CN106471231B - 用于处理排气后处理系统中的排气流的热交换器系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于处理车辆(100)的排气后处理系统中的排气流(6)的热交换器系统(110)。热交换器系统(110)包括用于将一氧化氮氧化为二氧化氮(NO2)的一氧化氮(NO)氧化部(18)。该NO氧化部(18)被定位成使得：在热交换器系统(110)的使用中，NO氧化部(18)的下游端(40)处的排气流(6)被布置为在处于与排气流(6)中的期望的NO与NO2(NO:NO2)的比值范围相对应的预定温度范围内的温度下进行。本公开还涉及包括这种热交换器系统(110)的排气后处理系统和车辆(100)以及使用这种热交换器系统(110)的方法。

Description

用于处理排气后处理系统中的排气流的热交换器系统
技术领域
本公开涉及一种用于处理车辆的排气后处理系统中的排气流的热交换器系统。该热交换器系统包括一氧化氮(NO)氧化部(oxidation site)，用于将一氧化氮氧化为二氧化氮(NO2)。本公开还涉包括这种热交换器系统的排气后处理系统和车辆、以及使用这种热交换器系统的方法。
背景技术
为了满足排放法规的要求，一般需要排放控制系统和排气后处理系统。通常，这种排气后处理系统包括用于将一氧化氮(NO)氧化为二氧化氮(NO2)的氧化催化剂、微粒过滤器、和用于将氮氧化物(NOX)排放物还原的单元。
这些装置通常作为彼此分开的单元串联布置，但也出现了许多组合构造的方式。由于这些不同的单元相互影响，所以，已证明有利的是将氧化催化剂布置在微粒过滤器的上游和NOx还原单元的下游。这是由于以下原因：
1.氧化反应是放热的，这意味着产生热量，这又使排气温度升高。为了减少碳烟在微粒过滤器内的沉积，希望以具有高温度的排气来运行微粒过滤器。因此，通过放热氧化反应产生的额外的热量可用于提高微粒过滤器的效率。
2.在使用选择性催化还原(SCR)单元作为NOx还原单元时，在50:50附近或约为50:50的NO:NO2比值对于SCR单元的高效率运行而言是优选的。因为离开内燃机的排气通常具有比NO2的量高的NO量，所以有利的是通过布置在上游的氧化催化剂将NO:NO2比值调适到所期望的大约50:50的比值。
然而不利的是，无论选择这些不同单元的哪种布置，布置在排气流内的这些不同单元的数量都可能导致庞大而笨重的排气后处理系统。
为了进一步提高微粒过滤器的效率以及进一步利用由于放热反应产生的热量，例如在DE 102 21 174 B4中已提出了在排气后处理系统内包括逆流式热交换器，以用于流入到微粒过滤器中的排气和从微粒过滤器中流出的排气之间的热交换。另外，已提出了将氧化催化剂包括在热交换器内。
然而不利的是，通过将氧化催化剂包括在热交换器内，NO到NO2的转化不能以有效率的方式被控制。此外，另外的热交换器增加了排气后处理系统内使用的装置的数量。
因此，本公开的目的是提供一种热交换器系统，该热交换器系统提供了改进的NO:NO2比值控制，这可例如用在位于该热交换器系统下游的装置内。
发明内容
此目的通过根据所附权利要求所述的热交换器系统来实现。
根据本公开的第一方面，公开了一种用于处理车辆的排气后处理系统中的排气流的热交换器系统。该热交换器系统包括一氧化氮(NO)氧化部，用于将一氧化氮氧化为二氧化氮(NO2)。该NO氧化部被定位成使得：在该热交换器系统的使用中，该NO氧化部的下游端处的排气流被布置为在以下温度下进行，该温度处在与排气流中的期望的NO/NO2(NO:NO2)比值范围相对应的预定温度范围内。
当来自在使用中可与热交换器系统联接的发动机的排气流经过一氧化氮(NO)氧化部时，排气流中的一氧化氮被氧化为二氧化氮。该氧化过程取决于温度。在相对冷的温度期间，从热力学观点看，大部分一氧化氮能够被氧化为二氧化氮，而在温度升高后，从热力学观点看，仅一小部分一氧化氮能够被氧化为二氧化氮。另一方面，在相对冷的温度下，运动学使得：即使用最好的催化剂，一氧化氮的氧化过程也很缓慢，因此仅一小部分被氧化为二氧化氮。通过升高温度，运动学使得该过程更快，并且更多的一氧化氮可被氧化，直至达到热力学极限。因此，被氧化为二氧化氮的一氧化氮的量与温度成倒V关系，其中，取决于催化剂和气体条件，氧化峰值处在大约250至400℃附近并且所导致的NO:NO2比值在70:30和20:80之间(因此NO:NO2比值在30％至80％之间)。在此可参考图3，曲线C。该曲线描述了每个温度下的平衡状态，使得：在每个温度下，在最优条件下，已知量的一氧化氮被氧化为二氧化氮，这导致了一定的NO:NO2比值。如果条件劣于最优条件，该曲线仍相关，但被氧化的一氧化氮的量可能稍微更低，但仍处于已知的或可预测的水平。若已知该曲线的形状及其能够运行时的条件，则能够根据本公开来定位热交换器系统中的NO氧化部，使得：在排气流越过该NO氧化部时(更具体地，当排气流从NO氧化部行进时)，在排气流中实现所期望的NO:NO2比值范围。因此，本公开通过特别地将一氧化氮氧化部的下游端置于如下位置处而给出了对于一氧化氮的氧化进行控制的优点，在该位置处，热交换器系统的温度范围对应于所期望的NO:NO2比值范围。因此，该平衡曲线表示了适合于热交换器系统内的所述位置的温度范围。当已知该热交换器系统内的温度分布时，则因此能够可靠地将该NO氧化部定位在热交换器系统内。
根据一个实施例，该热交换器系统包括另外的氧化部，该另外的氧化部用于氧化排气流中的另外的成分。该另外的氧化部可用于产生热量并因此控制热交换器系统内的温度，从而可以实现相关的温度范围，这又改进了对所期望的NO:NO2比值范围的控制。
根据一个实施例，使NO氧化部的下游端的位置适配于所述另外的氧化部的尺寸和位置。因此，可以实现对温度范围的进一步控制并因此实现对于NO:NO2比值范围的进一步控制。
根据一个实施例，该NO氧化部被定位在所述另外的氧化部的下游。当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个或二者时，这是特别相关的。在此情况中，NO:NO2比值范围可偏离上述NO:NO2比值范围，且本公开的优点相应地减少。这些成分的已知的消耗者是甲烷氧化部。
根据一个实施例，所述热交换器系统包括第一引导通道、第二引导通道、以及在第一引导通道和第二引导通道之间的逆流区域(flow reversing region)，其中，第一引导通道被布置为沿第一流动方向朝着该逆流区域引导排气流，第二引导通道被布置为在第二流动方向上从该逆流区域引导排气流，使得可在第二引导通道内的排气流和第一引导通道内的排气流之间进行热交换。因此，也实现了一种紧凑的热交换器系统。
根据一个实施例，热交换器系统是逆流式热交换器(counter-flow heatexchanger system)，其中，第二引导通道被布置为在第二流动方向上引导排气流，所述第二流动方向与第一引导通道的第一流动方向大致相反。
根据一个实施例，所述NO氧化部被定位在第二引导通道内。在此位置处，温度基本是热交换器系统内的最高温度，且将温度升高到期望的水平以实现所期望的NO:NO2比值范围的潜在性最高。
根据一个实施例，所述另外的氧化部被定位在第一引导通道内。由此，温度将在所述另外的氧化部处升高，该热量将用于控制NO氧化部处的温度。
根据一个实施例，所述NO氧化部具有与下游端相反的上游端，该上游端被定位成紧邻所述流动逆转区域。由此，为所述NO氧化部获得了最大可能的表面区域。因此，该表面区域(即NO氧化部的活性表面区域)可被调整而使得例如排气流在该NO氧化部附近或该氧化部上的驻留时间最大化，以实现在该NO氧化部处发生的化学反应被赋予特定的条件以达到预期的平衡状态，所述平衡状态由所述NO氧化部的下游端处的前述平衡曲线表示。
根据一个实施例，所述另外的氧化部被定位成紧邻所述流动逆转区域。这将提高所述另外的氧化部中的氧化反应的温度。
根据一个实施例，所述另外的氧化部是碳氢化合物氧化部，用于将碳氢化合物(HC)主要氧化为二氧化碳和水(H2O)，更优选用于氧化甲烷(CH4)。特别地通过放热的甲烷氧化产生的热量可在热交换器系统内被交换，以便确保所述另外的氧化部处的氧化甲烷所需的运行温度以及所述NO氧化部处的氧化氮氧化物所需的运行温度。
根据一个实施例，所期望的NO/NO2(NO:NO2)比值范围为30:70至70:30，更优选为40:60至60:40，最优选为45:55至55:45。
根据一个实施例，所述预定的温度范围为350至420℃，更优选为380至410℃，最优选为390至400℃。
根据一个实施例，所述NO氧化部包括NO氧化催化剂。
根据一个实施例，上述另外的氧化部包括用于所述氧化另外的成分的催化剂。
根据一个实施例，排气入口被布置于第一引导通道且排气出口被布置于第二引导通道。
根据一个实施例，所述NO氧化部的下游端被定位在第二引导通道的下游端与所述流动逆转区域之间的中间三分之一部分内，优选被定位在二者之间的中间四分之一部分内，最优选被定位在二者之间的中间五分之一部分内。本发明人已认识到，通过将第二引导装置的大约一半(对应于被定位在第二引导通道的中间五分之一内的NO氧化部的下游端)涂覆，实现了所期望的大约50:50的NO:NO2比值，这是经常期望的比值。
根据一个实施例，第二引导通道的表面区域被NO氧化催化剂涂覆至少33％，更优选被涂覆至少38％，最优选被涂覆至少40％。这将实现所期望的NO:NO2比值范围。
根据一个实施例，所述热交换器系统还包括用于将至少一部分排气流从排气入口引导到第二流动逆转区域的第三引导通道以及用于将排气流从第二流动逆转区域引导到排气出口的第四引导通道。因此，排气流可分为至少两个子流，以不同地处理这些子流，从而更好地控制所期望的结果。换言之，所述热交换器系统可划分为两个热交换器或热交换区域，所述两个热交换器或热交换区域可布置在物理上分开的装置内。替代地，也可在一个系统内提供两个热交换器，例如在包括至少四个通道的热交换器系统内，其中，所述通道的第一部分(优选是所述通道的大约一半)属于第一热交换区域，而其他部分属于第二热交换区域。也应注意到的是，第一流动逆转区域和第二流动逆转区域可以是相同的流动逆转区域。
根据一个实施例，第三引导通道包括另外的氧化部，该另外的氧化部用于氧化排气流中的另外的成分。所述另外的氧化部可以是与前文已描述的所述另外的氧化部类似或不同的氧化部。
根据一个实施例，第三引导通道的所述另外的氧化部是用于将碳氢化合物(HC)主要氧化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)的碳氢化合物氧化部，更优选是用于氧化甲烷(CH4)的氧化部。
可优选地将第一和第三引导通道涂覆有甲烷氧化催化材料，但仅将第二引导通道涂覆有氮氧化催化剂。因此，根据一个实施例，所述NO氧化部可大致覆盖第二引导通道的整个表面区域，用于将流过第二引导通道的排气流中存在的几乎所有一氧化氮都氧化为二氧化氮。因此，第四引导通道将未转化的一氧化氮且第二引导通道将已氧化的二氧化氮引导到共同的出口，在该出口处，排气流被混合而使得离开热交换器系统的排气处在所期望的NO:NO2比值范围内，更优选处在50:50的比值附近。
根据一个实施例，第三引导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剂。
根据一个实施例，第四引导通道包括用于将排气流内的NO和NO2选择性地主要还原为氮气(N2)的选择性催化还原部(selective catalytic reduction site)。选择性催化还原(SCR)部降低了排气流内的总NOx水平。
因为甲烷氧化产生足够的热能以运行SCR单元，所以可在早期阶段降低排气中的NOx量。因为优选为尿素的还原剂对于选择性催化还原反应可以是有益的，所以，优选向选择性催化还原涂层的排气上游提供还原剂。即使还原剂喷射装置可布置在热交换器系统自身的上游，但更优选的是将还原剂喷射装置布置在第二流动逆转区域内，因为甲烷氧化催化剂的下游温度(即，流动逆转区域处的温度)高到足以确保能够避免固体尿素沉积在该系统内。除了使用尿素作为还原剂的情况之外，高温度允许将尿素转化为氨，所述氨又提高了选择性催化还原的效率。
根据一个实施例，第四引导通道包括选择性催化还原催化剂。
根据一个实施例，所述热交换器系统包括第一热交换器装置和第二热交换器装置，该第一热交换器装置包含第一和第二引导通道和第一流动逆转区域，该第二热交换器装置包含第三和第四引导通道和第二流动逆转区域。如果第一热交换器装置和第二热交换器装置被形成为彼此分开的布置，其优点是每个装置具有更小的空间需求且二者可布置在车辆内的不同位置处。另一方面，如果这两个热交换器装置被包括在单个装置内，则可以提供容易布置在排气后处理系统内的紧凑的热交换器系统。
根据一个实施例，通过排气入口的排气流适于在第一和第三引导通道之间分配，其中，排气流优选适于大致均匀地在第一和第三引导通道之间分配。以此方式，能够实现可控的NO:NO2比值和/或NO:NO2比值范围。
根据一个实施例，所述热交换器系统包括排气分配装置，特别是阀，用于分别控制通过第一和第三引导通道的排气的量。
根据一个实施例，所述排气分配装置适于根据感测到的排气流中的NO量和/或NO2量和/或NO:NO2比值而被控制。
根据一个实施例，第一和/或第二流动逆转区域配备有至少一个尿素喷射装置，用于将尿素喷射到排气中。将尿素喷射到排气中以其他已知的方式改进了所述SCR部的性能。
根据一个实施例，第一和/或第二流动逆转区域配备有至少一个加热器。该加热器可用于控制所述热交换器系统内的温度，特别用于在冷启动时或低负荷应用期间提供足够的热量。
根据本公开的第二方面，公开了一种用于控制内燃机的排气排放、特别是至少碳氢化合物和/或氮氧化物排放的排气后处理系统，该排气后处理系统包括根据本公开的第一方面的热交换器系统。该排气后处理系统将获得与关于本公开的上述第一方面公开的优点类似或对应的优点。
根据一个实施例，NOx传感器被布置在热交换器系统的下游，用于感测离开所述热交换器系统的排气流中的NO量和/或NO2量和/或NO:NO2比值。因此，可以实现对排气后处理系统的更具体的控制。
根据一个实施例，该排气后处理系统包括选择性催化还原单元以及可选的微粒过滤器，其中，所述热交换器系统布置在选择性催化还原单元的上游，优选也在所述可选的微粒过滤器的上游。该选择性催化还原单元的正常功能取决于通过所述单元的排气内的NO:NO2比值。因此，这种类型的组合改进了排气排放控制。
此外，在热交换系统包括选择性催化还原部和还原剂喷射的情况下，来自该热交换系统的未使用的还原剂(例如尿素或氨)可被输送到布置在热交换器系统下游的选择性催化还原单元。作为第二流动逆转区域内的还原剂喷射的替代或补充，也可在该选择性催化还原单元的上游提供还原剂喷射。
根据一个实施例，排气后处理系统包括氧化催化剂，其中，该热交换器系统布置在氧化催化剂下游或布置在将氧化催化剂旁通的旁通通道内。该氧化催化剂不仅控制了排气的成分，还控制了排气的温度。
根据本公开的第三方面，公开了一种用于控制内燃机的排气排放的方法，该方法包括使用根据第一方面的热交换器系统和/或根据第二方面的排气后处理系统的步骤。该方法被赋予与本公开的第一和第二方面中呈现出的优点类似或对应的优点。
根据本公开的第四方面，公开了一种车辆，该车辆包括根据第一方面的热交换器系统或根据第二方面的排气后处理系统。该车辆被赋予与本公开的第一、第二和第三方面中呈现出的优点类似或对应的优点。
根据一个实施例，该车辆的发动机适于利用压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)来运行。CNG和LNG都包括甲烷，根据上文，甲烷在氧化时产生了放热反应。二者也具有其他优点，例如在一定的区域内存在分配网络，以及具有使得二者成为替代燃料研究中的关注点的其他特征。
所附权利要求、以下的描述和附图中限定了另外的优点和优选实施例。
附图说明
在下文中，将借助于或通过附图中描述的实施例来解释本公开的原理。因此，附图仅是说明性的，并非不旨在限定本发明的保护范围。此保护范围仅由所附权利要求限定。
各图为：
图1示出了根据本公开的设有热交换器系统的实施例的重型车辆的示意性图示，
图2示出了热交换器系统的第一实施例的示意性图示，
图3示出了NO氧化部的下游端的温度以及所引起的NO2/NOx比值的示意图，
图4示出了热交换器系统的第二实施例的示意性图示，
图5示出了沿着所公开的热交换器系统的一个实施例的轴向长度的温度的示意图，
图6示出了热交换器系统的第三实施例的示意性图示，并且
图7示出了热交换器系统的第四实施例的示意性图示。
具体实施方式
在下文中，相同或功能上类似的元件由相同的附图标记表示。
图1示出了重型卡车100的示意性图示，该重型卡车100设有根据本公开的热交换器系统110的实施例。其他类型的车辆也可设有本公开的热交换器系统110。卡车100设有内燃机101，该内燃机101优选利用包括甲烷(CH4)的压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)而工作。其他燃料或燃料组合也是可以的。也可考虑包括上述类型的内燃机101和带有电池组的电机的混合动力车辆。内燃机101根据已知的原理运行并产生排气，由于排放法规，一般需要在该排气通过未示出的排气系统和排气管102释放到环境中之前对其进行后处理。
图2示意性地示出了热交换器系统110的第一实施例的原理图示。图中示出该热交换器系统110具有热交换器1，排气流6通过该热交换器1。在此实施例中，热交换器1可以具有任何其他已知的类型，因此在此图中省略了其细节。NO氧化部18位于热交换器1内。NO氧化部18具有下游端40，所述下游端40位于NO氧化部18的相对于排气流6的流动方向而言的下游处。仅作为说明性示例，NO氧化部18可以具有表面积，该表面积在该图中可以视为沿着排气流6的长度(即，图中的水平方向)与横向方向(进入图面中的方向，即在图中不可见)上的长度的乘积。
排气流6包括多种不同的成分，其中，一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)是此热交换器系统110被设计而要处理的两种成分。经常以单个通用的表述将一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)称为氮氧化物(NOx)。由于多个原因，可能希望控制一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)之间的关系，特别是二者之间的比值NO:NO2。在一些情况中，该比值被替代地表达为其中一种成分相对于“氮氧化物”的比值：例如，NO2:NOx，但这仅是前述比值的简单的再计算，因为NOx一般被认为是NO和NO2的总和，因此这两种表述之间的关系是唯一的。因此，50:50或1:1的NO:NO2比值例如可表述为50％的NO2:NOx比值。也存在这些比值的其他表述方式。但在本公开中，将仅使用“NO:NO2比值”和“NO2:NOx比值”的表述。
图3中公开的曲线图在横轴上示出了温度，该温度在图中为NO氧化部18的下游端40(“NO oxcat end”)的温度。纵轴上的NO2:NOx比值是针对横轴上的温度而给出的。图中示出了三个曲线A、B和C。最上方的曲线A表示在对于每个温度的最优条件下的、如果给出用于发生化学反应的足够时间时的化学平衡NO2:NOx比值。NO氧化部18的上游端的温度越高，则NO2相对于NOx的量就变得越低，或者换言之，NO2相对于NO的量就变得越低。因此，当温度升高时，消耗NO2而产生更多的NO。反过来也成立，随着温度的降低，NO2:NOx比值中的NO2的量就变得越高。这意味着，一般而言，当已知热交换器系统110内的温度分布时，能够设计NO氧化部18，使得其下游端40处于以下温度：在该温度下，NO2:NOx(或NO:NO2)比值在期望的范围内。也应注意到，对于本文公开的实施例中的任一个，为了不产生相对于NO2的不期望的过多NO，有利的是从催化剂释放一些热量以免使催化剂过热。因此，在热交换器系统内提供了NO氧化部18的情况下，或甚至在逆流式热交换器系统中，更有利的是降低了NO氧化部18过热的风险。
最下方的曲线C大致表示与曲线A相同的情况，但呈现了催化反应器的转化。对于曲线C，NO2:NOx比值最初随着温度升高而升高，直至最高点，然后，NO2:NOx比值又随着温度的进一步升高而降低。这种倒V形曲线的原因在于：由于运动学限制了氧化速度，化学反应不具有足够的时间来达到平衡。
中间的曲线(即曲线B)大致表示与曲线A和C相同的情况，在此情况中，是NO在涂覆有催化剂的热交换器内被转化时的情况。曲线B在较高温度的区域内大致跟随曲线C，因为运动学足够快地达到平衡。在较低的温度区域处，曲线B偏离曲线C，这是由于催化过程在更高的温度下发生(除了热交换器处之外)且运动学因此更快，使得氧化过程进一步达到。
回到图2，基于图3的认知，因此可设计热交换器系统110，使得NO氧化部18被定位成使得：在热交换器系统110的使用中，NO氧化部18的下游端40处的排气流6被布置为在以下温度下行进，该温度处在与排气流6中的期望的NO:NO2比值范围相对应的预定温度范围内。所述期望的NO:NO2比值范围可以是目前的特定热交换器系统110在图3的边界内可达到的任何比值范围。应注意到的是，取决于热交换器系统110的运行条件，所述期望的NO:NO2比值范围可以相对地更宽或更窄，甚至窄到足以大致表示单个NO:NO2比值。
图4示意性地示出了热交换器系统110的第二实施例的原理图示。从图中可见，包括在热交换器系统110内的热交换器1包括入口2和出口4，所述入口2和出口4用于排气及其在内燃机(未示出)内产生且被引导通过排气管(未示出)的排气流6。因此，热交换器系统110可以是用于控制对环境有害的排气排放的排气后处理系统(未示出)的一部分。应注意到的是，流过该排气后处理系统的排气的全部或仅一部分可被引导到热交换器系统110。
热交换器1自身包括第一引导通道8，例如至少一个通道或通道系统，如例如存在于一般的蜂窝式热交换器内的至少一个通道或通道系统，用于将排气6从入口2沿第一流动方向(见箭头10)引导到第一排气流动逆转区域12。在该流动逆转区域12内，来自第一引导通道8的排气被反向且被引导通过第二引导通道14而到达出口4。第二引导通道14也可以是如上所述的至少一个通道或通道系统。为进行热交换，第一引导通道8和第二引导通道14大致并联布置，因此提供了一种逆流式热交换器系统110。
此外，第一和第二引导通道8、14至少部分地涂覆有催化材料，其中，第一引导通道8涂覆有碳氢化合物氧化催化剂，优选涂覆有甲烷氧化催化剂16。此外，第二引导通道14涂覆有NO氧化催化剂18。然而，如图4中可见，并非第二引导通道14的所有活性表面都涂覆有NO氧化材料，而是仅涂覆至将足够的NO氧化为NO2所必需的程度，以获得因而导致的热交换器系统下游的期望的NO:NO2比值(或期望的NO:NO2比值范围)，例如大约50:50(或例如大约40:60至60:40)。
这种类型的热交换器系统110特别优选地与以天然气为燃料运行的内燃机结合，例如压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)。使用这种燃料的主要缺点是排气中的甲烷排放，这应该避免。不利的是，这种燃料中包含的甲烷CH4一般不能通过常规的氧化催化剂氧化，其原因是甲烷氧化所需的高温度。因此，已提出了将热交换器1的第一引导通道8涂覆有甲烷氧化催化剂材料16并通过将热量从第二引导通道14交换回到第一引导通道8而利用高放热的氧化反应的热量来加热第一引导通道8内的排气，这又提高了甲烷氧化的效率。另外，已认识到不仅甲烷氧化更有效，而且所产生的热量也用于通过第二引导通道14内的NO氧化催化剂18涂层来氧化NO。
就现有技术而言，例如DE 102 21 174，将NOx存储催化剂或选择性催化还原单元分别布置在热交换器内是熟知的。不利的是，这具有如下缺点，即：存储器必需定期清洁且NO:NO2比值未被甲烷氧化催化器调整以用于选择性催化还原单元的有效工作。通过将NO氧化部18布置在热交换器系统1内，可产生所期望的大约50:50的NO:NO2比值，这可用在布置于热交换器系统1下游的选择性催化还原单元(未示出)内。
因此，优选仅从流动逆转区域12算起将第二引导通道14的长度的一半覆有NO氧化部18，以避免NO的过度氧化(它会降低选择性催化还原单元的效率)。通过此方式，NO氧化部18的下游端位于如下位置处：在该处，热交换器系统内的温度被预测为处于产生了所期望的NO:NO2比值或比值范围的温度范围内。
通过在排气后处理系统内设置有这种热交换器1，可通过确保最优的NO:NO2比值而在大范围的应用中控制排放。
这进一步在图5中阐述，其中横轴表示沿图4的如在该图中观察到的逆流式热交换器系统110的轴向延伸的位置。可对于任何热交换器1建立类似的图。入口2和出口4相应地被表示在左侧和右侧，且流动逆转区域12被表示右侧。在图4的逆流式热交换器系统110内的每个位置处的预期温度一般在纵轴上表示。因此通过如下方式得到NO氧化部18的下游端在逆流式热交换器系统110内所处的位置：例如从图3获得用于期望的NO:NO2比值的合适温度，且从纵轴朝向右侧，并使用该温度相交所述曲线处的在横轴上表示的位置。因此，不仅可得到用于期望的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围的位置。
如图6中可见，还提出了将热交换器1划分为两个分开的装置1a和1b，而不是用NO氧化催化剂18涂覆第二引导通道14的长度的仅一半。因此，第一热交换器装置1a包括第一和第二引导通道8、14和第一排气流动方向逆转区域12，其中，第二热交换器装置1b包括第三引导通道20、第四引导通道22和可选的第二排气流动方向逆转区域24。虽然第一热交换器装置1a包括在第二引导通道14内的NO氧化催化剂18，但这种氧化催化剂在第二热交换器装置1b中被省去。
因此，流过第二热交换器装置1b的排气的NO量包括与进入热交换器系统110的排气内存在的NO量相比几乎未变的NO量。另一方面，第一热交换器装置1a提供了NO到NO2的氧化。取决于第二引导通道14内的NO氧化催化剂18的尺寸，可获得几乎完全的NO到NO2的氧化。这可例如通过用NO氧化催化剂18涂覆几乎整个第二引导通道14来实现，如图6中所描绘的。当两个排气流分别在处于第二和第四引导通道14、20下游的混合区域26内混合时，离开热交换器系统110的排气再次具有所期望的大约50:50的NO:NO2比值。
为了将排气分给第一和第二热交换器装置1a、1b，可存在排气分配装置28，所述排气分配装置28可设计为3通阀。如图6中进一步可见，热交换器装置1a、1b都包括甲烷氧化催化剂16。
虽然图6中将热交换器系统110示出为彼此分开的装置1a、1b，但该热交换器可布置在单个公共装置内。应进一步提及的是，该热交换器可被设计为已知的多通道热交换器，其中，该热交换器的通道的第一部分属于第一热交换器装置1a，且该通道的第二部分属于第二热交换器装置1b，其中，相应的通道涂覆有相应的氧化催化剂。应进一步注意的是，在此情况中，也可以仅提供单个流动逆转区域。
根据图7中描绘的另外的优选实施例，第二热交换器装置1b可包括在第四引导通道20内的选择性催化还原涂层30，以利用例如通过甲烷氧化反应产生的热量。因为选择性催化还原反应需要诸如尿素或氨的还原剂，所以，排气应在第四引导装置上游被提供有还原剂。即使在原理上可在整个热交换器系统110的上游喷射尿素，但优选将尿素喷射到第二流动逆转区域24(见箭头31)内。这有至少两个优点：第一个优点是尿素在第一热交换器装置1a中不被浪费。第二，应考虑到热交换器1上游的排气温度明显低于第二流动逆转区域24内的排气温度。因为在温度过低的情况下尿素倾向于形成固体尿素的沉积，所以，在第二流动逆转区域24内喷射尿素避免了此沉积。另外，尿素可由于高温度而转化为氨，这又提高了第二热交换器装置1b的第四引导通道20内的选择性催化还原反应的效率。
为了确保即使在低温度和低负荷应用中、尿素喷射上游的排气温度也足够高，加热器可布置在第二排气流动方向逆转区域24内，该第二排气流动方向逆转区域24在排气温度不处于所需的温度范围内的情况下运行。因此，加热器单元可布置在尿素喷射装置的上游或下游。不言而喻，此加热器还可布置在第一流动逆转区域12内。
即使选择性催化还原涂层30可布置在第二热交换器装置1b内，但也可优选将微粒过滤器32和/或另外的选择性催化还原单元34布置在热交换器系统110的下游。因此，还可添加另外的尿素喷射装置(未示出)，用于将尿素喷射到布置在热交换器的下游的SCR单元，从而确保在排气内提供足够的尿素以用于第二选择性催化还原单元34内的NOx的还原。
热交换器系统110可直接布置在内燃机下游，但也可将热交换器系统110布置在另外的氧化催化剂(未示出)的下游或布置在将氧化催化剂旁通的旁通部(未示出)内。因此，可确保将足够的NO转化为NO2，以用于最优的排放控制。
通常，热交换器系统110和排气后处理系统节约空间且相当廉价。此外，由于可提供所期望的NO:NO2比值或比值范围，所以可满足涉及排气排放的法规的要求。
在不偏离本公开的范围和构思的情况下，可以对本文公开的热交换器系统110进行多种变型。这种变型可以不采用单个引导通道，而是采用一组更小的引导通道，这些引导通道中的每一个均具有本文公开的实施例的特征。所述引导通道还可以具有任何横截面形状，例如矩形、三角形或圆形。此外，如果未另外指出，则每个引导通道的从其上游端到其下游端的整个宽度被提供有涂层，例如NO氧化部18。然而，如果发现有利，则也可对更少的宽度进行涂覆。此外，可存在外部壳体以覆盖和保护本文公开的热交换器系统。这样的壳体可具有任何形式，例如立方体或柱体。所述流动逆转区域也可以是带角度的或被圆化的。

Claims (42)

1.一种用于处理车辆(100)的排气后处理系统中的排气流(6)的热交换器系统(110)，所述热交换器系统(110)包括热交换器(1，1b)，
其中，所述热交换器(1，1b)包括：
-第一引导通道(8)；
-第二引导通道(14)；和
-第一流动逆转区域(12)，所述第一流动逆转区域(12)布置在所述第一引导通道(8)和所述第二引导通道(14)之间，由此，所述第一引导通道(8)被布置为沿第一流动方向朝向所述第一流动逆转区域(12)引导所述排气流(6)，并且所述第二引导通道(14)被布置为将所述排气流(6)从所述第一流动逆转区域(12)沿第二流动方向引导，以便能够在所述第二引导通道(14)内的排气流(6)和所述第一引导通道(8)内的排气流(6)之间进行热交换；
-一氧化氮(NO)氧化部(18)，所述NO氧化部(18)用于将所述排气流(6)中的一氧化氮(NO)氧化为二氧化氮(NO2)，所述NO氧化部(18)包括NO氧化催化剂；以及
-另外的氧化部(16)，所述另外的氧化部(16)用于氧化所述排气流(6)中的另外的成分，所述另外的氧化部(16)包括用于氧化所述另外的成分的催化剂，
其特征在于，
-所述另外的氧化部(16)被布置在所述第一引导通道(8)内；
-所述NO氧化部(18)被定位在所述第二引导通道(14)内，在所述另外的氧化部(16)的下游；
-所述NO氧化部(18)被定位成使得：在所述热交换器系统(110)的使用中，所述NO氧化部(18)的下游端(40)处的所述排气流(6)被布置为在以下温度下行进，该温度处在与所述排气流(6)中的期望的NO/NO2(NO:NO2)比值范围相对应的预定温度范围内，并且
-所述另外的氧化部(16)是用于将甲烷(CH4)主要氧化为二氧化碳(CO2)的碳氢化合物氧化部。
2.根据权利要求1所述的热交换器系统(110)，其中，所述NO氧化部(18)的所述下游端(40)的位置适配于所述另外的氧化部(16)的尺寸和位置。
3.根据权利要求1所述的热交换器系统(110)，其中，所述热交换器系统(110)是逆流式热交换器系统，由此，所述第二引导通道(14)被布置为在与所述第一引导通道(8)的所述第一流动方向大致相反的所述第二流动方向上引导所述排气流(6)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的热交换器系统(110)，其中，所述NO氧化部具有与所述下游端(40)相反的上游端，所述上游端被定位成紧邻所述第一流动逆转区域(12)。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的热交换器系统(110)，其中，所述另外的氧化部(16)被定位为紧邻所述第一流动逆转区域(12)。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的热交换器系统(110)，其中，所述期望的NO/NO2(NO:NO2)比值范围为30:70至70:30。
7.根据权利要求6所述的热交换器系统(110)，其中，所述期望的NO/NO2(NO:NO2)比值范围为40:60至60:40。
8.根据权利要求7所述的热交换器系统(110)，其中，所述期望的NO/NO2(NO:NO2)比值范围为45:55至55:45。
9.根据权利要求1-3中的任一项所述的热交换器系统(110)，其中，所述预定温度范围为350至420℃。
10.根据权利要求9所述的热交换器系统(110)，其中，所述预定温度范围为380至410℃。
11.根据权利要求10所述的热交换器系统(110)，其中，所述预定温度范围为390至400℃。
12.根据权利要求1-3中的任一项所述的热交换器系统(110)，其中，排气入口(2)被布置于所述第一引导通道(8)，并且，排气出口(4)被布置于所述第二引导通道(14)。
13.根据权利要求1-3中的任一项所述的热交换器系统(110)，其中，所述NO氧化部(18)的所述下游端(40)被定位在所述第二引导通道(14)的下游端和所述第一流动逆转区域(12)之间的中间三分之一部分内。
14.根据权利要求13所述的热交换器系统(110)，其中，所述NO氧化部(18)的所述下游端(40)被定位在所述第二引导通道(14)的下游端和所述第一流动逆转区域(12)之间的中间四分之一部分内。
15.根据权利要求14所述的热交换器系统(110)，其中，所述NO氧化部(18)的所述下游端(40)被定位在所述第二引导通道(14)的下游端和所述第一流动逆转区域(12)之间的中间五分之一部分内。
16.根据权利要求1-3中的任一项所述的热交换器系统(110)，其中，所述第二引导通道(14)的表面区域被所述NO氧化催化剂涂覆至少33％。
17.根据权利要求16所述的热交换器系统(110)，其中，所述第二引导通道(14)的表面区域被所述NO氧化催化剂涂覆至少38％。
18.根据权利要求17所述的热交换器系统(110)，其中，所述第二引导通道(14)的表面区域被所述NO氧化催化剂涂覆至少40％。
19.根据权利要求12所述的热交换器系统(110)，还包括：第三引导通道(20)，所述第三引导通道(20)用于将所述排气流(6)的至少一部分从所述排气入口(2)引导到第二流动逆转区域(24)；和第四引导通道(22)，所述第四引导通道(22)用于将所述排气流(6)从所述第二流动逆转区域(24)引导到所述排气出口(4)。
20.根据权利要求19所述的热交换器系统(110)，其中，所述第三引导通道(20)包括用于氧化所述排气流(6)中的另外的成分的另外的氧化部(16)。
21.根据权利要求20所述的热交换器系统(110)，其中，所述第三引导通道(20)的所述另外的氧化部(16)是用于将碳氢化合物(HC)主要氧化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)的碳氢化合物氧化部。
22.根据权利要求21所述的热交换器系统(110)，其中，所述第三引导通道(20)的所述另外的氧化部(16)是用于将甲烷(CH4)主要氧化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)的碳氢化合物氧化部。
23.根据权利要求20所述的热交换器系统(110)，其中，所述第三引导通道(20)的所述另外的氧化部(16)包括用于氧化所述另外的成分的催化剂。
24.根据权利要求19所述的热交换器系统(110)，其中，所述第四引导通道(22)包括选择性催化还原部(30)，所述选择性催化还原部(30)用于将所述排气流(6)中的NO和NO2选择性地主要还原为氮气(N2)。
25.根据权利要求24所述的热交换器系统(110)，其中，所述第四引导通道(22)包括选择性催化还原催化剂。
26.根据权利要求19所述的热交换器系统(110)，其中，所述热交换器系统(110)还包括第二热交换器装置(1b)，所述第二热交换器装置(1b)包含所述第三和第四引导通道(22)和所述第二流动逆转区域(24)。
27.根据权利要求19所述的热交换器系统(110)，其中，通过所述排气入口(2)的所述排气流(6)适于在所述第一和第三引导通道(8、20)之间被分配。
28.根据权利要求27所述的热交换器系统(110)，其中，所述排气流(6)适于大致均匀地在所述第一和第三引导通道(8、20)之间被分配。
29.根据权利要求19所述的热交换器系统(110)，还包括排气分配装置(28)，用于控制分别通过所述第一和第三引导通道(8、20)的排气的量。
30.根据权利要求29所述的热交换器系统(110)，其中，所述排气分配装置(28)是阀。
31.根据权利要求29所述的热交换器系统(110)，其中，所述排气分配装置(28)适于根据感测到的所述排气流(6)中的NO量和/或NO2量和/或NO:NO2比值而被控制。
32.根据权利要求19所述的热交换器系统(110)，其中，所述第一和/或第二流动逆转区域(12、24)配备有用于将尿素喷射到所述排气中的至少一个尿素喷射装置(31)。
33.根据权利要求19所述的热交换器系统(110)，其中，所述第一和/或第二流动逆转区域(12、24)配备有至少一个加热器。
34.一种排气后处理系统，所述排气后处理系统用于控制内燃机的排气排放，所述排气后处理系统包括根据前述权利要求中的任一项所述的热交换器系统(110)。
35.根据权利要求34所述的排气后处理系统，其中，所述排气后处理系统至少用于控制内燃机的碳氢化合物和/或氮氧化物的排放。
36.根据权利要求34所述的排气后处理系统，其中，NOx传感器被布置在所述热交换器系统(110)的下游，用于感测离开所述热交换器系统(110)的所述排气流(6)中的NO量和/或NO2量和/或NO:NO2比值。
37.根据权利要求34、35或36所述的排气后处理系统，其中，所述排气后处理系统还包括选择性催化还原单元(34)以及可选的微粒过滤器(32)，并且其中，所述热交换器系统(110)布置在所述选择性催化还原单元(34)的上游。
38.根据权利要求37所述的排气后处理系统，其中，所述热交换器系统(110)也布置在所述可选的微粒过滤器(32)的上游。
39.根据权利要求34、35或36所述的排气后处理系统，其中，所述排气后处理系统还包括氧化催化剂，其中，所述热交换器系统(110)布置在所述氧化催化剂的下游或布置在将所述氧化催化剂旁通的旁通通道中。
40.一种用于控制内燃机的排气排放的方法，所述方法包括使用根据权利要求1至33中的任一项所述的热交换器系统(110)和/或根据权利要求34至39中的任一项所述的排气后处理系统的步骤。
41.一种车辆(100)，所述车辆(100)包括根据权利要求1至33中的任一项所述的热交换器系统(110)或根据权利要求34至39中的任一项所述的排气后处理系统。
42.根据权利要求41所述的车辆(100)，其中，所述车辆(100)的发动机适于利用压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)而运行。
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