JP2011185263A - ターボチャージャ付きエンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジンの吸気通路に配置されたコンプレッサ及び排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、前記エンジンの運転状態に応じて、前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、を有するターボチャージャ付きエンジンの制御装置において、前記エンジンの運転状態から、前記タービンの回転数の推定値を計算上求めるタービン回転数推定手段を有し、前記燃料噴射量制御手段は、前記タービン回転数の推定値が所定の許容値を越える場合に、前記タービン回転数の推定値が前記許容値以下となるように燃料噴射量を制御する。
【選択図】 図2
Description
また、建設機械以外であって低負荷から高負荷への状態変化があるようなアプリケーションに対しては、ターボの過回転保護のためにEGRを導入すると黒煙発生の問題を引き起こす可能性が高いため、建設機械以外への適用は難しく適用範囲が狭い。
さらに、大気圧の情報から判定した高度の情報のみからタービン回転数を許容値に制御するものであるが、タービン回転数は気圧と吸気温度の両方に関係する。特許文献2に開示された技術のように、吸気温度を考慮しない場合、タービンの過回転が発生しやすい吸気温度が高い条件でも過回転が発生しないようにパラメータを設定する必要があり、吸気温度が低い時に必要以上に燃料噴射量を制限してしまい、エンジンの出力を必要以上に制限することとなる。
また、タービン回転数が許容値を越える場合に燃料噴射量を制限することで、エンジン出力が制限され、これによりタービン回転数を所定値以下に抑えることができタービンの過回転を防止することができる。よってタービンの過回転に起因するターボチャージャの破損等を防止することができる。
ここで、標準状態とは25℃、1atmのことをいう。
前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気温度を測定する吸気温度測定手段と、を有し、
前記タービン回転数推定手段は、予め実験により作成した、前記大気圧と、前記吸気温度と、タービン回転数との三次元の関係を示す第3マップを備え、該第3マップに基づいて、前記大気圧測定手段と、前記吸気温度測定手段との検出値から、タービン回転数を推定するとよい。
前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気温度を測定する吸気温度測定手段と、を有し、
前記タービン回転数推定手段は、
予め実験により作成した、前記大気圧と、タービン回転数との関係を示す二次元マップを吸気温度毎に複数有する第4マップを備え、該第4マップに基づいて、前記大気圧測定手段と、前記吸気温度測定手段との検出値から、タービン回転数を推定するとよい。
これにより、吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気の温度を直接検出するセンサ等が必要なくなる。そのため、吸気の温度を直接検出することができるセンサを有しないターボチャージャ付きエンジンに関しても、新たに該センサを設けることなく本発明の適用が可能となる。
これにより、燃料噴射量の最大値を容易に決定することができる。
これにより、燃料噴射量の上限値を決定する際にエンジン回転数と大気圧だけでなく吸気温度も考慮しているため、タービンの過回転を防止する際に燃料の噴射量の低減を小さく留め、エンジンの出力の低減を小さく留めることができる。
これにより、燃費率の変化を考慮することで、タービンの過回転を防止する際に、エンジン出力の低下をさらに小さく留めることができる。
図1は、実施例1に係るターボチャージャ付きエンジンの制御装置が適用されるエンジン周辺を示す概略図である。図1において、エンジン2は4つの気筒を有する4サイクルディーゼルエンジンである。
エアフローメータ26、温度センサ28、圧力センサ30、圧力センサ36の検知値は、それぞれA/D変換器46a、46b、46c、46eを介してエンジンコントロールユニット(Engine Control Unit:ECU)40に入力される。また、温度センサ34の検知値は、サーミスタ回路42を介してECU40に入力される。
更に、ECU40には、後述する本発明のターボチャージャ14の回転数を推定するマップを格納した記憶手段50が設けられている。
EGRクーラー22は、EGR制御弁24よりも排気マニホールド10側に設けられ、EGRクーラー22を通過するEGRガスと冷却水とで熱交換して、該EGRガスの温度を低下させるものである。また、EGR制御弁24は、EGR通路20を流れるEGRガスの流量を制御するものである。
更に、大気圧を測定することができる圧力センサ38が設けられており、圧力センサ38によって検知された大気圧は、A/D変換器46dを介してECU40に入力される。
なお、圧力センサ38に変えて、GPSなどの高度情報を入手できる手段を設け、ECU40により前記高度情報から大気圧を推測するようにしてもよい。
また、前述の各入力された値を基にCPU47でエンジン4への燃料噴射量を演算し、インジェクタ駆動回路41を介してエンジン2の燃焼室4への燃料噴射量を制御する。
本発明における燃料噴射量の制限にかかる制御について説明する。
図2は、実施例1における燃料噴射量のロジックを示す図、図3は実施例1における燃料噴射量の制限にかかる制御のフローチャートである。
ステップS1では、ECU40に各センサのデータが読み込まれる。
ステップS1にて読み込むセンサデータは、圧力センサ38で検知される大気圧[kPa]、エアフローメータ26で検知される吸気質量流量[kg/s]、温度センサ34で検知される吸気温度[℃]、圧力センサ36で検知されるブースト圧[kPa]である。
ステップS2では吸気体積流量演算を実施する。これは図2に示した51にあたる。ステップS2では、図2に51で示したように、エアフローメータ26で検知される吸気質量流量[kg/s]、圧力センサ38で検知される大気圧[kPa]及び温度センサ34で検知される吸気温度[℃]を用いて標準状態(25℃、1atm)における吸気体積流量[m3/s]を演算する。
ステップS3では給気圧力比を演算する。これは図2に示した52にあたる。ステップS3では、図2に52で示すように、圧力センサ36で検知されるブースト圧[kPa]を圧力センサ38で検知される大気圧[kPa]で除して給気圧力比[−]を演算する。
ステップS4では、タービン14bのタービン回転数を推定する。タービン回転数は、図2において53で示したような第1マップであるターボチャージャの性能曲線から推定する。第1マップはECU40の記憶手段50に格納されている。
ターボチャージャの性能曲線は、標準状態における吸気体積流量[m3/s]、給気圧力比[−]及びタービン回転数の関係を示したものであり、ターボチャージャごとに固有のものである。図2における53には、給気圧力比[−]と標準状態における空気体積流量[m3/s]との関係を、回転数毎に示した性能曲線の一例を図示している。このような性能曲線を用いることで、給気圧力比[−]と標準状態における空気体積流量[m3/s]からタービン回転数を推定することができる。
ステップS5では、最大噴射量[mg/st]を演算する。ここで、最大噴射量とは、インジェクタ駆動回路41を介してエンジン2の燃焼室4へ噴射される燃料の量[mg/st]の上限値を意味している。
最大噴射量は、図2において54で示したようなマップを用いて求める。図2において54で示したマップは、最大噴射量[mg/st]、タービン回転数[rpm]、大気圧[kPa]の関係を示したものである。このようなマップを用いることで、圧力センサ38で検知した大気圧[kPa]及びステップS4にて演算したタービン回転数から最大噴射量を求めることができる。
なお、図2において54で示すように、大気圧及びタービン回転数から最大噴射量を求めることができるマップは、大気圧毎に、タービン回転数に応じて、タービン回転数が過回転を防止できる許容値以下となるような最大噴射量が求まるように予め作成しておく。
マップ54からは、大気圧が低い即ち高高度(高地)であるほど最大噴射量は小さくなることがわかる。
ステップS6では最大噴射量制限判断を行う。最大噴射量制限判断とは、エンジン2に噴射する燃料量の上限をステップS5で求めた最大噴射量に制限するか否かを判断することである。タービン回転数が所定以上の高回転である場合に、タービンの過回転が生じ、ターボチャージャの破損等が生じる可能性があることから、ステップS4で求められるタービン回転数が所定の許容値以上の高回転である場合に、エンジン2に噴射する燃料量の上限をステップS5で求めた最大噴射量に制限する。
前記最大噴射量制限判断は、タービン回転数が所定の許容値近辺である場合に、前記判断のON/OFFが頻繁に切り替わることがないように図2において55で示したようにヒステリシスを持たせて判断する。図2における55は最大噴射量制限判断に関するマップであって、縦軸は前記判断のON/OFF、横軸はタービン回転数を示しており、詳しくは以下で図4を用いて説明する。
図4は、実施例1における最大噴射量制限判断の手順を示すフローチャートである。
処理が開始すると、ステップS11で現状における噴射量制限フラグがONであるか否かを判断する。ここで噴射量制限フラグとは、エンジン2に噴射する燃料量の上限をステップS5で求めた最大噴射量に制限するか否かの判断を行うためのフラグであり、ステップS4で算出されるタービン回転数に影響されるものである。
ステップS12では、Nt(タービン回転数)が18万rpmよりも小さいか否かを判断する。ステップS12でYES即ちNt<18万rpmであると判断されるとステップS15で噴射量制限フラグをOFFに変更して処理を終了する。ステップS12でNO即ちNt≧18万rpmであると判断されるとステップS13に進む。
ステップS13では、エンジンのキーがOFFされたか否かを判断する。ステップS13でYES即ちエンジンのキーがOFFであると判断されるとステップS15で噴射量制限フラグをOFFに変更して処理を終了する。
ステップS13でNO即ちエンジンのキーがONであると判断されるとステップS14に進む。
ステップS13でONと判断されると噴射量制限フラグをONのまま変更せずに処理を終了する。
つまり、ステップS12〜S14では、タービン回転数が18万rpmより小さい、エンジンのキーがOFFされた、噴射量制限フラグがONとなってから例えば1時間等の所定時間が経過した、の何れかを満たすと噴射量制限フラグがOFFに変更する。
ステップS16では、Nt(タービン回転数)が19万rpmよりも大きいか否かを判断する。ステップS16でYES即ちNt>19万rpmであると判断されるとステップS17に進み、噴射量制限フラグをONに変更して処理を終了する。ステップS16でNO即ちNt≦19万rpmであると判断されると噴射量制限フラグをOFFのまま変更せずに処理を終了する。
また、ステップS14のフラグONから所定時間経過の条件は、例えば、噴射量制限フラグONから所定の数時間が経過すると、気温が低下して空気密度が上昇する場合、又は車両に搭載されたエンジン2で、車両が下山することで空気密度が上昇する場合でも、エンジンキーがOFFされるまで燃料噴射量が制限されると、エンジン2の十分な出力を得難くなる。
従って、エンジンキーOFFと、噴射量制限フラグがONから所定時間経過の条件の組合せにより、効果的な燃料噴射量制限の制御が可能となる。
即ち、高回転、高負荷域を頻繁に使用するパワーショベル等においては、燃料噴射量制限ON―OFFを繰返すことになる。その結果、燃料噴射量制限機能のON―OFFが繰返されると、エンジン2出力の変動が繰返し発生して、運転者としては運転者の操作意図と異なる出力となり、操作に違和感を覚える。このような不具合を防止できる。
ステップS7においては、図4に示したフローチャートにより、最大噴射量制限判断(図2に示した55)がされると、前記噴射量制限フラグである場合には図2に示した回路56がONとなり、ステップS5(図2におけるマップ54)で求めた最大噴射量[mg/st]が出力される。前記噴射量制限フラグがOFFである場合には、燃料噴射量は特に制限されない。
ステップS7において、前記噴射量制限フラグがONであって最大噴射量が出力された場合には、ECU40は、前述の各入力された値を基にCPU47でエンジン4への燃料噴射量を演算しインジェクタ駆動回路41を介してエンジン4への燃料噴射量を制御する際に、燃料噴射量が前記最大噴射量を超えないように制御する。
実施例1に係るターボチャージャ付きエンジンの制御装置が適用されるエンジン周辺を示す概略図については、実施例1にて説明した図1と同様であるため図1を援用しその説明を省略する。
図5(A)において、図2と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明を省略する。
実施例2においては、実施例1とはタービン回転数の推定方法が異なる。
図5(A)を用いて実施例2におけるタービン回転数の推定方法について説明する。
第2マップ(A)はECU40の記憶手段50に格納されている。
図5(B)は実施例3における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。
図5(B)において、図2と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明は省略する。
実施例3においては、実施例2におけるタービン回転数の推定方法に、EGR―ON(作動)/OFF(非作動)の条件を追加した内容が異なる。
従って、第2マップ(B)はタービン回転数[rpm]と空気密度[kg/m3]の関係を示した第2マップ(A)に、EGR―ON時(破線)と、EGR―OFF時(実線)とのタービン回転数と空気密度を予め作成しておくことにより、空気密度からEGRのON/OFF時別のタービン回転数を容易に求めることができるようにしたものである。
実施例1に係るターボチャージャ付きエンジンの制御装置が適用されるエンジン周辺を示す概略図については、実施例1にて説明した図1と同様であるため図1を援用しその説明を省略する。
図7(A)において、図2と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明を省略する。
実施例4においては、実施例1とはタービン回転数の推定方法が異なる。
図7(A)を用いて実施例4におけるタービン回転数の推定方法について説明する。
第3マップは、65に示すように、タービン回転数[rpm]、大気圧[kPa]及び吸気温度[℃]との関係を、予め実験により求めた値を、X軸に大気圧[kPa]、Y軸にタービン回転数[rpm]、Z軸に吸気温度[℃]とした第3マップである三次元マップを作成して、ECU40の記憶手段50に格納されている。
尚、マップには、EGR―ON時(破線)と、EGR―OFF時(実線)とのタービン回転数と大気圧を予め作成しておくことにより、大気圧からEGRのON/OFF時別のタービン回転数を容易に求めることができる。
このようにすることにより、センサ38(大気圧)と、温度センサ34(吸気温度)によって検出された検出値から直接タービン回転数[rpm]を推定するので、推定が早く、素早い燃料噴射制御が可能になる。
図7(B)は実施例5における大気圧[kPa]とタービン回転数[rpm]との関係を示す二次元マップを吸気温度毎に構成したイメージ図を示す。
図7(B)は、図7(A)の65のタービン回転数の推定方法を66に変更したもので、図7(A)と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明は省略する。
尚、マップには、EGR―ON時(破線)と、EGR―OFF時(実線)とのタービン回転数と大気圧を予め作成しておくことにより、大気圧からEGRのON/OFF時別のタービン回転数を容易に求めることができる。
このようにすることにより、吸気温度[℃]毎に作成したマップに基づいて、温度センサ34及び、大気圧センサ38によって検出された検出値から直接タービン回転数[rpm]を推定するので、推定が早く、吸気温度に基づいた緻密で、且つ素早い燃料噴射制御が可能になる。
図8は実施例6における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。
図8において、図2と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明は省略する。
実施例6においては、実施例1における吸気体積流量演算51の際に使用される吸気温度[℃]に変えて、給気マニホールド温度[℃]から推定した吸気温度[℃]を使用できるようにしている。
尚、第5マップはECU40の記憶手段50に格納されている。
従って、図9に示したようなマップを実験により予め作成しておくことで、給気マニホールド温度[℃]から、吸気温度[℃]を簡単に求めることができる。
また、吸気温度を検知する温度センサ(図1においては34)を有する場合で、該温度センサが故障した場合においても、タービンの過回転の防止が可能となる。
実施例1〜3において、エアフローメータ26で検知される吸気質量流量[kg/s]に替えて、計算で求める吸気質量流量[kg/s]を使用することができる。
Ga=Gcyl−Gegr ・・・(2)
図11は、ある一定のエンジン回転数における空気密度とタービン回転数が許容値以下となる最大燃料噴射量の関係を示すグラフである。図11において縦軸は最大燃料噴射量[mg/st]、横軸は空気密度[kg/m3]を示しており、各プロットは実験点である。図11に示すように、最大燃料噴射量と空気密度の間には一定の関係があることがわかる。このようなグラフを回転数毎に作成することで、最大燃料噴射量と空気密度とタービン回転数の関係を示すマップを予め作成して、ECU40の記憶手段50に格納されている。
図10において、図2と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明を省略する。
図10に示した81において、ECU40に、圧力センサ38で検知される大気圧[kPa]、温度センサ34で検知される吸気温度[℃]が入力され、大気圧[kPa]と吸気温度[℃]から空気密度[kg/m3]の演算を実施する。
尚、第6マップは、タービン回転数[rpm]と大気圧[kPa]に応じて、タービン回転数が許容値以下となる最大の燃料噴射量[mg/st]を予め実験結果より求めたものであるが、第7マップは、タービン回転数[rpm]と空気密度に応じて、タービン回転数が許容値以下となる最大の燃料噴射量[mg/st]を予め実験結果より求めたものである。
図13は、図11のグラフに示した実験点について、タービン回転数と空気密度の関係について示したグラフである。
図11及び図13においてa部で示したデータについては、図10において82で使用したようなマップによって最大燃料噴射量を制限すると、タービン回転数が許容値以下であるにも関わらず制限がかかることになる。これは、吸気温度によって燃費率が変化するためである。そこで、実施例9においては、吸気温度によって変化する燃費率によって最大噴射量に補正をかける。
図12において、図2及び図10と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明を省略する。
図12に示した91において吸気温度に応じた燃費率の悪化割合を、予め実験値により求めた第8マップがECU40の記憶手段50に格納されている。
91は、温度センサ34が検知した値から第8マップに基づいて燃費率の悪化割合を算出し、92で該燃費率の悪化割合に基づいて82でマップによって決定した最大噴射量に補正をかける。これにより、燃費率の悪化割合が大きいほど、最大噴射量が大きくなる。これは、タービン回転数の制限ぎりぎりまで出力(トルク)を出すことにあり、燃費率が悪化する高温時において,低温または常温時と同じ燃料噴射量で制限すると,まだタービン回転数に余裕がある出力(トルク)で制限がかかります。これを改善する目的で,燃費率が悪化割合を考慮し,燃費率が悪化する条件では最大噴射量を大きい側に補正するようにしてある。
6 給気マニホールド
14 ターボチャージャ
14a コンプレッサ
14b タービン
26 エアフローメータ(吸気質量流量測定手段)
28 温度センサ(給気マニホールド温度測定手段)
34 温度センサ(吸気温度測定手段)
36 圧力センサ(ブースト圧測定手段)
38 圧力センサ(大気圧測定手段)
40 ECU(タービン回転数推定手段及び燃料噴射量制御手段を兼ねる)
47 CPU
50 記憶手段
Claims (12)
- エンジンの吸気通路に配置されたコンプレッサ及び排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、
前記エンジンの運転状態に応じて、前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、を有するターボチャージャ付きエンジンの制御装置において、
前記エンジンの運転状態から、前記タービンの回転数の推定値を計算上求めるタービン回転数推定手段を有し、
前記燃料噴射量制御手段は、前記タービン回転数の推定値が所定の許容値を越える場合に、前記タービン回転数の推定値が前記許容値以下となるように燃料噴射量を制御することを特徴とするターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 大気圧を測定する大気圧測定手段と、
前記吸気通路に配置されたコンプレッサに吸入される吸気の吸気質量流量を測定する吸気質量流量測定手段と、
前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気の温度を測定する吸気温度測定手段と、
前記エンジンのブースト圧を測定するブースト圧測定手段と、を有し、
前記タービン回転数推定手段は、
前記大気圧と、前記吸気質量流量と、前記吸気温度とを用いて、前記吸気通路に配置されたコンプレッサに吸入される吸気の標準状態における吸気体積流量を求めるとともに、前記ブースト圧を大気圧で除算した給気圧力比を求め、前記標準状態における吸気体積流量と吸気圧力比と前記タービンの回転数の関係を示したターボチャージャの性能曲線を用いて、前記タービン回転数を推定することを特徴とする請求項1記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 前記タービン回転数推定手段は、
前記吸気体積流量と、前記給気圧力比と、前記タービン回転数との関係を示す第1マップを備え、
該第1マップに基づいて前記タービン回転数を推定することを特徴とする請求項2記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 前記第1マップにはEGR作動時と、非作動時とにおけるそれぞれの関係のデータ有していることを特徴とする請求項3記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。
- 大気圧を測定する大気圧測定手段と、
前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気の温度を測定する吸気温度測定手段と、を有し、
前記タービン回転数推定手段は、
前記大気圧と、前記吸気温度とを用いて前記吸気の空気密度を算出し、
予め実験により作成した吸気密度とタービン回転数の関係を示す第2マップを備え、該第2マップに基づいて前記吸気の空気密度からタービン回転数を推定することを特徴とする請求項1記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 前記第2マップは
予め実験結果より求めたEGR作動時と、EGR非作動時における前記空気密度とタービン回転数との関係を示すデータを備え、EGRの使用状況によって切替えるようにしたことを特徴とする請求項5記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 大気圧を測定する大気圧測定手段と、
前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気温度を測定する吸気温度測定手段と、を有し、
前記タービン回転数推定手段は、
予め実験により作成した、前記大気圧と、前記吸気温度と、タービン回転数との三次元の関係を示す第3マップを備え、該第3マップに基づいて、前記大気圧測定手段と、前記吸気温度測定手段との検出値から、タービン回転数を推定することを特徴とする請求項1記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 大気圧を測定する大気圧測定手段と、
前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気温度を測定する吸気温度測定手段と、を有し、
前記タービン回転数推定手段は、
予め実験により作成した、前記大気圧と、タービン回転数との関係を示す二次元マップを吸気温度毎に複数有する第4マップを備え、該第4マップに基づいて、前記大気圧測定手段と、前記吸気温度測定手段との検出値から、タービン回転数を推定することを特徴とする請求項1記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 前記吸気温度測定手段は、
前記エンジンの給気マニホールド内の給気マニホールド温度を測定する給気マニホールド温度測定手段と、
予め実験により作成した給気マニホールド温度と吸気温度の関係を示す第5マップを備え、該第5マップに基づいて前記給気マニホールド温度から吸気温度を求めることを特徴とする請求項2〜7何れかに記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 前記燃料噴射量制御手段は、
前記タービン回転数と大気圧に応じて、前記タービン回転数が前記許容値以下となる最大の燃料噴射量を予め実験結果より求めて、これらタービン回転数と大気圧と最大の燃料噴射量との関係を示す第6マップを備え、該第6マップに基づいて、
前記タービン回転数が、前記許容値を越える場合に、前記大気圧とタービン回転数に応じた最大の燃料噴射量以下まで燃料噴射量を低減し、前記タービン回転数を前記許容値以下とすることを特徴とする請求項2〜8何れかに記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 前記大気圧と、吸気温度とを用いて吸気の空気密度を演算する空気密度演算手段を有し、
前記燃料噴射量制御手段は、
前記タービン回転数と空気密度に応じて、前記タービン回転数が前記許容値以下となる最大の燃料噴射量が予め実験結果より求めて、これらタービン回転数と空気密度と最大の燃料噴射量との関係が設定された第7マップを備え、該第7マップに基づいて、
前記タービン回転数が、前記許容値を越える場合に、前記空気密度とタービン回転数に応じた最大の燃料噴射量以下まで燃料噴射量を低減し、前記タービン回転数を前記許容値以下とすることを特徴とする請求項2〜8何れかに記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。 - 前記燃料噴射量制御手段は、
前記吸気温度に応じた燃費率の悪化割合を予め実験結果より求めて、吸気温度と燃費率の悪化割合の関係を示した第8マップを備え、該第8マップに基づいて、前記悪化割合が大きいほど、前記最大の燃料噴射量が大きくなるように補正することを特徴とする請求項10又は11記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。
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