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인터쿨러

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1. 개요

인터쿨러는 주로 터보차저 엔진과 함께 사용되는 장치로, 가압된 흡입 공기의 온도를 낮춰 엔진의 성능을 향상시키는 역할을 한다. 압축열을 상쇄하여 공기 밀도를 높이고, 연료 분사량을 늘려 출력을 증가시키며, 예연소 및 노킹 발생 가능성을 줄인다. 인터쿨러는 공랭식, 수랭식, 또는 이 둘의 조합으로 구성될 수 있으며, 차량의 종류와 시스템의 요구 사항에 따라 다양한 크기와 형태로 설계된다. 자동차, 선박, 항공기, 공기 압축기 등 다양한 분야에 적용되며, 특히 다단 과급 시스템에서는 각 터보차저 또는 수퍼차저 단계 사이에 위치하여 공기를 냉각하는 역할을 한다.

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인터쿨러
개요
명칭인터쿨러
영어 명칭Intercooler
일본어 명칭インタークーラー (Intākūrā)
역할압축 후 가스를 냉각하는 열교환기
작동 원리압축된 공기를 냉각하여 밀도를 높이고 엔진 효율을 향상
기술적 세부 사항
냉각 방식공랭식 또는 수랭식
공랭식 인터쿨러공기를 사용하여 냉각
수랭식 인터쿨러물 또는 냉각수를 사용하여 냉각
위치2행정 기관 또는 4행정 기관 엔진에 장착
종류싱글 인터쿨러, 트윈 인터쿨러
활용 분야
적용 엔진2행정 기관, 4행정 기관
관련 용어
관련 용어열교환기

2. 작동 원리

인터쿨러는 주로 터보차저 엔진과 함께 사용되며, 가압된 흡입 공기에서 발생하는 압축열과 열 흡수를 상쇄하는 데 사용된다. 흡입 공기의 온도를 낮춤으로써 공기가 더 밀도가 높아져 더 많은 연료를 분사할 수 있게 되어 출력이 증가하며, 예연소 또는 노킹이 발생할 가능성이 줄어든다.[1] 추가적인 냉각은 인터쿨러 표면에 미세한 물방울을 외부에서 분사하거나 심지어 흡입 공기 자체에 분사하여 증발 냉각을 통해 흡입 공기 온도를 더욱 낮출 수 있다.[1]

인터쿨러는 시스템의 성능과 공간 요구 사항에 따라 크기, 모양 및 디자인이 크게 다를 수 있다. 많은 승용차는 앞 범퍼 또는 그릴 개구부에 위치한 전면 장착 인터쿨러 또는 엔진 위에 위치한 상단 장착 인터쿨러를 사용한다. 인터쿨링 시스템은 공랭식, 수랭식 또는 둘의 조합을 사용할 수 있다.[1]

공랭식 인터쿨러 내부의 냉각 핀


선박 엔진용 수랭식 인터쿨러


공랭식 인터쿨러는 흡입 공기로부터 대기 중으로 직접 열을 전달하는 열교환기이다. 반면, 수랭식 인터쿨러는 흡입 공기의 열을 중간 액체(보통 물)로 전달하고, 이 액체가 다시 대기 중으로 열을 전달한다. 유체에서 대기로 열을 전달하는 열교환기는 수냉식 엔진의 냉각 시스템에서 주 라디에이터와 유사하게 작동하며, 경우에 따라 엔진의 냉각 시스템이 인터쿨링 시스템에도 사용된다. 수랭식 인터쿨러는 물 순환 펌프, 라디에이터, 유체 및 배관등 추가 부품으로 인해 공랭식 인터쿨러보다 일반적으로 더 무겁다.[1]

대부분의 선박 엔진은 수랭식 인터쿨러를 사용하는데, 호수, 강 또는 바닷물을 냉각 목적으로 쉽게 사용할 수 있기 때문이다. 또한 대부분의 선박 엔진은 공랭식 장치에 적절한 냉각 공기 흐름을 얻기 어려운 폐쇄된 구획에 위치해 있다. 선박용 인터쿨러는 쿨러 케이스 내의 일련의 튜브 주위를 공기가 통과하고 튜브 내부로 해수가 순환하는 튜브형 열교환기 형태를 취한다. 이러한 종류의 응용 분야에 사용되는 주요 재료는 해수 부식에 저항하도록 설계되었다. 튜브는 구리-니켈, 해수 덮개는 청동을 사용한다.[1]

인터쿨러가 있는 2단 압축기 개략도


1910년 잉거솔 랜드(Ingersoll Rand) 2단 공기 압축기에 장착된 상단형 인터쿨러


인터쿨러는 2단 공기 압축기의 1단에서 발생하는 폐열을 제거하는 데 사용된다. 2단 공기 압축기는 본질적인 효율성 때문에 생산된다. 인터쿨러의 냉각 작용은 이 높은 효율성에 주로 기여하며, 이를 카르노 효율에 더 가깝게 만든다. 1단의 배출구에서 압축열을 제거하면 공기 충전량을 밀집시키는 효과가 있다. 이는 다시 2단이 고정된 압축비에서 더 많은 일을 할 수 있게 해준다. 인터쿨러를 설치하려면 추가적인 투자가 필요하다.[1]

원래 인터쿨러는 다단 과급에서 과급기와 과급기 사이에 위치하여 1단 과급기에서 압축된 공기를 냉각하는 중간 냉각기를 가리킨다. 엔진 앞쪽의 냉각기는 원래 '애프터쿨러'이지만, 현재는 자동차 용어로 인터쿨러라고 불린다. 이 종류의 흡기 냉각기 전반을 "차지 쿨러"라고도 부른다. 동일한 방식이지만, 영국의 롤스로이스 멀린에서는 인터쿨러, 앨리슨 V-1650에서는 "애프터쿨러"라고 불린다.[1] 냉각에 외부 공기를 사용하는 공랭식이 많지만, 냉각수를 사용하는 수랭식도 있으며 설치 장소를 가리지 않는 장점이 있다. 라디에이터나 오일 쿨러와 마찬가지로, 방열을 위한 핀이 배열되어 있다.[1]

2. 1. 열역학적 관점

열기관은 열 사이클의 저온 열원과 고온 열원의 온도 차이가 클수록 효율이 좋으며, 내연 기관은 흡기 온도가 낮을수록 단위 부피당 흡기 질량이 증가하여 더 많은 연료를 연소시킬 수 있어 출력이 향상된다.[1] 과급기 장착 엔진은 자연 흡기 엔진보다 흡기 온도가 높아지므로, 압축 및 연소로 높아지는 압력을 예상하여 압축비를 낮게 설계하여 효율이 저하되지만, 인터쿨러로 흡기를 냉각하면 압축비를 높게 설정할 수 있으므로, 압축비 저하에 따른 효율 저하를 방지할 수 있다.[1] 또한, 인터쿨러를 전제로 과급압을 더 높게 설계할 수도 있다.[1]

터보 차량에서는 인터쿨러를 장착하지 않는 차종도 있지만, 슈퍼차저의 경우 배압이 높아지면 충분한 과급압을 얻을 수 없기 때문에 일부 예외를 제외하고 많은 차종에서 인터쿨러를 장착하고 있다.[1]

3. 종류

인터쿨러는 시스템의 성능과 공간 요구 사항에 따라 크기, 모양, 디자인이 다양하다. 많은 승용차는 앞 범퍼나 그릴 개구부에 위치한 전면 장착 인터쿨러 또는 엔진 위에 위치한 상단 장착 인터쿨러를 사용한다. 인터쿨링 시스템은 공랭식, 수랭식 또는 이 둘을 조합한 방식을 사용할 수 있다.

인터쿨러는 원래 다단 과급에서 과급기와 과급기 사이에 위치하여 1단 과급기에서 압축된 공기를 냉각하는 중간 냉각기를 가리켰다. 엔진 앞쪽의 냉각기는 원래 '''애프터쿨러'''였지만, 현재는 자동차 용어로 인터쿨러라고 불린다. 이러한 종류의 흡기 냉각기 전반을 "차지 쿨러"라고도 부른다. 롤스로이스 멀린에서는 인터쿨러, 앨리슨 V-1710에서는 "애프터쿨러"라고 불린다.

열기관은 열 사이클의 저온/고온 열원 간 온도 차이가 클수록 효율이 높아진다. 내연 기관은 흡기 온도가 낮을수록 단위 부피당 흡기 질량이 증가하여 더 많은 연료를 연소시켜 출력이 향상된다. 과급기 장착 엔진은 자연 흡기 엔진보다 흡기 온도가 높아지므로, 압축비를 낮게 설계하여 효율이 저하된다. 그러나 인터쿨러로 흡기를 냉각하면 압축비를 높게 설정할 수 있어 압축비 저하에 따른 효율 저하를 방지할 수 있다. 또한, 인터쿨러를 전제로 과급압을 더 높게 설계할 수도 있다.

터보 차량은 인터쿨러를 장착하지 않는 차종도 있지만, 슈퍼차저는 배압이 높아지면 충분한 과급압을 얻을 수 없기 때문에 일부 예외를 제외하고 많은 차종에서 인터쿨러를 장착하고 있다. 구조가 간단하여 공랭식이 많지만, 설치 위치 제약이 적은 수랭식이 선택되기도 한다. 최근에는 대배기량 엔진을 터보 과급한 소배기량 엔진으로 대체하여 연비를 줄이는 다운사이징 컨셉이 늘고 있다.

인터쿨러 설치 시 흡기계 거리가 길어져 과급 효과에 시간 지연(터보 래그)이 발생할 수 있다. 폭스바겐사의 TSI 등에서는 인터쿨러를 수랭식으로 하여 흡기 통로를 단축하고 응답성을 높이려 노력하고 있다.

3. 1. 공랭식 인터쿨러

공랭식 인터쿨러는 흡입 공기로부터 대기 중으로 직접 열을 전달하는 열교환기이다. 라디에이터나 오일 쿨러와 마찬가지로, 방열을 위한 핀이 배열되어 있다.[1]

3. 1. 1. 설치 위치

인터쿨러는 설치 위치에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다. 프론트 엔진 차량의 경우에는 차체 전방에, 미드십 엔진, 리어 엔진 차량의 경우에는 차체 후방에 장착되는 경우가 많다. 튜닝을 통해 새롭게 설치되거나 다른 위치로 이동되기도 한다. 차체에 공기 흡입구를 설치하고, 거기에서 도입된 외기를 덕트를 사용하여 인터쿨러에 닿게 하는 구조도 많이 사용된다.

수평으로 설치된 인터쿨러 (스바루 임프레자)

  • 앞 배치: 라디에이터 앞 또는 아래에 설치한다. 순정 배치로 채택되는 차종도 있으며, 튜닝을 통해 배관을 변경하여 앞 배치로 하는 경우도 있다.
  • 수평 배치: 엔진룸 상부에 수평이 되도록 설치한다. 보닛에는 인터쿨러에 공기를 유도하기 위한 덕트(후드 스쿠프)가 존재하는 것이 일반적이다.

3. 2. 수랭식 인터쿨러

수랭식 인터쿨러는 흡입 공기의 열을 중간 액체(주로 물)로 전달하고, 이 액체가 다시 대기 중으로 열을 전달하는 방식이다. 유체에서 대기로 열을 전달하는 열교환기는 수랭식 엔진의 냉각 시스템에서 주 라디에이터와 유사하게 작동하며, 경우에 따라 엔진의 냉각 시스템이 인터쿨링 시스템에도 사용된다. 수랭식 인터쿨러는 물 순환 펌프, 라디에이터, 유체 및 배관 등 추가 부품이 필요하여 공랭식 인터쿨러보다 일반적으로 무겁다.[4]

대부분의 선박 엔진은 수랭식 인터쿨러를 사용하는데, 이는 호수, 강 또는 바닷물을 냉각 목적으로 쉽게 사용할 수 있기 때문이다. 또한 대부분의 선박 엔진은 밀폐된 공간에 위치하여 공랭식 장치에 필요한 냉각 공기 흐름을 확보하기 어렵다. 선박용 인터쿨러는 튜브형 열교환기 형태로, 쿨러 케이스 내의 일련의 튜브 주위를 공기가 통과하고 튜브 내부로 해수가 순환한다. 해수 부식에 강하도록 튜브는 구리-니켈, 해수 덮개는 청동으로 제작된다.[4]

3. 2. 1. 수랭식 인터쿨러의 발전

과거 시판 차량에서는 토요타 소아라, 토요타 셀리카 XX의 M-TEU 탑재차, 토요타 셀리카 GT-FOUR RC, 혼다 레전드 V6 Ti, 스바루 레가시의 초대 모델, 토요타 크라운에 탑재된 8AR-FTS 등에서 수랭식이 채용되었다.[4]

수랭식은 같은 열효율에서도 공랭식보다 인터쿨러 코어를 소형으로 설계할 수 있고, 설치 장소의 자유도가 높으며, 저속 주행 시의 열교환율도 우수하다. 그러나 냉각수를 엔진 냉각 계통과 공유한 경우에는 "흡기 온도의 하한이 라디에이터 수온에 의존한다"는 단점이 있었다.[4]

이를 피하기 위해서는 엔진 냉각 계통과는 별도로 인터쿨러용 냉각 계통을 설치해야 하므로, 독립적인 서브 라디에이터와 워터 펌프가 필요하게 되고, 정차 중이나 저속 주행 시의 냉각을 위해 서브 라디에이터에 독립적인 냉각 팬이 필요하게 되어 시스템이 복잡해진다.[4]

이전에는 공랭식이 주류였지만, 2000년대 중반부터의 다운사이징 컨셉에서는 과급의 타임 래그를 억제하기 위해 흡기 경로를 단축할 수 있어 레이아웃의 자유도가 높은 수냉식으로 하는 장점이 크기 때문에, 인터쿨러의 수냉화는 하나의 트렌드가 되었다.[4]

4세대 마쓰다 데미오(이후의 MAZDA2)의 디젤 엔진 사양차는, 인테이크 매니폴드 내장형 수냉 인터쿨러를 채용하고 있다. 이는 좁은 소형차의 엔진룸에 격납할 필요가 있다는 점과, 흡기관 길이를 단축하여 디젤 엔진의 응답성을 개선한다는 점, 그리고 종래의 디젤 엔진에 비해 압축비가 극단적으로 낮은 것에 의한 자기 착화성의 악화를 개선하기 위한 것이다.[4]

수냉식 인터쿨러를 채용한 토요타 8NR-FTS 엔진(토요타 카롤라 스포츠)
[4]

4. 다단 과급 시스템에서의 인터쿨러

자동차 엔진에서 여러 단계의 과급을 사용하는 경우 (예: 시퀀셜 트윈 터보 또는 트윈차저 엔진), 인터쿨링은 일반적으로 마지막 터보차저/슈퍼차저 후에 수행된다. 그러나 JCB 디젤맥스 랜드 스피드 기록 레이싱 카와 같이 터보차징/슈퍼차징의 각 단계에 대해 별도의 인터쿨러를 사용하는 것도 가능하다. 일부 항공기 엔진은 과급의 각 단계에 대해 인터쿨러를 사용하기도 한다. 2단계 터보차징 엔진의 경우, ''인터쿨러''라는 용어는 두 개의 터보차저 사이에 있는 쿨러를 특별히 지칭할 수 있으며, ''애프터쿨러''라는 용어는 두 번째 단계 터보와 엔진 사이에 위치한 쿨러에 사용된다. 그러나, ''인터쿨러''와 ''차지-에어 쿨러''라는 용어는 흡기 시스템의 위치에 관계없이 종종 사용된다.[1]

원래 인터쿨러는 다단 과급에서 과급기와 과급기 사이에 위치하여 1단 과급기에서 압축된 공기를 냉각하는 중간 냉각기를 가리킨다. 엔진 앞쪽의 냉각기는 원래 '''애프터쿨러'''이지만, 현재는 자동차 용어로 인터쿨러라고 불린다. 이 종류의 흡기 냉각기 전반을 "차지 쿨러"라고도 부른다. 동일한 방식이지만, 영국의 롤스로이스 멀린에서는 인터쿨러, 앨리슨 V-1650에서는 "애프터쿨러"라고 불린다. 냉각에 외부 공기를 사용하는 공랭식이 많지만, 냉각수를 사용하는 수랭식도 있으며 설치 장소를 가리지 않는 장점이 있다. 라디에이터나 오일 쿨러와 마찬가지로, 방열을 위한 핀이 배열되어 있다.

5. 적용 분야

인터쿨러는 자동차, 선박, 항공기, 공기 압축기 등 다양한 분야에서 활용된다.


  • 자동차: 터보차저 엔진에 주로 사용되며, 압축된 흡입 공기의 온도를 낮춰 밀도를 높이고 노킹 발생 가능성을 줄인다. 공랭식과 수랭식이 있으며, 최근에는 다운사이징 컨셉 엔진에 터보 래그를 줄이기 위해 폭스바겐 TSI처럼 수랭식 인터쿨러를 채택하는 경우가 늘고 있다.
  • 선박: 대부분 수랭식 인터쿨러를 사용하며, 호수, 강, 바닷물을 냉각에 활용한다. 튜브형 열교환기 형태이며, 해수 부식에 강한 구리-니켈 튜브, 청동 해수 덮개 등의 재료로 제작된다.
  • 항공기: 다단 과급기 사이에 위치하여 1단 과급기에서 압축된 공기를 냉각하는 중간 냉각기(인터쿨러) 역할을 한다. 엔진 앞쪽의 냉각기는 애프터쿨러라고 불리지만, 현재는 자동차 용어로는 인터쿨러라고 불린다. 흡기 냉각기 전반을 "차지 쿨러"라고도 부른다.[1] 공랭식과 수랭식이 있으며, 방열을 위한 핀이 배열되어 있다.
  • 공기 압축기: 2단 공기 압축기의 1단에서 발생하는 폐열을 제거하여 효율을 높인다. 인터쿨러의 냉각 작용은 카르노 효율에 더 가깝게 만들어 효율을 높이는 데 기여한다.

5. 1. 자동차

터보차저 엔진에 주로 사용되는 인터쿨러는 압축된 흡입 공기에서 발생하는 열을 상쇄하는 역할을 한다. 흡입 공기의 온도를 낮춰 밀도를 높이고, 예연소나 노킹 발생 가능성을 줄인다. 외부에서 물방울을 분사하거나 흡입 공기 자체에 분사하여 증발 냉각을 통해 추가적인 냉각을 제공할 수도 있다.[4]

인터쿨러는 시스템 성능과 공간 요구 사항에 따라 크기, 모양, 디자인이 다양하다. 승용차는 주로 앞 범퍼나 그릴 개구부에 위치한 전면 장착 인터쿨러, 또는 엔진 위에 위치한 상단 장착 인터쿨러를 사용한다. 공랭식, 수랭식, 또는 이 둘의 조합으로 시스템을 구성할 수 있다.

구조가 간단하여 공랭식이 많지만, 설치 위치 제약이 적은 수랭식도 선택된다. 최근에는 다운사이징 컨셉 엔진이 늘면서, 흡기계 거리가 길어져 발생하는 터보 래그를 줄이기 위해 폭스바겐 TSI처럼 수랭식 인터쿨러를 채택하여 흡기 통로를 단축하고 응답성을 높이려는 노력이 이루어지고 있다.

프론트 엔진차는 차체 전방, 미드십 엔진이나 리어 엔진차는 차체 후방에 주로 장착된다. 튜닝을 통해 설치 위치를 변경하기도 한다. 차체에 공기 흡입구를 설치하고 덕트를 통해 외기를 인터쿨러에 닿게 하는 구조도 많다.

주로 사용되는 설치 방식은 다음과 같다.

  • 앞 배치: 라디에이터 앞 또는 아래에 설치한다. 순정 배치로 채택되거나 튜닝을 통해 배관을 변경하여 앞 배치로 만들기도 한다.
  • 수평 배치: 엔진룸 상부에 수평으로 설치한다. 보닛에는 인터쿨러에 공기를 유도하기 위한 후드 스쿠프가 있는 것이 일반적이다.


과거에는 토요타 소아라, 토요타 셀리카 XX, 토요타 셀리카 GT-FOUR RC, 혼다 레전드 V6 Ti, 스바루 레가시 초대 모델, 토요타 크라운 8AR-FTS 등에서 수랭식이 채용되었다.

수랭식은 공랭식보다 인터쿨러 코어를 작게 설계할 수 있고, 설치 장소 자유도가 높으며, 저속 주행 시 열교환율도 우수하다. 그러나 엔진 냉각 계통과 냉각수를 공유하면 흡기 온도 하한이 라디에이터 수온에 의존한다는 단점이 있다. 이를 피하려면 별도의 인터쿨러용 냉각 계통(서브 라디에이터, 워터 펌프, 냉각 팬)이 필요하여 시스템이 복잡해진다.

2000년대 중반부터 다운사이징 컨셉에서 과급 타임 래그를 억제하기 위해 흡기 경로를 단축할 수 있는 수랭식 인터쿨러의 장점이 커져 수냉화가 하나의 트렌드가 되었다.

4세대 마쓰다 데미오 (MAZDA2)의 디젤 엔진 사양차는 인테이크 매니폴드 내장형 수냉 인터쿨러를 채택했다. 이는 좁은 엔진룸, 디젤 엔진 응답성 개선, 낮은 압축비로 인한 자기 착화성 악화 개선을 위한 것이다.

5. 2. 선박

대부분의 선박 엔진은 수랭식 인터쿨러를 사용하는데, 호수, 강 또는 바닷물을 냉각 목적으로 쉽게 사용할 수 있기 때문이다. 또한 대부분의 선박 엔진은 공랭식 장치에 적절한 냉각 공기 흐름을 얻기 어려운 폐쇄된 구획에 위치해 있다. 선박용 인터쿨러는 쿨러 케이스 내의 일련의 튜브 주위를 공기가 통과하고 튜브 내부로 해수가 순환하는 튜브형 열교환기 형태를 취한다. 이러한 종류의 응용 분야에 사용되는 주요 재료는 해수 부식에 저항하도록 설계되었다. 튜브는 구리-니켈, 해수 덮개는 청동을 사용한다.

외부에서 끌어온 물을 사용하는 수냉식이므로 효율이 높다.

5. 3. 항공기

원래 인터쿨러는 다단 과급에서 과급기와 과급기 사이에 위치하여 1단 과급기에서 압축된 공기를 냉각하는 중간 냉각기를 가리킨다. 엔진 앞쪽의 냉각기는 원래 '''애프터쿨러'''이지만, 현재는 자동차 용어로 인터쿨러라고 불린다. 이 종류의 흡기 냉각기 전반을 "차지 쿨러"라고도 부른다.[1] 동일한 방식이지만, 영국의 롤스로이스 멀린에서는 인터쿨러, 앨리슨 V-1710에서는 "애프터쿨러"라고 불린다. 냉각에 외부 공기를 사용하는 공랭식이 많지만, 냉각수를 사용하는 수랭식도 있으며 설치 장소를 가리지 않는 장점이 있다. 라디에이터나 오일 쿨러와 마찬가지로, 방열을 위한 핀이 배열되어 있다.

일부 항공기 엔진은 과급의 각 단계에 대해 인터쿨러를 사용하기도 한다. 2단계 터보차징 엔진의 경우, ''인터쿨러''라는 용어는 두 개의 터보차저 사이에 있는 쿨러를 특별히 지칭할 수 있으며, ''애프터쿨러''라는 용어는 두 번째 단계 터보와 엔진 사이에 위치한 쿨러에 사용된다. 그러나, ''인터쿨러''와 ''차지-에어 쿨러''라는 용어는 흡기 시스템의 위치에 관계없이 종종 사용된다.[1]

5. 4. 공기 압축기



인터쿨러는 2단 공기 압축기의 1단에서 발생하는 폐열을 제거하는 데 사용된다. 2단 공기 압축기는 본질적인 효율성 때문에 생산된다. 인터쿨러의 냉각 작용은 이 높은 효율성에 주로 기여하며, 이를 카르노 효율에 더 가깝게 만든다. 1단의 배출구에서 압축열을 제거하면 공기 충전량을 밀집시키는 효과가 있다. 이는 다시 2단이 고정된 압축비에서 더 많은 일을 할 수 있게 해준다. 인터쿨러를 설치하려면 추가적인 투자가 필요하다.

참조

[1] 웹사이트 Home http://www.avtekk.co[...]
[2] 웹사이트 Garrett Turbochargers - Performance Parts and Accessories - D&W Performance http://www.dwperform[...] Dwperformance.com 2010-07-04
[3] 문서 Dictionary definitions
[4] 뉴스 トヨタ ついに登場したトヨタのダウンサイジング直噴ターボエンジン https://autoprove.ne[...] モータープランニング 2015-04-27



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