CN113329806A - 具有一定范围的水力直径的贯穿通道阵列的蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

适用于废气处理的陶瓷蜂窝体，其包括具有多个贯穿通道的蜂窝结构，第一部分的所述多个贯穿通道具有第一水力直径dh1，第二部分的所述多个贯穿通道具有小于第一水力直径dh1的第二水力直径dh2，第一水力直径dh1等于或大于1.1mm，以及贯穿通道的第一和第二部分在一起的几何表面积GSA大于2.9mm‑1。其他方面还提供了柴油氧化催化剂以及烟炱去除方法。

Description

具有一定范围的水力直径的贯穿通道阵列的蜂窝体
本申请根据35U.S.C.§119，要求2018年11月16日提交的美国临时申请第62/768,388号的优先权，其全文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，涉及具有贯穿通道(through channel)阵列的蜂窝体以及此类蜂窝体的制造方法。
背景技术
蜂窝体被用于催化转化器和微粒过滤器，用于诸如汽车尾气后处理系统之类的应用。例如，蜂窝体可以包含多孔陶瓷材料并且可以被用作催化转化器或微粒过滤器中的基材。
可以通过如下方式制备蜂窝生坯体来制造陶瓷蜂窝体：将形成陶瓷的材料与液体载剂(例如水)、任选的成孔材料和加工助剂混合以形成塑化批料。可以经由挤出通过挤出模头将塑化批料形成为蜂窝生坯体。生坯蜂窝体可以干燥并在炉中烧制等方式以产生多孔陶瓷蜂窝体。
之后，对于流通式基材应用的情况，可以用含催化剂的修补基面涂料对陶瓷蜂窝体进行涂覆。对于微粒过滤器的情况，陶瓷蜂窝体可以被堵住并且可以任选地涂覆含催化剂的修补基面涂料。在每种情况下，在催化处理和/或堵塞之后的蜂窝体可以与外壳(例如，罐)结合以提供例如适用于汽车尾气后处理系统的装配件。
发明内容
在本公开内容的一些实施方式中，提供的蜂窝体具有改进的每单位体积催化效率并且对于废气流中存在的微粒所导致的面堵塞具有抗性。此类蜂窝体可以被视为由结构单元的重复式样所构成，其中，那些结构单元包括以轴向方向相对于彼此以平行关系布置的多个通道，其中，所述多个通道中的第一部分具有等于或大于1.1mm的水力直径，所述多个通道中的第二部分具有小于1.1mm的水力直径，以及所述多个通道具有大于2.9mm-1的几何表面积。这些蜂窝体可以包括陶瓷材料，以及所述多个通道可以是在蜂窝体的入口面与出口面之间延伸的流通式通道。可以在蜂窝体的通道中布置含催化剂涂料，作为壁上或壁中涂料。在一些实施方式中，蜂窝体具有大于62.0个通道/cm2(400个通道每平方英寸(cpsi))的通道密度(“CD”)，所述多个通道的所述第一部分具有6.2个通道/cm2(40cpsi)至46.5个通道/cm2(300cpsi)的通道密度，以及以百分比表述，所述多个通道的所述第一部分的总横截面面积与所述多个通道的所述第二部分的总横截面面积的面积比范围是3％至40％。
在本公开内容的一些实施方式中，提供了柴油氧化催化剂(DOC)。DOC包括具有第一部分通道和第二部分通道的蜂窝体，其中，所述第一部分通道的水力直径大于或等于1.1mm，第二组通道的水力直径小于1.1mm，以及蜂窝体包括大于或等于2.9mm-1的几何表面积。
在本公开内容的一些实施方式中，提供了蜂窝体。蜂窝体包括蜂窝结构，所述蜂窝结构包括以轴向方向相对于彼此平行布置的多个通道，其中，所述多个通道的第一部分具有dh≥1.1mm，所述多个通道的第二部分具有dh<1.1mm，以及蜂窝结构中的所述多个通道包括GSA≥2.9mm-1，其中，dh是水力直径以及GSA是几何表面积。
在本公开内容的另一个实施方式中，提供了减小具有流通式通道的蜂窝体中的面堵塞的方法。方法包括：提供具有大通道和小通道的流通式蜂窝体，大通道的水力直径大于或等于1.1mm，小通道的水力直径小于1.1mm，以及大通道和小通道总计具有大于或等于2.9mm-1的几何表面积。减小面堵塞的方法还包括：使得负载了烟炱的废气流动通过大通道和小通道，其中，大通道起到了旁路通道的作用从而减小了流通式蜂窝体的面堵塞。在各种实施方式中，负载了烟炱的废气可以是柴油废气或者来自汽油发动机的废气。
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1A示意性显示根据现有技术的常规蜂窝体的面堵塞入口面的部分横截面图。
图1B示意性显示根据现有技术的常规蜂窝体的四通道单元孔道的端视图，所述常规蜂窝体具有600个孔道每平方英寸和3.5密耳厚的壁(600/3.5构造)，其中，每个通道具有相同的水力直径。
图2示意性显示根据本公开内容的蜂窝体的四通道单元孔道的端视图，所述蜂窝体具有600个孔道每平方英寸和3.5密耳厚的壁(600/3.5)以及非均匀的水力直径。
图3示意性显示根据本公开内容的由图2的四通道单元孔道形成的示例性蜂窝体的部分端视图。
图4示意性显示根据本公开内容的示例性蜂窝体的部分端视图，其包括具有构造成提供旁路通道的大通道的不对称孔道(AC)结构。
图5示意性显示根据本公开内容的示例性蜂窝体的部分端视图，该蜂窝体的旁路通道的横截面面积是非旁路通道的四倍那么大，其中，较大的旁路通道占据了总开放锋面面积(OFA)的约1/3。
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端视图，该蜂窝体具有一系列交叉的矩形和正方形的孔道结构，其中，旁路(较大横截面面积)通道占据了总OFA的约1/3。
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端视图，该蜂窝体具有一系列矩形和正方形的孔道结构，其中，旁路(较大横截面面积)通道占据了总可用OFA的约1/4。
图8示意性显示另一个示例性蜂窝体的部分端视图，该蜂窝体具有一系列矩形和正方形的孔道结构，其中，旁路(较大横截面面积)通道占据了总可用OFA的约1/5。
图9示意性显示含有根据本公开内容的催化转化器的示例性内燃机废气系统的侧视图。
图10显示根据本公开内容的减小面堵塞的示例性方法的流程图。
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细节或全部细节的情况下实施。在其它情况中，没有详细描述众所周知的特征和/或工艺步骤，以免不必要地使本公开内容的实施方式难以理解。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、组分和组合件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。
可以使用柴油氧化催化剂(DOC)来促进柴油尾气中的一氧化碳(CO)、烃类(HC)以及可溶性有机馏分(SOF)的氧化。如本文所用，DOC指的是在通道中布置了催化涂料的陶瓷蜂窝基材，例如在其至少一部分的内部通道壁中或者壁上。
在各种汽车废气应用中，DOC可以与柴油微粒过滤器(DPF)联用。在这些布置的一些中，DPF位于DOC的下游。DOC对于位于DOC下游的DPF中的微粒物质的受控再生具有影响作用。DPF随时间推移收集烟炱颗粒，并最终需要进行再生。DPF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，对于要安装DOC和DPF的汽车上的用于DOC和DPF的空间是相当有限的。因此，对于消费者而言，降低了这些装置所需的空间包壳的DOC和DPF设计是有用的。对于DOC，减小其体积的一种方案是增加通道密度，例如，采用包含的通道密度CD是93.0个通道/cm2(600个通道每平方英寸(cpsi))而不是较低CD的62.0个通道/cm2(400cpsi)的孔道构造。CD的此类增加导致几何表面积(GSA)的相应增加，这改善了每单位体积DOC的催化效率。进而，这实现了在减小的DOC体积中具有相同的催化活性量。减小的DOC体积不仅更容易装入到交通工具废气系统中，这还可以降低制造成本。
尽管较高CD的设计(例如，93.0个通道/cm2(600cpsi)对于提供催化活性和节约空间是有利的，但是这种方案的缺点在于被称作“面堵塞(face-plugging)”的现象。参见图1A，面堵塞指的是蜂窝体100的入口面101的阻塞，例如DOC 100的入口面101被来自废气流(通过箭头显示废气流)中夹带的烟炱颗粒108在壁106的入口端上积累的烟炱层104阻塞。随着来自废气流的烟炱层104在入口面101处的壁106的端部上积累，烟炱层104会部分地或者甚至几乎完全地在通道110上发生桥连。烟炱层104的积累有效地使得有效直径从初始直径Di下降到面堵塞直径Dp，这妨碍或者阻挡了废气流动通过DOC 102的通道110。发现面堵塞是CD为62.0个通道/cm2(400cpsi)的DOC常规蜂窝体中的明显问题。但是，发现较小的通道尺寸(例如，CD为93.0个通道/cm2(600cpsi)的蜂窝体100中)也遭受面堵塞。因此，包含较高CD的蜂窝体的通道尺寸足够小到至少部分被废气(例如，柴油废气)中的烟炱颗粒108所产生的烟炱层104桥连。
最成问题的烟炱颗粒108的类型是SOF，这包括低分子量的“湿”或“粘性”烟炱颗粒。这些SOF颗粒可能在柴油发动机的低温运行过程中(例如，怠速过程中，或者柴油动力交通工具(例如自卸卡车和运货卡车)的走走停停过程中)达到高浓度。DOC 100的入口面101上的面堵塞还可能发生在冷环境运行温度期间，以及较低废气温度范围(例如220℃-400℃，例如启动过程中)期间。
DOC 100的入口面101的堵塞可能导致对于发动机而言非常高的背压。高背压会导致差的燃料经济性。在极端情况下，面堵塞会导致差的发动机性能。通常来说，当由于面堵塞导致背压增加时，与柴油动力交通工具相关的发动机控制模块会将这种背压增加解读为DPF充满了烟炱。检测到这种满DPF条件会导致发动机控制模块启动再生，这会包括将HC注入到废气中，在那里，燃烧会增加废气流的温度。但是，将HC注入到废气流中还会增加SOF颗粒的量，这是对于会在DOC 102的蜂窝体100的入口面101处形成通道110上的部分桥连的烟炱层104最有效的烟炱颗粒类型。这会导致甚至更严重的面堵塞。
此外，当发动机控制模块检测到DPF的入口温度不处于再生所需的温度时，注入更多HC，并且加剧了面堵塞问题。DOC 102的蜂窝体100中少数可能保持开放的通道110会被传递大量的HC滑动到DPF。发生这种情况的原因在于，高浓度的HC经过较少量的通道并且因此催化效率会非常低。这导致高浓度的HC抵达DPF，这与氧化催化剂和积累的烟炱相结合，会导致过温条件。因此，需要具有减小的面堵塞的提供了每单位体积高催化效率的用于例如DOC应用的蜂窝体。
已经提议了数种方案来避免面堵塞，提出的解决方案着眼于催化剂负载、基材设计和发动机运行方案，但是分别具有相应的缺点。这种方案中的一种涉及在DOC 102的蜂窝体100的入口面上“漆涂”高浓度催化剂，从而使得在该入口位置氧化更为高效，但是这是非常昂贵的。另一种方案涉及对DOC 100的入口面101进行轮廓处理，或者在入口面101中切割出脊状物(ridge)，从而为单个通道产生入口面面积的增加。但是，这种方案要求较大体积的DOC，经过轮廓处理的入口面容易在搬运过程中发生破损，并且这涉及可能会增加成本的额外制造工艺。另一种方案涉及发动机运行管理，从而将运行保持在产生高水平SOF颗粒的引擎图部分之外。但是，这需要发动机在对于良好的燃料经济性而言是不利的状态下运行，并且可能产生较高水平的催化系统可能无法有效地对其进行降低的NOx。
因此，需要具有高GSA和低的入口面大规模面堵塞易感性的蜂窝体，用于例如DOC。根据本公开内容的各种实施方式包括了具有各种不同通道尺寸的蜂窝体(例如陶瓷蜂窝体)。更具体来说，这些实施方式包括这样的蜂窝体，其中的一些通道具有小的尺寸(小的横截面面积)/高CD来实现体积减小所需的高GSA，并且其他通道具有足够大尺寸(横截面面积)来提供当交通工具运行在否则的话会使得小尺寸通道易于发生面堵塞的条件下的时候的废气旁路。
根据本公开内容的各种实施方式提供了小通道与大通道的组合，从而这些实施方式的GSA相比于没有此类旁路通道的蜂窝体没有发生明显下降。根据本公开内容的旁路通道不仅通过保持一部分的DOC对于气流开放使得面堵塞最小化来减轻压降，还通过主动再生技术提供了入口面上的烟炱的清除，所述主动再生技术在入口面已经变得堵塞的常规高CD设计中是无效的。
虽然常规蜂窝体可能由在蜂窝体上重复的具有单一形状和单种尺寸(横向横截面面积)的贯穿通道的阵列构成，但是根据本公开内容的各种实施方式提供了含有多个贯穿通道的流通式蜂窝体，其中一些的水力直径dh大于所述多个贯穿通道中的其他那些。在各种实施方式中，至少一些通道的水力直径dh大于或等于1.1mm的临界水力直径dhc，其他通道的水力直径小于1.1mm，并且较大和较小的贯穿通道的阵列的总几何表面积大于或等于2.9mm-1。
可以以任意合适的方式制备根据本公开内容的各种蜂窝体。在一些实施方式中，多孔陶瓷蜂窝体可以构造成用于催化转化器，也就是说，其可以是用于沉积修补基面涂料的基材，所述修补基面涂料包含一种或多种催化剂金属，例如：铂、钯和铑等，及其组合。这些一种或多种金属的功能是催化了废气流(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括催化转化器的蜂窝体可以促进未燃烧的烃类氧化成二氧化碳和水。
根据实施方式，可以由合适的多孔材料(例如，多孔陶瓷)的壁的交叉矩阵来制造陶瓷蜂窝基材。催化材料可以悬浮在无机微粒与液体载剂的修补基面涂料中，并且布置在多孔陶瓷蜂窝体的通道中，例如通过施涂为壁中或壁上修补基面涂料(或者这种情况)。这之后，经过涂覆的陶瓷蜂窝体可以用缓冲材料包裹，以及经由装罐工艺接收到罐(或外壳)中。
可以从形成陶瓷的批料组合物混合物形成生坯蜂窝体。形成陶瓷的批料组合物混合物可以包含例如：陶瓷微粒或陶瓷前体微粒材料(或者这两种)，有机微粒(例如，甲基纤维素)，和任选的成孔剂，加工助剂(油和/或其他流变改性剂)，以及液体载剂(例如，去离子水)等，及其组合。可以通过任何合适的形成方法形成蜂窝体。当经过干燥和烧制，生坯蜂窝体烧结成多孔陶瓷蜂窝体，适用于例如废气后处理目的。陶瓷蜂窝体可以包含任何合适的陶瓷材料组合物，例如：堇青石、钛酸铝、氧化铝、多铝红柱石、碳化硅或氮化硅等，及其组合。
根据一种方法，可以通过挤出工艺形成蜂窝体，其中，形成陶瓷的批料组合物塑化并挤出以形成生坯蜂窝体。然后可以通过任何合适的干燥方法对生坯蜂窝体进行干燥并烧制形成多孔陶瓷蜂窝体。可以采用液压缸挤出压机，两段排气单钻挤出机或双螺杆挤出机(在其出料端连接有模头组件中的挤出模头)来进行挤出。
用于产生此类生坯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模头结构。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阵列并与其相交，通过所述排料狭槽挤出塑化的批料组合物。挤出工艺形成了相互交叉(crisscross)壁的互联阵列，形成中心孔道蜂窝结构。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)，其限定了蜂窝结构的表皮的周界。可以通过在掩模和模头体之间挤出批料材料来形成蜂窝结构的圆周表皮层。
挤出材料(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，其可以在烧制之后连接或粘结在一起以形成所需尺寸的区段化蜂窝体。这些蜂窝段和所得到的区段化蜂窝结构可以是任何所需的整体尺寸和形状。
根据本公开内容的各种实施方式提供了具有多个流通式通道的蜂窝体，例如多孔陶瓷蜂窝体。流通式通道没有堵塞住，即它们不含类似于微粒过滤器中所含那些的通道堵塞物。换言之，流动是在通道的入口端进入以及在出口端离开。流通式通道中的一些具有足够大的水力直径dh(较大的通道)来降低由于废气微粒导致的面堵塞(被称作旁路通道)，而其他那些流通式通道具有较小的水力直径dh(较小的通道)，从而在一起来说，所述多个通道具有大于或等于2.9mm-1的GSA。较大的通道的横截面面积大于较小的通道。
各种实施方式提供了蜂窝体(例如，多孔陶瓷蜂窝体)，其具有大于62个通道/cm2(400cpsi)的总体“总CD”，以及对应于大的水力直径的通道的通道密度是6.2个通道/cm2(40cpsi)至46.5个通道/cm2(300cpsi)。各种实施方式提供的旁路通道(Ab)的总横截面面积与所有所述多个通道的总横截面面积(Atot＝旁路面积加上较小通道的面积)的通道比(CR)范围是3％至40％，以百分比表述，如下等式1和2所示：
CR＝Ab/Atotx100 等式1
3％≤CR≤40％ 等式2
在其他实施方式中，蜂窝体可以包括总CD≥77.5个通道/cm2(500cpsi)，旁路通道可以包括6.2个通道/cm2(40cpsi)≤CD≤31.0个通道/cm2(200cpsi)，以及通道比CR可以是3％≤CR≤40％。在其他实施方式中，蜂窝体可以包括总CD≥93.0个通道/cm2(600cpsi)，旁路通道可以包括6.2个通道/cm2(40cpsi)≤CD≤31.0个通道/cm2(200cpsi)，以及3％≤CR≤40。在其他实施方式中，蜂窝体可以包括总CD≥93.0个通道/cm2139.5(900cpsi)，旁路通道可以包括6.2个通道/cm2(40cpsi)≤CD≤31.0个通道/cm2(200cpsi)，以及3％≤CR≤40％。
在各种实施方式中，根据本公开内容的蜂窝体(例如，陶瓷蜂窝体)包括流通式通道，所述流通式通道从蜂窝体的入口面到蜂窝体的出口面以彼此平行的方式延伸。在一些实施方式中，所有的通道都包括在其中不含堵塞物的流通式通道。
图1B显示现有技术的常规蜂窝体100的四通道单元孔道结构150，其具有600/3.5的CD/Tw构造，其中，CD是孔道密度(单位是cpsi)以及Tw是壁106的横向厚度，在所示的横向横截面A-A上测量。换言之，蜂窝体100包括93个通道/cm2(600cpsi)的CD，以及0.089mm(3.5密耳)的横向壁厚。单元孔道结构150以及蜂窝体100的每个通道110具有0.95mm的水力直径dh。在本文中，对于所有几何形貌，如下等式3所示计算水力直径dh：
dh＝4A/P 等式3
其中，“A”是通道110的横向横截面面积，以及“P”是通道110在横向横截面A-A测得的周长。
具有600/3.5构造的蜂窝体100的总开放锋面面积(OFA)是84％，以及几何表面积(GSA)是3.5mm-1。GSA是(包含壁和通道的)体的每单位体积的通道的表面积。如所示，显示了单元通道结构150的总OFA％的贡献的OFA％，其中，每个通道具有相同的开放锋面面积贡献(COFA％)，其中，COFA％是加和至单元通道结构的总OFA％的每个通道的OFA％的相对百分比。
图2示意性显示根据本公开内容的蜂窝体300(图3)的包含四通道的单元通道结构250的第一发明实例。例如，如果将(图1B所示的)常规设计的壁的间隔从dh为0.95mm的恒定水力直径dh设计改动到交错设计(其具有大于和小于常规壁间隔的交替的壁高度H和长度L，例如W2和H1为1.15mm，而W1和H2为0.75mm)，则可以产生具有三种不同通道尺寸的单元通道结构250的通道构造。具体来说，保留了(图1A-1B)的常规设计的总OFA％和GSA，同时一些通道(例如，如所示为25％的通道)的水力直径dh足够大到作为尾气流(例如，柴油或者其他烟炱负载废气流)中的微粒的旁路通道。
在一些实施方式中，达到足以作为旁路通道的单元通道结构250的通道pf的水力直径dh可以大于或等于1.1mm(即，dh≥1.1mm)。在其他实施方式中，足够大到作为旁路通道的水力直径dh可以大于或等于1.15mm(即，dh≥1.15mm)。余下通道的水力直径dh小于图1B的常规设计，并且可能具有更大的面堵塞易感性。但是，由于存在旁路通道，单元通道结构250的总开放锋面面积中超过1/3(30.7/84＝0.37)即使在有利于发生面堵塞的条件下也会保持未被堵住。
如图2所示是四通道单元通道结构250的第一实例。单元通道结构250包括：具有高度H1和宽度W1的第一通道252；具有高度H1和宽度W2的第二通道254；具有高度H2和宽度W1的第三通道256；以及具有高度H2和宽度W2的第四通道258。第一通道252和第二通道254共享了共用壁260；第一通道252和第三孔道256共享了共用壁262；第二孔道254和第四通道258共享了共用壁264；以及第三通道256和第四通道258共享了共用壁266。具体来说，在单元通道结构250的这个实施方式中，H1>H2并且W2>W1。此外，在一些实施方式中，H2可以等于W1，从而第三通道256包括横向横截面中的正方形。此外，在一些实施方式中，H1可以等于W2，从而第二通道254包括横向横截面中的正方形。也可以使用其他比例的W1和H2以及W2比H1。
例如，单元通道结构250可以提供成高度H1是1.15mm，高度H2是0.75mm，宽度W1是0.75mm，以及宽度W2是1.15mm，但不限于此。会理解的是，在根据本公开内容的各种实施方式中，可以使用其他宽度和高度。给出了示例性单元通道结构250的高度和宽度，第一通道252的水力直径dh1是0.91mm，第二通道254的水力直径dh2是1.15mm，第三通道256的水力直径dh3是0.75mm，以及第四通道258的水力直径dh4是0.91mm。
仍然参见图2，给出的第一通道252的水力直径dh1是dh1＝4(W1xH1)/2(W1+H1)；给出的第二通道254的水力直径dh2是dh2 4(W2xH1)/2(W2+H1)；给出的第三通道256的水力直径dh3是dh3＝4(W1xH2)/2(W1+H2)；以及给出的第四通道258的水力直径dh4是dh4＝4(W2xH2)/2(W2+H2)。
对于这个实施方式，可以对单元通道结构250的第二通道254的尺寸进行选择，从而使得这四个通道252、254、256和258中的至少一个所包含的水力直径dh大于或等于“临界水力直径”dhc。如本文所用，表述“临界水力直径”指的是减小或者避免了面堵塞的最小水力直径。在这个示例性实施方式中，发明人已经通过实验确定了临界水力直径dhc大于1.1mm。但是，在一些实施方式中，临界水力直径dhc可能等于或大于1.15mm。
图3显示根据本公开内容由图2B的单元通道结构250形成的蜂窝体300(例如陶瓷蜂窝体)的一部分的例子(在图3中，单元通道结构250被虚线围绕)。更具体来说，图3显示由分布在体上的四通道单元通道结构250的阵列构成的蜂窝体300的一部分的横截面端视图。单元通道结构250可以均匀地分布在蜂窝体300的整个矩阵上。虽然未示出，但是单元通道结构250可以一直延伸到体外周处的蜂窝体400的表皮。因为蜂窝体300是由多个单元通道结构250构成的，所以其具有与单个单元通道结构250相同的特性。例如，水力直径dh(例如dh1)大于或等于临界水力直径dhc(例如，dh1≥1.1mm)的通道对于面堵塞具有抗性，并且在一些实施方式中，在这些通道中没有发生面堵塞。
图4显示根据本公开内容由多个单元通道界沟450形成的另一个示例性蜂窝体400(其可以是陶瓷蜂窝体)，其具有不对称(AC)结构，其中，每个单元通道结构450的大通道构造成提供其中的旁路通道。更具体来说，单元通道结构450和蜂窝体400包括具有第一水力直径dh1的多个第一通道455以及具有第二水力直径dh2的多个第二通道452(一些标记了出来)。如所示的第一通道454是大通道并且包括八边形通道(八边形)，以及如所示的第二通道452是四边形通道(例如，正方形或矩形)。
再次参见图4，可以看出，第一通道454和第二通道452以及单元通道结构450显示为在体上为交织重复式样。虽然未示出，但是单元通道结构450可以一直延伸到蜂窝体400的表皮。在这个实施方式中，单元通道结构450的第一水力直径dh1大于第二水力直径dh2(dh1>dh2)。此外，在这个实施方式中，单元通道结构450的第一水力直径dh1足够大到使得第一通道455可以降低柴油废气流中的烟炱微粒所导致的面堵塞，并且因此单元通道结构450以及蜂窝体400中的第一通道455可以起到旁路通道的作用。在这个实施方式中，第一水力直径dh1大于或等于1.1mm的临界水力直径dhc(dh1≥1.1mm)，第二水力直径dh2小于1.1mm(dh2<1.1mm)，以及单元通道结构450的第一通道402和第二通道404以一起计的GSA大于或等于2.9mm-1。在一些实施方式中，第一水力直径dh1可以等于或大于1.15mm从而进一步使得面堵塞最小化。
图5显示根据本公开内容的示例性蜂窝体500的另一部分，其所具有的旁路通道是非旁路通道4倍那么大并且占据了蜂窝体500的总开放锋面面积(OFA)的约1/3(约33％)。更具体来说，蜂窝体500包括多个单元通道结构550，每个具有：具有第一水力直径dh1的第一通道554(一些标记了出来)，以及具有第二水力直径dh2的第二通道552(一些标记了出来)，第二水力直径dh2小于第一水力直径dh1(dh2<dh1)。第一通道554是四边形(例如，大的正方形)，以及第二通道552是四边形(小的正方形)。在这个实施方式中，第一通道554(大通道)与八个不同的第二通道552(小通道)中的每一个共享了共用壁。第一通道554作为且包括旁路通道，因为第一水力直径dh1大于临界水力直径dhc。在这个实施方式中，单元通道结构550的第一水力直径dh1大于或等于1.1mm(dh1≥1.1mm)，第二水力直径dh2小于临界水力直径(dh2<1.1mm)，以及第一通道554和第二通道552以一起计的GSA大于或等于2.9mm-1。在一些实施方式中，第一水力直径dh1可以等于或大于1.15mm(dh1≥1.15mm)。
图6显示示例性蜂窝体600(例如陶瓷蜂窝体)的另一个部分，其包括包含不同尺寸通道的组合的单元通道结构650，例如一系列的矩形和正方形，其中，旁路通道约占总可用OFA的1/3。更具体来说，蜂窝体600含有：包含第一水力直径dh1的第一通道654，以及包含第二水力直径dh2的第二通道652(一些标记了出来)，第二水力直径dh2小于第一水力直径dh1(即，dh2<dh1)。第一通道654是四边形的大通道，以及第二通道652是四边形的小通道。在这个示例性实施方式中，第一通道654与六个不同的第二通道652中的每一个共享了共用壁。第一通道654作为旁路通道，因为第一水力直径dh1大于临界水力直径dhc。因此，在这个示例性实施方式中，第一水力直径dh1大于或等于1.1mm的临界水力直径dhc(dh1≥dhc)，第二水力直径dh2小于临界水力直径dhc(dh2<1.1mm)，以及第一通道654和第二通道652以一起计的GSA大于或等于2.9mm-1。在一些实施方式中，第一水力直径dh1可以大于或等于1.15mm(即，dh1≥1.15mm)。
图7显示另一个示例性陶瓷蜂窝体700(例如陶瓷蜂窝体)，其含有多个包含一系列矩形和正方形的单元通道结构750，其中，旁路通道约占总可用OFA的1/4。更具体来说，蜂窝体700包括：具有第一水力直径dh1的第一通道754，以及包含第二水力直径dh2的第二通道752(一些标记了出来)，第二水力直径dh2小于第一水力直径dh1(dh2<dh1)。第一通道754是四边形的大通道，以及第二通道752是四边形的小通道。在这个示例性实施方式中，第一通道754与六个不同的第二通道752中的每一个共享了共用壁。第一通道754作为旁路通道，因为第一水力直径dh1大于或等于临界水力直径dhc。在这个示例性实施方式中，第一水力直径dh1大于或等于dhc(dh1≥1.1mm)，第二水力直径dh2小于dhc(dh2<1.1mm)，以及第一通道754和第二通道752以一起计的GSA大于或等于2.9mm-1。在一些实施方式中，第一水力直径dh1可以大于或等于1.15mm。
图8显示示例性蜂窝体800(例如陶瓷蜂窝体)的另一部分，其含有多个包含一系列矩形和正方形的单元通道结构850，其中，旁路通道约占总可用OFA的1/5。更具体来说，蜂窝体800包括：具有第一水力直径dh1的第一通道854，并且第二通道852具有小于第一水力直径dh1的第二水力直径dh2。第一通道854是四边形的大通道(例如，矩形)，以及第二通道852是四边形的小通道(例如，正方形)。
在这个示例性实施方式中，第一通道854与六个不同的第二通道852中的每一个共享了共用壁。第一通道854作为旁路通道，因为第一水力直径dh1大于或等于临界水力直径dhc。在这个实施方式中，第一水力直径dh1大于或等于dhc(即，dh1≥1.1mm)，第二水力直径dh2小于dhc(即，dh2<1.1mm)，以及第一通道854和第二通道852以一起计的GSA大于或等于2.9mm-1。在一些实施方式中，第一水力直径dh1可以大于或等于1.15mm。
如上文所述，根据本公开内容的各种实施方式可用于交通工具的废气系统900。图9示意性显示含有根据本公开内容的催化转化器的示例性内燃机废气系统(例如，交通工具中的那些)的侧视图。更具体来说，图9显示连接到发动机960(例如，汽油发动机或者柴油发动机)的废气系统900。废气系统900可以包括：用于连接到发动机960的废气端口的歧管964，构造成连接在歧管964与其中含有蜂窝体(例如，蜂窝体300-800中任一种)的催化转化剂902之间的第一收集管道966，所述蜂窝体包含具有第一水力直径的第一组多个流通式通道和具有小于第一水力直径的第二水力直径的第二组多个流通式通道。可能存在水力直径小于第一水力直径但是不同于第二水力直径的其他较小的流通式通道。连接可以是任意合适的夹紧支架或者其他附连机制。在一些实施方式中，可以整合第一收集管道966和歧管964。在一些实施方式中，催化转化器902可以直接连接到歧管719而没有中间元件。废气系统900还可以包括连接到催化转化器902和连接到第二废气组件970的第二收集管道968。第二废气组件970可以包括微粒过滤器，其包括例如堵塞式蜂窝体，或者另一催化转化器，或者马弗炉，或其组合。可以将(显示为截平状的)尾管972或者其他导管或组件连接到第二废气组件970。可以包含其他废气系统组件，例如：马弗炉，一个或多个氧气或其他传感器，以及脲注射端口等(未示出)。
图10显示减小蜂窝体(例如，蜂窝体300-800)的面堵塞的示例性方法的流程图。减小面堵塞的示例性方法1000包括：在1002，提供流通式蜂窝体(例如，蜂窝体300-800中的任一种等)，其包含大通道(例如，大的通道254、454、554、654、754、854)和小通道(例如，小的通道252、256、258、452、552、652、752、852)，大通道的水力直径dh大于或等于1.1mm，小通道的水力直径dh小于1.1mm，以及大通道和小通道总计具有大于或等于2.9mm-1的几何表面积GSA。通过提供大到废气流中的微粒无法发生可感知的桥接的大通道，即使是当较小的通道可能遭受面堵塞时气流路径仍然是开放的。并且通过提供较小的通道，增加了每单位体积的催化效率，从而能够制造更小的DOC。根据本公开内容的大通道与小通道的组合提供了小形成因子的催化转化器，其对于面堵塞还具有抗性。在各种实施方式中，大通道和小通道在蜂窝体(例如，蜂窝体300-800)的入口面与出口面之间平行延伸。
示例性方法1000还包括：在1004，使得烟炱负载废气流动通过大小通道，其中，大通道起到了旁路通道的作用，从而降低了流通式蜂窝体的面堵塞。
仍然参见示例性方法1000，蜂窝体300-800可以具有至少62个通道/cm2(400cpsi)的大小通道的总通道密度CD，并且单独来说，大通道可以具有6.2个通道/cm2(40cpsi)至46.5个通道/cm2(300cpsi)的通道密度CD。此外，大通道的总横截面面积与大小通道一起计的总横截面面积的通道比CR范围是3％至40％。
建模结果如下表1-4所示并且显示出相比于常规流通式蜂窝体，第一部分通道的水力直径dh大于或等于临界水力直径dhc以及第二部分通道的水力直径dh小于临界水力直径dhc的流通式蜂窝体具有明显的压降改善。此外，建模结果还显示根据本公开内容的陶瓷蜂窝体一旦开始发生面堵塞提供了GSA的改善。
表1：比较例1至5
Figure BDA0003164149760000141
Figure BDA0003164149760000151
Figure BDA0003164149760000161
表2：本发明实施例1至6
Figure BDA0003164149760000162
Figure BDA0003164149760000171
Figure BDA0003164149760000181
表2(续)：本发明实施例7至12
Figure BDA0003164149760000182
Figure BDA0003164149760000191
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表2(续)：本发明实施例13至18
Figure BDA0003164149760000211
Figure BDA0003164149760000221
表2(续)：本发明实施例19至21
Figure BDA0003164149760000231
Figure BDA0003164149760000241
表3：比较例1至5
Figure BDA0003164149760000251
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表4：本发明实施例1至7
Figure BDA0003164149760000302
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Figure BDA0003164149760000321
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表4(续)：本发明实施例8至14
Figure BDA0003164149760000362
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表4(续)：本发明实施例15至21
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Figure BDA0003164149760000471
定义
首字母缩写“AC”指的是不对称孔道，即包含不同水力直径的大通道和小通道的蜂窝。
首字母缩写“cpsi”指的是每平方英寸通道数。
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。
首字母缩写“GSA”指的是几何表面积。
首字母缩写“OFA”指的是开放锋面面积。
首字母缩写“SOF”指的是可溶性有机馏分。
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是横向横截面流动面积，以及P是通道的润湿周长。因此，对于矩形，水力直径等于2WH/W+H，式中，W是宽度以及H是蜂窝体中的矩形通道的高度。
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附在最后的权利要求书及其等价形式的范围。

Claims (21)

1.一种蜂窝体，其包括：
蜂窝结构，其包含以重复式样布置的多个单元通道结构，每个单元通道结构包含：
以轴向方向相对于彼此以平行关系布置的多个通道，其中，所述多个通道的第一部分具有dh≥1.1mm，所述多个通道的第二部分具有dh<1.1mm，以及所述多个通道包括GSA≥2.9mm-1，其中，dh是水力直径以及GSA是几何表面积。
2.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，所述多个通道从入口面延伸到出口面。
3.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，所述多个通道中的每一个通道是流通式通道。
4.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，所述多个通道中的每一个通道没有被堵住。
5.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，所述多个通道中的至少一部分具有布置在其上的催化涂料。
6.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，蜂窝体包括：
CD≥62.0cm2(400cpsi)；
所述多个通道的所述第一部分包括6.2个通道/cm2(40cpsi)≤CD≤46.5个通道/cm2(300cpsi)；以及
3％≤CR≤40％，其中，CR是单元通道结构中所述多个通道的所述第一部分的总横截面面积与所有所述多个通道的总横截面面积的通道比，其表述为百分数，以及CD是通道密度。
7.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，蜂窝体包括：
CD≥77.5cm2(500cpsi)；
所述多个通道的所述第一部分包括6.2个通道/cm2(40cpsi)≤CD≤31.0个通道/cm2(200cpsi)；以及
3％≤CR≤40％，其中，CR是单元通道结构中所述多个通道的所述第一部分的总横截面面积与所有所述多个通道的总横截面面积的通道比，其表述为百分数。
8.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，蜂窝体包括：
CD≥93.0cm2(600cpsi)；
所述多个通道的所述第一部分包括6.2个通道/cm2(40cpsi)≤CD≤31.0个通道/cm2(200cpsi)；以及
3％≤CR≤40％，其中，CR是单元通道结构中所述多个通道的所述第一部分的总横截面面积与所有所述多个通道的总横截面面积的通道比，其表述为百分数。
9.如权利要求1所述的蜂窝体，其中，蜂窝体包括：
CD≥139.5cm2(900cpsi)；
所述多个通道的所述第一部分包括6.2个通道/cm2(40cpsi)≤CD≤31.0个通道/cm2(200cpsi)；以及
3％≤CR≤40％，其中，CR是单元通道结构中所述多个通道的所述第一部分的总横截面面积与所有所述多个通道的总横截面面积的通道比，其表述为百分数。
10.一种柴油氧化催化剂，其包括：
具有第一部分通道和第二部分通道的蜂窝体，其中，所述第一部分通道的水力直径大于或等于1.1mm，所述第二部分通道的水力直径小于1.1mm，以及蜂窝体具有大于或等于2.9mm-1的几何表面积。
11.如权利要求10所述的柴油氧化催化剂，其中，所述第一部分通道具有第一总横截面面积，所述第二部分通道具有第二总横截面面积，以及所述第一总横截面面积与所述第一总横截面面积和所述第二总横截面面积之和的通道比是3％至40％，以百分数表述。
12.如权利要求11所述的柴油氧化催化剂，其中，所述第一部分通道和所述第二部分通道从入口面延伸到出口面，并且所述第一部分通道和所述第二部分通道中的每一个是流通式通道。
13.如权利要求11所述的柴油氧化催化剂，其中，所述第一部分通道中的至少一些以及所述第二部分通道中的至少一些具有布置在其上的含催化剂涂料。
14.如权利要求13所述的柴油氧化催化剂，其中，以一起计，所述第一部分通道和所述第二部分通道包括大于或等于62.0个通道/cm2(400cpsi)的通道密度，以及以单独计，所述第一部分通道具有6.2个通道/cm2(40cpsi)至46.5个通道/cm2(300cpsi)的通道密度。
15.如权利要求13所述的柴油氧化催化剂，其中，以一起计，所述第一部分通道和所述第二部分通道具有大于或等于77.5个通道/cm2(500cpsi)的通道密度，以及以单独计，所述第一部分通道具有6.2个通道/cm2(40cpsi)至31.0个通道/cm2(200cpsi)的通道密度。
16.如权利要求13所述的柴油氧化催化剂，其中，以一起计，所述第一部分通道和所述第二部分通道具有大于或等于93.0个通道/cm2(600cpsi)的通道密度，以及以单独计，所述第一部分通道具有6.2个通道/cm2(40cpsi)至31.0个通道/cm2(200cpsi)的通道密度。
17.如权利要求13所述的柴油氧化催化剂，其中，以一起计，所述第一部分通道和所述第二部分通道具有大于或等于139.5个通道/cm2(900cpsi)的通道密度，以及以单独计，所述第一部分通道具有6.2个通道/cm2(40cpsi)至31.0个通道/cm2(200cpsi)的通道密度。
18.一种蜂窝体，其包括：
蜂窝结构，其包括在轴向方向上相对于彼此平行布置的多个通道，
其中，所述多个通道的第一部分具有dh≥1.1mm，所述多个通道的第二部分具有dh<1.1mm，以及蜂窝结构中的所述多个通道包括GSA≥2.9mm-1，其中，dh是水力直径以及GSA是几何表面积。
19.一种通过蜂窝体从烟炱负载废气去除烟炱的方法，该方法包括：
使得烟炱负载废气流动通过蜂窝体的大通道和小通道，其中，所述大通道具有大于1.1mm的水力直径，所述小通道具有小于1.1mm的水力直径，以及以一起计，所述大通道和小通道具有大于2.9mm-1的几何表面积；以及其中，至少一些大通道作为旁路通道。
20.如权利要求19所述的方法，其中，蜂窝体包括：
CD≥62.0个通道/cm2(400cpsi)；
以及，以单独计，所述大通道包括6.2个通道/cm2(40cpsi)≤CD≤46.5个通道/cm2(300cpsi)。
21.如权利要求20所述的方法，其包括：
3％≤CR≤40％
其中，CR是大通道的总横截面面积除以大通道和小通道以一起计的总横截面面积的通道比，以百分数表示。
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