用蜂窝式过滤器过滤汽油直接喷射发动机废料的制作方法
用蜂窝式过滤器过滤汽油直接喷射发动机废料的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及汽油直接喷射发动机废料的过滤。
【背景技术】
[0002] 已知使用不同类型的陶瓷过滤器从柴油发动机废料中去除颗粒物质。通常称为 "蜂窝"的过滤器具有从入口端到出口端延伸过滤器的长度的轴向小区。小区通过多孔壁界 定和分隔。小区以一定图案插塞，迫使进入过滤器的废料在其离开过滤器之前传送通过小 区壁。颗粒物质被小区壁捕获。
[0003] 在传统地主要是进气口燃料喷射（PFI)型的汽油发动机中使用这些颗粒过滤器 很不常见。当适当地操作时，PFI发动机产生极少颗粒物质，并且因此几乎不需要颗粒过滤 器。但是，较新类型的汽油发动机，所谓的汽油直接喷射（GDI)发动机在较常规的进气口燃 料喷射（PFI)发动机付费的情况下获得市场份额。在例如空载期间、当在恒定速度下或在 低加速度下操作时和/或当下坡行进时遇到的轻负载条件下，GDI发动机具有优于PFI发 动机的优势。在这些条件下，GDI发动机可以在比PFI发动机简洁的条件下操作。这潜在 地提供燃料经济性的改进和在短暂加速和减速期间的较好性能。
[0004] ⑶I发动机的问题是其倾向于产生比PFI发动机多的颗粒排放物。许多管辖区的 汽车排放标准要求大部分这些排放物从发动机废料中去除。如同柴油发动机，这可以通过 传送废料通过陶瓷过滤器来实现。但是，经设计用于处理柴油废料的陶瓷过滤器在GDI系 统中运行不良。对此的原因是GDI发动机在与柴油发动机相比极不同的条件下操作。特定 问题是在过滤器中所见的压降。在极高压缩比率和因此较高压力下操作的柴油发动机可以 承受这些压降而无明显性能损失。但是，GDI发动机在较低压缩比率和较低压力下操作。在 颗粒过滤器中的压降可以对GDI发动机性能具有明显影响，其降低功率输出且增加燃料消 耗。
[0005] 另一个重要差异是与在柴油发动机中相比，较少粒子在GDI发动机中形成，并且 那些粒子倾向于显著较小（并且因此更难以过滤）。在柴油机颗粒过滤器的情况下，所见的 最有效的过滤不是用干净过滤器，而是用已经操作一段时间并且已经积聚"烟灰块"的过滤 器。GDI过滤器不倾向于积聚许多烟灰块，并且因此需要在没有受益于烟灰块的情况下有效 去除GDI发动机产生的极小颗粒。有人想要在任何情况下避免在GDI发动机过滤器中形成 厚烟灰块以避免增加背压。
[0006] 因此，需要在低压降下高效操作以从GDI发动机废料中有效去除颗粒物质的颗粒 过滤器。
【发明内容】
[0007] 本发明是一种从汽油直接喷射（GDI)发动机的废气中去除颗粒物质的方法，其包 含将含颗粒的废气引入到含有通过交叉多孔壁界定的多个轴向延伸小区的陶瓷蜂窝的入 口端中，传送所述废气通过至少一个所述多孔壁以在所述多孔壁中截获所述颗粒物质，并 且然后从所述陶瓷蜂窝的出口端排放所述废气，其中：
[0008] 所述陶瓷蜂窝的所述多孔壁的壁厚是150 ym到750 ym，所述蜂窝的有效渗透率 是至少0. 8 X l(T12m2并且所述陶瓷蜂窝每平方米横截面积含有45, 000到230, 000个小区。 [0009] 在某些实施例中，陶瓷蜂窝的特征在于具有如以下阐述所测定的小于2 X KfnT1的 粘性阻力（Rv)。
【具体实施方式】
[0010] 出人意料地，高渗透率过滤器在从GDI发动机废料中去除颗粒物质时保持高效， 同时在发动机的有效操作所需的低压降下操作。
[0011] 出于本发明的目的，汽油直接喷射（GDI)发动机是内燃发动机，其中使用火花点 燃系统点燃燃料（汽油或含汽油的混合物），并且其中燃料在与空气混合之前以液滴形 式直接喷射到气缸中并且在气缸内变为与空气混合。⑶I发动机不同于进气口燃料喷射 (PFI)发动机，部分因为在PFI发动机中燃料与空气在引入到气缸中之前混合。相信直接引 入燃料液滴相对于PFI发动机促成GDI发动机中所见的颗粒排放物增加。
[0012] ⑶I发动机不同于柴油发动机，部分因为⑶I发动机中的燃料-空气混合物在正常 操作期间是火花点燃的。
[0013] ⑶I发动机可以是单气缸或多气缸。多气缸发动机可以具有2个或2个以上气缸， 典型地4个到16个气缸并且为了汽车用途，最典型地将含有4个到12个或4个、6个或8 个气缸。GDI发动机可以是二冲程或四冲程发动机。
[0014] 在操作期间，燃料在GDI发动机的气缸中燃烧以形成热气（主要是二氧化碳和 水），其膨胀为发动机提供动力。在每个燃烧循环结束时，废气从发动机的气缸去除以形成 排放到大气的废气流。在多气缸发动机中，来自多个气缸的废气可以在释放之前组合（如 在排气歧管中）。在汽车应用中，废气典型地通过管道系统引导到车辆的后部上方或后部处 的释放点。
[0015] 在本发明中，来自GDI发动机的废气通过在将气体排放到大气中之前传送其通过 多孔壁过滤器来过滤。多孔壁过滤器是含有多个轴向延伸小区的陶瓷蜂窝。轴向延伸小区 从陶瓷蜂窝的入口端延伸到出口端。陶瓷蜂窝的入口端是引入废气以便过滤的端口，而出 口端是在过滤之后排放废气的端口。轴向延伸小区由交叉多孔壁界定，其充当活性过滤介 质。大部分或所有小区典型地在一端或另一端而非两端处并且典型地以交替图案插塞。插 塞形成入口小区，其在入口端打开并且在出口端关闭。插塞还形成出口小区，其在出口端打 开并且在入口端关闭。在发动机操作期间，发动机废气进入陶瓷蜂窝的入口小区，穿过至少 一个交叉多孔小区壁到出口小区中，并且从蜂窝的出口端处的出口小区排放。颗粒去除发 生在具有夹带颗粒的气体穿过多孔小区壁时并且颗粒被多孔小区壁捕获并且从气体去除。
[0016] 陶瓷蜂窝安置在GDI发动机的废料系统内，因此来自发动机的废气在排放到大气 中之前穿过陶瓷蜂窝。废料系统包括一个或一系列导管，其将废气引导到陶瓷蜂窝并且在 过滤后，引导废气离开陶瓷蜂窝到排放到大气中的位置。废料系统可以包括例如声音消除 措施（例如一或多个消声器）、一或多个其它净化装置、一或多个催化转化器等的组件。陶 瓷蜂窝典型地安置在罐或其它容器中。这个罐或其它容器的目的是将陶瓷蜂窝维持在理想 位置和定向上，并且防止废气逸出蜂窝边缘或围绕蜂窝边缘传送。罐或其它容器通常包括 废气通过其引导到陶瓷蜂窝的入口端的入口和通过其从陶瓷蜂窝的出口端排放的废气被 引导离开的出口。
[0017] 陶瓷蜂窝的轴向延伸小区可以具有任何适宜的横截面形状，例如圆形、椭圆、多边 形（例如三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、八边形等）等等，或可以替代地具有复杂形 状，例如"哑铃"或类似形状。一些小区可以具有与其它不同的横截面形状并且可以具有与 其它不同的尺寸（即，不同横截面积）。小区的横截面优选地是矩形、正方形或三角形并且 最优选地横截面是正方形。
[0018] 陶瓷蜂窝可以是整体（即，以单块形成）或可以是分段的，即是较小蜂窝结构的组 装，所述较小蜂窝结构单独制造并且然后组装在一起，通常使用陶瓷水泥将个别块体粘着 在一起。
[0019] 陶瓷蜂窝可以具有外边缘"表皮"。这一表皮可以由蜂窝的边缘小区的外部小区壁 形成。或者，表皮可以是在制造陶瓷蜂窝之后应用的应用表皮。
[0020] 陶瓷蜂窝的外部尺寸是与特定应用结合来选择。陶瓷蜂窝的横截面积可以是例如 5cm2到2000cm 2,尤其75cm2到500cm2。陶瓷蜂窝的长度可以是例如5cm到50cm，尤其6cm 到 15cm〇
[0021] 陶瓷蜂窝的多孔交叉壁由陶瓷材料制成。陶瓷材料可以由任何可以耐受在操作期 间遇到的温度条件而不永久变形或热降解的材料制成。陶瓷可以是例如针状多铝红柱石、 非针状多铝红柱石、堇青石、氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、 0锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝、硅酸锂铝、二氧化硅、其它铝-硅酸盐等等，或其中的任何两 种或两种以上的复合物，例如多铝红柱石-堇青石复合物、多铝红柱石-钛酸铝（tialite) 复合物、针状多铝红柱石-堇青石复合物、针状多铝红柱石-钛酸铝复合物等等。其它实例 可以包括纤维与粘合剂的复合物，例如多铝红柱石纤维、氧化铝纤维、铝硅酸盐纤维、铝氧 化错（aluminozirconia)纤维，以及适当粘合剂材料，例如氧化错等等。
[0022] 在本发明的特定实施例中，陶瓷过滤器的多孔交叉壁（界定轴向延伸小区）是针 状多铝红柱石，或针状多铝红柱石与一或多种其它陶瓷的复合物。通过"针状"，意指多铝红 柱石呈至少在其一些交叉点处接合在一起的细长针状物形式。交叉壁中的孔部分或完全由 交叉针状物之间的空隙界定。针状多铝红柱石针状物的纵横比（长度除以中值直径）可以 是至少2,优选是至少5并且最优选是10或10以上。针状多铝红柱石针状物的中值直径可 以是0. 5微米到50微米。
[0023] 适合的针状多铝红柱石蜂窝结构的实例包括美国专利第5, 194, 154号、第 5, 173, 349 号、第 5, 198, 007 号、第 5, 098, 455 号、第 5, 340, 516 号、第 6, 596, 665 号以及第 6, 306, 335号；美国专利申请公开2001/0038810 ;以及国际PCT公开W0 03/082773中描述 的那些。
[0024] 在针状多铝红柱石与一或多种其它陶瓷的复合物的情况下，其它陶瓷材料优选构 成所述其它陶瓷的不超过75重量％，更优选不超过50重量％并且再更优选地不超过10重 量％。在可以存在的其它陶瓷中包括非针状多铝红柱石、堇青石、钛酸铝、氧化铝、氧化锆、 碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、0锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝、硅酸锂铝、二氧 化硅、其它铝-硅酸盐等等。在一些实施例中，陶瓷蜂窝的多孔壁包括如W0 2010/033763 中所描述的针状多铝红柱石_堇青石复合物。在一些实施例中，陶瓷蜂窝的多孔壁包括如 TO 2012/135401中所描述的针状多铝红柱石-钛酸铝复合物。
[0025] 在针状多铝红柱石与一或多种其它陶瓷的复合物的情况下，其它陶瓷可以存在于 (a)针状多铝红柱石针结构内，（b)针状多铝红柱石晶体之间的晶界处，（c)针状多铝红柱 石晶体的交叉点处或靠近针状多铝红柱石晶体的交叉点处，和/或（d)针状多铝红柱石针 状物表面上。
[0026] 陶瓷蜂窝的多孔壁可以涂布有各种功能材料或以其它方式含有各种功能材料，所 述功能材料可以在应用表皮之前或之后使用各种方法应用到蜂窝。功能材料可以是有机或 无机的。无机功能材料，确切地说金属和金属氧化物，受到关注，因为这些中的许多具有合 乎需要的催化特性，充当吸附剂或执行一些其它所需功能。尤其受关注的是用于将一氧化 碳和/或未燃尽的碳氢化合物氧化成二氧化碳和/或水的催化剂（以产生所谓的"双效" 催化剂），和用于还原NOx化合物的催化剂（其在与用于氧化一氧化碳和未燃尽的碳氢化 合物的催化剂偶合时形成所谓的"三效"催化剂）。特定功能材料的实例包括氧化铝、二氧 化钛、钡、铂、钮、轨、银、金等等。在一个尤其优选实施例中，氧化铝和铂、氧化铝和钡或氧化 铝、钡以及铂可以在一或多个步骤中沉积到蜂窝上以形成同时能够从废气中去除例如烟灰 的颗粒、N0 X化合物、一氧化碳以及碳氢化合物的过滤器。
[0027] 陶瓷蜂窝的多孔壁通过其壁厚来表征。出于本发明的目的，"多孔"壁是废气在 操作期间穿过的蜂窝壁，并且不包括例如边缘壁和涂布有水泥层（例如将分段蜂窝的区段 粘着在一起的水泥层）的壁。多孔壁的厚度是至少150 ym和至多750 ym。较薄壁难以建 造并且缺乏足够机械强度，而较厚壁添加不必要的重量并且不必要地增加穿过过滤器的压 降。多孔壁厚度优选是至少200 ym。多孔壁厚度优选是不超过500 ym并且再更优选地不 超过450 ym。在较小蜂窝区段沿着其轴长由一或多个水泥层粘结在一起的分段陶瓷蜂窝的 情况下，水泥层不算到多孔壁厚度。
[0028] 此外，过滤器的有效渗透率k是至少〇. 8X10_12m2,如在22±2°C下在干燥空气作 为流动气体的情况下所测定。有效渗透率可以是至少lXl(T 12m2。在一些实施例中，有效渗 透率多达10 X l(T12m2或多达5 X l(T12m2。过滤器在一些实施例中展示小于2 X 10V1的粘性 阻力Rv，并且在特定实施例中展示5 X lOV1到2 X 10 V1的粘性阻力。粘性阻力（R v)值定 义为：
【主权项】
1. 一种从汽油直接喷射（GDI)发动机的废气中去除颗粒物质的方法，其包含将装载颗 粒的废气引入到含有通过交叉多孔壁界定的多个轴向延伸小区的陶瓷蜂窝的入口端中，传 送所述废气通过至少一个所述多孔壁以在所述多孔壁中截获所述颗粒物质，并且然后从所 述陶瓷蜂窝的出口端排放所述废气，其中 所述陶瓷蜂窝的所述多孔壁的壁厚是150 y m到750 y m，所述蜂窝的有效渗透率是至 少0. 8 X KT12m2并且所述陶瓷蜂窝每平方米横截面积含有45, 000到230, 000个小区。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述有效渗透率K是IXKT12m2到10Xl(T12m 2。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述有效渗透率K是IXKT12m2到5Xl(T12m 2。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其中所述壁厚是200 y m到500 y m。
5. 根据权利要求1到4中任一权利要求所述的方法，其中所述陶瓷蜂窝的小区密度是 每平方米横截面积60, 000到155, 000个小区。
6. 根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中所述小区的横截面形状是矩形、三角 形或正方形。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述小区的横截面形状是正方形。
8. 根据权利要求1到7中任一权利要求所述的方法，其中所述陶瓷蜂窝的特征在于粘 性阻力（Rv)值小于2 X IO7m'
9. 根据权利要求1到8中任一权利要求所述的方法，其中所述陶瓷蜂窝是以下中的 一或多种：针状多铝红柱石、非针状多铝红柱石、堇青石、氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、 氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、0锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝、硅酸锂铝、二氧化硅、其中的 任何两种或两种以上的复合物，或多铝红柱石纤维、氧化铝纤维、铝硅酸盐纤维、铝氧化锆 (aluminozirconia)纤维以及粘合剂的复合物。
10. 根据权利要求1到8中任一权利要求所述的方法，其中所述陶瓷蜂窝是针状多铝红 柱石、针状多铝红柱石-堇青石复合物或针状多铝红柱石-钛酸铝（tialite)复合物。
11. 一种汽油直接燃料喷射发动机，其具有包含安装在其中的陶瓷蜂窝的废料系统以 使得来自所述发动机的废气在从所述废料系统排放之前穿过所述陶瓷蜂窝，其中所述陶瓷 蜂窝含有通过交叉多孔壁界定的多个轴向延伸小区，其中所述陶瓷蜂窝的所述多孔壁的有 效渗透率是至少0. 8 X KT12m2并且壁厚是150 y m到750 y m，并且所述陶瓷蜂窝每平方米横 截面积含有45, 000到230, 000个小区（即小区密度是每平方米45, 000到230, 000)。
12. 根据权利要求11所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述有效渗透率K是 IX KT12m2到 IOXKT12m2O
13. 根据权利要求11所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述有效渗透率K是 IX KT12m2到 5 X KT12m2O
14. 根据权利要求11到13中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 壁厚是200 ym到500 ym。
15. 根据权利要求11到14中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 陶瓷蜂窝的小区密度是每平方米横截面积60, 000到155, 000个小区。
16. 根据权利要求11到15中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 小区的横截面形状是矩形、三角形或正方形。
17. 根据权利要求16所述的的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述小区的横截面形状 是正方形。
18. 根据权利要求11到17中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 陶瓷蜂窝的特征在于粘性阻力（Rv)值小于ZXlO 7m'
19. 根据权利要求11到18中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 陶瓷蜂窝是以下中的一或多种：针状多铝红柱石、非针状多铝红柱石、堇青石、氧化铝、氧化 锆、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、e锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝、硅酸锂铝、 二氧化硅、其中的任何两种或两种以上的复合物，或多铝红柱石纤维、氧化铝纤维、铝硅酸 盐纤维、铝氧化锆纤维以及粘合剂的复合物。
20. 根据权利要求11到18中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 陶瓷蜂窝是针状多铝红柱石、针状多铝红柱石-堇青石复合物或针状多铝红柱石-钛酸铝 复合物。
【专利摘要】颗粒物质通过以下从汽油直接喷射(GDI)发动机的废气中去除：将含颗粒的废气引入到含有通过交叉多孔壁界定的多个轴向延伸小区的陶瓷蜂窝的入口端中，传送所述废气通过至少一个所述多孔壁以在所述多孔壁中截获所述颗粒物质，并且然后从所述陶瓷蜂窝的出口端排放所述废气。所述陶瓷蜂窝的所述多孔壁的壁厚是l50μm到750μm，所述蜂窝的有效渗透率是至少0.8×10-12m2并且所述陶瓷蜂窝每平方米横截面积含有45,000到230,000个小区。
【IPC分类】B01D46-24, F01N3-022
【公开号】CN104813000
【申请号】CN201380060740
【发明人】S·F·玛吉考斯基, I·米库利奇, H·J·库勒曼, D-W·尹
【申请人】陶氏环球技术有限责任公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年11月25日
【公告号】DE112013004474T5, US20150260064, WO2014085325A1
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及汽油直接喷射发动机废料的过滤。
【背景技术】
[0002] 已知使用不同类型的陶瓷过滤器从柴油发动机废料中去除颗粒物质。通常称为 "蜂窝"的过滤器具有从入口端到出口端延伸过滤器的长度的轴向小区。小区通过多孔壁界 定和分隔。小区以一定图案插塞，迫使进入过滤器的废料在其离开过滤器之前传送通过小 区壁。颗粒物质被小区壁捕获。
[0003] 在传统地主要是进气口燃料喷射（PFI)型的汽油发动机中使用这些颗粒过滤器 很不常见。当适当地操作时，PFI发动机产生极少颗粒物质，并且因此几乎不需要颗粒过滤 器。但是，较新类型的汽油发动机，所谓的汽油直接喷射（GDI)发动机在较常规的进气口燃 料喷射（PFI)发动机付费的情况下获得市场份额。在例如空载期间、当在恒定速度下或在 低加速度下操作时和/或当下坡行进时遇到的轻负载条件下，GDI发动机具有优于PFI发 动机的优势。在这些条件下，GDI发动机可以在比PFI发动机简洁的条件下操作。这潜在 地提供燃料经济性的改进和在短暂加速和减速期间的较好性能。
[0004] ⑶I发动机的问题是其倾向于产生比PFI发动机多的颗粒排放物。许多管辖区的 汽车排放标准要求大部分这些排放物从发动机废料中去除。如同柴油发动机，这可以通过 传送废料通过陶瓷过滤器来实现。但是，经设计用于处理柴油废料的陶瓷过滤器在GDI系 统中运行不良。对此的原因是GDI发动机在与柴油发动机相比极不同的条件下操作。特定 问题是在过滤器中所见的压降。在极高压缩比率和因此较高压力下操作的柴油发动机可以 承受这些压降而无明显性能损失。但是，GDI发动机在较低压缩比率和较低压力下操作。在 颗粒过滤器中的压降可以对GDI发动机性能具有明显影响，其降低功率输出且增加燃料消 耗。
[0005] 另一个重要差异是与在柴油发动机中相比，较少粒子在GDI发动机中形成，并且 那些粒子倾向于显著较小（并且因此更难以过滤）。在柴油机颗粒过滤器的情况下，所见的 最有效的过滤不是用干净过滤器，而是用已经操作一段时间并且已经积聚"烟灰块"的过滤 器。GDI过滤器不倾向于积聚许多烟灰块，并且因此需要在没有受益于烟灰块的情况下有效 去除GDI发动机产生的极小颗粒。有人想要在任何情况下避免在GDI发动机过滤器中形成 厚烟灰块以避免增加背压。
[0006] 因此，需要在低压降下高效操作以从GDI发动机废料中有效去除颗粒物质的颗粒 过滤器。
【发明内容】
[0007] 本发明是一种从汽油直接喷射（GDI)发动机的废气中去除颗粒物质的方法，其包 含将含颗粒的废气引入到含有通过交叉多孔壁界定的多个轴向延伸小区的陶瓷蜂窝的入 口端中，传送所述废气通过至少一个所述多孔壁以在所述多孔壁中截获所述颗粒物质，并 且然后从所述陶瓷蜂窝的出口端排放所述废气，其中：
[0008] 所述陶瓷蜂窝的所述多孔壁的壁厚是150 ym到750 ym，所述蜂窝的有效渗透率 是至少0. 8 X l(T12m2并且所述陶瓷蜂窝每平方米横截面积含有45, 000到230, 000个小区。 [0009] 在某些实施例中，陶瓷蜂窝的特征在于具有如以下阐述所测定的小于2 X KfnT1的 粘性阻力（Rv)。
【具体实施方式】
[0010] 出人意料地，高渗透率过滤器在从GDI发动机废料中去除颗粒物质时保持高效， 同时在发动机的有效操作所需的低压降下操作。
[0011] 出于本发明的目的，汽油直接喷射（GDI)发动机是内燃发动机，其中使用火花点 燃系统点燃燃料（汽油或含汽油的混合物），并且其中燃料在与空气混合之前以液滴形 式直接喷射到气缸中并且在气缸内变为与空气混合。⑶I发动机不同于进气口燃料喷射 (PFI)发动机，部分因为在PFI发动机中燃料与空气在引入到气缸中之前混合。相信直接引 入燃料液滴相对于PFI发动机促成GDI发动机中所见的颗粒排放物增加。
[0012] ⑶I发动机不同于柴油发动机，部分因为⑶I发动机中的燃料-空气混合物在正常 操作期间是火花点燃的。
[0013] ⑶I发动机可以是单气缸或多气缸。多气缸发动机可以具有2个或2个以上气缸， 典型地4个到16个气缸并且为了汽车用途，最典型地将含有4个到12个或4个、6个或8 个气缸。GDI发动机可以是二冲程或四冲程发动机。
[0014] 在操作期间，燃料在GDI发动机的气缸中燃烧以形成热气（主要是二氧化碳和 水），其膨胀为发动机提供动力。在每个燃烧循环结束时，废气从发动机的气缸去除以形成 排放到大气的废气流。在多气缸发动机中，来自多个气缸的废气可以在释放之前组合（如 在排气歧管中）。在汽车应用中，废气典型地通过管道系统引导到车辆的后部上方或后部处 的释放点。
[0015] 在本发明中，来自GDI发动机的废气通过在将气体排放到大气中之前传送其通过 多孔壁过滤器来过滤。多孔壁过滤器是含有多个轴向延伸小区的陶瓷蜂窝。轴向延伸小区 从陶瓷蜂窝的入口端延伸到出口端。陶瓷蜂窝的入口端是引入废气以便过滤的端口，而出 口端是在过滤之后排放废气的端口。轴向延伸小区由交叉多孔壁界定，其充当活性过滤介 质。大部分或所有小区典型地在一端或另一端而非两端处并且典型地以交替图案插塞。插 塞形成入口小区，其在入口端打开并且在出口端关闭。插塞还形成出口小区，其在出口端打 开并且在入口端关闭。在发动机操作期间，发动机废气进入陶瓷蜂窝的入口小区，穿过至少 一个交叉多孔小区壁到出口小区中，并且从蜂窝的出口端处的出口小区排放。颗粒去除发 生在具有夹带颗粒的气体穿过多孔小区壁时并且颗粒被多孔小区壁捕获并且从气体去除。
[0016] 陶瓷蜂窝安置在GDI发动机的废料系统内，因此来自发动机的废气在排放到大气 中之前穿过陶瓷蜂窝。废料系统包括一个或一系列导管，其将废气引导到陶瓷蜂窝并且在 过滤后，引导废气离开陶瓷蜂窝到排放到大气中的位置。废料系统可以包括例如声音消除 措施（例如一或多个消声器）、一或多个其它净化装置、一或多个催化转化器等的组件。陶 瓷蜂窝典型地安置在罐或其它容器中。这个罐或其它容器的目的是将陶瓷蜂窝维持在理想 位置和定向上，并且防止废气逸出蜂窝边缘或围绕蜂窝边缘传送。罐或其它容器通常包括 废气通过其引导到陶瓷蜂窝的入口端的入口和通过其从陶瓷蜂窝的出口端排放的废气被 引导离开的出口。
[0017] 陶瓷蜂窝的轴向延伸小区可以具有任何适宜的横截面形状，例如圆形、椭圆、多边 形（例如三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、八边形等）等等，或可以替代地具有复杂形 状，例如"哑铃"或类似形状。一些小区可以具有与其它不同的横截面形状并且可以具有与 其它不同的尺寸（即，不同横截面积）。小区的横截面优选地是矩形、正方形或三角形并且 最优选地横截面是正方形。
[0018] 陶瓷蜂窝可以是整体（即，以单块形成）或可以是分段的，即是较小蜂窝结构的组 装，所述较小蜂窝结构单独制造并且然后组装在一起，通常使用陶瓷水泥将个别块体粘着 在一起。
[0019] 陶瓷蜂窝可以具有外边缘"表皮"。这一表皮可以由蜂窝的边缘小区的外部小区壁 形成。或者，表皮可以是在制造陶瓷蜂窝之后应用的应用表皮。
[0020] 陶瓷蜂窝的外部尺寸是与特定应用结合来选择。陶瓷蜂窝的横截面积可以是例如 5cm2到2000cm 2,尤其75cm2到500cm2。陶瓷蜂窝的长度可以是例如5cm到50cm，尤其6cm 到 15cm〇
[0021] 陶瓷蜂窝的多孔交叉壁由陶瓷材料制成。陶瓷材料可以由任何可以耐受在操作期 间遇到的温度条件而不永久变形或热降解的材料制成。陶瓷可以是例如针状多铝红柱石、 非针状多铝红柱石、堇青石、氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、 0锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝、硅酸锂铝、二氧化硅、其它铝-硅酸盐等等，或其中的任何两 种或两种以上的复合物，例如多铝红柱石-堇青石复合物、多铝红柱石-钛酸铝（tialite) 复合物、针状多铝红柱石-堇青石复合物、针状多铝红柱石-钛酸铝复合物等等。其它实例 可以包括纤维与粘合剂的复合物，例如多铝红柱石纤维、氧化铝纤维、铝硅酸盐纤维、铝氧 化错（aluminozirconia)纤维，以及适当粘合剂材料，例如氧化错等等。
[0022] 在本发明的特定实施例中，陶瓷过滤器的多孔交叉壁（界定轴向延伸小区）是针 状多铝红柱石，或针状多铝红柱石与一或多种其它陶瓷的复合物。通过"针状"，意指多铝红 柱石呈至少在其一些交叉点处接合在一起的细长针状物形式。交叉壁中的孔部分或完全由 交叉针状物之间的空隙界定。针状多铝红柱石针状物的纵横比（长度除以中值直径）可以 是至少2,优选是至少5并且最优选是10或10以上。针状多铝红柱石针状物的中值直径可 以是0. 5微米到50微米。
[0023] 适合的针状多铝红柱石蜂窝结构的实例包括美国专利第5, 194, 154号、第 5, 173, 349 号、第 5, 198, 007 号、第 5, 098, 455 号、第 5, 340, 516 号、第 6, 596, 665 号以及第 6, 306, 335号；美国专利申请公开2001/0038810 ;以及国际PCT公开W0 03/082773中描述 的那些。
[0024] 在针状多铝红柱石与一或多种其它陶瓷的复合物的情况下，其它陶瓷材料优选构 成所述其它陶瓷的不超过75重量％，更优选不超过50重量％并且再更优选地不超过10重 量％。在可以存在的其它陶瓷中包括非针状多铝红柱石、堇青石、钛酸铝、氧化铝、氧化锆、 碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、0锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝、硅酸锂铝、二氧 化硅、其它铝-硅酸盐等等。在一些实施例中，陶瓷蜂窝的多孔壁包括如W0 2010/033763 中所描述的针状多铝红柱石_堇青石复合物。在一些实施例中，陶瓷蜂窝的多孔壁包括如 TO 2012/135401中所描述的针状多铝红柱石-钛酸铝复合物。
[0025] 在针状多铝红柱石与一或多种其它陶瓷的复合物的情况下，其它陶瓷可以存在于 (a)针状多铝红柱石针结构内，（b)针状多铝红柱石晶体之间的晶界处，（c)针状多铝红柱 石晶体的交叉点处或靠近针状多铝红柱石晶体的交叉点处，和/或（d)针状多铝红柱石针 状物表面上。
[0026] 陶瓷蜂窝的多孔壁可以涂布有各种功能材料或以其它方式含有各种功能材料，所 述功能材料可以在应用表皮之前或之后使用各种方法应用到蜂窝。功能材料可以是有机或 无机的。无机功能材料，确切地说金属和金属氧化物，受到关注，因为这些中的许多具有合 乎需要的催化特性，充当吸附剂或执行一些其它所需功能。尤其受关注的是用于将一氧化 碳和/或未燃尽的碳氢化合物氧化成二氧化碳和/或水的催化剂（以产生所谓的"双效" 催化剂），和用于还原NOx化合物的催化剂（其在与用于氧化一氧化碳和未燃尽的碳氢化 合物的催化剂偶合时形成所谓的"三效"催化剂）。特定功能材料的实例包括氧化铝、二氧 化钛、钡、铂、钮、轨、银、金等等。在一个尤其优选实施例中，氧化铝和铂、氧化铝和钡或氧化 铝、钡以及铂可以在一或多个步骤中沉积到蜂窝上以形成同时能够从废气中去除例如烟灰 的颗粒、N0 X化合物、一氧化碳以及碳氢化合物的过滤器。
[0027] 陶瓷蜂窝的多孔壁通过其壁厚来表征。出于本发明的目的，"多孔"壁是废气在 操作期间穿过的蜂窝壁，并且不包括例如边缘壁和涂布有水泥层（例如将分段蜂窝的区段 粘着在一起的水泥层）的壁。多孔壁的厚度是至少150 ym和至多750 ym。较薄壁难以建 造并且缺乏足够机械强度，而较厚壁添加不必要的重量并且不必要地增加穿过过滤器的压 降。多孔壁厚度优选是至少200 ym。多孔壁厚度优选是不超过500 ym并且再更优选地不 超过450 ym。在较小蜂窝区段沿着其轴长由一或多个水泥层粘结在一起的分段陶瓷蜂窝的 情况下，水泥层不算到多孔壁厚度。
[0028] 此外，过滤器的有效渗透率k是至少〇. 8X10_12m2,如在22±2°C下在干燥空气作 为流动气体的情况下所测定。有效渗透率可以是至少lXl(T 12m2。在一些实施例中，有效渗 透率多达10 X l(T12m2或多达5 X l(T12m2。过滤器在一些实施例中展示小于2 X 10V1的粘性 阻力Rv，并且在特定实施例中展示5 X lOV1到2 X 10 V1的粘性阻力。粘性阻力（R v)值定 义为：
【主权项】
1. 一种从汽油直接喷射（GDI)发动机的废气中去除颗粒物质的方法，其包含将装载颗 粒的废气引入到含有通过交叉多孔壁界定的多个轴向延伸小区的陶瓷蜂窝的入口端中，传 送所述废气通过至少一个所述多孔壁以在所述多孔壁中截获所述颗粒物质，并且然后从所 述陶瓷蜂窝的出口端排放所述废气，其中 所述陶瓷蜂窝的所述多孔壁的壁厚是150 y m到750 y m，所述蜂窝的有效渗透率是至 少0. 8 X KT12m2并且所述陶瓷蜂窝每平方米横截面积含有45, 000到230, 000个小区。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述有效渗透率K是IXKT12m2到10Xl(T12m 2。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述有效渗透率K是IXKT12m2到5Xl(T12m 2。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其中所述壁厚是200 y m到500 y m。
5. 根据权利要求1到4中任一权利要求所述的方法，其中所述陶瓷蜂窝的小区密度是 每平方米横截面积60, 000到155, 000个小区。
6. 根据以上任何一项权利要求所述的方法，其中所述小区的横截面形状是矩形、三角 形或正方形。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述小区的横截面形状是正方形。
8. 根据权利要求1到7中任一权利要求所述的方法，其中所述陶瓷蜂窝的特征在于粘 性阻力（Rv)值小于2 X IO7m'
9. 根据权利要求1到8中任一权利要求所述的方法，其中所述陶瓷蜂窝是以下中的 一或多种：针状多铝红柱石、非针状多铝红柱石、堇青石、氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、 氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、0锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝、硅酸锂铝、二氧化硅、其中的 任何两种或两种以上的复合物，或多铝红柱石纤维、氧化铝纤维、铝硅酸盐纤维、铝氧化锆 (aluminozirconia)纤维以及粘合剂的复合物。
10. 根据权利要求1到8中任一权利要求所述的方法，其中所述陶瓷蜂窝是针状多铝红 柱石、针状多铝红柱石-堇青石复合物或针状多铝红柱石-钛酸铝（tialite)复合物。
11. 一种汽油直接燃料喷射发动机，其具有包含安装在其中的陶瓷蜂窝的废料系统以 使得来自所述发动机的废气在从所述废料系统排放之前穿过所述陶瓷蜂窝，其中所述陶瓷 蜂窝含有通过交叉多孔壁界定的多个轴向延伸小区，其中所述陶瓷蜂窝的所述多孔壁的有 效渗透率是至少0. 8 X KT12m2并且壁厚是150 y m到750 y m，并且所述陶瓷蜂窝每平方米横 截面积含有45, 000到230, 000个小区（即小区密度是每平方米45, 000到230, 000)。
12. 根据权利要求11所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述有效渗透率K是 IX KT12m2到 IOXKT12m2O
13. 根据权利要求11所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述有效渗透率K是 IX KT12m2到 5 X KT12m2O
14. 根据权利要求11到13中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 壁厚是200 ym到500 ym。
15. 根据权利要求11到14中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 陶瓷蜂窝的小区密度是每平方米横截面积60, 000到155, 000个小区。
16. 根据权利要求11到15中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 小区的横截面形状是矩形、三角形或正方形。
17. 根据权利要求16所述的的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述小区的横截面形状 是正方形。
18. 根据权利要求11到17中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 陶瓷蜂窝的特征在于粘性阻力（Rv)值小于ZXlO 7m'
19. 根据权利要求11到18中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 陶瓷蜂窝是以下中的一或多种：针状多铝红柱石、非针状多铝红柱石、堇青石、氧化铝、氧化 锆、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮氧化硅、碳氮化硅、e锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝、硅酸锂铝、 二氧化硅、其中的任何两种或两种以上的复合物，或多铝红柱石纤维、氧化铝纤维、铝硅酸 盐纤维、铝氧化锆纤维以及粘合剂的复合物。
20. 根据权利要求11到18中任一权利要求所述的汽油直接燃料喷射发动机，其中所述 陶瓷蜂窝是针状多铝红柱石、针状多铝红柱石-堇青石复合物或针状多铝红柱石-钛酸铝 复合物。
【专利摘要】颗粒物质通过以下从汽油直接喷射(GDI)发动机的废气中去除：将含颗粒的废气引入到含有通过交叉多孔壁界定的多个轴向延伸小区的陶瓷蜂窝的入口端中，传送所述废气通过至少一个所述多孔壁以在所述多孔壁中截获所述颗粒物质，并且然后从所述陶瓷蜂窝的出口端排放所述废气。所述陶瓷蜂窝的所述多孔壁的壁厚是l50μm到750μm，所述蜂窝的有效渗透率是至少0.8×10-12m2并且所述陶瓷蜂窝每平方米横截面积含有45,000到230,000个小区。
【IPC分类】B01D46-24, F01N3-022
【公开号】CN104813000
【申请号】CN201380060740
【发明人】S·F·玛吉考斯基, I·米库利奇, H·J·库勒曼, D-W·尹
【申请人】陶氏环球技术有限责任公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年11月25日
【公告号】DE112013004474T5, US20150260064, WO2014085325A1
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