JP5146545B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents
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Description
この発明は、内燃機関の排気浄化システムに係り、特に、NOx吸蔵還元触媒とNOx選択還元触媒とを備える内燃機関の排気浄化システムに関する。
従来、例えば日本特開2001−271679号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路にNOx吸蔵還元触媒(以下、「NSR触媒」と称する)を備えるシステムが知られている。NSR触媒は、内燃機関から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を触媒内部に吸蔵する吸蔵機能と、NOxおよび炭化水素(HC)等を浄化処理する触媒機能と、を備えた触媒である。内燃機関がリーン空燃比で運転される場合には、NOxを多量に含む排気ガスが排出される。このため、上記のNSR触媒は、このNOxをその内部に吸蔵して、該NOxが触媒下流へ放出される事態を抑制する。
ここで、NSR触媒に吸蔵されたNOxは、所定のタイミングで浄化処理される。より具体的には、上記従来のシステムでは、内燃機関から未燃成分を一時的に排出するリッチスパイクを実行する。これにより、該触媒内のNOxと未燃成分とを該触媒内で反応させる。
リッチスパイクの開始によって内燃機関から多量の未燃成分が排出されると、NSR触媒の下流に放出される排気ガスは、該触媒中に未燃成分によって還元されるべきNOxが残存している間はストイキ雰囲気となる。その後、触媒内に吸着していたNOxの還元が完了すると、未燃成分が触媒下流に放出されるため、排気ガスはリッチ雰囲気に変化する。上記従来のシステムでは、このような触媒下流の排気ガスのリッチ雰囲気への変化を酸素濃度や窒素酸化物濃度から検出して、その検出タイミングでリッチスパイクを終了することとしている。これにより、過剰なリッチスパイクの実行を防止することができるので、燃費悪化を抑制することができる。
上記従来のシステムでは、リッチスパイクによってNSR触媒に吸蔵されたNOxを処理することとしている。しかしながら、リッチスパイクの実行時においては、吸蔵されていたNOxの一部が該触媒下流に放出されてしまう場合がある。すなわち、リッチスパイクが実行されてNSR触媒内に還元剤である未燃成分が導入されると、吸蔵されていたNOxが脱離して触媒上で反応する。しかしながら、脱離したNOxの中には、触媒上で浄化されずに該触媒下流に吹き抜けてしまうNOxが存在する。このNOxの吹き抜けを抑制する方法としては、触媒容量を拡大して反応場を増やすことが考えられる。しかしながら、触媒の容量拡大は、貴金属の増加による大幅なコスト上昇を招いてしまう。このため、触媒容量を拡大することなく、NOxの吹き抜けによるエミッション悪化を抑制することのできるシステムが望まれていた。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、NSR触媒を備える内燃機関において、NOxの吹き抜けによるエミッション悪化を抑制することのできる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
第1の発明は、上記の目的を達成するため、リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気通路に配置されたNOx吸蔵還元触媒(以下、NSR触媒)と、
前記NSR触媒の下流に配置されたNOx選択還元触媒(以下、SCR)と、
リーンバーン運転中に所定のインターバルでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段のインターバルは、
予め計算されたリッチスパイク時に前記NSR触媒において生成されるNH3の生成量と前記インターバルとの関係と、予め計算されたリッチスパイク時に前記NSR触媒の下流へ吹き抜けるNOxの吹き抜け量と前記インターバルとの関係と、に基づいて、前記NOx吹き抜け量の全量が、前記SCRにおいて還元浄化される期間に設定されていることを特徴とする。
前記内燃機関の排気通路に配置されたNOx吸蔵還元触媒(以下、NSR触媒)と、
前記NSR触媒の下流に配置されたNOx選択還元触媒(以下、SCR)と、
リーンバーン運転中に所定のインターバルでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段のインターバルは、
予め計算されたリッチスパイク時に前記NSR触媒において生成されるNH3の生成量と前記インターバルとの関係と、予め計算されたリッチスパイク時に前記NSR触媒の下流へ吹き抜けるNOxの吹き抜け量と前記インターバルとの関係と、に基づいて、前記NOx吹き抜け量の全量が、前記SCRにおいて還元浄化される期間に設定されていることを特徴とする。
また、第2の発明は、第1の発明において、
前記インターバルの期間は、前記NOx吹き抜け量に対する前記NH3生成量の比率が所定の比率より大きくなる期間であることを特徴とする。
前記インターバルの期間は、前記NOx吹き抜け量に対する前記NH3生成量の比率が所定の比率より大きくなる期間であることを特徴とする。
また、第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記インターバルの期間は、前記インターバルに対する前記NH3生成量の増加割合が所定割合より大きくなる範囲の期間であることを特徴とする。
前記インターバルの期間は、前記インターバルに対する前記NH3生成量の増加割合が所定割合より大きくなる範囲の期間であることを特徴とする。
また、第4の発明は、第1または第2の発明において、
前記インターバルの期間は、前記NH3生成量が所定量より大きくなる範囲の期間であることを特徴とする。
前記インターバルの期間は、前記NH3生成量が所定量より大きくなる範囲の期間であることを特徴とする。
内燃機関のリーン運転中には、該内燃機関から排出されたNOxがNSR触媒(NOx吸蔵還元触媒)に吸蔵される。そして、リッチスパイクが実行されると、NSR触媒では、吸蔵されていたNOxが浄化されるとともに、NH3が生成される。生成されたNH3は、排気通路を流通して下流側に配置されたNOx選択還元触媒(SCR)内に吸蔵される。該SCRでは、吸蔵されたNH3を用いて、NSR触媒の下流に吹き抜けたNOxを選択的に還元する。
リッチスパイクのインターバルが長いほど、NSR触媒に多量のNOxが吸蔵される。このため、該インターバルが長いほど、リッチスパイク時に生成されるNH3量は多量となる。一方において、NSR触媒に多量のNOxが吸蔵されるほど、すなわち、該インターバルが長いほど、リッチスパイク時に該NSR触媒を吹き抜けるNOx量は多量となる。第1の発明によれば、予め計算されたNH3の生成量とインターバルとの関係、および予め計算されたNOxの吹き抜け量とインターバルとの関係に基づいて、吹き抜けたNOxの全量がSCRにおいて還元浄化されるようにインターバルが設定される。このため、本発明によれば、吹き抜けてきたNOxの全量をSCRにおいて浄化することができるので、エミッションの悪化を効果的に抑制することができる。
第2の発明によれば、リッチスパイクのインターバルは、NOx吹き抜け量に対するNH3生成量の比率が所定の比率より大きくなるように設定される。このため、本発明によれば、SCRにおいてNH3が不足して、NOx吹き抜け量の全量を還元浄化できない事態を有効に回避することができる。
第3の発明によれば、リッチスパイクのインターバルは、NH3生成量の増加割合が所定割合よりも大きくなる範囲で設定される。このため、本発明によれば、SCRに多量のNH3を吸蔵させることができるので、NOx吹き抜け量の全量を還元浄化できない事態を有効に回避することができる。
第4の発明によれば、リッチスパイクのインターバルは、NH3生成量が所定量よりも大きくなる範囲で設定される。このため、本発明によれば、SCRに所望量のNH3を吸蔵させることができるので、NOx吹き抜け量の全量を還元浄化できない事態を有効に回避することができる。
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
[実施の形態の構成]
図1は、本発明の実施の形態の構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関10を備えている。内燃機関10は、右バンク101および左バンク102を備えたV型のガソリンエンジンとして構成されている。右バンク101に属する気筒群は、排気通路121に連通している。また、左バンク102に属する気筒群は、排気通路122に連通している。排気通路121および122は、下流で合流した後に排気通路123の一端に連通している。以下、排気通路121、122、および123を特に区別しない場合には、これらを単に「排気通路12」と称することとする。
[実施の形態の構成]
図1は、本発明の実施の形態の構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関10を備えている。内燃機関10は、右バンク101および左バンク102を備えたV型のガソリンエンジンとして構成されている。右バンク101に属する気筒群は、排気通路121に連通している。また、左バンク102に属する気筒群は、排気通路122に連通している。排気通路121および122は、下流で合流した後に排気通路123の一端に連通している。以下、排気通路121、122、および123を特に区別しない場合には、これらを単に「排気通路12」と称することとする。
排気通路121および122には、三元触媒であるスタート触媒(以下、「SC」と称する)141および142がそれぞれ配置されている。また、SC14の下流側に位置する排気通路123には、NOx吸蔵還元触媒(以下、「NSR触媒」と称する)16が配置されている。更に、排気通路123におけるNSR触媒16の下流側には、NOx選択還元触媒(以下、「SCR」と称する)18が配置されている。以下、SC141および142を特に区別しない場合には、これらを単に「SC14」と称することとする。
内燃機関10は、空燃比がリッチである場合に、HCおよびCOを排出し易い。また、空燃比がリーンである場合にNOxを排出しやすい。SC14は、リーン雰囲気では酸素(O2)を吸着しながらNOxを還元(N2に浄化)する。他方、リッチ雰囲気では、酸素を放出しながらHCおよびCOを酸化(H2O、CO2に浄化)する。また、リッチ雰囲気下では、排気ガス中に含まれる窒素が水素と反応することにより、アンモニア(NH3)が生成される。
NSR触媒16は、リーン雰囲気下では、排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵する。また、NSR触媒16は、リッチ雰囲気下で吸蔵しているNOxを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたNOxは、HCやCOにより還元される。この際、SC14の場合と同様に、NSR16においてもNH3が生成される。
SCR18は、Fe系ゼオライト触媒として構成され、SC14およびNSR触媒16が、リッチ雰囲気下で生成するNH3を吸蔵し、リーン雰囲気下では、NH3を還元剤として、排気ガス中のNOxを選択的に還元する機能を有している。SCR18によれば、NSR触媒16の下流に吹き抜けてきたNH3およびNOxが大気中に放出される事態を有効に阻止することができる。
図1に示すシステムは、排気通路123におけるNSR触媒16の上流側の位置、および、NSR触媒16の下流側、且つSCR18の上流側の位置に、酸素(O2)センサ22,24を備えている。O2センサ22,24は、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を発生するセンサである。また、排気通路12におけるSCR18の下流側には、NOxセンサ26が配置されている。NOxセンサは、排気ガス中のNOxおよびNH3に反応して、それらの濃度に応じた信号を発生する。このため、NOxセンサ26によれば、リッチ雰囲気下ではSCR18の下流におけるNH3濃度を、また、リーン雰囲気下では、SCR18の下流におけるNOx濃度を、それぞれ検知することができる。
本実施の形態のシステムは、図1に示すとおり、ECU(Electronic Control Unit)30を備えている。ECU30の出力部には、燃料噴射装置(図示せず)等の種々のアクチュエータが接続されている。ECU30の入力部には、上述したA/Fセンサ20、O2センサ22,24、およびNOxセンサ26の他、内燃機関10の運転条件および運転状態を検出するための種々のセンサ類が接続されている。ECU30は、入力された各種の情報に基づいて、図1に示すシステムの状態を制御することができる。
[実施の形態1の動作]
(リッチスパイク制御について)
先ず、図2を参照して、本実施の形態のシステムにおいて実行されるリッチスパイク制御について説明する。図2は、本実施の形態のシステムにおいて実行されるリッチスパイク制御について説明するための図である。尚、図2中の(A)は内燃機関10のリーン運転中の触媒内の様子を、図2中の(B)は、内燃機関10のリッチスパイク実行中の触媒内の様子を、それぞれ示している。
(リッチスパイク制御について)
先ず、図2を参照して、本実施の形態のシステムにおいて実行されるリッチスパイク制御について説明する。図2は、本実施の形態のシステムにおいて実行されるリッチスパイク制御について説明するための図である。尚、図2中の(A)は内燃機関10のリーン運転中の触媒内の様子を、図2中の(B)は、内燃機関10のリッチスパイク実行中の触媒内の様子を、それぞれ示している。
ECU30は、通常、内燃機関10をリーン空燃比で運転(リーン運転)させる。リーン運転中は、NOx等の酸化剤がHC、CO等の還元剤よりも多量に排出される。このため、三元触媒を用いて当該排気ガスを浄化しようとしても、還元剤の不足によって全てのNOxを浄化することができない。そこで、本実施の形態1のシステムは、排気通路123にNSR触媒16を備えることとしている。図2(A)に示すとおり、NSR触媒16は、NOxをBa(NO3)2等の硝酸塩として吸蔵する機能を有している。このため、本実施の形態1のシステムによれば、リーン運転中であっても、該NOxが大気中に放出されてしまう事態を効果的に抑制することができる。
但し、NSR触媒16のNOx吸蔵性能は、吸蔵量が増加するにつれて低下してしまう。このため、リーン運転が長時間継続されると、吸蔵されなかったNOxが該触媒下流に吹き抜けてしまう。そこで、本実施の形態1のシステムでは、NSR触媒16に吸蔵されたNOxを定期的に脱離させて処理するリッチスパイク制御が実行される。より具体的には、NSR触媒16の吸蔵性能が低下する所定のタイミングで、内燃機関10の排気空燃比が一時的にリッチに(例えば、A/F=12)される。図2(B)に示すとおり、リッチスパイク実行中の排気ガスには、HC、CO、H2等の還元剤が多量に含まれている。このため、これらの還元剤がNSR触媒16内へ導入されると、硝酸塩として吸蔵されていたNOxは、NOまで還元されて塩基から脱離される。脱離したNOxは、NSR触媒16内の触媒上でN2等に浄化されて処理される。このように、リーン運転中にリッチスパイクを実行することにより、NSR触媒16に吸蔵されていたNOxを脱離処理することができるので、NOx吸蔵性能を有効に回復させることができる。
(SCRによるNOx浄化動作)
次に、SCR18の機能について説明する。上述したとおり、リッチスパイクの実行によって、NSR触媒16のNOx吸蔵性能を有効に回復させることができる。しかしながら、リッチスパイクが実行されると、該NSR触媒16から脱離したNOxの一部が浄化されずにそのまま下流に吹き抜けてしまう。また、上述したとおり、リーン運転中にNSR触媒16に吸蔵されずに下流に吹き抜けたNOxも存在する。これらの吹き抜けNOxがそのまま大気中に放出されてしまうとエミッションの悪化を招いてしまう。
次に、SCR18の機能について説明する。上述したとおり、リッチスパイクの実行によって、NSR触媒16のNOx吸蔵性能を有効に回復させることができる。しかしながら、リッチスパイクが実行されると、該NSR触媒16から脱離したNOxの一部が浄化されずにそのまま下流に吹き抜けてしまう。また、上述したとおり、リーン運転中にNSR触媒16に吸蔵されずに下流に吹き抜けたNOxも存在する。これらの吹き抜けNOxがそのまま大気中に放出されてしまうとエミッションの悪化を招いてしまう。
そこで、本実施の形態1のシステムは、NSR触媒16の下流側に吹き抜けたNOxを処理するためのSCR18を備えることとしている。上述したとおり、SCR18は、SC14およびNSR触媒16が、リッチ雰囲気下で生成するNH3をその内部に吸蔵している。このため、SCR18によれば、NSR触媒16の下流に吹き抜けてきたNOxをNH3で選択的に還元して浄化することができる。これにより、NOxが大気中に放出されてエミッションが悪化する事態を有効に阻止することができる。
尚、本出願の発明者の見解によれば、SCR18の床温を500℃以下、好ましくは300℃前後とすることによって、該SCR18における還元反応を活発に行わせることができる。このため、本実施の形態1のシステムでは、SCR18の床温が300℃前後となるように、その配置が調整されている。これにより、SCR18の下流にNOxが放出される事態を効果的に抑止することができる。
[本実施の形態1の特徴的動作]
次に、図3乃至図6を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。上述したとおり、内燃機関10のリーン運転中にリッチスパイクが実行されると、NSR触媒16に吸蔵されていたNOxがN2等に浄化されるとともに、浄化反応の中間生成物としてNH3も生成される。生成されたNH3は、該NSR触媒16の下流に配置されたSCR18に吸蔵されて、NOxの浄化に使用される。
次に、図3乃至図6を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。上述したとおり、内燃機関10のリーン運転中にリッチスパイクが実行されると、NSR触媒16に吸蔵されていたNOxがN2等に浄化されるとともに、浄化反応の中間生成物としてNH3も生成される。生成されたNH3は、該NSR触媒16の下流に配置されたSCR18に吸蔵されて、NOxの浄化に使用される。
ここで、SCR18において吹き抜けNOxの全量を浄化するためには、該NOxの全量を浄化しうる量のNH3が生成されることが求められる。NH3は、NOx量が多く触媒活性が落ちている環境下において多量に生成される。そこで、NH3生成量を有効に増量するための手段として、リッチスパイクのインターバルを長くすることが考えられる。これにより、リーン運転期間が長くなるので、NSR触媒16へのNOx吸蔵量が増量されてNH3生成量が増量される。
しかしながら、インターバルを長く設定すると、NOx吹き抜け量も増大してしまう。これは、上述したとおり、NSR触媒16へのNOx吸蔵量が多量になるほど、NOx吹き抜け量も増大してしまうからである。したがって、吹き抜けNOxを有効に浄化するためには、NH3生成量とNOx吹き抜け量とのバランスを考慮したインターバル設定が必要となる。
そこで、本出願の発明者は、リッチスパイクのインターバルとNH3生成量との関係に着目し鋭意研究を重ねた結果、NH3生成量が急激に上昇するインターバル期間が存在することを見出した。図3は、インターバルとNH3発生量およびNOx吹き抜け量との関係を示す図である。この図に示すとおり、NOx吹き抜け量は、インターバルに対してほぼ一定の割合で上昇している。これに対して、NH3生成量は、時間t3以降急激に上昇している。したがって、NH3生成量とNOx吹き抜け量との関係は、インターバルの長さによって変化することとなる。
図4は、インターバルがt2に設定された場合のNOx吹き抜け量とSCR18の下流側のNOx量とを示す図である。この図に示すとおり、インターバルがt2(10S)の場合、リーン運転中にNSR16に吸蔵されるNOx量が少量となる。このため、リッチスパイク時の吹き抜けNOx量、およびNH3生成量(SCR18への吸蔵量)は、それぞれ少量となっている。したがって、この図に示す関係においては、NH3が不足して微量のNOxがSCR18の下流へ排出されてしまう。
次に、図5は、インターバルがt3に設定された場合のNOx吹き抜け量とSCR18の下流側のNOx量とを示す図である。この図に示すとおり、インターバルがt3(20S)の場合、リーン運転中にNSR16に吸蔵されるNOx量が中量程度となる。このため、リッチスパイク時の吹き抜けNOx量、およびNH3生成量(SCR18への吸蔵量)は、それぞれ中量程度となっている。したがって、この図に示す関係では、吹き抜けNOx量の増量の割にNH3生成量が増量されないため、SCR18の下流へ排出されるNOxは、図4に示す場合に比してやや増加してしまっている。
次に、図6は、インターバルがt4に設定された場合のNOx吹き抜け量とSCR18の下流側のNOx量とを示す図である。この図に示すとおり、インターバルがt4(25S)の場合、リーン運転中にNSR16に吸蔵されるNOx量は、上述したインターバルがt3の場合と大差はなく、中量程度となる。このため、リッチスパイク時の吹き抜けNOx量も、同様に中量程度となっている。一方、図3に示すとおり、インターバルがt4の場合のNH3生成量は、インターバルがt3の場合に比して急激に上昇している。このため、図6に示すとおり、SCR18には多量のNH3が吸蔵されることとなる。したがって、この図に示す関係では、吹き抜けNOx量の増量に比して、NH3生成量が急激に増量されているため、SCR18の下流へ排出されるNOxは、限りなくゼロに近づいている。
このように、リッチスパイクのインターバルの設定によって、NOx吹き抜け量とNH3生成量との関係が変化する。そこで、本実施の形態1のシステムでは、NH3生成量とNOx吹き抜け量との関係が上述した図6に示す関係になるように、リッチスパイクのインターバルを設定することとする。より具体的には、図3に示すNH3生成量とインターバルとの関係に基づいて、NH3生成量が急激に上昇する領域となるインターバルに設定することとする。この領域の特定方法としては、例えば、NH3生成量の増加割合が所定割合より大きくなる領域として特定する方法や、NH3生成量が所定値より大きくなる領域として特定する方法等が考えられる。これにより、NOx吹き抜け量に対するNH3生成量を増大させることができるので、NH3の不足によってNOxが大気中に放出される事態を効果的に抑制することができる。
尚、インターバルを更に長くしていくと、NSR触媒16におけるNOx吸蔵量が極多量となり、吹き抜けNOx量が極端に増大してしまう。このため、NOx吹き抜け量に対してNH3生成量が不足しない範囲で該インターバルを設定することが好ましい。
ところで、上述した実施の形態1のシステムでは、NH3生成量の不足が生じないように、NH3生成量が急激に上昇する領域に対応するインターバルに設定することとしているが、当該インターバルの設定方法はこれに限られない。すなわち、図3に示す関係に基づいて、NH3生成量とNOx吹き抜け量との比率を演算し、NOx吹き抜け量に対してNH3生成量が不足しない領域を特定することとしてもよい。
また、上述した実施の形態1のシステムでは、図3に示す関係に基づいてインターバルをフィードフォワード制御しているが、インターバルの設定方法はこれに限られない。すなわち、NOxセンサ26を用いて、SCR18下流のNOx濃度を検知して当該インターバルをフィードバック制御することとしてもよい。
尚、上述した実施の形態1においては、NSR触媒16が前記第1の発明における「NSR触媒」に、SCR18が前記第1の発明における「SCR」に、図3における実線が前記第1の発明における「NH 3 の生成量とインターバルとの関係」に、図3における鎖線が前記第1の発明における「NOxの吹き抜け量とインターバルとの関係」に、それぞれ相当している。
10 内燃機関(エンジン)
12 排気通路
14 スタート触媒(SC)
16 NOx吸蔵還元触媒(NSR触媒)
18 NOx選択還元触媒(SCR)
22 O2センサ
24 O2センサ
26 NOxセンサ
30 ECU(Electronic Control Unit)
12 排気通路
14 スタート触媒(SC)
16 NOx吸蔵還元触媒(NSR触媒)
18 NOx選択還元触媒(SCR)
22 O2センサ
24 O2センサ
26 NOxセンサ
30 ECU(Electronic Control Unit)
Claims (4)
- リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気通路に配置されたNOx吸蔵還元触媒(以下、NSR触媒)と、
前記NSR触媒の下流に配置されたNOx選択還元触媒(以下、SCR)と、
リーンバーン運転中に所定のインターバルでリッチスパイクを実行するリッチスパイク手段と、を備え、
前記リッチスパイク手段のインターバルは、
予め計算されたリッチスパイク時に前記NSR触媒において生成されるNH3の生成量と前記インターバルとの関係と、予め計算されたリッチスパイク時に前記NSR触媒の下流へ吹き抜けるNOxの吹き抜け量と前記インターバルとの関係と、に基づいて、前記NOx吹き抜け量の全量が、前記SCRにおいて還元浄化される期間に設定されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。 - 前記インターバルの期間は、前記NOx吹き抜け量に対する前記NH3生成量の比率が所定の比率より大きくなる期間であることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気浄化システム。
- 前記インターバルの期間は、前記インターバルに対する前記NH3生成量の増加割合が所定割合より大きくなる範囲の期間であることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の排気浄化システム。
- 前記インターバルの期間は、前記NH3生成量が所定量より大きくなる範囲の期間であることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の排気浄化システム。
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