JP3514200B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置Info
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Description
燃機関より排出される排気ガスから窒素酸化物(NO
x)を浄化することができる排気浄化装置に関するもの
である。
排気ガスからNOxを浄化する排気浄化装置として、吸
蔵還元型NOx触媒がある。この吸蔵還元型NOx触媒
(以下、NOx触媒と略すときもある)は、流入排気ガ
スの空燃比がリーン(即ち、酸素過剰雰囲気下)のとき
にNOxを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下した
ときに吸収したNOxを放出しN2に還元する触媒であ
る。
気通路に配置すると、リーン空燃比の排気ガスから窒素
酸化物(NOx)を吸収することができるが、NOx触媒
のNOx吸収容量にも限界があるため、NOx吸収量が所
定量になったときに、NOx触媒に酸素濃度の低い還元
ガス(例えば、理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガ
ス)を流して吸収されているNOxを脱離しN2に還元す
る(以下、この処理をNOx放出処理と称す)ことによ
り、NOx吸収能力を回復させる必要がある。
気浄化システムとして、特開昭62−106826号公
報等に開示されるように、排気通路を途中で分岐して2
本の排気通路にし、それぞれの排気通路に吸蔵還元型N
Ox触媒を配置し、一方のNOx触媒に排気ガスを流して
排気ガス中のNOxを吸収し、その間に他方のNOx触媒
に還元ガスを流して該NOx触媒のNOx放出処理を行う
ようにした排気浄化システムが開発されている。
それぞれのNOx触媒で上述の如く並行処理可能にする
ために、排気通路の分岐部に、排気ガスをいずれのNO
x触媒に流すか切り替えるための排気切替弁を設け、こ
の排気切替弁と各NOx触媒との間の各排気通路に還元
ガス供給口を設けて各NOx触媒に還元ガスを供給可能
にし、さらに還元ガスをいずれの還元ガス供給口に導入
するか選択的に切り替える還元ガス切替手段を設けてい
る。
従来の排気浄化装置では、還元ガス供給口が2つ必要で
あり、そのため各還元ガス供給口に還元ガスを導入する
ための還元ガス通路も2つ必要になり、さらに、還元ガ
ス切替手段とその制御が必要になることにより、装置の
複雑化とコストアップを招いた。特に、車両搭載用の排
気浄化装置の場合には、搭載スペースが小さいため、装
置の複雑化は大きな障害となる。
鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする
課題は、還元剤の供給口を単一にして、装置の簡略化お
よびコストダウンを図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。
するために、以下の手段を採用した。 (1) 本発明は、(イ)希薄燃焼可能な内燃機関の排
気通路であって並列的に複数に分岐された排気通路と、
(ロ)分岐された前記複数の排気通路のそれぞれに配置
され、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNO
xを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸
収したNOxを放出しN2に還元する吸蔵還元型NOx触
媒と、(ハ)排気ガスをいずれの前記吸蔵還元型NOx
触媒に導入するか選択的に切り替える排気経路切替手段
と、(ニ)排気ガスが流れていない前記吸蔵還元型NO
x触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備えた
内燃機関の排気浄化装置において、前記還元剤供給手段
の還元剤供給口は、前記排気経路切替手段が排気ガスを
いずれの吸蔵還元型NOx触媒に導入しているかにかか
わらず、排気ガスが流れていない吸蔵還元型NOx触媒
に連なる流路に位置していることを特徴とする。
路切替手段によっていずれかの吸蔵還元型NOx触媒に
排気ガスを流すかを選択し、選択された吸蔵還元型NO
x触媒に排気ガスを流すことにより排気ガス中のNOxが
該吸蔵還元型NOx触媒に吸収される。そして、その間
に、排気ガスが流れていない吸蔵還元型NOx触媒に還
元剤供給装置から還元剤を供給することにより、該吸蔵
還元型NOx触媒に吸収されているNOxを脱離し、N2
に還元し、これによって、該吸蔵還元型NOx触媒のN
Ox吸収能力を回復する。即ち、排気ガス中のNOx除去
処理と、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収能力回復処理
を同時に並行して実行することができる。この排気浄化
装置では、還元剤供給手段及び還元剤供給口が一つで済
むので、装置の簡略化およびコストダウンを図ることが
できる。
置においては、前記吸蔵還元型NOx触媒の温度または
排気ガス温度が所定温度以下のときに、前記排気経路切
替手段が総ての前記吸蔵還元型NOx触媒に排気ガスを
流すよう作動するようにしてもよい。このようにする
と、総ての吸蔵還元型NOx触媒にリーン空燃比の排気
ガスと還元剤との混合ガスを供給することができ、その
結果、吸蔵還元型NOx触媒において還元剤が酸化する
ことによって、吸蔵還元型NOx触媒を昇温させること
ができる。
置においては、前記吸蔵還元型NOx触媒の上流に点火
手段を備えることができる。このようにすると、排気ガ
スが流れていない吸蔵還元型NOx触媒に供給される還
元剤を該吸蔵還元型NOx触媒よりも上流において点火
手段で着火することができ、その結果、還元剤の燃焼熱
を利用して該吸蔵還元型NOx触媒を加熱し昇温するこ
とができる。したがって、吸蔵還元型NOx触媒の触媒
床温度をNOx吸収に必要な温度まで迅速に昇温した
り、あるいは、NOx触媒の触媒床温度をNOx放出・還
元に必要な温度まで迅速に昇温することができる。
内燃機関の排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリ
ーンのときにNOxを吸収し流入する排気ガスの酸素濃
度が低いときに吸収したNOxを放出しN2に還元する吸
蔵還元型NOx触媒が設けられ、吸蔵還元型NOx触媒よ
りも上流の排気通路に還元剤を供給する還元剤供給手段
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通
路は、内燃機関に接続された上流側排気通路と、この上
流側排気通路から二つに分岐されて並列配置された第1
下流側排気通路及び第2下流側排気通路とを有し、前記
第1及び第2下流側排気通路にそれぞれ前記吸蔵還元型
NOx触媒を備え、前記排気通路の上流側排気通路と第
1及び第2下流側排気通路との分岐部には排気経路切替
弁が設けられ、前記排気経路切替弁は、(イ)前記上流
側排気通路に接続された第1ポートと前記第1下流側排
気通路に接続された第2ポートと前記第2下流側排気通
路に接続された第3ポートとを有するハウジングと、
(ロ)このハウジング内に回動可能に支持され、前記第
1ポートと第2ポートを連通するとともにこれらポート
から第3ポートを遮断する第1ポジションと、前記第1
ポートと第3ポートを連通するとともにこれらポートか
ら第2ポートを遮断する第2ポジションに切り替え可能
な弁体と、(ハ)前記ハウジング内に設けられ、前記弁
体が第1ポジションに位置したときに第1ポートから遮
断されるとともに第3ポートに連通し、第2ポジション
に位置したときに第1ポートから遮断されるとともに第
2ポートに連通する還元剤供給部と、を備え、前記排気
経路切替弁の還元剤供給部に前記還元剤供給手段から還
元剤が供給されることを特徴とする。
路切替弁の弁体を第1ポジションに位置させると排気ガ
スが第1下流側排気通路に流れ第2下流側排気通路には
流れず、排気ガス中のNOxは第1下流側排気通路に設
けられた吸蔵還元型NOx触媒に吸収される。そして、
このように弁体を第1ポジションに位置させているとき
に還元剤供給部に還元剤を供給すると、還元剤は第2下
流側排気通路に流れ、第2下流側排気通路に設けられた
吸蔵還元型NOx触媒に吸収されているNOxが脱離し、
N2に還元され、これによって、該吸蔵還元型NOx触媒
のNOx吸収能力が回復する。即ち、排気ガス中のNOx
除去処理と、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収能力回復
処理を同時に並行して実行することができる。
ョンに位置させると排気ガスが第2下流側排気通路に流
れ第1下流側排気通路には流れず、排気ガス中のNOx
は第2下流側排気通路に設けられた吸蔵還元型NOx触
媒に吸収される。そして、このように弁体を第2ポジシ
ョンに位置させているときに還元剤供給部に還元剤を供
給すると、還元剤は第1下流側排気通路に流れ、第1下
流側排気通路に設けられた吸蔵還元型NOx触媒に吸収
されているNOxが脱離し、N2に還元され、これによっ
て、該吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収能力が回復す
る。即ち、排気ガス中のNOx除去処理と、吸蔵還元型
NOx触媒のNOx吸収能力回復処理を同時に並行して実
行することができる。この排気浄化装置では、還元剤供
給手段及び還元剤供給部が一つで済むので、装置の簡略
化およびコストダウンを図ることができる。
置においては、前記排気経路切替弁は、第1ポートと第
2ポートと第3ポートと還元剤供給部を同時に連通させ
る第3ポジションに前記弁体を保持可能にすることがで
きる。このようにすると、第1下流側排気通路と第2下
流側排気通路の両方にリーン空燃比の排気ガスと還元剤
との混合ガスを供給することができるようになり、その
結果、吸蔵還元型NOx触媒において還元剤が酸化する
ことによって、吸蔵還元型NOx触媒を昇温させること
ができる。
置においては、前記排気経路切替手段と前記第1下流側
排気通路の吸蔵還元型NOx触媒との間、及び、前記排
気経路切替手段と前記第2下流側排気通路の吸蔵還元型
NOx触媒との間に、それぞれ点火手段を備えることが
できる。
て排気ガスの流通を閉ざされるべき第1または第2下流
側排気通路に属する前記点火手段は、該下流側排気通路
への排気ガスの流通を閉ざすべく前記排気経路切替手段
が排気経路を切り替えた後に作動せしめられるようにす
ることができる。
吸蔵還元型NOx触媒からNOxを放出しN2に還元する
には、吸蔵還元型NOx触媒を所定温度以上にする必要
がある。したがって、NOx放出・還元を行うときにそ
の対象となる吸蔵還元型NOx触媒が所定温度に達して
いない場合には、該吸蔵還元型NOx触媒を加熱し昇温
するのが好ましい。吸蔵還元型NOx触媒からNOxを放
出し還元するときには、該NOx触媒への排気ガスの流
通を閉ざして行うが、その際に、前記排気経路切替手段
によって該吸蔵還元型NOx触媒への排気ガスの流通を
閉ざした後に、該吸蔵還元型NOx触媒が収容された下
流側排気通路の点火手段を作動させると、該吸蔵還元型
NOx触媒の上流において還元剤を燃焼させることがで
き、この燃焼熱を利用して該吸蔵還元型NOx触媒を昇
温することができる。
浄化装置において、前記排気経路切替手段と前記第1下
流側排気通路の吸蔵還元型NOx触媒との間、及び、前
記排気経路切替手段と前記第2下流側排気通路の吸蔵還
元型NOx触媒との間に、それぞれ点火手段を備える場
合に、前記排気経路切替手段によって排気ガスの流通を
開始すべき第1または第2下流側排気通路に属する前記
点火手段は、該下流側排気通路に排気ガスを流すべく前
記排気経路切替手段が排気経路を切り替える前に作動せ
しめられるようにすることができる。
に吸収させるには、吸蔵還元型NOx触媒を所定温度以
上にする必要がある。したがって、排気ガスを吸蔵還元
型NOx触媒に流して排気ガス中のNOxを吸収させると
きに、該吸蔵還元型NOx触媒が所定温度に達していな
い場合には、該吸蔵還元型NOx触媒を加熱し昇温する
のが好ましい。吸蔵還元型NOx触媒への排気ガスの流
通を開始するときには、前記排気経路切替手段によって
該吸蔵還元型NOx触媒への排気ガスの流通を許容する
が、その際に、前記排気経路切替手段によって該吸蔵還
元型NOx触媒への排気ガスの流通を許容する前に、即
ち、該吸蔵還元型NOx触媒が収容されている下流側排
気通路に排気ガスを流すべく前記排気経路切替手段が排
気経路を切り替える前に、該下流側排気通路の点火手段
を作動させると、該吸蔵還元型NOx触媒の上流におい
て還元剤を燃焼させることができ、この燃焼熱を利用し
て該吸蔵還元型NOx触媒を昇温することができる。
排気浄化装置において、希薄燃焼可能な内燃機関として
は、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジ
ンを例示することができる。
排気浄化装置において、還元剤として、LPG(液化天
然ガス),CNG(天然ガス),ガソリン,軽油を気化
したガスや、さらにこれらガスを加熱して分解したもの
や、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスなどを用いる
ことができる。ここで、燃焼式ヒータとは、暖機促進や
車室内暖房装置の性能向上等を目的として、動力源とし
ての内燃機関とは別に設けた燃焼室で燃料を燃焼して熱
エネルギーを得る装置である。
排気浄化装置において、吸蔵還元型NOx触媒は、例え
ばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウム
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、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と、白金Ptの
ような貴金属とが担持されてなるものを例示することが
できる。
気浄化装置の実施の形態を図1から図6の図面に基いて
説明する。尚、以下の各実施の形態は、本発明を内燃機
関としてのディーゼルエンジンに適用した態様である。
る内燃機関の排気浄化装置の第1の実施の形態を図1か
ら図4の図面を参照して説明する。図1は、内燃機関と
してのディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成を
示す図である。この図において、エンジン1は直列4気
筒であり、吸気管2及び吸気マニホルド3を介して各気
筒に吸気が供給される。
可能な燃料供給ポンプ5によって吸い上げられてコモン
レール6に供給される。エンジンコントロール用電子制
御ユニット(ECU)50は、コモンレール6内の燃料
圧力がエンジン1の運転状態に応じて所定圧力値となる
ように、燃料供給ポンプ5の運転を制御する。
ら供給される燃料を各気筒内に噴射する燃料噴射弁7が
設けられており、燃料噴射弁7の開弁時期及び開弁期間
は、エンジン1の運転状態に応じてECU50によって
制御される。
上死点近傍において対応する燃料噴射弁7から燃料が噴
射され、リーン空燃比で燃焼して生じた排気が排気マニ
ホールド8を介して排気管9に排出される。
容したSトラップ20に連結され、Sトラップ20は排
気管10を介して三方弁(排気経路切替手段、排気経路
切替弁)30に連結されている。尚、この実施の形態に
おいて、排気管9,10は上流側排気通路を構成する。
リーンのときにSOxを吸収するものであり、三元触媒
や吸蔵還元型NOx触媒や選択還元型NOx触媒等から構
成することができる。
ール形をなし、3つのポート31a,31b,31cを
備えている。第1ポート31aはハウジング31の上流
端側に設けられ、この第1ポート31aに前記排気管1
0が連結されている。第2ポート31bと第3ポート3
1cは第1ポート31aよりも下流側に配置され互いに
離間して設けられていて、第2ポート31bと第3ポー
ト31cにはそれぞれ排気管11,12が連結されてい
る。
NOx触媒(以下、NOx触媒と略す)61,62が収容
されており、NOx触媒61,62よりも下流において
排気管11,12は排気管13に合流している。NOx
触媒61,62については後で詳述する。尚、この実施
の形態において、排気管11は第1下流側排気通路を構
成し、排気管12は第2下流側排気通路を構成する。
33を回転中心にして回動可能に取り付けられている。
支軸33はハウジング31の中央よりも下流側にずらし
て配置されており、この支軸33を回転中心にして弁体
32を回動させたときに、弁体32の全周縁がハウジン
グ31の内面を摺動するようになっている。
へ膨出する還元剤供給室(還元剤供給部)34が設けら
れており、この還元剤供給室34内においてだけはハウ
ジング31に対する弁体32の摺動状態は解除される。
の下流側端縁が還元剤供給室34から若干外れて弁体3
2の全周縁がハウジング31の内面に摺接する状態とな
る位置(図2において太い実線と太い破線で示す位置)
の範囲で回動するように、その回動範囲(作動範囲)が
設定されている。弁体32は弁駆動装置35によって回
転駆動され、ECU50によって弁体32の停止位置が
制御される。
で示すように位置したとき(以下の説明では「弁体32
が第1ポジションに位置したとき」という)に、第1ポ
ート31aと第2ポート31bが連通して、排気管10
と排気管11が連通する。また、これと同時に、第3ポ
ート31cは、第1ポート31a及び第2ポート31b
から遮断され、還元剤供給室34と連通する。
示すように位置したとき(以下の説明では「弁体32が
第2ポジションに位置したとき」という)に、第1ポー
ト31aと第3ポート31cが連通して、排気管10と
排気管12が連通する。また、これと同時に、第2ポー
ト31bは、第1ポート31a及び第3ポート31cか
ら遮断され、還元剤供給室34と連通する。
Ox触媒61,62のいずれに導入するか選択的に切り
替える排気経路切替手段ということができる。また、還
元剤供給室34は、三方弁30が排気ガスをNOx触媒
61,62のいずれに導入しているかにかかわらず、排
気ガスが流れていないNOx触媒に連なる流路の一部と
いうことができる。
に、弁体32の下流側端縁が還元剤供給室34の中央に
収まるように弁体32が位置したとき(以下の説明では
「弁体32が第3ポジションに位置したとき」という)
には、第1ポート31aと第2ポート31bと第3ポー
ト31cと還元剤供給室34の総てが連通し、その結
果、排気管10及び後述のリッチガス供給ノズル40は
排気管11,12の両方に連通する。
ル(還元剤供給口)40が還元剤供給室34に臨んで設
けられており、リッチガス供給ノズル40は、リッチガ
ス供給装置(還元剤供給手段)41から供給されるリッ
チガス(還元剤)を還元剤供給室34に放出する。この
リッチガスは後述するように吸蔵還元型NOx触媒6
1,62に還元剤として供給されNOxの放出・還元に
使用される。リッチガス供給装置41はECU50によ
って作動制御される。
然ガス),CNG(天然ガス),ガソリン,軽油を気化
したガスや、さらにこれらガスを加熱して分解したもの
や、あるいは燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスなど
を用いることができる。ここで、燃焼式ヒータとは、暖
機促進や車室内暖房装置の性能向上等を目的として、動
力源としての内燃機関とは別に設けた燃焼室で燃料を燃
焼して熱エネルギーを得る装置である。
位置に、排気ガスの温度に対応した出力信号をECU5
0に出力する排気温センサ16が取り付けられている。
ECU50はデジタルコンピュータからなり、双方向バ
スによって相互に接続されたROM(リードオンリーメ
モリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU
(セントラルプロセッサユニット)、入力ポート、出力
ポートを具備し、エンジン1の燃料噴射量制御等の基本
制御を行うほか、この実施の形態では、三方弁30の弁
体32の作動制御等を行っている。
ートには、アクセル開度センサ14からの入力信号と、
クランク角センサ15からの入力信号が入力される。ア
クセル開度センサ14はアクセル開度に比例した出力電
圧をECU50に出力し、ECU50はアクセル開度セ
ンサ14の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算す
る。クランク角センサ15はクランクシャフトが一定角
度回転する毎に出力パルスをECU50に出力し、EC
U50はこの出力パルスに基づいてエンジン回転速度を
演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転速度によ
ってエンジン運転状態が判別される。
NOx触媒61,62について、即ち、吸蔵還元型NOx
触媒について説明する。NOx触媒(吸蔵還元型NOx触
媒)は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例え
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、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と、
白金Ptのような貴金属とが担持されてなる。
(以下、排気空燃比と称す)がリーンのときはNOxを
吸収し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッ
チになって排気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したN
Oxを放出する。ここで、排気空燃比とは、機関吸気通
路およびNOx触媒より上流の排気通路内に供給された
空気および燃料(還元剤)の比をいう。
路内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合に
は、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気
の空燃比に一致する。
については明らかでない部分もあるが、図3に示すよう
なメカニズムで行われると考えられている。このメカニ
ズムについて、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担
持させた場合を例にとって説明するが、他の貴金属,ア
ルカリ金属,アルカリ土類,希土類を用いても同様のメ
カニズムとなる。
ンになると流入排気ガスの酸素濃度が大巾に増大するた
め、図3(A)に示すように酸素O2 がO2 -又はO2-の
形で白金Ptの表面に付着する。次に、流入排気ガスに
含まれるNOは、白金Ptの表面上でO2 -又はO2-と反
応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。
で酸化されつつNOx触媒内に吸収されて酸化バリウム
(BaO)と結合しながら硝酸イオンNO3 -の形でNO
x触媒内に拡散する。このようにしてNOxがNOx触媒
内に吸収される。
tの表面でNO2が生成され、NOx触媒のNOx吸収能
力が飽和しない限り、NO2がNOx触媒内に吸収されて
硝酸イオンNO3 -が生成される。
空燃比またはリッチになって流入排気ガスの酸素濃度が
低下した場合は、NO2の生成量が低下し、反応が逆方
向(NO3 -→NO2)に進み、NOx触媒内の硝酸イオン
NO3 -がNO2またはNOの形でNOx触媒から放出され
る。
元成分が存在すると、これらの成分は白金Pt上の酸素
O2 -又はO2-と反応して酸化され、排気ガス中の酸素を
消費して排気ガスの酸素濃度を低下させる。また、排気
ガスの酸素濃度低下によりNOx触媒から放出されたN
O2 またはNOは、図3(B)に示すように、HC,C
Oと反応して還元されN2となる。
ず白金Pt上の酸素O2 -又はO2-とただちに反応して酸
化せしめられ、次いで白金Pt上の酸素O2 -又はO2-が
消費されてもまだHC,COが残っていれば、このH
C,COによってNOx触媒から放出されたNOxおよび
エンジンから排出されたNOxがN2に還元せしめられ
る。
またはNOが存在しなくなると、NOx触媒から次から
次へとNO2またはNOが放出され、さらにN2に還元せ
しめられる。したがって、流入排気ガスの空燃比を理論
空燃比またはリッチにすれば短時間の内にNOx触媒に
吸収されているNOxが放出されることになる。
NOxがNOx触媒に吸収され、排気空燃比を理論空燃比
あるいはリッチにするとNOxがNOx触媒から短時間の
うちに放出され、N2に還元される。したがって、大気
中へのNOxの排出を阻止することができる。
ストイキ(理論空燃比、A/F=13〜14)よりもは
るかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転
状態ではNOx触媒に流入する排気ガスの空燃比は非常
にリーンであり、排気ガス中のNOxはNOx触媒に吸収
され、NOx触媒から放出されるNOx量は極めて少な
い。
室に供給する混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ
にすることにより排気ガスの空燃比を理論空燃比または
リッチにし、排気ガスの酸素濃度を低下させて、NOx
触媒に吸収されているNOxを放出させることができる
が、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する
混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチにすると燃焼
の際に煤が発生するなどの問題があり採用することはで
きない。
Ox触媒のNOx吸収能力が飽和する前に所定のタイミン
グで、燃焼用の混合気とは別に還元剤を直接、NOx触
媒に供給してNOxの放出を行う必要がある。
媒61,62の上流の排気通路に還元剤を含むリッチガ
スを供給して、NOx触媒からNOxを放出し、還元する
ようにしている。
の作用について説明する。尚、この実施の形態では、E
CU50は、エンジン1の始動と同時にリッチガス供給
装置41を作動し、常時、リッチガスをリッチガス供給
ノズル40から三方弁30の還元剤供給室34に供給す
るものとする。
エンジンのため通常の運転状態では排気空燃比はリーン
であり酸素濃度が高い。この排気ガスがSOx吸収剤2
1に流れると、排気ガス中のSOxはSOx吸収剤21に
吸収されるので、SOxを除去された排気ガスがSOx吸
収剤21から流出し、三方弁30を通って下流のNOx
触媒61,62に流入する。したがって、NOx触媒6
1,62のSOx被毒が防止される。
が所定温度(以下、この温度を触媒活性温度という)T
0に達していないとNOx浄化率が極めて低くなる性質を
有している。そこで、この排気浄化装置においては、エ
ンジン1を低温始動させるときのようにNOx触媒6
1,62の触媒床温度Tが触媒活性温度T0に達してい
ないときには、三方弁30の弁体32を図2において細
い破線で示す第3ポジションに保持して、排気管10を
排気管11,12の両方に連通させる。このようにする
と、エンジンから排出された酸素濃度の高いリーン空燃
比の排気ガスと、リッチガス供給ノズル40から供給さ
れた還元剤濃度の高いリッチガスが混合した状態で両排
気管11,12に流れるようになり、その結果、両NO
x触媒61,62においてリッチガスに含まれる還元剤
が酸化し、NOx触媒61,62を昇温する。尚、この
実施の形態においては、NOx触媒61,62の触媒床
温度は、排気温センサ16で検出されるNOx触媒6
1,62の出口の排気ガス温度を代用する。
度Tが触媒活性温度T0以上のときには、三方弁30の
弁体32を図2において太い実線で示す第1ポジション
あるいは図2において太い破線で示す第2ポジションの
いずれかに位置させて、NOx触媒61,62のいずれ
か一方のNOx触媒に排気ガスを流してこのNOx触媒で
排気ガス中のNOxを吸収し、他方のNOx触媒にリッチ
ガスを流してこのNOx触媒に吸収されているNOxを放
出させるとともにN2に還元し浄化する。
2を第1ポジションに位置させると、三方弁30では第
1ポート31aと第2ポート31bが連通するととも
に、第3ポート31cと還元剤供給室34が連通する。
その結果、排気管10と排気管11が連通し排気管12
が遮断されるので、排気管10からハウジング31内に
流入したリーン空燃比の排気ガスは排気管11に流れ、
排気ガス中のNOxは排気管11のNOx触媒61に吸収
され、NOxを除去された排気ガスが排気管13に流出
する。これと同時に、還元剤供給室34に供給されたリ
ッチガスは排気管12に流れNOx触媒62に流れるの
で、NOx触媒62に吸収されていたNOxが放出される
とともにN2に還元されて浄化され、浄化されたガスが
排気管13に流出する。
ョンに位置させると、三方弁30では第1ポート31a
と第3ポート31cが連通するとともに、第2ポート3
1bと還元剤供給室34が連通する。その結果、排気管
10と排気管12が連通し排気管11が遮断されるの
で、排気管10からハウジング31内に流入したリーン
空燃比の排気ガスは排気管12に流れ、排気ガス中のN
Oxは排気管12のNOx触媒62に吸収され、NOxを
除去された排気ガスが排気管13に流出する。これと同
時に、還元剤供給室34に供給されたリッチガスは排気
管11に流れNOx触媒61に流れるので、NOx触媒6
1に吸収されていたNOxが放出されるとともにN2に還
元されて浄化され、浄化されたガスが排気管13に流出
する。
おける三方弁30の切替処理実行ルーチンを説明する。
このルーチンを構成する各ステップからなるフローチャ
ートはECU50のROMに記憶してあり、フローチャ
ートの各ステップにおける処理は総てECU50のCP
Uによって実行される。
NOx触媒61,62の触媒床温度Tが触媒活性温度T0
以上か否かを判定する。
判定した場合には、ECU50はステップ102に進
み、三方弁30の弁体32を第3ポジションに保持し、
排気ガスとリッチガスの混合ガスを両NOx触媒61,
62に流して、NOx触媒61,62の昇温処理を実行
する。このステップ102による昇温処理はステップ1
01で肯定判定されるまで続く。
判定した場合には、ECU50はステップ103に進
み、三方弁30の弁体32が第1ポジションに位置して
いるか否かを判定する。
にステップ101で否定判定した場合には、三方弁30
の弁体32が第3ポジションに位置しているので、EC
U50は、ステップ103で否定判定し、ステップ10
6に進んで三方弁30の弁体32が第2ポジションか否
か判定し、このステップ106でも否定判定してステッ
プ108に進み、三方弁30の弁体32を第1ポジショ
ンに切り替え、切り替え後からの経過時間のカウントを
始め、一旦このルーチンを終了する。
とにより、排気ガスは排気管11、NOx触媒61に流
れ、排気ガス中のNOxがNOx触媒61に吸収され、N
Oxを除去された排気ガスが排気管13に流出する。ま
た、リッチガス供給ノズル40から供給されたリッチガ
スは排気管12、NOx触媒62に流れ、NOx触媒62
に吸収されているNOxが放出され、N2に還元されて排
気管13に流出する。
判定した場合には、ECU50はステップ104に進
み、弁体32を第1ポジションに切り替えてからの経過
時間がNOx放出時間を経過したか否か判定する。ここ
で、NOx放出時間は、NOx触媒62に吸収されている
NOxのほぼ全量を放出させるために必要なリッチガス
の流通時間であり、NOx放出時間は予め実験を行って
所定時間に設定し、これをECU50のROMに記憶さ
せておく。経過時間がNOx放出時間を経過していない
ときには、三方弁30の弁体32を第1ポジションに保
持し続ける。
判定した場合には、ECU50はステップ105に進ん
で、三方弁30の弁体32を第2ポジションに切り替
え、切り替え後からの経過時間のカウントを始め、一旦
このルーチンを終了する。
とにより、排気ガスは排気管12、NOx触媒62に流
れ、排気ガス中のNOxがNOx触媒62に吸収され、N
Oxを除去された排気ガスが排気管13に流出する。ま
た、リッチガス供給ノズル40から供給されたリッチガ
スは排気管11、NOx触媒61に流れ、NOx触媒61
に吸収されているNOxが放出され、N2に還元されて排
気管13に流出する。
判定した場合には、ECU50はステップ106に進
み、三方弁30の弁体32が第2ポジションに位置して
いるか否か判定する。ここで、前回このルーチンを実行
したときにステップ101において肯定判定した場合に
は、三方弁30の弁体32は第2ポジションに位置して
いるので、ECU50は、ステップ106で肯定判定
し、ステップ107に進む。
プ107において、弁体32を第2ポジションに切り替
えてからの経過時間がNOx放出時間を経過したか否か
判定する。ここで、NOx放出時間は、NOx触媒61に
吸収されているNOxのほぼ全量を放出させるために必
要なリッチガスの流通時間であり、NOx触媒62のN
Ox放出時間と同じである。経過時間がNOx放出時間を
経過していないときには、三方弁30の弁体32を第2
ポジションに保持し続ける。
判定した場合には、ECU50はステップ108に進ん
で、三方弁30の弁体32を第1ポジションに切り替
え、切り替え後からの経過時間のカウントを始め、この
ルーチンを終了する。
置では、切替弁30とリッチガス供給装置41とリッチ
ガス供給ノズル40がそれぞれ1つあれば足りる構成に
なっているので、装置を簡略化することができ、コスト
ダウンを図ることができる。また、三方弁30およびリ
ッチガス供給装置41の制御も簡単になる。
給装置41を常時作動させ、一方のNOx触媒のNOx放
出処理が終了すると同時に三方弁30の弁体32のポジ
ションを切り替えて他方のNOx触媒のNOx放出処理を
実行するように制御しているが、弁体32のポジション
切替タイミングはこれに限るものではない。例えば、一
方のNOx触媒のNOx放出処理が終了しても三方弁30
の弁体32のポジション切り替えを実行しないで該一方
のNOx触媒を待機状態として他方のNOx触媒に排気ガ
スを流し続け、この他方のNOx触媒に吸収されたNOx
量が所定量に達したとECU50が判定したときに三方
弁30の弁体32のポジションを切り替えて、他方のN
Ox触媒に対してNOx放出処理を実行するように制御し
ても、本発明は成立する。尚、その場合には、一方のN
Ox触媒のNOx放出処理が終了すると同時に(即ち、N
Ox放出時間が経過したら)リッチガス供給装置41を
停止してリッチガスの供給を停止し、弁体32のポジシ
ョン切り替えと同時にリッチガス供給装置41を作動し
てリッチガスを供給するように制御するのが好ましい。
内燃機関の排気浄化装置の第2の実施の形態を図5およ
び図6の図面を参照して説明する。第2の実施の形態の
排気浄化装置が第1の実施の形態のものと相違する点を
以下に説明する。
Ox触媒61,62は排気管11,12の下流端側に収
容されており、排気管11,12においてNOx触媒6
1,62から上流側に所定寸法離間した部位に点火栓
(点火手段)42,43が取り付けられている。これら
点火栓42,43はECU50によって作動制御され
る。
2,43から上流側へ所定寸法離間した部位に消火体4
4,45が取り付けられており、消火体44,45とN
Ox触媒61,62の間はそれぞれ加熱室46,47に
なっている。消火体44,45は、後述するように加熱
室46,47で生じた火炎が加熱室46,47から三方
弁30内に逆火するのを防止するためのものである。
のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付
して説明を省略する。尚、この第2の実施の形態では、
リッチガス供給装置41を常時作動させ、一方のNOx
触媒のNOx放出処理が終了すると同時に三方弁30の
弁体32のポジションを切り替えて他方のNOx触媒の
NOx放出処理を実行するように制御するものとする。
は、前述した第1の実施の形態の排気浄化装置の作用に
加えて、以下に記載の作用がある。前述したように、N
Ox触媒61,62はその触媒床温度が触媒活性温度に
達していないとNOx浄化率が極めて低くなる。換言す
ると、NOx触媒61,62の触媒床温度が触媒活性温
度よりも低いときには、NOx吸収能力およびNOx放出
・還元能力が極めて低くなる。
てNOx放出処理を実行するときには、NOx放出処理の
開始時点からNOx触媒61,62が触媒活性温度に達
していることが望ましい。
の経路切り替え前のエンジン運転状態によっては、経路
切り替え時点(即ち、NOx放出処理の開始時点)にお
いてNOx放出処理の対象となるNOx触媒の触媒床温度
が触媒活性温度に達していない場合もある。
は、このようなときには、還元剤供給室34にリッチガ
スを供給するだけでなく、NOx放出処理の対象となる
NOx触媒(61あるいは62)が収容されている排気
管(11あるいは12)に取り付けられている点火栓
(42あるいは43)を作動させることにより、該排気
管に供給されたリッチガスを着火し、加熱室(46ある
いは47)内に火炎を生じさせて、NOx触媒上流空間
および排気管壁を加熱し、これらの熱をNOx触媒に受
熱させてNOx触媒の触媒床温度をNOx放出処理に必要
な触媒活性温度まで迅速に昇温させるようにした。そし
て、NOx触媒の触媒床温度がNOx放出処理に必要な触
媒活性温度に達したならば、点火栓の作動を停止し、N
Ox触媒の加熱のためのリッチガスの供給を終了させ
て、その後は、NOx放出・還元のためのリッチガスの
供給を行う。
ションから第2ポジションに切り替えられて、NOx触
媒61に対してNOx放出処理が実行される場合に、N
Ox触媒61の触媒床温度がNOx放出処理に必要な触媒
活性温度に達していないときには、三方弁30による前
記経路切り替え(前記ポジション切り替え)の直後にE
CU50は点火栓42を作動する。すると、還元剤供給
室34に供給されたリッチガスが排気管11に流入し、
消火体44を通って加熱室46に入り、ここで点火栓4
2によって着火せしめられる。この排気管11には弁体
32によって排気ガスの流入を殆ど阻止されているの
で、火炎を容易に形成することができる。
び排気管11の管壁を加熱し、NOx触媒61はこれら
熱を受熱して昇温する。そして、NOx触媒61の触媒
床温度がNOx放出処理に必要な触媒活性温度に達した
ならば、ECU50は点火栓42の作動を停止し、NO
x触媒61の加熱のためのリッチガスの供給を終了さ
せ、その後は、NOx放出・還元のためのリッチガスの
供給を行う。尚、NOx触媒61が直接火炎に晒されな
いように加熱室46の大きさおよび点火栓42とNOx
触媒61との離間寸法が設定されている。
実行する第2の実施の形態における排気浄化装置によれ
ば、NOx触媒に対するNOx放出処理を極めて効率的に
行うことができる。
内燃機関の排気浄化装置の第3の実施の形態を説明す
る。第3の実施の形態の排気浄化装置の構成は前述した
第2の実施の形態のものと全く同じである。第3の実施
の形態の排気浄化装置が第2の実施の形態のものと大き
く相違する点は、NOx触媒61,62に対する加熱タ
イミングにある。以下、この相違点について説明する。
は、一方のNOx触媒のNOx放出処理が終了しても直ぐ
には三方弁30の弁体32のポジション切り替えを実行
しないで該一方のNOx触媒を待機状態として他方のN
Ox触媒に排気ガスを流し続け、この他方のNOx触媒に
吸収されたNOx量が所定量に達したとECU50が判
定したときに三方弁30の弁体32のポジションを切り
替えて、他方のNOx触媒に対するNOx放出処理を実行
するように制御されるものとする。
NOx触媒のNOx放出処理が終了すると同時に(即ち、
NOx放出時間が経過したら)リッチガス供給装置41
を停止してリッチガスの供給を停止し、弁体32のポジ
ション切り替えと同時にリッチガス供給装置41を作動
してNOx放出処理のためのリッチガスを供給するよう
に制御されるものとする。
処理完了後に待機状態となっているNOx触媒には排気
ガスが流れないので、NOx触媒の触媒床温度は徐々に
低下することが予想される。したがって、待機状態を解
除してこのNOx触媒に排気ガスを流すべき時には、該
NOx触媒の触媒床温度がNOx吸収に必要な触媒活性温
度よりも低くなっている場合もあり得る。
においては、このようなときには、三方弁30の弁体3
2のポジション切り替え前に、リッチガス供給装置41
を作動させ、還元剤供給室34を介して待機状態のNO
x触媒に対応する排気管(11あるいは12)にリッチ
ガスを供給するとともに、該排気管に設けられた点火栓
(42あるいは43)を作動させることにより、該排気
管に供給されたリッチガスを着火し、加熱室(46ある
いは47)内に火炎を生じさせて、NOx触媒上流空間
および排気管壁を加熱し、これらの熱をNOx触媒に受
熱させてNOx触媒の触媒床温度をNOx吸収に必要な触
媒活性温度まで迅速に昇温させるようにした。そして、
NOx触媒の触媒床温度がNOx吸収に必要な触媒活性温
度に達したならば、点火栓の作動を停止し、NOx触媒
加熱のためのリッチガスの供給を終了させる。
弁30の弁体32のポジション切り替えを行うととも
に、リッチガス供給装置41を作動させてリッチガスを
還元剤供給室34に供給し、加熱処理完了後の前記NO
x触媒に排気ガスを流すとともに他方のNOx触媒のNO
x放出処理を実行する。
方弁30の弁体32が第2ポジションにあり、排気ガス
をNOx触媒62に流してNOxの吸収を行っており、且
つ、NOx触媒61が既にNOx放出処理を完了して待機
状態になっているものとする。
吸収されたNOx量が所定量に達したと判定した場合に
は、三方弁30の弁体32を第2ポジションから第1ポ
ジションに切り替える前に、NOx触媒61の触媒床温
度がNOx吸収に必要な触媒活性温度に達しているか否
か判定する。
必要な触媒活性温度に達している場合には、ECU50
は直ちに、三方弁30の弁体32を第2ポジションから
第1ポジションに切り替えるとともに、リッチガス供給
装置41を作動させてリッチガスを還元剤供給室34を
介してNOx触媒62に供給する。これにより、排気ガ
スは排気管11に流れ、排気ガス中のNOxがNOx触媒
61に吸収される。これと同時に、リッチガスによるN
Ox触媒62のNOx放出処理が実行されることになる。
度がNOx吸収に必要な触媒活性温度に達していない場
合には、ECU50は、三方弁30の弁体32を第2ポ
ジションから第1ポジションに切り替える前に、リッチ
ガス供給装置41を作動させて還元剤供給室34にリッ
チガスを供給するとともに、点火栓42を作動させる。
すると、還元剤供給室34に供給されたリッチガスが排
気管11に流入し、消火体44を通って加熱室46に入
り、ここで点火栓42によって着火せしめられ、火炎が
生じる。排気管11には弁体32によって排気ガスの流
入を殆ど阻止されているので、火炎を容易に形成するこ
とができる。この火炎はNOx触媒61の上流の空間お
よび排気管11の管壁を加熱し、NOx触媒61はこれ
らの熱を受熱して昇温する。
Ox吸収に必要な触媒活性温度に達したならば、ECU
50は、リッチガス供給装置41および点火栓42の作
動を停止し、NOx触媒61に対する加熱を停止する。
30の弁体32を第2ポジションから第1ポジションに
切り替えるとともに、リッチガス供給装置41を作動さ
せてリッチガスを還元剤供給室34を介してNOx触媒
62に供給する。これにより、排気ガスは排気管11に
流れ、排気ガス中のNOxがNOx触媒61に吸収され
る。これと同時に、リッチガスによるNOx触媒62の
NOx放出処理が実行されることになる。
実行する第3の実施の形態における排気浄化装置によれ
ば、三方弁30による排気ガスの経路切り替え直後のN
Ox浄化率を向上させることができる。
の実施の形態の排気浄化装置においても、エンジン1を
低温始動させるときのような場合であってNOx触媒6
1,62の触媒床温度が触媒活性温度に達していないと
きに、三方弁30の弁体32を図6において細い破線で
示す第3ポジションに保持して、排気管10を排気管1
1,12の両方に連通させ、リッチガス供給装置41を
作動してリッチガスを還元剤供給室34に供給し、エン
ジンから排出される酸素濃度の高いリーン空燃比の排気
ガスとリッチガス供給装置41から供給された還元剤濃
度の高いリッチガスとの混合ガスを両排気管11,12
に流し、点火栓42,43を作動させて、前記混合ガス
を着火して両加熱室46,47において火炎を生じせし
め、この火炎で両NOx触媒61,62の上流空間およ
び排気管11,12の管壁を加熱し、これらの熱を両N
Ox触媒61,62に受熱させて両NOx触媒61,62
の触媒床温度を触媒活性温度まで迅速に昇温させるよう
にすることも可能である。
にNOx触媒61,62からNOxが放出される虞れがあ
るので、放出されたNOxを還元浄化するために、リー
ン空燃比の排気ガスとリッチガス供給装置41から供給
されるリッチガスとの混合ガスの空燃比が理論空燃比あ
るいはリッチ空燃比になるように、リッチガスのリッチ
度およびリッチガスの流量を制御するのが好ましい。
気浄化装置においては、NOx触媒61,62の基材を
ウオールフロータイプにして、排気ガス中のPM(パー
ティキュレート)も同時に除去することができるように
することもできる。
よれば、吸蔵還元型NOx触媒による排気ガス中のNOx
の除去処理と、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収能力回
復処理を同時に並行して実行することができ、しかも、
装置の簡略化とコストダウンを図ることができるという
優れた効果が奏される。
手段を備えた場合には、必要に応じて吸蔵還元型NOx
触媒を昇温することができ、排気浄化装置のNOx浄化
能力を向上させることができる。
の実施の形態における概略構成図である。
拡大断面図である。
用を説明する図である。
行ルーチンの一例である。
の実施の形態における概略構成図である。
て示す構成図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 (イ)希薄燃焼可能な内燃機関の排気通
路であって並列的に複数に分岐された排気通路と、
(ロ)分岐された前記複数の排気通路のそれぞれに配置
され、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNO
xを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸
収したNOxを放出しN2に還元する吸蔵還元型NOx触
媒と、(ハ)排気ガスをいずれの前記吸蔵還元型NOx
触媒に導入するか選択的に切り替える排気経路切替手段
と、(ニ)排気ガスが流れていない前記吸蔵還元型NO
x触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備えた
内燃機関の排気浄化装置において、前記還元剤供給手段
の還元剤供給口は、前記排気経路切替手段が排気ガスを
いずれの吸蔵還元型NOx触媒に導入しているかにかか
わらず、排気ガスが流れていない吸蔵還元型NOx触媒
に連なる流路に位置していることを特徴とする内燃機関
の排気浄化装置。 - 【請求項2】 前記吸蔵還元型NOx触媒の温度または
排気ガス温度が所定温度以下のときに、前記排気経路切
替手段は総ての前記吸蔵還元型NOx触媒に排気ガスを
流すように作動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。 - 【請求項3】 前記吸蔵還元型NOx触媒の上流に点火
手段を備え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。 - 【請求項4】 希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に、
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸
収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収した
NOxを放出しN2に還元する吸蔵還元型NOx触媒が設
けられ、吸蔵還元型NOx触媒よりも上流の排気通路に
還元剤を供給する還元剤供給手段を備えた内燃機関の排
気浄化装置において、前記排気通路は、内燃機関に接続
された上流側排気通路と、この上流側排気通路から二つ
に分岐されて並列配置された第1下流側排気通路及び第
2下流側排気通路とを有し、前記第1及び第2下流側排
気通路にそれぞれ前記吸蔵還元型NOx触媒を備え、前
記排気通路の上流側排気通路と第1及び第2下流側排気
通路との分岐部には排気経路切替弁が設けられ、 前記排気経路切替弁は、 前記上流側排気通路に接続された第1ポートと前記第1
下流側排気通路に接続された第2ポートと前記第2下流
側排気通路に接続された第3ポートとを有するハウジン
グと、 このハウジング内に回動可能に支持され、前記第1ポー
トと第2ポートを連通するとともにこれらポートから第
3ポートを遮断する第1ポジションと、前記第1ポート
と第3ポートを連通するとともにこれらポートから第2
ポートを遮断する第2ポジションに切り替え可能な弁体
と、 前記ハウジング内に設けられ、前記弁体が第1ポジショ
ンに位置したときに第1ポートから遮断されるとともに
第3ポートに連通し、第2ポジションに位置したときに
第1ポートから遮断されるとともに第2ポートに連通す
る還元剤供給部と、を備え、前記排気経路切替弁の還元
剤供給部に前記還元剤供給手段から還元剤が供給される
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項5】 前記排気経路切替弁は、第1ポートと第
2ポートと第3ポートと還元剤供給部を同時に連通させ
る第3ポジションに前記弁体を保持可能であることを特
徴とする請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項6】 前記排気経路切替手段と前記第1下流側
排気通路の吸蔵還元型NOx触媒との間、及び、前記排
気経路切替手段と前記第2下流側排気通路の吸蔵還元型
NOx触媒との間に、それぞれ点火手段を備えることを
特徴とする請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項7】 前記排気経路切替手段によって排気ガス
の流通を閉ざされるべき第1または第2下流側排気通路
に属する前記点火手段は、該下流側排気通路への排気ガ
スの流通を閉ざすべく前記排気経路切替手段が排気経路
を切り替えた後に作動せしめられることを特徴とする請
求項6に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項8】 前記排気経路切替手段によって排気ガス
の流通を開始すべき第1または第2下流側排気通路に属
する前記点火手段は、該下流側排気通路に排気ガスを流
すべく前記排気経路切替手段が排気経路を切り替える前
に作動せしめられることを特徴とする請求項6に記載の
内燃機関の排気浄化装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000010052A JP3514200B2 (ja) | 1999-03-26 | 2000-01-13 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP11-83742 | 1999-03-26 | ||
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