JP5720855B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機関弁のバルブタイミングを変更可能なバルブタイミング変更機構を備えた内燃機関の制御に関し、内燃機関の他のアクチュエータの設定（例えば、点火時期の設定）において考慮されるバルブタイミングの検出値の演算に関する。

特許文献１にも記載のように、内燃機関では、ノッキングの発生を抑制するために、所定レベルのノッキングの発生を検出した場合に、点火時期を遅角する、いわゆるトレースノック制御が行われる。また、内燃機関の機関弁（吸気弁や排気弁）のバルブタイミングを変更可能なバルブタイミング変更機構を備える場合、カム角センサ等を用いて実際のバルブタイミングを検出し、その検出値に応じて点火時期（の変化量及び速度）を設定している。

特開平２−１０２３４７号公報

バルブタイミングの検出異常を判定する場合、異常（ＮＧ）が確定するまでの期間、不正確なバルブタイミングの検出値が出力されることがある。このように、何らかの理由によってバルブタイミングの検出値が実際のバルブタイミングからずれている場合、正確でないバルブタイミングの検出値に基づいて点火時期を設定すると、点火時期の設定精度が低下し、例えば点火時期が進角し過ぎてノッキングを生じるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち本発明では、内燃機関の吸気弁のバルブタイミングを変更可能なバルブタイミング変更機構を有し、バルブタイミングの検出値を検出し、この検出値に基づいて内燃機関の他のアクチュエータを制御する。
また、上記検出手段によるバルブタイミングの検出異常を検出する異常検出手段と、
を有し、上記アクチュエータ制御手段は、ノッキングの発生を所定レベル以下に抑えるように、点火時期をトレースノック制御し、上記トレースノック制御用の点火時期が、上記バルブタイミングの検出値を用いて算出される。
そして、上記異常検出手段による異常検出時であって、かつ、上記バルブタイミングの進角側への変換時には、上記バルブタイミングを前回の検出値に対して第１の進角側の応答速度で変換させた場合のバルブタイミングの第１の進角側の応答値を算出し、上記検出値を上記第１の進角側の応答値に制限する。
一方、上記異常検出手段による異常検出時であって、かつ、上記バルブタイミングの遅角側への変換時には、上記バルブタイミングを前回の検出値に対して第１の遅角側の応答速度よりも遅い第２の応答速度で変換させた場合のバルブタイミングの第２の遅角側の応答値を算出し、上記検出値を上記第２の遅角側の応答値に制限する。

このようにして求められたバルブタイミングの検出値は、例えば、トレースノック制御における点火時期の設定に用いられる。

本発明によれば、何らかの理由によりバルブタイミングの検出値が実際のバルブタイミングからずれた場合にも、実際のバルブタイミングに対する検出値の乖離を抑制することができる。この結果、この検出値を用いて設定される点火時期の設定精度を向上し、点火時期の過進角によるノッキングの発生を抑制することができる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置を示すシステム構成図。 上記実施例のトレースノック制御用の点火時期の設定処理を示す機能ブロック図。 図２のトレースノック制御用の点火時期基本値の設定マップを示す特性図。 図２のトレースノック制御用の点火時期の補正率の設定マップを示す特性図。 図２のＶＴＣ変換角の目標値の設定マップを示す特性図。 上記実施例のＶＴＣ変換角の推定値（検出値）の設定制御の流れを示すフローチャート。 ＶＴＣ最速応答速度の設定テーブルを示す特性図。 ＶＴＣ最遅応答速度の設定テーブルを示す特性図。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、この発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置のシステム構成を示している。内燃機関１は、機関弁としての吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ、吸気弁３のバルブタイミングを変更可能な可変動弁機構として、この実施例では、吸気弁３の作動角の中心角をクランク角に対して連続的に遅進させることで、作動角（開閉期間）を変化させることなく、吸気弁開時期と閉時期を同時に同じ量だけ連続的に遅角及び進角させる吸気バルブタイミング変更機構（以下、単に「ＶＴＣ」とも呼ぶ）６、を備えている。なお、吸気バルブタイミング変更機構６は、例えば特開２００７−３２３８０号公報にも記載されているように、吸気弁を駆動する駆動軸（カムシャフト）とともに回転するロータとクランクシャフトにより回転駆動されるハウジングとの相対回転位置を変化させることで、クランク角に対する駆動軸の回転位相を遅進させるベーン式の機構であり、その構造は公知であるために、ここでは詳細な説明を省略する。

吸気通路７のコレクタ７ａ上流側には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御式のスロットル弁２が設けられている。ここで、上記スロットル弁２は、主として吸気通路７内にブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させるために用いられており、基本的に、吸入空気量の調整は、上記の吸気バルブタイミング変更機構６により吸気弁３のバルブリフト特性を変更することで行われる。また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配置されており、上記のように吸気弁３もしくはスロットル弁２により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。

コントロールユニット１０は、カム角センサ１１により検出される吸気弁側のカムシャフトの回転角であるカム角信号、クランク角センサ１２により検出されるクランクシャフトの回転角であるクランク角、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号、冷却水温度センサ１４からの水温信号、空燃比センサ１５により検出される排気の空燃比信号の他、燃焼室内のノッキングの発生を検出するノックセンサ１６からのノック信号や、油温センサ１７により検出される油温信号、等の信号を受け取り、これらの信号に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル弁２の目標開度の他、後述する吸気バルブタイミング変更機構６のバルブタイミングに相当するＶＴＣ変換角の目標値ＴＡＲＧＥＴなどをそれぞれ演算する。そして、要求の燃料噴射量および点火時期を実現するように燃料噴射弁８および点火プラグ９を制御するとともに、吸気バルブタイミング変更機構６のＶＴＣ変換角の目標値ＴＡＲＧＥＴを実現するための制御信号を、吸気バルブタイミング変更機構６のアクチュエータへ出力し、かつスロットル弁２の開度を上記目標開度となるように制御する。

ここで本実施例では、ノックセンサ１６により検出される信号に基づいて、ノッキングの強度や頻度が所定レベル以下となる範囲で、点火時期を可及的に進角側へ制御する、いわゆるトレースノック制御が行われる。図２は、このようなトレースノック制御における点火時期の設定処理を示す機能ブロック図である。

ブロックＢ１１では、シリンダ充填効率とエンジン回転数とに基づいて、図３に示すような実機実験により予め設定及び記憶されたトレースノック点火時期基本値マップを参照して、トレースノック制御用の点火時期（トレースノック点火時期）の基本値を求める。シリンダ充填効率は、吸入空気量及びバルブタイミング等に基づいて求められ、エンジン回転数は、クランク角センサ１２の検出信号等により求められる。図３に示すように、シリンダ充填効率が高いほど、ノッキングが発生し易くなるために、点火時期の基本値が遅角側に設定される。なお、シリンダ充填効率に代えて、吸入空気量，要求トルクあるいは機関負荷等を用いるようにしても良い。

ブロックＢ１２では、シリンダ充填効率とエンジン回転数とに基づいて、図４に示すような実機実験により予め設定及び記憶されたトレースノック点火時期補正率マップを参照して、トレースノック点火時期の補正率を求める。吸気ＶＴＣの変換角が進角側に大きくなるほど、トレースノック点火時期は遅角側に変化し、その移動量はエンジン回転数とシリンダ充填効率に感度を持つ。従って、図４に示すように、充填効率が高いほど、またエンジン回転数が高いほど、点火時期の補正率が高く設定される。

ブロックＢ１３では、上記のクランク角センサ１２及びカム角センサ１１から送信される信号に基づいて、吸気ＶＴＣのバルブタイミングであるＶＴＣ変換角の検出値ＶＴＣＮＯＷを求める。このＶＴＣ変換角の検出値ＶＴＣＮＯＷは、クランクシャフトのクランク角に対するカムシャフトのカム角の基準位相に対する位相差に相当する。

ブロックＢ１４では、シリンダ充填効率と、エンジン回転数とに基づいて、図５に示すような実機実験により予め設定及び記憶されたＶＴＣ変換角目標値マップを参照して、燃費が最小となるＶＴＣ変換角の目標値ＴＡＲＧＥＴを算出する。図５に示すように、ＶＴＣ変換角の目標値は、シリンダ充填効率及びエンジン回転数が高い高回転高負荷側で大きくなり、充填効率及びエンジン回転数が低い低回転低負荷側で小さくなるように設定される。

そして、ブロックＢ１５では、ＶＴＣ変換角の検出値ＶＴＣＮＯＷや目標値ＴＡＲＧＥＴの他、油温センサ１７により検出される油温等に基づいて、ＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳを演算する。この推定値ＶＴＣＮＦＳの演算処理については、図６を用いて後述する。

ブロックＢ１６では、ブロックＢ１５で求められた推定値ＶＴＣＮＦＳと、ブロックＢ１２で求められた補正率と、を乗じて補正値を求め、ブロックＢ１７では、ブロックＢ１１で求められた点火時期基本値からブロック１６で求められた補正値を差し引くことで、最終的なトレースノック点火時期を算出する。

図６は、ブロックＢ１４におけるＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳの演算処理の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１では、クランク角センサ１２及びカム角センサ１１の検出信号に基づいて、クランク角センサ（あるいは、カム角センサ）の検出異常が確定したかのＮＧ（異常）判定を行う。例えば、後述のステップＳ１２によりクランク（カム）角センサの検出異常が検出された状態で一定期間（例えば、クランクシャフトの２回転分の期間）が経過した場合に、ＮＧ（異常）と判定される。

ステップＳ１２では、カム角センサの検出異常を検出したかを判定する。例えば、クランク（カム）角センサが出力するパルス信号の、一定期間中のパルス数を数え、正常時のパルス数の範囲から外れている場合には、検出異常が検出され、正常時のパルス数の範囲内にあるときには、検出異常が検出されず、つまり正常と判定される。

ステップＳ１３では、ＶＴＣが進角中であるか否かを判定する。例えば、進角側に値が大きくなるＶＴＣ変換角の目標値ＴＡＲＧＥＴが検出値ＶＴＣＮＯＷよりも大きければ、フィードバック制御等により進角側に制御されることから、進角中であると判定される。

ステップＳ１４では、ＶＴＣが遅角中であるか否かを判定する。例えば、進角側に値が大きくなるＶＴＣ変換角の目標値ＴＡＲＧＥＴが検出値ＶＴＣＮＯＷよりも小さければ、フィードバック制御等により遅角側に制御されることから、遅角中であると判定される。

なお、上記の「ＶＴＣ変換角」は、例えば、クランク角センサ１２が出力するパルス信号のうち、基準となるパルス信号を決めておき、そのパルス信号を検出した時点から、カム角センサ１１が出力する所定のパルス信号が検出されるまでの時間を角度換算することによって演算することができる。

クランク（カム）角センサに何ら異常がなければ、ステップＳ１１，Ｓ１２の判定がともに否定されてステップＳ１５へ進み、上述した点火時期の設定等に用いられるＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳとして、ＶＴＣ変換角の検出値ＶＴＣＮＯＷの値を代入・設定する。

クランク（カム）角センサの検出異常のＮＧ判定がなされておらず、つまり検出異常が確定してはいないものの、クランク（カム）角センサの検出異常が検出されている場合、ＮＧ判定となる可能性があるとして、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進む。そして、ＶＴＣが進角中であると判定されると、ステップ１３からステップＳ１８へ進み、ＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳを、最進角（例えば、６５度）に設定する。一方、ＶＴＣが遅角中であると判定されると、ステップＳ１４からステップＳ１７へ進み、ＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳを、最遅角（例えば、０度）に設定する。ＶＴＣ変換角の目標値ＴＡＲＧＥＴと検出値ＶＴＣＮＯＷとが同じ値である場合には、ステップＳ１３，Ｓ１４の双方が否定されてステップＳ１６へ進み、ＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳを、推定値ＶＴＣＮＦＳの前回値に設定し、つまり推定値ＶＴＣＮＦＳを変更することなく保持する。

クランク（カム）角センサの検出異常のＮＧ判定時には、ステップＳ１１からステップＳ１９へ進み、ＶＴＣが所定の位置に戻るように制御され、つまりＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳを、ＮＧ判定時の所定の戻り角（例えば、０度）に設定する。

そして本実施例では、ステップＳ２０もしくはステップＳ２１において、ステップＳ１５〜Ｓ１９で設定されたＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳ（検出値）を、少なくとも所定応答値、特にこの実施例では最速応答値以下に制限するものである。これらのステップＳ２０，Ｓ２１が、特許請求の範囲に記載の「検出値制限手段」に相当する。

具体的には、クランク（カム）角センサに異常のない場合、上記のステップＳ１５からステップＳ２０へ進み、ＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳを制限する。この際、変換方向が進角側及び遅角側のいずれの場合であっても、最速応答速度でＶＴＣが作動した場合のバルブタイミングである最速応答値以下に推定値ＶＴＣＮＦＳを制限する。

上記の「最速応答値」は、バルブタイミングの進角側もしくは遅角側への変換時に、前回（例えば、１演算前）のバルブタイミングの検出値ＶＴＣＮＯＷと、ＶＴＣの最速応答速度と、に基づいて、前回のバルブタイミングの検出値ＶＴＣＮＯＷの検出時点からバルブタイミングの変換方向（進角側もしくは遅角側）へ最速応答速度でＶＴＣが作動した場合のバルブタイミングに相当し、上記のコントロールユニット１０により演算される。

上記の「最速応答速度」は、エンジン回転数と油温に感度をもつ。従って、実験により応答速度が最速となる油温にて各エンジン回転数毎に応答速度を計測して、図７に示すようなマップ（テーブル）に記憶させておき、エンジン回転数と油温とに基づいて、この記憶したマップ（テーブル）を参照することにより求められる。図７に示すように、進角側（作動側）及び遅角側（復帰側）ともに、エンジン回転数が高くなるほど最速応答速度が高くなるように設定される。

つまり、ステップＳ２０では、ＶＴＣ変換角の検出値ＶＴＣＮＯＷ（検出値ＶＴＣＮＯＷにより更新した推定値ＶＴＣＮＦＳ）が、前回の検出値に対してＶＴＣの最速応答速度で変換したとしても変換できない値、つまりＶＴＣの応答速度を考慮すると現実的に不可能な値である場合には、何らかの理由で検出値ＶＴＣＮＯＷ自体が不正確な値となっていると判断し、最速応答速度で変換した場合の最速応答値以下に推定値ＶＴＣＮＦＳを制限する。その演算式の一例を次に示す。

・進角側に移動した場合
（ＶＴＣＮＦＳ（ｄｅｇ）［更新後］−ＶＴＣＮＦＳ（ｄｅｇ）［更新前］）／演算周期
＞ ＶＴＣの進角側の最速応答速度（ｄｅｇ／ｓｅｃ） …（１）
ＶＴＣＮＦＳ［更新後］＝ＶＴＣＮＦＳ［更新前］＋進角側の最速応答速度×更新周期
…（２）
上記の（１）式が成立している場合には、更新後の推定値ＶＴＣＮＦＳの変化量が最速応答速度（第１の進角側の応答速度）でも変換できない不正確な変化量であると判断して、推定値ＶＴＣＮＦＳを、（２）式の右項により表される進角側の最速応答値（第１の進角側の応答値）、もしくはこの最速応答値以下に制限する。なお、更新周期は、例えば１０ｍｓである。

・遅角側に移動した場合
（ＶＴＣＮＦＳ［更新前］（ｄｅｇ）−ＶＴＣＮＦＳ（ｄｅｇ）［更新後］）／演算周期
＞ ＶＴＣの遅角側の最速応答速度（ｄｅｇ／ｓｅｃ） …（３）
ＶＴＣＮＦＳ［更新後］＝ＶＴＣＮＦＳ［更新前］−遅角側の最速応答速度×更新周期
…（４）

遅角側の場合も同様に、上記の（３）式が成立している場合には、更新後の推定値ＶＴＣＮＦＳの変化量が最速応答速度（第１の遅角側の応答速度）でも変換できない不正確な変化量であると判断して、推定値ＶＴＣＮＦＳを、（４）式の右項により表される遅角側の最速応答値、もしくはこの最速応答値以下に制限する。

一方、ＮＧ判定時を含めてクランク（カム）角センサの検出異常を検出した場合には、ステップＳ１６〜Ｓ１９のいずれかによる検出値ＶＴＣＮＦＳの設定後にステップＳ２１へ進み、ＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳを制限する。この際、変換方向が進角側の場合には、ステップＳ２０と同様、最速応答速度でＶＴＣが作動した場合のバルブタイミングである最速応答値以下に推定値ＶＴＣＮＦＳを制限する。一方、変換方向が遅角側である場合には、最遅応答値に推定値ＶＴＣＮＦＳを制限する。

上記の「最遅応答値（第２の遅角側の応答値）」は、バルブタイミングの遅角側への変換時に、前回のバルブタイミングの検出値ＶＴＣＮＯＷと、ＶＴＣの最遅応答速度（第２の遅角側の応答速度）と、に基づいて、前回（例えば、１演算前）のバルブタイミングの検出値の検出時点からバルブタイミングの変換方向へ最遅応答速度でＶＴＣが作動した場合のバルブタイミングに相当し、上記のコントロールユニット１０により演算される。

上記の「最遅応答速度」は、エンジン回転数と油温に感度をもつ。従って、実験により応答速度が最も遅くなる油温にて各エンジン回転数毎に応答速度を計測して、図８に示すようなマップ（テーブル）に記憶させておき、エンジン回転数と油温とに基づいて記憶したマップ（テーブル）を参照することにより求められる。図８に示すように、この最遅応答速度は、図７に示す最速応答速度よりも低い値に設定される。

このステップＳ２１における演算処理の演算式の一例を下記に示す。なお、進角側（作動側）に移動した場合の演算式は上記の（１），（２）式と同様であり、説明を省略する。
・遅角側に移動した場合
（ＶＴＣＮＦＳ［更新前］（ｄｅｇ）−ＶＴＣＮＦＳ（ｄｅｇ）［更新後］）／演算周期
＞ ＶＴＣの遅角側の最速応答速度（ｄｅｇ／ｓｅｃ） …（５）
ＶＴＣＮＦＳ［更新後］＝ＶＴＣＮＦＳ［更新前］−遅角側の最遅応答速度×更新周期
…（６）
上記の（５）式が成立している場合には、（６）式により推定値ＶＴＣＮＦＳを遅角側の最遅応答速度（最遅応答値）に制限する。

このような本実施例による作用効果について以下に説明する。

クランク角、カム角センサに異常が生じても、異常検出が確定するまでには時間がかかる。その間はＶＴＣ変換角の検出値ＶＴＣＮＯＷも不正確となり、このような不正確な検出値ＶＴＣＮＯＷを、トレースノック制御用の点火時期の設定に用いる推定値ＶＴＣＮＦＳとしてそのまま設定すると、点火時期の設定が不正確なものとなり、点火時期の過進角によるノッキングを生じるおそれがある。

このような課題に対し、本実施例では、異常検出の有無にかかわらず、ＶＴＣ変換角の検出値ＶＴＣＮＯＷが最速応答値を超えている場合には、少なくとも最速応答値以下に推定値ＶＴＣＮＦＳを制限している。これによって、ＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳの実際の値に対する乖離を抑えることができ、このＶＴＣ変換角の推定値ＶＴＣＮＦＳを用いて設定されるトレースノック制御用の点火時期の過度な進角を抑制して、ノッキングの発生を抑制することができる。

また、吸気ＶＴＣが進角するほど点火時期は遅角することから、変換方向が進角方向であると予想される場合には、進角方向の最速応答速度を用いて予測した最速応答値以下に推定値ＶＴＣＮＦＳを制限し、この推定値ＶＴＣＮＦＳを用いてトレースノック点火時期を設定することで、遅角側に誤差を持つトレースノック点火時期となり、点火時期の過度な進角を確実に回避することができる。

一方、吸気ＶＴＣが遅角するほど点火時期は進角する関係にあるために、ＶＴＣが遅角方向に動くと予想される場合、仮に上記の進角側と同様に推定値ＶＴＣＮＦＳを最速応答値に設定した場合、推定値ＶＴＣＮＦＳが実際のＶＴＣ変換角よりも遅角し、このように遅角側へずれた推定値ＶＴＣＮＦＳに基づいてトレースノック制御用の点火時期を設定すると、点火時期が過進角となるおそれがある。

そこで、ＶＴＣが遅角方向に動くと予想される場合、遅角方向の最遅応答速度を用いて予測したＶＴＣ変換角の最遅応答値に推定値ＶＴＣＮＦＳを制限し、この推定値ＶＴＣＮＦＳを用いてトレースノック制御用の点火時期を設定する。これによって、進角側の場合と同様に、遅角側に誤差を持つトレースノック点火時期となり、点火時期の過度な進角を確実に回避することができる。

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、本発明は図示実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。

また、上記実施例では、バルブタイミングの進角側もしくは遅角側への変換時に、バルブタイミングを前回の検出値に対して最速応答速度で変換させた場合のバルブタイミングの最速応答値を算出する構成としているが、応答速度が「最速」である場合に限らず、最速に近い所定応答速度で変換させた場合の所定応答速度を算出するものであっても良い。

１…内燃機関
３…吸気弁
４…排気弁
６…吸気バルブタイミング変更機構
９…点火プラグ
１０…コントロールユニット

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気弁のバルブタイミングを変更可能なバルブタイミング変更機構を有する内燃機関の制御装置において、
   上記吸気弁のバルブタイミングの検出値を検出する検出手段と、
   上記バルブタイミングの検出値に基づいて、内燃機関の他のアクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段と、
   上記検出手段によるバルブタイミングの検出異常を検出する異常検出手段と、
   を有し、
   上記アクチュエータ制御手段は、ノッキングの発生を所定レベル以下に抑えるように、点火時期をトレースノック制御し、
   上記トレースノック制御用の点火時期が、上記バルブタイミングの検出値を用いて算出され、
   上記異常検出手段による異常検出時であって、かつ、上記バルブタイミングの進角側への変換時には、上記バルブタイミングを前回の検出値に対して第１の進角側の応答速度で変換させた場合のバルブタイミングの第１の進角側の応答値を算出し、上記検出値を上記第１の進角側の応答値に制限する一方、
   上記異常検出手段による異常検出時であって、かつ、上記バルブタイミングの遅角側への変換時には、上記バルブタイミングを前回の検出値に対して第１の遅角側の応答速度よりも遅い第２の応答速度で変換させた場合のバルブタイミングの第２の遅角側の応答値を算出し、上記検出値を上記第２の遅角側の応答値に制限する、
   内燃機関の制御装置。
2. 上記第１の進角側の応答速度が、上記バルブタイミングの進角側の最速応答速度であり、
   上記第１の進角側の応答値が、上記バルブタイミングを上記進角側の最速応答速度で変換させた場合のバルブタイミングの進角側の最速応答値であり、
   上記第１の遅角側の応答速度が、上記バルブタイミングの遅角側の最速応答速度であり、
   上記第２の遅角側の応答速度が、上記バルブタイミングの遅角側の最遅応答速度であり、
   上記第２の遅角側の応答値が、上記バルブタイミングを上記遅角側の最遅応答速度で変換させた場合のバルブタイミングの遅角側の最遅応答値である、
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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