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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kühlvorrichtung zum Abführen von Wärmeenergie, eine Antriebsanordnung mit der Kühlvorrichtung sowie ein Fahrzeug mit der Kühlvorrichtung.
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Stand der Technik
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Aus der
US 5,647,221 A ist eine als Dampfstrahlkältemaschine ausgebildete Kühlvorrichtung zur Nutzung der Abwärme beispielsweise eines Verbrennungsmotors bekannt, bei der ein Niederdruckkühlkreislauf von einem Hochdruckkühlkreislauf über eine Art Turbolader angetrieben wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie eine Antriebsanordnung mit der Kühlvorrichtung und ein Fahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Kühlvorrichtung zum Abführen von Wärmeenergie vorzugsweise aus einem Verbrennungsmotor angegeben, die einen primären Kühlkreislauf zum Aufnehmen der Wärmeenergie mit einem Kühlmittel, eine Expandereinheit in dem primären Kühlkreislauf zum Umwandeln wenigstens eines Teils der Wärmeenergie aus dem Kühlmittel in mechanische Energie, eine Kompressoreinheit zum Betreiben eines Niederdruckkühlkreislaufes, auch Kältekreis genannt, unter Nutzung der mechanischen Energie, und einen Energiewandler zum Wandeln zwischen der mechanischen Energie und einer anderen Energie umfasst.
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Der angegebenen Kühlvorrichtung liegt die Überlegung zugrunde, dass es Situation geben könnte, in denen der Niederdruckkühlkreislauf in der eingangs genannten, als Dampfstrahlkältemaschine ausgebildeten Kühlvorrichtung nicht benötigt wird. Dann würde in dem Turbolader die mit der Expandereinheit erzeugte mechanische Energie unnötigerweise an die Kompressoreinheit abgegeben und somit quasi vernichtet. Diese Überlegung zugrunde gelegt, ist es eine Idee der angegebenen Kühlvorrichtung neben der Expandereinheit einen weiteren Energiewandler einzubringen, der wenigstens einen Teil der mechanischen Energie weiterwandelt, um sich die Option offen zu halten, die gewandelte Energie anderweitig zu nutzen oder mit der gewandelten Energie die Kompressoreinheit anzutreiben.
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Die gewandelte Energie kann beliebig verwendet werden. So kann diese beispielsweise direkt in einem Verbraucher verwendet werden, der ein elektrischer und/oder mechanischer Verbraucher als auch ein Zwischenspeicher, wie beispielsweise ein Schwungrad sein kann.
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Auf diese Weise kann die abgeführte Wärmeenergie selbst dann genutzt werden, wenn der Niederdruckkühlkreislauf nicht benötigt wird, wodurch der Wirkungsgrad eines Gesamtsystems mit der angegebenen Kühlvorrichtung spürbar gesteigert werden kann.
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In einer Weiterbildung der angegebenen Kühlvorrichtung ist der elektrische Wandler als elektrische Maschine ausgebildet, zwischen der mechanischen Energie und elektrischer Energie zu wandeln. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft, da sich elektrische Energie in vielfältiger Form (beispielsweise über ein Energienetz) verteilen, nutzen oder zwischenspeichern und bei Bedarf abrufen lässt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der angegebenen Kühlvorrichtung ist die elektrische Maschine als Generator ausgebildet, die mechanische Energie in die elektrische Energie umzuwandeln. Ein Generator kann als Energiewandler kostengünstig in nahezu jedes System eingebracht werden.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst die angegebene Kühlvorrichtung einen elektrischen Speicher zum Speichern der elektrischen Energie, die dann zwischengespeichert und durch beliebige elektrische Verbraucher genutzt werden kann.
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In einer anderen Weiterbildung der angegebenen Kühlvorrichtung ist die elektrische Maschine als Elektromotor ausgebildet, die Kompressoreinheit unter Nutzung der elektrischen Energie anzutreiben. Sollte beispielsweise aus dem Hochdruckkühlkreislauf zu wenig Wärmeenergie abgeführt werden, um den Niederdruckkühlkreislauf anzutreiben, kann die Kühlvorrichtung über den Elektromotor weiterhin einwandfrei und zuverlässig arbeiten.
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In einer besonderen Weiterbildung der angegebenen Kühlvorrichtung kann die elektrische Energie zum Betreiben des Elektromotors aus dem Speicher bezogen werden, der die elektrische Energie aus dem Generator speichert. Auf diese Weise kann überschüssige Wärmeenergie aus dem Hochdruckkühlkreislauf zeitverzögert zum Antrieb des Niederdruckkühlkreislaufes herangezogen werden, wodurch Schwankungen in der dem Hochdruckkreislauf zugeführten Wärmeenergie ausgeglichen werden können.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst die angegebene Kühlvorrichtung eine Kupplung zum Trennen des Energiewandlers von der Expandereinheit. Diese Kupplung bietet den Vorteil, dass der Energiewandler in einem normalen Betriebszustand der Kühlvorrichtung, in dem die von der Kühlvorrichtung bereitgestellte oder bereitstellbahre Kühlleistung oder Kühlenergie der angeforderten Kühlleitung bzw. Kühlenergie entspricht, von der Expandereinheit bzw. Kompressoreinheit entkoppelt und nur bei Bedarf wieder eingekoppelt werden kann. Dadurch kann auf ein Bypassventil (auch Wastegate genannt) verzichtet werden, welches sonst zur Ladedruckregelung beim Kühlmittel erforderlich werden könnte.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann der primäre Kühlkreislauf mit der Expandereinheit Teil einer Dampfstrahlkältemaschine sein. Das heißt, dass neben der Energieübertragung zwischen dem Hochdruckkreislauf und dem Niederdruckkreislauf basierend auf dem Turbolader zusätzlich auch eine Saugstrahldüse verwendet werden könnte.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Antriebsanordnung angegeben, welche einen Verbrennungsmotor und eine der angegebenen Kühlvorrichtungen zum Kühlen des Verbrennungsmotors aufweist.
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Der angegebenen Antriebsanordnung liegt die Überlegung zugrunde, dass es bei einer eingangs genannten Dampfstrahlkältemaschine nachteilig ist, dass der Niederdruckkühlkreislauf bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder bei einem Elektroantrieb eines Hybridfahrzeugs mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor gar nicht arbeiten kann, weil der Verbrennungsmotor in solchen Fällen eine unzureichende Wärmeenergie liefert. Mit der angegebenen Antriebsanordnung kann jedoch über den Energiewandler auch bei unzureichender Wärmeenergie aus dem Verbrennungsmotor Energie in das System zum Betrieb des Niederdruckkühlkreislaufes eingespeist werden, wodurch sein Betrieb gesichert ist. Bei entsprechend überschüssiger Wärmeenergie aus dem Verbrennungsmotor kann diese umgewandelt und von anderen Energieverbrauchern verwendet oder in einem Energiespeicher, wie einem elektrischen Energiespeicher oder einem Schwungrad zum späteren Verbrauch zwischengespeichert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug mit einer angegebenen Antriebsanordnung angegeben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Hybridfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer Kühlvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung der Kühlvorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform in 1 mit dem Verbrennungsmotor.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben. Je nach Ausgestaltung können die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen weitere in den Zeichnungen nicht dargestellte Komponenten aufweisen.
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Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, welche eine schematische Ansicht eines Hybridfahrzeugs 2 zeigt. Demnach weist das Hybridfahrzeug 2 einen Verbrennungsmotor 4 und einen nicht näher dargestellten Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs 2, eine Klimaanlage 6 zur Kühlung einer Fahrgastzelle 8 des Fahrzeugs 2, sowie eine Kühlvorrichtung 10 zur Kühlung des Verbrennungsmotors und zum Bereitstellen eines Kühlmittels für die Klimaanlage 6 auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlvorrichtung 10 zum Bereitstellen des Kühlmittels für die Klimaanlage 6 auch dazu dienen, die Ladeluft des Verbrennungsmotors 4 zu kühlen und so den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 4 zu steigern. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst einen primären Kühlkreislauf 12 zur Kühlung des Verbrennungsmotors 4 und einen sekundären Kühlkreislauf 14 zum Bereitstellen des Kühlmittels für die Klimaanlage 6.
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Die Kühlvorrichtung 10 wird nachfolgend anhand 2 detailliert beschrieben, welche die Kühlvorrichtung 10 samt dem Verbrennungsmotor 4 mit einer Brennkammer 18 schematisch darstellt.
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Die Kühlvorrichtung 10 umfasst einen als Hochdruckkühlkreislauf ausgebildeten primären Kühlkreislauf 12 und einen als Niederdruckkreislauf ausgebildeten sekundären Kühlkreislauf 14 zum Führen des bereits genannten Kühlmittels 16, welches als Kühlwasser ausgeführt sein kann. In 2 ist das Kühlmittel 16 mit Pfeilen angedeutet, wobei die Pfeilrichtung die Strömungsrichtung des Kühlmittels 16 zeigt. Das Kühlmittel 16 im flüssigen Zustand ist mit einer Volllinie dargestellt, während es in einem gasförmigen Zustand mit einer Strichlinie dargestellt ist.
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Der primäre Kühlkreislauf 12, der als dampfprozessbetriebener Wärmekraftkreislauf ausgebildet ist, durchläuft eine Pumpe 20, einen mit der Brennkammer 18 des Verbrennungsmotors 4 thermisch gekoppelten Dampfgenerator 22, eine Expandereinheit 24 und anschließend eine Kondensatoreinheit 26.
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Der sekundäre Kühlkreislauf 14, der als ein Kältekreislauf ausgebildet ist, wird von dem primären Kühlkreislauf 12 betrieben. Dabei durchläuft der sekundäre Kühlkreislauf 14 einen Verdampfer 28, eine Kompressoreinheit 30, die Kondensatoreinheit 26 sowie ein Expansionsventil 32 (auch Drosselventil genannt).
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Der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf 12 und 14 weisen einen gemeinsamen Kreislaufabschnitt in Form einer Mischleitung 34 auf, welche den primären und den sekundären Kühlkreislauf 12 und 14 stromabwärts nach der Expandereinheit 24 und der Kompressoreinheit 30 zusammenführt und danach weiter stromabwärts nach der gemeinsamen Kondensatoreinheit 26 wieder in den primären und den sekundären Kühlkreislauf 12 und 14 trennt.
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Die Expandereinheit 24 umfasst ein mit Schaufeln besetztes Turbinenrad 36. Die Kompressoreinheit 30 umfasst analog ein ebenfalls mit Schaufeln besetztes Verdichterrad 38. Zwischen der Expandereinheit 24 und der Kompressoreinheit 30 weist die Kühlvorrichtung 10 eine Verbindungswelle 40, also Maschinenwelle, welche Drehbewegungen bzw. Drehmomente zwischen der Expandereinheit 24 und der Kompressoreinheit 30, bzw. zwischen dem Turbinenrad 36 und dem Verdichterrad 38, überträgt.
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Die Kühlvorrichtung 10 weist ferner eine elektrische Maschine 42 mit einer nicht weiter referenzierten Rotorwelle auf, welche über eine schaltbare Kupplung 44 mit der Verbindungswelle 40, und somit mit dem Turbinenrad der Expandereinheit 24 und dem Verdichterrad 38 der Kompressoreinheit 30 kraft- und drehmomentübertragend verbindbar oder lösbar ist.
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Der Verbrennungsmotor 4 erzeugt im Rahmen seiner Verbrennung eines Kraftstoffes in der Brennkammer 18 Abwärme, welche das durch den Dampfgenerator 22 durchströmende Kühlmittel 16 aufwärmt. Dabei funktioniert der Dampfgenerator 22 wie ein Wärmetauscher und das Kühlmittel 16 nehmen Abwärme aus der Brennkammer 18 auf und kühlt so die Brennkammer 18 bzw. den Verbrennungsmotor 4. Alternativ oder zusätzlich können der Wärmetauscher und das Kühlmittel 16 Abwärme auch aus einem Abgas des Verbrennungsmotors 4 aufnehmen. Durch die aufgenommene Abwärme erhitzt sich das Kühlmittel 16 und verdampft anschließend und bildet so ein Hochdruckdampf, weshalb der primäre Kühlkreislauf 12 wie bereits erwähnt auch Hochdruckkühlkreislauf genannt wird.
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Das gasförmige Kühlmittel 16 auf Hochdruckniveau durchströmt nun die Expandereinheit 24 und treibt dabei das mit Schaufeln besetzte Turbinenrad 36 an. Dabei wird Strömungsenergie des gasförmigen Kühlmittels 16 auf Hochdruckniveau vom Turbinenrad 36 der Expandereinheit 24 in mechanische Energie in Form eines Drehmomentes des Turbinenrades 36 umgewandelt.
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Das Turbinenrad 36 treibt über die Verbindungswelle 40 das Verdichterrad 38 der Kompressoreinheit 30 an, die das Kühlmittel 16 aus dem stromaufwärts in dem sekundären Kühlkreislauf 14 liegenden Verdampfer 28 ansaugt, auf das Hochdruckniveau des gasförmigen Kühlmittels 16 im primären Kühlkreislauf 12 verdichtet und stromabwärts in die Mischleitung 34 leitet.
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Das vom Verdichterrad 38 der Kompressoreinheit 30 auf das Hochdruckniveau verdichtete (gasförmige) Kühlmittel 16 wird zuvor im Verdampfer 28 von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand auf ein Niederdruckniveau verdampft (daher auch der Name Niederdruckkühlkreislauf für den sekundären Kühlkreislauf 14). Bei der Verdampfung entzieht das Kühlmittel 16 einer Umgebung um den Verdampfer 28 in einer dem Fachmann bekannten Weise Wärmeenergie, was beispielsweise in einer dem Fachmann bekannten Weise in der Klimaanlage 6 zur Kühlung der Fahrgastzelle 8 des Fahrzeugs 2 genutzt werden kann.
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Das aus der Expandereinheit 24 und der Kompressoreinheit 30 austretende gasförmige Kühlmittel 16 auf Hochdruckniveau durchströmt stromabwärts die Mischleitung 34 und kondensiert in der Kondensatoreinheit 26 in der Mischleitung 34 zu einer flüssigen Phase. Das kondensierte Kühlmittel 16 wird anschließend wieder auf den primären und den sekundären Kühlkreislauf 12 und 14 aufgeteilt. Während über das Expansionsventil 32 der Druck des in den sekundären Kühlkreislauf 14 einfließenden Kühlmittels 16 an das dort vorherrschende Niederdruckniveau angepasst wird, wird das in den primären Kühlkreislauf 12 eingeströmte Kühlmittel 16 von der Pumpe 20 zum Dampfgenerator 22 befördert, so dass beide Kühlkreisläufe 12, 14 geschlossen sind.
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Im Betrieb des Fahrzeuges 2 können Betriebszustände auftreten, in denen dem Dampfgenerator 22 und damit dem primären Kühlkreislauf 12 nicht genügend Wärmeenergie zum Betrieb des sekundären Kühlkreislaufes 14 und damit zur Kühlung der Fahrgastzelle 8 und/oder Ladeluft des Verbrennungsmotors 4 über den Verdampfer 28 zur Verfügung steht. Derartige Betriebszustände können bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 4 oder beim Fahren des Hybridfahrzeugs 2 mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 4 auftreten.
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Um die Kühlleistung des Verdampfers 28 dennoch sicherzustellen, wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung vorgeschlagen, in diesem Fall das Turbinenrad 36 der Expandereinheit 24 und somit das Kühlmittel 16 mithilfe der elektrischen Maschine 42 zu bewegen. Die elektrische Maschine 42 wird dabei als Elektromotor betrieben, wobei die elektrische Maschine 42 über die Verbindungswelle 40 das Verdichterrad 38 antreibt, das wiederum das Kühlmittel 16 im sekundären Kühlkreislauf 14 bewegt und durch den Verdampfer 28 für eine wirkungsvolle Kühlung treibt. Die zum Motorbetriebsmodus der elektrischen Maschine 42 erforderliche elektrische Energie kann die elektrische Maschine 42 über eine elektrische Leitung 46 von einem elektrischen Energiespeicher 48 erhalten, welcher beispielsweise als Akkumulator ausgebildet ist. Dabei sollte die Kupplung 44 Drehmomente bzw. Drehbewegungen zwischen der elektrischen Maschine 42 und dem Verdichterrad 38 übertragen.
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Liefert der Verbrennungsmotor 4 dem Dampfgenerator 22 mehr Wärmeenergie, als das Turbinenrad 36 zum Antreiben des Verdichterrades 38 benötigt, so kann die elektrische Maschine 42 als Generator betrieben werden und über die Verbindungswelle 40 von dem Turbinenrad 36 überschüssige Energie als elektrische Energie aufnehmen. Diese elektrische Energie kann über die elektrische Leitung 46 an den elektrischen Energiespeicher 48 weitergeleitet und dort zwischengespeichert werden. Die zwischengespeicherte elektrische Energie kann anschließend zum Betrieb von in den Figuren nicht näher dargestellten elektrischen Verbrauchern in einem Bordnetz des Fahrzeugs 2, wie zum Beispiel einem Navigationsgerät, verwendet werden. Die Aufnahme von elektrischer Energie über die als Generator arbeitende elektrische Maschine 42 kann beispielsweise über die Kupplung 44 gesteuert werden, die in diesem Fall wieder Drehmomente bzw. Drehbewegungen zwischen der elektrischen Maschine 42 und dem Verdichterrad 38 überträgt.
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Die Kupplung 44 kann damit derart angesteuert werden, dass sie Drehmomente bzw. Drehbewegungen zwischen der elektrischen Maschine 42 und dem Verdichterrad 38 überträgt, wenn die am Verbrennungsmotor 4 verfügbare Wärmeenergie nicht zur vom sekundären Kühlkreis 14 benötigten Wärmeenergie passt, wenn diese also zu niedrig oder zu hoch ist. Diese Steuerung könnte beispielsweise im Rahmen einer eine Temperaturregelung durchgeführt werden, die die Temperatur des durch Verdampfer 28 zu kühlenden Elementes in dem Fahrzeug 2 erfasst und die Kupplung 44 als Regelstrecke mit einem entsprechenden Regler ansteuert, wenn die erfasste Temperatur von einem Solltemperaturverlauf abweicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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