JP6082879B2 - プラズマ生成装置、及び内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置、及び電磁波を利用して混合気の燃焼を促進させる内燃機関に関するものである。
従来から、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置が知られている。例えば特開2010−001827号公報には、この種のプラズマ生成装置として内燃機関用点火装置が開示されている。
特開2010−001827号公報に記載の内燃機関用点火装置は、マイクロ波発振装置から発生したマイクロ波を気筒内に放射し、低温プラズマを発生させる。この低温プラズマ発生により混合気中の水分から多量のOHラジカルを持続的に生成することができる。この内燃機関用点火装置では、マイクロ波発振装置がソリッドステート化されている。
特開2010−001827号公報
ところで、電磁波によりプラズマを生成するためには、ある程度大きなエネルギーが必要となる。この種のプラズマ生成装置では、電磁波を通信に用いる場合に比べて、大電力の電磁波が必要となる。従って、電磁波発生装置の増幅素子で大きな発熱が生じ、増幅素子を冷却するために電磁波発生装置が大型化するおそれがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を対象空間へ放射して、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置において、電磁波発生装置を小型化することにある。
第1の発明は、ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、前記電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナとを備え、前記放射アンテナから前記対象空間へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置であって、前記電磁波発生装置は、その出力波形の立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を前記放射アンテナへ出力するプラズマ生成装置。
第1の発明では、電磁波発生装置の出力波形は立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形(電力波形)の立ち上がりのピークを低減させることなく、電磁波を放射アンテナへ出力する。電磁波が対象空間へ放射される電磁波放射期間では、出力のピークが最初に現れる。ここで、電磁波プラズマを生成する場合は、電磁波プラズマを生成するブレイクダウンに、大きな電磁波のエネルギーが必要となる。一度電磁波プラズマが生成されると、ブレイクダウンのときに比べて、低い電磁波のエネルギーで電磁波プラズマを維持できる。第1の発明は、そのような点に着目して、増幅素子の出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく、電磁波を放射アンテナへ出力している。
第2の発明は、第1の発明において、前記ピークの期間における前記電磁波発生装置の出力を増大させるピーク増大手段を備えている。
第2の発明では、電磁波放射期間のうちピークの期間における電磁波発生装置の出力を増大させる。
第3の発明は、第1又は第2の発明のプラズマ生成装置と、燃焼室が形成された内燃機関本体とを備え、前記プラズマ生成装置は、前記燃焼室を前記対象空間として電磁波プラズマを生成する内燃機関。
第3の発明では、プラズマ生成装置が、燃焼室を対象空間として電磁波プラズマを生成する。ここで、エッチング等の製造プロセスにおいてプラズマを利用する場合は、電磁波の出力変動によりプラズマ密度が変化し、製造物の品質が低下してしまう。それに対して、内燃機関でプラズマを利用する場合は、プラズマ密度の変化による悪影響がほとんどない。第3の発明では、そのような事情を考慮して、立ち上がりにピークが現れる電磁波を利用している。
第4の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、前記電磁波発生装置から出力された電磁波を前記燃焼室へ放射するための放射アンテナとを備え、前記放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射することにより混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、前記電磁波発生装置は、その出力波形の立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を前記放射アンテナへ出力する。
本発明では、ブレイクダウン後は低いマイクロ波のエネルギーで電磁波プラズマを維持できることに着目して、増幅素子の出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく、電磁波を放射アンテナへ出力している。そのため、電磁波放射期間のうちピークの期間の出力だけがブレイクダウンに必要なエネルギー以上であればよいので、電磁波発生装置の平均出力を低減させることができる。従って、増幅素子の発熱量を低減させることができるので、電磁波発生装置を小型化することができる。
また、第2の発明では、電磁波放射期間のうちピークの期間における電磁波発生装置の出力を増大させる。従って、ブレイクダウンを確実に生じさせることができ、電磁波プラズマを安定的に生成することができる。
また、第3の発明では、プラズマ密度の変化による悪影響が内燃機関ではほとんどないため、立ち上がりにピークが現れる電磁波を利用している。従って、内燃機関にほとんど影響を与えることなく、電磁波発生装置を小型化することができる。
特に、内燃機関では、圧縮行程中などの高圧下でプラズマを生成する場合がある。そのような場合、製造プロセスでプラズマを利用する場合に比べて、ブレイクダウンに大電力の電磁波が必要となる。第3の発明によれば、大きな電磁波発生装置が必要となる内燃機関において、電磁波発生装置を小型化することができる。
実施形態1に係る内燃機関の縦断面図である。 実施形態1に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態1に係るプラズマ生成装置のブロック図である。 実施形態1に係るマイクロ波パルスの波形形状を表す図である。 実施形態1の変形例1に係る電磁波発生装置のブロック図である。 実施形態2に係る内燃機関の要部の縦断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《実施形態1》
本実施形態1は、本発明に係る内燃機関10である。内燃機関10は、ピストン23が往復動するレシプロタイプの内燃機関である。内燃機関10は、内燃機関本体11とプラズマ生成装置30とを備えている。内燃機関10では、プラズマ生成装置30が生成するプラズマにより燃焼室20の混合気に点火して混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる。
−内燃機関本体−
内燃機関本体11は、図1に示すように、シリンダブロック21とシリンダヘッド22とピストン23とを備えている。シリンダブロック21には、横断面が円形のシリンダ24が複数形成されている。各シリンダ24内には、ピストン23が往復自在に設けられている。ピストン23は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている(図示省略)。クランクシャフトは、シリンダブロック21に回転自在に支持されている。各シリンダ24内においてシリンダ24の軸方向にピストン23が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン23の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。
シリンダヘッド22は、ガスケット18を挟んで、シリンダブロック21上に載置されている。シリンダヘッド22は、シリンダ24及びピストン23と共に、円形断面の燃焼室20を形成している。燃焼室20の直径は、例えば、後述する放射アンテナ16から放射されるマイクロ波の波長の半分程度である。
シリンダヘッド22では、各シリンダ24に対して、放電装置12の一部を構成する放電電極15が1つずつ設けられている。各放電電極15は、シリンダヘッド22に埋設された円筒状の絶縁碍子17の先端に設けられている。図2に示すように、各放電電極15は、燃焼室20の天井面51(シリンダヘッド22における燃焼室20に露出する面)の中心部に位置している。
シリンダヘッド22には、各シリンダ24に対して、吸気ポート25及び排気ポート26が形成されている。吸気ポート25には、吸気ポート25の吸気側開口25aを開閉する吸気バルブ27と、燃料を噴射するインジェクター29とが設けられている。一方、排気ポート26には、排気ポート26の排気側開口26aを開閉する排気バルブ28が設けられている。なお、内燃機関10は、燃焼室20において強いタンブル流が形成されるように吸気ポート25が設計されている。
−プラズマ生成装置−
プラズマ生成装置30は、図3に示すように、放電装置12と電磁波放射装置13とを備えている。
放電装置12は、燃焼室20毎に設けられている。各放電装置12は、高電圧パルスを発生させる点火コイル14(高電圧発生装置)と、その点火コイル14から出力された高電圧パルスが印加される放電電極15とを備えている。
点火コイル14は、直流電源(図示省略)に接続されている。点火コイル14は、電子制御装置35から点火信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを放電電極15に出力する。
放電電極15は、シリンダヘッド22において燃焼室20の天井面51からシリンダヘッド22の外面まで延びる絶縁碍子17の端面に設けられている。絶縁碍子17の内部には、点火コイル14と放電電極15とを電気的に接続する電気線(図示省略)が貫通している。前記電気線及び放電電極15は、共に絶縁碍子17によってシリンダヘッド22から絶縁されている。放電電極15は、後述する放射アンテナ16との間に放電ギャップを形成している。高電圧パルスが放電電極15に供給されると、放電ギャップでスパーク放電が生じる。
電磁波放射装置13は、電磁波発生装置31と電磁波切替器32と放射アンテナ16とを備えている。電磁波放射装置13では、電磁波発生装置31と電磁波切替器32が1つずつ設けられ、燃焼室20毎に放射アンテナ16が設けられている。
電磁波発生装置31は、電子制御装置35から電磁波駆動信号を受けると、マイクロ波パルスを出力する。電磁波発生装置31は、図3に示すように、マイクロ波パルスを生成する電磁波発振器41と、電磁波発振器41で生成されたマイクロ波パルスを増幅する増幅器42とを備えている。
具体的に、電磁波発振器41は誘電体発振器である。なお、電磁波発振器41は、水晶発振器などの他の発振器でもよい。一方、増幅器42は、ソリッドステート化された増幅素子(例えば、バイポーラトランジスタ)が設けられた増幅回路において、電磁波発振器41から入力されたマイクロ波パルスを増幅する。増幅回路は、C級増幅を行うものである。なお、増幅回路として、B級増幅を行うものを使用してもよい。
ここで、例えば、バイポーラトランジスタでは、増幅開始後の温度上昇等に起因して、その出力が徐々に低下してゆく。つまり、出力のピークが立ち上がりに現れる。通信の分野では、例えばAGC回路(Automatic Gain Control)を利用して利得調節制御を行い、出力変動を抑制している。
しかし、マイクロ波プラズマを生成する場合は、マイクロ波プラズマがない状態からマイクロ波プラズマを生成するブレイクダウンに、大きなマイクロ波のエネルギーが必要となる。一旦マイクロ波プラズマが生成されると、ブレイクダウンのときに比べて低いマイクロ波のエネルギーでマイクロ波プラズマを維持できる。また、内燃機関でプラズマを利用する場合は、エッチング等の製造プロセスにおいてプラズマを利用する場合とは異なり、プラズマ密度の変化による悪影響がほとんどない。本実施形態1では、そのような点に着目して、電磁波発生装置31が、出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく、図4に示すような波形のマイクロ波パルスを放射アンテナ16へ出力する。本実施形態1では、電磁波発生装置31には、増幅器42から放射アンテナ16に至る伝送線路において、増幅器42の出力波形における立ち上がりピークを低減させる手段(例えば、AGC回路)が設けられていない。
電磁波切替器32は、1つの入力端子と、放射アンテナ16毎に設けられた複数の出力端子とを備えている。入力端子は、電磁波発生装置31に接続されている。各出力端子は、対応する放射アンテナ16に接続されている。電磁波切替器32は、電子制御装置35により制御されて、複数の放射アンテナ16の間で、電磁波発生装置31から出力されたマイクロ波の供給先を順番に切り替える。
放射アンテナ16は、円環状に形成され、燃焼室20の天井面51において放電電極15を囲うように設けられている。放電電極15及び放射アンテナ16は、同心に配置されている。放射アンテナ16は、燃焼室20の天井面51に形成されたリング状の絶縁層19上に設けられている。放射アンテナ16は、シリンダヘッド22に埋設された同軸線路33を介して、電磁波切替器32の出力端子に電気的に接続されている。なお、放射アンテナ16は、C字状に形成されていてもよい。
本実施形態1では、放電電極15と放射アンテナ16との距離が、点火コイル14が出力する高電圧パルスに対して絶縁破壊が生じるように設定されている。放電電極15と放射アンテナ16との距離は、例えば2〜3mmである。放射アンテナ16は、点火プラグの接地電極の役割を果たす。プラズマ生成装置30は、点火コイル14から高電圧パルスを出力することにより放電ギャップに放電プラズマを生じさせると共に、電磁波発生装置31からマイクロ波パルスを出力することにより放射アンテナ16からマイクロ波パルスを放射して放電プラズマを拡大させ、比較的大きなマイクロ波プラズマを生成する。
−プラズマ生成動作−
プラズマ生成装置30のプラズマ生成動作について説明する。
内燃機関10では、ピストン23が圧縮上死点の手前に位置する点火タイミングに、プラズマ生成装置30が生成するマイクロ波プラズマにより混合気に点火する点火動作を行う。点火動作では、電子制御装置35が点火信号及び電磁波駆動信号を同時期に出力する。そうすると、点火信号を受けた点火コイル14から高圧パルスが出力され、放電電極15に高電圧パルスが印加される。その結果、放電電極15と放射アンテナ16との間の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じる。
また、電磁波放射装置13では、電磁波駆動信号を受けた電磁波発生装置31が、マイクロ波パルスを出力する。電磁波放射装置13は、図4に示すように、点火コイル14の高電圧パルスの出力タイミングに、マイクロ波パルスの出力を開始する。放射アンテナ16からは、マイクロ波パルスが出力される。その結果、スパーク放電により生成された放電プラズマがマイクロ波のエネルギーを吸収して拡大し、その拡大したマイクロ波プラズマにより混合気が着火する。火炎は、混合気が着火した着火位置からシリンダ24の壁面へ向かって外側へ広がる。
本実施形態1では、混合気が着火した直後にも、電子制御装置35が電磁波駆動信号を出力する。そうすると、電磁波発生装置31が、マイクロ波パルスを出力する。放射アンテナ16からは、マイクロ波パルスが出力される。
マイクロ波パルスは、火炎面が放射アンテナ16の位置を通過する前に放射される。放射アンテナ16の近傍には、マイクロ波による強電界領域が形成される。火炎面の移動速度は、その火炎面が強電界領域を通過する際にマイクロ波のエネルギーを受けて増大する。マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、火炎面が通過する前に強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種(例えば、OHラジカル)が生成されるので、強電界領域を通過する火炎面の移動速度は、活性種により増大する。
−実施形態1の効果−
本実施形態1では、ブレイクダウン後は低いマイクロ波のエネルギーでマイクロ波プラズマを維持できることに着目して、増幅素子の出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく、マイクロ波パルスを放射アンテナ16へ出力している。そのため、マイクロ波パルスの発振期間のうちピーク期間の出力だけが放電プラズマの拡大(ブレイクダウン)に必要なエネルギー以上であればよいので、電磁波発生装置31の平均出力を低減させることができる。従って、増幅素子の発熱量を低減させることができるので、電磁波発生装置31を小型化することができる。
また、本実施形態1では、プラズマ密度の変化による悪影響が内燃機関本体11ではほとんどないことに着目して、立ち上がりにピークが現れるマイクロ波パルスを利用している。従って、内燃機関本体11にほとんど影響を与えることなく、電磁波発生装置31を小型化することができる。
特に、本実施形態1では、圧縮行程中の高圧下でマイクロ波プラズマが生成されるので、製造プロセスでプラズマを利用する場合に比べて、ブレイクダウンに大電力のマイクロ波が必要となる。本実施形態1によれば、大きな電磁波発生装置31が必要となる内燃機関10において、電磁波発生装置31を小型化することができる。
−実施形態1の変形例1−
変形例1では、図5に示すように、電磁波発生装置31が利得制御部43を備えている。利得制御部43は、マイクロ波パルスの発振期間のうちピークが存在するピーク期間(ピークの立ち上がりから立ち下がりまでの期間)における増幅器42の出力を増大させるピーク増大手段を構成している。
利得制御部43は、マイクロ波パルスの発振期間のうちピーク期間だけ、増幅回路の利得率を増加させる。利得制御部43は、増幅素子(例えば、デュアルゲートのFET)のゲートに利得制御電圧を印加することにより、増幅回路の利得率を変化させる。利得制御部43は、ピーク期間だけ、FETのゲート電圧値がソース電圧値(例えば、接地電位)になるように利得制御電圧を印加することにより、増幅回路の利得率を増加させる。
電子制御装置35は、当該マイクロ波パルスの発振期間を規定する電磁波駆動信号と同時に、増幅開始信号を利得制御部43へ出力する。そうすると、利得制御部43は、電子制御装置35からの増幅開始信号を受けて、増幅回路の利得率の増加を開始する。増幅器42では、電磁波発振器41から入力されたマイクロ波パルスの増幅が開始される。利得制御部43は、例えば、増幅器42の出力側の電圧値を検出し、マイクロ波パルスのピークの立ち下がりを検出すると、増幅回路の利得率の増加を終了する。増幅器42では、ピーク期間の終了タイミングに、マイクロ波パルスの増幅を終了する。
変形例1では、マイクロ波パルスの発振期間のうちピーク期間における電磁波発生装置31の出力が増大する。従って、ブレイクダウンを確実に生じさせることができ、マイクロ波プラズマを安定的に生成することができる。
なお、利得制御部43は、マイクロ波パルスの発振期間におけるピーク期間後に、利得制御電圧を負電圧方向へ深くバイアスすることにより、ピーク期間後の利得率を減少させてもよい。この場合の利得率は、マイクロ波プラズマを維持できるレベルに設定される。
−実施形態1の変形例2−
変形例2では、変形例1のようにゲートのバイアス電圧を変化させるのではなく、増幅器42のドレイン電圧を変化させることにより、マイクロ波パルスの発振期間のうちピーク期間における増幅回路の利得率を増加させる。
−実施形態2−
本実施形態2では、放電装置12が、点火コイル14に加えて、中心電極40a(実施形態1の放電電極に相当)と接地電極40bとが先端部に設けられた点火プラグ40を備えている。図6に示すように、点火プラグ40は、燃焼室20の天井面51に設けられている。点火プラグ40の中心電極40aには、点火コイル14から高電圧パルスが供給される。高電圧パルスとしてはマイナスの電圧が印加される。
また、電磁波放射装置13は、電磁波発生装置31と電磁波切替器32と放射アンテナ16とを備えている。放射アンテナ16は、燃焼室20の天井面51に設けられている。放射アンテナ16は、燃焼室20の天井面51の正面視において、円環状に形成され、点火プラグ40の先端部を囲っている。なお、放射アンテナ16は、燃焼室20の天井面51の正面視において、C字状に形成されていてもよい。
放射アンテナ16は、燃焼室20の天井面51における点火プラグ40の取付孔の周囲に形成された環状の絶縁層19の上に積層されている。絶縁層19は、例えば溶射により絶縁体を吹き付けることにより形成されている。放射アンテナ16は、絶縁層19によりシリンダヘッド22から電気的に絶縁されている。
実施形態2では、ピストン23の頂面に受信アンテナ52が設けられている。受信アンテナ52は、リング状に形成され、ピストン23の頂面の外周寄りの位置に設けられている。受信アンテナ52は、絶縁層(図示省略)によりピストン23から電気的に絶縁され、電気的にフローティングの状態で設けられている。
実施形態2では、混合気の着火後の火炎の伝播中に、放射アンテナ16からマイクロ波が放射される。そうすると、受信アンテナ52の近傍に、マイクロ波による強電界領域が形成される。火炎面の移動速度は、その火炎面が強電界領域を通過する際にマイクロ波のエネルギーを受けて増大する。マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、火炎面が通過する前に強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種(例えば、OHラジカル)が生成されるので、強電界領域を通過する火炎面の移動速度は、活性種により増大する。
−その他の実施形態−
前記実施形態は、以下のように構成してもよい。
前記実施形態において、電磁波発生装置31のケーシング(パッケージ)をセラミックで構成し、マイクロ波の伝送線路の絶縁体をセラミックで生成する場合に、ケーシングと伝送線路の絶縁体を一体化してもよい。この場合、電磁波発生装置31の出力側において、コネクタを省略できる。
また、実施形態において、マイクロ波パルスの発振期間において、マイクロ波の反射波をモニターして、マイクロ波の反射波が小さくなるように、電磁波発生装置31から出力されるマイクロ波の発振周波数(波長)を変化させてもよい。
また、前記実施形態において、放射アンテナ16や受信アンテナ52が絶縁体または誘電体により被覆されていてもよい。
また、前記実施形態では、プラズマ生成装置30が、電磁波によって放電プラズマを拡大することで電磁波プラズマを生成していたが、電磁波のみによって電磁波プラズマを生成してもよい。
また、前記実施形態において、プラズマ生成装置30は、吸気行程に燃焼室20でマイクロ波プラズマを生成してもよい。
また、前記実施形態において、プラズマ生成装置30を物質分析装置に適用してもよい。物質分析装置は、SIBS法(Spark-Induced Breakdown Spectroscopy)により物質の同定を行う装置である。物質分析装置は、分析対象物質(例えば、金属)の表面近傍において、スパーク放電により放電プラズマを生成し、その放電プラズマをマイクロ波により拡大する。これにより、マイクロ波プラズマが生成され、分析対象物質がプラズマ化される。物質分析装置は、プラズマ化した分析対象物質の発光を分光分析する。物質分析装置は、発光スペクトルにおいてピークが現れる周波数を検出し、その周波数に基づいて物質を同定する。なお、物質分析装置は、LIBS法(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)により物質の同定を行う装置であってもよい。その場合、スパーク放電の代わりに、レーザを集光して生成したプラズマがマイクロ波により拡大される。
以上説明したように、本発明は、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置、及び電磁波を利用して混合気の燃焼を促進させる内燃機関について有用である。
10 内燃機関
11 内燃機関本体
12 点火装置
13 電磁波放射装置
15 放電電極
16 放射アンテナ
20 燃焼室
30 プラズマ生成装置
31 電磁波発生装置
41 電磁波発振器
42 増幅器
43 出力制御部(ピーク増大手段)

Claims (3)

  1. ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、
    前記電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナとを備え、
    前記放射アンテナから前記対象空間へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置であって、
    前記増幅素子は、その出力波形の立ち上がりにピークが現れる特性を有し、
    前記電磁波発生装置は、前記ピークの期間における前記電磁波発生装置の出力を増大させるピーク増大手段を備え、前記増幅素子の出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を前記放射アンテナへ出力することを特徴とするプラズマ生成装置。
  2. 請求項1記載のプラズマ生成装置と、
    燃焼室が形成された内燃機関本体とを備え、
    前記プラズマ生成装置は、前記燃焼室を前記対象空間として電磁波プラズマを生成することを特徴とする内燃機関。
  3. 燃焼室が形成された内燃機関本体と、
    ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、
    前記電磁波発生装置から出力された電磁波を前記燃焼室へ放射するための放射アンテナとを備え、
    前記放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射することにより混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、
    前記増幅素子は、その出力波形の立ち上がりにピークが現れる特性を有し、
    前記電磁波発生装置は、前記ピークの期間における前記電磁波発生装置の出力を増大させるピーク増大手段を備え、前記増幅素子の出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を前記放射アンテナへ出力することを特徴とする内燃機関。
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