
柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)2000具有用來(lái)過(guò)濾廢氣的流入側(cè)2001和流出側(cè)2002，該廢氣的流動(dòng)方向用箭頭2003來(lái)表示，該過(guò)濾介質(zhì)2000安裝在過(guò)濾罐2004內(nèi)。作為例子，在圖2中用2005來(lái)表示的厚度T為370mm。大于該厚度T時(shí)，S/V從流入側(cè)2001上的74m2/m3逐漸增大到流出側(cè)2002上的16270m2/m3。根據(jù)圖3所示的曲線304，優(yōu)選采用逐漸增大。
該過(guò)濾器設(shè)置成使用具有邊50μm和19μm的矩形橫截面的不銹鋼金屬纖維。
權(quán)利要求
1.一種柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，它包括纖維，所述柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)具有流入側(cè)和流出側(cè)，其特征在于，所述流入側(cè)和所述流出側(cè)之間的過(guò)濾介質(zhì)厚度T等于或者大于5cm，S/V從所述流入側(cè)到所述流出側(cè)逐漸增大，其中S是體積V內(nèi)的纖維的所有覆蓋表面的總和。
2.如權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述流入側(cè)上的S/V大于50m2/m3。
3.如權(quán)利要求1-2任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述流出側(cè)上的S/V小于80000m2/m3。
4.如權(quán)利要求3所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述流出側(cè)上的S/V小于30000m2/m3。
5.如權(quán)利要求1-2任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)由纖維形成。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述纖維是金屬纖維。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述流入側(cè)上的所述S/V小于10000m2/m3。
8.如權(quán)利要求1-7任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述流出側(cè)上的所述S/V大于15000m2/m3。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)包括至少兩層纖維介質(zhì)，每層中的S/V在該層的體積上基本上相等。
10.如權(quán)利要求1-9任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述過(guò)濾介質(zhì)所具有的孔隙度在所述過(guò)濾介質(zhì)的總體積上基本上相等。
11.如權(quán)利要求1-9任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述過(guò)濾介質(zhì)的所述纖維具有基本上相等的當(dāng)量直徑。
12.如權(quán)利要求1-11任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述過(guò)濾介質(zhì)的所述纖維具有基本上相等的徑向橫截面。
13.如權(quán)利要求1-12任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)，其特征在于，所述纖維所具有的當(dāng)量直徑的范圍為0.5μm到100μm。
14.一種柴油機(jī)炭煙過(guò)濾器，它包括如前述權(quán)利要求任一所述的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)。
全文摘要
作為本發(fā)明主題的柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)包括纖維、優(yōu)選為金屬纖維。柴油機(jī)炭煙顆粒過(guò)濾介質(zhì)在它的流入側(cè)和它的流出側(cè)之間具有厚度T，該厚度T等于或者大于5cm。流入側(cè)上的S/V優(yōu)選為大于50m
文檔編號(hào)F01N13/02GK1795321SQ200480014223
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者梅鋒, 埃迪·蘭伯特 申請(qǐng)人:貝克特股份有限公司