炭烟过滤器 |
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| 申请号 | CN201020273491.4 | 申请日 | 2010-07-27 | 公开(公告)号 | CN201786420U | 公开(公告)日 | 2011-04-06 |
| 申请人 | 福特环球技术公司; | 发明人 | 张小钢; | ||||
| 摘要 | 本实用新型提供一种用于去除 发动机 排气中的炭烟的炭烟 过滤器 。该炭烟过滤器包括：进气口；放置为与进气口相对的排气口；第一瓦楞层，其具有从进气口延伸到排气口并与第一方向对准的第一组平行棱线；以及第二瓦楞层，其具有从进气口延伸到排气口并与第二方向对准的第二组平行棱线。所述第二方向与所述第一方向相互倾斜，其中第一组平行棱线沿从进气口到排气口的整个路线成倾斜 角 度。这样，可以提供多种流动路线以增大微粒捕集。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于去除发动机排气中的炭烟的炭烟过滤器，其特征在于，该炭烟过滤器包括： |
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| 说明书全文 | 炭烟过滤器技术领域背景技术[0002] 机动车辆排气系统可以包括炭烟过滤器，其用来捕集发动机排气中的炭烟及其他微粒。该炭烟过滤器可以支持一个再生阶段，在此阶段过滤器中所捕集的炭烟通过燃烧而被消灭。这样，炭烟过滤器的持续捕集能力就可以在需要时恢复。特别是当炭烟过滤器被配置用来去除柴油发动机排气中的微粒以及由柴油发动机排气再生时，本文所述的炭烟过滤器可以被称为“柴油机微粒过滤器”(DPF)。 [0003] 炭烟过滤器可以包括陶制基片或金属基片。陶制基片可以具有聚集所捕集的微粒的穿孔壁；这种配置实现了高捕集效率，但为实现再生就需要周期性暴露于高温排气流。这种情况降低了燃料经济性并可以使排放控制整体复杂化，尤其是当涉及氮氧化物(NOX)排放物时。另一方面，金属基片呈现许多相对长的流动通道，其用来聚集所捕集的微粒；这种配置可能导致低捕集效率，但可以在较低温度下再生，甚至是在发动机正常工作条件下再生。 [0004] 已知的是炭烟过滤器的多种配置。在一个示例中，美国专利6,582,490描述了一种排气后处理过滤器的雏形，其具有从进气口延伸至排气口的多个平行流动通道。在另一个示例中，美国专利申请2007/0128089描述了一种具有平行的进气通道层的微粒过滤器，该进气通道层堆叠在平行的排气通道交替层中，其中进气通道定向为与排气通道垂直。在此示例中，进气通道层和排气通道层通过多孔板分隔开。实用新型内容 [0005] 然而，本发明人在此意识到上述引用比对文件中公开的通道排列方式可能无法为提高金属基片炭烟过滤器的捕集效率提供最有效的流动几何结构。本实用新型用于解决上述一些问题。因此，一个实施例提供了用于从发动机排气中去除炭烟的炭烟过滤器。该炭烟过滤器包括进气口；置于进气口对面的排气口；第一瓦楞层，其具有从进气口延伸到排气口且与第一方向对准的第一组平行棱线；以及第二瓦楞层，其具有从进气口延伸到排气口且与第二方向对准的第二组平行棱线。在这个实施例中，第二方向与第一方向相互倾斜，其中第一组平行棱线沿从进气口到排气口的整个路线成倾斜角度。 [0006] 按照另一个方面，提供了一种用于从发动机排气中去除炭烟的炭烟过滤器。该炭烟过滤器包括进气口；放置为与所述进气口相对的排气口；第一瓦楞层，其具有从进气口延伸到排气口且与第一方向对准的第一组平行棱线；以及第二瓦楞层，其具有从进气口延伸到排气口且与第二方向对准的第二组平行棱线。第二方向与第一方向相互倾斜，其中第一组平行棱线沿从进气口到排气口的整个路线成倾斜角度。 [0007] 按照再一个方面，提供了一种系统。该系统包括发动机；配置为从发动机接收排气并包括第一催化剂的排气系统，所述第一催化剂用于降低排气中的污染物浓度；以及连接在排气系统中的炭烟过滤器，该炭烟过滤器包括进气口；放置为与所述进气口相对的排气口；具有从进气口延伸到排气口并与第一方向对准的多条笔直、平行棱线的第一瓦楞层；以及具有从进气口延伸到排气口并与第二方向(与第一方向相互倾斜)对准的多条笔直、平行棱线的第二瓦楞层。 附图说明 [0008] 图1示意性地显示了根据本实用新型实施例的包括炭烟过滤器的示例性系统的多个方面。 [0009] 图2示意性地显示了根据本实用新型实施例的两个示例性炭烟过滤器的外部配置。 [0010] 图3显示了根据本实用新型实施例的箱形炭烟过滤器的多个方面。 [0011] 图4显示了表明排气流变化的液压区域作为通过根据本实用新型实施例的箱形炭烟过滤器的距离的函数的图示。 [0012] 图5图解说明了通过根据本实用新型实施例的一种示例性情况的箱形炭烟过滤器的排气流模式的多个方面。 [0013] 图6示意性地显示了根据本实用新型实施例的两种示例性炭烟过滤器的进气口。 具体实施方式[0014] 现在以示例的方式并参考特定的说明性实施例来描述本实用新型的主题。在两个或更多个实施例中可能基本相同的部件被同等地标识并以最少的重复进行说明。然而，需要注意的是在本实用新型的不同实施例中同等地标识的部件可能存在至少部分的差异。需要进一步注意的是包括在本实用新型中的附图是示意性的。图解说明的实施例的视图一般不按比例绘制；纵横比、特征尺寸以及特征数量可能有意地失真以便更容易看清选定的特征或关系。 [0015] 图1显示了将在以下进一步说明的包括炭烟过滤器12的示例性系统10的多个方面。该系统包括发动机14，其中多个燃烧室16分别连接到进气歧管18以及排气歧管20。在燃烧室中，燃烧可以在任何变型中通过火花点火和/或压缩点火开始并维持。进一步地，发动机可以被配置为消耗多种燃料中的任意燃料：汽油、酒精、柴油、生物柴油、压缩天然气等。该燃料可以通过直接喷射、端口喷射或它们的任意组合而提供到燃烧室。 [0016] 系统10被配置为提供压缩空气到发动机14。空气经由空气净化器22进入系统并流动至压缩机24。该压缩机实际上可以是任意类型的空气压缩机，例如增压压缩机或电驱动压缩机。如图1所示实施例中，该压缩机为与涡轮26机械连接的涡轮增压压缩机，该涡轮由来自排气歧管20的排气驱动。经压缩后，进气在流向节流阀30途中在中间冷却器28中冷却。该中间冷却器可以是配置为冷却进气以求理想燃烧性能的任何适宜的热交换器。在图示实施例中，设置旁通阀32以通过引导被压缩的进气返回增压压缩机的进气口，从而可以按要求降低节流阀上游的进气压力。 [0017] 如上所述，来自排气歧管20的排气流到涡轮26从而驱动该涡轮。当需要减小涡轮转矩时，一部分排气可能会被引导通过绕行该涡轮的废气门34。来自涡轮和废气门的混合流体而后流经包括炭烟过滤器12的多个排气后处理装置36。在本实用新型的不同实施例中，该排气后处理装置的数量、性质以及排布是变化的。一般来说，该排气后处理装置将包括至少一种催化剂，其配置为降低排气流中污染物的浓度。在一个示例中，在排气流稀薄时，催化剂可以配置为从排气流中捕集氮氧化物(NOX)，而当排气流富集时，该催化剂可以配置为还原被捕集的氮氧化物(NOX)。在其他示例中，催化剂可以配置为打乱氮氧化物(NOX)的比例，或是借助于还原剂有选择地还原氮氧化物(NOX)。在其他示例中，催化剂可以配置为氧化排气流中残余的碳氢化合物和/或一氧化碳。具有任何此类功能的不同催化剂可以被单独或共同布置在载体涂料中或排气后处理装置的其他部分中。 [0018] 在一些实施例中，炭烟过滤器12可以被安装在多个排气后处理装置36的上游位置处。如果该炭烟过滤器无需定期的高温排放就可以再生，那么它就可以被安装在上游位置，所述高温排放可以使例如以上所述的催化剂等下游排气系统部件退化。在一个实施例中，该炭烟过滤器可以通过发动机排气持续再生，即在发动机运行条件下再生，该运行条件导致排气大于相对较低的第一最小再生温度(例如，无后喷射等)，与此形成对比的是在周期性再生阶段中，排气流中提供了额外的热量和/或未燃烧的燃料，从而使排气温度升高到大于相对较高的最小再生温度。 [0019] 仍如图1所示，自排气后处理装置36流过的部分排气可以经由消声器、尾管等释放到大气中。然而，排气的剩余部分进入EGR(排气再循环)导管38并流到EGR冷却器40。该EGR冷却器可以是配置为冷却排气至适于混入进气中的温度的任意适当的热交换器。 [0020] 图1中所示的特定实施例包括配置为抽吸来自EGR导管38的排气并将其混入进气中的喉管装置42。可用于混合的排气量由EGR阀44调节。新鲜进气与排气的混合物被相应地提供到压缩机24的进气口并在压缩机中压缩，并在冷却后被供给到节流阀30的上游。 [0021] 在一些实施例中，节流阀30、旁通阀32、废气门34以及EGR阀44中的一些或全部可以是配置为在电子控制系统的命令下关闭和开启的电控阀。进一步地，一个或更多个此类阀可以是可连续调节的。相应地，图1示出了电子控制系统46，其可以是安装有系统10的任何车辆电子控制系统。该电子控制系统可以可操作地连接到每个电控阀，并被配置为按需要命令这些阀的开启、关闭和/或调节，以便执行适当的控制功能。为此目的，所述电子控制系统还可以可操作地连接到遍布图示说明的系统布置的多种传感器，如温度传感器、踏板位置传感器、压力传感器等。 [0022] 应该理解的是，系统10代表了包括下文将深入阐述的炭烟过滤器的众多预期的发动机系统实施例中的一种。其他的实施例可能因为省略了某些部件(如EGR部件、涡轮增压器部件等)和/或因为包含了图1中未显示的其他部件而与图示系统不同。 [0023] 图2示意性地显示了两个示例性实施例中炭烟过滤器12的外部配置。该图特别显示了箱形炭烟过滤器12A以及圆柱形炭烟过滤器12B。箱形炭烟过滤器包含进气口48A以及排气口50A，它们可以是矩形的，或箱形炭烟过滤器可以包含至少一条笔直的外围边缘。同样的，该圆柱形炭烟过滤器包括可以具有整体或部分圆形边缘的进气口48B以及排气口 50B。两个图示实施例中，炭烟过滤器从进气口到排气口的长度被表示为FL。应该理解，各种其他外部配置的炭烟过滤器已被本实用新型涵盖。 [0024] 图3显示了一个示例性实施例中的箱形炭烟过滤器12A的多个方面。该图特别显示了第一瓦楞层52，该层具有由进气口48A延伸到排气口50A且与第一方向A对准的多条笔直、平行的棱线(例如棱线54)。该图还显示了第二瓦楞层56，该层具有由进气口延伸到排气口且与第二方向B对准的多条笔直、平行的棱线(例如棱线58)，第二方向B与第一方向A相互倾斜。如图3进一步所示，第一瓦楞层的棱线与第二瓦楞层的棱线沿从进气口到排气口的整个路线成倾斜角度。因此，图示的实施例未提供沿从进气口到排气口的最短(直线)路线的流动通道。图3所示实施例中，第一瓦楞层52与第二瓦楞层56是可堆叠的，并且相应地，如图中所示第一瓦楞层堆叠在第二瓦楞层之上。应该理解，图中所示第一及第二瓦楞层可以在被布置在箱形炭烟过滤器12A中的多个叠置层之间。因此，第一瓦楞层可以处于具有与第一方向对准的棱线的第一组瓦楞层之中，而第二瓦楞层可以处于具有与第二方向对准的棱线的第二组瓦楞层之中。相应地，第一组中的每个瓦楞层都可被直接堆叠在第二组中的瓦楞层之上。图3所示实施例中，第一及第二瓦楞层是可堆叠的，因为每层的棱线均对准由棱线高度H间隔开的两个平行的平面。因此，箱形炭烟过滤器可以包含相互堆叠于其上的多个瓦楞层，这样所有棱线均对准相互平行的平面。然而，在其他的实施例中，即使棱线未对准相互平行的平面，瓦楞层也可以是可堆叠的(见下文)。 [0025] 在一些实施例中，箱形炭烟过滤器12A的各个瓦楞层可由被弯折以提供理想瓦楞基片的金属片形成。在其他的实施例中，瓦楞层可以由任意其他适当的耐热材料通过模制、挤压或任意其他适当的工艺形成。理想的瓦楞基片成型之后，催化剂的载体涂料可通过喷涂、浸渍涂布、电解或任意其他适当的工艺提供到瓦楞层。该催化剂的载体涂料可以包含氧化催化剂，该氧化催化剂可以使发动机排气中炭烟的氧化反应处于适宜的低温状态，包括柴油发动机的正常排气温度。因此，该载体涂料可包含DPF载体涂料。 [0026] 为了图解说明的目的，箱形炭烟过滤器12A中各种量度在图3中标明。这些量度包括：棱线高度H、通道长度CL、通道间距P、棱线曲率半径R以及层偏置角Θ，该偏置角是与方向A对准的射线和与方向B对准的交叉射线之间的夹角。此外，如图3所示，每条通道的前方开放区域OFA被定义为进气口平面中第一及第二瓦楞表面间的阴影区域。在进气口斜向于进气气流的方向的实施例中，OFA可以被定义为两个瓦楞表面间阴影区域在正交于进气流方向的平面中的几何投影。 [0027] 应该理解，图3是以示例性的方式绘制的，未施加对方向A或B的特别限制。因此，层偏置角Θ的各个范围都被本实用新型涵盖。例如，在一个实施例中，Θ可以是10度到80度之间的任意角度。而在另外的实施例中，Θ可以是30度到60度之间的任意角度。 [0028] 图4显示了表明排气流变化的液压区域作为通过箱形炭烟过滤器12A的距离的函数的图示。该图示包含，当取值为60时，液压区域相对于从进气口48A沿箱形炭烟过滤器的长度方向(例如，从进气口到排气口的直线)的距离的曲线图。对于在此方向上的排气流来说，最大液压区域出现在进气口并遵循周期函数。当排气流从进气口至排气口通过过滤器时，液压区域减小并在标记为S的一系列交错点中的每个交错点处达到零。当排气继续流向排气口时，液压区域增大，并在两个相邻交错点间的每个中间点处达到最大值。 [0029] 图4还显示了当取值为62时，液压区域相对于沿任意给定流动通道在方向A或B上的距离的曲线图。在此方向上关于流动的液压区域同样在进气口48A处达到最大值且遵循周期函数，在标记为HS的一系列半交错点中的每个点处减小到最大值的一半。当排气继续流向排气口时，液压区域增大，并在两个相邻半交错点间的每个中间点处达到最大值。 [0030] 基于图4所示特性，箱形炭烟过滤器12A内的排气流速永远不会是恒定的，不管是在长度方向上或是在任意给定通道方向上。当流经通道的排气碰到减小的液压区域时，该排气趋向于横跨入液压区域更大的通道。这种行为导致了如图5所示的具有细长流动路线的复杂流动模式。细长流动路线连同发动机排气经过滤器的更长停留时间，可以使本文所述的微粒捕集相对于缺少本实用新所述倾斜的瓦楞层的创造性结构的炭烟过滤器更具效率。进一步地，由图4明显看出，排气流经过的交错点及半交错点的数量随过滤器长度FL以及层偏置角Θ的增大而增大。因此，流动路线以及停留时间可以通过改变这些参数中的一者或两者而被调节以适应特定的发动机系统及应用。 [0031] 图5说明了在一个示例性情况下经过箱形炭烟过滤器12A的排气流的模式的多个方面。当排气沿通道方向(A或B)流经通道进气口时，半交错点附近通道的减小的液压区域致使排气溢出相邻通道的棱线。与此相类似，箱形炭烟过滤器长度方向上的排气流被迫绕过每个交错点，因此偏离长度方向并且增加其流经过滤器的有效路线长度。 [0032] 图4及图5所示的流动特性说明了当发动机排气通过箱形炭烟过滤器12A时，虽然第一排气流的横截面在第一区域范围(例如在OFA/2与OFA之间)内周期性变化，但第一排气流可以在第一方向(方向A或B)上通过炭烟过滤器。同时，虽然第二排气流的横截面在第二区域范围(如0与OFA之间)内变化，但第二排气流可以在第二方向(例如，与第一方向相互倾斜的炭烟过滤器长度方向)上通过炭烟过滤器。进一步地，第三排气流可以在炭烟过滤器中第一排气流横截面相对于OFA减小的区域中从第一排气流中转移。通过横跨瓦楞棱线并进入相邻流动通道，第三排气流可继续在第一方向上流经炭烟过滤器。以这种方式流经炭烟过滤器的发动机排气提供了通过过滤器的有利的更长的网状路线以及在炭烟过滤器内的更长的停留时间，由此提高了微粒捕集的效率。 [0033] 图6示意性地显示了箱形炭烟过滤器12A的进气口48A以及圆柱形炭烟过滤器12B的进气口48B。圆柱形炭烟过滤器的瓦楞层的基本设置实质上可以与上文所述箱形炭烟过滤器相同。此外，影响流动通道中的液压区域的因素实质上也如上文所述。然而，某些特定差异缘于两个说明性实施例的不同配置。例如，在圆柱形炭烟过滤器中，每个瓦楞层的棱线都与同心壳对准而不是与相互平行的平面对准。相应地，第一组和第二组瓦楞层可以被同心布置，并且第一组中的每个瓦楞层都可以直接布置在第二组的瓦楞层之上。进一步地，虽然箱形炭烟过滤器中的通道可以具有相同的尺寸和形状，但圆柱形炭烟过滤器中通道的尺寸和形状随着其与中心轴线距离的变化而变化。特别是上文定义的棱线间距P，其可以自中心轴线向外增大，以便相邻层的棱线可以在进气口处保持相互之间的对齐。 [0034] 最后，应该理解的是，本文所述的制品、系统以及方法实质上是可效仿的，并且这些特定的实施例或示例不应被视为限制意味，因为各种变型是可预期的。因此，本实用新型包括本文所公开的各种系统和方法的所有新颖和非显而易见的组合以及子组合及其任意和全部等价物。 |
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