JP2020118054A - 内燃機関システム、車両および内燃機関システムにおける燃料供給方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】エンジンの応答遅れを短縮して、過渡応答性が低下するのを防止することが可能な内燃機関システム、車両および内燃機関システムにおける燃料供給方法を提供する。【解決手段】内燃機関システムは、空気をシリンダ内へ導くための吸気管に気体燃料を噴射する気体燃料噴射部と、シリンダ内に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、アクセル開度に応じた第1の量の気体燃料を噴射するように気体燃料噴射部を制御するように制御する制御部と、を備え、制御部は、単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合、シリンダ内に導かれた空気と気体燃料との混合気に着火するための第2の量の液体燃料を噴射するように液体燃料噴射部を制御し、単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合、第2の量より多い液体燃料を噴射するように、液体燃料噴射部を制御する。【選択図】図1
Description
本開示は、内燃機関システム、車両および内燃機関システムにおける燃料供給方法に関する。
従来、気体燃料を効率よく燃焼させる内燃機関システムの一つとして、例えば、ディーゼルデュアルフューエルエンジン(DDFエンジン)が知られている(特許文献1を参照)。
例えば、DDFエンジンは、吸気管内に天然ガスを噴射し、天然ガスと空気との混合気をシリンダ内に吸入して圧縮し、高温になった混合気に軽油を噴射することで、自己着火した軽油の火炎を混合気に伝搬させ運転を行うものである。
ところで、上記DDFエンジンにおいては、天然ガスがシリンダ内で燃焼するまでには、天然ガスが吸気管からシリンダへ移動するのに時間を要するため、エンジン負荷の増減をすべて天然ガス流量の増減で調整しようとすると、エンジンの応答遅れが生じる。
この応答遅れは、例えば、一般のディーゼルエンジンでは発生しないため、DDFエンジンが、一般のディーゼルエンジンに比べて、過渡応答性が低下する一因になるという問題点があった。
本開示の目的は、エンジンの応答遅れを短縮して、過渡応答性が低下するのを防止することが可能な内燃機関システム、車両および内燃機関システムにおける燃料供給方法を提供することである。
上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関システムは、
空気をシリンダ内へ導くための吸気管に気体燃料を噴射する気体燃料噴射部と、
前記シリンダ内に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
アクセル開度に応じた第1の量の気体燃料を噴射するように前記気体燃料噴射部を制御するように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合、前記シリンダ内に導かれた空気と気体燃料との混合気に着火するための第2の量の液体燃料を噴射するように前記液体燃料噴射部を制御し、前記単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合、前記第2の量より多い液体燃料を噴射するように、前記液体燃料噴射部を制御する。
空気をシリンダ内へ導くための吸気管に気体燃料を噴射する気体燃料噴射部と、
前記シリンダ内に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
アクセル開度に応じた第1の量の気体燃料を噴射するように前記気体燃料噴射部を制御するように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合、前記シリンダ内に導かれた空気と気体燃料との混合気に着火するための第2の量の液体燃料を噴射するように前記液体燃料噴射部を制御し、前記単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合、前記第2の量より多い液体燃料を噴射するように、前記液体燃料噴射部を制御する。
本開示における車両は、
上記内燃機関システムを備える。
上記内燃機関システムを備える。
本開示における内燃機関システムにおける燃料供給方法は、
アクセル開度に応じた第1の量の気体燃料を、空気をシリンダ内に導くための吸気管に噴射し、
単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合、前記シリンダ内に導かれた空気と気体燃料との混合気に着火するための第2の量の液体燃料を噴射し、
前記単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合、前記第2の量より多い液体燃料を噴射する。
アクセル開度に応じた第1の量の気体燃料を、空気をシリンダ内に導くための吸気管に噴射し、
単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合、前記シリンダ内に導かれた空気と気体燃料との混合気に着火するための第2の量の液体燃料を噴射し、
前記単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合、前記第2の量より多い液体燃料を噴射する。
本開示によれば、エンジンの応答遅れを短縮して、過渡応答性が低下するのを防止することができる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本開示の実施の形態における内燃機関システム1を概略的に示す図である。
図1は、本開示の実施の形態における内燃機関システム1を概略的に示す図である。
内燃機関システム1は、気体燃料供給部3、液体燃料供給部5、および、制御部7を備えている。
気体燃料供給部3は、天然ガスの保管、供給および噴射を行うものであって、ガスインジェクタ3Aを有する。
液体燃料供給部5は、軽油の保管、供給および噴射を行うものであって、軽油インジェクタ5Aを有する。
内燃機関システム1は、天然ガスをガスインジェクタ3Aから吸気管2内に噴射し、天然ガスと空気との混合気をシリンダ4内に吸入して圧縮し、混合気が高温になった状態で軽油を軽油インジェクタ5Aからシリンダ4内に噴射することで、自己着火した軽油の火炎を混合気に伝搬させて運転を行うものである。
制御部7は、エンジンコントロールユニット(Engine Control Unit:ECU)と呼ばれる制御装置である。ECUは、周知のマイクロコンピュータを含む電子回路であり、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、出力部、および、入力部を含む。ECUは、CPUがRAMを作業領域としてROMに格納されたプログラムを実行することにより後述する各種機能を実現する。
制御部7は、ガスインジェクタ3Aから噴射される天然ガスの噴射量および軽油インジェクタ5Aから噴射される軽油の噴射量を制御する。
ガスインジェクタ3Aから噴射される天然ガスの噴射量は、アクセルペダル(不図示)の開度(アクセル開度)及びエンジン回転数をパラメータとして、実験やシミュレーション等により予め設定される。なお、アクセルペダルの開度を測定するアクセルポジションセンサ(不図示)、および、エンジン回転数を測定する回転数センサ(不図示)は、通信線を通じて制御部7に接続されている。
軽油インジェクタ5Aから噴射される軽油には、シリンダ4内に吸入された混合気に着火するための着火用の軽油、および、追加用の軽油(後述する)が含まれる。なお、着火用の軽油の量(以下、着火用軽油量)は、シリンダ4内に吸入された混合気に着火できる最小量であることが好ましい。
図2は、アクセル開度と発熱相当量との関係を表す図である。図2の縦軸にアクセル開度R[%]を示し、横軸に発熱相当量Q[kcal]を示す。ここで、発熱相当量とは、天然ガスや軽油などの燃料がシリンダ4内で燃焼される場合の発熱量に相当する量をいう。この発熱相当量は、例えば、実験やシミュレーションにより得られる。図2に示す発熱相当量Qは、天然ガスの量VNと着火用軽油量VIGLとの合算値として表される。以下の説明において、天然ガスの量を、単に「ガス量」という。
制御部7は、図2に示すように、アクセル開度RがR1である場合、ガス量VN1の天然ガスが噴射されるようにガスインジェクタ3Aを制御し、かつ、着火用軽油量VIGL1の軽油が噴射されるように軽油インジェクタ5Aを制御する。
また、制御部7は、図2に示すように、アクセル開度RがR2である場合、ガス量VN2の天然ガスが噴射されるようにガスインジェクタ3Aを制御し、かつ、着火用軽油量VIGL2の軽油が噴射されるように軽油インジェクタ5Aを制御する。
図2に示すように、アクセル開度R(エンジン負荷)のR1からR2への増加によるトルク増大要求は、主に天然ガス流量のVN1からVN2への増加で調整される。
ところで、吸気管2内に噴射された天然ガスがシリンダ4内で燃焼するまでには時間がかかるため、アクセル開度Rの増加によるトルク増大要求をすべて天然ガスの噴射量で調整しようとするとエンジン1Aの応答遅れが生じる。
そこで、本実施の形態では、エンジン1Aの応答遅れを短縮するように、制御部7は、単位時間あたりのアクセル開度Rの増加量が予め定められた増加量以上である場合、軽油を用いてトルク増大要求に応えるため、軽油インジェクタ5Aから噴射する軽油の噴射量を制御する。なお、エンジン回転数により、吸気管2内の天然ガスがシリンダ4内で燃焼するまでの時間に差が生じるため、予め定められた増加量は、回転数毎に定められている。
次に、制御部7の制御内容について説明する。
先ず、天然ガスの噴射量の制御について説明する。
制御部7は、アクセル開度Rに応じたガス量VNの天然ガスを噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御する。つまり、ガス量VNの制御は、アクセル開度Rに応じて行われるが、単位時間あたりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上であるか否かに応じて行われない。
先ず、天然ガスの噴射量の制御について説明する。
制御部7は、アクセル開度Rに応じたガス量VNの天然ガスを噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御する。つまり、ガス量VNの制御は、アクセル開度Rに応じて行われるが、単位時間あたりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上であるか否かに応じて行われない。
次に、軽油の噴射量の制御について説明する。
制御部7は、単位時間あたりのアクセル開度Rの増加量が予め定められた増加量未満である場合、アクセル開度Rに応じたガス量VNの天然ガスを噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御し、かつ、着火用軽油量VIGLのみの軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御する。
制御部7は、単位時間あたりのアクセル開度Rの増加量が予め定められた増加量未満である場合、アクセル開度Rに応じたガス量VNの天然ガスを噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御し、かつ、着火用軽油量VIGLのみの軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御する。
制御部7は、単位時間あたりのアクセル開度Rの増加量が予め定められた増加量以上である場合、アクセル開度Rに応じたガス量VNの天然ガスを噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御し、かつ、着火用軽油量VIGLより多い量の軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御する。以下の説明において、着火用軽油量VIGLより多い分の量を「追加用軽油量」という。なお、本実施の形態においては、追加用軽油量の軽油が燃焼した場合の発熱量は、アクセル開度Rの増加により増量した分の天然ガスが燃焼した場合の発熱量と等しい。
次に、内燃機関システム1における燃料供給処理の一例について図3を参照して説明する。図3は、内燃機関システム1における燃料供給処理の一例を示すフローチャートである。本フローは、エンジンの始動操作により開始される。
先ず、ステップS100において、制御部7は、アクセル開度を取得する。
次に、ステップS110において、制御部7は、アクセル開度に応じたガス量の天然ガスが噴射されるようにガスインジェクタ3Aを制御する。これにより、噴射された天然ガスと空気との混合気が吸気管2からシリンダ4内に移動する。混合気は、シリンダ4内で圧縮される。
次に、ステップS120において、制御部7は、単位時間あたりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上であるか否かについて判断する。単位時間あたりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合(ステップS120:YES)、処理は、ステップS130に遷移する。単位時間あたりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合(ステップS120:NO)、処理は、ステップS140に遷移する。
ステップS130において、制御部7は、ピストン6(図1を参照)の上死点付近で所定量(着火用軽油量および追加用軽油量)の軽油がシリンダ4内に噴射されるように軽油インジェクタ5Aを制御する。その後、図3に示す処理は、終了する。
ステップS140において、制御部7は、ピストン6の上死点付近で所定量(着火用軽油量のみ)の軽油がシリンダ4内に噴射されるように軽油インジェクタ5Aを制御する。その後、処理は、終了する。
<作用・効果>
次に、アクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合に、着火用軽油量および追加用軽油量の軽油を噴射するときのエンジン1Aの発熱量について、着火用軽油量のみの軽油を噴射するときのエンジン1Aの発熱量と比較しつつ説明する。
次に、アクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合に、着火用軽油量および追加用軽油量の軽油を噴射するときのエンジン1Aの発熱量について、着火用軽油量のみの軽油を噴射するときのエンジン1Aの発熱量と比較しつつ説明する。
図4(a)は、アクセル開度と時間との関係を示している。図4(a)においては、アクセル開度R[%]を縦軸に示し、時間[sec]を横軸に示す。図4(a)には、時刻t2で、単位時間のアクセル開度Rの増加量(R2−R1)が予め定められた増加量以上である場合を示している。この場合、図2に示すように、制御部7は、ガス量VN2の天然ガスを噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御する。制御部7は、着火用軽油量VIGNL2の軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御する。さらに、制御部7は、追加用軽油量の軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御する。なお、前述したように、追加用軽油量の軽油の発熱相当量は、アクセル開度の増加により増量した分の天然ガスの発熱量と同等である。
図4(b)は、天然ガスの発熱相当量と時間との関係を示している。天然ガスの発熱相当量QN[kcal]を縦軸に示し、時間[sec]を横軸に示す。図4(b)には、天然ガスの発熱相当量QNがQN1からQN2に上昇するまで、時刻t2からt3までの時間がかかることを示している。これは、吸気管2に噴射された天然ガスがシリンダ4内で燃焼するまでの時間に差が生じているためである。
図4(c)は、軽油の発熱相当量と時間との関係を示している。軽油の発熱相当量QL[kcal]を縦軸に示し、時間[sec]を横軸に示す。図4(c)に示す実線SLは、着火用軽油量および追加用軽油量による軽油の発熱相当量QLを表す。図4(c)に示す破線BLは、着火用軽油量のみによる軽油の発熱相当量QLを表す。破線BLで示す軽油の発熱相当量QLは、制御部7が着火用軽油量VIGN2のみの軽油を噴射すように軽油インジェクタ5Aを制御した場合の軽油の発熱相当量を表している。
これに対して、時刻t2における破線BLで示す軽油の発熱相当量QLは、QL1からQL2まで上昇する。時刻t2における実線SLで示す軽油の発熱相当量QLは、QL1からQL3まで上昇する。発熱相当量QLが上昇する量に相違があるのは、制御部7が着火用軽油量VIGNL2の軽油ばかりでなく、追加用軽油量の軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御するためである。軽油は、シリンダ4内に噴射されて直ちに燃焼する。これによって、軽油の発熱相当量QLは、図4(b)に示す天然ガスの発熱相当量QNと異なり直ちに増加する。また、追加用軽油量による軽油の発熱相当量(QL3−QL2)は、アクセル開度Rの増加により増量した分の天然ガスの発熱相当量(QN2−QN1)に対して過不足がないため、ドライバーの意図したエンジン出力と異なるエンジン出力が発生することを防止できる。
次に、図4(c)に破線BLで示す軽油の発熱相当量QLは、時刻t4から時刻t3まで一定のQL2である。これに対して、図4(c)に実線SLで示す軽油の発熱相当量QLは、時刻t4から時刻t3までにQL3からQL2に減少する。これは、制御部7が追加用軽油量の軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御してから予め定められた時間が経過した場合、上記合算量(着火用軽油量VIGNL2及び追加用軽油量)から着火用軽油量VIGNL2まで徐々に減少させながら軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御するためである。このように、軽油量を減少させる理由は、図4(b)に示すように時刻t4から上昇し始める天然ガスの発熱相当量QNと追加用軽油量の軽油の発熱相当量QLとを合算した合算発熱相当量QT(図4(d)に示す)を一定にするためである。なお、上記の予め定められた時間は、実験又はシミュレーションにより求めることができる。実験等により求められた予め定められた時間は、アクセル開度を含むエンジン1Aの運転条件と関係付けられ、例えばマップとして制御部7の記憶部(不図示)に記憶される。
図4(d)は、天然ガスの発熱相当量と軽油の発熱相当量とを合算した合算発熱相当量と時間との関係を示している。図4(d)においては、合算発熱相当量QT[kcal]を縦軸に示し、時間[sec]を横軸に示す。図4(d)に示す実線SLは、ガス量VNによる天然ガスの発熱相当量QNと、着火用軽油量および追加用軽油量による軽油の発熱相当量QLとを合算した合算発熱相当量QTを表す。図4(d)に示す破線BLは、ガス量VNによる天然ガスの発熱相当量QNと、着火用軽油量のみによる軽油の発熱相当量QLとを合算した合算発熱相当量QTを表す。実線SLで示す合算発熱相当量QTは、制御部7がガス量VNの天然ガスを噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御し、かつ、着火用軽油量VIGN2および追加用軽油量の軽油を噴射すように軽油インジェクタ5Aを制御した場合の合算発熱相当量である。破線BLで示す合算発熱相当量QTは、制御部7がガス量VNの天然ガスを噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御し、かつ、着火用軽油量VIGN2のみの軽油を噴射すように軽油インジェクタ5Aを制御した場合の合算発熱相当量である。
図4(d)に示すように、破線BLで示す合算発熱相当量QTは、時刻t2から時刻t3までの間に(QN1+QL1)から(QN2+QL3)へ緩やかに立ち上がる。これに対して、実線SLで示す合算発熱相当量QTは、時刻t2において(QN1+QL1)から(QN2+QL3)へ急激に立ち上がる。これにより、実線SLで示す合算発熱相当量QTはアクセル開度Rの急激な増加量に対応する。この結果、エンジン1Aの応答遅れが短縮するため、過渡応答性が低下するのを防止することが可能となる。また、時刻t2から時刻t3までの間における実線SLで示す合算発熱相当量QTは一定の(QN2+QL3)である。これは、前述したように、図4(b)に示すように時刻t4から上昇し始める天然ガスの発熱相当量QNと追加用軽油量の軽油の発熱相当量QLとを合算した合算発熱相当量QTを一定にしたためである。これにより、ドライバーの意図したエンジン出力を維持することができる。
上記実施の形態における内燃機関システム1は、空気をシリンダ4内へ導くための吸気管2に天然ガスを噴射するガスインジェクタ3Aと、シリンダ4内に軽油を噴射する軽油インジェクタ5Aと、アクセル開度に応じた第1の量の気体燃料を噴射するようにガスインジェクタ3Aを制御するように制御する制御部7と、を備え、制御部7は、単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合、シリンダ4内に導かれた空気と気体燃料との混合気に着火するための着火用軽油量の軽油を噴射するように軽油インジェクタ5Aを制御し、増加量が予め定められた増加量以上である場合、着火用軽油量より多い軽油を噴射するように、軽油インジェクタ5Aを制御する、これにより、シリンダ4内に噴射される軽油は、吸気管2に噴射されてシリンダ4内で燃焼するまでには時間がかかる天然ガスに比べて、燃焼するまでに時間がかからない。この結果、エンジン1Aの応答遅れが短縮するため、過渡応答性が低下するのを防止することが可能となる。
また、上記実施の形態における内燃機関システム1は、追加用軽油量の軽油が燃焼した場合の発熱量は、アクセル開度Rの増加により増量した分の天然ガスが燃焼した場合の発熱量と等しい。これにより、単位時間当たりのアクセル開度Rの増加量が予め定められた増加量以上である場合においても、ドライバーの意図したエンジン出力を発生させることが可能となる。
なお、上記実施の形態では、気体燃料として天然ガスを用い、液体燃料として軽油を用いた一例について説明した。しかしながら、本開示はこれに限らず、気体燃料と液体燃料との種類は上記の組み合わせに限られない。本開示における気体燃料としては、天然ガスのほか、水素、バイオガス、又は液化石油ガスなどを利用することができる。また、本開示における液体燃料としては、セタン価が軽油と同等以上であるジメチルエーテル、又は、ガソリンなどを利用することができる。
また、上記実施の形態では、制御部7は所定量の天然ガスが噴射されるようにガスインジェクタ3Aを制御し、また、所定量の軽油が噴射されるように軽油インジェクタ5Aを制御するが、本開示はこれに限らず、噴射される気体燃料の種類に応じて、制御部7は、気体燃料インジェクタを含む気体燃料供給部3を制御してもよく、また、噴射される液体燃料の種類に応じて、制御部7は、液体燃料インジェクタを含む液体燃料供給部5を制御してもよい。
また、上記実施の形態においては、吸気管2に噴射される気体燃料は噴射時に気体であればよく、貯蔵時の燃料は気体又は液体のいずれでもよい。
その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本開示は、エンジンの応答遅れを短縮して、過渡応答性が低下するのを防止することが要求される内燃機関システムを備えた車両に好適に利用される。
1 内燃機関システム
1A エンジン
2 吸気管
3 気体燃料供給部
3A ガスインジェクタ
4 シリンダ
5 液体燃料供給部
5A 軽油インジェクタ
6 ピストン
7 制御部
1A エンジン
2 吸気管
3 気体燃料供給部
3A ガスインジェクタ
4 シリンダ
5 液体燃料供給部
5A 軽油インジェクタ
6 ピストン
7 制御部
Claims (5)
- 空気をシリンダ内へ導くための吸気管に気体燃料を噴射する気体燃料噴射部と、
前記シリンダ内に液体燃料を噴射する液体燃料噴射部と、
アクセル開度に応じた第1の量の気体燃料を噴射するように前記気体燃料噴射部を制御するように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合、前記シリンダ内に導かれた空気と気体燃料との混合気に着火するための第2の量の液体燃料を噴射するように前記液体燃料噴射部を制御し、前記単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合、前記第2の量より多い液体燃料を噴射するように、前記液体燃料噴射部を制御する、
内燃機関システム。 - 前記第2の量より多い分の液体燃料が燃焼した場合の発熱量は、前記アクセル開度の増加により増量した分の前記気体燃料が燃焼した場合の発熱量と等しい、
請求項1に記載の内燃機関システム。 - 前記制御部は、前記第2の量より多い液体燃料が噴射されてから予め定められた時間が経過した場合、前記液体燃料を、前記第2の量まで減少させるように前記液体燃料噴射部を制御する、
請求項1または2に記載の内燃機関システム。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関システムを備える車両。
- アクセル開度に応じた第1の量の気体燃料を、空気をシリンダ内に導くための吸気管に噴射し、
単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量未満である場合、前記シリンダ内に導かれた空気と気体燃料との混合気に着火するための第2の量の液体燃料を噴射し、
前記単位時間当たりのアクセル開度の増加量が予め定められた増加量以上である場合、前記第2の量より多い液体燃料を噴射する、
内燃機関システムにおける燃料供給方法。
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Cited By (1)
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WO2022201894A1 (ja) * | 2021-03-22 | 2022-09-29 | ヤンマーホールディングス株式会社 | エンジン |
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- 2019-01-21 JP JP2019007815A patent/JP2020118054A/ja active Pending
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