WO2009025343A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Takamitsu Asanuma
Kohei Yoshida
Hiromasa Nishioka
Hiroshi Otsuki
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Abstract

内燃機関において、機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒（１５）が配置され、ＮＯX選択還元触媒（１５）の上流に酸化触媒（１３）が配置され、酸化触媒（１３）の上流にＮＯX吸着触媒（１２）が配置される。ＮＯX吸着触媒（１２）は温度上昇すると吸着しているＮＯXを放出する性質を有すると共に排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲する性質を有する。ＮＯX吸着触媒（１２）により酸化触媒（１３）へのＳＯXの流入を抑制してＮＯX吸着触媒（１２）から放出されたＮＯが酸化触媒（１３）においてＮＯ2に酸化されるのをＳＯXにより阻害されないようにする。

Description

明 細 書 内燃機関の排気浄化装置 技術分野
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 背景技術
機関排気通路内に、 排気ガス中に含まれる N〇xを吸蔵し還元剤 を供給すると吸蔵した N O xを放出する N O x吸蔵触媒を配置し、 N 〇x吸蔵触媒下流の機関排気通路内に N〇2生成触媒を配置し、 N〇 2生成触媒下流の機関排気通路内に N O x選択還元触媒を配置した内 燃機関が公知である （特表 2 0 0 6 — 5 1 2 5 2 9号公報を参照） 。 この内燃機関では排気ガス中に含まれる N O xから生成されたァ ンモニァ N H 3が N〇x選択還元触媒に吸蔵されており、 N〇x吸蔵 触媒に吸蔵されなかった N〇xが N〇x選択還元触媒においてアンモ ニァ N H 3により還元される。
ところで N〇x選択還元触媒では排気ガス中に含まれる N〇と N 〇 2との割合が 1 ： 1 のときに最も良好に N O xが還元されることが 知られている。 しかしながら排気ガス中に含まれる N〇xの大部分 は N〇である。 従ってこの内燃機関では N〇x選択還元触媒の上流 に N〇2生成触媒を配置してこの N〇2生成触媒によ り排気ガス中に 含まれる N Oをできる限り N〇2に変換するよう にしている。
ところで N〇2生成触媒と して酸化触媒を用いた場合、 研究の過 程において、 排気ガス中に S 〇 xが含まれていると S〇 xによって N 〇から N O 2への変換作用が阻害され、 その結果 N〇 xの浄化率が低 下することが判明したのである。 しかしながら上述の内燃機関では このような S O xによる N〇xの浄化率の低下に関しては何らの示唆 もない。 発明の開示
本発明の目的は酸化触媒において N Oを N〇 2に良好に変換する ことのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
本発明によれば、 機関排気通路内に N O x選択還元触媒を配置し 、 N〇x選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアン モニァにより排気ガス中に含まれる N O xを選択的に還元するよう にした内燃機関の排気浄化装置において、 N〇x選択還元触媒上流 の機関排気通路内に酸化触媒を配置すると共に酸化触媒上流の機関 排気通路内に N O x吸着触媒を配置し、 N O x吸着触媒は、 N〇x吸 着触媒の温度が低いときには排気ガス中に含まれる N O xを吸着し かつ N〇x吸着触媒の温度が上昇すると吸着している N O xを放出す る性質を有すると共に排気ガス中に含まれる S〇xを捕獲する性質 を有し、 N〇x吸着触媒により酸化触媒への S〇xの流入を抑制して N〇 x吸着触媒から放出された N Oが酸化触媒において N〇 2に酸化 されるのを S〇 xにより阻害されないようにした内燃機関の排気浄 化装置が提供される。
本発明では、 N〇x吸着触媒や N〇x選択還元触媒の温度が低いと きには排気ガス中に含まれる N O xは N O x吸着触媒に吸着され、 排 気ガス中に含まれる S〇xは N〇x吸着触媒に捕獲される。 一方、 N 〇x吸着触媒や N O x選択還元触媒の温度が上昇すると N〇x吸着触 媒から N O xが放出される。 このとき N〇 x吸着触媒から S〇 xは放 出されず、 従って酸化触媒には S O xが流入しないので放出された N〇は酸化触媒において良好に N O 2に変換される。 図面の簡単な説明
図 1 は圧縮着火式内燃機関の全体図、 図 2 は N〇x浄化率 Rを示 す図、 図 3 は S O x被毒回復制御を実行するためのフローチャー ト 、 図 4は S O x被毒回復制御の別の実施例を実行するためのフロー チヤ一卜である。 発明を実施するための最良の形態
図 1 に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図 1 を参照すると、 1 は機関本体、 2 は各気筒の燃焼室、 3 は各 燃焼室 2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、 4 は吸気マニホルド、 5 は排気マニホルドを夫々示す。 吸気マ二ホル ド 4は吸気ダク ト 6 を介して排気ターボチャージャ 7 のコンプレツ サ 7 aの出口に連結され、 コンプレッサ 7 aの入口は吸入空気量検 出器 8 を介してエアク リーナ 9 に連結される。 吸気ダク ト 6内には ステップモー夕により駆動されるスロッ トル弁 1 0が配置され、 更 に吸気ダク ト 6周り には吸気ダク 卜 6 内を流れる吸入空気を冷却す るための冷却装置 1 1 が配置される。 図 1 に示される実施例では機 関冷却水が冷却装置 1 1 内に導かれ、 機関冷却水によって吸入空気 が冷却される。
一方、 排気マニホルド 5 は排気夕一ボチャージャ 7 の排気夕ービ ン 7 bの入口に連結され、 排気夕一ビン 7 bの出口は N O x吸着触 媒 1 2 の入口に連結される。 この N〇 x吸着触媒 1 2 の下流には酸 化触媒 1 3が配置され、 酸化触媒 1 3の出口は排気管 1 4 を介して N〇x選択還元触媒 1 5 の入口に連結される。 この N〇x選択還元触 媒 1 5 の出口には排気管 1 6が連結される。
N〇x選択還元触媒 1 5上流の排気管 1 4内には尿素水供給弁 1 7が配置され、 この尿素水供給弁 1 7 は供給管 1 8 、 供給ポンプ 1 9 を介して尿素水タンク 2 0 に連結される。 尿素水タンク 2 0 内に 貯蔵されている尿素水は供給ポンプ 1 9 によって尿素水供給弁 1 7 から排気管 1 4内を流れる排気ガス中に噴射され、 尿素から発生し たアンモニア （ （ N H 2 ) 2 C O + H20→ 2 N H3 + C 〇 2 ) によつ
「
て排気ガス中に含まれる N〇 xが N O x選択還元触媒 1 o において還 元される。
排気マニホルド 5 と吸気マ二ホルド 4 とは排気ガス再循環 （以下
、 E G Rと称す） 通路 2 1 を介して互いに連結され 、 E G R通路 2
1 内には電子制御式 E G R制御弁 2 2が配置される また、 E G R 通路 2 1 周り には E G R通路 2 1 内を流れる E G Rガスを冷却する ための冷却装置 2 3が配置される。 図 1 に示される実施例では機関 冷却水が冷却装置 2 3内に導かれ、 機関冷却水によつて E G Rガス が冷却される。 一方 、 各燃料噴射弁 3 は燃料供給管 2 4 を介してコ モンレール 2 5 に連ネ士され、 このコモンレール 2 5 は電子制御式の 吐出量可変な燃料ポンプ 2 6 を介して燃料タンク 2 7 に連結される
。 燃料タンク 2 7 内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ 2 6 によつ てコモンレール 2 5内に供給され、 コモンレール 2 5内に供給され た燃料は各燃料供給管 2 4を介して燃料噴射弁 3 に供給される。 電子制御ュニッ ト 3 0 はデジタルコンピュータからなり、 双方向 性バス 3 1 によって互いに接続された R O M (リー ドオンリ メモリ ) 3 2 、 R AM (ランダムアクセスメモリ） 3 3 、 C P U (マイク 口プロセッサ） 3 4、 入力ポー 卜 3 5および出力ポー 卜 3 6 を具備 する。 N〇x選択還元触媒 1 5 には N Ox選択還元触媒 1 5の温度を 検出するための温度センサ 2 8が取付けられ、 排気管 1 6内には N Ox選択還元触媒 1 5から流出する排気ガス中の N〇x濃度を検出す るための N〇xセンサ 2 9が配置される。 これら温度センサ 2 8 、 N〇xセンサ 2 9および吸入空気量検出器 8の出力信号は夫々対応 する A D変換器 3 7 を介して入力ポー ト 3 5 に入力される。
一方、 アクセルペダル 4 0 にはアクセルペダル 4 0の踏込み量 L に比例した出力電圧を発生する負荷センサ 4 1 が接続され、 負荷セ ンサ 4 1 の出力電圧は対応する A D変換器 3 7 を介して入力ポー ト 3 5 に入力される。 更に入力ポー ト 3 5 にはクランクシャフ トが例 えば 1 5 ° 回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ 4 2が接続される。 一方、 出力ポー ト 3 6 は対応する駆動回路 3 8 を 介して燃料噴射弁 3、 スロッ トル弁 1 0の駆動用ステップモー夕、 尿素水供給弁 1 7、 供給ポンプ 1 9 、 E G R制御弁 2 2および燃料 ポンプ 2 6 に接続される。
N O x吸着触媒 1 2の基体は多数の細孔を有するコ一ジェライ ト 或いはメタルからなり、 この基体上にはゼオライ ト、 アルミナ A 1 2〇 3、 ジルコニァ Z r 〇 2又はチタニア T i 〇 2等からなる触媒担体 の層が形成されていてこの触媒担体上には鉄 F e又は銀 A gからな る卑金属触媒又は白金のような貴金属触媒が担持されている。 この N O x吸着触媒 1 2 は、 N O x吸着触媒 1 2 の温度が低いときには排 気ガス中に含まれる N〇 xを吸着しかつ N〇 x吸着触媒 1 2の温度が 上昇すると吸着している N O xを放出する性質を有する。 更にこの N〇x吸着触媒 1 2 は排気ガス中に含まれる S O xを捕獲する性質を 有する。
ところで N〇 x吸着触媒 1 2 に吸着された N O xは N〇 x吸着触媒 1 2 の温度がほぼ 2 0 0 :を越えると N〇 x吸着触媒 1 2から放出 される。 ところが N〇 x吸着触媒 1 2 に捕獲された S〇 xは N〇 x吸 着触媒 1 2 の温度が 2 0 0 °Cを越えても N O x吸着触媒 1 2から放 出されず、 この S〇xは N O x吸着触媒 1 2 の温度が 5 0 0で程度ま で上昇しても N〇x吸着触媒 1 2から放出されることはない。
一方、 酸化触媒 1 3 は例えば白金からなる貴金属触媒を担持して おり、 この酸化触媒 1 3は排気ガス中に含まれる NOを酸化して N 〇2に変換する作用をなす。 一方、 NOx選択還元触媒 1 5は低温で アンモニアを吸着し、 高い NOx浄化率を有する F e Zゼォライ ト から構成されるか、 或いは V 2 O 5 Z T i 〇 2から構成される。
次に図 2 ( A) を参照しつつ本発明による排気浄化装置による N Ox浄化性能について説明する。 図 2 (A) に本発明による排気浄 化装置による NOx浄化率 R ( % ) が実線で示されている。 なお、 図 2 ( A) の横軸は N Ox選択還元触媒 1 5の温度 T C (°C) を示 している。
さて、 図 1 において NOx吸着触媒 1 2および酸化触媒 1 3 を設 けなか た 合の N〇x浄化率 Rは、 即ち N〇x選択還元触媒 1 5の みによる N 〇 x浄化率 Rは図 2 ( A) において破線 aで示すように 触媒温度 T Cが 4 0 O t:より も低下すると下降し始め、 従ってこの 場合には触媒温度 T Cが 3 0 0で以下になるとほとんど N〇 xが浄 化できな <なる。 本発明では N〇 x選択還元触媒 1 5の上流に酸化 触媒 1 3 を配置することによって図 2 ( A) において破線 bで示す で N o x浄化率 Rを高め、 酸化触媒 1 3の上流に N〇x吸着触 媒 1 2 を配置することによって実線で示されるように 2 0 0で以下 の低温領域まで N〇xを浄化しうるようにしている。
即ち、 触媒温度 T Cがほぼ 2 0 0 °Cより も低いときには排気ガス 中に含まれる N〇 xのかなりの部分が N〇 x吸着触媒 1 2に吸着され 、 斯く してこのとき比較的高い NOx浄化率 Rが得られる。 一方、 触媒温度 T Cがほぼ 2 0 0 t:より も高くなると N〇 x吸着触媒 1 2 から N〇 x、 即ち N〇が放出され、 この N〇 xが酸化触媒 1 3 におい て N〇2に酸化される。 その結果、 N〇x吸着触媒 1 2から放出され た N Oが NOx選択還元触媒 1 5によって良好に還元せしめられる 即ち、 N〇x選択還元触媒 1 5では前述したように尿素から発生 したアンモニア NH3によって排気ガス中に含まれる NOxが選択的 に還元され、 このとき最も速度の速い反応式が次式で示される。
NO + N 02 + 2 NH3→ 2 N2 + 3 H20
上式から、 排気ガス中の N〇と N〇2との比率が 1 ： 1 のとき、 即ち排気ガス中の （NO + N〇2) に対する N02の比率、 言い換え ると排気ガス中の NOxに対する N〇2の比率が 5 0パーセン 卜のと きに反応速度が最も速くなり、 斯く して N〇x浄化率が最も高くな ることがわかる。
従って酸化触媒 1 3を配置すると排気ガス中の N 02の量が増大 せしめられるので N〇x選択還元触媒 1 5に流入する排気ガス中の N〇 xに対する N〇 2の比率が 5 0 %に近ずき、 斯く して図 2 ( A ) の破線 aと破線 bで示される間での N〇x浄化率が高められること になる。
ところで本発明者による研究の過程において、 酸化触媒 1 3 に流 入する排気ガス中に S Oxが含まれているとこの S〇xによって酸化 触媒 1 3における N〇から N O 2への変換作用が阻害され、 その結 果 N〇 x浄化率が低下することが判明したのである。 この場合、 S 〇xによる N Ox浄化率の低下の原因は酸化触媒 1 3に担持された貴 金属触媒、 即ち白金の S〇x被毒である。 即ち、 白金の表面が S Ox で覆われると白金は N Oに対する酸化力を失ない、 斯く して N〇2 の生成量が低下するために N O x浄化率が低下することになる。 そこで本発明では酸化触媒 1 3 に S〇 xが流入しないように N〇 x 吸着触媒 1 2に排気ガス中の S Oxを捕獲する機能を持たせるよう にしている。 即ち、 本発明では N〇x吸着触媒 1 2により酸化触媒 1 3への S〇 xの流入を抑制し、 N O x吸着触媒 1 2から放出された N〇が酸化触媒 1 3 において N〇，に酸化されるのを S〇 xにより阻 害されないようにすることによって図 2 ( A) において実線で示さ れるように低温から高温までの広い触媒温度 T Cの範囲に亘つて高 い N〇 x浄化率が得られるようにしている。
ところが N〇x吸着触媒 1 2の S Ox捕獲量は時間の経温と共に次 第に増大し、 N.〇x吸着触媒 1 2の S Ox捕獲量が増大すると N Ox 吸着触媒 1 2の NOx吸着能力が低下する。 また、 NOx吸着触媒 1 2の S Ox捕獲量が増大すると NOx吸着触媒 1 2の S Ox捕獲能力 も低下する。 N〇x吸着触媒 1 2の S〇x捕獲能力が低下すると酸化 触媒 1 3 に S〇 xが流入するようになり、 斯く して酸化触媒 1 3に 担持された貴金属触媒が S〇x被毒を生ずるようになる。 図 2 ( B ) の実線はこのように N〇x吸着触媒 1 2の N Ox吸着能力および S 〇x捕獲能力が低下したときの N〇x浄化率 Rを示している。
即ち、 N〇x吸着触媒 1 2の N〇x吸着能力が低下すると N〇x選 択還元触媒 1 5の温度 T Cが低いときの N Ox浄化率が低下し、 こ の N〇x吸着能力の低下による N〇x浄化率 Rの低下分が図 2 ( B ) において I で示されている。 また、 酸化触媒 1 3に担持された貴金 属触媒の S〇 x被毒による N O x浄化率 Rの低下分が図 2 ( B ) にお いて IIで示されている。
図 2 ( B ) からわかるように酸化触媒 1 3 に担持された貴金属触 媒の S〇 x被毒による N〇 x浄化率 Rの低下は顕著に現われ、 この N 〇x浄化率 Rの低下は特定の NOx選択還元触媒温度領域 T C Xで生 ずる。 この特定の温度領域 T C Xは N02の生成により N〇x選択還 元触媒 1 5の N〇x浄化率が高められる温度領域、 即ち図 2 ( A) において破線 aと破線 bとの間の温度領域であり、 この特定の温度 領域 T C Xは 2 3 0 °Cから 3 3 0 °Cの範囲である。
N〇 x浄化率 Rが図 2 ( B ) に示されるように低下したときには S〇x被毒回復処理を行って N Ox浄化率 Rを図 2 ( A) に示される 状態まで回復させることが必要となる。 この s〇x被毒回復処理は
、 圧縮行程末期に燃焼室 2内に追加の燃料を噴射するか、 或いは N 〇x吸着触媒 1 2上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置してこ の燃料供給弁から排気ガス中に燃料を噴射することにより N〇)；吸 着触媒 1 2の温度を 5 0 0 以上まで上昇させるか又は N O x吸着 触媒 1 2 に流入する排気ガスの空燃比をリ ッチにすることによって 行われる。
ところでこの場合、 何を基準として S〇x被毒回復処理を行うか が問題となる。 このことについて検討すると、 排気ガス中に含まれ る S〇 xの量は排気ガス中に含まれる N〇 xの量に比べればはるかに 少なく、 従って図 2 ( B ) において I で示されるように N〇x吸着 触媒 1 2への S〇xの捕獲に起因する N O x浄化率 Rの低下はそれほ ど大きく はならない。 これに対し、 図 2 ( B ) において I Iで示され るように酸化触媒 1 3 の貴金属触媒の S〇x被毒に起因する N O )ί浄 化率 Rの低下は極めて大きく現われ、 N O x浄化率 Rの低下が大き く現われると誤判断することなく S〇x被毒回復処理を行うべきと きであることを適格に判断することができる。
そこで本発明では、 特定の触媒温度 T C Xにおける N〇x浄化率 Rが予め定められたレベル以下に低下したときに N〇 x吸着触媒 1 2および酸化触媒 1 3 の S〇x被毒回復処理を行うようにしている 図 3 に S〇x被毒回復制御ルーチンを示す。 このルーチンは一定 時間或いは一定走行距離毎の割込みによって実行される。
図 3 を参照するとまず初めにステップ 5 0 において予め設定され ている運転状態であるか否かが判別される。 次いでステップ 5 1 で は N〇 x選択還元触媒 1 5の温度 T Cが T ,、 例えば 2 3 0 °C以上で あって T 2、 例えば 3 3 0 °C以下であるか否か、 即ち特定の温度領 域 T C X内であるか否かが判別される。 触媒温度 T Cが特定の温度 領域 T C X内でないときにはステップ 5 0 に戻る。 これに対し、 触 媒温度 T Cが特定の温度領域 T C X内であるときにはステップ 5 2 に進む。
ステップ 5 2では N O ; (センサ 2 9 により排気ガス中の N O x濃度 が検出される。 設定運転状態のときに機関から排出される排気ガス 中の N〇 x濃度は予め記憶されており、 ステップ 5 3ではこの記憶 されている N〇x濃度と N〇xセンサ 2 9 にょり検出されたN〇X濃 度との比から求まる N〇x浄化率 Rが予め定められたレベル R。以下 になったか否かが判別される。 N〇 x浄化率 Rが予め定められたレ ベル R。以下になったときにはステップ 5 4に進んで S O x被毒回復 処理が行われる。
機関から排出される N O x量はアイ ドリ ング運転時に最も安定し 、 またアイ ドリ ング運転状態になると触媒温度 T Cは特定の温度領 域 T C Xとなりやすい。 従って本発明による実施例では図 3 のステ ップ 5 0 における設定運転状態はアイ ドリ ング運転状態とされてい る。 即ち、 本発明による実施例では機関アイ ド リ ング運転時に特定 の触媒温度 T C Xにおける N〇 x浄化率 Rが予め定められたレベル R。以下に低下したか否かが判断され、 R < R 0と判断されたときに S〇 x被毒回復処理が行われる。
図 4 に S〇x被毒回復制御ルーチンの別の実施例を示す。 図 4に 示されるル ―チンのステップ 5 0からステップ 5 4は図 3 に示すル 一チンのステップ 5 0からステップ 5 4 と同一であり、 従ってこれ
「
らステップ 0からステップ 5 4 については説明を省略する。
図 4 参ノ眧"、するとステップ 5 1 において触媒温度 T Cが特定の温 度領域 T C X内にないと判断されたときにはステップ o o に進んで 触媒温度 τ Cが T ,より も低いか否かが判別される。 T C≥ T ,のと きにはステップ 5 0 に戻り、 T C < T ,のときにはステップ 5 6 に 進んで N O x選択還元触媒 1 5の昇温制御を行った後にステップ 5 0 に戻る。 この昇温制御も例えば排気行程中に燃焼室 2内に追加の 燃料を供給することによって行われる。
図 3 に示されるルーチンでは S〇 x被毒回復制御が開始されたと きに触媒温度 T Cが特定の温度領域 T C X内でなかったときには触 媒温度 T Cが特定の温度領域 T C X内になるまで待つようにしてい る。 これに対し、 図 4に示されるルーチンでは S O x被毒回復制御 が開始されたときに触媒温度 T Cが特定の温度領域 T C X内でなか つたときには触媒温度 T Cが特定の温度領域 T C Xより も高い場合 には触媒温度 T Cが特定の温度領域 T C X内になるまで待ち、 触媒 温度 T Cが特定の温度領域 T C Xより も低いときには触媒温度 T C が特定の温度領域 T C X内になるまで N O x選択還元触媒 1 5 を昇 温させるよう にしている。

Claims

1. 機関排気通路内に N〇x選択還元触媒を配置し、 該 N〇x選択 還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排 気ガス中に含まれる NOxを選択的に還元するようにした内燃機関 の排気浄化装置において、 上記 N Ox選択還元触媒上流の機関排気 霧
通路内に酸化触媒を配置すると共に酸化触媒上流の機関排気通路内 に NOx吸着触媒を配置し、 該 NOx吸着触媒は、 NOx吸着触媒の 温度が低いときには排気ガス中にの含まれる N〇 xを吸着しかつ N〇 x 吸着触媒の温度が上昇すると吸着している N Oxを放出する性質を 有すると共に排気ガス中に含まれる S〇xを捕獲する性質を有し、 囲
該 N〇x吸着触媒により酸化触媒への S Oxの流入を抑制して NOx 吸着触媒から放出された N〇が酸化触媒において N O 2に酸化され るのを S〇xにより阻害されないようにした内燃機関の排気浄化装 置。
2. 酸化触媒に S Oxが流入すると N〇x選択還元触媒による N O x浄化率が予め定められた特定の N Ox選択還元触媒温度領域におい て低下し、 該特定の N〇x選択還元触媒温度領域における該 N〇x浄 化率が予め定められたレベル以下に低下したときに ·Ν O x吸着触媒 および酸化触媒の S Ox被毒回復処理を行うようにした請求項 1 に 記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記特定の N Ox選択還元触媒温度領域が 2 3 0 から 3 3 0 °Cである請求項 2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 機関アイ ドリ ング運転時に上記特定の N〇x選択還元触媒温 度領域における上記 N〇x浄化率が予め定められたレベル以下に低 下したか否かを判断する請求項 2 に記載の内燃機関の排気浄化装置
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