CN104018916A - 带有低深床的局部壁流式陶瓷过滤器 - Google Patents

带有低深床的局部壁流式陶瓷过滤器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有低深床的局部壁流式陶瓷过滤器。该局部壁流式过滤器具有蜂窝结构，该蜂窝结构包括入口端、出口端、以及多个平行通道，多个平行通道被安置和配置成使流体从入口端流动到出口端。所述通道由多个多孔壁限定。局部壁流式过滤器具有通道在出口端被堵塞的过滤区域和通道未被堵塞的旁路区域。过滤材料的N／S率小于或等于大约0.5、小于或等于0.3、小于或等于0.1、甚至等于0。其中N为由深床烟灰引起的压降差，和S为由饼床烟灰引起的用于调节曲线的从0克每升(g/L)到大约5g/L的压降变化，其中在过滤材料的全壁流式过滤器上测量N和S。

Description

带有低深床的局部壁流式陶瓷过滤器
根据35U.S.C§119，本申请主张申请于2013年2月28日的美国临时申请序列号为61／770,514的优先权，和根据U.S.C§120，本申请主张申请于2013年12月17日的申请序列号为14／108,444的优先权，通过参考其整体而将其内容依据和结合于此。
技术领域
本公开的示例性实施例涉及一种具有增强了过滤性能的局部壁流式陶瓷过滤器和操作具有该局部壁流式陶瓷过滤器的排气系统以增强过滤性能的方法。
背景技术
用于内燃机的尾气再处理系统包括例如用于从如来自柴油车排气的烟灰的尾气流中移除颗粒的颗粒过滤器(PF)。最被广泛使用的颗粒过滤器为壁流式过滤器。壁流式过滤器可包括通过多个相交的多孔壁形成的具有纵向基本平行的单元通道的陶瓷蜂窝体。一些单元通道可被堵塞有陶瓷堵塞接合剂，以在蜂窝体的端面上形成堵塞模式。过滤器的单元通道在蜂窝体的入口端具有一些未被堵塞的端部，以作为入口通道使用。可在蜂窝基底的出口端上将入口通道堵塞。可在蜂窝基底的入口端堵塞其余的单元通道，用在蜂窝基底的出口端未被堵塞的一些端部作为出口通道。在使用中，包含被夹带的烟尘颗粒的尾气进入未被堵塞的入口通道，流过多孔壁(壁流)且进入出口通道，和通过未被堵塞的出口通道退出，其中多孔壁保留了先前被夹带在尾气中的一部分颗粒。
在壁流式过滤器的设计中，可在蜂窝基底的入口端或出口端堵塞每一个通道，以使尾气在入口端进入开启的通道。在出口端堵塞入口通道，和因此气体被迫穿过多孔壁进入出口端被开启但是入口端被堵塞的相邻通道，以退出过滤器。颗粒物质的过滤在气体被迫穿过多孔壁时完成。已用壁流式过滤器实现了大于90％的过滤效率。
可清洁壁流式过滤器以防止过滤器被阻塞和维持过滤器两端的适当压降低于规定限额。增大过滤器两端的压降通常导致增大针对发动机的背压，如果不对其控制，可能造成不利的功率损耗。清洁过滤器的一种方法是通过热再生移除过滤器中被夹带的烟灰。再生是被动的或者是主动的或者是其组合。在被动再生中，进入过滤器的尾气的入口温度是足够高的，以一旦满足稳定状态下的发动机运转条件，在大体连续的基础上引发被夹带在壁流式过滤器中的烟灰的燃烧。在主动再生中，过滤器的位置使过滤器的温度相对较低并可能要求额外的能量输入以将排气(和过滤器)的温度升高到造成被夹带在过滤器中的烟灰燃烧的一定水平。可通过将燃料后注入与位于过滤器上游的氧化催化剂相结合的排气中来提供额外的能量输入。
基于主动再生的排气后处理系统已成为工业标准，因为其在更低的排气温度上理想地操作并保证了通过主动引发再生在不同的发动机占空比之下适当地移除烟灰。在另一方面，主动再生带来燃料的经济处罚。而且，壁流过滤器可展现相对较高的背压。
例如，局部壁流式过滤器包括如上所述的局部壁流和局部流通的任何陶瓷蜂窝体，其中一些通道或多孔网或其它通路在两个端部上是开启的并允许包含被夹带的烟灰颗粒的尾气自蜂窝基底的入口端到出口端而流经单元通道。局部壁流式过滤器可被用于后处理系统，例如，改装的柴油和汽油越野车，其缺乏精巧的控制、烟灰载荷估算、或先进的再生策略以通过主动再生来调节压降。在这种系统中，局部壁流式过滤器在低烟灰载荷上可展现出相对较低的压降并允许颗粒物质在较高的烟灰载荷上旁路通过，直到在利于被动再生的驱动条件下可再生过滤器。
在该背景技术中揭露的上述信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，因此其可包含没有形成现有技术的、也没有由现有技术对本技术领域的普通技术人员提出建议的任何部分的信息。
发明内容
本公开的示例性实施例提供一种用于改进过滤效率的带有低深床烟灰载荷的局部壁流式颗粒过滤器。
本公开的示例性实施例还提供一种操作排气系统的方法，该排气系统包括用于改进过滤效率的带有低深床烟灰载荷的局部壁流式颗粒过滤器。
主张权利要求的本发明的附加特征将在下面的详细描述中提出，和由详细描述将部分地变得明显，或通过对主张权利要求的发明的实践中获知。
一种示例性的实施例揭露了一种局部壁流式过滤器。局部壁流式过滤器包括蜂窝结构，蜂窝结构具有入口端、出口端、以及平行通道，所述平行通道被安置和配置成使流体从入口端流动到出口端，所述通道由多个多孔壁限定。局部壁流式过滤器包括至少一个过滤区域和至少一个旁路区域，其中过滤区域包括在出口端上被堵塞的通道，旁路区域包括未被堵塞的通道。过滤材料的N/S率小于或等于大约0.5，其中N为由深床烟灰引起的压降差，S为由饼床烟灰引起的用于调节曲线的从0克每升(g/L)到大约5g／L的压降变化，其中在过滤材料的全壁流式过滤器上测量N和S。
一种示例性的实施例还揭露了一种操作排气系统的方法，该方法包括将具有被夹带颗粒物质的尾气引导到局部壁流式过滤器。该方法包括使具有被夹带颗粒物质的尾气通过局部壁流式过滤器，以使一些颗粒物质被捕获，一些颗粒物质通过流通通道。
可以理解的是，前面的大体描述和接下来的详细描述是示例性的和解释性的和被旨在提供如权利要求的对本发明进一步的解释。
附图说明
所包括的附图提供对主张权利的本发明的进一步理解和被结合在和构成本说明书的一部分，本公开的示意的示例性实施例与详细描述一起作为对主张权利的本发明原理的解释。
图1A和1B为根据本公开的举例性实施例的柴油排气系统示意图。
图2A为用于图1A和1B的排气系统中的根据本公开的示例性实施例的局部壁流式过滤器的透视图，图2B为图2A的局部壁流式过滤器的入口端的放大部分，示出了所有通道在入口端被堵塞。
图3为根据本公开的示例性实施例的局部壁流式过滤器的剖面示图，示出了在入口端未被堵塞的通道和在过滤器的出口端被堵塞的较大通道。
图4为图2A的局部壁流式过滤器的出口端的放大部分，示出了根据本公开的示例性实施例的过滤器的出口端被堵塞的较大通道。
图5为作为用于全壁流颗粒过滤器的烟灰载荷的函数的压降响应示意图。
图6为用于根据本公开的示例性实施例的局部壁流过式滤器的流体分配示意图。
图7为作为用于全壁流颗粒过滤器的烟灰载荷的函数的过滤效率示意图。
图8为用于全壁流滤波器的压降响应示意图。
图9A为在过滤区域通道(入口通道)的多孔壁上安置的涂层的示意图，和图9B示出了安置在根据本公开的示例性实施例的旁路区域通道(出口通道)的多孔壁上的涂层。
图10为表明用调节改进过滤效率的数据图形。
具体实施方式
参考示出了示例性实施例的附图，在下文中将更充分地描述本公开。然而，权利要求可以由多种不同的形式具体化且不应被解释为局限于此处所提出的实施例。而且，提供这些实施例以使本公开更详尽，并向本技术领域的技术人员充分地传达权利要求的范围。在附图中，为了清晰可见，可放大层和区域的尺寸和相对尺寸。附图中相同的参考标号指明相同的元件。
将被理解的是，当元件被称为“在另一元件上”或“被连接到”另一元件时，其可为直接在另一元件上或直接连接到另一元件，或可呈现中介元件。相反地，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接被连接到”另一元件时，没有呈现中介元件。将被理解的是，为了实现本公开的目的，“X，Y和Z中的至少一个”可被解释为仅X、仅Y、仅Z，或X，Y和Z中的两项或多项的任意组合(例如，XYZ，XYY，YZ，ZZ)。
图1A描绘了排气系统100，用于从如柴油发动机或汽油发动机的内燃机107的排气集管105通风排气。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被联接到发动机107上。入口端101可包括连接装置104，其可采用任意适合的形式。例如，连接装置104可为凸缘，该凸缘可被联接到在排气集管105的连接部分109上的相似的凸缘上。虽然所示的排气管路102大体是直的，实际上其可采用其它形状并可包括直的和弯曲的剖面和／或不同直径的剖面。
排气系统100包括被相邻于排气管路102的入口端101安置的如此处所描述的局部壁流式过滤器的第一颗粒过滤器106。第一过滤器106相对发动机107以及排气集管105可处于“紧密联接”位置上。在该“紧密联接”位置上，当与下游(第二)过滤器比较时，第一颗粒过滤器106利用较高伴随排气温度来影响被捕获烟灰的实质上更大范围的“被动”再生。此处所使用的术语“紧密联接”，表示过滤器在紧密接近发动机107的排气流的位置上，和更具体地，当沿排气流的路径测量时，紧密接近发动机的燃烧室。例如，如果没有呈现涡轮增压器111，在排气集管之后定位第一过滤器106呈现了紧密联接(图1A)。例如，当呈现涡轮增压器111时，在涡轮增压器111之后的第一过滤器106被紧密联接(图1B)。在图1A中示出的例子中，涡轮增压器111被定位在排气管路102中，第一颗粒过滤器106被定位在涡轮增压器111的上游，以使热气直接撞击第一过滤器106。在另一实施例中，第一过滤器106被直接定位在涡轮增压器111的下游(见图1B)。在紧密联接的位置上，第一过滤器106可经历在操作周期上的250℃或大量更高、高于10％或甚至高于20％的温度条件。这些条件提升了大量的“被动”再生。
在一些实施例中，排气系统100可进一步包括被定位在排气管路102中的第二颗粒过滤器108，并与第一颗粒过滤器106间隔一定距离(d)。在被示于图1A，1B的示例中，第二颗粒过滤器108可被定位在涡轮增压器111的下游。附加颗粒过滤器可被定位在排气管路102中、第二颗粒过滤器108的下游以满足所希望得到的过滤和背压要求。上游氧化催化剂114在第二颗粒过滤器108之前。例如，图中未示，上游氧化催化剂(DOC)还可在第一颗粒过滤器106之前。例如，对于重型柴油(HDD)应用，一种布置可包括在集管104和第一颗粒过滤器106之间的氧化催化剂114，其中氧化催化剂114和第一颗粒过滤器106可在车身底部(UB)的位置上。如另一例子，对于轻型柴油(LDD)应用，一种布置可包括在集管104和第一颗粒过滤器106之间的氧化催化剂114，其中氧化催化剂114和第一颗粒过滤器106可在紧密联接位置上且第二颗粒过滤器108在UB位置上。在柴油发动机107的例子中，氧化催化剂可为柴油氧化催化剂(DOC)，其可与任何已知的活性催化物质相结合用于净化排气，如在本技术领域中已知的，用于氧化一氧化碳、碳氢化合物、颗粒的可溶性有机成分的催化物质。排气系统100可进一步包括的设备如颗粒过滤器106，108的入口和出口端上的扩散和膨胀锥体110，112，以有助于在颗粒过滤器中达到要求的排气流分配、和／或排气管路102的尺寸和重量的减小。
如图1A中的箭头116所指示的，在发动机107的正常操作中，如在柴油发动机的操作中，来自发动机107和排气集管105的排气接续通过第一颗粒过滤器106、涡轮增压器111(如果呈现)、氧化催化剂114(如果呈现)、和第二颗粒过滤器108。当排气经过第一和第二颗粒过滤器106，108时，排气中的颗粒被捕获在第一和第二颗粒过滤器106，108内。更具体地，部分烟灰被捕获在第一过滤器中，而一些余留烟灰被捕获在第二过滤器中。第一颗粒过滤器106和第二颗粒过滤器108均可在紧密联接位置上或第一颗粒过滤器106和第二颗粒过滤器108均可在UB位置上。
根据一些实施例，第一颗粒过滤器106可为局部壁流式过滤器。此处所定义的局部壁流式过滤器为具有形成通道的多孔壁的颗粒过滤器，其中一些通道在过滤区域上被堵塞，一些通道在旁路区域上完全未被堵塞(“流通通道”)。与全壁流式过滤器相比，这种局部壁流式过滤器大体具有相对低的压降，其中在全壁流式过滤器的情形中，所有通道都被堵塞(例如，或者在入口端或者在出口端)。根据一些其它实施例，第二颗粒过滤器108还为局部壁流式过滤器。在一些其它实施例中，仅过滤器106和108中的一个为局部壁流式过滤器。在一些其它实施例中，仅过滤器106和108中的一个被用于排气系统100。
在一例子中，第一颗粒过滤器106足够小到以适用在排气集管105和涡轮增压器111之间、或正好在涡轮增压器111下游的排气集管105附近的可用空间内。因为第二颗粒过滤器108提供需要满足过滤需求的附加体积，需要容置第一颗粒过滤器106的物理空间(体积)可比容置第二颗粒过滤器108的空间(体积)相对较小。在一些执行中，例如，第二颗粒过滤器108为全壁流式过滤器。然而，因为过滤器在紧密联接位置上的尺寸和压降要求，全壁流过滤器典型地不适合用作第一颗粒过滤器106。更具体地，第一过滤器展现低压降是可取的。因为低压降需求，相较于第二过滤器108，第一颗粒过滤器106可提供更低的过滤效率(即，在排气中捕获的较低颗粒百分比)。如一个例子，第一颗粒过滤器106可具有小于大约80％的初始或“清洁”过滤效率(FE0g／L)。然而，根据一些实施例，可达到初始过滤效率FE0g/L≥20％、或FE0g／L≥30％、FE0g／L≥40％、或FE0g／L≥50％。如此处所使用的，用载荷在过滤器中的颗粒烟灰百分比表达过滤效率(FE)(即，每升过滤器体积的烟灰克数，或g／L)。“清洁的”过滤器将具有零(0)g／L的烟灰载荷。
在一种广泛的方面中，此处所揭露的局部壁流式过滤器包括形成具有对称尺寸的通道的多个多孔壁，其中呈现了一些被堵塞的通道和一些未被堵塞的流通通道。在一种实施例中，相邻的通道在尺寸上是对称的和由液压直径Dh1和Dh2定义，以使比率Dh1和Dh2在1.1和1.6之间。在一种实施例中，通道在过滤器的入口端是未被堵塞的，和较大的通道(具有液压直径Dh1)在过滤器的出口端被堵塞。在一种实施例中，所有的较大通道均在出口端被堵塞。在另一种实施例中，少于所有的较大通道在出口端被堵塞，以使较大通道中的一些是流通通道。在一种实施例中，过滤器具有的长度直径比在0.2和3之间。在一些实施例中，过滤器的多孔壁具有横向厚度(t)，其中t≤457μm。在一些实施例中，过滤器的多孔壁具有平均孔径(MPD)，其中MPD≤20μm。在一些实施例中，过滤器的多孔壁具有总孔隙率(％P)，其中％P≥40％。在一些实施例中，过滤器的通道具有单元密度(CD)，其中CD≥每平方英寸200个单元(cpsi)。在一些实施例中，过滤器具有上面描述的壁厚t、平均孔径MPD、总孔隙率％P、和／或单元密度CD的组合。
根据另一方面，提供一种操作排气系统的方法，方法包括提供具有多个多孔壁的局部壁流式过滤器，多孔壁形成具有对称尺寸的通道，其中，呈现有一些被堵塞的通道和一些未被堵塞的流通通道。在一些实施例中，相邻的通道在尺寸上是对称的和由液压直径Dh1和Dh2定义，以使比率Dh1和Dh2在1.1和1.6之间。在一种实施例中，通道在过滤器的入口端是未被堵塞的，较大的通道(具有液压直径Dh1)在过滤器的出口端被堵塞。在一种实施例中，所有的较大通道均在出口端被堵塞。在另一种实施例中，少于所有的较大通道在出口端被堵塞，以使较大通道中的一些是流通通道。在一种实施例中，过滤器具有的长度直径比在0.2和3之间。在一些实施例中，过滤器的多孔壁具有横向厚度(t)，其中t≤457μm。在一些实施例中，过滤器的多孔壁具有平均孔径(MPD)，其中MPD≤20μm。在一些实施例中，过滤器的多孔壁具有总孔隙率(％P)，其中％P≥40％。在一些实施例中，过滤器的通道具有单元密度(CD)，其中CD≥每平方英寸200个单元(cpsi)。在一些实施例中，过滤器具有以上描述的壁厚t、平均孔径MPD、总孔隙率％P、和／或单元密度CD的组合。
如此处所描述的，带有对称通道尺寸的局部过滤器在入口端未被堵塞和具有在出口端被堵塞的至少一部分大通道导致过滤器性能产生高过滤效率(例如，大于50％)和在低烟灰载荷(即，接近0g／L)上的低压降，和在高烟灰载荷水平(大于5g/L)上的低过滤效率(例如，小于10％)。通过具有不是所有的较大通道在过滤器出口端被堵塞的过滤器可进一步增加过滤效率(FE)与烟灰载荷的斜率。通过在低烟灰载荷水平上要求的最小过滤效率确定未被堵塞的大通道的数量。
进一步的实施例包括具有优秀性能的局部壁流式过滤器，用于上面描述的排气系统。应该理解的是，可在排气系统中将局部壁流式过滤器用作系统中的唯一排气处理部件。例如，系统可仅包括或者被催化或者不被催化的局部壁流式过滤器。任选地，局部壁流式过滤器可被与其它传统排气处理部件相组合使用，局部壁流式过滤器为系统中的唯一过滤器。例如，氧化催化剂(如，DOC)或NOx处理部件可被与局部壁流式过滤器相组合采用。例如，局部壁流式过滤器可在上游氧化催化剂部件之前。如所讨论的，催化剂可被应用于局部壁流式过滤器的壁，如用于处理一氧化碳、碳氢化合物、和／或氮氧化物，如氧化催化剂、可选催化还原催化剂、稀燃NOx捕获催化剂，或稀燃NOx催化剂。氧化催化剂可包含适当的如铂、铑、和钯的贵金属。可选催化还原催化剂可包括碱金属氧化物，碱金属氧化物例如包含钒、钨、氧化钛、氧化铈、氧化锆、铈-锆、铁以及它们的混合物、如FAU、MFI、MEL、BEA、CHA和其它的不同晶体结构的沸石材料；不同晶体结构的SAPO材料。例如，稀燃NOx捕获催化剂可包括含有碱土金属的存储材料混合物，碱土金属例如Ba、K、Li、Na、Ca和Sr，与例如氧化铝、氧化铈、氧化锆、钨、硅等或它们的混合物的高表面区域氧化材料相组合，和例如Pt、Rh和Pd的贵金属。稀燃NOx催化剂为各种沸石基或氧化铝基、贵金属或碱金属基催化剂。
现在更详细地描述具有对称通道尺寸的蜂窝局部壁流式过滤器200，参考图2A和2B示出和描述了一种示例性实施例。图2A示出的局部过滤器200具有柱状体202，柱状体202的剖面形状由外皮(或周壁)204限定。外皮204的轮廓为典型的圆形或椭圆形，但是实施例不限制于任何特定的外皮轮廓。柱状体202具有互连的多孔壁206阵列，多孔壁206与外皮204相交。多孔壁206在柱状体202中限定第一通道208和第二通道210网格。第一和第二通道208，210沿柱状体202的长度纵向延伸。第一通道208具有第一液压直径Dh1，第二通道210具有第二液压直径Dh2。在一种实施例中，Dh1和Dh2的比率在1.1和1.6之间。然而，在另一种实施例中，Dh1和Dh2的比率可包括1.0。典型地，通过挤压成型柱状体202。典型地，柱状体202由如堇青石、钛酸铝或碳化硅的陶瓷材料制成，但还可由如玻璃、陶瓷玻璃、金属、和各种金属氧化物的其它可挤压材料制成。蜂窝过滤器200具有用于接收如尾气流的流体的入口端212、和出口或退出端214，被过滤的流体可通过出口或退出端214退出蜂窝过滤器。
如此命名局部壁流式过滤器200是因为其展现了被堵塞通道和未被堵塞的流通通道的组合。在旁路区域的未被堵塞的流通通道中，流体直线通过通道，即不通过壁。在过滤区域的被堵塞通道中，一些流体流经壁。因此，所述“局部”指示仅一部分流体通过多孔壁，而部分流体流经过滤器而没有流经壁。
在一种实施例中，至少一部分第一组通道208为被堵塞通道，第二组通道210为未被堵塞的流通通道。这与所有通道208，210均被端部堵塞(或者在入口端212或在出口端214)的全壁流式过滤器不同。在邻近过滤器的出口端214之处、即在出口端214或出口端214附近(图3和图4)堵塞通道208。包括该配置和大于45％的高壁孔隙率的实施例展现了作为烟灰载荷函数的相对最小的压降。在一些实施例中，例如可在通道208的出口端214处提供塞头216。在其它实施例中，可在与出口端间隔的位置上提供塞头216。典型地，塞头216的材料由例如堇青石、钛酸铝或碳化硅的陶瓷材料制成。
在一些实施例中，例如可在少于所有通道208的出口端214提供塞头216，留下的一部分通道208如流通通道那样是开启的(未被堵塞)。在一些实施例中，沿其长度未被堵塞的未被堵塞流通通道208穿过过滤器表面在堵塞的通道208之中被均匀地公布。
图2B示出了蜂窝过滤器200的通道结构的特写视图。各个第一通道208被第二通道210邻接和反之亦然。蜂窝过滤器200可包括分别具有较大和较小液压直径的较大和较小通道208，210。然而，根据另一示例性实施例，通道208，210可具有相同的尺寸和液压直径。在示图中，通道208，210具有大体正方形的几何形状。在一些实施例中，通道的角部可被提供有圆角或斜角。在一些实施例中，可选定圆角或斜角的尺寸使较大单元208的液压直径最大化，用于被选定的单元密度和被关闭的正面区域。
如下定义单元的液压直径DH：
D H = 4 A p - - - ( 1 )
其中A为单元的剖面面积，P为该单元的浸润周长。对于正方形单元，液压直径为该单元的宽度。对于带有圆角角部的正方形单元，液压直径大于该单元的宽度。
参照图3示出和描述了根据本公开的局部壁流式过滤器200的剖面示意性图示。在图3和图4中，示出了过滤器200包括被堵塞的通道208和未被堵塞的通道210。堵头216均被定位在过滤器200的出口端214。在该实施例中，通道的大约50％被堵塞，其余部分包括流通通道。
根据此处描述的局部壁流式过滤器的进一步的实施例，其揭露了可达到良好的初始过滤效率(0g／L烟灰载荷)和相对较低的背压的组合。根据实施例，当被单独或者组合提供时，在局部壁流式过滤器200中的以下特征已被发现产生了希望得到的过滤器性能。在具有对称通道尺寸的蜂窝过滤器中，较大和较小通道之间的液压直径比在1.1和1.6之间，在入口端没有通道被堵塞和在出口端所有的较大通道被堵塞，带有0.2和3的过滤器直径与长度的比率，对于低水平的烟灰载荷(<1g／L)导致过滤器性能具有低的压降和高的过滤效率，和在高烟灰载荷水平(>5g/L)上导致低的过滤效率。例如，甚至在过滤器总孔隙率(％P)为％P≥45％、或甚至％P≥60％时，达到更高的深床过滤效率是可能的。因此，可同时获得相对较低的背压和良好的深床过滤效率。增加壁厚(t)已被发现仅在过滤效率上带有边际效应而明显地影响压降。因此，多孔壁206的横向厚度(t壁)可为t壁≤457μm，t壁≤254μm，或甚至t壁≤203μm，而仅在边际上影响背压。而且，增加多孔壁206的平均孔径(MPD)增加了深床模式的过滤效率而仅轻微地降低了背压。因此，多孔壁206可包括具有其中MPD≤20μm、或甚至MPD≤15μm的平均孔径(MPD)的孔；在一些实施中，12μm≤MPD≤30μm。另外，对于较高的通道单元密度(CD)，明显地增加了深床过滤效率且仅适度增加了背压。因此，局部壁流式过滤器200可具有通道单元密度(CD)，其中CD≥200cpsi(CD≥30个单元/cm2)、或甚至CD≥300cpsi(CD≥45个单元／cm2)。
局部壁流式过滤器200包括例如具有大体圆柱形形状的多孔蜂窝体202。蜂窝体202的横向剖面可为圆形的、卵形的、椭圆形的、正方形的或可具有其它希望得到的形状。蜂窝体202具有入口端面212、出口端面214、和在入口端和出口端212，214之间延伸的内部多孔壁206。通道208，210可具有正方形的剖面或其它类型的剖面，如，三角形、圆形、八边形、矩形、六边形或它们的组合。蜂窝基底202优选地由多孔陶瓷材料制成，例如堇青石、钛酸铝或碳化硅或其它类似的陶瓷材料，更具体地可控制其敞开互连孔隙率。
在具有对称通道尺寸的局部壁流式过滤器200中，堵头216仅在一侧上(例如在退出端214)，由通过一些壁206的排气通路发生局部过滤，而一些流体直线地通过过滤器(即不通过壁206)。当堵头216被邻近过滤器的出口端214定位时(如图3所示)，在被堵塞和未被堵塞的流通通道之间的压力差导致从被堵塞通道到未被堵塞的流通通道的排气传送，以及烟灰可被堆积在被堵塞通道中。
在带有被堵塞通道和未被堵塞的流通通道的组合的其中％P≥45％、或甚至％P≥60的过滤器中，已发现由于第一过滤器提升在第一过滤器中的高烟灰捕获和展现了低压降，该过滤器是特别有效率的。
在一些实施例，带有对称通道尺寸的局部壁流式过滤器包括在出口端214以方格模式(交替被堵塞和未被堵塞的通道)被堵塞的蜂窝体、和在出口端214被堵塞的较大通道和在入口端212未被堵塞的所有通道208，210。在另一种实施例中，带有对称通道尺寸的局部壁流式过滤器包括在出口端214被堵塞的蜂窝体、和被堵塞的仅一部分较大通道208(例如，少于所有较大通道208被堵塞)、和在入口端212未被堵塞的所有通道208，210。被堵塞的一部分较大通道占在出口端上的全部数量的较大通道的大于20％、更优选地大于60％和甚至更优选地大于90％。
图4示出了用于包括未被堵塞的流通通道210和被堵塞的通道208的局部壁流式过滤器200的局部堵塞模式，其中被堵塞和未被堵塞的流通通道的液压直径是不同的。更具体地，被堵塞的通道208的液压直径大于未被堵塞的流通通道210的液压直径。被堵塞的通道位于出口端214的邻近处。更具体地，被堵塞区域与过滤器的开口区域的面积比优选地为1.1或更高、1.2或更高、或甚至1.3或更高。
当排气流过通道壁经过深层过滤和表面过滤的组合时，烟灰颗粒通道壁被捕获到过滤器的过滤区域中，其中一旦在过滤器壁(饼床烟灰)上形成一层烟灰饼，即开始表面过滤。相较于饼床烟灰，响应于相同量的烟灰，被捕获到壁内侧(深床烟灰)的烟灰形成高很多的压降。这是深床响应。深床响应引出更高的通过通道壁的流体阻力和因此更少的流体通过通道壁，导致较低的过滤效率。通过管理根据本公开的示例性实施例的深床烟灰，可达到改进的过滤效率。
根据示例性实施例，可在各种驱动(发动机操作)和烟灰载荷条件下维持和增强过滤性能。根据示例性实施例，可通过深床烟灰管理增强过滤性能。根据示例性实施例，深床烟灰管理包括原材料优化，例如，陶瓷材料在其裸露状态(例如在清洁时)可具有较少的深床响应。深床烟灰管理包括涂层优化，例如，相较于裸露过滤器，涂层生成较小的深床效果，或被安置在优化位置上的涂层，例如，被安置在出口端流通通道的壁上的涂层。深床烟灰管理还包括操作策略，其确保清洁壁微结构和最小量的烟灰或灰尘层覆盖过滤表面区域。
根据示例性实施例，原材料优化可包括过滤器的微结构性质，例如，根据本技术领域的各种示例性实施例确定的孔径尺寸、孔隙率和／或孔径尺寸分布对于提供穿过过滤器的低清洁压降是足够的，以及对于在深床过滤阶段期间向过滤器的烟灰载荷提供低压降响应是足够的。另外，根据本技术的各种进一步的示例性实施例确定的过滤器的几何形状特征，如，单元密度(即，每平方英寸的单元个数(cpsi))、壁厚、过滤器长度和／或过滤器直径对于在深床过滤阶段期间向过滤器的烟灰载荷提供深床响应管理是足够的。
图5示意性示出了作为用于全壁流颗粒过滤器的烟灰载荷的函数的压降响应的示意图。对于全壁流过滤器，压降通常为烟灰载荷的函数。图5的曲线(A)示出了用于具有明显深床烟灰堆积的穿壁过滤器的压降响应。曲线(B)示出了用于具有中间深床烟灰堆积的穿壁过滤器的压降响应。曲线(C)示出了不具有深床烟灰堆积的穿壁过滤器的压降响应。曲线(D)示出了用于具有由于强被动再生处理的非均匀分布的烟灰的穿壁过滤器的压降响应。
图6示意性示出了用于根据本公开的示例性实施例的局部壁流式过滤器的流量分布的示意图。图6示出了用于带有开启的入口通道和关闭的通道(在出口端被堵塞)的陶瓷局部过滤器的流量分布。未被堵塞的通道为构成局部过滤器的旁路区域的流通通道210。在出口端被堵塞的通道208构成局部过滤器的过滤区域。流量Q被分开(分流)，分流比决定过滤效率，FE，如通过如下等式导出。
ΔPOC=△PCC
ROC·Q·(1-FE)=Q·FE·RCC
FE = 1 1 + R CC R OC
其中Q为总流体流量，ΔPOC和ΔPCC分别为跨越旁路通道和被堵塞通道的压力变化，和ROC和RCC分别为旁路通道和被堵塞通道的对流量的阻力。因此，深床响应引起对穿壁更高的流量阻力和因此更少的流量前行过穿壁，导致较低的过滤效率。
图7为全壁流式颗粒过滤器的作为烟灰载荷函数的过滤效率的示意图。图7中的曲线(A)示出了用于具有明显深床烟灰堆积的穿壁过滤器的过滤效率响应。曲线(B)示出了用于具有中间深床烟灰堆积的穿壁过滤器的过滤效率响应。曲线(C)示出了用于不具有深床烟灰堆积的穿壁过滤器的过滤效率响应。曲线(D)示出了用于由于强被动再生处理而具有非均匀分布烟灰的穿壁过滤器的过滤效率响应。通过管理根据本技术的示例性实施例的深床烟灰，可达到改进的过滤效率。
图8为用于全壁流式过滤器的压降响应的示意图。如图8所示意性示出的，N为由深床烟灰引起的压降差，S为从0克每升(g／L)到5g／L的压降变化，用于调节曲线。调节曲线基本上不具有深床烟灰，代替地，由饼床烟灰引起压降。包含深床烟灰的通道壁可在通道壁上形成饼床层。在被动再生条件下，深床烟灰可被在通道壁外烧尽而饼床烟灰层继续堆积颗粒材料。实质上，通道壁微结构没有深床烟灰，除了来自烟灰燃烧的殘留，同时饼床烟灰层被保留下来。这种通道壁状态可存在于调节过滤器中。
如图8所示，依赖于原材料和涂层组合，全流通过滤器展现了非常不同的深床响应。上面的曲线是未调节曲线，其具有深床分布，而下面的曲线是调节曲线，没有深床分布。N为由深床响应引起的压降差，S为从0g／L到5g／L的压降变化，用于调节曲线。在其裸露状态下具有较少深床响应(低N／S率)的过滤材料优选地用于根据本公开的示例性实施例的局部流通过滤器。
涂层可形成相较于根据本公开的示例性实施例的裸露过滤器(可比较N／S率)更多的深床效果。另外，如图9A和9B所示意性示出的，还可优化涂层位置以减少深床烟灰堆积。图9A示出了被安置在如可在全流通过滤器中找到的过滤区域通道的通道壁上的涂层。该布置可导致由涂层对深床烟灰堆积的附加分布。图9B示出了涂层位置，用于此处的技术的示例性实施例的局部流通过滤器。图9B的情况用于局部流通过滤器，涂层可被在出口通道涂覆，出口通道中看不到烟灰和因此不期望由涂层对深床烟灰堆积的附加贡献。
图10示意性示出了根据本公开的示例性实施例的操作策略，开发以提供清洁壁微结构和覆盖通道壁过滤表面区域的最小量烟灰层。在图10中，被用C100预调节的局部流通过滤器示出了比未被调节的过滤器更好的过滤效率。C100预调节限制了深床烟灰堆积和改进了过滤效率。C100是接近发动机额定功率条件的预调节。
例子
表1示出了在一些不同材料上测量的结果。用柴油颗粒过滤器(DPF)压降测试测量这些例子的N／S率。
表1
因此，本公开的示例性实施例提供的局部壁流式过滤器具有较低的N／S率过滤器壁材料，用于改进过滤效率。例如，过滤材料的N／S率可小于或等于约0.5、小于或等于约0.3、小于或等于约0.1、甚至等于0。0的N／S率指示过滤器壁中没有深床烟灰。
本公开的示例性实施例还改进了操作具有较低N／S率过滤器壁材料的局部壁流式过滤器的排气系统的方法，用于改进过滤效率。
整个说明书中对示例性实施例的参考和该整个说明书中的类似语言可以但不必须参照相同的实施例。而且，所描述的性能、结构、或于此处参考示例性的实施例描述的主体物质的特征可被以任意适当的方面结合在一个或多个示例性的实施例中。在详细描述中，提供了多个特定细节，如材料、涂层、通道和过滤器几何形状的例子等，以提供对主体物质的实施例的全面理解。然而，在相关技术领域的技术人员将理解到，不用一个或多个特定细节、或用其它方法、构件、材料等实施主体物质。在其它例子中，没有示出或详细描述已被熟知的结构、材料、或操作，以避免隐蔽了所公开的主体物质的方面。
上面描述的方法是按逻辑流程提出的。如此，所描绘的顺序和所标记的步骤指明了代表性的实施例。可构思在功能、逻辑或效果上与被示于图示中的一个或多个步骤、或部分等同的其它步骤和方法。另外，提供所采用的格式或标号解释图示的逻辑步骤和被理解为不限于由图所示的方法的范围。另外，发生特定方法的其它方法可以或不可以严格依附所示的其它相应步骤。
对本技术领域的技术人员来说显而易见的是，可对本发明做出各种改动和变化形式而不脱离本发明的精神或范围。因此，其意图是，本发明涵盖的发明提供的改动和变化形式落入所附权利要求和与其等同的范围内。

Claims (20)

1.一种局部壁流式过滤器，包括：
蜂窝结构，所述蜂窝结构包括入口端、出口端、以及多个平行通道，所述多个平行通道被安置和配置成使流体从入口端流动到出口端，所述通道由多个多孔壁限定；
至少一个过滤区域和至少一个旁路区域，其中所述过滤区域包括在出口端被堵塞的通道，所述旁路区域包括未被堵塞的通道；和
过滤材料的N／S率小于或等于大约0.5，其中N为由深床烟灰引起的在全壁流式过滤器中的过滤材料的压降差，S为由饼床烟灰引起的在全壁流式过滤器中的用于调节曲线的从0克每升(g/L)到大约5g/L的过滤材料的压降变化。
2.根据权利要求1所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述局部壁流式过滤器包括堇青石、钛酸铝(AT)和碳化硅中的至少一种陶瓷材料。
3.根据权利要求1或2中任意一项所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，进一步包括被安置在旁路区域的壁表面上的涂层，其中所述过滤区域的壁表面没有被安置的涂层。
4.根据权利要求3所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述N／S率小于或等于0.3。
5.根据权利要求3所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述N／S率小于或等于0.1。
6.根据权利要求3所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤区域的通道具有的液压直径大于所述旁路区域的通道的液压直径。
7.根据权利要求3所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，进一步包括被安置在所述旁路区域的壁内侧的涂层。
8.根据权利要求1或2中任意一项所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，进一步包括被安置在所述旁路区域的壁内侧的涂层。
9.根据权利要求8所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述N／S率小于或等于0.3。
10.根据权利要求8所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述N／S率小于或等于0.1。
11.根据权利要求8所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤区域的通道具有的液压直径大于所述旁路区域的通道的液压直径。
12.根据权利要求1或2中任意一项所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，进一步包括被安置在所述旁路区域和所述过滤区域的壁表面上的调节层，所述调节层包括烟灰或灰烬，其中所述多孔壁上基本没有深床烟灰。
13.根据权利要求12所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述N／S率小于或等于0.3。
14.根据权利要求12所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述N／S率小于或等于0.1。
15.根据权利要求12所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤区域的通道具有的液压直径大于所述旁路区域的通道的液压直径。
16.根据权利要求1或2中任意一项所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述N／S率小于或等于0.3。
17.根据权利要求1或2中任意一项所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述N／S率小于或等于0.1。
18.根据权利要求1或2中任意一项所述的局部壁流式过滤器，其特征在于，所述过滤区域的通道具有的液压直径大于所述旁路区域的通道的液压直径。
19.一种操作排气系统的方法，包括：
将具有被夹带在其中的颗粒物质的尾气引导到局部壁流式过滤器，所述局部壁流式过滤器具有入口端、出口端、以及多个平行通道，所述多个平行通道被安置和配置成使流体从入口端流动到出口端，所述通道由多个多孔壁限定，所述局部壁流式过滤器包括至少一个过滤区域和至少一个旁路区域，其中所述过滤区域包括在出口端被堵塞的通道，所述旁路区域包括未被堵塞的通道，所述局部壁流式过滤器所包括的过滤材料的N／S率小于或等于大约0.5，其中N为由深床烟灰引起的在全壁流式过滤器中的过滤材料的压降差，S为由饼床烟灰引起的在全壁流式过滤器中的用于调节曲线的从0克每升(g／L)到大约5g/L的过滤材料的压降变化；和
使具有被夹带在其中的颗粒物质的尾气通过所述局部壁流式过滤器，其中一些颗粒物质被捕获，一些颗粒物质通过流通通道。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
将深床烟灰沉积在所述多孔壁上；
将饼床烟灰沉积在所述多孔壁上；和
烧尽来自所述多孔壁内的深床烟灰，同时将饼床烟灰层保持在所述多孔壁上。
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