JPWO2017094616A1 - ガスエンジン - Google Patents

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Abstract

このガスエンジンでは、掃気ポートからシリンダの内部に活性ガスが流入し、活性ガスと混合した燃料ガスが燃焼する。ガスエンジンは、シリンダの外側に位置する燃料噴射口(152)を有し、掃気ポートからシリンダに吸入される活性ガスに、燃料噴射口(152)から燃料ガスを噴射する燃料噴射部(144)と、掃気圧とともに変動するパラメータの値、もしくは、掃気圧に応じて、燃料噴射口(152)の開度を機械的または電気的に変える開度調整部(154)と、を備える。

Description

本開示は、デュアルフューエル型のガスエンジンに関する。本願は、2015年11月30日に日本に出願された特願2015−233168号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
船舶の機関としても用いられるユニフロー掃気式2サイクルエンジンでは、シリンダにおけるピストンのストローク方向の一端側に掃気ポートが設けられ、他端側のシリンダカバーに排気ポートが設けられている。燃焼室で燃料が燃焼し、押圧されたピストンが掃気ポートより下死点側に移動すると、掃気ポートからシリンダの内部に活性ガスが吸入され、燃料燃焼後の排気ガスが、活性ガスによって排気ポートから押し出されるように排気される。
このようなユニフロー掃気式2サイクルエンジンにおいて、気体燃料である燃料ガスを燃料とし、燃焼室に直接燃料ガスを噴射するのではなく、掃気ポート側からシリンダ内に燃料ガスを供給する技術が開発されている。例えば、特許文献1に記載のエンジンにおいては、シリンダの外壁内部を通って掃気ポート内に燃料ガスを噴射する機構が設けられている。
日本国特許第3908855号公報
ところで、燃料ガスの噴射量は、燃料ガスの圧力や、噴射口の上流にある燃料噴射装置の弁の開弁期間によって調整される。しかしながら、活性ガスの圧力は運転状況に応じて変化するため、所期の噴射量だけ噴射することを優先して燃料ガスの圧力を設定すると、燃料ガスと活性ガスとが混合しにくくなる懸念がある。
本開示は、このような課題に鑑み、燃料ガスを適切な圧力で噴射して活性ガスとの混合を促進することが可能なガスエンジンを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本開示の一態様は、掃気ポートからシリンダの内部に活性ガスが流入し、活性ガスと混合した燃料ガスが燃焼するガスエンジンに関する。このガスエンジンは、シリンダの外側に位置する燃料噴射口を有し、掃気ポートからシリンダに吸入される活性ガスに、燃料噴射口から燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、掃気圧とともに変動するパラメータの値、もしくは、掃気圧に応じて、燃料噴射口の開度を機械的または電気的に変える開度調整部と、を備える。
本開示によれば、燃料ガスを適切な圧力で噴射して活性ガスとの混合を促進することが可能となる。
ユニフロー掃気式2サイクルエンジン(ガスエンジン)の全体構成を示す図である。 燃料噴射部の構造を説明するための図である。 燃料噴射部の構造を説明するための図である。 燃料噴射部の下端部側(下死点側)の斜視図である。 開度調整部を説明するための図である。 開度調整部を説明するための図である。 開度調整部を説明するための図である。 開度調整部の変形例を説明するための図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。以下の実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、開示の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100(ガスエンジン)の全体構成を示す図である。ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100は、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100は、シリンダ110と、シリンダカバー112と、ピストン114と、ピストンロッド116と、掃気ポート118と、掃気溜120と、掃気室122と、冷却器124と、整流板126と、ドレインセパレータ128と、燃焼室130と、排気ポート132と、排気弁134と、排気弁駆動装置136と、燃料ガス主管138と、燃料噴射装置140と、環状配管142と、燃料噴射部144とを含んで構成される。
ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100では、シリンダ110(シリンダライナ110a)内をピストン114が上下に摺動し、ピストン114の上昇行程および下降行程の2行程の間に、排気、吸気、圧縮、燃焼、膨張が行われる。ピストン114には、ピストンロッド116の一端が固定されている。また、ピストンロッド116の他端には、不図示のクロスヘッドが連結されており、クロスヘッドは、ピストン114とともに往復移動する。ピストン114の往復移動に伴いクロスヘッドが往復移動すると、その往復移動に連動して、不図示のクランクシャフトが回転する。
掃気ポート118は、シリンダ110の内周面から外周面まで貫通する孔であり、シリンダ110の全周囲に亘って、複数設けられている。そして、掃気ポート118は、ピストン114が下死点に向かう過程で開口し、シリンダ110の内部に活性ガスを流入させる。この活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気(例えば空気)を含む。
掃気溜120には、不図示のブロワーによって圧縮された活性ガス(例えば空気)が、冷却器124によって冷却されて封入されている。圧縮および冷却された活性ガスは、掃気溜120内に配置された整流板126によって整流された後、ドレインセパレータ128で水分が除去される。
掃気室122は、掃気溜120と連通するとともに、シリンダ110のうち、ピストン114のストローク方向(以下、単にストローク方向と称す)の一端側(図1中、下側)を囲んでおり、圧縮、冷却、および、水分の除去が為された活性ガスが導かれる。
ここで、掃気溜120および掃気室122は掃気空間を構成する。掃気空間は、圧縮された活性ガスが導かれ、シリンダ110のうち、ピストン114のストローク方向の一端側(図1中、下側)の一部を囲む空間である。ここでは、掃気空間の一例として掃気溜120や掃気室122を例に挙げたが、掃気空間は、圧縮された活性ガスが導かれ、シリンダ110のうち、ピストン114のストローク方向の一端側の一部を囲む空間であれば、掃気溜120や掃気室122に限られない。
掃気ポート118は、シリンダ110(シリンダライナ110a)のうちの掃気室122の内側に位置する部分に設けられており、掃気室122に掃気ポート118が開口している。ピストン114が掃気ポート118より下側に下降したとき、掃気ポート118を介して、掃気室122とシリンダ110内の差圧によって、掃気室122からシリンダ110内に活性ガスが吸入される。
燃焼室130は、ピストン114が上死点側にあるとき、シリンダカバー112(シリンダヘッド)と、シリンダライナ110aと、ピストン114とに囲まれた空間としてシリンダ110の内部に形成される。シリンダ110に吸入された活性ガスおよび燃料ガスは、ピストン114によって燃焼室130に導かれる。
排気ポート132は、燃焼室130の、図1中、上側に形成され、シリンダ110内において燃料ガスが燃焼して生じた排気ガスを排出するために開閉される。排気弁134は、排気弁駆動装置136によって所定のタイミングで上下に摺動され、排気ポート132を開閉する。燃料ガスの燃焼後、排気弁134が開弁すると、掃気ポート118から流入した活性ガス(掃気)によって、シリンダ110内の排気ガスが排気ポート132から押し出される。
燃料ガス主管138は、不図示の燃料タンクに連通するとともに、燃料噴射装置140を介して環状配管142と連通している。燃料ガス主管138には、燃料タンクから燃料ガスが導かれており、燃料噴射装置140の弁が開弁すると、燃料ガス主管138の燃料ガスが環状配管142に流入する。
燃料ガスは、例えば、LNG(液化天然ガス)をガス化して生成される。また、燃料ガスには、LNGに限らず、例えば、LPG(液化石油ガス)、軽油、重油等をガス化して適用することもできる。
環状配管142は、シリンダ110の径方向外側に、掃気ポート118より、図1中、上側に配されており、シリンダ110の周方向に環状に延びシリンダ110を囲んでいる。環状配管142のうち、掃気ポート118側には複数の燃料噴射部144が固定されている。燃料噴射部144は、それぞれの掃気ポート118に対し1つずつ配され、ストローク方向に延びている。
燃料噴射部144は、シリンダ110のうち、隣り合う掃気ポート118の間の壁面に対向しており、燃料噴射部144のうち、この壁面との対向部位には、後述する燃料噴射口が形成されている。掃気ポート118がシリンダ110の全周囲に亘って複数設けられているため、掃気ポート118に合わせて燃料噴射部144(燃料噴射口)も、シリンダ110の周方向に亘って複数設けられている。
そして、環状配管142に流入した燃料ガスは、掃気ポート118に吸入される活性ガスに燃料噴射口から噴射される。その結果、燃料ガスは、活性ガスの流れに合流して活性ガスと混合されながら掃気ポート118からシリンダ110内に吸入される。
また、シリンダカバー112には不図示のパイロット噴射弁が設けられており、エンジンサイクルにおける所望の時点で、パイロット噴射弁から燃焼室130に適量の燃料油が噴射される。この燃料油は、燃焼室130に導かれて圧縮された、燃料ガスと活性ガスの混合気からの熱で気化する。そして、燃料油が気化して自然着火し僅かな時間で燃焼して、燃焼室130の温度が極めて高くなり、燃焼室130に導かれて圧縮された燃料ガスが燃焼する。ピストン114は、主に燃料ガスと活性ガスの混合気の燃焼による膨張圧によって往復移動する。
図2AおよびBは、燃料噴射部144の構造を説明するための図である。図2AおよびBに示すように、燃料噴射部144は、内管148と外管150で構成される。内管148は、環状配管142と連通し、環状配管142から内管148の本体148aの内部に燃料ガスが導かれる。
内管148は、本体148aの内部と外部を連通する内孔148bを有し、外管150は、本体150aの内部と外部を連通する外孔150bを有する。内管148は、図2AおよびB中、下側の下端が閉塞されており、上側の上端が開口している。一方、外管150は、上端および下端の双方が開口している。
図3は、燃料噴射部144の下端部側(下死点側)の斜視図である。図3に示すように、外管150は、本体150aの内部に内管148を収容して内管148とともに二重管を形成する。
開度調整部154は、外管150に対する内管148の相対位置を周方向に変化させる。開度調整部154は、レバー部156を有している。レバー部156は、一端が内管148の下端部148cに固定され、他端が外管150より外管150の径方向外側まで突出している。
レバー部156の他端には、連結棒158が回転自在に固定されている。連結棒158は、シリンダ110の周方向に隣り合うレバー部156同士を連結する。また、連結棒158のうち、少なくとも1つは、圧力駆動装置160の本体160aから突出するシャフト160bに連結されている。
シャフト160bは、圧力駆動装置160の本体160aの内部の圧力によって押圧され、図3中、破線で示す両矢印の向きに駆動する。その結果、連結棒158がシリンダ110の周方向に移動し、連結棒158を介して、レバー部156と、レバー部156に固定された内管148が、図3中、実線で示す両矢印で示すように、内管148の中心軸を回転軸として揺動(回転)する。外管150は、環状配管142に固定されているため、内管148の搖動(回転)に伴い、外管150に対して内管148が周方向に相対移動する。
図4A〜Cは、開度調整部154を説明するための図である。図4Aに示すように、内管148の内孔148bと、外管150の外孔150bは、図4A中、上下方向(ストローク方向)の位置がほぼ等しい。そのため、内管148が外管150に対して周方向に揺動すると、図4Cにハッチングで示すように、内孔148bと外孔150bの重なり合う部分の面積が変化する。
すなわち、燃料噴射口152は、内孔148bおよび外孔150bで構成され、内孔148bおよび外孔150bが重なることで燃料噴射口152が形成される。上記のように、燃料噴射部144は、掃気ポート118よりもシリンダ110の径方向外側に設けられる。そのため、燃料噴射部144に形成される燃料噴射口152も、掃気ポート118よりもシリンダ110の径方向外側(シリンダ110の外側)に設けられる。
開度調整部154は、外管150に対する内管148の相対位置を周方向に変化させ、内孔148bと外孔150bの重なり部分の面積を大きくすることで燃料噴射口152を大きくし、内孔148bと外孔150bの重なり部分の面積を小さくすることで燃料噴射口152を小さくする。このように、燃料噴射口152の開度は、内孔148bと外孔150bとの重なり度合によって可変となる。
また、開度調整部154は、受圧部162を有している。受圧部162は、シリンダ110を囲む掃気空間(掃気溜120、掃気室122)のうち、燃料噴射口152より掃気ポート118から離れた位置で、掃気圧Pscを受ける。
具体的に、受圧部162は、配管で構成されており、一端が掃気空間に開口するとともに、図4Bに示すように、他端が圧力駆動装置160の本体160aの内部に連通している。ここでは、受圧部162の一端は、掃気空間のうち、燃料噴射口152よりも掃気ポート118から離れ、燃料噴射口152よりも、ピストン114による掃気ポート118の開閉による圧力変動を受け難い位置に配される。そして、受圧部162の内圧は、ほぼ定常的な掃気空間の掃気圧Pscと同一になる。
本体160aの内部は中空で、駆動ピストン160cが収容されている。駆動ピストン160cは、本体160aの内部を第1空気室160dと第2空気室160eに区画する。第2空気室160eには、コイルバネ160fが収容されており、駆動ピストン160cを第1空気室160d側に押圧している。
第1空気室160dには受圧部162が連通している。また、第2空気室160eは、例えば、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100の外部に連通しており、その内圧は、大気圧Patmとなっている。
そのため、掃気圧Pscが高くなると、第1空気室160dの内部の圧力によって駆動ピストン160cが第2空気室160e側に移動する。駆動ピストン160cには上記のシャフト160bが固定されているため、駆動ピストン160cの動きに連動して、シャフト160bが移動する。
その結果、上記のとおり、外管150に対して内管148が周方向に相対移動し、燃料噴射口152の開度が変化する。このように、開度調整部154は、受圧部162が受ける掃気圧Pscと大気圧Patmとの差圧変化によって、燃料噴射口152の開度を変える。例えば、開度調整部154は、掃気圧Pscが上昇すると、燃料噴射口152の開度を大きくし、掃気圧Pscが下降すると、燃料噴射口152の開度を小さくする。
例えば、掃気圧Pscが高くなり燃料ガスの噴射量を増やす必要があるとき、燃料噴射口152の開口面積が小さすぎると、燃料ガスが噴射され難い。そのため、燃料噴射装置140の弁の開弁期間を長くして対応しようとしても、掃気ポート118が開口している期間には限りがあり、開弁期間として設定可能な長さに限りがある。また、燃料ガスの圧力を上昇させるのにも、ポンプ性能の限界がある。
一方、燃料噴射口152の開口面積を予め大きく設計すると、掃気圧Pscが低くなり燃料ガスの噴射量を減らす必要があるときでも、燃料噴射口152から燃料ガスが容易に噴射されてしまう。そのため、燃料噴射装置140の弁の開弁期間を短くして対応すると、短期間の噴射で所期の噴射量に到達するため、燃料ガスが活性ガス中で塊状になり混合が進み難い。また、燃料ガスの圧力を低下させて対応すると、燃料噴射部144の内管148の内部に燃料ガスが滞留し易くなって、やはり活性ガスとの混合が進み難い。
そこで、本実施形態では、上述したように、開度調整部154が燃料噴射口152の開度を掃気圧Pscに応じて変化させることで、燃料ガスを適切な圧力で噴射して活性ガスとの混合を促進することが可能となる。
また、開度調整部154は、受圧部162が受ける掃気圧Pscと大気圧Patmとの差圧変化によって、本体160aの内部に収容された駆動ピストン160cを動かし、駆動ピストン160cの動きに連動してシャフト160bを移動させることにより、収容燃料噴射口152の開度を変えている。そのため、電気的な機構に比べて故障し難く、耐久性を向上することが可能となる。
また、燃料噴射部144を内管148と外管150で構成し、燃料噴射口152の開度が、内孔148bと外孔150bとの重なりによって可変となる。そのため、燃料噴射口152の開度が可変な燃料噴射部144を簡易な構成で実現できる。
また、内管148と外管150が周方向に相対回転して、燃料噴射口152の開度が変更される。そのため、燃料噴射口152のストローク方向の位置をほとんど変えずに、開度の変更が可能となる。
また、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100が停止中、掃気圧Pscが大気圧Patm程度となると、駆動ピストン160cは、コイルバネ160fに押圧されて第1空気室160d側に移動する。このとき、内孔148bと外孔150bが周方向に離れて(ずれて)重なり合わないように設計されており、燃料噴射口152は閉じる。そのため、燃料噴射部144の内部の燃料ガスは、掃気室122に漏出し難くなっており、安全性が向上する。
また、第1空気室160dには、外気に連通する配管164aが接続されており、配管164aには緊急遮断弁164bが設けられている。緊急遮断弁164bは例えば電磁弁で構成され、通常時、緊急遮断弁164bは閉弁している。ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100を緊急停止しなければならないときは、緊急遮断弁164bが開弁する。その結果、第1空気室160d内の圧力が低下し、コイルバネ160fによって駆動ピストン160cが第1空気室160d側に移動する。こうして、燃料噴射口152を迅速に閉じ、燃料噴射口152からの燃料ガスの噴射を停止することができ、安全性が向上する。
図5は、開度調整部の変形例を説明するための図である。上述した実施形態では、開度調整部154は、掃気圧Pscに応じて、燃料噴射口152の開度を機械的に変える場合について説明したが、変形例においては、開度調整部254は、掃気圧Pscとともに変動するパラメータの値に応じて、燃料噴射口152の開度を電気的に変える。
具体的には、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100は、データ取得部266を有している。データ取得部266は、例えば、センサで構成され、受圧部162と同様、掃気空間のうち、燃料噴射口152よりも掃気ポート118から離れた位置に配され、ほぼ定常的な掃気空間の掃気圧Pscを取得(検知)して電気信号に置換する。すなわち、図5の例では、パラメータとして、例えば、掃気圧Pscが置換された電気信号が適用されている。
開度調整部254は、アクチュエータ254aと、制御部254bとを含んで構成される。制御部254bは、データ取得部266から電気信号を受信し、受信した電気信号が示す値に応じてアクチュエータ254aを制御する。
アクチュエータ254aに取り付けられたシャフト254cは、アクチュエータ254aによって、図5中、破線で示す両矢印の向きに移動する。その結果、上述した実施形態と同様、シャフト254cに連結された連結棒158とレバー部156を介して、内管148が外管150に対して周方向に相対移動する。
このように、開度調整部254がアクチュエータ254aによって内管148を動かすことで、上述した実施形態と同様、燃料ガスを適切な圧力で噴射して活性ガスとの混合を促進することが可能となる。また、アクチュエータ254aの動作は電気的な制御であるため、内管148の周方向の移動量が容易に設定可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した変形例では、掃気圧Pscとともに変動するパラメータとして、センサが掃気圧Pscを検知して置換した電気信号を例に挙げて説明したが、パラメータは、掃気圧Pscとともに変動する値であればよく、例えば、エンジン回転数、エンジンロード、エンジントルク、ブロワーの風量などでもよい。
また、上述した実施形態および変形例では、開度調整部154、254は、掃気圧Pscが上昇すると、燃料噴射口152の開度を大きくし、掃気圧Pscが下降すると、燃料噴射口152の開度を小さくする場合について説明した。しかし、開度調整部154、254は、掃気圧Pscとともに変動するパラメータの値、もしくは、掃気圧Pscに応じて、燃料噴射口152の開度を少なくとも変えればよい。
また、上述した実施形態では、受圧部162は、掃気空間のうち、燃料噴射口152より掃気ポート118から離れた位置で、掃気圧Pscを受ける場合について説明した。しかし、受圧部162は、掃気圧Pscを受ければ、いずれに配されてもよい。ただし、受圧部162が、掃気空間のうち、燃料噴射口152より掃気ポート118から離れた位置で掃気圧Pscを受けることで、掃気ポート118の開閉による活性ガスの流れの影響を受け難く、燃料噴射口152の開度を適切な大きさに安定させることが可能となる。
また、上述した実施形態および変形例では、燃料噴射部144が内管148と外管150の二重管で構成され、燃料噴射口152が、内管148の内孔148bと外管150の外孔150bで構成される場合について説明した。しかし、内管148と外管150を設けず、他の機構によって燃料噴射口152の開度を可変としてもよい。
また、上述した実施形態および変形例では、燃料噴射部144は、内管148と外管150が周方向に相対回転して、燃料噴射口152の開度が変更される場合について説明した。しかし、内管148と外管150がストローク方向に相対移動して、燃料噴射口152の開度が変更されてもよい。
また、上述した実施形態および変形例では、内孔148bと外孔150bが同じ円形である場合について説明したが、内孔148bと外孔150bの一方または双方を他の形状にしてもよい。
本開示は、デュアルフューエル型のガスエンジンに利用することができる。
100 ユニフロー掃気式2サイクルエンジン(ガスエンジン)
110 シリンダ
118 掃気ポート
120 掃気溜(掃気空間)
122 掃気室(掃気空間)
132 排気ポート
144 燃料噴射部
152 燃料噴射口
148 内管
148b 内孔
150 外管
150b 外孔
154 開度調整部
162 受圧部
254 開度調整部
254a アクチュエータ
266 データ取得部

Claims (8)

  1. 掃気ポートからシリンダの内部に活性ガスが流入し、この活性ガスと混合した燃料ガスが燃焼するガスエンジンであって、
    前記シリンダの外側に位置する燃料噴射口を有し、前記掃気ポートから前記シリンダに吸入される前記活性ガスに、前記燃料噴射口から燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、
    掃気圧とともに変動するパラメータの値、もしくは、前記掃気圧に応じて、前記燃料噴射口の開度を機械的または電気的に変える開度調整部と、
    を備えるガスエンジン。
  2. 前記開度調整部は、前記掃気圧が上昇すると、前記燃料噴射口の開度を大きくし、前記掃気圧が下降すると、前記燃料噴射口の開度を小さくする請求項1に記載のガスエンジン。
  3. 前記シリンダの一部を囲み、圧縮された活性ガスが導かれる掃気空間のうち、前記燃料噴射口より前記掃気ポートから離れた位置で、掃気圧を受ける受圧部をさらに備え、
    前記開度調整部は、前記受圧部が受ける掃気圧と大気圧との差圧変化によって、前記燃料噴射口の開度を変える請求項1に記載のガスエンジン。
  4. 前記シリンダの一部を囲み、圧縮された活性ガスが導かれる掃気空間のうち、前記燃料噴射口より前記掃気ポートから離れた位置で、掃気圧を受ける受圧部をさらに備え、
    前記開度調整部は、前記受圧部が受ける掃気圧と大気圧との差圧変化によって、前記燃料噴射口の開度を変える請求項2に記載のガスエンジン。
  5. 前記パラメータの値を取得するデータ取得部をさらに備え、
    前記開度調整部は、前記データ取得部が取得した前記パラメータの値に応じて、前記燃料噴射口の開度を変えるアクチュエータを有する請求項1に記載のガスエンジン。
  6. 前記パラメータの値を取得するデータ取得部をさらに備え、
    前記開度調整部は、前記データ取得部が取得した前記パラメータの値に応じて、前記燃料噴射口の開度を変えるアクチュエータを有する請求項2に記載のガスエンジン。
  7. 前記燃料噴射部は、
    内部と外部を貫通する内孔が形成され、前記内部に燃料ガスが導かれる内管と、
    内部と外部を貫通する外孔が形成され、前記内部に前記内管を収容して前記内管とともに二重管を形成する外管と、
    を備え、
    前記燃料噴射口は、前記内孔および前記外孔で構成され、前記内孔と前記外孔との重なりによって開度が可変となる請求項1から6のいずれか1項に記載のガスエンジン。
  8. 前記内管と前記外管が周方向に相対回転して、前記燃料噴射口の開度が変更される請求項7に記載のガスエンジン。
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