JP6436219B1 - Premixed compression ignition engine - Google Patents
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Abstract
【課題】高い熱効率を確保しつつ燃焼騒音を低減可能な予混合圧縮着火式エンジンを提供する。
【解決手段】燃焼室6内でガソリンを含有する燃料と空気との混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室6内に水を噴射する水噴射手段15を設ける。水噴射手段15に、自着火燃焼による運転時において、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ燃焼室6内で混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、燃焼室6の径方向の外周部R2と当該外周部R2から径方向の内側に離れた内周部R1との間に位置する中間部R3に水を噴射させる。
【選択図】図11A premixed compression ignition engine capable of reducing combustion noise while ensuring high thermal efficiency is provided.
In a premixed compression ignition engine capable of self-igniting a mixture of fuel containing gasoline and air in a combustion chamber, water injection means for injecting water into the combustion chamber is provided. Provide. When the water injection means 15 is operated by self-ignition combustion, the outer periphery in the radial direction of the combustion chamber 6 is in the later stage of the compression stroke or the earlier stage of the expansion stroke and before the high-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture starts in the combustion chamber 6. Water is sprayed onto the intermediate portion R3 located between the portion R2 and the inner peripheral portion R1 that is spaced radially inward from the outer peripheral portion R2.
[Selection] Figure 11
Description
本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンに関する。 The present invention relates to a premixed compression ignition type engine including an engine body having a cylinder in which a combustion chamber is formed, and capable of self-igniting a mixture of fuel and air in the combustion chamber.
従来、ガソリンを含む燃料と空気とを予め混合させておき、この混合気を燃焼室内で自着火させるいわゆる予混合圧縮着火燃焼を実施することが検討されている。 Conventionally, it has been studied to perform so-called premixed compression ignition combustion in which fuel containing gasoline and air are mixed in advance and the mixture is ignited in a combustion chamber.
予混合圧縮着火燃焼では、火炎伝播燃焼に比べて、エンジン本体の高圧縮比化が可能であることおよび燃焼時間が短縮されることに伴って熱効率を高めることができる一方、燃焼室内の圧力すなわち筒内圧が急激に上昇して燃焼騒音が悪化しやすいという問題がある。 In the premixed compression ignition combustion, compared with flame propagation combustion, it is possible to increase the compression ratio of the engine body and increase the thermal efficiency as the combustion time is shortened. There is a problem that the in-cylinder pressure is rapidly increased and combustion noise is easily deteriorated.
これに対して、例えば、特許文献1には、燃料を前段噴射と後段噴射とに分けて燃焼室に噴射するとともに、これら前段噴射と後段噴射との間に混合気に点火を行うように構成されたエンジンが開示されている。特許文献1のエンジンによれば、前段噴射により形成された混合気の燃焼を点火によって開始させることができるため、点火時期を調整することによって着火時期を適切に制御することができるとともに、前段噴射により形成された混合気と後段噴射により形成された混合気の燃焼を異なるタイミングで開始させることができ、筒内圧の急上昇を抑えて燃焼騒音の悪化を抑制できる。
On the other hand, for example, in
しかしながら、特許文献1の構成においても、エンジン本体の圧縮比をさらに高くした場合やエンジン負荷が高い運転条件等では、混合気が所望のタイミング(例えば点火タイミング)よりも早くに自着火を開始していまい燃焼騒音を十分に低減できないおそれがある。
However, even in the configuration of
これに対して、例えば、排気ガスの一部つまりEGRガスを多量に気筒に還流させることが考えられる。しかしながら、この方法では、燃焼室全体の燃焼が緩慢となって燃焼の終了時期が遅くなり熱効率が低下してしまう。 On the other hand, for example, a part of the exhaust gas, that is, EGR gas may be recirculated to the cylinder in a large amount. However, in this method, the combustion in the entire combustion chamber becomes slow, the end time of the combustion is delayed, and the thermal efficiency is lowered.
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、高い熱効率を確保しつつ燃焼騒音を低減可能な予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a premixed compression ignition engine capable of reducing combustion noise while ensuring high thermal efficiency.
前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、前記燃焼室内でガソリンを含有する燃料と空気との混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮着火式エンジンであって、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射手段と、前記水噴射手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記水噴射手段に、前記自着火燃焼による運転時において、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ前記燃焼室内で前記混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、前記燃焼室の径方向の外周部と当該外周部から径方向の内側に離れた内周部との間に位置する中間部に水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する(請求項1)。 In order to solve the above problems, the present invention includes an engine body having a cylinder in which a combustion chamber is formed, and is capable of self-igniting a mixture of fuel containing gasoline and air in the combustion chamber. It is a mixed compression ignition type engine, comprising: water injection means for injecting water into the combustion chamber; and control means for controlling the water injection means, wherein the control means includes the self-ignition combustion in the water injection means. During the operation of the combustion chamber before the high-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture in the combustion chamber and before the start of the high-temperature oxidation reaction in the combustion chamber, the radial outer periphery of the combustion chamber and the radial direction from the outer periphery Provided is a premixed compression ignition type engine characterized in that water is injected into an intermediate portion located between the inner peripheral portion and the inner peripheral portion separated from the inner side (Claim 1).
この構成によれば、筒内圧の急激な上昇を抑制して燃焼騒音を抑制しつつ、燃焼期間を短く抑えて高い熱効率を得ることができる。 According to this configuration, it is possible to obtain a high thermal efficiency by suppressing the combustion period to be short while suppressing the sudden increase in the in-cylinder pressure and suppressing the combustion noise.
具体的には、自着火燃焼では、混合気が温められると、まず、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応が生じ、次に、この反応熱によって混合気がさらに温められることで高い熱エネルギーを発する高温酸化反応が生じる。また、燃焼室内では、燃焼室の壁面から遠く温度の高い部分においてまず混合気が燃焼し、これによって昇温されることで周囲の混合気が自着火していくようになっており、混合気の自着火は、燃焼室の壁面から遠い領域でまず開始し、その後外周側に向かって進行していく。 Specifically, in the self-ignition combustion, when the air-fuel mixture is warmed, first, a low-temperature oxidation reaction with a slight exotherm that exceeds the cooling loss occurs, and then the air-fuel mixture is further warmed by this reaction heat. A high temperature oxidation reaction that generates thermal energy occurs. In the combustion chamber, the air-fuel mixture is first combusted at a high temperature part far from the wall of the combustion chamber, and the surrounding air-fuel mixture is ignited by self-ignition by raising the temperature. The self-ignition starts first in a region far from the wall surface of the combustion chamber and then proceeds toward the outer peripheral side.
従って、燃焼室内の混合気の全体を自着火させるためには、燃焼室の壁面から遠く温度の高い部分において混合気の低温酸化反応を確実に生じさせる必要がある。一方で、混合気全体が急激に燃焼するのを防止するためには、最初に低温酸化反応した混合気の周囲の混合気が高温酸化反応を開始する時期を遅くするあるいはこの周囲の混合気の酸化反応の速度を遅くする必要がある。 Therefore, in order to self-ignite the entire air-fuel mixture in the combustion chamber, it is necessary to reliably cause a low-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture at a portion where the temperature is far from the wall surface of the combustion chamber. On the other hand, in order to prevent the entire air-fuel mixture from burning suddenly, the time when the air-fuel mixture around the air-fuel mixture that initially undergoes the low-temperature oxidation reaction starts the high-temperature oxidation reaction later or It is necessary to slow down the oxidation reaction.
これに対して、この構成では、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ燃焼室内で混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、燃焼室の外周部と当該外周部から気筒の径方向の内側に離れた内周部との間に位置する中間部に水が噴射される。つまり、燃焼室の壁面から遠く温度が高い内周部には水は噴射されず、混合気の高温酸化反応が開始する直前に、この内周部の周囲に位置する中間部に水が偏在されるように構成されている。 On the other hand, in this configuration, before the high-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture starts in the later stage of the compression stroke or the earlier stage of the expansion stroke, Water is sprayed to an intermediate part located between the inner peripheral part and the inner peripheral part. In other words, water is not injected into the inner peripheral portion where the temperature is far from the wall of the combustion chamber and the temperature is high, and immediately before the high-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture starts, water is unevenly distributed in the intermediate portion located around the inner peripheral portion. It is comprised so that.
そのため、内周部において混合気を適切に低温酸化反応させつつ、燃焼室の中間部における混合気の温度を水の潜熱作用および比熱の増大作用によって低く抑えることができる。従って、中間部で混合気が高温酸化反応を開始する時期を遅くあるいはこの酸化反応の速度を遅くすることができ、混合気の自着火を可能としながら筒内圧の急上昇を抑制できる。 Therefore, the temperature of the air-fuel mixture in the intermediate portion of the combustion chamber can be kept low by the latent heat action of water and the action of increasing the specific heat while appropriately causing the air-fuel mixture to undergo a low temperature oxidation reaction in the inner peripheral portion. Therefore, the timing at which the air-fuel mixture starts the high-temperature oxidation reaction in the intermediate portion can be delayed or the speed of the oxidation reaction can be slowed, and the rapid increase in the in-cylinder pressure can be suppressed while allowing the air-fuel mixture to self-ignite.
しかも、この構成では、最後に混合気が燃焼する燃焼室の外周部には水が噴射されていない。そのため、この外周部での燃焼が緩慢になるのを防止することができ、燃焼を早期に終了させて燃焼期間を短くできる。 Moreover, in this configuration, water is not injected to the outer peripheral portion of the combustion chamber where the air-fuel mixture burns last. Therefore, it is possible to prevent the combustion at the outer peripheral portion from becoming slow, and it is possible to shorten the combustion period by terminating the combustion early.
前記構成において、前記内周部は、前記燃焼室の中央を含む領域である、のが好ましい(請求項2)。 The said structure WHEREIN: It is preferable that the said inner peripheral part is an area | region including the center of the said combustion chamber (Claim 2).
このようにすれば、燃焼室の中央であってより高温となりやすい領域の温度が水の潜熱作用によって過度に低減されるのを防止でき、燃焼室内においてより確実に混合気を自着火させることができる。 In this way, it is possible to prevent the temperature in the center of the combustion chamber, which tends to be higher, from being excessively reduced by the latent heat action of water, and to make the air-fuel mixture self-ignite more reliably in the combustion chamber. it can.
以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、高い熱効率を確保しつつ燃焼騒音を低減できる。 As described above, according to the premixed compression ignition type engine of the present invention, combustion noise can be reduced while ensuring high thermal efficiency.
(1)エンジンの全体構成
図1は、本発明の予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、4ストロークのエンジン本体1と、エンジン本体1に燃焼用の空気を導入するための吸気通路20と、エンジン本体1で生成された排気を排出するための排気通路30とを備える。
(1) Overall Configuration of Engine FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an engine system to which a premixed compression ignition engine of the present invention is applied. The engine system of the present embodiment includes a four-stroke engine
エンジン本体1は、例えば、4つの気筒2が図1の紙面と直交する方向に直列に配置された直列4気筒エンジンである。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体1は車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン本体1は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。
The
図2は、エンジン本体1の概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view of the
エンジン本体1は、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、気筒2に往復動(上下動)可能に嵌装されたピストン5とを有する。
The
ピストン5の上方には燃焼室6が形成されている。燃焼室6はいわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド4の下面で構成される燃焼室6の天井面6aは吸気側および排気側の2つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。
A
ピストン5の冠面5a(以下、単に、ピストン冠面5aという)には、ピストン5の径方向の中心を含む中央領域に凹設されたキャビティ19が設けられている。キャビティ19は、上面視で略円形の形状を有し、燃焼室6の径方向においてピストン冠面5aの中央領域に、下方(シリンダヘッド4と反対の方向)に凹没するように形成されている。本実施形態では、ピストン冠面5aの表面は、断熱層5bによってコーティングされている。
On the
なお、ここでは、ピストン5の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒2の内側空間のうちピストン冠面5aと燃焼室の天井面6aとの間の空間を、燃焼室6という。
Here, the space between the
本実施形態では、エンジン本体1の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン5が下死点にあるときの燃焼室6の容積とピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積との比は、13以上25以下(例えば20程度)に設定されている。
In this embodiment, the geometric compression ratio of the
シリンダヘッド4には、吸気通路20から供給される空気を気筒2(燃焼室6)内に導入するための吸気ポート9と、気筒2内で生成された排気を排気通路30に導出するための排気ポート10とが形成されている。これら吸気ポート9と排気ポート10とは、気筒2毎にそれぞれ2つずつ形成されている。
The
シリンダヘッド4には、各吸気ポート9の気筒2側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁11と、各排気ポート10の気筒2側の開口をそれぞれ開閉する排気弁12とが設けられている。
The
シリンダヘッド4には、燃料を噴射する燃料インジェクタ14が設けられている。燃料インジェクタ14は、噴射口が形成された先端部が燃焼室の天井面6aの中央付近に位置して燃焼室6の中央を臨むように取り付けられている。燃料インジェクタ14は、燃焼室の天井面6aの中央付近からピストン冠面5aに向かって、気筒2の中心軸を中心としたコーン状(詳しくはホローコーン状)に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角(噴霧角)は、例えば90°〜100°である。
The
本実施形態では、燃料インジェクタ14として、外開式のインジェクタが用いられている。なお、燃料インジェクタ14は、外開式に限らず、VCO(Valve Covered Orifice)ノズルタイプのインジェクタや、先端部に複数の噴孔が設けられかつ所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプのインジェクタや、ホロ−コーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタであってもよい。
In the present embodiment, an outward-opening type injector is used as the
シリンダヘッド4には、燃焼室6内の混合気を点火するための点火プラグ(点火装置)13が設けられている。点火プラグ13は、火花を放電して混合気を点火し混合気に点火エネルギーを付与する電極が形成された電極部13aを有する。点火プラグ13は、電極部13aが燃焼室の天井面6aの中央付近に位置して燃焼室6の中央を臨むように配置されている。
The
図3は、燃焼室6の概略断面図である。図3に示すように、シリンダヘッド4には、さらに、燃焼室6内に水を噴射する水インジェクタ(水噴射手段)15が設けられている。水インジェクタ15は、噴射口が形成された先端部が燃焼室の天井面6aの中央付近に位置して燃焼室6の中央を臨むように取り付けられている。燃料インジェクタ14と水インジェクタ15とは、図2の紙面と直交する方向に近接して並んでいる。
FIG. 3 is a schematic sectional view of the
水インジェクタ15は、燃焼室の天井面6aの中央付近からからピストン冠面5aに向かって、気筒2の中心軸を中心としたコーン状(詳しくはホローコーン状)に水を噴射するように構成されている。例えば、このコーンのテーパ角は90°〜100°(ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は70°程度)となっている。
The
本実施形態では、水インジェクタ15として、燃料インジェクタ14と同様に外開式のインジェクタが用いられる。
In the present embodiment, as the
図4は、外開式の水インジェクタ15の概略断面図である。図4に示すように、外開式の水インジェクタ15は、先端にノズル口15bが形成された燃料管15cと、燃料管15cの内側に配設されてノズル口15bを開閉する外開き弁15aとを有する。外開き弁15aは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子15dに接続されている。外開き弁15aは、ピエゾ素子15dに電圧が印加されていない状態でノズル口15bと当接してノズル口15bを閉弁し、ピエゾ素子15dが電圧の印加に伴って変形することで、ノズル口15bから先端側に突き出してノズル口15bを開弁する。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the outward-opening
ノズル口15bおよび外開き弁15aのうちノズル口21bと当接する部分は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状を有している。これにより、ノズル口15bからは、ノズル口15bの中心軸すなわち気筒2のほぼ中心軸を中心として、燃料がコーン状に噴射される。
The portion of the
外開き弁15aのリフト量(リフト量は、外開き弁15aの閉弁位置からの突出量でありノズル口15bの開口量である)は、ピエゾ素子15dへの電圧の印加期間および電圧の大きさに応じて変化する。そして、外開き弁15aのリフト量に応じて、ノズル口15bから噴射される水の粒径が変化し、さらに、水インジェクタ15の軸方向に直交する径方向に対する噴霧の広がりが変化する。
The lift amount of the
具体的には、リフト量が大きくされると噴霧の粒径が大きくなりペネトレーションが強くなる。これに伴い、コアンダ効果によってホローコーンの内側に形成される負圧が高くなり、この負圧に噴霧が引き寄せられることで噴霧の広がりは小さく抑えられる。一方、リフト量が小さくされると噴霧の粒径が小さくなりペネトレーションが弱められ、ホローコーンの内側に形成される負圧が低くなって噴霧の広がりが大きくなる。 Specifically, when the lift amount is increased, the particle size of the spray is increased and the penetration is increased. Along with this, the negative pressure formed inside the hollow cone is increased by the Coanda effect, and the spray is attracted to this negative pressure, so that the spread of the spray is suppressed to be small. On the other hand, when the lift amount is reduced, the particle size of the spray is reduced and the penetration is weakened, the negative pressure formed inside the hollow cone is lowered, and the spread of the spray is increased.
図1に戻り、吸気通路20には、上流側から順に、エアクリーナ21と、吸気通路20を開閉するためのスロットルバルブ22とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ22は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路20を遮断する。
Returning to FIG. 1, an
排気通路30には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置41、コンデンサー32が設けられている。浄化装置41は、例えば、三元触媒を内蔵している。
The
コンデンサー32は、排気通路30を通過する排気中の水(水蒸気)を凝縮するためのものである。コンデンサー32と水インジェクタ15とは水供給通路35によって接続されており、コンデンサー32で生成された凝縮水は、水供給通路35を介して水インジェクタ15に供給される。このように、本実施形態では、水インジェクタ15は、排気から生成された水の供給を受けてこれを燃焼室6内に噴射する。より詳細には、水供給通路35には、コンデンサー32で生成された凝縮水を貯留する水タンク33が設けられるとともに、水タンク33内の水を圧送する水ポンプ34が設けられており、この水ポンプ34によって水タンク33から水インジェクタ15に凝縮水が供給される。例えば、水インジェクタ15には、その噴射圧が20MPaとなるように水が圧送される。また、本実施形態では、水ポンプ34は比較的低圧のポンプであり、水インジェクタ15から噴射される水は、エンジン冷却水の温度と同程度の90℃となっている。なお、これに代えて、高圧のポンプを用いて水の温度・圧力をさらに高くしてもよい。例えば、水インジェクタ15から超臨界水が噴射されるように水を加圧してもよい。
The
排気通路30には、排気通路30を通過する排気の一部をEGRガスとして吸気通路20に還流するためのEGR装置46が設けられている。EGR装置46は、吸気通路20のうちスロットルバルブ22よりも下流側の部分と排気通路30のうち浄化装置41よりも上流側の部分とを連通するEGR通路47、および、EGR通路47を開閉するEGRバルブ48を有する。また、本実施形態では、EGR通路47に、これを通過するEGRガスを冷却するためのEGRクーラ49が設けられており、EGRガスはEGRクーラ49にて冷却された後吸気通路20に還流される。
The
(2)制御系統
(2−1)システム構成
図5は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。図5に示すように、本実施形態のエンジンシステムは、PCM(パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段)100によって統括的に制御される。PCM100は、周知のとおり、CPU、ROM、RAM等から構成されるマイクロプロセッサである。
(2) Control System (2-1) System Configuration FIG. 5 is a block diagram showing an engine control system. As shown in FIG. 5, the engine system of the present embodiment is comprehensively controlled by a PCM (powertrain control module, control means) 100. As is well known, the
車両には各種センサが設けられており、PCM100はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック3には、エンジン回転数を検出するクランク角センサSN1が設けられている。また、吸気通路20を通って各気筒2に吸入される空気量を検出するエアフローセンサSN2が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサSN3が設けられている。
Various sensors are provided in the vehicle, and the
PCM100は、これらセンサSN1〜SN3等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ13、燃料インジェクタ14、水インジェクタ15等のエンジンの各部を制御する。
The
(2−2)燃焼制御
本実施形態では、全運転領域において予混合圧縮着火燃焼(CI燃焼、自着火燃焼)が実施される。
(2-2) Combustion control In this embodiment, premixed compression ignition combustion (CI combustion, self-ignition combustion) is performed in the entire operation region.
具体的には、圧縮上死点よりも前に燃料インジェクタ14から燃焼室6内に燃料が噴射されて、この燃料と空気との混合気が圧縮されて高温となり圧縮上死点付近で自着火する。
Specifically, fuel is injected into the
ここで、火炎伝播燃焼に比べてCI燃焼では熱効率(エンジントルク)を高めることができる。具体的には、CI燃焼では、燃焼室6内の複数の領域でそれぞれ燃焼を開始させることができる。従って、火炎伝播によって燃焼が進行する火炎伝播燃焼に比べて燃焼期間を短くでき、熱効率を高めることができる。
Here, the thermal efficiency (engine torque) can be increased in the CI combustion as compared with the flame propagation combustion. Specifically, in CI combustion, combustion can be started in a plurality of regions in the
しかしながら、エンジン負荷が高い場合に混合気を自着火させようとすると、燃焼室6内の温度が高いことに伴って燃焼室6の各部で混合気が一気に(ほぼ同時に)燃焼を開始する結果、燃焼室6内の圧力つまり筒内圧が急激に上昇して燃焼騒音が大きくなりやすい。また、燃焼室6内の温度つまり筒内温度が非常に高くなってNOxが生成しやすい。
However, if it is attempted to auto-ignite the air-fuel mixture when the engine load is high, the air-fuel mixture starts to burn (at substantially the same time) in each part of the
また、エンジン負荷が比較的低い一方エンジン回転数が高い場合も、反応時間が短いために、やはり燃焼室6内の各部において混合気が一気に燃焼し、燃焼騒音およびNOxの生成量が増大する。
Further, even when the engine load is relatively low and the engine speed is high, the reaction time is short, so that the air-fuel mixture is also burned all at once in each portion of the
そこで、本実施形態では、エンジン負荷が比較的高い領域において、混合気が一気に燃焼を開始するのを防止するべく燃焼室6内に水を噴射する。
Therefore, in the present embodiment, water is injected into the
図6は、横軸がエンジン回転数で縦軸がエンジン負荷の制御マップである。図6に示すように、エンジン負荷が第1基準負荷Tq1以上且つ第2基準負荷Tq2未満の領域に中負荷領域A1が設定されている。第1基準負荷Tq1は、エンジン回転数が高いほど低い値に設定されている。また、エンジン負荷が予め設定された第2基準負荷Tq2以上となる領域に高負荷領域A2が設定されている。そして、これら中負荷領域A1と高負荷領域A2とにおいて燃焼室6内に水が噴射される。
FIG. 6 is a control map of the engine speed on the horizontal axis and the engine load on the vertical axis. As shown in FIG. 6, the medium load region A1 is set in a region where the engine load is equal to or higher than the first reference load Tq1 and lower than the second reference load Tq2. The first reference load Tq1 is set to a lower value as the engine speed is higher. Further, the high load area A2 is set in an area where the engine load is equal to or higher than a preset second reference load Tq2. Then, water is injected into the
燃焼室6内に水を噴射すれば、水の潜熱作用および比熱の増大によって燃焼室6内の温度上昇を抑制して混合気の燃焼を緩慢にできる(混合気が一気に燃焼を開始するのを防止できる)。ただし、燃焼室6内全体に単純に均一に水を供給したのでは熱効率が悪化する。図7を用いて具体的に説明する。図7は、クランク角に対する熱発生率の変化を示した概略図である。
By injecting water into the
燃焼室6に水を供給しなかった場合(以下、比較例1という)は、燃焼室6内で混合気が一気に燃焼を開始することで、図7の破線に示すように、熱発生率dQ1は急激に立ち上がる。
When water is not supplied to the combustion chamber 6 (hereinafter referred to as Comparative Example 1), the air-fuel mixture starts to burn at once in the
これに対して、燃焼室6全体に均一に水を供給した場合(以下、比較例2という)は、燃焼室6内の温度上昇が抑制されて燃焼が緩慢となり、図7の鎖線で示すように、熱発生率dQ2の立ち上がりは緩やかとなる。この結果、比較例2では、筒内圧および筒内温度の急上昇は抑制される。
On the other hand, when water is uniformly supplied to the entire combustion chamber 6 (hereinafter referred to as Comparative Example 2), the temperature rise in the
しかしながら、比較例2では、燃焼後期における熱発生率の傾きも緩やかとなり、燃焼期間が長くなる。そのため、比較例2では熱効率が悪化する。 However, in Comparative Example 2, the slope of the heat release rate in the later stage of combustion also becomes gentle, and the combustion period becomes longer. Therefore, in Comparative Example 2, the thermal efficiency is deteriorated.
また、比較例2では、混合気の自着火自体が生じず失火するおそれがある。つまり、比較例2では、混合気の自着火を安定して適切に実現できないおそれがある。 Moreover, in the comparative example 2, there exists a possibility that self-ignition of air-fuel | gaseous mixture itself may not arise but it may misfire. That is, in Comparative Example 2, there is a possibility that self-ignition of the air-fuel mixture cannot be realized stably and appropriately.
比較例2で前記の現象が生じるのは次の理由による。 The above phenomenon occurs in Comparative Example 2 for the following reason.
自着火燃焼(予混合圧縮着火燃焼)では、混合気が温められると、まず、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う低温酸化反応が生じ、この反応熱によって混合気がさらに温められることで、高い熱エネルギーを発する高温酸化反応が開始する。低温酸化反応は、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う混合気の酸化反応である。図8は、混合気が自着火したときの筒内温度のモータリング時(燃焼室6で燃焼を生じさせなかった時)の筒内温度に対する上昇量を示したグラフである。このグラフに示されるように、自着火燃焼では、まず、クランク角CA1からわずかに温度が上昇し始め、その後、クランク角CA2において急激に温度が上昇する。低温酸化反応はクランク角CA1からクランク角CA2に生じている反応であり、クランク角CA2以降の急激な温度上昇が生じる反応が高温酸化反応である。 In auto-ignition combustion (premixed compression ignition combustion), when the air-fuel mixture is warmed, first, a low-temperature oxidation reaction with slight exotherm that exceeds the cooling loss occurs, and this heat of reaction further warms the air-fuel mixture. A high temperature oxidation reaction that generates thermal energy begins. The low temperature oxidation reaction is an oxidation reaction of the air-fuel mixture with a slight exotherm that exceeds the cooling loss. FIG. 8 is a graph showing an increase amount with respect to the in-cylinder temperature during motoring of the in-cylinder temperature when the air-fuel mixture self-ignites (when combustion is not generated in the combustion chamber 6). As shown in this graph, in the self-ignition combustion, first, the temperature starts to slightly increase from the crank angle CA1, and then the temperature rapidly increases at the crank angle CA2. The low temperature oxidation reaction is a reaction that occurs from the crank angle CA1 to the crank angle CA2, and the reaction that causes a rapid temperature increase after the crank angle CA2 is the high temperature oxidation reaction.
燃焼室6内では、燃焼室6の壁面から遠く比較的温度の高い部分においてまず混合気の酸化反応が開始し、この反応熱によって昇温されることで周囲の混合気が自着火していく。つまり、混合気の自着火は燃焼室6の壁面から遠い部分から外周側に向かって進行していく。本実施形態では、キャビティ19の中央部Cが最も温度が高くなりこのキャビティ19の中央部Cにおいてまず混合気の酸化反応が開始する。そのため、燃焼室6内において混合気を自着火させるためには、キャビティ19の中央部Cで混合気の低温酸化反応を確実に生じさせてその後の燃焼を誘発させる燃焼の核を確実に生成する必要がある。
In the
これに対して、比較例2では、キャビティ19の中央部Cにも水が噴射されてこの中央部Cの温度が低く抑えられる。そのため、比較例2では、キャビティ19の中央部Cで十分に酸化反応を生じさせることができず、失火するおそれがある。
On the other hand, in Comparative Example 2, water is also injected into the central portion C of the
また、前記のように混合気の自着火はキャビティ19の中央部Cから外周側に向かって進行しており、燃焼室6の外周側の領域の混合気が最後に燃焼する。そのため、この燃焼が緩慢となると燃焼期間が長くなってしまう。
Further, as described above, the self-ignition of the air-fuel mixture proceeds from the central portion C of the
これに対して、比較例2では、燃焼室6の外周側の領域にも水が噴射されており、燃焼室6の外周側の領域に存在し燃焼室6の壁面によって冷却される混合気がさらに水によって冷却される。そのため、燃焼室6の外周側の領域の混合気の燃焼が過度に緩慢となり、燃焼期間が長くなる。
On the other hand, in Comparative Example 2, water is also injected into the region on the outer peripheral side of the
このことから、本実施形態では、燃焼室6内で混合気が高温酸化反応を開始する前に、キャビティ19の中央部Cを含む第1領域R1と、燃焼室6の外周側の第2領域R2と、の間に位置する中間領域R3に水が偏在するように、燃焼室6内に水を噴射する。
From this, in this embodiment, before the air-fuel mixture starts a high-temperature oxidation reaction in the
このようにすれば、キャビティ19の中央部Cの温度を過度に低下させることなく、中央部Cの温度上昇を抑制できる。具体的には、中間領域R3に水が噴射されて中間領域R3が冷却されることでこれに隣接する第1領域R1も冷却されるが、その冷却効果は第1領域R1に直接水を噴射するよりも低く抑えられ、第1領域R1内の混合気の温度上昇を、この温度が過度に低下しない程度に抑えることができる。従って、キャビティ19の中央部Cでの高温酸化反応の開始時期あるいは高温酸化反応の速度を遅くしつつ、中央部Cでの低温酸化反応を確実に実現して失火を防止できる。
If it does in this way, the temperature rise of the center part C can be suppressed, without reducing the temperature of the center part C of the
また、キャビティ19の中央部Cで生じた反応熱を受けた中間領域R3内の混合気の温度上昇を抑制して、中間領域R3での混合気の燃焼を緩慢にすること(高温酸化反応の開始時期あるいは高温酸化反応の速度を遅くすること)ができる。従って、キャビティ19の中央部Cおよびその周辺で一気に混合気が燃焼するのを防止できる。
Further, the temperature rise of the air-fuel mixture in the intermediate region R3 that has received the heat of reaction generated in the central portion C of the
また、燃焼室6の外周側の領域の温度が水によってさらに低くなるのを防止でき、この外周側の領域での燃焼が緩慢になるのを回避できる。従って、燃焼期間を短くできる。
Moreover, it can prevent that the temperature of the area | region of the outer peripheral side of the
第1領域R1は、第1領域R1に存在する混合気により生成される燃焼エネルギーが燃焼室6全体の混合気の自着火を誘発できるような範囲に設定されていればよく、その具体的な範囲は限定されないが、例えば、第1領域R1は、直径が2mm程度以上且つキャビティ19の直径の約半分以下となるように設定されている。
The first region R1 only needs to be set in a range in which the combustion energy generated by the air-fuel mixture existing in the first region R1 can induce self-ignition of the air-fuel mixture in the
中間領域R3に水を偏在させるべく、また、中間領域R3において水と混合気との接触機会を多くするべく、本実施形態では、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ燃焼室6内で混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、中間領域R3に水を噴射する。つまり、過度に早期に水を噴射すると、水が中間領域R3以外の領域に拡散しやすくなるとともに、水が燃焼室6の壁面に付着して混合気と水との接触機会が低下し、水による混合気の冷却効果および水による混合気の温度上昇抑制効果が小さくなる。そこで、本実施形態では、前記のように、圧縮行程の後期以降であって混合気の高温酸化反応が開始する直前に水を噴射する。なお、本明細書において圧縮行程等の○○行程の前期、中期、後期は、この行程を3等分したときの前期、中期、後期のことを指す。
In the present embodiment, in order to make water unevenly distributed in the intermediate region R3 and to increase the chance of contact between the water and the air-fuel mixture in the intermediate region R3, in the present embodiment, the air-fuel mixture is in the later stage of the compression stroke or the earlier stage of the expansion stroke. Prior to the start of the high-temperature oxidation reaction, water is injected into the intermediate region R3. That is, when water is jetted excessively early, water easily diffuses to the region other than the intermediate region R3, and water adheres to the wall surface of the
さらに、中間領域R3内の混合気の低温酸化反応をより効果的に遅くするべく、本実施形態では、燃焼室6内で低温酸化反応が開始するタイミング(図8の例におけるクランク角CA1)と高温酸化反応が開始するタイミング(図8の例におけるクランク角CA2)との間の時期であって、中間領域R3内の混合気の低温酸化反応の開始前後に水を噴射する。 Furthermore, in order to slow down the low temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture in the intermediate region R3 more effectively, in this embodiment, the timing at which the low temperature oxidation reaction starts in the combustion chamber 6 (crank angle CA1 in the example of FIG. 8) and Water is injected before and after the start of the low temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture in the intermediate region R3 at a timing between the start of the high temperature oxidation reaction (crank angle CA2 in the example of FIG. 8).
具体的には、予め実験等によって、各運転条件(各エンジン回転数と各エンジン負荷等)での低温酸化反応が開始するタイミング(図8の例におけるクランク角CA1)と高温酸化反応が開始するタイミング(図8の例におけるクランク角CA2)とが求められるとともに、これらのタイミングの中間の時期が水噴射の開始時期として設定されてPCM100にマップ等で記憶されている。そして、PCM100は、運転条件に応じたこのマップ等から水噴射の開始時期を抽出し、この時期に水インジェクタ15によって燃焼室6内に水を噴射させる。なお、これに代えて、燃焼室6内の圧力を検出する筒内圧センサを設け、この筒内圧センサによって検出された筒内圧を用いて熱発生率を算出し、熱発生率が上昇したタイミングから所定クランク角度後の時期を水噴射の開始時期として設定してもよい。
Specifically, the timing (crank angle CA1 in the example of FIG. 8) and the high-temperature oxidation reaction start at each operating condition (each engine speed, each engine load, etc.) and the high-temperature oxidation reaction through experiments and the like in advance. A timing (crank angle CA2 in the example of FIG. 8) is obtained, and an intermediate timing between these timings is set as a water injection start timing and stored in the
また、燃料としてハイオクガソリンが用いられる場合は、低温酸化反応が明確に現れにくいことが分かっている。そのため、ハイオクガソリンが用いられる可能性がある場合は、各運転条件において、高温酸化反応が開始するタイミングを求めるとともに、このタイミングからおよそ10°CA程度前の角度を水噴射の開始時期として設定してPCM100にマップ等で記憶させる。そして、センサ等によってハイオクガソリンが用いられていることが検出されると、このハイオクガソリン用のマップを用いて水噴射の開始時期を設定する。
In addition, it has been found that when high-octane gasoline is used as the fuel, the low-temperature oxidation reaction hardly appears clearly. Therefore, when high-octane gasoline is likely to be used, the timing at which the high-temperature oxidation reaction starts under each operating condition is determined, and an angle approximately 10 ° CA before this timing is set as the start timing of water injection. And stored in the
ただし、中負荷領域A1と高負荷領域A2とで、混合気が形成される領域および水を噴射する詳細な領域は異なっている。これについて次に説明する。 However, the area where the air-fuel mixture is formed and the detailed area where water is injected are different between the middle load area A1 and the high load area A2. This will be described next.
(2−3)中負荷領域A1
中負荷領域A1では、次のような噴射制御が実施される。
(2-3) Medium load region A1
In the middle load region A1, the following injection control is performed.
まず、中負荷領域A1では、燃費性能を高めるべく、主としてキャビティ19内に混合気が形成されるようにキャビティ19内に燃料が噴射され、主としてキャビティ19内で混合気の燃焼が行われる。つまり、中負荷領域A1では、キャビティ19内の混合気の空燃比を適切に高めてこれの自着火を実現しつつ、燃焼室6内全体での空燃比をリーンとして燃費性能を高める。具体的には、中負荷領域A1では、圧縮行程のおよそ中期にキャビティ19内に向かって燃料が噴射される。
First, in the middle load region A1, in order to improve fuel efficiency, fuel is injected into the
このように、中負荷領域A1では主としてキャビティ19内で混合気の燃焼が生じており、キャビティ19の最外周部分つまり開口縁19a付近の混合気が最後に燃焼する。従って、燃焼期間を短くするためには、キャビティ19の開口縁19a付近の温度低下を抑制する必要がある。
Thus, in the medium load region A1, combustion of the air-fuel mixture occurs mainly in the
そこで、中負荷領域A1では、圧縮行程の後期あるいは膨張行程前期であって燃焼室6内で混合気が高温酸化反応を開始する直前に、キャビティ19内のうち図9に示す中間領域R3に、水が噴射される。
Therefore, in the middle load region A1, the intermediate region R3 shown in FIG. 9 in the
具体的には、中負荷領域A1では、キャビティ19の中央部Cを含む第1領域R1と、キャビティ19の外周部とキャビティ19よりも外周側の部分とで構成される第2領域R2、換言すると、キャビティ19の開口縁19aよりも径方向内側のラインL1から径方向外側の第2領域R2と、の間の領域が中間領域R3とされており、この中間領域R3に水が噴射される。詳細には、図10に示すように、中間領域R3と第2領域R2との境界ラインL1よりもわずかに径方向内側の部分に向かって水インジェクタ15から水Wが噴射される。図9の例では、第1領域R1は、キャビティ19の中心を中心としキャビティ19の直径のおよそ1/4の寸法を直径とする領域に設定されている。
Specifically, in the middle load region A1, the first region R1 including the central portion C of the
(2−4)高負荷領域A2
高負荷領域A2では、エンジン負荷が高いことに伴って燃焼室6内に供給せねばならない燃料量が多くなる。そのため、高負荷領域A2では、キャビティ19内に向かって燃料が噴射されるが、燃料はキャビティ19よりも径方向外側にまで拡散し、燃焼室6内のほぼ全体に混合気が形成される。
(2-4) High load area A2
In the high load region A2, the amount of fuel that must be supplied into the
このように、高負荷領域A2では、燃焼室6内のほぼ全体で混合気の燃焼が生じるため、燃焼室6の外周縁付近の混合気が最後に燃焼する。従って、燃焼期間を短くするためには、キャビティ19の外周縁付近の温度低下を抑制する必要がある。また、高負荷領域A2では、燃焼室6内の温度が高いこと、および、燃料量が多いことに伴って、燃焼がより急峻になりやすい。
Thus, in the high load region A2, the air-fuel mixture is burned almost entirely in the
そこで、高負荷領域A2では、圧縮行程の後期または膨張行程前期であって燃焼室6内で混合気が高温酸化反応を開始する直前に、キャビティ19内のうち図11に示す中間領域R13に水が噴射される。
Therefore, in the high load region A2, the intermediate region R13 shown in FIG. 11 in the
具体的には、高負荷領域A2においても、キャビティ19の中央部Cを含み燃焼の核を生成可能な領域であって中負荷領域A1の第1領域R1とほぼ同じ範囲の領域に第1領域R11が設定されている。一方、高負荷領域A2では、燃焼室6の外周縁から、キャビティ19の開口縁19aよりも径方向外側のラインL11までの領域であってキャビティ19の外周部を含む領域が第2領域R12とされる。そして、これら第1領域R1と第2領域R2との間の領域が中間領域R13とされて、この中間領域R13に水が噴射される。つまり、高負荷領域A2では、水が噴射される領域が、キャビティ19の開口縁19aよりも径方向内側のラインL12からキャビティ19の開口縁19aよりも径方向外側のラインL11までの領域であって、中負荷領域A1よりも広い領域とされる。
Specifically, even in the high load region A2, the first region is in a region including the central portion C of the
詳細には、高負荷領域A2では、中負荷領域A1よりも水インジェクタ15のリフト量が小さくされて水の噴霧角度が大きくされ、図12に示すように、キャビティ19の開口縁19aに向けて水インジェクタ15から水Wが噴射される。そして、水インジェクタ15のリフト量が小さくされていることで、水の粒径が小さくなり、水のペネトレーションは小さくなる。従って、高負荷領域A2では、中負荷領域A1に比べて水はより広範囲に拡散し、中負荷領域A1よりも広い領域に水が供給される。
Specifically, in the high load region A2, the lift amount of the
(3)作用等
以上のように、本実施形態では、中負荷領域A1と高負荷領域A2とにおいて、つまり、エンジン負荷が第1基準負荷Tq1以上の領域において、キャビティ19の中央部Cすなわち燃焼室6の中央部Cを含む第1領域R1と、燃焼室6の外周部に位置する第2領域R2との間の中間領域R3、R13内に、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ燃焼室6内で混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、水が噴射されていることで、初期の燃焼を緩慢にして燃焼騒音を抑制しつつ、後期の燃焼が緩慢になるのを抑制して熱効率を高めることができる。
(3) Operation, etc. As described above, in the present embodiment, in the middle load region A1 and the high load region A2, that is, in the region where the engine load is equal to or higher than the first reference load Tq1, the central portion C of the
特に、本実施形態では、キャビティ19内で主として混合気が燃焼する中負荷領域A1では、キャビティ19の開口縁19aから径方向内側に離間した領域を中間領域R3に設定して、この中間領域R3に水を噴射している。そのため、中負荷領域A1において、熱効率をより一層高めることができる。
In particular, in the present embodiment, in the middle load region A1 where the air-fuel mixture mainly burns in the
また、燃焼室6のおよそ全体で混合気が燃焼する高負荷領域A2では、キャビティ19の開口縁19aの径方向内側の領域と外側の領域とを含むより広い領域を中間領域R13として設定して、この中間領域R13に水を噴射している。そのため、高負荷領域A2において、初期の燃焼をより一層緩慢にして燃焼騒音を確実に小さく抑えることができる。
Further, in the high load region A2 where the air-fuel mixture burns in almost the
(4)変形例
前記実施形態では、第1領域R1がキャビティ19の中央部Cおよび燃焼室6の中央部Cを含む領域に設定された場合について説明したが、第1領域R1は、燃焼室6の外周縁から径方向内側に離間した領域であって圧縮上死点において最も高温となる領域に設定されていればよくキャビティ19の中央部Cおよび燃焼室6の中央部Cを含んでいなくてもよい。
(4) Modification In the embodiment, the case where the first region R1 is set to a region including the central portion C of the
また、前記実施形態では、ピストン冠面5aにキャビティ19が形成されて、中負荷領域A1においてこのキャビティ19内で主として混合気が燃焼する場合について説明したが、キャビティ19は省略してもよい。
In the above embodiment, the case where the
また、中負荷領域A1のようにキャビティ19において主として混合気が形成される運転領域においても、高負荷領域A2と同様にキャビティ19の開口縁19aの径方向内側から外側に至る領域に水を噴射してもよい。
Further, in the operation region where the air-fuel mixture is mainly formed in the
ただし、前記のように、ピストン冠面5aにキャビティ19が形成され、且つ、このキャビティ19内で主として混合気が燃焼する場合(且つ、燃焼騒音を小さく抑える必要がある場合)は、前記実施形態の中負荷領域A1での制御のように、キャビティ19の中央を含む第1領域R1と、キャビティ19の内周面付近の第2領域R2との間に位置する中間領域R3にのみ水を噴射するのが好ましい。
However, as described above, when the
また、前記実施形態では、燃料がガソリンを含む場合について説明したが、燃料の具体的な種類はこれに限らず、ナフサ(naphtha)であってもよい。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where a fuel contains gasoline, the specific kind of fuel is not restricted to this, A naphtha (naphtha) may be sufficient.
また、エンジン本体の幾何学的圧縮比は前記に限らない。ただし、混合気の適切な自着火燃焼を実現して高い熱効率を得るために、幾何学的圧縮比は前記実施形態のように設定されるのが好ましい。 The geometric compression ratio of the engine body is not limited to the above. However, the geometric compression ratio is preferably set as in the above-described embodiment in order to achieve appropriate self-ignition combustion of the air-fuel mixture and obtain high thermal efficiency.
また、前記実施形態では、水インジェクタ15を外開式としこれのリフト量を変更することで、中負荷領域A1と高負荷領域A2とで異なる領域に水を噴射させるようにした場合について説明したが、水の噴射領域を異ならせるための具体的な構成はこれに限らない。例えば、水インジェクタ15として、異なる噴射角度で水を噴射することが可能なものを用いて、この噴射角度を変更することで水の噴射領域を変更してもよい。
Moreover, in the said embodiment, the case where water was injected to the area | region different in medium load area | region A1 and high load area | region A2 by changing the lift amount of the
1 エンジン本体
2 気筒
6 燃焼室
14 燃料インジェクタ
15 水インジェクタ(水噴射手段)
100 PCM(制御手段)
R1 第1領域
R2 第2領域
R3 中間領域
R11 第1領域
R12 第2領域
R13 中間領域
DESCRIPTION OF
100 PCM (control means)
R1 First region R2 Second region R3 Intermediate region R11 First region R12 Second region R13 Intermediate region
Claims (2)
前記燃焼室内に水を噴射する水噴射手段と、
前記水噴射手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記水噴射手段に、前記自着火燃焼による運転時において、圧縮行程後期あるいは膨張行程前期で且つ前記燃焼室内で前記混合気の高温酸化反応が開始するよりも前に、前記燃焼室の径方向の外周部と当該外周部から径方向の内側に離れた内周部との間に位置する中間部に水を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 A premixed compression ignition engine comprising an engine body having a cylinder in which a combustion chamber is formed, and capable of self-igniting a mixture of fuel and air containing gasoline in the combustion chamber,
Water injection means for injecting water into the combustion chamber;
Control means for controlling the water injection means,
The control means causes the water injection means to perform the combustion during the operation by the self-ignition combustion before the high-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture starts in the late compression stroke or early expansion stroke and in the combustion chamber. A premixed compression ignition engine characterized in that water is injected into an intermediate portion located between a radially outer peripheral portion of the chamber and an inner peripheral portion spaced radially inward from the outer peripheral portion.
前記内周部は、前記燃焼室の中央部を含む領域である、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 The premixed compression ignition type engine according to claim 1,
The premixed compression ignition type engine, wherein the inner peripheral portion is a region including a central portion of the combustion chamber.
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