JP2011094496A - Combustion chamber structure of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ピストンの頂面にリエントラント型のキャビティが形成された内燃機関の燃焼室構造に係り、ピストンへの熱損失を低減して熱効率を改善する技術に関する。 The present invention relates to a combustion chamber structure of an internal combustion engine in which a reentrant type cavity is formed on the top surface of a piston, and relates to a technique for improving heat efficiency by reducing heat loss to the piston.
一般に、ディーゼルエンジンでは、圧縮比を高めるために圧縮上死点におけるピストンの頂面をシリンダヘッドの端面に近接させるとともに、ピストン頂面に燃焼室となるキャビティ(凹部)を形成している。この種の燃焼室は、キャビティの形状に応じてリエントラント型、トロイダル型、バスタブ型等に分類される。このうちリエントラント型は、キャビティの径が開口端側へ向けて小さくなり、キャビティを画定する内壁面がオーバーハングした湾曲形状を呈することで空気の過流運動を高めるとともに、開口端のキャビティリップ付近に燃料噴霧を噴射し、その勢いで湾曲する内壁面に沿って流動させることによって燃料を効率良く空気と混合させながら燃焼させる。 Generally, in a diesel engine, in order to increase the compression ratio, the top surface of a piston at the compression top dead center is brought close to the end surface of the cylinder head, and a cavity (recess) serving as a combustion chamber is formed on the top surface of the piston. This type of combustion chamber is classified into a reentrant type, a toroidal type, a bathtub type and the like according to the shape of the cavity. Of these, the reentrant type has a cavity with a diameter that decreases toward the opening end, and the inner wall surface that defines the cavity has a curved shape that overhangs, increasing the air overflow motion and near the cavity lip at the opening end. The fuel spray is injected into the fuel, and the fuel is burned while being mixed with air efficiently by flowing along the curved inner wall surface with the momentum.
ここで、燃料噴霧の混合性能を高めるために、キャビティの内壁面に燃料噴射の数と同数のポケット状の凹陥部を形成したトロイダル型の燃焼室において、隣接する凹陥部同士を所定間隔離して配置し、凹陥部間に燃料を噴射するようにした燃焼室構造や(特許文献1参照)、リエントラント型燃焼室において、燃焼室の内壁面における燃料噴霧が衝突する部位から周方向にずらした位置に、ピストン頂面に達しない複数のくぼみを形成した燃焼室構造(特許文献2参照)が提案されている。 Here, in order to improve the mixing performance of the fuel spray, in the toroidal combustion chamber in which the same number of pocket-shaped recesses as the number of fuel injections are formed on the inner wall surface of the cavity, adjacent recesses are separated from each other by a predetermined distance. In a combustion chamber structure that is arranged and injects fuel between recesses (see Patent Document 1), or in a reentrant combustion chamber, a position that is shifted in the circumferential direction from a portion where fuel spray collides on the inner wall surface of the combustion chamber In addition, a combustion chamber structure (see Patent Document 2) in which a plurality of depressions that do not reach the piston top surface is formed has been proposed.
一方、燃料噴霧の混合性能を高める手段として、リエントラント型燃焼室内でスワールを発達させるとともに、燃料噴霧に伴って発生する空気の随伴流に強力な乱れを発生させるために、噴射燃料が直接当たらないフラットな上面を有する突出部を燃焼室の底部に形成し、更にこの突出部の上面外周のコーナーを凹状にえぐった燃焼室構造や(特許文献3参照)、混合促進手段として、リエントラント型燃焼室の内壁面における燃料噴霧に対向する位置に、圧縮上死点直後に空気を噴射させる開口部(スロート部)を有する空気閉じ込み用凹所を形成した燃焼室構造(特許文献4参照)なども提案されている。 On the other hand, as a means to improve the fuel spray mixing performance, the swirl is developed in the reentrant combustion chamber, and the turbulent air turbulence generated by the fuel spray generates a strong turbulence, so that the injected fuel does not hit directly. A combustion chamber structure in which a protrusion having a flat upper surface is formed at the bottom of the combustion chamber, and a corner on the outer periphery of the upper surface of the protrusion is recessed (see Patent Document 3). There is also a combustion chamber structure in which an air confinement recess having an opening (throat portion) for injecting air immediately after compression top dead center is formed at a position facing the fuel spray on the inner wall surface (see Patent Document 4). Proposed.
しかしながら、上記した従来技術の燃焼室構造では、それぞれ凹陥部、くぼみ、凹状のえぐりおよび凹所をキャビティに形成し、いずれも空気の流れを乱すことで燃料噴霧と空気との混合性能を高めているが、燃焼室の熱損失については考慮されていない。つまり、上記燃焼室構造では、燃焼室を画定するピストン内壁面の表面積が大きくなるとともに、燃料噴霧が当該ピストン内壁面に沿って移動しながら燃焼することでピストン内壁面が直接火炎に曝されるため、その表面温度が高くなり、ピストンへの熱損失が大きく熱効率が悪い。 However, in the above-described conventional combustion chamber structure, each of the cavity is formed with a recess, a depression, a hollow and a recess, and the mixing performance of fuel spray and air is improved by disturbing the air flow. However, heat loss in the combustion chamber is not considered. That is, in the above combustion chamber structure, the surface area of the inner wall surface of the piston that defines the combustion chamber is increased, and the fuel spray is burned while moving along the inner wall surface of the piston, so that the inner wall surface of the piston is directly exposed to the flame. Therefore, the surface temperature becomes high, the heat loss to the piston is large, and the thermal efficiency is poor.
本発明は、このような従来技術に課せられた問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、燃料噴霧と空気との混合性能を低下させることなく、ピストンへの熱損失を低減して熱効率を向上できる内燃機関の燃焼室構造を提供することにある。 The present invention has been devised to solve the problems imposed on the prior art, and its main object is to reduce the mixing performance of the fuel spray and air without reducing the mixing performance of the piston. An object of the present invention is to provide a combustion chamber structure of an internal combustion engine that can improve heat efficiency by reducing heat loss.
このような課題を解決するために、第1の発明は、シリンダ(4)に摺動自在に内嵌するピストン(5)の頂面(5a)に、シリンダ軸(X)方向に直交する径が開口端(5f)側へ向けて小さくなるキャビティ(5e)を形成し、キャビティ(5e)がシリンダヘッド(3)に面するリエントラント型の燃焼室(10)を構成する内燃機関(E)の燃焼室構造であって、シリンダヘッド(3)には、燃焼室(10)に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁(9)が設けられ、ピストン(5)における燃焼室(10)を画定する内壁面(5b,5c,5d)には、燃料噴射弁(9)からの燃料噴霧が直接当たらない位置にディンプル(11)が形成されたことを特徴とする。 In order to solve such a problem, the first invention has a diameter perpendicular to the cylinder axis (X) direction on the top surface (5a) of the piston (5) slidably fitted in the cylinder (4). Of the internal combustion engine (E) that forms a cavity (5e) that becomes smaller toward the open end (5f), and the cavity (5e) forms a reentrant combustion chamber (10) facing the cylinder head (3). In the combustion chamber structure, the cylinder head (3) is provided with a fuel injection valve (9) for injecting fuel toward the combustion chamber (10) to define the combustion chamber (10) in the piston (5). A dimple (11) is formed on the inner wall surface (5b, 5c, 5d) at a position where the fuel spray from the fuel injection valve (9) does not directly hit.
燃料噴霧が直接当たる位置にディンプルを形成すると、火炎は噴霧の勢いでディンプル内に進入するため、ピストン内壁面の表面積が大きくなることにより、かえって熱損失が大きくなる。そこで、この発明によれば、燃料噴霧が直接当たらない位置にディンプルを形成することにより、噴霧が直接当たらない部分では、火炎がディンプル内に進入せず、空気が断熱層としてディンプル内に留まるため、表面温度の上昇が抑制され、ピストンへの熱損失が低下して熱効率が向上する。 If the dimple is formed at a position where the fuel spray directly hits, the flame enters the dimple with the momentum of the spray, so that the surface area of the inner wall surface of the piston increases, so that the heat loss increases. Therefore, according to the present invention, since the dimple is formed at a position where the fuel spray is not directly applied, the flame does not enter the dimple and the air stays in the dimple as a heat insulating layer in the portion where the spray is not directly applied. The rise in the surface temperature is suppressed, the heat loss to the piston is reduced, and the thermal efficiency is improved.
また、第2の発明は、第1の発明に係る内燃機関(E)の燃焼室構造において、燃料噴射弁(9)は、ピストン(5)が圧縮上死点にあるときにキャビティ(5e)の開口端(5f)近傍へ向けて燃料を噴射し、ディンプル(11)は、シリンダ軸(X)方向に直交するキャビティ(5e)の最大径部(5m)よりも燃焼室(10)の底面(円錐状壁面5d)側に配置されたことを特徴とする。
Further, according to a second aspect of the invention, in the combustion chamber structure of the internal combustion engine (E) according to the first aspect of the invention, the fuel injection valve (9) has a cavity (5e) when the piston (5) is at the compression top dead center. The fuel is injected toward the vicinity of the opening end (5f) of the combustion chamber, and the dimple (11) has a bottom surface of the combustion chamber (10) that is more than the maximum diameter portion (5m) of the cavity (5e) perpendicular to the cylinder axis (X) direction. It is arranged on the (
この発明によれば、燃料噴射弁によって噴射された燃料噴霧は、その一部がキャビティの開口端近傍に衝突し、他の一部が混合気となってリエントラント型燃焼室の湾曲した内壁面に沿って移動しながら燃焼する。そして、ディンプルがピストン内壁面の最大径部よりも燃焼室底面側に配置されたことにより、流動する混合気がディンプル内に進入し難くなり、ディンプル内に確実に空気を留めて断熱層を形成することができ、ピストンへの熱損失を低減できる。 According to the present invention, a part of the fuel spray injected by the fuel injection valve collides with the vicinity of the opening end of the cavity, and the other part becomes an air-fuel mixture on the curved inner wall surface of the reentrant combustion chamber. Burns while moving along. And since the dimple is arranged on the combustion chamber bottom side than the maximum diameter part of the inner wall surface of the piston, it is difficult for the flowing air-fuel mixture to enter the dimple, and the heat is securely retained in the dimple to form a heat insulating layer. And heat loss to the piston can be reduced.
また、第3の発明は、第1または第2の発明に係る内燃機関(E)の燃焼室構造において、ディンプル(11)は、半径(r)に対する深さ(a)の比(a/r)が0.8以下に設定されたことを特徴とする。 According to a third invention, in the combustion chamber structure of the internal combustion engine (E) according to the first or second invention, the dimple (11) has a ratio (a / r) of the depth (a) to the radius (r). ) Is set to 0.8 or less.
ディンプルの半径とディンプルの深さに応じ、発揮される熱損失の低減効果は変化する。この発明によれば、ディンプルの半径に対する深さの比を0.8以下に設定することにより、ディンプルを形成しない場合に比べて熱損失を低減することができる。 Depending on the dimple radius and the dimple depth, the effect of reducing the heat loss is changed. According to the present invention, by setting the ratio of the depth to the radius of the dimple to 0.8 or less, heat loss can be reduced as compared with the case where no dimple is formed.
また、第4の発明は、第3の発明に係る内燃機関(E)の燃焼室構造において、ディンプル(11)は、半径(r)に対する深さ(a)の比(a/r)が0.3〜0.7の範囲に設定されたことを特徴とする。 According to a fourth invention, in the combustion chamber structure of the internal combustion engine (E) according to the third invention, the dimple (11) has a ratio (a / r) of the depth (a) to the radius (r) of 0. It is characterized by being set in the range of 3 to 0.7.
この発明によれば、ディンプルの半径に対する深さの比を0.3〜0.7の範囲に設定することにより、より効率的に熱損失を低減することができる。 According to the present invention, the heat loss can be more efficiently reduced by setting the ratio of the depth to the dimple radius in the range of 0.3 to 0.7.
また、第5の発明は、第1〜第4の発明に係る内燃機関(E)の燃焼室構造において、ディンプル(11)が燃焼混合気の流れに沿って複数形成されたことを特徴とする。 The fifth invention is characterized in that in the combustion chamber structure of the internal combustion engine (E) according to the first to fourth inventions, a plurality of dimples (11) are formed along the flow of the combustion mixture. .
この発明によれば、燃焼室の熱損失の低減に有効な位置により多くのディンプルを形成することにより、燃焼混合気のエネルギーをより効率的に活用することができる。 According to the present invention, the energy of the combustion mixture can be utilized more efficiently by forming more dimples at positions that are effective for reducing the heat loss in the combustion chamber.
このように、本発明によれば、燃料噴霧と空気との混合性能を低下させることなく、ピストンへの熱損失を低減して熱効率を向上できる内燃機関の燃焼室構造を提供することができる。 Thus, according to the present invention, it is possible to provide a combustion chamber structure of an internal combustion engine that can reduce heat loss to the piston and improve thermal efficiency without deteriorating the mixing performance of fuel spray and air.
以下、添付の図面に示された一実施形態を参照して本発明に係るについて詳細に説明する。本実施形態では、本発明が直列4気筒のディーゼルエンジン(以下、単にエンジンEと記す)に適用されており、図1は、ピストン5が上死点にあるときの状態を示している。また、説明にあたり、エンジンEがシリンダ軸Xを鉛直にして配置された状態を基準にして上下の方向を定めるものとする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings. In this embodiment, the present invention is applied to an in-line four-cylinder diesel engine (hereinafter simply referred to as engine E), and FIG. 1 shows a state where the
図1に示すように、エンジンEは、シリンダブロック1と、シリンダブロック1の上部にガスケット2を介して締結されたシリンダヘッド3と、シリンダブロック1の内部に形成されたシリンダ4に摺動自在に嵌合するピストン5とを備えており、ピストン5の往復運動によって、ピストン5に連結されたコネクティングロッド6を介して図示外のクランクシャフトが回転駆動される。シリンダヘッド3には2本の吸気バルブ7および2本の排気バルブ8が設けられており、これら吸排気バルブ7,8は、シリンダヘッド3の上方に設けられてクランクシャフトに連結された図示外のカムシャフトおよびロッカアームを介して開閉駆動される。ピストン5の頂面5aの中央部には、シリンダ軸Xを中心にしたリエントラント型のキャビティ5eが凹設されて燃焼室10を構成しており、燃焼室10の上面を画成するシリンダヘッド3のシリンダ軸X上には、噴射口が燃焼室10の中心に臨むように燃料噴射弁9が配置されている。
As shown in FIG. 1, the engine E is slidable on a
図示は省略するが、エンジンEの燃料タンク内には低圧ポンプ設けられており、低圧ポンプから圧送された燃料が高圧ポンプに供給され、さらに、高圧ポンプから圧送された燃料がコモンレールに供給される。コモンレールで蓄圧された高圧の燃料は燃料噴射弁9に供給され、エンジンECUによって燃料噴射弁9が開弁駆動されることにより、所定量の高圧の燃料噴霧が所定のタイミングで燃焼室10に噴射される。
Although not shown, a low-pressure pump is provided in the fuel tank of the engine E, the fuel pumped from the low-pressure pump is supplied to the high-pressure pump, and the fuel pumped from the high-pressure pump is supplied to the common rail. . The high-pressure fuel accumulated in the common rail is supplied to the
ピストン5は、圧縮上死点でその頂面5aがシリンダブロック1の上面1aとほぼ同一の位置となり、燃焼室10を囲むように環状に形成されたピストン5の頂面5aは、バルブリセスが形成されずに平坦面となっている。そして、圧縮上死点において、ピストン5の頂面5aとシリンダヘッド3の下面3aとの間に略ガスケット2の厚さに相当するスキッシュが形成される。
The
図2を併せて参照すると、ピストン5は、頂面5aから面取り部5hを介してシリンダ軸X方向に延在する円筒状壁面5bと、円筒状壁面5bの下端から面取り部5iを介して連続し、円筒状壁面5bの径よりも大径の外径を有する円弧断面形状壁面5cと、円弧断面形状壁面5cの下端から連続し、シリンダヘッド3の下面3aに向けて突出する円錐状壁面5dとを有している。これらピストン5の円筒状壁面5b、円弧断面形状壁面5cおよび円錐状壁面5dによってキャビティ5eが画成され、このキャビティ5eがシリンダヘッド3の下面3aに面する燃焼室10を構成する。これにより、燃焼室10は、シリンダ軸X方向に直行する径が円弧断面形状壁面5cにおいて開口端5fへ向けて小さくなるリエントラント型のキャビティ5eを含み、円筒状壁面5bがキャビティ5eの開口端5fにキャビティリップを形成する。なお、本実施形態では、円錐状壁面5dの頂点が面取りされて球面とされている。
Referring also to FIG. 2, the
ピストン5には、円弧断面形状壁面5cの下部、より詳細には、シリンダ軸X方向に直交するキャビティ5eの最大径部5mよりも円錐状壁面5d側(燃焼室10の底面側)の下半部に、半球状の複数のディンプル11が凹設される。本実施形態では、ディンプル11は、シリンダ軸X方向に等間隔に3列形成されている。図2の拡大図に示すように、各ディンプル11は、仮想線で示す球体12の外面の一部をなす半球状の凹面5gによって画成されており、その深さaと球体12の半径(以下、ディンプル11の半径rと称する)との比a/rが0.6程度に設定されている。
The
図2に示すように、燃料噴射弁9は、ピストン5が上死点にあるときに円筒状壁面5bの下半部に向けて燃料噴霧を噴射する。また、燃料噴射弁9は、ピストン5が上死点におるときに燃料を噴射する主噴射の他、圧縮工程の後期に燃料を噴射するパイロット噴射、および膨張工程や排気工程で燃料を噴射するポスト噴射を行う。そして、このような構成の燃焼室構造においては、主噴射で円筒状壁面5bに向かって噴射された燃料噴霧は、圧縮空気と混合して燃焼しながらその一部が円筒状壁面5bおよび円弧断面形状壁面5cの上部に衝突し、その大部分が流動によって円弧断面形状壁面5c近傍を移動する。ここで、円弧断面形状壁面5cの下半部にディンプル11が形成されたことにより、火炎はディンプル11内に進入せず、空気がディンプル11内に留まって断熱層として機能するため、円弧断面形状壁面5cの下半部における火炎からピストン5への熱伝達が阻止される。したがって、当該部分の温度上昇が抑制され、ピストン5への熱損失が低下して熱効率が上昇する。
As shown in FIG. 2, the
逆に、燃料噴霧が直接当たる円筒状壁面5bおよび円弧断面形状壁面5cの上部にディンプル11を設けると、噴霧の勢いで火炎がディンプル11内に進入するため、燃焼室10の内壁面の表面積が大きくなる分、かえって熱損失が大きくなる。したがって、燃料噴射弁9からの燃料噴霧が直接当たらない位置にディンプル11を設けることが重要である。
On the contrary, when the
次に、ディンプル11の形状および配置について説明する。図3は、円弧断面形状壁面5cの下半部に周方向に15度ピッチで24個のディンプル11を一列配置した燃焼室構造において、ディンプル11の深さaと半径rとの比a/rを変化させたときの各種特性の変化を示したものであり、(A)はディンプル11を画成する凹面5gの表面積を示し、(B)はディンプル11を画成する凹面5gの熱伝達率を示し、(C)はディンプル11を画成する凹面5gによる熱損失を示している。(A)に示すように、比a/rが大きいと、ディンプル11を画成する凹面5gの表面積は大きくなり、(B)に示すように、比a/rが大きいと、ディンプル11を画成する凹面5gの熱伝達率は低下する。そして、ディンプル11を画成する凹面5gによる熱損失は、(C)に示すように、比a/rを0.3〜0.7の範囲にしたときに、大きく低減する。また、比a/rが0.8より大きいと、ディンプル11を画成する凹面5gによる熱損失は逆に増大する。したがって、ディンプル11による熱損失の低減効果は、比a/rを0.8以下に設定すると発揮され、比a/rを0.3〜0.7の範囲に設定すると効果的に発揮される。
Next, the shape and arrangement of the
また、図2中のIV−IV矢視を示す図4に参照すると、燃料噴射弁9は、ピストン5の周方向において等間隔に分割された6つの方向へ、且つ円筒状壁面5bへ向けて噴射口から燃料を噴射する。そして、燃焼室10の内部には、図2中に矢印で示す燃料噴霧による流れの他、吸気弁から空気が吸入された際に、図中の時計回りに渦巻く白抜き矢印で示すスワール13が発生している。したがって、燃料噴射弁9から噴射された燃料と圧縮空気とによる燃焼混合気は、燃焼室10において径方向へ移動するだけでなく、周方向へも同時に移動し、円弧断面形状壁面5cの下半部に沿う移動の際には、図4中に黒塗り矢印で示すように燃焼室10の中央に向かって斜め左方向へ移動する。そこで、本実施形態では、各列におけるディンプル11を燃焼混合気の流れに沿うように配置する。このような配置とすることで、燃焼室10の内壁面のうち、熱損失の低減を図るべき部位、すなわち燃焼混合気の火炎に曝される部位において、ディンプル11によって火炎からの熱伝達が効率的に阻止されるとともに、熱損失低減の必要性が低い部位では、平滑な燃焼室10の内壁面によって燃焼混合気のエネルギーを効率良く活用でき、スワール13の形成にも影響が生じないようになる。また、列ごとにディンプル11の位置をずらして千鳥状に配置することで、熱伝達がより効率的に阻止される。
Further, referring to FIG. 4 showing an IV-IV arrow in FIG. 2, the
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、ディンプル11を円弧断面形状壁面5cに燃焼混合気の流れに沿って3列配置しているが、ディンプル11を円錐状壁面5dにも設ける形態や、ディンプル11をキャビティ5eの周方向に沿って配置する形態、ディンプル11を1列や2列、或いは4列以上配置する形態、ディンプル11を格子状に配置する形態等であってもよい。また、上記実施形態では、ディンプル11の大きさについて言及していないが、ディンプル11は、火炎からの熱伝達を低減できる限りにおいて如何なる大きさであってもよく、燃料圧力や吸気圧、スワール13の流速等に応じて適宜設定すればよい。また、その形状も半球に限定されるものではない。この他、各部材や部位の具体的形状や配置など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。
Although the description of the specific embodiment is finished as described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be widely modified. For example, in the above embodiment, the
3 シリンダヘッド
4 シリンダ
5 ピストン
5a 頂面
5b 円筒状壁面
5c 円弧断面形状壁面
5d 円錐状壁面
5e キャビティ
5f 開口端
5g 凹面
5m 最大径部
9 燃料噴射弁
10 燃焼室
11 ディンプル
E エンジン
X シリンダ軸線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Cylinder head 4
Claims (5)
前記シリンダヘッドには、前記燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、
前記ピストンにおける前記燃焼室を画定する内壁面には、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧が直接当たらない位置にディンプルが形成されたことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。 On the top surface of the piston slidably fitted in the cylinder, a cavity whose diameter perpendicular to the cylinder axial direction becomes smaller toward the opening end side is formed, and a reentrant combustion chamber facing the cylinder head is formed in the cavity. A combustion chamber structure of an internal combustion engine,
The cylinder head is provided with a fuel injection valve that injects fuel toward the combustion chamber,
A combustion chamber structure of an internal combustion engine, wherein dimples are formed on an inner wall surface defining the combustion chamber of the piston at a position where fuel spray from the fuel injection valve does not directly hit.
前記ディンプルは、シリンダ軸方向に直交する前記キャビティの最大径部よりも前記燃焼室の底面側に配置されたことを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の燃料噴射装置。 The fuel injection valve injects fuel toward the vicinity of the opening end of the cavity when the piston is at the compression top dead center,
2. The fuel injection device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the dimple is disposed on a bottom surface side of the combustion chamber with respect to a maximum diameter portion of the cavity orthogonal to a cylinder axial direction.
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WO2013154004A1 (en) | 2012-04-10 | 2013-10-17 | いすゞ自動車株式会社 | Combustion chamber structure for direct injection engine |
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Date | Code | Title | Description |
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