JP2004251288A - 内燃機関の排気系圧力推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで吸・排気系の圧力を精度良く推定する。
【解決手段】別ルーチンで求められたシリンダ吸入空気量Ｑａｃ，シリンダ吸入ＥＧＲ量Ｑｅｃ，吸気温度Ｔａ，排気温度Ｔｅ，体積効率相当値Ｋｉｎを入力し(Ｓ１) 、これらの値に基づいて吸気圧Ｐｍを演算する (Ｓ２) 。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内燃機関の排気系の圧力を推定する技術に関する。

従来の内燃機関の吸気系圧力の検出方式としては、圧力を直接検出する手段を設けたり、該圧力検出手段の他に吸入空気流量を検出する手段を設けて、検出された吸気系の圧力を吸入空気流量の検出値で補正するなどして検出していた（特許文献１）。
特開昭５８−３５２５５号公報

しかしながら、このような従来の吸気圧力検出方式にあっては、吸入空気流量を検出しないものでは大気圧等の環境変化に対する空燃比の最適化ができなかった。また、吸入空気流量と吸気圧力とを検出するものでは、センサの取付け数の増大によるコスト増加を招いていた。排気圧力の検出においても同様の問題があった。
また過給機付機関の場合は、オイル劣化等による過給機の作動特性の変化により過渡運転時の最適化ができないという問題が判明した。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、排気系の圧力を直接検出することなく、高精度に推定できるようにした内燃機関の排気系圧力推定装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、
排気還流(ＥＧＲ)装置を備えた内燃機関において、
機関に吸入される空気流量を検出する吸入空気流量検出手段と、
機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
検出された機関の吸入空気流量に基づいてシリンダから排出される排気量を演算するシリンダ排出排気量演算手段と、
シリンダに吸入されるシリンダ吸入ＥＧＲ量を演算するシリンダ吸入ＥＧＲ量演算手段と、
前記演算されたシリンダ排出排気量とシリンダ吸入ＥＧＲ量と機関回転速度とを含む要素に基づいて排気系圧力を演算する排気系圧力演算手段と、
を含む排気系圧力推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、
吸入空気流量検出手段で検出された機関の吸入空気流量と回転速度検出手段で検出された機関回転速度との関係から排気系圧力推定手段が、排気系圧力を推定する。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。一実施の形態の全体構成を示す図１において、過給機１は、エアフィルタ２でダストを除去されて吸気通路３に吸入された空気を吸気コンプレッサ１Ａにより圧縮過給して下流側の吸気マニホールド４へ送り込む。
一方、機関５の燃焼室に装着された燃料噴射ノズル６には、噴射ポンプ７から各気筒に分配して燃料が圧送供給され、該燃料噴射ノズル６から燃焼室に向けて燃料が噴射され、該噴射された燃料は圧縮行程末期に着火して燃焼される。

また、排気マニホールド８と吸気マニホールド４とを結んでＥＧＲ制御弁９を介装したＥＧＲ通路１０が接続されると共に、前記吸気通路３の吸気コンプレッサ１Ａの上流側にＥＧＲ制御時に吸気を絞って排気圧と吸気圧との差圧を拡大してＥＧＲしやすくするためのスロットル弁３１が介装され、主としてアイドル時や低負荷時に排気改善，騒音対策のために前記スロットル弁３１を絞ると同時にＥＧＲ制御弁９の開度を制御してＥＧＲ制御を行う。具体的には、バキュームポンプ１１からの負圧を電磁弁３２を介してダイアフラム装置３３に導いて前記絞り弁３１を絞ると同時に、前記負圧をデューティ制御される電磁弁１２で大気との希釈割合を制御することによって前記ＥＧＲ制御弁９の圧力室に導かれる圧力を制御し、もって開度を制御することによりＥＧＲ率を制御している。これらＥＧＲ率や燃料噴射制御は、コントロールユニット１３により行われる。

前記ＥＧＲ制御弁９には、弁体のリフト量を検出するリフトセンサ３４が設置されている。
燃焼後の排気は、排気マニホールド８より前記過給機１の排気タービン１Ｂを回転駆動させた後、排気中に含まれるパーティキュレート (排気微粒子) 等がフィルタ１４で捕集され、マフラー１５で消音された後に大気中に放出される。

前記過給機１の吸気コンプレッサ１Ａ上流の吸気通路３には、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１６が設けられ、また、機関回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ１７、前記燃料噴射ポンプ７のコントロールレバー開度を検出するレバー開度センサ１８、水温を検出する水温センサ１９等が設けられ、これらの検出値に基づいて吸気系圧力，排気系圧力を検出しつつシリンダ吸入空気量に見合った燃料の許容最大噴射量が後述するようにして設定される。

以下、コントロールユニット１３による各種演算について説明する。
まず、吸気系圧力 (以下吸気圧という) Ｐｍの演算のルーチンを、図２のフローチャートに従って説明する。
ステップ (図ではＳと記す。以下同様) １では、それぞれ後述する別ルーチンで演算された１シリンダ当りの吸入空気量Ｑａｃ，１シリンダ当りの吸入ＥＧＲ量Ｑｅｃ，吸気温度Ｔａ，ＥＧＲ温度Ｔｅ，体積効率相当値Ｋｉｎを入力する。

ステップ２では、ステップ１で入力した各値と、予め分かっている容積比 (１シリンダ当りの容積／吸気系のコレクタ容積) Ｋｖｏｌと、に基づいて次式により吸気圧Ｐｍを演算する。
Ｐｍ＝Ｒ／Ｋｖｏｌ／Ｋｉｎ× (Ｑａｃ×Ｔａ＋Ｑｅｃ×Ｔｅ)
次に、排気系圧力 (ＥＧＲ取出口の圧力，以下排気圧という) Ｐｅｘｈの演算のルーチンを、図３のフローチャートに従って説明する。尚、このルーチンが排気系圧力演算手段に相当する。

ステップ11では、それぞれ後述する別ルーチンで演算された１シリンダから排出される排気量Ｑｅｘｈと、１シリンダ当りの吸入ＥＧＲ量Ｑｅｃ，排気温度Ｔｅｘｈ，機関回転速度Ｎｅを入力する。ステップ12では、ステップ11で入力した各値と、定数Ｋｐｅｘｈ，Ｏｐｅｘｈと、に基づいて次式により排気圧力Ｐｅｘｈを演算する。
Ｐｅｘｈ＝ (Ｑｅｘｈ−Ｑｅ) ×Ｔｅｘｈ×Ｎｅ×Ｋｐｅｘｈ＋Ｏｐｅｘｈ
図４は、１シリンダ当りの吸入空気量 (以下シリンダ吸入空気量という) Ｑａｃを演算するフローチャートを示す。尚、このルーチンがシリンダ吸入空気量演算手段を構成する。

ステップ21では、前記エアフローメータ１６による吸入空気流量の出力値 (電圧) Ｑ0 を読み込む。
ステップ22では、前記出力値Ｑ0 から変換テーブルにより吸入空気流量Ｑａｓｍを求める。
ステップ23では、前記吸入空気流量Ｑａｓｍに対して加重平均処理を行ってＱａｓ０を求める。ステップ24では、回転速度センサ１７により検出される機関回転速度Ｎｅを読み込む。

ステップ25では、前記吸入空気流量の加重平均値Ｑａｓ０と機関回転速度Ｎｅと定数Ｋｃとから次式により、エアフローメータ１６で検出された吸入空気流量に対するシリンダ吸入空気量Ｑａｃ０を演算する。
Ｑａｃ０＝Ｑａｓ０／Ｎｅ×Ｋｃ
ステップ26では、前記シリンダ当りの吸入空気量Ｑａｃ０のｎ回演算分のディレイ処理を行い、吸気コレクタ入口部の吸入空気量Ｑａｃｎを演算する。具体的には、最新から過去ｎ回前までのＱａｃ０を記憶しておき、ｎ回前のＱａｃ０値をＱａｃｎとして取り出す。

ステップ27では、定数Ｋｖｏｌと、体積効率相当値Ｋｉｎとを用いて次式によりシリンダ当りの吸入空気量Ｑａｃを演算する。
Ｑａｃ＝Ｑａｃ_n-1 × (１−Ｋｖｏｌ×Ｋｉｎ)＋Ｑａｃｎ×Ｋｖｏｌ×Ｋｉｎ
このようにして、シリンダ当りの吸入空気量Ｑａｃを精度良く求めることができる。
次にＥＧＲ制御時にシリンダ当りの吸入ＥＧＲ量を演算するルーチンを、図５のフローチャートに従って説明する。尚、このルーチンがシリンダ吸入ＥＧＲ量演算手段を構成する。

ステップ３１では、後述するルーチンによって演算される吸気系へのＥＧＲ流量Ｑｅを入力する。
ステップ３２では、機関回転速度Ｎｅを読み込む。
ステップ３３では、前記ＥＧＲ量Ｑｅと機関回転速度Ｎｅとから、吸気コレクタ部へ吸入されるシリンダ容積当りのＥＧＲ量Ｑｅｃｎを演算する。

ステップ３４では、定数Ｋｖｏｌと、体積効率相当値Ｋｉｎとを用いて次式によりシリンダに吸入されるシリンダＥＧＲ量Ｑｅｃを演算する。
Ｑｅｃ＝Ｑｅｃ_n-1 × (１−Ｋｖｏｌ×Ｋｉｎ)＋Ｑｅｃｎ×Ｋｖｏｌ×Ｋｉｎ
図６は、吸入空気 (ＥＧＲガスを含まない新気) の温度Ｔａを演算するルーチンのフローチャートである。尚、この処理は、吸気温度を直接検出するセンサを有する場合は、不要である。

ステップ41では、前回求められた吸気圧力Ｐｍ_n-1 を入力する。
ステップ42では、次式により断熱変化の関係から吸入空気温度Ｔａを演算する。
Ｔａ＝ＴＡ♯× (Ｐｍ_n-1 ／ＰＡ♯）(K-1)/K ＋ＴＯＦＦ♯ここで、ＴＡ♯，ＰＡ♯は標準状態の温度，圧力であり、ＴＯＦＦ♯は大気から吸気コレクタに空気が入るまでの温度上昇分であるが、これらの値を水温等に応じて補正してもよい。

図７は、ＥＧＲガスの吸気コレクタへの導入口における温度Ｔｅを演算するルーチンのフローチャートである。
ステップ52では、後述するルーチンで求められた排気温度Ｔｅｘｈを入力する。
ステップ53では、次式によりＥＧＲ温度Ｔｅを演算する。
Ｔｅ＝Ｔｅｘｈ×ＫＴＬＯＳ♯
ＫＴＬＯＳ♯は、ＥＧＲ通路によるＥＧＲの温度低下係数である。

図８は体積効率相当値Ｋｉｎを演算するルーチンのフローチャートである。尚、このルーチンが体積効率相当値演算手段を構成する。
ステップ61では、前回求められた吸気圧Ｐｍ_n-1 を入力する。
ステップ62では、前記吸気圧Ｐｍ_n-1 から、図９に示すようなテーブルを用いて圧力補正係数Ｋｉｎｐを演算する。

ステップ63では、機関回転速度Ｎｅから、図10に示すようなテーブルを用いて回転補正係数Ｋｉｎｎを演算する。
ステップ64では、前記圧力補正係数Ｋｉｎｐ及び回転補正係数Ｋｉｎｎを用いて、体積効率Ｋｉｎを次式により演算する。
Ｋｉｎ＝Ｋｉｎｐ×Ｋｉｎｎ
図11はＥＧＲ出口部の排気温度Ｔｅｘｈを演算するルーチンのフローチャートである。尚、この処理は、排気温度を直接検出するセンサを有する場合は、不要である。

ステップ71では、吸気行程で燃料が噴射されてから排気行程までのサイクル遅れ分遡って噴射された燃料噴射量Ｑｆｏを入力する。
ステップ72では、前記同様のサイクル遅れ分遡って演算された吸気温度Ｔｎｏを入力する。
ステップ73では、前記図３で演算された排気圧力Ｐｅｘｈ_n-1 を入力する。

ステップ74では、前記サイクル遅れ燃料噴射量Ｑｆｏから図12に示すようなテーブルから基本排気温度Ｔｅｘｈｂを検索する。
ステップ75では、前記吸気温度Ｔｎｏから次式により吸気温度補正係数Ｋｔｅｈｘｈ１を演算する。
Ｋｔｅｘｈ１＝ (Ｔｎｏ／ＴＡ♯)^KN
吸気温度補正係数Ｋｔｅｈｘｈ１は、上記のように標準温度に対する吸気温度の比のＫＮ乗として求められるものであり、吸気温度上昇による排気温度の上昇割合を示すものである。

ステップ76では、前記排気圧力Ｐｅｘｈ_n-1 から断熱変化の関係により排気圧力上昇による排気温度上昇割合である温度上昇補正係数Ｋｔｅｘｈ２を演算する。
Ｋｔｅｘｈ２＝ (Ｐｎｅｈｘ_n-1 ／ＰＡ♯)^(Ke-1)/Ke
ステップ77では、前記基本排気温度Ｔｅｘｈｂ，吸気温度補正係数Ｋｔｅｘｈ１，温度上昇補正係数Ｋｔｅｈｘｈ２により、次式により排気温度Ｔｅｘｈを次式により演算する。

Ｔｅｘｈ＝Ｔｅｘｈｂ×Ｋｔｅｘｈ１×Ｋｔｅｘｈ２
図13は、ＥＧＲ流量Ｑｅを演算するルーチンのフローチャートである。尚、このルーチンがＥＧＲ流量演算手段を構成する。
ステップ81では、吸気圧Ｐｍ，排気圧Ｐｅｘｈ，ＥＧＲ制御弁の実リフト量Ｌｉｆｔｓを入力する。

ステップ82では、前記実リフト量ＬｉｆｔｓからＥＧＲ通路の開口面積ＡＶｅを例えば図14に示したようなテーブルから検索する。
ステップ83では、次式によりＥＧＲ流量Ｑｅを演算する。
Ｑｅ＝Ａｖｅ× (Ｐｅｘｈ−Ｐｍ) ^1/2 ×ＫＲ♯
ここで、ＫＲ♯は定数で、前後差圧ΔＰにおける流速ｑの式ｑ＝ (ΔＰ・２ρ) ^1/2 から略 (２ρ) ^1/2 に等しい値である (但し、ρは排気の密度) 。

図15はシリンダ吸入空気量，燃料噴射量，シリンダ吸気温度のサイクル処理ルーチンのフローチャートを示す。
ステップ91では、シリンダ吸入空気量Ｑａｃ，燃料噴射量Ｑｓｏｌ，シリンダ吸気温度Ｔｎを入力する。尚、シリンダ吸気温度Ｔｎは例えば次式により演算することができる。
(Ｑａｃ×Ｔａ＋Ｑｅｃ×Ｔｅ) ／ (Ｑａｃ＋Ｑｅｃ)
ステップ92では、前記Ｑａｃ，Ｑｓｏｌ，Ｔｎにサイクル処理を施す。排気行程との位相合わせのため、吸気行程におけるＱａｃ，Ｔｎについてはシリンダ数から１を引いた分、圧縮行程におけるＱｓｏｌについてはシリンダ数から２を引いた分のディレイ処理を行い、夫々Ｑｅｘｈ，Ｔｎｏ，Ｑｆｏとし処理を終了する。

図16，図18，図19は、実際のＥＧＲ制御のフローチャートを示したものである。
図16は、ＥＧＲ制御弁の指令リフト量Ｌｉｆｔｔを演算するルーチンのフローチャートである。
ステップ101 では、吸気圧Ｐｍ，排気圧Ｐｅｘｈ，要求ＥＧＲ量Ｔｑｅを入力する。
ステップ102 では、次式によりＥＧＲ制御弁の要求流路面積Ｔａｖを演算する。ここで、ＫＲ♯は前記図13のステップ83で用いたものである。

ステップ103 では、前記Ｔａｖより例えば図17に示したような流路面積とリフト量との関係を示すテーブルから目標リフト量Ｍｌｉｆｔを演算する。
ステップ104 では、前記目標リフト量Ｍｌｉｆｔに弁の作動遅れ分の進み処理を行い、その値を指令リフト量Ｌｉｆｔｔとして出力する。
図18は、要求ＥＧＲ量Ｔｑｅを演算するフローチャートである。

ステップ111 では、機関回転速度Ｎｅ, 目標ＥＧＲ率Ｍｅｇｒ, シリンダ吸入空気量Ｑａｃを入力する。
ステップ112 では、シリンダ吸入空気量Ｑａｃに目標ＥＧＲ率Ｍｅｇｒを乗じることにより吸気コレクタへの目標ＥＧＲ流量Ｔｑｅｃ０を求める。
ステップ113 では、前記吸入ＥＧＲ量Ｔｑｅｃ０に吸気系容積分の進み処理を進み処理を行い、シリンダへの目標ＥＧＲ流量Ｔｑｅｃを求める。

ステップ114 では、前記目標ＥＧＲ流量Ｔｑｅｃと機関回転速度Ｎｅと定数ＫＣＯＮ♯からシリンダ当りの要求ＥＧＲ量Ｔｑｅを求める。図19は、前記目標ＥＧＲ率Ｍｅｇｒを演算するルーチンのフローチャートである。
ステップ121 では、機関回転速度Ｎｅ, 燃料噴射量Ｑｓｏｌを入力する。ステップ122 では、機関回転速度Ｎｅと負荷の代表値である燃料噴射量Ｑｓｏｌとに基づいて、例えば図20に示すようなテーブルから目標ＥＧＲ率Ｍｅｇｒを検索する。

図21は、燃料噴射量Ｑｓｏｌを演算するルーチンのフローチャートである。
ステップ131 では、機関回転速度Ｎｅ及びコントロールレバー開度ＣＬを読み込む。
ステップ132 では、機関回転速度Ｎｅとコントロールレバー開度ＣＬとから基本燃料噴射量Ｍｑｄｒｖを、例えば図22に示すようなテーブルから検索する。
ステップ133 では、前記基本燃料噴射量Ｍｑｄｒｖを水温等の各種補正係数によって補正してＱｓｏｌｌを求める。

ステップ134 では、最大燃料噴射量の制限を行い、Ｑｓｏｌとして出力する。
以上のようにすれば、ＥＧＲ制御を行う場合に、シリンダ排出排気量とシリンダ吸入ＥＧＲ量と機関回転速度とを含む要素に基づいて、前記演算式を用いて排気系圧力を精度良く演算することができる。

本発明の一実施例のシステム構成を示す図。 同上実施例の吸気系圧力を演算するルーチンのフローチャート。 同じく排気系圧力を演算するルーチンのフローチャート。 同じくシリンダ吸入空気量を演算するルーチンのフローチャート。 同じくシリンダ吸入ＥＧＲ量を演算するルーチンのフローチャート。 同じく吸入空気温度を演算するルーチンのフローチャート。 同じくＥＧＲ温度を演算するルーチンのフローチャート。 同じく体積効率相当値を演算するルーチンのフローチャート。 前記体積効率相当値の演算に使用する圧力補正テーブル。 同じく回転補正テーブル。 同じく排気温度を演算するルーチンのフローチャート。 前記排気温度の演算に使用する基本排気温度のテーブル。 同じくＥＧＲ流量を演算するルーチンのフローチャート。 前記ＥＧＲ流量演算に使用する弁リフト流路面積特性テーブル。 同じく各値のサイクル処理ルーチンを示すフローチャート。 同じく指令ＥＧＲ弁リフト量を演算するルーチンのフローチャート。 前記指令ＥＧＲ弁リフト量の演算に使用する流路面積リフト特性テーブル。 同じく要求ＥＧＲ量を演算するルーチンのフローチャート。 同じく目標ＥＧＲ率を演算するルーチンのフローチャート。 前記目標ＥＧＲ率の演算に使用する目標ＥＧＲ率マップテーブル。 同じく燃料噴射量を演算するルーチンのフローチャート。 前記燃料噴射量の演算に使用する燃料噴射量マップテーブル。

符号の説明

５ ディーゼル機関
６ 燃料噴射ノズル
７ 燃料噴射ポンプ
１１ バキュームポンプ
１３ コントロールユニット
１６ エアフローメータ
１７ 回転速度センサ
１８ レバー開度センサ
１９ 水温センサ
３１ スロットル弁
３４ リフトセンサ

Claims (7)

1. 機関に吸入される空気流量を検出する吸入空気流量検出手段と、
   機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   検出された機関の吸入空気流量と回転速度とを含む要素に基づいて吸気系圧力を推定する吸気系圧力推定手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の吸気系圧力推定装置。
2. 前記吸気系圧力推定手段は、
   機関の吸入空気流量と、回転速度と、体積効率相当値と、容積比 (吸気系の総容積に対するシリンダ容積の比) と、を含む要素に基づいてシリンダに吸入される空気量を演算するシリンダ吸入空気量演算手段と、
   前記演算されたシリンダ吸入空気量と、体積効率相当値と、前記容積比と、を含む要素に基づいて吸気系圧力を演算する吸気系圧力演算手段と、
   前記体積効率相当値を、機関運転開始時に初期値に設定し、その後は演算された吸気系圧力と検出された機関回転速度とを含む要素に基づいて演算した値で更新していく体積効率相当値演算手段と、
   を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気系圧力推定装置。
3. 内燃機関が排気還流 (ＥＧＲ) 装置を備えており、
   前記吸気系圧力推定手段は、
   吸気系に吸入されるＥＧＲ流量を演算するＥＧＲ流量演算手段と、
   演算されたＥＧＲ流量と、機関の回転速度と、体積効率相当値と、容積比 (吸気系の総容積に対するシリンダ容積の比) と、を含む要素に基づいてシリンダに吸入されるＥＧＲ量を演算するシリンダ吸入ＥＧＲ量演算手段と、
   を含んでおり、
   前記吸気系圧力演算手段は、演算されたシリンダ吸入ＥＧＲ量を含む要素に基づいて吸気系圧力を演算することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気系圧力推定装置。
4. 前記吸気系圧力演算手段は、次式により吸気圧力を演算することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸気圧力推定装置。
   Ｐｍ＝Ｒ／Ｋｖｏｌ／Ｋｉｎ× (Ｑａｃ×Ｔａ＋Ｑｅｃ×Ｔｅ)
   Ｐｍ：吸気圧力Ｋｖｏｌ：１シリンダ容積／吸気系容積
   Ｑａｃ：１シリンダ当りの吸入空気量
   Ｑｅｃ：１シリンダ当りの還流排気量
   Ｔａ：吸気温度
   Ｔｅ：還流排気温度
   Ｒ，Ｋｐｍ，Ｏｐｍ：定数
5. 機関に吸入される空気流量を検出する吸入空気流量検出手段と、
   機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   検出された機関の吸入空気流量と回転速度とを含む要素に基づいて排気系圧力を推定する排気系圧力推定手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の排気系圧力推定装置。
6. 内燃機関が排気還流 (ＥＧＲ) 装置を備えており、
   前記排気系圧力推定手段は、
   シリンダから排出される排気量を演算するシリンダ排出排気量演算手段と、
   シリンダに吸入されるシリンダ吸入ＥＧＲ量を演算するシリンダ吸入ＥＧＲ量演算手段と、
   演算されたシリンダ排出排気量とシリンダ吸入ＥＧＲ量と機関回転速度とを含む要素に基づいて排気系圧力を演算する排気系圧力演算手段と、を含んでいることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気系圧力推定装置。
7. 前記排気系圧力演算手段は、次式により吸気圧力を演算することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気系圧力推定装置。
   Ｐｅｘｈ＝ (Ｑｅｘｈ−Ｑｅ) ×Ｔｅｘｈ×Ｎｅ×Ｋｐｅｘｈ＋Ｏｐｅｘｈ
   Ｐｅｘｈ：排気系圧力
   Ｑｅｘｈ：排気温度
   Ｎｅ：機関回転速度
   Ｋｐｅｘｈ，Ｏｐｅｘｈ：定数

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