JP2009278723A - ランキンサイクル回路を備えたエンジン車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】ランキンサイクル回路を備えたエンジン車両において、エンジンのオルタネータとランキンサイクル回路の発電機を共用化する。
【解決手段】エンジン1と、エンジン1の廃熱エネルギーを動力として回収するランキンサイクル回路2を備えたエンジン車両において、発電機12と、エンジン1の動力を第1クラッチ15を介して発電機12に伝達する第1動力伝達機構と、ランキンサイクル回路2で回収された動力を第2クラッチ17を介して発電機12に伝達する第2動力伝達機構と、第1クラッチ15、第2クラッチ17の締結状態を制御するコントローラ30と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】エンジン1と、エンジン1の廃熱エネルギーを動力として回収するランキンサイクル回路2を備えたエンジン車両において、発電機12と、エンジン1の動力を第1クラッチ15を介して発電機12に伝達する第1動力伝達機構と、ランキンサイクル回路2で回収された動力を第2クラッチ17を介して発電機12に伝達する第2動力伝達機構と、第1クラッチ15、第2クラッチ17の締結状態を制御するコントローラ30と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、ランキンサイクル回路を用いてエンジンの廃熱エネルギーを回収するエンジン車両に関する。
エンジン車両において、エンジンの廃熱エネルギーをランキンサイクル回路により回収することでエンジンの熱効率を向上させることが行われている。ランキンサイクル回路は、エンジンの廃熱エネルギーにより加熱された媒体を膨張機に通すことで廃熱エネルギーを動力(機械エネルギー)として回収する回路である。この動力で発電機を駆動することにより、廃熱エネルギーを電力として回収することができる。
一方、エンジン車両は、エンジンに機械的に接続されるオルタネータ(発電機)を備えており、オルタネータをエンジンの動力で駆動することで、車両で消費される電力を賄っている。
したがって、ランキンサイクル回路を備えたエンジン車両では、2つの発電機を別個に備えることになるが(例えば、特許文献1の構成)、同じ機能を有する部品を2つ搭載することは、搭載性、重量、コストの面から不利である。エンジンが暖機状態にあればランキンサイクル回路によって車両の全消費電力を賄えるだけの電力を回収することができるため、オルタネータを無くすことが望まれる。
特開2007-100687公報
しかしながら、オルタネータを無くした場合、エンジンが暖機状態になる前に走行を終了するような短い走行距離の運転(例えば、片道1、2km程度の運転)を繰り返していると、ランキンサイクル回路が機能しない状態が続くことによってバッテリの充電量が低下し、車両走行に必要な電力を確保できなくなる可能性がある。
本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、ランキンサイクル回路を備えたエンジン車両において、エンジンのオルタネータとランキンサイクル回路の発電機を共用化することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、エンジン(1)と、前記エンジン(1)の廃熱エネルギーを動力として回収し、回収した動力で発電機を駆動するランキンサイクル回路(2)を備えたエンジン車両において、前記エンジン(1)のオルタネータと前記ランキンサイクル回路(2)の発電機を兼ねる発電機(12)と、前記エンジン(1)の動力を第1クラッチ(15)を介して前記発電機(12)に伝達する第1動力伝達機構と、前記ランキンサイクル回路(2)で回収された動力を第2クラッチ(17)を介して前記発電機(12)に伝達する第2動力伝達機構と、前記第1及び第2クラッチ(15、17)の締結状態を制御するクラッチ制御手段と、を備えたことを特徴とするランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
請求項2に記載の発明は、前記エンジン(1)の廃熱量が前記ランキンサイクル回路(2)による動力回収が可能になる第1しきい値を超えているか判断する廃熱量判断手段を備え、前記クラッチ制御手段は、前記エンジン(1)の廃熱量が前記第1しきい値を超えている場合は、前記第1クラッチ(15)を解放するとともに前記第2クラッチ(17)を締結し、前記エンジン(1)の廃熱量が前記第1しきい値を超えていない場合は、前記第1クラッチ(15)を締結するとともに前記第2クラッチ(17)を解放する、
ことを特徴とする請求項1に記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
ことを特徴とする請求項1に記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
請求項3に記載の発明は、前記廃熱量判断手段は、前記第1しきい値よりも大きな第2しきい値を超えているかさらに判断し、前記クラッチ制御手段は、前記エンジン(1)の廃熱量が前記第2しきい値を超えている場合は前記第1及び第2クラッチ(15、17)をともに締結する、ことを特徴とする請求項2に記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
請求項4に記載の発明は、前記発電機(12)に接続され、前記発電機(12)の発電電力によって充電されるバッテリ(31)と、前記バッテリ(31)の充電状態を検出する充電状態検出手段(33)と、を備え、前記クラッチ制御手段は、前記エンジン(1)の廃熱量が前記第1しきい値を超えていなくても、前記バッテリ(31)の充電状態が所定のしきい値を超えている場合は、前記第1及び第2クラッチ(15、17)をともに解放する、ことを特徴とする請求項2または3に記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
請求項5に記載の発明は、前記廃熱量判断手段は、前記エンジン(1)の冷却水温度、油温、排気温度、あるいは前記エンジン(1)の排気通路に設けられる触媒の触媒温度に基づき前記エンジン(1)の廃熱量を判断することを特徴とする請求項2から4のいずれか一つに記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
請求項6に記載の発明は、前記第1及び第2動力伝達機構のうち少なくとも一方が変速機(16)を備えることを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
請求項7に記載の発明は、前記第1クラッチ(15)、前記第2クラッチ(17)及び前記発電機(12)は、前記ランキンサイクル回路(2)の膨張機(23)と同軸的に設けられることを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
請求項8に記載の発明は、前記第1クラッチ(15)、前記第2クラッチ(17)のいずれか一方がワンウェイクラッチであり、前記エンジン(1)から前記発電機(12)に伝達される動力の回転方向と、前記ランキンサイクル回路(2)から前記発電機(12)に伝達される動力の回転方向が逆である、ことを特徴とする請求項1、2、5から7のいずれか一つに記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両である。
なお、理解を容易にするために詳細な説明で用いる参照符号を括弧書きで追記したが、権利範囲を実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
請求項1に記載の発明によれば、第1及び第2クラッチの締結状態を制御することにより、エンジンの動力、ランキンサイクル回路の回収動力のいずれを使って発電機を駆動するかを切り替えることができる。なお、「第1及び第2クラッチの締結状態を制御する」ことには、第1及び第2クラッチの締結状態を独立に制御する場合だけでなく、いずれか一方のクラッチの締結状態を制御すれば他方のクラッチの締結状態が従動的に決まる場合も含む。
請求項2に記載の発明によれば、エンジンの廃熱量が十分なときはランキンサイクル回路の回収動力によって発電機を駆動することで、エンジンの熱効率を向上させる一方で、エンジンの廃熱量が少なくランキンサイクル回路の回収動力が少ないときはエンジン動力で発電機を駆動することで必要な電力を発電できるので、発電量が少ない状態が継続することによる電力不足を防止することができる。
請求項3に記載の発明によれば、エンジンの廃熱量が過剰なときは、ランキンサイクル回路の回収動力の一部を使ってエンジンの出力補助を行うことができるので、車両の走行性能を高めることができる。また、発電量が過剰になることにより、バッテリが過充電状態となるのも防止することができる。
請求項4に記載の発明によれば、エンジンの廃熱量が少なくてもバッテリの充電量が十分なときは発電機を停止させるので、発電機の稼働率を下げ、発電機の構成部品の劣化を防止することができる。
請求項5に記載の発明によれば、エンジンの廃熱量の程度を、エンジンの冷却水温度、油温、排気温度、あるいは排気通路に設けられる触媒温度に基づき精度よく判断することができる。
請求項6に記載の発明によれば、ランキンサイクル回路の回収動力をエンジンに伝達する際に回転速度差があっても、変速機により吸収することができ、エンジンの出力補助を円滑に行うことが可能となる。
請求項7に記載の発明によれば、第1クラッチ、第2クラッチ及び発電機をランキンサイクル回路の膨張機と同軸的に配置したことにより、車両への搭載性が向上する。
請求項8に記載の発明によれば、第1クラッチ、第2クラッチのうち、一方のクラッチを解放すれば他方のクラッチが従動的に締結され、一方のクラッチを締結すれば他方のクラッチが従動的に解放される。1つのクラッチのみ制御すれば2つのクラッチの締結状態を制御することができるので、制御系を簡略化することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
[第1実施形態]
図1は本発明の第1実施形態に係るエンジン車両を示す。エンジン車両は、内燃エンジン1と、その廃熱エネルギーを回収するランキンサイクル回路2を備える。
図1は本発明の第1実施形態に係るエンジン車両を示す。エンジン車両は、内燃エンジン1と、その廃熱エネルギーを回収するランキンサイクル回路2を備える。
ランキンサイクル回路2は、電動ポンプ21、蒸発器22、膨張機23、凝縮器24、気液分離器25を備え、回路内には水等のランキン媒体が流通する。
電動ポンプ21により加圧されたランキン媒体は蒸発器22へと送られる。蒸発器22はエンジン1の排気通路11の途中に取り付けられている。蒸発器22ではランキン媒体と排気との間の熱交換によりランキン媒体が加熱されて気体になる。気体となったランキン媒体は膨張機23へと送られる。
膨張機23では気体となったランキン媒体を膨張させることにより動力を回収する。回収された動力は発電機12の発電用動力として用いられる他、回収量が十分にあるときはその一部を使ってエンジン1の出力補助を行う。
凝縮器24は走行風が当たる車両前部に取り付けられており、凝縮機24では外気とランキン媒体との間の熱交換によりランキン媒体が凝縮液化される。凝縮液化したランキン媒体は気液分離器25により気液分離され、液相のランキン媒体のみが再び電動ポンプ21へと送られる。
発電機12は、回転エネルギーを直流電流に変換する発電機であり、従来のエンジンのオルタネータとランキンサイクル回路の発電機を兼ねるものである。発電機12には、エンジン1の動力(以下、「エンジン動力」という。)がベルト13、プーリ14、第1クラッチ15、変速機16を介して伝達可能になっているとともに、ランキンサイクル回路2の膨張機23で回収された動力(以下、「回収動力」という。)が第2クラッチ17を介して伝達可能になっている。第1クラッチ15、第2クラッチ17はともに電磁クラッチであり、コントローラ30により締結・解放が制御される。
また、プーリ14、第1クラッチ15、変速機16、発電機12、第2クラッチ17、膨張機23は、好ましくはユニット化されており、エンジン1のクランク軸と平行な軸上に同軸的に配置される。
変速機16は、膨張機23から発電機12、プーリ14、ベルト13を介してエンジン1へと動力が伝達される際、膨張機23とエンジン1(プーリ14)の回転速度差を吸収する。なお、変速機16は第1クラッチ15とプーリ14の間、あるいは、発電機12と膨張機23の間に設けられていてもよい。発電機12によって発電された電力はバッテリ31へと送られ、バッテリ31に蓄えられる。
エンジン1にはエンジン1内に冷却水を循環させることでエンジン1を冷却する冷却水回路(図示せず)が設けられている。冷却水回路には冷却水温度Twを検出する温度センサ32が取り付けられている。また、バッテリ31にはバッテリ31の端子間電圧Vを検出する電圧センサ33が取り付けられている。これらセンサ32、33の検出信号はコントローラ30に入力される。
コントローラ30は、電動ポンプ21へ駆動信号を送り、電動ポンプ21を駆動してランキンサイクル回路2を稼働させる。また、コントローラ30は、入力される信号に基づき、エンジン1の廃熱量の程度、バッテリ31の充電の必要性を判断し、第1クラッチ15、第2クラッチ17の締結状態を切り替えることで、発電機12の最適な駆動状態を実現し、車両で必要とされる電力が発電機12により発電されるようにする。
次に、コントローラ30の制御内容の詳細について説明する。
図2はコントローラ30の制御内容を示したフローチャートであり、コントローラ30において所定周期(例えば、10msec)で実行される。
これによると、まず、ステップS11では冷却水温度Tw、バッテリ31の端子間電圧Vを読み込む。
ステップS12では冷却水温度Twが95℃を超えているか判断する。冷却水温度Twが95℃を超えている場合は、エンジン1の廃熱量が過剰な場合であるので、廃熱エネルギーを全て電力として回収しても電力が余ってしまう。そこで、この場合は、ステップS13に進んで第1クラッチ15、第2クラッチ17をともに締結し、ランキンサイクル回路2の回収動力で発電機12を駆動するとともに、その一部を発電機12、変速機16を介してプーリ14へと伝達し、エンジン1の出力補助を行う。
冷却水温度Twが95℃を超えていない場合はステップS14に進み、冷却水温度Twが85℃を超えているか判断する。冷却水温度Twが85℃を超えている場合は、エンジン1の廃熱量が十分にあり、ランキンサイクル回路2を稼働させることが可能な場合であるので、この場合は、ステップS15に進んで第1クラッチ15を解放するとともに第2クラッチ17を締結し、ランキンサイクル回路2の回収動力で発電機12を駆動する。
冷却水温度Twが85℃を超えていない場合は、エンジン1の廃熱量が十分でなく、ランキンサイクル回路2を稼働させることができない場合である。そこで、この場合は、ステップS16以降に進み、バッテリ31の充電の必要性も考慮しつつ、エンジン動力で発電機12を駆動するか否かを判断する。
ステップS16ではバッテリ31の端子間電圧Vに基づき、端子間電圧Vとバッテリ31の充電状態(以下、「バッテリSOC」という。)の関係を示したテーブルを参照することにより、バッテリSOCを演算する。そして、ステップS17ではバッテリSOCが所定のしきい値SOCthを超えているか判断する。所定のしきい値SOCthはバッテリ31の充電量が少なく、バッテリ31の充電が必要と判断される値(例えば、30%以下の値)に設定される。
バッテリSOCがしきい値SOCthを超えている場合は、バッテリ31の充電量が十分にあって発電機12により発電する必要性がないので、この場合はステップS18に進み第1クラッチ15、第2クラッチ17をともに解放し、発電機12を停止させる。
これに対し、バッテリSOCが所定のしきい値SOCthを超えていない場合は、バッテリ31の充電量が十分でないので、ステップS19に進み、第1クラッチ15を締結するとともに、第2クラッチ17を解放する。これにより、エンジン1と発電機12が機械的に接続され、発電機12はエンジン動力により駆動される。
このようにコントローラ30は、エンジン1の廃熱量の程度、バッテリ31の充電の必要性を判断し、第1クラッチ15、第2クラッチ17の締結状態を適宜切り替えて発電機12を駆動する。
続いて上記構成を備えたことによる作用効果について説明する。
上記構成によれば、第1クラッチ15、第2クラッチ17の締結状態を制御することにより、発電機12をエンジン動力、ランキンサイクル回路2の回収動力のいずれを使って駆動するかを切り替えることが可能になる。
これにより、エンジン1の廃熱量が十分なときはランキンサイクル回路2の回収動力によって発電機12を駆動することで、エンジン1の熱効率を向上させる一方で、エンジン1の廃熱量が少なくランキンサイクル回路2の回収動力が少ないときはエンジン動力で発電機12を駆動し必要な電力を発電できるので、発電量が少ない状態が継続することによる電力不足を防止することができる。
また、エンジン1の廃熱量が過剰なときは、ランキンサイクル回路2の回収動力の一部を使ってエンジン1の出力補助を行うことができ、車両の走行性能を高めることができる。より少ないエンジン出力で車両を走行させることができるので、車両の燃費性能も向上する。また、発電量が過剰になることにより、バッテリ31が過充電状態となるのも防止することができる。
また、エンジン1の廃熱量が少なくてもバッテリ31の充電量が十分なときは発電機12を停止させるので、発電機12の稼働率が下がり、発電機12の構成部品の劣化(ブラシ、ベアリングの摩耗等)を抑え、発電機12の寿命を延ばすことができる。
また、変速機16を備えたことにより、ランキンサイクル回路2の回収動力をエンジン1に伝達する際に回転速度差があっても、変速機16により吸収することができ、エンジン1の出力補助を円滑に行うことが可能となる。
また、第1クラッチ15、第2クラッチ17及び発電機12をランキンサイクル回路2の膨張機23と同軸的に配置したことにより、車両への搭載性が向上する。
[第2実施形態]
続いて図3を参照しながら本発明の第2実施形態について説明する。第1実施形態と共通の構成には同一の参照符号を付してある。
続いて図3を参照しながら本発明の第2実施形態について説明する。第1実施形態と共通の構成には同一の参照符号を付してある。
第2実施形態は、第1クラッチ15がワンウェイクラッチで構成され、第1クラッチ15と発電機12の間の変速機16がない点で第1実施形態と相違する。第2クラッチ17は第1実施形態と同じく電磁クラッチであり、コントローラ30によって締結・解放が制御される。また、エンジン1から発電機12に伝達される動力とランキンサイクル回路2から発電機12に伝達される動力の回転方向が逆となるようにエンジン1、膨張機23の回転方向が設定される。
図4はコントローラ30の制御内容を示したフローチャートである。実現できる第1クラッチ15、第2クラッチ17の締結状態の組合せが両クラッチの締結状態を独立に制御することのできる第1実施形態に比べ少なくなるので、制御内容も簡略化される。
これについて説明すると、まず、ステップS21で冷却水温度Twを読み込み、ステップS22で冷却水温度Twが85℃を超えているか判断する。
冷却水温度Twが85℃を超えている場合は、エンジン1の廃熱量が十分にあり、ランキンサイクル回路2の回収動力で発電機12を駆動することが可能な場合である。この場合は、ステップS23に進み、第2クラッチ17を締結し、ランキンサイクル回路2の回収動力で発電機12を駆動する。第2クラッチ17を締結すると第1クラッチ15は自動的に解放されるので、エンジン動力が発電機12に伝達されることはない。
冷却水温度Twが85℃を超えていない場合は、エンジン1の廃熱量が十分でなく、ランキンサイクル回路2の回収動力で発電機12を駆動することができないので、ステップS24に進み、第2クラッチ17を解放する。第2クラッチ17を解放すると、第1クラッチ15が自動的に締結されるので、エンジン動力で発電機12を駆動し、発電を行うことができる。
この第2実施形態の構成によれば、第2クラッチ17を解放すれば第1クラッチ15が従動的に締結され、第2クラッチ17を締結すれば第1クラッチ15が従動的に解放される。第2クラッチ17のみ制御すれば2つのクラッチ15、17の締結状態を制御することができるので、制御系を簡略化することができる。
ただし、第1実施形態と異なり、2つのクラッチ15、17を同時に締結できず、プーリ14と膨張機23の回転方向も相違するため、エンジン1の廃熱量が過剰なときに2つのクラッチ15、17を締結し、ランキンサイクル回路2の回収動力をエンジン1の出力補助に用いることはできない。また、2つのクラッチ15、17を同時に解放することができないので、第1実施形態のようにバッテリ31の充電量が十分なときに2つのクラッチ15、17を同時に解放し、発電機12を停止させることはできない。
なお、ここでは第1クラッチ15をワンウェイクラッチ、第2クラッチ17を電磁クラッチとしているが、第2クラッチ17をワンウェイクラッチ、第1クラッチ15を電磁クラッチとした構成も可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、上記実施形態におけるランキンサイクル回路2はエンジン1の排気からエンジン1の廃熱エネルギーを回収するが、ランキンサイクル回路2はエンジン1の冷却水からエンジン1の廃熱エネルギーを回収する回路、あるいはエンジン1の冷却水、排気の両方からエンジン1の廃熱エネルギーを回収する回路であってもよい。
また、エンジン1の廃熱量の程度をエンジン1の冷却水温度Twから判断するようにしているが、エンジン1の廃熱量の判断方法はこれに限らず、エンジン1の油温、排気温度、エンジン1の排気通路に設けられている触媒の触媒温度等に基づき判断するようにしてもよい。
1 エンジン
2 ランキンサイクル回路
15 第1クラッチ
16 変速機
17 第2クラッチ
23 膨張機
30 コントローラ
31 バッテリ
32 温度センサ
33 電圧センサ
2 ランキンサイクル回路
15 第1クラッチ
16 変速機
17 第2クラッチ
23 膨張機
30 コントローラ
31 バッテリ
32 温度センサ
33 電圧センサ
Claims (8)
- エンジン(1)と、前記エンジン(1)の廃熱エネルギーを動力として回収し、回収した動力で発電機を駆動するランキンサイクル回路(2)を備えたエンジン車両において、
前記エンジン(1)のオルタネータと前記ランキンサイクル回路(2)の前記発電機を兼ねる発電機(12)と、
前記エンジン(1)の動力を第1クラッチ(15)を介して前記発電機(12)に伝達する第1動力伝達機構と、
前記ランキンサイクル回路(2)で回収された動力を第2クラッチ(17)を介して前記発電機(12)に伝達する第2動力伝達機構と、
前記第1及び第2クラッチ(15、17)の締結状態を制御するクラッチ制御手段と、
を備えたことを特徴とするランキンサイクル回路を備えたエンジン車両。 - 前記エンジン(1)の廃熱量が前記ランキンサイクル回路(2)による動力回収が可能になる第1しきい値を超えているか判断する廃熱量判断手段を備え、
前記クラッチ制御手段は、前記エンジン(1)の廃熱量が前記第1しきい値を超えている場合は、前記第1クラッチ(15)を解放するとともに前記第2クラッチ(17)を締結し、前記エンジン(1)の廃熱量が前記第1しきい値を超えていない場合は、前記第1クラッチ(15)を締結するとともに前記第2クラッチ(17)を解放する、
ことを特徴とする請求項1に記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両。 - 前記廃熱量判断手段は、前記第1しきい値よりも大きな第2しきい値を超えているかさらに判断し、
前記クラッチ制御手段は、前記エンジン(1)の廃熱量が前記第2しきい値を超えている場合は前記第1及び第2クラッチ(15、17)をともに締結する、
ことを特徴とする請求項2に記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両。 - 前記発電機(12)に接続され、前記発電機(12)の発電電力によって充電されるバッテリ(31)と、
前記バッテリ(31)の充電状態を検出する充電状態検出手段(33)と、
を備え、
前記クラッチ制御手段は、前記エンジン(1)の廃熱量が前記第1しきい値を超えていなくても、前記バッテリ(31)の充電状態が所定のしきい値を超えている場合は、前記第1及び第2クラッチ(15、17)をともに解放する、
ことを特徴とする請求項2または3に記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両。 - 前記廃熱量判断手段は、前記エンジン(1)の冷却水温度、油温、排気温度、あるいは前記エンジン(1)の排気通路に設けられる触媒の触媒温度に基づき前記エンジン(1)の廃熱量を判断することを特徴とする請求項2から4のいずれか一つに記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両。
- 前記第1及び第2動力伝達機構のうち少なくとも一方が変速機(16)を備えることを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両。
- 前記第1クラッチ(15)、前記第2クラッチ(17)及び前記発電機(12)は、前記ランキンサイクル回路(2)の膨張機(23)と同軸的に設けられることを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両。
- 前記第1クラッチ(15)、前記第2クラッチ(17)のいずれか一方がワンウェイクラッチであり、
前記エンジン(1)から前記発電機(12)に伝達される動力の回転方向と、前記ランキンサイクル回路(2)から前記発電機(12)に伝達される動力の回転方向が逆である、
ことを特徴とする請求項1、2、5から7のいずれか一つに記載のランキンサイクル回路を備えたエンジン車両。
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