CN103967561B - 部分壁流式过滤器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及部分壁流式过滤器和方法。该部分壁流式过滤器具有入口端、出口端和多个平行通道，这些平行通道设置和构造成让流体从入口端流动到出口端。通道由多个多孔壁限定。通道的第一部分具有第一液力直径Dh1，而通道的第二部分具有比第一液力直径Dh1小的第二液力直径Dh2，其中，Dh1和Dh2之比的范围在1.1和1.6之间。至少一部分具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞，而具有液力直径Dh2的通道是流通的通道。

Description

部分壁流式过滤器和方法
相关申请的交互参照
本申请根据35U.S.C.§119，要求对2013年1月29日提交的美国临时专利申请系列No.61/757,861的优先权益，本文依据该专利的内容，并以参见方式引入其内容。
技术领域
本发明总的涉及废气过滤器中所用的壁流式过滤器，具体来说，涉及具有非对称通道尺寸和具有某些堵塞的和某些非堵塞的通道的壁流式过滤器。
背景技术
内燃机的废气后处理系统例如可包括颗粒过滤器（PF），其用来从废气流中去除颗粒，诸如是柴油废气中的烟灰。最为广泛使用的颗粒过滤器是壁流式过滤器。传统的壁流式过滤器包括陶瓷制的蜂窝体，其具有纵向的大致平行的蜂窝通道，该蜂窝通道由多个互相交叉的多孔壁限定。蜂窝通道通常用陶瓷堵塞粘合剂在蜂窝体的端部处堵塞，以形成塞头的棋盘式样。过滤器的蜂窝通道通常具有某些在蜂窝体的入口端处未堵塞的端头，在文中被称作“入口通道”。同样地，蜂窝通道一般地还具有在蜂窝基体的出口端处堵塞的其余端头，以形成塞头的棋盘样式，令某些端部未被堵塞，在文中被称作“出口通道”。在使用中，含有夹带的烟灰颗粒的废气进入（未堵塞的）入口通道，流过多孔壁（即，壁流）并流入出口通道内，通过（未堵塞的）出口通道流出，其中，多孔壁留下了一部分先前夹带在废气中的颗粒。
在传统的壁流式过滤器设计中，每个通道在交替的端头处被堵塞。在该传统设计中，废气进入入口端上敞开的通道。入口通道在出口端处被堵塞，于是，强迫气体流过多孔壁进入在出口端处敞开但在入口端处被堵塞的邻近的通道内，以流出该过滤器。当气体被强迫通过多孔壁时，便实现了颗粒物质的过滤。用传统壁流式过滤器可达到大于90%的过滤效率。
传统壁流式过滤器可以清洗，以防止过滤器变得被堵塞，并保持合适的横贯过滤器的压降低于规定的限值。横贯过滤器的压降的增大通常导致作用于发动机的背压增大，如果不加控制的话，则其可导致不理想的功率损失。一种已知的清洗过滤器的方法是，通过热再生（下文中称作“再生”）来除去过滤器中驻留的烟灰。该再生可以是“被动的”或是“主动的”，或是两者的组合。在“被动的”再生中，进入过滤器的废气入口温度非常高，一旦发动机达到稳态的运行条件，废气足以自动地使驻留在壁流式过滤器内的烟灰燃烧，且通常为连续燃烧的形式。在“主动的”再生中，过滤器的位置使得过滤器的温度相对较低，可能需要附加的能量输入来将废气（和过滤器）的温度提高到一定水平，致使驻留在过滤器内的烟灰燃烧。一般地，该附加的能量输入由注入到废气中的燃料的后注入提供，并结合位于过滤器上游的氧化催化剂。
基于“主动的”再生的废气后处理系统已经成为工业标准，因为它们理想地在较低废气温度下运行，并保证在不同的发动机工作循环中通过主动地启动再生而合适地除去烟灰。另一方面，“主动的”再生伴随有燃料经济性的缺失。此外，传统过滤器可呈现相当高的背压。因此，需要有在运行过程中伴随较少再生事件而运行的系统和过滤器，且过滤器呈现较低的背压。
发明内容
在一个广义的方面，这里披露了一种非对称的部分壁流式过滤器，其包括入口端、出口端和多个平行通道，这些平行通道设置和构造成让流体从入口端流动到出口端，通道由多个多孔壁限定。通道的第一部分具有第一液力直径Dh1，而通道的第二部分具有比第一液力直径Dh1小的第二液力直径Dh2，其中，Dh1和Dh2之比的范围在1.1和1.6之间。至少一部分具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞，而具有液力直径Dh2的通道是流通的通道。在一个实施例中，所有具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞。在另一实施例中，所有具有液力直径Dh2的通道是流通的通道。在还有另一实施例中，没有通道在入口端处被堵塞。在还有另一实施例中，所有具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞。在还有另一实施例中，部分壁流式过滤器具有的长度对直径之比在0.9和1.5之间。在其他实施例中，部分壁流式过滤器具有t壁≤457μm、MPD≤20μm以及%P≥40%和CD≥200cpsi中的至少一个，其中，t壁是多孔壁的横向厚度，MPD是多孔壁的平均孔直径，%P是多孔壁的总孔隙率，以及CD是通道的蜂窝密度（每平方英寸）。
在另一广义的方面，这里披露了一种非对称的部分壁流式过滤器，其包括入口端、出口端和多个平行通道，这些平行通道设置和构造成让流体从入口端流动到出口端，通道由多个多孔壁限定。通道的第一部分具有第一液力直径Dh1，而通道的第二部分具有比第一液力直径Dh1小的第二液力直径Dh2，其中，Dh1和Dh2之比的范围在1.1和1.6之间。没有通道在入口端处被堵塞，只有具有液力直径Dh1的通道在出口端处堵塞。在一个实施例中，所有具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞。在另一实施例中，选择堵塞的通道数量，以达到要求的过滤效率。在还有另一实施例中，选择堵塞通道的数量以达到要求的横贯过滤器的压降。在其他实施例中，部分壁流式过滤器具有的长度对直径之比在0.9和1.5之间。在还有其他的实施例中，部分壁流式过滤器的多孔壁具有t壁≤457μm、MPD≤20μm以及%P≥40%和CD≥200cpsi中的至少一个，其中，t壁是多孔壁的横向厚度，MPD是多孔壁的平均孔直径，%P是多孔壁的总孔隙率，以及CD是通道的蜂窝密度（每平方英寸）。
在还有另一广义的方面，披露了一种运行排气系统的方法，该方法包括提供部分壁流式过滤器，过滤器具有入口端、出口端和多个平行通道，这些平行通道设置和构造成让流体从入口端流动到出口端，通道由多个多孔壁限定。其中，通道的第一部分具有第一液力直径Dh1，而通道的第二部分具有比第一液力直径Dh1小的第二液力直径Dh2，其中，Dh1和Dh2之比的范围在1.1和1.6之间，具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞，而具有液力直径Dh2的通道是流通的通道；以及让具有夹带在其中的颗粒物质的废气通过部分壁流式过滤器，其中，某些颗粒物质被擒获，而某些则通过流通的通道。
从以下的描述和附后权利要求书中将会明白到其他的特征和优点。
附图说明
以下所述的附图图示示范的实施例，但不能被认为限制权利要求书的范围。附图不一定是成比例的，附图中的某些特征和某些视图可在比例上放大显示，或示意地显示，目的在于清晰和简明。
图1A和1B是根据示范实施例的柴油废气系统的示意图。
图2A是用于图1A和1B的废气系统中的部分壁流式过滤器的立体图。
图2B是图2A的部分壁流式过滤器入口端的放大部分，示出在入口端处未堵塞的所有通道。
图3是根据示范实施例的部分壁流式过滤器的剖视图，示出入口端处未被堵塞的通道和过滤器出口端处被堵塞的大的通道。
图4是图2A的部分壁流式过滤器出口端的放大部分，示出在过滤器出口端处堵塞的大的通道。
图5是过滤效率的图表，该过滤效率是过滤器的烟灰加载量的函数，过滤器具有非对称的在入口端上未被堵塞通道，并具有在出口端处被堵塞的大的通道。
图6是过滤效率的图表，该过滤效率是过滤器的烟灰加载量的函数，过滤器具有非对称的在入口端上未被堵塞通道，并具有在出口端处被堵塞的大的通道，这里，一个过滤器具有所有被堵塞的大的通道，另一个过滤器仅具有一部分被堵塞的大的通道。
图7是示意的图表，示出烟灰再生过程中过滤器最高温度和作为部分过滤器长度函数的燃料烧尽之间的关系。
具体实施方式
附图中示出了示例的实施例。在描述示例的实施例中，阐述了许多具体的细节以对实施例提供透彻的理解。然而，本技术领域内的技术人员将会认识到，某些的或所有的这些具体细节不是必要的。在其他的实例中，众所周知的特征和/或过程步骤没有详细描述，目的是不要不必要地使实施例晦涩难于理解。此外，在全部的附图中，类似的或相同的附图标记用来表示共同的或类似的元件。
图1A示出排气系统100，该系统从诸如柴油发动机或汽油发动机那样的内燃机107的排气集管105中排走废气。如图所示，排气系统100包括带有入口端101和出口端103的排气管路102。入口端101通过排气集管105偶联到发动机107。入口端101可包括连接装置104，其可采取任何合适的形式。例如，连接装置104可以是法兰，其可偶联到排气集管105的连接部分109上的类似法兰上。尽管排气管路102显示为基本上直的，但在实践中它可采取其他外形，并可包括直段和弧形段，和/或不同直径段。
排气系统100包括邻近于排气管路102的入口端101设置的第一颗粒过滤器106，诸如是文中所述的部分壁流式过滤器。第一过滤器106可以是位于相对于发动机107的“靠近偶联”位置中，当然，也可靠近排气集管105。在该“靠近偶联”位置中，第一颗粒过滤器106可利用较高的进入废气温度，使被擒获的烟灰实现基本上比下游（第二）过滤器更大程度的“被动的”再生。这里使用的术语“靠近偶联”意指，沿着废气流的路径量度，过滤器处于靠近发动机107的废气流中的位置，尤其是，靠近发动机的燃烧室。例如，沿着排气管路量度，“靠近偶联”可被认为紧靠发动机107，这样，第一过滤器106的入口温度（T1）在运行循环的至少某些部分中超过250℃。较佳地，对于至少50%的运行，第一过滤器的入口温度（T1）超过200℃。在图1A所示的一个实例中，涡轮增压器111定位在排气管路102中，而第一过滤器106定位在涡轮增压器111上游，这样，热气体直接冲击在第一过滤器106上。在另一个实施例中，第一过滤器106直接位于涡轮增压器111的下游（见图1B）。在靠近偶联位置中，对于运行循环的大致百分量，如大于10%，或甚至大于20%，第一过滤器106可经历250℃或更高的温度条件。这些条件促进很大量的“被动的”再生。在某些实施例中，为了避免过滤器产生不希望的损坏，入口温度T1较佳地应不超过约400℃。
在某些实施例中，排气系统100还可包括定位在排气管路102内的第二颗粒过滤器108，其与第一过滤器106间距一定距离（d）。在图1A、1B所示的实例中，该第二颗粒过滤器108可定位在涡轮增压器111的下游。附加的颗粒过滤器可定位在排气管路102内、第二过滤器108的下游以满足所要求的过滤和背压要求。第二过滤器108前可设置上游氧化催化剂114。在柴油机107的实例中，氧化催化剂可以是柴油氧化催化剂（DOC），其可包括用于净化废气的任何已知的活性催化剂种类，诸如是氧化一氧化碳、碳氢化合物以及颗粒中可溶性有机馏分的催化剂种类，它们在行内是公知的。如果纳入催化剂的话，则氧化催化剂114可位于第一过滤器106和第二过滤器108之间。排气系统100还可包括诸如扩散和膨胀锥110、112那样的装置，它们位于颗粒过滤器106、108的入口和出口端处，以有助于实现废气流在颗粒过滤器中理想的流动分布，和/或在排气管路102内减小尺寸和重量。
在发动机107的正常运行过程中，诸如是柴油机的运行过程中，从发动机107和排气集管105中排出的废气顺序地通过第一过滤器106、涡轮增压器111（如果有的话）、氧化催化剂114（如果有的话），以及第二过滤器108，顺序如图1A中箭头116所示。当废气通过过滤器时，废气中的颗粒被截留在第一和第二过滤器106、108内。尤其是，部分的烟灰驻留在第一过滤器内，而其余的有些烟灰驻留在第二过滤器内。可设置发动机运行条件和第一过滤器106相对于发动机107的位置，以使第一过滤器106处废气的入口温度T1足以自动地启动驻留在第一过滤器106内烟灰的燃烧，即，促进“被动的”再生。相反，第二过滤器108距离第一过滤器106一定的距离（d），这样，第二过滤器108入口温度T2低于第一过滤器106的入口温度T1。尤其是，距离（d）一般地应这样设定，使入口温度之比（T1/T2）大于或等于1.1，或甚至大于或等于1.15。较佳地，过滤器之间的间距应使温差T1-T2等于20℃或以上，或甚至使温差为25℃或以上。
根据某些实施例，第一过滤器106可以是部分壁流式过滤器。如文中定义的部分壁流式过滤器是具有形成通道的多孔壁的颗粒过滤器，其中，某些通道被堵塞，而某些通道完全未被堵塞（“流通通道”）。如此的部分壁流式过滤器一般地具有比传统过滤器低的压降，其中，在传统过滤器的情形中，所有通道被堵塞（例如，在入口端或者出口端）。根据某些其他的实施例，第二过滤器108也是部分壁流式过滤器。在某些其他的实施例中，过滤器106和108中仅有一个是部分壁流式过滤器。在某些其他的实施例中，过滤器106和108中仅有一个是用于排气系统100中。
在一个实例中，第一过滤器106可以足够小以配装到靠近排气集管105的可供空间内，介于排气集管105和涡轮增压器111之间，或就在涡轮增压器111的下游。容纳第一过滤器106所需的物理空间（体积）可以比容纳第二过滤器108的空间（体积）小，因为第二过滤器108提供满足过滤要求所需的附加体积。在一个实施例中，第二过滤器108例如可以是传统的壁流式过滤器。然而，因为处于“靠近偶联”位置的过滤器尺寸和压降要求的缘故，传统的壁流式过滤器通常不适用于第一过滤器106。尤其是，要求第一过滤器显现低的压降。因为低压降的要求，第一过滤器106可提供比第二过滤器108低的过滤效率（即，在废气中捕获颗粒的百分比较低）。作为一实例，第一过滤器106可具有约低于80%的初始或“清洁”过滤效率（FE@0g/L）。然而，根据某些实施例，初始过滤效率FE@0g/L≥20%是可实现的，或FE@0g/L≥30%，FE@0g/L≥40%，或甚至FE@0g/L≥50%。如这里所使用的，过滤效率（FE）被表达为过滤器中加载的颗粒烟灰的百分比（即，过滤器体积的每升烟灰的克数，或g/L）。“清洁”过滤器将具有零（0）g/L的烟灰加载。
在一个广义的方面，如这里所披露的部分壁流式过滤器包括多个多孔壁，它们形成具有非对称尺寸的通道，其中，存在有某些堵塞的通道和某些未堵塞的流通的通道。在一个实施例中，邻近通道在尺寸上不对称，且被定义为液力直径Dh1和Dh2，这样，Dh1和Dh2之比介于1.1和1.6之间。在一个实施例中，通道在过滤器入口端处未被堵塞，较大的通道（具有液力直径Dh1）在过滤器出口端处被堵塞。在一个实施例中，所有的较大通道在出口端处被堵塞。在另一实施例中，少于所有的较大通道在出口端处被堵塞，这样，某些较大通道是流通的通道。在一个实施例中，过滤器具有的长度对直径之比在0.9和1.5之间。在某些实施例中，过滤器的多孔壁具有横向厚度（t）。其中，t≤457μm。在某些实施例中，过滤器的多孔壁具有平均孔直径（MPD），其中，MPD≤20μm。在某些实施例中，过滤器的多孔壁具有总的孔隙率（%P），其中，%P≥40%。在某些实施例中，过滤器的通道具有蜂窝密度（CD），其中，CD≥200蜂窝/平方英寸（cpsi）。在某些实施例中，过滤器具有上述壁厚t、平均孔直径MPD、总孔隙率%P和/或蜂窝密度CD的组合。
根据另一方面，提供运行排气系统的方法，该方法包括提供具有多个多孔壁的部分壁流式过滤器，多孔壁形成具有非对称尺寸的通道，其中，存在有某些堵塞时通道和某些未堵塞的流通通道。在一个实施例中，邻近通道在尺寸上不对称，且被定义为液力直径Dh1和Dh2，这样，Dh1和Dh2之比介于1.1和1.6之间。在一个实施例中，通道在过滤器入口端处未被堵塞，较大的通道（具有液力直径Dh1）在过滤器出口端处被堵塞。在一个实施例中，所有的较大通道在出口端处被堵塞。在另一实施例中，少于所有的较大通道在出口端处被堵塞，这样，某些较大通道是流通的通道。在一个实施例中，过滤器具有的长度对直径之比在0.9和1.5之间。在某些实施例中，过滤器的多孔壁具有横向厚度（t），其中，t≤457μm。在某些实施例中，过滤器的多孔壁具有平均孔直径（MPD），其中，MPD≤20μm。在某些实施例中，过滤器的多孔壁具有总的孔隙率（%P），其中，%P≥40%。在某些实施例中，过滤器的通道具有蜂窝密度（CD），其中，CD≥200蜂窝/平方英寸（cpsi）。在某些实施例中，过滤器具有上述壁厚t、平均孔直径MPD、总孔隙率%P和/或蜂窝密度CD的组合。
如文中所述，部分过滤器具有非对称的通道尺寸，这些通道在入口端未被堵塞且大的通道的至少一部分在出口端上堵塞，该部分过滤器导致产生高过滤效率（例如，＞50%）的过滤器特性，并在烟灰低加载量（即，接近0g/L）时有低的压降，而在烟灰高加载量（＞5g/L）时有低的过滤效率（例如，＜10%）。烟灰高加载量时低的过滤效率确保，过滤器起作旁路的功能，不损坏后处理系统，该后处理系统在烟灰高的加载水平时具有过高的背压（其水平取决于特殊发动机的系统）。过滤效率（FE）对烟灰加载量的斜率还可通过让过滤器不是所有大的通道堵塞在过滤器出口端上而进一步增大。通过在烟灰低水平时过滤效率为最小的要求，可确定未堵塞的大通道的数量。
其他实施例包括可用于诸如以上所述的排气系统中的具有优良特性的部分壁流式过滤器。应该认识到，部分壁流式过滤器可用于排气系统中，作为该系统中仅有的废气处理部件。例如，该系统可包括仅一个部分壁流式过滤器，既可用催化剂的也可不用催化剂的。可供选择地，部分壁流式过滤器可结合其他传统的废气处理部件使用，且部分壁流式过滤器是该系统中的仅有过滤器。例如，氧化催化剂（例如，DOC）或NOx处理部件可结合部分壁流式过滤器一起使用。例如，部分壁流式过滤器可前置上游氧化催化剂部件。如上所讨论的，催化剂可应用到部分壁流式过滤器的壁上，诸如是处理一氧化碳、碳氢化合物和/或氮的氧化物，诸如柴油氧化催化剂或NOx催化剂。合适的贵金属可承载在壁上，诸如铂、铑、钯。还可承载诸如铜、二氧化钛、钒、沸石和钙钛矿催化剂之类的非贵金属。
现详细描述具有非对称通道尺寸的蜂窝状部分壁流式过滤器200，图中示出一示例实施例并参照图2A和2B进行描述。图2A示出具有柱状体202的部分过滤器200，该柱状体的横截面形状由表皮（或外围壁）204限定。表皮204的外形通常为圆形或椭圆形，但实施例并不局限于任何特殊的表皮外形。柱状体202具有一系列互相连接的多孔壁206，它们与表皮204相交。多孔壁206在柱状体202内形成第一通道208和第二通道210的栅格。第一和第二通道208、210沿着柱状体202的长度纵向地延伸。第一通道208具有第一液力直径Dh1，而第二通道210具有第二液力直径Dh2。在一个实施例中，Dh1和Dh2之比介于1.1和1.6之间。一般地，柱状体202通过挤压工艺制成。通常，柱状体202由陶瓷材料制成，陶瓷材料诸如是堇青石、氧化钛铝或碳化硅，但也可由其他可挤压的材料制成，诸如是玻璃、玻璃-陶瓷和金属。蜂窝状过滤器200具有入口端212和出口端214，入口端212用于接纳流动，例如，废气流，过滤过的流动可通过出口端214流出蜂窝状的过滤器。
部分壁流式过滤器200之所以如此命名，是因为它显现堵塞的通道和未堵塞的流通通道之组合。在未堵塞的流通通道中，流动一般地是直通地流过通道，即，不通过壁。在堵塞的通道中，某些流动通过壁。因此，“部分”表明仅一部分流动是通过多孔壁的，而部分流动是通过过滤器的，不流过壁的。
在一个实施例中，第一组通道208的至少一部分是堵塞的通道，而第二组通道210是未堵塞的流通通道。这不同于传统的壁流式过滤器，在传统的壁流式过滤器中，所有通道208、210都是端部堵塞的（在入口端212处或在出口端214处）。通道208邻近于过滤器出口端214被堵塞，即，在出口端214处或靠近出口端214被堵塞（图3和图4）。包括该构造和大于45%的高孔隙率的实施例，显现出作为烟灰加载量函数的相对最小的压降。在某些实施例中，例如，可在通道208的出口端214处设置堵头216。在其他实施例中，堵头216可设置在与出口端相间距的位置处。一般地，堵头216的材料是陶瓷材料，诸如是堇青石、氧化钛铝或碳化硅。
在某些实施例中，堵头216例如可设置在不到所有通道208的出口端214处，留下一部分通道208为敞开的（未堵塞），让其成为流通的通道。在某些实施例中，未堵塞的流通的通道208沿着其长度未被堵塞，它们横贯过滤器的面均匀地分布在堵塞的通道208中。
图2B示出蜂窝状过滤器200的通道结构的放大图。每个第一通道208与第二通道210交界，反之亦然。非对称的蜂窝状过滤器200由大的和小的通道208、210组成，它们分别具有大的和小的液力直径。在图示中，通道208、210具有大致方形的几何形。在某些实施例中，通道的角可设置有倒圆或斜面。在一个实施例中，可选择这些倒圆或斜面的尺寸，以使较大蜂窝208的液力直径对于所选定的蜂窝密度和闭合的前部面积为最大。
蜂窝的液力直径DH定义如下：
DH=4A/P （1）
其中，A是蜂窝的横截面面积，而P是蜂窝的润湿周长。对于方形蜂窝来说，该液力直径便是蜂窝的宽度。对于带有倒圆角的方形蜂窝，液力直径大于蜂窝的宽度。
根据本发明的部分壁流式过滤器200的横截面示意图显示在图3中，并参照该图3进行描述。在图3和图4中，图中示出过滤器200包括堵塞的通道208和未堵塞的通道210。堵头216都定位在过滤器200的出口端214处。在该实施例中，大约50%的通道被堵塞，其余的则包括流通的通道。
根据这里描述的部分壁流式过滤器的其他实施例，业已发现，可达到良好的初始过滤效率（@0g/L烟灰加载量）和相对低的背压之组合。根据实施例，部分壁流式过滤器200如果设置为单一的或组合的，则可以发现部分壁流式过滤器的以下特征，从而得出理想的过滤器特性。具有非对称通道尺寸的蜂窝过滤器，其较大的和较小的通道之间的液力直径之比在1.1和1.6之间，该蜂窝过滤器在入口端上没有通道被堵塞，而具有在出口端处被堵塞的所有较大的通道，使得过滤器直径对长度之比在0.9和1.5之间，导致过滤器的特性在低水平的烟灰加载量（＜1g/L）时具有低的压降和高的过滤效率，而在高水平的烟灰加载量（＞5g/L）时具有低的过滤效率。例如，即使在过滤器总空隙率（%P）是%P≥45%，或甚至%P≥60%时，也可能达到较高的深床过滤效率。因此，可同时获得相对低的背压和良好的深床过滤效率。已经发现壁厚（t）增大会显著影响压降，对过滤效率只有边缘效应。因此，多孔壁206的横向厚度（t壁）可以是t壁≤457μm，t壁≤254μm，或甚至t壁≤203μm，同时仅边缘地影响到背压。还有，增加多孔壁206的平均孔直径（MPD）会增大深床模式的过滤效率，同时仅略微地减小背压。因此，多孔壁206可包含具有平均孔直径（MPD）的孔，这里，MPD≤20μm，或甚至MPD≤15μm；在某些实施例中，12μm≤MPD≤30μm。此外，深床过滤效率随通道的蜂窝密度（CD）的变大而显著地增大，背压却只有略微的增大。因此，部分壁流式过滤器200可具有通道的蜂窝密度（CD），其中，CD≥200cpsi（CD≥30蜂窝/cm2），或甚至CD≥300cpsi（CD≥45蜂窝/cm2）。
部分壁流式过滤器200包括具有大致圆柱形形状的多孔蜂窝体202。蜂窝体202的横截面可以是圆形、卵形、椭圆形、方形，或可具有其他要求的形状。蜂窝体202具有入口端面212、出口端面214，以及延伸在入口端和出口端212、214之间的内部多孔壁206。通道208、210可具有方形横截面或其他类型的横截面，例如，三角形、圆形、八角形、矩形、六角形或它们的组合。蜂窝体202最好由多孔陶瓷材料制成，例如，堇青石、氧化钛铝或碳化硅，或其他类似的陶瓷材料，特别是其敞开的互连的多孔性可以是受控的。
在部分壁流式过滤器200中，其具有非对称的通道尺寸和仅在一侧上的堵头216（例如，在出口端214处），通过让废气通过某些壁206，而让某些流动直通过滤器（即，不通过壁206），就可发生部分的过滤。当堵头216邻近于过滤器出口端214定位时（如图3所示），堵塞的和未堵塞的流通的通道之间的压差，导致废气从堵塞的通道传送到未堵塞的流通的通道，烟灰便可积聚在堵塞的通道内。
业已发现，堵塞的通道和未堵塞的流通的通道相组合起来的过滤器（其中，%P≥45%，和甚至%P≥60%）特别地有效，因为第一过滤器促使大量烟灰被擒获在第一过滤器内并显现低的压降。
在具有如文中所述的非对称通道尺寸的部分壁流式过滤器中，当废气通过过滤器时，烟灰便积聚在多孔壁上。烟灰的该种积聚降低了壁的渗透性，并减小通向邻近于未堵塞的流通的通道210的通道的废气。因此，当烟灰积聚在过滤器内时，部分壁流式过滤器擒获烟灰的能力降低。降低过滤效率的过滤器的优点之一在于，对于过滤器可建立起最大的烟灰加载量，且在部分壁流式过滤器中较小可能发生烟灰在过滤器内的过载。在传统的壁流式过滤器中，过滤效率一般地随积聚在多孔壁上烟灰加载量的增加而增加，使得过滤器更加易于造成烟灰过载。烟灰过载是不希望出现的，因为在再生过程中过滤器内遇到的最大温度通常正比于烟灰加载量。实施例的部分壁流式过滤器具有内置的保护设置，阻止发生因烟灰过载引起的高温剧增。
在一个实施例中，具有非对称通道尺寸的部分壁流式过滤器包括蜂窝体，其在出口端214处以棋盘样式（交替的堵塞的通道和未堵塞的通道）堵塞，使大的通道堵塞在出口端214处，而所有的通道208、210在入口端212处未被堵塞。在另一实施例中，具有非对称通道尺寸的部分壁流式过滤器包括蜂窝体，其中出口端214处被堵塞，仅一部分大的通道208堵塞（例如，不到所有的大的通道208被堵塞），所有通道208、210在入口端处未被堵塞。堵塞的大的通道部分超过出口端处大的通道总数的20%，较佳地超过60%，甚至更加较佳地超过90%。
图4示出包括未堵塞的流通的通道210和堵塞的通道208的部分壁流式过滤器200的部分堵塞样式，其中，堵塞的和未堵塞的流通的通道的液力直径不相同。尤其是，堵塞的通道208的液力直径大于未堵塞的流通的通道210的液力直径。堵塞的通道位于出口端214附近。尤其是，过滤器的堵塞面积对敞开面积的面积比最好是1.1或以上，1.2或以上，或甚至为1.3或以上。
在表1中，示出了不同堵塞样式对带有非对称通道的部分过滤器的预测的压降和过滤效率的影响。该对比显示出，对于具有堵塞在出口端上的大的通道的过滤器情形来说，达到了理想的特性属性。在表1的案例A中，示出了具有非对称通道的传统壁流式过滤器（例如，入口端和出口端都以棋盘格式堵塞）的过滤效率和压降特性。在案例A中，显然，在传统的（完全堵塞的）过滤器中，压降随烟灰加载而有显著的增加。对于案例B，小的通道在入口端处被堵塞，而在出口端处没有通道被堵塞。在案例B中，当压降低时，即使对于低水平的烟灰加载量的情形来说，过滤效率也低。对于案例C，大的通道在入口端处被堵塞，而在出口端处没有通道被堵塞。在案例C中，过滤效率高，但压降也高，从发动机系统应用的观点来看，使得该构造不够吸引人。同样地，在案例E中，当所有通道在入口端上未被堵塞而小的通道在出口端上被堵塞时，可以估计过滤效率低且压降低。最吸引人的堵塞构造在案例D中描述，其中，所有通道在入口端处未被堵塞，而大的通道在出口端处被堵塞。案例D的构造在低的烟灰加载时有高的过滤效率和低的压降。高水平的烟灰加载量时，案例D的堵塞构造的特性显示在表2和图5中，可以观察到，在高水平的烟灰加载量时，过滤器的过滤效率显著下降而起作旁路的作用，由此，在高水平的烟灰加载量时，减小对过滤器的损坏。
图5示出过滤器的作为烟灰加载量函数的过滤效率图表，该过滤器具有在入口端上未被堵塞的非对称的通道，并具有在出口端处堵塞的大的通道。该图比较：
·部分过滤器的预测的过滤效率，该过滤器具有300蜂窝/英寸2的蜂窝密度和12mil的壁厚，具有处于未涂敷状态（即，其上没有任何的催化剂涂层）中的非对称通道尺寸，标以“模型,300/12ACT,裸露”;
·部分过滤器的测量的过滤效率，该过滤器具有300蜂窝/英寸2的蜂窝密度和12mil的壁厚，具有处于涂敷状态（即，其上有催化剂涂层）中的非对称通道尺寸，其结合柴油氧化催化剂（DOC）一起使用，标以“DOC+POC,300/12ACT,涂敷”;以及
·部分过滤器的测量的过滤效率，该过滤器具有300蜂窝/英寸2的蜂窝密度和13mil的壁厚，具有处于未涂敷状态（即，其上没有任何的催化剂涂层）中的非对称通道尺寸，其结合柴油氧化催化剂（DOC）一起使用，标以“DOC+POC,300/13ACT,裸露”。
表1.对具有不同堵塞构造的非对称通道尺寸的预测压降和过滤效率的比较。
案例A：
传统全过滤器构造中的非对称的通道尺寸；所有通道被堵塞
案例B：
非对称的通道尺寸；所有通道在出口端处未被堵塞且小的通道在入口端上被堵塞
案例C：
非对称的通道尺寸；所有通道在出口端处未被堵塞且大的通道在入口端上被堵塞
案例D：
非对称的通道尺寸；所有通道在入口端处未被堵塞且大的通道在出口端上被堵塞
案例E：
非对称的通道尺寸；所有通道在入口端处未被堵塞且小的通道在出口端上被堵塞
对表1中案例A-E的每个案例：
气体质量流量（kg/hour）：240
废气温度（max,℃）：450
过滤器直径（英寸）：5.66
过滤器蜂窝密度（蜂窝/inch2）：300
通道壁厚（mils）：12
Dh1:Dh2之比：1.3
表2.具有在入口端处未堵塞的非对称通道尺寸（高达7g/L的烟灰加载
量）和在出口端处堵塞的大通道的过滤器，它们的预测压降和过滤效率的特性。
对于表2中的每个实例：
气体质量流量（kg/hour）：240
废气温度（max,℃）：450
过滤器直径（英寸）：5.66
过滤器蜂窝密度（蜂窝/inch2）：300
通道壁厚（mils）：12
Dh1:Dh2之比：1.3
如以上表1和2中所见，让通道在入口端处未被堵塞而大的通道在出口端处被堵塞，这可导致较高过滤效率和低的压降的理想组合。如图6中所示范的，在出口侧上被堵塞的大的通道的分数，确定了使过滤效率下降到低于10％的烟灰加载量（让过滤器起作旁路作用）。在图6的实例中，当所有大的通道在出口侧处被堵塞时，该实例的部分过滤器在过滤效率下降到10％之前达到大约12g/L的烟灰加载量。然而，当仅有部分大的通道在出口侧处被堵塞时（即，某些大的通道未被堵塞），该过滤器可被“细调”，以使过滤效率在烟灰加载量大约为8g/L时下降到10％。根据特殊的发动机系统和其相关的特性（例如，废气温度、废气流量、背压的灵敏度等），可选择未被堵塞的大的通道的分数比例，以使部分过滤器在选定的烟灰加载量时开始起作旁路作用。因此，在具有非对称通道尺寸的部分过滤器的某些实施例中，在入口端处没有通道被堵塞，而在出口端处所有大的通道被堵塞。在具有非对称通道尺寸的部分过滤器的其它实施例中，在入口端处没有通道被堵塞，而在出口端处仅一部分大的通道被堵塞。
过滤效率（FE）随蜂窝密度的增大而显著地增加，而压降仅有略微的增加，尤其是对烟灰加载的过滤器。因此，大于200cpsi的蜂窝密度是首选的，较佳地是大于250cpsi，且最为较佳地是大于300cpsi。
壁厚的增加会显著地增大压降，而过滤效率仅有略微的增加。因此，壁厚大于15mil是首选的，较佳地壁厚小于12mil，且最为较佳地是小于10mil。
表1和2中的数据显示，当过滤器长度增加时，过滤效率（FE）便增加，压降仅有略微的增加。因为过滤器的体积随过滤器长度增大而增加，所以，过滤器内烟灰总量可显著地增加。这在过滤器再生过程中或偏离额定功率的下跌-至-惰转的事件过程中，可导致出现非常高的温度，致使过滤器经受超过运行能力的高温，导致过滤器完整性失效。图7示出，对于足够高的过滤器入口温度（Tin,3），以及足够长的过滤器，过滤器的最高温度可在再生事件过程中快速地逐步升高。因此，过滤器长度对直径之比为0.9至1.5是首选的，较佳的范围是1至1.35。平均孔隙尺寸（MPS）为10-30μm的壁孔隙率是首选的，或甚至在10-20μm之间。过滤效率（FE）和压降均可随着孔隙率提高而提高。因此，较佳的孔隙率是大于40％，或甚至大于50％，或甚至大于60％。
尽管本发明描述了有限数量的实施例，但本技术领域内技术人员在从本发明中获益后，将会认识到还可设计出其它各种实施例，这些实施例不脱离如文中所主张的本发明的范围。因此，本发明的范围应仅由附后的权利要求书来限定。

Claims (13)

1.一种部分壁流式过滤器，包括：
入口端、出口端和多个平行通道，这些平行通道设置和构造成让流体从入口端流动到出口端，通道由多个多孔壁限定；
其中，通道的第一部分具有第一液力直径Dh1，而通道的第二部分具有比第一液力直径Dh1小的第二液力直径Dh2，其中，Dh1和Dh2之比的范围在1.1和1.6之间；
其中，所述过滤器具有长度L和直径D，其中，长度对直径之比L:D在0.9和1.5之间；
其中，至少一部分具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞，而具有液力直径Dh2的通道是流通的通道；其中，没有通道在入口端处被堵塞；
其中，所述部分壁流式过滤器在约0g/L的烟灰加载量下具有大于50％的过滤效率，而在大于约5g/L的烟灰加载量下具有小于10％的过滤效率。
2.如权利要求1所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，超过60％的具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞。
3.如权利要求2所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，超过90％的具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞。
4.如权利要求1所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，所有具有液力直径Dh2的通道是流通的通道。
5.如权利要求1所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤器具有t壁≤457μm、MPD≤20μm以及％P≥40％和CD≥200cpsi中的至少一个，其中，t壁是多孔壁的横向厚度，MPD是多孔壁的平均孔直径，％P是多孔壁的总孔隙率，以及CD是通道的蜂窝密度(每平方英寸)。
6.一种部分壁流式过滤器，包括：
入口端、出口端和多个平行通道，这些平行通道设置和构造成让流体从入口端流动到出口端，通道由多个多孔壁限定；
其中，通道的第一部分具有第一液力直径Dh1，而通道的第二部分具有比第一液力直径Dh1小的第二液力直径Dh2，其中，Dh1和Dh2之比的范围在1.1和1.6之间；
其中，所述过滤器具有长度L和直径D，其中，长度对直径之比L:D在0.9和1.5之间；
其中，没有通道在入口端处被堵塞，只有具有液力直径Dh1的通道在出口端处堵塞；
其中，所述部分壁流式过滤器在约0g/L的烟灰加载量下具有大于50％的过滤效率，而在大于约5g/L的烟灰加载量下具有小于10％的过滤效率。
7.如权利要求6所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，选择堵塞的通道数量，以达到要求的过滤效率。
8.如权利要求6所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，选择堵塞通道的数量，以达到要求的横贯过滤器的压降。
9.如权利要求6所述的部分壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤器具有t壁≤457μm、MPD≤20μm以及％P≥40％和CD≥200cpsi中的至少一个，其中，t壁是多孔壁的横向厚度，MPD是多孔壁的平均孔直径，％P是多孔壁的总孔隙率，以及CD是通道的蜂窝密度(每平方英寸)。
10.一种运行排气系统的方法，该方法包括：
提供部分壁流式过滤器，该过滤器具有入口端、出口端和多个平行通道，这些平行通道设置和构造成让流体从入口端流动到出口端，通道由多个多孔壁限定，其中，通道的第一部分具有第一液力直径Dh1，而通道的第二部分具有比第一液力直径Dh1小的第二液力直径Dh2，其中，Dh1和Dh2之比的范围在1.1和1.6之间，所述过滤器具有长度L和直径D，其中，长度对直径之比L:D在0.9和1.5之间，具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞，而具有液力直径Dh2的通道是流通的通道，其中，没有通道在入口端处被堵塞；以及
让具有夹带在其中的颗粒物质的废气通过部分壁流式过滤器，其中，某些颗粒物质被擒获，而某些则通过流通的通道；
其中，所述部分壁流式过滤器在约0g/L的烟灰加载量下具有大于50％的过滤效率，而在大于约5g/L的烟灰加载量下具有小于10％的过滤效率。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述部分壁流式过滤器具有t壁≤457μm、MPD≤20μm以及％P≥40％和CD≥200cpsi中的至少一个，其中，t壁是多孔壁的横向厚度，MPD是多孔壁的平均孔直径，％P是多孔壁的总孔隙率，以及CD是通道的蜂窝密度(每平方英寸)。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，超过60％的具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，超过90％的具有液力直径Dh1的通道在出口端处被堵塞。
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