JP2006118505A - 内燃機関の運転方法および該方法を実行するための装置 - Google Patents

内燃機関の運転方法および該方法を実行するための装置 Download PDF

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Abstract

【課題】NOxセンサから供給されるNOxセンサ信号の高い信頼性および補正可能性を有する、内燃機関の運転方法および該方法を実行するための装置を提供する。
【解決手段】内燃機関10排気領域13内にNOx吸蔵触媒14が配置され、およびNOx吸蔵触媒下流側にNOxセンサ18が配置されている内燃機関において、NOxセンサから供給されるNOxセンサ信号NOxSnKの補正可能性により高い信頼性を有する、内燃機関の運転方法および該方法を実行するための装置を提供する。NOx吸蔵触媒14がNOx吸蔵能力を有しないかまたは僅かなNOx吸蔵能力を有するにすぎないNOx吸蔵触媒の作動状態において、NOx吸蔵触媒上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKと、NOx吸蔵触媒下流側に配置されているNOxセンサから供給されるNOxセンサ信号との比較が実行される。比較結果40の関数として、NOxセンサ信号の補正を行う。
【選択図】 図1

Description

本発明は、内燃機関の排気領域内にNOx吸蔵触媒が配置され、およびNOx吸蔵触媒下流側にNOxセンサが配置されている、内燃機関の運転方法および該方法を実行するための装置に関するものである。
ドイツ特許公開第19843879号に、内燃機関排気領域内にNOx吸蔵触媒が配置されている内燃機関の運転方法が開示されている。内燃機関が成層シリンダ充填の範囲内においてリーンで運転される第1の運転過程内において、内燃機関のNOx未処理エミッションのNOx吸蔵触媒内への吸蔵が行われる。
内燃機関が均質シリンダ充填の範囲内において理論値でまたはリッチで運転される第2の運転過程内において、NOx吸蔵触媒の再生が行われる。
NOx吸蔵触媒下流側に配置されているNOxセンサは、吸蔵過程の間における排気ガス内の上昇NOx濃度を検出する。信号の上昇は、NOx吸蔵触媒の吸蔵能力の低下と共にNOx溢流流量が増大することにより得られる。
NOx濃度が所定のしきい値を超えたとき直ちに、再生過程への切換が開始される。他の実施例においては、吸蔵過程内におけるNOx吸蔵触媒下流側のNOx質量流量またはNOx質量流量の積分値が所定のしきい値を超えたとき、吸蔵過程から再生過程への切換が行われる。
NOx吸蔵触媒下流側のNOx質量流量は、NOxセンサ信号、例えば測定吸気質量流量から決定可能な排気ガス質量流量、およびモル質量を与える定数係数から求めることが可能である。
ドイツ特許公開第10036453号に、同様に内燃機関排気領域内にNOx吸蔵触媒が配置されている内燃機関の運転方法が開示されている。吸蔵過程から再生過程への切換は、NOx吸蔵触媒内に吸蔵されたNOx質量の関数として行われる。NOx吸蔵触媒下流側に発生するNOx質量流量は、NOx吸蔵触媒のモデルにより計算されるのみならず、NOxセンサの信号からも決定される。両方の質量流量の比較により、NOx吸蔵触媒のモデルが補正される。
今日既知となっているNOxセンサは特に信号オフセットを有することがあり、信号オフセットはNOxセンサの作動条件および内燃機関の運転条件の関数である。さらに、NOxセンサは勾配誤差および/または直線性誤差を有することがある。誤差を有するNOxセンサ信号は、NOx吸蔵触媒が不必要に頻繁に再生されるかまたはもはや再生されないようにさせることがある。さらに、NOx吸蔵触媒の状態診断の信頼性がもはや保証されないことになる。
NOxセンサから供給されるNOxセンサ信号の高い信頼性および補正可能性を有する、内燃機関の運転方法および該方法を実行するための装置を提供することが本発明の課題である。
本発明による方法は、NOx吸蔵触媒がNOx吸蔵能力を有しないかまたは僅かなNOx吸蔵能力を有するにすぎないNOx吸蔵触媒の作動状態において、NOx吸蔵触媒上流側のNOx濃度に対する尺度と、NOx吸蔵触媒下流側に配置されているNOxセンサから供給されるNOxセンサ信号との比較が実行され、および比較結果の関数として、NOxセンサ信号の補正が行われるように設計されている。
本発明による方法は、吸蔵能力が低いときには、NOx吸蔵触媒下流側に発生するNOx質量流量が、少なくとも近似的に、NOx吸蔵触媒上流側に発生するNOx質量流量と等しいことに基づいている。本発明は、NOx吸蔵能力が低いときには、NOx吸蔵触媒内を流れるNOx質量流量のうちの、NOx吸蔵体内に流入する僅かなNOx質量流量のみが分離されるにすぎないので、高いNOx溢流流量が発生するという事実を利用している。
本発明による方法の第1の利点は、NOxセンサの通常の作動条件において内燃機関の運転の間に比較結果が得られることにある。これから、NOxセンサ信号の補正において高い精度が得られる。
さらに、NOx吸蔵触媒の劣化が、比較結果に、したがってNOxセンサ信号の補正にいかなる影響も与えないことが有利である。この利点は、NOx吸蔵触媒がNOx吸蔵能力を有しないかまたは僅かなNOx吸蔵能力を有するにすぎないNOx吸蔵触媒の作動状態においてのみ、この比較結果が求められることによって得られる。劣化NOx吸蔵触媒は、それ自身が予め設定されるべき制限されたNOx吸蔵能力を有している。
本発明による方法の有利な変更態様および形態が従属請求項から得られる。
NOx吸蔵触媒がNOx吸蔵能力を有しないかまたは僅かなNOx吸蔵能力を有するにすぎないNOx吸蔵触媒の適切な作動状態は、例えば、高いNOx充填レベルにおいてまたは特定の温度範囲内において存在する。
NOx吸蔵触媒上流側の排気領域内に他のいかなる触媒も配置されていないとき、またはNOx転化に対するこのような触媒の作動条件が他の物質に対しては不利であるとき、例えばNOx質量流量として与えられる、NOx吸蔵触媒上流側のNOx濃度に対する尺度は、内燃機関のNOx未処理エミッションに対応する。内燃機関のNOx未処理エミッションは、モデルにより計算されることが好ましい。場合により、NOx吸蔵触媒上流側のNOx濃度に対する尺度を測定するために他のNOxセンサが使用されてもよい。
本発明による方法の実行の間に、信号オフセットを決定するために僅かなNOx質量流量が設定可能であるのみならず、NOx質量流量が十分に任意に決定可能であることにより本質的な他の利点が得られる。したがって、前記比較は、NOxセンサ信号のより高い少なくとも1つの信号レベルにおいても、好ましくはNOxセンサ信号のより高い複数の信号レベルにおいても実行可能である。これにより、NOxセンサ信号の勾配誤差の比較的簡単な補正のみならず、NOxセンサ信号の直線性誤差の複雑な補正もまた可能である。
本発明による内燃機関の運転装置は、第1に、方法を実行するために提供された制御装置に関するものである。
制御装置は、特に、NOx吸蔵触媒の作動状態を求めるための作動状態決定と、NOxセンサから供給されるNOxセンサ信号の信号オフセットを補正するための第1の信号補正および/または前記NOxセンサ信号の勾配を補正するための第2の信号補正と、並びにNOx吸蔵触媒内のNOx充填レベルを求めるためのNOx充填レベル決定および/またはNOx吸蔵触媒の作動温度を求めるための温度決定とを含む。制御装置は、方法ステップがコンピュータ・プログラムとしてその中に記憶されている少なくとも1つの電気メモリを含むことが好ましい。
本発明による方法の有利な変更態様および形態が他の従属請求項および以下の説明から得られる。
図1は内燃機関10を示し、内燃機関10吸気領域11内に空気センサ12が、および内燃機関10排気領域13内にNOx吸蔵触媒14、λセンサ15、第1のNOxセンサ16、排気温度センサ17および第2のNOxセンサ18が配置されている。
制御装置20に、空気センサ12が空気信号msLを、内燃機関10が回転速度信号nを、λセンサ15がλ信号lamを、第1のNOxセンサ16が第1のNOxセンサ信号NOxSvKを、排気温度センサ17が排気温度信号Tabgを、および第2のNOxセンサ18が第2のNOxセンサ信号NOxSnKを出力する。
制御装置20は、内燃機関10に点火信号Zueを、内燃機関10に付属されている燃料供給装置22に燃料信号mKを、および排気ガス再循環23に排気ガス再循環信号agrを供給する。
内燃機関10下流側に内燃機関10のNOx未処理エミッションmsNOxvKが発生する。
制御装置20は触媒状態決定30を含み、触媒状態決定30に、排気温度信号Tabgと、NOx充填レベル決定31から供給されるNOx充填レベル信号とが供給される。触媒状態決定30は第1の開始信号32をAND結合33に出力し、AND結合33にはさらに第2の開始信号34が供給され、第2の開始信号34は内燃機関状態決定35から供給される。内燃機関状態決定35に、回転速度信号n、燃料信号mK並びに低温始動信号36が供給される。
AND結合33は第3の開始信号37を比較器38に伝送し、比較器38は加算器39を含み、加算器39に、第2のNOxセンサ信号NOxSnKと、NOxモデル50により決定される、NOx吸蔵触媒14上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKとが供給され、尺度NOxvKはさらにNOx充填レベル決定31にも供給される。
NOxモデル50に、回転速度信号n、燃料信号mK、空気信号msL、排気ガス再循環信号agr並びに点火信号Zueが供給される。
比較器38は、比較結果40を、信号オフセット決定41および信号勾配決定42に供給する。第2のNOxセンサ信号NOxSnKは、信号オフセット決定41のみならず信号勾配決定42にも供給される。信号オフセット決定41は第1の補正信号43を第1の信号補正44に出力し、信号勾配決定42は第2の補正信号45を第2の信号補正46に出力する。
第2の信号補正46は補正NOxセンサ信号NOxSnKkorrを供給し、補正NOxセンサ信号NOxSnKkorrはNOx充填レベル決定31に供給される。
図2は、NOx吸蔵触媒14上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKの時間線図と、破線で目盛られている、第2のNOxセンサ信号NOxSnKの第1の線図60と、および一点鎖線で目盛られている、第2のNOxセンサ信号NOxSnKの第2の線図61とを示す。
NOx吸蔵触媒14上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKは、スタート時点t0以降において0レベルを有している。第1の時点t1以降においては第1の目標値62が存在し、および第2の時点t2以降においては第2の目標値63が存在する。第1の信号線図60は第1の信号オフセットOF1を有し、および第2の信号線図61は第2の信号オフセットOF2を有している。
図3はNOx吸蔵触媒14の温度の関数としてNOx吸蔵能力を示す。新NOx吸蔵触媒14に対して適用される第1の吸蔵能力線図70、および劣化NOx吸蔵触媒14に対して適用される第2の吸蔵触媒線図71が示されている。
本発明による方法は次のように行われる。
本発明による方法の目的は第2のNOxセンサ18から供給される第2のNOxセンサ信号NOxSnKの補正であり、第2のNOxセンサ信号NOxSnKは以下においてNOxセンサ信号NOxSnKと呼ばれる。NOxセンサ信号NOxSnKは信号オフセットおよび/または勾配誤差を有することがある。場合により存在する直線性誤差は勾配誤差とみなされる。オフセット誤差および勾配誤差の異なる現象を図2に示されている信号線図により説明する。
NOxセンサ信号NOxSnKは、例えば第1の信号オフセットOF1または例えば第2の信号オフセットOF2を有していてもよい。これとは無関係に勾配誤差が発生することがある。NOxセンサ信号NOxSnKが第1の目標値62から第2の目標値63に上昇すべきであるにもかかわらず、例えば、第1の信号オフセットOF1を有するNOxセンサ信号NOxSnKが第1の線図60に示すようにより高い値に上昇し、一方、第2の信号オフセットOF2を有するNOxセンサ信号NOxSnKが第2の線図61に示すようにより低い値に到達するにすぎないものとする。
オフセット信号OF1、OF2の補正は第1の信号補正44内において行われ、第1の信号補正44は、NOxセンサ信号NOxSnKから第1の補正信号43を減算する加算器を含む。勾配の補正は第2の信号補正46内において行われ、第2の信号補正46は第2の補正信号45の関数として勾配を乗算により補正する。場合により存在する勾配誤差が3つ以上の異なる信号レベルにおいて決定される場合、第2の信号補正46内において、場合により存在するNOxセンサ信号NOxSnK内の非線形性の排除もまた可能である。
本発明による方法は、NOxセンサ信号NOxSnKと、NOx吸蔵触媒14上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKとの比較に基づいている。比較器38は、質量流量に基づく比較、または濃度に基づく比較、または相互に比較可能な他の変数に基づく比較を実行可能である。比較器38から供給される比較結果40は、第2のNOxセンサ18により測定されたNOxセンサ信号NOxSnKと尺度NOxvKとの間の偏差を表わし、この場合、誤差のないNOxセンサ16、18は、信号レベルとは無関係に、尺度NOxvKからいかなる偏差をも有していない。場合により存在する偏差は比較結果40により信号オフセット決定41および信号勾配決定42に供給され、信号オフセット決定41および信号勾配決定42は補正信号43、45を決定する。
比較器38は、NOx吸蔵触媒14がNOx吸蔵触媒14上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKに影響を与えないかまたは僅かに影響を与えるにすぎないときにのみ適切に比較を実行可能である。この前提の存在は、第1の開始信号32を供給する触媒状態決定30により保証可能である。一形態により、第1の開始信号32は直接比較器38に供給されていてもよい。触媒状態決定30はNOx吸蔵触媒14のNOx吸蔵能力を決定することが好ましい。
比較器38からの比較結果40の供給は、NOx吸蔵触媒14がNOx吸蔵能力を有しないかまたは僅かなNOx吸蔵能力を有するにすぎないNOx吸蔵触媒14の作動状態においてのみ可能である。僅かなNOx吸蔵能力においては、NOx吸蔵触媒14内を流れるNOx質量流量は僅かに影響されるにすぎない。この状態はNOx溢流に対応する。
NOx吸蔵能力はNOx充填レベルの増大と共に低下する。NOx充填レベルは、NOx充填レベル決定31により、例えばNOx吸蔵触媒14上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKの関数として、または補正NOxセンサ信号NOxSnKkorrの関数として、または好ましくはNOx質量流量から決定される。ある場合には、NOx充填レベル決定はモデルにより行われ、他の場合には測定により行われる。いずれの場合においても、NOx充填レベルは積分により計算され且つNOx充填レベル信号により触媒状態決定30に供給され、触媒状態決定30はNOx充填レベルを例えば所定のしきい値と比較し且つ比較結果の関数として第1の開始信号32を供給する。比較において、場合によりNOx吸蔵触媒14の劣化状態が考慮されてもよい。
さらに、NOx吸蔵能力は例えばNOx吸蔵触媒14の作動温度の関数である。この関係が図3に略図で示されている。図3に示されている2つの温度線図70、71から、NOx吸蔵能力は、例えば200℃の下限温度以下および例えば600℃の上限温度以上においては低いことが明らかである。
作動温度は例えば温度モデルにより計算されてもよい。代替形態は温度センサを使用し、温度センサはNOx吸蔵触媒14内またはNOx吸蔵触媒14上に配置されている。図1による図示の実施例においては、排気温度センサ17が設けられ、排気温度センサ17はNOx吸蔵触媒14下流側に配置されている。排気温度センサ17が空間的にNOx吸蔵触媒14のすぐ近くに配置されている場合、排気温度信号Tabgは少なくとも近似的にNOx吸蔵触媒14の作動温度を表わしている。
触媒状態決定30は、温度が下限温度以下または上限温度以上にあるとき、第1の開始信号32を供給する。比較において、NOx吸蔵触媒14の劣化状態が考慮されることが好ましい。劣化の増大と共に第2の温度線図71に対応してNOx吸蔵能力は低下する。この事実は温度しきい値のシフトに使用可能である。
有利な形態により、比較結果40が内燃機関10の状態の関数として供給されるように設計されている。状態は内燃機関状態決定35において決定され、内燃機関状態決定35は第2の開始信号34を供給し、第2の開始信号34は好ましくは第1の開始信号32とAND結合される。内燃機関状態決定35は、回転速度信号nと、および/または例えば燃料信号mKで表わされる内燃機関10の負荷と、および/または低温始動信号36が表わしている内燃機関10の低温始動とを考慮することが好ましい。
第2の開始信号34は内燃機関のアイドリングの存在の関数として供給されることが好ましい。アイドリングにおいては僅かなNOx未処理エミッションmsNOxvKが発生し、アイドリングにおいて特に信号オフセットOF1、OF2が決定可能である。さらに、低温始動信号36が発生したときに第2の開始信号34が供給されることが好ましい。低温始動信号36は例えば冷却媒体の温度またはオイル温度により供給されてもよい。低温始動においては通常NOx吸蔵触媒14の温度は低いので、図3に示すように低いNOx吸蔵能力が存在する。
比較のために、NOx吸蔵触媒14上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKが必要である。NOx未処理質量流量msNOxvKに対応する第1のNOxセンサ信号NOxSvKを供給する第1のNOxセンサ16が設けられている場合、吸蔵触媒14上流側のNOx濃度に対する尺度NOxvKは直接供給される。
NOx濃度に対する尺度NOxvKがNOxモデル50により決定されることが好ましい。NOx吸蔵触媒14上流側に、排気領域13内のNOx質量流量に影響を与える他の触媒または構造部分が存在している場合、尺度NOxvKを計算するためにNOxモデル50が適合可能である。尺度NOxvKの決定は、少なくとも、内燃機関10から供給される回転速度信号nおよび例えば燃料信号mKを表わす内燃機関10の負荷に対する尺度に基づいて行われることが好ましい。空気センサ12が供給する空気信号mlを考慮することにより精度の向上が得られる。排気ガス再循環23が存在している場合、排気ガス再循環信号agrを考慮することにより、NOx未処理質量流量msNOxvKしたがって尺度NOxvKに対して著しく作用する影響変数が考慮可能である。内燃機関10が外部点火式内燃機関の場合、点火信号Zueの考慮により結果の精度がさらに向上される。この場合、特に点火時期が重要である。
勾配の診断に対しては、内燃機関10の通常のアイドリングにおいてよりもより高いNOx濃度が必要である。アイドリングにおいても診断を実行可能にするために、例えば、場合により存在する排気ガス再循環23が遮断されても、および/または内燃機関10の吸気流量が図1には詳細には示されていない絞り弁により低下されても、および/または内燃機関10に供給される空気/燃料混合物の空気数λが調節されてもよい。空気数λの変化は例えば給気の調節によりおよび/または燃料信号mKの調節により実行されてもよい。
一形態は、比較結果40を決定する前にNOx吸蔵触媒14の再生が実行されるように設計されている。この手段により、NOx充填レベル決定31から供給されるNOx充填レベル信号は、NOx充填レベル決定31内に存在する積分器に基づいて、高い信頼性を有することが保証可能である。代替態様は、比較結果40を得るために、NOx充填レベルが十分でないときには、比較結果40を決定する前にNOx吸蔵触媒14のNOxレベルが適切に上昇されるように設計されている。
本発明による方法がその中で実行される技術的周辺図である。 時間の関数としての信号線図である。 温度の関数としてのNOx吸蔵触媒のNOx吸蔵能力線図である。
符号の説明
10 内燃機関
11 吸気領域
12 空気センサ
13 排気領域
14 NOx吸蔵触媒
15 λセンサ
16 第1のNOxセンサ(NOx吸蔵触媒上流側)
17 排気温度センサ
18 第2のNOxセンサ(NOx吸蔵触媒下流側)
20 制御装置
22 燃料供給装置
23 排気ガス再循環
30 作動状態決定(触媒状態決定)
31 NOx充填レベル決定
32 第1の開始信号
33 AND結合
34 第2の開始信号
35 内燃機関状態決定
36 低温始動信号
37 第3の開始信号
38 比較器
39 加算器
40 比較結果
41 信号オフセット決定
42 信号勾配決定
43 第1の補正信号(オフセット補正)
44 第1の信号補正(オフセット補正)
45 第2の補正信号(勾配補正)
46 第2の信号補正(勾配補正)
50 NOxモデル
60 第1の信号線図(第2のNOxセンサ信号NOxSnK)
61 第2の信号線図(第2のNOxセンサ信号NOxSnK)
62、63 目標値
70 第1のNOx吸蔵能力/温度線図(新NOx吸蔵触媒)
71 第2のNOx吸蔵能力/温度線図(劣化NOx吸蔵触媒)
agr 排気ガス再循環信号
lam λ信号
mK 燃料信号
msL 空気信号
msNOxvK NOx未処理エミッション(NOx未処理質量流量)
n 回転速度信号
NOxS NOxセンサ信号
NOxSnK 第2のNOxセンサ信号(NOx吸蔵触媒下流側)
NOxSnKkorr 補正NOxセンサ信号
NOxSvK 第1のNOxセンサ信号(NOx吸蔵触媒上流側)
NOxvK NOx吸蔵触媒上流側のNOx濃度に対する尺度
OF1、OF2 信号オフセット
t 時間
t0、t1、t2 時点
T 温度
Tabg 排気温度信号
Zue 点火信号

Claims (13)

  1. 内燃機関(10)の排気領域(13)内にNOx吸蔵触媒(14)が配置され、および該NOx吸蔵触媒(14)下流側にNOxセンサ(18)が配置されている、内燃機関(10)の運転方法において、
    前記NOx吸蔵触媒(14)がNOx吸蔵能力を有しないかまたは僅かなNOx吸蔵能力を有するにすぎないNOx吸蔵触媒(14)の作動状態において、前記NOx吸蔵触媒(14)上流側のNOx濃度に対する尺度(NOxvK)と、前記NOx吸蔵触媒(14)下流側に配置されている前記NOxセンサ(18)から供給されるNOxセンサ信号(NOxSnK)との比較が実行されることと、および
    比較結果(40)の関数として、前記NOxセンサ信号(NOxSnK)の補正が行われることと、
    を特徴とする内燃機関の運転方法。
  2. 作動状態として、前記NOx吸蔵触媒(14)のNOx充填レベルが使用されることを特徴とする請求項1の方法。
  3. 前記NOx充填レベルが低すぎるとき、比較の前に、NOx吸蔵触媒(14)のNOx充填レベルが適切に上昇されることを特徴とする請求項1の方法。
  4. 作動状態として、前記NOx吸蔵触媒(14)の作動温度が使用されることを特徴とする請求項1の方法。
  5. 前記NOxセンサ信号(NOxSnK)の信号オフセット(OF1、OF2)が補正されることを特徴とする請求項1の方法。
  6. 前記NOxセンサ信号(NOxSnK)の勾配が補正されることを特徴とする請求項1の方法。
  7. 前記NOxセンサ信号(NOxSnK)の補正が前記内燃機関(10)の所定の運転状態において行われることを特徴とする請求項1の方法。
  8. 前記補正が前記内燃機関(10)のアイドリングにおいて行われることを特徴とする請求項7の方法。
  9. 前記補正が内燃機関(10)の低温始動後に行われることを特徴とする請求項7の方法。
  10. 排気ガス再循環(23)が遮断されるか、および/または内燃機関(10)の吸気流量が絞られるか、および/または内燃機関(10)に供給される空気/燃料混合物の空気数λが1より大きい値に上昇されることを特徴とする請求項7の方法。
  11. NOx吸蔵触媒(14)上流側のNOx濃度に対する尺度(NOxvK)がNOxモデル(50)により決定されることを特徴とする請求項1の方法。
  12. 請求項1〜11のいずれか1つの方法を実行するために提供された少なくとも1つの制御装置(20)が設けられていることを特徴とする内燃機関の運転装置。
  13. 制御装置(20)が、
    NOx吸蔵触媒(14)の作動状態を求めるための作動状態決定(30)と、
    NOxセンサ(18)から供給されるNOxセンサ信号(NOxSnK)の信号オフセット(OF1、OF2)を補正するための第1の信号補正(44)および/または前記NOxセンサ信号(NOxSnK)の勾配を補正するための第2の信号補正(46)と、
    前記NOx吸蔵触媒(14)内のNOx充填レベルを求めるためのNOx充填レベル決定(31)と、および/または、
    前記NOx吸蔵触媒(14)の作動温度を求めるための温度決定と、
    を含むことを特徴とする請求項12の装置。
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