JP3634177B2 - 2サイクル機関 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダに所属するピストンにより制御可能である、充填媒体を供給するための給気口−スリット装置を有するシリンダと、所定のクランク角範囲に亙っている開放時間スパン(開放持続期間)の間開かれている、排ガスを排出するための排気口−装置とを有する形式の2サイクル機関、特に2サイクル大型ディーゼル機関に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
上記の形式の公知の装置、例えば本出願人の2サイクルー大型ディーゼル機関では、排気装置は単に一個の大型排気弁を有しているに過ぎない。従って単に1つの排ガス流だけが生じ、この排ガス流はあらゆる汚染物質及び環境有害物質を含んでいるととももに、該排ガス流の平均温度は前−排気持続期間(給気口−スリット装置開放前の排気弁の開放持続期間)中に排出される膨張する燃焼ガスの温度よりも著しく低く、かつ、後−排気持続期間(給気口−スリット装置閉鎖後の排出持続期間)中に排出されるほとんどきれいな掃気空気の温度より著しく高い。
【0003】
従って、上記の形式のこのような公知の装置では、排ガスの浄化及び有毒物質除去のために比較的大形の装置群が必要となり、該装置群は全排ガス量に相応する容積流を処理しなければならない。しかしこのことは、既存の組付けスペース事情に基づき良好な結果を生じない。
【0004】
さらに、排ガスの平均温度が比較的低いため、窒素酸化物を含む排ガスを浄化するための浄化装置群を排ガスタンクとターボ過給器タービンの入口との間に設け、これにより必要な触媒処理プロセスが行われるようにすることが必要になる。ターボ過給器タービンの後方に設けたのでは温度が過度に低くなることであろう。
【0005】
さらに、この場合、排ガスエネルギーの一部が失われる。というのは、タンク内における排ガス総量が減少し、シリンダ内の比較的高い圧力が、前−排気中に排ガスタンク内の圧力まで、機械仕事に利用されることもなく低下するからである。このことは全体的経済性にとって不都合な結果を生じる。このような圧力低減の損失は、今日の2サイクルディーゼル機関においては機関の軸出力のほぼ8%のエネルギーポテンシャルを喪失することを意味する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、このような従来技術から出発して、冒頭に述べた形式の機関を簡単でコスト的に有利な手段により比較的高い環境親和性(無公害性)及び経済性が得られるよう改良することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によれば、排気口−装置が複数の排気口を有し、これらの各排気口にそれぞれ、互いに独立に操作可能である排気弁が所属しており、該排気弁が、開放時間スパン内にある互いに異なる部分開放時間中、開かれており、かつ全排ガス量が、複数の排ガス部分流に分けられており、これらの各排ガス部分流が異なる目的箇所へ供給可能であることによって解決されている。
【0008】
このような手段によれば、先に述べた欠点が最小限にされ又は完全に避けられる。全排ガス量が複数の排ガス部分流に分けられることによって、有利な形式で、排ガスの、各排ガス部分流の特性に応じた個別的な利用又は後処理が可能になり、このことは、高い浄化純度及び良好な経済性の達成に有利である。
【0009】
本発明の請求項1に記載した上記手段の有利な構成及び改良は従属請求項に記載されている。排気口−装置は、有利には、それぞれ少なくとも1つの排気口を有する少なくとも2つの排気口−グループを備えている。このことは比較的僅かな構造経費で既に1つの方向での又は他の方向での手段の最適化を可能にする。
【0010】
少なくとも1つの排気口の部分開放時間が、少なくとも部分的に、有利には完全に、給気口−スリット装置の閉制御後の範囲と合致するようにすることができる。この排ガス部分流は比較的高い清浄度と比較的低い温度とを有している。従ってこの排ガス部分流は、直接又は間接に機関の別個の冷却−浄化装置を通して、又は機関固有の掃気空気冷却器を通して、給気口−スリット装置へ供給し、これにより循環させることができる。循環された排ガス部分流が冷却器を通して戻されれば、これによって機関の掃気性能が高められ、延いては機関圧縮行程始動時の温度を低くすることができ、機関の効率を高める。掃気空気の清浄度はこの排ガス部分流の循環によって減少するから、この場合燃焼中のNO−生成物発生の可能性が少なくなる。さらに別の利点は以下の点に認められる。すなわち、ターボ過給機の圧縮機を通して送られる清浄過給空気の必要量も減少し、これにより、圧縮機の構造を小型にすることができる。機関サイクルのこの過程中は機関の給気口−スリット装置は閉じられているから、圧縮行程の上昇運動が、有利な形式で、機関の過給空気蓄圧器へ排ガスをポンピングにより圧送するために働く。排ガス循環量を大きくすることが望ましい場合には、当該排気口の開放時間が持続する期間を長くし、その結果この排気口が、機関の給気口−スリット装置がピストンによって閉じられる以前に既に開かれようにすることが必要である。このためにはさらに、この排ガス部分流の通路に、系内において排ガスを搬送するための圧縮機を設けなければならない。ただしこの圧縮機はターボ過給機の圧縮機よりもはるかに低い圧力比で操作され、従って掃気空気(ガス)を発生させるための所要出力を著しく減少させる。
【0011】
請求項1記載の本発明の手段のさらに別の改良手段によれば、少なくとも1つの排気弁の部分開放時間が、少なくとも部分的に、有利には完全に、給気口−スリット装置の開制御前の範囲と合致するようになっている。機関サイクルのこの時間中はこの排ガス流と過給空気蓄圧器とは直接接続されないから、所属の排ガスタンク中の圧力は、戻し流を生じることなしに、過給空気蓄圧器中の圧力よりも高くなることができる。この排ガス部分流は比較的高い圧力と高い温度を有しており、従って高いエネルギーを含んでいる。所属の排ガス蓄圧器内の圧力が比較的高いことにより、排ガス中のエネルギーを機械仕事に変換するポテンシャルが高められる。このポテンシャルは実地においては、接続されているターボ過給機タービン及び/又は動力タービンで使われる。全排ガス量の限られた一部分に過ぎないこの排ガス流はさらに、汚染物質及び環境有害物質の総量の大部分を含んでいる。従って機関の汚染物質及び環境有害物質の総量の大部分が比較的小型の装置で浄化され、該装置はターボ過給機タービンの前及び後に配置される。何故ならば、温度がなお十分に高く、触媒処理がタービンでの膨張の前においてもまた後においても可能であるからである。
【0012】
何れの場合においても、少なくとも1つの排気弁の部分開放時間が、給気口−スリット装置の開制御と閉制御との間の範囲に、少なくとも部分的に合致する、又はこの範囲と完全に重なるようにすることができる。この際に発生する排ガス部分流によって有利には固有の排気ターボ過給機を駆動することができ、この場合、この固有の排気ターボ過給機は、上記の排ガス部分流、つまりその部分開放時間が少なくとも部分的に給気口−スリット装置の開制御の前にある排ガス部分流、によって負荷可能である排ガスターボ過給機と共に、機関が必要とする充填空気量を十分に充たすことができる。これにより、全排ガス流中における余分なエネルギー量を、有利には並列接続されている動力タービンを何等かの形式で駆動するために利用することができ、これにより機関の全体効率が高められる。動力タービンを並列接続することは、それぞれの動力タービンを比較的小型にすることができる利点を有している。
【0013】
請求項1記載の本発明の手段のさらに別の有利な構成及び改良は他の従属請求項に記載されている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図1は、複数の排気口を備えた本発明による2サイクル大型ディーゼル機関の原理的な概略ブロック図;
図2は、クランク角又は時間と排ガス容積流及び充填容積流との関係を示す線図である。
【0015】
2サイクル大型ディーゼル機関、例えば船舶用駆動機関として使用可能である2サイクル大型ディーゼル機関、の基本構造及び作業形式はそれ自体としては公知であり、従ってここでは詳細な説明はもはや不要である。この型式の機関は一般に、並列に配置されたシリンダ1を有し、これらのうち図1では単に1つのシリンダ1だけが代表として図示されている。各シリンダ1には、図示されていないクランク軸と協働するピストン2が所属しており、該ピストン2は燃焼室3を規定している。燃焼室3には燃料と空気が供給される。燃料(ここではディーゼル油)は燃焼室内へ噴射される。噴射装置は図面を見や易くするため図1には図示されていない。空気の供給はシリンダ壁の範囲に配置された給気口−スリット4を介して行われ、ピストン2は該給気口−スリットをピストン下死点の範囲で通過し、これにより該給気口−スリットを開制御及び閉制御する。
【0016】
過給空気は排ガスのエネルギーを使用して圧縮される。このために、ここでは2つの排気ターボ過給機5,6を有する装置が設けられており、これらの排気ターボ過給機の後方には両排気ターボ過給機に共通の1つの過給空気冷却器7が配置されており、該過給空気冷却器により、過給空気の温度が下げられる。冷却器7の後方には、全シリンダ1に対して共通の過給空気蓄圧器8が配置されており、ここから分岐導管9が各シリンダ1へ延びている。
【0017】
燃焼時に発生する排ガスはシリンダヘッドの範囲に配置された複数の排気口10,11,12を介して燃焼室3から押し出される。図示の例では3つの排気口10,11,12が設けられている。各排気口10,11,12は該各排気口にそれぞれ配属された各排気弁13,14,15により開閉可能である。各排気口10,11,12はそれぞれ所属の各排気接続導管16,17,18を介して所属の排気マニホールド管19,20,21に接続している。この場合、全シリンダ1の互いに相応する排気口10又は11又は12はそれぞれ同じ排気マニホールド管19又は20又は21に接続されている。
【0018】
排気弁13,14,15は互いに独立に操作可能である。このために設けられている操作装置は図面を見易くするため図示されていない。排気弁13,14,15のこの操作装置の制御は、各シリンダ1の排気口10,11,12が順次に開かれるように設計されている。重複して開かれることも可能である。これに相応して図2の線図の、Taで示されている開放時間スパンが生じ、この開放時間スパン中で排気口10,11,12が開かれる。この開放時間スパンはこの場合、給気口−スリット装置4が開かれている、Teで示されている時間スパンを前後に越えて延びている。個々の場合にTeに対するTaの延長が単に前又は後の一方向にだけ延長されているようにすることも可能である。
【0019】
図2には、排気口10,11,12の開放時間スパンTaを3つの部分開放時間T10,T11 及びT12 に分けている時間t,t,t,t が示されている。部分開放時間T10 中は、排気口10に所属する排気弁13が開いている。この時間スパンは、面積−曲線Veによって代表的に図示されている給気口−スリット装置4が開かれている時間スパンと完全に又は部分的に合致している。部分開放時間T11 中は、排気口11に所属する排気弁14が開いている。部分開放時間T12 中は、排気口12に所属する排気弁15が開いている。これに相応して複数の、この場合3つの、図2に曲線V10,V11 及びV12 によって示されている各排ガス部分流が生じる。上記曲線下側の面は、それぞれ、当該排気弁の所属の開放範囲に相応する。給気口−スリット4を通って燃焼室3に供給される充填容積流は曲線Veによって示されている。
【0020】
排気口10は、上に述べたように、給気口−スリット装置4を介して行われる燃焼室3の掃気中開かれている。排ガス部分流V10 はこれに相応して最大の排ガス部分流である。該排ガス部分流は第1の排気ターボ過給機5を駆動するために役立つ。これに相応して、排気マニホールド管19は導管22を介して排気ターボ過給機5のタービン5aに接続され、排気ターボ過給機5の圧縮機5bは、既に上に述べたように、導管23を介して過給空気冷却器7に接続されている。排ガス部分流(排ガス部分容積流)V10 によりこの場合同時に動力タービン28が駆動される。この動力タービンはこの例では小さい構造サイズを達成するために、排気ターボ過給機5のタービン5aに対して、流動運動的に並列に、配置されている。直列配置も勿論可能である。
【0021】
排気口11は、図2から判るように、先に述べた掃気の開始前に既に開かれる。燃焼室3の掃気開始前、排ガスは比較的高い温度及び比較的高い圧力を有していると共に高い汚染物質含量及び環境有害物質含量を有している。所属の排ガス部分流V11は従って比較的多くのエネルギーを有しており、このエネルギーはこの場合やはり排気ターボ過給機の駆動に使用される。このエネルギーを完全に利用することができるようにするために、1つの固有の排気ターボ過給機、この例では第2の排気ターボ過給機6が設けられており、そのタービン6aは導管24を介して排気マニホールド管20に接続されている。排気ターボ過給機6の圧縮機6bはこの場合導管25を介して過給空気冷却器7に接続されている。この場合にもまた、図1から判るように、少なくとも1つの付加的な、有利には並列接続された動力タービン29へ排ガスを負荷することができる。
【0022】
排気マニホールド管19及び/又は20内には、触媒を配置することが可能であり、これらの触媒はそれぞれ煤フィルタ及びNOx−触媒−エレメントを含んでいる。大気中に放出される汚染物質及び環境有害物質の量は従って、触媒が両排ガス部分流V10 及びV11 の双方に配置されている、又は単にその一方にしか配置されていない、又は両方のいずれにも配置されていない、ということに左右される。
【0023】
全排ガス量と比較した場合、排ガス部分流V11の量は小さいが、しかし、上に述べたように、多量の汚染物質及び環境有害物質を含んでいる。従って、比較的小さい触媒をこの排ガス部分流中に設けることによって、大気中に放出される汚染物質及び環境有害物質の総量の著しい削減を達成することができる。さらに、該排ガス部分流の温度は、必要な触媒作用をタービン後方に配置された触媒中で問題なく生じさせるのに十分な高さを有している。この原理によれば、全排ガス流の25%より少ない排ガス部分流の触媒処理によって、大気中に放出される全汚染物質量を50%以上減少させることが可能である。
【0024】
図2に示されている例では、排ガス部分流V11 のための開放時間のスパンは給気口−スリット装置4が開制御される時点の前にある。これにより、上に述べたように、排気マニホールド管20内には過給空気蓄圧器8内よりも高い圧力が存在し、これにより、タービン6a又は29によって行われる膨張仕事は大きくなる。汚染物質及び環境有害物質の総量を上に述べた50%よりさらに削減しようとする場合には、排ガス部分流V11 の開放時間のスパンをさらに長くし、その結果該開放時間のスパンが給気口−スリット装置4の開放時間スパンと重なるようにする。これにより、排ガス部分流V11の流量は大きくなり、排気マニホールド管20中に設けられた触媒装置の触媒作用により処理される量が増大する。
【0025】
排気口12は上に述べた掃気過程が終了した後に開かれる。該排気口12に所属する排ガス部分流V12 は従って比較的僅かな汚染物質しか含んでおらず、温度も比較的低い。排ガス部分流V12 は従って新鮮過給空気と一緒に燃焼室3へ再び供給される。この排ガス部分流の循環は必要な過給空気量を低減させ、その結果、排気ターボ過給機5及び6を比較的小さい構造サイズに製作することができる。
【0026】
排ガス部分流V12 は過給空気蓄圧器8に直接供給することができる。図示の例では、排ガス部分流V12 は、排気マニホールド管21から過給空気冷却器7へ延びている導管26によって示されているように、過給空気冷却器7へ供給される。この場合固有の冷却器を使用することも可能である。導管26には煤フィルタ27の形の浄化装置が配置されており、これは排ガス部分流V12 中に含まれている微粒子(パーティキュレイト)を除去する。この原理を用いることによって、すなわち、排ガス部分流V12 を過給空気冷却器27を通して、又は別個の冷却器を通して導くことによって、給気口−スリット装置4を通って流れる全掃気流量を高めることができ、これにより、冷空気−冷排ガスによる機関の掃気性能を改善しかつ圧縮開始(排気弁15の閉鎖)時のシリンダ3内の温度を低下させることができる。圧縮開始時のこの低下した温度は機関作業過程の効率の改善をもたらす。
【0027】
図2に示されている例では、排ガス部分流V12 の開放時間スパンは給気口−スリット装置4の閉制御時点の後にあり、その結果ピストン2は排ガスを排気口12、排気マニホールド管21、煤フィルタ27及び過給空気冷却器(掃気空気冷却器)7を介して過給空気蓄圧器8へ圧送することができる。排ガス部分流V12 の開放時間スパンは、場合によっては、給気口−スリット装置4の閉制御前に既に始まるようにすることも可能であり、これにより、排ガス循環量を高めることができる。しかしこのためには、図1に破線で示されている吸引送風機30を導管26の範囲に設けることが必要である。吸引送風機を導管26に使用した場合には、さらに図1に示されているように、該送風機の前方に別個の冷却器31を設けるのが有利である。
【0028】
清浄過給空気と循環された排気ガスとの混合によって、シリンダ充填物の温度及び酸素含量が圧縮行程の開始時に減少し、これにより、燃焼過程中のNO−生成物発生の可能性を減少させることができる。
【0029】
上に述べたように、圧縮機5b及び6bを通過する全新鮮空気量は、一個の共通の排気弁しか持たない公知の装置において圧縮機を通過する量と比較して、減少している。さらに、減少した質量流に供給されるエネルギー量は公知の装置と比較して殆ど変わらない。このことは、、圧縮機5b及び6bの駆動に必要なエネルギ量よりもより大きなエネルギー量がタービン5a及び6aにおける膨張のために供給され、該エネルギ量を図示の動力タービン28及び/又は29でさらに使用することができることを意味している。該動力タービン28又は29により各種の装置ユニット、例えば発電機等を駆動することができる。
【0030】
以上の説明から判るように、本発明の手段によれば、各排ガス部分流の特性を特に効果的に利用することができ、その結果全体として機関の高い出力向上を達成することができる。機関の出力を、単に一個の排気弁しか有していない公知の機関より3〜5%高くすることは容易に可能である。図示の例では3つの排ガス部分流が設けられ、これらの排ガス部分流のうちの2つの排ガス部分流は掃気過程の前又は後に生ぜしめられる。この場合にとくに良好な成果が達成される。しかしながら、両排ガス部分流V11 又はV12 の単に一方又は他方の排ガス部分流を設けるだけで既に著しい出力向上がえられるであろう。
【0031】
図示の例では、各排ガス部分流にそれぞれ1つの排気口が配属されている。しかしまた、各排ガス部分流に複数の排気口から成る1グループの排気口を配属させることも考えられる。同様にまた、部分開放時間を交差させることも考えられる。
【0032】
図示の例は2サイクル大型ディーゼル機関をベースとしたものである。本発明はしかし他の2サイクル機関、例えばガス機関、ディーゼル−ガス機関、オットー−ガス機関及びオットー機関にも有利に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】複数の排気口を備えた本発明による2サイクル大型ディーゼル機関の原理的な概略ブロック図である。
【図2】クランク角又は時間と排ガス容積流及び充填容積流との関係を示す線図である。
【符号の説明】
1 シリンダ
2 ピストン
3 燃焼室
4 給気口−スリット装置
5 排気ターボ過給機
5a タービン
6 排気ターボ過給機
6a タービン
7 過給空気冷却器
8 過給空気蓄圧器
10,11,12 排気口
13,14,15 排気弁
19,20,21 排気マニホールド管
26 導管
27 浄化装置
28 タービン
29 タービン
30 送風機
31 冷却器
Ta 開放時間スパン
10 部分開放時間
11 部分開放時間
12 部分開放時間
11 排ガス部分流
12 排ガス部分流
13 排ガス部分流

Claims (18)

  1. シリンダ(1)に所属するピストン(2)により制御可能である、充填媒体を供給するための給気口−スリット装置(4)を有するシリンダ(1)と、所定のクランク角範囲に亙っている開放時間スパン(Ta)中開かれる、排ガスを排出するための排気口−装置と、を有して成る2サイクル機関、特に2サイクル大型ディーゼル機関であって、
    前記排気口−装置が複数の排気口(10,11,12)を有し、これらの各排気口に、互いに独立に操作可能である排気弁(13,14,15)が所属しており、
    該排気弁が、開放時間スパン(Ta)内にある互いに異なる部分開放時間(T10,T11,T12)だけ開かれており、
    かつ、全排ガス量が、複数の排ガス部分流(V10,V11,V12)に分けられており、これらの各排ガス部分流が異なる目的箇所へ供給可能であることを特徴とする2サイクル機関。
  2. 請求項1記載の2サイクル機関において、排気口−装置が、それぞれが少なくとも1つの排気口(10又は11又は12)を含む少なくとも2つの排気口−グループを有していることを特徴とする2サイクル機関。
  3. 請求項1又は2記載の2サイクル機関において、排気口−装置が、それぞれが少なくとも1つの排気口(10又は11又は12)を含む3つの排出口−グループを有していることを特徴とする2サイクル機関。
  4. 請求項1から3の何れに記載の2サイクル機関において、少なくとも1つの排気口(10)の部分開放時間(T10)が、少なくとも部分的に、有利には完全に、給気口−スリット装置(4)の開制御と閉制御との間の範囲(Te)に合致しており、かつ上記の少なくとも1つの排気口(10)に所属する排ガス部分流(V10)により、該排ガス部分流(V10)に所属する少なくとも1つのタービン(5a,28)が駆動可能とされていることを特徴とする2サイクル機関。
  5. 請求項4記載の2サイクル機関において、排ガス部分流(V10)に固有の排ガスターボ過給機(5)が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  6. 請求項4又は5記載の2サイクル機関において、排ガス部分流(V10)に、少なくとも1つの動力タービン(28)、有利には排ガスターボ過給機(5)のタービン(5a)に対して流動運動的に並列に配置された動力タービン(28)、が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  7. 請求項1から6の何れに記載の2サイクル機関において、少なくとも1つの排気口(11)の部分開放時間(T11)が、少なくとも部分的に、有利には完全に、給気口−スリット装置(4)の開制御の前の範囲に合致しており、かつ所属の排ガス部分流(V11)により、少なくとも1つの所属のタービン(6a,29)が駆動可能であることを特徴とする2サイクル機関。
  8. 請求項7記載の2サイクル機関において、排ガス部分流(V11)に、固有の排気ターボ過給機(6)が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  9. 請求項7又は8記載の2サイクル機関において、排ガス部分流(V11)に、少なくとも1つの動力タービン(29)、有利には排気ターボ過給機(6)のタービン(6a)に対して流動運動的に並列に配置された動力タービン(29)、が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  10. 請求項1から9の何れに記載の2サイクル機関において、少なくとも1つの排気口(12)の部分開放時間(T12)が、少なくとも部分的に、有利には完全に、給気口−スリット装置(4)の閉制御後の範囲に合致しており、かつ所属の排ガス部分流(V12)が直接又は間接に給気口−スリット装置(4)に供給可能であることを特徴とする2サイクル機関。
  11. 請求項10記載の2サイクル機関において、排ガス部分流(V12)に送風機(30)、有利には吸引送風機、が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  12. 請求項11記載の2サイクル機関において、送風機(30)に冷却器(31)が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  13. 請求項10から12の何れに記載の2サイクル機関において、給気口−スリット装置(4)に供給される排ガス部分流(V12)に所属する導管(26)に浄化装置(27)が配置されていることを特徴とする2サイクル機関。
  14. 請求項1から13の何れに記載の2サイクル機関において、各排気口−グループに、全シリンダ(1)に亙って延びた固有の排気マニホールド管(19,20,21)が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  15. 請求項1から14の何れに記載の2サイクル機関において、少なくとも第1の排ガス部分流(V11)に触媒装置が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  16. 請求項1から15の何れに記載の2サイクル機関において、少なくとも、循環されない各排ガス部分流(V11,V10)に、1つの触媒装置が所属していることを特徴とする2サイクル機関。
  17. 請求項15又は16記載の2サイクル機関において、触媒装置が所属の排気マニホールド管(19,20)に一体化されていることを特徴とする2サイクル機関。
  18. 請求項1から17の何れに記載の2サイクル機関において、全シリンダ(1)に亙って延びた共通の過給空気蓄圧器(8)が設けられており、該蓄圧器の前方に1つの共通の過給空気冷却器(7)が配置されており、該過給空気冷却器が少なくとも、少なくとも1つの排気ターボ過給機(5,6)によって準備された過給空気によって、有利にはさらに給気口−スリット装置(4)に供給可能な排ガス部分流(V12)によっても、負荷可能であることを特徴とする2サイクル機関。
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