JP2015218583A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 火花点火を行う内燃機関において、燃焼室から排出される排気（フィードガス）中のＮＯ濃度を低減することができる燃焼制御装置を提供する。【解決手段】 アセチレン生成装置２２によりアセチレンが生成され、通路２１を介して吸気管２にアセチレンが供給される。エンジン１に供給される混合気中のアセチレン濃度を最適値に設定することによって、フィードガス中のＮＯ濃度を低減する。基本アセチレン供給量ＱＡＣＢがエンジン運転状態に応じて算出されるとともに、ＮＯ濃度センサ１５によって検出されるＮＯ濃度ＣＮＯが目標ＮＯ濃度ＣＮＯＴＧＴと一致するように補正量ＱＡＣＣＲが算出される。基本アセチレン供給量ＱＡＣＢに補正量ＱＡＣＣＲを加算することにより、アセチレン供給指令量ＱＡＣＣＭＤが算出され、アセチレン供給指令量ＱＡＣＣＭＤに応じてアセチレン流量制御弁２３が制御される。【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、特に排気中の一酸化窒素（以下「ＮＯ」という）濃度を低減するための燃焼制御装置に関する。

特許文献１には、排気中の残留アセチレン及び／または外部から排気中に供給されるアセチレンを還元剤として排気中のＮＯを還元することによって、ＮＯの排出量を低減する手法が示されている。

特許文献２には、ガソリンを燃焼室内に噴射するとともに、火炎伝播速度の高い高火炎伝播速度燃料を燃焼室内に噴射し、ガソリンの安定した自着火燃焼を実現する内燃機関の制御装置が示されている。

特開平５−７６７５７号公報 特開２０１０−１９６５１７号公報

特許文献１に示された手法は、燃焼室から排出された排気（フィードガス）中のＮＯを還元することによって、最終的に排出される排気中のＮＯを低減する手法であり、フィードガス中のＮＯを低減する手法ではない。

特許文献２には、高火炎伝播速度燃料としてアセチレンを適用することが記載されているが、安定的に自着火燃焼を実現するための技術であって、点火プラグによる火花点火を行う機関の排気中のＮＯを低減する技術ではない。

本発明は、上述した先行技術を考慮しつつなされたものであり、火花点火を行う内燃機関において、燃焼室から排出される排気（フィードガス）中のＮＯ濃度を低減することができる燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、燃焼室内に火花点火手段（７）を備える内燃機関（１）の燃焼制御装置において、前記機関にアセチレンを供給するアセチレン供給手段（２１，２２）を含み、前記機関の回転数（ＮＥ）、及び前記機関の負荷を示す機関負荷パラメータ（ＰＢＡ）を含む機関運転パラメータに応じて予め設定されている量のアセチレンを供給することにより、前記機関の排気中の一酸化窒素濃度を低減する一酸化窒素低減手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、機関の回転数及び機関負荷パラメータを含む機関運転パラメータに応じて予め設定されている量のアセチレンを供給することにより、機関の排気中の一酸化窒素濃度が低減される。燃料及び空気の混合気とともに、適量のアセチレンを供給することによって、燃焼速度が速くなるため、点火時期を遅らせることができる。その結果、熱効率や図示平均有効圧を低下させることなく、一酸化窒素濃度を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記機関から排出される一酸化窒素濃度（ＣＮＯ）を検出する一酸化窒素濃度センサ（１５）を備え、前記一酸化窒素低減手段は、検出される一酸化窒素濃度（ＣＮＯ）に応じて前記アセチレンの供給量（ＱＡＣＣＭＤ）を補正することを特徴とする。

この構成によれば、検出される一酸化窒素濃度に応じてアセチレンの供給量が補正されるので、例えば目標濃度を機関運転状態に応じて実現可能な最小値に設定し、検出される一酸化窒素濃度が目標濃度に一致するようにアセチレン供給量の補正を行うことによって、アセチレン供給量を常に適量に制御し、一酸化窒素濃度を実現可能な最小値まで低減することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記機関のノッキングを検出するノッキング検出手段（１１）を備え、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されたときは、前記火花点火手段による点火時期（ＩＧＬＯＧ）を遅角させる点火時期補正手段（５）をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、ノッキングが検出されたときは、火花点火手段による点火時期が遅角されるので、例えば粗悪な燃料が使用された場合にノッキングを抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記アセチレン供給手段は、燃料と空気の混合気が供給される放電室（３３）と、該放電室内において放電を発生させる電極（３４）とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、放電室内の電極間での放電によってアセチレンが生成され、機関に供給される。放電によるアセチレンの生成装置を用いることにより、アセチレンが充填されたボンベを使用することなく、比較的簡単な構成でアセチレンを供給することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記アセチレン供給手段は、アセチレンが充填されたボンベ（４２）と、該ボンベからアセチレンが供給されるアセチレン噴射弁（４１）とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、アセチレンが充填されたボンベからアセチレン噴射弁を介して、アセチレンが機関に供給される。放電による生成装置を用いる場合に比べて、供給量の制御精度を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示すアセチレン生成装置の構成を示す図である。 アセチレンを供給することによるＮＯ低減効果及び燃焼への影響（燃料Ａ）を説明するための図である。 アセチレンを供給することによるＮＯ低減効果及び燃焼への影響（燃料Ｂ）を説明するための図である。 アセチレンを供給することによるＮＯ低減効果（燃料Ｃ）を説明するための図である。 アセチレン供給制御処理のフローチャートである。 図６の処理で実行される補正量（ＱＡＣＣＲ）算出処理のフローチャートである。 点火時期制御処理のフローチャートである。 図１に示す構成の変形例を示す図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の構成を示す図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配置されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、スロットル弁開度センサ４の検出信号は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時期（燃料噴射時期）及び開弁時間（燃料噴射時間）が制御される。燃料としては例えばガソリンが使用される。エンジン１の各気筒には、点火プラグ７が設けられており、点火プラグ７はＥＣＵ５に接続されている。ＥＣＵ５は、点火プラグ７による点火時期を制御する。

スロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０及び非共振型のノックセンサ１１が装着されている。センサ８〜１１の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。ノックセンサ１１としては、例えば５ｋＨｚから２５ｋＨｚまでの周波数帯域の振動を検出可能なものが使用される。

吸気管２のスロットル弁３の上流側には、吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ１３が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。さらに大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ１４がＥＣＵ５に接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸及びカム軸（図示せず）の回転角度を検出する回転位相センサ１２が接続されており、クランク軸及びカム軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。回転位相センサ１２の出力信号に基づいて、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出が行われる。

エンジン１の排気管２０には、排気中のＮＯ濃度を検出するＮＯ濃度センサ１５が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。ＮＯ濃度センサ１５としては、例えば特開平１１−２４８６７６号公報に示されるような公知のものが使用される。

吸気管２のスロットル弁３の下流側には、通路２１を介してアセチレン生成装置２２が接続されており、通路２１にはアセチレン流量を制御するアセチレン流量制御弁２３が設けられている。アセチレン生成装置２２は、図２に示すように、混合気生成室３１と、燃料噴射弁３２と、放電室３３と、放電室３３に設けられた放電電極対３４と、放電電極対３４に電力を供給する高圧電源３５とを備えている。燃料噴射弁３２には、燃料噴射弁６へ燃料を供給する燃料供給通路から分岐する燃料供給通路が接続されており、本実施形態ではガソリンが供給される。

アセチレン生成装置２２は、エンジン１の回転に同期した時間間隔で、燃料噴射弁３２による燃料噴射を行うことによって、燃料と空気の混合気を生成して放電室３３に供給するとともに、放電電極対３４によってアーク放電を発生させることにより、アセチレンを生成する。混合気生成室３１で生成する混合気は、可燃当量比限界を超える過濃混合気とし、アーク放電の放電エネルギは予め実験的に決定した適正値に設定する。

アセチレン流量制御弁２３はＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によってデューティ制御される。したがって、通路２１を介して吸気管２にアセチレンが供給され、その供給量はＥＣＵ５によって制御される。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路（メモリ）、燃料噴射弁６、点火プラグ７、及びアセチレン流量制御弁２３に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

本実施形態では、アセチレンをエンジン１に供給することによって排気中のＮＯ濃度を低減する制御が行われるので、図３〜図５を参照して、アセチレンを供給することによるＮＯ低減効果を説明する。図３〜図５に示す測定データは、データ測定の便宜及び測定精度を考慮して、実験用単気筒エンジンを使用して得られたものである。

図３は、燃料Ａ（オクタン価９５に調整されたガソリン）とともにアセチレンを供給した場合に対応し、図３（ａ）〜図３（ｄ）の横軸はアセチレン濃度ＣＡＣであり、縦軸はそれぞれ排気中のＮＯ濃度ＣＮＯ、図示平均有効圧ＩＭＥＰ、燃焼変動率ＣＯＶ、及び熱効率ＩＴＥである。図３（ａ）から混合気中のアセチレン濃度ＣＡＣを１０００〜１５００［ｐｐｍ］程度とすることによって、排気中のＮＯ濃度ＣＮＯを低下させる効果を確認することができる。また図３（ｂ）〜図３（ｄ）によって、アセチレン濃度ＣＡＣを２０００［ｐｐｍ］としたときに燃焼変動率ＣＯＶが増加する点を除き、アセチレンの添加が悪影響を与えていないことが確認できる。なお、燃料Ａと空気の混合気の当量比は約０．８であり、エンジン回転数は８００［ｒｐｍ］である。

図４は、燃料Ｂ（メタンを主成分（約９０％）とし、エタン、プロパン、及びブタンを含むガス燃料）とともにアセチレンを供給した場合に対応し、図４（ａ）〜図４（ｄ）の横軸はアセチレン濃度ＣＡＣであり、縦軸はそれぞれ排気中のＮＯ濃度ＣＮＯ、図示平均有効圧ＩＭＥＰ、燃焼変動率ＣＯＶ、及び熱効率ＩＴＥである。図４（ａ）からアセチレン濃度ＣＡＣを４０００［ｐｐｍ］程度とすることによって、排気中のＮＯ濃度ＣＮＯを低下させる効果を確認することができる。また図４（ｂ）〜図４（ｄ）によって、アセチレン濃度ＣＡＣを１０００［ｐｐｍ］としたときに熱効率ＩＴＥが減少する点を除き、アセチレンの添加が悪影響を与えていないことが確認できる。なお、燃料Ｂと空気の混合気の当量比は１．０〜０．７であり、エンジン回転数は６００［ｒｐｍ］である。

図５は、燃料Ｃ（ｎ−ペンタン）とともにアセチレンを供給した場合に対応し、横軸はアセチレン濃度ＣＡＣであり、縦軸は排気中のＮＯ濃度ＣＮＯである。この例では、アセチレン濃度ＣＡＣを１０００〜１２００［ｐｐｍ］程度とすることによって、排気中のＮＯ濃度ＣＮＯを低下させる効果を確認することができる。なお、燃料Ｃと空気の混合気の当量比は０．８である。

以上のように炭化水素燃料と空気の混合気中にアセチレンを添加することにより、排気中のＮＯ濃度ＣＮＯを低減することが可能であり、その理由は概略以下のように推定される。

アセチレンの希薄限界当量比は、０．３程度であり通常の炭化水素燃料に比べて低いため、アセチレンを通常の炭化水素燃料に添加すると燃焼速度が速くなり、アセチレンを添加していない場合よりも点火時期を遅らせることができる。したがって、熱効率及び図示平均有効圧力を低下させることなく、サーマルＮＯ（燃焼温度が高いことによって生成されるＮＯ）の低減が可能となる。アセチレンの温度安定性（自由エネルギー）は常温では飽和炭化水素よりも不安定であるが、低温度酸化反応の高温端付近の温度では逆にアセチレンの方が安定である。このため添加アセチレンを分解するための熱エネルギーが必要になる。微量であれば添加アセチレンは燃焼速度を低くするが、閾値以上の添加量であれば分解に必要な熱エネルギーをまかなうことができるために、サーマルＮＯの低減効果を得ることができると考えられる。

図６は、本実施形態におけるアセチレン供給制御処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５において例えば所定時間ごとに実行される。
ステップＳ１１では、エンジン運転パラメータ、具体的にはエンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて予め設定されているアセチレン量マップを用いて、基本アセチレン供給量ＱＡＣＢ及び上限量ＱＡＣＭＡＸを算出する。アセチレン量マップは、吸気圧ＰＢＡが増加するほどまたエンジン回転数ＮＥが増加するほど基本ＮＯ供給量ＱＡＣＢが増加するように設定されており、上限量ＱＡＣＭＡＸも同様に設定されたマップを用いて算出される。

ステップＳ１２では、図７に示すＱＡＣＣＲ算出処理を実行し、補正量ＱＡＣＣＲを算出する。
図７のステップＳ２１では、エンジン運転状態、具体的にはエンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて予め設定されているＣＮＯＴＧＴマップを検索することにより、目標ＮＯ濃度ＣＮＯＴＧＴを算出する。ＣＮＯＴＧＴマップは、目標ＮＯ濃度ＣＮＯＴＧＴが、対応するエンジン運転状態において実現可能なＮＯ濃度の最小値となるように設定される。

ステップＳ２２では、ＮＯ濃度センサ１５により検出されるＮＯ濃度ＣＮＯを取得する。ステップＳ２３では、検出されるＮＯ濃度ＣＮＯが目標ＮＯ濃度ＣＮＯＴＧＴと一致するようにフィードバック制御によって、補正量ＱＡＣＣＲを算出する。

図６に戻り、ステップＳ１３では、基本アセチレン供給量ＱＡＣＢ及び補正量ＱＡＣＣＲを下記式（１）に適用し、アセチレン供給指令量ＱＡＣＣＭＤを算出する。
ＱＡＣＣＭＤ＝ＱＡＣＢ＋ＱＡＣＣＲ （１）

ステップＳ１４では、アセチレン供給指令量ＱＡＣＣＭＤが上限量ＱＡＣＭＡＸより大きいか否かを判別し、この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、アセチレン供給指令量ＱＡＣＣＭＤを上限量ＱＡＣＭＡＸに設定し（ステップＳ１５）、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１４の答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちにステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、アセチレン供給指令量ＱＡＣＣＭＤに応じてアセチレン流量制御弁２３の制御デューティＤＵＴを算出する。算出された制御デューティＤＵＴの駆動信号がアセチレン流量制御弁２３に供給される。

図８は点火プラグ７による点火時期を制御する処理のフローチャートである。この処理は、回転位相センサ１２から出力されるＴＤＣパルスに同期して実行される。ＴＤＣパルスは、エンジン１のクランク軸が１８０度回転する毎に出力される。

ステップＳ３１では、エンジン運転状態に応じて最適点火時期ＩＧＭＢＴを算出する。最適点火時期ＩＧＭＢＴは、エンジン１の出力トルクを最大とする点火時期であり、具体的にはエンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて設定されたマップを検索することにより算出される。

ステップＳ３２では、吸気温ＴＡ、エンジン冷却水温ＴＷ、及び大気圧ＰＡに応じて環境補正値ＩＧＣＲを算出し、ステップＳ３３では、ノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫを算出する。ノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫの算出には公知の手法が適用され、ノッキングが検出されると増加方向に更新する一方、ノッキングが検出されない状態では減少方向に更新することによって、算出される。

ステップＳ３４では、下記式（２）に最適点火時期ＩＧＭＢＴ、環境補正値ＩＧＣＲ、及びノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫを適用し、点火時期ＩＧＬＯＧを算出する。
ＩＧＬＯＧ＝ＩＧＭＢＴ＋ＩＧＣＲ−ＩＧＫＮＯＣＫ （２）
点火時期ＩＧＬＯＧは圧縮上死点からの進角量として定義され、ノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫが増加するほど、点火時期ＩＧＬＯＧは遅角される。

以上のように本実施形態では、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて予め設定されている量のアセチレンを供給することにより、排気中のＮＯ濃度ＣＮＯが低減される。燃料及び空気の混合気とともに、適量のアセチレンを供給することによって、燃焼速度が速くなるため、点火時期ＩＧＬＯＧを遅らせることができる。その結果、熱効率や図示平均有効圧を低下させることなく、ＮＯ濃度ＣＮＯを低減することができる。

また検出されるＮＯ濃度ＣＮＯが目標ＮＯ濃度ＣＮＯＴＧＴと一致するように補正量ＱＡＣＣＲが算出され、基本アセチレン供給量ＱＡＣＢが補正量ＱＡＣＣＲで補正されるので、アセチレン供給量を常に適量に制御し、ＮＯ濃度ＣＮＯを実現可能な最小値まで低減することが可能となる。

またノッキングが検出されたときは、点火時期ＩＧＬＯＧが遅角されるので、例えば粗悪な燃料が使用された場合にノッキングを抑制することができる。
また放電室３３内の放電電極対３４間でのアーク放電によってアセチレンが生成され、エンジン１に供給される。アーク放電によるアセチレン生成装置２２を用いることにより、アセチレンが充填されたボンベを使用することなく、比較的簡単な構成でアセチレンを供給することができる。

本実施形態では、点火プラグ７が火花点火手段に相当し、アセチレン生成装置２２、通路２１、アセチレン流量制御弁２３、及びＥＣＵ５がアセチレン供給手段を含む一酸化窒素低減手段を構成し、ノックセンサ１１及びＥＣＵ５がノッキング検出手段を構成する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図９に示すように、図１のアセチレン生成装置２２に代えて、アセチレンが充填されたアセチレンボンベ４２を用いてアセチレンをエンジン１に供給するようにしてもよい。

図９において、吸気管２の燃料噴射弁６より少し上流側には、アセチレン噴射弁４１が設けられており、アセチレン噴射弁４１は通路４３を介してアセチレンボンベ４２に接続されている。アセチレンボンベ４２から通路４３及びアセチレン噴射弁４１を介して吸気管２にアセチレンが供給される。アセチレン噴射弁４１はＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によってその作動が制御される。

この変形例によれば、アセチレンボンベ４２からアセチレン噴射弁４１を介して、アセチレンが供給されるので、放電によるアセチレン生成装置２２を用いる場合に比べて、アセチレン供給量の制御精度を高めることができる。本変形例では、アセチレンボンベ４２、通路４３、アセチレン噴射弁４１、及びＥＣＵ５がアセチレン供給手段を含む一酸化窒素低減手段を構成する。

また負荷パラメータとしては、吸気圧ＰＢＡに代えて、スロットル弁開度ＴＨ、吸入空気流量ＧＡなどを用いてもよい。また、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡなどの負荷パラメータに加えて、エンジン冷却水温ＴＷ及び／または吸気温ＴＡに応じて、基本アセチレン供給量ＱＡＣＢを算出するようにしてもよい。

また上述した実施形態では本発明を４気筒エンジンの燃焼制御装置に適用した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく単気筒エンジンや４気筒以外の複数気筒エンジンの燃焼制御装置に適用可能である。

１ 内燃機関
２ 吸気管
５ 電子制御ユニット（一酸化窒素低減手段、ノッキング検出手段）
６ 燃料噴射弁
７ 点火プラグ（火花点火手段）
８ 吸気圧センサ
１１ ノックセンサ（ノッキング検出手段）
１２ 回転位相センサ
２２ アセチレン生成装置（アセチレン供給手段）
２３ アセチレン流量制御弁（アセチレン供給手段）
３１ 混合気生成室
３２ 燃料噴射弁
３３ 放電室
３４ 放電電極対
４１ アセチレン噴射弁（アセチレン供給手段）
４２ アセチレンボンベ（アセチレン供給手段）

Claims (5)

1. 燃焼室内に火花点火手段を備える内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記機関にアセチレンを供給するアセチレン供給手段を含み、
   前記機関の回転数、及び前記機関の負荷を示す機関負荷パラメータを含む機関運転パラメータに応じて予め設定されている量のアセチレンを供給することにより、前記機関の排気中の一酸化窒素濃度を低減する一酸化窒素低減手段を備えることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記機関から排出される一酸化窒素濃度を検出する一酸化窒素濃度センサを備え、
   前記一酸化窒素低減手段は、検出される一酸化窒素濃度に応じて前記アセチレンの供給量を補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記機関のノッキングを検出するノッキング検出手段を備え、
   前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されたときは、前記火花点火手段による点火時期を遅角させる点火時期補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記アセチレン供給手段は、燃料と空気の混合気が供給される放電室と、該放電室内において放電を発生させる電極とを備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記アセチレン供給手段は、アセチレンが充填されたボンベと、該ボンベからアセチレンが供給されるアセチレン噴射弁とを備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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