JPH08210124A - 内燃機関の排ガスを後処理する装置 - Google Patents

内燃機関の排ガスを後処理する装置

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JPH08210124A
JPH08210124A JP7299727A JP29972795A JPH08210124A JP H08210124 A JPH08210124 A JP H08210124A JP 7299727 A JP7299727 A JP 7299727A JP 29972795 A JP29972795 A JP 29972795A JP H08210124 A JPH08210124 A JP H08210124A
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combustion engine
fuel
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Ernst Linder
リンダー エルンスト
Hubert Dettling
デトリング フーベルト
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Robert Bosch GmbH
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自己点火式内燃機関の排ガスにおけるNOx
成分を還元触媒器を用いて還元するために触媒器の効率
を改善すること。 【解決手段】 排ガスに付加的に加える還元剤、特に燃
料を供給する調量装置が設けられ、このために円筒形の
回転体(38)の上に配置されたねじ状に延びる溝(4
7)の形をしたねじ通路を有する最少量調量容積型ポン
プ(15)が用いられており、吐出効率を変化させるた
めに回転体が可変な回転数で駆動されること。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、排ガスマニホルド
系に内燃機関の排ガスのNOx成分を還元させるための
還元触媒器が配置されている自己点火式内燃機関の排ガ
スを後処理するための装置であって、触媒器に供給され
た排ガスの流れに、内燃機関と触媒器との種々異なる運
転パラメータのもとで、特性域に記憶された排ガスにお
けるNOx含有量の値に関連して、還元剤を調量して供
給する、制御装置によって制御された調量装置と、該調
量装置の後ろに接続されかつ供給しようとする還元剤を
細分化する空気供給装置とを有している形式のものに関
する。
【0002】
【従来技術】自己点火式内燃機関の排ガスは該内燃機関
が高い空気過剰率で運転される事実に基づき、NOxエ
ミッションが高くなる傾向がある。これは燃焼室へ直接
噴射される内燃機関においては一層顕著である。このエ
ミッションを低下させるためには、適当な還元触媒器を
用いてNOx還元を行うことである。このためには例え
ばゼオライトをベースとした触媒器が適している。自己
点火する内燃機関の別の問題点はこのような触媒器の還
元作用を起こすことを困難にする比較的に低い排ガス温
度である。この還元プロセスを促進するためには排ガス
系に排ガスを加熱するバーナに接続することがすでに提
案されている。還元プロセスを促進させるためには請求
の範囲に記載した形式の装置がすでに提案されている。
請求項1はこの装置を出発点としている。
【0003】公知文献、F.SchaeferとR.V
an Basshoysen著「乗用車燃焼機関の有害
物質の減少と燃料消費量」Springer社出版の1
15ページによって公知である前記形式の公知の装置に
おいては、還元剤として水溶液における尿素が用いられ
ている。この水溶液は排ガス系に触媒器の上流側で供給
される。この場合、尿素の調量は費用のかかる形式で電
磁弁を介して行われる。この電磁弁は排ガス形の範囲に
おける高い運転温度に晒され、したがって付着する傾向
にある。この電磁弁を内燃機関の作業行程あたり1.5
ミリグラムの範囲にある小量の調量のために準備しかつ
制御することにはきわめて費用がかかる。特に電磁弁か
ら送り出される尿素の調量のためには、一方では調量さ
れた尿素を排ガス系に搬送するためにかつ他方では尿素
貯蔵器を電磁弁における噴射に必要な圧力にもたらすた
めの圧力の発生のために使用される圧縮空気の準備が必
要である。この圧力は調量の準備のために調整されなけ
ればならない。さらに電磁弁における圧力差は、遅くと
も触媒器において、熱の作用に関連した尿素化合物の崩
壊によって排ガスにおけるNOx成分の所望される還元
のために必要なNH3排ガスが発生するように尿素の細
分化された準備を保証しなければならない。
【0004】この装置はきわめて費用がかかり、還元過
程が確実に行われるためには高い排ガス温度を前提とす
る。尿素の過剰調量と触媒器における運転前提条件の欠
落の場合には尿素が完全に変換されず、ひいては環境を
エミッション成分として汚染する惧れがある。
【0005】EP−A−503882号明細書によれ
ば、還元剤としてHC、すなわち燃料を使用することが
公知である。この燃料はゼオライト構造形式のNOx−
還元触媒器の上流側で内燃機関の排ガス系に、触媒器の
温度によって制御されて供給される。この場合、調量は
間欠的に行われる。HCは触媒温度が上昇した場合にN
Oxの変換に役立つように触媒器の多孔質の組織に中間
ストックしておきたい。この装置は、すでに記述した電
磁弁の欠陥のある使用とそれに関連した費用の他に、供
給されるHC量が直接的にNOx成分の変換を行わず、
触媒器においてはじめて準備されなければならないとい
う欠点がある。これは周知のように高い排ガス温度を有
する外部点火式の内燃機関において使用される公知の装
置ではまだ可能ではあるが、自己点火される内燃機関の
比較的に温度の低い排ガスの場合には十分ではない。
【0006】
【発明の課題】本発明の課題は自己点火される内燃機関
における使用のために簡単な調量装置を提供し、この調
量装置の構造形式によって、連続的な搬送のために費用
のかかる冷却が回避されるようにすることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の課題は、冒頭に
述べた形式の装置において、調量装置が、連続的に吐出
する、制御装置により制御された可変な回転数で駆動さ
れた容積型ポンプから成っていることによって解決され
た。連続的な供給は供給された還元剤の簡単でかつ調整
しやすい準備をも可能にする。本発明の装置はコントロ
ールが容易で、費用的に有利であり、高い搬送圧を回避
することで最少の量を調量するために適している。
【0008】調量装置の特に有利な構成は請求項2に開
示してある。本発明の別の構成によれば請求項3に記載
してあるように、調量されて供給された還元剤はほぼ蒸
気状の形態で排ガス流に供給される前に申し分なく準備
される。このためには、請求項4に記載したように一方
では添加空気流を与え、他方では渦流室を排ガスマニホ
ルド系に熱伝導的に接続しておくことが有利である。し
かし、請求項5による構成は、供給された還元剤の良好
な準備に役立つ。この場合、送出管の構成は、準備され
た還元剤を妨げられずにかつ細分化して排ガス流に導入
するために役立つ。出口開口が請求項6に記載したよう
に下流側に向けられていることによって流動抵抗におけ
る負圧形成が搬送圧力差に活用される。特にこの場合に
は流出管の下流側に発生する強められた渦流は、供給さ
れた還元剤の迅速でかつ均一な分配に使用される。触媒
器の有効な作業範囲の外ある温度では還元剤の変換は十
分に行われないので、還元剤の供給は触媒器の有効な作
業範囲に相応する温度範囲に制限される。この場合に
は、送出管に場合によっては堆積した還元剤量は全負荷
範囲及び高回転数範囲における高い温度で変換もしくは
燃焼され得ると有利である。堆積、特に内燃機関を停止
させる場合の堆積を回避するためには請求項8に記載し
た空気ポンプが運転される。この場合には触媒器は停止
直後にまだ十分な温度を有し、この温度で、供給された
還元剤成分は無害のエミッション成分に変換される。N
Ox還元、特に排ガス温度が低い場合のNOx還元を改
善するためには付加的に請求項9記載の装置を設けてお
くことができる。この装置には有利な形式で、還元剤の
供給のためにすでに設けられた空気ポンプにより同時に
空気を供給することができる。還元触媒器に接続して有
利な形式で、燃焼しなかった成分の後酸化のための酸化
触媒器を設けておくことができる。還元剤としては、所
属の内燃機関において存在するような燃料、特にディー
ゼル燃料が使用されると有利である。このディーゼル燃
料は請求項9に記載した燃焼装置にも供給される。
【0009】
【実施例】図1には自己点火式内燃機関もしくはディー
ゼル機関の構造形式の内燃機関1が概略的に示されてい
る。この内燃機関の排ガスマニホルド系3はいわゆる排
ガスベンド管2から成り、この排ガスベンド管2を通っ
て個々のシリンダの排ガスが共通の排ガス管4に供給さ
れる。この排ガス管4内には、内燃機関1のできるだけ
近くに、排ガスのNOx−成分を還元するための還元触
媒器5が設けられており、かつこの還元触媒器5の後に
接続されてHC又はCOのような燃焼されていない排ガ
スエミッション部分を残留酸素と後酸化する酸化触媒器
6が設けられている。還元触媒器内には触媒器温度を測
定するための温度フィーラ8が設けられ、この温度フィ
ーラ8は制御装置9と接続されている。この制御装置9
はさらに、バーナ11と調量装置12と接続されてい
る。バーナ11と調量装置12は制御装置9により、触
媒器の温度T及び内燃機関の別の運転パラメータ、例え
ば負荷Qk及び回転数nに応じて制御される。
【0010】外部点火される内燃機関(オット機関)に
較べて自己点火される内燃機関(ディーゼル機関)にお
いては低い排ガスの温度を維持するためには、排ガスベ
ンド管は有利には熱絶縁されている。これは特に効果的
には2重壁とその間にある空気又はガスクッションで行
われる。後続の排ガス管4も前記形式で絶縁され、還元
触媒器5内に侵入するまで排ガス温度をできるだけ維持
することができる。
【0011】バーナと調量装置との構成は図2と図4と
の概略図からより明確である。図2には排ガス管4の、
触媒器又は触媒器5の入口範囲のすぐ上流側にとって代
表的である管が示されている。この場合にはまず、還元
触媒器5の入口の直前で、排ガスを案内する部分に配置
されているか又は還元触媒器5の入口範囲に配置されて
いる調量装置12について説明することにする。この調
量装置によっては、この場合には有利には所属のディー
ゼル機関のディーゼル燃料である還元剤が排ガスに供給
される。この還元剤の供給は排ガスにおけるNOx−成
分を減少させるために還元触媒器5の作用を助けること
を目的としている。すでに冒頭に述べたようにこのNO
x−成分は高い空気過剰率で運転されるディーゼル機関
においては特に高い。他面においては還元触媒器の作業
能は還元触媒器が十分な作用温度を有しているか否かに
関連する。これもディーゼル機関の比較的に温度の低い
排ガスでは困難である。還元剤を供給することによって
触媒器の作用形式が改善されるか又ははじめて可能にな
る。一方では触媒器の内部で炭素が酸化されることによ
り触媒器の温度が高められ他方ではこの燃焼によってC
Oの形で発生する還元する成分が触媒的な作用のもとで
NOx化合物の還元を行う。
【0012】十分な機能を保証しかつ過剰な燃料消費を
回避するためには、供給しようとする還元剤の良好な調
量が必要である。これは調量装置12を用いて行われ
る。この調量装置12は最少量を吐出する容積型ポンプ
14から成っている。この容積型ポンプ14は燃料を燃
料タンク15から低い吐出圧で渦流室16に吐出する。
この場合、吐出圧は0.45バールの範囲にある。この
場合、渦流室に通じる吐出導管17は、排ガス系から容
積型ポンプ14への戻り作用を回避するために吐出逆止
弁18を有している。容積型ポンプ14は、該容積型ポ
ンプ14が特性域に記憶された内燃機関の運転パラメー
タに関連して変化する回転数で駆動されるように制御装
置9によって制御される。この回転数に相応して吐出効
率、ひいては単位時間あたり連続的に調量される燃料量
が変化する。断面して図4においても示されている渦流
室16は円筒形に構成され、内壁に対して垂直に開口す
る吐出導管17を有している。さらに渦流室には接線方
向に空気供給導管18が、吐出導管17の開口が空気供
給導管の入口の下流側で該入口の近くに位置するように
開口している。空気供給導管には空気ポンプ20により
空気が供給される。この空気ポンプ20はほぼ0.25
バールの吐出圧で働くが、同様に特性域に関連して制御
装置9により回転数もしくは吐出効率が調整できるよう
になっている。空気供給導管18には吐出効率を制限す
る絞り21が配置されている。
【0013】図4の渦流室の断面図からは渦流室16か
ら同軸的に送出管22が延びており、該送出管22が排
ガス管4もしくは還元触媒器5に垂直に侵入しているこ
とが判る。渦流室は熱の伝達を良くするために排ガス管
4,5の壁に直接的に結合されている。送出管はU字形
をしており、渦流室16から発し、排ガス流の上流側に
位置する第1の脚部23と、第1の脚部23の下流側に
位置する第2の脚部24とを有している。第2の脚部は
端面側で閉じられ、下流側に位置する最外位の周面に出
口開口25を有している。
【0014】運転中には空気ポンプ20により、圧縮空
気が渦流室において強く旋回する空気流が発生するよう
に供給される。この渦流室から空気は送出管22に侵入
する。この強く旋回する空気流は容積型ポンプ14によ
り送られた燃料量を細分化するので、空気が送出管22
内へ侵入する場合に空気が均一に細分化された燃料と混
合される。すでに渦流室内で、流入する空気は閉じられ
た円筒形の渦流室の壁において、供給された燃料と一緒
に加熱される。この加熱は排ガスによって加熱される送
出管内で強められ、燃料はガス状に空気と混合されて出
口開口25から流出し、そのあとで還元触媒器5に直接
的に供給される。
【0015】排ガス温度を上昇させて作用形式を改善す
るためには、すでに述べたように還元触媒器まで排ガス
を案内する部分を熱絶縁することが有利である。さら
に、内燃機関の始動期、特に高い負荷で高い排ガス温度
が達成されるまでの運転時期にとっては調量装置の上流
側もしくは送出管22の上流側にすでに述べたバーナ1
1を設けることが有利である。このバーナは例えば図示
のように、カーボンフィルタを燃焼させるためにすでに
開発されたようなバーナ構造の装置であることができ
る。このような装置としてはDE−OS3732491
号、3732492号又は3903065号に開示され
ているようなバーナ装置を挙げておく。さらに例えば電
気的な加熱で働く他のバーナ構造又は加熱装置を使用す
ることもできる。このようなバーナは片側で閉じられ
た、円筒形でかつ排ガス系に向かって開いた燃焼室27
を有しており、この燃焼室27内へ接線方向で圧縮空気
導管28が開口している。この開口は燃焼室の閉じられ
た端部の近くに位置している。さらに燃焼室の閉じられ
た端部の近くで燃焼室は円筒形の点火室29と接続され
ている。この点火室29は燃焼室の軸線に対して直角に
開口している。この点火室は図面から判るように燃焼室
27への入口開口30を有し、この入口開口とは反対側
の端部からそこにねじ込まれたグロープラグ32で閉じ
られている。グロープラグ32のねじ込み個所の近くで
点火室には燃料導管33が開口している。この燃料導管
33は点火室29に開放する逆止弁34を有し、燃料ポ
ンプ35と接続されている。この燃料ポンプは燃料を燃
料タンク15から吸い上げ、点火室へ搬送する。燃料ポ
ンプの吐出効率は制御装置9により制御される回転数の
調整によって制御されると有利である。これは特に内燃
機関の回転数もしくは排ガス系における排ガスの通過量
に関連して、内燃機関の種々異なる重要なパラメータか
ら導き出されて行われる。さらにここでも温度に関連し
た制御が行われ、排ガス温度の上昇が必要である場合だ
けバーナが運転され、この排ガス温度を制御するために
バーナが種々異なる出力で運転される。これは内燃機関
の燃料消費量の節減をもたらす。
【0016】バーナを運転するためにはまずグロープラ
グに電流が供給され、燃料導管33によって燃料が必要
な量で点火室へ導かれる。同時に圧縮空気導管28を介
して燃焼空気が燃焼室27へ導入される。この燃焼空気
は接線方向の流入に基づき燃焼室内に旋回流を生ぜしめ
る。グロープラグに達した燃料は蒸発し、燃焼室内で燃
焼空気と混合される。グロープラグは加熱可能な保護ス
リーブを有していると有利である。点火温度に達すると
燃料−空気混合物はそこで点火し、1部は排気ガス系内
へ燃焼する。発生する排ガスと燃焼室内に発生する温度
エネルギーは内燃機関の排ガスに伝達されてこの排ガス
を加熱する。若干の時間が経過すると燃焼室は、供給さ
れた燃料が連続して着化される温度に達し、グロープラ
グが切られる。燃焼室温度を安定化するためにはこの燃
焼室27もグロー体を備えており、このグロー体におい
て燃料と空気とが一緒に着化されるようにすることがで
きる。
【0017】有利な形式で圧縮空気導管28に圧縮空気
を供給することは渦流室16に空気を供給する空気ポン
プ20と同じポンプが用いられる。
【0018】図2に示された容積型ポンプ14の構造は
図3に示されている。このポンプは構造のきわめて簡単
なポンプであって、円筒形のケーシング37を有し、該
ケーシング37内に円筒形の回転体38が支承されてい
る。この場合、回転体38は端面側の端部に支承ピン3
9を有し、該支承ピン39は円筒形のケーシング37の
端面側の端部における適当な支承個所40に支承されて
いる。支承ピン39に軸方向で向き合った端部において
は回転体38は駆動軸41と結合されている。この駆動
軸41はケーシング37の端面側の端部に貫通孔として
構成された支承個所42に支承されている。駆動軸は電
気モータ33と結合されている。この電気モータはすで
に述べたように制御装置9により制御された可変な回転
数で運転される。
【0019】回転体38の周面にはスクリュ状又はねじ
山状の溝43が設けられている。この溝43は回転体3
8の一方の端部における入口個所44から回転体の他方
の端部における出口個所45までケーシング37内を延
びている。ケーシング37の入口個所44は回転体の周
面をその中間範囲において取囲む円筒形のケーシング孔
46に対して直径が拡大され、燃料流入導管48と接続
されている。この燃料流入導管48は燃料タンクから容
積型ポンプ14に向かって延びている。他方では出口個
所45は吐出導管17と接続されており、同様に円筒形
のケーシング孔46に対して拡大されている。有利には
出口個所45の近くで吐出導管17には逆止弁18が設
けられている。回転体38が電気モータ43によって駆
動されると、溝47は入口個所から燃料を受取り、これ
を出口個所45まで搬送する。この溝47によってはコ
ンスタントな押除け横断面が実現されているので、容積
型ポンプ44の吐出効率は回転体の回転数で変化させら
れる。逆止弁18の開放圧もしくは渦流室16の対圧が
与えられていると、回転数の変化で、渦流室内へもたら
される燃料量が単位時間あたり変化する。図示された容
積型ポンプは構造がきわめて簡単で、制御が容易であ
る。特に溝47の小さな押除け横断面により回転数を介
して燃料の最少量を正確に調量することができる。した
がってこのポンプは渦流室内へ必要な小さな燃料量を調
量するために特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関と還元触媒器と後続の酸化触媒器とを
示す全体図。
【図2】本発明の装置を、排ガスを加熱する燃焼装置と
関連して示した概略図。
【図3】容積型ポンプの本発明による構成を示した図。
【図4】図1のIV−IV線に沿った断面図。
【符号の説明】
1 内燃機関、 2 排ガスベンド管、 3 排ガスマ
ニホルド系、 4 排ガス管、 5 還元触媒器、 6
酸化触媒器、 8 温度フィーラ、 9 制御装置、
11 バーナ、 12 調量装置、 14 容積型ポ
ンプ、 15燃料タンク、 16 渦流室、 17 吐
出導管、 18 吐出逆止弁、 20空気ポンプ、 2
1 絞り、 22 送出管、 23 脚部、 24 脚
部、25 出口開口、 27 燃焼室、 28 圧縮空
気導管、 29 点火室、30 入口開口、 32 グ
ロープラグ、 33 燃料導管、 34 逆止弁、 3
5 燃料ポンプ、 37 ケーシング、 38 回転
体、 39 支承ピン、 40 支承個所、 41 駆
動軸、 42 支承個所、 43 溝、 44 入口個
所、 45 出口個所、 46 ケーシング孔、 47
溝、 48燃料流入導管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フーベルト デトリング ドイツ連邦共和国 ヴァイプリンゲン ビ ルトエッカーシュトラーセ 3

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排ガスマニホルド系に内燃機関の排ガス
    のNOx成分を還元させるための還元触媒器(5)が配
    置されている自己点火式内燃機関の排ガスを後処理する
    ための装置であって、触媒器に供給された排ガスの流れ
    に、内燃機関と触媒器との種々異なる運転パラメータの
    もとで、特性域に記憶された排ガスにおけるNOx含有
    量の値に関連して、還元剤を調量して供給する、制御装
    置によって制御された調量装置と、該調量装置の後ろに
    接続されかつ供給しようとする還元剤を細分化する空気
    供給装置とを有している形式のものにおいて、調量装置
    (12)が、連続的に吐出する、制御装置(9)により
    制御された可変な回転数で駆動された容積型ポンプ(1
    4)から成っていることを特徴とする、内燃機関の排ガ
    スを後処理する装置。
  2. 【請求項2】 容積型ポンプ(14)がシリンダ(4
    6)内に支承された、電気モータ(43)により駆動さ
    れた円筒形の回転体(38)を有し、該回転体(38)
    がその周面に少なくとも1つのねじ通路(47)を有
    し、このねじ通路(47)がシリンダ(46)への還元
    剤入口開口(44)からシリンダ(46)からの還元剤
    出口開口(45)に通じており、この還元剤出口開口が
    触媒器の入口における還元剤供給個所(22)と接続さ
    れている、請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】 還元剤が容積型ポンプ(14)から渦流
    室(16)へ送られ、この渦流室(16)へ接線方向に
    空気ポンプ(20)により吐出された添加空気流が供給
    され、導入された空気流に対して直角に開口する導管
    (17)を介して還元剤が渦流室(16)に搬送され、
    この渦流室(16)から還元剤供給個所として複数の出
    口開口(25)を有する送出管(22)が排ガス流内に
    通じている、請求項1又は2記載の装置。
  4. 【請求項4】 渦流室(16)が排ガスマニホルド系
    (3)と熱伝導接続されている、請求項3記載の装置。
  5. 【請求項5】 送出管(22)がU字形に構成され、排
    ガス流に対して横方向にかつ上流側に位置する、渦流室
    から軸方向に分岐する第1の脚部(23)と、端面側で
    閉じられた、周面に出口開口(25)を有する第2の脚
    部(24)とを備えている、請求項3記載の装置。
  6. 【請求項6】 出口開口(25)が第2の脚部(24)
    の下流側に配置されている、請求項5記載の装置。
  7. 【請求項7】 制御装置(9)により容積型ポンプ(1
    4)が制御されて、容積型ポンプ(14)が内燃機関の
    運転中に触媒器における排ガスの温度が200〜400
    ℃である範囲で運転される、請求項1から6までのいず
    れか1項記載の装置。
  8. 【請求項8】 空気ポンプが同様に内燃機関の運転パラ
    メータに関連して還元剤の供給量に相応して制御され
    る、請求項7記載の装置。
  9. 【請求項9】 内燃機関を停止する場合に空気ポンプが
    所定の時間に亘って引続き運転される、請求項1から8
    までのいずれか1項記載の装置。
  10. 【請求項10】 内燃機関の運転パラメータに関連し
    て、特に排ガス及び又は還元触媒器の温度に関連して燃
    焼効率の制御された燃焼装置(11)が設けられ、この
    燃焼装置で燃料が空気と燃焼され、この燃焼装置の排ガ
    スが内燃機関の排ガスに、還元剤の供給個所(22)の
    上流側で供給される、請求項1から9までのいずれか1
    項記載の装置。
  11. 【請求項11】 空気ポンプ(20)が同時に燃焼装置
    (11)に圧縮空気を供給する、請求項10記載の装
    置。
  12. 【請求項12】 排ガスマニホルド系に触媒器の下流側
    に、排ガスを後酸化させる酸化装置(6)が設けられて
    いる、請求項1から11までのいずれか1項記載の装
    置。
  13. 【請求項13】 後酸化するための装置が酸化触媒器
    (6)である、請求項11記載の装置。
  14. 【請求項14】 還元剤として燃料、特にディーゼル燃
    料が使用され、燃焼装置が同様にこの燃料で運転され
    る、請求項1から13までのいずれか1項記載の装置。
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