ITBO990690A1 - Metodo per la stima del rapporto stechiometrico del carburante per unsistema di controllo di un motore a combustione interna . - Google Patents
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Description
D E S C R IZ ION E
di Brevetto per Invenzione Industriale,
La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la stima del rapporto stechiometrico del carburante per un sistema di controllo di un motore a combustione interna .
Come è noto, i motori a combustione interna attualmente disponibili, in particolare quelli ad accensione comandata, possono utilizzare diversi tipi di carburante, come ad esempio benzina o alcool, ciascuno dei quali richiede una particolare calibrazione di determinati parametri. In particolare, il valore stechiometrico del rapporto aria combustibile o, più semplicemente, il rapporto stechiometrico, che risulta essenziale al fine di un corretto controllo del funzionamento del motore, varia notevolmente da caso a caso. Ad esempio, infatti, il rapporto stechiometrico è pari a 14,56 per la benzina, mentre è circa 9 per l'alcool .
È ovviamente possibile effettuare un’unica calibrazione prima della messa in commercio del motore, ma in questo modo viene imposto il vincolo di utilizzare esclusivamente il tipo di carburante per il quale è stata effettuata la calibrazione. Ciò risulta svantaggioso per il fatto che, mentre in molti Paesi è possibile reperire un solo tipo di carburante, che dunque sarà presumibilmente l'unico a venire utilizzato nella vita del veicolo, in altri Paesi sono distribuiti sia la benzina, sia l'alcool. Di conseguenza, è possibile che nel serbatoio che alimenta il motore siano presenti entrambi i tipi di combustibile. Inoltre, accade comunemente che un serbatoio parzialmente pieno di un tipo di carburante venga rabboccato con carburante di tipo diverso'. Di conseguenza, al motore viene alimentata una miscela di combustibili, la cui composizione non è nota a priori e ha rapporto stechiometrico compreso fra 9 e 14,56.
Si pone perciò il problema di rendere possibile, su ciascun singolo motore, l’utilizzo di combustibili differenti, in tempi successivi.
Una soluzione nota consiste nel dotare il sistema di controllo di un apposito sensore, che permetta di effettuare misure della conduttività o della costante dielettrica del carburante, in base alle quali è possibile risalire al tipo di combustibile in uso o, eventualmente, alla composizione della miscela alimentata al motore.
Tale soluzione, tuttavia, presenta alcuni inconvenienti .
Infatti, l'impiego di un sensore aggiuntivo comporta innanzi tutto un aggravio dei costi di produzione del motore. Inoltre, l'aumento del numero di componenti del sistema di controllo rende il sistema stesso più facilmente soggetto a malfunzionamenti dovuti a guasti o a usura delle parti e, nel tempo, l'affidabilità può risultare compromessa.
Scopo della presente invenzione è fornire un metodo per il riconoscimento del carburante che sia privo degli inconvenienti descritti e, in particolare, non comporti l'aggiunta di componenti nel sistema di controllo .
In base alla presente invenzione viene pertanto fornito un metodo per la stima del rapporto stechiometrico del carburante per un sistema di controllo di un motore a combustione interna comprendente mezzi sensori di ossigeno e un'unità di controllo; detti mezzi sensori di ossigeno essendo disposti lungo un condotto di scarico e fornendo un segnale di composizione rappresentativo di un titolo di gas di scarico presenti nel condotto di scarico; detta unità di controllo comprendendo mezzi di controllo fornenti un parametro di controllo in funzione di una grandezza errore data dalla differenza fra una grandezza attuale, correlata a detto segnale di composizione, e una grandezza di riferimento; mezzi di stima riceventi un parametro di controllo filtrato, correlato a detto parametro di controllo, e fornenti un rapporto stechiometrico reale (A/F)f; caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di:
a) rilevare un andamento di detto parametro di controllo filtrato;
b) calcolare detto rapporto stechiometrico reale (A/F)F in funzione di detto andamento.
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene descritta nel seguito una sua forma preferita di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 è uno schema a blocchi semplificato di un sistema di controllo di un motore a combustione interna implementante il metodo secondo la presente invenzione;
- la figura 2 è una grafico relativo alla caratteristica titolo-tensione di un sensore di ossigeno, presente nel sistema di controllo di figura 1;
- la figura 3 è un diagramma di flusso relativo al presente metodo;
- .la figura 4 è uno schema a blocchi semplificato di un sistema di controllo di un motore a combustione interna implementante una variante del presente metodo;
- la figura 5 è una grafico relativo alla caratteristica titolo-tensione di un sensore di ossigeno, presente nel sistema di controllo di figura 4; e
- la figura 6 è un diagramma di flusso relativo alla variante del presente metodo.
Con riferimento alla figura 1, un sistema di controllo 1 di un motore a combustione interna 2 comprende un sensore di ossigeno 4 e un'unità di controllo 5. Il sensore di ossigeno 4, ad esempio una sonda LAMBDA di tipo ON/OFF, avente la caratteristica titolo-tensione mostrata in figura 2, è disposto lungo un condotto di scarico 6 del motore 2, immediatamente a ridosso di quest'ultimo. In uso, il sensore di ossigeno 4 è immerso nei gas di scarico prodotti dalla combustione di una miscela formata da una massa d'aria QA, alimentata al motore 2 attraverso un collettore di aspirazione 7 e di una quantità di carburante QF. Inoltre, il sensore di ossigeno 4 fornisce all'unità dì controllo 5 un segnale di composizione V\, rappresentativo del titolo allo scarico λ, ossia della quantità di ossigeno presente nei gas di scarico, e avente almeno un primo valore di composizione, indicativo di valori di titolo allo scarico (minori di 1 (miscela ricca), e un secondo valore di composizione, indicativo di valori di titolo allo scarico (maggiori di 1 (miscela magra) . Preferibilmente, il segnale di composizione V(è un segnale di tensione.
All'interno dell'unità di controllo 5, il segnale di composizione V(viene fornito a un ingresso sommatore 8a di un nodo sommatore 8, ricevente inoltre, a un ingresso sottrattore 8b, un segnale di riferimento VR (in particolare, una tensione di riferimento), rappresentativo di un titolo obiettivo λ°. Un segnale di errore VE, fornito in uscita dal nodo sommatore 8, viene alimentato a un controllore 10, ad esempio un controllore ad azione proporzionale-integrale, di tipo PI, che genera un parametro di controllo K02.
Un blocco di calcolo 11, ricevente il parametro di controllo K02 dal controllore 10 e un rapporto stechiometrico memorizzato (A/F)MEM fornito da una memoria 12, determina e alimenta al motore 2 la quantità di carburante QF che deve essere iniettata in ciascun cilindro.
Il parametro di controllo K02 viene inoltre fornito in ingresso a un filtro 12 che genera un parametro di controllo filtrato K02F e lo alimenta a un blocco di stima 15. Secondo quanto descritto in dettaglio nel seguito, il blocco di stima 15, che riceve in ingresso anche un segnale di abilitazione EN, di tipo logico e fornito da un blocco di abilitazione 16, effettua una stima di un rapporto stechiometrico reale (A/F)F del carburante alimentato al motore 2, che viene memorizzato nella memoria 12. Inoltre, il blocco di stima è collegato con l'ingresso sottrattore 8b del nodo sommatore 8, al quale fornisce valori desiderati del segnale di riferimento VR, come chiarito nel seguito .
Il blocco di abilitazione 16 riceve in ingresso una pluralità di parametri, tra cui ad esempio il numero di giri RPM e il carico L del motore 2 e la temperatura Ts del sensore di ossigeno 4, in funzione dei quali determina il valore del segnale di abilitazione EN.
In uso, il blocco di calcolo 11 utilizza il parametro di controllo K02 e il rapporto stechiometrico memorizzato (A/F)MEM per determinare la quantità di carburante QF da iniettare nei cilindri secondo l'equazione :
in cui il titolo obiettivo λ° è posto ad esempio pari a l. In condizioni operative di stabilità, in cui il numero di giri RPM e il carico L sono sostanzialmente costanti, il parametro di controllo K02 oscilla intorno a un valore unitario e il rapporto dato dall 'equazione :
rappresenta il rapporto stechiometrico reale (A/F)F del carburante.
Se nel serbatoio viene ' immesso un combustibile avente rapporto stechiometrico differente dal rapporto stechiometrico memorizzato (A/F)MEMC all'avvio del motore 2, il valore della quantità di carburante QF fornito secondo l'equazione (1) non consente inizialmente di ottenere un titolo allo scarico {pari al titolo obiettivo λ°. Di conseguenza, il parametro di controllo K02 fornito dal controllore 10 si polarizza, ossia inizia a oscillare attorno a un valore medio diverso dall'unità, e corregge la quantità di carburante QF iniettata nei cilindri in modo che il titolo allo scarico (sia prossimo al titolo obiettivo λ°. Inoltre, il parametro di controllo K02 assume un valor medio diverso dall'unità anche nel caso in cui il tìtolo obiettivo λ° venga posto a un valore diverso da 1. Il filtro 13 genera il parametro di controllo filtrato K02F in funzione del parametro di controllo K02, in modo da attenuarne le variazioni {ad esempio, il parametro di controllo filtrato K02F può essere uguale al valor medio del parametro di controllo K02). Il blocco di stima 15 rileva l'andamento del parametro di controllo filtrato K02F, indicativo del valor medio del parametro di controllo K02, e calcola il rapporto stechiometrico reale (A/F)F in base a tale andamento.
Con riferimento alla figura 3, il blocco di abilitazione 16 controlla se sono verificate condizioni per effettuare una procedura di stima del rapporto stechiometrico (blocco 100). In particolare, si controlla se le condizioni operative del motore 2 sono stazionarie, ossia se il numero di giri RPM e il carico L sono rimasti sostanzialmente costanti per un primo prefissato intervallo di tempo, e, inoltre, se la temperatura Ts del sensore di ossigeno 4 è compresa in un prefissato intervallo di valori operativi di temperatura. Se le condizioni di stima non risultano verificate (uscita NO dal blocco 100), la procedura di stima viene conclusa (blocco 110), mentre in caso contrario (uscita SI dal blocco 100) il blocco di stima 15 porta il segnale di riferimento VR a un primo valore di riferimento VR1, pari ad esempio a 300 mV (blocco 120). Come mostrato in figura 2, ciò permette di imporre al titolo obiettivo λ° un primo valore obiettivo λ°ι (pari ad esempio a'1,005); quando invece il segnale di riferimento VR assume un valore di riferimento stechiometrico VRST (pari a 450 mV), il titolo obiettivo λ° è unitario.
Trascorso un secondo prefissato intervallo di tempo, in cui il parametro di controllo K02 assume un valore medio tale da portare il titolo obiettivo λ° attorno al primo valore obiettivo λ°ι, viene acquisito un primo valore filtrato KF1 del parametro di controllo filtrato K02F, indicativo del valor medio del parametro di controllo K02 (blocco 130).
Successivamente, il blocco di stima 15 impone un secondo valore di riferimento VR2, pari ad esempio a 700 mV (figura 2), al segnale di riferimento VR, in modo che il titolo obiettivo λ° si porti a un secondo valore obiettivo λ°2, ad esempio 0,995 (blocco 140, figura 3); quindi, trascorso un tempo pari al secondo prefissato intervallo di tempo, viene acquisito un secondo valore filtrato KF2del (blocco 150).
Successivamente (blocco 160) viene calcolato il rapporto stechiometrico reale (A/F)F secondo l ’ equazione :
In seguito, si verifica se le condizioni di stima (costanza del numero di giri RPM, del carico L e temperatura Ts del sensore 4 compresa nell'intervallo di valori operativi) si sono mantenute durante l'esecuzione della procedura di stima: in caso affermativo (uscita SI dal blocco 160), il rapporto stechiometrico reale {A/F)F viene registrato nella memoria 12 come nuovo rapporto stechiometrico memorizzato (A/F)MEM (blocco 180), mentre in caso contrario la procedura viene direttamente terminata (blocco 110).
In questo modo, nel caso in cui la procedura di stima venga portata correttamente a termine in condizioni di stabilità del motore 2, il valore del rapporto stechiometrico memorizzato (A/F)MEM fornito dalla memoria 12 coincide con il rapporto stechiometrico reale (A/F)r stimato.
Si osservi che l'equazione (3) deriva dal confronto fra due differenti punti di lavoro del motore 2, definiti del primo e, rispettivamente, dal secondo valore obiettivo λ°ι e λ°2. Convenientemente, tali valori sono scelti all'interno di un tratto di transizione 20 della caratteristica titolo-tensione del sensore di ossigeno 4 (figura 2); in questo modo viene sfruttato il fatto che il tratto di transizione 20, pur avendo pendenza molto accentuata, non è tuttavia verticale e dunque si ha corrispondenza biunivoca fra punti dell'asse dei titoli e punti dell'asse delle tensioni.
Il confronto fra due diversi punti di lavoro consente di eliminare gli effetti di eventuali derive dovute a dispersioni di produzione o all'usura dei componenti (ad esempio parziali otturazioni degli iniettori che alimentano i cilindri del motore 2), a causa delle quali il parametro di controllo K02 oscilla attorno a 'valori diversi da 1 anche se il titolo obiettivo è unitario.
In particolare, nel primo punto di lavoro, in cui il titolo obiettivo λ° è posto pari al primo valore obiettivo λ°1, si ha:
dove (QA/QF)I è un primo rapporto aria combustibile medio. L'equazione (4) è ricavata dall'equazione (1) sostituendo il primo valore filtrato KF1 al parametro di controllo K02. Inoltre, dalla definizione del titolo (si ricava l'equazione:
Di conseguenza, combinando le equazioni (4) e (5) si ottiene l'equazione:
valida nel primo punto di lavoro del motore 2.
In maniera analoga, nel secondo punto di lavoro, in cui il titolo obiettivo λ° è posto pari al primo valore obiettivo λ°2, valgono le equazioni:
dove (QA/QF)Z è un secondo rapporto aria combustibile medio (l'equazione (7) è ricavata dall'equazione (1) sostituendo il secondo valore filtrato KF2 al parametro di controllo K02)
ricavata dalla definizione di titolo λ, e
ottenuta combinando le equazioni (7) e (8).
Sottraendo membro a membro le equazioni (6) e (9) si ottiene la relazione
dalla quale è immediato ricavare l'equazione (3).
Una variante del presente metodo verrà di seguito descritta con riferimento alle figure 4 e 5, nelle quali parti uguali a quelle già mostrate nelle figure 2 e 3 sono indicate con gli stessi numeri.
In particolare, la figura 4 mostra un sistema di controllo 25 del motore 2 comprendente un sensore lineare di ossigeno 26 e un'unità di controllo 27.
Il sensore lineare di ossigeno 26, ad esempio una sonda lineare o UEGO, disposto lungo il condotto di scarico 6 del motore 2, fornisce all'unità di controllo 27 un segnale di composizione V(sostanzialmente proporzionale al titolo allo scarico λ, ossia alla quantità di ossigeno presente nei gas di scarico.
All'interno dell'unità di controllo 27, il segnale di composizione V|Viene alimentato a un blocco di conversione 28 che, in base a una caratteristica titolo-tensione del sensore lineare di ossigeno 26 (mostrata a titolo di esempio in figura 5), ricava un valore attuale del titolo allo scarico λ.
Tale valore attuale del titolo allo scarico (viene fornito a un ingresso sommatore 29a di un nodo sommatore 29, ricevente inoltre, a un ingresso sottrattore 29b, il titolo obiettivo λ°. Un errore di titolo λΕ, fornito in uscita dal nodo sommatore 8 e pari alla differenza fra il valore attuale del titolo allo scarico (e il titolo obiettivo λ°, viene alimentato a un controllore 30, ad esempio un controllore ad azione proporzionale-integrale, di tipo PI, che genera in uscita il parametro di controllo K02.
Il blocco di calcolo 11, ricevente il parametro di controllo K02 dal controllore 30 e il rapporto stechiometrico memorizzato (A/F)MEM fornito dalla memoria 12, determina e alimenta al motore 2 la quantità di carburante QF che deve essere iniettata in ciascun cilindro.
Il parametro di controllo K02 viene inoltre fornito in ingresso al filtro 13 che genera il parametro di controllo filtrato K02F e lo alimenta a un blocco di stima 31. Secondo quanto descritto in dettaglio nel seguito, il blocco di stima 30, che riceve in ingresso anche il segnale di abilitazione EN, dal un blocco di abilitazione 16, effettua una stima del rapporto stechiometrico reale (A/F)f, che viene memorizzato nella memoria 12. Inoltre, il blocco di stima è collegato con l'ingresso sottrattore 29b del nodo sommatore 29, al quale fornisce valori desiderati titolo obiettivo λ°.
Il sistema di controllo 25 esegue la procedura di stima del rapporto stechiometrico reale (A/F)F come mostrato in figura 6.
In particolare, dopo la verifica dell'esistenza di condizioni per effettuare la stima del rapporto stechiometrico (blocco 100), eseguita in modo analogo a quanto illustrato in figura 3, il blocco di stima 31 imposta il primo valore obiettivo λ°ι del titolo obiettivo λ° (blocco 220) e viene acquisito il primo valore filtrato KF1 (blocco 130).
Successivamente, il titolo obiettivo λ° viene posto al secondo valore obiettivo λ°2 (blocco 240) e viene effettuata l'acquisizione del secondo valore filtrato KF2 (blocco 150).
In seguito viene calcolato il rapporto stechiometrico reale (A/F)F secondo l'equazione (3) (blocco 160) e si controlla se le condizioni di stima sì sono mantenute durante l'esecuzione della procedura di stima (blocco 170): in caso affermativo (uscita SI dal blocco 160), il rapporto stechiometrico reale (A/F)F viene registrato nella memoria 12 come nuovo rapporto stechiometrico memorizzato (A/F)MEM (blocco 180), mentre in caso contrario la procedura viene direttamente terminata (blocco 110).
Dato che, nel sistema di controllo 25, al controllore 30 viene alimentato l'errore di titolo λΕ derivante dal confronto effettuato al nodo sommatore 29 fra il valore attuale del titolo allo scarico (e il titolo obiettivo λ°, la procedura secondo la variante permette di imporre il primo e il secondo valore obiettivo λ°ι e λ°2 senza dover ricorrere a diversi valori di tensione di riferimento VR.
Da quanto esposto, risultano chiaramente i vantaggi derivanti dal presente metodo.
In primo luogo, infatti, la stima del rapporto stechiometrico reale (A/F)F del carburante alimentato al motore, effettuata secondo il presente metodo, non richiede l'impiego di un apposito sensore aggiuntivo. Di conseguenza, l'invenzione permette di ottenere un considerevole vantaggio economico. Inoltre, dato che il sensore previsto dai metodi noti è soggetto a usura, le sue prestazioni possono via via degradarsi e, quindi, le misure fornite risultano affette da errori. Pertanto, l'eliminazione del sensore consente di ottenere, nel tempo, anche una maggiore affidabilità.
Un ulteriore vantaggio è costituito dal fatto che la stima del rapporto stechiometrico reale (A/F)F viene effettuata in base all'andamento del parametro di controllo K02, in particolare del parametro di controllo filtrato K02F, in due diversi punti di lavoro. In questo modo, è possibile compensare eventuali derive del parametro di controllo K02, dovute ad esempio a dispersioni di produzione o a usura di alcuni componenti (iniettori, sensori di ossigeno), e ottenere, di conseguenza, elevata accuratezza nella stima .
Risulta infine chiaro che al metodo descritto possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di protezione della presente invenzione .
In particolare, non è necessario che il primo e il secondo valore obiettivo λ°ι e λ°2/ definenti i punti di lavoro utilizzati per effettuare la stima del rapporto stechiometrico reale (A/F)F, siano scelti simmetricamente rispetto al valore di titolo obiettivo λ° unitario. Addirittura, potrebbero essere entrambi maggiori o minori di 1, purché abbastanza vicini perché le condizioni di numero di giri e di carico del motore non cambino in modo sensibile nel passaggio dall'uno all ' altro .
Claims (10)
- R IV E N D ICA Z I O N I 1. Metodo per la stima del rapporto stechiometrico del carburante per un sistema di controllo di un motore a combustione interna comprendente mezzi sensori di ossigeno (4, 26) e un'unità di controllo (5, 27); detti mezzi sensori di ossigeno (4, 26) essendo disposti lungo un condotto di scarico (6) e fornendo un segnale di composizione (V*.) rappresentativo di un titolo (λ) di gas di scarico presenti nel condotto di scarico (6); detta unità di controllo (5, 27) comprendendo mezzi di controllo (10, 30) fornenti un parametro di controllo (K02) in funzione di una grandezza errore (VΕ,λΕ) data dalla differenza fra una grandezza attuale (νλ, λ), correlata a detto segnale di composizione (Vλ) , e una grandezza di riferimento (VR, λ°); mezzi di stima (15, 31) riceventi un parametro di controllo filtrato (K02F)f correlato a detto parametro di controllo (K02), e fornenti un rapporto stechiometrico reale (A/F)f; caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: a) rilevare un andamento di detto parametro di controllo filtrato (K02F)(120-150, 220, 240); b) calcolare detto rapporto stechiometrico reale (A/F)F in funzione di detto andamento (160).
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase a) di rilevare detto andamento comprende le fasi di: al) determinare un primo punto di lavoro (120, 220) di detto motore (2); a2) acquisire un primo valore filtrato (Kri) di detto parametro di controllo filtrato (K02F) (130), indicativo di detto primo punto di lavoro; a3) determinare un secondo punto di lavoro (140, 240) di detto motore (2); a4) acquisire un secondo valore filtrato (KF2) di detto parametro di controllo filtrato (K02F) (150), indicativo di detto primo secondo punto di lavoro.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fase al) di determinare detto primo punto di lavoro comprende le fasi di: all) porre detta grandezza di riferimento (VR, λ°) pari a un primo valore di riferimento (VR1, λ°1) (120, 220) .
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta fase a3) di determinare detto secondo punto di lavoro comprende le fasi di: a31) porre detta grandezza di riferimento (VR, λ°) pari a un secondo valore di riferimento (VR2, λ°2) (140,
- 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, caratterizzato dal fatto che detta fase b) di calcolare detto rapporto stechiometrico reale (A/F)F in funzione di detto andamento comprende la fase di: bl) calcolare detto rapporto stechiometrico reale (A/F)F in funzione di detti primo e secondo valore filtrato (KFi, KF2) (160).
- 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta fase bl) di calcolare detto rapporto stechiometrico reale (A/F)F in funzione di detti primo e 'secondo valore filtrato (KF1, KF2) comprende la fase di: bll) calcolare detto rapporto stechiometrico reale (A/F)F secondo l'equazione:in cui (A/F)MEM è un rapporto stechiometrico memorizzato, λ°ι e λ°2 sono un primo e, rispettivamente, un secondo valore obiettivo di detto titolo (λ).
- 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase a) di rilevare detto andamento è preceduta dalla fase di: c) verificare condizioni di stima (100).
- 8 . Metodo secondo la rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che detta fase c) di verificare condizioni di stima comprende le fasi di: ci) verificare che un numero di giri (RPM) e un carico (L) di detto motore (2) sono rimasti sostanzialmente costanti per un prefissato intervallo di tempo; e c2) verificare che una temperatura (Ts) di detti mezzi sensori di ossigeno (4, 26) è compresa in un prefissato intervallo di valori operativi di temperatura .
- 9. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che detta fase b) di calcolare detto rapporto stechiometrico reale (A/F)F in funzione di detto andamento è seguita dalla fase di: d) memorizzare detto rapporto stechiometrico reale (A/F)F (180) se dette condizioni di stima permangono verificate (170).
- 10. Metodo per la stima del rapporto stechiometrico del carburante per un sistema di controllo di un motore a combustione interna, sostanzialmente come descritto ed illustrato con riferimento ai disegni allegati.
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