CN104948367A - 燃料喷射阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料喷射阀(1)，该燃料喷射阀尤其用作用于混合压缩、外源点火的内燃机的燃料喷射设备的喷射器，其包括其促动器(12)和可被所述促动器(12)操作的阀针(4)。在这里，所述阀针(4)的阀封闭体(5)与阀座面(6)共同作用成为密封座(7)。所述促动器(12)具有线圈(13)和可被所述线圈(13)操作的活塞体(14)。此外，所述活塞体(14)限界液压的耦合腔(17)。通过由所述耦合腔(17)来操作所述活塞体(14)使得能够至少间接地操作所述阀针(4)。

Description

燃料喷射阀
技术领域
本发明涉及一种燃料喷射阀、尤其是用于内燃机的燃料喷射设备的喷射器。特别地，本发明涉及用于混合压缩、外源点火的内燃机燃料喷射设备的喷射器的领域。
背景技术
从DE 101 04 016 A1已知用于车辆内燃机的喷射阀。已知的喷射阀具有压电促动器、阀单元和待控制的阀关闭单元。阀单元包括贴靠在促动器的促动器头上的第一活塞和操作阀关闭单元的第二活塞。活塞借助于液压的转换装置相互耦合，所述液压的转换装置构造为液压室并且传递压电促动器的偏转。液压室在两个限界该液压室的活塞之间围成共同的补偿体积，系统压力在该补偿体积中占主导，在所述两个活塞中，第二活塞的直径小于第一活塞的直径。为了补偿液压室的在操作时的泄漏损耗，填充液压室是必需的。为此，设置填充通道，该填充通道通到液压室中并且与喷射阀的高压区域连接。
从DE 101 04 016 A1已知喷射阀的原理上的结构，通过这样的喷射阀可以在汽油直接喷射情况下实现短的喷射时间并且尤其实现短的喷射中断，其中，由压电促动器产生冲程。固然，这样的压电促动器的制造是非常昂贵的。由此，使用目的限于对内燃机的相应高价值的装备上。因此，附加地使用磁喷射器，然而所述磁喷射器具有小得多的动力学特性并且由此具有较长的打开时间和关闭时间。固然，较低的制造成本使得即使在成本较便宜的装备中使用也是可能的。
发明内容
根据本发明的、具有权利要求1特征的燃料喷射阀具有这样的优点，能够实现改进的构型。尤其能够在制造成本降低的情况下实现短的开关时间或者说短的喷射时间。
通过在从属权利要求中所列举的措施，在权利要求1中提出的燃料喷射阀的有利拓展方案是可能的。
在所提出的、在必要时相应地拓展的燃料喷射阀中，可以以有利的方式实现非常短的开关时间，就喷射变化过程形成(Einspritzverlaufformung)而言，所述开关时间可以与借助于压电促动器的控制类比。然而，在这里，能够显著地降低制造成本。因此，例如也可以实现用于新的燃烧方法的多重喷射。这能够降低燃料消耗并且能够优化四个运行点中的废气量。在这里，燃料喷射阀在一定程度上实施为直接开关的磁喷射器。
特别地，可以实现非常短的、与使用压电促动器可类比的喷射中断。此外，可能的是，没有回流管道地构造燃料喷射阀。相对于常规的、伺服控制的(servogesteuerten)喷射阀，这能够实现附加的能量节省。根据燃料喷射阀的构型而定，也可以使用由涡电流引起的磁性排斥的原理，这能够实现用于阀针或者说用于阀针的阀封闭体的非常短的针打开时间。
在这里，燃料喷射阀可以以有利的方式构造为向外打开的燃料喷射阀。在这里，通过液压的耦合器进行伺服转换(Servoübersetzung)是可能的。通过伺服转换，可以通过合适的关于使用寿命的调节算法来补偿控制器中在使用寿命上出现的磨损。
有利的是，活塞体的端侧限界液压的耦合腔。也有利的是，阀针的背离阀封闭体的端侧限界液压的耦合腔。在这里，活塞体的端侧和阀针的端侧可以相互朝向彼此。在这里，活塞体的移动对阀针的相应大的移动发生作用，其中，能够实现冲程转换。在这里，可能实现的转换比例关系可以通过活塞体端侧的横截面积大小相对于阀针端侧的横截面积大小的比例关系来预先给定。
此外，也有利的是，设置有位置固定地布置在阀壳体中的耦合体，活塞体在耦合体中被导向，并且，在耦合体的内部构造有被活塞体限界的耦合腔。此外，在这里，有利的是，阀针的端部在耦合体中被导向，并且，在耦合体的内部构成的耦合腔一方面被活塞体限界并且另一方面被阀针的端部限界。此外，在这里，有利的是，在耦合腔中布置至少一个弹簧元件，所述弹簧元件向用于活塞体的初始位置的方向加载活塞体。以此方式可以实现紧凑的构型。在这里，耦合腔的自填充是可能的。
也有利的是，活塞体至少部分地由磁性或铁磁性的材料构成，并且，线圈至少部分地具有第一绕组，所述第一绕组关于活塞体的移动轴线而言至少区段式地包围活塞体。通过线圈的第一绕组的通电产生用于移动活塞体的磁性力。在这里，活塞体的移动通过液压的耦合腔对阀针的相应操作发生作用。在这里优选，在第一绕组和活塞体之间布置有导向套管，所述导向套管由至少基本上非磁性的材料构成。由此可以改进动力学特性。
此外，有利的是，活塞体至少部分地由导电的材料构成，并且，线圈至少部分地具有第二绕组，并且，活塞体这样构型，使得通过第二绕组可以在活塞体中产生涡电流。在这里，特别可以通过短时间的、被引导通过第二绕组的电流脉冲来产生排斥力，所述排斥力导致活塞体的高动态的操作。由此，可以在短的时间尺度上通过涡电流效应来实现活塞体的操作。此外，通过在较长的时间尺度上对第一绕组通电，可以对活塞体施加磁性力，所述磁性力进一步加载活塞体。由此，用于阀封闭体或者说阀针的打开行为和关闭行为能够在其变化方面既在短的时间尺度上而且也在较长的时间尺度上形成。在这里，也可以实现短的中断，由此例如可以产生喷射中断。
由此，喷射变化过程可能以这样的方式形成，该方式尤其在时间尺度方面可以与通过压电促动器控制相类比。然而，在这里，可能以较小的制造成本来实现。
第一绕组也可以总地设置在线圈上，而第二绕组设置在另外的线圈上。固然，特别有利的是，在一个单一的线圈上设置两个绕组。那么，在可以通过两个绕组引导的电流脉冲的不同时间尺度方面，第一绕组使用于在较长的时间区间上产生磁性的操作力，而第二绕组基本上使用于通过所产生的涡电流来产生磁性的排斥。该构型具有这样的优点，仅仅需要两个电接头用于线圈。在这里，例如可以在控制器中进行电控制信号的叠加，其中，加和信号可以由控制器被引导至燃料喷射阀。
优选，第二绕组布置在活塞体的背离耦合腔的背侧区域中。在这里，活塞体至少在其背侧上由导电的材料构成。在这里，可以通过近的空间配属在涡电流运行时实现特别大的排斥力。
由此，由于磁铁运行和涡电流运行之间的不同时间尺度，在一个单一线圈上布置两个绕组是可能的。对于运行来说则例如可以通过线材对来进行线圈的连接。
附图说明
在以下的说明中参照附图详细解释本发明的优选实施例，在所述附图中，相应的元件设有一致的参考标记。附图示出：
图1相应于本发明的第一实施例以扼要的示意性截面图示示出燃料喷射阀；
图2相应于本发明的第二实施例以扼要的示意性截面图示示出燃料喷射阀；
图3用于解释本发明的可能构型的工作原理的第一信号变化曲线图；
图4用于解释本发明的可能构型的工作原理的第二信号变化曲线图；
图5用于解释本发明的可能构型的工作原理的第三信号变化曲线图。
具体实施方式
图1相应于第一实施例以扼要的示意性截面图示示出燃料喷射阀。燃料喷射阀1尤其可以作为用于混合压缩、外源点火的内燃机的燃料喷射设备的喷射器来使用。特别地，燃料喷射阀1适合用于汽油直接喷射。在这里，可以设置燃料分配器，所述燃料分配器将燃料分配到与燃料喷射阀1相应地构型的多个燃料喷射阀上。在这里，燃料分配器中的共同的压力、尤其是轨压(Raildruck)例如可以达到20MPa(200bar)。然而，根据本发明的燃料喷射阀1也适合用于其它的应用情况。
燃料喷射阀1具有可以多件式地构型的壳体2。壳体2尤其可以具有喷嘴体3，阀针4穿过该喷嘴体3延伸。阀针4具有阀封闭体5，所述阀封闭体与构型在喷嘴体3上的阀座面6共同作用成密封座7。在这里，在该实施例中，燃料喷射阀1构型为向外打开的燃料喷射阀1。
燃料喷射阀1具有燃料接头8，合适的燃料管道可连接到该燃料接头上。由此，燃料喷射阀1例如可以与燃料分配器连接。从燃料接头8将燃料通过燃料通道9引到壳体2的内室10中。在内室10中布置有支撑体11，该支撑体可以套管形或者空心销形地构型。在这里，支撑体11与壳体2连接并且由此位置固定地布置在壳体2中。
燃料喷射阀1具有促动器12，该促动器使用于操作阀针4。促动器12包括磁线圈13和可被磁线圈13操作的活塞体14。在这里，通过磁线圈13的合适的通电，使活塞体14沿着促动器12的轴线15移动是可能的。在该实施例中，促动器12的轴线15与壳体2的阀轴线15一致。
此外，促动器12具有位置固定地布置在阀壳体(壳体)2中的耦合体16。在这里，布置在阀壳体2中的耦合体16可以使用于沿着轴线15导向活塞体14。在耦合体16中构造有耦合腔17。构造在耦合体16之内的耦合腔17被活塞体14限界。在该实施例中，耦合腔17被活塞体14的端侧18限界。
耦合腔17作为液压的耦合腔使用。在这里，活塞体14的冲程通过耦合腔17转换为阀针4的冲程。
在该实施例中，阀针4具有端侧19，该端侧限界耦合腔17。阀针4的端侧19背离阀封闭体5。此外，活塞体14的端侧18和阀针4的端侧19相互朝向彼此。通过活塞体14的端侧18的横截面积和阀针4的端侧19的横截面积或者说通过与之相关的比例关系可以预先给定活塞体14的冲程到阀针4的冲程的冲程转换比。在这里，固然也可以预先给定1:1的转换比。
由此，通过活塞体14的操作，通过耦合腔17能够至少间接地操作阀针4，活塞体的操作通过磁线圈13进行。在这里，可以通过耦合腔17直接操作阀针4。固然，在经修改的构型中，也可以设置另外的交接区(Schnittstelle)，通过该另外的交接区来操作阀针4。尤其也可以设置有分开的或者另外的冲程转换装置，所述冲程转换装置可以液压地或机械地实施。
在耦合腔17中布置有弹簧元件20，所述弹簧元件一方面支撑在耦合体16上并且另一方面支撑在活塞体14的端侧18上。通过弹簧元件20的预紧，在活塞体的初始位置中加载活塞体14。在该实施例中，在支撑体11上构造有贴靠面25，活塞体14在其初始位置上以背离端侧18的外侧26贴靠在所述贴靠面上。
此外，在阀壳体2中构型有燃料室30，在运行时，燃料从该燃料室通过环状间隙31被引至密封座7。在燃料室30中布置有另外的弹簧元件32。该另外的弹簧元件32一方面支撑在喷嘴体3上并且另一方面支撑在与阀针4连接的弹簧座33上。由此，阀针4在封闭方向34上被加载。
活塞体14具有贯通通道35，燃料可以通过该贯通通道从内室10流到燃料室30中。由此，可以在运行时将燃料从燃料接头8引导到密封座7。在这里，这样设计所述另外的弹簧元件32，使得在轨压例如达至20MPa(200bar)时密封座7可以被保持在关闭状态中。根据燃料喷射阀1的构型而定，活塞体14也可以具有多个贯通通道35。此外，磁线圈13通过支撑体11位置固定地固定在阀壳体2中。
在该实施例中，作为磁线圈13使用的线圈13具有至少一个第一绕组40，该第一绕组可以是线圈13的一个单一的绕组40。在这里，第一绕组40使用于产生磁场，以便使活塞体14移动。为此，活塞体14至少部分地由磁性的或铁磁性的材料构造。线圈13的第一绕组40就用作移动轴线15的轴线15而言至少区段式地包围活塞体14。由此，可以实现大的移动力。由此，在该实施例中，线圈13基本上用于产生磁场。在磁线圈13和活塞体14之间布置有导向套管41。导向套管41由非磁性的或者说无磁性的材料构成。由此，导向套管41使用于磁分隔。此外，导向套管41也可以使用于沿着轴线(移动轴线)15导向活塞体14。
如果对磁线圈13通电，则活塞体14沿着轴线14运动并且在这里排挤用作液压介质的、耦合腔17中的燃料。由此，通过液压的转换，在弹簧力被超过的情况下使阀针4打开。如果所产生的促动力足够用于直接打开阀针4，则也可以省去液压的转换。如果磁线圈13的通电结束，则阀针4上的另外的弹簧元件32和活塞体14上的弹簧元件20又压合燃料喷射阀1。通过弹簧力和伺服转换的这种组合，燃料喷射阀1的快速打开和关闭是可能的。磁线圈13和活塞体16之间的共同作用可以实施为插式衔铁型式或扁平吊钩型式。
由此，直接由磁线圈13操作的活塞体14引起耦合腔17中的燃料的排挤，所述燃料用作液压介质以引起阀针4的操作。
在该实施例中，设置有控制器42，该控制器通过电线43，44与燃料喷射阀1的磁线圈13连接。在这里，两个电线43，44或者说两个电接头足以实现燃料喷射阀1与控制器42的连接。
图2相应于本发明的第二实施例以扼要的示意性截面图示示出燃料喷射阀1。在该实施例中，线圈13构造为磁线圈和涡电流线圈13。在这里，磁线圈和涡电流线圈13既用于产生用来操作活塞体14的磁场，而且也用于产生活塞体14中的涡电流，这有助于用于在较短的时间尺度上操作活塞体14的磁性排斥。在这里，活塞体14的外侧26构造为至少部分平坦的背侧26。在这里，当活塞体14处于其初始位置中时，线圈13既沿着沿活塞体14的阀轴线15延伸而且也朝着阀轴线15沿活塞体14的背侧26延伸。在该实施例中，线圈13分为第一绕组40和第二绕组45。在这里，第一绕组40基本上用于产生用于在较长的时间尺度上操作活塞体14的磁场。第二绕组45至少基本上用于特别在活塞体14的背侧26的区域中产生涡电流，以便通过磁性排斥在较短的时间尺度上实现对活塞体14的操作。
具有第一绕组40和第二绕组45的线圈13的构型具有这样的优点，即，两个电线42，44或者说两个电接头足够用于控制或者说用于与控制器42连接。在经修改的构型中，固然也可以设置分开的线圈和/或相互分开的线圈接头。特别地，分开的控制也可以通过三个电线来进行，所述三个电线与电线43，44相应地引到控制器42。
活塞体14至少部分地由导电的材料构成。此外，在这里，活塞体14这样构型，使得通过第二绕组45能够在活塞体14中产生涡电流。在该实施例中，第二绕组45布置在活塞体14的背离耦合腔17的背侧(外侧26)的区域中。优选，活塞体14至少在其背侧26上由导电的材料构成。
阀针4的端部50在耦合体16的钻孔51中被导向。由此，在耦合体16的内部构成的耦合腔17一方面被活塞体14限界并且另一方面被阀针4的端部50限界。在这里，阀针4的端部50与线圈13的第二绕组45足够远地隔开间距，从而阻止通常导电的阀针4的影响。
在通过第二绕组45产生涡电流的情况下，可以短时间地在大约10μs的范围内由线圈13传导电流脉冲，以便产生短暂并且强烈的打开力。在这里，另外的弹簧元件32首先逆着轨压保持阀针4，所述轨压优选包括最大20MPa(200bar)，当线圈13不通电时。在这里，弹簧元件20将活塞体14保持在初始位置中。通过以短的电流脉冲对第二绕组45通电来建立磁场。该磁场在活塞体14上产生涡电流，所述涡电流又形成第二磁场。与涡电流原理或者说磁感应规则相应地，这两个磁场相互方向相反地取向，从而产生排斥力。这种排斥力在通电持续时间上存在。该通电持续时间例如可以为大约10μs并且优选从大约5μs至大约20μs的范围中选择。
通过涡电流原理产生的力脉冲可以通过电流脉冲的幅度来改变。相应地产生的力脉冲由活塞体14通过液压的耦合腔17传递到阀针4上。由此可以实现非常短的打开时间。关闭时间由燃料压力(系统压力)和弹簧元件20，32的设计来确定。
如果在相应于涡电流原理通过第二绕组45所产生的短的力脉冲之后，也通过第一绕组40在较长的时间尺度上产生磁场，则阀针4也可以在较长的时间区间上保持打开。在这里，能够实现打开行为的有针对性的影响。根据图3至5示出可能的例子。如果促动器12的促动力足以直接打开阀针4，则也可以省去液压的转换。在通电结束时，由第一绕组40产生的磁场也消失，从而阀针4上的另外的弹簧元件32和活塞体14上的弹簧元件20关闭燃料喷射阀1并且使之复位到初始位置中。
图3相应于可能的构型示出用于解释燃料喷射阀1的工作原理的第一信号变化曲线图。在这里，在信号变化曲线图的上部部分中示出通过线圈13的电流(线圈电流)I，所述线圈构造为磁线圈和涡电流线圈13。在信号变化曲线图的下部部分中示出阀针4的冲程h。在时间点t0开始线圈13的通电。在这里，首先产生短的电流脉冲60，该电流脉冲从时间点t0出现直至大约时间点t1。短的电流脉冲60仅在大约10μs的短的时间尺度上产生。通过该短的电流脉冲60，第二绕组45至少基本上在活塞体14中产生涡电流，这导致短时间的排斥并且由此导致阀针4的短的冲程60′。在时间点t1之后，在较长的时间尺度上，相应于电流变化曲线61的电流通过线圈13被引导。由于电流变化曲线61，至少基本上通过第一绕组40产生磁场，该磁场使得能够在较长的时间尺度上使活塞体14移动。由此，与电流变化曲线61相应地，在较长的时间区间上产生冲程61′直到时间点t2，在时间点t2处通过线圈13的电流又消失。
在该可能的构型中，在时间点t1的范围内几乎导致阀针4在电流脉冲60和电流变化曲线61之间关闭。由此，喷射变化过程形成是可能的。尤其可以产生短的预先喷射。
图4示出用于解释本发明的可能构型的工作原理的第二信号变化曲线图。在这里，如在图3中的情况，该图在横坐标上给出时间t并且在对应的纵坐标上给出通过线圈13的电流I和阀针4的冲程h。在该实施例中，在长的时间尺度上产生电流变化曲线61。在这里，从时间点t0起，通过线圈13的电流I发生经时间点t1直至时间点t2的逐渐升高。由此，产生比在利用涡电流原理的情况下(如根据图3借助于短的电流脉冲60所解释的)长的打开行为。在时间点t2时，基本上实现阀针4的完全的打开冲程。例如在时间点t3时发生阀针4的关闭，因为在那时又关断通过线圈13的电流I。
在相应于参照图1所说明的第一实施例的燃料喷射阀中，可以实现如根据图4所示出的信号变化曲线。此外，在如参照图2所说明的第二实施例的燃料喷射阀1中，也可以利用这种信号变化曲线，如果仅仅将第一绕组40的工作原理用于该信号变化曲线的这个部分的话。
图5示出用于解释本发明的可能构型的工作原理的第三信号变化曲线图。在该信号变化曲线图中，也在横坐标上示出时间t并且在纵坐标上示出通过线圈13的电流I和阀针4的冲程h。在这里，在其不同的效果方面，示出在图3中所示出的短的电流脉冲60的可能的变型。在这里，为了直观，在图示的上部部分中示出可能的电流脉冲62，63，64，所述电流脉冲分别从时间点t0至时间点t3被产生，这在短的大约10μs的时间尺度上进行。固然，短的电流脉冲62，63，64以其幅度I1，I2，I3方面不同。
短的电流脉冲62具有最小的幅度I1。这导致阀针4的与之相应地最小的冲程h1。与之相比，短的电流脉冲63的中等幅度I2导致阀针4的中等冲程h2。据此，在这种比较下具有最大幅度I3的短的电流脉冲64也产生阀针4的最大冲程h3。
由此，由短的电流脉冲62，63，64分别产生的冲程变化过程62′，63′，64′的特征在于不同的冲程最大值h1，h2，h3。
与在较长的时间尺度上出现的、如参照图4直观地示出的冲程61′不同地，在冲程变化过程62′，63′，64′中，对应的冲程最大值h1，h2，h3仅仅短时间地、尤其点式地发展。由此，对应的结束t1，t2，t4也对被分别控制的燃料量具有按百分比计的或者说相对看来大的影响。在这里，最小的幅度I1也导致就冲程结束而言最早的时间点t1。相应地，在中等幅度I2的情况下产生用于冲程变化过程62′的冲程结束的中间时间点t2。短的电流脉冲64的在这种比较框架下的最大幅度I3也相应于冲程变化过程64′的最晚的结束t4。因此，在相对地或者说按百分比地比较在冲程变化过程62′，63′，64′上所产生的燃料控制量中出现大的差异。
在控制器42中可以存储确定数量的、用于短的电流脉冲60，62，63，64的幅度I1，I2，I3。固然，大的电流脉冲60，62，63，64的幅度的连续变化也是可能的。
本发明不限于所说明的实施例。

Claims (10)

1.燃料喷射阀(1)，尤其是用于混合压缩、外源点火的内燃机的燃料喷射设备的喷射器，其具有促动器(12)和至少能够间接地被所述促动器(12)操作的阀针(4)，其中，所述阀针(4)的阀封闭体(5)与阀座面(6)共同作用成为密封座(7)，
其特征在于，
所述促动器(12)具有至少一个线圈(13)和能够被所述线圈(13)操作的活塞体(14)，所述活塞体(14)限界液压的耦合腔(17)，并且，通过由所述耦合腔(17)来操作所述活塞体(14)使得能够至少间接地操作所述阀针(4)。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
所述活塞体(14)的端侧(18)限界所述液压的耦合腔(17)。
3.根据权利要求1或2所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
所述阀针(4)的背离所述阀封闭体(5)的端侧(19)限界所述液压的耦合腔(17)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
设置有位置固定地布置在阀壳体(2)中的耦合体(16)，所述活塞体(14)在所述耦合体(16)中被导向，并且，在所述耦合体(16)的内部构成被所述活塞体(14)限界的耦合腔(17)。
5.根据权利要求4所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
所述阀针(4)的端部(50)在所述耦合体(16)中被导向，并且，在所述耦合体(16)的内部构成的所述耦合腔(17)一方面被所述活塞体(14)限界并且另一方面被所述阀针(4)的所述端部(50)限界。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
所述活塞体(14)至少部分地由磁性或铁磁性的材料构成，并且，线圈(13)至少部分地具有第一绕组(40)，所述第一绕组相对于所述活塞体(14)的移动轴线(15)而言至少区段式地包围所述活塞体(14)。
7.根据权利要求6所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
在所述第一绕组(40)和所述活塞体(14)之间布置有导向套管(41)，所述导向套管由至少基本上非磁性的材料构成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
所述活塞体(14)至少部分地由导电的材料构成，线圈(13)至少部分地具有第二绕组(45)，并且，所述活塞体(14)这样构型，使得通过所述第二绕组(45)是能够在所述活塞体(14)中产生涡流的。
9.根据权利要求8所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
所述第二绕组(45)布置在所述活塞体(14)的背离所述耦合腔(17)的背侧(26)区域中，和/或，所述活塞体(14)至少在其背侧(26)上由导电的材料构成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料喷射阀，
其特征在于，
在所述耦合腔(17)中布置有至少一个弹簧元件(20)，所述弹簧元件向用于所述活塞体(14)的初始位置的方向加载所述活塞体(14)。
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