JP5610453B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンコントロールユニットから出力される点火信号に応じて、点火コイルに流れる一次電流を通電・遮断制御することで、コイル二次側に高電圧を発生させるイグナイタを備える内燃機関用点火装置に関する。

内燃機関用点火装置は、エンジンの各気筒ごとに配置され、絶縁ケース内に、一次コイル、この一次コイルの外側に配設される二次コイル、この二次コイルおよび一次コイルを磁気的に結合する鉄心からなる点火コイルと、この点火コイルの一次コイルに流れる一次電流を制御するパワートランジスタを備えるイグナイタと、を収容したユニット状に構成される。
そして、従来の内燃機関用点火装置には、ある規定以上の電流がパワートランジスタに流れるのを防ぐ過電流保護回路や、パワートランジスタの過熱を検知して、ある規定以上の温度に達したときに電流を遮断する過熱保護回路といった自己保護回路を付加し、点火コイルが異常発熱により熱破壊するのを防ぐようにしたものがある（例えば、特許文献１を参照）。また、通常、車輌側には、バッテリ電源を点火コイルに供給する電源ラインにブレードヒューズを付加しており、点火コイルが短絡故障した際の過電流を遮断するように安全対策が施されている。

特開２００１−２４８５２９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された発明におけるイグナイタの自己保護回路や、車輌側に設けられるブレードフューズは、あくまでもイグナイタ自身が正常な状態であることを前提としており、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）からの点火信号が連続ＯＮ状態となったり、点火コイルの巻線部が異常発熱により絶縁被膜が溶融して短絡するなど、イグナイタ以外の部分でなんらかの異常が起きた場合にのみ、保護機能が正常に働いて回路を遮断するものである。
例えば、イグナイタの駆動素子であるパワートランジスタのコレクタ−エミッタ間が外部サージ等の何らかの要因で故障し、短絡した場合や、その他のイグナイタ制御回路内で素子間短絡が生じた場合、イグナイタ自身が正常に機能していないので、イグナイタのパワートランジスタに流れる電流の制御（過電流の制限、及び電流の遮断）が不可能となる。この場合、点火コイルに電流が断続的に流れ、点火コイル巻線表面の絶縁皮膜が異常発熱により溶融し、点火コイル巻線間が短絡する可能性があり、その結果、点火コイル巻線が有する抵抗成分が無くなり、バッテリ−ＧＮＤ間がデッドショートする形となるので、過大な電流が流れて、点火コイル内部が異常発熱し、点火コイルは溶損、発煙に至る。最悪の場合は発火する可能性もある。
このような状況になると、通常は車輌側に設けられているブレードヒューズが溶断して過電流は遮断されることになる。しかしながら、点火コイル巻線の抵抗成分が無くならずに、車輌側のブレードヒューズが溶断しないような低い電流が流れ続けるような場合には、点火コイルの発煙が長時間にわたって継続する状態に陥る。
また、車輌側のブレードヒューズとは別に、内燃機関用点火装置内部に安全回路（ヒューズ素子等）を設けておいたとしても、溶融による巻線間短絡が生じた点火コイル巻線の抵抗成分の大きさによっては、安全回路に流れる電流が変動するため、その安全回路による回路の切断が適切に行われない可能性がある。したがって、内燃機関用点火装置内部に設ける安全回路の溶断特性の選定次第で、回路遮断が適正に行われなかったり、逆に判定条件がシビアすぎて誤作動による回路遮断が起きたりする可能性があるため、想定され得る全ての条件下で確実に点火コイルの溶損、発煙を防止するための安全回路を実現することは非常に困難である。
そこで、本発明は、イグナイタの異常時に速やかに過電流を遮断し、点火コイル巻線間の短絡等に起因する過電流による異常発熱を防止でき、安全性の高い内燃機関用点火装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、エンジンコントロールユニットから出力される点火信号に応じて、点火コイルに流れる一次電流を通電・遮断制御し、コイル二次側に高電圧を発生させるイグナイタを備える内燃機関用点火装置において、電源から点火コイルに流れる電流の経路の中に設けられ、過電流が生じて溶断条件が達成されることで溶断し、回路を遮断する不可逆性安全回路と、前記不可逆性安全回路から点火コイルを経由せずにＧＮＤへ至るバイパス回路と、前記バイパス回路の途中に設けられ、バイパス切換信号が入力されることで開状態から閉状態に切り換わるスイッチ手段と、前記イグナイタに異常が生じた蓋然性の高い状態として予め定めたイグナイタ異常状態を検出可能で、イグナイタ異常状態の検出に基づいて前記スイッチ手段へバイパス切換信号を出力し、少なくとも前記不可逆性安全回路の溶断条件が達成されるまでバイパス切換信号出力を保持するイグナイタ異常判定部と、を設け、前記点火コイルに電流が断続的に流れ続けるようなイグナイタの異常が生じた場合には、イグナイタ異常判定部がスイッチ手段を閉じさせてバイパス回路を機能させ、電源から流れる電流の経路をバイパス回路に切り換え、点火コイルの一次巻線には電流を流すことなく、バイパス回路を介して不可逆性安全回路に過電流を安定して流し、不可逆性安全回路の溶断条件を達成させるようにしたことを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載の内燃機関用点火装置において、前記イグナイタ異常判定部は、前記一次コイルに過電流が流れる状態を検出する過電流検出手段と、前記過電流検出手段が過電流を検出している時間を監視し、その監視時間が予め定めた許容通電時間を超えることで、前記スイッチ手段を開状態から閉状態へ切り換えさせるバイパス切換信号をスイッチ手段へ出力し、前記不可逆性安全回路の溶断条件満たすために必要十分な規定時間以上バイパス切換信号の出力を保持する過電流通電時間監視手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項３に係る発明は、上記請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用点火装置において、前記不可逆性安全回路、バイパス回路、スイッチ手段およびイグナイタ異常判定部は、点火コイル１個につき１個ずつ設けるものとし、異常が検出されたイグナイタに対応する点火コイルでのみ、不可逆性安全回路を作動させるようにしたことを特徴とする。
また、請求項４に係る発明は、上記請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用点火装置において、前記不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段は、内燃機関の気筒毎に設置される点火コイルの全ての気筒を束ねた共通のＧＮＤハーネスとＧＮＤ接地間に設けるものとし、何れか一つの気筒に設置される点火コイルのイグナイタに異常が生じた際には、当該気筒と束ねられた全ての気筒で通電が遮断されるようにしたことを特徴とする。
また、請求項５に係る発明は、上記請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用点火装置において、前記不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段は、内燃機関の気筒毎に設置される点火コイルの２個又は３個を束ねた共通グループ毎のＧＮＤハーネスとＧＮＤ接地間に設けるものとし、共通グループ内の何れか一つの気筒に設置される点火コイルのイグナイタに異常が生じた際には、当該気筒と束ねられた共通グループ内全ての気筒で通電が遮断されるようにしたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、電源から点火コイルに流れる電流の経路の中に設けられ、過電流が生じて溶断条件が達成されることで溶断し、回路を遮断する不可逆性安全回路と、前記不可逆性安全回路から点火コイルを経由せずにＧＮＤへ至るバイパス回路と、前記バイパス回路の途中に設けられ、バイパス切換信号が入力されることで開状態から閉状態に切り換わるスイッチ手段と、前記イグナイタに異常が生じた蓋然性の高い状態として予め定めたイグナイタ異常状態を検出可能で、イグナイタ異常状態の検出に基づいて前記スイッチ手段へバイパス切換信号を出力し、少なくとも前記不可逆性安全回路の溶断条件が達成されるまでバイパス切換信号出力を保持するイグナイタ異常判定部と、を設け、前記点火コイルに電流が断続的に流れ続けるようなイグナイタの異常が生じた場合には、イグナイタ異常判定部がスイッチ手段を閉じさせてバイパス回路を機能させ、電源から流れる電流の経路をバイパス回路に切り換え、点火コイルの一次巻線には電流を流すことなく、バイパス回路を介して不可逆性安全回路に過電流を安定して流し、不可逆性安全回路の溶断条件を達成させるようにしたので、イグナイタに異常が生じたときには、速やかに過電流を遮断し、点火コイル巻線間の短絡等に起因する過電流による異常発熱を防止でき、安全性の高い内燃機関用点火装置となる。
また、請求項２に係る発明によれば、前記イグナイタ異常判定部は、前記一次コイルに過電流が流れる状態を検出する過電流検出手段と、前記過電流検出手段が過電流を検出している時間を監視し、その監視時間が予め定めた許容通電時間を超えることで、前記スイッチ手段を開状態から閉状態へ切り換えさせるバイパス切換信号をスイッチ手段へ出力し、前記不可逆性安全回路の溶断条件満たすために必要十分な規定時間以上バイパス切換信号の出力を保持する過電流通電時間監視手段と、を備えるので、許容通電時間を超えて一次コイルに過電流が流れる状態をイグナイタ異常状態として検出できると共に、不可逆性安全回路の溶断による回路遮断を確実に行うことができる。
また、請求項３に係る発明によれば、前記不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段は、点火コイル１個につき１個ずつ設けるものとし、異常が検出されたイグナイタに対応する点火コイルでのみ、不可逆性安全回路を作動させるようにしたので、異常のある点火コイルへの通電のみを選択的に遮断できる。
また、請求項４に係る発明によれば、前記不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段は、内燃機関の気筒毎に設置される点火コイルの全ての気筒を束ねた共通のＧＮＤハーネスとＧＮＤ接地間に設けるものとし、何れか一つの気筒に設置される点火コイルのイグナイタに異常が生じた際には、当該気筒と束ねられた全ての気筒で通電が遮断されるようにしたので、接続するハーネスで纏められた全気筒の点火コイルへの通電が遮断される。
また、請求項５に係る発明によれば、前記不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段は、内燃機関の気筒毎に設置される点火コイルの２個又は３個を束ねた共通グループ毎のＧＮＤハーネスとＧＮＤ接地間に設けるものとし、共通グループ内の何れか一つの気筒に設置される点火コイルのイグナイタに異常が生じた際には、当該気筒と束ねられた共通グループ内全ての気筒で通電が遮断されるようにしたので、接続するハーネスで纏められた共通グループに含まれる全気筒の点火コイルへの通電が遮断されるが、他のグループの点火コイルへの通電は継続される。

図１は、本発明に係る内燃機関用点火装置の一実施形態を示す概略構成図である。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係る内燃機関用点火装置の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態に係る内燃機関用点火装置の概略は、図１に示すように、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）からの点火信号に応じて、点火コイル１の一次コイル１ａに流れる一次電流の通電・遮断を制御するイグナイタ３を備え、このイグナイタ３の通電制御により、車輌バッテリー１１からブレードフューズ１２および不可逆性安全回路１３を介して一次コイル１ａへ流れる電流を制御し、鉄心を介して磁気結合する二次コイル１ｂの誘起電力を制御し、点火プラグ２の放電ギャップに電気火花を発生させる。
ここで、内燃機関用点火装置は、例えば、点火コイル１の筐体内にイグナイタ３等を一体に設けると共に、所定の溶断条件が達成させることで溶断する不可逆性のヒューズ素子等から構成する不可逆性安全回路１３も点火コイル１やイグナイタ３と一体に設け、内燃機関用点火装置をユニット化すれば、内燃機関用点火装置としての利便性が高いものとなる。無論、これらを別体として構成しても良い。
なお、不可逆性安全回路１３は、車輌側に取り付けられているブレードヒューズ１２の定格電流と同等、ないしはそれ以下とすることにより、ブレードヒューズ１２が溶断するよりも先に不可逆性安全回路１３が溶断する特性にしておくことが望ましい。
上記イグナイタ３はパワートランジスタ３１を備え、エンジンコントロールユニットからの点火信号に応じてコレクタ−エミッタ間の通電・遮断が制御され、パワートランジスタ３１のＯＮ時には、車輌バッテリ１１から点火コイル１の一次巻線１ａを通り、イグナイタ３のパワートランジスタ３１からＧＮＤまで電流が流れるので、この電流を監視すれば、一次コイル１ａに過電流が流れているか否かを検出できる。
そこで、過電流検出手段４の電流検出用抵抗４１をパワートランジスタ３１と接地間の電流経路に配設し、一次コイル１ａからイグナイタ３に流れる電流を常時監視する。イグナイタ３の内部回路がなんらかの原因で短絡故障した場合、車輌バッテリ１１から一次コイル１ａを通って電流が断続的に流れることとなる。この断続的な電流が電流検出抵抗４１を通ることで電流検出抵抗両端に電圧が発生するので、この電圧を過電流検出用コンパレータ４２のＶｉｎ＋に入力させる。一方、過電流検出用コンパレータ４２のＶｉｎ−には、過電流判定の基準となる基準電圧Ｖｒｅｆ１を入力させておき、Ｖｉｎ＋がＶｉｎ−を上回ると過電流検出用コンパレータ４２の出力電圧が反転（例えば、ＬレベルからＨレベルに変化）するのである。この過電流検出用コンパレータ４２の出力信号を過電流検出信号として用いることができる。
上記のようにして過電流検出用コンパレータ４２より過電流検出信号が出力されると、過電流通電時間監視手段５の計時用コンデンサ５１の充電が始まる。この計時用コンデンサ５１に規定の電荷が充電されるまでの期間が許容通電時間となり、計時用コンデンサ５１の定数によって、許容通電時間を任意に設定することができる。そして、計時用コンデンサ５１への充電が進むと許容通電時間判定用コンパレータ５２のＶｉｎ＋に入力される電圧が、Ｖｉｎ−に入力される基準電圧Ｖｒｅｆ２を上回り、許容通電時間判定用コンパレータ５２の出力電圧が反転（例えば、ＬレベルからＨレベルに変化）するのである。この許容通電時間判定用コンパレータ５２の出力信号をバイパス切換信号として用いることができる。
しかして、本実施形態に係る内燃機関用点火装置は、上述した不可逆性安全回路１３から点火コイル１を経由せずにＧＮＤへ至るバイパス回路を設けてあり、このバイパス回路の途中には、当該回路の開閉を切り換えるスイッチ手段としてスイッチング素子６（例えば、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、サイリスタ等の半導体素子）を設けてある。このスイッチング素子６は常時は開いており、上記許容通電時間判定用コンパレータ５２からのバイパス切換信号が入力されることによりＯＮ動作してバイパス回路を閉じるのである。なお、バイパス回路を開閉するスイッチ手段は、半導体素子に限らず、機械式リレー等を用いても良い。
すなわち、本実施形態に係る内燃機関用点火装置において、通常は、点火コイル１の一次巻線１ａからイグナイタ３のパワートランジスタ３１を電流が流れているが、過電流検出手段４および過電流通電時間監視手段５よりなるイグナイタ異常判定部によりイグナイタ３の異常状態（一次コイル１ａに過電流が許容時間を超えて流れた状態）が判定されると、バイパス切換信号によってスイッチング素子６が閉じることにより、バイパス回路からＧＮＤへ電流が流れる経路に切り換えられ、不可逆性安全回路１３の定格電流を越える電流を流し、不可逆性安全回路１３を溶断させ、許容時間を超える過電流によって点火コイル１の巻線が異常発熱し、溶損したり発煙したりするのを防ぐのである。
しかしながら、スイッチング素子６がＯＮ動作してバイパス回路が機能すると、車輌バッテリー１１から点火コイル１の一次巻線１ａを経てイグナイタ３のパワートランジスタ３１から電流検出用抵抗４１を流れていた電流が低減されるため、過電流検出用コンパレータ４２のＶｉｎ＋入力がＶｉｎ−入力値を下回り、過電流検出用コンパレータ４２の出力Ｖｏｕｔが反転（例えば、ＨレベルからＬレベルに変化）し、計時用コンデンサ５１の放電が始まるので、いずれは許容通電時間判定用コンパレータ５２のＶｉｎ＋入力がＶｉｎ−入力値を下回り、許容通電時間判定用コンパレータ５２の出力Ｖｏｕｔが反転（例えば、ＨレベルからＬレベルに変化）し、スイッチング素子６へバイパス切換信号が入力されなくなって、バイパス回路が遮断されることとなる。
上述したようにバイパス回路が閉じてから再び開くまでの間に、不可逆性安全回路１３を溶断させるための溶断条件（例えば、定格電流以上の電流が流れること）を達成させることができていれば、バイパス回路が再び開いても点火コイル１の二次コイル１ａへ電流が流れることはない。しかし、バイパス回路が閉じてから再び開くまでの間に、不可逆性安全回路１３を溶断させるための溶断条件を達成させることができなければ、バイパス回路が再び開くと、点火コイル１の二次コイル１ａへ再び電流が流れ、改めてイグナイタ異常判定部によるバイパス回路の閉動作が実行されるものの、不可逆性安全回路１３が溶断しない限り、同じ事の繰り返しとなり、点火コイル１やイグナイタ３へ間歇的に過電流が流れることになる。
そこで、本実施形態に係る内燃機関用点火装置においては、イグナイタ異常判定部に不可逆性安全回路１３の溶断条件が達成されるまでバイパス切換信号出力を保持する機能を持たせるものとした。具体的には、過電流通電時間監視手段５における計時用コンデンサ５１の上流側、許容通電時間判定用コンパレータ５２への信号出力点と過電流検出用コンパレータ４２の信号入力点との間にコンデンサ放電時間調整用抵抗５３を配設することで、計時用コンデンサ５１の放電特性を調整し、許容通電時間判定用コンパレータ５２がオフになるまでの時間が、不可逆性安全回路１３の溶断条件満たすために必要十分な規定時間以上となるようにする。
斯くすれば、許容通電時間判定用コンパレータ５２からバイパス切換信号が出力されなくなってバイパス回路が開くまでに不可逆性安全回路１３を確実に溶断させることができるので、許容通電時間判定用コンパレータ５２からバイパス切換信号が出力されなくなってバイパス回路が開いても車輌バッテリー１１から点火コイル１やイグナイタ３へ過電流が流れることは無く、イグナイタ異常判定部が再び機能するようなことも無い。
なお、上述した実施形態では、バイパス切換信号を規定時間以上保持するために、簡易で安価に構成できる計時用コンデンサ５１とコンデンサ放電時間調整用抵抗５３とを用いるものとしたが、これに限定されるものではなく、ロジック回路等でバイパス切換信号出力が保持されるようにしても良い。
また、上述した実施形態では、点火コイル１の本体内にイグナイタ３、イグナイタ異常判定部、スイッチング素子６、バイパス回路、不可逆性安全回路１３を一体的に設けてユニット化する例を示したが、これに限らず、各々別体に構成したり、適宜な組み合わせで一体化しても構わない。例えば、イグナイタ異常判定部等を一つのユニットとして点火コイル１の外部に取り付けできるように構成しておけば、従来の点火コイル１の構造を変更することなく、容易に脱着することが可能となり、利便性の高いものとなる。
また、上述した実施形態では、不可逆性安全回路１３、バイパス回路およびスイッチング素子６は、点火コイル１個につき１個ずつ設けるものとし、異常が検出されたイグナイタ３に対応する点火コイル１でのみ、不可逆性安全回路１３を作動させるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、内燃機関の気筒毎に設置される点火コイルの全ての気筒を束ねた共通のＧＮＤハーネスとＧＮＤ接地間に、不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段を設けるものとし、何れか一つの気筒に設置される点火コイルのイグナイタに異常が生じた際には、当該気筒と束ねられた全ての気筒で通電が遮断されるようにし、接続するハーネスで纏められた全気筒の点火コイルへの通電が遮断されるようにしても良い。或いは、内燃機関の気筒毎に設置される点火コイルの２個又は３個を束ねた共通グループ毎のＧＮＤハーネスとＧＮＤ接地間に、不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段を設けるものとし、共通グループ内の何れか一つの気筒に設置される点火コイルのイグナイタに異常が生じた際には、当該気筒と束ねられた共通グループ内全ての気筒で通電が遮断されるようにし、接続するハーネスで纏められた共通グループに含まれる全気筒の点火コイルへの通電は遮断されるものの、他のグループの点火コイルへの通電は継続されるようにしても良い。
以上、本発明に係る内燃機関用点火装置の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１ 点火コイル
１ａ 一次コイル
１ｂ 二次コイル
２ 点火プラグ
３ イグナイタ
３１ パワートランジスタ
４ 過電流検出手段
４１ 電流検出用抵抗
４２ 過電流検出用コンパレータ
５ 過電流通電時間監視手段
５１ 計時用コンデンサ
５２ 許容通電時間判定用コンパレータ
５３ 放電時間調整用抵抗
６ スイッチング素子
１１ 車輌バッテリー
１２ ブレードフューズ
１３ 不可逆性安全回路

Claims (4)

1. エンジンコントロールユニットから出力される点火信号に応じて、点火コイルに流れる一次電流を通電・遮断制御し、コイル二次側に高電圧を発生させるイグナイタを備える内燃機関用点火装置において、
   電源から点火コイルに流れる電流の経路の中に設けられ、過電流が生じて溶断条件が達成されることで溶断し、回路を遮断する不可逆性安全回路と、
   前記不可逆性安全回路から点火コイルを経由せずにＧＮＤへ至るバイパス回路と、
   前記バイパス回路の途中に設けられ、バイパス切換信号が入力されることで開状態から閉状態に切り換わるスイッチ手段と、
   前記一次コイルに過電流が流れる状態を検出する過電流検出手段、および、前記過電流検出手段が過電流を検出している時間を監視し、その監視時間が予め定めた許容通電時間を超えることで、前記スイッチ手段を開状態から閉状態へ切り換えさせるバイパス切換信号をスイッチ手段へ出力し、前記不可逆安全回路の溶断条件を満たすために必要十分な規定時間以上バイパス切換信号の出力を保持する過電流通電時間監視手段、
   を備えるイグナイタ異常判定部と、
   を設け、
   前記点火コイルに電流が断続的に流れ続けるようなイグナイタの異常が生じた場合には、イグナイタ異常判定部がスイッチ手段を閉じさせてバイパス回路を機能させ、電源から流れる電流の経路をバイパス回路に切り換え、点火コイルの一次巻線には電流を流すことなく、バイパス回路を介して不可逆性安全回路に過電流を安定して流し、不可逆性安全回路の溶断条件を達成させるようにしたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記不可逆安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段は、点火コイル１個につき１個ずつ設けるものとし、異常が検出されたイグナイタに対応する点火コイルでのみ、不可逆性安全回路を作動させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
3. 前記不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段は、内燃機関の気筒毎に設置される点火コイルの全ての気筒を束ねた共通のＧＮＤハーネスとＧＮＤ接地間に設けるものとし、何れか一つの気筒に設置される点火コイルのイグナイタに異常が発生した際には、当該気筒と束ねられた全ての気筒で通電が遮断されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
4. 前記不可逆性安全回路、バイパス回路およびスイッチ手段は、内燃機関の気筒毎に設置される点火コイルの２個または３個を束ねた共通グループ毎のＧＮＤハーネスとＧＮＤ接地間に設けるものとし、共通グループ内の何れか一つの気筒に設置される点火コイルのイグナイタに異常が生じた際には、当該気筒と束ねられた共通グループ内全ての気筒で通電が遮断されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。

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