JP2019183809A - Control device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an internal combustion engine.
主燃焼室の頂面に、連通孔を介して主燃焼室内に連通した副室が形成されており、副室内に副点火栓と副燃料噴射弁とが配置されており、主燃焼室に主点火栓が配置されている内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。この内燃機関では、最初に主点火栓により主燃焼室内の混合気が着火され、主燃焼室内の圧力が少し上昇したときに副室内の混合気が副点火栓により着火される。副室内の混合気が着火されると、副室の連通孔から主燃焼室内にジェット火炎が噴出し、このジェット火炎によって、まだ燃焼していない主燃焼室内の混合気が燃焼せしめられる。 A sub chamber communicating with the main combustion chamber through a communication hole is formed on the top surface of the main combustion chamber, and a sub spark plug and a sub fuel injection valve are arranged in the sub chamber, and the main combustion chamber has a main chamber. An internal combustion engine in which a spark plug is disposed is known (see, for example, Patent Document 1). In this internal combustion engine, the air-fuel mixture in the main combustion chamber is first ignited by the main spark plug, and the air-fuel mixture in the sub-chamber is ignited by the sub-ignition plug when the pressure in the main combustion chamber rises slightly. When the air-fuel mixture in the auxiliary chamber is ignited, a jet flame is ejected from the communication hole of the auxiliary chamber into the main combustion chamber, and the air-fuel mixture in the main combustion chamber that has not yet been combusted is burned by the jet flame.
しかしながら、この内燃機関では、排気触媒の暖機運転時や、アイドリング運転時や、シフトチェンジ時や、減速運転時のように機関負荷が小さく、かつ点火時期が遅角される場合には、圧縮行程末期の主燃焼室の温度および圧力が低くなるために、主点火栓により着火された主燃焼室内の混合気の火炎が主燃焼室内に十分に広がらない。また、このとき、副室の連通孔から主燃焼室内に噴出するジェット火炎が弱くなるために主燃焼室内の混合気が良好に燃焼せず、その結果、失火を生ずるという問題がある。 However, in this internal combustion engine, when the engine load is small and the ignition timing is retarded, such as during warm-up operation of the exhaust catalyst, idling operation, shift change, or deceleration operation, compression is performed. Since the temperature and pressure of the main combustion chamber at the end of the stroke are lowered, the flame of the air-fuel mixture in the main combustion chamber ignited by the main spark plug does not spread sufficiently in the main combustion chamber. Further, at this time, the jet flame ejected from the communication hole of the sub chamber into the main combustion chamber becomes weak, so that the air-fuel mixture in the main combustion chamber does not burn well, resulting in a misfire.
上記問題を解決するために、本発明によれば、主燃焼室の頂面に、連通孔を介して主燃焼室内に連通しかつ第1点火栓を有する副室が形成されており、第1点火栓により副室内の混合気を燃焼させたときに連通孔からジェット火炎が噴出する内燃機関の制御装置において、連通孔から噴出したジェット火炎の噴出領域側方の主燃焼室頂面に、主燃焼室内の混合気を着火するための第2点火栓を配置し、第1点火栓の点火作用後に第2点火栓の点火作用を行うと共に、連通孔から噴出したジェット火炎により第2点火栓周りに乱れが発生しているときに第2点火栓により着火された混合気の初期火炎が生成されるように、第1点火栓の点火時期と第2点火栓の点火時期を設定した内燃機関の制御装置が提供される。 In order to solve the above problem, according to the present invention, a sub chamber that communicates with the main combustion chamber through the communication hole and has the first spark plug is formed on the top surface of the main combustion chamber. In a control device for an internal combustion engine in which a jet flame is ejected from a communication hole when an air-fuel mixture in a sub chamber is burned by a spark plug, the main combustion chamber top surface of the jet flame side of the jet flame ejected from the communication hole is A second spark plug for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber is disposed, the second spark plug is ignited after the first spark plug is ignited, and around the second spark plug by a jet flame ejected from the communication hole Of the internal combustion engine in which the ignition timing of the first spark plug and the ignition timing of the second spark plug are set so that the initial flame of the air-fuel mixture ignited by the second spark plug is generated when the turbulence occurs. A control device is provided.
第2点火栓が、連通孔から噴出したジェット火炎の噴出領域側方に配置されていると、ジェット火炎が弱まったとしても、第2点火栓周りには、ジェット火炎によって乱れが発生する。このときに第2点火栓により着火された混合気の初期火炎が生成されるので、この初期火炎は、発生している乱れにより、急速に成長して周囲に伝播する。それにより良好な燃焼が得られる。 If the second spark plug is arranged on the side of the jet region of the jet flame ejected from the communication hole, even if the jet flame weakens, turbulence occurs around the second spark plug due to the jet flame. At this time, since the initial flame of the air-fuel mixture ignited by the second spark plug is generated, the initial flame rapidly grows and propagates to the surroundings due to the generated disturbance. Thereby good combustion is obtained.
図1にガソリンを燃料とする内燃機関の全体図を示す。図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の主燃焼室、3は各気筒に対して夫々設けられた燃料噴射弁、4はサージタンク、5は吸気枝管、6は排気マニホルドを夫々示す。サージタンク4は吸気ダクト7を介して排気ターボチャージャ8のコンプレッサ8aの出口に連結され、コンプレッサ8aの入口は吸入空気量検出器9を介してエアクリーナ10に連結される。吸気ダクト7内にはアクチュエータにより駆動されるスロットル弁11が配置され、吸気ダクト7周りには吸気ダクト7内を流れる吸入空気を冷却するためのインタクーラ12が配置される。
FIG. 1 shows an overall view of an internal combustion engine using gasoline as fuel. Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a main combustion chamber of each cylinder, 3 is a fuel injection valve provided for each cylinder, 4 is a surge tank, 5 is an intake branch pipe, and 6 is an exhaust manifold. Respectively. The
一方、排気マニホルド6は排気ターボチャージャ8の排気タービン8bの入口に連結され、排気タービン8bの出口は排気管13を介して排気浄化用触媒コンバータ14に連結される。排気マニホルド5とサージタンク4とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路15を介して互いに連結され、EGR通路15内にはEGR制御弁16が配置される。各燃料噴射弁3は燃料分配管17に連結され、この燃料分配管17は燃料ポンプ18を介して燃料タンク19に連結される。
On the other hand, the
電子制御ユニット20はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス21によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)22、RAM(ランダムアクセスメモリ)23、CPU(マイクロプロセッサ)24、入力ポート25および出力ポート26を具備する。吸入空気量検出器9の出力信号は対応するAD変換器27を介して入力ポート25に入力される。また、アクセルペダル30にはアクセルペダル30の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ31が接続され、負荷センサ31の出力電圧は対応するAD変換器27を介して入力ポート25に入力される。更に入力ポート25にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ32が接続される。一方、出力ポート26は対応する駆動回路28を介して主燃料噴射弁3、スロットル弁11の駆動用アクチュエータ、EGR制御弁16、および燃料ポンプ18に接続される。
The
図2は図1に示される燃焼室2の頂面の底面図を示しており、図3は図2のA―A線に沿ってみた機関本体1の側面断面図を示している。なお、図2および図3において、41はシリンダブロック、42はシリンダブロック41上に取り付けられたシリンダヘッド、43はシリンダブロック41内で往復動するピストン、44は一対の吸気弁、45は吸気ポート、46は一対の排気弁、47は排気ポートを夫々示す。図3に示されるように、吸気ポート45内には、燃料噴射弁3が配置されている。また、これら一対の吸気弁44の開閉弁時期を制御するための可変バルブタイミング装置48が、図1に示されるように、機関本体1に取り付けられている。この可変バルブタイミング装置48は、電子制御ユニット20の出力信号に基づいて制御され、この可変バルブタイミング装置48によって、吸気弁44と排気弁46とのバルブオーバーラップ量が制御される。
FIG. 2 shows a bottom view of the top surface of the
一方、図2および図3を参照すると、主燃焼室2の頂面中央部には、副室ケーシング50が取付けられている。図5Aはこの副室ケーシング50の拡大側面断面図を示しており、図5Bは図5AのB―B線に沿ってみた断面図を示している。図2、図3、図5Aおよび図5Bに示す例では、この副室ケーシング50は、両端が閉鎖された薄肉の中空円筒状をなしており、主燃焼室2の頂面に取付けられている。また、副室ケーシング50の上方部はシリンダヘッド42内に位置しており、副室ケーシング50の下方部のみが主燃焼室2内に露呈している。この副室ケーシング50内には副室51が形成されており、副室ケーシング50には、副室51の主燃焼室2側の端部周辺部から主燃焼室2の周辺部に向けて放射状に延びる複数の連通孔52が形成されている。
On the other hand, referring to FIG. 2 and FIG. 3, a
この場合、本発明の実施例では、図5Bに示されるように、各連通孔52は、副室ケーシング50の中心軸線に関し、等角度間隔で、副室ケーシング50の中心軸線から放射状に延びるように形成されており、また、図5Aに示されるように、各連通孔52は主燃焼室2の周辺部に向けてやや下向きに延びている。一方、副室51の頂面には、副室51内の混合気を着火するための第1点火栓53が配置されており、主燃焼室2の頂面には、副室ケーシング50に隣接して、主燃焼室2内の混合気を着火するための第2点火栓54が配置されている。これら第1点火栓53および第2点火栓54は、対応する駆動回路28を介して出力ポート26に連結される。
In this case, in the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5B, each
本発明の実施例では、通常は、第1点火栓53および第2点火栓54のいずれか一方の点火作用により、主燃焼室2内の混合気が燃焼せしめられる。即ち、吸気弁44か開弁すると、燃料噴射弁3から噴射された燃料が吸入空気と共に主燃焼室2内に供給され、それによって主燃焼室2内には混合気が形成される。次いで圧縮行程が開始されると、主燃焼室2内の混合気が連通孔52から副室51内に流入する。次いで圧縮行程末期になると、第1点火栓53により主燃焼室2内の混合気を燃焼させる場合には、第1点火栓53による点火作用が行われ、それにより副室51内の混合気が着火される。副室51内の混合気が着火されると、図2および図3においてFで示されるように、各連通孔52から主燃焼室2内に向けてジェット火炎が噴出し、このジェット火炎Fによって、主燃焼室2の混合気が燃焼せしめられる。
In the embodiment of the present invention, normally, the air-fuel mixture in the
一方、第2点火栓54により主燃焼室2内の混合気を燃焼させる場合には、圧縮行程末期になると、第2点火栓54により、主燃焼室2の混合気が着火され、主燃焼室2内の混合気が燃焼せしめられる。この場合には、副室51からのジェット火炎Fの噴出は生じない。図4は、副室ケーシング50と第2点火栓54の位置を、図3に示される場合に対し、シリンダ軸線回りに90°回転した場合の変形例を示している。図3および図4からわかるように、図3および図4に示されるいずれの場合にも、第2点火栓54が隣接する一対のジェット火炎Fの間に位置するように、副室51の連通孔52の方向が調整されている。即ち、ジェット火炎Fが第2点火栓54に直接衝突せず、ジェット火炎Fが第2点火栓54の側方を流通するように、副室51の連通孔52の方向が調整されている。言い換えると、第2点火栓54は、連通孔52から噴出したジェット火炎Fの噴出領域側方に配置されている。
On the other hand, when the air-fuel mixture in the
ところで、排気浄化用触媒の暖機運転時や、アイドリング運転時や、シフトチェンジ時や、減速運転時には、通常、点火時期が遅角される。即ち、第1点火栓53により主燃焼室2内の混合気を燃焼させる場合には、第1点火栓53の点火時期が遅角され、第2点火栓54により主燃焼室2内の混合気を燃焼させる場合には、第2点火栓54による点火時期が遅角される。ところが、排気浄化用触媒の暖機運転時や、アイドリング運転時や、シフトチェンジ時や、減速運転時のように機関負荷が小さいときには、圧縮行程末期における主燃焼室2の温度および圧力が低くなっており、このように圧縮行程末期における主燃焼室2の温度および圧力が低くなると、主燃焼室2内の混合気を良好に燃焼させるのが困難となる。
Incidentally, the ignition timing is usually retarded during warm-up operation, idling operation, shift change, and deceleration operation of the exhaust purification catalyst. That is, when the air-fuel mixture in the
即ち、圧縮行程末期における主燃焼室2の温度および圧力が低くなると、圧縮行程末期における副室51内の温度および圧力も低くなる。このとき、第1点火栓53の点火時期が遅角されると、副室51内の温度および圧力が低いために、副室51内の混合気の燃焼速度が遅く、副室51内における燃焼圧も高くならない。その結果、副室51の連通孔52から主燃焼室2内に噴出するジェット火炎Fが弱まる。主燃焼室2内に噴出するジェット火炎Fが弱まると、主燃焼室2内の混合気が良好に燃焼されず、失火してしまう危険性がある。
That is, when the temperature and pressure of the
一方、このように圧縮行程末期における主燃焼室2の温度および圧力が低くなっているときに、第2点火栓54の点火時期が遅角されると、第2点火栓54の点火作用により主燃焼室2内の混合気は着火して初期火炎が生成されるものの、生成された初期火炎が主燃焼室2内に十分に広がらない。その結果、主燃焼室2内の混合気が良好に燃焼されず、失火してしまう危険性がある。このように第1点火栓53、或いは第2点火栓54により混合気が着火されたときに、失火してしまう危険性のある領域が、図6においてRで示されている。本発明の実施例では、この領域Rを、燃焼不良領域と称している。なお、図6では、この燃焼不良領域Rは、機関負荷が一定負荷よりも低く、第1点火栓53の点火時期ΘAが一定クランク角よりも遅角側である領域として示されている。
On the other hand, when the ignition timing of the
ところが、機関負荷および第1点火栓53の点火時期ΘAが、この燃焼不良領域Rであるときに、第1点火栓53の点火作用後に第2点火栓54の点火作用を行い、かつ第1点火栓53の点火時期ΘAと第2点火栓54の点火時期ΘMとのインターバルIntを適切に設定すると、主燃焼室2内の混合気を、失火を生ずることなく、良好に燃焼できることが判明したのである。次に、このことについて、図7から図9を参照しつつ説明する。
However, when the engine load and the ignition timing ΘA of the
図7の実線Aは、第1点火栓53により点火が行われた後の副室51内における燃料の燃焼割合を示しており、図7の実線Mは、第2点火栓54により点火が行われた後の主燃焼室2内における燃料の燃焼割合を示している。従って、図7におけるこれら実線A、Mの立ち上がり時点が、燃焼開始時を示している。図7に示されるように、第1点火栓53の点火後、暫くしてから副室51内で燃焼が開始され、第2点火栓54の点火後、暫くしてから主燃焼室2内で燃焼が開始される。この場合、図7から、第1点火栓53の点火後、副室51内で燃焼が開始されるまでの時間は、第2点火栓54の点火後、主燃焼室2内で燃焼が開始されるまでの時間よりもかなり長いことがわかる。
A solid line A in FIG. 7 indicates the fuel combustion ratio in the
一方、副室51内における燃料の燃焼割合が100%に近くなると連通孔52からジェット火炎Fが噴出し、このジェット火炎Fの噴出時期が、図7においてΘAXで示されている。また、主燃焼室2内では、主燃焼室2内における燃料の燃焼割合が増大し始めたときに燃焼が開始され、このとき第2点火栓54により着火された混合気の初期火炎が生成される。この混合気の初期火炎の生成時が、図7においてΘMXで示されている。ところで、図6に示される燃焼不良領域Rでも、第2点火栓54のみを点火させた場合でも、主燃焼室2内の混合気の初期火炎は生成される。しかしながら、この初期火炎は十分に成長することなく消滅してしまう。
On the other hand, when the combustion ratio of the fuel in the
ところが、初期火炎が生成されたときに、第2点火栓54の周りに乱れが発生していると、この初期火炎は急速に成長し、火炎が主燃焼室2内全体に伝播することになる。その結果、主燃焼室2内の混合気は、失火を生ずることなく、良好に燃焼することになる。従って、主燃焼室2内の混合気を良好に燃焼させるには、初期火炎が生成されたときに、第2点火栓54の周りに乱れを発生させることが必要となる。この場合、副室51の連通孔52からジェット火炎Fが噴出すると、ジェット火炎Fの周りに乱れが発生する。従って、ジェット火炎Fが噴出すると、ジェット火炎Fの噴出領域側方に配置されている第2点火栓54の周りに乱れが発生することになり、第2点火栓54周りに生成される初期火炎を急速に成長させることが可能となる。
However, when a turbulence occurs around the
即ち、図7に示されるように、ジェット火炎Fの噴出時期ΘAXに、初期火炎の生成時期ΘMXを合わせると、初期火炎を急速に成長させることができ、主燃焼室2内の混合気を、失火を生ずることなく、良好に燃焼させることが可能となる。そこで、本発明の実施例では、ジェット火炎Fの噴出時期ΘAXと、初期火炎の生成時期ΘMXとが重なるように、第1点火栓53の点火時期ΘAと第2点火栓54の点火時期ΘMとのインターバルIntを設定するようにしている。即ち、連通孔52から噴出したジェット火炎Fにより第2点火栓54周りに乱れが発生しているときに第2点火栓54により点火された混合気の初期火炎が生成されるように、第1点火栓53の点火時期ΘAと第2点火栓54の点火時期ΘMを設定している。
That is, as shown in FIG. 7, when the initial flame generation timing ΘMX is matched with the jet flame F ejection timing ΘAX, the initial flame can be rapidly grown, and the air-fuel mixture in the
次に、図8Aから図8Cを参照しつつ、第1点火栓53の点火時期ΘAと第2点火栓54の点火時期ΘMとの最適なインターバルIntについて説明する。図8Aの実線tdは、或る機関負荷における、第1点火栓53の点火作用が行われてからジェット火炎Fが噴出するまでの経過期間(ΘA〜ΘAX)、即ち、ジェット火炎噴出遅れ時間(ΘA〜ΘAX)と、第1点火栓53の点火時期ΘAとの関係を示しており、図8Bの実線tdは、或る第1点火栓53の点火時期ΘAにおける、ジェット火炎噴出遅れ時間td(ΘA〜ΘAX)と、機関負荷との関係を示している。
Next, an optimal interval Int between the ignition timing ΘA of the
即ち、第1点火栓53の点火時期ΘAが遅角されるほど、第1点火栓53の点火時における副室51内の温度および圧力が低くなり、副室51内における混合気の燃焼時間が長くなる。従って、図8Aの実線で示されるように、第1点火栓53の点火時期ΘAが遅角されるほど、ジェット火炎噴出遅れ時間tdが長くなる。一方、機関負荷が低くなると、第1点火栓53の点火時における副室51内の温度および圧力が低くなり、副室51内における混合気の燃焼時間が長くなる。従って、図8Bの実線で示されるように、機関負荷が低くなるほど、ジェット火炎噴出遅れ時間tdが長くなる。
That is, as the ignition timing ΘA of the
一方、図7からわかるように、ジェット火炎Fの噴出時期ΘAXよりも、Δt時間前に、第2点火栓54の点火作用が行われると、ジェット火炎Fの噴出時期ΘAXと、初期火炎の生成時期ΘMXとが重なる。従って、第2点火栓54の点火作用が行われるまでの最適な経過時間は、図8Aおよび図8Bにおいて、鎖線tfで示されるように、ジェット火炎噴出遅れ時間tdに対して、Δt時間だけ早い時期となる。なお、図8Aにおいて、ΘAOおよびΘMOは、第1点火栓53の点火時期と第2点火栓54の点火時期との最適な組み合わせの一例を示している。一方、図8Aおよび図8Bにおいて、第2点火栓54の点火作用が行われるまでの最適な経過時間tfは、最適なインターバルIntを表している。従って、図8Aおよび図8Bから、第2点火栓54の点火時期ΘMおよび機関負荷に基づき、最適なインターバルIntを求め得ることがわかる。
On the other hand, as can be seen from FIG. 7, when the ignition action of the
図8Cは、図8Aおよび図8Bに示される最適なインターバルIntを、第2点火栓54の点火時期ΘMと、機関負荷との関数として表した図である。なお、図8Cにおいて各実線は、等インターバル線を示している。図8Cから、最適なインターバルIntは、機関負荷が低くなるほど長くなり、第2点火栓54の点火時期ΘMが遅角されるほど長くなることがわかる。図8Cに示される最適なインターバルIntと、機関負荷および第2点火栓54の点火時期ΘMとの関係は、予めROM23内に記憶されている。
FIG. 8C is a diagram showing the optimum interval Int shown in FIGS. 8A and 8B as a function of the ignition timing ΘM of the
なお、EGR率が高くなると、副室51内における燃焼速度が低下し、その結果、ジェット火炎噴出遅れ時間Idが長くなる。ジェット火炎噴出遅れ時間Idが長くなると、最適なインターバルIntが長くなる。従って、本発明の実施例では、図9Aに示される補正係数K1をインターバルIntに乗算することによって、EGR率が高くなるほど、インターバルIntを長くするようにしている。また、吸気弁44と排気弁46とのバルブオーバーラップ量が大きくなると主燃焼室2内における残留ガス量が増大し、残留ガス量が増大すると、副室51内における燃焼速度が低下して、ジェット火炎噴出遅れ時間Idが長くなる。ジェット火炎噴出遅れ時間Idが長くなると、最適なインターバルIntが長くなる。従って、本発明の実施例では、図9Bに示される補正係数K2をインターバルIntに乗算することによって、バルブオーバーラップ量が大きくなほど、インターバルIntを長くするようにしている。
As the EGR rate increases, the combustion speed in the
一方、図6に示される燃焼不良領域Rでは、第2点火栓54の点火時期ΘMを制御することによって、主燃焼室2内における燃焼が最適な時期に行われるように制御される。この燃焼不良領域Rにおける最適な第2点火栓54の点火時期ΘMは、図10に示すように、機関負荷および機関回転数の関数として、予めROM23内に記憶されている。第1点火栓53の点火時期ΘAは、この最適な第2点火栓54の点火時期ΘMと、最適なインターバルIntから求められる。
On the other hand, in the poor combustion region R shown in FIG. 6, the ignition timing ΘM of the
図11は、点火制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。図11を参照すると、まず初めにステップ100において、現在の機関負荷および第1点火栓53の点火時期ΘAが、図6に示される燃焼不良領域R内にあるか否かが判別される。現在の機関負荷および第1点火栓53の点火時期ΘAが、燃焼不良領域R内にあるときには、ステップ101に進んで、図10に示すマップから、最適な第2点火栓54の点火時期ΘMが読み込まれる。次いでステップ102では、図8Cに示される関係から、最適なインターバルIntが読み込まれる。
FIG. 11 shows an ignition control routine. This routine is executed by interruption every predetermined time. Referring to FIG. 11, first, at
次いでステップ103では、図9Aに示す関係から、補正係数K1が算出される。次いでステップ104では、図9Bに示す関係から、補正係数K2が算出される。次いでステップ105では、インターバルIntに補正係数K1および補正係数K2を乗算することによって、最終的なインターバルIntoが算出される。次いでステップ106では、この最終的なインターバルInto(sec)に換算係数((機関回転数N/60)・360)を乗算することにより、インターバルIntoに対応したクランク角CIntoが算出される。次いでステップ107では、第2点火栓54の点火時期ΘMからクランク角CIntoを減算することによって、第1点火栓53の点火時期ΘAが算出される。次いでステップ108に進んで、点火処理が行われる。
Next, at
一方、ステップ100において、現在の機関負荷および第1点火栓53の点火時期ΘAが、図6に示される燃焼不良領域R内にないと判別されたちきには、ステップ109に進む。ステップ109では、第1点火栓53により主燃焼室2内の混合気を燃焼させる場合には、予め記憶されている第1点火栓53の点火時期ΘAが取得され、第2点火栓54により主燃焼室2内の混合気を燃焼させる場合には、予め記憶されている第2点火栓54の点火時期ΘMが取得される。次いでステップ108に進んで、点火処理が行われる。
On the other hand, if it is determined in
2 主燃焼室
3 燃料噴射弁
44 吸気弁
46 排気弁
50 副室ケーシング
51 副室
52 連通孔
53 第1点火栓
54 第2点火栓
2
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