用于微粒过滤的带加强角部的单体式元件.pdf

本发明涉及用于过滤微粒的蜂巢形单体式元件(1)，其特征在于形成所述元件的外壁(7)的一部分的周边通道(8)构造成协助形成外壁(7)，外壁(7)的内面(7’)在元件(1)的整个长度上大体上平坦，并且所述平坦的壁在角部(11)处还具有厚度余量(10，10’)，使得沿着横截面，沿该元件(1)的角部(11)处的角度的二等分线测得的壁的厚度Ec和所述壁的最小厚度Emin的比值R大于1.5。

1.  一种单体式蜂巢形元件(1)，包括一组相邻的导管或通道(8，9)，该导管或通道的轴线彼此平行并被多孔壁(4)隔开，所述导管在其一端或另一端处被塞子阻塞，以限制在进气面上开口的进口导管(2)和在排气面上开口的出口导管(3)的边界，使得气体穿过多孔壁(4)，所述元件(1)其特征在于形成所述元件的外壁(7)的一部分的周边通道(8)构造成协助形成外壁(7)，该外壁的内面(7’)在该元件(1)的整个长度上大体上是平坦的，并且其中所述平坦的壁在角部(11)处还具有厚度余量(10，10’)，使得沿着横截面，沿该元件(1)的角部(11)处的角度的二等分线测量的壁的厚度E_C对所述壁的最小厚度E_min的比值大于1.5。

2.  根据权利要求1所述的单体式元件，其特征在与，在横截面中所述单体式元件的内通道壁的周期性波动允许取决于出口通道(3)而增加所述进口通道(2)的单体容积。

3.  根据权利要求1或2所述的单体式元件，其特征在于，所述外壁(4)的厚度E_min在该元件(1)的侧面的中间测量。

4.  根据权利要求1到3中任一项所述的单体式元件，其特征在于，所述厚度余量(10)从该元件的各个角部(11)开始在外壁的一部分上延伸，并且所述厚度余量在所述部分上是连续且恒定的。

5.  根据权利要求1到3中任一项所述的单体式元件，其特征在于，所述厚度余量(10’)从该元件的各个角部(11)开始在外壁的一部分上延伸，并且所述厚度余量在所述部分上是连续且递减的。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的单体式元件，其特征在于，所述厚度余量(10，10’)从该元件的各个角部开始在整个表面上延伸，该表面等于外壁的内面的整个表面的至少八分之一，优选地等于至少四分之一。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的单体式元件，其特征在于，沿该元件角部(11)处的角度的二等分线测得的外壁(7)的厚度与通道的内壁(4)的平均厚度e的比值大于2.7，优选地大于3.5。

8.  根据前述权利要求中任一项所述的单体式元件，其特征在于，沿该元件的角部处的角度的二等分线测得的壁的厚度E_c处于150微米到5000微米之间，优选地处于700微米到2000微米之间，还优选地处于1000微米到1300微米之间。

9.  根据前述权利要求中任一项所述的单体式元件，其特征在于，该元件侧面中央处的所述壁的厚度E_min处于100微米到3500微米之间，优选地处于450微米到1300微米之间，还优选地处于600微米到900微米之间。

10.  根据前述权利要求中任一项所述的单体式元件，其特征在于，该通道的内壁的平均厚度e处于100微米到400微米之间，优选地处于200微米到350微米之间。

11.  一种通过组装多个根据前述权利要求中任一项所述的单体式元件而获得的过滤器，所述元件由接缝胶泥连接到一起。

12.  根据权利要求11所述的过滤器，其特征在于，其中所述元件和接缝胶泥基于同一种陶瓷材料，优选地基于金刚砂SiC。

13.  一种挤压模，其成形为以便通过挤压陶瓷材料而形成根据权利要求1至10中任一项所述的单体式元件。

用于微粒过滤的带加强角部的单体式元件
本发明涉及微粒过滤器领域，尤其涉及用于发动机排气管路中的微粒过滤器，用于消除内燃机中由柴油燃料的燃烧所产生的炭黑。
现有技术中，用于内燃机排气中包含的炭黑的过滤系统是众所周知的。这些结构通常具有蜂巢形结构，该结构的其中一个面允许吸入要过滤的排气，而其他面排出过滤后的排气。该结构在进气面和排气面之间包括一组相邻的导管或通道，导管或通道的轴线彼此平行，由多孔的过滤壁隔开，所述导管在其一端或另一端处被阻塞，以便限定在进气面上开口的进气室和在排气面上开口的排气室的边界。为了良好的密封，该结构的周边部分常由涂层胶合剂包围。通道或导管备选地按顺序封闭，使得排气穿过蜂巢形体时被迫穿过入口通道的侧壁以进入出口通道。以这种方式，微粒或炭黑被沉积并积累在过滤器主体的多孔壁上。最通常的是，用于机动车辆排气管路中的该过滤主体由多孔陶瓷材料，例如堇青石或金刚砂制成。
在其使用期间，微粒过滤器以已知的方式经历一系列过滤阶段(积累炭黑)和再生阶段(消除炭黑)。在过滤阶段期间，由发动机发出的炭黑微粒被保持并沉积在过滤器中。在再生阶段期间，在过滤器中燃烧炭黑微粒，从而恢复其过滤特性。该多孔结构之后受到强热机械应力，这会导致微裂纹，微裂纹随着时间流逝可能导致该单元严重的过滤能力损失，或者甚至导致其完全钝化。尤其在大直径单体式过滤器中观察到此现象。具体地，在排气管路的运行中，已经观察到此类结构的中心和周边之间的温度梯度随着单体的尺寸增加而增加。
为了解决这些问题并提高过滤器的使用寿命，最近提出的过滤结构结合了若干单体式蜂巢形块或元件。这些元件常用粘合剂或陶瓷质胶合剂(在本说明书其余部分称为接缝胶泥)通过粘结而组合在一起。此类过滤结构的实例例如在专利申请EP 816 065，EP 1 142 619，EP 1455 923，WO 2004/090294或者WO 2005/063462中有描述。为了在组装好的结构中提供更好的应力释放，已知该结构各部分(过滤元件，涂层胶合剂，接缝胶泥)的热膨胀系数必须大体上为相同的级别。因此，所述部分有利地基于一种相同的材料合成，该材料常为金刚砂或堇青石。此选择也使得可能在过滤器的再生期间使热分布均衡。
为了在过滤容量不变的情况下增加所述过滤器的过滤表面，例如在专利申请WO 05/0146491中已经提出了进口通道和出口通道的形状和内部体积不同的过滤元件。在这种结构中，在横截面中并沿着通道的水平和/或垂直的行，壁元件彼此相连，以限定正弦曲线状或波浪状形状。壁元件典型地在通道的宽度上起伏半个正弦波。
为了改善具有这样的通道波状外形的元件的热机械强度，以及相应地改善由具有此特定通道形状的所述元件组装而成的过滤器的热机械强度，在WO 05/063462中已经提出了一种蜂巢形结构，其特征为两组相邻的周边通道，所述通道外壁组的平均厚度“E”和内壁组的平均厚度“e”之间的比率R大于1.2。在该申请中显示这种结构使得可能降低裂纹的风险，该裂纹尤其可能在再生期间产生局部高振幅应力时出现，尤其是由于在过滤器和用于该单体式元件和接缝胶泥的不同类型材料中存在的高温度梯度而出现。
尽管这种增加的壁厚实际上使得可能极大地改善由此类元件组装而成的过滤器的强度，但它也导致不小的过滤器重量增加，典型地该增加级别为5.5％到7.5％。
该重量增加具有增加过滤器的热惯量的缺点，这导致再生期间过量的消耗，并且当过滤器包含催化成分时，由于催化剂增加的活化(激励)时间而损害其催化效率。
本发明的基本目标是提供保持之前所述过滤器的良好热机械性能的用于形成过滤器的元件，该过滤器具有增强的壁，但其总重量被极大地降低。
更具体地，本发明涉及单体式蜂巢形元件，该元件包括一组相邻的导管或通道，导管或通道的轴线彼此平行并被多孔壁隔开，所述导管在其一端或另一端处被塞子阻塞，以限制在进气面上开口的进口导管和在排气面上开口的出口导管的边界，使得气体穿过多孔壁，其中形成所述元件外壁的一部分的周边通道构造成协助形成外壁，该外壁的内面在该元件的整个长度上大体上是平坦的，并且其中所述平坦的壁在角部处还具有厚度余量(surépaisseur)，使得沿着横截面，沿该元件的角部处的角度的二等分线测量的壁的厚度E_c对所述壁的最小厚度E_min的比值大于1.5，且优选地大于1.6，或者甚至大于1.7。
优选地，在横截面中该单体式元件具有内通道壁的周期性波动，使得可能取决于出口通道而增加所述进口通道的单体容积。
通常所述出口壁的厚度E_min在该元件侧面的中间测量。
根据本发明的一个可能实施例，所述厚度余量从该元件的各个角部开始延伸过外壁的一部分，并且所述厚度余量在所述部分上是连续而恒定的。
根据本发明的一个备选实施例，所述厚度余量从该元件的各个角部开始延伸过外壁的一部分，并且所述厚度余量在所述部分上是连续而递减的。
有利的是，根据本发明，所述厚度余量从该元件的各个角部开始延伸过整个表面，该表面等于外壁内面的整个表面的至少八分之一，优选地等于至少四分之一。
根据本发明，沿该元件角部处的角度的二等分线测得的外壁的厚度与通道的内壁的平均厚度e的比值R’例如大于2.7，优选地大于3.5。
此外，沿该元件的角部处的角度的二等分线测得的壁的厚度E_c通常处于150微米到5000微米之间，优选地处于700微米到2000微米之间，还优选地处于1000微米到1300微米之间。
同样地，该元件侧面中央处的侧壁厚度E_min有利地处于100微米到3500微米之间，优选地处于450微米到1300微米之间，还优选地处于600微米到900微米之间。
典型地，通道内壁的平均厚度e处于100到400微米之间，优选地处于200微米到350微米之间。
本发明还涉及通过组装多个上述单体式元件而获得的过滤器，所述元件通过接缝胶泥连接在一起。
有利的是，在该过滤器内，所述元件和接缝胶泥基于同一种陶瓷材料，优选地基于金刚砂SiC。
最后，本发明涉及成形为以便通过挤压陶瓷材料而形成上述单体式元件的挤压模。
通过阅读以下分别由图1至图6说明的本发明的多个实施例的描述，将会更好地理解本发明。
图1示意性地图示了根据WO 05/063462的单体式元件的横截面。
图2示意性地在横截面中呈现了根据本发明的单体式元件的角部部分。
图3图示了根据本发明的第一实施例的单体式元件的横截面，其中该元件的外壁具有在该元件的整个长度上大体上平坦的内面，所述外壁在角部还具有连续而恒定的厚度余量。
图4示意性地图示了根据本发明的第二实施例的单体式元件的横截面，其中该元件的外壁具有在该元件的整个长度上大体上平坦的内面，所述外壁在角部还具有从角部向该元件的侧面的中央连续而递减的厚度余量。
图5显示了根据本发明的第三实施例的单体式元件的横截面，其中角部的连续而递减的厚度以非线性的方式由内面处的外壁的曲率半径R₁所引起，该半径R₁大于外面的半径R₂。
图6图示了结合前述本发明的第二和第三实施例的特征的单体式元件的横截面。
根据公知技术，所有的单体式元件都有利地通过挤压例如由金刚砂制成的易碎的糊状物而获得，从而形成多孔的蜂巢形结构。
在不认为是限制性的情况下，挤压的多孔结构具有单体块1的形状，该单体块的外部形状是沿两个上游面和下游面之间的纵向轴线延伸的矩形平行六面体形状，如图1所示。其横截面大体上为正方形。主轴线平行于该块的纵向轴线的多个相邻通道2，3通向元件1的末端。
挤压的多孔结构以已知但未在图中示出的方式交替地分别在其上游面或下游面处由上游塞子和下游塞子阻塞，以分别形成出口通道3和进口通道2。各通道2或3因而限定由侧壁4限定边界的内部容积，阻塞塞子(图中未示出)放置在出口通道的上游面，或者进口通道的下游面上，而孔交替地通向下游面或上游面，使得进口通道2和出口通道3通过侧壁4而成流体连通。
之后单体式元件1以已知但未在图中示出的方式通过陶瓷质接缝胶泥(例如也基于金刚砂)的粘合而组装成过滤结构或组装的过滤器。如此构成的组件随后可机加工而具有圆形或卵形的横截面，然后例如由涂层结合剂覆盖以将其密封。此操作的结果是组装好的过滤器，该过滤器可根据公知的技术被插入排气管路。在运行中，排气流F通过进口通道2进入过滤器，然后穿过这些通道的过滤侧壁4而进入出口通道3。
对于单体式元件的结构以及组装它们以形成过滤器的更多细节，例如可参考申请WO 05/063462或者WO 05/016491。
根据在申请WO 05/063462中描述并在图1中图示的实施例，进口通道2和出口通道3的组彼此嵌套，以便在横截面中形成棋盘形图案，其中所述进口通道与所述出口通道沿向上的方向(方向y)并沿宽度方向(方向x)交替。
在图1所示的实施例中并根据本发明，进口通道2的横截面不同于出口通道3的横截面。因此，进口通道2的横截面大于出口通道3的横截面，以便取决于出口通道而增加进口通道的单体容积。各单个元件1的炭黑存储能力因而有利地增加。
进口和出口通道因而由不平坦的壁元件4限制边界，在进口通道的侧面上凹入，而在出口通道的侧面上凸起。
优选地，壁元件在横截面中并且沿通道的水平行(沿x轴线)或垂直行(沿y轴线)彼此相连，以限定正弦曲线或波浪形形状。壁元件在通道的宽度上例如起伏大致半个正弦波。
位于元件1的周边上的通道称为周边通道8。没有任何部分形成外壁7的一部分的通道称为内通道9。
周边通道的壁4包括部分5以及内壁部分6，该部分5形成该元件的外壁7的一部分，即与元件的外侧接触，而内壁部分6与相邻的通道8或9共用。
内通道9的壁特征在于厚度e，该厚度e优选地在该元件的整个容积中大体上恒定。优选地，周边通道8的内壁6也具有此厚度e。
根据现有技术的结构其特征在于单体的加强的外壁7，该外壁7的内面7’不是平坦的，而是也具有波型的表面。该单体式元件的外周边壁7因而被材料的平均和周期性的厚度余量而增强，该材料均匀地置于所述元件的四个面上并在该元件的整个长度L上延伸，从其上游面至其下游面，如图1的横截面所示。
图2示意性地在横截面中呈现了根据本发明的单体式元件的增强的角部部分。更具体地，图2示出了角部处厚度余量E_c的不同轮廓。根据本发明，如图2所示沿角部处角度的二等分线测得的E_c与该元件外壁的最小厚度E_min的比值大于1.5。此特征有利地导致热机械强度和元件单体重量之间的更好的折衷。
如图2中所示，角部中所述厚度余量Ec可有利地由如下因素限定：
-一方面，根据该元件角部处外壁的内面的曲率半径R₁而定，
-另一方面，根据所述角部处外壁的外面的形状而定。
根据图2所示的第一实例，该元件在角部处具有外面，该外面大体上根据曲率半径R₂倒圆，在角部处限定厚度余量E_C1。根据本发明，曲率半径R₂优选地小于或等于R₁。但是在不脱离本发明范围的情况下，R₂也可大于R₁。
根据也由图2所示的第二实例，元件的角部也可具有大体上平坦的外面，典型地呈斜面形式，其限定角部的厚度余量E_C2。
如图2中所示，为了表征根据本发明的元件，还限定了壁“除角部之外”的最大厚度余量E’，即独立于与角部中的曲率半径差异相关联的增强效果。
此尺寸E’可由如下特征表征：
-或者是在所述厚度余量的整个长度d₁’上的恒定值(图2中的E’₁)。
-或者是在该厚度余量(图2中的最大值E’₂)的整个长度d₂’上的在角部方向上的持续增加而规则的变化。
根据本发明，在后一种情况中，所述厚度余量的规则的增加由位于0.5°和45°之间的角度α测量，例如位于1°和10°之间。
图3图示了本发明的第一实施例。在所有的附图中，相同类型的元件和部件由相同的参考标号表示。在此实施例中，参考图2，角度α等于0而壁的内面的曲率半径R₁等于外面的曲率半径R₂。在不脱离本发明的范围的情况下，显而易见外面或内面的倒圆的角部可用斜面替代。
单体式元件常规地包括中心部分，该中心部分的进口通道2和出口通道3具有符合申请WO 03/064132的教导的形状的横截面。根据此实施例，在横截面中并沿通道的水平或垂直行壁元件彼此连续，以限定正弦曲线形或波形形状，如图1中已示。壁元件在通道的宽度上起伏半个正弦波周期。
典型地，中心和周边部分的通道密度在6cpsi(每英寸单元数，1cpsi等于1单元/6.45cm²)到1800cpsi之间，优选地在90cpsi到400cpsi之间，即在大约14单元/cm²到大约62单元/cm²之间。
根据图3所示的实施例，该元件的外壁7具有内面7’，其在该元件的整个长度上大体上平坦。通过使用适当的挤压模，以已知方式毫无困难地获得外壁7的该构造。根据此实施例，周边通道8具有与相邻通道8或9共用的内壁6以及平坦部分5，内壁6的形状和厚度与内通道9的壁相同，部分5形成该元件的外壁7的一部分。此平坦部分5具有最小厚度E_min，例如在该元件的侧面的中间测得，比内壁的平均厚度e大一个倍数，该倍数至少等于1.2，优选地大于1.4。
根据此实施例，外壁7不仅在其内壁7’的平坦度上不同，并且还由于在该元件的角部11处存在的厚度余量10而不同。根据由图3所示的本发明的第一实施例，此厚度余量在该元件的整个长度L上延伸，并对于该元件的各个侧面从角部延伸距离d。根据此实施例，该厚度余量其特征在于在其整个长度L和整个宽度d上该厚度余量是连续而恒定的。
图4示出了本发明的第二实施例，其与前述实施例相同，但在角部11处存在的厚度余量10’在其整个长度d上不是恒定的，而是以大体上规则的方式沿该元件的侧面从角部11开始朝该侧面中间的方向减小，在角部11处厚度最大，外壁的厚度最小，如图4的横截面所示。
在不脱离本发明的范围的情况下，显而易见外面或内面的倒圆的角部可用斜面替代。
在此第二实施例中，因而角度α形成为处于0.5°和45°之间(见图2)，而参考图2限定的外壁的内面的曲率半径等于外面上的曲率半径。
图5图示了本发明的第三实施例，其中该元件在其角部处实质上增强了。该元件的角部被倒圆，并且外壁的外面的曲率半径R₂小于外壁的内面的曲率半径R₁。
图6图示了本发明的第四实施例，其中曲率半径R₂小于曲率半径R₁，并且厚度余量10’以从角部开始向侧面的中间的方向持续减小并大体上规则的方式沿宽度d在该元件的侧面上延伸，该方式类似于图4中所示的实施例的方式。
根据本发明，角部的增强优选地在该元件从上游面向下游面的整个长度L上延伸。
在角部具有倒圆形状的情况下，根据本发明，增强的宽度d被有利地确定为曲率半径R₂和R₁的函数。典型地，半径R₂和R₁选择为使得增强的宽度d处于单元的宽度的0.5倍到8倍之间，优选地处于单元的宽度的1倍到6倍之间。
形成单个元件的多孔材料优选地由在2100℃到2400℃之间的温度下再结晶的金刚砂制成。
通过阅读仅作为示例而给出的以下示例，本发明及其优点将被更好地理解。
如示例1中所述，以下示例中所有的元件都以常规的方式合成：
示例1(根据现有技术)
根据所描述的现有技术的技术，例如专利申请EP 816 065，EP 1 142 619，EP 1 455 923或WO 2004/090294，合成了由金刚砂制成的第一数量的蜂巢形状元件。
为此，在搅拌器中混合了如下成分：
-3000g金刚砂微粒的混合物，金刚砂纯度超过98％，且具有的微粒尺寸使得按重量计70％的微粒具有大于10微米的直径，此微粒尺寸部分的中间直径小于300微米。在本说明书的意义中，中间直径是指按重量计50％数量的微粒的直径都在其下的微粒直径。
-150g由纤维素提取的类型的有机粘合剂。
加入水并混合，直至获得光滑的糊状物，该糊状物的塑性允许挤压，模具构造成以便获得单体块，单体块的通道和外壁具有图1所示的波状结构，并符合申请WO 05/064132的教导。
然后将所获得的原料整块进行微波干燥足够长的时间，以使得未化学结合的水的含量重量上小于1％。
然后单体各面的通道备选地根据周知的技术阻塞，例如如专利申请WO2004/065088中所述。
然后将单体块以20℃/小时的温升烘烤，直至达到2200℃的温度级别，将该温度级别保持2小时。
所获得的材料具有47％的开孔率，以及为15μm级别的平均孔分布直径。
如此获得的该元件的结构性特征在以下表1中给出。
外壁的内面具有波状表面，使得外壁的厚度在最小544微米和最大767微米之间变化。外壁的平均厚度大约为660微米。
为了形成过滤器，之后用接合剂通过粘结将源自同一混合物的元件组装在一起，接合剂具有如下化学成分：重量占72％的SiC，重量占15％的Al₂O₃，重量占11％的SiO₂，其余由杂质构成，主要是Fe₂O₃以及碱性金属氧化物和碱性土。两个相邻块之间的接合剂的平均厚度为2mm级别。热处理后的接缝胶泥的热传导性在环境温度下为2.1W/m·K级别，并且其测得开孔率为大约38％。
然后将组件进行机加工，以便形成组装过滤器的圆柱形形状。
示例2(根据本发明)：
同样重复之前描述的合成技术，但是这次模具适于产生单体块，单体块的特征在于内通道的波状布置，外壁的内面大体上平坦，并且角部具有根据图3所示的实施例的恒定且连续的厚度余量。此示例使得可能示出一个实施例，其中α＝0而R₁＝R₂。
根据此示例获得的元件的主要结构特征在表1中列出。
示例3(根据本发明)：
同样重复之前描述的合成技术，但是这次模具适于产生单体块，单体块的特征在于内通道的波状布置，外壁的内面大体上平坦，并且角部具有根据图4所示的实施例的恒定且连续的厚度余量。此示例使得可能示出一个实施例，其中α＞0而R₁＝R₂。根据此示例获得的元件的主要结构特征在表1中列出。
示例4(根据本发明)：
同样重复之前描述的合成技术，但是这次模具适于产生单体块，单体块的特征在于内通道的波状布置，外壁的内面大体上平坦，并且角部具有根据图5所示的实施例的厚度余量。此示例使得可能示出一个实施例，其中α＝0而R₁＞R₂。
根据此示例获得的元件的主要结构特征在表1中列出。
示例5(根据本发明)：
也同样重复之前描述的合成技术，但是这次模具适于产生单体块，单体块的特征在于内通道的波状布置，外壁的内面大体上平坦，并且角部具有根据图6所示的实施例的连续且递减的厚度余量，除了R₁＜R₂。
根据此示例获得的元件的主要结构特征在以下表1中列出。