JPH1122512A - 直噴火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

直噴火花点火式内燃機関の制御装置

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JPH1122512A
JPH1122512A JP9173942A JP17394297A JPH1122512A JP H1122512 A JPH1122512 A JP H1122512A JP 9173942 A JP9173942 A JP 9173942A JP 17394297 A JP17394297 A JP 17394297A JP H1122512 A JPH1122512 A JP H1122512A
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direct injection
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憲一 町田
Kenichi Goto
健一 後藤
Hideyuki Tamura
英之 田村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 直噴火花点火式内燃機関において、リーン燃
焼による運転性の悪化を防止する。 【解決手段】 機関運転条件に基づいて機関が発生しよ
うとする目標機関トルクtTeを算出する一方(S1
1)、実際に機関が発生している実機関トルクTeを検
出する(S12)。そして、目標機関トルクと実機関ト
ルクとのズレ状態を表すズレ状態量ΔTQ=Te−tT
eを算出する(S13)。そして、ズレ状態量ΔTQが
所定値SL以上のときに、リーン燃焼を禁止する(S1
4〜S16)。すなわち、均質リーン燃焼及び成層リー
ン燃焼を禁止して、均質ストイキ燃焼に切換える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、直噴火花点火式内
燃機関の制御装置に関し、特に、機関運転条件に応じ
て、少なくとも、ストイキ空燃比(理論空燃比)でのス
トイキ燃焼と、リーン空燃比(理論空燃比より希薄側)
でのリーン燃焼とに切換制御するものに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射
する直噴火花点火式内燃機関が注目されており、このも
のでは、機関運転条件に応じて、燃焼方式を切換制御、
すなわち、ストイキ燃焼(ストイキ均質燃焼)と、リー
ン燃焼(成層リーン燃焼あるいは均質ストイキ燃焼)と
に切換制御している(特開昭59−37236号公報参
照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、直噴火
花点火式内燃機関においては、機関の燃焼室内に直接燃
料を噴射することから、リーン燃焼時に、燃料系による
トルク感度が高くなり(燃料噴射量のわずかな変化でト
ルクが大きく変化するようになり)、燃料系部品の故障
等により、瞬時に燃料噴射量が増加したりすると、急激
な車両挙動変化による運転性の悪化を招く可能性があ
る。
【0004】本発明は、このような従来の問題点に鑑
み、燃料系部品の故障等による運転性の悪化を防止でき
るようにすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1に係
る発明では、機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料
噴射弁を備えると共に、機関運転条件に応じ、少なくと
も、ストイキ空燃比でのストイキ燃焼とリーン空燃比で
のリーン燃焼とに切換制御する燃焼方式切換制御手段を
備える直噴火花点火式内燃機関の制御装置において、図
1に示すように、機関運転条件に基づいて機関が発生し
ようとする目標機関トルクを算出する目標機関トルク算
出手段と、実際に機関が発生している実機関トルクを検
出する実機関トルク検出手段と、目標機関トルクと実機
関トルクとのズレ状態を表すズレ状態量を算出するズレ
状態量算出手段と、前記ズレ状態量が所定値以上のとき
にリーン燃焼を禁止するリーン燃焼禁止手段と、を設け
たことを特徴とする。
【0006】請求項2に係る発明では、前記目標機関ト
ルク算出手段は、機関回転数とアクセル開度とに基づい
て目標機関トルクを算出するものであることを特徴とす
る。請求項3に係る発明では、前記実機関トルク検出手
段は、機関の燃焼行程での回転角加速度(回転角速度の
変化量)に基づいて実機関トルクを算出するものである
ことを特徴とする。
【0007】請求項4に係る発明では、前記実機関トル
ク検出手段は、機関の燃焼圧力に基づいて実機関トルク
を算出するものであることを特徴とする。請求項5に係
る発明では、前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態
量を、目標機関トルクと実機関トルクとの差として、算
出するものであることを特徴とする。
【0008】請求項6に係る発明では、前記ズレ状態量
算出手段は、前記ズレ状態量を、目標機関トルクの変化
量と実機関トルクの変化量との差として、算出するもの
であることを特徴とする。請求項7に係る発明では、前
記燃焼方式切換制御手段は、機関運転条件に応じ、少な
くとも、吸気行程で燃料を噴射してストイキ空燃比で行
わせる均質ストイキ燃焼と、吸気行程で燃料を噴射して
リーン空燃比で行わせる均質リーン燃焼と、圧縮行程で
燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる成層リーン燃焼
とに切換制御するものであり、前記リーン燃焼禁止手段
は、前記ズレ状態量が所定値以上のときに、均質リーン
燃焼及び成層リーン燃焼を禁止するものであることを特
徴とする。
【0009】
【発明の効果】請求項1に係る発明によれば、機関が発
生しようとする目標機関トルクと実際に機関が発生して
いる実機関トルクとを検出し、目標機関トルクと実機関
トルクとのズレ状態が大のときは、運転性の悪化の恐れ
があるとしてリーン燃焼を禁止するので、リーン燃焼に
よる運転性の悪化を未然に防止することができるという
効果が得られる。
【0010】請求項2に係る発明によれば、機関が発生
しようとする目標機関トルクを、機関回転数とアクセル
開度とから、的確に求めることができる。請求項3に係
る発明によれば、実際に機関が発生している実機関トル
クを、機関の燃焼行程での回転角加速度から、的確に推
定することができる。請求項4に係る発明によれば、実
際に機関が発生している実機関トルクを、機関の燃焼圧
力から、的確に推定することができる。
【0011】請求項5に係る発明によれば、目標機関ト
ルクと実機関トルクとの差により、ズレ状態を簡単に定
量化することができる。請求項6に係る発明によれば、
目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量との差
により、ズレ状態を定量化することで、機差、環境条件
等の影響をキャンセルすることができ、診断精度を向上
させることができる。
【0012】請求項7に係る発明によれば、均質ストイ
キ燃焼と均質リーン燃焼と成層リーン燃焼とに切換制御
する場合に、目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状
態が大のときに、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼を
禁止することで、運転性の悪化を確実に防止することが
できる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。図2は実施の一形態を示す内燃機関のシス
テム図である。先ず、これについて説明する。車両に搭
載される内燃機関1の各気筒の燃焼室には、エアクリー
ナ2から吸気通路3により、電制スロットル弁4の制御
を受けて、空気が吸入される。また、スワール制御弁5
が設けられており、ポート断面積を制御して燃焼室に吸
入される空気の流動を制御可能である。
【0014】そして、燃焼室内に燃料(ガソリン)を直
接噴射するように、電磁式の燃料噴射弁(インジェク
タ)6が設けられている。燃料噴射弁6は、後述するコ
ントロールユニット20から機関回転に同期して吸気行
程又は圧縮行程にて出力される噴射パルス信号によりソ
レノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃
料を噴射するようになっている。そして、噴射された燃
料は、吸気行程噴射の場合は燃焼室内に拡散して均質な
混合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火栓7回
りに集中的に層状の混合気を形成し、後述するコントロ
ールユニット20からの点火信号に基づき、点火栓7に
より点火されて、燃焼(均質燃焼又は成層燃焼)する。
尚、燃焼方式は、空燃比制御との組合わせで、均質スト
イキ燃焼、均質リーン燃焼、成層リーン燃焼に分けられ
る。
【0015】機関1からの排気は排気通路8より排出さ
れ、排気通路8には排気浄化用の触媒9が介装されてい
る。また、排気の一部は電制EGR弁10を介してEG
R通路11により吸気通路3のスロットル弁4下流(吸
気マニホールド)に還流される。コントロールユニット
20は、CPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入
出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコ
ンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、
これに基づいて演算処理して、燃料噴射弁6及び点火栓
7などの作動を制御する。
【0016】前記各種センサとしては、機関1のクラン
ク軸又はカム軸回転を検出するクランク角センサ21,
22が設けられている。これらのクランク角センサ2
1,22は、気筒数をnとすると、クランク角720°
/n毎に、予め定めたクランク角位置(例えば圧縮上死
点前110°)で基準パルス信号REFを出力すると共
に、1〜2°毎に単位パルス信号POSを出力するもの
で、基準パルス信号REFの周期などから機関回転数N
eを算出可能である。また特に、カム軸センサ22はク
ランク角720°毎に予め定めたクランク角位置で特定
気筒に対応する気筒判別信号PHASEを出力し、これ
により気筒判別が可能となる。
【0017】この他、吸気通路3のスロットル弁4上流
で吸入空気流量Qaを検出するエアフローメータ23、
アクセルペダルの踏込み量(アクセル開度)ACCを検
出するアクセルセンサ24、スロットル弁4の開度TV
Oを検出するスロットルセンサ25(スロットル弁4の
全閉位置でONとなるアイドルスイッチを含む)、機関
1の冷却水温Twを検出する水温センサ26、排気通路
8にて排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力
するO2 センサ27、車速VSPを検出する車速センサ
28などが設けられている。
【0018】次に、コントロールユニット20により行
われる燃焼方式の切換制御について、図3〜図7のフロ
ーチャートにより説明する。図3は燃焼方式切換ルーチ
ンであり、所定時間(例えば10ms)毎に実行され
る。本ルーチンが燃焼方式切換制御手段に相当する。ス
テップ1(図にはS1と記す。以下同様)では、機関回
転数Ne、基本燃料噴射量Tp(又は目標機関トルクt
Te)、水温Tw等の機関運転条件を読込む。
【0019】ステップ2では、機関運転条件に基づい
て、燃焼方式切換マップを参照する。すなわち、機関回
転数Neと基本燃料噴射量Tp(又は目標機関トルクt
Te)とをパラメータとして燃焼方式(及び基本目標当
量比TFBYA0)を定めたマップを、水温Tw、始動
後時間などの条件別に複数備えていて、これらの条件か
ら選択されたマップより、実際の機関運転状態のパラメ
ータに従って、均質ストイキ燃焼、均質リーン燃焼又は
成層リーン燃焼のいずれかに燃焼方式(及び基本目標当
量比TFBYA0)を設定する。図3中に例示したマッ
プは、暖機完了後(水温Tw高、始動後時間大)のもの
である。
【0020】ステップ3では、燃焼方式の判定に従って
分岐する。均質ストイキ燃焼の場合は、ステップ6へ進
んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴射量をスト
イキ空燃比(14.6)相当に設定して、O2 センサ2
7による空燃比フィードバック制御を行う一方、噴射時
期を吸気行程に設定して、均質ストイキ燃焼を行わせ
る。
【0021】均質リーン燃焼の場合は、ステップ7へ進
んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴射量を空燃
比20〜30のリーン空燃比相当に設定して、オープン
制御を行う一方、噴射時期を吸気行程に設定して、均質
リーン燃焼を行わせる。成層リーン燃焼の場合は、ステ
ップ8へ進んで対応した制御を行う。すなわち、燃料噴
射量を空燃比40程度のリーン空燃比相当に設定して、
オープン制御を行う一方、噴射時期を圧縮行程に設定し
て、成層リーン燃焼を行わせる。
【0022】但し、ステップ7の均質リーン燃焼制御及
びステップ8の成層リーン燃焼制御のそれぞれ直前に、
ステップ4及びステップ5が設けられ、ここでリーン燃
焼禁止(リーン燃焼禁止フラグ=1)か否かを判定し
て、リーン燃焼禁止の場合は、均質リーン燃焼制御及び
成層リーン燃焼制御を行うことなく、ステップ6へ進ん
で、均質ストイキ制御を行うようになっている。
【0023】燃料噴射量の計算式は次の通りである。 TI=Tp×TFBYA×α+Ts ここで、Tpはストイキ空燃比相当の基本燃料噴射量で
あり、Tp=K0×Qa/Ne(K0は定数)により求
める。TFBYAは目標当量比であり、マップから求め
られた基本目標当量比TFBYA0を燃焼効率等により
補正すると共に、1次遅れを与えて得る。尚、目標当量
比TFBYAは、目標燃空比補正係数ともいい、目標空
燃比をtAFとすると、14.6/tAFで表される。
【0024】αはO2 センサ信号に基づく空燃比フィー
ドバック補正係数であり、リーン燃焼時は=1にクラン
プされる。Tsはバッテリ電圧に依存する無効噴射時間
補正分である。図4はリーン燃焼禁止判定ルーチンであ
り、所定時間(例えば10ms)毎に実行される。
【0025】ステップ11では、機関運転条件に基づい
て機関が発生しようとする目標機関トルクtTeを算出
する。この部分が目標機関トルク算出手段に相当する。
但し、実際の算出は別ルーチン、すなわち、図5のサブ
ルーチンにより行う。図5のサブルーチンについて説明
すれば、ステップ101で機関回転数Neを検出し、ス
テップ102でアクセル開度ACCを検出する。そし
て、ステップ103で、機関回転数Neとアクセル開度
ACCとをパラメータとして機関が発生しようとする目
標機関トルクtTeを予め定めて記憶させたマップを参
照し、実際のNe,ACCから、目標機関トルクtTe
を検索により求める。
【0026】ステップ12では、実際に機関が発生して
いる実機関トルクTeを検出する。この部分が実機関ト
ルク検出手段に相当する。但し、実際の検出は別ルーチ
ン、すなわち、図6のサブルーチン、又は図7のサブル
ーチンにより行う。図6のサブルーチンについて説明す
れば、クランク角センサ21,22からの信号に基づい
てクランク角を監視しつつ、先ず、ステップ201で上
死点TDCの前後30°の第1区間での機関の回転角速
度ω1を計測する。次に、ステップ202で上死点TD
Cから所定クランク角ANG後の前後30°の第2区間
での機関の回転角速度ω2を計測する。尚、回転角速度
は、各区間の開始点から終了点までの時間を計測して求
める。
【0027】そして、ステップ203で、これらの回転
角速度ω1,ω2に基づいて、燃焼行程での回転角加速
度Δω=(ω2−ω1)/dtを算出する。dtは所定
クランク角ANGの開始点から終了点までの時間(計測
値)である。そして、ステップ204で、次式のごと
く、燃焼行程での回転角加速度Δωに基づいて、実機関
トルクTeを算出する。
【0028】Te=Δω×K+OFFSET 但し、Kは変換係数、OFFSETはオフセット値(い
ずれも定数)である。図7のサブルーチンについて説明
すれば、点火栓7又は燃料噴射弁6のねじ込み式の取付
部に、取付座金状に、圧電素子からなる燃焼圧力センサ
(図2では図示を省略)を設けておき、ステップ211
で、クランク角センサ21,22からの信号に基づいて
クランク角を監視しつつ、予め定めた積分開始クランク
角から積分終了クランク角までの間、所定のサンプリン
グタイミング毎に、燃焼圧力センサからの信号をA/D
変換して、燃焼圧力Pを読込むと同時に、その積算値Σ
P=ΣP+Pを算出する。そして、ステップ212で、
積分開始クランク角から積分終了クランク角までの積算
値ΣPを図示平均有効圧力Piとして検出する。
【0029】そして、ステップ213で、次式のごと
く、図示平均有効圧力Piに基づいて、実機関トルクT
eを算出する。 Te=Pi×K+OFFSET 但し、Kは変換係数、OFFSETはオフセット値(い
ずれも定数)である。ステップ13では、目標機関トル
クtTeと実機関トルクTeとのズレ状態を表すズレ状
態量として、実機関トルクTeと目標機関トルクtTe
とのトルク差ΔTQ=Te−tTe(又は、ΔTQ=|
Te−tTe|)を算出する。この部分がズレ状態量算
出手段に相当する。
【0030】ステップ14では、ズレ状態量としてのト
ルク差ΔTQと、所定値(異常判定用の閾値)SLとを
比較して、ΔTQ≧SLか否かを判定する。ズレ状態量
大、すなわち、ΔTQ≧SLのときは、運転性の悪化の
恐れがあるとして、ステップ15で、NG判定を行い、
ステップ16でリーン燃焼禁止(リーン燃焼禁止フラグ
=1)とする。
【0031】これにより、以降、図3の燃焼方式切換ル
ーチン(ステップ4,5)において、均質リーン燃焼制
御及び成層リーン燃焼制御が禁止され、均質ストイキ制
御(ステップ6)がなされる。従って、図4のステップ
14,16と図3のステップ4,5とがリーン燃焼禁止
手段に相当する。
【0032】一方、ズレ状態量小、すなわち、ΔTQ<
SLのときは、正常であるので、そのまま本ルーチンを
終了する。次に他の実施例について説明する。図8はリ
ーン燃焼禁止判定ルーチンであり、図4に代わって実行
される。ステップ21では、機関運転条件に基づいて機
関が発生しようとする目標機関トルクtTeを算出す
る。この部分が目標機関トルク算出手段に相当する。但
し、実際の算出は別ルーチン、すなわち、図5のサブル
ーチンにより行う。
【0033】ステップ22では、目標機関トルクの変化
量ΔtTe=tTe−tTeold (tTeold は前回の
算出値)を算出する。ステップ23では、実際に機関が
発生している実機関トルクTeを検出する。この部分が
実機関トルク検出手段に相当する。但し、実際の検出は
別ルーチン、すなわち、図6のサブルーチン、又は図7
のサブルーチンにより行う。
【0034】ステップ24では、実機関トルクの変化量
ΔTe=Te−Teold (Teoldは前回の検出値)を
算出する。ステップ25では、目標機関トルクtTeと
実機関トルクTeとのズレ状態を表すズレ状態量とし
て、実機関トルクの変化量ΔTeと目標機関トルクの変
化量ΔtTeとのトルク変化量差ΔΔTQ=ΔTe−Δ
tTe(又は、ΔΔTQ=|ΔTe−ΔtTe|)を算
出する。この部分がズレ状態量算出手段に相当する。
【0035】ステップ26では、ズレ状態量としてのト
ルク変化量差ΔΔTQと、所定値(異常判定用の閾値)
SLとを比較して、ΔΔTQ≧SLか否かを判定する。
尚、ここでの所定値SLは本ルーチンの実行時間隔に依
存して設定する必要があり、実行時間隔が短い機種ほ
ど、大きな値に設定する。ズレ状態量大、すなわち、Δ
ΔTQ≧SLのときは、運転性の悪化の恐れがあるとし
て、ステップ27で、NG判定を行い、ステップ28で
リーン燃焼禁止(リーン燃焼禁止フラグ=1)とする。
【0036】これにより、以降、図3の燃焼方式切換ル
ーチン(ステップ4,5)において、均質リーン燃焼制
御及び成層リーン燃焼制御が禁止され、均質ストイキ制
御(ステップ6)がなされる。従って、図8のステップ
26,28と図3のステップ4,5とがリーン燃焼禁止
手段に相当する。
【0037】一方、ズレ状態量小、すなわち、ΔΔTQ
<SLのときは、正常であるので、そのまま本ルーチン
を終了する。この実施例では、目標機関トルクの変化量
と実機関トルクの変化量との差により、ズレ状態を定量
化することで、機差、環境条件等の影響をキャンセルす
ることができ、診断精度を向上させることができる。
【0038】尚、ズレ状態量を、Te−tTe又はΔT
e−ΔtTeとして、これをプラス側の所定値と比較し
た場合は、目標機関トルクに比べて実機関トルクが大き
過ぎる場合に運転性の悪化の恐れがあるとしてリーン燃
焼を禁止できるが、ズレ状態量を|Te−tTe|又は
|ΔTe−ΔtTe|として、これをプラス側の所定値
と比較した場合は、目標機関トルクに比べて実機関トル
クが小さ過ぎる場合も運転性の悪化の恐れがあるとして
リーン燃焼を禁止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図2】 本発明の実施の一形態を示す内燃機関のシス
テム図
【図3】 燃焼方式切換ルーチンのフローチャート
【図4】 リーン燃焼禁止判定ルーチンのフローチャー
【図5】 目標機関トルク算出用サブルーチンのフロー
チャート
【図6】 実機関トルク検出用サブルーチンのフローチ
ャート
【図7】 実機関トルク検出用サブルーチンの他の例の
フローチャート
【図8】 他の実施例を示すリーン燃焼禁止判定ルーチ
ンのフローチャート
【符号の説明】
1 内燃機関 3 吸気通路 4 電制スロットル弁 6 燃料噴射弁 7 点火栓 8 排気通路 20 コントロールユニット 21,22 クランク角センサ 23 エアフローメータ 24 アクセルセンサ
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02D 41/34 F02D 41/34 E (72)発明者 田村 英之 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料
    噴射弁を備えると共に、機関運転条件に応じ、少なくと
    も、ストイキ空燃比でのストイキ燃焼とリーン空燃比で
    のリーン燃焼とに切換制御する燃焼方式切換制御手段を
    備える直噴火花点火式内燃機関において、 機関運転条件に基づいて機関が発生しようとする目標機
    関トルクを算出する目標機関トルク算出手段と、 実際に機関が発生している実機関トルクを検出する実機
    関トルク検出手段と、 目標機関トルクと実機関トルクとのズレ状態を表すズレ
    状態量を算出するズレ状態量算出手段と、 前記ズレ状態量が所定値以上のときにリーン燃焼を禁止
    するリーン燃焼禁止手段と、 を設けたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の制
    御装置。
  2. 【請求項2】前記目標機関トルク算出手段は、機関回転
    数とアクセル開度とに基づいて目標機関トルクを算出す
    るものであることを特徴とする請求項1記載の直噴火花
    点火式内燃機関の制御装置。
  3. 【請求項3】前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼
    行程での回転角加速度に基づいて実機関トルクを算出す
    るものであることを特徴とする請求項1又は請求項2記
    載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
  4. 【請求項4】前記実機関トルク検出手段は、機関の燃焼
    圧力に基づいて実機関トルクを算出するものであること
    を特徴とする請求項1又は請求項2記載の直噴火花点火
    式内燃機関の制御装置。
  5. 【請求項5】前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態
    量を、目標機関トルクと実機関トルクとの差として、算
    出するものであることを特徴とする請求項1〜請求項4
    のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御
    装置。
  6. 【請求項6】前記ズレ状態量算出手段は、前記ズレ状態
    量を、目標機関トルクの変化量と実機関トルクの変化量
    との差として、算出するものであることを特徴とする請
    求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の直噴火花点火
    式内燃機関の制御装置。
  7. 【請求項7】前記燃焼方式切換制御手段は、機関運転条
    件に応じ、少なくとも、吸気行程で燃料を噴射してスト
    イキ空燃比で行わせる均質ストイキ燃焼と、吸気行程で
    燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる均質リーン燃焼
    と、圧縮行程で燃料を噴射してリーン空燃比で行わせる
    成層リーン燃焼とに切換制御するものであり、 前記リーン燃焼禁止手段は、前記ズレ状態量が所定値以
    上のときに、均質リーン燃焼及び成層リーン燃焼を禁止
    するものであることを特徴とする請求項1〜請求項6の
    いずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装
    置。
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