JP2022136404A - 冷却機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の冷却水でコンプレッサを冷却する構造において、燃費の悪化を抑制する冷却機構を提供する。【解決手段】冷却回路11と、冷却回路11から分岐して、コンプレッサ22の内部を経由した後に冷却回路11に合流するコンプレッサ用冷却通路30と、を備えた冷却機構10において、コンプレッサ22の内部に流れる冷却水の流量を調節する流量調節弁32を備え、流量調節弁32は、コンプレッサ22の出口の吸気の温度が冷却水の温度よりも低くなる状態におけるコンプレッサ22の内部に流れる冷却水の流量を、コンプレッサ22の出口の吸気の温度が冷却水の温度以上になる状態におけるコンプレッサ22の内部に流れる冷却水の流量よりも少なくする構成である。【選択図】図1

Description

本発明は、冷却機構に関し、より詳細には、内燃機関の冷却水でコンプレッサを冷却する冷却機構に関する。
内燃機関の冷却水でコンプレッサを冷却する冷却機構が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の発明は、コンプレッサを通過後の吸気の温度が閾値よりも低く、冷却水の温度がその吸気の温度よりも高い場合に、冷却水の温度がその吸気の温度以下のときよりも冷却水の流量を多くしている。つまり、特許文献1に記載の発明は、冷却水により吸気の温度を上昇させることを目的としたものである。
特開2017-218997号公報
ところで、特許文献1に記載の発明のように過給器を冷却水で冷却する構成では、冷却水により吸気の温度が上昇して、吸気の体積が膨張する場合がある。このような吸気の体積の膨張は、気筒に導入される空気量が減少することで燃焼が悪化し、燃費が悪化する要因となっている。それ故、特許文献1に記載の発明では、コンプレッサを通過後の吸気の温度が閾値よりも低い場合の燃費が悪化していた。
本開示の目的は、内燃機関の冷却水でコンプレッサを冷却する構造において、燃費の悪化を抑制する冷却機構を提供することである。
上記の目的を達成する本発明の一態様の冷却機構は、内燃機関の冷却回路と、その冷却回路から分岐して、前記内燃機関の吸気を過給するコンプレッサの内部を経由した後に前記冷却回路に合流するコンプレッサ用冷却通路と、を備えた冷却機構において、前記コンプレッサは排気により駆動するタービンに連動して駆動する構成であり、前記コンプレッサの内部に流れる冷却水の流量を調節する流量調節弁を備え、前記流量調節弁は、前記コンプレッサの出口の吸気の温度が冷却水の温度よりも低くなる状態における前記コンプレッサの内部に流れる冷却水の流量を、前記コンプレッサの出口の吸気の温度が冷却水の温度以上になる状態における前記コンプレッサの内部に流れる冷却水の流量よりも少なくする構成であることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、コンプレッサの出口の吸気の温度が冷却水の温度よりも低い状態におけるコンプレッサの内部を流れる冷却水の流量を低減することで、冷却水により吸気の温度が上昇することに伴って吸気の体積が膨張することを抑制することができる。これにより、気筒に導入される空気量の確保には有利になり、燃費の悪化を回避することができる。
第一実施形態の冷却機構を例示する構成図である。 図1のコンプレッサの出口の吸気の目標圧力および実際の圧力の差圧と可変翼およびウェストゲートバルブの開度の制御値との相関を例示する相関図である。 図1の可変翼の開度と流量調節弁の開度との相関を例示する相関図である。 図1のコンプレッサの出口の吸気の圧力および温度の相関を例示する相関図である。 第二実施形態の冷却機構を例示する構成図である。 図5のウェストゲートバルブの開度と流量調節弁の開度との相関を例示する相関図である。 図5のコンプレッサの出口の吸気の圧力および温度の相関を例示する相関図である。 第三実施形態の冷却機構を例示する構成図である。
以下に、本開示における冷却機構内燃機関の実施形態について説明する。図1、図5、図8において、一点鎖線は信号線を示し、白抜き矢印はガス(吸気、排気)の流れを示し、塗り潰し矢印は冷却水の流れを示す。なお、それらの図では、構成が分かり易いように冷却水やガスの流路の配置を変化させており、必ずしも実際に製造するものとは一致させていない。また、それらの図の煩雑さを回避するために図示する気筒2は一つのみとする。
図1に例示するように、第一実施形態の冷却機構10は軽油を燃料とするディーゼルエンジンである内燃機関1を冷却する機構である。内燃機関1は気筒2の内部のピストン3の往復直線運動により動力を得る機関であり、ターボチャージャ20を備える。内燃機関1は一気筒のみではなく図示しない他の気筒を有する多気筒エンジンである。なお、内燃機関1の燃料は軽油に限定されるものではなく、ガソリンや液化ガスでもよい。また、内燃機関1の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。
ターボチャージャ20は、排気通路4に配置されたタービン21と、吸気通路5に配置されたコンプレッサ22と、タービン21およびコンプレッサ22を連動させる回転軸を支持する軸受23と、を備えて構成される。ターボチャージャ20は、排気バルブ6から排気通路4に排出された排気によりタービン21が回転し、そのタービン21の回転動力によりコンプレッサ22を回転駆動し、コンプレッサ22により吸気バルブ7から気筒2に導入される吸気を過給する構成である。
タービン21は可変翼24とウェストゲートバルブ25とを有する。タービン21は可変翼24によりタービンハウジングの排気流路の開口面積を変化させて、排気流路を流れる排気の流速を調節してタービンブレード26の回転を調節する構成である。また、タービン21はウェストゲートバルブ25がタービンハウジングに流入する排気の流量を変化させて、タービンブレード26の回転を調節する構成である。
コンプレッサ22はタービンブレード26の回転に連動して回転する。コンプレッサ22は後述する冷却機構10の冷却水により冷却される水冷式のコンプレッサである。軸受23はタービン21およびコンプレッサ22の回転軸を支持する。軸受23もコンプレッサ22と同様に後述する冷却機構10の冷却水により冷却される水冷式の軸受である。
可変翼24はタービンハウジングの内部の排気流路に配置されて、駆動装置27aにより駆動する。可変翼24は、コンプレッサ22の出口の吸気の圧力Pxが所望する目標圧力よりも低い場合に駆動装置27aにより全閉の側に閉じて、排気流路の開口面積を小さくする。また、可変翼24は、圧力Pxが目標圧力よりも高い場合に駆動装置27aにより全開の側に開いて、排気流路の開口面積を大きくする。
ウェストゲートバルブ25はタービン21を迂回するタービン用迂回通路4aに配置されて、駆動装置27bにより駆動する。ウェストゲートバルブ25は、コンプレッサ22の出口の吸気の圧力Pxが所望する目標圧力よりも低い場合に駆動装置27bにより全閉の側に閉じて、タービン21に流入する排気の流量を大きくする。また、ウェストゲートバルブ25は、コンプレッサ22の出口の吸気の圧力Pxが目標圧力よりも高い場合に駆動装置27bにより全開の側に開いて、タービン21に流入する排気の流量を小さくする。ウェストゲートバルブ25としてはタービン21の内部に設置される内蔵型と本実施形態のように外部に設置される外付け型とが例示される。
本開示において、所望する目標圧力とは後述する噴射制御装置40が内燃機関1のクランク軸8の回転速度と図示しないアクセルペダルの踏み込み量に基づいて算出する値である。また、全閉の側は全開を基準とし、全開の側は全閉を基準とする。つまり、全開から全閉の側の開度とは全開以外の開度を示し、全閉から全開側の開度とは全閉以外に開度を示す。
駆動装置27a、27bのそれぞれは制御装置28に電気的に接続され、圧力取得装置である圧力センサ29が取得した圧力Pxに基づいて制御装置28によりその駆動が制御される。駆動装置27a、27bとしては、電気式アクチュエータ、油圧式アクチュエータ、あるいは、空気圧式アクチュエータが例示され、可変翼24やウェストゲートバルブ25を駆動可能な構成であれば特に限定されるものではない。
制御装置28は各種情報処理を行う中央演算装置(CPU)、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置28は、各駆動装置27a、27bと圧力センサ29と燃料噴射装置9を制御する噴射制御装置40とに電気的に接続されている。
制御装置28は、噴射制御装置40から得た内燃機関1の排気状態および目標圧力と圧力センサ29が取得した圧力Pxとに基づいて、可変翼24およびウェストゲートバルブ25の駆動を制御する機能要素を有する。機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。なお、機能要素としては、プログラムの他にそれぞれが独立して機能するプログラマブルコントローラ(PLC)や電気回路で構成されてもよい。
本開示において、内燃機関1の排気状態は排気バルブ6から排気通路4に排出される排気の体積流量の大小に応じたものであり、排気の体積流量が小さい小流量状態と排気の体積流量が大きい大流量状態とに区分される。小流量状態と大流量状態との区分は予め実験、試験、あるいはシミュレーションにより求めた排気の体積流量に基づいて任意に設定可能である。
図2に例示するように、可変翼24の現在の開度に対する増減を示す制御値は差圧ΔPに対して正の相関があり、ウェストゲートバルブ25の現在の開度に対する増減を示す生後値は差圧ΔPに対して負の相関がある。制御装置28は、内燃機関1の運転状態が小流量状態の場合に、ウェストゲートバルブ25を全閉に閉じ、目標圧力から圧力Pxを減算した差圧ΔPに基づいた制御値により可変翼24の開度を調節する。また、制御装置28は、内燃機関1の運転状態が大流量状態の場合に、可変翼24を全開に開き、目標圧力から圧力Pxを減算した差圧ΔPに基づいた制御値によりウェストゲートバルブ25の開度を調節する。本開示において、それぞれの開度は全開の側に開く場合を正とし、全閉の側に閉じる場合を負とし、全開を100%とし、全閉を0%とする。
図1に例示するように、冷却機構10は、内燃機関1を冷却水により冷却する機構であり、冷却回路11とコンプレッサ用冷却通路30と軸受用冷却通路31と流量調節弁32とを備えて構成される。冷却回路11は、共有通路12、冷却通路13、迂回通路14、および、サーモスタット15を備える循環回路であり、共有通路12に冷却水用ポンプ16およびウォータジャケット17が配置され、冷却通路13にラジエータ18が配置される。冷却機構10は、冷却水が共有通路12を通過後にサーモスタット15により冷却通路13および迂回通路14の少なくとも一方の通路に流れて、再び共有通路12へ循環するように構成される。
冷却水用ポンプ16は冷却水を吐出して冷却水を循環させるポンプである。冷却水用ポンプ16は電動式ウォータポンプや動力伝達機構によりクランク軸8に連結された機械式ウォータポンプが例示される。ウォータジャケット17は気筒2の周囲に設けられた冷却水の通路であり、その通路が複数の気筒2を取り巻くように形成されている。
サーモスタット15は冷却通路13および迂回通路14の分岐点に配置される。サーモスタット15は、冷却水の温度上昇に伴って膨張し、冷却水の温度低下に伴って収縮する性質を有する熱膨張体により伸縮動作するリフタ(図示しない)を有する。サーモスタット15は、冷却水の温度に応じて冷却通路13および迂回通路14に流れる冷却水の流量を調節可能な構成であればよく、開度を制御可能な三方弁で構成されてもよい。
ラジエータ18は内燃機関1が搭載された車両の前方側(図1の左側)に配置されて、その後方の側には冷却ファン19が配置される。ラジエータ18は車速風と後続の冷却ファン19による冷却風とを利用して内部を通過する冷却水を冷却する熱交換器である。冷却通路13はその中途位置にラジエータ18が設けられて冷却水がラジエータ18により冷却される流路である。迂回通路14は冷却通路13を迂回して冷却水がラジエータ18により冷却されない流路である。
コンプレッサ用冷却通路30は冷却回路11から分岐してコンプレッサ22の内部を経由した後に冷却回路11に合流する通路である。本実施形態のコンプレッサ用冷却通路30は、冷却水の流れに関して冷却水用ポンプ16よりも下流の側で、かつ、ウォータジャケット17よりも上流の側の共有通路12から分岐し、ウォータジャケット17よりも下流の側の共有通路12に合流する。コンプレッサ用冷却通路30は、冷却水の流れに関してウォータジャケット17よりも下流の側の共有通路12から分岐し、共有通路12との分岐点よりも下流の側の共有通路12に合流する構成でもよい。
軸受用冷却通路31は、コンプレッサ用冷却通路30における冷却水の流れに関してコンプレッサ22よりも上流の側のコンプレッサ用冷却通路30から分岐して、軸受23の内部を経由した後にコンプレッサ22よりも下流の側のコンプレッサ用冷却通路30に合流する通路である。
流量調節弁32はコンプレッサ22の内部を流れる冷却水の流量を調節する装置である。流量調節弁32は冷却水の流れに関してコンプレッサ22よりも上流の側で、かつ、軸受用冷却通路31の下流の側のコンプレッサ用冷却通路30に配置される。流量調節弁32は開度自在の弁で構成され、コンプレッサ用冷却通路30の流通面積を拡縮可能な構成である。流量調節弁32としては、グローブ弁、ゲート便、バタフライ弁が例示される。流量調節弁32はリンク部材33を介して可変翼24を駆動する駆動装置27aに機械的に連結されて、駆動装置27aの駆動に連動して駆動する。
図3に例示するように、流量調節弁32の開度は可変翼24の開度に対して正の相関がある。流量調節弁32の開度は可変翼24の開度が全開になると全開になり、可変翼24の開度が全閉になると全閉となる。
図4に例示するように、コンプレッサ22の出口の吸気の圧力Pxと温度Txとは正の相関があり、吸気の圧力Pxが高くになるにつれて温度Txが高くなる。下限温度Taおよび上限温度Tbは、内燃機関1の運転状態が冷間状態である場合を除いて、冷却回路11、コンプレッサ用冷却通路30、および、軸受用冷却通路31を流れる冷却水の温度の変位の下限および上限を示す。下限圧力Paは下限温度Taに対応し、上限圧力Pbは上限温度Tbに対応する。図中の斜線部分は内燃機関1の運転状態が小流量状態であることを示す。なお、図4においては、可変翼24が全開であり、ウェストゲートバルブ25が全閉であるものとする。また、冷間状態とは、内燃機関1の各部の温度が雰囲気温度と同等の温度、あるいは雰囲気温度よりも低い温度の状態を示す。
内燃機関1の運転状態が小流量状態の場合に、制御装置28はウェストゲートバルブ25を全閉に閉じ、差圧ΔPに基づいた制御値により可変翼24の開度を調節する。仮に目標圧力を上限圧力Pbとすると、可変翼24はコンプレッサ22の出口の吸気の圧力Pxが上限圧力Pbになるまで全開から全閉の側に閉じた開度になり、吸気の圧力Pxが上限圧力Pbに達すると全開になる。
流量調節弁32は、可変翼24の動きに連動し、吸気の圧力Pxが上限圧力Pbになるまで全開から全閉の側に閉じた開度になり、吸気の圧力Pxが上限圧力Pbに達すると全開になる。これにより、コンプレッサ22の出口の吸気の温度Txが冷却水の上限温度Tbよりも低くなる場合にコンプレッサ22の内部を流れる冷却水の流量が減少する。
図5に例示するように、第二実施形態の冷却機構10は第一実施形態に対して流量調節弁32がリンク部材34を介してウェストゲートバルブ25を駆動する駆動装置27bに機械的に連結されて、駆動装置27bの駆動に連動して駆動する点が異なる。
図6に例示するように、流量調節弁32の開度はウェストゲートバルブ25の開度に対して正の相関がある。流量調節弁32の開度はウェストゲートバルブ25の開度が全開になると全開になり、ウェストゲートバルブ25の開度が全閉になると全閉となる。
図7に例示するように、図中の斜線部分は内燃機関1の運転状態が大流量状態であることを示す。なお、図7においては、可変翼24が全開であり、ウェストゲートバルブ25が全閉であるものとする。
内燃機関1の運転状態が大流量状態の場合に、制御装置28は可変翼24を全開に開き、差圧ΔPに基づいた制御値によりウェストゲートバルブ25の開度を調節する。仮に目標圧力を上限圧力Pbとすると、ウェストゲートバルブ25はコンプレッサ22の出口の吸気の圧力Pxが上限圧力Pbになるまで全閉になり、吸気の圧力Pxが上限圧力Pb以上になると全閉から全開の側の開度になる。
流量調節弁32は、ウェストゲートバルブ25の動きに連動し、吸気の圧力Pxが上限圧力Pbになるまで全閉になり、吸気の圧力Pxが上限圧力Pb以上になると全閉から全開の側の開度になる。これにより、コンプレッサ22の出口の吸気の温度Txが冷却水の上限温度Tbよりも低くなる場合にコンプレッサ22の内部を流れる冷却水の流量が減少する。
図8に例示するように、第三実施形態の冷却機構10は第一実施形態および第二実施形態に対して、制御装置28が流量調節弁32を制御する点が異なる。
制御装置28は、図4または図7に例示した下限温度Taに対応する下限圧力Pa、または、上限温度Tbに対応する上限圧力Pbのどちらか一方の圧力を圧力閾値として有する。制御装置28は圧力センサ29が取得した圧力Pxがその圧力閾値よりも低いか否かを判定する。次いで、制御装置28は、圧力Pxが圧力閾値よりも低いと判定すると流量調節弁32によりコンプレッサ22の内部の冷却水の流量を少なくし、圧力Pxが圧力閾値以上と判定すると流量調節弁32によりコンプレッサ22の内部の冷却水の流量を少ない状態から戻す制御を行う。これにより、コンプレッサ22の出口の吸気の温度Txが冷却水の上限温度Tbよりも低くなる場合にコンプレッサ22の内部を流れる冷却水の流量が減少する。
以上のように、本開示の冷却機構10は、冷却水によりコンプレッサ22を冷却する構造において、コンプレッサ22の出口の吸気の温度Txが冷却水の上限温度Tbよりも低い状態におけるコンプレッサ22の内部を流れる冷却水の流量を低減する。それ故、この冷却機構10によれば、冷却水により吸気の温度Txが上昇して吸気の体積が膨張することを抑制することができる。これにより、気筒2に導入される空気量の確保には有利になり、燃費の悪化を回避することができる。
本開示の冷却機構10の流量調節弁32は、第一実施形態や第二実施形態のように可変翼24やウェストゲートバルブ25の駆動装置27a、27bに機械的に連動させてもよく、第三実施形態のようにコンプレッサ22の出口の吸気の圧力Pxに基づいて制御装置28により制御されてもよい。また、この流量調節弁32は、図2に示した差圧ΔPと制御値との相関を用いて、可変翼24またはウェストゲートバルブ25に連動させるように制御装置28により制御されてもよい。
第一実施形態および第二実施形態のように、流量調節弁32が駆動装置27a、27bに機械的に連結されて、可変翼24またはウェストゲートバルブ25の駆動に直にリンクすることで、制御に関する時間遅れを回避するには有利になり、応答性に優れた機構となる。
なお、流量調節弁32が駆動装置27aに機械的に連結される場合に、可変翼24が全開から全閉の側の開度に駆動する小流量状態はコンプレッサ22の出口の吸気の温度Txが冷却水の上限温度Tbよりも低くなる状態であることが望ましいが、それよりも狭い範囲の状態でもよい。例えば、小流量状態は温度Txが下限温度Taの近傍の温度よりも低くなる状態としてもよい。流量調節弁32が駆動装置27bに機械的に連結される場合に、ウェストゲートバルブ25が全閉から全開の側の開度に駆動する大流量状態はコンプレッサ22の出口の吸気の温度Txが冷却水の上限温度Tb以上となる状態であることが望ましいが、それよりも広い範囲の状態を含んでもよい。例えば、大流量状態は温度Txが下限温度Taの近傍の温度以上になる状態としてもよい。
本開示の冷却機構10は軸受用冷却通路31がコンプレッサ用冷却通路30から分岐する構成である。これにより、コンプレッサ22の内部を流れる冷却水の流量を少なくした場合でも、軸受用冷却通路31に流れる冷却水の流量が少なくなる事態を回避するには有利になる。なお、本開示の冷却機構は、軸受用冷却通路31を省き、コンプレッサ22の内部の冷却流路と軸受23の内部の冷却流路を連通させる構成にしてもよい。
本開示の冷却機構10は、第一実施形態においてウェストゲートバルブ25およびタービン用迂回通路4aを省いた構成にしてもよく、第二実施形態において可変翼24を省いた構成にしてもよく、第三実施形態において可変翼24とウェストゲートバルブ25およびタービン用迂回通路4aとを省いた構成にしてもよい。
本開示の冷却機構10は流量調節弁32が全開と全閉との二つの状態のみのオンオフバルブで構成されてもよい。可変翼24に連動する場合に、オンオフバルブで構成された流量調節弁32は、可変翼24が全開となるまで全閉になり、可変翼24が全開となったときに全開になる。また、ウェストゲートバルブ25に連動する場合に、オンオフバルブで構成された流量調節弁32は、ウェストゲートバルブ25が全閉から全開の側に開くまで全閉になり、ウェストゲートバルブ25が全閉から全開の側に開き始めると全開になる。
1 内燃機関
10 冷却機構
11 冷却回路
20 ターボチャージャ
21 タービン
22 コンプレッサ
23 軸受
24 可変翼
25 ウェストゲートバルブ
30 コンプレッサ用冷却通路
31 軸受用冷却通路
32 流量調節弁
33、34 リンク部材

Claims (7)

  1. 内燃機関の冷却回路と、その冷却回路から分岐して、前記内燃機関の吸気を過給するコンプレッサの内部を経由した後に前記冷却回路に合流するコンプレッサ用冷却通路と、を備えた冷却機構において、
    前記コンプレッサは排気により駆動するタービンに連動して駆動する構成であり、
    前記コンプレッサの内部に流れる冷却水の流量を調節する流量調節弁を備え、
    前記流量調節弁は、前記コンプレッサの出口の吸気の温度が冷却水の温度よりも低くなる状態における前記コンプレッサの内部に流れる冷却水の流量を、前記コンプレッサの出口の吸気の温度が冷却水の温度以上になる状態における前記コンプレッサの内部に流れる冷却水の流量よりも少なくする構成であることを特徴とする冷却機構。
  2. 前記タービンは前記コンプレッサの出口の吸気の圧力を調節する可変翼を有して成り、前記可変翼は前記コンプレッサの出口の吸気の温度が冷却水の温度よりも低くなる状態における開度が全開から全閉の側の開度になり、前記流量調節弁は前記可変翼に連動して全開から全閉の側の開度になる構成である請求項1に記載の冷却機構。
  3. 前記流量調節弁と前記可変翼の駆動装置とを機械的に連結するリンク部材を備える請求項2に記載の冷却機構。
  4. 前記タービンは前記コンプレッサの出口の吸気の圧力を調節するウェストゲートバルブを有して成り、前記ウェストゲートバルブは前記コンプレッサの出口の吸気の温度が冷却水の温度よりも低くなる状態における開度が全開から全閉の側の開度になり、前記流量調節弁は前記ウェストゲートバルブに連動して全開から全閉の側の開度になる構成である請求項1に記載の冷却機構。
  5. 前記流量調節弁と前記ウェストゲートバルブの駆動装置とを機械的に連結するリンク部材を備える請求項4に記載の冷却機構。
  6. 前記コンプレッサの出口の吸気の圧力を取得する圧力取得装置と、前記流量調節弁を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記流量調節弁により、前記圧力取得装置が取得した前記出口の吸気の圧力が前記コンプレッサの出口の吸気の温度が冷却水の温度よりも低くなる状態を判定可能に設定され圧力閾値よりも低い場合における前記コンプレッサの内部に流れる冷却水の流量を、前記出口の吸気の圧力が前記圧力閾値以上になった場合における前記コンプレッサの内部に流れる冷却水の流量よりも少なくさせる制御を行う構成である請求項1に記載の冷却機構。
  7. 前記コンプレッサ用冷却通路から分岐して、前記コンプレッサの軸受の内部を経由した後に前記コンプレッサ用冷却通路に合流する軸受用冷却通路を備え、
    前記流量調節弁は、前記コンプレッサ用冷却通路および軸受用冷却通路の分岐に、あるいは、冷却水の流れに関してその分岐よりも下流の側の前記コンプレッサ用冷却通路に配置される請求項1~6のいずれか1項に記載の冷却機構。
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