JPH10252575A - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの制御装置

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JPH10252575A
JPH10252575A JP5339997A JP5339997A JPH10252575A JP H10252575 A JPH10252575 A JP H10252575A JP 5339997 A JP5339997 A JP 5339997A JP 5339997 A JP5339997 A JP 5339997A JP H10252575 A JPH10252575 A JP H10252575A
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valve
diesel engine
exhaust valve
cylinder
intake
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ディーゼルエンジンから排出されるNOx とP
Mとを同時低減するために有効とされる内部EGR制御
において、筒内の残留ガスと新気との混合を促進し、大
量EGR時においても良好な燃焼が得られ、より一層の
NOx 及びPMの低減を可能とする。 【解決手段】ECU50はディーゼルエンジンの運転状
態に応じた量だけ排気弁12をTDCよりも早期に閉じ
るとともに、TDCに対し、排気弁12の早閉じするク
ランク角以上遅く吸気弁11を開く。このTDCよりも
排気弁12が早閉じされて筒内に既燃ガスが残留する
が、この早閉じするクランク角以上遅く吸気弁11が開
くので、筒内が一時的に負圧にされた状態から吸気弁が
開かれ、この時、新気が急激に流入する。これにより、
既燃ガスと新気の混合が促進される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、ディーゼルエン
ジンの排気系から導管にて排気ガスを吸気系に導入する
のではなく、燃焼室内の既燃ガスを吸気系に導入する、
いわゆる内部EGRと称するシステムを備えたディーゼ
ルエンジンの制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ディーゼルエンジンにおいてNOx の低
減を図るべく排気ガスの一部を排気系から取り出して吸
気系に再循環させる排気ガス再循環装置(EGR)があ
るが、これに対し、燃焼室内の既燃ガス(残留ガス)を
吸気系に導入する、いわゆる内部EGRシステムが特公
平5−80562号公報にて開示されている。当該公報
の「ディーゼルエンジンの排気弁制御装置」は内部EG
R量を制御する技術であって、エンジンの運転状態に応
じて排気と吸気のオーバーラップを増やすことで排気の
排出を減らし、残留する既燃ガス量を増加させることで
温度を上昇させ、EGRの効果によりNOx とPM(パ
ティキュレート)を同時に低減することを狙ったもので
ある。
【0003】一般的に、内部EGRは従来方式(導管に
より排気系から吸気系へ再循環させる方式)と比べると
同じEGRガス量でもガス温度を高いまま維持すること
ができるため、NOx 低減効果と同時に低負荷でのPM
(SOF分)低減効果がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この手法を用
いた際には、新気と既燃ガスとの混合が進まないため、
吸入を終えてピストンが圧縮端に達したとき、筒内(キ
ャビティ内)でのEGRガスと新気の混合状態はEGR
ガスが底面に多く残留し新気が上面に留まるという層状
をなしている。この現象については、「社団法人 自動
車技術会 学術講演会前刷集966 1996−10、
pp.189−192(No.214)ディーゼルエン
ジンの非定常筒内流動解析」においても述べられてい
る。そのため、このような方式で内部EGRの量を増し
ていった場合には、圧縮端での筒内ガスの不均一さが増
し、局所的に酸素不足となり燃焼が悪化しPMが増加し
てしまうという問題が生じる。
【0005】そこで、この発明の目的は、ディーゼルエ
ンジンから排出されるNOx とPM(パティキュレー
ト)とを同時低減するために有効とされる内部EGR制
御において、筒内の残留ガスと新気との混合を促進し、
大量EGR時においても良好な燃焼が得られ、より一層
のNOx 及びPMの低減を可能とするディーゼルエンジ
ンの制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載のディー
ゼルエンジンの制御装置は、可変バルブタイミング機構
を制御して、運転状態検出手段によるディーゼルエンジ
ンの運転状態に応じた量だけ排気弁をディーゼルエンジ
ンの上死点よりも早期に閉じる排気弁閉弁制御手段と、
可変バルブタイミング機構を制御して、ディーゼルエン
ジンの上死点に対し、排気弁閉弁制御手段による排気弁
の早閉じするクランク角以上遅く吸気弁を開く吸気弁開
弁制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【0007】そして、排気弁閉弁制御手段は、可変バル
ブタイミング機構を制御して、運転状態検出手段による
ディーゼルエンジンの運転状態に応じた量だけ排気弁を
ディーゼルエンジンの上死点よりも早期に閉じる。よっ
て、排気弁が早閉じされて筒内に既燃ガスが残留する。
【0008】吸気弁開弁制御手段は、可変バルブタイミ
ング機構を制御して、ディーゼルエンジンの上死点に対
し、排気弁閉弁制御手段による排気弁の早閉じするクラ
ンク角以上遅く吸気弁を開く。
【0009】よって、吸入行程において排気弁の早閉じ
するクランク角以上遅くならないと吸気弁が開かないの
で筒内が一時的に負圧にされる。この状態から吸気弁が
開かれ、この時、新気が急激に流入する。これにより、
既燃ガスと新気の混合が促進される。
【0010】その結果、大量にEGRを行なったときで
も既燃ガスと新気との混合を促進でき、これにより、よ
り一層、NOx とPMの低減を図ることができる。特
に、請求項2記載のディーゼルエンジンの制御装置のよ
うに、シリンダヘッドとピストン頂部の間に形成された
単一燃焼室の中に燃料を噴射する直接噴射式ディーゼル
エンジンに適用すると、その効果が大きい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、4気
筒ディーゼルエンジンに本発明を具体化したものであっ
て、その主要な構成としては、油圧アクチュエータにて
エンジンの吸気弁及び排気弁を開閉駆動させるバルブ駆
動機構(カムレス式バルブ駆動機構)を備え、吸気弁及
び排気弁の駆動時期(バルブタイミング)を可変に調整
することができるようになっている。
【0012】ディーゼルエンジンの形態としては、燃料
噴射ノズルによる燃料をシリンダヘッドとピストン頂部
の間に形成された単一燃焼室の中に噴射する、いわゆる
直接噴射式ディーゼルエンジンであり、吸気側及び排気
側において各々2個ずつ(計4個)のバルブを有する。
【0013】以下に、その詳細を説明する。図1は、本
実施の形態におけるエンジン断面及びエンジン制御シス
テムの概略を示す構成図である。図1において、エンジ
ン1のシリンダブロック2には円筒状のシリンダ3が形
成されており、同シリンダ3内には図示しないクランク
軸に連結されたピストン4が図の上下方向に往復動可能
に配設されている。即ち、ピストン4は、コンロッド
(図示略)に連結され往復運動する。ピストン4の上面
には、凹状のキャビティ5が形成されている。また、シ
リンダヘッド6には、ピストン上部の燃焼室7に連通す
る吸気ポート8と排気ポート9とが形成されている。シ
リンダヘッド6の中央には燃料噴射ノズル10が配設さ
れており、その先端(噴射孔)は燃焼室7内に露出して
いる。
【0014】さらに、シリンダヘッド6には、吸気弁1
1及び排気弁12が配設されており、これら弁11,1
2の開閉動作に伴い燃焼室7とポート8,9との間が連
通又は閉塞される(断続される)。燃焼室7は、吸気弁
11及び排気弁12が共に閉弁されているときには略密
閉状態になるようになっている。
【0015】各弁11,12はシリンダヘッド6の上方
に設けられるバルブ駆動機構20により駆動される。即
ち、各弁11,12はバルブ駆動機構20により任意の
時期に開閉弁できるようになっている。バルブ駆動機構
20は、電子制御装置(以下、ECUという)50から
の制御信号に基づいて駆動される。略述すれば、ECU
50は、各種の制御プログラムを実行するCPU50
a、及び制御データやマップ等を記憶するメモリ50b
(ROMやRAM等)を有する周知のマイクロコンピュ
ータを中心に構成されるものであって、水温センサ51
にて検出された水温信号(Tw)、クランク角センサ5
2にて検出されたクランク角信号(Ne)、アクセル開
度センサ53にて検出されたアクセル開度信号(A
c)、及び大気圧センサ54にて検出された大気圧信号
(Pair )等を入力する。そして、これら入力信号に基
づいてバルブ駆動機構20による吸気弁11及び排気弁
12の開閉時期を制御する。つまり、ECU50は、メ
モリ50b内のマップデータからバルブタイミングを決
定しバルブ駆動可変機構20を駆動制御する。
【0016】次に、図2を用いてバルブ駆動機構20並
びにその周辺部の構成を説明する。但し、図2は吸気側
の構成のみを示すものであって、同図には左右一対の吸
気弁11を示している。
【0017】図2において、吸気弁11の上端にはスプ
リングリテーナ13が取り付けられ、同スプリングリテ
ーナ13とシリンダヘッド6との間には、吸気弁11を
閉弁方向(図の上方向)に付勢するためのバルブスプリ
ング14が配設されている。左右一対の吸気弁11はバ
ルブブリッジ15により一体動作可能に連結されてい
る。バルブブリッジ15の上面には、図の上下方向に往
復動するプランジャ16が連結されており、このプラン
ジャ16が下動することにより吸気弁11が開弁し(図
示の状態)、上動することにより吸気弁11が閉弁す
る。プランジャ16の動作はその上面に形成された油圧
室17の油圧(バルブ駆動機構20の作動油圧)に応じ
て制御されるものであるが、その詳細については後述す
る。なお、符号18は吸気弁11の動作位置を微調整す
るための調整ねじである。
【0018】一方、バルブ駆動機構20において、シリ
ンダヘッド6の一部に固定されるハウジング21には、
図の左右方向に延びる円形孔部22が形成されており、
同孔部22にはスプール型方向制御弁(以下、方向制御
弁という)23が配設されている。方向制御弁23は大
別して、円筒状のスリーブ24と、同スリーブ24内を
図の左右方向に摺動するスプール25とから構成され、
スリーブ24は円形孔部22の開口部近傍に螺着された
蓋体26により固定されている。スリーブ24の外周面
には、油圧ポート27a,27b,27cが環状に形成
され、これら油圧ポート27a,27b,27cはそれ
ぞれ複数箇所に設けられた連通路28a,28b,28
cを介してスリーブ内周面に連通している。
【0019】また、ハウジング21には、油圧ポンプ4
1から給送される高圧油を方向制御弁23に吸入するた
めの吸入ポート29と、方向制御弁23からドレンタン
ク42に高圧油を排出するための排出ポート30とが設
けられている。ここで、油圧ポンプ41はドレンタンク
42から作動油を汲み上げ約12MPaに高圧化して方
向制御弁23に給送する。なお、吸入ポート29は通路
31を介して前記油圧ポート27aに連通され、排出ポ
ート30は通路32を介して前記油圧ポート27cに連
通されている。また、前記油圧室17は通路33を介し
て前記油圧ポート27bに連通されている。
【0020】ハウジング21内部にはハウジング室34
が形成され、同ハウジング室34内にはその内周面を摺
動するピストン35が配設されている。ピストン35内
には、電圧の印加に伴い伸長するピエゾスタック36が
配設されている。このピエゾスタック36は、圧電素子
としての多数のPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を積層
して構成されるものであって、その一端には一対の電極
37a,37bが取り付けられている。電極37a,3
7bには、ECU50からの制御指令に基づいてドライ
バ55を介して所定の電圧が印加される。一方、ピスト
ン35の左側に配設された皿ばね38はピエゾスタック
36に収縮方向の力を付与している。なお、図2はピエ
ゾスタック36に電圧を印加した状態を示すものであっ
て、同ピエゾスタック36が伸長してピストン35が図
の左方向に移動した状態を示している。
【0021】次に、バルブ駆動機構20の作動を図3に
従って説明する。ここで、図3(a)はピエゾスタック
36に電圧を印加した状態を示している。つまり、電圧
が印加されるとピエゾスタック36が伸長してピストン
35は皿ばね38のばね力に抗して図の左方向に移動
し、これによりスプール25は左方向に押し込まれる。
このとき、吸入ポート29に吸入された高圧油は図中の
破線矢印の如く流通して油圧室17内に供給され、吸気
弁11が開弁状態となる。
【0022】また、図3(b)はピエゾスタック36に
電圧を印加していない状態を示している。つまり、ピエ
ゾスタック36への電圧印加を解除した状態では、ピス
トン35は皿ばね38のばね力により図の右方向に付勢
されているため、スプール25は右方向に引き寄せられ
る。このとき、油圧室17内の作動油は図中の破線矢印
の如く流通して排出ポート30へ排出され(ドレンタン
ク42に戻され)、吸気弁11が閉弁状態となる。
【0023】また、排気弁12のバルブ駆動機構につい
ては図示及びその詳細な説明を省略するが、それは上述
した吸気弁11のバルブ駆動機構20と略同様の構成を
有するものであり、排気弁12もやはりECU50によ
る制御信号に基づいて開閉されるようになっている。
【0024】このように本実施の形態のバルブ駆動機構
20は、プランジャ16と油圧室17とにより吸気弁1
1および排気弁12を駆動する油圧シリンダが構成さ
れ、この油圧シリンダへの油圧供給を断続する油圧制御
弁が油圧ポンプ41及び方向制御弁23により構成され
ている。そして、このような構成を用いることにより、
吸気弁11および排気弁12の開閉時期を自由に制御す
ることができ、エンジン1の吸気特性および排気特性を
変化させることができる。即ち、排気弁12の閉弁タイ
ミングおよび吸気弁11の開弁タイミングを調整するこ
とができる。
【0025】本実施の形態においては、バルブ駆動機構
20にて可変バルブタイミング機構を構成し、ECU5
0にて排気弁閉弁制御手段および吸気弁開弁制御手段を
構成し、水温センサ51、クランク角センサ52、アク
セル開度センサ53、大気圧センサ54にて運転状態検
出手段を構成している。
【0026】次に、このように構成したディーゼルエン
ジンの制御装置の作用を説明する。図5は、バルブ駆動
機構20による吸気弁11及び排気弁12のリフト動作
を示すタイムチャートであり、横軸に示すTDCはピス
トン上死点を示す。また、同図の縦軸はバルブリフト量
を示す。図中の破線は、バルブタイミングが固定された
場合における吸気・排気特性(バルブタイミング)を示
し、実線はバルブ駆動機構20の使用による排気弁12
を早閉め及び吸気弁11を遅開きさせた際のバルブタイ
ミングを示す。
【0027】即ち、バルブタイミングが固定された場合
において、排気弁12はBDC前40°CA程度の時期
に開弁を開始し、TDC直後に閉弁する。また、吸気弁
11はTDC前5°程度の時期に開弁を開始し、BDC
後40°程度の時期に閉弁する。このとき、排気弁12
と吸気弁11とは所定期間にてオーバーラップしてい
る。一方、バルブ駆動機構20の使用による場合におい
ては、排気弁12の閉弁時期がTDCよりも所定クラン
ク角だけ進角側に変更されるとともに、吸気弁11の開
弁時期がTDCよりも所定クランク角だけ遅角側に変更
される。
【0028】なお、本実施の形態のバルブリフト動作
は、油圧式のバルブ駆動機構20により実現されるもの
であるが、それはカムシャフトの回転に伴いリフト動作
するカム駆動式のプロフィールに略一致する。
【0029】図4には、ECU50が実行する処理(フ
ローチャート)を示す。まず、ECU50はエンジンが
始動すると、ステップ100に進み、水温TW、回転数
Ne、アクセル開度Ac、大気圧Pair を入力する。そ
して、ECU50はステップ101において、入力され
た信号を基にメモリ50aに内蔵するマップデータから
運転に最適となるEGR量を計算する。その後、ECU
50は、この計算結果をバルブタイミングに置き換えて
ステップ102でバルブ駆動機構20を駆動制御する。
【0030】以後、ステップ100に戻り、これを繰り
返す。この処理の繰り返しにより、図5において実線で
示す本実施形態での排気弁12の早閉め及び吸気弁11
の遅開きが行われることになる。この際、本制御では吸
気弁11を排気弁12の「早閉じ」よりも大きく遅開き
する。つまり、TDCに対し排気弁12の「早閉じ」の
ためのクランク角θ1と、TDCに対し吸気弁11の
「遅開き」のためのクランク角θ2との関係において、
θ2>θ1を満足している。
【0031】図6は、図4のステップ102で出力する
バルブタイミングを一部示したもので、(低負荷時)ア
クセル開度一定のときは回転数が低いほど排気弁12を
早閉じし、EGRの効果を最大限に生かせるようにして
いる。
【0032】図7は、図4のステップ102で出力する
バルブタイミングを一部示したもので、回転数一定のと
きはアクセル開度が小さい時ほど排気弁12を早閉じ
し、EGRの効果を最大限に生かせるようにしている。
【0033】図8は、排気弁閉じ時期と吸気弁開き時期
の関係を示したもので、図のように、一定の割合をもっ
て吸気弁11の方を大きく遅開きしている。次に、本制
御を行ったときの筒内の気流の様子を比較して説明す
る。
【0034】図9は、ディーゼルエンジンの運転状態に
応じた量だけ排気弁をTDCよりも早期に閉じる制御の
み行う従来方式における吸入行程時の筒内の空気流動の
様子を示したものである。
【0035】図中、符号60はエンジンの筒内壁面を示
し、符号61は排気弁12を早閉じすることによって
(あるいは、排気弁12と吸気弁11をオーバーラップ
することによって)筒内に生じた残留ガスを示す。この
図において、吸入行程では吸気は吸入開始時から矢印A
1方向に流入するように吸気ポート8内で整流されるた
め、L1にて示す横方向の気流(スワール)が筒内に形
成される。そのため、筒内の残留ガスと新気との混合が
進まず、層状をなしたまま吸気行程を終了し、圧縮行程
においても混合が進まない。このことから、燃料噴射前
の圧縮端でも図10のキャビティ5内において残留ガス
G1、新気G2のように層状をなしたままである。
【0036】この状態で燃料が噴射され燃焼した場合、
新気G2の部分ではガスの熱容量が少ないために燃焼温
度が高くなりNOx が生成されてしまう。また、残留ガ
スG1の部分での燃焼では、酸素不足が生じることから
ススを排出しやすくなり、燃焼のトータルでのNOx 、
ススの排出量は低減する可能性はあるものの、残留ガス
の効果を十分に発揮しているとはいえない。
【0037】一般的には、酸素不足を起こさない程度に
熱容量の高い残留ガスをちりばめることでススの排出を
防ぎ、燃焼時の最高温度を抑えることでNOx の生成を
抑えることができる。
【0038】次に、図11に、本実施形態での制御時の
筒内の様子を示す。まず、本制御では「排気弁早閉じ」
によって筒内に既燃ガスが残留する。吸入行程では当該
早閉じ量よりも大きく吸気弁11を遅開きするため、吸
入時、吸気弁11が開かれる瞬間は筒内は負圧になって
いる。そのため、吸入開始と同時に新気が筒内に急激に
流入する。この時、吸気ポート8内には乱流が生じるた
め、整流された一定の方向を持った流れにはならず、吸
気弁11の隙間から全方向に向かった非常に流速の速い
流れA2,A3が形成されることになる。この吸入初期
の速い流れA2,A3は瞬時に筒内底面に達し、筒内底
面の残留ガスをL2,L3,L4で示した方向に拡散す
る。吸入行程の中盤から後半にかけては、しだいに吸気
が整流されていき吸入を終了した時点では筒内は従来と
同様の空気流動(スワール)が形成される。この時の筒
内ガスは、吸入行程前半で残留ガスが拡散されているた
め、図12に示すようにキャビティ5内において残留ガ
スと新気がよく混合しており圧縮端でもこの状態は保た
れる。
【0039】以上のように、本実施形態においてはEG
Rガスと新気との混合を促進することができ、NOx と
PMの低減効果を向上することができる。パティキュレ
ートは、図13に示すように、バルブタイミングを固定
した場合に比べ、本制御を採用することにより低減する
ことができる。
【0040】このように本実施の形態は、下記の特徴を
有する。 (イ)ディーゼルエンジンの運転状態に応じた量だけ排
気弁12をTDCよりも早期に閉じるとともに、TDC
に対し、排気弁12の早閉じするクランク角以上遅く吸
気弁11を開くようにしたので、TDCよりも排気弁1
2が早閉じされて筒内に既燃ガスが残留するが、この早
閉じするクランク角以上遅く吸気弁11が開くので、筒
内が一時的に負圧にされた状態から吸気弁11が開か
れ、この時、新気が急激に流入する。これにより、既燃
ガスと新気の混合が促進される。その結果、大量にEG
Rを行なったときでも既燃ガスと新気との混合を促進で
き、より一層のNOx とPMの低減を図ることができ
る。
【0041】このようにしてディーゼルエンジンから排
出されるNOx とPM(パティキュレート)とを同時低
減するために有効とされる内部EGR制御を行う際に、
筒内の残留ガスと新気との混合を促進し、大量EGR時
においても良好な燃焼が得られ、より一層のNOx 及び
PMを低減することができる。
【0042】特に、シリンダヘッド6とピストン頂部の
間に形成された単一燃焼室7の中に燃料を噴射する直接
噴射式ディーゼルエンジンに適用すると、その効果が大
きい。
【0043】なお、これまでの説明においては直接噴射
式ディーゼルエンジンに適用した場合について述べた
が、主燃焼室とは別の副室に燃料を噴射する副室式ディ
ーゼルエンジンに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態におけるエンジン断面及びエンジ
ン制御システムの概略を示す構成図。
【図2】 バルブ駆動機構並びにその周辺部の構成図。
【図3】 バルブ駆動装置の作動説明図。
【図4】 作用を説明するためのフローチャート。
【図5】 バルブ駆動機構によるリフト動作を示すタイ
ムチャート。
【図6】 回転数に対する排気弁閉じ時期の制御方法を
示す図。
【図7】 アクセル開度に対する排気弁閉じ時期の制御
方法を示す図。
【図8】 排気弁閉じ時期と吸気弁開き時期の関係を示
す図。
【図9】 比較のための筒内ガス流動を示す図。
【図10】 比較のための圧縮端での筒内ガス分布を示
す図。
【図11】 実施の形態における筒内ガス流動を示す
図。
【図12】 実施の形態における圧縮端での筒内ガス分
布を示す図。
【図13】 実施の形態の効果確認のためのNOx 量と
PM量との関係を示す図。
【符号の説明】 1…ディーゼルエンジン、4…ピストン、6…シリンダ
ヘッド、7…燃焼室、11…吸気弁、12…排気弁、2
0…バルブ駆動機構(可変バルブタイミング機構)、5
0…ECU(排気弁閉弁制御手段、吸気弁開弁制御手
段)、51…水温センサ(運転状態検出手段)、52…
クランク角センサ(運転状態検出手段)、53…アクセ
ル開度センサ(運転状態検出手段)、54…大気圧セン
サ(運転状態検出手段)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02B 23/06 F02B 23/06 L F02D 13/02 F02D 13/02 K 21/08 301 21/08 301H

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ディーゼルエンジンに設けられた排気弁
    の閉弁タイミングおよび吸気弁の開弁タイミングを調整
    する可変バルブタイミング機構と、 ディーゼルエンジンの運転状態を検出する運転状態検出
    手段と、 前記可変バルブタイミング機構を制御して、前記運転状
    態検出手段によるディーゼルエンジンの運転状態に応じ
    た量だけ前記排気弁をディーゼルエンジンの上死点より
    も早期に閉じる排気弁閉弁制御手段と、 前記可変バルブタイミング機構を制御して、ディーゼル
    エンジンの上死点に対し、前記排気弁閉弁制御手段によ
    る前記排気弁の早閉じするクランク角以上遅く前記吸気
    弁を開く吸気弁開弁制御手段と、を備えたことを特徴と
    するディーゼルエンジンの制御装置。
  2. 【請求項2】 前記エンジンは、シリンダヘッドとピス
    トン頂部の間に形成された単一燃焼室の中に燃料を噴射
    する直接噴射式ディーゼルエンジンである請求項1に記
    載のディーゼルエンジンの制御装置。
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