JP2024090954A - Diesel engine with separate chamber - Google Patents
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Abstract
【課題】噴孔とリセスとの関係に着目してのさらなる鋭意研究により、燃焼速度を速めるなどによって燃焼状態の改善を図り、燃費やスモークの改善が可能となるように、より改良された副室(IDI)式ディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】主燃焼室5と、主燃焼室5から偏心した箇所に設けられる副室6とが噴孔Hで連通し、ピストン8の天井壁8Aにおける噴孔Hから噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスRを形成し、噴孔Hは、本噴孔9と、燃焼流の流れ方向で本噴孔9の上流側左右に配置される一対の補助噴孔15,15とを有し、受止めリセスRは、その燃焼流の流れ方向Qで最上流側のリセス基端部20が補助噴孔15に対応した位置となるように形成され、受止めリセスRの平面視の形状は、燃焼流の流れ方向Qで下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定されている副室式ディーゼルエンジン。
【選択図】図2
[Problem] To provide an improved pre-combustion chamber (IDI) type diesel engine that improves the combustion state by increasing the combustion speed, etc., thereby enabling improvements in fuel efficiency and smoke, through further intensive research focusing on the relationship between the injection hole and the recess.
[Solution] A main combustion chamber 5 and an auxiliary chamber 6 located eccentrically from the main combustion chamber 5 are connected by a nozzle hole H, and a receiving recess R is formed at the point on the ceiling wall 8A of the piston 8 where the combustion flow ejected from the nozzle hole H is blown. The nozzle hole H has a main nozzle hole 9 and a pair of auxiliary nozzle holes 15, 15 arranged on the left and right upstream of the main nozzle hole 9 in the flow direction of the combustion flow. The receiving recess R is formed so that the base end 20 of the recess on the most upstream side in the flow direction Q of the combustion flow is located in a position corresponding to the auxiliary nozzle hole 15. A pre-chamber type diesel engine in which the shape of the receiving recess R in a plan view is set to a flared shape whose width increases toward the downstream side in the flow direction Q of the combustion flow.
[Selected figure] Figure 2
Description
本発明は、主燃焼室に噴孔を介して連なる副室が設けられた構造のディーゼルエンジン、即ち、副室式ディーゼルエンジンに関するものである。 The present invention relates to a diesel engine with a structure in which a pre-chamber is provided that is connected to the main combustion chamber via a nozzle hole, i.e., a pre-chamber type diesel engine.
主燃焼室(主室)の他に副燃焼室(副室)を設けた副室(IDI:Indirect Injection)式ディーゼルエンジンは、副室内に燃料を噴射して着火させ、副室の燃焼ガスが噴孔(絞り)を通じて主室内に噴出して燃焼が完了する、というものである。直噴(DI:Direct Injection)式ディーゼルエンジンは、「燃焼室表面積が大きくて絞り損失と熱損失が大きい」というIDIの弱点をカバーできる良さがあり、近年では多用されてきている。 Indirect injection (IDI) diesel engines have a pre-combustion chamber in addition to the main combustion chamber. Fuel is injected into the pre-combustion chamber, where it is ignited, and the combustion gas in the pre-combustion chamber is ejected into the main chamber through a nozzle (throttle) to complete the combustion. Direct injection (DI) diesel engines have the advantage of being able to cover the weakness of IDI engines, which have a large combustion chamber surface area, resulting in large throttling losses and heat losses, and have come to be used more frequently in recent years.
副室(IDI)式は、限られた副室内で燃料を噴射するので、火炎の流速を高くできて低圧の噴射弁でも確実に着火できる良さがある。また、副室内は空気量が少なく燃焼圧と燃焼温度が低いため、直噴(DI)式に比べて、ディーゼルノックが発生しづらく、NOx生成量が少ないという利点もある。従って、副室式は比較的低速型のエンジンに適したシステムであることから、農機や建機、発電機、或いは後進国向けの各種産業機器などにおいては、依然として重要な動力源である。 The pre-chamber (IDI) system has the advantage that the flame flow rate can be increased and ignition can be ensured even with a low-pressure injection valve because the fuel is injected within a limited pre-chamber. In addition, because the amount of air in the pre-chamber is small and the combustion pressure and temperature are low, there is also the advantage that diesel knock is less likely to occur and less NOx is produced than with the direct injection (DI) system. Therefore, the pre-chamber system is a system suitable for relatively low-speed engines, and it remains an important power source for agricultural and construction machinery, generators, and various industrial equipment for developing countries.
副室式ディーゼルエンジンにおいては、実質的に燃焼室となる副室での渦流を強めることや、副室から主燃焼室への火炎伝播速度を速めることが重要なポイントであると考えられる。特許文献1では、渦流を弱めることなく始動性の改善が可能となる技術が開示され、特許文献2は、ピストンの天井壁に設けられるリセスの構造工夫により、燃焼効率を向上させる技術を開示している。
In a pre-chamber diesel engine, it is considered important to strengthen the vortex in the pre-chamber, which is essentially the combustion chamber, and to increase the flame propagation speed from the pre-chamber to the main combustion chamber.
しかしながら、技術の進歩や環境的要因から、副室式においても、さらなる燃費向上やスモークの改善が求められてきている。 However, due to technological advances and environmental factors, there is a demand for further improvements in fuel efficiency and smoke reduction even in pre-chamber engines.
本発明の目的は、噴孔とリセスとの関係に着目してのさらなる鋭意研究により、燃焼速度を速めるなどによって燃焼状態の改善を図り、燃費やスモークの改善が可能となるように、より改良された副室(IDI)式ディーゼルエンジンを提供する点にある。 The object of the present invention is to provide an improved pre-combustion chamber (IDI) diesel engine that improves the combustion state by increasing the combustion speed, thereby improving fuel economy and smoke, through further intensive research focusing on the relationship between the nozzle hole and the recess.
本発明は、副室式ディーゼルエンジンにおいて、
主燃焼室と、前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられる副室とが噴孔を介して連通され、ピストンの天井壁における前記噴孔から前記主燃焼室へ噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスが形成され、
前記噴孔は、本噴孔と、前記燃焼流の流れ方向で前記本噴孔の上流側に離れて左右それぞれに配置される一対の補助噴孔とを有し、
前記受止めリセスは、その前記燃焼流の流れ方向で最上流側のリセス基端部が前記補助噴孔に対応した位置となるように形成されるとともに、前記受止めリセスの平面視の形状は、前記燃焼流の流れ方向で下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定されていることを特徴とする。
The present invention relates to a pre-combustion chamber type diesel engine,
A main combustion chamber and an auxiliary chamber provided at a position eccentric to the main combustion chamber are communicated through a nozzle hole, and a receiving recess is formed at a position on the ceiling wall of the piston where the combustion flow ejected from the nozzle hole into the main combustion chamber is blown,
the nozzle hole includes a main nozzle hole and a pair of auxiliary nozzle holes disposed on the left and right sides of the main nozzle hole and spaced apart from each other on the upstream side of the main nozzle hole in the flow direction of the combustion flow,
The receiving recess is formed so that its base end on the most upstream side in the flow direction of the combustion flow is located at a position corresponding to the auxiliary hole, and the shape of the receiving recess in a plan view is set to a flared shape whose width increases toward the downstream side in the flow direction of the combustion flow.
この場合、前記受止めリセスの平面視の形状は、前記補助噴孔に対応した位置を始端として前記燃焼流の流れ方向で下流側ほど横幅が大きくなる扇形に設定されていると好都合である。 In this case, it is advantageous if the shape of the receiving recess in plan view is set to a sector shape that starts at a position corresponding to the auxiliary nozzle hole and increases in width downstream in the flow direction of the combustion flow.
本発明に関して、上述した構成(手段)以外の特徴構成や手段ついては、特許請求の範囲における請求項3以降を参照のこと。
For features and means of the present invention other than those described above, please refer to
本発明によれば、平面視の形状が先拡がりの形状に形成された受止めリセスのリセス基端部が、補助噴孔に対応した位置に形成されているので、副室内の燃焼ガス(燃焼流)が主燃焼室へ流れ易くなる。 According to the present invention, the base end of the receiving recess, which is formed to have a flared shape in a plan view, is formed in a position corresponding to the auxiliary nozzle hole, making it easier for the combustion gas (combustion flow) in the auxiliary chamber to flow into the main combustion chamber.
即ち、補助噴孔から噴出される未燃ガスと受止めリセス内の空気とが混合されて燃焼が促進されるので、高温な燃焼ガスを素早く主燃焼室へ促せて、スモークの低減作用、燃焼改善(燃費向上)作用を得ることが可能になる。従って、スモーク低減、燃費向上の各種効果を奏することができる副室式ディーゼルエンジンが実現されている。 In other words, the unburned gas ejected from the auxiliary nozzle hole mixes with the air in the receiving recess to promote combustion, so the high-temperature combustion gas can be urged quickly into the main combustion chamber, reducing smoke and improving combustion (improving fuel efficiency). As a result, a pre-chamber diesel engine has been realized that can achieve the various effects of reducing smoke and improving fuel efficiency.
その結果、噴孔とリセスとの関係に着目してのさらなる鋭意研究により、燃焼速度を速めるなどによって燃焼状態の改善を図り、燃費やスモークの改善が可能となるように、より改良された副室(IDI)式ディーゼルエンジンを提供することができる。 As a result, through further intensive research focusing on the relationship between the nozzle hole and the recess, it will be possible to provide an improved pre-combustion chamber (IDI) diesel engine that improves the combustion state by increasing the combustion speed, thereby enabling improvements in fuel efficiency and smoke.
以下に、本発明による副室式ディーゼルエンジンの実施の形態を、農用トラクタなどに適用される産業用のディーゼルエンジンの場合について、図面を参照しながら説明する。図1は、インジェクタとグロープラグを含むようにシリンダヘッドを、その長手方向(気筒直列方向)に対して約25度傾いた線(面)で切った断面図に相当する。 Below, an embodiment of a pre-chamber diesel engine according to the present invention will be described with reference to the drawings, in the case of an industrial diesel engine used in agricultural tractors and the like. Figure 1 corresponds to a cross-sectional view of a cylinder head cut along a line (plane) inclined at about 25 degrees to its longitudinal direction (direction in which the cylinders are aligned in series) so as to include an injector and a glow plug.
図1に、副室式ディーゼルエンジンの一例である過流式の産業用ディーゼルエンジンの副室周辺部の断面図が示されている。1はシリンダブロック、2はシリンダヘッド、3はインジェクタ、4はグロープラグ、5は主燃焼室(主室)、6は副室(副燃焼室)、7は副室形成用の口金、8はピストン、8Pはピストン中心、Hは口金7に形成された噴孔、10はウォータジャケット(シリンダヘッド2の冷却水通路)である。
Figure 1 shows a cross-sectional view of the area surrounding the pre-chamber of a swirl-flow type industrial diesel engine, which is an example of a pre-chamber type diesel engine. 1 is the cylinder block, 2 is the cylinder head, 3 is the injector, 4 is the glow plug, 5 is the main combustion chamber (main chamber), 6 is the pre-chamber (pre-combustion chamber), 7 is a nozzle for forming the pre-chamber, 8 is the piston, 8P is the center of the piston, H is a nozzle formed in the
シリンダブロック1は、シリンダ(シリンダボア)1Bを形成するシリンダバレル(シリンダ壁)1Aを有し、シリンダ1Bにはピストン8が内嵌されている。シリンダブロック1の上面(符記省略)とシリンダヘッド2の底面2aとの間にはガスケット11が挟まれ(介装され)ている。なお、ピストン8の圧縮上死点(ほぼ図1に示される状態)においては、主燃焼室5の容積は0(ゼロ)に近付き、実質的に副室6が燃焼室になる。
The
シリンダヘッド2にはインジェクタ3が装備され、インジェクタ3の先端噴射部3aが副室6の上部に臨むように配置されている。副室6は、シリンダ1B内に形成される主燃焼室5に、その主燃焼室5の偏心箇所に設けられる噴孔Hを介して連通されている。噴孔Hは、本噴孔9と、燃焼流の流れ方向Q(孔心9P方向)で本噴孔9の上流側に離れて左右それぞれに配置される一対の補助噴孔15,15とを有して構成されている。
The
本噴孔9は、副室6の壁面(内周面)wの略接線方向で、かつ、主燃焼室5の中央部(ピストン軸心8P)に向かい、シリンダヘッド底面2a(この実施形態では水平線)に対して傾斜角θで傾いた孔心9Pを有する傾斜孔〔図2(A)も参照〕に形成されている。インジェクタ3は、先端噴射部3aからの噴射燃料が噴孔9に向かうように傾斜配置されている。なお、図2(A)では、ガスケット11(図1参照)の図示は省略してある。
The
図1、図2(A)に示されるように、シリンダヘッド2におけるピストン8の軸心8Pからシリンダ周壁側に偏心した位置に、シリンダ1Bに開口する状態の副室形成穴2Aが形成され、副室形成穴2Aには副室形成用の口金(チャンバー)7が収容されている。副室形成穴2Aは、シリンダヘッド2の主燃焼室5に臨むシリンダヘッド底面2aから上に向けて順に、大径の開口部12と、小径の胴部収容部13と、胴部収容部13よりも奥に位置する空洞部14とを有して構成されている。
As shown in Figures 1 and 2(A), an auxiliary
開口部12には、カップ状に形成された口金7の底部7Aが収容されている。胴部収容部13は、口金7の胴部7Bが収容される箇所であって開口部12よりも小径である。空洞部14は半球よりも少し大きい略半球形に凹んだ箇所に形成され、胴部収容部13とは段付き面(符記省略)で繋がる構成とされている。副室6は、その上下方向に延びる中心線(図示省略)が、ピストン8の外周端より若干ピストン軸心8Pに寄るように、シリンダ1Bに対して配置されている。
The
図1、図2(A)に示されるように、口金7は、円柱状の胴部7Bと底部7Aとを含んだ段付円柱状の金具で形成されている。底部7Aは胴部7Bの一端側を胴部7Bの外径よりも大径で周方向に張り出たフランジ状の部位であって平らな底面7aを有して形成されている。胴部7Bの他端側には、胴部7Bの上端面から半球よりも少し小さい略半球形の副室形成用凹部7Cが形成されている。
As shown in Figures 1 and 2 (A), the
球形(卵球形、まゆ形)の副室6は、空洞部14と副室形成用凹部7Cとで構成され、本噴孔9は、副室形成用凹部7Cと主燃焼室5とを連通させる部位として底部7Aから胴部7Bにかけて形成されている。つまり、シリンダヘッド2における主燃焼室5に隣り合う状態で副室形成穴2Aに嵌着される口金7には、副室6を形成するための副室形成用凹部7Cが形成される胴部7Bと、噴孔9とが形成されている。
The spherical (egg-spherical, cocoon-shaped)
図1~図2(A),(B)に示されるように、本噴孔9は、主噴孔9Aと、主噴孔9Aの両脇に配置される一対の副噴孔9B,9Bとが連なる三つ葉形状(複葉形状の一例)の孔に形成されている。つまり、滑らかに3つに分割された先端部を持ち、かつ、基端が丸められた扇形を呈する本噴孔9に形成されている(本噴孔9の三つ葉形状は、ハート形の膨らみ先端側の中央にもう1つ外に向けての膨らみを設けて、計3つの膨らみあるような形状を呈している)が、これには限らない。そして、一対の補助噴孔15,15が、燃焼流の流れ方向で本噴孔9の上流側に若干離れて左右それぞれに配置して設けられている。
As shown in Figures 1 to 2 (A) and (B), the
図2(B)は、平面視によるピストン8と底面視による口金7とを、燃焼流の流れ方向Q(孔心9P方向)で隣り合わせて描いたものであり、噴孔軸心である孔心9Pの左右に関しては、ピストン8と口金7とは互いに対応する位置関係にある。各補助噴孔15は、ピストン軸心8Pに沿う小円径の垂直孔に形成されており、一対の補助噴孔15,15どうしは、孔心9Pに対して対称となる位置関係にある。なお、本噴孔9から方向を変えられて主燃焼室5へと流れる燃焼流の流れ方向Q〔図2(A)を参照〕は、平面視では孔心9P方向と互いに同じ方向〔図2(B)を参照〕を向いている。
Figure 2(B) shows the
図2(B)に示されるように、口金7の底面7aに開口する本噴孔9は、孔心9Pに沿う方向である燃焼流の流れ方向Qの長さである前後長さ(全長)bよりも燃焼流の流れ方向Qに対する左右方向の長さである左右長さ(横幅)aが大きい(a>b)横長形状に形成されている。つまり、主噴孔9Aと一対の副噴孔9B,9Bとの並び方向の長さ(左右長さa)が、本噴孔9の(主噴孔9Aの)全長(孔心9P方向長さ:前後長さb)よりも長い本噴孔9に設定されている。
As shown in FIG. 2(B), the
図1及び図2(A),(B)に示されるように、ピストン8の天井壁8Aにおける本噴孔9から主燃焼室5へ噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスRが形成されるとともに、吸気弁リセス16及び排気弁リセス17が形成されている。図1において、18は吸気バルブ(図示省略)の軸部を通す軸孔、18Aはバルブ座、19はシール材である。また、本噴孔9の傾斜角θは、図1,2では45度に描かれているが、それ以外の角度や、或いは40~50度などの範囲であってもよい。
As shown in Figures 1 and 2(A) and (B), a receiving recess R is formed at the location on the
図2(B)に示されるように、受止めリセスRは、その燃焼流の流れ方向Qで最上流側のリセス基端部20が、一対の補助噴孔15,15に対応した位置となるように形成されるとともに、受止めリセスRの平面視の形状は、燃焼流の流れ方向Qで下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定されている。具体的には、受止めリセスRの平面視の形状は、各補助噴孔15,15に対応した位置を始端として燃焼流の流れ方向Qで下流側ほど横幅が大きくなる扇形に設定されている。
As shown in FIG. 2(B), the receiving recess R is formed so that its
平面視で扇形を呈する受止めリセスRは、小幅の基端縁20Aと、円弧状の外周縁22と、一側(左側)縁24、及び他側(右側)縁25を有している。一側縁24の先端側の大部分は、深さ関係によって排気弁リセス17に吸収されており、他側縁25の先端側及び外周縁22の他側縁25側部分は、深さ関係によって吸気弁リセス16に吸収されている〔図2(B)参照〕。
The receiving recess R, which is fan-shaped in plan view, has a
受止めリセスRは、図2(A)に示されるように、リセス基端部20の深さが最も深く、燃焼流の流れ方向Qで下流側に行くに従って深さが浅くなるように、側面視で滑らかな湾曲(又は小曲率)で下方に凸となるように凹む底面、或いは直線底面(符記省略)を有する不均一深さのリセスに形成されている。リセス基端部20の深さは、その基端縁20Aから滑らかにかつ急激に深くなり、すぐに、例えば補助噴孔15の直下部位で最大深さになる。また、基端縁20Aは、一対の補助噴孔15,15の下端開口(符記省略)が受止めリセスR内に位置されるように、比較的広い目の幅(左右長さ)が定められている。
As shown in FIG. 2(A), the receiving recess R is formed as a recess of non-uniform depth with a bottom surface that is smoothly curved (or has a small curvature) and convex downward in side view, or a straight bottom surface (notation omitted), so that the depth is greatest at the
そして、図2(B)に示されるように、受止めリセスRの燃焼流の流れ方向Qで中間箇所に排気弁リセス17の外周部が重なっており、かつ、受止めリセスRの燃焼流の流れ方向Qで下流側箇所に吸気弁リセス16の外周部が重なっている。吸気弁リセス16及び排気弁リセス17の深さは、受止めリセスRとの重なり部位においては受止めリセスRの深さより少し深いが、これには限らない。なお、図2(B)では、図面理解上、天井壁8Aに、補助噴孔15,15の平面視での位置を敢えて実線で示してある。
As shown in FIG. 2(B), the outer periphery of the
従来の扇形の受止めリセス23は、図2(B)に仮想線(想像線、二点破線)で示されるように、始端部の幅が狭い基尖り状の扇形であって始端部23a(図面上での理解をし易くするために、図1にも始端部23aの端縁ラインを実線で示す)の幅が極めて狭く、かつ、燃焼流の流れ方向Qでの始端位置は本噴孔9に対応したものであった。つまり、本発明による受止めリセスRは、従来の扇形の受止めリセス23の始端部23aの横幅を大きく拡大させ、かつ、始端位置を燃焼流の流れ方向Qで上流側に明確に寄せたものである。
As shown by the imaginary line (imaginary line, two-dot dashed line) in Figure 2 (B), the conventional sector-shaped
ここで、本噴孔9の縦横寸法比に関しては、本噴孔9の左右長さaと前後長さbとの長さ割合の範囲は、1.3b≦a≦1.6bであり、好ましくは1.4b≦a≦1.5bに設定される。図2(B)では、a=約1.46bで描かれている。また、リセス基端部20の幅(符記省略)と本噴孔9の左右長さaとの寸法比は任意である。なお、一対の補助噴孔15,15に対応するように、ごく浅い補助リセス21を、天井壁8Aにおけるリセス基端部20の位置(燃焼流の流れ方向Qで上流端部の位置)付近を中心とする円弧状のものとして設けてもよい。
Here, regarding the aspect ratio of the
平面視の形状が先拡がりの扇形に形成された受止めリセスRのリセス基端部20が、補助噴孔15,15に対応した位置に形成されているので、副室6内の燃焼ガス(燃焼流)が主燃焼室5へ流れ易くなる。つまり、補助噴孔15,15から噴出される未燃ガスと受止めリセスR内の空気とが混合されて燃焼が促進されるので、高温な燃焼ガスを素早く主燃焼室5へ促して、スモークの低減作用、燃焼改善(燃費向上)作用を得ることが可能になる。従って、スモーク低減、燃費向上の各種効果を奏することができる副室式ディーゼルエンジンが実現されている。
The
従来、噴孔として補助噴孔を有するものはあったが、その場合、補助噴孔から出た燃焼流はピストン8の天井壁8Aに当たっていたが、リセス基端部20を燃焼流の流れ方向Qで上流側に拡大させた本発明では、補助噴孔15,15から出た燃焼流はリセス基端部20に沿って円滑に主燃焼室5内を流れる利点がある。
Conventionally, there have been nozzles that have auxiliary nozzle holes, but in those cases, the combustion flow from the auxiliary nozzle holes hits the
〔別実施形態〕
本噴孔9の形状は、楕円形などを呈する単孔や、ハート形などの二つ葉形状(複葉形状)を呈するものなど、種々の変更設定が可能である。また、補助噴孔15の配置位置や個数などは、図2などに図示された以外のものでも可である。
[Another embodiment]
The shape of the
5 主燃焼室
6 副室
8 ピストン
8A 天井壁
9 本噴孔
9A 主噴孔
9B 副噴孔
15 補助噴孔
16 吸気弁リセス
17 排気弁リセス
20 リセス基端部(受止めリセスの燃焼流の流れ方向で最上流側)
H 噴孔
Q 燃焼流の流れ方向
R 受止めリセス
5
H: nozzle hole Q: flow direction of combustion flow R: receiving recess
Claims (6)
前記噴孔は、本噴孔と、前記燃焼流の流れ方向で前記本噴孔の上流側に離れて左右それぞれに配置される一対の補助噴孔とを有し、
前記受止めリセスは、その前記燃焼流の流れ方向で最上流側のリセス基端部が前記補助噴孔に対応した位置となるように形成されるとともに、前記受止めリセスの平面視の形状は、前記燃焼流の流れ方向で下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定されている副室式ディーゼルエンジン。 A main combustion chamber and an auxiliary chamber provided at a position eccentric to the main combustion chamber are communicated through a nozzle hole, and a receiving recess is formed at a position on the ceiling wall of the piston where the combustion flow ejected from the nozzle hole into the main combustion chamber is blown,
the nozzle hole includes a main nozzle hole and a pair of auxiliary nozzle holes disposed on the left and right sides of the main nozzle hole and spaced apart from each other on the upstream side of the main nozzle hole in the flow direction of the combustion flow,
The receiving recess is formed so that its base end on the most upstream side in the flow direction of the combustion flow is located at a position corresponding to the auxiliary nozzle hole, and the shape of the receiving recess in a plan view is set to a flared shape whose width increases toward the downstream side in the flow direction of the combustion flow.
Publications (1)
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