JP2010101266A - Laser spark plug, laser igniter and engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ点火プラグ、レーザ着火装置と、及び、それを用いたエンジンに関する。 The present invention relates to a laser spark plug, a laser ignition device, and an engine using the same.
近年、従来の点火プラグに代わるものとして、レーザ着火装置を用いたエンジンの開発が進められている。この方式によれば、レーザ光の集光位置の制御が可能であるため、固定位置でしか着火できない点火プラグとは異なり、瞬間的に複数箇所で着火させることによって燃焼ガスの燃焼効率を向上させることができる。このため、省エネルギの観点からCO2の排出量を削減する技術として大きな期待が寄せられている。 In recent years, an engine using a laser ignition device has been developed as an alternative to a conventional spark plug. According to this method, since the condensing position of the laser beam can be controlled, unlike the spark plug that can be ignited only at the fixed position, the combustion efficiency of the combustion gas is improved by instantaneously igniting at a plurality of locations. be able to. For this reason, there is great expectation as a technique for reducing CO 2 emission from the viewpoint of energy saving.
また、レーザ着火装置は、点火プラグのように大きなノイズを発生させることがないため、エンジン周辺の電気回路への悪影響を低減することができるという特徴もある。このため、レーザ着火装置は、対ノイズ用シールドやノイズフィルタなどの設備を省くことができるとともに、例えば電源ラインに制御信号を重畳させることにより配線数を減少させることが可能となる点においても有利である。 Further, the laser ignition device does not generate a large noise unlike an ignition plug, and thus has a feature that an adverse effect on an electric circuit around the engine can be reduced. For this reason, the laser ignition device can save equipment such as a shield for noise and a noise filter, and is advantageous in that the number of wirings can be reduced by superimposing a control signal on a power supply line, for example. It is.
レーザ着火装置を用いるにあたっては、レーザ装置にはありがちな消費電力の問題に加えて、着火性能の安定化という特有の問題を克服しなければならない。例えば特許文献1では、エンジンの回転数に応じてレンズ位置を制御するレンズ駆動装置を設けることによって、レーザ光を常に所定位置に集光させる技術が開示されている。また、特許文献2では、レーザ光の光路上に設置された複数のウェッジ基板を異なる回転数で回転させ、レーザ光を広範囲に揺動させることによって、レーザ光の焦点位置であるターゲットの磨耗を低減する技術が開示されている。 In using the laser ignition device, in addition to the problem of power consumption that is common in laser devices, the unique problem of stabilizing the ignition performance must be overcome. For example, Patent Document 1 discloses a technique for always condensing laser light at a predetermined position by providing a lens driving device that controls the lens position in accordance with the rotational speed of the engine. Further, in Patent Document 2, the plurality of wedge substrates installed on the optical path of the laser light are rotated at different rotational speeds, and the laser light is swung over a wide range, thereby reducing the wear of the target that is the focal position of the laser light. Techniques for reducing are disclosed.
しかしながら、これらの開示技術は、何れも複雑な機構を有しているために高精度の制御が必要とされ、また、結局のところ、レーザ光をピストン自体に集光させるために、ターゲットの磨耗の問題が根本的には解決されていない。また、特許文献3の開示技術のように、プリズムを用いてターゲットの選択の自由度を向上することにより着火性能の安定化をはかることもできるが、プリズムに高い精度が要求されるために、やはり実用的とは言いがたい。
本発明の課題は、低消費電力で安定した着火性能を発揮するレーザ点火プラグ、及びレーザ着火装置、及びエンジンを提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser ignition plug, a laser ignition device, and an engine that exhibit stable ignition performance with low power consumption.
上述した課題を解決するため、本発明に係るレーザ点火プラグは、レンズ装置と、ターゲットとを含む。前記レンズ装置は、入射したレーザ光を前記ターゲットに集光させる。 In order to solve the above-described problems, a laser spark plug according to the present invention includes a lens device and a target. The lens device focuses incident laser light on the target.
本発明に係るレーザ点火プラグの特徴は、前記ターゲットが酸化触媒を含む点にある。この酸化触媒は、燃焼ガス雰囲気内でレーザ光をターゲットに集光して熱を発生させたときに、この熱による燃焼ガスの酸化燃焼を促進するため、大きな爆発力を生み出すことができる。また、酸化触媒は、一般的に消耗しにくく、半永久的に使用できるという性質を持つため、実質的に経年劣化とは無縁である。 The laser spark plug according to the present invention is characterized in that the target includes an oxidation catalyst. Since this oxidation catalyst promotes the oxidative combustion of the combustion gas by the heat when the laser beam is focused on the target in the combustion gas atmosphere to generate heat, it can generate a large explosive force. In addition, the oxidation catalyst is generally hardly consumed and has a property that it can be used semipermanently, so it is substantially free from deterioration over time.
このため、本発明に係るレーザ点火プラグは、安定した着火性能を発揮するとともに、レーザ光に必要とされるパワーを低く抑えることができ、消費電力を低減することができる。 For this reason, the laser spark plug according to the present invention can exhibit stable ignition performance, suppress the power required for the laser light, and reduce power consumption.
また、本発明に係るレーザ着火装置は、レーザ装置と、伝送路と、レーザ点火プラグとを含む。前記レーザ装置は、レーザ光を出力して前記伝送路に入射させる。前記レーザ点火プラグは、上述したレーザ点火プラグであり、前記レンズ装置は、前記伝送路に接続されている。 The laser ignition device according to the present invention includes a laser device, a transmission path, and a laser spark plug. The laser device outputs laser light and makes it incident on the transmission path. The laser spark plug is the above-described laser spark plug, and the lens device is connected to the transmission path.
本発明に係るレーザ着火装置は、上述したレーザ点火プラグを構成に含んでいるから、同様の効果を奏するのは自明である。 Since the laser ignition device according to the present invention includes the above-described laser ignition plug in its configuration, it is obvious that the same effect can be obtained.
さらに、本発明に係るエンジンは、レーザ着火装置と、シリンダヘッドとを含む。前記レーザ着火装置は、上述したレーザ着火装置であり、前記レンズ装置は、前記シリンダヘッドに設けられ、前記ターゲットは、前記シリンダヘッドの燃焼室に配置されている。前記レーザ装置は、エンジンの回転に同期して前記レーザ光を出力する。 Furthermore, the engine according to the present invention includes a laser ignition device and a cylinder head. The laser ignition device is the laser ignition device described above, the lens device is provided in the cylinder head, and the target is disposed in a combustion chamber of the cylinder head. The laser device outputs the laser light in synchronization with engine rotation.
本発明に係るエンジンによれば、ターゲットが燃焼室に設けられているので、燃焼室において、エンジンの回転に同期した着火を行うことができる。本発明に係るエンジンは、上述したレーザ着火装置を構成に含んでいるから、同様の効果を奏するのは自明である。 According to the engine of the present invention, since the target is provided in the combustion chamber, ignition in synchronization with the rotation of the engine can be performed in the combustion chamber. Since the engine according to the present invention includes the above-described laser ignition device, it is obvious that the same effect can be obtained.
以上述べたように、本発明によれば、低消費電力で安定した着火性能を発揮するレーザ点火プラグ、及びレーザ着火装置、及びエンジンを提供することである。 As described above, according to the present invention, there is provided a laser ignition plug, a laser ignition device, and an engine that exhibit stable ignition performance with low power consumption.
図1に、本発明に係るレーザ点火プラグ及びレーザ着火装置を示す。レーザ着火装置は、レーザ装置1と、伝送路である光ファイバ2と、レーザ点火プラグGとを含み、このレーザ点火プラグGは、レンズ装置3と、ターゲットTとを含む。
FIG. 1 shows a laser ignition plug and a laser ignition device according to the present invention. The laser ignition device includes a laser device 1, an optical fiber 2 serving as a transmission path, and a laser spark plug G. The laser spark plug G includes a
レーザ装置1は、パルス信号によって駆動される一般的な半導体レーザ装置であって、レーザ光を出力して光ファイバ2に入射させる。レーザ光としては、着火を容易にするために、例えば熱エネルギが大きい赤外線(IR)レーザを採用することができる。また、本実施形態の伝送路としては光ファイバを挙げているが、低損失でレーザ光を伝送できるものであれば、ミラーやプリズムなどの他の光学部品を用いて伝送路を構成することも可能である。 The laser device 1 is a general semiconductor laser device driven by a pulse signal, and outputs a laser beam to enter the optical fiber 2. As the laser light, for example, an infrared (IR) laser having a large thermal energy can be adopted in order to facilitate ignition. In addition, although an optical fiber is cited as the transmission line of the present embodiment, the transmission line may be configured using other optical components such as a mirror and a prism as long as laser light can be transmitted with low loss. Is possible.
レンズ装置3は、光ファイバ2に接続され、入射したレーザ光をターゲットTに集光させる。このレンズ装置3は、対物レンズ31と、セルフォックレンズ32と、先端カバー33と、胴体カバー34と、ストッパ35と、後端カバー36とを含む。
The
セルフォックレンズ32は、レーザ光の光軸を合わせて光ファイバ2と接続されている。接続にあたっては、セルフォックレンズ32の端面は平面であるから、光ファイバ2との光軸合わせが非常に容易となる。また、セルフォックレンズ32は、量産性に優れているという利点もあるので、コスト面のメリットも得られる。なお、セルフォックレンズ32は、その特徴的な屈折率分布のため、レンズ長により結像特性が変化するという特性を備えるので、光学的な観点から最適な長さにする必要がある。光ファイバ2からセルフォックレンズ32に入射したレーザ光は、さらに対物レンズ31へと入射する。
The Selfoc
対物レンズ31は、セルフォックレンズ32と光学的に接続され、レーザ光の光線を、光路Lに沿って、ターゲットT上の焦点Pに収束させる。対物レンズ31としては、凸レンズなどの一般的な集光レンズであれば何れのタイプでも採用できるが、後述するようなエンジンへの適用を視野に入れると、石英やサファイアなどの耐熱性の高い材質で形成したものが望ましい。
The
また、対物レンズ31は、レーザ光による燃焼に直接的にさらされるため、表面には燃焼で生じたカーボンなどの生成物が付着してしまうことが考えられる。しかし、この付着物は、レーザ光の照射により飛散して、除去されるために問題とならない。付着物の除去は、着火時のレーザ光の照射により行ってもよいし、あるいは、これとは別に、クリーニングを目的とした定期的なレーザ光の照射により行ってもよい。
In addition, since the
対物レンズ31は、先端カバー33によって支持され、ターゲットTに向かって露出している。先端カバー33は、頂点が開口した略円錐形状をなし、この開口から対物レンズ31が露出している。対物レンズ31は、ターゲットTの位置に合わせて焦点Pを設定できるように、先端カバー33内で自在に傾斜及び回転させることができる。なお、光軸方向に沿った焦点Pの調節は、セルフォックレンズ32の長さを調整することによっても可能である。
The
セルフォックレンズ32は、先端カバー33と胴体カバー34にわたって収納され、支持されている。胴体カバー34は、筒状のケースであり、その側面、つまり、レンズ装置3の外周面には固定用の螺子溝Cが形成されている。この螺子溝Cを従来の点火プラグの螺子溝と一致するように形成することによって、エンジンに取り付けられた点火プラグを、本発明に係るレーザ点火プラグGに容易に置き換えることができるという特有の効果が得られる。
The Selfoc
胴体カバー34の先端カバー33側の一端からは、板状の連結部材37が延びており、この連結部材37がターゲットTの保持板42に一体的に接続されることにより、ターゲットTは、レンズ装置3と対向するように保持されている。このときの保持位置は、セルフォックレンズ32と対物レンズ31の調節により決定される焦点距離に従う。
A plate-like connecting
また、胴体カバー34の両端には、先端カバー33とストッパ35にそれぞれ接続されている。
Further, both ends of the
ストッパ35は、胴体カバー34よりも大きな径を有するリング状部材であって、螺子溝Cでレンズ装置3を螺子固定するにあたり、固定位置を確定させるために設けられている。ストッパ35の後端側は、後端カバー36と接続されている。
The
後端カバー36は、頂点が開口した略円錐形状をなし、この開口から光ファイバ2が内部へと導入されている。なお、先端カバー33と胴体カバー34とストッパ35と後端カバー36の材質については、エンジンへの適用を視野に入れると、イリジウムなどの耐熱性の高い金属材料を用いるのが望ましい。これは、連結部材37と保持板42についても同様である。
The
ここまで述べたレーザ装置1、伝送路2、レンズ装置3、ターゲットTという構成は、従来技術に見られるが、本発明に係るレーザ点火プラグ及びレーザ着火装置の特徴は、ターゲットTが酸化触媒41を含む点にある。この酸化触媒41は、保持板42の上に固着され、燃焼ガス雰囲気内でレーザ光をターゲットに集光して熱を発生させたときに、この熱による燃焼ガスの酸化燃焼を促進するため、大きな爆発力を生み出すことができる。また、酸化触媒41は、一般的に消耗しにくく、半永久的に使用できるという性質を持つため、実質的に経年劣化とは無縁である。
The configurations of the laser device 1, the transmission path 2, the
酸化触媒41としては、エンジンへの適用を前提とすると、五酸化バナジウム又は白金が好適である。とりわけ、五酸化バナジウムの場合、消耗してバナジウムに変化しても、酸化により再度、五酸化バナジウムに戻るという特徴を有している。
As the
このため、本発明に係るレーザ着火装置は、安定した着火性能を発揮するとともに、レーザ光に必要とされるパワーを低く抑えることができ、消費電力を低減することができる。 For this reason, the laser ignition device according to the present invention can exhibit stable ignition performance, suppress the power required for the laser light, and reduce power consumption.
次に、本発明に係るレーザ着火装置の他の実施形態とともに、これを適用したエンジンについて説明する。図2は、本発明に係るレーザ着火装置を適用したエンジンを示す。 Next, an engine to which the laser ignition device according to another embodiment of the present invention is applied will be described. FIG. 2 shows an engine to which the laser ignition device according to the present invention is applied.
エンジンは、上述したレーザ着火装置と、燃料噴射制御部10と、シリンダCとを含んでおり、このシリンダCは、シリンダヘッド5と、ピストン71と、ピストンロッド72と、吸気バルブ61と、排気バルブ62とを含む。
The engine includes the above-described laser ignition device, the fuel
公知のように、エンジンの動作は、吸気バルブ61により混合気が燃焼室Rへと導かれ、混合気に着火して得た爆発力によりピストン71、及びピストンロッド72を駆動し、残った排気ガスを排気バルブ62により排出するというものである。ここで、符号D1〜D3は、それぞれ、吸気バルブ61、排気バルブ62、ピストン71の駆動方向を示している。
As known in the art, the air-fuel mixture is guided to the combustion chamber R by the
本発明に係るレーザ点火プラグ及びレーザ着火装置は、このようなエンジンにおいて、従来の点火プラグを代替するものとして適用される。 The laser spark plug and the laser ignition device according to the present invention are applied as an alternative to the conventional spark plug in such an engine.
レンズ装置3は、シリンダヘッド5に設けられている。具体的には、レンズ装置3は、従来の点火プラグが設けられている位置、つまりシリンダヘッド5上部のプラグ穴53に螺子固定されている。この螺子固定は、上述したように、胴体カバー34に形成された螺子溝Cにより可能となる。レンズ装置3から出射したレーザ光は、光路Lに沿ってターゲットTに集光される。ターゲットTは、シリンダヘッド5の燃焼室Rに配置されている。
The
レーザ装置1は、エンジン制御装置からパルス波の同期信号Sを受信し、これに基づき、エンジンの回転に同期してレーザ光を出力する。上述したようにターゲットTは燃焼室Rに設けられているので、燃焼室Rにおいて、エンジンの回転に同期して着火し、混合気を酸化燃焼させることができる。 The laser device 1 receives a synchronization signal S of a pulse wave from the engine control device, and based on this, outputs a laser beam in synchronization with the rotation of the engine. As described above, since the target T is provided in the combustion chamber R, in the combustion chamber R, ignition can be performed in synchronization with the rotation of the engine, and the air-fuel mixture can be oxidized and burned.
このように、本発明に係るエンジンは、上述したレーザ着火装置を構成に含んでいるから、同様の効果を奏するのは自明であるが、本実施形態では、これだけに留まらない。本実施形態に係るレーザ着火装置は、上述した構成に追加して、ビームスプリッタ8と、温度検出装置9とを含んでおり、さらに、この温度検出装置9は、光学フィルタ91と、受光素子92と、温度検出部93とを含み、燃焼室Rにおける燃焼温度を検出できるという特徴的な効果を奏するからである。これについて、以下に説明する。
As described above, since the engine according to the present invention includes the above-described laser ignition device, it is obvious that the same effect can be obtained. However, the present embodiment is not limited to this. The laser ignition device according to the present embodiment includes a
ビームスプリッタ8は、光ファイバ2に接続され、レンズ装置3を介して得たターゲットTの燃焼光を分割し、受光素子92へ入射させる。ビームスプリッタ8は、プリズム型の場合、張り合わせた2つの直角プリズムの表面にコーティングを施した光学部品であって、入射光の一部を反射し、他の一部を透過させるという特性を有する。
The
本実施形態では、ビームスプリッタ8は、光ファイバ2とレーザ装置1の間に配置され、燃焼室Rでの着火により発生する燃焼光の一部を方向Rxへと反射させ、一方、レーザ装置1から出力されたレーザ光を、方向Txに透過させて光ファイバ2へ入射させる。ビームスプリッタ8により反射された燃焼光は、まず、フィルタ91を通る。このフィルタ91は、温度検出部93での解析に備えて、レーザ装置1の発したレーザ光の成分を遮断し、燃焼光の可視光の成分のみを透過させるものである。
In the present embodiment, the
次に、フィルタ91を透過した燃焼光は、受光素子92により受光され、受光素子92は、燃焼光を電気信号Eに変換する。受光素子92としては、例えば、撮像素子等に用いられるフォトディテクタを採用することができる。
Next, the combustion light transmitted through the
温度検出部93は、電気信号Eに基づきターゲットTの燃焼温度Kを検出する。温度検出部93は、輝度計やカラーメータなどの色温度測定手段を含み、ターゲットTの着火時の色温度と、その経時変化を測定することにより燃焼温度Kの検出を行なう。検出にあたり、温度検出部93は、入力される同期信号Sに基づいてタイミング制御される。
The
このように、本実施形態に係るレーザ着火装置によれば、温度検出部93で燃焼温度Kを検出することによって、燃焼室Rにおいて適切に燃焼が行われているかを監視することが可能である。さらに、以下に述べるように、検出した燃焼温度Kを用いて、フィードバック制御を行うこともできる。
As described above, according to the laser ignition device according to the present embodiment, it is possible to monitor whether the combustion is properly performed in the combustion chamber R by detecting the combustion temperature K with the
燃料噴射制御部10は、通常、燃焼室Rに送り込む燃料と空気の混合比、あるいは吸気弁61の開放度合いを調節することによって、燃料噴射量を制御する。したがって、この燃料噴射量に燃焼温度Kを反映させるため、燃料噴射制御部10は、温度検出部93が検出した燃焼温度Kに応じて燃料室Rへの燃料噴射量を制御する。例えば、所定の燃焼温度パタンを設定しておき、このパタンと燃焼温度Kの差分から適切な燃料噴射量を算出する、という追従制御が可能である。
The fuel
このように、本実施形態に係るエンジンによれば、検出した燃焼温度Kを用いて、燃焼室Rにおける酸化燃焼を好適に制御することができる。このため、燃焼効率を改善して、レーザの消費電力を抑えるとともに、安定した着火性能を発揮することができる。さらに、他の用途として、燃焼温度Kの検出と同時に、例えばエンジン制御に関連する信号を測定することによって、エンジンの性能試験に供することも可能である。 Thus, according to the engine according to the present embodiment, the oxidative combustion in the combustion chamber R can be suitably controlled using the detected combustion temperature K. For this reason, it is possible to improve the combustion efficiency, reduce the power consumption of the laser, and exhibit a stable ignition performance. Furthermore, as another application, it is also possible to provide an engine performance test by measuring a signal related to engine control, for example, simultaneously with detection of the combustion temperature K.
ところで、これまで述べたエンジンでは、ターゲットTがレンズ装置3と一体的に設けられているので、燃焼室Rにおける点火位置が固定されてしまい、エンジンによっては適切ではない場合も考えられる。しかし、ターゲットTをレンズ装置3から分離して設けることにより、自在に点火位置を設定することも可能である。
By the way, in the engine described so far, since the target T is provided integrally with the
このような実施形態に係るエンジンを図3に示す。ここでは、ピストン71の上面をターゲットTとしており、酸化触媒41がピストン71に埋設されている。このため、ピストン71の上面に点火位置が設定される。
An engine according to such an embodiment is shown in FIG. Here, the upper surface of the
このように、ターゲットTをレンズ装置3から独立して設けることによって、点火位置の自由度が向上するが、メリットはこれだけに留まらない。燃焼室Rに複数のターゲットTを設定することで、複数の位置で酸化燃焼を発生させることもできる。これにより、背景技術の項目で説明した燃焼効率の向上というメリットが得られる。もちろん、この場合は、レンズ装置3にレンズ駆動機構を備えるとともに、焦点Pの位置制御が必要となる。
Thus, by providing the target T independently from the
以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。 Although the contents of the present invention have been specifically described above with reference to the preferred embodiments, it is obvious that those skilled in the art can take various modifications based on the basic technical idea and teachings of the present invention. It is.
1 レーザ装置
2 光ファイバ(伝送路)
3 レンズ装置
32 セルフォックレンズ
4 酸化触媒
5 シリンダヘッド
8 ビームスプリッタ
92 受光素子
93 温度検出部
10 燃料噴射制御部
G レーザ点火プラグ
T ターゲット
C 螺子溝
R 燃焼室
1 Laser device 2 Optical fiber (transmission path)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記レンズ装置は、入射したレーザ光を前記ターゲットに集光させ、
前記ターゲットは酸化触媒を含む、
レーザ点火プラグ。 A laser spark plug including a lens device and a target,
The lens device focuses incident laser light on the target,
The target includes an oxidation catalyst;
Laser spark plug.
前記酸化触媒は五酸化バナジウム又は白金である、
レーザ点火プラグ。 A laser spark plug according to claim 1, comprising:
The oxidation catalyst is vanadium pentoxide or platinum;
Laser spark plug.
前記ターゲットは、前記レンズ装置と対向するように保持されている、
レーザ点火プラグ。 A laser spark plug according to claim 1 or 2,
The target is held so as to face the lens device.
Laser spark plug.
前記レーザ装置は、レーザ光を出力して前記伝送路に入射させ、
前記レーザ点火プラグは、請求項1乃至3の何れかに記載されたレーザ点火プラグであり、
前記レンズ装置は、前記伝送路に接続されている、
レーザ着火装置。 A laser ignition device including a laser device, a transmission path, and a laser spark plug,
The laser device outputs laser light and enters the transmission path,
The laser spark plug is a laser spark plug according to any one of claims 1 to 3,
The lens device is connected to the transmission path,
Laser ignition device.
ビームスプリッタと、受光素子と、温度検出部とを含み、
前記ビームスプリッタは、前記伝送路に接続され、前記レンズ装置を介して得た前記ターゲットの燃焼光を分割し、前記受光素子へ入射させ、
前記受光素子は、前記燃焼光を電気信号に変換し、
前記温度検出部は、前記電気信号に基づき前記ターゲットの燃焼温度を検出する、
レーザ着火装置。 The laser ignition device according to claim 4,
Including a beam splitter, a light receiving element, and a temperature detector,
The beam splitter is connected to the transmission path, divides the combustion light of the target obtained through the lens device, and enters the light receiving element,
The light receiving element converts the combustion light into an electrical signal,
The temperature detection unit detects a combustion temperature of the target based on the electrical signal;
Laser ignition device.
前記レーザ着火装置は、請求項4又は5に記載されたレーザ着火装置であり、
前記レンズ装置は、前記シリンダヘッドに設けられ、
前記ターゲットは、前記シリンダヘッドの燃焼室に配置されており、
前記レーザ装置は、エンジンの回転に同期して前記レーザ光を出力する、
エンジン。
An engine including a laser ignition device and a cylinder head,
The laser ignition device is a laser ignition device according to claim 4 or 5,
The lens device is provided in the cylinder head,
The target is disposed in a combustion chamber of the cylinder head;
The laser device outputs the laser beam in synchronization with engine rotation.
engine.
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