設(shè)計成具有通道結(jié)構(gòu)的壁流式過濾器的微粒過濾器的制造方法
【專利說明】設(shè)計成具有通道結(jié)構(gòu)的壁流式過濾器的微粒過濾器
[0001]本發(fā)明涉及一種設(shè)計成具有通道結(jié)構(gòu)的壁流式過濾器的微粒過濾器，用于分離在內(nèi)燃機廢氣中攜帶的微粒、尤其炭黑微粒，該微粒過濾器具有配備多個由過濾器壁圍成的過濾器通道的基底，并且具有至少一條支路，該支路用于提供從基底流入側(cè)到流出側(cè)的流通性或流通路徑，而不必流經(jīng)過濾器壁。
[0002]為減少內(nèi)燃機、例如柴油發(fā)動機的排放，在這種內(nèi)燃機的廢氣線路中接入微粒過濾器。該微粒過濾器用于分離在內(nèi)燃機廢氣中攜帶的微粒、尤其炭黑微粒。在此，人們通常努力，盡可能完全地抑制炭黑微粒排放，因此在許多情況下微粒過濾器設(shè)計成整體過濾器(Vollfilter)。這種整體過濾器是壁流式過濾器，也就是說:待過濾的介質(zhì)(此處為攜帶微粒，即炭黑微粒的廢氣)必須流經(jīng)過濾器壁的過濾器，以便從基底的流入側(cè)到達流出側(cè)(凈化側(cè))上。這種微粒過濾器的基底包括多個相互平行延伸的、被過濾器壁包圍的過濾器通道。廣泛使用陶瓷材料作為材料。在本過濾器中，過濾器通道根據(jù)蜂窩的類型分別通過過濾器壁相互分離并且交替地在流入側(cè)或流出側(cè)封閉。微粒整體過濾器也已知由燒結(jié)金屬材料制成。
[0003]這種微粒過濾器設(shè)計成，使得通過它即使在炭黑積累越來越多時廢氣背壓或廢氣回壓也不會升高太大。因為這個原因所以要求，這種基底在炭黑足夠多地載入時進行再生。在這種再生過程中，積累的炭黑被氧化，從而也反應(yīng)為被控制的炭黑氧化皮(Ru β abbrand)。這種再生可以被動地并因此在達到一定的炭黑溫度時自動地或主動控制地進行。在被動再生時，給積累在流入側(cè)上的炭黑輸入N02，由此能夠?qū)崿F(xiàn)在更低的溫度時炭黑的氧化。為了滿足前述要求，將這種微粒過濾器或其基底設(shè)計成，使得它們具有相對較小的一般僅在5 μπι至15 μm之間的孔徑和不大于50%的孔隙度。此外，設(shè)計基底，以便基于未加載的基底，將過濾過程盡可能迅速地調(diào)節(jié)為表面過濾。在至少很大程度地發(fā)生表面過濾之前，處于過濾器壁中的孔必須已添加一些炭黑，由此，有效的孔隙度相對基底的孔隙度再次減小。在深度過濾的持續(xù)時間以內(nèi)，通過這種過濾器仍然不能實現(xiàn)期望的大于98%的分離度。因此，人們努力，將這種微粒過濾器設(shè)計成，使得該微粒過濾器快速地進入其表面過濾狀態(tài)。
[0004]對于一些應(yīng)用，不要求完全地減少炭黑排放。在這些應(yīng)用中，有時足夠的是，內(nèi)燃機的炭黑排放量減少了 50%或僅20%至25%。
[0005]為此目的，開發(fā)所謂的部分過濾器。部分過濾器具有以期望的量級的最大額定分離度。這意味著，這種過濾器可以截獲內(nèi)燃機廢氣中攜帶的微粒，尤其是炭黑微粒的與分離度相應(yīng)的份額。部分過濾器可以設(shè)計成壁流式過濾器。在這種情況下，采用用于整體過濾器的基底并且該基底通過不同的措施構(gòu)造一條或多條、一般許多的支路通道。支路通道提供從基底的流入側(cè)向流出側(cè)的流通性或流通路徑，而廢氣不必流經(jīng)過濾器壁。通過將在流出側(cè)被封閉的過濾通道與一個或多個流出側(cè)開口的過濾器通道連接來設(shè)置這種支路?？赏ㄐ兄返目闪鹘?jīng)的橫截面設(shè)計用于一定份額的廢氣流未過濾地流經(jīng)它。根據(jù)可通行支路的可流經(jīng)的橫截面確定可通過這種部分過濾器實現(xiàn)的分離度。
[0006]除了這種設(shè)計成壁流式過濾器的微粒部分過濾器也已知這種微濾部分過濾器，其中，過濾僅通過從過濾器壁旁邊流過的廢氣的壁沉積(Wandablagerungen)實現(xiàn)。一般，這種過濾器壁配有例如金屬毛氈或類似類型的捕獲結(jié)構(gòu)。
[0007]即使通過這些已知的過濾器類型可以實現(xiàn)具有不同分離度的部分過濾器，也會期望改善這種設(shè)計為壁流式過濾器的部分過濾器的構(gòu)造。此外期望的是，可以減小這種過濾器的重量或其基底的重量。恰好在汽車結(jié)構(gòu)中人們努力的目標是，盡可能節(jié)省重量。
[0008]因此基于這些討論的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，建議一種設(shè)計成壁流式過濾器的微粒過濾器作為部分過濾器，該部分過濾器不僅允許它具有更大的設(shè)計自由度，而且還優(yōu)選具有更小的重量。
[0009]該技術(shù)問題按本發(fā)明通過開頭所述的、按本發(fā)明類型的微粒過濾器解決，其中，基底的過濾器壁具有在約55%到約75%之間的孔隙度以及在約20 μπι到35 μπι之間的孔徑。
[0010]在設(shè)計成部分過濾器的微粒壁流式過濾器中，采用基底，該基底具有比傳統(tǒng)基底的孔隙度明顯更高的孔隙度。此外，按本發(fā)明的基底的孔徑同樣明顯大于在傳統(tǒng)使用的基底的孔徑。因此，由基底制造的微粒部分過濾器的特性已經(jīng)引入基底的此設(shè)計中。明顯更高的孔隙度和同樣明顯更大的孔徑允許由這種基底形成的過濾器壁更低阻力的通行性。因此，在按本發(fā)明的設(shè)計方案中，對于設(shè)計成具有通道結(jié)構(gòu)的壁流式過濾器的部分過濾器，深度過濾效果保持明顯更長時間?？赏ㄐ兄返淖杂蓹M截面因此可以相對已知的設(shè)計成壁流式過濾器的微粒部分過濾器尺寸設(shè)計得更小。結(jié)果，這在相同的基底體積中導(dǎo)致分離度效率的提高。同時，由于該基底相對已知基底明顯更高的孔隙度，很大程度地減小了按本發(fā)明基底的重量。
[0011]在孔隙度為60%到70%之間的時，可以提高這種微粒部分過濾器的分離度。
[0012]按一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案，基底的過濾器壁的孔隙度為約65%，而孔徑優(yōu)選不大于30 μ m，尤其是約22 μ m。
[0013]除了孔隙度和孔徑外，令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，在基底的直徑與長度比例為1到1.5之間，尤其是約1.4時，設(shè)計成壁流式過濾器的微粒部分過濾器對于所述目的特別有效。這意味著，該基底相比傳統(tǒng)的基底設(shè)計得短很多，這主要帶來的優(yōu)點是在再生時有利于基底耐熱性。若期望或需要更大的基底總長度，可以容易地在廢氣方向上串聯(lián)多個這種基底以便提高總分離度。在這種情況下，在本實施方式的范圍內(nèi)，多個基底總體上也與概念“微粒過濾器”有關(guān)。
[0014]相比整體過濾器，在用已述設(shè)計標準設(shè)計部分過濾器時表明，在一個基底或多個基底參照發(fā)動機尺寸或待凈化的廢氣質(zhì)量流具有更小的直徑時，部分過濾器特別有效地工作。除了這種微粒部分過濾器的其他設(shè)計標準外，基底的直徑會影響流經(jīng)基底的廢氣的流動速度。太大的流動速度(即直徑相對小的基底)會導(dǎo)致，支路通行性表示相對高的流動阻力，使得分離度高于必要的情況。此外設(shè)想，在較高的流經(jīng)速度情況下，通過過濾器壁的轉(zhuǎn)向并不可以理想地實施。相反若流動速度太小(即基底的直徑較大)，則導(dǎo)致廢氣優(yōu)選流過可通行支路并且不可以實現(xiàn)期望的分離度。因此優(yōu)選微粒過濾器的至少一個基底的直徑與待凈化的廢氣的體積流匹配并因此與發(fā)動機尺寸匹配。
[0015]這種微粒部分過濾器的分離度也由過濾器通道密度確定。這個也與細胞密度有關(guān)的特征優(yōu)選在約180cpsi到約225cpsi(cps1:每平方英寸的孔數(shù))之間。特別有效的微粒部分過濾器在考慮已有設(shè)計標準的情況下具有約200cpsi。
[0016]因此，在設(shè)計基底時已可以考慮用于基底用途的過濾器通道密度。若過濾器通道密度更小，則已表明，通過過濾器壁的流動速度比較高并因此減小在設(shè)計這種微粒部分過濾器時期望的深度過濾并因此降低分離度。此外，支路通行性的橫截面還相對較大。在更高的細胞密度時，支路通行性的橫截面相對較小。此外已表明，隨后在過濾器壁中僅更多地發(fā)生次級的深度過濾，這導(dǎo)致僅在表面上快速積累炭黑。
[0017]在這樣設(shè)計的微粒部分過濾器中，由于期望的深度過濾效果主要也利用過濾器壁來過濾出在廢氣流中攜帶的微粒。已證實壁厚在0.3mm到0.7mm之間，尤其是約0.4mm特別適合用于滿足對這種部分過濾器提出的要求。
[0018]設(shè)計成壁流式過濾器的微粒過濾器允許設(shè)計使用具有多個這種基