本公開涉及一種用于處理車輛的排氣后處理系統(tǒng)中的排氣流的熱交換器系統(tǒng)。該熱交換器系統(tǒng)包括一氧化氮(NO)氧化部(oxidation site)，用于將一氧化氮氧化為二氧化氮(NO₂)。本公開還涉包括這種熱交換器系統(tǒng)的排氣后處理系統(tǒng)和車輛、以及使用這種熱交換器系統(tǒng)的方法。

背景技術(shù)：

為了滿足排放法規(guī)的要求，一般需要排放控制系統(tǒng)和排氣后處理系統(tǒng)。通常，這種排氣后處理系統(tǒng)包括用于將一氧化氮(NO)氧化為二氧化氮(NO₂)的氧化催化劑、微粒過濾器、和用于將氮氧化物(NO_X)排放物還原的單元。

這些裝置通常作為彼此分開的單元串聯(lián)布置，但也出現(xiàn)了許多組合構(gòu)造的方式。由于這些不同的單元相互影響，所以，已證明有利的是將氧化催化劑布置在微粒過濾器的上游和NO_x還原單元的下游。這是由于以下原因：

1.氧化反應(yīng)是放熱的，這意味著產(chǎn)生熱量，這又使排氣溫度升高。為了減少碳煙在微粒過濾器內(nèi)的沉積，希望以具有高溫度的排氣來運(yùn)行微粒過濾器。因此，通過放熱氧化反應(yīng)產(chǎn)生的額外的熱量可用于提高微粒過濾器的效率。

2.在使用選擇性催化還原(SCR)單元作為NO_x還原單元時，在50:50附近或約為50:50的NO:NO₂比值對于SCR單元的高效率運(yùn)行而言是優(yōu)選的。因為離開內(nèi)燃機(jī)的排氣通常具有比NO₂的量高的NO量，所以有利的是通過布置在上游的氧化催化劑將NO:NO₂比值調(diào)適到所期望的大約50:50的比值。

然而不利的是，無論選擇這些不同單元的哪種布置，布置在排氣流內(nèi)的這些不同單元的數(shù)量都可能導(dǎo)致龐大而笨重的排氣后處理系統(tǒng)。

為了進(jìn)一步提高微粒過濾器的效率以及進(jìn)一步利用由于放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，例如在DE 102 21 174 B4中已提出了在排氣后處理系統(tǒng)內(nèi)包括逆流式熱交換器，以用于流入到微粒過濾器中的排氣和從微粒過濾器中流出的排氣之間的熱交換。另外，已提出了將氧化催化劑包括在熱交換器內(nèi)。

然而不利的是，通過將氧化催化劑包括在熱交換器內(nèi)，NO到NO₂的轉(zhuǎn)化不能以有效率的方式被控制。此外，另外的熱交換器增加了排氣后處理系統(tǒng)內(nèi)使用的裝置的數(shù)量。

因此，本公開的目的是提供一種熱交換器系統(tǒng)，該熱交換器系統(tǒng)提供了改進(jìn)的NO:NO₂比值控制，這可例如用在位于該熱交換器系統(tǒng)下游的裝置內(nèi)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

此目的通過根據(jù)所附權(quán)利要求所述的熱交換器系統(tǒng)來實現(xiàn)。

根據(jù)本公開的第一方面，公開了一種用于處理車輛的排氣后處理系統(tǒng)中的排氣流的熱交換器系統(tǒng)。該熱交換器系統(tǒng)包括一氧化氮(NO)氧化部，用于將一氧化氮氧化為二氧化氮(NO₂)。該NO氧化部被定位成使得：在該熱交換器系統(tǒng)的使用中，該NO氧化部的下游端處的排氣流被布置為在以下溫度下進(jìn)行，該溫度處在與排氣流中的期望的NO/NO₂(NO:NO₂)比值范圍相對應(yīng)的預(yù)定溫度范圍內(nèi)。

當(dāng)來自在使用中可與熱交換器系統(tǒng)聯(lián)接的發(fā)動機(jī)的排氣流經(jīng)過一氧化氮(NO)氧化部時，排氣流中的一氧化氮被氧化為二氧化氮。該氧化過程取決于溫度。在相對冷的溫度期間，從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，大部分一氧化氮能夠被氧化為二氧化氮，而在溫度升高后，從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，僅一小部分一氧化氮能夠被氧化為二氧化氮。另一方面，在相對冷的溫度下，運(yùn)動學(xué)使得：即使用最好的催化劑，一氧化氮的氧化過程也很緩慢，因此僅一小部分被氧化為二氧化氮。通過升高溫度，運(yùn)動學(xué)使得該過程更快，并且更多的一氧化氮可被氧化，直至達(dá)到熱力學(xué)極限。因此，被氧化為二氧化氮的一氧化氮的量與溫度成倒V關(guān)系，其中，取決于催化劑和氣體條件，氧化峰值處在大約250至400℃附近并且所導(dǎo)致的NO:NO₂比值在70:30和20:80之間(因此NO:NO₂比值在30％至80％之間)。在此可參考圖3，曲線C。該曲線描述了每個溫度下的平衡狀態(tài)，使得：在每個溫度下，在最優(yōu)條件下，已知量的一氧化氮被氧化為二氧化氮，這導(dǎo)致了一定的NO:NO₂比值。如果條件劣于最優(yōu)條件，該曲線仍相關(guān)，但被氧化的一氧化氮的量可能稍微更低，但仍處于已知的或可預(yù)測的水平。若已知該曲線的形狀及其能夠運(yùn)行時的條件，則能夠根據(jù)本公開來定位熱交換器系統(tǒng)中的NO氧化部，使得：在排氣流越過該NO氧化部時(更具體地，當(dāng)排氣流從NO氧化部行進(jìn)時)，在排氣流中實現(xiàn)所期望的NO:NO₂比值范圍。因此，本公開通過特別地將一氧化氮氧化部的下游端置于如下位置處而給出了對于一氧化氮的氧化進(jìn)行控制的優(yōu)點(diǎn)，在該位置處，熱交換器系統(tǒng)的溫度范圍對應(yīng)于所期望的NO:NO₂比值范圍。因此，該平衡曲線表示了適合于熱交換器系統(tǒng)內(nèi)的所述位置的溫度范圍。當(dāng)已知該熱交換器系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布時，則因此能夠可靠地將該NO氧化部定位在熱交換器系統(tǒng)內(nèi)。

根據(jù)一個實施例，該熱交換器系統(tǒng)包括另外的氧化部，該另外的氧化部用于氧化排氣流中的另外的成分。該另外的氧化部可用于產(chǎn)生熱量并因此控制熱交換器系統(tǒng)內(nèi)的溫度，從而可以實現(xiàn)相關(guān)的溫度范圍，這又改進(jìn)了對所期望的NO:NO₂比值范圍的控制。

根據(jù)一個實施例，使NO氧化部的下游端的位置適配于所述另外的氧化部的尺寸和位置。因此，可以實現(xiàn)對溫度范圍的進(jìn)一步控制并因此實現(xiàn)對于NO:NO₂比值范圍的進(jìn)一步控制。

根據(jù)一個實施例，該NO氧化部被定位在所述另外的氧化部的下游。當(dāng)已知所述另外的氧化部消耗一氧化氮和二氧化氮中的任一個或二者時，這是特別相關(guān)的。在此情況中，NO:NO₂比值范圍可偏離上述NO:NO₂比值范圍，且本公開的優(yōu)點(diǎn)相應(yīng)地減少。這些成分的已知的消耗者是甲烷氧化部。

根據(jù)一個實施例，所述熱交換器系統(tǒng)包括第一引導(dǎo)通道、第二引導(dǎo)通道、以及在第一引導(dǎo)通道和第二引導(dǎo)通道之間的逆流區(qū)域(flow reversing region)，其中，第一引導(dǎo)通道被布置為沿第一流動方向朝著該逆流區(qū)域引導(dǎo)排氣流，第二引導(dǎo)通道被布置為在第二流動方向上從該逆流區(qū)域引導(dǎo)排氣流，使得可在第二引導(dǎo)通道內(nèi)的排氣流和第一引導(dǎo)通道內(nèi)的排氣流之間進(jìn)行熱交換。因此，也實現(xiàn)了一種緊湊的熱交換器系統(tǒng)。

根據(jù)一個實施例，熱交換器系統(tǒng)是逆流式熱交換器(counter-flow heat exchanger system)，其中，第二引導(dǎo)通道被布置為在第二流動方向上引導(dǎo)排氣流，所述第二流動方向與第一引導(dǎo)通道的第一流動方向大致相反。

根據(jù)一個實施例，所述NO氧化部被定位在第二引導(dǎo)通道內(nèi)。在此位置處，溫度基本是熱交換器系統(tǒng)內(nèi)的最高溫度，且將溫度升高到期望的水平以實現(xiàn)所期望的NO:NO₂比值范圍的潛在性最高。

根據(jù)一個實施例，所述另外的氧化部被定位在第一引導(dǎo)通道內(nèi)。由此，溫度將在所述另外的氧化部處升高，該熱量將用于控制NO氧化部處的溫度。

根據(jù)一個實施例，所述NO氧化部具有與下游端相反的上游端，該上游端被定位成緊鄰所述流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域。由此，為所述NO氧化部獲得了最大可能的表面區(qū)域。因此，該表面區(qū)域(即NO氧化部的活性表面區(qū)域)可被調(diào)整而使得例如排氣流在該NO氧化部附近或該氧化部上的駐留時間最大化，以實現(xiàn)在該NO氧化部處發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)被賦予特定的條件以達(dá)到預(yù)期的平衡狀態(tài)，所述平衡狀態(tài)由所述NO氧化部的下游端處的前述平衡曲線表示。

根據(jù)一個實施例，所述另外的氧化部被定位成緊鄰所述流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域。這將提高所述另外的氧化部中的氧化反應(yīng)的溫度。

根據(jù)一個實施例，所述另外的氧化部是碳?xì)浠衔镅趸?，用于將碳?xì)浠衔?HC)主要氧化為二氧化碳和水(H₂O)，更優(yōu)選用于氧化甲烷(CH₄)。特別地通過放熱的甲烷氧化產(chǎn)生的熱量可在熱交換器系統(tǒng)內(nèi)被交換，以便確保所述另外的氧化部處的氧化甲烷所需的運(yùn)行溫度以及所述NO氧化部處的氧化氮氧化物所需的運(yùn)行溫度。

根據(jù)一個實施例，所期望的NO/NO₂(NO:NO₂)比值范圍為30:70至70:30，更優(yōu)選為40:60至60:40，最優(yōu)選為45:55至55:45。

根據(jù)一個實施例，所述預(yù)定的溫度范圍為350至420℃，更優(yōu)選為380至410℃，最優(yōu)選為390至400℃。

根據(jù)一個實施例，所述NO氧化部包括NO氧化催化劑。

根據(jù)一個實施例，上述另外的氧化部包括用于所述氧化另外的成分的催化劑。

根據(jù)一個實施例，排氣入口被布置于第一引導(dǎo)通道且排氣出口被布置于第二引導(dǎo)通道。

根據(jù)一個實施例，所述NO氧化部的下游端被定位在第二引導(dǎo)通道的下游端與所述流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域之間的中間三分之一部分內(nèi)，優(yōu)選被定位在二者之間的中間四分之一部分內(nèi)，最優(yōu)選被定位在二者之間的中間五分之一部分內(nèi)。本發(fā)明人已認(rèn)識到，通過將第二引導(dǎo)裝置的大約一半(對應(yīng)于被定位在第二引導(dǎo)通道的中間五分之一內(nèi)的NO氧化部的下游端)涂覆，實現(xiàn)了所期望的大約50:50的NO:NO₂比值，這是經(jīng)常期望的比值。

根據(jù)一個實施例，第二引導(dǎo)通道的表面區(qū)域被NO氧化催化劑涂覆至少33％，更優(yōu)選被涂覆至少38％，最優(yōu)選被涂覆至少40％。這將實現(xiàn)所期望的NO:NO₂比值范圍。

根據(jù)一個實施例，所述熱交換器系統(tǒng)還包括用于將至少一部分排氣流從排氣入口引導(dǎo)到第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域的第三引導(dǎo)通道以及用于將排氣流從第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域引導(dǎo)到排氣出口的第四引導(dǎo)通道。因此，排氣流可分為至少兩個子流，以不同地處理這些子流，從而更好地控制所期望的結(jié)果。換言之，所述熱交換器系統(tǒng)可劃分為兩個熱交換器或熱交換區(qū)域，所述兩個熱交換器或熱交換區(qū)域可布置在物理上分開的裝置內(nèi)。替代地，也可在一個系統(tǒng)內(nèi)提供兩個熱交換器，例如在包括至少四個通道的熱交換器系統(tǒng)內(nèi)，其中，所述通道的第一部分(優(yōu)選是所述通道的大約一半)屬于第一熱交換區(qū)域，而其他部分屬于第二熱交換區(qū)域。也應(yīng)注意到的是，第一流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域和第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域可以是相同的流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域。

根據(jù)一個實施例，第三引導(dǎo)通道包括另外的氧化部，該另外的氧化部用于氧化排氣流中的另外的成分。所述另外的氧化部可以是與前文已描述的所述另外的氧化部類似或不同的氧化部。

根據(jù)一個實施例，第三引導(dǎo)通道的所述另外的氧化部是用于將碳?xì)浠衔?HC)主要氧化為二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)的碳?xì)浠衔镅趸浚鼉?yōu)選是用于氧化甲烷(CH₄)的氧化部。

可優(yōu)選地將第一和第三引導(dǎo)通道涂覆有甲烷氧化催化材料，但僅將第二引導(dǎo)通道涂覆有氮氧化催化劑。因此，根據(jù)一個實施例，所述NO氧化部可大致覆蓋第二引導(dǎo)通道的整個表面區(qū)域，用于將流過第二引導(dǎo)通道的排氣流中存在的幾乎所有一氧化氮都氧化為二氧化氮。因此，第四引導(dǎo)通道將未轉(zhuǎn)化的一氧化氮且第二引導(dǎo)通道將已氧化的二氧化氮引導(dǎo)到共同的出口，在該出口處，排氣流被混合而使得離開熱交換器系統(tǒng)的排氣處在所期望的NO:NO₂比值范圍內(nèi)，更優(yōu)選處在50:50的比值附近。

根據(jù)一個實施例，第三引導(dǎo)通道的所述另外的氧化部(xx)包括用于氧化所述另外的成分的催化劑。

根據(jù)一個實施例，第四引導(dǎo)通道包括用于將排氣流內(nèi)的NO和NO₂選擇性地主要還原為氮?dú)?N₂)的選擇性催化還原部(selective catalytic reduction site)。選擇性催化還原(SCR)部降低了排氣流內(nèi)的總NO_x水平。

因為甲烷氧化產(chǎn)生足夠的熱能以運(yùn)行SCR單元，所以可在早期階段降低排氣中的NO_x量。因為優(yōu)選為尿素的還原劑對于選擇性催化還原反應(yīng)可以是有益的，所以，優(yōu)選向選擇性催化還原涂層的排氣上游提供還原劑。即使還原劑噴射裝置可布置在熱交換器系統(tǒng)自身的上游，但更優(yōu)選的是將還原劑噴射裝置布置在第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，因為甲烷氧化催化劑的下游溫度(即，流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域處的溫度)高到足以確保能夠避免固體尿素沉積在該系統(tǒng)內(nèi)。除了使用尿素作為還原劑的情況之外，高溫度允許將尿素轉(zhuǎn)化為氨，所述氨又提高了選擇性催化還原的效率。

根據(jù)一個實施例，第四引導(dǎo)通道包括選擇性催化還原催化劑。

根據(jù)一個實施例，所述熱交換器系統(tǒng)包括第一熱交換器裝置和第二熱交換器裝置，該第一熱交換器裝置包含第一和第二引導(dǎo)通道和第一流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域，該第二熱交換器裝置包含第三和第四引導(dǎo)通道和第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域。如果第一熱交換器裝置和第二熱交換器裝置被形成為彼此分開的布置，其優(yōu)點(diǎn)是每個裝置具有更小的空間需求且二者可布置在車輛內(nèi)的不同位置處。另一方面，如果這兩個熱交換器裝置被包括在單個裝置內(nèi)，則可以提供容易布置在排氣后處理系統(tǒng)內(nèi)的緊湊的熱交換器系統(tǒng)。

根據(jù)一個實施例，通過排氣入口的排氣流適于在第一和第三引導(dǎo)通道之間分配，其中，排氣流優(yōu)選適于大致均勻地在第一和第三引導(dǎo)通道之間分配。以此方式，能夠?qū)崿F(xiàn)可控的NO:NO₂比值和/或NO:NO₂比值范圍。

根據(jù)一個實施例，所述熱交換器系統(tǒng)包括排氣分配裝置，特別是閥，用于分別控制通過第一和第三引導(dǎo)通道的排氣的量。

根據(jù)一個實施例，所述排氣分配裝置適于根據(jù)感測到的排氣流中的NO量和/或NO₂量和/或NO:NO₂比值而被控制。

根據(jù)一個實施例，第一和/或第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域配備有至少一個尿素噴射裝置，用于將尿素噴射到排氣中。將尿素噴射到排氣中以其他已知的方式改進(jìn)了所述SCR部的性能。

根據(jù)一個實施例，第一和/或第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域配備有至少一個加熱器。該加熱器可用于控制所述熱交換器系統(tǒng)內(nèi)的溫度，特別用于在冷啟動時或低負(fù)荷應(yīng)用期間提供足夠的熱量。

根據(jù)本公開的第二方面，公開了一種用于控制內(nèi)燃機(jī)的排氣排放、特別是至少碳?xì)浠衔锖?或氮氧化物排放的排氣后處理系統(tǒng)，該排氣后處理系統(tǒng)包括根據(jù)本公開的第一方面的熱交換器系統(tǒng)。該排氣后處理系統(tǒng)將獲得與關(guān)于本公開的上述第一方面公開的優(yōu)點(diǎn)類似或?qū)?yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)一個實施例，NO_x傳感器被布置在熱交換器系統(tǒng)的下游，用于感測離開所述熱交換器系統(tǒng)的排氣流中的NO量和/或NO₂量和/或NO:NO₂比值。因此，可以實現(xiàn)對排氣后處理系統(tǒng)的更具體的控制。

根據(jù)一個實施例，該排氣后處理系統(tǒng)包括選擇性催化還原單元以及可選的微粒過濾器，其中，所述熱交換器系統(tǒng)布置在選擇性催化還原單元的上游，優(yōu)選也在所述可選的微粒過濾器的上游。該選擇性催化還原單元的正常功能取決于通過所述單元的排氣內(nèi)的NO:NO₂比值。因此，這種類型的組合改進(jìn)了排氣排放控制。

此外，在熱交換系統(tǒng)包括選擇性催化還原部和還原劑噴射的情況下，來自該熱交換系統(tǒng)的未使用的還原劑(例如尿素或氨)可被輸送到布置在熱交換器系統(tǒng)下游的選擇性催化還原單元。作為第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)的還原劑噴射的替代或補(bǔ)充，也可在該選擇性催化還原單元的上游提供還原劑噴射。

根據(jù)一個實施例，排氣后處理系統(tǒng)包括氧化催化劑，其中，該熱交換器系統(tǒng)布置在氧化催化劑下游或布置在將氧化催化劑旁通的旁通通道內(nèi)。該氧化催化劑不僅控制了排氣的成分，還控制了排氣的溫度。

根據(jù)本公開的第三方面，公開了一種用于控制內(nèi)燃機(jī)的排氣排放的方法，該方法包括使用根據(jù)第一方面的熱交換器系統(tǒng)和/或根據(jù)第二方面的排氣后處理系統(tǒng)的步驟。該方法被賦予與本公開的第一和第二方面中呈現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)類似或?qū)?yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)本公開的第四方面，公開了一種車輛，該車輛包括根據(jù)第一方面的熱交換器系統(tǒng)或根據(jù)第二方面的排氣后處理系統(tǒng)。該車輛被賦予與本公開的第一、第二和第三方面中呈現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)類似或?qū)?yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)一個實施例，該車輛的發(fā)動機(jī)適于利用壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)來運(yùn)行。CNG和LNG都包括甲烷，根據(jù)上文，甲烷在氧化時產(chǎn)生了放熱反應(yīng)。二者也具有其他優(yōu)點(diǎn)，例如在一定的區(qū)域內(nèi)存在分配網(wǎng)絡(luò)，以及具有使得二者成為替代燃料研究中的關(guān)注點(diǎn)的其他特征。

所附權(quán)利要求、以下的描述和附圖中限定了另外的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)選實施例。

附圖說明

在下文中，將借助于或通過附圖中描述的實施例來解釋本公開的原理。因此，附圖僅是說明性的，并非不旨在限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。此保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求限定。

各圖為：

圖1示出了根據(jù)本公開的設(shè)有熱交換器系統(tǒng)的實施例的重型車輛的示意性圖示，

圖2示出了熱交換器系統(tǒng)的第一實施例的示意性圖示，

圖3示出了NO氧化部的下游端的溫度以及所引起的NO₂/NO_x比值的示意圖，

圖4示出了熱交換器系統(tǒng)的第二實施例的示意性圖示，

圖5示出了沿著所公開的熱交換器系統(tǒng)的一個實施例的軸向長度的溫度的示意圖，

圖6示出了熱交換器系統(tǒng)的第三實施例的示意性圖示，并且

圖7示出了熱交換器系統(tǒng)的第四實施例的示意性圖示。

具體實施方式

在下文中，相同或功能上類似的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。

圖1示出了重型卡車100的示意性圖示，該重型卡車100設(shè)有根據(jù)本公開的熱交換器系統(tǒng)110的實施例。其他類型的車輛也可設(shè)有本公開的熱交換器系統(tǒng)110?？ㄜ?00設(shè)有內(nèi)燃機(jī)101，該內(nèi)燃機(jī)101優(yōu)選利用包括甲烷(CH₄)的壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)而工作。其他燃料或燃料組合也是可以的。也可考慮包括上述類型的內(nèi)燃機(jī)101和帶有電池組的電機(jī)的混合動力車輛。內(nèi)燃機(jī)101根據(jù)已知的原理運(yùn)行并產(chǎn)生排氣，由于排放法規(guī)，一般需要在該排氣通過未示出的排氣系統(tǒng)和排氣管102釋放到環(huán)境中之前對其進(jìn)行后處理。

圖2示意性地示出了熱交換器系統(tǒng)110的第一實施例的原理圖示。圖中示出該熱交換器系統(tǒng)110具有熱交換器1，排氣流6通過該熱交換器1。在此實施例中，熱交換器1可以具有任何其他已知的類型，因此在此圖中省略了其細(xì)節(jié)。NO氧化部18位于熱交換器1內(nèi)。NO氧化部18具有下游端40，所述下游端40位于NO氧化部18的相對于排氣流6的流動方向而言的下游處。僅作為說明性示例，NO氧化部18可以具有表面積，該表面積在該圖中可以視為沿著排氣流6的長度(即，圖中的水平方向)與橫向方向(進(jìn)入圖面中的方向，即在圖中不可見)上的長度的乘積。

排氣流6包括多種不同的成分，其中，一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)是此熱交換器系統(tǒng)110被設(shè)計而要處理的兩種成分。經(jīng)常以單個通用的表述將一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)稱為氮氧化物(NO_x)。由于多個原因，可能希望控制一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)之間的關(guān)系，特別是二者之間的比值NO:NO₂。在一些情況中，該比值被替代地表達(dá)為其中一種成分相對于“氮氧化物”的比值：例如，NO₂:NO_x，但這僅是前述比值的簡單的再計算，因為NO_x一般被認(rèn)為是NO和NO₂的總和，因此這兩種表述之間的關(guān)系是唯一的。因此，50:50或1:1的NO:NO₂比值例如可表述為50％的NO₂:NO_x比值。也存在這些比值的其他表述方式。但在本公開中，將僅使用“NO:NO₂比值”和“NO₂:NO_x比值”的表述。

圖3中公開的曲線圖在橫軸上示出了溫度，該溫度在圖中為NO氧化部18的下游端40(“NO oxcat end”)的溫度?？v軸上的NO₂:NO_x比值是針對橫軸上的溫度而給出的。圖中示出了三個曲線A、B和C。最上方的曲線A表示在對于每個溫度的最優(yōu)條件下的、如果給出用于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的足夠時間時的化學(xué)平衡NO₂:NO_x比值。NO氧化部18的上游端的溫度越高，則NO₂相對于NO_x的量就變得越低，或者換言之，NO₂相對于NO的量就變得越低。因此，當(dāng)溫度升高時，消耗NO₂而產(chǎn)生更多的NO。反過來也成立，隨著溫度的降低，NO₂:NO_x比值中的NO₂的量就變得越高。這意味著，一般而言，當(dāng)已知熱交換器系統(tǒng)110內(nèi)的溫度分布時，能夠設(shè)計NO氧化部18，使得其下游端40處于以下溫度：在該溫度下，NO₂:NO_x(或NO:NO₂)比值在期望的范圍內(nèi)。也應(yīng)注意到，對于本文公開的實施例中的任一個，為了不產(chǎn)生相對于NO₂的不期望的過多NO，有利的是從催化劑釋放一些熱量以免使催化劑過熱。因此，在熱交換器系統(tǒng)內(nèi)提供了NO氧化部18的情況下，或甚至在逆流式熱交換器系統(tǒng)中，更有利的是降低了NO氧化部18過熱的風(fēng)險。

最下方的曲線C大致表示與曲線A相同的情況，但呈現(xiàn)了催化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化。對于曲線C，NO₂:NO_x比值最初隨著溫度升高而升高，直至最高點(diǎn)，然后，NO₂:NO_x比值又隨著溫度的進(jìn)一步升高而降低。這種倒V形曲線的原因在于：由于運(yùn)動學(xué)限制了氧化速度，化學(xué)反應(yīng)不具有足夠的時間來達(dá)到平衡。

中間的曲線(即曲線B)大致表示與曲線A和C相同的情況，在此情況中，是NO在涂覆有催化劑的熱交換器內(nèi)被轉(zhuǎn)化時的情況。曲線B在較高溫度的區(qū)域內(nèi)大致跟隨曲線C，因為運(yùn)動學(xué)足夠快地達(dá)到平衡。在較低的溫度區(qū)域處，曲線B偏離曲線C，這是由于催化過程在更高的溫度下發(fā)生(除了熱交換器處之外)且運(yùn)動學(xué)因此更快，使得氧化過程進(jìn)一步達(dá)到。

回到圖2，基于圖3的認(rèn)知，因此可設(shè)計熱交換器系統(tǒng)110，使得NO氧化部18被定位成使得：在熱交換器系統(tǒng)110的使用中，NO氧化部18的下游端40處的排氣流6被布置為在以下溫度下行進(jìn)，該溫度處在與排氣流6中的期望的NO:NO₂比值范圍相對應(yīng)的預(yù)定溫度范圍內(nèi)。所述期望的NO:NO₂比值范圍可以是目前的特定熱交換器系統(tǒng)110在圖3的邊界內(nèi)可達(dá)到的任何比值范圍。應(yīng)注意到的是，取決于熱交換器系統(tǒng)110的運(yùn)行條件，所述期望的NO:NO₂比值范圍可以相對地更寬或更窄，甚至窄到足以大致表示單個NO:NO₂比值。

圖4示意性地示出了熱交換器系統(tǒng)110的第二實施例的原理圖示。從圖中可見，包括在熱交換器系統(tǒng)110內(nèi)的熱交換器1包括入口2和出口4，所述入口2和出口4用于排氣及其在內(nèi)燃機(jī)(未示出)內(nèi)產(chǎn)生且被引導(dǎo)通過排氣管(未示出)的排氣流6。因此，熱交換器系統(tǒng)110可以是用于控制對環(huán)境有害的排氣排放的排氣后處理系統(tǒng)(未示出)的一部分。應(yīng)注意到的是，流過該排氣后處理系統(tǒng)的排氣的全部或僅一部分可被引導(dǎo)到熱交換器系統(tǒng)110。

熱交換器1自身包括第一引導(dǎo)通道8，例如至少一個通道或通道系統(tǒng)，如例如存在于一般的蜂窩式熱交換器內(nèi)的至少一個通道或通道系統(tǒng)，用于將排氣6從入口2沿第一流動方向(見箭頭10)引導(dǎo)到第一排氣流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域12。在該流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域12內(nèi)，來自第一引導(dǎo)通道8的排氣被反向且被引導(dǎo)通過第二引導(dǎo)通道14而到達(dá)出口4。第二引導(dǎo)通道14也可以是如上所述的至少一個通道或通道系統(tǒng)。為進(jìn)行熱交換，第一引導(dǎo)通道8和第二引導(dǎo)通道14大致并聯(lián)布置，因此提供了一種逆流式熱交換器系統(tǒng)110。

此外，第一和第二引導(dǎo)通道8、14至少部分地涂覆有催化材料，其中，第一引導(dǎo)通道8涂覆有碳?xì)浠衔镅趸呋瘎?，?yōu)選涂覆有甲烷氧化催化劑16。此外，第二引導(dǎo)通道14涂覆有NO氧化催化劑18。然而，如圖4中可見，并非第二引導(dǎo)通道14的所有活性表面都涂覆有NO氧化材料，而是僅涂覆至將足夠的NO氧化為NO₂所必需的程度，以獲得因而導(dǎo)致的熱交換器系統(tǒng)下游的期望的NO:NO₂比值(或期望的NO:NO₂比值范圍)，例如大約50:50(或例如大約40:60至60:40)。

這種類型的熱交換器系統(tǒng)110特別優(yōu)選地與以天然氣為燃料運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)結(jié)合，例如壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)。使用這種燃料的主要缺點(diǎn)是排氣中的甲烷排放，這應(yīng)該避免。不利的是，這種燃料中包含的甲烷CH₄一般不能通過常規(guī)的氧化催化劑氧化，其原因是甲烷氧化所需的高溫度。因此，已提出了將熱交換器1的第一引導(dǎo)通道8涂覆有甲烷氧化催化劑材料16并通過將熱量從第二引導(dǎo)通道14交換回到第一引導(dǎo)通道8而利用高放熱的氧化反應(yīng)的熱量來加熱第一引導(dǎo)通道8內(nèi)的排氣，這又提高了甲烷氧化的效率。另外，已認(rèn)識到不僅甲烷氧化更有效，而且所產(chǎn)生的熱量也用于通過第二引導(dǎo)通道14內(nèi)的NO氧化催化劑18涂層來氧化NO。

就現(xiàn)有技術(shù)而言，例如DE 102 21 174，將NO_x存儲催化劑或選擇性催化還原單元分別布置在熱交換器內(nèi)是熟知的。不利的是，這具有如下缺點(diǎn)，即：存儲器必需定期清潔且NO:NO₂比值未被甲烷氧化催化器調(diào)整以用于選擇性催化還原單元的有效工作。通過將NO氧化部18布置在熱交換器系統(tǒng)1內(nèi)，可產(chǎn)生所期望的大約50:50的NO:NO₂比值，這可用在布置于熱交換器系統(tǒng)1下游的選擇性催化還原單元(未示出)內(nèi)。

因此，優(yōu)選僅從流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域12算起將第二引導(dǎo)通道14的長度的一半覆有NO氧化部18，以避免NO的過度氧化(它會降低選擇性催化還原單元的效率)。通過此方式，NO氧化部18的下游端位于如下位置處：在該處，熱交換器系統(tǒng)內(nèi)的溫度被預(yù)測為處于產(chǎn)生了所期望的NO:NO₂比值或比值范圍的溫度范圍內(nèi)。

通過在排氣后處理系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有這種熱交換器1，可通過確保最優(yōu)的NO:NO₂比值而在大范圍的應(yīng)用中控制排放。

這進(jìn)一步在圖5中闡述，其中橫軸表示沿圖4的如在該圖中觀察到的逆流式熱交換器系統(tǒng)110的軸向延伸的位置?？蓪τ谌魏螣峤粨Q器1建立類似的圖。入口2和出口4相應(yīng)地被表示在左側(cè)和右側(cè)，且流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域12被表示右側(cè)。在圖4的逆流式熱交換器系統(tǒng)110內(nèi)的每個位置處的預(yù)期溫度一般在縱軸上表示。因此通過如下方式得到NO氧化部18的下游端在逆流式熱交換器系統(tǒng)110內(nèi)所處的位置：例如從圖3獲得用于期望的NO:NO₂比值的合適溫度，且從縱軸朝向右側(cè)，并使用該溫度相交所述曲線處的在橫軸上表示的位置。因此，不僅可得到用于期望的NO:NO₂比值的NO氧化部18的下游端的位置，而且可得到用于任何期望的比值或比值范圍的位置。

如圖6中可見，還提出了將熱交換器1劃分為兩個分開的裝置1a和1b，而不是用NO氧化催化劑18涂覆第二引導(dǎo)通道14的長度的僅一半。因此，第一熱交換器裝置1a包括第一和第二引導(dǎo)通道8、14和第一排氣流動方向逆轉(zhuǎn)區(qū)域12，其中，第二熱交換器裝置1b包括第三引導(dǎo)通道20、第四引導(dǎo)通道22和可選的第二排氣流動方向逆轉(zhuǎn)區(qū)域24。雖然第一熱交換器裝置1a包括在第二引導(dǎo)通道14內(nèi)的NO氧化催化劑18，但這種氧化催化劑在第二熱交換器裝置1b中被省去。

因此，流過第二熱交換器裝置1b的排氣的NO量包括與進(jìn)入熱交換器系統(tǒng)110的排氣內(nèi)存在的NO量相比幾乎未變的NO量。另一方面，第一熱交換器裝置1a提供了NO到NO₂的氧化。取決于第二引導(dǎo)通道14內(nèi)的NO氧化催化劑18的尺寸，可獲得幾乎完全的NO到NO₂的氧化。這可例如通過用NO氧化催化劑18涂覆幾乎整個第二引導(dǎo)通道14來實現(xiàn)，如圖6中所描繪的。當(dāng)兩個排氣流分別在處于第二和第四引導(dǎo)通道14、20下游的混合區(qū)域26內(nèi)混合時，離開熱交換器系統(tǒng)110的排氣再次具有所期望的大約50:50的NO:NO₂比值。

為了將排氣分給第一和第二熱交換器裝置1a、1b，可存在排氣分配裝置28，所述排氣分配裝置28可設(shè)計為3通閥。如圖6中進(jìn)一步可見，熱交換器裝置1a、1b都包括甲烷氧化催化劑16。

雖然圖6中將熱交換器系統(tǒng)110示出為彼此分開的裝置1a、1b，但該熱交換器可布置在單個公共裝置內(nèi)。應(yīng)進(jìn)一步提及的是，該熱交換器可被設(shè)計為已知的多通道熱交換器，其中，該熱交換器的通道的第一部分屬于第一熱交換器裝置1a，且該通道的第二部分屬于第二熱交換器裝置1b，其中，相應(yīng)的通道涂覆有相應(yīng)的氧化催化劑。應(yīng)進(jìn)一步注意的是，在此情況中，也可以僅提供單個流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域。

根據(jù)圖7中描繪的另外的優(yōu)選實施例，第二熱交換器裝置1b可包括在第四引導(dǎo)通道20內(nèi)的選擇性催化還原涂層30，以利用例如通過甲烷氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。因為選擇性催化還原反應(yīng)需要諸如尿素或氨的還原劑，所以，排氣應(yīng)在第四引導(dǎo)裝置上游被提供有還原劑。即使在原理上可在整個熱交換器系統(tǒng)110的上游噴射尿素，但優(yōu)選將尿素噴射到第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域24(見箭頭31)內(nèi)。這有至少兩個優(yōu)點(diǎn)：第一個優(yōu)點(diǎn)是尿素在第一熱交換器裝置1a中不被浪費(fèi)。第二，應(yīng)考慮到熱交換器1上游的排氣溫度明顯低于第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域24內(nèi)的排氣溫度。因為在溫度過低的情況下尿素傾向于形成固體尿素的沉積，所以，在第二流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域24內(nèi)噴射尿素避免了此沉積。另外，尿素可由于高溫度而轉(zhuǎn)化為氨，這又提高了第二熱交換器裝置1b的第四引導(dǎo)通道20內(nèi)的選擇性催化還原反應(yīng)的效率。

為了確保即使在低溫度和低負(fù)荷應(yīng)用中、尿素噴射上游的排氣溫度也足夠高，加熱器可布置在第二排氣流動方向逆轉(zhuǎn)區(qū)域24內(nèi)，該第二排氣流動方向逆轉(zhuǎn)區(qū)域24在排氣溫度不處于所需的溫度范圍內(nèi)的情況下運(yùn)行。因此，加熱器單元可布置在尿素噴射裝置的上游或下游。不言而喻，此加熱器還可布置在第一流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域12內(nèi)。

即使選擇性催化還原涂層30可布置在第二熱交換器裝置1b內(nèi)，但也可優(yōu)選將微粒過濾器32和/或另外的選擇性催化還原單元34布置在熱交換器系統(tǒng)110的下游。因此，還可添加另外的尿素噴射裝置(未示出)，用于將尿素噴射到布置在熱交換器的下游的SCR單元，從而確保在排氣內(nèi)提供足夠的尿素以用于第二選擇性催化還原單元34內(nèi)的NO_x的還原。

熱交換器系統(tǒng)110可直接布置在內(nèi)燃機(jī)下游，但也可將熱交換器系統(tǒng)110布置在另外的氧化催化劑(未示出)的下游或布置在將氧化催化劑旁通的旁通部(未示出)內(nèi)。因此，可確保將足夠的NO轉(zhuǎn)化為NO_2，以用于最優(yōu)的排放控制。

通常，熱交換器系統(tǒng)110和排氣后處理系統(tǒng)節(jié)約空間且相當(dāng)廉價。此外，由于可提供所期望的NO:NO₂比值或比值范圍，所以可滿足涉及排氣排放的法規(guī)的要求。

在不偏離本公開的范圍和構(gòu)思的情況下，可以對本文公開的熱交換器系統(tǒng)110進(jìn)行多種變型。這種變型可以不采用單個引導(dǎo)通道，而是采用一組更小的引導(dǎo)通道，這些引導(dǎo)通道中的每一個均具有本文公開的實施例的特征。所述引導(dǎo)通道還可以具有任何橫截面形狀，例如矩形、三角形或圓形。此外，如果未另外指出，則每個引導(dǎo)通道的從其上游端到其下游端的整個寬度被提供有涂層，例如NO氧化部18。然而，如果發(fā)現(xiàn)有利，則也可對更少的寬度進(jìn)行涂覆。此外，可存在外部殼體以覆蓋和保護(hù)本文公開的熱交換器系統(tǒng)。這樣的殼體可具有任何形式，例如立方體或柱體。所述流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域也可以是帶角度的或被圓化的。