KR20200127881A - 내연기관의 급기 라인 및 내연기관 - Google Patents

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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

직렬 배치된 내연기관의 실린더 뱅크의 복수의 실린더에 급기를 공급하기 위한 본 발명에 따른 내연기관의 급기 라인(1)은, 급기 라인(1)의 복수의 급기 라인 섹션(6)으로서, 각각의 급기 라인 섹션(6)으로부터 실린더로 브랜치(7)가 이어지며, 이 브랜치는 각각의 실린더의 실린더 헤드에 나사 결합 가능한 것인 복수의 급기 라인 섹션을 구비하고, 급기 라인(1)의 상류측 단부(9)로서, 급기가 이 상류측 단부를 거쳐 급기 라인에 공급 가능한 것인 상류측 단부를 구비하며, 단부 캡(11)에 의해 폐쇄되는 급기 라인(1)의 하류측 단부(10)를 구비하는 것이다. 급기 라인(1)은 하류측 단부(10)보다 상류측 단부(9)에서 큰 유동 단면을 갖는다.

Description

내연기관의 급기 라인 및 내연기관{CHARGE AIR LINE OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 급기 라인에 관한 것이다. 본 발명은 또한 내연기관에 관한 것이다.
예를 들어 선박의 내연기관 등과 같은 내연기관은 복수의 실린더를 포함한다. 통상적으로 상기 실린더들이 모여 적어도 하나의 실린더 뱅크를 형성한다. 각 실린더 뱅크의 영역에서, 복수의 실린더는 상호 전후로 또는 좌우로 직렬 배치된다. V-설계의 내연기관은 복수의 실린더를 각각 갖는 2개의 실린더 뱅크를 포함한다. V20 내연기관의 경우, 각 실린더 뱅크는 직렬 배치된 총 10개의 실린더를 포함한다.
내연기관의 각 실린더에서 연료가 연소된다. 이러한 목적에 필요한 급기가 유입측 가스 교환 밸브를 통해 각 실린더에 공급될 수 있다. 연료의 연소 중에 발생된 배기가스는, 배기측 가스 교환 밸브를 통해, 각 실린더로부터 배출될 수 있다.
내연기관의 실린더 뱅크의 실린더의 유입측 가스 교환 밸브에는 급기를 급기 라인을 거쳐 공급할 수 있다. 여기서, 각 실린더 뱅크에 있어서 복수의 급기 라인 섹션을 포함하는 영역에 걸쳐, 급기 라인이 연장된다. 각 급기 라인 섹션으로부터의 브랜치가 급기 라인을 분기하고, 이 브랜치를 경유하여 급기가 각 실린더의 실린더 헤드에 공급될 수 있다. 각 급기 라인 섹션은 각 실린더의 각 실린더 헤드에 나사 결합된다.
실무상 알려진 급기 라인은 상류측 단부와 하류측 단부를 구비한다. 급기는 상류측 단부의 영역에 있는 급기 라인에 공급될 수 있다. 하류측 단부에서, 급기 라인은 단부 캡에 의해 폐쇄된다. 실무상 알려진 급기 라인은 상류측 단부와 하류측 단부 사이에 일정한 유동 단면을 갖는다.
하류측 단부에 있는 급기 라인은 단부 캡에 의해 폐쇄되어 있다는 사실 때문에, 한편으로는 단부 캡 상의 하류측 단부의 영역에 있어서의 급기 라인의 유동 단면에 따라 그리고 급기 라인 내의 압력에 따라 좌우되는 힘이 단부 캡에 작용한다. 단부 캡에 작용하는 이러한 힘은, 유동 방향에서 보았을 때 맨 끝의 또는 하류측의 급기 라인 섹션의 브랜치와 실린더 헤드의 나사 연결부에 의해 흡수될 필요가 있는 횡력을 야기한다. 이에 따라, 급기의 유동 방향에서 보았을 때 맨 끝의 급기 라인 섹션, 즉 이의 브랜치와, 대응 실린더의 실린더 헤드의 나사 연결부는, 상기한 횡력을 흡수하도록 설계된다. 동일한 부품을 사용함으로써, 대응하는 나사 연결부가 상류측에 배치된 상류측 급기 라인 섹션의 브랜치에도 또한 이용되는데, 이 경우 실무에 따르면 상기 상류측 급기 라인 섹션 또는 브랜치에서 상기 횡력이 나사 연결부에 의해 흡수될 필요가 없기 때문에, 상기 나사 연결부는 과도하게 치수 설정되어 있다. 이와 같은 과도한 치수 설정은, 중량 증가 및 비용 증가를 초래하므로 불리하다.
급기 라인의 영역에서 발생하는 힘을 확실하게 흡수하지만, 급기 라인의 급기 라인 섹션을 분기하는 브랜치에 이용되는 나사 연결부를 소형화 및 경량화하도록 치수 설정할 필요가 있다.
이러한 점으로부터 시작하여, 본 발명은 신규 타입의 내연기관의 급기 라인 및 대응하는 내연기관의 창출이라고 하는 과제에 기초한 것이다. 이러한 과제는 청구항 1에 따른 급기 라인을 통해 해결된다. 본 발명에 따르면, 급기 라인은 하류측 단부보다 상류측 단부에서 큰 유동 단면을 갖는다. 본 발명에 따른 급기 라인에 의하면, 하류측 단부보다 상류측 단부에서 보다 큰 유동 단면이 마련되어 있다는 사실 때문에, 단부 캡의 영역에서 하류측 단부에 발생하는 횡력이 감소된다. 이에 따라, 상기 나사 연결부는 경량화하도록 치수 설정될 수 있는데, 이 나사 연결부를 통해 급기 라인 섹션의 브랜치는 실린더의 실린더 헤드에 나사 결합된다.
유익한 추가적인 개선예에 따르면, 각 실린더 뱅크의 N개의 실린더에 급기를 공급하기 위하여, 급기 라인은 N개의 급기 라인 섹션을 구비하며, 상류측 단부의 영역에 있는 그리고 상류측 단부로부터 보았을 때 1번 내지 J번 급기 라인 섹션의 영역으로부터의 급기 라인은 제1 유동 단면을 갖고, 여기서 J < N이며, 상류측 단부로부터 보았을 때 적어도 N번 급기 라인 섹션의 영역 그리고 하류측 단부의 영역으로부터의 급기 라인은 상기 제1 유동 단면보다 작은 제2 유동 단면을 갖는다. 바람직하게는, J=N-2 또는 J=N-1이다. 이러한 급기 라인의 실시형태는, 급기 라인 섹션을 분기하는 브랜치를 실린더의 실린더 헤드에 나사 결합하는 역할을 하는 나사 연결부의 소형화 및 경량화를 구현하는 데 특히 바람직하다. 실무에 따르면 이전에는, 급기의 유동 방향에서 보았을 때 N번 그리고 이에 따라 맨 끝의 급기 라인의 급기 라인 섹션의 영역에서만 흡수될 필요가 있었던 횡력이, 본 발명에 따르면 복수의 급기 라인 섹션에 걸쳐 분배된다. 이로써, 이미 설명한 바와 같이, 급기 라인 섹션을 분기하는 브랜치를 각 실린더의 실린더 헤드에 연결하는 역할을 하는 나사 연결부의 소형화 및 경량화를 구현하는 것이 가능하다.
유익한 추가적인 개선예에 따르면, J번 급기 라인 섹션의 영역에서의 유동 단면은 제1 유동 단면에서부터 제2 유동 단면으로 감소된다. 상기 유동 단면은 상기 제1 유동 단면에서부터 상기 제2 유동 단면으로 연속적으로, 특히 깔대기의 방식으로 또는 원뿔 모양으로 감소된다.
유익한 추가적인 개선예에 따르면, 상기 제2 유동 단면(A2)과 상기 제1 유동 단면(A1) 사이의 비(V=A2/A1)에 대하여, 0.3≤V≤0.7이 적용되고, 바람직하게는 0.4≤V≤0.5가 적용되며, 특히 바람직하게는 V=0.5가 적용된다. 특히, 급기 라인 섹션의 영역에 있어서 유동 단면이 제1 유동 단면으로부터 제2 유동 단면으로 감소되는 경우에는, 상기 비(V)가 0.5 또는 약 0.5일 때, 이에 따라 2개의 급기 라인 섹션에 걸쳐 횡력이 균일하게 또는 대략 균일하게 분배되어, 특히 유익하다.
본 발명에 따른 내연기관은 청구항 10에 규정되어 있다.
본 발명의 바람직한 다른 개선예는, 종속 청구항과 이하의 상세한 설명을 통해 확보된다. 도면을 통해 본 발명의 예시적인 실시형태를 보다 상세히 설명하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 도면에서,
도 1은 실린더 뱅크 및 급기 라인의 영역에서 내연기관으로부터 발췌하여 도시하는 도면이고,
도 2는 상기 급기 라인을 단독으로 도시한 도면이다.
도 1은 직렬 배치된 실린더 뱅크(3)의 복수의 실린더(2)를 따라 연장되는, 본 발명에 따른 급기 라인(1)의 영역에서 본 발명에 따른 내연기관으로부터 발췌하여 도시하는 도면이다.
도 1에 도시된 예시적인 실시형태에서, 실린더 뱅크(3)는 직렬 배치된 6개의 실린더(2)를 포함한다. 급기 라인(1)을 통해, 실린더 뱅크(3)의 모든 실린더(2)에 급기가 공급될 수 있다. 도 2는 도 1에 대하여 회전되어 있는 위치의 상기 급기 라인(1)을 단독으로 도시한다.
도 1에서는, 2개의 최외측 실린더(2)의 2개의 실린더 헤드(4)가 도시되어 있다. 중간에 배치된 실린더들(2)의 실린더 헤드는 도 1에 도시되어 있지 않은데, 이에 따라 여기서는 이들 실린더에 대해 배기 라인(5)이 드러나 있고, 이 배기 라인을 통해, 실린더(2)에서 연료의 연소 중에 발생되는 배기가스가 실린더(2)로부터 배출될 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 급기 라인(1)은 실린더(2)에 급기를 공급하는 역할을 하고, 급기 라인(1)은 복수의 급기 라인 섹션(6)을 포함한다. 각 실린더(2)에 급기를 공급하기 위해, 브랜치(7)가 각 급기 라인 섹션(6)으로부터 각 실린더(2)로 이어져 있다. 각 브랜치(7)는 각 급기 라인 섹션(6)을 수직으로 또는 대략 수직으로 분기한다.
각 브랜치(7)는 플랜지 연결부를 통해 각 실린더(2)의 실린더 헤드(4)에 나사 결합 가능하거나 또는 나사 결합되는데, 특히 도 2에서는 브랜치(7)에 형성된 플랜지(8)를 도시하고, 이 경우 이 플랜지를 통해 급기 라인(1) 또는 각 급기 라인 섹션(6)의 브랜치(7)는 각 실린더(2)의 각 실린더(2)의 각 실린더 헤드(4)에 나사 결합될 수 있다.
복수의 급기 라인 섹션(6)으로 구성된 급기 라인(1)은 상류측 단부(9)를 포함하는데, 이 상류측 단부를 경유하여 급기 라인(1)에 급기가 공급될 수 있다.
이에 따라, 상류측 단부(9)로부터의 급기가 급기 라인(1)에 공급될 수 있다. 급기 라인(1)의 상기한 상류측 단부(9)로부터의 급기는 급기 라인(1)의 하류측 단부(10)의 방향으로 유동하고, 급기 라인(1)의 상기한 하류측 단부(10)는 단부 캡(11)에 의해 폐쇄되어 있다.
개별 급기 라인 섹션들(6)은, 연결 장치(12)를 통해 서로에 대해 연결되어 있는 대응하는 세그먼트들에 의해 마련된다. 이로써, 급기 라인 섹션들(6)의 길이 또는 수를 내연기관의 실린더들의 수에 맞추는 것이 가능하다.
도시된 예시적인 실시형태에서, 도시된 실린더 뱅크(3)는 N=6개의 실린더를 포함한다. 따라서, 이 경우 급기 라인(1)은 N=6개의 급기 라인 섹션(6)을 포함한다. 이에 따라 각 실린더(2)에 급기를 공급하기 위해, 각 급기 라인 섹션(6)으로부터의 브랜치(7)가 각 실린더(2)의 실린더 헤드(4)의 방향으로 분기한다.
실린더(2) 및 급기 라인 섹션(6)의 수 N=6은 사실상 순전히 예시적인 것이다. 수 N은 또한 6보다 크거나 6보다 작을 수 있다. 따라서, N은 예를 들어 10 또는 7 또는 5일 수 있다.
급기 라인(1)은 하류측 단부(10)보다 상류측 단부(9)에서 큰 유동 단면을 갖는다. 이 때문에, 급기의 유동 방향에서 보았을 때 맨 끝의 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 단부 캡(11)을 통한 급기 라인(1)의 폐쇄에 의해 발생되는 횡력이 감소될 수 있다. 이로써, 나사 연결부로서, 이 나사 연결부를 통해 급기 라인 섹션(6)의 브랜치(7)의 플랜지(8)가 실린더(2)의 실린더 헤드(4)에 나사 결합되는 것인 나사 연결부가, 소형화 및 경량화하도록 치수 설정될 수 있다.
상류측 단부(9)의 영역에 있는 그리고 상류측 단부(9)로부터 보았을 때 1번 내지 J번 급기 라인 섹션(6)의 영역으로부터의 급기 라인(1)은 제1 유동 단면을 갖는다. J는 N보다 작다. 상류측 단부(9)로부터 보았을 때 적어도 N번 급기 라인 섹션(6)의 영역 그리고 하류측 단부(10)의 영역 그리고 단부 캡(11)의 영역으로부터의 급기 라인(1)은 상기 제1 유동 단면보다 작은 제2 유동 단면을 갖는다.
도시된 예시적인 실시형태에서, J=N-1이다. 이로부터, 도시된 예시적인 실시형태에서, 상류측 단부(9)의 영역에 있는 그리고 상류측 단부(9)로부터 보았을 때 1번 내지 N-1번 급기 라인 섹션의 영역으로부터의 급기 라인(1)은 제1 유동 단면을 갖고, N번 급기 라인 섹션(6)의 영역 그리고 하류측 단부(10)의 영역뿐만 아니라 단부 캡(11)의 영역에서의 급기 라인은 상기 제1 유동 단면보다 작은 제2 유동 단면을 갖는다는 것이 도출된다. 여기서, J번 급기 라인 섹션(6)의 영역에서, 즉 도시된 예시적인 실시예에서는 N-1번 급기 라인 섹션(6)의 영역에서, 유동 단면, 다시 말하자면 브랜치(7)에, 즉 J번 급기 라인 섹션(6)의 브랜치(7)의 바로 상류측에, 바로 인접해 있는 유동 단면은 제1 유동 단면에서부터 제2 유동 단면으로 감소된다는 것은 도 1과 도 2로부터 분명하다. 이에 따라, J번 급기 라인 섹션(6), 즉 도시된 예시적인 실시형태에서 N-1번 급기 라인 섹션(6)은, 유동 단면이 제1 유동 단면에서부터 상기 제2 유동 단면으로, 즉 바람직하게는 연속적으로, 특히 깔대기의 방식으로 또는 원뿔 모양으로 감소되는 중간 섹션(13)을 구비한다.
이에 따라, 도 1과 도 2의 예시적인 실시형태에서, 횡력은 유동 방향에서 보았을 때 맨 끝의 급기 라인 섹션(6)의 영역에서만 발생되는 것이 아니라 오히려 맨 끝의 그리고 끝에서 두 번째의 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 발생된다.
제2 유동 단면(A2)과 제1 유동 단면(A1) 사이의 비(V=A2/A1)를 적절하게 설정함으로써, 실무상 맨 끝의 급기 라인 섹션(6)의 영역에서만 급기 라인에 발생되는 것으로 알려진 횡력은, 복수의 급기 라인 섹션(6)에, 도시된 예시적인 실시형태에서는 2개의, 즉 맨 끝의 그리고 끝에서 두 번째의 급기 라인 섹션(6)에 걸쳐, 소정 방식으로 분배될 수 있다. 특히 V=0.5인 경우, 대략 동일한 크기의 횡력이 상기한 급기 라인 섹션들(6)의 영역에서 발생된다. V에 대하여 다른 비를 선택하는 것도 또한 가능하다. 따라서, 0.3≤V≤0.7이 적용되고; 바람직하게는 0.4≤V≤0.5가 적용된다.
도시된 예시적인 실시형태에서, 제1 유동 단면으로부터 제2 유동 단면으로의 유동 단면의 변화는, 끝에서 두 번째(N-1번) 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 일어나지만, 이러한 유동 단면의 변화를 다른 급기 라인 섹션(6)에서, 예를 들어 3번 또는 N-2번 급기 라인 섹션(6)에서 실시하는 것도 또한 가능하다.
도시된 바람직한 예시적인 실시형태에서, 제1 상류측 유동 단면으로부터 제2 하류측 유동 단면으로의 직경 감소는 단일 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 일어난다. 상기한 유동 단면의 변화를 2 또는 3개의 급기 라인 섹션(6)에서 계단 형태로 실시하는 것도 또한 가능하다. 따라서, 유동 단면의 첫 번째 감소가, 예를 들어 끝에서 세 번째 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 수행될 수 있고, 유동 단면의 두 번째 감소가 끝에서 두 번째 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 수행될 수 있다. 따라서 이 경우에, 제1 유동 단면으로부터 제3 유동 단면으로의 유동 단면 감소가 끝에서 세 번째 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 일어나고, 제3 유동 단면으로부터 제2 유동 단면으로의 유동 단면 감소가 끝에서 두 번째 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 일어나며, 그 결과 횡력은 3개의 급기 라인 섹션(6)에 걸쳐 분배된다.
그러나, 동일한 부분을 가능한 많이 이용하기 위해서는, 단일의 급기 라인 섹션(6)의 영역에서 제1 유동 단면으로부터 제2 유동 단면으로의 유동 단면 감소가 바람직하다는 것이 도 1과 도 2의 버전이다.
본 발명에 따르면, 실무상 알려진 급기 라인(1)에 의하면 맨 끝의 급기 라인 섹션(6)에만 작용하는 횡력을, 복수의 급기 라인 섹션(6)에 걸쳐, 특히 2개의 급기 라인 섹션(6)에 걸쳐, 즉 급기 라인(1)의 상류측 단부(9)로부터 보았을 때 맨 끝의 그리고 끝에서 두 번째의 급기 라인 섹션(6)에 걸쳐 분배하는 것이 가능하다. 특히, 제2 유동 단면이 제1 유동 단면의 절반에 해당되는 경우, 이때 횡력은 상기한 2개의 급기 라인 섹션(6)에 걸쳐 균일하게 분배된다. 이로써, 궁극적으로는 각각의 급기 라인 섹션(6)의 각각의 브랜치(7)의 플랜지(8)와 각각의 실린더(2)의 각각의 실린더 헤드(4) 사이의 나사 연결부를 소형화 및 경량화하도록 치수 설정하는 것이 가능한 데, 그 이유는 보다 적은 횡력이 흡수될 필요가 있고 이에 따라 대응하는 나사 연결부가 소형화 및 경량화하도록 치수 설정될 수 있다.
1 : 급기 라인 2 : 실린더
3 : 실린더 뱅크 4 : 실린더 헤드
5 : 배기 라인 6 : 급기 라인 섹션
7 : 브랜치 8 : 플랜지
9 : 상류측 단부 10 : 하류측 단부
11 : 단부 캡 12 : 연결 장치
13 : 중간 섹션

Claims (10)

  1. 직렬 배치된 내연기관의 실린더 뱅크(3)의 복수의 실린더(2)에 급기를 공급하기 위한 내연기관의 급기 라인(1)으로서,
    급기 라인(1)의 복수의 급기 라인 섹션(6)으로서, 각각의 급기 라인 섹션(6)으로부터 실린더(2)로 브랜치(7)가 이어지며, 이 브랜치는 각각의 실린더(2)의 실린더 헤드(4)에 나사 결합 가능한 것인 복수의 급기 라인 섹션을 구비하고,
    급기 라인(1)의 상류측 단부(9)로서, 급기가 이 상류측 단부를 거쳐 급기 라인에 공급 가능한 것인 상류측 단부를 구비하며,
    단부 캡(11)에 의해 폐쇄되는 급기 라인(1)의 하류측 단부(10)를 구비하는 것인 내연기관의 급기 라인에 있어서,
    급기 라인(1)은 하류측 단부(10)보다 상류측 단부(9)에서 큰 유동 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  2. 제1항에 있어서, 각 실린더 뱅크(3)의 N개의 실린더(2)에 급기를 공급하기 위하여, 급기 라인(1)은 N개의 급기 라인 섹션(6)을 포함하며,
    상류측 단부(9)의 영역에 있는 그리고 상류측 단부(9)로부터 보았을 때 1번 내지 J번 급기 라인 섹션(6)의 영역으로부터의 급기 라인(1)은 제1 유동 단면을 갖고, 여기서 J < N이며,
    상류측 단부(9)로부터 보았을 때 적어도 N번 급기 라인 섹션(6)의 영역 그리고 하류측 단부(10)의 영역으로부터의 급기 라인(1)은 상기 제1 유동 단면보다 작은 제2 유동 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  3. 제2항에 있어서, J번 급기 라인 섹션(6)의 영역에서의 유동 단면은 상기 제1 유동 단면에서부터 상기 제2 유동 단면으로 감소되는 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, J=N-2인 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  5. 제1항에 있어서, 각 실린더 뱅크(3)의 N개의 실린더(2)에 급기를 공급하기 위하여, 급기 라인(1)은 N개의 급기 라인 섹션(6)을 포함하며,
    상류측 단부(9)의 영역에 있는 그리고 상류측 단부(9)로부터 보았을 때 1번 내지 N-1번 급기 라인 섹션(6)의 영역으로부터의 급기 라인(1)은 제1 유동 단면을 갖고,
    상류측 단부(9)로부터 보았을 때 N번 급기 라인 섹션(6)의 영역 그리고 하류측 단부(10)의 영역으로부터의 급기 라인(1)은 상기 제1 유동 단면보다 작은 제2 유동 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  6. 제5항에 있어서, N-1번 급기 라인 섹션(6)의 영역에서의 유동 단면은 상기 제1 유동 단면에서부터 상기 제2 유동 단면으로 감소되는 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 단면은 상기 제1 유동 단면에서부터 상기 제2 유동 단면으로 연속적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 단면은 상기 제1 유동 단면에서부터 상기 제2 유동 단면으로 깔대기 모양으로 또는 원뿔 모양으로 감소되는 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 유동 단면(A2)과 상기 제1 유동 단면(A1) 사이의 비(V=A2/A1)에 대하여, 0.3≤V≤0.7이 적용되고, 바람직하게는 0.4≤V≤0.5가 적용되며, 특히 바람직하게는 V=0.5가 적용되는 것을 특징으로 하는 급기 라인.
  10. 내연기관으로서,
    직렬 배치된 복수의 실린더(2)를 각각 포함하는 적어도 하나의 실린더 뱅크(3)를 구비하고,
    각 실린더 뱅크(3)의 실린더(2)에 급기를 공급하기 위한 적어도 하나의 급기 라인(1)을 구비하는 것인 내연기관에 있어서,
    상기 급기 라인(1)은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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