JP4730351B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
内燃機関の排気浄化装置においては、内燃機関の排気通路に還元剤添加弁、酸化機能を有する前段触媒および排気浄化触媒を上流から順に直列に設ける場合がある。この場合、還元剤添加弁から排気中に還元剤が添加されると、還元剤が先ず前段触媒に流入する。そして、前段触媒において改質された還元剤が排気浄化触媒に供給される。
このように、還元剤が改質された状態で排気浄化触媒に供給されると、該排気浄化触媒における還元剤の酸化反応等の化学反応が促進され易くなる。
また、特許文献１には、内燃機関の排気通路にフロント酸化触媒、酸化触媒およびパティキュレートフィルタを上流側から順に設置する技術が記載されている。この引用文献１においては、フロント酸化触媒をバイパスするバイパス通路、および、排気の流れをフロント酸化触媒側もしくはバイパス通路側に切り換える流路切換装置が設けられている。
また、特許文献２には、エキゾーストマニホールドにおける各気筒に接続された枝管それぞれに酸化触媒を設置すると共に、エキゾーストマニホールドの集合管よりも下流側にパティキュレートフィルタを設ける技術が記載されている。
特開２００４−１７６５７１号公報 特開平１０−８９０５４号公報 特許３７９６９１９号公報
還元剤添加弁から添加された還元剤を前段触媒において改質させ、改質された還元剤を排気浄化触媒に供給するためには、前段触媒の温度を活性温度に昇温または維持させる必要がある。しかしながら、内燃機関から排出された排気の熱量は該排気が前段触媒に到達するまで排気通路を流れる間に放熱によって減少する。そのため、排気によって前段触媒を十分高い温度まで加熱することが困難な場合がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、排気浄化触媒に還元剤を供給すべく還元剤添加弁から還元剤を添加する場合において、前段触媒での還元剤の改質をより好適に促進させることが可能な技術を提供することを目的とする。
本発明においては、排気浄化触媒が設けられている排気通路の一端がエキゾーストマニホールドに接続されており、エキゾーストマニホールドに前段触媒および還元剤添加弁が設けられている。そして、前段触媒が、その外周面とエキゾーストマニホールドの内壁面との間を排気が流れるように形成されている。また、エキゾーストマニホールドにおいて、還元剤添加弁から添加される還元剤の大部分が前段触媒に流入するように前段触媒および還元剤添加弁が配置されている。
より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関に接続されたエキゾーストマニホールドと、
該エキゾーストマニホールドに一端が接続された排気通路に設けられた排気浄化触媒と
、
前記エキゾーストマニホールドに設けられた酸化機能を有する前段触媒と、
前記エキゾーストマニホールドに設けられた排気中に還元剤を添加する還元剤添加弁と、を備え、
前記前段触媒が、その外周面と前記エキゾーストマニホールドの内壁面との間を排気が流れるように形成されており、
前記還元剤添加弁から還元剤が添加されたときに形成される該還元剤の噴霧先に前記前段触媒が位置するように前記前段触媒および前記還元剤添加弁が配置されていることを特徴とする。
本発明においては、前段触媒が排気通路に設けられている場合に比べて、内燃機関から排出された排気が前段触媒に到達するまでの間において該排気から放熱によって奪われる熱量が少ない。そのため、排気によって前段触媒をより速やかに昇温させることが出来、また、排気によって前段触媒をより高い温度に維持することが出来る。
さらに、本発明においては、前段触媒の外周面とエキゾーストマニホールドの内壁面との間を排気が流れる。そのため、エキゾーストマニホールドに前段触媒が設けられることに起因する背圧の上昇を抑制することが出来る。
また、本発明においては、前段触媒の外周面とエキゾーストマニホールドの内壁面との間を排気が流れるような構成であっても、還元剤添加弁から添加された還元剤の大部分が前段触媒に流入する。そのため、より多くの還元剤を前段触媒において改質させることが出来る。
従って、本発明によれば、排気浄化触媒に還元剤を供給すべく還元剤添加弁から還元剤を添加する場合において、前段触媒での還元剤の改質をより好適に促進させることが出来る。
また、本発明においては、前段触媒が排気通路に設けられている場合に比べて前段触媒および前段触媒の周囲雰囲気の温度が高い。そのため、排気中の粒子状物質（Particulate Matter：以下、ＰＭと称する）が前段触媒の上流側端面に付着することが出来、その結果、前段触媒の上流側端面の詰まりが生じることを抑制することが出来る。また、本発明においては、エキゾーストマニホールドにおいて還元剤が改質されるため、排気通路における還元剤の付着を抑制することが出来る。
本発明を、ターボチャージャ付内燃機関に適用してもよい。この場合、排気通路における排気浄化触媒よりも上流側にターボチャージャのタービンハウジングが設けられる。
このような場合であっても、本発明によれば、前段触媒の外周面とエキゾーストマニホールドの内壁面との間を排気が流れるため、前段触媒がタービンハウジングへの排気の流入の妨げとなることが抑制される。そのため、前段触媒がタービンハウジングよりも上流側に設けられることで過給圧が変化するときの応答性の悪化を招くことを抑制することが出来る。
また、上記の場合においては、還元剤の付着に起因するターボチャージャの固着を抑制することが出来る。また、還元剤が排気と共にタービンハウジングに流入するため、排気浄化触媒に流入する排気中において還元剤をより拡散させることが出来る。
上記の場合におけるターボチャージャは、ノズルベーンを有する可変容量型ターボチャージャであってもよい。この場合、還元剤添加弁から還元剤が添加されたときに、前段触
媒における発熱量の増加に伴ってターボチャージャの回転数が変化しないようにノズルベーンの開度を制御してもよい。
これによれば、還元剤添加弁から還元剤が添加されたときにおける過給圧の変化を抑制することが出来る。
本発明においては、前段触媒を吸蔵還元型ＮＯｘ触媒としてもよい。この場合、エキゾーストマニホールドにおいて排気中のＮＯｘを除去することが出来る。
本発明によれば、排気浄化触媒に還元剤を供給すべく還元剤添加弁から還元剤を添加する場合において、前段触媒での還元剤の改質をより好適に促進させることが出来る。
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。
＜実施例１＞
＜内燃機関およびその吸排気系の概略構成＞
図１は、本実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は４つの気筒２を有する車両駆動用のディーゼルエンジンである。各気筒２には該気筒２内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３がそれぞれ設けられている。
内燃機関１には、インテークマニホールド５およびエキゾーストマニホールド７が接続されている。インテークマニホールド５には吸気通路４の一端が接続されている。エキゾーストマニホールド７には排気通路６の一端が接続されている。
吸気通路４には、エアフローメータ１１およびターボチャージャ（過給機）８のコンプレッサハウジング８ａが設置されている。排気通路６にはターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂが設置されている。
排気通路６におけるタービンハウジング８ｂより下流側には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒と称する）９が設けられている。本実施例においては、該ＮＯｘ触媒９が本発明に係る排気浄化触媒に相当する。尚、ＮＯｘ触媒９に代えて、三元触媒や、酸化触媒、酸化触媒またはＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタ等を設けてもよい。この場合、三元触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタに担持された酸化触媒またはＮＯｘ触媒それぞれが、本発明に係る排気浄化触媒に相当する。
排気通路６におけるタービンハウジング８ｂより下流側且つＮＯｘ触媒９より上流側には排気の空燃比を検出する空燃比センサ１４が設けられている。また、排気通路６におけるＮＯｘ触媒９より下流側には排気の温度を検出する温度センサ１５が設けられている。
エキゾーストマニホールド７には、酸化触媒１３および排気中に還元剤として燃料を添加する燃料添加弁１２が設けられている。酸化触媒１３は、エキゾーストマニホールド７における排気通路６の接続部近傍に設けられている。つまり、酸化触媒１３はエキゾーストマニホールド７の集合管部に設けられている。また、酸化触媒１３の外径は、エキゾーストマニホールド７における酸化触媒１３が設けられている部分の内径よりも小さい。つまり、酸化触媒１３の排気の流れ方向に対して垂直方向の断面積は、エキゾーストマニホールド７における酸化触媒１３が設けられている部分の排気の流れ方向に対して垂直方向の断面積よりも小さい。これにより、排気の一部が酸化触媒１３を通過し、排気の他の一
部が酸化触媒１３の外周面とエキゾーストマニホールド７の内壁面との間を通過する。
エキゾーストマニホールド７において、燃料添加弁１２は、酸化触媒１３の上流側端面に向けて燃料を添加するように設けられている。つまり、燃料添加弁１２から燃料が添加されたときに形成される燃料の噴霧先に酸化触媒１３が位置するように燃料添加弁１２が配置されている（図１においては、斜線部が、燃料添加弁１２から燃料が添加されたときに形成される燃料の噴霧を表している）。これにより、燃料添加弁１２から添加される燃料の大部分は酸化触媒１３に流入する。
尚、本実施例においては、酸化触媒１３が本発明に係る前段触媒に相当する。酸化触媒１３は酸化触媒に限られず酸化機能を有する触媒であればよい。また、本実施例においては、燃料添加弁１２が本発明に係る還元剤添加弁に相当する。
内燃機関１には内燃機関１の運転状態を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０には、エアフローメータ１１、空燃比センサ１４、温度センサ１５が電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０は、温度センサ１５の検出値に基づいてＮＯｘ触媒９の温度を推定する。
また、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁３および燃料添加弁１２が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ１０によってこれらが制御される。
＜燃料添加＞
本実施例においては、ＮＯｘ触媒９を昇温させるとき、および、ＮＯｘ触媒９に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを還元するときに、燃料添加弁１２から燃料を添加する。燃料添加弁１２から添加された燃料が酸化触媒１３に流入する。酸化触媒１３に流入した燃料の少なくとも一部が酸化触媒１３において改質される。そして、酸化触媒１３において改質された燃料がＮＯｘ触媒９に供給される。
このように、燃料が改質された状態でＮＯｘ触媒９に供給されると、ＮＯｘ触媒９における該燃料の酸化反応や該燃料を還元剤とするＮＯｘまたはＳＯｘの還元反応が促進され易くなる。従って、ＮＯｘ触媒９を昇温させるべく燃料添加弁１２から燃料を添加した場合、燃料が酸化するときに生じる酸化熱によってＮＯｘ触媒９をより効率よく昇温させることが可能となる。また、ＮＯｘ触媒９に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘを還元すべく燃料添加弁１２から燃料を添加したときに、これらをより効率よく還元することが可能となる。
ここで、本実施例においては、酸化触媒１３がエキゾーストマニホールド７に設置されている。この場合、酸化触媒１３が排気通路６に設けられている場合に比べて、内燃機関１から排出された排気が酸化触媒１３に到達するまでの間において該排気から放熱によって奪われる熱量が少ない。そのため、排気によって酸化触媒１３をより速やかに昇温させることが出来、また、排気によって酸化触媒１３をより高い温度に維持することが出来る。
従って、酸化触媒１３を昇温させるための、燃料添加弁１２による燃料添加、燃料噴射弁３による副燃料噴射、または、電気ヒータによる加熱等を実施することなく、より広い運転領域において酸化触媒１３での燃料の改質を促進させることが可能となる。
また、本実施例においては、酸化触媒１３の外周面とエキゾーストマニホールド７の内壁面との間を排気が流れることが可能となっている。これにより、エキゾーストマニホールド７に酸化触媒１３が設けられることに起因する背圧の上昇を抑制することが出来る。
そのため、エキゾーストマニホールド７に酸化触媒１３が設けられることに起因する内燃機関１の運転状態への影響を小さくすることが出来る。また、酸化触媒１３がタービンハウジング８ｂへの排気の流入の妨げとなることが抑制されるため、過給圧が変化するときの応答性の悪化を招くことを抑制することが出来る。
さらに、本実施例においては、酸化触媒１３の外周面とエキゾーストマニホールド７の内壁面との間を排気が流れるような構成であっても、燃料添加弁１２から添加された燃料の大部分が酸化触媒１３に流入する。そのため、より多くの燃料を酸化触媒１３において改質することが出来る。その結果、より多くの改質された燃料をＮＯｘ触媒９に供給することが出来る。
以上のように、本実施例によれば、ＮＯｘ触媒９に燃料を供給すべく燃料添加弁１２から燃料を添加したときに、酸化触媒１３での燃料の改質をより好適に促進させることが出来る。従って、ＮＯｘ触媒９をより好適に昇温させることが出来、ＮＯｘ触媒９に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘをより好適に還元することが出来る。
また、本実施例においては、酸化触媒１３が排気通路６に設けられている場合に比べて酸化触媒１３および酸化触媒１３の周囲雰囲気の温度が高い。そのため、排気中のＰＭが付着することにより酸化触媒１３の上流側端面の詰まりが生じることを抑制することが出来る。
また、本実施例においては、エキゾーストマニホールド７において燃料が改質される。そのため、排気通路６における燃料の付着を抑制することが出来る。また、タービンハウジング８ｂ内におけるタービンホイール等への燃料の付着も抑制することが出来るため、ターボチャージャ８の固着も抑制することが出来る。
また、本実施例においては、燃料添加弁１２から添加された燃料が排気と共にタービンハウジング８ｂに流入する。そのため、ＮＯｘ触媒９に流入する排気中において燃料をより拡散させることが出来る。これによっても、ＮＯｘ触媒９における燃料の酸化反応や燃料を還元剤とするＮＯｘまたはＳＯｘの還元反応が促進され易くなる。
尚、燃料添加弁１２から燃料が添加されたときの酸化触媒１３での燃料の改質率（（酸化触媒１３において改質される燃料の量／燃料添加弁１２からの燃料添加量）×１００）は、酸化触媒１３の温度および排気の流量に基づいて変化する。そして、ＮＯｘ触媒９に吸蔵されたＮＯｘを還元すべく燃料添加弁１２から燃料を添加する場合、酸化触媒１３での燃料の改質率が高いほど、ＮＯｘ触媒９におけるＮＯｘの還元が促進され易い。つまり、酸化触媒１３での燃料の改質率が高いほど、より少ない燃料添加量でＮＯｘ触媒９に吸蔵されたＮＯｘを十分に還元することが可能となる。
そこで、ＮＯｘ触媒９に吸蔵されたＮＯｘを還元すべく燃料添加弁１２から燃料を添加する場合、酸化触媒１３の温度および排気の流量に基づいて酸化触媒１３での燃料の改質率を推定し、該改質率に基づいて燃料添加弁１２からの燃料添加量を補正してもよい。これにより、燃料添加弁１２からの燃料添加に伴う燃費の悪化を抑制することが出来る。また、ＮＯｘの還元に供されることなくＮＯｘ触媒９から流出する燃料の量を抑制することが出来る。尚、酸化触媒１３の温度は内燃機関１の運転状態等に基づいて推定することが出来る。
また、エキゾーストマニホールド７における酸化触媒１３及び燃料添加弁１２の配置は図１に示すような配置に限られるものではない。図２および３は、エキゾーストマニホールド７における酸化触媒１３及び燃料添加弁１２の配置の他の例を示す図である（図２お
よび３においても、斜線部が、燃料添加弁１２から燃料が添加されたときに形成される燃料の噴霧を表している）。
図２の場合、燃料添加弁１２から添加された燃料はエキゾーストマニホールド７の内壁面に衝突すると共に排気の流れに乗ってその大部分が酸化触媒１３に流入する。このように、燃料添加弁１２から添加された燃料の噴霧先に酸化触媒１３が位置するように両者が配置されていればよい。
図３の場合、酸化触媒１３がエキゾーストマニホールド７における排気通路６の接続部近傍から離れた位置に設けられている。この場合、エキゾーストマニホールド７における排気の流れに沿って酸化触媒１３よりも上流側に位置する気筒から排出された排気のみが酸化触媒１３を通過する。そして、エキゾーストマニホールド７における排気の流れに沿って酸化触媒１３よりも下流側に位置する気筒から排出された排気は酸化触媒１３を通過せずに排気通路６に流入する。そのため、エキゾーストマニホールド７に酸化触媒１３が設けられることに起因する背圧の上昇をより抑制することが出来る。また、このような場合においても、酸化触媒１３の排気の流れ方向に対して垂直方向の断面積は、エキゾーストマニホールド７における酸化触媒１３が設けられている部分の排気の流れ方向に対して垂直方向の断面積よりも小さい。これにより、酸化触媒１３より上流側の背圧が上昇することも抑制することが出来る。また、このような場合においても、燃料添加弁１２は、エキゾーストマニホールド７において、酸化触媒１３の上流側端面に向けて燃料を添加するように設けられる。そのため、燃料添加弁１２から添加された燃料の大部分が酸化触媒１３に流入する。従って、より多くの燃料を酸化触媒１３において改質することが出来る。
＜実施例２＞
＜ターボチャージャの概略構成＞
図４は、本実施例に係るターボチャージャ８の概略構成を示す図である。本実施例に係るターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂにおいては、羽形状のノズルベーン１７がタービンホイールの円周方向に複数取り付けられている。このノズルベーン１７はアクチュエータ１８によって駆動される。
アクチュエータ１８によりノズルベーン１７の開度が変更されると、隣り合うノズルベーン１７間の隙間の大きさが変化する。これにより、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が変化するため、ターボチャージャ８の回転数が変化する。その結果、内燃機関１の過給圧が変化する。
アクチュエータ１８は、ＥＣＵ１０と電気的に接続されており、ＥＣＵ１０によって制御される。ターボチャージャ８以外の内燃機関およびその吸排気系の構成は実施例１と同様である。そのため、同様の構成要素には同様の参照番号を付してその説明を省略する。
＜ノズルベーンの開度制御＞
燃料添加弁１２から添加された燃料が酸化触媒１３に流入すると、該燃料の一部が酸化触媒１３において酸化される。そのため、燃料添加弁１２からの燃料添加が実行されるとタービンハウジング８ｂに流入する排気の温度が上昇する場合がある。その結果、ターボチャージャ８の回転数が上昇する虞がある。
そこで、本実施例においては、燃料添加弁１２から燃料を添加する場合、ターボチャージャ８の回転数が変化しないようにノズルベーン１７の開度を制御する。
以下、本実施例に係る燃料添加制御のルーチンについて図５に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中
、所定の間隔で繰り返し実行される。
本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、燃料添加弁１２からの燃料添加の実行条件が成立したか否かを判別する。ここで、燃料添加の実行条件は、ＮＯｘ触媒９の昇温を実行する条件もしくはＮＯｘ触媒９に吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘの還元を実行する条件である。Ｓ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンを一旦終了する。
Ｓ１０２において、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態に基づいて酸化触媒１３の温度Ｔｃを推定する。
次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３に進み、燃料添加弁１２からの燃料添加を実行したときに酸化触媒１３において燃料が酸化されることで生じる発熱量Ｑｈを推定する。該発熱量Ｑｈは、酸化触媒１３の温度Ｔｃ、燃料添加弁１２からの燃料添加量および内燃機関１の運転状態に基づいて推定することが出来る。
次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４に進み、発熱量Ｑｈに基づいてノズルベーン１７の開度増加量Ｄｎを算出する。該開度増加量Ｄｎは、ノズルベーン１７の開度を該開度増加量Ｄｎ分増加させれば、燃料添加弁１２からの燃料添加を実行することで酸化触媒１３において酸化熱が生じ（即ち、発熱量Ｑｈ分の熱量が生じ）、それによってタービンハウジング８ｂに流入する排気の温度が上昇しても、ターボチャージャ８の回転数が燃料添加実行前と同等に維持される値として算出される。発熱量Ｑｈと開度増加量Ｄｎとの関係は実験等に基づいて予め算出されておりマップとしてＥＣＵ１０に記憶されている。
次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５に進み、ノズルベーン１７の開度を開度増加量Ｄｎ分増加させる。
次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０６に進み、燃料添加弁１２からの燃料添加を実行する。その後、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。
以上説明したルーチンによれば、燃料添加弁１２から燃料を添加したときに、酸化触媒１３における発熱量の増加に伴ってターボチャージャ８の回転数が上昇することが抑制される。従って、燃料添加弁１２からの燃料添加の実行前後で内燃機関１の過給圧が変化することを抑制することが出来る。
上記実施例１および２においては、酸化触媒１３をＮＯｘ触媒としてもよい。この場合、エキゾーストマニホールド７において排気中のＮＯｘを除去することが出来る。さらに、このＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘは、ＮＯｘ触媒９を昇温させるべく、または、ＮＯｘ触媒９に吸蔵されたＮＯｘを還元すべく燃料添加弁１２から燃料を添加したときに還元させることが出来る。
実施例１に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図。 実施例１に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成の第一の変形例を示す図。 実施例１に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成の第二の変形例を示す図。 実施例２に係るターボチャージャの概略構成を示す図。 実施例２に係る燃料添加制御のルーチンを示すフローチャート。
符号の説明
１・・・内燃機関
２・・・気筒
３・・・燃料噴射弁
４・・・吸気通路
５・・・インテークマニホールド
６・・・排気通路
７・・・エキゾーストマニホールド
８・・・ターボチャージャ
８ａ・・コンプレッサハウジング
８ｂ・・タービンハウジング
９・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
１０・・ＥＣＵ
１１・・エアフローメータ
１２・・燃料添加弁
１３・・酸化触媒
１４・・空燃比センサ
１５・・温度センサ
１７・・ノズルベーン
１８・・アクチュエータ

Claims (4)

  1. 内燃機関に接続されたエキゾーストマニホールドと、
    該エキゾーストマニホールドに一端が接続された排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
    前記エキゾーストマニホールドに設けられた酸化機能を有する前段触媒と、
    前記エキゾーストマニホールドに設けられた排気中に還元剤を添加する還元剤添加弁と、を備え、
    前記前段触媒が、その外周面と前記エキゾーストマニホールドの内壁面との間を排気が流れるように形成されており、
    前記還元剤添加弁から還元剤が添加されたときに形成される該還元剤の噴霧先に前記前段触媒が位置するように前記前段触媒および前記還元剤添加弁が配置されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記内燃機関がターボチャージャ付内燃機関であって、
    前記排気通路における前記排気浄化触媒よりも上流側に前記ターボチャージャのタービンハウジングが設けられていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記ターボチャージャが、ノズルベーンを有する可変容量型ターボチャージャであって、
    前記還元剤添加弁から還元剤が添加されたときに、前記前段触媒における発熱量の増加に伴って前記ターボチャージャの回転数が変化しないように前記ノズルベーンの開度を制御することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記前段触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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