JP2007107498A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
リーン空燃比での燃焼を実施する内燃機関が公知であり、このような内燃機関の排気通路には、NOXを浄化するためのNOX触媒装置が配置されている。NOX触媒装置は、酸素濃度の高いリーン空燃比の排気ガスからNOXを良好に吸蔵するものであるが、無制限にNOXを吸蔵することはできない。それにより、NOX触媒装置のNOX吸蔵量が飽和する以前に、NOX触媒装置へ流入する既燃ガス中の酸素濃度を低下させることにより吸蔵されたNOXを放出させ、放出させたNOXを既燃ガス中の未燃HC及びCO等の還元物質により還元浄化させるNOX触媒装置の再生処理が必要となる。 Internal combustion engine to carry out combustion at a lean air-fuel ratio are known, the exhaust passage of such an internal combustion engine, NO X catalyst device for purifying NO X is arranged. The NO x catalyst device can store NO x well from a lean air-fuel ratio exhaust gas with a high oxygen concentration, but cannot store NO x without limitation. Thereby, before the NO x storage amount of the NO x catalyst device is saturated, the stored NO x is released by reducing the oxygen concentration in the burned gas flowing into the NO x catalyst device, and the released NO x is released. It is necessary to regenerate the NO x catalyst device for reducing and purifying X with reducing substances such as unburned HC and CO in the burned gas.
再生処理においては、リーン空燃比の既燃ガス中に気筒内又は排気通路において追加燃料(HC)を混入させてNOX触媒装置へ供給することとなる。こうしてNOX触媒装置へ供給された追加燃料の一部は、NOX触媒装置に担持された酸化触媒によって既燃ガス中の酸素を消費して燃焼(酸化)させられ、既燃ガス中の酸素濃度を低下させる。また、追加燃料の残りは、酸素濃度の低下によりNOX触媒装置から放出されたNOXを還元浄化するのに使用される。 In the reproduction process, and thus it is fed into burned gas of a lean air-fuel ratio by mixing additional fuel (HC) in the cylinder or in the exhaust passage to the NO X catalyst device. A part of the additional fuel supplied to the NO x catalyst device in this way is burned (oxidized) by consuming the oxygen in the burned gas by the oxidation catalyst carried on the NO x catalyst device, and the oxygen in the burned gas Reduce concentration. Further, the remaining additional fuel is used the NO X released from the NO X catalyst device by reduction of the oxygen concentration to reduce and purify.
しかしながら、意図するように追加燃料がNOX触媒装置に供給されなかったり、また、NOX触媒装置の酸化触媒が劣化していたりすると、良好な再生処理が実施されないことがある。これを放置すると、排気ガス中のNOXはNOX触媒装置に吸蔵されることなく大気中へ放出されてしまう。 However, it may not be supplied to the additional fuel NO X catalyst device as intended, and when the oxidation catalyst of the NO X catalyst device is or are deteriorated, there is that good reproduction process is not performed. If this is left untreated, NO x in the exhaust gas will be released into the atmosphere without being occluded by the NO x catalyst device.
それにより、良好な再生処理が実施されたか否かを正確に判断することが必要であり、良好な再生処置が実施されかなった時には、例えば、これを運転者に警告して異常個所の交換又は修理を促すことが必要である。ところで、NOX触媒装置の下流側にHC濃度センサを配置することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Accordingly, it is necessary to accurately determine whether or not good regeneration processing has been carried out. When good regeneration treatment is not carried out, for example, the driver is warned of this, or an abnormal part is replaced or It is necessary to encourage repairs. Incidentally, it has been proposed to arrange an HC concentration sensor on the downstream side of the NO x catalyst device (see, for example, Patent Document 1).
例えば、再生処理時において、HC濃度センサにより検出されるHC濃度が設定濃度より高ければ、NOX触媒装置へ供給された追加燃料が燃焼及びNOXの還元浄化により十分に消費されていないこととなり、良好な再生処理が実施されなかったと判断することができる。しかしながら、検出されるHC濃度が設定濃度より低くても、NOX触媒装置へ意図するように追加燃料が供給されていないことも考えられ、良好な再生処理が実施されたと判断することができない。 For example, during the reproduction process, is higher than HC concentration set concentration detected by the HC concentration sensor, it is possible to add fuel supplied to the NO X catalyst device is not sufficiently consumed by the reduction purification of combustion and NO X Therefore, it can be determined that a good reproduction process has not been performed. However, even if the detected HC concentration is lower than the set concentration, it is considered that additional fuel is not being supplied to the NO x catalyst device as intended, and it cannot be determined that a good regeneration process has been performed.
従って、本発明の目的は、NOX触媒装置の再生処理が良好に実施されたか否かを簡単且つ正確に判断可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can easily and accurately determine whether or not the regeneration processing of the NO x catalyst device has been carried out satisfactorily.
本発明による請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置は、NOX触媒装置と、再生処理に際して前記NOX触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段と、前記NOX触媒装置の下流側に配置されたCO2濃度センサとを具備し、再生処理中に前記CO2濃度センサにより検出されたCO2濃度に基づき、追加燃料が前記NOX触媒装置において十分に消費されて良好な再生処理が実施されたか否かを判断することを特徴とする。 An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1 of the present invention is a NO x catalyst device, a fuel supply means for supplying additional fuel into the burned gas flowing into the NO x catalyst device during the regeneration process, ; and a CO 2 concentration sensor disposed downstream of the NO X catalyst device, based on the CO 2 concentration detected by the CO 2 concentration sensor during the regeneration process, sufficient additional fuel in the NO X catalyst device It is characterized in that it is determined whether or not a good reproduction process has been carried out.
本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、さらに、前記NOX触媒装置の下流側に配置されたHC濃度センサを具備し、前記CO2濃度に基づき追加燃料が前記NOX触媒装置において十分に消費されず良好な再生処理が実施されていないと判断された時には、再生処置中に前記HC濃度センサにより検出されたHC濃度に基づき、前記NOX触媒装置をすり抜けた追加燃料量が多くて前記NOX触媒装置の酸化能力が低下していたか、又は、前記NOX触媒装置をすり抜けた追加燃料量が少なくて意図するように追加燃料が前記NOX触媒装置へ供給されなかったかを判断することを特徴とする。
An exhaust purification system of an internal combustion engine according to
本発明による請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、NOX触媒装置の下流側に配置されたCO2濃度センサを具備し、再生処理中にCO2濃度センサにより検出されたCO2濃度に基づき、追加燃料がNOX触媒装置において十分に消費されて良好な再生処理が実施されたか否かを判断するようになっている。再生処理中のNOX触媒装置下流側のCO2濃度は、気筒内から排出されるCO2の濃度と追加燃料がNOX触媒装置において酸化及びNOXの還元浄化により消費されて生成されるCO2の濃度との和であり、気筒内から排出されるCO2濃度は再生処理時の燃料噴射量に基づき既知であるために、検出されたCO2濃度に基づき、NOX触媒装置において実際に消費された追加燃料量や追加燃料量割合等を推定することができる。それにより、NOX触媒装置の下流側に配置されたCO2濃度センサにより再生処置中のCO2濃度を検出するだけで、追加燃料がNOX触媒装置において十分に消費された良好な再生処理が実施されたか否かを簡単且つ正確に判断することができる。 According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, the CO 2 concentration sensor disposed on the downstream side of the NO x catalyst device is provided and detected by the CO 2 concentration sensor during the regeneration process. Based on the CO 2 concentration, it is determined whether or not the additional fuel has been sufficiently consumed in the NO x catalyst device and a good regeneration process has been performed. The CO 2 concentration on the downstream side of the NO X catalyst device during the regeneration process is the CO 2 concentration generated from the CO 2 concentration discharged from the cylinder and the additional fuel consumed by oxidation and NO X reduction purification in the NO X catalyst device. Since the CO 2 concentration exhausted from the cylinder is known based on the fuel injection amount at the time of regeneration processing, the NO x catalyst device actually uses the detected CO 2 concentration based on the detected CO 2 concentration. The amount of additional fuel consumed, the ratio of additional fuel amount, etc. can be estimated. Thereby, only detect CO 2 concentration in the regeneration treatment by arranged the CO 2 concentration sensor downstream of the NO X catalyst device, good reproduction process is sufficiently consumed in the additional fuel NO X catalyst device It can be easily and accurately determined whether or not it has been carried out.
本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、さらに、NOX触媒装置の下流側に配置されたHC濃度センサを具備し、CO2濃度センサにより検出されたCO2濃度に基づき追加燃料がNOX触媒装置において十分に消費されずに良好な再生処理が実施されていないと判断された時には、再生処置中にHC濃度センサにより検出されたHC濃度に基づき、NOX触媒装置をすり抜けた追加燃料量が多くてNOX触媒装置の酸化能力が低下していたか、又は、NOX触媒装置をすり抜けた追加燃料量が少なくて意図するように追加燃料がNOX触媒装置へ供給されなかったかを判断するようになっている。再生処置中において、燃焼空燃比はリーンであるために、気筒内から排出される未燃燃料量は僅かであり、HC濃度センサにより検出されるHC濃度は、NOX触媒装置をすり抜けた追加燃料量に対応している。こうして、NOX触媒装置の下流側に配置されたHC濃度センサにより再生処置中のHC濃度を検出すれば、良好な再生処理が実施されていない場合に、その原因として、NOX触媒装置の酸化能力が低下していたか、又は、意図するように追加燃料がNOX触媒装置へ供給されなかったかを判断することができる。
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
図1は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、10は排気通路に配置されたNOX触媒装置である。20はNOX触媒装置10の排気直下流側に配置されたCO2濃度センサであり、30はNOX触媒装置10の排気直下流側に配置されたHC濃度センサである。また、NOX触媒装置10の排気上流側には、NOX触媒装置10へ流入する既燃ガスへ燃料を供給するための燃料供給装置40が配置されている。本実施形態の内燃機関は、希薄燃焼を実施する内燃機関(例えばディーゼルエンジン)であり、排気ガス中には比較的多くのNOXが含まれている。
FIG. 1 is a schematic view showing an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention. In the figure, 10 is a NO X catalyst device disposed in an exhaust passage.
NOX触媒装置10は、アルミナ等を使用して以下に説明するNOX吸蔵触媒と白金Ptのような貴金属触媒とが担持されたモノリス担体又はペレット担体を有するものである。また、NOX触媒装置10は、排気ガスがコージライトのような多孔質材料から形成された隔壁を通過するようにしたパティキュレートフィルタの隔壁表面及び細孔内にNOX吸蔵触媒と貴金属触媒を担持させたものとしても良い。
The NO X
NOX吸蔵触媒は、例えば、カリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つである。このNOX吸蔵触媒は、流入する既燃ガスの空燃比がリーンの時、すなわち、酸素濃度が高い時にはNOXを吸蔵し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると、すなわち、酸素濃度が低下すると、吸蔵したNOXを放出するNOXの吸放出作用を行う。このNOXの吸放出に際して、活性酸素が放出され、この活性酸素は輝炎を発生させることなくパティキュレートを酸化除去することができるために、NOX触媒装置10をパティキュレートフィルタとすれば、捕集されたパティキュレートは自動的に酸化除去される。 The NO x storage catalyst is selected from, for example, alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li and cesium Cs, alkaline earth metals such as barium Ba and calcium Ca, and rare earths such as lanthanum La and yttrium Y. Is at least one. This the NO X storage catalyst, when the air-fuel ratio of the burnt gas flowing into the lean, i.e., occludes NO X when the oxygen concentration is high, the air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich, that is, lowering the oxygen concentration then, do the absorption and release action of NO X to release the occluded NO X. When this NO x is absorbed and released, active oxygen is released, and this active oxygen can oxidize and remove particulates without generating a luminous flame. Therefore, if the NO x catalyst device 10 is a particulate filter, The collected particulates are automatically oxidized and removed.
ところで、NOX触媒装置10は、無制限にNOXを吸蔵することはできず、NOXの放出作用を利用して、NOX触媒装置10のNOX吸蔵量が飽和する以前に、流入する既燃ガスの空燃比をリッチにして、吸蔵されたNOXを放出させて還元浄化するNOX触媒装置10の再生処理を実施することが必要となる。例えば、機関運転状態毎の単位時間当たりのNOX排出量を予めマップ化しておき、各機関運転状態においてNOX排出量を積算すれば、この積算値をNOX触媒装置10のNOX吸蔵量とすることができる。このNOX吸蔵量が設定値に達した時にNOX触媒装置10の再生時期と判断することができる。このように再生時期を判断することなく、設定車両走行時間毎又は設定車両走行距離毎に再生時期として再生処理を実施するようにしても良い。
However, NO X
再生処理においては、理論空燃比よりリーンな空燃比の既燃ガスに燃料供給装置40により適当量の追加燃料を供給して、NOX触媒装置10へ流入する既燃ガスの空燃比を、例えば、所望リッチ空燃比(又は理論空燃比)とすることとなる。燃料供給装置40が設けられていない場合には、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁により、膨張行程又は排気行程において気筒内のリーン空燃比の既燃ガスへ追加燃料を噴射して、NOX触媒装置10へ流入する既燃ガスの空燃比を所望リッチ空燃比としても良い。
In the reproduction process, by supplying additional fuel appropriate amount by the
こうして、適当量の追加燃料が混入されると共に比較的多量の酸素を含む既燃ガスがNOX触媒装置10へ流入すると、追加燃料の一部は、NOX触媒装置10に担持された酸化触媒によって既燃ガス中の酸素を消費して燃焼(酸化)させられ、既燃ガス中の酸素濃度が低下する。それにより、NOX触媒装置10からNOXが放出されると、放出されたNOXは追加燃料の残りによって還元浄化され、燃焼せずにNOXの還元浄化にも使用されないNOX触媒装置10を単に通過する燃料は僅かな量となり、良好な再生処理が実現される。
Thus, when an appropriate amount of additional fuel is mixed and a burned gas containing a relatively large amount of oxygen flows into the NO x catalyst device 10, a part of the additional fuel is an oxidation catalyst carried on the NO x catalyst device 10. As a result, oxygen in the burned gas is consumed and burned (oxidized), and the oxygen concentration in the burned gas decreases. Thereby, the NO X is released from the NO X catalyst device 10, released NO X is reduced and purified by the remaining additional fuel, NO X catalyst device is not used to reduce and purify of the NO X without
しかしながら、燃料供給装置40の噴孔の詰まり等によって、燃料供給装置40へ追加燃料の供給指令が発せられても、燃料供給装置40から追加燃料が全く供給されないか、又は、僅かな追加燃料しか供給されないことがあり、また、燃料供給装置40とNOX触媒装置10とが比較的離れている場合において、燃料供給装置40から適当量の追加燃料が供給されても、適当量の追加燃料が途中の排気通路に付着する等してNOX触媒装置10へ供給されないこともある。また、適当量の追加燃料がNOX触媒装置10へ供給されても、NOX触媒装置10が担持する酸化触媒の酸化能力が劣化等により低下していることもある。
However, even if an additional fuel supply command is issued to the
これらの場合には、追加燃料をNOX触媒装置において良好に燃焼させ、既燃ガス中の酸素濃度を十分に低下させてNOXを放出させることができないために、良好な再生処理は実施されず、これを放置すると、排気ガス中のNOXはNOX触媒装置10へ吸蔵されずに大気中へ放出されてしまう。それにより、良好な再生処理が実施されなかったことを正確に判断して運転者に警告し、異常個所の修理又は交換を促し、早期に良好な再生処理が実現されるようにすることが必要である。 In these cases, additional fuel was satisfactorily burned in the NO X catalyst device, in order to the oxygen concentration in the burnt gas sufficiently reduced can not be releasing NO X, good reproduction process is carried out However, if this is left as it is, NO x in the exhaust gas will be released into the atmosphere without being occluded by the NO x catalyst device 10. As a result, it is necessary to accurately judge that good regeneration processing has not been implemented, warn the driver, encourage repair or replacement of abnormal parts, and ensure that good regeneration processing is realized early. It is.
図2は、良好な再生処理が実施されたか否かを判断するための第一フローチャートである。先ず、ステップ101において、再生時期であるか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、この肯定される時にはステップ102において、CO2濃度センサ20により再生処理中に検出されたCO2濃度に基づき算出される追加燃料に対するCO2濃度上昇値ΔC1が設定CO2濃度A以上であるか否かが判断される。
FIG. 2 is a first flowchart for determining whether or not good reproduction processing has been performed. First, in
CO2濃度センサ20のより検出されるCO2濃度は図3に示すように変化し、時刻t1においては、燃料供給装置40から供給された追加燃料がNOX触媒装置10へ到達を開始している。それにより、CO2濃度センサ20のより検出されるCO2濃度は、再生処理時において気筒内から排出されるCO2の濃度C0に、NOX触媒装置10において追加燃料が燃焼及び放出NOXの還元浄化に使用される際に生成されるCO2の濃度が加わって、ピーク値がC1(又はC1’)となる。こうして、追加燃料に対するCO2濃度上昇値ΔC1はC1−C0により算出される。
CO 2 concentration more is detected in the CO 2 concentration sensor 20 changes as shown in FIG. 3, at time t1, the additional fuel supplied from the
図3に実線で示すように、CO2濃度上昇値ΔC1が比較的大きな設定CO2濃度A以上である場合には、確実に所望量の追加燃料がNOX触媒装置10に供給されて、その多くがNOX触媒装置10において燃焼及び放出NOXの還元浄化に使用されたこととなる。この時には、ステップ102の判断が肯定され、ステップ106において、良好な再生処理が実施されたと判断される。
As shown by the solid line in FIG. 3, when the CO 2 concentration increase value ΔC1 is not less than the relatively large set CO 2 concentration A, a desired amount of additional fuel is reliably supplied to the NO x
しかしながら、CO2濃度センサ20のより検出されるCO2濃度のピーク値C1’が、図3に点線で示すように低い場合には、僅かな追加燃料しかNOX触媒装置10において燃焼及び放出NOXの還元浄化に使用されておらず、この時には、CO2濃度上昇値ΔC1(C1’−C0)は設定CO2濃度Aより小さくなるために、ステップ102の判断が否定され、良好な再生処理が実施されなかったと判断することができる。
However, when the peak value C1 ′ of the CO 2 concentration detected by the CO 2 concentration sensor 20 is low as shown by the dotted line in FIG. 3, only a small amount of additional fuel is burned and released in the NO x
図2に示すフローチャートでは、良好な再生処理が実施されなかった原因を明らかにするために、ステップ102の判断が否定される時には、ステップ103において、HC濃度センサ30により再生処理中に検出されたHC濃度のピーク値が設定HC濃度B以上であるか否かが判断される。
In the flowchart shown in FIG. 2, when the determination in
HC濃度センサ30のより検出されるHC濃度は図4に示すように変化し、時刻t1においては、燃料供給装置40から供給された追加燃料がNOX触媒装置10へ到達を開始している。再生処理時において燃焼空燃比はリーンであり、気筒内からは殆どHCは排出されないために、時刻t1以前において、HC濃度センサ30のより検出されるHC濃度は、ほぼ0である。しかしながら、時刻t1以降においては、NOX触媒装置10へ到達した追加燃料の少なくとも一部がNOX触媒装置10をすり抜けるために、HC濃度のピーク値C2(又はC2’)が検出される。
HC concentration more is detected in the
図4に実線で示すように、HC濃度のピーク値C2が比較的大きな設定HC濃度B以上である場合には、確実に所望量の追加燃料がNOX触媒装置10に供給されているが、その多くがNOX触媒装置10をすり抜けたこととなり、この時にはステップ103の判断が肯定され、ステップ104において、NOX触媒装置10が担持する酸化触媒の酸化能力が劣化等により低下していると判断する。それにより、運転者にはNOX触媒装置10の交換を促すことができる。
As shown by the solid line in FIG. 4, when the peak value C2 of the HC concentration is equal to or higher than the relatively large set HC concentration B, a desired amount of additional fuel is reliably supplied to the NO x
一方、HC濃度センサ30のより検出されるHC濃度のピーク値C2’が、図4に点線で示すように低い場合には、僅かな追加燃料しかNOX触媒装置10に供給されていないこととなる。この時には、HC濃度のピーク値C2’は設定HC濃度Bより小さくなり、ステップ103の判断が否定され、ステップ105において、適当量の追加燃料がNOX触媒装置10へ供給されていないと判断する。それにより、運転者には燃料供給装置40の点検等を促すことができる。
On the other hand, the peak of the HC concentration value C2 that more is detected in the HC concentration sensor 30 ', when such a low indicated by a dotted line in FIG. 4, and that only a small additional fuel is not supplied to the NO X
図5は、良好な再生処理が実施されたか否かを判断するための第二フローチャートである。第一フローチャートとの違いについてのみ以下に説明する。第二フローチャートでは、ステップ202において、CO2濃度センサ20により検出されたCO2濃度に基づき算出される再生処理中の追加燃料に対して増加するCO2濃度と、エアフローメータ(図示せず)により検出される再生処理中の吸入空気量とに基づき、NOX触媒装置10において酸化及び放出NOXの還元浄化に使用された追加燃料量F1を算出し、この使用された追加燃料量F1と、燃料供給装置40から供給されたはずの追加燃料量F2との比が第一設定比R以上であるか否かが判断される。
FIG. 5 is a second flowchart for determining whether or not good reproduction processing has been performed. Only the differences from the first flowchart will be described below. In the second flowchart, in
ステップ202の判断が肯定される時には、供給されたはずの追加燃料量F2に対して実際に多くの追加燃料量がNOX触媒装置10において酸化及びNOXの還元浄化に使用されており、ステップ206において、良好な再生処理が実施されたと判断される。しかしながら、ステップ202の判断が否定される時には、供給されたはずの追加燃料量F2に対して実際には僅かな追加燃料量しかNOX触媒装置10において酸化及びNOXの還元浄化に使用されておらず、良好な再生処置は実施されなかったと判断することができる。
When the determination in
その原因を明らかにするために、ステップ203では、HC濃度センサ30により検出された再生処理中のHC濃度と、エアフローメータ(図示せず)により検出される再生処理中の吸入空気量とに基づき、NOX触媒装置10からすり抜けた追加燃料量F3を算出し、このすり抜け追加燃料量F3と、燃料供給装置40から供給されたはずの追加燃料量F2との比が第二設定比S以上であるか否かが判断される。
In order to clarify the cause, in
ステップ203の判断が肯定される時には、供給されたはずの追加燃料量F2に対して実際に多くの追加燃料量がNOX触媒装置10からすり抜けており、ステップ204において、NOX触媒装置10が担持する酸化触媒の酸化能力が劣化等により低下していると判断することができる。
When the result of
一方、ステップ203の判断が否定される時には、供給されたはずの追加燃料量F2に対して実際には僅かな追加燃料量しかNOX触媒装置10をすり抜けておらず、しかしながら、この時には、供給されたはずの追加燃料量F2に対して実際に僅かな追加燃料量F1しかNOX触媒装置10において酸化及びNOXの還元浄化に使用されておらず、すなわち、供給されたはずの追加燃料量F2が実際にはNOX触媒装置10へ供給されていないこととなる。それにより、ステップ205において、適当量の追加燃料がNOX触媒装置10へ供給されていないと判断することができる。
On the other hand, when the determination in
10 NOX触媒装置
20 CO2濃度センサ
30 HC濃度センサ
40 燃料供給装置
10 NO X
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