JP2009156075A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒に供給する添加剤の噴射を行う構造をもつ内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having a structure for injecting an additive supplied to a catalyst.
ディーゼルエンジン車(車両)の排気ガスの浄化には、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるNOx(窒素酸化物)やPM(パティキュレートマター)の大気への放出を防ぐために、NOxトラップ触媒や選択還元型NOx触媒やディーゼルパティキュレートフィルタなどを組み合わせた排気ガス浄化装置が用いられる。
こうした排気ガス浄化装置には、エンジンから排気された排気ガスを外部へ排気する排気管部内に、前段触媒と呼ばれる、酸化触媒やNOxトラップ触媒や選択還元型NOx触媒などの触媒を設け、触媒の上流側、例えば酸化触媒の上流に、該触媒の反応に求められる燃料を噴射する燃料添加弁(還元剤を添加するもの)などを設けた構造が採用される。
For purification of exhaust gas from diesel engine vehicles (vehicles), NOx trap catalyst or selection is used to prevent NOx (nitrogen oxide) and PM (particulate matter) contained in the exhaust gas of diesel engine from being released into the atmosphere. An exhaust gas purification device combined with a reduced NOx catalyst, a diesel particulate filter, or the like is used.
In such an exhaust gas purification device, a catalyst such as an oxidation catalyst, a NOx trap catalyst or a selective reduction type NOx catalyst, called a pre-stage catalyst, is provided in an exhaust pipe portion for exhausting exhaust gas exhausted from the engine to the outside. A structure in which a fuel addition valve (injecting a reducing agent) for injecting fuel required for the reaction of the catalyst is provided upstream, for example, upstream of the oxidation catalyst.
このような排気ガス浄化装置において、前段触媒を効率よく反応させるためには、前段触媒へ燃料が流入する前に、噴射された燃料と排気ガスとを十分に混合させることが重要である。
このためには、燃料添加弁から触媒までの区間で、十分な燃料の飛翔距離を確保することが求められる。
In such an exhaust gas purifying apparatus, in order for the front catalyst to react efficiently, it is important to sufficiently mix the injected fuel and the exhaust gas before the fuel flows into the front catalyst.
For this purpose, it is required to secure a sufficient fuel flight distance in the section from the fuel addition valve to the catalyst.
しかし、最近のようにエンジンの冷態時の浄化効率を高めるため、例えば特許文献1に開示されているようにエンジンの排気側の近くで触媒の設置箇所を確保することが求められるようになると、燃料の飛翔距離が確保しにくい。
すなわち、この触媒の設置を活かすためには、特許文献1のように触媒の直上流の排気管部分に燃料添加弁を設置せざるを得ず、エンジンの近くでは燃料と排気ガスとを混合させる距離が稼ぎにくい。
However, in order to increase the purification efficiency when the engine is cold as recently, for example, as disclosed in Patent Document 1, it is required to secure a catalyst installation location near the exhaust side of the engine. , It is difficult to ensure the flight distance of fuel.
That is, in order to make use of the installation of this catalyst, a fuel addition valve must be installed in the exhaust pipe portion immediately upstream of the catalyst as in Patent Document 1, and fuel and exhaust gas are mixed in the vicinity of the engine. It is difficult to earn distance.
その対策として、特許文献2にも開示されているように排気管部から離れた地点に燃料添加弁を配置して、燃料を排気ガス流から遠ざけた地点から噴射させる構造の排気ガス浄化装置が提案されている。
この排気ガス浄化装置において、触媒へ燃料が流入する前に、噴射された燃料と排気ガスとを十分に混合させるためには、排気管部から分岐して、かなり遠くまで延びる燃料噴射路が必要である。しかし、エンジンの近くでは、このような燃料噴射路を確保するのは難しい。
このため、制約の多いエンジンの近くで、噴射燃料と排気ガスとを十分に混合させるのは難しく、均一の燃料を触媒へ供給するのは難しい問題があった。
In this exhaust gas purification device, in order to sufficiently mix the injected fuel and the exhaust gas before the fuel flows into the catalyst, a fuel injection path that branches from the exhaust pipe portion and extends considerably far is necessary. It is. However, it is difficult to secure such a fuel injection path near the engine.
For this reason, it has been difficult to sufficiently mix the injected fuel and the exhaust gas near an engine with many restrictions, and it has been difficult to supply uniform fuel to the catalyst.
そこで、本発明の目的は、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、十分に添加剤と排気ガスとを混合させることを可能にした内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that can sufficiently mix the additive and the exhaust gas even if the distance necessary for mixing is not ensured between the additive injection valve and the catalyst. Is to provide.
請求項1に記載の発明は、上記目的を達成するために、触媒の上流の排気管部分に、触媒へ向う排気ガスに旋回流を生じさせる旋回流発生部を設けた。
同構成によると、旋回流発生部により発生する排気ガスの旋回流により、排気ガスが滞留する時間を稼いで、排気ガスと添加剤との接触が十分に行われる機会を与える。
請求項2に記載の発明は、最も有効的に排気ガスと添加剤とが接触する機会を与えるよう、旋回流発生部は、添加剤噴射弁から噴射された添加剤の噴射流が排気ガスと混じり合う排気管部分に設けた。
In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is provided with a swirling flow generating portion for generating a swirling flow in the exhaust gas toward the catalyst in the exhaust pipe portion upstream of the catalyst.
According to this configuration, the swirl flow of the exhaust gas generated by the swirl flow generation unit provides a time for the exhaust gas to stay and provides an opportunity for sufficient contact between the exhaust gas and the additive.
In the invention according to claim 2, the swirl flow generator is configured so that the injection flow of the additive injected from the additive injection valve is the exhaust gas and the exhaust gas so that the exhaust gas and the additive are most effectively brought into contact with each other. It was provided in the mixed exhaust pipe part.
請求項3に記載の発明は、さらに簡単な構造で旋回流を生じさせるよう、旋回流発生部には、排気ガスの流れを渦巻状の流れに変えるねじり部を排気管分に設ける構成を採用した。
請求項4に記載の発明は、さらに別な手法で、簡単な構造に旋回流を生じさせるよう、旋回流発生部には、上流から排気ガスを排気管部分の内周面の接線方向へ導出させることによって渦巻状の流れを誘起する接線方向流通部を用いた構成を採用した。
The invention according to claim 3 adopts a configuration in which a twisted portion for changing the flow of the exhaust gas into a spiral flow is provided in the exhaust pipe portion in the swirl flow generating portion so as to generate a swirl flow with a simpler structure. did.
In the invention according to claim 4, the exhaust gas is led from the upstream to the tangential direction of the inner peripheral surface of the exhaust pipe portion so that the swirl flow is generated in a simple structure by another method. A configuration using a tangential flow passage that induces a spiral flow is adopted.
請求項1の発明によれば、触媒の上流で生じる排気ガスの旋回流により、排気ガスが滞留する時間が稼げるから、触媒に導入される前に、十分に排気ガスと添加剤とを接触させる機会を与えることができる。
それ故、たとえ添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、十分に排気ガスと添加剤とを混合させることができる。しかも、添加剤と排気ガスは、旋回流により、周囲に拡散しながら触媒へ向かうので、混合した排気ガスと添加剤を触媒へ均一に供給することができる。この結果、触媒の機能を十分に発揮させることができる。
According to the first aspect of the present invention, the exhaust gas stays in the swirling flow of the exhaust gas upstream of the catalyst, so that the exhaust gas and the additive are sufficiently brought into contact with each other before being introduced into the catalyst. Can give an opportunity.
Therefore, even if the distance necessary for mixing is not ensured between the additive injection valve and the catalyst, the exhaust gas and the additive can be sufficiently mixed. In addition, since the additive and the exhaust gas are directed to the catalyst while being diffused to the surroundings by the swirling flow, the mixed exhaust gas and the additive can be uniformly supplied to the catalyst. As a result, the function of the catalyst can be sufficiently exerted.
請求項2の発明によれば、さらに、効果的に排気ガスと添加剤とが接触する機会を与えることができる。
請求項3、4の発明によれば、さらに、簡単な構造で旋回流を生じさせることができる。
According to the second aspect of the present invention, it is possible to provide an opportunity for the exhaust gas and the additive to contact each other effectively.
According to the third and fourth aspects of the present invention, it is possible to generate a swirling flow with a simple structure.
以下、本発明を図1〜図3に示す第1の実施形態にもとづいて説明する。
図1は内燃機関、例えばディーゼルエンジンの排気系を示している。同図中1は、ディーゼルエンジンのエンジン本体、1aは同エンジン本体1のエキゾーストマニホールド(一部しか図示せず)、2はそのエキゾーストマニホールド1aの出口に接続されたターボチャージャを示している。
The present invention will be described below based on the first embodiment shown in FIGS.
FIG. 1 shows an exhaust system of an internal combustion engine, for example, a diesel engine. In the figure, reference numeral 1 denotes an engine body of a diesel engine, 1a denotes an exhaust manifold (only part of which is shown), and 2 denotes a turbocharger connected to an outlet of the exhaust manifold 1a.
ターボチャージャ2の排気出口には、排気ガス浄化装置3が設けられている。この排気ガス浄化装置3には、例えば、排気ガス中のNOx(窒素酸化物)を吸蔵し、定期的に吸蔵したNOxを還元除去するNOx除去系3aと、PM(パティキュレートマター)を捕集するPM捕集系3bとを組み合わせた装置が用いられている。
例えば、NOx除去系3aには、ターボチャージャ1aの排気出口から、下方へ向うように連結された、前段触媒となる酸化触媒5(本願の触媒に相当)が内蔵された触媒コンバータ6と、同触媒コンバータ6の後に横方向に連結された、NOXトラップ触媒8が内蔵された触媒コンバータ9と、後述する酸化触媒5へ触媒反応用の燃料(添加剤)を供給する燃料添加弁(本願の添加剤噴射弁に相当)23とを組み合わせた構成が用いられている。また捕集系3bには、触媒コンバータ9に、パティキュレートフィルタ11が内蔵された触媒コンバータ12を連結した構成が用いられている。これらの触媒コンバータ6,9,12や同コンバータ間をつなぐ接続部13などから、ディーゼルエンジン(エンジン本体1)から排気された排気ガスを外部へ導く排気管部15を構成している。
An exhaust gas purification device 3 is provided at the exhaust outlet of the turbocharger 2. In this exhaust gas purification device 3, for example, NOx (nitrogen oxide) in exhaust gas is occluded, and
For example, the
このうち触媒コンバータ6の酸化触媒5を収容している縦筒形のハウジング17は、例えば上部側がほぼL形に成形されていて、上側のターボチャージャ2と接続される入口部17aを横向きに配置させている。なお、下側の触媒コンバータ9と連通する出口部17bは、下向きの配置となっている。このハウジング17により、排気管部15のうち、ディーゼルエンジンの排気側の直後の地点に、L形に屈曲した屈曲部15aを形成している。酸化触媒5は、この屈曲部15aの直下の地点(ディーゼルエンジンの排気側に近い地点)に収めてある。
Among these, the vertical
燃料添加弁23は、この酸化触媒5へ、触媒反応に求められる燃料の噴射を果たすために、酸化触媒5の直上の地点、例えば屈曲部15aの外周側部に設けられている。この燃料添加弁23は、燃料を噴射する燃料噴射部を先端部にもつ。屈曲部15aの出口側からは、図3にも示されるように屈曲部15aから離れる方向、すなわち外側へ延びる筒形部24が分岐されている。燃料添加弁23は、この筒形部24の先端部に、取付フランジ24aおよび台座25を用いて設置されている。これにより、燃料添加弁23の先端部の燃料噴射部を、筒形部24の内部空間で形成される燃料噴射路24bに臨ませている。燃料噴射路24bは、屈曲部15aの曲がり方向とは反対側へ傾いていて、燃料噴射路全体を、下流の拡張部で形成される混合室17cや酸化触媒5の入口端面へ向けている。これで、燃料添加弁23は、直接、高温の排気ガスに晒されないように設置させてある。なお、台座25の内部には、燃料添加弁23を熱から保護するために冷却水路が形成してある(水冷)。
The
燃料添加弁23から噴射される燃料は、酸化触媒5の反応により還元剤を生成し、この還元剤でNOXトラップ触媒8に吸蔵されたNOxを還元除去したり、同じく酸化触媒5の反応で得た熱により、パティキュレートフィルタ11で捕集したPMを燃焼除去したりするのに用いるものである。そのため、燃料添加弁23は、ディーゼルエンジンを制御する制御部、例えばECU(図示しない)によって、ディーゼルエンジンの運転中、NOxやSOxの還元除去、PMの燃焼除去といった、触媒反応が求められるときに燃料が噴射されるようになっている。
The fuel injected from the
一方、酸化触媒5の上流の排気管部分、例えば屈曲部15aの出口側の排気管部分15cには、旋回流発生部30が設けられている。排気管部分15cは、燃料添加弁23から噴射された噴射流αの燃料が排気管部15内を流れる排気ガス流の排気ガスと衝突して混じり合う部分である。旋回流発生部30は、図2および図3に示されるように排気管部15cにねじり部31を形成することによって構成してある。具体的にはねじり部31は、例えば筒形部24の下端部から混合室17cまでの管部分を、燃料添加弁23から噴射される噴射流αの軸心を中心として、渦巻状にねじった螺旋形の通路構造が用いられている。このねじり部31で形成された螺旋状の通路により、排気ガス流は、ねじり部31を通過する間に旋回流に変わる。つまり、上流から排気ガスは、横渦を生じながら、混合室17c内をくまなく拡散してから、酸化触媒5の入口端面へ導かれるようにしている。
On the other hand, the swirl
この旋回流により、噴射燃料と混合する地点で、排気ガスの滞留時間を稼いで、噴射燃料と十分に接触する機会が与えられるようにしている。
すなわち、このように構成された排気ガス浄化装置3の作用を説明すると、今、ディーゼルエンジンが運転中であるとする。
このときディーゼルエンジンから排気された排気ガスは、エキゾーストマニホールド1a、ターボチャージャ2、屈曲部15a、ねじり部31、酸化触媒5、NOXトラップ触媒8およびパティキュレートフィルタ11を通じて、外気へ排気される。
By this swirl flow, the residence time of the exhaust gas is earned at a point where it is mixed with the injected fuel, and an opportunity to sufficiently contact the injected fuel is given.
That is, the operation of the exhaust gas purification device 3 configured as described above will be described. It is assumed that the diesel engine is now in operation.
The exhaust gas exhausted from the diesel engine at this time is exhausted to the outside air through the exhaust manifold 1a, the turbocharger 2, the
この通過の際、排気ガス中に含まれるNOxやSOxは、NOXトラップ触媒8に吸蔵され、同じくPMは、パティキュレートフィルタ11により捕集される。
このとき、混合室17cへ向かう排気ガス流には、図1〜図3中の矢印aに示されるようにねじり部31の通過によって旋回流が発生する。排気ガスは、その旋回流を保ち、周りへ拡散しながら、混合室17cを通じて、酸化触媒5へ導入される。
During this passage, NOx and SOx contained in the exhaust gas are occluded in the NOX trap catalyst 8, and PM is also collected by the
At this time, in the exhaust gas flow toward the mixing
ここで、吸蔵されたNOx、SOxや捕集されたPMを除去する時期となり、燃料添加弁23が作動したとする。
すると、燃料添加弁23の燃料噴射部からは、NOxやSOxやPMを除去するための燃料が、図1および図3に示されるように燃料噴射路24bを通じて、排気管部分15c内を旋回している排気ガス流へ噴射される。これにより、噴射した燃料は、旋回している排気ガス流の排気ガスと衝突し、噴射流αの燃料が排気流の排気ガスと混ざり合う。
Here, it is assumed that it is time to remove the stored NOx, SOx, and collected PM, and the
Then, the fuel for removing NOx, SOx, and PM from the fuel injection portion of the
ここで、排気ガスは、旋回により、排気管部分15c内に滞留している時間が増しているから、格段に燃料と接触する機会が増大する。
これにより、燃料は、燃料添加弁23から酸化触媒5までの区間で燃料と排気ガスを十分に混合させる距離が確保されなくとも、旋回流がもたらす、燃料と排気ガスとの接触する機会の増加により、酸化触媒5へ導入される前に、十分に燃料と排気ガスとの混合が行われる。
Here, since the exhaust gas stays in the
Thereby, even if the distance from which the fuel and the exhaust gas are sufficiently mixed in the section from the
この混合した燃料と排気ガスは、旋回流を保ち半径方向(周囲)へ拡がり(拡散)ながら、下流の混合室17cを通過して、均一に酸化触媒5の入口端面へ供給される。
したがって、旋回流発生部30の形成により、たとえ燃料添加弁23と酸化触媒5間で混合に必要な距離が確保されなくとも、混合した燃料と排気ガスを触媒へ均一に供給することができる。この結果、酸化触媒5の機能を十分に発揮させることができる。
The mixed fuel and exhaust gas are supplied to the inlet end face of the
Therefore, the formation of the swirl
特にねじり部31は、噴射された燃料と排気ガスとが混じり合う排気管部分17cに設けてあるので、旋回流の勢いを最大限に活かして、燃料と接触する機会が増やせ、最も効果的に燃料と排気ガスとの混合を促進することができる。
しかも、旋回流の発生には、酸化触媒5の上流側の排気管部分にねじり部30を形成する構造を採用してあるので、簡単な構造ですむ。特に屈曲部15aが有ると、屈曲部15aの曲がりを流用して、ねじり部31で容易に方向が変えられるので、旋回流が発生しやすい。
In particular, the twisted
In addition, for the generation of the swirling flow, a structure in which the twisted
図4および図5は、本発明の第2の実施形態を示す。
本実施形態は、第1の実施形態のようなねじり部30を用いて、旋回流を発生させるのではなく、別の手法、すなわち排気ガスを接線方向へ導出させて、旋回流を発生させる接線方向流通部40を採用したものである。
具体的には、接線方向流通部40は、例えば図4および図5に示されるように屈曲部15aの出口側の排気管部分15cを円筒形にする。そして、入口部17aを形成している口体部42の基端部を、円筒形部41の内周面上の接線方向の地点に対し開口させた構造が用いられている。これにより、円筒形部41へ導入された排気ガスが、図4および図5中の矢印bに示されるように円筒形部41の内周面沿いに旋回して、渦巻きの流れ、すなわち旋回流を誘起させるようにしている。
4 and 5 show a second embodiment of the present invention.
In this embodiment, the twisted
Specifically, the
このような旋回流を発生させる構造でも、排気管部分15cにおける排気ガスの滞留時間が稼げるので、第1の実施形態と同様な効果を奏する。
但し、図4および図5において、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略した。
なお、本発明は上述したいずれの実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば上述した実施形態は、ねじり部や接線方向流通部を用いて旋回流を発生させる構造を挙げたが、これに限らず、他の構造を用いて、旋回流を発生させてもよい。また上述の実施形態では、排気ガス流と噴射流とが混じり合う排気管部分に旋回流発生部を設けたが、これに限らす、燃料噴射位置から離れた上流の地点に旋回流発生部を設けても構わない。
Even with such a structure that generates a swirling flow, the residence time of the exhaust gas in the
However, in FIGS. 4 and 5, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
In addition, this invention is not limited to any embodiment mentioned above, You may implement in various changes within the range which does not deviate from the main point of this invention. For example, although the embodiment mentioned above gave the structure which generates a swirl flow using a twist part and a tangential circulation part, it may not be restricted to this but a swirl flow may be generated using other structures. In the above-described embodiment, the swirl flow generator is provided in the exhaust pipe portion where the exhaust gas flow and the injection flow are mixed. However, the swirl flow generator is not limited to this, and the swirl flow generator is provided at a point upstream from the fuel injection position. It may be provided.
この他、上述した実施形態では、屈曲部を有する排気管部を用いた排気ガス浄化装置を挙げたが、これに限らず、屈曲部の無い排気ガス浄化装置に本発明を適用してもよい。むろん、上述した実施形態では、屈曲部の直下流の触媒として酸化触媒を用い、その下流にNOXトラップ触媒、パティキュレートフィルタを設けた排ガス浄化装置に本発明を適用した例を挙げたが、これに限らず、他の浄化方式の排気ガス浄化装置、例えば屈曲部の直下流の触媒としてNOXトラップ触媒を用い、その下流にパティキュレートフィルタを設け、NOXトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置でも、屈曲部の直下流の触媒としてNOXトラップ触媒を用い、その下流にNOXトラップ触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタを設け、NOXトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置や添加剤噴射弁の直下流に選択還元型触媒やパティキュレートフィルタを設けた排気ガス浄化装置などに本発明を適用しても構わない。 In addition, in the above-described embodiment, the exhaust gas purification device using the exhaust pipe portion having the bent portion has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention may be applied to an exhaust gas purification device having no bent portion. . Of course, in the above-described embodiment, an example is given in which the present invention is applied to an exhaust gas purification apparatus in which an oxidation catalyst is used as a catalyst immediately downstream of a bent portion, and a NOX trap catalyst and a particulate filter are provided downstream thereof. The exhaust gas purifying apparatus of other purification methods, for example, an exhaust gas that uses a NOX trap catalyst as a catalyst immediately downstream of the bent portion, has a particulate filter downstream thereof, and has an addition valve upstream of the NOX trap catalyst. Also in the gas purification device, an exhaust gas purification device using a NOX trap catalyst as a catalyst immediately downstream of the bent portion, a NOX trap catalyst, an oxidation catalyst, and a particulate filter provided downstream thereof, and an addition valve provided upstream of the NOX trap catalyst And an exhaust gas purification device equipped with a selective reduction catalyst or particulate filter directly downstream of the additive injection valve. It may be applied.
さらに、上述した実施形態では、添加剤として燃料を用いて説明したが、触媒に供給するものであれば何でもよく、例えば還元剤としての軽油,ガソリン,エタノール,ジメチルエーテル,天然ガス,プロパンガス,尿素,アンモニア,水素,一酸化炭素などでもよい。また、還元剤以外の物質でもよく、例えば触媒冷却のための空気,窒素,二酸化炭素などや,パティキュレートフィルタに捕集した煤の燃焼除去を促進させるための空気やセリアなどでもよい。 Further, in the above-described embodiment, the fuel is used as the additive. However, any material may be used as long as it is supplied to the catalyst. For example, light oil, gasoline, ethanol, dimethyl ether, natural gas, propane gas, urea as a reducing agent. , Ammonia, hydrogen, carbon monoxide, etc. Further, a substance other than the reducing agent may be used. For example, air for cooling the catalyst, nitrogen, carbon dioxide, etc., air or ceria for promoting combustion removal of soot collected in the particulate filter, and the like may be used.
1 エンジン本体
3 排気ガス浄化装置
5 酸化触媒(触媒)
15c 排気管部分
23 燃料添加弁(添加剤噴射弁)
30 旋回流発生部
31 ねじり部
40 接線方向流通部
1 Engine body 3 Exhaust
15c
30 Rotating
Claims (4)
前記排気管部内に収められた触媒と、
前記触媒の上流の排気管部分に設けられ、前記触媒に添加剤を供給する添加剤噴射弁と、
前記触媒の上流の排気管部分に設けられ、前記触媒へ向う排気ガスに旋回流を生じさせる旋回流発生部と
を具備したことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 An exhaust pipe that guides exhaust gas exhausted from the engine to the outside;
A catalyst housed in the exhaust pipe section;
An additive injection valve that is provided in an exhaust pipe portion upstream of the catalyst and supplies the additive to the catalyst;
An exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, comprising: a swirl flow generating portion that is provided in an exhaust pipe portion upstream of the catalyst and generates a swirl flow in the exhaust gas toward the catalyst.
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