專利名稱：具有內部空腔的蜂窩體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種蜂窩體，特別是用于凈化內燃機排氣的蜂窩體。在排 氣系統中，這種蜂窩體可以具有金屬或陶瓷的基體結構，并用于提供與排 氣相互作用的大的表面積。特別地，蜂窩體涂有催化活性材料和/或構造為 使該蜂窩體能夠從排氣中分離出^^立并將其轉化。此外這種蜂窩體還涂有 吸附材料，該吸附材料用來暫時吸附污染物質，特別是碳氫化合物和/或氮 氧化物。
背景技術：
這種蜂窩體典型地具有大量的大致平行分布的通道，該通道從蜂窩體 的入口面通到出口面。因此在已安裝狀態中，排氣沿流動方向大致均勻流 過這種蜂窩體，其中排氣在蜂窩體的各個通道的分配首先主要取決于在入 口面處的流動斷面。在現有技術中還已知許多影響在各個通道內的流動和/或在蜂窩體內的流動分配的措施。高度4^艮的由各板層構成的金屬蜂窩體 通常應用許多各種已知措施來優化蜂窩體的流動性能。對于金屬蜂窩體主 要分成兩類典型結構形式。DE29 02 779A1示出典型例子的早期結構形式 是螺旋結構形式，其中主要是一光滑板層和一波紋板層彼此疊放并螺旋形 巻繞。在另一種結構形式中，蜂窩體由大量交替設置的光滑板和波紋板或 不同的波紋板層構成，其中板層首先形成一個或多個疊層，再將所述疊層 相互纏繞。這樣所有板層的末端都位于外部，并可以由一殼體或套管連接， 由此形成許多連接部，從而提高了蜂窩體的耐用性。在EP0 245 737B1或 WO90/03220中介紹了這些結構形式的典型例子。長夂以來已知的還有， 板層設置有附加結構，以影響流動和/或實現各個流動通道間的橫向混合。這種結構的典型例子為WO 91/01178、 WO 91/01807和WO90/08249,最 后還有圓錐形結構形式的蜂窩體，必要時也具有用來影響流動的附加結構。 例如在WO 97/49905中介紹了這種蜂窩體。本發明基于WO 2004/022937Al。由該文件可知，蜂窩體由打有孔的 板層制成，其中板層上的孔可以大于通道的橫截面。因為通過孔平衡各個 通道內的壓力差并且同時使流過的氣體產生渦流，所述渦流改善與表面的 接觸，所以由這種打有孔的板層組成的蜂窩體在其內部的流動分配方面具 有特別有利的性能。孔的數量和位置可以在大的范圍內變動，因此可以制造與不同的條件相適應的蜂窩體。此外在WO 2004/022937A1中還介紹了 ，在制造時如何通過在各板層 內形成合適的空隙來在蜂窩體內產生大的空間，例如用來安裝入探針。現 代的制造技術允許精確地預先確定應該在所制造的蜂窩體的那個部位形成 空間。關于其他細節參看WO 2004/022937A1,其公開的內容的全文引用 在此作為參考。在EP 1 428 577A1中也介紹了 一種在其板層上帶孔的蜂窩體。這種蜂 窩體由一塊光滑板和一塊波g螺旋形巻繞而成。當然，在由帶孔的金屬 板層組成的蜂窩體的所有制造方法中也可能出現這樣的情況在相互疊放 的(連續)板層上的一些孔大致相互對準。這樣在蜂窩體中會偶然形成較 大的空間，下面稱為空腔。在沒有特別的措施，特別地在孔均勻設置在板 層上時，根據薄片面積與孔的面積之比，這些空腔的形式非常不規則，特 別地這些空腔通常劇烈彎曲或者甚至中斷.現在可以證實，對于不同的應用，特別是對于從排氣中排除顆粒，如 果在蜂窩體內各個方向形成具有較大尺寸的較多的空腔，則特別有利。描 述這些空腔的性能的困難在于，這些空腔不是由連續的壁所包圍，而是由 在光滑和波玟板層上的大致相互對齊的孔所確定。這些孔的邊緣形成空腔 的包絡線。 一種對于蜂窩體的性能有利的描述這種空腔的方法是說明在空 腔內能放入多大的球。因此在下面借助于附圖，試圖用可置于空腔內的最 大的球來描述空腔的性能。顯而易見，在蜂窩體內沒有一個空腔能容納比
能穿過薄板上的孔的球更大的球。 一方面能裝入空腔的球的尺寸由孔的尺 寸決定，另一方面由相鄰孔的重合程度確定。還應該指出，在考慮本發明波紋薄板上的孔時，始終僅僅考慮孔在波 紋板的中心平面上的投影。對于本發明和空腔的形成起決定性作用的不是 波紋的類型，而只是孔在波紋板層上的投影的尺寸。然而波玟對于蜂窩體 內通道的大小起作用。在結構簡單的蜂窩體中所有的通道都具有大致相同 的橫截面積，但是也存在其中在一定的橫截面區域內存在不同的通道橫截 面面積的蜂窩體。因此，下文中通道橫截面面積一般指平均通道橫截面面積，這在最簡單的情況下就是指每條通道的橫截面面積；但是在復雜的情 況下是指，對于蜂窩體一定的橫截面區域，蜂窩體的總橫截面面積除以在 這個橫截面區域內的通道數。發明內容本發明基于這樣的目提供一種蜂窩體，該蜂窩體在流動分配、壓力 損失、排氣內污染物質和成顆粒的轉化方面具有更好的性能.根據獨立權利要求1或根據獨立權利要求8的蜂窩體用來實現所述目 的。在各個從屬權利要求中給出優選實施例和改進結構，根據本發明的蜂窩體具有限定通道的內壁，所述通i!A蜂窩體的入口 面通到出口面。其中蜂窩體在至少一個分區內包含多個無內壁的空腔，所 述空腔如此成形和確定尺寸，使得它們分別包含至少一個球形空間，所述 空間的最大橫截面積至少為相關分區內通道平均橫截面積的十倍。實際表明，雖然在蜂窩體的內壁上具有許多孔能很好地平衡各個通道 之間的壓力差，但是，如果相鄰通道之間不存在大的壓力差，則仍然可能 形成直線形流線。這些流僅均勻流過較小的空間，因此不出現特別的橫向 混合或提高的顆粒的轉化或分離。如果內壁上的孔設置成使得形成至少一 個球形空間，該空間最大橫截面積為至少通道平均橫截面積的十倍，則情 況不同。這意味著至少10條緊密靠在一起的通道引入空腔內，并在相對一 側再從該空間中引出。無論如何，在空腔的這種尺寸布局中都會發生大的
橫向混合，因此有利于在蜂窩體內所希望的過程。重要的前提是，在內壁 上構成空腔的孔的橫截面積同樣具有至少十倍于平均通道橫截面積的大 小。在本發明的對于在單位橫截面面積內具有大量通道的蜂窩體具有重要意義的優選實施例中，球形空間的最大橫面面積為平均通道橫截面積的20 至100倍，優選為30至50倍。因此存在相對于通道尺寸而言巨大的空腔， 在該空腔中特別地在脈沖式氣流的情況下可以形成渦流和橫向流動，該渦 流和橫向流動可以在無大的壓力損失的情況下實現更好的轉化性能。如果大量通道，例如10至500條通道都引入空腔并從中再引出，實際 上是有利的。為使本發明空腔的有利性能能夠對蜂窩體內的盡可能大部分的流動產 生影響，50%至100%的蜂窩體的通道應該與至少一個、優選為多于三個 空腔相交。出于穩定性原因，蜂窩體內的空腔不完全伸展到最外部側面， 使得也許不是100%的所有通道與空腔相交。但是優選盡可能大部分通道 與一個或最好是多個空腔相交，以《更充分利用空腔的有利性能。為此，空腔在蜂窩體體積上均勻分布是有利的。然而提供一種不均勻分布、優選在蜂窩體的內部區域內和/或沿朝向入 口面或出口面方向的聚集分布并不存在困難，并且根據排氣凈化系統內的 流動特性，這種分布是有利的。這使本發明能夠適應不同的應用場合。根據空腔引入蜂窩體內的方式，空腔本身當然不是球形的。球形空間 僅用于在理論上對空腔內的尺寸關系進行描述。實際上出現的空腔更可能 具有圓柱形或彎曲的圃柱形的形式，其中優選地該空腔的軸向長度(方向) 大致垂直于通道的走向。上文對本發明的說明并不局限于由板層組成的蜂窩體，只要應用適當 的產生空腔的方法，也可以適用于陶瓷蜂窩體。在制造陶瓷蜂窩體時，例 如可以在燒結之前比較容易地加工毛坯，并通過穿刺或在擠出時的措施產 生空腔。特別地，獨立權利要求8針對由板材巻繞、扭合和/或堆疊而成的蜂窩 體。這種蜂窩體具有大量至少部分形成結構的板層，該板層的結構形成通道，該通道從蜂窩體的入口面通向出口面。板層是指蜂窩體的相互疊放的 層，而與所述板層是否包括一塊或多塊分開的板無關。應該指出，蜂窩體 也可以僅由單獨一塊板構成，其中部分板條形成波紋，板條的其余的光滑 部分通過折彎而折疊于形成波紋的部分上。這樣形成的結構可以從折疊線 開始螺旋形地巻繞成蜂窩體。下一種可能性是應用 一塊光滑的板和一塊形 成波紋的板制造螺旋形巻繞的蜂窩體。也可以由三塊或更多板巻成多頭螺 旋。最后還有由 一個或多個交替堆放的光滑板和波紋板的疊層制成的大量 的結構形式。這種蜂窩體包含大量板，但是其中板的數量和相互交疊的板 層的數量不必一定相同。由于這個原因，原則上板和板層之間是可以區分 的，盡管這在例如僅示出蜂窩體一部分的視圖中常常是不可能的。對于本 發明，結構形式近似地不起作用，這里做成螺旋形的蜂窩體比由許多單獨 的板制成的蜂窩體容易計算用來形成空腔的孔的位置。但是沒有一種結構 形式存在原則性的問題。根據本發明的蜂窩體的特征在于，至少在蜂窩體 的分區內，板層具有帶有一有效橫截面面積的孔，此面積大于相關分區內 平均通道橫截面面積的十倍，其中該孔如此設置和成形，使得在蜂窩體內 該孔與相鄰板層的孔一起形成相連的體積大的空腔，其中在至少五塊相互 疊放的板層內的孔相互交疊，在所有這五塊板層中各孔的交疊面積至少為 該分區內平均通道橫截面積的十倍。如下文借助于附圖更詳細地說明的一 樣，在由打有孔的板層組成的蜂窩體內總是存在一些空腔，其中在極端情 況下所有空腔甚至可以相互連通，這種情況總是在每塊板層內孔的面積大 于板層的剩余面積時出現。對波^1應用有效面積的概念，該有效面積通it^l層內的孔在波紋板的中心平面上的投影得到。對于本發明重要的是，在蜂窩體內這些孔不形成小的分叉的空間，而 是形成體積比較大的空腔，該空腔在相鄰板層上的孔幾乎相互對齊或大面 積交疊的情況下出現。根據本發明的布置產生具有希望性能的空腔。孔的 形狀原則上可以任意選擇，但是由于機械方面的原因，建議選擇具有圓形邊緣的孔以避免形成裂紋；此外，孔還要在流動方向的橫向上分別使三個 或更多通道相互連通。在流動方向上孔也應該具有確定的最小尺寸，即至
少為引入空腔內的通道的平均液力直徑的2倍，優選為3倍以上。液力直 徑由通道的橫截面面積及其橫截面形狀得到，并且除了圓形通道的情況外 液力直徑小于通道的最大寬度。在本發明的優選實施例中，蜂窩體為圓柱形，并由一個或多個板的疊 層構成，每個疊層的板分別具有長度L和寬度B，其中L大于B;并且每 個疊層的板分別具有許多孔，在一個疊層的所有板上，孔沿寬度B方向上 的間距基本恒定，但是沿長度L方向上不同。在現有技術中的已知結構形 式中卻恰恰不是這種情況。為了便于加工以及由于缺乏本發明的知識，打 有孔的板通常在其整個長度上均勻地設置孔，不管在螺旋形巻繞板層時還 是在由一個或多個板的疊層制造蜂窩體時，所述打有孔的板都不能形成根 據本發明的蜂窩體。本發明的另 一個優選實施例是由至少一塊具有長度L和寬度B的板組 成的蜂窩體，其中L大于B,其中蜂窩體螺旋形巻繞而成，并且該至少一 塊板具有許多孔，這些孔在寬度方向上具有大致恒定的間距，但在長度方 向具有不同的間距。孔的確切結構圖案取決于相應的應用情況。但是所有 巻繞的蜂窩體有一個共同點，在所用板的寬度方向適宜于要求大致恒定的 孔間距。用這種方法使得在制造時便已經決定了孔沿流動方向相互對齊， 而對于這些距離不必特別加以注意。僅僅必須精確計算每塊板上的孔沿縱 向的距離。這里可以例如通過掩現定距離留出各個孔而按要求圍成空腔， 或通過改變孔的結構圖案而例如在板層上在蜂窩體外部區域內設置比在蜂 窩體內部多的每圍的空腔數。為了補償一定的加工誤差，孔構造為長孔可能是有利的，其中該孔在 垂直于通道方向上的尺寸應該大于沿通道方向上的尺寸。根據本發明的蜂窩體在其內部在板上附加地設置有其他結構。用來影 響蜂窩體內部的流動的所有已知措施都可以附加于此處所述的本發明的措施中。根據現有技術中已知的措施，也可以(將蜂窩體)結合在殼體內并 且例如構造為圓錐形的結構形式。根據本發明的蜂窩體特別適合于作為內燃機、特別是柴油機的排氣凈
化裝置的一部分。 一般優選應用領域是機動車中的排氣凈化。
下面借助于附圖詳細說明本發明及其實施例，其中圖1示意性示出根據本發明的由打有孔的板層組成的蜂窩體的結構，圖2示意性示出穿過本發明蜂窩體內的空腔區域的橫截面。
具體實施方式
圖1示出蜂窩體l，該蜂窩體1例如可由一光滑板2和一波紋板3制 成螺旋形。在圖中尚未制造完成的蜂窩體1具有由波紋板3的結構形成的 通道4，該通道4從蜂窩體的入口面5通到出口面6。待凈化排氣可以沿流 動方向S流過蜂窩體1。光滑板2具有寬度B和長度L，并設有大量的孔 7。在本例子中這些孔是長孔，該長孔在光滑板2的長度L方向上亦即在 垂直于流動方向S的方向上具有最長的尺寸。波紋板3也具有許多孔8， 該孔8在此情況下同樣地構造為沿(與孔7)相同方向的長孔。可以知道， 波紋板3上的孔8在該板層拉伸時必然顯著長于在光滑板上的孔7，從而 使波紋板3上的孔8在形成波紋的狀態下的尺寸大致相當于在光滑板2上 的孔7的尺寸。對于本發明，只有波紋板3上的孔8在波^L3的中心平 面上的投影有意義。孔7、 8的相互間距在板2、 3的寬度B的方向上基本 上是恒定的，使得在這個方向上相鄰板層的孔實際上總是完全iM目互交疊。 但是也可以知道，如果孔7、 8沿板2、 3的長度L的方向上相互之間的間 距也相同，則隨著所巻繞的蜂窩體l的直徑的逐漸加大，總是出現孔的偏 移。因此，為了達到具有根據本發明性能的大的空腔，孔7、 8沿板2、 3 的長度L方向上的間距必須相應地調整。對最簡單的情況，在加工之前確 定應該在蜂窩體內什么部位形成多大尺寸的空腔，然后確定在板2、 3的什 么部位上布置什么形狀的孔。對于不同結構形式的蜂窩體這個過程的復雜 程度是不同的，但是可以通過簡單的試驗和對產生孔7、 8的機器的適當控 制而亳無問題地進行。在圖1中的孔7、 8不一定是按比例示出的，因此根 據本發明它們也可以大得多。圖2示意性示出在根據本發明的空腔9區域內的穿過蜂窩體的截面圖。 光滑板層2和波紋板層3相互疊放，其中板層2、3中的孔基本上相互重合， 并由此形成空心空腔9。這些空腔9包含具有最大橫截面面積Qmax的球 形空間IO，亦即在理論上具有這個直徑的球可以^tX此空腔。球的最大橫 截面面積Qmax是指該球的最大橫截面(處的面積)。如在附圖中同樣用 陰影線所表示的，每個單獨的通道4具有橫截面面積q，在本例中它對于 所有通道大致一樣大。然而也存在這種結構形式的蜂窩體，在該蜂窩體內 存在不同的通道橫截面面積.在這種情況下可以簡單地計算平均通道橫截 面面積q。根據本發明，空腔9的大小與形狀為可以^A球形空間10,球 形空間10的最大橫截面面積Qmax至少十倍于平均通道橫截面面積q的 尺寸。優先釆用這樣的實施形式，其中在空腔9內可以itA相對而言大得 多的球形空腔，特別是在蜂窩體具有例如600cpsi (每平方英寸單元數)至 l加0cpsi以上的大的單元密度時。本發明可以進一步改善高度發展的用于排氣凈化系統的蜂窩體的性 能，特別是在壓力損失、材料利用和流動性能方面具有有利性能的同時能 夠更好地凈化排氣中的顆粒。附圖標記列表1 蜂窩體2 基本光滑的板層(光滑板)3 波紋板層(波紋板) <4 通道5 入口面6 出口面7 光滑板上的孔8 波紋板上的孔9 空腔10 最大球形空間
B 板的寬度L 板的長度AB 孔在寬度B方向上的間距AL 孔在長度L方向上的間距S 流動方向Qmax 最大橫截面面積q 平均通道橫截面面積
權利要求
1.一種特別用來凈化內燃機的排氣的蜂窩體(1)，該蜂窩體(1)具有限定通道(4)的內壁(2，3)，該通道(4)從蜂窩體(1)的入口面(5)通到出口面(6)，其特征在于，在蜂窩體(1)的至少一個分區內存在多個沒有內壁(2，3)的空心空腔(9)，空腔(9)形狀和尺寸使得該空腔分別包含至少一個球形空間(10)，該球形空間(10)的最大橫截面面積(Qmax)至少為相關分區(T)內通道(4)的平均橫截面面積(q)的10倍。
2. 根據權利要求1所述的蜂窩體(1)，其特征在于，球形空間(10) 的最大橫截面面積(Qmax)為通道(4)的平均橫截面面積(q)的20至 100倍，優選為30至50倍。
3. 根據權利要求1或2所述的蜂窩體(1),其特征在于，空腔(9) 分別與10至500條通道(4)相交。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的蜂窩體(1)，其特征在于，蜂窩 體(1)的通道(4)的50%至100%優選與至少一個優選為三個以上的空 腔(9)相交.
5. 根據前述權利要求中任一項所述的蜂窩體(1)，其特征在于，空腔 (9)均勻地分布在蜂窩體的體積上。
6. 根據權利要求1至4中任一項所述的蜂窩體(1)，其特征在于，空 腔(9)不均勻地分布在蜂窩體(1)內，優選地聚集在蜂窩體(l)的內部 區域和/或沿朝向蜂窩體的入口面(5)或出口面(6)的方向聚集，
7. 根據上述權利要求中任一項所述的蜂窩體(1)，其特征在于，空腔 (9)大致具有圓柱形或彎曲的圓柱形的形式，優選地空腔(9)的軸向長度方向大致垂直于通道(4)的走向。
8. —種由至少一塊板(2， 3)經過巻繞、扭合和/或堆疊而形成的蜂窩 體(l)，該蜂窩體(1)具有大量至少部分形成結構的板層(3)，所iUL 層的結構形成通道(4)，該通道(4)從蜂窩體(1)的入口面(5)通到 出口面(6)，其特征在于，板層(2， 3)至少在蜂窩體(1)的一個分區 內具有孔(7， 8),該孔的有效橫截面面積大于相關分區內通道(4)的平 均橫截面面積(q)的10倍，其中孔(7， 8)的設置和形狀使得在蜂窩體 (1)內這些孔與相鄰板層(2, 3)的孔(7， 8)形成相連的大體積的空腔 (9)，其中至少5塊相互疊放的板層(2、 3)中的孔相互交疊，使得在所 有這5塊板層(2， 3)內的相關孔(7， 8)的重合面積至少為該分區(T) 內通道(4)平均橫截面面積(q)的10倍，并且孔(7， 8)沿流動方向(S) 的尺寸至少為通入空腔內的通道(4)的平均液力直徑的2倍，優選為3 倍以上。
9. 根據上述權利要求中任一項所述的蜂窩體(1),其特征在于，蜂窩 體(1 )為圓柱形并由一個或多個板的疊層構成，每個疊層的板具有長度(L) 和寬度(B)，其中L>B,并且每個疊層的板分別具有多個孔(7， 8)， 這些孔(7, 8)在一個疊層的所有板上的間距(AB， AL)在寬度(B)方 向上基本恒定，但在長度(L)方向上則不同。
10. 根據權利要求1至8中任一項所述的蜂窩體(1)，其特征在于， 蜂窩體(1)由至少一塊具有長度(L)和寬度(B)的板(2, 3)螺旋形 巻繞而成，其中L>B，所述至少一塊板(2, 3)具有多個孔(7， 8)，這 些孔(7， 8)在寬度(B)方向上具有大致恒定的間距(AB)，但是在長 度(L)方向上具有不同的間距(AL)。
11. 根據權利要求8至10中任一項所述的蜂窩體(1)，其特征在于， 至少一部分孔(7， 8)在通道(4)方向上具有比在垂直于通道(4)的方 向上小的尺寸，其中孔(7， 8)優選為長孔。
12. 根據前述權利要求中任一項所述的蜂窩體(1)，其特征在于， 該蜂窩體(l)是內燃機特別是柴油機的排氣凈化裝置的一部分，并有助于從內燃機排氣中除去碳黑顆粒。
13. 根據前述權利要求中任一項所述的蜂窩體(1)，其特征在于， 該蜂窩體(1)在通道(4)內具有附加的孔和/或渦流結構。
全文摘要
本發明涉及一種蜂窩體(1)，該蜂窩體(1)具有限定通道(4)的內壁(2，3)，該通道(4)從蜂窩體(1)的入口面(5)通到出口面(6)，其中至少在蜂窩體(1)的部分區域內存在多個沒有內壁(2，3)的空心空腔(9)，該空腔(9)形狀和尺寸使得該空腔分別包含至少一個球形空間(10)，該球形空間(10)的最大橫截面面積(Qmax)至少為相關的部分區域(T)內的通道(4)的平均橫截面面積(q)的10倍。蜂窩體(1)特別地可以由至少一塊板(2，3)卷繞、扭合和/或堆疊而成，該蜂窩體(1)具有大量至少部分形成結構的板層(3)，所述結構形成通道(4)，至少在蜂窩體(1)的一個分區內板層(2，3)具有大于在相關分區內的通道(4)平均橫截面面積(q)10倍的有效橫截面面積的孔(7，8)，其中孔(7，8)的設置和形狀使得在蜂窩體(1)內這些孔與相鄰板層(2、3)的孔(7，8)形成相連的大體積的空腔(9)，其中至少5塊相互疊放的板層(2，3)的孔相互交疊，使得在所有這5塊板層(2，3)內的相關孔(7，8)重合面積至少為該分區(T)內通道(4)平均橫截面面積(q)的10倍，并且孔(7，8)沿流動方向(S)的尺寸至少為通入空腔內的通道(4)的平均液力直徑的2倍，優選為3倍以上。這種蜂窩體(1)特別有利地用在機動車的排氣凈化系統中，特別是用作顆粒過濾器。
文檔編號F01N3/022GK101119801SQ200680005338
公開日2008年2月6日 申請日期2006年2月17日 優先權日2005年2月18日
發明者P·希爾特, R·布呂科, W·莫斯 申請人:排放技術有限公司