CN101548071A - 部分壁流式过滤器和柴油机排气系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种排气系统和通过与发动机，如柴油机发动机，耦联的排气管线从发动机(107)中排出废气的方法，所述系统包括：设置在排气管线中并且与发动机“紧耦联”的第一微粒过滤器(106)；与第一微粒过滤器相隔一段距离(d)的第二微粒过滤器(108)。所述第一微粒过滤器是“紧耦联的”，使得第一微粒过滤器以被动再生模式运行的程度高于所述第二微粒过滤器。所述第一微粒过滤器可以是包括一些堵塞通道和一些敞开通道的部分壁流式过滤器。一些堵塞孔道是在进口端附近被堵塞的，而另一些堵塞通道是在出口端附近被堵塞的。本发明还描述了一种部分壁流式过滤器，所述过滤器具有一些未堵塞的流通通道和一些堵塞通道，其中一些堵塞通道的堵塞位置在进口端附近，而一些堵塞通道的堵塞位置在出口端附近。

Description

部分壁流式过滤器和柴油机排气系统以及方法
背景
本发明一般涉及用于过滤废气的壁流式过滤器，以及结合该过滤器的排气系统和方法。
柴油机排气系统可包括例如用于从柴油机废气中除去微粒(例如烟灰)的柴油机微粒过滤器(DPF)。在使用多个DPF除去微粒的情况中，这些DPF通常位于一个共同的外壳内，以相互紧密相邻的方式排列，例如如美国专利申请第2004/0161373号中所述。最广泛使用的DPF是壁流式过滤器。常规的壁流式过滤器由陶瓷蜂窝体基材构成，该基材具有由多个相交的多孔壁形成的纵向、平行的孔道。这些孔道的端部通常用陶瓷堵塞水泥堵塞，从而在蜂窝体基材的端面形成棋盘模式的堵塞格局。过滤器的一些孔道端部在蜂窝体基材的进口端面被堵塞，在本文中称为“进口通道”。同样，剩余的孔道端部通常在蜂窝体基材的出口端面被堵塞以形成棋盘模式的堵塞格局，在本文中称为“出口通道”。在使用过程中，含夹带的烟灰颗粒的废气进入进口通道，流过多孔壁(即壁流)，进入出口通道，从出口通道离开，多孔壁截留了一部分废气中包含的颗粒。通过常规壁流式过滤器已经实现了大于90％的过滤效率。
常规的壁流式过滤器可以彻底清洁，以防止过滤器被堵塞，并且保持过滤器中的压降在规定限度以下。过滤器中压降的增加往往导致施加于发动机的背压的增加，如果不加以控制，可能导致功率损耗。一种已知的清洁过滤器的方法是通过热再生(在下文中称为“再生”)除去过滤器中捕获的烟灰。再生可以是“被动的”或“主动的”或它们的组合。在“被动”再生中，废气进入过滤器时的进口温度足够高，以致于废气本身可以引起壁流式过滤器中捕获的烟灰燃烧。在“主动”再生中，过滤器的温度较低而需要施加额外的能量将废气(和过滤器)的温度提高到能导致过滤器中捕获的烟灰燃烧的程度。通常，通过向废气中后注入燃料以及在过滤器上游设置柴油机氧化催化剂来施加额外的能量。
基于“主动”再生的柴油机排气系统已经成为工业标准，原因在于它们能如愿在较低的排气温度下运行，并且通过实施再生能够确保在不同的发动机工作周期下良好的烟灰去除效果。另一方面，“主动”再生的燃料效率并不佳。另外，在“主动”再生过程中可能存在大的温度峰值，有可能损害过滤器。因此，在运行过程中需要较少的再生处理的系统是人们所需要的。
概述
由于现有技术的排气系统的效率不佳，很大程度上以被动再生模式运行的柴油机排气后处理系统在燃料经济性方面具有有竞争力的优势。在一个宽泛的方面，本发明是适合通过与发动机(例如柴油发动机)耦联的排气管线从发动机中排除废气的排气系统。该排气系统包括：设置在排气管线中并且与发动机“紧耦联”的第一微粒过滤器，所述“紧耦联”即指与发动机紧密相邻；与第一微粒过滤器串联并且距离第一微粒过滤器一段距离(d)的第二微粒过滤器。第一微粒过滤器和第二微粒过滤器之间的距离优选为使得第一过滤器的进口温度(T1)与第二过滤器的进口温度(T2)之间的差异即T1-T2等于或大于20℃。第一过滤器与发动机“紧耦联”，这样第一过滤器优选在足以发生明显的“被动”再生的温度下运行，而下游的第二过滤器在较冷的环境中运行，从而更多地依赖主动再生来除去烟灰。在第二过滤器中发生被动再生的程度要比在第一(紧耦联)过滤器中低得多。在一个实施方式中，第一微粒过滤器可具有第一百分数的堵塞通道和的第二百分数的未堵塞流通通道。依据其它实施方式，堵塞通道在与进口端和出口端相邻的位置堵塞。在一个优选的实施方式中，第二微粒过滤器与第一微粒过滤器串联，并且两者之间的距离(d)大于或等于12英寸(30.5厘米)。任选地，该间距可以使得第一微粒过滤器包括第一进口温度(T1)，第二过滤器包括第二进口温度(T2)，两个进口温度之间的比率(T1/T2)大于或等于1.1，甚至大于或等于1.15。依据本发明的其它实施方式，第一微粒过滤器和第二微粒过滤器可以安装在不同的外壳内。系统内两个过滤器之间可包含柴油机氧化催化剂，或者在第一过滤器中包括氧化催化剂功能。
在另一个宽泛的方面，本发明涉及一种排气系统，例如柴油机排气系统，其包括：与发动机“紧耦联”的第一微粒过滤器，所述第一微粒过滤器是具有第一百分数的堵塞通道和第二百分数的未堵塞流通通道的部分壁流式过滤器；与第一微粒过滤器串联并且与第一微粒过滤器的距离(d)大于12英寸(30.5厘米)的第二微粒过滤器。第二过滤器可以仅仅包括堵塞通道，第一过滤器相对于发动机设置的位置使得它进行被动再生的程度明显高于第二过滤器。第二过滤器优选还进行“主动”再生。第一过滤器和第二过滤器优选位于不同的相互间隔的外壳内。
在另一个宽泛的方面，本发明涉及排气系统如柴油机排气系统运行的方法，该方法包括以下步骤：使废气通过位于排放管线中的第一微粒过滤器，所述第一微粒过滤器包括第一进口温度(T1)，所述第一微粒过滤器具有第一百分数的堵塞通道和第二百分数的未堵塞流通通道，废气首先在该第一微粒过滤器中得到过滤；然后使经过第一次过滤的废气通过与第一微粒过滤器串联并且距离第一微粒过滤器一段距离的第二微粒过滤器，所述第二微粒过滤器包括第二进口温度(T2)，在该第二微粒过滤器中第一废气经历第二次过滤，进口温度之间的比率(T1/T2)大于或等于1.1，甚至大于或等于1.15。
在其它实施方式中，本发明是适用于柴油机排气系统的部分壁流式过滤器，其包括堵塞通道和未堵塞的流通通道，堵塞通道包括在进口端附近堵塞的一些通道和在出口端附近堵塞的另一些通道。
从下述发明详述和所附权利要求很容易了解本发明的其他特征和优点。
附图简要说明
下文所述的附图说明了本发明的典型实施方式，但是不应认为它们限制了本发明的范围，因为本发明还包括其它等同的实施方式。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图中的某些特征和某些视图可以按比例放大显示，或者示意性显示。
图1A和1B是依据本发明实施方式的柴油机排放系统的示意图。
图2A和2B是用于图1A和1B的废气系统的部分壁流式过滤器的透视图。
图3A-3D是可用于本发明实施方式的部分壁流式过滤器的堵塞模式的例子。
图4A显示了图2A和2B的部分壁流式过滤器的两端都采用的部分堵塞模式。
图4B和4C显示了部分壁流式过滤器的两端都采用的另一种部分堵塞模式。
图5和6显示了依据本发明的实施方式的部分壁流式过滤器的两端面都采用的另一种部分堵塞模式。
图7-10显示包括依据本发明实施方式的部分壁流式过滤器的不同系统构造的性能图。
发明详述
以下结合附图中所示的几个优选实施方式对本发明进行更详细的描述。在描述优选实施方式时，所叙述的各种具体细节是为了透彻地理解本发明。但是，对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下进行。在其它情况中，为了不混淆本发明，没有详细描述众所周知的特征和/或方法步骤。另外，类似或相同的附图标记用于表示相同或类似的元件。
图1A显示了排气系统100，例如柴油机排气系统，用于从柴油发动机107的排气集管105中排出废气。如图所示，排气系统100包括具有进口端101和出口端103的排气管线102。进口端101通过排气集管105与柴油发动机107耦联。进口端101可包括连接装置104，该连接装置可以为任何合适的形式。例如，连接装置104可以是与排气集管105的连接部分109上的类似法兰相连的法兰。尽管排气管线102如图所示大致是直的，但是实际上排气管线可以是其它轮廓，包括直线和曲线部分和/或不同直径的部分。
排气系统100包括设置在与排气管线102的进口端101相邻位置的第一微粒过滤器106，这样第一微粒过滤器位于与发动机107“紧耦联”的位置，当然与排气集管105也同样如此。在此“紧耦联”位置，与下游的第二过滤器相比，第一微粒过滤器106可以利用废气所带的较高温度，促使捕获的烟灰发生更大程度的“被动”再生。文中所用的术语“紧耦联”是指过滤器位于废气流中与发动机107紧密相邻的位置，特别是与发动机的燃烧室紧密相邻的位置，所述位置是沿着废气流确定的。例如，“紧耦联”被认为是在排放管线中与发动机107紧密相邻，这样运行循环中至少一些部分的温度超过250℃。较佳地，在运行循环的至少50％的过程中，第一过滤器的进口温度(T1)超过200℃。在如图1A所示的一个例子中，涡轮增压器111位于排放管线102中，第一微粒过滤器106位于涡轮镇压器111的上游，这样热气体直接冲击到第一过滤器106上。在一个更优选的实施方式中，第一过滤器106直接位于涡轮增压器111的下游(参见图1B)。在紧耦联位置，在运行循环中的很大一部份时间里，大于10％，甚至大于20％的时间里，第一过滤器106可以经历250℃或更高的温度条件。这些条件促进了很大程度的“被动”再生。为了避免对过滤器不必要的损害，进口温度T1应该优选不超过约400℃。
本发明的排气系统100还包括位于排气管线102中与第一微粒过滤器106间隔一段距离(d)的第二微粒过滤器108。在图1A和1B所示的例子中，第二微粒过滤器106可以位于涡轮增压器111的下游。其它微粒过滤器位于排气管线102中，在第二微粒过滤器106的下游，以满足所需的过滤和背压要求。可以在第二微粒过滤器106之前设置上游柴油机氧化催化剂(DOC)114，所述催化剂114可以结合任何已知的用于纯化废气的活性催化物质，例如本领域中已知的用于氧化一氧化碳、烃和微粒的可溶性有机部分的催化物质。如果包括DOC114，则其可以位于第一过滤器106和第二过滤器108之间，或者更优选在第一过滤器106和涡轮增压器111之间。排气系统100还可在微粒过滤器106和108的进口端和出口端包括扩散和扩大的锥形件110和112之类的装置，以在微粒过滤器中实现所需的废气流分布，以及/或者在排气管线102中实现尺寸和重量减缩。
在发动机如柴油发动机的正常运行中，从发动机107和排气集管105排出的废气如图1A中的箭头116所示依次通过第一微粒过滤器106、涡轮增压器111(如果存在)、氧化催化剂114(如果存在)和第二微粒过滤器108。在废气通过第一微粒过滤器106和第二微粒过滤器108时，废气中的微粒被捕获在这些过滤器内。具体是一部分的烟灰被捕获在第一过滤器中，而余下的一些烟灰被捕获在第二过滤器中。可以设定发动机运行条件和第一过滤器106相对于发动机107的位置，使得在第一过滤器106的废气的进口温度T1本身足以引起第一过滤器106中捕获的烟灰燃烧，即促进“被动”再生。相反，第二过滤器108与第一过滤器106间隔一定的距离(d)，使得第二过滤器的进口温度T2低于第一过滤器106的进口温度T1。尤其是间隔的距离(d)通常应使得进口温度之间的比率(T1/T2)大于或等于1.1，甚至大于或等于1.15。较佳地，过滤器之间的间隔距离应使得温度差T1-T2等于或大于20℃，甚至等于或大于25℃。
依据本发明的实施方式，第一微粒过滤器106比第二微粒过滤器108具有更低的压降。在一个例子中，第一微粒过滤器106很小，足以置于排放集管105附近，在排放集管105和涡轮增压器111之间或在紧邻涡轮增压器的下游的可用空间内。依据本发明的其它方面，容纳第一微粒过滤器106所需的物理空间(体积)可以比容纳第二过滤器108所需的空间(体积)小，这是因为第二微粒过滤器108需要额外的体积以符合过滤要求。在优选的实施方式中，例如，第二微粒过滤器108可以是常规壁流式过滤器。但是，常规壁流式过滤器通常由于不符合“紧耦联”位置过滤器的尺寸和压降要求而不适合用作第一微粒过滤器106。特别是要求第一过滤器具有低压降。因为低压降要求，第一微粒过滤器106比第二微粒过滤器108具有更低的过滤效率。例如，第一微粒过滤器106的初始过滤效率低于约80％。但是，在文中所述的某些构造中，在第一过滤器中可以获得更高的过滤效率，例如不小于40％，甚至不小于50％，甚至不小于60％或70％或更高，而第二微粒过滤器108的过滤效率优选大于约80％，甚至90％或更高。在某些实施方式中，第一过滤器的初次过滤效率大于40％且小于80％，第二过滤器的初始过滤效率大于90％。第一微粒过滤器106可以是具有上述一种或多种特征的任何合适的过滤器。例如，第一微粒过滤器106可以是陶瓷泡沫材料型过滤器。或者，第一微粒过滤器106可以是部分壁流式过滤器。之所以称为部分壁流式过滤器是因为其具有堵塞和未堵塞流通通道的组合。在未堵塞的流通通道中，废气是通过通道直流，即不通过壁。因此，“部分”表示仅仅只有一部分流动是通过壁的。已经发现，依据本发明的具有大于45％的高孔隙率以及堵塞和未堵塞通道的组合的部分壁流式过滤器是最有效的。总孔隙率等于或大于50％的部分壁流式过滤器具有极佳的过滤效率和低压降。
图2A和2B显示了用作与发动机107紧耦联的第一微粒过滤器(图1中106)的示例性部分壁流式过滤器200。本发明的部分壁流式过滤器200包括例如大致圆柱形的多孔蜂窝体基材202。任选地，蜂窝体基材202的横截面可以是圆形、椭圆形、方形或其它形状。蜂窝体基材202具有相反的两端204和206以及在两端204和206之间延伸的多孔内壁208。多孔内壁208大致围出平行的流通通道210，这些通道也在端部204和206之间延伸。通道210的截面可以为正方形或其它形状，例如三角形、圆形、八边形、矩形、六边形或它们的组合。蜂窝体基材202优选由多孔陶瓷材料如堇青石、钛酸铝或碳化硅制成。蜂窝体基材202的多孔内壁208上可包含能用于多孔壁中积聚的微粒被动再生的活性催化物质。
对于柴油机排气系统，多孔壁208可具有平均直径为1-60微米、优选10-50微米的孔，蜂窝体基材202的孔密度(cell density)约为10-400孔/英寸2(1.5-62孔/厘米2)，更优选约为100-320孔/英寸2(15.5-49.6孔/厘米2)。多孔壁208的厚度约为0.002-0.060英寸(0.05-1.5毫米)，更优选约为0.010-0.030英寸(0.25-0.76毫米)，多孔壁的总孔隙率可以大于45％，甚至大于50％，甚至大于55％，甚至大于60％。
例如，可以在通道210中的一些的端面上插入堵塞物212，而余下的另一些通道210保持敞开(未堵塞)。这与所有孔道端部都被堵塞的常规壁流式过滤器不同。在两端204和206敞开并且沿着通道的长度方向都未堵塞的未堵塞流通通道210a优选均匀地分布在堵塞通道210b之间，反之亦然。可以在端部204和206中的一个端部设置堵塞物，或者两个端部都设置堵塞物。任选地，堵塞物可以距离端部一定间隔。在仅仅一侧堵塞的壁流式过滤器中，通过使废气通过一些壁而一些直接流过过滤器来实现部分过滤。当堵塞物邻近过滤器出口端时，堵塞通道和未堵塞的流通通道之间的压差将导致废气从堵塞通道向未堵塞的流通通道转移，烟灰积聚在堵塞通道内。当堵塞物邻近过滤器进口端时，废气进入未堵塞的流通通道，未堵塞的流通通道和相邻的堵塞流通之间的压差迫使一些废气通过壁，经堵塞通道的出口一侧离开。在此情况中，烟灰积聚在未堵塞的流通通道壁上。在一个例子中，堵塞物仅仅设置在接近过滤器出口端面的位置。已经发现，仅具有出口端堵塞的通道和未堵塞的流通通道并且孔隙率大于45％、大于50％、大于60％的过滤器特别适合作为第一过滤器，促进第一过滤器中的高烟灰捕获性和低压降。任选地，堵塞物可以仅仅设置在接近进口面的位置。
在另一个例子中，在第一过滤器的两端附近都设置堵塞物。因此，在该实施方式中，提供一种包括堵塞的通道和未堵塞的流通通道的部分壁流式过滤器，其中堵塞通道包括一些在进口端附近堵塞的通道和另一些在出口端附近堵塞的通道。优选的实施方式包括在出口端附近比在进口端附近设置更多的堵塞物。具有该构造和大于45％的高孔隙率的实施方式具有随烟灰负载量变化最小的压降。例如，图8显示了25％在进口端附近设置堵塞物、25％在出口端附近设置堵塞物并且孔隙率大于60％的构造在0-2克/升的烟灰负载范围内具有小于0.5千帕的压降。具有高于60％的高孔隙率和约50％背部堵塞物(rear plugs)的部分壁流式过滤器也具有随烟灰负载量变化的低的压降变化。也就是说在一些情况中，需要进口端附近堵塞物的比例高于出口端附近堵塞物的比例。
例如，在图2A和2B中显示了该部分壁流式过滤器的实施方式，其中未堵塞的流通通道用210a表示，在端部204堵塞的堵塞通道用210c表示，在端部206堵塞的堵塞通道用210b表示。
在部分壁流式过滤器200中，在废气通过该过滤器时烟灰积聚在多孔壁208上。烟灰这样积聚将降低壁208的透过性，减少进入与未堵塞的流通通道210a相邻的通道内的废气流。因此，部分壁流式DPF200捕获烟灰的能力随着烟灰在过滤器中积聚而下降。过滤效率会降低的过滤器的一个优点是可以确立该过滤器的最大烟灰负载，过滤器中烟灰的过负载在部分壁流式过滤器中不大可能发生。在常规壁流式过滤器中，过滤效率通常随着多孔壁上烟灰负载物积聚的增加而增加，造成过滤器更容易发生烟灰过负载。烟灰过负载是不利的，因为在再生过程中过滤器中的最高温度与烟灰负载量成正比。部分壁流式过滤器200能够对自身加以保护使其免于受到烟灰过负载产生的高温偏移的影响。
现在将描述部分堵塞模式的各种例子。但是，除非另有说明，这些例子不应理解为限制本发明。
图3A显示了部分堵塞模式300，其中堵塞通道302的数目多于未堵塞的流通通道304的数目。而且，未堵塞的流通通道304可以均匀地分布在堵塞通道302之间。例如，用百分数表示的堵塞通道302的数目与通道总数目的比例大于50％，甚至大于60％，甚至大于75％。此构造的堵塞通道优选位于出口端。出口端堵塞物的比例较高并且结合大于45％、甚至大于50％的高孔隙率，似乎能够提供大于40％、甚至大于50％、甚至大于60％或更高的初士过滤效率(参见图7)。
图3B显示了另一种堵塞模式306，其中未堵塞的流通通道308的数目大于堵塞流通310的数目。同样，堵塞通道310可以均匀地分布在未堵塞的流通通道308之间。例如，未堵塞的流通通道308的数目在通道总数目中所占的比例可以大于50％，甚至大于60％，甚至大于75％。
图3C显示了用于第一过滤器的部分堵塞模式312，包括未堵塞的流通通道314和堵塞通道316，其中堵塞通道316和未堵塞流通通道314的水力直径不同。具体地，堵塞通道316的水力直径大于未堵塞的流通通道314的水力直径。同样，堵塞通道优选位于出口端附近。具体地，过滤器的堵塞面积与敞开面积的比例优选大于1.2。
图3D显示了一种部分堵塞模式318，包括未堵塞的流通通道320和堵塞通道322，其中未堵塞的流通通道320的水力直径大于堵塞通道322的水力直径。在图3C和3D中，未堵塞的流通通道3均匀地分布在堵塞通道之间，反之亦然。
上述部分堵塞模式及其变体可用于蜂窝体基材(如2A和2B中的202)的一个端面或两个端面。例如，图4A显示了如果图3B的部分堵塞模式应用于蜂窝体基材202的两个端面所形成的蜂窝体基材202的局部俯视图。未堵塞的流通通道用210a表示。在蜂窝体基材202的两个端面中的一个端面上的堵塞通道用210b表示。在蜂窝体基材202的两个端面中的另一个端面上的堵塞通道(用双阴影线表示)用210c表示。在该例子中，堵塞通道210b和210c占蜂窝体基材中总通道数目的约50％，未堵塞的流通通道210a均匀地分布在蜂窝体基材202中。图4A和4B显示了另一种部分堵塞构造，其中出口端显示在图4B中，进口端显示在图4C中。该实施方式给出了堵塞的出口通道比堵塞的进口通道更多的构造。具体地，在进口端堵塞的通道占总孔道数目的约25％，而在出口端堵塞的通道占总通道数目的约50％。在一端附近堵塞的通道用双阴影线表示，而在另一端附近堵塞的通道用单阴影线表示。流通通道用无阴影线的空格表示。
图5和6显示了可用于部分壁流式过滤器的堵塞模式的另一种实施方式。在这些实施方式中，进口端堵塞的孔道用单阴影线表示，出口端堵塞的孔道用双阴影线表示，流通孔道用无阴影线的空格表示。在这些例子中，约50％的孔道被堵塞，堵塞孔道中的一些在进口端附近被堵塞，另一些在出口端附近被堵塞。可以在部分壁流式过滤器中采用其它堵塞孔道和未堵塞孔道的组合。例如，超过通道总数目的50％、甚至60％、甚至75％或更多的通道可以被堵塞。第一过滤器的壁的总孔隙率可以大于45％，甚至大于50％，甚至大于55％，甚至大于60％。具有极佳的初始过滤效率和低压降的优选组合包含大于50％的堵塞通道(与通道总数目相比)，总孔隙率大于45％。具有大于60％的高孔隙率并且包含大于50％(甚至60％)的堵塞通道的过滤器例子在清洁和负载烟灰状态下都表现出较高的过滤效率与压降的比例(见图10)。总孔隙率高于60％、包含大于50％的堵塞通道、一些堵塞通道位于进口端附近而另一些堵塞通道位于出口端附近并且出口端堵塞的通道比例更高的第一过滤器的例子具有最佳的初始过滤效率和低压降的组合(见25％进口，50％出口200/12/63％实施方式)。
图7-10说明了对本发明的系统和部分壁流式过滤器进行研究的实验测试实施例。如图7-10所示，当部分壁流式过滤器具有较高的孔隙率和背部堵塞时，在第一过滤器中可以获得较高的初始过滤效率(大于50％)，同时还可以获得第一过滤器中较低的压降。孔隙率大于45％、甚至大于50％、甚至大于55％、甚至大于60％或更高的过滤器是人们所需的。下表1中具体列出了所测试的实施例。从表中可以看出，过滤器包含50％和75％的堵塞通道(与通道总数目相比)，并且具有较高(50％)和极高(63％)的孔隙率。还测试了进口堵塞、出口堵塞以及进口和出口堵塞的组合的情况下的孔密度和壁厚度。在各情况中，不认为被堵塞的剩余通道是未堵塞的。在各情况中，所述部分壁流式过滤器与200/12孔构造、50％孔隙率、16微米平均孔径的过滤器匹配，后者50％的通道通常在各端以棋盘图案堵塞。孔隙率大于50％、超过10％的堵塞位于进口端附近而超过40％的堵塞位于出口端附近的部分壁流式过滤器的某些实施例表现出极佳的过滤效率和低压降。
表1-实验测试
 
实施例号 ％堵塞的进口/出口 ％孔隙率(％) 孔密度(孔/英寸2)       壁厚(TWall)(密耳) ％堵塞的 初始过滤效率％   清洁ΔP(千帕) FE/PD(％/千帕)   
1 50％/0％ 50 200 12 50 15.8 0.74 21.4
2 0％/50％ 50 200 12 50 41.7 0.92 45.3
3 25％/25％ 50 200 12 50 27.8 0.72 38.6
4 50％/0％ 63 200 12 50％ 45 0.68 66.2
5 0％/50％ 63 200 12 50％ 61.1 0.87 70.2
6 50％/25％ 50 200 12 75％ 50 0.92 54.3
7 25％/50％ 50 200 12 75％ 48 1.09 44.0
8 0％/50％ 63 300 8 50％ 45.5 0.95 47.9
9 25％/50％ 63 200 12 75％ 73.7 0.91 81.0
图7比较了无烟灰负载的清洁状态(见对应于表1中实施例号的在％堵塞的进口/出口、孔隙率、孔密度和壁厚度各栏下给出的数值，以及位于图下方“L”形轮廓所圈出的范围)和负载烟灰状态(见对应于表1中实施例号的在％堵塞的进口/出口、孔隙率、孔密度和壁厚度各栏下给出的数值，以及位于图上方“U”形轮廓所圈出的范围)下的各种测试实施例，烟灰负载量为人造烟灰2克/升。已经发现，包含大于50％的堵塞通道并且更多的堵塞位于出口端附近的具有较高孔隙率的过滤器表现出极佳的过滤效率和低压降。这样可以在第一部分壁流式过滤器中捕获更多的烟灰，而这种烟灰可以经历更高程度的被动再生。
图8显示了部分壁流式过滤器的其它实施例，显示各实施方式的压降与烟灰负载量(克/升)的函数关系。应该认识到，在某些实施方式中，随着烟灰负载量的增加，压降几乎不增加。例如，孔隙率大于60％的50％背部堵塞的实施方式即使在高烟灰负载量(2克/升以上)下也具有低压降。
图8-10的点/曲线与对应于表1中实施例号的％堵塞的进口/出口、孔隙率、孔密度和壁厚度各栏下给出的数值相一致。
图9和图10说明第一过滤器的某些示例性实施方式同时具有高过滤效率和低压降。图10具体给出了不同示例性实施方式的过滤效率除以压降(％/千帕)的比值。几个实施方式具体表明了第一过滤器可以捕获较多的烟灰而不会明显增加压降。例如，孔隙率等于或大于60％且包含50％或更多的堵塞通道并且在出口被堵塞的通道多于在进口被堵塞的通道的过滤器具有极佳的过滤效率和低压降。很大一部分烟灰在第一过滤器中经历被动再生，因此在第二过滤器中所需的主动再生次数较少。
虽然参考有限数目的实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员了解了本发明的益处后，将认识到可以设计出不背离所揭示的本发明范围的其它实施方式。因此，本发明的范围仅仅受所附权利要求限定。

Claims (41)

1.一种通过与发动机连接的排气管线从发动机中排出废气的排气系统，其包括：
位于排气管线中的与发动机紧耦联的第一微粒过滤器，所述第一微粒过滤器在被动再生模式下运行至第一相对程度；和
与所述第一微粒过滤器串联并且与所述第一微粒过滤器相隔一段距离的第二微粒过滤器，所述第二微粒过滤器在被动再生模式下运行至第二相对程度，所述第二相对程度明显低于所述第一相对程度。
2.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器的初始过滤效率大于45％。
3.如权利要求2所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述初始过滤效率大于50％。
4.如权利要求2所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述初始过滤效率大于60％。
5.如权利要求2所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述初始过滤效率大于70％。
6.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器中堵塞通道在通道总数目中所占的比例大于50％。
7.如权利要求6所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述堵塞通道在通道总数目中所占的比例大于60％。
8.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器的总孔隙率大于45％。
9.如权利要求8所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述总孔隙率大于50％。
10.如权利要求8所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述总孔隙率大于55％。
11.如权利要求8所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述总孔隙率大于60％。
12.如权利要求8所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述总孔隙率大于或等于63％。
13.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器具有以下特征：
总孔隙率大于45％，
堵塞通道在通道总数目中所占的比例高于50％，
包括至少一些未堵塞通道。
14.如权利要求13所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述总孔隙率大于60％。
15.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器具有以下特征：
总孔隙率大于60％，
通道总数目中超过60％的通道是堵塞通道，
包括至少一些未堵塞的流通通道。
16.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器具有以下特征：
总孔隙率大于60％，
通道总数目中超过50％的通道是堵塞通道，
包括至少一些未堵塞的流通通道，以及
一些堵塞孔道是在进口端附近被堵塞的，而一些堵塞通道是在出口端附近被堵塞的。
17.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，第一微粒过滤器包括一些未堵塞的流通通道和一些堵塞通道，其中至少一些堵塞通道是在进口端和出口端附近都被堵塞的。
18.如权利要求17所述的柴油机排气系统，其特征在于，在进口端附近被堵塞的通道的百分比小于在出口端附近被堵塞的通道的百分比。
19.如权利要求1所述的柴油机废气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器包括包含多个通道的陶瓷蜂窝体基材，第一百分数的通道被堵塞，第二百分数的通道是敞开的，用百分数表示堵塞通道的数目除以通道总数目的比值大于50％。
20.如权利要求19所述的柴油机排气系统，其特征在于，堵塞通道与总通道数目的百分比大于60％。
21.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一过滤器包括进口端和出口端，堵塞通道的堵塞位置仅仅在出口端附近。
22.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述蜂窝体基材具有进口端和出口端，堵塞通道包括在进口端附近和出口端附近的堵塞物。
23.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一过滤器包括堵塞通道和未堵塞的流通通道，所述堵塞通道的水力直径不同于未堵塞的流通通道的水力直径。
24.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器位于排气管线中涡轮增压器的下游。
25.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述系统还包括位于第一微粒过滤器和第二微粒过滤器之间的柴油机氧化催化剂。
26.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第二微粒过滤器与所述第一微粒过滤器串联，并且离所述第一微粒过滤器的距离(d)大于或等于12英寸，即30.5厘米。
27.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器包括第一进口温度(T1)，所述第二微粒过滤器包括第二进口温度(T2)，两个进口温度之间的比率(T1/T2)大于或等于1.1。
28.如权利要求1所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器与发动机相隔一段距离，在运行时，在一些运行部分，进口温度(T1)在高于250℃的温度。
29.一种柴油机排气系统，其包括：
与排气集管紧耦联的第一微粒过滤器，所述第一微粒过滤器具有第一百分数的堵塞通道和第二百分数的未堵塞的流通通道；
与所述第一微粒过滤器串联并且与所述第一微粒过滤器相隔的距离(d)大于或等于12英寸(30.5厘米)的第二微粒过滤器，所述第二微粒过滤器仅包括堵塞通道，这样所述第一微粒过滤器的被动再生程度明显高于所述第二过滤器。
30.如权利要求29所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第二微粒过滤器是仅包括堵塞通道的壁流式过滤器。
31.如权利要求29所述的柴油机排气系统，其特征在于，所述第一微粒过滤器包括堵塞通道和未堵塞的流通通道，所述堵塞通道包括一些在进口端附近堵塞的通道和另一些在出口端附近堵塞的通道。
32.一种柴油机排气系统运行的方法，其包括以下步骤：
使废气通过设置在排气管线中的第一微粒过滤器，所述第一微粒过滤器包括第一进口温度(T1)，所述第一微粒过滤器具有第一百分数的堵塞通道和第二百分数的未堵塞的流通通道，废气首先在该第一微粒过滤器中得到过滤；和
使经过第一次过滤的废气通过与所述第一微粒过滤器串联并且相隔一段距离的第二微粒过滤器，所述第二微粒过滤器包括第二进口温度(T2)，所述第一废气经历第二次过滤，进口温度之间的比率(T1/T2)大于或等于1.1。
33.一种部分壁流式过滤器，其包括：
堵塞通道和未堵塞的流通通道，所述堵塞通道包括一些在进口端附近堵塞的通道和另一些在出口端附近堵塞的通道。
34.如权利要求33所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，所述堵塞通道与总通道数目的百分比大于50％。
35.如权利要求33所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，总孔隙率大于45％。
36.如权利要求33所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，总孔隙率大于50％。
37.如权利要求33所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，总孔隙率大于60％。
38.如权利要求33所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，总孔隙率大于50％，大于10％的堵塞通道在进口端附近堵塞，大于40％的堵塞通道在出口端附近堵塞。
39.如权利要求33所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，在进口端附近被堵塞的通道的数目小于在出口端附近被堵塞的通道的数目。
40.如权利要求33所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，在出口端附近被堵塞的通道的数目小于在入口端附近被堵塞的通道的数目。
41.如权利要求33所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤器还包括位于所述部分壁流式过滤器的多孔壁上的氧化催化剂。
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