KR20140078864A - 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법에 관한 것으로서, 가솔린 입자상 물질 필터 내의 수트 퇴적량이 제1 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정하는 단계, 배기가스가 리치 상태인지 여부를 판단하는 단계, 입자상 필터의 전단과 후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상 또는 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인지 여부를 판단하는 단계, 입자상 필터 전단과 후단의 온도 구배가 제1 수트 퇴적량 이상이거나 또는 필터 후단의 온도가 제1 기준 온도 이상인 경우, 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계를 포함하여, 필터 재생 기능 작동 시 연료 과공급 또는 촉매과열방지 기능의 발현으로 인한 농후 연소로 인해, 필터가 비정상 고온에 노출되는 것을 방지한다.

Description

가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법{CONTROL METHOD OF REGENERATION OF GASOLINE PARTICULATE FILTER}
본 발명은 가솔린 입자상 물질 필터를 재생하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가솔린 입자상 물질 필터를 재생시키기 위한 재생 기능의 제어 방법에 있어서, 불필요한 필터 장기 재생을 방지함으로써, 필터 파손을 방지할 수 있는 가솔린 입자상 필터 재생 기능의 제어 방법에 관한 것이다.
점점 강화되고 있는 배기가스 규제와 지구 온난화의 주요 원인이 되고 있는 이산화탄소 배출량의 저감 및 연비 향상의 요구에 맞추어 최근 가솔린 직접분사 엔진(Gasoline Direct Injection, 이하 GDI 라고 한다)을 장착한 차량들에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 GDI 엔진은 기존의 포트 분사(MPI) 방식의 가솔린 엔진과 비교했을 때, 출력 향상 및 연비 개선 효과가 커서 엔진 다운사이징의 핵심 엔진 기술로서 사용되고 있다. 그러나 GDI 엔진은 고압의 연료를 실린더 내부로 직접 분사하기 때문에 연소의 균일성 등의 현상으로 인해 인체에 악영향을 끼치는 나노 입자상 물질들이 다수 배출되는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점에 기인하여, 가솔린 차량의 입자상 물질 개수를 디젤 차량의 규제와 동일한 6.0×1011 particles/km로 규제하고자 하는 제안들이 이루어지고 있어 GDI 엔진의 입자상 물질 개수 저감 노력이 필요한 상황이다.
최근 부각되고 있는 이러한 입자상 물질(PM)을 저감시키는 방법으로서, 가솔린 입자상 물질 필터(GPF:Gasoline Particulate Filter) 기술이 연구되고 있다. 이러한 가솔린 입자상 물질 필터는 배기라인에 설치되어, 엔진으로부터 배출된 불연소의 가솔린 입자상 물질을 트랩(trap)을 이용하여 포집하고, 일정량 이상의 입자상 물질 퇴적 시에는 입자상 물질의 발화온도 이상으로 배기온도를 승온시켜 입자상 물질을 태우는 재생 기능을 반복 수행하고 있다.
이러한 GPF 기술은 입자상 물질의 포집 기술과 재생 기술로 나누어지며 필터 재생 시스템은 도 3에서 도시된 바와 같이 기본적으로 필터(40), 재생장치(30), 제어장치(20)의 3부분으로 구성되어 있다.
입자상 물질 필터의 재생 시에는, 가솔린 입자상 물질 필터 내에 포집된 입자상 물질이 연소되는 온도인 550~600℃ 이상으로 배기가스의 배기온도를 상승시켜 배출한다. 그런데, 가솔린 입자상 물질 필터에 수트(soot)가 일정량 이상으로 누적되어 필터 재생 시점이 인접한 때에, 급가속 등에 인한 농후 연소가 발생 되는 경우에는 수트 발생량이 급격히 증가 되어 필터 재생 기능이 작동되었을 때, 필터 재생이 적절한 시점에서 종료되지 않고, 필터 내부 온도가 계속 상승하게 된다. 이러한 필터 내부의 온도 상승은, 불필요한 장기 재생으로 인한 연비 저하는 물론, 고온으로 인한 필터 파손을 발생시킨다.
한편, 차량의 운전 중 촉매 온도가 과다하게 상승할 경우 연료 강화로 연소 온도를 저하시켜 촉매 온도를 저하시키는 촉매과열방지(COP;Catalyst Overheating Temperature) 기능이 적용된 차량에 있어서, 필터 재생 시점이 인접한 때에, 촉매과열방지 진입 조건을 만족하여, COP 기능이 작동되는 경우에는, 농후 연소의 발생으로 인해, 수트의 발생량이 급격하게 증가된다. 이 경우에도 차량의 급가속시와 마찬가지로, 필터 재생 기능의 작동 시에 급격히 증가한 수트로 인하여 필터 재생이 적절한 시점에서 종료되지 않고, 필터 내부의 온도가 계속 상승하게 되어 결국 필터 파손에 이르게 되는 문제점이 발생할 우려가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은, 필터 재생 기능 시작 시점에 인접 시에 차량의 급가속 또는 촉매과열방지 기능이 작동 중인 경우에 비정상 고온 노출을 방지할 수 있는 가솔린 입자상 물질 필터의 재생 기능의 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가솔린 입자상 물질 필터 내의 수트 퇴적량이 제1 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정하는 단계; 배기가스가 리치 상태인지 여부를 판단하는 단계; 가솔린 입자상 물질 필터의 전단과 후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상 또는 가솔린 입자상 물질 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인지 여부를 판단하는 단계; 가솔린 입자상 물질 필터 전단과 후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상이거나 또는 가솔린 입자상 물질 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인 경우, 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계를 포함하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법을 제공한다.
바람직한 구현예로서 본 발명은, 상기 배기가스가 리치 상태로 판단되지 않는 경우, 주행 중 검출된 공기량, 엔진 회전수, 노킹, 냉각 수온의 검출값을 입력받아 촉매과열방지 진입 조건을 만족하는지 여부를 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서 본 발명은, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단과 후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 미만이고 가솔린 입자상 물질 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 미만인 경우, 가솔린 입자상 물질 필터 내의 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정하는 단계; 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인 경우, 필터 재생 기능을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서 본 발명은, 상기 촉매과열방지 진입 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 내의 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정하는 단계; 및 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인 경우, 필터 재생 기능을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서 본 발명은, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계에서, 엔진의 토크 출력치를 저하시켜 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서 본 발명은, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계가, 점화 시기를 조절하여 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 하는 것임을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서 본 발명은, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계가, 밸브 오버랩을 증가시켜 실린더 내의 연소 온도를 저감시킴으로써, 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 하는 것임을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서 본 발명은, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계가, 연료 인젝션 주기를 조절하여 실린더 내의 연소 온도를 저감시킴으로써, 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 하는 것임을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서 본 발명은, 상기 제1 수트 퇴적량은 리터당 1g 내지 4g 이고, 상기 제2 수트 퇴적량은 리터당 1g 내지 8g인 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 가솔린 입자상 물질 필터의 비정상적인 고온 노출을 방지함으로써, 예기치 못한 필터의 막힘 현상으로 인한 차량의 출력 저하 및 시동성 불량을 방지할 수 있어 차량의 상품성 가치를 향상시킬 수 있다. 또한, 가솔린 입자상 물질 필터의 비정상적인 고온 노출을 방지함으로써, 필터의 내구성을 방지할 수 있으며, 불필요한 장기 재생을 방지함으로써, 고속 연비 개선을 꾀할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가솔린 입자상 물질 필터의 재생 방법을 나타내는 순서도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가솔린 입자상 물질 필터의 재생 방법을 나타내는 순서도
도 3은 가솔린 입자상 물질 필터의 구성 및 그 연결관계를 나타내는 개략도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 가솔린 입자상 물질 필터에 퇴적된 수트의 퇴적량을 측정하여 수트 퇴적량이 제1 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판단한다(s10). 가솔린 입자상 물질 필터 내에 축정된 수트의 퇴적량은, 엔진 ECU(Electric Control Unit)가 배기계 내의 압력 및 온도차를 지속적으로 모니터링 하면서 수신된 각종 데이터, 배기계 내의 압력 및 온도 변화 추이 등을 근거로 미리 입력된 계산식으로 연산하여 계산한다. 제1 수트 퇴적량은 운전 영역대 별로 수트 발생량에 근거하여 결정되며, 필터 재생 기능 작동시의 필터 내 수트 퇴적량의 값에 근사한 값으로서, 예컨대 리터당 1~4g이 바람직하다.
다음으로, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 내 축적된 수트의 퇴적량이 상기 제1 수트 퇴적량 이상일 경우, 배기가스의 농후 정도를 측정하여 배기가스가 리치 상태에 있는지 여부를 판정한다(s20). 배기가스가 리치 상태에 있는지 여부는 산소센서의 출력값이 기준치를 초과하는지 여부로 판단할 수 있다. 산소 센서는 배출가스 중에 함유된 산소의 분압을 대기의 분압과 비교하여 배출가스의 상태가 리치(RICH) 상태인지 린(LEAN) 상태인지 여부를 측정하여, 그 출력 전압을 ECU로 전달하는 역할을 담당하는데. 산소 센서의 측정 결과 그 출력치가 기준치를 초과하는 경우에는 급가속 등으로 인한, 연료 과공급으로 인해 배기가스의 리치 상태에 있는 것으로 판정한다.
다음으로, 배기가스가 리치 상태에 있는 것으로 판정되는 경우, 필터 전후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상이거나 또는 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인지 여부를 판정한다(s30).
다음으로, 가솔린 입자상 물질 필터 전후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상이거나, 또는 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인 경우에는 필터가 비정상 고온 환경에 노출된 것으로 판정하여, 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어(s40)하여 필터 재생 기능을 작동을 억제한다. 통상적으로 수트의 발화온도가 550℃인 점을 고려하여 필터 재생 시 550℃ 이상으로 배기가스를 상승시켜 수트를 연소시킨다는 점을 고려하면, 상기 소정의 온도는 550℃가 바람직하다.
가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하로 억제되도록 엔진을 제어하는 구체적인 방법으로서, 우선 목표 토크값을 조절하여 엔진의 토크 출력값을 저감하는 것에 의해 배기가스 온도를 낮추는 방법이 있다.
또한, 출력 저하등을 고려하여 토크 출력치의 저감이 용이하지 않을 경우에는, 목표 토크값을 조절하는 대신, 엔진의 점화 시기를 조절하는 것에 의해, 배기가스 배출 온도를 낮추어 필터 전단의 온도를 소정의 온도 이하로 할 수 있다. 배기가스 온도는 기본 점화 시기 대비 점화 시기를 지각하면 할수록 온도가 상승하므로, 점화시기를 앞당기는 것에 의해 배기가스의 배출 온도를 낮추는 것이 가능하다.
또한, 목표 토크값을 조절하는 대신, 밸브 오버랩(VO; Valve Overlap)을 증대시키는 것에 의해 실린더 내의 연소 온도를 저감시킴으로써, 배기가스 배출 온도를 낮추어 필터 전단의 온도를 소정의 온도 이하로 할 수 있다. 밸브 타이밍을 오버랩시키는 경우 미연소 혼합 가스를 배기가스에 혼합하여 산소 비율을 낮출 수 있다. 이를 통해 실린더 내의 연소 온도를 저감할 수 있고, 따라서, 배기가스의 배출 온도를 저감시킬 수 있다.
또한, 목표 토크값을 조절하는 대신, 연료의 인젝션 주기를 조절하여 실린더 내의 연소 온도를 저감시킴으로써, 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하로 할 수 있다.
한편, 밸브 오버랩의 증대 시에는 차량의 저속 주행 시 흡·배기 효율이 저하하여 저속 운전성이 불량해지는 문제점이 있다. 또한, 점화시기를 앞당기는 경우에도 마찬가지로 운전성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 이 경우, ECU에 저장된 공연비, 점화 시기 및 연료 분사 맵을 최적화하는 것에 의해 운전성의 악화를 방지하는 것이 가능하다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 가솔린 입자상 물질 필터 전후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 미만이고, 가솔린 입자상 물질 필터 후단의 온도가 제2 기준 미만인 경우에는 필터가 정상 상태에 있는 것으로 판정하고, 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정(s50)하여 필터 재생 기능을 작동시킬지 여부를 판단한다. 다음으로, 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상으로 판정되는 경우에는, ECU가 엔진으로 하여금 연료후분사를 행하도록 명령 신호를 내리는 것에 의해, 필터 재생 기능을 작동하도록 한다(s60) 제2 수트 퇴적량은 운전 영역대 별로 수트 발생량에 근거하여 결정되는 것으로서, 가솔린 입자상 물질 필터의 종류, 재질에 따라 달라질 수 있는데, 리터당 1~8g이 바람직하다.
도 2에서는 본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 도 2에서 도시된 실시예에서는, 도 1에서 도시된 필터 재생 기능의 제어 방법에 있어서, 수트 퇴적량이 제1 수트 퇴적량보다 크고(s10), 배기가스가 리치 상태가 아닌 것으로 판정(s20)된 경우에, 촉매과열방지 조건을 만족(s21)하여, 촉매과열방지 기능이 작동하는지 여부를 판정하는 것을 더 포함하고 있다.
구체적으로는 산소 센서의 출력값이 기준치를 이하여서, 배기가스가 리치 상태가 아닌 것으로 판정하는 경우에, 촉매과열방지 기능이 발현되기 위한 촉매과열방지 조건을 만족하는지 여부를 판정(s21)한다. 촉매과열방지 조건을 만족하는지 여부는, 주행 중인 차량의 흡입 공기량, 엔진 회전수, 노킹 및 냉각 수온의 검출값등의 결과로부터 판단되는 운전 조건에 따라 판단하게 된다. 예컨대, 냉각 수온이 소정 값(예:60℃) 이상이고, 흡입 공기량이 소정 설정 맵 값 이상일 때 촉매과열방지 조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다. 촉매과열방지 조건을 만족하는 것으로 판단되면, 촉매과열방지 기능이 작동하여, 연료 강화를 통해 연소 온도를 저하시켜 촉매 온도가 저하되도록 한다.
다음으로, 촉매과열방지 조건을 만족하는 것으로 판정되어, 촉매과열방지 기능이 작동되는 경우에는, 가솔린 입자상 물질 필터 전후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상이거나 또는 가솔린 입자상 물질 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인지 여부를 판정한다(s30). 촉매과열방지 기능의 작동 시에는 연료 강화로 인해, 배기가스 중 수트 발생량이 급증하는바, 필터 재생 기능과 촉매과열방지 기능이 중복되어, 필터 재생이 적절한 시간에 종료되지 않고, 필터가 비정상 고온 상태에 노출되는지 여부를 판단하는 것이다. 판단결과, 필터 전후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상이거나, 또는 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인 경우에는 필터가 비정상 고온 환경에 노출된 것으로 판정하고, 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어(s40)하여 필터 재생 기능을 작동을 억제한다.
다음으로, 운전 조건에 따라 판단한 결과, 촉매과열방지 조건을 만족하지 않는 것으로 판정되는 경우 또는 필터 전후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 미만이고 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 미만인 경우에는 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정(s50)하여 필터 재생 기능을 작동시킬지 여부를 판단한다. 다음으로, 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상으로 판정되는 경우에는, ECU가 엔진으로 하여금 연료후분사를 행하도록 명령 신호를 내리는 것에 의해, 필터 재생 기능을 작동하도록 한다(s60)
10: 엔진 20: 제어장치
30: 재생장치 40: 가솔린 입자상 물질 필터

Claims (9)

  1. 가솔린 입자상 물질 필터 내의 수트 퇴적량이 제1 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정하는 단계;
    배기가스가 리치 상태인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 가솔린 입자상 물질 필터의 전단과 후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상 또는 상기 가솔린 입자상 물질 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단과 후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 이상이거나 또는 상기 가솔린 입자상 물질 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 이상인 경우, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계를 포함하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법.
  2. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 배기가스가 리치 상태로 판단되지 않는 경우, 주행 중 검출된 공기량, 엔진 회전수, 노킹, 냉각 수온의 검출값을 입력받아 촉매과열방지 진입 조건을 만족하는지 여부를 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법
  3. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단과 후단의 온도 구배가 제1 기준 온도 미만이고 상기 가솔린 입자상 물질 필터 후단의 온도가 제2 기준 온도 미만인 경우, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 내의 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정하는 단계;
    상기 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인 경우, 필터 재생 기능을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법.
  4. 청구항 제2항에 있어서,
    상기 촉매과열방지 진입 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 내의 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인지 여부를 판정하는 단계; 및
    상기 수트 퇴적량이 제2 수트 퇴적량 이상인 경우, 필터 재생 기능을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법.
  5. 청구항 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계에서, 엔진의 토크 출력치를 저하시켜 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법.
  6. 청구항 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계는, 점화 시기를 조절하여 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법.
  7. 청구항 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계는, 밸브 오버랩을 증가시켜 실린더 내의 연소 온도를 저감시킴으로써, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법.
  8. 청구항 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 엔진을 제어하는 단계는, 연료 인젝션 주기를 조절하여 실린더 내의 연소 온도를 저감시킴으로써, 상기 가솔린 입자상 물질 필터 전단의 온도가 소정의 온도 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법.
  9. 청구항 제3항 또는 청구항 제4항에 있어서,
    상기 제1 수트 퇴적량은 리터당 1g 내지 4g 이고, 상기 제2 수트 퇴적량은 리터당 1g 내지 8g인 것을 특징으로 하는 가솔린 입자상 물질 필터 재생 기능의 제어 방법.
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