JP2012158986A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排添加剤の消費量を抑えつつ噴射孔に付着したデポジットをより確実に減少させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジン１には触媒装置３０に添加剤を噴射供給する添加弁５０が備えられており、添加弁５０からの添加剤供給により触媒装置３０の機能回復が行われる。電子制御装置２５は、触媒装置３０の機能回復が行われないときに、添加弁５０の流量低下を抑制するべくその添加弁５０から添加剤を噴射させる流量低下抑制噴射を行う。この流量低下抑制噴射の実行時には、流量低下抑制噴射の非実行時に比して添加弁５０内の添加剤圧力を増大させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するものである。

近年、一部の内燃機関の排気系にはＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＯｘ浄化触媒が担持された担体やＰＭ（粒子状物質）を捕集するＰＭフィルタ、あるいはＰＭフィルタにＮＯｘ浄化触媒を担持させたＤＰＮＲ触媒等の排気浄化部材が設けられている。

これら排気浄化部材には、その浄化機能の回復等を行うために添加剤が供給される場合がある。例えば、ＮＯｘ浄化触媒が担持されたＰＭフィルタにこうした添加剤として燃料を供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒に吸収されたＮＯｘが還元・放出されて同触媒のＮＯｘ浄化機能の回復が図られるとともに、ＰＭフィルタに捕集されたＰＭが焼失される。

ここで、上記添加剤を内燃機関の排気系に設けられた添加弁から供給する場合には、その噴射孔が排気に曝される。そのため、該噴射孔にはデポジットの付着による詰まりが生じやすく、場合によっては添加弁の流量低下が生じるおそれがある。

そこで、例えば特許文献１に記載の装置では、排気浄化部材の機能回復のための添加剤噴射が行われないときであっても、添加弁から添加剤を噴射させることにより、噴射孔に付着したデポジットを除去し、上述したような流量低下の発生を抑えるようにしている。

特開２００３−２０１８３６号公報

ところで、排気中のＮＯｘやＰＭなどの量、あるいは雰囲気温度等はデポジットの生成に影響を与える。そのため、上述したような流量低下を抑制するための添加剤噴射を行っても、デポジットの付着度合によっては、噴射孔に付着したデポジットを十分に減少させることができないおそれがある。こうした不都合は、流量低下を抑制するための添加剤噴射についてその実行回数を増やすことで解消することも可能であるが、この場合には、添加剤の消費量が増加してしまい、特に添加剤として機関燃料を使用する場合には、燃費が悪化してしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、添加剤の消費量を抑えつつ噴射孔に付着したデポジットをより確実に減少させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられて排気浄化部材に添加剤を噴射供給する添加弁を備え、同添加弁からの添加剤供給により前記排気浄化部材の機能回復を行う内燃機関の排気浄化装置において、前記排気浄化部材の機能回復が行われないときに、前記添加弁の流量低下を抑制するべく該添加弁から添加剤を噴射させる流量低下抑制噴射を行い、前記流量低下抑制噴射の実行時には、同流量低下抑制噴射の非実行時に比して前記添加弁内の添加剤圧力を増大させることをその要旨とする。

同構成によれば、排気浄化部材の機能回復のための添加剤噴射が行われないときであっても、流量低下抑制噴射が行われることにより添加弁から添加剤が噴射される。そのため、添加弁の噴射孔に付着したデポジット等が吹き飛ばされるようになり、これによって噴射孔に付着したデポジットの除去が図られて、添加弁の流量低下が抑えられるようになる。

ここで、同構成では、流量低下抑制噴射の実行時には、添加弁内の添加剤圧力を増大させるようにしている。そのため、流量低下抑制噴射が行われるときには、添加剤の噴射圧が十分に高められて噴射孔での添加剤の流速が速くなり、デポジットの吹き飛ばし効果が向上するようになる。そして、このようにデポジットの吹き飛ばし効果が向上することにより、流量低下抑制噴射の実行回数を比較的少なくすることができ、これにより添加剤の消費量を抑えることも可能になる。従って、同構成によれば、添加剤の消費量を抑えつつ噴射孔に付着したデポジットをより確実に減少させることができるようになる。

なお、添加弁内の添加剤圧力を増大させる方法として、例えば添加弁に添加剤を供給する供給系内に発生する脈動を利用したり、ポンプ等を利用して添加弁への添加剤供給圧を高圧化させるといった方法などが挙げられる。

本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の一実施形態について、これが適用される内燃機関及びその周辺構成を示す概略図。 同実施形態において流量低下抑制噴射が行われるときの添加弁の状態、添加剤配管内の圧力波の動き、及び圧力変化の大きさを示すタイミングチャート。 同実施形態の変形例における内燃機関及びその周辺構成を示す概略図。

以下、この発明にかかる排気浄化装置をディーゼル機関に具体化した一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
図１に示すように、エンジン１には複数の気筒＃１〜＃４が設けられている。エンジン１の上部に設けられたシリンダヘッド２には複数の燃料噴射弁４ａ〜４ｄが取り付けられている。これら燃料噴射弁４ａ〜４ｄは各気筒＃１〜＃４の燃焼室に燃料を噴射する。また、シリンダヘッド２には、外気を気筒内に導入するための吸気ポートと燃焼ガスを気筒外へ排出するための排気ポート６ａ〜６ｄとが各気筒＃１〜＃４に対応して設けられている。

燃料噴射弁４ａ〜４ｄは、高圧燃料を蓄圧するコモンレール９に接続されている。コモンレール９は高圧配管４０を介してサプライポンプ１０に接続されている。サプライポンプ１０は燃料タンク内の燃料を吸入して高圧化させた後、その高圧化された燃料を高圧配管４０に送油してコモンレール９に供給する。コモンレール９に供給された高圧燃料は、各燃料噴射弁４ａ〜４ｄの開弁時に同燃料噴射弁４ａ〜４ｄから気筒内に噴射される。

各吸気ポートにはインテークマニホールド７が接続されている。インテークマニホールド７の吸気上流側は吸気通路３に接続されている。この吸気通路３内には吸入空気量を調整するためのスロットル弁１６が設けられている。

各排気ポート６ａ〜６ｄにはエキゾーストマニホールド８が接続されている。エキゾーストマニホールド８の排気下流側は排気通路２６に接続されている。
排気通路２６の途中には、排気成分を浄化する触媒装置３０が設けられている。この触媒装置３０の内部には直列に２つの排気浄化部材が配設されている。

この２つの排気浄化部材のうち、排気上流側に設けられた排気浄化部材は排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１である。他方、同ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の排気下流側に設けられた排気浄化部材は、大気に放出される排気中の粒子状物質、すなわちＰＭの量やＮＯｘの量等を低減するＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction system）触媒である。このＤＰＮＲ触媒３２は多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気中のＰＭは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気の空燃比がリーンの場合、排気中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵されたＮＯｘはＨＣやＣＯ等によって還元・放出される。

この他、エンジン１にはＥＧＲ装置が備えられている。このＥＧＲ装置は、吸入空気に排気の一部を導入することで気筒内の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生量を低減させる装置である。この装置は吸気通路３と排気通路２６とを連通するＥＧＲ通路１３、同ＥＧＲ通路１３に設けられたＥＧＲ弁１５、ＥＧＲクーラ１４等により構成されている。ＥＧＲ弁１５はその開度を調整することにより排気通路２６から吸気通路３に導入される排気還流量、すなわちＥＧＲ量を調整する。ＥＧＲクーラ１４はＥＧＲ通路１３内を流れる排気の温度を低下させる。またＥＧＲ弁１５にはＥＧＲ弁開度センサ２２が配設されており、このＥＧＲ弁開度センサ２２によりＥＧＲ弁１５の開度、すなわちＥＧＲ弁開度ＥＡが検出される。

また、エンジン１は、気筒に導入される吸入空気を過給するターボチャージャ１１を備えている。吸気側タービンとスロットル弁１６との間の吸気通路３には、このターボチャージャ１１の過給により温度が上昇する吸入空気の温度を低下させるため、インタークーラ１８が備えられている。

エンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサが取り付けられている。例えば、エアフロメータ１９は吸気通路３内の吸入空気量を検出する。スロットル開度センサ２０はスロットル弁１６の開度を検出する。空燃比センサ２１は排気の空燃比を検出する。排気温度センサ２９は触媒装置３０の排気上流側の排気温度ＥＸＴを検出する。機関回転速度センサ２３はクランクシャフトの回転速度、すなわち機関回転速度ＮＥを検出する。アクセルセンサ２４はアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル操作量ＡＣＣＰを検出する。水温センサ２８はエンジン１の冷却水温を検出する。

これら各種センサの出力は電子制御装置２５に入力される。この電子制御装置２５は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心として構成されている。そして、この電子制御装置２５により、例えば、燃料噴射弁４ａ〜４ｄの燃料噴射量や燃料噴射時期、サプライポンプ１０の吐出圧力、スロットル弁１６を開閉するアクチュエータ１７の駆動量、ＥＧＲ弁１５の開度等、エンジン１の各種制御が行われる。

他方、シリンダヘッド２にはＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１やＤＰＮＲ触媒３２に機関燃料を供給するための添加弁５０が取り付けられている。この添加弁５０の噴射孔からは、第１気筒＃１の排気ポート６ａ内に向けて添加剤である燃料が噴射される。添加弁５０とサプライポンプ１０とは添加剤配管６０を介して接続されている。添加剤配管６０には、サプライポンプ１０で昇圧される前の燃料、つまり低圧燃料が供給される。また、添加剤配管６０の途中には、同添加剤配管６０よりも拡径された容積部８０が設けられている。

添加弁５０による添加剤の噴射制御は電子制御装置２５によって行われ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１やＤＰＮＲ触媒３２の温度が所定の温度領域にあるとき、添加弁５０からの燃料添加が実施される。そしてこの燃料添加によってＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１やＤＰＮＲ触媒３２に吸蔵されたＮＯｘの還元・放出が図られる。また、ＤＰＮＲ触媒３２に捕集されたＰＭ等が焼失される。このように燃料添加の実行を通じて触媒装置３０の機能回復が図られる。

ところで、上記添加弁５０の噴射孔は排気に曝されるため、同噴射孔にはデポジット等の付着による詰まりが生じやすくなる。ここで、上述したような触媒装置３０の機能回復時には添加弁５０から燃料が噴射されるためにこのような詰まりは生じにくいものの、同機能回復が行われないときには燃料添加が実施されないために詰まりが生じやすくなり、添加弁５０の流量低下が生じるおそれがある。

そこで、触媒装置３０の機能回復が行われないときでも添加弁５０から添加剤を噴射させる流量低下抑制噴射を行い、これによって噴射孔に付着したデポジットを吹き飛ばして添加弁５０の流量低下を抑えるようにしている。なお、この流量低下抑制噴射は、噴射孔へのデポジットの付着状態に応じて適宜のタイミングで実行される。ちなみにデポジットの付着状態は、例えば触媒装置３０の機能回復が行われてからの経過時間、排気温度、燃料噴射量などに基づいて推定可能である。

そして本実施形態では、特に、流量低下抑制噴射の実行時において、同流量低下抑制噴射の非実行時よりも添加弁５０内の燃圧（添加剤圧力）を増大させるようにしている。そしてこの燃圧増大を利用して、流量低下抑制噴射の実行に伴う機関燃料（添加剤）の消費量増大を抑えつつ、添加弁５０の噴射孔に付着したデポジットをより確実に減少させるようにしている。

以下、添加弁５０内の燃圧を増大させるために行われる噴射制御について、図１及び図２を併せ参照しつつ説明する。
図１に示すように、本実施形態では、添加弁５０が接続された添加剤配管６０の途中に、同添加剤配管６０よりも拡径された容積部８０を設けるようにしている。従って、本実施形態では、構造上、容積部８０に接続された添加剤配管６０の端部６０ａは、添加剤配管６０内で脈動が生じたときに圧力波が反転・反射する開口端部となる。

そして、電子制御装置２５によって流量低下抑制噴射が開始されると、添加弁５０は以下のように制御される。
まず、図２に示すように、添加弁５０からの添加剤噴射が所定時間行われる（時刻ｔ１）。この添加剤噴射によって添加弁５０が開弁されると、添加弁５０近傍の添加剤配管６０内に負圧波が発生する。なお、このときの添加弁５０の噴射時間、つまり上記所定時間は、負圧波を生じさせるのに必要な最低限の噴射時間となっている。

時刻ｔ１での添加剤噴射によって添加剤配管６０内に発生した負圧波は、時間経過に伴って添加弁５０側から容積部８０側に向けて移動していく。そして、この負圧波Ｈ１が容積部８０に達すると（時刻ｔ２）、同負圧波Ｈ１は反転・反射して、ほぼ同じ圧力変動振幅を持つ正圧波Ｓ１となり、再び添加弁５０側に移動していく。

この正圧波Ｓ１が添加弁５０に達すると（時刻ｔ３）、そのまま反射されてほぼ同じ圧力変動振幅を持つ正圧波Ｓ１の状態を維持しつつ、再び容積部８０側に移動していく。そして正圧波Ｓ１が容積部８０に達すると（時刻ｔ４）、同正圧波Ｓ１は反転・反射して、ほぼ同じ圧力変動振幅を持つ負圧波Ｈ２となり、再び添加弁５０側に移動していく。

次に、負圧波Ｈ２が添加弁５０に達するタイミングと、添加剤噴射に伴う負圧波の発生タイミングとが一致するように、添加弁５０からの添加剤噴射が再び行われる（時刻ｔ５）。このときの噴射時間も負圧波を生じさせるのに必要な最低限の噴射時間となっている。時刻ｔ５で発生する負圧波Ｈ３は、添加弁５０側に戻ってきた負圧波Ｈ２と、添加剤噴射によって新たに発生した負圧波とが重なっているため、負圧波Ｈ２よりも変動振幅が大きい状態で容積部８０側に移動していく。また、このように変動振幅が大きくなることにより、添加弁５０と容積部８０との間の添加剤配管６０内における圧力変化は、時刻ｔ５以前と比較して大きくなる。

負圧波Ｈ３が容積部８０に達すると（時刻ｔ６）、同負圧波Ｈ３は反転・反射して、ほぼ同じ圧力変動振幅を持つ正圧波Ｓ３となり、再び添加弁５０側に移動していく。
この正圧波Ｓ３が添加弁５０に達すると（時刻ｔ７）、そのまま反射されてほぼ同じ圧力変動振幅を持つ正圧波Ｓ３の状態を維持しつつ、再び容積部８０側に移動していく。そして正圧波Ｓ３が容積部８０に達すると（時刻ｔ８）、同正圧波Ｓ３は反転・反射して、ほぼ同じ圧力変動振幅を持つ負圧波Ｈ４となり、再び添加弁５０側に移動していく。

次に、負圧波Ｈ４が添加弁５０に達するタイミングと、添加剤噴射に伴う負圧波の発生タイミングとが一致するように、添加弁５０からの添加剤噴射が再び行われる（時刻ｔ９）。このときの噴射時間も負圧波を生じさせるのに必要な最低限の噴射時間となっている。時刻ｔ９で発生する負圧波Ｈ５は、添加弁５０側に戻ってきた負圧波Ｈ４と、時刻ｔ９での添加剤噴射によって新たに発生した負圧波とが重なっているため、負圧波Ｈ４よりも変動振幅が大きい状態で容積部８０側に移動していく。また、このように変動振幅が大きくなることにより、添加弁５０と容積部８０との間の添加剤配管６０内における圧力変化は、時刻ｔ９以前と比較して大きくなる。

負圧波Ｈ５が容積部８０に達すると（時刻ｔ１０）、同負圧波Ｈ５は反転・反射して、ほぼ同じ圧力変動振幅を持つ正圧波Ｓ５となり、再び添加弁５０側に移動していく。
この正圧波Ｓ５は、時刻ｔ１、ｔ５、ｔ９での添加剤噴射による負圧波の圧力増幅と、時刻ｔ１０における容積部８０での反転・反射とによって正の高圧力状態になっている。このような高圧状態の正圧波Ｓ５が添加弁５０に達したタイミングで添加剤を再度噴射することにより（時刻ｔ１１）、添加剤の噴射圧が十分に高められて噴射孔での添加剤の流速が速くなり、デポジットの吹き飛ばし効果が向上する。

なお、時刻ｔ５及び時刻ｔ９の噴射タイミング、つまり圧力脈動を増幅させるための噴射タイミングは、添加弁５０から容積部８０までの添加剤配管６０の長さ、添加剤（機関燃料）の温度、及び添加剤配管６０内の平均圧力に基づいて求めることができ、その噴射タイミングは電子制御装置２５内に設けられたマップ、または理論式から算出される。

同様に、時刻ｔ１１の噴射タイミング、つまり昇圧された正圧波Ｓ５が添加弁５０に達するタイミングであって添加剤の噴射圧力が十分に高くなる噴射タイミングも、添加弁５０から容積部８０までの添加剤配管６０の長さ、添加剤（機関燃料）の温度、及び添加剤配管６０内の平均圧力に基づいて求めることができる。そして、この噴射タイミングも電子制御装置２５内に設けられたマップ、または理論式から算出される。

以上説明したように、本実施形態によれば次のような効果を得ることができる。
（１）流量低下抑制噴射が開始されると複数回の添加剤噴射（時刻ｔ１、ｔ５、ｔ９での噴射）を行って添加剤配管６０内の圧力脈動を増幅することにより、同流量低下抑制噴射の非実行時に比べて添加弁５０内の添加剤圧力を増大させるようにしている。そして圧力が高められた正圧波Ｓ５が添加弁５０に達したタイミングで（時刻ｔ１１）、再度添加剤噴射を行うことにより、デポジットの吹き飛ばし効果が向上するようになる。そして、このようにデポジットの吹き飛ばし効果が向上することにより、流量低下抑制噴射の実行回数を比較的少なくすることができ、これにより添加剤の消費量を抑えることも可能になる。従って、添加剤の消費量を抑えつつ噴射孔に付着したデポジットをより確実に減少させることができるようになる。

（２）添加弁５０内の添加剤圧力を増大させる方法として、添加弁５０に添加剤を供給する添加剤配管６０内に発生する圧力脈動を利用するようにしている。そのため、別途、昇圧機構を設けることなく、添加剤圧力を増大させることが可能になる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、添加弁５０内の添加剤圧力を増大させるための噴射として、３回の噴射（時刻ｔ１、ｔ５、ｔ９）を行うようにしたが、２回以下でもよく、４回以上でもよい。

・上記実施形態では、添加弁５０内の添加剤圧力を増大させる方法として、添加剤配管６０内に発生する圧力脈動を利用するようにしたが、この他の態様で圧力を増大させるようにしてもよい。例えばポンプ等を利用して添加弁５０への添加剤供給圧を高圧化させてもよい。

一例として、図３に、燃料を高圧化する上記サプライポンプ１０を利用して添加剤供給圧を高圧化させるための構造を示す。なお、図３において、図１に示した部材と同一の部材には同じ符号を付している。そして、以下では上記実施形態との相異点を中心にしてこの変形例を説明する。

図３に示すように、同変形例では、上記実施形態で設けられていた容積部８０が省略されている。そして高圧配管４０と添加剤配管６０とが分岐管４１で接続されている。この分岐管４１の途中には、レギュレータ９０と切替弁１００とが直列に設けられている。切替弁１００は電子制御装置２５によって開閉制御されるものであり、上述した流量低下抑制噴射の非実行時には閉弁状態にされることにより、分岐管４１は閉塞状態にされる。

流量低下抑制噴射の実行時には、切替弁１００が開弁されて添加剤配管６０内が高圧化され、これにより添加弁５０内の添加剤圧力が増大される。そして、このようにして添加剤圧力が増大された状態で添加剤を噴射することにより、添加剤の噴射圧が十分に高められて噴射孔での添加剤の流速が速くなり、デポジットの吹き飛ばし効果が向上する。また、このようにデポジットの吹き飛ばし効果が向上することにより、流量低下抑制噴射の実行回数を比較的少なくすることができ、これにより添加剤の消費量を抑えることも可能になる。

なお、触媒装置３０の機能回復時における添加剤噴射に際して、設定される添加剤の噴射量が多いときにも、上記切替弁１００を開弁状態にしてもよい。この場合にも添加剤の噴射圧が増大するようになるため、例えば多量の添加剤をよりすばやく供給することができるようになったり、多量な添加剤の微粒化を促進させることができる。

・上記実施形態及びその変形例において触媒装置３０内に設けられる排気浄化部材の数は適宜変更することができる。
・上記実施形態及びその変形例において触媒装置３０内に設けられる排気浄化部材の種類は適宜変更することができる。例えばＤＰＮＲ触媒３２をＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、すなわち排気中のＰＭ等を捕集するＰＭフィルタとしてのみ機能する排気浄化部材に変更することもできる。また、触媒装置３０内に異なる種類の排気浄化部材を設ける場合にあって、排気の流れ方向におけるそれらの位置関係は任意である。例えば第１の実施形態における触媒装置３０内の排気浄化部材の位置関係として、排気上流側から順にＤＰＮＲ触媒３２とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１とを設けるようにしてもよい。

・上記実施形態及びその変形例における添加剤は内燃機関用の燃料であったが、これと同様な作用が得られる添加剤であればどのようなものでもよい。
・上記実施形態及びその変形例において、添加弁５０は触媒装置３０の排気上流側であればその取り付け位置は任意である。

１…エンジン、２…シリンダヘッド、３…吸気通路、４ａ〜４ｄ：燃料噴射弁、６ａ〜６ｄ…排気ポート、７…インテークマニホールド、８…エキゾーストマニホールド、９…コモンレール、１０…サプライポンプ、１１…ターボチャージャ、１３…ＥＧＲ通路、１４…ＥＧＲクーラ、１５…ＥＧＲ弁、１６…スロットル弁、１７…アクチュエータ、１８…インタークーラ、１９…エアフロメータ、２０…スロットル開度センサ、２１…空燃比センサ、２２…ＥＧＲ弁開度センサ、２３…機関回転速度センサ、２４…アクセルセンサ、２５…電子制御装置、２６…排気通路、２８…水温センサ、２９…排気温度センサ、３０…触媒装置、３１…ＮＯｘ吸蔵還元型触媒、３２…ＤＰＮＲ触媒、４０…高圧配管、４１…分岐管、５０…添加弁、６０…添加剤配管、６０ａ…端部、８０…容積部、９０…レギュレータ、１００…切替弁。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気系に設けられて排気浄化部材に添加剤を噴射供給する添加弁を備え、同添加弁からの添加剤供給により前記排気浄化部材の機能回復を行う内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気浄化部材の機能回復が行われないときに、前記添加弁の流量低下を抑制するべく該添加弁から添加剤を噴射させる流量低下抑制噴射を行い、
   前記流量低下抑制噴射の実行時には、同流量低下抑制噴射の非実行時に比して前記添加弁内の添加剤圧力を増大させる
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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