JP5271727B2 - 排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる粒子状物質を除去する排気浄化システムの技術に関する。

従来、エンジンの排気ガスの流路において、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）の上流側に酸化触媒を配置した技術は公知とされている。また、捕集した粒子状物質を連続して酸化・除去することにより、前記ＤＰＦを再生させる自己再生型ＤＰＦが知られている（特許文献１参照）。

また、前記自己再生型ＤＰＦにおいて、前記ＤＰＦ及び酸化触媒の温度を適正温度（例えば、約３００℃）に保つために、前記エンジンの排気通路に排気絞りを設け、当該エンジンに負荷をかけることにより、排気温度を上昇させる技術も知られている。

しかし、上記の如く排気絞りによって前記エンジンに負荷をかける構成では、エンジン回転数が低い場合等には十分に自己再生が出来なかった。

特許第３０１２２４９号公報

本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、当該エンジンの排気温度を確実に上昇させることが可能な排気浄化システムを提供するものである。

請求項１においては、酸化触媒（７３）及びパティキュレートフィルタ（７４）を有し、エンジン（２０）の排気を浄化する排気浄化装置（７０）と、前記エンジン（２０）の動力により、該エンジン（２０）の運転時に常時駆動されることにより発電し、表示装置や制御装置を構成する電気機器に電力を供給する第１オルタネータ（２６）と、前記エンジン（２０）の動力により、所望の場合にのみ駆動されることにより発電し、かつ、エンジン（２０）により駆動されることにより燃料噴射量を増加させて、エンジン（２０）の排気温度（Ｔ）を上昇させる第２オルタネータ（２７）と、前記第２オルタネータ（２７）で発生された電力が供給されることにより、該エンジン（２０）の排気温度（Ｔ）を上昇させるためのヒータ（７６）とを具備し、前記第２オルタネータ（２７）は、前記エンジン（２０）から前記第２オルタネータ（２７）への動力の伝達を断接するクラッチ（２７ｂ）を具備し、前記エンジン（２０）の排気、前記酸化触媒（７３）、又は前記パティキュレートフィルタ（７４）の温度を検出する温度検出手段（７７）を具備し、前記温度検出手段（７７）により検出される温度が設定温度以上になると、制御手段（８０）により、前記クラッチ（２７ｂ）による動力の伝達を遮断するものである。

請求項２においては、請求項１記載の排気浄化システムにおいて、前記クラッチ（２７ｂ）は電磁クラッチにより構成するものである。

本発明は、次のような効果を奏するものである。

酸化触媒（７３）及びパティキュレートフィルタ（７４）を有し、エンジン（２０）の排気を浄化する排気浄化装置（７０）と、前記エンジン（２０）の動力により、該エンジン（２０）の運転時に常時駆動されることにより発電し、表示装置や制御装置を構成する電気機器に電力を供給する第１オルタネータ（２６）と、前記エンジン（２０）の動力により、所望の場合にのみ駆動されることにより発電し、かつ、エンジン（２０）により駆動されることにより燃料噴射量を増加させて、エンジン（２０）の排気温度（Ｔ）を上昇させる第２オルタネータ（２７）と、前記第２オルタネータ（２７）で発生された電力が供給されることにより、該エンジン（２０）の排気温度（Ｔ）を上昇させるためのヒータ（７６）とを具備し、前記第２オルタネータ（２７）は、前記エンジン（２０）から前記第２オルタネータ（２７）への動力の伝達を断接するクラッチ（２７ｂ）を具備し、前記エンジン（２０）の排気、前記酸化触媒（７３）、又は前記パティキュレートフィルタ（７４）の温度を検出する温度検出手段（７７）を具備し、前記温度検出手段（７７）により検出される温度が設定温度以上になると、制御手段（８０）により、前記クラッチ（２７ｂ）による動力の伝達を遮断するので、当該エンジンの排気温度を確実に上昇させることができる、という効果を奏する。

排気浄化システムを具備するパワーショベルの全体構成を示す側面図。 ボンネットの内部の構成を示す平面概略図。 ボンネットの内部の構成を示す背面概略図。 エンジンの構成を示す側面図。 排気浄化装置の構成を示す概略図。 排気浄化システムの概要を示す図。

以下、本発明に係る排気浄化システムの一実施形態に係る排気浄化システム１００について、図面に基づいて説明する。

まず、図１を用いて、排気浄化システム１００を備えるパワーショベル１の全体的な構成について説明する。なお、本実施形態に係る排気浄化システム１００は、パワーショベル１に備えられるものに限定されるものではなく、その他の農業用作業車両や土木作業用作業車両等に備えられるものであってもよい。

図１に示すように、パワーショベル１は、主に、クローラ式走行装置２と、本体フレーム３と、操作部４と、ボンネット５と、作業機６と、ブレード７と、から構成される。

クローラ式走行装置２は、パワーショベル１を走行させるための走行装置である。本体フレーム３は、パワーショベル１の主たる構造体を成す部材である。本体フレーム３は、クローラ式走行装置２上に左右旋回可能に搭載される。

操作部４は、本体フレーム３の上部に配設され、各種操作レバーやフットペダル等を備える。ボンネット５は本体フレーム３の後部に円弧状に設けられ、主に、後述するエンジン２０と、油圧ポンプ３０と、作動油タンク４０と、ラジエータ５０と、排気浄化装置７０と、を収納して被覆する。ボンネット５の上部には、座席５ａが付設される。本体フレーム３の上面かつ操作部４の近傍には、ステップ部３ａが形成される。

作業機６は、本体フレーム３の前端部に設けられ、主に、ブーム６ａと、アーム６ｂと、バケット６ｃと、ブームシリンダ６ｄと、アームシリンダ６ｅと、バケットシリンダ６ｆと、から構成される。本体フレーム３の前端部には、ブームブラケット６ｇが左右回動可能に枢支される。ブーム６ａの一端は、ブームブラケット６ｇの前端に枢支される。アーム６ｂの一端は、ブーム６ａの他端に枢支される。バケット６ｃの一端は、アーム６ｂの他端に枢支される。作業機６は、ブームシリンダ６ｄによりブーム６ａを上下回動可能とされ、アームシリンダ６ｅによりアーム６ｂを上下回動可能とされ、バケットシリンダ６ｆによりバケット１１を上下回動可能とされる。ブレード７は、クローラ走行装置２の後端部に突設され、図示せぬリフトシリンダにより上下回動可能に支持される。

次に、図２から図４までを用いて、ボンネット５の内部の構成について説明する。上述のように、ボンネット５は、主に、エンジン２０と、油圧ポンプ３０と、作動油タンク４０と、ラジエータ５０と、排気浄化装置７０と、を収納して被覆する。

図２及び図３に示すように、エンジン２０は、本体フレーム３の後端中央部に、エンジン支持部材２１を介して設けられる。エンジン２０は、図示左側面に図示せぬフライホイールが付設される。当該フライホイールはフライホイールケース２２に収納される。エンジン２０は、上部に燃焼ガス（排気ガス）を排気するための排気管２３を具備する。エンジン２０には、図示右側方に冷却ファン２４が付設される。

図４に示すように、エンジン２０のクランク軸（出力軸）の一端は、エンジン２０の右側面から突出され、当該一端にはクランクプーリ２５ａが固設される。クランクプーリ２５ａの上方には、冷却ファン２４が配置され、当該冷却ファン２４には、ファンプーリ２４ａが連結される。

冷却ファン２４の側方（図面右側方）には、第１オルタネータ２６が配置され、当該第１オルタネータ２６には、第１プーリ２６ａが連結される。第１オルタネータ２６は、パワーショベル１が具備するランプ等の表示装置や制御装置やライト等の種々の電気機器と接続され、それらに供給するための電力を発電するものである。

第１オルタネータ２６の下方かつクランクプーリ２５ａの側方（図面右側方）には、第２オルタネータ２７が配置され、当該第２オルタネータ２７には、第２プーリ２７ａが連結される。第２オルタネータ２７は、エンジン２０に負荷を加えるとともに、エンジン２０の動力により発電するものである。第２オルタネータ２７には、後述する酸化触媒７３等が低温である場合にエンジン２０の排気の温度を上昇させるためのヒータ７６、又はヒータ７６に代えて電力を消費する電気機器が接続される。なお、第２オルタネータ２７の配置位置は限定するものではなく、第１オルタネータ２６の上方やクランクプーリ２５ａの下側方等の空いた空間であって、ベルト２８を巻回できる範囲内に配置することも可能である。

クランクプーリ２５ａ、ファンプーリ２４ａ、第１プーリ２６ａ、及び第２プーリ２７ａには、１本のベルト２８が巻回される。エンジン２０の動力は、前記クランク軸及びベルト２８を介して伝達され、冷却ファン２４、第１オルタネータ２６、及び第２オルタネータ２７が駆動される。

図２及び図３に示すように、油圧ポンプ３０は、エンジン２０のフライホイールケース２２側（エンジン２０の図示左側）に設けられている。油圧ポンプ３０は、エンジン２０の前記クランク軸と連結されて駆動される。

作動油タンク４０は、油圧機器用の作動油を貯留するタンクであり、本体フレーム３の図示左側端部（エンジン２０の図示左側）に設けられている。作動油タンク４０は、下部側面に油圧ホース４０ａが接続されている。作動油タンク４０の作動油は、油圧ホース４０ａを通じて油圧ポンプ３０へ供給される。

ラジエータ５０は、エンジン２０で発生する過剰な熱を発散（冷却）するための装置である。ラジエータ５０は、冷却ファン２４の右側方（エンジン２０の図示右側）に連設され、かつボンネット５の側壁と所定間隔を置いて配置される。ラジエータ５０とボンネット５の側壁との間にはダクト５０ａが設けられ、冷却ファン２４からの冷却風をダクト５０ａから外部へ排出可能としている。ダクト５０ａにはルーバー５０ｂが設けられ、冷却ファン２４からの冷却風の風向きを変更可能としている。

排気浄化装置７０は、エンジン２０の排気ガス中に含まれる粒子状物質を除去する装置である。排気浄化装置７０は、断面視六角形の筒状の部材で構成される排気浄化装置カバー６０内に収納される。排気浄化装置７０は、油圧ポンプ３０の上方かつエンジン２０と作動油タンク４０との間に配置され、その長手方向がパワーショベル１の前後方向と略一致するように設けられる。排気浄化装置７０は、その上部外周面にエンジン２０の排気管２３が接続されている。エンジン２０から排気される排気ガスは排気管２３を介して排気浄化装置７０へ導入される。

ここで、図５を用いて、排気浄化装置７０の各構成について説明する。排気浄化装置７０は、主に、筐体７１と、入口部７２と、酸化触媒７３と、パティキュレートフィルタ７４と、出口部７５と、ヒータ７６と、温度検出手段７７と、から構成される。

筐体７１は、排気浄化装置７０の主たる構造体を成す部材である。排気浄化装置７０を構成する他の部材は、筐体７１に取り付けられる。筐体７１は、第１筐体部７１ａと、第２筐体部７１ｂと、第３筐体部７１ｃと、から構成される。

第１筐体部７１ａは、図示右側部分が開口し、図示左側部分が閉塞する円筒状の部材である。第２筐体部７１ｂは、両端部が開口する円筒状の部材である。第２筐体部７１ｂの図示左側端部は第１筐体部７１ａの図示右側端部に接続される。第３筐体部７１ｃは、図示左側部分が開口し、図示右側部分が閉塞する円筒状の部材である。第３筐体部７１ｃの図示左側端部は第２筐体部７１ｂの図示右側端部に接続される。

入口部７２は、エンジン２０から排気される排気ガスを筐体７１内へ導く部分である。入口部７２は、第１筐体部７１ａ内であって排気浄化装置７０の図示左側端部に設けられる。入口部７２は、入口管７２ａを具備する。入口管７２ａは、エンジン２０から排気される排気ガスの入口部分である。図２に示すように、入口管７２ａは、排気浄化装置７０のエンジン２０側であって、第１筐体部７１ａの外周面から突出して設けられる。入口管７２ａの一端部には、エンジン２０の排気マニホールドに接続される排気管２３の一端部が接続される。

酸化触媒７３は、略円筒形の部材であり、第１筐体部７１ａ内に設けられる。酸化触媒７３は、排気ガスの流れ方向に格子状（ハニカム状）の通路が形成される図示せぬモノリス担体を有する。モノリス担体上には、白金やロジウムやパラジウム等の触媒金属が担持される。このような触媒金属を担持することにより、酸化触媒７３には、ＮＯ、ＣＯ、ＨＣ等を酸化させるための酸化力が付与される。酸化触媒７３において酸化されたＮＯは、ＮＯ２となってパティキュレートフィルタ７４へと供給される。

パティキュレートフィルタ７４は、略円筒形のハニカムフィルタであり、第１筐体部７１ａの一端部及び第２筐体部７１ｂ内に設けられる。パティキュレートフィルタ７４は、コージェライトのようなセラミックスからなる多孔質の隔壁で仕切られた多角形断面を有する。パティキュレートフィルタ７４は、これらの隔壁により多数の互いに平行に形成された貫通孔の相隣接する入口部と出口部を交互に実質的に封止することにより構成される。隔壁には、Ｐｔ等の触媒金属がコーティングされ、触媒機能が担持される。このような構成とすることで、パティキュレートフィルタ７４では、パティキュレートフィルタ７４の入口側から導入されたエンジンの排気ガスが多孔質の隔壁を通過する際に、排気ガスに含まれる微粒子からなるＰＭがろ過されて、ＰＭが除去された排気ガスが出口部７５から排出される。

また、パティキュレートフィルタ７４においてろ過され、当該パティキュレートフィルタ７４に堆積したＰＭは、酸化触媒７３から供給されるＮＯ２によって酸化され、当該パティキュレートフィルタ７４から取り除かれる。以下、この化学反応によりパティキュレートフィルタ７４に堆積したＰＭを取り除くことを、単に「再生」と記す。

なお、パティキュレートフィルタ７４における再生を活発に起こすためには、酸化触媒７３及びパティキュレートフィルタ７４の温度を約３００℃以上に保つことが望ましい。このため、エンジン２０の排気温度Ｔを高温に保つことが要される。

出口部７５は、排気ガスを筐体７１の外部へ排出するものであり、第３筐体部７１ｃ内であって排気浄化装置７０の図示右側端部に設けられる。出口部７５は、出口管７５ａ及び共鳴管７５ｂを具備する。

出口管７５ａは、筐体７１内の排気ガスの出口部分である。出口管７５ａは、出口部７５を略水平方向に挿通する。出口管７５ａは、円筒形状で形成され、図示左側端部はパティキュレートフィルタ７４を通過した排気ガスを導入するため開口され、図示右側端部は排気ガスを筐体７１の外部へ排出するため開口される。出口管７５ａの図示右側端部は、ボンネット５を挿通してボンネット５の外部へ突出される。

共鳴管７５ｂは、排気ガス排出時の騒音を低減させる部材である。共鳴管７５ｂは、出口管７５ａに並設される略円筒形状の部材である。共鳴管７５ｂの両端は、開口している。共鳴管７５ｂの軸線は、出口管７５ａの軸線と平行となる状態で第３筐体部７１ｃ内に設けられる。

ヒータ７６は、熱を発生することによって周囲の空気の温度を上昇させるものであり、入口部７２内に配置される。ヒータ７６が作動されることにより、入口部７２に導入されたエンジン２０の排気の温度を上昇させることができる。

温度検出手段７７は、周囲の空気の温度を検出するものであり、入口管７２ａ内に配置される。温度検出手段７７により、入口管７２ａを介して排気浄化装置７０へと導入されるエンジン２０の排気の温度（以下、単に「排気温度」と記す）Ｔを検出することができる。

上述のように、排気浄化装置７０は、その長手方向がパワーショベル１の前後方向と略一致するように配置される。具体的には、入口部７２がパワーショベル１の前側、出口部７５がパワーショベル１の後側、となる向きに配置される。なお、本実施形態では、酸化触媒７３とパティキュレートフィルタ７４とを排気浄化装置７０内に配置する構成としているが、酸化触媒７３のみ、又はパティキュレートフィルタ７４のみを排気浄化装置７０内に配置する構成としても構わない。

以下では、図６を用いて、排気浄化システム１００について説明する。排気浄化システム１００は、エンジン２０に適度な負荷を加えることによってエンジン２０の排気温度Ｔを調節しながら、当該排気の浄化を行うものである。排気浄化システム１００は、主に、エンジン２０と、第１オルタネータ２６と、第２オルタネータ２７と、排気浄化装置７０と、制御手段８０と、から構成されている。

第２プーリ２７ａは、クラッチ２７ｂを介して第２オルタネータ２７と連結される。クラッチ２７ｂは電磁クラッチにより構成される。

制御手段８０は、温度検出手段７７による検出結果に基づいてクラッチ２７ｂの断接を切り換えるものである。制御手段８０は、温度検出手段７７及びクラッチ２７ｂと接続される。制御手段８０は、温度検出手段７７による検出結果を受信することができる。また、制御手段８０は、クラッチ２７ｂの断接を切り換えることにより、第２オルタネータ２７と第２プーリ２７ａとの間の動力の伝達の有無を切り換えることができる。

また、第２オルタネータ２７は、ヒータ７６と接続され、第２オルタネータ２７が駆動されることにより発生される電力により当該ヒータ７６が作動し、エンジン２０の排気温度Ｔを上昇させることができる。

以下では、上記の如く構成された排気浄化システム１００の動作態様について説明する。

制御手段８０には、クラッチ２７ｂの断接を切り換える際の基準となる温度（以下、単に「設定温度」と記す）Ｔｅが記憶される。当該設定温度Ｔｅは、実験や数値計算等に基づいて定められる。なお、当該設定温度Ｔｅは、予め記憶される構成とする他に、入力手段を用いて所望の値に変更可能な構成とすることが可能である。

温度検出手段７７により検出されるエンジン２０の排気温度Ｔが、設定温度Ｔｅ以上である場合、制御手段８０は、クラッチ２７ｂを切断することにより、第２オルタネータ２７と第２プーリ２７ａとの間の動力の伝達を遮断する。この場合、エンジン２０の動力は第２オルタネータ２７に伝達されることがないため、第２オルタネータ２７は作動しない。よって、第２オルタネータ２７を回転させるためのエンジン２０の動力ロスもない。また、第２オルタネータ２７が作動しないため、ヒータ７６に電力が供給されることがなく、ヒータ７６は作動しない。

温度検出手段７７により検出されるエンジン２０の排気温度Ｔが、設定温度Ｔｅ未満である場合、制御手段８０は、クラッチ２７ｂを接続することにより、第２オルタネータ２７と第２プーリ２７ａとの間の動力の伝達を可能とする。この場合、エンジン２０の動力は第２オルタネータ２７に伝達され、第２オルタネータ２７は作動する。また、第２オルタネータ２７により発生された電力は、ヒータ７６に供給され、ヒータ７６が作動する。

なお、排気温度Ｔが、設定温度Ｔｅ以上である場合及び設定温度Ｔｅ未満である場合のいずれの場合においても、第１オルタネータ２６はエンジン２０の動力により作動される。第１オルタネータ２６により発生された電力は、パワーショベル１が具備する種々の電気機器に供給される。

上記の如く、排気温度Ｔが設定温度Ｔｅ未満である場合に、エンジン２０の動力によって第２オルタネータ２７を作動することで、エンジン２０に負荷を加えることができる。これによって、燃料噴射量が増加されエンジン２０の排気温度Ｔを上昇させることができる。また、エンジン２０の排気温度Ｔを上昇させることによって、酸化触媒７３及びパティキュレートフィルタ７４の温度を上昇させることができ、パティキュレートフィルタ７４における再生を活発に行うことができる。

また、第２オルタネータ２７を用いてエンジン２０に負荷を加える構成とすることにより、当該第２オルタネータ２７によって発電することができるため、エンジン２０に負荷を加えることができる。

また、第２オルタネータ２７にクラッチ２７ｂを具備することにより、第２オルタネータ２７によるエンジン２０に対する負荷の有無を切り換えることができる。当該クラッチ２７ｂを切り換えることにより、所望の場合にのみエンジン２０に負荷を与え、排気温度Ｔを上昇させることができる。

また、制御手段８０により排気温度Ｔに基づいてクラッチ２７ｂの断接を切り換える構成とすることにより、エンジン２０の排気温度Ｔを自動的に制御することができる。また、本実施形態の如く、排気温度Ｔが設定温度Ｔｅ未満の場合にのみエンジン２０に負荷を加えることにより、排気温度Ｔを設定温度Ｔｅ以上に保つことができる。例えば、設定温度Ｔｅを、パティキュレートフィルタ７４における再生が活発に起こる値に設定することにより、パティキュレートフィルタ７４に堆積したＰＭを効率よく取り除くことができる。

また、第２オルタネータ２７により発生された電力によってヒータ７６を作動させることにより、排気温度Ｔをさらに上昇させることができ、ひいては、パティキュレートフィルタ７４における再生を活発に起こすことができる。

なお、本実施形態において、クラッチ２７ｂは電磁クラッチにより構成されるものとしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、クラッチ２７ｂを湿式クラッチ、乾式クラッチ、粉体クラッチ、ワンウェイクラッチ等で構成することも可能である。また、本実施形態において、クラッチ２７ｂの断接を制御手段８０により制御する構成としたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、クラッチ２７ｂの断接をオペレータの手動操作により切り換える構成とすることも可能である。

また、本実施形態において、温度検出手段７７は、入口管７２ａ内に配置され、エンジン２０の排気温度Ｔを検出する構成としたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、温度検出手段７７は、酸化触媒７３又はパティキュレートフィルタ７４の温度を検出する構成とすることも可能である。この場合、制御手段８０は、温度検出手段７７により検出される酸化触媒７３又はパティキュレートフィルタ７４の温度に基づいてクラッチ２７ｂの断接を切り換える。

また、本実施形態において、第２オルタネータ２７により発生された電力はヒータ７６に供給される構成としたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、第２オルタネータ２７により発生された電力を蓄電池に供給し充電する構成や、その他の電気機器に供給する構成とすることも可能である。また、本実施形態において、ヒータ７６は排気浄化装置７０にのみ設けているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、吸気マニホールドやオイルパン等にもヒータを設け、当該ヒータを、制御手段８０を介して第２オルタネータ２７と接続し、始動時や外気温が低い時にクラッチ２７ｂを接続して前記吸気マニホールド等を加熱する構成とすることも可能である。このように構成することにより、第２オルタネータ２７により発生された電力を有効利用でき、エンジン２０が安定回転に至る時間を減少させることもできる。

１ パワーショベル
２０ エンジン
２６ 第１オルタネータ
２７ 第２オルタネータ
２７ｂ クラッチ
７０ 排気浄化装置
７３ 酸化触媒
７４ パティキュレートフィルタ
７６ ヒータ
７７ 温度検出手段
８０ 制御手段
１００ 排気浄化システム

Claims (2)

1. 酸化触媒（７３）及びパティキュレートフィルタ（７４）を有し、エンジン（２０）の排気を浄化する排気浄化装置（７０）と、前記エンジン（２０）の動力により、該エンジン（２０）の運転時に常時駆動されることにより発電し、表示装置や制御装置を構成する電気機器に電力を供給する第１オルタネータ（２６）と、前記エンジン（２０）の動力により、所望の場合にのみ駆動されることにより発電し、かつ、エンジン（２０）により駆動されることにより燃料噴射量を増加させて、エンジン（２０）の排気温度（Ｔ）を上昇させる第２オルタネータ（２７）と、前記第２オルタネータ（２７）で発生された電力が供給されることにより、該エンジン（２０）の排気温度（Ｔ）を上昇させるためのヒータ（７６）とを具備し、前記第２オルタネータ（２７）は、前記エンジン（２０）から前記第２オルタネータ（２７）への動力の伝達を断接するクラッチ（２７ｂ）を具備し、前記エンジン（２０）の排気、前記酸化触媒（７３）、又は前記パティキュレートフィルタ（７４）の温度を検出する温度検出手段（７７）を具備し、前記温度検出手段（７７）により検出される温度が設定温度以上になると、制御手段（８０）により、前記クラッチ（２７ｂ）による動力の伝達を遮断することを特徴とする排気浄化システム。
2. 請求項１記載の排気浄化システムにおいて、前記クラッチ（２７ｂ）は電磁クラッチにより構成されたことを特徴とする排気浄化システム。

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