废气处理系统和用于运行这种废气处理系统的方法与流程

1.本发明涉及一种用于例如运营汽车中的内燃机排气装置的废气处理系统，该废气处理系统的运行是为了降低内燃机排放的废气中的污染物含量。此外，本发明还涉及一种用于运行这种废气处理系统的方法。


背景技术：

2.在具有柴油内燃机的车辆、如运营汽车中，使用scr(选择性催化还原)催化器单元来降低废气中的氮氧化物含量。在这种scr催化器单元的上游，将尿素和水的混合物作为还原剂喷射到废气流中。在混合器区域中或在相应scr催化器单元上游产生的废气和还原剂的混合物在相应scr催化器单元中以催化反应进行转化。


技术实现要素：

3.本发明的任务在于，提供一种用于内燃机排气装置的废气处理系统以及一种用于运行这种废气处理系统的方法，通过它们可更好地适应内燃机的不同运行状态。
4.根据第一方面，所述任务通过一种用于内燃机排气装置的废气处理系统来解决，该废气处理系统包括多个相互并联连接的scr催化器单元，所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少一个scr催化器单元为了废气穿流而能够选择性地被释放和截止。
5.在根据本发明制造的废气处理系统中实现这样的可能性：不同时释放所有相互并联连接的scr催化器单元以用于废气穿流。这例如提供了这样的可能性：在起动运行阶段中，即在相对冷的系统中和低的废气温度下，将废气流集中在一个或少量的scr催化器单元上或者说一个或多个特别适合于在较低温度下运行的scr催化器单元上。由此确保所述一个或多个在起动运行阶段中被穿流的scr催化器单元相对快速地加热和因此更快地达到在相应scr催化器单元中开始催化反应所需的温度。如果系统被加热或废气温度较高，则可打开或运行其它或更多的scr催化器单元，以便为该运行提供最佳的废气处理条件。
6.为了能够确保运行中的高度灵活性，提出，所述相互并联连接的scr催化器单元中的每个scr催化器单元为了废气穿流而能够选择性地被释放和截止。
7.根据本发明，例如可设置至少一个截止机构，用于选择性地释放和截止所述相互并联连接的scr催化器单元中的为了废气穿流而可选择性地被释放和截止的所述至少一个scr催化器单元，在此为了高灵活性，优选为所述相互并联连接的scr催化器单元的为了废气穿流而可选择性地被释放和截止的每个scr催化器单元分配截止机构。
8.为了使废气处理系统适应内燃机或分配给内燃机的排气装置的不同运行阶段，例如可规定，所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少两个scr催化器单元具有彼此不同的催化器容量/能力。
9.这种不同的催化器容量例如可由此实现：所述相互并联连接且具有彼此不同的催化器容量的scr催化器单元具有彼此不同大小的对于进行催化反应起作用的催化器表面或/和不同的nh3储存容积。
10.所述相互并联连接的scr催化器单元可以分别包括涂覆有起催化作用的材料或用起催化作用的材料制造、优选挤出的基材，在每个基材中形成废气穿流单元，所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少两个scr催化器单元包括：
11.‑
废气穿流单元数量或/和密度不同的基材，或/和
12.‑
在彼此相邻的废气穿流单元之间具有不同壁厚的基材，或/和
13.‑
其中设置的废气穿流单元具有不同横截面定尺寸或/和不同横截面几何结构的基材，或/和
14.‑
横截面尺寸或/和沿废气流动方向的长度或/和体积彼此不同的基材，或/和
15.‑
基材制造材料不同的基材，或/和
16.‑
基材制造材料的孔隙度不同的基材，或/和
17.‑
用不同的起催化作用的材料涂覆或制造、优选挤出的基材。
18.对不同温度状态或不同负荷状态的最佳适应例如可由此实现：所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少一个scr催化器单元构造有：
19.‑
废气穿流单元密度在每平方厘米1290至2580个废气穿流单元的范围内的基材，或/和
20.‑
基材直径在14至27cm范围内的基材，或/和
21.‑
基材制造材料的孔隙度较高的基材，
22.并且所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少一个scr催化器单元构造有：
23.‑
废气穿流单元密度在每平方厘米2580至3870个废气穿流单元的范围内的基材，或/和
24.‑
基材直径在24至33cm范围内的基材，或/和
25.‑
基材制造材料的孔隙度较低的基材。
26.为了进一步减少废气中污染物的含量，可设置至少一个与所述相互并联连接的scr催化器单元串联连接的催化器单元或/和可设置至少一个与所述相互并联连接的scr催化器单元串联连接的颗粒过滤器单元。
27.例如一个与所述相互并联连接的scr催化器单元串联连接的催化器单元可以是氧化催化器单元或/和一个与所述相互并联连接的scr催化器单元串联连接的催化器单元可以是scr催化器单元。
28.为了能够在结合这种串联连接的scr催化器单元时实现运行中的高灵活性，可为至少一个与所述相互并联连接的scr催化器单元串联连接的scr催化器单元分配用于为了废气穿流而选择性地释放和截止的截止机构。
29.为了喷入选择性催化还原所需的还原剂，可相对于每个scr催化器单元在上游设置至少一个反应剂输入单元。
30.根据另一方面，开头所提任务通过一种用于在内燃机的排气装置中运行根据本发明制造的废气处理系统的方法，在所述方法中在内燃机的起动运行阶段或低负荷运行阶段中并非所有相互并联连接的scr催化器单元都被释放用于废气穿流。
31.由于在相对冷的系统和相对低的废气温度下的内燃机起动运行阶段或低负荷运行阶段中仅一部分所述相互并联连接的scr催化器单元、例如仅一个唯一的所述scr催化器单元被废气穿流，因此集中在相对小的待加热体积上并由此更快开始催化反应。
32.为了能够在长时间运行之后，即在加热的系统和提高的废气温度下确保最佳的废气净化，提出，在内燃机的不同于起动运行阶段或低负荷运行阶段的第一负荷运行阶段中，所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少一个在起动运行阶段或低负荷运行阶段中被释放用于废气穿流的scr催化器单元和所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少一个在起动运行阶段或低负荷运行阶段中未被释放用于废气穿流的scr催化器单元被释放用于废气穿流。
33.例如可规定，在第一负荷运行阶段中，所述相互并联连接的scr催化器单元中的在起动运行阶段或低负荷运行阶段中未被释放用于废气穿流的scr催化器单元并未全部同时被释放用于废气穿流。
34.为了确保在整个使用寿命期间实现scr催化器单元的大致均匀的加载并且因此也实现大致均匀的老化，提出，在第一负荷运行阶段中，所述相互并联连接的scr催化器单元中的在起动运行阶段或低负荷运行阶段中未被释放用于废气穿流的scr催化器单元交替被释放用于废气穿流。
35.此外，在内燃机的不同于起动运行阶段或低负荷运行阶段的第二负荷运行阶段中可规定，所述相互并联连接的scr催化器单元中的在起动运行阶段或低负荷运行阶段中被释放用于废气穿流的scr催化器单元未被释放用于废气穿流，并且在第二负荷运行阶段中，所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少一个在起动运行阶段或低负荷运行阶段中未被释放用于废气穿流的scr催化器单元、优选所述相互并联连接的scr催化器单元的每个在起动运行阶段或低负荷运行阶段中未被释放用于废气穿流的scr催化器单元被释放用于废气穿流。因此可避免在起动运行阶段或低负荷运行阶段中激活的一个或多个scr催化器单元的过载。
36.在内燃机的不同于起动运行阶段的第三负荷运行阶段中可规定，所述相互并联连接的scr催化器单元中的在起动运行阶段中未被释放用于废气穿流的scr催化器单元未被释放用于废气穿流。因此，在该运行阶段中仅运行所述相互并联连接的scr催化器单元中的那些也在起动运行阶段中激活的scr催化器单元。
37.第一负荷运行阶段可以是内燃机的部分负荷运行阶段，第二负荷运行阶段可以是内燃机的满负荷运行阶段，并且第三负荷运行阶段可以是低负荷运行阶段。
38.为了本发明的目的，例如起动运行阶段的结束可通过在内燃机起动之后预定时间段的结束或/和通过达到预定的废气温度或/和在废气处理系统区域中达到预定温度来表征。低负荷运行阶段可以是这样的运行阶段，在其中，当内燃机或排气装置被加热时，内燃机的转速或/和由内燃机输出的驱动扭矩或内燃机的功率需求不超过第一负荷极限值。部分负荷运行阶段的特点例如可在于，内燃机的转速或/和由内燃机输出的驱动扭矩或内燃机的功率需求高于第一负荷极限值，但不超过高于第一负载极限值的第二负载极限值，而满负荷运行阶段的特点可在于，内燃机的转速或/和由内燃机输出的驱动扭矩或内燃机的功率需求高于第二负荷极限值。
39.在一种特别有利于高效净化废气的操作方法中，所述相互并联连接的scr催化器单元中的至少一个在起动运行阶段或/和低负荷运行阶段中被释放用于废气穿流的scr催化器单元可包括废气穿流单元密度在每平方厘米1290至2580个废气穿流单元的范围内或/和基材直径在14至27cm范围内或/和基材制造材料的孔隙度较高的基材，并且至少一个在
部分负荷运行阶段或/和满负荷运行阶段中被释放用于废气穿流的scr催化器单元可包括废气穿流单元密度在每平方厘米2580至3870个废气穿流单元的范围内或/和基材直径在24至33cm范围内或/和基材制造材料的孔隙度较低的基材。
附图说明
40.下面参考附图详细阐述本发明。附图如下：
41.图1以原理图示出用于内燃机排气装置的废气处理系统；
42.图2以原理图示出用于scr催化器单元的基材。
具体实施方式
43.图1中所示的用于内燃机13排气装置11的废气处理系统10包括入口区域12，内燃机13排放的废气在该入口区域中进入废气处理系统10中。在出口区域14中在废气处理系统10中处理过的废气离开废气处理系统10。下面描述的废气处理系统10不同系统区域可安装在一个壳体16中，该壳体可分为多个通过通道或管路相互连接的壳体区域。
44.废气处理系统10包括在入口区域12之后的柴油氧化催化器18。柴油氧化催化器18之后是颗粒过滤器20。在柴油氧化催化器18和颗粒过滤器20之间的废气流路中，一个scr催化器单元24设置在旁通流路22中。为该scr催化器单元24分配截止机构26、如阀，其能够选择性地释放从废气主流道28分支的旁通流路22用于废气穿流或截止该旁通流路22以阻止废气穿流。在此可这样构造截止机构26，使得当scr催化器单元24应被穿流时，截止机构引导在废气主流道28中流动的整个废气流通过旁通流路22。作为替代方案，可这样设计截止机构26，使得截止机构将废气流的例如可变的部分引导到旁通流路22中并且因此穿过scr催化器单元24。
45.在scr催化器单元24上游，例如在旁通流路22中，设有反应剂输入单元30，通常也称为喷射器。反应剂输入单元30将反应剂、如对于scr反应用作还原剂的尿素/水混合物输入到废气流中。在例如反应剂输入单元30之后的混合器中可辅助废气和反应剂的混合。应指出，反应剂输入单元30例如也可相对于scr催化器单元24在上游设置在旁通流路22中。
46.在所示的废气处理系统10实施例中，相对于颗粒过滤器20在下游设有三个相互并联连接的scr催化器单元32、34、36。分配给所述相互并联连接的scr催化器32、34、36的每个scr催化器地，在废气主流道28中设置相应的截止机构38、40、42、如阀。所述截止机构38、40、42的每个截止机构构造用于将在废气主流道28中流动的废气流或其一部分引导到包含相应scr催化器单元32、34、36的支线44、46、48中。因此，每个所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36均可选择性地被释放用于废气穿流或截止以阻止废气穿流。
47.在相互并联连接的scr催化器单元32、34、36或分配给其的截止机构38、40、42上游，设有另一反应剂输入单元50。该反应剂输入单元将在scr催化器单元32、34、36中进行催化反应所需的反应剂、如尿素/水混合物喷射到废气主流道28中，在此也可为该反应剂输入单元50分配混合器，用于将喷入的反应剂与废气混合。
48.应指出，作为替代方案，也可为所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36的每个scr催化器单元在相应支线44、46、48中在相应scr催化器单元32、34、36上游分配单独的反应剂输入单元。
49.图1所示的废气处理系统10基于其结构设计而在运行中具有高可变性。当例如在内燃机的满负荷工作状态中氮氧化物含量高或排放大量废气时，借助与所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36串联连接的、可选择性运行的scr催化器单元24以及柴油氧化催化器18和颗粒过滤器20已经可消除废气中的部分氮氧化物含量。所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36例如也可根据内燃机或废气处理系统的运行状态选择性地激活或停用。在此所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36原则上可在结构上彼此相同，但也可以以下述方式不同地构造，以适应特定的运行状态。
50.在起动运行阶段(在其中内燃机13和排气装置11和因此废气处理系统10具有相对低的温度并且内燃机13排放的废气也具有相对低的温度)，目标是使废气处理系统10尽可能快地达到进行选择性催化还原所需的温度的状态。为此例如可仅释放scr催化器单元32用于废气穿流，而所有其它scr催化器单元24、34、36截止以阻止废气穿流。因此，整个废气流穿流唯一释放的scr催化器单元32，从而确保该scr催化器单元相对快地被加热，从而也相对快地达到进行催化反应所需的温度。
51.在该起动运行阶段结束后，即例如当内燃机13或排气装置11和因此废气处理系统10已经达到足够高的温度或/和内燃机排放的废气已经达到足够高的温度时，也可随后打开scr催化器单元34、36。例如可在部分负荷运行阶段中附加地释放scr催化器单元34用于穿流，从而整个废气流引导穿过所述两个相互并联连接的scr催化器单元32、34。为了确保在这样的运行中相互并联连接的scr催化器单元32、34、36的均匀老化，例如可规定，交替地释放scr催化器单元34和scr催化器单元36用于废气穿流，从而使它们在使用寿命期间大致同样长时间地承受负荷、即被废气穿流。如果所有三个相互并联连接的scr催化器单元32、34、36结构相同，则在起动运行阶段中激活的scr催化器单元32也可加入到该交替切换中，使得在起动运行阶段中所述相互并联连接的三个scr催化器单元32、34、36中始终有一个、但并不总是同一个催化器单元处于激活状态，并且在部分负荷运行阶段中所述相互并联连接的三个scr催化器单元32、34、36中始终有两个被废气穿流，而一个截止以阻止废气穿流。
52.在满负荷运行阶段中，所有在起动运行阶段中未被穿流的scr催化器单元、即所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36中的scr催化器单元34和scr催化器单元36都被释放用于废气穿流，与它们串联连接的scr催化器单元24也是如此。在起动运行阶段中激活的scr催化器单元32可在这种满负荷运行阶段中截止以阻止废气穿流，从而可避免该scr催化器单元32在使用寿命期间的过载。如果所有相互并联连接的scr催化器单元32、34、36在结构上彼此相同，则在此也可规定，更换在连续起动运行阶段中激活的scr催化器单元，从而在相应起动运行阶段之后的满负荷运行阶段中也实现所有scr催化器单元32、34、36的均匀加载。
53.在低负荷运行阶段中，在起动运行阶段中激活的scr催化器单元32可被废气穿流，而另外两个scr催化器单元34、36截止。这也有助于均衡所有相互并联连接的scr催化器单元32、34、36的负荷。
54.如上所述，尤其是所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36可在结构上彼此相同。但为了使它们最佳地适应其优选应使用的那些运行阶段，所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36原则上也可彼此不同。尤其是它们可在下述参数中的至少一个中有所区别：
55.‑
对于进行催化反应起作用的催化器表面，
56.‑
涂覆有起催化作用的材料的基材的基材制造材料，
57.‑
基材制造材料的孔隙度，
58.‑
设置在相应基材中的废气穿流单元的数量或面密度，
59.‑
在相应基材中将相邻的废气穿流单元相互隔开的壁的壁厚，
60.‑
废气穿流单元的横截面定尺寸或/和横截面几何结构，
61.‑
相应基材的横截面尺寸，
62.‑
相应基材沿废气流动方向的长度；
63.‑
相应基材的体积，
64.‑
起催化作用的材料。
65.图2以原理图示出这种用于scr催化器单元的基材52。该基材原则上可以是圆柱形结构并且沿废气流动方向a具有长度l，废气沿该废气流动方向在基材中形成的废气穿流单元54的区域中穿流基材52。在具有圆形横截面的设计中，基材具有直径d。在废气穿流单元54(其可基本上构造为沿废气流动方向a延伸的通道)之间形成壁56，这些壁将各个废气穿流单元54彼此分开。废气穿流单元54可基本上均匀地分布在基材52的横截面上，从而实现位于废气穿流单元54之间的壁56的大致均匀的壁厚w，为了本发明的目的，可相应考虑相邻废气穿流单元54之间的最小壁厚w。如图2所示，废气穿流单元54可具有不同的横截面几何结构、如圆形或有角的横截面几何结构，优选所有设置在基材52中的废气穿流单元54具有相同的横截面几何结构。
66.在由废气绕流的基材52表面上设置起催化作用的材料，其例如可以是或可包含铂。这例如可由此实现：对基材涂覆这种起催化作用的材料，或将起催化作用的材料混合到基材制造材料中并且因此在制造基材52时也同时形成具有对于进行催化反应起作用的催化器表面连同设置在其上的起催化作用的材料。
67.如果例如scr催化器单元32是所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36中的在起动运行阶段或/和低负荷运行阶段中运行的催化器单元，则原则上可这样确定该催化器单元的尺寸，使得其比不在起动运行阶段或/和低负荷运行阶段运行的scr催化器单元34、36更小或具有更低的热质量。这例如可通过下述方式实现：scr催化器单元32的基材52具有比scr催化器单元34、36的基材更小的横截面尺寸、即直径d或/和沿废气流动方向a的长度l。scr催化器单元32基材中的废气穿流单元54数量也可小于scr催化器单元34、36基材中的分别沿基材纵向方向延伸的通道状废气穿流单元54的数量。例如scr催化器单元32的基材52在圆形横截面几何结构的情况下可具有约14到27cm(5.7到10.5英寸)范围内的基材直径d，而scr催化器单元34、36的基材可具有约24至33cm(9.5至13.0英寸)范围内的直径。scr催化器单元32基材中的废气穿流单元的密度可在每平方厘米1290至2580个废气穿流单元(每平方英寸200至400个废气穿流单元)的范围内，而scr催化器单元34、36基材中的废气穿流单元的密度可在每平方厘米2580至3870个废气穿流单元(每平方英寸400至600个废气穿流单元)的范围内。由此也实现了在具有较高负荷并且因此污染物排放量也较大的运行阶段中激活的scr催化器单元比在起动运行阶段中应激活的scr催化器单元32具有更大的、用于进行催化反应的催化器材料的催化器表面，对于在起动运行阶段中激活的scr催化器单元而言重点是尽可能快地达到催化反应所需的起催化作用的材料的温度。在如下基材52
中，该基材对于不同的scr催化器单元32、34、36具有每平方厘米不同数量的废气穿流单元，即对于这些scr催化器单元具有不同单元密度，所述或所有废气穿流单元54可具有大致相同的横截面积。这导致在例如可用于scr催化器单元32的、具有较低单元密度的基材52中，彼此相邻单元之间的壁厚w比在单元密度较高的基材52中更大。这导致，当为单元密度较低的基材52使用孔隙度较高的基材制造材料时，仍可实现相对高的机械稳定性。在一种替代实施方式中可规定，单元密度较高的基材52具有比单元密度较低的基材52更小的横截面积。
68.为了使scr催化器单元32的热质量保持尽可能低，其基材的基材制造材料具有比scr催化器单元34、36的基材更高的孔隙度，在scr催化器单元34、36的基材中结构设计的重点不在于尽可能低的热质量，而在于尽可能高的鲁棒性和因此尽可能长的使用寿命，因为原则上假定这些不在起动运行阶段中运行的scr催化器单元在内燃机或排气装置的运行中比在起动运行阶段或/和低负荷运行阶段中运行的scr催化器单元32更长时间地被废气穿流。基材制造材料的更高的孔隙度也引起对于进行催化反应起作用的催化器表面增大，因为不仅废气穿流单元54的内表面可用于此，而且多孔结构的整个内表面也可用于此。
69.原则上所述相互并联连接的scr催化器单元32、34、36中的不应在起动运行阶段或低负荷运行阶段中运行的scr催化器单元34、36可在结构上彼此相同，但也可在上面列出参数的至少一个中有所区别，以获得更大的可变性。还应指出，也可设置三个以上的相互并联连接的催化器单元，从而也可根据内燃机的尺寸和在内燃机的不同运行阶段中的可预期废气流量通过组合多个scr催化器单元来实现对相应排放的废气流量的最佳匹配。
70.串联或可串联连接的scr催化器单元24可具有与所述相互并联连接的催化器单元32、34、36之一相同的结构。
71.根据本发明的操作方法不限于在柴油内燃机中使用，而是例如也可在以λ值大于1运行的所谓的贫气发动机(lean
‑
gasmotor)中的气体应用中使用。