JP2005291062A - Filter device, and exhaust emission control device provided with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスの浄化するフィルタ装置と、これを備えた排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to a filter device for purifying exhaust gas discharged from a diesel engine, and an exhaust gas purification device including the same.
内燃機関であるディーゼルエンジンの排ガス通路上には排ガス中に混入されているカーボン微粒子等を核とするパティキュレートを大気中に放出することなく捕集するためにパティキュレートフィルタ(以下「DPF」と記す)が装着されている。DPFによるパティキュレート捕集量が増加すると、目詰まりや排気圧が上昇するため、定期的にフィルタを燃焼してパティキュレートを焼却してDPF再生の必要がある。 A particulate filter (hereinafter referred to as “DPF”) is used on the exhaust gas passage of a diesel engine, which is an internal combustion engine, in order to collect particulates with carbon fine particles or the like mixed in the exhaust gas as the core without releasing them into the atmosphere. Is written). When the amount of particulates collected by the DPF increases, clogging and exhaust pressure increase. Therefore, it is necessary to periodically burn the filter and incinerate the particulates to regenerate the DPF.
一般にパティキュレートは600℃程度の高温で酸素により酸化処理可能であるので、DPF再生には、排気温度あるいはフィルタ温度を600℃程度まで高めて強制的に燃焼させる強制再生と、DPFの上流に酸化触媒を配置して、酸化触媒で生成されるNO2によりDPFに捕集されて堆積したパティキュレートを連続的に燃焼させる連続再生とがある。強制再生時には、排気ガス中に燃料などのHCを含む添加剤を混合させて酸化触媒上で燃焼させ、そのときの熱と酸素を利用してDPFを加熱してパティキュレートを燃焼させてDPFの強制再生を行っている。 In general, particulates can be oxidized with oxygen at a high temperature of about 600 ° C. Therefore, for DPF regeneration, forced regeneration in which exhaust temperature or filter temperature is increased to about 600 ° C. and forced combustion is performed, and oxidation is performed upstream of the DPF. There is a continuous regeneration in which a catalyst is disposed and the particulates collected and accumulated in the DPF by NO 2 generated by the oxidation catalyst are continuously burned. At the time of forced regeneration, an additive containing HC such as fuel is mixed in the exhaust gas and burned on the oxidation catalyst, and the DPF is heated by heating DPF using the heat and oxygen at that time to burn the particulates. Forced regeneration is performed.
ここで、連続再生時と強制再生持の反応について下記(1)式から(4)式を用いて説明する。
連続再生の反応
酸化触媒 2NO+O2→ 2NO2 ・・・(1)
DPF PM+NO2→ CO+NO ・・・(2)
強制再生時の反応
酸化触媒 燃料(HC)+O2 → CO2+H2O+熱 ・・・(3)
DPF PM+O2 → COX ・・・(4)
DPFには、酸化機能を有する触媒を担持したCSF(Catalyzed Soot Filter)や、NOx触媒を担持したフィルタを用いることがある。CSFを用いると、担持されている酸化触媒の機能によりNO2が生成するため、触媒を担持しないフィルタに対して連続再生性能が向上する。また、NOx触媒を担持したフィルタの場合、NOx触媒とフィルタとを個別に設ける場合よりも小型な浄化装置となる。
渋滞などの走行が多い都市走行においては、連続再生が成立するほど排気ガス温度が高くならないので、フィルタに捕集されたパティキュレートを除去するには強制再生が必要となる。
特許文献1には、触媒担持体に担持したHC吸着材層に耐火性無機酸化物層を積層した触媒が記載されている。
Here, the reaction during continuous regeneration and forced regeneration will be described using the following equations (1) to (4).
Reaction of continuous regeneration Oxidation catalyst 2NO + O 2 → 2NO 2 (1)
DPF PM + NO 2 → CO + NO (2)
Reaction during forced regeneration Oxidation catalyst Fuel (HC) + O 2 → CO 2 + H 2 O + heat (3)
DPF PM + O 2 → COX (4)
As the DPF, a CSF (Catalyzed Soot Filter) carrying a catalyst having an oxidation function or a filter carrying a NOx catalyst may be used. When CSF is used, NO 2 is generated by the function of the supported oxidation catalyst, so that the continuous regeneration performance is improved with respect to a filter not supporting the catalyst. In the case of a filter carrying a NOx catalyst, the purification device is smaller than when the NOx catalyst and the filter are separately provided.
In urban travel where there is a lot of traffic such as traffic jams, the exhaust gas temperature does not become so high that continuous regeneration is established. Therefore, forced regeneration is necessary to remove particulates collected by the filter.
Patent Document 1 describes a catalyst in which a refractory inorganic oxide layer is laminated on an HC adsorbent layer supported on a catalyst support.
DPFには、排気ガス中のパティキュレートが捕集されるが、この捕集量が多い状態で強制再生を実行すると、パティキュレートが自己着火してフィルタの温度をコントロールすることが困難な過昇温となることがある。過昇温状態となると、フィル基材の耐熱限界を超える温度までフィルタ温度が上昇してしまうことがあり、フィルタの破損につながってしまう。過昇温が発生しない、パティキュレートの捕集量の限界値を「堆積量限界値」という。 Particulates in the exhaust gas are collected in the DPF, but if forced regeneration is performed with a large amount of collected gas, the particulates will self-ignite and it is difficult to control the temperature of the filter. May be warm. When the temperature rises excessively, the filter temperature may rise to a temperature exceeding the heat resistance limit of the fill base material, leading to damage to the filter. The limit value of the amount of particulates that is not overheated is called the “deposition amount limit value”.
酸化触媒、NOx触媒などをフィルタ基材に担持させたDPFの場合、パティキュレートの燃焼速度が増大し、この場合もパティキュレートが自己着火し易くなり、堆積量限界値が大幅に低下してしまう。
このため、上記のような各種触媒を担持したフィルタ部材をDPFとして使用すると、頻繁に強制再生をしなければならず、燃費の低下要因となる。また、仮に燃費の問題をクリアして触媒を担持したフィルタ部材をDPFとして使用する場合でも、パティキュレートの堆積量を精度良く検出できなければ、過昇温の発生は否めない。
In the case of a DPF in which an oxidation catalyst, NOx catalyst or the like is supported on a filter base material, the burning rate of the particulates increases, and in this case, the particulates are easily ignited, and the limit value of the accumulation amount is greatly reduced. .
For this reason, when a filter member carrying various catalysts as described above is used as a DPF, forced regeneration must be frequently performed, which causes a reduction in fuel consumption. Even when the filter member carrying the catalyst is used as the DPF to clear the problem of fuel consumption, the excessive temperature rise cannot be denied unless the accumulated amount of particulates can be detected accurately.
特許文献1には、触媒担持体に担持したHC吸着材層に耐火性無機酸化物層を積層した触媒が記載されているが、ここでの耐火性無機酸化物層の機能は、HC吸着剤層で保持した炭化水素(HC)の離脱速度や離脱量を抑制するためのものであり、過昇温や燃費の低下を防止することやパティキュレートの燃焼時間を抑制するものではない。
本発明は、過昇温や燃費の低下を防止しながら排気ガスの浄化を行えるフィルタ装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
Patent Document 1 describes a catalyst in which a refractory inorganic oxide layer is laminated on an HC adsorbent layer supported on a catalyst carrier. The function of the refractory inorganic oxide layer here is the HC adsorbent. This is to suppress the separation rate and amount of hydrocarbon (HC) retained in the layer, and does not prevent excessive temperature rise or fuel consumption deterioration, or suppress particulate combustion time.
An object of the present invention is to provide a filter device capable of purifying exhaust gas while preventing excessive temperature rise and fuel consumption deterioration, and an exhaust gas purification device including the same.
上記目的を達成するため、本発明にかかるフィルタ装置は、内燃機関の排気通路に設けられたフィルタ基材の表面に担持した酸化機能を有する触媒の表面に、排気ガス中のパティキュレートの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物をコーディングしたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a filter device according to the present invention is capable of burning particulates in exhaust gas on the surface of a catalyst having an oxidation function carried on the surface of a filter base provided in an exhaust passage of an internal combustion engine. It is characterized by coding a heat-resistant oxide that does not contribute.
本発明にかかる、内燃機関の排気通路に設けられ、排気通路を流れる排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ装置と、このフィルタ装置よりも上流側の排気通路内に炭化水素を含む添加剤を供給する供給装置とを備えた排気ガス浄化装置は、フィルタ装置として、フィルタ基材の表面に担持した酸化機能を有する触媒の表面に排気ガス中のパティキュレートの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物をコーディングした触媒装置を用いることを特徴としている。 According to the present invention, a filter device that is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and collects particulates in exhaust gas flowing through the exhaust passage, and an additive containing hydrocarbons in an exhaust passage upstream of the filter device The exhaust gas purifying device having a supply device for supplying a heat-resistant oxide that does not contribute to combustion of particulates in the exhaust gas on the surface of the catalyst having an oxidation function carried on the surface of the filter base material as a filter device It is characterized by using a catalytic device that is coded.
これら酸化機能を有する触媒は、内燃機関のリーン運転時においてNOxを吸蔵し、リッチ運転時においてNOxを排出して還元するNOx吸蔵型触媒や、ユリアまたはアンモニアを還元剤としてNOxを還元する選択還元型(SRC)触媒であってもよい。フィルタ装置としては、フィルタ基材よりも上流側に酸化触媒が配設されたものであってもよい。 These catalysts having an oxidation function include NOx storage catalyst that stores NOx during lean operation of the internal combustion engine and exhausts and reduces NOx during rich operation, and selective reduction that reduces NOx using urea or ammonia as a reducing agent. It may be a type (SRC) catalyst. As the filter device, an oxidation catalyst may be disposed on the upstream side of the filter base material.
本発明によれば、内燃機関の排気通路上に設けられたフィルタ基材の表面に担持した酸化機能を有する触媒の表面に、排気ガス中のパティキュレートの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物をコーディングしたので、パティキュレートと触媒との接触が回避されることになり、触媒担持フィルタであっても、高温時に酸素によるパティキュレートの燃焼が促進されることがない。すなわち、パティキュレートの燃焼速度が抑制されることで、パティキュレートの自己着火が抑えられ、過昇温を低減でき、触媒を担持したフィルタ装置であっても強制再生の実施回数を低減でき、燃費とのフィルタ基材の耐久性が向上する。
本発明によれば、フィルタ基材に酸化機能を持たせているので、このフィルタ上の触媒作用により生成されるNO2が耐熱性酸化物層を通過してパティキュレートと接触するため、常用温度域においてパティキュレートを連続的に燃焼させることができ、燃費とのフィルタ基材の耐久性の向上を図りながら、連続再生性能を向上することができる。
本発明によれば、フィルタ基材にリーン運転時においてNOxを吸蔵しリッチ運転時においてNOxを排出して還元するNOx吸蔵型触媒、あるいはユリアまたはアンモニアを還元剤としてNOxを還元する触媒を担持させることで、燃費とのフィルタ基材の耐久性の向上を図りながら、NOx浄化性能を有する小型の装置となる。
According to the present invention, the heat-resistant oxide that does not contribute to the combustion of the particulates in the exhaust gas is coded on the surface of the catalyst having the oxidation function carried on the surface of the filter base provided on the exhaust passage of the internal combustion engine. Therefore, contact between the particulates and the catalyst is avoided, and even with a catalyst-carrying filter, combustion of particulates due to oxygen is not promoted at high temperatures. In other words, by suppressing the particulate combustion rate, the self-ignition of particulates can be suppressed, the excessive temperature rise can be reduced, and the number of forced regenerations can be reduced even in a filter device carrying a catalyst. And the durability of the filter base material is improved.
According to the present invention, since the filter base material has an oxidizing function, NO 2 generated by the catalytic action on the filter passes through the heat-resistant oxide layer and comes into contact with the particulates. The particulates can be continuously burned in the region, and the continuous regeneration performance can be improved while improving the durability of the filter base material with fuel efficiency.
According to the present invention, the filter base material is loaded with a NOx occlusion type catalyst that occludes NOx during lean operation and exhausts NOx during reduction operation, or a catalyst that reduces NOx using urea or ammonia as a reducing agent. Thus, it is a small device having NOx purification performance while improving the durability of the filter base material with fuel efficiency.
図1は、本発明の一実施形態としての排気ガス浄化装置1を示す。排気ガス浄化装置1は、内燃機関としてのディーゼルエンジン(以後単にエンジンと記す)2から排出される排気ガスを浄化するものである。排気ガス浄化装置1は、排気通路Rに設けられ、この排気通路Rを流れる排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ装置220と、フィルタ装置220の上流側に配置される触媒装置としての酸化触媒21と、酸化触媒21よりも上流側の排気通路内に添加剤としての炭化水素(HC)を含む燃料を供給する供給装置として噴射ノズル30とを備えている。
FIG. 1 shows an exhaust gas purification apparatus 1 as an embodiment of the present invention. The exhaust gas purification device 1 purifies exhaust gas discharged from a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 2 as an internal combustion engine. The exhaust gas purification device 1 is provided in the exhaust passage R, and a
排気通路Rは、エンジン2の燃焼室3に連通する排気マニホールド4と、排気マニホールド4と接続された排気管5とから構成されている。エンジン2は直列4気筒エンジンであり、各気筒にはインジェクタ8が設けられている。各インジェクタ8にはこれに燃料を供給する燃料供給部9と、各インジェクタ8により各燃焼室3に燃料噴射を行う燃料噴射部11を備え、これらはエンジンECU12により駆動制御される。
The exhaust passage R is composed of an exhaust manifold 4 communicating with the
燃料供給部9は、エンジン2により駆動される高圧燃料ポンプ13の高圧燃料をエンジンECU12内の燃圧制御部121で制御される燃圧調整部14で定圧化した上でコモンレール15に導き、コモンレール15より分岐して延出する燃料管路16を介して各インジェクタ8に供給する。インジェクタ8が備える電磁バルブ17は噴射制御部122と接続されている。
The
エンジンECU12は、車速Vcを検出する車速センサ7と、エンジン2のアクセルペダル開度θaを検出するアクセルペダル開度センサ24と、クランク角情報Δθを検出するクランク角センサ25と、排気温度gtを検出する排気温度センサ26と、水温wtを検出する水温センサ27と、大気圧paを出力する大気圧センサ28とが接続されている。クランク角情報ΔθはエンジンECU12においてエンジン回転数Neの導出に用いられると共に燃料噴射時期制御に使用される。
The engine ECU 12 includes a vehicle speed sensor 7 that detects a vehicle speed Vc, an accelerator
エンジンECU12は燃圧制御部121、噴射制御部122を備えている。噴射制御部122は、エンジン回転数Neとアクセルペダル踏込量aに応じた基本燃料噴射量を求め、運転条件に応じた、例えば水温wtや大気圧pa、車速情報Vcの各補正値を加えて燃料噴射量を導出する。噴射時期は、周知の基本進角値に運転条件に応じた補正を加えて導出される。その上で、演算された噴射時期及び燃料噴射量相当の出力信号を図示しないインジェクタドライバにセットし、燃料噴射部11の電磁バルブ17に出力し、インジェクタ8の燃料噴射を制御する。
The engine ECU 12 includes a fuel
酸化触媒21とフィルタ装置220は、排気管5上に、金属筒状のケーシング18内に、嵩高形状の金属網状体からなる支持部材19を介して酸化触媒21、フィルタ装置220の順で直列上に配置されて収納されている。酸化触媒21は、触媒担持体211に触媒が担持されている。触媒担持体211は、セラミック製で断面がハニカム構造を成すモノリス型であり、その両端部が開口された多数の排ガス通路r1が内部に形成されている。触媒成分は、この多数の排ガス通路r1の通路対向壁面に担持されている。本形態では、触媒成分としては白金(Pt)を主成分とする触媒が付着されている。
The
フィルタ装置220は、表面に酸化機能を有する触媒を担持したフィルタ基材としてのDPF22を備えている。DPF22は、例えば、Mg,Al,Siを主成分とするコージェライトなどのセラミックから成り、多数の排ガス通路r2を排気通路Rの方向に向けて並列状に積層してなるハニカム構造体として形成されている。ここで互いに隣り合う各排ガス通路r2は交互に排気路R上流側と下流側のいずれか一方がシール部23で閉鎖されるように形成される。本形態において、DPF22は、排気ガス中の排気ガス中のパティキュレート(PM)を捕集する機能と、酸化する機能とを備えている。
The
図2に示すように、DPF22に担持された触媒の層(以下「酸化触媒層」)221の表面には、排気ガス中のパティキュレート(PM)の燃焼に寄与しない耐熱性酸化物222の層(以下「耐熱酸化物層」222と記す)上にコーティングされている。すなわち、酸化触媒層221の表面には、耐熱酸化物層222が積層されている。図2中、白抜け矢印は排気ガスの流れを模式的に示したものである。酸化触媒層221の触媒としては、酸化触媒が用いられている。すなわち、DPF22ははCSFが用いられていて、その担持された触媒表面が耐熱酸化物層222でコーティングされている。耐熱酸化物としては、アルミナ(Al2O3)、チタニア(TiO2)等を用いる。
As shown in FIG. 2, on the surface of the catalyst layer (hereinafter referred to as “oxidation catalyst layer”) 221 supported on the
噴射ノズル30は、酸化触媒21よりも上流側の排気管5に装着されていて、図示しない燃料貯留部と配管32を介して連結されている。配管32には、噴射ノズル30への燃料供給を制御する電磁バルブ31が設けられている。この電磁バルブ31は、エンジンECU12と接続されていて、噴射制御部123によってその開閉が制御される。噴射制御部123は、捕集量が所定値を超え、排気温度が所定温度以上であると、再生動作をすべく、電磁バルブ31を開弁して噴射ノズル30から燃料を噴射するように構成されている。排気管5内への燃料供給量は、DPF22への排気温度が600℃以上になるように噴射量が規定されている。
The
次に、排気ガス浄化装置1の動作と浄化機能について説明する。エンジン2が始動して排気工程となると、燃焼室3から排気ガスが排出される。この排気ガスは、排気流路R、酸化触媒21を経てDPF22へと流入する。流入した排ガスは各排ガス通路r2−1の通路対向壁bを透過して排気通路R下流側に出口を形成された各排ガス通路r2−2に達して排出され、その際、排ガス中よりパティキュレート(PM)を濾過して捕集する。このようにして浄化された排気ガスは、大気中へと排出される。排気ガスが通過することで、酸化触媒21及びDPF22は、それぞれ加熱されて触媒活性温度へと連続再生が実行される。
Next, the operation and purification function of the exhaust gas purification device 1 will be described. When the
この時、酸化触媒21では、
2NO+O2→ 2NO2 ・・・(1)の反応が起こる。
DPF22では、酸化触媒層(酸化機能を有する触媒)221が担持されているので、図3に示すように、(1)式の反応があり、酸化触媒21で生成されたNO2と相まって、
PM+NO2→ CO+NO ・・・(2)の反応が発生する。
この時、排気ガス中のパティキュレート(PM)は、酸化触媒層221の表面の耐熱酸化物層222に捕集された状態となるが、生成されるNO2は耐熱性酸化物層222を通過してパティキュレートと接触するため、常用温度域においてパティキュレート(PM)を連続的に燃焼させることができる。
At this time, in the
2NO + O 2 → 2NO 2 (1) occurs.
In the
PM + NO 2 → CO + NO (2) reaction occurs.
At this time, particulates (PM) in the exhaust gas are collected in the heat-
DPF22でのパティキュレート(PM)捕集量が所定値を超え、排気温度センサ26からの排気温度gtが所定温度以上であると、噴射制御部123は、電磁バルブ31を駆動して噴射ノズル30から酸化触媒21へ向かう排気ガス中に燃料を噴霧状に噴射され、強制再生が実行される。
When the particulate (PM) trapped amount in the
強制再生時において、酸化触媒では、
燃料(HC)+O2 → CO2+H2O+熱 ・・・(3)の反応が行われると共に、
DPF22では、PM+O2→ COX ・・・(4)の反応が行われる。
During forced regeneration, the oxidation catalyst
While the reaction of fuel (HC) + O 2 → CO 2 + H 2 O + heat (3) is performed,
In the
このように、強制再生が実行された場合でも、酸化触媒層221の表面に耐熱性酸化物層222がコーディングされているので、図4に示すように、パティキュレート(PM)と酸化触媒層221との接触が回避され、触媒担持フィルタであるCSFであっても、パティキュレート(PM)の燃焼速度が抑制される。このため、パティキュレート(PM)の自己着荷の発生が抑制されて過昇温を低減することができ、CSF(DPF)22であっても強制再生の実施回数を低減でき、燃費とのフィルタ基材の耐久性を向上することができる。
As described above, even when forced regeneration is performed, the heat-
本形態では、各排ガス通路r2−1の内側となるDPF22の内壁面22aに酸化触媒層221を形成し、その表面に耐熱性酸化物層222を積層するように形成したが、このような形態に限定されるものではない。例えば、図5に示すように、DPF22の外壁面22bに酸化触媒層221を形成してもよい。この場合、酸化触媒層221を形成する触媒はフィルタを通過して内壁面22aまで染み出してしまうことが多くため、この染み出した酸化触媒221の表面に耐熱性酸化物層222をコーティングすればよい。
In this embodiment, the
本形態において、酸化機能を有する触媒としては酸化触媒221を例示したが、これに限定されるものではなく、エンジン2のリーン運転時においてNOxを吸蔵し、リッチ運転時においてNOxを排出して還元するNOx吸蔵型触媒あるいはユリアまたはアンモニアを還元剤としてNOxを還元する触媒であってもよい。このように、DPF22にNOx吸蔵型触媒やユリアまたはアンモニアを還元剤としてNOxを還元する触媒を担持し、その表面に耐熱性酸化物をコーティングすることでもパティキュレート(PM)と触媒との接触を回避することができ、パティキュレート(PM)の自己着火を抑制することができる。また、DPF22にNOx吸蔵型触媒を担持することで、NOx吸蔵型触媒やをDPF22と個別に設ける場合よりも、部品点数やスペースの低減を図れ、装置を小型化することができる。
In the present embodiment, the
1 排気ガス浄化装置
2 内燃機関
21 触媒触媒
22 フィルタ基材
221 酸化機能を有する触媒
222 耐熱性酸化物
R 排気通路
PM パティキュレート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exhaust-
Claims (5)
前記触媒の表面に排気ガス中のパティキュレートの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物をコーディングしたことを特徴とするフィルタ装置。 A filter base material provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and carrying a catalyst having an oxidation function on its surface;
A filter device characterized in that a heat-resistant oxide that does not contribute to combustion of particulates in exhaust gas is coded on the surface of the catalyst.
前記酸化機能を有する触媒は、前記内燃機関のリーン運転時においてNOxを吸蔵し、リッチ運転時においてNOxを排出して還元するNOx吸蔵型触媒であることを特徴とするフィルタ装置。 The filter device according to claim 1, wherein
The filter device, wherein the catalyst having an oxidation function is a NOx occlusion type catalyst that occludes NOx during lean operation of the internal combustion engine and exhausts and reduces NOx during rich operation.
前記酸化機能を有する触媒は、ユリアまたはアンモニアを還元剤としてNOxを還元する触媒であることを特徴とするフィルタ装置。 The filter device according to claim 1, wherein
The filter device, wherein the catalyst having an oxidation function is a catalyst that reduces NOx using urea or ammonia as a reducing agent.
前記フィルタ基材よりも上流側に酸化触媒が配設されていることを特徴とするフィルタ装置。 The filter apparatus according to claim 1, 2, or 3, wherein an oxidation catalyst is disposed upstream of the filter base material.
前記フィルタ装置として、請求項1ないし4の何れかに記載のフィルタ装置を有することを特徴とする排気ガス浄化装置。
A filter device that is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and collects particulates in exhaust gas flowing through the exhaust passage; and a supply device that supplies fuel into the exhaust passage upstream of the filter device. In the exhaust gas purification device,
An exhaust gas purification device comprising the filter device according to any one of claims 1 to 4 as the filter device.
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