CN1795321A - 柴油机炭烟颗粒过滤介质 - Google Patents

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Abstract

作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质包括纤维、优选为金属纤维。柴油机炭烟颗粒过滤介质在它的流入侧和它的流出侧之间具有厚度T，该厚度T等于或者大于5cm。流入侧上的S/V优选为大于50m2/m3，而流出侧上的S/V优选为小于80000m2/m3，而S/V从流入侧到流出侧逐渐增大。S是体积V内的纤维的所有覆盖表面的总和。

Description

柴油机炭烟颗粒过滤介质
技术领域
本发明涉及一种柴油机炭烟颗粒过滤器和柴油机炭烟颗粒过滤介质。
背景技术
柴油机炭烟颗粒过滤器包括纤维如金属或者陶瓷纤维，这些是公知的。
JP2002058939描述了一种柴油机炭烟过滤器，该过滤器包括由多孔材料所形成的结构，对于这种结构而言，沿着要过滤的废气的流动方向，使过滤器的网眼形成得更加精细。
过滤器包括许多过滤介质层，这些介质层相互邻近，对于这些介质层而言，每层具有所限定出的网眼粗糙度，或者作为一个替换方式，网眼粗糙度在过滤介质的深度上逐渐改变。
发明内容
本发明的目的是改善下面这样过滤器的过滤性能，该过滤器具有这种逐渐改变的网眼粗糙度或者过滤精度，从而当纤维如金属纤维或者陶瓷纤维用来提供过滤介质时能够过滤柴油机炭烟。
作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质包括纤维和柴油机炭烟颗粒过滤介质，该过滤介质具有流入侧和流出侧。作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质的特征在于，所述流入侧和所述流出侧之间的过滤介质厚度T等于或者大于5cm，并且所述流入侧上的S/V大于50m2/m3，而流出侧上的S/V小于80000m2/m3，及S/V从所述流入侧到所述流出侧逐渐增大。
S应该理解成体积V内的纤维的所有覆盖表面的总和。
在作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质的流入侧上，S/V大于50m2/m3，优选地大于100m2/m3，或者甚至大于300m2/m3。有利的是，流入侧上的S/V小于1000m2/m3。
在作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质的流出侧上，S/V小于80000m2/m3，优选地小于50000m2/m3如小于30000m2/m3，优选为小于28000m2/m3或者甚至小于25000m2/m3。有利的是，流出侧上的S/V大于15000m2/m3。
作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质可以包括许多层的纤维介质，这些层相互邻近。每层的S/V基本上等于该层的整个体积V。使用合适的隔开装置使这些层相互隔开，或者可以使一层与另一层相接触。
这里所使用的术语“层”应该理解成过滤介质的体积部分，它在整个体积中基本上具有相同的性能。
S/V从过滤介质的流入侧到流出侧逐渐增大。
此外，作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质可以只包括一个过滤介质，对于该一个过滤介质而言，S/V在介质的整个厚度上逐渐改变。借助计算出体积V的S，可以近似地估计出S/V，其中体积V是垂直于流动方向的过滤介质的一部分，厚度接近0。S/V从过滤介质的流入侧到流出侧逐渐增大。
术语“过滤介质厚度T”应该理解成柴油机炭烟颗粒过滤介质的流入侧和流出侧之间的最小距离。如果柴油机炭烟颗粒过滤介质包括许多单个的过滤介质层，那么T应该理解成每个单个层i的最小厚度t1的总和。T大于5cm，但是有利的是，T大于8cm，或者甚至大于10cm，如大于15cm或者甚至大于20cm。
作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质包括纤维，或者甚至由纤维组成。
优选地，用于过滤介质的纤维是金属纤维，如拉成束的纤维或者刮成圈的纤维。此外，可以使用金属棉。
根据金属纤维所能承受的温度范围来选择金属或者钢的合金。由300或者400系列的AlSl合金或者合金如Inconel所形成的不锈钢纤维是优选的。如果不得不承受高温，那么包括Fe、Al和Cr的合金是优选的，如Fecralloy。
最优选的是，使包括金属纤维的过滤介质烧结，从而结合金属纤维。
术语“覆盖表面S的总和”定义成所有覆盖表面或者过滤介质的体积V内的纤维的总和。纤维的覆盖表面是这样的表面：该表面基本上平行于纤维的轴线。覆盖表面可以计算为：
S＝L*A
其中
L是体积(volume)V内的纤维长度的总和；
A是体积V内的纤维的周长。
提供纤维介质的纤维的特征在于当量直径(D)、表面形状和“平均长度(LM)对当量直径”的比率(LM/D)。
术语“当量直径”表示假想圆的直径，沿着垂直于纤维的主要轴线切割该纤维部分，该假想圆的表面与纤维部分的表面相同。用来提供作为本发明主题的过滤介质的这些层的纤维的范围为0.5μm到100μm，如该范围为2μm到75μm，例如该范围为12μm到50μm，例如25μm、35μm或者40μm。
平均长度LM对当量直径D的比率即LM/D优选为大于5或者10，或者甚至大于25或者50，最优选的是大于100。
纤维的表面形状可以在较大的范围内进行改变。这种形状由纤维的径向横截面的几何外形限定。例如，这可以是矩形或者正方形、圆形、三角形，或者包括合适锯齿形部分的圆周。对于所使用的大部分纤维而言，径向截面的形状在纤维的整个长度上基本相同。该形状在很大程度上限定出柴油机炭烟颗粒过滤介质中的纤维周长A。
可能的是，如果过滤介质包括不同的层，那么这些层可以相互烧结在一起，从而把这些不同的层相互结合起来。在第一烧结周期期间，这些不同的层可以被烧结并且独立地产生所需要的孔隙度。在相互叠置之后，它们在第二烧结周期期间相互被烧结。可供选择地，不同的层可以在烧结之前相互叠置。在一个烧结周期期间，这些层被烧结并且借助该烧结操作而相互结合起来。
如果借助从卷曲板中进行削刮来得到金属纤维(如在WO97/04152中更加详细地描述的那样)，这种金属纤维的径向截面基本上是矩形。计算包括这些纤维的体积的S时要考虑两侧部的长度。
如果借助束拉制来得到金属纤维，那么金属纤维的五边形径向截面基本上是圆形的。已发现，借助使用假想圆的圆周使纤维径向截面的圆周充分接近，它的表面与纤维的径向截面的表面相同。
借助调整介质的孔隙度或者调整构成介质一部分的层的孔隙度，或者借助选择纤维表面形状和纤维当量直径来调整柴油机炭烟颗粒过滤介质的S/V值。
例如，所提供的柴油机炭烟颗粒过滤介质在它的总体积上具有均匀的孔隙度。在流入侧上，使用具有相对较大当量直径的、相对粗糙的纤维。更向着介质的流出侧，纤维的当量直径逐渐减小。
在这种情况下，而对于所选择的每个体积(volume)V而言，可以得到相同重量，体积V的覆盖表面S的总和增大了，因为更加精细的纤维具有单位纤维体积或者重量的增大纤维覆盖表面。当借助有选择地选择纤维的当量直径使过滤介质的整个体积中的孔隙度相等时，可以提供作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质。
可供选择地，借助有选择地选择纤维横截面形状，可以提供在其整个体积上具有均匀孔隙度的柴油机炭烟颗粒过滤介质。例如，在流入侧上，可以使用具有基本上是圆形的横截面和当量直径d的纤维。这些纤维的横截面的表面是π*d2/4。这些纤维的覆盖表面是π*d*L，其中L是纤维的长度。
进一步向着过滤介质的流出侧，使用具有基本上是正方形的、具有侧长度的截面的纤维。a以这样的方式进行选择，使a2＝π*d2/4。因此，d是这些正方形纤维的当量直径。这些正方形纤维的覆盖表面(mantle surface)是4*a*L，其大于过滤介质的流入侧上的圆形纤维的覆盖表面。
进一步向着流出侧，可以使用矩形纤维，该矩形纤维具有短边b和长边c。以这样的方式选择b和c，使b*c＝π*d2/4，因此d是矩形纤维的当量直径。这些矩形纤维的覆盖表面是2*(b+c)*L，其大于向上向着过渡介质的流入侧的、圆形纤维和正方形纤维的覆盖表面。向着流出侧越多，那么可以选择边b和c的尺寸大小，以致带c之间的差值增大了，因此当量直径保持等于d。因此，纤维的覆盖表面向着过滤介质的流出侧增大。当在整个过滤介质体积中孔隙度相等时，借助改变纤维横截面的形状使比率S/V从流入侧到流出侧增大。
作为另一个例子，所提供的柴油机炭烟颗粒过滤介质在整个过滤介质中具有相同的纤维。在流入侧上，提供了较大的孔隙度，而向着流出侧，孔隙度减小了。减少孔隙度意味着向着流出侧在单位体积中具有更大的纤维量。由于所有纤维是相等的，因此这意味着，向着流出侧在单位体积中具有更大的纤维覆盖表面。借助有选择地选择孔隙度、横截面形状和纤维当量直径，可以得到作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质。
其结果是，惊奇地发现，作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质可以具有：
提高的过滤效率，该过滤效率高达85％到95％或者甚至高于99％，这个发生在一个较短的装载时间之后。已发现，就气体流过该过滤器的表面速度而言，该效率主要是由于选择流出侧上的S/V比率。
即使在较大的过滤废气相速度范围内，也能提高炭烟装载时间和碳烟装载量。已发现，如果该过滤介质是该厚度并且逐渐地增大S/N比率，那么可以被捕获的炭烟量主要依赖于过滤介质本身的尺寸大小。
尽管过滤介质的厚度T相对较高，但使压力降最小化，因为可以使用明显较大的孔隙度，它的范围为85％到99.5％，甚至是通过过滤介质更多的所有方式。
应该理解，过滤介质可以设置有催化剂以得到捕获炭烟的氧化作用。可能的是，催化化合物被提供来减少废气中的NOx含量。在过滤介质的整个深度上可以提供不同的催化剂。
柴油机炭烟颗粒过滤介质可以用来提供柴油机炭烟过滤器，该过滤器包括作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质。柴油机炭烟过滤器还可以包括其它元件，如过滤器壳体或者罐和用来再生过滤介质以除去捕获在介质上的炭烟的装置。
附图说明
现在，参照附图来更加详细地描述本发明，其中：
图1示意性地示出了作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质。
图2示意性地示出了作为本发明主题的其它柴油机炭烟颗粒过滤介质。
图3示出了下文所描述的实施例的S/V曲线。
具体实施方式
作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质1000在图1中示出。柴油机炭烟颗粒过滤介质1000具有用来过滤废气的流入侧1001和流出侧1002，该废气的流动方向用箭头1003来表示，该过滤介质1000安装在过滤罐1004内。
柴油机炭烟颗粒过滤介质包括用1010、1020、1030、1040、1050、1060、1070、1080、1090和1100来表示的10层纤维介质。这些层彼此邻近地存在。在图1中，示出了这些层安装成彼此分开，但是这种分开对于本发明的目的来讲不是重要的。可供选择地，它们可以安装成彼此接触。
每层具有一厚度，该厚度用1011、1021、1031、1041、1051、1061、1071、1081、1091、1101来表示。
过滤介质厚度T应该理解为这些层的厚度的总和。
对于第一实施例而言，由金属纤维组成的这些层的纤维介质特性列在表1中。
表1
层数 纤维横截面形状   纤维周长(μm)   纤维当量直径(μm)   层厚度(mm)   孔隙度(％)   S/V(m2/m3)
1010   矩形(54μm*21μm) 150 38 120 99.52 391
1020   矩形(54μm*21μm) 150 38 100 99.13 703
1030   矩形(54μm*21μm) 150 38 80 98.63 1114
1040   矩形(54μm*21μm) 150 38 60 97.59 1954
1050   矩形(50μm*19μm) 138 35 18.50 96.22 5495
1060   矩形(50μm*19μm) 138 35 3.45 93.70 9152
1070   矩形(50μm*19μm) 138 35 3.05 92.88 10346
1080   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.74 92.06 11540
1090   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.48 91.23 12735
1100   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.27 90.41 13929
  总和   -   -   -   392.49   -   -
通过层厚度的Al、纤维横截面形状、纤维周长、纤维当量直径、孔隙度和S/V基本上都相同。层1060、1070、1080、1090和1100被烧结。
在图3的曲线301中可以看到逐渐增大的、过滤介质中的位置函数的S/V。图3中的横坐标31是用mm来表示的、过滤器中的实际位置到过滤器流入侧之间的距离。纵坐标32是用m2/m3来表示的、那个位置上的S/V值。
用来提供纤维介质的金属纤维优选为Fecralloy或者Aluchrome合金纤维。每层设置成直径为168mm的盘，并且插入到内径相同的管形的罐1004中。
在表1中所给出的柴油机炭烟颗粒过滤介质用在柴油机中，该柴油机产生具有大约30g/m3炭烟颗粒的废气。废气通过过滤器的相速度大约为1.5m/s。
在5分钟的负荷之后，柴油机炭烟颗粒过滤介质提供了大于85％的炭烟过滤效率。
包括10层纤维介质的、作为本发明主题的另一种柴油机炭烟过滤介质提供在表II中。
表II
层数 纤维横截面形状   纤维周长(μm)   纤维当量直径(μm)   层厚度(mm)   孔隙度(％)   S/V(m2/m3)
1010   矩形(54μm*21μm) 150 38 120 99.48 418
1020   矩形(54μm*21μm) 150 38 100 99.13 708
1030   矩形(54μm*21μm) 150 38 80 98.62 1121
1040   矩形(54μm*21μm) 150 38 60 97.69 1872
1050   矩形(50μm*19μm) 138 35 18.50 96.22 5495
1060   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.09 89.59 15124
1070   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.94 88.77 16318
1080   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.8 87.94 17512
1090   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.69 87.12 18707
1100   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.59 86.30 19901
  总和   -   -   -   387.60   -   -
通过层厚度的Al、纤维横截面形状、纤维周长、纤维当量直径、孔隙度和S/V基本上都相同。层1060、1070、1080、1090和1100被烧结。
在图3的曲线302中可以看到逐渐增大的、过滤介质中的位置函数的S/V。
用来提供纤维介质的金属纤维优选为Fecralloy或者Aluchrome合金纤维。每层设置成直径为168mm的盘，并且插入到内径相同的管形的罐1004中。
在与表I的柴油机炭烟颗粒过滤介质相同的环境下，对所提供的柴油机炭烟颗粒过滤介质进行实验。在5分钟的负荷时间之后，炭烟过滤效率大于90％。
作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质的另一个实施例给出在表III中。该介质包括17层金属纤维，所有这些纤维优选为由Aluchrome来制成，Aluchrome是包括Fe、Cr和Al的不锈钢合金。
表III
层数 纤维横截面形状   纤维周长(μm)   纤维当量直径(μm)   层厚度(mm)   孔隙度(％)   S/V(m2/m3)
  1   等腰三角形   383   77   60   99.38   244
2   矩形(54μm*21μm) 150 38 60 99.37 525
3   矩形(50μm*19μm) 138 35 15 98.56 2094
4   矩形(50μm*19μm) 138 35 18 98.37 2370
5   矩形(50μm*19μm) 138 35 17.5 97.14 4149
6   矩形(50μm*19μm) 138 35 18.5 96.22 5495
7   矩形(50μm*19μm) 138 35 5.3 93.86 8922
8   矩形(50μm*19μm) 138 35 3.45 93.70 9152
9   矩形(50μm*19μm) 138 35 3.05 92.88 10346
10   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.74 92.06 11540
11   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.48 91.23 12735
12   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.27 90.41 13929
13   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.09 89.59 15124
14   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.94 88.77 16318
15   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.80 87.94 17512
16   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.69 87.12 18707
17   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.59 86.30 19901
  总和   -   -   -   217.4   -   -
在图3的曲线303中可以看到逐渐增大的、过滤介质中的位置函数的S/V。
作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质的另一个实施例给出在表IV中。该介质包括17层金属纤维，所有这些纤维优选为由Aluchrome来制成，Aluchrome是包括Fe、Cr和Al的不锈钢合金。
表IV
层数 纤维横截面形状   纤维周长(μm)   纤维当量直径(μm)   层厚度(mm)   孔隙度(％)   S/V(m2/m3)
1   矩形(100μm*33μm) 266 65 203.14 99.7 242
2   矩形(100μm*33μm) 266 65 121.88 99.5 403
3   矩形(100μm*33μm) 266 65 60.94 99.00 806
4   矩形(100μm*33μm) 266 65 40.63 98.50 1209
5   矩形(100μm*33μm) 266 65 30.47 98.00 1612
6   矩形(100μm*33μm) 266 65 14.54 96.00 3224
7   矩形(50μm*19μm) 138 35 6.93 96.00 5811
8   矩形(50μm*19μm) 138 35 2.49 95.00 7263
9   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.39 94.00 8716
10   矩形(50μm*19μm) 138 35 1.19 93.00 10168
11   矩形(50μm*19μm) 138 35 0.83 90.00 14526
12   矩形(50μm*19μm) 138 35 0.55 85.00 21789
13   矩形(25μm*15μm) 80 22 0.42 80.00 41000
14   矩形(25μm*15μm) 80 22 0.35 80.00 41000
15   矩形(25μm*15μm) 80 22 0.28 75.00 51250
  16   圆形   53   17   0.16   74.00   61176
  17   圆形   53   17   0.14   70.00   70588
  总和   -   -   -   486.32   -   -
作为本发明主题的柴油机炭烟颗粒过滤介质2000的另一个实施例示出在图2中。
柴油机炭烟颗粒过滤介质2000具有用来过滤废气的流入侧2001和流出侧2002，该废气的流动方向用箭头2003来表示，该过滤介质2000安装在过滤罐2004内。作为例子，在图2中用2005来表示的厚度T为370mm。大于该厚度T时，S/V从流入侧2001上的74m2/m3逐渐增大到流出侧2002上的16270m2/m3。根据图3所示的曲线304，优选采用逐渐增大。
该过滤器设置成使用具有边50μm和19μm的矩形横截面的不锈钢金属纤维。

Claims (14)

1.一种柴油机炭烟颗粒过滤介质，它包括纤维，所述柴油机炭烟颗粒过滤介质具有流入侧和流出侧，其特征在于，所述流入侧和所述流出侧之间的过滤介质厚度T等于或者大于5cm，S/V从所述流入侧到所述流出侧逐渐增大，其中S是体积V内的纤维的所有覆盖表面的总和。
2.如权利要求1所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述流入侧上的S/V大于50m2/m3。
3.如权利要求1-2任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述流出侧上的S/V小于80000m2/m3。
4.如权利要求3所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述流出侧上的S/V小于30000m2/m3。
5.如权利要求1-2任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述柴油机炭烟颗粒过滤介质由纤维形成。
6.如权利要求1-5任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述纤维是金属纤维。
7.如权利要求1-6任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述流入侧上的所述S/V小于10000m2/m3。
8.如权利要求1-7任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述流出侧上的所述S/V大于15000m2/m3。
9.如权利要求1-8任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述柴油机炭烟颗粒过滤介质包括至少两层纤维介质，每层中的S/V在该层的体积上基本上相等。
10.如权利要求1-9任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述过滤介质所具有的孔隙度在所述过滤介质的总体积上基本上相等。
11.如权利要求1-9任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述过滤介质的所述纤维具有基本上相等的当量直径。
12.如权利要求1-11任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述过滤介质的所述纤维具有基本上相等的径向横截面。
13.如权利要求1-12任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质，其特征在于，所述纤维所具有的当量直径的范围为0.5μm到100μm。
14.一种柴油机炭烟过滤器，它包括如前述权利要求任一所述的柴油机炭烟颗粒过滤介质。
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