JP6269348B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに関する。

車両用の内燃機関等の排気系には、排ガス等の被測定ガス中における特定ガス濃度（例えば、酸素濃度）を検出するガスセンサが配設されている。かかるガスセンサは、固体電解質体と該固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極及び基準電極とを有するセンサ素子と、該センサ素子を内側に挿通するハウジングと、該ハウジングの先端側に配設された素子カバーとを備えている。特許文献１に開示されたガスセンサは、素子カバーとして、センサ素子の先端部を外側から覆うように配設されたインナカバーと、該インナカバーを外側から覆うように配設されたアウタカバーとを有する。

ガスセンサは、ハウジングに形成された取り付け用ねじ部において、内燃機関の排気管等に取り付けられる。また、ガスセンサは、ハウジングよりも先端側の部分が被測定ガスの流路に配置され、ハウジングよりも基端側の部分が上記流路の外に配置される。したがって、センサ素子とハウジングとの間には、気密性を確保するために、タルク等を充填してなるシール部材が設けてある。

特開２０００−１７１４２９号公報

しかしながら、センサ素子とハウジングとの間のシール部の気密性が低いと、この部分から空気（大気）がハウジングの先端側へ漏れることが考えられる。そうすると、空気はインナカバーの内側に侵入する。この空気がインナカバー内においてさらに先端側へ移動すると、センサ素子の測定電極付近において、被測定ガス中の酸素濃度が変化してしまう。その結果、ガスセンサによって検出される特定ガス濃度に誤差が生じてしまうおそれがある。

つまり、例えば、理想的な空燃比である混合気の排ガス、すなわちストイキの排ガスをガスセンサによって測定したときに、上記の空気漏れの影響の分、ストイキからずれた値が測定されてしまう。したがって、内燃機関のフィードバックシステムにガスセンサを用いたときに、その制御システムを正確に機能させることができなくなるおそれがある。

そこで、シール部における気密性を向上させることが求められるが、空気の漏れを完全に防ぐことは困難である。それゆえ、より高精度の検出が求められる場合には、シール部の気密性を高めるだけでは限界がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、センサ素子とハウジングとの間のシール部における空気漏れの影響を抑制して、検出精度を向上させることができるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と該固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極及び基準電極とを有するセンサ素子と、
該センサ素子を内側に挿通するハウジングと、
該ハウジングの先端側に配設された素子カバーと、を備えるガスセンサであって、
該素子カバーは、上記センサ素子の先端部を外側から覆うように配設されたインナカバーと、該インナカバーを外側から覆うように配設されたアウタカバーとを有し、
上記インナカバーの内側空間の基端と上記測定電極の基端との間の軸方向距離をＬとしたとき、上記インナカバーの内側空間の基端と、上記インナカバーに設けられたインナ通気孔のうち最も基端側のインナ通気孔の基端との間の軸方向距離は、０．２Ｌ〜０．６５Ｌであり、
上記インナカバーは、軸方向に沿ったインナ側壁部にインナ側面孔を上記インナ通気孔として有し、上記アウタカバーは、軸方向に沿ったアウタ側壁部にアウタ側面孔を有し、すべての該アウタ側面孔は、いずれの上記インナ側面孔よりも先端側に位置しており、
上記インナカバーの先端部と、上記アウタカバーの先端部との間には、クリアランスが形成されており、
上記インナ側面孔の開口方向は、軸方向に直交する方向であり、
上記インナカバーは、該インナカバーの先端部に設けたインナ底壁部に、インナ底面孔を上記インナ通気孔として有し、
上記アウタ側面孔の先端が、上記インナカバーの先端部よりも先端側に配置されていることを特徴とするガスセンサにある。

上記ガスセンサにおいては、インナカバーの内側空間の基端と、最も基端側のインナ通気孔の基端との間の軸方向距離が、０．２Ｌ〜０．６５Ｌである。つまり、内側空間の基端よりも先端側であり、かつ、測定電極から基端側に充分に離れた位置に、インナ通気孔の位置を設けている。これにより、センサ素子とハウジングとの間からインナカバーの内側空間に空気が侵入したとき、空気がさらに測定電極へ向かって移動することを抑制することができる。つまり、インナ通気孔を通じて外側から内側空間に流入する被測定ガスによって、先端側への空気の移動を阻止することができる。その結果、測定電極の表面における被測定ガス中の酸素濃度が変化することを防ぎ、ガスセンサの検出精度を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、センサ素子とハウジングとの間のシール部における空気漏れの影響を抑制して、検出精度を向上させることができるガスセンサを提供することができる。

実施例１における、ガスセンサの素子カバー周辺の断面図。 実施例１における、ガスセンサの断面図。 実施例１における、ガスセンサの素子カバー周辺の一部断面説明図。 参考例における、ガスセンサの断面図。 実験例における、Ｍ／Ｌとストイキずれ（ΔＡ／Ｆ）との関係を示す線図。

上記ガスセンサは、例えば、車両用の内燃機関等の排気系に配設して用いられる。
なお、本明細書において、ガスセンサを排気系等に挿入する側を先端側、その反対側を基端側という。また、軸方向とは、特に言及しない限り、ガスセンサの軸方向をいうものとする。

（実施例１）
上記ガスセンサの実施例につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１、図２に示すごとく、センサ素子２と、センサ素子２を内側に挿通するハウジング３と、ハウジング３の先端側に配設された素子カバー４と、を備える。センサ素子２は、酸素イオン伝導性の固体電解質体２１と該固体電解質体２１の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極２２及び基準電極２３とを有する。

素子カバー４は、センサ素子２の先端部を外側から覆うように配設されたインナカバー４１と、インナカバー４１を外側から覆うように配設されたアウタカバー４２とを有する。
図１に示すごとく、インナカバー４１の内側空間４０の基端４０１と測定電極２２の基端との間の軸方向距離をＬとしたとき、インナカバー４１の内側空間４０の基端４０１と、インナカバー４１に設けられたインナ通気孔５のうち最も基端側のインナ通気孔５（インナ側面孔５１）の基端との間の軸方向距離Ｍは、０．２Ｌ〜０．６５Ｌである。すなわち、ガスセンサ１における上記軸方向距離Ｍ及びＬは、０．２≦Ｍ／Ｌ≦０．６５を満たしている。
なお、内側空間４０の基端４０１は、インナカバー４１の内周側におけるハウジング３の先端である。

また、インナカバー４１は、軸方向Ｚに沿ったインナ側壁部４１１にインナ側面孔５１をインナ通気孔５として有する。アウタカバー４２は、軸方向Ｚに沿ったアウタ側壁部４２１にアウタ側面孔６１を有する。そして、アウタ側面孔６１は、インナ側面孔５１よりも先端側に位置している。

図２に示すごとく、センサ素子２は、先端側が閉塞されると共に基端側が開放された有底筒状のコップ型である。すなわち、固体電解質体２１が、上記のような有底筒状のコップ型の形状を有している。そして、その外側面に測定電極２２が形成されており、内側面に基準電極２３が形成されている。

固体電解質体２１は、ジルコニアを主成分としてなる。また、測定電極２２及び基準電極２３は、何れも白金族元素からなることが好ましく、特に本例においては、白金からなる。
基準電極２３は、固体電解質体２１の内側面の略全面に形成されている。一方、測定電極２２は、固体電解質体２１における先端部付近の一部に設けられている。ただし、本例においては、測定電極２２の先端は、固体電解質体２１の先端よりも基端側に位置する。また、測定電極２２は、周方向の全体に形成されている。

図２に示すごとく、ガスセンサ１は、ハウジング３の基端側に大気側カバー１２を固定してなる。センサ素子２の基端側は、大気側カバー１２の内側において開口している。センサ素子２の基端部には、測定電極２２及び基準電極２３にそれぞれ電気的に接続された端子部材１３１が配設されている。また、センサ素子２の内側には、センサ素子２を加熱するためのヒータ１１が配設されている。端子部材１３１及びヒータ１１の端子部１１１には、それぞれ被覆導線からなるリード線１３２が接続されている。リード線１３２は、大気側カバー１２の基端部からブッシュ１３３を通して外部へ引き出されている。また、大気側カバー１２には、外部から内側の空間に大気（空気）を基準ガスとして導入するための大気導入部１３４を有する。空気は、この大気導入部１３４を介して、水分等を除去されながら大気側カバー１２の内側の空間に導かれ、さらにはセンサ素子２の内側に導入され、基準電極２３の表面に達する。

また、センサ素子２とハウジング３との間のシール部１５には、タルクを充填してなるシール部材１５１が設けてある。これにより、大気側カバー１２の内部の空間に導入された空気が、センサ素子２とハウジング３との間からハウジング３の先端側、すなわち、素子カバー４の内側空間４０へ漏れないように、密封している。

センサ素子２とハウジング３との間のシール部１５は、１ＭＰａの空気圧を加えたときの空気の漏れ量が０．００５〜５ｍｌ／分となる程度の気密性を有する。つまり、この気密性は、大気側の空間（大気側カバー１２の内側の空間）から、シール部１５に対して、１ＭＰａの圧力にて空気を供給したときに、シール部１５を通過して被測定ガス側（内部空間４０側）へ漏れ出す空気の単位時間あたりの量を、エアリークテスタによって測定することにより得ることができる。また、ハウジング３には、ガスセンサ１を排気管等に取り付けるための取付用ねじ部３１が形成されている。

図１に示すごとく、素子カバー４は、その基端のフランジ部４１３、４２３において、ハウジング３の先端部にかしめ固定されている。インナカバー４１とアウタカバー４２とは、それらのフランジ部４１３、４２３を互いに重ね合わせるようにした状態で、ハウジング３にかしめ固定されている。

インナカバー４１は、フランジ部４１３とインナ側壁部４１１との間に傾斜面部４１４を有する。インナ側面孔５１は、傾斜面部４１４よりも先端側において、インナ側壁部４１１に形成されている。すなわち、インナ側面孔５１は、軸方向Ｚにおいて、傾斜面部４１４と測定電極２２との間の位置に形成されている。図３に示すごとく、インナ側面孔５１は、周方向に等間隔に、複数個形成されている。

また、インナ側壁部４１１の先端側には、内側へ縮径した縮径部４１５が設けられ、該縮径部４１５の先端側に、軸方向に略直交するインナ底壁部４１２が設けられている。インナ底壁部４１２には、インナ通気孔５として、インナ底面孔５２が形成されている。

また、図１に示すごとく、アウタカバー４２のアウタ側壁部４２１は、フランジ部４２３から先端側へ向かって延びるように形成されている。そして、アウタ側壁部４２１の先端に繋がると共に、軸方向Ｚに直交するようにアウタ底壁部４２２が形成されている。そして、アウタ側壁部４２１に形成されたアウタ側面孔６１は、インナ側面孔５１よりも先端側であると共に、ガスセンサ素子２の先端部よりも先端側となる位置に、周方向に等間隔に複数個配されている。

また、アウタ底壁部４２２には、アウタ底面孔６２が形成されている。
なお、インナ底面孔５２、アウタ底面孔６２、インナ側面孔５１、アウタ側面孔６１は、いずれも円形の孔である。
また、図１に示すごとく、インナ側壁部４１１とアウタ側壁部４２１との間には、クリアランスが形成されており、インナ底壁部４１２とアウタ底壁部４２２との間にも、クリアランスが形成されている。

また、インナ側壁部４１１及びアウタ側壁部４２１は、有底円筒状のセンサ素子２の外周面に沿って、センサ素子２の中心軸と中心軸を共有するように、略円筒状に形成されている。

また、本例のガスセンサ１は、内燃機関の排気系における触媒フィルタよりも下流側に設置されるリア用ガスセンサである。また、本例のガスセンサ１は、測定電極２２と基準電極２３との間に所定の電圧を印加することにより、被測定ガス（排ガス）中の特定ガス濃度（酸素濃度）に依存した限界電流値を出力する限界電流式のガスセンサである。

すなわち、ガスセンサ１は、自動車エンジンの排気系において、排ガスを浄化する触媒フィルタの下流側に配置される。そして、触媒フィルタを通過した後の排ガス中の酸素濃度に依存した限界電流値を出力する。得られた限界電流値に基づいて、内燃機関に供給された混合気における空燃比を算出して、エンジン制御システムにフィードバックするよう構成することができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
ガスセンサ２においては、内側空間４０の基端４０１とインナ側面孔５１の基端との間の軸方向距離Ｍが、０．２Ｌ〜０．６５Ｌである。つまり、内側空間４０の基端４０１よりも先端側であり、かつ、測定電極２２から基端側に充分に離れた位置に、インナ側面孔５１を設けている。これにより、図３に示すごとく、センサ素子２とハウジング３との間からインナカバー４１の内側空間４０に、空気Ａが侵入したとき、空気Ａがさらに測定電極２２へ向かって移動することを抑制することができる。つまり、インナ側面孔５１を通じて外側から内側空間４０に流入する被測定ガスＧによって、先端側への空気Ａの移動を阻止することができる。その結果、測定電極２２の表面における被測定ガスＧ中の酸素濃度が変化することを防ぎ、ガスセンサ１の検出精度を向上させることができる。

また、アウタ側面孔６１は、インナ側面孔５１よりも先端側に位置している。これにより、アウタ側面孔６１からアウタカバー４２とインナカバー４１との間に被測定ガスＧが導入されたとき、アウタ側面孔６１からインナ側面孔５１へ向かう気流が生じる。それゆえ、インナ側面孔５１から内側空間４０に被測定ガスＧが流入する際にも、基端側へ向かう気流が生じやすい。つまり、内側空間４０におけるインナ側面孔５１付近には、内部空間４０の基端４０１へ向かう気流Ｇ１も存在することとなる。それゆえ、空気Ａが基端４０１から内部空間４０に漏れたとしても、その空気Ａを上記の気流Ｇ１によって基端側へ押しとどめることができる。その結果、空気Ａが測定電極２２付近まで移動することを阻止することができる。このように、アウタ側面孔６１がインナ側面孔５１よりも先端側に位置することにより、効果的に、センサ素子２とハウジング３との間の空気漏れの影響を抑制することができる。

また、ガスセンサ１は、内燃機関の排気系における触媒フィルタよりも下流側に設置されるリア用ガスセンサである。それゆえ、特にガスセンサ１に要求される検出精度のレベルが高くなるが、上記構成とすることで、その要求に応えることができる。
また、ガスセンサ１は限界電流式のガスセンサであるため、高い検出精度（ストイキ精度）を得ることができる。

以上のごとく、本例によれば、センサ素子とハウジングとの間のシール部における空気漏れの影響を抑制して、検出精度を向上させることができるガスセンサを提供することができる。

（参考例）
本例は、図４に示すごとく、積層型のセンサ素子２０を用いたガスセンサ１０の例である。
すなわち、本例のガスセンサ１０におけるセンサ素子２０は、板棒形状を有し、その先端部が素子カバー４の内側に配置されている。センサ素子２０は、板状の固体電解質体の厚み方向に他のセラミック層を積層して構成されている。また、ヒータ（図示略）もセンサ素子２０と一体化されている。そして、センサ素子２０の先端部に、測定電極２２が設けてある。また、基準電極（図示略）はセンサ素子２０の内部に形成されている。

センサ素子２０は、絶縁碍子１４１を介してハウジング３の内側に保持されている。すなわち、絶縁碍子１４１の内側にセンサ素子２０が挿通保持され、ハウジング３の内側に絶縁碍子１４１が挿通保持されている。また、センサ素子２０と絶縁碍子１４１との間の一部は、ガラス封止部１４２によって封止されている。

また、絶縁碍子１４１とハウジング３との間の一部には、リング状のシール部材１５２が設けてある。このシール部材１５２によって、絶縁碍子１４１とハウジング３との間、すなわち、センサ素子２０とハウジング３との間からの空気漏れを防いでいる。本例においては、センサ素子２０とハウジング３との間のシール部１５は、絶縁碍子１４１とハウジング３との間の部分であり、上記シール部材１５２によって気密が図られている。

その他、本例のガスセンサ１０は、実施例１のガスセンサ１と略同様の構造及び機能を有する。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例のガスセンサ１０においても、素子カバー４がインナカバー４１とアウタカバー４２とを有する。インナカバー４１はインナ通気孔５（インナ側面孔５１及びインナ底面孔５２）を有し、アウタカバー４２はアウタ側面孔６１及びアウタ底面孔６２を有する。なお、インナカバー４１及びアウタカバー４２の形状は、実施例１に示したものとは部分的に異なるが、本例において、実施例１に示したような形状を採用することもできる。

そして、インナカバー４１の内側空間４０の基端４０１と、インナカバー４１に設けられたインナ通気孔５のうち最も基端側のインナ通気孔５（インナ側面孔５１）の基端との間の軸方向距離Ｍは、０．２Ｌ〜０．６５Ｌである。ここでＬは、実施例１と同様に、インナカバー４１の内側空間４０の基端４０１と測定電極２２の基端との間の軸方向距離である。

本例のような積層型のセンサ素子２０を備えたガスセンサ１０においても、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実験例）
本例は、図５に示すごとく、実施例１に示した軸方向距離Ｌに対する軸方向距離Ｍの割合（Ｍ／Ｌ）と、ガスセンサの検出精度との関係につき、調べた例である。
試料として用いたガスセンサは、基本構成を実施例１のガスセンサ１と同じくしたものである。そして、インナ側面孔５１の軸方向Ｚの位置を種々変更することにより、上記軸方向距離Ｍを種々変更して、複数種類のガスセンサを用意した。また、本例に用いたガスセンサにおける、素子カバー４の各部の寸法や、センサ素子２の測定電極２２の位置等は、以下のとおりである。

内部空間４０の基端４０１から測定電極２２の基端までの軸方向距離Ｌは、９．３ｍｍとした。測定電極２２の軸方向長さは、２ｍｍとした。基端４０１からインナカバー４１の先端までの軸方向距離は、２０ｍｍとした。基端４０１からアウタカバー４２の先端までの軸方向距離は、２２．５ｍｍとした。基端４０１からアウタ側面孔６１の基端までの軸方向距離は、１８．５ｍｍとした。インナ側面孔５１は、直径２ｍｍの円形であり、６個形成した。アウタ側面孔６１は、直径２ｍｍの円形であり、６個形成した。インナ底面孔５２は、直径２ｍｍの円形であり、１個形成し、アウタ底面孔６２は、直径２ｍｍの円形であり、１個形成した。インナカバー４１とアウタカバー４２とは、いずれも厚みが０．５ｍｍである。インナ側壁部４１１とアウタ側壁部４２１との間のクリアランスは２ｍｍとした。シール部１５の気密性は、１ＭＰａの空気圧を加えたときの空気の漏れ量が０．０１ｍｌ／分となる程度である。

試験にあたっては、排気量２．４Ｌ、直列４気筒のガソリンエンジン（内燃機関）の排気管に、ガスセンサを設置した。そして、ストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．６）の混合気を燃焼室に供給して、回転数２０００回／分にてエンジンを運転した。このとき所定の電圧を印加したガスセンサに流れる限界電流から、空燃比（Ａ／Ｆ）を検出した。

そして、検出されるＡ／Ｆ値が、ストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．６）からどの程度ずれているか（ストイキずれΔＡ／Ｆ）を評価した。つまり、シール部１５からの空気の漏れの影響によって、測定されるＡ／Ｆ値がストイキに対してどの程度高くなるかを評価した。ここで、一般に、ストイキずれは、０．０５以下とすることが望まれるため、これを目標値とした。

評価結果を、図５に示す。同図のグラフにおいて、多数のプロットが実測値であり、曲線Ｃはこれらの実測値を基にした近似曲線である。同図からわかるように、Ｍ／Ｌが小さくなるほどストイキずれ（ΔＡ／Ｆ）が小さくなる傾向にある。そして、Ｍ／Ｌを０．６５以下とすることにより、ΔＡ／Ｆ≦０．０５を達成できている。そして、０．２≦Ｍ／Ｌ≦０．６５を満たすものは、すべてΔＡ／Ｆ≦０．０５を達成できている。

この結果から、０．２≦Ｍ／Ｌ≦０．６５を満たすことにより、シール部１５における空気漏れの影響を抑制して、ガスセンサの検出精度を向上させることができることがわかる。

１、１０ ガスセンサ
２、２０ センサ素子
３ ハウジング
４ 素子カバー
４０ 内部空間
４０１ （内部空間の）基端
４１ インナカバー
４２ アウタカバー
５ インナ通気孔

Claims (6)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質体（２１）と該固体電解質体（２１）の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた測定電極（２２）及び基準電極（２３）とを有するセンサ素子（２、２０）と、
   該センサ素子（２、２０）を内側に挿通するハウジング（３）と、
   該ハウジング（３）の先端側に配設された素子カバー（４）と、を備えるガスセンサ（１、１０）であって、
   該素子カバー（４）は、上記センサ素子（２、２０）の先端部を外側から覆うように配設されたインナカバー（４１）と、該インナカバー（４１）を外側から覆うように配設されたアウタカバー（４２）とを有し、
   上記インナカバー（４１）の内側空間（４０）の基端（４０１）と上記測定電極（２２）の基端との間の軸方向距離をＬとしたとき、上記インナカバー（４１）の内側空間（４０）の基端（４０１）と、上記インナカバー（４１）に設けられたインナ通気孔（５）のうち最も基端側のインナ通気孔（５）の基端との間の軸方向距離（Ｍ）は、０．２Ｌ〜０．６５Ｌであり、
   上記インナカバー（４１）は、軸方向（Ｚ）に沿ったインナ側壁部（４１１）にインナ側面孔（５１）を上記インナ通気孔（５）として有し、上記アウタカバー（４２）は、軸方向（Ｚ）に沿ったアウタ側壁部（４２１）にアウタ側面孔（６１）を有し、すべての該アウタ側面孔（６１）は、いずれの上記インナ側面孔（５１）よりも先端側に位置しており、
   上記インナカバー（４１）の先端部と、上記アウタカバー（４２）の先端部との間には、クリアランスが形成されており、
   上記インナ側面孔（５１）の開口方向は、軸方向（Ｚ）に直交する方向であり、
   上記インナカバー（４１）は、該インナカバー（４１）の先端部に設けたインナ底壁部（４１２）に、インナ底面孔（５２）を上記インナ通気孔（５）として有し、
   上記アウタ側面孔（６１）の先端が、上記インナカバー（４１）の先端部よりも先端側に配置されていることを特徴とするガスセンサ（１、１０）。
2. 上記センサ素子（２、２０）と上記ハウジング（３）との間のシール部（１５）は、１ＭＰａの空気圧を加えたときの空気の漏れ量が０．００５〜５ｍｌ／分となる程度の気密性を有することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ（１、１０）。
3. 上記測定電極（２２）と上記基準電極（２３）との間に所定の電圧を印加することにより、被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力する限界電流式のガスセンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ（１、１０）。
4. 内燃機関の排気系における触媒フィルタよりも下流側に設置されるリア用ガスセンサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ（１、１０）。
5. 上記インナカバー（４１）は、上記インナ側壁部（４１１）の基端側に、基端側へ向かうほど外側へ向かうように傾斜した傾斜面部（４１４）を有し、上記インナ側面孔（５１）は、上記傾斜面部（４１４）よりも先端側における上記インナ側壁部（４１１）に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ（１、１０）。
6. 上記インナ側壁部（４１１）の先端側には、内側へ縮径した縮径部（４１５）が設けられ、上記アウタ側面孔（６１）の基端は、上記縮径部（４１５）の基端よりも先端側に、配されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ（１、１０）。

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