JP2012229666A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気タービン駆動式過給機を備えたエンジンにおいて、過給圧の上昇によるエンジンの故障を防止できるようにする。
【解決手段】各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの一方の燃料噴射弁21の異常が検出された場合(つまり燃焼状態が悪化して排気温度が上昇して吸入空気の過給圧が上昇し過ぎる可能性がある場合)に、吸入空気の過給圧を低下させる過給圧低下制御(例えばウェイストゲートバルブを開弁させる制御)を実行することで、過給圧を低下させて過給圧の上昇し過ぎを防止する。更に、各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの一方の燃料噴射弁21の異常が検出された場合(つまり燃焼状態が悪化して排気温度が上昇し過ぎる可能性がある場合)に、目標空燃比をリッチ方向(例えばストイキよりもリッチ)に変更する空燃比リッチ制御を実行することで、燃焼温度を低下させて排気温度を低下させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、内燃機関の各気筒毎にそれぞれ複数の吸気ポートを設け、各吸気ポート毎にそれぞれ燃料噴射弁を設けた内燃機関の制御装置に関する発明である。
吸気ポート噴射式の内燃機関においては、特許文献1(特開2009−185740号公報)に記載されているように、内燃機関の気筒内での燃料噴霧の微粒化やポートウエット低減(吸気ポート内壁面への燃料付着量低減)等を目的として、内燃機関の各気筒の2つの吸気ポートにそれぞれ燃料噴射弁を配置して、各気筒毎にそれぞれ2つの燃料噴射弁で燃料を噴射するようにしたものがある。この特許文献1では、各気筒の2つの燃料噴射弁のうちの片方の燃料噴射弁の異常を検出した場合に、異常側の燃料噴射弁の噴射を禁止して正常側の燃料噴射弁の噴射量を増量補正するフェールセーフ制御を行うようにしている。
特開2009−185740号公報
ところで、各気筒の2つの燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁に異常(故障)が発生した場合に、その燃料噴射弁の噴射異常によって又は異常検出時のフェールセーフ制御によって2つの燃料噴射弁の噴射量の差が大きくなると、筒内の混合気形成が偏るため、燃焼状態が悪化して排気温度が上昇する可能性がある。
また、各気筒の2つの燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁の噴射割合を増加させる制御を実行した場合にも、2つの燃料噴射弁の噴射量の差が大きくなると、筒内の混合気形成が偏るため、燃焼状態が悪化して排気温度が上昇する可能性がある。
吸入空気を過給する排気タービン駆動式過給機を備えた内燃機関では、排気温度が上昇すると、排気タービンの回転速度が上昇してコンプレッサの回転速度が上昇するため、吸入空気の過給圧が上昇し過ぎて、内燃機関が故障する可能性がある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、排気タービン駆動式過給機を備えた内燃機関において、過給圧の上昇による内燃機関の故障を防止することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、内燃機関の各気筒毎にそれぞれ複数の吸気ポートを設け、各吸気ポート毎にそれぞれ燃料噴射弁を設けると共に、吸入空気を過給する排気タービン駆動式過給機を備えた内燃機関の制御装置において、各気筒の複数の燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁の異常が検出された場合又は一方の燃料噴射弁の噴射割合を増加させる制御が実行された場合に、排気タービン駆動式過給機による吸入空気の過給圧を低下させる過給圧低下制御を実行する過給圧低下制御手段を備えた構成としたものである。
この構成では、各気筒の複数の燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁の異常が検出された場合や一方の燃料噴射弁の噴射割合を増加させる制御が実行された場合(つまり燃焼状態が悪化して排気温度が上昇して吸入空気の過給圧が上昇し過ぎる可能性がある場合)に、吸入空気の過給圧を低下させる過給圧低下制御を実行することにより、過給圧を低下させて過給圧が上昇し過ぎることを防止することができ、過給圧の上昇による内燃機関の故障を未然に防止することができる。
具体的には、請求項2のように、排気タービン駆動式過給機の排気タービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを備えたシステムでは、ウェイストゲートバルブを開弁させることで過給圧低下制御を実行するようにしても良い。ウェイストゲートバルブを開弁させれば、排気タービンをバイパスして流れる排出ガス量を増加させて、排気タービンに流れる排出ガス量を減少させることができ、これにより、排気タービンの回転速度(コンプレッサの回転速度)を低下させて、過給圧を低下させることができる。
また、請求項3のように、内燃機関のスロットルバルブの開度を減少させる(スロットルバルブを閉じ側に制御する)ことで過給圧低下制御を実行するようにしても良い。スロットルバルブの開度を減少させれば、吸入空気量を減少させて、排気タービンに流れる排出ガス量を減少させることができ、これにより、排気タービンの回転速度(コンプレッサの回転速度)を低下させて、過給圧を低下させることができる。
更に、請求項4のように、内燃機関の吸気バルブと排気バルブのうちの少なくとも一方のバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ機構を備えたシステムでは、可変バルブ機構により吸気バルブと排気バルブの両方が開弁した状態となるバルブオーバーラップ期間を短くすることで過給圧低下制御を実行するようにしても良い。バルブオーバーラップ期間を短くすれば、吸入空気の排気通路への吹き抜けを抑制することができるため、排気通路で排出ガス中の未燃成分(HC等)が燃焼する後燃えの発生を抑制して、排出ガスのエネルギを減少させることができ、これにより、排気タービンの回転速度(コンプレッサの回転速度)を低下させて、過給圧を低下させることができる。
また、排気温度が上昇し過ぎると、排気系(例えば排気マニホールドや排気タービン等)が故障する可能性もある。
そこで、請求項5,6のように、各気筒の複数の燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁の異常が検出された場合又は一方の燃料噴射弁の噴射割合を増加させる制御が実行された場合に、内燃機関の目標空燃比をリッチ方向に変更する空燃比リッチ制御手段を備えた構成としても良い。
この構成では、各気筒の複数の燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁の異常が検出された場合や一方の燃料噴射弁の噴射割合を増加させる制御が実行された場合(つまり燃焼状態が悪化して排気温度が上昇し過ぎる可能性がある場合)に、目標空燃比をリッチ方向に変更することにより、燃焼温度を低下させて排気温度を低下させることができ、排気温度の上昇による排気系の故障を未然に防止することができる。
この場合、請求項7のように、目標空燃比をストイキよりもリッチに変更するようにすると良い。このようにすれば、確実に燃焼温度を低下させて排気温度を低下させることができる。
図1は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図2は燃料噴射弁及びその周辺部の概略構成図である。 図3は過給圧低下制御(その1)を説明するタイムチャートである。 図4は過給圧低下制御(その2)を説明するタイムチャートである。 図5は過給圧低下制御(その3)を説明するタイムチャートである。 図6は空燃比リッチ制御を説明するタイムチャートである。 図7は故障防止制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。
以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図1に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン11の吸気管12の最上流部には、エアクリーナ13が設けられ、このエアクリーナ13の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ14が設けられている。このエアフローメータ14の下流側には、後述する排気タービン駆動式過給機39のコンプレッサ41と、吸入空気を冷却するインタークーラ38とが設けられている。このインタークーラ38の下流側には、モータ15によって開度調節されるスロットルバルブ16と、このスロットルバルブ16の開度(スロットル開度)を検出するスロットル開度センサ17とが設けられている。
更に、スロットルバルブ16の下流側には、サージタンク18が設けられ、このサージタンク18には、スロットルバルブ16の下流側圧力(吸気圧)を検出する吸気圧センサ19が設けられている。また、サージタンク18には、エンジン11の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド20が設けられ、各気筒の吸気マニホールド20に接続された吸気ポート31又はその近傍に、それぞれ吸気ポート31に燃料を噴射する燃料噴射弁21が取り付けられている。また、エンジン11のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ22が取り付けられ、各点火プラグ22の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
一方、エンジン11の排気管23には、排出ガスの空燃比又はリッチ/リーン等を検出する排出ガスセンサ24(空燃比センサ、酸素センサ等)が後述する排気タービン駆動式過給機39の排気タービン40よりも下流側に設けられ、この排出ガスセンサ24の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒25が設けられている。
このエンジン11には、排気タービン駆動式過給機39が搭載されている。この排気タービン駆動式過給機39は、排気管23のうちの排出ガスセンサ24よりも上流側に排気タービン40が配置され、吸気管12のうちのエアフローメータ14とスロットルバルブ16との間にコンプレッサ41が配置されている。この過給機39は、排気タービン40とコンプレッサ41とが連結され、排出ガスの運動エネルギで排気タービン40を回転駆動することでコンプレッサ41を回転駆動して吸入空気を過給するようになっている。
更に、吸気管12には、スロットルバルブ16の上流側においてコンプレッサ41の上流側と下流側とをバイパスさせる吸気バイパス通路42が設けられ、この吸気バイパス通路42の途中に、吸気バイパス通路42を開閉するエアバイパスバルブ(以下「ABV」と表記する)43が設けられている。このABV43は、ABV用バキュームスイッチングバルブ44を制御することでABV43の開閉動作が制御されるようになっている。
一方、排気管23には、排気タービン40の上流側と下流側とをバイパスさせる排気バイパス通路45が設けられ、この排気バイパス通路45の途中に、排気バイパス通路45を開閉するウェイストゲートバルブ(以下「WGV」と表記する)46が設けられている。このWGV46は、WGV用バキュームスイッチングバルブ47を制御してダイヤフラム式のアクチュエータ48を制御することでWGV46の開度が制御されるようになっている。
また、エンジン11のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ26や、ノッキングを検出するノックセンサ27が取り付けられている。また、クランク軸28の外周側には、クランク軸28が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ29が取り付けられ、このクランク角センサ29の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
これら各種センサの出力は、電子制御ユニット(以下「ECU」と表記する)30に入力される。このECU30は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたROM(記憶媒体)に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度(吸入空気量)等を制御する。
図2に示すように、エンジン11の各気筒には、それぞれ2つの吸気ポート31と2つの排気ポート32が設けられ、各気筒の2つの吸気ポート31又はその近傍に、それぞれ燃料噴射弁21が配置されている。各吸気ポート31は、それぞれ吸気バルブ33によって開閉され、各排気ポート32は、それぞれ排気バルブ34によって開閉される。燃料タンク35内に貯溜された燃料は、燃料ポンプ36によって汲み上げられ、この燃料ポンプ36から吐出される燃料が燃料供給配管37を通して各気筒の燃料噴射弁21に供給される。
尚、各気筒の2つの燃料噴射弁21は、それぞれ吸気バルブ33の開弁中に吸気ポート31の開口部31aのうちの吸気バルブ33のステム33aよりも気筒中央側(2つの吸気バルブ33の中間側)で且つ吸気バルブ33のステム33aを中心に所定角度θ(例えば45°、より好ましくは30°)の範囲内を狙って燃料を噴射するように配置しても良い。
ECU30は、所定の空燃比フィードバック制御実行条件が成立したときに、排出ガスセンサ24の出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比(例えばストイキ)に一致させるように混合気の空燃比(燃料噴射量や吸入空気量)をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御を実行する。
また、ECU30は、図示しない異常診断ルーチンを実行することで、各気筒の2つの燃料噴射弁21の異常(故障)の有無を判定し、2つの燃料噴射弁21のうちの一方の燃料噴射弁21の異常を検出した場合に、異常側の燃料噴射弁21の噴射を禁止して正常側の燃料噴射弁21の噴射量を増量補正するフェールセーフ制御を実行する。
ところで、各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの一方の燃料噴射弁21に異常(故障)が発生した場合に、その燃料噴射弁21の噴射異常によって又は異常検出時のフェールセーフ制御によって2つの燃料噴射弁21の噴射量の差が大きくなると、筒内の混合気形成が偏るため、燃焼状態が悪化して排気温度が上昇する可能性がある。
排気タービン駆動式過給機39を備えたエンジン11では、排気温度が上昇すると、排気タービン40の回転速度が上昇してコンプレッサ41の回転速度が上昇するため、吸入空気の過給圧が上昇し過ぎて、エンジン11が故障する可能性がある。また、排気温度が上昇し過ぎると、排気系(例えば排気マニホールドや排気タービン等)が故障する可能性もある。
これらの対策として、ECU30は、後述する図7の故障防止制御ルーチンを実行することで、各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの一方(片側)の燃料噴射弁21の異常(故障)が検出された場合に、排気タービン駆動式過給機39による吸入空気の過給圧を低下させる過給圧低下制御を実行すると共に、エンジン11の目標空燃比をリッチ方向(例えばストイキよりもリッチ)に変更する空燃比リッチ制御を実行する。
各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの片側の燃料噴射弁21の異常が検出された場合(つまり燃焼状態が悪化して排気温度が上昇して吸入空気の過給圧が上昇し過ぎる可能性がある場合)に、吸入空気の過給圧を低下させる過給圧低下制御を実行することにより、過給圧を低下させて過給圧が上昇し過ぎることを防止することができる。
本実施例では、図3に示すように、片側の燃料噴射弁21の異常が検出されたときに、過給圧低下制御として、WGV46を開弁させる制御を実行する。WGV46を開弁させれば、排気タービン40をバイパスして流れる排出ガス量を増加させて、排気タービン40に流れる排出ガス量を減少させることができ、これにより、排気タービン40の回転速度(コンプレッサ41の回転速度)を低下させて、過給圧を低下させることができる。
尚、過給圧低下制御は、WGV46を開弁させる制御に限定されず、適宜変更しても良く、例えば、図4に示すように、片側の燃料噴射弁21の異常が検出されたときに、過給圧低下制御として、スロットル開度を減少させる制御(スロットルバルブ16を閉じ側する制御)を実行するようにしても良い。スロットル開度を減少させれば、吸入空気量を減少させて、排気タービン40に流れる排出ガス量を減少させることができ、これにより、排気タービン40の回転速度(コンプレッサ41の回転速度)を低下させて、過給圧を低下させることができる。
また、図5に示すように、吸気バルブ33と排気バルブ34のうちの少なくとも一方のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構を備えたシステムでは、片側の燃料噴射弁21の異常が検出されたときに、過給圧低下制御として、可変バルブタイミング機構により吸気バルブ33と排気バルブ34の両方が開弁した状態となるバルブオーバーラップ期間を短くする制御を実行するようにしても良い。或は、吸気バルブ33と排気バルブ34のうちの少なくとも一方のリフト量と作用角を変化させる可変バルブリフト機構を備えたシステムでは、片側の燃料噴射弁21の異常が検出されたときに、過給圧低下制御として、可変バルブリフト機構によりバルブオーバーラップ期間を短くする制御を実行するようにしても良い。バルブオーバーラップ期間を短くすれば、吸入空気の排気管23への吹き抜けを抑制することができるため、排気管23で排出ガス中の未燃成分(HC等)が燃焼する後燃えの発生を抑制して、排出ガスのエネルギを減少させることができ、これにより、排気タービン40の回転速度(コンプレッサ41の回転速度)を低下させて、過給圧を低下させることができる。
更に、WGV46を開弁させる制御と、スロットル開度を減少させる制御と、バルブオーバーラップ期間を短くする制御のうちの2つ又は3つを組み合わせて実行するようにしても良い。
また、図6に示すように、各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの片側の燃料噴射弁21の異常が検出された場合(つまり燃焼状態が悪化して排気温度が上昇し過ぎる可能性がある場合)に、エンジン11の目標空燃比をリッチ方向(例えばストイキよりもリッチ)に変更する空燃比リッチ制御を実行することにより、燃焼温度を低下させて排気温度を低下させることができる。尚、目標空燃比をストイキよりもリーンの領域内でリッチ方向に変更するようにしても良い。
以下、ECU30が実行する図7の故障防止制御ルーチンの処理内容を説明する。
図7に示す故障防止制御ルーチンは、ECU30の電源オン期間中(イグニッションスイッチのオン期間中)に所定周期で繰り返し実行される。
本ルーチンが起動されると、まず、ステップ101で、片側の燃料噴射弁21の異常が検出されたか否かを、図示しない異常診断ルーチンの診断結果に基づいて判定し、片側の燃料噴射弁21の異常が検出されていなければ、ステップ102以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。
一方、上記ステップ101で、片側の燃料噴射弁21の異常が検出されたと判定された場合には、ステップ102に進み、吸入空気の過給圧を低下させる過給圧低下制御を実行することにより、過給圧を低下させて過給圧が上昇し過ぎることを防止する。
この過給圧低下制御として、例えば、WGV46を開弁させる制御を実行する。或は、スロットル開度を減少させる制御を実行するようにしても良い。また、可変バルブ機構(可変バルブタイミング機構や可変バルブリフト機構)によりバルブオーバーラップ期間を短くする制御を実行するようにしても良い。更に、WGV46を開弁させる制御と、スロットル開度を減少させる制御と、バルブオーバーラップ期間を短くする制御のうちの2つ又は3つを組み合わせて実行するようにしても良い。このステップ102の処理が特許請求の範囲でいう過給圧低下制御手段としての役割を果たす。
この後、ステップ103に進み、エンジン11の目標空燃比をリッチ方向(例えばストイキよりもリッチ)に変更する空燃比リッチ制御を実行することにより、燃焼温度を低下させて排気温度を低下させる。尚、目標空燃比をストイキよりもリーンの領域内でリッチ方向に変更するようにしても良い。このステップ103の処理が特許請求の範囲でいう空燃比リッチ制御手段としての役割を果たす。
以上説明した本実施例では、各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの一方(片側)の燃料噴射弁21の異常が検出された場合(つまり燃焼状態が悪化して排気温度が上昇して吸入空気の過給圧が上昇し過ぎる可能性がある場合)に、吸入空気の過給圧を低下させる過給圧低下制御(例えばWGV46を開弁させる制御)を実行するようにしたので、過給圧を低下させて過給圧が上昇し過ぎることを防止することができ、過給圧の上昇によるエンジン11の故障を未然に防止することができる。
更に、本実施例では、各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの一方(片側)の燃料噴射弁21の異常が検出された場合(つまり燃焼状態が悪化して排気温度が上昇し過ぎる可能性がある場合)に、目標空燃比をリッチ方向に変更する空燃比リッチ制御を実行するようにしたので、燃焼温度を低下させて排気温度を低下させることができ、排気温度の上昇による排気系(例えば排気マニホールドや排気タービン等)の故障を未然に防止することができる。
尚、上記実施例では、一方の燃料噴射弁21の異常が検出された場合に、過給圧低下制御と空燃比リッチ制御を両方とも実行するようにしたが、これに限定されず、過給圧低下制御と空燃比リッチ制御のうちの一方のみを実行するようにしても良い。
また、例えば、各気筒の2つの吸気ポート31のうちの片方の吸気流速を速くして筒内にスワール流を発生させる場合等に、各気筒の2つの燃料噴射弁21のうちの一方の燃料噴射弁21の噴射割合を増加させて他方の燃料噴射弁21の噴射割合を減少させる片側噴射増量制御を実行するシステムでは、この片側噴射増量制御を実行した場合にも、2つの燃料噴射弁21の噴射量の差が大きくなると、筒内の混合気形成が偏るため、燃焼状態が悪化して排気温度が上昇する可能性がある。
そこで、片側噴射増量制御が実行された場合に、過給圧低下制御と空燃比リッチ制御を両方とも実行するようにしたり、或は、過給圧低下制御と空燃比リッチ制御のうちの一方のみを実行するようにしても良い。
また、上記実施例では、エンジン11の各気筒毎に2つの吸気ポート31を設け、各吸気ポート31毎にそれぞれ燃料噴射弁21を設けた構成としたが、本発明は、この構成に限定されず、エンジンの各気筒毎に3つ以上の吸気ポートを設け、各吸気ポート毎にそれぞれ燃料噴射弁を設けた構成としても良い。
11…エンジン(内燃機関)、12…吸気管、16…スロットルバルブ、21…燃料噴射弁、22…点火プラグ、23…排気管、30…ECU(過給圧低下制御手段,空燃比リッチ制御手段)、31…吸気ポート、32…排気ポート、33…吸気バルブ、34…排気バルブ、39…排気タービン駆動式過給機、40…排気タービン、41…コンプレッサ、46…WGV

Claims (7)

  1. 内燃機関の各気筒毎にそれぞれ複数の吸気ポートを設け、各吸気ポート毎にそれぞれ燃料噴射弁を設けると共に、吸入空気を過給する排気タービン駆動式過給機を備えた内燃機関の制御装置において、
    前記各気筒の複数の燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁の異常が検出された場合又は一方の燃料噴射弁の噴射割合を増加させる制御が実行された場合に、前記排気タービン駆動式過給機による吸入空気の過給圧を低下させる過給圧低下制御を実行する過給圧低下制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記排気タービン駆動式過給機の排気タービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを備え、
    前記過給圧低下制御手段は、前記ウェイストゲートバルブを開弁させることで前記過給圧低下制御を実行することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記過給圧低下制御手段は、前記内燃機関のスロットルバルブの開度を減少させることで前記過給圧低下制御を実行することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記内燃機関の吸気バルブと排気バルブのうちの少なくとも一方のバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ機構を備え、
    前記過給圧低下制御手段は、前記可変バルブ機構により前記吸気バルブと前記排気バルブの両方が開弁した状態となるバルブオーバーラップ期間を短くすることで前記過給圧低下制御を実行することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記各気筒の複数の燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁の異常が検出された場合又は一方の燃料噴射弁の噴射割合を増加させる制御が実行された場合に、前記内燃機関の目標空燃比をリッチ方向に変更する空燃比リッチ制御手段を備えていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
  6. 内燃機関の各気筒毎にそれぞれ複数の吸気ポートを設け、各吸気ポート毎にそれぞれ燃料噴射弁を設けると共に、吸入空気を過給する排気タービン駆動式過給機を備えた内燃機関の制御装置において、
    前記各気筒の複数の燃料噴射弁のうちの一方の燃料噴射弁の異常が検出された場合又は一方の燃料噴射弁の噴射割合を増加させる制御が実行された場合に、前記内燃機関の目標空燃比をリッチ方向に変更する空燃比リッチ制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  7. 前記空燃比リッチ制御手段は、前記目標空燃比をストイキよりもリッチに変更することを特徴とする請求項5又は6に記載の内燃機関の制御装置。
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