[发明专利]径向孔陶瓷蜂窝体结构

说明书

发明领域

本发明一般涉及一类用于机动车或柴油机排气系统的陶瓷蜂窝体结构，具体地，涉及具有从互连的径向和切向的网状物壁形成的孔的蜂窝体结构。

发明背景

陶瓷蜂窝体结构为已知的现有技术。这种结构一般包括许多互连的网状物壁，这些壁形成形状通常为正方形或六边形的传导气体的孔的矩阵，以及包围该孔矩阵的圆柱形外层。网状物壁矩阵的外边缘与外层的内边缘整体连接，形成单一的整体结构，该结构通常为圆柱形。

这种陶瓷蜂窝体结构的一个具体应用是作为柴油机排气系统中的微粒过滤器或作为用于机动车排气系统的催化剂基材。因此这些结构具有用于接受废气的进口端和用于排出废气的出口端。用作柴油机微粒过滤器的陶瓷蜂窝体结构的孔密度通常为100-400个孔/英寸²，且网状物的厚度在12-20密耳左右。传导气体的孔的进口和出口按照该结构的进口和出口端的“跳棋盘”图案被堵塞，以迫使柴油机的废气从形成网状物壁的多孔陶瓷材料中通过，从而滤除在柴油发动机的废气中产生的微粒烟炱。为了保持这种蜂窝体结构的气体渗透性，必须定期烧除累积在形成传导气体孔的网状物进口侧的颗粒物质。因此，进口孔按照设计烧除累积的烟炱颗粒的“烧除循环”周期性暴露于热焰中。在烧除循环中，将用作柴油机微粒过滤器的陶瓷蜂窝体结构的中心网状物的温度升高至1100℃，同时外层仅加热至约500℃。产生的500+℃的热梯度在陶瓷蜂窝体中产生热应力，可引起碎裂和其他不连续现象，主要发生在与外层的内边缘接触的最外部的孔中。

使用这种陶瓷蜂窝体结构作为陶瓷催化剂基材时，没有象柴油机微粒过滤器那样将孔堵塞，允许气体从传导气体的孔直接通过。为使直接从气体传导孔吹过的机动车废气与网状物壁的接触面积最大，应使孔密度较高(即，约为300-900个孔/英寸²)。为降低废气从蜂窝体结构中流过时产生的压降，使网状物壁的厚度小于用于柴油机微粒过滤器的结构中的网状物壁的厚度，即在2-6密耳左右。使用这种较薄的壁进一步有利于减少起燃时间(即，浸渍在网状物壁中的催化剂开始从废气中有效去除NO_x和其他有害污染物之前，网状物达到要求的250℃所需的时间)。只要机动车启动时，就会将这种结构频繁快速地从环境温度加热至250℃，这种频繁快速的加热很可能在蜂窝体结构的直径范围内产生明显的热梯度。这些热诱发的应力在网状物薄壁和蜂窝体结构外层之间的界面上达到最大。

将陶瓷蜂窝体结构用作柴油机微粒过滤器或者用作催化剂基材的情况下，申请人发现，在孔矩阵和外层内边缘之间的界面上发生的热诱发的应力因网状物壁和外层之间经常的倾斜定向而加剧。这种倾斜定向是在正方形或六边形孔周围施加圆形或圆化的外层的结果，这必然造成一部分网状物壁以一定的角度(如小于或等于45°)与外层相连。为解决这些问题，现有技术领域已提出使用组合了径向和切向网状物的一些蜂窝体结构。这些设计的优点是消除蜂窝体矩阵外边缘上以斜角(非正交)与外层内边缘相连的网状物。在径向网状物壁外边缘和外层内边缘之间产生基本上正交的取向能降低热梯度产生的应力。但是，这种已知的径向网状物设计包括以下构形：(1)“车轮”构形，其在单一圆柱形壁和多个形成孔侧壁的径向取向的较短网状物之间形成，由正方形孔的矩阵形成内部部分，由径向孔的单一切向层形成周边部分，或(2)堆叠的径向孔构形，其中，各径向网状物基本上在质心和外层内边缘之间的半径长度上延伸，或(3)鳞状径向孔构形，其具有交错的径向孔的环，各径向网状物只在孔的环的长度上延伸。

不幸地是，申请人发现上述所有设计都具有缺陷。虽然发现“车轮”的设计改善了孔网状物和外层之间的应力问题，但是这种设计倾向于将这些应力传递到孔矩阵外边缘和形成径向孔环内壁的圆柱形壁内边缘之间的界面上。虽然使用径向长度壁的第二种径向设计避免了与上述“车轮”设计相关的应力或位移问题，但是这种设计会在靠近孔矩阵的中心处固有地产生不能接受的高孔密度，径向网状物同时会聚在该中心处。即，又会产生跨蜂窝体结构的不能接受的高压降。此外，这种结构很难通过常用的挤出技术来制造，或者说无法通过常用的挤出技术制造这种结构，因为网状物壁在矩阵中心的会聚使得在挤出的陶瓷材料的流速方面产生不一致，从而使最终结构变形或强度降低。虽然鳞状径向孔的设计解决了上述高孔密度以及制造的问题，但是，其内部的强度低于采用正方形或六边形孔的常规设计，这是不能接受的。