JP4627432B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

過給機付き内燃機関の制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、過給機の駆動をアシスト(補助)するアシスト用モータとスロットル開度を電気的に制御する電子スロットルシステムを搭載した過給機付き内燃機関の制御装置に関する発明である。
近年、過給機(ターボチャージャ)を搭載した内燃機関においては、過渡時の過給圧応答性を向上させるために、過給機の駆動を電動モータ(アシスト用モータ)でアシストするようにしたものがある。このものでは、特許文献1(特開2001−193514号公報)に示すように、過渡時の目標過給圧の変化に対して実過給圧の応答遅れを抑制する向きに過給機の目標回転速度を補正して、その目標回転速度に応じてアシスト用モータの電流値を制御することで、過渡時の過給圧応答性を向上させるようにしたものがある。
特開2001−193514号公報(第3頁等)
しかしながら、上記特許文献1の技術では、過渡時の過給圧応答性を向上させるエネルギを専らアシスト用モータの動力に依存しているため、過渡時のアシスト用モータの消費電力量が増加して電源(バッテリ)に負担がかかりすぎるという欠点があった。
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、過給機の駆動をアシスト用モータでアシストするようにしたシステムにおいて、過渡時のアシスト用モータの消費電力量を低減させながら過給圧応答性を確保することができる過給機付き内燃機関の制御装置を提供することにある。
ところで、目標過給圧は、内燃機関の運転条件に応じて要求される吸入空気量(目標吸入空気量)を実現するように設定され、排気タービン回転速度が上昇するほど、過給圧が上昇し、過給圧が上昇するほど、吸入空気量が増加するという関係がある。更に、吸入空気量は、過給圧によって変化するほか、スロットル開度によっても変化し、スロットル開度が開くほど、吸入空気量が増加するという関係がある。また、スロットルバルブをモータ等のスロットルアクチュエータで駆動する電子スロットルシステムを搭載した車両では、スロットル開度を電気的に制御して吸入空気量を制御することが可能である。
これらの点に着目して、請求項1に係る発明は、内燃機関の運転条件に応じて要求される吸入空気量(目標吸入空気量)を実現するように目標過給圧又は目標排気タービン回転速度(以下これらを「過給目標値」と総称する)と目標スロットル開度を設定し、前記過給目標値が上昇する過渡時に、アシスト用モータを駆動して過給圧上昇をアシストすると共に、スロットル開度をその時点の運転条件に応じた通常の目標スロットル開度よりも開き側に制御し(以下この制御を「過渡時スロットル開き制御」という)、該過渡時スロットル開き制御を併用して前記要求される吸入空気量(目標吸入空気量)を実現するのに必要な過給圧をアシスト用目標過給圧として設定すると共に、排気タービンの上流側と下流側をバイパスさせる排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブ(以下「WGV」と表記する)の開度を制御するためのWGV用目標過給圧を設定し、該WGV用目標過給圧と実過給圧とに基づいてWGV開度を制御し、且つ、前記アシスト用目標過給圧に基づいて前記アシスト用モータの駆動による過給圧上昇アシスト量を制御することで、前記過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて前記アシスト用モータの駆動による過給圧上昇アシスト量を低下させるように該アシスト用モータの供給電力を制御する。
要するに、本発明は、過給目標値が上昇する過渡時に、過渡時スロットル開き制御によりスロットル開度を通常よりも大きく開いて吸入空気量を増加させ、その分、アシスト用モータの駆動による過給圧上昇アシスト量を従来より低下させるようにしたものである。これにより、過渡時のアシスト用モータの消費電力量を過渡時スロットル開き制御による吸入空気量増加分だけ低減させながら、過給圧応答性を確保することが可能となり、アシスト用モータの消費電力量低減と過給圧応答性向上とを両立させることができる。
この場合、請求項2のように、過給目標値が上昇する過渡時にスロットル開度を最大開度まで開いて過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分を最大にすることで、アシスト用モータの供給電力が最小となるように制御するようにすると良い。このように、過渡時スロットル開き制御によってスロットル開度を最大開度まで開けば、過渡時スロットル開き制御による吸入空気量増加効果を最大限高めてアシスト用モータの消費電力を最小とすることができる。
本発明を実施する場合は、請求項3のように、過給目標値が上昇する過渡時に過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて該過給目標値を低下させ、該過給目標値に基づいてアシスト用モータの供給電力を制御するようにしても良い。このようにすれば、過渡時でも、過給目標値に基づいてアシスト用モータの供給電力を制御することが可能となる。但し、本発明は、過給目標値が上昇する過渡時に、過渡時スロットル開き制御とは関係なく、運転条件に応じて過給目標値を設定して、この過給目標値に応じてアシスト用モータの供給電力(過給圧上昇アシスト量)のベース値を算出し、このベース値を過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて減量補正して最終的な供給電力(過給圧上昇アシスト量)を求めるようにしても良い。
また、請求項4のように、過給目標値が上昇する過渡時に、その時点の運転条件でアシスト用モータがオフされている場合の過給圧又は排気タービン回転速度を推定し、この推定値と、過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて低下させた過給目標値とに基づいてアシスト用モータの供給電力を制御するようにしても良い。これは、過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて低下させた過給目標値(目標過給圧又は目標排気タービン)と、アシスト用モータがオフされている場合の過給圧推定値又は排気タービン回転速度推定値との差分を求めれば、この差分からアシスト用モータの駆動による過給圧上昇アシスト量の目標値を求めることができるためである。
また、請求項5のように、アシスト用モータの供給電力を車両全体の電気負荷の電力消費量及び/又は電源となるバッテリの電圧に応じて設定されたガード値で制限するようにしても良い。このようにすれば、アシスト用モータの消費電力によってバッテリが放電過多の状態になることを回避することができ、バッテリを長持ちさせることができる
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図1に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン11の吸気管12(吸気通路)の最上流部には、エアクリーナ13が設けられ、このエアクリーナ13の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ14が設けられている。このエアフローメータ14の下流側には、後述する排気タービン式の過給機25のコンプレッサ27と、このコンプレッサ27で加圧された吸入空気を冷却するインタークーラー31が設けられている。このインタークーラー31の下流側には、モータ等のスロットルアクチュエータ40によって開度調節されるスロットルバルブ15と、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ16とが設けられ、スロットルバルブ15の上流側には、実過給圧(スロットル上流の吸気圧)を検出する過給圧センサ39と、スロットル上流吸気温を検出する吸気温センサ44が設けられている。
更に、スロットルバルブ15の下流側には、サージタンク17が設けられ、このサージタンク17には、吸気管圧力(スロットル下流の吸気圧)を検出する吸気管圧力センサ18が設けられている。また、サージタンク17には、エンジン11の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド19が設けられ、各気筒の吸気マニホールド19の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁20が取り付けられている。また、エンジン11のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ21が取り付けられ、各点火プラグ21の火花放電によって各気筒の混合気に着火される。
一方、エンジン11の排気管22(排気通路)には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ24が設けられ、この空燃比センサ24の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒23が設けられている。
このエンジン11には、排気タービン式の過給機25が搭載されている。この過給機25は、排気管22のうちの空燃比センサ24の上流側に排気タービン26が配置され、吸気管12のうちのエアフローメータ14とスロットルバルブ15との間にコンプレッサ27が配置されている。過給機25は、排気タービン26とコンプレッサ27とがタービン軸41を介して連結され、排出ガスの運動エネルギーで排気タービン26を回転駆動することでコンプレッサ27を回転駆動して吸入空気を過給するようになっている。更に、この過給機25のタービン軸41には、アシスト用モータ42のロータ43が嵌着され、このアシスト用モータ42の回転力によって過給機25の駆動がアシスト(補助)されるようになっている。
また、吸気管12には、スロットルバルブ15の上流側においてコンプレッサ27の上流側と下流側とをバイパスさせる吸気バイパス通路28が設けられ、この吸気バイパス通路28の途中に、吸気バイパス通路28を開閉するエアバイパスバルブ(以下「ABV」と表記する)29が設けられている。このABV29は、ABV用バキュームスイッチングバルブ30を制御することでABV29の開閉動作が制御されるようになっている。
一方、排気管22には、排気タービン26の上流側と下流側とをバイパスさせる排気バイパス通路32が設けられ、この排気バイパス通路32の途中に、排気バイパス通路32を開閉するウェイストゲートバルブ(以下「WGV」と表記する)33が設けられている。このWGV33は、WGV用バキュームスイッチングバルブ34を制御してダイヤフラム式のアクチュエータ35を制御することでWGV33の開度が制御されるようになっている。
また、エンジン11のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ36や、エンジン11のクランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ37が取り付けられている。このクランク角センサ37の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
また、吸気管12の最上流部には、吸入空気の温度(吸気温)を検出する吸気温センサ45が設けられている。その他、本制御システムでは、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ46や、大気圧を検出する大気圧センサ47が設けられている。
これら各種センサの出力は、エンジン制御回路(以下「ECU」と表記する)38に入力される。このECU38は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたROM(記憶媒体)に記憶された各種のエンジン制御ルーチンを実行することで、燃料噴射量や点火時期を制御する。
更に、このECU38は、図2に示す制御手法でスロットルアクチュエータ40とアシスト用モータ42を制御する制御手段として機能し、アクセル開度等のエンジン運転条件に応じて要求される吸入空気量(目標吸入空気量)を実現するように目標過給圧と目標スロットル開度を設定し、目標過給圧(目標吸入空気量)が上昇する過渡時に、アシスト用モータ42を駆動して過給圧上昇をアシストすると共に、スロットル開度をその時点の目標吸入空気量に応じた通常の目標スロットル開度よりも開き側に制御する過渡時スロットル開き制御を実施し、この過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じてアシスト用モータ42の駆動による過給圧上昇アシスト量を低下させるように該アシスト用モータ42の供給電力を制御する。
要するに、本実施例では、図3に示すように、目標過給圧(目標吸入空気量)が上昇する過渡時に、過渡時スロットル開き制御によりスロットル開度を通常よりも大きく開いて吸入空気量を増加させ、その分、アシスト用モータ42の駆動による過給圧上昇アシスト量を従来より低下させるものである。これにより、過渡時のアシスト用モータ42の消費電力量を過渡時スロットル開き制御による吸入空気量増加分だけ低減させながら、過給圧応答性を確保することが可能となり、アシスト用モータ42の消費電力量低減と過給圧応答性向上とを両立させることができる。
ECU38は、図2に示す各機能を図4乃至図7の各ルーチンによって実現する。以下、これら各ルーチンの処理内容を説明する。
[メインルーチン]
図4のメインルーチンは、エンジン運転中に所定周期で起動される。本ルーチンが起動されると、まずステップ101で、現在のアクセル開度等の運転条件に基づいて目標トルクをマップ等により算出した後、ステップ102に進み、目標トルクを実現するための目標吸入空気量をマップ等により算出する。この後、ステップ103に進み、後述する図5の目標スロットル開度演算ルーチンを実行して、目標吸入空気量を実現するための目標スロットル開度を算出する。
この後、ステップ104に進み、後述する図6の過給圧上昇アシスト量演算ルーチンを実行して、アシスト用モータ42の駆動による過給圧上昇アシスト量を算出する。この後、ステップ105に進み、後述する図7のWGV開度演算ルーチンを実行して、WGV用目標過給圧に応じたWGV開度(Duty)を算出する。
[目標スロットル開度演算ルーチン]
図5の目標スロットル開度演算ルーチンは、前記図4のメインルーチンのステップ103で実行されるサブルーチンであり、特許請求の範囲でいう目標値設定手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まずステップ201で、図8のマップを参照して、現在の目標吸入空気量とエンジン回転速度Neに応じた目標吸気管圧力(スロットル下流の吸気圧)を算出する。
この後、ステップ202に進み、図9のマップを参照して、現在の目標吸気管圧力とエンジン回転速度Neに応じた目標過給圧(スロットル上流の目標吸気圧)を算出する。この後、ステップ203に進み、目標スロットル開度を次のように設定する。目標過給圧(目標吸入空気量)が上昇する過渡時には、スロットル開度をその時点の目標吸入空気量に応じた通常の目標スロットル開度よりも開き側に制御する過渡時スロットル開き制御を実施するために、最初に目標スロットル開度を下記の[数1]式に従って算出した通常の目標スロットル開度より開側開度に設定し、実過給圧の上昇に伴って目標スロットル開度を当該開側開度からその時点の目標吸入空気量に応じた通常の目標スロットル開度まで低下させる。ここで、通常の目標スロットル開度は、過給圧センサ39で検出した実過給圧(スロットル上流の吸気圧)、目標吸気管圧力、吸気温センサ44で検出したスロットル上流吸気温、目標吸入空気量を用いて次式により算出される。
但し、本発明は、スロットル上流吸気温の代わりに、コンプレッサ27の上流の吸気温を使用しても良いし、また、サージタンク17内の吸気温を検出するセンサが設けられている場合には、サージタンク17内の吸気温を使用しても良い。
Figure 0004627432
尚、過渡時の目標スロットル開度の初期値を上記[数1]式から算出せずに、目標過給圧の上昇量(目標吸入空気量の増加量)に応じて別途設定値を設け、その設定値から通常の目標スロットル開度まで低下させるようにしても良い。
[過給圧上昇アシスト量演算ルーチン]
図6の過給圧上昇アシスト量演算ルーチンは、前記図4のメインルーチンのステップ104で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起動されると、まずステップ301で、図10のマップを参照して、現在の目標吸入空気量に応じたアシスト用目標過給圧(過渡時のアシスト用モータ42の制御に用いる目標過給圧)を算出する。この図10のマップは、スロットル開度の開き制御を併用して目標吸入空気量を実現可能な最小過給圧を“アシスト用目標過給圧”として算出するマップであり、スロットル開度の開き制御のみで目標吸入空気量を実現可能な領域では、アシスト用目標過給圧が大気圧付近に設定され、スロットル開度の開き制御のみでは目標吸入空気量を実現できない領域では、目標吸入空気量が増加するに従ってアシスト用目標過給圧(アシスト用モータ42の駆動による過給圧上昇アシスト量)が上昇するように設定されている。このアシスト用目標過給圧は、目標吸入空気量を実現する通常の目標過給圧よりも過渡時スロットル開き制御による吸入空気量増加分だけ低い過給圧に設定される。
この後、ステップ302に進み、図11のマップを参照して、現在のアシスト用目標過給圧に応じた目標排気タービン回転速度を算出する。この後、ステップ303に進み、図12のマップを参照して、現在の吸入空気量(計測値)とWGV開度(Duty)に基づいてアシスト用モータ42がオフされている場合の推定排気タービン回転速度を算出する。そして、次のステップ304で、図13のマップを参照して、目標排気タービン回転速度と推定排気タービン回転速度との差分に基づいて、アシスト用モータ42の駆動による過給圧上昇アシスト量(アシスト用モータ42の供給電力)を算出する。
この後、ステップ305に進み、車両全体の電気負荷の電力消費量及び/又は電源となるバッテリの電圧に応じて過給圧上昇アシスト量に対する上限ガード値を算出する。この後、ステップ306に進み、過給圧上昇アシスト量を上限ガード値でガード処理して最終的な過給圧上昇アシスト量を求める。すなわち、ステップ304で算出した過給圧上昇アシスト量が上限ガード値以下であれば、その過給圧上昇アシスト量をそのまま最終的な過給圧上昇アシスト量として設定し、ステップ304で算出した過給圧上昇アシスト量が上限ガード値を越えていれば、その上限ガード値を最終的な過給圧上昇アシスト量として設定する。
[WGV開度演算ルーチン]
図7のWGV開度演算ルーチンは、前記図4のメインルーチンのステップ105で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起動されると、まずステップ401で、現在の目標吸気管圧力とエンジン回転速度Neに応じたWGV用目標過給圧を算出する。この後、ステップ402に進み、WGV用目標過給圧と過給圧センサ39で検出した実過給圧とに基づいてWGV開度(Duty)をマップにより算出する。
以上説明した本実施例によれば、目標過給圧(目標吸入空気量)が上昇する過渡時に、アシスト用モータ42を駆動して過給圧上昇をアシストすると共に、スロットル開度をその時点の目標吸入空気量に応じた通常の目標スロットル開度よりも開き側に制御する過渡時スロットル開き制御を実施し、この過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じてアシスト用目標過給圧を目標吸入空気量に応じた通常の目標過給圧よりも低く設定して、アシスト用モータ42の駆動による過給圧上昇アシスト量を過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて低下させるようにしたので、過渡時のアシスト用モータ42の消費電力量を過渡時スロットル開き制御による吸入空気量増加分だけ低減させながら、過給圧応答性を確保することが可能となり、アシスト用モータ42の消費電力量低減と過給圧応答性向上とを両立させることができる。
また、過給目標値が上昇する過渡時にスロットル開度を最大開度まで開くように設定することで、過渡時スロットル開き制御による吸入空気量増加効果を最大限高めてアシスト用モータ42の消費電力を最小とすることもできる。
尚、本実施例では、目標吸入空気量を実現する通常の目標過給圧よりも過渡時スロットル開き制御による吸入空気量増加分だけ低く設定したアシスト用目標過給圧を用いて、アシスト用モータ42の駆動による過給圧上昇アシスト量(アシスト用モータ42の供給電力)を算出するようにしたが、本発明は、これに限定されず、例えば、過給目標値が上昇する過渡時に、過渡時スロットル開き制御とは関係なく、目標吸入空気量を実現する通常の目標過給圧に応じてアシスト用モータ42の供給電力(過給圧上昇アシスト量)のベース値を設定し、このベース値を過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて減量補正して最終的な供給電力(過給圧上昇アシスト量)を求めるようにしても良い。
また、本実施例では、目標吸入空気量を実現するように目標過給圧を設定するようにしたが、目標過給圧の代わりに目標排気タービン回転速度を設定するようにしても良い。
本発明の一実施例を示すエンジン制御システム全体の概略構成図である。 ECUの制御機能を説明するブロック図である。 過度時の制御例を説明するタイムチャートである。 メインルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 目標スロットル開度演算ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 過給圧上昇アシスト量演算ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 WGV開度演算ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 目標吸入空気量とエンジン回転速度Neに応じた目標吸気管圧力(スロットル下流の吸気圧)を算出するマップの一例を概念的に示す図である。 目標吸気管圧力とエンジン回転速度Neに応じた目標過給圧(スロットル上流の目標吸気圧)を算出するマップの一例を概念的に示す図である。 目標吸入空気量に応じたアシスト用目標過給圧を算出するマップの一例を概念的に示す図である。 アシスト用目標過給圧に応じた目標排気タービン回転速度を算出するマップの一例を概念的に示す図である。 吸入空気量(計測値)とWGV開度(Duty)に基づいてアシスト用モータがオフされている場合の推定排気タービン回転速度を算出するマップの一例を概念的に示す図である。 目標排気タービン回転速度と推定排気タービン回転速度との差分に基づいて過給圧上昇アシスト量(アシスト用モータの供給電力)を算出するマップの一例を概念的に示す図である。
符号の説明
11…エンジン(内燃機関)、12…吸気管(吸気通路)、14…エアフローメータ、15…スロットルバルブ、18…吸気管圧力センサ、20…燃料噴射弁、21…点火プラグ、22…排気管(排気通路)、24…空燃比センサ、25…過給機、26…排気タービン、27…コンプレッサ、28…吸気バイパス通路、29…ABV(エアバイパスバルブ)、32…排気バイパス通路、33…WGV(ウェイストゲートバルブ)、38…ECU(制御手段,目標値設定手段)、39…過給圧センサ、40…スロットルアクチュエータ、41…タービン軸、42…アシスト用モータ、43…ロータ、44…吸気温センサ、45…吸気温センサ、46…アクセル開度センサ、47…大気圧センサ

Claims (5)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気タービンによって吸気通路に設けられたコンプレッサを駆動して吸入空気を過給する過給機と、前記吸気通路に設けられたスロットルバルブを駆動するスロットルアクチュエータと、前記過給機の駆動をアシストするアシスト用モータと、前記スロットルアクチュエータ及び前記アシスト用モータを制御する制御手段とを備えた過給機付き内燃機関の制御装置において、
    内燃機関の運転条件に応じて要求される吸入空気量を実現するように前記過給機の目標過給圧又は目標排気タービン回転速度(以下これらを「過給目標値」と総称する)と目標スロットル開度を設定する目標値設定手段を備え、
    前記制御手段は、前記過給目標値が上昇する過渡時に前記アシスト用モータを駆動して過給圧上昇をアシストすると共に、スロットル開度をその時点の運転条件に応じた通常の目標スロットル開度よりも開き側に制御し(以下この制御を「過渡時スロットル開き制御」という)、該過渡時スロットル開き制御を併用して前記要求される吸入空気量を実現するのに必要な過給圧をアシスト用目標過給圧として設定すると共に、前記排気タービンの上流側と下流側をバイパスさせる排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブ(以下「WGV」と表記する)の開度を制御するためのWGV用目標過給圧を設定し、該WGV用目標過給圧と実過給圧とに基づいてWGV開度を制御し、且つ、前記アシスト用目標過給圧に基づいて前記アシスト用モータの駆動による過給圧上昇アシスト量を制御することで、前記過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて前記アシスト用モータの駆動による過給圧上昇アシスト量を低下させるように該アシスト用モータの供給電力を制御することを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
  2. 前記制御手段は、前記過給目標値が上昇する過渡時にスロットル開度を最大開度まで開いて前記過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分を最大にすることで、前記アシスト用モータの供給電力が最小となるように制御することを特徴とする請求項1に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  3. 前記制御手段は、前記過給目標値が上昇する過渡時に前記過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて該過給目標値を低下させ、該過給目標値に基づいて前記アシスト用モータの供給電力を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  4. 前記制御手段は、前記過給目標値が上昇する過渡時にその時点の運転条件で前記アシスト用モータがオフされている場合の過給圧又は排気タービン回転速度を推定し、この推定値と、前記過渡時スロットル開き制御による吸入空気量の増加分に応じて低下させた過給目標値とに基づいて前記アシスト用モータの供給電力を制御することを特徴とする請求項3に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  5. 前記制御手段は、前記アシスト用モータの供給電力を車両全体の電気負荷の電力消費量及び/又は電源となるバッテリの電圧に応じて設定されたガード値で制限することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
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