JP2008248828A - Fuel supply mechanism for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、
前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な高発熱量ガス調整手段と、
前記高発熱量ガス調整手段を作動させて前記高発熱量ガスの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行する制御手段とを備えた内燃機関の燃料供給機構に関する。
The present invention provides an internal combustion engine in which a main fuel gas having a calorific value variation factor is supplied to a combustion chamber and burned.
A high calorific value gas adjusting means capable of mixing the main fuel gas with a high calorific value gas having a higher calorific value than the main fuel gas, and capable of adjusting the mixing amount;
The present invention relates to a fuel supply mechanism for an internal combustion engine comprising control means for executing high calorific value gas mixing control for operating the high calorific value gas adjusting means to control the mixing amount of the high calorific value gas.
ランドフィルガスやダイジェスターガスやスウェジガス等のように有機性廃棄物のバクテリアによる分解で発生するメタンを含むバイオガスや、塗装工場や半導体・電子部品製造工場から排出される有機溶剤等を含むオフガスなどの燃料ガスは、その燃料ガスを発生する要素の状態変化により、発熱量が比較的大幅に変動する場合がある。 Biogas containing methane generated by the decomposition of organic waste by bacteria such as landfill gas, digester gas, and swage gas, and off-gas containing organic solvents emitted from paint factories and semiconductor / electronic component manufacturing factories In some cases, the amount of heat generated from the fuel gas fluctuates relatively greatly due to a change in the state of the element that generates the fuel gas.
そして、このように発熱量の変動要因を有する燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関においては、燃料ガスの発熱量の変動に伴って燃焼室に吸気される混合気の当量比も変動してしまう。
即ち、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が減少した場合には、発熱量の減少に伴う出力減少を抑制するべく、吸気路に設けられたスロットルバルブの開度が拡大され燃焼室への吸気量が増加されるので、結果、燃料ガスに対する空気の流量が多くなって、燃焼室に吸気される混合気の当量比が低下(リーン化)する。逆に、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が増加した場合には、発熱量の増加に伴う出力増加を抑制するべく、吸気路に設けられたスロットルバルブの開度が縮小され燃焼室への吸気量が減少されるので、結果、燃料ガスに対する空気の量が少なくなって、燃焼室に吸気される混合気の当量比が上昇(リッチ化)する。
そして、上記のように燃焼室に吸気される混合気の当量比が変動すると、燃焼室における燃焼状態が不安定となり、当量比のリーン化に伴う不完全燃焼や失火の発生、当量比のリッチ化に伴うNOx(窒素酸化物)排出量の増加やノッキングの発生、更には、過負荷による故障の発生などの問題発生が懸念される。
In such an internal combustion engine in which fuel gas having a calorific value variation factor is supplied to the combustion chamber and combusted, the equivalence ratio of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber as the fuel gas calorific value varies is also obtained. It will fluctuate.
That is, when the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber decreases, the opening degree of the throttle valve provided in the intake passage is expanded to suppress the decrease in the output accompanying the decrease in the calorific value. As a result, the flow rate of air with respect to the fuel gas increases, and the equivalent ratio of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber decreases (lean). On the contrary, when the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber increases, the opening degree of the throttle valve provided in the intake passage is reduced to suppress the increase in output accompanying the increase in the calorific value. As a result, the amount of air with respect to the fuel gas decreases, and the equivalent ratio of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber increases (enriches).
If the equivalence ratio of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber fluctuates as described above, the combustion state in the combustion chamber becomes unstable, the occurrence of incomplete combustion or misfire due to the lean equivalence ratio, the rich equivalence ratio, and so on. There is a concern that problems such as an increase in NOx (nitrogen oxide) emissions and knocking due to crystallization, and failure due to overload, may occur.
そこで、発熱量の変動要因を有する燃料ガスを主燃焼ガスとして燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、燃焼室における燃焼状態を安定化させるための技術として、主燃料ガスに対して、当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する都市ガス13A等の高発熱量ガスを混合可能として、当該燃料ガスの発熱量の変動を計測する発熱量計測装置の計測結果に基づいて、主燃料ガスに対する高発熱量ガスの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行するもの(例えば特許文献1)が知られている。 Therefore, in an internal combustion engine in which fuel gas having a calorific value variation factor is supplied to the combustion chamber as the main combustion gas and burned, as a technique for stabilizing the combustion state in the combustion chamber, Based on the measurement result of the calorific value measurement device that measures the variation in the calorific value of the fuel gas, such as city gas 13A having a calorific value higher than that of the main fuel gas can be mixed, There is known one that executes high calorific gas mixing control for controlling the mixing amount of high calorific gas (for example, Patent Document 1).
しかしながら、この種の内燃機関は、発熱量を計測するための煩雑且つ高価な発熱量計測装置を備える必要があった。
更には、この発熱量計測装置において発熱量を計測するのに必要な時間分混合量制御に遅れが生じることから、燃焼状態を十分に安定化させることができない場合があった。
However, this type of internal combustion engine has to be provided with a complicated and expensive calorific value measuring device for measuring the calorific value.
Furthermore, since the mixing amount control is delayed by the time necessary for measuring the calorific value in this calorific value measuring device, the combustion state may not be sufficiently stabilized.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱量の変動要因を有するバイオガス等の主燃料ガスを含む燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、主燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測装置を設けることなく、主燃料ガスに対して、少なくとも当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する都市ガス13A等の高発熱量ガスを混合可能とし、その混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行して、燃焼室における燃焼状態を良好に安定化させることができる内燃機関の燃料供給機構を、簡単且つ低コストで実現する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an internal combustion engine in which a fuel gas including a main fuel gas such as biogas having a calorific value variation factor is supplied to a combustion chamber and burned. Without providing a calorific value measuring device for measuring the calorific value of the main fuel gas, the main fuel gas can be mixed with a high calorific value gas such as city gas 13A having a calorific value higher than that of the main fuel gas. In order to realize a fuel supply mechanism for an internal combustion engine that can stabilize the combustion state in the combustion chamber satisfactorily at low cost by executing high calorific value gas mixing control for controlling the mixing amount. is there.
上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の燃料供給機構は、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、
前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な高発熱量ガス調整手段と、
前記高発熱量ガス調整手段を作動させて前記高発熱量ガスの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行する制御手段とを備えた内燃機関の燃料供給機構であって、その第1特徴構成は、前記燃焼室から排出された排ガスのNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を備え、
前記制御手段が、前記高発熱量ガス混合制御において、前記NOx濃度検出手段の検出結果に基づいて前記高発熱量ガスの混合量を制御する点にある。
In order to achieve the above object, a fuel supply mechanism for an internal combustion engine according to the present invention provides an internal combustion engine for supplying a main fuel gas having a calorific value variation factor to a combustion chamber for combustion.
A high calorific value gas adjusting means capable of mixing the main fuel gas with a high calorific value gas having a higher calorific value than the main fuel gas, and capable of adjusting the mixing amount;
A fuel supply mechanism for an internal combustion engine, comprising: a control means for executing a high calorific value gas mixing control for operating the high calorific value gas adjusting means to control a mixing amount of the high calorific value gas; The characteristic configuration includes NOx concentration detection means for detecting the NOx concentration of the exhaust gas discharged from the combustion chamber,
In the high calorific value gas mixing control, the control means controls the mixing amount of the high calorific value gas based on the detection result of the NOx concentration detecting means.
上記第1特徴構成によれば、上記制御手段により上記高発熱量ガス混合制御を実行するように構成された内燃機関において、比較的安価なNOxセンサ等により実現される上記NOx濃度検出手段を追加するという簡単な構成により、燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。
即ち、上記NOx濃度検出手段により検出されるNOx濃度は、上記燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量の変動に応じて変動するものとなる。よって、そのNOx濃度を指標として上記高発熱量ガス混合制御を実行することで、主燃料ガスに高発熱量ガスが適宜混合され燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量を安定させることができ、その燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。
According to the first characteristic configuration, in the internal combustion engine configured to execute the high calorific value gas mixing control by the control means, the NOx concentration detection means realized by a relatively inexpensive NOx sensor or the like is added. With this simple configuration, the combustion state in the combustion chamber can be stabilized.
That is, the NOx concentration detected by the NOx concentration detecting means varies according to the variation in the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber. Therefore, by executing the high calorific value gas mixing control using the NOx concentration as an index, it is possible to stabilize the calorific value of the fuel gas that is appropriately mixed with the main fuel gas and supplied to the combustion chamber. The fuel gas can be supplied to the combustion chamber to stabilize the combustion state in the combustion chamber.
本発明に係る内燃機関の燃料供給機構の第2特徴構成は、上記第1特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記高発熱量ガス混合制御において、前記NOx濃度検出手段で検出されたNOx濃度が減少するほど前記高発熱量ガスの混合量を増加させる点にある。 According to a second characteristic configuration of the fuel supply mechanism for an internal combustion engine according to the present invention, in addition to the first characteristic configuration, the control means detects the NOx detected by the NOx concentration detecting means in the high calorific value gas mixing control. The amount of mixing of the high calorific value gas increases as the concentration decreases.
上記燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が減少した場合には、混合気の当量比が低下するのに伴って、燃焼室における燃焼温度が低下するので、NOxの生成量が減少して、当該燃焼室から排出される排ガスのNOx濃度が減少する。逆に、上記燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が増加した場合には、混合気の当量比が上昇するのに伴って、燃焼室における燃焼温度が上昇するので、NOxの生成量が増加して、当該燃焼室から排出される排ガスのNOx濃度が増加する。即ち、燃焼室から排出される排ガスのNOx濃度が減少するほど、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が減少しているといえる。
そこで、上記第2特徴構成によれば、上記高発熱量ガス混合制御において、上記NOx濃度検出手段で検出されたNOx濃度が低くなるほど、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が減少しているとして、主燃料ガスに対する高発熱量ガスの混合量を増加させることで、適切に、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量を安定させることができる。
When the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber decreases, the combustion temperature in the combustion chamber decreases as the equivalence ratio of the air-fuel mixture decreases, so the amount of NOx produced decreases. The NOx concentration of the exhaust gas discharged from the combustion chamber decreases. On the contrary, when the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber increases, the combustion temperature in the combustion chamber rises as the equivalence ratio of the air-fuel mixture rises. The NOx concentration of the exhaust gas discharged from the combustion chamber increases. That is, it can be said that the amount of heat generated by the fuel gas supplied to the combustion chamber decreases as the NOx concentration of the exhaust gas discharged from the combustion chamber decreases.
Therefore, according to the second feature configuration, in the high calorific value gas mixing control, the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber decreases as the NOx concentration detected by the NOx concentration detecting means decreases. As a result, it is possible to appropriately stabilize the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber by increasing the mixing amount of the high calorific value gas with respect to the main fuel gas.
本発明に係る内燃機関の燃料供給機構の第3特徴構成は、上記第1乃至上記第2の何れかの特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記NOx濃度検出手段で検出されたNOx濃度が所定の下限値を下回った場合に前記内燃機関の出力を減少させる出力減少制御を実行する点にある。 According to a third feature of the fuel supply mechanism for an internal combustion engine according to the present invention, in addition to any one of the first to second features, the control means detects the NOx concentration detected by the NOx concentration detection means. Is that output reduction control is executed to reduce the output of the internal combustion engine when the value falls below a predetermined lower limit.
上記第3特徴構成によれば、上記高発熱量ガス混合制御において主燃料ガスに対する高発熱量ガスの混合量を増加したのにもかかわらず、上記NOx濃度が予め設定した下限値を下回った場合には、燃焼室に吸気される混合気の当量比が過剰にリーン化しているとして、上記出力減少制御を実行することにより、内燃機関の出力を減少させることで、その当量比のリーン化に伴う不完全燃焼や失火の発生を抑制することができる。
即ち、上記出力減少制御により内燃機関の出力を減少させるのに伴って、吸気路に設けられたスロットルバルブの開度が縮小されるので、燃焼室への吸気量が減少し、結果、燃料ガスに対する空気の量が少なくなって、燃焼室に吸気される混合気の当量比の過剰なリーン化を緩和することができる。
According to the third characteristic configuration, when the NOx concentration falls below a preset lower limit value even though the amount of high calorific gas mixed with the main fuel gas is increased in the high calorific value gas mixing control. If the equivalence ratio of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber is excessively lean, the output reduction control is executed to reduce the output of the internal combustion engine, thereby reducing the equivalence ratio. The occurrence of incomplete combustion and misfire can be suppressed.
That is, as the output of the internal combustion engine is reduced by the output reduction control, the opening of the throttle valve provided in the intake passage is reduced, so that the amount of intake air to the combustion chamber is reduced, and as a result, the fuel gas As a result, the lean amount of the air-fuel mixture taken into the combustion chamber can be reduced.
本発明に係る内燃機関の燃料供給機構の第4特徴構成は、上記第1乃至上記第3の何れかの特徴構成に加えて、前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも低い発熱量を有する低発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な低発熱量ガス調整手段を備え、
前記制御手段が、前記NOx濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記低発熱量ガス調整手段を作動させて前記高発熱量ガスの混合量を制御する低発熱量ガス混合制御を実行する点にある。
According to a fourth characteristic configuration of the fuel supply mechanism of the internal combustion engine according to the present invention, in addition to any one of the first to third characteristic configurations, the calorific value of the main fuel gas is lower than that of the main fuel gas. A low calorific value gas adjusting means capable of mixing a low calorific value gas having an
The control means performs low calorific value gas mixing control for controlling the mixing amount of the high calorific value gas by operating the low calorific value gas adjusting means based on the detection result of the NOx concentration detecting means. is there.
上記第4特徴構成によれば、上記制御手段により上記低発熱量ガス混合制御を実行することで、燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。
即ち、上記燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量の変動に応じて変動するNOx濃度を指標として、上記低発熱量ガス混合制御を実行することで、主燃料ガスに低発熱量ガスが適宜混合され燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量を安定させることができ、結果、その燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。
According to the fourth characteristic configuration, the combustion state in the combustion chamber can be stabilized by executing the low calorific value gas mixing control by the control means.
That is, the low calorific value gas is appropriately added to the main fuel gas by executing the low calorific value gas mixing control with the NOx concentration varying according to the fluctuation of the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber as an index. The calorific value of the fuel gas mixed and supplied to the combustion chamber can be stabilized, and as a result, the fuel gas can be supplied to the combustion chamber to stabilize the combustion state in the combustion chamber.
本発明に係る内燃機関の燃料供給機構の第5特徴構成は、上記第1乃至上記第4の何れかの特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記低発熱量ガス混合制御において、前記NOx濃度検出手段で検出されたNOx濃度が増加するほど前記低発熱量ガスの混合量を増加させる点にある。 According to a fifth characteristic configuration of the fuel supply mechanism of the internal combustion engine according to the present invention, in addition to any of the first to fourth characteristic configurations, the control means performs the NOx in the low calorific value gas mixing control. The amount of mixing of the low calorific gas is increased as the NOx concentration detected by the concentration detecting means increases.
上記第5特徴構成によれば、上記低熱量ガス混合制御において、上記NOx濃度検出手段で検出されたNOx濃度が増加するほど、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量が増加しているとして、主燃料ガスに対する低発熱量ガスの混合量を増加させることで、適切に、燃焼室に供給される燃料ガスの発熱量を安定させることができる。
特に、上述した高発熱量ガス混合制御において主燃料ガスに対する高発熱量ガスの混合量をゼロにまで減少させたのにもかかわらず、上記NOx濃度が予め設定した上限値を上回った場合には、燃焼室に吸気される混合気の当量比が未だリッチ化しているとして、上記制御手段により上記低発熱量ガス混合制御を実行して、主燃料ガスに対する低発熱量ガスの混合量を増加させることが好ましい。これにより、その当量比のリッチ化を緩和し、当該リッチ化に伴うNOx(窒素酸化物)排出量の増加やノッキングの発生、更には、過負荷による故障の発生などを抑制することができる。
According to the fifth characteristic configuration, in the low heat quantity gas mixing control, the amount of heat generated by the fuel gas supplied to the combustion chamber increases as the NOx concentration detected by the NOx concentration detection means increases. By increasing the mixing amount of the low calorific value gas with respect to the main fuel gas, it is possible to appropriately stabilize the calorific value of the fuel gas supplied to the combustion chamber.
In particular, in the case where the NOx concentration exceeds a preset upper limit value even though the mixing amount of the high heating value gas to the main fuel gas is reduced to zero in the high heating value gas mixing control described above. Assuming that the equivalence ratio of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber is still rich, the low heating value gas mixing control is executed by the control means to increase the mixing amount of the low heating value gas with respect to the main fuel gas. It is preferable. As a result, the enrichment of the equivalent ratio can be mitigated, and an increase in NOx (nitrogen oxide) emission and knocking associated with the enrichment can be suppressed, and further, failure due to overload can be suppressed.
本発明に係る内燃機関の燃料供給機構の実施の形態について、図面に基づいて説明する。 An embodiment of a fuel supply mechanism for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
〔エンジン〕
先ず、内燃機関の一例であるエンジン1の構成について、図1に基づいて説明する。
尚、図1は、燃料ガスGを燃焼室15に供給して燃焼させるエンジン1(内燃機関の一例)の概略構成図である。
吸気路12を流通する空気Aは、混合部13により燃料ガスGが混合されることで混合気Mとなって、燃焼室15に吸気される。
そして、燃焼室15に吸気された混合気Mは、ピストン17の上昇により圧縮された後に、火花点火や圧縮着火などにより点火・着火されて燃焼・膨張してピストン17を押し下げ軸動力を出力する。
また、燃焼室15で生成された排ガスEは、ピストン17の上昇に伴って、排気路16に排出される。
〔engine〕
First, the structure of the
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine 1 (an example of an internal combustion engine) that supplies fuel gas G to the
The air A flowing through the
The air-fuel mixture M sucked into the
Further, the exhaust gas E generated in the
上記混合部13は、ガバナ11により一定圧力に調整された燃料ガスGが燃料ガス路10を通じて供給され、その燃料ガス路10の燃料ガスGを、吸気路12に流通する空気Aに混合する。
更に、混合部13は、吸気路12を縮径してなるベンチュリ部に燃料ガス路10の先端部を開口させてなるベンチュリミキサとして構成されている。即ち、この種のベンチュリミキサは、吸気路12を流通する空気Aが上記縮径されたベンチュリ部を高速で通過することで圧力低下を発生させ、この圧力低下を利用して、燃料ガス路10から供給された燃料ガスGを、吸気路12に流通する空気Aに供給して、吸気路12に混合気Mを形成するように構成されている。
また、このようにベンチュリミキサとして構成された混合部13は、上記空気Aの流速に応じた圧力低下が発生することから、空気Aに対して一定の割合の燃料ガスGが混合されることになる。
The mixing
Further, the mixing
In addition, the mixing
更に、このようなエンジン1において、混合部13及び吸気路12を通じて燃焼室15に供給される燃料ガスGは、発熱量が約21MJ〜25MJの範囲で変動する可能性があるバイオガスのように、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスGOを含むものである。そして、その燃料ガスGの発熱量が上記主燃料ガスGOと同様に変動した場合には、燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比も変動してしまう。
即ち、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量が減少又は増加した場合には、その発熱量の減少又は増加に伴う出力減少又は出力増加を抑制するべく、吸気路12に設けられたスロットルバルブ14の開度が拡大又は縮小されて燃焼室15への吸気量(燃焼室15に供給される混合気Mの量)が増加又は減少される。結果、混合部13における空気Aの流量が増加又は減少、燃焼室15に吸気される混合気の当量比が低下(リーン化)又は上昇(リッチ化)することになる。また、このように燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比が変動すると、燃焼室15における燃焼状態が不安定となり、問題である。
Further, in such an
That is, when the calorific value of the fuel gas G supplied to the
そして、そのエンジン1の燃料供給機構50は、図2及び図5に示すように、その主燃料ガスGOの発熱量を計測する発熱量計測装置等を設けることなく、その主燃料ガスGOに対して、発熱量が41MJの都市ガス13Aのように少なくとも当該主燃料ガスGOよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスGHを混合可能とし、その混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行して、燃焼室15における燃焼状態を良好に安定化させることができるものとして構成されている。
以下、その燃料供給機構50の第1実施形態及び第2実施形態について図面に基づいて説明する。
The
Hereinafter, a first embodiment and a second embodiment of the
〔第1実施形態〕
以下、第1実施形態の燃料供給機構50の構成について、図2〜図4に基づいて説明する。
尚、詳細については後述するが、図2は、上述したようなエンジン1において燃料ガスGを供給する第1実施形態の燃料供給機構50の概略構成図であり、図3は、NOxセンサ3で検出されたNOx濃度N及び高発熱量ガス調整弁4の開度VHの経時的な変化傾向を示すグラフ図であり、図4は、制御装置2により実行される制御のフロー図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, the configuration of the
Although details will be described later, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the
第1実施形態の燃料供給機構50では、図2に示すように、上記エンジン1において、燃料ガス路10を流通する主燃料ガスGOに対して主燃料ガスGOよりも高い発熱量を有する天然ガス系都市ガス13Aなどの高発熱量ガスGHを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な高発熱量ガス調整弁4が設けられている。更に、高発熱量ガス調整弁4を作動させて主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行する制御装置2(制御手段の一例)が設けられている。
In the
エンジン1の排気路16には、燃焼室15から排気路16に排出された排ガスEのNOx濃度Nを検出するNOxセンサ3(NOx濃度検出手段の一例)が設けられており、このNOxセンサ3で検出されたNOx濃度Nは制御装置2に入力される。
そして、NOxセンサ3で検出されたNOx濃度Nの変動状態を監視することにより、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量の変動を認識することができる。具体的には、NOx濃度Nが減少した場合には、燃焼室15において吸気された混合気Mの当量比低下に伴って燃焼温度が低下したことに起因するものであるとして、燃焼室15に供給された燃料ガスGの発熱量が減少したと認識することができる。逆に、NOx濃度Nが増加した場合には、燃焼室15において吸気された混合気Mの当量比上昇に伴って燃焼温度が上昇したことに起因するものであるとして、燃焼室15に供給された燃料ガスGの発熱量が増加したと認識することができる。
The
Then, by monitoring the fluctuation state of the NOx concentration N detected by the
そこで、制御装置2は、上記高発熱量ガス混合制御において、上記NOxセンサ3の検出結果、即ち排ガスEのNOx濃度Nに基づいて、高発熱量ガス調整弁4の開度VHを調整し、主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量を制御するように構成されており、これにより、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量、更には、燃焼室15における燃焼状態の安定化が図られている。
Therefore, in the high calorific value gas mixing control, the
具体的には、上記制御装置2は、上記高発熱量ガス混合制御において、NOxセンサ3で検出されたNOx濃度Nが減少するほど、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量が減少傾向にあるとして、高発熱量ガス調整弁4の開度VHを拡大して、主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量を増加させるように構成されている。
以下、制御装置2により実行される高発熱量ガス混合制御の具体的な処理フローについて、図3及び図4に基づいて説明を加える。
Specifically, in the high calorific value gas mixing control, the
Hereinafter, a specific processing flow of the high calorific value gas mixing control executed by the
図4に示すように、先ず、例えばエンジン1の回転数及びトルク等又はエンジン1により駆動される発電機の発電出力等により、エンジン1の出力Pが確認され(ステップ#10)、そのエンジン1の出力Pから所定の関数を用いて、下限値NLが設定される(ステップ#11)。
尚、これら下限値NLは、ある出力Pでエンジン1を運転した場合に、燃焼室15において安定した燃焼状態が維持されている場合のNOx濃度Nの許容範囲における下限値として設定される値である。そして、このNOx濃度Nの許容範囲の下限値NLとエンジン1の出力Pとの相関関数は、予め実験等により求めておくことができる。
As shown in FIG. 4, first, the output P of the
These lower limit values NL are values set as lower limit values in the allowable range of the NOx concentration N when a stable combustion state is maintained in the
次に、NOxセンサ3によりNOx濃度Nが検出され(ステップ#12)、そのNOx濃度Nを用いて、高発熱量ガス調整弁4の開度VHが拡大又は縮小されて、主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が制御される(ステップ#13〜ステップ#16)
Next, the NOx concentration N is detected by the NOx sensor 3 (step # 12), and the opening degree VH of the high calorific value
具体的には、NOx濃度Nが下限値NLを下回ったか否かが判定され(ステップ#13)、NOx濃度Nが下限値NLを下回っていると判定されたときには、燃料ガスGの発熱量が小さすぎるために燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比が過剰にリーン化しているとして、図3にも示すように、高発熱量ガス調整弁4の開度VHが所定幅ΔVHずつ拡大されて、主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が徐々に増加される(ステップ#14)。
上記ステップ#14において主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が徐々に増加されることで、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量が徐々に増加され、燃焼室15に吸気される混合気Mの過剰なリーン化が抑制されて、不完全燃焼や失火の発生が抑制される。
Specifically, it is determined whether or not the NOx concentration N is lower than the lower limit value NL (step # 13). When it is determined that the NOx concentration N is lower than the lower limit value NL, the amount of heat generated by the fuel gas G is increased. Since the equivalence ratio of the air-fuel mixture M sucked into the
By mixing the amount of high heating value gas G H for the primary fuel gas G O in
上記ステップ#13でNOx濃度Nが下限値NLを下回っていないと判定されたときには、高発熱量ガス調整弁4の開度VHが0よりも大きいと判定した場合(ステップ#15)、即ち高発熱量ガス調整弁4が開状態である場合に、主燃料ガスGOの発熱量が適切であると判断して、図3にも示すように、高発熱量ガス調整弁4の開度VHが所定幅ΔVHずつ縮小されて、主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が徐々に減少される(ステップ#16)。
上記ステップ#16において主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が徐々に減少されることで、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量が徐々に減少され、燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比が適切な状態となって運転が継続されることになる。
When it is determined in
By mixing the amount of high heating value gas G H for the primary fuel gas G O in
更に、図示は省略するが、上記ステップ#13でNOx濃度Nが下限値NLを下回っていると判定されたときにおいて、例えば上記ステップ#14で高発熱量ガス調整弁4の開度VHが全開状態でそれ以上拡大できない場合などには、上記エンジン1の出力Pを運転に支障がない程度に減少させる出力減少制御が実行される。すると、エンジン1の出力Pを減少させるのに伴って、吸気路12に設けられたスロットルバルブ14の開度が縮小されるので、燃焼室15への吸気量が減少して、混合部13における燃料ガスGに対する空気Aの量が少なくなって、燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比の過剰なリーン化が緩和される。
Furthermore, although illustration is omitted, when it is determined in
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態の燃料供給機構50の構成について、図5〜図7に基づいて説明する。上記第1実施形態と同様の構成については説明を割愛する。
尚、図5は、上述したようなエンジン1において燃料ガスGを供給する第2実施形態の燃料供給機構50の概略構成図であり、図6は、NOxセンサ3で検出されたNOx濃度N及び高発熱量ガス調整弁4の開度VH及び低発熱量ガス調整弁5の開度VLの経時的な変化傾向を示すグラフ図であり、図7は、制御装置2により実行される制御フロー図である。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the structure of the
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the
第2実施形態の燃料供給機構50では、図5に示すように、上述した第1実施形態で説明した全ての構成を有する上に、上記エンジン1において、燃料ガス路10を流通する主燃料ガスGOに対して主燃料ガスGOよりも低い発熱量を有する空気などの低発熱量ガスGLを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な低発熱量ガス調整弁5が設けられている。制御装置2は、上述した第1実施形態で説明した高発熱量ガス混合制御に加え、低発熱量ガス調整弁5を作動させて主燃料ガスGOに対する低発熱量ガスGLの混合量を制御する低発熱量ガス混合制御を実行するように構成されている。
As shown in FIG. 5, the
即ち、制御装置2は、上記低発熱量ガス混合制御において、上記NOxセンサ3の検出結果、即ち排ガスEのNOx濃度Nに基づいて、低発熱量ガス調整弁5の開度VLを調整し、主燃料ガスGOに対する低発熱量ガスGLの混合量を制御するように構成されており、上述した高発熱量ガス混合制御に加えてこの低発熱量ガス混合制御を実行することにより、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量、更には、燃焼室15における燃焼状態の一層の安定化が図られている。
That is, in the low calorific value gas mixing control, the
具体的には、上記制御装置2は、上記低発熱量ガス混合制御において、NOxセンサ3で検出されたNOx濃度Nが増加するほど、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量が増加傾向にあるとして、低発熱量ガス調整弁5の開度VLを拡大して、主燃料ガスGOに対する低発熱量ガスGLの混合量を増加させるように構成されている。
以下、制御装置2により実行される高発熱量ガス混合制御と低発熱量ガス混合制御との具体的な処理フローについて、図6及び図7に基づいて説明を加える。
Specifically, in the low calorific value gas mixing control, the
Hereinafter, a specific processing flow of the high calorific value gas mixing control and the low calorific value gas mixing control executed by the
図7に示すように、先ず、上記第1実施形態と同様にエンジン1の出力Pが確認され(ステップ#20)、そのエンジン1の出力Pから所定の関数を用いて、下限値NLに加えが、上限値NHが設定される(ステップ#21)。
尚、これら下限値NL及び上限値NHは、ある出力Pでエンジン1を運転した場合に、燃焼室15において安定した燃焼状態が維持されている場合のNOx濃度Nの許容範囲における下限値及び上限値として設定される値である。そして、このNOx濃度Nの許容範囲の下限値NL及び上限値NHとエンジン1の出力Pとの相関関数は、予め実験等により求めておくことができる。
As shown in FIG. 7, first, the output P of the
The lower limit value NL and the upper limit value NH are the lower limit value and the upper limit value in the allowable range of the NOx concentration N when a stable combustion state is maintained in the
次に、NOxセンサ3によりNOx濃度Nが検出され(ステップ#22)、そのNOx濃度Nを用いて、高発熱量ガス調整弁4の開度VHが拡大又は縮小され、更には、低発熱量ガス調整弁5の開度VLが拡大又は縮小されて、主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が制御される(ステップ#23〜ステップ#30)
Next, the NOx concentration N is detected by the NOx sensor 3 (step # 22), and the opening degree VH of the high calorific value
具体的には、NOx濃度Nが下限値NLを下回っているか否かが判定され(ステップ#23)、NOx濃度Nが下限値NLを下回っていると判定されたときには、更に、低発熱量ガス調整弁5の開度VLがゼロ(全閉状態)であるか否か、即ち低発熱量ガス調整弁5が全閉状態であるか否かが判定される(ステップ#24)。
そして、上記ステップ#23でNOx濃度Nが下限値NLを下回っていると判定されたときには、燃料ガスGの発熱量が小さすぎるために燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比が過剰にリーン化しているとして、図6にも示すように、上記ステップ#24で低発熱量ガス調整弁5が全閉状態であると判定した場合には、高発熱量ガス調整弁4の開度VHが所定幅ΔVHずつ拡大されて、主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が徐々に増加される(ステップ#25)。尚、上記ステップ#24で低発熱量ガス調整弁5が全閉状態ではないと判定した場合には、低発熱量ガス調整弁5の開度VLが所定幅ΔVLずつ縮小されて、主燃料ガスGOに対する低発熱量ガスGLの混合量が徐々に減少される(ステップ#30)。
Specifically, it is determined whether or not the NOx concentration N is below the lower limit value NL (step # 23), and when it is determined that the NOx concentration N is below the lower limit value NL, the low calorific value gas is further generated. It is determined whether or not the opening VL of the regulating
When it is determined in
上記ステップ#23でNOx濃度Nが下限値NLを下回っていないと判定されたときには、高発熱量ガス調整弁4の開度VHが0よりも大きい場合(ステップ#26)、即ち高発熱量ガス調整弁4が開状態である場合に、主燃料ガスGOの発熱量が適切であると判断して、図6にも示すように、高発熱量ガス調整弁4の開度VHが所定幅ΔVHずつ縮小されて、主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が徐々に減少される(ステップ#27)。
When it is determined in
更に、上記ステップ#26で高発熱量ガス調整弁4が開状態ではないと判定した場合、即ち高発熱量ガス調整弁4が全閉状態であると判定した場合には、NOx濃度Nが上限値NHを上回っているか否かが判定され(ステップ#28)、NOx濃度Nが上限値NHを上回っていると判定されたときには、燃料ガスGの発熱量が大きすぎるために燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比が過剰にリッチ化しているとして、図6にも示すように、低発熱量ガス調整弁5の開度VLが所定幅ΔVLずつ拡大されて、主燃料ガスGOに対する低発熱量ガスGLの混合量が徐々に増加される(ステップ#29)。
Further, when it is determined in
上記ステップ#28でNOx濃度Nが上限値NHを上回っていないと判定されたときには、主燃料ガスGOの発熱量が適切であると判断して、図6にも示すように、低発熱量ガス調整弁5の開度VLが所定幅ΔVLずつ縮小されて、主燃料ガスGOに対する低発熱量ガスGLの混合量が徐々に減少される(ステップ#30)。
When NOx concentration N is determined not to exceed the upper limit value NH in the
上記ステップ#25において主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が徐々に増加されることで、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量が徐々に増加され、燃焼室15に吸気される混合気Mの過剰なリーン化が抑制されて、不完全燃焼や失火の発生が抑制される。
By mixing the amount of high heating value gas G H for the primary fuel gas G O in
一方、上記ステップ#29において主燃料ガスGOに対する低発熱量ガスGLの混合量が徐々に増加されることで、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量が徐々に減少され、燃焼室15に吸気される混合気Mの過剰なリッチ化が抑制されて、NOx排出量の増加やノッキングの発生、更には、過負荷による故障の発生が抑制される。
On the other hand, that the mixing amount of the low calorific value gas G L for the primary fuel gas G O in
更に、上記ステップ#27において主燃料ガスGOに対する高発熱量ガスGHの混合量が徐々に減少されたり、上記ステップ#30において主燃料ガスGOに対する低発熱量ガスGLの混合量が徐々に減少されることで、適切な燃焼状態を維持しながら、高発熱量ガスGH若しくは低発熱量ガスGLの混合量を削減することができる。
Further, in
更に、図示は省略するが、上記ステップ#23でNOx濃度Nが第1下限値N1を下回っていると判定されたときにおいて、例えば上記ステップ#25で高発熱量ガス調整弁4の開度VHが全開状態でそれ以上拡大できない場合などには、上記エンジン1の出力Pを運転に支障がない程度に減少させる出力減少制御が実行される。すると、エンジン1の出力Pを減少させるのに伴って、吸気路12に設けられたスロットルバルブ14の開度が縮小されるので、燃焼室15への吸気量が減少して、混合部13における燃料ガスGに対する空気Aの量が少なくなって、燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比の過剰なリーン化が緩和される。
Furthermore, although illustration is omitted, when it is determined in
尚、上記実施の形態では、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスGOとしてバイオガスを用いたが、別に、塗装工場や半導体・電子部品製造工場から排出される有機溶剤等を含むオフガスのようにバイオガス以外の燃料ガスを、発熱量の変動要因を有する主燃料ガスGOとして用いても構わない。
また、上記主燃料ガスGOよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスGHとしては、都市ガス13A以外に、プロパン(発熱量:93MJ)やメタン(発熱量:36MJ)等のように、発熱量が比較的高い燃料ガスを用いることができる。
一方、上記主燃料ガスGOよりも低い発熱量を有する低発熱量ガスGLとしては、空気以外に、水素(発熱量:11MJ)や一酸化炭素(発熱量:13MJ)等のように、発熱量が比較的低い燃料ガスを用いることができる。
In the above embodiment, was used biogas as a primary fuel gas G O with variable factors calorific separately, the off-gas containing an organic solvent or the like discharged from the paint shop or semiconductor and electronic parts manufacturing plant the fuel gas other than biogas as, may be used as the main fuel gas G O with variable factors of the heat generation amount.
Further, as the high heating value gas G H having a higher heating value than the main fuel gas G O, in addition to city gas 13A, propane (calorific value: 93MJ) and methane (calorific value: 36 mJ) as such, A fuel gas having a relatively high calorific value can be used.
On the other hand, as the low calorific value gas GL having a calorific value lower than that of the main fuel gas G O , in addition to air, hydrogen (calorific value: 11 MJ), carbon monoxide (calorific value: 13 MJ), etc. A fuel gas having a relatively low calorific value can be used.
上記実施の形態では、エンジン1を、図1に示すように、混合部13をベンチュリミキサとして構成したものを想定したが、別に、図8に示すようなエンジン1’等の別の構成のエンジンにも、本発明に係る燃料供給機構を適用することができる。
即ち、図8に示すエンジン1’は、吸気路12に過給機19が設けられており、その過給機19により、混合部13で形成された混合気Mを加圧して燃焼室15に供給する過給式のエンジンとして構成されている。
混合部13は、吸気路12に対して燃料ガス路13を接続する接続部として過給機19の上流側に設けられており、更に、燃料ガス路10には、燃料ガスGの混合部13への供給量を調整可能な燃料制御弁18が設けられている。
一方、吸気路12における過給機19の下流側には、吸気路12における圧力(以下、吸気圧力と呼ぶ。)を検出する圧力センサ20が設けられており、この圧力センサ20で検出された吸気圧力は制御装置2に入力される。
そして、制御装置2は、圧力センサ20で検出された吸気圧力とエンジン1’の発電出力とに基づいて燃料制御弁18の開度を制御することで、混合部13において空気Aに対して一定の割合の燃料ガスGが混合されるようになる。
そして、このようなエンジン1’においても、燃料ガスGの発熱量が上記主燃料ガスGOと同様に変動した場合には、燃焼室15に吸気される混合気Mの当量比も変動してしまう。
即ち、燃焼室15に供給される燃料ガスGの発熱量が減少又は増加した場合には、吸気路12に設けられたスロットルバルブ14の開度が拡大又は縮小されて、圧力センサ20で検出される吸気圧力が増加又は減少する。結果、制御装置2は、吸気圧力の増加又は減少に応じて、混合部13への燃料供給量を増加又は減少させるので、結果、燃焼室15に吸気される混合気の当量比が低下(リーン化)又は上昇(リッチ化)することになる。
In the above embodiment, the
That is, in the
The mixing
On the other hand, a
Then, the
Even in such an engine 1 ', when the calorific value of the fuel gas G varies similarly to the main fuel gas G O is varied also equivalent ratio of air-fuel mixture M which is sucked into the
That is, when the calorific value of the fuel gas G supplied to the
上記第1実施形態及び上記第2実施形態では、図4及び図7に示すように、NOx濃度Nが下限値NLを下回っていないと判定されたときに(図4のステップ#13、図7のステップ#23)、高発熱量ガス調整弁4の開度VHの縮小を行う(図4のステップ#16、図7のステップ#27)ように構成したが、例えば、上記下限値に対して若干大きめのオフセット値を設定しておき、NOx濃度が上記下限値を下回った後にそのオフセット値を上回ったときに、高発熱量ガス調整弁の開度の縮小を行うように構成することもできる。また、この場合、NOx濃度が上記下限値とオフセット値との間にある場合には、燃焼室に吸気される混合気の当量比が適切であるとして、高発熱量ガス調整弁の開度が増加又は減少されることなくその時点の開度に維持されることになる。
In the first embodiment and the second embodiment, as shown in FIGS. 4 and 7, when it is determined that the NOx concentration N is not lower than the lower limit NL (
上記第2実施形態では、図7に示すように、NOx濃度Nが上限値NHを上回っていないと判定されたときに(図7のステップ#28)、低発熱量ガス調整弁5の開度VLの縮小を行う(図7のステップ#30)ように構成したが、例えば、上記上限値に対して若干小さめのオフセット値を設定しておき、NOx濃度が上記上限値を上回った後にそのオフセット値を下回ったときに、低発熱量ガス調整弁5の開度VLの縮小を行うように構成することもできる。また、この場合、NOx濃度が上記上限値とオフセット値との間にある場合には、燃焼室に吸気される混合気の当量比が適切であるとして、低発熱量ガス調整弁の開度が増加又は減少されることなくその時点の開度に維持されることになる。
In the second embodiment, as shown in FIG. 7, when it is determined that the NOx concentration N does not exceed the upper limit value NH (
本発明に係る内燃機関の燃料供給機構は、発熱量の変動要因を有するバイオガス等の主燃料ガスを含む燃料ガスを燃焼室に供給して燃焼させる内燃機関において、主燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測装置を設けなくても、主燃料ガスに対して、当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する都市ガス13A等の高発熱量ガスを混合可能とし、その混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行して、燃焼室における燃焼状態を良好に安定化させることができる内燃機関の燃料供給機構として、有効に利用可能である。 A fuel supply mechanism for an internal combustion engine according to the present invention provides an internal combustion engine for supplying a combustion gas containing a main fuel gas such as biogas having a calorific value variation factor to a combustion chamber and combusting the fuel gas. Without providing a calorific value measuring device to measure, the main fuel gas can be mixed with a high calorific value gas such as city gas 13A having a calorific value higher than that of the main fuel gas, and the mixing amount is controlled. The present invention can be effectively used as a fuel supply mechanism of an internal combustion engine that can perform high calorific value gas mixing control and can satisfactorily stabilize the combustion state in the combustion chamber.
1:エンジン(内燃機関)
2:制御装置(制御手段)
3:NOxセンサ(NOx濃度検出手段)
4:高発熱量ガス調整弁(高発熱量ガス調整手段)
5:低発熱量ガス調整弁(低発熱量ガス調整手段)
15:燃焼室
16:排気路
50:燃料供給機構
E:排ガス
G:燃料ガス
GH:高発熱量ガス
GL:低発熱量ガス
GO:主燃料ガス
N:NOx濃度
NH1,NH2:上限値
NL1,NL2:下限値
1: Engine (internal combustion engine)
2: Control device (control means)
3: NOx sensor (NOx concentration detection means)
4: High calorific value gas regulating valve (high calorific value gas regulating means)
5: Low calorific value gas adjusting valve (low calorific value gas adjusting means)
15: Combustion chamber 16: Exhaust passage 50: Fuel supply mechanism E: Exhaust gas G: Fuel gas G H : High calorific value gas G L : Low calorific value gas G O : Main fuel gas N: NOx concentration NH1, NH2: Upper limit NL1, NL2: Lower limit
Claims (5)
前記主燃料ガスに対して当該主燃料ガスよりも高い発熱量を有する高発熱量ガスを混合可能、且つ、その混合量を調整可能な高発熱量ガス調整手段と、
前記高発熱量ガス調整手段を作動させて前記高発熱量ガスの混合量を制御する高発熱量ガス混合制御を実行する制御手段とを備えた内燃機関の燃料供給機構であって、
前記燃焼室から排出された排ガスのNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を備え、
前記制御手段が、前記高発熱量ガス混合制御において、前記NOx濃度検出手段の検出結果に基づいて前記高発熱量ガスの混合量を制御する内燃機関の燃料供給機構。 In an internal combustion engine in which main fuel gas having a calorific value variation factor is supplied to a combustion chamber and burned,
A high calorific value gas adjusting means capable of mixing the main fuel gas with a high calorific value gas having a higher calorific value than the main fuel gas, and capable of adjusting the mixing amount;
A fuel supply mechanism for an internal combustion engine, comprising: control means for executing high calorific value gas mixing control for operating the high calorific value gas adjusting means to control the mixing amount of the high calorific value gas;
Comprising NOx concentration detection means for detecting the NOx concentration of the exhaust gas discharged from the combustion chamber;
A fuel supply mechanism for an internal combustion engine, wherein the control means controls a mixing amount of the high calorific value gas based on a detection result of the NOx concentration detecting means in the high calorific value gas mixing control.
前記制御手段が、前記NOx濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記低発熱量ガス調整手段を作動させて前記高発熱量ガスの混合量を制御する低発熱量ガス混合制御を実行する請求項1〜3の何れか一項に記載の内燃機関の燃料供給機構。 Low calorific value gas adjusting means capable of mixing the main fuel gas with a low calorific value gas having a calorific value lower than that of the main fuel gas, and capable of adjusting the mixing amount,
The said control means performs the low calorific value gas mixing control which controls the mixing amount of the said high calorific value gas by operating the said low calorific value gas adjustment means based on the detection result of the said NOx density | concentration detection means. The fuel supply mechanism for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3.
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