JP2006283670A - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 少なくとも特殊運転モードと通常運転モードとを選択的に切替えて運転する火花点火式エンジンにおいて、特殊運転モードから通常運転モードに移行する際のトルクショックを効果的に抑制することができる火花点火式エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】 2気筒接続のグループを複数形成(α、β)して運転される特殊運転モードと、各気筒独立状態の通常運転モードとを切替え可能に有するエンジンにおいて、特殊運転モードから通常運転モードへの切替え時において、ガス流通経路の切替えを、グループ間でタイミングをずらして実行(α:t3→β:t5)するとともに、通常運転モードに切替えた後の最初の燃焼気筒の燃焼トルクを低減(T3→TA)する燃焼トルク低減制御を実行する。
【選択図】 図8
【解決手段】 2気筒接続のグループを複数形成(α、β)して運転される特殊運転モードと、各気筒独立状態の通常運転モードとを切替え可能に有するエンジンにおいて、特殊運転モードから通常運転モードへの切替え時において、ガス流通経路の切替えを、グループ間でタイミングをずらして実行(α:t3→β:t5)するとともに、通常運転モードに切替えた後の最初の燃焼気筒の燃焼トルクを低減(T3→TA)する燃焼トルク低減制御を実行する。
【選択図】 図8
Description
本発明は、火花点火式エンジンの制御装置に関し、より詳しくは、多気筒エンジンにおいて燃費改善およびエミッション向上のために各気筒の燃焼状態を制御する制御装置に関するものである。
従来から、火花点火式エンジンにおいて、各気筒内の混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせることにより燃費改善を図る技術が知られており、例えば特許文献1に示されるように、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、低回転低負荷域等では上記燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼を行わせ、これによって超リーン燃焼を実現するようにしたものが知られている。しかし、このような超リーン燃焼を行わせる場合には、排ガス浄化用の触媒として、三元触媒だけでなく、高価なリーンNOx触媒(酸素過剰雰囲気でNOxを吸着して酸素濃度低下雰囲気でNOxの離脱、還元を行う)を必要とした。
この点に鑑み、例えば特許文献2に示すように、部分的に超リーン燃焼を含みながら、全体として理論空燃比での燃焼を行わせることにより、リーンNOx触媒を不要としたものが提案されている。
この特許文献2に示される火花点火式エンジンは、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもつように設定されるとともに、各気筒をそれぞれ独立させて燃焼させる通常運転モードと、排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスをそのまま吸気行程にある後続気筒に導入して燃焼させる特殊運転モードとに、エンジンの運転状態に応じて運転モードを切り換えることにより、リーン燃焼による燃費改善効果をもたせつつ、リーンNOx触媒を必要とせず三元触媒を用いるだけで、排気浄化性能を向上させることができるように構成されている。
特開平10−274085号公報
特開2004−76617号公報
しかしながら、上記特許文献2に示されるようなエンジンにおいて、運転モードを特殊運転モードから通常運転モードに切り替える際、燃焼トルクの大きさ段差が生じて、乗員にトルクショックを感じさせてしまうことがあった。
本発明は、上記のような事情に鑑み、少なくとも特殊運転モードと通常運転モードとを選択的に切替えて運転する火花点火式エンジンにおいて、特殊運転モードから通常運転モードに移行する際のトルクショックを効果的に抑制することができる火花点火式エンジンの制御装置を提供するものである。
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっている多気筒の火花点火式エンジンであって、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程側の気筒である先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程側の気筒である後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出される排ガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態と、各気筒にそれぞれ新気を導入する各気筒独立状態とに切換え可能に構成されたガス流通経路を備え、運転モードとして、少なくとも所定の低負荷低回転域で選択される特殊運転モードと、少なくとも所定の高負荷ないし高回転領域で選択される通常運転モードとを有し、上記特殊運転モードでは、上記ガス流通経路を上記2気筒接続状態とするとともに、上記先行気筒に対しては理論空燃比よりも所定量大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせ、上記後続気筒に対しては上記先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して所定の空燃比とした状態で燃焼を行わせ、上記通常運転モードでは、上記ガス流通経路を上記各気筒独立状態とするとともに、各気筒においてそれぞれ独立して略理論空燃比もしくはそれよりも小さな空燃比で燃焼を行わせる火花点火式エンジンの制御装置において、上記2気筒接続状態となる一対の気筒からなるグループを複数グループ有し、上記特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、上記ガス流通経路の切替えを、上記グループ間でタイミングをずらして実行するとともに、上記通常運転モードに切替えた後の最初の燃焼気筒の燃焼トルクを低減する燃焼トルク低減制御を実行することを特徴とする。
この発明によれば、例えばエンジンの低負荷低回転域において、2気筒接続状態で特殊運転モードの燃焼制御が実行されることにより、上記先行気筒ではリーン空燃比での燃焼が行われて熱効率が高められるとともに、ポンピングロスが低減されて顕著な燃費改善効果が得られ、かつ上記後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて略理論空燃比とされた状態で燃焼が行われるために、少なくともポンピングロス低減による燃費効果は得られる。また、先行気筒では大幅なリーン空燃比で燃焼が行われることによりNOxの発生量が比較的少なく抑えられ、後続気筒では、先行気筒から既燃ガスが導入されることで多量のEGRが行われているのと同等の状態となることからNOxの発生が充分に抑制され、エミッションの向上に有利となる。さらに、先行気筒から排出された高温のガスは気筒間ガス通路を通る間に適度に放熱されて温度調整され、かつ、このガス中の過剰空気と既燃ガスが均一に分散するようにミキシングされた状態で後続気筒に導入されることにより、多量のEGRに対しては理想的な状態となり、しかも比較的高温のガス中に燃料が噴射されて、燃料の気化が促進されるため、後続気筒において燃焼が良好に行われる。
また、2気筒接続状態となる一対の気筒からなるグループを複数グループ有し、特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、ガス流通経路の切替えを、グループ間でタイミングをずらして実行する場合、単に運転モードを切替えただけでは通常運転モードに切替えた後の最初の燃焼気筒の燃焼トルクが増大してしまい、乗員にトルクショックを感じさせてしまう虞があるところ、その燃焼トルクを低減する燃焼トルク低減制御を実行することにより、トルクショックを効果的に抑制することができる。
請求項2の発明は、請求項1記載の火花点火式エンジンの制御装置において、上記燃焼トルク低減制御は、上記通常運転モードに切替えた後の最初の燃焼気筒の点火時期を遅らせるものであることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1記載の火花点火式エンジンの制御装置において、吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、上記燃焼トルク低減制御は、上記吸入空気量制御手段によって吸入空気量を低減するものであることを特徴とする。
これら請求項2および請求項3の発明によると、簡単な構成で確実に燃焼トルクを低減させることができる。
請求項4の発明は、請求項1乃至3の何れか1項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、上記燃焼トルク低減制御は、上記特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、上記特殊運転モードでの燃焼の後、上記通常運転モードでの燃焼が起こり、その後再び上記特殊運転モードでの燃焼が起こる場合の、その通常運転モードでの燃焼に適用されることを特徴とする。
この発明によると、特殊運転モードから通常運転モードへの切替え時において、特殊運転モードでの燃焼の後、通常運転モードでの燃焼が起こり、その後再び特殊運転モードでの燃焼が起こる場合、燃焼トルクが小→大→小と変化して、特に大きなトルクショックを感じ易くなるところ、この「大」に燃焼トルク低減制御を適用することにより、特に効果的にトルクショックを抑制することができる。
請求項5の発明は、請求項1乃至4の何れか1項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、上記特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、上記通常運転モードでの燃焼後、上記特殊運転モードでの燃焼が起こる場合の、その特殊運転モードでの燃焼において、燃焼トルクを増大させる燃焼トルク増大制御を実行するように構成され、上記燃焼トルク増大制御は、上記後続気筒での燃焼トルクを増大させるものであり、燃焼トルク増大制御を行う燃焼と対をなす燃焼を行う先行気筒への燃料噴射量を、その標準の量に対して減量させ、その減量分を上記燃焼トルク増大制御を行う後続気筒に増量して供給し、当該グループ全体として理論空燃比での燃焼を行わせるものであることを特徴とする。
この発明によると、特殊運転モードから通常運転モードへの切替え時において、上記通常運転モードでの燃焼後、上記特殊運転モードでの燃焼が起こる場合、燃焼トルクが大→小と変化して、大きなトルクショックを感じ易くなるところ、この「小」に燃焼トルク増大制御を適用することにより、効果的にトルクショックを抑制することができる。その燃焼トルク増大制御によって後続気筒への燃料供給量を増量することにより、確実にその燃焼トルクを増大させることができる。また、先行気筒と後続気筒との対で見ると、これらに供される合計燃料の量は変わらないので、全体としては理論空燃比での燃焼を継続していることになり、EM浄化性能を維持することができる。
請求項6の発明は、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっている多気筒の火花点火式エンジンであって、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程側の気筒である先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程側の気筒である後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出される排ガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態と、各気筒にそれぞれ新気を導入する各気筒独立状態とに切換え可能に構成されたガス流通経路を備え、運転モードとして、少なくとも所定の低負荷低回転域で選択される特殊運転モードと、少なくとも所定の高負荷ないし高回転領域で選択される通常運転モードとを有し、上記特殊運転モードでは、上記ガス流通経路を上記2気筒接続状態とするとともに、上記先行気筒に対しては理論空燃比よりも所定量大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせ、上記後続気筒に対しては上記先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して所定の空燃比とした状態で燃焼を行わせ、上記通常運転モードでは、上記ガス流通経路を上記各気筒独立状態とするとともに、各気筒においてそれぞれ独立して略理論空燃比もしくはそれよりも小さな空燃比で燃焼を行わせる火花点火式エンジンの制御装置において、上記2気筒接続状態となる一対の気筒からなるグループを複数グループ有し、上記特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、上記ガス流通経路の切替えを、上記グループ間でタイミングをずらして実行するとともに、上記通常運転モードに切替えた後、上記通常運転モードでの燃焼後、上記特殊運転モードでの燃焼が起こる場合の、その特殊運転モードでの燃焼において、燃焼トルクを増大させる燃焼トルク増大制御を実行することを特徴とする。
この発明によれば、例えばエンジンの低負荷低回転域において、2気筒接続状態で特殊運転モードの燃焼制御が実行されることにより、上記先行気筒ではリーン空燃比での燃焼が行われて熱効率が高められるとともに、ポンピングロスが低減されて顕著な燃費改善効果が得られ、かつ上記後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて略理論空燃比とされた状態で燃焼が行われるために、少なくともポンピングロス低減による燃費効果は得られる。また、先行気筒では大幅なリーン空燃比で燃焼が行われることによりNOxの発生量が比較的少なく抑えられ、後続気筒では、先行気筒から既燃ガスが導入されることで多量のEGRが行われているのと同等の状態となることからNOxの発生が充分に抑制され、エミッションの向上に有利となる。さらに、先行気筒から排出された高温のガスは気筒間ガス通路を通る間に適度に放熱されて温度調整され、かつ、このガス中の過剰空気と既燃ガスが均一に分散するようにミキシングされた状態で後続気筒に導入されることにより、多量のEGRに対しては理想的な状態となり、しかも比較的高温のガス中に燃料が噴射されて、燃料の気化が促進されるため、後続気筒において燃焼が良好に行われる。
また、2気筒接続状態となる一対の気筒からなるグループを複数グループ有し、特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、ガス流通経路の切替えを、グループ間でタイミングをずらして実行する場合、単に運転モードを切替えただけでは、特殊運転モードから通常運転モードへの切替え時において、上記通常運転モードでの燃焼後、上記特殊運転モードでの燃焼が起こる場合、燃焼トルクが大→小と変化して、大きなトルクショックを感じ易くなるところ、この「小」に燃焼トルク増大制御を適用することにより、効果的にトルクショックを抑制することができる。
請求項7の発明は、請求項6記載の火花点火式エンジンの制御装置において、上記燃焼トルク増大制御は、上記後続気筒での燃焼トルクを増大させるものであり、燃焼トルク増大制御を行う燃焼と対をなす燃焼を行う先行気筒への燃料噴射量を、その標準の量に対して減量させ、その減量分を上記燃焼トルク増大制御を行う後続気筒に増量して供給し、当該グループ全体として理論空燃比での燃焼を行わせるものであることを特徴とする。
この発明によると、燃焼トルク増大制御によって後続気筒への燃料供給量を増量することにより、確実にその燃焼トルクを増大させることができる。しかも、先行気筒と後続気筒との対で見ると、これらに供される合計燃料の量は変わらないので、全体としては理論空燃比での燃焼を継続していることになり、EM浄化性能を維持することができる。
以上の説明によって明らかなように、本発明によると、特殊運転モードと通常運転モードとを選択的に切替えて運転するエンジンにおいて、2気筒接続状態となる一対の気筒からなるグループを複数グループ有し、特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、ガス流通経路の切替えを、グループ間でタイミングをずらして実行するとともに、通常運転モードに切替えた後の最初の燃焼気筒の燃焼トルクを低減する燃焼トルク低減制御を実行するので、特殊運転モードから通常運転モードに移行する際のトルクショックを効果的に抑制することができる。
図1は本発明の一実施形態によるエンジンの概略構成を示し、図2はエンジン本体の一つの気筒とそれに対して設けられた吸・排気弁等の構造を概略的に示している。これらの図において、エンジン本体1は複数の気筒を有し、図示の実施形態では4つの気筒2A〜2Dを有している。各気筒2A〜2Dにはピストン3が嵌挿され、ピストン3の上方に燃焼室4が形成されている。
各気筒2の燃焼室4の頂部には点火プラグ7が装備され、そのプラグ先端が燃焼室4内に臨んでいる。この点火プラグ7には、電子制御による点火時期のコントロールが可能な点火回路8が接続されている。
燃焼室4の側方部には、燃焼室4内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁9が設けられている。この燃料噴射弁9は、図略のニードル弁およびソレノイドを内蔵し、後述のパルス信号が入力されることにより、そのパルス入力時期に、パルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射するように構成されている。なお、この燃料噴射弁9には、図外の燃料ポンプにより燃料供給通路等を介して燃料が供給され、かつ、圧縮行程での燃焼室内の圧力よりも高い燃料圧力を与え得るように燃料供給系統が構成されている。
また、各気筒2A〜2Dの燃焼室4に対して吸気ポート11、11a,11bおよび排気ポート12、12a,12bが開口し、これらのポートに吸気通路15から分岐した分岐吸気通路16および排気通路20から分岐した分岐排気通路21等が接続されるとともに、各ポートが吸気弁31、31a,31bおよび排気弁32、32a,32bにより開閉されるようになっている。
そして、吸気、圧縮、膨張および排気の各行程からなる上記各気筒2A〜2Dの燃焼サイクルが、所定の位相差をもつように設定されており、4気筒エンジンにおいて、気筒列方向の一端側から1番気筒2A、2番気筒2B、3番気筒2C、4番気筒2Dと呼ぶ場合には、図6に示すように、1番気筒2A、3番気筒2C、4番気筒2Dおよび2番気筒2Bの順にクランク角で180°ずつの位相差をもつように燃焼サイクルが設定されている。なお、図6において、EXは排気行程、INは吸気行程、Fは燃料噴射、Sは点火を表している。
排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程が重なるときの排気行程側の気筒(当明細書ではこれを先行気筒と呼ぶ)から吸気行程側の気筒(当明細書ではこれを後続気筒と呼ぶ)へ既燃ガスをそのまま導くことができるように、気筒間ガス通路22が設けられている。図6に示すように、1番気筒2Aの排気行程(EX)と2番気筒2Bの吸気行程(IN)とが重なり、また4番気筒2Dの排気行程(EX)と3番気筒2Cの吸気行程(IN)が重なるように設定された当実施形態の4気筒エンジンでは、1番気筒2Aと2番気筒2Bとが一対をなす(第1グループα)とともに、4番気筒2Dと3番気筒2Cが一対をなし(第2グループβ)、1番気筒2Aおよび4番気筒2Dが先行気筒、2番気筒2Bおよび3番気筒2Cが後続気筒となる。
先行気筒である1番気筒2Aおよび4番気筒2Dには、それぞれ吸気通路15を介して供給された新気を導入するための一対の吸気ポート11,11と、既燃ガス(排気ガス)を排気通路20に排出するための第1排気ポート12aと、既燃ガスを後続気筒である2番気筒2Bおよび3番気筒2Cに導出するための第2排気ポート12bとが配設されている。
また、後続気筒である2番気筒2Bおよび3番気筒2Cには、それぞれ吸気通路15を介して供給された新気を導入するための一対の第1吸気ポート11a,11aと、先行気筒である1番気筒2Aおよび4番気筒2Dからの既燃ガスを導入するための第2吸気ポート11bと、既燃ガスを排気通路20に排出するための排気ポート12とが配設されている。
図1に示す例では、先行気筒である1番,4番気筒2A,2Dおよび後続気筒である2番,3番気筒2B,2Cには、その燃焼室4の左半部側に一対の吸気ポート11および第1吸気ポート11aがそれぞれ並列的に設けられている。また、上記1番,4番気筒2A,2Dの燃焼室4の右半部側には、第1排気ポート12aおよび第2排気ポート12bが並列的に設けられるとともに、2番,3番気筒2B,2Cの燃焼室4の右半部側には、第2吸気ポート11bおよび排気ポート12が並列的に設けられている。
1番,4番気筒(先行気筒)2A,2Dにおける吸気ポート11および2番,3番気筒(後続気筒)2B,2Cにおける第1吸気ポート11aには、吸気通路15における気筒別の分岐吸気通路16の下流端が接続されている。各分岐吸気通路16の下流端近傍には、共通の軸を介して互いに連動する多連スロットル弁17が設けられており、この多連スロットル弁17がアクチュエータ18によって駆動されることにより、吸入空気量が調節されるようになっている。なお、上記吸気通路15における集合部よりも上流に位置する共通吸気通路15aには、吸気流量を検出するエアフローセンサ19が設けられている。
1番,4番気筒(先行気筒)2A,2Dにおける第1排気ポート12aおよび2番,3番気筒2B,2C(後続気筒)における排気ポート12には、排気通路20における気筒別の分岐排気通路21の上流端が接続されている。また、1番気筒2Aと2番気筒2Bとの間および3番気筒2Cと4番気筒2Dとの間には、それぞれ気筒間ガス通路22が設けられている。そして、先行気筒である1番,4番気筒2A,2Dの第2排気ポート12bに気筒間ガス通路22の上流端が接続されるとともに、後続気筒である2番,3番気筒2B,2Cの第2吸気ポート11bに気筒間ガス通路22の下流端が接続されている。
排気通路20における分岐排気通路21の下流側に位置する集合部には、理論空燃比検出用の排気ガス濃度検出手段であるO2センサ23が設けられ、さらにその下流側に位置する排気通路20には、排気浄化用の三元触媒24が設けられている。この三元触媒24は、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比(つまり空気過剰率λがλ=1)の付近にあるときにHC,COおよびNOxに対して高い浄化性能を示す触媒である。また、上記O2センサ23は、排気ガス中の酸素濃度を検出することにより空燃比を検出するもので、特に理論空燃比付近で出力が急変するλO2センサにより構成されている。
上記気筒間ガス通路22には、排気ガス中における酸素濃度の変化(空燃比の変化)に対して出力がリニアに変化するリニアO2センサ25(リーン空燃比検出用の排気ガス濃度検出手段)が設けられている。
各気筒の吸・排気ポートを開閉する吸・排気弁と、これらに対する動弁機構とは、次のように構成されている。すなわち、1番,4番気筒2A,2D(先行気筒)における吸気ポート11、第1排気ポート12aおよび第2排気ポート12bにはそれぞれ吸気弁31、第1排気弁32aおよび第2排気弁32bが設けられ、また、2番,3番気筒2B,2C(後続気筒)における第1吸気ポート11a、第2吸気ポート11bおよび排気ポート12にはそれぞれ第1吸気弁31a、第2吸気弁31bおよび排気弁32が設けられている。
そして、各気筒2A〜2Dの吸気行程や排気行程が上述のような所定の位相差をもって行われるように、これらの吸・排気弁がカムシャフトを有する動弁機構によりそれぞれ所定のタイミングで開閉するように駆動される。上記動弁機構のカムシャフトには、各吸・排気弁をリフトさせて開閉駆動する第1カム33と、各吸・排気弁をリフトさせることなく閉止状態に保持する一対の第2カム34との両方がそれぞれ設けられている。
さらに、上記各吸・排気弁のうち先行気筒2A,2Dに設けられた第1排気弁32aおよび後続気筒2B,2Cに設けられた第1吸気弁31aに対しては、これらを作動状態から閉止状態に切り換える第1切換機構35aが設けられるとともに、先行気筒2A,2Dに設けられた第2排気弁32bおよび後続気筒2B,2Cに設けられた第2吸気弁31bに対しては、これらを閉止状態から作動状態に切り換える第2切換機構35bが設けられている。
図3は、当実施形態の制御系統のブロック図である。図3に示すように、第1切換機構35aおよび第2切換機構35bは、例えば特許文献2に示されるような可変バルブリフト機構(VVL機構)によって、各バルブを作動状態(吸排気のタイミングにあわせて開閉する)と閉止状態(吸排気のタイミングであっても開かない)とに切り替えられる。通常のVVL機構は、バルブリフトの大/小を切替えるものであるが、小バルブリフトのリフト量を0にすることにより、バルブを作動状態と閉止状態とに切替えられる。その作動は、通路36,38に給排される作動油によってなされる。第1コントロール弁37を開放状態とすると、通路36に作動油が供給されて第1排気弁32aおよび第1吸気弁31aが閉止状態となる。逆に第1コントロール弁37を閉止状態とすると、通路36への作動油供給が停止されて第1排気弁32aおよび第1吸気弁31aが作動状態となる。
また第2コントロール弁39を開放状態とすると、通路38作動油が供給されて第2排気弁32bおよび第2吸気弁31bが作動状態とされる。逆にコントロール弁39を閉止状態とすると、通路38への作動油供給が停止されて第2排気弁32bおよび第2吸気弁31bが閉止状態とされる。
特殊運転モードでは、各コントロール弁37,39が開放状態とされ、通常運転モードでは各コントロール弁37,39が閉止状態とされる。
図3に示すように、マイクロコンピュータ等からなるエンジン制御用のECU(エンジンコントロールユニット)40には、エアフローセンサ19、O2センサ23およびリニアO2センサ25からの信号が入力され、さらに運転状態を判別するためにエンジン回転数を検出する回転数センサ45、アクセル開度(アクセルペダル踏込み量)を検出するアクセル開度センサ46およびエンジンの冷却水温度を検出する水温センサ47等からの信号も入力されている。また、上記ECU40から、各燃料噴射弁9、多連スロットル弁17のアクチュエータ18および上記第1,第2のコントロール弁37,39に、それぞれ制御信号が出力されるようになっている。
上記ECU40は、エンジンの運転状態を判別する運転状態判別手段41と、第1,第2切換機構35a,35bを制御する弁停止機構制御手段42と、エンジンの燃焼室4への吸入空気量を制御する吸入空気量制御手段43と、燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御手段44とを備えている。
運転状態判別手段41は、上記回転数センサ45およびアクセル開度センサ46等からの信号に基づき、エンジン回転数およびエンジン負荷等に対応したエンジンの運転状態を判別し、図4に示すような低負荷低回転側の運転領域Aにある場合には、後述する2気筒接続状態で特殊運転モードの運転制御を実行し、高負荷側ないし高回転側の運転領域Bにある場合には、後述する各気筒独立状態で通常運転モードの燃焼制御を実行するように構成されている。
弁停止機構制御手段42は、上記運転状態判別手段41において判別されたエンジンの運転領域A,Bに応じ、上記各コントロール弁37,39を開閉制御して第1,第2切換機構35a,35bを駆動制御することにより、吸気および排気の流通経路を後に詳述するように2気筒接続状態と各気筒独立状態とに切り換えるものであり、上記弁停止機構制御手段42により開閉駆動されるコントロール弁37,39を備えた駆動機構と、第1,第2切換機構35a,35b等とにより、吸気および排気の流通経路を2気筒接続状態と各気筒独立状態とに切り換える流通経路切換手段が構成されている。
すなわち、低負荷低回転の運転領域Aでは、上記各コントロール弁37,39を開放状態として、第1,第2切換機構35a,35bに作動油を供給することにより、第1排気弁32aおよび第1吸気弁31aに対する駆動力の伝達が遮断されてこれらが閉止状態に保持されるとともに、第2排気弁32bおよび第2吸気弁31bに対する駆動力の伝達が許容されてこれらが開閉駆動されることにより、吸気および排気の流通経路が図5に示す2気筒接続状態となる。
また、高負荷高回転の運転領域Bでは、上記各コントロール弁37,39を閉止状態として、第1,第2切換機構35a,35bへの作動油の供給を停止することにより、上記第1排気弁32aおよび第1吸気弁31aに対する駆動力の伝達が許容されてこれらが開閉駆動されるとともに、第2排気弁32bおよび第2吸気弁31bに対する駆動力の伝達が遮断されてこれらが閉止状態に保持されることにより、吸気および排気の流通経路が図7に示す各気筒独立状態となる。
上記吸入空気量制御手段43は、アクチュエータ18を制御することによりスロットル弁17の開度(スロットル開度)を制御するものであり、運転状態に応じてマップ等から目標吸入空気量を求め、その目標吸入空気量に基づいてスロットル開度を制御する。この場合、低負荷低回転側の運転領域Aでは、後述のように後続気筒(2番、3番気筒2B,2C)に対する分岐吸気通路16からの吸気導入が遮断された状態で、先行気筒(1番、4番気筒2A,2D)から導入されるガス中の過剰空気が燃焼に供せられるように、先行気筒と後続気筒との2気筒分に相当する燃料を燃焼させるのに必要な量の空気が上記先行気筒に供給されるように、スロットル開度を調節する特殊運転モードの制御が実行される。
上記燃料噴射制御手段44は、各気筒2A〜2Dに設けられた燃料噴射弁9からの燃料噴射量および噴射タイミングをエンジンの運転状態に応じて制御するもので、特に運転状態が図4中の運転領域Aにある特殊運転モードと、運転領域Bにある通常運転モードとに、燃料噴射の制御状態を変更するものであり、この燃料噴射制御手段44と、上記吸入空気量制御手段43とにより空燃比制御手段が構成されている。
すなわち、運転状態が低負荷低回転側の運転領域Aにある特殊運転モードでは、先行気筒(1番、4番気筒2A,2D)に対して、空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな空燃比、例えば理論空燃比の略2倍もしくはそれ以上となるように燃料噴射量が制御されるとともに、圧縮行程で燃料が噴射されて成層燃焼が行われるように噴射タイミングが設定される。一方、後続気筒(2番、3番気筒2B,2C)に対しては、上記先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されることにより、空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量が制御されるとともに、既燃ガスが多い状況下で着火、燃焼が可能なように噴射タイミングが設定され、例えば着火性確保のため圧縮行程で燃料が噴射されるようになっている。
上記燃料噴射量の制御は、エアフローセンサ19およびO2センサ23等からの出力に基づくフィードバック制御により行われる。具体的には、先行気筒2A,2Dで所定のリーン空燃比、後続気筒2B,2Cで理論空燃比となるように、エアフローセンサ19により検出される吸入空気量に応じてそれぞれの気筒に対する基本噴射量が演算されるとともに、気筒間ガス通路22に設けられたリニアO2センサ25からの出力に基づいて先行気筒2A,2Dに対する燃料噴射量がフィードバック補正され、さらに排気通路20に設けられたO2センサ23からの出力に基づいて後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射量がフィードバック補正されるようになっている。
また、運転状態が高負荷側ないし高回転側の運転領域Bにある通常運転モードでは、各気筒2A〜2Dの空燃比を理論空燃比もしくはそれ以下とするように燃料噴射量を制御し、例えばこの運転領域Bにおける大部分の領域で理論空燃比とし、全開負荷およびその付近の運転領域で理論空燃比よりリッチとする。そして、この場合に、各気筒2A〜2Dに対して吸気行程で燃料を噴射することにより均一燃焼を行わせるように噴射タイミングを設定する。
次に、この火花点火式エンジンの制御装置の作動について説明する。
まず、低負荷低回転側の運転領域Aにおける特殊運転モードでは、前述のように各コントロール弁37,39を開放状態とし、第1,第2切換機構35a,35bに対する作動油の供給を行うことにより、第1排気弁32aおよび第1吸気弁31aが閉止状態とされるとともに、第2排気弁32bおよび第2吸気弁31bが作動状態とされることにより、実質的な新気およびガスの流通経路は図5に示すように、先行気筒(1番,4番気筒)2A,2Dから排出される既燃ガスがそのまま気筒間ガス通路22を介して後続気筒(2番,3番気筒)2B,2Cに導入されるとともに、この後続気筒2B,2Cから排出される既燃ガスのみが三元触媒24を備えた排気通路20に導かれる2気筒接続状態とされることになる。
この状態において、先行気筒2A,2Dにそれぞれ吸気行程で吸気通路15から新気が導入され(図5中の矢印a)、先行気筒2A,2DではリニアO2センサ25により検出される空燃比が所定リーン空燃比となるように燃料噴射量がフィードバック制御されつつ圧縮行程で燃料が噴射され、かつ、所定点火時期に点火が行われて、リーン空燃比での成層燃焼が行われる(図6参照)。
その後、先行気筒2A,2Dの吸気行程と後続気筒2B,2Cの排気行程が重なる期間に、先行気筒2A,2Dから排出された既燃ガスが気筒間ガス通路22を通って後続気筒2B,2Cに導入される(図5中の矢印bおよび図6中の白抜き矢印)。そして、後続気筒2B,2Cでは、先行気筒2A,2Dから導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて理論空燃比となるように、O2センサ23の出力に基づいて燃料噴射量が制御されつつ、適当なタイミング(例えば圧縮行程)で燃料が噴射され、かつ、所定の点火時期に点火が行われて燃焼が行われる(図6参照)。後続気筒2B,2Cでの燃焼後の既燃ガスは、三元触媒24を備えた排気通路20に排出される(図5中の矢印c)。
このように、先行気筒2A,2Dでは、大幅にリーンな空燃比での成層燃焼が行われることにより、熱効率が高められるとともにポンピングロスが低減され、これらの相乗効果で顕著に燃費が改善される。また、後続気筒2B,2Cでは、空気過剰状態の既燃ガスに対し燃料が供給されて理論空燃比に制御されつつ燃焼が行われることにより、先行気筒2A,2Dのようにリーン空燃比で成層燃焼が行われるものと比べると熱効率では多少劣るものの、ポンピングロス低減による燃費改善効果は充分に得られる。
しかも、後続気筒2B,2Cから排気通路20に排出されるガスは理論空燃比であるため、従来のリーンバーンエンジンのようにリーンNOx触媒を設ける必要がなく、三元触媒24だけで充分に排気浄化性能が確保される。そして、リーンNOx触媒を設ける必要がないことから、リーンNOx触媒のNOx吸蔵量増大時におけるNOxの放出、還元のための一時的な空燃比のリッチ化を行う必要がなく、燃費改善の目減りが避けられる。さらに、リーンNOx触媒の硫黄被毒の問題が生じることもない。
また、先行気筒2A,2Dでは理論空燃比の略2倍もしくはそれ以上の大幅なリーンな空燃比とされることでNOxの発生量が比較的少なく抑えられとともに、後続気筒2B,2Cでは、先行気筒2A,2Dから既燃ガスが導入されることで多量のEGRが行われているのと同等の状態となることからNOxの発生が充分に抑制される。このような点からもエミッションの向上に有利となる。
上記後続気筒2B,2Cには先行気筒2A,2Dからの既燃ガスが気筒間ガス通路22を介して導入されるが、この気筒間ガス通路22で通路長に応じた放熱作用が得られるため、この通路長を適正値に設定することにより、後続気筒2B,2Cに導入される既燃ガスの温度を調整することが可能である。そして、このように既燃ガスの温度を調整するとともに、後続気筒2B,2Cに対する燃料噴射タイミングを適宜調整することにより、多量の既燃ガスが導入される後続気筒2B,2Cにおいても、着火、燃焼性を良好に保つことができる。
なお、先行気筒2A,2Dから後続気筒2B,2Cに導入されるガス中の過剰酸素の割合が少なくなると後続気筒2B,2Cでの燃焼安定性が損なわれるが、先行気筒2A,2Dにおいて理論空燃比の略2倍もしくはそれ以上の大幅にリーンな空燃比とすれば、後続気筒2B,2Cでの燃焼安定性は確保される。
また、当実施形態では図6に示すように、後続気筒2B,2Cでの燃焼を火花点火によるものとしているが、これを圧縮自己着火による燃焼としても良い。すなわち、先行気筒2A,2Dから後続気筒2B,2Cに導入されるガスは高温であるため、後続気筒2B,2Cでの着火性が高まっている。これを利用して圧縮行程後半に自己着火させるのである。図8に、後続気筒2B,2Cで圧縮自己着火(☆印で示す)を行わせた場合のタイムチャートを示す。後続気筒2B,2Cで圧縮自己着火を行わせることにより、さらなる燃費の向上とNOx排出量の低減を期待することができる。
一方、エンジンが高負荷側ないし高回転側の運転領域Bにある場合には、前述のように上記各コントロール弁37,39を閉止状態として、第1,第2切換機構35a,35bに対する作動油の供給を停止することにより、第1排気弁32aおよび第1吸気弁31aが閉止状態とされるとともに、第2排気弁32bおよび第2吸気弁31bが作動状態とされることにより、実質的な吸気および排気の流通経路が図7に示すように、各気筒2A〜2Dの吸気ポート11,11aおよび排気ポート12a,12が独立し、分岐吸気通路16を介して各気筒2A〜2Dの吸気ポート11,11aに新気が導入されるとともに各気筒2A〜2Dの排気ポート12,12aから排気通路20に既燃ガスが排出される各気筒独立状態とされる。従って、従来広く知られている一般的なエンジンと同様に、各気筒2A〜2Dが、それぞれ独立した燃焼を行う。
次に、図4に矢印で示すように、運転状態が低負荷低回転側の運転領域Aから高負荷側ないし高回転側の運転領域Bに変化したときの、特殊運転モードから通常運転モードへの切替えについて図8を参照しつつ説明する。
図8のタイムチャートでは、各気筒での行程推移とともに、燃焼トルクTの推移を模式的に示している。このタイムチャートにおいて、例えば時点t1で運転状態判別手段41が運転領域の変化を判別した場合、弁停止機構制御手段42が上記VVL機構によってガス流通経路の切替を行うとともに、吸入空気量制御手段43と燃焼制御手段44が燃焼形態の切替を行う。
ガス流通経路の切替は、まず第1グループαにおいて、先行気筒である1番気筒2Aの吸・排気弁と、後続気筒である2番気筒2Bの吸・排気弁とが同時に閉止状態となる時点t3で行われる。また第2グループβにおいて、先行気筒である4番気筒2Dの吸・排気弁と、後続気筒である3番気筒2Cの吸・排気弁とが同時に閉止状態となる時点t5で行われる。このように、第1グループαと第2グループβとでは、ガス流通経路の切替が、タイミングをずらして行われる。
その結果、吸入−圧縮−膨張−排気、という行程単位での燃焼形態の切替も、各気筒において時点t2から時点t6の間に順次タイミングをずらして行われる。特殊運転モードと通常運転モードとの境界をモード境界線Lで示す。
運転モードの切替によって、燃焼トルクもT1からT2に上昇している。しかし、単に運転モードを切替えただけでは、その移行期(モード境界線L付近)において燃焼トルクの大きな増減(TB(特殊運転モード)→T3(通常運転モード)→T1b(特殊運転モード)があり、乗員にトルクショックを感じさせてしまう虞がある。そこで当実施形態では、燃焼トルク低減制御と燃焼トルク増大制御とを行ってトルクショックの抑制を図っている。
まず燃焼トルク低減制御について説明する。この制御は、時点t3における第1気筒2Aでの燃焼(膨張A)に対してなされる。燃焼トルク低減制御を行わないときの膨張Aの燃焼トルクはT3であり、突出している。このように燃焼トルクが突出する原因は、特殊運転モードでのスロットル開度が大きいため、運転モードの切替に応じてスロットル開度を低減しても間に合わず、時点t2における吸気量が多くなるからである。つまり、その吸気量に見合った燃料F(A)が多いため、燃焼トルクT3が高くなるのである。
そこで燃焼トルク低減制御は、時点t1直後のスロットル開度を通常よりもより低減し、燃料F(A)を低減する。さらに、その点火時期S(A)をリタード(遅角)する。こうすることにより、燃焼トルクT3はTAに低減され、トルクショックが有効に抑制される。
次に燃焼トルク増大制御について説明する。この制御は、時点t4における第3気筒2Cでの燃焼(膨張C)に対してなされる。乗員がトルクショックを大きいと感じるのは、単に燃焼トルクT3が大きいからだけではなく、その後に燃焼トルクの小さなT1b(燃焼トルク増大制御を行わない場合)が来るからである。すなわち、その落差の大きさによっても大きな影響を受けるのである。
燃焼トルクT1bの大きさは、特殊運転モードにおける燃焼トルクT1と同じである。なぜなら、時点t4では3番気筒2Cはまだ通常運転モードに切り替わっておらず、特殊運転モードでの燃焼だからである。このように、通常運転モードである膨張Aよりも後の燃焼である膨張Cが特殊運転モードであるという逆転現象が起きており、そのために大きな燃焼トルクの落差が生じているのである。
そこで燃焼トルク増大制御では、膨張Cの燃焼に供される燃料F(C)を標準の量よりも増量する制御を行っている。そして、その増量分だけ、燃料F(C)と対をなす先行気筒2Dでの燃料F(D)を削減している。つまり、燃料F(C)+F(D)を変更することなくF(C)を増量している。
燃料F(C)を増量することにより、膨張Cの燃焼トルクがTCに増大し、膨張Aの燃焼トルクTAとの落差が一層低減され、よりトルクショックが軽減されている。
また、第1グループβの後続気筒2Cと先行気筒2Dとの対で見ると、燃料F(C)+F(D)を変更していないので、全体としては理論空燃比での燃焼を継続していることになり、EM浄化性能を維持することができる。
なお、燃料F(D)を削減することにより、第4気筒2Dでの燃焼(膨張D)の燃焼トルクTDが低下しているが、燃焼トルクT1との落差は軽微である。
以上のように、特殊運転モードから通常運転モードへの移行時に、燃焼トルク低減制御と燃焼トルク増大制御を実行することにより、トルクショックを効果的に緩和することができる。
図9は、特殊運転モードから通常運転モードへの切替え時のフローチャートである。
ステップS1で特殊運転モードを実行中に、ステップS2で通常運転モードへの切替え指令が出された場合(時点t1)、まずステップS3でスロットル開度を低減して燃焼トルク低減制御を行う。次にステップS4で先行気筒2Dへの供給燃料F(D)を減量する(燃焼トルク増大制御前半)。そしてステップS5で、第1グループαでのVVL機構切替えを行って、ガス流通経路を特殊運転モード用から通常運転モード用に切替える(時点t3)。またステップS6で後続気筒2Cへの供給燃料F(C)を増量する(燃焼トルク増大制御後半)。
次に、ステップS7で第1気筒2Aに対する点火時期S(A)をリタードする(燃焼トルク低減制御。時点t4)。次にステップS8で、第2グループβでのVVL機構切替えを行って、ガス流通経路を特殊運転モード用から通常運転モード用に切替える(時点t5)。こうしてステップS9で通常運転モードへの切替え完了となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲内で種々の変形を行っても良い。
例えば、当実施形態では先行気筒と後続気筒とからなるグループが2グループある4気筒エンジンを示したが、3グループ以上ある6気筒以上のエンジンに適用しても良い。
また燃焼トルク低減制御と燃焼トルク増大制御とは、何れか一方のみ行っても良い。
1 エンジン本体
2A 第1気筒(先行気筒)
2B 第2気筒(後続気筒)
2C 第3気筒(後続気筒)
2D 第4気筒(先行気筒)
22 気筒間ガス通路
41 運転状態判別手段
42 弁停止機構制御手段
43 吸入空気量制御手段
44 燃焼制御手段
A 特殊運転モードの運転領域
B 通常運転モードの運転領域
α 第1グループ
β 第2グループ
2A 第1気筒(先行気筒)
2B 第2気筒(後続気筒)
2C 第3気筒(後続気筒)
2D 第4気筒(先行気筒)
22 気筒間ガス通路
41 運転状態判別手段
42 弁停止機構制御手段
43 吸入空気量制御手段
44 燃焼制御手段
A 特殊運転モードの運転領域
B 通常運転モードの運転領域
α 第1グループ
β 第2グループ
Claims (7)
- 各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっている多気筒の火花点火式エンジンであって、
排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程側の気筒である先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程側の気筒である後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出される排ガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態と、各気筒にそれぞれ新気を導入する各気筒独立状態とに切換え可能に構成されたガス流通経路を備え、
運転モードとして、少なくとも所定の低負荷低回転域で選択される特殊運転モードと、少なくとも所定の高負荷ないし高回転領域で選択される通常運転モードとを有し、
上記特殊運転モードでは、上記ガス流通経路を上記2気筒接続状態とするとともに、上記先行気筒に対しては理論空燃比よりも所定量大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせ、上記後続気筒に対しては上記先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して所定の空燃比とした状態で燃焼を行わせ、
上記通常運転モードでは、上記ガス流通経路を上記各気筒独立状態とするとともに、各気筒においてそれぞれ独立して略理論空燃比もしくはそれよりも小さな空燃比で燃焼を行わせる火花点火式エンジンの制御装置において、
上記2気筒接続状態となる一対の気筒からなるグループを複数グループ有し、
上記特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、上記ガス流通経路の切替えを、上記グループ間でタイミングをずらして実行するとともに、上記通常運転モードに切替えた後の最初の燃焼気筒の燃焼トルクを低減する燃焼トルク低減制御を実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。 - 上記燃焼トルク低減制御は、上記通常運転モードに切替えた後の最初の燃焼気筒の点火時期を遅らせるものであることを特徴とする請求項1記載の火花点火式エンジンの制御装置。
- 吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、
上記燃焼トルク低減制御は、上記吸入空気量制御手段によって吸入空気量を低減するものであることを特徴とする請求項1記載の火花点火式エンジンの制御装置。 - 上記燃焼トルク低減制御は、上記特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、上記特殊運転モードでの燃焼の後、上記通常運転モードでの燃焼が起こり、その後再び上記特殊運転モードでの燃焼が起こる場合の、その通常運転モードでの燃焼に適用されることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
- 上記特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、上記通常運転モードでの燃焼後、上記特殊運転モードでの燃焼が起こる場合の、その特殊運転モードでの燃焼において、燃焼トルクを増大させる燃焼トルク増大制御を実行するように構成され、
上記燃焼トルク増大制御は、上記後続気筒での燃焼トルクを増大させるものであり、燃焼トルク増大制御を行う燃焼と対をなす燃焼を行う先行気筒への燃料噴射量を、その標準の量に対して減量させ、その減量分を上記燃焼トルク増大制御を行う後続気筒に増量して供給し、当該グループ全体として理論空燃比での燃焼を行わせるものであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の火花点火式エンジンの制御装置。 - 各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっている多気筒の火花点火式エンジンであって、
排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程側の気筒である先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程側の気筒である後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出される排ガスが排気通路に導かれるような2気筒接続状態と、各気筒にそれぞれ新気を導入する各気筒独立状態とに切換え可能に構成されたガス流通経路を備え、
運転モードとして、少なくとも所定の低負荷低回転域で選択される特殊運転モードと、少なくとも所定の高負荷ないし高回転領域で選択される通常運転モードとを有し、
上記特殊運転モードでは、上記ガス流通経路を上記2気筒接続状態とするとともに、上記先行気筒に対しては理論空燃比よりも所定量大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせ、上記後続気筒に対しては上記先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して所定の空燃比とした状態で燃焼を行わせ、
上記通常運転モードでは、上記ガス流通経路を上記各気筒独立状態とするとともに、各気筒においてそれぞれ独立して略理論空燃比もしくはそれよりも小さな空燃比で燃焼を行わせる火花点火式エンジンの制御装置において、
上記2気筒接続状態となる一対の気筒からなるグループを複数グループ有し、
上記特殊運転モードから上記通常運転モードへの切替え時において、上記ガス流通経路の切替えを、上記グループ間でタイミングをずらして実行するとともに、上記通常運転モードに切替えた後、上記通常運転モードでの燃焼後、上記特殊運転モードでの燃焼が起こる場合の、その特殊運転モードでの燃焼において、燃焼トルクを増大させる燃焼トルク増大制御を実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。 - 上記燃焼トルク増大制御は、上記後続気筒での燃焼トルクを増大させるものであり、燃焼トルク増大制御を行う燃焼と対をなす燃焼を行う先行気筒への燃料噴射量を、その標準の量に対して減量させ、その減量分を上記燃焼トルク増大制御を行う後続気筒に増量して供給し、当該グループ全体として理論空燃比での燃焼を行わせるものであることを特徴とする請求項6記載の火花点火式エンジンの制御装置。
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US8468800B2 (en) | 2007-02-09 | 2013-06-25 | Koichi Hatamura | Secondary air and exhaust gas recirculation for a four-stroke internal combustion engine |
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