DE102008002353A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls, welches zusammen mit einem SCR-Steuergerät Teil einer SCR-Einrichtung zur Zuführung eines Reduktionsmittels zu einem Abgas zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas ist, wobei dem SCR-Pumpenmodul ein Pumpenmotor zum Antrieb einer Pumpe, eine Motorsteuerelektronik zur Steuerung des Pumpenmotors und ein ohmsches Widerstandsheizelement zur elektrischen Beheizung des SCR-Pumpenmoduls zugeordnet sind und wobei das SCR-Steuergerät über eine Steuerleitung mit der Motorsteuerelektronik verbunden ist. Dabei ist es vorgesehen, dass das Widerstandsheizelement thermisch mit einem Temperatursensor gekoppelt ist, dass der Temperatursensor mit der Motorsteuerelektronik verbunden ist, dass eine Übertragung der Temperaturinformation des Temperatursensors von der Motorsteuerelektronik an das SCR-Steuergerät über die Steuerleitung vorgesehen ist und dass in dem SCR-Steuergerät eine Pumpenmodul-Heizungssteuerung zur Regelung oder Steuerung des Widerstandsheizelements vorgesehen ist. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen den eigensicheren Betrieb von ohmschen Widerstandsheizelementen zum Beheizen von SCR-Pumpenmodulen ohne erhöhten Bauteileaufwand.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls, welches zusammen mit einem SCR-Steuergerät Teil einer SCR-Einrichtung zur Zuführung eines Reduktionsmittels zu einem Abgas zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas ist, wobei dem SCR-Pumpenmodul ein Pumpenmotor zum Antrieb einer Pumpe, eine Motorsteuerelektronik zur Steuerung des Pumpenmotors und ein ohmsches Widerstandsheizelement zur elektrischen Beheizung des SCR-Pumpenmoduls zugeordnet sind und wobei das SCR-Steuergerät über eine Steuerleitung mit der Motorsteuerelektronik verbunden ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls, welches zusammen mit einem SCR-Steuergerät eine SCR-Einrichtung zur Zuführung eines Reduktionsmittels zu einem Abgas zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas bildet, wobei dem SCR-Pumpenmodul ein Pumpenmotor zum Antrieb einer Pumpe, eine Motorsteuerelektronik zur Steuerung des Pumpenmotors und ein ohmsches Widerstandsheizelement zur elektrischen Beheizung des SCR-Pumpenmoduls zugeordnet sind und wobei die Steuerung der Motorsteuerelektronik durch das SCR-Steuergerät über eine Steuerleitung erfolgt.
  • Im Zusammenhang mit künftigen gesetzlichen Vorgaben bezüglich der Stickoxidemission von Kraftfahrzeugen ist eine entsprechende Abgasnachbehandlung erforderlich. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) kann zur Verringerung der NOx-Emission (Entstickung) von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, mit zeitlich überwiegend magerem, d. h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktions mittels zugegeben. Dies kann beispielsweise in Form von Ammoniak sein, welches direkt gasförmig zudosiert wird oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird.
  • In der DE 10139142 A1 ist ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem zur Verringerung der NOx-Emission ein SCR-Katalysator eingesetzt ist, der die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit dem Reagenzmittel Ammoniak zu Stickstoff reduziert. Das Ammoniak wird in einem stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator setzt den in der HWL enthaltenen Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid um. In einem zweiten Schritt reduziert das Ammoniak die Stickoxide zu Stickstoff, wobei als Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. Der genaue Ablauf ist in der Fachliteratur hinreichend beschrieben worden (vgl. WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441–449, 2000). Die HWL wird in einem Reagenzmitteltank bereitgestellt.
  • Neben dem Einsatz bei Brennkraftmaschinen wird die Entstickung von Abgasen durch eine selektive katalytische Reaktion auch bei außenmotorischen Anwendungen, beispielsweise in Industrieabgasen oder in Abgasen von Verbrennungsanlagen, eingesetzt.
  • Nachteilig bei dem Einsatz einer Harnstoff-Wasser-Lösung zur Gewinnung des benötigten Ammoniaks ist, dass die Harnstoff-Wasser-Lösung bei niedrigen Temperaturen gefriert. So zeigt eine für Kraftfahrzeuge üblicherweise verwendete 32%ige Harnstoff-Wasser-Lösung mit dem Markennamen AdBlue einen Gefrierpunkt von –11°C.
  • Daher müssen SCR-Pumpenmodule, welche zur Dosierung der flüssigen HWL in das Abgas vorgesehen sind, beheizt sein. Die verwendete Heizung muss eine möglichst hohe Heizleistung aufweisen, um auch bei Temperaturen bis zu –40°C die im SCR-Pumpenmodul gefrorene HWL innerhalb möglichst kurzer Zeit auftauen und anschließend dauerhaft eine minimale Temperatur von ungefähr –8°C in dem SCR-Pumpenmodul gewährleisten zu können. Dabei muss die Heizung eigensicher sein, das heißt, sie darf nicht durch Überhitzung sich selbst oder andere Komponenten des SCR-Pumpenmoduls beschädigen oder zerstören. Diese Eigensicherheit muss auch dann gewährleistet sein, wenn die Heizung außerhalb der Betriebsspezifikation verwendet wird, beispielsweise verursacht durch einen Fehler in der Ansteuerung.
  • Heute werden überwiegend elektrische Heizungen zur Beheizung von SCR-Pumpenmodulen verwendet. Als Heizelemente werden PTC-Elemente oder ohmsche Widerstandsheizelemente eingesetzt.
  • PTC-Elemente zeigen gegenüber ohmschen Widerstandsheizelementen den Vorteil einer sich selbst regelnden Temperatur und gewährleisten so, dass das SCR-Pumpenmodul nicht überhitzt werden kann. Nachteilig bei PTC-Elementen ist, dass keine gezielte Regelung möglich ist, dass sich die Heizleistung selbstständig nach einer bestimmten Einschaltdauer reduziert und dass ein hoher Spitzen-Einschaltstrom auftritt. Dabei führt die Reduzierung der Heizleistung zu einer verlängerten Aufheizdauer. Weiterhin sind die hohen Bauteilkosten sowie die hohen Toleranzen der Heizleistung von bis zu +/– 30% nachteilig.
  • Im Vergleich dazu sind ohmsche Widerstandsheizelemente deutlich kostengünstiger. Sie zeigen eine geringe Toleranz bezüglich der Heizleistung und weisen keinen Spitzen-Einschaltstrom auf, sondern einen gleichbleibenden Strom bei gleichbleibender Heizleistung über die gesamte Einschaltdauer. Weiterhin können ohmsche Widerstandsheizelemente geometrisch klein ausgelegt werden und sie können in ihrer Bauform an die Einbaubedingungen in dem SCR-Pumpenmodul angepasst werden.
  • Nachteilig bei ohmschen Widerstandsheizelementen ist, dass keine Selbstregelung der Temperatur erfolgt, dass die ohmschen Widerstandsheizelemente also von sich aus nicht eigensicher sind. Es muss eine zusätzliche Temperaturüberwachung mit einer entsprechenden Regelung in Form einer elektronischen Schaltung sowie zusätzlichen Bauteilen vorgesehen werden, um eine Überhitzung des Widerstandsheizelements und der zu beheizenden Komponenten zu verhindern.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche ein schnelles Auftauen und Aufheizen der Harnstoff-Wasser-Lösung in einem SCR-Pumpenmodul bei gleichzeitig eigensicherem Betrieb und geringen Bauteilkosten ermöglichen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Widerstandsheizelement thermisch mit einem Temperatursensor gekoppelt ist, dass der Temperatursensor mit der Motorsteuerelektronik verbunden ist, dass eine Übertragung der Temperaturinformation des Temperatursensors von der Motorsteuerelektronik an das SCR-Steuergerät über die Steuerleitung vorgesehen ist und dass in dem SCR-Steuergerät eine Pumpenmodul-Heizungssteuerung zur Regelung oder Steuerung des Widerstandsheizelements vorgesehen ist.
  • Die Vorrichtung ermöglicht so die Beheizung des SCR-Pumpenmoduls über ein ohmsches Widerstandsheizelement mit den gegenüber einer Beheizung mit einem PTC-Element genannten Vorteilen der geringen Bauteilkosten, der anpassbaren und kleinen Bauformen, den geringen Toleranzen bezüglich der Heizleistung sowie der gleichbleibenden Heizleistung über die gesamte Einschaltdauer. Über den thermisch gekoppelten Temperatursensor kann die Temperatur des Widerstandsheizelements erfasst und überwacht werden, was die geforderte Eigensicherheit mit Bezug auf eine mögliche Überhitzung des SCR-Pumpenmoduls beziehungsweise daran anschließender Bauteile ermöglicht. Da die Temperaturinformation des Temperatursensors der zur Ansteuerung des Pumpenmotors ohnehin vorzusehenden Motorsteuerelektronik zugeführt ist, kann dort mit geringem zusätzlichen Schaltungsaufwand die Erfassung des Temperatursignals erfolgen und es muss dazu keine gesonderte Elektronik vorgesehen werden. Die Steuerung des Widerstandsheizelements erfolgt über die Pumpenmodul-Heizungssteuerung. Da diese in dem SCR-Steuergerät umgesetzt ist, wird auch hierzu keine gesonderte Elektronik benötigt. Zur Übertragung der Temperaturinformation von der Motorsteuerelektronik zu dem SCR-Steuergerät wird die in bekannten Systemen ebenfalls schon vorhandene SCR-Steuerleitung verwendet, so dass keine Kosten für eine zusätzliche Verkabelung zwischen dem Temperatursensor und dem SCR-Steuergerät anfallen.
  • Durch die zusätzliche Verwendung von ohnehin für den Betrieb einer SCR-Einrichtung vorgesehenen und benötigten Komponenten für die Temperaturüberwachung des Widerstandsheizelements wird ein kostengünstiger Aufbau bei gleichzeitig hoher Eigensicherheit der Heizung des SCR-Pumpenmoduls ermöglicht.
  • Die Steuerung oder Regelung des Widerstandsheizelements erfolgt in Abhängigkeit von der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur durch die Pumpenmodul- Heizungssteuerung in dem SCR-Steuergerät. Dazu kann es vorgesehen sein, dass zur Steuerung des Widerstandsheizelements die Pumpenmodul-Heizungssteuerung in dem SCR-Steuergerät über eine Stromzuführung elektrisch mit dem Widerstandsheizelement verbunden ist.
  • Eine einfache und kostengünstige Umsetzung der Steuerfunktion des Widerstandsheizelements in dem SCR-Steuergerät kann dadurch erreicht werden, dass die Pumpenmodul-Heizungssteuerung als Hardware oder Software in dem SCR-Steuergerät ausgeführt ist.
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass über einen mit dem Widerstandsheizelement thermisch gekoppelten Temperatursensor die Temperatur des Widerstandsheizelements erfasst und der Motorsteuerelektronik zugeführt wird, dass die Temperaturinformation über die Steuerleitung von der Motorsteuerelektronik zu dem SCR-Steuergerät übertragen wird und dass auf Basis der Temperaturinformation von einer in dem SCR-Steuergerät enthaltene Pumpenmodul-Heizungssteuerung das Widerstandsheizelement gesteuert oder geregelt wird.
  • Zur Durchführung des Verfahrens können für den Betrieb einer SCR-Einrichtung ohnehin vorhandene Bauelemente wie die Motorsteuerelektronik oder das SCR-Steuergerät verwendet werden. Die Erweiterung der Funktion der Motorsteuerelektronik zur Erfassung des Temperatursignals sowie des SCR-Steuergerätes um die Funktion der Pumpenmodul-Heizungssteuerung ist als Hard- und/oder Softwarelösung ohne großen Aufwand möglich. Dadurch und dass zur Übertragung der Temperaturfunktion von der Motorsteuerelektronik zu dem SCR-Steuergerät die ohnehin vorhandene Steuerleitung verwendet wird, ist die Umsetzung des Verfahrens sehr kostengünstig möglich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer schematischen Darstellung eine SCR-Einrichtung mit einem SCR-Steuergerät und einem SCR-Pumpenmodul.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine SCR-Einrichtung 10 mit einem SCR-Steuergerät 20 und einem SCR-Pumpenmodul 30. Dabei steht SCR als Abkürzung für selektive katalytische Reaktion, einem System zum Abbau von Stickoxiden in Abgasen durch Eindosierung einer flüssigen Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) in den Abgasstrang. In der dargestellten Ausführungsform dient die SCR-Einrichtung 10 der Zuführung der Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.
  • Dem SCR-Steuergerät 20 ist ein SCR-Steuerungsprogramm 21 zugeordnet, in dem eine Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 beinhaltet ist.
  • Das SCR-Pumpenmodul 30 enthält eine Motorsteuerelektronik 31 zur Ansteuerung eines Pumpenmotors 32. Dem SCR-Pumpenmodul 30 ist weiterhin ein ohmsches Widerstandsheizelement 34 zugeordnet, an welchem thermisch gekoppelt ein Temperatursensor 33 angebracht ist. Der Temperatursensor 33 ist mit der Motorsteuerelektronik 31 verbunden.
  • Die Motorsteuerelektronik 31 ist über eine Steuerleitung 11 mit dem SCR-Steuergerät 20 und dort mit der Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 verbunden. Die Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 ist wiederum über eine Stromzuführung 12 an das Widerstandsheizelement 34 des SCR-Pumpenmoduls 30 angeschlossen.
  • Das SCR-Steuergerät 20 steuert über die Steuerleitung 11 und die Motorsteuerelektronik 31 den Pumpenmotor 32 und legt so die dem Abgasstrang zugeführte Menge an HWL fest. Dazu ist in dem SCR-Steuergerät 20 das entsprechende SCR-Steuerungsprogramm 21 hinterlegt.
  • Die heute als Reduktionsmittel verwendete, 32%ige Harnstoff-Wasser-Lösung hat einen Gefrierpunkt von ca. –11°C. Um die Funktion der SCR-Einrichtung 10 auch bei niedrigen Temperaturen sicherzustellen, muss daher das SCR-Pumpenmodul 30 beheizt werden, um gefrorene HWL schnellstmöglich wieder aufzutauen beziehungsweise im Betrieb die Temperatur des SCR-Pumpenmoduls 30 über dem Gefrierpunkt der HWL zu halten. Dazu dient das in dem SCR-Pumpenmodul 30 eingesetzte ohmsche Widerstandsheiz element 34, welches über die Stromzuführung 12 von der Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 angesteuert wird.
  • Ohmsche Widerstandsheizelemente 34 bieten für die Beheizung von SCR-Pumpenmodulen 30 zum Beispiel gegenüber der Verwendung von PTC-Heizelementen eine Reihe von Vorteilen. Sie sind kostengünstig, können in kleinen und angepassten Bauformen gefertigt werden, zeigen sehr geringe Toleranzen bezüglich der Heizleistung und weisen keinen Spitzen-Einschaltstrom auf, sondern zeichnen sich durch einen gleichbleibenden Strom und somit eine gleichbleibende Heizleistung über die gesamte Einschaltdauer aus. Nachteilig ist, dass ohmsche Widerstandsheizelemente 34 keine Selbstregelung der Temperatur zeigen. Daher ist eine zusätzliche Temperaturüberwachung mit einer entsprechenden Regelung in Form einer elektronischen Schaltung und zusätzlichen Bauteilen notwendig, um eine Überhitzung des Widerstandsheizelements 34 beziehungsweise der zu beheizenden Komponenten zu verhindern.
  • In der erfindungsgemäßen Ausführung kann auf diese zusätzlichen elektronischen Schaltungen und Bauteile weitestgehend verzichtet werden. Der Temperatursensor 33 ist thermisch mit dem Widerstandsheizelement 34 gekoppelt und kann so dessen Temperatur genau bestimmen. Das Temperatursignal wird der in einem SCR-Pumpenmodul 30 ohnehin vorhandenen Motorsteuerelektronik 31 zugeführt und von dieser ausgewertet. Die Information über die Temperatur des Widerstandsheizelements 34 wird über die ebenfalls vorhandene Steuerleitung 11 an das SCR-Steuergerät 20 geleitet. In dem SCR-Steuergerät 20 ist eine zusätzliche Funktion in Form der Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 integriert. Diese ist bevorzugt als Softwarelösung mit einem Minimum an zusätzlichen Hardwarekomponenten realisiert, so dass auch hier keine relevanten Bauteilkosten entstehen. Die Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 steuert oder regelt auf Basis des Temperatursignals den dem Widerstandsheizelement 34 über die Stromzuführung 12 zugeführten elektrischen Strom.
  • Das ohmsche Widerstandsheizelement 34 kann ohne Gefährdung von anderen Komponenten auf eine hohe Heizleistung ausgelegt werden, wodurch das Widerstandsheizelement 31 in der Lage ist, eine sehr große Wärmemenge innerhalb sehr kurzer Zeit in das SCR-Pumpenmodul 30 einzubringen, da die Heizleistung bei Erreichen einer entsprechend festgelegten Maximaltemperatur gezielt abgeregelt oder abgeschaltet werden kann.
  • Der Aufbau ermöglicht es auch, mehrere in dem SCR-Pumpenmodul 30 vorgesehene Widerstandsheizelemente 34 entweder auf Basis eines gemeinsamen Temperatursignals oder auf Basis von mehreren Temperatursignalen von den einzelnen Widerstandsheizelementen 34 zugeordneten Temperatursensoren 33 zu regeln.
  • Im Vergleich zu bekannten Systemen zur Beheizung von SCR-Pumpenmodulen 30 mit Widerstandsheizelementen 34 entfällt die Hardware sowie Bauteile zur Heizungssteuerung beziehungsweise zur Heizungsregelung. Weiterhin entfällt die Verkabelung zwischen dem Temperatursensor 33 und dem SCR-Steuergerät 20.
  • Gegenüber Systemen mit PTC-Heizelementen ergeben sich die Vorteile der wesentlich geringeren Kosten und der direkten und gezielten Steuerung oder Regelung der Heizleistung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10139142 A1 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441–449, 2000 [0004]

Claims (4)

  1. Vorrichtung zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls (30), welches zusammen mit einem SCR-Steuergerät (20) Teil einer SCR-Einrichtung (10) zur Zuführung eines Reduktionsmittels zu einem Abgas zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas ist, wobei dem SCR-Pumpenmodul (30) ein Pumpenmotor (32) zum Antrieb einer Pumpe, eine Motorsteuerelektronik (31) zur Steuerung des Pumpenmotors (32) und ein ohmsches Widerstandsheizelement (34) zur elektrischen Beheizung des SCR-Pumpenmoduls (30) zugeordnet sind und wobei das SCR-Steuergerät (20) über eine Steuerleitung (11) mit der Motorsteuerelektronik (31) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsheizelement (34) thermisch mit einem Temperatursensor (33) gekoppelt ist, dass der Temperatursensor (33) mit der Motorsteuerelektronik (31) verbunden ist, dass eine Übertragung der Temperaturinformation des Temperatursensors (33) von der Motorsteuerelektronik (31) an das SCR-Steuergerät (20) über die Steuerleitung (11) vorgesehen ist und dass in dem SCR-Steuergerät (11) eine Pumpenmodul-Heizungssteuerung (22) zur Regelung oder Steuerung des Widerstandsheizelements (34) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Widerstandsheizelements (34) die Pumpenmodul-Heizungssteuerung (22) in dem SCR-Steuergerät (20) über eine Stromzuführung (12) elektrisch mit dem Widerstandsheizelement (34) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenmodul-Heizungssteuerung (22) als Hardware oder Software in dem SCR-Steuergerät (20) ausgeführt ist.
  4. Verfahren zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls (30), welches zusammen mit einem SCR-Steuergerät (20) eine SCR-Einrichtung (10) zur Zuführung eines Reduktionsmittels zu einem Abgas zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas bildet, wobei dem SCR-Pumpenmodul (30) ein Pumpenmotor (32) zum Antrieb einer Pumpe, eine Motorsteuerelektronik (31) zur Steuerung des Pumpenmotors (32) und ein ohmsches Widerstandsheizelement (34) zur elektrischen Beheizung des SCR-Pumpenmoduls (30) zugeordnet sind und wobei die Steuerung der Motorsteuerelektronik (31) durch das SCR-Steuergerät (20) über eine Steuerleitung (11) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass über einen mit dem Widerstandsheizelement (34) thermisch gekoppelten Temperatursensor (33) die Temperatur des Widerstandsheizelements (34) erfasst und der Motorsteuerelektronik (31) zugeführt wird, dass die Temperaturinformation über die Steuerleitung (11) von der Motorsteuerelektronik (31) zu dem SCR-Steuergerät (20) übertragen wird und dass auf Basis der Temperaturinformation von einer in dem SCR-Steuergerät (20) enthaltene Pumpenmodul-Heizungssteuerung (22) das Widerstandsheizelement (34) gesteuert oder geregelt wird.
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