通道尺寸變化的蜂窩狀結構及其制造用模具的制作方法

專利名稱：通道尺寸變化的蜂窩狀結構及其制造用模具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種諸如蜂窩狀結構之類的多室結構，特別是用于捕獲和燃燒柴油機排氣微粒的多室結構。
背景技術：
在柴油機排氣的凈化中使用壁流過濾器，通常這樣的柴油機微粒過濾器用堇青石或碳化硅制成，并包括一蜂窩狀本體，該蜂窩狀本體具有互連的多孔薄壁，諸多孔壁形成在該結構的兩端面之間縱向延伸的、具有相同液壓直徑的平行網眼通道。在蜂窩狀本體一端面上的交替的網眼用陶瓷過濾器材料堵塞，以形成一“棋盤”式的圖案。該圖案在相對側上是相反的，以使各通道的端部僅在結構的一端處被堵塞。當柴油機排氣穿過一個端面(亦即入口端)進入過濾器時，它被迫使穿過多孔壁，以穿過相對的端面(亦即出口端)排出。
為了進行柴油機排氣過濾，具有約10至300網眼/平方英寸(約1.55至46.5網眼/平方厘米)之間、更典型地是在約100至200網眼/平方英寸(約15.5至31網眼/平方厘米)之間的網眼密度的蜂窩狀結構被認為可用來以一緊湊的結構提供足夠的薄壁區域。壁厚可以從提供結構整體性的最小尺寸、約0.002英寸(約0.05毫米)開始向上變化，但一般小于約0.060英寸(1.5毫米)，以使過濾器體積最小。約0.010至0.030英寸(約0.25至0.76毫米)之間的一范圍、例如0.019英寸是最通常被選為這些材料的較佳網眼密度。
薄壁的互連開孔的孔隙率可以變化，但最一般的是大于薄壁體積的25％，并通常大于約35％，以允許流體流過薄壁。當開口孔的體積高于約70％時，柴油機過濾器的整體性會出現問題；因此，這些體積通常為50％左右。為了進行柴油機微粒過濾，人們認為該開孔孔隙率可由平均直徑在約1至60微米范圍內、較佳地在約10至50微米范圍內的通道壁的孔隙來提供。
使用所述的堇青石材料可以實現高達或超過90％(重量)的柴油機排氣微粒的過濾效率。對于其它的過濾應用、包括較小型的柴油發動機的排氣過濾，可要求過濾較少一些、但仍是相當一部分(亦即小于50％)的微粒。當然，效率會隨載帶在排氣流中的微粒尺寸的范圍和分布狀態而變化。體積孔隙率和平均空隙尺寸通常規定為由傳統的壓汞孔隙率測定法來確定。
授予Frost等人的美國專利第4,420,316號討論了堇青石壁流柴油機微粒過濾器設計。美國專利第5,914,187號討論了碳化硅壁流柴油機微粒過濾器。
存在著與這里所述類型的傳統過濾器相關的問題。特別是，當排氣通過過濾器時，微粒物質(亦即炭黑)積聚在網眼通道的壁上或者在壁的孔中，并形成一炭黑層。該炭黑層減小了網眼通道的流力直徑，導致穿過濾器長度的一壓降，并導致過濾器對發動機的反壓逐漸上升。
最終，壓降變得令人無法接受，而必須更新過濾器。在傳統的系統中，更新過程包括加熱過濾器以使炭黑層開始燃燒。通常，在更新過程中，過濾器中的溫度從約400-600℃上升至最高約800-1000℃。在某些環境下，當燃燒的起始與排氣中的高氧氣含量和低流速(諸如發動機空轉情況)相一致或緊接其后時，可能會產生所謂的“不受控的更新”。在不受控的更新過程中，炭黑的燃燒可能會在過濾器內產生溫度峰值，這樣的溫度峰值可能會對過濾器造成熱沖擊和使其熱開裂，或者甚至熔化過濾器。因為排出流沿著過濾器往下游攜帶燃燒熱量，所以炭黑的燃燒從過濾器的進入面向排出面行進，因而，由于炭黑燃燒的累積效應，在更新中的最高溫度將在過濾器排出端附近產生。
除了捕獲炭黑之外，過濾器還捕獲排氣所攜帶的“灰份”微粒。這些微粒包括金屬氧化物雜質、來自潤滑油的添加劑、硫酸鹽等等，它們不燃燒，因而無法在更新過程中去除掉。此外，如果在不受控條件下的溫度足夠高，則灰份微粒最終可能會燒結到過濾器上，或者甚至與過濾器起反應并導致部分的熔化。
人們已經認識到，由于在工作中，炭黑的形成減小了網眼通道的有效流動面積，所以微粒的這種集聚在網眼壁表面上和諸孔隙中形成結塊，最終也會影響到壓降。于1981年6月30日授權于Outland的美國專利第4,276,017號中提出了一種解決該問題的方法。Outland揭示了一種過濾器設計，其入口通道的橫截面面積比相鄰的出口或者排放通道的橫截面面積大。為了實現面積不等的入口和出口通路，Outland給出了一種不等邊六角形橫截面的入口網眼通道，其與三角形橫截面的出口網眼通道相鄰，如圖5h-j所示，還給出了帶有曲線狀或凸出的入口和/或出口通道的圖案，如圖5k-p所示。在過濾器結構的設計中，Outland還要求除了在它們的交叉點、諸如在角部處之外，所有內壁都在入口和出口通道之間延伸。不過，這樣的設計是不實際的，并且更重要的是難于以高效和成本經濟的方式進行制造。現有技術的模具限制了這種復雜的蜂窩狀結構的制造。
人們想要獲得這樣一種柴油機排氣微粒過濾器，它在保持良好的氣體流速的同時，表現出加大的炭黑和灰份微粒存儲能力。人們還想要利用現有的模具技術來高效和成本經濟地制造這樣一種過濾裝置。

發明內容
本發明提供一種柴油機微粒過濾器，它在使用中保持良好的氣體流速的同時增加存儲炭黑和灰份微粒的能力。與此同時，本發明的結構可以利用目前的模具技術以高效和成本經濟的方式進行制造。
除了經濟上的優點之外，本發明的過濾器的其它優點還包括性能上的優點。一個這樣的優點為在高炭黑負載(亦即＞5克/升)下具有較低的壓降，并因而具有較低的壓力增加速率。穿過壁流過濾器的壓降取決于多個因素，包括結構的原始或“凈”壓降、網眼通道的流力直徑、結構內壁上的炭黑填塞密度、以及炭黑穿入內壁孔隙(特別是在炭黑沉積的早期中)的程度。當積聚的炭黑量增加時，流力直徑減小，并導致排氣穿過壁和炭黑層的流動阻力逐步增加。該流動阻力可用穿過濾器的長度來測量，且該阻力導致對發動機的反壓增加。
在本發明的較大的入口網眼通道中，相同量的炭黑將產生較薄的炭黑層，并對產生較小的有害的流力直徑減小。因而，排氣不僅能更為容易地穿過網眼通道，而且也較易穿過內壁上的炭黑層。因此，較少需要更新。
一個相關的優點是較高的灰份存儲能力。諸如炭黑之類的灰份沉積在入口網眼的內壁上。同樣，較大的入口網眼表面面可以積聚較大量的灰份，且清洗次數較少。
另一優點是較少的面堵塞。面堵塞是當灰份或炭黑覆蓋或阻塞入口通道、從而實際上在這些敞開的網眼中形成堵塞物時所發生的一種情況。令人不希望的是，這種情況破壞了過濾器的功能。較大的入口通道可以減輕或消除該問題。
本發明的過濾器設計成保持了與厚壁蜂窩狀結構相關的高熱質量，并兼有較薄的內網眼壁結構才可能有的加大的開口前面面積和大的入口流力直徑。為了說明的目的，在網眼密度為每平方英寸(cpsi)200網眼的一本發明結構中，熱質量將等于網眼密度相同且壁厚為0.019密耳的一蜂窩狀結構，而開口的前面面積和流力直徑則將等于同樣具有相同的網眼密度但壁厚為0.012密耳的一蜂窩狀結構的開口的前面面積和流力直徑。高的熱質量有力地確保了在柴油機排放系統中所遇到的情況中更大的耐熔化和抗熱開裂能力，且同時，如前所述，入口端處的較大的開口前面面積和入口網眼通道處的流力直徑可保持在高炭黑負載下的較低壓降。
本發明的柴油機微粒過濾器包括一個蜂窩狀本體，所述蜂窩狀本體具有彼此相對的一入口端和一出口或排放端，以及沿著一軸線從入口端至出口端延伸的多個網眼通道。諸網眼通道具有不相等的流力直徑，并且穿過結構的表面交替布置。流力直徑指的是排氣流動穿過的有效橫截面面積。網眼通道具有由內多孔直壁形成的方形橫截面，且入口網眼的橫截面比出口網眼的橫截面大。在本發明的結構中，內壁包括便于入口與出口網眼之間相通的一第一部分、以及僅接合入口網眼而不與出口網眼相通處的其余或者第二部分。較佳的是，第一內壁部分是進行過濾的，即允許排氣在流出入口網眼通道和流入出口網眼通道中容易地穿過，并且可將炭黑、灰份微粒等等收集和捕獲于其中。內壁的其余部分較佳地是不進行過濾的，即不希望柴油機排氣穿過其以從入口流出和流入出口網眼。該第二內壁部分圍繞入口通路延伸，且只與入口通路相通。較佳的是，入口網眼的橫截面為出口網眼的1.1-2.0倍、較佳的是1.3-1.6倍。本發明的結構具有不相等的入口和出口通路的優點，亦即炭黑和灰份微粒的存儲能力增加，面堵塞減少，且為方形橫截面的網眼設計，這樣的設計可用現有的模具設計技術以高效和成本經濟的工藝來制造。
蜂窩狀結構可以用堇青石、碳化硅或其它類似的多孔但是耐熱的陶瓷材料制成。盡管在本發明中網眼密度不是關鍵的，但是較佳的是，蜂窩狀結構具有約100至300網眼/平方英寸(約15.5-46.5網眼/平方厘米)、更佳地是在約200網眼/平方英寸(15.5-31網眼/平方厘米)的網眼密度，且壁厚約0.01至0.025英寸(0.25至0.64毫米)。
本發明還涉及一種用于制造本發明的蜂窩狀結構的擠壓模，這種擠壓模可易于用現有的模具技術來生產。這種新穎的模具包括一模具本體，該模具本體包括一入口面、一與入口面相對的擠出面、從入口面延伸入本體的多個饋送孔、以及多個擠出槽的一交叉陣列，諸擠出槽從擠出面延伸入本體，以在模具內在饋送孔/槽的交叉點處與饋送孔連接，擠出槽的交叉陣列由橫截面面積不同、大小交替布置以形成一棋盤矩陣的多個銷的側面形成。
附圖簡述

圖1是帶有等直徑的入口和出口網眼通道的一現有技術的端部堵塞的蜂窩狀結構的圖；圖2是根據本發明的端部堵塞的蜂窩狀結構的一實施例的圖，其中入口網眼通道的直徑比出口網眼通道的直徑大；圖3是圖2所示結構的標號為100的部分的圖；圖4a-d是一組照片，示出了對稱的一現有技術蜂窩狀結構和用其制得的壁流過濾器(圖4a、b)，還示出了根據本發明所指示的技術的一蜂窩狀結構和用其制得的壁流過濾器(圖4c、d)。
具體實施例方式
請參見圖1，其中示出了一現有技術的、其網眼通道流力直徑相等的端部堵塞的蜂窩狀結構的俯視圖。圖2中示出了本發明的一實施例的俯視圖。蜂窩狀結構10有一前端或入口端12。盡管沒有示出，出口端與入口端12相對。被分成入口網眼通道14和出口網眼通道16的許多網眼通道在入口和出口端之間延伸。網眼通道具有由內多孔壁18形成的正方形橫截面。內壁18是筆直的，基本縱向和相互平行地在結構的入口和出口端之間延伸。網眼通道或通路布置成交替設置入口網眼通道14和出口網眼通道16，形成一種大小流力直徑的網眼通道交替布置的圖案。因此，各網眼通道14在所有的側面上與網眼通道16接壤，反之亦然。
請參見圖3，其中示出了圖2標號為100的部分的放大圖。內壁18的一第一部分是入口14和出口16網眼共有的。由標號110標示的該部分位于出口網眼16的整個長度之間，但僅位于入口網眼14的部分之間。內壁18的標號為110的部分鉸接的是進行過濾的，即在工作中，柴油機排氣穿過其從入口通路14流至出口通路16。內壁18的其余部分112與入口通路14的不與出口通路16相通的部分接合。內壁112較佳的是不進行過濾的，即在工作中，排氣不太可能從入口通路14穿過其流到達出口通路16。不過，應予注意的是，一些碳質和灰份的微粒可能會被捕獲和收集于其中。入口網眼通道14的橫截面或流力直徑為大約出口網眼通道16的流力直徑的1.1-2.0倍、較佳地約1.3-1.6倍。盡管不是關鍵性的，但較佳地是，該結構具有約100-300網眼/平方英寸(15.5-46.5網眼/平方厘米)的網眼密度，且更佳地是約200網眼/平方英寸(15.5-31網眼/平方厘米)，并且壁厚較佳的是約0.001至0.025英寸(0.25-0.64毫米)，且更佳的是約0.019英寸(0.486毫米)。
入口網眼通道14和出口網眼通道16都沿著它們的一段長度堵塞，可以在入口端處或者在出口端處。在圖2和3中，由于所示為入口端，則堵塞了出口網眼通道16。堵塞物的厚度較佳的是大約2毫米至5毫米。因此，入口網眼通道14在入口端敞開，而在出口端堵塞。反之，出口網眼通道16在入口端堵塞，而在出口端敞開。這種堵塞的棋盤式結構使得流動流體與結構的多孔壁之間更加密切地接觸。流入蜂窩狀結構的流動流體穿過入口網眼通道、然后穿過多孔壁、并穿過出口網眼通道流出該結構。
請參見圖4a-d，通過分別將現有技術的對稱蜂窩狀結構和用其制成的一端部堵塞的過濾器與本發明的蜂窩狀結構和用其制成的一端部堵塞的過濾器作并列對比，就可以更好地說明本發明。
本發明的結構尤為適于柴油機微粒過濾器，特別是在通過燃燒炭黑來更新過濾器時可能會在過濾器中產生局部的高溫、從而需要良好的耐熱沖擊性的應用場合中。本發明的蜂窩狀結構可以用堇青石、碳化硅或者其它類似的多孔但耐高溫的陶瓷材料制成。蜂窩狀結構的橫截面可以是圓形或者是方形的。不過，過濾器當然不一定要具有這些形狀，也可以是橢圓、長方形、或者任何所選用的特定排放系統設計規定的橫截面形狀。
本發明還涉及一種用于制造本發明的蜂窩狀結構的擠壓模。如本發明所述的，適于制造帶有交替的通道直徑的蜂窩狀本體的、制造蜂窩狀結構用的擠壓模將具有包括大小交替布置的多個銷的銷陣列。如何制作這些模具對本發明來說不是關鍵性的，因而可以用許多已知方法中的任一種來提供，這些方法包括美國專利第4,468,365號中所揭示的板陣列組件，或者通過如美國專利第5,761,787號中所述的那樣將銷陣列結合到一合適的模具基板上來提供。不過，一較佳的方法是使用一種插入EDM工藝，在該工藝中，一EDM電極構造成具有兩個不同的橫截面面積交替布置的、多行平行對齊的凸部。
因此，該新穎的模具包括一模具本體，該模具本體包括一入口面、一與入口面相對的擠出面、從入口面延伸入本體的多個饋送孔、以及多個擠出槽的一交叉陣列，諸擠出槽從擠出面延伸入本體，以在模具內在饋送孔/槽的交叉點處與饋送孔連接，擠出槽的交叉陣列由橫截面面積不同、大小交替布置以形成一棋盤矩陣的多個銷的側面形成。
用于制作本發明的結構的一種合適的方法是形成粉末狀原材料的一可塑混合物、然后將其擠壓穿過而成一帶有交替布置的網眼通道直徑的蜂窩狀本體(可以將其干燥)，然后再進行燒制以形成產品結構。燒制出的蜂窩式過濾器通常通過緊貼定位在一圓筒形鋼制過濾器殼體內來安裝，且在過濾器側壁與殼體壁之間設置一難熔的彈性墊襯。然后，殼體的端部可以設有入口和出口錐體，用來將排氣引入并穿過該結構的交替地堵塞的通道和多孔壁。
在本發明中，堵塞工藝由于入口和出口網眼通道的尺寸不同而變得更加容易。通常堵塞工藝是手工地進行的，它包括在一過濾器中采用一柔性蒙罩來遮蓋棋盤圖案中的每一個其它的網眼通道。然后用陶瓷漿糊(與蜂窩狀結構相似材料的陶瓷漿糊)來填充外露的通道，該陶瓷漿糊可被燒制成陶瓷堵塞物。在結構的相對端上的圖案是相反的，以僅在一端堵塞其各網眼通道。這種工藝過程的一個缺點是，在堵塞了第一側之后，難于確定在第二端上應將蒙罩插入到那個孔中。在一較佳的實施例中，將單獨的面罩安裝到前端(或入口端)和后端(或出口端)上，以克服前述的缺點。蜂窩狀結構可以用與生坯相同或相似材料的漿糊在燒制之前或之后進行堵塞，且采用適量的液態物來使之具有可工作的粘度，也可以添加粘合劑和塑化劑，如美國專利第4,329,162號中所述。
除了這里所述的實施例之外，熟悉本技術領域的人們能明白，可以不背離本發明的設計原理和保護范圍而對上述發明作出許多修改和變化。
權利要求
1.一種柴油機排氣微粒過濾器，它包括一個堵塞的壁流蜂窩狀過濾器本體，所述蜂窩狀本體用陶瓷材料制成，并具有從其前面的入口端至其排出的出口端穿過該本體的多個平行的端部堵塞的入口和出口網眼，諸網眼以棋盤式圖案布置，其中，諸網眼具有由內多孔壁所形成的不等的方形橫截面，且入口網眼的橫截面比出口網眼的橫截面大，內多孔壁包括便于入口與出口網眼之間相通的一第一部分，以及僅接合入口網眼而不與出口網眼相通處的內壁的其余部分。
2.如權利要求1所述的柴油機排氣過濾器，其特征在于，內壁的第一部分是進行過濾的，內壁的其余部分是不進行過濾的。
3.如權利要求1所述的柴油機排氣過濾器，其特征在于，入口網眼的流力直徑為出口網眼的1.1-2倍。
4.如權利要求3所述的柴油機排氣過濾器，其特征在于，入口網眼的流力直徑為出口網眼的1.3-1.6倍。
5.如權利要求4所述的柴油機排氣過濾器，其特征在于，蜂窩狀本體用堇青石或碳化硅制成。
6.一種包括一模具本體的制作蜂窩狀結構用的擠壓模，所述模具本體包括一入口面，一與入口面相對的擠出面，從入口面延伸入本體的多個饋送孔，多個擠出槽的一交叉陣列，諸擠出槽從擠出面延伸入本體，以在模具內在饋送孔/槽的交叉點處與饋送孔連接，擠出槽的交叉陣列由橫截面面積不同、形成大小交替布置的一多個銷的棋盤矩陣的多個銷的側面形成。
7.如權利要求6所述的制作蜂窩狀結構用的擠壓模，其特征在于，諸銷具有一方形橫截面。
全文摘要
一種蜂窩狀結構，它包括彼此相對的一入口端和一出口端、以及沿著一軸線從入口端至出口端延伸的多個網眼通道，諸網眼通道具有不等的方形橫截面。本發明還涉及一種用于制造該蜂窩狀結構的一擠壓模。
文檔編號F01N3/022GK1549769SQ02817028
公開日2004年11月24日 申請日期2002年7月11日 優先權日2001年8月30日
發明者D·M·比爾, D M 比爾, J·馬切爾, 卸 申請人:康寧股份有限公司