JP5737389B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられて排ガスを昇温する着火装置を有する排気浄化システムに関する。

機関の排気通路内に配置された排気浄化触媒の上流に、燃料を供給して燃焼させるための着火装置を配置した種々の排気浄化システムが提案されている。例えば特許文献１が開示するシステムでは、着火が可能な運転領域において、グロープラグによる加熱により着火する第１の制御状態、又はグロープラグによる加熱が停止している第３の制御状態を実現する。他方、着火が不可能な運転領域においては、グロープラグによる加熱を行うが燃料に着火しない第２の制御状態、又は上記第３の制御状態を実現する。

特許文献２が開示するシステムでは、外気温度が低いときほど、触媒の予熱時間を長く設定する。

特開２０１０−０５９８８６号公報 特開２００１−０６５３３５号公報

着火装置を、着火温度よりも低い待機温度に予め加熱し、着火可能な運転状態になった時に、待機温度から着火温度まで昇温させることとすれば、着火装置を常に着火温度まで加熱しておく場合に比べて、消費エネルギを節約することができる。しかし、着火可能な運転状態が継続する時間が短すぎるときには、着火温度が維持される時間が不十分となり、着火させることができない。

本発明の目的は、着火装置を有する排気装置において、消費エネルギを節約しながら、着火の失敗を抑制することにある。

本発明の１態様は、
車両の内燃機関の排気通路に燃料を供給するための燃料供給弁と、
前記燃料供給弁から供給された燃料に着火させるための着火装置と、
少なくとも、燃料に着火させることが可能な着火温度と、燃料に着火させることが不可能な待機温度と、を選択的に実現するように前記着火装置を加熱するコントローラと、
を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記コントローラは、前記車両の減速状態が継続する時間である予測減速時間が大であるほど、前記待機温度を低く制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化システムである。

好適には、前記コントローラは、前記予測減速時間を、車速が高いほど長く推定する。

好適には、前記コントローラは、前記予測減速時間が、予め定められた基準値よりも小さい場合に、前記着火手段の加熱を行わない。

好適には、前記コントローラは、前記予測減速時間にかかわらず、減速状態が生じないことが推定される場合には、前記着火手段の加熱を行わない。

好適には、前記コントローラは、前記着火装置よりも下流側の排気通路内に配置された排気浄化触媒の温度が高いほど、前記待機温度を低く制御する。

好適には、前記コントローラは、前記予測減速時間にかかわらず、前記車両が減速中かつシフトチェンジ中である場合には、前記着火装置を着火温度に制御する。

なお、本発明における課題を解決するための種々の手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明によれば、着火装置を有する排気装置において、消費エネルギを節約しながら、着火の失敗を抑制することができる。

図１は本発明の実施形態の概念図である。 図２はグロープラグの温度制御処理を示すフローチャートである。 図３は基本減速時間マップの設定例を示すグラフである。 図４は車速から定まる平地定常運転時の燃料噴射量を示すグラフである。 図５は路面補正係数マップの設定例を示すグラフである。 図６は触媒温度補正係数マップの設定例を示すグラフである。 図７は待機温度マップの設定例を示すグラフである。 図８は待機温度を変化させた場合のそれぞれについてのグロープラグ温度の推移を示すタイムチャートである。

本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す。図１において、エンジン本体１は、軽油を燃料とする圧縮点火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であるが、他の形式の内燃機関であってもよい。エンジン本体１は、４つの気筒のそれぞれに燃焼室２を有する。各燃焼室２には、燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３が配置されている。燃焼室２には、吸気マニホールド４および排気マニホールド５が接続されている。吸気マニホールド４は、吸気管６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、エアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結されている。

吸気管６内には、ステップモータ（不図示）により駆動されるスロットル弁１０が配置されている。吸気管６の周りには、吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１１が配置されている。インタークーラ１１内に機関冷却水が導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

各燃料噴射弁３は、燃料供給管４１を介してコモンレール４２に連結され、このコモンレール４２は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ４３を介して燃料タンク４４に連結される。燃料タンク４４内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ４３によってコモンレール４２内に供給され、コモンレール４２内に供給された燃料は各燃料供給管４１を介して燃料噴射弁３に供給される。

排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介して、排気浄化触媒１３に連結されている。排気浄化触媒１３は、例えば酸化触媒、三元触媒又はＮＯｘ触媒から構成されている。触媒１３の基材には、コージェライトあるいはメタルから形成されたハニカム体が用いられている。

この排気浄化触媒１３上流の排気管１２内には、排気管１２内に燃料を供給するための燃料噴射弁１５が、その噴射口を排気管１２内部に臨ませて配置されている。燃料噴射弁１５には、燃料タンク４４内の燃料が燃料ポンプ４３を介して供給される。

燃料噴射弁１５よりも下流側の排気管１２内には、グロープラグ１６が設けられている。グロープラグ１６は、その先端部に燃料噴射弁１５から添加される燃料が接触するように配置されており、燃料に着火させることが可能である。グロープラグ１６は、燃料の着火を支援することができる。

グロープラグ１６は、その軸心が排気管１２の上流に向けて傾斜しているが、例えば流れ方向に直交して配置するなど、任意の姿勢で配置することができる。グロープラグ１６には、これに給電するための直流電源及び昇圧回路（いずれも不図示）が接続されている。着火するための手段としては、グロープラグに代えてセラミックヒータその他の電熱式の昇温手段を用いてもよい。燃料の微粒化を促進するために、燃料噴射弁１５から噴射された燃料を衝突させるための衝突板を、排気管１２内に配置してもよい。燃料噴射弁１５およびグロープラグ１６は、排気昇温装置４０を構成し、この排気昇温装置４０は、後述するＥＣＵ５０によって制御される。

排気浄化触媒１３上流側の排気管１２内には、前面投影面積がその周囲の排気管１２の断面積よりも小さい小型酸化触媒（不図示）を配置してもよい。そのような小型酸化触媒には、排気管１２を通過する排気ガスの一部が流通する。小型酸化触媒は燃料噴射弁１５およびグロープラグ１６よりも下流側に配置することができる。小型酸化触媒が活性化し十分に高温になっている場合には、グロープラグ１６が通電されていなくても燃料に着火させることができる。小型酸化触媒が十分に高温になっていない場合であっても、グロープラグ１６によって着火が支援される。触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２等を用いることができる。

燃料噴射弁１５よりも上流側の排気管１２内には、排気温度を検出するための排気温センサ３１が設置されている。グロープラグ１６よりも下流側であって排気浄化触媒１３よりも上流側の排気管１２内には、排気通路内の空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ３２が設置されている。排気浄化触媒１３の近傍には、排気浄化触媒１３の温度を検出する触媒温度センサ３３が設置されている。

コントローラである電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、周知のデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入力ポートおよび出力ポートを具備する。

アクセルペダル５１には、アクセルペダル５１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５２が設置されている。エンジン本体１のクランクシャフトの近傍には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５３が設置されている。スロットル弁１０の近傍には吸気温度センサ５４が設置されている。エンジン本体１のシリンダブロックには水温センサ５５が設置されている。駆動輪の近傍には車速センサ５６が設置されている。車室外には外気温センサ５７が設置されている。車体には加速度センサ５８設置されている。不図示のシフトレバーの近傍にはシフトポジションセンサ５９が設置されている。各センサの出力信号は、それぞれ対応するＡＤ変換器を介して、ＥＣＵ５０の入力ポートに入力される。

他方、ＥＣＵ５０は、それぞれ対応するＤＡ変換器及び駆動回路を介して、燃料噴射弁３，１５、グロープラグ１６、燃料ポンプ４３、及びスロットル弁１０駆動用のステップモータに接続される。これらアクチュエータ類の動作は、ＥＣＵ５０によって制御される。図３〜図８に示される各マップを含む各種プログラム及び基準値・初期値が予め作成され、ＥＣＵ５０のＲＯＭに格納されている。各マップに代えて数式からなる関数を用いてもよい。

ＥＣＵ５０は、エアフローメータ８、排気温センサ３１、Ａ／Ｆセンサ３２、負荷センサ５２及びクランク角センサ５３の検出値を含む車両の状態、とくにエンジン本体１の動作状態を示すパラメータに基づいて、燃料供給指示量を算出し、指示量に応じた時間だけ燃料噴射弁３を開くべく制御信号を出力する。この制御信号に従って、燃料供給指示量に応じた量の燃料が燃料噴射弁３から供給され、エンジン本体１が運転される。エンジン本体１の運転では、ＥＣＵ５０の制御により、車両の減速中にはスロットル弁１０の開度が絞られて排気流量が減少させられ、かつ、燃料噴射弁３からの燃料供給が停止される（燃料カット制御）。

以上の処理と並行して、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁１５及びグロープラグ１６を制御して、燃料噴射弁１５から燃料を供給させ、且つ供給される燃料の一部又は全部を、グロープラグ１６により昇温又は着火させる。燃料噴射弁１５からの燃料供給の必要量（すなわち、燃料供給要求の目的に応じて設定された燃料供給量）は、固定値でも可変値でもよい。可変値の場合には、必要量は例えば排気浄化触媒１３の推定温度に基づいて定めることができる。燃料噴射弁１５に対する燃料供給要求は、冷間始動時など低温時の排気浄化触媒１３の昇温のほか、排気浄化触媒１３における堆積した粒子状物質（ＰＭ）の酸化及び燃焼、及び、（排気浄化触媒１３がＮＯｘ吸蔵還元触媒である場合には）排気浄化触媒１３に対するＮＯｘ還元並びにＳＯｘ被毒回復を目的として出力することができ、昇温以外の目的の場合にはグロープラグ１６の通電は行わなくてもよい。

図２のグロープラグ温度制御ルーチンは、エンジン本体１の動作中に、所定時間Δｔごとに繰返し実行される。図２において、まずＥＣＵ５０は車両の状態を示す各パラメータの値を読み込む（Ｓ１０１）。次にＥＣＵ５０は、減速状態不成立が予測されるかを判断する（Ｓ１０２）。この判断では、加速度センサ５８によって検出される加速度ａが正の値で絶対値が所定値以上（換言すれば、車両が明らかに加速中）である場合に、また、エンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量ＫＬ及び加速度ａの経時変化量に基づく定常走行状態との判定が所定時間以上連続している場合に、減速状態不成立が予測される。この場合には、例えば高速道路の走行中のように、近い将来に減速状態が生じる可能性が低いと考えられるため、ステップＳ１０２で肯定されて処理がリターンされ、グロープラグ１６の加熱は行われない。したがって、着火の可能性が低い場合における消費エネルギを抑制することができる。加速度ａは、車速センサ５６によって検出される車速ｖの変化量によって算出してもよい。

ステップＳ１０２で否定の場合には、次にＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔｃが、予め定められた基準触媒温度Ｔｃ０よりも小さいかを判断する（Ｓ１０３）。否定、すなわち触媒温度Ｔｃが基準触媒温度Ｔｃ０と等しいかより大である場合には、加熱の必要がないため、処理がリターンされ、グロープラグ１６の加熱は行われない。

ステップＳ１０３で肯定の場合には、次にＥＣＵ５０は、車両が減速中であるかを判断する（Ｓ１０４）。燃料噴射弁１５から供給された燃料に着火させるには、排ガス温度が高いこと、排気流量が低いこと、及び酸素濃度が高いことが望ましい。車両が減速状態にあるときには、排気流量が低く、且つ酸素濃度が高くなるようにエンジン本体１が制御されるために、着火が好適に行われる。減速中であることが着火に適しているため、本システムでは基本的には、減速中の場合にグロープラグ１６が着火温度に制御され、減速中でない場合には待機温度に加熱されるか或いは全く加熱されない。ステップＳ１０３の判断は、加速度センサ５８によって検出される加速度ａに基づいて行われる。加速度ａが負でその絶対値が所定値を上回っている場合には減速中と判断される。加速度ａは、車速センサ５６によって検出される車速ｖの変化量によって算出してもよい。

減速中でない場合には、次にＥＣＵ５０は、予測減速時間ｔｐを算出する（Ｓ１０５）。予測減速時間ｔｐは、車速ｖに基づいて算出される基本減速時間ｔｂ、所定の関数により算出される路面負荷率Ｒｌ，及び触媒温度センサ３３によって検出される触媒温度Ｔｃに基づいて算出される。

具体的には、ＥＣＵ５０は、車速センサ５６によって検出される現在の車速ｖを用いて、基本減速時間マップ（図３参照）を参照し、これによって基本減速時間ｔｂを算出する。基本減速時間ｔｂは、車速ｖが大きいほど長くなるように設定されている。これは、車速ｖが高いときほど減速時間が長くなることが経験的に予測されるからである。

路面負荷率Ｒｌは、現在の燃料噴射量Ｑが、車速ｖから定まる平地定常運転時の燃料噴射量Ｑ０（図４参照）に対してなす比率として定義される。路面負荷率Ｒｌは走行抵抗と正の相関を有し、上り坂、高摩擦路、及び向かい風の場合には、路面負荷率Ｒｌは１よりも大となる。ＥＣＵ５０は、路面負荷率Ｒｌに基づいて、予め作成されＲＯＭに格納されている路面補正係数マップ（図５参照）を参照し、これによって路面補正係数Ｃｒを算出する。路面補正係数Ｃｒは、路面負荷率Ｒｌが大きいほど、小さくなるように設定されている。これは、路面負荷率Ｒｌが高いほど、減速時間が短くなることが予測されるからである。

ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔｃに基づいて、予め作成されＲＯＭに格納されている触媒温度補正係数マップ（図６参照）を参照し、これによって触媒温度補正係数Ｃｃを算出する。触媒温度補正係数Ｃｃは、触媒温度Ｔｃが大きいほど、小さくなるように設定されている。これは、排気浄化触媒１３の温度が高い場合には、着火確率の低下は許容できるからである。

ＥＣＵ５０は、基本減速時間ｔｂに、路面補正係数Ｃｒ及び触媒温度補正係数Ｃｃを乗ずることによって、予測減速時間ｔｐを算出する（Ｓ１０５）。予測減速時間ｔｐは、車速ｖが大きいほど、大きい値になる。

次にＥＣＵ５０は、予測減速時間ｔｐに基づいて、予め作成されＲＯＭに格納されている待機温度マップ（図７参照）を参照し、これによって目標待機温度ｔｓを算出する（Ｓ１０６）。目標待機温度ｔｓは、予測減速時間が大であるほど、低くなるように設定されている。

次にＥＣＵ５０は、予測減速時間ｔｐが基準時間ｔｐ０より大であるかを判断する（Ｓ１０７）。この基準時間ｔｐ０は、目標待機温度Ｔｓから着火可能な温度へとグロープラグ１６の温度を上昇させるために要する所要昇温時間と、着火可能な温度において燃料に着火させるために要する所要維持時間と、の和に設定される。これら所要昇温時間及び所要維持時間はそれぞれ固定値でもよいし、例えば外気温度及び／又は吸気温度に基づいて動的に設定されてもよい。あるいは基準時間ｔｐ０は上記所要昇温時間に設定してもよい。ステップＳ１０７で否定（すなわち、予測減速時間ｔｐが基準時間ｔｐ０と等しいかあるいは小である）場合には、処理がリターンされ、グロープラグ１６の加熱は行われない。

ステップＳ１０７で肯定の場合には、ＥＣＵ５０は、グロープラグ１６に対する制御出力を行い、グロープラグ１６を目標待機温度Ｔｓに制御する（Ｓ１０８）。

他方、ステップＳ１０４で肯定、すなわち車両が減速状態に入った場合には、ＥＣＵ５０は、排気管１２内が着火可能雰囲気かを判断する（Ｓ１０９）。この判断は、「酸素濃度が基準酸素濃度より高いか」、「排気温度が基準排気温度より高いか」及び「排気流量が基準排気流量より小さいか」に基づいて行われ、これらの基準の全てが満足された場合に肯定される。肯定の場合には、ＥＣＵ５０はグロープラグ１６を着火温度Ｔｉに制御する（Ｓ１１１）。否定の場合には、次にＥＣＵ５０はシフトポジションセンサ５９の検出値に基づいて、シフトダウンがあったかを判断し（Ｓ１１０）、肯定の場合にはグロープラグ１６を着火温度Ｔｉに制御し（Ｓ１１１）、否定の場合にはステップＳ１０５〜Ｓ１０８の処理（すなわち、目標待機温度ｔｓへの制御）に移行する。

以上の処理の結果、本実施形態ではグロープラグ１６が、車両が減速中（Ｓ１０４）の場合には着火温度Ｔｉに制御され、車両が減速中でない場合には目標待機温度Ｔｓに制御される。

本実施形態では、車両の減速状態が継続する時間である予測減速時間ｔｐが短いほど、待機温度Ｔｓが高く制御されるため、グロープラグ１６の温度がより短い時間で待機温度Ｔｓから着火温度Ｔｉに達し、着火温度Ｔｉが維持される時間が延長される。例えば図８に示されるように、グロープラグ温度が、低い待機温度Ｔｓ２であった場合（曲線ｐ）には、車両が減速状態に入った時点から着火可能しきい値Ｔ０を超える時点ｔ２までに、比較的長い時間を要する。これに対して、グロープラグ温度が、高い待機温度Ｔｓ１である場合（曲線ｑ）には、車両が減速状態に入った時点から比較的短い時間で、着火可能しきい値Ｔ０を超え、その結果、グロープラグ温度が着火可能しきい値Ｔ０を超えた時点ｔ１から減速状態が終了する時点ｔ３までの時間を、ｔ１−ｔ２間の時間にわたり延長することができる。したがって、着火の失敗を抑制することができる。他方、予測減速時間ｔｐが長いほど、待機温度Ｔｓが低く制御される（Ｓ１０６、図７）。その結果、消費エネルギを節約することができ、かつ予測減速時間ｔｐが長いために、着火の失敗が許容できる程度に抑制される。

ＥＣＵ５０は、予測減速時間ｔｐを、車速ｖが高いほど長く推定する（Ｓ１０５、図３）。経験的に、車速ｖが高いほど、その後に生じる減速時間が長くなる。したがって、本実施形態では、車速ｖが高いほど待機温度Ｔｓが低く制御され、その結果、簡易な構成によって本発明に所期の効果を実現することができる。

ＥＣＵ５０は、予測減速時間ｔｐが、予め定められた基準時間ｔｐ０よりも小さい場合に、グロープラグ１６の加熱を行わない（Ｓ１０７）。したがって、着火の可能性が低い場合における消費エネルギを抑制することができる。

ＥＣＵ５０は、予測減速時間ｔｐにかかわらず、減速状態が生じないことが推定される場合には、グロープラグ１６の加熱を行わない（Ｓ１０２）。したがって、着火の可能性が低い場合における消費エネルギを抑制することができる。加速中の場合、若しくは（高速道路の走行中のように）定常運転中が長く続く場合に、減速状態が生じないと推定するので、簡易な構成によって、減速状態が生じないことを推定することができる。別の態様として、高速道路の走行中には減速状態が生じないと判断してグロープラグ１６の加熱を禁止しても良い。この判断は外部情報（例えばＧＰＳシステムからのもの）に基づいて行うことができる。

ＥＣＵ５０は、グロープラグ１６よりも下流側の排気通路内に配置された排気浄化触媒１３の温度が高いほど、待機温度Ｔｓを低く制御する（Ｓ１０５、図６）。排気浄化触媒１３の温度が高い場合には、着火確率の低下は許容できる。したがって、着火確率を犠牲にしながら、消費エネルギを抑制することができる。

ＥＣＵ５０は、予測減速時間ｔｐにかかわらず、車両が減速中かつシフトチェンジ中である場合には、前記着火装置を着火温度に制御する（Ｓ１１０、Ｓ１１１）。減速中に行われるシフトチェンジでは、スムーズなシフトチェンジを行うために、ドライバはエンジンの回転数を一時的に増大させる傾向がある。その結果、排ガス中のＯ２の減少を主たる理由として、着火条件を満たさなくなる可能性が高い。しかし、このような場合にはこれに続いて減速が行われる可能性が高い。したがって、本実施形態ではグロープラグ１６を、待機温度Ｔｓでなく着火温度Ｔｉに制御することにより、減速が行われた場合に燃料に速やかに着火させることができる。

本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。上記実施形態及び各変形例に示された種々の技術手段は、可能な限り互いに組み合わせることができ、また可能な限り互いに独立して実行することができる。例えば、予測減速時間ｔｐは他のパラメータ、例えば路面勾配を含む地形情報、渋滞情報を含む交通量情報などの外部情報（例えばＧＰＳシステム及び交通情報システムからのもの）、及び／又はユーザの運転パターンを含む学習情報を考慮して算出してもよい。また本発明は、ターボチャージャを有しない内燃機関や、他の形式の内燃機関に適用することも可能である。

１ エンジン本体
１２ 排気管
１３ 排気浄化触媒
３，１５ 燃料噴射弁
１６ グロープラグ
４０ 排気昇温装置
５０ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 車両の内燃機関の排気通路に燃料を供給するための燃料供給弁と、
   前記燃料供給弁から供給された燃料に着火させるための着火装置と、
   少なくとも、所定の着火可能雰囲気下で燃料に着火させることが可能な前記着火装置の第１の温度を、車両の減速中に実現し、加熱された状態であるが前記所定の着火可能雰囲気下で燃料に着火させることが不可能な前記着火装置の第２の温度を、車両が減速中でないときに実現するように、前記着火装置を制御するコントローラと、
   を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記コントローラは、前記車両の減速状態が継続することが予測される時間である予測減速時間が大であるほど、前記第２の温度を低く制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記コントローラは、前記予測減速時間を、車速が大きいほど長く予測することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
3. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記コントローラは、前記予測減速時間が、予め定められた基準値よりも小さい場合に、前記着火装置の加熱を行わないことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
4. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記コントローラは、前記予測減速時間にかかわらず、減速状態が生じないことが予測される場合には、前記着火装置の加熱を行わないことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
5. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記コントローラは、前記着火装置よりも下流側の排気通路内に配置された排気浄化触媒の温度が高いほど、前記第２の温度を低く制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
6. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記コントローラは、前記予測減速時間にかかわらず、前記車両が減速中かつシフトチェンジ中である場合には、前記着火装置を第１の温度に制御することを特徴とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

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