JP2022045147A - 点火装置を備えた２ストロークエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】作業機で多く用いられている点火装置を備えたクランク室圧縮方式の２ストロークエンジンにおいて、排気ガス温度を低下させることができるエンジンを提供する。【解決手段】掃気行程において、クランク室12で予圧縮された吸気が掃気ポート8を通じて燃焼室6に供給されて掃気ガス流Sfが生成される。点火装置30を備えた副室42は極力小さな容積を有し、副室42を画成する隔壁40には少なくとも２つの連通孔44が形成されている。点火装置30の点火時期は上死点前（BTDC）３５度以上に進角されている。【選択図】図2

Description

本発明は点火装置を備えた２ストロークエンジンに関し、より詳しくはクランク室で吸気を予圧縮し、この予圧縮した吸気を掃気通路を通じて燃焼室に供給して燃焼室内の既燃ガスを掃気するクランク室圧縮方式のエンジンに関する。

２ストロークエンジンは小型且つ軽量であるため作業機、例えば刈払機、ブロワー、チェーンソーなどの手持ち作業機の動力源として普及している。現在普及している２ストロークエンジンは点火装置で混合気を点火するエンジンであり、クランク室に供給される吸気をクランク室で予圧縮するエンジンである。この種のエンジンでは、クランク室で予圧縮した吸気を掃気通路を通じて燃焼室に供給することで燃焼室の掃気が行われ、次いで燃焼室の混合気が点火装置で点火される。

点火装置を備えた２ストロークエンジンにおいて、今現在、次の２つのタイプのエンジンが多く普及している。第１は、クランク室で予圧縮した吸気、典型的には混合気で掃気を行う、通常掃気方式のエンジンである。この通常掃気方式のエンジンは、燃焼室内の未燃ガスつまり混合気が排気ポートを通じて排気されるという問題、いわゆる「吹き抜け」の問題を含んでいる。この「吹き抜け」問題を改善するために層状掃気方式のエンジンが開発され、そして、層状掃気方式のエンジンは既に実用化されて作業機に数多く搭載されている。この層状掃気方式のエンジンが第２のタイプのエンジンである。

特許文献１は層状掃気方式のエンジンを開示している。層状掃気方式のエンジンは、吸気ポートを通じて混合気をクランク室に導入して、クランク室で混合気を予圧縮する点で通常掃気方式のエンジンと同じである。層状掃気方式のエンジンは、掃気行程において、予圧縮した混合気を燃焼室に供給する前に、先導空気を燃焼室に供給し、この先導空気によって燃焼室内の既燃ガスと混合気との間に空気層を形成する点に特徴を有している。

作業機は排気装置つまり排気マフラーから吐出される排気ガス温度に関して、安全性の観点から規制が設けられている。この規制は、排気ガス温度が所定の温度以下であることを求めている。この規制を遵守するため、２ストロークエンジンの排気マフラーを大型化する、排気マフラーに透穴を備えた板を設置してマフラーの内部通路を実質的に延長するなどの排気装置の構造に工夫が施されている。

US２０１１／００７９２０６A1

本願発明者らは、排気ガス温度を低下させるのに、燃焼行程において、燃焼を素早く終わらせるのが有効である、と着想し、この着想に基づいて、点火時期と副室との組み合わせを施したエンジンを試作した。その結果、有意なデータが得られたことから本発明を提案するものである。

公知の点火装置を備えた副室付き２ストロークエンジンがJP特開S４９(1974)―７８００３号公報に開示されている。一般論として、副室を備えた作業機用の２ストロークエンジンは実用化されていない。

参考のために、JP特開S４９(1974)―７８００３号公報に開示の副室付き２ストロークエンジンを説明すると、この公報は、２ストロークエンジンの不整燃焼を防止する発明を提案している。不整燃焼を説明すると、２ストロークエンジンでは、掃気行程において、サイクル毎に、残留する既燃ガスの量が変化する。これに伴って燃焼室内の混合気の割合が増加したサイクルのときに初めて燃焼室で燃焼が発生する現象が現れる。換言すれば、点火時期毎に燃焼が発生することが理想であるが、２ストロークエンジンでは、間欠的に燃焼が発生し易い。この現象が「不整燃焼」である。

JP特開S４９(1974)―７８００３号公報に開示の２ストロークエンジンは、シリンダヘッドに形成された副室を備えている。気化器は、相対的にリーンな混合気を生成する主通路と、リッチな混合気を生成する第２通路を有している。気化器内の主通路で生成された相対的にリーンな混合気は、主混合気供給通路を通じて、吸気として、クランク室に供給され、クランク室で予圧縮される。すなわち、クランク室で予圧縮された混合気は副室には供給されない。その代わりに、気化器の第２通路で生成されたリッチな混合気が追加の混合気供給通路を通じて副室に供給される。副室と燃焼室とはトーチノズルで連通されている。副室には点火装置が装着されている。副室内のリッチな混合気は、点火装置の点火によって着火し、その火炎がトーチノズルを通じて燃焼室に噴出される。

特開S４９(1974)―７８００３号公報に開示の発明は、副室にリッチな混合気を充填して点火し、火炎を副室のトーチノズルを通じて主燃焼室に噴出させることで燃焼行程において確実に燃焼・爆発させる発明を提案しているものの、点火時期については何も言及していない。

本発明の目的は、作業機で多く用いられている点火装置を備えたクランク室圧縮方式の２ストロークエンジンにおいて、排気ガス温度を低下させることができるエンジンを提供することにある。

上記の技術的課題は、本発明にあっては、
点火装置と、
ピストンによって画成される燃焼室と、
該燃焼室に開口され、ピストンによって開閉される掃気ポートと、
該掃気ポートを通じて前記燃焼室とクランク室とを連通する掃気通路とを有し、
掃気行程において、前記クランク室で予圧縮された吸気が前記掃気ポートを通じて前記燃焼室に供給されて前記燃焼室内に掃気ガス流が生成され、該掃気ガス流によって前記燃焼室内の既燃ガスを排気ポートに押し出すことにより排気する２ストロークエンジンにおいて、
前記点火装置が装着された副室であって、該点火装置によって該副室内の混合気が点火される副室と、
該副室と前記燃焼室とを区画する隔壁と、
該隔壁に形成され、前記副室と前記燃焼室とを連通させる複数の連通孔とを有し、
前記点火装置の点火時期が上死点前３５度以上に進角されていることを特徴とする２ストロークエンジンを提供することによって達成される。

図１は、本発明に従う２ストロークエンジンの一例による排気ガス温度の低減効果を示すグラフである。このグラフは、上死点前２０度のときの排気ガス温度を基準として、点火時期を進角させたときの排気ガス温度の低減率（％）を示す。図１を参照して、点火時期を上死点前２５度に進角したとき、排気ガス温度が約０．８％下がった。そして、点火時期を上死点前２５度よりも更に進角させると、温度低減率が大きくなった。例えば、上死点前３０度で約２％、上死点前３５度で約４％、上死点前４０度で約５％、上死点前４５度で約５．６％、排気ガス温度が低くなった。

点火時期とノッキングとの関係に関し、当業者の常識は次の通りである。「点火時期を進角させるとエンジンの熱効率が向上するが、ノッキング問題を引き起こす。」このことから、２ストロークエンジンの点火時期は、ノッキング限界の観点から上死点前３０度が進角の限界である、というのが当業者の常識である。

本発明に従う２ストロークエンジンの一例では、後に説明するように、従来は進角の限界と認識されている上死点前３０度を超えて３５度、４０度、４５度、または５０度と進角させてもノッキング限界に達し難いことが分かった。したがって、任意の点火時期を設定しやすい。例えば点火時期の設定値を３５度、４０度、または４５度に設定してもノッキングの問題は発生しない。また、副室を備えることにより燃焼速度を速め、加えて点火時期を進角させることによって排気損失を減らすという、両方のアプローチからエンジンの熱効率を高めることができる。特に、作業機の作業運転域、つまり常用エンジン回転数域において、点火時期を例えば３５度、４０度、４５度というように進角した点火時期を設定するのが好ましい。

本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、前記副室は掃気ガス流の流速が速い及び/又は流量が多い箇所に配置してもよい。また、前記副室の前記連通孔の少なくとも一つを掃気ガス流を受け入れる方向に指向させてもよい。さらにまた、前記連通孔の軸線を点火装置の局所的なホットスポットに指向させてもよい。

本発明の作用効果および他の目的は、以下の本発明の実施例の一例及び変形例を含む詳細な説明から明らかになろう。

本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、点火時期の進角による排気ガス温度の低減効果を示すグラフである。 本発明に従うクランク室圧縮方式のエンジンの全体構成の一例を説明するための図であり、通常掃気方式のエンジンを示す。 本発明に従うクランク室圧縮方式のエンジンの全体構成の一例を説明するための図であり、層状掃気方式のエンジンを示す。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、点火時期の設定値を上死点前２０度から約５２度まで進角させたときの最大ノッキング強度を示すグラフである。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例及び従来の２ストロークエンジンにおいて、当量比の変化における排気ガス温度を示すグラフである。 本発明に従う２ストロークエンジンンの一例及び従来の２ストロークエンジンにおいて、点火時期を進角させたときの出力の変化を示すグラフである。 実施例の一例として、２ストロークエンジンの全体構成を説明するための図である。 図７に図示のエンジンの上端部の断面図である。 図７に図示のエンジンの燃焼室の頂面の概略説明図である。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、副室を形成するキャップ要素として、キャップ部をシリンダと一体成形した変形例を説明するための図である。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、副室を形成するキャップ要素の閉塞端部で構成される隔壁の複数の連通孔の通路形状に関する変形例を示し、複数の連通孔は互いに平行に延びている。 図１１に図示の連通孔が指向されるスパークプラグのガスポケットを説明するための図である。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、キャップ要素の閉塞端部で構成される隔壁の肉厚及び連通孔の通路形状の変形例を示し、隔壁の肉厚が筒部に比べて厚く且つ複数の連通孔の軸線がスパークプラグの中心電極で交差する交差角度が９０°である。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、キャップ要素の閉塞端部で構成される隔壁の肉厚及び連通孔の通路形状の変形例を示し、隔壁の肉厚が筒部に比べて厚く且つ複数の連通孔の軸線がスパークプラグの中心電極で交差する交差角度が１２０°である。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、副室の配置位置に関する変形例に関するエンジン上部の断面図であり、副室が燃焼室の中心に位置している。 図１５に関連した図であり、燃焼室の頂面の概略説明図である。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、副室の配置位置に関する他の変形例に関する図であり、吸気ポートと排気ポートと燃焼室の中心を通る第１中心線を挟む左右の一側にオフセットして副室が位置している。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、燃焼室の頂面に関する変形例に関するエンジン上部の断面図であり、燃焼室の頂面において、排気ポート側に位置する部分が燃焼室に向けて凸形状を有している。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、複数の連通孔がスワールを生成する通路形状である変形例を説明するための図であり、燃焼室の頂面の概略説明図である。 本発明に従う２ストロークエンジンの一例において、エンジンは、左右に位置する掃気ポートの形状及びその指向方向が左右非対称であってもよいことを説明するための図である。

以下に、図２、図３を参照して本発明を適用した一例である２ストロークエンジンの全体概要を説明する。

本発明に従う一例のエンジンは、クランク室圧縮方式のエンジンであり、作業機、典型的には手持ち作業機の動力源として用いられる。手持ち作業機を具体的に例示すれば、チェーンソー、刈払機、トリマー、ブロワーなどを挙げることができる。

図２、図３において、参照符号２は本発明を適用した一例の２ストロークエンジンを示し、エンジン２は空冷単気筒エンジンである。２ストロークエンジン２はピストン４によって画成される燃焼室６を有し、燃焼室６には掃気ポート８が開口している。掃気ポート８は掃気通路１０を通じてクランク室１２に連通している。掃気ポート８はピストン４によって開閉される。図中、参照符号“Ｏ(c)”はクランクシャフト（図示せず）の中心軸線を示す。

図中、参照符号１４はエアクリーナを示す。エアクリーナ１４で浄化された空気は気化器１６に供給される。気化器１６内の通路１６aにはスロットルバルブ１８が配設され、スロットルバルブ１８によってエンジン出力が制御される。スロットルバルブ１８としてバタフライバルブが図示されているが、バタフライバルブに代えてロータリバルブであってもよい。気化器１６には、燃料源２０の燃料が吐出部２２を通じて気化器内通路１６aに供給され、これにより気化器内通路１６aで混合気が生成される。

変形例として、燃料吐出部２２に代えて燃料噴射ノズルであってもよい。また、エンジン２に対する燃料供給に関し、混合気供給通路３２に燃料噴射ノズルを設けて混合気供給通路３２に直接的に燃料を供給してもよいし、吸気通路である混合気供給通路３２を混合気が通過しないようにしてクランク室１２に空気を供給し、そして、クランク室１２に燃料噴射ノズルを設けてクランク室１２に直接的に燃料を供給してもよい。また、掃気通路１０に燃料噴射ノズルを設けて掃気通路１０に直接的に燃料を供給してもよく、燃焼室６に燃料噴射ノズルを設けて燃焼室６に直接的に燃料を供給してもよい。他に、後に説明する副室４２に燃料噴射ノズルを設けて、副室４２に直接的に燃料を供給してもよい。副室４２に直接的に燃料を供給する他の方法として、例えば、JP実開H３(1991)-１２３９４１号公報に開示されているように、一方向弁を有する通路によりクランク室に導入された混合気を副室に供給してもよく、一方向弁を有する通路により混合気供給通路内の混合気を副室に供給してもよい。

図中、参照符号２４は排気マフラーを示す。排気マフラー２４は排気ポート２８に通じており、排気ポート２８はピストン４によって開閉される。

図２、図３において、参照符号３０は点火装置を示す。図示の点火装置３０は中心電極と、これに対向した接地電極とを含む周知のスパークプラグである。スパークプラグには点火時期毎に高電圧が供給され、これによりスパークプラグが電気的に火花を発生することにより混合気を着火させる。スパークプラグは点火装置３０の一例であり、本発明はこれに限定されない。点火装置３０は、例えばJP特開2009-224345号公報に開示のプラズマジェット点火プラグであってもよい。

一般論として、２ストロークエンジンは、既知のように、ピストン４の下死点付近で排気行程と掃気行程が行われ、ピストン４の上昇に伴い、圧縮行程に移行する。その後、ピストン４の上死点付近で燃焼行程が行われた後に、膨張行程が行われる。このように、２ストロークエンジンはピストン４の動きと各行程とが明確に区分されてはいない。一方、４ストロークエンジンは、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、吸気行程がピストンの上昇、下降の各動作によって明確に区分される。ここに、一般的に、２ストロークエンジンの圧縮比は４ストロークエンジンよりも低い。

図２は、通常掃気方式のエンジン２の一例を示す。通常掃気方式のエンジン２は、クランク室１２で予圧縮した吸気、つまり混合気が掃気通路１０、掃気ポート８を通じて燃焼室６に供給される。図３は、いわゆる層状掃気方式のエンジン２の一例を示している。図２に図示の通常掃気方式のエンジン２と、図３に図示の層状掃気方式のエンジン２とを識別するために、通常掃気方式のエンジン２（図２）には参照符号（n）を付記し、層状掃気式のエンジン２（図３）には、参照符号(s)を付記してある。この２種類の２ストロークエンジンを総称するときには参照符号２を使用する。

図２を参照して、通常掃気方式のエンジン２(n)に組み込まれる気化器１６は、生成した混合気が混合気供給通路３２を通じてクランク室１２に供給される。他方、図３の層状掃気式のエンジン２(s)に組み込まれる気化器１６は、２つの通路１６a、１６bを有し、第１の気化器内通路１６aで混合気が生成され、この混合気は混合気供給通路３２を通じてクランク室１２に供給される。他方、第２の気化器内通路１６bでは空気が通過し、この空気は先導空気通路３４を通じて掃気通路１０の上端部に供給される。

図２、図３を参照して、電子制御ユニットＥＣＵのメモリには点火時期制御マップ（図示せず）が記憶されていて、点火装置３０は電子制御ユニットＥＣＵによって点火時期が制御される。また、電子制御ユニットＥＣＵには、図示を省略したエンジン回転数センサからエンジン回転数情報やエンジン温度センサからエンジン温度情報、スロットルポジションセンサからスロットルバルブの開度情報が入力される。電子制御ユニットＥＣＵは、これらの情報に基づいて点火時期制御信号を生成して点火装置３０を制御する。

エンジン２は、点火装置３０の先端部３０aを閉じ込める隔壁４０を有している。隔壁４０は、燃焼室６から独立した副室４２を形成し、副室４２は、点火装置３０の先端部３０aを包囲する内部空間４２aを有している。この内部空間４２aは、限定的な極力小さな容積を備えているのが好ましい。具体的には、点火装置３０の先端部３０aと干渉しない範囲で先端部３０aに接近した位置に隔壁４０を配置するのがよい。

隔壁４０には、少なくとも２つの連通孔４４が形成されている。各連通孔４４は副室４２と燃焼室６とに開口し、各連通孔４４によって副室４２と燃焼室６とが連通されている。

掃気ポート８の数は任意である。図２には一つの掃気ポート８が図示され、図３には２つの掃気ポート８(1)、８(2)が図示されている。図３に図示の第１の掃気ポート８(1)は主掃気ポートを示す。主掃気ポート８(1)に隣接する第２の掃気ポート８(2)は排気ポート２８から離れる側に位置している。主掃気ポート８(1)、第２掃気ポート８(2)を総称して掃気ポート８と呼ぶと、図２、図３を参照して、掃気ポート８は、排気ポート２８から離れる方向且つ上方に指向されている。このことからクランク室１２で予圧縮した吸気つまり混合気が掃気ポート８から燃焼室６に吐出されると、矢印で示す掃気ガス流Ｓfが燃焼室６に生成される。この掃気ガス流Ｓfは、一般的に排気ポート２８から離れる方向且つ上方に向かい、そして、燃焼室６の上部で流れ方向を変えて、排気ポート２８に向けて下降するように、掃気ポート８の指向方向及び燃焼室６の形状が設計される。

副室４２は、掃気ガス流Ｓfの流速が相対的に速い箇所及び/又は掃気ガスの流量が相対的に多い箇所に配置してもよい。この場合、副室４２を形成する隔壁４０の複数の連通孔４４のうち、掃気ガス流Ｓfの上流側に位置する連通孔４４(u)は、掃気ガス流Ｓfを受け入れる方向に指向されていてもよい。これにより、掃気行程ないし圧縮行程において、燃焼室６内の掃気ガス流Ｓfに乗って混合気が副室４２に流入し易くなる。

４ストロークエンジンは、上述したように、圧縮行程、燃焼行程、排気行程、吸気行程がピストンの上下動との関連で明確に区分される。一般論として、点火装置は点火を伴う燃焼行程で加熱状態となるが、４ストロークエンジンにあっては、点火装置の先端部及び局所的なホットスポットの熱が吸気行程で燃焼室に拡散される。

実施形態の一例としての２ストロークエンジン２は、上述したように、ピストン４の下死点付近で行われる掃気行程の後に、これに続く圧縮行程が行われる。掃気行程と圧縮行程は連続的であることから、２ストロークエンジン２においては、点火装置３０の先端部３０aの熱が保持される環境にある。点火装置３０の先端部３０aを隔壁４０によって極力小さな空間に閉じ込めるため、点火装置３０の先端部３０aの熱を閉じ込めて、点火装置の先端部の熱で副室４２内の掃気ガスに含まれる混合気を加熱することができる。

副室４２で混合気が着火すると、副室４２の容積が上述したように限定的であることから、連通孔４４を通じて火炎が直ちに燃焼室６に噴出する。隔壁４０には複数の連通孔４４が形成されているため、この複数の連通孔４４から複数の方向に噴出する火炎によって燃焼室６内の火炎の伝播速度を速めることができる。

２ストロークエンジンが、掃気通路を備えたエンジン２であった場合、圧縮行程、これに続く燃焼行程においても、掃気ガス流Ｓfの流れは持続しているため、火炎は掃気ガス流Ｓfに乗ってさらに火炎伝播速度を速めることができる。

燃焼行程において、火炎の伝播速度を速めることは、ノッキング発生を低下させる効果がある。また、２ストロークエンジンはサイクルが短いために、従来であれば完全燃焼できずにいた未燃ガスを、火炎の伝播速度を速めることで燃焼させることができる。これにより燃焼が安定し、燃焼行程での燃焼を早期に完了させる効果があるため、エンジンの出力を高めつつエミッション特性を改善することができるという利点に加えて、排気ガス温度を低下させることができる。

本発明に従う一例の２ストロークエンジン２において、点火時期の進角による排気ガス温度の低減効果は図１を参照して前述した通りである。

図４は、本発明に従う一例の２ストロークエンジン２において、点火時期の設定値を上死点前２０度から約５２度まで進角させたときの最大ノッキング強度のグラフＧf１を示す。なお、最大ノッキング強度とは、ノッキングの激しさを意味する。図４に図示のグラフＧf２は比較例であり、副室４２を備えていない従来の２ストロークエンジンの点火時期の進角に伴う最大ノッキング強度を示す。

比較例Ｇf２によれば、点火時期を上死点（ＢＴＤＣ）前２０度から進角させると、最大ノッキング強度が約0.2MPaから上昇し、上死点前４０度では最大ノッキング強度が0.8MPaよりも高くなった。ここにノッキング限界は0.7MPaよりも低い。このノッキング限界は、上死点前約３６度で現れる。実用的には、点火時期の許容可能な最大進角は上死点前約３０度以下である。

これに対して、本発明に従う一例の２ストロークエンジン２によれば、図４のグラフＧf１を参照して、点火時期を上死点前（ＢＴＤＣ）２０度から例えば約３８度に進角させても、ノッキング強度は0.2MPaよりも低い値を維持する。更に点火時期を進角させるとノッキング強度が徐々に高くなるものの、上死点前５０度以上の点火時期に設定しても、ノッキング強度は、ノッキング限界よりも低い約0.5MPaに止まることが確認できた。したがって、本発明によれば、ノッキングの問題を意識することなく、点火時期を上死点前３５度よりも進角させた値に設定することができる。換言すれば、本発明に従う２ストロークエンジン２において、ノッキングの問題を意識することなく、例えば上死点前３５度以上の点火時期を設定できる。

図５は、本発明に従う一実施形態の２ストロークエンジン２及び従来の２ストロークエンジンにおいて、当量比を変化させたときの排気ガス温度を示すグラフである。図５において、グラフＧf３は本発明に従う一実施形態のエンジンに関する。グラフＧf４は比較例の従来のエンジンに関する。この実験は、本発明に従う一実施形態によるエンジンの出力と従来のエンジンの出力が同じになるように、従来のエンジンの点火時期を調整して行った。詳しくは、本発明に従う一実施形態の２ストロークエンジン２の点火時期は上死点前５２度であり、比較例の従来の２ストロークエンジンの点火時期は上死点前２０度である。グラフ右側の第１の出力状態では、比較例の従来エンジンの排気ガス温度が約６３０℃であったのに対して、本発明に従う一実施形態のエンジン２の排気ガス温度はそれよりも低い約６１８℃であった。グラフ真ん中の第２の出力状態では、比較例の従来エンジンの排気ガス温度が約６３６℃であったのに対して、本発明に従う一実施形態のエンジン２の排気ガス温度はそれよりも低い約６１９℃であった。グラフ左側の第３の出力状態では、比較例の従来エンジンの排気ガス温度が約６４３℃であったのに対して、本発明に従う一実施形態のエンジン２の排気ガス温度はそれよりも低い約６２６℃であった。

このように、同一の出力であることを前提として、本発明に従う一実施形態のエンジン２と従来のエンジンを比較すると、いずれも本発明に従う一実施形態のエンジン２の排気ガス温度が、従来のエンジンの排気ガス温度よりも低いことが明らかとなった。これは、点火時期を進角したことにより、燃焼が早期に完了して排気ポート２８が開くまでの時間が延長されたためであり、従来のエンジンと比べて、本発明に従う一実施形態のエンジン２は排気損失が少なくなったといえる。これにより、従来において排気ガス温度を下げるために必要とされた排気装置の内部構造の改変に依存しなくても、排気ガス温度を低下させることができる。これにより、排気マフラー内の触媒を小さくしたり、排気マフラーの内部通路を撤去する等して、排気マフラーを小型化することができる。

図６は、本発明に従う一実施形態の２ストロークエンジン２及び従来の２ストロークエンジンにおいて、点火時期を進角させたときの出力の変化を示すグラフである。より詳しくは、図６は点火時期が上死点前（ＢＴＤＣ）２０度に設定したときのエンジン出力を基準とした実験データを示す。図６において、実線で示すグラフＧf５は本発明に従う一実施形態の２ストロークエンジン２に関する。破線で示すグラフＧf６は、比較例の従来の２ストロークエンジンに関する。従来のエンジンは、上死点前２７度よりも進角すると、図４からわかる通り、ノッキングが増加することに伴って出力が低下する（Ｇf６）。上死点前４０度に至っては、すでにノッキング限界に到達しているため、図６に示す通り、出力増加率がマイナス値となる。これに対して、本発明に従う一実施形態のエンジン２は、図４からわかる通り、例えば上死点前５２度まで点火時期を進角させても、ノッキング限界に到達しないため、図６に図示の通り、点火時期の進角に略比例してエンジン出力が増大する（Ｇf５）。

上記の説明から分かるように、本発明に従う一例の副室付きの２ストロークエンジン２によれば、ノッキング問題によって制限されていた点火時期の進角に関し、上述したようにノッキングの問題無しに点火時期を進角させることができ、これにより排気ガス温度を低下させることができると共にエンジンの熱効率及び出力を向上させることができる。特に、起動時やアイドル回転数域を除く運転領域つまり低回転領域、中回転領域、高回転領域の点火時期を従来よりも進角させることができる。特に、作業を行う常用回転領域で点火時期を従来よりも進角させて例えば上死点前３５度以上進角させるのが好ましい。作業機の種類によっては常用回転域が高回転に限定される場合がある。このように高回転が常用回転域である作業機のエンジンでは、高回転領域の点火時期を従来よりも進角させて、例えば上死点前３５度以上進角させるのがよい。また、低回転から高回転までの運転領域が常用回転域である作業機のエンジンであれば、アイドル運転を除く低回転から高回転までの常用回転域において、点火時期を従来よりも進角させて、例えば上死点前３５度以上進角させるのがよい。アイドル回転数域においても従来よりも進角させることが可能である。

アイドル領域以外の運転領域において、アイドル領域との対比で、少なくとも常用回転域の点火時期に関し別の定義を与えることができる。すなわち、アイドル領域以外の運転領域において、特に常用回転域の点火時期はアイドル領域での点火時期よりも３０度以上進角させることができる。

ここに、アイドル運転を除く運転領域でのエンジン回転数は、具体的に例示すれば4,500rpm～13,000rpmである。このエンジン回転数は、無負荷、低負荷、中負荷、高負荷、一定回転運転、加速時等の状況によって変化することから、各状態において、従来との対比で進角の度合いを定義することは難しい。

一般的にアイドル回転数は4,500rpm以下に設定される。アイドル運転を除く運転領域では、上死点前３５°以上または４０度以上、または４５°以上進角させるとよい。作業時の回転数域つまり常用回転数域は、作業機の種類によって２つに大別することができる。例えばチェーンソーは、高負荷運転で作業が行われことから、常用回転数域は高回転域に限定される。すなわち、チェーンソーは、スロットル全開又はほぼ全開状態で作業が行われる。チェーンソーに搭載するエンジンの点火時期制御に関し、高回転領域において、上死点前３５°以上または４０度以上、または４５°以上進角させてもよい。

他方、刈払機やブロワーなどは、低負荷運転及び/又は高負荷運転でのパーシャル状態ないしスロットル全開状態で作業が行われる。したがって、刈払機やブロワーなどの作業機は、低回転域から高回転域までが作業時の回転数域つまり常用回転数域になる。刈払機やブロワーに搭載するエンジンの点火時期制御に関し、低回転域から高回転域までが作業時の回転数域つまり常用回転数域において、上死点前３５°以上または４０度以上、または４５°以上進角させてもよい。勿論、刈払機やブロワーに搭載するエンジンの点火時期制御に関し、高回転域に限定して、上死点前３５°以上または４０度以上、または４５°以上進角させてもよい。

したがって、副室を備えない従来の２ストロークエンジンよりも点火時期を進角させる設定を行うにあたり、チェーンソーなど常用回転数域が高回転域に限定される作業機に搭載するエンジンであれば、特に、高回転域の点火時期に関して、副室を備えない従来の２ストロークエンジンよりも点火時期を進角させる設定を行うことで、排気ガス温度を低下させることができると共に、エンジンの熱効率及び出力を向上することができる。

他方、刈払機やブロワーなど常用回転数域が低回転域から高回転域の広い範囲である作業機に搭載するエンジンであれば、特に、アイドル運転を除く低回転域から高回転域の点火時期に関して、副室を備えない従来のエンジンよりも点火時期を進角させる設定を行うことで、排気ガス温度を低下させることができると共に、エンジンの熱効率及び出力を向上することができる。

アイドル回転数域での点火時期の設定は、常用回転数域よりも遅角した値を設定するのが好ましい。これは、アイドル回転数域での点火時期を進角せず遅角させることで、副室内のガス交換を促進できるためである。本発明に従う一実施形態の２ストロークエンジン２では、作業時の回転数域つまり常用回転数域の点火時期を、アイドル回転数域での点火時期よりも３０度以上進角した値を設定することができる。

＜実施例＞
以下、本発明に従う一例としての実施例及び変形例を説明するが、これら実施例及び変形例に含まれる要素において、上述した要素と同じ要素には同じ参照符号を使って説明する。図７ないし図９は、実施例の２ストロークエンジンを示す。図７は全体概要を説明するための図である。図８は、エンジン本体の上端部の断面図である。図９は、燃焼室を下方から見た燃焼室の頂面の概略説明図である。

図７、図８を参照して、実施例の一例である２ストロークエンジン１００において、点火装置３０としてスパークプラグ３０(s)が採用されている。図８において、スパークプラグ３０(s)はその先端部３０aに、周知のように、中心電極１０２と、中心電極１０２の前方に隣接して位置する接地電極１０４とを有し、中心電極１０２と接地電極１０４との間にギャップが形成されている。

図７において、参照符号１１０は吸気ポートを示す。吸気ポート１１０はピストン４によって開閉される。変形例として、吸気ポート１１０をリードバルブによって開閉させてもよい。吸気ポート１１０は、平面視したときに、断面円形の燃焼室６を挟んで排気ポート２８と直径方向に対向して配置されている。

図９を参照して、吸気ポート１１０は、平面視したときに、燃焼室６の中心Ｏ(f)を通る第１中心線ＣL(1)上において、排気ポート２８と対向して配置されている。エンジン１００は、第１中心線ＣL(1)を挟んで、その両側に主掃気ポート８(1)と第２掃気ポート８(2)とを有している。主掃気ポート８(1)及び第２掃気ポート８(2)から吐出される掃気ガス、つまりクランク室１２で予圧縮された混合気は、前述したように排気ポート２８とは反対側つまり吸気ポート１１０側且つ上方に向けて流れる掃気ガス流Ｓfを生成する。

上述した掃気ポート８に関し、実施例の一例である２ストロークエンジン１００は、任意であるが、第３の掃気ポート８(3)を含んでいてもよい（図９）。第３の掃気ポート８(3)は排気ポート２８とは反対側の第１中心線ＣL(1)上に配置され、そして、上方に指向される。この種の掃気ポート８(3)は周知であり、「ブースターポート」と呼ばれている。

図９において、参照符号ＣL(2)は上記第１中心線ＣL(1)と直交する第２中心線を示す。第２中心線ＣL(2)は燃焼室６の中心Ｏ(f)を通る。燃焼室６の頂面６aは第１、第２の中心線ＣL(1)、ＣL(2)で４つの頂面領域Ａr(1)～Ａr(4)に区分けすることができる。第１、第２の頂面領域Ａr(1)、Ａr(2)は吸気ポート１１０側に位置している。第３、第４の頂面領域Ａr(3)、Ａr(4)は排気ポート２８側に位置している。

図９を参照して、前述した隔壁４０は、燃焼室６の中心Ｏ(f)から吸気ポート１１０側にオフセットした位置に配置されている。より詳しくは、隔壁４０は、第１、第２の頂面領域Ａr(1)、Ａr(2)の境界に配置されている。図８から最も良く分かるように、隔壁４０は、燃焼室６を形成するシリンダ１１２とは別部材のキャップ部材１１４で構成されている。

キャップ部材１１４は、樹脂または金属で作ってもよい。その場合、耐熱性樹脂または耐熱性金属で作られるとよりよい。キャップ部材１１４は有底筒体の形状を有し、筒部１１４(t)外周面に第１のネジ部１１４(1)が形成され、内周面に第２のネジ部１１４(2)が形成されている。

キャップ部材１１４は第１ネジ部１１４(1)を使ってシリンダ１１２に螺着され、また、キャップ部材１１４には、第２ネジ部１１４(2)を使ってスパークプラグ３０(s)が螺着される。変形例として、キャップ部材１１４は、第１ネジ部１１４(1)を有していなくてもよく、シリンダ１１２にキャップ部材１１４を嵌め込み、圧入もしくは、シリンダ１１２とキャップ部材１１４との間の隙間に接着剤を入れて固着してもよい。また、ボルトを用いてシリンダ１１２とキャップ部材１１４とを固定してもよい。この他にも、シリンダ１１２を金型成型するときに、キャップ部材１１４をインサート成形してもよい。上記は例であって、キャップ部材１１４をシリンダ１１２に固定する方法は特に問わない。

ピストン４の頂面４aは平らである。ピストン４によって形成される燃焼室６には、キャップ部材１１４の閉塞端部１１４aが突出した状態で配置され、この閉塞端部１１４aは実質的に上述した隔壁４０を構成している。閉塞端部１１４aのスパークプラグ３０(s)側の内面１１４(in)は山形の凹面に形作られている。内面１１４(in)を凹形状にすることで、スパークプラグ３０(s)の接地電極１０４との干渉を回避しつつ閉塞端部１１４aをスパークプラグ３０(s)の先端部に接近した位置に位置決めすることで、副室４２の容積を可能な限り小さくすることができる。

キャップ部材部材の閉塞端部１１４aは、上述したように、上述した隔壁４０を構成して副室４２を形成する。図９を参照して、閉塞端部１１４aには、閉塞端部１１４aの中心周りに４つの連通孔４４が形成されている。第１連通孔４４(u)は、第１中心線ＣL(1)上であって且つ吸気ポート１１０側、つまり掃気ガス流Ｓfが合流して束になって集まる箇所に配置されている。第２連通孔(d)は、第１中心線ＣL(1)上であって且つ排気ポート２８側、つまり掃気ガス流Ｓfの下流側に配置されている。第３、第４連通孔４４(3)、４４(4)は、第２中心線ＣL(2)と平行且つ閉塞端部１１４aの中心を通る線上において、閉塞端部１１４aの中心を挟んで互いに対向する位置に配置されている。

上記の４つの連通孔４４は、図８を参照して、スパークプラグ３０(s)の中心電極１０２つまり局所的なホットスポットに向けて傾斜した通路形状を有している。各連通孔４４は、燃焼室６側の第１開口４４aと、副室４２側の第２開口４４bを備えた真っ直ぐに且つ傾斜して伸びる通路形状を有している。

燃焼室６に突出して位置する閉塞端部１１４aは、シリンダ１１２の中に奥まって位置している場合に比べて、掃気ガス流Ｓfを直接的に受ける。燃焼室６に突出する閉塞端部１１４aに形成された第１連通孔４４(u)の第１開口４４aは、図９から分かるように、掃気ガス流Ｓfを受け入れるように指向されている。

上記の構成を有しているため、燃焼室６に開口する第１連通孔４４(u)は、掃気ガス流Ｓfを受け入れて副室４２の内部のガス交換を促進することができる。特に、第２連通孔４４(d)が第１連通孔４４(u)と対となって、第１中心線ＣL(1)上の排気ポート２８側つまり掃気ガス流Ｓfの下流側に位置しているため、掃気ガス流Ｓfが合流して束になって集まる箇所に位置する第１通気孔４４(u)から入った掃気ガスによって、副室４２の中に残留するガスを下流側の第２連通孔４４(d)を通じて燃焼室６に容易に押し出すことができる。

副室４２に受け入れられた掃気ガス流Ｓfに含まれる混合気はスパークプラグ３０(s)の先端部３０aの熱によって加熱される。これにより混合気を加熱することで、燃料成分が着火に至る温度上昇を助長でき、混合気の着火性を高めることができる。

スパークプラグ３０(s)の点火によって着火すると、副室４２の容積が小さいことから火炎が４つの連通孔４４を通じて燃焼室６に噴出する。この４つの連通孔４４は、副室４２から末広がりに延びる傾斜した通路形状を有していることから、燃焼室６の上部において四方に拡散した状態で連通孔４４から火炎が噴出される。その結果、燃焼行程において燃焼室６内の火炎の伝播速度を速めることができる。また、連通孔４４の通路形状は、燃焼室６に近づくほど直径が大きくなる末広がりの形状であってもよい。

掃気ガス流Ｓfは圧縮行程、これに続く燃焼行程でも維持される。このことから掃気ガス流Ｓfの下流側に位置する第２連通孔４４(d)から噴出する火炎を掃気ガス流Ｓfに乗せることで火炎の伝播速度を増速させる。その結果、第２連通孔４４(d)から噴出する火炎によって燃焼室６内の火炎の伝播速度を増速させることができる。

図８から良く分かるように、燃焼室６の頂面６aは円錐状の形状を有している。そして、スパークプラグ３０(s)を含むキャップ部材１１４は、燃焼室６の中心Ｏ(f)からオフセットした位置に配置され、排気ポート２８から離れる側にオフセットされている。図９を参照して、発明者らが検証した結果、左右の主掃気ポート８(1)の排気ポート２８側の接線で区分される吸気ポート１１０側の頂面領域Ａr(5)に連通孔４４を配置することで、副室４２内を速やかにガス交換できることが確認できた。また、掃気ガス流Ｓfは、吸気ポート１１０側の第１、第２の頂面領域Ａr(1)、Ａr(2)において燃焼室頂面６aに強く当たることが確認できた。更に、上述した配置は副室４２の良好なガス交換だけでなく、燃焼行程における燃焼室６内の火炎の伝播速度を速める効果を確認できた。この効果は、圧縮行程、これに続く燃焼行程でも依然として存在する掃気ガス流Ｓfの流れに乗せて、火炎を４つの連通孔４４を通じて燃焼室６に噴出させることができるためである。そして、連通孔４４から噴出される火炎によって、掃気ガス流Ｓfの速度を増速させることができると共に燃焼室６内の火炎伝播速度を増速させることができる。

このことから、特に頂面領域Ａr(5)に全ての領域が含まれる第１、第２の頂面領域Ａr(1)、Ａr(2)に副室４２を配置してもよい。この第１、第２の頂面領域Ａr(1)、Ａr(2)には燃焼室６の中心Ｏ(f)が含まれる。このことから燃焼室６の中心Ｏ(f)に副室４２を配置してもよい。

上記実施例に含まれる主要な要素の変形例を図１０以降の図面に基づいて説明する。以下の説明において、上記実施例に含まれる要素と同じ要素には同じ参照符号を付して説明する。

上記の実施例の一例では、シリンダ１１２とは別部材のキャップ部材１１４によって副室４２が形成されている（図８）。図１０は、キャップ部材１１４をシリンダ１１２と一体成形した変形例を説明するための図である。図１０において、シリンダ１１２は、有底筒状のキャップ部２００を有し、筒部２００(t)の内周面には第２ネジ部１１４(2)が形成されている。第２ネジ部１１４(2)に点火装置３０を螺着させることにより、前述した副室４２が形成される。キャップ部２００の閉塞端部２００aは上述した隔壁４０を実質的に構成し、この閉塞端部２００aは燃焼室６に向けて突出して位置している。この変形例から分かるように、副室４２を構成する隔壁４０は、シリンダ１１２とは別体のキャップ部材１１４で構成してもよいし、シリンダ１１２と一体成形したキャップ部２００で構成してもよい。キャップ部２００とキャップ部材１１４は、副室４２を構成する要素である点で実質的に同じ機能を有していることから、キャップ部２００とキャップ部材１１４とを総称するときには「キャップ要素」と呼ぶ。

上記の実施例では、４つの連通孔４４がスパークプラグ３０(s)の中心電極１０２から放射状に延びる傾斜した軸線上に形成されている（図８）。図１１は、複数の連通孔４４が互いに平行である変形例を説明するための図である。キャップ部材１１４の閉塞端部１１４aに形成された複数の連通孔４４は、その軸線が互いに平行である。図１２は、現在普及しているスパークプラグ３０(s)を示す。図１２の参照符号３０(th)は、スパークプラグ３０(s)のネジ部を示し、このネジ部３０(th)を使ってスパークプラグ３０(s)がエンジンに組み付けられる。スパークプラグ３０(s)は中心電極１０２の周囲にリング状の凹所１０６を有し、この凹所１０６は「ガスポケット」と呼ばれている。ガスポケット１０６には高温のガスが保持され、局所的なホットスポットを形成する。図１１を参照して説明した複数の互いに平行に延びる連通孔４４は、その軸線がガスポケット１０６に向けて延びる配置にするとよい。これにより、副室４２に導入される掃気ガスを局所的なホットスポットであるガスポケット１０６に差し向けることができる。

図１１は、また、閉塞端部１１４aの内面１１４(in)を平らな面で構成してもよいことを例示している。図１１は、例示的にキャップ部材１１４を図示したものであり、シリンダ１１２と一体成形したキャップ部２００であってもよい。

上記の実施形態の一例に含まれるキャップ部材１１４及び図１０を参照して説明したキャップ部２００は、筒部１１４(t)、２００(t)と閉塞端部１１４a、２００aが同じ肉厚を有している。図１３、図１４は、シリンダ１１２と一体成形のキャップ部２００を例示的に描いてあるが、別体のキャップ部材１１４を含むキャップ要素は筒部１１４(t)、２００(t)に比べて閉塞端部１１４a、２００aの肉厚が相対的に厚くてもよいことを示している。閉塞端部１１４a、２００aを肉厚に形成することで、当該部分の蓄熱性を高めることができる。

また、複数の連通孔４４は典型的には局所的なホットスポットを形成するスパークプラグ３０(s)の中心電極１０２に向けられているが、図１３に図示の変形例では、各連通孔４４の軸線が交わる交差角度θ１が９０°であり、図１４に図示の変形例では、交差角度θ２が１２０°である。図１１を参照して先に説明した変形例では、交差角度は０°である。このように交差角度θの具体的な数値は設計事項であり、本発明を適用したエンジンのスペックに対応して最適な値を設定すればよい。

図９を参照して前述したように、副室４２の配置位置に関し、第５の頂面領域Ａr(5)に副室４２を配置してもよい。その場合には、燃焼室６の中心Ｏ(f)を含む第１、第２の頂面領域Ａr(1)、Ａr(2)に副室４２を配置すると、より効果的に掃気ガス流Ｓｆを受け入れることができる。図１５に図示の変形例では、副室４２が燃焼室６の中心Ｏ(f)に配置されている。図１６は、図１５に図示の燃焼室６の内部から燃焼室６の頂面６aを見た図である。図１６から分かるように、副室４２が燃焼室６の中心Ｏ(f)に位置し、そして、４つの連通孔４４は、燃焼室６の中心Ｏ(f)を挟んで第１、第２の中心線ＣL(1)、ＣL(2)上に各々配置されている。図１６に図示の変形例では、シリンダ１１２とは別体のキャップ部材１１４で副室４２が形成されているが、シリンダ１１２と一体成形のキャップ部２００で副室４２を形成してもよい。また、図１５は、ピストン４の頂面４aに関する変形例を表している。実施例では、ピストン４の頂面４aは平らな面で構成されているが（図８）、図１５に図示のピストン４の頂面４aは、上方に向けて凸の球面形状を有する。

副室４２の配置位置に関し、図１７に示すように、第１の掃気ポート８(1)の排気ポート２８側の接線で囲まれ且つ排気ポート２８とは反対側の第５頂面領域Ａr(5)において、第１中心線ＣL(1)からオフセットした位置に副室４２を設けてもよい。

図１８は、燃焼室６の頂面６aに関する変形例を示す図である。前述した実施例では、燃焼室６の頂面６aは円錐状の形状を有し、第２の中心線ＣL(2)を挟んで、第１、第２の頂面領域Ａr(1)、Ａr(2)と、第３、第４の頂面領域Ａr(3)、Ａr(4)とは対称である（図８）。図１８に図示のように、燃焼室６の頂面６aは、第１、第２の頂面領域Ａr(1)、Ａr(2)と、第３、第４の頂面領域Ａr(3)、Ａr(4)とが非対称であり、排気ポート２８側に位置する第３、第４の頂面領域Ａr(3)、Ａr(4)は凸部３００によって、燃焼室６に向けて凸の形状を有している。

図１９は、複数の連通孔４４の通路形状に関する変形例を示す。前述した実施例は４つの連通孔４４を含み、４つの連通孔４４の軸線はスパークプラグ３０(s)の中心電極１０２で交差している（図８、図９）。図１９は、例示的に４つの連通孔４４が副室４２の内部にスワールを生成する通路形状を示す。スワールの方向は右方向でも左方向でもよい。スワールを生成する連通孔４４によって、副室４２にスワールを発生させることができ、また連通孔４４を通じて噴出する火炎によって燃焼行程の燃焼室６にスワールを発生させることができる。これにより、燃焼室６の全域に亘って火炎の伝播を均一化することができる。また、複数の連通孔４４の数は任意であり、その配置や開口径、開口形状も、本発明に従う一例を適用したエンジンのスペックに基づいて任意である。

前述した実施例では、第１中心線ＣL(1)を挟んで左右の側に位置する掃気ポート８が左右対称の形状を有している。図２０を参照すると直ぐに理解できるように、掃気ポート８の通路形状及びその指向方向が左右非対称であってもよい。この左右非対称の掃気ポートに合わせ、連通孔４４の配置及び通路形状を適用させることは設計事項である。

以上、本発明の実施例及びこれに含まれる要素の様々な変形例を説明したが、これらは任意に組み合わせが可能であるのは勿論である。

２ 本発明に従う一例の２ストロークエンジン
６ 燃焼室
８ 掃気ポート
Ｓf 掃気ガス流
１０ 掃気通路
１２ クランク室
２８ 排気ポート
３０ 点火装置
３０(s) スパークプラグ
４０ 副室を形成する隔壁
４２ 副室
４４ 隔壁の連通孔
１００ 実施例の２ストロークエンジン
１０２ プラグの中心電極（局所的なホットスポット）
１０６ ガスポケット（局所的なホットスポット）
１１４ キャップ部材
１１４a キャップ部材の閉塞端部（隔壁を構成する）
２００ シリンダと一体成形されるキャップ部
２００a キャップ部の閉塞端部（隔壁を構成する）

Claims (8)

1. 点火装置と、
   ピストンによって画成される燃焼室と、
   該燃焼室に開口され、ピストンによって開閉される掃気ポートと、
   該掃気ポートを通じて前記燃焼室とクランク室とを連通する掃気通路とを有し、
   掃気行程において、前記クランク室で予圧縮された吸気が前記掃気ポートを通じて前記燃焼室に供給されて前記燃焼室内に掃気ガス流が生成され、該掃気ガス流によって前記燃焼室内の既燃ガスを排気ポートに押し出すことにより排気する２ストロークエンジンにおいて、
   前記点火装置が装着された副室であって、該点火装置によって該副室内の混合気が点火される副室と、
   該副室と前記燃焼室とを区画する隔壁と、
   該隔壁に形成され、前記副室と前記燃焼室とを連通させる複数の連通孔とを有し、
   前記点火装置の点火時期が上死点前３５度以上に進角されていることを特徴とする２ストロークエンジン。
2. アイドル回転数域以外の運転領域において、前記点火時期が上死点前３５度以上に進角されている、請求項１に記載の２ストロークエンジン。
3. 常用運転領域において、前記点火時期が上死点前３５度以上に進角されている、請求項１に記載の２ストロークエンジン。
4. 前記点火装置の進角した点火時期は、アイドル回転数域での点火時期よりも３０度以上進角されている、請求項２に記載の２ストロークエンジン。
5. 前記副室が、前記掃気ガス流の流速が速い及び/又は流量が多い箇所に配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の２ストロークエンジン。
6. 前記クランク室で予圧縮された吸気が混合気である、請求項１～５のいずれか一項に記載の２ストロークエンジン。
7. 前記点火装置の点火時期が上死点前４０度以上である、請求項１～６のいずれか一項に記載の２ストロークエンジン。
8. 前記点火装置の点火時期が上死点前４５度以上である、請求項１～６のいずれか一項に記載の２ストロークエンジン。

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