CN111727083A - 紧凑废气混合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于蒸发液体喷雾并随后将其混合至内燃机的排出气体(13)中的装置,所述装置包括限定纵向轴线的外壳,并且所述外壳包括:a)所述排出气体的入口(6),b)所述排出气体的出口(7),c)位于所述外壳内的导流装置(8),d)用于使来自所述导流装置的气体流偏转的偏流装置(11),e)用于将来自所述偏流装置的所述流重新导向至所述出口的重新导向区域,其中所述导流装置(8)还包括旁路开口(10),所述旁路开口(10)建立所述导流装置上游的区域和所述重新导向区域之间的流体连通。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于蒸发液体喷雾并随后将其混合至内燃机的排出气体中的装置。此外,本发明涉及一种内燃机的排出气体的后处理系统,本发明的装置并入该后处理系统中。此外,本发明涉及一种交通工具,该交通工具包括本发明的装置以及后处理系统。本发明还涉及本发明的装置的用途,该用途用于蒸发液体喷雾并随后将其混合至内燃机的排出气体中。
背景技术
在废气后处理系统的领域中,实现来自配量模块的水性尿素溶液的有效蒸发,实现所得还原剂产物(例如氨气)至排出气体的均匀混合和此后在催化组分上的均匀分布是一项众所周知的挑战。已提出一些发明来实现这点,同时使尿素沉积的风险最小化,使背压最小化并且使空间需求最小化。包括选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)系统的废气后处理系统可包括于内燃机的下游以移除或减少来自发动机的氮氧化物(NOx)排放物。SCR系统包括将还原剂引入废气流。添加混合器以有助于混合废气流中的还原剂。通过确保还原剂的均匀分布,全面混合可有助于该性能,这允许催化反应横穿催化剂的横截面均匀地结束,从而使氨泄漏和所排放NOx最小化。US2010139258涉及废气混合系统,并且更特别地涉及用于SCR系统的混合系统。
发明内容
本发明解决了用于后处理系统的现有技术混合系统的许多问题,同时自身与现有混合系统有区别。本发明得到一种紧凑混合系统,该紧凑混合系统满足功能需求,还易于制造,可与多种不同类型的配量模块一起使用,可与轴向配量和径向配量一起使用,可与多个配量模块一起使用,并且可对于不同催化剂直径进行缩放。本发明涉及一种新型紧凑废气混合系统,该系统为交通工具的废气后处理系统的一部分。在后处理系统中,离开交通工具发动机的有害排出气体穿过氧化催化剂(诸如柴油氧化催化剂(DOC))和/或颗粒过滤器(诸如柴油颗粒过滤器(DPF)),并且然后进入本发明的紧凑废气混合系统。
通常,混合系统将水性尿素溶液蒸发成还原剂、氨气,并且以短距离将还原剂与排除气体混合良好。该混合系统将排出气体和还原剂散布遍及选择性催化还原(SCR)催化剂或过滤器催化剂上SCR的表面以用于将NOx还原成无害氮气和水。在这方面,将水性尿素溶液在压力条件下经由还原剂配量模块注入至混合系统中以形成允许在碰撞金属部件之前完全地演变的液体喷雾。
本发明的目标是提供一种用于蒸发液体喷雾并随后将其混合至内燃机的排出气体中的装置,该装置包括限定纵向轴线的外壳,并且该外壳包括:
a)排出气体的入口,
b)排出气体的出口,
c)位于外壳内的导流装置,
d)用于使来自导流装置的气体流偏转的偏流装置,
e)用于将来自偏流装置的流重新导向至出口的重新导向区域,
该装置特征在于,导流装置还包括旁路开口,该旁路开口建立导流装置上游的区域和重新导向区域之间的流体连通。
在一个实施例中,导流装置包括喷嘴以用于将排出气体朝向偏流装置进行导向。在另一个实施例中,导流装置包括喷嘴以用于将排出气体和液体微滴朝向偏流装置进行导向。
在又一个实施例中,导流装置包括多个引导叶片以用于将流朝向偏流装置扩散。在另一个实施例中,导流装置包括多个引导叶片以用于将流朝向偏流装置扩散,并且还用于促进液体微滴的蒸发。
在又一个实施例中,导流装置包括多个旁路开口,这些旁路开口沿着导流装置的周边进行布置。
在又一个实施例中,偏流装置布置成使流朝大体向后方向偏转。
在又一个实施例中,偏流装置包括其中心的锥形凸起。
在又一个实施例中,本发明的装置包括涡旋挡板,该涡旋挡板位于重新导向区域处并固定至偏流装置,特别地固定至偏流装置的外部。通常,涡旋挡板还包括开口和/或涡旋叶片。优选地,涡旋挡板也固定至外壳。
在又一个实施例中,旁路开口和涡旋挡板定位成彼此面向。通常,涡旋挡板位于锥形凸起和旁路开口之间。这为当从外壳的横截面查看时的情形,其中入口限定一个端部并且出口限定另一个端部,并且导流装置和偏流装置处于两个端部之间。
在又一个实施例中,本发明的装置包括配量模块以用于将液体填入至排出气体中,该配量模块位于排出气体的入口和导流装置之间。通常,配量模块为压力雾化器。另选地,配量模块为空气辅助雾化器。
在又一个实施例中,配量模块以相对于外壳的纵向轴线的轴向方式进行布置。在另一个实施例中,配量模块以相对于外壳的纵向轴线的径向方式进行布置。
在又一个实施例中,配量模块还包括注入保护附接件。
在又一个实施例中,本发明的装置包括至少一个额外配量模块。通常,可存在2个或更多个配量模块,诸如2个,其中一个配量模块可轴向地布置并且另一个配量模块可径向地布置。
在第二方面,本发明涉及一种内燃机的排出气体的后处理系统,该后处理系统特征在于,其包括至少一个根据本发明以及上述实施例的任一者所述的装置。
在第二方面的一个实施例中,后处理系统还包括颗粒过滤器。通常,颗粒过滤器为DPF。
在第二方面的又一个实施例中,后处理系统还包括SCR催化剂。通常,SCR催化剂处于过滤器上。
在第二方面的又一个实施例中,后处理系统还包括氧化催化剂,诸如DOC。
在第二方面的又一个实施例中,后处理系统还包括氨泄漏催化剂。
在第二方面的又一个实施例中,后处理系统以线性方式进行布置。另选地,后处理系统以转回方式进行布置。
在第三方面,本发明涉及根据本发明以及上述实施例的任一者所述的至少一个装置的用途,该用途为用于蒸发液体喷雾并随后将其混合至内燃机的排出气体中。
在一个实施例中,内燃机为柴油发动机。
在另一个实施例中,内燃机为奥托发动机。
在又一个实施例中,内燃机为阿特金森发动机。
在第四方面,本发明涉及一种交通工具,该交通工具特征在于,其包括根据本发明以及上述实施例的任一者所述的后处理系统。
在一个实施例中,交通工具由柴油发动机来供能。
在另一个实施例中,交通工具由奥托发动机来供能。
在又一个实施例中,交通工具由阿特金森发动机来供能。
在又一个方面,本发明涉及根据本发明以及上述实施例的任一者所述的至少一个装置结合排出气体的后处理系统的构造的用途。
本发明的其它目标和优点根据下述描述和权利要求书将显而易见。
附图说明
图1示出了包括本发明的装置的后处理系统,该装置用于蒸发液体喷雾并随后将其混合至内燃机的排出气体中。
图2示出了图1的后处理系统。
图3示出了本发明的混合装置的一个实施例,示为3D状剖视图。
图4示出了本发明的混合装置的一个实施例,示为剖视图。
图5为本发明的装置的一个实施例的外壳和外壳内的部件的分解图。
图6示出了具有旁路开口的导流装置的一个实施例。
图7示出了具有涡旋挡板的偏流装置的一个实施例。
具体实施方式
广义而言,本发明存在许多优点,以及实施例存在甚至更多有利的方面。
在本发明领域中,实现来自配量模块的水性尿素溶液的有效蒸发,实现所得还原剂产物(例如氨气)至排出气体的均匀混合和此后在催化组分上的均匀分布是一个众所周知的问题。已提出一些现有技术装置来实现这点,同时使尿素沉积的风险最小化,使背压最小化并且使空间需求最小化。
本发明实现了所有上述目标,同时自身与现有装置有区别。本发明得到一种紧凑混合系统,该紧凑混合系统满足功能需求,还易于制造,可与多种不同配量模块一起使用,可与轴向配量和径向配量一起使用,可与多个配量模块一起使用,并且可对于不同催化剂直径进行缩放。本发明的另一个优点在于,可以串列方式使用一个以上的混合装置。导流装置的局部流旁路开口有助于强制性流逆转。当存在时,具有穿孔的后注入导流装置接纳该流,这允许喷雾在碰撞金属部件之前完全地演变。导流装置的叶片用于使流扩散并且使液体蒸发。当存在时,偏流装置上的涡旋挡板解决了其后的低压区域。涡旋挡板将热量从排出气体传递至偏流装置,从而使沉积问题最小化。注入可轴向地和径向地发生(图中示为径向)。该注入可允许配量模块结合多个不同排出气体入口的多个不同位置,并且其还允许不同微滴尺寸的多种不同配量单位。对于空气辅助配量系统,可将额外装置添加于喷嘴上,诸如配量模块注入保护附接件。
如本文所用,术语“液体”是指适合于形成还原剂的液体,该还原剂使有害气体(诸如DEF(柴油废气流体))和尿素水溶液还原。
如本文所用,术语“纵向轴线”是指外壳内部的假想轴线,该假想轴线限定了外壳针对排出气体流的取向以及导流装置和偏流装置的位置。
如本文所用,关于将来自偏流装置的流重新导向至出口的术语“重新导向区域”是指由外壳的壁、导流装置和偏流装置所形成的区域,在图4中还示为附图标记(24)。
如本文所用,术语“旁路开口”是指任何尺寸的开口,只要它们足够大以有助于所需流逆转,诸如圆形、多边形或其它开口。这些开口建立导流装置上游的区域和重新导向区域之间的流体连通,从而绕过偏流装置和叶片。流体意指液体和气体两者,并且涵盖液体、气体以及液体和气体的混合物。
如本文所用,术语“喷嘴”是指具有锥部或收缩部的短管,该短管用于(如在软管上)加速或导向流体流。术语喷嘴包括具有收缩部的导流装置。
如本文所述及,导流装置包括多个引导叶片以用于将流朝向偏流装置扩散。多个是指位于导流装置内部的2个或更多个叶片,并且通常为1个至5个引导叶片,诸如3个引导叶片。根据其尺寸,可设想出更多个引导叶片。
如本文所述及,导流装置包括多个旁路开口,这些旁路开口沿着导流装置的周边进行布置。多个是指2个或更多个开口,并且通常为15个至30个,诸如20个至25个开口。根据其尺寸,可设想出更多个开口。
如本文所用,术语“涡旋挡板”是指具有开口的壁,该壁具有涡旋叶片以用于产生涡旋的气体。此类挡板的典型形式为环形圈,并且一个实施例示于图7中。
根据本发明的方法和装置现将参考附属图1至图7来更详细地描述。附图示出实施本发明的一种方式,并且不应视为以任何方式限制本发明。
导流装置叶片(9)通过焊接、钎焊或本领域技术人员已知的任何其它固定附接方法组装至导流装置(8)中。具有导流装置开口(10)的导流装置(8)可通过压制、深拉伸、冲压或本领域技术人员已知的任何其它金属加工方法来制备。具有叶片的导流装置通过焊接、钎焊或本领域技术人员已知的任何其它固定附接方法组装至适当位置并与外壳组装在一起。
偏流装置(11)可通过深拉伸、旋压或本领域技术人员已知的任何其它金属成形方法来制备。利用压制和冲压操作,涡旋挡板(12)可进行一体式制备。利用焊接、钎焊或本领域技术人员已知的任何其它固定附接方法,涡旋挡板(12)固定至偏流装置(11)和外壳(16)。
外壳(16)可通过轧制板材金属,焊接或钎焊接缝和形成端部进行制备。注入保护附接件(22)可通过轧制预切割板材金属坯料并焊接进行制备。
待使用的材料可为不锈钢,不锈钢具有低热膨胀性、耐尿素腐蚀性,并且具有良好可成形性和可焊接性。
图1示出了后处理系统,该后处理系统具有进入口(19)以用于排出气体进入后处理系统,其中箭头(13)指示废气流方向。在操作期间,排出气体首先进入入口模块(6),然后进入DOC(1)并且此后进入DPF(2)。用于蒸发液体喷雾(诸如还原剂)并随后混合(18)至内燃机的排出气体中的装置(3)位于DPF(2)之后和SCR(4)之前。在排出气体已以混合系统(3)中的还原剂处理之后,将该气体输送至SCR(4)并且然后输送通过具有SCR催化剂的区域(5)以及氨氧化区域。此后,经处理的排出气体首先通过出口模块和然后通过退出口(20)并且以如所示的流动方向(13),离开后处理系统。
图2示出了图1的后处理系统(进入口(19)和退出口(20)除外),示为剖视图。排出气体(13)通过混合系统入口进入废气混合系统(3)(在排出气体离开DPF(2)之后开始),并且然后移动至具有叶片(9)的导流装置(8),其中水性尿素溶液作为喷雾经由还原剂配量模块(18,图1)引入至排出气体中。允许水性尿素溶液喷雾在碰撞金属部件之前完全地演变成最大数量的微滴。收集承载水性尿素溶液微滴的排出气体并引导通过导流装置(8),其中微滴部分地冲击导流装置叶片(9)并且随后蒸发以形成气态氨气。将承载气态氨气的排出气体引导通过导流装置(8)并引导至偏流装置(11),其中该流逆转180°并且经由SCR(4)通过涡旋挡板(12)的开口(图7中指示为(26))引导朝向出口模块(7)并且引导朝向SCR氨氧化区域(5)。同时,随着收集承载水性尿素溶液微滴的排出气体并引导通过导流装置(8),排出气体还穿过导流装置(8)的旁路开口(10)。将已穿过导流装置(8)的旁路开口(10)和偏流装置(11)的排出气体进行混合并且在排出气体流(13)的大致方向上进行输送。混合气态流穿过涡旋挡板(12),这引起该流采取涡旋运动,该涡旋运动有助于混合并且防止偏流装置(11)的背侧(与其中承载水性尿素溶液微滴的排出气体撞击偏流装置(11)并且该流逆转180°的侧部相对)上的低压区域。均匀混合的气体然后将穿过SCR(4)并且如上文所描述持续。
图3示出了本发明的混合装置,示为3D状剖视图。混合装置(3)包括外壳(16),外壳(16)为圆柱形并限定纵向轴线。在外壳(16)中,固定件(17)适于接纳配量模块,其中当后处理系统在交通工具(诸如柴油货车等)中操作时,还原剂(诸如尿素水溶液)将喷洒至排出气体中。还如上文图2所解释,外壳包括导流装置(8),导流装置(8)具有并入的叶片(9)并且具有旁路开口(10),旁路开口(10)处于圆形导流装置(8)的周边。为在操作期间产生排出气体流的180°逆转,偏流装置布置于外壳的纵向轴线上,使得排出气体流经由导流装置(8)进行移动并且借助于具有涡旋挡板(12)的偏流装置(图2指示为11)迫使成为逆转流,涡旋挡板(12)位于圆形偏流装置的周边。
图4示出了本发明的混合装置的剖视图(如图2和图3所示的(3))。当后处理系统随着发动机运转而操作时,排出气体将进入混合装置的外壳(16)的入口(14)并且在到达位于外壳(16)内的导流装置(8)之前流动通过入口区域或上游区域(23)。穿过导流装置(8)并且经由偏流装置(11)来输送的排出气体将在重新导向区域(24)中进行混合以用于将来自偏流装置(11)的流重新导向朝向外壳(16)的出口(15),其中排出气体流穿过导流装置(8)的开口(10)。然后,将重新导向区域(24)的气体通过涡旋挡板(12)的开口输送至出口区域或下游区域(25),还经由外壳(16)的出口(15)进行输送,并且输送至SCR(未示出)中。另外,空气辅助还原剂配量模块(21)布置于外壳(16)中,其中液体(诸如水性尿素溶液,特别是尿素水溶液)在操作期间填入排出气体中,使得与尿素溶液混合的至少一些排出气体将冲击叶片(9)并蒸发。配量模块注入保护附接件(22)指示用于保护配量模块(21)的水性尿素溶液喷雾。
图5为本发明的混合装置的分解图,示出了其相关部件以及组装次序,这将在下文更详细地描述。导流装置(8)通常包括两个部件(未示出),包括管部件以及压制和冲压部件;该管部件具有针对叶片(9)所切割的狭槽并形成收缩部(喷嘴),该压制和冲压部件形成圆形装置,该圆形装置在其周边具有开口(10)以及用于接合管部件的收缩部。偏流装置(11)通常进行深拉伸,并且涡旋挡板(12)接合偏流装置并且从外部进行完全焊接。所有三个部件装配至外壳(16)中,外壳(16)还配备有还原剂配量模块固定件(17),其中该固定件布置于外壳中,从而从外部形成开口以用于当后处理系统操作时将液体引入至排出气体中。
图6示出了导流装置(8),导流装置(8)形成本发明的混合装置的一部分。所示的导流装置(8)为圆形并且形成喷嘴以用于将排出气体导向朝向如图2至图4所示的偏流装置,并且具有位于导流装置的周边的一些旁路开口(10)。
图7示出了偏流装置(11),偏流装置(11)具有位于该偏流装置的周边的涡旋挡板(12)。涡旋叶片(26)为挡板(12)的一部分,其产生涡旋的排出气体混合物。涡旋叶片(26)使穿过涡旋挡板开口的排出气体形成涡旋,使得其使排出气体流涡旋并导向朝向后处理系统的纵向轴线。这消除了偏流装置之后的低压区域,进一步混合了气体,并且使流和还原剂两者在催化剂表面处的分布均匀,从而改善催化还原效率。
本发明的混合装置可通过各种制备方法来制成,下文为制备参考图1至图7所更详细描述的装置的一个实施例的一种方式。
导流装置(8)可为两个部件,其中将管部件进行激光切割并且将具有开口(10)的圆形部件进行压制和冲压,并且然后导流装置(8)形成喷嘴。导流装置(8)的管部件具有切割狭槽以用于使其易于接纳叶片(9)。将叶片(9)进行激光切割并弯曲。导流装置(8)的两个部件从外部进行完全焊接,并且叶片(9)从外部滑入并焊接。将涡旋挡板(12)进行激光切割并压制,并且将偏流装置(11)进行深拉伸。涡旋挡板(12)和偏流装置通过从外部完全焊接进行组装。将外壳(16)进行激光切割(包括配量模块的孔)、轧制和焊接,将端部处理进行压制。最终组件包括涡旋挡板(12)和偏流装置(11),将涡旋挡板(12)和偏流装置(11)推送至外壳(16)中并通过外壳的狭槽进行焊接。将具有叶片(9)的导流装置(8)推送至外壳(16)中并在外壳(16)内部完全地焊接。此外,配量模块固定件(17)完全地焊接于外壳的壁中。所有材料为不锈钢。
本文所引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)以这样的程度通过引用方式并入本文中,其中如同每个参考文献单个地和特别地指明全文以引用方式并入并且在此完成阐释一样。
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如本文所用,术语“和/或”旨在意指两种替代形式以及单独地意指替代形式的任一者。例如,表达“xxx和/或yyy”意指“xxx和yyy;xxx;或yyy”,所有三种替代形式隶属于单独实施例。
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本发明在适用法律所允许的最大程度上包括本文所呈现的多个方面或权利要求所表述的主题的所有修改和等同物。
前述描述所公开的特征可单独地和以其任何组合为用于以各种形式实现本发明的材料。
Claims (26)
1.一种用于蒸发液体喷雾并随后将其混合至内燃机的排出气体中的装置,所述装置包括限定纵向轴线的外壳,并且所述外壳包括:
a)所述排出气体的入口,
b)所述排出气体的出口,
c)位于所述外壳内的导流装置,
d)用于使来自所述导流装置的气体流偏转的偏流装置,
e)用于将来自所述偏流装置的所述流重新导向至所述出口的重新导向区域,
其特征在于,所述导流装置还包括旁路开口,所述旁路开口建立所述导流装置上游的区域和所述重新导向区域之间的流体连通。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述导流装置包括喷嘴以用于将所述排出气体朝向所述偏流装置进行导向。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述导流装置包括多个引导叶片以用于将所述流朝向所述偏流装置扩散。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置包括多个旁路开口,所述多个旁路开口沿着所述导流装置的周边进行布置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述偏流装置布置成使所述流朝大体向后方向偏转。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述偏流装置包括其中心的锥形凸起。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置包括涡旋挡板,所述涡旋挡板位于所述重新导向区域处并且固定至所述偏流装置,并且其特征在于,所述涡旋挡板还包括开口和/或涡旋叶片。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述涡旋挡板也固定至所述外壳。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的装置,其特征在于,所述旁路开口和所述涡旋挡板定位成彼此面向。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置,其特征在于,所述涡旋挡板位于所述锥形凸起和所述旁路开口之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置包括配量模块以用于将液体填入至所述排出气体中,所述配量模块位于所述排出气体的入口和所述导流装置之间。
12.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,所述配量模块选自压力雾化器和空气辅助雾化器。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的装置,其特征在于,所述配量模块以相对于所述外壳的所述纵向轴线的轴向方式进行布置或以相对于所述外壳的所述纵向轴线的径向方式进行布置。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置,其特征在于,所述配量模块还包括注入保护附接件。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包括至少一个额外配量模块。
16.一种内燃机的排出气体的后处理系统,其特征在于,所述后处理系统包括至少一个根据权利要求1至15中任一项所述的装置。
17.根据权利要求16所述的内燃机的排出气体的后处理系统,其特征在于,所述后处理系统还包括颗粒过滤器。
18.根据权利要求16或17所述的内燃机的排出气体的后处理系统,其特征在于,所述后处理系统还包括选择性催化还原催化剂。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的内燃机的排出气体的后处理系统,其特征在于,所述后处理系统还包括氧化催化剂。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的内燃机的排出气体的后处理系统,其特征在于,所述后处理系统还包括氨泄漏催化剂。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的内燃机的排出气体的后处理系统,其特征在于,所述后处理系统以线性方式进行布置。
22.根据权利要求16至20中任一项所述的内燃机的排出气体的后处理系统,其特征在于,所述后处理系统以转回方式进行布置。
23.根据权利要求1至15中任一项所述的装置在用于蒸发液体喷雾并随后将其混合至内燃机的排出气体中的用途。
24.根据权利要求23所述的用途,其特征在于,所述内燃机为柴油发动机、奥托发动机或阿特金森发动机。
25.一种交通工具,其特征在于,所述交通工具包括根据权利要求16至24中任一项所述的后处理系统。
26.根据权利要求25所述的交通工具,其特征在于,所述交通工具由柴油发动机、奥托发动机或阿特金森发动机来供能。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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