JPWO2013136614A1 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 排気通路よりも径のサイズを大きくした蒸発管が装置の小型化を妨げる要因となっていた。【解決手段】脱硝反応器17の上流側であって、かつ、排気通路15の内部に、長手方向両端が開放された蒸発管18を設ける。蒸発管18内を通過する排ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズル19を設ける。蒸発管18の出口部18aの径を入口部18bの径よりも小さくすると共に、蒸発管18の出口部18aの開放端が存在する位置を含むように排気通路15にベンチュリ15aを形成する。【効果】尿素水の加水分解反応が進行する時間を十分に確保することができると共に、流速低減区間の径のサイズが小さくなる。【選択図】 図2

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガス中の窒素酸化物(以下「NOx 」という。)を例えばSCR触媒等の脱硝触媒下で還元剤と反応させて還元除去する排ガス浄化装置に関するものである。
従来、例えばディーゼルエンジンの排気通路にSCR触媒が介装された脱硝反応器を設けると共に、この脱硝反応器の上流側に、尿素水等の還元剤前駆体を噴霧可能なノズルを設けた排ガス浄化装置が利用されている(例えば、特許文献1)。
上記のような装置において、ノズルから排ガス中に噴霧された尿素水は、排気通路内の温度が十分に高ければ、SCR触媒に到達するまでの間に下記の式(1)のように加水分解され、アンモニアガス(NH3)が生成される。
(NH22CO+H2O→2NH3 +CO2 ・・・・(1)
そして、加水分解により発生したアンモニアガスはSCR触媒に供給され、これによりSCR触媒上でアンモニアと排ガス中のNOx の間に次の式(2)及び(3)のような脱硝反応が行われ、NOx は窒素と水に分解されて無害化される。
4NH3+4NO+O2 →4N2+6H2O・・・・(2)
2NH3+NO+NO2 →2N2+3H2O・・・・(3)
このように、SCR触媒を用いた排ガス浄化装置では、噴霧した尿素水が排気通路内を流動中に上記式(1)の加水分解反応が十分に進行する時間を確保する必要がある。
そのため、従来、例えば図9に示すような、排気マニホールド101を備えた4気筒の舶用ディーゼルエンジン102においては、ターボチャージャー103のタービン103aの上流側の排気通路104に設けた尿素水噴霧用のノズル105とSCR触媒106との間に、排気通路104よりも管路断面積を大きくした蒸発管107を設け、この蒸発管107を設けた区間の排ガスの流速を低減し、ノズル105から噴霧された尿素水の加水分解反応が進行する時間を確保する場合がある。
また、従来、図10に示すように、エンジンの排気系に限らず、配管内を流れる気体に対し、他の気体や液体を添加して化学反応や状態変化を生じさせる装置においても、反応時間や変化時間、気体同士の混合時間などを確保するために気体の流速を遅くする区間を設ける必要がある場合、その区間の配管の径を大きくする方法が採用されている。図10の例では、前後の配管201,202の直径(D)に対し、気体の流速を低減させる区間(図10中、破線A〜Bまでの区間)の配管203は2倍の直径(2D)としている。
このように、径の長さに2倍の差を設けた場合、例えば配管201内を流れる気体の速度をV0とすると、流速低減区間203内を流れる気体の速度Vは、V0/4に低減させることができる。
しかしながら、上記のような流速低減手段を用いた場合、流速低減区間203の径のサイズが大きくなってしまうため、装置を小型化できないという問題がある。例えば、図9に示したような、舶用ディーゼルエンジン102の排気系においても、排気マニホールド101が大きな容積を占めている上に、さらに径のサイズが大きい蒸発管107を設ける必要があるため、この蒸発管107が装置全体の小型化を妨げる要因となっている。
実公平6−45617号公報
本発明が解決しようとする問題点は、従来は、尿素水が加水分解される時間を十分に確保するために、尿素水噴霧ノズルから脱硝反応器に至るまでの区間の排ガスの流速を低減させる手段として、排気通路よりも径のサイズを大きくした蒸発管を使用していたので、この蒸発管が装置の小型化を妨げる要因となっていた点である。
本発明の排ガス浄化装置は、
エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排ガスを集合し、排気通路に導く排気マニホールドと、前記排気通路に設けられた脱硝反応器とを備え、
前記脱硝反応器の上流側であって、かつ、前記排気通路の内部に、長手方向両端が開放された蒸発管を設けると共に、前記蒸発管内を通過する排ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを設けたことを最も主要な特徴点としている。
本発明の排ガス浄化装置は、脱硝反応器の上流側の排気通路の内部に蒸発管を設け、この蒸発管の内側を通過する排ガスに対してノズルから例えば尿素水等を噴霧するように構成したので、蒸発管内を通過する排ガスの流速が低減され、尿素水等の加水分解反応が進行する時間を十分に確保することができる。よって、本発明によれば、流速低減区間の径のサイズを従来よりも小さくすることができる。
本発明の流速低減手段の構成を説明する図である。 本発明の排ガス浄化装置の第1実施例の構成を示した図である。 脱硝反応器の上流側の排気通路の内部に設けた蒸発管と、尿素水噴霧用のノズルと、蒸発管の出口部の開放端付近に設けた排気通路のベンチュリを示した拡大図である。 本発明の排ガス浄化装置の第2実施例の構成を示した図である。 脱硝反応器の上流側の排気通路の内部に設けた蒸発管と、尿素水噴霧用のノズルと、蒸発管の出口部の近傍に設けた尿素加水分解触媒を示した拡大図である。 本発明の排ガス浄化装置の第3実施例の構成を示した図である。 本発明の排ガス浄化装置の第4実施例の構成を示した図である。 本発明の排ガス浄化装置の第2実施例の変形例を示した図である。 従来の舶用ディーゼルエンジンの構成を示した図である。 従来の流速低減手段の構成を説明する図である。
本発明は、エンジンの排ガス浄化装置において、管径のサイズを大きくすることなく、尿素水等の加水分解時間を確保するための低流速区間を設けるという目的を、
エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排ガスを集合し、排気通路に導く排気マニホールドと、前記排気通路に設けられた脱硝反応器とを備え、
前記脱硝反応器の上流側であって、かつ、前記排気通路の内部に、長手方向両端が開放された蒸発管を設けると共に、前記蒸発管内を通過する排ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを設けた構成とすることによって実現した。
前記本発明の排ガス浄化装置において、
前記蒸発管の出口部の径を入口部の径よりも小さくすると共に、前記蒸発管の出口部の開放端が存在する位置を含むように前記排気通路にベンチュリを形成した場合は、
蒸発管の出口部の径に絞りをかけることによって蒸発管内を流れる排ガスの流速を遅くすることができると共に、排気通路に形成したベンチュリの作用により、蒸発管の出口部付近の圧力が入口部付近の圧力よりも低くなるので、蒸発管内で排ガスが滞留することなく、入口部から出口部へ向かう安定した排ガスの流れができて、好適である。
以下、本発明を実施するための種々の形態を、図1〜図8を用いて詳細に説明する。図1は、本発明の流速低減手段の構成を説明する図である。
図1において、1は、様々な分野の装置に適用可能な本発明の流速低減手段であり、内部に気体が流れる外管2のうち、何らかの目的で流速を低減させたい区間にのみ内部に内管3を設け、流速低減区間(図1中、破線A〜Bまでの区間)を外管2と内管3による二重管構造としている。
内管3は、長手方向両端が開放した筒状の部材であり、図1に示すように、下流側の出口部3aはノズル状として入口部3bよりも管径に絞りをかけている。また、このノズル状の出口部3aの開放端3aaが存在する位置(図1中、破線Bで示した位置)を含むように、外管2にベンチュリ2aを形成し、管径に絞りをかけている。
以上のような構成とすると、外管2を流れる気体は、破線Aの位置で、内管3の内側を通過するものと、内管3の外側を通過するものとに分かれ、破線Bの位置で合流することになる。
ここで、破線Aの位置における気体の流速をV0とした場合、内管3の内側を通過する気体の速度Vと、内管3の外側を通過する気体の速度V’の関係は、V<V0<V’となるように外管2と内管3の各径のサイズを設定する。
また、外管2において上流側の径をD、下流側のベンチュリ2aの径をDr、内管3において入口部3bの径をd、ノズル状の出口部3aの径をdrとした場合、内管3の内側を通過する気体の速度Vは、V=V0×{(dr×D)/(d×Dr)}2の式で求められるので、外管2と内管3の絞りの程度(Dr/D、dr/d)を適宜調節することにより、内管3内の気体の流速Vを所望の値に設定することができる。
また、図1の実施例では、外管2に設けたベンチュリ2aの効果により、内管3の出口部3a付近の気体の圧力が入口部3b付近の気体の圧力よりも低くなる。これにより、内管3内では、流体が滞留することなく、内管3の入口部3bから出口部3aへと向かう安定した流れを作り出すことができる。
以上の構成の本発明の流速低減手段によれば、管径を太くせずとも安定した流速低減区間が得られる。本発明は、流体に関する配管装置であれば、特に分野は問わず様々な装置に適用できる。本発明の効果は、反応時間や変化時間、溶解時間、蒸発時間等を確保しつつ、装置を小型化できる点にある。
次に、図2は、本発明の排ガス浄化装置の第1実施例の構成を示した図である。図2において、11は、本発明を4気筒の舶用ディーゼルエンジンに適用した排ガス浄化装置であり、エンジン12の各シリンダヘッドに設けられた排気ポート12aに夫々接続された排気連絡管13から排出された排ガスを集合し、ターボチャージャー14のタービン14aの上流側の排気通路15に導く排気マニホールド16と、排気通路15に設けられた脱硝反応器17とを備えている。なお、14bは、給気通路21から給気された空気を圧縮するターボチャージャー14のコンプレッサを示している。また、22は、コンプレッサ14bによって圧縮された空気を、給気連絡管を介してエンジン12の各シリンダの給気ポートに分配する給気マニホールドを示している。
脱硝反応器17よりも上流側の排気通路15の内部には、長手方向両端が排気通路15内に開放された蒸発管18を設けると共に、この蒸発管18の入口部18bの近傍に、蒸発管18内を通過する排ガスに対して、尿素水19aを噴霧可能なノズル19を設けている。
つまり、第1実施例は、排気通路15が図1の外管2に、蒸発管18が図1の内管3に相当するものである。なお、ノズル19を、蒸発管18の入口部18bの近傍に設けた理由は、噴霧された尿素水19aが高温の蒸発管18内を通過する時間を長く確保できるからである。
脱硝反応器17には、エンジン12から排出される排ガス中に含まれ、酸性雨や光化学スモッグなどの環境汚染の原因となるNOx を選択的に還元除去するSCR触媒が介装されている。SCR触媒は、例えばアルミナ、ジルコニア、バナジア/チタニア等の金属酸化物系触媒やゼオライト系触媒など所望の触媒を使用することができ、これらの触媒を組み合わせても良い。また、SCR触媒は、ハニカム構造を有する触媒担体に担持させても良いし、筒体に装入してケージングさせても良い。
SCR触媒を利用して排ガス中のNOx を窒素と水に分解して無害化する場合、その上流側で排ガス中にアンモニア等の還元剤を供給する必要があるが、アンモニア水を船内に貯蔵しておくことは危険を伴う。よって、本実施例ではノズル19と接続されたタンクに還元剤前駆体として尿素を水溶液の状態で貯蔵しておき、運転時にノズル19から尿素水19aを蒸発管18内に噴射し、蒸発管18の熱を利用して尿素を加水分解し、アンモニアガスを発生させるようにしている。
図3は、第1実施例の蒸発管18(内管)と排気通路15(外管)の構成を示す拡大図である。第1実施例では、ノズル19から噴霧した尿素水の加水分解反応が進行する時間を十分に確保するために、図3中、破線A〜Bまでの区間を二重管構造による流速低減区間としている。
排気マニホールド16によって集合された高温の排ガスは、排気通路15内を流れて、破線Aの位置で、蒸発管18の内側を通過するものと、蒸発管18の外側を通過するものとに分かれ、破線Bの位置で合流する。蒸発管18の外側を通過する排ガスは、その時点では尿素水と混合されないが、蒸発管18の内側を通過する排ガス中には加水分解を終えたアンモニアガスが含まれているので、破線Bの位置で合流した時にアンモニアガスと速やかに混合される。よって、脱硝反応器17に導入される時点では、アンモニアガスは排ガス全体に行き渡った状態となっている。
なお、第1実施例では、蒸発管18の外側を流れる排ガスを、旋回させずに真っ直ぐな流れに整流して、排ガスの流れを良好にするために、排気管18の入口部18bの外側の近傍にガイドベーン20を設けている。
図3に示すように、蒸発管18の下流側の出口部18aはノズル状とし、入口部18bよりも管径に絞りをかけている。また、このノズル状の出口部18aの開放端18aaが存在する位置(破線Bで示した位置)を少なくとも含むように、排気通路15にベンチュリ15aを形成し、排気通路15の管径にも絞りをかけている。
第1実施例では、排気通路15に設けたベンチュリ15aの効果により、蒸発管18のノズル状の出口部18a付近の排ガスの圧力は、入口部18b付近の排ガスの圧力よりも低くなる。これにより、蒸発管18内では、排ガスが滞留することなく、入口部18bから出口部18aへと向かう安定した排ガスの流れができる。
図1と同様、破線Aの位置における気体の流速をV0、排気通路15において上流側の径をD、ベンチュリ15aの径をDr、蒸発管18において上流側の入口部18bの径をd、ノズル状の出口部18aの径をdrとした場合、蒸発管18の内側を通過する排ガスの速度Vは、V=V0×{(dr×D)/(d×Dr)}2の式で求められる。
ここで、排気通路15の絞りの程度(Dr/Dの値)や蒸発管18の絞りの程度(dr/dの値)が不足しているか、又は、これらの絞りを全く設けない場合は、蒸発管18の内側及び外側を通過する排ガスの速度が安定しない場合がある。逆に、Dr/Dやdr/dの値を絞りすぎると、排気系の圧力損失が立ちすぎて、エンジンの効率または性能の低下を招くおそれがある。よって、排気通路15と蒸発管18の絞りの程度は、これらの管のサイズや形状、目標とする排ガスの流速Vの値に応じて調整する。
図4は、本発明の排ガス浄化装置の第2実施例の構成を示した図である。この第2実施例の排ガス浄化装置11が前述の第1実施例と異なる点は、蒸発管18の入口部18bと出口部18aの径の長さは同じとし、蒸発管18(内管)に絞りを設けていない点と、蒸発管18の内部にノズル19から噴霧された尿素水19a(還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液)の加水分解を促進するための尿素加水分解触媒23を設けた点である。この尿素加水分解触媒23は、例えば、酸化チタン(TiO2)の担体に酸化タングステン(WO3)を添加した構造のものを使用することができる。
図5は、第2実施例の蒸発管18(内管)と排気通路15(外管)の構成を示す拡大図である。第2実施例では、ノズル19から噴霧した尿素水の加水分解反応が進行する時間を十分に確保するために、図5中、破線A〜Bまでの区間を二重管構造による流速低減区間としているが、出口部18aに絞りは設けていない。一方で、図5に示すように、蒸発管18の内部で出口部18aの近傍に尿素加水分解触媒23を配置している。このように出口部18aに尿素加水分解触媒23を配置すると、この尿素加水分解触媒23を排ガスが通過するときの圧力損失により、蒸発管18内を流れる排ガス流量が減少する。これにより、第2実施例の構成においても、蒸発管18内を流れる排ガスの流速を遅くすることができる。加えて、第2実施例では、この尿素加水分解触媒23の作用により尿素の加水分解が促進されるので、流速低減区間内でアンモニアへの加水分解を完結することができる。
本発明では、蒸発管18(内管)を通過する排ガスは流速が遅いので、その排ガスに含まれる尿素の速度も遅くなる。よって、尿素が尿素加水分解触媒23を通過するまでの時間が長くなり、尿素と尿素加水分解触媒23が接触する頻度が高くなるので、少ない触媒量でも所要の加水分解率が得られる。また、蒸発管18内を流れる排ガス流量は少ないので、そこに所要の量の尿素を投入することにより、排ガス中の尿素の濃度が高くなる。これにより、尿素と尿素加水分解触媒23が接触する頻度が高くなるので、少ない触媒量でも所要の加水分解率が得られる。
また、図9に示すような、従来の蒸発管107では、尿素水の噴霧状態が良くないと、尿素水の一部が蒸発管107の内面に付着し、その付着部分が冷温になって尿素に十分な熱が加わらないため、アンモニアではなく、シアヌル酸やビュレット、メラミン、その他の尿素由来の化合物が生成され、それらの堆積物が蒸発管107の内面に付着し、この堆積物が排ガスの流れを妨げるという問題があった。これに対し、本発明では、上記のとおり二重管構造を採用することにより、蒸発管18の内面に尿素水が付着した場合に、蒸発管18内を流れる排ガスの熱のみならず、蒸発管18の外側を流れる排ガスからも熱が加わるので、尿素水が付着した部分が冷温になり難く、尿素由来の上記堆積物が生成され難いという利点がある。
図6は、本発明の排ガス浄化装置の第3実施例の構成を示した図である。51は、本発明を4気筒の舶用ディーゼルエンジンに適用した排ガス浄化装置であり、エンジン52の各シリンダヘッドに設けられた排気ポート52aに夫々接続された排気連絡管53から排出された排ガスを集合し、ターボチャージャー54のタービン54aの上流側の排気通路55に導く排気マニホールド56の内部に、長手方向両端が排気マニホールド56内に開放された蒸発管58と脱硝反応器57が連続配置されている。そして、蒸発管58内を通過する排ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液59aを噴霧可能なノズル59が設けられている。
蒸発管58の出口部58aの形状はノズル状であり、入口部58bの径よりも小さくしている。また、蒸発管58の出口部58aの開放端58aaが存在する位置を含むように排気マニホールド56にベンチュリ56aを形成している。なお、54bは、給気通路61から給気された空気を圧縮するターボチャージャー54のコンプレッサを示している。また、62は、コンプレッサ54bによって圧縮された空気を、給気連絡管を介してエンジン52の各シリンダの給気ポートに分配する給気マニホールドを示している。
つまり、第3実施例は、排気マニホールド56が図1の外管2に、蒸発管58が図1の内管3に相当するものであり、蒸発管58を排気マニホールド56の内部に組み込んだ点が、第1実施例と相違している。
よって、第3実施例では、排気マニホールド56の内部に、蒸発管58及び脱硝反応器57の全部が組み込まれているので、管径のサイズが大きい蒸発管が排気マニホールドと併設されていた従来の装置と比較すると、装置サイズが格段にコンパクトになる。また、一般に、ターボチャージャーを備えたエンジンにおいては、急な加速を行うときにエンジン出力の増大要求に対し給気の遅れが生じるなど制御遅れが生じる場合があるが、第3実施例の構成では、タービン54aに至る排気の経路を短くすることができるので、排気制御も容易となる。
図7は、本発明の排ガス浄化装置の第4実施例の構成を示した図である。この第4実施例の排ガス浄化装置51が前述の第3実施例と異なる点は、蒸発管58の入口部58bと出口部58aの径の長さは同じとし、蒸発管58(内管)に絞りを設けていない点と、蒸発管58の内部にノズル59から噴霧された尿素水59a(還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液)の加水分解を促進するための尿素加水分解触媒63を設けた点である。この尿素加水分解触媒63は、前述の第2実施例と同様、例えば、酸化チタン(TiO2)の担体に酸化タングステン(WO3)を添加した構造のものを使用することができる。
第4実施例では、蒸発管58の内部で出口部58aの近傍に尿素加水分解触媒63を配置し、この尿素加水分解触媒63の作用により尿素の加水分解が促進されるので、流速低減区間内でアンモニアへの加水分解を完結することができる。
本発明は、前記の実施例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲内において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
例えば、前記の実施例では、蒸発管18内の排ガスにノズル19から還元剤前駆体として尿素水19aを噴霧する構成を開示したが、還元剤前駆体の成分はこれに限らない。例えば、高濃度の尿素と低濃度のアンモニアの混合水溶液を使用しても良い。
また、前記の実施例では、蒸発管18の入口部18bの近傍にノズル19を設ける例を開示したが、ノズル19を設ける位置はこれに限らず、例えば蒸発管18の中央に設けても良い。
また、第2実施例では、図5に示すように、蒸発管18の内部に尿素加水分解触媒23を配置する場合において、蒸発管18の出口部18aに絞りは設けない例を開示したが、第2実施例の構成はこれに限らない。例えば、図8に示す変形例ように、蒸発管18の内部に尿素加水分解触媒23を配置する場合においても、蒸発管18の出口部18aに絞りを設けても良い。
蒸発管18の出口部18aに絞りを設けない図5の構成でも、尿素加水分解触媒23を配置したことによる圧力損失により、排ガスの流速をある程度低減することは可能であるが、排ガスの流速を所望の速度に細かく調整することは困難である。これに対し、図8の構成のように、蒸発管18の出口部18aに絞りを設ける場合は、絞りの程度を最適に設計することにより排ガスの流速の調整が容易に行える。
このように、尿素加水分解触媒23と出口部18aの絞りを併用した場合は、排ガスの流速を所望の速度に低減し易く、かつ、触媒の作用により尿素の加水分解を促進することができる。
また、第3実施例では、蒸発管58の内部にノズル59のみを設ける例を開示したが、ノズル59の下流側であって、かつ、蒸発管58の内部に、蒸発管58内の排ガスの流れを整えるために整流器を設けても良い。また、尿素水59aが加水分解されて生じたアンモニアガスと排ガスが蒸発管58内で十分に混合されるように、蒸発管58の内部にスタティックミキサーを設けても良い。
11 排ガス浄化装置
12 エンジン
12a 排気ポート
13 排気連絡管
14 ターボチャージャー
14a タービン
15 排気通路
15a ベンチュリ
16 排気マニホールド
17 脱硝反応器
18 蒸発管
18a 出口部
18b 入口部
19 ノズル
19a 尿素水

Claims (6)

  1. エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排ガスを集合し、排気通路に導く排気マニホールドと、前記排気通路に設けられた脱硝反応器とを備え、
    前記脱硝反応器の上流側であって、かつ、前記排気通路の内部に、長手方向両端が開放された蒸発管を設けると共に、前記蒸発管内を通過する排ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを設けたことを特徴とする排ガス浄化装置。
  2. 前記蒸発管の出口部の径を入口部の径よりも小さくすると共に、前記蒸発管の出口部の開放端が存在する位置を含むように前記排気通路にベンチュリを形成したことを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化装置。
  3. 前記蒸発管の内部に、前記ノズルから噴霧された還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液の加水分解を促進するための尿素加水分解触媒を設けたことを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化装置。
  4. エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排ガスを集合し、排気通路に導く排気マニホールドの内部に、長手方向両端が開放された蒸発管と脱硝反応器を連続配置すると共に、前記蒸発管内を通過する排ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを設けたことを特徴とする排ガス浄化装置。
  5. 前記蒸発管の出口部の径を入口部の径よりも小さくすると共に、前記蒸発管の出口部の開放端が存在する位置を含むように前記排気マニホールドにベンチュリを形成したことを特徴とする請求項4に記載の排ガス浄化装置。
  6. 前記蒸発管の内部に、前記ノズルから噴霧された還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液の加水分解を促進するための尿素加水分解触媒を設けたことを特徴とする請求項4に記載の排ガス浄化装置。
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