CN103201470A - 检测机动车辆排气管线中尿素沉积的方法、消除尿素沉积的方法和适于这种方法的机动车辆 - Google Patents

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Abstract

这种方法用于检测机动车辆的排气管线中的尿素沉积,这种方法包括以下步骤:a)测定(101)是否达到废气温度(T0),b)如果在步骤a)进行的测定结果为正,则停止(103)尿素注入,c)在所述选择性催化还原系统出口上测定(106)废气中的NOx量,d)比较(108)在步骤c)测定的NOx量和由内燃机产生的NOx的理论量或测得量,e)如果步骤d)示出所述量不同,则认为排气管线中存在尿素沉积。这种车辆配备有如下装置,所述装置适于停止(103)所述尿素注入系统的操作,比较(108)由NOx传感器测量的NOx量与由内燃机产生的NOx理论量或NOx测得量,以及基于所述量之间的比较(108)结果进行(109)排气管线的清洁。

Description

检测机动车辆排气管线中尿素沉积的方法、消除尿素沉积的方法和适于这种方法的机动车辆
技术领域
本发明涉及用于检测机动车辆排气管线中尿素沉积的存在的方法。本发明还涉及用于消除车辆排气管线中的尿素沉积的方法。本发明还涉及适于实施这种方法的机动车辆。
背景技术
因为环境问题,机动车辆例如卡车常常配备有污染减排系统。这些系统中的一些的目的是减少车辆废气中的氮氧化物(NOx)的量。常常用涉及在气体排放系统中注入的氨的化学反应来实现NOx(大部分是NO和NO2)的减少。
因为在机动车辆中储存和携带氨不安全,可通过注入尿素或其水溶液引入氨,以使其分解成氨,并在选择性催化还原系统(SCR)中与NOx反应以理想地产生氮和水。
为了由尿素获得氨,需要结合多个因素,尤其是对于分解反应温度必须足够高以正常地工作。如果温度不够高,或者如果不存在其它因素,则分解反应可能产生固体化合物,其可能以固体沉积的形式聚集在排气管中。这些固体沉积可能阻塞管道并引起性能和安全性问题。例如,排气管中的沉积可降低车辆动力,或导致排气管线中的超压。需要定期清洁这些沉积。在下文中,将这些固体沉积称作尿素沉积,但是其确切的组成可以变化并且可不仅包含尿素,而且包含从尿素到氨的分解反应的中间产物。
已知当暴露于超过特定阈值,通常为350℃左右的温度时,能够将尿素固体沉积分解成氨。在此处将这种反应称作尿素固体沉积的热消除。汽车内燃机产生高温废气,但是废气的温度可根据发动机载荷而显著地变化。另外,由于废气流经多种装置例如涡轮机或颗粒过滤器,或者仅由于排气管线和其环境之间的热交换,因此废气的温度将不可避免地沿排气管线下降。因此,尤其是如果SCR系统位于排气管线的下游,则仅可在发动机的一部分操作时间期间,使潜在的尿素沉积暴露于适于其热消除的温度下。在这部分时间期间,将不形成大量沉积并且以前形成的沉积将“自然”热消除。另一方面,在这部分时间之外,不仅不能消除尿素沉积,而且可能形成其它沉积。
已知多种技术“人工地”提高发动机的废气温度,例如通过改进发动机操作条件或通过用加热装置加热废气。遗憾的是,所有这些技术都共同具有增加的能量消耗,并且特别是燃料的过度消耗。根据已知的方法,不考虑排气管线中是否形成了尿素沉积,并且不考虑待消除的沉积量,对于预定的时间段并且以规律的间隔时间,通过人工提高废气温度进行尿素沉积的强制热消除。例如,这些方法每次自上次强制消除起,车辆行驶给定距离时,就启动预定的强制热消除时间段。
为避免燃料过度消耗,一些方法检测排气管中的尿素沉积,并仅在需要时启动再生反应。例如从US-A-2008/0271440中已知,测量排气管和/或SCR系统中的压力变化以检测尿素沉积。由这种解决方案给出的结果缺乏精度并且难以利用。
因此,已知的检测技术不允许精确地断定在给定时间内排气管中是否存在尿素沉积。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于检测并消除机动车辆排气管线中的尿素沉积的新方法,其允许精确地测定尿素是否存在于排气管线中,从而仅在需要时开始管道的清洁,并且在完成清洁时使其停止。
为此目的,本发明涉及一种用于检测机动车辆排气管线中的尿素沉积的方法,所述机动车辆配备有内燃机,选择性催化还原系统,其安装在排气管线上,适于转化由内燃机产生的NOx,以及注入系统,其适于将尿素注入排气管线中,其在所述选择性催化还原系统的上游。这种方法的特征在于其包括以下步骤:
a)测定是否达到废气温度,
b)如果在步骤a)进行的测定结果为正,则停止尿素注入,
c)在选择性催化还原系统的出口上测定废气中的NOx量,
d)在步骤c)测定的NOx量与由内燃机产生的NOx的理论量或测得量之间进行比较,
e)如果步骤d)示出所述量不同,则认为排气管线中存在尿素沉积。
借助于本发明,通过内燃机下游的NOx量和选择性催化还原系统下游的NOx量之间的差来检测排气管中的尿素沉积。实际上,将尿素沉积的再生反应用于检测沉积的存在。这种检测的精度允许仅在需要时启动清洁程序,避免了在通过燃烧沉积进行清洁的情况下的燃料过度消耗。
根据本发明的另外的方面,其是有利的但不是强制的,这种方法可包括以下特征:
-基于所述内燃机的操作条件测定由内燃机产生的NOx的理论量。
-通过使用在所述选择性催化还原系统上游的所述排气管线的排气管中的传感器测定由内燃机产生的NOx量。
-自上次检测尿素沉积的存在起,仅在已行驶给定的距离和/或已经经过给定的时间段时,才启动所述方法。
-在步骤c)测定的NOx量是在给定的时间段期间计算的平均值。
-在步骤b)之前,在选择性催化还原系统的一部分中储存给定量的氨或氨前体,然后在释放所述选择性催化还原系统中的给定量的氨或氨前体之后,在步骤c)测定NOx的量。
-在步骤a)之前,所述方法包括另外的步骤:
f)改变内燃机的操作条件,或否则将废气加热以升高废气温度。
-在步骤d),通过比较NOx转化率值(Rm)和最小阈值来进行比较。
本发明还涉及用于消除机动车辆排气管线中的尿素沉积的方法,所述方法实施前述用于检测尿素沉积的方法。这种方法还包括以下步骤:
f)如果在步骤e),能够认为排气管线中存在尿素沉积,则清洁排气管线。
根据本发明的另外的方面,其是有利的但不是强制的,这种消除尿素沉积的方法可结合如下特征中的一个或多个:
-在清洁所述排气管线期间实施所述所述检测方法。
-如果在步骤e),不能认为排气管线中存在尿素沉积,则停止排气管线的清洁并重新激活尿素注入系统。
本发明还涉及可使用其实施上述方法的机动车辆。更精确地,本发明涉及如下的机动车辆,其配备有如下装置:选择性催化还原系统,其安装在车辆的排气管线上并适于转化由车辆的内燃机产生的NOx,注入系统,其适于将尿素注入排气管线中,其在选择性催化还原系统上游,NOx传感器,其安装在排气管线中,其在选择性催化还原系统下游,以及废气温度传感器,其在选择性催化还原系统上游。这种车辆的特征在于,其还包括如下装置,所述装置适于停止所述尿素注入系统的操作,比较由NOx传感器测量的NOx量与由内燃机产生的NOx理论量或NOx测得量,以及基于所述量之间的比较结果进行排气管线的清洁。
根据本发明的另外的方面,其是有利的但不是必须的,这种车辆还可包括如下特征:
-将停止尿素注入系统的操作的装置、比较的装置和进行清洁的装置包括在电子控制单元中。
-所述电子控制单元适于基于所述发动机的操作条件,计算由内燃机产生的NOx量的理论值。
-所述电子控制单元适于控制内燃机的操作条件。
-所述车辆包括在选择性催化还原系统中储存氨或氨前体的装置。
附图说明
现在将对应于附图并作为示例性实施例对本发明进行解释,但不限制本发明的目的。在附图中:
-图1是本发明车辆的排气管线的示意图;
-图2是表示本发明方法的框图;
-图3是时间相对于废气温度和NOx量的图,其说明了本发明方法的实施。
具体实施方式
机动车辆V,例如卡车,配备有排气管线2,所述排气管线2排出由车辆V的内燃机4产生的废气。排气管线2包括两个管道6和8,其示意性地表示在图1中。为理解图起见,在此简化了排气管线2和内燃机4之间的连接的结构。
在管道6和管道8之间插入选择性催化还原(SCR)系统10。管道6与内燃机4连接。由内燃机4排出的废气沿着箭头A1流经排气管线2。参照废气相对于SCR系统10的流动方向,将管道6命名为上游管道并将管道8命名为下游管道。
尿素注入管道12与上游管道6连接。管道12将尿素罐14连接至上游管道6。电磁阀15控制尿素从罐14流入管道12中。通常以尿素的水溶液形式储存并注入尿素。必须注意,在排气管线2中可能装有其它装置,例如涡轮增压器的涡轮机、柴油颗粒过滤器、或消音器。典型的布置可以如下顺序依次包括涡轮机、颗粒过滤器、尿素注入管道、SCR系统和消音器。
车辆V包括一个或多个电子控制单元或ECU16,其控制排气管线2的操作,并且通过电子信号S15而调节尿素控制阀15的操作。
电子控制单元16可与内燃机4和其它控制单元通信。更具体地,通过电子信号S16,单元16可接收关于车辆操作条件的信息,例如其齿轮、其发动机速度及其燃料消耗。另外,通过电子信号S4,电子控制单元16可影响内燃机4的操作条件。
在所示实施例中,排气管线2包括两个传感器,其各自适于直接或间接地向电子控制单元16发送信息。位于上游管道6中的温度传感器18适于测定在上游管道6中流动的废气的温度。优选地,温度传感器18位于排气管线中不太远离预期出现尿素沉积之处,即一般正好在尿素注入管18的下游。将该温度信息作为电子信号S18发送至电子控制单元16。在可选的解决方案中,可通过评价废气的温度而代替温度传感器18。例如,可通过基于发动机操作参数的发动机控制单元评价这种温度。可考虑其它因素,例如车辆周围的环境温度。
位于下游管道8中的传感器20直接或间接地测定在下游管道8中流动的废气中的NOx量,并将这种信息作为电子信号S20发送至电子控制单元16。在此处和下文中,术语“量”应该从广义上理解。例如,其可以是在给定气体体积中测量的浓度,或流量值或代表排气管线中NOx量的任何其它参数。
NOx传感器20可例如为双氧传感器(double lambda sensor),或者适于直接或间接地测量或评价气体体积中NOx量的任何其它装置。
SCR系统10适于通过激发NOx与氨之间的化学反应而减少废气中的NOx量,所述氨通过经由管道12注入尿素而引入排气管线2中。上游管道6中注入的尿素反应并分解成异氰酸(HNCO)和氨(NH3),如以下反应中所述:
NH2-CO-NH2(尿素)→HNCO+NH3    (R1)
因为排气管线2中注入的尿素以水溶液的形式存在,所以异氰酸(HNCO)与水反应以产生氨(NH3)和二氧化碳,如在以下反应中所示:
HNCO+H2O→NH3+CO2    (R2)
因为异氰酸与水的分解反应R2是慢反应,异氰酸也与尿素反应形成缩二脲,如在以下反应中所示:
NH2-CO-NH2+HNCO→缩二脲    (R3)
这种R3反应还可产生三聚氰酸一酰胺和水,如在以下反应中所示:
2NHCO+NH2-CO-NH2→三聚氰酸一酰胺+2H2O    (R4)
异氰酸还可分解成三聚氰酸,如在以下反应中所示:
3NCO→H3N3C3O3    (R5)
缩二脲、三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸存在于可在排气管道2、尿素注入管道12下游中出现的尿素沉积中。其可出现在上游管道6或SCR系统10中。
在SCR系统10中,NOx与氨反应产生氮和水,如在以下反应中所示:
NOx+NH3→N2+H2O
将这种反应命名为“转化反应”。
本发明的尿素沉积检测法使用热消除反应,所述反应由尿素沉积产生氨。为启动所述检测方法,在SCR系统10上游的废气的温度T应该高于例如350℃的温度值,因为尿素沉积的热消除主要在高于该温度下发生。基于该350℃的值,认为该阈值温度值T0可等于350℃。
在所述方法的第一步骤101中,测量或评价排气管线中的温度。例如,温度传感器18测量上游管道6中的废气温度T并通过信号S18而将温度值发送至电子控制单元16。以固定的时间间隔,其可以例如为50ms,进行每次测量。在温度T高于温度T0的情况下,实施所述方法的另一步骤102。如果T低于T0,则不能实施所述检测方法。必须注意,如果车辆操作条件不是使得温度T“自然”超过阈值温度T0,则可通过已知的技术强制升高废气温度T来克服这个事实。
在步骤102中,测定自上次检测排气管线2中尿素沉积的存在起,由车辆V花费的时间t或行驶的距离k。多种实验允许确定在车辆V使用给定时间段t0后或在行驶给定公里数k0后有可能出现尿素沉积。如果还未达到这样的时间段t0或行驶距离k0,则已经出现尿素沉积的风险很小并因此继续执行检测方法是没有用的。阈值t0、k0可以是固定的,或可作为过去和/或现在的车辆操作条件的函数而变化。例如,已知在寒冷环境中操作车辆时,或常常在低发动机载荷下操作车辆时,将更易于形成尿素沉积,并且可对这种沉积是否存在进行更频繁地分析。因此,如果还未达到距离k0和/或时间段t0,则所述方法回到步骤101。在实施所述检测方法之前等待预定时间间隔I的这种步骤是任选的。例如,可在每次发动机操作条件使排气管线中的温度T超过阈值T0时,实施所述检测方法。
在另一实施方式中,可在步骤101之前任选执行在步骤102中进行的测定。在这种情况中,可将达到距离k0和/或时间t0认作启动所述检测方法的条件。
如果已经达到时间t0和/或距离k0,则可能已经出现尿素沉积。因此,实施所述方法的另一步骤103。在这个步骤103中,通过经由电子控制单元16将电子信号S15传递至尿素控制阀15,停止尿素注入。停止尿素注入将在SCR系统10中停止将NOx转化成氮的反应。
在步骤103之后,因为仍然通过传感器18测量废气的温度T,所以在步骤104中能够验证温度T是否仍然高于温度T0。如果温度T高于温度T0,则保持尿素注入停止。如果温度已经变得低于温度T0,则所述方法回到步骤101。执行步骤104直至达到测量时间t1。时间t1是如下时间段,在所述时间段期间温度测量能够允许断定内燃机4是否在导致高废气温度的操作时间段中的事实。在另外的步骤105中,测定温度T是否已经高于温度T0直至到达测量时间t1。如果在这种条件下未达到时间t1,则所述方法回到步骤104。
如果温度T仍然高于温度T0并且已经经过了测量时间t1,则用NOx传感器20实施所述方法的另一步骤106。在这个步骤106中,在SCR系统10的出口上,NOx传感器20测量下游管道8中的废气中的NOx量Q20,以确定在SCR系统10中多少NOx量Qc已经被转化成氮。基于这种测量,相对于由内燃机4产生的NOx的理论量Q4,计算NOx转化率R,其是在SCR系统10中转化的NOx量Qc的值。基于由电子信号S16传递的信息,包括发动机转速、齿轮和其它信息,由电子控制单元16计算NOx的理论量Q4。这种NOx理论量Q4的计算为本领域普通技术人员所已知。
通过从由内燃机4产生的NOx理论量Q4中减去由NOx传感器20测量的NOx量Q20来确定转化成氮的NOx量Qc,如
QC=Q4-Q20。
因此,可将转化率表达成:
R = QC Q 4 = 1 - Q 20 Q 4
可在每次进行NOx量Q20的测量时,进行转化率R的确定。这是指控制单元16计算在时间段t2期间的给定数目的转化率值R。
在所述方法的另外的步骤107中,可计算在时间段t2期间的转化率R的平均值Rm。
在此期间确定平均转化率Rm的时间段是变化的。换句话说,计算的值Rm总是基于在给定时间下测定的NOx量的值。
每次测量新的NOx量,就计算新的转化率,基于所述值计算平均转化率Rm,正因如此,所述值被修正了。因此,在该时间段结束后不再考虑时间段t2的第一个值。这允许在执行清洁程序期间也持续地计算转化率Rm。
在所述方法的另一步骤108中,将平均转化率值Rm与理论转化率值R0比较,R0等于:
R0=Q20T/Q4
其中Q20T是废气中NOx的理论量。
理论上,因为停止尿素注入,在SCR系统10中应该没有NOx被转化成氮。因此,废气中NOx的理论值Q20T为零并且理论转化率R0为零。如果确定平均转化率Rm不同于零,则能够认为,尽管已经停止尿素注入,但是在上游管道6或在SCR系统10中仍然存在一些氨。这些氨可能仅来自尿素沉积的热消除。
如图3中所示,一旦测定温度T显著高于温度T0,则停止尿素注入。从这个观点来看,由箭头A2所示,内燃机4出口上的NOx量Q4和由传感器20测量的NOx量Q20之间的比较允许断定尿素沉积是否存在。如图3中的图所示,Q4和Q20的曲线不重叠的事实示出尿素沉积的存在。
如果平均转化率Rm超过理论转化率值零一定的范围例如0.2,考虑到测量和/或评价的不确定性,则可确定在排气管线中存在一些尿素沉积并将其热消除。如果由所述方法检测到这种尿素沉积,则可决定继续进行步骤109中排气管线2的清洁程序。在相同的操作条件下,尤其是在超过阈值T0的排气温度下和在尿素注入停止的情况下,所述清洁程序实际上是所述检测程序的继续。
在平均转化率值Rm等于零或低于特定阈值例如0.2的情况下,考虑到测量和/或计算的不确定性,可认为其值为零。换句话说,认为量Q20和Q4相等。然后,可断定在排气管线2中不存在或不再存在尿素沉积。在这种情况下,在步骤110中重新启动尿素注入并且所述方法回到步骤101。
关于所述检测方法,能够以不同方式进行在步骤109执行的清洁程序。其可由于车辆操作条件而从“自然”高温中获益,或可通过已知技术引发强制升温。例如,可改变内燃机4的操作条件以保持废气温度T高于温度T0,以继续进行排气管线2中尿素沉积的热消除。可选地,可将使用车辆V的燃料操作的特殊装置例如燃烧器用于升高排气管线中的温度,所述特殊装置未在图中示出。
还可通过将其与未在图中示出的柴油颗粒过滤器(DPF)的清洁操作结合来实现尿素沉积的清洁。因为DPF周期性地被颗粒填满,其必须通过加热废气来清洁,以“燃烧”颗粒。为节约燃料或更概括地节约能源,可将破坏过滤器中颗粒与清洁尿素沉积、加热废气结合,并因此能够将用于两种不同清洁操作所需的能量结合。
在这种清洁操作期间,有利的是,如由本发明的检测方法所提供的,继续比较系统输出端的NOx料流和系统输入端的NOx料流。实际上,如果平均转化率Rm返回至指示排气管线2中不再存在尿素沉积的值,则可自动停止清洁步骤109和尿素沉积的再生。然后重新开始尿素的注入。这是指在清洁程序期间保持检测方法并行运行是有利的。这当然允许限制将离开排气管线的NOx量。并且,如果进行清洁程序而必须“人工”升高废气温度,则在一充分消除了尿素沉积时就尽快终止程序将节约能量,因为排气温度将不再需要升高。
根据本发明的非代表性可选实施方式,还可通过NOx传感器测定由内燃机4实际产生的NOx量Q’4,所述传感器置于上游排气管道6中,优选在内燃机4附近以允许精确测量废气中流动的NOx量。在这种情况下,NOx转化率R和Rm的计算使用这种量Q’4而不是计算的理论NOx量Q4。
在未在图中示出的另一实施方式中,SCR系统10可包括氨或氨前体储存单元,其适于在停止尿素注入后在已知时间段内传送氨。例如,当在SCR系统中引入过量氨时,SCR催化系统的陶瓷内核能够以气体形式储存氨。在这种情况下,执行NOx量的测量并在该时间段结束后确定尿素沉积是否存在。

Claims (16)

1.用于检测机动车辆(V)的排气管线(2)中尿素沉积的方法,所述机动车辆配备有:
-内燃机(4),
-选择性催化还原系统(10),其安装在排气管线(2)上,适于转化由内燃机(4)产生的NOx
-注入系统(12、14、15),其适于将尿素注入排气管线(2)中,其在所述选择性催化还原系统(10)上游,
其中所述方法包括以下步骤:
a)测定(101)是否达到废气温度(T0),
b)如果在步骤a)进行的测定结果为正,则停止(103)尿素注入,
c)在所述选择性催化还原系统(10)出口上测定(106)废气中的NOx量(Q20),
d)在步骤c)测定的NOx量(Q20)与由内燃机(4)产生的NOx的理论量(Q4)或测得量(Q’4)之间进行比较(108),
e)如果步骤d)示出所述量(Q20、Q4,Q’4)不同,则认为排气管线(2)中存在尿素沉积。
2.根据权利要求1所述的方法,其中基于所述内燃机(4)的操作条件(S16)测定由内燃机(4)产生的NOx的理论量(Q4)。
3.根据权利要求1所述的方法,其中通过使用在所述选择性催化还原系统(10)上游的所述排气管线(2)的排气管(6)中的传感器(20)测定由内燃机(4)产生的NOx量(Q’4)。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法,其中自上次检测尿素沉积的存在起,仅在已行驶给定的距离(k0)和/或已经经过给定的时间段(t0)时,才启动所述方法。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法,其中在步骤c)测定的NOx量是在给定的时间段(t2)期间计算的平均值。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法,其中在步骤b)之前,在选择性催化还原系统(10)的一部分中储存给定量的氨或氨前体,并且其中在释放所述选择性催化还原系统(10)中的给定量的氨或氨前体之后,在步骤c)测定NOx的量(Q20)。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法,其中在步骤a)之前,所述方法包括另外的步骤:
f)改变内燃机(4)的操作条件,或否则将废气加热以升高废气温度(T)。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法,其中在步骤d),通过比较NOx转化率值(R、Rm)和最小阈值来进行比较。
9.用于消除机动车辆(V)的排气管线(2)中尿素沉积的方法,所述方法实施根据前述权利要求中的一项所述的检测尿素沉积的方法,并且包括以下步骤:
f)如果在步骤e),能够认为排气管线(2)中存在尿素沉积,则清洁(109)所述排气管线(2)。
10.根据权利要求9所述的方法,其中在清洁排气管线(2)期间实施所述检测方法。
11.根据权利要求10所述的方法,其中如果在步骤e),不能认为排气管线(2)中存在尿素沉积,则停止排气管线的清洁并且重新激活尿素注入系统(12、14)。
12.一种机动车辆(V),其包括:
-选择性催化还原系统(10),其安装在车辆(V)的排气管线(2)上并适于转化由车辆的内燃机(4)产生的NOx
-注入系统(12、14、15),其适于将尿素注入排气管线(2)中,其在所述选择性催化还原系统的上游,
-NOx传感器(20),其安装在排气管线(2)中,其在所述选择性催化还原系统(10)的下游,
-废气温度传感器(18),其在所述选择性催化还原系统(10)的上游,
其中所述机动车辆(V)包括如下装置(16),所述装置(16)适于停止(103)所述尿素注入系统(12、14、15)的操作,比较(108)由NOx传感器(20)测量的NOx量(Q20)与由内燃机(4)产生的NOx理论量(Q4)或NOx测得量(Q’4),以及基于所述量之间的比较(108)结果进行(109)排气管线(2)的清洁。
13.根据权利要求12所述的车辆,其中将停止尿素注入系统(12、14、15)的操作的装置、比较的装置和进行清洁的装置包括在电子控制单元(16)中。
14.根据权利要求13所述的车辆,其中所述电子控制单元(16)适于基于所述发动机(4)的操作条件(S16),计算由内燃机(4)产生的NOx量(Q4)的理论值。
15.根据权利要求14所述的车辆,其中所述电子控制单元(16)适于控制(S4)内燃机(4)的操作条件。
16.根据权利要求12至15中的一项所述的车辆,其中所述车辆包括在所述选择性催化还原系统(10)中储存氨或氨前体的装置。
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