JP2008240553A - ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パイロット噴射を行うディーゼルエンジンにおいて、燃焼騒音を低減させることができる上、ＮＯｘやスモークの発生を抑制させることができるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置を提供すること。
【解決手段】パイロット燃焼におけるパイロット燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxが目標範囲内となるようパイロット噴射時期θipを制御するとともに、着火遅れ時間τdelayが目標範囲内となるようパイロット噴射量Ｑpを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置に係り、詳しくはメイン噴射の前に噴射されるパイロット噴射の噴射時期及び噴射量の制御技術に関する。

コモンレール式ディーゼルエンジンのように、筒内に燃料を直接噴射するエンジンでは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程からなる１回の燃焼サイクル中に燃料噴射を任意の時期に複数回実行可能である。そこで、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射の回数や時期を変更しており、例えば、メイン噴射より先行して噴射するパイロット噴射を行うことで燃焼圧の急増を抑制し、燃焼騒音の低減を図ることができる。

このようにパイロット噴射を行うディーゼルエンジンにおける具体的な燃料噴射制御として、パイロット噴射とメイン噴射との間の時間間隔、及びパイロット噴射で噴射する燃料量を適正な範囲に制御することで燃焼の安定化や燃焼騒音の低減を行う構成が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００６−２７６０号公報

しかしながら、上記特許文献１では、パイロット噴射により生起されるパイロット燃焼とメイン噴射により生起されるメイン燃焼との燃焼重心に基づき両噴射の時間間隔を制御しており、パイロット燃焼単独についての最適化は行われていない。
パイロット噴射は、噴射時期が上死点近傍であると燃料噴射直後から急峻な燃焼が生起されＮＯｘ排出量が増加する上、噴射量が多いほどスモークも増加する傾向があり、上記特許文献１のような構成では排ガス性能が悪化するという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、パイロット噴射を行うディーゼルエンジンにおいて、燃焼騒音を低減させることができる上、ＮＯｘやスモークの発生を抑制させることができるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置では、燃焼室内に燃料を複数回噴射可能な燃料噴射手段を備えたディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射手段により実行されるメイン噴射及び該メイン噴射より先行して噴射するパイロット噴射を制御する燃料噴射制御手段と、前記パイロット噴射により生起されるパイロット燃焼の燃焼期間を検出するパイロット燃焼期間検出手段とを備え、前記燃料噴射制御手段は、前記パイロット燃焼期間検出手段により検出されるパイロット燃焼期間が所定の範囲内となるようにパイロット噴射時期を制御することを特徴としている。

請求項２のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置では、燃焼室内に燃料を複数回噴射可能な燃料噴射手段を備えたディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射手段により実行されるメイン噴射及び該メイン噴射より先行して噴射するパイロット噴射を制御する燃料噴射制御手段と、前記パイロット噴射により生起されるパイロット燃焼の熱発生ピーク値を検出するパイロット熱発生ピーク値検出手段とを備え、前記燃料噴射制御手段は、前記パイロット熱発生ピーク値検出手段により検出されるパイロット燃焼の熱発生ピーク値が所定の範囲内になるようにパイロット噴射時期を制御することを特徴としている。

請求項３のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置では、さらに、前記メイン噴射から該メイン噴射により生起されるメイン燃焼開始までの着火遅れ時間を検出する着火遅れ時間検出手段を備え、前記燃料噴射制御手段は、前記着火遅れ時間検出手段により検出される着火遅れ時間が所定の範囲内になるようパイロット噴射の燃料噴射量を制御することを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置によれば、パイロット燃焼期間が所定の範囲内となるようパイロット噴射時期を制御することで、パイロット燃焼において十分な燃焼期間を確保することができ、急峻なパイロット燃焼が生起されることを防止することができる。
例えば、パイロット燃焼期間は燃焼騒音及びＮＯｘやスモークと相関があり、所定の範囲をこれら燃焼騒音及びＮＯｘやスモークが低減するような範囲とし、当該所定の範囲内となるようにパイロット噴射時期を制御することも可能であり、これにより、パイロット燃焼を穏やかなものとすることができ、燃焼騒音を低減させることができる上、ＮＯｘやスモークの発生を抑制させることができる。

請求項２のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置によれば、パイロット燃焼の熱発生ピーク値が所定の範囲内になるようパイロット噴射時期を制御することで、パイロット燃焼の熱発生を抑制し、急峻なパイロット燃焼が生起されることを防止することができる。
例えば、熱発生ピーク値は燃焼騒音及びＮＯｘやスモークと相関があり、所定の範囲をこれら燃焼騒音及びＮＯｘやスモークが低減するような範囲とし、当該所定の範囲内となるようにパイロット噴射時期を制御することも可能であり、これにより、パイロット燃焼を穏やかなものとすることができ、燃焼騒音を低減させることができる上、ＮＯｘやスモークの発生を抑制させることができる。

請求項３のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置によれば、着火遅れ時間が所定時間内になるようパイロット噴射の燃料噴射量を制御することで、着火遅れ時間の増加を防止することができる。
なお、パイロット噴射の燃料噴射量の変化はパイロット燃焼期間や熱発生ピーク値への影響が少ないため、当該パイロット燃焼期間や熱発生ピーク値の変化を抑制しながら着火遅れ時間を調整することができる。

例えば、着火遅れ時間は燃焼騒音及びＮＯｘやスモークと相関があり、所定時間をこれら燃焼騒音及びＮＯｘやスモークが低減するような時間とし、当該所定時間内となるようにパイロット噴射の燃料噴射量を制御することも可能であり、これにより、さらに燃焼騒音を低減させることができる上、ＮＯｘやスモークの発生を抑制させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置の概略構成図が示されており、図２を参照すると本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置による燃料噴射制御を実行した場合の燃焼状態を時系列的に示したタイムチャートが示されている。以下、これらの図に基づき説明する。

図１に示すエンジン１は、コモンレール２に蓄圧された高圧燃料が各気筒４の燃焼室内に燃料噴射弁６（燃料噴射手段）により供給される４気筒コモンレール式ディーゼルエンジンである。
エンジン１の吸気側には吸気マニホールド８が接続されており、吸気マニホールド８からは吸気管１０が延びている。吸気管１０には、吸気上流端にエアクリーナ１２が設けられており、途中にはターボ過給機１４のコンプレッサ１４ａが設けられている。さらに、当該コンプレッサ１４ａの吸気下流側にはインタークーラ１６が設けられており、その吸気下流側には吸気制御弁１８が設けられている。

一方、エンジン１の排気側には排気マニホールド２０が接続されており、排気マニホールド２０からは排気管２２が延びている。排気マニホールド２０及び吸気マニホールド８にはＥＧＲ通路２４が接続されており、当該ＥＧＲ通路２４にはＥＧＲガスの還流量を調節するＥＧＲバルブ２６が設けられている。
また、排気管２２の途中には上記コンプレッサ１４ａと同軸上に連結されたタービン１４ｂが設けられている。

さらに、当該排気管２２の排気下流側には排気後処理装置２８が設けられている。当該排気後処理装置２８には、図示しないが例えばＮＯｘ吸蔵触媒が収容されるとともに、当該ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側に、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が収容されている。
また、当該エンジン１を搭載した車両には、エンジン１の運転制御等をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置としてＥＣＵ３０（燃料噴射制御手段）が設けられており、当該ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うとともに、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。

例えば、ＥＣＵ３０の入力側には、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ３２、各気筒４に設けられ筒内圧を検出する筒内圧センサ３４（パイロット燃焼期間検出手段、熱発生ピーク値検出手段、着火遅れ時間検出手段）、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ３６等の各種センサ類が接続されている。また、ＥＣＵ３０の出力側には各気筒の燃料噴射弁６、吸気制御弁１８及びＥＧＲ弁２６などの各種デバイス類が接続されている。

そして、ＥＣＵ３０は、上記各種センサ類から取得される情報に基づき各気筒４への燃料噴射量及び燃料噴射時期を設定し、当該燃料噴射量及び燃料噴射時期に従って各燃料噴射弁６を制御する。
詳しくは、当該エンジン１の燃料噴射では、メイン噴射と、当該メイン噴射に先行して噴射するパイロット噴射を行うものであり、ＥＣＵ３０は当該メイン噴射及びパイロット噴射についてそれぞれ独立して燃料噴射量及び燃料噴射時期の設定を行う。

具体的には、ＥＣＵ３０はメイン噴射については、クランク角センサ３２より検出されるクランク角から算出されるエンジン回転数と、アクセル開度センサ４０によって検出されるアクセルペダルの踏込量とに基づき、予め記憶されているマップからエンジン１の運転に必要なメイン噴射量Ｑmとメイン噴射時期θimとを設定し、燃料噴射弁６により当該メイン噴射を実行させる。

一方、パイロット噴射については、図２に示すように、ＥＣＵ３０は、パイロット噴射により生起されるパイロット燃焼の燃焼期間τp及び当該パイロット燃焼の熱発生ピーク値Ｈp_maxが所定の範囲内となるパイロット噴射時期θipを設定し、メイン噴射の開始時期θimから当該メイン噴射により生起されるメイン燃焼開始までの着火遅れ時間τdelayが所定の範囲内となるパイロット噴射量Ｑpを設定して、燃料噴射弁６により当該パイロット噴射を実行させる。なお、本実施形態では、図２に示すように、メイン噴射開始時期θimは上死点（ＴＤＣ）近傍に設定され、パイロット噴射は所謂早期パイロット噴射でありメイン噴射よりも所定クランク角度以上進角した時期に設定される。

ここで、当該パイロット噴射制御についてより詳しく説明する。
図３を参照すると、図３には本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置より実行されるパイロット噴射制御ルーチンがフローチャートで示されており、図４乃至図９を参照すると当該パイロット噴射制御における各種マップが示されている。以下、上記図２及び図４乃至図９を参照しつつ図３のフローチャートに沿って説明する。

まず、ステップＳ１では、上記各筒内圧センサ３４から筒内圧を取得し、当該筒内圧より熱発生率を演算する。これにより前燃焼サイクルにおける上記図２のような熱発生率の波形を取得する。
ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した熱発生率の波形からパイロット燃焼の燃焼期間τpを検出する。詳しくは図２に示すようにパイロット噴射後の熱上昇開始から終了までの期間を燃焼期間τpとしている。

ステップＳ３では、同じく熱発生率の波形からパイロット燃焼の熱発生ピーク値Ｈp_maxを検出する。詳しくは、図２に示すようにパイロット燃焼において最も高い熱上昇率の値を当該熱発生ピーク値Ｈp_maxとしている。
続くステップＳ４では、着火遅れ時間τdelayを検出する。詳しくは、図２に示すようにメイン噴射開始時期θimから当該メイン噴射後の熱上昇開始時期までの時間を着火遅れ時間τdelayとしている。

ステップＳ５では、図４（ａ）、（ｂ）に示すようなパイロット燃焼の燃焼期間τpに応じたマップ及び熱発生ピーク値Ｈp_maxに応じたマップに基づき、パイロット噴射時期θipの設定を行う。
当該図４のマップは予め実験により確認し設定されたものである。詳しくは、パイロット燃焼の燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxはパイロット噴射時期θipの影響を受けやすく、当該図４（ａ）、（ｂ）のマップは、パイロット噴射時期θipが早くなる、即ち進角するほど燃焼期間τpが長くなり、熱発生ピーク値Ｈp_maxが小さくなる傾向を有している。また、図４（ｃ）にはパイロット噴射時期θipに対する着火遅れ時間τdelayを示すマップが示されており、当該着火遅れ時間τdelayはパイロット噴射時期θipが早くなるほど徐々に長くなる傾向を有している。

さらに、図４（ａ）には所定値τpＡ以上の範囲が、図４（ｂ）には所定値Ｈp_maxＡから所定値Ｈp_maxＢまでの範囲がそれぞれ目標範囲に設定されている。
図４（ａ）における目標範囲は、図５に示すように燃焼期間τpに対するＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量に基づき設定されている。燃焼期間τpに対するＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量は燃焼期間τpが比較的短い領域ではある程度の幅で変動し、燃焼期間τpが長くなるに従い当該幅がある一定の値に収束しつつ減少する傾向にあり、この一定の値に収束される直前の所定値τpＡからの範囲が燃焼期間τpの目標範囲に設定されている。

一方、図４（ｂ）における目標範囲は、図６に示すように、熱発生ピーク値Ｈp_maxに対するＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量に基づき設定されている。熱発生ピーク値Ｈp_maxは小さすぎるとパイロット燃焼の効果が低下し、大きすぎると急峻で大幅な熱上昇が生じそれぞれＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量が増加するという傾向を有しているため、熱発生ピーク値Ｈp_maxの目標範囲は当該ＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量が最小となる値を含む所定値Ｈp_maxＡから所定値Ｈp_maxＢまでの範囲に設定されている。

当該ステップＳ５では、上記のように設定された図４（ａ）、（ｂ）のマップに基づき燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxがそれぞれ目標範囲内となるパイロット噴射時期θipに設定する。
続くステップＳ６では、図７（ｃ）に示すような着火遅れ時間τdelayに応じたマップに基づきパイロット噴射量Ｑpの設定を行う。

当該図７のマップは予め実験により確認し設定されたものである。詳しくは、着火遅れ時間τdelayはパイロット噴射量Ｑpの影響を受けやすく、当該図７（ｃ）のマップは、当該パイロット噴射量Ｑpが多いほど着火遅れ時間τdelayが短縮される傾向を有している。また、図７（ａ）、（ｂ）にはパイロット噴射量Ｑpに対するパイロット燃焼の燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxを示すマップが示されており、燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxはパイロット噴射量Ｑpに対する影響は比較的少なく、パイロット噴射量Ｑpが増加すると、燃焼期間τpは僅かに増加し、熱発生ピーク値Ｈp_maxはほとんど変化がないという傾向を有している。

さらに、図７（ｃ）には所定値τdelayＡ以下の範囲が目標範囲に設定されている。
当該図７（ｃ）における目標範囲は、図８に示すように、着火遅れ時間τdelayに対するＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量に基づき設定されている。ＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量は着火遅れ時間τdelayが短縮するほど減少する傾向にあり、着火遅れ時間τdelayの目標範囲は当該ＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量が十分低くなる所定値τdelayＡ以下の範囲に設定されている。

当該ステップＳ６では、上記のように設定された図７（ｃ）のマップに基づき着火遅れ時間τdelayが目標範囲内となるパイロット噴射量Ｑpに設定する。
続くステップＳ７では、図９に示すようステップＳ５にて認定されたパイロット噴射時期θip及びステップＳ６にて認定されたパイロット噴射量Ｑpに応じたマップに基づきパイロット噴射の噴射回数Ｎpを設定する。

詳しくは、パイロット噴射は噴射時期θipが早く且つ噴射量Ｑpが多くなるほど、噴射された燃料が筒内壁面に付着し燃費の悪化や焼き付き等を生じさせる可能性が増えるため、当該図９に示すマップでは、これを回避するようパイロット噴射時期θipが早く噴射量Ｑpが多くなるほど噴射回数Ｎpが増加する傾向を有している。
当該ステップＳ７では、上記のように設定された図９のマップに基づき上記ステップＳ５、Ｓ６において設定されたパイロット噴射時期θip及び噴射量Ｑpに応じたパイロット噴射回数Ｎpを設定する。

ステップＳ８では、燃料噴射弁６により、上記ステップＳ５で設定されたパイロット噴射時期θip、上記ステップＳ６で設定されたパイロット噴射量Ｑp、上記ステップＳ７で設定されたパイロット噴射回数Ｎpによるパイロット噴射を実行し、当該ルーチンをリターンする。
ここで、図１０乃至１２を参照すると、具体的に当該パイロット噴射制御を行ったときの上記図４、７、９のマップにおける制御動作状況を表す図が示されており、以下、同図に基づき説明する。

図１０に示すように、前燃焼サイクル時のパイロット噴射が噴射時期θip１である場合、燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxはそれぞれ目標範囲の外にあることから、ＥＣＵ３０はまず上記図３の制御ルーチンにおけるステップＳ５においてそれぞれが目標範囲内となるパイロット噴射時期θip２に設定する。
このとき、図１０（ｃ）に示すようにパイロット噴射時期を噴射時期θip２に設定したことで着火遅れ時間τdelayがτdelay１からτdelay２まで増加することがわかる。

当該着火遅れ時間τdelayの増加により、図１１（ｃ）に示すように前燃焼サイクル時のパイロット噴射量Ｑp１であると着火遅れ時間τdelayが目標範囲外となることから、ＥＣＵ３０は続くステップＳ６において当該着火遅れ時間τdelayが目標範囲内となるパイロット噴射量Ｑp２に設定する。なお、パイロット噴射量を噴射量Ｑp２まで増加させたことでパイロット燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxも変化するが、図１１（ａ）、（ｂ）に示すようにその変化は微小である。

そして、ステップＳ７において、図１２に示すように、ＥＣＵ３０は、新たに設定されたパイロット噴射時期θip２及び噴射量Ｑp２に応じたパイロット噴射回数Ｎp２を設定する。
以上のように、パイロット燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxをそれぞれ目標範囲内となるようパイロット噴射時期θipを制御することで、パイロット燃焼において十分な燃焼期間を確保することができ、且つ熱発生を十分に抑制させることができ、急峻なパイロット燃焼が生起されることを防止することができる。したがって、パイロット燃焼を穏やかなものとすることができ、これにより、燃焼騒音を低減させることができる上、ＮＯｘやスモークの発生を抑制させることができる。

また、着火遅れ時間τdelayにおいて目標範囲内になるようパイロット噴射の燃料噴射量Ｑpを制御することで、着火遅れ時間τdelayの増加を防止することができる。
このように本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置は、パイロット噴射を行うディーゼルエンジンにおいて、燃焼騒音を低減させることができる上、ＮＯｘやスモークの発生を抑制させることができる。

以上で本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態ではパイロット燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxそれぞれにおいて目標範囲とするようパイロット噴射時期θipを制御しているが、これに限られるものではなく、例えばパイロット燃焼期間τp及び熱発生ピーク値Ｈp_maxのどちらか一方のみに基づく制御としても構わない。

また、上記実施形態では筒内圧センサ３４より検出される筒内圧から熱発生率を演算しパイロット燃焼期間τp、熱発生ピーク値Ｈp_max、着火遅れ時間τdelayを検出しているが、当該パイロット燃焼期間τp、熱発生ピーク値Ｈp_max、着火遅れ時間τdelayの検出手段はこれに限られるものではなく、他の要素から推定したり直接検出可能なセンサ等を設けて検出するようにしても構わない。

本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置の概略構成図である。 本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置による燃料噴射制御を実行した場合の燃焼状態を時系列的に示したタイムチャートである。 本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置より実行されるパイロット噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。 パイロット噴射時期に対するパイロット燃焼期間、熱発生ピーク値、及び着火遅れ時間を示すマップである。 パイロット燃焼期間に対するＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量を示すマップである。 パイロット燃焼の熱発生ピーク値に対するＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量を示すマップである。 パイロット噴射量に対するパイロット燃焼期間、熱発生ピーク値、及び着火遅れ時間を示すマップである。 着火遅れ時間に対するＮＯｘ排出量及び燃焼騒音量を示すマップである。 パイロット噴射時期及びパイロット噴射量に応じたパイロット噴射回数を示すマップである。 具体的に本発明に係るパイロット噴射制御を行ったときの図４のマップにおける制御動作状況を示す図である。 具体的に本発明に係るパイロット噴射制御を行ったときの図７のマップにおける制御動作状況を示す図である。 具体的に本発明に係るパイロット噴射制御を行ったときの図９のマップにおける制御動作状況を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
２ コモンレール
４ 気筒
６ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
３０ ＥＣＵ（燃料噴射制御手段）
３２ クランク角センサ
３４ 筒内圧センサ（パイロット燃焼期間検出手段、熱発生ピーク値検出手段、着火遅れ時間検出手段）

Claims (3)

1. 燃焼室内に燃料を複数回噴射可能な燃料噴射手段を備えたディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、
   前記燃料噴射手段により実行されるメイン噴射及び該メイン噴射より先行して噴射するパイロット噴射を制御する燃料噴射制御手段と、
   前記パイロット噴射により生起されるパイロット燃焼の燃焼期間を検出するパイロット燃焼期間検出手段とを備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記パイロット燃焼期間検出手段により検出されるパイロット燃焼期間が所定の範囲内となるようにパイロット噴射時期を制御することを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
2. 燃焼室内に燃料を複数回噴射可能な燃料噴射手段を備えたディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、
   前記燃料噴射手段により実行されるメイン噴射及び該メイン噴射より先行して噴射するパイロット噴射を制御する燃料噴射制御手段と、
   前記パイロット噴射により生起されるパイロット燃焼の熱発生ピーク値を検出する熱発生ピーク値検出手段とを備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記パイロット熱発生ピーク値検出手段により検出されるパイロット燃焼の熱発生ピーク値が所定の範囲内になるようにパイロット噴射時期を制御することを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
3. さらに、前記メイン噴射から該メイン噴射により生起されるメイン燃焼開始までの着火遅れ時間を検出する着火遅れ時間検出手段を備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記着火遅れ時間検出手段により検出される着火遅れ時間が所定の範囲内になるようパイロット噴射の燃料噴射量を制御することを特徴とする請求項１または２記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。

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