CN113262582B - 复合蜂窝主体、尾气处理制品、排放系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本文提供了一种复合蜂窝主体，其包含具有体积V1的第一蜂窝区段和流体连接至第一蜂窝且具有体积V2的第二蜂窝区段。第一蜂窝区段包含低质量高孔隙率的多孔陶瓷基材。第二蜂窝区段包含标准多孔陶瓷基材。其中，V1/V2之比在约50/50至约10/90的范围内。

Description

复合蜂窝主体、尾气处理制品、排放系统及其制造方法
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2016/063895，国际申请日为2016年11月29日，进入中国国家阶段的申请号为201680070047.2，发明名称为“复合蜂窝主体、尾气处理制品、排放系统及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年11月30日提交的序列号为62/260847的美国临时申请的优先权，本申请以该文为基础，该文的内容通过引用全文纳入本申请。
背景
领域
本公开的示例性实施方式涉及复合蜂窝主体、包含所述复合蜂窝主体的尾气处理制品、包含所述尾气处理制品的排放系统及其制造方法，更具体而言，涉及一种包含第一蜂窝区段和第二蜂窝区段的复合蜂窝主体、包含设置在壳体中的蜂窝主体区段的尾气处理制品、包含所述尾气处理制品的排放系统及其制造方法。
背景讨论
对从内燃机中排出的尾气所进行的后处理可使用负载在高表面积基材上的催化剂，且可针对柴油发动机以及一些汽油直喷发动机使用用于除去碳烟炱颗粒的催化或非催化过滤器。可在这些应用中使用多孔陶瓷流通蜂窝基材和壁流式蜂窝过滤器。
背景部分中公开的上述信息仅用于增强对本公开的技术背景的理解并且因此可能含有不构成现有技术任意部分的信息或现有技术对本领域普通技术人员的可能启示。
概述
本公开的一些示例性实施方式提供了一种具有第一蜂窝区段和第二蜂窝区段的复合蜂窝主体。
本公开的一些示例性实施方式还提供了一种具有所述复合蜂窝主体的尾气处理制品。
本公开的一些示例性实施方式还提供了一种具有所述尾气处理制品的排放系统。
本公开的附加特征将在下文的描述中阐述，且其在某种程度上会通过描述或对本公开的实施而变得显而易见。
一种实施方式的实施方式公开了一种复合蜂窝主体，其包含轴向延伸距离L1的第一蜂窝区段和流体连接至第一蜂窝区段且延伸距离L2的第二蜂窝区段。第一蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第二蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第二蜂窝区段的热质量大于第一蜂窝区段的热质量。其中，L1/L2之比在约50/50至约10/90的范围内。
一种示例性的实施方式公开了一种复合蜂窝主体，其包含具有体积V1的第一蜂窝区段和与第二蜂窝区段流体连接且具有体积V2的第二蜂窝区段。第一蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第一蜂窝区段的热质量小于第二蜂窝区段。第二蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。其中，V1/V2之比在约50/50至约10/90的范围内。
另一种示例性的实施方式公开了一种尾气处理制品。该尾气处理制品包含复合蜂窝主体和配置成安装所述复合蜂窝主体的壳体。所述复合蜂窝主体包含具有体积V1的第一蜂窝区段和流体连接至第一蜂窝区段且具有体积V2的第二蜂窝区段。第一蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第二蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第二蜂窝区段的热质量大于第一蜂窝区段的热质量。其中，V1/V2之比在约50/50至约10/90的范围内，且所述复合蜂窝主体设置在由壳体的内表面所限定的空间中。
另一种示例性的实施方式公开了一种排放系统。该排放系统包含入口、尾气处理制品和出口，其中，入口配置成接收要被净化的尾气流，尾气处理制品配置成使尾气流流过复合蜂窝主体以净化该尾气流，出口配置成排出经过净化的尾气流。所述尾气处理制品包含复合蜂窝主体和配置成安装所述复合蜂窝主体的壳体。所述复合蜂窝主体包含轴向延伸距离L1的第一蜂窝区段和流体连接至第一蜂窝区段且延伸距离L2的第二蜂窝区段。第一蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第一蜂窝区段的多孔陶瓷通道壁的孔隙率（%P）大于或等于40%。第二蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第二蜂窝区段的多孔陶瓷通道壁的孔隙率（%P）小于40%。其中，L1/L2之比在约50/50至约10/90的范围内，且所述复合蜂窝主体设置在由壳体的内表面所限定的空间中。
一种示例性的实施方式还公开了一种尾气处理制品的制造方法。所述方法包括将复合蜂窝主体安装在壳体中，所述壳体配置成将复合蜂窝主体固定在尾气流中。所述复合蜂窝主体包含轴向延伸距离L1的第一蜂窝区段和流体连接至第一蜂窝区段且延伸距离L2的第二蜂窝区段。第一蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第一蜂窝区段的多孔陶瓷通道壁的孔隙率（%P）大于或等于40%。第二蜂窝区段包含外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道。第二蜂窝区段的多孔陶瓷通道壁的孔隙率（%P）小于40%。其中，L1/L2之比在约50/50至约10/90的范围内，且所述复合蜂窝主体设置在由壳体的内表面所限定的空间中。安装包括将所述第一蜂窝区段和第二蜂窝区段设置在由所述壳体的内表面所限定的内部空间中。
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，并且意在对本公开提供进一步解释。
附图的简要说明
附图用来帮助进一步理解本公开，纳入说明书中并构成说明书的一部分，附图显示了本公开的示例性实施方式，与说明书一起用来解释本公开的原理。
图1图示了根据本公开的一些示例性实施方式的示意性的复合蜂窝主体，其具有第一蜂窝区段和第二蜂窝区段。
图2显示了根据本公开的一些示例性实施方式的排放系统的示意图，所述排放系统包含设置在壳体中的复合蜂窝主体，其中，所述复合蜂窝主体包含第一蜂窝区段和第二蜂窝区段。
图3显示了在进行由四个重复的ECE-15城市循环工况（UDC）和一个市郊循环工况（EUDC）构成的新欧洲汽车法规循环工况（NEDC）测试循环的过程中，柴油发动机的典型排放温度在大多数测试中都是相当低的（例如，低于约200℃）。
图4是高孔隙率基材（FLORA™）和标准基材的计算热响应。高孔隙率基材加热和冷却得比标准基材更快。为了清楚起见，只显示了NEDC循环的一部分。
图5是显示高孔隙率基材、根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材以及标准基材的计算的CO转化百分比相对效益图，其中，所述复合基材由高孔隙率区段和下游标准区段构成，且所述下游区段位于高孔隙率区段比标准区段的各种比例长度上。
图6显示了高孔隙率基材、根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材以及标准基材的计算压降，其中，所述复合基材由高孔隙率区段和下游标准区段构成，且所述下游区段位于高孔隙率区段比标准区段的各种比例长度上。
图7是距离出口10 mm的高孔隙率基材、根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材以及标准基材设计的计算热响应。
图8是显示高孔隙率基材、根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材以及标准基材的计算的CO转化百分比相对效益图，其中，所述高孔隙率基材的CO转化百分比相对效益随孔密度和壁厚（设计）而变化，所述复合基材由高孔隙率区段和下游标准区段构成，且所述下游区段位于高孔隙率区段比标准区段的各种比例长度上，且所述复合基材的计算的CO转化百分比相对效益随上游高孔隙率区段设计而变化。
图9显示了根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材的优势，即，其计算的CO转化百分比相对效益随高孔隙率区段几何表面积/体积密度的增大而增大，所述复合基材由高孔隙率区段和下游标准区段构成，且所述下游区段位于高孔隙率区段比标准区段为30/70的长度处。
图10显示了根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材的优势，即，其计算的CO转化百分比相对效益随位于高孔隙率区段比标准区段为30/70的长度处的高孔隙率区段的通道开口而变化。
详细描述
下文中将参照附图对本公开进行更完整的描述，附图中给出了本公开的示例性实施方式。但是，本公开的不同方面能够以多种不同的形式实施，从而不应被理解成受限于本文提出的实施方式。相反，提供这些实施方式使得说明透彻，并能够向本领域技术人员完整地展示本公开的范围。附图中，为了清楚起见，可能对一些层和区域的尺寸和相对尺寸进行了夸张。
应当理解的是，当描述构件或层“在另一个构件或层上”、“连接至”或“毗邻”另一构件或层时，其可以直接在另一构件或层上、直接连接至或直接毗邻另一构件或层，或者可存在中间构件或层。相反，当描述构件或层“直接在另一构件或层上”、“直接连接至”或“直接毗邻”另一构件或层时，不存在中间构件或层。图中相同的附图标记表示相同的元素。应当理解的是，出于本公开的目的，“X、Y和Z中的至少一个（种）”可被解释为仅X、仅Y、仅Z，或者两个或更多个项目X、Y和Z的任意组合（例如XYZ、XYY、YZ、ZZ）。当描述一个数值在A至B的范围内时，应当理解的是，端点A和B包含在该范围内。
尽管使用了诸如顶部、底部、侧、上、下、垂直以及水平这样的术语，本公开不受这些示例性实施方式所限。可在本文中使用空间相对性术语，例如“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“侧”、“以下”、“下方”、“低于”、“上方”、“上”等，以便于对图中所示的一个元素或特征相对于另一个或多个元素或特征的关系进行描述。应当理解的是，空间相对性术语旨在包含使用或运行中的装置除了图中所示朝向以外的不同朝向。例如，如果图中装置翻转，则描述为在其它元素或特征“下方”或“以下”的元素将会取向成位于所述其它元素或特征的“上方”。因此，示例性术语“下方”可包含上方和下方的朝向。装置可朝向其它方向（旋转90度或其它朝向），本文使用的空间相对性描述用语也作相应理解。
用来描述本公开实施方式的修饰例如组合物中成分的量、浓度、体积、过程温度、过程时间、产量、流速、压力、粘度等数值及它们的范围的“约”是指数量的变化，可发生在例如：制备材料、组合物、复合物、浓缩物或应用制剂的典型测定和处理步骤中；这些步骤中的无意误差；制造、来源或用来实施所述方法的原料或成分的纯度方面的差异中；以及类似的考虑因素中。术语“约”还包括由于组合物或制剂的老化而与特定的初始浓度或混合物不同的量，以及由于混合或加工组合物或制剂而与特定的初始浓度或混合物不同的量。
在这些示例性的实施方式中，本公开的制品和本公开的用于制造该制品的方法提供了一个或多个优势特征或方面，包括例如下文所述的特征和方面。在任何权利要求中列出的特征或方面通常可应用于本公开的所有方面。在任一项权利要求中所述的任何单个或多个特征或方面可以结合任一项或多项其它权利要求中所述的任何其它特征或方面或与任一项或多项其它权利要求中所述的任何其它特征或方面置换。
本公开的一些示例性实施方式涉及一种改善的包含复合蜂窝主体的尾气处理制品、包含该尾气处理制品的尾气处理系统（排放系统）及其制造方法。复合蜂窝主体包含第一蜂窝区段和第二蜂窝区段，尾气处理制品可包含设置在壳体中的蜂窝主体区段，排放系统可包含尾气处理制品，且其制造方法可包括将蜂窝主体区段设置在壳体中。
当内燃机冷启动时，大量未燃烧的烃和一氧化碳可在最初几分钟或内燃机变热之间排出。大量未燃烧的烃和一氧化碳也可能通过冷的催化剂而未被转化成CO2和H2O。使催化剂紧挨着发动机，例如将其定位在距离发动机排气歧管六英寸（15.24 cm）以内能够通过使催化剂更快变热来减少未燃烧的烃（HC）和一氧化碳（CO）。然而，就例如驾驶循环中的汽车而言，冷启动排放可占总排放的大于80%。
催化剂变热后，经过约20～30秒，大部分排放物（HC、CO、NOx）被热的催化剂转化为CO2、H2O和N2。为了缩短使催化剂变热的时间，可采用具有高孔隙率和显著更低密度的更低质量的密耦基材。例如，密度可比具有相似孔密度和壁厚的标准多孔陶瓷蜂窝基材小约30%。例如，当认为堇青石密度约为2.5 g/cm3时，由堇青石制成的400/6标准多孔陶瓷蜂窝基材可具有约0.41 g/cm3的密度和约27的百分比孔隙率（%P），而由堇青石制成的400/6低质量多孔陶瓷蜂窝基材可具有约0.31 g/cm3的密度和约45 %P、约0.25 g/cm3的密度和约55 %P或约0.20 g/cm3的密度和约65 %P。例如，由堇青石制成的600/3标准多孔陶瓷蜂窝基材可具有约0.26 g/cm3的密度和约27 %P，而由堇青石制成的600/3低质量多孔陶瓷蜂窝基材可具有约0.20 g/cm3的密度和约45 %P、约0.16 g/cm3的密度和约55 %P或约0.12 g/cm3的密度和约65%的孔隙率。
另一个例子是，当材料是钛酸铝复合材料，例如，约70%的密度约为3.7 g/cm3的钛酸铝相和约30%的密度约为3.0 g/cm3的锶长石相得到复合材料密度约为3.5 g/cm3时，由钛酸铝复合材料制成的400/6标准多孔陶瓷蜂窝基材可具有约0.57 g/cm3的密度和约27的百分比孔隙率（%P），而由钛酸铝复合材料制成的400/6低质量多孔陶瓷蜂窝基材可具有约0.43 g/cm3的密度和约45 %P、约0.35 g/cm3的密度和约55 %P或约0.28 g/cm3的密度和约65 %P。例如，由钛酸铝复合材料制成的600/3标准多孔陶瓷蜂窝基材可具有约0.36 g/cm3的密度和约27 %P，而由钛酸铝制成的600/3低质量多孔陶瓷蜂窝基材可具有约0.27 g/cm3的密度和约45 %P、约0.22 g/cm3的密度和约55 %P或约0.17 g/cm3的密度和约65%的孔隙率。可对更低质量的高孔隙率基材的端部进行封堵，以形成质量比未封堵时的基材更高的过滤器或局部过滤器。
可利用更低质量的基材提供相较于标准基材更快速的起燃。这些本文中称为“高孔隙率基材”的低质量高孔隙率基材可减少发动机外排放。测试显示，将这种低质量高孔隙率基材用于密耦催化剂使HC减少了近10%。
诸如FLORA™基材这样的高孔隙率基材提供了实现更早的催化剂起燃以及最终减少尾气管排放的潜力。高孔隙率基材可有益于高温应用，例如用于三元催化剂（TWC）的汽油薄壁催化剂。然而，已开发高孔隙率基材用于低温应用，例如用于具有低发动机排放温度的柴油发动机或现代高效发动机的柴油氧化催化剂（DOC）。模型显示，高孔隙率基材可能不利于低温短暂驾驶循环，事实上可能导致低温短暂驾驶循环后累计排放的恶化。这受到尾气温度跌至催化剂起燃温度以下时快速发生的催化剂冷却的影响，这被称为“熄灭”。高孔隙率基材可能快速冷却，从而导致更高的排放。
本公开的一些示例性实施方式的另一个方面涉及改善的压降。例如，为了得到更高的CO转化，可能需要使孔密度为400孔每平方英寸（cpsi）（62孔每平方厘米（cpsc））且壁厚为4密耳（0.1 mm）的（400/4）基材具有更高的孔密度，例如变为孔密度为600 cpsi（93cpsc）且壁厚为3密耳（0.08 mm）的（600/3）基材。然而，这种改变可伴随压降（PD）的恶化。本公开的一些示例性实施方式能够减轻PD的恶化。本公开的一些示例性实施方式的另一个方面提供改善的通道开口，以在保持良好排放转化的同时将由灰尘引起的端面堵塞降至最低。
多孔陶瓷蜂窝主体的制造可通过以下处理来完成：使陶瓷粉末批料混合物塑化，通过蜂窝挤出模具挤出混合物以形成蜂窝挤出物，然后对挤出物进行切割、干燥和烧制，以生产具有从第一端面向第二端面轴向延伸的通道的具有高强度和耐热性的陶瓷蜂窝主体。批料一旦沿轴向离开挤出机就硬化成包含轴向延伸交叉壁（网格）的潮湿挤出物，这些交叉壁形成轴向延伸的通道和轴向延伸的外周表面。网格和通道构成矩阵。外周表面设置在矩阵的外周处。本文中，外周表面可被称为共挤出表皮、整体形成的共挤出表皮即表皮。本文中，与矩阵上的表皮一起被挤出的陶瓷蜂窝主体器皿生坯或多孔陶瓷蜂窝主体被称为挤出成形蜂窝主体。如本文所用，陶瓷蜂窝主体包括陶瓷蜂窝整体件和陶瓷分段式蜂窝主体。
共挤出外表皮或之后施涂的外表面可形成从陶瓷蜂窝主体的第一端面向第二端面轴向延伸的外周表面。可在蜂窝主体的由交叉壁（网格）限定的各个通道（无论是整体式还是分段式）的入口面或出口面进行封堵，以生产过滤器。当留下一些通道不进行封堵时，可生产局部过滤器。可对蜂窝主体（无论是整体式还是分段式）进行催化，以生产基材。本文中，未封堵的蜂窝主体一般称为基材。经过催化的基材可具有之后施涂的催化剂或包含挤出的催化剂。此外，可对过滤器和局部过滤器进行催化，以提供多种功能。由此制成的陶瓷蜂窝主体被广泛用作用于对流体（例如净化发动机尾气）进行清洁的催化剂载体、膜载体、壁流式过滤器、局部过滤器以及它们的组合。
陶瓷蜂窝主体的组成不受特别限制，可包含大量和少量的堇青石、钛酸铝、莫来石、β-锂辉石、碳化硅、沸石等以及它们的组合。作为另一个例子，陶瓷蜂窝主体可包含挤出的沸石或其它挤出的催化剂。
陶瓷蜂窝主体可设置在排放系统中的壳体（罐状容器）中。壳体可指罐状容器，且将陶瓷蜂窝主体设置在罐状容器中的处理可被称为封装。设置在罐状容器中的陶瓷蜂窝主体可被称为是经过封装的。
图1图示了根据本公开的一些示例性实施方式的示意性的复合蜂窝主体90，其具有第一蜂窝区段100和第二蜂窝区段200。复合蜂窝主体90可包含经过催化的第一区段100和第二区段200。第一蜂窝区段100具有长度L1、体积V1，且包含第一端面102和第二端面104，且具有从第一端面102向第二端面104延伸的外周表面106。根据本公开的一些示例性实施方式的能够形成沿轴向“A”在相反的端面102、104之间延伸的相互邻接的通道110的多个交叉壁108形成蜂窝矩阵。图中例示了能够形成在端面102、104之间延伸的通道114的交叉壁112。轴向以箭头“A”表示，与轴向垂直的最大截面尺寸以“D1”表示。例如，当第一蜂窝区段100是圆柱形时，最大尺寸“D1”可以是端面的直径。例如，当与轴向垂直的第一蜂窝截面区段是矩形时，最大尺寸“D1”可以是端面的对角线。顶面102是指定位于图1中的第一蜂窝区段100的第一端面102，而底面104是指第一蜂窝区段100的第二端面104，另外，这些端面不受第一蜂窝区段100的朝向所限。顶面102可以是第一蜂窝区段100的入口面，而底面104可以是第一蜂窝区段100的出口面。第一蜂窝区段100的外周表面106从第一端面102向第二端面104轴向延伸。
第一蜂窝区段100的孔密度可在每平方英寸约100至1200孔（cpsi）之间。典型的孔壁厚可在约0.025 mm至约1.5 mm（约1至60密耳）的范围内。例如，第一蜂窝区段100的几何构型可以是400 cpsi与壁厚约8密耳（400/8）或约6密耳（400/6）的组合。其它几何构型包括例如100/17、200/12、200/19、270/19、350/3、400/3、400/4、500/2、600/2、600/3、600/4、750/2、900/2、900/3、1200/2，甚至是750/1和900/1。如本文所用，第一蜂窝区段100旨在包括总体上呈蜂窝状的结构，而非严格限制于正方形结构。例如，可以使用六边形、八边形、三角形、矩形或任何其它合适的孔形状。此外，尽管多孔的第一蜂窝区段100的截面是圆形的，但不限于此，例如，该截面可以是椭圆形、正方形、矩形或其它所需形状以及它们的组合。
第二蜂窝区段200具有长度L2、体积V2，且包含第一端面202和第二端面204，且具有从第一端面202向第二端面204延伸的外周表面206。根据本公开的一些示例性实施方式的能够形成沿轴向“A”在相反的端面202、204之间延伸的相互邻接的通道210的多个交叉壁208形成蜂窝矩阵。图中例示了能够形成在端面202、204之间延伸的通道214的交叉壁212。轴向以箭头“A”表示，与轴向垂直的最大截面尺寸以“D2”表示。例如，当第二蜂窝区段是圆柱形时，最大尺寸“D2”可以是端面的直径。例如，当与轴向垂直的第二蜂窝截面区段是矩形时，最大尺寸“D2”可以是端面的对角线。顶面202是指定位于图1中的第二蜂窝区段200的第一端面202，而底面204是指第一蜂窝区段200的第二端面204，另外，这些端面不受第二蜂窝区段100的朝向所限。顶面202可以是第二蜂窝区段200的入口面，而底面204可以是第二蜂窝区段100的出口面。第二蜂窝区段200的外周表面206从第一端面202向第二端面204轴向延伸。
第二蜂窝区段200的孔密度可在每平方英寸约100至1200孔（cpsi）之间。典型的孔壁厚可在约0.025 mm至约1.5 mm（约1至60密耳）的范围内。例如，第二蜂窝区段200的几何构型可以是400 cpsi与壁厚约8密耳（400/8）或约6密耳（400/6）的组合。其它几何构型包括例如100/17、200/12、200/19、270/19、350/3、400/3、400/4、500/2、600/2、600/3。600/4、750/2、900/2、900/3、1200/2，甚至是750/1和900/1。如本文所用，第二蜂窝区段200旨在包括总体上呈蜂窝状的结构，而非严格限制于正方形结构。例如，可以使用六边形、八边形、三角形、矩形或任何其它合适的孔形状。此外，尽管多孔的第二蜂窝区段200的截面是圆形的，但不限于此，例如，该截面可以是椭圆形、正方形、矩形或其它所需形状以及它们的组合。
具有长度L的复合蜂窝主体90包含长度L1、体积V1的第一蜂窝区段100和长度L2、体积V2的第二蜂窝区段200。第一蜂窝区段100包含高孔隙率基材，而第二蜂窝区段200包含标准基材。第一蜂窝区段100可包含高孔隙率基材，而第二蜂窝区段200可包含通过例如更低的孔隙率或具有端部封堵物而具有比第一蜂窝区段更高质量的高孔隙率基材。第二蜂窝区段200流体连接至第一蜂窝区段100。蜂窝区段100与200的流体相连是指流体（例如尾气）例如从入口102向出口104流过第一蜂窝区段100，随后例如从入口202向出口204流过第二蜂窝区段200。
图2显示了根据本公开的一些示例性实施方式的排放系统3的示意图，所述排放系统3包含设置在壳体5中的复合蜂窝主体90，其中，所述复合蜂窝主体90包含第一蜂窝区段100和第二蜂窝区段200。排放系统3可包含尾气处理制品7、入口9和出口15，其中，所述尾气处理制品7包含设置在壳体5中的复合蜂窝主体90，所述入口9配置成接收要被净化的尾气流G1，例如来自发动机13的歧管11的尾气流，出口15配置成排出经过净化的尾气流G3。尾气处理制品7配置成使尾气流G1流过复合蜂窝主体90，以净化尾气流G1。尾气G1流过第一蜂窝区段100，随后流过第二蜂窝区段200。尾气G1可流出第一蜂窝区段100而进入间隙17，随后，间隙17中的尾气G5可流入第二蜂窝区段200。间隙17可在约0至约120 cm的范围内。例如，间隙可在约0至50 mm的范围内。可使第一蜂窝区段100的通道110与第二蜂窝区段200的通道210轴向对齐，但这不是必须的。第一蜂窝区段100的直径D1可与第二蜂窝区段200的直径D2相同，但这也不是必须的。
可将第一蜂窝区段100和第二蜂窝区段200安装入一个壳体5中。壳体5可具有逐渐收窄的入口和出口区段19以及覆盖第一蜂窝区段100的外周表面106和第二蜂窝区段200的外周表面206的轴向区段21。壳体5通常由气体无法透过的金属或其它材料制成，并且配置成容纳一个或更多个蜂窝主体100、200。例如 ，壳体5可包含铝、不锈钢（例如400系列不锈钢或300系列不锈钢）、钛合金、钛等以及它们的组合。尾气沿着箭头G1、G3和G5所示的大致轴向流过第一蜂窝区段100和第二蜂窝区段200，包括流过可能催化或可能未催化的通道112、212，且在过滤器的情况下，穿过通道壁110、210。可在蜂窝区段100、200的周围设置衬垫23，以将震动和移动的影响降至最小，并且在壳体5与蜂窝区段100、200之间提供热屏障。然而，在一些示例性的实施方式中，蜂窝区段100、200可被设置在没有衬垫的壳体5中。
安装在壳体中的蜂窝主体的例子可见于2015年3月23日提交的题为《尾气处理制品及其制造方法》（Exhaust Gas Treatment Article and Methods of ManufacturingSame）的第62/136917号美国临时专利申请、2015年5月8日提交的题为《壳体、流体流处理制品、排放系统及其制造方法》（Housing, Fluid Stream Treatment Article, ExhaustSystem and Methods of Manufacturing Same）的第62/158813号美国临时专利申请以及2015年3月13日提交的题为《蜂窝组装件和封装系统》（Honeycomb Assembly andPackaging System）的第62/132569号美国临时专利申请，上述文件都通过引用全文纳入本文，如同全部列于下文。
壳体5内表面上的安装环25可将蜂窝区段100、200固定在壳体5中。设置在蜂窝区段100、200之间的安装环27可使第一蜂窝区段100的第二端面104与第二蜂窝区段200的第一端面202间隔开，从而限定出间隙17。然而，在一些示例性的实施方式中，可能不存在间隙17。
图3显示了在进行由四个重复的ECE-15城市循环工况（UDC）和一个市郊循环工况（EUDC）构成的新欧洲汽车法规循环工况（NEDC）测试循环的过程中，柴油发动机的典型排放温度在大多数测试中都是相当低的，例如，低于约200℃。由于大部分循环以及多个瞬态中的这些低温，催化剂可冷却至低于起燃温度。
图4是高孔隙率基材（FLORA™）和标准基材的计算热响应。高孔隙率基材加热和冷却得比标准基材更快。为了清楚起见，只显示了NEDC循环的一部分。如图4所示，在这些条件下，高孔隙率基材随着尾气温度的升高而热得更快，但也随着尾气温度的降低而冷得更快。这可出人意料地导致排放转化性能的衰退。
图5是显示高孔隙率基材、根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材以及标准基材的计算的CO转化百分比相对效益图，其中，所述复合基材由高孔隙率区段和下游标准区段构成，且所述下游区段位于高孔隙率区段比标准区段的各种比例长度上。由占长度约30%的高孔隙率基材后接占长度70%的标准基材组合而成的复合基材在CO转化百分比相对效益上比单独的标准或高孔隙率基材都更优秀。尽管以长度来描述，但应当理解的是，可描述成由占体积约30%的高孔隙率基材后接占体积70%的标准基材组合而成的复合基材在CO转化百分比相对效益上比单独的标准或高孔隙率基材都更优秀。图5中，具有以100% L1（L100/0）显示的600/3几何构型的高孔隙率基材的CO转化百分比相对效益比600/3标准基材小-1.5。即，高孔隙率基材会导致相比于标准孔隙率基材更差的性能以及增加的累积CO排放。
图5中，复合蜂窝主体90包含长度L1、体积V1的第一蜂窝区段100和长度L2、体积V2的第二蜂窝区段200，其中，第一蜂窝区段100由几何构型为600/3的高孔隙率基材构成，而第二蜂窝区段200由几何构型为600/3或400/4的标准基材构成。即，第二蜂窝区段200包含因更低的孔隙率和/或更厚的壁而比第一蜂窝区段100更重的基材。附加地或替代地，第二蜂窝区段200可具有封堵物用以封堵形成过滤器或局部过滤器的通道，从而提供比第一蜂窝区段100更高的热质量。出人意料的是，对于复合蜂窝主体90，当L1/L2在50/50至10/90之间时，复合蜂窝主体90具有约0.5至约1.3的CO转化百分比相对效益。特别是当L1/L2为30/70或20/80时，CO转化百分比相对效益大于1.0。图5所示的计算中，总长度和体积保持恒定。对于相同的总长度和体积，发现30%长度的高孔隙率基材后接70%长度的低孔隙率基材能够得到最好的总体性能。类似地，对于复合蜂窝主体90，当V1/V2在50/50至10/90之间时，复合蜂窝主体90具有约0.5至约1.3的CO转化百分比相对效益。特别是当V1/V2为30/70或20/80时，CO转化百分比相对效益大于1.0。对于相同的总长度和体积，30%体积的低质量基材后接70%体积的高质量基材能够得到最好的总体性能。
图6显示了高孔隙率基材、根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材以及标准基材的计算压降，其中，所述复合基材由高孔隙率区段和下游标准区段构成，且所述下游区段位于高孔隙率区段比标准区段的各种比例长度上。出人意料的是，如图6所示，图5的复合蜂窝主体90当L1/L2在50/50至10/90之间时还具有显著的压降，具体而言，当L1/L2为30/70时，压降比100% L1（L100/0）或只有高孔隙率基材小约20%。显著的压降还可在V1/V2在50/50至10/90之间时表现，具体而言，当V1/V2为30/70时，压降比只有高孔隙率基材小约20%。
图7是距离出口10 mm的高孔隙率基材、根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材以及标准基材设计的计算热响应。温度示于下游（标准）基材。出人意料的是，复合基材的变热与标准基材相似，但在驾驶循环的冷却部分中能够比只有标准或高孔隙率基材保持显著更长时间的热量。
图8是显示高孔隙率基材、根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材以及标准基材的计算的CO转化百分比相对效益图，其中，所述高孔隙率基材的CO转化百分比相对效益随孔密度和壁厚（设计）而变化，所述复合基材由高孔隙率区段和下游标准区段构成，且所述下游区段位于高孔隙率区段比标准区段的各种比例长度上，且所述复合基材的计算的CO转化百分比相对效益随上游高孔隙率区段设计而变化。无论几何构型如何（即，400/4、500/2、750/2、900/1、600/3、600/2以及900/2），显示为100% L1（L100/0）的高孔隙率基材的CO转化百分比相对效益比600/3标准基材小-1.5。即，高孔隙率基材会导致相比于标准孔隙率基材更差的性能以及增加的累积CO排放。此外，400/4标准基材的CO转化百分比相对效益比600/3标准基材小-1。
复合蜂窝主体90包含长度L1、体积V1的第一蜂窝区段100和长度L2、体积V2的第二蜂窝区段200，其中，第一蜂窝区段100由几何构型为400/4、500/2、750/2、900/1、600/3、600/2或900/2的高孔隙率基材构成，而第二蜂窝区段200由几何构型为400/4的标准基材构成。即，第二蜂窝区段200包含因更低的孔隙率和/或更厚的壁而比第一蜂窝区段100更重的基材。出人意料的是，就复合蜂窝主体90而言，当L1/L2在50/50至10/90之间时，对于所有这些高孔隙率几何构型400/4、500/2、750/2、900/1、600/3、600/2以及900/2，复合蜂窝主体90都具有比600/3标准基材更高的CO转化百分比相对效益。具体而言，当L1/L2为30/70或20/80时，复合蜂窝主体90的CO转化百分比相对效益大于1.0，该复合蜂窝主体90具有长度L1的第一蜂窝区段100和长度L2的第二蜂窝区段200，其中，第一蜂窝区段100由几何构型为500/2、750/2、900/1、600/3、600/2或900/2的高孔隙率基材构成，而第二蜂窝区段200由几何构型为400/4的标准基材构成。图8所示的计算中，总长度和体积保持恒定。对于相同的总长度和体积，发现30%长度的高孔隙率基材后接70%长度的低孔隙率基材，亦或是20%长度的高孔隙率基材后接80%长度的低孔隙率基材都能够得到最好的总体性能。另外，CO转化百分比相对效益随着几何构型表面（GSA）/体积密度的增大而增大。
对于这些高孔隙率几何构型400/4、500/2、750/2、900/1、600/3、600/2以及900/2，复合蜂窝主体90比600/3标准基材更高的CO转化百分比相对效益还在V1/V2在50/50至10/90之间时显示。具体而言，当V1/V2为30/70或20/80时，复合蜂窝主体90的CO转化百分比相对效益大于1.0，该复合蜂窝主体90具有体积V1的第一蜂窝区段100和体积V2的第二蜂窝区段200，其中，第一蜂窝区段100由几何构型为500/2、750/2、900/1、600/3、600/2或900/2的高孔隙率基材构成，而第二蜂窝区段200由几何构型为400/4的标准基材构成。对于相同的总长度和体积，30%体积的高孔隙率基材后接70%体积的低孔隙率基材，亦或是20%体积的高孔隙率基材后接80%体积的低孔隙率基材都能够得到最好的总体性能。
图9显示了根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材的优势，即，其计算的CO转化百分比相对效益随高孔隙率区段GSA/体积密度的增大而增大，所述复合基材由高孔隙率区段和下游标准区段构成，且所述下游区段位于高孔隙率区段比标准区段的L1/L2为30/70的长度（V1/V2为体积比30/70）处。
图10显示了根据本公开的一些示例性实施方式的复合基材的优势，即，其计算的CO转化百分比相对效益随位于高孔隙率区段比标准区段的L1/L2为30/70的长度（V1/V2为体积比30/70）处的高孔隙率区段的通道开口而变化。显示了各种第一蜂窝区段100几何构型400/4、500/2、750/2、900/1、600/3、600/2以及900/2与400/4几何构型的标准基材第二蜂窝区段200的CO转化效益。柴油应用优选更大的通道开口，以降低因灰尘而引起的端面堵塞的倾向。图10中，假设灰尘堵塞的倾向与通道开口成反比。因此，复合蜂窝主体90可能是优选的选择，以实现更高的CO转化百分比相对效益，并且为柴油引用保持相对较大的通道开口，所述复合蜂窝主体90包含长度L1的由几何构型500/2的高孔隙率基材构成的第一蜂窝区段100和长度L2的由几何构型400/4的标准基材构成的第二蜂窝区段200，且L1/L2为30/70至20/80。类似地，用于实现更高的CO转化百分比相对效益，并且为柴油引用保持相对较大的通道开口的优选选择可以表示为复合蜂窝主体90，其包含体积V1的由几何构型500/2的高孔隙率基材构成的第一蜂窝区段100和体积V2的由几何构型400/4的标准基材构成的第二蜂窝区段200，且V1/V2为30/70至20/80。
本文已证明，使用根据本公开的一些实施方式的诸如FLORA™这样的低热质量基材或薄壁基材后接具有高热质量和/或厚壁的标准基材能够比使用只有低热质量或标准基材提供更好的排放性能。意外发现约30%至70%的低热质量基材/标准基材的长度或体积比提供了特有的改善。还证明该优势会随着转向具有优势的产品（具有更高的GSA/密度之比），例如薄壁产品而增加。复合蜂窝主体中的组合还能够相比于使用单一高孔密度产品提供更小的压降恶化。此外，如本文所述，根据本公开的这些示例性实施方式，意外发现从将因灰尘而引起的端面堵塞降至最少且同时保持高CO转化的角度考虑，上游基材的优选产品孔密度/壁厚具有优势。
根据本公开的一些示例性实施方式，包含复合蜂窝主体的改善的尾气处理制品以及包含该尾气处理制品的排放系统的优势包括性能优势，其体现在比单独使用低热质量或标准基材实现更低的尾气排放。预期低热质量起燃催化剂后接标准孔隙率基材的组合能够带来更好的性能。可通过低热质量基材实现更早的起燃，并且可通过在标准孔隙率基材中更长时间地保持热量来实现更缓慢的冷却。本文所述的本公开的一些示例性实施方式所带来的优势可导致驾驶循环中具有更高的平均基材温度，并且导致更高的催化活性以及更低的排放。排放优势可用于满足日趋严格的规定，或者可用于降低贵金属负载量以实现与标准基材排布相似的排放，进而降低系统成本。当下游的蜂窝区段基材是具有更低孔密度的基材时，本公开的一些示例性实施方式相较于单独使用高孔密度的产品（基材），还能够导致更小的压降。用于柴油应用的高孔密度产品的劣势之一在于，这些基材具有会被灰尘堵塞端面的倾向。本公开的一些实施方式显示，选择能够在将端面堵塞降至最低的同时保持高CO转化的上游基材具有意料不到的优势。本公开的这些示例性实施方式证明了将FLORA™基材用于催化剂熄灭可能性更大的柴油应用，例如用于柴油氧化催化剂（DOC）或其它低温应用时具有优势。
本说明书中所提及的示例性实施方式以及本说明书类似的语句并不一定是指相同的实施方式。此外，参考一种示例性实施方式所描述的本文所述主题的特征、结构或特性可以任意合适的方式与一种或更多种示例性实施方式相结合。
对本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本公开的范围或精神的情况下在本公开中进行各种修改和变动。因此，旨在使所附权利要求书覆盖本公开的修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求书和其等同内容的范围之内。

Claims (21)

1.一种复合蜂窝主体，其包含：
第一蜂窝区段和第二蜂窝区段，
其中，所述第一蜂窝区段轴向延伸距离L1，且包含：
外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道，
所述第二蜂窝区段流体连接至所述第一蜂窝区段，且延伸距离L2，并且包含：
外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道，
其中，所述第二蜂窝区段的热质量大于所述第一蜂窝区段的热质量，
其中，L1/L2之比在50/50至10/90的范围内，
其中，所述第一蜂窝区段的多孔陶瓷通道壁的第一壁厚大于所述第二蜂窝区段的多孔陶瓷通道壁的第二壁厚，且
其中，所述第二蜂窝区段是下游蜂窝区段，具有比所述第一蜂窝区段更低的孔密度。
2.如权利要求1所述的主体，其特征在于，L1/L2之比在40/60至20/80的范围内。
3.如权利要求1所述的主体，其特征在于，L1/L2之比在30/70至20/80的范围内。
4.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第一蜂窝区段的所述多孔陶瓷通道壁的孔隙率，%P，大于或等于40%，所述第二蜂窝区段的所述多孔陶瓷通道壁的孔隙率，%P，小于40%。
5.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第一蜂窝区段的所述多孔陶瓷通道壁的孔隙率，%P，大于或等于45%，所述第二蜂窝区段的所述多孔陶瓷通道壁的孔隙率，%P，小于45%。
6.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第一蜂窝区段包含第一催化剂，所述第二蜂窝区段包含第二催化剂。
7.如权利要求6所述的主体，其特征在于，所述第一催化剂与所述第二催化剂相同。
8.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第一蜂窝区段的孔通道密度在200孔每平方英寸，cpsi，至1200 cpsi的范围内。
9.如权利要求8所述的主体，其特征在于，所述第二蜂窝区段的孔通道密度在200孔每平方英寸，cpsi，至1200 cpsi的范围内。
10.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第一壁厚在1密耳至6密耳的范围内。
11.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第二蜂窝区段的孔通道密度在200孔每平方英寸，cpsi，至1200 cpsi的范围内。
12.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第二壁厚在4密耳至60密耳的范围内。
13.如权利要求12所述的主体，其特征在于，所述第二壁厚在4密耳至9密耳的范围内。
14.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第一壁厚小于4密耳，所述第二壁厚大于或等于4密耳。
15.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第一蜂窝区段的所述第二端面通过0至120 cm范围内的间隙与所述第二蜂窝区段的所述第一端面间隔。
16.如权利要求15所述的主体，其特征在于，所述第一蜂窝区段的所述第二端面通过0至50 mm范围内的间隙与所述第二蜂窝区段的所述第一端面间隔。
17.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第一蜂窝区段的孔通道密度为500孔每平方英寸，cpsi，且第一壁厚为2密耳，所述第二蜂窝区段的孔通道密度为400 cpsi且第二壁厚在3密耳至5密耳的范围内。
18.如权利要求1所述的主体，其特征在于，所述第二蜂窝区段包含设置在通道中用以封堵所述通道的封堵水泥。
19.一种复合蜂窝主体，其包含：
第一蜂窝区段和第二蜂窝区段，
其中，所述第一蜂窝区段具有体积V1，且包含：
外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道，
所述第二蜂窝区段流体连接至所述第一蜂窝区段，且具有体积V2，并且包含：
外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道，
其中，所述第二蜂窝区段的热质量大于所述第一蜂窝区段的热质量，
其中，V1/V2之比在50/50至10/90的范围内，
所述第一蜂窝区段的陶瓷通道壁的第一壁厚大于所述第二蜂窝区段的多孔陶瓷壁通道壁的第二壁厚，且
其中，所述第二蜂窝区段是下游蜂窝区段，具有比所述第一蜂窝区段更低的孔密度。
20.一种尾气处理组装件，其包含：
权利要求1-19中任一项所述的复合蜂窝主体。
21.一种尾气处理制品的制造方法，所述方法包括：
将复合蜂窝主体安装在壳体中，所述壳体配置成将所述复合蜂窝主体固定在尾气流中，
其中，所述复合蜂窝主体包含第一蜂窝区段和第二蜂窝区段，
其中，所述第一蜂窝区段轴向延伸距离L1，且包含：
外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道，
所述第二蜂窝区段流体连接至所述第一蜂窝区段，且延伸距离L2，并且包含：
外周表面和多个多孔陶瓷通道壁，其中，所述外周表面轴向延伸，所述多个陶瓷通道壁从相反的第一端面和第二端面轴向延伸，且限定其之间的孔通道，
其中，L1/L2之比在50/50至10/90的范围内，
其中，所述第一蜂窝区段的陶瓷通道壁的第一壁厚大于所述第二蜂窝区段的多孔陶瓷壁通道壁的第二壁厚，
其中，安装包括将所述第一蜂窝区段和第二蜂窝区段设置在由所述壳体的内表面所限定的内部空间中，且
其中，所述第二蜂窝区段是下游蜂窝区段，具有比所述第一蜂窝区段更低的孔密度。
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