KR100531691B1 - 가변밸브 타이밍 엔진에서 흡/배기밸브의 타이밍 조절장치 - Google Patents

가변밸브 타이밍 엔진에서 흡/배기밸브의 타이밍 조절장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DOHC(Double Over Head Cam) 구조의 자동차 엔진에서, 타이밍 벨트의 압박에 따라 흡/배기 캠축 기어를 소정각도 회전시켜 흡/배기 밸브의 개폐시기를 동시에 가변할 수 있는 흡/배기밸브 타이밍 조절장치에 관한 것으로, 이를 위해 오토 텐션너와 아이들러기어에 각각 제 2, 3직선이동로드를 설치하고, 각 제 2, 3직선이동로드은 시프터에 연결된 제 1직선이동로드에 연동되며, 시프터의 타이밍 벨트 압박으로 타이밍 벨트에 치합된 흡/배기 캠축기어를 일정각도 만큼 위상변화시켜 엔진의 회전속도에 따라 흡기밸브의 밸브개폐 시기를 조절할 수 있는 특징이 있다.

Description

가변밸브 타이밍 엔진에서 흡/배기밸브의 타이밍 조절장치{A timing control device of a intake and exhaust valves in Variable Valve Timing engine}
본 발명은 DOHC(Double Over Head Cam) 구조의 자동차 엔진에서, 타이밍 벨트의 압박에 따라 오토 텐션너와 아이들러 기어를 양측으로 각각 강재 이동시켜 흡/배기밸브의 밸브 개폐시기를 가변할 수 있는 흡/배기밸브 타이밍 조절장치에 관한 것이다.
현재의 대부분의 엔진은 흡/배기 밸브 타이밍이 고회전, 고출력 위주로 설정되어 있기 때문에 최고출력은 높아지지만, 실제로 운전자가 가장 많이 사용하는 회전수인 저중속 영역에서는 충진효율이 떨어지고, 엔진의 성능을 최대로 발휘하기 어려운 단점이 있다.
밸브 타이밍 특히 흡기 밸브 가변시기는 충진효율에 지대한 영향을 주는 인자로서 흡기 밸브를 일찍 열어 주면 밸브 오버랩(Valve Overlap) 기간이 길어져 고속에서는 흡/배기 관성유동을 충분히 이용할 수 있으므로 체적효율이 증가하지만 저속에서는 잔류가스량의 증가로 오히려 체적효율이 떨어지고 HC의 배출량이 증가하는 경향이 된다. 따라서 엔진의 효율을 높이려면 고속시와 저속시에 각각 밸브 개폐시기를 달리할 필요가 있게 된다.
아울러 가변 밸브타이밍의 구현방법에는 흡기 밸브를 여는 시기를 제어하는 흡기캠축 위상변화방식과, 배기 밸브를 여는 시기를 제어하는 배기캠축 위상변화방식과, 흡/배기밸브를 모두 변환하는 흡/배기캠축 위상변화방식등 크게 3가지로 대별되므로 선택할 수 있다.
상기와 같은 자동차의 속도에 따라 흡기 밸브 및 배기 밸브 타이밍을 조절할 수 있는 엔진기관이 VVT(Variable Valve Timing) 엔진이다. 이러한 VVT 엔진은 저속 및 고속에 맞추어 흡기 밸브 및 배기 밸브의 밸브 개폐 타이밍을 가변하는 엔진이다. 그러나 이러한 VVT 엔진은 기존의 엔진과는 달리 실린더헤드의 형상이나 캠 샤프트의 형상이 달라 특화된 제조 생산 설비라인에 의해 생산됨으로 기존의 생산 설비라인에 적용하기 불가능하다. 따라서 본 발명은 새로운 방식으로 VVT엔진의 효과 뿐만 아니라, 기존의 DOHC 엔진의 제조 생산 설비라인에 쉽게 적용할 수 있는 애드-온타입(Add on Type)의 밸브타이밍 조절장치를 개발하는데 그 목적이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, DOHC(Double Over Head Cam) 구조의 자동차 엔진에서, 타이밍 벨트의 압박에 따라 흡/배기 캠축 기어를 소정각도 회전시켜 흡/배기 밸브의 개폐시기를 동시에 가변할 수 있는 흡/배기밸브 타이밍 조절장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은, 자동차의 속도에 따라 흡/배기밸브의 밸브개폐 시기를 조절할 수 있는 흡/배기밸브 타이밍 조절장치를 제공하는 것이다.
아울러 본 발명의 제 3목적은, 기존의 DOHC 엔진의 제조 생산 설비라인에 쉽게 적용할 수 있는 흡/배기밸브 타이밍 조절장치를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은, DOHC 타이밍 벨트 구동구조에 있어서,
흡기 캠축기어와 배기 캠축기어의 사이에 배치되고, 각 캠축기어에 연결된 타이밍 벨트의 상부 또는 하부에 밀착/설치되는 시프터와, 흡기 캠축기어와 배기 캠축기어의 하부에 배치된 오토 텐션너와 아이들러 기어가 연동구조를 가질 수 있도록 오토 텐션너와 아이들러 기어의 사이에 각각 배치되는 제 1, 2리니어 모션 베어링과, 시프터와 연결되어 오토 텐션너 및 아이들러 기어와 연동구조를 제공하는 연결수단과, 흡기 캠축기어 또는 배기 캠축기어의 회전을 감지하도록 근접 설치되는 캠축 센서와, 캠축 센서에 전기적으로 연결되어 감지신호가 전송되고, 감지신호를 기초로 액츄에이터의 작동을 제어하는 ECU를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡/배기밸브 타이밍 조절장치에 의해서 달성된다.
상기에서 시프터는 타이밍 벨트의 하부에 밀착/배치되고,
연결수단은 시프터에 수직 연결되는 제 1직선이동로드와, 오토 텐션너에 연결되고 제 1리니어 모션 베어링의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 2직선이동로드와, 아이들러 기어에 연결되고 제 2리니어 모션 베어링의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 3직선이동로드와, 제 1직선이동로드와 연결되어 제 2, 3직선이동로드의 사이에 배치되고 액츄에이터와 연결되는 사다리꼴 형상의 밀편으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기에서 시프터는 타이밍 벨트의 상부에 밀착/배치되고,
연결수단은 시프터에 수직 연결되는 제 1직선이동로드와, 오토 텐션너에 연결되고 제 1리니어 모션 베어링의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 2직선이동로드와, 아이들러 기어에 연결되고 제 2리니어 모션 베어링의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 3직선이동로드와, 제 1직선이동로드와 연결되어 제 2, 3직선이동로드의 사이에 배치되고 액츄에이터와 연결되는 역사다리꼴 형상의 밀편으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 흡/배기밸브 타이밍 조절장치에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 설치상태를 도시한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 DOHC(Double Over Head Cam) 구조의 자동차 엔진에서, 오토 텐션너(500)와 아이들러 기어(600)를 양측으로 이동시켜 흡/배기밸브의 밸브 개폐시기를 가변할 수 있는 흡/배기밸브 타이밍 조절장치(100)에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 기존 DOHC 엔진의 흡/배기 밸브 타이밍이 고회전, 고출력 위주로 설정되어 있기 때문에 저회전 및 저출력에서의 밸브 오버랩을 최소화시켜 엔진의 효율성을 향상시킬 수 있는 장치이다.
타이밍 벨트(200)는 흡기 캠축기어(300) 및 배기 캠축기어(400)와 연결되어 있으며. 더불어 구동력을 제공받기 위한 크랭크축 기어(800)와, 타이밍 벨트(200)의 장력을 조절하기 위한 오토 텐션너(500)와, 타이밍 벨트(200)를 가이드하는 아이들러 기어(600)와, 워터 펌프(700) 등이 연결되어 구성된다.
본 발명에 따른 조절장치(100)는, 이와 같은 각 기어(300,400,500,600,700,800)에 걸쳐 연결된 타이밍 벨트(200)와, 타이밍 벨트(200)의 하부에 밀착/배치된 시프터(10)와, 시프터(10)와 연결되어 오토 텐션너(500)및 아이들러 기어(600)와 연동구조를 제공하는 연결수단과, 연결수단에 구동력을 제공하기 위해 연결수단에 연결되는 액츄에이터(40)를 포함하여 구성된다.
그리고 흡기 캠축기어(300) 또는 배기 캠축기어(400)의 회전(또는 회전수, 회전속도)을 감지하기 위해 선택되는 어느 하나의 캠축기어(300,400)에는 캠축 센서(50)가 근접 설치되어 있고, 캠축 센서(50)에는 액츄에이터(40)의 작동을 제어하는 ECU(60)가 전기적으로 연결된 구조이다.
오토 텐션너(500)와 아이들러 기어(600)의 사이에는 제 1, 2리니어 모션 베어링(20,30)가 동일 수평선상으로 각각 배치되어 있으며, 이러한 제 1, 2리니어 모션 베어링(20,30)의 상부로는 오토 텐션너(500)와 아이들러 기어(600)에 연결되는 연결수단이 슬라이딩 결합되어 구성된다.
이러한 연결수단은, 시프터(10)에 수직 연결되는 제 1직선이동로드(11)와, 오토 텐션너(500)에 연결되고 제 1리니어 모션 베어링(20)의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 2직선이동로드(13)와, 아이들러 기어(600)에 연결되고 제 2리니어 모션 베어링(30)의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 3직선이동로드(14)와, 제 1직선이동로드(11)와 연결되어 제 2, 3직선이동로드(13,14)의 사이에 배치되고 액츄에이터(40)와 연결되는 사다리꼴 형상의 밀편(12)으로 구성된다. 여기서 밀편(12)의 상단은 제 2, 3직선이동로드(13,14)의 마주보는 각 단부 하부에 부분삽입되어 있는 구조이다.
그리고 액츄에이터(40)는 밀편(12)의 하부에 연결되어 있는 구조로, 밀편(12) 및 제 1직선이동로드(11)를 승강시킬 수 있는 구조이다.
도 2는 도 1에 따른 저속에서의 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 작동을 나타내는 개념도이고, 도 3은 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 작동여부를 나타내는 블럭도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 캠축 센서(50)는 저속시 엔진의 비효율적인 밸브 오버랩 현상을 최소화할 수 있도록 흡기 캠축기어(300) 또는 배기 캠축기어(400)의 회전을 센싱하여 작동된다.
제 1직선이동로드(11)에 연결된 액츄에이터(40)는, 작동력을 제공하기 위한 것으로, 흡기 캠축기어(300) 또는 배기 캠축기어(400)의 회전수(RPM)에 따라 작동이 결정된다. 때문에 흡기 캠축기어(300) 또는 배기 캠축기어(400)의 회전수(RPM)를 감지하도록 선택되는 어느 하나에는 캠축 센서(50)가 구비된다.
캠축 센서(50)는 액츄에이터(40)의 작동을 조절하기 위한 ECU(60)에 전기적으로 연결되어 있다. 따라서 캠축 센서(50)의 감지신호가 ECU(60)에 전송되고, ECU(60)는 감지신호에 기초하여 액츄에이터(40)의 작동을 조절하고 이에 따라 결과적으로 제 1직선이동로드(11) 및 제 1직선이동로드(11)에 연동되는 제 2, 3직선이동로드(13,14)의 이동은 흡기 캠축기어(300) 또는 배기 캠축기어(400)의 회전수에 기초한다.
이러한 구조에 따라 본발명의 작동을 설명하면 다음과 같다. 우선 캠축 센서(50)가 흡기 캠축기어(300) 또는 배기 캠축기어(400)의 회전을 감지한다. 그리고 캠축 센서(50)의 감지신호가 ECU(60)에 제공되고, ECU(60)에서는 감지신호를 기초로 흡기 캠축기어(300) 또는 배기 캠축기어(400)의 회전수 또는 회전속도를 산출한다. 따라서 고속주행이 요구되는지 저속주행이 요구되는지가 판단될 수 있다.
이러한 주행속도의 요구조건에 따라 ECU(60)에서는 액츄에이터(40)의 작동을 조절한다. 만일 저속주행일 경우, 흡기 캠축기어(300) 및 배기 캠축기어(400)의 초기 회전각이 변환될 수 있도록 액츄에이터(40)를 작동시킨다. 이 때 액츄에이터(40)는 밀편(12)에 부착되어 있어 함께 이동이 가능하고 모터와 감속기 또는 파워스티어링 오일펌프의 오일압력과 솔레노이드 밸브 그리고 실린더 등을 이용하여 동작시킬 수 있다.
그러면 액츄에이터(40)에 의해 밀편(12)은 제 1직선이동로드(11)와 함께 상승되어 시프터(10)를 밀어낸다. 이와 동시에 타이밍 벨트(200)도 상승되고, 밀편(12)의 상단 양측에 밀착/배치된 제 2, 3직선이동로드(13,14)도 밀편(12)이 상승함에 따라 연동되어 양측으로 이동된다. 부연하자면, 밀편(12)은 사다리꼴 형상을 취하고 있어, 밀편(12)이 상승함에 따라 양측에 밀착/배치된 제 2, 3직선이동로드(13,14)도 연동되어 양측으로 이동되게 되는 것이다. 이 때 타이밍 벨트(200)의 상승에 따라 흡기 캠축기어(300)는 원주상 두점 즉, 해당 호(弧)(Arc)까지 시계방향으로 회전하고, 배기 캠축기어(400)는 원주상 두점 즉, 해당 호(弧)(Arc)까지 반시계방향으로 회전한다.
이에 따라 흡/배기 캠축기어(300,400)는 동시에 초기 회전각의 위치가 가변되어 흡/배기밸브의 오버랩이 감소되어 아이들러의 회전속도를 줄여 저속에서의 연료 효율성 및 아이들러의 안정성을 증대시킬 수 있다.
만일 고속주행일 경우에는, 흡/배기 캠축기어(300,400)의 초기 회전각이 원래 상태로 복귀될 수 있도록 ECU(60)가 액츄에이터(40)를 반대방향(하강)으로 작동시킨다. 그러면 밀편(12) 및 제 1직선이동로드(11)와 함께 하강하여 제 2, 3직선이동로드(13,14)를 안측으로 이동시킨다. 때문에 타이밍 벨트(200)는 하강하게 되고 흡/배기 캠축기어(300,400)는 초기 회전각의 상태로 복귀된다.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 설치상태를 도시한 개념도이고, 도 5는 도 3에 따른 저속에서의 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 작동을 나타내는 개념도이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 시프터(10)는 타이밍 벨트(200)의 상부에 밀착/배치되어 구성된다.
그리고 연결수단은, 시프터(10)에 수직 연결되는 제 1직선이동로드(11)와, 오토 텐션너(500)에 연결되고 제 1리니어 모션 베어링(20)의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 2직선이동로드(13)와, 아이들러 기어(600)에 연결되고 제 2리니어 모션 베어링(30)의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 3직선이동로드(14)와, 제 1직선이동로드(11)와 연결되어 제 2, 3직선이동로드(13,14)의 사이에 배치되고 액츄에이터(40)와 연결되는 역사다리꼴 형상의 밀편(12)으로 구성된다. 여기서 밀편(12)의 상단은 제 2, 3직선이동로드(13,14)의 마주보는 각 단부 상부에 부분삽입되어 있는 구조이다.
이러한 구조에 따라 본발명의 작동을 설명하면 다음과 같다. 만일 저속주행일 경우, 흡기 캠축기어(300) 및 배기 캠축기어(400)의 초기 회전각이 변환될 수 있도록 액츄에이터(40)를 작동시킨다.
그러면 밀편(12)은 제 1직선이동로드(11)와 함께 하강되어 시프터(10)를 끌어 내린다. 이와 동시에 타이밍 벨트(200)도 하강되고, 밀편(12)의 하단 양측에 밀착/배치된 제 2, 3직선이동로드(13,14)도 밀편(12)이 하강함에 따라 연동되어 양측으로 이동된다. 부연하자면, 밀편(12)은 역사다리꼴 형상을 취하고 있어, 밀편(12)이 하강함에 따라 양측에 밀착/배치된 제 2, 3직선이동로드(13,14)도 연동되어 양측으로 이동되게 되는 것이다. 이 때 타이밍 벨트(200)의 하강에 따라 흡기 캠축기어(300)는 원주상 두점 즉, 해당 호(弧)(Arc)까지 시계방향으로 회전하고, 배기 캠축기어(400)는 원주상 두점 즉, 해당 호(弧)(Arc)까지 반시계방향으로 회전한다.
이에 따라 흡/배기 캠축기어(300,400)는 동시에 초기 회전각의 위치가 가변되어 흡/배기밸브의 오버랩이 감소되어 저속에서의 연료 효율성을 증대시킬 수 있다.
만일 고속주행일 경우에는, 흡/배기 캠축기어(400)의 초기 회전각이 원래 상태로 복귀될 수 있도록 ECU(60)가 액츄에이터(40)를 반대방향(상승)으로 작동시킨다. 그러면 액츄에이터(40)의 작동으로 밀편(12) 및 제 1직선이동로드(11)는 상승하게 되고, 이에 따라 제 2, 3직선이동로드(13,14)는 안측으로 이동되어 흡/배기 캠축기어(300,400)는 초기 회전각의 상태로 복귀된다. 또한, 저속, 고속시 반대로 액츄에이터(40)를 제어할 수도 있다. 즉, 액츄에이터(40)의 홈 위치를 반대로 할 수도 있다. 그리고, 이러한 제어는 연속형(Continuous Type) 제어가 가능하다.
이상에서와 같이 배기밸브 타이밍 조절장치(100)에 따르면, 저회전 및 저출력에서 흡/배기밸브의 초기 회전각을 가변하여 밸브의 오버랩 현상을 최소화될 수 있는 구조이지만, 엔진의 구조에 따라 흡/배기밸브의 초기 회전각을 가변하여 오버랩이 많이 일어 나도록 구성할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 흡/배기밸브 타이밍 조절장치는, 새로운 엔진에 적용이 가능하고, 기존의 DOHC 엔진의 생산 라인에 쉽게 적용될 수 있으며, 적용된 기존 엔진의 비약적인 성능 향상 및 연비가 개선되는 효과를 가져올 수 있는 특징이 있다.
또한 기존 엔진에서의 저속시 잔류가스량의 증가로 체적효율이 떨어지고 HC의 배출량이 증가하는 현상을 방지하여 환경오염에 일조할 수 있는 특징이 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 고안의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 설치상태를 도시한 개념도,
도 2는 도 1에 따른 저속에서의 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 작동을 나타내는 개념도,
도 3은 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 작동여부를 나타내는 블럭도,
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 설치상태를 도시한 개념도,
도 5는 도 3에 따른 저속에서의 흡/배기밸브 타이밍 조절장치의 작동을 나타내는 개념도이다.
< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >
10: 시프터 11: 제 1직선이동로드,
12: 밀편, 13: 제 2직선이동로드
14: 제 3직선이동로드 20: 제 1리니어 모션 베어링,
30: 제 2리니어 모션 베어링 40: 액츄에이터,
50: 캠축 센서, 60: ECU,
100: 조절장치, 200: 타이밍 벨트,
300: 흡기 캠축기어, 400: 배기 캠축기어,
500: 오토 텐션너, 600: 아이들러 기어,
700: 워터 펌프, 800: 크랭크축 기어.

Claims (3)

  1. DOHC 타이밍 벨트 구동구조에 있어서,
    흡기 캠축기어(300)와 배기 캠축기어(400)의 사이에 배치되고, 상기 각 캠축기어(300, 400)에 연결된 타이밍 벨트(200)의 상부 또는 하부에 밀착/설치되는 시프터(10);
    흡기 캠축기어(300)와 배기 캠축기어(400)의 하부에 배치된 오토 텐션너(500)와 아이들러 기어(600)가 연동구조를 가질 수 있도록 상기 오토 텐션너(500)와 아이들러 기어(600) 사이에 각각 배치되는 제 1, 2리니어 모션 베어링(20,30);
    상기 시프터(10)와 연결되어 오토 텐션너(500)및 아이들러 기어(600)와 연동구조를 제공하는 연결수단;
    상기 흡기 캠축기어(300) 또는 배기 캠축기어(400)의 회전을 감지하도록 근접 설치되는 캠축 센서(50); 및
    상기 캠축 센서(50)에 전기적으로 연결되어 감지신호가 전송되고, 상기 감지신호를 기초로 상기 액츄에이터(40)의 작동을 제어하는 ECU(60);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변밸브 타이밍 엔진에서 흡/배기밸브 타이밍 조절장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시프터(10)는 상기 타이밍 벨트(200)의 하부에 밀착/배치되고,
    상기 연결수단은,
    상기 시프터(10)에 수직 연결되는 제 1직선이동로드(11);
    상기 오토 텐션너(500)에 연결되고 상기 제 1리니어 모션 베어링(20)의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 2직선이동로드(13);
    상기 아이들러 기어(600)에 연결되고 상기 제 2리니어 모션 베어링(30)의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 3직선이동로드(14); 및
    상기 제 1직선이동로드(11)와 연결되어 상기 제 2, 3직선이동로드(13,14)의 사이에 배치되고 액츄에이터(40)와 연결되는 사다리꼴 형상의 밀편(12);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변밸브 타이밍 엔진에서 흡/배기 밸브 타이밍 조절장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 시프터(10)는 상기 타이밍 벨트(200)의 상부에 밀착/배치되고,
    상기 연결수단은,
    상기 시프터(10)에 수직 연결되는 제 1직선이동로드(11);
    상기 오토 텐션너(500)에 연결되고 상기 제 1리니어 모션 베어링(20)의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 2직선이동로드(13);
    상기 아이들러 기어(600)에 연결되고 상기 제 2리니어 모션 베어링(30)의 상부에 슬라이딩 결합되는 제 3직선이동로드(14); 및
    상기 제 1직선이동로드(11)와 연결되어 상기 제 2, 3직선이동로드(13,14)의 사이에 배치되고 액츄에이터(40)와 연결되는 역사다리꼴 형상의 밀편(12);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변밸브 타이밍 엔진에서 흡/배기 밸브 타이밍 조절장치.
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