説明

エンジンの排気還流量制御弁

【課題】簡単な構成で低コストな排気還流量制御弁を提供する。
【解決手段】エンジンの排気通路3内の排気ガスの一部を取り入れる取入通路17と、取入通路17の両側に設けられ、取入通路17から流入した排気ガスをエンジンの吸気通路2に供給する第一供給通路18及び第二供給通路19と、第一供給通路18及び第二供給通路19と取入通路17との間をそれぞれ連通する第一開口部20及び第二開口部21と、第一開口部20及び第二開口部21をそれぞれ開閉するための第一弁体22及び第二弁体23が同軸上に一体形成されたバルブ25とを備え、バルブ25の第一弁体22及び第二弁体23を、バルブ25のリフト量に対するガス流量の変化率が互いに異なるようにする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エンジンの排気通路内の排気ガスの一部をエンジンの吸気通路に還流させる際の排気還流量を調節する排気還流量制御弁に関する。
【背景技術】
【0002】
エンジンの排気通路内の排気ガスの一部をエンジンの吸気通路に還流させるための排気再循環装置(EGR装置)は、例えば、エンジンの排気管(或いは排気マニフォールド)と吸気管(或いは吸気マニフォールド)とを結び、排気管からEGRガス(排気ガス)を抜き出す排気還流管(EGR管)と、排気還流管の途中に設けられ、EGRガスを冷却するEGRクーラと、エンジンの回転速度、負荷、吸入空気量(MAF量)及びアクセル開度等を検出する検出手段と、排気還流管の途中に設けられ、検出手段により検出される検出値に応じて排気還流量(EGR量)或いは排気還流率(EGR率)を調節するためにガス流路面積(開口面積)が可変とされる排気還流量制御弁(EGR弁)と、EGR弁のガス流路面積を調節するためにEGR弁のリフト量(開度)を制御するコンピュータとから構成される。
【0003】
例えば、エンジンの回転速度及び負荷を検出し、設定されたEGR率になるようにコンピュータの指示に基づきEGR弁のリフト量を制御することで、目標とするEGR率を得ようとする。或いは、エンジンの回転速度、負荷及びMAF量を検出し、設定されたMAF量になるようにコンピュータの指示に基づきEGR弁のリフト量を制御することで、目標とするEGR率を得ようとする。
【0004】
近年、厳しい排気ガス規制に対応するために大量のEGRを行う必要があり、EGR弁も大量のEGRガスを流すために、EGR弁のリフト量に対するガス流路の必要面積(ガスの必要流量)は拡大する傾向にある。
【0005】
ところで、エンジンの低負荷運転領域においてNOx(窒素酸化物)、PM(粒子状物質)を低減できる技術として有望なディーゼル予混合燃焼(PCI燃焼)においては、過早着火やノッキング等を防止し、燃焼の着火時期を制御すべく大量のEGRを行う。しかし、EGR率を制御すべき範囲が狭く、この範囲を外れると過早着火やノッキング等を生じ、燃焼時のノッキング音発生やPMの排出量増大の問題を引き起こす。従って、エンジンの低負荷運転領域においては、EGR率を狭い制御範囲で精度良く制御するために、EGR弁のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率を小さくする必要がある。
【0006】
通常燃焼(拡散燃焼)にEGRを組み合わせてNOx低減を行う場合、車両の加速時に主として用いられるエンジンの高負荷運転領域においては、ターボチャージャの応答遅れにより定常運転に比べて空気過剰率が低下する。従って、エンジンの高負荷運転領域においても、EGR率を狭い制御範囲で精度良く制御するために、EGR弁のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率を小さくする必要がある。また、エンジンの高負荷運転領域においては、EGR率を低く抑えるものの大量のEGRガスを流すために、EGR弁のガス流路面積(ガス流量)を大きくする必要がある。
【0007】
通常燃焼にEGRを組み合わせてNOx低減を行う場合、車両の定常走行時に主として用いられるエンジンの中負荷運転領域においては、変動が少なく、且つ、空気過剰率が比較的高い。従って、エンジンの中負荷運転領域においては、大量のEGRを行い、EGR率の制御範囲を広く設定することができる。
【0008】
エンジンの中負荷運転領域では大量のEGRを行い、エンジンの低・高負荷運転領域では大量のEGRを狭い制御範囲で行うためには、EGR弁のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率を小さくし、且つ、EGR弁のリフト量を大きくする必要がある。
【0009】
しかし、単にEGR弁のリフト量を大きくすると、(1)EGR弁が大型化し車両への搭載性に支障をきたす、(2)EGR弁を大リフト量で素早く動かすために大きな駆動力が必要となる、(3)EGR弁のリフト量を大きくするために、EGR弁の応答性がむしろ悪くなる、等の問題が発生する。
【0010】
このような問題を解決すべく、リフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率が互いに異なる複数のバルブと、これら複数のバルブを適宜開閉動作させるための駆動手段とを備えたEGR弁が提案されている。このようなEGR弁は、特許文献1から3等にも記載されている。
【0011】
【特許文献1】特開平8−312470号公報
【特許文献2】特開平11−13558号公報
【特許文献3】特開2002−81571号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
しかし、特許文献1から3等では、複数のバルブを全て別体で構成し、それら複数のバルブを適宜開閉動作させるための駆動手段を設けているため、構造が大型化し更にコストが掛かるという問題がある。
【0013】
そこで、本発明の目的は、簡単な構成で低コストな排気還流量制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、エンジンの排気通路内の排気ガスの一部を上記エンジンの吸気通路に還流させる際の排気還流量を調節する排気還流量制御弁であって、上記排気通路内の排気ガスの一部を取り入れる取入通路と、該取入通路の両側に設けられ、上記取入通路から流入した排気ガスを上記吸気通路に供給する第一供給通路及び第二供給通路と、これら第一供給通路及び第二供給通路と上記取入通路との間をそれぞれ連通する第一開口部及び第二開口部と、これら第一開口部及び第二開口部をそれぞれ開閉するための第一弁体及び第二弁体が同軸上に一体形成されたバルブとを備え、該バルブの第一弁体及び第二弁体が、上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が互いに異なることを特徴とするエンジンの排気還流量制御弁である。
【0015】
請求項2の発明は、上記第一弁体が、上記バルブの閉弁時に上記第一開口部に挿入され、上記バルブのリフトに応じて上記第一開口部から離脱される環状の軸部を有する請求項1に記載のエンジンの排気還流量制御弁である。
【0016】
請求項3の発明は、上記第一弁体が、上記軸部の径より小さく形成され、上記バルブのリフトに応じて上記第一開口部に挿入される板状の突起部を有する請求項2に記載のエンジンの排気還流量制御弁である。
【0017】
請求項4の発明は、上記第一弁体は、小リフト域及び高リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が中リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率よりも小さく設定され、上記第二弁体は、全リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量が上記バルブのリフトに応じて増加するように設定される請求項1から3いずれかに記載のエンジンの排気還流量制御弁である。
【0018】
請求項5の発明は、上記第一弁体は、小リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が中リフト域及び高リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率よりも小さく設定され、上記第二弁体は、全リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量が上記バルブのリフトに応じて増加するように設定される請求項1から3いずれかに記載のエンジンの排気還流量制御弁である。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、簡単な構成で低コストな排気還流量制御弁を提供することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0021】
図1は、本発明の第一実施形態に係る排気還流量制御弁を備えたエンジンの概略図である。図2は、第一実施形態の排気還流量制御弁の断面図である。図3(a)から(c)は、小リフト域、中リフト域及び高リフト域での第一実施形態の排気還流量制御弁をそれぞれ示す概略図である。図4は、第一実施形態の排気還流量制御弁の流量特性を示すグラフである。
【0022】
本実施形態は、車両用等のディーゼルエンジン(以下、エンジンという)に適用したものである。
【0023】
まず、エンジンについて説明する。
【0024】
図1中、1がエンジン本体、2がエンジン本体1に接続され吸入空気が流通する吸気通路としての吸気管(或いは吸気マニフォールド)、3がエンジン本体1に接続され排気ガスが流通する排気通路としての排気管(或いは排気マニフォールド)である。
【0025】
吸気管2には、ターボチャージャ4のコンプレッサ5が接続される。排気管3には、ターボチャージャ4のタービン6が接続される。
【0026】
エンジンは、排気管3内の排気ガスの一部を吸気管2に還流させるための排気再循環装置7(以下、EGR装置という)を備えている。
【0027】
EGR装置7は、排気管3と吸気管2とを結び、排気管3からEGRガス(排気ガス)を抜き出す排気還流通路としての排気還流管8(以下、EGR管という)と、EGR管8の途中に設けられ、EGRガスを冷却するEGRクーラ9と、EGR管8の途中に設けられ、排気還流量(以下、EGR量という)或いは排気還流率(以下、EGR率という)を調節するためにガス流路面積(開口面積)が可変とされる排気還流量制御弁10(以下、EGR弁という)と、EGR弁10のガス流路面積を変化させるためにEGR弁10のリフト量を制御するコンピュータ11とを有している。
【0028】
コンピュータ11は、各種センサ類から実際のエンジン運転状態を検出し、このエンジン運転状態に基づいてEGR弁10を制御する。上記センサ類としては、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転検出手段としてのエンジン回転センサ12、エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段としてのエンジン負荷センサ13、吸入空気量(以下、MAF量という)を検出する吸入空気量検出手段としての吸入空気量センサ14、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段としてのアクセル開度センサ15等が含まれ、これらセンサ12、13、14、15からの検出信号がコンピュータ11に入力される。
【0029】
例えば、コンピュータ11は、エンジン回転センサ12及びエンジン負荷センサ13により検出されたエンジンの回転速度及び負荷の検出値を設定されたEGR率になるようなリフト量が予め入力されたマップに入力してリフト量を求め、求めたリフト量に従ってEGR弁10を制御する。
【0030】
或いは、コンピュータ11は、エンジン回転センサ12、エンジン負荷センサ13及び吸入空気量センサ14により検出されたエンジンの回転速度、負荷及びMAF量の検出値を設定されたMAF量(設定されたMAF量=EGR無しのMAF量−EGR量)になるようなリフト量が予め入力されたマップに入力してリフト量を求め、求めたリフト量に従ってEGR弁10を制御する。
【0031】
次に、EGR弁10について図2により説明する。
【0032】
本実施形態は、エンジンの空気過剰率が低く、EGR量或いはEGR率の微妙な制御が必要となる中負荷運転領域から高負荷運転領域で使用することが考えられる。
【0033】
図2に示すように、EGR弁10は、EGR管8の途中に配設されるケーシング16を備えている。ケーシング16には、排気管3内の排気ガスの一部を取り入れる取入通路17と、取入通路17の両側(図示例では、上下)に設けられ、取入通路17から流入した排気ガスを吸気管2に供給する第一供給通路18及び第二供給通路19と、第一供給通路18及び第二供給通路19と取入通路17との間をそれぞれ連通する第一開口部20及び第二開口部21と、第一開口部20を開閉するための第一弁体22及び第二開口部21を開閉するための第二弁体23が同軸上に(同一の軸部24上に)一体形成されたバルブ25とが設けられている。
【0034】
バルブ25は、ケーシング16に設けられた挿通穴26に摺動自在に支持された軸部24を有している。第一弁体22が軸部24の中間部に設けられ、第二弁体23が軸部24の端部(図示例では、下端部)に設けられる。
【0035】
バルブ25は、第一開口部20に設けられた第一バルブ穴27及び第二開口部21に設けられた第二バルブ穴28に挿通された状態で、付勢手段(図示せず)により閉方向(図示例では、上方)に付勢される。
【0036】
第一弁体22の弁部29は、第一開口部20の第一バルブ穴27より大きい外径を有し、第一開口部20に設けられたバルブシート30の取入通路17側(図示例では、下面)に着座するようになっている。
【0037】
第一弁体22は、小リフト域及び高リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率が中リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率よりも小さく設定される。
【0038】
第一弁体22は、第一バルブ穴27の径より小さい範囲で拡径され、バルブ25(第一弁体22)の閉弁時に第一開口部20(第一バルブ穴27)に挿入され、バルブ25のリフトに応じて第一開口部20(第一バルブ穴27)から離脱される円環状の軸部(拡径軸部)31と、拡径軸部31の径より小さく形成され、バルブ25のリフトに応じて第一開口部20(第一バルブ穴27)に挿入される円板状の突起部(突起板)32とを有している。
【0039】
拡径軸部31は、小リフト域で第一バルブ穴27内に位置するものであり、弁部29及び突起部32と同軸上に(同一の軸部24上に)一体形成される。拡径軸部31は、弁部29の端部(図示例では、上端部)に連続させて設けられる。拡径軸部31の外径は、拡径軸部31が第一バルブ穴27に挿入された際の拡径軸部31と第一バルブ穴27との間の隙間面積が、比較的小さくなるように設定される。
【0040】
突起部32は、高リフト域で第一バルブ穴27内に位置するものであり、弁部29及び拡径軸部31と同軸上に(同一の軸部24上に)一体形成される。突起部32は、弁部29及び拡径軸部31に対して軸方向に(図示例では、上方に)所定間隔を隔てて設けられる。
【0041】
突起部32の外径は、突起部32が第一バルブ穴27に挿入された際の突起部32と第一バルブ穴27との間の隙間面積が、拡径軸部31が第一バルブ穴27から離脱され、突起部32が第一バルブ穴27に挿入されるまでの拡径軸部31と第一バルブ穴27との間の最大開口面積よりわずかに大きくなるように設定される。
【0042】
第二弁体23の弁部33は、第二開口部21の第二バルブ穴28より大きい外径を有し、第二開口部21に設けられたバルブシート34の第二供給通路19側(図示例では、下面)に着座するようになっている。
【0043】
第二弁体23は、全リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)がバルブ25のリフトに応じて直線的に増加するように設定される。第二弁体23は、そのガス流路面積(ガス流量)が全リフト域で第一弁体22のガス流路面積(ガス流量)より大きくなるように設定される。
【0044】
本実施形態の作用を説明する。
【0045】
駆動手段(図示せず)によりバルブ25を開方向(図示例では、下方向)にリフトさせる。
【0046】
拡径軸部31が設けられている第一弁体22においては、拡径軸部31が第一バルブ穴27内に位置する小リフト域(図3(a)参照)の間、第一弁体22のガス流路面積は、拡径軸部31と第一バルブ穴27との間の隙間面積により規定されて一定となり、拡径軸部31と第一バルブ穴27との間の隙間を通るガス流量に抑えられる(図4参照)。
【0047】
また、第一弁体22においては、拡径軸部31が第一バルブ穴27から離脱され、突起部32が第一バルブ穴27に挿入されるまでの中リフト域(図3(b)参照)の間、拡径軸部31及び突起部32が第一バルブ穴27内に位置していない。したがって、中リフト域の間、第一弁体22のガス流路面積はバルブ25のリフトに応じて直線的に増加し、そのガス流路面積及びリフト量に応じたガス流量となる(図4参照)。
【0048】
また、第一弁体22においては、突起部32が第一バルブ穴27内に位置する高リフト域(図3(c)参照)の間、第一弁体22のガス流路面積は、突起部32と第一バルブ穴27との間の隙間面積により規定されて中リフト域までの拡径軸部31と第一バルブ穴27との間の最大開口面積を下回らない範囲で一定となり、突起部32と第一バルブ穴27との間の隙間を通るガス流量に抑えられる(図4参照)。
【0049】
一方、拡径軸部31及び突起部32が設けられていない第二弁体23においては、全リフト域(図3(a)〜(c)参照)の間、ガス流路面積はバルブ25のリフトに応じて直線的に増加し、そのガス流路面積及びリフト量に応じたガス流量となる(図4参照)。
【0050】
従って、バルブ25全体としては、小リフト域、中リフト域及び高リフト域の三段階でバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率が変化する(図4参照)。
【0051】
詳しくは、PCI燃焼領域(エンジンの低負荷運転領域)で用いる高リフト域、高負荷運転領域で用いる低リフト域では、第二弁体23によってバルブ25のリフト量に対するバルブ25のガス流路面積(ガス流量)を十分に確保しながら、第一弁体22によってバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率の感度を落とし、中負荷運転領域で用いる中リフト域では、第一弁体22及び第二弁体23によって少ないリフト量でバルブ25のリフト量に対するバルブ25のガス流路面積(ガス流量)を十分に確保できるようにしている。
【0052】
本実施形態では、第一弁体22は、小リフト域及び高リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率が中リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率よりも小さく設定され、第二弁体23は、全リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)がバルブ25のリフトに応じて増加するように設定されるため、バルブ25全体として、小リフト域及び高リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率を中リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率より小さくすることができ、小リフト域及び高リフト域でのEGR率を狭い制御範囲で精度良く制御することが可能となる。
【0053】
また、本実施形態では、第一弁体22及び第二弁体23を同軸上に(同一の軸部24上に)一体形成するようにしているので、バルブ25を動かす駆動手段を複数設ける必要がないため、構造が大型化したりコストが掛かるということはない。
【0054】
以上要するに、本実施形態によれば、簡単な構成で低コストな排気還流量制御弁を提供することができる。
【0055】
次に、第二実施形態について図5から図7に基づいて説明する。
【0056】
第一実施形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。
【0057】
図5は、第二実施形態の排気還流量制御弁の断面図である。図6(a)から(c)は、小リフト域、中リフト域及び高リフト域での第二実施形態の排気還流量制御弁をそれぞれ示す概略図である。図7は、第二実施形態の排気還流量制御弁の流量特性を示すグラフである。
【0058】
本実施形態は、エンジンの空気過剰率が高い低負荷運転領域から中負荷運転領域で使用することが考えられる。
【0059】
本実施形態においては、第一弁体22に突起部32(図2参照)が設けられていない。
【0060】
従って、本実施形態では、バルブ25全体としては、小リフト域、中・高リフト域(図6(a)〜(c)参照)の二段階でバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率が変化する(図7参照)。
【0061】
本実施形態では、第一弁体22は、小リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率が中リフト域及び高リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率よりも小さく設定され、第二弁体23は、全リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)がバルブ25のリフトに応じて増加するように設定されるため、バルブ25全体として、小リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率を中リフト域及び高リフト域でのバルブ25のリフト量に対するガス流路面積(ガス流量)の変化率より小さくすることができ、小リフト域でのEGR率を狭い制御範囲で精度良く制御することが可能となる。
【0062】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】本発明の第一実施形態に係る排気還流量制御弁を備えたエンジンの概略図である。
【図2】第一実施形態の排気還流量制御弁の断面図である。
【図3】(a)から(c)は、小リフト域、中リフト域及び高リフト域での第一実施形態の排気還流量制御弁をそれぞれ示す概略図である。
【図4】第一実施形態の排気還流量制御弁の流量特性を示すグラフである。
【図5】第二実施形態の排気還流量制御弁の断面図である。
【図6】(a)から(c)は、小リフト域、中リフト域及び高リフト域での第二実施形態の排気還流量制御弁をそれぞれ示す概略図である。
【図7】第二実施形態の排気還流量制御弁の流量特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【0064】
2 吸気管(吸気通路)
3 排気管(排気通路)
10 排気還流量制御弁(EGR弁)
17 取入通路
18 第一供給通路
19 第二供給通路
20 第一開口部
21 第二開口部
22 第一弁体
23 第二弁体
25 バルブ
31 拡径軸部(軸部)
32 突起部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
エンジンの排気通路内の排気ガスの一部を上記エンジンの吸気通路に還流させる際の排気還流量を調節する排気還流量制御弁であって、
上記排気通路内の排気ガスの一部を取り入れる取入通路と、該取入通路の両側に設けられ、上記取入通路から流入した排気ガスを上記吸気通路に供給する第一供給通路及び第二供給通路と、これら第一供給通路及び第二供給通路と上記取入通路との間をそれぞれ連通する第一開口部及び第二開口部と、これら第一開口部及び第二開口部をそれぞれ開閉するための第一弁体及び第二弁体が同軸上に一体形成されたバルブとを備え、
該バルブの第一弁体及び第二弁体が、上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が互いに異なることを特徴とするエンジンの排気還流量制御弁。
【請求項2】
上記第一弁体が、上記バルブの閉弁時に上記第一開口部に挿入され、上記バルブのリフトに応じて上記第一開口部から離脱される環状の軸部を有する請求項1に記載のエンジンの排気還流量制御弁。
【請求項3】
上記第一弁体が、上記軸部の径より小さく形成され、上記バルブのリフトに応じて上記第一開口部に挿入される板状の突起部を有する請求項2に記載のエンジンの排気還流量制御弁。
【請求項4】
上記第一弁体は、小リフト域及び高リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が中リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率よりも小さく設定され、
上記第二弁体は、全リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量が上記バルブのリフトに応じて増加するように設定される請求項1から3いずれかに記載のエンジンの排気還流量制御弁。
【請求項5】
上記第一弁体は、小リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率が中リフト域及び高リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量の変化率よりも小さく設定され、
上記第二弁体は、全リフト域での上記バルブのリフト量に対するガス流量が上記バルブのリフトに応じて増加するように設定される請求項1から3いずれかに記載のエンジンの排気還流量制御弁。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2007−255357(P2007−255357A)
【公開日】平成19年10月4日(2007.10.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−82680(P2006−82680)
【出願日】平成18年3月24日(2006.3.24)
【出願人】(000000170)いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Fターム(参考)】