JP5601362B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に係り、特に燃料電池と多段式ターボ過給システムとを備えた内燃機関に関する。

内燃機関に燃料電池を組み合わせることが提案されている。例えば特許文献１は、過給機を有する内燃機関と燃料電池とを備えたハイブリッドシステムを開示している。これにおいて、内燃機関の負荷が増大したとき、燃料電池からのアノードオフガスを過給機のタービンハウジングに供給し、過給機の過給遅れを抑制するようにしている。

特開２００７−０１６６４１号公報

ところで、多段式ターボ過給システムを備えた内燃機関が公知である。特に、多段式ターボ過給システムとして、低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機という二つのターボ過給機を直列に接続してなる２ステージシーケンシャルターボシステムが公知である。

この多段式ターボ過給システムを備えた内燃機関に燃料電池を組み合わせる場合、燃料電池に供給される空気を最適な場所から確保し、燃料電池から排出される排ガスを最適な場所に供給することが望ましい。

前者の場合、モータコンプレッサ等の空気源を別途設け、これから燃料電池に空気を供給することが考えられる。しかし、かかる空気源を別途設けることは装置の複雑化やコスト増大につながり、好ましくない。

後者の場合、特許文献１は一つのターボ過給機を有するシステムしか開示していない。このため特許文献１を参照しても、燃料電池からの排ガスの最適な供給先を特定することができない。

そこで、本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、燃料電池と多段式ターボ過給システムとを備えた内燃機関において、燃料電池に供給される空気を最適な場所から確保すること、および燃料電池から排出される排ガスを最適な場所に供給することの少なくとも一方を達成することにある。

本発明の一の態様によれば、燃料電池と、低圧段タービンおよび低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、高圧段タービンおよび高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機とを備え、
前記燃料電池に供給される空気を前記低圧段コンプレッサの下流側から抽出し、前記燃料電池から排出される排ガスを前記高圧段タービンの下流側且つ前記低圧段タービンの上流側に供給するよう構成したことを特徴とする内燃機関が提供される。

ここで、「コンプレッサの下流側」とは、吸気流れ方向において、コンプレッサのコンプレッサハウジング内に収容されるコンプレッサホイールの下流側を意味し、コンプレッサハウジング内のコンプレッサホイール下流側の部分を含む。「コンプレッサの上流側」についても同様である。また同様に、「タービンの下流側」とは、排気流れ方向において、タービンのタービンハウジング内に収容されるタービンホイールの下流側を意味し、タービンハウジング内のタービンホイール下流側の部分を含む。「タービンの上流側」についても同様である。

好ましくは、前記内燃機関が、前記燃料電池に供給される空気を前記低圧段コンプレッサの下流側且つ前記高圧段コンプレッサの上流側から抽出するよう構成される。

好ましくは、前記内燃機関が、前記燃料電池に供給される空気を抽出すべく前記低圧段コンプレッサの下流側の吸気通路から分岐して前記燃料電池に接続する第１の通路と、前記燃料電池から排出される排ガスを供給すべく前記燃料電池から延びて前記高圧段タービンの下流側且つ前記低圧段タービンの上流側の排気通路に合流する第２の通路とを備える。

好ましくは、前記内燃機関が、前記第１の通路に設けられた第１の制御弁と、前記第２の通路に設けられた第２の制御弁とを備える。

好ましくは、前記内燃機関が、前記燃料電池による発電の実行および停止を制御する発電制御手段を備える。

好ましくは、前記発電制御手段は、前記内燃機関に対する加速要求が発生したときに前記燃料電池による発電を停止させる。

好ましくは、前記発電制御手段は、前記燃料電池からの排ガスの供給先の圧力が所定圧力以上のときに前記燃料電池による発電を停止させる。

本発明によれば、燃料電池と多段式ターボ過給システムとを備えた内燃機関において、燃料電池に供給される空気を最適な場所から確保すること、および燃料電池から排出される排ガスを最適な場所に供給することの少なくとも一方を達成することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 比較例の構成を示す概略図である。 エンジン運転領域のマップを示す図である。 各弁の作動状態を示す表である。 発電制御の内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１に示すように、内燃機関（エンジン）１は、エンジン本体２と、複数（二つ）のターボ過給機すなわち低圧段ターボ過給機３Ｌおよび高圧段ターボ過給機３Ｈと、燃料電池４とを備える。エンジン１は火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）および圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）のいずれの形式であってもよく、本実施形態では火花点火式内燃機関とされている。エンジン１は図示しない車両（自動車）に搭載されている。

以下、低圧段ターボ過給機を「ＬＰターボ」、高圧段ターボ過給機を「ＨＰターボ」ともいう。低圧段を「ＬＰ」、高圧段を「ＨＰ」、燃料電池を「ＦＣ」とも表記する。

エンジン本体２は、シリンダブロック、シリンダヘッド、クランクケース、オイルパン、ヘッドカバー、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、カムシャフト、吸排気弁等の基本的なエンジン構成部品を含む。またエンジン本体２は複数（四つ）の気筒を含み、各気筒には燃料噴射用インジェクタ４１と点火プラグ４２とが設けられている。

エンジン本体２には吸気通路５および排気通路６が接続され、これら吸気通路５および排気通路６を跨ぐように低圧段ターボ過給機３Ｌと高圧段ターボ過給機３Ｈとが直列に設けられている。エンジン本体２に対し高圧段ターボ過給機３Ｈは近い側に、低圧段ターボ過給機３Ｌは遠い側に設けられている。

低圧段ターボ過給機３Ｌおよび高圧段ターボ過給機３Ｈは多段式ターボ過給システム、特に２ステージシーケンシャルターボシステムを構成している。排気通路６において、その上流側には高圧段ターボ過給機３Ｈの高圧段タービン３ＨＴが、その下流側には低圧段ターボ過給機３Ｌの低圧段タービン３ＬＴが、それぞれ配設されている。また、吸気通路５において、その上流側には低圧段ターボ過給機３Ｌの低圧段コンプレッサ３ＬＣが、その下流側には高圧段ターボ過給機３Ｈの高圧段コンプレッサ３ＬＣが、それぞれ配設されている。

以下、低圧段タービンを「ＬＰタービン」、高圧段タービンを「ＨＰタービン」、低圧段コンプレッサを「ＬＰコンプレッサ」、高圧段コンプレッサを「ＨＰコンプレッサ」ともいう。また「上流側」および「下流側」とは、図中矢示するような吸気または排気の流れ方向における上流側および下流側をいう。

吸気通路５において、低圧段コンプレッサ３ＬＣの上流側には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ７が設けられ、高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側にはインタークーラ８と電子制御式スロットルバルブ９とが直列に設けられている。吸気通路５の上流端には図示しないエアクリーナが設けられる。

排気通路６において、低圧段タービン３ＬＴの下流側には排気浄化触媒１０が設けられている。図には一つの排気浄化触媒１０しか示されていないが、排気浄化触媒１０は複数設けられてもよい。本実施形態の場合、排気浄化触媒１０は三元触媒からなる。但し排気浄化触媒１０の種類は任意である。

また、低圧段タービン３ＬＴをバイパスするＬＰタービンバイパス通路１１が排気通路６に並設される。ＬＰタービンバイパス通路１１は、高圧段タービン３ＨＴの下流側且つ低圧段タービン３ＬＴの上流側で排気通路６から分岐され、低圧段タービン３ＬＴの下流側且つ排気浄化触媒１０の上流側で排気通路６に合流される。ＬＰタービンバイパス通路１１にはウェイストゲート弁１２が設けられる。

排気通路６における高圧段タービン３ＨＴの入口部には可変ベーンあるいは可変ノズル（ＶＮ）１３が設けられる。そして高圧段タービン３ＨＴをバイパスするＨＰタービンバイパス通路１４が排気通路６に並設される。ＨＰタービンバイパス通路１４は、可変ノズル１３の上流側の排気マニホールド１８の位置で排気通路６から分岐され、高圧段タービン３ＨＴの下流側且つＬＰタービンバイパス通路１１の分岐位置の上流側で排気通路６に合流される。ＨＰタービンバイパス通路１４にはＨＰタービンバイパス弁１９が設けられる。

高圧段コンプレッサ３ＨＣをバイパスするＨＰコンプレッサバイパス通路２０が吸気通路５に並設される。ＨＰコンプレッサバイパス通路２０は、低圧段コンプレッサ３ＬＣの下流側且つ高圧段コンプレッサ３ＨＣの上流側で吸気通路５から分岐され、高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側且つインタークーラ８の上流側で吸気通路５に合流される。ＨＰコンプレッサバイパス通路２０にはＨＰコンプレッサバイパス弁２１が設けられる。

エンジン本体２からの排気ガス（エンジン排気という）の一部を吸気側に環流するためのＥＧＲ装置４４が設けられる。ＥＧＲ装置４４は、ＥＧＲ通路４５、ＥＧＲクーラ４６およびＥＧＲ弁４７を備える。ＥＧＲ通路４５は、排気通路６の最上流部をなす排気マニホールド１８から、吸気通路６の最下流部をなす吸気マニホールド４７に延びる。ＥＧＲクーラ４６およびＥＧＲ弁４７はこの順番で上流側から順にＥＧＲ通路４５に設けられる。

エンジン本体２の各気筒のインジェクタ４１に燃料を供給すべく、電動式の燃料ポンプ２２が設けられる。燃料ポンプ２２はデリバリパイプ２３に燃料を送り、デリバリパイプ２３内に蓄圧された燃料が各気筒のインジェクタ４１から筒内に直接噴射される。このように本実施形態のエンジンは直噴式だが、噴射方式は特に限定されず、ポート噴射式であってもよい。

また燃料電池４に燃料を供給すべく、電動式のＦＣ燃料ポンプ１５が設けられる。ＦＣ燃料ポンプ１５と燃料電池４の間には、燃料電池４への燃料供給量を調節するためのＦＣ燃料調量弁１６が設けられる。このように本実施形態においては燃料ポンプがインジェクタ用と燃料電池用とで個別に設けられているが、共用とされてもよい。

その他、車両の各電気部品に電力を供給するためのバッテリ１７と、エンジン本体２の起動もしくは始動のためエンジン本体２をクランキングする電動モータすなわちスタータモータ４８とが設けられる。バッテリ１７の種類は任意であるが本実施形態では一般的な鉛蓄電池である。スタータモータ４８は、エンジン本体２のクランクシャフトを適宜回転駆動する。

燃料電池４に空気を供給するため、給気路２５が設けられる。給気路２５は、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１の上流側のＨＰコンプレッサバイパス通路２０から分岐され、燃料電池４に接続される。給気路２５の分岐位置を符号Ａで示す。これにより結果的に、燃料電池４に供給される空気（ＦＣ空気ともいう）は、低圧段コンプレッサ３ＬＣの下流側の吸気通路５、特に低圧段コンプレッサ３ＬＣの下流側且つ高圧段コンプレッサ３ＨＣの上流側の吸気通路５から抽出されることとなる。ＨＰコンプレッサバイパス通路２０のうち、吸気通路５との分岐位置（開始位置）から給気路２５の分岐位置Ａまでの部分と、給気路２５とが、燃料電池４に空気を供給するための第１の通路を形成する。

給気路２５には第１の制御弁としての給気制御弁２６が設けられる。給気制御弁２６は、燃料電池４への空気供給量を調節するための弁である。本実施形態の場合、給気制御弁２６は、単一の二方弁で構成され、給気路２５の途中に設けられている。しかしながら、燃料電池４への空気供給量を調節できればその種類や設置位置は任意である。

燃料電池４からの排ガス（ＦＣ排気という）を排出するための排気路２７が設けられる。排気路２７は、燃料電池４から延び、高圧段タービン３ＨＴの下流側且つ低圧段タービン３ＬＴの上流側の排気通路６に合流される。より詳細には、排気路２７は、ＨＰタービンバイパス通路１４の合流位置の下流側且つＬＰタービンバイパス通路１１の分岐位置の上流側の排気通路６に合流される。排気路２７の合流位置を符号Ｂで示す。これにより、燃料電池４から排出される排ガスは高圧段タービン３ＨＴの下流側且つ低圧段タービン３ＬＴの上流側の排気通路６に供給あるいは排出されることとなる。排気路２７は、ＦＣ排気を供給するための第２の通路を形成する。

なお、排気路２７は、燃料電池４の空気極（カソード）４Ａおよび燃料極（アノード）４Ｂからの排ガスをそれぞれ合流させて排気通路６に供給するようになっている。

排気路２７には第２の制御弁としての排気制御弁２８が設けられる。排気制御弁２８は、排気通路６に供給するＦＣ排気量を調節するための弁である。本実施形態の場合、排気制御弁２８は、単一の二方弁で構成され、排気路２７の途中に設けられている。しかしながら、排気通路６へのＦＣ排気量を調節できればその種類や設置位置は任意である。

エンジン１および車両を制御するため、制御装置または制御ユニットとしての電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭのような記憶装置、Ａ／Ｄ変換器、入出力インタフェース等を含む。記憶装置には種々のプログラム、データ、マップ等が記憶されており、ＥＣＵ１００はこれらプログラム等を実行することにより種々の制御を実行する。

ＥＣＵ１００は、前述のエアフローメータ７のほか、クランク角センサ３１、アクセル開度センサ３２、圧力センサ３３、その他の各種センサ・スイッチ類から各種信号を入力する。またＥＣＵ１００は、前述のインジェクタ４１、点火プラグ４２、スロットルバルブ９、ウェイストゲート弁１２、可変ノズル１３、ＥＧＲ弁４７、スタータモータ４８、燃料ポンプ２２、ＨＰタービンバイパス弁１９、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１、ＦＣ燃料ポンプ１５、ＦＣ燃料調量弁１６、給気制御弁２６および排気制御弁２８に対しそれぞれ制御信号を出力し、これらを制御する。

ＥＣＵ１００は、エアフローメータ７からの信号に基づき、単位時間当たりの吸入空気の量である吸入空気量すなわち吸気流量を検出する。そしてＥＣＵ１００は、アクセル開度センサ３２により検出されたアクセル開度と、エアフローメータ７により検出された吸入空気量との少なくとも一つに基づき、エンジン１の負荷を検出する。

ＥＣＵ１００は、クランク角センサ３１からのクランクパルス信号に基づき、クランク角自体を検出すると共にエンジン１の回転数を検出する。ここで「回転数」とは単位時間当たりの回転数のことをいい、回転速度と同義である。本実施形態では１分間当たりの回転数ｒｐｍのことをいう。

ここで燃料電池４について詳しく説明する。燃料電池４は、周知のように、空気と燃料（水素）との電気化学反応により発電する。本実施形態の燃料電池４は固体酸化物形もしくは固体電解質形（ＳＯＦＣ）であるが、他の種類の燃料電池、例えば固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）も使用可能である。

燃料電池４は、空気極４Ａ、燃料極４Ｂおよびこれら電極間に挟まれた電解質で構成されるセルを、セパレータを挟んで複数積層してなるセルスタックから主に構成されている。空気極４Ａには、吸気通路５から送られてきた空気に含まれる酸素Ｏ_２が実質的に供給される。燃料極４Ｂには、液体燃料（本実施形態ではガソリン）を改質して得られる水素Ｈ_２が実質的に供給される。なお燃料極には一酸化炭素ＣＯが供給されてもよく、この場合反応後に二酸化炭素ＣＯ_２が排出される。燃料電池４からの排ガスの主成分は水蒸気である。

他の種類の燃料電池と比較して、ＳＯＦＣを使用するメリットは次の通りである。
（１）作動温度が４５０〜１０００℃と比較的高く、エンジン排気温度にも近いため、高温のＦＣ排気をタービンの駆動に利用できる。
（２）作動温度が高いため燃料を内部で改質可能であり、改質器が省略可能で、液体燃料を直接供給できる。
（３）発電効率が比較的高く（４５〜６５％）、コンパクトである。

本実施形態の場合、燃料電池４は、主電源としてのバッテリ１７を充電するための発電装置、もしくは主電源を補助する補助電源として機能する。それ故、一般的なエンジンと異なり、本実施形態のエンジン１は、クランクシャフトによって機械的に駆動される発電機すなわちオルタネータを備えていない。このオルタネータの代わりに燃料電池４が設けられている。このように機械式発電機を省略することでエンジンのメカニカルロスを低減し、燃費を向上できる。もっとも、燃料電池４を機械式発電機と併用する実施形態や、燃料電池４を動力用等の他の用途に使用する実施形態も可能である。

次に、多段式ターボ過給システムについて説明する。高圧段ターボ過給機３Ｈは低圧段ターボ過給機３Ｌより小型もしくは小径とされ、主にエンジンの低回転域を高圧段ターボ過給機３Ｈで、高回転域を低圧段ターボ過給機３Ｌで受け持つようになっている。エンジン回転数がアイドル回転数から上昇すると、まず小型の高圧段ターボ過給機３Ｈの回転が立ち上がり、高圧段ターボ過給機３Ｈによる過給が実行される。これにより低回転域でも高いエンジントルクを得ることができる。また高圧段ターボ過給機３Ｈは低圧段ターボ過給機３Ｌよりも過給レスポンスが良好であり、エミッションモード域や常用域においてターボラグを改善できる。

なお、エミッションモード域とは、各国法規等で定められているエミッションモード（ＪＣ０８等）に従って車両を運転させているときに使用されるエンジン運転領域をいう。また、常用域とは、車両の一般的な運転時に使用されるエンジン運転領域をいう。いずれも、エンジンの低回転・低負荷から中回転・中負荷程度までの領域であり、主に高圧段ターボ過給機３Ｈが仕事をする領域である。

その後エンジン回転数がさらに上昇すると、相対的に大型の低圧段ターボ過給機３Ｌの回転が立ち上がり、低圧段ターボ過給機３Ｌによる過給が実行される。これにより高回転域において高いエンジントルクを発生させることができる。低圧段ターボ過給機３Ｌは大型であるため、高回転域における多量の排ガスを受け入れ可能である。

このような作動を実現するため、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１はＥＣＵ１００により概ね次のように制御される。エンジン回転数がアイドル回転数から上昇するとき、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１は始めに全閉に制御される。すると、エンジン排気がＨＰタービン３ＨＴをバイパスすること無く、その全量がＨＰタービン３ＨＴに供給される。これによりＨＰタービン３ＨＴひいてはＨＰコンプレッサ３ＨＣの回転が立ち上がり、ＨＰターボ３Ｈによる過給が行われる。

このとき、ＨＰタービン３ＨＴを通過した排ガスはＬＰタービン３ＬＴに供給されるが、このとき既に排ガスエネルギ（圧力エネルギおよび熱エネルギ）の多くが消費されてしまっているので、ＬＰタービン３ＬＴの駆動度合いは少ない。そしてＬＰコンプレッサ３ＬＣの仕事量も必然的に少ない。ＬＰコンプレッサ３ＬＣにより若干圧力上昇した吸入空気をＨＰコンプレッサ３ＨＣが本格的に過給することになる。

その後エンジン回転数が上昇すると、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１が徐々に開かれていく。すると、ＨＰタービン３ＨＴをバイパスするエンジン排気の量が増加していき、ＨＰタービン３ＨＴの仕事量が減少すると同時にＬＰタービン３ＬＴの仕事量が増加していく。これに伴い、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの仕事量が減少すると同時にＬＰコンプレッサ３ＬＣの仕事量が増加していく。

その後さらにエンジン回転数が上昇すると、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１が全開に制御される。すると、エンジン排気のほぼ全量がＨＰタービン３ＨＴをバイパスし、ＬＰタービン３ＬＴに供給される。このときＨＰタービン３ＨＴの入口圧と出口圧はほぼ等しいので、ＨＰタービン３ＨＴは実質的に仕事をしない。

これに伴い、ＬＰコンプレッサ３ＬＣが本格的に過給を開始する。ＬＰコンプレッサ３ＬＣから吐出された空気は、ほぼ全量、ＨＰコンプレッサ３ＨＣをバイパスしてエンジン本体側に導かれる。そしてこのとき、ＨＰコンプレッサ３ＨＣは実質的に仕事をしない。

なお、多段式でない通常のシングルターボと同様、過給圧が所定の上限圧力に達したときウェイストゲート弁１２が開かれ、過給圧制限制御が実行される。またエンジン運転状態に応じて可変ノズル１３の開度が制御され、ＨＰタービン３ＨＴの入口圧が制御される。ＥＧＲ実行の際に排気マニホールド１８内の圧力を高めるため、可変ノズル１３の開度が減少されることもある。

さて、多段式ターボ過給システム（３Ｌ，３Ｈ）と燃料電池４を備える本実施形態のエンジン１は、燃料電池４に供給される空気をＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側から抽出するよう構成されている。すなわち、ＬＰコンプレッサ３ＬＣを燃料電池４のための空気源としてエンジン本体２と共用し、ＬＰコンプレッサ３ＬＣで圧力上昇された吸気の一部を抽出して燃料電池４に供給している。よって、燃料電池に空気を供給するためのモータコンプレッサ等の空気源を別途設けずに済み、装置の複雑化やコスト増大を回避することができる。

また、本実施形態のエンジン１は、燃料電池４から排出される排ガスをＨＰタービン３ＨＴの下流側且つＬＰタービン３ＬＴの上流側に供給するよう構成されている。このようにＦＣ排気の供給先を特定すると、エンジン排気圧力が比較的低い場所にＦＣ排気を供給ないし排出することができ、ＦＣ排気をスムーズに排出することができる。そしてＦＣ排気の排出効率を高め、ひいては燃料電池４の発電効率を高めることができる。

またＦＣ排気をＬＰタービン３ＬＴの駆動に利用し、ＬＰターボ３Ｌの回転数を上昇させることができる。言い換えればＦＣ排気によりＬＰターボ３Ｌの回転をアシストできる。これによりＬＰコンプレッサ３ＬＣからの空気排出量を増加してＨＰコンプレッサ３ＨＣに供給し（但しＨＰコンプレッサバイパス弁２１の閉弁時）、主に加速時におけるＨＰコンプレッサ３ＨＣの回転立ち上がり、ひいてはＨＰターボ３Ｈの過給圧立ち上がりやターボラグを改善できる。特にゼロ発進加速時にはエンジンの排ガス量が少ない状態から加速が開始されるので、このときにＨＰターボ３Ｈの過給圧立ち上がりを改善することは、ゼロ発進加速性能の向上に非常に有効である。

一方、ＬＰコンプレッサ３ＬＣからの空気排出量が増えるので、その分、燃料電池４に供給する空気量を増やすことができる。このことも燃料電池４の発電効率向上に有利である。

さらに、ＦＣ排気をＨＰタービン３ＨＴの下流側に排出するので、ＦＣ排気をＨＰタービン上流側に排出することによるＨＰタービン上流側の圧力変化を抑制し、ＥＧＲ制御の精度悪化およびエミッション悪化を抑制できる。

この本実施形態の利点を、図２に示す比較例と比較しつつ詳細に説明する。図２に示す比較例の構成において、図１に示す本実施形態の構成と異なる点は次の通りである。

比較例は、ＦＣ排気を高圧段タービン３ＨＴの上流側に供給するよう構成されている。すなわち、燃料電池４から延びる排気路２７Ａは、高圧段タービン３ＨＴより上流側の排気マニホールド１８に接続されている。排気路２７Ａに排気制御弁２８が設けられる点は本実施形態と同様である。なお圧力センサ３３は省略されている。

また比較例は、燃料電池４に供給される空気をＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側から抽出するよう構成されている。すなわち、燃料電池４に空気を供給するための給気路２５Ａは、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側の吸気通路５から分岐されている。

まず排気側に着目して、比較例の場合だと、本実施形態の場合よりエンジン排気圧力が高い場所（排気マニホールド１８内）にＦＣ排気を供給ないし排出する（但しＨＰタービンバイパス弁１９の閉弁時）。すると、ＦＣ排気をスムーズに排出できず、ＦＣ排気の排出効率ひいては燃料電池４の発電効率が低下する虞がある。特にエミッションモード域では、ＥＧＲを積極的に行うため、可変ノズル開度が小さくなり、排気マニホールド内圧力が高くなる傾向にある。よってこのこともＦＣ排気の排出がスムーズに行えない一つの要因となる。

また、ＦＣ排気を排気マニホールド１８内に供給すると排気マニホールド内圧力が変化する。特に、燃料電池４の暖機完了前はＦＣ排気の流量が不安定になりがちである。するとこれに伴って排気マニホールド内圧力が不安定となり、ＥＧＲ制御の精度が低下し、エミッションに悪影響を及ぼす可能性がある。燃料電池４の暖機完了前は燃料電池４の発電を停止することも考えられるが、こうすると寒冷地等において発電が行えずバッテリの充電に支障を来す虞がある。

一方、図１に示すように、本実施形態の場合はＦＣ排気をＨＰタービン３ＨＴの下流側且つＬＰタービン３ＬＴの上流側に排出するので、比較例の問題を解消することが可能である。すなわち、排気マニホールド１８内よりエンジン排気圧力が低い場所にＦＣ排気を排出するので、比較例よりもＦＣ排気の排出効率を高め、燃料電池４の発電効率を高めることができる。また、ＥＧＲ実行等のために可変ノズル開度が減少され、排気マニホールド内圧力が高くなった場合でも、これとは実質的に無関係な場所にＦＣ排気を排出するので、ＦＣ排気をスムーズに排出することができる。

また、ＦＣ排気を、排気マニホールド内圧力に影響を及ぼさない位置に排出するので、ＥＧＲ制御の精度低下ひいてはエミッションへの悪影響を回避できる。そして燃料電池４の暖機完了前でも発電を実行することができる。

このように本実施形態によれば、燃料電池４から排出される排ガスを最適な場所に供給ないし排出することが可能である。

なお、本実施形態のＨＰターボ３Ｈに関して、可変ノズル１３の代わりにバイパス通路とウェイストゲート弁を設けることも可能である。但し可変ノズル１３を用いた方がＨＰターボ３Ｈの作動領域を拡大し、ＬＰターボ３Ｌをより大型化できて、高出力化できるメリットがある。同様に、ＬＰターボ３Ｌに関しても、バイパス通路１１とウェイストゲート弁１２の代わりに可変ノズルを設けることが可能である。

次に、吸気側に着目する。図２に示す比較例の場合も、燃料電池４に供給される空気すなわちＦＣ空気をＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側、特にＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側から抽出する。よって両コンプレッサ、特にＨＰコンプレッサ３ＨＣを燃料電池４のための空気源として利用し、本実施形態と同様の上記利点を得られる。

しかし、比較例のようにＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側からＦＣ空気を抽出することには次の問題がある。ここでは、吸気側に比較例の構成を、排気側に本実施形態の構成を採用するものとして説明を行う。

一般的に、ターボ過給機においては、コンプレッサから送られた空気が燃焼室内での燃焼に使用され、排ガスとなり、この排ガスがタービンを駆動して、エネルギバランスが成立する。

しかし、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側からＦＣ空気を抽出すると、ＨＰターボ３Ｈの仕事量が増え、ＨＰターボ３Ｈのエネルギバランスが成立しない。

前述したように、ＦＣ排気をＨＰタービン３ＨＴの下流側且つＬＰタービン３ＬＴの上流側に供給すると、ＬＰタービン３ＬＴおよびＬＰコンプレッサ３ＬＣの回転数が上昇する。するとＬＰコンプレッサ３ＬＣからの排出空気量が増加し、この増加分、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの回転数を上昇させる必要がある。こうしなければＨＰコンプレッサ３ＨＣが増加分の空気を適切に吸入できないからである。

しかし、ＨＰコンプレッサ３ＨＣから排出された空気はその一部がＦＣ空気として取り出されてしまう。すると増加分の空気を燃焼室に供給できず、増加分相当の排ガスをＨＰタービン３ＨＴに供給できず、ＨＰタービン３ＨＴひいてはＨＰコンプレッサ３ＨＣの回転数を増加分相当上昇させることができない。よってＨＰターボ３Ｈのエネルギバランスが成立しなくなってしまう。

この場合、ＨＰタービン３ＨＴの回転数を増加分相当上昇させるために可変ノズル１３の開度を減少することが考えられる。しかし、可変ノズル１３の開度を減少すると排気マニホールド内圧力すなわちエンジン本体２の背圧が上昇し、燃費が悪化する。以上が第１の問題である。

第２の問題は、ＨＰターボ３ＨがＬＰターボ３Ｌより小さいサイズ（小径）であるため、ＬＰコンプレッサ３ＬＣから排出された増加された空気量をＨＰコンプレッサ３ＨＣが全て吸入できない可能性があるということである。

本実施形態は、これらの問題を解決可能である。すなわち、本実施形態はＦＣ空気をＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側且つＨＰコンプレッサ３ＨＣの上流側から抽出する。このため、ターボのエネルギバランスに関して、ＬＰコンプレッサ３ＬＣからの排出空気量の増加分はＦＣ空気として、ＨＰコンプレッサ３ＨＣに送る前に即座に取り出すことができる。つまり燃料電池４→ＦＣ排気→ＬＰタービン３ＬＴ→ＬＰコンプレッサ３ＬＣ→ＦＣ空気→燃料電池４というループでエネルギ伝達を行うことができ、この点でＬＰターボ３Ｌのエネルギバランスを成立させることができる。ＬＰコンプレッサ排出空気量の増加分のうち、ＨＰコンプレッサ３ＨＣに供給される割合は無視し得る程度と考えられる。よってＨＰターボ３Ｈのエネルギバランスも成立させることが可能である。上記のような可変ノズル開度減少制御も不要であるため、燃費悪化を抑制できる。

一方、ＨＰコンプレッサ３ＨＣに供給される空気量は実質的に増加しないため、ＨＰコンプレッサ３ＨＣはその全てを吸入可能である。ここで、前述の例（吸気側が図２、排気側が図１の構成）においてＨＰコンプレッサ３ＨＣが増加空気量を全て吸入できない場合に、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１を開くことが考えられる。しかし、このことは、本実施形態の如く、ＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側且つＨＰコンプレッサ３ＨＣの上流側からＦＣ空気を取り出すことと同義である。

このように本実施形態によれば、燃料電池４に供給される空気を最適な場所から確保することが可能である。

次に、本実施形態の制御について説明する。

図３は、エンジンの回転数および負荷で規定されるエンジン運転領域のマップを示す。このマップは予め試験結果に基づき作成され、ＥＣＵ１００に予め記憶されている。なおマップ中に、典型的なエミッションモード域を参考までに破線で図示する。

図３に示すように、エンジンの全運転領域は複数の領域に区分されている。領域Ａ１は低回転・低負荷に相当する領域、領域Ａ２は低回転・高負荷に相当する領域、領域Ｃ１は高回転・低負荷に相当する領域、領域Ｃ２は高回転・高負荷に相当する領域、領域Ｂは、領域Ａ１，Ａ２と領域Ｃ１，Ｃ２との間の中間領域あるいは遷移領域である。領域Ａ１と領域Ａ２とは所定の境界線Ｌ１で仕切られ、領域Ｃ１と領域Ｃ２とは所定の境界線Ｌ２で仕切られ、領域Ａ１，Ａ２と領域Ｂとは所定の境界線Ｌ３で仕切られ、領域Ｃ１，Ｃ２と領域Ｂとは所定の境界線Ｌ４で仕切られる。

本実施形態の場合、境界線Ｌ１は、所定且つ一定の第１負荷ＫＬ１に相当し、境界線Ｌ２は、所定且つ一定の第２負荷ＫＬ２に相当する。これら第１負荷ＫＬ１と第２負荷ＫＬ２は互いに等しいが、異なっていても良い。また第１負荷ＫＬ１と第２負荷ＫＬ２は必ずしも一定でなくても良く、回転数に応じて変化してもよい。

領域Ｂは、領域Ａ１，Ａ２と領域Ｃ１，Ｃ２とを、最大回転数の約半分の回転数領域で分断する。境界線Ｌ３，Ｌ４は、互いにほぼ平行であり、回転数の増大につれ負荷が急減するような特性を有する。

ＥＣＵ１００は、検出した実際の回転数および負荷をマップと比較し、各領域別に図４に示す如く、ＨＰタービンバイパス弁１９、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１およびウェイストゲート弁１２を制御する。ここで図中、「閉」とは弁が実質的に全閉となっている状態、「開」とは弁が実質的に全開となっている状態、「中間」とは弁が全閉と全開の間の中間開度に位置し、且つその開度がＥＣＵ１００によって制御されている状態を意味する。

検出した実際の回転数および負荷が領域Ａ１に属するとき、すなわち、回転数が境界線Ｌ３上の所定の第１回転数Ｎ１以下で且つ負荷が境界線Ｌ１上の第１負荷ＫＬ１以下であるとき、ＨＰタービンバイパス弁１９、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１およびウェイストゲート弁１２は全て全閉に制御される。これによりエンジン排気はＨＰタービン３ＨＴをバイパスせずにＨＰタービン３ＨＴに供給され、ＬＰコンプレッサ３ＬＣからの空気はＨＰコンプレッサ３ＨＣをバイパスせずにＨＰコンプレッサ３ＨＣに供給され、ＨＰターボ３Ｈによる過給が実行される。

検出した実際の回転数および負荷が領域Ａ２に属するとき、すなわち、回転数が境界線Ｌ３上の第１回転数Ｎ１以下で且つ負荷が境界線Ｌ１上の第１負荷ＫＬ１より大きいとき、領域Ａ１のときと同様、ＨＰタービンバイパス弁１９、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１およびウェイストゲート弁１２は全て全閉に制御される。

検出した実際の回転数および負荷が領域Ｂに属するとき、すなわち、回転数が、負荷に応じて変化する境界線Ｌ３上の第１回転数Ｎ１より大きく且つ境界線Ｌ４上の第２回転数Ｎ２以下であるとき、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１は中間開度に制御され、ウェイストゲート弁１２は全閉に制御される。このとき、ＨＰターボ３ＨからＬＰターボ３Ｌへの過給仕事の移行をスムーズに行うべく、回転数の上昇につれＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１は徐々に開かれる。

検出した実際の回転数および負荷が領域Ｃ１に属するとき、すなわち、回転数が境界線Ｌ４上の第２回転数Ｎ２より大きく且つ負荷が境界線Ｌ２上の第２負荷ＫＬ２以下であるとき、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１は全開に制御され、ウェイストゲート弁１２は中間開度に制御される。これによりエンジン排気はＨＰタービン３ＨＴをバイパスしてＬＰタービン３ＬＴに供給され、ＬＰコンプレッサ３ＬＣからの空気はＨＰコンプレッサ３ＨＣをバイパスしてエンジン本体２に供給され、ＬＰターボ３Ｌによる過給が実行される。

検出した実際の回転数および負荷が領域Ｃ２に属するとき、すなわち、回転数が境界線Ｌ４上の第２回転数Ｎ２より大きく且つ負荷が境界線Ｌ２上の第２負荷ＫＬ２より大きいとき、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１は全開に制御され、ウェイストゲート弁１２は中間開度に制御され、ＬＰターボ３Ｌによる過給が実行される。

ところで、ドライバがアクセルペダルを踏み込むことによりエンジンに対する加速要求が発生することがある。この加速要求が発生したとき、ＬＰコンプレッサ３ＬＣからの空気の一部を燃料電池４に供給してしまうと、当該空気を全量燃焼室に送り込めなくなり、エンジンおよび車両の加速に悪影響を及ぼす。そこで本実施形態では、加速要求が発生したとき、燃料電池４への空気および燃料供給を停止し、燃料電池４による発電を停止させる。これによりＬＰコンプレッサ３ＬＣからの空気を全量燃焼室に送って所望の加速を実現することができる。

より詳細には、ＥＣＵ１００は、アクセル開度センサ３２により検出されたアクセル開度Ａｃが所定開度以上であるときに加速要求が発生したと判断する。所定開度は任意に定め得るが、本実施形態では実用上全開（フル加速）に近い開度、例えば７０％とされている。但し０％が全閉、１００％が全開である。このような加速状態となる頻度は比較的少ないので、仮に発電要求がある場合に発電を停止しても実用上は差し支えない。なお加速要求の有無の判断は公知方法を含めこれ以外の方法も可能であり、例えばエンジン負荷に基づいて判断しても良い。

次いでＥＣＵ１００は、加速要求が発生したと判断した場合、給気制御弁２６および排気制御弁２８を全閉に制御する。また併せてＦＣ燃料ポンプ１５も停止させる。こうして燃料電池４による発電を停止させる。なお、ＦＣ燃料ポンプ１５を停止させることに代えてまたはこれに加えて、ＦＣ燃料調量弁１６を全閉に制御してもよい。

一方、ＦＣ排気の供給先であるＨＰタービン３ＨＴの下流側且つＬＰタービン３ＬＴの上流側、すなわちＬＰタービン３ＬＴの入口圧力が高いと、ＦＣ排気を供給し難くなり、発電効率ひいては装置全体の効率が低下する虞がある。そこで本実施形態では、ＦＣ排気の供給先の圧力が、ＦＣ排気の供給をし難くするような所定圧力以上であるとき、燃料電池４への空気および燃料供給を停止し、燃料電池４による発電を停止させる。これにより、発電効率ひいては装置全体の効率低下を抑制することができる。また燃料供給を停止するので不効率な燃料消費も抑制することができる。ＦＣ排気の供給先の圧力は圧力センサ３３により検出される。

より詳細には、ＥＣＵ１００は、圧力センサ３３により検出された排気圧力Ｐが所定圧力以上であるときに、給気制御弁２６および排気制御弁２８を全閉に制御すると共にＦＣ燃料ポンプ１５を停止させ、燃料電池４による発電を停止させる。ここで圧力センサ３３の設置位置は、ＨＰタービン３ＨＴの下流側且つＬＰタービン３ＬＴの上流側の任意の位置とすることができるが、好ましくは、ＨＰタービンバイパス通路１４の合流位置より下流側且つＬＰタービンバイパス通路１１の分岐位置より上流側の位置、より好ましくは図示例の如く排気路２７の合流位置Ｂである。排気圧力Ｐが所定圧力以上となるのは、通常、ＨＰタービンバイパス弁１９が開かれる高回転域である。こうなる頻度は比較的少ないので、仮に発電要求がある場合に発電を停止しても実用上は差し支えない。

次に、本実施形態における発電制御を図５を参照しつつ具体的に説明する。図５は、ＥＣＵ１００が実行する発電制御のルーチンを描いたフローチャートを示す。このルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１ではバッテリ残量Ｂが検出される。バッテリ残量Ｂは、公知方法も含め任意の方法で検出することができる。本実施形態では、単にバッテリ電圧Ｖｂをバッテリ残量の指標値として用い、ＥＣＵ１００により検出する。バッテリ電圧Ｖｂが、スタータモータ４８によるクランキングが可能な最低限の下限電圧Ｖｂｘに等しくなったときのバッテリ残量を０（％）とし、バッテリ電圧Ｖｂが新品バッテリの満充電時相当の所定電圧に等しくなったときのバッテリ残量を１００（％）とする。

ステップＳ１０２では、アクセル開度Ａｃがアクセル開度センサ３２により検出される。ステップＳ１０３では、ＦＣ排気の供給先の排気圧力すなわちＬＰタービン入口圧力Ｐが圧力センサ３３により検出される。

ステップＳ１０４では、検出されたバッテリ残量Ｂが所定のしきい値Ｂｔｈと比較される。しきい値Ｂｔｈは、燃料電池４による発電を開始してバッテリ１７の充電を開始するのに適した比較的少ないバッテリ残量の値とされ、例えば３０（％）とされる。詳しくは後述するが、基本的に、バッテリ残量Ｂがしきい値Ｂｔｈより少ないときには燃料電池４が起動されて発電が実行され、バッテリ１７が充電される。バッテリ残量Ｂがしきい値Ｂｔｈ以上のときには燃料電池４およびこれによる発電が停止され、充電も停止される。

なお、発電の実行・停止の判断に関して、バッテリ残量Ｂに加え、バッテリ１７の消費電力あるいは放電量を考慮してもよい。バッテリ１７からの放電量が大きいほど、バッテリ電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｂｘに早く達してしまうからである。この場合ＥＣＵ１００は、好ましくは、バッテリ１７の放電量が大きいほどしきい値Ｂｔｈが高くなるようにしきい値Ｂｔｈを可変設定する。これにより放電量が大きくなるほど発電を開始するタイミングを早くすることができ、バッテリ残量低下を抑制できる。なお、バッテリ１７の放電量は、例えばバッテリ１７に付設されたバッテリ電流センサにより検出可能である。

バッテリ残量Ｂがしきい値Ｂｔｈ未満のときにはステップＳ１０５に進む。バッテリ残量Ｂがしきい値Ｂｔｈ以上のときには、ステップＳ１１０で給気制御弁２６が閉（特に全閉）とされ、ステップＳ１１１で排気制御弁２８が閉（特に全閉）とされ、ステップＳ１１２でＦＣ燃料ポンプ１５がオフされる。これにより燃料電池４への空気および燃料供給が停止され、燃料電池４およびこれによる発電が停止される。 ステップＳ１０５では、検出されたアクセル開度Ａｃが所定開度Ａｃｔｈと比較される。所定開度Ａｃｔｈは、前述したように、加速要求の発生の有無を判断するのに適した値とされる。アクセル開度Ａｃが所定開度Ａｃｔｈ未満のときには、加速要求無しと判断され、ステップＳ１０６に進む。アクセル開度Ａｃが所定開度Ａｃｔｈ以上のときには、加速要求有りと判断され、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２において発電が停止される。このようにバッテリ残量Ｂがしきい値Ｂｔｈ未満であり、バッテリ１７の充電が必要なときであっても、加速要求有りのときには発電が強制的に停止され、エンジン本体２への空気供給が優先される。

ステップＳ１０６では、検出されたＬＰタービン入口圧力Ｐが所定圧力Ｐｔｈと比較される。所定圧力Ｐｔｈは、前述したように、ＦＣ排気の供給先の圧力がＦＣ排気の供給をし難くするほど高いことを示すのに適した値とされる。ＬＰタービン入口圧力Ｐが所定圧力Ｐｔｈ未満のときには、ＦＣ排気の供給先の圧力が高くないと判断され、ステップＳ１０７に進む。ＬＰタービン入口圧力Ｐが所定圧力Ｐｔｈ以上のときには、ＦＣ排気の供給先の圧力が高いと判断され、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２において発電が停止される。このようにバッテリ残量Ｂがしきい値Ｂｔｈ未満であり、バッテリ１７の充電が必要なときであっても、ＦＣ排気の供給先の圧力が高いときには発電が強制的に停止され、不効率な発電が回避される。

ステップＳ１０７では給気制御弁２６が開とされ、ステップＳ１０８では排気制御弁２８が開とされ、ステップＳ１０９ではＦＣ燃料ポンプ１５がオンされる。これにより燃料電池４への空気および燃料供給が実行され、燃料電池４が作動されると共にこれによる発電が実行される。ここでいう給気制御弁２６および排気制御弁２８の開には、前述の中間開度と全開の両方が含まれる。

なお、この発電制御の例では、加速要求の有無に応じた発電実行・停止（ステップＳ１０５）と、ＦＣ排気供給先圧力に応じた発電実行・停止（ステップＳ１０６）との両方を行った。しかし、これらを行わない実施例や、これらのうち何れか一方のみを行う実施例も可能である。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関の用途や形式等は任意であり、自動車用以外であってもよい。

本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
２ エンジン本体
３Ｌ 低圧段ターボ過給機（ＬＰターボ）
３ＬＴ 低圧段タービン（ＬＰタービン）
３ＬＣ 低圧段コンプレッサ（ＬＰコンプレッサ）
３Ｈ 高圧段ターボ過給機（ＨＰターボ）
３ＨＴ 高圧段タービン（ＨＰタービン）
３ＨＣ 高圧段コンプレッサ（ＨＰコンプレッサ）
４ 燃料電池（ＦＣ）
５ 吸気通路
６ 排気通路
１５ ＦＣ燃料ポンプ
１６ ＦＣ燃料調量弁
１７ バッテリ
２０ ＨＰコンプレッサバイパス通路２０
２５ 給気路
２６ 給気制御弁
２７ 排気路
２８ 排気制御弁
３１ クランク角センサ
３２ アクセル開度センサ
３３ 圧力センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (7)

1. 燃料電池と、内燃機関本体と、前記内燃機関本体に接続された吸気通路および排気通路と、低圧段タービンおよび低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、高圧段タービンおよび高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機とを備え、前記排気通路において、その上流側に前記高圧段タービンが、その下流側に前記低圧段タービンがそれぞれ配設され、前記吸気通路において、その上流側に前記低圧段コンプレッサが、その下流側に前記高圧段コンプレッサがそれぞれ配設された内燃機関であって、
   前記燃料電池に供給される空気を前記低圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路から抽出し、前記燃料電池から排出される排ガスを、前記排気通路のうち、前記高圧段タービンの下流側且つ前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路にのみ供給するよう構成したことを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃料電池に供給される空気を前記低圧段コンプレッサの下流側且つ前記高圧段コンプレッサの上流側の前記吸気通路から抽出するよう構成した
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃料電池に供給される空気を抽出すべく前記低圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路から分岐して前記燃料電池に接続する第１の通路と、前記燃料電池から排出される排ガスを供給すべく前記燃料電池から延びて前記高圧段タービンの下流側且つ前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路に合流する第２の通路とを備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記第１の通路に設けられた第１の制御弁と、前記第２の通路に設けられた第２の制御弁とを備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記燃料電池による発電の実行および停止を制御する発電制御手段を備える
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
6. 前記発電制御手段は、前記内燃機関を加速させるための、前記内燃機関に対する加速要求が発生したときに前記燃料電池による発電を停止させる
   ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記発電制御手段は、前記燃料電池からの排ガスの供給先の圧力が、前記内燃機関の運転状態に起因して所定圧力以上となっているときに前記燃料電池による発電を停止させる
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関。

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