用蜂窩式過濾器過濾汽油直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)廢料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及汽油直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)廢料的過濾。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知使用不同類型的陶瓷過濾器從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢料中去除顆粒物質(zhì)。通常稱為 "蜂窩"的過濾器具有從入口端到出口端延伸過濾器的長(zhǎng)度的軸向小區(qū)。小區(qū)通過多孔壁界 定和分隔。小區(qū)以一定圖案插塞，迫使進(jìn)入過濾器的廢料在其離開過濾器之前傳送通過小 區(qū)壁。顆粒物質(zhì)被小區(qū)壁捕獲。
[0003] 在傳統(tǒng)地主要是進(jìn)氣口燃料噴射（PFI)型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用這些顆粒過濾器 很不常見。當(dāng)適當(dāng)?shù)夭僮鲿r(shí)，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生極少顆粒物質(zhì)，并且因此幾乎不需要顆粒過濾 器。但是，較新類型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，所謂的汽油直接噴射（GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)在較常規(guī)的進(jìn)氣口燃 料噴射（PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)付費(fèi)的情況下獲得市場(chǎng)份額。在例如空載期間、當(dāng)在恒定速度下或在 低加速度下操作時(shí)和/或當(dāng)下坡行進(jìn)時(shí)遇到的輕負(fù)載條件下，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)具有優(yōu)于PFI發(fā) 動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。在這些條件下，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以在比PFI發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)潔的條件下操作。這潛在 地提供燃料經(jīng)濟(jì)性的改進(jìn)和在短暫加速和減速期間的較好性能。
[0004] ⑶I發(fā)動(dòng)機(jī)的問題是其傾向于產(chǎn)生比PFI發(fā)動(dòng)機(jī)多的顆粒排放物。許多管轄區(qū)的 汽車排放標(biāo)準(zhǔn)要求大部分這些排放物從發(fā)動(dòng)機(jī)廢料中去除。如同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這可以通過 傳送廢料通過陶瓷過濾器來實(shí)現(xiàn)。但是，經(jīng)設(shè)計(jì)用于處理柴油廢料的陶瓷過濾器在GDI系 統(tǒng)中運(yùn)行不良。對(duì)此的原因是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比極不同的條件下操作。特定 問題是在過濾器中所見的壓降。在極高壓縮比率和因此較高壓力下操作的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可以 承受這些壓降而無明顯性能損失。但是，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在較低壓縮比率和較低壓力下操作。在 顆粒過濾器中的壓降可以對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有明顯影響，其降低功率輸出且增加燃料消 耗。
[0005] 另一個(gè)重要差異是與在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中相比，較少粒子在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中形成，并且 那些粒子傾向于顯著較?。ú⑶乙虼烁y以過濾）。在柴油機(jī)顆粒過濾器的情況下，所見的 最有效的過濾不是用干凈過濾器，而是用已經(jīng)操作一段時(shí)間并且已經(jīng)積聚"煙灰塊"的過濾 器。GDI過濾器不傾向于積聚許多煙灰塊，并且因此需要在沒有受益于煙灰塊的情況下有效 去除GDI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的極小顆粒。有人想要在任何情況下避免在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)過濾器中形成 厚煙灰塊以避免增加背壓。
[0006] 因此，需要在低壓降下高效操作以從GDI發(fā)動(dòng)機(jī)廢料中有效去除顆粒物質(zhì)的顆粒 過濾器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是一種從汽油直接噴射（GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中去除顆粒物質(zhì)的方法，其包 含將含顆粒的廢氣引入到含有通過交叉多孔壁界定的多個(gè)軸向延伸小區(qū)的陶瓷蜂窩的入 口端中，傳送所述廢氣通過至少一個(gè)所述多孔壁以在所述多孔壁中截獲所述顆粒物質(zhì)，并 且然后從所述陶瓷蜂窩的出口端排放所述廢氣，其中：
[0008] 所述陶瓷蜂窩的所述多孔壁的壁厚是150 ym到750 ym，所述蜂窩的有效滲透率 是至少0. 8 X l(T12m2并且所述陶瓷蜂窩每平方米橫截面積含有45, 000到230, 000個(gè)小區(qū)。 [0009] 在某些實(shí)施例中，陶瓷蜂窩的特征在于具有如以下闡述所測(cè)定的小于2 X KfnT1的 粘性阻力（Rv)。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 出人意料地，高滲透率過濾器在從GDI發(fā)動(dòng)機(jī)廢料中去除顆粒物質(zhì)時(shí)保持高效， 同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)的有效操作所需的低壓降下操作。
[0011] 出于本發(fā)明的目的，汽油直接噴射（GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中使用火花點(diǎn) 燃系統(tǒng)點(diǎn)燃燃料（汽油或含汽油的混合物），并且其中燃料在與空氣混合之前以液滴形 式直接噴射到氣缸中并且在氣缸內(nèi)變?yōu)榕c空氣混合。⑶I發(fā)動(dòng)機(jī)不同于進(jìn)氣口燃料噴射 (PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)，部分因?yàn)樵赑FI發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料與空氣在引入到氣缸中之前混合。相信直接引 入燃料液滴相對(duì)于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)促成GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中所見的顆粒排放物增加。
[0012] ⑶I發(fā)動(dòng)機(jī)不同于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，部分因?yàn)棰荌發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料-空氣混合物在正常 操作期間是火花點(diǎn)燃的。
[0013] ⑶I發(fā)動(dòng)機(jī)可以是單氣缸或多氣缸。多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)可以具有2個(gè)或2個(gè)以上氣缸， 典型地4個(gè)到16個(gè)氣缸并且為了汽車用途，最典型地將含有4個(gè)到12個(gè)或4個(gè)、6個(gè)或8 個(gè)氣缸。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以是二沖程或四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0014] 在操作期間，燃料在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸中燃燒以形成熱氣（主要是二氧化碳和 水），其膨脹為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。在每個(gè)燃燒循環(huán)結(jié)束時(shí)，廢氣從發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸去除以形成 排放到大氣的廢氣流。在多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，來自多個(gè)氣缸的廢氣可以在釋放之前組合（如 在排氣歧管中）。在汽車應(yīng)用中，廢氣典型地通過管道系統(tǒng)引導(dǎo)到車輛的后部上方或后部處 的釋放點(diǎn)。
[0015] 在本發(fā)明中，來自GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣通過在將氣體排放到大氣中之前傳送其通過 多孔壁過濾器來過濾。多孔壁過濾器是含有多個(gè)軸向延伸小區(qū)的陶瓷蜂窩。軸向延伸小區(qū) 從陶瓷蜂窩的入口端延伸到出口端。陶瓷蜂窩的入口端是引入廢氣以便過濾的端口，而出 口端是在過濾之后排放廢氣的端口。軸向延伸小區(qū)由交叉多孔壁界定，其充當(dāng)活性過濾介 質(zhì)。大部分或所有小區(qū)典型地在一端或另一端而非兩端處并且典型地以交替圖案插塞。插 塞形成入口小區(qū)，其在入口端打開并且在出口端關(guān)閉。插塞還形成出口小區(qū)，其在出口端打 開并且在入口端關(guān)閉。在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣進(jìn)入陶瓷蜂窩的入口小區(qū)，穿過至少 一個(gè)交叉多孔小區(qū)壁到出口小區(qū)中，并且從蜂窩的出口端處的出口小區(qū)排放。顆粒去除發(fā) 生在具有夾帶顆粒的氣體穿過多孔小區(qū)壁時(shí)并且顆粒被多孔小區(qū)壁捕獲并且從氣體去除。
[0016] 陶瓷蜂窩安置在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的廢料系統(tǒng)內(nèi)，因此來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣在排放到大氣 中之前穿過陶瓷蜂窩。廢料系統(tǒng)包括一個(gè)或一系列導(dǎo)管，其將廢氣引導(dǎo)到陶瓷蜂窩并且在 過濾后，引導(dǎo)廢氣離開陶瓷蜂窩到排放到大氣中的位置。廢料系統(tǒng)可以包括例如聲音消除 措施（例如一或多個(gè)消聲器）、一或多個(gè)其它凈化裝置、一或多個(gè)催化轉(zhuǎn)化器等的組件。陶 瓷蜂窩典型地安置在罐或其它容器中。這個(gè)罐或其它容器的目的是將陶瓷蜂窩維持在理想 位置和定向上，并且防止廢氣逸出蜂窩邊緣或圍繞蜂窩邊緣傳送。罐或其它容器通常包括 廢氣通過其引導(dǎo)到陶瓷蜂窩的入口端的入口和通過其從陶瓷蜂窩的出口端排放的廢氣被 引導(dǎo)離開的出口。
[0017] 陶瓷蜂窩的軸向延伸小區(qū)可以具有任何適宜的橫截面形狀，例如圓形、橢圓、多邊 形（例如三角形、正方形、矩形、五邊形、六邊形、八邊形等）等等，或可以替代地具有復(fù)雜形 狀，例如"啞鈴"或類似形狀。一些小區(qū)可以具有與其它不同的橫截面形狀并且可以具有與 其它不同的尺寸（即，不同橫截面積）。小區(qū)的橫截面優(yōu)選地是矩形、正方形或三角形并且 最優(yōu)選地橫截面是正方形。
[0018] 陶瓷蜂窩可以是整體（即，以單塊形成）或可以是分段的，即是較小蜂窩結(jié)構(gòu)的組 裝，所述較小蜂窩結(jié)構(gòu)單獨(dú)制造并且然后組裝在一起，通常使用陶瓷水泥將個(gè)別塊體粘著 在一起。
[0019] 陶瓷蜂窩可以具有外邊緣"表皮"。這一表皮可以由蜂窩的邊緣小區(qū)的外部小區(qū)壁 形成?；蛘?，表皮可以是在制造陶瓷蜂窩之后應(yīng)用的應(yīng)用表皮。
[0020] 陶瓷蜂窩的外部尺寸是與特定應(yīng)用結(jié)合來選擇。陶瓷蜂窩的橫截面積可以是例如 5cm2到2000cm 2,尤其75cm2到500cm2。陶瓷蜂窩的長(zhǎng)度可以是例如5cm到50cm，尤其6cm 到 15cm〇
[0021] 陶瓷蜂窩的多孔交叉壁由陶瓷材料制成。陶瓷材料可以由任何可以耐受在操作期 間遇到的溫度條件而不永久變形或熱降解的材料制成。陶瓷可以是例如針狀多鋁紅柱石、 非針狀多鋁紅柱石、堇青石、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮氧化硅、碳氮化硅、 0鋰輝石、鈦酸鋁、硅酸鍶鋁、硅酸鋰鋁、二氧化硅、其它鋁-硅酸鹽等等，或其中的任何兩 種或兩種以上的復(fù)合物，例如多鋁紅柱石-堇青石復(fù)合物、多鋁紅柱石-鈦酸鋁（tialite) 復(fù)合物、針狀多鋁紅柱石-堇青石復(fù)合物、針狀多鋁紅柱石-鈦酸鋁復(fù)合物等等。其它實(shí)例 可以包括纖維與粘合劑的復(fù)合物，例如多鋁紅柱石纖維、氧化鋁纖維、鋁硅酸鹽纖維、鋁氧 化錯(cuò)（aluminozirconia)纖維，以及適當(dāng)粘合劑材料，例如氧化錯(cuò)等等。
[0022] 在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，陶瓷過濾器的多孔交叉壁（界定軸向延伸小區(qū)）是針 狀多鋁紅柱石，或針狀多鋁紅柱石與一或多種其它陶瓷的復(fù)合物。通過"針狀"，意指多鋁紅 柱石呈至少在其一些交叉點(diǎn)處接合在一起的細(xì)長(zhǎng)針狀物形式。交叉壁中的孔部分或完全由 交叉針狀物之間的空隙界定。針狀多鋁紅柱石針狀物的縱橫比（長(zhǎng)度除以中值直徑）可以 是至少2,優(yōu)選是至少5并且最優(yōu)選是10或10以上。針狀多鋁紅柱石針狀物的中值直徑可 以是0. 5微米到50微米。
[0023] 適合的針狀多鋁紅柱石蜂窩結(jié)構(gòu)的實(shí)例包括美國(guó)專利第5, 194, 154號(hào)、第 5, 173, 349 號(hào)、第 5, 198, 007 號(hào)、第