CN110475599A - 图案堵塞的蜂窝体、微粒过滤器及用于其的挤出模头 - Google Patents

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Abstract

一种具有相交的多孔壁的蜂窝体，其包括第一至第四孔道，其中，各孔道从进口面延伸到出口面并且被堵塞以限定具有三个进口和一个出口通道的重复结构单元。重复结构单元包括第一通道，其包含长度L1、宽度W2和面积A1；第二通道，其包含长度L2、宽度W2和面积A2；第三通道，其包括长度L1、宽度W1和面积A3以及第四通道，其包括长度L2、宽度W1和A4，其中，第一至第三通道是进口，而第四通道是矩形出口，并且满足W1>W2和L1≠L2中的至少一种，即，W1>W2，或L1≠L2，或W1>W2且L1≠L2。重复结构单元具有四边形外周。提供了包含所述蜂窝体的微粒过滤器，蜂窝挤出模头以及制造蜂窝体的方法。

Description

图案堵塞的蜂窝体、微粒过滤器及用于其的挤出模头
本申请依据35U.S.C.§119要求于2017年1月31日提交的系列号为62/452,770的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。
技术领域
本公开涉及蜂窝体，更具体地，涉及多孔陶瓷蜂窝体，例如适于从流体流(如发动机排气)过滤颗粒的微粒过滤器，以及用于其的挤出模头。
背景技术
蜂窝微粒过滤器通常包括蜂窝体，其具有多个相交的多孔陶瓷壁，从而形成截面积相同的轴向延伸的通道。这些通道中的一半在进口侧上以棋盘图案被堵塞，而这些相同的通道在出口侧上不被堵塞，因此形成了出口通道。轴向延伸的通道中的另一半在出口侧上以棋盘图案被堵塞，而在进口侧上不被堵塞，因此形成了进口通道。在使用时，发动机排气流动通过蜂窝体的多孔陶瓷壁，并且从发动机排气流过滤出颗粒(烟炱和其他无机颗粒)。
一些蜂窝过滤器构造涵盖了对蜂窝体的蜂窝结构的改造，以包含截面积比出口通道更大(即，更大的进口开口正面面积)的进口通道。由于烟炱和烟灰负载随着时间而增加，相对较大的进口通道已经有效地降低了压降增加的严重程度。然而，制造越来越大的进口孔道(和/或越来越小的出口孔道)可导致蜂窝结构的制造变得相对昂贵，并且可能导致其他性能限制。因此，在寻求烟炱和烟灰负载能力相对较高、压降性能得到改进且廉价制造的蜂窝体设计。
发明内容
在一个方面中，提供了一种蜂窝体。所述蜂窝体包括包含重复结构单元图案的基质中的相交的多孔壁。每个重复结构单元包括第一孔道、第二孔道、第三孔道和第四孔道，其中，各个孔道在从进口面到出口面的轴向方向上彼此平行延伸，并且在与轴向方向正交的横向平面中具有四边形截面。所述孔道被堵塞住以在重复结构单元中限定进口通道和出口通道，其中，每个重复结构单元包括：第一通道、第二通道、第三通道和第四通道，所述第一通道由第一孔道形成，并且在横截面中包含长度L1、宽度W2和截面积A1，所述第一通道具有第一侧壁以及与第一侧壁正交的第二侧壁；所述第二通道由第二孔道形成，并且在横截面中包含长度L2、宽度W2和截面积A2，并且其与第一通道共用第二侧壁；所述第三通道由第三孔道形成，并且在横截面中包含长度L1、宽度W1和截面积A3，其包含第三侧壁，并且与第一通道共用第一侧壁；所述第四通道由第四孔道形成，并且在横截面中包含长度L2、宽度W1和截面积A4，并且其与第二通道共用第四侧壁以及与第三通道共用第三侧壁。第一、第二和第三通道包含进口通道，而第四通道包含横截面为矩形形状的出口通道，并且其中，满足W1≥W2和L1≠L2中的至少一种，即，W1≥W2或L1≠L2中的任一种或者W1≥W2且L1≠L2。另外，重复结构单元包含四边形外周。
在另一个方面中，提供了一种蜂窝体。所述蜂窝体包括包含重复结构单元图案的基质中的相交的多孔壁。所述重复结构单元具有0.006英寸(0.152mm)≤Tw≤0.010英寸(0.254mm)，40％≤％P≤60％，10微米≤MPS≤16微米以及38％≤进口OFA≤62％,，其中，各个重复结构单元包含第一孔道、第二孔道、第三孔道和第四孔道。各个孔道在从进口面到出口面的轴向方向上彼此平行延伸，并且在与轴向方向正交的横向平面中具有四边形截面。所述孔道被堵塞住以在重复结构单元中限定进口通道和出口通道，其中，每个重复结构单元包括：第一通道、第二通道、第三通道和第四通道，所述第一通道由第一孔道形成，并且在横截面中包含长度L1、宽度W2和截面积A1，所述第一通道具有第一侧壁以及与第一侧壁正交的第二侧壁；所述第二通道由第二孔道形成，并且在截面中包含长度L2、宽度W2和截面积A2，并且其与第一通道共用第二侧壁；所述第三通道由第三孔道形成，并且在截面中包含长度L1、宽度W1和截面积A3，其包含第三侧壁，并且与第一通道共用第一侧壁；所述第四通道由第四孔道形成，并且在截面中包含长度L2、宽度W1和截面积A4，并且其与第二通道共用第四侧壁以及与第三通道共用第三侧壁。第一、第二和第三通道包含进口通道，而第四通道包含横截面为矩形形状的出口通道，其中，满足W1≥W2和L1≠L2中的至少一种，并且重复结构单元包含四边形外周。Tw是横向壁厚度，％P是多孔壁的开口孔隙率，MPS是中值孔径(D50)，并且进口OFA是蜂窝体的进口开口面积。
在另一个方面中，提供了一种蜂窝挤出模头。所述蜂窝挤出模头包含模头主体，进口面，与进口面相对的出口面，从进口面延伸到模头主体中的多个进料孔，以及从出口面延伸到模头主体中并且与所述多个进料孔连接的相交的狭缝阵列。相交的狭缝阵列包括在整个出口面上延伸的第一狭缝，以及与第一狭缝正交并且也在整个出口面上延伸的第二狭缝组。相交的狭缝阵列形成重复单元模头孔道阵列，其中，重复单元模头孔道包括第一模头部件、第二模头部件、第三模头部件和第四模头部件，所述第一模头部件在截面中包含长度L1’、宽度W2’和截面积A1’；所述第二模头部件在截面中包含长度L2’、宽度W2’和截面积A2’；所述第三模头部件在截面中包含长度L1’、宽度W1’和截面积A3’；并且所述第四模头部件在截面中包含长度L2’、宽度W1’和截面积A4’，其中，第四模头部件包含矩形形状的截面。单元模头孔道的外周形状为四边形。对模头部件的构造进行选择以提供第一构造或第二构造中的至少一种，其中：第一构造为W1’>W2’且L1’＝L2’且A4’＝A3’>A2’＝A1’，并且第二构造选自以下中的一种：
L1’≠L2’且A4’>A3’>A2’<A1’，
L1’≠L2’且A4’>A2’>A3’<A1’，
L1’≠L2’且A3’>A4’>A1’<A2’，或者
L1’≠L2’且W1’＝W2’且A4’＝A2’>A3’＝A1’。
根据本公开的这些实施方式和其他实施方式提供了多个其他特征和方面。根据以下具体实施方式、所附权利要求书和附图，实施方式的另外的特征和方面将变得更加明显。
附图说明
下文所述的附图用于说明目的，并且不一定按比例绘制。附图并不旨在以任何方式限制本公开的范围。在整个说明书和附图中使用相同的标记来表示相同的元件。
图1A例示了根据一个或多个实施方式所述的蜂窝体的进口侧的部分端视图。
图1B例示了根据一个或多个实施方式所述的图1A的蜂窝体的重复结构单元的部分放大进口侧的视图。
图1C例示了根据一个或多个实施方式所述的沿着图1A的截面线1C-1C截取的蜂窝体的部分截面侧视图。
图1D例示了根据一个或多个实施方式所述的沿着图1A的截面线1D-1D截取的蜂窝体的部分截面侧视图。
图1E例示了根据一个或多个实施方式所述的蜂窝体的进口侧的端视图。
图1F例示了根据一个或多个实施方式所述的蜂窝体的出口侧的端视图。
图1G例示了根据一个或多个实施方式所述的包含多个组装的蜂窝体的蜂窝组件的进口侧的端视图。
图2例示了根据一个或多个实施方式所述的包含本发明蜂窝体的微粒过滤器的部分截面侧视图。
图3根据一个或多个实施方式例示了内燃机的排气系统的侧视示意图，所述排气系统包括含有本发明蜂窝体的微粒过滤器。
图4A例示了根据一个或多个实施方式所述的包含交错单元孔道构造的另一种蜂窝体的进口侧的部分端视图。
图4B例示了根据一个或多个实施方式所述的图4A的蜂窝体的重复结构单元的放大端视图。
图5例示了根据一个或多个实施方式所述的另一种蜂窝体的重复结构单元的放大视图，其中W2＝L1＝L2。
图6例示了根据一个或多个实施方式所述的另一种蜂窝体的重复结构单元的放大端视图，其中W2>L1且W2>L2且L1＝L2。
图7例示了根据一个或多个实施方式所述的另一种蜂窝体的重复结构单元的放大视图，其中W1>W2且L1≠L2。
图8A例示了用于制造本发明蜂窝体的一个或多个实施方式的蜂窝挤出模头的部分前视图。
图8B例示了根据一个或多个实施方式所述的沿着截面线8B-8B截取的图8A的蜂窝挤出模头的部分截面侧视图。
图8C例示了根据一个或多个实施方式所述的图8A的蜂窝挤出模头的模头单元孔道的放大前视图。
图8D-8F根据一个或多个实施方式例示了蜂窝挤出模头的部分前视图，其例示了各种进料孔构造。
图9A-9B根据一个或多个实施方式例示了描述本发明蜂窝体对比蜂窝体比较例1-3的压降性能的性能图。
图10根据一个或多个实施方式例示了操作包含本发明蜂窝体的微粒过滤器的方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细说明本公开的示例性实施方式，这些示例性实施方式在附图中有所例示。在描述实施方式时，为了提供对本公开的透彻理解，陈述了许多具体的细节。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来实施。在其他情况中，未详细描述众所周知的特征和/或工艺步骤，以免不必要地模糊本发明。本文所述的各个实施方式的特征可以彼此组合，另有特别说明的除外。
在各个实施方式中，本公开涉及蜂窝体，其可被构造用作包含堵塞的蜂窝结构主体的壁流式过滤器，例如汽油微粒过滤器(GPF)或柴油微粒过滤器(DPF)。在各个实施方式中，优选地，相对于目前可获得的微粒过滤器设计，本文公开的过滤器可在蜂窝体中提供优异的烟炱和/或烟灰或其他无机颗粒的储存容量，并且进一步优选地，在根据烟炱和/或烟灰负载的变化而在过滤器上保持相对较低的清洁压降和相对较低的压降增加的同时，提供上述优异的储存容量。
微粒过滤器(例如GPF或DPF)收集烟炱颗粒和烟灰，并且可捕获可能存在于烟炱中或者可能从发动机或排气部件(例如歧管)剥落的无机材料。无机材料通常不经过再生与烟炱一起燃烧，因此，无机物质可随着时间而与烟灰一起积聚在微粒过滤器中。这种积聚可能最终导致蜂窝体上的压降增加，其可能是不可接受地高。为了减轻这种压力升高，可通过拆除并更换新的过滤器或者移除了烟灰和无机材料的经过清洁的过滤器来进行微粒过滤器的维护，这导致成本更高。
因此，根据本公开的一个或多个实施方式，蜂窝体具备高的烟灰/无机物储存容量，以在各维护间隔之间提供更长的时间，并且这优选地限制了根据烟炱和/或烟灰负载变化而造成的压降增加的损失。而且，本公开的一个或多个实施方式可以提供制造益处，这是因为可以采用现有的相对较廉价的挤出模头制造技术。例如，在一个或多个实施方式中，可以使用完全穿过挤出模头出口面(例如，在单个方向上，甚至在两个正交方向上)的从一侧到另一侧的直线模头切割。例如，可以使用相对较廉价的切割轮和/或线材电火花加工(线材EDM)模头制造技术，其相比于其他技术(例如插铣EDM或ECM)可以大大地降低模头成本。另外，一个或多个实施方式可以得益于在生坯状态和/或烧制状态中蜂窝体的改进的结构刚性。
蜂窝体的一个或多个实施方式包括包含重复结构单元图案的基质中的相交的多孔壁。每个重复结构单元包括第一孔道、第二孔道、第三孔道和第四孔道，其中，各个孔道在从进口面到出口面的轴向方向上彼此平行延伸。每个孔道在与轴向方向正交的横向平面(下文中称为“横截面”)中具有四边形截面。重复结构单元的相关孔道被堵塞住以在其中限定进口通道和出口通道。每个重复结构单元包括由第一孔道形成的第一通道，其在横截面中包含长度L1、宽度W2和截面积A1，第一通道包含第一侧壁以及与第一侧壁正交的第二侧壁。每个重复结构单元包括由第二孔道形成的第二通道，并且其在横截面中包含长度L2、宽度W2和截面积A2，第二通道与第一通道共用第二侧壁。每个“重复结构单元”的第三通道由第三孔道形成，并且其在横截面中包含长度L1、宽度W1和截面积A3，其包含第三侧壁，并且与第一通道共用第一侧壁。每个“重复结构单元”的第四通道由第四孔道形成，并且其在横截面中包含长度L2、宽度W1和截面积A4，并且其与第二通道共用第四侧壁以及与第三通道共用第三侧壁。第一、第二和第三通道包含进口通道，而第四通道包含横截面为矩形的出口通道，并且其中，满足W1≥W2和L1≠L2中的至少一种，并且重复结构单元包含四边形外周。在一些实施方式中，W1>W2且L2＝L1。在另外的实施方式中，W1>W2且L2≠L1。在另外的实施方式中，例如W1>W2且0.5≤L2/L1≤1.25。W1、W2、L1和L2的其他组合也是可能的。
本文完整描述提供了一个或多个上述性能益处的重复结构单元的实施方式的其他结构和微结构属性。
如本文中所使用的，“蜂窝体”意为被构造成待被容纳到罐或壳体中或用于罐或壳体中的壁流式蜂窝体，其包含开口和互连孔隙率，相交的孔道壁基质，并且包含至少一些堵塞的进口通道和至少一些堵塞的出口通道。
在本公开的其他实施方式中，作为其他方面和特征提供了包含蜂窝体的微粒过滤器，包含微粒过滤器的排气系统，用于制造本发明蜂窝体的挤出模头，以及过滤微粒和制造蜂窝体的方法。
在本文中，参考图1A-10进一步详细描述了示例性的蜂窝体、微粒过滤器，包含微粒过滤器的排气系统，用于制造本文所述的蜂窝体的挤出模头，以及过滤微粒和制造蜂窝体的方法。
图1A-1F分别例示了根据本公开所述的蜂窝体100的第一个示例性实施方式。蜂窝体100具有用作微粒过滤器中的过滤介质的用途，所述微粒过滤器用于从流动流，例如从内燃机(如燃气发动机或柴油发动机)的发动机排气流中过滤微粒(例如烟炱和/或无机物)。蜂窝体100包括多孔壁102，其彼此相交(例如以直角相交)并且形成彼此平行的多个纵向延伸的孔道。多孔壁102可以包括开口、互连孔隙率，并且多孔壁102可以由陶瓷或者其他合适的多孔材料制成，其可承受使用时的高温，例如，在蜂窝体100的热再生期间遇到的高温。例如，相交的多孔壁102可以由陶瓷材料制成，例如堇青石、碳化硅(SiC)、钛酸铝、莫来石、氧化铝(Al2O3)、硅铝氮氧化物(Al6O2N6Si)、富铝红柱石、沸石、上述物质的组合等。可以使用其他合适的多孔材料，例如熔凝二氧化硅或多孔金属、或者其组合。
在陶瓷的情况中，壁102可以在挤出过程期间形成，其中，合适的批料混合物[例如无机和有机批料组分和液体载剂(例如水)]通过蜂窝挤出模头挤出，然后干燥并进一步烧制以产生多孔陶瓷蜂窝体(无堵塞物)。接着，可以本文所述的限定堵塞图案堵塞陶瓷蜂窝体，以产生蜂窝体100。可以如Allen等人的US 6,673,300中所述的方法或通过其他方法来完成堵塞。在一些实施方式中，可以先堵塞干燥的生坯蜂窝体再进行烧制，或者进行部分烧制、堵塞以及再次烧制。本文描述了多孔壁102的材料的各种微结构属性。
蜂窝体100在径向外周围上可以包含表层103(图1E-1F)，所述径向外周围限定了蜂窝体100的外周表面100S。表层103可以与蜂窝基质结构的挤出一起挤出，或者可以在挤出后(干燥后或烧制后)施加于蜂窝体，例如，在一些实施方式中，将后施加的表层作为基于陶瓷的表层腻子施加到陶瓷或干燥的生坯体蜂窝体的外周围(例如经机械加工的周围)上。例如，表层103可以包含表层厚度Ts(图1E)，其围绕蜂窝体100的径向周围基本是均匀的。例如，表层厚度Ts可以是约0.1mm至100mm，或者甚至是1mm至10mm。也可以使用其他表层厚度Ts。用于对制品(例如蜂窝体)施加表层的设备和方法例如描述于US 9,132,578。也可以使用其他合适的施加表层的方法。在本文所述的一些实施方式中，相交的多孔壁102可以有利地在表层103的各个部分之间连续延伸穿过蜂窝体100，从而例如获得降低挤出模头成本方面的益处。在其他实施方式中，孔道壁的基质在相同的蜂窝体中包括一种或多种构造。
蜂窝体100的最外截面形状可以是圆形、椭圆形、孵形或跑道形，但是蜂窝体100不限于这些截面形状。也可以采用其他截面形状，例如三角形或三叶形、正方形或矩形。
重复结构单元包括多个孔道，包括第一孔道104、第二孔道106、第三孔道108和第四孔道110，其中，至少一些孔道的横截面的截面形状与重复结构单元124的其他孔道的不同。在一些实施方式中，多个孔道104-110可以由截面中有两种不同类型的孔道形状构成，例如不同的四边形孔道形状的组合，例如矩形孔道形状和正方形孔道形状的组合。本文中使用的“矩形”意为具有四个边和90度的角的四边形，其中，第一组的两个边具有相同长度，而第二组的两个边具有相同长度，并且其长度与第一组的两个边的长度不相同。如本文中所使用的“四边形”意为有且仅有四条直边的四边形。在其他实施方式中，多个孔道104-110可以由横截面中有四种不同类型的孔道形状构成，例如不同尺寸的矩形孔道的组合。第一孔道104、第二孔道106、第三孔道108和第四孔道110全部可以沿着从进口面114到出口面116的轴向轴112彼此平行延伸，其中，进口面114和出口面116一般彼此相对，如图1C和1D所示。每个孔道104-110的横截面积沿着其长度可以是恒定的。另外，多孔壁102的横向壁厚度Tw沿着多孔壁102的长度可以是恒定的。
在一个或多个实施方式中，第一孔道104、第二孔道106、第三孔道108和第四孔道110以堵塞图案118堵塞，并且堵塞物和孔道104-110的表面一起限定了进口通道120和出口通道122。孔道104、106、108、110中的一些在出口面116处或附近被堵塞，但是在进口面114处或附近未被堵塞，并且这些孔道在本文中被定义为进口通道120。孔道104、106、108、110中的其他孔道在进口面114处或附近被堵塞，但是在出口面116处或附近未被堵塞，并且这些孔道在本文中被定义为出口通道122。在所示的实施方式中，重复结构单元124中的全部孔道104、106、108、110可以至少在一个端部处或附近被堵塞，即，全部的孔道均被堵塞。然而，在一些实施方式中，可以有意地使某些孔道沿其长度不堵塞，以在蜂窝体中提供一个或多个通过通道的流动。
在实施方式中，在蜂窝体100中以及在重复结构单元124中，进口通道120的数目可以大于出口通道122的数目。在实施方式中，进口通道120的数目可以是出口通道122的数目的三倍。堵塞图案118的堵塞物119可以由合适的堵塞材料形成，例如陶瓷堵塞材料，包括堇青石、钛酸铝、莫来石、碳化硅，以及/或者可经受得住高温的其他材料，所述高温例如在蜂窝体100的热再生期间所遇到的高温。可将合适的粉末无机材料与有机粘合剂和液体载剂混合，以例如产生堵塞材料。例如，合适的非限制性堵塞材料和方法见述于US 4,557,773、US 6,673,300、US7,744,669和US 7,922,951。堵塞物119可以与进口面114和出口面116齐平或者可以不与之齐平。堵塞物119可以填充通道宽度和高度，并且沿着轴向轴112的堵塞深度可以是例如约0.004英寸(0.10mm)至约0.100英寸(2.54mm)、或者甚至是约0.004英寸(0.10mm)至约0.06英寸(1.52mm)。也可采用其他堵塞深度。堵塞物119可以包括开口互连孔隙率。
现在参考图1A-1B和图1E-1F，所述附图示出了包含重复结构单元124的蜂窝体100，所述重复结构单元在整个蜂窝体100中重复。如本文中所使用的重复结构单元124意为以规定图案布置的进口通道120中的三个和出口通道122中的单一一个的集合，其不断重复以形成至少一些蜂窝体100的结构。如在本实施方式中所示，当从进口面114观察时，每个重复结构单元124由出口通道122中的一个和进口通道120中的三个组成，并且具有四边形外周形状(例如，重复结构单元124的外部形状是矩形)。重复结构单元124包括如图1B所示的构造，以及其镜象。
在一些实施方式中，每个重复结构单元124以与其他相邻的重复结构单元124’(在图1A中标记出)为直接邻接的关系来提供，所述重复结构单元124’与所述重复结构单元124基本相同。在进口面114的一些区域中，重复结构单元124可以被与重复结构单元124基本上相同的其他相邻的重复结构单元124’完全包围和邻接。如图1A所示，重复结构单元124的每侧可以被相邻的重复结构单元124’直接邻接。在表层103附近的一些重复结构单元124可以毗邻一个或多个不完整的重复结构单元(其包括少于重复结构单元124的全部结构)。如应理解的，在其他实施方式中，在蜂窝体中可以与重复结构单元124一起存在其他构造的孔道和通道以及其他形状的重复结构单元。
在一个或多个实施方式中，重复结构单元124由以限定图案布置的第一通道125、第二通道130、第三通道135和第四通道140构成，其中，通道125-140中的每一者可以与在其各侧处或角处(例如对角)的重复结构单元124的各个其他通道为直接邻接的关系来提供。现在参考图1B，重复结构单元124的通道125-140的横截面可以是矩形。在所示实施方式中，出口通道122的横截面形状为矩形(例如第四通道140)。其他通道125-135是进口通道120，并且它们的横截面形状也可以是矩形。本文所述的其他实施方式可以包括横截面形状为矩形和正方形的通道的一种或多种组合。
因此，应该理解，在一些实施方式中，重复结构单元124中的通道125-140各自为矩形。在其他实施方式中，重复结构单元中的第一通道125和第二通道130为矩形。在其他实施方式中，重复结构单元124中的第一通道125和第二通道130为正方形。在一些实施方式中，重复结构单元124中的第三通道135和第四通道140为矩形。本文所述的实施方式的通道125-140各自可以包括在其通道的一个或多个角处的小半径或倒角或斜面。
参考图1B，重复结构单元124包括四个通道125-140的面积，并且包括包围通道125-140的簇的外周的多孔壁102的横向壁厚度Tw的一半。换言之，重复结构单元124等于(L1+L2+2Tw)x(W1+W2+2Tw)。
重复结构单元124具有横截面为四边形(例如矩形或正方形)的外周形状。重复结构单元124包括第一通道125，其可以由第一孔道104形成，并且其在横截面中包含长度L1、宽度W2和截面积A1。第一通道125包括第一侧壁126以及与第一侧壁126正交的第二侧壁128。在所示的实施方式中，第一通道125包括进口通道120，并且在横截面中包括矩形截面形状，其中L1>W2。然而，应显而易见的是，在一些实施方式中，第一通道125可以具有正方形截面形状(参见图5，其中W2＝L1)，或者甚至是矩形截面，其中W2>L1，或者甚至是L1>W2。
重复结构单元124的第二通道130可以由第二孔道106形成，并且其在横截面中包含长度L2、宽度W2和第二截面积A2。第二通道130与第一通道125共用第二侧壁128。在所示的实施方式中，第二通道130可以包括进口通道120，并且在横截面中包括矩形截面形状，其中L2>W2且L1＝L2且A1＝A2。然而，在一些实施方式中，第二通道130可以具有正方形截面形状，其中W2＝L2，或者甚至是矩形截面，其中W2>L2，或者甚至是L2>W2。
重复结构单元124的第三通道135可以由第三孔道108形成，并且其在横截面中包含长度L1、宽度W1和截面积A3。第三通道135包括第三侧壁136，并且与第一通道125共用第一侧壁126。在所示的实施方式中，第三通道135包括进口通道120，并且在横截面中包括矩形截面形状，其中W1>L1。
重复结构单元124的第四通道140可以由第四孔道110形成，并且其在横截面中包含长度L2、宽度W1和截面积A4。第四通道140与第二通道130共用第四侧壁142，以及与第三通道135共用第三侧壁136。在所示的实施方式中，第四通道140包括出口通道122，并且在横截面中包括矩形截面形状，其中W1>L2且A4＝A3。然而，在一些实施方式中，L2>L1且A4>A3。任选地，在一些实施方式中，L2<L1且A4<A3。下文将更详细地描述重复结构单元124的结构和微结构属性。
在本文公开的一些实施方式中，蜂窝组件100A可以通过将多个蜂窝体100B(例如具有正方形或矩形外周)粘结在一起产生，例如如图1G所示。各个蜂窝体100B可以包括多个重复结构单元124，如本文所述，其在蜂窝体100B中重复。合适的腻子混合物可以用于将蜂窝体100B的多个部分粘结在一起。例如，可以使用如WO 2009/017642中所述的腻子混合物。如图1G中所示的蜂窝组件100A的外部形状是正方形。然而，可以使用其他外周形状，例如矩形、圆形、椭圆形、卵形、跑道形等。可围绕蜂窝组件100A的外周施加表层103A。
图4A-4B例示了蜂窝体400的另一个实施方式，其包括参考图1A-1F所述的相同的重复结构单元124，即，重复结构单元124在至少一部分的蜂窝体400中重复，但是重复结构单元124相对于与其邻接的一些相邻的重复结构单元124’呈交错构造取向。例如，重复结构单元的图案包括以交错构造设置的重复结构单元124，其中第一通道125与第四通道140共用侧壁。特别地，使重复结构单元124交错，以使得在相同的出口通道垂直列(如图所示垂直，其中第三通道135和第四通道140的长尺寸垂直对齐)中不包括直接相邻的重复结构单元124’的出口通道(例如第四通道140)。例如，如图4A所示，直接相邻的重复结构单元124’显示为从重复结构单元124向右偏离的一列。已经意外地发现，重复结构单元124的这种交错构造相比于堆叠构造在显著更低的压降和改进的过滤效率方面提供了性能益处，并且可以具有增加的强度。在这种交错的构造中，重复结构单元124的两侧(例如如图所示的左侧和右侧)沿着其高度(例如如图所示的左侧和右侧)可以始终被相邻的一个重复结构单元124’直接邻接，并且重复结构单元124的另外两侧(例如如图所示的顶侧和底侧)可以各自被两个相邻的重复结构单元124’(例如在上方的两个相邻的重复结构单元124’和下方的两个相邻的重复结构单元124’)的部分直接邻接。
图5-7例示了另外的实施方式，其中，仅示出了每个实施方式的重复结构单元524、624、724。重复结构单元524、624在蜂窝结构中以如图1A所示的堆叠取向或如图4A所示的交错取向中的任一种重复。图7的实施方式可以以堆叠构造来提供。在堆叠构造中，重复结构单元的图案包括以堆叠构造设置的重复结构单元124，其中第一通道125与第四通道140无共用侧壁。分别包括各个重复结构单元524、624、724的蜂窝体500、600、700由可以与相邻的重复结构单元直接邻接的重复结构单元构成，所述相邻的重复结构单元与重复结构单元524、624、724相同。如本文中所用的直接邻接意为不存在中间通道。在一些实施方式中，蜂窝体500、600、700仅由重复结构单元524、624、724连同与蜂窝体500、600、700的表层相邻的不完整的重复结构单元构成。在其他实施方式中，蜂窝体500、600、700可以由重复结构单元524、624、724中的一些结合其他类型的重复结构单元或通道构成。
参考图5，蜂窝体500的重复结构单元524包括第一通道125和第二通道130，它们是进口通道并且包含相同的第一形状，该第一形状是正方形的横截面形状。第三通道135和第四通道140各自包括第二形状，其是矩形的横截面形状。第四通道140是出口通道，而其他通道125、130、135是进口通道。特别地，在该实施方式中，A4＝A3>A2＝A1。并且，在该实施方式中，L1＝L2＝W2且W2<W1。重复结构单元524在蜂窝体500中可以如下中的任一种构造布置：如图1A所示的堆叠构造或如图4A所示的交错构造。如应理解的，重复结构单元524的组合的形状和几何尺寸为蜂窝体500提供了性能，其根据烟炱负载的变化而展现出低的清洁压降以及低的压降增加，在清洁状态和/或负载烟炱或烟灰的状态中均如此。下文描述重复结构单元524的实施方式的具体结构尺寸和其他特征及性质。
例如，下表1例示了蜂窝体500的几个示例性构造(实施例1-15和20-26)的性能，所述蜂窝体500包含图5所示的重复结构单元524的构造，并且以交错构造(如图4A)来提供。另外，图9A和9B例示了与比较实施例(例如比较例1-3)一起绘制的在包含交错构造的重复结构单元524的蜂窝体500的一个示例性实施方式上的压降性能。
图9A中的不包含烟灰，即包括各种烟炱负载(0-6g/L)的发明实施例1(发明例1)的压降性能图例示了包括交错重复结构单元524的蜂窝体500的这一特殊构造的无烟灰、负载烟炱的压降性能显著优于比较例1、比较例2或比较例3中的任一者，其中，比较实施例1(比较例1)是ACT设计，比较实施例2(比较例2)是具有棋盘堵塞的标准设计，并且比较实施例3(比较例3)是高进口数设计。下表2公开了比较例1-3。不仅对于发明例1的所有负载有烟炱的条件的压降(包括清洁压降)的绝对量值变低，而且压降增加的变化率(即，压降的斜率/烟炱负载)随着烟炱负载也降低。
图9B说明了包含交错的重复结构单元524的发明例1的负载有烟灰(例如73.6g/L烟灰)的蜂窝体500，其烟炱负载压降相比于比较实施例(比较例1-3)显著更低。另外，当至少与比较例1和2相比时，随着烟炱的烟炱负载从0g/L增加到6g/L时，斜率(即压降的变化率)也更低。
下表2示出了比较例1-3的构造和性质。比较例1具有US 6,696,132的图2中所示和所述的蜂窝体结构，即，被称为不对称孔道技术(ACT)的通道结构，其中，进口通道的面积大于出口通道的面积。比较例2是标准的蜂窝体结构，其中进口通道与出口通道的截面尺寸及数目相同，例如，如US 6,696,132的图1所示。比较例3具有US 4,417,908的图4所示和所述的进口数目增加的通道结构，即，蜂窝体结构所包含的重复结构单元全部具有正方形通道，并且进口通道多于出口通道。
现在参考图6，该图示出了蜂窝体600的另一个实施方式。图6单独地示出了重复结构单元624。然而，重复结构单元624在蜂窝体600中可以如图1A和4A所示的堆叠构造或交错构造中的任一种来布置。蜂窝体600的重复结构单元624包括第一通道125和第二通道130，它们均为进口并且横截面是矩形的截面形状。第三通道135和第四通道140的横截面也是矩形截面形状，并且具有相同的截面形状和面积。第四通道140是出口通道，其中，第一通道125、第二通道130和第三通道135是进口通道。
特别地，在图6的一些实施方式中，A4＝A3>A2＝A1。并且，在这样的实施方式中，L1＝L2，W1>W2,W2>L1且W2>L2。如将显而易见的是，重复结构单元624的这些组合的形状和尺寸也提供了蜂窝体600的性能，其根据烟炱和/或烟灰负载的变化而展现出优异的清洁压降以及低的压降增加。下文描述重复结构单元624的具体结构尺寸和特征。在图4B的相似的实施方式中，提供如下：L1＝L2且W1>W2，但是W2<L1，且W2<L2。在另外任选的实施方式中，重复结构单元624可以包含L1＝L2且W1＝W2，但是其中，W2>L1或者W2<L1。实施例29全部具有矩形，并且L1＝L2且W1＝W2。
图7例示了蜂窝体700的另一个实施方式。图7还单独地示出了重复结构单元724。在该实施方式中，重复结构单元724在蜂窝体700中或者可以图1A所示的交错构造来布置。蜂窝体700的重复结构单元724包括第一通道125和第二通道130，它们的横截面均是矩形截面形状。然而，在一些实施方式中，第一通道125和第二通道130的横截面可以具有正方形形状。第三通道135和第四通道140的横截面的截面形状为矩形。第四通道140是出口通道，其中，第一通道125、第二通道130和第三通道135是进口通道。特别地，在图7的这一实施方式中，A4>A3>A1>A2。并且，在该实施方式中，L1≠L2，W1>W2，W1>L1，W1>L2，W2>L1且W2>L2。如将显而易见的是，重复结构单元724的组合的形状和尺寸也提供了蜂窝体700的改进性能，以使其根据烟炱和/或烟灰负载的变化而展现出优异的清洁压降以及低的压降增加。下文描述重复结构单元724的示例性结构的具体尺寸和特征。任选地，在一些实施方式中，L1≠L2，W1>W2，W1>L1且W1>L2，但是其中，W2<L1且W2<L2。
图1A-1F、4A-4B和5-7的各个实施方式可以包括某些微结构和几何结构性质，它们与重复结构单元124、524、624、724的构造组合可以提供优良的烟炱和烟灰负载容量以及相对较低的压降性能的组合，包括相对较低的清洁压降以及随着烟炱和/或烟灰负载的变化的相对较低的压降增加。例如，在一些实施方式中，烧制后，多孔壁102的开口和互连孔隙率(％P)可以是％P≥40％、％P≥45％、％P≥50％、％P≥60％或者甚至％P≥65％。在一些实施方式中，相交的多孔壁102的开口和互连孔隙率可以是35％≤％P≤70％，或者甚至是40％≤％P≤60％，或者甚至是45％≤％P≤55％。也可以采用其他％P值。本文所述的孔隙率(％P)通过水银孔隙率测量法来测量。图1A-1F、4A-4B和5-7的各个实施方式的蜂窝体100、400、500、600和700可以包括进口开口正面面积(进口OFA)，其为38％≤进口OFA≤62％，或者甚至是44％≤进口OFA≤55％。
在一些实施方式中，烧制后，多孔壁102可以包含的横向壁厚度Tw为Tw≥0.004英寸(0.102mm)、Tw≥0.006英寸(0.150mm)、Tw≥0.008英寸(0.203mm)或者甚至是Tw≥0.010英寸(0.254mm)。在一些实施方式中，Tw≤0.014英寸(0.356mm)、Tw≤0.012英寸(0.305mm)、或者甚至是Tw≤0.010英寸(0.254mm)。例如，在一个或多个实施方式中，0.004英寸(0.102mm)≤Tw≤0.014英寸(0.356mm)，或者甚至是0.006英寸(0.150mm)≤Tw≤0.010英寸(0.254mm)。也可以采用横向壁厚度Tw的其他值。
在一些实施方式中，烧制后，多孔壁102可以包含下述中值孔径(MPD)：10μm≤MPD≤16μm，或者甚至是11μm≤MPD≤15μm。开口、互连孔隙率的孔尺寸分布的广度Db可以是Db≤1.5，或者甚至Db≤1.0，其中Db＝((D90-D10)/D50)，其中，D90是90％的孔具有相等或更小的直径而10％的孔具有更大直径的多孔壁102的孔尺寸分布的等效球直径，而D10是10％的孔具有相等或更小直径而90％的孔具有更大直径的孔尺寸分布中的等效球直径。中值孔径(MPD)和孔尺寸分布的广度Db可以例如通过水银孔隙率法来测量。
在一些实施方式中，蜂窝体400、500、600、700的孔道密度(CD)可以是10个孔道/英寸2(1.55个孔道/cm2)≤CD≤400个孔道/英寸2(62个孔道/cm2)，或者甚至是50个孔道/英寸2(7.75个孔道/cm2)≤CD≤375个孔道/英寸2(58个孔道/cm2)，或者甚至是225个孔道/英寸2(35个孔道/cm2)≤CD≤375个孔道/英寸2(58个孔道/cm2)，并且可以是CD≥150个孔道/英寸2(23个孔道/cm2)，或者甚至是CD≥200个孔道/英寸2(31个孔道/cm2)。也可以采用其他孔道密度。上文所述的％P、Tw、Db、MPD和CD可以以任意组合形式彼此任意组合，并且可以与本文所述的重复结构单元组合。
对于图1A-1F、4A-4B和5-7的各个实施方式，可以根据下文限定的关系调整面积A1至A4的尺寸，其中，在每个实施方式中，通道125-140包括四边形形状的截面，并且第四通道140是出口通道，且横截面具有四边形且是矩形的截面形状。在其他实施方式中，重复结构单元524、724的四边形截面形状可以包括一些矩形通道和一些正方形通道。另外，在每个实施方式中，重复结构单元124、524、624、724具有四边形外周形状，例如矩形或者甚至是正方形外周形状。
比值A3/A1
对重复结构单元124、524、624、724的结构进行选择，以提供优异的烟炱承载能力，低的清洁压降以及根据烟炱和/或烟灰负载变化的低的压降增加的组合。更具体地，在一个或多个实施方式中，重复结构单元124、524、624、724的几何结构可以包括A4≥A3>A2≥A1。另外，在一些实施方式中，第一通道125和第三通道135的尺寸可以调整为使A3/A1的比值可以是A3/A1≥1.2，或者甚至是A3/A1≥1.5，或者甚至是A3/A1≥2.0，或者甚至是A3/A1≥2.5，或者甚至是A3/A1≥4.0。在一些实施方式中，A3/A1的比值甚至可以是A3/A1≤10。在一些实施方式中，A3/A1的比值可以包括A3/A1≤4.0，或者甚至是A3/A1≤2.5。在一个或多个实施方式中，A3/A1的比值例如可以是1.2≤A3/A1≤10，或者甚至是1.2≤A3/A1≤4.0，或者甚至是1.2≤A3/A1≤2.5。例如，A3可以是0.00239英寸2(1.54mm2)≤A3≤0.01990英寸2(12.8mm2)，A1可以是0.00150英寸2(0.968mm2)≤A1≤0.00398英寸2(2.57mm2)。在一些实施方式中，重复结构单元124、524、624、724的结构包括A3/A1≤10且OFA>38％，或者甚至是A3/A1≤10且OFA>44％。
比值A4/A2
类似地，对于图1A-1F、4A-4B和5-7的公开的实施方式，重复结构单元124、524、624、724的几何结构可以包含比值A4/A2≥1.2，或者甚至是A4/A2≥1.5，或者甚至是A4/A2≥2.0，或者甚至是A4/A2≥2.5，或者甚至是A4/A2≥4.0。在一些实施方式中，A4/A2的比值可以是A4/A2≤10。在一些实施方式中，例如，A4/A2的比值可以是A4/A2≤4.0，或者甚至是A4/A2≤2.5。在一些实施方式中，A4/A2的比值可以是1.2≤A4/A2≤10，或者甚至是1.2≤A4/A2≤4.0，或者甚至是1.2≤A4/A2≤2.5。例如，A4可以是0.00239英寸2(1.54mm2)≤A4≤0.01990英寸2(12.8mm2)，并且A2可以是0.00150英寸2(0.97mm2)≤A2≤0.01990英寸2(12.8mm2)。
如图1A-1F、4A-4B以及图5和6的实施方式中所示，L1＝L2且W1≠W2。所示构造中存在L1＝L2可以具有以下优势：由于可在挤出模头(垂直地如图所示)的一个方向上(例如沿着高度方向)通过例如线材EDM或锯切割来实现在整一个方向上等间距的适当切割，因此易于制造这种挤出模头。另外，在蜂窝体100、400、500、600、700中，多孔壁102可以从表层103的一个部分延伸到表层103的另一个部分，因此所有的相交多孔壁102以直线连续延伸过进口面114和出口面116。在另一个正交的方向上(例如如图所示的水平方向上)，可以实现非等间距的适当切割，但是也是例如通过在挤出模头的整个宽度上以直线进行线材EDM或锯切割来进行，从而得到在蜂窝体100、400、500、600、700的宽度上连续延伸的相交多孔壁102的水平壁。
比值W1/W2
如图1A-1F、4A-4B和图5-7的实施方式所示，各个重复结构单元124-724可以包含W1/W2≥1.2，或者甚至是W1/W2≥1.5，或者甚至是W1/W2≥2.0，或者甚至是W1/W2≥3.0，或者甚至是W1/W2≥4.0的几何结构。在一些实施方式中，W1/W2≤10，或者甚至是W1/W2≤4.0，或者甚至是W1/W2≤2.5。在一些实施方式中，例如，W1/W2的比值可以是1.2≤W1/W2≤10，或者甚至是1.2≤W1/W2≤4.0，或者甚至是1.2≤W1/W2≤2.5。例如，W2可以是0.035英寸(0.883mm)≤W2≤0.069英寸(1.75mm)，并且W1可以是0.048英寸(1.22mm)≤W1≤0.196英寸(4.98mm)。在一些实施方式中，1.2≤W1/L2≤10且1.2≤W1/L1≤10，或者甚至是1.2≤W1/L2≤4.0且1.2≤W1/L1≤4.0，或者甚至是1.2≤W1/L2≤2.5且1.2≤W1/L1≤2.5。
在包含重复结构单元124、524、624或724中任一种的构造的一个特别有效的实例中，蜂窝结构包括的相交多孔壁102的壁厚度Tw为0.006英寸(0.152mm)≤Tw≤0.010英寸(0.254mm)，相交多孔壁102的开口孔隙率(％P)为40％≤P％≤60％，多孔壁102的中值孔径(MPS)为10微米≤MPS≤16微米，进口开口正面面积(进口OFA)为38％≤进口OFA≤62％，并且W1/W2的比值为1.2≤W1/W2≤2.5。也可以包括其他几何特征，例如L1＝L2，L2>L1，或者甚至是L2<L1。
如图1A-1F、4A-4B和图5-7的实施方式中所示，各个重复结构单元124-724可以包括以下几何结构，其中，第四通道140(包括出口孔道)的截面积除以重复结构单元124-724的所有通道125-140的截面积的面积分数可以在0.27至0.46之间。
在具有重复结构单元124、624的某些实施方式中，例如图1A-1F、图4A-4B和图6所示的那些，第一通道125和第二通道130包括相同的第一矩形横截面形状，第三通道135和第四通道140包括相同的第二矩形形状。并且，在这些实施方式中，第一通道125、第二通道130和第三通道135是进口通道，而第四通道140是出口通道。具体地，在这些实施方式中，各个通道的面积可以根据以下关系来调整大小：A4＝A3>A2＝A1。
在具有重复结构单元724的另外的实施方式中，例如图7所示，第一通道125和第二通道130包括尺寸不同的四边形横截面形状，第三通道135和第四通道140也包括尺寸不同的四边形横截面形状。具体地，在一个实施方式中，所有的四个通道125-140可以具有矩形横截面形状。并且，在这些实施方式中，第一通道125、第二通道130和第三通道135是进口通道，而第四通道140是出口通道。具体地，在一些实施方式中，各个通道的面积可以根据以下关系来调整大小：A4≠A3>A2≠A1。在图7的实施方式中，L2/L1≥1.2，或者甚至是L2/L1≥1.5，或者甚至是L2/L1≥2.0，或者甚至是L2/L1≥2.5或者甚至是L2/L1≥4.0。在一些实施方式中，L2/L1≤10，L2/L1≤4.0，或者甚至是L2/L1≤2.5。在一些图7的实施方式中，L2/L1可以是1.2≤L2/L1≤10，或者甚至是1.2≤L2/L1≤4.0，或者甚至是1.2≤L2/L1≤2.5。
现在参考图5，该图示出了蜂窝体500的重复结构单元524的一个特别有效的实施方式。在所示的实施方式中，如前所述，蜂窝体500的重复结构单元524包括第一通道125、第二通道130、第三通道135和第四通道140，但是其中，各个通道的面积可以根据以下关系来调整大小：A4＝A3>A1＝A2。另外，第一通道125和第二通道130包括相同的第一正方形横截面形状并且它们为进口通道，第三通道135是进口通道，第四通道140是出口通道，并且第三通道135和第四通道140包括相同的第二矩形横截面形状。
特别地，对于图5的实施方式，重复结构单元524可以包含L1＝L2且W1≠W2的几何结构。第三通道135和第四通道14各自包括W1>L1且W1>L2的矩形形状。特别地，对于该实施方式，W1>W2。对于该实施方式，A3/A1的比值可以是A3/A1≥1.2，或者甚至是A3/A1≥1.5，或者甚至是A3/A1≥2.0，或者甚至是A3/A1≥2.5，或者甚至是A3/A1≥4.0。对于该实施方式，A3/A1的比值可以是A3/A1≤10，或者甚至是A3/A1≤4.0，并且在一些实施方式中可以是A3/A1≤2.5。对于该实施方式，A3/A1可以是1.2≤A3/A1≤10，或者甚至是1.2≤A3/A1≤4.0，或者甚至在一些实施方式中是1.2≤A3/A1≤2.5。
实施例
下表1中提供了包含图4A-7的实施方式中所示的蜂窝结构的蜂窝体400、500、600和700的实施例。A1至A3是相应的进口通道的横截面积，而A4是矩形出口通道的横截面积。另外，下表1示出了基于针对各个实施方式模型化的估计性能，包括与比较实施例1-3(比较例1-3)的比较情况。特别地，提供了各种条件下压降(ΔP)性能相比于各个比较实施例(比较例1-3)的百分比改进(％IMP)。
表1——发明性蜂窝体实施例(实施例1至实施例5)
表1——续(实施例6至实施例10)
表1——续(实施例11至实施例15)
表1——续(实施例16至实施例20)
表1——续(实施例21至实施例25)
表1——续(实施例26至实施例27)
表2——比较实施例(比较例1至比较例3)
表2(续)
实施例1-15和实施例20-26及28示出了L1＝L2且W1>W2的实施方式，其中实施例28全部为矩形。实施例16-19和实施例27示出了L1≠L2的实施方式。实施例16-19示出了L1≠L2且W1>W2的组合实施方式。实施例27示出了L1≠L2且W1＝W2的实施例。具体地，在实施例27中，构造包括L1<L2。实施例29示出了L1＝L2且W1＝W2，但是W1≠L2的实施例。具体地，在实施例29中，W1>L2。然而，任选地，重复结构单元可以包含L1＝L2且W1＝W2，但是W1<L2。
现在参考图2，该图示出了包含蜂窝体100(或任选地，蜂窝体400-700)的微粒过滤器200。在所示的实施方式中，蜂窝体100容纳在罐205内，所述罐205例如是金属壳体或其他限制性结构。罐205可包括：包含进口207的第一端盖，其被构造用于接收含有烟炱和/或无机微粒的发动机排气211；包含出口209的第二端盖，其被构造用于排出经过过滤的气体流，其中，发动机排气中的大百分比(例如约99％或更大)的微粒213(例如烟炱和/或无机物质)已经被移除/过滤，并且被运到蜂窝体100的进口通道120和开口互连孔隙中。蜂窝体100的表层103可以具有与其接触的构件215，例如高温隔绝材料，以缓冲蜂窝体100免受冲击和应力影响。可以使用构件215的任何合适构造，例如单件式构造，或者两层或更多层的构造。蜂窝体100和构件215可以通过任何合适的手段容纳在罐205中，例如通过汇集到中心主体中，然后可以将第一端盖和第二端盖中的一者或多者稳固(例如焊接)到中心主体上以形成进口207和出口209。可以任选地使用罐205的其他两件式构造或蛤壳式构造。
图3例示了连接到发动机317(例如气油发动机或柴油发动机)的排气系统300。排气系统300可以包括用于连接到发动机317的排气端口的歧管319，被构造用于在歧管319与微粒过滤器200之间连接的第一收集管321，在所述微粒过滤器200中含有蜂窝体100。连接可以是任何合适的夹紧支架或其他附接机构。在一些实施方式中，第一收集管321可以与歧管319成为一体。在一些实施方式中，微粒过滤器200可以直接连接到歧管而无需居间构件。排气系统300还可以包含第二收集管323，其连接到微粒过滤器200及第二排气部件327。第二排气部件327例如可以是消音器、催化转化器或者甚至是第二微粒过滤器。尾管329(截断示出)或者其他管道或部件可以连接到第二排气部件327。其他排气系统部件可以包括，例如氧传感器、尿素注入端口等(未示出)。发动机317可以包括一个微粒过滤器200，其用于发动机317的每个气缸排(气缸的侧组)，或者任选地，第一收集管321可以是Y形管，其用于收集来自每个气缸排的烟炱并且将烟炱引导到微粒过滤器200。采用包含本文所述实施方式的蜂窝体100的微粒过滤器200可使再生事件之间的间隔时间变长，这是因为微粒过滤器200具有相对较大的烟灰和烟炱负载能力。另外，排气系统300中的蜂窝体100所施加的相对较低的背压可以使排气流自由流动并因此使发动机317的功率下降基本上最小化。在一些实施方式中，包含蜂窝体100的排气系统300优选提供了极低的清洁压降，低的负载烟炱和负载烟灰的压降，以及随着烟炱和/或烟灰负载而变化的低的压降增加速率。排气系统300描述为包含参考图1A-1F所示和所述的蜂窝体100。然而，其他蜂窝体400、500、600和700可以在排气系统300中代替蜂窝体100。
现在参考图8A-8F，附图提供了根据本公开的实施方式，被构造用于制造蜂窝体100-700的蜂窝挤出模头800。蜂窝体100-700可以通过下述形成：使批料混合物挤出通过蜂窝挤出模头800以产生生坯蜂窝体，所述批料混合物例如在US3,885,977、US 5,332,703、US6,391,813、US 7,017,278、US 8,974,724、WO2014/046912和WO2008/066765中所述。然后可以干燥生坯蜂窝体，例如，如在US 9,038,284、US 9,335,093、US 7,596,885和US 6,259,078中所述。接着可以烧制生坯蜂窝体，例如如US 9,452,578、US 9,446,560、US 9,005,517、US 8,974,724、US 6,541,407和US 6,221,308中所述，以形成蜂窝体100-700，其具有包含本文所述的几何形状(或结构)和微结构的多孔陶瓷壁蜂窝结构。
蜂窝挤出模头800包括模头主体839，被构造用于接收可挤出的批料混合物的模头进口面842，以及与模头进口面842相对的模头出口面844，该模头出口面844被构造用于以具有蜂窝结构的生坯蜂窝体的形式排出批料。挤出模头800可以连接到容纳批料的挤出机(未示出)，例如柱塞式挤出机或螺杆挤出机(如双螺杆挤出机)，其中挤出机迫使批料在压力下通过挤出模头800。
蜂窝挤出模头800包含从模头进口面842延伸到模头主体839中的多个进料孔845(标记了一些)，以及相交的狭缝848(标记了一些)的阵列从模头出口面844延伸到模头主体839中，并与多个进料孔845连接。进料孔845向狭缝848的阵列供应批料。相交的狭缝848的阵列包括：以直线完全穿过模头出口面844延伸的第一狭缝850(标记了一些)(例如，如图所示垂直延伸)，以及第二狭缝852，其可以与第一狭缝850正交并且也以直线完全穿过模头出口面844延伸(例如，如图所示水平延伸)。相交的狭缝848的阵列形成单元模头孔道824的阵列，其在模头出口面844的至少一些上重复，在一些实施方式中，可以涵盖基本上全部的模头出口面844。如图所示，例如，单元模头孔道824在水平方向上可以以并排邻接关系排列，并且在垂直方向上彼此堆叠。蜂窝挤出模头800可以包括形成表层的部分800S，其包括形成表层的罩849(例如，环形制品)，该形成表层的罩849与形成表层的进料孔845S交界以在挤出方法期间形成的经过挤出的生坯蜂窝体上形成挤出表层。
各个单元模头孔道824包括第一模头部件825、第二模头部件830、第三模头部件835和第四模头部件840，它们可以如图8C所示布置。每个模头部件825-840包括模头芯(分别为P1-P4)以及在周界周围的相交的狭缝848的阵列的狭缝的宽度Ws(每侧上为一半宽度Ws)。第一模头部件825在截面中包含长度L1’、宽度W2’和截面积A1’。第二模头部件830在截面中包含长度L2’、宽度W2’和截面积A2’。第三模头部件835在截面中包括长度L1’、宽度W1’和截面积A3’，而第四模头部件840在截面中包括长度L2’、宽度W1’和截面积A4’，其中，第四模头部件840包括矩形截面形状。截面在平行于模头出口面844的平面中穿过芯(P1-P4)。
根据实施方式，模头部件825-840可以被构造为第一构造或第二构造，即，可对模头部件825-840的构造进行选择以提供第一构造或第二构造中的至少一种，其中，第一构造是：
W1’>W2’且L1’＝L2’且A4’＝A3’>A2’＝A1’
第二构造选自以下中的一种：
L1’≠L2’且A4’>A3’>A2’<A1’，
L1’≠L2’且A4’>A2’>A3’<A1’，
L1’≠L2’且A3’>A4’>A1’<A2’，或
L1’≠L2’且W1’＝W2’且A4’＝A2’>A3’＝A1’。
在第一构造的一个或多个实施方式中，单元模头孔道824包含第一构造和结构，其中W1’>W2’且L1’＝L2’，第三模头部件835和第四模头部件840包括相同的四边形(例如矩形)形状，并且第一模头部件825和第二模头部件830包括相同的四边形形状，单元模头孔道824具有同样为四边形(例如矩形或正方形)的外周形状。
第一种组合的一个或多个实施方式包括单元模头孔道824，其包含模头部件825-840的面积与以下关系：A4’＝A3’>A2’＝A1’相关的结构。特别地，比值A3’/A1’可以是A3’/A1’≥1.2，或者甚至是A3’/A1’≥1.5，或者甚至是A3’/A1’≥2.0，或者甚至是A3’/A1’≥2.5，或者甚至是A3’/A1’≥4.0。在一些实施方式中，A3’/A1’可以是1.2≤A3’/A1’≤10，或者甚至是1.2≤A3’/A1’≤4.0，或者甚至是1.2≤A3’/A1’≤2.5。类似地，比值A4’/A2’可以是A4’/A2’≥1.2，或者甚至是A4’/A2’≥1.5，或者甚至是A4’/A2’≥2.0，或者甚至是A4’/A2’≥2.5，或者甚至是A4’/A2’≥4.0。在一些实施方式中，A4’/A2’可以是1.2≤A4’/A2’≤10，或者甚至是1.2≤A4’/A2’≤4.0，或者甚至是1.2≤A4’/A2’≤2.5。
在第二种组合中，L1’≠L2’。在第二种组合的一些实施方式中，单元模头孔道824可以具有L2’>L1’。在第二种组合的另外实施方式中，单元模头孔道824可以具有L1’>L2’。
在第二种组合的第一个实施方式中(参见实施例19)，蜂窝挤出模头800包括单元模头孔道824，对其进行选择以使L2’>L1’且W1’>W2’，从而使A4’>A3’>A2’<A1’。在第一个实施方式中，单元模头孔道824可以具有W2’>L1’。
在第二种组合的第二个实施方式中，蜂窝挤出模头800包括单元模头孔道824，对其进行选择以使L2’>L1’且W1’>W2’，从而使A4’>A2’>A3’<A1’。在第二个实施方式中，单元模头孔道824可以具有W2’<L1’。
在第二种组合的第三个实施方式中(参见实施例16至实施例18)，蜂窝挤出模头800包括单元模头孔道824，对其进行选择以使L1’>L2’且W1’>W2’，并且A3’>A4’>A1’<A2’。
在第二种组合的第四个实施方式中(参见实施例27)，蜂窝挤出模头800包括单元模头孔道824，对其进行选择以使L2’>L1’且W1’＝W2’，并且对单元模头孔道824进行选择以使A4’＝A2’>A3’＝A1’。
在W1’>W2’的实施方式中，比值W1’/W2’可以是1.2≤W1’/W2’≤4.0，或者甚至是1.2≤W1’/W2’≤2.5。在L2’>L1’的实施方式中，比值L2’/L1’的比值可以是L2’/L1’≥1.2，或者甚至是L2’/L1’≥1.5，或者甚至是L2’/L1’≥2.0，或者甚至是L2’/L1’≥2.5，或者甚至是L2’/L1’≥4.0，或者甚至是L2’/L1’≥10。在一些实施方式中，L2’/L1’可以是1.2≤L2’/L1’≤10，或者甚至是1.2≤L2’/L1’≤4.0，或者甚至是1.2≤L2’/L1’≤2.5。
在L2’<L1’的实施方式中，比值L2’/L1’的比值可以是0.8≥L2’/L1’≥0.1，或者L2’/L1’甚至可以是0.8≥L2’/L1’≥0.4，或者在一些实施方式中，L2’/L1’甚至可以是0.8≥L2’/L1’≥0.65。然而，第四模头部件840始终为矩形截面。在一些实施方式中，L2’/L1’可以是L2’/L1’≥1.0。在另外的实施方式中，0.5≤L2’/L1’≤1.25。
图8D-8F例示了蜂窝挤出模头800、800A、800B的几个实施方式，其包括不同的进料孔图案(进料孔845显示为虚线圆，狭缝显示为实线)。图8D例示了在狭缝的每个相交处包括进料孔845以及在单元模头孔道824的较大的模头芯P3、P4的各相交处的中间也包括进料孔845的第一个实施方式。这种进料孔构造可以用于比值W2’/W1’相对较大(例如W2’/W1’大于2.0)的蜂窝挤出模头800的实施方式。
图8E例示了蜂窝挤出模头800A的第二个实施方式，其中，在两个方向上，在狭缝的每隔一个相交位置处包含进料孔845，以在模头单元孔道824A的各侧上包括进料孔845，但是在角上不包括进料孔845。蜂窝挤出模头800A的图8E的实施方式可以用于比值W2’/W1’相对较小(例如W2’/W1’小于或等于约1.5)的实施方式。
图8F例示了蜂窝挤出模头800B的第三个实施方式，其中，在水平狭缝的每隔一个水平相交位置处以及在垂直位置处包含进料孔845，以使每个模头单元孔道824B的中心C处的相交位置从四个方向进料批料。图8E的实施方式可以用于比值W2’/W1’相对较小(例如W2’/W1’小于或等于约2.0)的实施方式。
图10描述了根据一个或多个实施方式所述的过滤微粒的方法1000。该方法1000包括：在1002中，提供如本文所述的蜂窝体(例如蜂窝体100、400、500、600或700)，并且将其包含在微粒过滤器(例如微粒过滤器200)中，以及在1004中，在蜂窝体中捕获烟炱。
上述说明公开了本公开的示例性实施方式。对于落入本公开范围内的上文公开的设备、系统和方法的改变将是显而易见的。例如，本文公开的微结构参数的任意组合可以用于本文公开的蜂窝体实施方式。例如，所公开的参数％P、MPS、Tw、Db和CD可以与任何所公开的重复结构单元124-724组合应用。因此，虽然本公开包括某些示例性实施方式，但应理解，其他实施方式可以落在如所附权利要求书限定的本公开的范围内。

Claims (68)

1.一种蜂窝体，其包括：
包含重复结构单元图案的基质中的相交的多孔壁，其中，每个重复结构单元包括第一孔道、第二孔道、第三孔道和第四孔道，其中，第一孔道、第二孔道、第三孔道和第四孔道均在从进口面到出口面的轴向方向上彼此平行延伸，并且在与轴向方向正交的横向平面中具有四边形截面，并且它们被堵塞住以在重复结构单元中限定进口通道和出口通道，其中，各个重复结构单元包括：
由第一孔道限定的第一通道，其在横截面中包含长度L1、宽度W2和截面积A1，第一通道具有第一侧壁以及与第一侧壁正交的第二侧壁；
由第二孔道限定的第二通道，其在横截面中包含长度L2、宽度W2和截面积A2，并且第二通道与第一通道共用第二侧壁；
由第三孔道限定的第三通道，其在横截面中包含长度L1、宽度W1和截面积A3，所述第三通道包含第三侧壁并且其与第一通道共用第一侧壁；和
由第四孔道限定的第四通道，其在横截面中包含长度L2、宽度W1和截面积A4，并且其与第二通道共用第四侧壁以及与第三通道共用第三侧壁，以及
其中，第一通道、第二通道和第三通道是进口通道，而第四通道是横截面具有矩形形状的出口通道，并且
满足W1≥W2和L1≠L2中的至少一项，且重复结构单元包括四边形外周。
2.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，重复结构单元中的各个孔道的横截面为矩形。
3.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，重复结构单元中的第一孔道和第二孔道的横截面为矩形。
4.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，重复结构单元中的第一孔道和第二孔道的横截面为正方形。
5.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，重复结构单元中的第三孔道和第四孔道的横截面为矩形。
6.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，重复结构单元的图案包括以堆叠构造设置的重复结构单元，其中第一通道与第四通道不共用壁。
7.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，重复结构单元的图案包括以交错构造设置的重复结构单元，其中第一通道与第四通道共用壁。
8.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，所有的多孔壁在进口面上连续延伸。
9.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含在蜂窝体的径向外周围上的表层，并且所有的多孔壁在表层的各部分之间沿着蜂窝体连续延伸。
10.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含：A4≥A3>A2≥A1。
11.如权利要求10所述的蜂窝体，其包含：A3/A1≥1.2。
12.如权利要求10所述的蜂窝体，其包含：A3/A1≤10且进口OFA>38％，其中，进口OFA是进口开口正面面积。
13.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，A3/A1≤4.0。
14.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，A3/A1≤2.5。
15.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，1.2≤A3/A1≤10。
16.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，1.2≤A3/A1≤4.0。
17.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，1.2≤A3/A1≤2.5。
18.如权利要求10所述的蜂窝体，其中：
1.86mm2≤A3≤12.8mm2，并且
0.97mm2≤A1≤2.57mm2。
19.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，A4/A2≥1.2。
20.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，A4/A2≤2.5。
21.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，1.2≤A4/A2≤10。
22.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，1.2≤A4/A2≤2.5。
23.如权利要求10所述的蜂窝体，其包含：
0.97mm2≤A2≤2.57mm2，并且
A4是1.86mm2≤A4≤12.8mm2。
24.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，W1/W2≥1.2。
25.如权利要求10所述的蜂窝体，其包含W1/W2≤10.0。
26.如权利要求10所述的蜂窝体，其包含W1/W2≤4.0。
27.如权利要求10所述的蜂窝体，其包含1.2≤W1/W2≤10。
28.如权利要求10所述的蜂窝体，其包含1.2≤W1/W2≤2.5。
29.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，1.2≤W1/L1≤10且1.2≤W1/L2≤10。
30.如权利要求10所述的蜂窝体，其中，1.2≤W1/L1≤4.0且1.2≤W1/L2≤4.0。
31.如权利要求10所述的蜂窝体，其包含：
包括出口孔道的重复结构单元的第四通道的截面积除以重复结构单元的所有通道的截面积的面积分数在0.22至0.46之间。
32.如权利要求1所述的蜂窝体，其中：
第一通道和第二通道包含相同的第一四边形形状；并且
第三通道和第四通道包含相同的第二矩形形状。
33.如权利要求32所述的蜂窝体，其中，所述相同的第一四边形形状包含正方形形状。
34.如权利要求33所述的蜂窝体，其包含L1＝L2，W1≠W2且L1＝L2＝W2。
35.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含以堆叠取向存在的重复结构单元，其中，直接相邻的重复结构单元的出口通道存在于相同列的出口通道中。
36.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含以交错构造存在的重复结构单元，其中，直接相邻的重复结构单元的出口通道不存在于相同列的出口通道中。
37.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，至少一些多孔壁具有壁厚度Tw，其中0.004英寸(0.102mm)≤Tw≤0.014英寸(0.356mm)。
38.如权利要求37所述的蜂窝体，其中0.006英寸(0.152mm)≤Tw≤0.010英寸(0.254mm)。
39.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含40％≤％P≤70％，其中％P是多孔壁的开口孔隙率。
40.如权利要求39所述的蜂窝体，其包含40％≤％P≤60％。
41.如权利要求39所述的蜂窝体，其包含45％≤％P≤55％。
42.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含38％≤进口OFA≤62％，其中进口OFA是进口开口正面面积。
43.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含10微米≤MPS≤18微米，其中MPS是多孔壁中的孔的中值孔径。
44.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含75个孔道/英寸2(483个孔道/cm2)≤CD≤375个孔道/英寸2(2,420个孔道/cm2)，其中CD是孔道密度。
45.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含：
0.006英寸(0.152mm)≤Tw≤0.010英寸(0.254mm)，其中Tw是多孔壁的壁厚度；
40％≤％P≤60％，其中％P是多孔壁的开口孔隙率；
10微米≤MPS≤16微米，其中MPS是多孔壁的开口孔隙中的孔的中值孔径；
38％≤进口OFA≤62％，其中进口OFA是蜂窝体的开口正面面积；并且
1.2≤W1/W2≤2.5。
46.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，多孔壁包含堇青石、碳化硅(SiC)、钛酸铝、氧化铝(Al2O3)、硅铝氮氧化物(Al6O2N6Si)、富铝红柱石、沸石、熔凝二氧化硅或多孔金属或它们的组合。
47.一种过滤微粒的方法，其包括：
在包含如权利要求1所述的蜂窝体的微粒过滤器中捕获烟炱。
48.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含L1≠L2。
49.如权利要求48所述的蜂窝体，其包含W1≥W2。
50.如权利要求48所述的蜂窝体，其包含W1>W2。
51.如权利要求50所述的蜂窝体，其包含0.5≤L2/L1≤1.25。
52.如权利要求48所述的蜂窝体，其包含L2>L1且W1>W2。
53.如权利要求52所述的蜂窝体，其包含W2>L1。
54.如权利要求52所述的蜂窝体，其包含W2<L1。
55.如权利要求48所述的蜂窝体，其包含L2>L1且W1＝W2。
56.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含L1＝L2且W1＝W2。
57.如权利要求1所述的蜂窝体，其包含W1>L2。
58.一种蜂窝体，其包括：
包含重复结构单元图案的基质中的相交的多孔壁，所述重复结构单元具有壁，所述壁具有壁厚度Tw，其中0.006英寸(0.152mm)≤Tw≤0.010英寸(0.254mm)，40％≤％P≤60％，10微米≤MPS≤16微米并且38％≤进口OFA≤62％，其中，每个重复结构单元包括第一孔道、第二孔道、第三孔道和第四孔道，其中，第一孔道、第二孔道、第三孔道和第四孔道在从进口面到出口面的轴向方向上彼此平行延伸，并且在与轴向方向正交的横向平面中具有四边形截面，其中，各孔道被堵塞住以在重复结构单元中限定进口通道和出口通道，其中，各个重复结构单元包括：
由第一孔道限定的第一通道，其在横截面中包含长度L1、宽度W2和截面积A1，第一通道具有第一侧壁以及与第一侧壁正交的第二侧壁；
由第二孔道限定的第二通道，其在截面中包含长度L2、宽度W2和截面积A2，并且第二通道与第一通道共用第二侧壁；
由第三孔道限定的第三通道，其在截面中包含长度L1、宽度W1和截面积A3，所述第三通道包含第三侧壁并且其与第一通道共用第一侧壁；和
由第四孔道限定的第四通道，其在截面中包含长度L2、宽度W1和截面积A4，并且其与第二通道共用第四侧壁以及与第三通道共用第三侧壁，并且
其中，第一通道、第二通道和第三通道是进口通道，而第四通道是横截面为矩形形状的出口通道，并且其中，满足W1≥W2和L1≠L2中的至少一种，并且重复结构单元包含四边形外周，以及
其中，Tw是壁厚度，％P是多孔壁的开口孔隙率，MPS是中值孔径，并且进口OFA是蜂窝体的进口开口面积。
59.一种蜂窝挤出模头，其包括：
模头主体，其具有进口面以及与进口面相对的出口面，所述进口面具有从进口面延伸到模头主体中的多个进料孔；和
芯阵列，其限定了在出口面处的相交的狭缝阵列并且狭缝阵列从出口面延伸到模头主体中，其中，至少一些狭缝与所述多个进料孔中的一个或多个连通，相交的狭缝阵列包含在整个出口面上延伸的第一狭缝，与第一狭缝正交并且同样在整个出口面上延伸的第二狭缝组，芯阵列包含重复单元模头孔道阵列，其中，各个重复单元模头孔道具有为四边形的外周形状，所述芯阵列还包括：
第一模头部件，其在截面中具有长度L1’、宽度W2’和截面积A1’，
第二模头部件，其在截面中具有长度L2’、宽度W2’和截面积A2’，
第三模头部件，其在截面中具有长度L1’、宽度W1’和截面积A3’，以及
第四模头部件，其在截面中具有长度L2’、宽度W1’和截面积A4’，第四模头部件的截面具有矩形形状，并且
其中，模头部件以第一构造或第二构造中的至少一种来设置，其中：
第一构造是W1’>W2’且L1’＝L2’且A4’＝A3’>A2’＝A1’，
第二构造选自以下中的一种：
L1’≠L2’且A4’>A3’>A2’<A1’，
L1’≠L2’且A4’>A2’>A3’<A1’，
L1’≠L2’且A3’>A4’>A1’<A2’，或
L1’≠L2’且W1’＝W2’且A4’＝A2’>A3’＝A1’。
60.如权利要求59所述的蜂窝挤出模头，其中，1.2≤W1’/W2’≤10。
61.如权利要求59所述的蜂窝挤出模头，其中，1.2≤W1’/W2’≤4.0。
62.如权利要求59所述的蜂窝挤出模头，其中，1.2≤W1’/W2’≤2.5。
63.如权利要求59所述的蜂窝挤出模头，其包含A1’＝A2’且A3’＝A4’。
64.如权利要求59所述的蜂窝挤出模头，其包含A4’＝A2’>A3’＝A1’，L1≠L2且W1＝W2。
65.如权利要求59所述的蜂窝挤出模头，其包含A4’>A3’>A2’>A1’，L1≠L2且W1>W2。
66.如权利要求59所述的蜂窝挤出模头，其包含A3’>A4’>A1’>A2’，L1≠L2且W1>W2。
67.一种制造蜂窝体的方法，所述方法包括：
使批料混合物通过如权利要求59所述的蜂窝挤出模头挤出，以产生包含蜂窝结构的生坯体。
68.如权利要求67所述的方法，其还包括烧制生坯体以产生多孔陶瓷蜂窝体。
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