CN102325970B - 微粒过滤器 - Google Patents

Abstract

一种微粒过滤器[100]可以包括入口端[102]、出口端[104]以及多个通道[108，110]，所述多个通道设置并构造成使得流体从入口端[102]向着出口端[104]流动，所述通道[108，110]由构造用来俘获微粒物质的多孔壁[106]限定。所述多孔壁[106]的孔道密度约小于200cpsi，壁厚度约小于14密耳，中值孔径约为13-20微米，总孔隙率约大于45％，孔径分布使得小于10微米的孔贡献约小于10％的孔隙率。

Description

微粒过滤器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年1月21日提交的美国申请第12/356,965号的优先权，其内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明一般涉及微粒过滤器，以及微粒过滤器的再生方法。更具体来说，本发明涉及用来俘获发动机废气中含有的微粒并使所述微粒燃烧的微粒过滤器，例如壁流式微粒过滤器。

背景技术

环境方面的问题促使全世界很多地方的人们对内燃机的排放提出要求。人们使用催化转化器除去废气中包含的许多污染物；但是，人们经常需要使用过滤器除去微粒物质，例如灰和烟炱。例如，人们经常在发动机系统中使用壁流式微粒过滤器从废气除去微粒。这些微粒过滤器可以用蜂窝状基材制造，包括用内部多孔壁分隔的平行的流动通道或孔道。流动通道的入口端和出口端可以进行选择性地堵塞，例如以棋盘格的形式进行堵塞，迫使废气在进入基材之后，通过所述内部多孔壁，从而使得所述多孔壁截留废气中的一部分微粒。多孔壁的微粒俘获可以在两个不同的阶段进行：首先在多孔壁内部俘获(深床过滤)，然后在流动通道的多孔壁上俘获(饼床过滤)。

通过这种方式，人们发现壁流式微粒过滤器能够有效地从废气中除去微粒，例如灰和烟炱。但是，随着多孔壁和通道中俘获的微粒的量的增加，所述壁流式微粒过滤器上的压降增大。对于未调节的过滤器(例如没有足够的灰层，用来阻止微粒物质透过所述多孔过滤器壁)，在初始的深床过滤阶段通常会发生快速的压降升高(通常小于1克/升(g/L))，然后在饼床过滤阶段，随着微粒的加载，压降逐渐升高。所述升高的压降会导致施加给发动机的背压逐渐增大，相应地降低发动机的性能。因此，通常在累积过高的水平之前，以受控的再生工艺对烟炱进行氧化，将其除去。

例如，一种常规的再生技术包括将进入的废气加热至一定的温度，该温度支持将烟炱从过滤器中烧掉的过程。但是，此种方法也会以热能的方式释放能量，会使得过滤器的温度升高。如果过滤器中的烟炱水平过高，再生会使得过滤器的温度升高到引起故障的程度，会导致过滤器的热引发裂纹或者熔化。过滤器的故障可能会导致过滤器的过滤效率严重降低，需要替换过滤器。因此，为了避免可能会造成过滤器故障的高过滤器温度，优选在足够低的烟炱水平情况进行再生。

但是，人们还希望避免在过低的烟炱水平下触发再生，这是因为这样会造成不合理的大量的再生操作。重复的再生操作可能会造成以下不利影响，例如造成油稀释，不利的NO_x，燃料方面的不利，以及/或者发动机功率损耗。因此可能希望在两次再生操作之间有较大的间隔，同时确保在烟炱水平达到临界烟炱水平之前触发再生，以避免在高过滤器温度下进行再生。

例如，可以用壁流式微粒过滤器上的压降来监控过滤器中的烟炱水平，当烟炱的量达到临界极限的时候，触发再生。但是，事实上对过滤器中的实际烟炱水平存在一些不确定性，这是因为存在以下因素的影响，例如：测量误差，不同过滤器中对压降响应的变化，以及/或者压降响应随着过滤器中灰的存在发生的变化(例如过滤器是新的或者已经包含累积的灰(灰调节))。对于那些在饼床过滤阶段中的烟炱加载具有较低压降响应的过滤器而言(例如压降-烟炱加载水平曲线的斜率较浅)，这种不确定性可能是相当大的。但是，出于提高燃料效率的目的，一些常规的方法将注意力集中在无论微粒加载情况如何，尽可能减小过滤器上的压降，从而导致不仅在初始的深床过滤阶段有低的压降对烟炱加载的响应，而且在饼床过滤阶段也有这种情况。

但是，保持低的压降响应也会对燃料的经济性造成不利的影响。更具体来说，在饼床过滤阶段，针对烟炱加载增加的低的压降响应，特别是当利用压降来触发再生操作时，可能会对燃料效率造成负面影响。再生需要对系统输入能量，使得进入的气体的温度升高到足够高的水平，以引发烟炱的燃烧。这种能量输入通常源自燃料的后注入，但是无论采取何种能量输入装置，都会导致燃料经济性的损失。

因此，人们需要提供一种过滤器，其在饼床过滤阶段期间表现出对微粒物质加载较高的压降响应(即压降-烟炱加载水平曲线的斜率较陡)，同时在微粒物质加载之前(例如当过滤器是清洁的时候)表现出低的压降，并且在深床过滤阶段对微粒物质加载表现出较低的压降响应(即压降-烟炱加载水平曲线具有较浅的斜率)。还希望提供一种过滤器，使其能够实现较高的过滤效率(FE)。因此，可能希望提供一些过滤器，其具有能够实现上述所需特征的几何性质和微结构性质。

还希望提供一种过滤器再生技术，其不会过早地触发再生(从而导致太过频繁的再生)，同时确保在过滤器达到临界微粒物质加载水平之前，进行再生。换句话说，希望提供一种过滤器和再生技术，与用来触发再生的常规技术相比，其能够在更接近临界加载水平的微粒物质加载水平下触发再生。

发明概述

本发明可以解决上述一个或多个问题，并且/或者能够表现出上文所述的一种或多种所需的特征。通过以下的描述，可以明确地了解其它的特征和/或优点。

根据各种示例性的实施方式，本发明提供了一种微粒过滤器，其包括入口端，出口端，以及多个通道，所述通道设置并构造成使得流体从所述入口端向着出口端流动，所述通道由构造用来俘获微粒物质的多孔壁限定，所述多孔壁的孔道密度约小于200cpsi，壁厚度约小于14密耳，中值孔径约为13-20微米，总孔隙率约大于45％，孔径分布使得小于10微米的孔贡献约小于10％的孔隙率。

根据各种另外的示例性实施方式，本发明提供了一种微粒过滤器，其包括入口端、出口端，以及多个通道，所述通道设置并构造成使得流体从所述入口端向着出口端流动，所述通道由构造用来俘获微粒物质的多孔壁限定，所述微粒过滤器构造成使得在温度为500℃、流体流速为1400米³/小时的条件下流过所述微粒过滤器的流体从所述入口端到出口端具有小于或等于1.7千帕的低的清洁压降，在深床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载具有低的压降响应，即斜率约小于或等于3.4千帕/(克/升烟炱密度)，在饼床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载具有陡的压降响应，即斜率约大于0.9千帕/(克/升烟炱密度)。

另外的目的和优点将在随后的描述中部分地陈述，且根据该描述部分地显而易见，或可通过实施下述的各方面而了解。通过所附权利要求中特别指出的要素和组合将会认识和获得这些目的和优点。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不构成对权利要求书的限制。

附图简要说明

可单独通过以下详述或通过以下详述并结合附图理解本发明。包括的附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图显示了一个或多个示例性的实施方式，与描述一起用来解释各种原理和操作。

图1是本发明的微粒过滤器的一个示例性实施方式的透视图；

图2是图1的微粒过滤器的截面示意图；

图3A是根据本发明各种示例性实施方式的微粒过滤器的压降-微粒加载关系图；

图3B是饼床过滤阶段，对微粒过滤器的烟炱加载较陡的压降响应图，以及在饼床过滤阶段，对微粒过滤器的烟炱加载较低的压降响应图，将二者进行比较；

图4显示对于清洁的过滤器以及加载了烟炱的过滤器，压降随着壁孔道密度变化关系的模拟数据结果；

图5显示了对于具有各种壁孔道密度的过滤器，压降随着烟炱加载变化关系的模拟数据结果；

图6显示了对于具有各种长度的过滤器，压降随着烟炱加载变化关系的模拟数据结果；

图7A，7B和7C显示了对于具有各种壁厚度的过滤器，压降随着烟炱加载变化关系的模拟数据结果；

图8A显示了对于具有各种几何结构的过滤器，清洁压降随着壁中值孔径的变化关系的模拟数据结果；

图8B显示了对于具有各种几何结构的过滤器，清洁压降随着壁中值孔径的变化关系的实验测试结果；

图9A显示了对于具有各种几何结构的过滤器，清洁压降随着壁孔隙率的变化关系的模拟数据结果；

图9B显示了对于具有各种几何结构的过滤器，清洁压降随着壁孔隙率的变化关系的实验测试结果；

图10A显示了清洁过滤器效率随着壁中值孔径的变化关系的模拟数据结果；

图10B显示了清洁过滤器效率随着壁中值孔径变化关系的实验测试结果；

图11A显示了清洁过滤器效率随着壁孔隙率变化关系的模拟数据结果；

图11B显示了清洁过滤器效率随着壁孔隙率变化关系的实验测试结果；

图12显示了壁孔隙率对由于深床过滤造成的初始背压压降斜率的影响的模拟数据结果；

图13显示了壁孔径分布对由于深床过滤造成的初始背压压降斜率的影响的模拟数据结果。

优选实施方式详述

如上文所述，当使用对于烟炱加载的压降响应来监控过滤器的烟炱加载水平，并且在烟炱加载量达到临界极限的时候，触发再生的时候，由于以下的因素，过滤器中实际的烟炱加载水平存在一些不确定性：测量误差，不同过滤器中压降响应的变化，以及压降响应随着过滤器中存在的灰而发生的变化。由于这些不确定性，经常会在压降对应的烟炱加载水平小于临界烟炱加载水平的情况下触发再生。在一些常规的过滤器构型中，与饼床过滤阶段对烟炱加载具有较高压降响应的情况相比，当在饼床过滤阶段，过滤器对烟炱加载具有较低的压降响应的时候，所述不确定性会使得需要更早地触发再生操作。

本发明设想了构造成从流体流除去微粒物质的微粒过滤器，以及用来对所述微粒过滤器进行再生的方法。更具体来说，所述微粒过滤器可以构造成用来俘获微粒物质，例如发动机废气中包含的烟炱和灰。本发明考虑了一些微粒过滤器，其在清洁的状态下具有低的压降，而在过滤器变脏的时候具有高的压降，所谓变脏也即是说，过滤器加载了包括例如烟炱在内的微粒物质。换句话说，本发明的各种示例性的实施方式考虑了微粒过滤器构型，所述构型在初始情况下，在累积灰和烟炱之前(例如在清洁的情况下)具有低的压降，在深床过滤阶段具有较低的压降响应(例如在过滤器的壁之内俘获灰和烟炱的初始阶段具有最小化的斜率)，但是对继续的烟炱累积很敏感，对饼床过滤阶段过滤器烟炱加载的增加有较陡的压降响应(例如在过滤器壁之上俘获烟炱的剩余的阶段，具有最大化的斜率)。在一个示例性的实施方式中，在深床过滤阶段的压降响应接近饼床过滤阶段的压降响应。换句话说，在深床过滤和饼床过滤阶段，压降-烟炱加载曲线的斜率基本相同。

例如，根据本发明的各种示例性实施方式测定的过滤器的微结构性质，例如孔径、孔隙率和/或孔径分布可能足以在过滤器上提供低的清洁压降，并且在深床过滤阶段，过滤器对烟炱加载具有低的压降响应。另外，根据本发明的各种其它的示例性实施方式测定的过滤器的几何性质，例如孔道密度(即每平方英寸的孔道数(cpsi))、壁厚度、过滤器长度和/或过滤器直径可能足以在饼床过滤阶段对过滤器的烟炱加载提供陡的压降响应。

上文所述的以及本文所述的示例性实施方式显示了一些微粒过滤器，其几何结构和微结构可以产生低的清洁压降，在深床过滤阶段(如果有的话)对微粒过滤器的微粒加载具有低的压降响应，在饼床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载表现出陡的压降响应，从而促进发动机燃料的经济性，降低过滤器再生频率，提高过滤器的过滤效率。

在本文中，术语“微粒过滤器”或“过滤器”表示一种结构，其能够从通过所述结构的流体流中除去微粒物质。本发明可以用来从任意的流体流除去任意的微粒物质，所述流体流可以是气体或液体的形式。气体或液体还可包含其它相，例如在气体或液体流中的固体微粒，或者在气体流中的液滴。非限制性示例性流体流包括内燃机产生的废气，例如柴油发动机和汽油发动机，水性液体流，煤气化工艺产生的燃煤烟道气。

所述微粒物质可以为任意的相。因此，所述微粒物质可以作为在气体流体流中的固体或液体存在，或者作为在液体流体流中的固体存在。示例性的微粒物质包括例如柴油机微粒物质(例如由柴油汽车和卡车排放的柴油废气中的微粒组分)，其包含柴油烟炱和气溶胶，例如灰微粒，金属磨损颗粒，硫酸盐和/或硅酸盐。在本文中，术语“烟炱”表示在内燃过程中，由于烃类的不完全燃烧产生的杂质碳颗粒。术语“灰”表示几乎在所有石油产品中发现的不可燃的金属材料。对于柴油机应用，灰通常由曲轴箱用油和/或源自燃料的催化剂产生。在本文中，术语“临界微粒加载水平”表示具有以下特性的微粒加载水平：在此情况下，压降的障碍过高，使得发动机无法进行操作，或者再生操作可能由于微粒物质燃烧时的高温和/或大热梯度给过滤器造成故障。

本发明的微粒过滤器可能具有适合于微粒应用的任意形状或几何结构，以及各种构型和设计，包括但不限于例如壁流式整体型结构或部分流通式整体型结构(即壁流式整体型结构和流通式整体型结构的任意组合)。示例性的壁流式整体件包括例如任何整体型结构，其包括通道或多孔网络或者其它的通路，其中在结构的相反的端部，独立的通路敞开和堵塞，由此在流体从一端流到另一端的时候，促进流体流通过整体件的通道壁。示例性的部分流通式整体件包括例如具有以下性质的任意的整体型结构：该结构如上文所述是部分壁流式的，同时是部分流通式的，一部分的通道或多孔网络或其它的通路在两端都是开放的，允许流体流从一端到相反的端流过所述整体件的通路。本发明的各个示例性的实施方式考虑了采用蜂窝体构型的多孔几何结构，这是因为此种结构每单位体积具有高的表面积，可以用来沉积微粒物质。本领域普通技术人员能够理解，蜂窝体结构的孔道的横截面实际上可以具有任意的形状，不仅限于正方形或六边形。类似地，通过以下描述可以进一步理解，蜂窝体结构可以构造成壁流式结构或部分流通式结构。

图1显示适合用来实施本发明的微粒过滤器的一个示例性实施方式。所述微粒过滤器100具有入口端102、出口端104、以及从所述入口端102延伸到出口端104的多个通道108，110。所述通道108，110由交叉的多孔壁106限定，从而形成大体呈蜂窝体状的构型。尽管图中显示微粒过滤器100的通道横截面(即在垂直于过滤器100纵轴的平面上)基本为正方形，但是本领域普通技术人员能够理解，通道108，110可以具有各种其它的几何结构，例如横截面为圆形、正方形、三角形、矩形、六边形、正弦曲线形或其任意组合，而不会背离本发明的范围。

另外，尽管显示微粒过滤器100为圆柱形，但是本领域技术人员应当理解，此种形状仅仅是示例性的，本发明的微粒过滤器可以具有各种形状，包括但不限于椭圆形、块状、立方体形、三角形等。

所述微粒过滤器100可以由任意合适的材料制成，所述多孔壁106不限于任意特定的多孔材料。示例性的材料包括各种多孔陶瓷，包括，但不限于堇青石、碳化硅、氮化硅、钛酸铝、理霞石、铝酸钙、磷酸锆和锂辉石。在各种示例性实施方式中，所述微粒过滤器100可以通过例如挤出和/或模塑形成整体型结构。本领域普通技术人员熟悉用来形成所述陶瓷整体型结构的各种技术。各种示例性实施方式的微粒过滤器还包括外皮，形成过滤器的外周侧表面。所述外皮可以由与多孔壁相同或不同的材料制造，在各种实施方式中，其厚度可以大于多孔壁。

如图1和图2所示，本发明的各个示例性实施方式还考虑了一种微粒过滤器100，其具有一个或多个选择性堵塞的通道端部，从而提供壁流式结构，此种结构使得流体流和多孔壁106之间更紧密地接触。图2是图1的微粒过滤器100沿着直线2-2得到的截面示意图，图中显示了微粒过滤器100中的通道108，110。交替的通道108和110在相反的端部用堵塞块112封闭。例如，在图1和图2的示例性实施方式中，通道110在过滤器100的入口端102用堵塞块112封闭，通道108在过滤器100的出口端104用堵塞块112封闭。所述通道108、110的封闭迫使流体对流通过多孔壁106。流体沿着方向箭头F，通过入口端102，经由通道108流入微粒过滤器100，在通道中出口端104处被堵塞块112封闭。此种封闭在封闭的通道108内造成压力累积，迫使流体通过通道108的多孔壁106。当流体受迫通过多孔壁106的时候，微粒物质被俘获在壁106中，而流体则不受阻碍地通过。然后过滤之后的流体进入相邻的通道110，经由出口端104，通过通道110离开微粒过滤器100。

所述堵塞块112可以由任意合适的材料制成，不限于任何特定的堵塞糊料或材料。在各种示例性实施方式中，例如具体来说在由堇青石制造的过滤器中，所述堵塞块112可以由与粘结剂和填料一起使用的堇青石熟料形成。例如，示例性的堵塞块还可以包括由以下组分的混合物组成的堵塞糊料：钛酸铝粉末、铝酸钙粉末、Kaowool

铝硅酸盐纤维、二氧化硅溶胶、甲基纤维素粘结剂和水，通过加热使其固化。

根据本发明的各种示例性的实施方式，所述多孔壁106可以以各种不同的方式俘获微粒物质，例如将微粒物质俘获在多孔壁106的厚度之内，以及俘获在多孔壁106的表面107上。将微粒物质俘获在过滤器壁之内的过程通常被称作深床过滤。但是，在超过某一程度的时候，多孔壁106内的微粒物质的沉积会充分地降低壁的透过性，使得随后的微粒物质俘获在多孔壁106的表面107上发生。此种俘获经常被称作饼床过滤。在深床过滤阶段，随着微粒过滤器的烟炱加载，背压发生陡的增大。因此，希望在深床过滤阶段，对微粒物质加载具有低的压降响应(例如尽可能减小压降响应曲线的斜率)。由于沉积的微粒物质本身作为过滤介质，还观察到过滤效率从初始的(清洁过滤器)过滤效率增大到最大过滤效率。与深床过滤相比，在饼床过滤阶段，最大程度地增大过滤效率，背压随着烟炱加载的增大更缓和(例如针对烟炱加载的压降响应通常较小)。

因此，与饼床过滤阶段相比，在深床过滤阶段的微粒过滤器针对微粒物质加载的压降响应通常较大，因此在过滤器的压降响应曲线200中形成弯曲202(如图3A所示)。为了尽可能减小压降响应曲线200在弯曲202处的斜率变化，本发明的各种示例性实施方式考虑了在深床过滤的初始阶段减小压降响应曲线的斜率(即与深床过滤阶段通常观察到的较高的斜率相比，提供较浅的斜率)，以接近之后的饼床过滤阶段的压降响应曲线的斜率(见图3A)。为了消除和/或最大程度减小初始的弯曲202(例如提供具有基本连续斜率的曲线200)，各种另外的示例性实施方式还考虑对一种微粒过滤器进行构造(例如基于其微结构)，从而消除或最大程度减小深床过滤，该过滤器的微粒加载直接导致饼床过滤。但是在此情况下，本发明仍然考虑了一些过滤器，这些过滤器构造成具有低的清洁压降，在饼床过滤阶段对微粒加载具有陡的压降响应。

本领域普通技术人员能够理解，图1和图2所示以及上文所述的堵塞的通道端部的图案仅仅是示例性的，可以在不背离本发明范围的前提下采用其它的堵塞通道的布局。另外，本领域普通技术人员能够理解，还可以在不背离本发明范围的前提下使用部分流通式过滤器结构(即过滤器的一部分通道被堵塞，过滤器的一些通道在两端都是开放的)。以上关于深床过滤和饼床过滤的描述，以及关于这些过滤阶段的压降响应的描述，可以与壁流式过滤器结构等价地用于部分流通式过滤器结构，这是因为部分流通式结构中流过通道的至少一部分流体通过多孔过滤器壁，使得微粒物质被俘获在这些壁之内。

如上文所述，所述微粒过滤器，如图1和图2所示的微粒过滤器100的几何结构以及多孔壁结构性质会影响发动机的燃料经济性，微粒过滤器的过滤效率，以及微粒过滤器的再生频率。在下文中将更详细地描述，发明人发现，具有低的清洁压降并且对微粒加载(例如在饼床过滤阶段)具有陡的压降响应的微粒过滤器可以促进燃料经济性和过滤效率，同时降低过滤器再生的频率。另外，本发明人发现，微粒过滤器几何结构和多孔壁结构性质的组合能够实现高的初始过滤效率，低的清洁压降，在深床过滤阶段(如果有的话)对微粒加载低的压降响应，以及在饼床过滤阶段对微粒加载陡的压降响应。

在本文中，术语“清洁压降”表示当微粒过滤器是清洁的时候，流体在从入口端向着出口端流过微粒过滤器的时候的压降。因此，具有“低的清洁压降”的微粒过滤器表示具有以下性质的过滤器：其在初始的时候能够允许流体相对自由地通过，在流体通过过滤器的时候，获得低的压降。在本文中，术语“对微粒加载的压降响应”表示当过滤器变脏，加载了微粒物质的时候，当流体从入口端向着出口端流过所述微粒过滤器的时候，造成的流体的压降变化。在本文中，术语“在深床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的低压降响应”表示一种过滤器在深床过滤的初始阶段对微粒加载的敏感性降低(与常规过滤器相比)，使得在微粒过滤器中加载微粒物质的时候，通过该过滤器的流体的压降增加相对较低(与常规过滤器相比)。在本文中，术语“在饼床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的陡的压降响应”表示一种过滤器在之后的饼床过滤阶段对微粒加载的敏感性升高(与常规过滤器相比)，使得在微粒过滤器中加载微粒物质的时候，通过该过滤器的流体的压降增加相对较大(与常规过滤器相比)。

图3A显示了根据本发明的微粒过滤器中对微粒加载的压降响应的示意图。如图3A所示，根据本发明各种示例性实施方式的过滤器可以具有低的清洁压降(例如当过滤器是清洁的)，记作204，在深床过滤阶段对微粒加载具有较低的(或浅的)压降响应(例如在图3A中曲线200直到弯曲202处表示的初始的很短的微粒加载过程)，记作206，在饼床过滤阶段对微粒加载具有较陡的压降响应(例如在图3A曲线的线性部分显示的微粒加载过程中)，记作208。

如图3A所示，本领域普通技术人员能够理解，尽管曲线中表示深床过滤阶段的206部分的斜率大于曲线中记作208的饼床过滤阶段的斜率，但是与常规的过滤器结构相比，本发明的示例性实施方式的压降响应曲线在深床过滤阶段具有较浅的斜率，在饼床过滤阶段具有较陡的斜率。

参见图3B，曲线300显示了微粒过滤器对烟炱加载的压降响应在饼床过滤阶段具有较浅的压降响应(例如，常规过滤器)，曲线302显示了在饼床过滤阶段具有较陡的压降响应的微粒过滤器。代表浅的压降响应的曲线300如果外推到烟炱加载水平为零，则具有较低的清洁压降，而且在饼床过滤阶段具有较低的烟炱加载压降，获得总体上浅的对烟炱加载的响应斜率。如果将对应于陡的压降响应的曲线302外推到烟炱加载水平为零，则具有较低的清洁压降，以及在饼床过滤阶段对烟炱加载陡的响应斜率。在图3B中，将临界烟炱加载水平，也即是为了避免过滤器在再生过程中温度升高到无法接受的水平，因此不能超过的烟炱加载水平，记作SL_c。

如上文所讨论，与实际的烟炱加载相比，通过监控微粒过滤器上的压降来预测烟炱加载存在一定的不确定性。如上文所讨论，各种因素，例如给定过滤器的压降响应的变化，过滤器中存在的灰的水平，以及/或者用于该计算的传感器的准确性，都会对此种不确定性作出贡献。因此，压降的不确定性的范围在图3B的压降轴上用括号304显示。

为了避免超过SL_c，后处理系统通常使用压降不确定范围的下限来触发再生。在图3B中，该不确定范围的下限对应于烟炱加载目标值(SL_t)，此时有足够的置信度表明，在考虑不确定性的情况下，尚未超过SL_c，在此时触发再生。如图3B所示，陡的压降响应曲线的SL_t(SL_t，陡)远远超过浅的压降响应曲线的SL_t(SL_t，浅)。因此，在两种过滤器具有相同的SL_c的情况下，与在饼床过滤阶段对烟炱加载具有浅的压降响应的微粒过滤器相比，在饼床过滤阶段具有陡的压降响应的微粒过滤器的再生(曲线302表示)可以以再生操作之间较长的间隔时间进行。

如上文所讨论，本发明考虑了构造具有各种几何性质和多孔壁微结构性质的微粒过滤器，从而实现所需的在饼床过滤阶段对过滤器的微粒(例如烟炱)加载具有陡的压降响应，同时在过滤器为清洁的时候，保持低的压降和高的过滤效率。在一些示例性的实施方式中，本发明还考虑了一种微粒过滤器构型，其中发生很少的深床过滤，或者不发生深床过滤，微粒加载基本上直接导致饼床过滤。但是，在其它的示例性实施方式中，本发明还考虑了构造一种微粒过滤器，其中发生深床过滤，在深床过滤阶段实现对微粒加载的低的压降响应。

为了确定过滤器设计的变量(例如几何性质和多孔壁微结构性质)的范围，以实现所需的高过滤器FE，低的清洁压降，在深床过滤阶段(如果有的话)对微粒(例如烟炱)加载的低压降响应，以及在饼床过滤阶段对微粒(例如烟炱)加载的陡的压降响应，本发明人使用以下结合图4-13显示和描述的模拟数据和实验结果。

图4显示了清洁压降和加载烟炱后的压降(单位为英寸汞柱，英寸Hg)随着过滤器多孔壁的孔道密度(单位为孔道/平方英寸(cpsi))的变化关系的模拟数据。在图4中，在气体流速为55磅/分钟，温度为570℃的条件下，对直径为8英寸、长度为12英寸的微粒过滤器进行模拟。如图4所示，清洁压降(表示为0克/升(g/l))随着壁孔道密度(cpsi)的增大而增大，而加载烟炱后的压降(用6g/l表示)随着壁孔道密度的减小而增大。另外，清洁压降和加载烟炱后的压降之差随着壁孔道密度的减小而增大。图4显示了对于壁孔道密度约小于200cpsi的情况，此种效果特别强烈，随着壁孔道密度的减小，加载烟炱后的压降显著增大。因此，为了提供低的清洁压降以及对烟炱加载陡的压降响应，本发明考虑了具有低壁孔道密度的微粒过滤器，例如壁孔道密度约小于200cpsi，例如壁孔道密度约小于150cpsi。在图4中，随着壁孔道密度的变化，壁厚度也发生变化，使得不同的比较过滤器的等价体积密度恒定(例如为200/18和200/12cpsi/密耳)。本领域技术人员能够理解，在比较过滤器的时候，有时候很重要的是要保持体积密度恒定，这是因为体积密度能够决定给定微粒加载水平情况下，再生过程中的最大过滤器温度增加。

图5显示了类似的效果，图5显示了在各种壁孔道密度150cpsi，200cpsi，250cpsi和300cpsi的条件下，压降随着烟炱加载的变化关系的模拟数据结果。在图5中，在气体流速为1400米³/小时，温度为500℃的条件下，对直径为12英寸、长度为8英寸、壁厚度为8密耳(1密耳＝1/1000英寸)、孔隙率为50％、中值孔径为19微米的微粒过滤器进行模拟。如图5所示，对于较低的壁孔道密度，200cpsi和150cpsi，压降随着烟炱加载而增大的程度较高。

图6显示了对于各种过滤器长度8英寸，10英寸，12英寸和14英寸，压降随着烟炱加载(单位为克(g))而变化的模拟数据结果(显示为曲线150/14/8；150/14/10；150/14/12；和150/14/14，其中系列编号中的最后一个数字表示过滤器的长度)。在图6中，在气体流速为1400米³/小时，温度为500℃的条件下，对直径为12英寸、壁厚度为14密耳、壁孔隙率为50％、中值孔径为19微米、150cpsi的微粒过滤器进行模拟。如图6所示，具有较低长度/直径比的过滤器(例如具有较短的过滤器长度的过滤器)的压降-烟炱加载曲线的斜率较大。例如，长度/直径比为8/12(0.66)的过滤器对应于空速约为70秒^-1，其斜率约为长度/直径比为14/12(1.17)的过滤器的斜率的三倍，后者对应的空速约为40秒^-1。因此，为了提供对烟炱加载陡的压降响应，本发明考虑了具有较低的长度/直径比的微粒过滤器，例如长度/直径比约小于1，例如长度/直径比约小于0.85，或者例如长度/直径比约小于0.7，对应于较大的空速，例如空速约大于40秒^-1，或者例如空速约大于70秒^-1。

图7A，7B和7C显示了对于各种通道壁厚度8密耳、10密耳、12密耳和14密耳，在各种壁孔道密度150cpsi(图7A)、200cpsi(图7B)和300cpsi(图7C)条件下，压降响应对烟炱加载的灵敏度。在图7A，7B和7C中，在气体流速为1400米³/小时，温度为500℃的条件下，对直径为12英寸、长度为8英寸，壁孔隙率为50％、中值孔径为19微米的微粒过滤器进行模拟。如各图所示，如图中的各条曲线所示，壁厚度的增大会造成微粒过滤器的清洁压降增大，还会造成微粒过滤器的加载烟炱后的压降的增大，从而导致随着烟炱加载的压降增大具有较高的斜率。但是，如图7A，7B和7C所示，此种由于壁厚度增大造成的斜率的增大的程度适中。因此，无论采取何种壁孔道密度(cpsi)，较小的壁厚度保持低的清洁压降的益处总会超过随着烟炱加载造成的压降增加的斜率较高的效果。因此，为了保持低的清洁压降，本发明考虑了通道壁厚度例如约小于14密耳的微粒过滤器。

尽管微粒过滤器的多孔壁微结构似乎不会对高烟炱加载水平情况下(例如饼床过滤阶段)的流体压降造成显著影响，但是已知壁孔隙率、孔径和孔径分布之类的参数会对过滤器的清洁压降以及过滤器的过滤效率和由于深床过滤造成的初始压降的增加造成影响。因此，这样的微结构性质还可以用于在饼床过滤阶段对烟炱加载具有陡的压降响应的微粒过滤器。如上文所讨论，本发明考虑利用微粒过滤器的各种微结构性质来实现所需的低的清洁压降，高的过滤效率，以及初始压降的增加减少。与前文所述的情况相同，为了确定这些微结构性质，用模拟数据和实验数据获得具有这些所需特征的微粒过滤器的结构设计变量的范围。

图8A和8B以及9A和9B分别显示了对于壁孔道密度/壁厚度的各种组合，即200cpsi/12密耳、200cpsi/18密耳和275cpsi/12密耳，清洁压降对壁的中值孔径和壁孔隙率的灵敏性。在图8A和9A中，在气体流速为427千克/小时，温度为25℃的条件下，对直径5.66英寸、长度6英寸的微粒过滤器进行模拟。如图8A所示，孔隙率约为50％的微粒过滤器在壁中值孔径约小于13微米的情况下，清洁压降显著增大，而在壁中值孔径约大于13微米的时候，清洁压降仅发生中等程度的减小。如图9A所示，具有约15微米的壁中值孔径(MPS)的微粒过滤器的清洁压降随着壁孔隙率的增大发生中等的减小。因此，图中显示清洁压降对壁孔隙率的增大比较不灵敏，但是对壁中值孔径的减小(例如约小于13微米)较为灵敏。

类似地，图8B和9B显示了具有各种壁孔道密度/壁厚度组合的过滤器(即，200cpsi/12密耳，对应于菱形；200cpsi/18密耳，对应于正方形；275cpsi/12密耳，对应于三角形)进行的实验测试的结果。如上文所述，在气体流速为427千克/小时，温度为25℃的条件下，对直径5.66英寸、长度6英寸的过滤器进行测试。对以上模拟数据进行证实，图8B还显示了清洁压降对壁孔隙率的增大比较不灵敏，而图9B还显示了清洁压降对壁中值孔径的减小比较灵敏。

图10A和10B以及11A和11B所示的结果证明了初始(清洁过滤器)过滤器效率对壁中值孔径和壁孔隙率的灵敏性。在图10A和11A中，在气体流速为15.59cfm(立方英尺/分钟)、温度为25℃的条件下，对壁孔道密度为275cpsi、壁厚度为12密耳(275/12)、直径为5.66英寸、长度为6英寸的过滤器进行模拟。如图10A所示，当壁的中值孔径从大约20微米减小到大约14微米的时候，壁孔隙率约为50％的微粒过滤器的初始过滤器效率从大约34％增大到大约58％。如图11A所示，当过滤器的壁孔隙率从大约48％增大到大约55％的时候，中值孔径约为17微米的微粒过滤器的初始过滤器效率从大约42％增大到大约45％。因此，图中显示初始过滤器效率对壁孔隙率的增大比较不灵敏，但是对壁中值孔径的减小比较灵敏，随着壁中值孔径的减小而显著增大。

类似地，图10B和11B显示了具有各种壁孔道密度/壁厚度组合的过滤器(即275cpsi/12密耳(275/12，对应于正方形)，和200cpsi/12密耳(200/12，对应于菱形))的实验测试结果，所述过滤器的直径为5.66英寸，长度为6英寸，在气体流速为15.59cfm、温度为25℃的条件下进行测试。为了对模拟数据进行证实，图11B中的275/12曲线还显示了初始过滤器效率对壁孔隙率的增大较为不灵敏，而图10B中的275/12曲线进一步显示了初始过滤器效率对壁中值孔径的减小比较灵敏。

图12显示了壁孔隙率对由于深床过滤造成的初始背压压降斜率的影响的模拟数据结果。如图12所示，在气体流速为26.25cfm、温度为25℃的条件下对微粒过滤器进行模拟，所述微粒过滤器的直径为2英寸，长度为6英寸，中值孔径约为20微米，小于10微米的孔贡献大约6％的孔隙率，大于40微米的孔贡献10.25％的孔隙率，随着壁孔隙率从48％增大到54％，初始压降斜率(在y轴上测得)减小。

因此，为了使得微粒过滤器实现所需的压降以及过滤器效率，本发明示例性的实施方式考虑了使用多孔壁的中值孔径约为13-20微米、或者约为13-16微米的结构，其可以获得较高的过滤器效率性能，同时不会使得过滤器的清洁压降显著增大。另外，尽管清洁压降仅仅随着壁孔隙率的增大发生中等程度的提高，但是较大的壁孔隙率还可以帮助减小由于深床过滤造成的高的初始背压。因此，本发明还考虑了使用多孔壁的总孔隙率约大于45％的结构。本发明的另外的示例性实施方式还考虑了使用多孔壁的总孔隙率约为45-60％的微粒过滤器，以解决由于较高的孔隙率水平可能造成的对过滤器的体积密度/热质量的负面影响。

图13显示了壁孔径分布对由于深床过滤造成的初始背压压降斜率的影响的模拟数据结果。如图13所示，初始背压压降对由孔径小于10微米的孔(通过水银孔隙率技术测定的小孔)贡献的孔隙率较为灵敏。如图所示，微粒过滤器在气体流速为26.25cfm、温度为25℃的条件下进行模拟，所述过滤器的直径为2英寸，长度为6英寸，中值孔径约为19微米，孔隙率为52％，当孔径小于10微米的孔贡献的孔隙率从大约2.15％增大到大约12％的时候(同时，孔径大于40微米的孔贡献的孔隙率从大约10.68％减小到大约9.6％，以维持孔径分布有恒定的中值)，深床过滤阶段的初始压降的斜率增大大约66％。因此，通过提供一种过滤器结构，其孔径分布使得小于10微米的孔贡献约小于10％的孔隙率，例如约小于6％的孔隙率，例如约小于2％的孔隙率，可能有助于在深床过滤阶段减小初始压降的增大。

本领域普通技术人员能够理解，参照图4-13显示和描述的结果和对应的几何和微结构性质仅仅是示例性的，并不会对本发明或权利要求书的范围构成限制。例如，进入所述结构的流体流的性质，例如温度、压力、流体中的污染物和/或其他物质的浓度、以及流速(流入系统、在系统中流过，以及从系统流出的流速)也是需要考虑的因素，以便根据本发明选择过滤器的几何和微结构性质。因此，本领域技术人员能够理解，本发明的微粒过滤器以及用于微粒过滤器再生的方法可以包括多种几何和微结构参数，这些参数能够获得低的清洁压降，在饼床过滤阶段对微粒加载的陡的压降响应，以及在陡床过滤阶段对微粒加载的低的压降响应。

以下实施例显示了模型微粒过滤器，其具有各种过滤器参数，在各种气体流速条件下提供低的清洁压降，在深床过滤阶段对烟炱加载的低的压降响应(例如压降-烟炱加载曲线的浅的斜率)，以及在饼床过滤阶段对烟炱加载的高的压降响应(例如压降-烟炱加载曲线的陡的斜率)。

根据本发明，在流速(Q_ref)为1400米³/小时、温度(T_ref)为500℃的废气条件下，直径为12英寸、长度为8英寸、壁厚度为12密耳、壁孔道密度为200cpsi、壁孔隙率为45％、中值孔径为19微米、其中小于10微米的孔贡献10％的孔隙率的微粒过滤器具有以下的压降和压降响应：1.67kPa(千帕)的低的清洁压降，在0.05克/升的烟炱加载条件下的深床压降为1.84kPa，在1克/升的烟炱加载条件下的饼床压降(对于调节后的过滤器)为2.57kPa。

另外，在深床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的低的压降响应(在深床过滤阶段的压降响应斜率)为3.4kPa/(克/升烟炱)，在饼床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的陡的压降响应(饼床过滤阶段的压降响应斜率)为0.9kPa/(克/升烟炱)。

使用与上文所述相同的过滤器参数和废气参数，区别在于，过滤器的孔径分布中，小于10微米的孔贡献6％的孔隙率，1.61kPa的低的清洁压降，0.05克/升条件下的深床压降为1.75kPa。另外，在深床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的低的压降响应(在深床过滤阶段的压降响应斜率)为2.8kPa/(克/升烟炱)，在饼床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的陡的压降响应(饼床过滤阶段的压降响应斜率)为0.9kPa/(克/升烟炱)。

使用与上文所述相同的过滤器参数和废气参数，区别在于，过滤器的孔径分布中，小于10微米的孔贡献2％的孔隙率，1.55kPa的低的清洁压降，0.05克/升条件下的深床压降为1.66kPa。另外，在深床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的低的压降响应(在深床过滤阶段的压降响应斜率)为2.2kPa/(克/升烟炱)，在饼床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的陡的压降响应(饼床过滤阶段的压降响应斜率)为0.9kPa/(克/升烟炱)。

但是，使用下文所述的缩放法和公式，可以从任意成组的流速和温度条件缩放所需的压降响应以及相关的过滤器几何性质和微结构。因此，本领域普通技术人员能够利用下文所述的缩放法确定过滤器，该过滤器构造成能实现低的清洁压降，深床过滤阶段低的压降响应斜率，以及饼床过滤阶段陡的压降响应斜率。

欧拉数Eu和雷诺数Re的定义如下：

$\mathrm{Eu}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{(\mathrm{\ρ}{U}_f^2/2)};$ $\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρU}}_{f}D}{\mathrm{\μ}}$

其中ΔP表示过滤器上的压降，ρ表示流体(例如气体)密度，D表示过滤器直径，μ表示流体(例如气体)粘度，U_f表示面速度，可以由流体(例如气体)的流速Q按照下式计算：

$U_f=\frac{4Q}{\mathrm{\π}{D}^2}$

在实验条件和参比条件下描述的欧拉数和雷诺数记作(EU₁，Re₁)和(Eu_ref，Re_ref)，因此可以使用以下关系式，将在实验的流速和温度条件下(Q₁，T₁)测得的压降缩放至参比条件(Q_ref，T_ref)：

对于烟炱加载(SL)＝0

Eu₁Re₁＝Eu_refRe_ref

对于SL＞0

Eu₁Re₁SCF₁＝Eu_refRe_ref SCF_ref

其中SCF是斯托克斯-库宁汉姆(Stokes-Cunningham)因子校正，是微粒层孔的克努森数Knp的函数，其定义如下：

SCF＝1+Knp(1.257+0.4exp(-1.1/Knp))

微粒(例如烟炱)层孔的克努森数定义为：

其中L_mfp是气体平均自由程，d_微粒是微粒(例如烟炱)的直径，S_vf是微粒(例如烟炱)层的固体分数。

本发明的微粒过滤器的其他特征还可以根据需要改变，包括用于所述结构的材料，通道的结构构型(例如尺寸、形状等)，以及/或者进入所述结构的流体流的性质，例如温度、压力、流体中的污染物和/或其他物质的浓度，以及流速(包括流入系统、在系统中流过、以及流出系统的流速)。普通技术人员能够理解，根据总体的后处理系统操作以及需要处理的流体流的各种参数，上文所述的各种特征和特性的至少一部分可以进行选择，以帮助实现低的清洁压降和对微粒加载陡的压降响应。

但是，基于本发明的内容，总体上来说，本领域技术人员能够理解如何对过滤器的性质进行改良，所述过滤器的性质包括例如其几何和微结构性质，以实现所需的高过滤器FE，低清洁压降，在深床过滤阶段(如果有的话)对微粒加载低的压降响应，以及在饼床过滤阶段对微粒加载陡的压降响应，在改良的时候使用上文所述的缩放步骤，考虑本文所述的结构性质的各种积极的性能特性。

另外，尽管本发明各个示例性的实施方式涉及用来从汽车废气中过滤灰和烟炱微粒物质的微粒过滤器，但是本发明包括可以用于各种应用以及过滤各种微粒物质的很宽范围的过滤器。示例性的应用包括但不限于例如用于燃煤发电站、汽油发动机以及静态和非静态应用的过滤器。

出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另外说明，否则，所有的表示量、百分数或比例的数值，以及说明书和权利要求书中使用的其它的数值都理解为用术语“约”进行修饰。因此，除非有相反的说明，否则，在本说明书和权利要求书中所用的数值参数是约数，可根据本发明希望实现的理想性质而变化。最低限度，但不是为了将等同原则的应用限制在权利要求的范围，每个数值参数至少应根据所记录的有效数字并采用一般约数技术进行解释。

虽然限定本发明广泛范围的数值范围和参数是约数，但是具体实施例中的数值尽可能准确地记录。然而，任何数值必然含有由其各自的测定过程中发现的标准差造成的某些误差。另外，本文揭示的所有的范围都理解为包括该范围内的任意的全部的子范围。

应注意，除非明文且毫不含糊地局限于一个指代物，否则在本说明书和所附权利要求中使用的单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物。在本发明中，“包括”一词及其语法上的变型意在不具局限性，从而对一个列表中项目的引述不是对可以替换到或者添加到所列项目中的其它类似项目的排除。

应当理解，虽然就某些示例性实施方式详细描述了本发明，但是应该认为本发明不限于这些示例性实施方式，在不背离所附权利要求书所限定的本发明宽泛范围的前提下，可以对列举的实施方式进行各种可能的修改。

Claims (12)

1.一种微粒过滤器，其包括:

入口端、出口端以及多个通道，所述通道设置并构造成使得流体从入口端向着出口端流动,

所述通道由构造用来俘获微粒物质的多孔壁限定，所述多孔壁具有以下性质:

孔道密度约小于150cpsi,

壁厚度约小于14密耳,

中值孔径约为13-20微米,

总孔隙率约大于45%,

孔径分布使得小于10微米的孔贡献约小于2％的孔隙率。

2.如权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述微粒过滤器具有蜂窝体结构。

3.如权利要求2所述的微粒过滤器，其特征在于，所述多孔壁构造用来俘获烟炱。

4.如权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述总孔隙率约为45-60%。

5.如权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述中值孔径约为13-16微米。

6.如权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述微粒过滤器的长度/直径比约小于1。

7.如权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述多个通道构造成用来使得发动机废气流过。

8.如权利要求1所述的微粒过滤器，其特征在于，所述微粒过滤器包含陶瓷材料。

9.如权利要求8所述的微粒过滤器，其特征在于，所述微粒过滤器包含堇青石。

10.一种微粒过滤器，其包括:

入口端、出口端以及多个通道，所述通道设置并构造成使得流体从入口端向着出口端流动,

所述通道由构造用来俘获微粒物质的多孔壁限定，孔道密度约小于150cpsi,所述多孔壁的孔径分布使得小于10微米的孔贡献约小于2％的孔隙率，

所述微粒过滤器构造成使得在温度为500℃、流体流速为1400米³/小时的条件下从所述微粒过滤器流过的流体具有以下性质：从入口端到出口端具有约小于或等于1.7千帕的低清洁压降,在深床过滤阶段，对微粒过滤器的微粒加载具有低的压降响应，定义为斜率约小于或等于3.4kPa/(g/L烟炱密度),在饼床过滤阶段，对微粒过滤器的微粒加载具有陡的压降响应，定义为斜率约大于0.9kPa/(g/L烟炱密度)。

11.如权利要求10所述的微粒过滤器，其特征在于，所述低的清洁压降是在不同的废气温度和废气流速下，通过乘以欧拉数和雷诺数而计算得到。

12.如权利要求11所述的微粒过滤器，其特征在于，所述在深床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的低的压降响应以及在饼床过滤阶段对微粒过滤器的微粒加载的陡的压降响应是在不同的废气温度和废气流速下，通过乘以欧拉数、雷诺数和斯托克斯-库宁汉姆校正因子而计算得到的。

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