DE102004018221A1 - Verfahren zum Einbringen eines Reagenzmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
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- B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
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Abstract
Es werden ein Verfahren zum Einbringen eines Reagenzmittels in einen Abgaskanal (12) einer Brennkraftmaschine (10) und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. In einem Abgaskanal (12) der Brennkraftmaschine (10) ist wenigstens ein Katalysator (15) angeordnet, vor dem ein unter Druck stehendes Reagenzmittel in das Abgas eingesprüht wird. Der Reagenzmitteldruck-Sollwert (pReaSw) wird in Abhängigkeit von einer Kenngröße (N, mL, Md, mK, vabg, pabg, TabgR, TRea) festgelegt. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht einen gezielten Einsatz des Reagenzmittels und eine hohe Nutzung des Katalysators (15).
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einbringen eines Reagenzmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
- In der
DE 101 39 142 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem zur Verringerung der NOx-Emissionen ein SCR-Katalysator (Selektiv-Catalytic-Reduction) eingesetzt ist, der die im Abgas enthaltenen Stickoxide NO und NO2 mit dem Reduktionsmittel Ammoniak zu Stickstoff reduziert. Das Ammoniak wird in einem stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator setzt den in der Harnstoff-Wasser-Lösung enthaltenen Harnstoff mit Wasser zu Ammoniak und Kohlendioxid um. Zum Sicherstellen einer exakten Dosierung ist vorgesehen, die Konzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung zu ermitteln. - Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird mit einer Pumpe auf einen vorgegebenen Druck gebracht. Ein Dosierventil legt einen vorgegebenen Durchfluss fest. In einer Mischkammer wird dem Reagenzmittel Druckluft zugemischt. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird zusammen mit der zugemischten Luft in das Abgas derart eingesprüht, dass eine weitgehend gleichmäßige Anströmung des SCR-Katalysators erreicht wird. Gegebenenfalls sind Strömungselemente wie Umlenkbleche vorzusehen.
- Aus der
EP 1 024 254 A2 ist ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei dem zur Verringerung der NOx-Emissionen ein SCR-Katalysator eingesetzt ist. Als Reduktionsmittel ist Ammoniak vorgesehen, das im Abgaskanal aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung gewonnen wird. Die Menge der zugemessenen Harnstoff-Wasser-Lösung wird ausgehend von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Kraftstoff-Einspritzmenge und/oder der Drehzahl und wenigstens einer Kenngröße des Abgases, beispielsweise der Abgastemperatur, festgelegt. - In der
DE 100 65 105 A1 ist ein Verfahren angegebenen, das eine Modellierung einer Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine vorsieht. Die Abgastemperatur wird in Abhängigkeit von einem Luftsignal, das ein Luftsensor bereitstellt, und in Abhängigkeit von der Drehzahl berechnet. - Aus der Fachpublikation "Ottomotor-Management/BOSCH", 1. Aufl., Verlag Vieweg, Braunschweig, 1998, Seiten 333 – 335 ist eine Drehmomentstruktur zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt geworden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen eines Reagenzmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die eine möglichst exakte Dosierung eines Reagenzmittels und eine hohe Nutzung eines Katalysators ermöglichen.
- Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale jeweils gelöst.
- Vorteile der Erfindung
- Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Druck eines Reagenzmittels, das stromaufwärts von wenigstens einem Katalysator in das Abgas einer Brennkraftmaschine eingebracht wird, in Abhängigkeit von einer Kenngröße auf einen vorgegebenen Reagenzmitteldruck-Sollwert festzulegen.
- Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht das Erreichen einer guten Zerstäubung und einer gleichmäßigen Verteilung des Reagenzmittels im Abgasstrom vor dem wenigstens einen Katalysator. Das Reagenzmittel trifft auf die gesamte Oberfläche, die der Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases aufweist. Das Reagenzmittel kann daher die gesamte zur Verfügung stehende katalytische Oberfläche im Innern des Katalysators erreichen. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht daher die bestmögliche Ausnutzung der vom Katalysator zur Verfügung gestellten katalytischen Fläche. Durch die effiziente Nutzung des Katalysators wird die angestrebte Reinigung des Abgases mit der geringst möglichen Menge an Reagenzmittel erzielt.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
- Eine Ausgestaltung sieht vor, dass als Kenngröße wenigstens eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine herangezogen wird. Als Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Luftsignal geeignet. Zusätzlich oder alternativ können ein Drehmoment und/oder ein Kraftstoffsignal jeweils in Verbindung mit der Drehzahl herangezogen werden. Die eine oder mehreren Betriebsgrößen sind einer Steuerung bekannt. Zusätzliche Sensoren werden nicht benötigt.
- Eine Ausgestaltung sieht vor, dass als Kenngröße eine Kenngröße des Abgases herangezogen wird. Als Kenngröße des Abgases ist beispielsweise der Abgasvolumenstrom bzw. die Abgasgeschwindigkeit und/oder der Abgasdruck und/oder die Abgastemperatur geeignet. Bei bekanntem Abgasmassenstrom reicht beispielsweise allein die Kenntnis der Abgastemperatur aus. Die eine oder mehreren Kenngrößen des Abgases können aus bekannten Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Zusätzliche Sensoren werden auch in diesem Fall nicht benötigt. Gegebenenfalls kann ein Abgas-Temperatursensor zur Erfassung der Abgastemperatur vorgesehen sein. Die gemessene Abgastemperatur kann zusätzlich zur Plausibilisierung der berechneten Abgastemperatur herangezogen werden.
- Eine Ausgestaltung sieht vor, dass als Kenngröße die Reagenzmittel-Temperatur herangezogen wird. Die Reagenzmittel-Temperatur kann beispielsweise auf der Grundlage eines Temperatursignals eines vorhandenen Temperatursensors abgeschätzt werden, der die Lufttemperatur erfasst. Vorzugsweise wird ein Reagenzmittel-Temperatursensor eingesetzt.
- Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
- Zeichnung
- Die Figur zeigt eine Brennkraftmaschine, in deren Umfeld ein erfindungsgemäßes Verfahren abläuft.
- Die Figur zeigt eine Brennkraftmaschine
10 , in deren Ansaugbereich ein Luftsensor11 und in deren Abgaskanal12 eine Sprühvorrichtung13 , ein Abgas-Temperatursensor14 sowie ein Katalysator15 angeordnet sind. - Die Steuerung
20 erhält ein vom Luftsensor11 bereitgestelltes Luftsignal mL, eine von der Brennkraftmaschine10 bereitgestellte Drehzahl N, eine vom Abgas-Temperatursensor14 gemessene Abgastemperatur TabgIw, einen von einem Reagenzmittel-Druckssensor21 bereitgestellten Reagenzmitteldruck-Istwert pReaIw, ein von einem Druckluft-Druckssensor22 bereitgestellten Druckluftdruck-Istwert pDLIw, eine von einem Reagenzmittel-Temperatursensor23 bereitgestellte Reagenzmitteltemperatur TRea sowie einen Drehmoment-Sollwert mifa zur Verfügung gestellt. - Die Steuerung
20 gibt ein Kraftstoffsignal mK an die Brennkraftmaschine10 , ein Dosierventil-Ansteuersignal qRea an ein Dosierventil30 , ein Reagenzmittelpumpen-Ansteuersignal31 an eine Reagenzmittelpumpe32 und ein Druckluftregelventil-Ansteuersignal33 an ein Druckluftregelventil34 ab. - Die Steuerung
20 enthält einen ersten Funktionsblock41 zum Ermitteln der Abgasgeschwindigkeit vabg, einen zweiten Funktionsblock42 zum Ermitteln des Abgasdrucks pabg, einen dritten Funktionsblock43 zum Ermitteln einer berechneten Abgastemperatur TabgR und einen vierten Funktionsblock44 zum Ermitteln eines Drehmoments Md. - Die Steuerung
20 enthält weiterhin eine Reagenzmitteldruck-Sollwertvorgabe50 , die einen Reagenzmitteldruck-Sollwert pReaSw an eine Reagenzmittelpumpen-Ansteuerung51 abgibt, welche das Reagenzmittelpumpen-Ansteuerungssignal31 bereitstellt und eine Druckluftdruck-Sollwertvorgabe52 , die einen Druckluftdruck-Sollwert pDLSw an eine Druckluftregelventil-Ansteuerung53 abgibt, welche das Druckluftregelventil-Ansteuersignal33 bereitstellt. - Der Reagenzmittel-Temperatursensor
23 erfasst die Temperatur des in einem Reagenzmittelbehälter60 gelagerten Reagenzmittels. Das Druckluftregelventil34 stellt den Druckluftdruck-Sollwert pDLSw einer Druckluft ein, die in einem Druckluftbehälter61 zur Verfügung steht. - Die Druckluft durchströmt eine überkritische Drossel
62 und ein Rückschlagventil63 und gelangt danach in einen Mischer64 , der die Druckluft mit dem vom Dosierventil30 eingebrachten Reagenzmittel mischt. Der Mischer64 ist mit der Sprühvorrichtung13 verbunden. - Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet folgendermaßen:
Der im Abgasbereich der Brennkraftmaschine10 angeordnete Katalysator15 ist vorzugsweise ein SCR-Katalysator, der die im Abgas der Brennkraftmaschine10 enthaltenen Stickoxide NO und NO2 zu Stickstoff reduziert. Der SCR-Katalysator15 benötigt für die Reduktionsreaktion Ammoniak. Das Ammoniak kann in einem stromaufwärts vom SCR-Katalysator15 angeordneten, nicht näher gezeigten Hydrolyse-Katalysator aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung gewonnen werden, die mit der Sprühvorrichtung13 in den Abgasstrom eingebracht wird. Die Harnstoff-Wasser-Lösung ist ein Beispiel für ein Reagenzmittel. - Das im Reagenzmitteltank
60 gelagerte Reagenzmittel wird von der Reagenzmittelpumpe32 auf den Reagenzmitteldruck-Sollwert pReaSw von beispielsweise 4 bar gebracht und anschließend dem Dosierventil30 zugeleitet. Die Reagenzmittelmenge/Zeiteinheit wird vom Dosierventil-Ansteuersignal qRea vorgegeben. Das Dosierventil-Ansteuersignal qRea kann die Steuerung20 aus einem vorgegebenen Kennfeld ermitteln, das von der Drehzahl N und dem Kraftstoffsignal mK oder das von der Drehzahl N und dem Drehmoment Md aufgespannt wird. Das Dosierventil-Ansteuersignal qRea veranlasst das Dosierventil30 beispielsweise zur Freigabe eines bestimmten Öffnungsquerschnitts für das Reagenzmittel. Im Mischer64 wird das Reagenzmittel mit der Druckluft vermischt. - Die Druckluft wird im Druckluftregelventil
34 auf einen Druck von beispielsweise 8 bar begrenzt. Der Druck nach der überkritischen Drossel62 ist auf einen Wert festzulegen, der ausreicht, dass das Rückschlagventil63 vor dem Mischer64 geöffnet werden und die Druckluft in den Mischer64 eindringen kann. Nach Durchströmen der überkritischen Drossel62 tritt beispielsweise ein Druck von 4,6 bar auf. Unter Berücksichtigung eines Druckabfalls am Rückschlagventil63 von beispielsweise 0,6 bar beträgt der Druckluftdruck im Mischer64 schließlich 4 bar. - Das Drehmoment Md wird in Abhängigkeit vom Drehmoment-Sollwert mifa und in Abhängigkeit von weiteren bekannten Größen der Brennkraftmaschine
10 gemäß des eingangs genannten Standes der Technik festgelegt. - Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, den Reagenzmitteldruck-Sollwert pReaSw und gegebenenfalls den Druckluftdruck-Sollwert pDLSw vorzugeben. Der vorgegebene Reagenzmitteldruck-Sollwert pReaSw und der gegebenenfalls vorgegebene Druckluftdruck-Sollwert pDLSw sind vorzugsweise experimentell derart festzulegen, dass nach der Sprühvorrichtung
13 eine gute Zerstäubung und eine gleichmäßige Verteilung des Reagenzmittels über den Querschnitt des Abgaskanals12 erreicht wird. Hierbei spielt offensichtlich die Größe der Reagenzmittel-Tröpfchen eine Rolle. - Diese Maßnahme bewirkt, dass die vom SCR-Katalysator
15 zur Verfügung gestellte katalytische Oberfläche vollständig ausgenutzt werden kann. Zu berücksichtigen hierbei ist, dass nach dem Eintritt des Reagenzmittels in den SCR-Katalysator15 keine Möglichkeit mehr zur weiteren Vermischung mit dem Abgas und zur Verteilung auf der katalytischen Oberfläche besteht. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht weiterhin eine Verminderung der erforderlichen Menge an Reduktionsmittel durch eine Anpassung an den tatsächlichen Bedarf im SCR-Katalysator15 . - Der Druck des im Reagenzmittelbehälter
60 gelagerten Reagenzmittels kann durch eine entsprechende Festlegung des Reagenzmittelpumpen-Ansteuersignals31 in der Reagenzmittelpumpen-Ansteuerung51 auf den vorgegebenen Reagenzmitteldruck-Sollwert pReaSw gebracht werden, der beispielsweise 4 bar beträgt. Zur Realisierung einer Regelung auf den vorgegebenen Reagenzmitteldruck-Sollwert pReaSw kann der Reagenzmitteldruck-Istwert pReaIw mit dem Reagenzmittel-Druckssensor21 erfasst und der Reagenzmittelpumpen-Ansteuerung51 zur Durchführung der Regelung zur Verfügung gestellt werden. - Gegebenenfalls kann zusätzlich der Druckluftdruck der im Druckluftbehälter
61 bevorrateten Druckluft vor dem Einbringen in die Mischkammer64 auf den vorgegebenen Druckluftdruck-Sollwert pDLSw festgelegt werden. Zur Festlegung des Druckluftdrucks ist das ein Druckluftregelventil34 vorgesehen, das mit dem von der Druckluftdruck-Ansteuerung53 bereitgestellten Druckluftregelventil-Ansteuersignal33 angesteuert wird. Zur Realisierung einer Regelung auf den vorgegebenen Druckluftdruck-Sollwert pDLSw kann der Druckluftdruck-Istwert pDLIw mit dem Druckluftdruck-Druckssensor22 erfasst und der Druckluftdruck-Ansteuerung53 zur Durchführung der Regelung zugeführt werden. - Als Kenngröße zur Festlegung des Reagenzmitteldruck-Sollwerts pReaSw und gegebenenfalls zur Festlegung des Druckluftdruck-Sollwerts pDLSw ist wenigstens eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine
10 geeignet. Herangezogen werden kann bereits allein das Luftsignal mL. Weiterhin geeignet sind das Drehmoment Md sowie das Kraftstoffsignal mK jeweils in Verbindung mit der Drehzahl N. Besonders geeignet sind die zuletzt genannten Kombinationen von wenigstens zwei Betriebsgrößen mL, mK. - In einem nicht näher dargestellten Kennfeld wird ein ein- oder mehrdimensionaler Zusammenhang hergestellt zwischen den einzelnen Betriebsgrößen N, mL, Md, mK und dem vorzugebenden Reagenzmitteldruck-Sollwert pReaSw und dem gegebenenfalls vorzugebenden Druckluftdruck-Sollwert pDLSw.
- Die genannten Betriebsgrößen N, mL, Md, mK haben einen Einfluss auf Kenngrößen des Abgases. Kenngrößen des Abgases sind die Abgasgeschwindigkeit vabg bzw. der Abgasvolumenstrom, der Abgasdruck pabg und beispielsweise die Abgastemperatur TabgR, TabgIw. Die Kenngrößen vabg, pabg, TabgR des Abgases können aus den bekannten Betriebsgrößen N, mL, Md, mK der Brennkraftmaschine
10 in den innerhalb der Steuerung20 eingetragenen Funktionsblöcken41 ,42 ,43 ermittelt werden. - Die Abgasgeschwindigkeit vabg kann im ersten Funktionsblock
41 bereits allein aus dem Luftsignal mL ermittelt werden. Gegebenenfalls kann das Kraftstoffsignal mK mit berücksichtigt werden. - Bei bekannter Geometrie der Abgasanlage und bekanntem Strömungswiderstand des Katalysators
15 kann im zweiten Funktionsblock42 der Abgasdruck pabg aus der Abgasgeschwindigkeit vabg ermittelt werden. Die Abgasgeschwindigkeit vabg und/oder der Abgasgegendruck pabg werden vorzugsweise anhand eines zweidimensionalen Kennfelds ermittelt, das von der Drehzahl N und vom Kraftstoffsignal mK oder von der Drehzahl N und vom Luftsignal mL aufgespannt wird. - Sofern ein Turbolader vorgesehen ist, können als weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine
10 der Ladedruck und/oder die Ladetemperatur berücksichtigt werden. - Einen Einfluss auf die Zerstäubung des Reagenzmittels hat weiterhin die Abgastemperatur TabgR, die im dritten Funktionsblock
43 ermittelt wird. Die Abgastemperatur TabgR dürfte insbesondere einen Einfluss auf die Reagenzmittel-Tröpfchengröße haben. Die Ermittlung kann beispielsweise gemäß der eingangs genanntenDE 100 65 125 A1 erfolgen, gemäß der die Abgastemperatur TabgR aus der Drehzahl N und aus dem Luftsignal mL modelliert wird. - Die bislang beschriebenen Kenngrößen des Abgases werden in den Funktionsblöcken
41 ,42 ,43 aus Betriebsgrößen N, mL, Md, mK der Brennkraftmaschine10 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich können die Kenngrößen des Abgases mit Sensoren gemessen werden. Zur Messung der Abgastemperatur kann der Abgas-Temperatursensor14 eingesetzt werden, der den Abgastemperatur-Istwert TabgIw an die Steuerung20 weitergibt. Weiterhin könnte der Abgasdruck mit einem nicht näher gezeigten Abgas-Druckssensor gemessen werden. - Alternativ oder zusätzlich kann bei der Festlegung des Reagenzmitteldruck-Sollwerts pReaSw und gegebenenfalls der Festlegung des Druckluftdruck-Sollwerts pDLSw die Reagenzmitteltemperatur TRea berücksichtigt werden, die der Reagenzmittel-Temperatursensor
23 erfasst, der beispielsweise am oder im Reagenzmitteltank60 angeordnet sein kann. - Die Reagenzmitteltemperatur TRea entspricht im allgemeinen der Umgebungstemperatur, die mit einem vorhandenen, nicht näher gezeigten Temperatursensor gemessen werden kann. In diesem Fall kann der zusätzliche Reagenzmittel-Temperatursensor
23 entfallen. - Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, dass das Reagenzmittel mit Druckluft vor der Einbringung in den Abgaskanal
12 im Mischer64 vermischt wird. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann selbstverständlich auch bei Systemen ohne Druckluft-Unterstützung eingesetzt werden. Bei solchen Systemen kann das Dosierventil30 unmittelbar am Abgaskanal12 montiert werden, sodass das Dosierventil30 identisch wird mit der Sprühvorrichtung13 .
Claims (12)
- Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (
10 ), in deren Abgasbereich wenigstens ein Katalysator (14 ) angeordnet ist, bei dem vor dem Katalysator (14 ) ein unter Druck stehendes Reagenzmittel in das Abgas eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Reagenzmittels in Abhängigkeit von einer Kenngröße (N, mL, Md, mK, vabg, pabg, TabgR, TabgR, TRea) auf einen vorgegebenen Reagenzmittel-Solldruck (pReaSw) festgelegt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße wenigstens eine Betriebsgröße (N, mL, Md, mK) der Brennkraftmaschine (
10 ) herangezogen wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsgröße der Brennkraftmaschine (
10 ) das Luftsignal (mL) herangezogen wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine (
10 ) die Drehzahl (N) und ein Drehmoment (Md) oder die Drehzahl (N) und ein Kraftstoffsignal (mK) herangezogen werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße wenigstens eine Kenngröße (vabg, pabg, TabgR, TabgIw) des Abgases der Brennkraftmaschine (
10 ) herangezogen wird. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße des Abgases die Abgasgeschwindigkeit (vabg) herangezogen wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße des Abgases der Abgasdruck (pabg) herangezogen wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße des Abgases die Abgastemperatur (TabgR, TabgIw) herangezogen wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße (vabg, pabg, TabgR, TabgIw) des Abgases aus wenigstens einer Betriebsgröße (N, mL, Md, mK) der Brennkraftmaschine (
10 ) hergeleitet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße die Reagenzmittel-Temperatur (TRea) herangezogen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck einer Druckluft, die in einem Mischer (
64 ) dem Reagenzmittel zugemischt wird, in Abhängigkeit von einer Kenngröße (N, mL, Md, mK, vabg, pabg, TabgR, TabgR, TRea) auf einen vorgegebenen Druckluftdruck-Sollwert (pDLSw) festgelegt wird. - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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