CN113039004B - 具有不同水力直径的通道阵列的蜂窝体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

蜂窝体包括形成通道的交叉多孔壁的矩阵。在一定百分比的具有第二水力直径的通道中布置堵塞物，其中，具有堵塞物的第二直径的通道的百分比小于或等于15％。在一些实施方式中，一些通道具有第一水力直径，而其他通道具有小于第一水力直径的第二水力直径，并且可以是未堵住或堵住的。多孔壁还可以包括：小于或等于0.20mm的横向壁厚Tw，大于或等于62个通道每cm2的通道密度CD，大于或等于50％的平均本体孔隙度％P，以及4.0μm至30.0μm的中值孔直径d50。

Description

具有不同水力直径的通道阵列的蜂窝体及其制造方法
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2018年11月16日提交的美国临时申请系列第62/768,380号的优先权，其全文内容通过引用结合入本文。
技术领域
本公开内容涉及蜂窝体，更具体地，涉及包含通道阵列的蜂窝体以及此类蜂窝体的制造方法。
背景技术
具有较薄壁厚的陶瓷蜂窝设计可以用于废气后处理系统。
发明内容
本公开内容的实施方式提供了蜂窝体，例如具有改进的穿壁气体流动和展现出低背压的部分堵塞的蜂窝体。
本公开内容的实施方式还提供了包含通道的多孔蜂窝体的制造方法，所述通道包括不同的水力直径且是部分堵塞住的。
本公开内容的实施方式还提供了包含通道的蜂窝体，所述通道包括不同水力直径以及还包括部分堵塞住和未堵塞住的蜂窝体，包含布置在通道中的催化剂。
本公开内容的实施方式还提供了蜂窝体，例如堵塞蜂窝体，其包含大水力直径和小水力直径的通道，其中，小百分比的小通道被堵塞住，以及还包含布置在通道中的催化剂。
本公开内容的实施方式还提供了蜂窝体，例如包含第一通道和第二通道的堵塞的蜂窝体，以及其中，大于零且小于或等于15％的第二通道包含堵塞物。
本公开内容的实施方式还提供了蜂窝体，例如包含第一通道和第二通道的堵塞蜂窝体，其中，第一通道包括第一水力直径以及第二通道包括第二水力直径，其中，第二水力直径小于第一水力直径，并且大于零且小于或等于15％的第二通道包含堵塞物。
在一些示例性实施方式中，提供了蜂窝体，其包括：形成第一通道和第二通道的交叉多孔壁的矩阵，第一通道与第二通道的组合包括通道密度，第一通道具有第一水力直径而第二通道具有第二水力直径，第二水力直径小于第一水力直径；以及布置在一定百分比的第二通道中的堵塞物，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比大于零且小于或等于15％，以及交叉多孔壁还包括：
Tw≤0.20mm，
CD≥62个通道/cm2，
％P≥50％，和
4.0μm≤d50≤30.0μm，
其中，Tw是横向壁厚，CD是通道密度，％P是平均本体孔隙度，以及d50是中值孔直径。
在本公开内容的另一个示例性实施方式中，提供了催化蜂窝体，其包括：形成第一通道和第二通道的交叉多孔壁的矩阵；以及在出口端以一定百分比布置在第二通道中的堵塞物，包含堵塞物的第二通道的百分比大于零且小于或等于15％，以及其中，交叉多孔壁还包括：
Tw≤0.20mm，
CD≥62个通道/cm2，
％P≥50％，和
4.0μm≤d50≤30.0μm，
其中，Tw是横向壁厚，CD是通道密度，％P是平均本体孔隙度；以及d50是中值孔直径；以及布置在第一通道和第二通道的多孔壁中的催化剂。在一些实施方式中，第一通道可以包括第一水力直径，以及第二通道可以包括第二水力直径，其中，第二水力直径小于第一水力直径。
在本公开内容的另一个示例性实施方式中，提供了催化蜂窝体，其包括：形成第一通道和第二通道的交叉多孔壁的矩阵，每个第一通道具有第一水力直径，以及每个第二通道具有第二水力直径，其中，第二水力直径小于第一水力直径；以及布置在一定百分比的第二通道中的堵塞物，包含堵塞物的第二通道的百分比小于或等于15％，以及其中，交叉多孔壁还包括：
Tw≤0.20mm，
CD≥62个通道/cm2，
％P≥50％，和
4.0μm≤d50≤30.0μm，
其中，Tw是横向壁厚，CD是通道密度，％P是平均本体孔隙度；以及d50是中值孔直径；以及布置在第一通道和第二通道中的催化剂。
在另一个示例性实施方式中，蜂窝体的制造方法包括：提供包含布置成形成通道的多个交叉多孔壁的蜂窝体，所述通道包括第一通道和第二通道；在一定百分比的第二通道中形成堵塞物以产生堵塞通道，其中，大于零且小于或等于15％的第二通道是堵塞通道。
根据本公开内容的这些和其他实施方式提供了许多其他特征和方面。从以下详细描述、权利要求书和附图会更完整地得到实施方式的其他特征和方面。
附图说明
下面所描述的附图是出于示意性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内容的范围。在整个说明书和附图中使用相同附图标记来表示相同元素。
图1显示根据本公开内容，不对称孔道(AC)蜂窝体和非不对称孔道(非AC)蜂窝体这两者的蜂窝体中的烟炱累积量与总烟炱输入之间的关系的图示代表。
图2示意性显示根据本公开内容的示例性蜂窝体的部分横截面图，所述示例性蜂窝体包含的一些正方形通道的水力直径小于其他正方形通道的水力直径。
图3示意性显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体的部分横截面图，所述示例性蜂窝体包含的一些正方形通道的水力直径小于其他正方形通道的水力直径。
图4示意性显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体的部分横截面图，所述示例性蜂窝体包含的一些正方形通道的水力直径小于其他八边形通道的水力直径。
图5示意性显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体的部分横截面图，所述示例性蜂窝体包含的一些正方形和矩形通道的水力直径小于其他正方形通道的水力直径。
图6示意性显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体的部分横截面图，所述示例性蜂窝体包含的一些矩形通道的水力直径小于其他矩形通道的水力直径。
图7示意性显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体的部分横截面图，所述示例性蜂窝体包含的一些正方形通道的水力直径小于其他正方形通道的水力直径，其中，通道沿着对角线布置成排。
图8示意性显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体的部分横截面图，所述示例性蜂窝体包含的一些三角形通道的水力直径小于其他六边形通道的水力直径。
图9示意性显示包含如图4所示蜂窝体的横截面的部分蜂窝体的示例性输出端，大于零且小于或等于15％的较小通道被堵住。
图10显示根据本公开内容的蜂窝体的示例性制造方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细参考本公开内容的示例性实施方式，它们在附图中示出。在描述实施方式时，叙述了许多具体细节是为了提供对本公开内容的透彻理解。但是，对本领域技术人员显而易见的是，本公开内容可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。除非明确指出，否则本文所描述的各种实施方式的特征可以相互结合。
本文所述的构成各种实施方式的材料、组分和集合旨在是示意性的而不是限制性的。许多合适的材料和组分会起到与本文所述的材料和组分相同或者类似的功能，旨在将它们包含在本公开内容的实施方式的范围内。
根据本公开内容的各种实施方式涉及适用于对汽车尾气进行处理的蜂窝体，并且可以包含提供在其通道中的催化剂。例如，在一些实施方式中，蜂窝体可以包括交叉多孔壁，其可以构造成用作基材来承载催化剂，并且促进了与废气流组分的催化反应。也就是说，蜂窝体可以包括基材用于沉积修补基面涂料，所述修补基面涂料包含一种或多种催化剂金属，例如但不限于：铂、钯、铑或其组合等。这些一种或多种金属催化了废气流(例如，来自内燃机废气的废气流(例如，汽车发动机或者柴油发动机)的废气流)的各种组分之间的至少一个反应。可以添加其他金属(例如，镍和锰)来阻断修补基面涂料对于硫的吸收。催化反应可以包括例如将一氧化碳氧化成二氧化碳。现代三相催化转化剂还可以将氮的氧化物(NOx)还原成氮和氧。此外，根据本公开内容的包含催化剂的蜂窝体可以促进未燃烧的烃类氧化成二氧化碳和水。
来自内燃机的废气流的处理可以利用支撑在蜂窝体的较高表面积基材上的催化剂，并且在柴油发动机和一些汽油发动机的情况下，可以使用催化过滤器或者未经催化的过滤器来去除颗粒。这些应用中的过滤器和催化剂支撑物优选采用如下材料，其在一定范围的pO2条件下是难熔的、耐热冲击的、稳定的，与催化剂体系不具有反应性，并且提供了对废气流的低阻抗。在此类应用中，可以使用包含蜂窝体的多孔陶瓷流通式蜂窝体以及包含部分堵塞通道的壁流式蜂窝过滤器。
根据本公开内容，可以由合适的多孔材料(例如，多孔陶瓷)的多孔壁的交叉矩阵来制造包含蜂窝结构的陶瓷蜂窝体。催化材料可以悬浮在例如无机颗粒和液体载剂的修补基面涂料中。可以通过例如涂覆将修补基面涂料布置在蜂窝基材的通道中。修补基面涂料可以布置在部分或者甚至全部通道中，并且可以包括：壁上涂料、壁内涂料，或者这两种情况。在一些实施方式中，可以堵住一些通道以形成堵塞通道。这之后，涂覆了催化剂的(堵住或者未堵住的)多孔陶瓷蜂窝体可以用缓冲材料包裹并经由装罐工艺接收到罐(或外壳)中。
可以由形成陶瓷的批料混合物形成根据本公开内容的蜂窝体，例如包括形成陶瓷的材料，其可以包括：陶瓷颗粒或者形成陶瓷的前体颗粒或者它们两者，成孔剂，加工助剂(例如，甲基纤维素和油)，以及液体载剂等，及其组合。然后，批料混合物可以塑化并形成生坯蜂窝体。当烧制时，由形成陶瓷的批料混合物所形成的生坯蜂窝体烧结成多孔陶瓷材料，例如，适用于废气处理目的的多孔陶瓷。陶瓷蜂窝体的陶瓷组成可以是堇青石、碳化硅、氮化硅、钛酸铝、氧化铝、以及多铝红柱石等，及其组合。
可以通过挤出工艺形成蜂窝体，其中，将塑化的形成陶瓷的批料混合物挤出成生坯蜂窝体，然后其经过干燥和烧制以形成多孔陶瓷蜂窝体。挤出可以使用液压油缸挤出压机、两段排气单钻挤出机或者双螺杆混合机(在其出料端连接有挤出模头)进行。可以使用其他合适的挤出机或成形方法。
用于产生此类蜂窝体的蜂窝挤出模头可以是多组件装配件，包括例如结合了形成表皮的掩模的形成壁的模头体。例如，美国专利第4,349,329号和第4,298,328号公开了包含形成表皮的掩模的挤出模头。模头体可以结合批料进料孔，所述批料进料孔导致形成在模头面中的排料狭槽的阵列并与其相交，通过所述排料狭槽挤出形成陶瓷的批料材料。挤出形成了相互交叉(crisscross)壁(交叉壁)的互联矩阵，形成中心孔道蜂窝体。可以采用掩模来形成外周表皮，并且掩模可以是环状圆周结构(例如项圈的形式)，其限定了蜂窝体的周界。可以通过以与蜂窝结构的壁的外周相邻的方式挤出批料材料来形成蜂窝体的周界表皮层。
挤出体(称作挤出物)可以进行切割以产生生坯蜂窝体。或者，挤出物可以是蜂窝段的形式，其可以在例如烧制之后与其他经烧制的蜂窝段连接或粘结在一起，从而形成最终分段化的蜂窝体。这些蜂窝区段和所得到的分段化的蜂窝体可以是任何合适的尺寸或形状。
在一些实施方式中，蜂窝体可以包含柴油氧化催化剂(DOC)。使用DOC来促进柴油尾气的一氧化碳(CO)、烃类(HC)以及可溶性有机部分(SOF)的氧化。如本文所用，DOC指的是包含催化涂层的陶瓷蜂窝体。可以在多孔陶瓷蜂窝体的至少一部分的内部多孔壁中和/或内部多孔壁上提供催化剂涂料。根据本公开内容的实施方式还适用于三相催化剂，即构造成与CO、HC和NOx反应的催化剂。
当用于交通工具时，DOC扮演了DOC下游的柴油微粒过滤器(DPF)中的微粒物质的受控再生的角色。柴油微粒过滤器随时间推移收集烟炱颗粒，并最终需要进行再生。柴油微粒过滤器的再生是通过被动模式(其中，废气温度变得高到足以促进烟炱氧化)或者主动模式(其中，将燃料注入到DOC中待氧化的废气中，并提升进入DPF的气体的入口温度从而可以发生再生)完成的。
在许多情况下，用于DOC和DPF的空间受限于交通工具上。因此，需求降低了这些装置所需的空间包壳的DOC和DPF设计。对于流出物与布置在陶瓷蜂窝(例如DOC)通道中的催化剂具有较高反应速率的情况，希望具有减小尺寸以及减少催化剂负载的限制。较大的蜂窝体尺寸和高的催化剂负载可以潜在地提供较高的反应速率，但是会明显增加后处理系统(即，DOC)的成本。根据本公开内容的一个方面，可以通过增加催化剂所处的多孔壁处的与流出物的反应速率，来实现贵金属和蜂窝体尺寸形式的明显成本节约。通过运输限制(即，气体需要与催化剂的表面接触)来控制转化速率。对于DOC而言，降低蜂窝体尺寸的一种解决方案是增加转化效率，即从流出物流去除组分的百分比。
本文公开的蜂窝体构造可以增加通过蜂窝体的多孔壁的流动，从而增加了废气与催化剂之间的接触，并由此增加了相对转化效率。此外，实施方式可以为DOC提供减小的尺寸，以同样的尺寸改善转化效率，和/或尺寸减小与转化效率改善的组合。由于DOC的尺寸减小，根据本公开内容的各种实施方式还可以降低对蜂窝体的壁进行涂覆的催化剂(例如，贵金属催化剂)的量。减小的尺寸和催化剂用量会对降低成本具有贡献作用。
根据本公开内容的各种实施方式提供了：未堵住的流通式蜂窝体，其含有被催化的不止一种水力直径的通道；或者堵住的蜂窝体，其中，小百分比的较小通道被堵住。相邻通道的水力直径的差异可以导致这些相邻通道中的气体速度的差异。如果将相邻通道分隔开的壁具有足够的渗透性，则相邻通道之间的气体速度差异会在壁上施加压差，例如由于伯努利效应所导致的那样。这个压差实现了气流穿过具有催化剂的壁，由于增加了废气与催化剂之间的接触，这提供了转化效率的增加。
为了证实穿过可渗透多孔壁从小水力直径通道进入较大水力直径通道的气流增加，进行如下实验。采用烟炱累积作为气流的代替品，发明人发现对于具有不同通道设计(即，大小通道的组合)的未堵住的蜂窝体，存在烟炱负载能力的差异。
图1显示对于AC蜂窝体(小虚线)和非AC蜂窝体(大虚线)这两者，蜂窝体中的烟炱累积量(单位，克)(纵轴)与总烟炱输入(单位，克；横轴)的函数关系图100。在这个实验中，AC蜂窝体和非AC蜂窝体都是14.4cm直径，15.2cm长，孔道密度(CD)42.6个孔道/cm2，以及横向壁厚(Tw)0.20mm。这两种蜂窝体都是由具有高渗透性(约65％平均本体孔隙度)的相同堇青石材料制造的。AC蜂窝体具有较大通道与较小通道(在蜂窝体上分别具有大的横截面和小的横截面)的组合。因此，大通道和小通道包含了不同的水力面积。非AC蜂窝体所包括的全部通道具有相同横截面积因而具有相同水力面积。
对于这个实验，所使用的废气流是烟炱负载。如上文所述，将烟炱累积量用作通过多孔壁的气流的替代品。从图1可以看出，AC蜂窝体的烟炱累积情况明显高于非AC蜂窝体的烟炱累积情况，其中，两者都是未堵住的蜂窝体。因此，证实了在流通式蜂窝体中，由于同时存在小水力直径通道和大水力直径通道，存在更多的气体流动通过壁。
在根据本公开内容的各种实施方式中，提供了流通式蜂窝体，其包括具有第一水力直径的多个第一通道，以及具有小于所述第一水力直径的第二水力直径的多个第二通道。一些实施方式可以是未堵住的，并且包括布置在通道中的催化剂。例如，可以使用AC蜂窝体构造来承载TWC用于DOC应用。
在其他实施方式中，至少一些第二通道部分可以被堵住，例如靠近蜂窝体的出口端(如下文所述)。图2-8显示了可以用于根据本公开内容的堵住和未堵住实施方式的蜂窝体布置的数个例子。
图2显示根据本公开内容的示例性蜂窝体200的部分横截面图，所述示例性蜂窝体200包含的一些通道的水力直径小于其他通道的水力直径。蜂窝体200包括形成了多个交叉多孔壁202，所述多个交叉多孔壁202形成具有第一水力直径(例如，较大水力面积)的多个四边形第一通道204(一些标记出来)以及具有第二水力直径(例如，较小水力面积)的多个四边形第二通道206(一些标记出来)。本实施方式包括横截面中较大的正方形和较小的正方形。但是，各种实施方式不限于四边形通道。
在这个示例性实施方式中，每个第二通道206具有宽度W2和长度L2。每个第一通道204具有宽度W1和长度L1。在这个示例性实施方式中，W2和L2这两者都等于一个长度单位。因此，每个第一通道204和每个第二通道206都可以包括正方形横截面积。在这个示例性实施方式中，每个第一通道204具有水力直径，以及每个第二通道206具有水力直径。对于正方形通道的水力直径近似为4A/P，式中，A是通道的横向截面面积，以及P是通道的内侧周长。因此，第二通道206的水力直径小于第一通道206的水力直径，并且第一水力直径与第二水力直径之比(水力直径比或HDR)大于1.0。在一些实施方式中，第一水力直径与第二水力直径之比(即，HDR＝第一水力直径/第二水利直径)可以是1.2至2.0。在其他实施方式中，HDR可以是1.3至1.6。
在各种实施方式中，一定百分比的第二(较小)通道206在蜂窝体200的一端被堵住(参见图2-3和5-9)。
在图2所示的通道布置中，每个第二通道206与至少一个第一通道204共享了一个共用壁，并且一部分的第二通道206与相应的两个不同第一通道204共享了两个共用壁。例如，第二通道206A可以包括与第一通道204A共享的壁202A。此外，第二通道206B可以包括壁202B和壁202C。第二通道206B可以与第一通道204A共享壁202B，以及第二通道206B可以与第一通道204B共享壁202C。如果蜂窝体200包括堵塞物205，则堵塞物205可以位于包括了与第一通道204共享了两个壁的第二通道206中。图2显示堵塞物205在一定百分比的较小第二通道206中。如果被堵住的话，则包括堵塞通道的具有堵塞物的第二通道206的百分比应该大于零且小于或等于15％。这实现了最小化的背压，同时还实现了堵塞的堵塞蜂窝体200中强化的烟炱俘获。虽然显示的是具有堵塞物205，但是蜂窝体200可以任选地是未被堵塞住的，其中，堵塞物205的百分比是零，并且通道(第一通道204和第二通道206)分别具有布置在其中的催化剂。可以通过任意合适的堵塞物成形方法来形成堵塞物205以及本文所称的任何其他堵塞物，例如如US4,411,856、US4,427,728、US4,557,682、US4,557,773和US7,922,951所公开的那样。
由于图2所示代表了整个蜂窝体200的部分视图，所以这个图示还显示了部分第二通道210。会理解的是，图2所示的那部分蜂窝体200可以以重复式样延伸以产生根据本公开内容的任何尺寸的蜂窝体200。
图3显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体300的部分横截面图，所述示例性蜂窝体300包含的一些通道的水力直径小于其他通道的水力直径。蜂窝体300包括多个多孔壁302，其形成多个四边形第一通道304和多个四边形第二通道306，其中，第二通道的横截面面积小于第一通道304。各种实施方式不限于四边形通道。每个第一通道304可以具有第一水力直径，以及每个第二通道306可以具有小于第一水力直径的第二水力直径。每个第二通道304与一个第一通道304共享了一个共用壁，并且没有第二通道304与任何第一通道302共享了超过一个共用壁。
例如，参见第一通道304A(这是所有第一通道304的代表)以及第二通道306A(这是所有第二通道306的代表)。第二通道306A与第一通道30A共享了单个壁302A。第二通道306A没有与任何其他第一通道304共享任何其他壁。如果存在堵塞物305的话，则可以在第一通道304与第二通道306之间共享了壁302的地方包含堵塞物305。如果被堵住的话，则包括堵塞通道的具有堵塞物305的第二通道306的百分比应该大于零且小于或等于15％。虽然显示的是具有堵塞物305，但是蜂窝体200可以任选地是未被堵塞住的，其中，堵塞物205的百分比是零，并且通道(第一通道304和第二通道306)分别具有布置在其中的催化剂。
在图3所示的布置中，仅显示了完整的蜂窝体的一部分。因此，沿着左边缘和底边缘，显示了部分的第一通道310。这仅仅是显示重复式样的部分结构的假想图(artifact)。
仍然参见图3，第一水力直径与第二水力直径的HDR可以是1.2至2.0。或者，蜂窝体300的HDR可以是1.3至1.6。
图4显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体400的部分横截面，所述示例性蜂窝体400具有的一些通道的水力直径小于其他通道的水力直径。在这个具有较大通道404(一些标记出来)和较小通道406(一些标记出来)的矩阵的AC构造中，蜂窝体400包括第一组多个第一通道404和第二组多个第二通道406，所述第一通道404包括具有第一水力直径的八边形通道，以及所述第二通道406包括具有小于第一水力直径的第二水力直径的正方形通道。在这个AC构造中，第一和第二通道的壁402是高度多孔的，具有平均本体孔隙度(％P)，其中，％P≥50％。第一通道404与四个第二通道406中的每一个共享了一个相应的共用壁，并且与四个其他第一通道404中的每一个共享了一个相应的共用壁。每个第二通道406与四个第一通道404中的每一个共享了一个相应的共用壁。在这个实施方式中，蜂窝体400未被堵住，即堵住通道的百分比为零，以及壁402包括布置在通道(第一通道404和第二通道406)中的催化剂，作为壁中构造或者壁上构造，或者同时这两种情况。对于TWC应用，可以主要在壁的孔中包含催化剂涂料作为壁中涂料。为了促进良好的修补基面涂料渗透和进一步有助于良好的穿壁气流，蜂窝体400的多孔壁402应该具有如下性质：
Tw≤0.20mm，
CD≥62个通道/cm2，
％P≥50％，和
4.0μm≤d50≤30.0μm，
其中，Tw是横向壁厚，CD是通道密度，％P是平均本体孔隙度，以及d50是中值孔直径。
仍然参见图4，第一水力直径与第二水力直径的HDR可以是1.2至2.0。或者，蜂窝体400的AC构造的HDR可以是1.3至1.6。
图5显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体500的部分横截面，所述示例性蜂窝体500具有的一些通道的水力直径小于其他通道的水力直径。图5中的每个四边形通道被交叉多孔壁502所限定。蜂窝体500提供了：具有第一水力直径的多个第一通道504(一些标记出来)，具有第二水力直径的多个第二通道506(一些标记出来)，具有第二水力直径的多个第三通道508(一些标记出来)，以及具有第三水力直径的多个第四通道510(一些标记出来)。在这个示例性实施方式中，第二水力直径小于第一水力直径。第三水力直径也小于第一水力直径，并且第三水力直径小于第二水力直径。
在蜂窝体500中，第一通道504被交叉多孔壁502所限定。如所示，第一通道504具有一对相对的垂直取向的壁502，它们与第二通道506的相应对是共享的。类似地，如所示，第一通道504具有一对相对的水平取向的壁502，它们与第三通道508的相应对是共享的。第二通道506被交叉壁502所限定。第二通道506具有一对垂直取向的壁502，它们与第一通道504的相应对是共享的。类似地，第二通道506具有一对相对的水平取向的壁502，它们与第四通道510的相应对是共享的。第三通道508被交叉壁502所限定。第三通道508具有一对相对的垂直取向的壁502，它们与第四通道510的相应对是共享的。类似地，第三通道508具有一对相对的水平取向的壁502，它们与第一通道504的相应对是共享的。
仍然参见图5，第一水力直径与第二水力直径的HDR可以是1.2至2.0。或者，蜂窝体500的HDR可以是1.3至1.6。在一些实施方式中，一定百分比的(水力直径小于第一通道504的水力直径的)通道可以在蜂窝体500的一端被堵塞物505堵住。例如，一些通道506可以被堵住，其与第一通道504共享了壁502。任选地，一部分的第三通道508可以被堵住。
如果被堵住的话，则包括堵塞通道的具有堵塞物505的较小的通道(第二通道506加上第三通道508加上第四通道510)的百分比应该大于零且小于或等于15％。虽然显示的是具有堵塞物505，但是蜂窝体500可以任选地是未被堵塞住的，其中，堵塞物505的百分比是零，并且所有通道(第一通道504、第二通道506、第三通道508和第四通道510)分别具有布置在其中的催化剂。
图6显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体600的部分横截面，所述示例性蜂窝体600具有的一些通道的水力直径小于其他通道的水力直径。图6中的每个四边形通道被交叉多孔壁602所限定。蜂窝体600提供了具有第一水力直径的多个第一通道604，以及具有第二水力直径的多个第二通道606。第二水力直径小于第一水力直径。
在蜂窝体600中，第一通道604被交叉多孔壁602所限定。如所示，第一通道604具有一对相对的垂直取向的壁602，它们与其他第一通道604的相应对是共享的。类似地，第一通道604具有一对相对的水平取向的壁602，它们与第二通道606的相应对是共享的。第二通道606也被交叉壁602所限定。第二通道606具有一对垂直取向的壁602，它们与其他第二通道606的相应对是共享的。类似地，第二通道606具有一对相对的水平取向的壁602，它们与第一通道604的相应对是共享的。
仍然参见图6，第一水力直径与第二水力直径的HDR可以是1.2至2.0。或者，蜂窝体600的HDR可以是1.3至1.6。在一些实施方式中，在蜂窝体600的一端(例如，在出口端(使用中的下游端))用堵塞物605将一定百分比的第二通道606堵住。如果被堵住的话，则包括堵塞通道的具有堵塞物605的第二通道606的百分比应该大于零且小于或等于15％。虽然显示的是具有堵塞物605，但是蜂窝体600可以任选地是未被堵塞住的，其中，堵塞物605的百分比是零，并且所有通道(第一通道604和第二通道606)分别具有布置在其中的催化剂。
图7显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体700的部分横截面，所述示例性蜂窝体700具有的一些通道的水力直径小于其他通道的水力直径。多个多孔壁702限定了多个四边形第一通道704和多个四边形第二通道706。第一通道704分别具有第一水力直径，以及第二通道706分别具有第二水力直径。第二水力直径小于第一水力直径。
在蜂窝体700中，第一通道704被多孔的交叉壁702所限定。如所示，第一通道704(图7中显示为大正方形)具有一对相对的垂直取向的壁702，其第一部分与其他第一通道704的相应的第一对应对是共享的，并且其第二部分分别与第二通道706的第一对应对是共享的。第一通道704具有一对水平取向的壁702，其第一部分与其他第一通道704的第二对应对是共享的，并且其第二部分与第二通道706的第二对应对是共享的。第二通道706也被交叉壁702所限定。如所示，第二通道706(图7中显示为小正方形)具有一对相对的垂直取向的壁702，其分别与第一通道704的第一对应对中的每一个的一部分是共享的。如所示，第二通道706还包括一对相对的水平取向的壁702，其分别与第一通道704的第二对应对中的每一个的一部分是共享的。
仍然参见图7，第一水力直径与第二水力直径的HDR可以是1.2至2.0。或者，蜂窝体700的第一水力直径与第二水力直径的HDR可以是1.3至1.6。在一些实施方式中，在蜂窝体700的一端(例如，在出口端)用堵塞物705将一定百分比的第二通道706堵住。如果被堵住的话，则包括堵塞通道的具有堵塞物705的第二通道706的百分比应该大于零且小于或等于15％。虽然显示的是具有堵塞物705，但是蜂窝体700可以任选地是未被堵塞住的，其中，堵塞物705的百分比是零，并且所有通道(第一通道704和第二通道706)分别具有布置在其中的催化剂。
图8显示根据本公开内容的另一个示例性蜂窝体800的部分横截面，所述示例性蜂窝体800具有的一些通道的水力直径小于其他通道的水力直径。多个交叉多孔壁802限定了多个六边形状(六边形)第一通道804(一些标记出来)以及多个三边形(三角形)第二通道806(一些标记出来)。第一通道804分别具有第一水力直径，以及第二通道806分别具有第二水力直径。在各种实施方式中，第二水力直径小于第一水力直径。
在示例性蜂窝体800中，六边形第一通道804的每条边与六个三边形通道806的对应那条边是共享的。此外，三边形第二通道806的每条边与六边形第一通道804的对应那条边是共享的。
仍然参见图8，第一水力直径与第二水力直径的HDR可以是1.2至2.0。或者，蜂窝体800的HDR可以是1.3至1.6。在一些实施方式中，在蜂窝体800的一端(例如，在出口端)用堵塞物805将一定百分比的第二通道806堵住。如果被堵住的话，则包括堵塞通道的具有堵塞物805的第二通道806的百分比应该大于零且小于或等于15％。虽然显示的是具有堵塞物805，但是蜂窝体800可以任选地是未被堵塞住的，其中，堵塞物805的百分比是零，并且所有通道(第一通道804和第二通道806)分别具有布置在其中的催化剂。
图9显示蜂窝体900的AC构造的示例性出口端，大于零且小于或等于15％的第二通道906(较小通道)被堵塞物905堵住。蜂窝体900的长度指的是其从一端到另一端的长度。可以将第一个此类端部指定为入口端，以及可以将另一端指定为出口端。
蜂窝体900包括AC构造，其包括交替的第一通道904和第二通道906。每个第一通道904具有第一水力直径，以及每个第二通道906具有小于第一水力直径的第二水力直径。如图9所示，在靠近蜂窝体900的出口端布置了堵塞物905。根据本公开内容，堵塞物905布置在了非零百分比但是并非全部的第二通道906中。也就是说，在这个示例性实施方式中，堵塞物905放置在一定百分比的具有较小水力直径的通道中，其中，该百分比大于零且小于或等于15％。
下表1显示了HDR和被堵住的小水力直径通道(例如，第二通道)的分数与(下文所述的)蜂窝体上的压降和穿过蜂窝体的多孔壁的流的百分比之间的关系。
表1
HDR 堵住通道百分比 压降(kPa) 穿过壁的流动％
1 1％ 0.4543 0.9748
1 2％ 0.4544 0.195
1 4％ 0.4546 3.9
1 8％ 0.4549 7.8
1 15％ 0.4556 14.67
1.3 1％ 0.523 0.98
1.3 2％ 0.5234 1.96
1.3 4％ 0.5236 3.93
1.3 8％ 0.5240 7.86
1.3 15％ 0.5246 14.75
1.6 1％ 0.701 0.99
1.6 2％ 0.701 1.98
1.6 4％ 0.7015 3.95
1.6 8％ 0.7019 7.91
1.6 15％ 0.7024 14.84
表1显示对于直径为11.8cm、长度为10.2cm、壁厚为0.05mm、93个通道/cm2、壁平均本体孔隙度为50％以及壁中值孔直径为19μm的蜂窝体的不同HDR和堵塞分数。对于50kg/小时的气体质量流速和450℃的气体温度，计算了压降和穿过壁的流动分数。
由于堵塞住了蜂窝体增加了蜂窝体上的压降，在各种实施方式中，包含堵塞物的第二通道的百分比可以小于或等于15％，在其他实施方式中，小于或等于12％，以及在其他实施方式中，小于或等于10％。
对于图2-3和5-9所示的示例性蜂窝体构造，在各种实施方式中，包含堵塞物的第二通道的百分比可以大于2％，在其他实施方式中，大于4％，以及在其他实施方式中，大于5％。在其他实施方式中，该百分比可以大于2％且小于或等于15％，或者甚至可以大于2％且小于或等于12％。在一些实施方式中，平均本体孔隙度％P可以大于或等于50％，大于或等于55％，大于或等于60％，或者在一些实施方式中甚至大于或等于65％。在一些实施方式中，平均本体孔隙度％P可以大于或等于50％且小于或等于70％。
在一些实施方式中，通道密度CD可以大于或等于62个通道/cm2，在其他实施方式中，可以大于或等于93个通道/cm2，以及在其他实施方式中，可以大于或等于124个通道/cm2。在一些实施方式中，壁厚Tw可以小于或等于0.20mm，在其他实施方式中，可以小于0.15mm，以及在其他实施方式中，可以小于0.10mm。
在一些实施方式中，中值孔直径可以是4.0μm至30.0μm，或者甚至7.0μm至20.0μm。陶瓷蜂窝体还应该展现出足够低到对于特定应用实现合适的热冲击抗性的热膨胀系数(CTE)。例如，蜂窝体的CTE可以小于或等于20.0x 10-7/℃(从25℃至800℃进行测量)，或者甚至可以小于或等于15.0x 10-7/℃(从25℃至800℃进行测量)。
对于AC构造，HDR可以是1.2至2.0，并且在一些实施方式中，甚至可以是1.3至1.6。相比于较低的HRD，较高的HDR导致更高百分比的穿过壁的流动。因此，可以俘获额外的烟炱。可以通过对每种构造选择和使用适当的挤出模头，来产生所需的壁厚Tw和通道密度CD。可以通过对合适尺寸的形成陶瓷的原材料和批料混合物中的成孔剂的量和尺寸进行选择，来产生所需的平均本体孔隙度％P和中值孔径。发现展现出上述性质的含堇青石材料良好地适用于作为TWC基材和包含TWC的部分过滤器。
在一些实施方式中，蜂窝体包括：大于2％且小于或等于15％的包含堵塞物的第二通道百分比，大于50％的平均本体孔隙度％P，大于或等于62个通道/cm2的通道密度CD，小于或等于0.20mm的壁厚Tw，4.0μm至30.0μm的中值孔直径，以及1.2至2.0的HDR。
图10显示根据本公开内容的蜂窝体的示例性制造方法1000的流程图。在方框1002，方法1000提供了生坯蜂窝体。在一些实施方式中，通过将形成陶瓷的批料混合物挤出通过挤出模头来形成生坯蜂窝体。在方框1004，方法100包括对生坯蜂窝体进行烧制以产生具有第一水力直径的第一通道和具有第二水力直径的第二通道，其中，第二水力直径小于第一水力直径。通常来说，烧制不会明显改变HDR之比，尽管由于烧制可能存在一些收缩情况。通过烧制形成的陶瓷蜂窝体可以由任意合适的材料制得，包括但不限于：堇青石、碳化硅、氮化硅、钛酸铝、氧化铝或者多铝红柱石等，及其组合。
在方框1006，方法1000在第一通道和第二通道中布置了催化剂。在第一通道和第二通道中布置催化剂可以包括用含催化剂的修补基面涂料涂覆蜂窝体。此类修补基面涂料可以包含例如一种或多种金属，例如但不限于：铂、钯、铑，或其组合。第一通道和第二通道可以包括壁上涂料、壁中涂料，或者同时包含这两种情况。含催化剂涂料可以是TWC涂料，氧化催化剂，NOx还原催化剂(例如SCR催化剂)以及SOx催化剂等。对于TWC涂料，可以将修补基面涂料布置在通道中(同时布置在较大的通道和较小的通道中)，主要作为壁中涂料。可以通过任意合适的方法(例如，浸涂)向通道施加催化剂涂料。可以在蜂窝体中进行了堵塞之后施涂催化剂涂料，其中，蜂窝体包含小百分比(≤15％)的堵塞的较小通道。
在方框1008，方法1000包括在一定百分比的第二通道(即，具有较小水力直径的通道)中形成堵塞物。
首字母缩写“AC”指的是不对称孔道。
首字母缩写“DOC”指的是柴油氧化催化剂。
首字母缩写“DPF”指的是柴油微粒过滤器。
术语“水力直径”指的是用于表述以它们的圆形等价形式而言的非圆形通道的流体流动特性和压降特性的参数。用于确定水力直径的通式是DH＝4A/P，式中，DH是水力直径，A是通道的流动横截面面积，以及P是通道的润湿周长。
因此，对于正方形的第二通道206，水力直径等于2xW2xL2/W2+L2，式中，W2是宽度，以及L2是第二通道206的长度(参见图2)。对于正方形的第一通道204，水力直径等于2xW1xL1/W1+L1，式中，W1是宽度，以及L1是蜂窝体200中的第一通道206的长度。可以采用上文的通式DH＝4A/P来计算本文公开的其他形状的水力直径。
尽管本文可能使用了术语第一、第二等来描述各种元件、组件、区域、部件或区段，但是这些元件、组件、区域、部件或区段不应受到这些术语的限制。术语可以被用于将一种元件、组件、区域、部件或区段与另一种元件、组件、区域、部件或区段区别开。例如，上文讨论的第一元件、组件、区域、部件或区段可以记作第二元件、组件、区域、部件或区段，这没有背离本公开内容的教导。
虽然已经以示例性形式公开了本公开内容的实施方式，但是可以做出许多修改、添加和删减，这没有背离本公开内容以及权利要求书及其等价形式的范围。

Claims (19)

1.一种催化蜂窝体，其包括：
交叉多孔壁的矩阵，其形成以通道密度(CD)布置的第一通道和第二通道，和
布置在一定百分比的第二通道中的堵塞物，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比是大于零且小于或等于15％，
其中，交叉多孔壁具有横向壁厚(Tw)、平均本体孔隙度(％P)和中值孔直径(d50)，其中：
Tw≤0.20mm，
CD≥62个通道/cm2，
％P≥50％，和
4.0μm≤d50≤30.0μm以及，
其中，第一通道包括第一水力直径，以及第二通道包括第二水力直径，所述第二水力直径小于所述第一水力直径。
2.如权利要求1所述的催化蜂窝体，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比小于或等于12％。
3.如权利要求2所述的催化蜂窝体，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比小于或等于10％。
4.如权利要求1所述的催化蜂窝体，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比是0.5％至15％。
5.如权利要求4所述的催化蜂窝体，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比是2％至15％。
6.如权利要求4所述的催化蜂窝体，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比是4％至15％。
7.如权利要求4所述的催化蜂窝体，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比是5％至15％。
8.如权利要求4所述的催化蜂窝体，其中，具有堵塞物的第二通道的百分比是2％至12％。
9.如权利要求1所述的催化蜂窝体，其中，CD≥93个通道/cm2。
10.如权利要求9所述的催化蜂窝体，其中，CD≥124个通道/cm2。
11.如权利要求1所述的催化蜂窝体，其中，Tw≤0.15mm。
12.如权利要求11所述催化的蜂窝体，其中，Tw≤0.10mm。
13.如权利要求1所述的催化蜂窝体，其中，第一通道包括第一水力直径，以及第二通道包括第二水力直径，所述第二水力直径小于所述第一水力直径，以及其中，第一水力直径除以第二水力直径的比值是1.2至2.0。
14.如权利要求13所述的催化蜂窝体，其中，第一水力直径与第二水力直径之比是1.3至1.6。
15.如权利要求1所述的催化蜂窝体，其中，蜂窝体包括出口端，以及第二通道中的堵塞物位于靠近出口端。
16.一种催化蜂窝体，其包括：
交叉多孔壁的矩阵，其形成第一通道和第二通道，每个第一通道具有第一水力直径，以及每个第二通道具有第二水力直径，其中，所述第二水力直径小于所述第一水力直径；和
布置在出口端的一定百分比的第二通道中的堵塞物，具有堵塞物的第二通道的百分比是大于零且小于或等于15％；和
布置在第一通道和第二通道的多孔壁上的催化剂；
其中，交叉多孔壁具有横向壁厚(Tw)、通道密度(CD)、平均本体孔隙度(％P)和中值孔直径(d50)，其中：
Tw≤0.20mm，
CD≥62个通道/cm2，
％P≥50％，和
4.0μm≤d50≤30.0μm。
17.一种催化蜂窝体，其包括：
交叉多孔壁的矩阵，其形成第一通道和第二通道，其中，每个第一通道包括第一水力直径，以及每个第二通道包括第二水力直径，其中，所述第二水力直径小于所述第一水力直径；和
布置在一定百分比的第二通道中的堵塞物，具有堵塞物的第二通道的百分比小于或等于15％；以及
布置在第一通道和第二通道中的催化剂；
其中，交叉多孔壁具有横向壁厚(Tw)、通道密度(CD)、平均本体孔隙度(％P)和中值孔直径(d50)，其中：
Tw≤0.20mm，
CD≥62个通道/cm2，
％P≥50％，和
4.0μm≤d50≤30.0μm。
18.一种制造蜂窝体的方法，所述方法包括：
将蜂窝体中一定百分比的第二通道堵住，所述蜂窝体包括布置成形成第一通道和第二通道的多个交叉多孔壁，以及
在通道中施涂催化剂，
其中，被堵住的第二通道的百分比大于零且小于或等于15％的第二通道，以及
其中，第一通道包括第一水力直径，以及第二通道包括第二水力直径，其中，所述第二水力直径小于所述第一水力直径。
19.如权利要求18所述的制造蜂窝体的方法，其中，所述多个交叉多孔壁，
其中，交叉多孔壁具有横向壁厚(Tw)、通道密度(CD)、平均本体孔隙度(％P)和中值孔直径(d50)，其中：
Tw≤0.20mm，
CD≥62个通道/cm2，
％P≥50％，和
4.0μm≤d50≤30.0μm。
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