JP2017008900A - 天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極寒地でのエンジン始動時や低負荷運転時においても、煤を発生することなく、着火用燃料を効率よく使用して、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、少ない量の吸入空気で高効率な燃焼を行って、エンジン始動時から天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができ、また、アイドリング時や低負荷運転時でも、着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができる天然ガスエンジンと天然ガスエンジンの運転方法を提供する。【解決手段】燃料として、天然ガスＣとこの天然ガスＣとは別の着火用燃料Ｆを使用し、この着火用燃料Ｆのシリンダ内における圧縮着火により天然ガスＣを燃焼させる天然ガスエンジン１０において、着火用燃料Ｆとして、ジメチルエーテルを使用し、エンジン始動時においては、着火用燃料Ｆのみを供給して、又は、着火用燃料Ｆと前記天然ガスＣの両方を供給して始動する。【選択図】図４

Description

本発明は、天然ガスエンジンにおいて、火花点火システムを使用せずに、天然ガスとは別の燃料である着火用燃料の圧縮着火により天然ガスを高効率で燃焼できる天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法に関する。

乗用車やトラックなどの車両において、地球温暖化対策として、ＣＯ₂排出係数が高位発熱量ベースで０．０１８７ｔＣ／ＧＪ（ギガジュール）の軽油に対して、ＣＯ₂排出係数が高位発熱量ベースで０．０１３５ｔＣ／ＧＪの天然ガス（ＣＮＧ）を燃料にする天然ガスエンジンが開発されてきている。この軽油から、ＣＯ₂排出係数が軽油の７２％である天然ガスに燃料を切り替えることで、単純熱計算では約２８％のＣＯ₂排出量の減少が見込まれるので、燃料を軽油から天然ガスへの切り替えによる地球温暖化防止の効果は大きい。

この天然ガスエンジン（ＣＮＧエンジン）では、図５に示すように、シリンダヘッド６１に設けた点火プラグ６２による火花点火により、ピストン６３で圧縮された天然ガスＣを着火させて、この天然ガスＣを燃焼させている。また、排気ガス中のＮＯｘを低減させるために三元触媒を用いて排気ガス中のＮＯｘを浄化しているが、三元触媒の触媒作用を発揮させるために、スロットル弁で吸入空気量を制限して燃料量と空気量が空気過剰率（λ）で１．０となる量論燃焼を実施し、酸素の無い状態の排気ガスにしている。

このため、アイドリング運転領域や必要馬力が少ない軽負荷運転領域においては、量論燃焼させるために、燃料の減少に伴って吸入空気量を減少するので、この空気量の減少により圧縮圧力が低下し、火炎伝播が途切れ未燃焼領域が多くなり天然ガスの燃焼が不安定になったり、失火したりするという問題がある。

また、高出力やシリンダボアの径が大きい大型エンジンの場合には、図６に示すように、エンジン１０Ｘの排気系通路６７側の高温の燃焼ガスＧと、吸気系通路６５側の低温の吸入空気Ａとの関係で、吸気系通路６５側に対して排気系通路６７側の部分（クロスハッチングで示す部分）Ｈが高温になり易くなる。そのため、天然ガス燃料Ｃは、点火プラグ６２の点火による着火ではなく、燃焼行程に入る前に、この高温部Ｈに触れて着火し、燃焼が高温部Ｈ側から燃焼室６４の全体に広がっていく、デトネーション（異常燃焼）と呼ばれる現象が発生する。この現象が発生した場合には、ピストン６３はシリンダ７０に片当たりして円滑に往復運動できなくなり、エンジン故障の原因となる。また、このデトネーションはノッキングの原因の一つでもある。

また、天然ガスエンジンでは、天然ガスの着火性が悪い上に、燃焼室に配置できる点火プラグの数が構造上限定され、通常は点火源が一箇所となるので、各サイクル毎に確実に着火させることが困難となり、燃焼効率が悪いという問題がある。この燃焼効率が悪いと、必要とされる出力を出すために多量の燃料が必要になるので、燃費が悪化する。また、着火を確実にしようとして多量の燃料を燃焼室に入れると、燃焼温度が上昇して、点火プラグ、排気バルブ、排気マニホールド等の温度が上がり、排気系部品の破損等が発生し易くなるという問題が生じる。

更に、エンジン始動時には、天然ガスの着火が困難であり、始動に関しても軽油燃料に比べて時間が係るという問題がある。特に、冬場の空気温度が低い場合には、失火して未燃天然ガスが排出し、臭気が生じるという問題もある。

これらの問題への対策として、天然ガス（ＣＮＧ）をＣＮＧインジェクタで吸気通路に、軽油を軽油インジェクタで燃焼室に噴射して、圧縮着火性の高い軽油と混合させることで、軽油を火種としてＣＮＧを燃焼させ、ＣＮＧ及び軽油の割合は、燃焼室内における燃焼時の最大圧力に基づいて変更する内燃機関の燃料制御装置が提案されている (例えば、特許文献１参照)。

この軽油燃料を併用する天然ガスエンジン１０Ｙでは、図７に示すように、天然ガスＣと吸入空気Ａとが混合した混合気を圧縮する圧縮行程で、軽油燃料ｆが液体燃料噴射インジェクタ６９より噴射され、燃焼室６４内で拡散されながら、混合気の断熱圧縮により混合気の温度が上昇し、軽油の発火（着火）温度を超えると、圧縮着火により軽油燃料ｆが燃焼を開始し、この火種の周囲の天然ガスＣも燃焼する。

この燃焼開始時点では、軽油燃料ｆは燃焼室６４内に拡散しているので、多点着火となり排気系高温部からの着火を防止でき、燃焼室６４全体で燃焼し、ピストン６３の頂部には略均一な力が加わるため、ピストン６３は円滑に往復運動する。従って、この軽油燃料ｆと天然ガスＣを使用するエンジンでは、デトネーションを防止できる。また、点火プラグを使用しないので、点火プラグの熱害も発生しない。

しかしながら、この軽油燃料を併用する天然ガスエンジンにおいても、図８に示すように、従来技術の空気過剰率λが２〜８で運転される軽油燃料のディーゼルエンジンに比べて、空気過剰率λが１のストイキ燃焼で運転される天然ガスエンジンでは、吸入空気量が著しく減少するので、シリンダ内の圧縮圧力が低下し、断熱圧縮でのシリンダ内の混合気の温度上昇も低下してしまうという問題がある。特に、エンジン出力（馬力）が少ない軽負荷運転領域の場合には、燃料の減少に伴い、吸入空気量が著しく減少し、圧縮圧力の低下が大きくなるため、着火及び燃焼が不安定になるという問題があり、これを解決する必要がある。

本発明者は、これに関連して、軽油燃料併用の天然ガスエンジンにおいて、低負荷運転状態やストイキ燃焼又はリッチ燃焼においても、確実且つ安定して、圧縮着火源となる軽油とこの軽油の燃焼を着火源とする天然ガスを燃焼できて、少ない燃料と少ない吸入空気で高効率な燃焼を行うことを目的に、吸気行程中のシリンダ内に排気ガスを導入する排気導入機構を備えた天然ガスエンジンを提案している（例えば、特許文献２参照）。

また、本発明者は、全運転領域で確実且つ安定して天然ガスを着火できて、少ない燃料と少ない吸入空気で高効率な燃焼を行い、しかも、エンジン運転状態が高負荷領域の場合でもデトネーションによるノッキングを抑制することを目的に、排気導入機構を備えると共に、シリンダ内に噴射する軽油の量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転用の軽油の量とし、エンジン出力の増減は、天然ガスの量の増減で行い、かつ、アクセル開度が予め設定した第１開度よりも大きい高負荷領域では、軽油のシリンダ内燃料噴射をマルチ噴射で行う天然ガスエンジンを提案している（例えば、特許文献３参照）。

この着火源として軽油を使用する際には、軽油は密度が高く、真発熱量が３６．０ＭＪ（メガジュール）／ｌ（リットル）と比較的高いため、着火源として必要な熱量を発生させるために必要な量は比較的少量となってしまい、この少量の液体噴射を良好な噴霧状態で噴射することは、現状の燃料噴射ノズルでは難しく、また、天然ガスの良好な着火を実現するためには、噴射圧をある程度高く、噴射時間もある程度長くする必要があり、噴霧状態や天然ガスとの混合状態を優先すると、着火源としての軽油の量を、熱計算的に必要な容積量よりも多くして、着火性を確保する必要がある。そのため、天然ガスを使用して、地球温暖化に対するＣＯ₂の排出量の低減を図っているにもかかわらず、熱計算的に必要以上の軽油を燃焼させることにより、この地球温暖化に対する効果が抑えられてしまうという問題があることが分かった。

この問題に対処するために、本発明者は、特願２０１４−１９８８１４で、軽油よりも容積当たりの発熱量が小さく、同じ発熱量であってもその容積量が多くなり、噴射期間を長く取れ、噴霧し易く、しかも、天然ガスと混合し易く、着火性を示すセタン価が高い着火用燃料として、単位容積当たりの真発熱量が３２ＭＪ（メガジュール）／ｌ（リットル）〜３５ＭＪ／ｌの範囲内で、かつ、セタン価が６５〜９０の範囲内の液体燃料を使用する天然ガスエンジンを提案している。

一方、これらの天然ガスエンジンでは、排気ガス規制への対応に関しては、空気過剰率λが１のストイキ燃焼で運転されるので、三元触媒を用いてＮＯｘの低減を図っているが、煤の発生が少ないので、煤やＰＭ対策用の微粒子捕集用フィルタを備えていない。

しかしながら、単位容積当たりの真発熱量が３２ＭＪ（メガジュール）／ｌ（リットル）〜３５ＭＪ／ｌの範囲内で、かつ、セタン価が６５〜９０の範囲内の液体燃料の条件を満たす着火用燃料としての候補に挙がっている合成軽油（ＧＴＬ：Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）では、多環芳香族が含まれていないので、軽油と比べれば煤の発生は少ないが、天然ガスエンジンでは軽負荷で燃焼を安定させるためにλ＝１（理論混合比：完全燃焼に必要な余剰空気量）とするために、酸素に余裕がないので、燃焼状態によっては煤の発生の可能性が考えられる。

特に、極寒地域での始動時では、天然ガスの着火性が悪く、着火用燃料を増加して燃焼を開始させることになるので、煤発生の可能性が少しでもあり、万一、発生する煤量が多くなると、微粒子捕集用フィルタを備える必要が生じたりして、煤の無く微粒子捕集用フィルタが不要になるという天然ガスエンジンの折角の利点を損なうことになるので、この煤の発生への対応を考えておくことが重要になる。

言い換えれば、本発明者は、軽油や合成軽油を使用して天然ガスの着火を促進する天然ガスエンジンを提案し、これによって、大幅に安定した燃焼を実現した。しかし、始動時、極寒低負荷条件では燃料を増加させ早急にエンジンを暖気して燃焼を安定させる必要が生じるが、その場合、軽油や合成軽油では煤の生成の可能性があり、微粒子捕集用フィルタが無く、また、ＮＯｘ浄化用触媒もない天然ガスエンジンでは、低煤、低ＮＯxの実現が困難になる。

特開２０１２−５７４７１号公報 特開２０１４−１０９１９８号公報 特開２０１４−１０９１９９号公報

一方、最近、注目が集まっている燃料の一つに、ジメチルエーテル（ＤＭＥ：ＣＨ₃ＯＣＨ₃）がある。このジメチルエーテルは、水素と一酸化炭素から直接合成でき、常温では無色・無臭の気体で、６気圧で液化し、真発熱量が６．８〜２８．８ＭＪ／ｋｇ、セタン価が５５〜６０、密度が０．６６７ｇ／ｃｍ³のガスである。このＤＭＥは石油に比較して埋蔵量が豊富な天然ガスや石炭などから合成できるので、脱石油燃料として期待されている。

このジメチルエーテルは、含酸素燃料であるので煤の発生が全く無く、排気ガス対策では有利であるが、軽油や天然ガスや合成軽油（ＧＴＬ）に比べて、重量や体積当たりの発熱量が低いため、同じ発熱量を得るためにはより多く量が必要になるという問題があり、ジメチルエーテルのみを燃料として使用するのは効率が悪いと考えられている。例えば、燃料タンクが大きくなる。噴射ポンプは吐出量の大きな物が必要となる。

このジメチルエーテルに対して、本発明者は、着火用燃料として使用する場合には、多くの燃料を必要としないので、重量や体積当たりの発熱量が低いという欠点は、逆にシリンダ内に供給する熱量を現状の燃料噴射ノズルでも精度よく調整できるという利点になると考えた。

言い換えれば、着火源として必要な量が比較的多いということは、噴射圧をある程度高く、また、噴射時間もある程度長くする事ができるということになるので、現状の液体噴射ノズルを使用しても、着火用燃料としてのジメチルエーテルの量を、熱計算的に必要な容積量にして着火性を確保できるので、ジメチルエーテルを有効に使用できるのではないかと考えた。

つまり、オクタン価が高く着火し難い天然ガスの着火を助けるために、着火性を示す指標の一つであるセタン価は合成軽油（ＧＴＬ）に比べると低いが、軽油並みかそれ以上であり、着火用燃料としては十分なセタン価を有するジメチルエーテルを用いることで、天然ガスエンジンの着火性を確保でき、しかも、ジメチルエーテルは軽油や合成軽油に比べて重量や体積当たりの発熱量が低いので、着火用燃料の量の調整の問題を解決でき、エンジン始動時や低負荷運転時に必要とされる発熱量に近い発熱量を発生する着火用燃料の量のみで、天然ガスを良好に着火できるので燃費を向上できると共に、着火用燃料として軽油や合成軽油を使用する場合の煤の発生の問題も解決できるとの知見を得て本発明に想到した。

本発明の目的は、着火用燃料と主たる燃料としての天然ガスを使用する天然ガスエンジンにおいて、極寒地でのエンジン始動時においても、煤を発生することなく、着火用燃料を効率よく使用して、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、着火用燃料と天然ガスと少ない量の吸入空気で高効率な燃焼を行って、天然ガスを十分に燃焼させることができ、また、アイドリング時や低負荷運転時でも、着火用燃料で天然ガスを効率よく燃焼させることができて、これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをＣＯ₂排出係数が少ない天然ガスの燃焼で賄って、ＣＯ₂排出量を大幅に低減できて地球温暖化防止を図ることができる天然ガスエンジンと天然ガスエンジンの運転方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の天然ガスエンジンは、燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の着火用燃料を使用し、この着火用燃料のシリンダ内における圧縮着火により前記天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンにおいて、前記着火用燃料として、ジメチルエーテルを使用し、エンジン始動時においては、前記着火用燃料のみを供給して、又は、前記着火用燃料と前記天然ガスの両方を供給して始動するように構成される。

なお、このジメチルエーテル（ＤＭＥ）は常温では無色・無臭の気体で、常圧−２５℃、又は、常温６気圧で液化し、真発熱量が６．８〜２８．８ＭＪ／ｋｇ、セタン価が５５〜６０、密度が０．６６７ｇ／ｃｍ³のガスである。また、このジメチルエーテルは、容易に気化するため、液体でシリンダ内に噴射されても、燃焼室導入後の拡散性が良く、しかも、含酸素化合物であるので煤が発生しない、その上、硫黄（Ｓ：サルファー）成分もなく、サルフェートＰＭ（黒い煤）も発生しないことから、燃焼時におけるＰＭ発生が極めて少ない。言い換えれば、天然ガスの燃焼が不十分である場合には、着火用燃料を増加して着火を安定化する必要があるが、含酸素燃料であるジメチルエーテルでは煤生成がないので増加してもの煤発生の心配がないので使用し易く、また、微粒子捕集用フィルタを必要としない。しかも、ＥＧＲを大幅にできるためＮＯｘの発生量を低くできるので、ＳＣＲ触媒等のＮＯｘ浄化用装置を不要とすることができる。

なお、極寒地におけるエンジン始動では、着火用燃料のみで燃焼させることになる場合もあるので、煤の発生が無いことは非常に重要となる。

ちなみに、軽油は、真発熱量（低位発熱量）は約３６ＭＪ／ｌで、総合発熱量（高位発熱量）が約３８ＭＪ／ｌで、高位発熱量から低位発熱量への換算係数が０．９５である。また、軽油のセタン価は約５４程度である。一方、合成軽油（ＧＴＬ）は、単位容積当たりの真発熱量が３２ＭＪ／ｌ〜３５ＭＪ／ｌで、セタン価が６５〜９０である。

この構成によれば、単位容積当たりの発熱量が軽油の５割程度と軽油及び合成軽油よりも小さいので、着火源にするための着火用燃料の噴射量が、軽油及び合成軽油の場合よりも２倍程度多くなり、現状の燃料噴射ノズルを使用しても軽油及び合成軽油に比較して噴霧状態を著しく改善できる上に、しかも、ジメチルエーテルのセタン価は合成軽油（ＧＴＬ）よりも低いが、軽油並みに高いので、圧縮着火し易くなる。

そして、着火用燃料の噴射量が多くなることにより天然ガスとの混合性が改善されるので、天然ガスに均等に混合したジメチルエーテルが圧縮着火により燃焼することにより、この燃焼したジメチルエーテルにより天然ガス全体を均等に着火させることができるようになるので、良好な燃焼状態を得ることができる。

このジメチルエーテルは、単位重量当たりの発熱量は軽油の７割程度で、単位体積当たりの発熱量は軽油の５割程度であるため、単位容積当たりの熱量が軽油よりも低くなる。その分、噴射量が多くなるので、軽油の熱計算的な量を噴射する場合よりも噴射圧を大きく、また、噴射時間を長くすることができ、ジメチルエーテルの噴射制御を精度良く行うことができるようになる。また、セタン価が軽油と略同等又は少し高いので着火性も高く、圧縮着火性能を高めることができる。これらの結果、着火用燃料の調整不良による燃料噴射における無駄を無くすことができる。

従って、着火用燃料を単に軽油の代わりにジメチルエーテルに変えただけでなく、燃料噴射の面とセタン価の面とにより着火性を著しく向上させることができるので、極寒地でなければ、エンジン始動時から天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができる。

なお、アイドリング時や低負荷運転時では、極寒地であっても、ジメチルエーテルの着火によりで天然ガスを燃焼させることができるので、エンジン出力に寄与する燃料の発熱量の多くを天然ガスの燃焼で発生させることができる。これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをＣＯ₂排出係数が少ない天然ガスの燃焼で賄うことができるようになるので、ＣＯ₂排出量を大幅に低減でき、地球温暖化防止効果を奏することができる。

その上、ジメチルエーテルを採用した場合には、軽油に比べて硫黄分が無く、煤となる成分が殆ど無く、更に酸素を含んだ構造の燃料なので、ＰＭ捕集装置を不要にしたり、小型化したりすることができる。特に、ＮＯｘ低減のために多量ＥＧＲを行っても煤の発生が無いので、軽油を主燃料として使用していたディーゼルエンジンで、互いにトレードオフの関係にあったＮＯｘ低減と煤低減を同時に図ることができ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒や選択還元型（ＳＣＲ）触媒を用いた触媒装置も不要にしたり、小型化したりすることができる。

なお、ジメチルエーテルは現状では、軽油よりも価格が高く、単にジメチルエーテルを軽油の代わりに使用すると、天然ガスエンジンの運転コストがジメチルエーテルの使用により高コストになるが、本発明ではエンジン始動時やアイドリング運転時や低負荷運転時においても天然ガスを積極的に混入することができるので、ジメチルエーテルの使用量を著しく減少でき、運転コストの上昇を抑制できる。

上記の天然ガスエンジンにおいて、吸気行程中のシリンダ内に排気ガスを導入する排気導入機構を備えて構成される。

この排気導入機構としては、例えば、既に、周知技術となっている、排気バルブを作動させる排気カムにおいて、エンジンの運転状態に応じて、通常のカムフィールに略９０°の位相角を持って追加形成された排気導入カムプロフィールを作動可能にすることにより、吸気行程中に排気バルブの１ｍｍ〜３ｍｍ程度のリフトでシリンダ内と排気系通路を連通させて、吸気行程中に排気ガスを導入する構成や、エンジンの運転状態に応じて、排気バルブとは別の電磁ソレノイドで開閉弁の作動をする排気導入バルブを設けて、この電磁ソレノイドで吸気行程中に排気導入バルブをリフトして開弁させて、シリンダ内と排気系通路を連通させて、吸気行程中に排気ガスを導入する構成等を採用することができる。

この構成によれば、排気導入機構の作動により、適宜、吸気行程中に排気系通路の高温の排気ガスをシリンダ内に逆流させて、この燃焼直後で高温の排気ガスにより、シリンダ内の着火用燃料と天然ガスと吸入空気と排気ガスの混合気の温度を上昇させることができる。この排気導入では、燃焼直後で高温の排気ガスを導入するので、ＥＧＲクーラーを備えたＥＧＲ通路を経由して温度が低くなるＥＧＲガスの導入に比べて、シリンダ内温度上昇効果は著しく大きくなる。

その結果、少量のジメチルエーテルでも安定して圧縮着火及び燃焼をさせることができ、このジメチルエーテルの燃焼を着火源にして天然ガスの燃焼も安定して行うことができるようになる。従って、吸入空気量を絞って、空気過剰率が１．０近傍で燃焼させても、燃焼効率が良く安定した燃焼を実現でき、煤の発生も少なく、また、ジメチルエーテルの量を更に低減できるので、ジメチルエーテルの消費量が少量で済み、また、全体として燃料の燃焼による熱の発生量が少なくなるので、排気系通路へ流れる熱量が減少し、この熱量に起因する熱害が減少するのでエンジンの排気系部品の耐久性が向上する。

また、排気導入機構の作動により、エンジンが低温となっている始動時でもシリンダ内温度を迅速に昇温できるので、始動性がよくなる。その上、始動時でも少量の着火用燃料で始動させることができるので、始動による失火および煤の発生がなくなる。更に、シリンダ内温度を迅速に昇温できるので、スムーズな加速ができるようになる。

また、シリンダ内の温度を高める排気導入機構を利用することにより、軽負荷運転状態においても、シリンダ内の温度をジメチルエーテルが着火し易い温度に維持し、少ないジメチルエーテルの量で安定した着火を得ることができ、少量のジメチルエーテルで燃焼を安定させることができるので、エンジン振動を少なくして乗り心地性（ドライバビリティ）を向上することができる。また、軽負荷運転時の排気ガス量を低減できる。

なお、上記の天然ガスエンジンにおいて、シリンダ内に噴射するジメチルエーテルの量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転で必要とされる発熱量に対するジメチルエーテルの量よりも少ない一定量にして、エンジン出力の増減は、天然ガスの量の増減で行うように構成すると、この場合には、ジメチルエーテルの量が一定という非常に簡単な制御で確実にジメチルエーテルを圧縮着火でき、天然ガスの量を問わずに、天然ガスを最小の吸気量で燃焼効率よく燃焼できる。なお、この場合の吸気スロットル弁の開度は、排気ガスの空燃比や空気過剰率λや酸素濃度を計測し、量論燃焼になるように両論比判定を行って制御することが好ましい。

上記の天然ガスエンジンにおいて、前記排気導入機構の作動を行う運転状態において、前記吸気系通路に設けられた吸気シャッタによる吸気絞り制御、若しくは、排気系通路に設けられた排気シャッタによる排気絞り制御の一方又は両方を併用するように構成されると、この排気導入機構の作動と共に、吸気シャッタを閉弁方向に作動させて吸気を絞って、吸入空気量（新気の量）を量論燃焼が可能となる量に減少させると共に、吸気系通路側の圧力を低下させることができるので、より効率良く排気ガスをシリンダ内に逆流させることができ、よりシリンダ内温度を上昇でき、より燃焼効率を高めることができる。

さらに、排気シャッタを閉弁方向に作動させて排気を絞ると、排気系通路側の圧力が高くなり、排気系通路側の排気ガスをシリンダ内への逆流させやすくなり、逆流量を増加させることができるので、よりシリンダ内の温度上昇効果を高めることができる。

そして、上記のような目的を達成するための本発明の天然ガスエンジンの運転方法は、燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の着火用燃料を使用し、この着火用燃料のシリンダ内における圧縮着火により前記天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンの運転方法において、前記着火用燃料として、ジメチルエーテルを使用し、エンジン始動時においては、前記着火用燃料のみを供給して、又は、前記着火用燃料と前記天然ガスの両方を供給して始動することを特徴とする方法である。

この方法によれば、軽油や合成軽油よりも単位容積当たりの発熱量が小さいジメチルエーテルを着火用燃料として用いるので、ジメチルエーテルを着火源にするための容積噴射量が、軽油や合成軽油の場合よりも多くなり、現状の燃料噴射ノズルでも、軽油や合成軽油の場合よりも噴霧状態を改善できる上に、セタン価が高いジメチルエーテルを使用しているので、圧縮着火し易くなる。更に、着火用燃料の容積量が多くなることにより天然ガスとの混合性が改善されるので、天然ガスに均等に混合したジメチルエーテルが着火して燃焼することにより、天然ガスの全体を均等に着火させることができるようになるので、良好な燃焼状態を得ることができる。

なお、天然ガスは、高圧ガスの取り扱いとなっているのに対して、軽油や合成軽油は常温・常圧では液体であるので、高圧ガスとは別の取り扱いとなり、車両に供給する燃料スタンドとしては、法規上、別扱いとなる。そのため、軽油や合成軽油を着火用燃料として使用する場合には、高圧ガス取り扱いのスタンドと、高圧ガス取扱い資格が不要の軽油又は合成軽油のスタンドの２か所で、主燃料である天然ガスと、着火用燃料である軽油や合成軽油を車両に供給する必要が生じ、利便性が悪くなる。

一方、ジメチルエーテルは、液体状態で燃料噴射できるが、法規上は天然ガスと同じ高圧ガスとしての扱いになるため、ジメチルエーテルを着火用燃料とすると、天然ガスのスタンドと同じスタンドで、天然ガスと共にジメチルエーテルの供給を受けることができるので、燃料供給の面から見て利便性が著しく増加する。

本発明に係る天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法によれば、着火用燃料と主たる燃料としての天然ガスを使用する天然ガスエンジンにおいて、極寒地でのエンジン始動時や低負荷運転時においても、煤を発生することなく、着火用燃料を効率よく使用して、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、着火用燃料と天然ガスと少ない量の吸入空気で高効率な燃焼を行って、エンジン始動時から天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができ、また、アイドリング時や低負荷運転時でも、着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができる。

そして、これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをＣＯ₂排出係数が少ない天然ガスの燃焼で賄って、ＣＯ₂排出量を大幅に低減できて地球温暖化防止を図ることができる。

本発明の実施の形態の天然ガスエンジンの構成を模式的に示す図である。 排気導入の説明のための図である。 排気導入における吸気バルブと排気バルブのリフトを示す図である。 本発明の実施の形態の天然ガスエンジンの運転方法における着火用燃料と天然ガスとの関係を示す図である。 従来技術の天然ガスエンジンにおける天然ガスの正常な着火と燃焼状態を説明するための図である。 従来技術の天然ガスエンジンにおける天然ガスのデトネーション（異常燃焼）を説明するための図である。 着火用燃料を併用する天然ガスエンジンの着火用燃料の着火と天然ガスの燃焼状態を説明するための図である。 天然ガスエンジンにおける圧縮圧力と通常のディーゼルエンジンにおける圧縮圧力の比較を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法について、図面を参照しながら説明する。図１に示す本発明に係る実施の形態の天然ガスエンジン１０は、空気過剰率λが１．０〜２．０のストイキ燃焼又はリーン燃焼で運転される天然ガスエンジンであり、エンジン本体１１の吸気系通路として吸気マニホールド１１ａと吸気通路１２と、排気系通路として排気マニホールド１１ｂと排気通路１３とそれぞれ設けられると共に、排気通路１３と吸気通路１２を接続するＥＧＲ通路１４が設けられている。

また、ターボ式過給器（ターボチャージャ）１５が設けられる。このターボ式過給器１５のタービン１５ａを排気通路１３に、コンプレッサ１５ｂを吸気通路１２にそれぞれ設けて、排気ガスＧの排気エネルギーでタービン１５ａを回転し、この回転をシャフト１５ｃで伝達されたコンプレッサ１５ｂにより吸入空気Ａを圧縮する。

吸入空気Ａが通過する吸気通路１２には、コンプレッサ１５ｂとインタークーラー１６と吸気シャッタ（吸気スロットル）１７が設けられ、吸入空気Ａは、コンプレッサ１５ｂで圧縮され、インタークーラー１６で冷却されて空気密度を上昇し、吸気シャッタ１７で流量調整されて、図２に示すシリンダ７０内の燃焼室６４に導入される。

また、図１に示すように、着火用燃料であるジメチルエーテル（ＤＭＥ）Ｆと天然ガスＣが燃焼して発生した排気ガスＧが通過する排気通路１３には、タービン１５ａが設けられる。また、タービン１５ａと排気ガス浄化装置１８の間に排気シャッタ４２が設けられる。そして、排気ガスＧは、必要に応じて一部がＥＧＲガスＧｅとしてＥＧＲ通路１４に導入され、残りは、タービン１５ａを駆動した後、必要に応じて排気ガス浄化装置（図示しない）で浄化されて大気中に放出される。

また、ＥＧＲガスＧｅが通過するＥＧＲ通路１４には、ＥＧＲガスＧｅを冷却するＥＧＲクーラー１９とＥＧＲガスＧｅの流量を調整するＥＧＲ弁２０が設けられ、ＥＧＲガスＧｅは、排気通路１３から分岐された後、ＥＧＲクーラー１９で冷却され、ＥＧＲ弁２０で流量を調整されて吸気通路１２に再循環される。

そして、この天然ガスエンジン１０においては、軽油燃料用のディーゼルエンジンと同様に、図２に示すように、液体で噴射されるジメチルエーテルＦをエンジン本体１１のシリンダ７０内に噴射するための液体燃料供給ライン８０を備えて構成される。

この液体燃料供給ライン８０は、常温では気体であるジメチルエーテルＦを加圧して液体状態で保管、供給、噴射を行うために、気密性を有する加圧タンクである燃料タンク８１と潤滑性をアップした加圧ポンプ(図示しない)と電磁弁８２と調圧装置（レギュレータ）８３とチャンバー８４と液体燃料噴射インジェクタ６９とこれらを接続する燃料配管８５とから構成される。これらにより、ジメチルエーテルＦは通常の軽油燃料用のディーゼルエンジンと同様に、液体燃料噴射インジェクタ６９からシリンダ７０内に噴射される。

そして、本発明では、エンジン本体１１及び燃料噴射系や冷却系等に関しては、通常の軽油燃料用のディーゼルエンジンの構成に加えて、図１に示すように、天然ガスタンク（ＣＮＧタンク）３１、電磁弁３２、調圧装置（レギュレータ）３３、チャンバー３４、吸気通路１２の吸気シャッタ１７より下流側に配置されたＣＮＧ噴射インジェクタ（天然ガス噴射装置）３５と、これらを接続するＣＮＧ配管３６とから構成される天然ガス供給システム３０を備えて構成される。

この天然ガス供給システム３０により、天然ガスタンク３１に貯蔵された天然ガスＣはＣＮＧ配管３６を通って、電磁弁３２経由で調圧装置３３により圧力を調整された後、ＣＮＧ噴射インジェクタ３５により噴射量と噴射タイミングを制御されながら吸気系通路６５（図１では吸気通路１２）内に噴射される。

更に、本発明においては、天然ガスＣの着火に際して火花点火システムを使用しないで、シリンダ７０内の燃焼室６４に噴射したジメチルエーテルＦの圧縮着火によりジメチルエーテルＦを燃焼させ、この燃焼したジメチルエーテルＦを火種にして天然ガスＣを燃焼させるように構成する。

このジメチルエーテルＦは、常温では無色・無臭の気体で、常圧−２５℃、又は、常温６気圧で液化し、真発熱量が６．８〜２８．８ＭＪ／ｋｇ、セタン価が５５〜６０、密度が０．６６７ｇ／ｃｍ³のガスであり、これを着火用燃料として用いる。そして、エンジン始動時においては、吸気温度によって、言い換えれば、極寒状態であるか否かによって、このジメチルエーテルＦのみを供給して、又はジメチルエーテルＦと天然ガスＣの両方を供給して始動するように構成される。

このジメチルエーテルＦは、単位重量当たりの発熱量は軽油の７割程度で、単位体積当たりの発熱量は軽油の５割程度であるため、単位容積当たりの熱量が軽油よりも低くなる。その分、噴射量が多くなるので、軽油の熱計算的な量を噴射する場合よりも噴射圧を大きく、また、噴射時間を長くすることができ、ジメチルエーテルＦの噴射制御を精度良く行うことができるようになる。また、セタン価が軽油と略同等又は少し高いので着火性も高く、圧縮着火性能を高めることができる。これらの結果、着火用燃料の調整不良による燃料噴射における無駄を無くすことができる。

従って、着火用燃料を単に軽油の代わりにジメチルエーテルＦに変えただけでなく、燃料噴射の面とセタン価の面とにより着火性を著しく向上させることができるので、エンジン始動時から天然ガスＣを混入しても十分に燃焼させることができる。

この構成により、極寒地においても、エンジン始動時のみならず、アイドリング時や低負荷運転時でも、ジメチルエーテルＦで天然ガスＣを燃焼させることができるので、エンジン出力に寄与する燃料の発熱量の多くを天然ガスＣの燃焼で発生させることができる。これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをＣＯ₂排出係数が少ない天然ガスＣの燃焼で賄うことができるようになるので、ＣＯ₂排出量を大幅に低減でき、地球温暖化防止効果を奏することができる。

その上、ジメチルエーテルＦを採用した場合には、軽油に比べて硫黄分が無く、煤となる成分が少ないので、微粒子捕集用フィルタを不要にしたり、小型化したりすることができる。特に、ＮＯｘ低減のために多量ＥＧＲを行っても煤の発生が無いので、軽油を主燃料として使用していたディーゼルエンジンで、互いにトレードオフの関係にあったＮＯｘ低減と煤低減を同時に図ることができ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒や選択還元型（ＳＣＲ）触媒を用いた触媒装置も不要にしたり、小型化したりすることができる。

また、天然ガスエンジン１０に、吸気行程中のシリンダ７０内に排気ガスＧを導入する排気導入機構（図示しない）を備えて構成する。この排気導入機構としては、図２に示す排気バルブ６８を作動させる排気カムにおいて、通常の排気行程で排気バルブ６８を開弁する通常のカムフィールに略９０°の位相角を持った排気導入カムプロフィールを追加形成し、エンジン運転状態に応じて、この排気導入カムプロフィールを作動可能にすることにより、図２及び図３に示すように、吸気行程中に排気バルブ６８を１ｍｍ〜３ｍｍ程度リフトして開弁させることにより、シリンダ７０内と排気系通路６７（図１では排気通路１３）を連通させて、吸気行程中に排気ガスＧを導入する構成を採用することができる。

また、排気バルブ６８とは別の電磁ソレノイドで開閉弁の作動をする排気導入バルブを設けて、エンジン運転状態に応じて、この電磁ソレノイドに駆動信号を与えることにすることにより、図３に示すようなタイミングで、吸気行程中に排気導入バルブをリフトして開弁させることにより、シリンダ７０内と排気系通路６７（排気通路１３）を連通させて、吸気行程中に排気ガスＧを導入する構成を採用することもできる。

なお、本発明においては、排気導入機構を、上記の２つの構成に限定する必要はなく、これ以外の構成であっても、吸気行程中のシリンダ内に排気ガスを導入する機能を有する構成であればよい。

この排気導入機構の作動により、シリンダ７０内の着火用燃料であるジメチルエーテルＦと天然ガスＣと吸入空気Ａと排気ガスＧの混合気の温度を上昇させることができるので、少量のジメチルエーテルＦでも安定して圧縮燃焼して天然ガスＣの燃焼も安定して行えるようになり、安定した燃焼を実現できる。

また、本発明においては、排気通路１３のタービン１５ａの下流側にλ（空気過剰率）センサ４１を配置し、排気ガスＧ中の空気過剰率λを測定できるように構成し、更に、排気通路１３のタービン１５ａの上流側に排気シャッタ（排気絞り弁）４２を設けている。

更に、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置５１が設けられ、アクセルセンサ５２、エンジン本体１１に設けたエンジン回転速度センサ５３や冷却水温度センサ（図示しない）、吸気通路１２に設けた吸気量センサ（ＭＡＦ：図示しない）、排気通路に設けたλセンサ４１や排気ガス温度センサ（図示しない）、ＮＯｘセンサ（図示しない）等の各種センサからの信号を入力して、液体燃料噴射インジェクタ６９、ＣＮＧ噴射インジェクタ３５、ターボ式過給器１５のタービン１５ａ、吸気シャッタ１７、ＥＧＲ弁２０等を制御するように構成される。

次に、上記の天然ガスエンジン１０における本発明に係る実施の形態の天然ガスエンジンの運転方法について説明する。この天然ガスエンジンの運転方法は、燃料として、天然ガスＣとこの天然ガスＣとは別の着火用燃料Ｆを使用し、この着火用燃料Ｆのシリンダ内における圧縮着火により天然ガスＣを燃焼させる天然ガスエンジン１０の運転方法であり、着火用燃料Ｆとして、ジメチルエーテルＦを使用し、エンジン始動時においては、ジメチルエーテルＦのみを供給して、又は、ジメチルエーテルＦと天然ガスＣの両方を供給して始動する方法である。

このジメチルエーテルＦのみを供給するか、ジメチルエーテルＦと天然ガスＣの両方を供給するかは、極寒状態であるか否かを判断して、極寒状態である場合には、着火し易いジメチルエーテルＦのみを供給して始動を確実に行い、極寒状態でない場合には、ジメチルエーテルＦと天然ガスＣの両方を供給して、ジメチルエーテルＦの消費を抑制する。

なお、この極寒状態であるか否かの判定には、例えば、吸気温度やエンジン冷却水の水温を判定に使用でき、それぞれの閾値より低い場合は極寒状態であると判定する。

この始動時におけるジメチルエーテルＦと天然ガスＣの割合は、発熱量ベースでは、ジメチルエーテルＦの発熱量が総発熱量の２０％以上が必要で、好ましくは、２０％〜１００％とする。なお、極寒状態ではジメチルエーテルＦの発熱量が１００％であるが、極寒状態に近づく程、ジメチルエーテルＦの割合は大きくなり、総発熱量の１００％に近い値となる。

上記の天然ガスエンジン１０及び天然ガスエンジンの運転方法によれば、ジメチルエーテルＦに、セタン価が比較的高く、発熱量に対して容積が多い、ジメチルエーテルＦを用いることで、図４に示すように、天然ガスエンジン１の始動時において天然ガスＣに少量のジメチルエーテルＦを追加した状態で始動させることができるようになる。つまり、ジメチルエーテルＦが非常に圧縮着火し易いので、圧縮着火に必要なジメチルエーテルＦの量は少量で済む。

このジメチルエーテルＦの発熱量Ｆｃｉのシリンダ以内に供給されるジメチルエーテルＦの発熱量Ｆｃｉと天然ガスＣの総発熱量に対する割合は、安定して着火できることが重要であるので、吸気温度又はエンジン冷却水の水温が高ければ天然ガスＣは着火し易い状態になるのでジメチルエーテルＦの発熱量Ｆｃｉの割合は少なくてよく、吸気温度又はエンジン冷却水の水温が低ければ天然ガスＣは着火し難い状態になるのでジメチルエーテルＦの発熱量Ｆｃｉの割合は多くすることが好ましい。つまり、吸気温度又はエンジン冷却水の水温の高低に応じて、ジメチルエーテルＦの発熱量Ｆｃｉの割合を増減する構成にすることが好ましい。

更に、図４に示すように、シリンダ７０内に噴射するジメチルエーテルＦの発熱量Ｆｃｉを、天然ガスエンジン１０の全運転領域で、始動時のジメチルエーテルＦの発熱量Ｆｃｉとし、エンジン出力の増減は、天然ガスＣの量の増減で行う制御をする。

この運転方法によれば、この排気導入機構を備えたジメチルエーテルＦを併用する天然ガスエンジン１０では、エンジン始動時の運転状態で安定した着火及び燃焼を維持できているので、吸気温度又はエンジン冷却水の水温に大きな変化が無ければ、エンジン始動時及びこのエンジン始動時以外のエンジン運転状態においても、このジメチルエーテルＦと天然ガスＣとの割合を一定とし、このジメチルエーテルＦの燃焼を天然ガスＣの着火に使用する。これにより、エンジン運転状態に応じてこのジメチルエーテルＦと天然ガスＣとの割合を変更するような制御と比較すると、常に、着火用燃料量を一定とするという簡単な制御で、天然ガスＣを最小の吸入空気量で燃焼効率よく燃焼できる。なお、この場合の吸気シャッタ１７の弁開度は、排気ガスＧの空燃比や空気過剰率λや酸素濃度を計測し、量論燃焼になるように両論比判定を行って制御する。

そして、図４に示すように、このジメチルエーテルＦの圧縮着火に必要な量における発熱量Ｆｃｉだけでは、始動時やアイドリング時などでエンジン運転を維持するのに必要な発熱量Ｔｃｉを確保できなくなるので、極寒状態であれば、ジメチルエーテルＦの噴射量を増加することにより発熱量を追加して発熱量Ｔｃｉを確保し、極寒状態でなければ、天然ガスＣも同時に加えて燃焼させて、ジメチルエーテルＦの発熱量Ｆｃｉに天然ガスＣの発熱量Ｃｃｉを加えて必要な発熱量Ｔｃｉを確保する。このジメチルエーテルＦと天然ガスＣとの混合により、始動時による着火性の向上と、着火後の発熱量の確保と、ＣＯ₂発生量の減少の効果を奏することができる。

この天然ガスＣの混合により、ジメチルエーテルＦのみでエンジンを始動させる方法よりも、ジメチルエーテルＦとの消費量を減少できるので、運転コストを低減できる上に、ジメチルエーテルＦとのための燃料タンクを小さくすることができる。

また、更に、排気導入機構の作動を加えることにより、吸気行程中のシリンダ７０内に排気ガスＧを導入して、シリンダ７０内のジメチルエーテルＦと天然ガスＣと吸入空気Ａと排気ガスＧの混合気の温度を上昇させることができるので、少量のジメチルエーテルＦでも安定して圧縮燃焼して天然ガスＣの燃焼もより安定して行えるようになる。

つまり、排気導入機構の作動により、更に、着火性及び燃焼効率を向上でき、着火のためのジメチルエーテルＦの量をさらに低減することができるので、より少量のジメチルエーテルＦで済む。その上、全体として燃料Ｆ、Ｃの燃焼により発生する熱量がより少なくなるので、結果として、排気通路１３へ流れる熱量がさらに減少し、熱害が減少し耐久性が向上する。

更に、このシリンダ内温度を高める排気導入機構を利用することにより、シリンダ内温度をジメチルエーテルＦが着火し易い温度に維持し、少ない燃料量で安定した着火を得ることができ、アイドリング運転領域及び軽負荷運転領域を含む全運転領域において、少量の燃料Ｆ、Ｃで燃焼を安定させることができるので、エンジン振動を少なくして乗り心地性（ドライバビリティ）を向上することができる。また、アイドリング運転領域及び軽負荷両機での運転時の排気ガス量を低減できる。

また、この着火性の向上により、失火が減少する上に、良好な燃料と発熱量の確保により、エンジン１０が低温となっている始動時でもシリンダ内温度を迅速に昇温できるので、始動性がよくなり、また、始動後においても、シリンダ内温度を迅速に昇温できるので、スムーズな加速ができるようになる。更に、ジメチルエーテルＦには煤の発生源となる成分が含まれないのでＰＭの排出量も大幅に減少する。

また、排気導入機構の作動中において、吸気通路１２に設けられた吸気シャッタ１７による吸気絞り制御と、排気通路１３に設けられた排気シャッタ４２による排気絞り制御を併用すると、より効率良く排気ガスＧをシリンダ７０内に逆流させることができ、よりシリンダ内温度を上昇でき、より燃焼効率を高めることができる。

本発明の天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法によれば、着火用燃料と主たる燃料としての天然ガスを使用する天然ガスエンジンにおいて、極寒地でのエンジン始動時や低負荷運転時においても、煤を発生することなく、着火用燃料としてのジメチルエーテル（ＤＭＥ）を効率よく使用して、確実且つ安定して天然ガスを着火できて、ジメチルエーテルと天然ガスと少ない量の吸入空気で高効率な燃焼を行って、天然ガスを混入しても十分に燃焼させることができ、また、アイドリング時や低負荷運転時でも、着火用燃料で天然ガスを燃焼させることができる。

そして、これにより、エンジン出力のために必要とされる熱量の殆どをＣＯ₂排出係数が少ない天然ガスの燃焼で賄って、ＣＯ₂排出量を大幅に低減できて地球温暖化防止を図ることができる。

従って、車両に搭載するような多くの天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法として利用できる。

１０ 天然ガスエンジン
１１ エンジン本体
１２ 吸気通路（吸気系通路）
１３ 排気通路（排気系通路）
１３ａ バイパス通路
１４ ＥＧＲ通路
１５ ターボ式過給器（ターボチャージャ）
１６ インタークーラー
１７ 吸気シャッタ（吸気スロットル）
１８ 排気ガス浄化装置（後処理装置）
１８ｄ 小型の連続再生式ＤＰＦ
１９ ＥＧＲクーラー
２０ ＥＧＲ弁
３０ 天然ガス供給システム
３１ 天然ガスタンク（ＣＮＧタンク）
３５ ＣＮＧ噴射インジェクタ（天然ガス噴射装置）
４１ λセンサ（空気過剰率センサ）
４２ 排気シャッタ（排気絞り弁）
４３ 排気流路切替弁
５１ 制御装置（ＥＣＵ）
５２ アクセルセンサ
５３ エンジン回転速度センサ
６１ シリンダヘッド
６２ 点火プラグ
６５ 吸気系通路
６７ 排気系通路
６８ 排気バルブ
６９ 液体燃料インジェクタ（液体燃料噴射装置）
７０ シリンダ
Ａ 吸入空気
Ｃ 天然ガス
Ｆ ジメチルエーテル（ＤＭＥ：着火用燃料）
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
λ 空気過剰率

Claims (5)

1. 燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の着火用燃料を使用し、この着火用燃料のシリンダ内における圧縮着火により前記天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンにおいて、前記着火用燃料として、ジメチルエーテルを使用し、エンジン始動時においては、前記着火用燃料のみを供給して、又は、前記着火用燃料と前記天然ガスの両方を供給して始動することを特徴とする天然ガスエンジン。
2. 吸気行程中のシリンダ内に排気ガスを導入する排気導入機構を備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の天然ガスエンジン。
3. シリンダ内に噴射するジメチルエーテルの量を、エンジンの全運転領域で、アイドル運転で必要とされる発熱量に対するジメチルエーテルの量よりも少ない一定量にして、エンジン出力の増減は、天然ガスの量の増減で行うように構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の天然ガスエンジン。
4. 前記排気導入機構の作動を行う運転状態において、前記吸気系通路に設けられた吸気シャッタによる吸気絞り制御、若しくは、排気系通路に設けられた排気シャッタによる排気絞り制御の一方又は両方を併用するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の天然ガスエンジン。
5. 燃料として、天然ガスと該天然ガスとは別の着火用燃料を使用し、この着火用燃料のシリンダ内における圧縮着火により前記天然ガスを燃焼させる天然ガスエンジンの運転方法において、前記着火用燃料として、ジメチルエーテルを使用し、エンジン始動時においては、前記着火用燃料のみを供給して、又は、前記着火用燃料と前記天然ガスの両方を供給して始動することを特徴とする天然ガスエンジンの運転方法。

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