JP2022143357A - エンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】要暖機部品の暖機を促進できるエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジンシステムは、電動式ターボチャージャ１４と、ターボチャージャの下流側の排気通路４に設けられた排気シャッター弁２６と、ターボチャージャと排気シャッター弁の間の排気通路に一端が接続され、ターボチャージャの上流側の吸気通路３に他端が接続された低圧ＥＧＲ通路５と、低圧ＥＧＲ通路を開閉する低圧ＥＧＲ弁６と、ターボチャージャの上流側の排気通路に一端が接続され、ターボチャージャの下流側の吸気通路に他端が接続された高圧ＥＧＲ通路３１と、高圧ＥＧＲ通路を開閉する高圧ＥＧＲ弁３３と、電子制御ユニット１００とを備える。電子制御ユニットは、エンジンの始動前に、排気シャッター弁を閉じ、低圧ＥＧＲ弁を開き、高圧ＥＧＲ弁を開き、ターボチャージャを作動させる第１の制御モードを実行する。【選択図】図１

Description

本開示はエンジンシステムに係り、特に、内燃機関であるエンジンとその制御装置を含むエンジンシステムに関する。
エンジンには、一定以上の温度に達しないと性能を十分に発揮できなかったり、エンジンの性能に悪影響を及ぼしたりする部品（要暖機部品という）がある。例えば、触媒を含む後処理装置は、所定の活性開始温度以上にならないと、排気中の有害成分を十分に処理できない。
特開２００８－２５５９４０号公報
一般的に、こうした要暖機部品の暖機は専らエンジンの熱によって行われる。
しかしこれだと、要暖機部品が一定以上の温度に達するまで時間がかかる問題がある。
そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、要暖機部品の暖機を促進できるエンジンシステムを提供することにある。
本開示の一の態様によれば、
電動式ターボチャージャと、
前記ターボチャージャの下流側の排気通路に設けられた排気シャッター弁と、
前記ターボチャージャと前記排気シャッター弁の間の排気通路に一端が接続され、前記ターボチャージャの上流側の吸気通路に他端が接続された低圧ＥＧＲ通路と、
前記低圧ＥＧＲ通路を開閉する低圧ＥＧＲ弁と、
前記ターボチャージャの上流側の排気通路に一端が接続され、前記ターボチャージャの下流側の吸気通路に他端が接続された高圧ＥＧＲ通路と、
前記高圧ＥＧＲ通路を開閉する高圧ＥＧＲ弁と、
前記ターボチャージャ、前記排気シャッター弁、前記低圧ＥＧＲ弁および前記高圧ＥＧＲ弁を制御するように構成された電子制御ユニットと、
を備え、
前記電子制御ユニットは、エンジンの始動前に、前記排気シャッター弁を閉じ、前記低圧ＥＧＲ弁を開き、前記高圧ＥＧＲ弁を開き、前記ターボチャージャを作動させる第１の制御モードを実行する
ことを特徴とするエンジンシステムが提供される。
好ましくは、前記エンジンシステムは、前記排気シャッター弁の下流側の前記排気通路に設けられた後処理装置を備える。
好ましくは、前記エンジンシステムは、前記高圧ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラをバイパスする第１バイパス通路と、前記第１バイパス通路を開閉する第１バイパス弁とを備え、
前記電子制御ユニットは、前記第１の制御モードを実行するときに前記第１バイパス弁を開く。
好ましくは、前記エンジンシステムは、前記ターボチャージャの下流側の吸気通路に設けられたインタークーラと、前記インタークーラをバイパスする第２バイパス通路と、前記第２バイパス通路を開閉する第２バイパス弁とを備え、
前記電子制御ユニットは、前記第１の制御モードを実行するときに前記第２バイパス弁を開く。
好ましくは、前記エンジンシステムは、前記高圧ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラにエンジン冷却水を循環させる冷却水回路とを備える。
好ましくは、前記エンジンシステムは、前記ターボチャージャの下流側の吸気通路に設けられたインタークーラと、前記インタークーラにエンジン冷却水を循環させる冷却水回路とを備える。
好ましくは、前記エンジンシステムは、前記冷却水回路に設けられたオイルクーラを備える。
好ましくは、前記電子制御ユニットは、エンジンの始動前に、前記第１の制御モードを実行した後、第２の制御モードを実行し、前記第２の制御モードにおいて、前記排気シャッター弁を開き、前記低圧ＥＧＲ弁を閉じ、前記高圧ＥＧＲ弁を開き、前記ターボチャージャを作動させる。
本開示によれば、要暖機部品の暖機を促進できる。
本開示の第１実施形態に係るエンジンシステムの概略図である。 第１実施形態の作動を示す概略図である。 第１実施形態の変形例の作動を示す概略図である。 第２実施形態に係るエンジンシステムの概略図である。
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。
［第１実施形態］
図１は、本開示の第１実施形態に係るエンジンシステムの概略図である。エンジンシステムは、エンジン（内燃機関）１とその制御装置を含む。エンジン１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関であり、具体的には直列４気筒ディーゼルエンジンである。車両はトラック等の大型車両である。但し車両および内燃機関の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジンは火花点火式内燃機関（具体的には天然ガスエンジンまたはガソリンエンジン）であってもよい。エンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されたものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。
エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。
吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５が設けられる。
排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に配置された排気管２１とにより主に画成される。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気管２１には、上流側から順に、フィルタ２３、排気シャッター弁２６、尿素水噴射弁２５、および選択還元型ＮＯｘ触媒２４が設けられる。
フィルタ２３は、所謂連続再生式の触媒付きパティキュレートフィルタからなり、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter）を捕集すると共に、捕集したＰＭを連続的に燃焼除去する。選択還元型ＮＯｘ触媒（所謂ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）２４は、尿素水噴射弁２５から噴射された尿素水に由来するアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元除去する。
これらフィルタ２３とＮＯｘ触媒２４は、排気後処理を実行する後処理装置である。また本実施形態では、ＮＯｘ触媒２４が、暖機促進対象としての要暖機部品をなす。周知のように、ＮＯｘ触媒２４は、所定の活性開始温度以上にならないとＮＯｘを十分に除去できない。従ってできるだけ早急にその温度を活性開始温度以上まで上昇させ、暖機を促進する必要がある。
ターボチャージャ１４は電動式であり、これを駆動するための電気モータ１４Ｍを備える。本実施形態では、コンプレッサ１４Ｃとタービン１４Ｔを連結するタービン軸を電気モータ１４Ｍが駆動するようになっている。
またエンジン１は、低圧ＥＧＲ通路５を備える。低圧ＥＧＲ通路５の一端は、ターボチャージャ１４と排気シャッター弁２６の間（本実施形態ではフィルタ２３と排気シャッター弁２６の間）の排気通路４に接続されている。低圧ＥＧＲ通路５の他端は、ターボチャージャ１４の上流側かつエアクリーナ１２の下流側の吸気通路３に接続されている。低圧ＥＧＲ通路５には、低圧ＥＧＲ通路５を開閉する低圧ＥＧＲ弁６が設けられている。なおＥＧＲとは排気再循環（Exhaust Gas Recirculation）の略称である。低圧ＥＧＲ弁６は単に開閉する二方電磁弁で構成されている。
エンジン１は、高圧ＥＧＲ通路３１も備える。高圧ＥＧＲ通路３１の一端は、ターボチャージャ１４の上流側の排気通路４（本実施形態では排気マニホールド２０）に接続されている。高圧ＥＧＲ通路３１の他端は、ターボチャージャ１４の下流側の吸気通路３（本実施形態では吸気マニホールド１０）に接続されている。高圧ＥＧＲ通路３１には、ＥＧＲガス流れ方向上流側から順に、ＥＧＲクーラ３２と、高圧ＥＧＲ通路３１を開閉する高圧ＥＧＲ弁３３とが設けられている。高圧ＥＧＲ弁３３は単に開閉する二方電磁弁で構成されている。
エンジン１は、ＥＧＲクーラ３２をバイパスする第１バイパス通路３４と、第１バイパス通路３４を開閉する第１バイパス弁３５とを備える。第１バイパス通路３４の一端は、高圧ＥＧＲ弁３３とＥＧＲクーラ３２の間の高圧ＥＧＲ通路３１に接続されている。第１バイパス通路３４の他端は、ＥＧＲクーラ３２の下流側の高圧ＥＧＲ通路３１に接続されている。第１バイパス弁３５は、第１バイパス通路３４の一端と高圧ＥＧＲ通路３１の接続位置に設置された三方電磁弁により構成される。本実施形態のＥＧＲクーラ３２は空冷式であるが、水冷式であってもよい。
第１バイパス弁３５が閉のとき、そのＥＧＲガス流れ方向上流側と下流側の高圧ＥＧＲ通路３１が連通され、第１バイパス通路３４が閉じられる。第１バイパス弁３５が開のとき、その下流側の高圧ＥＧＲ通路３１と第１バイパス通路３４が連通され、その上流側の高圧ＥＧＲ通路３１が閉じられる。
なお第１バイパス弁３５は変形可能である。例えば、第１バイパス通路３４の他端と高圧ＥＧＲ通路３１の接続位置に設置された三方電磁弁により第１バイパス弁３５を構成してもよい。第１バイパス通路３４に設けられ単に開閉する二方電磁弁により第１バイパス弁３５を構成してもよい。
エンジン１は、インタークーラ１５をバイパスする第２バイパス通路７と、第２バイパス通路７を開閉する第２バイパス弁８とを備える。第２バイパス通路７の一端は、ターボチャージャ１４とインタークーラ１５の間の吸気通路３に接続されている。第２バイパス通路７の他端は、インタークーラ１５の下流側で、かつ、高圧ＥＧＲ通路３１の一端の接続位置より上流側の吸気通路３に接続されている。第２バイパス弁８は、第２バイパス通路７の他端と吸気通路３の接続位置に設置された三方電磁弁により構成される。本実施形態のインタークーラ１５は空冷式であるが、水冷式であってもよい。
第２バイパス弁８が閉のとき、その上流側と下流側の吸気通路３が連通され、第２バイパス通路７が閉じられる。第２バイパス弁８が開のとき、その下流側の吸気通路３と第２バイパス通路７が連通され、その上流側の吸気通路３が閉じられる。
なお第２バイパス弁８は変形可能である。例えば、第２バイパス通路７の一端と吸気通路３の接続位置に設置された三方電磁弁により第２バイパス弁８を構成してもよい。第２バイパス通路７に設けられ単に開閉する二方電磁弁により第２バイパス弁８を構成してもよい。
エンジンシステムは、制御装置を構成する電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）１００を備える。ＥＣＵ１００は、エンジン１を制御するように構成され、特にターボチャージャ１４のモータ１４Ｍ、排気シャッター弁２６、低圧ＥＧＲ弁６および高圧ＥＧＲ弁３３を制御するように構成されている。またＥＣＵ１００は、第１バイパス弁３５および第２バイパス弁８を制御するように構成されている。
次に、本実施形態の制御を説明する。
ＥＣＵ１００は、エンジン１の始動前に、上記の各デバイスを以下のように制御する第１の制御モードを実行する。
図２に示すように、第１の制御モードを実行するとき、ＥＣＵ１００は、排気シャッター弁２６を閉じ、低圧ＥＧＲ弁６を開き、高圧ＥＧＲ弁３３を開き、モータ１４Ｍを駆動してターボチャージャ１４を作動させる。またＥＣＵ１００は、第１バイパス弁３５を開き、第２バイパス弁８を開く。
すると図中矢示するように、コンプレッサ１４Ｃは、主に低圧ＥＧＲ通路５から送られてきた空気を吸引して圧縮し、インタークーラ１５に向けて吐出する。第２バイパス弁８が開なので、空気はインタークーラ１５をバイパスして第２バイパス通路７を流れ、吸気通路３を経由して高圧ＥＧＲ通路３１に流入する。
流入した空気は、第１バイパス弁３５が開なので、ＥＧＲクーラ３２をバイパスして第１バイパス通路３４を流れ、排気通路４に流入する。
その後空気は、タービン１４Ｔによってフィルタ２３に送られ、フィルタ２３を通過する。低圧ＥＧＲ弁６が開なので、空気はフィルタ２３の下流側の排気通路４から低圧ＥＧＲ通路５に流入し、低圧ＥＧＲ通路５を流れた後、コンプレッサ１４Ｃの上流側の吸気通路３に戻される。
こうした循環流がターボチャージャ１４の作動により生成される。コンプレッサ１４Ｃの圧縮仕事と、モータ１４Ｍの発熱とにより、循環する空気の温度を上昇させることができる。これにより、エンジン１の温度を上昇させ、エンジン１の暖機を行うことができる。つまりエンジン１の始動前に、エンジン１を予熱することができる。
この後、エンジン１が始動されると、エンジン１は通常制御に従って通常通り作動される。このとき、エンジン１の排気温が、第１の制御モードを実行しないときに比べ、上昇していることから、ＮＯｘ触媒２４をより短時間で、活性開始温度以上まで温度上昇させることができる。これにより、ＮＯｘ触媒２４の暖機を促進し、エンジン始動後のＮＯｘ排出量を抑制することができる。
また、別の要暖機部品であるエンジンオイルも、エンジン始動後により短時間で、所定温度以上まで温度上昇させることができる。これにより、エンジンオイルの暖機を促進し、エンジン始動後におけるエンジン摺動部の摩擦を低減し、エンジンの燃費を向上することができる。
また、別の要暖機部品であるエンジン冷却水もエンジン始動後により短時間で温度上昇させることができる。
本実施形態では、第１の制御モードを実行するときに第１バイパス弁３５を開くので、循環空気がＥＧＲクーラ３２を流れて温度低下するのを好適に抑制できる。
また本実施形態では、第１の制御モードを実行するときに第２バイパス弁８を開くので、循環空気がインタークーラ１５を流れて温度低下するのを好適に抑制できる。
なお、エンジン始動後の通常制御時には、ＥＣＵ１００は、通常のエンジンシステムと同様の方法で、各デバイスをエンジン運転状態（回転数、負荷、水温等）に基づいて制御する。例えばＥＣＵ１００は、排気シャッター弁２６を開き、低圧ＥＧＲ弁６および高圧ＥＧＲ弁３３をエンジン運転状態に応じた開度に制御し、モータ１４Ｍをエンジン運転状態に応じた回転数に制御する。またＥＣＵ１００は、第１バイパス弁３５および第２バイパス弁８を閉じ、第１バイパス通路３４および第２バイパス通路７に吸排気が流れないようにする。
排気シャッター弁２６は、本来排気ブレーキ等に使用されるものあり、閉のときであっても少量の排気の通過を許容する。しかしながら、第１の制御モードと後述の第２の制御モードとの実行時に限っては、閉のときに空気の通過を完全に遮断するものであってもよい。
次に、本実施形態の変形例を説明する。なお前記基本実施形態と同様の部分については説明を割愛し、以下、基本実施形態との相違点を主に説明する。
本変形例のＥＣＵ１００は、エンジンの始動前に、前記第１の制御モードを実行した後、第２の制御モードを実行する。好ましくは、ＥＣＵ１００は、第１の制御モードの実行後に連続して、エンジンの始動直前に第２の制御モードを実行する。
図３に示すように、第２の制御モードにおいて、ＥＣＵ１００は、排気シャッター弁２６を開き、低圧ＥＧＲ弁６を閉じる。他の弁については第１の制御モードのときと同じように制御する。
すると図中矢示するように、コンプレッサ１４Ｃは、その上流側の吸気通路３から送られてきた新規の空気を吸引して圧縮、吐出するようになる。またタービン１４Ｔから排出された空気は、フィルタ２３を通過した後、低圧ＥＧＲ通路５に流入することなく、排気シャッター弁２６を経てＮＯｘ触媒２４に供給される。
こうすると、コンプレッサ１４Ｃの圧縮仕事と、モータ１４Ｍの発熱と、主にエンジン本体２の熱とにより暖められた空気をＮＯｘ触媒２４に供給し、ＮＯｘ触媒２４をエンジン始動前に予熱することができる。そしてエンジン始動後に、第２の制御モードを実行しないときに比べ、ＮＯｘ触媒２４をより短時間で、活性開始温度以上まで温度上昇させることができ、ＮＯｘ触媒２４の暖機を促進し、エンジン始動後のＮＯｘ排出量を抑制することができる。
［第２実施形態］
次に、本開示の第２実施形態を説明する。なお前記第１実施形態と同様の部分については説明を割愛し、以下、第１実施形態との相違点を主に説明する。
図４に示すように、本実施形態では、前述の第１バイパス通路３４、第１バイパス弁３５、第２バイパス通路７および第２バイパス弁８が省略されている。ＥＧＲクーラ３２およびインタークーラ１５は、エンジン冷却水によって冷却される水冷式とされる。エンジン１は、エンジン本体２、ＥＧＲクーラ３２およびインタークーラ１５にエンジン冷却水を循環させる冷却水回路９を備える。冷却水回路９には電動式のウォータポンプ１３が設けられる。なおエンジン本体２につながる水路は略示する。
一方、エンジン１は、エンジン本体２およびオイルクーラ１６にエンジンオイルを循環させるオイル回路１７を備える。オイル回路１７には電動式のオイルポンプ１８が設けられる。なおエンジン本体２につながる油路は略示する。オイルクーラ１６は水冷式であるため冷却水回路９にも設けられる。
この構成によれば、第１の制御モードが実行されたとき、コンプレッサ１４Ｃの圧縮仕事とモータ１４Ｍの発熱とにより加熱された空気を用いて、冷却水、ひいてはオイルを加熱することができる。すなわち、ＥＧＲクーラ３２およびインタークーラ１５の内部で、空気の熱を冷却水に伝達すると共に、エンジン本体２の熱を冷却水に伝達することで、冷却水の温度を上昇させることができる。また、オイルクーラ１６の内部で、温度上昇した冷却水の熱をオイルに伝達すると共に、エンジン本体２の熱をオイルに伝達することで、オイルの温度を上昇させることができる。
これにより、エンジン１の始動前に、要暖機部品である冷却水およびオイルを予熱することができ、それらの暖機をさらに促進できる。
このとき、エンジン１は始動されてないが、ウォータポンプ１３とオイルポンプ１８を作動させる（オンする）ことで、冷却水およびオイルを循環させることができ、これらの暖機をさらに促進できる。
本実施形態においても、第１実施形態の変形例のように、第２の制御モードを併せて行うことが可能である。
また本実施形態において、第１バイパス通路３４、第１バイパス弁３５、第２バイパス通路７および第２バイパス弁８は省略しなくてもよい。この場合、ＥＧＲクーラ３２およびインタークーラ１５を通じた冷却水の加熱が必要な場合に第１バイパス弁３５および第２バイパス弁８を閉じればよい。
ウォータポンプ１３とオイルポンプ１８は、第１および第２の制御モードのときに停止されてもよく、機械式であってもよい。
以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。
前述の各実施形態および各変形例の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
１ エンジン
４ 排気通路
５ 低圧ＥＧＲ通路
６ 低圧ＥＧＲ弁
７ 第２バイパス通路
８ 第２バイパス弁
９ 冷却水回路
１４ ターボチャージャ
１５ インタークーラ
１６ オイルクーラ
２４ ＮＯｘ触媒
２６ 排気シャッター弁
３１ 高圧ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲクーラ
３３ 高圧ＥＧＲ弁
３４ 第１バイパス通路
３５ 第１バイパス弁
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (8)

  1. 電動式ターボチャージャと、
    前記ターボチャージャの下流側の排気通路に設けられた排気シャッター弁と、
    前記ターボチャージャと前記排気シャッター弁の間の排気通路に一端が接続され、前記ターボチャージャの上流側の吸気通路に他端が接続された低圧ＥＧＲ通路と、
    前記低圧ＥＧＲ通路を開閉する低圧ＥＧＲ弁と、
    前記ターボチャージャの上流側の排気通路に一端が接続され、前記ターボチャージャの下流側の吸気通路に他端が接続された高圧ＥＧＲ通路と、
    前記高圧ＥＧＲ通路を開閉する高圧ＥＧＲ弁と、
    前記ターボチャージャ、前記排気シャッター弁、前記低圧ＥＧＲ弁および前記高圧ＥＧＲ弁を制御するように構成された電子制御ユニットと、
    を備え、
    前記電子制御ユニットは、エンジンの始動前に、前記排気シャッター弁を閉じ、前記低圧ＥＧＲ弁を開き、前記高圧ＥＧＲ弁を開き、前記ターボチャージャを作動させる第１の制御モードを実行する
    ことを特徴とするエンジンシステム。
  2. 前記排気シャッター弁の下流側の前記排気通路に設けられた後処理装置を備える
    請求項１に記載のエンジンシステム。
  3. 前記高圧ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラをバイパスする第１バイパス通路と、前記第１バイパス通路を開閉する第１バイパス弁とを備え、
    前記電子制御ユニットは、前記第１の制御モードを実行するときに前記第１バイパス弁を開く
    請求項１または２に記載のエンジンシステム。
  4. 前記ターボチャージャの下流側の吸気通路に設けられたインタークーラと、前記インタークーラをバイパスする第２バイパス通路と、前記第２バイパス通路を開閉する第２バイパス弁とを備え、
    前記電子制御ユニットは、前記第１の制御モードを実行するときに前記第２バイパス弁を開く
    請求項１～３の何れか一項に記載のエンジンシステム。
  5. 前記高圧ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラにエンジン冷却水を循環させる冷却水回路とを備える
    請求項１～４の何れか一項に記載のエンジンシステム。
  6. 前記ターボチャージャの下流側の吸気通路に設けられたインタークーラと、前記インタークーラにエンジン冷却水を循環させる冷却水回路とを備える
    請求項１～５の何れか一項に記載のエンジンシステム。
  7. 前記冷却水回路に設けられたオイルクーラを備える
    請求項５または６に記載のエンジンシステム。
  8. 前記電子制御ユニットは、エンジンの始動前に、前記第１の制御モードを実行した後、第２の制御モードを実行し、前記第２の制御モードにおいて、前記排気シャッター弁を開き、前記低圧ＥＧＲ弁を閉じ、前記高圧ＥＧＲ弁を開き、前記ターボチャージャを作動させる
    請求項１～７の何れか一項に記載のエンジンシステム。
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