EP1320677A1 - Ventilanordnung - Google Patents

Ventilanordnung

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EP1320677A1
EP1320677A1 EP01974283A EP01974283A EP1320677A1 EP 1320677 A1 EP1320677 A1 EP 1320677A1 EP 01974283 A EP01974283 A EP 01974283A EP 01974283 A EP01974283 A EP 01974283A EP 1320677 A1 EP1320677 A1 EP 1320677A1
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Description

Ventilanordnung
Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für eine mit Speicherdruck arbeitende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine Ventilanordnung der vorgenannten Art ist aus der DE 19645243 C2 bekannt. Diese Ventilanordnung umfasst in Verbindung mit einem Druckspeicher ein zwischen diesem, in der Ausbildung als sogenanntes Common-Rail, und einem Niederdruckraum liegendes Abströmventil, das zur Zirkulation von erwärmtem Schweröl während der Stillstandszeit der Brennkraftmaschine geöffnet ist und das beim Starten der Brennkraftmaschine sowie während deren Betriebes geschlossen ist. Hierzu wird das Ventilglied des Abströmventiles über ein unter Druck stehendes Steuermedium in Richtung auf seine Schließlage belastet und in dieser Schließlage gehalten, und zwar gegen dem im Druckspeicher anstehenden Druck und gegen die Kraft einer in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes wirkenden Feder, die das Ventilglied beim Ausfall des Steuerdruckes in die Öffnungslage drückt. Für die Aufrechterhaltung der Schließiage des Ventilgliedes ist also eine ständig anstehende Zuhalteenergie erforderlich, die in Form des unter Druck anstehenden Steuermediums aufgebracht wird. Mit der Schließfunktion ist dadurch zwar eine Überwachungsfunktion hinsichtlich des Vorhandenseins von unter Druck stehendem Steuermedium verbunden, der damit einhergehende Aufwand ist in Anbetracht der zu beherrschenden Drücke aber nicht unerheblich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung der eingangs genannten Art hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Schließlage des Schließgliedes zu verbessern.
Gemäß der Erfindung wird dies mit einer Ventilanordnung gemäß dem Anspruch 1 erreicht. Diese nutzt in direkter Weise das im Druckspeicher unter Betriebsdruck anstehende Einspritzmedium, um das Ventilglied des Abströmventiles in Abströmrichtung zu beaufschlagen und dadurch in seiner Schließstellung zu fixieren. Die Überführung in die Schließstellung kann durch Druckbeaufschlagung eines mit dem Ventilglied verbundenen Stellkolbens eingeleitet werden oder erfolgen, oder über eine andere Stelleinrichtung, so beispielsweise auch einen Magnetsteller, da auf diesem Wege entsprechende Schließkräfte nur kurzzeitig aufgebracht werden müssen. Insbesondere in Verbindung mit einem Stellantrieb in Form eines fluidbeaufschlagten Stellkolbens erweist es sich als zweckmäßig, als Druckmedium beispielsweise Druckluft zu verwenden, derart, dass die beim Anlassen von Großkolben-Brennkraftmaschinen, insbesondere beim Anlassen von mit Schweröl betriebenen Großkolben-Brennkraftmaschinen, verwendete Anlassdruckluft auch auf den Stellkolben geführt wird, so dass synchron zum Anlassvorgang auch das Ventilglied in seine Schließstellung gezogen wird. Ist als Stellantrieb ein Magnet vorgesehen, so kann beispielsweise bei einem elektrisch zu startenden Motor die Anlassspannung auch zur Betätigung dieses Magneten herangezogen werden, in beiden Fällen eine kombinierte Beaufschlagung des Schließgliedes in Richtung auf seine Schließstellung verbunden mit der Aufladung des Druckspeichers beim Startvorgang, die mit zunehmendem Druck im Druckspeicher zu einer Druckbeaufschlagung des Ventilgliedes in Richtung auf dessen Schließstellung einhergeht, so dass die erforderlichen Dichtkräfte längstens beim Einsetzen des regulären Betriebes der Brennkraftmaschine nicht mehr über den Stellantrieb aufgebracht werden müssen und mit Beendigung des Startvorganges auch auf die Belastung des Ventilgliedes in Richtung auf seine Schließlage durch den Stellantrieb verzichtet werden kann.
Die Ventilanordnung wird bei der erfindungsgemäßen Lösung somit ohne weitere
Schaltelemente im Betrieb in ihrer Schließlage gehalten, und für den Startvorgang bedarf es nur der Abzweigung eines vernachlässigbaren Anteiles der jeweiligen Startenergie zur Betätigung des Stellantriebes. Selbstverständlich ist die Erfindung aber nicht an Lösungen gebunden und auf Lösungen eingeschränkt, bei denen Stellantrieb und Startbetrieb an die gleiche Energiequelle, sei es elektrische Spannungsversorgung oder die Drucklufterzeugung, gebunden ist.
In konstruktiver Ausgestaltung des Abströmventiles erweist es sich als zweckmäßig, dem Abströmventil benachbart zum Druckspeicher das Ventilglied zuzuordnen und gegenüberliegend zum Ventilglied den Stellantrieb vorzusehen, wobei die
Kolbenstangenverbindung zwischen dem Stellantrieb, insbesondere dessen Stellkolben oder Stellanker zum Ventilschaft des Ventilgliedes, zweckmäßigerweise in einer Form ausgestaltet ist, die die Integration der Abströmwege ermöglicht, wobei eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sich als zweckmäßig erweist, bei der dem Kopfteil der Ventilanordnung, dem der Druckraum zugeordnet ist, zugleich die Anschlüsse sowohl für die Versorgung des Druckraumes wie auch zur Ablaufseite hin zugeordnet sein können.
Insbesondere ist ein erfindungsgemäßer Aufbau des Abströmventiles zweckmäßig, bei dem dieses im wesentlichen aus einander überlappenden zylindrischen Buchsen oder Hülsenteilen gehäuseseitig aufgebaut ist, so dass auf einfache Drehteile zurückgegriffen werden kann.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung mit weiteren Merkmalen anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei Figur 1 das Absperrventil in Zuordnung zu einem Druckspeicher in Form eines
Common-Rail zeigt, dies weitgehend im Schnitt, während Figur 2 eine vergrößerte, gesonderte Darstellung des Abströmventiles als solchem zeigt.
In der Darstellung gemäß Figur 1 ist ein Druckspeicher 1 in Form eines sogenannten Common-Rail gezeigt, das in Bezug auf eine Ventilanordnung 2 von einer Buchse 3 dichtend umschlossen ist, die Träger eines Buchsenhalses 4 ist, der als Aufnahme für ein Abströmventil 5 dient.
Das Abströmventil 5 umfasst, wie insbesondere Figur 2 zeigt, ein Dichtkegel 6 der mit einer Überwurfmutter 7 gegen einen Ringansatz 9 eines Zwischenstückes 8 verspannt ist, das koaxial zum Dichtkegel 6 liegt und das im Übergang vom Ringansatz 9 auf den Dichtkegel 6 zusammen mit diesem eine Ventilkammer 10 begrenzt, in der der Ventilkopf 11 eines Ventilgliedes 40 liegt. Der Ventilkopf 11 liegt endseitig zu einem Ventilschaft 12 des Ventilgliedes 40, der koaxial gegen eine Kolbenstange 13 verschraubt ist, welche den Führungshals 14 des Kopfteiles 15 des Abströmventiles 5 durchsetzt, der seinerseits in einer Führungsbohrung 16 des Zwischenstückes 8 liegt, und zwar gegen-überliegend zum Ringansatz 9, wobei das Zwischenstück 8 angrenzend an den Ringansatz 9 einen im Durchmesser vergrößerten Radialbund 17 aufweist.
Im Bereich der Führungsbohrung 16 bildet das Zwischenstück 8 somit eine Aufnahmehülse 18 für den Führungshals 14, wobei der Außendurchmesser der Aufnahmehülse 18, ebenso wie der Außendurchmesser des Ringansatzes 9, kleiner ist als der Außendurchmesser des Radialbundes 17, über den das Zwischenstück 8 im Buchsenhals 4 geführt ist. Im Übergang des Führungshalses 14 auf das sich quer hierzu erstreckende Kopfteil 15 ist das Kopfteil 15 mit einem Anschlagbund 19 versehen, dem als Gegenstück die freie Stirnseite der Aufnahmehülse 18 zugeordnet ist.
Im Überdeckungsbereich zum Buchsenhals 4, gegenüber dem die Aufnahmehülse 18 einen kleineren Durchmesser aufweist, liegt zwischen der Aufnahmehülse 18 und dem Buchsenhals 4 eine Zwischenhülse 20, die axial gegen den Radialbund 17 aufsitzt und die radial zur Aufnahmehülse 18, bei dichtendem Anschluss an diese im zum Radialbund 17 abgelegenen oberen Bereich, einen Ringkanal 21 abgrenzt, wobei die radiale Tiefe des Ringkanales 21 im Ausführungsbeispiel dadurch bestimmt ist, dass die Aufnahmehülse 18, wie aus Figur 2 ersichtlich, einen im Außendurchmesser reduzierten Bereich 22 aufweist. Ist eine größere radiale Tiefe des Ringkanales 21 erwünscht, so lässt sich dies durch eine entsprechende Durchmessererweiterung im Innendurchmesser der Zwischenhülse 20 erreichen.
Wie Figur 1 veranschaulicht, ist der Druckspeicher 1 in seiner Wandung mit einer Abströmbohrung 23 versähen, die sich radial nach außen zu einem Aufnahmekonus 24 erweitert, dem der Dichtkegel 6 entspricht. Der Dichtkegel 6 ist axial in den Aufnahmekonus 24 eingespannt, wobei die entsprechende Verspannung über die Zwischenhülse 20 erreicht wird, die, über einen Teilbereich als Gewindehülse ausgebildet, in den Buchsenhals 4, wie bei 25 als Schraubverbindung angedeutet, eingeschraubt ist und sich axial auf dem Radialbund 17 des Zwischenstückes 8 abstützt, das seinerseits über den Ringansatz 9 axial den Dichtkegel 6 beaufschlagt, wobei die Abdichtung des im Übergang vom Ringansatz 9 auf den Dichtkegel 6 gebildeten Ventilkammer 0 durch axiale Verspannung des Dichtkegels 6 gegen den Ringansatz 9 über die Überwurfmutter 7 sichergestellt ist. Der Dichtkegel 6 ist ausgehend von der Ventilkammer 10 mit einer Bohrung 26 versehen, die zur Bohrung 23 korrespondiert.
Von der Ventilkammer 10 gehen axial verlaufende Kanäle 27 aus, die an den Ringkanal 21 anschließen, und zwar in dessen unteren Bereich. Im oberen Bereich des Ringkanales 21 , der nach oben durch die dichtende Anlage der Zwischenhülse 20 an der Aufnahmehülse 18 abgeschlossen ist, weist die Aufnahmehülse 18 Querbohrungen 28 auf, die auf einen Ringkanal 29 ausmünden, der in den Außenumfang des
Führungshalses 14 eingestochen ist und von dem ein Kanal 30 abzweigt, der auf einem ablaufseitigen Versorgungsanschluss 31 ausmündet. Dieser Versorgungsanschluss 31 ist dem Kopfteil 15 zugeordnet, das bevorzugt durch eine pilzförmige Verbreiterung des Führungshalses 14 gebildet ist. Dem Kopfteil 15 ist des weiteren, konzentrisch zur Kolbenstange 13 ein Stellantrieb 41 mit einem Druckraum 32 zugeordnet, in dem ein
Stellkolben 33 angeordnet ist der in Richtung auf die Ventilkammer 10 federbelastet ist, im Ausführungsbeispiel über eine Feder 34. Dem Druckraum 32 ist ein druckseitiger Versorgungsanschluss 35 zugeordnet, über den der Stellkolben 33 entgegen der Kraft der Feder 34 mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt werden kann, wobei in Verbindung mit Großkolben-Brennkraftmaschinen, die über Druckluft angelassen werden, insbesondere Druckluft eingesetzt wird.
Zur Abstützung der Feder 34 ist dem Kopfteil 15 eine deckelartige Abdeckung zugeordnet, die mit 36 bezeichnet ist und die es zudem ermöglicht, über die Deckelseite neben der Feder den Kolben 33 in den Kopfteil 15 einzusetzen. Dieser kann seinerseits ebenfalls über eine Verschraubung oder dergleichen ausgehend von der Deckelseite mit der Kolbenstange 13 verbunden werden. Diese ist ihrerseits gegen den Ventilschaft 12 verschraubt, wobei die Verschraubung bevorzugt in einem axial unterhalb des Führungshalses 14 liegenden Freibereich der Aufnahmebohrung 16 liegt, so dass der Verschraubungsbereich im Durchmesser größer ausgeführt werden kann als die den Führungshals 14 durchsetzende Aufnahmebohrung für die Kolbenstange 13. Es kann somit, nach Verbindung des Ventilschaftes 12 mit der Kolbenstange 13, der Führungshals 14 auf die Kolbenstange 13 aufgefädelt und gleichzeitig in die Aufnahmehülse 18 eingefädelt werden und nachfolgend der Kopfteil 15 gegen das Zwischenstück 8 über die Gewindeverbindung 37 zwischen Aufnahmehülse 18 und Führungshals 14 verspannt werden.
Das Abströmventil 15 bildet somit eine einfach zu montierende Baueinheit, die auch in vorteilhafter Weise über die Zwischenhülse 20 gegenüber der Buchse 4 über die Schraubverbindung 25 verspannt werden kann, wobei die in den Figuren angedeuteten Abdichtungen zwischen den einzelnen Teilen veranschaulichen, das der geschilderte Gesamtaufbau auch gute Voraussetzungen für eine einfache Gestaltung der wechselseitigen Abdichtungen ermöglicht.
Der Ventilkopf 11 ist in den Darstellungen gemäß Figuren 1 und 2 in der Ventilkammer 10 in seiner unteren, durch die Belastung über die Feder 34 vorgegebenen Öffnungslage dargestellt, in der die Abstützung gegen die Kraft der Feder 34 durch Anlage an einer konischen Begrenzungsfläche 38 der Ventilkammer 10 erfolgt, die über Übergang zur Bohrung 26 liegt. In dem Ventilkopf 11 sind Quernuten 39 oder dergleichen Ausnehmungen vorgesehen, die in der dargestellten Abstützlage gegenüber der Begrenzungsfläche 38, die einer Öffnungslage des Abströmventiles entspricht, die Verbindung der Bohrung 26 über die Ventilkammer 10 auf die Kanäle 27 und von dort weiter zum ablaufseitigen Versorgungsanschluss 31 freigeben. Wird der Stellkolben 33 über den Versorgungsanschluss 35 mit Druckfluid beaufschlagt, so wird der Ventilkopf 11 in seine nicht dargestellte obere Anschlaglage verfahren und grenzt die Ventilkammer 10 dichtend gegen die Ablaufseite ab.
Steht nun innerhalb des Druckspeichers 1 Druck an, so ist auch der Ventilkopf 11 über diesen in Richtung auf seine Schließlage beaufschlagt, so dass bei entsprechender Abstimmung der in Öffnungsrichtung des Ventilkopfes 11 wirkenden Feder 34 auf die vom Druck im Druckspeicher 1 abhängige, den Ventilkopf 11 in seiner Schließlage in Schließrichtung, also in Gegenrichtung belastende Druckkraft ein Grenzdruck festgelegt werden kann, bei dem der Ventilkopf 11 über den im Druckspeicher 1 anstehenden Druck in seiner Schließlage gehalten wird.
Bezogen auf eine mit Speicherdruckeinspritzung arbeitende Brennkraftmaschine, bei der mit Speicherdrücken bis in die Größenordnung von 2000 bar gearbeitet wird und bei der für die Funktion der Einspritzung ein relativ hohes Mindestdruckniveau erforderlich ist, bedeutet dies, dass der Ventilkopf 11 bei Betrieb der Brennkraftmaschine über den im Druckspeicher 1 anstehenden Druck in seiner Schließlage gehalten ist und dass lediglich für die Startphase zum Aufbau dieses Druckes der Ventilkopf über den Stellkolben 33 entgegen der Kraft der Feder 34 in seine Schließlage angehoben und in dieser gehalten werden muss, bis, wie dargelegt, sich im Druckspeicher 1 ein entsprechender Arbeitsdruck aufgebaut hat.
Arbeitet eine Brennkraftmaschine, wenn sie mit einer erfindungsgemäßen
Ventilanordnung ausgestattet ist, mit Druckluftanlassung, so bietet es sich an, die Druckkammer 32 versorgungsseitig während der Anlassphase mit der entsprechenden Druckluftquelle zu verbinden und somit einen kleinen Teil der für das Anlassen erforderlichen Energie für die Zuhaltefunktion abzuzweigen. Ist auf diese Weise ein ausreichendes Druckniveau im Druckspeicher aufgebaut, so ist für den Verbleib des Ventilkopfes 11 in seiner Schließlage der Druck im Druckspeicher 1 ausreichend und keine weitere, ständig anstehende Zuhalteenergie erforderlich.
Umgekehrt fällt das Abströmventil 5 in seine Öffnungslage zurück, sobald der Druck im Druckspeicher 1 eine vorgegebene untere Grenze unterschreitet, so dass auch eine Sicherheitsfunktion gewährleistet ist.
Mit einer Ventilanordnung der vorgeschilderten Art lässt sich insbesondere auch der bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen erforderliche Spülbetrieb in günstiger Weise durchführen. In dieser Betriebsphase befindet sich der Ventilkopf in seiner
Öffnungslage und das aufgeheizte Spülmedium, insbesondere das aufgeheizte Schweröl kann im Kreislauf durch das Einspritzsystem zirkulieren und dieses dadurch auf ein Temperaturniveau anheben, bei dem der Start und der Betrieb der Brennkraftmaschine möglich ist.
Im Ausführungsbeispiel ist als Stellantrieb ein Stellkolbensystem vorgesehen.
Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung aber, soweit dies die aufzubringenden Kräfte erlauben, auch mit Magnetstellern oder sonstigen Stellsystemen gearbeitet werden, wobei sich Magnetsteller insbesondere dann anbieten, wenn mit elektrischer Anlassung der Brennkraftmaschine gearbeitet wird, so dass der Magnetsteller beim Anlassen mit angesprochen und entsprechend angesteuert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Ventiianordnung für eine mit Speicherdruck arbeitende Brennkraftmaschine, bei der dem im Betrieb mit unter Betriebsdruck stehenden Einspritzmedium, insbesondere Diesel oder Schweröl beaufschlagten Druckspeicher ein druckgesteuertes Abströmventil mit im Abströmweg liegenden Ventilglied zugeordnet ist, das bei nicht betriebener Brennkraftmaschine geöffnet und bei betriebener Brennkraftmaschine geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (40) des Abströmventiles (5) in Abström richtung schließt und über das im Druckspeicher (1 ) unter Betriebsdruck anstehende Einspritzmedium in Schließstellung gehalten ist.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (40) des Abströmventiles (5) in Öffnungsrichtung federbelastet ist.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilanordnung ein das Ventilglied (40) in die Schließlage umstellender Stellantrieb zugeordnet ist.
4. Ventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (41) fluidisch beaufschlagbar ist.
5. Ventilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (41) pneumatisch beaufschlagbar ist.
6. Ventilanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (41 ) einen Stellkolben (33) umfasst, der auf seiner dem Druckraum (32) gegenüberliegenden Seite federbelastet ist.
7. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (32) mit der Führung für den Stellkolben (33) sowie den zu- und ablaufseitigen Versorgungsanschlüssen (31 , 35) dem Kopfteil (15) der Ventilanordnung (2) zugeordnet ist.
8. Ventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfteil (15) bei einem Querschnitt T-förmiger, insbesondere pilzförmiger Grundform über seinen dem Druckspeicher (1 ) zugewandten Führungshals (14) mit dem Druckspeicher (1 ) verbunden ist.
9. Ventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungshals (14) von der im Übergang zum Ventilglied (40) liegenden Kolbenstange (13) durchsetzt ist.
10. Ventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das im Ventilkopf (11) auslaufende Ventilglied (40) über den Ventilschaft (12) mit der
Kolbenstange (13) verbunden ist.
11. Ventilanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkopf (11) im Bereich einer Ventilkammer (10) liegt, die im Übergang auf eine Druckspeicher (1) in einen Dichtkegel (6) einläuft.
12. Ventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkegel (6) in einen Dichtkonus (24) eingreift, der der Wandung des Druckspeichers (1) zugeordnet ist und eine Verbindungsbohrung (26) zum Druckspeicher (1) aufweist.
13. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerung des Abströmventiles (5) zu einem rohrförmigen Teil des Druckspeichers (1 ), insbesondere zu einem rohrförmigen Druckspeicher über eine den rohrförmigen Teil umschließende Buchse (3) erfolgt, die in einem Buchsenhals (4) ausläuft, der eine Aufnahme für das Abströmventil (5) im Übergang zwischen Dichtkegel (6) und Führungshals (14) bildet.
14. Ventilanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungshals (14) in eine Bohrung (16) eines Zwischenstückes (8) eingreift, das gegenüberliegend zum Führungshals (14) einen Ringansatz (9) aufweist, gegen den der Dichtkegel (6) verspannt ist.
15. Ventilanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringansatz (9) und der Dichtkegel (6) über eine auf den Ringansatz (9) aufgeschraubte Überwurfmutter (7) verbunden sind.
16. Ventilanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwurfmutter (7) gegenüberliegend das Zwischenstück (8) von einer Zwischenhülse (20) umschlossen ist und dass die Zwischenhülse (20) gegen das Zwischenstück (8) einen Axialkanal, insbesondere einen Ringkanal (21 ) abgrenzt.
17. Ventilanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (8) geqenüberliegend zum Ringansatz (9) einen zum Radialbund (17) im Durchmesser abgesetzten Bereich (22) aufweist, der von der Zwischenhülse (20) überdeckt ist.
18. Ventilanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenhülse (20) in den Überdeckungsbereich von Zwischenstück (8) und Buchsenhals (4) eingreift.
19. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussverbindung von der Ventilkammer (10) zum ablaufseitigen, dem Kopfteil (15) des Abströmventiles (5) zugeordneten Versorgungsanschluss (31 ) über den Ringkanal (32) zwischen Zwischenhülse (20) und Zwischenstück (8) verläuft.
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