JP2007512463A - 内燃機関のための噴射装置及び噴射方法 - Google Patents

内燃機関のための噴射装置及び噴射方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、内燃機関のための噴射装置(10)であって、高圧ポンプ(14)によって燃料タンク(16)から蓄圧器内に送られる燃料を蓄えるための蓄圧器(12)と、プレッシャライン装置(18)を介して前記蓄圧器(12)に接続された、燃料を内燃機関に噴射するためのインジェクタ装置(20)とを有しており、インジェクタ装置(20)が少なくとも1つのサーボ噴射弁を有していて、このサーボ噴射弁は、燃料を制御室から、燃料タンク(16)に通じる漏れパイプ(22)内に解放する制御弁を備えており、該制御弁が、制御室内の圧力を減圧させることによってノズル体を噴射路の開放方向に移動させて噴射過程を開始させるために、圧電式のアクチュエータによって操作されるようになっている形式のものに関する。本発明によれば、漏れパイプ(22)が制御可能な弁(40)を備えており、該弁(40)が制御された状態で漏れパイプ(22)内の燃料流をしゃ断するようになっている。これによって、噴射装置の運転のために不都合である、サーボ噴射弁のいわゆる公差ギャップを越える、圧電式のアクチュエータの長さ変化が避けられる。

Description

本発明は、請求項1若しくは請求項7に記載した、内燃機関のための噴射装置、並びにこの噴射装置を運転する方法に関する。
このような形式の噴射装置並びに噴射方法は、例えばドイツ連邦共和国特許公開第10015740号明細書により公知である。この公知の技術においては、インジェクタ装置は少なくとも1つのサーボ噴射弁を有しており、このサーボ噴射弁は、制御室内の圧力を減圧することによってサーボ弁ノズル体(ノズルニードル)を噴射路の開放方向に移動させて、噴射過程を開始させるために、圧電式のアクチュエータによって操作可能となっている。前記噴射路は、サーボ噴射弁のノズル室と当該の内燃機関の燃焼室との間に設けられている。
圧電式のアクチュエータによって操作されるサーボ噴射弁を使用することの主な利点は、圧電式のアクチュエータの比較的小さいストロークで、一般的に数倍大きいノズル体のストロークが得られる、という点にある(ストローク増大)。しかもこの場合、噴射路を開閉するためのノズル体の運動は、燃料の圧力によって得られ、この圧力は、燃焼室内に噴射するために、噴射弁の領域内で比較的大きい圧力下にある。従って噴射弁を制御するために、比較的小さいストローク及び比較的小さいアクチュエータ力を有する圧電式のアクチュエータで十分である。
圧電式のアクチュエータは、互いに上下に積層された圧電素子を有しており、この圧電素子は、電圧を供給すると、その長さが、特に電圧に関連した程度だけ迅速に長くなる。このために適した圧電式のセラミックは多くのもの、例えばジルコン酸鉛・チタン・セラミック(Bleizirkonat-Titanat-Keramiken)が公知であって、特にその変化速度が迅速であるために、また高い圧電力のために、噴射弁に使用するのに適している。
しかしながら圧電式のアクチュエータの長さは、もっぱら供給された電圧に基づいているのではなく、例えば製造技術的な公差にも、またアクチュエータの温度にも基づいているので、圧電式のアクチュエータによって操作されるサーボ噴射弁の構造においては、アクチュエータから制御弁体への作用路内に、程度の差はあるが大きいギャップが設けられ、このギャップは、アクチュエータ長さの不都合な偏差及び/又は変化のための公差範囲として用いられる。
このような、圧電操作式の噴射弁内におけるいわゆる公差ギャップは、一方ではアクチュエータの有効なストロークを最大限に利用するためにできるだけ小さく設計する必要があり、他方では、運転によって生ぜしめられる圧電式のアクチュエータの長さ変化が前記公差ギャップを越えて、それによってアクチュエータが操作されることなしに制御弁が操作されてしまうことを、すべての運転状態において避けるために、できるだけ大きく設計する必要がある。この場合、例えば高いアクチュエータ温度(特に内燃機関の運転中に場合によっては発生する)において圧電式のセラミックが熱によって伸張する、ということに問題がある。このような場合、公差ギャップは殆ど「最適に」測定することができない。
アクチュエータの温度上昇に基づいて公差ギャップが越えられ、それによって蓄圧器からプレッシャラインを介して制御室にガイドされた燃料が制御弁を介してさらに、事実上無圧の(蓄圧器内の燃料システム圧と比較して)漏れパイプ内に解放される場合、別の問題が発生する。つまり例えば長時間運転後に内燃機関が運転停止された後で、内燃機関が「暖気状態で」始動されるべき場合、燃料が制御室から漏れパイプ内に解放されることに基づいて、蓄圧器内の増圧は著しく困難であるか又は遅れて行われる。しかしながら、そもそもノズル室から燃焼室内への噴射を実現するために、標準的なケースで数100バール(bar)になる所定の最小システム圧を形成する必要がある。
ドイツ連邦共和国特許第19905340号明細書によれば、圧電式のアクチュエータを予備調整し、かつダイナミックに自動調整するための方法及び装置が公知である。このために、この方法及び装置においては、圧電アクチュエータに、場合によっては脈動する制御電圧と干渉し合う直流電圧が供給される。このような直流電圧の成分は、アクチュエータの新たな非作業位置を規定し、それによって遊びストロークを調節するために、及び運転中に遊びストロークを自動調整するために利用される。
ドイツ連邦共和国特許公開第3742241号明細書によれば、ケーシング内に配置された圧電調節部材と弁とから成る圧電制御弁が公知である。制御弁内の液圧式の遊び補償エレメントによって、基準系の可能な長さ変化が自動的に補償されるので、圧電調節部材を同じ作業ストロークで常に弁における同じストロークが保証される。冒頭に述べた問題点を解決するための以上のような2つの公知の解決策においては、インジェクタ装置を制御するための電子装置若しくはインジェクタ装置自体のためにコストがかかるという欠点がある。
そこで本発明の課題は、噴射装置若しくは内燃機関の運転のために不都合な、サーボ噴射弁内における公差ギャップを越える圧電アクチュエータの長さ変化の作用を避けることができるか、又は取り除くことができるような、内燃機関のための噴射装置並びに噴射方法を提供することである。
この課題は、請求項1に記載した噴射装置によって、及び請求項7に記載した噴射装置を運転するための方法によって解決される。本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
本発明にとって重要なことは、噴射装置において漏れパイプが制御可能な弁を備えており、この弁が制御された状態で漏れパイプ内の燃料流を阻止するか、若しくは噴射方法において、漏れパイプ内で燃料流を選択的に阻止するという点である。本来の圧電制御とは無関係なアクチュエータの長さ変化による公差ギャップの超過(以下では短縮して「アクチュエータ過剰突き出し(Aktorueberstand)」と称呼されている)においては、燃料流の阻止によってこの状態の不都合な作用が比較的簡単な形式で減少されるか、又は取り除かれる。アクチュエータ過剰突き出しが生じ、漏れパイプ内で燃料流が阻止されると、漏れパイプ内の、阻止された箇所とサーボ噴射弁の漏れ出口との間で圧力が上昇せしめられる。それによって一方では、アクチュエータ過剰突き出しによってノズル体が不意に(アクチュエータのアクティブな制御なしに)噴射装置の開放方向に移動するが、これは特に内燃機関の運転中に意味がある。これによって他方では、遅れて発生したシステム圧形成に基づいて生じる、内燃機関の暖気始動の問題(温度によるアクチュエータ過剰突き出しにおいて)が取り除かれる。何故ならば漏れパイプ内の圧力上昇は、蓄圧器内の圧力上昇を著しく加速するからである。
本発明の解決策のその他の利点は、後付け(後装着)も簡単に実施できるという点にある。何故ならば、後付けのためには、例えば別の制御可能な弁を組み込むことによって漏れパイプ装置を変更するだけでよく、また比較的簡単な変更又はエンジンの電子制御装置を補足するだけでよいからである。電子制御装置においては、実際にいずれにしても設けられている、内燃機関及び/又は噴射装置の運転状態を検出するためのセンサ装置を利用することができる。
本発明によれば有利には、噴射弁内において場合によっては発生するアクチュエータ過剰突き出しにおいても、内燃機関によって駆動される自動車の連続的な運転準備が確実に得られ、この場合、この液圧式の解決策は、内燃機関の始動段階において用いられるだけはなく、例えばアクチュエータの運転に基づく長さ変化を「補償する」ために、運転中にも用いることができる。
勿論、本発明による手段は、これまで既に実現されている手段、例えばアクチュエータ・遊びストローク(アクティブなピエゾ収縮“active piezo contraction”)の前記アクティブな電気的調節又はトラッキング(追従)、或いは内燃機関の冷却と組み合わせて使用することができる。
本発明の実施態様によれば、インジェクタ装置が複数のサーボ噴射弁を有しており、これらのサーボ噴射弁がプレッシャラインを介して、これら複数のサーボ噴射弁のために共通に仕様される蓄圧器に接続されている。このような形式の噴射装置は、いわゆる蓄圧噴射システムとして公知であって、この蓄圧システムにおいては、一般的には非常に高い噴射圧(例えば数100バールからほぼ1600バールまでの範囲)で作業する。このようなシステムは、(ディーゼルエンジン用の)コモンレールシステム及び(ガソリンエンジン用の)HPDI噴射システムとして公知である。
多くの場合そうであるように、インジェクタ装置が複数のサーボ噴射弁を有している場合は、複数の漏れパイプのそれぞれは、燃料の流れを阻止するための固有の制御可能な弁を備えている。しかしながら漏れパイプ内における燃料流の阻止は、漏れパイプに接続されたサーボ噴射弁の整然とした運転(この場合アクチュエータ過剰突き出しは存在しない)に、実際には殆ど影響を及ぼすことがないので、複数のサーボ弁の漏れパイプは集合され、集合案内された漏れパイプ部分内に燃料流の阻止手段が設けられている。つまり制御可能な弁は、この集合された漏れパイプ部分内にだけ配置されている。
圧電式のアクチュエータがタペットを介して制御弁の弁体に作用するようになっていて、この場合、アクチュエータとタペットとの間又はタペットと弁体との間に公差ギャップが設けられていれば、制御弁を簡単に操作することができる。
燃料流が制御可能な弁の制御された状態においてロックされる、つまり完全に阻止されるようになっていれば、漏れパイプ内で燃料流の特に大きい阻止作用が得られる。
別の実施態様によれば、噴射装置はさらに、インジェクタ装置を運転し、かつ制御可能な弁を制御するための電子式の噴射制御装置を有している。この場合、本来の噴射制御の機能と、燃料流を阻止するための制御可能な弁の制御とが組み合わされている。この場合、必要な運転パラメータは、噴射制御から直接引き出されるか若しくは導き出される。
有利な実施態様では、制御可能な弁は、内燃機関及び/又は噴射装置の所定の特に測定された運転パラメータに基づいて制御される。このような運転パラメータは、特に蓄圧器の燃料圧、漏れパイプ内の燃料圧、内燃機関又はインジェクタ装置の領域内の温度、内燃機関の回転数、並びに内燃機関の負荷又は制御(アクセルペダル位置)その他を有して言う。特に有利には、個別の又はすべての圧電アクチュエータのための状態(例えば圧電アクチュエータの温度及び/又は非作業時間長さ)を表す運転パラメータを考慮してもよい。これらの運転パラメータは、例えば圧電アクチュエータを制御するための電子装置(エンジン制御装置)から、例えばアクチュエータの電気的なキャパシタンスを検出することによって、直接得ることができる。また、適当なパラメータを、噴射装置の運転中におけるピエゾ制御に反応するノズル体の運動の、いずれにしても検出された特性(例えば噴射量制御のための)から導き出すこともできる。この特性を検出するために、このような形式の公知のサーボ噴射弁は、しばしば、ノズル体の位置に反応するセンサを備えている。
有利な実施態様では、前述のように、複数の運転パラメータが、1つの電子評価装置に集められ、前もって記憶された特性フィールドから、漏れパイプ内での燃料流阻止のための単数又は複数の制御可能な弁のための制御信号が生ぜしめられ、これらの弁を電子式の制御するために供給される。
本発明の実施態様によれば、制御可能な弁は、燃料流阻止のための所定の運転パラメータ状態が存在する場合に、燃料流阻止のために制御され、かつ、所定の(又は選択的に所定の運転パラメータの時間的な経過に基づく)時間後に、再び非作業(停止)状態にもたらされるようになっている。この非作業状態は、例えば所定の時間(むだ時間)だけ強制的に維持される。このような手段によって、燃料流の阻止は、時間的に著しく制限されるので、特に本発明に従って後付けされたシステムは、その通常の機能が重大な影響を受けることはない。
本発明の別の実施態様によれば、燃料流の阻止は、漏れパイプ内における所定の最大圧力を越えないように設計されている。例えば漏れパイプ圧力、及びこの漏れパイプ圧力に基づく、燃料流阻止の強制的なしゃ断が、最大圧力が得られた場合に、実現される。しかしながら選択的に又は付加的に、当該の燃料流阻止手段(弁)が、平行に配置された迂回又はバイパス導管を備えていてもよい。この迂回又はバイパス導管は、最大圧力が得られると自動的に開放し、それによって漏れパイプ内の不都合な過圧が確実に避けられる。この場合、漏れパイプ内の過圧を避けることによって、当該の噴射サーボ弁を保護することができる。この噴射サーボ弁の漏れ路は、損傷を避けるために大きすぎる圧力(典型的な場合、3.5bar)を有していてはならない。
以下に本発明を添付の図面に関する実施例を用いて詳しく説明する。
図1は、圧電操作式のサーボ噴射弁における公差ギャップを説明するための概略図、
図2は、図1に示した形式の複数のサーボ噴射弁が設けられた噴射装置の概略図である。
図1には、内燃機関のための高圧噴射サーボ弁の一部の閉じた状態が概略的に示されている。
この高圧弁は、図示していない漏れパイプに接続された低圧領域Lと、図示していない圧力ラインを介して蓄圧器に接続された高圧領域Hとを有している。これら2つの異なる圧力で負荷されている領域L,Hは、制御弁によって互いに分離されており、この制御弁は、制御弁座部Sと、高圧領域H内の高圧によって制御弁座部Sに向かって駆動される制御弁体Kとによって形成されている。
高圧領域Hは、図示していない制御室を形成しているか、又は次のような制御室、つまりこの制御室内の高圧が、軸方向に可動に支承され、かつガイドされたノズル体(ノズルニードル)の後(上)端部に作用するような制御室に接続されており、それによって、このノズル体の前(下)端部を噴射ノズル弁座(図示せず)に押し付け、ひいては内燃機関の燃焼室に通じる噴射路を閉鎖するようになっている。それにも拘わらず、ノズル体の前端部は、同様に高圧下にあるノズル室内に配置されているので、ノズル体は図示の非作業位置でも尚、噴射路を閉鎖するために下方に押しやられる。何故ならばノズル体を下方に押しやる力は、ノズル体の上端部において、ノズル体の下端部に作用する力よりも大きいからである。噴射過程を開始するために、制御室内若しくは高圧領域H内の圧力は以下に記載する形式で減少され、それによってノズル体は、噴射路を開放させる方向で運動開始される。
押圧領域H内の圧力減少は、弁座S及び弁体Kによって形成された制御弁が、圧電式のアクチュエータPによって制御されて開放されることによって行われる。圧電式のアクチュエータPは、低圧領域L内でケーシングGによって包囲されていて、アクチュエータPを制御するための電気的な接続部Aを備えている。アクチュエータPの接続部に電圧を供給することによって、アクチュエータ長さは矢印VR方向(圧電式のセラミックの優先的な極性化)で延長され、それによってタペットTを介して弁体Kに作用するようになっている。この場合、アクチュエータPとタペットTとの間に公差ギャップdが設けられており、この公差ギャップdは圧電セラミックの熱的な長さ変化のための安全な間隔として用いられ、典型的な場合例えば3μm〜5μmの間の寸法を有している。圧電式のアクチュエータPにおいて、例えばび不都合な周囲の影響に基づいて、このギャップdの寸法を越える長さ変化が生じると、アクチュエータPは非作業状態で既にタペットTを介して弁体Kに押し付けられ、最終的に高圧領域Hから低圧領域L、及びひいてはこの低圧領域Lに接続された漏れパイプに通じる燃料の漏れが生じることになる。内燃機関の運転中におけるこの「アクチュエータ過剰突き出し」は、このサーボ噴射弁が接続部Aを介して電気的にアクティブに制御されない場合でも、サーボ噴射弁のための開放傾向を意味する。またこれは、内燃機関の暖気始動の場合のためには、蓄圧器内で増圧が行われないか、又は燃料噴射開始のために必要な程度に、迅速に増圧が行わないことを意味する。
しかしながらこのような問題は、以下に図2に関連して記載したような噴射装置の構成によって避けられる。この噴射装置においては、特にこのようなアクチュエータ過剰突き出しが検出されると、低圧領域L内で液圧が一時的に高められる。
図2には、内燃機関(図示せず)のための噴射装置10が示されており、この噴射装置10は、高圧ポンプ14によって燃料タンク16から蓄圧器12内に送られた燃料を蓄えるための蓄圧器12と、プレッシャライン装置18を介して蓄圧器12に接続された、燃料を内燃機関に噴射するためのインジェクタ装置20とを有している。図示の実施例では、インジェクタ装置20は4つのサーボ噴射弁より成っており、これらのサーボ噴射弁に、4つの別個のプレッシャライン18を介して、このために共通に設けられた蓄圧器12から燃料が供給される。
この場合、各サーボ噴射弁はそれぞれ、図1に関連して記載された構造形式で構成されていて、1つの制御室と1つのノズル室とを有している。この制御室及びノズル室には、それぞれプレッシャラインを介して蓄圧器12から燃料が供給され、この場合、この燃料は高圧ポンプ14によって形成された高いシステム圧下にある。このような形式のサーボ噴射弁は、当業者により従来から公知であるので、詳しい説明は省く。
図1に関連して既述したように、噴射過程はそれぞれ、各サーボ噴射弁の制御室内の圧力減少によって開始される。サーボ噴射弁は、このために燃料を制御室から漏れパイプ22内に解放するための、圧電操作式の制御弁を備えている。
図2にはさらに、フィードポンプ28を介して高圧ポンプ14の入口に供給される燃料を粗濾過又は微細濾過するための2つの燃料フィルタ24及び26と、システム圧下にある燃料を高圧ポンプ14から蓄圧器12に搬送するための高圧ライン30と、蓄圧器12内の圧力を測定するための高圧センサ32と、高圧ポンプ14から延在する、余剰の燃料をポンプ14から漏れパイプ22に導出して燃料タンク16内に戻し案内するための燃料戻しライン34と、一列に配置された複数のインプット接続部36及び複数のアウトプット接続部38を備えた電子式のエンジン制御装置ECUとが示されている。この電子式のエンジン制御装置ECUによって、公知の形式で、内燃機関及び噴射装置の運転パラメータがインプット接続部36を介して検出され、評価され、アウトプット接続部38で信号は生ぜしめられ、この信号によって、システムの電気素子及び電子素子(例えば図示の素子28,14,20)が制御される。
また、エンジン制御装置ECUは、漏れパイプ22の集合路内に配置された漏れ制御弁40を制御する。この漏れ制御弁40によって、検出された運転パラメータ及び適当に設定された特性フィールドに基づいて、インジェクタ装置20の各インジェクタの燃料戻し流が漏れパイプ22を介して燃料タンク16内に戻される。エンジン制御装置ECUは、測定された運転パラメータを公知の方法で評価することによって、インジェクタのうちの1つにおいて場合によっては生じるアクチュエータ過剰突き出しを検出し、この場合、燃料戻し流を短時間(例えば規定された所定の数秒間)ロックするために、漏れ制御弁40を短時間制御するようになっている。これによって、アクチュエータ過剰突き出しにおいて生じる傾向がある蓄圧器12内の増圧を内燃機関の暖気始動時の加速することも、また運転中に発生するアクチュエータ過剰突き出し時に内燃機関を停止させて、それによって整然とした運転を維持することもできる。
圧電操作式のサーボ噴射弁における公差ギャップを説明するための概略図である。 図1に示した形式の複数のサーボ噴射弁が設けられた噴射装置の概略図である。

Claims (9)

  1. 内燃機関のための噴射装置であって、
    高圧ポンプ(14)によって燃料タンク(16)から蓄圧器内に送られる燃料を蓄えるための蓄圧器(12)と、プレッシャライン装置(18)を介して前記蓄圧器(12)に接続された、燃料を内燃機関に噴射するためのインジェクタ装置(20)とを有しており、
    前記インジェクタ装置(20)が少なくとも1つのサーボ噴射弁を有していて、このサーボ噴射弁内に、プレッシャラインを介してノズル室にも、また制御室にも燃料が前記蓄圧器(12)から供給され、この蓄圧器(12)内で、ノズル室から燃焼室に通じる噴射路を開閉するためにノズル体が可動にガイドされていて、ノズル体は、その噴射路に向いた側の端部が、ノズル室内の燃料圧にさらされ、噴射路とは反対側の端部が、制御室内の燃料圧にさらされるようになっており、
    サーボ噴射弁が、燃料を制御室から、燃料タンク(16)に通じる漏れパイプ(22)に解放するための制御弁を備えており、該制御弁が、制御室内の圧力を減圧させることによってノズル体を噴射路の開放方向に移動させて噴射過程を開始させるために、圧電式のアクチュエータによって操作されるようになっている形式のものにおいて、
    漏れパイプ(22)が制御可能な弁(40)を備えており、該弁(40)が制御された状態で漏れパイプ(22)内の燃料流をしゃ断し、この際に弁(40)が内燃機関及び/又は噴射装置の前もって規定された運転パラメータに関連して制御され、所定の時間が経過した後で再び非作業状態にもたらされるようになっている、
    ことを特徴とする、内燃機関のための噴射装置。
  2. インジェクタ装置(20)が複数のサーボ噴射弁を有しており、これらのサーボ噴射弁がプレッシャライン装置(18)を介して、これら複数のサーボ噴射弁のために共通に使用される蓄圧器(12)に接続されている、請求項1記載の噴射装置。
  3. インジェクタ装置(20)が複数のサーボ噴射弁を有しており、これらのサーボ噴射弁の漏れパイプ(22)が集合されていて、集合された漏れパイプ部に、制御可能な弁(40)が設けられている、請求項1又は2記載の噴射装置。
  4. 前もって規定された運転パラメータが、サーボ噴射弁におけるアクチュエータ過剰突き出しの有無を検出するようになっている、請求項1から3までのいずれか1項記載の噴射装置。
  5. 制御された後の弁(40)の非作業状態が、所定の時間だけ強制的に維持されるようになっている、請求項1から4までのいずれか1項記載の噴射装置。
  6. インジェクタ装置(20)を運転するための、及び制御可能な弁(40)を制御するための電子式の噴射制御装置(ECU)が設けられている、請求項1から5までのいずれか1項記載の噴射装置。
  7. 噴射装置が、高圧ポンプ(14)によって燃料タンク(16)から蓄圧器内に送られる燃料を蓄えるための蓄圧器(12)と、プレッシャライン装置(18)を介して前記蓄圧器(12)に接続された、燃料を内燃機関に噴射するためのインジェクタ装置(20)とを有しており、
    インジェクタ装置(20)が少なくとも1つのサーボ噴射弁を有していて、このサーボ噴射弁内に、プレッシャラインを介してノズル室にも、また制御室にも燃料が前記蓄圧器(12)から供給され、この蓄圧器(12)内で、ノズル室から燃焼室に通じる噴射路を開閉するためにノズル体が可動にガイドされていて、ノズル体は、その噴射路に向いた側の端部が、ノズル室内の燃料圧にさらされ、噴射路とは反対側の端部が、制御室内の燃料圧にさらされるようになっており、
    サーボ噴射弁が、燃料を制御室から、燃料タンク(16)に通じる漏れパイプ(22)に解放するための制御弁を備えている形式の、内燃機関のための噴射装置(10)を駆動する方法であって、
    制御室内の圧力を減圧することによって噴射路を開放させる方向でノズル体を移動させ、それによって噴射過程を開始させるために、圧電式のアクチュエータによって制御弁を操作する段階を有している方法において、
    内燃機関及び/又は噴射装置の所定の運転パラメータに関連して漏れパイプ(22)内の燃料流をしゃ断し、このしゃ断を所定時間の経過後に再び解除することを特徴とする、内燃機関のための噴射装置を駆動する方法。
  8. 所定の運転パラメータとして、制御噴射弁におけるアクチュエータ過剰突き出しの有無を利用する、請求項7記載の方法。
  9. 漏れパイプ内の燃料流のしゃ断の解除を、さらに所定の時間だけ強制的に維持する、請求項7又は8記載の方法。
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