JP2007187089A - 車両用排気構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構造で排気音を効果的に抑制することができる車両用排気構造を得る。
【解決手段】車両用排気構造10は、内燃機関エンジン12の排気音を消音するための後方マフラ22と、一端側が後方マフラ22の排出管26に接続されると共に他端側が大気開放された後側パイプ24とを備える。排出管26及び後側パイプ24の排気流路長Lは、内燃機関エンジン12の最高回転数における基本成分周波数での排気脈動の波長λの半分である(L=λ/2)。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば内燃機関エンジンの排気ガスを外部に排出するための車両用排気構造に関する。
排気系における内燃機関エンジンの排気マニホルドの集合部から大気開放端までの距離をLとした場合に、拡張型消音器であるメインマフラーを大気開放端から2×L/5の位置に配置して排気脈動の基本成分周波数の3次共振と4次共振とを連成させるようにすると共に、この3次、4次共振の連成共振を抑制するために大気開放端から3×L/5又はL/5の位置にヘルムホルツ型共鳴器を含むプリマフラ又はポストマフラを配置した排気騒音低減装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。ヘルムホルツ型共鳴器は、共鳴室の容積をVp、拡張室と共鳴室とを連通する導管の断面積、長さをそれぞれSp、lpとした場合に、次式の関係を満たす設定とされている。
Sp/(Vp×lp)≒(5×π/(2×L))
特開昭59−226222号公報 特開2004−124912号公報
しかしながら、上記の如き従来の技術では、上式の関係を満たすヘルムホルツ型共鳴器を有する必要があり、設計上の制約が多かった。
本発明は上記事実を考慮して、簡単な構造で排気音を効果的に抑制することができる車両用排気構造を得ることが目的である。
上記目的を達成するために請求項1記載の発明に係る車両用排気構造は、内燃機関エンジンの排気音を消音するための消音器と、一端側が前記消音器に接続されると共に他端側が大気開放され、長さが前記内燃機関エンジンの最高回転数における基本成分周波数での排気脈動の波長の半分である大気開放用排気管と、を備えている。
請求項1記載の車両用排気構造では、消音器から導入した排気ガスを大気開放するための大気開放用排気管の長さL(m)が、内燃機関エンジンの最高回転数R(rpm)における基本成分周波数f(Hz)の排気脈動の波長λ(m)の略半分(L≒λ/2)であるため、内燃機関エンジンの最高回転数よりも低い常用回転数では、大気開放用排気管での気柱共鳴が発生しない(気柱共鳴による排気音1次成分のピークが生じなくなる)。これにより、大気開放用排気管の長さの設定によって、排気音を抑制することができる。
このように、請求項1記載の車両用排気構造では、簡単な構造で排気音を効果的に抑制することができる。なお、内燃機関エンジンの最高回転数Rにおける基本成分周波数fは、例えば4サイクルN気筒エンジンの場合には、f=R×N/120とされ、排気脈動の波長λは、排気脈動の伝播速度(音速)をvとすると、λ=v/fとされる。したがって、内燃機関エンジンが4サイクルN気筒エンジンである場合には、L≒60×v/(R×N)となる。
そして、上記した気柱共鳴の発生を防止する効果はL≦λ/2を満たす範囲で得ることができるが、本排気系構造では、この効果を得る範囲で大気開放用排気管の長さが長く設定されている(L=λ/2に近づけられている)ため、大気開放用排気管の消音対象の周波数域が下がる。これにより、車両として問題になりやすい低周波域の消音効率を、排気系全体として向上することができる。
請求項2記載の発明に係る車両用排気構造は、請求項1記載の車両用排気構造において、前記大気開放用排気管は、中間部が屈曲又は湾曲されて形成された長さ調整部を有する。
請求項2記載の車両用排気構造では、大気開放用排気管が長さ調整部を有するため、例えば最高回転数、気筒数が異なる内燃機関エンジンを備えた複数車種で、大気開放用排気管以外の排気系部品を共通化しながら 排気音を効果的に低減することができる。
請求項3記載の発明に係る車両用排気構造は、請求項2記載の車両用排気構造において、前記大気開放用排気管は、前記一端側が前記消音器における前記大気開放側とは反対側に接続されており、Uターン形状に形成された前記長さ調整部を有する。
請求項3記載の車両用排気構造では、Uターン形状の長さ調整部を有する大気開放用排気管は、全体として例えば平面視又は側面視で略J字状に形成されており、消音器における大気開放側(たとえば車体前後方向の後側)とは反対側に接続されている。この構成では、大気開放位置を変更することなく長さ調整部の形状(Uターン形状)共通化を図ることができる。
請求項4記載の発明に係る車両用排気構造は、請求項1乃至請求項3の何れか1項記載の車両用排気構造において、前記消音器に対する前記内燃機関エンジン側には、中央排気管を介して連通された上流側消音器が配設されており、前記中央排気管の長さが、前記内燃機関エンジンの排気ガス出口から前記中央排気管の後端までの長さの1/5以上でかつ1/3以下とされている。
請求項4記載の車両用排気構造では、内燃機関エンジンから排出された排気ガスは、上流側消音器、中央排気管、消音器(以下、下流側消音器という)、大気開放用排気管の順で通過する。この場合、内燃機関エンジン側を閉端(排気脈動の腹)、下流側消音器を開端(排気脈動の節)とする複数(次数)の気柱共鳴モードが生じ得る。ここで、中央排気管の長さを、内燃機関エンジンの排気ガス出口(排気ポート又は排気マニホルド集合部)から該中央排気管の後端(開端である下流側消音器)までの長さの1/5〜1/3の範囲としたので、車両として問題になりやすい各気柱共鳴モード(周波数)において上流側消音器が排気脈動(音圧)の腹位置に位置し、排気音が効果的に抑制される。
上記目的を達成するために請求項5記載の発明に係る車両用排気構造は、それぞれ内燃機関エンジンの排気音を消音するための上流側消音器及び下流側消音器と、前記上流側消音器と下流側消音器とを連通し、長さが前記内燃機関エンジンの排気ガス出口から前記下流側消音器の排気ガス入口までの長さの1/5以上でかつ1/3以下である中央排気管と、を備えている。
請求項5記載の車両用排気構造では、内燃機関エンジンから排出された排気ガスは、上流側消音器、中央排気管、消音器(以下、下流側消音器という)の順で通過する。この場合、内燃機関エンジン側を閉端(排気脈動の腹)、下流側消音器の排気ガス入口を開端(排気脈動の節)とする複数(次数)の気柱共鳴モードが生じ得る。ここで、中央排気管の長さを、内燃機関エンジンの排気ガス出口(排気ポート又は排気マニホルド集合部)から前記下流側消音器の排気ガス入口(中央排気管の後端)までの長さの1/5〜1/3の範囲としたので、車両として問題になりやすい各気柱共鳴モード(周波数)において上流側消音器が音圧の腹位置に位置し、排気音が効果的に抑制される。
このように、請求項5記載の車両用排気構造では、簡単な構造で排気音を効果的に抑制することができる。
以上説明したように本発明に係る車両用排気構造は、簡単な構造で排気音を効果的に抑制することができるという優れた効果を有する。
本発明の第1の実施形態に係る車両用排気構造10について、図1乃至図5に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、各図に適宜記す矢印FR、矢印Wにて示す方向を、それぞれ車両用排気構造10が適用された自動車の前方向(進行方向)、車幅方向とする。また、以下の説明で、上流、下流の用語を用いる場合には、排気ガス流れ方向の上流、下流を示すものとする。
図1には、車両用排気構造10が模式的な平面断面図にて示されている。この図に示される如く、車両用排気構造10は、内燃機関エンジン12の排気ガスが排気マニホルド14から導入される上流側排気管である前側パイプ16を備えている。具体的には、前側パイプ16の上流端(前端)16Aは、内燃機関エンジン12の排気ポート12Aに接続された排気マニホルド14の集合部14Aの下流側に位置する接続端14Bに接続されている。一方、前側パイプ16の下流端16Bは、上流側消音器としての前方マフラ(メインマフラ)18の排気ガス入口18Aに接続されている。
詳細な説明は省略するが、前方マフラ18は、内部空間が拡張室18Bとされた拡張型消音器とされている。この前方マフラ18の排気ガス出口18Cには、中央排気管としての中央パイプ20の上流端20Aが接続されている。また、中央パイプ20の下流端20Bは、消音器又は下流側消音器としての後方マフラ22の排気ガス入口22Aに接続されている。さらに、後方マフラ22の排気ガス出口22Cには、後側パイプ24の上流端24Aが接続されている。後方マフラ22は、本実施形態では内部空間が拡張室22Bとされた拡張型消音器とされている。
より具体的には、後方マフラ22は、上流端26Aが拡張室22Bに位置すると共に下流端26Bが拡張室22Bの外部に位置するように壁部22Dを貫通して、排気ガス出口22Cを構成する排出管26を有している。排出管26の共に下流端26Bにはフランジ28が設けられており、このフランジ28が後側パイプ24の上流端24Aに設けられたフランジ30に図示しない締結具によって締結されることで、後側パイプ24の上流端24Aが後方マフラ22の排気ガス出口22Cに接続される構成である。後側パイプ24の下流端24Bは、大気開放されており、内燃機関エンジン12の排気ガスを大気中に排出するようになっている。
なお、後方マフラ22は、排出管26の上流端26Aが開放端とみなせる構造であれば良く、例えば、共鳴型消音器としても良く、拡張型又は共鳴型と吸音型消音器との組合せとしても良い。この実施形態では、後側パイプ24及び排出管26が本発明における大気開放用排気管に相当する。また、この実施形態では、内燃機関エンジン12は、4サイクルエンジンとされている。
そして、車両用排気構造10では、図1に示される後側パイプ24及び排出管26の排気管長さ(排気ガスの流路長)Lは、内燃機関エンジン12の最高回転数R(rpm)及び気筒数Nに基づいて決められている。具体的には、図4に示される如く、排気管長さL1は、内燃機関エンジン12の最高回転数Rにおける基本成分周波数f(Hz)での排気脈動(音波)の波長λの半分(気柱共鳴の長さ)に略一致する設定とされている。
ここで、図4に示す音波Wsは、後側パイプ24において最も低い周波数で生じ得る気柱共鳴の共振モード(一次モード)を示し、排出管26の上流端26A、後側パイプ24の下流端24Bが共に開放端である本構成においては、各開放端が節位置となる共振モードである。そして、車両用排気構造10では、内燃機関エンジン12の常用回転数で気柱共鳴が生じないように、排気管長さLが上記した最高回転数Rでの波長λの半分を上回らない(L≦λ/2となる)設定とされている。また、排気管長さLは、L≦λ/2を満たす範囲で最も長くなる(L=λ/2に近付けられた)設定とされている。
より具体的には、4サイクルN気筒エンジンである内燃機関エンジン12では、最高回転数Rにおける基本成分周波数fは、f=(R/60)×(N/2)であり、その基本成分周波数fにおける波長λは、排気脈動の伝播速度である音速をv(m/s)とするとλ=v/fであるから、排気管長さLは、L≦λ/2=(60×v)/(R×N)を満たす範囲であって、このλ/2に略一致する設定とされている。なお、一般的なレイアウトを採る内燃機関エンジン12、車両用排気構造10では、市街地走行において後方マフラ22に導入される排気ガス温は略300℃であると見積もることができ、この場合、排気脈動の伝播速度である音速vを500(m/s)として排気管長さLを決定することができる。
さらに、図1では各種寸法を表示するために省略しているが、排出管26は、後側パイプ24における前側の壁部22Dを貫通しており、フランジ28は排出管26の前端(下流端26B)に設けられている。後側パイプ24は、中間部が平面視で略U字状に形成された長さ調整部としてのUターン部24Cとされており、全体としては平面視で略J字形状に形成されている。フランジ30は、Uターン部24Cに近い側の端部である上流端24Aに設けられており、このフランジ30がフランジ28に締結されて、後側パイプ24の下流端24Bが後方マフラ22よりも後方に位置するようになっている。
また、車両用排気構造10では、中央パイプ20の長さLは、後方マフラ22から排気ガス流路長の所定範囲内に前方マフラ18が位置するように決められている。具体的には、内燃機関エンジン12の排気ポート12Aから中央パイプ20の下流端20Bまでの長さをLとして、L/5≦L≦L/3の範囲内にある設定とされている。すなわち、図5に示される如く、後方マフラ22の拡張室22Bに開口する開放端である中央パイプ20の下流端20Bを有する車両用排気構造10では、該中央パイプ20の下流端20Bを節とし、閉止端である内燃機関エンジン12の排気ポート12Aを腹とする低周波及び高周波の気柱共鳴モードが生じ得る。なお、図5では、低周波の気柱共鳴モードの音波をWslで、高周波の柱共鳴モードの音波をWshで示している。
この図5から判るように、車両用排気構造10では、低周波の気柱共鳴モードにおいて音波Wslの腹位置は中央パイプ20の下流端20Bから上流側にL/3だけ離間した位置Plに生じ、高周波の気柱共鳴モードにおいて音波Wshの腹位置は中央パイプ20の下流端20Bから上流側にL/5だけ離間した位置Phに生じのるで、これらの位置Pl、Ph間の範囲Aに前方マフラ18(の少なくとも下流側の一部)が配置されるように中央パイプ20の長さLが設定されている。
なお、内燃機関エンジン12の排気ポート12Aから後側パイプ24の下流端24Bまで長さ、すなわち車両用排気構造10の全長をL、後方マフラ22の行程長(排気ガスの流路長)をLとすると、L=L−(L+L)であるから、(L−(L+L))/5≦L≦(L−(L+L))/3として中央パイプ20の長さLを設定しても良い。
次に、第1の実施形態の作用を説明する。
上記構成の車両用排気構造10では、内燃機関エンジン12の排気ガスは、排気マニホルド14、前側パイプ16、前方マフラ18、中央パイプ20、後方マフラ22、及び後側パイプ24を通過して消音され、後側パイプ24の下流端24Bから大気開放される。
ここで、車両用排気構造10では、後側パイプ24及び排出管26の長さの和である排気管長さLが、内燃機関エンジン12の最高回転数Rにおける基本成分周波数での排気脈動の波長λの半分である(L≒λ/2である)ため、内燃機関エンジン12の最高回転数よりも低い常用回転数(通常は、最高回転数Rの80%以内)では、後側パイプ24の気柱共鳴の1次ピークが存在しない。すなわち、後側パイプ24の気柱共鳴が発生することが防止される。
これにより、車両用排気構造10では、後側パイプ24の気柱共鳴を、他のモードの気柱共鳴と連成させることなく抑制することができる。このため、車両用排気構造10は、背景技術で開示した如く特殊な設定のヘルムホルツ型共鳴器を備えることなく後側パイプ24の気柱共鳴を効果的に抑制することができる。このように特殊な設定のヘルムホルツ型共鳴器を備える必要がないため、車両用排気構造10の設計自由度も高くなる。なお、L≒λ/2とした場合、最高回転数帯域では、後側パイプ24の気柱共鳴の1次成分のピークが発生し得るが、このような高周波領域では自動車のボディによる減衰が大きく、車内音への影響は軽微である。一方、車外騒音は、高周波領域では気流音が支配的となるため、後側パイプ24の気柱共鳴の1次成分の影響は軽微である。
しかも、L≒λ/2である車両用排気構造10では、排気管長さLが上記の通り後側パイプ24での気柱共鳴を防止する範囲内及びレイアウト上の制約等を満たす範囲内で最長であるため、消音できる排気脈動の周波数帯域が低くなる。すなわち、後方マフラ22と後側パイプ24とによるヘルムホルツの共鳴周波数(消音周波数域)が低くなり、車両として問題になりやすい低周波域の排気音の消音効率を高めることができる。
そして、車両用排気構造10では、後側パイプ24がUターン部24Cを有するため、例えば、最高回転数や気筒数が異なる複数の内燃機関エンジン12に対応して異なる排気管長さLを、後側パイプ24の交換のみで容易に設定することができる。例えば、図3に実線にて示される多気筒エンジン用の後側パイプ24に代えて、想像線にて示されるように排気管長さLが長い少気筒エンジン用の後側パイプ24を設けることで、後側パイプ24以外の構成要素や配置(車体に対する吊り位置や大気開放端24Bの位置)を共通化することができる。なお、例えば、4サイクル4気筒エンジンで最高回転数が6000(rpm)である場合には、v=500(m/s)として、L≒1.25(m)となり、4サイクル6気筒エンジンで最高回転数が6000(rpm)である場合には、v=500(m/s)として、L≒0.83(m)となる。このLの差を、後側パイプ24のUターン部24Cで吸収(調整)することができる。また、各種長さLに対して後側パイプ24のUターン部24Cの曲率を一定にすることができ、後側パイプ24の生産性が高く、車両搭載性も良好である。
例えば図7に示す比較例に係る車両用排気構造100では、後側パイプ24の長さLが排気系の全長Lの1/5とされており(L=L/5)、仮に排気系全長LをL=5(m)とした場合はL=1(m)となる。この構成では、6気筒エンジンでは実用回転域である5000(rpm)で後側パイプ24の気柱共鳴を生じてしまい、4気筒エンジンでは、気柱共鳴を生じる回転数が7500で常用回転域から外れるものの、後側パイプ24の長さLが短いために低周波音の抑制効果が小さくなってしまう。これに対して、車両用排気構造10では、上記の通りL≒λ/2とすることで、後側パイプ24の気柱共鳴の防止と低周波音の消音の両立が図られている。
またここで、車両用排気構造10では、中央パイプ20の長さLがL/5〜L/3の範囲内にあるため、換言すれば、前方マフラ18が後方マフラ22の排気ガス入口22Aを開放端とする気柱共鳴の低周波モードの腹位置Plと高周波モードの腹位置Phとの間に配設されるため、各モードの気柱共鳴を効果的に抑制することができる。
例えば図7に示す比較例に係る車両用排気構造100では、大気開放端24BからL/5だけ離間した位置に後方マフラ22を設けることで、車両用排気構造10と同様に後方マフラ22(中央パイプ20の下流端20B)を開放端とする気柱共鳴が生じる。この車両用排気構造100では、前方マフラ18の設置位置Pmが後側パイプ24の下流端24Bから2×L/5の位置、すなわち後方マフラ22からL/5だけ前方の位置とされている。この構成では、前方マフラ18の設置位置Pmが高周波モードの気柱共鳴の腹位置Phに比較的良く一致するものの、低周波モードの気柱共鳴の腹位置Plから離間(図7の距離Ls参照)する場合(例えば、排気系の全長Lや後方マフラ22の前後長が短い場合等)があり、車内温として問題になりやすい低周波域での消音効率が低くなっている。これに対して車両用排気構造10では、上記の通り低周波モード及び高周波モードの各腹位置の間に前方マフラ18が配設されるため、両モードの気柱共鳴を効果的に抑制することができる。
これにより、車両用排気構造10では、内燃機関エンジン12の排気ポート12Aを閉止端とし後方マフラ22を開放端とする各モードの排気音を、前方マフラ18によって後側パイプ24の気柱共鳴の抑制とは独立して効果的に抑制することができる。したがって、車両用排気構造10では、前方マフラ18は、内燃機関エンジン12の排気ポート12Aを閉止端とし後方マフラ22を開放端とする各モードの排気音を消音するように設定されれば良く、上記の通り特殊な設定のヘルムホルツ型消音器に頼る必要がないことと併せて、設計の自由度が一層高くなる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る車両用排気構造50について、図6に基づいて説明する。なお、上記第1に実施形態と基本的に同一の部品、部分には、上記第1の実施形態と同一の符号を付して説明を省略し、図示を省略する場合がある。
図6に示される如く、車両用排気構造50は、後方マフラ22に代えて後方マフラ52を備え、後側パイプ24に代えて後側パイプ54を備える点で、車両用排気構造10とは異なる。後方マフラ52は、その排気ガス入口52Aに中央パイプ20の下流端20Bが接続されており、その内部が拡張室52Bとされている点で後方マフラ22と共通するが、その排気ガス出口52Cを構成する排出管26が側壁52Dを貫通している点で後方マフラ22とは異なる。したがって、排気ガス出口52Cは、車幅方向を向いて開口している。
後側パイプ54は、上流端54Aが車幅方向を向いて開口しており、下流端54Bは後方を向いて開口している。この後側パイプ54の中間部には、2つの屈曲部54C、54Dが形成されており、これらの屈曲部54C、54Dの曲げ方向、曲げ角度(曲げ有無)によって後側パイプ54及び排出管26の長さの和である排気管長さLを調整するようになっている。例えば、多気筒エンジンや高回転エンジンに対しては図6に実線にて示す如く屈曲部54C、54Dを最短距離で結ぶように中間部54Eを形成し、少気筒エンジンや低回転エンジンに対しては、図6に想像線にて示す如く屈曲部54C、54D間に別の屈曲部(湾曲部)54Fが位置するように中間部54Eを形成することで、内燃機関エンジン12に対応した排気管長さLを得ることができ、該後側パイプ54以外の構成部品、配置を共通化することができる。
車両用排気構造50の他の構成、長さL、Lの設定は、車両用排気構造10における対応する構成、設定と同じである。したがって、第2の実施形態に係る車両用排気構造50によっても、第1の実施形態と同様作用によって同様の効果を得ることができる。
なお、車両用排気構造10における排気脈動のエンジン側の閉止端(腹位置、すなわち長さL、Lの基点)を内燃機関エンジン12の排気ポート12Aに代えて排気マニホルド14の集合部14Aとして(図4、図5の括弧内参照)、中央パイプ20の長さLを設定するようにしても良い。
上記各実施形態では、後側パイプ24、54が略水平面に沿って湾曲又は屈曲することで長さ調整部を形成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、鉛直面に沿って湾曲又は屈曲する部分を含んで長さ調整部が形成されるように構成しても良い。
本発明の第1の実施形態に係る車両用排気構造の平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る車両用排気構造を構成する後側パイプの取付構造を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る車両用排気構造を構成する後側パイプ以外の要素の共通化構造を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る車両用排気構造を構成する後側パイプの長さ設定方法を説明するための模式図である。 本発明の第1の実施形態に係る車両用排気構造を構成する中央パイプの長さ設定方法を説明するための模式図である。 本発明の第2の実施形態に係る車両用排気構造を構成する中央パイプの長さ設定方法を説明するための模式図である。 本発明の実施形態との比較例に係る車両用排気構造を示す図5に対応する模式図である。
符号の説明
10 車両用排気構造
12 内燃機関エンジン
12A 排気ポート(内燃機関エンジンの排気ガス出口)
18 前方マフラ(上流側消音器)
20 中央パイプ(中央排気管)
22 後方マフラ(消音器、下流側消音器)
22A 排気ガス入口
24 後側パイプ(大気開放用排気管)
24C ターン部(長さ調整部)
26 排出管(大気開放用排気管)
50 車両用排気構造
52 後方マフラ(消音器、下流側消音器)
52A 排気ガス入口
54 後側パイプ(大気開放用排気管)
54C・54D 屈曲部(長さ調整部)

Claims (5)

  1. 内燃機関エンジンの排気音を消音するための消音器と、
    一端側が前記消音器に接続されると共に他端側が大気開放され、長さが前記内燃機関エンジンの最高回転数における基本成分周波数での排気脈動の波長の半分である大気開放用排気管と、
    を備えた車両用排気構造。
  2. 前記大気開放用排気管は、中間部が屈曲又は湾曲されて形成された長さ調整部を有する請求項1記載の車両用排気構造。
  3. 前記大気開放用排気管は、前記一端側が前記消音器における前記大気開放側とは反対側に接続されており、Uターン形状に形成された前記長さ調整部を有する請求項2記載の車両用排気構造。
  4. 前記消音器に対する前記内燃機関エンジン側には、中央排気管を介して連通された上流側消音器が配設されており、
    前記中央排気管の長さが、前記内燃機関エンジンの排気ガス出口から前記中央排気管の後端までの長さの1/5以上でかつ1/3以下とされている請求項1乃至請求項3の何れか1項記載の車両用排気構造。
  5. それぞれ内燃機関エンジンの排気音を消音するための上流側消音器及び下流側消音器と、
    前記上流側消音器と下流側消音器とを連通し、長さが前記内燃機関エンジンの排気ガス出口から前記下流側消音器の排気ガス入口までの長さの1/5以上でかつ1/3以下である中央排気管と、
    を備えた車両用排気構造。
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