DE102011014767B4 - Method for operating an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein zur Steuerung und Regelung der Verbrennungskraftmaschine dienendes Modell der Verbrennungskraftmaschine mittels des expliziten Euler-Verfahrens mit einer festen Schrittweite berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das explizite Euler-Verfahren mit Hilfe eines ergänzenden, arbeitspunktabhängigen Terms für die geforderte feste Schrittweite durch die Verschiebung der Eigenwerte der Systemmatrix stabilisiert wird.Method for operating an internal combustion engine, wherein a model of the internal combustion engine used to control and regulate the internal combustion engine is calculated using the explicit Euler method with a fixed increment, characterized in that the explicit Euler method uses a supplementary, operating point-dependent term for the required fixed step size is stabilized by shifting the eigenvalues of the system matrix.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.The present invention relates to a method for operating an internal combustion engine having the features of
Es ist allgemein bekannt, der Steuerung und Regelung einer Verbrennungskraftmaschine physikalische Modellansätze zu Grunde zu legen, die mit numerischen Lösungsverfahren berechnet werden. Beispielsweise kann die so genannte Füll- und Entleermethode zur Beschreibung des Ansaug- und Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine herangezogen werden. Bei derartigen physikalischen Ansätzen handelt es sich allgemein um nichtlineare zeitkontinuierliche Modelle. Diese Modelle haben von Arbeitspunkt zu Arbeitspunkt eine verschiedene Dynamik und Bandbreite. Verfügt die zu Grunde liegende Verbrennungskraftmaschine beispielsweise über eine in der Ansauganlage angeordnete Drosselklappe zur Einstellung der den Zylindern zuzuführenden Frischluftmasse und ist die Drosselklappe nahezu geschlossen, ändert sich das Druckverhältnis über der Drosselklappe nur sehr langsam, da sich nur ein geringer Massenstrom über der Drosselklappe ausbildet. Ist dem hingegen die Drosselklappe weit geöffnet, kann sich ein großer Massenstrom über der Drosselklappe ausbilden, wodurch sich das Druckverhältnis sehr schnell ändert. Mit anderen Worten ist bei vollständig geöffneter Drosselklappe das Druckverhältnis über der Drosselklappe praktisch eins und die Behälter vor und hinter der Drosselklappe wirken wie ein einziger Behälter. Derartige Effekte können auch bei einer Verbrennungskraftmaschine auftreten, die über einen Abgasturbolader verfügt, wobei sich ebenfalls große Massenströme über dem Verdichter beziehungsweise der Turbine ausbilden und die Behälter vor und hinter dem Verdichter oder der Turbine wie ein einziger Behälter wirken. Zur Berechnung langsamer Ausgleichsvorgänge genügen große Integrationsschrittweiten, wohingegen schnelle Zustandsänderungen kleine Schrittweiten erfordern. Mit anderen Worten kommt es zwischen den zwei Behältern zu sehr schnellen Druckänderungen, für deren Berechnung eine bestimmte feste Schrittweite unter Umständen nicht genügt. Da die zwei genannten Drosselklappenszenarien beziehungsweise Massenstromänderungen über dem Verdichter und der Turbine im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine permanent auftreten, kann zur Berechnung des jeweiligen Modells ein numerisches Lösungsverfahren mit variabler Schrittweite eingesetzt werden. Dieses ist in der Lage, die Integrationsschrittweite während der Berechnung an das zu berechnende Modell anzupassen. Als Alternative kann ein Verfahren mit einer festen Schrittweite eingesetzt werden, wobei diese so klein zu wählen ist, dass die schnellen Ausgleichsvorgänge stabil berechnet werden können. Das bedeutet jedoch, dass die Berechnung des Modells je nach Bandbreite des Modells vergleichsweise viel Rechenzeit konsumiert. Während die Wahl des Berechnungsverfahrens in einer Entwicklungsumgebung noch relativ frei ist, ist sie das bei einer Implementierung in dem Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine nicht. Hier kann nicht gewartet werden, bis das Verfahren eine Lösung in einem sehr steifen Dynamikbereich berechnet hat. Vielmehr muss zu definierten Zeitpunkten die Lösung vorliegen. Aus diesem Grund ist die Integrationsschrittweite im Steuergerät festgelegt. Für die Berechnung des Ansaugsystems ist beispielsweise eine Schrittweite von 10 ms vorgesehen. Unter den Verfahren mit einer festen Schrittweite gibt es zahlreiche Methoden, die sich hinsichtlich ihres Konvergenz- und Stabilitätsverhaltens zum Teil deutlich unterscheiden. Aufwendige Verfahren besitzen bei gleicher Schrittweite häufig ein besseres Stabilitätsverhalten als einfache Ansätze, benötigen dafür jedoch auch mehr Rechenschritte und damit mehr Rechenzeit. Da diese im Steuergerät einer Verbrennungskraftmaschine sehr begrenzt ist, ist es erforderlich, ein einfaches numerisches Verfahren zur näherungsweisen Lösung zu nutzen, beispielsweise das so genannte explizite Euler-Verfahren zur numerischen Lösung von Differentialgleichungssystemen. Praktische Versuche haben jedoch gezeigt, dass, wenn bei einem in einer Entwicklungsumgebung implementierten Modell einer Verbrennungskraftmaschine das Lösungsverfahren von einem Verfahren mit variabler Schrittweite auf das explizite Euler-Verfahren mit einer festen Integrationsschrittweite von 10 ms gewechselt wird, die Simulation in den meisten der Arbeitspunkte instabil ist.It is generally known that the control and regulation of an internal combustion engine is based on physical model approaches that are calculated using numerical solution methods. For example, the so-called filling and emptying method can be used to describe the intake and exhaust system of an internal combustion engine. Such physical approaches are generally non-linear time-continuous models. These models have different dynamics and bandwidths from working point to working point. If the internal combustion engine on which it is based has, for example, a throttle valve located in the intake system for setting the fresh air mass to be supplied to the cylinders and if the throttle valve is almost closed, the pressure ratio across the throttle valve changes only very slowly, since only a small mass flow develops across the throttle valve. If, on the other hand, the throttle valve is wide open, a large mass flow can develop over the throttle valve, causing the pressure ratio to change very quickly. In other words, with the throttle fully open, the pressure ratio across the throttle is practically unity and the reservoirs before and after the throttle act as a single reservoir. Such effects can also occur in an internal combustion engine that has an exhaust gas turbocharger, with large mass flows also forming over the compressor or the turbine and the containers in front of and behind the compressor or the turbine act like a single container. Large integration step sizes are sufficient for calculating slow transient processes, whereas fast state changes require small step sizes. In other words, there are very rapid pressure changes between the two containers, for which a certain fixed increment may not be sufficient for their calculation. Since the two aforementioned throttle valve scenarios or mass flow changes over the compressor and the turbine occur constantly during operation of the internal combustion engine, a numerical solution method with variable increments can be used to calculate the respective model. This is able to adapt the integration step size to the model to be calculated during the calculation. As an alternative, a method with a fixed step size can be used, whereby this is to be selected so small that the fast transient processes can be calculated in a stable manner. However, this means that the calculation of the model consumes a comparatively large amount of computing time, depending on the bandwidth of the model. While the choice of the calculation method is still relatively free in a development environment, it is not so in an implementation in the control unit of an internal combustion engine. Here it is not possible to wait until the method has calculated a solution in a very stiff dynamic range. Rather, the solution must be available at defined times. For this reason, the integration step size is fixed in the control unit. For example, an increment of 10 ms is provided for the calculation of the intake system. Among the methods with a fixed step size, there are numerous methods that differ significantly in terms of their convergence and stability behavior. With the same step size, complex methods often have better stability than simple approaches, but they also require more computing steps and therefore more computing time. Since this is very limited in the control unit of an internal combustion engine, it is necessary to use a simple numerical method for the approximate solution, for example the so-called explicit Euler method for the numerical solution of differential equation systems. However, practical tests have shown that when the solution method is changed from a method with a variable step size to the explicit Euler method with a fixed integration step size of 10 ms for a model of an internal combustion engine implemented in a development environment, the simulation is unstable in most of the operating points is.
Zur stabilen Berechnung eines zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine dienenden Modells einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines numerischen Lösungsverfahrens mit einer festen Schrittweite ist es aus der
Aus der
Die
Ferner ist eine Steuereinrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Verbrennungsmotors auf der Grundlage der von der Korrekturgrößen-Berechnungseinrichtung bestimmten Korrekturgröße und einer Ausgabe des ersten Abgassensors vorgesehen, um die Konzentration der Komponente des Abgases stromabwärts des Katalysators gegen den vorbestimmten geeigneten Wert zu konvergieren. Die Vorrichtung umfasst eine Zustandsvorhersageeinrichtung zum Schätzen der vom zweiten Abgassensor erfassten Konzentration der Komponente des Abgases stromabwärts des Katalysators nach einer Totzeit in einem Abgassystem einschließlich des Katalysators zwischen dem ersten und dem zweiten Abgassensor auf der Grundlage von bis in die Gegenwart reichenden Ausgaben von dem ersten Abgassensor und auf der Grundlage von bis in die Gegenwart reichenden Ausgaben von dem zweiten Abgassensor. Dabei weist die Korrekturgrößen-Berechnungseinrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Verbrennungsmotors auf, um die Konzentration der Komponente auf der Grundlage der von der Zustandsvorhersageeinrichtung geschätzten Konzentration der Komponente des Abgases stromabwärts des Katalysators mit dem vorbestimmten geeigneten Wert abzugleichen.Further provided is a control means for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine based on the correction amount determined by the correction amount calculation means and an output of the first exhaust gas sensor to converge the concentration of the component of the exhaust gas downstream of the catalyst toward the predetermined appropriate value . The apparatus includes a state predictor for estimating the concentration of the component of the exhaust gas downstream of the catalyst detected by the second exhaust gas sensor after a dead time in an exhaust system including the catalyst between the first and second exhaust gas sensors based on outputs from the first exhaust gas sensor up to the present and based on to-date outputs from the second exhaust gas sensor. At this time, the correction quantity calculation means has means for determining the air-fuel ratio of the internal combustion engine to calculate the concentration of the component on the basis of the condition before predicting device to compare the estimated concentration of the component of the exhaust gas downstream of the catalyst with the predetermined suitable value.
Ferner sind aus der
Die Methodik des aus der
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, das explizite Euler-Verfahren durch einen ergänzenden Term für die geforderte feste Schrittweite zu stabilisieren. Dieser Term ist insbesondere ein arbeitspunktabhängiger Verstärkungsfaktor für die geforderte feste Schrittweite, wobei eine Stabilisierung des expliziten Euler-Verfahrens durch die mit dem Verstärkungsfaktor verbundene Verschiebung der Eigenwerte der Systemmatrix erfolgt. Insbesondere wird dadurch das zur Integration verwendete explizite Euler-Verfahren an das implizite Euler-Verfahren angenähert, welches bekanntermaßen A-stabil ist und damit eine stabile diskrete Implementierung eines kontinuierlichen stabilen Modells liefert. Durch dieses Vorgehen ist eine echtzeitfähige und stabile Berechnung des Modells in allen Betriebspunkten möglich. D. h. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Zustände in einem System bestehend aus mindestens zwei durch eine Trennstelle gekoppelte Behälter unabhängig von den Eigenschaften der Trennstelle numerisch stabil zu berechnen. Im Unterschied zu der aus
Ausführungsbeispielexample
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen. Zunächst wird das aus der
Hierbei zeigt:
-
1 : ein Modell der Ansauganlage einer Verbrennungskraftmaschine.
-
1 : a model of the intake system of an internal combustion engine.
Ein allgemein bekannter physikalischer Modellansatz zur Steuerung und Regelung einer Verbrennungskraftmaschine beschreibt die Ansauganlage. Wie in
Der Massenstrom ṁDK über die Drosselklappe 3 kann wie allgemein bekannt gemäß Gleichung (2) dargestellt werden, wobei A der durchströmten Fläche als Funktion des Drosselklappenwinkels αDK und Ψ der Durchflussfunktion entspricht, welche die Wirkung der Drosselklappe 3 in Abhängigkeit des Druckverhältnisses über der Drosselklappe 3 beschreibt.
Die Herleitung der Durchflussfunktion Ψ ist beispielsweise der Literaturstelle Merker, G. P. ; Schwarz, C. ; Stiesch, G. : Verbrennungsmotoren. Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung. Teuber, 2004 zu entnehmen.The derivation of the flow function Ψ can be found, for example, in the literature reference Merker, G. P.; Black, C. ; Stiesch, G. : Internal combustion engines. Simulation of combustion and pollutant formation. Teuber, 2004.
Der Massenstrom ṁEV, der zu den Brennräumen aus dem Behälter 1 abfließt, kann weiterhin gemäß Gleichung (3) beschrieben werden, wobei KMot einer motorspezifischen Konstante mit der Einheit
Zusätzlich wird der Behälter 2 gemäß Gleichung (4) betrachtet.
Der Behälter 2 wird über die Drosselklappe 3 entleert und über einen linearen Strömungswiderstand gegen den Druck der Umgebungsluft pUmg abgegrenzt, wobei der Strömungswiderstand als linearisierte Darstellung des Luftfilters 4 gemäß Gleichung (5) interpretiert wird.
Der Koeffizient cLF beschreibt dabei den Strömungswiderstand, der durch den Luftfilter 4 bedingt ist.The coefficient c LF describes the flow resistance that is caused by the
Zum weiteren Verständnis wird weiterhin vorerst auf das explizite Euler-Verfahren zur numerischen Lösung von gewöhnlichen Differentialgleichungssystemen erster Ordnung der Form gemäß Gleichung (5.1) eingegangen,
Die Lösung von (5.3) zum Zeitpunkt t0 +Δt entspricht demnach wie (5.4) in dargestellt.
Da der Integrand in vielen Fällen nicht numerisch integrierbar ist, wird angenommen, dass dieser im Intervall [t0, t0 + Δt] für eine genügend kleine Integrationsschrittweite Δt gemäß (5.5) beziehungsweise (5.6) konstant ist.
Aus der Gleichung für den ersten Schritt (5.6) wird die Rekursionsgleichung (5.7) für die approximierte Lösung von (5.1) und (5.2) im gesamten Intervall [t0,T] abgeleitet.
Für eine bessere Übersicht wird im Folgenden die Schreibweise gemäß (5.8) verwendet.
Die Konvergenz des expliziten Euler-Verfahrens hängt wesentlich von der gewählten Schrittweite Δt ab. Kommt es innerhalb eines Integrationsschrittes zu ausgeprägten Änderungen in den Zuständen x, ist das explizite Euler-Verfahren nicht in der Lage diese abzubilden. Nicht nur die Konvergenz des Verfahrens, sondern auch die Stabilität hängt von der gewählten Schrittweite Δt ab. Ist die Schrittweite zur Berechnung einer bestimmten Eigenbewegung in (5.1), (5.2) zu groß, kommt es zu einem exponentiellen Wachstum des Verfahrensfehlers und das explizite Euler-Verfahren wird instabil. Die Stabilität des expliziten Euler-Verfahrens in Verbindung mit dem zu Grunde liegenden Modell der Verbrennungskraftmaschine wird nur in ausgewählten Arbeitspunkten des Systems nachgewiesen. Ist das explizite Euler-Verfahren in allen am Prüfstand gemessenen Arbeitspunkten stabil und sind diese eng genug gewählt, wird angenommen, dass auch alle Arbeitspunktübergänge stabil berechnet werden können und das Verfahren im interessierenden Arbeitsbereich insgesamt stabil arbeitet. Als Arbeitsbereich wird dabei der von den Arbeitspunkten abgedeckte Raum verstanden. Die Verfahrensstabilität selbst wird anhand des Stabilitätskriteriums für zeitdiskrete Systeme in Zustandsdarstellung untersucht.The convergence of the explicit Euler method essentially depends on the chosen step size Δt. If there are pronounced changes in the states x within an integration step, the explicit Euler method is not able to map them. Not only the convergence of the method, but also the stability depends on the selected step size Δt. If the step size for calculating a specific proper motion in (5.1), (5.2) is too large, the error in the method will grow exponentially and the explicit Euler method will become unstable. The stability of the explicit Euler method in connection with the underlying model of the internal combustion engine is only verified at selected operating points of the system. If the explicit Euler method is stable in all operating points measured on the test bench and if these are chosen narrow enough, it is assumed that all operating point transitions can also be calculated stably and the method in the relevant working area works stably overall. The working area is understood to mean the space covered by the working points. The process stability itself is examined using the stability criterion for time-discrete systems in state representation.
Zur Beschreibung der Systemdynamik wird die Änderung der Systemzustände f(x(t)) in (5.1) im Arbeitspunkt xR linearisiert. Die Bezeichnung Arbeitspunkt meint dabei, dass sich das System in diesem Punkt in einer Ruhelage befindet, die Zustände somit konstant sind. Die Reihenentwicklung von f(x) gemäß (5.9)
Die Linearisierung von (5.1) soll die Systemdynamik nur in der Umgebung von xR beschreiben, da xR eine Ruhelage des Systems (5.1) ist, gilt f(xR) = 0, wodurch sich (5.10) gemäß (5.11) vereinfacht.
Die linearisierte Darstellung von (5.1) im Arbeitspunkt xR entspricht damit der Darstellung gemäß (5.12).
Üblicherweise wird die Verschiebung x(t) - xR in der Schreibweise vernachlässigt, so dass die im Arbeitspunkt linearisierte Darstellung des Systems (5.12) mit
Das System (5.17) ist stabil, wenn alle Eigenwerte λΦ,k der Matrix Φ die Bedingung gemäß (5.18) erfüllen, wie beispielsweise der Literaturstelle Lunze, D. I. J.: Regelungstechnik 2. Bd. 2. 2. Springer, 2002 zu entnehmen ist.
Daraus folgt, dass die Eigenwerte λA,k der Systemmatrix A für die Stabilität von (5.15) der Bedingung gemäß (5.19) genügen müssen.
Mit diesen Ungleichungen (5.18, 5.19) wird der Zusammenhang zwischen der Systemdynamik des Modells und der für eine stabile Berechnung erforderlichen Abtastzeit formuliert. Um eine Aussage zu treffen, ob ein gegebenes System (5.1, 5.2) mit der Abtastzeit Δt im Ruhepunkt xR beziehungsweise einer gewissen Umgebung um diesen Punkt stabil mit dem expliziten Euler-Verfahren berechnet werden kann, wird das System in diesem Arbeitspunkt linearisiert, die Systemmatrix A berechnet und anhand der Eigenwerte λA,k der Systemmatrix A entschieden, ob die Ungleichungen aus (5.19) erfüllt sind. Aus (5.19) folgt, dass die reellen Eigenwerte λA,k der Systemmatrix A bei einer Abtastzeit von 10 ms im Bereich gemäß (5.20) liegen müssen.
Sind die Eigenwerte komplex, muss (5.19) komplexwertig ausgewertet werden.If the eigenvalues are complex, (5.19) must be evaluated as complex.
Um den Einfluss des Massenstroms ṁDK über die Drosselklappe 3 auf die Dynamik des jeweiligen Modells beispielhaft zu beschreiben, werden alle Prozessgrößen auf Messungen gesetzt, die in einem Arbeitspunkt unter Einsatz eines Motorprüfstandes und geeigneter messtechnischer Mittel bestimmt wurden. Dabei wird bevorzugt ein Arbeitspunkt gewählt, bei dem das Druckverhältnis
Zur weiteren Beschreibung des Einflusses des Massenstroms ṁDK über die Drosselklappe 3 auf die Dynamik des jeweiligen Modells wird im weiteren Verlauf zunächst die Dynamik der Differentialgleichung gemäß (1) untersucht. Dazu wird gemäß (6, 6.1, 6.2) eine Systemmatrix A von Gleichung (1) durch Linearisierung gebildet.
Der Eigenwertbeitrag λEV des Massenstroms ṁEV durch die Einlassventile kann daher gemäß (7, 7.1, 7.2) auf Grundlage von Gleichung (3) bestimmt werden.
Der Eigenwertbeitrag λEV ist betragsmäßig klein und hängt nicht vom Druck p1i im Behälter 1 oder vom Druck p2i im Behälter 2 ab.The amount of the eigenvalue contribution λ EV is small and does not depend on the pressure p 1i in
Der Eigenwertbeitrag λDK des Massenstroms ṁDK über die Drosselklappe 3 hängt demgegenüber durch die Durchflusskennlinie
Ursache dafür ist, dass die Ableitung der Durchflusskennlinie
Wird das Modell gemäß den Gleichungen (1) und (4) betrachtet, so wird dessen Dynamik durch die Eigenwerte λ1 und λ2 der Systemmatrix A gemäß (9, 9.1) charakterisiert.
Es wird deutlich, dass das Modell bestehend aus den Behältern 1 und 2 und der Drosselklappe 3 mit dem expliziten Euler-Verfahren und einer Schrittweite von 10 ms nicht berechnet werden kann. Dieses Ergebnis kann auf ein übergeordnetes Gesamtmodell übertragen werden.It becomes clear that the model consisting of
Um das Modell gemäß (1) und (4) mit einer Schrittweite von 10 ms berechnen zu können, wird erfindungsgemäß die Integrationsvorschrift für das klassische Euler-Verfahren (5.8) um einen Term erweitert und somit an das implizite Euler-Verfahren angenähert. Die Vorgehensweise wird im Folgenden näher erläutert.In order to be able to calculate the model according to (1) and (4) with an increment of 10 ms, the integration rule for the classic Euler method (5.8) is expanded by one term according to the invention and thus approximated to the implicit Euler method. The procedure is explained in more detail below.
Ausgehend von der Systemgleichung für das implizite Euler-Verfahren
Im Vergleich zu Gleichung (5.16) ergibt sich die damit verbundene veränderte Systemmatrix zu
Diese durch die Verstärkung hervorgerufene Änderung der Systemmatrix stellt den Schlüssel zur stabilen numerischen Berechnung des Systems mit einer festen Abtastzeit dar. Zur Verdeutlichung wird die veränderte Systemmatrix aus Gleichung (15) im exemplarisch betrachteten Arbeitspunkt berechnet und ausgewertet. Mit den Werten aus Tabelle (a) ergibt sich A' zu
Ein Vergleich mit der Bedingung aus Gleichung (5.20) liefert den Stabilitätsbeweis.A comparison with the condition from equation (5.20) provides the proof of stability.
Im Folgenden wird nun die gemäß Gleichung (12) umzusetzende Berechnungsvorschrift für das vorliegende Anwendungsbeispiel zu Anschauungszwecken hergeleitet. Bezugnehmend auf das o. g. Anwendungsbeispiel mit den Differentialgleichungen (1) und (4) werden hier die vereinfachten Schreibweisen
Löst man die Matrixinversion in Gleichung (19), so folgt mit
An dieser Stelle macht die Lösung der Gleichung durch Invertierung der Matrix aus Gründen des Rechenaufwandes nur bedingt Sinn. Hier bietet sich u. a. eine Lösung des Gleichungssystems nach dem Gauß-Eleminationsverfahren an, wodurch sich die zu lösenden Gleichungen mit
Um den Rechenaufwand weiter drastisch zu reduzieren ist darüber hinaus auch eine arbeitspunktabhängige offline-Berechnung der Verstärkungsmatrix möglich. Die vom Arbeitspunkt abhängige Matrix
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Behältercontainer
- 22
- Behältercontainer
- 33
- Drosselklappethrottle
- 44
- Luftfilterair filter
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- 2011-03-21 DE DE102011014767.5A patent/DE102011014767B4/en active Active
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