CN102725056B - 用于排气后处理设备的混合*** - Google Patents

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Abstract

一种混合***,其包括:-具有纵向轴线(2)的管道(1),排气能够在该管道(1)中沿流动方向(FD)流动;-喷嘴,该喷嘴被设计成用于将流体沿着喷射方向(ID)、从布置在所述管道的壁中的喷射入口(5)喷射到管道(1)内;-第一混合装置(6),该第一混合装置(6)在喷射入口(5)的上游定位在管道(1)内,所述第一混合装置包括:外周部分,该外周部分包括能够沿着所述管道的壁产生周向涡流的叶片(14,15);和中央部分,该中央部分被设计成基本不产生任何紊流;-第二混合装置(7),该第二混合装置(7)在喷射入口(5)的下游定位在管道(1)内,所述第二混合装置(7)包括中央部分(26),该中央部分(26)包括能够在管道(1)内产生涡流的叶片(27,28)。

Description

用于排气后处理设备的混合***
技术领域
本发明涉及一种用于排气后处理设备的混合***,例如排气管道中的排气后处理设备。所述***尤其被设计用于改善流体与热力发动机(thermal engine)的排气之间的混合,同时还防止在所述管道的壁上形成所述流体的固体沉积物。本发明例如能够用在柴油发动机的排气管道中,其中,针对排气的后处理,喷射了尿素的水溶液。
背景技术
在内燃机中的燃料的燃烧过程中形成的排气可能含有一定比例的非期望物质,例如氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃烧的碳氢化合物(HC)、碳烟等。
为了减轻空气污染,车辆因此配备有应对排气中的非期望物质的各种后处理***。
常见的排气后处理***是所谓的选择性催化还原(SCR)***。其中添加了氨以作为还原剂的排气在特殊的催化转换器中进行处理,在该催化转换器中,氮氧化物被转换成水和氮气,这两者都是无毒的物质。氨在水溶液中被以尿素的形式引入,通过水解从该水溶液则获得氨。通常,尿素在催化转换器上游的排气中被雾化。为此,在该催化转换器上游的排气线路上装配有尿素喷射喷嘴。
这种类型的排气处理的问题在于:在尿素转变成氨之前,尿素可能发生结晶。用具体的术语说,通过喷嘴而喷射到排气管道内的尿素的水溶液根据与排气流动方向成一定角度的方向而趋向于在其例如与喷射点相反的内侧在排气管道的壁上形成固体沉积物。结果,排气管道的截面逐渐减小,这使得发动机效率降低,并且可能严重损害发动机的长期运行。
很多现有技术的装置都不是完全有效的,因为它们不能实现液体尿素到气体的完全化学分解和/或尿素与排气的令人满意的混合。
通常被称为“涡流箱(swirl box)”的一种常规装置能够在某种程度上实现上述两个结果。然而,这种涡流箱具有几个缺陷:首先,它需要足够长,以允许尿素的、大致完全的化学分解,因此,它可能非常庞大。而且,当必须安装这种涡流箱时,它通常要求对周围的部件进行设计调节。此外,这种涡流箱会引起背压且非常昂贵。无论如何,公知的这种涡流箱设计并不能总是有效地防止固体沉积物。
因此,对于向载有排气的管道中喷射流体并使其混合的***来说,似乎存在一定改进空间。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的混合***,该混合***能够克服常规混合***中遇到的缺陷,尤其能够防止或至少限制所喷射的流体在管道表面上形成沉积物,同时还促进了所喷射的流体与排气之间的、令人满意的混合。
为此,本发明考虑了一种用于排气后处理设备的混合***,所述混合***包括:
管道,该管道具有纵向轴线,排气能够在该管道中沿流动方向(FD)流动;
喷嘴,该喷嘴被设计成用于将流体沿着喷射方向(ID)、从布置在所述管道的壁中的喷射入口喷射到所述管道内;
第一混合装置,该第一混合装置在所述喷射入口的上游定位在所述管道内;
其中,该第一混合装置包括:外周部分,该外周部分包括能够沿着所述管道的壁产生周向涡流的叶片;和中央部分,该中央部分被设计成基本不产生任何紊流,或者仅产生与所述外周部分产生的紊流相比能够忽略不计的紊流,并且其中,该混合***还包括第二混合装置,该第二混合装置在所述喷射入口的下游定位在所述管道内,所述第二混合装置包括中央部分,所述第二混合装置的中央部分包括能够在所述管道内产生涡流的叶片。
通过产生周向涡流,位于所述喷射入口上游的第一混合装置防止了该流体打湿所述管道的壁,或者至少大大减小了这种打湿效应,所述管道的上述壁尤其但并非必须与所述喷射入口相对。结果,避免或高度限制了固体沉积物。
所述第一混合装置被设计成主要在管道内部空间的周边部分中产生紊流。例如,就在该第一混合装置的下游,在管道内部空间的周边部分中,在所述管道内流动的流体的紊流动能至少是该管道内部空间的中央部分中的紊流动能的十倍。该第一混合装置的中央部分基本不产生任何紊流的另一个优点在于它限制了背压。实际上,周向涡流的产生足以实现所述第一混合装置的目标,即:避免在管道的内侧壁上形成沉积物。
此外,位于所述喷射入口下游的第二混合装置具有双重功能。实际上,它在所述管道中产生了中央涡流,该涡流与由第一混合装置产生的涡流形成互补,此外还有助于破坏流体液滴。结果,第二混合装置促进了流体(或者通过所述流体的分解获得的气体)和排气之间的混合,并且,在该流体是尿素的水溶液的情况下,促进了液体尿素向气体的分解。
利用这种布置结构,根据本发明的混合***在蒸发、分解和混合方面比现有技术的***有效得多,并且能够大大减少管道的内侧表面上的固体沉积物。
有利地,所述第一混合装置的中央部分基本不含叶片。优选地,除了基本不产生任何紊流的、可能的强化构件,所述中央部分不再含有其他任何元件。
在本发明的一种实施方式中,所述第一混合装置的外周部分形成一个环,该环具有沿径向方向测量的一定宽度,该宽度在第一混合装置的半径的大约30%至大约50%之间。
根据本发明的一个实施例,所述第一混合装置包括:
大致圆柱形的套筒,该套筒具有轴线,并大致构成了所述第一混合装置的外周部分和中央部分之间的边界;
多个辐条构件,所述多个辐条构件从所述套筒的轴线周围的区域延伸超过所述套筒,这些辐条构件的端部与所述管道的壁接触,从而当第一混合装置定位在所述管道内时,所述套筒的轴线大致与所述管道的轴线一致。
优选地,所述第一混合装置的外周部分可以包括由大致相同的外侧叶片构成的外环和由大致相同的内侧叶片构成的内环,所述外侧叶片能够产生周向涡流,所述内侧叶片能够使排气向外朝着由外侧叶片构成的所述外环偏转。因此,这些内侧叶片具有离心效果并且还有助于周向涡流的产生。提供两组叶片还使得能够产生更大的紊流,这增强了流体和排气之间的混合。所述内侧叶片的形状优选不同于外侧叶片的形状。
例如,每个外侧叶片均从所述辐条构件的下游径向边缘朝着下游方向延伸,所述外侧叶片还朝着邻近的辐条构件倾斜,并且,所有的外侧叶片均以同样的方式倾斜。
每个内侧叶片均能够从所述套筒的下游边缘朝着下游方向延伸,所述内侧叶片还向外倾斜。因此,所述内侧叶片一起形成朝着下游方向发散的截头圆锥体。优选地,每个内侧叶片均从所述套筒朝着该内侧叶片的自由端进一步倾斜地逐渐变窄,因此,这些内侧叶片被布置成沿着与外侧叶片相同的旋转方向产生涡流。
关于所述第二混合装置,它包括优选基本不含叶片的外周部分。因此,限制了压力损失。然而,在所述外周部分中,第二混合装置可以设有被设计成允许将所述第二装置定位在所述管道内的构件。
根据本发明的优选实施方式,所述第一混合装置的外周部分的叶片和所述第二混合装置的中央部分的叶片被彼此相反地定向。通过产生两个相反的涡流,该布置结构改善了所述管道内的流体和排气的混合并改善了所述混合物的均质性。
所述第二混合装置可以包括:
大致圆柱形的套筒,该套筒具有轴线,并大致构成了所述第二混合装置的外周部分和中央部分之间的边界;
多个辐条构件,所述多个辐条构件从所述套筒的轴线周围的区域延伸超过所述套筒,这些辐条构件的端部与所述管道的壁接触,从而当所述第二混合装置位于所述管道内时,所述套筒的轴线大致与所述管道的轴线一致。
所述第二混合装置的中央部分优选包括由大致相同的外侧叶片构成的外环和由大致相同的内侧叶片构成的内环。通过提供两组不同的叶片,所获得的紊流更大。
例如,每个内侧叶片均从所述辐条构件的下游径向边缘朝着下游方向延伸,所述内侧叶片还朝着邻近的辐条构件倾斜,并且,所有的内侧叶片均以同样的方式倾斜。
每个外侧叶片均能够从所述套筒的下游边缘朝着下游方向延伸,所述外侧叶片还向外倾斜。优选地,每个外侧叶片均从所述套筒朝着该外侧叶片的自由端进一步倾斜地逐渐变窄,因此,这些外侧叶片被布置成沿着与内侧叶片相同的旋转方向产生涡流。
还能够设想该第一混合器和第二混合器的中央部分大致具有相同的半径。因此,当沿着所述管道的轴线看时,相继布置的第一混合装置和第二混合装置似乎是叠加的,并且看起来象是在其几乎整个截面上都具有叶片的单一结构。
本发明的具体应用是对排气中的NOx进行处理。在此情况下,所述管道是柴油发动机的排气管道,并且,所述流体是尿素的水溶液。
本发明能够获得排气和尿素之间的、令人满意的混合,然后当尿素已经分解时,能够进一步在下游获得NOx和氨之间的、令人满意的混合。因此,能够有效减少NOx化合物并实现显著更低的NOx排放。同时,本发明有效防止了尚未分解成氨的尿素在尤其与尿素喷射管道相对的管道上形成沉积物,从而延长了所述排气管道的使用寿命。
当参照本文所附的的附图来阅读以下描述时,上述这些及其它特征和优点将变得显而易见,这些附图作为非限制性实例示出了根据本发明的车辆的实施例。
附图说明
当结合附图来阅读时,可更好地理解以下对本发明几个实施例的详细描述,然而,应当理解,本发明不限于所公开的这些具体实施例。
图1是排气管道的透视图,该排气管道包括用于喷射流体的喷嘴,并且该排气管道中设有上游第一混合装置和下游第二混合装置;
图2和图3分别是第一混合装置的轴向视图和透视图;
图4和图5分别是第二混合装置的轴向视图和透视图;
图6和图7分别是当向上游看时和向下游看时、上述管道和混合装置的轴向视图;
图8是在第一混合装置和第二混合装置附近的、排气在上述管道中的流动线路的图示。
具体实施方式
图1示出了管道1,该管道1是发动机的、典型是柴油发动机的排气管道。仅仅示出了管道1的一个笔直部分,然而,管道1还可以包括位于所述笔直部分的上游和/或下游的若干个弯曲部。管道1具有在该笔直部分中纵向延伸的中心轴线2。管道1具有半径R1。
发动机排气能够在管道1内从管道1的位于发动机侧的入口3朝着管道1的出口4流动,在该出口4处,所述排气在释放到大气中之前先被朝着未示出的催化转换器引导。该排气的总体流动方向FD大致平行于管道的中心轴线2(从被设计成用于产生紊流的任何混合装置的上游)。上述用语“上游”和“下游”是针对所述流动方向FD而使用的。与上述用语“外部”相反,“内部”是指其位置更靠近管道的轴线2的部分。
在所述管道的壁中设置有喷射入口5。布置在所述喷射入口5中的喷嘴(未示出)被设计成用于将流体沿着喷射方向ID、通过喷射入口5喷射到管道1内,由此形成射流。所述喷射方向ID大致指向下游,同时还与所述流动方向FD成一定的角度。例如,该相应的角度可以是大约30°-75°。在所示的实施例中,上述流体是尿素的水溶液。无论所述流体进一步向下游流动的方向如何,尤其所述流体被排气抽吸时,喷射方向ID都是在喷嘴出口处喷射流体的方向。
如图1所示,第一混合装置6在喷射入口5的上游、靠近该喷射入口5地紧固在管道1内。第二混合装置7在喷射入口5的下游被紧固在管道1内。第一混合装置6和喷射入口5之间的距离小于第二混合装置7和喷射入口5之间的距离。这两个混合装置6、7均可以由不锈钢制成。
图2和图3中示出了第一混合装置6。它包括:大致圆柱形的套筒8,该套筒8具有轴线9、半径R2;以及多个辐条构件10,所述多个辐条构件10从套筒的轴线9周围的区域大致沿径向方向延伸超过所述套筒8。在所示的实施例中,第一混合装置6包括八个辐条构件10。这些辐条构件围绕套筒的轴线9成一定角度地规则间隔开。辐条构件10是大致平坦的并且平行于流动方向FD。当第一混合装置6定位在管道1内时,辐条构件10的外侧端部11与所述管道的壁的内表面接触并确保套筒的轴线9大致与管道的轴线2一致。
套筒8大致构成了所述第一混合装置6的外周部分12和中央部分13之间的边界。该外周部分12形成一个环,该环的宽度在第一混合装置的半径(即所述管道的半径R1)的大约30%至大约50%之间。
除了辐条构件10的中央部之外,中央部分13基本不再包含其他任何元件。特别地,中央部分13不含任何叶片。因此,中央部分13基本不产生任何紊流,或者仅产生与外周部分12产生的紊流相比能够忽略不计的紊流。
外周部分12包括由大致相同的外侧叶片14构成的外环和由大致相同的内侧叶片15构成的内环。在所示的实施例中,外侧叶片14比内侧叶片15长。与辐条10及套筒8不同的是,叶片14、15与所述总体流动方向FD成一定的角度。
每个外侧叶片14均从一个辐条构件10(从辐条构件10的下游径向边缘16)朝着下游方向延伸。此外,每个外侧叶片14均朝着邻近的辐条构件10、相对于辐条构件10的延伸平面倾斜。所有的外侧叶片14均以同样的方式倾斜,因此,如图8所示,这些外侧叶片14能够沿着所述管道的壁产生周向涡流。当向下游看时,该周向涡流沿顺时针旋转。然而,也可以采用相反的构造。优选地,每个外侧叶片14均从辐条构件10、朝着外侧叶片14的自由端17逐渐变窄。
此外,每个内侧叶片15均在两个相邻的外侧叶片14之间从套筒8延伸。每个内侧叶片15均从套筒8的下游边缘18朝着下游方向延伸。内侧叶片15向外倾斜,从而这些内侧叶片15能够使排气向外朝着由外侧叶片14构成的所述外环偏转。此外,内侧叶片15从套筒8朝着内侧叶片15的自由端19逐渐变窄并具有倾斜边缘20,由此,内侧叶片15被设计成沿着与外侧叶片14相同的旋转方向产生涡流。
图4和图5中示出了第二混合装置7。它包括大致圆柱形的套筒21,该套筒21具有轴线22和半径R3,该半径R3基本等于第一混合装置6的套筒8的半径R2。第二混合装置7也包括多个辐条构件23,这些辐条构件23从套筒的轴线22周围的区域延伸超过所述套筒21。在所示的实施例中,第二混合装置7包括八个辐条构件23。辐条构件23是大致平坦的并且平行于流动方向FD。当第二混合装置7定位在管道1内时,辐条构件23的端部24与所述管道壁的内表面接触并确保套筒的轴线22大致与管道的轴线2一致。
套筒23大致构成了所述第二混合装置7的外周部分25和中央部分26之间的边界。外周部分25形成一个环,该环的宽度在第一混合装置的半径(即所述管道的半径R1)的大约30%至大约50%之间。
除了辐条构件23的端部构件之外,外周部分25基本不再包含其他任何元件。特别地,外周部分25不含任何叶片。
中央部分26包括由大致相同的外侧叶片27构成的外环和由大致相同的内侧叶片28构成的内环。在所示的实施例中,内侧叶片28比外侧叶片27长。
每个内侧叶片28均从一个辐条构件23(从辐条构件23的下游径向边缘29)朝着下游方向延伸。此外,每个内侧叶片28均朝着邻近的辐条构件23、相对于辐条构件23的延伸平面倾斜。所有的内侧叶片28均以同样的方式倾斜,因此,如图8所示,这些内侧叶片28能够在管道1内、围绕并靠近轴线2产生涡流。所述叶片28的定向与第一混合装置6的叶片14、15的定向相反,以产生反向旋转流。因此,在所示的实施例中,当向下游看时,所述中央涡流沿逆时针旋转。优选地,每个内侧叶片28均从辐条构件23朝着内侧叶片28的自由端30逐渐变窄。
此外,每个外侧叶片27均在两个相邻的内侧叶片28之间从套筒21延伸。每个外侧叶片27均从套筒21的下游边缘31朝着下游方向延伸。外侧叶片27向外倾斜。此外,外侧叶片27从套筒21朝着外侧叶片27的自由端32逐渐变窄并具有倾斜边缘33,由此,外侧叶片27被设计成沿着与内侧叶片28相同的旋转方向产生涡流。所述叶片27的定向与第一混合装置6的叶片14、15的定向相反,以产生反向旋转流。
图6和图7分别是当向上游看时和向下游看时、所述管道1和混合装置6、7的轴向视图。
如上所述,本发明提供了:
第一混合装置6,该第一混合装置6在其外周部分12中具有倾斜的叶片14、15,但在其中央部分13中基本不含叶片,从而,在基本不影响排气流的中央部的同时、促进了沿着排气管道1的壁的涡流;以及
第二混合装置7,该第二混合装置7主要在其中央部分26中具有叶片27、28以促进混合,第一混合装置6的叶片14、15和第二混合装置7的叶片27、28被彼此相反地定向,以产生反向旋转流。
从图6和图7可见,混合装置6、7沿纵向方向的“叠加”使得这两个装置看起来象是在其几乎整个表面区域上都具有叶片的单个混合装置。这还可以通过使半径R2和R3基本相等来实现。第一混合装置6和第二混合装置7的这种组合产生了紊流,它改善了尿素(所喷射的流体)的蒸发和分解,以及尿素、氨与排气的混合。
图8示出了排气在所述管道中的流动线路。
从第一混合装置6的上游,排气从所述管道的入口3流入,其流动线路大致平行于管道的轴线2。
第一混合装置6使得:位于管道内部空间的外周部分中的排气旋转(这里是顺时针旋转),但位于管道内部空间的中央部分中的排气基本不发生偏转,而是继续沿着管道的轴线2流动。结果,利用周向涡流40,防止了从第一混合装置6的下游沿着喷射方向ID喷射的流体打湿所述管道壁的内表面。
然后,第二混合装置7产生优选包括大部分流体射流的中央涡流41,并且还在改善所述流体与排气的混合的同时、进一步向下游抽吸所述流体。
为了优化效率,可以根据该流动和线路特性来调整所述混合装置6、7。能够根据相关情形来确定某些参数,例如套筒的直径;叶片环的个数;叶片的数目、宽度、长度和角度。
此外,所述混合装置能够容易地设于现有的管道中,或者也可以是新的排气管道的一部分。应该注意,虽然该混合***最好在平直的管道段中使用,但它也可以在略微弯曲的管道(即,其纵向轴线虽不是直线但可以是二维或三维曲线(curb)的管道)中使用。优选地,在该混合***的安装区域中,管道的轴线仅仅被适度地弯曲。
例如,考虑到该混合***的下游布置的柴油微粒过滤器的再生,也可以在所喷射的流体是燃料的情况下采用上述混合***。
当然,本发明不限于上文中通过非限制性实例描述的实施例,而是,它应涵盖本发明的所有实施例。

Claims (15)

1.一种用于排气后处理设备的混合***,所述混合***包括:
管道(1),所述管道(1)具有纵向轴线(2),排气能够在所述管道(1)中沿流动方向(FD)流动;
喷嘴,所述喷嘴被设计成用于将流体沿着喷射方向(ID)、从布置在所述管道的壁中的喷射入口(5)喷射到所述管道(1)内;
第一混合装置(6),所述第一混合装置(6)在所述喷射入口(5)的上游定位在所述管道(1)内;
其特征在于,所述第一混合装置(6)包括:外周部分(12),所述外周部分(12)包括能够沿着所述管道的壁产生周向涡流(40)的叶片(14,15);和中央部分(13),所述中央部分(13)被设计成基本不产生任何紊流,或者仅产生与所述外周部分(12)产生的紊流相比能够忽略不计的紊流,并且,所述混合***还包括第二混合装置(7),所述第二混合装置(7)在所述喷射入口(5)的下游定位在所述管道(1)内,所述第二混合装置(7)包括中央部分(26),所述第二混合装置(7)的中央部分(26)包括能够在所述管道(1)内产生涡流(41)的叶片(27,28)。
2.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述第一混合装置(6)的中央部分(13)不含叶片。
3.根据权利要求1或2所述的混合***,其特征在于,所述第一混合装置(6)的外周部分(12)形成一个环,所述环的宽度在所述第一混合装置的半径的30%至50%之间。
4.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述第一混合装置(6)包括:
大致圆柱形的套筒(8),所述套筒(8)具有轴线(9),并大致构成了所述第一混合装置(6)的外周部分(12)和中央部分(13)之间的边界;
多个辐条构件(10),所述多个辐条构件(10)从所述套筒的轴线(9)周围的区域延伸超过所述套筒(8),所述辐条构件(10)的端部(11)与所述管道的壁接触,从而当所述第一混合装置(6)定位在所述管道(1)内时,所述套筒的轴线(9)大致与所述管道的轴线(2)一致。
5.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述第一混合装置(6)的外周部分(12)包括由大致相同的外侧叶片(14)构成的外环和由大致相同的内侧叶片(15)构成的内环,所述外侧叶片(14)能够产生所述周向涡流(40),所述内侧叶片(15)能够使排气向外朝着由所述外侧叶片构成的所述外环偏转。
6.根据权利要求4或5所述的混合***,其特征在于,每个外侧叶片(14)均从辐条构件(10)的下游径向边缘(16)朝着下游方向延伸,所述外侧叶片(14)还朝着邻近的辐条构件(10)倾斜,并且,所有的外侧叶片(14)均以同样的方式倾斜。
7.根据权利要求4或5所述的混合***,其特征在于,每个内侧叶片(15)均从所述套筒(8)的下游边缘(18)朝着下游方向延伸,所述内侧叶片(15)还向外倾斜。
8.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述第二混合装置(7)包括不含叶片的外周部分(25)。
9.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述第一混合装置(6)的外周部分(12)的叶片(14,15)和所述第二混合装置(7)的中央部分(26)的叶片(27,28)被彼此相反地定向。
10.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述第二混合装置(7)包括:
大致圆柱形的套筒(21),所述套筒(21)具有轴线(22),并大致构成了所述第二混合装置(7)的外周部分(25)和中央部分(26)之间的边界;
多个辐条构件(23),所述多个辐条构件(23)从所述套筒的轴线(22)周围的区域延伸超过所述套筒(21),所述辐条构件(23)的端部(24)与所述管道的壁接触,从而当所述第二混合装置(7)定位在所述管道(1)内时,所述套筒的轴线(22)大致与所述管道的轴线(2)一致。
11.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述第二混合装置(7)的中央部分(26)包括由大致相同的外侧叶片(27)构成的外环和由大致相同的内侧叶片(28)构成的内环。
12.根据权利要求10或11所述的混合***,其特征在于,每个内侧叶片(28)均从辐条构件(23)的下游径向边缘(29)朝着下游方向延伸,所述内侧叶片(28)还朝着邻近的辐条构件(23)倾斜,并且,所有的内侧叶片(28)均以同样的方式倾斜。
13.根据权利要求10或11所述的混合***,其特征在于,每个外侧叶片(27)均从所述套筒(21)的下游边缘(31)朝着下游方向延伸,所述外侧叶片(27)还向外倾斜。
14.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述第一混合装置和所述第二混合装置(6,7)的中央部分(13,26)大致具有相同的半径(R2,R3)。
15.根据权利要求1所述的混合***,其特征在于,所述管道(1)是柴油发动机的排气管道,并且,流体是尿素的水溶液。
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Address before: The French in Esther

Patentee before: Renault Trucks