JP2005127196A - Fuel injection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料噴射装置に関し、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関に高圧燃料等を噴射する燃料噴射装置に適用して好適なものである。 The present invention relates to a fuel injection device, and is suitably applied to a fuel injection device that injects high-pressure fuel or the like into an internal combustion engine such as a diesel engine.
燃料噴射装置は、例えばディーゼル機関用燃料噴射装置として、燃焼室内に燃料を噴射し、その噴射した燃料と空気とを混合したうえで自己着火させるものがある。近年、ディーゼル機関においては、機関から排出する排ガスによる環境問題から、排ガスのNOX、黒煙等の有害成分の低減が要求されている。NOX、黒煙はトレードオフの関係にあり、同時低減は難しい。 As a fuel injection device, for example, as a fuel injection device for a diesel engine, there is a fuel injection device that injects fuel into a combustion chamber, mixes the injected fuel and air, and causes self-ignition. In recent years, diesel engines have been required to reduce harmful components such as NO x and black smoke in exhaust gas due to environmental problems caused by exhaust gas discharged from the engine. NO X and black smoke are in a trade-off relationship, and simultaneous reduction is difficult.
特許文献1の開示による技術では、多量EGR、スワール、および噴射時期遅延による適合技術を用いて予混合燃焼を実現することで、NOXと黒煙の同時低減を図っている。
しかしながら、従来技術では、燃焼がTDCよりかなり遅い時期に発生するため、燃費が悪くなるという問題がある。 However, the conventional technique has a problem that fuel consumption is deteriorated because combustion occurs at a time much later than TDC.
燃費向上と排気低減の両立を図るためには、TDC付近で予混合燃焼することが必要である。しかしながら、圧縮行程後期には筒内温度が急激に高くなるため、早期に噴射した燃料はTDCに至る前に着火してしまう。従来の噴射系で予混合燃焼を実施しようとした場合、着火時期の制御が難しいという問題がある。 In order to achieve both improvement in fuel consumption and reduction in exhaust gas, it is necessary to perform premix combustion near TDC. However, since the in-cylinder temperature suddenly increases in the latter half of the compression stroke, the fuel injected earlier ignites before reaching TDC. When trying to perform premixed combustion in a conventional injection system, there is a problem that it is difficult to control the ignition timing.
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、予混合燃焼による着火時期の調整が可能な燃料噴射装置を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object thereof is to provide a fuel injection device capable of adjusting the ignition timing by premixed combustion.
また、別の目的は、予混合燃焼による着火時期の調整が可能であるとともに、排気低減等が図れる燃料噴射装置を提供することにある。 Another object is to provide a fuel injection device capable of adjusting the ignition timing by premixed combustion and reducing exhaust gas.
本発明の請求項1によると、燃焼室に燃料と機能性流体との混合流体を噴射供給する燃料噴射装置において、燃料を所定の圧力に加圧する燃料加圧手段と、機能性流体は熱エネルギーを蓄熱可能な流体であって、機能性流体を所定の圧力に加圧する流体加圧手段と、所定圧力の高圧燃料と所定圧力の高圧機能性流体とを、所定の比率の混合流体に混合する混合手段とを備えていることを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, in the fuel injection device for injecting and supplying a mixed fluid of fuel and functional fluid to the combustion chamber, the fuel pressurizing means for pressurizing the fuel to a predetermined pressure, and the functional fluid is thermal energy. A fluid pressurizing unit that pressurizes the functional fluid to a predetermined pressure, and a high-pressure fuel having a predetermined pressure and a high-pressure functional fluid having a predetermined pressure are mixed into a mixed fluid in a predetermined ratio. And a mixing means.
これによると、燃焼室に燃料と機能性流体との混合流体を噴射供給するため、所定の燃料圧力に加圧する燃料加圧手段と、所定の機能性流体圧力に加圧する流体加圧手段とを有する。機能性流体は燃料よりも低沸点を有する流体等の熱エネルギーを蓄熱可能な流体である。さらにこれら高圧燃料と高圧流体とを混合可能な混合手段を有するので、高圧燃料と高圧流体とを、例えば所定の混合比率で混合させて燃焼室に噴射供給することが可能である。したがって、TDC付近で予混合燃焼させるために燃料が早期に噴射されたとしても、例えば水等の流体の潜熱によって、噴射された燃料が着火する筒内温度に達する時期(着火時期)を遅らせることができる。従って着火時期の調整が可能である。 According to this, in order to inject and supply a mixed fluid of fuel and functional fluid to the combustion chamber, the fuel pressurizing means for pressurizing to a predetermined fuel pressure and the fluid pressurizing means for pressurizing to the predetermined functional fluid pressure are provided. Have. A functional fluid is a fluid capable of storing thermal energy, such as a fluid having a boiling point lower than that of fuel. Further, since the mixing means capable of mixing these high-pressure fuel and high-pressure fluid is provided, it is possible to mix the high-pressure fuel and high-pressure fluid, for example, at a predetermined mixing ratio and inject and supply them to the combustion chamber. Therefore, even if fuel is injected early for premix combustion near TDC, the timing (ignition timing) when the injected fuel reaches the in-cylinder temperature by ignition due to the latent heat of a fluid such as water is delayed. Can do. Therefore, the ignition timing can be adjusted.
本発明の請求項2によると、混合手段は、高圧燃料と高圧機能性流体との間を隔離および分散させる多孔質体を有していることを特徴とする。
According to
これによると、多孔質体は、両端面間を貫通する比較的細い孔、いわゆる貫通細孔を複数有するため、例えば両端面間にそれぞれ配置された高圧燃料と高圧流体とを隔離したり、例えば所定圧力が高圧燃料に比べて高い高圧機能性流体が、貫通細孔を透過して高圧燃料へ分散することができる。 According to this, since the porous body has a plurality of relatively thin holes penetrating between both end faces, so-called through pores, for example, the high-pressure fuel and the high-pressure fluid respectively disposed between the both end faces are isolated, for example, A high-pressure functional fluid having a predetermined pressure higher than that of the high-pressure fuel can permeate through the through-holes and be dispersed in the high-pressure fuel.
本発明の請求項3によると、多孔質体は、内部に高圧燃料が導かれており、外周に高圧機能性流体が導かれる構造を有していることを特徴とする。
According to
多孔質体は、一般に金属粒または非金属粒を焼結成形した銅等の金属セラミックスまたはアルミナ系、ガラス系等の非金属セラミックスから形成されるため、圧縮応力に比べて引張応力に比較的弱い。 Since the porous body is generally formed from metal ceramics such as copper obtained by sintering and molding metal particles or non-metal particles, or non-metallic ceramics such as alumina or glass, it is relatively weak against tensile stress compared to compressive stress. .
これに対して、請求項3に記載の燃料噴射装置では、燃料に混合する流体を多孔質体の外周に導く構造のため、例えば所定の機能性流体圧力を変化させて混合比率を変えるとき、多孔質体には圧縮応力が作用することになるので、多孔質体の構造上の強度確保が容易となる。したがって、例えば混合手段つまり燃料噴射装置の小型化が可能である。
On the other hand, in the fuel injection device according to
本発明の請求項4によると、多孔質体は、複数の平板状のプレートに形成されており、隣接するプレート同士は、連通孔が重ならないように、互い違いに形成されて積層されていることを特徴とする。 According to claim 4 of the present invention, the porous body is formed in a plurality of flat plates, and adjacent plates are alternately formed and stacked so that communication holes do not overlap. It is characterized by.
多孔質体を用いて機能性流体圧力に応じた混合比率を形成する手段として、貫通細孔の大きさを焼結する材料によって略均一な所定の大きさに形成するものに限らず、複数の平板状のプレートに形成された多孔質体において、隣接するプレート同士に形成される連通孔が互いに重ならないように、互い違いに積層されたものであってもよい。これにより、多孔質体の貫通細孔を形成する材料に左右されることなく、積層したプレートの組合せで機能性流体圧力に応じた混合比率を形成することが可能である。 The means for forming the mixing ratio according to the functional fluid pressure using the porous body is not limited to the one in which the size of the through-hole is formed to a substantially uniform predetermined size by the material to be sintered, In the porous body formed in the flat plate, the layers may be alternately stacked so that the communication holes formed in the adjacent plates do not overlap each other. Thereby, it is possible to form the mixing ratio according to the functional fluid pressure with the combination of the laminated plates without depending on the material forming the through pores of the porous body.
本発明の請求項5によると、多孔質体は、シラス多孔質ガラスからなることを特徴とする。 According to claim 5 of the present invention, the porous body is made of shirasu porous glass.
これによると、多孔質体はシラス多孔質ガラスからなるので、複数の貫通細孔を精密に形成することができる。また、このシラス多孔質ガラスは、貫通細孔の大きさを比較的幅広い範囲で形成することができる。したがって、要求される噴射特性、例えば1燃焼当りの噴射回数等に応じて、所定の貫通細孔の大きさに形成された多孔質体つまり混合手段を用いることができる。 According to this, since the porous body is made of shirasu porous glass, a plurality of through-holes can be precisely formed. Moreover, this shirasu porous glass can form the magnitude | size of a through-pore in a comparatively wide range. Therefore, it is possible to use a porous body, that is, a mixing means formed in a predetermined through-hole size in accordance with required injection characteristics, for example, the number of injections per combustion.
本発明の請求項6によると、先端に当接部を有するニードルと、ニードルを軸方向に往復摺動可能に嵌合する案内孔、当接部との間にて当接および離間する弁座を有するノズルボディとを備え、ノズルボディ内または噴射弁内には、混合手段を有していることを特徴とする。 According to claim 6 of the present invention, the needle seat having a contact portion at the tip, the guide hole for fitting the needle so as to be reciprocally slidable in the axial direction, and the valve seat contacting and separating between the contact portion. And a mixing means is provided in the nozzle body or the injection valve.
従来の燃料と流体とを混合する混合手段がノズルボディや噴射弁内とは別配置されていたものに比べて、噴射毎に異なる混合比率に形成することが容易となる。また、1燃焼中(多段噴射中)において、1噴射ごとの混合比率の変更が可能である。 Compared to the conventional mixing means for mixing the fuel and the fluid separately from the nozzle body and the inside of the injection valve, it is easy to form a mixing ratio different for each injection. Further, during one combustion (during multistage injection), the mixing ratio for each injection can be changed.
本発明の請求項7によると、高圧機能性流体の混合手段への流通、および遮断をする流体弁を有し、高圧燃料の圧力、高圧機能性流体の圧力、および流体弁の開弁期間を調整する制御と、ニードルを昇降させて当接部と弁座とを離座および着座させることで、混合流体の噴射、および停止をさせる制御と、を行なう制御手段とを備えることを特徴とする。 According to the seventh aspect of the present invention, the fluid valve has a fluid valve for circulating and blocking the high-pressure functional fluid to the mixing means, and the pressure of the high-pressure fuel, the pressure of the high-pressure functional fluid, and the valve opening period of the fluid valve Control means for performing adjustment control and control for causing the mixed fluid to be ejected and stopped by moving the needle up and down to separate and seat the contact portion and the valve seat. .
これによると、制御手段は、流体加圧手段から混合手段へ高圧機能性流体を流通、遮断する流体弁の開弁期間と、流体加圧手段によって加圧される所定の機能性流体圧力を制御するので、例えば所定の機能性流体圧力を比較的高くすることで短い開弁期間内で素早く混合比率を変える、あるいは開弁期間を比較的長く設定して安定した混合比率を形成する等の混合比率設定に係わる自由度向上が図れる。 According to this, the control means controls the opening period of the fluid valve for circulating and shutting off the high-pressure functional fluid from the fluid pressurizing means to the mixing means, and the predetermined functional fluid pressure pressurized by the fluid pressurizing means. Therefore, for example, by changing the mixing ratio quickly within a short valve opening period by making the predetermined functional fluid pressure relatively high, or by setting the valve opening period relatively long to form a stable mixing ratio, etc. The degree of freedom related to the ratio setting can be improved.
本発明の請求項8によると、機能性流体は、水であって、所定の水圧力は、所定の燃料圧力より高いことを特徴とする。
According to
機能性流体として水を用いることで、水蒸気形成によって、燃料および空気の混合気がある反応域の希釈と冷却ができるので、NOXの低減が図れる。また、水から水蒸気への体積膨張によるいわゆるミクロ爆発によって、燃料噴霧の微粒化が図れるので、PMの低減が図れる。 As functional fluids by use of water, by steam formation, since it is diluted with cooling of the reaction zone where there is a mixture of fuel and air, it can be reduced in NO X. Further, atomization of fuel spray can be achieved by so-called micro explosion caused by volume expansion from water to water vapor, so that PM can be reduced.
以下、本発明の燃料噴射装置を、具体化した実施形態を図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments in which a fuel injection device of the present invention is embodied will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の燃料噴射装置の全体構成を示す構成図である。図2は、図1中のインジェクタの構成を示す模式的断面図である。図3は、図2中の燃料噴射ノズルを示す図であって、図3(a)は断面図、図3(b)は図3(a)中の多孔質体を示す斜視図である。図4は、図1中のECUにおいて燃料と水との混合流体を噴射制御するために実行される制御処理を示すフローチャートである。図5は、本実施形態の燃料噴射装置におけるクランク角に対する噴射率、熱発生率、および筒内温度の各特性を示すグラフである。図6は、本実施形態の燃料噴射装置におけるディーゼルエンジンの燃焼パターン図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing the overall configuration of the fuel injection device of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the injector in FIG. 3A and 3B are views showing the fuel injection nozzle in FIG. 2, in which FIG. 3A is a sectional view, and FIG. 3B is a perspective view showing a porous body in FIG. 3A. FIG. 4 is a flowchart showing a control process that is executed in the ECU shown in FIG. 1 to perform injection control of a mixed fluid of fuel and water. FIG. 5 is a graph showing characteristics of an injection rate, a heat generation rate, and an in-cylinder temperature with respect to a crank angle in the fuel injection device of the present embodiment. FIG. 6 is a combustion pattern diagram of a diesel engine in the fuel injection device of the present embodiment.
図1に示すように、燃料噴射装置は、燃料としての軽油を加圧して吐出する高圧供給ポンプ(以下、軽油ポンプと呼ぶ)Pfと、軽油ポンプPfから吐出された軽油を高圧状態で蓄える蓄圧室(以下、軽油コモンレールと呼ぶ))Rfと、機能性流体としての水を加圧して吐出する高圧供給ポンプ(以下、水ポンプと呼ぶ)Pwと、水ポンプPwから吐出された水を高圧状態で蓄える蓄圧室(以下、水コモンレール)Rwと、多気筒(図1では、1気筒のみ図示)ディーゼル機関(以下、エンジンと呼ぶ)100の各気筒毎に設けられ、軽油コモンレールRf、水コモンレールRwにそれぞれ蓄圧された高圧燃料と高圧水との混合流体をその気筒の燃焼室106に噴射供給する燃料噴射弁(以下、インジェクタと呼ぶ)Iと、これらの燃料噴射系を含むエンジン100を構成する装置を駆動制御する制御手段(以下、ECUと呼ぶ)200とを備えている。なお、インジェクタIは、シリンダヘッド102に取付けられている。詳しくは、燃焼室106はシリンダブロック101の内周面と、シリンダヘッド102の内周面と、ピストン104のキャビティを有する上端面とで区画されており、燃焼室106に臨んでインジェクタIが配置され、燃焼室106に直接、軽油および水の少なく一方からなる燃料を噴射するものである。また、ECU200は、エンジン100を制御する制御装置であって、軽油ポンプPf、水ポンプPwの制御に限らず、複数のインジェクタI等を電子制御する電子式コントロールユニットである。各気筒毎に設けられているインジェクタIは、各気筒共通の蓄圧室としてのコモンレールRf、Rwに供給配管18、19を介してそれぞれ接続している。インジェクタIからエンジン100の各燃焼室106への混合流体の噴射は、噴射制御用電磁弁BiのON−OFFにより制御され、電磁弁Biが開弁している間、各コモンレールRf、Rw内の燃料、水が、インジェクタIによりエンジン100に噴射される。
As shown in FIG. 1, the fuel injection device includes a high-pressure supply pump (hereinafter referred to as a light oil pump) Pf that pressurizes and discharges light oil as fuel, and an accumulator that stores light oil discharged from the light oil pump Pf in a high-pressure state. Chamber (hereinafter referred to as a light oil common rail) Rf, a high-pressure supply pump (hereinafter referred to as a water pump) Pw that pressurizes and discharges water as a functional fluid, and water discharged from the water pump Pw is in a high-pressure state Are provided for each cylinder of a pressure accumulating chamber (hereinafter referred to as a water common rail) Rw and a multi-cylinder (only one cylinder is shown in FIG. 1) diesel engine (hereinafter referred to as an engine) 100, a light oil common rail Rf and a water common rail Rw. A fuel injection valve (hereinafter referred to as an injector) I for injecting and supplying a mixed fluid of high pressure fuel and high pressure water stored in the cylinder to the
なお、以下の説明においては、説明の便宜上、エンジン100は4気筒として、図1に示す気筒について説明する。
In the following description, for convenience of explanation, the
各コモンレールRf、Rwには、供給配管18、19を介してそれぞれ軽油ポンプPf、水ポンプPwが接続されている。軽油ポンプPf、水ポンプPwは、それぞれ、図示しないフィードポンプ、圧送系部材、圧送量調量弁P2f、P2wを含んで構成されている。軽油ポンプPfは、燃料タンク(以下、軽油タンクと呼ぶ)Tfを経て吸入される低圧軽油を高圧に加圧し、軽油コモンレールRf内の軽油を所定の高圧いわゆるコモンレール圧(以下、軽油コモンレール圧)に制御する。水ポンプPwは、機能性流体タンク(以下、水タンク)Twを経て吸入される低圧水を高圧に加圧し、水コモンレールRw内の水を所定のコモンレール圧(以下、水コモンレール圧と呼ぶ)に制御する。
A light oil pump Pf and a water pump Pw are connected to the common rails Rf and Rw via
ECU200は、CPU等を有する一般的なハード構成のもので、ECU200には各種センサS1f、S1w、S2、S3のセンサ信号等が入力されている。これらのセンサ信号等の入力に基いて、ECU200は、インジェクタI、軽油ポンプPf、水ポンプPw、および水コモンレールPwからインジェクタIへ水を供給、停止する流体弁(以下、水バルブと呼ぶ)Bwにそれぞれ制御信号を出力して、インジェクタI、軽油ポンプPf、水ポンプPw、および水バルブBwを制御するようになっている。ECU200には、例えば回転速度検出手段としてのエンジン回転数センサS2、気筒判別センサS3等により、エンジン100の運転状態に係わる情報が入力される。また、各コモンレールRf、Rwには、それぞれ軽油コモンレール圧、水コモンレール圧を検出する圧力検出手段としての圧力センサS1f、S1wが配設され、これにより、ECU200に軽油コモンレール圧、水コモンレール圧の情報が入力されている。ECU200は、これらの情報に基づき最適の噴射時期、噴射量(噴射期間)を決定して噴射制御用電磁弁Biに制御信号を出力する。
The
なお、ECU200は、これらエンジン100の運転状態に係わる情報からコモンレールRf内に蓄えられるべき目標コモンレール圧、および軽油ポンプPfからコモンレールPfへ供給する高圧軽油の目標軽油圧送量を算出する。この目標軽油圧送量に基づいてECU200が圧送量調量弁P2fを制御することで、軽油ポンプPfの圧送量つまり吸入量を制御する。また、ECU200は、これらエンジン100の運転状態に係わる情報から、インジェクタIから噴射する混合流体における軽油と水の目標混合比率、目標コモンレール圧、および水ポンプPwからコモンレールPwへ供給する高圧水の目標水圧送量を算出する。この目標水圧送量に基づいてECU200が圧送量調量弁P2wを制御することで、水ポンプPwの圧送量つまり吸入量を制御する。
The
次に、インジェクタIの構成について、図2および図3に従って説明する。図2に示すように、インジェクタIは、ニードル31と、ノズルボディ11と、噴射制御用電磁弁Biと、混合装置50とを含んで構成されている。ニードル31は、図2および図3(a)に示すように、ノズルボディ11の内部に軸方向に往復摺動可能に組み付けられている。なお、噴射制御用電磁弁Biは、ニードル31をノズルボディ31に着座および離座するためにニードルを昇降させる駆動手段であればよく、ニードル31の両軸端のうち、一方の軸端に加わる作動流体の作動流体圧を制御する流量制御弁に限らず、ニードル31を直接駆動する電磁駆動装置、あるいは通電により伸縮する圧電素子等を用いたピエゾアクチュエータであってもよい。
Next, the configuration of the injector I will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the injector I includes a
なお、以下、本実施形態では、ニードルを昇降させる駆動手段として、ニードル31の両軸端のうち、一方の軸端に加わる作動流体の作動流体圧を制御する噴射制御用電磁弁Biで説明する。
In the following, in this embodiment, the drive means for moving the needle up and down will be described with an injection control electromagnetic valve Bi that controls the working fluid pressure of the working fluid applied to one of the shaft ends of the
ノズルボディ11は、図3(a)に示すように、有底の略中空円筒状体であって、内部に案内孔12、弁座13、噴射孔(以下、噴孔と呼ぶ)41、サック部15が形成される。案内孔12は、ノズルボディ11の内部に軸方向に延びており、一方の端部がノズルボディ11の開口端(図3(a)における上端)に接続し、他方の端部側が弁座13に接続している。案内孔12の内壁は、ノズルボディ11の開口端から有底側の弁座13の近傍まで略同一内径に形成されている。
As shown in FIG. 3A, the
弁座13は、図3(a)に示すように、円錐台面を有しており、大径側の一端が案内孔12に連続し、小径側の他端側がサック部15に接続している。この弁座13にニードル31の当接部36が当接および離間可能に配置されている。当接部36は理論的には円の形状である。サック部15は、ノズルボディ11の先端側に袋状に小空間の容積をもって形成されるサックホールである。サックホールの開口側は弁座13の小径側に連続する。なお、ここで、サック部15は、袋状の所定の空間容積を有するサック室を構成する。
As shown in FIG. 3A, the
噴孔41は、図2および図3(a)に示すように、ノズルボディ11のサック部15にノズルボディ11の内外を連通する通路として形成される。
As shown in FIGS. 2 and 3A, the
燃料溜まり16は、図8に示すように、ノズルボディ11の案内孔12を形成する内壁中途部で、環状の凹部に形成されている。この燃料溜まり16には、外部から軽油および水が供給される燃料供給孔17が接続されている。この燃料供給孔17の流れの上流側には、混合手段(以下、乳化装置と呼ぶ)50が設けられている。
As shown in FIG. 8, the
乳化装置50は、図3(a)に示すように、多孔質体51を備えている。多孔質体51は、両端間(図3(a)の左右方向)を貫通する比較的細い孔(以下、貫通細孔と呼ぶ)(図示せず)が多数存在している。多孔質体51は、図3(b)に示すように、略円筒状体であって、内周51aには、供給配管18を経由して、高圧軽油が導かれており、外周51bには、供給配管19を経由して、高圧水が導かれている。多孔質体51は、高圧水と高圧軽油を混合可能である。多数存在する貫通細孔は、所定の水圧力に基いて、高圧水を高圧軽油に分散可能である。
The
なお、ここで、多孔質体51は、高圧軽油と高圧水と間を隔離および分散可能な混合手段を構成する。
Here, the
多孔質体51は、例えば金属粒または非金属粒を焼結成形した銅等の金属セラミックススまたはアルミナ系、ガラス系等の非金属セラミックスから形成されている。なお、以下本実施形態で説明する多孔質体51は、シラス多孔質ガラスから形成されているものとする。
The
シラス多孔質ガラスは、その特徴として、大きさが均一な貫通細孔、つまり精密に制御された貫通細孔を多数有している。また、シラス多孔質ガラスは、貫通細孔の大きさを、比較的広い範囲で形成可能なため、貫通孔設計の自由度がある。 Shirasu porous glass has a large number of through pores of uniform size, that is, precisely controlled through pores, as a feature. In addition, since Shirasu porous glass can be formed in a relatively wide range of through-hole sizes, there is a degree of freedom in designing through-holes.
供給配管18に導かれる高圧燃料は、図2に示すように、乳化装置50へ流入するとともに、圧力制御室40へ流入する。この圧力制御室40の下流側にはリーク配管41が接続されており、リーク配管41の途中に噴射制御用電磁弁Biが配置されている。なお、リーク配管41の下流側は、軽油ポンプPfと軽油コモンレールRfとの間にある供給配管18に接続している。
As shown in FIG. 2, the high-pressure fuel led to the
ニードル31は、基本形が中実円柱状形状で、図3(a)に示すように、大径円柱部32、小径円柱部34、円錐台部35および円錐部37を含んで構成されている。
The
大径円柱部32は、外形が略同一径で形成され、所定のクリアランスを介して案内孔12に遊嵌している。そのため、大径円柱部32は、軸方向に往復移動することが可能である。小径円柱部34は、燃料溜まり16の近傍から弁座13の近傍まで軸方向に延びている。小径円柱部34の外径は、案内孔12の内径よりも小さく形成されている。小径円柱部34と案内孔12の内壁との隙間は、軽油と水が流れる燃料通路になる。
The large-diameter
円錐台部35は、一方の端部が小径円柱部34に連続しており、他方の端部が円状の当接部分36を介して円錐部37に連続する。円錐台部35と円錐部37との接続部分は円であり、この円の部分が弁閉時の接触部となる。円錐部37は、弁座13の傾斜角よりも大きな傾斜角となっている。これは弁閉時の当接部36と弁座13との接触を可能にし油密を確保するためである。円錐部37の先端は、弁閉時、サック部15に対面する位置となる。なお、ニードル31とノズルボディ11は噴射弁を構成する。
One end portion of the
次に、上述した構成を有する本実施形態の作動を説明する。軽油ポンプPfは、軽油タンクTfから軽油を吸上げ、高圧軽油を軽油コモンレールRfに圧送する。圧送された高圧軽油は軽油コモンレールRfで所定の軽油コモンレール圧に蓄圧される。所定の軽油コモンレール圧の高圧軽油は、供給配管18を経由してインジェクタIへ供給される。インジェクタI内に供給された高圧軽油は、乳化装置50の多孔質体51の内周51aに導かれるともに、圧力制御室41に導かれる。内周51aに導かれた高圧軽油は、燃料供給孔17を経由して燃料溜り16、案内孔12に導かれる。このとき、圧力制御室41と燃料溜り16には同じ所定の軽油コモンレール圧が加わっているため、ニードル31は弁座13に着座して閉弁している。噴射制御用電磁弁Biを開弁駆動すると、圧力制御室41の圧力が低下する。圧力制御室41の圧力が低下して、燃料溜り16の圧力が圧力制御室41の圧力より大きくなると、ニードル31が図3(a)の上方に押し上げられて、ニードル31の当接部36が弁座13から離座する。その結果、小径円柱部34と案内孔12の隙間に形成された燃料通路を通り、当接部が弁座13から離間した隙間(リフト量に相当)を通過して高圧燃料がサック部(サック室)15へ流れ込む。サック室15に開口する噴孔41からン燃焼室106へ噴射される。一方、噴射制御用電磁弁Biを閉弁駆動すると、圧力制御室41の圧力が燃料溜り16の圧力と同じになる。その結果、ニードル31が図3(a)の下方に押し下げられて、ニードル31の当接部36が弁座13から着座し、噴射停止する。
Next, the operation of the present embodiment having the above-described configuration will be described. The light oil pump Pf sucks light oil from the light oil tank Tf and pumps the high pressure light oil to the light oil common rail Rf. The pumped high-pressure light oil is accumulated at a predetermined light oil common rail pressure by the light oil common rail Rf. High-pressure light oil having a predetermined light oil common rail pressure is supplied to the injector I via the
水ポンプPwは、水タンクTwから水を吸上げ、高圧水を水コモンレールRwに圧送する。圧送された高圧水は水コモンレールRwで所定の水コモンレール圧に蓄圧される(所定の水コモンレール圧>所定の軽油コモンレール圧)。所定の水コモンレール圧の高圧水は、水バルブが開弁駆動されると、供給配管18を経由してインジェクタIへ供給され、乳化装置50の多孔質体51の外周51bに導かれる。所定のコモンレール圧が高圧軽油より高い高圧水が、多孔質体51の貫通細孔を透過して高圧軽油へ分散する。その結果、多孔質体51は、所定の水コモンレール圧の圧力に応じて高圧水を、高圧軽油へ所定の混合比率で混合することが可能である。なお、所定の混合比率は、水バルブBwの開弁期間と所定の水コモンレール圧とによって調整することが可能である。
The water pump Pw sucks water from the water tank Tw and pumps high-pressure water to the water common rail Rw. The pumped high-pressure water is accumulated in the predetermined water common rail pressure by the water common rail Rw (predetermined water common rail pressure> predetermined light oil common rail pressure). When the water valve is driven to open, the high-pressure water having a predetermined water common rail pressure is supplied to the injector I via the
次に、インジェクタIから噴射する軽油と水との混合流体の混合比率および混合流体の噴射特性に係わる動作について、図4、図5、および図6に従って説明する。図4に示すように、S401(Sはステップ)では、ECU200は、エンジン回転数センサS2および気筒判別センサS3等から出力される各信号を受信し、エンジン100の運転状態を読み込む。なお、運転状態を示す信号として、圧力センサS1f、S1wから出力される水コモンレール圧、軽油コモンレール圧の信号を受信することが好ましい。
Next, operations relating to the mixing ratio of the mixed fluid of light oil and water injected from the injector I and the injection characteristics of the mixed fluid will be described with reference to FIGS. 4, 5, and 6. As shown in FIG. 4, in S401 (S is a step), the
S402では、エンジン100の運転状態から、ECU200の所定のマップ情報に基いて軽油と水との混合比率を演算し、S403へ移行する。なお、図6の負荷とエンジン回転数のグラフに示す予混合燃焼域内で、所定の混合比率に設定される。拡散燃焼域内では軽油100%、水0%の通常の燃料噴射とする。詳しくは、低、中速の比較的高負荷域では、軽油100%の燃料が燃焼室106へ噴射される。低、中速の比較的低負荷域では、所定の混合比率の混合燃料が燃焼室106へ噴射される。
In S402, the mixing ratio of light oil and water is calculated from the operating state of the
S403では、S402で求めた混合比率から水コモンレール圧を所定の圧力にするための吸入量つまり目標水圧送量を演算し、S404へ移行する。なお、この吸入量は、混合比率と、S401の運転状態から噴射特性(例えば、パイロット噴射等の多段噴射か、通常の噴射か否か)から判断することが好ましい。1燃焼中に複数回噴射する多段噴射では、吸入量を高めて水コモンレール圧を高くすることで、所定の混合比率にするための水バルブの開弁期間を短くできるので、噴射特性の自由度向上が図れる。 In S403, the intake amount for making the water common rail pressure a predetermined pressure, that is, the target water pressure feed amount, is calculated from the mixing ratio obtained in S402, and the process proceeds to S404. Note that the intake amount is preferably determined from the mixing ratio and the injection characteristics (for example, whether the injection is multistage injection such as pilot injection or normal injection). In multi-stage injection in which injection is performed multiple times during one combustion, the water valve opening period for achieving a predetermined mixing ratio can be shortened by increasing the intake amount and increasing the water common rail pressure. Improvement can be achieved.
S404では、S401で読み込んだ運転状態から決まる噴射特性と、S402で求めた混合比率とに応じて、水バルブBwの開弁期間等を演算し、S405に移行する。例えば、図5に示すグラフのように、噴射特性として、パイロット噴射を行い、先出し噴射は水100%、メイン噴射は軽油100%の場合、ECU200はマップ情報からメイン噴射前に、水バルブBwを閉弁する閉弁期間に設定する。なお、メイン噴射は、軽油100%に限らず、軽油と水との混合流体いわゆるエマルジョン燃料であってもよい。
In S404, the valve opening period of the water valve Bw is calculated according to the injection characteristics determined from the operating state read in S401 and the mixing ratio obtained in S402, and the process proceeds to S405. For example, as shown in the graph of FIG. 5, when the injection characteristic is pilot injection, the first injection is 100% water and the main injection is 100% light oil, the
S405では、S401で読み込んだ運転状態から要求される目標軽油コモンレール圧を求め、マップ情報から目標軽油コモンレール圧に応じた目標軽油圧送量つまり吸入量を演算し、S406へ移行する。 In S405, the target light oil common rail pressure required from the operation state read in S401 is obtained, the target light oil pressure feed amount, that is, the intake amount corresponding to the target light oil common rail pressure is calculated from the map information, and the process proceeds to S406.
S406では、運転状態で要求される目標噴射量を演算し、目標噴射量と目標軽油コモンレール圧とに基くマップ情報から、噴射制御用電磁弁Biの開弁期間を演算し、S407へ移行する。 In S406, the target injection amount required in the operation state is calculated, the valve opening period of the injection control electromagnetic valve Bi is calculated from the map information based on the target injection amount and the target light oil common rail pressure, and the process proceeds to S407.
S407およびS408では、要求される噴射特性に応じて、軽油と水との混合流体をインジェクタIから燃焼室106へ噴射する。S407では、水ポンプPfと水バルブBwとを制御することによって、乳化装置50の多孔質体51の外周51bに加わる所定の水コモンレール圧とその圧が加わる期間とを制御する。一方、軽油ポンプPfを制御することで、多孔質体51の内周に加わる所定の軽油コモンレール圧を制御する。所定の水コモンレール圧は所定の軽油コモンレール圧より高いため、所定の水コモンレール圧の高圧水は、多孔質体51に多数形成された貫通細孔を透過して所定の軽油コモンレール圧の高圧軽油に分散して混合される。
In S407 and S408, a mixed fluid of light oil and water is injected from the injector I into the
なお、貫通細孔は、大きさが均一のため、所定の水コモンレール圧に応じて、所定の混合比率に軽油と水を混合することができる。 Since the through-holes are uniform in size, light oil and water can be mixed at a predetermined mixing ratio according to a predetermined water common rail pressure.
さらになお、貫通細孔は比較的細い孔の大きさ(0.2〜20μm程度)のため、高圧水は貫通細孔を透過することで微細な水粒となって高圧軽油に分散される。その結果、乳化装置50を介して高圧水を高圧軽油に乳化して混合することが可能である。
Furthermore, since the through pores have a relatively small pore size (about 0.2 to 20 μm), high-pressure water permeates through the through-pores and becomes fine water droplets and is dispersed in the high-pressure gas oil. As a result, high-pressure water can be emulsified and mixed with high-pressure gas oil via the emulsifying
さらになお、水または軽油中に、界面活性剤を2%程度添加することが好ましい。軽油中に水を粒子状に安定して分散させることができる。 Furthermore, it is preferable to add about 2% of a surfactant in water or light oil. Water can be stably dispersed in the form of particulates in light oil.
S408は、要求される噴射特性に応じて、噴射制御用電磁弁Biの開弁期間を制御する。 In S408, the valve opening period of the injection control electromagnetic valve Bi is controlled in accordance with the required injection characteristics.
なお、ここで、軽油ポンプPfと軽油コモンレールRfは、所定の軽油圧力に加圧する軽油加圧手段を構成する。水ポンプPwと水コモンレールRwは、所定の水圧力に加圧する水加圧手段を構成する。乳化装置50は、混合手段を構成する。ニードル31とノズルボディ11は噴射ノズルNを構成する。水は、熱エネルギーを蓄熱可能な機能性流体であって、例えば断熱圧縮により生じる熱エネルギーを、潜熱によって熱吸収する。
Here, the light oil pump Pf and the light oil common rail Rf constitute light oil pressurizing means for pressurizing to a predetermined light oil pressure. The water pump Pw and the water common rail Rw constitute water pressurizing means for pressurizing to a predetermined water pressure. The emulsifying
次に、本実施形態の作用効果を説明すると、(1)燃焼室106に軽油と水との混合流体を噴射供給するために、所定の軽油圧力の高圧軽油に加圧する軽油加圧手段Pf、Rfと、所定の水圧力の高圧水に加圧する水加圧手段Pw、Rwとを有する。さらにこれら高圧軽油と高圧水とを、高圧水の所定の圧力に基いて混合可能な混合手段50を有するので、高圧燃料と高圧流体とを所定の混合比率で混合させて燃焼室106に噴射供給することが可能である。したがって、エンジン100の圧縮行程中のいわゆる断熱圧縮に伴い生じる熱エネルギーを、噴射された水自体の潜熱等の蓄熱機能によって熱吸収することができる。そのため、TDC付近で予混合燃焼させるために軽油が早期に噴射されたとしても、水の潜熱によって、噴射された軽油が着火する筒内温度に達する時期(着火時期)を遅らせることができる(図5参照)。従って着火時期の調整が可能である。なお、図5において、破線の従来噴射系は、図8に示すものである。
Next, functions and effects of the present embodiment will be described. (1) Light oil pressurizing means Pf that pressurizes high pressure light oil at a predetermined light oil pressure in order to inject and supply a mixed fluid of light oil and water to the
(2)混合手段としての乳化装置50は、高圧水と高圧軽油と間を分離および分散可能な多孔質体51を有している。多孔質体51は、両端面間を貫通する貫通細孔が多数存在するため、両端面間にそれぞれ配置された高圧軽油と高圧水とを隔離したり、高圧軽油より圧力が高い高圧水が、所定の水コモンレール圧に基いて、貫通細孔を透過して高圧軽油へ分散、つまり混合することができる。
(2) The emulsifying
(3)多孔質体は、一般に、金属粒または非金属粒を焼結成形した銅等の金属セラミックススまたはアルミナ系、ガラス系等の非金属セラミックスから形成されるため、圧縮応力に比べて引張応力に比較的弱い。これに対して、本実施形態では、多孔質体51は、略円筒状体であって、内周51aに高圧軽油が導かれており、外周51bに高圧水が導かれるように構成されている。これにより、軽油に水を広い混合比率の範囲で混合するため、所定の水コモンレール圧を変化させて混合比率を変えるとき、多孔質体51には圧縮応力が作用することになるので、多孔質体51の構造上の強度確保が容易となる。したがって、例えば乳化装置50つまり燃料噴射装置の小型化が図れる。
(3) Since the porous body is generally formed from metal ceramics such as copper obtained by sintering and molding metal particles or non-metal particles, or non-metal ceramics such as alumina or glass, it is tensile compared to compressive stress. Relatively weak to stress. On the other hand, in the present embodiment, the
(4)多孔質体51は、シラス多孔質ガラスからなるので、複数の貫通細孔を精密に形成することができる。また、このシラス多孔質ガラスは、貫通細孔の大きさを比較的幅広い範囲で形成することができる。したがって、要求される噴射特性、例えば1燃焼当りの噴射回数等に応じて、所定の貫通細孔の大きさに形成された多孔質体51つまり混合手段50を用いることができる。
(4) Since the
(5)混合手段50をノズルボディ11内に形成することができるので、従来の混合手段がノズルボディとは別配置されていたものに比べて、混合手段を噴射ノズルNの弁座13と当接部36に近づけることができ、従って噴射毎に異なる混合比率に形成することが容易となる。また、1燃焼中(多段噴射中)において、1噴射ごとの混合比率の変更が可能である(図5参照)。
(5) Since the mixing means 50 can be formed in the
(6)ECU200は、噴射ノズルNの噴射、噴射停止を行なうとともに、水バルブBwの開弁期間と、所定の水コモンレール圧とを制御するため、例えば所定の水コモンレール圧を比較的高くすることで、水バルブBwの短い開弁期間内で素早く混合比率を変える、あるいは水バルブBwの開弁期間を比較的長く設定して安定した混合比率を形成する等の混合比率設定に係わる自由度向上が図れる。
(6) The
(7)軽油と混合する流体として、水を用いて、所定の水コモンレール圧を所定の軽油コモンレール圧より高く形成する。このため、水は、熱エネルギーを蓄熱する機能性流体として有効である。機能性流体として水を用いることで、水蒸気形成によって、軽油および空気の混合気がある反応域の希釈と冷却ができるので、排気ガスの有害成分であるNOXの低減が図れる。また、水から水蒸気への体積膨張によるいわゆるミクロ爆発によって、燃料噴霧の微粒化が図れるので、排気ガスの有害成分であるPMの低減が図れる。 (7) Using water as a fluid to be mixed with light oil, a predetermined water common rail pressure is formed higher than a predetermined light oil common rail pressure. For this reason, water is effective as a functional fluid for storing heat energy. By using water as the functional fluid, it is possible to dilute and cool the reaction zone where there is a mixture of light oil and air by forming water vapor, so that NO X that is a harmful component of exhaust gas can be reduced. In addition, fuel spray atomization can be achieved by so-called micro-explosion caused by volume expansion from water to water vapor, so that PM which is a harmful component of exhaust gas can be reduced.
(8)負荷とエンジン回転数のグラフにおいて、従来の噴射系の予混合燃焼域(図9参照)に比べて、図6に示すように、予混合燃焼域を高負荷側に拡大することが可能である。これにより、従来の燃焼系では困難であったモード域で、予混合燃焼を行なうことができる。 (8) In the graph of load and engine speed, as shown in FIG. 6, the premixed combustion zone can be expanded to the high load side as compared to the premixed combustion zone of the conventional injection system (see FIG. 9). Is possible. As a result, premixed combustion can be performed in a mode region that was difficult in a conventional combustion system.
(第2の実施形態)
以下、本発明を適用した他の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、第1の実施形態と同じもしくは均等の構成には同一の符号を付し、説明を繰返さない。
(Second Embodiment)
Hereinafter, other embodiments to which the present invention is applied will be described. In the following embodiments, the same or equivalent components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
第2の実施形態では、図7に示すように、多孔質体151を複数(図7(a)では6個)の平板のプレート151a、151bに形成するとともに、隣接するプレート151a、151b同士(図7(b)参照)は、連絡孔が重ならないように、互いに違いに形成されて積層されている。図7は、本実施形態に係わる混合装置を示す図であって、図7(a)は模式的斜視図、図7(b)は、図7(a)中の多孔質体からなる積層されたプレートのうち、隣接するプレート同士を示す展開図である。
In the second embodiment, as shown in FIG. 7, the
図7(b)に示すように、各プレート151a、151bには、それぞれ図7上下方向に貫通する連通孔が形成されている。さらに、隣接するプレート151a、151b同士に形成された連通孔が互いに重ならないように互い違いに、各プレート151a、151bが積層されている。
As shown in FIG. 7B, each
次に、本実施形態の作用効果を説明すると、(1)多孔質体を用いて所定の水コモンレール圧に応じた混合比率を形成する手段として、貫通細孔の大きさを焼結する材料によって略均一な所定の大きさに形成するものに限らず、複数の平板状のプレート151a、151bに形成された多孔質体151において、隣接するプレート151a、151b同士に形成される連通孔が互いに重ならないように、互い違いに積層されたものであってもよい。これにより、多孔質体の貫通細孔を形成する材料に左右されることなく、積層したプレートの組合せで流体圧力に応じた混合比率を形成することが可能である。
Next, functions and effects of the present embodiment will be described. (1) As a means for forming a mixing ratio according to a predetermined water common rail pressure using a porous body, a material for sintering the size of the through-holes is used. In the
(他の実施形態)
以上説明した本実施形態では、軽油と混合する流体として水で説明したが、水に限らず、熱エネルギーを蓄熱可能な機能性流体であれば、いずれの流体であってもよい。
(Other embodiments)
In the present embodiment described above, water is used as the fluid mixed with the light oil. However, the fluid is not limited to water, and any fluid may be used as long as it is a functional fluid capable of storing thermal energy.
以上説明した本実施形態では、乳化装置50をノズルボディ11内に有するものとして説明したが、ノズルボディ11内に限らず、燃焼室106へ混合流体を噴射供給する直前で燃料と機能性流体を混合するものであれば、乳化装置を噴射弁内、あるいはインジェクタI内に有するものであってもよい。
In the present embodiment described above, the emulsifying
以上説明した本実施形態では、多孔質体51を略円筒状体とし、内周51a、外周51bにそれぞれ高圧燃料、高圧水を導く構成で説明したが、内部、外周にそれぞれ高圧燃料、高圧水を導く構造を有するものであれば、略円筒状体に限らず、略球状体、略円錐状体等いずれの形状であってもよい。
In the present embodiment described above, the
以上説明した本実施形態では、エンジン100を駆動するために供給する燃料として、軽油で説明したが、灯油、ジメチルエーテル等のディーゼル代替え燃料等の燃料のいずれであってもよい。
In the present embodiment described above, the fuel supplied to drive the
なお、燃料および機能性流体の各加圧手段として、高圧供給ポンプとコモンレールをそれぞれ用いる構成で説明したが、所定の高圧状態に吐出することが可能である高圧供給ポンプであれば、高圧供給ポンプからなる加圧手段であってもよい。 In addition, although it demonstrated by the structure which each uses a high-pressure supply pump and a common rail as each pressurization means of a fuel and a functional fluid, if it is a high-pressure supply pump which can discharge to a predetermined | prescribed high pressure state, a high-pressure supply pump It may be a pressurizing means.
Pf 軽油ポンプ(高圧供給ポンプ)
Pw 水ポンプ(高圧供給ポンプ)
Rf 軽油コモンレール(蓄圧室)
Rw 水コモンレール(蓄圧室)
I インジェクタ(燃料噴射弁)
Bi 噴射制御用電磁弁
N 噴射ノズル
11 ノズルボディ
12 案内孔
13 弁座
15 サック部(サック室)
16 燃料溜り
17 燃料供給孔
18、19 供給配管
31 ニードル
36 当接部
41 噴孔
50 乳化装置(混合手段)
51 多孔質体
51a 内周
51b 外周
Pf Diesel oil pump (high pressure supply pump)
Pw water pump (high pressure supply pump)
Rf Light oil common rail (pressure accumulation chamber)
Rw water common rail (accumulation chamber)
I Injector (fuel injection valve)
Bi Electromagnetic valve for injection control
16
51
Claims (8)
前記燃料を所定の圧力に加圧する燃料加圧手段と、
前記機能性流体は熱エネルギーを蓄熱可能な流体であって、前記機能性流体を所定の圧力に加圧する流体加圧手段と、
前記所定圧力の高圧燃料と前記所定圧力の高圧機能性流体とを、所定の比率の混合流体に混合する混合手段とを備えていることを特徴とする燃料噴射装置。 In a fuel injection device for injecting and supplying a mixed fluid of fuel and functional fluid to a combustion chamber,
Fuel pressurizing means for pressurizing the fuel to a predetermined pressure;
The functional fluid is a fluid capable of storing thermal energy, and a fluid pressurizing unit that pressurizes the functional fluid to a predetermined pressure;
A fuel injection device comprising: mixing means for mixing the high-pressure fuel having the predetermined pressure and the high-pressure functional fluid having the predetermined pressure into a mixed fluid having a predetermined ratio.
隣接する前記プレート同士は、連通孔が重ならないように、互い違いに形成されて積層されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料噴射装置。 The porous body is formed in a plurality of flat plates,
The fuel injection device according to claim 2, wherein the adjacent plates are alternately formed and stacked so that communication holes do not overlap each other.
前記ニードルを軸方向に往復摺動可能に嵌合する案内孔、前記当接部との間にて当接および離間する弁座を有するノズルボディとを備え、
前記ノズルボディ内または噴射弁内には、前記混合手段を有していることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。 A needle having a contact portion at the tip;
A guide hole that fits the needle so as to be reciprocally slidable in the axial direction, and a nozzle body that has a valve seat that contacts and separates from the contact portion;
The fuel injection device according to any one of claims 1 to 5, wherein the mixing unit is provided in the nozzle body or the injection valve.
前記高圧燃料の圧力、前記高圧機能性流体の圧力、および前記流体弁の開弁期間を調整する制御と、
前記ニードルを昇降させて前記当接部と前記弁座とを離座および着座させることで、前記混合流体の噴射、および停止をさせる制御と、を行なう制御手段とを備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。 A fluid valve for circulating and blocking the high-pressure functional fluid to the mixing means;
Control for adjusting the pressure of the high-pressure fuel, the pressure of the high-pressure functional fluid, and the opening period of the fluid valve;
Control means for performing control to eject and stop the mixed fluid by raising and lowering the needle to separate and seat the contact portion and the valve seat. The fuel injection device according to any one of claims 1 to 6.
前記所定の水圧力は、前記所定の燃料圧力より高いことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。 The functional fluid is water,
The fuel injection device according to any one of claims 1 to 7, wherein the predetermined water pressure is higher than the predetermined fuel pressure.
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