FR2575523A1 - Dispositif et procede d'injection de carburant assiste par air ou gaz comprime dans un moteur - Google Patents

Dispositif et procede d'injection de carburant assiste par air ou gaz comprime dans un moteur Download PDF

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Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF ET UN PROCEDE PERMETTANT L'INJECTION PNEUMATIQUE DU CARBURANT DANS UN MOTEUR. LE DISPOSITIF SE CARACTERISE EN CE QU'IL COMPORTE AU MOINS UNE CANALISATION AUXILIAIRE 20 AYANT DEUX EXTREMITES, DONT L'UNE EST RELIEE A UNE TUBULURE D'ECHAPPEMENT 16 ET L'AUTRE A UN ORGANE D'INJECTION 12. APPLICATION AU MOTEUR A COMBUSTION INTERNE.

Description

]-1 La présente invention concerne un dispositif et un procédé permettant
et/ou améliorant l'injection de carburant assistée par air ou gaz comprimés, ou injection pneumatique sur un moteur à combustion interne. La présente invention est, notamment, applicable à un moteur deux temps à balayage en air, que celui-ci provienne ou non du carter. Dans le cas particulier du moteur deux temps à balayage par le carter pendant une partie importante du cycle d'admission d'air et de carburant, les orifices de transfert et d'échappement sont ouverts simultanément et une partie du mélange air-carburant admis s'échappe dans l'atmosphère avant la fermeture des orifices d'échappement. D'o une réduction sensible du rendement et de fortes émissions de polluants. L'injection de carburant par air assisté provenant du carter permet de remédier à cet inconvénient. Un exemple a été proposé par M. J.A. CULMANN (brevet n 490.166). Le balayage du cylindre ne se fait qu'avec de l'air seul provenant du carter pompe, une autre partie de l'air du carter étant introduite sous une pression voisine de la pression maximale carter dans une chambre étanche, source d'air comprimé alimentant en air le dispositif d'injection pneumatique de carburant. - 2 - Il a été constaté qu'un tel dispositif avait un meilleur fonctionnement lorsqu'il était alimenté en air comprimé à une pression
plus élevée.
Le dispositif suivant l'invention utilise les effets d'onde de pression échappement pour augmenter la pression de cette chambre étanche avec de l'air et/ou des gaz d'échappement. Dans le cas d'effets d'onde de pression suffisants, il peut même être envisagé d'obtenir la pression dans la chambre étanche uniquement avec ceux-ci, sans utiliser d'air comprimé venant du carter. Il en résulte une meilleure qualité de l'injection pneumatique, une augmentation du remplissage en air du moteur, une augmentation de la quantité de gaz brûlés résiduels d'o une réduction des émissions d'oxydes d'azote, une récupération partielle du carburant court-circuité à l'échappement et une possible réduction du bruit dû aux effets d'ondes de pression échappement. Ainsi, la présente invention concerne un moteur à combustion interne comportant un organe d'injection pneumatique du carburant et une tubulure d'échappement. Elle se caractérise en ce que le moteur comporte une canalisation qui sera dite auxiliaire ayant deux extrémités ou ouvertures, l'une étant reliée à ladite tubulure
d'échappement et l'autre audit organe d'injection.
La canalisation auxiliaire pourra comporter un organe d'obstruction telle une soupape ou un clapet anti-retour, cet organe s'ouvrant par intermittence du fait de commande mécanique tel des cames, pneumatique, électropneumatique, etc. Selon une variante, lorsque l'invention est appliquée à un moteur deux temps comportant un carter pompe et une canalisation 17 reliant ledit carter audit organe d'injection, la canalisation auxiliaire pourra relier la tubulure d'échappement à l'organe d'injection via ladite
canalisation proyenant du carter pompe.
3 - On ne sortira pas du cadre de la présente invention si la canalisation auxiliaire comporte une troisième ouverture débouchant sur une source d'air et un organe d'obstruction placé sur ladite ouverture telle une
soupape ou un clapet anti-retour.
L'extrémité de la canalisation auxiliaire reliée à la canalisation d'échappement pourra être de préférence positionnée sur cette
canalisation à un endroit o l'onde de pression est maximum.
La présente invention peut être appliquée à un moteur comportant au moins deux cylindres, chacun de ces cylindres ayant une tubulure d'échappement et un organe d'injection. Dans ce cas, le moteur pourra également comporter au moins deux canalisations auxiliaires croisées, chacune d'elles reliant la tubulure d'échappement de l'un des
cylindres à l'organe d'injection de l'autre cylindre.
Si ce moteur est un moteur deux temps dont les cylindres comportent un carter pompe et un conduit de transfert, il pourra également comporter au moins deux canalisations, chacune d'elles reliant le carter pompe de l'un des cylindres, ou cylindre considéré, à l'organe d'injection de ce même cylindre et en ce que chacune des canalisations auxiliaires relie la tubulure d'échappement de l'autre cylindre à l'organe d'injection du cylindre considéré via au moins une portion de la canalisation reliant le carter pompe du cylindre considéré à l'organe
d'injection de ce même cylindre.
La présente invention peut être appliquée à un moteur deux temps ayant au moins deux cylindres équipés chacun d'un carter pompe. Dans ce cas, le moteur pourra comporter au moins deux canalisations, chacune d'elles reliant le carter pompe de l'un des cylindres à l'organe
d'injection de l'autre cylindre.
On ne sortira pas du cadre de la présente invention si le moteur comporte au moins deux canalisations auxiliaires, chacune d'elles - 4 - reliant la tubulure d'échappement de l'un des cylindres, ou cylindre considéré, à l'organe d'injection de ce même cylindre via, au moins, une portion de la canalisation reliant le carter pompe de l'autre
cylindre à l'organe d'injection du cylindre considéré.
De même, on ne sortira pas du cadre de la présente invention si le moteur comporte au moins deux canalisations auxiliaires, chacune d'elles reliant la tubulure d'échappement de l'un des cylindres, ou cylindre considéré, à l'organe d'injection de l'autre cylindre via, au moins, une portion de la canalisation reliant le carter pompe du
cylindre considéré à l'organe d'injection de l'autre cylindre.
Ainsi, il apparait que, dans le cas des multicylindres, la présente invention permet de nombreuses combinaisons des communications entre les tubulures d'échappement des différents cylindres et les organes d'injection, ainsi qu'entre les carters pompes, le cas échéant, et les
organes d'injection.
Des combinaisons similaires sont également possibles dans le cadre de la présente invention, notamment, lorsque le moteur comporte un collecteur d'échappement ou s'il comporte une chambre commune communiquant avec plusieurs carters pompes et au moins un organe d'injection. Par exemple, on ne sortira pas du cadre de la présente invention si une canalisation auxiliaire est reliée à un organe
d'injection via, ou non, la chambre commune.
La présente invention concerne également un procédé pour effectuer l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne équipé d'un organe - d'injection pneumatique et d'une canalisation
d'échappement.
Ce procédé se caractérise en ce que l'on établi une communication
entre l'échappement et l'organe d'injection.
- 5 - Lorsque le procédé est appliqué à un moteur deux temps comportant un carter pompe, une partie des gaz comprimés provenant du carter pompe et qui est dirigé vers l'organe d'injection pourra être combiné avec les gaz provenant de la communication établie entre l'échappement et l'organe d'injection. Les avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en
évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non
limitatif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement et en coupe un moteur deux temps à balayage par le carter, avec injection de carburant assistée par air ou gaz comprimé provenant d'un tube ou d'une chambre étanche alimenté en air par le carter et équipé du dispositif suivant l'invention, - la figure 1A montre un mode de réalisation de l'invention, - les figures 2 à 6 illustrent le fonctionnement de te moteur, - les figures 7, 8 et 9 représentent des variantes de réalisation, et - les figures 10, ll et 12 représentent des exemples d'applications
particuliers dans le cas de moteurs multicylindres.
La figure 1 est une représentation schématique d'un cylindre d'un moteur deux temps à injection de carburant assistée par air comprimé
et équipé d'un dispositif suivant l'invention.
La référence 1 désigne le cylindre fermé à sa partie supérieure par la culasse 2 et qui communique à sa partie inférieure avec un carter
étanche 3.
-6- Dans le cylindre se déplace le piston 4 relié par la bielle 5 au
vilebrequin 6.
Des lumières 7 pratiquées dans la paroi du cylindre 1 communiquent avec la tubulure d'échappement schématisée en 8. Des lumières 9 pratiquées dans la paroi du cylindre 1 permettent l'introduction d'air dans le cylindre. Ces lumières 9 communiquent
avec le carter étanche 3 par le canal de transfert 10.
Les lumières 7 et 9 ont la disposition et les dimensions connues dans la technique pour assurer un remplissage efficace du cylindre et une
évacuation aussi complète que possible des gaz brûlés.
Le carter 3 est pourvu d'un orifice ll d'admission d'air équipé d'un
clapet schématisé en lla et qui est par exemple un clapet à lame.
L'orifice ll est relié à un filtre à air non représenté. Le clapet lla est ouvert et laisse pénétrer l'air dans le carter 3 lorsque la pression dans le carter est inférieure à la pression de l'air d'alimentation. Le clapet lia se ferme dès que la pression dans le
carter 3 est supérieure à la pression de l'air d'alimentation.
Le carter 3 communique avec une chambre étanche 17 de volume V par un
orifice 18 équipé d'un clapet 19 tel qu'un clapet à lame.
Le clapet 19 s'ouvre pour mettre la chambre 17 en communication avec le reste du carter lorsque la pression dans la chambre 17 est inférieure à la pression régnant dans le reste du carter. Le clapet se ferme, isolant la chambre 17 du reste du carter, lorsque la pression dans la chambre 17 est supérieure à la pression régnant dans le reste
du carter.
Un organe d'injection pneumatique du carburant schématisé en 12, permet d'introduire dans le cylindre 1 un mélange d'air carburé sous -_7-_ pression. A cet effet, l'organe 12 est relié à une canalisation 13 d'alimentation en carburant et à une canalisation 14 d'alimentation en air et/ou gaz comprimés qui communique avec la chambre 17. Cet organe
et ses moyens de commande seront décrits en détail ci-après.
La culasse 2 porte également une bougie d'allumage 15 dont le circuit
électrique d'alimentation n'a pas été représenté.
Le dispositif selon l'invention comporte un tube ou canalisation auxiliaire 20 reliant la tubulure d'échappement 16 avec la chambre étanche 17, la communication entre le tube 20 et la chambre étanche 17 se faisant par un orifice 21 équipé d'un clapet 22 tel qu'un clapet à lame. Le clapet 22 s'ouvre pour mettre le tube 20 en communication avec la chambre étanche 17 lorsque la pression dans le tube est supérieure à la pression régnant dans la chambre étanche. Le clapet 22 se ferme, isolant la chambre 17 du tube 20, lorsque la pression dans la chambre
est supérieure à celle régnant dans le tube 20.
Le fonctionnement du moteur est décrit ci-après en se référant aux
figures 2 à 6.
Sur la figure 2, le piston 4 a atteint le point mort haut en se déplacant vers la culasse 2. Les lumières d'admission 9 et d'échappement 7 sont obturées par le piston 4, le clapet lla est
ouvert laissant pénétrer l'air dans le carter à travers l'orifice 11.
Le clapet 19 est fermé. Le clapet 22 est fermé.
Sous l'action de la combustion déclenchée par la bougie d'allumage 15, le piston 4 s'éloigne de la culasse 2 en comprimant l'air contenu dans le carter 3 ce qui provoque la fermeture du clapet l1a. Lorsque la pression est supérieure à celle régnant dans la chambre 17, le clapet 19 s'ouvre (Fig. 3). La pression dans l'ensemble du carter continu à
monter au fur et à mesure du déplacement du piston 4.
- 8 - Lorsque l'ouverture brutale des lumières d'échappement 7 se produit (Fig. 4) une onde incidente de pression élevée (bouffée d'échappement) se forme et se propage dans la tubulure d'échappement 16 et dans le tube 20. Lorsque cette onde de pression positive atteint l'orifice 21, la pression étant plus élevée dans le tube 20 que dans la chambre 17, le clapet 22 s'ouvre et une partie du gaz contenu dans le tube 20 (gaz d'échappement constitués d'un mélange de gaz brûlés, d'air et éventuellement de carburant provenant du court-circuitage) est
introduite dans la chambre 17 dont la pression est ainsi augmentée.
Lorsque le piston découvre les lumières de transfert 9 (Fig. 5) l'air sous pression contenu dans le carter 3 est introduit dans le cylindre 1 via le canal de transfert 10 et les lumières 9. La pression dans le carter diminue et le clapet 19 se ferme. La pression de l'air stocké dans la chambre 17 serait alors égale à la pression maximale atteinte dans l'ensemble du carter 3, si le moteur n'était pas équipé du
dispositif suivant l'invention.
La longueur de tube 20 peut être calculée de telle façon que l'onde de pression échappement positive arrive à l'orifice 21 pour remplir la chambre 17 après l'ouverture des lumières de transfert 9, c'est-à-dire quand le carter 3 a fini d'alimenter la chambre 17 afin de ne pas perturber ou diminuer cette alimentation, ceci est particulièrement vrai lorsqu'il y a un retard entre l'ouverture de la lumière de transfert relativement à l'ouverture des lumières d'échappement. La forme du tube 20 est étudiée pour favoriser l'effet d'onde. Cela peut être un tube dont la courbure est régulière et pouvant aussi comporter des changements de sections brusques ou progressifs par exemple sous
la forme de cônes divergents ou convergents.
Ainsi, lorsque l'organe 12 est actionné, il est alimenté en air et en
gaz d'échappement par la canalisation 14 à une pression maximale.
L'instant d'introduction du mélange carburé sous pression est déterminé par le réglage des moyens de commande de l'organe 12 pour -9- qu'il n'y ait pratiquement aucune perte de mélange carburé par les lumières d'échappement, la pression d'alimentation de l'injecteur à
cet instant étant supérieure à celle régnant dans le cylindre.
Puis le piston 4 se déplace vers la culasse 2 créant une compression du mélange carburé dans le cylindre 1 et une dépression dans le carter 3. Le clapet 19 reste fermé tandis que le clapet lla s'ouvre laissant
pénétrer l'air dans le carter 3 (Fig. 6).
Les étapes de fonctionnement décrites ci-dessus sont alors reproduites
dans le même ordre.
On ne sortirait toutefois pas du cadre de l'invention en disposant l'organe 12 de pulvérisation du carburant implanté dans la culasse 2 du moteur dans le canal de transfert 10 pour qu'il réalise l'introduction du mélange carburé au travers des orifices d'admission
comme le montre schématiquement la figure 7.
Bien entendu, l'emplacement exact d'implantation de l'organe 12 sur la culasse 2 ou le canal de transfert 10 sera déterminé par le technicien pour que la quantité de mélange carburé qui s'échappe par les lumières
7 avant d'avoir brûlée soit nulle ou aussi faible que possible.
D'une manière plus générale, le même dispositif peut aussi fonctionner et dans certains cas, donner une pression dans la chambre étanche suffisante seulement en utilisant le dispositif suivant l'invention et en supprimant la communication 18, la chambre 17 et les clapets 19
(Fig. MA).
On ne sortira pas du cadre de la présente invention en appliquant l'invention à un moteur quatre temps ou à un moteur deux temps
comportant des soupapes.
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- 10 -
Une variante au dispositif consiste à ajouter au moteur complet précédemment décrit sur le tube 20 un tube court 23 débouchant à l'air libre ou dans un filtre à air par l'orifice 24. L'orifice est équipé
d'un clapet 25 qui peut être par exemple un clapet à lame (Fig. 8).
Lorsque l'onde de pression échappement positive a atteint l'orifice 21 et participé au remplissage de la chambre 17, c'est-à-dire lorsque le clapet 22 est fermé, elle peut être suivie moyennant une configuration de la tubulure d'échappement adaptée, par une onde de pression négative qui après passage dans le tube 23 atteint l'orifice 24 et provoque l'ouverture du clapet 25, la pression dans le tube 23 étant alors inférieure à la pression atmosphérique de l'air extérieur. De
l'air est donc introduit et aspiré dans les tubes 20 et 23.
C'est cet air au lieu des gaz d'échappement qui va ensuite au cycle moteur suivant être introduit par l'orifice 21 dans la chambre 17 conformément au mécanisme précédemment décrit utilisant l'onde de pression échappement positive provenant de l'ouverture brutale des
lumières d'échappement 7.
L'emplacement 26 (que ce soit dans le cas des figures 1, lA ainsi que dans celui de la figure 8) du raccordement du tube 20 sur la tubulure d'échappement 16 est judicieusement choisi pour obtenir un effet
d'onde suffisant.
I1 pourra être envisagé dans le cas d'un effet d'onde insuffisant pour ouvrir le clapet 22 et donc pour atteindre dans le tube 20 une pression supérieure à celle de la chambre étanche 17, d'utiliser toute configuration d'échappement ou tout dispositif permettant d'augmenter
artificiellement les effets d'onde de pression.
Un exemple d'un tel dispositif peut être un papillon 27 placé juste après le raccordement 26 dans la tubulure 16 (Fig. 9) dont l'angle d'ouverture peut être corrigé suivant les caractéristiques de
fonctionnement du moteur.
- 11 -
Dans le cas d'un moteur multicylindre deux temps, différentes combinaisons pourraient être envisagées: une chambre étanche par cylindre, c'est le cas des figures 10, ll et 12, ou au contraire commune à différents cylindres. Dans le premier cas, ces chambres étanches 17, 17a, 17b et/ou 17c pourront être alimentées par le carter 3, 3a, 3b et/ou 3c du cylindre dans lequel elles injectent l'air, cas des figures 12 et éventuellement 1 ou au contraire par le carter d'un des autres cylindres, cas des figures 10 et 11. De même chaque tube 20 suivant l'invention correspondant à l'injection dans un cylindre pourrait être en fait branché (communication 26) sur la tubulure d'échappement 16 du même cylindre, cas des figures 10, 11 et éventuellement 1, aussi bien que sur celle d'un cylindre différent,
cas de la figure 12.
Un exemple d'application particulier pourrait être dans le cas d'un multicylindre, d'avoir la chambre étanche gonflée par le carter d'un autre cylindre et l'échappement communiquant avec la chambre étanche servant à l'injection dans son propre cylindre. Dans ce cas, un tube très court peut être suffisant car il n'est plus indispensable que l'onde positive arrive après l'ouverture des lumières de transfert. On peut aussi dans ce cas utiliser la géométrie du tube 20 pour augmenter les effets d'onde de pression (par exemple par un tube 20 court et convergent) . Les figures 10 et 11 représentent donc de telles applications à des moteurs 2 et 3 cylindres. Le principe est généralisable à des moteurs
à un nombre de cylindres supérieurs.
Inversement une autre possibilité (Fig. 12) est que chaque cylindre ait sa chambre étanche personnelle alimentée par son propre carter et
par un tube 20 provenant de l'échappement d'un des autres cylindres.
Enfin, une autre possibilité est d'utiliser une chambre étanche commune à tous les cylindres ou seulement à quelques cylindres et
- 12 -
alimentée-par chaque carter du moteur et par des tubes 20 provenant de chaque échappement, cette chambre étanche étant reliée à au moins
certains organes d'injection du moteur.
- 13 -
R E V E N D I C AT I ON S
1. - Moteur à combustion interne comportant au moins un organe d'injection pneumatique (12) du carburant et au moins une tubulure d'échappement (16), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une canalisation auxiliaire (20) ayant deux extrémités ou ouvertures, dont l'une est reliée à ladite tubulure d'échappement (16) et l'autre audit
organe d'injection (12).
2. - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite canalisation auxiliaire (20) comporte un- organe d'obstruction (22)
telle une soupape ou un clapet anti-retour.
3. - Moteur deux temps selon la revendication 1 comportant un carter pompe (3), un conduit de transfert (10) et une canalisation (17) reliant ledit carter audit organe d'injection (12), caractérisé en ce que ladite canalisation auxiliaire (20) relie ladite tubulure d'échappement (16) audit organe d'injection (12) via une portion (14) au moins de ladite canalisation provenant du carter pompe (17) et en ce que ladite canalisation provenant du carter pompe comporte un organe d'obstruction (18), telle une soupape ou un clapet anti-retour, cet organe étant localisé avant le raccordement de ladite canalisation
auxiliaire à ladite canalisation provenant du carter.
4. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite canalisation auxiliaire (20) comporte une troisième ouverture (23) débouchant sur une source d'air et un organe d'obstruction (25) placé
sur ladite ouverture telle une soupape ou un clapet anti-retour.
5. - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité (26) de la canalisation auxiliaire (20) reliée à la canalisation d'échappement (16) est positionnée sur cette canalisation
à un endroit o l'onde de pression est maximum.
- 14 -
6. - Moteur selon la revendication 1 comportant au moins deux cylindres dont chacun comporte une tubulure d'échappement et un organe d'injection, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux canalisations auxiliaires croisées, chacune d'elles reliant la tubulure d'échappement de l'un des cylindres à l'organe d'injection de
l'autre cylindre.
7. - Moteur deux temps selon la revendication 6, chacun desdits cylindres comportant un carter pompe et un conduit de transfert, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux canalisations (17, 17a, Fig. 12), chacune d'elles reliant le carter pompe (3, 3a) de l'un des cylindres, ou cylindre considéré, à l'organe d'injection (12, 12a) de ce même cylindre et en ce que chacune des canalisations auxiliaires (20, 20a) relie la tubulure d'échappement de l'autre cylindre à l'organe d'injection-du cylindre considéré via au moins une portion de la canalisation reliant le carter pompe du cylindre considéré à
l'organe d'injection de ce même cylindre.
8. - Moteur deux temps selon la revendication 1 comportant au moins deux cylindres, chacun de ces cylindres ayant chacun un carter pompe, un conduit de transfert, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux canalisations (17, 17a, Fig. 10), chacune d'elles reliant le carter pompe de l'un des cylindres à l'organe d'injection de l'autre
cylindre (12, 12a).
9. - Moteur selon la revendication 8, dans lequel chaque cylindre comporte une tubulure d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux canalisations auxiliaires, chacune d'elles reliant la tubulure d'échappement de l'un des cylindres, ou cylindre considéré, à l'organe d'injection de ce même cylindre via, au moins, une portion de la canalisation reliant le carter pompe de l'autre cylindre à l'organe
d'injection du cylindre considéré.
- 15 -
10. - Moteur selon la revendication 8, dans lequel chaque cylindre possède une tubulure d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux canalisations auxiliaires, chacune d'elles reliant la tubulure d'échappement de l'un des cylindres, ou cylindre considéré, à l'organe d'injection de l'autre cylindre via, au moins, une portion de la canalisation reliant le carter pompe du cylindre considéré à
l'organe d'injection de l'autre cylindre.
11. - Moteur deux temps selon la revendication 1 comportant au moins deux cylindres ayant chacun un carter pompe, un conduit de transfert, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre commune reliée auxdits carters pompes via des organes d'obstructions tels une soupape ou des clapets anti-retour, ladite chambre étant, par ailleurs, reliée à au moins un organe d'injection, et en ce que au moins une canalisation
auxiliaire est reliée audit organe d'injection.
12. - Moteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite chambre commune et ladite canalisation auxiliaire sont reliées à un
même organe d'injection via une canalisation commune.
13. - Procédé pour effectuer l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne équipé d'un organe d'injection pneumatique et d'une canalisation d'échappement, caractérisé en ce que l'on établit une
communication entre l'échappement et l'organe d'injection.
14. - Procédé selon la revendication 13 appliqué à un moteur deux temps comportant un carter pompe, caractérisé en ce qu'une partie des gaz comprimés provenant du carter pompe est dirigée vers l'organe d'injection et se combine avec les gaz provenant de ladite
communication entre l'échappement et l'organe d'injection.
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