薄壁多孔陶瓷壁流式过滤器的制造方法
【专利摘要】揭示了薄壁多孔陶瓷壁流式过滤器。该过滤器产生相对较低的压降以及相对高的初始过滤效率（FE0)，而且可以将该过滤器封装在较小的体积中。该过滤器包括多个形成孔道的多孔陶瓷壁。这些孔道中的至少一些是堵塞的，迫使一些废气通过所述壁，从而滤除夹带的微粒。所述壁的壁厚度（?)为102微米彡279微米，其中值孔径（MPD)为10<1?/MPD，还可以<40。与壁厚度On)相比相对小的中值孔径（MPD)使得可以使用较薄的陶瓷壁提供比较厚的壁更小的流动阻力，同时保持足够的初始过滤效率（FE0)。而且，这种薄壁过滤器结构以及不相等的进口/出口面积比（Ai/Ao)使得可以额外地缩短过滤器的长度。
【专利说明】薄壁多孔陶瓷壁流式过滤器
[0001]本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2008/009951，国际申请日为2008年8月21日，进入中国国家阶段的申请号为200880105212.9、发明名称为“薄壁多孔陶瓷壁流式过滤器”的发明专利申请的分案申请。
发明领域
[0002]本发明涉及多孔陶瓷壁流式过滤器，具体涉及薄壁多孔陶瓷壁流式过滤器。
[0003]发明背景
[0004]柴油机微粒过滤器是现有技术中已知的；美国专利第4329162、4420316、4416676和6206944号中描述了它们的例子。目前生产的这些柴油机微粒过滤器(也称为壁流式过滤器、柴油机微粒阱、蜂窝过滤器或排气过滤器)包括多孔陶瓷壁的网状结构，所述壁的壁厚度为12-30密耳(305-762微米)，所述壁从柴油机排气流过滤出烟炱颗粒。这些多孔陶瓷壁整体互连形成气体传导孔道的基质，这些孔道的横截面形状通常为例如正方形、圆形、矩形、三角形、八边形、六边形或它们的组合。陶瓷孔道的基质的外部区域可以由外皮包围，以形成单独一体结构，该结构的形状例如可以是圆柱形，但是可包括应用所要求的任何横截面形状。
[0005]这些柴油机微粒壁流式过滤器具有用于接受废气的进口端，和用于在过滤之后排出这些气体的出口端。这些孔道由多个多孔陶瓷壁限定，这些壁一般在所述进口端和出口端之间伸长和延伸。对这些多孔陶瓷壁进行排列和设置，一般限定蜂窝结构，该结构的孔密度(CD)约为10-400个孔/平方英寸(cpsi)。由所述多个传导气体的孔限定的孔可以在各端部按例如“棋盘格”图案堵塞；所有进口孔道在出口端堵塞，所有出口孔道在进口端堵塞。这种对结构的堵塞迫使柴油机排气流过多孔陶瓷壁，从而过滤出柴油发动机排气内产生的烟炱颗粒，因此称为“壁流式”。
[0006]在操作中，排气中的烟炱颗粒被截留在进口孔道的壁上或被截留在壁的孔隙中。随着烟炱颗粒累积在形成孔的陶瓷壁的气体进口侧上，过滤器上的压降(加载了烟炱的背压)增大。在一些应用中，因为烟炱的累积，过滤器的压降变得不可接受地高，必须对过滤器进行热再生。因此，通常要使孔周期性地暴露于引发“燃尽周期”的条件下，“燃尽周期”设计成用于烧蚀(ablate)累积的烟炱颗粒并将其转化成灰。热再生周期完成之后，使该过滤器再次恢复至一般的低背压水平。其他应用可包括明显量的被动再生，使得烟炱在操作中连续转化成灰。在任何情况中，对灰的管理是重要的考虑因素。
[0007]对于实际应用，过滤器的目的是实现某些重要的性能标准。最重要的有，相对低的压降和相对高的过滤效率。另外，实现相对高的强度以及热耐久性和机械耐久性也是重要的考虑因素。例如，热耐久性是重要的，因为柴油机微粒过滤器的基质的居中陶瓷壁在燃尽周期中可能升高至非常高的温度(超过800°C)，而外皮可能只加热至低得多的温度。所导致的基质芯和外皮之间的温差(有时候为500°C以上)可能在过滤器中产生相当大的热梯度。这些梯度在微粒过滤器中产生可能有害的热应力。机械耐久性也是有利的，因为过滤器在制造和安装过程中经受机械应力，而且在过滤器操作过程中受到向陶瓷壁施加的压力的作用。低的压降有利于尽可能减小对有效排出排气的干扰，该干扰会使发动机中的功率降低。而且，在某些应用中，要求初始过滤效率(FEO)相对较高，从而在初始时实现从排气充分去除微粒物质。对于在操作时经历大百分比的被动再生的过滤器而言，这是特别有利的。已经证明要达到这些组合的过滤器是非常困难的。而且，虽然目前的商品化过滤器提供可接受的性能组合，但是它们不能实现上述性质的优越组合。
[0008]对用于排气系统的指定体积的过滤器，降低其压降的一种简单途径是减小形成孔的陶瓷壁的厚度。这些较薄的壁对通过该陶瓷壁的排气流呈现较低的阻力。但是，根据陶瓷过滤器领域中先前的学说，通过为柴油机微粒过滤器提供厚度小于12.0密耳的较薄的陶瓷壁所获得的任何压降优势将超过机械强度降低和初始过滤效率降低的组合劣势。另夕卜，这些较薄的壁还具有降低的本体热容量，在燃尽周期中可能导致高温和高热梯度，以及可能要求较高频率的燃料消耗性燃尽周期以烧蚀累积的烟炱(按主动再生方案)，从而保持可接受的低的操作压降。对于堇青石陶瓷材料尤其如此。
[0009]因此，已经证明壁流式过滤器很难能够保持相对高的初始过滤效率和相对低的压降。因此，已经证明实现相对高的初始过滤效率和相对低的压降、以及还表现出足够的机械强度和/或足够的体相热容量的这些组合属性当然甚至是更困难的。
[0010]发明概述
[0011]一般而言，揭示了多孔陶瓷壁流式过滤器。这种过滤器例如特别适合作为微粒过滤器，可用于发动机排气过滤应用，例如用于柴油机排气过滤。所揭示的过滤器可实现的一种杰出的优点是，可以将所述多孔陶瓷壁流式过滤器封装在比以前的过滤器设计小得多的体积内。这对于排气后处理系统升级(翻新应用)尤其重要。例如，升级的系统除了微粒烟炱过滤之外可能要求NOx处理。在这些升级中，一般来说，可能需要将额外的陶瓷基材部件容纳在相同或类似空间的外壳内，以解决NOx处理问题。因此，本发明的一个大优势在于，可以使用明显较小(体积或长度方面)的过滤器。因此，本发明可以有额外的外壳空间用于容纳这些额外的后处理部件。而且，本发明的另一个大优势在于，可以将初始过滤效率(FEO)与无负荷(clean)背压降(APc)组合，这是以前无法实现的。
[0012]因此，根据本发明的实施方式，提供了一种陶瓷壁流式过滤器，该过滤器包括多个形成孔道的多孔陶瓷壁，这些孔道中的至少一些包括堵塞物，其中这些壁的厚度(T11)大于或等于102密耳279微米)且小于11.0密耳(〈279微米)，所述多孔壁呈现中值孔径(MPD)，并提供比值(WP)，该比值定义为WP = Tlt/MPD,使得WP > 10。为了确保足够低的背压，比值Tn/MPD还可小于40、小于35、小于30、小于25、或者甚至小于20。相对于壁厚度(T11)相对小的MH)使得可以使用较薄的陶瓷壁，并提供比较厚的壁更小的流动阻力，但同时出乎意料地保持相同的初始过滤效率(FEO)。事实上，通过本发明可实现初始过滤效率(FEO)大于30%、大于35%、大于40%、大于50%、或者甚至大于60%。在一些实施方式中，初始过滤效率(FEO)可实现大于70 %、大于80 %、或者甚至大于90 %。较薄的壁还增大气体传导孔的横截面面积，进一步减小流动阻力。而且，较薄的壁使得在需要烧蚀去除烟炱之前可以累积较多的烟炱。这有利地减小燃料消耗性燃尽周期的频率(在主动再生的情况中)。将这个方面与包含平均横截面面积大于出口孔道的进口孔道的额外特性组合，使得能够进一步额外地减小该过滤器的整体尺寸(长度和/或体积)。
[0013]更具体地说，根据本文所述的实施方式，该过滤器可包括进口端和出口端，以及限定多个传导气体孔的多孔陶瓷壁的网状结构。这些孔的孔密度(CD)可以例如约为100-400cpsi，或者甚至150-300cpsi。各孔道一般设计成进口孔道或出口孔道，这些孔道中的至少一些是堵塞的，从而迫使进入这些孔道的未堵塞进口端(进口孔道)的气流在离开未堵塞出口端(出口孔道)之前通过所述多孔陶瓷壁中的至少一些。可以按重复图案如棋盘格图案对孔进行堵塞。
[0014]所述过滤器的陶瓷壁的机械强度可以等于或大于150psi，机械强度通过在I" X0.5" X4.5"样品多孔基材上的四点弯曲测试的断裂模量测量。任选所述强度通过归一化强度(NS)表征，所述归一化强度在本文中定义为NS = M0R/CFAR，其中CFAR是封闭的正面面积比值(closed frontal area rat1)。一些实施方式表现出等于或大于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。根据进一步的实施方式，所述陶瓷壁可例如由堇青石和钛酸铝中的一种形成。但是，它们可任选由任何其他合适的陶瓷材料如SiC制造。所述壁的总孔隙率P)可以是，%P^30体积％，% P ^ 40体积％，30体积P ( 80体积％，35体积P ( 75体积％，或者甚至40体积P ( 60体积％。特别有利的组合范围可以是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]根据另外的实施方式，一种陶瓷柴油机微粒壁流式过滤器，该过滤器包括多个限定孔道的多孔陶瓷壁，这些孔道中的至少一些是堵塞的，该过滤器表现为:
[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，单位是微米，MPD是所述壁中孔隙的中值孔径，单位是微米，％ P是所述壁的总的体积孔隙率。
[0021]根据更进一步的实施方式，并且在另一个宽泛方面中，一种陶瓷柴油机微粒壁流式过滤器包括多个限定孔道的多孔陶瓷壁，这些孔道中的至少一些是堵塞的，该过滤器表现为:
[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，单位是微米，MPD是所述壁中孔隙的中值孔径，单位是微米，％ P是所述壁的总的体积孔隙率，Al是进口孔的横截面面积，Ao是出口孔的横截面面积，⑶是孔密度，单位是cpsi。
[0029]附图简要说明
[0030]图1是陶瓷壁流式过滤器的透视图。
[0031]图2是图1中所示过滤器沿剖面线2-2的部分截面的透视图。
[0032]图3是图2中所示排气过滤器沿剖面线3-3的放大的部分横截面视图。
[0033]图4是图3中圆圈部分的多孔陶瓷壁的放大图。
[0034]图5是说明对于具有不同孔密度和壁厚度的过滤器，为保持随烟炱负荷(克/升)的变化的压降恒定所需要的过滤器体积(升)的图。
[0035]图6是说明对于具有孔密度和壁厚度的不同组合的过滤器，过滤器长度(英寸)随烟炱负荷(克/升)变化的图。
[0036]图7A和7B是标准壁微粒过滤器和采用不对称孔技术(ACT)的微粒过滤器的孔结构的半个截面的照片。
[0037]图8是说明包括薄壁壁流式过滤器的系统环境的示意图。
[0038]图9是说明对于不同的壁厚度和中值孔径的组合，过滤器空白压降(千帕)与初始过滤效率(FE0，% )的关系的图。
[0039]本发明优选实施方式
[0040]参考图1和2，在所有的附图中，类似的附图标记表示类似的部件，根据这些实施方式的本发明是微粒过滤器1，这种过滤器具有陶瓷主体3。主体3可以由陶瓷材料如堇青石、钛酸铝、SiC等形成。本发明解决了在使用这些堇青石、钛酸铝、SiC和类似材料时使用较小空间的外壳来容纳过滤器的重要问题。陶瓷主体3包括多个互连的多孔陶瓷壁4，以及具有多个排气进口孔道6 (或称为“进口孔”)的进口端5和具有多个排气出口孔道8(或称为“出口孔”)的出口端7。多孔陶瓷壁4至少部分地限定多个设置在进口端5和出口端7之间的气体传导孔道9(图2)。虽然图1-3中所示的孔9的横截面显示为正方形，但是也可采用其他形状，例如八边形、六边形、矩形、圆形、三角形、和它们的组合。外皮10可限制孔9,外皮10可以在挤出过程中形成或者在其后施加。
[0041]具体参考图2，所述孔道中的至少一些是堵塞的，例如用堵塞粘固剂(cement)堵塞，例如在孔道端部堵塞。孔道9的进口端5和出口端7可以例如按棋盘格图案用进口堵塞物12和出口堵塞物14堵塞，所述堵塞物由类似于形成内壁4的陶瓷材料整体形成。可采用任何合适的陶瓷堵塞粘固剂，例如美国专利第Re31405号中描述的泡沫型堇青石陶瓷粘固剂、美国专利第5914187或4455180号中描述的粘固剂、或者W02005/051859中描述的粘固剂。例如在美国专利第4557773号和美国专利申请第2006/0131782号中描述了合适的堵塞工艺。如图8中以最佳方式显示的，过滤器I可包括在排气系统100中，用于从发动机107如柴油发动机的排气中去除微粒。排气系统100 —般可包括从发动机107导向陶瓷壁流式过滤器I的导管105，可进一步包括位于所述过滤器上游的柴油机氧化催化剂114，如果需要去除NOx，则它们的下游还包括SCR部件115。而且，在一些情况中，所述系统可包括涡轮增压器111。本发明适合于减小包括多个部件的系统的总体长度(或体积)，具体来说，后处理系统包括D0C、壁流式过滤器和SCR(去除NOx)部件的组合。
[0042]所述形成壁4的多孔陶瓷材料包括互连的孔隙16(图4中显示)，这种材料的总孔隙率P)优选约为30体积P ( 80体积％。已经发现，对于根据本发明实施方式具有薄壁(!《< 11.0密耳)(279微米)和相对小的中值孔径(MPD)的陶瓷过滤器，要保持强度，总孔隙率应当有利地小于约60%。另外，要获得低背压(ΛΡ，无负荷的和负载了烟炱的)，可使总孔隙率(％Ρ)大于30%、大于35%、或者甚至大于40%。在许多合适的实施方式中，对于这些薄壁过滤器，总孔隙率可以为40-60%。合适的中值孔径(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，以确保足够的壁强度和初始过滤效率(FEO)。优选中值孔径(MPD)为4.0微米彡MPD ( 28.0微米、或者甚至8.0微米彡MPD ( 28.0微米，以确保足够低的背压，例如无负荷压降。这样的微结构使得废气可以自由流过形成孔9的壁，从而以大于或等于35%的高初始过滤效率(FEO)过滤出夹带的微粒，在一些组合条件下，初始过滤效率大于或等于40%、大于或等于50%、或者大于或等于60%。在一些实施方式中，证明了大于或等于70%、大于或等于80%、或者甚至大于或等于90%的初始过滤效率(FEO)。
[0043]在操作中，柴油机微粒过滤器I是成对的，使得过滤器I的进口端5接受加压的废气。如图1和2中所示，这些气体通过所述多个气体进口孔道6进入陶瓷主体3。在各孔9的进口端5的下游形成的大多数壁堵塞物14防止这些气体直线通过陶瓷主体3。相反，迫使这些气体通过进口孔道9的多孔陶瓷壁4，进入相邻的出口孔道8，从出口端7排出。图2上端的流动箭头说明柴油机排气通过陶瓷主体3的气体孔道9时所采取的大致S形流动路径。
[0044]参考图3和4，随着废气流进气体进口孔道6中，如图3中的流动箭头所示迫使气体通过孔壁4。具体来说，废气首先进入具有开放进口孔道6的孔9的内表面15a上存在的微结构的孔隙16，然后离开外表面15b上的孔隙16。废气中夹带的灰和烟炱颗粒如图所示在内表面15a上形成层18。
[0045]参考图4能够很好地理解本发明。与壁厚度(T11)为12-18密耳(305-457微米)的现有技术柴油机微粒过滤器相比，过滤器I的壁厚度(T11)小于11密耳(279微米)。要确保包含堇青石或钛酸铝材料的过滤器具有足够的强度，壁厚度(T11)可以等于或大于4.0密耳(102微米)。在表现出相对高的过滤效率(FEO)和相对低的背压(例如无负荷压降)的优良组合的微粒过滤器的某些实施方式中，可以对壁厚度(T11)和中值孔径(MPD)进行选择，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，使得无负荷背压不会太大。
[0046]例如，对于4密耳彡T壁<6密耳(102-152微米)的壁厚度(Ie)范围，WP的范围应当是10 < WP <30。另外，对于6密耳彡T壁< 9密耳(152-229微米)的壁厚度(T壁)范围，WP的范围应当是12 < WP < 36。对于9密耳彡Te< 11密耳(228-279微米)的壁厚度(T11)范围，WP的范围应当是15 < WP <42。T11小于4密耳(102微米)可导致相对差的强度。102微米ST11S 152微米。在某些实施方式中，提供了包括1^< 254微米、T壁
<229微米、或者甚至1^< 203微米的陶瓷壁流式过滤器。
[0047]另外，可以提供总孔隙率P)大于30体积％、大于35体积％、在30_80体积％范围内、或者甚至为40-60体积％的陶瓷壁4。孔9的孔密度可以为100-350cpsi。但是，在与这种薄壁壁流式过滤器组合时，本发明的发明人认识到，150-300cpsi的孔密度(⑶)一般提供相对低的总体压降，以平衡无负荷背压降和负载了烟炱的压降的效果。
[0048]最后，壁4的强度由断裂模量(MOR)测量，在I" X0.5" X4.5"具有不同的孔密度(CD)和壁厚度(T11)蜂窝样品上通过四点弯曲方法测量时，优选MOR彡150ps1、或者甚至MOR彡250psi。但是，所述强度最好通过归一化强度比值(NSR)表征，其中NSR = MOR/CFAR，CFAR表示封闭的正面面积比值，在本文中定义为:
[0049]CAF = T 壁 CD {(2/CD1/2) — T 壁}。
[0050]过滤器I上的压降可通过以下贡献值之和计算:由进入孔9的进口 6的废气产生的贡献值(ΛΡβλ)、由排气向下通过进口孔9产生的贡献值(APan)、由气体通过烟炱或微粒层18产生的贡献值(APtw4)、由废气通过陶瓷壁4产生的贡献值(AP11)、由废气向下通过出口孔9产生的贡献值(APan)、和由离开孔9的出口 8的气体膨胀产生的贡献值(APsff),根据以下表达式计算:
[0051]ΔΡ过滤器=ΔΡ进人+ ΔΡ进口+ ΔΡ雜+ ΔΡ壁+ ΔΡ出口+ ΔΡ离开
[0052]过滤器I的几何学性质，即过滤器I的孔密度(⑶)、壁厚度(T11)、孔长度和体积，影响来自上述各压力分量的贡献值。因此，发动机条件(例如排气流速、温度、以及烟炱和灰的累积速率)影响压降，并最终影响为特定应用设计的最佳过滤器的选择。
[0053]随着灰和烟炱的颗粒在壁4的内表面15a上累积形成烟炱层18，过滤器I上的背压开始增大，相对于发动机产生的排气流起作用。这种压力增大是通过以下过程产生的，随着烟炱层18在陶瓷壁4上的累积而减小孔9的流体压力横截面面积(APan，APax)，以及增大废气必须行进通过以离开过滤器的烟炱层18的厚度(APttfi)。本发明过滤器I的薄陶瓷壁4通过为指定烟炱层厚度提供较大的流体压力横截面面积、较高的过滤面积、和较低的来自APlt的贡献值，减小了这些压降的贡献值。可使用数学模型，针对给定的已知输入例如废气流速和温度、过滤器直径和长度(体积)、孔的几何形状、孔隙率和孔径分布(渗透率)、以及烟炱和/或灰负荷，计算压降随网状结构厚度和孔密度的变化。这种模型可应用于因为壁4的不同孔隙率而具有不同体积密度的过滤器，以及已调节(具有一些烟炱负荷)和未调节(无负荷)的过滤器。这种模型假设:废气从填充了颗粒的孔隙16和从在陶瓷壁4上累积的烟炱层18过滤(或者称为深床过滤和滤饼过滤)；在壁4和出口壁堵塞物14a上都存在烟炱层18，烟炱粒径为80-120纳米，灰粒径为I微米，烟炱沉积密度为150千克/立方米，灰沉积密度为300-400千克/立方米，灰和烟炱颗粒的密度为2000千克/立方米。
[0054]可采用模型计算在上述其他参数保持恒定的条件下使随烟炱负荷而变化的特定压降保持不变所需的过滤器的体积。如果几何学特性变化的目的是尽可能减小过滤器体积，则这是有利的。过滤器体积减小是所需的特性，尤其是对于翻新应用而言。
[0055]图5中示出分别具有以下孔密度和壁厚度的四种不同的过滤器1，要保持25千帕的恒定压降的某些模型计算的结果:
[0056](a)200cpsi, 12.0 密耳，MPD = 17 微米(比较例 200/12 过滤器)；
[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，具有大于出口的进口(270/10ACT)。这些例子分别包括以下WP比值:(a) 17.9，(b) 12.0, (c) 14.9，和(d) 14.9。建立模型的条件进一步包括直径为10.5英寸，Q = 24.2千克/分钟，其中Q是气体的损失流速,过滤器内的气体温度为450°C，过滤器中的总灰水平为360克，负载了灰的目标背压为25千帕。如图5中所示，证明例子b-d中某些较薄的陶瓷壁4的优点。例如，对于任何特定的所需背压水平，采用较薄的壁厚度(T11)同时保持WP比值(T11/MPD)大于10，使得可以用明显更小的过滤器体积(升，L)获得相同的背压。
[0060]例如，对于5克/升的烟炱负荷(标注为A的虚线)，本发明的200/8结构、WP比值(Tn/MPD)大于10的薄壁过滤器可容纳在比现有技术的200/12结构约小22%的体积中。另外，这些图还显示将某些不相等的进口和出口孔面积(标注为ACT)与满足上述WP比值Oe/MPD)大于10的薄壁过滤器组合的优点。由图5可知，对于任何特定的烟炱负荷(参见标注为A的水平虚线)，具有满足以上WP比值(T11/MPD)大于10的薄陶瓷壁4并且进口面积(Ai)与出口面积(Ao)的面积比Ai/Ao大于或等于1.2的例子在相同的背压水平下与具有相同尺寸进口和出口的类似结构(如270/10)相比，能够使过滤器体积额外明显减小(减小程度最大达23% )。对具有堇青石材料(如美国专利第Re38888号中所述)的过滤器进行比较。
[0061]图7A和7B说明具有标准相同尺寸的进口和出口的孔设计(图7A)和具有大于出口孔道的进口孔道的ACT孔设计(图7B)的过滤器I的半个截面的横截面视图，其中取消了壁堵塞物14，从而能更容易地看出孔径的差别。在图7A中显示相交壁的蜂窝体结构，其中进口孔和出口孔具有基本上相同的平均横截面面积。在图7B中，进口孔道19的平均横截面面积大于出口孔道20的平均横截面面积。因此，进口孔道19的平均流体压力直径(Dhi)(定义为Dhi = 4Ai/Pi，其中Ai是进口孔的平均进口横截面面积，Pi是该横截面中包围该进口孔的平均周长)大于出口孔道20的平均流体压力直径(Dho)(定义为Dho = 4Ao/Po，其中Ao是出口孔的平均进口横截面面积，Po是该横截面中包围该出口孔的平均周长)。具体来说，对于薄壁应用，进口孔道的流体压力直径(Dhi)大于出口孔20的流体压力直径(Dho)，使得流体压力直径比值Dh(本文中定义为Dh = (Dhi/Dho))大于1.2。另外，比值Dh可小于1.6。由图可知，图5中的270/10ACT设计(曲线d)符合在最小过滤器体积(小于11升)中25千帕压降的要求。
[0062]图6显示对于具有孔密度(⑶)和壁厚度的不同组合、并且中值孔径都为17.0微米的各种本发明和比较例的过滤器1，在30千帕的恒定压降、24.2千克/分钟的气体流速Q、450°C的气体温度、300克/升时360克的灰负荷、20升的最大过滤器体积、以及10.5英寸(267毫米)的过滤器直径条件下，这些模型计算的结果。例子分别包括:
[0063](a)200cpsi和18.0密耳(200/18过滤器，用于比较目的)；
[0064](b)200cpsi和12.0密耳(200/12过滤器，用于比较目的)；
[0065](c)270cpsi 和 15.0密耳，六(:1'(270/15六(:1'，用于比较目的)；
[0066](d)200cpsi 和 12.0密耳，六(:1'(200/12六(:1'，用于比较目的)；
[0067](e)300cpsi 和 12.0密耳，六(:1'(300/12六(:1'，用于比较目的)；
[0068](f)200cpsi 和 9.0 密耳，ACT (200/9ACT，本发明例)；
[0069](g)300cpsi 和 10.0 密耳，ACT(300/10ACT，本发明例);和
[0070](h)300cpsi 和 8.0 密耳，ACT (300/8ACT，本发明例)。
[0071]模型数据证明，与比较结构200/18、200/12、270/15ACT、200/12ACT 和 300/12ACT相比，图6中本发明实例的200/9ACT、300/8ACT和100/10ACT结构符合体积最小时的压降要求(30千帕)。沿着标注为B的直线，应当认识到，通过将现有技术的200/12结构与本发明的300/8ACT结构相比，过滤器的总体长度从约13.6英寸(345毫米)减小至约7.4英寸(188毫米)，长度显著减小约45 %。
[0072]在本发明的开发中， 申请人:最初认为使用厚度小于12.0密耳(305微米)的陶瓷壁4可能导致过滤效率降低、体相热容量(bulk heat capacity)降低(设置限制烟食质量极限)和强度降低的缺点。但是，本发明的发明人发现，使用小于11.0密耳(小于279微米)的壁厚度(T11)可以保持超过30%的优秀的初始过滤效率(FE0)，条件是壁厚度(T11)的数量级比中值孔径(MPD)的数量级大I(XlO)以上。因此，根据本发明的一个宽泛方面，本发明过滤器显示WP比值(Tn/MPD)大于10、大于12、或者甚至大于15，其中T11和MPD的单位都是微米。孔隙微结构还不应太细小，否则压降会增大至不可接受的水平。因此，WP比值Oe/MPD)应当不超过约42，以保持相对低的无负荷压降。另外，对于某些壁厚度，WP比值应当小于40、小于35、小于30、或者甚至小于20。体相热容量对于在主动再生周期之间有高水平烟炱累积的应用而言是一种重要特性。在体相热容量是重要设计特性的情况中，可采用较低水平的总孔隙率(％P)来补偿较薄的网状结构，以保持相对高的体积密度。例如，在本发明实施方式的这些情况中，可采用小于或等于50%的总孔隙率(％P)。图9中的曲线以最佳方式说明本发明在同时获得相对高的初始过滤效率以及相对低的无负荷压降方面的益处。具体来说，通过将薄壁和受控的MH)组合使WP比值保持大于10，可获得大于30%的初始过滤效率(FEO)。各种圈出的实施方式说明MPD分别为4-18密耳，而壁厚度(Tβ)为4-11密耳(102-279微米)。圈中的值是各实施方式的WP比值。
[0073]通过下表I中的实验结果还可看出具有减小的平均孔径(MPD)的薄陶瓷壁4对压降的正面影响。表I中报告的是无负荷压降(APc，单位是psi)，负载了烟炱的压降(APs，单位是psi)，总孔隙率P，单位是％ )，T壁(单位是密耳，括号中是微米)，孔密度(CD，单位是cpsi)，平均孔径(MPD，单位是微米)，WP比值，多孔断裂模量(M0R，单位是psi)，封闭的正面面积比值(CFAR)，以及归一化强度(NS，单位是psi)。
[0074]表1-实验例
[0075]
实验 IΔΡ^^ΔΡ^%Ρ IMPD^CD ^WP MORCFAR^NS体积密度例 (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 无负载 | dP 5 兑/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，在本发明另一个宽泛方面中，提供高强度以符合强度要求，从而便于操纵、催化剂应用和罐装。本发明的发明人观察到，通过轴向断裂模量(MOR)给出的强度应当是MOR彡150psi，在一些实施方式中MOR彡250psi，在上述孔结构的I" X0.5" X4.5"多孔样品上按四点弯曲测试进行测量。可使用归一化强度(NS)表征任何特定孔结构的强度。归一化强度(NS)是NS = M0R/CFA，其中CFA是封闭的正面面积比值，由下式给出:
[0080]CFAR = CD*W* ((I/CD"2) -ff)。
[0081]从表I可看出，本发明的主体都超过M0R/CFA的值。
[0082]对于本领域技术人员而言，不同的修改、添加和变化是明显的。所有这些变化、添加和修改都包括在本发明范围内，本发明范围仅受所附权利要求及其等同项的限制。
【权利要求】
1.一种陶瓷壁流式过滤器，所述过滤器包括: 多个形成孔道的多孔陶瓷壁，这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是一种比值，该比值定义为WP = Tβ/MPD, MPD是所述壁中孔隙的中值孔径，单位是微米，T11是所述壁的壁厚度，单位是微米； 其中所述陶瓷壁流式过滤器采用不对称孔技术(ACT);且所述陶瓷壁流式过滤器的结构(孔密度(cpsi)/ 壁厚(密尔))选自 200/9ACT, 270/10ACT, 270/15ACT, 300/8ACT, 300/10ACT, 300/12ACT 和 100/10ACT。
2.如权利要求1所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，与相同结构的非ACT过滤器相比，所述过滤器具有减小的体积。
3.如权利要求2所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤器的体积减小最大达 23%。
4.如权利要求2所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述结构为270/10ACT且所述陶瓷壁流式过滤器的体积小于11L。
5.如权利要求1所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述孔道的进口平均横截面面积(Ai)大于所述孔道的出口平均横截面面积(Ao)。
6.如权利要求5所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤器进一步包括:平均进口流体压力直径与出口流体压力直径比值(Dh)，其中Dh > 1.2，和
Dh = Dhi/Dho, Dhi = 4Ai/Pi,和 Dho = 4Ao/Po 其中Dhi是平均进口流体压力直径，Dho是平均出口流体压力直径，Ai是平均进口横截面面积，Ao是平均出口横截面面积，Pi是包围进口孔的平均周长，Po是包围出口孔的平均周长。
7.如权利要求6所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤器进一步包括:1.2<Dh < 1.6。
8.如权利要求1所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述壁进一步包括归一化强度(NS) ,NS彡100psi，所述归一化强度定义为NS = M0R/CFAR，其中MOR是断裂强度模量，单位是psi，在I" X0.5" X4.5"多孔样品上按四点弯曲测试测量，CFAR是封闭的正面面积比值，所述比值定义为CFAR = Tu⑶{(2/⑶1^-Tlt }，其中⑶是孔密度，单位是个孔/平方英寸。
9.如权利要求1所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤器进一步包括所述壁的总孔隙率P)，其中30体积P ( 80体积％。
10.一种陶瓷柴油机微粒壁流式过滤器，所述过滤器包括: 多个限定孔道的多孔陶瓷壁，这些孔道中的至少一些是堵塞的，所述过滤器显示: 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，单位是微米，Mro是所述壁中孔隙的中值孔径，单位是微米，％ P是所述壁的总体积孔隙率，Ai是进口孔的横截面面积，Ao是出口孔的横截面面积，⑶是孔密度，单位是cpsi ； 其中所述陶瓷壁流式过滤器采用不对称孔技术(ACT);且 所述陶瓷壁流式过滤器的结构(孔密度(cpsi)/壁厚(密尔))选自200/9ACT，270/1OACT, 270/15ACT, 300/8ACT, 300/10ACT, 300/12ACT 和 100/10ACT。
11.如权利要求4所述的陶瓷壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤器的压降为25kPa。
【文档编号】B01D46/24GK104208961SQ201410389846
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2008年8月21日 优先权日:2007年8月24日
【发明者】D·M·比尔, A·K·海贝尔, P·坦登 申请人:康宁股份有限公司