CN101910581A - 用于活塞发动机的增压器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增压器装置(50)，该增压器装置包括联接到同一轴(70)上的压缩机部分(55)和电机(65)。电机设置有至少一个用于气体的流道(215，216)，压缩机部分的吸入管道布置成与电机(65)的气体流道(215，216)流体连通，使得将用于压缩机部分的吸入空气布置成流过所述至少一个气体流道。

Description

用于活塞发动机的增压器装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于活塞发动机的增压器装置。
背景技术
增压活塞发动机本身从现有技术已知，其具有许多优点。尤其是废气增压(即，涡轮增压)本身对于执行增压是非常有利的方式，因为其利用废气中包含的能量，该能量否则可能会浪费。在涡轮增压器中，适配在发动机的废气流中的涡轮部分布置成驱动适配在向发动机供给空气流的路径中的压缩机部分。涡轮部分和压缩机部分通常适配在共用轴的两端，该轴被轴向且径向地安装在涡轮增压器的主体上的轴承中。
对于涡轮增压器中的轴承***要求较高。增压器的转子以每分种几万转的速度进行旋转操作，并且轴承曝露于高温下。废气流通过涡轮部分的涡轮向所述轴传递轴向力，该力需要被轴向轴承补偿。另一方面，涡轮与压缩机叶轮以及它们相应的壳体之间的径向间隙很小，由此对径向轴承要求较高。
公开文献US 2005/0198956A1公开了一种通过磁力轴承实现的、用于涡轮增压器的轴承***，在该***中，径向轴承实施成无源永磁体，轴向轴承实施成有源磁力轴承。通过传感器确定轴的轴向位置，传感器的信号引导有源轴承的电磁体，因此补偿轴向偏移。
由于涡轮增压器的操作原理，因此在其中废气的温度和质量流量较低的发动机的这种运行条件下，在例如低负载和低操作速度下，通常不可能通过涡轮增压器的压缩机形成用于发动机的供气***的期望升压。另一方面，涡轮增压器的操作还受其质量的影响。涡轮增压器在发动机负载的瞬时位置中的操作不一定能够以足够速度跟随发动机负载的变化，而是涡轮增压器的响应具有一定的延迟，这从而也妨碍发动机的反应性。
已提出解决关于涡轮增压器的操作的上述问题的建议，例如，通过采用与涡轮增压器的压缩机串联连接的分离的电动附加压缩机以及采用待联接到涡轮增压器的轴的辅助电动机。
公开文献US 6,390,789B1公开了一种由电动机驱动的涡轮增压器设备，其中，通过气流冷却电动机及其轴承，所述气流从压缩机级的压力侧引向电动机，然后又引回到压缩机级的吸入侧。由该机构提供的冷却并不充分。
公开文献DE 10 2005 056 797 A1公开了一种两级式涡轮增压器装置，该装置包括两级式压缩机和涡轮。两个涡轮-压缩机副使它们各自的轴联接，并且所述轴布置成彼此嵌套。涡轮被布置在嵌套轴的一端处，压缩机布置在另一端处。该类方案相当复杂，尤其对于两个分离的涡轮-压缩机副的轴承***更是如此。
该公开文献还示出了结合的马达-发电机可与轴一起接合，以向轴供给能量或者从轴吸取能量。使用结合涡轮增压器的电动机面临着挑战，因为必须要将电机的温度保持在合适的限度内。DE 10 2005 056 797 A1未提供任何控制电机温度的措施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种根据权利要求1的前序部分所述的用于活塞发动机装置的增压器装置，该增压器装置包括联接到同一轴上的压缩机部分和电机，其中，所述电机设置有至少一个气体流道，所述压缩机部分的吸入管道布置成与所述电机的所述气体流道流体连通，使得用于所述压缩机部分的吸入空气布置成流过所述电机的所述至少一个气体流道，以冷却所述电机，该装置在与发动机连接时其操作提供在不同的操作条件下的发动机更好的整体操作。
根据本发明的增压器装置主要特征在于，所述电机的所述气体流道包括位于所述电机的转子与定子部之间的气隙以及用于所述定子部和/或其主体部的布置在所述定子部中的气体流道。
以该方式进行电机的冷却，因此甚至可以从其向压缩机部分传递高功率或者可被用作来自涡轮部分的电力。
优选的是，所述压缩部分的所有吸入空气布置成流过所述电机的所述至少一个气体流道，借此，该装置可靠地操作，并且在所有操作条件下确保对所述电机提供足够的冷却。
根据优选实施方式，所述压缩机部分至少包括第一压缩机级和第二压缩机级，借此，所述压缩机部分的所述第一压缩机级的吸入管道布置成与所述电机的所述气体流道流体连通，使得将用于所述压缩机部分的所述第一压缩机级的吸入空气布置成流过所述电机的所述气体流道。因此，当所述压缩机部分具有两级时，发动机的流过所述电机的吸入空气具有用于冷却的合适温度。
根据本发明的一种实施方式，所述电机的气体流道包括电机的转子与定子部之间的气隙以及用于定子部和/或其主体部的布置在定子部中的气体流道。优选地，定子部和/或其主体部的布置在定子部中的气体流道的流动横截面积超过电机的气体流道的总横截面积的90％。更具体而言，定子部的气体流道的总横截面积为电机的气体流道的总横截面积的95％至98％。这确保电机中气压损失足够小，并且还足以冷却所述转子。
根据一种实施方式，所述增压器装置包括布置在其轴上的涡轮部分，且因此为涡轮增压器。
该装置中的所述轴优选包括至少一个轴向流道，该流道从所述压缩机部分延伸到所述轴的第二轴承，用于将通过所述压缩机部分增压的气体输送到轴承，以使其冷却。
所述增压器装置优选具有两级，并且用于气体的中冷器布置在第一级之后。因此，所述轴的所述流道从所述压缩机部分的第二压缩机级的吸入侧延伸到所述轴的第二端处的轴承。
根据本发明的一种实施方式，所述增压器装置的轴的轴向轴承支撑在所述电机的主体部上，借此，它们被有效地冷却且可容易访问。
根据本发明的另一种实施方式，涡轮增压器包括联接到同一轴上的涡轮部分和压缩机部分，在该涡轮增压器中，所述轴优选包括至少一个轴向流道，该轴向流道从所述压缩机部分延伸到所述涡轮部分，用于将由所述压缩机部分增压的气体输送到所述轴的涡轮部分的轴承，以使其冷却。所述轴向流道布置成与所述压缩机部分的压力侧流体连通，并在所述涡轮部分上延伸。
根据本发明的又一种实施方式，用于涡轮增压器的轴包括用于压缩机叶轮和涡轮的联接部以及用于至少涡轮侧轴承的另一个联接部。该轴还设置有至少一个轴向流道，该流道从涡轮侧轴承朝向压缩机叶轮联接部延伸，在使用时，用于将由压缩机部分增压的气体输送到轴的涡轮部分的轴承，以使其冷却。附加地，根据本发明的一种实施方式，在将压缩机叶轮通过收缩配合的方式装配到所述轴期间，所述轴向流道输送冷却介质。
本发明的附加特征在从属权利要求中公开。
通过根据本发明的涡轮增压器装置实现一些优点。通过该装置，例如可以改善发动机的承载容量，改善其以部分负载操作/改善其在低转速下的操作以及改善其效率。通过本发明还可明显减少排放。
附图说明
在下文中，参照所附的示意图说明本发明及其操作，附图中：
图1示出了根据本发明的一种实施方式的增压器装置；
图2示出了根据本发明的另一种实施方式的、与内燃机连接的涡轮增压器装置；
图3示出了根据本发明的另一种实施方式的涡轮增压器装置；
图4示出了图3的沿III-III的剖视图；以及
图5示出了用于补偿涡轮增压器装置的轴向力的原理。
具体实施方式
图1示出了涡轮增压的活塞发动机10。该发动机包括多个气缸15，该多个气缸15例如在四冲程发动机的情况下受阀(未示出)控制地与燃烧气体收集器20和废气收集器25流体连通。燃烧气体(即，参与燃烧的气体)通常为空气，但在任何情况下包含氧气。该发动机包括涡轮增压器装置51，涡轮增压器装置51包括压缩机部分52和涡轮部分53。第二压缩机部分55与涡轮增压器装置51的压缩机部分52串联联接，电机与第二压缩机部分联接到同一轴70。压缩机部分55和电机65以这样的方式集成，即，压缩机部分的吸入管道75布置成与电机65的冷却通道80流体连通，并且用于压缩机部分55的吸入空气布置成流过电机65的通道80。这样，发动机中使用的并参与燃烧的气体(通常为燃烧空气)首先通过电机的通道80被引导，并从该通道80进一步引到压缩机部分55，压缩气体的压力在该压缩机部分55处升高。一部分燃烧气体可越过电机被直接引导到压缩机部分的吸入管道75。
该装置优选包括用于测量由压缩机部分55形成的压力的压力计90。在该情况下，涡轮增压器装置优选这样运行，即，使电机65的操作根据压力测量值以如下方式控制：向电机供应能量或者从电机吸取能量，以将由涡轮增压器装置产生的压力保持在预定的最小和最大的压力范围内。
图2示出了涡轮增压的活塞发动机10，除了其增压器装置是以不同方式实现之外，该发动机与图1中所示的发动机对应。这里，发动机包括涡轮增压器装置50，涡轮增压器装置50包括均联接到同一轴70上的压缩机部分55、涡轮部分60和电机65。该轴可形成为多件式，还可形成为一体式。当发动机运行时，废气通过废气收集器从气缸流向涡轮增压器装置50的涡轮部分60，在涡轮部分60中废气进行作业。根据本发明，压缩机部分55和/或由电机65利用该作业。压缩机部分55和电机65还以以下方式集成，即，使得将压缩机部分的吸入管道75布置成与电机65的冷却通道80流体连通，并且使压缩机部分55的吸入空气布置成流过电机65的通道80。这样，发动机的燃烧中使用的气体(通常为燃烧空气)首先经由电机的通道80被引导，并从该通道80被进一步引向压缩机部分55，压缩气体的压力在该压缩机部分55处升高。
通过根据本发明(图2中示出了本发明的一种实施方式)的增压器装置50，发动机10在各种操作情况下具有明显优点。基于涡轮增压器装置的动力平衡，电机既作为发电机运行也作为马达运行。在废气量较小的这种运行状态下，电机65可用于使压缩机部分55进行作业，并因此保持比其通过从涡轮部分接收的动力在该情况下可实现的压力更高的增压。因此，电机用作电动机，以辅助压缩机部分旋转。
在来自发动机的废气量和其包含的能量大于压缩机部分能够使用的量或者用于增压燃烧空气所需的量的状态下，电机65可用于延迟涡轮(同时还有压缩机，由于这些部件位于同一轴上)，同时用于产生电能。在该情况下，电机作为发电机。这使得可以使发动机的所有废气(即，整个废气流)能够始终引导通过涡轮部分60，从而，该装置不需要废气门或其它设备(例如可调节的进口叶片)来限制涡轮的动力。这样，根据本发明的装置能够非常有效地形成涡轮部分所需的尺寸，而无任何使增压器装置的增压力或旋转速度过分增大的风险，因为组件的转速可通过调节电机的延迟效应来控制。
该装置还包括控制单元85，该控制单元85可以是专用于涡轮增压器装置的单元或者可以是发动机的集中控制***的一部分。该控制单元布置成至少控制电机65的操作。
根据本发明的一种实施方式，本发明还涉及运行在涡轮增压器装置50中具有高负载(大于最大容量的60％)的涡轮增压发动机的方法，该涡轮增压器装置50包括联接到同一轴70上的压缩机部分55、涡轮部分60和电机65，在该方法中，将发动机的基本上整个废气流引向涡轮增压器装置的涡轮部分，在该涡轮部分处废气中的能量转换成机械作业，该机械作业用于运行涡轮增压器装置的压缩机部分并用于通过电机产生电能。在该方法中，在将燃烧空气输送到压缩机部分55之前，还可通过将热从电机65传递到燃烧空气来加热发动机的燃烧空气。
根据一种实施方式，涡轮增压器装置还包括用于测量轴的转速的测量装置127。在该情况下，涡轮增压器装置优选这样运行，即，使电机的操作根据转速的测量以如下方式被控制：向电机供应能量或者从电机吸取能量，以将涡轮增压器装置的转速保持在预定的最小和最大的转速范围内。
根据一种实施方式，涡轮增压器装置还包括用于测量由压缩机部分55产生的压力的压力计90。在该情况下，涡轮增压器装置优选这样运行，即，使电机65的操作根据压力测量值以如下方式被控制：向电机供应能量或者从电机吸取能量，以将由涡轮增压器装置产生的压力保持在预定的最小和最大的压力范围内。
图3更详细地示出了根据本发明的涡轮增压器装置50的一种实施方式，该涡轮增压器装置通过利用图2所示的原理与燃烧发动机连接。这样，形成非常紧凑的组件，通过该组件可改善发动机的操作。该涡轮增压器装置根据由发动机的操作条件确定的需求而非常灵活地操作，这使得例如相对于需要过分加大用于发动机的低转速范围的涡轮增压器的尺寸(这早就被认为是个问题)是有利的。图3中所示的涡轮增压器装置50包括主体100，主体100包括彼此连接的电机的主体部165、压缩机部分的主体部155和涡轮部分的主体部160，其中压缩机部分的主体部155适配在电机和涡轮部分的相应主体部之间。
这里的涡轮部分是轴向涡轮，其包括涡轮135和一组进口叶片131，该组进口叶片131在气体流动方向上位于涡轮135的前方。在根据图3的实施方式中的涡轮部分的后侧上，设置有扩散器132，该扩散器132的凸缘上可附接发动机的废气通道。通过箭头示出了涡轮部分中气体的流动。
压缩机部分包括彼此连接的两级径向压缩机，即，第一级56和第二级57，从第一级的压力侧到第二级的吸入侧布置有流动通道140。流动通道140设有中冷器145，从第一级流到第二级的燃烧空气在其被供应到第二级57之前可由该中冷器145冷却。两个压缩机级分别包括压缩机叶轮170、175，压缩机叶轮170、175适配在共用轴70上并分别适配在第一级和第二级的压缩机壳体180、185内，压缩机壳体180、185分别布置在主体中。用箭头示出了压缩机部分中气体的流动。
参照图3和4，涡轮增压器装置50的电机65包括：永磁体转子190，该永磁体转子190与轴70连接地布置；以及定子部200，该定子部200环绕转子。定子部支撑在电机的主体部165上，并且包括电连接202，该电连接202用于向电机传递电能或从电机向电网传递电能。定子部200包括气体流道215，气体流道215在其轴向方向上从第一端205延伸到第二端210，该通道还用作电机的冷却液通道。在该实施方式中，定子部的第一气体流道215布置在定子部的线圈部分201的径向外侧，以形成基本环形的流道，借此将电机的定子部200的线圈部分201布置在定子部和/或其主体部的流道215的径向内侧。
定子部通过径向延伸的支撑部203支撑在该定子部的外部分202上。定子与转子之间设置的气隙216用作第二气体流道。该流道同时形成用于电机65的冷却液通道和用于压缩机部分的吸入通道。优选地，压缩机部分的基本所有的或者至少大部分的吸入空气设置成流过电机的气体流道215、216。这样，实际上包括发动机的燃烧空气的气流量始终足以冷却电机，从另一方面来说，该气流量处于用于冷却的恰当温度下。电机65中的定子部和/或其主体部的气体流道215相对于电机的转子和定子部之间的气隙形成所需要尺寸，从而用于冷却的恰好足量空气流过所述气隙，借此可使冷却中的压力损失最低。
定子部和/或其主体部的布置在定子200中的气体流道215的流动横截面积超过电机65的流道的总横截面积的90％，定子部200与转子190之间的气隙216的流动横截面积小于电机65的流道的总横截面积的10％。因此，小于10％的总气流设置成流过定子部200与转子190之间的气隙216。基于此确定定子部的气体流道的横截面。其优选是电机65的气体流道的总横截面积的95％至98％，借此在机器运行时，气流可始终流过定子部200与转子190之间的气隙216。这确保转子190的冷却，但使得气隙不引起电机的磁力操作中的任何过分损失。由箭头示出电机中气体的流动。
涡轮增压器装置的轴70通过布置在该轴的第一端处的轴承125和布置在其第二端处的轴承130可旋转地支撑在主体上。轴70可基本为分件式刚性轴，或者其可制成为一体式轴。第一端处的轴承125支撑在电机65的主体部165上，第二端处的轴承130支撑在涡轮部分的主体部160上。电机的主体部165包括开口220，该开口220设置在主体部的壳体中或者布置在其一端处，用于使压缩机部分的吸入空气能够流到电机的定子部的第一端205的侧部。在该实施方式中，开口径向打开，但其它方案也是可行的。在根据图3的实施方式中，第一端处的轴承包括径向轴承***125.1和轴向轴承***125.2。这些***布置用于润滑油的入口和出口225。第一端处的轴承的壳体构造受面向定子部的第一端205的气流空间的限制，借此压缩机部分的吸入空气还用作用于冷却第一端处的轴承的壳体构造的介质。实际上中，径向轴承***优选为滑动轴承***。
轴70的第二端(面向涡轮部分的一端)处的轴承130在该实施方式中仅包括径向轴承***。第二端处的轴承130包括轴承壳体，该轴承壳体在该实施方式中适配在涡轮部分60的主体部中，但是轴的第二端处的轴承的位置在一些应用中还可以位于涡轮部分60内，借此废气对轴承温度的影响小于图中所示的情形。润滑油的入口和出口230布置成用于轴承以及主体部。涡轮部分的温度因从其流过的废气因此较高，借此与轴的第二端处的轴承一起进行冷却。冷却装置包括至少一个轴向通道242，该轴向通道242从轴70的一端延伸经过第二端处的轴承，并且在该通道的一端处具有至少一个径向通道240，该径向通道240从轴70的表面延伸到轴向通道242。轴向通道242优选延伸到第二涡轮级57的吸入侧，到达气流中中冷器之后的点。在该实施方式中，径向通道240分别布置在第一压缩机级56和第二压缩机级57的压缩机叶轮170、175之间的区域中的轴70上。在操作时，在第一压缩机级56之后，已处于被升压并由中冷器冷却的气体(空气)沿通道240、242经过轴的第二端处的轴承130并在轴内流动，以将轴承的温度保持得较低。气体从通道242排出到涡轮部分的扩散器中，并通过涡轮135的间隙从该扩散器排到废气通道中。
通过将低温流体通过通道引导到轴70中，以降低轴的温度并减小其直径，通道240、242还可用于分离涡轮和第二压缩机级的压缩机叶轮，同时，通过加热所述涡轮或压缩机叶轮而分开轴与涡轮或第二压缩机级的压缩机叶轮之间的收缩配合。
为了降低推力轴承(即，轴向轴承)上的负载，根据本发明的实施方式，补偿由压缩机叶轮和涡轮在正常操作位置上产生的轴向力或至少使其最小。图5中示出形成密封的原理。如下所述通过两级式压缩部分55中的压缩机叶轮170、175的轴密封而提供密封。密封件250以一定方式布置在压缩机叶轮后面，即，布置在相对于叶片叶轮的相对侧上的径向压缩机中。该密封件由迷宫密封形成。在图5中，实线箭头401、402示出推动推力轴承的力，虚线箭头403、404表示拉动推力轴承的力。力401、402、403和404由压缩机部分产生，而力405由涡轮部分产生。双点线箭头406示出在正常的操作状态下施加至推力轴承上的负载。根据本发明的一种实施方式，影响压缩机级的总力被调节成使其与由涡轮部分60施加至轴70上的轴向力405的±10％的精度对应，借此，在正常的操作状态下，施加在推力轴承上的负载大约为由涡轮施加在轴上的轴向力的±10％。从而，正常状态下轴向力很小，这导致推力轴承上的负载也很小，并由此其寿命变长。大体实现该类平衡状态，使得第二压缩机级的密封件250布置在轴70与主体部55之间以及第二压缩机叶轮175与主体部155之间。这在压缩机叶轮后部提供了相对于施加在那里的和施加在涡轮增压器装置的其它部件上的压力和/或力的适当表面积，使得能够实现力平衡。
应注意，上述仅描述了本发明的几个最有利的实施方式。因此应清楚，本发明不限于上述实施方式，而是在所附的权利要求的范围内，可结合不同的活塞发动机被实施成许多方式。本发明既可被应用至四冲程也可被应用至两冲程发动机，这些发动机由液体和/或气体燃料驱动。如果特别期望或者如果存在这样的技术可行性，结合不同实施方式描述的特征最好可与其它实施方式一起使用和/或可在本发明的范围和基本理念内形成所述特征的各种结合。

Claims (15)

1.一种用于活塞发动机的增压器装置(50)，该增压器装置包括联接到同一轴(70)上的压缩机部分(55)和电机(65)，其中，所述电机设置有至少一个气体流道(215，216)，所述压缩机部分的吸入管道布置成与所述电机(65)的所述气体流道(215，216)流体连通，使得用于所述压缩机部分的吸入空气布置成流过所述电机的所述至少一个气体流道，以提供对所述电机(65)的冷却，所述增压器装置的特征在于，所述电机(65)的所述气体流道包括：位于所述电机的转子与定子部之间的气隙(216)；以及所述定子部和/或其主体部的布置在所述定子部(200)中的气体流道(215)。
2.根据权利要求1所述的增压器装置，其特征在于，用于所述压缩机部分(55)的所述吸入空气的大部分布置成流过所述电机的所述至少一个气体流道(215，216)。
3.根据权利要求1所述的增压器装置，其特征在于，所述压缩机部分(55)至少包括第一压缩机级(56)和第二压缩机级(57)，所述压缩机部分的所述第一压缩机级(56)的吸入管道布置成与所述电机的所述气体流道(215，216)流体连通，使得用于所述压缩机部分的所述第一压缩机级的吸入空气布置成流过所述电机(65)的所述气体流道。
4.根据权利要求3所述的增压器装置，其特征在于，流过所述第一压缩机级(56)的基本所有气体被引导到所述第二压缩机级(57)。
5.根据权利要求1所述的增压器装置，其特征在于，所述电机(65)的所述定子部和/或其主体部的所述气体流道(215)的尺寸根据所述电机的所述转子与所述定子部之间的所述气隙(216)形成，使得恰好足够量的用于冷却的空气流过所述气隙，借此使冷却中的压力损失最小。
6.根据权利要求1所述的增压器装置，其特征在于，所述电机的所述定子部(200)的线圈部分(201)布置在所述定子部和/或其主体部的所述气体流道(215)径向内侧。
7.根据权利要求1所述的增压器装置，其特征在于，所述定子部和/或其主体部的布置在所述定子部(200)中的所述气体流道(215)的流动横截面积超过所述电机(65)的气体流道的总横截面积的90％。
8.根据权利要求1所述的增压器装置，其特征在于，所述定子部的所述气体流道的横截面为所述电机(65)的所述气体流道的总横截面积的95％至98％。
9.根据权利要求1所述的增压器装置，其特征在于，所述轴(70)包括至少一个轴向流道(242)，该至少一个轴向流道从所述压缩机部分延伸到所述轴(70)的第二轴承，用于将通过所述压缩机部分增压的气体输送到轴承(130)，以使其冷却。
10.根据权利要求9所述的增压器装置，其特征在于，该增压器装置为包括涡轮部分(60)的涡轮增压器装置，并且第二端处的所述轴承(130)位于面向所述涡轮部分(60)的轴端处。
11.根据权利要求9所述的增压器装置，其特征在于，所述压缩机部分具有两级，所述流道(240，242)从所述压缩机部分(55)的所述第二压缩机级(57)的吸入侧延伸到所述轴(70)的第二端处的所述轴承。
12.根据权利要求9所述的增压器装置，其特征在于，所述轴(70)的径向轴承(125.1，130)通过所述电机(65)的所述主体部(165)支撑在第一端处，并通过所述涡轮部分(60)的主体部(160)支撑在第二端处。
13.根据权利要求10所述的增压器装置，其特征在于，轴向轴承(125.2)通过所述电机的所述主体部(165)支撑。
14.根据权利要求10所述的增压器装置，其特征在于，轴向轴承(125.2)布置在所述涡轮部分中，并且通过所述涡轮的主体部支撑。
15.根据前述权利要求中任一项所述的增压器装置，其特征在于，该增压器装置为包括涡轮部分(60)的涡轮增压器装置，并且所述压缩机部分(55)、所述涡轮部分(60)和所述电机(65)布置在所述轴(70)上，使得所述压缩机部分轴向适配在所述电机与所述涡轮部分之间。
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