EP0140148B1 - Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP0140148B1
EP0140148B1 EP84111313A EP84111313A EP0140148B1 EP 0140148 B1 EP0140148 B1 EP 0140148B1 EP 84111313 A EP84111313 A EP 84111313A EP 84111313 A EP84111313 A EP 84111313A EP 0140148 B1 EP0140148 B1 EP 0140148B1
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EP
European Patent Office
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resistance body
union nut
washer
heating element
injection
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EP84111313A
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EP0140148A3 (en
EP0140148A2 (de
Inventor
Gerhard Auwärter
Werner Dr. Dipl.-Phys. Grünwald
Ernst Imhof
Iwan Komaroff
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M53/00—Fuel-injection apparatus characterised by having heating, cooling or thermally-insulating means
    • F02M53/04—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means
    • F02M53/06—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means with fuel-heating means, e.g. for vaporising
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices

Definitions

  • the invention relates to a device for injecting fuel according to the preamble of the main claim.
  • Devices of this type are described in EP-A-0 102 507 to be taken into account in accordance with Art. 54 (3) EPC. These devices have the advantage that braking of the spray jet due to the formation of negative pressure and jet deformation in the channel of the incandescent body can be avoided in practically all operating points of the internal combustion engine, so that the spray jets emerge from the channel with the desired geometry and without being braked at the maximum outflow rate.
  • the air drawn into the duct heats up and penetrates into the peripheral zones of the spray jets, where, in contrast to the core zone, there are finer fuel droplets and, because of the smaller droplet density than in the jet core, there is a very favorable fuel-air ratio for ignition and combustion.
  • heat is supplied to the edge zone of the spray jet, so that when the spray jet emerges into the combustion chamber, the cloud of droplets, steam and air surrounding the jet core ignites. Since this cloud represents only a small part of the total quantity in the spray jet, the generic glow device requires only relatively little heating energy to initiate the ignition.
  • the penetration energy of the spray jet is not reduced, so that the spray jet with a burning jacket can spread unhindered in the combustion chamber.
  • EP-A-0 102 507 already proposes to provide a heat shield between the injection nozzle and the incandescent body, which from case to case can also carry a metallic heat protection ring, which has an annular lip pressing against the end face of the injection nozzle Dissipation of heat is provided. This arrangement is not sufficient in all cases in order to avoid an undesirably excessive heating of the end of the injection nozzle on the combustion chamber side if the incandescent body radiates too much heat to the nozzle base.
  • a fuel injection device with a glow element connected downstream of the injection nozzle which has a channel surrounded by heatable structures for the passage of the spray jets and is arranged in a channel-shaped combustion chamber into which an air channel opens laterally which the spray jets suck in fresh air from the cylinder.
  • the arrangement according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that effective protection of the injection nozzle against overheating by the incandescent body can be achieved even in extreme cases with simple means.
  • the electrical resistance with PTC characteristic increases with increasing temperature at the end of the injection nozzle, the heating current being increasingly throttled and a harmless limit temperature being regulated as a result.
  • the heating element itself is protected against overload and its service life is increased.
  • the disk-shaped resistance body acts as a mechanical shield for the injection nozzle against the heat radiation of the incandescent body.
  • the electrical resistance can advantageously have an exponential course of the resistance value in the still permissible limit temperature range.
  • the resistor acts to a certain extent as a switch, which switches the heating current on and off in accordance with the heat radiation directed against the injection nozzle.
  • the permissible limit temperature can be maintained more precisely than with resistors whose resistance value changes continuously with the temperature.
  • the injection nozzle 10 has a nozzle body 12 in which a valve seat 14 is formed and a valve needle 16 is slidably mounted. This has a sealing cone 18 which cooperates with the valve seat 14 and to which a throttle pin 20 connects, which plunges into a spray opening 22 in the nozzle body 12.
  • the spray opening 22 opens out at the end face 24 of the injection nozzle facing the combustion chamber, which ends via a conical wall section 26 into the cylindrical outer surface of the nozzle body 12.
  • the nozzle body 12 is clamped by a union nut 28 together with an intermediate washer 30, as usual, to a nozzle holder, which is no longer shown in the drawing, which has a connection for a fuel line and is provided on the inside with a chamber for receiving a closing spring which presses the valve needle 16 against the valve seat 14.
  • the union nut 28 is adapted to the outer shape of the nozzle body 12 and is accordingly provided with a conical bore section 31.
  • a fuel channel leads from the nozzle holder through the intermediate disk 30 into an annular groove 32 in the nozzle body 12, which is connected via an inlet bore 34 to a pressure chamber 36 in the nozzle body 12.
  • the valve needle 16 In the area of the pressure chamber 36, the valve needle 16 has a pressure shoulder 38, on which the fuel pressure causes a force which counteracts the closing spring and displaces the valve needle in the opening direction.
  • the injection nozzle 10 is followed by an incandescent body, designated as a whole by the reference number 40, which, as the central component, has an incandescent filament 42 which has a channel in its interior for the non-contact passage of the fuel spray jets.
  • the incandescent filament 42 is surrounded by a metallic protective capsule 44, which is provided with a flange edge 46 and with lateral ventilation openings 48 in the jacket, and with a central through opening 50 in the bottom.
  • the spray jets passing through the incandescent filament 42 suck in air from the combustion chamber of the machine via the ventilation openings as a result of the injector effect, which mixes in the incandescent filament 42 with the edge zones of the spray jets in the manner already described at the beginning.
  • a disk-shaped electrical resistance body 52 Arranged between the injection nozzle 10 and the incandescent body 40 is a disk-shaped electrical resistance body 52 which is electrically connected in series with the incandescent filament 42 in the manner described in more detail below.
  • the resistance body 52 consists of ceramic material, for example of BaTi0 3 , and is covered on both side surfaces with a ceramic fleece 54 or 56 so that contact with the union nut 28 and the flange 46 of the protective capsule 44 is avoided.
  • the ceramic nonwovens 54 and 56 consist of an electrically non-conductive material, for. B. from A1 2 0 3 .
  • the protective capsule 44 and the resistance body 52 are held together by a ring part 60 provided with a support shoulder 58 on the union nut 28.
  • the ring part 60 is welded to the union nut 28 and a supply line 64 for the incandescent filament 42, which is contained in an insulating bush 62, is clamped pressure-tight between the two parts.
  • the upstream of the insulating bushing 62 which is covered by an insulating jacket 66, is passed through a laterally open slot 68 in the union nut 28 and welded to the upper side surface of the resistance body 52 metallized on both sides.
  • One end of the incandescent filament 42 is welded to the lower side surface of the resistance body 52, while its other end is connected to the metallic protective capsule 44 and is connected to ground via this, the ring part 60, the union nut 28 and the cylinder head.
  • the resistance body 52 practically interrupts the heating current of the incandescent filament 42 simply by the heat radiation from the combustion chamber, so that the incandescent filament 42 is only switched on in the start phase.
  • the resistance body 52 In addition to its control function, the resistance body 52 largely shields the end face 24 of the nozzle body 12 from the combustion chamber.
  • the resistance body 52 thus performs two functions simultaneously in the selected exemplary embodiment, both of which serve one and the same task.
  • This design also has the advantage that the resistance body 52 with the incandescent filament 42, the protective capsule 44 and the feed line 64 can be assembled into a prefabricated assembly prior to installation in the injection nozzle 10, thereby facilitating the assembly of the injection nozzle.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach der Gattung des Hauptanspruchs. Einrichtungen dieser Gattung sind in der gemäss Art. 54(3) EPÜ zu berücksichtigenden EP-A-0 102 507 beschrieben. Diese Einrichtungen haben den Vorteil, dass eine Abbremsung des Spritzstrahls durch Unterdruckbildung und Strahlverformung im Kanal des Glühkörpers praktisch in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine vermieden werden kann, so dass die Spritzstrahlen mit der gewünschten Geometrie und ungebremst mit maximaler Ausflussgeschwindigkeit aus dem Kanal austreten. Die in dem Kanal angesaugte Luft erwärmt sich und dringt in die Randzonen der Spritzstrahlen ein, wo sich im Unterschied zu der Kernzone feinere Kraftstofftröpfchen befinden und ausserdem wegen kleinerer Tröpfchendichte als im Strahlkern ein für die Zündung und Verbrennung sehr günstiges Kraftstoff-Luft-Verhältnis herrscht. Beim Durchströmen des Kanals wird der Randzone des Spritzstrahls Wärme zugeführt, so dass beim Austreten des Spritzstrahles in den Brennraum die den Strahlkern umgebende Wolke aus Tröpfchen, Dampf und Luft zündet. Da diese Wolke anteilmässig nur einen geringen Teil der Gesamtmenge im Spritzstrahl darstellt, erfordert die gattungsmässige Glüheinrichtung zur Einleitung der Zündung nur verhältnismässig wenig Heizenergie. Zusätzlich wird dabei die Eindringenergie des Spritzstrahls nicht gemindert, so dass sich der Spritzstrahl mit brennender Ummantelung im Brennraum ungehindert ausbreiten kann.
  • Neben diesen Vorteilen könnte in wenigen Fällen durch die Anordnung eines Glühkörpers nahe dem brennraumseitigen Stirnende der Einspritzdüse das Problem auftreten, dass infolge der zusätzlichen Wärmeeinwirkung die in diesem Stirnende vorhandenen Spritzöffnungen schneller als bei Einspritzdüsen ohne Glühkörper zum Verkoken neigen. Zur Vermeidung dieses Mangels wird in der EP-A-0 102 507 bereits vorgeschlagen, zwischen der Einspritzdüse und dem Glühkörper einen Hitzeschirm vorzusehen, weiche von Fall zu Fall noch einen metallischen Wärmeschutzring tragen kann, der mit einer gegen die Stirnseite der Einspritzdüse drückenden Ringlippe zur Ableitung der Wärme versehen ist. Diese Anordnung reicht nicht in allen Fällen aus, um eine unerwünscht starke Erhitzung des brennraumseitigen Endes der Einspritzdüse mit Sicherheit zu vermeiden, wenn der Glühkörper zu viel Wärme an den Düsenboden abstrahlt.
  • Ferner ist aus der DE-C-834 467 eine Kraftstoff-Einspritzeinrichtung mit einem der Einspritzdüse nachgeschalteten Glühkörper bekannt, der einen von heizbaren Strukturen umgebenen Kanal zum Durchtritt der Spritzstrahlen hat und in einem kanalförmigen Brennraum angeordnet ist, in welchen ein Luftkanal seitlich einmündet, über den die Spritzstrahlen Frischluft aus dem Zylinder ansaugen.
  • Bei Glühkerzen sind elektrisch heizbare Strukturen bekannt, die mit einer Serienschaltung von einem elektrischen Heizelement und einem der Strahlung des Heizelements ausgesetzten elektrischen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten versehen sind (JP-A-58 106 326).
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemässe Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln ein wirksamer Schutz der Einspritzdüse vor Überhitzung durch den Glühkörper auch in extremen Fällen erreicht werden kann. Der elektrische Widerstand mit PTC-Charakteristik steigt mit zunehmender Temperatur an der Stirnseite der Einspritzdüse an, wobei der Heizstrom zunehmend gedrosselt und im Ergebnis eine unschädliche Grenztemperatur eingeregelt wird. Gleichzeitig wird auch das Heizelement selbst vor Überlastung geschützt und dessen Lebensdauer erhöht. Zusätzlich dazu wirkt der scheibenförmige Widerstandskörper als mechanische Abschirmung der Einspritzdüse gegen die Wärmestrahlung des Glühkörpers.
  • Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 7 stellen vorteilhafte konstruktive Massnahmen dar, welche eine kompakte und betriebssichere Ausführung ergeben.
  • Der elektrische Widerstand kann vorteilhaft im noch zulässigen Grenztemperaturbereich einen exponentiellen Verlauf des Widerstandswertes aufweisen. Der Widerstand wirkt in diesem Fall gewissermassen als Schalter, welcher den Heizstrom nach Massgabe der gegen die Einspritzdüse gerichteten Wärmestrahlung aus- und einschaltet. Dadurch kann die noch zulässige Grenztemperatur exakter eingehalten werden als mit Widerständen, deren Widerstandswert sich stetig mit der Temperatur ändert.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt den brennraumseitigen Teil einer Einspritzdüse mit nachgeschaltetem Glühkörper im Schnitt.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die Einspritzdüse 10 hat einen Düsenkörper 12, in welchem ein Ventilsitz 14 gebildet und eine Ventilnadel 16 verschiebbar gelagert ist. Diese hat einen mit dem Ventilsitz 14 zusammenarbeitenden Dichtkegel 18, an den sich ein Drosselzapfen 20 anschliesst, welcher in eine Spritzöffnung 22 im Düsenkörper 12 taucht. Die Spritzöffnung 22 mündet an der dem Brennraum zugekehrten Stirnseite 24 der Einspritzdüse aus, welche über einen konischen Wandabschnitt 26 in die zylindrische Mantelfläche des Düsenkörpers 12 übergeht.
  • Der Düsenkörper 12 ist durch eine Überwurfmutter 28 zusammen mit einer Zwischenscheibe 30 wie üblich an einem in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Düsenhalter festgespannt, welcher einen Anschluss für eine Kraftstoffleitung hat und im Inneren mit einer Kammer zur Aufnahme einer Schliessfeder versehen ist, welche die Ventilnadel 16 gegen den Ventilsitz 14 drückt. Die Überwurfmutter 28 ist der Aussenform des Düsenkörpers 12 ängepasst und dementsprechend mit einem konischen Bohrungsabschnitt 31 versehen. Vom Düsenhalter führt durch die Zwischenscheibe 30 ein Kraftstoffkanal in eine Ringnut 32 im Düsenkörper 12, welche über eine Zulaufbohrung 34 mit einem Druckraum 36 im Düsenkörper 12 verbunden ist. Im Bereich des Druckraumes 36 hat die Ventilnadel 16 eine Druckschulter 38, an welcher der Kraftstoffdruck eine der Schliessfeder entgegenwirkende, die Ventilnadel in Öffnungsrichtung verschiebende Kraft hervorruft.
  • Der Einspritzdüse 10 ist ein als Ganzes mit der Bezugszahl 40 bezeichneter Glühkörper nachgeschaltet, welcher als zentrales Bauteil eine Glühwendel 42 hat, die in ihrem Inneren einen Kanal zum berührungsfreien Durchgang der Kraftstoff-Spritzstrahlen hat. Die Glühwendel 42 ist von einer metallischen Schutzkapsel 44 umgeben, die mit einem Flanschrand 46 und mit seitlichen Belüftungsöffnungen 48 im Mantel, sowie mit einer zentralen Durchgangsöffnung 50 im Boden versehen ist. Die durch die Glühwendel 42 hindurchtretenden Spritzstrahlen saugen über die Belüftungsöffnungen infolge Injektorwirkung Luft aus dem Brennraum der Maschine an, die sich in der Glühwendel 42 in der bereits eingangs beschriebenen Weise mit den Randzonen der Spritzstrahlen vermischt.
  • Zwischen der Einspritzdüse 10 und dem Glühkörper 40 ist ein scheibenförmiger elektrischer Widerstandskörper 52 angeordnet, welcher in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise elektrisch in Serie mit der Glühwendel 42 geschaltet ist. Der Widerstandskörper 52 besteht aus Keramikmaterial, z.B. aus BaTi03, und ist an seinen beiden Seitenflächen je mit einem Keramikvlies 54 bzw. 56 so bedeckt, dass eine Berührung mit der Überwurfmutter 28 und dem Flanschrand 46 der Schutzkapsel 44 vermieden ist. Die Keramikvliese 54 und 56 bestehen aus einem elektrisch nicht leitenden Material, z. B. aus A1203.
  • Die Schutzkapsel 44 und der Widerstandskörper 52 sind gemeinsam durch ein mit einer Auflageschulter 58 versehenes Ringteil 60 an der Überwurfmutter 28 festgehalten. Der Ringteil 60 ist an der Überwurfmutter 28 angeschweisst und zwischen beiden Teilen ist eine in einer Isolierbuchse 62 gefasste Zuleitung 64 für die Glühwendel 42 druckdicht eingespannt. Die stromauf der lsolierbuchse 62 von einem Isoliermantel 66 umhüllte Zuleitung 64 ist durch einen seitlich offenen Schlitz 68 in der Überwurfmutter 28 hindurchgeführt und an der oberen Seitenfläche des beidseitig metallisierten Widerstandskörpers 52 angeschweisst. Das eine Ende der Glühwendel 42 ist an die untere Seitenfläche des Widerstandskörpers 52 angeschweisst, während ihr anderes Ende mit der metallischen Schutzkapsel 44 verbunden und über diese, das Ringteil 60, die Überwurfmutter 28 und den Zylinderkopf mit Masse kontaktiert ist.
  • Beim Schliessen des über den Widerstandskörper 52 und die Glühwendel 42 führenden Heizstromkreises fliesst zunächst ein hoher Strom, wenn der Widerstandskörper 52 noch kalt und sein Widerstandswert daher noch gering ist. Bei Inbetriebnahme der Maschine ist daher die Heizleistung der Glühwendel 42 gross, wodurch die Zündfreudigkeit des im Glühkörper 40 gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Startphase weiter erhöht wird. Sobald die Temperatur des Widerstandskörpers 52 durch die Wärmestrahlung der Glühwendel 42 und des Brennraumes ansteigt, nimmt sein Widerstandswert zu und dementsprechend der die Glühwendel 42 durchfliessende Heizstrom ab. Dadurch schwächt sich auch die Wärmestrahlung auf den Widerstandskörper 52 ab, so dass sich im Betrieb der Maschine für jeden Belastungszustand eine bestimmte Grenztemperatur der Strahlung einstellen wird, bei welcher sich noch keine schädlichen Wirkungen in Bezug auf ein Verkoken der Spritzöffnung 22 ergeben.
  • In manchen Fällen kann es zweckmässig sein, die Widerstandscharakteristik so zu wählen, dass nach der Startphase der Widerstandskörper 52 allein schon durch die Wärmestrahlung des Brennraumes den Heizstrom der Glühwendel 42 praktisch unterbricht, so dass die Glühwendel 42 nur in der Startphase eingeschaltet ist.
  • Neben seiner Regelfunktion schirmt der Widerstandskörper 52 die Stirnseite 24 des Düsenkörpers 12 gegen den Brennraum hin weitgehend ab. Der Widerstandskörper 52 übt also beim gewählten Ausführungsbeispiel zwei Funktionen gleichzeitig aus, die beide ein und derselben Aufgabe dienen. Diese Ausbildung hat ferner den Vorteil, dass der Widerstandskörper 52 mit der Glühwendel 42, der Schutzkapsel 44 und der Zuleitung 64 vor dem Einbau in die Einspritzdüse 10 zu einer vorgefertigten Baugruppe zusammengesetzt werden kann, wodurch der Zusammenbau der Einspritzdüse erleichtert wird.

Claims (7)

1. Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen, mit mindestens einer Einspritzdüse (10), welcher ein Glühkörper (40) nachgeschaltet ist, der einen von heizbaren Strukturen umgebenen Kanal zum Durchtritt der Spritzstrahlen hat, und ferner mit mindestens einer in den Weg der Spritzstrahlen von der Seite her einmündenden Belüftungsöffnung (48), über welche durch Injektorwirkung Luft aus dem Brennraum in die Randzone der Spritzstrahlen gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die heizbaren Strukturen mit einer Serienschaltung von mindestens einem elektrischen Heizelement (42) und einem der Strahlung des Heizelementes (42) ausgesetzten elektrischen Widerstand (52) versehen sind, der einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand) hat und als scheibenförmiger Körper ausgebildet ist, welcher zwischen dem Heizelement (42) und der brennraumseitigen Stirnseite der Einspritzdüse (10) angeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Widerstandskörper (52) aus einem Keramikmaterial, vorzugsweise aus BaTi03, besteht.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Widerstandskörper (52) an beiden Seitenflächen metallisiert ist und an der einen Seitenfläche mit dem Heizelement (42), an der anderen Seitenfläche dagegen mit einem das Gehäuse (28) der Einspritzdüse (10) durchsetzenden Stromleiter (64) verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Widerstandskörper (52) an beiden Stirnflächen durch eine Isolierscheibe (54, 56), vorzugsweise ein Keramikvlies aus A1203, abgedeckt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Widerstandskörper (52) zusammen mit einem Flansch (46) einer Schutzkapsel (44), die das Heizelement (42) umgibt, an der Stirnseite einer Überwurfmutter (28) festgehalten ist, welche einen Düsenkörper (12) der Einspritzdüse (10) gegen einen Düsenhalter spannt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (52) und die Schutzkapsel (44) durch ein an die Überwurfmutter (28) angeschweisstes, mit einer Auflageschulter (58) versehenes Ringteil (60) an der Überwurfmutter (28) festgehalten ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringteil (60) einen konischen Bohrungsabschnitt hat, welcher auf einem mit gleicher Konizität ausgeführten Mantelflächenabschnitt der Überwurfmutter (28) aufliegt, und dass der zum Widerstandskörper (52) führende Stromleiter (64) zwischen den konischen Flächenabschnitten an Überwurfmutter (28) und Ringteil (60) druckfest und dicht eingespannt ist.
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