DE102005046507A1 - Brennkraftmaschine mit zwei hintereinander geschalteten Abgasturboladern - Google Patents
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Abstract
Eine Brennkraftmaschine mit zwei hintereinander geschalteten Abgasturboladern weist einen die motornahe Abgasturbine überbrückenden Bypass mit einem Abblaseventil auf. Das Abblaseventil in dem Bypass ist in das Turbinengehäuse der motorfernen Abgasturbine integriert und umfasst einen Sammelraum, in den der Bypass einmündet und der mit dem Turbinenrad in Verbindung steht, sowie ein verstellbares Ventilglied.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit zwei hintereinander geschalteten Abgasturboladern nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der
DE 101 44 663 A1 bekannt. Die Brennkraftmaschine ist mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern ausgestattet, von denen der motornahe Lader als Hochdruckstufe und der motorferne Lader als Niederdruckstufe ausgeführt ist. Die Verdichter beider Abgasturbolader sind im Ansaugtrakt in Reihe geschaltet, ebenso sind die Abgasturbinen beider Lader im Abgasstrang hintereinander liegend angeordnet. Um sicherzustellen, dass die motornahe Hochdruckturbine im oberen Drehzahl- und Lastbereich des Motors nicht überlastet und dadurch zerstört wird, ist ein Bypass vorgesehen, der die Hochdruckturbine überbrückt und in der Abgasleitung zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbine einmündet. In diesem Bypass befindet sich ein einstellbares Abblaseventil, das in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, insbesondere vom Abgasgegendruck stromauf der motornahen Hochdruckturbine, eingestellt wird. Ein weiterer Bypass ist zur Umgehung der motorfernen Turbine vorgesehen; auch in diesem Bypass befindet sich ein einstellbares Abblaseventil. - Mit Hilfe der Abblaseventile in den beiden Bypassleitungen kann eine situationsgerechte Abblasung um eine oder um beide Abgasturbinen herum durchgeführt werden.
- Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das im Abgas enthaltene Energiepotenzial zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades in bestmöglicher Weise zu nutzen, und zwar sowohl bei aktivierter motornaher Abgasturbine als auch bei Umgehung dieser Abgasturbine. Diese Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades soll mit einfachen konstruktiven Maßnahmen bewerkstelligt werden.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
- Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit zwei hintereinander geschalteten Abgasturboladern ist ein Bypass vorgesehen, der die motornahe Abgasturbine, also die Hochdruckstufe überdrückt und unmittelbar in einen Sammelraum einmündet, der sich im Turbinengehäuse der motorfernen Abgasturbine befindet und über einen Mündungsquerschnitt mit dem das Turbinenrad aufnehmenden Sammelraum in Verbindung steht. Dieser Sammelraum ist Bestandteil eines in das Turbinengehäuse der motorfernen Abgasturbine integrierten Abblaseventils, das des Weiteren ein verstellbares Ventilglied umfasst, welches im Mündungsquerschnitt des Sammelraums zum Turbinenrad angeordnet ist. Der Sammelraum ist separat ausgebildet und über eine Wandung von der Abgasflut der Abgasturbine getrennt, die über die Abgasleitung mit Abgas versorgt wird, welches die motornahe Abgasturbine durchströmt hat.
- Aufgrund der separaten Ausbildung von Abgasflut und Sammelraum sind im Vergleich zum Stand der Technik zusätzliche Einstellmöglichkeiten gegeben, die zugleich eine bessere Nutzung der Exergie im Abgas ermöglichen. Das in den Sammelraum geführte Abgas, das um die motornahe Abgasturbine herumgeleitet wird, trifft bei geöffnetem Abblaseventil, also bei zurückgezogenem, in Öffnungsstellung befindlichem Ventilglied, unmittelbar auf das Turbinenrad der motorfernen Abgasturbine auf und treibt dieses an. Außerdem kann das Ventilglied in eine Position verstellt werden, in der das unter Druck stehende Abgas aus dem Sammelraum über einen direkten Strömungsweg unmittelbar mit der Radaustrittsseite des Turbinenrades der motorfernen Abgasturbine verbunden wird, wodurch auch eine Abblasung der motorfernen Abgasturbine erreicht wird. Auf diese Weise kann eine Umgehung sowohl der motornahen als auch der motorfernen Turbine durchgeführt werden.
- Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass bei Umgehung der motornahen Turbine in dem Sammelraum im Turbinengehäuse der motorfernen Turbine aufgrund des kleineren Volumens des Sammelraums im Vergleich zur Abgasflut in der gleichen Turbine ein erhöhter Abgasgegendruck erreicht wird, der hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases ermöglicht, unter dem dieses auf die Turbinenradschaufeln auftrifft. Dadurch kann ein höherer Drehimpuls auf das Turbinenrad übertragen werden. Dies kann außerdem dadurch verstärkt werden, dass in dem Mündungsquerschnitt zwischen Sammelraum und Turbinenrad Leitschaufeln, insbesondere feststehende Leitschaufeln angeordnet sind, die strömungsgünstig konturiert sind und eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bewirken.
- Das Ventilglied ist zweckmäßig als axial verschiebliche Matrize ausgeführt, die im Turbinengehäuse der motorfernen Turbine verschieblich gelagert ist. Diese Matrize ist zwischen einer Schließposition, in der der Mündungsquerschnitt versperrt oder zumindest auf ein Minimum reduziert ist, und einer Öffnungsposition zu verstellen, in der der Mündungsquerschnitt ein Maximum einnimmt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass in einer weit zurückgezogenen Position der Matrize, die der maximalen Öffnungsstellung entspricht, der direkte Strömungsweg zwischen dem Sammelraum und dem Turbinenausgang unter Umgehung der Turbinenradschaufeln unmittelbar freigegeben ist. In dieser Position der Matrize wird das Abgas der Brennkraftmaschine sowohl um das Turbinenrad der motornahen Turbine als auch um das Turbinenrad der motorfernen Turbine umgeleitet.
- Zweckmäßig sind in die Stirnseite der axial verschieblichen Matrize Aufnahmeöffnungen eingebracht, in die bei geschlossener Ventilposition die bevorzugt gehäusefest angeordneten Leitschaufeln im Mündungsquerschnitt zwischen Sammelraum und Turbinenrad einragen. In geschlossener Ventilposition sind die Leitschaufeln vorteilhaft vollständig in den Aufnahmeöffnungen der Matrize aufgenommen, zugleich stößt die Stirnseite der Matrize an die den Mündungsquerschnitt begrenzende Wandung an. Zur Öffnung des Abblaseventils kann die Matrize so weit zurückgezogen werden, dass die freie Stirnseite der Leitschaufeln frei liegt und vollständig außerhalb der Aufnahmeöffnung in der Matrize liegt.
- Die Leitschaufeln sind zweckmäßig an einer gehäuseseitigen Trennwand fest angeordnet, die den Sammelraum von der Abgasflut separiert und sich bevorzugt bis zur Außenkante der Turbinenradschaufeln erstreckt, um unerwünschte Fehlströmungen zwischen Sammelraum und Abgasflut zu verhindern. Diese Trennwand verläuft vorteilhaft radial zur Turbinenradachse.
- Aufgrund der Integration des Abblaseventils in das Gehäuse der motorfernen Abgasturbine wird eine kompakt bauende Ausführung erreicht. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass lediglich ein einziger Stellantrieb für die Verstellung des Ventilgliedes und damit zur Einstellung des Abblaseventils erforderlich ist.
- Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit zwei hintereinander geschalteten Abgasturboladern, wobei die motornahe Abgasturbine von einer Bypassleitung überbrückt wird, die unmittelbar in die motorferne Abgasturbine einmündet, -
2 einen Schnitt durch die motorferne Abgasturbine mit einer größeren Abgasflut, über die zugeführtes Abgas auf das Turbinenrad zu leiten ist, und einem kleinen Sammelraum, der von der Abgasglut separat ausgebildet ist und in dessen Mündungsquerschnitt zum Turbinenrad eine Matrize verschieblich gelagert ist, wobei der Sammelraum von dem Bypass mit Abgas zu versorgen ist, -
3 einen Schnitt durch eine weitere motorferne Abgasturbine in einer modifizierten Ausführung. - In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- Die in
1 dargestellte Brennkraftmaschine1 – ein Ottomotor oder eine Diesel-Brennkraftmaschine – ist mit einer zweistufigen Aufladung mit einem ersten, motornahen Abgasturbolader2 und einem zweiten, motorfernen Abgasturbolader3 versehen, wobei der motornahe Abgasturbolader2 als klein bauender Lader die Hochdruckstufe und der motorferne Abgasturbolader3 als groß bauender Lader die Niederdruckstufe darstellt. Der motornahe Abgasturbolader2 umfasst eine Abgasturbine4 im Abgasstrang8 sowie einen Verdichter5 im Ansaugtrakt7 der Brennkraftmaschine, wobei das Turbinenrad und das Verdichterrad über eine Welle6 drehfest miteinander verbunden sind. In entsprechender Weise umfasst der motorferne Abgasturbolader3 eine Abgasturbine9 im Abgasstrang8 sowie einen Verdichter10 im Ansaugtrakt7 , Turbinenrad und Verdichterrad sind über eine Welle11 drehfest gekoppelt. In Strömungsrichtung gesehen ist der Verdichter10 des motorfernen Abgasturboladers3 dem Verdichter5 des motornahen Abgasturboladers2 vorgelagert, wohingegen die Abgasturbine9 des abgasfernen Turboladers3 der Abgasturbine4 des motornahen Abgasturboladers2 nachgeschaltet ist. - Die über den Ansaugtrakt
7 der Brennkraftmaschine1 zuzuführende Verbrennungsluft durchströmt zunächst den Verdichter10 des motorfernen Abgasturboladers3 , erfährt darin eine Vorverdichtung, wird nach dem Verlassen des Verdichters10 in einem ersten Ladeluftkühler12 gekühlt und strömt danach durch den motornahen Verdichter5 , welcher Teil der Hochdruckstufe ist. Nach der zweiten Verdichtung im Verdichter5 wird die unter erhöhtem Druck stehende Verbrennungsluft in einem zweiten Ladeluftkühler13 gekühlt und anschließend unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine1 zugeführt. - Abgasseitig strömt das Abgas zunächst durch die motornahe Abgasturbine
4 der Hochdruckstufe, in der das Turbinenrad angetrieben wird. Das auf niedrigeren Druck entspannte Abgas wird nach dem Verlassen der Abgasturbine4 der zweiten, nachgeschalteten Abgasturbine9 der Niederdruckstufe zugeführt und treibt dort mit dem restlichen Energiepotenzial das Turbinenrad an. Nach dem vollständigen Entspannen verlässt das Abgas die motorferne Abgasturbine9 und wird vor dem Ausleiten noch einer Reinigung in einer Abgasreinigungseinrichtung20 unterzogen, die einen Katalysator und gegebenenfalls eine Filtereinrichtung umfasst. - Außerdem ist die Brennkraftmaschine
1 mit einer Abgasrückführungseinrichtung14 ausgestattet, die eine Rückführleitung15 zwischen dem Abgasstrang8 stromauf der motornahen Abgasturbine4 und dem Ansaugtrakt7 stromab des zweiten Ladeluftkühlers13 sowie ein einstellbares Sperrventil16 und einen Abgaskühler17 in der Rückführleitung15 umfasst. Zur Reduzierung der NOx-Emissionen kann in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine das Sperrventil16 geöffnet und ein Teil des Abgasmassenstromes aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt rückgeführt werden. - Des Weiteren ist ein die motornahe Abgasturbine
4 überbrückender Bypass18 vorgesehen, der stromauf der Turbine4 vom Abgasstrang8 abzweigt und stromab der Turbine4 unmittelbar in die motorferne Abgasturbine9 einmündet. Zur Regulierung des über den Bypass18 zu leitenden Abgasmassenstromes ist ein Abblaseventil19 vorgesehen, welches in das Gehäuse der motorfernen Abgasturbine9 integriert ist und in den folgenden2 und3 im Detail beschrieben wird. - Sämtliche einstellbaren Komponenten der Brennkraftmaschine werden in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen über Stellsignale einer Regel- und Steuereinheit
21 reguliert, insbesondere das Sperrventil16 in der Abgasrückführungseinrichtung14 sowie das in die Abgasturbine9 integrierte Abblaseventil19 . - Die Abblasung über den Bypass
18 erlaubt einen Druckabbau des Abgasgegendruckes stromauf der Hochdruckturbine4 , wodurch insbesondere bei hohen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine Überlastung der Turbinenbauteile vermieden werden kann. Das um die motornahe Turbine4 geführte Abgas wird über den Bypass18 unmittelbar in die motorferne Turbine9 geleitet, so dass die im Abgas enthaltene Exergie für den Antrieb des Turbinenrades der motorfernen Niederdruckturbine9 ausgenutzt werden kann. Auf diese Weise wird der gesamte Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert. Über eine entsprechende Einstellung des Abblaseventils19 in der Turbine9 kann aber auch das Turbinenrad dieser Turbine umgangen werden, so dass sowohl eine Umgehung des Turbinenrades der motornahen Abgasturbine4 als auch eine Umgehung des Turbinenrades der motorfernen Abgasturbine9 durchführbar ist. - In
2 ist ein Schnitt durch die motorferne Abgasturbine9 dargestellt. Im Turbinengehäuse22 befindet sich eine Abgasflut23 , die in Strömungsrichtung gesehen dem Turbinenrad24 vorgelagert ist und in die das von der Abgasturbine stammende Abgas über den Abgasstrang eingeführt wird. Aus der spiralförmigen Abgasflut23 strömt das unter Druck stehende Abgas über einen verjüngten Mündungsquerschnitt radial auf die Turbinenradschaufeln25 und versetzt diesen einen antreibenden Impuls. Im weiteren Verlauf strömt das Abgas axial über den Ausgang der Turbine ab. Die Drehbewegung des Turbinenrades24 wird über die Welle11 auf das Verdichterrad übertragen. - Zusätzlich zur Abgasflut
23 , jedoch separat von dieser ausgebildet, befindet sich im Turbinengehäuse22 ein Sammelraum26 für Abgas, dessen Volumen deutlich kleiner ist als das Volumen der Abgasflut23 . In den Sammelraum26 mündet der Bypass18 , welcher die motornahe Abgasturbine überbrückt. Aufgrund des verhältnismäßig kleinen Volumens des Sammelraums26 und mit einem stromabgelagerten bzw. stromabliegenden engsten variablen Strömungsquerschnitt29 kann ein verhältnismäßig hoher Abgasgegendruck im Sammelraum26 erzeugt werden. - Der Sammelraum
26 kommuniziert über einen Mündungsquerschnitt29 mit dem Turbinenrad24 , indem der Mündungsquerschnitt29 radial an die Außenseite der Turbinenradschaufeln25 angrenzt. Der Mündungsquerschnitt29 befindet sich unmittelbar neben dem Mündungsquerschnitt der Abgasflut23 zum Turbinenrad24 , ist jedoch gegenüber diesem strömungsdicht über eine radial zur Turbinenlängsachse verlaufende Trennwand30 separiert. - Des Weiteren ist eine axial verschiebliche Matrize
27 im Turbinengehäuse22 gelagert, die axial verschieblich gelagert ist und gemäß Pfeilrichtung28 zwischen der in2 gezeigten Schließposition, in welcher der Mündungsquerschnitt29 abgesperrt ist, und einer zurückgezogenen Öffnungsposition mit Hilfe eines nicht dargestellten Stellantriebes verlagerbar ist, wobei in Öffnungsposition der Mündungsquerschnitt29 freigegeben ist, so dass das im Sammelraum26 befindliche und unter Druck stehende Abgas über den Mündungsquerschnitt auf die Turbinenradschaufeln25 auftrifft und diese mit einem Impuls beaufschlagt. In der Öffnungsposition der Matrize27 , die die Funktion eines Ventilgliedes hat, wird das Turbinenrad24 von dem über den Bypass18 zugeführten Abgas angetrieben. - Der Mündungsquerschnitt
29 erstreckt sich zweckmäßig ringförmig um die Turbinenradschaufeln25 . An der radial verlaufenden Trennwand30 zwischen der Abgasflut23 und dem Sammelraum26 sind Leitschaufeln31 fest angeordnet, die strömungsgünstig konturiert sind, und an denen das den Mündungsquerschnitt29 passierende Abgas aus dem Sammelraum26 vorbeiströmen muss. Hierbei erfährt das Abgas einen zusätzlichen Drall bzw. eine Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit, wodurch eine bessere und effizientere Energieübertragung auf das Turbinenrad24 ermöglicht wird. Die Leitschaufeln31 sind bei geschlossener Matrize27 in stirnseitigen Aufnahmeöffnungen in der Matrize aufgenommen. Auf diese Weise kann die Matrize27 bis zum Berühren der Stirnseite an der Trennwand30 geschlossen werden, wodurch der Mündungsquerschnitt29 vollständig abgesperrt ist. - Der Sammelraum
26 und die als Ventilglied fungierende Matrize27 bilden gemeinsam das Abblaseventil19 . Auch die Leitschaufeln31 sind dem Abblaseventil zuzuordnen. Gegebenenfalls kann auf die Leitschaufeln aber auch verzichtet werden, wenn der Sammelraum26 über den Düsenumfang29 spiralenförmig gestaltet ist. - In
3 ist eine Ausführungsvariante der motorfernen Abgasturbine9 im Schnitt dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau entspricht demjenigen aus dem Ausführungsbeispiel nach2 , jedoch mit dem Unterschied, dass die Matrize27 unmittelbar an die Außenkante der Turbinenradschaufeln25 angrenzt; ein gehäusefestes Bauteil zwischen Turbinenradschaufeln und Matrize27 , wie in2 dargestellt, fehlt im Ausführungsbeispiel nach3 . Die Matrize27 kann in Öffnungsposition so weit axial von der Trennwand30 wegbewegt werden, dass die Leitschaufeln31 , die an der Trennwand befestigt sind und sich in Achsrichtung erstrecken, vollständig außerhalb der Aufnahmeöffnungen32 in der Stirnseite der Matrize27 liegen. In der axial am weitesten von der Trennwand30 entfernten Position befindet sich die der Trennwand30 zugewandte Stirnseite der Matrize27 noch vor der Turbinen-Abströmseite33 , wodurch ein direkter Strömungsweg zwischen dem Sammelraum26 und dem Turbinenausgang34 für das Abgas aus dem Sammelraum26 freigegeben ist. Diese zurückgezogene Position der Matrize27 stellt die Abblasestellung dar, bei der das Abgas unter weitestgehender Umgehung der Turbinenradschaufeln unmittelbar zum Turbinenausgang34 geleitet wird und aus der Turbine abströmt. - Die Matrize
27 kann jede beliebige Zwischenposition zwischen ihrer entferntesten Öffnungsstellung und der Schließposition einnahmen, was in3 symbolhaft mit dem eingetragenen, veränderlichen Abstand h zwischen der Stirnseite der Matrize27 und der Trennwand30 bezeichnet ist. Als wichtige Positionen sind die Schließposition zu nennen, in der der Mündungsquerschnitt29 von der Matrize versperrt ist, eine erste Öffnungsposition, in der der Mündungsquerschnitt29 freigegeben ist, jedoch eine direkte Strömungsverbindung zwischen dem Sammelraum26 und dem Turbinenausgang34 von der Matrize versperrt ist, und eine zweite Öffnungs- bzw. Abblaseposition, in der die Matrize27 so weit zurückgezogen ist, dass ihre Stirnseite noch nach der Turbinenrad-Abströmseite33 liegt, wodurch ein unmittelbarer Strömungsweg zwischen Sammelraum und Turbinenausgang freigegeben ist.
Claims (9)
- Brennkraftmaschine (
1 ) mit zwei hintereinander geschalteten Abgasturboladern (2 ,3 ), die jeweils eine Abgasturbine (4 ,9 ) in der Abgasleitung und einen Verdichter (5 ,10 ) im Ansaugtrakt (7 ) umfassen, mit einem die motornahe Abgasturbine (4 ) überbrückenden Bypass (18 ) mit einem Abblaseventil (19 ), wobei die Abgasleitung den Turbinenausgang (34 ) der motornahen Abgasturbine (4 ) mit einer Abgasflut (23 ) in der motorfernen Abgasturbine (9 ) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Abblaseventil (19 ) in das Turbinengehäuse (22 ) der motorfernen Abgasturbine (9 ) integriert ist und einen Sammelraum (26 ), in den der Bypass (18 ) einmündet und der mit dem Turbinenrad (24 ) in Verbindung steht, und ein verstellbares Ventilglied (27 ) im Mündungsquerschnitt (29 ) des Sammelraums (26 ) zum Turbinenrad (24 ) umfasst, wobei der Sammelraum (26 ) von der Abgasflut (23 ) separat ausgebildet ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied als eine im Turbinengehäuse (
22 ) verschiebbare Matrize (27 ) ausgebildet ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (
27 ) eine Stirnseite von Leitschaufeln (31 ) begrenzt, die im Mündungsquerschnitt (29 ) zwischen Sammelraum (26 ) und Turbinenrad (24 ) angeordnet sind. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (
31 ) gehäusefest gehalten sind und in Aufnahmeöffnungen (32 ) im Ventilglied (27 ) aufnehmbar sind. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelraum (
26 ) über eine Trennwand von der Abgasflut (23 ) separiert ist, die sich bis zu den Turbinenradschaufeln (25 ) erstreckt. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (
31 ) fest mit der Trennwand (30 ) verbunden sind. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (
27 ) in Schließposition an die Trennwand (30 ) angrenzt und den Mündungsquerschnitt (29 ) zwischen Sammelraum (26 ) und Turbinenrad (24 ) versperrt. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (
27 ) in Öffnungsstellung einen direkten Strömungsweg zwischen dem Sammelraum (26 ) und dem Turbinenausgang (34 ) unter Umgehung der Turbinenradschaufeln (25 ) freigibt. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche des Ventilglieds (
27 ) bis zum Turbinenrad-Abströmseite (33 ) unmittelbar an die Turbinenradschaufeln (25 ) angrenzt.
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