JP5333678B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明はエンジンの制御装置に関する。
従来、エンジンに吸気を過給する排気駆動式の過給機が知られている。また、エンジンの吸気弁や排気弁の開閉時期を変更可能な動弁装置が知られている。これら過給機および動弁装置が設けられたエンジンに関し、過給レスポンス向上のために吸気弁や排気弁の開閉時期を制御する技術が例えば特許文献1から3で開示されている。
特許文献4では、1つの燃焼室に対して設けられる同種の機関弁である第1、第2機関弁のバルブタイミングを変更する動弁装置が開示されている。特許文献4は、第1および第2吸気弁のうち、第2吸気弁を基本位相よりも遅角させることで、燃焼室での吸入空気または混合気の流動性が高められることを開示している。
特開平9−125994号公報 特開2007−255318号公報 特開2003−3871号公報 特開2009−144521号公報
図14は、加速時の機関回転数とトルクの関係を示す図である。図15は吸気弁の閉弁時期と体積効率の関係を示す図である。図14で、縦軸はトルク、横軸は機関回転数を示す。図15で、縦軸は体積効率、横軸は吸気弁の閉弁時期を示す。また、曲線C1は機関回転数が低回転である場合、曲線C2は機関回転数が高回転である場合を示す。
図14に示すように、加速時の主なエンジン使用域は低回転となっている。また、図15に示すように、機関回転数が低回転である場合、体積効率のピークは進角側に寄っている。圧縮行程において、筒内から吸気側に逆流するガスの量が減少するためである。したがって、加速時には吸気弁の閉弁時期を早閉じにすることで、より多くの新気を確保できる。また、より多くの新気を確保できるようにすることで、過給レスポンスの向上を図ることができる。
ところが、動弁装置の位相可変速度は、進角させる場合のほうが遅角させる場合よりも遅くなる。カムのトルク反力が作用するためである。このため、加速時に吸気弁の開閉時期を進角させようとする場合には通常、遅れが生じる。したがって、より多くの新気を確保できるようになるタイミングも遅れる。結果、過給レスポンスが改善されないことと相俟って、加速不良が生じることがある。
また、過給機には排気を導入する流路の断面積を可変にする可変ノズルベーンを備えた可変容量型のターボチャージャがある。そして、過給機が可変容量型のターボチャージャである場合には、吸気弁の開閉時期を進角させると、逆に加速不良が生じることがある。理由は次の通りである。
可変容量型のターボチャージャは、急加速時に可変ノズルベーンを閉じ、流路断面積を小さくすることで、素早く過給圧を高めることができる。ところが、急加速時に可変ノズルベーンを閉じると、排気圧が大幅に高まる結果、吸気圧と比較して非常に高くなる。その一方で、吸気弁の開閉時期を進角させると、吸気弁の開弁時期も早まる。このため、吸気弁の開閉時期を進角させると、排気側から吸気側へ排気が逆流し、新気の量が減少することがある。結果、逆に加速不良が生じることがある。
本発明は上記課題に鑑み、吸気を過給する排気駆動式の過給機と、吸気弁の開閉時期を変更可能な動弁装置とが設けられたエンジンの加速性能を改善可能なエンジンの制御装置を提供することを目的とする。
本発明は吸気を過給する排気駆動式の過給機と、燃焼室に対して設けられた第1および第2の吸気弁のうち、一方の吸気弁の開閉時期を他方の吸気弁の開閉時期に対して変更可能な動弁装置と、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁とが設けられたエンジンに対して設けられ、前記燃焼室に形成されるスワール流の強さを算出するスワール強さ算出手段と、前記エンジンの加速時に、前記スワール強さ算出手段が算出するスワール流の強さが所定の強さよりも強い場合に、前記燃料噴射弁が噴射する燃料を増量する燃料増量手段とを備えたエンジンの制御装置である。
本発明によれば、吸気を過給する排気駆動式の過給機と、吸気弁の開閉時期を変更可能な動弁装置とが設けられたエンジンの加速性能を改善できる。
エンジンおよびその周辺の全体構成図である。 エンジンの概略構成図である。 エンジンのバルブ配置図である。 第1のバルブタイミングの変更を示す図である。 第1の制御動作をフローチャートで示す図である。 加速中断時の機関回転数、車速の変化を示す図である。 可変ノズルベーン機構の正面図である。 可変ノズルベーン機構の背面図である。 加速時の排気圧の変化を示す図である。 第2の制御動作をフローチャートで示す図である。 第2のバルブタイミングの変更を示す図である。 スワール比と、2つの吸気ポートのうち、遅く閉弁する吸気弁側の吸気ポートの流量係数との関係を示す図である。 第3の制御動作をフローチャートで示す図である。 加速時の機関回転数とトルクの関係を示す図である。 吸気弁の閉弁時期と体積効率の関係を示す図である。
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
図1はエンジン50Aおよびその周辺の全体構成図である。図2はエンジン50Aの概略構成図である。図3はエンジン50Aのバルブ配置図である。図1に示す各構成は車両に搭載されている。図1に示すように、吸気系10はエアフロメータ11と、インタークーラ12と、インテークマニホールド13とを備えている。エアフロメータ11は吸入空気量を計測する。インタークーラ12は吸気を冷却する。インテークマニホールド13はエンジン50Aの各気筒51aに吸気を分配する。
排気系20は、エキゾーストマニホールド21と触媒22とを備えている。エキゾーストマニホールド21は各気筒51aからの排気を下流側で一つの排気通路に合流させる。触媒22は排気を浄化する。過給機30Aは排気駆動式の過給機であり、エンジン50Aに吸気を過給する。過給機30Aはコンプレッサ部31とタービン部32Aとを備えている。コンプレッサ部31は吸気系10に、タービン部32Aは排気系20にそれぞれ介在するようにして設けられている。
エンジン50Aは圧縮着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)である。図2に示すように、エンジン50Aはシリンダブロック51と、シリンダヘッド52と、ピストン53と、吸気弁54と、排気弁55と、燃料噴射弁56と、吸気側VVT(Variable Valve Timing)57Aとを備えている。
シリンダブロック51には気筒51aが形成されている。気筒51a内にはピストン53が収容されている。シリンダブロック51の上面にはシリンダヘッド52が固定されている。燃焼室59はシリンダブロック51、シリンダヘッド52及びピストン53に囲まれた空間として形成されている。
シリンダヘッド52には吸気ポート52aと排気ポート52bが形成されている。また、吸気弁54と排気弁55が設けられている。吸気ポート52aは燃焼室59に吸気を導き、排気ポート52bは燃焼室59からガスを排気する。吸気弁54は吸気ポート52aを開閉し、排気弁55は排気ポート52bを開閉する。
図3に示すように、吸気ポート52aは具体的には上流側から燃焼室59に向かって分岐および開口した部分吸気ポートIn1、In2を備えている。また、排気ポート52bは、下流側から燃焼室59に向かって分岐および開口した部分排気ポートEx1、Ex2を備えている。そして、2つの吸気弁54が部分吸気ポートIn1、In2を、2つの排気弁55が部分排気ポートEx1、Ex2を開閉する。
図2に示すように、シリンダヘッド52には燃料噴射弁56が設けられている。燃料噴射弁56は筒内に直接燃料を噴射する。シリンダヘッド52には吸気側VVT57Aが設けられている。吸気側VVT57Aには、吸気弁54の開閉時期を変更可能なものを適用する。吸気側VVT57Aは動弁装置に相当する。
図1に示すように、エンジン50Aには自動変速機60が設けられている。自動変速機60はエンジン50Aの出力回転の速度を変速する。自動変速機60には自動変速機用ECU61が電気的に接続されている。自動変速機用ECU61は自動変速機60のシフトアップやシフトダウンを制御する。また、自動変速機60の変速段を検出する。
エンジン50Aには各種のセンサが設けられている。具体的には例えばクランク角度や機関回転数NEを検出するためのクランク角センサ71が設けられている。また、吸気弁54のバルブタイミングを検出するためのバルブタイミングセンサ72が吸気側VVT57Aに設けられている。吸気系10には、過給圧を検出するための過給圧センサ73が設けられている。排気系20には、排気圧を検出するための排気圧センサ74が設けられている。排気圧は例えば過給圧や燃料噴射量に基づき推定することもできる。
ECU1Aはエンジンの制御装置に相当する電子制御装置である。ECU1AはCPU、ROM、RAM等からなるマイクロコンピュータや入出力回路を備えている。ECU1Aにはエアフロメータ11や、前述したセンサ71から74が電気的に接続されている。機関負荷KLは、例えばエアフロメータ11の出力に基づきECU1Aで検出できる。
ECU1Aにはこのほか、アクセルペダル80の踏み込み量を検出するためのアクセル開度センサ75など各種のセンサ・スイッチ類が電気的に接続されている。アクセルペダル80はエンジン50Aの加速要求を行うための加速要求手段であり、アクセルペダル80の踏み込み量は加速要求の度合いである。ECU1Aには燃料噴射弁56や、吸気側VVT57Aなどの各種の制御対象が電気的に接続されている。ECU1Aには自動変速機用ECU61が互いに通信可能に接続されている。
ROMはCPUが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。CPUがROMに格納されたプログラムに基づき必要に応じてRAMの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ECU1Aでは各種の制御手段や判定手段や検出手段などが機能的に実現される。例えばECU1Aでは、以下に示す制御手段が機能的に実現される。
制御手段は、エンジン50Aの加速中断時に、吸気弁54の開閉時期の進角制御を行う。制御手段は具体的には、図4に示すように2つの吸気弁54の開閉時期それぞれを同様に進角制御する。加速中断時は、例えば自動変速機60のシフトアップ時である。急加速の要求に応じて自動変速機60をシフトダウンさせる場合、加速中断時はさらに自動変速機60のシフトダウン時も含む。急加速の要求は、所定時間内の踏み込み量の変化が所定値よりも大きくなるようにアクセルペダル80を踏み込むことで行うことができる。
次に第1の制御動作であるECU1Aの動作を図5に示すフローチャートを用いて説明する。ECU1Aは加速中断時であるか否かを判定する(ステップS1)。具体的には、自動変速機60がシフトアップをするか否かを判定する。また、急加速の要求に基づくシフトダウンをするか否かを判定する。いずれも行われない場合には、ステップS1で否定判定される。この場合、本フローチャートを一旦終了する。一方、いずれか一方が行われる場合には、ステップS1で肯定判定される。この場合、ECU1Aは吸気弁54の開閉時期の進角制御を行う(ステップS2)。なお、進角制御は吸気弁54を早閉じにするにあたって、必要な場合に行うようにしてよい。
次にECU1Aの作用効果について説明する。図6は加速中断時の機関回転数NEおよび車速の変化を示す図である。縦軸は機関回転数NEと車速を、横軸は機関回転数NEと車速に共通の時間を示す。時間t1以前では加速を行っている。結果、機関回転数NEと車速は時間経過とともに上昇する。一方、時間t1では加速を中断する。結果、機関回転数NEは低下し、車速はほぼ一定となる。そして、時間t2では加速を再開する。結果、機関回転数NEと車速が再び上昇する。
このように、加速中断時には再加速時の加速開始までの間に時間的な余裕がある。このため、ECU1Aは加速中断時に吸気弁54の開閉時期を進角させる。そしてこれにより吸気弁54を早閉じにすることで、再加速時の加速開始により多くの新気を確保できるようにする。結果、過給レスポンスの改善と相俟って、エンジン50Aの加速性能を改善できる。
本実施例は過給機30Aの代わりに過給機30Bを設ける点と、ECU1Aの代わりにECU1Bを設ける点以外、実施例1の場合と構成が実質的に同一である。このため全体構成等については図示省略する。過給機30Bは可変容量型のターボチャージャであり、タービン部32Aの代わりに可変ノズルベーン機構40を備えたタービン部32Bを備える点と、可変ノズルベーン機構40の駆動部35をさらに備える点以外、過給機30Aと実質的に同一である。
図7は可変ノズルベーン機構40の正面図、図8は可変ノズルベーン機構40の背面図である。図8では、駆動部35も同時に示している。図7に示すように、可変ノズルベーン機構40は可変ノズルベーン41とベースプレート42とピン43とを備えている。
可変ノズルベーン41は、ベースプレート42に環状の列をなすようにして複数設けられている。隣り合う可変ノズルベーン41間には、ベースプレート42中央に配置されるタービンホイールに排気を導入する流路が形成される。ベースプレート42は環状のプレート部材であり、可変ノズルベーン機構40の構造的基盤をなす。ピン43は可変ノズルベーン41毎に設けられている。
ピン43は対応する可変ノズルベーン41に連結されている。ピン43はベースプレート42に回転自在に設けられている。したがって、可変ノズルベーン41はピン43を介してベースプレート42に回転自在に設けられている。可変ノズルベーン41と対応するピン43とは、ピン43を軸とした一体回転をする。
図7では開いた状態の可変ノズルベーン41を実線で示している。さらに一部の可変ノズルベーン41については、最も閉じた状態を破線で示している。これらの状態の間では、隣り合う可変ノズルベーン41間に形成される流路の断面積が互いに異なる。すなわち、可変ノズルベーン41は、隣り合う可変ノズルベーン41間に形成される流路それぞれの断面積を可変にする。可変ノズルベーン41はこれら流路断面積を互いに同様に変更することができる。
図8に示すように、可変ノズルベーン機構40は操作レバー44と、駆動ピン45と、駆動アーム46と、駆動リング47と、ベーンアーム48と、ローラ49とを備えている。これら44から49まではベースプレート42の背面側に設けられており、可変ノズルベーン41の操作機構を構成する。この操作機構の仕組みは次の通りである。
すなわち、操作レバー44への駆動入力が、まず駆動ピン45および駆動アーム46を介して駆動リング47に伝わる。そして、駆動リング47を介してさらに複数のベーンアーム48に伝わる。ベーンアーム48は可変ノズルベーン41毎に設けられている。そして、ベーンアーム48と対応する可変ノズルベーン41とは、ベースプレート42を貫通するピン43を介して連結されている。
このため、駆動入力が伝達されたベーンアーム48はピン43を軸にして回転する。そして、これに応じて対応する可変ノズルベーン41も一体回転する。可変ノズルベーン41は、駆動リング47が矢印C方向に駆動された場合に閉じる方向に回転する。また、矢印Oの方向に駆動された場合に開く方向に回転する。
駆動部35はアクチュエータ351と動力伝達部352とを備えている。アクチュエータ351は例えばステップモータである。アクチュエータ351は駆動位置を検知するセンサを内蔵している。このセンサはアクチュエータ351の駆動位置を検知することで、可変ノズルベーン41の開度を検出するためのセンサとして機能する。動力伝達部352は例えばリンク機構である。動力伝達部352は操作レバー44とアクチュエータ351とを連結し、アクチュエータ351から操作レバー44に動力を伝達する。
ECU1Bは、アクチュエータ351がさらに電気的に接続される点と、次に示す過給圧制御手段と禁止手段とがさらに機能的に実現される点以外、ECU1Aと実質的に同一である。過給圧制御手段は、急加速時に可変ノズルベーン41を所定の開度に閉じるようにアクチュエータ351を制御する。禁止手段は可変ノズルベーン41の開度が所定値αよりも小さい場合に、制御手段が進角制御を行うことを禁止する。所定値αは例えば次のように設定できる。
図9は加速時の排気圧の変化を示す図である。図9で縦軸は排気圧、横軸は時間を示す。排気圧E1は急加速時の排気圧、排気圧E2は緩加速時の排気圧を示す。図9に示すように、排気圧E1は排気圧E2と比較して大きく上昇している。これは、急加速時には過給圧を素早く高めるべく、可変ノズルベーン41を閉じているためである。
これに対し、所定値αは、可変ノズルベーン41の開度が急加速の要求に応じて設定される所定の開度以下であるか否かを判定可能な値に設定することができる。所定の開度が流路断面積を最小にする最小開度である場合、所定値αは可変ノズルベーン41の開度が最小開度であるか否かを判定可能な値に設定することができる。
次に第2の制御動作であるECU1Bの動作を図10に示すフローチャートを用いて説明する。ECU1Bは加速中断時であるか否かを判定する(ステップS11)。ステップS11は実施例1で前述したステップS1と同じである。肯定判定であれば、ECU1Bは可変ノズルベーン41の開度(VN開度)を検出する(ステップS12)。そして、検出したVN開度が所定値αよりも小さいか否かを判定する(ステップS13)。ステップS13で肯定判定であれば、ECU1Bは吸気弁54の進角制御を禁止する(ステップS14)。一方、否定判定であれば、吸気弁54の開閉時期の進角制御を行う(ステップS15)。
次にECU1Bの作用効果について説明する。ECU1Bは、可変ノズルベーン41の開度が所定値αよりも小さい場合に、吸気弁54の進角制御を禁止する。そしてこれにより、吸気弁54の進角制御を行った場合に、排気側から吸気側へと排気が逆流する結果、新気の量が減少することを防止する。このためECU1Bは、吸気弁54の進角制御を行った場合に、逆に加速不良が生じることを防止できる。そしてこれにより、制御の適正化を図ることで、過給機30Bを設けた場合の加速性能をさらに改善できる。
本実施例はエンジン50Aの代わりにエンジン50Bを設ける点と、ECU1Aの代わりにECU1Cを設ける点以外、実施例1の場合と構成が実質的に同一である。このため全体構成等については図示省略する。エンジン50Bは吸気側VVT57Aの代わりに吸気側VVT57Bを備える点以外、エンジン50Aと実質的に同一である。
吸気側VVT57Bは、燃焼室59に対して設けられた2つの吸気弁54のうち、一方の吸気弁(以下、吸気弁54Aと称す)の開閉時期を他方の吸気弁(以下、吸気弁54Bと称す)の開閉時期に対して変更可能な動弁装置である。吸気弁54A、54Bは第1および第2の吸気弁に相当する。
吸気弁54Aの開閉時期を吸気弁54Bの開閉時期に対して変更するには、例えば吸気弁54A、54Bの開閉時期を互いに独立して設定可能な動弁装置を適用できる。かかる動弁装置としては、具体的には例えば前述した特許文献4が開示する動弁装置を適用できる。吸気側VVT57Bは、吸気弁54A,54Bの駆動を電磁駆動化した場合の電磁駆動装置それぞれを有した構成として実現することもできる。
ECU1Cは、吸気側VVT57Aの代わりに吸気側VVT57Bが電気的に接続される点と、制御手段が以下に示すように機能的に実現される点と、スワール強さ算出手段と燃料増量手段とがさらに機能的に実現される点以外、ECU1Aと実質的に同一である。
制御手段は、図11に示すように吸気弁54A、54Bのうち、吸気弁54Aの開閉時期を遅角させる遅角制御を行う。この遅角制御は、吸気弁54Aを遅閉じにするという意味での遅角制御である。したがって、このとき吸気弁54Aの閉弁時期は吸気下死点よりも遅角側に設定される。吸気弁54Aの開閉時期を遅角させた場合、2つの吸気ポート52aの流量バランスは次に示すように変化する。また、これに応じて次に示すようにスワール流が形成される。
すなわち、吸気弁54Aの開閉時期を遅角させた場合、早く開弁する吸気弁54B側のほうが、遅く開弁する吸気弁54A側よりも流量の割合が大きくなる。結果、燃焼室59にスワール流が形成される。また、遅く開弁する吸気弁54Aの開閉時期を遅角させるほど、早く開弁する吸気弁54B側の流量の割合が大きくなる。吸気弁54A、54Bの位相差が大きくなるためである。結果、形成されるスワール流が強くなる。スワール流の強さは、ピストン51aが一往復する間にスワール流が回転する回数(スワール比)で表すことができる。
図12はスワール比と、2つの吸気ポート52aのうち、吸気弁54A側の吸気ポート52aの流量係数との関係を示す図である。図12で縦軸は流量係数、横軸はスワール比を示す。矢印Rは吸気弁54Aを遅角する場合の変化の方向を示す。図12から、遅く開弁する吸気弁54Aの開閉時期を遅角するほど、すなわち吸気弁54A、54Bの位相差が大きくなるほど、吸気弁54A側の流量係数が低下する一方で、スワール比が大きくなることがわかる。
スワール強さ算出手段は、燃焼室59に形成されるスワール流の強さを算出する。この点、スワール比は例えば吸気弁54A、54Bの所定位相差毎に機関運転状態に応じてマップデータで予め設定し、ROMに格納しておくことができる。機関運転状態は、例えば機関回転数NEおよび機関負荷KLである。このため、スワール強さ算出手段は、具体的には吸気弁54A、54Bの位相差と機関運転状態とに基づき、上述したマップデータから対応するスワール比を読み込むことで、スワール流の強さを算出する。
燃料増量手段は、エンジン50Bの加速時に、スワール強さ算出手段が算出するスワール流の強さが所定の強さよりも強い場合に、燃料噴射弁56が噴射する燃料を増量する。具体的にはスワール比が所定値βよりも大きい場合に、燃料噴射弁56が噴射する燃料を増量する。所定値βは燃料噴射量を増量しても、燃焼の悪化を抑制可能な値に設定することができる。燃料噴射量は燃料噴射弁56の開弁期間をより長く設定することで、増量することができる。
次に第3の制御動作であるECU1Cの動作を図13に示すフローチャートを用いて説明する。ECU1Cは加速時であるか否かを判定する(ステップS31)。否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。肯定判定であれば、ECU1Cは吸気弁54Aのバルブタイミングを検出する(ステップS32)。続いて、ECU1Cは吸気弁54Aが遅角されているか否かを判定する(ステップS33)。否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。
ステップS33で肯定判定であれば、ECU1Cは機関運転状態を検出し(ステップS34)、スワール比を算出する(ステップS35)。続いてECU1Cは、スワール比が所定値βよりも大きいか否かを判定する(ステップS36)。そして、肯定判定であれば、燃料噴射量を増量する(ステップS37)。一方、否定判定であれば、燃料噴射量を制限する(ステップS38)。
次にECU1Cの作用効果について説明する。ここで、吸気側VVT57Bでも、進角させる場合のほうが遅角させる場合よりも位相可変速度は遅くなる。このため、通常の加速時に吸気弁54Aの開閉時期を進角させようとしても遅れが生じる。一方、エンジン50Bでは、吸気弁54Aの遅角によって燃焼室59にスワール流が形成される。
このため、ECU1Cはスワール比が所定値βよりも大きい場合に、燃料噴射量を増量する。そしてこれにより、スワール流による燃焼改善効果を伴うことで、燃焼の悪化を抑制しつつ、加速性能を改善できる。具体的には例えばスモークの悪化を抑制しつつ、加速性能を改善できる。またこれにより、応答性を維持することを優先しつつ、加速性能を改善できる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、エンジンは火花点火式内燃機関であってもよい。
また例えば、可変ノズルベーンは過給機のスクロール部が形成するスクロール流路の入口部断面積を可変にするものであってもよい。
また例えば、燃焼室に対して設けられた第1および第2の吸気弁のうち、一方の吸気弁の開閉時期を他方の吸気弁の開閉時期に対して変更可能な動弁装置を設けた場合、上述した実施例とは異なる態様で第1および第2の吸気弁の開弁時期を変更してもよい。
ECU 1A、1B、1C
過給機 30A、30B
駆動部 35
アクチュエータ 351
動力伝達部 352
可変ノズルベーン機構 40
可変ノズルベーン 41
エンジン 50A、50B
吸気ポート 52a
吸気弁 54、54A、54B
燃料噴射弁 56
吸気側VVT 57A、57B
コモンレール 58
燃焼室 59
自動変速機 60
自動変速機用ECU 61
アクセルペダル 80

Claims (1)

  1. 吸気を過給する排気駆動式の過給機と、燃焼室に対して設けられた第1および第2の吸気弁のうち、一方の吸気弁の開閉時期を他方の吸気弁の開閉時期に対して変更可能な動弁装置と、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁とが設けられたエンジンに対して設けられ、
    前記燃焼室に形成されるスワール流の強さを算出するスワール強さ算出手段と、
    前記エンジンの加速時に、前記スワール強さ算出手段が算出するスワール流の強さが所定の強さよりも強い場合に、前記燃料噴射弁が噴射する燃料を増量する燃料増量手段とを備えたエンジンの制御装置。
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