JP2005320958A - 多気筒エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアルエキゾースト構造のメリットを損なうことなく、排気系にガスセンサを設置可能な多気筒エンジンの排気装置を提供する。
【解決手段】排気マニホルドの排気集合部５は、二つの入口部及び一つの出口部を有し且つ二つの分岐管（１，４）を一つに集合させる内側排気通路１４を構築する内管部材１０と、その内管部材１０を包含するように設けられて当該内管部材の外周域に他の二つの分岐管（２，３）を一つに集合させる外側排気通路２４を構築する外管部材２０とから構成されており、これによりデュアルエキゾースト構造となっている。排気集合部５には、外管部材２０及び内管部材１０を貫通するようにガスセンサ８が設けられている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、多気筒エンジンの排気系（排気システム）の少なくとも一部を構成する排気装置に関する。

車輌用多気筒エンジンにおいては、各気筒から排出された排気ガスは排気マニホルドを経てその下流側の排気管に導かれる。かかる排気系の構成形態としては、排気マニホルドを構成する全ての分岐管（ブランチ）を一本の又は単管構造の排気管に集合させるシングルエキゾースト構造が一般的であるが、例えば出力重視の４気筒エンジンではデュアルエキゾースト構造も採用され得る。デュアルエキゾースト構造では、一般に点火順序を考慮して組合せを選択した２つの気筒に対応する２つの分岐管を一つにまとめて一単位の排気通路を設定すると共に、かかる排気通路を二単位並列させて排気マニホルド以下の排気系を構築している。デュアルエキゾースト構造によれば、シングルエキゾースト構造で問題になりがちな排気干渉を回避して出力向上を図ることができる。二単位並列状態の排気通路の長さ（一般に「デュアル長」という）を長く確保するほどエンジン性能が向上する傾向にある。

デュアルエキゾースト構造の一例として、特許文献１に開示の直列４気筒エンジンの排気装置をあげることができる。その排気装置では、排気マニホルドと、それに接続されるフロントチューブの双方をデュアル化している。特に排気マニホルドについては、外筒及び内筒からなる二重構造を採用すると共に外筒内に配置された内筒を二股状としている。そして、２番及び３番排気ポートからの排気ガスを二股状の内筒によって一つにまとめ、１番及び４番排気ポートからの排気ガスを外筒（正確には内筒と外筒との間の隙間空間）によって一つにまとめている。この排気装置によれば、各分岐管の三次元形状を複雑化することなく４つの分岐管の等長化を容易に実現でき、背圧対策上のメリットがある。

ところで、近年の車輌用エンジンでは、エンジンからの排気ガスを極力クリーン化すること等を目的として、酸素濃度センサの一種であるＡ／Ｆセンサ（空燃比センサ）を排気系に設置し、そのセンサで測定した排気ガス中の酸素濃度値をエンジン等のフィードバック制御に利用する傾向にある。Ａ／Ｆセンサは当然のことながら、排気ガス浄化用触媒コンバータ及びその直前の応力緩和機構（例えばボールジョイントのようなもの）よりも上流側に位置する必要がある。このため、前述のようなデュアルエキゾースト構造を採用した排気系であっても、一つのＡ／Ｆセンサで全気筒から排出される排気ガスの酸素濃度を監視する必要から、触媒コンバータ及び応力緩和機構とデュアル排気通路部との中間位置にあえて単管部（シングル排気通路部）を設定し、その単管部にＡ／Ｆセンサを取り付けるしかなかった。

しかしながら、上記のようにデュアル排気通路部の直後にセンサ取付け用単管部を設定しなければならないとなると、少なくともセンサ取付け用単管部の長さ分だけデュアル長を短くせざるを得ず、デュアルエキゾースト構造を採用するメリットが損なわれる虞れがある。尚、特許文献１には、酸素濃度センサ等のガスセンサに関する開示はなく、いわんやデュアルエキゾースト構造とガスセンサとの関わりについては開示も示唆もない。

特開２００１−６５３４０号公報

本発明の目的は、デュアルエキゾースト構造のメリットを損なうことなく、排気系にガスセンサを設置可能な多気筒エンジンの排気装置を提供することにある。

請求項１の発明は、多気筒エンジンの各気筒の排気ポートに対応する複数の分岐管を集合させるためのデュアル構造の排気集合部を備えた排気装置であって、前記デュアル構造の排気集合部は、二以上の入口部及び単一の出口部を有し且つ二以上の分岐管を一つに集合させる内側排気通路を構築する内管部材と、前記内管部材を包含するように設けられてその内管部材の外周域にその他の分岐管を一つに集合させる外側排気通路を構築する外管部材とから構成されており、そのデュアル構造の排気集合部には、ガスセンサが前記外管部材及び内管部材を貫通するように設けられていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置である。

請求項１によれば、内管部材及び外管部材からなるデュアル構造の排気集合部に対して外管部材及び内管部材を貫通するようにガスセンサが設けられている。それ故、単一のガスセンサで、内管部材によって構築される内側排気通路および外管部材によって構築される内管部材外周域の外側排気通路の双方を流れる排気ガスを同時に検知できる。また、ガスセンサはデュアル構造の排気集合部に設置されているので、ガスセンサの設置がデュアル長の短縮原因とはなり得ない。従って、デュアルエキゾースト構造のメリットを損なうことなく、多気筒エンジンの排気系にガスセンサを設置することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置において、前記内管部材の出口部は単管状に形成されると共に、その単管状出口部を包囲する前記外管部材の出口部も単管状に形成され、且つ、内管部材の単管状出口部は外管部材の単管状出口部に対して偏心配置されており、前記ガスセンサは、前記排気集合部の出口部における外側排気通路のうち前記偏心配置によって通路断面積が相対的に大きくなった部分を占めるように設けられていることを特徴とする。

請求項２によれば、内管部材の出口部及び外管部材の出口部が共に単管状に形成されることで排気集合部の出口部は二重管構造をなし、内側排気通路を外側排気通路が横断面略環状に取り囲む形となる。更に、内管部材の単管状出口部が外管部材の単管状出口部に対して偏心配置されることで、当該二重管構造出口部の外側排気通路には、通路断面積が相対的に大きな部分と小さな部分とが生まれる。本構成では、外側排気通路のうち前記偏心配置によって通路断面積が相対的に大きくなった部分を占めるようにガスセンサが設けられているので、外側排気通路を流れる排気ガスに対するガスセンサの接触面積を十分に確保でき、外側排気通路を流れる排気ガスの検知がおろそかになることはない。従って、単一のガスセンサによって、内側排気通路及び外側排気通路の双方を流れる排気ガスを検知することができる。

請求項３の発明は、請求項２に記載の多気筒エンジンの排気装置において、前記内管部材の単管状出口部には、前記ガスセンサを挿通するための開口が形成されていることを特徴とする。

請求項３によれば、内管部材の単管状出口部にガスセンサ挿通用開口を設けることで、単一のガスセンサが、内側排気通路及び外側排気通路の双方を流れる排気ガスを検知可能となる。

請求項４の発明は、請求項２に記載の多気筒エンジンの排気装置において、前記内管部材の単管状出口部には、前記ガスセンサを挿通するための開口と、その開口よりも上流側に位置するガス連通孔とが形成されていることを特徴とする。

請求項４によれば、内管部材の単管状出口部には、ガスセンサ挿通用開口に加えて、その上流側に位置するガス連通孔が設けられている。このガス連通孔は、外側排気通路（内管部材の外側）を流れる排気ガスと内側排気通路（内管部材の内側）を流れる排気ガスとをガスセンサの上流位置でミキシングしてガス流を適度に乱すために設けられている。ガス連通孔の存在により、外側排気通路及び内側排気通路の双方を流れる排気ガスが、内管部材及び外管部材を貫通するガスセンサに満遍なく横当りする。従って、単一のガスセンサが、内側排気通路及び外側排気通路の双方を流れる排気ガスを満遍なく検知する性能を更に高めることが可能となる。なお、ガスセンサ挿通用開口とガス連通孔とは、それぞれが別個に存在してもよいが、両者が一体化して一つの開口部として存在してもよい。

付記：本発明の更に好ましい態様や追加的構成要件を以下に列挙する。
請求項１〜４において、前記ガスセンサは、排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度センサであること。

各請求項に記載の多気筒エンジンの排気装置によれば、デュアルエキゾースト構造のメリットを損なうことなく、排気系にガスセンサを設置することが可能となる。

以下、本発明を直列４気筒エンジン用の排気マニホルドに具体化したいくつかの実施形態を図面を参照して説明する。尚、排気マニホルドの装着対象となる４気筒エンジンの各気筒には順に＃１，＃２，＃３及び＃４の気筒番号を付すものとする。このエンジンは、４つの気筒の各々に対応する排気ポートＰ１〜Ｐ４を具備している（図１参照）。

（第１実施形態）
図１及び図２に示すように、排気系の最上流部を構成する排気装置としての排気マニホルドは、４本の分岐管１，２，３及び４、並びに、それら４本の分岐管１〜４を束ねる排気集合部５を少なくとも具備している。

４本の分岐管１〜４は＃１番〜＃４番の各気筒に対応して設けられている。分岐管１〜４はいずれも、外パイプの内側に内パイプを重ねてなる二重管構造の分岐管として構成されている。この二重管構造の分岐管にあっては、内パイプの肉厚を外パイプの肉厚よりも薄くすることが好ましく、これにより内パイプへの伝熱による排気ガスの温度低下を極力防止することができる。これら分岐管１〜４の入口端は、ヘッドフランジ６を介してそれぞれ対応する排気ポートＰ１〜Ｐ４に接続されている。分岐管１〜４の出口端は排気集合部５に連結されている。

図１〜図３に示すように、排気集合部５の出口付近にはアウトフランジ７が装着されている。このアウトフランジ７は、排気集合部５の出口端を応力緩和機構（図示略）に連結するための部位であり、排気集合部５の出口端はその応力緩和機構を介して排気ガス浄化用触媒コンバータ（図示略）に連結される。排気集合部５にはその側方から突き刺すように、ガスセンサとしてのＡ／Ｆセンサ８が取り付けられている。Ａ／Ｆセンサ８は、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサの一種であるが、特に希薄燃焼制御に利用する目的で、従来のいわゆるオーツーセンサ（狭義の酸素濃度センサ）よりも更に広い範囲の酸素濃度を検知できるように設計された広範囲酸素濃度センサである。

図４〜図７に示すように、排気集合部５は主として、内管部材１０と、それを包含又は包囲する外管部材２０とから構成されている。

図６に示すように、内管部材１０は、二つの入口部１１，１２及び一つの出口部１３を有する縦断面が略Ｙ字状をなす中空部材である。内管部材の出口部１３は単管状に形成され、その単管状出口部１３よりも上流側に、二股状に分岐した二つの入口部１１，１２が設けられている。それら二つの入口部１１，１２には、＃１番及び＃４番の二気筒に対応する二つの分岐管１，４がそれぞれ連結されている。それ故、この内管部材１０の内部には、二つの分岐管１，４を一つに集合させる内側排気通路１４が構築される。なお、図５に示すように、内管部材の単管状出口部１３を構成する壁部には、Ａ／Ｆセンサ８の先端部を挿通するための開口１５が形成されている。

図６に示すように、外管部材２０は、内管部材１０の全体を包含するように設けられている。外管部材２０のうち、内管部材の二つの入口部１１，１２を包囲する外管部材の前半部（又は入口部）２１は、略円錐面型のカバー形状に形成され（図３参照）、内管部材の単管状出口部１３を包囲する外管部材の後半部（即ち出口部）２３は同じく単管状に形成されている。また図３及び図６に示すように、円錐カバー状の外管部材前半部２１に対しては閉塞カバー材２６が固着されている。この閉塞カバー材２６は、外管部材前半部２１における前側開口端を塞ぐと共に、＃２番及び＃３番の二気筒に対応する二つの分岐管２，３を外管部材２０に連結するための連結要素としての役割も担っている。

外管部材２０及び閉塞カバー材２６により、内管部材１０の外周域、つまり内管部材１０と外管部材２０との間の領域には横断面が概略円環状となる隙間空間が確保される。この隙間空間には前記二つの分岐管２，３が連通するため、当該隙間空間により、内管部材１０の外周域において二つの分岐管２，３を一つに集合させる外側排気通路２４が構築される。このように、内管部材１０、外管部材２０及び閉塞カバー材２６により、デュアルエキゾースト構造の排気集合部５が構築されている。なお、図７に示すように、排気集合部５に集合させられた４本の分岐管１〜４は、＃１番及び＃４番の二気筒に対応する二つの分岐管１，４の並び具合と、＃２番及び＃３番の二気筒に対応する二つの分岐管２，３の並び具合とがそれぞれ四角形の対角線位置となるように相対配置されている。

更に図４及び図５に示すように、排気集合部５の出口部（又は後半部）では、内側排気通路１４を構成する内管部材の単管状出口部１３が、外側排気通路２４を構成する外管部材の単管状出口部２３に対して偏心配置された状態で、３つの支持リブ１６によって内管部材出口部１３が外管部材出口部２３の内周壁に連結支持されている。より具体的には図５に示すように、Ａ／Ｆセンサ８の位置よりも下流側（出口寄り）では、内管部材の単管状出口部１３の中心軸線Ｌ１が外管部材の単管状出口部２３の中心軸線Ｌ２から所定距離だけ偏心している。また、Ａ／Ｆセンサ８の位置よりも上流側では、内管部材の単管状出口部１３の断面積がやや絞られているが、その絞り位置における内管部材の単管状出口部１３の中心軸線Ｌ１’も外管部材の単管状出口部２３の中心軸線Ｌ２から更に大きく偏心している。その結果として、内管部材の単管状出口部１３と外管部材の単管状出口部２３との間に確保される横断面略環状の外側排気通路２４には、通路断面積が相対的に大きな部分（２４ａ）と、それ以外の通路断面積が相対的に小さな部分とが生まれる。

そして、排気集合部５には、前記Ａ／Ｆセンサ８が外管部材２０及び内管部材１０を貫通するように設けられている。その際、Ａ／Ｆセンサ８は、排気集合部５の出口部における外側排気通路のうち前記偏心配置によって通路断面積が相対的に大きくなった部分（２４ａ）を占めるように位置決めされている（図４及び図５参照）。Ａ／Ｆセンサ８は、リング状のセンサボス９を介して外管部材の単管状出口部２３を構成する壁部に固定されている。そのＡ／Ｆセンサ８の先端部は、内管部材の単管状出口部１３に形成された前記開口１５内に挿入されて内側排気通路１４に露出している。それ故、単一のＡ／Ｆセンサ８によって、内側排気通路１４及び外側排気通路２４の双方を流れる排気ガス中の酸素濃度を検知・測定することができる。

第１実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
単一のＡ／Ｆセンサ８で、排気集合部５における内側排気通路１４及び外側排気通路２４の双方を流れる排気ガスを同時に検知でき、又、そのセンサ８はデュアル構造の排気集合部５に設置されているので、Ａ／Ｆセンサ８の設置がデュアル長の短縮原因となることが無く、デュアル長を極力長く確保することができる。

外側排気通路２４のうち内管部材１０の偏心配置によって通路断面積が相対的に大きくなった部分（２４ａ）を占めるようにＡ／Ｆセンサ８を設けたので、内側排気通路１４を流れる排気ガスのみならず、外側排気通路２４を流れる排気ガスに対するセンサ８の接触面積をも十分に確保できる。それ故、Ａ／Ｆセンサ８の数が一つであっても、その単一のセンサ８によって内側排気通路１４及び外側排気通路２４の双方を流れる排気ガスの酸素濃度を満遍なく検知・測定することができ、ひいてはエンジン制御等を正確に行うことができる。

内管部材１０により構築される内側排気通路１４を流れる排気ガスは、外管部材２０により構築される外側排気通路２４を流れる排気ガスによって保温され、ほとんど温度低下無く下流側の触媒コンバータに到達するため、排気ガス浄化触媒を早期に活性化することができる。また、この排気装置によれば、その排気集合部５が上述のようなデュアルエキゾースト構造となっているため、４本の分岐管１〜４の等長化を容易に図ることができ、エンジン出力の向上等を図ることができる。

（第２及び第３実施形態）
内管部材１０の単管状出口部１３を構成する壁部に設けた開口部（前記開口１５の類）の形状や大きさを最適化した実施形態として、第２実施形態（図８及び図９）並びに第３実施形態（図１０及び図１１）を説明する。なお、第２及び第３実施形態における排気集合部５の構成は、図４〜図７に示した第１実施形態の構成と基本的に同じであるが、以下に説明する内管部材の単管状出口部１３における開口部の構成において相違する。

図８及び図９に示すように第２実施形態にあっては、内管部材１０の単管状出口部１３を構成する壁部には、単一の船型の開口１７が貫通形成されている。船型の開口１７は、Ａ／Ｆセンサ８の先端部を挿通するための略円形状のセンサ挿通用開口部１７ａと、そのセンサ挿通用開口部１７ａよりも上流側に位置する略円形状のガス連通孔部１７ｂとを、一つの連続した開口１７として構成したものである。ガス連通孔部１７ｂの面積がセンサ挿通用開口部１７ａの面積よりも小さいために、前記開口１７は船型をなしている。

また、図１０及び図１１に示すように第３実施形態にあっては、内管部材１０の単管状出口部１３を構成する壁部には、Ａ／Ｆセンサ８の先端部を挿通するための円形状のセンサ挿通用開口１８と、そのセンサ挿通用開口１８よりも上流側に位置する円形状のガス連通孔１９とが別々に貫通形成されている。ガス連通孔１９の面積は、センサ挿通用開口１８の面積よりも小さく設定されている。

船型の開口１７におけるガス連通孔部１７ｂと前記ガス連通孔１９とはいずれも、センサ挿通用開口部１７ａ又はセンサ挿通用開口１８の上流側に位置して、外側排気通路２４を流れる排気ガスと内側排気通路１４を流れる排気ガスとをＡ／Ｆセンサ８の上流位置でミキシングし、ガス流を適度に乱す働きをする。つまり、ガス連通孔部１７ｂ又はガス連通孔１９が存在することにより、内側排気通路１４を流れる排気ガスの一部が当該ガス連通孔部（１７ｂ，１９）を介して外側排気通路２４内に進入可能となる。その結果、Ａ／Ｆセンサ８の先端軸部の上流側において、ガス流の逆巻きや反転流が生じることにより（図１２参照）、外側排気通路２４を流れる排気ガスと内側排気通路１４を流れる排気ガスとが混じり合い、混合状態の排気ガスがＡ／Ｆセンサ８の先端軸部に横当りする。

図１２に示すように、Ａ／Ｆセンサ８の先端軸部は、センシング部本体８１（ガスと接触して起電力を発生する部位）を円筒形カバー材８２が覆う筒型構造となっている。円筒形カバー材８２は、その外周壁部に設けられた複数のサイド穴８３と、該カバー材８２の先端頂壁部に設けられた少なくとも一つのトップ穴８４とを有している。かかるＡ／Ｆセンサ８にあっては、その先端軸部に横当りした排気ガスが一部のサイド穴８３を通ってセンサ内に進入し、センシング部本体８１に接触した後、トップ穴８４及び他のサイド穴８３を通ってセンサ外に退出する。それ故、内管部材の単管状出口部１３にガス連通孔部１７ｂ又はガス連通孔１９を追加し、Ａ／Ｆセンサ８の先端軸部に対する排気ガスの横当り性が向上することにより、単一のＡ／Ｆセンサ８によって内側排気通路１４及び外側排気通路２４の双方を流れる排気ガスを満遍なく検知する性能を高めることができる。

また、センサ挿通用開口部１７ａ又はセンサ挿通用開口１８の上流側にガス連通孔部１７ｂ又はガス連通孔１９が存在することにより、外側排気通路２４を流れる排気ガスの一部が内側排気通路１４内に進入可能となり、Ａ／Ｆセンサ８の先端軸部のトップ穴８４付近を横切る排気ガスの流速Ｖが高まって前記トップ穴８４の外側における負圧が増す。その結果、Ａ／Ｆセンサ８に横当りした排気ガスが、サイド穴８３を通過後センシング部本体８１に沿ってトップ穴８４に導かれること（即ちセンサ内ガス廻り）が迅速化し、排気ガスがＡ／Ｆセンサ８内を迅速に通り抜け可能となる。従って、Ａ／Ｆセンサ８のガス検出感度が飛躍的に向上すると共に、単一のＡ／Ｆセンサ８によって内側排気通路１４及び外側排気通路２４の双方を流れる排気ガスを満遍なく検知する性能を更に高めることができる。

なお、第２及び第３実施形態において、ガス連通孔部１７ｂ又はガス連通孔１９の面積は適度な大きさ（又は小ささ）に設定されている（具体的には、センサ挿通用開口部１７ａ又はセンサ挿通用開口１８の面積よりも小さく設定されている）ため、必要以上に排気ガス混合が生じることはなく、デュアルエキゾースト構造のメリットが損なわれることもほとんどない。

（変更例）本発明の実施形態を以下のように変更してもよい。
上記第１〜第３実施形態では、分岐管１〜４を二重管構造のものとしたが、これらは単管構造の分岐管であってもよい。また、製造コストを低減するため、例えば＃１番及び＃４番の二気筒に対応する分岐管１，４については二重管構造を採用する一方、その他の分岐管２，３については単管構造を採用するようにしてもよい。

上記第１〜第３実施形態では、＃１番及び＃４番の二気筒に対応する分岐管１，４を内管部材１０に連結したが、これに代えて、＃２番及び＃３番の二気筒に対応する分岐管２，３を内管部材１０の入口部１１，１２に連結するようにしてもよい。

排気装置の要部を示す平面図。 図１に示した排気装置の正面側からの斜視図。 図２の矢印Ａ方向から見た排気集合部の側面図。 図３の矢印Ｂ方向から見た排気集合部の正面図。 図４のＣ−Ｃ線での概略断面図。 図４のＤ−Ｄ線での概略断面図。 図６のＥ−Ｅ線での概略断面図。 第２実施形態における図５相当の概略断面図。 図８のＦ−Ｆ線での概略断面図。 第３実施形態における図５相当の概略断面図。 図１０のＧ−Ｇ線での概略断面図。 Ａ／Ｆセンサの先端軸部付近の概略断面図。

符号の説明

１，２，３，４…分岐管、５…排気集合部、８…Ａ／Ｆセンサ（ガスセンサ）、１０…内管部材、１１，１２…内管部材の入口部、１３…内管部材の出口部、１４…内側排気通路、１５…センサ挿通用の開口、１７…船型の開口、１７ａ…船型開口のセンサ挿通用開口部、１７ｂ…船型開口のガス連通孔部、１８…センサ挿通用開口、１９…ガス連通孔、２０…外管部材、２１…外管部材の前半部又は入口部、２３…外管部材の後半部又は出口部、２４…外側排気通路（隙間空間）、２４ａ…外側排気通路のうち通路断面積が相対的に大きな部分、Ｐ１〜Ｐ４…多気筒エンジンの排気ポート。

Claims (4)

1. 多気筒エンジンの各気筒の排気ポートに対応する複数の分岐管を集合させるためのデュアル構造の排気集合部を備えた排気装置であって、
   前記デュアル構造の排気集合部は、二以上の入口部及び単一の出口部を有し且つ二以上の分岐管を一つに集合させる内側排気通路を構築する内管部材と、前記内管部材を包含するように設けられてその内管部材の外周域にその他の分岐管を一つに集合させる外側排気通路を構築する外管部材とから構成されており、
   そのデュアル構造の排気集合部には、ガスセンサが前記外管部材及び内管部材を貫通するように設けられていることを特徴とする多気筒エンジンの排気装置。
2. 前記内管部材の出口部は単管状に形成されると共に、その単管状出口部を包囲する前記外管部材の出口部も単管状に形成され、且つ、内管部材の単管状出口部は外管部材の単管状出口部に対して偏心配置されており、
   前記ガスセンサは、前記排気集合部の出口部における外側排気通路のうち前記偏心配置によって通路断面積が相対的に大きくなった部分を占めるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置。
3. 前記内管部材の単管状出口部には、前記ガスセンサを挿通するための開口が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の多気筒エンジンの排気装置。
4. 前記内管部材の単管状出口部には、前記ガスセンサを挿通するための開口と、その開口よりも上流側に位置するガス連通孔とが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の多気筒エンジンの排気装置。

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