專利名稱：耐熱過濾層、過濾體及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種由至少局部對于流體可流通的材料制成的耐熱過濾層、帶有至少一個這種耐熱過濾層的過濾體以及制造這種過濾體的方法。這種過濾體特別是用來凈化汽車制造中的車輛用內燃機的廢氣。
背景技術：
考察德國新機動車牌照情況，那么可以確定，在2000年總共有三分之一的所有新發牌照的汽車具有柴油機。這里這個份量按照傳統明顯高于例如在法國和奧地利。這種對柴油機汽車的興趣的增長其起因例如是比較少的燃料消耗，目前比較低的柴油價格，但是還有這種汽車改善的行駛性能。從環境方面的觀點來看柴油機汽車也是非常吸引人的，因為它相對于汽油驅動的汽車具有明顯降低的CO2排放量。然而也必須肯定，在燃燒時產生的炭黑顆粒的成分也明顯高于汽油驅動的汽車。
現在如果考察特別是柴油機的廢氣的凈化，那么廢氣中的碳氫化合物(HC)以及一氧化碳(CO)可以用已知方法氧化，例如通過使它們和催化活性的表面相接觸。然而在富氧條件下使氮氧化物(NOx)還原則比較困難。例如如在汽油發動機中所用的三元催化器沒有帶來希望的效果。由于這個原因開發了選擇性催化還原法(SCR“selective catalyticreduction”)。此外NOx-吸附器在其在氮氧化物還原方面的應用中得到了驗證。
目前關于是顆粒還是長鏈碳氫化合物對人類健康產生有害作用的討論已經進行了很長時間，而迄今為止沒有得出最終結論。盡管有這樣的爭論仍然看到這樣的愿望，即不應該向環境中排放超過一定允許范圍的這種排放。在這方面提出了這樣的問題，為了在將來也能符合迄今為止已知的法律上的準則實際上需要怎樣的過濾效果。如果考察聯邦德國在交通中的汽車目前的廢氣狀況，那么可以斷定，大多數在1999年按歐洲III號標準認證的乘用車也能滿足歐洲IV號標準的要求，如果它們配備至少具有30-40％效率的過濾器的話。
為了減少顆粒排放，已知一種由一種陶瓷基質構成的顆粒陷阱。所述顆粒陷阱具有通道，以使待凈化的廢氣可以流入顆粒陷阱內。相鄰通道交替地關閉，使廢氣從入口端進入通道，穿透陶瓷壁，并經過相鄰通道重新在出口端排出。這種類型的過濾器達到在所出現的顆粒尺寸的整個范圍內的約95％的效率。
除采用添加劑和特殊涂層的化學的交互作用外汽車排氣系統內的過濾器的可靠再生始終是一個問題。顆粒陷阱需要再生，因為在待流過的通道壁內積聚越來越多的小顆粒導致對發動機效率產生不利影響的不斷加大的壓力損失。再生主要包括對顆粒陷阱和積聚在它里面的顆粒進行短時間的加熱，使炭黑顆粒轉化成氣體成分。然而顆粒陷阱這種大的熱負荷對使用壽命起不利影響。
為了避免這種斷續和造成嚴重熱磨損/疲勞的再生，開發了一種用于連續再生的過濾器系統(CRT“連續再生陷阱”)。在這種系統中顆粒在高于200℃的溫度下借助與NO2的氧化就已經燃燒了。這里所需要的NO2常常通過設置在顆粒陷阱的上游的氧化催化器產生。但是這里正是在柴油燃料的汽車中的應用上出現問題，即在廢氣中存在的可以轉變為所希望的二氧化氮(NO2)的一氧化氮(NO)的成分不夠。因此迄今不能保證，在排氣系統內進行顆粒陷阱的連續再生。
還需要考慮，除不可轉化的顆粒以外在顆粒陷阱內還沉積有油或還有添加劑殘留物，它們不能毫無問題地被再生。由于這個原因已知必須定期更換和/或清洗過濾器。做成板式的過濾系統試圖用這樣的方法解決這個問題，即使得可以進行類似振動的激振，它促使這些組成成分從過濾器中排出。然而從而也使得不可再生的顆粒成分部分地未作進一步處理便直接進入環境中。
除最低反應溫度和一定的停留時間以外，為了用NO2使顆粒連續再生必須提供足夠的一氧化氮。一氧化氮(NO)和顆粒的動態排放試驗清楚地表明，當在廢氣內沒有或只有很少一氧化氮或一氧化氮太多時，正是排放顆粒的時候。由此得出結論，真正連續再生的過濾器基本上必須起補償器或存儲器的作用，以保證，兩種反應物在規定時刻以必要的數量在過濾器內停留。此外過濾器應盡可能靠近內燃機設置，以便直接在冷起動后就能獲得盡可能高的溫度。為了提供要求的二氧化氮，在過濾器前連接一氧化催化器，它使一氧化氮(CO)和碳氫化合物(HC)轉化，特別是使一氧化氮(NO)轉化成二氧化氮(NO2)。這種由氧化催化器和過濾器組成的系統設置在發動機附近渦輪增壓器之前的位置特別合適，渦輪增壓器在柴油機汽車中常常用來提高燃燒室中的進氣壓力。
如果考察這種基本設想，那么對于在汽車制造中的實際應用便會出現這樣的問題，即如何設計一個這種類型的過濾器，該過濾器在這樣一個位置并且在存在極高的熱負荷和動態負荷情況下具有令人滿意的過濾效果。這里特別是應該考慮決定過濾器的新設計的空間狀況。在設置在汽車底板內的通用過濾器中存在盡可能大的容積是十分重要的，以保證還未轉化的顆粒在過濾器內有長的停留時間，從而達到高的效率，而對于靠近發動機設置的情況，不具備足夠的位置或空間。
為此開發了一種新的設計概念，它基本上以“開放式過濾系統”的概念廣為人知。這種開放式過濾系統的特征為，可以放棄過濾通道結構上的的交替封閉。這里設想，通道壁至少部分由多孔或高度多孔的材料制成，并且開放式過濾器的流道具有轉向和導向結構。這種內置構件促使，氣流和包含它里面的顆粒轉向由多孔或高度多孔材料組成的區域。這時出人意料地顯示，顆粒通過攔截和/或沖擊附著在多孔的通道壁上和/或內。對于這種效果的同時出現的流動的廢氣流截面內的壓差具有重要意義。通過轉向可能附加地形成局部的低壓狀態或超壓狀態，它們造成穿過多孔壁的過濾效應，因為必須平衡上述壓差。
與已知封閉的篩網或過濾系統不同這里顆粒陷阱是開放的，因為不存在流動死巷。因此這種性能也可能用來表示這類顆粒過濾器的特征，使得例如參數“流動自由度”適合于用來描述這種系統。“流動自由度”為20％意味著，在橫截面內觀察約20％的面積是可看透的。在通道密度約為600cpsi(每平方英寸單元數)液力直徑為0.8mm的顆粒過濾器中這個流動自由度相當于0.1mm2以上基本上聚合的面積。為了解釋得更清楚也可以說，如果比本身應該被濾掉的顆粒大得多的顆粒基本上可以流過所述過濾器，那么這種顆粒過濾器稱為開放式的。因此在運行期間即使在發生顆粒結塊時這種過濾器本身也不會被堵塞。用來測量顆粒過濾器開放度的合適的方法例如是測試直至多大直徑球形顆粒還能緩慢流過(rieseln)這種過濾器。對于所述應用場合如果直徑大于或等于0.1mm的球，尤其是0.2mm以上直徑，特別是0.3mm以上直徑的球，還能流過，那么此過濾器便是開放式的。
發明內容
正是鑒于實現這種開放式過濾系統現在本發明的目的是，提供一種耐熱的過濾層，它正好特別良好地適用于連續再生和由此產生的要求。在這方面過濾系統必須耐乘用車排氣系統內的高熱和動態負荷，這種負荷來源于非常熱的廢氣的脈沖式排出。其次應該提供相應的過濾體，它適合于顯著地還原排氣系統內的顆粒。此外還應提供一種制造過濾體的方法。這里應該這樣設計過濾層，使得有利于形成接合連接，特別是釬焊連接或焊接/熔焊連接。
這些目的通過一具有權利要求1特征的耐熱過濾層、一按權利要求7特征的用來凈化內燃機廢氣的過濾體以及用來制造這種過濾體的具有按權利要求15的步驟的方法來實現。其它有利的結構方案在各從屬權利要求中說明，其中從屬權利要求中所指出的特征可以單獨地或者以任何適當的相互組合的形式出現。
耐熱過濾層至少部分由對于流體可流通的材料制成，并具有至少一個過濾段和至少一個邊緣區。按本發明的過濾層的特征為，它在所述至少一個邊緣區內具有一與所述至少一個過濾段不同的層厚。在這方面過濾層具有分別具有不同功能的不同區域。過濾段主要用來濾出包含在廢氣中的顆粒等，并使其積存或沉積在空腔、孔隙等內或過濾材料上，而所述至少一個邊緣區起形成接合連接(fügetechnische Verbindung)的作用。在這些區域內具有不同層厚的過濾層的設計形成可以明顯看出的空間界線，從而例如在具有這種過濾層的過濾體的制造上避免裝配誤差/差錯。
為了相對于過濾層在空間上布置所述至少一個邊緣區和所述至少一個過濾段，還應該注意，過濾段優選地設置在過濾層的中央區域內。所述至少一個邊緣區優選地在棱邊附近形成，但是也許也可以，將邊緣區設計成象一個框一樣環繞所述至少一個過濾段。在這方面存在這樣的可能性，即形成一比較大面積的設置在中央的過濾段，它被所述至少一個邊緣區包圍，但是作為另一種選擇有時設置多個過濾段，象棋盤圖案一樣使它們分別通過所述至少一個(特別是做得類似于框架)邊緣區隔開，也是適當的。耐熱過濾層的具有多個分別被至少一個邊緣區包圍的過濾段的結構方案允許在相應的過濾體內比較牢固(steif)的連接，因為相鄰過濾層的連接在許多也設置在過濾層中的區域內的邊緣區內造成一(大)面積的和均勻分布的結合。
按照過濾層的另一種結構方案，在所述至少一個邊緣區內的層厚小于所述至少一個過濾段內的層厚，特別是小于其60％，最好50％或者甚至35％。過濾層的這種結構的優點是，在所述至少一個設計成厚壁的過濾段內提供較大的體積，這促使在這個至少一個過濾段內提供足夠的用來容納或沉積例如炭黑顆粒的孔隙、空腔等。這時在這種大的孔隙內積存特別是具有100nm至250nm的顆粒直徑的顆粒。耐熱過濾層優選地由纖維材料制成，它例如是一種比較松散的由纖維制成的復合材料，這種復合材料例如可以是由陶瓷纖維制成的纖維織物或纖維針織品，備選地或附加地也可以采用金屬纖維、燒結材料、金屬絲織物等。
所述至少一個邊緣區基本上由與所述至少一個過濾段相同的材料制成，其中邊緣區優選地包括一壓縮或致密化的復合纖維。在至少一個過濾段區域內過濾材料對于流體特別是廢氣流是可流通的，而所述至少一個邊緣區最好對于流體是基本上不可穿透的。這意味著，對纖維材料進行這樣的至少局部的致密化，使得大量空腔、開口、孔隙、通道(Durchlass)等被封閉。就此而言減小的層厚是過濾材料壓縮過程的結果。
過濾材料在所述至少一個邊緣區內的不可穿透性促使，例如結合劑或輔助材料(焊料、焊接添加劑等)可以有目的地施加在至少一個邊緣區的表面上，這時在結合劑或焊接輔助材料加熱時防止這些材料積累在纖維材料內部且從而不能為相鄰過濾層的連接提供所述結合劑或焊接輔助材料。根據用來形成接合連接所需要的結合劑的不同進行適當的壓縮，使得在至少一個邊緣區內有利地實現至少40％，特別是至少50％，或者甚至65％以上的層厚減小。這里在至少一個邊緣區內產生在小于1mm特別是小于0.5mm，和在某些情況下甚至小于0.1mm范圍內的層厚。
按照另一種結構，所述至少一個邊緣區從過濾層的一條棱邊起具有最大30mm，特別是最大20mm，尤其是最大10mm或甚至僅最大5mm的邊緣寬度。這意味著，特別是過濾層的棱邊區域用來形成接合連接。這特別有利，因為正好是這個區域由于脈沖廢氣流受到特別大的載荷。使過濾層在這個棱邊區域具有比較強烈地壓縮的過濾材料的這種設計避免松脫現象，因為那里存在纖維的明顯比較牢固的結合。此外在相應過濾體內相鄰過濾層在這個棱邊區域內相互連接，從而還避免這個區域的振動或抖動，這里應考慮在應用中出現的動態負荷來設計邊緣寬度，其中還應該考慮過濾層的熱膨脹性能。就此而言如果過濾層受到適中的動態負荷和適中到高的熱負荷，那么選擇盡可能窄的邊緣區是有利的。
此外建議，過濾層包括至少一個纖維層，它最好具有最多3mm，特別是最多1mm和尤其是最多0.5mm的纖維層厚度。特別是應該在考慮待凈化的廢氣流或包含在其中的顆粒的情況下選擇纖維層厚度。此外應該考慮，較大的纖維層厚度提供一個較大的儲存容積或較大的纖維數量，使得這種過濾層不必經常再生，因此也可以安裝在離發動機較遠的區域內，例如汽車底板內。在這種遠離發動機的位置廢氣在經過比較長的時間段后才達到再生所需要的溫度，因此對于這個時間段必須提供足夠的儲存容量。如果希望過濾層布置在排氣系統的溫度非常高的區域內，特別是布置在發動機附近，在某些情況下可以保證連續再生，那么這里優選地采用具有非常小的纖維層厚度的過濾層。
過濾層一種有利的改進方案包括至少一個金屬層，它尤其是向外限定過濾層的外部邊界，并且特別是具有最多0.05mm，尤其是最多0.03mm或者甚至最多僅僅0.015mm的金屬層厚度。其中這個金屬層最好在至少一個過濾段內對于流體是可流通的，亦即具有開口、通道等。金屬層最好一直延伸至或超過所述至少一個邊緣區，其中金屬層在至少一個邊緣區內有利地設計成對于流體是不可穿透的。特別是采用鋁鉻合金作為這種金屬層的材料，如由制造作為用來凈化廢氣的催化器基體的金屬蜂窩體所已知的那樣。這里金屬層可以做成涂層或單獨的薄膜。
過濾層是夾層結構并具有至少一個纖維層和至少一個金屬層，特別有利。這里金屬層優選地形成一包圍纖維層的外殼，以示纖維層不可遺失地設置在所述至少一個金屬層的內部。在這種情況下外殼應理解為所述至少一種金屬層的布置結構，在這種布置結構中所述至少一個金屬層至少局部地延伸超出纖維層的邊界，特別是完全包圍纖維層。就此而言至少部分地在纖維層的整個周向上形成一個外殼。因此金屬層這樣地包圍纖維層的邊界促使，在至少一個方向上形鎖合地防止纖維層相對于所述至少一個金屬層的相對運動。
這種夾層結構的布置綜合了多個優點，特別是考慮到這種過濾層在設置在發動機附近，這些優點具有重要意義。所述至少一個金屬層是一種防護外殼，它保護位于內部的纖維層免受所出現的壓力沖擊和溫度峰值的影響。纖維層和金屬層相比是一種松散得多的由纖維制成的復合材料。這里纖維層可以具有很高的多孔度，因為由于對其起保護作用的一個金屬層對該纖維層不必優先進行強度方面的設計。就此而言可以在纖維層內實現特別大的空腔、孔隙等。這特別是由此而得到支持，即由于至少一個金屬層制成類似于帶狀或薄膜，也就是說提供比較大的貼合面。因此這里可以采用包裝得比例如已知的金屬絲網松得多的纖維材料，金屬絲網迄今為止用來保持過濾層的形狀穩定性。
目前為止這種夾層結構做成這樣，即在過濾材料兩側分別設置一支承結構(特別是金屬絲編織物)，接著將這種夾層結構彎曲或變形成希望的形狀。這里這種夾層結構這樣地設置在廢氣流內，使得過濾材料的邊界(或端面)無保護地經受脈沖式廢氣流。這特別是在這個端部區域內造成松脫現象。為了確保，纖維材料在一較長的時間段內固定在金屬絲織物之間，必須在高壓下在大的面積上(有時甚至在整個表面上)壓合這種夾層結構。由于由此造成的很小的用于積存顆粒的孔隙或空腔，這造成對過濾材料的效果明顯的損害。在這里所推薦的夾層結構中可以用簡單的方法避免這種情況，因為所述至少一個金屬層包圍纖維層的邊界，直接造成纖維層不可遺失地設置在內部。
按照本發明另一個方面建議一種用來凈化內燃機廢氣的過濾體，它包括至少局部形成表面結構的層，它們這樣地堆疊和/或卷繞，以形成流體可流通的通道。這里按本發明的過濾體具有至少一個上述的耐熱過濾層。其中過濾體可以按常用的原理制成，即通道交替地封閉，使得整個廢氣流流過耐熱的過濾層。但按開頭所述“開放式系統”的過濾體結構是優選的，也就是說其具有至少為20％，特別是至少為40％或者甚至超過50％的流動自由度。這意味著，開放式過濾體在通道的整個長度上具有可自由流通的橫截面，其中在通道內設有用來產生壓差的裝置或者用來控制通道內的流動方向的結構。由此促使待凈化廢氣至少部分地轉向耐熱的過濾層，廢氣至少部分穿流過過濾層，從而促使顆粒沉積或積存在過濾材料內。
帶有包括至少一個形成表面結構的薄板和至少一基本上光滑的或未形成表面結構的過濾層的層的過濾體是特別優選的，其中所述層在至少一個連接部分內相互接合連接，特別是釬焊或焊接。這意味著，至少一個形成表面結構的薄板和至少一個過濾層相互堆疊和/或卷繞，其中由于原則上起相鄰的光滑的過濾層的間隔件作用的薄板的結構形成通道。這些通道最好相互平行分布。為了保證，即使在高的熱負荷和動態負荷時仍然基本上避免過濾體的層的相對運動，它們應該相互接合連接。這里特別適合于釬焊或焊接連接，如已經由作為汽車制造中的催化器基體的金屬蜂窩體的制造中已知的那樣。
這里至少一個連接部分設置在過濾層的所述至少一個邊緣區內是特別有利的。亦即例如連接部分最好設計成小于過濾層的整個跨度(Erstreckung)。這是有利的，因為在所述情況下兩種具有不同熱膨脹行為的不同材料(薄板和過濾層)相互連接。這種相鄰地相互設置的部件的在僅僅一個比較小的連接部分內的連接保證，不會由于相互共同連接而顯著地妨礙這種膨脹行為。這對這種過濾體的使用壽命具有特別有利的影響，因為顯著地減小了在連接部分附近形成裂縫的可能性。至少一個連接部分和至少一個邊緣區相互協調的空間布置導致特別持久的連接，因為過濾層在邊緣區內對于結合劑(釬焊料或焊接材料)是不可穿透的，因此即使在形成接合連接期間在待相互連接的部件的接觸區內仍有結合劑可供使用。
鑒于這樣的事實，即按本發明的耐熱過濾層設計成具有不同的層厚，在過濾體內存在用來補償過濾層不同的層厚的結構是特別有利的。在相鄰部件貼合在按本發明的過濾層上時在至少一個過濾段的區域內形成所述部件相互間一基本上形鎖合的貼合。因為例如薄板具有基本上平面的支承面，但是按本發明的過濾層在從至少一個過濾段到至少一個邊緣區的過渡中形成一臺肩，在至少一邊緣區內在薄板和過濾層之間形成一種空隙。這種空隙具有一僅通過焊料或焊接材料常常不能跨接的尺寸。在這方面需要用來補償這個空隙的結構，這種結構即使在過濾層的所述至少一個邊緣區內仍然確保過濾體相互相鄰設置的部件的接觸。為此下面舉例說明幾種不同的補償結構。
對于過濾層的層厚在至少一個邊緣區內設計成比在至少一個過濾段內小的情況，建議至少一個邊緣區具有一變形區，它至少局部地自身交迭或者甚至最好釬焊。這意味著，至少一個特別是設置在過濾層至少一條棱邊附近的邊緣區設計成具有比接下來應該產生的連接部分的寬度大的邊緣寬度。現在對邊緣區超出連接部分的伸出部分進行這樣的彎曲、折疊或彎折等，以使這個伸出區域重新伸入連接部分。從而邊緣區的部分區域相互鄰接，最好甚至是相互貼合，使得層厚在所述至少一個邊緣區內至少局部地至少加倍。這例如適合于這樣的過濾層，它在至少一個邊緣區內具有基本上僅為在至少一個過濾段內的層厚的50％的層厚。因此在所述至少一個邊緣區變形時在過濾層的至少一側上為過濾體的相鄰部件提供一基本上平面的貼合面。為了防止所述至少一個邊緣區的這種變形的或彎曲的部分區域由于汽車排氣系統內的動態負荷開始顫動或振動，或者與過濾層松脫，釬焊或焊接邊緣區的最好在邊緣區上自身相互貼合的交迭部分(與自身)，則特別有利。關于焊接方法這里滾點焊(Rollnahtschweiβ)證明是特別好的。
按照一種有利的改進結構建議，在具有在至少一個邊緣區內減小的層厚的過濾層的設計中，一個層一特別是一個形成表面結構的薄板一的與至少一個邊緣區相鄰地設置的區域具有比(其)其余區域大的高度。對于相鄰層是一形成表面結構的薄板的情況，此薄板在這個區域內設計成具有比其余區域大的結構高度，則特別有利，其中薄板的材料厚度在不同區域內最好是相同的。與前面所述的通過過濾層本身對不同板厚的進行補償原理不同，這里建議，通過與過濾層相鄰設置的部件進行補償。
如前所述，薄板的構造主要用作相鄰過濾層的間隔件。因此在具有不同結構高度的過濾層的設計中也跨接相鄰過濾層的不同距離。當結構高度設計成在于所述至少一個邊緣區相鄰設置的區域內比在與過濾段相鄰設置的其余區域大時確保，薄板在通道的整個長度上與相鄰的過濾層相接觸，因此可以相互(正好在至少一個邊緣區內)接合連接這些部件。因此以與在從至少一個過濾段到至少一個邊緣區的過渡區中存在的層厚減小相近的百分比進行結構高度加大。
按照又一種結構過濾體設有至少一個附加的補償層，它優選地設置在與過濾層的至少一個具有減小的層厚的邊緣區相鄰的位置上。因此這些附加的補償層不是在過濾體的整個長度上延伸，而優選地只是基本上在過濾體的相鄰的部件相互連接的連接部分上延伸。這里補償層基本上在過濾體的相鄰部件相互連接的連接部分上延伸。這里補償層基本上填滿由于過濾層在至少一個邊緣區內層厚的減小所造成的空隙，并且最好同樣與相鄰的部件接合連接，特別是釬焊。在一些情況下附加的補償層也可以設計成比所述至少一個邊緣區長，其中補償層至少局部地超出過濾層或至少一塊薄板伸出。這個突出的部分區域在某些情況下也可以設置成圍繞過濾層的邊緣區，從而可以用一個補償層來補償兩個相對于過濾層的一個邊緣區位于棱邊附近的空隙。以這種方法進一步保護過濾層的經受特別大的動態負荷的棱邊，這時減小附加地集成在過濾體內的補償層的數量。
按照本發明另一個方面推薦一種用于制造上述過濾體的方法，此方法包括以下步驟-制造至少一個耐熱過濾層；-形成所述至少一個過濾層的至少一個具有減小的層厚邊緣區；-設置用于補償至少一個過濾層的不同層厚的結構；-堆疊和/或卷繞至少一個過濾層和至少一塊形成表面結構的薄板，以形成具有對于廢氣可流通的通道的蜂窩體；-向至少一個過濾層和至少一塊薄板的至少一個連接部分內輸入焊料；-加熱蜂窩體，以在至少一個連接部分內形成釬焊連接。
關于形成釬焊連接可以參考用于制造作為用于汽車排氣系統的催化器基體的金屬蜂窩體的已知工藝。在這方面優先采用以鎳為基的粉末狀焊料作為焊料，其中蜂窩體的加熱最好在保護氣體氛圍中或幾乎完全真空中進行。
按照本方法的另一種方案，在加入焊料之前先將蜂窩體裝入一殼體內，其中焊料在加入期間最好也附著在至少一個過濾層和/或至少一個薄板與殼體的至少一個結合區內，使得在加熱時在至少一個結合區內同樣產生釬焊連接。為此用已知方法首先在連接部分和結合區上涂抹粘接劑。在釬焊過程中粉末狀焊料附著粘接劑上。為了限定連接部分和/或結合區還知道限制焊料流的手段(焊料截止結構、油、蠟、陶瓷涂層等)，在某些情況下在這里也可以采用這些手段。在釬焊前將蜂窩體裝入殼體內使得避免多個施加焊料的步驟，并建立均勻的釬焊連接，因為所述釬焊連接經受同樣的熱處理。
按照本方法的一種改進方案，至少一個具有減小的層厚的邊緣區的形成通過在至少一個邊緣區內向過濾層上施加壓緊力進行。這個壓緊力例如可以借助于一個軋輥等產生，其中軋輥將過濾層壓在一模(Matrize)等上。這時首先進行過濾材料的致密化。這里也可以在一焊接過程期間例如同時施加這種壓緊力。如果選擇例如一具有變形的邊緣區的過濾層的話，那么可以首先在邊緣區內使過濾層變形，接著借助于滾點焊使其致密化并同時對其進行相互焊接。
此外建議，采用通過過濾層的至少一個邊緣區的變形用于產生補償的結構。這種結構上面已經較詳細地說明過，進一步的詳細說明參照圖5進行。
按照本方法又一種方案，采用通過在一個過濾層和一個相鄰薄板之間設置至少一個補償層形成補償的結構。這種步驟上面也已經說明過，后面應該參照圖5作較詳細的說明。
附圖的簡要說明現在借助于附圖對本發明作較詳細的說明，這些附圖表示按本發明的耐熱過濾層或過濾體的特別有利和特別優選的結構方案。此外這些附圖用來表示所述的按本發明的方法，然而在這里應該明確，本發明并不局限于附圖中所示的實施例。
附圖表示
圖1以透視圖示意表示按本發明的耐熱過濾層的一第一實施形式，圖2作為夾層結構的過濾層的另一種實施形式的側視圖，圖3示意表示排氣裝置，圖4以透視圖示意表示按本發明的過濾體的一種實施形式的局部視圖，
圖5示意表示過濾體另一種實施形式的局部視圖，圖6以透視圖示意表示用來補償過濾層不同層厚的薄板的實施形式，圖7以透視圖示意表示過濾體一種實施形式，和圖8示意表示按本發明的用于制造過濾體的方法的一種方案的流程。
本發明具體的實施方式圖1以透視圖示意表示按本發明的過濾層1的一種實施形式，此過濾層在至少一個過濾段2內對于流體是可流通的(由流動方向35表示)。過濾層1至少部分地由一種多孔材料制成(見虛線表示的過濾段2)，并具有兩個靠近相對的棱邊5的邊緣區3。邊緣區3通過一壓緊力29(通過箭頭表示)壓縮，以使它們具有一相對于過濾段2減小的層厚4。所述壓縮通過在剖視圖內表示的孔隙或空腔象征性地表示，所述孔隙或空腔在邊緣區3內表示得明顯小于在過濾段2內(的孔隙或空腔)。
圖2以剖視圖示意表示設計成夾層結構11的過濾層1的另一種實施形式，其中該過濾層具有兩個構成纖維層7周圍的外殼的金屬層9。金屬層9分別具有兩個邊緣區3，其中金屬層9在邊緣區3內相互焊接/接合連接。這里接合連接借助于焊料26保證，其中在邊緣區3之外設有一焊料截止結構30，它防止焊料在熱處理期間到達纖維層7附近。邊緣區3從金屬層9的一條棱邊5起在最好在3至15mm之間的邊緣寬度6上延伸。關于材料厚度可以借助于圖2說明，金屬層9例如做成金屬膜，并具有小于0.04mm的金屬層厚度10。此外可以看到，纖維層7具有一纖維層厚度8。該纖維層厚度最好在0.01至1mm的范圍內。
由圖2可以看到一設有導流面41的金屬層7。所述導流面特別是設計成微觀結構。在所示實施形式中用這些微觀結構或導流面41完成兩個功能。一方面使從旁邊流過的廢氣轉向或形成渦流，使部分氣流轉向相鄰的多孔壁，特別是按本發明的過濾層，或者穿過多孔壁。其次可以看到，用這種微觀結構也可以造成對于位于里面的纖維層7的夾緊作用。這改善過濾層1的穩定性。此外這使得可以提高金屬層9的多孔度，因為附加傳入的夾緊力已經足夠防止纖維層7可能的松脫現象。在圖2中設計成夾層結構11的過濾層1具有兩個層厚4、4’，其中在邊緣區3的區域內的層厚4設計成明顯比在過濾段工區域內的層厚4’薄。這里示出一種特別的實施形式，因為纖維層7沒有一直延伸到邊緣區3內。
圖3示意表示一用于內燃機13的排氣系統36的結構。這種內燃機13優先做成柴油機。排氣系統36沿廢氣流動方向35包括以下部件-一設置在上游的氧化催化器31，-一按本發明的過濾體12，-一渦輪增壓器32，和-另一催化轉化器34。
各個部件可以裝在單獨的殼體內或部分地相互一起裝在一個殼體內，并通過一個排氣管33相互連接。如在序言中已經提到過的那樣，盡可能靠近內燃機13設置過濾體12是特別有利的。為此一離內燃機13的小于0.7m，特別是甚至小于30cm的距離37是特別合適的。在單個部件的這種布置中首先借助于氧化催化器31提供確保在直接連接在后面的過濾體12中所積存的炭黑顆粒的(連續的)再生的足夠數量的二氧化氮。連接在后面的催化轉化器34可以例如也設計成混合轉化器，其中它具有帶不同熱容量的部分區域。這里所述轉化器設計成具有沿流動方向增大的熱容量。
圖4以透視圖示意表示按本發明的過濾體12的另一種實施形式。這里過濾體12包括薄板15，在所述薄板之間設有按本發明的過濾層1。在所示實施形式中過濾層1由兩個金屬層9和一個設置在它們之間纖維層7構成，這里由于是剖視圖，無法看到在邊緣區內的接合連接。在所示局部中只在過濾段2內示出過濾層1，從而在這里也只能看到層厚4’。
薄板15具有一恒定的材料厚度22且在此設有(形成)表面結構，而過濾層1具有一基本上光滑的表面。借助于薄板15的這些結構構成通道14，它們對于廢氣是可沿流動方向35流通的。這里薄板15具有不同的結構高度20，使得形成的通道14與流入的廢氣流的特性相匹配。這里所示的實施形式主要表示一開放式過濾體的局部。這樣來說明其性能，即提供至少20％的流動自由度。在這種情況下流動自由度意味著，在任意一個橫截面內至少20％的面積是可看穿的，亦即沒有內置構件，如轉向面39等。亦即換言之，由于內置構件全都具有大致相同的安裝位置，亦即順序排列地對齊設置，在從端側觀察這種顆粒過濾器時至少部分地是可以通過通道看透的。這在由至少局部形成表面結構的板層組成的蜂窩體時通常便是這樣。但是對于內置構件相互不對齊時流動自由度并不一定意味著實際上可以局部地看透這種蜂窩體。薄板15設有通道38和轉向面39，它們保證廢氣流轉向過濾層1。這時產生壓差，它導致部分廢氣流穿過過濾層1并由此使炭黑顆粒等附著或沉積在纖維層7內。
圖5示意性地表示過濾體12的另一種實施形式的局部視圖，其中在兩塊薄板15之間設置一按本發明的過濾層1。過濾層1又具有兩個層厚4、4’，其中在邊緣區3內的層厚4設計成比在過濾段2內的層厚薄。薄板15在連接部分16內直接或通過一這里附加地設置在邊緣區3或連接區16內的補償層23與過濾層1連接，特別是(用焊料26)釬焊。這里薄板15、補償層23和過濾層1在端側平齊地終結。過濾層1的所示的薄的邊緣區3設計成基本上為連接部分16長度的兩倍，這里形成一變形區17，使得邊緣區3至少部分地本身交迭。現在邊緣區3的本身交迭的部分區域相互貼合，并且甚至相互釬焊。
由于在所示實施形式中層厚4相當于在過濾段內的層厚4’的約1/3這一事實，通過邊緣區3的彎曲和折疊達到，過濾層1至少在一側可以和相鄰設置的板層15直接連接。在這方面現在邊緣區3填滿層厚4’的三分之二，因此附加的補償層23現在跨接剩余的三分之一，且形成過濾層1與相對的薄板15的間接連接。作為這種實施形式的另一種選擇也可以使(未變形的)邊緣區3在兩側以補償層23與相鄰薄板15間接連接，然后補償層23最好設計成帶一變形區，使得這個變形區圍繞邊緣區3的端側的末端伸出，這樣補償層23同時填滿邊緣區3到薄板15的兩個距離(空隙)。
圖6以透視圖示意地表示一用來補償過濾層1(未畫出)不同層厚4、4’的薄板15的實施形式。形成表面結構的薄板15以已經說明的方式和方法與過濾層1相鄰地設置，并用來補償其不同的層厚。為此薄板15在區域18內具有比其余區域19內大的結構高度21，其中薄板15的材料厚度22(未畫出)在不同區域18，19內最好是相同的。因此區域18的結構高度21的應加大到這樣的程度，從而確保金屬薄板15在區域18或過濾層1的邊緣區3內的貼合。如果例如從如圖5中所示的過濾層1的實施形式出發，那么在區域18內的結構高度21比結構高度21’大一個基本上相當于層厚4’和層厚4的差值的量是有利的。對于這種情況可以有利地放棄附加的補償層。
圖7以透視圖示意表示過濾體12的一種實施形式，此過濾體包括一安裝在殼體27內的蜂窩體24。蜂窩體24由多個交替設置的過濾層1和形成表面結構的薄板15構成，它們首先堆疊，然后這樣地相互卷繞，以產生一基本上為圓柱形結構的蜂窩體24。除此之外也可以制造圓錐形、矩形或橢圓形的結構，其中也可以分別僅僅設置一塊薄板15和一個過濾層1，它們特別是螺線形地卷繞在一起。形成表面結構的薄板15和過濾層1限定對于廢氣可流通的通道14，通道從一個端面25一直延伸到相對的端面25。這里確保可至少部分地看透這些通道14。這用開頭所述的至少20％的流動自由度來保證。
形成表面結構的薄板15和過濾層1在一連接部分16內相互接合連接，特別是釬焊(優先采用高溫真空釬焊)。此外在至少一個結合區28內進行蜂窩體24與殼體27的結合，這里優選地(同時)采用和在薄板15和過濾層1相互連接時一樣的焊接方法。不是在蜂窩體的整個長度42上實施結合和連接，從而即使在熱負荷下也可以實現由于部件不同的膨脹性能而產生的不同膨脹。這使得，蜂窩體24內或蜂窩體24與殼體27之間不產生應力，這種應力會導致過濾體結構整體性的早期喪失。
圖8示意表示按本發明的用于制造過濾體12的方法的一種方案的流程。這種方法包括以下步驟a)制造至少一個耐熱過濾層1按步驟1這樣制造過濾層1，即給一中央纖維層7配設兩個金屬層9，所述金屬層向外限定纖維層7，從而形成一種保護外殼(參見夾層結構)。這里優選地由類似帶狀或類似薄膜狀的原材料(板材、織物等)通過將它們剪裁成希望的尺寸來制造過濾層1。
b)形成至少一個過濾層1的至少一個具有減小的層厚4的邊緣區3通過對邊緣區3內的過濾層1(參見步驟1用箭頭表示)施加壓緊力29形成兩個相對的具有減小的層厚4的邊緣區3。這時至少纖維層顯著壓縮，從而這些邊緣區3對于焊料基本上是不可滲透的(參見步驟2)。有許多加工方法適合于這種壓縮過程，其中在這里可以舉例地提出用軋輥壓制的方法。
c)設置用于補償至少一個過濾層1的不同層厚4，4’的結構為此如前所述，基本上有兩種不同的原理，或者這些原理的一種組合。在步驟3中所示的方案中，僅通過設置在過濾層1之間的層進行所述至少一個過濾層1的不同層厚4，4’的補償。因此薄板15具有多個具有高度20的端側區域，高度20設計成高于在中央或中間的其余區域內的高度20’。就此而言相鄰層在整個長度上相互貼合，從而即使在形成接合連接后也可以避免層之間相互的相對運動(例如如過濾層1邊緣區的抖動或振動)。
d)堆疊和/或卷繞至少一個過濾層1和至少一個形成表面結構的薄板15，以形成一具有對于廢氣可流通的通道14的蜂窩體24現在以在步驟3中所示的方法堆疊薄板15和過濾層1，接著成形一圓柱形的蜂窩體24。這里邊緣區至少局部地在一平行于蜂窩體24的端面25的平面內設置，特別是所有這些邊緣區與至少一個端面25鄰接。由于薄板15的結構形成對于廢氣是可流通的并確保至少20％的流動自由度的通道14。關于卷繞過程也可以參照已知工藝，這種工藝在作為催化器基體的金屬蜂窩體的制造中已經得到廣泛證實。現在將蜂窩體24裝入殼體27(參見步驟4)，以便接著向蜂窩體24和殼體27一起施加粘附劑和/或焊料26。
e)將焊料26加入至少一個過濾層1與至少一塊薄板15的連接部分16在這個步驟中也可以參照已知的金屬蜂窩結構釬焊工藝，這種蜂窩結構例如用作汽車排氣系統中的催化器基體。除了采用固體釬焊條等之外這里優先采用粉末狀焊料。這里首先在相互待連接的層的接觸區內附著粘附劑，這時使這樣預處理的過濾體12與粉末狀焊料26相接觸，使焊料附著在粘附劑上(參見步驟5)。
f)加熱蜂窩體24，以在至少一個連接部分16內形成釬焊連接為了形成層相互之間的耐腐蝕和耐高溫的連接(連接部分16)和(層)與殼體27的結合(結合區28)，已經證明一種高溫真空工藝是特別良好的。這里將過濾體12在一爐子40內在真空條件下加熱到上至1200℃的溫度，接著重新冷卻。通常加熱和冷卻過程按可由瞬時溫度和保持時間描述的可規定的模式進行。
這樣制成的過濾體12滿足例如用于當今汽車制造中的柴油機的排氣系統中的非常高的熱和動態負荷的要求。特別是考慮到過濾體設置在發動機附近的情況這是適用的，在這種布置中中可以進行過濾體的連續再生。這里開放式過濾體的這種結構促使，用來轉化炭黑顆粒的反應物以及炭黑顆粒本身在過濾體內停留較長，使得所有必要的反應物和環境條件的存在可能性加大。試驗證明了這一點，其中例如可以確定，過濾有效性超過50％，這意味著，大多數現在使用中的乘用車在將來也可以符合最嚴格的廢氣準則或法律規定。在這方面這種過濾體正好也特別好地適合于用作改裝配件。
附圖標記表1 過濾層 2 過濾段3 邊緣區 4、4’ 層厚5 棱邊6 邊緣寬度7 纖維層 8 纖維層厚度9 金屬層 10 金屬層厚度11 夾層結構12 過濾體13 內燃機 14 通道15 薄板16 連接部分17 變形區 18 區域19 其余區域20、20’高度21、21’結構高度22 材料厚度23 補償層 24 蜂窩體25 端面26 焊料27 殼體28 結合區29 壓緊力 30 焊料截止結構31 氧化催化器 32 渦輪增壓器33 排氣管 34 催化轉化器35 流動方向36 排氣系統37 距離38 通道39 轉向面 40 爐子41 導流面 42 長度
權利要求
1.由一至少局部對于流體可流通的材料組成的、具有至少一個過濾段(2)和至少一個邊緣區(3)的耐熱過濾層(1)，其特征為過濾層(1)在所述至少一個邊緣區(3)內具有一與所述至少一個過濾段(2)不同的層厚(4)。
2.按權利要求1所述的耐熱過濾層(1)，其特征為在所述至少一個邊緣區(3)內的層厚(4)小于在所述至少一個過濾段(2)內的層厚，特別是小于其60％，尤其是50％或者甚至35％。
3.按權利要求1或2所述的耐熱過濾層(1)，其特征為所述至少一個邊緣區(3)從過濾層(1)的一條棱邊(5)起具有最大30mm，特別是最大20mm，尤其是最大10mm或甚至僅最大5mm的邊緣寬度(6)。
4.按上述權利要求之任一項所述的耐熱過濾層(1)，其特征為過濾層(1)包括至少一個纖維層(7)，所述纖維層優選地具有最大3mm，特別是最大1mm并最好是最大0.5mm的纖維層厚度(8)。
5.按上述權利要求之任一項所述的耐熱過濾層(1)，其特征為具有至少一個金屬層(9)，它最好向外限定過濾層(1)，并且特別是具有最多0.05mm，尤其是最多0.03mm或者甚至最多僅0.015mm的金屬層厚度(10)。
6.按上述權利要求之任一項所述的耐熱過濾層(1)，其特征為過濾層(1)是夾層結構(11)，并具有至少一個纖維層(7)和至少一個金屬層(9)。
7.用來凈化內燃機(13)廢氣的過濾體(12)，包括至少局部形成表面結構的層(1，15)，所述層這樣地堆疊和/或卷繞，以形成對于廢氣可流通的通道(14)，其特征為所述層包括至少一個按上述權利要求之任一項所述的耐熱過濾層(1)。
8.按權利要求7所述的過濾體(12)，其特征為所述層包括至少一個形成表面結構的薄板(15)和至少一個基本上光滑的過濾層(1)，其中所述層(1，15)在至少一個連接部分(16)內相互焊接或接縫連接，特別是釬焊或焊接。
9.按權利要求8所述的過濾體(12)，其特征為所述至少一個連接部分(16)設置在過濾層(1)的所述至少一個邊緣區(3)內。
10.按權利要求7至9之任一項所述的過濾體(12)，其特征為存在用于補償過濾層(1)的不同層厚(4，4’)的結構(17，18，19，20，21，23)。
11.按權利要求10所述的過濾體(12)，其中過濾層(1)在至少一個邊緣區(3)內的層厚(4)做得較小，其特征為至少一個邊緣區(3)有一變形區(17)，并至少局部自身相互搭接，尤其是甚至釬焊。
12.按權利要求10或11所述的過濾體(12)，其中過濾層(1)的層厚(4)在至少一個邊緣區(3)內設計成減小的，其特征為一個特別是形成表面結構的薄板(15)的層(1，15)的與所述至少一個邊緣區(3)相鄰設置的區域(18)具有比其余區域(19)大的高度(20)。
13.按權利要求12所述的過濾體(12)，其中所述相鄰的層是一形成表面結構的薄板(15)，其特征為它在區域(18)內設計成具有比其余區域(19)大的結構高度(21)，其中薄板(15)的材料厚度(22)在不同區域(18，19)內最好是相同的。
14.按權利要求10至13之任一項所述的過濾體(12)，其特征為設有至少一個附加的補償層(23)，它優選地與過濾層(1)的所述至少一個具有減小的層厚(4)的邊緣區(3)相鄰地設置。
15.制造按權利要求7至14之任一項所述的過濾體(12)的方法，包括以下步驟-制造至少一個耐熱過濾層(1)；-形成所述至少一個過濾層(1)的所述至少一個具有減小的層厚(4)的邊緣區(3)；-設置用來補償至少一個過濾層(1)的不同層厚(4，4’)的結構；-堆疊和/或卷繞所述至少一個過濾層(1)和至少一個形成表面結構的薄板(15)，以形成具有對于廢氣可流通的通道(14)的蜂窩體(24)；-向所述至少一個過濾層(1)和所述至少一塊薄板(15)的至少一個連接部分(16)內輸入焊料(26)；-加熱蜂窩體(24)，以在所述至少一個連接部分(16)內形成釬焊連接。
16.按權利要求15所述的方法，其中在加入焊料(26)之前將蜂窩體(24)裝入殼體(27)內，并且在加入焊料(26)期間，焊料最好也設置在所述至少一個過濾層(1)和/或所述至少一塊薄板(15)與殼體(27)的至少一個結合區(28)內，以在加熱時在所述至少一個結合區(28)中產生釬焊連接。
17.按權利要求15或16所述的方法，其中通過在所述至少一個邊緣區(3)內對過濾層(1)施加壓緊力(29)形成所述至少一個具有減小的層厚(4)的邊緣區(3)。
18.按權利要求15至17之任一項所述的方法，其中通過所述至少一個邊緣區(3)的變形而形成用于補償的結構。
19.按權利要求15至18之任一項所述的方法，其中通過在一過濾層(1)和一相鄰的薄板(15)之間設置至少一個補償層(23)而形成用于補償的結構。
全文摘要
在凈化車輛用內燃機的廢氣的領域內過濾材料經受特別大的熱負荷和動態負荷，因此應該有利地在相互牢固和持久地連接的狀態下使用這些材料。為此建議一種由一至少部分對于流體可流通的材料制成的、具有至少一個過濾段和至少一個邊緣區的耐熱過濾層，在這種過濾層中在至少一個邊緣區內設有一與至少一個過濾段不同的層厚。此外還介紹一種相應的過濾體及其制造方法。
文檔編號F01N13/02GK1578697SQ02821483
公開日2005年2月9日 申請日期2002年10月18日 優先權日2001年10月29日
發明者R·布呂克, J·霍格森 申請人:排放技術有限公司