JP2018054312A - Ｐｍセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】より検出精度の高いＰＭセンサを提供すること。
【解決手段】内燃機関１００の排気管２０２内に管壁から管軸中心に向かうように配設されるＰＭセンサ１であって、排気ガスに含有する粒子状物質の量を検出するセンサ部２０と、前記センサ部２０を収容し、管壁側に前記排気ガスの導入口Ｈｉｎ２、及び管軸の中心側に前記排気ガスの排気口Ｈｏｕｔを有する内ケース１１と、前記内ケース１１を収容し、前記排気口Ｈｏｕｔよりも管壁側に前記排気ガスの取入口Ｈｉｎ１、及び前記内ケース１１との間に前記取入口Ｈｉｎ１から前記導入口Ｈｉｎ２に通ずる前記排気ガスの流路Ｈｍを有する外ケース１２と、前記取入口Ｈｉｎ１から前記排気管の上流側に向かって延在し、前記排気管２０２の排気通路から前記取入口Ｈｉｎ１に前記排気ガスを案内する案内部材１３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本開示は、ＰＭセンサに関する。

内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状物質（Particulate Matter：以下、「ＰＭ」と称する）の量を検出するセンサとして、ＰＭセンサが知られている。

ＰＭセンサは、例えば、排気通路においてＰＭフィルタ（例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ）の下流側に配置され、当該ＰＭフィルタでのＤＰＦの故障の判定等のために使用される。又、ＰＭセンサは、例えば、ＰＭフィルタの上流に配置されて、内燃機関から排出するＰＭ量の測定に使用されている。

ＰＭセンサは、取り込んだ排気ガスの通路を遮るように配置された多孔質フィルタと、当該多孔質フィルタを挟んで互いに対向する少なくとも一対の電極とを備えている。この多孔質フィルタの通路上流側の表面には、自身を通過する排気ガスに含まれるＰＭが堆積していく。そして、ＰＭセンサは、一対の電極により構成されるコンデンサの静電容量の変化量に基づき、多孔質フィルタへのＰＭ堆積量を導出する（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

特開２０１２−２４１６４３号公報 特開２０１６−００８８６３号公報

ところで、ＰＭセンサにおいてＰＭ量の検出精度を上げるためには、ＰＭセンサ内に排気ガスを効率良く取り込むことが望まれる。

そこで、本発明は、ＰＭセンサ内に排気ガスを効率良く取り込み、より検出精度の高いＰＭセンサを提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本発明は、内燃機関の排気管内に管壁から管軸中心に向かうように配設されるＰＭセンサであって、排気ガスに含有する粒子状物質の量を検出するセンサ部と、前記センサ部を収容し、管壁側に前記排気ガスの導入口、及び管軸中心側に前記排気ガスの排気口を有する内ケースと、前記内ケースを収容し、前記排気口よりも管壁側に前記排気ガスの取入口、及び前記内ケースとの間に前記取入口から前記導入口に通ずる前記排気ガスの流路を有する外ケースと、前記取入口から前記排気管の上流側に向かって延在し、前記排気管の排気通路から前記取入口に前記排気ガスを案内する案内部材と、を備えるＰＭセンサである。

本発明に係るＰＭセンサによれば、ＰＭ量の検出精度をより高めることができる。

実施形態に係るＰＭセンサの周辺構成の一例を示す図 実施形態に係るＰＭセンサの全体構成の一例を示す図 実施形態に係るＰＭセンサのセンサ部の詳細構成の一例を示す図 実施形態に係るＰＭセンサのセンサ部の詳細構成の一例を示す図

以下、図面を参照して、一実施形態に係るＰＭセンサ１について詳説する。

尚、図面中のＬ軸、Ｗ軸及びＴ軸は、ＰＭセンサ１の長手方向、幅方向及び高さ方向を示し、各方向は互いに直交する。又、Ｌ軸の正方向側は、排気通路Ｐを形成する排気管２０２の管壁から管軸の中心に向かう方向に相当し、Ｗ軸の正方向側は、排気管２０２の下流側の方向にも相当する。以下では、長手方向Ｌにおける正方向側を「先端側」又は「排気管２０２の管軸中心側」と称し、その負方向側を「基端側」又は「排気管２０２の管壁側」と称する。

［ＰＭセンサの周辺構成］
図１は、本実施形態に係るＰＭセンサ１の周辺構成を示す図である。図１には、内燃機関１００と、排気系２００と、ＰＭセンサ１ａ、１ｂが示されている。

内燃機関１００は、典型的にはディーゼルエンジンである。但し、ディーゼルエンジン以外のガソリンエンジン等にも適用し得る。

排気系２００は、例えば、排気通路Ｐを形成する排気管２０２と、酸化触媒２０４と、ＰＭフィルタ２０６と、を含む。酸化触媒２０４は、排気通路ＰにおいてＰＭフィルタ２０６よりも上流側に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）を分解除去する。ＰＭフィルタ２０６は、典型的には、ディーゼルパティキュレートフィルタである。

ＰＭセンサ１ａ、１ｂは、典型的には、ＰＭフィルタ２０６でのＰＭ堆積量の導出や、ＰＭフィルタ２０６の故障判定等のために使用される。本実施形態においては、ＰＭフィルタ２０６よりも上流側に設けられたＰＭセンサ１ａは、ＰＭフィルタ２０６でのＰＭ堆積量の導出等に使用される。又、ＰＭフィルタ２０６よりも下流側に設けられたＰＭセンサ１ｂは、ＰＭフィルタ２０６の故障判定等に使用される。

尚、本実施形態におけるＰＭセンサ１ａ及び１ｂは、同様の構成を有するため、以下では、「ＰＭセンサ１」と略称して説明する。但し、ＰＭセンサ１は、ＰＭフィルタ２０６に対して上流側又は下流側のいずれかのみに配設されてもよい。

［ＰＭセンサの構成］
以下、図２、図３Ａ、図３Ｂを参照して、本実施形態に係るＰＭセンサ１について詳説する。

図２は、本実施形態に係るＰＭセンサ１の全体構成の一例を示す図である。ここで、図２は、ＰＭセンサ１をＷＬ平面と平行な仮想面に沿って切断した断面形状を示す。

図３Ａ、図３Ｂは、本実施形態に係るＰＭセンサ１のセンサ部２０の詳細構成の一例を示す図である。

図２、図３Ｂに示す矢印Ｑは、ＰＭセンサ１の内部に流通する排気ガスの流通経路を表す。図２中では、排気ガスは、取入口Ｈｉｎ１からＰＭセンサ１の内部に取り入れられ、流路Ｈｍ、導入口Ｈｉｎ２、センサ部２０、排気口Ｈｏｕｔへと順に流通することを示している。

ＰＭセンサ１は、内ケース１１、外ケース１２、案内部材１３、取付部１４、支持部材１５、及びセンサ部２０を備えている。

ここで、内ケース１１は、センサ部２０を内部に収容する部材であり、外ケース１２は、当該内ケース１１を内部に収容する部材である。そして、内ケース１１及び外ケース１２は、取付部１４によって、排気管２０２の管壁から管軸中心に向かって延在するように取り付けられている。

内ケース１１は、例えば、有底の円筒形状を呈し、中心軸が長手方向Ｌに沿うように配設される。内ケース１１は、円筒形状の内部にセンサ部２０を収容する。又、内ケース１１は、長手方向Ｌの先端側に向かって、外ケース１２の先端よりも突出する形状を呈する。

内ケース１１の管壁側には、内ケース１１と外ケース１２の間に形成される流路Ｈｍから、センサ部２０に排気ガスを導入する導入口Ｈｉｎ２が形成されている。具体的には、導入口Ｈｉｎ２は、内ケース１１の壁部を貫通する貫通口であって、内ケース１１の円筒の周方向に沿って複数形成されている。

内ケース１１の管軸中心側には、センサ部２０に導入した排気ガスを排気する排気口Ｈｏｕｔが形成されている。排気口Ｈｏｕｔは、より詳細には、内ケース１１の管軸中心側の底面位置の略中央に、内ケース１１の内径よりも径が小さい一の貫通口として設けられている。排気口Ｈｏｕｔは、取入口Ｈｉｎ１に対して吸気負圧を作用した状態とするべく、例えば、排気管２０２の管軸の中心付近に位置するように構成される（詳細は後述）。

外ケース１２は、例えば、円筒形状を呈し、中心軸が長手方向Ｌに沿うように配設される。より詳細には、外ケース１２は、内ケース１１の中心軸と当該外ケース１２の中心軸が一致するように、内ケース１１を収容する。外ケース１２の内径は、内ケース１１の外径よりも大きく、外ケース１２は、内ケース１１の外面と離間するように、当該内ケース１１を収容する。つまり、外ケース１２の内面と内ケース１１の外面の間には、排気ガスの流路Ｈｍが形成されている。

外ケース１２の管軸中心側には、排気通路Ｐから排気ガスを取り入れる取入口Ｈｉｎ１が形成されている。取入口Ｈｉｎ１は、より詳細には、外ケース１２の先端に流路Ｈｍと連通するように、排気ガスの流通方向に対して交差する方向に開口を向けて形成されている。つまり、排気ガスは、内ケース１１の外面と衝突して減速した状態で取入口Ｈｉｎ１に取り入れられる。

尚、取入口Ｈｉｎ１及び流路Ｈｍは、外ケース１２の円筒の周方向の全周に亘って形成されている。これによって、ＰＭセンサ１を排気管２０２に取り付けたときに、取入口Ｈｉｎ１の開口の向きが排気ガスの流通方向に対してずれ、排気ガスの取り込み量に関して、ＰＭセンサ１毎の個体差が生じることを防止している。

外ケース１２の取入口Ｈｉｎ１は、内ケース１１の排気口Ｈｏｕｔよりも管壁側に設けられている。換言すると、排気口Ｈｏｕｔは、取入口Ｈｉｎ１よりも排気管２０２の管軸の中心側に配設される。排気通路Ｐを流通する排気ガスの流速は、排気管２０２の管壁側よりも管軸の中心の方が速くなるため、当該構成によって、取入口Ｈｉｎ１には、排気口Ｈｏｕｔに対して吸気負圧が作用した状態となっている（詳細は後述）。

案内部材１３は、より多量の排気ガスを取入口Ｈｉｎ１に取り入れるべく設けられ、少なくとも一部が取入口Ｈｉｎ１から排気通路Ｐの上流側に向かって延在し、排気通路Ｐから取入口Ｈｉｎ１に排気ガスを案内する。

より詳細には、案内部材１３は、取入口Ｈｉｎ１よりも管壁側の位置で外ケース１２の外面に取り付けられ案内羽根１３ａと、取入口Ｈｉｎ１よりも管軸中心側の位置で内ケース１１の外面に取り付けられた案内羽根１３ｂと、を有する。案内羽根１３ａと案内羽根１３ｂとは、取入口Ｈｉｎ１から排気管２０２の上流側に向かって両部材間に形成される開口幅が大きくなるように延在する。

ここで、案内羽根１３ｂは、取入口Ｈｉｎ１から排気ガスの流通方向に沿って延在する形状とするのが望ましい。換言すると、案内羽根１３ｂは、排気ガスの流通方向に沿って見たときに、下流側の排気口Ｈｏｕｔを覆わない構成とするのが望ましい。これによって、下流側の排気口Ｈｏｕｔの付近で排気ガスの乱流が発生することを防止し、取入口Ｈｉｎ１に対して発生する吸気負圧を安定させることができる。

尚、案内羽根１３ａ及び１３ｂは、取入口Ｈｉｎ１と同様に、内ケース１１及び外ケース１２の円筒の周方向の全周に亘って取り付けられている。但し、案内羽根１３ａ及び１３ｂは、上流側に向かう部位のみであってもよい。又、案内羽根１３ａ及び１３ｂは、ケースを構成する部材と一体的に形成されてもよい。

取付部１４は、ＰＭセンサ１を排気管２０２の管壁に固定する。取付部１４は、例えば、ＰＭセンサ１の管壁側の部位の外周面に形成された雄ネジを含んで構成される。取付部１４の当該雄ネジは、排気管２０２の貫通口２０２ａに形成された雌ネジに嵌め合わされて、ＰＭセンサ１を排気管２０２の管壁に固定する。

支持部材１５は、内ケース１１の内部でセンサ部２０を支持する。支持部材１５は、例えば、円筒状の内ケース１１の内周面に長手方向Ｌに沿って設けられ、センサ部２０を全周から取り囲むように支持する。支持部材１５は、典型的には、耐熱性を有する繊維状のマットからなる。

センサ部２０は、排気ガスに含有するＰＭを捕集し、当該ＰＭの量を検出する（図３Ａ、図３Ｂを参照）。

本実施形態に係るセンサ部２０は、フィルタ部材２１、電極２２、及びヒータ２３を備えている。

フィルタ部材２１は、内ケース１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭを捕集する。フィルタ部材２１は、例えば、多孔質セラミックスや微細な貫通孔が形成されたセラミックスの隔壁で構成され、長手方向Ｌに沿って区画された格子状の複数のセルを形成する。フィルタ部材２１は、上流側が目封止されたセルＣ１と下流側が目封止されたセルＣ２とが、格子状に交互に形成されるように隔壁を配設する。換言すると、上流側を目封止されたセルＣ１と下流側を目封止されたセルＣ２の間には、隔壁が介在する。

排気ガスは、下流側を目封止されたセルＣ２から流入し、フィルタ部材２１の隔壁を介して隣接する上流側を目封止されたセルＣ１に通流する。当該排気ガスに含まれるＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ２から上流側を目封止されたセルＣ１に流れ込む際に、隔壁の表面や細孔に捕集される。

電極２２（図３Ａ、図３Ｂ中では、２２ａ〜２２ｅ）は、フィルタ部材２１のセルＣ１及びＣ２を挟んで対向するように複数配設され、隣り合う電極２２とコンデンサを構成する（以下、「コンデンサ」とも称する）。より詳細には、各電極２２は、長手方向Ｌに延在する板状の導電性部材である。各電極２２は、当該板状の導電性部材の板面が他の電極２２の板面と高さ方向Ｔに対向するように平行に配設される。

各電極２２には、それぞれ、導電線（図示せず）が接続され、当該導電線は、コントロールユニット３０に内蔵された静電容量検出回路（図示せず）まで引き出されている。そして、コンデンサの静電容量は、当該静電容量検出回路において検出される。

ヒータ２３（図３Ａ、図３Ｂ中では、２３ａ、２３ｂ）は、例えば電熱線であって、通電により発熱してフィルタ部材２１を加熱することで、フィルタ部材２１に堆積したＰＭを燃焼除去する（以下、「センサ再生」とも称する）。ヒータ２３は、線状導体からなり、絶縁性セラミックシート内に蛇行するように埋設された状態で、例えば、電極２２とフィルタ部材２１との間に挿入される。

各ヒータ２３の両端には、導電線（図示せず）が接続され、当該導電線は、コントロールユニット３０に内蔵された定電流電源回路（図示せず）まで引き出されている。尚、ヒータ２３の機能は、少なくとも一個の電極２２に持たせることも可能である。

コントロールユニット３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成されるマイコンである。

コントロールユニット３０は、ＰＭ量導出部３０ａとセンサ再生制御部３０ｂを備えている。又、本実施形態に係るコントロールユニット３０には、コンデンサの静電容量を検出する静電容量検出回路、ヒータ２３に通流させる電流を供給する電源回路も内蔵されている。

ＰＭ量導出部３０ａは、検出されるＰＭ量に応じたの静電容量に基づいて、排気ガスに含まれるＰＭ量を推定する。ＰＭ量導出部３０ａは、所定期間（例えば、センサ再生処理終了時から次のセンサ再生開始時までの期間）におけるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量を推定する。

この際、ＰＭ量導出部３０ａは、静電容量検出回路が示す電気信号に基づいてコンデンサの静電容量を検出し、例えば、予め実験等により求めた当該静電容量の変化量とＰＭ量との関係を示すマップを用いてＰＭ量を推定する。ＰＭ量導出部３０ａは、コンデンサの静電容量の単位時間当たりの変化量から、瞬時のＰＭ量をリアルタイムに推定することもできる。尚、コンデンサの静電容量からＰＭ量を検出する演算処理については、本発明者等の特開２０１６−００８８６３号公報等において公知であるから、ここでの説明は省略する。

センサ再生制御部３０ｂは、所定のタイミングで（例えば、コンデンサの静電容量が所定値を超えたとき）、各ヒータ２３を通電させて、フィルタ部材２１に堆積するＰＭを燃焼除去する。そして、センサ再生制御部３０ｂは、コンデンサの静電容量がＰＭの完全除去を示す所定の静電容量に低下するまでセンサ再生処理を継続する。

ＰＭ量導出部３０ａとセンサ再生制御部３０ｂは、例えば、ＣＰＵがＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。

［ＰＭセンサの動作］
内燃機関１００から排出された排気ガスは、酸化触媒２０４及びＰＭフィルタ２０６により処理されて、排気通路Ｐの下流側に向けて流れる。

排気通路Ｐに流通する排気ガスの一部は、取入口Ｈｉｎ１を介してＰＭセンサ１内に流入する。この際、排気口Ｈｏｕｔは、取入口Ｈｉｎ１よりも排気管２０２の管軸の中心側に配設されているため、当該取入口Ｈｉｎ１には吸気負圧が作用する状態となっている。より詳細には、排気ガスは、排気管２０２の管軸の中心ほど流速が速いため、取入口Ｈｉｎ１の圧力は、排気管２０２の管軸の中心付近に位置する排気口Ｈｏｕｔの圧力に対して相対的に負圧の状態となる。従って、排気ガスは、取入口Ｈｉｎ１に吸入されて、センサ部２０を介して排気口Ｈｏｕｔに向かって流通する。

又、この際、取入口Ｈｉｎ１には、案内羽根１３ａ及び１３ｂが設けられているため、当該取入口Ｈｉｎ１には、当該案内羽根１３ａ及び１３ｂを介して排気通路Ｐから多量の排気ガスが案内される。

取入口Ｈｉｎ１に流入した排気ガスは、内ケース１１と外ケース１２の間の流路Ｈｍを通過して、導入口Ｈｉｎ２から内ケース１１の内部に流入する。その後、排気ガスは、フィルタ部材２１に形成された下流側を目封止されたセルＣ２に流入した後、隔壁を通過して、上流側を目封止されたセルＣ１に流れ、管軸中心側の排気口Ｈｏｕｔから流出する。ここで、排気ガスに含有するＰＭは、セルＣ２の隔壁において捕集され、当該ＰＭを除く排気ガスが、管軸中心側の排気口Ｈｏｕｔから外部に排出される。

ＰＭ量導出部３０ａは、例えば、センサ再生制御部３０ｂにセンサ再生処理が行われたときのコンデンサの静電容量からの静電容量の変化量に基づいて、内燃機関１００からの排気ガス中の総ＰＭ量を推定する。

以上、本実施形態に係るＰＭセンサ１によれば、案内部材１３によって、取入口Ｈｉｎ１に取り入れる排気ガスの量を増加させつつ、流路Ｈｍによって、排気ガスをセンサ部２０に導入する際に排気ガスを減速させる構成を有する。このように、センサ部２０に導入する際に排気ガスを減速させることで、排気ガスに含まれるＰＭをフィルタ部材２１で確実に捕集することが可能であり、排気ガスの流速の変化等に起因してＰＭの捕集率が変動したりすることを防止することができる。又、その際、案内部材１３によって取入口Ｈｉｎ１に取り入れる排気ガスの量を増加させることで、フィルタ部材２１で捕集するＰＭ量を増加させることが可能であり、実質的に分解能を向上させ、また、センサの感度を向上させて、ＰＭ量の検出精度を向上させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。

上記実施形態では、案内部材１３の一例として、案内羽根１３ａ及び１３ｂを示した。しかしながら、案内部材１３は、取入口Ｈｉｎ１に取り入れる排気ガスの量を増加させることができれば任意の形状であってよい。例えば、案内部材１３は、案内羽根１３ａ及び１３ｂで構成される態様に代えて、筒状の部材等で構成されてもよい。他方、案内羽根１３ａ及び１３ｂのいずれか一方だけを設ける構成としてもよい。

又、上記実施形態では、内ケース１１及び外ケース１２の一例として、ともに円筒形状を呈する態様を示した。しかしながら、内ケース１１及び外ケース１２は、角筒形状等、他の形状であってもよいし、内ケース１１と外ケース１２とは、異なる形状であってもよい。

又、上記実施形態では、排気口Ｈｏｕｔの一例として、内ケース１１の先端の底部に形成する態様を示した。しかしながら、排気口Ｈｏｕｔは、内ケース１１の下流側の側面等、他の位置に形成してもよい。

又、上記実施形態では、センサ部２０の一例として、フィルタ部材２１と電極２２とで構成する静電容量方式センサを示した。しかしながら、センサ部２０は、他の方式でもよく、例えば、抵抗素子にＰＭを付着させて抵抗値の変化を検出する電気抵抗式センサとしてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本開示に係るＰＭセンサは、内燃機関の排気通路に流通する排気ガス中のＰＭ量を検出するセンサとして有用である。

１ ＰＭセンサ
１１ 内ケース
１２ 外ケース
１３ 案内部材
１４ 取付部
１５ 支持部材
２０ センサ部
２１ フィルタ部材
２２ 電極
２３ ヒータ
３０ コントロールユニット
Ｈｉｎ１ 取入口
Ｈｉｎ２ 導入口
Ｈｍ 流路
Ｈｏｕｔ 排気口

Claims (8)

1. 内燃機関の排気管内に管壁から管軸中心に向かうように配設されるＰＭセンサであって、
   排気ガスに含有する粒子状物質の量を検出するセンサ部と、
   前記センサ部を収容し、管壁側に前記排気ガスの導入口、及び管軸中心側に前記排気ガスの排気口を有する内ケースと、
   前記内ケースを収容し、前記排気口よりも管壁側に前記排気ガスの取入口、及び前記内ケースとの間に前記取入口から前記導入口に通ずる前記排気ガスの流路を有する外ケースと、
   前記取入口から前記排気管の上流側に向かって延在し、前記排気管の排気通路から前記取入口に前記排気ガスを案内する案内部材と、
   を備えるＰＭセンサ。
2. 前記案内部材は、第１の案内羽根と、前記第１の案内羽根よりも管軸中心側に配設された第２の案内羽根と、を有する
   請求項１に記載のＰＭセンサ。
3. 前記第１及び前記第２の案内羽根は、前記取入口から前記排気管の上流側に向かって両部材間に形成される開口幅が大きくなるように延在する
   請求項２に記載のＰＭセンサ。
4. 前記第２の案内羽根は、排気通路における排気ガスの流通方向に沿って延在する
   請求項２又は３に記載のＰＭセンサ。
5. 前記内ケースと前記外ケースは、いずれも前記排気管の管壁から管軸中心に向かって延在する筒形状を呈する
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＰＭセンサ。
6. 前記内ケースは、前記外ケースの先端よりも前記排気管の管軸中心に向かって突出し、
   前記取入口は、前記外ケースの先端に排気ガスの流通方向に対して交差する方向に開口を向けて形成される
   請求項５に記載のＰＭセンサ。
7. 前記取入口、前記流路、及び前記導入口は、筒形状の周方向の全周に亘って配設される
   請求項５又は６に記載のＰＭセンサ。
8. 前記センサ部は、排気ガスに含有する粒子状物質を捕集するフィルタ部材と、前記フィルタ部材の少なくとも一部を挟んで互いに対向する少なくとも一対の電極と、を有する
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＰＭセンサ。
   

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