特許 7144559 内燃機関の排ガス装置用の排ガス処理システム、およびこのような排ガス処理システムを運転するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-20

(45)【発行日】2022-09-29

(54)【発明の名称】内燃機関の排ガス装置用の排ガス処理システム、およびこのような排ガス処理システムを運転するための方法

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/08 20060101AFI20220921BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20220921BHJP

   F01N 3/28 20060101ALI20220921BHJP

   F01N 3/035 20060101ALI20220921BHJP

   F01N 3/20 20060101ALI20220921BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20220921BHJP

【ＦＩ】

F01N3/08 B ZAB

F01N3/24 C

F01N3/28 301P

F01N3/24 E

F01N3/035 E

F01N3/08 G

F01N3/20 H

F01N3/20 M

F01N3/28 J

B01D53/94 222

B01D53/94 300

【請求項の数】 19

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021040184

(22)【出願日】2021-03-12

(65)【公開番号】P2021148123

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2021-03-12

(31)【優先権主張番号】10 2020 106 882.4

(32)【優先日】2020-03-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】520050956

【氏名又は名称】プーレム ゲー・エム・ベー・ハー

【氏名又は名称原語表記】Ｐｕｒｅｍ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｈｏｍｂｕｒｇｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ ９５， ６６５３９ Ｎｅｕｎｋｉｒｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルフガング ダッツ

(72)【発明者】

【氏名】リサ ツィンマーマン

【審査官】池田 匡利

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２２７９７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２２１４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２６３６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９０４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１８５０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１８５４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１２１５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８４５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１２４６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２５１９８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３３７７０２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ３／０８

Ｆ０１Ｎ ３／２４

Ｆ０１Ｎ ３／２８

Ｆ０１Ｎ ３／０３５

Ｆ０１Ｎ ３／２０

Ｂ０１Ｄ ５３／９４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の排ガス装置用の排ガス処理システムであって、複数の互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）を含んでおり、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）が、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能であり、
前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）に直列接続された少なくとも１つの触媒ユニット（２４）が設けられており、
前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）に直列接続された少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（２４）に、排ガスによる通流のために選択的に開放しかつ遮断するための遮断機構（３０）が配設されている、
排ガス処理システム。

【請求項2】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちのそれぞれのＳＣＲ触媒ユニットが、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能である、請求項１記載の排ガス処理システム。

【請求項3】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能な前記少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）を選択的に開放しかつ遮断するための少なくとも１つの遮断機構（３８,４０,４２）が設けられている、請求項１または２記載の排ガス処理システム。

【請求項4】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）の、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能なそれぞれのＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）に、１つの遮断機構（３８,４０,４２）が割り当てられている、請求項３記載の排ガス処理システム。

【請求項5】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの少なくとも２つのＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）が、互いに異なる触媒容量を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の排ガス処理システム。

【請求項6】

互いに異なる触媒容量を備えた前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）は、互いに異なる大きさの、触媒反応を実施するのに有効な触媒表面、および／または異なるＮＨ_３貯蔵容積を有している、請求項５記載の排ガス処理システム。

【請求項7】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）は、触媒として有効な材料によって被覆されたまたは触媒として有効な材料によって構成されたそれぞれ１つの基体（５２）を有しており、それぞれの基体（５２）内に排ガス通流セル（５４）が形成されており、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの少なくとも２つのＳＣＲ触媒ユニットが、
－ 互いに異なる数および／または密度の排ガス通流セル（５４）を備えた基体（５２）を有しており、かつ／または
－ 互いに隣接した排ガス通流セル（５４）の間に異なる壁厚を備えた基体（５２）を有しており、かつ／または
－ 内部に設けられた排ガス通流セル（５４）の異なる横断面寸法および／または横断面幾何学形状を備えた基体（５２）を有しており、かつ／または
－ 異なる横断面寸法（Ｄ）および／または排ガス流れ方向（Ａ）における異なる長さ（Ｌ）および／または異なる容積を備えた基体（５２）を有しており、かつ／または
－ 異なる基体構造材料を備えた基体（５２）を有しており、かつ／または
－ 基体構造材料の異なる気孔率を備えた基体（５２）を有しており、かつ／または
－ 触媒として有効な異なる材料によって被覆されたまたは構成された基体（５２）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の排ガス処理システム。

【請求項8】

前記基体（５２）は、押出し成形されている、請求項７記載の排ガス処理システム。

【請求項9】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットが、
－ 単位ｃｍ^２あたり１２９０～２５８０個の排ガス通流セルの範囲内の排ガス通流セル密度を備えた基体（５２）を備えて、かつ／または
－ １４～２７ｃｍの範囲内の基体直径（Ｄ）を有する基体（５２）備えて、かつ／または
－ 相対的に高い気孔率を有する基体構造材料を有する基体（５２）を備えて
形成されており、
前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットが、
－ 単位ｃｍ^２あたり２５８０～３８７０個の排ガス通流セルの範囲内の排ガス通流セル密度を備えた基体（５２）を備えて、かつ／または
－ ２４～３３ｃｍの範囲内の基体直径を有する基体（５２）備えて、かつ／または
－ 相対的に低い気孔率を有する基体構造材料を有する基体（５２）を備えて
形成されている、請求項７または８記載の排ガス処理システム。

【請求項10】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）に直列接続された少なくとも１つのパティキュレートフィルタユニット（２０）が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の排ガス処理システム。

【請求項11】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）に直列接続された１つの触媒ユニット（１８）が、酸化触媒ユニット（１８）である、請求項１０記載の排ガス処理システム。

【請求項12】

それぞれのＳＣＲ触媒ユニット（２４,３２,３４,３６）に関して上流に、少なくとも１つの反応剤送入ユニット（３０,５０）が設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の排ガス処理システム。

【請求項13】

内燃機関（１３）の排ガス装置（１１）に設けられた排ガス処理システム（１０）を運転するための方法であって、
前記排ガス処理システムは、複数の互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）を含んでおり、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）が、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能であり、
前記内燃機関（１３）の始動運転段階または低負荷運転段階では、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のすべてを、排ガスによる通流のために開放することはせず、
前記内燃機関（１３）の、前記始動運転段階または前記低負荷運転段階と異なる第１の負荷運転段階では、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記始動運転段階または前記低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放された少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（３２）と、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記始動運転段階または前記低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかった少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（３４,３６）とを、排ガスによる通流のために開放し、
前記第１の負荷運転段階では、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記始動運転段階または前記低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかったＳＣＲ触媒ユニット（３４,３６）のすべてを、排ガスによる通流のために同時に開放するのではない、方法。

【請求項14】

前記第１の負荷運転段階では、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、前記始動運転段階または前記低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかった前記ＳＣＲ触媒ユニット（３４,３６）を、排ガスによる通流のために交互に開放する、請求項１３記載の方法。

【請求項15】

前記内燃機関（１３）の、前記始動運転段階または前記低負荷運転段階と異なる第２の負荷運転段階では、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記始動運転段階において排ガスによる通流のために開放されたＳＣＲ触媒ユニット（３２）を、排ガスによる通流のために開放することはなく、前記第２の負荷運転段階では、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記始動運転段階または前記低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかった少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（３４,３６）を、排ガスによる通流のために開放する、請求項１３または１４記載の方法。

【請求項16】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記始動運転段階または前記低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかったそれぞれのＳＣＲ触媒ユニット（３４,３６）を、排ガスによる通流のために開放する、請求項１５記載の方法。

【請求項17】

前記内燃機関（１３）の、前記始動運転段階と異なる第３の負荷運転段階では、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記始動運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかったＳＣＲ触媒ユニット（３４,３６）を、排ガスによる通流のために開放しない、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の方法。

【請求項18】

前記第１の負荷運転段階は、前記内燃機関（１３）の部分負荷運転段階であり、前記第２の負荷運転段階は、前記内燃機関（１３）の全負荷運転段階であり、前記第３の負荷運転段階は、前記内燃機関（１３）の低負荷運転段階である、請求項１５または１６を引用する請求項１７記載の方法。

【請求項19】

前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記始動運転段階および／または前記低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放された少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（３２）が、単位ｃｍ^２あたり１２９０～２５８０個の排ガス通流セルの範囲内の排ガス通流セル密度を備えた、かつ／または１４～２７ｃｍの範囲内の基体直径を有した、かつ／または相対的に高い気孔率を有する基体構造材料を備えた基体を有しており、前記互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット（３２,３４,３６）のうちの、前記内燃機関の部分負荷運転段階および／または全負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放された少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニット（３４,３６）が、単位ｃｍ^２あたり２５８０～３８７０個の排ガス通流セルの範囲内の排ガス通流セル密度を備えた、かつ／または２４～３３ｃｍの範囲内の基体直径を有した、かつ／または相対的に低い気孔率を有する基体構造材料を備えた基体を有している、請求項１３から１８までのいずれか１項記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば商用車における内燃機関の排ガス装置用の排ガス処理システムであって、内燃機関から放出される排ガスの有害成分を低減するために運転される排ガス処理システムに関する。本発明はさらに、このような排ガス処理システムを運転するための方法に関する。

【0002】

ディーゼル内燃機関を備えた車両、例えば商用車では、排ガス内の窒素酸化物成分を低減するために、ＳＣＲ（選択触媒還元）触媒ユニットが使用される。このようなＳＣＲ触媒ユニットの上流には、還元剤として尿素と水とから成る混合物が排ガス流内に噴射される。混合器の範囲もしくはそれぞれのＳＣＲ触媒ユニットの上流において発生させられた、排ガスと還元剤とから成る混合物は、それぞれのＳＣＲ触媒ユニット内での触媒反応で変換される。

【0003】

本発明の課題は、内燃機関の種々様々な運転状態への改善された適合を可能にする、内燃機関の排ガス装置用の排ガス処理システム、およびこのような排ガス処理システムを運転するための方法を提供することである。

【0004】

第１の態様によれば、この課題は、内燃機関の排ガス装置用の排ガス処理システムであって、複数の互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットを含んでおり、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットが、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能である、排ガス処理システムによって解決される。

【0005】

本発明により構成された排ガス処理システムでは、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのすべてを、排ガスによる通流のために同時に開放するのではないという可能性が得られる。これによって、例えば、始動運転段階では、つまり比較的低温のシステムおよび相対的に低い排ガス温度時に、排ガスを１つのＳＣＲ触媒ユニットにもしくは数を減じられたＳＣＲ触媒ユニットに集中させること、もしくはより低い温度での運転のために特に適合させられている１つまたは複数のＳＣＲ触媒ユニットに集中させるという可能性が提供される。これによって、始動運転段階において通流されるこのＳＣＲ触媒ユニットもしくはこれらのＳＣＲ触媒ユニットの比較的迅速な加熱が保証され、ひいては、それぞれのＳＣＲ触媒ユニットにおいて触媒反応を使用するために必要な温度を比較的迅速に得ることが保証される。システムが加熱されると、もしくは排ガスが相対的に高い温度を有すると、他方のまたは複数のＳＣＲ触媒ユニットが接続もしくは運転され、これによって、排ガス処理のための、この運転のために最適な条件を準備することができる。

【0006】

運転中における高いフレキシビリティを保証できるようにするために、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのそれぞれのＳＣＲ触媒ユニットが、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能であることが提案される。

【0007】

本発明によれば、例えば、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能な少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットを選択的に開放しかつ遮断するための少なくとも１つの遮断機構が設けられていてよく、高いフレキシビリティのために好ましくは、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットの、排ガスによる通流のために選択的に開放可能かつ遮断可能なそれぞれのＳＣＲ触媒ユニットに、１つの遮断機構が割り当てられている。

【0008】

排ガス処理システムの、内燃機関もしくは内燃機関に割り当てられた排ガス装置の種々様々な運転段階への適合のために、例えば、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの少なくとも２つのＳＣＲ触媒ユニットが、互いに異なる触媒容量を有していることが提案されていてよい。

【0009】

このような互いに異なる触媒容量は、例えば、互いに異なる触媒容量を備えた互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットが、互いに異なる大きさの、触媒反応を実施するのに有効な触媒表面、および／または異なるＮＨ_３貯蔵容積を有していることによって得ることができる。

【0010】

互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットは、触媒として有効な材料によって被覆されたまたは触媒として有効な材料によって構成された、好ましくは押出し成形されたそれぞれ１つの基体を有していてよく、それぞれの基体内に排ガス通流セルが形成されており、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの少なくとも２つのＳＣＲ触媒ユニットが、
－ 互いに異なる数および／または密度の排ガス通流セルを備えた基体を有しており、かつ／または
－ 互いに隣接した排ガス通流セルの間に異なる壁厚を備えた基体を有しており、かつ／または
－ 内部に設けられた排ガス通流セルの異なる横断面寸法および／または横断面幾何学形状を備えた基体を有しており、かつ／または
－ 異なる横断面寸法および／または排ガス流れ方向における異なる長さおよび／または異なる容積を備えた基体を有しており、かつ／または
－ 異なる基体構造材料を備えた基体を有しており、かつ／または
－ 基体構造材料の異なる気孔率を備えた基体を有しており、かつ／または
－ 触媒として有効な異なる材料によって被覆されたまたは構成された、好ましくは押出し成形された基体を有している。

【0011】

種々様々な温度状態もしくは種々様々な負荷状態への最適な適合は、例えば、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットが、
－ 単位ｃｍ^２あたり１２９０～２５８０個の排ガス通流セルの範囲内の排ガス通流セル密度を備えた基体を備えて、かつ／または
－ １４～２７ｃｍの範囲内の基体直径を有する基体を備えて、かつ／または
－ 相対的に高い気孔率を有する基体構造材料を有する基体を備えて
形成されており、
互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットが、
－ 単位ｃｍ^２あたり２５８０～３８７０個の排ガス通流セルの範囲内の排ガス通流セル密度を備えた基体を備えて、かつ／または
－ ２４～３３ｃｍの範囲内の基体直径を有する基体を備えて、かつ／または
－ 相対的に低い気孔率を有する基体構造材料を有する基体を備えて
形成されていることによって得ることができる。

【0012】

排ガス中におけるさらに低減された有害物質成分のためには、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットに直列接続された少なくとも１つの触媒ユニットが設けられていてよく、かつ／または互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットに直列接続された少なくとも１つのパティキュレートフィルタユニットが設けられていてよい。

【0013】

例えば、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットに直列接続された１つの触媒ユニットが、酸化触媒ユニットであってよく、かつ／または互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットに直列接続された１つの触媒ユニットが、ＳＣＲ触媒ユニットであってよい。

【0014】

このような直列接続されたＳＣＲ触媒ユニットとの関連においても運転中における高いフレキシビリティを得ることができるようにするために、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットに直列接続された少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットに、排ガスによる通流のために選択的に開放しかつ遮断するための遮断機構が割り当てられていてよい。

【0015】

選択触媒還元のために必要な還元剤を噴射するために、それぞれのＳＣＲ触媒ユニットに関して上流に、少なくとも１つの反応剤送入ユニットが設けられていてよい。

【0016】

別の態様によれば、冒頭に記載した課題は、内燃機関の排ガス装置に設けられた、本発明により構成された排ガス処理システムを運転するための方法であって、内燃機関の始動運転段階または低負荷運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのすべてを、排ガスによる通流のために開放するのではない、方法によって解決される。

【0017】

内燃機関の始動運転段階もしくは低負荷運転段階において比較的低温のシステムおよび相対的に低い排ガス温度時には、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットの一部しか、例えばただ１つのＳＣＲ触媒ユニットしか排ガスによって通流されないので、比較的小さな加熱すべき容積への集中ひいては触媒反応のより迅速な使用が得られる。

【0018】

より長い運転の後で、つまりシステムが加熱され、排ガス温度が高くなった場合に、最適な排ガス浄化を保証することができるようにするために、内燃機関の、始動運転段階または低負荷運転段階と異なる第１の負荷運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階または低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放された少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットと、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階または低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかった少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットとを、排ガスによる通流のために開放することが提案される。

【0019】

例えば、第１の負荷運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階または低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかったＳＣＲ触媒ユニットのすべてを、排ガスによる通流のために同時に開放するのではないことが提案されていてよい。

【0020】

運転耐用寿命にわたってほぼ均一な負荷ひいてはＳＣＲ触媒ユニットのほぼ均一なエージングを得るようにするためには、第１の負荷運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階または低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかったＳＣＲ触媒ユニットを、排ガスによる通流のために交互に開放することが提案される。

【0021】

さらに内燃機関の、始動運転段階または低負荷運転段階と異なる第２の負荷運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階または低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかったＳＣＲ触媒ユニットを、排ガスによる通流のために開放し、第２の負荷運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階または低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかった少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットを、好ましくは、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階または低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかったそれぞれのＳＣＲ触媒ユニットを、排ガスによる通流のために開放することが提案されていてよい。このようにすると、始動運転段階もしくは低負荷運転段階において作動する１つもしくは複数のＳＣＲ触媒ユニットの過負荷を回避することができる。

【0022】

内燃機関の、始動運転段階と異なる第３の負荷運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階において排ガスによる通流のために開放されなかったＳＣＲ触媒ユニットを、排ガスによる通流のために開放しないことが提案されていてよい。つまりこの運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットのうちの、始動運転段階においても作動させられた１つまたは複数のＳＣＲ触媒ユニットだけが運転される。

【0023】

第１の負荷運転段階は、内燃機関の部分負荷運転段階であってよく、第２の負荷運転段階は、内燃機関の全負荷運転段階であってよく、第３の負荷運転段階は低負荷運転段階であってよい。

【0024】

本発明の目的のために例えば始動運転段階の終了は、内燃機関の運転開始からの設定された時間経過によって、かつ／または設定された排ガス温度の到達によって、かつ／または排ガス処理システムの領域における設定された温度の到達によって特徴付けられていてよい。低負荷運転段階は、加熱された内燃機関もしくは加熱された排ガス装置において、内燃機関の回転数および／または内燃機関から出力される駆動トルクもしくは内燃機関への出力要求が、第１の負荷限界値を上回らない運転段階であってよい。部分負荷運転段階は、例えば、内燃機関の回転数および／または内燃機関から出力される駆動トルクもしくは内燃機関への出力要求が、第１の負荷限界値を上回っているが、しかしながら第１の負荷限界値の上にある第２の負荷限界値を上回っていないことによって特徴付けることができる。これに対して全負荷運転段階は、回転数および／または内燃機関から出力される駆動トルクもしくは内燃機関への出力要求が、第２の負荷限界値を上回っていることによって特徴付けることができる。

【0025】

効果的な排ガス浄化のために特に好適な手段では、始動運転段階および／または低負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放された少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットが、単位ｃｍ^２あたり１２９０～２５８０個の排ガス通流セルの範囲内の排ガス通流セル密度を備えた、かつ／または１４～２７ｃｍの範囲内の基体直径を有した、かつ／または相対的に高い気孔率を有する基体構造材料を備えた基体を有していてよく、内燃機関の部分負荷運転段階および／または全負荷運転段階において排ガスによる通流のために開放された少なくとも１つのＳＣＲ触媒ユニットが、単位ｃｍ^２あたり２５８０～３８７０個の排ガス通流セルの範囲内の排ガス通流セル密度を備えた、かつ／または２４～３３ｃｍの範囲内の基体直径を有した、かつ／または相対的に低い気孔率を有する基体構造材料を備えた基体を有していてよい。

【0026】

次に添付の図面を参照しながら本発明について詳説する。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】内燃機関の排ガス装置用の排ガス処理システムの原理図である。

【図2】ＳＣＲ触媒ユニットのための基体の原理図である。

【0028】

図１に示された、内燃機関１３の排ガス装置１１用の排ガス処理システム１０は、流入領域１２を含んでおり、この流入領域１２において、内燃機関１３から放出された排ガスが排ガス処理システム１０内に流入する。流出領域１４において、排ガス処理システム１０において処理された排ガスが排ガス処理システム１０から流出する。排ガス処理システム１０の、以下に記載された様々なシステム領域は、ハウジング１６内に収容されていてよく、ハウジング１６は、通路もしくは管路を介して互いに接続された複数のハウジング領域に分割されていてよい。

【0029】

排ガス処理システム１０は、流入領域１２に続いてディーゼル酸化触媒１８を含んでいる。ディーゼル酸化触媒１８にはパティキュレートフィルタ２０が続いている。ディーゼル酸化触媒１８とパティキュレートフィルタ２０との間の排ガス流路において、バイパス流路２２にはＳＣＲ触媒ユニット２４が設けられている。ＳＣＲ触媒ユニット２４には、例えば弁である遮断機構２６が割り当てられており、遮断機構２６は、排ガス主流通路２８から分岐するバイパス流路２２を、選択的に排ガスによる通流のために開放する、またはバイパス流路２２を排ガスによる通流に対して遮断することができる。遮断機構２６は、排ガスをＳＣＲ触媒ユニット２４を通して通流させたい場合に、排ガス主流通路２８において流れる全排ガス流をバイパス流路２２を通して導くように形成されていてよい。択一的に遮断機構２６は、例えば排ガス流の可変部分をバイパス流路２２内にひいてはＳＣＲ触媒ユニット２４を通して導くように構成されていてよい。

【0030】

例えばバイパス流路２２内においてＳＣＲ触媒ユニット２４の上流には、一般的にインジェクタとも呼ばれる反応剤送入ユニット３０が設けられている。反応剤送入ユニット３０は、反応剤、例えばＳＣＲ触媒ユニットのために反応剤として使用される尿素／水混合物を、排ガス流内に送入する。例えば反応剤送入ユニット３０に続く混合器において、排ガスと反応剤との混合を促進することができる。さらに付言すると、反応剤送入ユニット３０は、バイパス流路２２内においてもＳＣＲ触媒ユニット２４に関して上流に設けられていてもよい。

【0031】

パティキュレートフィルタ２０に関して下流には、排ガス処理システム１０の図示の実施例では互いに並列接続された３つのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６が設けられている。これらの並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６に割り当てられて、例えば弁であるそれぞれの遮断機構３８,４０,４２が、排ガス主流通路２８に設けられている。これらの遮断機構３８,４０,４２のそれぞれの遮断機構は、排ガス主流通路２８において流れる排ガス流の全部または一部を、それぞれのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６を含む分岐管路４４,４６,４８内に導くように形成されている。このように構成されていると、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６のそれぞれのＳＣＲ触媒ユニットを、選択的に排ガスによる通流のために開放する、もしくは排ガスによる通流に対して遮断することができる。

【0032】

互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６もしくはこれらのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６に割り当てられた遮断機構３８,４０,４２の上流には、別の反応剤送入ユニット５０が設けられている。この反応剤送入ユニット５０は、ＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６における触媒反応を実施するために必要な反応剤、つまり例えば尿素／水混合物を、排ガス主流通路２８内に噴射する。この反応剤送入ユニット５０にも、噴射された反応剤を排ガスと混合するための混合器が割り当てられていてよい。

【0033】

さらに付言すると、択一的に、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６のそれぞれ個々のＳＣＲ触媒ユニットにも、別体の反応剤送入ユニットがそれぞれの分岐管路４４,４６,４８においてそれぞれのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６の上流に配設されていてよい。

【0034】

図１に示された排ガス処理システム１０は、その構造上の構成に基づいて、運転中における高い可変性を有している。つまり、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６に直列接続されている、選択的に運転可能なＳＣＲ触媒ユニット２４によって、ディーゼル酸化触媒１８およびパティキュレートフィルタ２０と同様に、例えば内燃機関の全負荷運転状態において高い割合の窒素酸化物が存在している場合、もしくは大量の排ガス量が放出される場合に、排ガス中における窒素酸化物割合の一部を既に分解することができる。互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６は、例えば同様に内燃機関もしくは排ガス処理システムの運転状態に関連して選択的に作動もしくは不作動させることができる。さらに互いに並列配置されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６は、互いに基本的に同一構造を有していてよいが、しかしながらまた以下に記載の形式において特定の運転状態に適合して異なる構造を有していてもよい。

【0035】

内燃機関１３および排ガス装置１１ひいては排ガス処理システム１０も比較的低い温度を有していて、内燃機関１３から排出された排ガスも比較的低い温度を有している、始動運転段階では、排ガス処理システム１０を可能な限り迅速に、選択触媒還元を実施するのに必要な温度が得られる状態にもたらすという目標設定がある。そのために例えば単にＳＣＲ触媒ユニット３２だけを、排ガスによる通流のために開放することができ、これに対して他のすべてのＳＣＲ触媒ユニット２４,３４,３６は、排ガスによる通流に対して遮断されている。これによって、全排ガス流は、ただ１つの開放されたＳＣＲ触媒ユニット３２を通して通流させられ、その結果、このＳＣＲ触媒ユニット３２が比較的迅速に加熱され、ひいては、比較的迅速に触媒還元の実施のために必要な温度に達するということが保証される。

【0036】

この始動運転段階の終了後に、つまり例えば、内燃機関１３および排ガス装置１１ひいては排ガス処理システム１０も十分に高い温度に達した場合に、かつ／または内燃機関から放出された排ガスが十分に高い温度に達した場合に、ＳＣＲ触媒ユニット３４,３６もまた作動させることができる。例えば部分負荷運転段階では、ＳＣＲ触媒ユニット３４を追加的に通流のために開放することができ、これによって、全排ガス流は、互いに並列接続された２つのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４を通して導かれる。このような運転において、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６の均一なエージングを保証するために、例えば、ＳＣＲ触媒ユニット３４とＳＣＲ触媒ユニット３６とを交互に排ガスによる通流のために開放することが提案されていてよく、このようにすると、両ＳＣＲ触媒ユニット３４,３６は、運転耐用寿命にわたってほぼ等しい時間の運転負荷を受ける、つまり排ガスによって通流されることになる。互いに並列接続された３つのすべてのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６が同一構造を有していると、始動運転段階において作動するＳＣＲ触媒ユニット３２をも交互の切換に加えることができ、このようにすると始動運転段階では、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６のうちの常に１つのＳＣＲ触媒ユニットが、しかしながら常には同じでないＳＣＲ触媒ユニットが、作動させられることになり、部分負荷運転段階においては常に、互いに並列接続された３つのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６のうちの常に２つのＳＣＲ触媒ユニットが、排ガスによって通流され、これに対して１つのＳＣＲ触媒ユニットは排ガスによる通流に対して遮断されている。

【0037】

全負荷運転段階では、始動運転段階において通流されないすべてのＳＣＲ触媒ユニット、つまり互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６のうちのＳＣＲ触媒ユニット３４およびＳＣＲ触媒ユニット３６をも、排ガスによる通流のために開放することができ、同様にそれに対して直列接続されたＳＣＲ触媒ユニット２４をも、排ガスによる通流のために開放することができる。始動運転段階において作動するＳＣＲ触媒ユニット３２は、このような全負荷運転段階において排ガスによる通流に対して遮断することができ、これによって、運転耐用寿命にわたって、このＳＣＲ触媒ユニット３２の過負荷を回避することができる。このような場合においても、互いに並列接続されたすべてのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６が互いに同一構造を有している場合には、連続している始動運転段階において作動させられたＳＣＲ触媒ユニットの交換を行うことが提案されていてよく、このようにすると、それぞれの始動運転段階に続く全負荷運転段階でも、すべてのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６の均一な運転負荷が得られる。

【0038】

低負荷運転段階では、始動運転段階において作動するＳＣＲ触媒ユニット３２を、排ガスによって通流させることができ、これに対して他の両ＳＣＲ触媒ユニット３４,３６は遮断される。このこともまた、互いに並列接続されたすべてのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６に対する運転負荷の均一化のために貢献する。

【0039】

上において述べたように、特に、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６は互いに同一構造を有していてよい。しかしながらこれらのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６を、これらのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６を好適に使用することが望ましい運転段階に、最適に適合させるために、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６は、基本的には互いに異なる構造であってもよい。特にこれらのＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６は、下記のパラメータ、すなわち、
－ 触媒反応を実施するのに有効な触媒表面、
－ 触媒として有効な材料によって被覆された基体の基体構造材料、
－ 基体構造材料の気孔率、
－ それぞれの基体に設けられた排ガス通流セルの数もしくは面積密度、
－ それぞれの基体において互いに隣接した排ガス通流セルを互いに分離している壁の壁厚、
－ 排ガス通流セルの横断面寸法および／または横断面幾何学形状、
－ それぞれの基体の横断面寸法、
－ 排ガス流れ方向におけるそれぞれの基体の長さ、
－ それぞれの基体の容積、
－ 触媒として有効な材料、
というパラメータのうちの少なくとも１つのパラメータにおいて異なっていてもよい。

【0040】

図２には、ＳＣＲ触媒ユニットのためのこのような基体５２の原理図が示されている。この基体は、基本的に円筒形の構造体であってよく、排ガスが基体５２をこの基体５２内に形成された排ガス通流セル５４の領域において通流する、排ガス流れ方向Ａにおいて長さＬを有している。横断面が真円形の構成では、基体は直径Ｄを有している。ほぼ排ガス流れ方向Ａにおいて延在している通路として形成されていてよい排ガス通流セル５４の間には、幾つかの排ガス通流セル５４を互いに隔てている壁５６が形成されている。排ガス通流通路５４は、基体５２の横断面にわたってほぼ均一に分配されて形成されていてよく、これによって、排ガス通流セル５４の間に位置している壁５６のほぼ均一な壁厚Ｗが得られ、本発明の目的のためにそれぞれ最小の壁厚Ｗを、互いに隣接した排ガス通流セル５４の間に見ることができる。図２がこのことを示すように、排ガス通流通路５４は、種々様々な横断面幾何学形状を、例えば円形または角張った横断面幾何学形状を有することができ、基体５２に設けられた排ガス通流通路５４は、好ましくはすべて等しい横断面幾何学形状を有している。

【0041】

基体５２の、排ガスがその周りを流れる表面には、例えば白金であってよいまたは白金を含んでいてよい触媒として有効な材料が設けられている。このことは例えば、基体がこのような触媒として有効な材料によって被覆されることによって、または触媒として有効な材料が基体構造材料内に混合されていて、これによって、基体５２の製造時に同時に触媒反応を実施するのに有効な触媒表面が、この触媒表面に設けられた触媒として有効な材料をも備えて生ぜしめられることによって行うことができる。

【0042】

例えばＳＣＲ触媒ユニット３２が、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６のうちの、始動運転段階および／または低負荷運転段階において運転される触媒ユニットであることが望ましい場合には、この触媒ユニットは基本的に、始動運転段階および／または低負荷運転段階において運転させるべきではないＳＣＲ触媒ユニット３４,３６よりも小さい、もしくは僅かな熱質量若しくは熱容量を有するように寸法設定されていてよい。このことは例えば、ＳＣＲ触媒ユニット３２の基体５２が、ＳＣＲ触媒ユニット３４,３６の基体よりも僅かな横断面寸法を、つまり直径Ｄを、かつ／または排ガス流れ方向Ａにおけるより小さな長さＬを有していることによって得ることができる。ＳＣＲ触媒ユニット３２の基体における排ガス通流セル５４の数もまた、ＳＣＲ触媒ユニット３４,３６の基体における、例えば、それぞれ基体の長手方向において延在している通路状の排ガス通流セル５４の数よりも、僅かであってよい。例えばＳＣＲ触媒ユニット３２の基体５２は、真円形の横断面幾何学形状では約１４ｃｍ～２７ｃｍ（５.７～１０.５ツォル）の範囲内の基体直径Ｄを有していてよく、これに対してＳＣＲ触媒ユニット３４,３６の基体は、約２４～３３ｃｍ（９.５～１３.０ツォル）の範囲内の直径を有していてよい。ＳＣＲ触媒ユニット３２の基体における排ガス通流セルの密度は、単位ｃｍ^２あたり１２９０～２５８０個の排ガス通流セル（平方ツォルあたり２００～４００個の排ガス通流セル）の範囲内にあってよく、これに対してＳＣＲ触媒ユニット３４,３６の基体における排ガス通流セルの密度は、単位ｃｍ^２あたり２５８０～３８７０個の排ガス通流セル（平方ツォルあたり４００～６００個の排ガス通流セル）の範囲内にあってよい。これによって、また、より高い負荷ひいてはより大きな有害物質放出を伴う運転段階において作動するＳＣＲ触媒ユニットは、触媒として有効な材料の、触媒反応のために必要な温度を可能な限り迅速に得ることに的が絞られている、始動運転段階において作動させることが望ましいＳＣＲ触媒ユニット３２よりも、触媒反応を実施するために設けられた触媒材料の大きな触媒表面を有していることが実現される。様々なＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６のために単位ｃｍ^２あたり異なる数の排ガス通流セルを備えた、つまりこれらのＳＣＲ触媒ユニットのために異なるセル密度を備えたこのような基体５２では、これらのもしくはすべての排ガス通流セル５４は、ほぼ等しい横断面積を有することができる。これによって、相対的に低いセル密度を備えた基体５２では、例えばＳＣＲ触媒ユニット３２のために使用することができる基体５２では、互いに隣接したセルの間の壁厚Ｗを、相対的に高いセル密度を備えた基体５２におけるよりも大きくすることができる。このことによって、低いセル密度を備えた基体５２のために、相対的に高い気孔率を備えた基体構造材料を使用する場合でも、比較的高い機械的な安定性を得ることができる。択一的な構成形態では、相対的に高いセル密度を備えた基体５２が、相対的に低いセル密度を備えた基体５２よりも小さな横断面積を備えたセルを有することが提案されていてよい。

【0043】

ＳＣＲ触媒ユニット３２の熱質量（熱容量）を可能な限り小さく保つために、ＳＣＲ触媒ユニット３２の基体については、構造的に、可能な限り小さな熱質量にほとんど的を絞られているのではなく、可能な限り高い堅牢性ひいては可能な限り長い運転耐用寿命に的を絞られた、ＳＣＲ触媒ユニット３４,３６の基体よりも、高い気孔率を備えた基体構造材料が準備されていてよい。それというのは、基本的に、始動運転段階において運転されるべきではないこれらのＳＣＲ触媒ユニット３４,３６は、内燃機関もしくは排ガス装置の運転中に、始動運転段階および／または低負荷運転段階において運転されるべきＳＣＲ触媒ユニット３２よりも長い時間にわたって、排ガスによって通流されることを前提としているからである。基体構造材料における相対的に高い気孔率はまた、触媒反応を実施するために有効なより大きな触媒表面をも生ぜしめる。それというのは、触媒反応のためには、単に排ガス通流セル５４の内表面だけではなく、多孔質の構造体のすべての内表面をも利用することができるからである。

【0044】

基本的に、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６の、始動運転段階もしくは低負荷運転段階において運転されるべきではないＳＣＲ触媒ユニット３４,３６は、互いに同一構造を有していてよいが、しかしながらまた、より大きな可変性を得るために、上に記載されたパラメータのうちの少なくとも１つのパラメータにおいて異なっていてもよい。さらに付言すると、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニットは３つよりも多く設けられていてもよく、このように構成されていると、内燃機関のサイズ、および内燃機関の種々様々な運転段階において予想され得る排ガス流に関連して、複数のＳＣＲ触媒ユニットの組合せによって、その都度放出される排ガス流への最適な適合を得ることができる。

【0045】

直列接続されたもしくは直列接続可能なＳＣＲ触媒ユニット２４は、互いに並列接続されたＳＣＲ触媒ユニット３２,３４,３６のうちの１つのＳＣＲ触媒ユニットと同じ構造を有することができる。

【0046】

本発明による手段は、ディーゼル内燃機関での使用に制限されるものではなく、例えば、１よりも大きな空気過剰率値で運転される、いわゆるリーンガスエンジンでのガス使用時にも使用することができる。

【図1】

【図2】