CN106481481B - 废热回收系统的回收能量转移方法 - Google Patents

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Abstract

一种废热回收系统的回收能量转移装置和转移方法，废热回收系统的回收能量转移装置包括：输入单元，连接至废热回收系统的膨胀器并且可通过膨胀器的回收能量旋转；以及一个或多个输出单元，用于接收输入单元的扭矩并且将该扭矩输出至发电机、车辆的发动机以及用于车辆的动力输出中的至少一个。

Description

废热回收系统的回收能量转移方法
相关申请的交叉引证
本申请要求于2015年8月24日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0119065号的优先权的权益，其全部公开内容通过引证结合于此。
技术领域
本公开涉及一种废热回收系统的回收能量转移装置，并且更具体地，涉及这样一种废热回收系统的回收能量转移装置，即，该装置能够通过降低回收能量的浪费来显著提高燃料效率。
背景技术
内燃发动机已被广泛用于车辆、船只、小型发电机等，并且已连续进行改进内燃发动机的效率的尝试。在内燃发动机中，大量热量通常作为废热排出，并且已开发了用于通过回收废热作为能量来提高内燃发动机的效率的废热回收系统。
废热回收系统被构造为将从发动机排出的废热回收作为能量，将所回收的能量转换为电能或机械能，并且在车辆的发动机、其他电气配件等中利用该电能或机械能。
废热回收系统被构造为包括郎肯循环(Rankine cycle，兰金循环)以便有效回收发动机的废热。郎肯循环包括工作介质循环所通过的循环路径，并且该郎肯循环的循环路径设置有：锅炉(蒸发器)，用于通过发动机的废热(废气的热量和/或废气再循环(EGR)气体的热量)来加热和蒸发工作介质；膨胀器，用于使从锅炉提供的工作介质膨胀以生成旋转动力；冷凝器，用于冷凝从膨胀器排出的工作介质；以及泵，用于使工作介质在循环路径上循环。
将上述废热回收系统的回收能量作为辅助动力转移至发动机或者利用该回收能量来储存发电机的电能的方案已被使用。然而，在这种方案的情况下，回收能量的利用策略不是有效的。
发明内容
已做出本公开以解决在现有技术中出现的上述问题，同时完整地保持由现有技术实现的优点。
本公开的一方面提供了一种废热回收系统的回收能量转移装置，该装置能够通过在车辆中需要辅助动力的条件下，将回收能量转移至车辆的发动机或用于车辆的动力输出器(PTO)，并且在辅助动力可能不转移至车辆侧的条件(车辆的刹车、停止、停车等)下，在无损耗的情况下，将通过废热回收系统获得的回收能量转移至交流发电机以降低回收能量的浪费，从而显著改进燃料效率。
根据本公开的示例性实施方式，废热回收系统的回收能量转移装置可包括：输入单元，连接至废热回收系统的膨胀器并且可通过膨胀器的回收能量旋转；以及一个或多个输出单元，用于接收输入单元的扭矩并且将该扭矩输出至发电机、车辆的发动机以及用于车辆的动力输出器(PTO)中的至少一个。
输入单元可具有轴以及设置在该轴的外周表面上的输入齿轮，并且膨胀器的输出轴可耦接至该轴。
输出单元可包括：第一输出单元，连接至发电机；以及第二输出单元，连接至车辆的发动机或用于车辆的PTO。
第一输出单元可具有轴以及设置在该轴的外周表面上的第一输出齿轮，并且发电机的输出轴可耦接至该轴。
第二输出单元可具有轴以及设置在该轴的外周表面上的第二输出齿轮，并且车辆的发动机和用于车辆的PTO中的任一个可连接至该轴。
废热回收系统的回收能量转移装置可进一步包括一个或多个转移单元，该一个或多个转移单元介于输入单元与输出单元之间并且将输入单元的扭矩转移至输出单元。
转移单元可包括：第一转移单元，布置在输入单元与第一输出单元之间并且将输入单元的扭矩转移至第一输出单元；以及第二转移单元，布置在输入单元与第二输出单元之间并且将输入单元的扭矩转移至第二输出单元。
第一转移单元可具有：轴；输入侧齿轮，设置在该轴的一侧处；以及输出侧齿轮，设置在该轴的另一侧处，并且输入侧齿轮可与输入单元的输入齿轮啮合，并且输出侧齿轮可与第一输出单元的第一输出齿轮啮合。
第二转移单元可具有：轴；输入侧齿轮，设置在该轴的一侧处；以及输出侧齿轮，设置在该轴的另一侧处。
第二转移单元的输入侧齿轮可与输入单元的输入齿轮啮合，并且第二转移单元的输出侧齿轮可与第二输出单元的第二输出齿轮啮合。
离合器可安装在第二输出单元的轴处，该离合器连接或阻挡输入单元的扭矩通过第二输出单元的转移。
带轮可安装在第二输出单元的轴处，该带轮通过带连接至发动机的曲柄轴。
用于车辆的动力输出器(PTO)的轴可连接至第二输出单元的轴。
根据本公开的另一示例性实施方式，废热回收系统的回收能量转移装置可包括：输入单元，连接至废热回收系统的膨胀器并且可通过膨胀器的回收能量旋转；第一输出单元，连接至发电机；第二输出单元，连接至液压回路；第一转移单元，用于将输入单元的扭矩转移至第一输出单元；以及第二转移单元，用于将输入单元的扭矩转移至第二输出单元，其中，液压回路包括连接至第二输出单元的液压泵以及连接至车辆的发动机或用于车辆的PTO的液压电机。
允许液压电机选择性处于无负载状态的压力释放阀可被连接。
根据本公开的又一示例性实施方式，一种废热回收系统的使用废热回收系统的回收能量转移装置的回收能量转移方法，回收能量转移装置包括：输入单元，连接至废热回收系统的膨胀器并且通过膨胀器的回收能量旋转；第一输出单元，连接至发电机；第二输出单元，连接至车辆的发动机或连接至用于车辆的动力输出器；第一转移单元，用于将输入单元的扭矩转移至第一输出单元；以及第二转移单元，用于将输入单元的扭矩转移至第二输出单元，回收能量转移方法可包括：获取关于车辆的信息；以及当基于关于车辆的信息判定需要辅助动力时，将膨胀器的回收能量转移至第一输出单元和第二输出单元中的至少一个单元。
废热回收系统的回收能量转移方法可进一步包括：当判定需要辅助动力时，判定膨胀器的输出是否大于车辆的消耗功率；当膨胀器的输出大于车辆的消耗功率时，判定电池的充电状态是否大于第一设定值；以及当电池的充电状态大于第一设定值时，将膨胀器的回收能量转移至第一输出单元和第二输出单元两者。
废热回收系统的回收能量转移方法可进一步包括：当判定需要辅助动力时，判定膨胀器的输出是否大于车辆的消耗功率；当膨胀器的输出大于车辆的消耗功率时，判定电池的充电状态是否大于第一设定值；以及当电池的充电状态小于第一设定值且大于第二设定值时，只将膨胀器的回收能量转移至第一输出单元。
废热回收系统的回收能量转移方法可进一步包括：当判定需要辅助动力时，判定膨胀器的输出是否大于车辆的消耗功率；当膨胀器的输出大于车辆的消耗功率时，判定电池的充电状态是否大于第一设定值；以及当电池的充电状态小于第一设定值和第二设定值时，只将膨胀器的回收能量转移至第二输出单元。
废热回收系统的回收能量转移方法可进一步包括：当判定需要辅助动力时，判定膨胀器的输出是否大于车辆的消耗功率；以及当膨胀器的输出小于车辆的消耗功率时，只将膨胀器的回收能量转移至第二输出单元。
废热回收系统的回收能量转移方法可进一步包括：当判定不需要辅助动力时，只将膨胀器的回收能量转移至第一输出单元。
附图说明
从以下结合附图进行的详细说明中，本公开的以上和其他目的、特征和优点将更加显而易见。
图1是示出根据本公开的示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移装置的视图。
图2是示出根据本公开示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移装置用在废热回收系统与配件之间的状态的视图。
图3是沿着图1的线A-A截取的截面图。
图4是示出根据本公开的另一示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移装置的视图。
图5是示出根据本公开的示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式。用于参考，在描述本公开时所提及的附图中所示的组件的尺寸、线条的粗细等可被放大以帮助理解。此外，由于在本公开的描述中所使用的术语是通过考虑本公的功能而限定的，因此可根据用户和操作者、顾客等的意图来改变。因此，应基于本公开的所有内容来限定这些术语。
图1和图2是示出根据本公开示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移装置的视图。
参考图2，废热回收系统10可包括郎肯循环，该郎肯循环用于回收从发动机排出的废热以生成回收动力。
郎肯循环可包括安装在循环路径15上的蒸发器(锅炉)11、膨胀器12、冷凝器13以及泵14，工作介质通过该循环路径循环。蒸发器11可通过发动机的废热(废气的热量和/或废气再循环(EGR)气体的热量)来加热和蒸发工作介质以便生成蒸发的工作介质，膨胀器12可使从蒸发器11提供的工作介质膨胀以生成回收能量，冷凝器13可冷凝从膨胀器12排出的工作介质以生成液相工作介质，并且泵14可将来自冷凝器13的工作介质提供至蒸发器11。
参考图1和图2，根据本公开的示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移装置可包括：输入单元110，废热回收系统的膨胀器12连接至该输入单元；一个或多个输出单元210和220；以及一个或多个转移单元310和320。
输入单元110可具有轴112以及设置在轴112的外周表面上的输入齿轮111。轴112可具有形成在该轴的一个端部表面中的耦接孔112a，并且膨胀器12的输出轴12a可耦接至轴112的耦接孔112a。
输入单元110的轴112可由壳体100中的轴承141可旋转地支撑。
输出单元210和220可包括：第一输出单元210，连接至发电机20；以及第二输出单元220，连接至车辆的发动机或连接至用于车辆的动力输出器(PTO)。
第一输出单元210可具有轴211以及设置在轴211的外周表面上的第一输出齿轮212。轴211可具有形成在该轴的一个端部表面中的耦接孔211a，并且发电机20的输出轴21可耦接至第一输出单元210的耦接孔211a。
第一输出单元210的轴211可由壳体100中的轴承142可旋转地支撑。
第二输出单元220可具有轴221以及设置在轴221的外周表面上的第二输出齿轮222。
第二输出单元220的轴221可由壳体100中的轴承143可旋转地支撑。
根据示例性实施方式，如图1和图2所示，带轮35可安装在第二输出单元220的轴221的一端处。带轮35可通过带连接至发动机的曲柄轴31。因此，第二输出单元220的扭矩可转移至发动机的曲柄轴31。
根据可替代示例性实施方式，用于车辆的PTO(诸如发动机PTO、变速器PTO等)的轴(未示出)可连接至第二输出单元220的轴221。因此，第二输出单元220的扭矩可转移至用于车辆的PTO。
同时，离合器38可安装在第二输出单元220的轴221处。离合器38可连接或阻挡输入单元110的扭矩通过第二输出单元220的转移。例如，在PTO、车辆的发动机等中需要辅助动力的情况(车辆的巡航控制或动力输出操作)下，离合器28可被接合，使得膨胀器12的回收能量可通过第二输出单元220转移至PTO或车辆的发动机，并且在辅助动力可能不转移至PTO、车辆的发动机等的情况(车辆的刹车、停止、停车等)下，离合器38可脱离，使得膨胀器12的回收能量通过第二输出单元220向PTO或车辆的发动机的转移可被阻挡，并且膨胀器12的所有回收能量可通过第一输出单元210转移至发电机20。因此，降低了回收能量的浪费，由此使得有可能显著改进车辆的燃料效率。
转移单元310和320可包括：第一转移单元310，布置在输入单元110与第一输出单元210之间用于将输入单元110的扭矩转移至第一输出单元210；以及第二转移单元320，布置在输入单元110与第二输出单元220之间用于将输入单元110的扭矩转移至第二输出单元220。
第一转移单元310可具有：轴313；输入侧齿轮311，设置在轴313的一侧处；以及输出侧齿轮312，设置在轴313的另一侧处。
第一转移单元310的轴313可由壳体100中的轴承144可旋转地支撑。
如图1和图3所示，第一转移单元310的输入侧齿轮311可与输入单元110的输入齿轮111啮合，并且第一转移单元310的输出侧齿轮312可与第一输出单元210的第一输出齿轮212啮合。因此，输入单元110的扭矩可通过第一转移单元310和第一输出单元210转移至发电机20。
根据示例性实施方式，第一转移单元310的输入侧齿轮311所具有的直径可大于第一转移单元310的输出侧齿轮312的直径，第一转移单元310的输入侧齿轮311所具有的直径可大于输入齿轮111的直径，并且第一转移单元310的输出侧齿轮312所具有的直径可小于第一输出单元210的第一输出齿轮212的直径。
同时，输入单元110的输入齿轮111、第一转移单元310的输入侧齿轮311、第一转移单元310的输出侧齿轮312以及第一输出单元210的第一输出齿轮212之间的齿轮比(gearratio，传动比)可由各种减速齿轮比或加速齿轮比形成。
例如，输入单元110的输入齿轮111、第一转移单元310的输入侧齿轮311、第一转移单元310的输出侧齿轮312以及第一输出单元210的第一输出齿轮212之间的齿轮比可由大约1/20的减速齿轮比形成。此外，输入单元110的输入齿轮111、第一转移单元310的输入侧齿轮311、第一转移单元310的输出侧齿轮312以及第一输出单元210的第一输出齿轮212之间的齿轮比可根据膨胀器12的输出而由各种齿轮比的组合形成。
第二转移单元320可具有：轴323；输入侧齿轮321，设置在轴323的一侧处；以及输出侧齿轮322，设置在轴323的另一侧处。
第二转移单元320的轴323可由壳体100中的轴承145可旋转地支撑。
如图1和图3所示，第二转移单元320的输入侧齿轮321可与输入单元110的输入齿轮111啮合，并且第二转移单元320的输出侧齿轮322可与第二输出单元220的第二输出齿轮222啮合。因此，输入单元110的扭矩可转移至第二转移单元320和第二输出单元220，并且第二输出单元220的扭矩可通过第二输出单元220的带轮35转移至发动机的曲柄轴31或者通过第二输出单元220转移至用于车辆的PTO。
此外，第二转移单元320可进一步包括辅助齿轮324，该辅助齿轮与第一输出单元210的第一输出齿轮212啮合。第二转移单元320另外可通过辅助齿轮324将第一输出齿轮212的扭矩转移至第二输出单元210，由此使得能够更顺利地转移辅助动力。
根据示例性实施方式，第二转移单元320的输入侧齿轮321所具有的直径可大于第二转移单元320的输出侧齿轮322和辅助齿轮324的直径，第二转移单元320的输入侧齿轮321所具有的直径可大于输入齿轮111的直径，并且第二转移单元320的输出侧齿轮322所具有的直径可小于第二输出单元220的第二输出齿轮222的直径。
同时，输入单元110的输入齿轮111、第二转移单元320的输入侧齿轮321、第二转移单元320的输出侧齿轮322以及第二输出单元220的第二输出齿轮222之间的齿轮比可由各种减速齿轮比或加速度齿轮比形成。
例如，输入单元110的输入齿轮111、第二转移单元320的输入侧齿轮321、第二转移单元320的输出侧齿轮322以及第二输出单元220的第二输出齿轮222之间的齿轮比可由大约1/100的减速齿轮比形成。此外，输入单元110的输入齿轮111、第二转移单元320的输入侧齿轮321、第二转移单元320的输出侧齿轮322以及第二输出单元220的第二输出齿轮222之间的齿轮比可根据膨胀器12的输出而由各种齿轮比的组合形成。
根据示例性实施方式，发电机20可由布置为邻近于车辆的发动机的交流发电机形成。因此，根据本公开的壳体100可安装在这样的位置处，即，在该位置处布置有现有的交流发电机，由此能够使现有布局的改变最小。
此外，如图2所示，电池25可通过电力线23连接至发电机20。因此，由发电机20生成的电能可为电池25充电，和/或存储在电池25中。此外，通过发电机20与电池25之间的电力线23，电力可提供至废热回收系统10的循环泵、废热回收系统10的控制器16、冷却剂循环泵(未示出)等。
图4是示出根据本公开的另一示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移装置的视图。
参考图4，根据本公开的另一示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移装置可包括：输入单元110，废热回收系统10的膨胀器12可连接至该输入单元；第一输出单元210，连接至发电机20；第二输出单元220，连接至液压回路50；第一转移单元310，将输入单元110的扭矩转移至第一输出单元210；以及第二转移单元320，用于将输入单元110的扭矩转移至第二输出单元220。
液压回路50可具有：液压泵51，连接至第二输出单元220的输出轴221；以及液压电机52，连接至车辆的发动机或用于车辆的PTO。
液压泵51与液压电机52可通过液压管线53彼此连接，旁通线路55可连接至液压电机52的入口和出口，并且允许液压电机52选择性处于无负载状态的压力释放阀54可安装在旁通线路55上。
压力释放阀54可被构造为通过致动器切换为卸载位置和装载位置中的任一个位置。本文中，压力释放阀54的通道可在卸载位置(unloading position)处打开而在装载位置(loading position)处关闭。
由于液压电机52可通过压力释放阀54和旁通线路55而选择性处于无负载状态，所以在另一示例性实施方式中，压力释放阀54和旁通线路55可执行与离合器38对应的功能。
例如，在车辆的发动机、PTO等中需要辅助动力的情况(车辆的巡航控制或动力输出操作)下，压力释放阀54可切换为装载位置，使得膨胀器12的回收能量可通过第二输出单元220转移至PTO或车辆的发动机，并且在辅助动力可能不转移至PTO、车辆的发动机等中的情况(车辆的刹车、停止、停车等)下，压力释放阀54可切换为卸载位置，使得膨胀器12的回收能量通过第二输出单元220向PTO或车辆的发动机的转移可被阻挡，并且膨胀器12的所有回收能量可通过第一输出单元210转移至发电机20。因此，降低了回收能量的浪费，由此使得有可能显著改进车辆的燃料效率。
图5是示出根据本公开的示例性实施方式的废热回收系统的回收能量转移方法的流程图。
首先，可通过车辆的电子控制单元(ECU)等获得关于车辆的各种信息，诸如，发动机的每分钟转数(RPM)、车辆速度、加速踏板的打开率、制动踏板是否被操作、车辆的消耗功率、膨胀器的RPM、膨胀器的入口和出口的压力/温度、废热回收系统的工作流体的流动速率等(S1)。
基于关于车辆的信息来判定可能需要辅助动力(S2)。通过感测车辆是否处于巡航控制状态、是否从车辆的发动机或变速器等执行动力输出操作来判定可能需要辅助动力的条件。
当不需要辅助动力时，即，当辅助动力不会被转移时，离合器38可脱离或者压力释放阀54可切换为卸载位置以便只将膨胀器12的回收能量转移至第一输出单元210，使得膨胀器12的所有回收能量可用于为发电机20充电(S7)。
此外，当需要辅助动力时，可以判定膨胀器12的输出(通过将回收能量转换为动力值而获得的值)是否大于车辆的消耗功率(S3)。
当膨胀器12的输出小于车辆的消耗功率时，在离合器38啮合或压力释放阀54切换为装载位置的状态(即，第二输出单元220连接的状态)下，膨胀器12的回收能量可只转移至第二输出单元220，由此将辅助动力转移至PTO或车辆的发动机(S8)。
当膨胀器12的输出大于车辆的消耗功率时，可以判定电池25的充电状态(stateof charge，电量状态)(SoC)是否大于第一设定值V1(S4)。本文中，第一设定值V1例如可以对应于电池25的全部充电状态的大约80％，该第一设定值可以是可允许膨胀器12的回收能量用于转移辅助动力并且为发电机20充电的值。
当电池25的充电状态(SoC)大于第一设定值V1时，膨胀器12的回收能量可转移至第一输出单元210和第二输出单元220两者，由此使得能够将辅助动力转移至PTO或车辆的发动机并且为发电机20充电(S6)。
可以判定电池25的充电状态(SoC)是否小于第一设定值V1和/或大于第二设定值V2(S5)。本文中，第二设定值V2可例如对应于电池25的全部充电状态的大约20％，该第二设定值可以是允许膨胀器12的回收能量不用于转移辅助动力并且允许膨胀器12的回收能量只用来为发电机20充电的值。
当电池25的充电状态(SoC)小于第一设定值V1且大于第二设定值V2时，膨胀器12的回收能量可只转移至第一输出单元210，由此为发电机20充电(S7)。
此外，当电池25的充电状态(SoC)小于第一设定值V1和第二设定值V2时，膨胀器12的回收能量可只转移至第二输出单元220，由此将辅助动力转移至PTO或车辆的发动机(S8)。
如上所述，根据本公开的示例性实施方式，在车辆中需要辅助动力的条件下，可将回收能量转移至车辆的发动机或用于车辆的PTO，并且在辅助动力不会转移至车辆的条件(车辆的刹车、停止、停车等)下，在无损耗的情况下，将通过废热回收系统获得的回收能量转移至交流发电机以降低回收能量的浪费，由此使得有可能显著提高燃料效率。
在上文中，尽管已参考示例性实施方式和附图描述了本公开，但本公开不限于此，在不背离所附权利要求中要求保护的本公开的精神和范围的情况下，可由本公开所属领域的技术人员进行各种修改和改变。
附图中各元件的符号
10：废热回收系统
11：蒸发器
12：膨胀器
13：冷凝器
14：泵
15：循环路径
100：壳体
110：输入单元
111：输入齿轮
210：第一输出单元
212：第一输出齿轮
220：第二输出单元
222：第二输出齿轮
310：转移单元
311：输入侧齿轮
312：输出侧齿轮
320：第二转移单元
321：输入侧齿轮
322：输出侧齿轮
324：辅助齿轮

Claims (5)

1.一种废热回收系统的回收能量转移方法，所述回收能量转移方法使用所述废热回收系统的回收能量转移装置，所述回收能量转移装置包括：输入单元，连接至所述废热回收系统的膨胀器并且通过所述膨胀器的回收能量旋转；第一输出单元，连接至发电机；第二输出单元，连接至车辆的发动机或连接至用于车辆的动力输出器；第一转移单元，用于将所述输入单元的扭矩转移至所述第一输出单元；以及第二转移单元，用于将所述输入单元的扭矩转移至所述第二输出单元，所述回收能量转移方法包括：
获取关于车辆的信息；以及
当基于所述关于车辆的信息而判定需要辅助动力时，将所述膨胀器的回收能量转移至所述第一输出单元和所述第二输出单元中的至少一个单元，
当判定需要辅助动力时，判定所述膨胀器的输出是否大于车辆的消耗功率；
当所述膨胀器的输出大于车辆的消耗功率时，判定电池的充电状态是否大于第一设定值；以及
当所述电池的充电状态大于所述第一设定值时，将所述膨胀器的回收能量转移至所述第一输出单元和所述第二输出单元两者。
2.根据权利要求1所述的废热回收系统的回收能量转移方法，进一步包括：
当已判定需要辅助动力时，判定所述膨胀器的输出是否大于车辆的消耗功率；
当所述膨胀器的输出大于车辆的消耗功率时，判定电池的充电状态是否大于第一设定值；以及
当所述电池的充电状态小于所述第一设定值且大于第二设定值时，只将所述膨胀器的回收能量转移至所述第一输出单元。
3.根据权利要求1所述的废热回收系统的回收能量转移方法，进一步包括：
当已判定需要辅助动力时，判定所述膨胀器的输出是否大于车辆的消耗功率；
当所述膨胀器的输出大于车辆的消耗功率时，判定电池的充电状态是否大于第一设定值；以及
当所述电池的充电状态小于所述第一设定值和第二设定值时，只将所述膨胀器的回收能量转移至所述第二输出单元。
4.根据权利要求1所述的废热回收系统的回收能量转移方法，进一步包括：
当已判定需要辅助动力时，判定所述膨胀器的输出是否大于车辆的消耗功率；以及
当所述膨胀器的输出小于车辆的消耗功率时，只将所述膨胀器的回收能量转移至所述第二输出单元。
5.根据权利要求1所述的废热回收系统的回收能量转移方法，进一步包括：当已判定不需要辅助动力时，只将所述膨胀器的回收能量转移至所述第一输出单元。
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