CN1982693A - 用于限制轻型内燃机中过高的发动机转速的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

说明了一种用于轻型内燃机已进入过高转速或者自燃状态的情况的受控的减速设备和方法。对于预定大小的发动机转数来说，当发动机转速超过激活转速时，优选地开始该受控的减速方法。一旦已开始，该受控的减速方法就使用点火定时和火花率操纵的组合，以便破坏自燃条件和以受控的方式使发动机减速。优选地，受控的减速方法只是整个点火控制方法的一个部分，并且可被并入现有技术中公知的多种不同点火定时方法中的一种内或由现有技术中公知的多种不同点火定时方法中的一种来利用。

Description

用于限制轻型内燃机中过高的发动机转速的设备和方法
技术领域
本发明通常涉及轻型内燃机的点火系统，并且更特别地涉及用于限制过高的发动机转速的点火控制电路和方法。
背景技术
在此所使用的术语“轻型内燃机”广泛地包括所有类型的非汽车内燃机，这些内燃机包括但不限于与手持式动力工具一起使用的二冲程和四冲程发动机、草坪和园艺设备、割草机、杂草修整器、修边器、链锯、吹雪机、私人船、艇、雪车、摩托车、全地形车等等。大多数轻型内燃机具有某种类型的发动机转速限制装置，该发动机转速限制装置可防止发动机经受过高的转速，否则这可能导致不期望的损害或者突然失效。
例如，公知的是提供一种具有一装置的轻型内燃机，当发动机超过预定的最大转速时，所述装置通过简单地阻止将启动燃烧的火花输送到燃烧室来限制发动机转速。虽然这种方法通常是有效的，但是在某些工作条件下，发动机可能经历这样一种情况，其中即使点火系统还没有提供任何火花也会出现无意的点火。这种情况通常被称为‘自燃’，并且可包括诸如‘自燃现象’、‘回火’、‘活性根燃烧’、‘电热塞效应’等等的情况。
典型地，当发动机正在高温和/或高压缩比下运行时会产生自燃，以致存在于燃烧室中的能量的数量足以点燃空气/燃料充量而不需要火花。例如，当突然关闭或者否则停止运转高速工作的发动机时，可能在发动机中产生热点或电热塞效应，这些热点或电热塞效应足够热，以至于点燃附近的空气/燃料充量；在其中燃烧室内的压力处于升高水平的压缩冲程的过程中就特别是这种情况。
发明内容
根据一个实施例，提供一种具有曲轴、火花塞和点火系统的轻型内燃机。该点火系统通常包括用于提供发动机转速信号的传感器、控制电路以及用于给火花塞提供高压点火脉冲的点火线圈。如果发动机转速信号表示，对于预定大小的发动机转数来说，发动机转速大于激活转速，则执行受控的减速方法。
根据另一实施例，提供一种供轻型内燃机使用的点火控制方法。该方法包括以下步骤：(a)确定发动机转速，(b)将该发动机转速与激活转速进行比较，以及(c)当对于预定大小的发动机转数来说，发动机转速超过激活转速时，开始受控的减速方法。该受控的减速方法操纵点火定时和火花率(spark ratio)，以便以受控的方式使发动机的转速慢下来。
在此所公开的受控的减速方法和/或点火控制电路的至少一些潜在的目的、特征和优点包括提供了一种方法，如果发动机已进入过高转速或自燃状态，则该方法以受控的方式使发动机减速，从而避免延长的过高的发动机转速、损害、回火、蓝焰放电，并在转速升高之后，提供一种点火系统和点火控制电路，相对简单且经济地制造和装配该点火系统和点火控制电路，并且该点火系统和点火控制电路具有长的和有用的使用寿命。
附图说明
通过下面对优选实施例和最佳方式的详细描述、随附的权利要求以及附图，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得明显，其中：
图1是供轻型内燃机使用的点火系统的实施例的被拆除的部分的不完整的平面图；
图2是供图1的点火系统使用的点火控制电路的实施例的电路图；以及
图3a-3c是说明与图2的点火控制电路一起使用的受控的减速方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在此所公开的受控的减速方法限制轻型内燃机的过高的发动机转速，以便能够避免对发动机、驾驶员或其他方面的不期望的损害。优选地，受控的减速方法以某种电子指令的形式被具体化，这些电子指令可以由点火控制电路自动执行，该点火控制电路是较大的火花点火系统的部分。下面的段落描述了利用受控的减速方法的火花点火系统和点火控制电路的多个实例，然而，这些实例仅仅是说明性的实例，并且也可利用多个其他系统和电路代替。
点火系统-
参考图1，示出了用于轻型内燃机的点火系统10的实例，该点火系统10可利用在此所公开的受控的减速方法。点火系统10优选的是与飞轮12相互作用的电容放电型点火系统并且通常包括点火控制电路14、传感器或输入绕组16以及分别具有初级绕组和次级绕组18、48的点火线圈。飞轮12被耦合到发动机曲轴(未示出)并在发动机的动力作用下绕轴20旋转。通过利用其旋转惯性，飞轮缓和发动机转速中的波动，由此提供更恒定且均匀的输出。飞轮12包括位于飞轮外圆周附近的磁性部分22。一旦飞轮旋转，这些磁性部分22就旋转经过发动机转速传感器并与该发动机转速传感器电磁地相互作用，在这种特定的情况下，该发动机转速传感器是输入绕组16，以便在输入绕组中感应与飞轮12的旋转速度成比例的电压，并且因此感应与发动机的旋转速度成比例的电压。
点火控制电路-
参考图2，示出了能够利用受控的减速方法来限制过高的发动机转速的点火控制电路14的实例。点火控制电路14与输入绕组16和初级绕组18相互作用，并且主要负责根据期望的点火定时来存储高压点火脉冲和将该高压点火脉冲输送给火花塞24。当然，点火控制电路14能够实现附加的任务，并且通常包括电子处理器40、主放电电容器42、开关晶闸管44和紧急开关46。
电子处理器40优选的是8管脚、4MHz的处理器，诸如是Microchip公司所生产的型号为#12509的处理器，该处理器利用1024Kb的存储器来存储用于操作发动机的总点火定时的固件或其他指令以及存储用于受控的减速方法的固件或其他指令。术语‘电子处理器’广泛地包括能够执行电子指令的所有类型的微控制器、微处理器以及任何其他类型的电子处理装置，这些电子处理装置包括数字和模拟处理器。电子处理器40的管脚1和4被耦合到输入绕组16，以致在输入绕组中所感应的电压可以给电子处理器供电。假定主开关晶闸管44处于不导通状态，当在输入绕组16中感应到电压时，电流通过二极管并给主放电电容器42充电。如本领域技术人员所公知的那样，主放电电容器42保持所存储的电荷，直到电子处理器40改变了晶闸管44的状态，在该状态，电容器清除所存储的电荷并在次级绕组48中产生高压点火脉冲。
管脚5也被耦合到输入绕组16，并接收表示发动机转速的发动机转速信号。该发动机转速信号可被用来计算期望的点火定时，如在美国申请No.10/186,522和10/765,415中更详尽地说明的那样，在此将这两篇申请分别引入作为参考。受控的减速方法也可使用该发动机转速信号，如将在下文更详细地说明的那样。管脚6被耦合到紧急开关46，该紧急开关46充当用于使发动机停机的手动超越控制装置。管脚7优选地被耦合到晶闸管44的栅极并发送控制晶闸管的状态的点火触发信号。在此，术语‘触发信号’被用来广泛地包括任何类型的电子信号，当该电子信号被发送时，该电子信号可使点火控制电路而不仅仅使电容性放电点火系统的那些电路向火花塞输送高压点火脉冲。当管脚7上的触发信号为低时，晶闸管44是不导通的，并允许电容器42充电；当触发信号为高时，晶闸管是导通的，并且电容器放电。因此，通过用触发信号来控制晶闸管44的导通状态，电子处理器40调节电容器42的放电。最后，管脚8给电子处理器提供接地参考。
在点火控制电路14的一般操作中，旋转的飞轮12在输入绕组16中感应电压，输入绕组16执行以下几种功能：i)输入绕组16给主放电电容器42充电，ii)输入绕组16给电子处理器40供电，以及iii)输入绕组16给电子处理器提供发动机转速信号。当主放电电容器42充电时，电子处理器40执行一系列控制点火过程的不同方面的指令，这些指令包括需要被执行的任何点火定时计算。然后，根据所计算的点火定时，电子处理器40在管脚7输出触发信号，所述点火定时接通晶闸管44。一旦晶闸管44导通，就在初级绕组18两端产生电压，所述电压在次级绕组48中感应高压点火脉冲。然后向火花塞24输送这个高压点火脉冲，其中，该高压点火脉冲在火花隙两端形成电弧，从而开始燃烧过程。如果在任何时刻均激活紧急开关46，则可以开始几种减速方法中的一种，该方法包括于2004年9月30日提交的美国专利申请No.10/955,108中所公开的方法，在此将该申请引入作为参考。
受控的减速方法-
通常可以认为受控的减速方法是在如果轻型内燃机进入过高的转速或自燃的状态和当轻型内燃机进入过高的转速或自燃的状态时就将其置于控制之下而调用的子程序。优选地，受控的减速方法是总点火控制方法的一个部分，并且可被并入现有技术中公知的多种不同点火定时方法中的一种或由现有技术中公知的多种不同点火定时方法中的一种来利用。因此，代替描述公知的点火控制方法，诸如上面所参考的美国专利申请中所公开的那些方法，下面的描述涉及受控的减速方法本身。然而应该理解，该减速方法的使用不限于在此所描述的特定的点火系统、点火控制电路或点火控制方法实施例，因为这些实施例只是为了示例性的目的而提供。
现在参考图3a-c，示出了流程图，该流程图概述了与示例性的二冲程发动机结合使用的受控的减速方法60的实施例的步骤。然而应该理解，该受控的减速方法也可与四冲程发动机一起使用，并且为了适应所涉及的特定发动机，可以对各种工作参数(发动机转数的大小、RPM等等)作出发动机特定的变化。
当对于预定大小的发动机转数来说，如根据发动机转速信号所确定的发动机转速超过激活转速时，优选地开始受控的减速方法。在正常的发动机工作期间，该激活转速应该大于调节转速，以便，对于必要大小的发动机转数来说，如果发动机超过激活转速，那么就知道该发动机工作在过高的转速或自燃的状态。在优选的实施例中，对于4个连续的发动机转数来说，当发动机转速超过范围在9500RPM-11000RPM(甚至更优选的是大约10200RPM)的激活转速时，开始减速方法60。激活转速的这个优选范围通常比大约为9500RPM的优选调节转速更高。发动机转数(在前面的实例中为4)的预定大小可能等于1，在这种情况下，甚至瞬间地超过激活转速将使受控的减速方法开始。
根据在前述的美国申请中所公开的示例性点火控制方法，使用总定时值来表示发动机的最后的或者总点火定时。通过将提前值(Advance value)和基时值(BaseTime value)加在一起来确定该总定时值，所述提前值表示在正常操作下的点火定时，所述基时值通常是根据特定的操作顺序确定的附加定时值。因此，总定时值是提前值和基时值的总和，并且优选地从TDC(上止点)之前45°变化到TDC之后15°。应该注意，这种将提前值与基时值结合起来达到总定时值的技术仅仅是一种优选的点火控制方法，并且不需要使用受控的减速方法，该受控的减速方法可以与多种不同的点火控制方法和技术中的任何一种一起使用。
受控的减速方法60包括第一阶段(步骤62-68)，通过使所述点火定时递增地延迟，直到发动机转速低于第一目标值或预定大小的发动机转数，该第一阶段尝试将发动机置于控制之下。在步骤62，可以复位或初始化不同的变量、计数器、标记等，包括复位到0的发动机转数计数器。步骤64将当前的发动机转数与第一目标值进行比较，在优选的实施例中，所述第一目标值是8000RPM-9000RPM，并且甚至更理想的是大约8500RPM。如果转速大于第一目标值，那么步骤66确定，自从第一阶段开始发动机是否就已经经历200转的发动机转数。如果发动机转数大于或等于200，并且当前的发动机转速仍然超过第一目标值，那么就确定，受控的减速方法60没有有效地防止过高的转速或自燃环境，并且退出受控的减速方法。在此时能开始受控的减速方法，诸如开始在上面所参考的美国专利申请No.10/955,108中所公开的方法。如果步骤66确定发动机转数小于200，那么就在步骤68根据第一延迟速率(在优选的实施例中是0.3°/转)使点火定时递减或延迟，并且使发动机转数计数器递增。该受控的减速方法60的第一阶段一直持续，直至步骤64确定当前的发动机转速小于或等于第一目标值或者发动机转数超过200。最大的点火定时延迟可被如此设置，以致无论执行多少次步骤68，定时都不会延迟超过某一数量(诸如在TDC之后15°)。
受控的减速方法60还包括第二阶段，通过利用点火定时和火花率操纵的组合来破坏过高转速或自燃状态，该第二阶段尝试将发动机置于控制之下，并且该第二阶段通常包括步骤70-104。发动机转数计数器在步骤70被复位到0，并在步骤72与预定大小的发动机转数(诸如100)进行比较。只要发动机转数小于100，步骤74就得到当前发动机转速的读数，并将该读数与第二目标值进行比较，根据优选的实施例，该第二目标值在7500RPM-8500RPM的范围中，并且甚至更优选的是大约8000RPM。如果当前发动机转速的读数小于或等于第二目标值，那么步骤76根据第二提前速率(在优选的实施例中是1°/转)使点火定时提前，并使发动机转数递增。相反地，如果当前发动机转速的读数大于第二目标值，那么步骤78根据第二延迟速率(在优选的实施例中是1°/转)使点火定时延迟，并使发动机转数递增。可以建立最大定时提前(诸如在TDC之前35°)和最大定时延迟(诸如在TDC之后15°)。步骤70-78的循环持续，直到发动机转数超过步骤72所使用的预定大小。
以类似于步骤72的方式，步骤90确定，发动机转数是否低于某一预定大小的发动机转数，诸如在该实例中是300。因此，对于发动机转数在100-299转之间的时期，步骤92将控制根据第一火花率被输送给火花塞24的火花率。例如，步骤92优选地将火花率从1∶1的标准比率改变成3∶4的比率，在1∶1的标准比率中，每个发动机转数向火花塞发出一火花，在3∶4的比率中，每四个发动机转数向火花塞发出三个火花。这导致‘跳跃的火花’，该‘跳跃的火花’有助于使发动机减速，但是由于其在跳跃的火花转数期间的累积可能导致更浓的空气/燃料充量。该空气/燃料充量的累积还可以冷却发动机燃烧室，并且由此降低或停止自燃的状态。
针对步骤94、96，在发动机转数在300-449之间的时期期间，步骤94、96将火花率保持在1∶2；针对步骤98、100，在发动机转数在450-549之间的时期期间，步骤98、100将火花率保持在1∶3；针对步骤102、104，在发动机转数在550-559之间的时期期间，步骤102、104将火花率保持在1∶4；以及针对步骤106、108，在发动机转数在601-649之间的时期期间，步骤106、108将火花率保持在1∶5，可使用相同的通用方法。应该理解，在执行步骤90-108中的每对步骤之后，步骤74-78根据当前发动机转速与第二目标值(8000RPM)的比较结果来操纵发动机的点火定时。
受控的减速方法60包括第三阶段(步骤120-146)，通过缓慢地操纵所述点火定时，该第三阶段通常尝试将发动机转速拉到接近正常的调节转速的水平。在步骤120，将发动机转数计数器复位到0，而在步骤122，将发动机转数与预定大小的发动机转数(在优选的实施例中是100)进行比较。如果发动机转数小于100，那么控制转到将当前发动机转速与新的目标值(诸如8000RPM)相比较的步骤124。如果当前发动机转速等于或大于8000RPM，那么第三阶段通过切断一个发动机转数的火花来尝试使发动机减速，即步骤126。如果发动机已经工作在小于8000RPM的转速，那么就不需要使发动机进一步减速，因此控制转到步骤128，在步骤128，将点火定时递增地朝期望的点火定时值调节，并使发动机转数计数器递增。在优选的实施例中，期望的点火定时值在TDC之前20°-35°的范围中，并且在最优选的实施例中，期望的点火定时值大约在TDC之前28°。在该实例中，如果当前点火定时比TDC之前28°更提前，那么就根据诸如1°/20转的第三延迟速率使点火定时延迟；如果当前点火定时比TDC之前28°更延迟，那么就根据第三提前速率使点火定时提前。第三延迟速率和提前速率可以相同或者彼此不同。一旦达到期望的点火定时值(在该实例中是TDC之前28°)，随后执行步骤128就不会导致点火定时变化。对于第三阶段中的第一个100转的发动机转数重复步骤122-128的这种组合并将8000RPM用作分类的转速限制，因为，当发动机转速超过该转速限制时，该方法会切断火花。
以类似的方式，对于下一个100转的发动机转数重复步骤130-134，但是使用更高的发动机转速(在该实例中是8500RPM)，对于随后的100转的发动机转数执行步骤136-140并使用9000RPM的转速限制，以及最后对于接下来的300转的发动机转数重复步骤142-146并使用9500RPM的转速。所有这些都同时进行，步骤128朝期望的点火定时值递增地操纵点火定时。因此，第三阶段可缓慢地将目标值在600转的发动机转数期间从8000RPM增加到9500RPM，以便当退出第三阶段时，发动机将工作在接近发动机的正常调节转速的转速，并且点火定时根据期望的点火定时值来点火。一旦已出现第三阶段的600转发动机转数，就退出受控的减速方法60并重新开始正常的点火控制方法。
应该理解，除了上面所概述的步骤以外，可以在整个受控的减速方法中插入多个附加的退出点或步骤。例如，如果当前发动机转速曾低于5000RPM，那么可以假定，发动机已经充分地被减速，并将退出方法60，以便可重新开始正常的点火控制。此外，在受控的减速方法的工作期间，如果发动机转速突然加速到超过激活水平(在上面的实例中是10200RPM)的水平，那么可以假定，该方法60未能有效防止这些过高的发动机转速。在这种情况下，将退出受控的减速方法60，使得如上所提及的受控的关闭方法可以接管并使发动机关机。当然，这些仅是可以其来监控和退出受控的减速方法的操作的一些可能的方式。
因此显而易见的是，根据本发明提供一种供轻型内燃机使用的受控的减速方法和点火控制电路，该方法可以达到在此所说明的目的和优点。当然，应该理解，前面说明的是本发明的优选的示例性实施例，并且本发明不限于所示出的具体实施例。各种变化和修改对本领域技术人员来说将变得明显，并且所有这些变化和修改都意图在本发明的范围内。例如，仅仅为了示例性的目的而提供遍及受控的减速方法所使用的各种发动机转速值、发动机转数的大小、点火定时提前和延迟的速率、火花率等等，并且这些量可以与上面所描述的具体实施例不同。可以使用在预定大小的发动机转数上计算的平均发动机转速来代替单个读数。此外，通过除了电容性放电点火系统以外的系统(诸如“回程”型点火系统)来产生高压点火脉冲。此外，由于那些示出的步骤仅仅是示例性的方法步骤，所以可以增加、去除、替换、修改操作步骤等。
正如在本说明书和随附的权利要求中所使用的那样，当术语“例如”、“举例说”和“诸如”以及动词“包括”、“具有”、“包含”和它们的其它动词形式与一个或多个部件或其它项的列表结合使用时，这些术语均可被解释为开放式的，这意味着，该列表不应该被认为排除了其它的、附加的部件或项。诸如“大约”、“附近”和“接近”的程度术语不仅包括特定的大小，而且包括对该数量涉及的程度的特征或应用没有实质影响的变型。当和范围结合在一起使用的术语“包括在内”意图包括该范围内的界限或边界。其它术语应被解释为使用其最广泛合理的含意，除非它们用在需要不同解释的上下文中。

Claims (20)

1.一种用于具有曲轴和火花塞的轻型内燃机的点火系统；该点火系统包括：
传感器，用于提供发动机转速信号；
控制电路，该控制电路具有被耦合到所述传感器的电路输入、电子处理器和电路输出，该电路输入用于接收所述发动机转速信号；
被耦合到所述电路输出的点火线圈，所述电路输出用于给所述火花塞提供高压点火脉冲；
其中，如果所述发动机转速信号表示，对于预定大小的发动机转数来说，所述发动机转速大于激活转速，那么所述电子处理器执行受控的减速方法，该受控减速方法操纵所述点火脉冲的点火定时和火花率，以便以受控的方式使所述发动机减速。
2.根据权利要求1所述的点火系统，其中，所述受控的减速方法包括第一阶段，所述第一阶段通常通过使所述点火定时递增地延迟来尝试将所述发动机置于控制之下。
3.根据权利要求1所述的点火系统，其中，所述受控的减速方法包括第二阶段，所述第二阶段通常通过利用点火定时和火花率操纵的组合来破坏自燃状态从而尝试将所述发动机置于控制之下。
4.根据权利要求1所述的点火系统，其中，所述受控的减速方法包括第三阶段，所述第三阶段通常通过缓慢地操纵所述点火定时来尝试将所述发动机转速拉到接近正常的调节转速的水平。
5.一种供轻型内燃机使用的点火控制方法，该点火控制方法包括以下步骤：
(a)确定发动机转速；
(b)将所述发动机转速与激活转速进行比较；
(c)对于预定大小的发动机转数来说，当所述发动机转速超过所述激活转速时，开始受控的减速方法，所述受控的减速方法包括以下步骤：
(i)操纵被提供给所述发动机的一个或多个火花的点火定时；以及
(ii)操纵被提供给所述发动机的一个或多个火花的火花率，其中，所述受控的减速方法以受控的方式使所述发动机的转速慢下来。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述激活转速大于所述发动机的正常的调节转速。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述激活转速在9500RPM至11000RPM的范围中并且包括9500RPM和11000RPM在内。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述受控的减速方法包括第一阶段，所述第一阶段通常通过使所述点火定时递增地延迟而尝试将所述发动机置于控制之下。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一阶段将当前发动机转速和第一目标值进行比较；如果所述当前发动机转速大于所述第一目标值，并且所述第一阶段的发动机转数的大小小于预定的数量，则按照第一延迟速率使所述点火定时延迟；如果所述当前发动机转速值小于或等于所述第一目标值，则退出所述第一阶段。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一目标值在8000RPM-9000RPM的范围中并且包括8000RPM和9000RPM在内。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，如果所述第一阶段发动机转数的大小等于或大于所述预定的数量，则退出所述受控的减速方法。
12.根据权利要求5所述的方法，其中，所述受控的减速方法包括第二阶段，所述第二阶段通常通过利用点火定时和火花率操纵的组合来破坏自燃状态从而尝试将所述发动机置于控制之下。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二阶段将当前发动机转速值和第二目标值进行比较；如果所述当前发动机转速值大于所述第二目标值，则按照第二延迟速率来使所述点火定时延迟；如果所述当前发动机转速值小于或等于所述第二目标值，则按照第二提前速率使所述点火定时提前。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二目标值在7500RPM-8500RPM的范围中并且包括7500RPM和8500RPM在内。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二阶段利用了多个火花率，所述火花率通常在1∶1至1∶5的范围内并且包括1∶1和1∶5在内。
16.根据权利要求5所述的方法，其中，所述受控的减速方法包括第三阶段，所述第三阶段通常通过缓慢地操纵所述点火定时来尝试将所述发动机转速拉到接近正常的调节转速的水平。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第三阶段将当前的点火定时值和期望的点火定时值进行比较；如果所述当前的点火定时值比所述期望的点火定时值更提前，则按照第三延迟速率使所述点火定时延迟；如果所述当前的点火定时值比所述期望的点火定时值更延迟，则按照第三提前速率使所述点火定时提前。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述期望的点火定时值在TDC之前20°-35°的范围中并且包括TDC之前20°和35 °在内。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第三阶段利用多个目标转速来促使所述发动机工作在一转速和期望的点火定时，所述转速在所述正常的调节转速附近。
20.根据权利要求5所述的方法，其中，所述受控的减速方法通常被启动来对自燃的状态进行寻址。
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