JP3982492B2 - 内燃機関のバルブリフト制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気弁又は排気弁のバルブリフト量又は作動角の少なくとも一方を可変とするリフト可変機構を備えた内燃機関のバルブリフト制御装置に関する。

内燃機関の吸気弁のバルブタイミングを変更する機構として、クランク角に対するカムシャフトの位相を変更する位相可変機構が公知である。特許文献１には、燃料カットを伴う車両減速中に、カムシャフトの位相を最遅角あるいは最進角として、上記位相の学習処理を行う技術が開示されている。このように燃料カット中に学習処理を行うことにより、学習処理に伴って燃料消費の増加を招くことがない。

また、本出願人が以前に提案した特許文献２には、リフト可変機構として、バルブリフト量及び作動角の双方を連続的に変更可能なリフト・作動角可変機構が開示されている。このようなリフト可変機構により機関運転状態に応じてバルブリフト量を可変制御することにより、燃費と出力の双方を高めることが可能である。
特開２００２−１８０８５６号公報 特開平１１−１０７７２５号公報

このようなリフト可変機構では、経時劣化や各種誤差を吸収するように、好ましくはバルブリフト量の学習処理や補正処理を行う。この学習処理は、リフト可変機構をリフト可変範囲の機構的な最小値又は最大値、好ましくは動弁系からの反力が低くロスの少ない最小値に操作して行う。例えばバルブリフト量を検出する角度センサやリフトセンサ等を備え、このセンサの出力に基づいてクローズドループ制御を行うものでは、バルブリフト量の機構的な最小値が、制御目標値として使用され得る制御最小値（例えば１．５ｍｍ程度）よりも低い値（例えば１ｍｍ程度）に設定されており、この機構的なリフト最小値に応じたセンサの基準位置に対して学習値を算出する。

しかしながら、機関運転状態に応じてバルブリフト量を幅広く変更できるように、バルブリフト量の操作可能範囲を広げると、その最小値ではリフト量が例えば上記の１ｍｍ程度の極小リフトとなり、吸入空気量が極端に少なくなるため、内燃機構の安定した燃焼が成立しないことがある。なお、上述した位相可変機構により位相を変化させても、リフト可変機構のように内燃機関の燃焼が成立しなくなるほど吸入空気量は変化しない。また、燃料カットを伴う車両減速中であっても、バルブリフト量を機構的な最小値とすると、燃料カット解除後の燃焼安定性を確保できないおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、バルブリフト量又は作動角の最小値を十分に小さくすることによりバルブリフト量又は作動角の操作可能範囲を幅広く確保した上で、燃焼安定性を損ねることなく、リフト可変機構により操作されるバルブリフト量又は作動角の学習処理又は補正処理を良好に行うことができる新規な内燃機関のバルブリフト制御装置を提供することを目的としている。

吸気弁又は排気弁のバルブリフト量又は作動角の少なくとも一方を可変とするリフト可変機構と、車両減速中に、内燃機関の燃料カットを行う燃料カット手段と、燃焼安定度に対応する所定の学習許可条件が成立するかを判定する学習許可条件判定手段と、を備える。上記燃焼安定度に対応する所定の学習許可条件とは、燃料カット中にバルブリフト量又は作動角を学習処理又は補正処理のために機構的な最小値としても、燃料カット解除後の燃焼安定性が確保できる条件である。上記機構的な最小値は、燃料カット中を含めた機関運転中に使用されるバルブリフト量又は作動角の制御目標値の最小値よりも更に小さい値であって、燃料カット中であっても燃料カット解除後の燃焼安定性を確保できないことがあるほど小さい値である。上記燃料カット中で、かつ上記学習許可条件が成立する場合に、上記バルブリフト量又は作動角が上記機構的な最小値となるように上記リフト可変機構を操作して、バルブリフト量又は作動角の学習処理又は補正処理を行う。

本発明によれば、燃料カット中で、かつ上記学習許可条件が成立する場合に限り、上記バルブリフト量又は作動角が最小値となるように上記リフト可変機構を操作して、上記バルブリフト量又は作動角の学習処理又は補正処理を行う。言い換えると、燃料カット中であっても、学習許可条件が成立しない場合には、バルブリフト量又は作動角を最小値とする学習・補正処理を禁止している。従って、バルブリフト量又は作動角の機構的な最小値を十分に小さくすることによりリフト量の操作可能範囲を実質的に幅広く確保した上で、燃焼安定性を損ねることなく学習・補正処理を良好に行うことができる。

以下、この発明に係る内燃機関のバルブリフト制御装置を、自動車用火花点火式ガソリン内燃機関の吸気弁に適用した実施の形態について説明する。

図１は、内燃機関の吸気弁の作動特性を変更する可変動弁機構を示す構成説明図である。各気筒には一対の吸気弁１１が設けられ、これら吸気弁１１のバルブリフタ１０の上方に、クランクシャフトに連動して回転する駆動軸２が配設されている。可変動弁機構は、吸気弁のバルブリフト量及び作動角の大きさを連続的・無段階に変更可能なリフト可変機構としてのリフト・作動角可変機構（ＶＥＬ）１と、吸気弁の作動角のクランク角に対する中心位相を進角もしくは遅角させる位相可変機構２１と、が組み合わされて構成されている。

リフト・作動角可変機構１は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば特開平１１−１０７７２５号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。リフト・作動角可変機構１は、制御軸１２と、この制御軸１２に偏心して設けられた制御偏心軸部１８と、この制御偏心軸部１８に揺動可能に嵌合するロッカアーム６と、駆動軸２に偏心して設けられた駆動偏心軸部３と、駆動軸２に揺動可能に嵌合する揺動カム９と、駆動偏心軸部３とロッカアーム６の一端とを連係するリング状の第１リンク４と、ロッカアーム６の他端と揺動カム９の先端とを連係する第２リンク８と、を有している。制御軸１２は、駆動軸２と同様にシリンダブロック等の機関固定要素に回転可能に支持されており、かつ、作動角アクチュエータ１３によりウォームギヤ１５を介して回転角度位置が変更・保持される。第１リンク４は駆動偏心軸部３の円形の外周に回転可能に嵌合している。ロッカアーム６の一端と第１リンク４の先端とは第１連結ピン５により回転可能に接続されている。ロッカアーム６の他端と第２リンク８の一端とは第２連結ピン７により回転可能に接続されている。第２リンク８の他端と揺動カム９の先端とは第３連結ピン１７により回転可能に接続されている。

クランクシャフトに連動して駆動軸２が回転すると、駆動偏心軸部３及び第１リンク４を介してロッカアーム６が揺動し、このロッカアーム６の揺動運動が第２リンク８を介して揺動カム９に伝達されて、揺動カム９が揺動する。揺動する揺動カム９が吸気弁１１の上方に設けられたバルブリフタ１０に接触してこれを押圧することにより、吸気弁１１がバルブスプリング反力に抗して開閉作動する。作動角アクチュエータ１３により制御軸１２の回転位置を変更すると、ロッカアーム６の揺動支点である制御偏心軸部１８の中心位置が変化する。これにより、揺動カム９の揺動範囲が変化して、吸気弁１１の作動角のクランク角（クランクシャフトの回転位置）に対する中心位相が略一定のままで、吸気弁１１のバルブリフト量（最大リフト量）及び作動角の双方の大きさが連続的・無段階に変化する。このリフト・作動角可変機構１の制御状態は、制御軸１２の回転位置に応答する角度センサである制御軸センサ（リフトセンサ）１４によって検出される。

このようなリフト・作動角可変機構１は、吸気弁１１のバルブリフト量及び作動角の双方を連続的に変更可能であることに加え、次のような特有の作用効果を有する。各リンク要素の連結部位の多くが面接触となっているため、潤滑が容易で信頼性・耐久性に優れている。リターンスプリング等の付勢手段を敢えて用いる必要がないので、簡素な構成で、ロスが少なく、かつ、信頼性・耐久性に優れている。既存の直動型動弁系のカムシャフト及び固定カムとほぼ同様の位置に駆動軸２及び揺動カム９を配置することができ、直動型動弁系の内燃機関に対してレイアウトを大幅に変更することなく容易に適用できる。

位相可変機構２１は、駆動軸２の前端部に設けられたスプロケット２２と、このスプロケット２２と駆動軸２とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相アクチュエータ２３と、から構成されている。上記スプロケット２２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに同期して軸周りに回転する。上記位相アクチュエータ２３は、例えば油圧式、電磁式などの回転型アクチュエータからなり、後述するエンジンコントロールユニット１９からの制御信号に応じて作動する。この位相アクチュエータ２３の作用によって、スプロケット２２と駆動軸２とが相対的に回転し、吸気弁１１の作動角のクランク角に対する中心位相（開閉時期）が遅角・進角する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この位相可変機構２１の制御状態は、駆動軸２の回転位置に応答する駆動軸センサ１６によって検出される。

図２は、上記内燃機関の吸気系のシステム構成図である。吸気通路２５のコレクタ２６の上流には、吸気通路２５を開閉する電子制御式のスロットル（弁）２７が設けられている。この内燃機関では、このスロットル２７と、上述したリフト・作動角可変機構１と、位相可変機構２１と、の三者を組み合わせて、気筒の燃焼室２８へ供給される吸入空気量を制御している。すなわち、エンジンコントロールユニット１９は、車速センサ３０により検出される車速、無段変速機３１の変速比、アクセル開度センサ３２により検出されるアクセル信号、回転速度センサ３３により検出・演算される機関回転速度（回転数）、水温センサ３６により検出される機関冷却水温、圧力センサ３７により検出される吸気マニホールド内の吸気通路２５の吸気圧力、ブレーキペダルが踏まれているかを検出するブレーキスイッチ３８のＯＮ／ＯＦＦ信号、駆動軸センサ１６により検出される駆動軸２の回転位置、及び制御軸センサ１４により検出される制御軸１２の回転位置等の様々な機関運転状態を表す入力信号に基づいて、スロットル２７、作動角アクチュエータ１３及び位相アクチュエータ２３へ指令信号を出力し、スロットル２７、リフト・作動角可変機構１及び位相可変機構２１の動作を制御する。なお、リフト・作動角可変機構１ならびに位相可変機構２１の制御としては、各センサ１４，１６の検出信号に基づくクローズドループ制御に限らず、運転条件に応じて単にオープンループ制御しても良い。また、エンジンコントロールユニット１９は、周知のように、機関運転状態に基づいて点火プラグ３４及び燃料インジェクタ３５へ制御信号を出力し、点火時期、燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する。上記の無段変速機３１は、変速比を無段階・連続的に変更できるもので、ベルト式やトロイダル式のものが公知であり、ここでは説明を省略する。

次に、図３〜５を参照して、本発明の一実施例に係るバルブリフト量の学習制御について説明する。本実施例では、燃料カットを伴う車両減速中で、かつ、所定の学習許可条件が成立する場合に限り、バルブリフト量が機構的な最小値となるようにリフト可変機構１を操作して、制御軸センサ１４により検出されるバルブリフト量の学習処理を行う。図３及び図４は、エンジンコントロールユニット１９により所定期間毎に繰り返し実行される制御ルーチンを示すフローチャートで、図５は本実施例に係る学習制御が適用された場合の減速燃料カット時のタイムチャートである。

図３を参照して、ステップ（図ではＳと記す）１では、燃料カットを伴う車両減速状態、つまり減速燃料カット中であるかを判定する。例えば図５に示すように、車速が０より高い車両走行中に、アクセル開度が０（ゼロ）となると、所定期間後に燃料カットフラグＦＣＵＴが１に設定される。これにより、図示せぬ他のルーチンにより燃料カットが実行され、燃料インジェクタ３５による燃料供給を停止する。

ステップ２では、学習許可フラグＦＧＳが０（ゼロ）であるかを判定する。この学習許可フラグＦＧＳは、後述する図４の判定ルーチンにより、所定の学習許可条件が成立する場合に１にセットされ、学習許可条件が成立しない場合に０にリセットされる。

ステップ３では、学習終了フラグＦＧＥが１にセットされているかを判定する。この学習終了フラグＦＧＥは、後述するステップ７において学習処理を実行すると１にセットされる。また、一度の減速燃料カット運転中に繰り返し学習処理が行われることのないように、この学習終了フラグＦＧＥは、減速燃料カット以外の運転状況へ移行すると０にリセットされる（ステップ８）。

ステップ４では、リフト量検出手段としての制御軸センサ１４が異常であるかを判定する。この異常判定は、例えば制御軸センサ１４から出力される信号と所定値との比較に基づいて行われる。

減速燃料カット中で、学習許可条件が成立しており（ＦＧＳ＝１）、今回の燃料カット中に未だ学習処理が行われておらず（ＦＧＥ＝０）、かつ、リフトセンサ（制御軸センサ）１４が正常である場合に限り、ステップ５〜７の学習処理が行われる。それ以外の場合、ステップ９へ進み、バルブリフト量が通常の目標値へ向けて操作・制御される。この実施例では、バルブリフト量の操作可能範囲を幅広く確保するために、その機構的な最小値ＶＬｍｉｎは、実際の制御目標値として使用される制御範囲の最小値、つまり制御最小値ＶＬｓ（例えば１．５ｍｍ）よりも低い値に設定されており、例えば吸入空気量が極度に小さいか実質的に０（ゼロ）となる１ｍｍ程度の極小リフトに設定される。言い換えると、図５に示すように、燃焼安定性を考慮して、学習処理を行わない通常の燃料カット中における目標値は機構的な最小値ＶＬｍｉｎよりも高い上記の値ＶＬｓに設定される。

ステップ５では、作動角アクチュエータ２３へ最小値ＶＬｍｉｎに対応する指令信号を出力し、リフト・作動角可変機構１を最小値ＶＬｍｉｎへ向けて操作する。ステップ６では、バルブリフト量が最小値ＶＬｍｉｎに達したかを判定する。この判定は、例えばエアフロメータ等により検出される吸入空気量に基づいて判定し、あるいは簡易的に所定期間が経過したかで判定する。図５のＴ１が、ステップ６の判定が肯定に切り替わってステップ７へ進むタイミングに相当する。

ステップ７では、バルブリフト量の学習処理を実行する。つまりリフトセンサである制御軸センサ１４の検出信号と、予め設定・記憶されている最小値ＶＬｍｉｎに対応する基準値とを比較して、リフトセンサ１４の基準位置である最小位置に対する学習値を算出し、バックアップメモリに格納する。この学習値は、例えば以降の制御軸センサ１４の検出値に対して反映される。

図４は、上述した複数の（この例では８つ）の学習許可条件の判定ルーチンである。ステップ１１では、ブレーキスイッチ３８がＯＦＦであるか、つまりブレーキペダルが開放されているかを判定する。ステップ１２では、機関回転数が所定値（例えば１２００ｒｐｍ）よりも大きいかを判定する。ステップ１３では、冷却水温が所定値（例えば７０℃）よりも大きいかを判定する。ステップ１４では、車速が所定値（例えば２０ｋｍ／ｈ）より大きいかを判定する。ステップ１５では、機関回転速度（機関回転数）の低下速度が所定値（例えば２００ｒｐｍ／１００ｍｓ）より小さいかを判定する。ステップ１６では、変速機３１の変速比が所定値（例えば１．２）より小さいかを判定する。ステップ１７では、吸気圧力すなわち吸入負圧が所定値（例えば−６５ｋｐａ）より低いかを判定する。ステップ１８では、位相可変機構２１により操作される吸気弁の作動角の中心位相が最遅角位相であるかを判定する。

上記のステップ１１〜１８の学習許可条件の全てが成立する場合、上記の学習処理に伴いバルブリフト量を最小値ＶＬｍｉｎとしてもエンジンストール（失火）の危険性がなく、所期の燃焼安定性を確保できると判断して、ステップ１９へ進み、学習許可条件成立を表す学習許可フラグＦＧＳを１にセットする。ステップ１１〜１８の学習許可条件のいずれかが成立しない場合、ステップ２０へ進み、仮に学習処理に伴いリフト量を最小値ＶＬｍｉｎとすると、燃料カット解除後の燃焼安定性を良好に確保できないと判断して、上記の学習フラグＦＧＳを０にリセットする。

以上のような本実施例によれば、燃料カット中で、かつ、学習許可条件が成立する場合に限り、バルブリフト量が最小値ＶＬｍｉｎとなるようにリフト可変機構１を操作して、バルブリフト量の学習処理を行う。言い換えると、燃料カット中であっても、学習許可条件が成立しない場合には、バルブリフト量を最小値ＶＬｍｉｎとする学習処理を禁止している。従って、バルブリフト量の最小値ＶＬｍｉｎを例えば１ｍｍ程度の極小値としてバルブリフト量の操作可能範囲を十分広く確保した上で、燃焼安定性を損ねることなくバルブリフト量の学習処理を良好に行うことができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、以下の（Ａ）〜（Ｃ）のような種々の変形・変更を含むものである。

（Ａ）上記実施例ではステップ７で算出される値を学習値としてバックアップメモリに記憶する態様としているが、この値を補正値として一時メモリに格納する態様としても良い。

（Ｂ）バルブリフト量を検出するリフトセンサとして、上記実施例では制御軸の角度位置を検出する角度センサ１４を用いているが、これに限らず、例えば吸気弁のバルブリフト量を直接的に検出するセンサであっても良い。

（Ｃ）主として簡素化のためにリフトセンサを省略し、リフト可変機構をオープンループ制御するものであっても良い。この場合、ステップ７で算出される学習値（又は補正値）を作動角アクチュエータ１３の指令値に反映すれば良い。

（Ｄ）上記実施例では吸気弁に本発明を適用しているが、同様に排気弁に適用することも可能である。また、上記実施例ではバルブリフト量に対して学習・補正制御を行っているが、同様に作動角に対して学習・補正制御を行うようにしても良い。

以上の説明より把握し得る技術思想について以下に列記する。

（１）吸気弁１１又は排気弁のバルブリフト量又は作動角の少なくとも一方を可変とするリフト可変機構１と、車両減速中に、内燃機関の燃料カットを行う燃料カット手段と、燃焼安定度に対応する所定の学習許可条件が成立するかを判定する学習許可条件判定手段（ステップ１１〜１８）と、上記燃料カット中で、かつ、上記学習許可条件が成立する場合に、上記バルブリフト量又は作動角が最小値ＶＬｍｉｎとなるように上記リフト可変機構１を操作して（ステップ５）、上記バルブリフト量又は作動角の学習処理又は補正処理を行う学習手段（ステップ７）と、を有する。

（２）上記燃料カット中で、かつ、上記学習許可条件が成立しない場合には、上記バルブリフト量又は作動角が最小値ＶＬｍｉｎよりも大きい値ＶＬｓとなるように上記リフト可変機構１が操作される（ステップ９，図５）。

（３）上記リフト可変機構１は、制御軸１２と、この制御軸１２の回転位置を変更・保持するアクチュエータ１３と、制御軸１２に偏心して設けられた制御偏心軸部１８と、この制御偏心軸部１８に揺動可能に嵌合するロッカアーム６と、クランクシャフトに連動して回転する駆動軸２に揺動可能に嵌合し、吸気弁１１又は排気弁を開閉する揺動カム９と、上記駆動軸２に偏心して設けられた駆動偏心軸部３と、この駆動偏心軸部３とロッカアーム６の一端とを連係する第１リンク４と、上記ロッカアーム６の他端と揺動カム９の先端とを連係する第２リンク８と、を有する。

（４）上記学習許可条件が、以下の条件の少なくとも一つを含んでいる。
・ブレーキスイッチがＯＦＦ（ステップ１１）、
・機関回転数が所定値より大きい（ステップ１２）、
・機関冷却水温が所定値より大きい（ステップ１３）、
・車速が所定値より大きい（ステップ１４）、
・機関回転速度の低下速度が所定値より小さい（ステップ１５）、
・変速機の変速比が所定値より小さい（ステップ１６）、
・吸気圧力が所定値より小さい（ステップ１７）、
・クランク角に対する吸気弁の作動角の中心位相を可変とする位相可変機構２１を備え、上記中心位相が最遅角である（ステップ１８）。

（５）上記バルブリフト量を検出するリフトセンサ（制御軸センサ１４）を有し、上記学習手段は、上記バルブリフト量の最小値ＶＬｍｉｎに対応するリフトセンサの基準位置の補正処理又は学習処理を行う（ステップ７）。

（６）上記リフトセンサの異常を検出すると、上記学習手段の作動を禁止する（ステップ４）。

リフト可変機構の一例であるリフト・作動角可変機構を示す斜視図。 本発明の一実施例に係るバルブリフト制御装置が適用される内燃機関の吸気系のシステム構成図。 本実施例に係る学習制御の流れを示すフローチャート。 学習許可条件の判定ルーチン。 燃料カットを伴う車両減速時のタイムチャート。

符号の説明

１…リフト・作動角可変機構（リフト可変機構）
２…駆動軸
３…駆動偏心軸部
４…第１リンク
６…ロッカアーム
８…第２リンク
９…揺動カム
１２…制御軸
１３…作動角アクチュエータ
１４…制御軸センサ（リフトセンサ）
１８…制御偏心軸部
１９…エンジンコントロールユニット
２１…位相可変機構

Claims (6)

1. 吸気弁又は排気弁のバルブリフト量又は作動角の少なくとも一方を可変とするリフト可変機構と、
   車両減速中に、内燃機関の燃料カットを行う燃料カット手段と、
   燃焼安定度に対応する所定の学習許可条件が成立するかを判定する学習許可条件判定手段と、
   上記燃料カット中で、かつ、上記学習許可条件が成立する場合に、上記バルブリフト量又は作動角が機構的な最小値となるように上記リフト可変機構を操作して、上記バルブリフト量又は作動角の学習処理又は補正処理を行う学習手段と、
   を有し、
   上記機構的な最小値は、燃料カット中を含めた機関運転中に使用されるバルブリフト量又は作動角の制御目標値の最小値よりも更に小さい値であって、燃料カット中であっても燃料カット解除後の燃焼安定性を確保できないことがあるほど小さい値であり、
   上記燃焼安定度に対応する所定の学習許可条件とは、燃料カット中にバルブリフト量又は作動角を学習処理又は補正処理のために上記機構的な最小値としても、燃料カット解除後の燃焼安定性が確保できる条件であることを特徴とする内燃機関のバルブリフト制御装置。
2. 上記燃料カット中で、かつ、上記学習許可条件が成立しない場合には、上記バルブリフト量又は作動角が最小値よりも大きい値となるように上記リフト可変機構が操作される請求項１に記載の内燃機関のバルブリフト制御装置。
3. 上記リフト可変機構は、制御軸と、この制御軸の回転位置を変更・保持するアクチュエータと、上記制御軸に偏心して設けられた制御偏心軸部と、この制御偏心軸部に揺動可能に嵌合するロッカアームと、クランクシャフトに連動して回転する駆動軸に揺動可能に嵌合し、吸気弁又は排気弁を開閉する揺動カムと、上記駆動軸に偏心して設けられた駆動偏心軸部と、この駆動偏心軸部とロッカアームの一端とを連係する第１リンクと、上記ロッカアームの他端と揺動カムの先端とを連係する第２リンクと、を有する請求項１又は２に記載の内燃機関のバルブリフト制御装置。
4. 上記学習許可条件が、以下の条件の少なくとも一つを含んでいる請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のバルブリフト制御装置
   ・ブレーキスイッチがＯＦＦ、
   ・機関回転数が所定値より大きい、
   ・機関冷却水温が所定値より大きい、
   ・車速が所定値より大きい、
   ・機関回転速度の低下速度が所定値より小さい、
   ・変速機の変速比が所定値より小さい、
   ・吸気圧力が所定値より小さい、
   ・クランク角に対する吸気弁の作動角の中心位相を可変とする位相可変機構を備え、上記中心位相が最遅角である。
5. 上記バルブリフト量を検出するリフトセンサを有し、
   上記学習手段は、上記バルブリフト量の最小値に対応するリフトセンサの基準位置の補正処理又は学習処理を行う請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のバルブリフト制御装置。
6. 上記リフトセンサの異常を検出すると、上記学習手段の作動を禁止する請求項５に記載の内燃機関のバルブリフト制御装置。
   

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