JP2011232257A - Method for measuring concentration of particulate matter in gas and engine system equipped with apparatus for measuring concentration of particulate matter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス中の粒子状物質濃度を安定して計測することができる排ガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムに関する。 The present invention relates to a particulate matter concentration measuring method in exhaust gas that can stably measure the particulate matter concentration in a gas and an engine system equipped with a particulate matter concentration measuring device.
従来、例えば燃料ガス(例えばガス化ガス)中のダスト(煤塵)成分の濃度をレーザ照射によるミー散乱光により計測することが知られている(特許文献1、2参照)。 Conventionally, for example, it is known to measure the concentration of a dust component in a fuel gas (for example, gasified gas) by Mie scattered light by laser irradiation (see Patent Documents 1 and 2).
ところで、レーザ装置は長期間に亙って連続計測することが求められており、その長寿命化が課題となっている。特に、レーザ出力の低下や光軸のずれによる、ミー散乱光の発光効率の低下が問題となる。特にミー散乱光法は、散乱光強度により直接濃度算出するので、計測装置側の変動による影響を受けやすいという、問題がある。
そこで、長期間に亙って安定して計測が可能となるガス成分計測手法の出現が切望されている。
By the way, the laser device is required to perform continuous measurement over a long period of time, and extending its life is a problem. In particular, there is a problem of a decrease in light emission efficiency of Mie scattered light due to a decrease in laser output or an optical axis shift. In particular, the Mie scattered light method directly calculates the concentration based on the scattered light intensity, and thus has a problem that it is easily affected by fluctuations on the measuring device side.
Therefore, the advent of a gas component measurement technique that enables stable measurement over a long period of time is eagerly desired.
特に、航行中の船舶のエンジンの排ガス中の炭素由来の粒子状物質(PM(Particulate Matter))に起因するようなトラブルが発生した場合においては、航行中に粒子状物質の量及びその成分を分析することができず、その分析結果が出るまでに長期間を要し、その対策実施までの期間、多くの損失を招いているのが現状であるので、簡易迅速な計測装置の出現が求められている。 In particular, in the case of troubles caused by carbon-derived particulate matter (PM (Particulate Matter)) in the exhaust gas of the ship's engine during navigation, the amount of particulate matter and its components are determined during navigation. Since it is impossible to analyze and it takes a long time for the analysis results to come out, and a lot of loss is incurred during the period until the implementation of the countermeasures, it is necessary to develop a simple and quick measuring device. It has been.
本発明は、前記問題に鑑み、長期間に亙って安定して計測精度の良いガス中の粒子状物質の計測が可能となるガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムを提供することを課題とする。 In view of the above problems, the present invention provides a particulate matter concentration measuring method and a particulate matter concentration measuring apparatus in a gas capable of measuring particulate matter in a gas that is stable over a long period of time and has high measurement accuracy. It is an object to provide an engine system including
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、前記レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第1の光検出器と、前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第2の光検出器とを具備してなる粒子状物質濃度計測装置を用い、予め、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の信号強度(M0)を計測すると共に、第2の光検出器により被測定ガス中に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度(R0)を計測しておき、粒子状物質濃度の計測を行う都度、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)を計測すると共に、第2の光検出器により測定領域に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度(R1)を計測し、得られたR0/R1を校正定数(K)とし、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)に、校正係数(K=R0/R1)を乗じて真の粒子状物質濃度(M2)を算出することを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法にある。 A first invention of the present invention for solving the above-mentioned problems is a laser device for irradiating a gas to be measured with laser light, and a first photodetector for measuring Mie scattered light generated by the laser light irradiation. And a particulate matter concentration measuring device comprising a second photodetector for measuring the Raman scattered light generated by the laser light irradiation, and the first photodetector detects the Mie scattered light in advance. The signal intensity (M 0 ) of the particulate matter is measured, and the signal intensity (R 0 ) of the Raman scattered light of the reference gas present in the gas to be measured is measured by the second photodetector, Each time the concentration of the substance is measured, the detection signal intensity (M 1 ) of the particulate matter of Mie scattered light is measured by the first photodetector, and the reference gas existing in the measurement region is measured by the second photodetector. signal intensity of the Raman scattered light (R 1) is measured, resulting et al And R 0 / a R 1 a calibration constant (K), the particulate matter concentration detection signal intensity of the particulate matter measurement time of Mie scattered light (M 1), the calibration factor (K = R 0 / R 1 ) To calculate the true particulate matter concentration (M 2 ).
第2の発明は、第1の発明において、前記基準ガスが、被測定ガスに含まれるガスであることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法にある。 According to a second invention, in the first invention, the reference gas is a gas contained in the gas to be measured, and there is a particulate matter concentration measuring method in the gas.
第3の発明は、第1の発明において、前記基準ガスが、窒素であることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法にある。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the particulate matter concentration measuring method in the gas according to the first aspect, wherein the reference gas is nitrogen.
第4の発明は、第1又は2の発明において、前記被測定ガスが、ディーゼルエンジンからの排ガスであることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法にある。 A fourth invention is the particulate matter concentration measurement method in gas according to the first or second invention, wherein the gas to be measured is exhaust gas from a diesel engine.
第5の発明は、ディーゼルエンジンと、前記ディーゼルエンジンからの排ガスを排出する排気管と、前記排気管中の排ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、前記レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第1の光検出器と、前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第2の光検出器と、を具備してなり、予め、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の信号強度(M0)を計測すると共に、第2の光検出器により被測定ガス中に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度(R0)を計測しておき、粒子状物質濃度の計測を行う都度、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)を計測すると共に、第2の光検出器により測定領域に存在する基準ガス(窒素)のラマン散乱光の信号強度(=R1)を計測し、得られたR0/R1を校正定数(K)とし、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)に、校正係数(K=R0/R1)を乗じて真の粒子状物質濃度(M2)を算出し、真の粒子状物質濃度が閾値を超えている場合には、エンジン制御を行うことを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。 5th invention is a diesel engine, the exhaust pipe which discharges | emits the exhaust gas from the said diesel engine, the laser apparatus which irradiates a laser beam to the exhaust gas in the said exhaust pipe, and the Mie scattered light which generate | occur | produces by irradiation of the said laser beam And a second photodetector for measuring Raman scattered light generated by the irradiation of the laser light, and Mie scattering by the first photodetector in advance. The signal intensity (M 0 ) of the particulate matter of light is measured, and the signal intensity (R 0 ) of the Raman scattered light of the reference gas existing in the gas to be measured is measured by the second photodetector, Each time the particulate matter concentration is measured, the detection signal intensity (M 1 ) of the particulate matter of Mie scattered light is measured by the first photodetector, and the reference existing in the measurement region by the second photodetector. Raman scattering light of gas (nitrogen) Measuring the signal strength (= R 1), the resulting R 0 / a R 1 a calibration constant (K), the detection signal intensity of the particulate matter in the particulate matter concentration measuring time of Mie scattered light (M 1 ) Is multiplied by the calibration factor (K = R 0 / R 1 ) to calculate the true particulate matter concentration (M 2 ). If the true particulate matter concentration exceeds the threshold, the engine control is performed. An engine system having a particulate matter concentration measuring device characterized in that it is provided.
第6の発明は、第5の発明において、前記エンジン制御が、燃料噴射タイミングを進める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。 A sixth invention is an engine system comprising a particulate matter concentration measuring device according to the fifth invention, wherein the engine control is control for advancing fuel injection timing.
第7の発明は、第5の発明において、前記エンジン制御が、燃料噴射圧を高める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。 According to a seventh aspect of the present invention, in the fifth aspect of the invention, the engine control includes a particulate matter concentration measuring device, wherein the engine control is control for increasing a fuel injection pressure.
第8の発明は、第5の発明において、前記エンジン制御が、ターボチャージャーの過給圧を高める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。 An eighth invention is an engine system comprising a particulate matter concentration measuring device according to the fifth invention, wherein the engine control is control for increasing a supercharging pressure of a turbocharger.
第9の発明は、第5の発明において、前記エンジン制御が、排ガス再循環(EGR)装置のEGRバルブの開度を絞る制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。 A ninth aspect of the invention is the engine equipped with the particulate matter concentration measuring device according to the fifth aspect of the invention, wherein the engine control is control for reducing an opening degree of an EGR valve of an exhaust gas recirculation (EGR) device. In the system.
第10の発明は、第5乃至9のいずれか一つの発明において、さらに、排ガス中の粒子状物質を除去する除去フィルタに排ガスを通過させる制御を行うことを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。 A tenth aspect of the invention is the particulate matter concentration measuring apparatus according to any one of the fifth to ninth aspects, further comprising controlling the exhaust gas to pass through a removal filter for removing the particulate matter in the exhaust gas. The engine system with
第11の発明は、第5乃至10のいずれか一つの発明において、さらに、アラームを発することを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。 An eleventh aspect of the invention is an engine system including the particulate matter concentration measuring device according to any one of the fifth to tenth aspects of the invention, which further generates an alarm.
本発明によれば、測定の都度、初期値のラマン散乱光の窒素濃度を基準として校正係数Kを用いて、校正することで、濃度校正された真の値の粒子状物質濃度(M2)を迅速に求めることができる。 According to the present invention, every time measurement is performed, calibration is performed using the calibration coefficient K with reference to the nitrogen concentration of the initial Raman scattered light, so that the concentration of the particulate matter whose concentration is calibrated (M 2 ) Can be promptly requested.
また、ディーゼルエンジンの排ガス中の微粒子状物質の計測に適用することで、微粒子状物質の抑制対策を適確に行うことができる。 Further, by applying to measurement of particulate matter in exhaust gas from diesel engines, it is possible to appropriately take measures to suppress particulate matter.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
図1は、ディーゼルエンジンを模式的に示す説明図である。図2は、1つの気筒を模式的に示す説明図である。
図1に示すように、本実施例のディーゼルエンジン100は、1つ以上(本実施例では9つ)の気筒120と、過給機111と、空気冷却器112と、排気集合管113とを含む。まずは図2を用いて1つの気筒120の基本的な構成を説明する。なお、以下では、気筒120の一例としてレシプロ型のものを説明するが、気筒120はロータリー型のものでもよい。図2に示すように、気筒120は、シリンダ121と、ピストン122と、クランク軸123と、クランク室123aと、コネクティングロッド124と、シリンダヘッド125と、燃焼室125aと、吸気ポート126aと、吸気バルブ126と、排気ポート127aと、排気バルブ127と、インジェクタ128と、オイルパン129とを含む。
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a diesel engine. FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing one cylinder.
As shown in FIG. 1, the
シリンダ121は、筒状の部材である。ピストン122は、シリンダ121の中空部に設けられる。ピストン122は、シリンダ121の中心軸方向に移動できるように設けられる。クランク軸123は、回転できるようにクランク室123aに設けられる。クランク室123aは、シリンダ121の中心軸方向の一方側に設けられる。クランク軸123は、ピストン122の往復運動を回転運動に変換する。コネクティングロッド124は、ピストン122とクランク軸123とを連結する。
The
シリンダヘッド125は、シリンダ121の中心軸方向の他方側(クランク室123aとは反対側)に設けられる。燃焼室125aは、ピストン122と、シリンダヘッド125とで囲まれる空間である。
The
吸気ポート126a及び排気ポート127aは、気筒120の外部と燃焼室125aとを連通する。吸気バルブ126は、吸気ポート126aに設けられる。吸気バルブ126は、吸気ポート126aを介して気筒120の外部と燃焼室125aとの間での空気の流動を調節する。排気バルブ127は、排気ポート127aに設けられる。排気バルブ127は、排気ポート127aを介して気筒120の外部と燃焼室125aとの間での空気の流動を調節する。
The
燃料噴射ポンプ132は、エマルジョン燃料を加圧し、インジェクタ128にエマルジョン燃料を導く。インジェクタ128は、例えば燃焼室125aに噴出口が突出して設けられる。燃料噴射ポンプ132は、燃料供給装置130から導かれたエマルジョン燃料を燃焼室125aに導く。エマルジョン燃料は、軽油や重油などの燃料に水が混合したものである。なお、燃料噴射ポンプ132は、吸気ポート126aに噴出口が突出して設けられてもよい。オイルパン129は、クランク室123aに設けられる。オイルパン129は、潤滑油131を溜める。
The
上記構成の気筒120は、吸気、圧縮、膨張、排気の1サイクルを繰り返し行う。これにより、気筒120は、ピストン122が往復運動し、クランク軸123が回転する。なお、気筒120は、4ストロークで1サイクルを行うものでもよいし、2ストロークで1サイクルを行うものでもよい。
The
ディーゼルエンジン100についての説明に戻る。
過給機111は、空気を加圧する。過給機111は、図2に示す排気ポート127aから排出された排気ガスのエネルギーを得て空気を加圧する、いわゆるターボチャージャーである。なお、過給機111は、クランク軸123の回転力を得て空気を加圧する、いわゆるスーパーチャージャーでもよい。空気冷却器112は、過給機111から導かれた空気を冷却する。排気集合管113は、各気筒120の排気ポート127aと連通する。本実施例では、各気筒120の排気ポート127aから排出された排気ガスは排気集合管113を介して過給機111に導かれる。
Returning to the description of the
The
ここで、図1に示すクランク軸123は、各気筒120で共通の部材である。上記構成により、各気筒120が稼動することにより、ディーゼルエンジン100はクランク軸123を回転させる。なお、本実施例では、ディーゼルエンジン100が過給機111を含むものとして説明したが、ディーゼルエンジン100は、過給機111を含まなくてもよい。すなわち、ディーゼルエンジン100は、自然吸気型の内燃機関でもよい。この場合、ディーゼルエンジン100は、空気冷却器112を含まなくてもよい。
Here, the
次に、ガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムについて詳細に説明する。 Next, an engine system including a particulate matter concentration measuring method and a particulate matter concentration measuring device in gas will be described in detail.
図3−1〜図3−3は、本発明に係るガス中の粒子状物質濃度計測方法を実施する粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムの概略図を示す。
図3−1〜図3−3に示すように、粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム200A〜Cは、ディーゼルエンジン100と、前記ディーゼルエンジン100からの排ガス201を排出する排気管202と、前記排気管202中の排ガス201の粒子状物質(粒子状物質(PM)等)の濃度を計測する粒子状物質濃度計測装置(以下、「濃度計測装置」という)10とを具備するものである。
FIGS. 3-1 to 3-3 show schematic views of an engine system including a particulate matter concentration measuring apparatus that implements the particulate matter concentration measuring method in gas according to the present invention.
As shown in FIGS. 3-1 to 3-3, an
先ず、図3−1に示すディーゼルエンジンシステム200Aにおけるエンジン100には、吸入空気を過給するための過給機111を備えており、該過給機111は、排気管202に介装されたタービン111aと、吸気管203に介装された圧縮器111bとを有している。なお、符号220は電磁式高圧噴射システムのコモンレール式燃料噴射システム(CRS)、221はスロットルバルブを図示する。
First, the
図3−2に示すディーゼルエンジンシステム200Bにおけるエンジン100には、さらに、上記タービン111aより上流側の排気管202と上記圧縮器111bより下流側の吸気管203とを連絡する排気ガス環流装置(以下「EGR」という)のEGR通路210を具備している。EGR通路210にはEGRバルブ211が介装されている。このEGRバルブ211の開度を制御することで、EGR率を調整している。なお、符号212はEGRクーラーを図示する。
The
図3−3に示すディーゼルエンジンシステム200Cにおけるエンジン100には、さらに、排気管202には、ディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPF)230が介装されており、通常はこのDPF230を迂回して排ガス201が外部に排気されている。
Further, in the
図4は本実施例に係る濃度計測装置10の概略図である。
図4に示すように、濃度計測装置10は、被測定ガスである排ガス201にレーザ光11を照射するレーザ装置13と、前記レーザ光11の照射により発生するミー散乱光30を計測する第1の光検出器31と、前記レーザ光11の照射により発生するラマン散乱光15を計測する第2の光検出器18と、を具備してなり、予め(計測初期時に)、第1の光検出器31によりミー散乱光30の粒子状物質の信号強度(=M0)を計測すると共に、第2の光検出器18により被測定ガス中に存在する基準ガス(例えば窒素)のラマン散乱光の信号強度(=R0)を計測しておき、粒子状物質濃度の計測を行う都度、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(=M1)を計測すると共に、第2の光検出器により測定領域に存在する基準ガス(窒素)のラマン散乱光の信号強度(=R1)を計測し、得られたR0/R1を校正定数(K)とし、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)に、校正係数(K=R0/R1)を乗じて真の粒子状物質濃度(M2)を算出するものである。
ここで、図4において、符号21はレーザ装置13からのレーザ光11を反射する反射ミラー、22はレーザ光11を集光する集光レンズ、23はデータ処理手段(CPU)を各々図示する。
FIG. 4 is a schematic diagram of the
As shown in FIG. 4, the
Here, in FIG. 4,
ここで、レーザ装置13からのレーザ光11は、反射ミラー21を介して排気管202側へ反射させて、集光手段である集光レンズ22により集光し、次いで排気管202内へ送られ、測定領域14内にレーザ光11を入射させ、排気管202内に導入される排ガス201へ照射している。
なお、本実施例では、排気管202内に直接レーザ光を導入するものであるが、排気管から分枝するサンプルラインを設け、このサンプルラインに導入するようにしてもよい。
Here, the
In this embodiment, laser light is directly introduced into the
また、測定領域14の中心部から散乱されたラマン散乱光15は、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群(図示せず)を介して分光部16で分光され、該分光部16に接続されたICCDカメラ17により各波長の光の強度を計測する。
前記ICCDカメラ17からの計測データは、データ処理手段(CPU)23に送られ、ここで計測データの処理がなされる。
Further, the Raman scattered light 15 scattered from the center of the
The measurement data from the ICCD camera 17 is sent to a data processing means (CPU) 23 where the measurement data is processed.
次に、前記濃度計測装置10を用いて粒子状物質濃度を計測する方法について説明する。
図5−1、5−2は初期時における計測結果を示すものであり、図5−1のチャートはミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。図5−2のチャートはラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。
図6−1のチャートはミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。図6−2のチャートはラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。図6−3は、図5−1と図6−1の各々のミー散乱光の計測結果を重ね合わせたものである。
図7はディーゼルエンジン排ガスのラマン散乱光計測結果のチャートである。図7に示すように、二酸化炭素(CO2)、酸素(O2)、窒素(N2)、水(H2O)が確認される。
Next, a method for measuring the particulate matter concentration using the
FIGS. 5A and 5B show the measurement results at the initial stage, and the chart of FIG. 5A is a relationship diagram between the time of Mie scattered light and the signal intensity. The chart in FIG. 5-2 is a relationship diagram between the wavelength of Raman scattered light measurement and the signal intensity.
The chart in FIG. 6A is a relationship diagram between time of Mie scattered light and signal intensity. The chart in FIG. 6B is a relationship diagram between the wavelength of Raman scattered light measurement and the signal intensity. FIG. 6-3 is an overlay of the measurement results of the Mie scattered light in FIGS. 5-1 and 6-1.
FIG. 7 is a chart of Raman scattering light measurement results of diesel engine exhaust gas. As shown in FIG. 7, carbon dioxide (CO 2 ), oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), and water (H 2 O) are confirmed.
先ず、濃度計測装置10を用いて、予め初期値を求めておく。
ここで、本実施例では、排ガス中に多量に含まれている窒素(N2)ガスを基準ガスとして用いている。
First, an initial value is obtained in advance using the
Here, in this embodiment, nitrogen (N 2 ) gas contained in a large amount in the exhaust gas is used as the reference gas.
ここで、初期値の設定として、図5−1のチャートに示すように、第1の光検出器31によりミー散乱光30の粒子状物質の信号強度(=M0)を求めておく。
また、図5−2のチャートに示すように、第2の光検出器18により測定領域14に存在する濃度校正用ガス(本例ではN2)のラマン散乱光15の信号強度(=R0)を求めておく。なお、レーザ出力とラマン散乱光の信号強度は図8に示すように、比例関係にある。
Here, as the initial value setting, as shown in the chart of FIG. 5A, the signal intensity (= M 0 ) of the particulate matter of the Mie scattered light 30 is obtained by the
Further, as shown in the chart of FIG. 5B, the signal intensity (= R 0 ) of the Raman scattered light 15 of the concentration calibration gas (N 2 in this example) existing in the
すなわち、粒子状物質濃度の計測の都度、第1の光検出器31によりミー散乱光30の粒子状物質の検出信号強度(M1)を計測する(図6−1のチャート)と共に、第2の光検出器18により測定領域14に存在する基準ガス(N2)のラマン散乱光15の信号強度(R1)を計測する(図6−2のチャート)。
そして、図6−3に示すように、初期に得られたR0と濃度計測の際に実際に測定されたR1とから求めた「R0/R1」を校正定数(K)とする。そして、前記計測されたミー散乱光30の粒子状物質の検出信号強度(M1)に校正係数(K=R0/R1)を乗じて、真の粒子状物質濃度(M2)を算出する。
That is, each time the particulate matter concentration is measured, the
As shown in FIG. 6-3, “R 0 / R 1 ” obtained from R 0 obtained in the initial stage and R 1 actually measured at the time of concentration measurement is set as a calibration constant (K). . Then, the true particulate matter concentration (M 2 ) is calculated by multiplying the measured signal intensity (M 1 ) of the particulate matter of the Mie scattered light 30 by the calibration coefficient (K = R 0 / R 1 ). To do.
これにより、測定の都度、初期値のラマン散乱光15の窒素濃度を基準として校正係数Kを用いて、校正することで、濃度校正された真の値の粒子状物質濃度(M2)を迅速に求めることができる。
この際、基準ガスとして用いる窒素は、外部から導入するものではなく、排ガス中に含まれているガスそのものであるので、計測精度が向上する。
As a result, the true concentration of particulate matter (M 2 ) whose concentration has been calibrated is quickly calibrated by using the calibration coefficient K with reference to the nitrogen concentration of the initial Raman scattered light 15 as a reference. Can be requested.
At this time, nitrogen used as the reference gas is not introduced from the outside, but is the gas itself contained in the exhaust gas, so that the measurement accuracy is improved.
そして、微粒子状物質(煤塵)の散乱を計測するには、レーザ光11の照射によって、窓27−1、27−2を通って測定領域14内に微粒子状物質に当たって、ミー散乱し、そのミー散乱光30が窓32aを通って、第1の光検出器31に導入される。
窒素も同様に、近傍の波長で散乱が発生し、ラマン散乱光15が窓27−1、27−2を通って、第2の光検出器18で計測される。
このように、同一の性質の光が、同一の光学部品を通って、計測されるので、校正精度が高いものとなる。
In order to measure the scattering of the particulate matter (dust), the
Similarly, nitrogen also scatters at a nearby wavelength, and the Raman scattered light 15 passes through the windows 27-1 and 27-2 and is measured by the
In this way, light of the same property is measured through the same optical component, so that the calibration accuracy is high.
これに対し、窓の外に出力計を設置するような場合、窓の汚れに起因する状況(励起光の窓の透過率と散乱光の窓の透過率)は考慮されないので、校正精度が低いものとなる。
また、窓の中の測定領域内に出力計を設置するような場合、レーザ光の入射光の汚れは加味され、励起光の窓の透過率は考慮されるが、散乱光の透過率は考慮されないので、同様に校正精度が低いものとなる。出力計は精密部品であるので、測定場内に設置すると汚れの影響もおおきく、精度の良い出力の測定が困難な場合がある。
In contrast, when an output meter is installed outside the window, the calibration accuracy is low because the situation due to the dirt on the window (the transmittance of the excitation light window and the transmittance of the scattered light window) is not considered. It will be a thing.
In addition, when an output meter is installed in the measurement area in the window, contamination of the incident light of the laser light is taken into account and the transmittance of the excitation light window is taken into account, but the transmittance of the scattered light is taken into consideration. As a result, the calibration accuracy is similarly low. Since the output meter is a precision part, if it is installed in the measurement site, it will be greatly affected by dirt, and it may be difficult to measure the output with high accuracy.
本実施例では、被測定ガスとしてディーゼルエンジン排ガスを一例として用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、産業設備から排出され、例えばガス化に利用する生成ガスとして例えばバイオマスガス化ガス、石炭ガス化ガス等を挙げることができるが、他の用途に用いられるガス化装置、ガスエンジンからの排ガスにおいても、適用可能である。 In the present embodiment, diesel engine exhaust gas is used as an example of the gas to be measured. However, the present invention is not limited to this. For example, biomass gas may be used as a generated gas discharged from industrial equipment and used for gasification, for example. Gasified coal, coal gasified gas, and the like can be mentioned, but the present invention can also be applied to gasifiers used for other purposes and exhaust gas from gas engines.
以下に、レーザ装置を用いたガス中の粒子状物質濃度計測装置の各構成部材について説明する。
先ず、レーザ光11を出力し排ガス201へ照射する機能を有するレーザ装置13について説明する。レーザ装置13は、レーザ発振によりレーザ光11を出力するものであり、使用するレーザにより、レーザ光11の波長は、所望のものを使用できる。
本発明では、波長が可視光域(400nm〜700nm)のものを使用するのが好ましい。ここでは、532nmのものを用いている。
Below, each structural member of the particulate-material density | concentration measuring apparatus in the gas using a laser apparatus is demonstrated.
First, the laser device 13 having the function of outputting the
In the present invention, it is preferable to use one having a wavelength of visible light (400 nm to 700 nm). Here, the one of 532 nm is used.
なお、排気管202内に設けられるパワーメータ26は、レーザ装置13から出力されるレーザ光11の進行方向上に設けられており、レーザ光11の出力を正確に計測することが出来る計算機器である。この数値をフィードバックし、レーザ装置13の出力を調整する。
これにより、レーザ光の位置検出精度が向上し、光軸修正を迅速に行うことが可能となる。ただし、劣悪環境では不向きである。
Note that the
Thereby, the position detection accuracy of the laser beam is improved, and the optical axis can be corrected quickly. However, it is not suitable for poor environments.
また、反射ミラー21は、出力されたレーザ光11の進行方向を、排ガス201の存在する排気管202の方向へ、反射により向けさせるミラーである。このミラー21の角度を調整することにより、測定領域14内で任意の位置での計測を可能としている。
The reflecting
測定用のレーザ光11及び排ガス201からのラマン散乱光15は、第1の窓27−1及び第2の窓27−2から出入りする。
The
第2の窓27−2は、排ガス201を外部へ流出させないための石英ガラス製の窓である。石英ガラス製にしているのは、その窓をレーザ光11が透過できるようにするためである。なお、この窓は二重にしており、石英ガラス1枚が破損しても、ガスがリークしないようにしている。
The second window 27-2 is a quartz glass window for preventing the
また、レーザ光11の通路には、電磁弁(図示せず)が設けられており、通常は、閉じている。これは、長期間に亙って排気管202側の第2の窓27−2を排ガス201に曝しておくと、該ガス中の不純物により、第2の窓27−2が汚れてしまい、その汚れの為にレーザによる測定が困難となるからである。なお、前記電磁弁は測定時には開口される。
Further, an electromagnetic valve (not shown) is provided in the path of the
また、排気管202に直接第2の窓27−2を設置しているが、本発明はこれに限定されず、排気管に一部を分岐したラインに測定チャンバを設け、測定チャンバ内の測定領域に存在する排ガスにレーザ光を照射して測定をするようにしてもよい。ただし、排ガスは、この場所で留まっている必要は無く、ガスが滞留することなく流れている(動いている)状態であっても測定可能である。
In addition, the second window 27-2 is directly installed in the
次に、排ガス201中の粒子状物質からのミー散乱光30を分光し、測定データとして取り出す機能を有する第1の光検出器31について説明する。第1の光検出器31は、排ガス201中の固体成分である粒子状物質からのミー散乱光30を受光窓32aを備えた受光部32で受光し、光ファイバ33により導入した後に分光し、第1の検出器31において、測定データとして取り出す機能を有する。
Next, the
また、排ガス201からのラマン散乱光15を分光し、測定データとして取り出す機能を有する分光部16を有する第2の光検出器18について説明する。ここで、測定領域14の中心部から散乱されたラマン散乱光15は、レーザ光11からある角度をなして、第2の窓27−2及び第1の窓27−1を経由して分光部16へ入る。
Further, the
上記分光部16内に設けられる偏光子(図示せず)は、特定の偏光面を持つ散乱光のみを進行方向は変えずに透過させる偏光手段であり、この偏光子で透過した散乱光は、集光レンズ(図示せず)により集光された後に、フィルタ(図示せず)により、特定の波長の散乱光のみ透過させるようにしている。本実施例では、570〜700nmの領域の光が透過するフィルタを使用する。
The polarizer (not shown) provided in the
そして、特定の波長領域となったラマン散乱光15は分光部16で分光され、ここに接続されているICCDカメラ17により、光の強度を計測している。そして、このICCDカメラ17は光電子増倍型のデバイスであり、ここで分光部16により分光された各波長の光の強度を計測するようにしている。
The Raman scattered light 15 in a specific wavelength region is spectrally separated by the
このような、図4に示す濃度計測装置10を用いて、粒子状物質濃度を計測した結果、計測時の真の粒子状物質濃度が所定の閾値を超えている場合には、図示しない制御装置により、粒子状物質濃度が低減させるような種々のエンジン制御を行うようにしている。
As a result of measuring the particulate matter concentration using the
ここで、粒子状物質濃度を低減させるようなエンジン制御としては、以下の制御方法を例示することができる。
図3―1に示すディーゼルエンジンシステム200Aにおいては、第1のエンジン制御として、電磁式高圧噴射システム(例えばCRS(コモンレール式燃料噴射システム)130の燃料噴射タイミングを進め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
Here, the following control methods can be exemplified as engine control for reducing the particulate matter concentration.
In the
また、第2のエンジン制御としては、電磁式高圧噴射システム(例えばCRS(コモンレール式燃料噴射システム)220の燃料噴射圧を高め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。 As the second engine control, the fuel injection pressure of an electromagnetic high-pressure injection system (for example, CRS (common rail fuel injection system)) 220 is increased to reduce the particulate matter concentration.
また、第3のエンジン制御としては、過給機111の過給圧を高め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
As the third engine control, the supercharging pressure of the
図3―2に示すディーゼルエンジンシステム200Bにおいては、前述した第1乃至3のエンジン制御に加えて、さらに、第4のエンジン制御として、排ガス再循環(EGR)装置のEGRバルブ212の開度を絞り、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
In the
また、第1乃至第4のエンジン制御を実施しても、粒子状物質濃度の低減効果が発揮されない場合に、排ガス201中の粒子状物質を除去するDPF230に排ガス201を通過させる制御を行い、外部への排出を防止するようにしている。
In addition, when the first to fourth engine controls are not performed, if the particulate matter concentration reducing effect is not exhibited, the
さらに、粒子状物質濃度が所定の閾値を超えた場合には、図示しない制御装置からアラームを発して、機関停止を実行するようにしてもよい。 Furthermore, when the particulate matter concentration exceeds a predetermined threshold, an alarm may be issued from a control device (not shown) to stop the engine.
ここで、制御手段は、マイコン等で構成されている。制御手段は、RAMやROM等から構成されてプログラムやデータが格納される記憶部(図示せず)が設けられている。記憶部に格納されるデータは、エンジンからの排ガス中の微粒子状物質の濃度を確認して、所定の閾値を超えているか否かを判断し、粒子状物質の排出を抑制するよう制御を行う。 Here, the control means is constituted by a microcomputer or the like. The control means is composed of a RAM, a ROM, etc., and is provided with a storage unit (not shown) in which programs and data are stored. The data stored in the storage unit checks the concentration of particulate matter in the exhaust gas from the engine, determines whether or not a predetermined threshold is exceeded, and controls to suppress particulate matter emission. .
次に、制御手段による粒子状物質の濃度計測及びその排出抑制対策の一例の制御について説明する。図9は、ガス中の微粒子を計測してその対策を実施するフローチャートの一例である。 Next, the control of an example of the particulate matter concentration measurement by the control means and the emission suppression countermeasure will be described. FIG. 9 is an example of a flowchart for measuring the fine particles in the gas and implementing the countermeasure.
まず、制御手段は、濃度計測装置10からの微粒子状物質(PM)の排出濃度を計測する(ステップST1)。 First, the control means measures the discharge concentration of the particulate matter (PM) from the concentration measuring device 10 (step ST1).
次に、計測した濃度が所定の許容値(閾値)を超えていないかを判断する(ステップST2)。 Next, it is determined whether or not the measured density exceeds a predetermined allowable value (threshold value) (step ST2).
計測したPM濃度が許容値を超えていないと判断した場合(ステップST2:Yes)、本制御を終了し、引き続き、微粒子状物質の濃度計測を継続する。
一方、上記許容値を超えていると判断した場合(ステップST2:No)、排気管202の酸素濃度及び二酸化炭素濃度を計測する(ステップST3)。
If it is determined that the measured PM concentration does not exceed the allowable value (step ST2: Yes), this control is terminated, and the concentration measurement of the particulate matter is continued.
On the other hand, when it is determined that the allowable value is exceeded (step ST2: No), the oxygen concentration and the carbon dioxide concentration in the
ステップST3での計測結果に基づき、酸素過剰率を算出する(ステップST4)。 Based on the measurement result in step ST3, the oxygen excess rate is calculated (step ST4).
次に、算出した酸素過剰率が所定の許容値(閾値)を下回っていないかを判断する(ステップST5)。
上記許容値を下回っていると判断した場合(ステップST5:No)、排気タービンノズルを絞り、吸気圧力を増大させる(ステップST6)。
Next, it is determined whether the calculated oxygen excess rate is less than a predetermined allowable value (threshold value) (step ST5).
If it is determined that the value is below the allowable value (step ST5: No), the exhaust turbine nozzle is throttled to increase the intake pressure (step ST6).
その後、再度、排気管202の酸素(O2)濃度及び二酸化炭素(CO2)濃度を計測する(ステップST3)。
Thereafter, the oxygen (O 2 ) concentration and the carbon dioxide (CO 2 ) concentration in the
一方、酸素過剰率が許容値を下回っていないと判断した場合(ステップST5:Yes)、吸気の酸素(O2)濃度及び二酸化炭素(CO2)濃度を計測する(ステップST7)。
ステップST7での計測結果に基づき、吸気酸素濃度を算出する(ステップST8)。
On the other hand, when it is determined that the oxygen excess rate is not below the allowable value (step ST5: Yes), the oxygen (O 2 ) concentration and the carbon dioxide (CO 2 ) concentration of the intake air are measured (step ST7).
Based on the measurement result in step ST7, the intake oxygen concentration is calculated (step ST8).
次に、算出した吸気酸素過剰率が所定の許容値(閾値)を下回っていないかを判断する(ステップST9)。
上記許容値を下回っていると判断した場合(ステップST9:No)、EGRバルブの開度絞りを実行する(ステップST10)。
Next, it is determined whether the calculated intake oxygen excess rate is less than a predetermined allowable value (threshold) (step ST9).
If it is determined that the value is below the allowable value (step ST9: No), the opening of the EGR valve is throttled (step ST10).
その後、再度、吸気の酸素(O2)濃度及び二酸化炭素(CO2)濃度を計測する(ステップST7)。 Thereafter, the oxygen (O 2 ) concentration and the carbon dioxide (CO 2 ) concentration in the intake air are measured again (step ST7).
一方、吸気酸素過剰率が許容値を下回っていないと判断した場合(ステップST9:Yes)、再度、濃度計測装置10を用いて微粒子状物質の濃度を計測する(ステップST11)。 On the other hand, when it is determined that the intake oxygen excess rate is not lower than the allowable value (step ST9: Yes), the concentration of the particulate matter is again measured using the concentration measuring device 10 (step ST11).
次に、計測した濃度が所定の許容値(閾値)を超えていないかを判断する(ステップST12)。
計測したPM濃度が許容値を超えていないと判断した場合(ステップST12:Yes)、本制御を終了し、引き続き、微粒子状物質の濃度計測を継続する。
Next, it is determined whether or not the measured density exceeds a predetermined allowable value (threshold value) (step ST12).
If it is determined that the measured PM concentration does not exceed the allowable value (step ST12: Yes), this control is terminated, and the concentration measurement of the particulate matter is continued.
一方、上記許容値を超えていると判断した場合(ステップST12:No)、燃料噴射圧を増大させる制御を実行する(ステップST13)。
その後、濃度計測装置10を用いて微粒子状物質の濃度を再度計測する(ステップST11)。
On the other hand, when it is determined that the allowable value is exceeded (step ST12: No), control for increasing the fuel injection pressure is executed (step ST13).
Thereafter, the concentration of the particulate matter is measured again using the concentration measuring device 10 (step ST11).
このように、ディーゼルエンジン運転中において、常に正確な微粒子状物質の濃度を計測することで、燃料噴射圧、過給圧の変化に応じて、実際にどれくらいの微粒子状物資(PM)が排出されたかどうかの確認をオンラインで行うことができる。
また、ラマン散乱分析は、図7に示すように、N2、CO2、O2、H2Oも同時に検出できるので、リアルタイムでO2、CO2濃度もトレースできる。この計測には、吸気管においてもレーザ装置13と第2の光検出器18とからなるレーザ計測計を設置することで、導入ガスの組成がリアルタイムで確認することができる。
In this way, by measuring the concentration of particulate matter accurately while the diesel engine is operating, how much particulate matter (PM) is actually discharged according to changes in fuel injection pressure and supercharging pressure. You can check online.
In addition, as shown in FIG. 7, the Raman scattering analysis can simultaneously detect N 2 , CO 2 , O 2 , and H 2 O, so that the O 2 and CO 2 concentrations can be traced in real time. For this measurement, the composition of the introduced gas can be confirmed in real time by installing a laser measuring meter including the laser device 13 and the
以上のように、本発明に係るガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムによれば、長期間に亙って安定して精度良くガス中の微粒子成分(煤塵)の計測ができる。さらにエンジン運転中に、粒子状物質の濃度を正確に計測巣することができるため、エンジンを正常に運転するための制御を行うことができる。 As described above, according to the engine system equipped with the particulate matter concentration measuring method and the particulate matter concentration measuring apparatus according to the present invention, the particulate component in the gas is stable and accurate over a long period of time. (Dust) can be measured. Furthermore, since the concentration of the particulate matter can be accurately measured during engine operation, control for normal operation of the engine can be performed.
10 濃度計測装置
11 レーザ光
13 レーザ装置
14 測定領域
15 ラマン散乱光
16 分光部
18 第2の光検出器(ラマン散乱光検出器)
30 ミー散乱光
31 第1の光検出器(ミー散乱光検出器)
100 ディーゼルエンジン
120 気筒
200A〜200C 濃度計測装置を備えたエンジンシステム
201 排ガス
202 排気管
DESCRIPTION OF
30 Mie scattered light 31 1st photodetector (Mie scattered light detector)
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第1の光検出器と、
前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第2の光検出器とを具備してなる粒子状物質濃度計測装置を用い、
予め、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の信号強度(M0)を計測すると共に、第2の光検出器により被測定ガス中に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度(R0)を計測しておき、
粒子状物質濃度の計測を行う都度、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)を計測すると共に、第2の光検出器により測定領域に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度(R1)を計測し、
得られたR0/R1を校正定数(K)とし、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)に、校正係数(K=R0/R1)を乗じて真の粒子状物質濃度(M2)を算出することを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法。 A laser device for irradiating a gas to be measured with laser light;
A first photodetector for measuring Mie scattered light generated by the laser light irradiation;
Using a particulate matter concentration measuring device comprising a second photodetector for measuring Raman scattered light generated by the laser light irradiation,
The signal intensity (M 0 ) of the particulate matter of Mie scattered light is previously measured by the first photodetector, and the Raman scattered light signal of the reference gas existing in the gas to be measured is measured by the second photodetector. Measure the intensity (R 0 )
Each time the particulate matter concentration is measured, the detection signal intensity (M 1 ) of the particulate matter of Mie scattered light is measured by the first photodetector, and the reference existing in the measurement region by the second photodetector. Measure the signal intensity (R 1 ) of the Raman scattered light of the gas,
The resulting R 0 / R 1 and calibration constant (K), the particulate matter concentration detection signal intensity of the particulate matter measurement time of Mie scattered light (M 1), the calibration factor (K = R 0 / Multiplying R 1 ) to calculate the true particulate matter concentration (M 2 ), a particulate matter concentration measurement method in gas.
前記基準ガスが、被測定ガスに含まれるガスであることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法。 In claim 1,
The method for measuring the concentration of particulate matter in a gas, wherein the reference gas is a gas contained in the gas to be measured.
前記基準ガスが、窒素であることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法。 In claim 1,
The method for measuring the concentration of particulate matter in a gas, wherein the reference gas is nitrogen.
前記被測定ガスが、ディーゼルエンジンからの排ガスであることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法。 In claim 1 or 2,
The method for measuring particulate matter concentration in a gas, wherein the gas to be measured is exhaust gas from a diesel engine.
前記ディーゼルエンジンからの排ガスを排出する排気管と、
前記排気管中の排ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、
前記レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第1の光検出器と、
前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第2の光検出器と、を具備してなり、
予め、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の信号強度(M0)を計測すると共に、第2の光検出器により被測定ガス中に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度(R0)を計測しておき、
粒子状物質濃度の計測を行う都度、第1の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)を計測すると共に、第2の光検出器により測定領域に存在する基準ガス(窒素)のラマン散乱光の信号強度(=R1)を計測し、
得られたR0/R1を校正定数(K)とし、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度(M1)に、校正係数(K=R0/R1)を乗じて真の粒子状物質濃度(M2)を算出し、
真の粒子状物質濃度が閾値を超えている場合には、エンジン制御を行うことを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。 A diesel engine,
An exhaust pipe for discharging exhaust gas from the diesel engine;
A laser device for irradiating the exhaust gas in the exhaust pipe with laser light;
A first photodetector for measuring Mie scattered light generated by the laser light irradiation;
A second photodetector for measuring the Raman scattered light generated by the laser light irradiation,
The signal intensity (M 0 ) of the particulate matter of Mie scattered light is previously measured by the first photodetector, and the Raman scattered light signal of the reference gas existing in the gas to be measured is measured by the second photodetector. Measure the intensity (R 0 )
Each time the particulate matter concentration is measured, the detection signal intensity (M 1 ) of the particulate matter of Mie scattered light is measured by the first photodetector, and the reference existing in the measurement region by the second photodetector. Measure the signal intensity (= R 1 ) of Raman scattered light of gas (nitrogen),
The resulting R 0 / R 1 and calibration constant (K), the particulate matter concentration detection signal intensity of the particulate matter measurement time of Mie scattered light (M 1), the calibration factor (K = R 0 / R 1 ) to calculate the true particulate matter concentration (M 2 )
An engine system equipped with a particulate matter concentration measuring device, characterized in that engine control is performed when the true particulate matter concentration exceeds a threshold value.
前記エンジン制御が、燃料噴射タイミングを進める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。 In claim 5,
An engine system comprising a particulate matter concentration measuring device, wherein the engine control is control for advancing fuel injection timing.
前記エンジン制御が、燃料噴射圧を高める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。 In claim 5,
An engine system comprising a particulate matter concentration measuring device, wherein the engine control is control for increasing a fuel injection pressure.
前記エンジン制御が、ターボチャージャーの過給圧を高める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。 In claim 5,
An engine system comprising a particulate matter concentration measuring device, wherein the engine control is control for increasing a supercharging pressure of a turbocharger.
前記エンジン制御が、排ガス再循環(EGR)装置のEGRバルブの開度を絞る制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。 In claim 5,
An engine system provided with a particulate matter concentration measuring device, wherein the engine control is control for reducing an opening of an EGR valve of an exhaust gas recirculation (EGR) device.
さらに、排ガス中の粒子状物質を除去する除去フィルタに排ガスを通過させる制御を行うことを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。 In any one of Claims 5 thru | or 9,
Furthermore, the engine system provided with the particulate matter concentration measuring apparatus characterized by performing control which makes exhaust gas pass through the removal filter which removes the particulate matter in waste gas.
さらに、アラームを発することを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。
In any one of Claims 5 to 10,
Furthermore, the engine system provided with the particulate matter concentration measuring device characterized by issuing an alarm.
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CN106483052A (en) * | 2016-10-08 | 2017-03-08 | 北京信息科技大学 | A kind of PM2.5 detector based on light scattering method |
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