[发明专利]具有不对称通道的用于废气微粒的陶瓷过滤器

说明书

发明领域

本发明一般涉及壁流蜂窝式过滤器。特别是，过滤器涉及蜂窝式过滤器中改进的通道结构以在高烟灰或灰分负载下提供更低程度的压降而不增加过滤器的总体积。

发明背景

柴油发动机在它们的废气流中排放微粒物和典型的有毒发动机废气，并且其一部分是未燃烧的微粒物，如灰分和烟灰。所排放的微粒物对于环境和人体是有害的，并且因此已经制定了法规限制允许排放的微粒物的量。典型的发动机具有包括用于从废气流滤出微粒物的过滤装置的废气系统，以使得排放物符合环境法规。此外，为满足最近的燃料经济标准，汽车制造商必须减少燃料消耗，这因此需要汽车重量上的整体降低。因此，工程师争取减少包括过滤装置在内的汽车系统的重量和尺寸。为满足这些挑战，已经提出了柴油机微粒过滤器的多种系统。

典型的柴油机微粒过滤器由多孔陶瓷制成，其中该过滤器是壁流过滤器。壁流过滤器典型地具有薄多孔壁陶瓷蜂窝结构，其中互联的薄多孔壁限定流动通道，所述流动通道彼此相互平行地设置。通道纵向延伸通过结构并限定两个相反的开放端面。在垂直于壁的方向上，柴油机微粒过滤器一般表现为通道的栅格的一致的截面矩阵状几何形状。当入口和出口通道的截面面积相同时，如例如图1中所示，它通常以对称截面矩阵表现。在每个端面，交替的通道的末端以棋盘板图案堵塞或密封，如图1中的示例方式中所描绘的。图案在任一个端面反转以使得该结构的每个通道仅在一个端面封闭。

将废气排放物等通过过滤器结构的“入口”端面，在下文中称为“入口”通道引入至壁流蜂窝式过滤器，以使得废气排放物不能通过堵塞的或密封的通道的末端。在过滤器结构的入口侧堵塞/密封的通道是“出口”通道，在下文中称为“出口”通道。废气流从入口面末端，流动通过入口通道，并且从相反的末端，出口端面，通过出口通道排放净化的废气。通常，入口通道与通常是出口通道的邻接通道共享薄多孔壁，并且过滤通过在邻接的入口与出口通道之间一起共享的那些壁发生。所捕获的烟灰被收集在限定入口通道的内部的表面上和/或薄多孔壁的孔内。

目前的挑战之一因为随着积累在入口通道的壁上的捕获的烟灰的量增加，累积物的厚度干扰气体流动而出现。累积的烟灰的存在导致跨越过滤器的压降和对发动机的背压力上的增加，从而降低发动机的输出并增加其燃料消耗。当背压或压降超过其最大预定值时，需要过滤器的再生或置换。另一个挑战是，为了符合环境法规，需要更有效的或更大的过滤器，这增加车的重量和/或占据更大的空间，因此，使得难以符合有益于更轻的车的生产的燃料经济性规则。因此，对寻求满足这两个需求的解决方案存在需要。

目前，为解决这些问题中的一些已经进行了尝试，如提供保持适宜的流量并提供更高的烟灰储存容量的过滤器。例如美国专利4,276,071，美国专利申请公开2005/0,016,141和2005/0076627过滤器归因于不同的对称和不对称截面矩阵几何形状具有更高的过滤器表面面积。美国专利4,417,908和4,420,316通过采用不同的封堵图案提供更高的入口通道的过滤表面面积。美国专利4,643,749和7,247,184公开了归因于壁厚度的变化具有提高的通过入口通道的流量的过滤器结构。

对于提供足够的过滤效率同时最小化对燃料效率的损失的微粒壁流蜂窝式过滤器持续存在需求。过滤器通过如下降低燃料效率：增加发动机上的背压，从而需要额外的燃料用于再生，并且对交通工具增加另外的质量和尺寸。汽车制造商希望最小化压降和再生频率，同时平衡竞争需求以最小化填充尺寸和重量。每个应用都是独特的，因为不同的发动机技术和工作循环影响烟灰和灰分积累的速率，以及所需要过滤的废气的流量。特别是，对于在更高的烟灰和灰分负载下具有更低程度压降的壁流过滤器存在需要。汽车制造商需要其中可以选择过滤器几何形状以对于所选择的填充尺寸和所选择的最大可允许压降提供更长的再生频率的微粒壁流过滤器设计。此外，将更加适宜的是提供一种壁流过滤器，其蜂窝几何形状可以以相似的方式调节，并且可以选择过滤器的特定几何形状以对于给定的过滤器尺寸最优化压降性能与再生频率之间的连续关系。

发明内容