JP4687548B2 - 内燃機関用排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排出ガスを触媒により浄化する内燃機関用排気浄化装置に関するものである。

従来の圧縮着火式内燃機関に用いられる排気浄化装置は、排出ガス中のＮＯｘを触媒により除去するようになっている。具体的には、触媒上流に配置された添加弁から還元用の燃料もしくはＮＯｘ還元剤（すなわち、液状の添加剤）を供給するとともに、還元用燃料もしくはＮＯｘ還元剤の気化促進のため、ターボ過給器にて過給された空気の一部を添加弁に向けて噴き付けるようにしている。また、ターボ過給圧が不足する際に備えて、過給された高圧空気を貯蔵するタンクを備えている（例えば、特許文献１参照）。
特開８−２０００４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化装置は、高圧空気を貯蔵するタンクを備えているため、装置が大型になり、車両搭載上不利である。

本発明は上記点に鑑みて、装置の大型化を回避しつつ、液状の添加剤の気化促進を図ることができるようにすることを目的とする。

本発明は、排出ガスを浄化する触媒（２３）に排出ガスの浄化作用を促す成分を含む液状の添加剤を供給する添加弁（２４）と、吸気通路（１１、１２）におけるターボ過給器（３１）のコンプレッサ（３１１）と吸気絞り弁（１３）との間から分岐されて吸入空気の一部を添加弁（２４）に向けて吐出させる空気供給通路（５１）とを備え、触媒（２３）の再生要と判定されたときに、コンプレッサ（３１１）と吸気絞り弁（１３）との間の圧力を上昇させるために吸気絞り弁（１３）を再生開始前よりも閉側に作動させることを特徴とする。

このようにすれば、触媒（２３）の再生中はターボ過給器（３１）のコンプレッサ（３１１）と吸気絞り弁（１３）との間は高圧が維持されるため、再生中は高圧空気を添加弁（２４）に向けて吐出させることができる。したがって、従来装置における高圧空気を貯蔵するタンクを廃止することができ、装置の大型化を回避しつつ、添加剤の気化促進を図ることができる。

この場合、触媒（２３）の再生要と判定されて添加弁（２４）から最初に添加剤が噴射されるよりも前に、吸気絞り弁（１３）を閉側に作動させることができる。

このようにすれば、添加弁（２４）から最初に添加剤が噴射される時点では、添加弁（２４）に向けて吐出される空気は高圧になっているため、添加弁（２４）から最初に添加剤が噴射される時点から添加剤を確実に気化させることができる。

また、添加弁（２４）から燃料を噴射させる場合、触媒雰囲気が触媒（２３）の再生に適した空燃比になるように、空気供給通路（５１）から吐出される吐出空気中の酸素量に基づいて添加弁（２４）から噴射される燃料の量を算出することができる。

このようにすれば、触媒雰囲気の空燃比を触媒（２３）の再生に適した空燃比に正確に制御することができる。これにより、過剰な燃料供給を防止しつつ、触媒（２３）の再生を適切に行うことができる。

また、触媒（２３）の再生を行っている際に内燃機関（１）への要求負荷が設定負荷以上になった場合には、空気供給通路（５１）を全閉にすることができる。

このようにすれば、内燃機関（１）への要求負荷が設定負荷以上になった場合に、内燃機関（１）への空気供給を優先して、内燃機関（１）に所定の出力を発生させることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図である。

図１に示す圧縮着火式内燃機関１は、車両の走行駆動源として用いられる。内燃機関１は、高圧燃料を蓄える１つのコモンレール（図示せず）と、このコモンレールに連結されて内燃機関１のシリンダ内に燃料を噴射する複数の燃料噴射弁（図示せず）を有している。

内燃機関１は、吸気通路を構成する吸気管１１および吸気マニホールド１２を備えている。吸気管１１には、吸気管１１を開閉する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３は、吸気管１１の通路面積を調整する弁体１３１と、この弁体１３１を駆動する電動機１３２とを備えている。

内燃機関１は、排気通路を構成する排気マニホールド２１および排気管２２を備えている。排気管２２には、排出ガス中のＮＯｘを浄化する触媒２３が設置されている。本実施形態で用いる触媒２３は、ＬＮＴ（リーンＮＯｘ触媒）である。

内燃機関１は、吸入空気を加圧するターボ過給器３１を備えている。吸気管１１における吸気絞り弁１３の上流側に、ターボ過給機３１のコンプレッサ３１１が配置され、排気管２２における触媒２３の上流側に、ターボ過給機３１のタービン３１２が配置され、コンプレッサ３１１とタービン３１２はタービン軸を介して連結されている。これにより、排出ガスの熱エネルギーを利用してタービン３１２を駆動するとともに、タービン軸を介してコンプレッサ３１１を駆動し、吸気管１１に導入される吸入空気をコンプレッサ３１１で加圧する。

コンプレッサ３１１よりも下流側で且つ吸気絞り弁１３よりも上流側の吸気管１１には、コンプレッサ３１１で圧縮されて高温となった吸気を冷却するインタークーラ１４が設けられている。

排気マニホールド２１は、ＥＧＲ通路４１によって吸気管１１または吸気マニホールド１２と連結されており、排出ガスの一部がＥＧＲ通路４１を介して吸気系に戻されるようになっている。ＥＧＲ通路４１と吸気系との連結部にはＥＧＲバルブ４２が設けられ、ＥＧＲバルブ４２によってＥＧＲ通路４１の通路面積が調整されて吸気系へ還流される排出ガスの量が調整されるようになっている。また、ＥＧＲ通路４１の途中には、還流される排出ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３が設けられている。

タービン３１２よりも下流側で且つ触媒２３よりも上流側の排気管２２には、排気管２２中に燃料を噴射して触媒２３に還元用の燃料を供給する添加弁２４が設けられている。この添加弁２４は、噴孔を開閉するニードルを、電磁ソレノイドによって駆動する形式の弁である。

吸気管１１におけるコンプレッサ３１１とインタークーラ１４との間から分岐された空気供給通路５１は、添加弁２４の上流側近傍にて排気管２２に接続されている。そして、ターボ過給器３１により加圧されて高温高圧になった空気が、空気供給通路５１を介して添加弁２４の噴孔に向けて吐出されるようになっている。

空気供給通路５１中には遮断弁５２が設けられている。この遮断弁５２は、空気供給通路５１を開閉する弁体５２１と、この弁体５２１を駆動する電動機または電磁ソレノイド等の駆動部５２２とを備えている。

コンプレッサ３１１よりも上流側の吸気管１１には、吸気流量に応じた電気信号を出力するエアフロメータ６１が設置されている。

コンプレッサ３１１よりも下流側で且つインタークーラ１４よりも上流側の吸気管１１には、その部位の吸入空気の温度に応じた電気信号を出力する空気温度センサ６２と、その部位の圧力に応じた電気信号を出力する圧力センサ６３が設けられている。

排気管２２における触媒２３の下流側には、触媒２３を通過したガスの空燃比に応じた電気信号を出力する空燃比センサ６４が設置されている。

排気管２２における触媒２３の下流側には、触媒２３を通過するガスの空燃比に応じた電気信号を出力する空燃比センサ６５が設置されている。

さらに、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下、アクセル開度という）θａに応じた電気信号を出力するアクセルセンサ６５を備えている。

ＥＣＵ７０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。

そして、ＥＣＵ７０には、エアフロメータ６１、空気温度センサ６２、圧力センサ６３、空燃比センサ６４およびアクセルセンサ６５からの信号が入力され、さらに、吸気絞り弁１３の開度、ＥＧＲバルブ４２の開度、内燃機関回転数、車速、冷却水温、クランク位置、燃料圧等を検出する各種センサ（図示せず）から信号が入力されるようになっている。また、ＥＣＵ７０は、演算結果に基づいて、吸気絞り弁１３、ＥＧＲバルブ４２、添加弁２４、遮断弁５２等を制御する。

図２はＥＣＵ７０で実行される触媒再生制御処理を示す流れ図、図３は触媒再生制御時のタイムチャートである。この制御処理は、キースイッチの操作によりＥＣＵ７０に電源が投入されると開始される。

図２に示すように、まずステップＳ１０１では、触媒２３に吸蔵された現在のＮＯｘ量を算出する。具体的には、吸蔵ＮＯｘ量を前回求めてから現在までのＮＯｘ排出量（すなわち、吸蔵ＮＯｘ量の増加分に相当）を、アクセルセンサ６５で検出したアクセル開度θａおよび内燃機関回転数に基づいて、ＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶されたマップから求める。そして、そのマップから求めたＮＯｘ排出量を前回求めた吸蔵ＮＯｘ量に加算して、現在の吸蔵ＮＯｘ量を算出する。

次いで、再生要否判定手段としてのステップＳ１０２では、触媒２３の再生要否を判定する。具体的には、ステップＳ１０１で求めた現在の吸蔵ＮＯｘ量が所定吸蔵量Ｑ１未満の場合には、現時点では触媒２３の再生を行う必要はないと判定（ステップＳ１０２でＮＯと判定）し、ステップＳ１０２でＹＥＳと判定するまではステップＳ１０１とステップＳ１０２の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１０１で求めた現在の吸蔵ＮＯｘ量が所定吸蔵量Ｑ１以上の場合には、触媒２３の再生を行う必要があると判定（ステップＳ１０２でＹＥＳと判定）し、ステップＳ１０３に進んで触媒２３の再生を開始する。

再生時絞り手段としてのステップＳ１０３では、吸気絞り弁１３を触媒２３の再生開始前よりも閉側に作動させる。このときの吸気絞り弁１３の目標開度は、アクセルセンサ６５で検出した再生開始前のアクセル開度θａおよび内燃機関回転数に基づいて、ＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶されたマップから求める。より詳細には、吸気絞り弁１３の目標開度は、アクセル開度θａが小さくなるほど小さくなり、また内燃機関回転数が低くなるほど小さくなる。このように、吸気絞り弁１３を閉側に作動させることにより、吸気管１１におけるコンプレッサ３１１と吸気絞り弁１３との間の空気の圧力（以下、絞り弁上流圧力という）が上昇する（図３参照）。

次いで、ステップＳ１０４では、内燃機関への要求負荷が設定負荷以上か否かを判定する。具体的には、アクセルセンサ６５で検出したアクセル開度θａが所定開度θ１未満であれば高負荷ではないと判定（ステップＳ１０４でＮＯと判定）し、ステップＳ１０５に進む。

再生時空気制御手段としてのステップＳ１０５では、遮断弁５２を開弁させて、空気供給通路５１を介して添加弁２４の噴孔に向けて空気を吐出させる。この際、図３に示すように、時刻ｔ１で吸気絞り弁１３を閉側に作動させてから時刻ｔ２で遮断弁５２を開弁させるまでにタイムラグを持たせることにより、絞り弁上流圧力が上昇して高圧になった空気が添加弁２４に向けて吐出されるようになっている。

次いで、図２に示すように、再生時燃料もしくはＮＯｘ還元剤制御手段としてのステップＳ１０６に進み、添加弁２４を開弁させて、より詳細には添加弁２４をデューティ制御して、排気管２２中に燃料を噴射させる。この際、図３に示すように、時刻ｔ２で遮断弁５２を開弁させてから時刻ｔ３で添加弁２４を開弁させるまでにタイムラグを持たせることにより、添加弁２４に向けて空気が吐出されている状態で、添加弁２４からの燃料が開始されるようになっている。

そして、添加弁２４から噴射される燃料は添加弁２４に向けて吐出される空気により気化が促進される。また、添加弁２４からの燃料噴射により、触媒２３に流入するガスの空燃比が低くなり、触媒２３の再生に適したリッチな空燃比になり、触媒２３に吸蔵されていたＮＯｘの還元（すなわち、触媒２３の再生）が行われる。

次いで、図２に示すように、ステップＳ１０７では、触媒２３の再生が完了したか否かを判定する。具体的には、触媒２３の再生が完了すると、燃料が還元剤として利用されなくなるので、触媒２３を通過したガスの空燃比が急激にリッチ側に変化する。そこで、空燃比センサ６４で検出した空燃比の値が急激にリッチ側に変化したときに触媒２３の再生が完了したと判定（ステップＳ１０７でＹＥＳと判定）し、空燃比センサ６４で検出した空燃比の値が急激にリッチ側に変化しない状態のときには触媒２３の再生が完了していないと判定（ステップＳ１０７でＮＯと判定）する。

そして、触媒２３の再生が完了したと判定（ステップＳ１０７でＹＥＳと判定）するまでは、ステップＳ１０４〜ステップＳ１０７の処理を繰り返して、触媒再生制御を継続する。

一方、触媒２３の再生が完了（ステップＳ１０７でＹＥＳと判定）すると、添加弁２４を閉弁させて燃料噴射を停止し（ステップＳ１０８）、遮断弁５２を閉弁させて添加弁２４の噴孔に向けての空気供給を停止し（ステップＳ１０９）、さらに吸気絞り弁１３を通常の開度に戻して（ステップＳ１１０）、触媒再生制御を終了する。

なお、触媒再生制御中、すなわちステップＳ１０４〜ステップＳ１０７の処理を繰り返している間に、内燃機関１への要求負荷が設定負荷以上になった場合は（ステップＳ１０４でＹＥＳと判定）、ステップＳ１１１に進む。ステップＳ１１１では、遮断弁５２を閉弁させて添加弁２４の噴孔に向けての空気供給を停止し、内燃機関１への空気供給を優先させる。但し、添加弁２４からの燃料噴射は引き続き行われて、触媒２３の再生は継続して行われる。なお、ステップＳ１０４およびステップＳ１１１は、本発明の高負荷時制御手段を構成する。

本実施形態では、触媒２３の再生中は吸気絞り弁１３を再生開始前よりも閉側に作動させて、ターボ過給器３１のコンプレッサ３１１と吸気絞り弁１３との間は高圧が維持されるようにしているため、触媒再生中は高圧空気を添加弁２４に向けて安定して吐出させることができる。したがって、従来装置における高圧空気を貯蔵するタンクを廃止することができ、装置の大型化を回避しつつ、還元用燃料の気化促進を図ることができる。

また、添加弁２４から最初に燃料が噴射されるよりも前に、吸気絞り弁１３を閉側に作動させるとともに遮断弁５２を開弁させているため、添加弁２４から最初に燃料が噴射される時点から還元用燃料を確実に気化させることができる。

また、触媒２３の再生中に内燃機関１への要求負荷が設定負荷以上になった場合は、遮断弁５２を閉弁させて内燃機関１への空気供給を優先させるため、内燃機関１に所定の出力を発生させることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図４は第２実施形態に係る排気浄化装置の触媒再生制御処理を示す流れ図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態は、図４に示すように、第１実施形態の触媒再生制御処理にステップＳ１２１〜ステップＳ１２３を追加したものである。

すなわち、ステップＳ１０５で遮断弁５２を開弁させて、空気供給通路５１を介して添加弁２４に向けて空気供給を開始した後に、空気供給通路５１を介して供給される空気の量を算出する（ステップＳ１２１）。

その空気量は次のようにして求めることができる。まず、排気管２２における空気供給通路５１の接続部近傍の圧力を、アクセルセンサ６５（図１参照）で検出したアクセル開度θａおよび内燃機関回転数に基づいて、ＥＣＵ７０（図１参照）のＲＯＭに記憶されたマップから求める。そして、その排気管２２における空気供給通路５１の接続部近傍の圧力と圧力センサ６３（図１参照）で検出した過給圧との圧力差に基づいて、ＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶されたマップもしくは演算式から空気量を求める。さらにその求めた空気量を、空気温度センサ６２（図１参照）で検出した過給空気の温度に基づいて、ＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶された演算式にて補正する。

次いで、酸素量算出手段としてのステップＳ１２２では、空気供給通路５１を介して供給される空気中の酸素量を求める。具体的には、ステップＳ１２１で求めた空気量に基づいて、ＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶された演算式にて算出する。

次いで、添加量算出手段としてのステップＳ１２３では、触媒２３に流入するガスの空燃比が、触媒２３の再生に適した空燃比であり、且つ過剰にリッチな空燃比にならないように、添加弁２４から噴射される燃料の量を算出する。具体的には、ステップＳ１２２で求めた酸素量に基づいて、ＥＣＵ７０のＲＯＭに記憶された演算式にて算出する。

次いで、添加量補正手段としてのステップＳ１２４では、ステップＳ１２３によって算出した指令の通り燃料を添加弁２４から噴射した際に、触媒２３の再生に適した空燃比から誤差が生じた場合、添加弁２４から噴射される燃料の補正量を算出する。具体的には、排気中の空燃比を検出できるセンサ（６５）に基づいて、フィードバック制御を行う。
本実施形態によれば、触媒２３に流入するガスの空燃比を、触媒２３の再生に適した空燃比に正確に制御するため、過剰な燃料供給を防止しつつ、触媒２３の再生を適切に行うことができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、還元剤として燃料を用いる場合について説明したが、例えば尿素等他の液状の還元剤を用いる場合に適応しても良い。因みに、還元剤として尿素を用いる場合は、触媒２３としてＳＣＲ（選択還元触媒）を用いる。

本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図である。 図１のＥＣＵ７０で実行される触媒再生制御処理を示す流れ図である。 触媒再生制御時のタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る排気浄化装置の触媒再生制御処理を示す流れ図である。

符号の説明

１…内燃機関、１１…吸気管、１２…吸気マニホールド、１３…吸気絞り弁、２１…排気マニホールド、２２…排気管、２３…触媒、２４…添加弁、３１…ターボ過給器、５１…空気供給通路、３１１…コンプレッサ。

Claims (5)

1. 吸入空気を加圧するターボ過給器（３１）および吸気通路（１１、１２）を開閉する吸気絞り弁（１３）を備える圧縮着火式内燃機関（１）に搭載されるものであって、
   排気通路（２１、２２）に設けられて排出ガスを浄化する触媒（２３）と、
   前記触媒（２３）の上流側に配設されて、該触媒（２３）に対し排出ガスの浄化作用を促す成分を含む液状の添加剤を噴射供給する添加弁（２４）と、
   前記吸気通路（１１、１２）における前記ターボ過給器（３１）のコンプレッサ（３１１）と前記吸気絞り弁（１３）との間から分岐されて前記排気通路（２１、２２）に接続され、吸入空気の一部を前記添加弁（２４）に向けて吐出させる空気供給通路（５１）と、
   前記触媒（２３）の再生要否を判定する再生要否判定手段（Ｓ１０２）と、
   この再生要否判定手段（Ｓ１０２）により再生要と判定されたときに、前記添加弁（２４）から添加剤を噴射させる再生時燃料制御手段（Ｓ１０６）と、
   前記再生要否判定手段（Ｓ１０２）により再生要と判定されたときに、前記コンプレッサ（３１１）と前記吸気絞り弁（１３）との間の圧力を上昇させるために前記吸気絞り弁（１３）を再生開始前よりも閉側に作動させる再生時絞り手段（Ｓ１０３）とを備え、
   前記再生時絞り手段（Ｓ１０３）は、前記再生要否判定手段（Ｓ１０２）により再生要と判定されて前記添加弁（２４）から最初に添加剤が噴射されるよりも前に、前記吸気絞り弁（１３）を閉側に作動させることを特徴とする内燃機関用排気浄化装置。
2. 吸入空気を加圧するターボ過給器（３１）および吸気通路（１１、１２）を開閉する吸気絞り弁（１３）を備える圧縮着火式内燃機関（１）に搭載されるものであって、
   排気通路（２１、２２）に設けられて排出ガスを浄化する触媒（２３）と、
   前記触媒（２３）の上流側に配設されて、該触媒（２３）に対し排出ガスの浄化作用を促す成分を含む液状の添加剤を噴射供給する添加弁（２４）と、
   前記吸気通路（１１、１２）における前記ターボ過給器（３１）のコンプレッサ（３１１）と前記吸気絞り弁（１３）との間から分岐されて前記排気通路（２１、２２）に接続され、吸入空気の一部を前記添加弁（２４）に向けて吐出させる空気供給通路（５１）と、
   前記触媒（２３）の再生要否を判定する再生要否判定手段（Ｓ１０２）と、
   この再生要否判定手段（Ｓ１０２）により再生要と判定されたときに、前記添加弁（２４）から添加剤を噴射させる再生時燃料制御手段（Ｓ１０６）と、
   前記再生要否判定手段（Ｓ１０２）により再生要と判定されたときに、前記コンプレッサ（３１１）と前記吸気絞り弁（１３）との間の圧力を上昇させるために前記吸気絞り弁（１３）を再生開始前よりも閉側に作動させる再生時絞り手段（Ｓ１０３）とを備え、
   添加剤は燃料であり、
   前記空気供給通路（５１）から吐出される吐出空気の流量から吐出空気中の酸素量を算出する酸素量算出手段（Ｓ１２２）と、
   触媒雰囲気が前記触媒（２３）の再生に適した空燃比になるように、前記酸素量算出手段（Ｓ１２２）で算出した吐出空気中の酸素量に基づいて前記添加弁（２４）から噴射される燃料の量を算出する添加量算出手段（Ｓ１２３）とを備えることを特徴とする内燃機関用排気浄化装置。
3. 前記空気供給通路（５１）から吐出される吐出空気の流量は、過給圧、過給された空気の温度、および前記排気通路（２１、２２）の圧力に基づいて算出されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用排気浄化装置。
4. 吸入空気を加圧するターボ過給器（３１）および吸気通路（１１、１２）を開閉する吸気絞り弁（１３）を備える圧縮着火式内燃機関（１）に搭載されるものであって、
   排気通路（２１、２２）に設けられて排出ガスを浄化する触媒（２３）と、
   前記触媒（２３）の上流側に配設されて、該触媒（２３）に対し排出ガスの浄化作用を促す成分を含む液状の添加剤を噴射供給する添加弁（２４）と、
   前記吸気通路（１１、１２）における前記ターボ過給器（３１）のコンプレッサ（３１１）と前記吸気絞り弁（１３）との間から分岐されて前記排気通路（２１、２２）に接続され、吸入空気の一部を前記添加弁（２４）に向けて吐出させる空気供給通路（５１）と、
   前記触媒（２３）の再生要否を判定する再生要否判定手段（Ｓ１０２）と、
   この再生要否判定手段（Ｓ１０２）により再生要と判定されたときに、前記添加弁（２４）から添加剤を噴射させる再生時燃料制御手段（Ｓ１０６）と、
   前記再生要否判定手段（Ｓ１０２）により再生要と判定されたときに、前記コンプレッサ（３１１）と前記吸気絞り弁（１３）との間の圧力を上昇させるために前記吸気絞り弁（１３）を再生開始前よりも閉側に作動させる再生時絞り手段（Ｓ１０３）と、
   前記空気供給通路（５１）を開閉する遮断弁（５２）と、
   前記触媒（２３）の再生を行っている際に前記内燃機関（１）への要求負荷が設定負荷以上になった場合に、前記空気供給通路（５１）を全閉するように前記遮断弁（５２）を作動させる高負荷時制御手段（Ｓ１０４、Ｓ１１１）とを備えることを特徴とする内燃機関用排気浄化装置。
5. 前記再生時絞り手段（Ｓ１０３）は、前記再生要否判定手段（Ｓ１０２）により再生要と判定されて前記添加弁（２４）から最初に添加剤が噴射されるよりも前に、前記吸気絞り弁（１３）を閉側に作動させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の内燃機関用排気浄化装置。

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