JPWO2011108024A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒の上流側に設けられ、排気浄化触媒を加熱するための加熱ガスを生成するバーナー装置であって、少なくともグロープラグと、グロープラグに向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを有するバーナー装置と、バーナー装置の下流側で且つ排気浄化触媒の上流側に設けられた蓄熱体としてのヒートスポット部材とを備える。

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気浄化触媒の暖機促進のためのバーナー装置を排気通路に有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
内燃機関の排気通路において、排気浄化触媒の上流側にバーナー装置を設け、バーナー装置で生成された加熱ガスを利用して排気浄化触媒を加熱し、排気浄化触媒の暖機を促進する場合がある(例えば特許文献1参照)。
この種の排気浄化装置では、バーナー装置で生成された高温の加熱ガスが、排気浄化触媒に到達する前に排気通路内壁に接触して熱を奪われ、その温度が低下するという問題がある。
そこで本発明の一の目的は、バーナー装置で生成された加熱ガスをその温度低下を抑制しつつ下流側の排気浄化触媒に供給することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
特開2001−107721号公報
本発明の一の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を加熱するための加熱ガスを生成するバーナー装置であって、少なくともグロープラグと、該グロープラグに向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを有するバーナー装置と、
前記バーナー装置の下流側で且つ前記排気浄化触媒の上流側に設けられた蓄熱体としてのヒートスポット部材と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
好ましくは、前記バーナー装置が、前記グロープラグの下流側に、前記加熱ガスを分散させるための分散部材をさらに有する。
好ましくは、前記グロープラグの下流側で且つ前記分散部材の上流側に設けられた第2の蓄熱体としての第2のヒートスポット部材をさらに備える。
好ましくは、前記ヒートスポット部材の熱容量が前記第2のヒートスポット部材の熱容量より小さい。
好ましくは、前記第2のヒートスポット部材が、前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料が直接衝突されるような位置に配置される。
好ましくは、前記第2のヒートスポット部材が、前記グロープラグからの放射熱が伝達されるよう前記グロープラグの近傍に配置される。
好ましくは、前記ヒートスポット部材が排気温センサからなり、前記排気温センサの検出値に基づき前記バーナー装置および排気ガス流量の少なくとも一方が制御される。
好ましくは、前記ヒートスポット部材がグロープラグからなる。
好ましくは、前記排気浄化装置が、前記バーナー装置の作動時に、排気ガス流量を低減させる排気流量低減手段をさらに備える。
好ましくは、前記排気浄化装置が、前記バーナー装置の上流側に設けられたターボチャージャと、前記バーナー装置の作動時に、前記ターボチャージャを通過する排気ガス流量を低減させるターボ流量低減手段と、をさらに備える。
本発明によれば、バーナー装置で生成された加熱ガスをその温度低下を抑制しつつ下流側の排気浄化触媒に供給することができるという、優れた効果が発揮される。
図1は、本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す図である。 図2は、第1変形例の要部を示す概略図である。 図3は、第2変形例の要部を示す概略図である。 図4は、第3変形例の要部を示す概略図である。 図5は、第4変形例の要部を示す概略図である。 図6Aは、第5変形例の要部を示す概略図である。 図6Bは、図6AのVIB−VIB断面図である。 図7は、第6変形例の要部を示す概略図である。 図8は、第7変形例の要部を示す概略図である。 図9は、第8変形例の要部を示す概略図である。 図10は、第9変形例の要部を示す概略図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、「上流側」および「下流側」をそれぞれ「前」および「後」ということもある。
図1に、本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す。1は自動車用の多気筒圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、2は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、4はシリンダとピストンによって画成される燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ5に供給された燃料が、高圧ポンプ5によりコモンレール6に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール6内の高圧燃料がインジェクタ7から燃焼室4内に直接噴射供給される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。
エアクリーナ10から吸気通路11内に導入された吸入空気は、エアフローメータ12、ターボチャージャ8のコンプレッサC、インタークーラ13、スロットルバルブ14を順に通過して吸気マニフォルド2に至る。エアフローメータ12は吸入空気量を検出するためのセンサである。スロットルバルブ14には電子制御式のものが採用されている。
他方、各燃焼室4からの排気ガスは、排気通路9を流された後に大気に排出される。排気通路9の上流端部は排気マニフォルド3により形成される。排気通路9の途中にはターボチャージャ8のタービンTが設けられている。タービンTをバイパスするバイパス通路20と、バイパス通路20を開閉するウェイストゲート弁21とが設けられている。
エンジン1はEGR装置をも含む。EGR装置は、排気マニフォルド3内の排気ガスを吸気通路11に環流させるためのEGR通路17と、EGR通路17を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラ18と、EGRガスの流量を調節するEGR弁19とを備える。
タービンTの下流側には排気浄化触媒34が設けられている。排気浄化触媒34は、排気中の未燃成分(CO,HC)を酸化して浄化する酸化触媒からなる。この酸化触媒の下流側には、図示しないパティキュレートフィルタ(以下、DPFという)とNOx触媒とが直列に設けられている。DPFは排気中の微粒子(PM、パティキュレート)を捕集し、NOx触媒は排気中のNOxを還元浄化する。DPFは、貴金属からなる触媒を有し、捕集した微粒子を連続的に酸化燃焼する。NOx触媒は吸蔵還元式であっても選択還元式であっても構わない。
これらDPFに担持された触媒と、NOx触媒も、それぞれ本発明にいう排気浄化触媒を構成する。つまり本実施形態では計3個の排気浄化触媒が設けられている。但し排気浄化触媒の数や種類は任意であり、一つであっても構わない。また特に火花点火式内燃機関(ガソリンエンジン)の場合、排気浄化触媒は三元触媒からなってもよい。
排気浄化触媒34の上流側にはバーナー装置40が設けられている。特にバーナー装置40は、タービンTの直後の位置で且つ排気浄化触媒34から所定距離隔てられた上流側の位置に配設されている。
バーナー装置40は、加熱ガスを生成して、その生成された加熱ガスを下流側の排気浄化触媒34に供給し、排気浄化触媒34の暖機および活性状態を維持促進するためのものである。バーナー装置40は、それぞれ上流側から配置された燃料噴射ノズル41とグロープラグ42とを有する。
バーナー装置40の作動時、グロープラグ42が通電されると共に、グロープラグ42の先端のヒート部42Aに向けて燃料噴射ノズル41から燃料Fが噴射供給される。すると噴射燃料がグロープラグ42により着火燃焼させられ、火炎を含む高温の加熱ガスが生成される。
この加熱ガスが排気浄化触媒34に供給されることにより、排気浄化触媒34の暖機および活性状態を維持促進することが可能となる。特にバーナー装置40は、エンジンの冷間始動直後のコールドエミッションを向上するのに有利である。
生成された加熱ガスは、その周囲の排気ガス(酸素を含む)とできるだけ混合させつつ排気浄化触媒34に到達させるのが好ましい。そうしないと排気浄化触媒34の半径方向中心側のみが高温になるという温度分布が生じてしまうからである。このため、バーナー装置40と排気浄化触媒34との間には所定距離の混合区間が必要である。また本実施形態のようにタービン直後にバーナー装置40を設けるのは好ましい。タービンTから排出された排気ガスの旋回成分を、加熱ガスと排気ガスとの混合にある程度利用できるからである。
エンジン1は、制御手段としての電子制御ユニット(以下ECUという)100を備える。ECU100は、CPU、ROM、RAM、入出力ポート、および記憶装置等を含む。ECU100は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ7、高圧ポンプ5、スロットルバルブ14、燃料噴射ノズル41、グロープラグ42等を制御する。ECU100には、センサ類として、上述のエアフローメータ12が接続されている。
またECU100には、クランク角センサ15、アクセル開度センサ16、コモンレール圧センサ25が接続されている。クランク角センサ15はクランクシャフトの回転時にクランクパルス信号をECU100に出力する。ECU100はそのクランクパルス信号に基づきエンジン1のクランク角を検出すると共に、エンジン1の回転速度を算出する。アクセル開度センサ16は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度(アクセル開度)に応じた信号をECU100に出力する。コモンレール圧センサ25は、コモンレール6内の燃料圧力(コモンレール圧)に対応した信号をECU100に出力する。
さて、図1に示すように、バーナー装置40の下流側で且つ排気浄化触媒34の上流側の排気通路9内には、蓄熱体或いは熱溜めとしてのヒートスポット部材50が設けられている。このヒートスポット部材50は、排気通路9内に設置された金属製の線材、軸材、パイプ材または構造体等からなる。本実施形態の場合、ヒートスポット部材50は排気浄化触媒34の直前に設けられ、排気通路9の内壁から中心側に向かって半径方向に延びている。ヒートスポット部材50は、加熱ガスまたは排気ガスからの受熱により、排気通路9(または排気管)の内壁に比して高温となり、且つその高温状態を維持するように構成されている。
生成された加熱ガスが排気浄化触媒34に到達するまでの間、加熱ガスは周囲の排気ガスと混合しながら燃焼する。しかし、排気中での燃焼は筒内燃焼室4での燃焼と異なり、圧力および温度がより低い条件下での燃焼となり、燃焼が不安定となりがちである。また、排気通路内壁温度が低いため、加熱ガスが混合過程で乱されて排気通路内壁に衝突したとき、加熱ガスの温度が急減し、加熱ガスに含まれる火炎が消滅しやすい。
ところが、本実施形態の如くヒートスポット部材50を設けると、加熱ガスに含まれる未燃成分(特にHC)をヒートスポット部材50によって再燃焼させることができる。これによって加熱ガス温度をできるだけ高く維持し、若しくは再上昇させることができる。よって加熱ガスの燃焼特性を向上することができると同時に、十分高温な加熱ガスを排気浄化触媒34に供給して排気浄化触媒34の暖機性能を向上することができる。
次に、ここで説明した基本例に基づく変形例を幾つか説明する。
図2に示す第1変形例においては、バーナー装置40が、グロープラグ42の下流側に、加熱ガスを分散させるための分散部材43をさらに有する。図示例において分散部材43は円筒状の酸化触媒43Aからなる。酸化触媒43Aは、排気通路9の断面積の一部を占めるような大きさとされ、図示しない支持部材により浮いた状態で排気通路9の中心部に固定されている。
バーナー装置40の作動時、グロープラグ42が通電され且つ燃料噴射ノズル41から燃料Fが噴射されると、噴射燃料の着火により加熱ガスが生成される。この加熱ガスは、酸化触媒43Aに導入され、ここで加熱ガス中の未燃成分がさらに酸化、燃焼される。これにより基本例に比べてより高温の加熱ガスを生成することができる。また、加熱ガスが酸化触媒43Aを通過する際にその速度が低下するので、酸化触媒43Aを出た直後に加熱ガスを分散させることができる。これにより加熱ガスの混合性能を向上できる。
図3に示す第2変形例においては、第1変形例(図2)におけるグロープラグ42の下流側で且つ分散部材43(酸化触媒43A)の上流側に、第2の蓄熱体或いは熱溜めとしての第2のヒートスポット部材51が設けられている。この第2のヒートスポット部材51も、排気通路9内に設置された金属製の線材、軸材、パイプ材または構造体等からなる。この第2のヒートスポット部材51も、排気通路9の内壁に比して高温となり、且つその高温状態を維持するように構成されている。図示例の場合、第2のヒートスポット部材51は、排気通路9の内壁から中心側に向かって半径方向に延びている。
第2のヒートスポット部材51は、燃料噴射ノズル41から噴射された燃料Fが直接衝突されるような位置に配置されている。こうすることにより、第2のヒートスポット部材51によっても噴射燃料Fを酸化、燃焼させることができ、燃焼性能を向上させることができる。
第2のヒートスポット部材51は、グロープラグ42からの放射熱或いはふく射熱が伝達されるよう、グロープラグ42の近傍に配置されている。図示例の場合、第2のヒートスポット部材51は、グロープラグ42のヒート部42Aの直後の位置に配置され、グロープラグ42に衝突しなかった燃料Fを直接受けるようになっている。このようにグロープラグ42の近傍に第2のヒートスポット部材51を配置することで、加熱ガスおよび排気ガスからの受熱に加え、グロープラグ42からの放射熱によっても第2のヒートスポット部材51を加熱することができ、第2のヒートスポット部材51の温度維持特性を向上できる。
ここで、下流側のヒートスポット部材50の熱容量は第2のヒートスポット部材51の熱容量より小さくされる。換言すれば、第2のヒートスポット部材51の熱容量は下流側のヒートスポット部材50の熱容量より大きくされる。その理由は次の通りである。
下流側のヒートスポット部材50は、加熱ガスを排気浄化触媒34に供給する前あるいは直前に再燃焼あるいは昇温するものであるため、それ自身速やかに昇温されるのが好ましい。よって下流側のヒートスポット部材50の熱容量は小さいのが好ましい。他方、第2のヒートスポット部材51は、噴射燃料Fが衝突されたときに熱を奪われ冷却されがちなので、その冷却を抑制すべく、熱容量は大きいのが好ましい。
このように熱容量の大小を定めることで、各々のヒートスポット部材の機能に適した好適な特性を定めることができる。
次に、図4に示す第3変形例においては、第2変形例(図3)における分散部材43(酸化触媒43A)とヒートスポット部材50との間の排気通路9が所定角度(図示例では90°)曲げられている。このように排気通路9を曲げると、当該曲がり部で加熱ガスおよび排気ガスの流れ方向が変化し、両者の混合および乱れをより促進できる。
図5に示す第4変形例においては、第2変形例(図3)における分散部材43としての酸化触媒43Aが、排気通路9の全断面積を占めるような大きさとされている。これによっても基本例に比べて加熱ガスを分散させることができ、その乱れおよび混合を促進できる。
図6Aおよび6Bに示す第5変形例においては、分散部材43として、前記酸化触媒43Aに代わってスワール装置43Bが用いられている。図6Aは排気通路9の中心軸9C方向上流側から見たときの図であり、図6Bは図6AのVIB−VIB断面図である。
スワール装置43Bは、排気通路9の中心軸9Cと同軸に配置された中心ボス44と、中心ボス44から排気通路9の内壁まで放射状に延びる複数(図示例では4つ)の傾斜フィン45とから構成される。各傾斜フィン45は、図6Bに示すように、排気通路9の中心軸9Cに対し所定角度α傾斜されている。
このスワール装置43Bによれば、加熱ガスおよび排気ガスが傾斜フィン45を中心軸9C方向に通過するとき、図6Aに矢印aで示すように旋回流を生じさせることができる。よってこの旋回流を利用して加熱ガスを分散させ、同時に排気ガスとの混合を促進することができる。
なお、分散部材43については他にも様々な装置や構造が考えられる。例えば、単なる有孔板、メッシュプレート、回転駆動式ファンなどを用いることが可能である。
図7に示す第6変形例においては、第2変形例(図3)で示した半径方向に延びる第2のヒートスポット部材51に代わって、排気通路9の軸方向に延びる平板状の第2のヒートスポット部材51Aが用いられている。この平板状の第2のヒートスポット部材51Aは、グロープラグ42Aのヒート部42Aの近傍で且つその軸方向の真下に配置されている。これによっても第2変形例と同様、噴射燃料Fを第2のヒートスポット部材51Aに直接衝突させられ、且つ、グロープラグ42からの放射熱を第2のヒートスポット部材51Aに伝達できる。第2のヒートスポット部材51Aの熱容量が下流側のヒートスポット部材50の熱容量より大きくされる点も前記同様である。
図8に示す第7変形例においては、第2変形例(図3)で示した半径方向に延びる第2のヒートスポット部材51に代わって、中心軸が排気通路9の軸方向と平行に位置された円筒状の第2のヒートスポット部材51Bが用いられている。この円筒状の第2のヒートスポット部材51Bも第2変形例と同様、グロープラグ42Aのヒート部42Aの近傍且つ下流側で、噴射燃料Fが衝突されるような位置に配置されている。そしてその熱容量が下流側のヒートスポット部材50の熱容量より大きくされている。
図9に示す第8変形例においては、第2変形例(図3)で示した半径方向に延びる第2のヒートスポット部材51に代わって、格子状の第2のヒートスポット部材51Cが用いられている。この第2のヒートスポット部材51Cは、金属製細線により全体が円筒状に形成されると共に、複数の細線が縦横に組み合わされて格子状に形成されている。円筒の中心軸は、第7変形例(図8)と同様、排気通路9の軸方向と平行に位置され、図示例では同軸に位置されている。この第2のヒートスポット部材51Cも第2変形例と同様、グロープラグ42Aのヒート部42Aの近傍且つ下流側で、噴射燃料Fが衝突されるような位置に配置されている。そしてその熱容量が下流側のヒートスポット部材50の熱容量より大きくされている。
図10に示す第9変形例においては、第2変形例(図3)で示した細線等からなる下流側ヒートスポット部材50に代わって、排気温センサ52によりヒートスポット部材50が形成されている。即ち、排気温センサ52の先端部に位置された検出素子部52Aが排気通路9内に位置され、この検出素子部52Aが実質的なヒートスポット部材50をなす。検出素子部52Aは、内部の検出素子(図示せず)とこれを外側から覆うカバー52Bとを有する。
排気温センサ52により検出された排気温に関する信号がECU100に送られ、ECU100は、その検出値に基づきバーナー装置40を制御する。すなわち、ECU100は、排気温センサ52の検出値が所定温度より低いときには、グロープラグ42を通電(オン)すると共に、燃料噴射ノズル41を作動状態として燃料噴射を実行させる。他方、ECU100は、排気温センサ52の検出値が所定温度以上のときには、グロープラグ42を停止(オフ)すると共に、燃料噴射ノズル41を非作動状態として燃料噴射を停止させる。
本実施形態のようにヒートスポット部材50,51を設けると、加熱ガスの燃焼が促進されて排気浄化触媒34が過昇温される虞がある。しかしながら、上述のように、排気温センサ52の検出値に基づきバーナー装置40を制御することで、排気浄化触媒34の過昇温を防止することができ、ひいては排気浄化触媒34の長寿命化を図ることができる。
なお、排気ガス流量を増加させることによっても排気浄化触媒34の過昇温を抑制することができる。このため、排気温センサ52の検出値に基づいて排気ガス流量を制御してもよい。すなわち、ECU100は、排気温センサ52の検出値が所定温度以上になったときには、当該検出値が所定温度未満の場合に比べて、スロットルバルブ14およびEGR弁19の少なくとも一方の開度を増加し、排気ガス流量を増加させる。
図示しないが、排気温センサ52に代わってグロープラグにより下流側ヒートスポット部材50を構成することも可能である。この場合、グロープラグに通電しない状態でもグロープラグのヒート部がヒートスポット部材50として機能するし、グロープラグに通電すればより積極的に加熱ガスの着火燃焼を行える。
次に、上記基本例および第1〜第9変形例に適用可能な制御の例を説明する。
上記ヒートスポット部材50,51は、受熱量が多いほど高温となり、高い燃焼促進効果を発揮する。そしてヒートスポット部材50,51の受熱量を増加するためには、ヒートスポット部材50,51に当たる排気ガスの流量を低減するのが効果的である。
そこで好ましくは、ECU100は、バーナー装置40の作動時に、その非作動時よりも排気ガス流量を低減させる。具体的には、スロットルバルブ14およびEGR弁19の少なくとも一方の開度を減少し、排気ガス流量を低減させる。これによりヒートスポット部材50,51の受熱量を増加してその燃焼促進効果を高めることができる。
次に、本実施形態のようにターボチャージャ8の下流側にバーナー装置40とヒートスポット部材50,51を設置した場合、タービンTの回転により生成された旋回流の影響で、ヒートスポット部材50,51の蓄熱機能が低下する可能性もある。特に、タービン直後に設置された第2のヒートスポット部材51に対してその影響が大きいことが懸念される。
そこで好ましくは、ECU100は、バーナー装置40の作動時に、ターボチャージャ8を通過する排気ガス流量を低減させる。具体的には、ウェイストゲート弁21を開弁する。こうすることで排気ガスがタービンTをバイパスするようになり、タービンTの回転速度が低下して旋回流が弱められる。よって旋回流に起因するヒートスポット部材50,51の蓄熱機能低下を抑制することができる。
なお、可変容量型タービンを備えたターボチャージャの場合、ノズルベーン開度を増加することでも同様に旋回流を弱めることが可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、内燃機関の用途、形式等は任意であり、圧縮着火式内燃機関に限らず火花点火式内燃機関(ガソリンエンジン)であってもよい。前記第1〜第9変形例は矛盾が生じない限り適宜組み合わせ可能である。
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

Claims (10)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
    前記排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を加熱するための加熱ガスを生成するバーナー装置であって、少なくともグロープラグと、該グロープラグに向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを有するバーナー装置と、
    前記バーナー装置の下流側で且つ前記排気浄化触媒の上流側に設けられた蓄熱体としてのヒートスポット部材と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記バーナー装置が、前記グロープラグの下流側に、前記加熱ガスを分散させるための分散部材をさらに有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記グロープラグの下流側で且つ前記分散部材の上流側に設けられた第2の蓄熱体としての第2のヒートスポット部材をさらに備える
    ことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記ヒートスポット部材の熱容量が前記第2のヒートスポット部材の熱容量より小さい
    ことを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記第2のヒートスポット部材が、前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料が直接衝突されるような位置に配置される
    ことを特徴とする請求項3または4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記第2のヒートスポット部材が、前記グロープラグからの放射熱が伝達されるよう前記グロープラグの近傍に配置される
    ことを特徴とする請求項3〜5の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記ヒートスポット部材が排気温センサからなり、前記排気温センサの検出値に基づき前記バーナー装置および排気ガス流量の少なくとも一方が制御される
    ことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 前記ヒートスポット部材がグロープラグからなる
    ことを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 前記バーナー装置の作動時に、排気ガス流量を低減させる排気流量低減手段をさらに備える
    ことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 前記バーナー装置の上流側に設けられたターボチャージャと、前記バーナー装置の作動時に、前記ターボチャージャを通過する排気ガス流量を低減させるターボ流量低減手段と、をさらに備える
    ことを特徴とする請求項1〜9の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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