CN104595012A - 内燃机系统 - Google Patents

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CN104595012A CN201410602486.6A CN201410602486A CN104595012A CN 104595012 A CN104595012 A CN 104595012A CN 201410602486 A CN201410602486 A CN 201410602486A CN 104595012 A CN104595012 A CN 104595012A
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Abstract

本发明涉及一种内燃机系统,包括:内燃发动机,该内燃发动机具有活塞直径为至少20cm的气缸,所述发动机产生废气;具有与轴相连的涡轮和与轴相连的压缩机的涡轮增压器,所述涡轮由来自内燃发动机的废气驱动;用于净化来自内燃发动机的废气的NOx还原单元,所述NOx还原单元包括催化反应器,其中所述发动机系统还包括用于驱动所述轴从而向压缩机提供辅助动力的被电动地和/或液压地提供动力的马达。本发明还涉及一种用于对来自根据本发明的内燃机系统的NOx排放物的还原进行优化的NOx还原方法。

Description

内燃机系统
技术领域
本发明涉及一种内燃机(燃烧发动机,combustion engine)系统和一种用于对来自内燃机系统的NOx排放物的还原进行优化的NOx还原方法。
背景技术
具有船用内燃机的船舶受到由国际海事组织(IMO)规定的NOx排放量的限制。Tier III的规定的最新提案设定了当船舶距排放控制区的岸边一定距离内时将NOx排放量降低到3.4g/kWh的目标。特别是,当出海时,船舶的发动机是冷的,并且因此,降低NOx浓度所需的热量形式的能量是有限的。稍后在航行过程中,发动机被加热升温,热量不再是有限的资源。因此,NOx还原在从一个港口到下一个港口的一个行程中是变化的。
NOx还原是发展多年的主题,将氨注入催化反应器中的气体的解决方案是降低NOx浓度的已知方式。然而,当前方案使用旁路方案,其中废气的一部分绕过NOx还原单元,从而能够驱动涡轮,并因此驱动压缩机以便以一定的压力输送扫气。该方案不符合将NOx排放量降低到3.4g/kWh的新目标,因此需要一种在发动机升温的同时也符合目标的方案。
由WO 2013/004595已知用于内燃机的混合(动力)系统。
发明内容
本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术的上述缺点和不足。更具体地,本发明的一个目的是提供一种改进的内燃机系统,该系统即使在启动过程中也能使NOx排放量降低至3.4g/kWh。
将从下面的描述中变得明显的上述目的连同许多其它目的、优点和特征根据本发明的方案通过一种内燃机系统实现,该内燃机系统包括:
-内燃发动机,该内燃发动机具有活塞直径为至少20cm的气缸,所述发动机产生废气,
-具有与轴相连的涡轮和与轴相连的压缩机的涡轮增压器,所述涡轮由来自内燃发动机的废气驱动,
-用于净化来自内燃发动机的废气的NOx还原单元,该NOx还原单元包括:
-催化反应器,
其特征在于,所述发动机系统还包括用于驱动涡轮增压器的轴以向压缩机提供辅助动力的被电动地和/或液压地提供动力的马达。
通过具有用于驱动所述轴以便向压缩机提供辅助动力的电动马达,所述内燃机系统的NOx排放可以符合IMO的规定。当出海时,发动机和NOx还原单元是冷的,在发动机系统被加热到其运行操作模式之前,NOx还原单元使用来自废气的过多热量来降低NOx浓度,导致所述涡轮不能以适当的方式驱动压缩机。因此,马达被致动以驱动压缩机,从而使扫气(scavenging gas)的压力足以使发动机产生所需的动力。随着NOx还原单元被加热到正常操作温度,马达不再需要帮助涡轮驱动压缩机,因为废气不再在NOx还原单元中被过度冷却。
在现有技术的发动机系统中,当NOx还原单元的反应器温度不足以使废气能驱动涡轮从而驱动压缩机以充分压缩扫气时,废气部分地(如果不是完全地)绕过NOx还原单元。然而,这样的旁通方案导致所排放的废气中NOx浓度过高。
此外,所述马达可以是电动马达。
此外,所述马达可以与轴连接。
此外,所述马达可以接合一与所述轴接合的齿轮。
此外,所述马达可驱动一驱动接合所述轴的液压马达的泵。
所述催化反应器可具有至少200升的容积。
此外,所述发动机可具有发动机数据,并且可以通过具有至少0.05%的硫含量的燃料来提供动力。
上述内燃机系统还可包括控制单元,该控制单元适于在涡轮不能驱动压缩机以输送特定气体压力的扫气时致动所述马达。
此外,上述内燃机系统还可包括用于测量所述发动机中的压缩压力或用于测量扫气的压力的压力传感器。
此外,所述控制单元可以在压缩压力或扫气的压力低于预定水平时致动所述马达。
此外,上述内燃机系统还可包括用于测量涡轮增压器的轴的速度的编码器。
此外,所述控制单元可以在所述速度低于预定水平时致动所述马达。
上述的内燃机系统还可包括用于测量涡轮增压器的上游和/或催化反应器的上游的气体的温度的温度传感器。
此外,所述控制单元可以在温度低于预定水平时致动所述马达。
根据本发明的系统还可包括NOx传感器,其用于测量NOx还原单元的下游的废气的NOx浓度。
此外,所述控制单元可以在NOx浓度低于预定水平时致动所述马达。
此外,NOx还原单元还可包括具有还原剂的容器。
此外,所述还原剂可包括氨(NH3)。
所述NOx还原单元还可包括计量单元,其用于计量在NOx还原单元中或进入NOx还原单元之前的含有氨的还原剂的量。
此外,含NH3的流体的量可以从发动机数据推断。
此外,所述发动机系统可以包括NOx传感器。
所述NOx传感器可以布置在NOx还原单元和所述热交换器之间以测量废气中的NOx浓度。
此外,所述内燃机系统还可包括废气接收器,其用于从所述发动机的每个气缸接收废气。
此外,所述内燃机系统可以包括扫气接收器。
此外,所述内燃机系统可以包括旁路通道,其用于使来自发动机的废气的旁通部分绕过NOx还原单元到达涡轮增压器的涡轮。
根据本发明的系统还可包括布置在内燃发动机的下游的热交换器。
在另一个实施例中,内燃机系统可以包括:
-内燃发动机,
-具有连接至轴的涡轮和与轴连接的压缩机的涡轮增压器,所述涡轮由来自内燃发动机的废气驱动,
-用于净化来自所述内燃发动机的废气的NOx还原单元,该NOx还原单元包括:
-具有至少200升的容积的催化反应器,
其中所述发动机系统还包括用于加热涡轮增压器上游的废气或用于加热催化反应器的加热装置。
所述加热装置可以是诸如油燃烧器的燃烧器、热交换器、热泵等。
此外,所述加热装置可以是借助于发动机定时装置加热废气的发动机。
此外,所述加热装置可以由围绕催化反应器或在催化反应器内部布置的电线或者围绕从发动机到NOx还原单元和/或从NOx还原单元到发动机引导废气的管道布置的线路构成。
此外,所述加热装置可以是从辅助设备向NOx还原单元泵送已加热的气体的泵。
此外,所述内燃机系统还可包括控制单元,该控制单元适于当所述涡轮不能驱动压缩机来提供扫气的特定气体压力时致动所述加热装置。
此外,所述内燃机系统还可包括用于测量所述发动机中的压缩压力或者用于测量扫气的压力的压力传感器。
此外,所述控制单元可以在压缩压力或扫气的压力低于预定水平时致动所述加热装置。
所述内燃机系统还可包括用于测量涡轮增压器的轴的速度的编码器。
此外,上述控制单元可以在所述速度低于预定水平时致动所述加热装置。
此外,所述内燃机系统还可包括用于测量所述涡轮增压器的上游和/或催化反应器的上游的气体温度的温度传感器。
此外,所述控制单元可以在温度低于预定水平时致动所述加热装置。
根据本发明的系统还可包括用于测量NOx还原单元下游的废气的NOx浓度的NOx传感器。
此外,所述控制单元可以在NOx浓度低于预定水平时致动所述加热装置。
在另一实施例中,内燃机系统可包括:
-内燃发动机,
-具有连接至轴的涡轮和与该轴连接的压缩机的涡轮增压器,所述涡轮由来自内燃发动机的废气驱动,
-用于净化来自所述内燃发动机的废气的NOx还原单元,该NOx还原单元包括:
-具有至少200升的容积的催化反应器,
其中所述发动机系统还包括用于对扫气加压的增压装置。
所述增压装置可以布置在压缩机的下游。
此外,所述增压装置可以是鼓风机、压缩机或泵。
此外,所述内燃机系统还可包括控制单元,该控制单元适于在所述涡轮不能驱动压缩机来提供扫气的特定气体压力时致动所述增压装置。
此外,该内燃机系统还可包括用于测量所述发动机中的压缩压力或者用于测量扫气的压力的压力传感器。
此外,所述控制单元可以在压缩压力或扫气的压力低于预定水平时致动所述增压装置。
上述内燃机系统还可包括用于测量涡轮增压器的轴的速度的编码器。
此外,所述控制单元可以在所述速度低于预定水平时致动所述增压装置。
此外,根据本发明的内燃机系统还可包括用于测量所述涡轮增压器的上游和/或催化反应器的上游的气体温度的温度传感器。
此外,所述控制单元可以在所述温度低于预定水平时致动所述增压装置。
所述系统还可包括用于测量NOx还原单元下游的废气的NOx浓度的NOx传感器。
此外,所述控制单元可以在NOx浓度低于预定水平时致动所述增压装置。
本发明还涉及一种NOx还原方法,其用于对来自根据前述权利要求所述的内燃机系统的NOx排放量的减少进行优化,该方法包括以下步骤:
-从内燃发动机排出废气,
-在NOx还原单元中处理废气,
-通过废气驱动涡轮增压器的涡轮,
-排出所述废气,
-吸入含有气体的空气,形成扫气,
-在涡轮增压器的压缩机中压缩所述扫气,
其中所述方法还包括致动一驱动涡轮增压器的压缩机以压缩所述扫气的电动马达的步骤。
上述NOx还原单元可以包括具有至少200升的容积的催化反应器。
此外,在上述NOx还原方法中,至少50%、优选至少75%、更优选至少95%的废气可以在NOx还原单元中进行处理。
此外,在所述NOx还原方法中,致动所述马达的步骤可以通过控制单元来执行。
此外,已处理的废气可以经热交换器被排出。
所述热交换器可以是沸腾器。
上述NOx还原方法还可包括下列步骤:测量所述发动机中的压缩压力,测量扫气的压力,测量涡轮增压器的轴的速度和/或测量涡轮增压器上游和/或催化反应器上游的气体温度。
此外,致动所述马达的步骤可以在压缩压力、扫气的压力、轴的速度和/或气体的温度低于预定值时执行。
此外,所述发动机还可包括热交换器。
所述热交换器可以布置在NOx还原单元的下游。
此外,还原剂供给单元可以流体连接至所述NOx还原单元。
所述还原剂供给单元可以包括具有还原剂的容器和适于计量供给至NOx还原单元的还原剂的量的计量装置。
此外,所述还原剂可包含氨(NH3)。
此外,含NH3的流体的量可以从内燃发动机的数据中推断。
最后,所述发动机还可包括布置于NOx还原单元的下游、例如NOx还原单元和热交换器之间以测量废气中的NOx浓度的NOx传感器。
附图说明
下面将参考示意性的附图更详细地描述本发明及其许多优点,所述附图出于说明目的示出了一些非限制性实施方案,在附图中:
图1示出了具有辅助马达的内燃机系统的示意图,
图2示出了具有用于根据来自压力传感器的响应来致动所述马达的控制单元的内燃机系统的示意图,
图3示出了具有用于根据来自编码器的响应来致动所述马达的控制单元的内燃机系统的示意图,
图4示出了具有温度传感器和NOx传感器的内燃机系统的示意图,
图5是NOx还原单元的部分剖视图,
图6示出了具有布置在涡轮增压器上游的加热装置的内燃机系统的示意图,
图7示出了具有布置在NOx还原单元上游的加热装置的内燃机系统的示意图,
图8示出了具有布置在压缩机和发动机之间的鼓风机的内燃机系统的示意图,和
图9示出了具有另一加热装置的内燃机系统的示意图。
所有附图都是高度示意性的并且不一定按比例绘制,附图仅示出那些为了阐明本发明所必需的部分,其它部分省略或仅建议。
具体实施方式
图1示出了内燃机系统1,该内燃机系统包括具有气缸的内燃发动机2,所述气缸具有至少20cm的活塞直径,所述发动机由硫含量为至少0.05%的燃料供给动力并产生具有一NOx浓度的废气。因此,该系统包括用于在具有处理至少200升废气的能力的催化反应器8中净化废气的NOx还原单元7。该系统还包括具有涡轮4和压缩机6的涡轮增压器3,其中压缩机6通过轴5与涡轮连接。涡轮4由来自内燃发动机2的废气驱动,并驱动压缩机6以压缩被供给到发动机2的扫气。
当内燃机系统1的发动机2启动时,该系统的所有部分都比当发动机已经运行了一段时间时更冷。在此启动期间,当废气在NOx还原单元7中被处理时,气体被冷却,因为NOx还原单元7也未被充分加热。因此,废气在NOx还原单元7中被处理后,不能充分驱动涡轮4以使涡轮驱动压缩机6和以适当的方式压缩扫气。因此,发动机系统1包括电动马达9,该电动马达用于驱动轴5以在废气的温度不足以驱动涡轮到特定转速的这些时间段期间向压缩机提供辅助动力。
在现有技术的发动机系统中,废气的主要部分在启动期间绕过NOx还原单元,使得废气能够充分地驱动涡轮以使压缩机将所述扫气压缩到预定压力。但是,如果使用这种旁路方案,NOx排放量在启动过程中增加,即使NOx排放量在发动机已经运行一段时间之后下降,这样的发动机系统也不符合IMO的新规定。
通过具有用于驱动轴5以向压缩机6提供辅助动力的电动马达9,内燃机系统1中的NOx排放可以符合IMO的规定。当出海时,马达9被致动以驱动压缩机6,使得扫气的压力足以使发动机2产生所需的动力。当NOx还原单元7被加热到正常操作温度时,不再需要马达9辅助驱动压缩机,因为废气不再在NOx还原单元中被过度冷却。
电动马达9是与轴5连接的电动马达,但在另一个实施例中也可以通过接合所述轴的齿轮与所述轴相连接。所述马达还可以驱动一泵,该泵驱动与所述轴接合的液压马达。
如图2所示,内燃机系统1还包括适于在涡轮4不能驱动压缩机6以提供扫气的特定气体压力时致动所述马达9的控制单元11。控制单元11在预定参数低于特定水平时致动所述马达。该参数可以是发动机2中的压缩压力、扫气的压力、涡轮增压器3的轴的速度、NOx还原单元7下游的废气的NOx浓度、或者是涡轮增压器的上游和/或催化反应器8的上游的废气的温度。
如图2所示,内燃机系统1包括用于测量以发动机2中的压缩压力的形式的参数或用于测量扫气的压力的压力传感器12。控制单元11接收压力传感器的测量值,并且当压缩压力或扫气的压力低于预定水平时,控制单元11致动所述马达9。当所测量的压缩压力接近预定水平时,控制单元11可以向该压力传感器12提供一个信号以便更频繁地测量压缩压力,因此,一旦该压力基本上等于预定水平,马达9被断电或关闭以尽量减少能量消耗。
可以被测量的另一个参数是涡轮增压器3的轴5的速度,为此,内燃机系统1包括编码器14,如图3所示。该编码器布置成用于计数所述轴的转动和从而测量涡轮增压器的轴的速度。当轴的转动低于特定转速并因而低于预定水平时,控制单元11致动所述马达9。由于系统部件是冷的,当启动内燃机系统1时致动马达9,随着系统部件热起来,废气将具有更多能量以驱动涡轮,并且所述轴的转速会升高。当旋转速度高于预定水平时,控制单元11关闭所述马达。
在图4中,内燃机系统1能够测量其它参数并因此包括用于测量涡轮增压器3的上游和/或催化反应器8的上游的气体温度的温度传感器15。当系统已运行一段时间后温度升高,当温度高于预定的温度时,马达9关闭。当温度低于预定的温度水平时,控制单元11致动所述马达。
在图4中,内燃机系统1还包括旁路通道26,其用于使一部分废气部分地绕过NOx还原单元7,使得能够保持废气的特定温度并因此能驱动涡轮4和压缩机6从而将扫气压缩到特定压力。该发动机系统还包括布置在NOx还原单元7和热交换器23之间来测量废气中的NOx浓度的NOx传感器10。一旦NOx浓度低于特定水平,马达9被关闭,当NOx浓度高于特定水平时,马达被致动。
内燃机系统1还包括用于从发动机2的各个气缸接收废气的废气接收器24和用于在扫气被送至发动机的气缸之前接收扫气的扫气接收器25。热交换器23可以是沸腾器并且布置在内燃发动机2的下游和涡轮4的下游。
在图5中,NOx还原单元7示出成包括具有还原剂的容器20和用于计量在NOx还原单元中或在废气进入NOx还原单元之前供给到废气中的含NH3流体的量的计量单元21。当设置发动机2时,含NH3流体的量可以从发动机数据推断。
在另一方案中,如图6和7所示,为了解决废气在NOx还原单元7中处理之后废气中的能量过低的问题,内燃机系统1包括内燃发动机2、涡轮增压器3、NOx还原单元7和用于加热涡轮增压器上游的废气或用于加热催化反应器8自身的加热装置31。在图6中,加热装置31布置于NOx还原单元7和涡轮增压器3的涡轮4之间,在图7中,加热装置31布置于NOx还原单元7的上游。
通过加热废气,该废气能够以适当的方式驱动涡轮4和压缩机6而并未需要用于帮助压缩机旋转的辅助马达。加热装置31可以是诸如油燃烧器的燃烧器、热交换器、热泵或适于加热管道中的气体的类似加热装置。
加热废气的另一方法是使用发动机的定时功能,即执行对何时喷入燃料的调节,例如延迟喷射,使得在燃烧过程中使用较少的能量来移动活塞,所述能量反而转化成热。
为了加热该催化反应器8,加热装置31由围绕催化反应器8的壁或在催化反应器8的壁内部布置的电线或者围绕引导废气从发动机2到NOx还原单元7和/或从NOx还原单元7到发动机2的管道布置的线路构成。如图9所示,所述加热装置还可包括泵35,该泵从辅助设备36向NOx还原单元7泵送用于加热催化反应器的已加热的气体。因此,控制单元11适于在所述涡轮4不能驱动压缩机来提供扫气的特定气体压力时致动所述加热装置。
所述内燃机系统1包括压力传感器12,其用于测量以所述发动机2中的压缩压力的形式的参数或者用于测量扫气的压力。控制单元11接收压力传感器12的测量值,并且当压缩压力或扫气的压力低于预定水平时,控制单元11致动所述加热装置31。压缩压力也可以从扫气的压力来评估。
可以被测量的另一个参数是涡轮增压器3的轴的速度,为此,内燃机系统1包括编码器14,控制单元在所述速度低于预定水平时致动加热装置31或者在轴5的转速高于特定水平时关闭加热装置。
内燃机系统1还可包括用于测量涡轮增压器3的上游和/或催化反应器8的上游的气体温度的温度传感器15。然后,控制单元11在温度低于预定水平时致动所述加热装置31或者在温度高于特定水平时关闭所述加热装置。
在另一解决方案中,如图8所示,为了解决废气在NOx还原单元7中处理之后废气中的能量过低的问题,内燃机系统1包括内燃发动机2、涡轮增压器3、NOx还原单元7和用于对扫气加压的增压装置34。该增压装置布置在压缩机的下游,在图8中是鼓风机,但也可以是压缩机、泵或类似的增压装置。内燃机系统1还包括适于在涡轮不能驱动压缩机6来提供特定的扫气压力时致动所述增压装置34的控制单元11。
当控制单元11检测到某一参数低于预定水平时,控制单元11致动增压装置34。一个参数可以是发动机2中的压缩压力或扫气的压力,因此系统1包括压力传感器12。然后,控制单元11在压缩压力或扫气的压力低于预定水平时致动所述增压装置34。
图8的内燃机系统1还包括用于测量涡轮增压器的轴的速度的编码器14,当该速度低于预定水平时,控制单元11致动所述增压装置34或者如果所述速度高于预定水平则关闭所述增压装置。
内燃机系统1还可以包括温度传感器15,其用于测量涡轮增压器3的上游和/或催化反应器8的上游的气体温度。然后,控制单元11在所述温度低于预定水平时致动所述增压装置或者在所述温度高于预定水平时关闭增压装置34。
因此,来自内燃机系统1的NOx排放量通过从内燃发动机2排放废气和在NOx还原单元7中处理该废气而降低。涡轮增压器3的涡轮4由废气驱动,所述废气通过热交换器23被排放,同时含有空气的气体被吸入和在压缩机6中加压以形成扫气。然后在例如启动的过程中,致动电动马达9以帮助驱动涡轮增压器3的压缩机6从而将所述扫气压缩到预定压力。这样,基本上所有的废气都在NOx还原单元中被处理,因而NOx的排放量可以符合IMO的规定。
马达9的致动可以通过控制单元11基于测量发动机2中的压缩压力、测量扫气的压力、测量涡轮增压器3的轴5的速度和/或测量涡轮增压器的上游和/或催化反应器8的上游的气体温度来执行。当这些参数中的一个低于预定水平时,控制单元11致动所述马达,当所述参数中的一个高于预定水平时,关闭所述马达。控制单元11与传感器和马达无线地或通过接线进行通信。
除了致动所述马达,控制单元11可以致动例如鼓风机的增压装置34以帮助压缩机6,或致动加热装置31,或使用发动机定时以加热所述废气,如上所述的。
虽然上面已结合本发明的优选实施例描述了本发明,但是对于本领域技术人员很明显的是,可以设想多种修改而不脱离由以下权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种内燃机系统(1),包括:
-内燃发动机(2),该内燃发动机具有活塞直径为至少20cm的气缸,所述内燃发动机(2)产生废气,
-具有与轴(5)相连的涡轮(4)和与该轴(5)相连的压缩机(6)的涡轮增压器(3),所述涡轮(4)由来自所述内燃发动机(2)的废气驱动,
-用于净化来自所述内燃发动机(2)的废气的NOx还原单元(7),所述NOx还原单元包括:
-催化反应器(8),
其中,所述内燃机系统(1)还包括用于驱动所述轴(5)从而向所述压缩机(6)提供辅助动力的被电动地和/或液压地提供动力的马达(9),
其特征在于,所述NOx还原单元(7)布置于所述涡轮的上游。
2.根据权利要求1所述的内燃机系统(1),还包括控制单元(11),所述控制单元适于在所述涡轮(4)不能驱动所述压缩机(6)来提供扫气的特定气体压力时致动所述马达(9)。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机系统(1),还包括压力传感器(12),所述压力传感器用于测量所述内燃发动机(2)中的压缩压力或用于测量扫气的压力。
4.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机系统(1),还包括用于测量所述涡轮增压器(3)的轴的速度的编码器(14)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机系统(1),还包括用于测量所述涡轮增压器(3)的上游和/或所述催化反应器(8)的上游的气体温度的温度传感器(15)。
6.一种用于对来自根据前述权利要求所述的内燃机系统(1)的NOx排放物的还原进行优化的NOx还原方法,该方法包括以下步骤:
-从内燃发动机(2)排出废气,
-在布置于所述涡轮上游的NOx还原单元(7)中处理所述废气,
-通过所述废气驱动涡轮增压器(3)的涡轮(4),
-排出所述废气,
-吸入含有空气的气体,形成扫气,
-在所述涡轮增压器(3)的压缩机中压缩所述扫气,
其中所述NOx还原方法还包括致动驱动所述涡轮增压器(3)的压缩机(6)以压缩所述扫气的电动马达的步骤。
7.根据权利要求6所述的NOx还原方法,其中至少50%、优选至少75%、更优选至少95%的废气在所述NOx还原单元(7)中被处理。
8.根据权利要求6或7所述的NOx还原方法,其中致动所述马达(9)的步骤通过控制单元(11)来执行。
9.根据前述权利要求中任一项所述的NOx还原方法,还包括测量所述内燃发动机(2)中的压缩压力、测量扫气的压力、测量涡轮增压器(3)的轴(5)的速度和/或测量涡轮增压器(3)的上游和/或催化反应器(8)的上游的气体的温度的步骤。
10.根据权利要求9所述的NOx还原方法,其中,致动所述马达(9)的步骤在压缩压力、扫气的压力、轴(5)的速度和/或气体的温度低于预定值时执行。
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