CN103380282A - 烟灰传感器功能能力监测 - Google Patents

Abstract

一种监测响应于来自排气流的烟灰(18)在传感器表面(14)上的沉积的烟灰传感器(10)的功能能力的方法包括采集烟灰传感器的测量信号(61)和运行似然性检查，在似然性检查中，确定测量信号是否与预计结果(66)一致。根据本发明，检测是否存在来自排气流的液体(例如水)在传感器表面上冷凝的条件。附加地或备选地，这样的条件被产生。似然性检查接着包括确定测量信号是否反映(60)液体的冷凝。冷凝条件的存在的所述检测包括测量或估计传感器表面（14）上的温度。

Description

烟灰传感器功能能力监测

技术领域

本发明大体上涉及烟灰感测领域，特别地涉及监测烟灰传感器的功能能力。

背景技术

目前使用差压传感器(也称为“ΔP传感器”)可以满足EU5和US MY 2010-2012排放法规的要求。此类传感器能通过测量排气流中的压力而检测颗粒过滤器的效率和/或故障。如果颗粒过滤器损坏，例如它开裂，则实际压力读数将不同于预计的读数，由此可以诊断出故障。

即将出台的排放法规(EU6, US MY2013)规定相比目前的EU5和US MY 2010-2012法规显著降低尾气管排放的容许水平。这种改变的结果将是差压传感器将不能够可靠地(在未来法规的意义上)检测颗粒过滤器的故障。为了稳健地检测导致尾气管烟灰排放超出OBD (车载诊断)阈值的降低的过滤效率，将需要安装在颗粒过滤器下游的烟灰传感器。

各种类型的烟灰传感器是目前已知或正在开发的。例如，专利申请WO 2007/000446公开了一种带有至少两个电极的烟灰传感器，该至少两个电极彼此间隔较小间隙且两者间的电阻随着烟灰从排气沉积并跨接两者间的间隙而减小。烟灰传感器包括用于在每次测量之后燃尽烟灰沉积物的加热元件。美国专利申请2007/0158191描述了一种具有相同构造的烟灰传感器，其带有施加在电极顶部上的附加的高电阻保护层。随着烟灰沉积在保护层上，电极之间的电阻减小。US 2009/0056416公开了一种颗粒物传感器，其具有以面向关系布置在排气流中的相互隔离的电极-高压电极和检测电极。通过测量积聚在检测电极上的电荷或由检测电极上电荷的积聚所产生的电压来测量颗粒物。我们可以想到其它烟灰传感器，例如，测量由至少两个电极之间的烟灰的沉积所产生的在电极之间的电容变化的传感器，或光学烟灰传感器。

已经认识到，能够检测烟灰传感器是否正确工作是有必要的。诸如接地短路或电池短路的简单故障可以使用简单的诊断检查容易地检测。当输出传感器信号位于正常范围内时，检查传感器的似然性/合理性(即，它是否正确工作)是更困难的。例如，烟灰传感器可能卡滞在范围内并且因此提供错误的读数。US 2011/0015824公开了一种用于烟灰传感器的功能诊断的方法，其中传感器的电压系数被测量并与存储的无故障烟灰传感器的电压系数相比较。US 2006/0107730公开了一种用于监测颗粒传感器的功能能力的方法，其中实际测量值与预计结果相比较。如果检测到在测量值与预计结果之间的显著偏差，则认为传感器有缺陷。

这两种方法都具有“循环引用”的问题。这些方法的目的是检测排气中的过度高的烟灰量，诊断传感器故障中的困难在于区别反映排气的异常条件的正确(但例外的)读数与这样的故障。当传感器实际上正确工作，但排气出现问题时，存在检测到传感器故障的显著的风险。存在这样的方法：该方法在烟灰层在传感器表面上积聚期间随时间推移而监测烟灰传感器信号。然而，如果烟灰传感器布置在现代化的颗粒过滤器下游，则仅有很少量的烟灰将到达烟灰传感器处。因此，将花费相对长的时间使烟灰在传感器表面上积聚至传感器读数可与预测值相比较的水平。然而，在典型应用中，不可接受的是在能够确定传感器是否正确工作之前必须等待较长的时间。US 2006/0107730在上游烟灰过滤器再生期间监测烟灰传感器的行为。这里的缺点是传感器诊断必须延迟到颗粒过滤器再生之后。

发明内容

本发明的目的是允许更快地检测烟灰传感器故障。该目的由根据权利要求1所述的方法或根据权利要求10所述的装置实现。

一种监测响应于来自排气流的烟灰在传感器表面上的沉积的烟灰传感器的功能能力的方法包括采集烟灰传感器的测量信号并运行似然性检查，在似然性检查中，确定测量信号是否与预计结果一致。根据本发明，检测是否存在来自排气流的液体(例如水)在传感器表面上冷凝的条件。附加地或备选地，这样的条件具体地例如通过主动冷却传感器表面而产生。似然性检查接着包括确定测量信号是否反映液体的冷凝。

本发明的方法的优点在于，来自排气的水发生冷凝的条件通常在冷启动之后不久存在于燃烧发动机的排气系统中。假设在发动机启动时排气管线是干燥的并且处于环境温度下，则来自热排气的水将在排气管线的相对冷的壁和特别是烟灰传感器的表面上冷凝。随着传感器表面接着逐渐升温，水将在短时间之后蒸发。水在传感器表面上的存在反映在由烟灰传感器输出的测量信号中(例如，作为一对电极之间的电阻的下降或电容的增加等)。如果在预计存在时(即，在物理环境使得冷凝应发生时)在测量信号中不存在冷凝的水的指纹，则烟灰传感器很有可能是有缺陷的。相比以上阐述的用于烟灰传感器诊断的方法，本发明采用的似然性检查可以在燃烧发动机启动之后很短时间内时进行。技术人员应理解，本发明的方法尤其很适合在机动车辆上使用，因为冷启动是频繁的。因此，烟灰传感器优选地布置在压缩点火发动机的排气管线中，并且似然性检查优选地在压缩点火发动机的冷启动之后立即运行。

冷凝存在的条件可以假设为在每次冷启动之后(例如，在发动机保持关闭一定时间之后)存在。然而，根据本发明，对冷凝条件的存在的检测包括测量或估计传感器表面上的温度。应当指出，可以直接在传感器表面上测量温度。备选地，可以在排气系统的另一个位置处测量温度，并且可以接着基于描述排气系统的热性质的数学模型而估计传感器表面上的温度。该模型可以考虑例如排气管线的材料的热容量、排气的质量流量、外部温度等。另一种可能是使用发动机参数(例如，喷射的燃料的量、空气质量流量、EGR率、发动机效率等)作为数学模型的输入参数来估计传感器表面的温度，其中该模型提供作为发动机参数的函数的烟灰传感器表面温度的演化。

优选地，该方法还包括检测液体从传感器表面蒸发的条件的存在。检测蒸发条件的存在可包括对传感器表面上的温度的测量或估计，其可以与检测冷凝条件的存在相同的方式实现。附加地或备选地，该方法还可包括例如通过加热烟灰传感器表面而专门产生这样的条件。似然性检查接着可包括确定测量信号是否反映液体的蒸发。例如，如果来自排气的水的冷凝转化为由烟灰传感器输出的测量信号的下降，则水的后续蒸发将导致测量信号的上升。如果测量信号表现出不但下降而且随后上升，则提高了传感器正正常工作的可能性。

似然性检查可以在每次检测到存在液体冷凝的条件时运行。冷凝物可以在除启动之外的其它时间形成于传感器表面上。在机动车辆中，排气系统可以充分地冷却以允许在不存在燃料喷射的“长的”下坡段之后冷凝。

优选地，如果似然性检查在预定次数的连续运行中失败，则输出指示烟灰传感器故障的警告信号。警告信号可以在似然性检查仅失败一次之后输出。然而，优选地，警告信号在似然性检查已连续失败至少两次之后输出。

有利地，通过例如在预定时间间隔处或在压缩点火发动机关闭之后加热传感器表面而吹扫掉沉积在烟灰传感器的传感器表面上的烟灰。为此，烟灰传感器可配有加热元件(例如，加热导体)。此类加热元件接着也可用来加热传感器表面，以便蒸发冷凝的液体。

本发明的一个方面涉及包括指令的计算机程序(产品)，该指令在由处理器(例如，烟灰传感器控制器的处理器)执行时使处理器实施如上文所述的方法。

本发明的另一个方面涉及一种用于压缩点火(即柴油)发动机的排气处理装置，该装置包括响应于来自排气流的烟灰在传感器表面上的沉积的烟灰传感器和传感器控制器(例如，微处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列等)，该传感器控制器可操作地连接烟灰传感器以接收来自烟灰传感器的测量信号并且被构造成运行包括确定测量信号是否与预计结果一致的似然性检查。传感器控制器被构造成检测来自排气流的诸如水的液体在传感器表面上的冷凝的存在和/或产生冷凝的条件，并且似然性检查包括确定测量信号是否反映液体的冷凝。如果传感器控制器被构造成主动产生液体冷凝的条件，则烟灰传感器优选地包括由传感器控制器控制的冷却器以降低传感器表面的温度。

有利地，传感器控制器被构造成检测液体从传感器表面蒸发的条件的存在和/或实现这种条件。在这种情况下，似然性检查包括确定测量信号是否反映液体的蒸发。

排气处理优选地包括布置在烟灰传感器上游的颗粒过滤器。

烟灰传感器优选地包括加热元件(例如，加热导体)以使液体从传感器表面蒸发和/或吹扫掉沉积在传感器表面上的烟灰。

排气处理装置可包括可操作地连接到传感器控制器的温度传感器，传感器控制器被构造成基于从温度传感器接收的温度信号而估计传感器表面上的温度。备选地，传感器控制器可以可操作地连接发动机控制单元以接收压缩点火发动机的温度数据和/或操作数据。传感器控制器可接着基于从发动机控制单元接收的数据估计传感器表面上的温度。可选地，传感器控制器可以完全地或部分地一体化在发动机控制单元中。传感器控制器和发动机控制单元可因此共同承担当执行根据本发明的方法时所执行的任务。例如，发动机控制单元可被构造成计算用来与测量信号相比较的预计值，以检查测量信号的似然性。这被视为有利的实施例，因为发动机控制单元通常具有对于确定传感器表面上的条件是否使得液体可以在其上面冷凝所需的所有可供使用的相关数据和参数。

传感器控制器优选地被构造成在似然性检查在预定次数的连续运行中失败时输出警告信号。

附图说明

本发明的另外的细节和优点将从参照附图的非限制性实施例的以下详细描述显而易见，在附图中：

图1是烟灰传感器的示意性透视图；

图2是带有其进气通道和其排气系统的压缩点火发动机的示意性布局；

图3是示出在标准化的驾驶循环期间的烟灰传感器的测量信号的坐标图。

具体实施方式

图1示出根据已知的原理(参见例如US 2011/0015824以供参考)工作的烟灰传感器10的示例。烟灰传感器10包括形成暴露于排气的传感器表面14的绝缘基底12(例如由陶瓷制成)。测量电极16布置成在传感器表面14上以交叉构型彼此分离。只要传感器表面14不含烟灰粒子，电极16就彼此电绝缘。当烟灰粒子18沉积在传感器表面14上时，它们最终跨接电极16之间的间隙，从而响应于施加在电极16之间的电压而允许电流在电极16之间流动。沉积在传感器表面14上的烟灰粒子越多，在电极16之间形成的导电通道就越多，并且测量的电流越高。烟灰传感器包括布置成与基底12热传导接触的加热元件20。为了吹扫掉传感器表面14的烟灰，烟灰传感器10被加热至使得烟灰被排气中包含的残余氧氧化的温度。烟灰传感器10的材料选择成能经受烟灰的烧尽温度。

烟灰传感器10还包括连接到电极16和加热元件20的传感器控制器22，以便控制其操作。该传感器备选地在积聚和再生模式下操作。在积聚模式期间，烟灰粒子18沉积在传感器表面14上，这改变了电极16之间的电阻。在积聚模式下，传感器控制器22尝试驱动预定电流流过电极16并测量所得电压。在电流保持恒定时，输出电压改变。在再生模式期间，传感器控制器22驱动电流流过加热元件20。传感器由此被加热至烟灰的燃尽温度，从而将烟灰从传感器表面14除去。

传感器控制器22被构造成导出排气中的烟灰的浓度(例如，以检测布置在烟灰传感器上游的颗粒过滤器的过滤效率的任何损失)以及诊断烟灰传感器本身。传感器诊断包括电池短路、接地短路和开路检测。此外，传感器控制器22执行似然性检查以检测其它类型的错误，例如烟灰传感器是否卡滞在范围内。

似然性检查包括比较烟灰传感器的测量信号与其预计行为。特别地，传感器控制器22基于在烟灰传感器10处的物理条件确定在预计冷凝时测量信号是否反映来自排气的水在传感器表面14上的冷凝。当水在传感器表面14上冷凝时，它使电极16短路，导致电极之间的电阻的显著下降。可以注意到，纯水是很好的绝缘体，因此电极16之间的导电性实际上归因于溶解于水中的杂质。在排气管线的环境中且在排气流的存在下，形成于传感器表面上的小水滴被杂质充分地污染以确保电流的传导。

图2示出车辆的柴油压缩点火发动机24。发动机24包括上游连接到进气通道28且下游连接到带有排气后处理的排气系统30的发动机缸体26。

进气通道28包括用于过滤从外部吸入发动机的空气的空气过滤器32、空气质量流量传感器34、涡轮增压器36、中间冷却器38和上游连接到进气歧管26a的节流阀40。

排气系统30包括下游连接到发动机的排气歧管26b的涡轮增压器36的涡轮42、氧化催化剂装置44和布置在尾气管48上游的柴油颗粒过滤器46。

图2的排气系统30配有若干用于检测相关排气参数的传感器。温度传感器50测量在涡轮增压器涡轮28的出口处的排气温度。烟灰传感器10布置在颗粒过滤器46下游的尾气管中。烟灰传感器可以为此前参照图1讨论的电阻式，但它也可以是另一种类型(例如，电容式)，前提条件是冷凝在传感器表面上的水反映由烟灰传感器输出的测量信号。

发动机24还配有包括EGR阀54和EGR冷却器56的排气再循环(EGR)装置52。EGR通过使排气的一部分再循环回发动机缸体26的燃烧室而工作。由于柴油发动机通常以过量的空气操作，它们能以非常高的EGR率操作，尤其是在低负载下，此时否则将存在非常大量的过量空气。

发动机包括发动机控制单元58，例如微处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列等，其控制发动机24的不同部件的操作，特别是燃料喷射器(未示出)、节流阀40、EGR装置52。发动机控制单元58连接到各种传感器，例如空气质量流量传感器34、温度传感器50。图中并未示出发动机控制单元58可以连接到的所有传感器。发动机控制单元58还连接到烟灰传感器10的传感器控制器22。

发动机控制单元58监测由温度传感器50测量的温度。该温度信号也提供至传感器控制器22。传感器控制器接着基于由温度传感器50测量的温度和描述排气系统的热性质(例如，排气管线的材料的热容量、排气的质量流量、外部温度等)的数学模型来估计烟灰传感器表面上的温度。如果温度估计达到或低于露点，则传感器控制器预计在测量信号中检测到冷凝水的“指纹”。

在发动机24的冷启动之后，水蒸气将在排气系统壁和传感器表面上冷凝。结果，传感器输出电压将显著降低，尤其是在还没有烟灰积聚在传感器10上时。随着发动机和整个排气系统变热，传感器表面的温度将最终超出露点。传感器将变干并且将具有与沉积在传感器表面上的烟灰的量一致的输出信号。

图3示出在从发动机24的冷启动开始20分钟的时间间隔期间烟灰传感器10的测量信号的演化。在初始干燥的排气系统的情况中，由传感器控制器22运行的似然性检查包括检测

1) 紧接在发动机启动之后由于水在传感器表面上的冷凝导致的测量信号61(传感器输出电压，由虚线表示)中的下降(在60处示出)；

2) 当温度估计指示达到露点时测量信号增加(在62处示出)至其初始值；

3) 由于烟灰粒子的积聚导致的测量信号随时间推移的略微减小(在64处示出)。

似然性检查的(可选的)第三部分需要知道烟灰传感器10的“正常”行为。该部分应仅用作似然性检查的其它部分的补充，因为否则将难以分辨烟灰传感器上游的颗粒过滤器46的故障与烟灰传感器本身的故障。

在图3的示例中，虚线66表示由传感器控制器基于温度信号、作为输入接收的诸如喷射到气缸中的燃料的当前量的其它参数预测的测量信号的行为。传感器电压61在约600s之后的急剧下降表明上游颗粒过滤器的故障。在这样的情况下(即，如果在预测信号和实际测量信号之间存在显著的不一致)，传感器控制器22输出指示异常高的烟灰浓度(或颗粒过滤器的故障)的警告信号。如果烟灰传感器未通过似然性检查，则传感器控制器输出指示烟灰传感器未像应该那样工作的警告信号。应当指出，图3所示任何数值、曲线的形态等仅用于举例说明目的。测量信号和预测信号的实际形态将取决于所用烟灰传感器的类型和对测量信号的任何处理(例如，缩放、反相、偏差校正、平滑化等)。

似然性检查还可包括检测测量信号在烟灰传感器的再生(即，烟灰的燃尽)期间是否按预计变化。

应当指出，并不总是需要测量或估计传感器表面上的温度。例如，传感器控制器22可被构造成预计测量信号在发动机的每次冷启动之后的下降和随后上升(在预定时间间隔内)。(发动机控制单元58可将冷启动正发生的指示提供给传感器控制器22)烟灰传感器10也可配有由传感器控制器22控制的冷却元件(例如，热电冷却器)。传感器控制器可接着不时地开启冷却元件并检测是否因此而发生水的冷凝。类似地，代替估计传感器表面14的温度由于排气的热量和整个排气系统30的加热而超出露点的时间，传感器控制器22可通过相应地控制加热元件20(参见图1)而主动地引起水的蒸发。具有干燥传感器表面的目的的这样的加热可以比为燃尽烟灰沉积物而进行的加热显著更短和/或强度更低。

传感器控制器22有利地在每次发动机停止之前将最后一次烟灰传感器输出存储到存储器中，以便检测在发动机重新启动之后的任何变化。

似然性检查的稳健性的先决条件是冷凝水在测量信号中产生显著变化。如果传感器表面在测量开始时已经基本上载满烟灰，则水将对测量信号产生较小影响，这使得传感器控制器更难以评价烟灰传感器是否正确工作。因此，建议传感器表面在每次发动机启动时相对清洁。可能需要更频繁的传感器再生以避免传感器在影响似然性检查的稳健性的烟灰积聚水平下的长时间操作。

这种似然性检查的重要优点在于，它可以在启动之后立即进行。依赖于由烟灰积聚导致的预计信号变化的此前的似然性检查花费显著更长的时间。此外，这些似然性检查直到凝结阶段之后才能开始。利用根据本发明的似然性检查，可以在显著更短的时间之后获得可靠得多的测试结果。

然而，应当指出，水冷凝物可以在除启动之外的其它时间形成于传感器表面上。存在这样的驾驶情况，例如长距离下坡，其中排气系统可以足够地冷却以允许冷凝。当这样的情况发生时，传感器控制器可以抓住运行“计划外的”似然性检查的机会。

和所有其它诊断一样，似然性检查优选地在每个驾驶循环时运行。

在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本发明的所述实施例的各种修改和变型对于本领域的技术人员将显而易见。虽然已结合具体的优选实施例描述了本发明，但应当理解，要求保护的本发明不应不当地局限于此类具体实施例。

图例：

10     烟灰传感器

12     基底 

14     传感器表面

16     测量电极

18     烟灰粒子

20     加热元件

22     传感器控制器

24     柴油发动机

26     发动机缸体

26a   进气歧管

26b   排气歧管

28     进气通道

30     排气系统

32     空气过滤器

34     空气质量流量传感器

36     涡轮增压器

38     中间冷却器

40     节流阀

42     涡轮增压器涡轮

44     氧化催化剂

46     柴油颗粒过滤器

48     排气管

50     温度传感器

52     EGR装置

54     EGR阀

56     EGR冷却器

58     发动机控制单元

60     由于传感器表面上的水导致的测量信号中的下降

61     测量信号

62     由于水的蒸发导致的测量信号中的增加

64     由于烟灰粒子的积聚导致的测量信号中的减小

66  预计的测量信号

Claims (15)

1.一种监测响应于来自排气流的烟灰(18)在传感器表面(14)上的沉积的烟灰传感器(10)的功能能力的方法，所述方法包括：

采集所述烟灰传感器(10)的测量信号(61)；

运行似然性检查，其中确定所述测量信号(61)是否与预计结果(66)一致；

以及检测来自所述排气流的诸如水的液体在所述传感器表面(14)上冷凝的条件的存在和/或产生所述冷凝的条件，

其中所述似然性检查包括确定所述测量信号(61)是否反映(60)液体的所述冷凝；

其特征在于，关于冷凝的条件的存在的所述检测包括测量或估计所述传感器表面(14)上的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中关于冷凝的条件的存在的所述检测包括基于下述估计所述传感器表面(14)上的温度：

a）在所述排气系统的其他位置处的温度测量以及描述所述排气系统的热性质的数学模型，或者

b）用作数学模型的输入参数的发动机参数，该数学模型提供作为所述发动机参数的函数的所述烟灰传感器的温度的演化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，包括检测所述液体从所述传感器表面的蒸发的条件的存在和/或实现所述蒸发的条件，其中所述似然性检查包括确定所述测量信号(61)是否反映(62)液体的所述蒸发。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中每次检测到所述液体的冷凝的条件存在时运行所述似然性检查。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，包括在所述似然性检查在预定次数的连续运行中失败时输出警告信号。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中所述烟灰传感器布置在压缩点火发动机(24)的排气管线(30)中。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中所述似然性检查在所述压缩点火发动机(24)的冷启动之后立即运行。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中所述烟灰传感器(10)的所述传感器表面(14)通过例如以预定时间间隔或在所述压缩点火发动机(24)关闭之后加热所述传感器表面(14)而吹扫掉沉积在其上的烟灰(18)。

9.包括指令的计算机程序，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法。

10.用于压缩点火发动机(24)的排气处理装置(30)，包括：

具有传感器表面(14)的烟灰传感器(10)，所述烟灰传感器(10)响应于来自排气流的烟灰(18)在所述传感器表面(14)上的沉积；

传感器控制器(22)，其可操作地连接所述烟灰传感器(10)以接收来自所述烟灰传感器(10)的测量信号；所述传感器控制器(22)被构造成运行似然性检查，所述似然性检查包括确定所述测量信号(61)是否与预计结果(66)一致；

其中所述传感器控制器(22)被构造成检测来自所述排气流的诸如水的液体在所述传感器表面(14)上的冷凝的条件的存在和/或产生所述冷凝的条件，并且所述似然性检查包括确定所述测量信号(61)是否反映(60)液体的所述冷凝，

其特征在于，所述传感器控制器(22)被构造成通过测量或估计所述传感器表面(14)上的温度检测液体冷凝的条件的存在。

11.根据权利要求10所述的排气处理装置(30)，其中所述传感器控制器(22)被构造成检测所述液体从所述传感器表面(14)的蒸发的条件的存在和/或实现所述蒸发的条件，并且其中所述似然性检查包括确定所述测量信号(61)是否反映(62)液体的所述蒸发。

12.根据权利要求10所述的排气处理装置(30)，包括布置在所述烟灰传感器(10)的上游的颗粒过滤器(46)。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的排气处理装置(30)，其中所述烟灰传感器(10)包括加热元件(20)，用于引起所述液体从所述传感器表面(14)的蒸发和/或吹扫掉沉积在所述传感器表面(14)上的烟灰(18)。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的排气处理装置(30)，包括可操作地连接到所述传感器控制器(22)的温度传感器(50)，所述传感器控制器(22)被构造成基于从所述温度传感器(50)接收的温度信号估计所述传感器表面(14)上的温度。

15.根据权利要求10至14中的任一项所述的排气处理装置(30)，其中所述传感器控制器(22)可操作地连接发动机控制单元(58)以接收所述压缩点火发动机(24)的温度数据和/或操作数据。

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