KR100275265B1 - 디젤 기관용 매연필터의 재생 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤 기관용 매연 필터의 재생 제어장치에 관한 것으로, 전원을 공급하는 전원 공급부(112)와, 소정의 센서들로부터 제공되는 데이타에 따라 매연필터를 재생하기 위한 제어신호를 발생하는 제어부(110)와, 제어부(110)의 제어신호에 따라 구동되어 매연필터에 포집된 입자상 매연을 연소시키므로써 매연 필터를 재생하는 필터 재생 수단(130)을 포함하는 디젤 기관용 매연 필터의 재생 제어장치에 있어서, 상기 필터 재생 수단(130)은, 각각 병렬 접속된 n 개의 히터로 이루어진 제 1 및 제 2 캐니스터(122, 124)와; 전원 공급부(112) 와 제 1 캐니스터(122) 사이에 접속되어 제어부(110)의 제어신호에 따라 스위칭되어 전원 공급부(112)로부터 제 1 캐니스터(122)로 제공되는 전원을 공급 또는 차단하는 제 1 릴레이(118)와; 전원 공급부(112)와 제 2 캐니스터(124) 사이에 접속되어 제어부(110)의 제어신호에 따라 스위칭되어 전원 공급부(112)로부터 제 2 캐니스터(124)로 제공되는 전원을 공급 또는 차단하는 제 2 릴레이(120)와; 제 1 캐니스터(122)를 구성하는 n 개의 히터들중 하나의 히터 및 상기 제 2 캐니스터(124)를 구성하는 n 개의 히터들중 하나의 히터와 각각 접속되며, 상기 제어부(110)의 제어신호에 따라 턴-온되어 상기 접속된 제 1 캐니스터의 히터 또는 제 2 캐니스터의 히터를 구동하는 n개의 FET로 이루어진 히터 구동부를 포함 것을 특징으로 한다.

Description

디젤 기관용 매연필터의 재생 제어장치
본 발명은 디젤기관용 매연필터 시스템에 사용되는 매연필터의 작동을 제어하는 장치에 관한 것으로, 특히, 각각의 히터를 구동하기 위한 히터 구동부를 구성하는 FET의 수를 줄이므로써 경비를 절감하고 히터 구동부 파괴시 히터로 전류가 제공되는 것을 방지하는 디젤 기관용 매연 필터의 재생 제어장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와같이, 디젤기관은 여러 가지 장점(예를들면, 엔진수명이 길고, 내구성이 뛰어남 등)을 갖는 반면에 대기오염에 심각한 영향을 미치는 입자상 물질을 배출한다는 문제가 있다. 즉, 이러한 입자상 물질은 대략 0.1 - 0.3μm 정도의 아주 작고 가벼운 입자로 대기중에 배출되어 부유하는 데, 인체의 폐에 흡입되어 여러 가지 질병을 일으키는 요인이 되고 있다.
따라서, 이와같이 디젤기관에서 배출되는 인체에 치명적인 입자상 물질을 제거하기 위한 연구가 도처에서 활발하게 진행되고 있는 실정이며, 이러한 연구의 결과로서 전기히터 방식을 채용하는 다공성벽을 갖는 매연필터(예를들면, 세라믹 필터 등)를 이용하여 입자상 물질을 제거하는 장치가 개발되어 실용화되어 있다.
한편, 이러한 전기히터 방식의 매연필터 시스템에 있어서, 배기가스에 포함된 입자성 물질중 필터벽의 세공 직경보다 큰 입자들은 필터벽을 통과하지 못하고 벽에 누적되는 데, 이러한 입자들의 누적으로 인해 필터의 전,후 부분에 압력차, 즉 압력강하가 발생하게 된다.
다른한편, 필터에 수집된 입자상 물질은, 예를들면 대략 500 - 600℃ 정도의 온도에서 점화되는 데, 디젤엔진에서 배출되는 배기가스의 온도는 대략 250 - 350℃ 정도이다. 전기히터를 이용하여 필터입구쪽의 온도를 입자상 물질의 점화온도까지 높여준다. 이때, 필터내의 산소농도가 최소한 2% 이상일 때 재생이 가능하므로, 송풍기 등을 이용한 공기공급장치를 이용하여 외부로 부터의 공기를 필터 입구측으로 공급한다. 이러한 공기공급장치는 입자 누적으로 인한 압력강하에 따른 배기가스의 유속제어에도 이용된다.
이때, 필터 트랩의 전면을 가열하는 전기히터는, 예를들면 나선형의 가열선 등으로 구성될 수 있는 데, 이때 소모되는 전류는 대략 100 - 160A 정도이다.
또한, 종래의 매연필터 시스템에는, 배기가스의 흐름을 통제하는 유로변경 밸브(즉, 배기밸브)가 필터 트랩의 입구측에 설치되는 데, 이러한 유로변경 밸브는 두 개의 필터 트랩중 한쪽이 재생중일 때 배기가스가 다른 한쪽으로 흐르도록 유도하는 역할을 수행한다.
따라서, 종래의 매연필터 시스템은, 엔진작동시에 발생하는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 상술한 바와같은 구조를 이용하여 주기적 또는 비주기적으로 제거한다.
그러나, 상기한 바와같이 매연필터에 수집된 입자상 물질을 제거하는 데 필요한 열원을 제공하는 전기히터를 구동하는 데 필요로 하는 전력소모가 클 뿐만 아니라 기구적인 메카니즘이 복잡하고 그로 인해 고장율이 잦다는 문제, 즉 필터로의 공기공급을 위한 장치, 배기가스의 유로변경을 위한 유로변경장치의 설치로 인해 기구적인 메카니즘이 복잡해지고 고장율이 높아지는 문제가 있었다. 따라서 본 출원인은 상기한 문제점을 해결하고자 1996년 12월 24일자로 대한민국특허 제 96-71595 호 "디젤기관용 매연필터의 작동 제어방법 및 그 제어장치"를 출원한 바 있다.
즉, 상술한 바와같은 디젤기관용 매연필터의 작동 제어장치는, 배기관 소정부분에 장착되며, 열원발생을 위한 전기히터가 내장되고 디젤기관에서 배출되는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 상기 발생된 열원을 이용하여 제거하는 매연필터의 작동을 제어하는 장치에 있어서, 상기 전기히터는, 그 구동이 각각 순차적으로 각각 제어되는 다수의 히터 세그먼트로 구성되는 분할히터이고, 상기 매연필터 작동 제어장치는: 상기 디젤기관의 엔진 RPM 을 측정하기 위한 RPM 측정부; 상기 매연필터측의 소정부분에 장착되어 상기 매연필터의 전,후간에 발생하는 압력차를 검출하여 그에 상응하는 압력 정보를 발생하는 압력센서; 상기 매연필터의 입구측에 장착되어 상기 매연필터의 입구측 온도를 검출하며, 그 검출결과에 상응하는 온도 정보를 발생하는 온도센서; 상기 디젤기관을 탑재한 차량의 액셀레이터 위치를 검출하며, 그 검출결과에 상응하는 위치 정보를 발생하는 포텐셔메터; 상기 검출된 RPM 정보, 검출된 압력 정보, 검출된 온도 정보 및 검출된 액셀레이터 위치 정보에 의거하여 상기 분할히터를 이루는 각 히터 세그먼트들의 순차적인 구동제어를 위한 히터 구동 제어신호를 발생하는 제어부; 상기 제어부에 기설정된 소정전원을 제공하고, 상기 분할히터 구동용 전원을 제공하는 전원 공급 블록; 및 상기 제어부로 부터의 구동 제어신호에 응답하여, 상기 전원 공급 블록에서 제공되는 소정레벨의 히터 구동용 전원을 상기 분할히터내 각 히터 세그먼트에 순차적으로 각각 제공하는 히터 구동부로 이루어짐을 특징으로 한다.
그러나, 상술한 바와같은 종래의 디젤기관용 매연필터의 작동 제어장치는 히터 구동부를 구성하는 각각의 FET가 각각의 히터 세그먼트와 접속되어 사용되므로 FET의 갯수가 히터를 구성하는 히터 세그먼트와 동일한 개수로 이루어져 그 제작비용이 많이 들고 또한, 히터로 공급되는 전원이 전원 공급부로부터 히터 구동부를 통해 공급되므로 히터 구동부가 파손될 경우, 히터의 구동을 정지하고자 할 경우에도 계속해서 히터로 전류가 흐르게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 매연 필터를 재생하기 위하여 히터를 구동하는 히터 구동부를 구성하는 FET의 개수를 반으로 줄이므로써 그 경비를 절감하고 또한 히터 구동부가 파손될 경우 히터로 유입되는 전류를 차단할 수 있도록 한 디젤 기관용 매연 필터의 재생 제어장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 소정의 전원을 공급하는 전원 공급부와, 소정의 센서들로부터 제공되는 디젤 엔진의 회전수, 온도 및 압력 데이타에 따라 상기 디젤 엔진의 매연필터를 재생하기 위한 제어신호를 발생하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 구동되어 상기 매연필터에 포집된 입자상 매연을 연소시키므로써 상기 매연 필터를 재생하는 필터 재생 수단을 포함하는 디젤 기관용 매연필터의 재생 제어장치에 있어서, 상기 필터 재생 수단은, 각각 병렬 접속된 n 개의 히터로 이루어진 제 1 및 제 2 캐니스터와; 상기 전원 공급부와 상기 제 1 캐니스터 사이에 접속되어 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 전원 공급부로부터 상기 제 1 캐니스터로 제공되는 전원을 공급 또는 차단하는 제 1 릴레이와; 상기 전원 공급부 와 상기 제 2 캐니스터 사이에 접속되어 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 전원 공급부로부터 상기 제 2 캐니스터로 제공되는 전원을 공급 또는 차단하는 제 2 릴레이와; 상기 제 1 캐니스터를 구성하는 n 개의 히터들중 하나의 히터 및 상기 제 2 캐니스터를 구성하는 n 개의 히터들중 하나의 히터와 각각 접속되며, 상기 제어부의 제어신호에 따라 턴-온되어 상기 접속된 제 1 캐니스터의 히터 또는 제 2 캐니스터의 히터를 구동하는 n개의 FET로 이루어진 히터 구동부를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디젤 기관용 매연필터의 재생 제어장치를 나타낸 구성 블럭도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
102 : RPM 센서 104 : 압력센서
106 : 온도센서 108 : 포텐셔메터
110 : 제어부(ECU) 112 : 전원공급부
114 : 히터 구동부 116 : 전류 검출부
118, 120 : 릴레이 122, 124 : 캐니스터
130 : 필터 재생부 H : 히터
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디젤기관용 매연필터의 재생 제어장치에 대한 블록구성도이다.
동도면에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 매연필터의 재생 제어장치는 RPM 센서(102), 압력센서(104), 온도센서(106), 포텐셔메터(108), 제어부(ECU)(110), 전원공급부(112), 전류 검출부(116) 및 n개의 FET로 구성되는 히터 구동부(114), 제 1 및 제 2 릴레이(118, 120), n개의 히터(H1 내지 H21)로 구성되는 제 1 캐니스터(122) 및 n개의 히터(H2 내지 H22)로 구성되는 제 2 캐니스터(124)를 구비한 필터 재생부(130)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따라 제어되는 매연필터(도시되지 않음)는 두 개의 필터 트랩을 갖지 않고 온라인 방식의 하나의 배기경로만을 가지며, 매연필터에 삽입되어 자체 발생되는 열원을 이용하여 매연필터에 수집된 입자상 물질을 제거하는 전기히터로서는 분할히터, 예를들면 각각 11 개로 분할된 다수의 히터, 즉, 히터 세그먼트로 이루어지는 제 1 및 제 2 캐니스터(122,124)로 구성되며, 분할된 각각의 히터들은 외부 입력 데이터에 의거하여 제어를 수행하는 제어부로 부터의 제어신호에 응답하여 각각 독립적으로 순차 구동(또는 작동)된다. 이때, 각각의 히터의 구동에 필요로 하는 전류는 대략 50A 정도가 소요된다.
도 1을 참조하면, RPM 센서(102)는 운전자의 키조작에 따라 디젤엔진의 시동을 걸릴 때 엔진의 RPM, 즉, 엔진의 회전수를 측정하며, 여기에서 측정된 엔진 RPM 정보는 제어부(110)로 제공된다. 또한, 압력센서(104)는 배기관의 압력을 감지, 즉 배기가스에 포함된 입자상 물질이 매연필터의 다공성벽에 누적되어 수집될 때 필터 전,후에 생기는 압력차를 감지하여 제어부(110)로 제공한다.
한편, 온도센서(106)는, 예를들면 열전대 등의 센서로 구성될 수 있는 데, 매연필터 입구측에 설치되어 필터 입구의 온도를 감지하며, 여기에서 감지된 온도 정보는 제어부(110)로 제공된다. 즉, 필터 트랩에 수집된 입자상 물질의 점화온도가 대략 500 - 600℃ 정도인 데 반해, 디젤엔진에서 배출되는 배기가스의 온도는 대략 250 - 350℃ 정도이다. 따라서, 매연필터에 기설정된 목표량의 입자상 물질이 수집됐을 때, 전원공급을 통해 다수의 히터(H1 내지 H22)로 분할된 전기히터를 순차 구동하여 필터 입구측의 온도를 입자상 물질의 점화온도로 상승시켜야 하는 데, 온도센서(106)에서는 이러한 제어를 위한 온도 정보를 검출하여 제어부(110)에 제공한다.
또한, 포텐셔메터(108)는, 디젤엔진이 작동중일 때 운전자에 의해 조작되는 액셀레이터의 위치 정보를 검출하여 제어부(110)에 제공한다.
즉, 본 발명에 따라 RPM 센서(102), 압력센서(104), 온도센서(106) 및 포텐셔메터(108)에서 각각 검출되는 RPM 정보, 압력 정보, 온도 정보 및 액셀레이터 위치 정보들은 매연필터용 히터로 이루어지는 제 1 및 제 2 캐니스터(122,124), 즉 다수의 히터로 분할된 분할히터들의 구동을 제어하기 위한 데이터로써 각각 제어부(110)로 제공된다.
한편, 제어부(110)는, 예를들면 마이크로 프로세서로 구성되며, 상술한 바와같은 각각의 센서로부터 제공되는 정보 데이터에 의거하여 매연필터의 재생동작 제어를 위해 분할되어 제 1 및 제 2 캐니스터(122,124)를 구성하는 히터들(H1 내지 H22)의 구동을 순차 제어한다. 이때, 전원공급부(112)에서는 제어부(110)에서 필요로하는 전원, 예를들면 5V 의 전원을 공급하며, 또한 히터(116)의 구동에 필요한 히터 구동전원을 후술하는 제 1 및 제 2 릴레이(118,120)를 통하여 제 1 및 제 2 캐니스터(122,124)를 구성하는 각각의 히터(H1 내지 H22)로 제공한다.
즉, 제어부(110)에서는 RPM 정보, 압력 정보, 온도 정보 및 액셀레이터 위치 정보에 대한 데이터를 수집하고, 이 수집된 데이터들에 근거하여 필터에 누적된 배기가스량, 즉 입자상 물질의 누적량을 계산하며, 이러한 계산결과에 따라 모드를 결정하여 제 1 및 제 2 릴레이(118, 120) 그리고 히터 구동부(114)를 통하여 히터들(H1 내지 H22)을 순차적으로 온 시켜 입자상 물질을 제거하는 재생모드 또는 히터를 오프시키는 비재생모드를 결정한다.
또한, 제어부(110)는 수집된 데이터들에 의거하여, 각 히터들을 순차 구동하는 재생모드일 때 재생모드의 종료시점을 산출하고, 히터가 오프된 비재생모드일 때 재생모드의 시작시점을 산출하며, 이러한 산출결과에 의거하여 각 히터들의 구동을 온/오프 제어한다.
한편, 본 발명에 따른 필터 재생부(130)는 n개의 FET로 구성되는 히터 구동부(114), 제 1 및 제 2 릴레이(118, 120), n개의 히터(H1 내지 H21)로 구성되는 제 1 캐니스터(122) 및 n개의 히터(H2 내지 H22)로 구성되는 제 2 캐니스터(124)로 이루어지며, 각각의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
히터 구동부(114)는 n 개의 FET 로 이루어지며, 수집된 데이터들에 근거하는 상술한 제어부(110)로 부터로 구동 제어신호에 응답하여 각각 턴-온되어, 제 1 릴레이 또는 제 2 릴레이를 통하여 전원이 제공되는 제 1 또는 제 2 캐니스터(12,124)를 구성하는 히터(H1 내지 H22)를 온시킨다. 이때, 제 1 또는 제 2 캐니스터(12,124)에 제공되는 구동전류는 약 50A 정도이다. 이러한 히터 구동부(114)로서는, 상술한 바와같이 전계효과 트랜지스터(FET)등을 이용할 수 있으며, 이러한 히터 구동부(114)를 구성하는 FET의 개수는 제 1 캐니스터(122)를 구성하는 히터의 개수 또는 제 2 캐니스터(124)를 구성하는 히터의 개수와 동일하다. 즉, 제 1 또는 제 2 캐니스터가 각각 n개의 히터로 구성되면, 히터 구동부(114)를 구성하는 FET의 개수도 n개가 된다.
따라서, 예를들면, 도 1에 도시된 바와같이, 제 1 및 제 2 캐니스터(122,124)를 구성하는 히터의 개수는 각각 11개 이므로 히터 구동부(114)의 FET의 개수도 11개로 이루어지는데, 본 발명에 따르면, 제어부(110)의 제어에 따라 제 1 및 제 2 릴레이(118,120)를 선택적으로 스위칭 온/오프로 제어하기 때문에 제 1 및 제 2 캐니스터(122,124)를 구성하는 22개의 히터를 11개의 FET로 구성되는 히터 구동부(114)를 이용하여 각각 온/오프로 그 구동을 제어할 수 있게 된다.
즉, 부연하면, 히터 구동부(114)를 구성하는 각각의 FET는 각각 제 1 캐니스터(122)를 구성하는 히터(H1 내지 H21)들중 하나의 히터 및 제 2 캐니스터(124)를 구성하는 히터(H2 내지 H22)들중 하나의 히터, 즉, 2개의 히터와 접속되며, 이러한 하나의 FET와 접속된 두개의 히터들은 히터 구동부(114)가 제어부(110)의 제어에 의해 턴-온될 때 제어부(110)의 제어에 따른 제 1 및 제 2 릴레이(118,120)의 스위칭 상태에 따라 그중 하나가 선택되어 구동된다.
전류 검출부(116)는 히터 구동부(114)에 흐르는 전류량을 검출하는데, 여기에서 검출된 각 공급 전류량 데이터는 제어부(110)로 제공되고, 따라서, 제어부(110)에서는 전류 검출부(115)를 통해 검출되어 제공되는 히터(116)로의 공급전류량 검출 정보에 의거하여, 재생모드시에 히터(116)가 정상적으로 동작하는지의 여부를 체크한다. 즉, 히터(116)에 공급되는 전류가 50A(±5A) 범위인지의 여부를 체크하여 히터(116)의 정상동작 여부를 검출한다.
한편, 제 1 및 제 2 캐니스터(122, 124)는 분할된 다수의 히터, 즉, 히터 세그먼트들(예를들면, 11개의 히터 세그먼트)로 각각 구성되며, 재생모드시에, 제어부(110)의 제어에 의거하여 제 1 또는 제 2 릴레이(118, 120)를 통하여 제공되는 구동전원 및 제어부(110)의 제어에 따른 히터 구동부(114)의 턴-온에 따라 구동되므로써, 필터 입구측(도시되지 않음)의 온도를 입자상 물질의 점화온도로 상승시켜 필터에 수집된 입자상 물질을 제거한다. 즉, 제 1 및 제 2 캐니스터(122,124)를 이루는 각각의 히터 세그먼트(H1, H3, H5…, H21)(H2, H4, H6…, H22)들은 제어부(110)의 제어에 따른 히터 구동부(114)의 턴-온 및 제 1 릴레이(118) 또는 제 2 릴레이(120)를 통하여 공급되는 구동전원에 따라 순차적, 즉 H1, H3, H5, - - -, H21, H2, H4, H6, - - -, H22 의 순서로 자동 구동된다.
즉, 예를들면, 제어부(110)의 제어에 따라 히터 구동부(114)가 턴-온 된 상태에서 제 1 릴레이(118)가 스위칭 '온' 되면 제 1 릴레이를 통하여 제공되는 전원에 따라 제 1 캐니스터(122)를 구성하는 히터들(H1, H3, H5, - - -, H21)이 순차적으로 구동되며, 그후에, 제어부(110)의 제어에 따라 제 1 릴레이(118)가 스위칭 오프되고 제 2 릴레이(120)가 스위칭 온되면 제 2 캐니스터(124)를 구성하는 히터들(H2, H4, H6, - - -, H22)이 순차적으로 구동된다.
한편, 본 발명에 따르면, 히터 구동부(114)를 구성하는 FET가 파손될 경우, 제 1 또는 제 2 릴레이(118,120)를 이용하여 히터로 전류가 공급되는 것을 막을 수 있다.
이상 설명한 바와같이, 본 발명은 각각의 히터를구동하기 위한 히터 구동부를 구성하는 FET의 숫자를 반으로 줄이므로써 제작 경비를 절감할 수 있고 또한, FET 파괴시 히터로 공급되는 전류를 차단할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 소정의 전원을 공급하는 전원 공급부와, 소정의 센서들로부터 제공되는 디젤 엔진의 회전수, 온도 및 압력 데이타에 따라 상기 디젤 엔진의 매연필터를 재생하기 위한 제어신호를 발생하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 구동되어 상기 매연필터에 포집된 입자상 매연을 연소시키므로써 상기 매연 필터를 재생하는 필터 재생 수단을 포함하는 디젤 기관용 매연 필터의 재생 제어장치에 있어서,
    상기 필터 재생 수단은,
    각각 병렬 접속된 n 개의 히터로 이루어진 제 1 및 제 2 캐니스터와;
    상기 전원 공급부 와 상기 제 1 캐니스터 사이에 접속되어 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 전원 공급부로부터 상기 제 1 캐니스터로 제공되는 전원을 공급 또는 차단하는 제 1 릴레이와;
    상기 전원 공급부 와 상기 제 2 캐니스터 사이에 접속되어 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 전원 공급부로부터 상기 제 2 캐니스터로 제공되는 전원을 공급 또는 차단하는 제 2 릴레이와;
    상기 제 1 캐니스터를 구성하는 n 개의 히터들중 하나의 히터 및 상기 제 2 캐니스터를 구성하는 n 개의 히터들중 하나의 히터와 각각 접속되며, 상기 제어부의 제어신호에 따라 턴-온되어 상기 접속된 제 1 캐니스터의 히터 또는 제 2 캐니스터의 히터를 구동하는 n개의 FET로 이루어진 히터 구동부를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤 기관용 매연 필터의 재생 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터 구동부는,
    상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 제 1 릴레이가 스위칭 온 상태일 때에는 상기 제 1 캐니스터를 구성하는 적어도 하나 이상의 히터를 구동하고, 상기 제 2 릴레이가 스위칭 온 상태일 때에는 상기 제 2 캐니스터를 구성하는 적어도 하나 이상의 히터를 구동하는 것을 특징으로 하는 디젤 기관용 매연 필터의 재생 제어장치.
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