薄壁多孔陶瓷壁流式過濾器的制造方法
【專利摘要】揭示了薄壁多孔陶瓷壁流式過濾器。該過濾器產(chǎn)生相對較低的壓降以及相對高的初始過濾效率（FE0)，而且可以將該過濾器封裝在較小的體積中。該過濾器包括多個形成孔道的多孔陶瓷壁。這些孔道中的至少一些是堵塞的，迫使一些廢氣通過所述壁，從而濾除夾帶的微粒。所述壁的壁厚度（?)為102微米彡279微米，其中值孔徑（MPD)為10<1?/MPD，還可以<40。與壁厚度On)相比相對小的中值孔徑（MPD)使得可以使用較薄的陶瓷壁提供比較厚的壁更小的流動阻力，同時保持足夠的初始過濾效率（FE0)。而且，這種薄壁過濾器結(jié)構(gòu)以及不相等的進(jìn)口/出口面積比（Ai/Ao)使得可以額外地縮短過濾器的長度。
【專利說明】薄壁多孔陶瓷壁流式過濾器
[0001]本發(fā)明專利申請是國際申請?zhí)枮镻CT/US2008/009951，國際申請日為2008年8月21日，進(jìn)入中國國家階段的申請?zhí)枮?00880105212.9、發(fā)明名稱為“薄壁多孔陶瓷壁流式過濾器”的發(fā)明專利申請的分案申請。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及多孔陶瓷壁流式過濾器，具體涉及薄壁多孔陶瓷壁流式過濾器。
[0003]發(fā)明背景
[0004]柴油機微粒過濾器是現(xiàn)有技術(shù)中已知的；美國專利第4329162、4420316、4416676和6206944號中描述了它們的例子。目前生產(chǎn)的這些柴油機微粒過濾器(也稱為壁流式過濾器、柴油機微粒阱、蜂窩過濾器或排氣過濾器)包括多孔陶瓷壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述壁的壁厚度為12-30密耳(305-762微米)，所述壁從柴油機排氣流過濾出煙炱顆粒。這些多孔陶瓷壁整體互連形成氣體傳導(dǎo)孔道的基質(zhì)，這些孔道的橫截面形狀通常為例如正方形、圓形、矩形、三角形、八邊形、六邊形或它們的組合。陶瓷孔道的基質(zhì)的外部區(qū)域可以由外皮包圍，以形成單獨一體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的形狀例如可以是圓柱形，但是可包括應(yīng)用所要求的任何橫截面形狀。
[0005]這些柴油機微粒壁流式過濾器具有用于接受廢氣的進(jìn)口端，和用于在過濾之后排出這些氣體的出口端。這些孔道由多個多孔陶瓷壁限定，這些壁一般在所述進(jìn)口端和出口端之間伸長和延伸。對這些多孔陶瓷壁進(jìn)行排列和設(shè)置，一般限定蜂窩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的孔密度(CD)約為10-400個孔/平方英寸(cpsi)。由所述多個傳導(dǎo)氣體的孔限定的孔可以在各端部按例如“棋盤格”圖案堵塞；所有進(jìn)口孔道在出口端堵塞，所有出口孔道在進(jìn)口端堵塞。這種對結(jié)構(gòu)的堵塞迫使柴油機排氣流過多孔陶瓷壁，從而過濾出柴油發(fā)動機排氣內(nèi)產(chǎn)生的煙炱顆粒，因此稱為“壁流式”。
[0006]在操作中，排氣中的煙炱顆粒被截留在進(jìn)口孔道的壁上或被截留在壁的孔隙中。隨著煙炱顆粒累積在形成孔的陶瓷壁的氣體進(jìn)口側(cè)上，過濾器上的壓降(加載了煙炱的背壓)增大。在一些應(yīng)用中，因為煙炱的累積，過濾器的壓降變得不可接受地高，必須對過濾器進(jìn)行熱再生。因此，通常要使孔周期性地暴露于引發(fā)“燃盡周期”的條件下，“燃盡周期”設(shè)計成用于燒蝕(ablate)累積的煙炱顆粒并將其轉(zhuǎn)化成灰。熱再生周期完成之后，使該過濾器再次恢復(fù)至一般的低背壓水平。其他應(yīng)用可包括明顯量的被動再生，使得煙炱在操作中連續(xù)轉(zhuǎn)化成灰。在任何情況中，對灰的管理是重要的考慮因素。
[0007]對于實際應(yīng)用，過濾器的目的是實現(xiàn)某些重要的性能標(biāo)準(zhǔn)。最重要的有，相對低的壓降和相對高的過濾效率。另外，實現(xiàn)相對高的強度以及熱耐久性和機械耐久性也是重要的考慮因素。例如，熱耐久性是重要的，因為柴油機微粒過濾器的基質(zhì)的居中陶瓷壁在燃盡周期中可能升高至非常高的溫度(超過800°C)，而外皮可能只加熱至低得多的溫度。所導(dǎo)致的基質(zhì)芯和外皮之間的溫差(有時候為500°C以上)可能在過濾器中產(chǎn)生相當(dāng)大的熱梯度。這些梯度在微粒過濾器中產(chǎn)生可能有害的熱應(yīng)力。機械耐久性也是有利的，因為過濾器在制造和安裝過程中經(jīng)受機械應(yīng)力，而且在過濾器操作過程中受到向陶瓷壁施加的壓力的作用。低的壓降有利于盡可能減小對有效排出排氣的干擾，該干擾會使發(fā)動機中的功率降低。而且，在某些應(yīng)用中，要求初始過濾效率(FEO)相對較高，從而在初始時實現(xiàn)從排氣充分去除微粒物質(zhì)。對于在操作時經(jīng)歷大百分比的被動再生的過濾器而言，這是特別有利的。已經(jīng)證明要達(dá)到這些組合的過濾器是非常困難的。而且，雖然目前的商品化過濾器提供可接受的性能組合，但是它們不能實現(xiàn)上述性質(zhì)的優(yōu)越組合。
[0008]對用于排氣系統(tǒng)的指定體積的過濾器，降低其壓降的一種簡單途徑是減小形成孔的陶瓷壁的厚度。這些較薄的壁對通過該陶瓷壁的排氣流呈現(xiàn)較低的阻力。但是，根據(jù)陶瓷過濾器領(lǐng)域中先前的學(xué)說，通過為柴油機微粒過濾器提供厚度小于12.0密耳的較薄的陶瓷壁所獲得的任何壓降優(yōu)勢將超過機械強度降低和初始過濾效率降低的組合劣勢。另夕卜，這些較薄的壁還具有降低的本體熱容量，在燃盡周期中可能導(dǎo)致高溫和高熱梯度，以及可能要求較高頻率的燃料消耗性燃盡周期以燒蝕累積的煙炱(按主動再生方案)，從而保持可接受的低的操作壓降。對于堇青石陶瓷材料尤其如此。
[0009]因此，已經(jīng)證明壁流式過濾器很難能夠保持相對高的初始過濾效率和相對低的壓降。因此，已經(jīng)證明實現(xiàn)相對高的初始過濾效率和相對低的壓降、以及還表現(xiàn)出足夠的機械強度和/或足夠的體相熱容量的這些組合屬性當(dāng)然甚至是更困難的。
[0010]發(fā)明概述
[0011]一般而言，揭示了多孔陶瓷壁流式過濾器。這種過濾器例如特別適合作為微粒過濾器，可用于發(fā)動機排氣過濾應(yīng)用，例如用于柴油機排氣過濾。所揭示的過濾器可實現(xiàn)的一種杰出的優(yōu)點是，可以將所述多孔陶瓷壁流式過濾器封裝在比以前的過濾器設(shè)計小得多的體積內(nèi)。這對于排氣后處理系統(tǒng)升級(翻新應(yīng)用)尤其重要。例如，升級的系統(tǒng)除了微粒煙炱過濾之外可能要求NOx處理。在這些升級中，一般來說，可能需要將額外的陶瓷基材部件容納在相同或類似空間的外殼內(nèi)，以解決NOx處理問題。因此，本發(fā)明的一個大優(yōu)勢在于，可以使用明顯較小(體積或長度方面)的過濾器。因此，本發(fā)明可以有額外的外殼空間用于容納這些額外的后處理部件。而且，本發(fā)明的另一個大優(yōu)勢在于，可以將初始過濾效率(FEO)與無負(fù)荷(clean)背壓降(APc)組合，這是以前無法實現(xiàn)的。
[0012]因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種陶瓷壁流式過濾器，該過濾器包括多個形成孔道的多孔陶瓷壁，這些孔道中的至少一些包括堵塞物，其中這些壁的厚度(T11)大于或等于102密耳279微米)且小于11.0密耳(〈279微米)，所述多孔壁呈現(xiàn)中值孔徑(MPD)，并提供比值(WP)，該比值定義為WP = Tlt/MPD,使得WP > 10。為了確保足夠低的背壓，比值Tn/MPD還可小于40、小于35、小于30、小于25、或者甚至小于20。相對于壁厚度(T11)相對小的MH)使得可以使用較薄的陶瓷壁，并提供比較厚的壁更小的流動阻力，但同時出乎意料地保持相同的初始過濾效率(FEO)。事實上，通過本發(fā)明可實現(xiàn)初始過濾效率(FEO)大于30%、大于35%、大于40%、大于50%、或者甚至大于60%。在一些實施方式中，初始過濾效率(FEO)可實現(xiàn)大于70 %、大于80 %、或者甚至大于90 %。較薄的壁還增大氣體傳導(dǎo)孔的橫截面面積，進(jìn)一步減小流動阻力。而且，較薄的壁使得在需要燒蝕去除煙炱之前可以累積較多的煙炱。這有利地減小燃料消耗性燃盡周期的頻率(在主動再生的情況中)。將這個方面與包含平均橫截面面積大于出口孔道的進(jìn)口孔道的額外特性組合，使得能夠進(jìn)一步額外地減小該過濾器的整體尺寸(長度和/或體積)。
[0013]更具體地說，根據(jù)本文所述的實施方式，該過濾器可包括進(jìn)口端和出口端，以及限定多個傳導(dǎo)氣體孔的多孔陶瓷壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這些孔的孔密度(CD)可以例如約為100-400cpsi，或者甚至150-300cpsi。各孔道一般設(shè)計成進(jìn)口孔道或出口孔道，這些孔道中的至少一些是堵塞的，從而迫使進(jìn)入這些孔道的未堵塞進(jìn)口端(進(jìn)口孔道)的氣流在離開未堵塞出口端(出口孔道)之前通過所述多孔陶瓷壁中的至少一些?？梢园粗貜?fù)圖案如棋盤格圖案對孔進(jìn)行堵塞。
[0014]所述過濾器的陶瓷壁的機械強度可以等于或大于150psi，機械強度通過在I" X0.5" X4.5"樣品多孔基材上的四點彎曲測試的斷裂模量測量。任選所述強度通過歸一化強度(NS)表征，所述歸一化強度在本文中定義為NS = M0R/CFAR，其中CFAR是封閉的正面面積比值(closed frontal area rat1)。一些實施方式表現(xiàn)出等于或大于lOOOps1、等于或大于llOOps1、等于或大于1500ps1、或者甚至等于或大于2000psi的NS。根據(jù)進(jìn)一步的實施方式，所述陶瓷壁可例如由堇青石和鈦酸鋁中的一種形成。但是，它們可任選由任何其他合適的陶瓷材料如SiC制造。所述壁的總孔隙率P)可以是，%P^30體積％，% P ^ 40體積％，30體積P ( 80體積％，35體積P ( 75體積％，或者甚至40體積P ( 60體積％。特別有利的組合范圍可以是102微米< T11C 152微米且10 < WP < 30 ；152微米彡Τβ< 229微米且12 < WP < 36 ;和229微米彡Τβ< 279微米且15 < WP < 42。
[0015]根據(jù)另外的實施方式，一種陶瓷柴油機微粒壁流式過濾器，該過濾器包括多個限定孔道的多孔陶瓷壁，這些孔道中的至少一些是堵塞的，該過濾器表現(xiàn)為:
[0016]102微米彡T壁彡279微米，
[0017]4微米彡MPD ( 18微米，
[0018]35%彡％ PS 65%，和
[0019]10>(Τ 壁/MPD) < 35
[0020]其中T11是所述壁的厚度，單位是微米，MPD是所述壁中孔隙的中值孔徑，單位是微米，％ P是所述壁的總的體積孔隙率。
[0021]根據(jù)更進(jìn)一步的實施方式，并且在另一個寬泛方面中，一種陶瓷柴油機微粒壁流式過濾器包括多個限定孔道的多孔陶瓷壁，這些孔道中的至少一些是堵塞的，該過濾器表現(xiàn)為:
[0022]178微米彡T壁彡279微米，
[0023]4微米彡MPD彡18微米，
[0024]35%^% P ^ 75%,
[0025]10>(T 壁/MPD) < 35，
[0026]Ai/Ao >1.2，和
[0027]150cpsi ^ CD ^ 300cpsi
[0028]其中T11是所述壁的厚度，單位是微米，MPD是所述壁中孔隙的中值孔徑，單位是微米，％ P是所述壁的總的體積孔隙率，Al是進(jìn)口孔的橫截面面積，Ao是出口孔的橫截面面積，⑶是孔密度，單位是cpsi。
[0029]附圖簡要說明
[0030]圖1是陶瓷壁流式過濾器的透視圖。
[0031]圖2是圖1中所示過濾器沿剖面線2-2的部分截面的透視圖。
[0032]圖3是圖2中所示排氣過濾器沿剖面線3-3的放大的部分橫截面視圖。
[0033]圖4是圖3中圓圈部分的多孔陶瓷壁的放大圖。
[0034]圖5是說明對于具有不同孔密度和壁厚度的過濾器，為保持隨煙炱負(fù)荷(克/升)的變化的壓降恒定所需要的過濾器體積(升)的圖。
[0035]圖6是說明對于具有孔密度和壁厚度的不同組合的過濾器，過濾器長度(英寸)隨煙炱負(fù)荷(克/升)變化的圖。
[0036]圖7A和7B是標(biāo)準(zhǔn)壁微粒過濾器和采用不對稱孔技術(shù)(ACT)的微粒過濾器的孔結(jié)構(gòu)的半個截面的照片。
[0037]圖8是說明包括薄壁壁流式過濾器的系統(tǒng)環(huán)境的示意圖。
[0038]圖9是說明對于不同的壁厚度和中值孔徑的組合，過濾器空白壓降(千帕)與初始過濾效率(FE0，% )的關(guān)系的圖。
[0039]本發(fā)明優(yōu)選實施方式
[0040]參考圖1和2，在所有的附圖中，類似的附圖標(biāo)記表示類似的部件，根據(jù)這些實施方式的本發(fā)明是微粒過濾器1，這種過濾器具有陶瓷主體3。主體3可以由陶瓷材料如堇青石、鈦酸鋁、SiC等形成。本發(fā)明解決了在使用這些堇青石、鈦酸鋁、SiC和類似材料時使用較小空間的外殼來容納過濾器的重要問題。陶瓷主體3包括多個互連的多孔陶瓷壁4，以及具有多個排氣進(jìn)口孔道6 (或稱為“進(jìn)口孔”)的進(jìn)口端5和具有多個排氣出口孔道8(或稱為“出口孔”)的出口端7。多孔陶瓷壁4至少部分地限定多個設(shè)置在進(jìn)口端5和出口端7之間的氣體傳導(dǎo)孔道9(圖2)。雖然圖1-3中所示的孔9的橫截面顯示為正方形，但是也可采用其他形狀，例如八邊形、六邊形、矩形、圓形、三角形、和它們的組合。外皮10可限制孔9,外皮10可以在擠出過程中形成或者在其后施加。
[0041]具體參考圖2，所述孔道中的至少一些是堵塞的，例如用堵塞粘固劑(cement)堵塞，例如在孔道端部堵塞?？椎?的進(jìn)口端5和出口端7可以例如按棋盤格圖案用進(jìn)口堵塞物12和出口堵塞物14堵塞，所述堵塞物由類似于形成內(nèi)壁4的陶瓷材料整體形成。可采用任何合適的陶瓷堵塞粘固劑，例如美國專利第Re31405號中描述的泡沫型堇青石陶瓷粘固劑、美國專利第5914187或4455180號中描述的粘固劑、或者W02005/051859中描述的粘固劑。例如在美國專利第4557773號和美國專利申請第2006/0131782號中描述了合適的堵塞工藝。如圖8中以最佳方式顯示的，過濾器I可包括在排氣系統(tǒng)100中，用于從發(fā)動機107如柴油發(fā)動機的排氣中去除微粒。排氣系統(tǒng)100 —般可包括從發(fā)動機107導(dǎo)向陶瓷壁流式過濾器I的導(dǎo)管105，可進(jìn)一步包括位于所述過濾器上游的柴油機氧化催化劑114，如果需要去除NOx，則它們的下游還包括SCR部件115。而且，在一些情況中，所述系統(tǒng)可包括渦輪增壓器111。本發(fā)明適合于減小包括多個部件的系統(tǒng)的總體長度(或體積)，具體來說，后處理系統(tǒng)包括D0C、壁流式過濾器和SCR(去除NOx)部件的組合。
[0042]所述形成壁4的多孔陶瓷材料包括互連的孔隙16(圖4中顯示)，這種材料的總孔隙率P)優(yōu)選約為30體積P ( 80體積％。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于根據(jù)本發(fā)明實施方式具有薄壁(!《< 11.0密耳)(279微米)和相對小的中值孔徑(MPD)的陶瓷過濾器，要保持強度，總孔隙率應(yīng)當(dāng)有利地小于約60%。另外，要獲得低背壓(ΛΡ，無負(fù)荷的和負(fù)載了煙炱的)，可使總孔隙率(％Ρ)大于30%、大于35%、或者甚至大于40%。在許多合適的實施方式中，對于這些薄壁過濾器，總孔隙率可以為40-60%。合適的中值孔徑(MPD)可小于或等于28.0微米、小于或等于20.0微米、小于或等于18.0微米、或者甚至小于或等于15.0微米，以確保足夠的壁強度和初始過濾效率(FEO)。優(yōu)選中值孔徑(MPD)為4.0微米彡MPD ( 28.0微米、或者甚至8.0微米彡MPD ( 28.0微米，以確保足夠低的背壓，例如無負(fù)荷壓降。這樣的微結(jié)構(gòu)使得廢氣可以自由流過形成孔9的壁，從而以大于或等于35%的高初始過濾效率(FEO)過濾出夾帶的微粒，在一些組合條件下，初始過濾效率大于或等于40%、大于或等于50%、或者大于或等于60%。在一些實施方式中，證明了大于或等于70%、大于或等于80%、或者甚至大于或等于90%的初始過濾效率(FEO)。
[0043]在操作中，柴油機微粒過濾器I是成對的，使得過濾器I的進(jìn)口端5接受加壓的廢氣。如圖1和2中所示，這些氣體通過所述多個氣體進(jìn)口孔道6進(jìn)入陶瓷主體3。在各孔9的進(jìn)口端5的下游形成的大多數(shù)壁堵塞物14防止這些氣體直線通過陶瓷主體3。相反，迫使這些氣體通過進(jìn)口孔道9的多孔陶瓷壁4，進(jìn)入相鄰的出口孔道8，從出口端7排出。圖2上端的流動箭頭說明柴油機排氣通過陶瓷主體3的氣體孔道9時所采取的大致S形流動路徑。
[0044]參考圖3和4，隨著廢氣流進(jìn)氣體進(jìn)口孔道6中，如圖3中的流動箭頭所示迫使氣體通過孔壁4。具體來說，廢氣首先進(jìn)入具有開放進(jìn)口孔道6的孔9的內(nèi)表面15a上存在的微結(jié)構(gòu)的孔隙16，然后離開外表面15b上的孔隙16。廢氣中夾帶的灰和煙炱顆粒如圖所示在內(nèi)表面15a上形成層18。
[0045]參考圖4能夠很好地理解本發(fā)明。與壁厚度(T11)為12-18密耳(305-457微米)的現(xiàn)有技術(shù)柴油機微粒過濾器相比，過濾器I的壁厚度(T11)小于11密耳(279微米)。要確保包含堇青石或鈦酸鋁材料的過濾器具有足夠的強度，壁厚度(T11)可以等于或大于4.0密耳(102微米)。在表現(xiàn)出相對高的過濾效率(FEO)和相對低的背壓(例如無負(fù)荷壓降)的優(yōu)良組合的微粒過濾器的某些實施方式中，可以對壁厚度(T11)和中值孔徑(MPD)進(jìn)行選擇，使得WP比值大于10，其中WP = (Tn/MPD)。另外，WP比值(T11/MPD)可以小于40、小于35、小于30、小于25、或者甚至小于20，使得無負(fù)荷背壓不會太大。
[0046]例如，對于4密耳彡T壁<6密耳(102-152微米)的壁厚度(Ie)范圍，WP的范圍應(yīng)當(dāng)是10 < WP <30。另外，對于6密耳彡T壁< 9密耳(152-229微米)的壁厚度(T壁)范圍，WP的范圍應(yīng)當(dāng)是12 < WP < 36。對于9密耳彡Te< 11密耳(228-279微米)的壁厚度(T11)范圍，WP的范圍應(yīng)當(dāng)是15 < WP <42。T11小于4密耳(102微米)可導(dǎo)致相對差的強度。102微米ST11S 152微米。在某些實施方式中，提供了包括1^< 254微米、T壁
<229微米、或者甚至1^< 203微米的陶瓷壁流式過濾器。
[0047]另外，可以提供總孔隙率P)大于30體積％、大于35體積％、在30_80體積％范圍內(nèi)、或者甚至為40-60體積％的陶瓷壁4?？?的孔密度可以為100-350cpsi。但是，在與這種薄壁壁流式過濾器組合時，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識到，150-300cpsi的孔密度(⑶)一般提供相對低的總體壓降，以平衡無負(fù)荷背壓降和負(fù)載了煙炱的壓降的效果。
[0048]最后，壁4的強度由斷裂模量(MOR)測量，在I" X0.5" X4.5"具有不同的孔密度(CD)和壁厚度(T11)蜂窩樣品上通過四點彎曲方法測量時，優(yōu)選MOR彡150ps1、或者甚至MOR彡250psi。但是，所述強度最好通過歸一化強度比值(NSR)表征，其中NSR = MOR/CFAR，CFAR表示封閉的正面面積比值，在本文中定義為:
[0049]CAF = T 壁 CD {(2/CD1/2) — T 壁}。
[0050]過濾器I上的壓降可通過以下貢獻(xiàn)值之和計算:由進(jìn)入孔9的進(jìn)口 6的廢氣產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值(ΛΡβλ)、由排氣向下通過進(jìn)口孔9產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值(APan)、由氣體通過煙炱或微粒層18產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值(APtw4)、由廢氣通過陶瓷壁4產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值(AP11)、由廢氣向下通過出口孔9產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值(APan)、和由離開孔9的出口 8的氣體膨脹產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值(APsff),根據(jù)以下表達(dá)式計算:
[0051]ΔΡ過濾器=ΔΡ進(jìn)人+ ΔΡ進(jìn)口+ ΔΡ雜+ ΔΡ壁+ ΔΡ出口+ ΔΡ離開
[0052]過濾器I的幾何學(xué)性質(zhì)，即過濾器I的孔密度(⑶)、壁厚度(T11)、孔長度和體積，影響來自上述各壓力分量的貢獻(xiàn)值。因此，發(fā)動機條件(例如排氣流速、溫度、以及煙炱和灰的累積速率)影響壓降，并最終影響為特定應(yīng)用設(shè)計的最佳過濾器的選擇。
[0053]隨著灰和煙炱的顆粒在壁4的內(nèi)表面15a上累積形成煙炱層18，過濾器I上的背壓開始增大，相對于發(fā)動機產(chǎn)生的排氣流起作用。這種壓力增大是通過以下過程產(chǎn)生的，隨著煙炱層18在陶瓷壁4上的累積而減小孔9的流體壓力橫截面面積(APan，APax)，以及增大廢氣必須行進(jìn)通過以離開過濾器的煙炱層18的厚度(APttfi)。本發(fā)明過濾器I的薄陶瓷壁4通過為指定煙炱層厚度提供較大的流體壓力橫截面面積、較高的過濾面積、和較低的來自APlt的貢獻(xiàn)值，減小了這些壓降的貢獻(xiàn)值?？墒褂脭?shù)學(xué)模型，針對給定的已知輸入例如廢氣流速和溫度、過濾器直徑和長度(體積)、孔的幾何形狀、孔隙率和孔徑分布(滲透率)、以及煙炱和/或灰負(fù)荷，計算壓降隨網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)厚度和孔密度的變化。這種模型可應(yīng)用于因為壁4的不同孔隙率而具有不同體積密度的過濾器，以及已調(diào)節(jié)(具有一些煙炱負(fù)荷)和未調(diào)節(jié)(無負(fù)荷)的過濾器。這種模型假設(shè):廢氣從填充了顆粒的孔隙16和從在陶瓷壁4上累積的煙炱層18過濾(或者稱為深床過濾和濾餅過濾)；在壁4和出口壁堵塞物14a上都存在煙炱層18，煙炱粒徑為80-120納米，灰粒徑為I微米，煙炱沉積密度為150千克/立方米，灰沉積密度為300-400千克/立方米，灰和煙炱顆粒的密度為2000千克/立方米。
[0054]可采用模型計算在上述其他參數(shù)保持恒定的條件下使隨煙炱負(fù)荷而變化的特定壓降保持不變所需的過濾器的體積。如果幾何學(xué)特性變化的目的是盡可能減小過濾器體積，則這是有利的。過濾器體積減小是所需的特性，尤其是對于翻新應(yīng)用而言。
[0055]圖5中示出分別具有以下孔密度和壁厚度的四種不同的過濾器1，要保持25千帕的恒定壓降的某些模型計算的結(jié)果:
[0056](a)200cpsi, 12.0 密耳，MPD = 17 微米(比較例 200/12 過濾器)；
[0057](b)200cpsi，8 密耳，MPD = 17 微米(200/8)，
[0058](c)270cpsi，10 密耳，MPD = 17 微米(270/10)，和
[0059](d)270cpsi，10密耳，MPD = 17微米，具有大于出口的進(jìn)口(270/10ACT)。這些例子分別包括以下WP比值:(a) 17.9，(b) 12.0, (c) 14.9，和(d) 14.9。建立模型的條件進(jìn)一步包括直徑為10.5英寸，Q = 24.2千克/分鐘，其中Q是氣體的損失流速,過濾器內(nèi)的氣體溫度為450°C，過濾器中的總灰水平為360克，負(fù)載了灰的目標(biāo)背壓為25千帕。如圖5中所示，證明例子b-d中某些較薄的陶瓷壁4的優(yōu)點。例如，對于任何特定的所需背壓水平，采用較薄的壁厚度(T11)同時保持WP比值(T11/MPD)大于10，使得可以用明顯更小的過濾器體積(升，L)獲得相同的背壓。
[0060]例如，對于5克/升的煙炱負(fù)荷(標(biāo)注為A的虛線)，本發(fā)明的200/8結(jié)構(gòu)、WP比值(Tn/MPD)大于10的薄壁過濾器可容納在比現(xiàn)有技術(shù)的200/12結(jié)構(gòu)約小22%的體積中。另外，這些圖還顯示將某些不相等的進(jìn)口和出口孔面積(標(biāo)注為ACT)與滿足上述WP比值Oe/MPD)大于10的薄壁過濾器組合的優(yōu)點。由圖5可知，對于任何特定的煙炱負(fù)荷(參見標(biāo)注為A的水平虛線)，具有滿足以上WP比值(T11/MPD)大于10的薄陶瓷壁4并且進(jìn)口面積(Ai)與出口面積(Ao)的面積比Ai/Ao大于或等于1.2的例子在相同的背壓水平下與具有相同尺寸進(jìn)口和出口的類似結(jié)構(gòu)(如270/10)相比，能夠使過濾器體積額外明顯減小(減小程度最大達(dá)23% )。對具有堇青石材料(如美國專利第Re38888號中所述)的過濾器進(jìn)行比較。
[0061]圖7A和7B說明具有標(biāo)準(zhǔn)相同尺寸的進(jìn)口和出口的孔設(shè)計(圖7A)和具有大于出口孔道的進(jìn)口孔道的ACT孔設(shè)計(圖7B)的過濾器I的半個截面的橫截面視圖，其中取消了壁堵塞物14，從而能更容易地看出孔徑的差別。在圖7A中顯示相交壁的蜂窩體結(jié)構(gòu)，其中進(jìn)口孔和出口孔具有基本上相同的平均橫截面面積。在圖7B中，進(jìn)口孔道19的平均橫截面面積大于出口孔道20的平均橫截面面積。因此，進(jìn)口孔道19的平均流體壓力直徑(Dhi)(定義為Dhi = 4Ai/Pi，其中Ai是進(jìn)口孔的平均進(jìn)口橫截面面積，Pi是該橫截面中包圍該進(jìn)口孔的平均周長)大于出口孔道20的平均流體壓力直徑(Dho)(定義為Dho = 4Ao/Po，其中Ao是出口孔的平均進(jìn)口橫截面面積，Po是該橫截面中包圍該出口孔的平均周長)。具體來說，對于薄壁應(yīng)用，進(jìn)口孔道的流體壓力直徑(Dhi)大于出口孔20的流體壓力直徑(Dho)，使得流體壓力直徑比值Dh(本文中定義為Dh = (Dhi/Dho))大于1.2。另外，比值Dh可小于1.6。由圖可知，圖5中的270/10ACT設(shè)計(曲線d)符合在最小過濾器體積(小于11升)中25千帕壓降的要求。
[0062]圖6顯示對于具有孔密度(⑶)和壁厚度的不同組合、并且中值孔徑都為17.0微米的各種本發(fā)明和比較例的過濾器1，在30千帕的恒定壓降、24.2千克/分鐘的氣體流速Q(mào)、450°C的氣體溫度、300克/升時360克的灰負(fù)荷、20升的最大過濾器體積、以及10.5英寸(267毫米)的過濾器直徑條件下，這些模型計算的結(jié)果。例子分別包括:
[0063](a)200cpsi和18.0密耳(200/18過濾器，用于比較目的)；
[0064](b)200cpsi和12.0密耳(200/12過濾器，用于比較目的)；
[0065](c)270cpsi 和 15.0密耳，六(:1'(270/15六(:1'，用于比較目的)；
[0066](d)200cpsi 和 12.0密耳，六(:1'(200/12六(:1'，用于比較目的)；
[0067](e)300cpsi 和 12.0密耳，六(:1'(300/12六(:1'，用于比較目的)；
[0068](f)200cpsi 和 9.0 密耳，ACT (200/9ACT，本發(fā)明例)；
[0069](g)300cpsi 和 10.0 密耳，ACT(300/10ACT，本發(fā)明例);和
[0070](h)300cpsi 和 8.0 密耳，ACT (300/8ACT，本發(fā)明例)。
[0071]模型數(shù)據(jù)證明，與比較結(jié)構(gòu)200/18、200/12、270/15ACT、200/12ACT 和 300/12ACT相比，圖6中本發(fā)明實例的200/9ACT、300/8ACT和100/10ACT結(jié)構(gòu)符合體積最小時的壓降要求(30千帕)。沿著標(biāo)注為B的直線，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，通過將現(xiàn)有技術(shù)的200/12結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的300/8ACT結(jié)構(gòu)相比，過濾器的總體長度從約13.6英寸(345毫米)減小至約7.4英寸(188毫米)，長度顯著減小約45 %。
[0072]在本發(fā)明的開發(fā)中， 申請人:最初認(rèn)為使用厚度小于12.0密耳(305微米)的陶瓷壁4可能導(dǎo)致過濾效率降低、體相熱容量(bulk heat capacity)降低(設(shè)置限制煙食質(zhì)量極限)和強度降低的缺點。但是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，使用小于11.0密耳(小于279微米)的壁厚度(T11)可以保持超過30%的優(yōu)秀的初始過濾效率(FE0)，條件是壁厚度(T11)的數(shù)量級比中值孔徑(MPD)的數(shù)量級大I(XlO)以上。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個寬泛方面，本發(fā)明過濾器顯示W(wǎng)P比值(Tn/MPD)大于10、大于12、或者甚至大于15，其中T11和MPD的單位都是微米。孔隙微結(jié)構(gòu)還不應(yīng)太細(xì)小，否則壓降會增大至不可接受的水平。因此，WP比值Oe/MPD)應(yīng)當(dāng)不超過約42，以保持相對低的無負(fù)荷壓降。另外，對于某些壁厚度，WP比值應(yīng)當(dāng)小于40、小于35、小于30、或者甚至小于20。體相熱容量對于在主動再生周期之間有高水平煙炱累積的應(yīng)用而言是一種重要特性。在體相熱容量是重要設(shè)計特性的情況中，可采用較低水平的總孔隙率(％P)來補償較薄的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以保持相對高的體積密度。例如，在本發(fā)明實施方式的這些情況中，可采用小于或等于50%的總孔隙率(％P)。圖9中的曲線以最佳方式說明本發(fā)明在同時獲得相對高的初始過濾效率以及相對低的無負(fù)荷壓降方面的益處。具體來說，通過將薄壁和受控的MH)組合使WP比值保持大于10，可獲得大于30%的初始過濾效率(FEO)。各種圈出的實施方式說明MPD分別為4-18密耳，而壁厚度(Tβ)為4-11密耳(102-279微米)。圈中的值是各實施方式的WP比值。
[0073]通過下表I中的實驗結(jié)果還可看出具有減小的平均孔徑(MPD)的薄陶瓷壁4對壓降的正面影響。表I中報告的是無負(fù)荷壓降(APc，單位是psi)，負(fù)載了煙炱的壓降(APs，單位是psi)，總孔隙率P，單位是％ )，T壁(單位是密耳，括號中是微米)，孔密度(CD，單位是cpsi)，平均孔徑(MPD，單位是微米)，WP比值，多孔斷裂模量(M0R，單位是psi)，封閉的正面面積比值(CFAR)，以及歸一化強度(NS，單位是psi)。
[0074]表1-實驗例
[0075]
實驗 IΔΡ^^ΔΡ^%Ρ IMPD^CD ^WP MORCFAR^NS體積密度例 (psi) (psi) {%) (微米) (cpsi) (密耳)___(psi)___(psi) (克 / 升)
Cl 2.1 5.7 51 19.0 270 U' 23.0 503 0.485 1037 0.60
(437)_




I'-1 O
C2 1.7 5.0 51 19.0 27917.4 317 0.387 819 0,48




I O K
111.2 4.4 44 15.5 268 17.2 319 0.314 1015 0.45__^____Ub i)______
121.3 5.8 41 18.0 2746, 13.5 352 0.293 1201 0.43



(244)
131.3 3.9 48 15.5 28115.2 300 0.287 1045 0.38
[0076]
III ^ ? ο 9 I ^ I I I
141.0 3, 3 53 25.0 27010.4 330 O, 307 107G 0.36
丄5 1.2 3,9 44 18.0 276 9'' 13.7 301 0.296 1017 0.42_______(246)______
160,-8 2,6 56 14, O 20316.7 543 0.245 2216 O, 27
171.0 3,0 55 12.0 202 18.0 510 0.227 41 0.26_^^_I_^^_ 1216) I_j_^^^_
[0077]表2-模型例
[0078] %P (%) ^ MPD ^^ ?ρΞ^FEO (%) clP 無負(fù)載 | dP 5 兌/升
__(微米)(微米) Tm/MPD___(千帕)(千帕)
35__4__4__25.4096.435__1.808__5.069
355 — 7__35.56~ 96.820 2.194__5.810
358 —4 " 12.70_ 51.7071.2674.506
35__8__7__22.23__71.230__1.679__5.273
3581134.93^85.044 2.3656.538
35127 —14.82—41.7651.495 ~ 5.081
3512 — 11 — 23.28~ 56.068 2.057 — 6.214
3518 — 11 — 15.52~ 31.1241.920 — 6.071
5044 —25.40—98.6701.621 ~ 4.874
505 — 7 — 35.56~ 98.8201.974 — 5.581
5084 —12, 70—60.5241.220 ~ 4.458
508 — 7 — 22.23~ 79.700I, 593 — 5.183
50811 —34.93—91.190 2.221 ~ 6.387
50127 —14.82—49,4301.457 ~ 5.042
501211 —23.28—64,5801.993 ~ 6.147
501811 —15.52—36.9471.892 ~ 6.041
654 — 4 ~ 25,40 99,7251.554 — 4,805
655 — 7 — 35.56~ 99.7491.896 ~ 5.500
65__8__4__12.70__70.718__1.204__4.441
65__8__7__22, 23__87.718__1.563__5.152
658 — 11 ~~ 34.93~ 95.8862.17 ~ 6.333
6512 — ? — 14.82~ 57.7601.444 — 5.027
6512 — 11 — 23.28~ 73.1561.971 — 6.124
65 I 18 I 11 I 15.52| 43.113 | 1.882 | 6.030
[0079]另外，在本發(fā)明另一個寬泛方面中，提供高強度以符合強度要求，從而便于操縱、催化劑應(yīng)用和罐裝。本發(fā)明的發(fā)明人觀察到，通過軸向斷裂模量(MOR)給出的強度應(yīng)當(dāng)是MOR彡150psi，在一些實施方式中MOR彡250psi，在上述孔結(jié)構(gòu)的I" X0.5" X4.5"多孔樣品上按四點彎曲測試進(jìn)行測量?？墒褂脷w一化強度(NS)表征任何特定孔結(jié)構(gòu)的強度。歸一化強度(NS)是NS = M0R/CFA，其中CFA是封閉的正面面積比值，由下式給出:
[0080]CFAR = CD*W* ((I/CD"2) -ff)。
[0081]從表I可看出，本發(fā)明的主體都超過M0R/CFA的值。
[0082]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，不同的修改、添加和變化是明顯的。所有這些變化、添加和修改都包括在本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明范圍僅受所附權(quán)利要求及其等同項的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷壁流式過濾器，所述過濾器包括: 多個形成孔道的多孔陶瓷壁，這些孔道中的至少一些包含堵塞物，其中所述多孔陶瓷壁具有以下特性: 102微米< Tn< 279微米，和 15 < WP < 42 其中，WP是一種比值，該比值定義為WP = Tβ/MPD, MPD是所述壁中孔隙的中值孔徑，單位是微米，T11是所述壁的壁厚度，單位是微米； 其中所述陶瓷壁流式過濾器采用不對稱孔技術(shù)(ACT);且所述陶瓷壁流式過濾器的結(jié)構(gòu)(孔密度(cpsi)/ 壁厚(密爾))選自 200/9ACT, 270/10ACT, 270/15ACT, 300/8ACT, 300/10ACT, 300/12ACT 和 100/10ACT。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，與相同結(jié)構(gòu)的非ACT過濾器相比，所述過濾器具有減小的體積。
3.如權(quán)利要求2所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，所述過濾器的體積減小最大達(dá) 23%。
4.如權(quán)利要求2所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)為270/10ACT且所述陶瓷壁流式過濾器的體積小于11L。
5.如權(quán)利要求1所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，所述孔道的進(jìn)口平均橫截面面積(Ai)大于所述孔道的出口平均橫截面面積(Ao)。
6.如權(quán)利要求5所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，所述過濾器進(jìn)一步包括:平均進(jìn)口流體壓力直徑與出口流體壓力直徑比值(Dh)，其中Dh > 1.2，和
Dh = Dhi/Dho, Dhi = 4Ai/Pi,和 Dho = 4Ao/Po 其中Dhi是平均進(jìn)口流體壓力直徑，Dho是平均出口流體壓力直徑，Ai是平均進(jìn)口橫截面面積，Ao是平均出口橫截面面積，Pi是包圍進(jìn)口孔的平均周長，Po是包圍出口孔的平均周長。
7.如權(quán)利要求6所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，所述過濾器進(jìn)一步包括:1.2<Dh < 1.6。
8.如權(quán)利要求1所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，所述壁進(jìn)一步包括歸一化強度(NS) ,NS彡100psi，所述歸一化強度定義為NS = M0R/CFAR，其中MOR是斷裂強度模量，單位是psi，在I" X0.5" X4.5"多孔樣品上按四點彎曲測試測量，CFAR是封閉的正面面積比值，所述比值定義為CFAR = Tu⑶{(2/⑶1^-Tlt }，其中⑶是孔密度，單位是個孔/平方英寸。
9.如權(quán)利要求1所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，所述過濾器進(jìn)一步包括所述壁的總孔隙率P)，其中30體積P ( 80體積％。
10.一種陶瓷柴油機微粒壁流式過濾器，所述過濾器包括: 多個限定孔道的多孔陶瓷壁，這些孔道中的至少一些是堵塞的，所述過濾器顯示: 178微米< T11S 279微米， 4.0微米彡MPD ( 18.0微米， 35%^% P ( 75%,
15 < (Τ 壁/MPD) < 35，
Ai/Ao > 1.2，和
150cpsi < CD < 300cpsi 其中T11是所述壁的厚度，單位是微米，Mro是所述壁中孔隙的中值孔徑，單位是微米，％ P是所述壁的總體積孔隙率，Ai是進(jìn)口孔的橫截面面積，Ao是出口孔的橫截面面積，⑶是孔密度，單位是cpsi ； 其中所述陶瓷壁流式過濾器采用不對稱孔技術(shù)(ACT);且 所述陶瓷壁流式過濾器的結(jié)構(gòu)(孔密度(cpsi)/壁厚(密爾))選自200/9ACT，270/1OACT, 270/15ACT, 300/8ACT, 300/10ACT, 300/12ACT 和 100/10ACT。
11.如權(quán)利要求4所述的陶瓷壁流式過濾器，其特征在于，所述過濾器的壓降為25kPa。
【文檔編號】B01D46/24GK104208961SQ201410389846
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2008年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2007年8月24日
【發(fā)明者】D·M·比爾, A·K·海貝爾, P·坦登 申請人:康寧股份有限公司