JP2005036755A - 内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内に吸入された空気の量を低負荷で精度よく算出可能とする実用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法の提供。
【解決手段】 燃料および空気の混合気を各燃焼室３内で燃焼させて動力を発生する内燃機関１は、燃焼室３に設けられて筒内圧力を検出する筒内圧センサ１５およびＥＣＵ２０を備える。ＥＣＵ２０は、筒内圧センサ１５によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータを吸気弁Ｖｉの開弁所定の２点について算出すると共に、当該２点間における制御パラメータの差分に基づいて各燃焼室３に吸入される空気の量を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置および吸入空気量算出方法に関する。

従来から、内燃機関の制御装置として、圧縮行程中の２点において検出された筒内圧力に基づいて、筒内に吸入された空気の量を算出するものが知られている。（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関の制御装置は、圧縮行程中の点火時期前の２点において検出された筒内圧力の偏差を求め、予め用意されているマップ（テーブル）から、求めた偏差に対応する空気量を読み出す。そして、当該制御装置は、上述のようにして求めた空気量に対応した量の燃料をインジェクタから筒内に噴射させる。

特開平９−５３５０３号公報

しかしながら、吸入空気量と、圧縮行程中の点火時期前の２点において検出された筒内圧力の偏差との関係を高精度に規定するマップを作成する容易なことではなく、結局のところ、従来の内燃機関の制御装置では、吸入空気量を制度よく求めることは困難となっていた。

そこで、本発明は、筒内に吸入された空気の量を低負荷で精度よく算出可能とする実用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法の提供を目的とする。

本発明による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出する演算手段と、演算手段により吸気行程中の少なくとも２点について算出された制御パラメータに基づいて、筒内に吸入される空気の量を算出する吸入空気量算出手段とを備えることを特徴とする。

この場合、制御パラメータは、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であると好ましい。

また、吸入空気量算出手段は、上記２点間における制御パラメータの差分に基づいて筒内に吸入される空気の量を算出すると好ましい。

更に、吸入空気量算出手段は、上記２点間における制御パラメータの差分と、シリンダ壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて筒内に吸入される空気の量を算出すると好ましい。

また、制御パラメータが算出される上記２点は、吸気弁の開閉タイミングに応じて設定されると好ましい。

本発明による内燃機関の吸入空気量算出方法は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の吸入空気量算出方法であって、
（ａ）筒内圧力を検出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出するステップと、
（ｃ）吸気行程中の少なくとも２点について算出された制御パラメータに基づいて、筒内に吸入される空気の量を算出するステップとを含むものである。

この場合、制御パラメータは、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であると好ましい。

また、ステップ（ｃ）では、上記２点間における制御パラメータの差分に基づいて筒内に吸入される空気の量を算出すると好ましい。

更に、ステップ（ｃ）では、上記２点間における制御パラメータの差分と、シリンダ壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて筒内に吸入される空気の量を算出すると好ましい。

また、制御パラメータが算出される上記２点を、吸気弁の開閉タイミングに応じて変化させると好ましい。

本発明によれば、筒内に吸入された空気の量を低負荷で精度よく算出可能とする実用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法の実現が可能となる。

本発明者らは、演算負荷の低減化を図りつつ、筒内に吸入される空気の量を精度よく求めて内燃機関の良好な制御を可能にするために鋭意研究を重ね、その結果、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータに着目するに至った。より詳細には、本発明者らは、クランク角がθである際に筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力をＰ（θ）とし、クランク角がθである際の筒内容積をＶ（θ）とし、比熱比をκとした場合に、筒内圧力Ｐ（θ）と、筒内容積Ｖ（θ）を比熱比（所定の指数）κで累乗した値Ｖ^κ（θ）との積として得られる制御パラメータＰ（θ）・Ｖ^κ（θ）（以下、適宜「ＰＶ^κ」と記す）に着目した。そして、本発明者らは、クランク角に対する内燃機関の筒内における熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する制御パラメータＰＶ^κの変化パターンとは、図１に示されるような相関を有することを見出した。ただし、図１において、−３６０°，０°および３６０°は、上死点に、−１８０°および１８０°は、下死点に対応する。

図１において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κをプロットしたものである。また、図１において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Ｑを、熱発生率の式：ｄＱ／ｄθ＝｛ｄＰ／ｄθ・Ｖ＋κ・Ｐ・ｄＶ／ｄθ｝／｛κ−１｝に基づき、Ｑ＝∫ｄＱとして算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。

図１に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する制御パラメータＰＶ^κの変化パターンとは、概ね一致（相似）している。更に、吸気行程中、すなわち、吸気弁開弁時から吸気弁閉弁時までの間における熱発生量Ｑと制御パラメータＰＶ^κとの相関に注目すると、図２に示されるように、吸気弁開弁時から吸気弁閉弁時までの間（図２の例では、クランク角が−３５３°から−１２７°の範囲）において、制御パラメータＰＶ^κは、熱発生量Ｑに概ね比例して増加する。

ここで、吸気弁開弁時から吸気弁閉弁時までの間に筒内に吸入される空気のエネルギは、吸入空気量に比例する。そして、筒内に吸入される空気のエネルギは、吸気弁開弁時および吸気弁閉弁時といった吸気行程中の少なくとも２点間における熱発生量Ｑの変動分から求めることができる。従って、本発明者らによって見出された筒内における熱発生量Ｑと制御パラメータＰＶ^κとの相関を利用すれば、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータＰＶ^κから、高負荷な演算処理を要することなく、筒内に吸入された空気の量を精度よく算出することが可能となる。

この場合、好ましくは、上記２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分に基づいて所定の制御量が算出される。上述のように、本発明者らが着目した制御パラメータＰＶ^κは、内燃機関の筒内における熱発生量Ｑを反映するものであり、吸気行程中の２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分は、当該２点間における筒内での熱発生量、すなわち、上記２点間で筒内に吸入された空気のエネルギを示し、極めて低負荷で算出し得るものである。従って、吸気行程中の２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分を利用すれば、演算負荷を大幅に低減させつつ吸入空気量を精度よく算出することが可能となる。

また、上記２点間における制御パラメータの差分ＰＶ^κと、シリンダ壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて筒内に吸入される空気の量が算出されると好ましい。このように、シリンダ壁部に伝わる熱エネルギを考慮して、制御パラメータの差分ＰＶ^κに基づいて算出される吸入空気量を補正することにより、吸入空気量の算出精度をより一層向上させることが可能となる。

更に、制御パラメータＰＶ^κが算出される２点は、吸気弁の開閉タイミングに応じて設定されると好ましい。これにより、いわゆる可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関においても、制御パラメータＰＶ^κに基づいて筒内に吸入される空気の量を精度よく算出することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図３は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールドを介して吸気管５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールドを介して排気管６にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、点火プラグ７は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

各吸気管５（吸気マニホールド）は、図１に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインＬ１が接続されており、給気ラインＬ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインＬ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子スロットルバルブ）１０が組み込まれている。一方、排気管６には、図１に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。

更に、内燃機関１は、図１に示されるように、複数のインジェクタ１２を有し、インジェクタ１２は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。また、内燃機関１の各ピストン４は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部４ａが形成されている。そして、内燃機関１では、各燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ１２から各燃焼室３内のピストン４の凹部４ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、内燃機関１では、点火プラグ７の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管（吸気ポート）噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。

上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図１に示されるように、内燃機関１のクランク角センサ１４を始めとした各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、動弁機構等を制御する。

また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバセンサ等を含む筒内圧センサ（筒内圧検出手段）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３における筒内圧力を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ２０に与える。更に、内燃機関１は、サージタンク８内の空気温度を検出する温度センサ１６を有している。温度センサ１６は、ＥＣＵ２０に電気的に接続されており、検出したサージタンク８内の空気温度を示す信号をＥＣＵ２０に与える。

次に、図４を参照しながら、上述の内燃機関１の各燃焼室３に吸入される空気の量の算出手順について説明する。

内燃機関１が始動されると、図４に示されるように、ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値に基づいて、機関回転数等の内燃機関１の運転条件を取得する（Ｓ１０）。更に、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件を取得すると、各燃焼室３に吸入される空気の量を算出するために必要な筒内圧の検出タイミングを規定するクランク角θ_１およびθ_２（ただし、θ_１＜θ_２）を決定する（Ｓ１２）。本実施形態では、クランク角がθ_１となる第１のタイミングは、吸気弁Ｖｉの開弁時と一致し、クランク角がθ_２となる第２のタイミングは、吸気弁Ｖｉの閉弁時と一致する。

ここで、本実施形態の内燃機関１では、吸気弁Ｖｉの開閉タイミングが動弁機構によって機関回転数等の運転条件に応じて変化させられる。このため、Ｓ１２において、ＥＣＵ２０は、機関運転条件に応じた動弁機構による吸気弁Ｖｉの進角量を求めると共に、求めた進角量と吸気弁Ｖｉの基本開閉タイミングとから、筒内圧の検出タイミングを規定するクランク角θ_１およびθ_２を決定する。このように、筒内圧力が検出される第１および第２タイミング、すなわち、制御パラメータＰＶ^κが算出されることになる２点は、吸気弁Ｖｉの開閉タイミングに応じて設定されると好ましい。これにより、可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関１において、制御パラメータＰＶ^κに基づいて各燃焼室３内に吸入される空気の量を精度よく算出することが可能となる。

その後、ＥＣＵ２０は、図示されないアクセル位置センサからの信号等に基づいて内燃機関１の目標トルクを定めると共に、予め用意されているマップ等を用いて目標トルクに応じた吸入空気量（スロットルバルブ１０の開度）および各インジェクタ１２からの燃料噴射量（燃料噴射時間）を設定する。更に、ＥＣＵ２０は、スロットルバルブ１０の開度を制御すると共に、各インジェクタ１２から定められた量の燃料を例えば吸気行程中に噴射させる。また、ＥＣＵ２０は、点火制御用ベースマップに従って、各点火プラグ７による点火を実行させる。

これと並行して、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて内燃機関１のクランク角をモニタしている。そして、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、クランク角がＳ１２にて定められた値θ_１（第１のタイミング）になると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいて、その時の筒内圧力Ｐ（θ_１）を求める（Ｓ１４）。更に、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、求めた筒内圧力Ｐ（θ_１）と、筒内圧力Ｐ（θ_１）の検出時、すなわち、クランク角がθ_１となる時の筒内容積Ｖ（θ_１）を比熱比κ（本実施形態では、κ＝１．３２）で累乗した値との積である制御パラメータＰ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ１６）。

Ｓ１６の処理の後、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、クランク角がＳ１２にて定められた値θ_２（第２のタイミング）になると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいて、その時の筒内圧力Ｐ（θ_２）を求める（Ｓ１８）。更に、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、求めた筒内圧力Ｐ（θ_２）と、筒内圧力Ｐ（θ_２）の検出時、すなわち、クランク角がθ_２となる時の筒内容積Ｖ（θ_２）を比熱比κ（本実施形態では、κ＝１．３２）で累乗した値との積である制御パラメータＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ２０）。

上述のようにして、制御パラメータＰ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）およびＰ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）を求めると、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、第１および第２のタイミングの間における制御パラメータＰＶ^κの差分を、
ΔＰＶ^κ＝Ｐ（θ_２）・Ｖ^κ（θ_２）−Ｐ（θ_１）・Ｖ^κ（θ_１）
として算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ２２）。

ここで、制御パラメータＰＶ^κは、上述のように、内燃機関１の各燃焼室３内における熱発生量Ｑに概ね比例するものであり（図２参照）、吸気行程中の２点間、すなわち、第１のタイミング（吸気弁開弁時）と第２のタイミング（吸気弁閉弁時）との間における制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κは、クランク角＝θ_１となる第１のタイミングと、クランク角＝θ_２となる第２のタイミングとの間における各燃焼室３での熱発生量、すなわち、吸気弁Ｖｉが開弁されてから閉弁されるまでの間に各燃焼室３に吸入された空気のエネルギに比例するものである。そして、吸気弁Ｖｉが開弁されてから閉弁されるまでの間に各燃焼室３内に吸入される空気のエネルギは、吸入空気量に比例する。

従って、各燃焼室３に吸入された空気の量Ｍｃは、差分ΔＰＶ^κの熱発生量Ｑに対する比例定数をαとすれば、次の（１）式に従って算出することができる。

ただし、Ｑｗ：シリンダ壁部に伝わる熱エネルギ、κ：比熱比（本実施形態では、例えばκ＝１．３２）、Ｒ：気体定数、Ｔ_ｉｎ：吸入空気の温度である。

図４に示されるように、ＥＣＵ２０は、Ｓ２２にて求めた第１のタイミングと第２のタイミングとの間における制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κ、温度センサ１６によって検出される吸入空気（サージタンク８内の空気）の温度、および、所定のマップから読み出したシリンダ壁部に伝わる熱エネルギＱｗを用いると共に、上記（１）式に従って、吸気弁Ｖｉが開弁されている間に各燃焼室３内に吸入された空気の量を算出する（Ｓ２４）。

このように、各燃焼室３における熱発生量Ｑと制御パラメータＰＶ^κとの相関を利用すれば、筒内圧センサ１５によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータＰＶ^κから、各燃焼室３に吸入された空気の量を高負荷な演算処理を要することなく精度よく算出することが可能となる。そして、ＥＣＵ２０は、上述のようにして算出した各燃焼室３への吸入空気量Ｍｃを用いて、例えば内燃機関１における空燃比制御等を実行する。従って、本実施形態の内燃機関１では、高精度な機関制御が低負荷で簡易に実行されることになる。特に、内燃機関１では、吸気行程中の２点間における制御パラメータの差分ＰＶ^κに基づいて吸入空気量が算出されるので、圧縮行程中の２点における筒内圧力に基づいて吸入空気量を求める場合のように、燃料の噴射タイミングが遅れてしまって筒内における燃焼不良を招いてしまうといった不具合が確実に防止される。

また、本実施形態では、上記（１）式に従って吸入空気量が算出される際に、シリンダ壁部に伝わる熱エネルギＱｗによって、制御パラメータの差分ＰＶ^κに基づいて算出される吸入空気量が補正されることになる。これにより、本実施形態では、吸入空気量Ｍｃの算出精度をより一層向上させることが可能となる。なお、シリンダ壁部に伝わる熱エネルギＱｗを求めるためのマップは、熱エネルギＱｗと、吸入空気の温度およびシリンダ壁部の温度等との関係を規定するものとして予め用意されており、ＥＣＵ２０は、温度センサ１６の検出値や、図示されない温度センサにより検出されるシリンダ壁部の温度等に基づいて、当該マップからシリンダ壁部に伝わる熱エネルギＱｗを読み出す。

本発明において用いられる制御パラメータＰＶ^κと、燃焼室内における熱発生量との相関を示すグラフである。 燃焼室内における熱発生量と制御パラメータＰＶ^κとの相関を示すグラフである。 本発明による内燃機関を示す概略構成図である。 図３の内燃機関の各燃焼室に吸入される空気の量を算出する手順を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
４ ピストン
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
１６ 温度センサ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (10)

1. 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、
   筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出する演算手段と、
   前記演算手段により吸気行程中の少なくとも２点について算出された前記制御パラメータに基づいて、前記筒内に吸入される空気の量を算出する吸入空気量算出手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御パラメータは、前記筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記吸入空気量算出手段は、前記２点間における前記制御パラメータの差分に基づいて前記筒内に吸入される空気の量を算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記吸入空気量算出手段は、前記２点間における前記制御パラメータの差分と、シリンダ壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて前記筒内に吸入される空気の量を算出することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記制御パラメータが算出される前記２点は、吸気弁の開閉タイミングに応じて設定されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の吸入空気量算出方法であって、
   （ａ）筒内圧力を検出するステップと、
   （ｂ）ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出するステップと、
   （ｃ）吸気行程中の少なくとも２点について算出された前記制御パラメータに基づいて、前記筒内に吸入される空気の量を算出するステップとを含む内燃機関の吸入空気量算出方法。
7. 前記制御パラメータは、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の吸入空気量算出方法。
8. ステップ（ｃ）では、前記２点間における前記制御パラメータの差分に基づいて前記筒内に吸入される空気の量を算出することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の吸入空気量算出方法。
9. ステップ（ｃ）では、前記２点間における前記制御パラメータの差分と、シリンダ壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて前記筒内に吸入される空気の量を算出することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の吸入空気量算出方法。
10. 前記制御パラメータが算出される前記２点を、吸気弁の開閉タイミングに応じて変化させることを特徴とする請求項６から９の何れかに記載の内燃機関の吸入空気量算出方法。

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