JP2007120423A - 低沸点燃料用の燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低沸点燃料を貯蔵する複数の燃料タンクを備えたエンジンの燃料供給装置において、燃料を送出する燃料タンクの自動的な切替えを可能とし、さらに、切替える際の燃料蒸気の混入を防止する。
【解決手段】ＤＭＥ等を貯蔵する燃料タンク４Ａ、４Ｂに接続された燃料送り配管６Ａ、６Ｂと燃料戻り配管８Ａ、８Ｂに電磁弁１０Ａ等を設置し、制御装置１４で電磁弁を開閉して使用する燃料タンクを切替える。そして、燃料送り配管を燃料タンクに連結する連結管１２Ａ、１２Ｂとその連結管に介在される調圧弁１３Ａ，１３Ｂとを設け、切替え時には、電磁弁の開弁に先立ち、燃料タンクのタンク内ポンプを所定期間作動させて燃料を加圧する。これにより、低沸点燃料は確実に液化され、蒸気の混入によリ燃料供給装置に生じる作動不良を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、低沸点燃料を貯蔵する複数の燃料タンクを備えたエンジン、殊に、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）を燃料として使用し、液体状態のＤＭＥをシリンダ内に噴射するディーゼルエンジンの燃料供給装置に関するものである。

エネルギーの安定供給あるいはエネルギー源となる燃料の多様化等の観点から、近年、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）が燃焼機関の燃料として注目を浴びている。ＤＭＥは天然ガス、石炭又はバイオマス等から製造され、人体には無害であり、燃焼によって煤やＳＯｘなどを排出することはなく、環境面でも優れた燃料である。

ＤＭＥは、化学式がＣＨ₃ＯＣＨ₃の構造を有するエーテルであり、沸点が約−２５℃、加圧又は低温とすることによって容易に液化が可能である。このため、輸送及び貯蔵が簡便であり、また、排気ガス中の有害成分が少なく、ディーセルエンジンの燃料適合性の指標であるセタン価も高いことから、軽油などに代わりＤＭＥをディーセルエンジンの燃料とする研究開発が実用化に向け推進されている。なお、燃料としてＤＭＥを使用する研究開発は、ディーゼルエンジンばかりではなく、例えばガスタービンエンジンでも実施されている。

ところで、液化したＤＭＥを燃料タンク内に貯蔵するには加圧する必要があり、燃料タンクはボンベ状の圧力容器となる。車両に搭載されたディーゼルエンジンでは、なるべく多くの燃料を貯蔵するよう燃料タンクはエンジンと離れた車体部分に配置されているが、燃料タンクの大型化には取り付けスペース等からの制約があり、ＤＭＥの燃料タンクは複数のものが異なる個所に設置されることが多い。例えば、特開２００５−７６５４８号公報には、液化燃料の複数の燃料タンクを車体シャシの両側に振り分けて装着した車両が開示されている。

燃料タンクを複数設置したときは、各々の燃料タンクの燃料を均一に消費することが望ましいが、各々の燃料タンクから燃料を送るポンプの性能には多少の差異があり、また、燃料タンクに接続された各燃料配管には管路抵抗の差異がある。こうした事情で、各燃料タンクの燃料を均一に消費するのは現実にはなかなか困難であり、特にＤＭＥ等の低沸点燃料では燃料貯蔵量のアンバランスが生じやすい。この理由を、従来のディーゼルエンジンの燃料供給装置を示す図３に基づいて説明する。

図３の燃料供給装置は、いわゆるコモンレール式の燃料供給装置であって、燃料を噴射圧まで高圧化する燃料噴射ポンプ１と、エンジンの各シリンダに取り付けられた燃料噴射弁２との間に、高圧の燃料の蓄圧管であるコモンレール３を備えている。燃料噴射ポンプ１から送られる高圧燃料は、一旦コモンレール３に蓄圧された後、燃料噴射弁２によって各シリンダ内へ噴射される。これらの燃料噴射ポンプ１、コモンレール３及び燃料噴射弁２はディーゼルエンジンに装着された機器である。
燃料であるＤＭＥは、車体に取り付けた燃料タンク４Ａ、４Ｂに貯蔵されており、それぞれの燃料タンク内にはタンク内ポンプ５Ａ、５Ｂが設置されている。タンク内ポンプ５Ａ、５Ｂの吐出口には、燃料タンクからエンジンの燃料供給系統に燃料を送る燃料送り配管６Ａ、６Ｂが接続され、この配管はそれぞれ燃料給送ポンプ７の吸入側に連結されている。燃料タンク内のＤＭＥは、タンク内ポンプ５Ａ、５Ｂ及び燃料給送ポンプ７によって燃料噴射ポンプ１に供給される。燃料噴射ポンプ１の吐出量やコモンレール３の圧力を制御するため、燃料噴射ポンプ１に供給されるＤＭＥは燃料噴射弁２からの噴射量よりも多量であって、燃料タンク４Ａ、４Ｂには余剰燃料を戻す燃料戻り配管８Ａ、８Ｂが接続されている。なお、燃料噴射ポンプ１の入口側の配管には冷却用の燃料クーラー９が介在されており、ＤＭＥの気化によって燃料噴射ポンプ１が作動不良を起こすことを防止する。

このような燃料供給装置において、燃料タンク４Ａ、４Ｂが車体の異なった位置に配置されていると、周囲環境あるいは車両の走行条件によってタンク内の温度に差異が生じる。低沸点燃料であるＤＭＥの飽和蒸気圧は温度に応じて変化するので、各々の燃料タンク内部の圧力も相違することとなる。燃料戻り配管８Ａ、８Ｂから戻される余剰燃料は圧力の低い燃料タンクに多量に流れ込み、さらに、燃料タンクから送り出す燃料量が圧力に応じて変わることも相俟って、各燃料タンクの燃料量に偏りが発生する結果となる。これが、ＤＭＥを燃料とする場合に、複数の燃料タンクで燃料量のアンバランスが生じやすい理由である。

複数の燃料タンク４Ａ、４Ｂ内のＤＭＥが均等に消費されないと、別の燃料タンクにＤＭＥが残存しているにもかかわらず、一つの燃料タンクが空となってタンク内ポンプが蒸気等の気体を吸い込んで燃料配管に送り出し、燃料供給装置のポンプ等の機器が破損を起こす虞れがある。これを防止するため、図３の燃料供給装置においては、各燃料貯蔵タンクから燃料を送る配管には手動切替え弁１０１が配置されるとともに、燃料戻り用の配管には手動切替え弁１０２が配置されており、各燃料タンクを一つずつ切替えて使用するよう構成されている。手動切替え弁１０１、１０２は、それぞれの配管を一方の燃料タンクのみに連通するものであって、一方の燃料タンクのＤＭＥ残存量が少なくなると他方の燃料タンクに連通するように手動で切替えられる。

図３の燃料供給装置は、手動切替え弁により使用する燃料タンクを切替えるものであるけれども、特開２００２−１９５１２１号公報には、複数の燃料タンクにおける燃料送り用配管及び燃料戻り用配管にそれぞれ電磁弁を設け、一方の燃料タンクの液面レベルが低下したときには、運転者の指令に応じて電磁弁が切替わる燃料供給装置が記載されている。ちなみに、前述の特開２００５−７６５４８号公報には、複数の燃料タンクのそれぞれに接続された燃料給送ポンプに回転数制御装置を設け、液面計で検出される燃料の液面レベルに応じてそれぞれの燃料給送ポンプがエンジンに供給する燃料給送量を制御し、複数の燃料タンクの燃料を均等に消費する燃料供給装置の記載がある。
特開２００５−７６５４８号公報 特開２００２−１９５１２１号公報

複数の燃料タンクを備えた燃料供給装置において、手動切替え弁を配置して使用する燃料タンクを切替えるものでは、一方の燃料タンクの残存量が少なくなったときはエンジンを停止して手動切替え弁を操作し、他方の燃料タンクに燃料系統を切替える必要がある。車両に搭載されたエンジンでは、切替え時には車両を停車しなければならないが、走行条件によっては、例えば高速道路の走行中など、車両の停車が困難な場合がある。なお、特許文献１の燃料供給装置は、使用する燃料タンクを切替えるものではないからこうした問題は起こらないけれども、燃料給送ポンプの回転数制御のため複雑かつ高価な駆動装置及び制御装置を要することとなる。

特許文献２に記載されたように、複数の燃料タンクの燃料送り用配管及び燃料戻り用配管に設けた電磁弁を、運転者の指令に応じて切替えるものにあっては、電磁弁が遠隔操作で切替わるので車両を停止する必要はない。しかし、ＤＭＥなどの低沸点燃料を貯蔵する燃料タンクの場合には、使用されていない配管系統では低沸点燃料が液体状態を保持しているとは限らない。つまり、一つの燃料タンクから他の燃料タンクに切替えた際、切替え後に使用する他の燃料タンクに接続された燃料送り用配管等に、気化した燃料が存在している可能性がある。気泡等が混入した状態で燃料タンクを切替えると、燃料給送ポンプ又は燃料噴射ポンプにキャビテーション等による損傷や作動不良が発生し、性能、耐久性を著しく損ねる結果となる。
本発明は、低沸点燃料を用い複数の燃料タンクを備えたエンジンにおけるこのような問題を簡易な方法で解決することを課題とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、ＤＭＥ等の低沸点燃料を貯蔵する複数の燃料タンクを備えたエンジンの燃料供給装置において、各々の燃料タンクに接続された燃料配管に電磁弁を配置し、燃料を送出する燃料タンクを切替えるときは、送出する燃料圧を十分に上昇させて電磁弁を開弁するようにしたものである。すなわち、本発明は、
「低沸点燃料を貯蔵する複数の燃料タンクを備えたエンジンの燃料供給装置であって、
前記燃料タンクの各々は、燃料送り配管と燃料戻り配管とによりエンジンの燃料系統に接続されるとともに、前記燃料送り配管に燃料を送出するタンク内ポンプを有しており、さらに、
前記燃料送り配管と前記燃料戻り配管には制御装置により開閉される電磁弁が設置され、前記制御装置が各々の燃料タンクの前記電磁弁を制御して、前記エンジンの燃料系統に燃料を送出する燃料タンクを切替えるエンジンの燃料供給装置において、
前記燃料送り配管の前記電磁弁より上流側を前記燃料タンクに連結する連結管とその連結管に介在される調圧弁とを設け、かつ、
前記制御装置が、燃料を送出する燃料タンクを切替えるときは、切替え後に燃料を送出する燃料タンクの前記タンク内ポンプを所定期間作動させた後、その燃料タンクの前記燃料送り配管及び前記燃料戻り配管に設置された前記電磁弁を開弁するよう構成された」
ことを特徴とするエンジンの燃料供給装置となっている。

請求項２に記載のように、前記燃料送り配管には前記電磁弁より上流側の圧力を検出する圧力センサを設置し、前記タンク内ポンプを作動させる前記所定期間を、前記圧力センサで検出された圧力が所定値に達するまでの期間として設定することができる。

また、請求項３に記載のように、前記制御装置にタイマを設け、前記タンク内ポンプを作動させる前記所定期間を、タイマによって設定してもよい。

請求項４に記載のように、前記複数の燃料タンクの各々には燃料の液面レベルを検出するレベルセンサが設け、燃料の液面レベルが所定値まで低下したときに前記制御装置が燃料を送出する燃料タンクを切替えるようにすることが好ましい。

本発明は、請求項５に記載のように、コモンレール式燃料供給装置を有するディーゼルエンジンに好適なものである。

本発明では、ＤＭＥ等を貯蔵するそれぞれの燃料タンクに接続された燃料送り配管と燃料戻り配管に電磁弁を設置し、制御装置でこれらの電磁弁を開閉して使用する燃料タンクを切替える。そして、燃料送り配管の電磁弁より上流側を燃料タンクに連結する連結管とその連結管に介在される調圧弁とを設け、新たな（切替え後の）燃料タンクからエンジンの燃料系統に燃料を送り出すときは、電磁弁の開弁に先立ち、その燃料タンクのタンク内ポンプを所定期間作動させるようにする。
本発明の燃料供給装置は、複数の燃料タンクを順次使用するものであり、使用前の燃料タンクのタンク内ポンプは作動を停止している。本発明では、そのタンク内ポンプを燃料タンクの切替えに先立って駆動し、燃料を加圧し圧力を高めて燃料送り配管に送出する。送出された燃料は調圧弁（絞り部を有する電磁弁）を備えた連結管を通って燃料タンクへと循環する。駆動開始後の時間の経過に伴いタンク内ポンプの吐出量が増加すると、調圧弁の流体抵抗が増加して吐出圧が上昇する。このようにして燃料圧力が高められるから、ＤＭＥ等の低沸点燃料の蒸気が燃料送り配管等に混入していたとしても加圧により液体状態に戻されることとなる。したがって、燃料送り配管に設置された電磁弁が開いてエンジンの燃料系統に燃料が送られるときは、燃料内に気泡等が存在せず、燃料給送ポンプあるいは燃料噴射ポンプ等が気泡の吸入に起因する作動不良を起こすことはない。連結管に設置された調圧弁は、燃料送り配管に設置された電磁弁が開いたときに閉じられる。

請求項２の発明のように、燃料送り配管の電磁弁より上流側に圧力センサを設置し、切替え時にタンク内ポンプを作動させる所定期間を、圧力センサで検出された圧力が所定値に達するまでの期間として設定したときは、ＤＭＥ等の蒸気が燃料送り配管等に混入することをより確実に防止できる。つまり、燃料の飽和蒸気圧を勘案して予め定めた圧力に達するまでタンク内ポンプを作動させ、燃料送り配管内の蒸気を確実に液体状態に戻すことが可能となる。また、例えば燃料タンクの温度上昇の値がほぼ定まっているような状況であれば、請求項３の発明のように、制御装置にタイマを設け、タンク内ポンプを作動させる所定期間を、液体状態に戻すため十分な圧力上昇が得られる時間として、タイマによって設定してもよい。このときは装置の構成が簡易なものとなる。

本発明の燃料供給装置では、燃料タンクの切替え時に運転者の指令に応じて制御装置が電磁弁を開閉するように構成することができる。これに対し、請求項４の発明のように、複数の燃料タンクの各々にレベルセンサが設け、燃料の液面レベルが所定値まで低下したときに、制御装置が燃料を送出する燃料タンクを切替えるようにしたときは、人手を煩わせることのない自動的な切替えが可能となる。

ディーゼルエンジンの燃料供給装置には精密機器が配置されており、特にコモンレール式の燃料噴射ポンプは、きわめて高い圧力に加圧する精密なポンプであって気泡の吸入による損傷を受けやすい。したがって、請求項５の発明のように、本発明はコモンレール式ディーゼルエンジンの燃料供給装置として好適なものである。

以下、図面によってＤＭＥを燃料とする本発明の燃料供給装置の実施例について説明する。図１には、本発明が適用されたディーゼルエンジンのコモンレール式燃料供給装置の概要を示す。コモンレール式燃料供給装置の基本的な機器の構成及び作動は、従来技術である図３のものと変わりはなく、図１においては、図３の部品等に対応するものには同一の符号が付してある。

ディーゼルエンジンは、燃料を高圧化する燃料噴射ポンプ１と燃料噴射弁２との間に、燃料の蓄圧管であるコモンレール３を備えており、蓄圧された燃料を燃料噴射弁２によって各シリンダ内へ噴射する。
燃料であるＤＭＥは、車体に取り付けた燃料タンク４Ａ、４Ｂに貯蔵されている。それぞれの燃料タンク内にはタンク内ポンプ５Ａ、５Ｂが設置され、それらの吐出口にはエンジンの燃料系統に燃料を送る燃料送り配管６Ａ、６Ｂが接続される。この配管はそれぞれ燃料給送ポンプ７の吸入側に連結されており、ＤＭＥは、これらのポンプによって燃料クーラー９を介して燃料噴射ポンプ１に供給される。また、燃料タンク４Ａ、４Ｂにはエンジンの燃料系統から余剰燃料を戻す燃料戻り配管８Ａ、８Ｂが接続されている。

本発明の燃料供給装置においては、燃料送り配管６Ａ、６Ｂにそれぞれ電磁弁１０Ａ、１０Ｂが配置されるとともに、燃料戻り配管８Ａ、８Ｂにはそれぞれ電磁弁１１Ａ、１１Ｂが配置される。これらの電磁弁は使用する燃料タンクを切替えるためのものであるから、燃料送り配管６Ａ、６Ｂ及び燃料戻り配管８Ａ、８Ｂにそれぞれ電磁弁を配置する代わりに、燃料送り配管の分岐部と燃料戻り配管の分岐部とに２個の３方電磁弁を設置するようにすることもできる。また、燃料送り配管６Ａ、６Ｂにおいて電磁弁１０Ａ、１０Ｂの上流側には、燃料戻り配管８Ａ、８Ｂの電磁弁１１Ａ、１１Ｂの下流側に到る連結管１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ接続される。連結管１２Ａ、１２Ｂには調圧弁１３Ａ、１３Ｂが設置されており、調圧弁は絞り部を有する電磁弁となっている。

燃料送り配管、燃料戻り配管に配置された各電磁弁及び調圧弁は制御装置１４によって制御される。燃料タンクの切替え制御を行うため、制御装置１４には燃料タンク４Ａ、４Ｂの液面レベルを表す信号が入力されている。また、燃料送り配管６Ａ、６Ｂの、電磁弁１０Ａ、１０Ｂの上流側に設けられた圧力センサ１５Ａ、１５Ｂからの信号も入力されるが、この圧力センサは必須のものではなく、これを省略して切替え制御を実行することも可能である。

次いで、本発明の燃料供給装置における燃料タンクの切替え時の作動及び制御方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する
本発明の燃料供給装置は、複数の燃料タンク内の燃料を切替えてエンジンに供給するものであり、エンジンの稼動中には、ＤＭＥを供給している燃料タンク、つまり使用している燃料タンクを常時確認し（ステップＳ１）その液面レベルを検出している（ステップＳ２）。液面レベルが規定値以上であれば、これを繰り返すだけでフローチャートの次のステップには進まない。ここでは燃料タンク４Ａを使用しているとする。

燃料タンク４Ａ中の燃料残存量が減少し、ステップＳ２において液面レベルが規定値以下となったことが検出されると、ステップＳ３に進み燃料タンク４Ｂの燃料タンクの液面レベルを検出してＤＭＥが十分に残存していることを確認した後、燃料タンクの切替え制御を実行する。
燃料タンクの切替え制御では、まず燃料タンク４Ｂのタンク内ポンプ５Ｂを起動して燃料送り配管６ＢにＤＭＥを送り出す（ステップＳ４）。このときは、各電磁弁及びタンク内ポンプの状態は図２の表のＳｔ．４に示されるとおりであって、燃料タンク４Ａのタンク内ポンプ５Ａが継続して駆動され、ＤＭＥは燃料送り配管６Ａの開いた電磁弁１０Ａを介してエンジンに供給されるとともに、燃料タンク４Ｂの燃料送り配管６Ｂに配置された電磁弁１０Ｂは閉じられている。その結果、タンク内ポンプ５Ｂから送り出されたＤＭＥは、開放された調圧弁１３Ｂを通過して連結管１２Ｂによって燃料タンク４Ｂに循環する。起動後の時間の経過に伴いタンク内ポンプ５Ｂの吐出量が増加すると燃料送り配管６Ｂ内の圧力も増加し、ＤＭＥの飽和蒸気圧力以上になったときには、気体状態のＤＭＥが混入していたとしてもそれが液化されることとなる。

燃料送り配管６Ｂ内の圧力は圧力センサ１５Ｂによって検出され（ステップＳ５）、その圧力が飽和蒸気圧力以上の所定値に達すると、ステップＳ６に進み燃料送り配管６Ｂの電磁弁１０Ｂ及び燃料戻り配管８Ｂの電磁弁１１Ｂが開かれ、同時に調圧弁１３Ｂが閉鎖される。この時点の各電磁弁及びタンク内ポンプの状態は図２の表のＳｔ．６に示されるとおりであり、燃料タンク４Ａのタンク内ポンプ５Ａがなお継続して駆動され、ＤＭＥは燃料タンク４Ａ、４Ｂの両方からエンジンに供給される。このようにすると切替え時の燃料切れが防止され、切替えに伴う圧力変動が緩和される。この実施例では圧力センサを設置して燃料送り配管６Ｂ内の圧力が所定値以上に到達したことを検出しているが、時間経過に応じた圧力上昇特性が予め分かっているときには、タンク内ポンプ５Ｂの起動後の時間に対応して電磁弁１１Ｂを開くようにしてもよい。

電磁弁１１Ｂが開放されると、その後の経過時間がカウントされ（ステップＳ７）、所定時間が経過したときは、燃料タンク４Ａのタンク内ポンプ５Ａの作動を停止するとともに燃料送り配管６Ａの電磁弁１０Ａを閉じ、Ｓｔ．８の状態とする（ステップＳ８）。つまり、所定時間両方の燃料タンクからエンジンにＤＭＥを供給した後、今まで使用していた燃料タンクの使用を停止し、燃料タンクの切替え制御が完了する。

以上詳述したように、本発明は、ＤＭＥ等の低沸点燃料を貯蔵する複数の燃料タンクを備えたエンジンの燃料供給装置において、各々の燃料タンクに接続された燃料配管に電磁弁を配置して、燃料を送出する燃料タンクを切替えるときは自動的な切替えを可能としたものであり、さらに、切替える際に送出する燃料圧を十分に上昇させ、燃料蒸気の混入を防止するものである。上記実施例は、本発明をコモンレール式のディーゼルエンジンの燃料供給装置に適用したものであるが、これに限らず、本発明は各種のエンジンに適用することができ、また、ＬＰＧの燃料供給装置に適用するなど種々の変形が可能であるのは明らかである。

本発明による複数の燃料タンクを備えた燃料供給装置を示す図である。 本発明の作動手順を示すフローチャートである。 複数の燃料タンクを備えた従来の燃料供給装置を示す図である。

符号の説明

１ 燃料噴射ポンプ
２ 燃料噴射弁
３ コモンレール
４Ａ、４Ｂ 燃料タンク
５Ａ、５Ｂ タンク内ポンプ
６Ａ、６Ｂ 燃料送り配管
７ 燃料給送ポンプ
９ 燃料クーラー
１０Ａ、１０Ｂ 電磁弁
１２Ａ、１２Ｂ 連結管
１３Ａ、１３Ｂ 調圧弁
１４ 制御装置
１５Ａ、１５Ｂ 圧力センサ

Claims (5)

1. 低沸点燃料を貯蔵する複数の燃料タンクを備えたエンジンの燃料供給装置であって、
   前記燃料タンクの各々は、燃料送り配管と燃料戻り配管とによりエンジンの燃料系統に接続されるとともに、前記燃料送り配管に燃料を送出するタンク内ポンプを有しており、さらに、
   前記燃料送り配管と前記燃料戻り配管には制御装置により開閉される電磁弁が設置され、前記制御装置が各々の燃料タンクの前記電磁弁を制御して、前記エンジンの燃料系統に燃料を送出する燃料タンクを切替えるエンジンの燃料供給装置において、
   前記燃料送り配管の前記電磁弁より上流側を前記燃料タンクに連結する連結管とその連結管に介在される調圧弁とを設け、かつ、
   前記制御装置が、燃料を送出する燃料タンクを切替えるときは、切替え後に燃料を送出する燃料タンクの前記タンク内ポンプを所定期間作動させた後、その燃料タンクの前記燃料送り配管及び前記燃料戻り配管に設置された前記電磁弁を開弁するよう構成されたことを特徴とするエンジンの燃料供給装置。
2. 前記燃料送り配管には前記電磁弁より上流側の圧力を検出する圧力センサが設置され、前記タンク内ポンプを作動させる前記所定期間は、前記圧力センサで検出された圧力が所定値に達するまでの期間として設定されている請求項１に記載のエンジンの燃料供給装置。
3. 前記制御装置がタイマを有しており、前記タンク内ポンプを作動させる前記所定期間は、タイマによって設定されている請求項１に記載のエンジンの燃料供給装置。
4. 前記複数の燃料タンクの各々には燃料の液面レベルを検出するレベルセンサが設けられ、燃料の液面レベルが所定値まで低下したときに前記制御装置が燃料を送出する燃料タンクを切替える請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のエンジンの燃料供給装置。
5. 前記エンジンはディーゼルエンジンであり、前記燃料供給装置はコモンレール式燃料供給装置である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のエンジンの燃料供給装置。

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