JP5960869B1 - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】スパークプラグの主体金具における絶縁碍子の保持力を向上する。【解決手段】軸線方向に延びる貫通孔を有して略筒状に形成され、中心電極を貫通孔の軸線方向先端側に備える絶縁碍子と、略筒状に形成され、軸線方向後端に加締部を有し、絶縁碍子が内挿された状態で、加締部が加締められて絶縁碍子を保持する主体金具と、を備え、加締部は、軸線を含む平面による切断面において、絶縁碍子に最も近接する最近接点と、最近接点を通り軸線に垂直な第１の垂直線が加締部の外周と交わる交点との距離Ａが、Ａ≧１．７ｍｍ、かつ加締部の基端の肉厚ｔがｔ≧１．２０ｍｍである、スパークプラグ。【選択図】図１

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

ガソリンエンジンなどの内燃機関の点火に使用されるスパークプラグは、エンジンヘッドにスパークプラグを取り付けるための主体金具を備える。この主体金具は、略筒状に形成され、中心電極を備える絶縁碍子が内挿された状態で、主体金具の加締部を加締めることにより、絶縁碍子に組み付けられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１６４１４７号公報

内燃機関において、高過給や高圧縮比化により、内燃機関の燃焼室内の圧力が増加している。そのため、スパークプラグの先端側（火花ギャップが形成される側）から後端（基端）側へと絶縁碍子を押す力が増大するため、絶縁碍子が主体金具から抜けるおそれがある。そこで、主体金具における絶縁碍子の保持力の向上が望まれている。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、軸線方向に延びる貫通孔を有して略筒状に形成され、中心電極を前記貫通孔の前記軸線方向先端側に備える絶縁碍子と、略筒状に形成され、前記軸線方向後端に加締部を有し、前記絶縁碍子が内挿された状態で、前記加締部によって前記絶縁碍子が保持される主体金具と、を備え、前記加締部は、前記軸線を含む平面による切断面において、前記絶縁碍子に最も近接する最近接点と、前記最近接点を通り前記軸線に垂直な第１の垂直線が前記加締部の外周と交わる交点との距離Ａが、Ａ≧１．７ｍｍ、かつ、前記加締部の基端の肉厚ｔがｔ≧１．２０ｍｍである。この形態のスパークプラグによれば、加締部の加締め強度が向上されるため、スパークプラグの先端側が配置される内燃機関の燃焼室内の圧力が増加した場合に、燃焼室内の圧力によって、絶縁碍子が主体金具から抜ける可能性を低減することができる。

（１）本発明の一形態によれば、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、軸線方向に延びる貫通孔を有して略筒状に形成され、中心電極を前記貫通孔の前記軸線方向先端側に備える絶縁碍子と、略筒状に形成され、前記軸線方向後端に加締部を有し、前記絶縁碍子が内挿された状態で、前記加締部が加締められて前記絶縁碍子を保持する主体金具と、を備え、前記加締部は、前記軸線を含む平面による切断面において、前記絶縁碍子に最も近接する最近接点と、前記最近接点を通り前記軸線に垂直な第１の垂直線が前記加締部の外周と交わる交点との距離Ａが、Ａ≧１．７ｍｍ、かつ、前記加締部の基端の肉厚ｔがｔ≧１．２０ｍｍである。この形態のスパークプラグによれば、加締部の加締め強度が向上されるため、スパークプラグの先端側が配置される内燃機関の燃焼室内の圧力が増加した場合に、燃焼室内の圧力によって、絶縁碍子が主体金具から抜ける可能性を低減することができる。

（２）上記形態のスパークプラグであって、前記加締部は、前記切断面において、前記加締部の外周の基端を通り、前記軸線に平行な平行線と、前記最近接点との距離Ｂと、前記加締部の外周の基端を通り、前記軸線に垂直な第２の垂直線と、前記加締部の外周との距離のうち、最大の距離Ｃとの比Ｃ／Ｂが、０．７≦Ｃ／Ｂ≦１．５であってもよい。このようにしても、加締部の加締め強度が向上されるため、絶縁碍子が主体金具から抜ける可能性を低減することができる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、スパークプラグの製造方法、主体金具等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態のスパークプラグの概略構成を示す部分断面図である。 組み付け前の主体金具の概略構成を示す部分断面図である。 加締部の一部を拡大して概略的に示す部分断面図である（Ｃ／Ｂ＝１．０）。 加締部の部分断面図である（Ｃ／Ｂ＝１．５）。 加締部の部分断面図である（曲線部基点が外周基点Ｅ１と一致しない例）。 加締部の部分断面図である（最近接点Ｎの他の例）。

Ａ．実施形態：
Ａ１．スパークプラグの構成：
図１は、本発明の一実施形態のスパークプラグ１００の概略構成を示す部分断面図である。図１において、スパークプラグ１００の中心軸である軸線ＯＬ（スパークプラグ１００の中心軸と主体金具５０の中心軸とは一致している）の右側にスパークプラグ１００の外観構成を示しており、軸線ＯＬの左側にスパークプラグ１００の断面構成を示している。以降は、軸線ＯＬに沿った方向と平行な方向を軸線方向ＯＤと呼ぶ。また、軸線方向ＯＤを図面における上下方向として、下側（後述する接地電極３０が配置されている側）を先端側と呼び、上側（後述する端子金具４０が配置されている側）を後端側と呼ぶ。

スパークプラグ１００は、絶縁体としての絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極（外側電極）３０と、端子金具４０と、主体金具５０と、を備えている。絶縁碍子１０は、中心電極２０および端子金具４０を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の絶縁体であり、例えばアルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成されている。中心電極２０は、有底筒状に形成された被覆材２１の内部に、被覆材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２５を埋設した略棒状の電極である。中心電極２０は絶縁碍子１０によって保持され、絶縁碍子１０は主体金具５０によって保持される。接地電極３０は、屈曲した略棒状の電極であり、主体金具５０の先端側に取り付けられている。端子金具４０は絶縁碍子１０の後端側に取り付けられている。接地電極３０の自由端と中心電極２０の先端との間には、火花ギャップＧが形成される。

図２は、組み付け前の主体金具５０の概略構成を示す部分断面図である。図２において、主体金具５０の中心軸である軸線ＯＬの右側に主体金具５０の外観構成を示しており、軸線ＯＬの左側に主体金具５０の断面構成を示している。主体金具５０は、軸線方向ＯＤに沿った貫通孔５９を有し、絶縁碍子１０の一部を貫通孔５９内に収容して保持する略円筒状の金具である。主体金具５０の外周に形成されたねじ山をエンジンヘッド２００（図１）に形成されたねじ孔２０１（図１）に螺合させることにより、スパークプラグをエンジンヘッド２００に組み付けることができる。主体金具５０は、例えば低炭素鋼といった金属により形成されている。

主体金具５０は、軸線方向後端側から順に、加締部５３と、工具係合部５１と、圧縮変形部５５と、シール部５４と、ねじ部５２と、を主に備える。

加締部５３は、略円環状に形成され、工具係合部５１と接続された根元（以下、「加締部基端」とも称する。）から加締部先端５３６（軸線方向後端）にかけて、肉厚が薄くなるように線形のテーパー（テーパー角度θ０）がつけられている。すなわち、加締部基端５３４の肉厚ｔ１（以下、加締部基端肉厚ｔ１とも称する。）が加締部先端５３６の肉厚ｔ２より大きい。本実施形態において、加締部基端５３４の肉厚ｔ１は、１．２０ｍｍ以上とした。図１に示すように、スパークプラグ１００の完成品において、加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締められている。加締部５３については、後に詳述する。

工具係合部５１は、平面視略正六角形状であり、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付ける際に工具（スパークプラグレンチ）が嵌合する。

ねじ部５２の外表面には、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付ける際にエンジンヘッドのねじ孔に螺合するねじ山が形成されている。また、ねじ部５２の内周には、内側に突出する段部５６が形成されている。後述するように、絶縁碍子１０の縮径部１５が段部５６によって支持される(図１)。

シール部５４は、ねじ部５２と工具係合部５１との間に、ねじ部５２と連続して形成されており、スパークプラグ１００がエンジンヘッドに取付けられた際に、エンジンヘッドに形成されたねじ孔を介したエンジン内の気体の漏洩を防止する。エンジンヘッドにスパークプラグ１００を取付ける際、図１に示すように、ねじ部５２とシール部５４との間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿される。シール部５４は、ガスケット５を介してエンジンヘッドのねじ孔を封止し、これにより、ねじ孔を介したエンジン内の混合気の漏洩が防止される。

圧縮変形部５５は、工具係合部５１とシール部５４との間に設けられている。圧縮変形部５５は、加締部５３を加締める際に、圧縮力の付加に伴い、外向きに撓み変形するように（図１）、薄肉に構成されており、主体金具５０内の気密性を高めている。詳しくは、図１に示すように、主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子１０の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されている。さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締めると、絶縁碍子１０は、リング部材６，７およびタルク９を介して主体金具５０内の先端側に向け押圧される。これにより、絶縁碍子１０の縮径部１５は、主体金具５０の内周に形成された段部５６に支持され、主体金具５０と絶縁碍子１０とは、一体となる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、絶縁碍子１０の縮径部１５と主体金具５０の段部５６との間に介在された環状の板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。板パッキン８は、例えば、銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い材料によって形成される。板パッキン８の熱伝導率が高いと、絶縁碍子１０の熱が主体金具５０の段部５６に効率よく伝わるため、スパークプラグ１００の熱引きがよくなり、耐熱性を向上させることができる。圧縮変形部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形し、タルク９の圧縮ストロークを稼いで主体金具５０内の気密性を高めている。なお、主体金具５０の段部５６よりも先端側と絶縁碍子１０との間には、所定寸法のクリアランスＣＬが設けられている。

Ａ２．主体金具の加締部の構成：
図３〜６は、加締部５３の一部（図１におけるＸ部）を拡大して概略的に示す部分断面図である。図３〜６において、加締部５３の加締め状態を表す距離Ａ，Ｂ，Ｃ，角度θ１（後述する），および加締部基端肉厚ｔ１を示す。

加締部５３を加締める際は、主体金具５０の貫通孔５９に絶縁碍子１０が挿通され、加締部５３が加締め前の状態（図２）で、公知の方法（例えば、特開２００２−１６４１４７に記載された方法）により、加締め用金型によって、軸線方向先端方向に押圧されて加締められる。加締め用金具の凹部の形状によって、上記の距離Ａ，Ｂ，Ｃ，および角度θ１が調整される。本明細書では、加締部５３の軸線ＯＬを含む平面による切断面における形状に基づいて、以下に定義する５つの要素のいくつかを用いて、加締め状態を表す。以下、図３に基づいて、加締部５３の加締め状態を表す要素について説明する。図３に示すように、加締部５３は、内側に加締められ、その先端が絶縁碍子１０と微小な間隙を空けて配置されている。
（１）距離Ａ：加締部５３のうち、最も絶縁碍子１０に近い点を最近接点Ｎとし、最近接点Ｎを通り、軸線ＯＬに直交する直線を第１の垂直線Ｌｖ１とした場合に、第１の垂直線Ｌｖ１が加締部５３の外周５３２と交わる点を交点Ｉとすると、最近接点Ｎと交点Ｉとの距離を、距離Ａと定義する。
（２）距離Ｂ：加締部５３の外周５３２における基端を外周基点Ｅ１とし、外周基点Ｅ１を通り、軸線ＯＬに平行な平行線Ｌｈと、最近接点Ｎとの距離を、距離Ｂと定義する。
（３）距離Ｃ：外周基点Ｅ１を通り、軸線ＯＬと直交する第２の垂直線Ｌｖ２と、加締部５３の外周面５３２との距離のうち、最大の距離を、距離Ｃと定義する。
（４）曲線部角度θ１：加締部５３の外周５３２の曲線部の基端である曲線部基点Ｅ２における接線Ｌｔと、第１の垂直線Ｌｖ１との角度を曲線部角度θ１と定義する。図３において、加締部５３は、加締部基端５３４から曲がっており、外周基点Ｅ１と曲線部基点Ｅ２とが一致している。図３に示すように、接線Ｌｔと第１の垂直線Ｌｖ１との角度は、接線Ｌｔと第２の垂直線Ｌｖ２との角度と同一であり、接線Ｌｔと第１の垂直線Ｌｖ１との角度θ１は、加締部５３の曲線部の基点における角度を表す。
（５）加締部基端肉厚ｔ１：加締部基端５３４の肉厚を、加締部基端肉厚ｔ１と定義する。本実施形態における加締部基端肉厚ｔ１が、請求項における加締部の基端の肉厚ｔに相当する。

図３は距離Ｃと距離Ｂとの比Ｃ／Ｂ＝１．０，図４はＣ／Ｂ＝１．５の例を示す。図３，４に示すように、Ｃ／Ｂは、加締部５３の加締部先端５３６側の曲がり度合い(角度)により変化する。すなわち、Ｃ／Ｂが小さいほど、加締部５３の加締部先端５３６側が深く曲がっている。ここで、加締部５３の内周面と軸線ＯＬと平行な線との角度が小さいほど曲がり度合いが浅く（０°では曲がっていない）、大きいほど曲がり度合いが深い。加締部先端５３６側の曲がり度合いを表すために、例えば、加締部５３の内周５３８とリング部材６との接点における接線と、軸線ＯＬと平行な線との角度を用いると、角度が大きいほどＣ／Ｂが小さくなる。また、距離Ａは、加締部５３の加締部先端５３６側の曲がり度合いと加締部５３の肉厚により変化する。本明細書では、上記で定義した距離Ｃと距離Ｂとの比Ｃ／Ｂ、および距離Ａを用いて、加締部５３の加締め状態を表した。

図５は、曲線部基点Ｅ２が外周基点Ｅ１と一致しない例を示す。図３，４では、加締部５３が加締部基端５３４から曲がっており、曲線部基点Ｅ２が外周基点Ｅ１と一致している。これに対し、図５に示す例では、加締部５３は、加締部基端５３４から任意の高さまでは曲がっておらず（加締め前の状態）であり、任意の高さにおいて曲がり始めるため、曲線部基点Ｅ２が外周基点Ｅ１と一致しない。すなわち、加締部５３の外周は、軸線ＯＬを通る切断面において、直線部と曲線部を有する。本明細書では、その曲線部の基端（加締部５３の基端側の端）を、曲線部基点Ｅ２と定義している。

図６は、最近接点Ｎの他の例を示す。図３〜５の例では、加締部先端５３６の形状が、加締め前後でほぼ変形しておらず、加締部５３の内周の先端が最接近点Ｎとなっている。図６に示す例では、加締部先端５３６の形状が、加締め用金型によって加締める際の荷重により変形し、加締部の先端面が内周の先端よりも絶縁碍子１０に近くなっている。このような場合には、最近接点Ｎは、加締部５３の内周の先端とは異なる点になる。なお、加締部先端５３６の形状の変形の有無にかかわらず、本明細書では、加締部５３の軸線ＯＬを含む平面による切断面において、絶縁碍子１０に最も近接する点を最近接点Ｎと定義している。

本実施形態では、加締部５３による加締め強度を高めるために、加締部基端肉厚ｔ１≧１．２０ｍｍとし、距離Ａ≧１．７ｍｍとした。さらに、０．７≦Ｃ／Ｂ≦１．５とするのが好ましい。また、５０°≦曲線部角度θ１≦８５°が好ましい。加締部基端５３４の角度（外周基点Ｅ１における接線と、第２の垂直線Ｌｖ２との角度）は、７０°以上９０°以下とした。７０°未満とすると、工具係合部５１が外向きに撓み変形する可能性があるためである。なお、距離Ａ≦距離Ｂとすることが好ましい。距離Ａ＞距離Ｂとなるのは、加締部基端５３４の角度が９０°より大きくなる場合であり、上述の通り、工具係合部５１が外向きに撓み変形する可能性があるためである。

Ｂ．評価試験結果：
上記実施形態の構成の絶縁碍子１０に主体金具５０を組み付けた（加締部５３を加締めた）サンプルを作製し、加締部５３の加締め強度を評価する２種の評価試験を行った。第１評価試験は、上記の距離Ａの加締め強度への影響を評価する試験、第２評価試験は、Ｃ／Ｂの加締め強度への影響を評価する試験である。評価試験では、サンプルの絶縁碍子１０の先端側から、圧縮試験装置（島津製作所製 オートグラフＡＧ−Ｘシリーズ）を用いて、圧縮荷重を付与すると共に、オートグラフの示す最大荷重（Ｎ）をモニターし、絶縁碍子１０に付与された圧縮加重（Ｎ）の最大値を、加締め強度（Ｎ）としている。

Ｂ−１．第１評価試験：
第１評価試験に用いた複数のサンプルは、主体金具５０の加締部５３の内径は同一（直径１７．８７ｍｍ）で、外径Ｄを変更することにより、肉厚ｔ１を変更している。加締部５３の高さｈ（図２）およびテーパー角度θ０（図２）は、同一である。また、全てのサンプルにおいて、Ｃ／Ｂ＝１．５である。Ｃ／Ｂは、加締め用金型の凹部の形状によって調整されている。加締め用金型によって加締める際の荷重は７５〜１２０ｋＮの範囲で適宜変更されている。第１評価試験結果を表１に示す。表１は、距離Ａ（図３）と加締め強度（Ｎ）との関係を示すと共に、加締部基端肉厚ｔ１および外径Ｄを示す。なお、高過給又は高圧縮比化された内燃機関の燃焼室内にスパークプラグ（距離Ａ＝１．６ｍｍ）が配置され、内燃機関が運転された際に、絶縁碍子１０が主体金具５０から離脱した。主体金具５０の加締部５３の距離Ａが１．６の場合の加締め強度が、１６，６６８Ｎであったため、加締め強度が１７，０００Ｎ以上であれば、絶縁碍子が主体金具に保持されると判断している。表１では、加締部基端５３４の外径（直径）が適切な範囲において試験を行っている。

表１に示す距離Ａの範囲において、距離Ａに対する加締め強度は、極大点はなく、距離Ａが大きくなるほど、加締め強度は大きくなった。そして、距離Ａが１．７ｍｍ以上の場合に、加締め強度が１７，０００Ｎ以上となった。この結果から、距離Ａが１．７ｍｍ以上の場合に、１７，０００Ｎ以上の加締め強度が得られることがわかった。

Ｂ−２．第２評価試験：
第２評価試験では、距離Ａを１．７ｍｍ，２．３ｍｍ，２．９ｍｍに固定し、図３に示す距離Ｃと距離Ｂの比Ｃ／Ｂを変更した複数のサンプルについて、加締め強度を評価した。距離ＡおよびＣ／Ｂは、加締部基端肉厚ｔ１，加締め前の加締部５３の高さｈ(図２)，および曲線部角度θ１を適宜変更することによって、調整された。

表２に示すように、Ｃ／Ｂを一定とした場合に、加締め強度は、距離Ａが大きいほど大きい。距離Ａを一定とした場合に、加締め強度は、Ｃ／Ｂ＝０．８において最大となり、Ｃ／Ｂが０．８より大きくなるにつれ、加締め強度が低下する。これは、上述の通り、Ｃ／Ｂが大きくなるほど、加締部５３の加締部先端５３６側の曲がり度合いが浅くなるためである。また、Ｃ／Ｂが小さすぎると、加締めが成立しない。距離Ａが１．７ｍｍの場合、０．７≦Ｃ／Ｂ≦１．５において、加締め強度が１７，０００Ｎ以上となった。距離Ａが２．３ｍｍおよび２．９ｍｍの場合には、０．６≦Ｃ／Ｂにおいて、加締め強度が１７，０００Ｎ以上となった。この結果から、距離Ａが１．７ｍｍ以上であって、０．７≦Ｃ／Ｂ≦１．５の場合にも、１７，０００Ｎ以上の加締め強度が得られることがわかった。なお、第２評価試験において、加締め強度が１７，０００Ｎ以上となったのは、曲線部角度θ１が、５０°以上８５°以下であった。

以上の試験結果によれば、主体金具５０の加締部５３において、距離Ａが１．７ｍｍ以上であれば、１７，０００Ｎ以上の加締め強度が得られる蓋然性が高く、すなわち、主体金具５０における絶縁碍子の保持力が向上され、絶縁碍子１０が主体金具５０から抜けることが抑制される。さらに、０．７≦Ｃ／Ｂ≦１．５にすると、１７，０００Ｎ以上の加締め強度が得られる蓋然性が高くなる。

Ｃ．変形例：
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、次のような変形も可能である。

Ｃ−１．第１変形例：
スパークプラグ１００における絶縁碍子１０の直径，主体金具５０の加締部５３の肉厚および高さは、上記実施形態に限定されない。少なくとも、距離Ａ（図３）が１．７ｍｍ以上であればよい。各値がこの範囲内になるように、加締部５３の肉厚および高さ、曲線部角度θ１を適宜設定すればよい。さらに、０．７≦Ｃ／Ｂ≦１．５になるように、加締部５３の肉厚および高さを設定することが好ましい。

Ｃ−２．第２変形例：
上記実施形態において、主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子１０の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されており、両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている例を示したが、リング部材６，７，およびタルク９を備えない構成にしてもよい。すなわち、主体金具５０の加締部５３が、直接、絶縁碍子１０を押圧する構成にしてもよい。

５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１５…縮径部
２０…中心電極
２１…被覆材
２５…芯材
３０…接地電極
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…ねじ部
５３…加締部
５４…シール部
５５…圧縮変形部
５６…段部
５９…貫通孔
１００…スパークプラグ

Claims (2)

1. 軸線方向に延びる貫通孔を有して略筒状に形成され、中心電極を前記貫通孔の前記軸線方向先端側に備える絶縁碍子と、
   略筒状に形成され、前記軸線方向後端に加締部を有し、前記絶縁碍子が内挿された状態で、前記加締部によって前記絶縁碍子が保持される主体金具と、
   を備え、
   前記加締部は、
   前記軸線を含む平面による切断面において、前記絶縁碍子に最も近接する最近接点と、前記最近接点を通り前記軸線に垂直な第１の垂直線が前記加締部の外周と交わる交点との距離Ａが、Ａ≧１．７ｍｍ、かつ、前記加締部の基端の肉厚ｔがｔ≧１．２０ｍｍである、
   スパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記加締部は、
   前記切断面において、前記加締部の外周の基端を通り、前記軸線に平行な平行線と、前記最近接点との距離Ｂと、前記加締部の外周の基端を通り、前記軸線に垂直な第２の垂直線と、前記加締部の外周との距離のうち、最大の距離Ｃとの比Ｃ／Ｂが、０．７≦Ｃ／Ｂ≦１．５である、スパークプラグ。

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