(57)【要約】  排気ガスの成分を混合する装置（１８）が提供される。この装置は、排気流路（１６）と、排気流路内部に配備される概ね閉じられた分散チャンバ（２８）とを含むことができる。分散チャンバは、チャンバ容積（３６）を画成する外壁（３４）と、外壁に配備される少なくとも１つの開口（３８）であってチャンバ容積と排気流路との間の流体連通を形成するように構成される開口（３８）とを含むことができる。添加剤供給装置（２６）を、少なくとも１種類の排気ガス添加剤をチャンバ容積に供給するように構成することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの成分を混合する装置（１８）であって、
排気流路（１６）と、
排気流路内部に配備される概ね閉じられた分散チャンバ（２８）であり、
チャンバ容積（３６）を画成する外壁（３４）と、
外壁に配備される少なくとも１つの開口（３８）であり、チャンバ容積と排気流路との間の流体連通を形成するように構成される開口（３８）と
を含む分散チャンバ（２８）と、
少なくとも１種類の排気ガス添加剤をチャンバ容積に供給するように構成される添加剤供給装置（２６）と、
を含む装置。
【請求項２】
分散チャンバの下流側に配備される少なくとも１組の翼（３０）をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
排気ガス添加剤が尿素を含む請求項１に記載の装置。
【請求項４】
分散チャンバの下流側に配備される少なくとも１つの触媒（２０）をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項５】
装置を通る排気ガスの圧力低下が１インチ水頭よりも小さい請求項１に記載の装置。
【請求項６】
排気ガスの成分を混合する方法であって、排気ガス（２２）を排気流路（１６）に供給するステップと、排気流路内部に配備される概ね閉じられた分散チャンバ（２８）に添加剤を供給することによって、排気ガスと少なくとも１種類の添加剤とを混合するステップとを含む方法。
【請求項７】
少なくとも１組の翼（３０）を用いて、分散チャンバの下流側の排気ガスの流れを混合するステップをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
排気ガス添加剤が尿素を含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
排気ガスの少なくとも一部および少なくとも１種類の添加剤を触媒（２０）に曝露するステップをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜５に記載の排気ガス混合装置（１８）を含む作業機械（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には排気ガス混合装置に関し、さらに詳細には選択的触媒還元装置と共に使用する混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
選択的触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：ＳＣＲ）は、エンジン、工場および発電プラント用の化石燃料動力システムからの窒素酸化物（ＮＯｘ）排出物を除去する方法を提供する。ＳＣＲにおいては、触媒が、排気ガスのＮＯｘとアンモニアとの間の反応を促進して水および窒素ガスを生成し、それによって排気ガスからＮＯｘを除去する。
【０００３】
ＳＣＲ装置に用いられるアンモニアは、排気ガス中に噴射されてアンモニアに転化される液体の尿素から生成することができる。アンモニアと排気ガスの流れとの完全な混合が、アンモニアとＮＯｘとの間の反応を改善することができ、それによって、ＮＯｘ排出物を低減し、反応性が高いアンモニア化学種の大気中への放散を防止する。
【０００４】
排気ガスの流れを混合する装置の１つが２００４年４月２０日にＰａｗｓｏｎに付与された（特許文献１）に開示されている。（特許文献１）の装置は、排気ガスの流れの中に高度の乱流領域を生成することができるチューブ形の多孔性閉囲体を含み、さらに、尿素と排気ガスの流れとを混合するために、高度の乱流領域に尿素を直接噴霧する噴射器を含んでいる。
【０００５】
（特許文献１）の装置は、尿素を排気ガスと混合することはできるが、いくつかの欠点を有する。例えば、（特許文献１）の装置は、高度の乱流領域の上流側の排気ガスの圧力を増大させる可能性があるが、この圧力の増大は他の機械要素に負の影響を及ぼすことがある。例えば、排気ガス圧力の増大は、いくつかのタイプのエンジンの出力および燃料効率を低下させる可能性がある。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，７２２，１２４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、先行技術による排気ガス混合装置の１つ以上の問題点または欠点を克服することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様は排気ガスの成分を混合する装置を含む。この装置は、排気流路と、この排気流路の内部に配備される概ね閉じられた分散チャンバとを含むことができる。この分散チャンバは、チャンバ容積を画成する外壁と、外壁に配備される少なくとも１つの開口で、チャンバ容積と排気流路との間の流体連通を形成するように構成される開口とを含むことができる。添加剤供給装置を、チャンバ容積に少なくとも１種類の排気ガス添加剤を供給するように構成することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は排気ガスの成分を混合する方法を含む。この方法は、排気ガスを排気流路に供給するステップと、排気流路の内部に配備される概ね閉じられた分散チャンバに添加剤を供給することによって、排気ガスと少なくとも１種類の添加剤と混合するステップとを含むことができる。
【００１０】
本発明の第３の態様は１つの作業機械を含む。この作業機械は、エンジンと、エンジンによって生成される排気ガスの流れを受け入れるように構成される排気流路と、排気ガス混合装置とを含むことができる。排気ガス混合装置は、排気流路の内部に配備される概ね閉じられた分散チャンバを含むことができる。分散チャンバは、チャンバ容積を画成する外壁と、外壁に配備される少なくとも１つの開口で、チャンバ容積と排気流路との間の流体連通を形成するように構成される開口とを含むことができる。添加剤供給装置を、チャンバ容積に少なくとも１種類の排気ガス添加剤を供給するように構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の作業機械１０を示す。図示のように、作業機械１０は電気動力発生用の発電機セットを含む。作業機械１０は、エンジン１２と排気装置１４とを含む任意の作業機械１０を含むことができるが、これには、例えば、油田掘削装置、高速道路用トラック、掘削機、オフ・ハイウェー車両、列車、航空機、および／または外洋航行用船舶が含まれる。排気装置１４は、排気流路１６と排気ガス混合装置１８と触媒２０とを含むことができる。
【００１２】
エンジン１２は、ディーゼル燃料、ガソリンおよび／または石炭のような燃料の燃焼によって、排気ガスの流れ２２を生成する。排気流路１６は、エンジン１２によって生成される排気ガスの流れ２２を受け入れるように構成することができる。混合装置１８は、排気ガスの流れ２２に１種類以上の添加剤を供給することができ、この１種類以上の添加剤と排気ガスの流れ２２との混合を促進して混合排気ガスの流れ２４を形成するように構成することができる。触媒２０は、混合装置１８の下流側に配備することができ、１種類以上の添加剤と混合排気ガスの流れ２４の他の成分との間の反応を促進することができる。
【００１３】
図２は、例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置１８のより詳細な斜視図を示す。混合装置１８は、概ね閉じられた分散チャンバ２８に１種類以上の添加剤を供給するように構成することができる添加剤供給装置２６を含むことができる。オプションとして、混合装置１８は、添加剤供給装置２６および分散チャンバ２８の下流側に配備される少なくとも１組の混合翼の組３０、３２を含むことができる。
【００１４】
添加剤供給装置２６はいくつかの適切な供給装置から選択することができる。例えば、供給装置２６は、１つ以上の噴射器、バルブ、ポンプ、ノズル、および／または流出口を含むことができる。供給装置２６は、作業機械の種々の特性に基づいて、１種類以上の添加剤の流量、圧力および／または温度を制御するように構成することができる。作業機械の種々の特性の例としては、例えば、エンジンの運転特性、排気流路１６の寸法、エンジン１２が生成する排気量、および１種類以上の添加剤の所要の効果がある。
【００１５】
供給装置２６は、排気の流れ２２に任意の適切な添加剤を供給するように構成することができる。例えば、供給装置２６は、種々の異なる化学薬品、例えば、酸化剤、還元剤、排気装置清浄化剤、排気リッチ化添加剤、および／または排気排出物の制御を促進することができる１種類以上の添加剤を供給するように構成することができる。１つの実施形態においては、１種類以上の添加剤が尿素を含むことができる。別の実施形態においては、１種類以上の添加剤がアンモニアを含むことができる。
【００１６】
１種類以上の添加剤は、いくつかの適切な形態で供給することができる。例えば、１種類以上の添加剤は、液体、気体、および／または液体と気体との組合せを含むことができる。供給装置２６は、尿素のような液体を、例えば圧縮ガスと組み合わせて分散チャンバ２８に供給するように構成することができる。
【００１７】
分散チャンバ２８は、チャンバ容積３６を画成することができる外壁３４を含むことができる。外壁３４は、チャンバ容積３６と排気流路１６との間の流体連通を形成することができる少なくとも１つの開口３８を含むことができる。供給装置２６は、１種類以上の添加剤をチャンバ容積３６に供給するように構成することができる。この１種類以上の添加剤は少なくとも１つの開口３８を通って排気の流れ２２の中に流入することができ、それによって、１種類以上の添加剤を排気流路１６の内部に分散させることができる。
【００１８】
さらに、分散チャンバ２８は、いくつかの異なる形状および／または寸法を含むことができる。分散チャンバ２８の形状および／または寸法は、排気流路１６の寸法および形状に基づいて選定することができる。例えば、１つの実施形態においては、分散チャンバ２８は図２に示すように円筒形状を有することができる。円筒形状の分散チャンバ２８は、その片方の端部を供給装置２６の近くに配置することができ、排気流路１６の直径を横断して延在することができる。さらに、分散チャンバ２８は、オプションとして、片方の端部または両端で排気流路１６と接することができる。
【００１９】
上記のように、分散チャンバ２８は、外壁３４に少なくとも１つの開口３８を含むことができる。開口３８の個数、寸法および／または位置は、いくつかの因子、例えば分散チャンバ２８および／または排気流路１６の寸法、供給装置２６によって供給される特定の添加剤、および／または分散チャンバ２８の形状に基づいて選定することができる。１つの実施形態においては、分散チャンバ２８が１〜２００個の開口３８を含むことができ、別の実施形態においては、分散チャンバ２８が４０〜６０個の開口３８を含むことができる。
【００２０】
開口３８は、１種類以上の添加剤と排気ガスの流れ２２との適切な混合をもたらすために、いくつかの方法で外壁３４にその位置を定めることができる。図３Ａ〜３Ｃは、開口３８の異なる位置を含むいくつかの実施形態を示す。例えば、１つの実施形態においては、開口３８を、壁面３４上に等間隔に配置することができる（図３Ａ）。別の実施形態においては、開口３８を、１つ以上の行と列とに分割して配置することができる（図３Ｂ）。さらに別の実施形態においては、１種類以上の添加剤の流れを排気流路１６の上流側または下流側のいずれかに導くために、外壁３４が、その片側にもう一方の側よりも多数の開口３８を含むことができる（図３Ｃ）。１種類以上の添加剤と排気ガスの流れ２２とを混合するために、任意の適切な開口パターンを用いることができる。
【００２１】
図３Ａ〜３Ｃに示すように、開口３８は複数の円形の穴を含むことができる。しかし、開口３８は、１種類以上の添加剤と排気ガスの流れ２２との適切な混合をもたらすいくつかの形状を含むことができる。例えば、開口３８は、長方形、円形および／または正方形の形状を有する穴を含むことができる。別の実施形態においては、開口３８は、外壁３４上にいくつかの適切な長さ、形状および／または位置を有することができる１つ以上の長いスリットを含むことができる。開口３８に対して、任意の適切な形状を選択することができる。
【００２２】
分散チャンバ２８の外壁３４は、いくつかの異なる材料から製作することができ、コスト、加工性、耐摩耗性、耐熱性および耐腐食性に基づいて、特殊な材料を選択することができる。１つの実施形態においては、外壁２８用の特殊な材料として、排気ガスの流れ２２と、尿素および／またはアンモニアのような１種類以上の添加剤とが存在する中で高い耐腐食性を有する材料を選択することができる。
【００２３】
混合装置１８は、また、分散チャンバ２８の下流側に配備される少なくとも１組の混合翼の組３０、３２を含むことができる。混合翼の組３０、３２は、周縁に集まる排気ガスの方向を逸らせて、周縁に集まる排気ガスと１種類以上の添加剤との混合を促進するように構成することができる。図２に示すように、混合装置１８は、２組の翼の組３０、３２を含むが、任意の適切な数の翼の組３０、３２を含むこともできる。例えば、混合装置３２は０〜１０組の翼の組３０、３２を含むことができる。
【００２４】
翼の組３０、３２は、分散チャンバ２８に対していくつかの適切な位置に配置することができる。翼の組３０、３２の特定の位置は、いくつかの因子、例えば、排気流路１６の寸法、排気ガス圧力および所要の混合程度に基づいて選択することができる。例えば、１つの実施形態においては、翼の組３０を、分散チャンバ２８の下流側に、排気流路１６の直径の１／５〜３倍に等しい距離だけ離して配置することができる。さらに、翼の組３２を、翼の組３０の下流側に、排気流路１６の直径の１／５〜３倍に等しい距離だけ離して配置することができる。翼の組３０、３２に対して、任意の適切な位置を選択することができる。
【００２５】
混合翼の組３０、３２は、いくつかの適切な翼構成を含むことができる。例えば、翼の組３０、３２は、それぞれ、いくつかの適切な方法で排気流路１６の周囲に沿って配置することができる２〜１０枚の翼４０、４２を含むことができる。例えば、１つの実施形態においては、翼４０、４２を排気流路１６の周囲に等間隔に配置することができる。別の実施形態においては、翼４０、４２を均等でない間隔に配置することができる。さらに別の実施形態においては、翼４０、４２を、一方の翼の組３０においては等間隔に、第２の翼の組３２においては均等でない間隔に配置することができる。任意の適切な個数および配置の翼４０、４２を用いることができる。
【００２６】
図４Ａ〜４Ｃは、１組の翼の組３０に対するいくつかの実施形態を示すが、この実施形態は、複数組の翼の組３０、３２に対しても適用することができる。この実施形態においては、翼４０が排気流路１６の周囲に等間隔に配置される。１つの実施形態においては、図４Ａに示すように、翼の組３０が、約１２０°の間隔で配置される３枚の翼４０Ａを含むことができる。別の実施形態においては、図４Ｂに示すように、翼の組３０が、約９０°の間隔で配置される４枚の翼４０Ｂを含むことができる。さらに別の実施形態においては、図４Ｃに示すように、翼の組３０が、約７２°の間隔で配置される５枚の翼４０Ｃを含むことができる。
【００２７】
種々の異なる翼形状および寸法を用いることができる。例えば、各翼４０、４２を（図４Ａ〜４Ｃに示すように）実質的に台形とすることができる。代替的に、翼４０、４２を、楕円形、円形、三角形、正方形、あるいは長方形とすることもできる。翼４０、４２が、排気ガスの流れを排気流路１６の周縁から排気流路１６の中心に向かって方向転換し得る限り、任意の適切な翼形状を用いることができる。
【００２８】
翼４０、４２は、さらに、図５に示すように、排気流路１６に対してある角度４４をなすような方位に向けることができる。排気ガスを排気流路１６の周縁から排気流路１６の中心に向かって方向転換するために、任意の適切な角度を選択することができる。角度４４は、排気流路１６の寸法、翼４０、４２の寸法に基づいて、および／または排気流路１６内の圧力制御のために、選択することができる。１つの実施形態においては、角度４４を約１０〜９０°とすることができ、別の実施形態においては、翼４０、４２を、排気流路１６に対して約２０〜４０°とすることができる。
【００２９】
さらに、一方の翼の組３０の翼４０は、もう１組の翼の組３２の翼４２に対して特殊な配列位置を取ることができる。例えば、図６Ａ〜６Ｂは、翼の組３０、３２の異なる可能な配列を示す。図６Ａに示す１つの実施形態においては、翼の組３０、３２は、それぞれ、同じ組の翼から９０°の間隔を置いて配置される４枚の翼４０、４２を有することができ、一方の翼の組３０の翼４０は、第２の翼の組３２の翼４２から約４５°だけずらして配置することができる。図６Ｂに示す別の実施形態においては、一方の翼の組３０の翼４０を、第２の翼の組４２の翼４２と一直線に揃えて配列することができる。排気ガスの流れ２２と１種類以上の添加剤との所要の混合程度をもたらす任意の配列を選択することができる。
【００３０】
混合装置１８は、排気流路１６において混合装置１８を通過する圧力低下を制御するように設計することができる。混合装置１８を通過する圧力低下は、混合装置１８の上流側の排気ガス圧力と混合装置１８の下流側の排気ガス圧力との差を測定することによって決定することができる。１つの実施形態においては、混合装置１８を、約１インチ水頭（約２４９パスカル）よりも小さい圧力低下を発生するように構成することができる。特に、１つの実施形態においては、混合装置１８を、約０．５インチ水頭（約１２４．５パスカル）よりも小さい圧力低下を発生するように構成することができる。
【００３１】
圧力低下は、分散チャンバ２８と翼の組３０、３２とに対して特定の寸法および形状を選択することによって制御することができる。例えば、１つの実施形態においては、排気流路１６は、約１０インチの直径の円形断面形状を有することができる。混合装置１８は、円筒形状を備えかつ排気流路１６の直径を横断して延びる分散チャンバ２８と、２組の混合翼３０、３２とを含むことができる。分散チャンバ２８は、約０．６〜０．８インチの円筒直径を有し、約０．１〜０．３インチの直径の開口３８を、約４０〜６０個含むことができる。翼の組３０、３２は、それぞれ４枚の翼４０、４２を含むことができるが、この各翼は、９０°の間隔を置いて配置され、約４〜５インチの長さと約３〜４インチの幅とを有する。一方の翼の組３０は、第２の翼の組３２に対して約４５°だけずらして配置することができる。
【００３２】
分散チャンバ２８および混合翼４０、４２の特定の寸法および形状は、他の機械的特性に基づいて変えることができる。例えば、分散チャンバ２８および翼４０、４２は、排気流路１６の寸法に基づいて大きくし、あるいは小さくすることができる。さらに、ある種の機械は低排気ガス圧力を発生するエンジンを含むことがある。また、ある種の機械は、代替的にまたは付加的に、強制誘引装置、ベントおよび／または圧力リリーフ弁のような他の要素を用いて排気ガス圧力を制御することができる。これらの機械においては、より大きいまたはより小さい分散チャンバ２８および／または混合翼４０、４２を用いることができる。
【００３３】
触媒２０は、いくつかの適切な種類の触媒を含むことができる。例えば、触媒２０は、ＳＣＲ触媒、３元触媒および／または酸化触媒を含むことができる。さらに、多重触媒２０を排気流路１６の中に含めて、触媒を、混合装置１８の上流側および／または下流側に配置することができる。１つの実施形態においては、触媒２０がＳＣＲ触媒を含むことができ、供給装置２６を、チャンバ容積３６に尿素およびアンモニアの少なくともいずれかを供給するように構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は排気ガスの混合装置を提供する。この混合装置は、尿素またはアンモニアのような１種類以上の添加剤を排気ガスの流れと混合するために用いることができる。この装置は、１種類以上の添加剤を排気ガスの流れと混合することが要求される任意の機械において用いることができる。
【００３５】
装置１８は、ＳＣＲ触媒装置２０の上流側の排気流路１６に配備される分散チャンバ２８を含むことができる。分散チャンバ２８の中にアンモニアおよび／または尿素を噴射して排気ガスの流れ２２との混合を促進することができる。混合装置１８は、他の混合装置に対していくつかの利点を示すことができる。装置１８は、排気流路１６の中心領域および周縁領域を含む全領域における完全な混合を提供することができる。完全な混合は、ＳＣＲ触媒２０において、アンモニアとＮＯｘ化学種との完全な反応を促進し、それによって、ＮＯｘ排出物を低減し、アンモニアの漏出を防止することができる。
【００３６】
混合装置１８を特にＳＣＲ触媒と共に使用するものとして説明しているが、混合装置１８は、他の任意の触媒系と共に使用することができることを注記しておかなければならない。例えば、混合装置１８は、１種類以上の排気ガスリッチ化剤および／または還元剤と排気ガスの流れ２２とを混合するように構成することができる。これらのリッチ化剤および／または還元剤は、排気ガスの流れ２２と混合されて、異なる種類の触媒を必要とするいくつかの排気装置操作を促進することができる。このような操作の例として、例えば、排気装置の脱硫酸化（ｄｅｓｕｌｆａｔｉｏｎ）、車上アンモニア製造、診断試験等がある。
【００３７】
本発明の混合装置１８は、エンジン性能を犠牲にすることなく、完全な混合を提供できる。混合装置１８の追加を含む排気流路１６の流れの経路におけるいかなる変更も、排気流路１６内部の排気ガスの圧力に影響を及ぼす可能性がある。特に、ある種の混合装置は、エンジン１２を含む上流側の機械要素に高い背圧をもたらす場合がある。高い背圧は、これらの機械要素の運転に負の影響を及ぼし、出力の低下と燃料効率の劣化とを惹起することがある。本発明の混合装置１８は、排気ガスの圧力に重大な変化を惹起することなく、排気ガスの流れ２２と添加剤との完全な混合を提供できる。
【００３８】
開示された装置および方法において、本発明の範囲から逸脱することなく種々の修正および変形をなし得ることは当業者にとって明白であろう。開示された装置および方法の他の実施形態も、ここに開示された実施形態の規定および実際例を考慮すれば当業者には明らかであろう。規定および実施例は例示としてのみ考慮されるべきであり、本発明の真の範囲は、特許請求の範囲とその均等物とによって示されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置を含む作業機械を示す。
【図２】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置を示す。
【図３Ａ】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の分散チャンバを示す。
【図３Ｂ】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の分散チャンバを示す。
【図３Ｃ】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の分散チャンバを示す。
【図４Ａ】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の混合翼の組を端部から見た図を示す。
【図４Ｂ】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の混合翼の組を端部から見た図を示す。
【図４Ｃ】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の混合翼の組を端部から見た図を示す。
【図５】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の混合翼の組の側面図を示す。
【図６Ａ】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の混合翼の複数の組を端部から見た図を示す。
【図６Ｂ】例示的に開示される実施形態に基づく排気ガス混合装置の混合翼の複数の組を端部から見た図を示す。
【図１】
2008531921.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
2008531921.tif 000011
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
2008531921.tif 000014
2008531921.tif 000015
2008531921.tif 000016