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JP5943310B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気通路に排気絞り弁を備える内燃機関に適用される制御装置に関する。
EGR通路に設けられたEGR弁を閉じて排気マニホルドに通じる空間の容積を縮小することによって、排気マニホルド圧力脈動の振幅を拡大し、各気筒の吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるオーバーラップ期間中の排気マニホルド圧力を低下させることができる内燃機関の制御装置が知られている(特許文献1参照)。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献2が存在する。
特開2009−091917号 特開2009−180204号
内燃機関のオーバーラップ期間中に吸気圧力が排気圧力よりも高くなると、吸気が気筒を吹き抜けてしまい、酸素過剰や温度上昇により触媒が劣化し、触媒の浄化効率が低下する。しかし、触媒の劣化を抑制するために、排気弁を閉じるタイミングを早めたり、吸気弁を開けるタイミングを遅くすることによってオーバーラップ期間を短縮又は解消すると、吸気の充填効率が低下する。このため、高負荷時における内燃機関の性能が低下する。
そこで、本発明は、内燃機関の高負荷時の性能低下を抑制しつつ、触媒の劣化を抑制できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
本発明の内燃機関の制御装置は、排気通路の排気の流量を調整可能な排気絞り弁が前記排気通路に設けられ、吸気弁を開閉するタイミングを変更できる吸気可変動弁機構及び排気弁を開閉するタイミングを変更できる排気可変動弁機構の少なくとも1つを備え、前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とが重なるオーバーラップ期間を設けることができる内燃機関に適用され、前記排気絞り弁を制御する弁制御手段を備える内燃機関の制御装置において、前記弁制御手段は、前記オーバーラップ期間における前記排気絞り弁の開度が、前記オーバーラップ期間が設けられていない場合における前記排気絞り弁の開度よりも小さくなるように前記排気絞り弁を制御する(請求項1)。
本発明の内燃機関の制御装置によれば、オーバーラップ期間における排気絞り弁の開度が、オーバーラップ期間を設けない場合における開度よりも小さいため、オーバッラップ期間における排気圧力がオーバーラップ期間を設けない場合よりも高くなる。これにより、吸気の吹き抜けを減少又は解消できるから、触媒の劣化を抑制することができる。
本発明の内燃機関の制御装置の一態様において、吸気通路の吸気圧力を検出する吸気圧検出手段と、前記排気通路の前記排気絞り弁より上流側の排気圧力を検出する排気圧検出手段とを更に備え、前記弁制御手段は、前記オーバーラップ期間で、かつ前記排気圧力が前記吸気圧力以下の場合に、前記排気絞り弁を閉方向に制御してもよい(請求項2)。
この態様によれば、オーバーラップ期間で、かつ排気圧力が吸気圧力以下の場合に、弁制御手段が排気絞り弁を閉方向に制御することによって、オーバーラップ期間において排気圧力と吸気圧力との差を少なくし、又は排気圧力を吸気圧力よりも高くすることができる。これにより、吸気の吹き抜けを減少又は解消できるから、触媒の劣化を抑制することができる。
本発明の内燃機関の制御装置の一態様において、吸気通路の吸気圧力を検出する吸気圧検出手段と、前記排気通路の前記排気絞り弁より上流側の排気圧力を検出する排気圧検出手段とを更に備え、前記弁制御手段は、前記オーバーラップ期間に、前記排気圧力が前記吸気圧力よりも高くなるように前記排気絞り弁を制御してもよい(請求項3)。
この態様によれば、オーバーラップ期間に排気圧力が吸気圧力よりも高くなるため、吸気の気筒の吹き抜けは生じなくなる。そのため、触媒の劣化を抑制することができる。
以上に説明したように、本発明の内燃機関の制御装置によれば、オーバーラップ期間に弁制御手段が排気絞り弁を閉方向に制御することによって、オーバーラップ期間における排気圧力が上昇し、吸気の吹き抜けが減少又は解消する。そのため、内燃機関の負荷性能の低下を抑制しつつ、触媒の劣化を抑制できる。
本発明の一形態に係る内燃機関の制御装置を示した図。 本発明の一形態に係る制御装置が適用された内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面図。 ECUが実行する制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 第2の形態においてECUが実行する制御ルーチンを示したフローチャート。 第2の形態における排気絞り弁の動作の一例を示したタイミングチャート。 自然吸気直列3気筒エンジンのスロットル弁全開時の発生トルクを示した図。 排気絞り弁を全開にしたまま使用した場合の吸気圧力及び排気圧力の変化を示した図。 第2の形態における吸気圧力及び排気圧力の変化を示した図。 触媒ストレスについて比較を示した図。 スロットル弁全開時の発生トルクについて比較を示した図。
(第1の形態)
図1に示した内燃機関1は不図示の車両に走行用動力源として搭載される。内燃機関1は、第1の気筒2a、第2の気筒2b及び第3の気筒2cが一方向に並べられた直列3気筒型の火花点火内燃機関として構成されている。内燃機関1の点火順序は気筒2a→気筒2b→気筒2cに設定されている。以下、気筒2a、気筒2b及び気筒2cを互いに区別する必要がない場合は、気筒2と表記する。各気筒2には、吸気通路3及び排気通路4がそれぞれ接続されている。
吸気通路3は、スロットル弁10、サージタンク11及び分岐管12を備えている。分岐管12は気筒2毎に1つずつ合計3つ設けられている。3つの分岐管12のそれぞれには吸気圧検出手段として吸気圧センサ13が1つずつ設けられている。内燃機関1は、吸入空気をスロットル弁10及びサージタンク11を介して分岐管12で気筒2毎に分配して各気筒2に充填する。スロットル弁10は、吸気通路3を流れる吸気の流量を調整することができる。
排気通路4は、排気マニホルド20、第1の触媒21、第2の触媒22、排気絞り弁23、サブマフラ24及びメインマフラ25を備えている。排気マニホルド20の気筒2毎に分岐した3つの部分のそれぞれには排気圧検出手段として排気圧センサ26が1つずつ設けられている。各気筒2から排出される排気は排気マニホルド20で集合され、その集合された排気は触媒21及び触媒22にて有害物質が浄化されてから、排気絞り弁23、サブマフラ24及びメインマフラ25を経由して大気に放出される。排気絞り弁23は、排気通路4を流れる排気の流量を調整することができる。
図2に示すように、内燃機関1は、各気筒2が形成されたシリンダブロック30と、各気筒2の開口部を塞ぐシリンダヘッド31とを備える。そして、各気筒2にピストン32が挿入されることにより、各気筒2のピストン32とシリンダヘッド31との間に燃焼室33が形成されている。シリンダヘッド31には、気筒2毎に燃焼室33に向かって開口する吸気ポート34及び排気ポート35が形成されている。吸気ポート34は吸気通路3の一部を、排気ポート35は排気通路4の一部をそれぞれ構成する。シリンダヘッド31には、吸気ポート34内に燃料を噴射する燃料噴射弁36と、燃焼室33内で燃料と吸気との混合気を点火する点火プラグ37が設けられている。吸気ポート34には吸気弁40が設けられ、排気ポート35には排気弁41が設けられている。
図1に示すように、内燃機関1は、吸気弁40を開閉するタイミングを変更できる吸気可変動弁機構42と、排気弁41を開閉するタイミングを変更できる排気可変動弁機構43とを備えている。吸気可変動弁機構42及び排気可変動弁機構43は、吸気弁40及び排気弁41をそれぞれ駆動するカムの位相を連続的に可変とする周知の機構である。なお、これらの機構42及び43の代わりに別の構造を持つ機構を採用してもよい。吸気可変動弁機構42及び排気可変動弁機構43により、吸気弁40開弁期間と排気弁41開弁期間とが重なるオーバーラップ期間の長さを変更することができる。
内燃機関1には排気を吸気系に再循環させるEGR装置50が設けられている。EGR装置50は、排気通路4の触媒21と触媒22との間から排気の一部をEGRガスとして取り出して各分岐管12内に導くEGR通路51と、EGR通路51に導かれたEGRガスを冷却するEGRクーラ52と、EGR通路41を流れるEGRガスの流量を調整するEGR弁53とを備えている。
内燃機関1の各部の制御は、コンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット(ECU)60にて制御される。ECU60は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なRAM、ROM等の周辺機器を含む。ECU60は、排気絞り弁23、吸気可変動弁機構42、及び排気可変動弁機構43等に対して各種の制御を行う。ECU60には、吸気圧センサ13の出力信号、排気圧センサ26の出力信号、及びクランク角センサ61の出力信号等が入力される。クランク角センサ61の出力により、クランク軸の回転位置や、エンジン回転速度(エンジン回転数)を検出することができる。
図3は、ECU60が実施する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。図3の制御ルーチンのプログラムはECU60に保持されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。ECU60は、図3の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る弁制御手段として機能する。
この制御ルーチンにおいてECU60は、まずステップS1において、クランク角センサ61から検出したエンジン回転数等に応じて吸気可変動弁機構42及び排気可変動弁機構43をそれぞれ進角又は遅角し、吸気弁40及び排気弁41を開閉するタイミングを変更する制御を行う。
次のステップS2においてECU60は、吸気弁40開弁期間と排気弁41開弁期間とが重なるオーバーラップ期間の有無を判定する。吸気弁40開弁期間は、ROM等に記憶させておいた基準となる開弁期間と、ステップS1で制御した吸気可変動弁機構42の進角量又は遅角量とから算出できる。同様に、排気弁41の開弁期間は、ROM等に記憶させておいた基準となる開弁期間と、ステップS1で制御した排気可変動弁機構43の進角量又は遅角量とから算出できる。ECU60は、これらの方法で算出した吸気弁40開弁期間及び排気弁41開弁期間から、オーバーラップ期間の有無を判定する。オーバーラップ期間がない場合は、排気絞り弁を動作させることなく、今回のルーチンを終了する。一方、オーバーラップ期間がある場合は、ステップS3に進む。ステップS3においてECU60は、オーバーラップ期間を算出する。ECU60は、上記の方法で算出した吸気弁40開弁期間及び排気弁41開弁期間から、オーバーラップ期間を算出する。
次のステップS4において、ECU60は、n番目に点火した気筒2のオーバーラップ期間中の吸気圧力Pinと排気圧力Pexとの差の最大値M(n)を算出する。ECU60は、気筒2のオーバーラップ期間中、吸気圧力Pinと排気圧力Pexとの検出を継続しつつ吸気圧力Pinと排気圧力Pexの差を算出する。そして、n番目に点火した気筒2のオーバーラップ期間中におけるその差の最大値をM(n)として算出する。最大値M(n)は、次の式1で定義される。
M(n)=((Pin−Pex)max)n ・・・・・1
吸気圧力Pinは、各気筒2に接続する分岐管12に設けられた吸気圧センサ13により検出することができる。排気圧力Pexは、排気マニホルド20の気筒2毎に分岐した部分のうち各気筒2に接続する部分に設けられた排気圧センサ26により検出することができる。ECU60は、これらの検出した吸気圧力Pin及び排気圧力Pexにより、最大値M(n)を算出する。
次のステップS5において、ECU60は排気絞り弁23を閉方向に動作させるか否か判定する。具体的には最大値M(n)が0以上であるか否か判定する。最大値M(n)が0以上の場合つまりM(n)≧0の場合は、吸気圧力Pinが排気圧力Pex以上となる場合である。最大値M(n)が0以上の場合は、ステップS6に進み、ECU60は排気絞り弁23を閉方向に動作させる。そして、今回のルーチンを終了する。一方、最大値M(n)が0未満の場合は、ステップS7に進み、ECU60は排気絞り弁23を開方向に動作させる。そして、今回のルーチンを終了する。
図3の制御ルーチンをECU60が実行することにより、オーバーラップ期間中に排気圧力が吸気圧力以下となる状態が発生すれば排気絞り弁23が閉方向に制御される。この制御によって、オーバーラップ期間において排気圧力と吸気圧力との差を縮小し、又は排気圧力を吸気圧力よりも高くすることができる。これにより、吸気の吹き抜けを減少又は解消できるから、触媒の劣化を抑制することができる。
(第2の形態)
次に、本発明の第2の形態を説明する。この形態はECU60による排気絞り弁23の制御方法が第1の形態とは異なることを除き、第1の形態と同一構成を有している。以下、第2の形態の特徴部分を説明し、第1の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。
図4は、ECU60が実施する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。図4の制御ルーチンのプログラムはECU60に保持されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。ECU60は、図4の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る弁制御手段として機能する。
この制御ルーチンにおいてECU60は、まずステップS21において、図3のステップS1と同様に、クランク角センサ61から検出したエンジン回転数等に応じて吸気可変動弁機構42及び排気可変動弁機構43をそれぞれ進角又は遅角し、吸気弁40及び排気弁41を開閉するタイミングを変更する制御を行う。
次のステップS22においてECU60は、図3のステップS2と同様に、オーバーラップ期間の有無を判定する。そして、オーバーラップ期間がない場合は、排気絞り弁を動作させることなく、今回のルーチンを終了する。一方、オーバーラップ期間がある場合は、ステップS23に進む。ステップS23においてECU60は、図3のステップS3と同様に、吸気弁40開弁期間と排気弁41開弁期間とが重なるオーバーラップ期間を算出する。
次のステップS24において、ECU60は排気絞り弁23を閉方向に制御すべきか否かを判断するための判定基準C(n)を算出する。この判定基準C(n)を算出するために、ECN60は最大値M(n)と変化量ΔM(n)とを算出する。ECU60は、図3のステップS3と同様に、n番目に点火した気筒2のオーバーラップ期間中の吸気圧力Pinと排気圧力Pexとの差の最大値M(n)を算出する。そして、ECU60は、最大値M(n)の変化量ΔM(n)を算出する。変化量ΔM(n)は、n番目に点火した気筒2のオーバーラップ期間中の吸気圧力Pinと排気圧力Pexとの差の最大値M(n)と、n番目よりも1回前のn−1番目に点火した気筒2のオーバーラップ期間中の吸気圧力Pinと排気圧力Pexとの差の最大値M(n−1)との差である。変化量ΔM(n)は、次の式2で定義される。
ΔM(n)=M(n)−M(n−1) ・・・・・2
その上で、ECU60は、判定基準C(n)を算出する。判定基準C(n)は、最大値M(n)と変化量ΔM(n)の和である。判定基準C(n)は、次の式3で定義される。
C(n)=M(n)+ΔM(n) ・・・・・3
このように、判定基準C(n)は、n番目及びnー1番目に点火した気筒における吸気圧力Pin及び排気圧力Pexの値から、n+1番目の気筒における最大値M(n+1)を予測したものである。つまり、たとえn番目に点火した気筒における最大値M(n)が0未満であっても、判定基準C(n)が0以上になった場合は、次のn+1番目に点火する気筒における最大値M(n+1)が0以上になることが推定される。そのため、以下に説明するように、判定基準C(n)を用いることによって、オーバーラップ期間中に吸気圧力Pinが排気圧力Pexよりも高くなる前から排気絞り弁23を閉方向に動作を開始することができる。
次のステップS25において、ECU60は排気絞り弁23を閉方向に動作させるか否か判定する。具体的には判定基準C(n)が0以上であるか否か判定する。判定基準C(n)が0以上の場合つまりC(n)≧0の場合は、ステップS26に進み、ECU60は排気絞り弁23を閉方向に動作させる。そして、今回のルーチンを終了する。一方、判定基準C(n)が0未満の場合は、ステップS27に進み、ECU60は排気絞り弁23を開方向に動作させる。そして、今回のルーチンを終了する。
図5は、スロットル弁10を開方向に動作を開始してから停止させた場合に、M(n)等がどのように変化し、その変化に応じて排気絞り弁23がどのように動作するか示したタイミングチャートである。図5は、一番上に気筒2a〜2cを記載しており、その下の数字は、何番目に点火した気筒2であるかを示している。例えば、2aの下に1と記載されているのは、1番目に気筒2aが点火したことを示す。図5では、スロットル弁10を開方向へ動かし始める直前に点火した気筒2aを1番目としている。そして、2番目に気筒2bが点火し、3番目に気筒2cが点火し、4番目以降も同様に、気筒2a、気筒2b、気筒2cの順番に点火する。図5の縦の点線は、気筒2が点火した後の排気行程が終り、排気弁41が閉じてオーバーラップ期間が終了した時点を示している。例えば、図5の数字1の下に引かれた縦の点線は、気筒2aが1番目に点火した後の排気行程が終り、排気弁41が閉じてオーバーラップ期間が終了した時点を示している。オーバーラップ期間を終了した時点で、M(n)は更新されるため、M(n)のグラフは、階段状に上昇又は下降し、次の気筒2のオーバーラップ期間終了時に更新されるまで変化しない。図5に示すように、1番目に点火した気筒2bのオーバーラップ期間が終了した時刻t1からスロットル弁10の開度を開いていくと、サージタンク11内部の圧力Psは大気圧Poに近づき、それにつれて、気筒2のオーバーラップ期間が終了する度に、M(n)は更新され上昇する。
そして、M(n)の上昇に伴い、C(n)も上昇し、図5の場合は、7番目に点火した気筒2aまでC(n)<0であるが、8番目に点火した気筒2bにおいて、C(8)≧0
となるので、8番目に点火した気筒2bのオーバーラップ期間が終了した時刻t2に至るまで排気絞り弁23は全開であるものの、t2からECU60が排気絞り弁23を閉方向へ動作を開始している。そして、排気絞り弁23を閉方向へ動作を開始しても、なお9番目に点火した気筒2cにおいて、C(9)≧0であるため、9番目に点火した気筒2cのオーバーラップ期間が終了した時刻t3においてもECU60は排気絞り弁23を閉方向へ動作を継続している。そして、10番目に点火した気筒2aにおいても、C(10)≧0であるため、10番目に点火した気筒2aのオーバーラップ期間が終了した時刻t4においてもECU60は排気絞り弁23を閉方向へ動作を継続している。
このように、C(n)≧0となった時点で、ECU60が排気絞り弁23を閉方向へ動作を開始することにより、M(n)≧0となる前に、排気圧力Pexの上昇を開始することができる。そのため、オーバーラップ期間に排気圧力Pinが吸気圧力Pexよりも高くなるようにECU60は制御できる。
以上説明した図4の制御ルーチンをECU60が実行することにより、オーバーラップ期間に排気圧力が吸気圧力よりも高くなるように制御される。そのため、オーバーラップ期間に吸気の吹き抜けが生じなくなり、触媒の劣化を抑制することができる。
仮にECU60による排気絞り弁23の制御を行わず、排気絞り弁23を全開にしたままで使用すると、特に図6の丸で囲んだ領域のように内燃機関1のエンジン回転数が低速域かつ高負荷の条件で使用した場合に、オーバーラップ期間に吸気の吹き抜けが生じる。図7は、このような低速域高負荷の条件で排気絞り弁23を全開にしたまま使用した場合の吸気圧力及び排気圧力の変化を示したものである。図7の実線L1は排気弁41のバルブリフト量を示し、実線L2は吸気弁40のバルブリフト量を示している。図7の実線L3は吸気圧力を示し、点線L4は排気圧力を示している。図7に示すように、オーバーラップ期間内に、排気圧力が吸気圧力よりも低くなる期間があるため、吸気の吹き抜けが生じる。
一方、図8は、図7と同じ低速域高負荷の条件で、ECU60による本形態の排気絞り弁23の制御を行った場合の吸気圧力及び排気圧力の変化を示したものである。図8の実線L1は排気弁41のバルブリフト量を示し、実線L2は吸気弁40のバルブリフト量を示している。図8の実線L3は吸気圧力を示し、実線L5は排気圧力を示している。点線L4は、排気絞り弁23を全開にしたまま使用した場合の排気圧力を、実線L5との比較のために示したものである。本形態の排気絞り弁23の制御を行うことにより、排気圧力が点線L4から実線L5に上昇し、オーバーラップ期間において排気圧力は常に吸気圧力よりも高くなるので、吸気の吹き抜けが生じなくなる。
図9及び図10の比較例1は、吸気可変動弁機構42の遅角及び排気可変動弁機構43の進角によってオーバーラップ期間を無くした場合である。図9及び図10の比較例2は、オーバーラップ期間を維持し、オーバーラップ期間も排気絞り弁23を全開にしたまま使用し、オーバーラップ期間中に吸気の吹き抜けが生じた場合である。図9は、触媒ストレスの大きさを示しており、触媒ストレスが大きいほど触媒の劣化が早く進む。図9に示すように、本形態は、触媒ストレスについては、比較例2よりも性能が向上し、比較例1と同等の性能を有する。また、図10は、エンジン回転数が低速域において、スロットル弁10の全開時の発生トルクを比較したものである。図10に示すように、本形態は、スロットル弁10の全開時の発生トルクについて、比較例1よりも性能が向上し、比較例2に近い性能を有する。つまり、本形態は、内燃機関1の高負荷時の性能について、比較例1よりも性能が向上し、比較例2に近い性能を有する。
本発明は、上記各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において、種々の形態にて実施できる。上記各形態では3気筒の内燃機関に本発明を適用したが、気筒数を問わず、本発明を適用できる。また、上記各形態では過給装置を備えていない自然吸気の内燃機関に適用したが、過給装置を備えた内燃機関にも本発明を適用できる。また、上記各形態ではEGR装置を備えているが、EGR装置の有無や構成を問わず、本発明を適用できる。また、上記各形態では、吸気ポートに燃料を噴射し混合気を燃焼室で点火する内燃機関に適用したが、燃焼室に燃料を直接噴射し混合気を燃焼室で点火する内燃機関にも本発明を適用できる。また、吸気圧力及び排気圧力を検出又は推定することなく、オーバーラップ期間における排気絞り弁の開度を、オーバーラップ期間が設けられていない場合よりも小さくするように排気絞り弁を制御する形態でもよい。この形態によれば、オーバーラップ期間が設けられている状態では排気絞り弁の開度が、オーバーラップ期間が設けられていない場合よりも絞られるため、オーバーラップ期間中に吸気の吹き抜けを減少または解消できる。
1 内燃機関
3 吸気通路
4 排気通路
13 吸気圧センサ(吸気圧検出手段)
23 排気絞り弁
26 排気圧センサ(排気圧検出手段)
40 吸気弁
41 排気弁
42 吸気可変動弁機構
43 排気可変動弁機構
60 ECU(弁制御手段)

Claims (3)

  1. 排気通路の排気の流量を調整可能な排気絞り弁が前記排気通路に設けられ、吸気弁を開閉するタイミングを変更できる吸気可変動弁機構及び排気弁を開閉するタイミングを変更できる排気可変動弁機構の少なくとも1つを備え、前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間とが重なるオーバーラップ期間を設けることができる内燃機関に適用され、前記排気絞り弁を制御する弁制御手段を備える内燃機関の制御装置において、
    前記弁制御手段は、前記オーバーラップ期間における前記排気絞り弁の開度が、前記オーバーラップ期間が設けられていない場合における前記排気絞り弁の開度よりも小さくなるように前記排気絞り弁を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 吸気通路の吸気圧力を検出する吸気圧検出手段と、前記排気通路の前記排気絞り弁より上流側の排気圧力を検出する排気圧検出手段とを更に備え、
    前記弁制御手段は、前記オーバーラップ期間で、かつ前記排気圧力が前記吸気圧力以下の場合に、前記排気絞り弁を閉方向に制御する請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 吸気通路の吸気圧力を検出する吸気圧検出手段と、前記排気通路の前記排気絞り弁より上流側の排気圧力を検出する排気圧検出手段とを更に備え、
    前記弁制御手段は、前記オーバーラップ期間に、前記排気圧力が前記吸気圧力よりも高くなるように前記排気絞り弁を制御する請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
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