JP5888605B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、筒内噴射弁を有する内燃機関に適用され、分割噴射を行うように構成された内燃機関の制御装置に関する。
火花点火式の内燃機関には、過給機と、筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁とを有する直噴ガソリンエンジンがある。過給機付きの直噴ガソリンエンジンにおいて、吸気行程及び圧縮行程の両行程にて燃料を噴射させることが知られている。
例えば特許文献1が開示するターボ過給機付きエンジンの制御装置は、アクセル開度センサ及びエアフローセンサの検出信号等に応じて車両が加速状態にあるか否かを判定する。そして、この制御装置は、加速前期に、吸気行程と圧縮行程の後期とに分割して、筒内噴射弁に燃料を噴射させる。この制御装置によれば、ターボ過給機のタービンを駆動するために必要とされる排気ガスのエネルギーが充分に確保され、ターボ過給機の過給作用が迅速に得られて車両の加速性が向上するとされている。
一方、過給機付きエンジンには、筒内噴射弁に加えて、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁を有するものがある。
特許文献2は、筒内噴射弁及びポート噴射弁を有する過給機付きエンジンの制御装置を開示している。この制御装置は、過渡状態であるときに、則ち、急加速状態であるときに、筒内噴射比率増大制御を行うことを開示している。筒内噴射比率増大制御では、ポート噴射比率に対して、筒内噴射比率が増大される。
過渡状態であるか否かの判定は、過給圧センサの検出信号に基づいて算出される現在の過給圧が所定のしきい値を下回り、かつスロットル開度センサの検出信号に基づいて算出される現在のスロットル開度の操作速度が正の値であって所定のしきい値を上回るかによって行われ、両条件が満たされた場合に肯定される。
特許文献2の制御装置によれば、排気エネルギー上昇手段の特性に応じた実行によって、エンジン性能の低下が抑制されるとされている。
特開2000−54894号公報(段落番号0053、0054等) 特開2006−132399号公報(段落番号0036、0041、0045、図3等)
特許文献1が開示する過給機付きエンジンの制御装置は、車両が加速状態にあるか否かを判定した後に分割噴射を実行する。加速状態の判定では、エアフローセンサの検出信号等が用いられているが、エアフローセンサの検出信号に基づいて算出される充填効率の推定値と充填効率の真値との間には、ばらつきや偏差からなる誤差がある。
このため、エアフローセンサの検出信号に基づいて車両が加速状態にあるか否かを判定した場合、運転者の加速要求から、加速状態であるとの判定がなされるまでに、時間を要することがある。この結果、運転者の加速要求に対して、車両の加速が遅れてしまうことがある。
また、特許文献2が開示する過給機付きエンジンの制御装置は、急加速状態であるか否かの判定の後、筒内噴射比率増大制御を実行している。急加速状態の判定は、過給圧センサの検出信号が用いられているが、過給圧センサの検出信号に基づいて算出される過給圧の推定値と過給圧の真値との間には、ばらつきや偏差からなる誤差がある。
このため、過給圧センサの検出信号に基づいて急加速状態にあるか否かを判定した場合、運転者の加速要求から、急加速状態であるとの判定がなされるまでに、時間を要することがある。この結果、運転者の加速要求に対して、車両の加速が遅れてしまうことがある。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、過給機を有する内燃機関の加速性能を向上させる、内燃機関の制御装置を提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明の一態様によれば、過給機と、燃料を燃焼室内に直接噴射する筒内燃料噴射手段とを有する内燃機関の加速の際に、前記内燃機関の吸気行程及び圧縮行程の両行程で前記筒内燃料噴射手段により前記燃焼室内に燃料を噴射する分割噴射を行うように構成された内燃機関の制御装置において、アクセル開度の変化速度の検出値が第1閾値以上であると判定されることを十分条件として、前記筒内燃料噴射手段に前記分割噴射を開始させる分割噴射制御手段を有するように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置が提供される。
一態様の内燃機関の制御装置では、アクセル開度の変化速度の検出値が第1閾値以上であると判定されることが分割噴射を実行するための十分条件である。このため、この制御装置は、制御装置にアクセル開度の変化速度以外の検出値が入力されていても、アクセル開度の変化速度が第1閾値以上であると判定されるのみで、分割噴射を開始するよう構成されている。この結果、アクセルを操作した者の要求に対して速やかに分割噴射が開始され、加速性能が向上する。
内燃機関は、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射を行うポート燃料噴射手段を更に有していてもよく、内燃機関の制御装置は、アクセル開度の変化速度の検出値が、第1閾値以上であって第2閾値未満であるときに、分割噴射と並行して、ポート燃料噴射手段によりポート噴射を実行させる一方、アクセル開度の変化速度の検出値が、第2閾値以上であるときに、分割噴射が実行されている状態で、ポート燃料噴射手段によるポート噴射の実行を禁止するポート噴射制御手段を更に有していてもよい。
この構成によれば、変化速度の検出値が第1閾値以上第2閾値未満であるときに、分割噴射及びポート噴射が実行され、第2閾値以上であるときに分割噴射のみが実行される。このように、筒内噴射に加えてポート噴射を併用することにより、要求に応じた加速性能を確保しながら、排ガス中に含まれる未燃焼成分等が低減され、より環境に優しい制御が可能となる。
内燃機関の制御装置は、アクセル開度の変化速度の検出値が前記第1閾値以上であると判定されると同時に、分割噴射を開始するように構成されていてもよい。
この構成によれば、要求に対して最も速やかに分割噴射が開始され、加速性能が向上する。
本発明によれば、過給機を有する内燃機関の加速性能を向上させる、内燃機関の制御装置が提供される。
第1実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を説明するための図である。 図1の制御装置が実行する分割噴射制御方法の概略的な手順を示すフローチャートである。 図2の分割噴射制御方法を実行した場合の概略的なタイミングチャートであり、(a)はアクセル開度変化量、(b)は分割噴射のオン/オフ、(c)は充填効率、そして(d)はトルクについて、それぞれ時間変化を示している。 第2実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成を説明するための図である。 図4の制御装置が実行する分割噴射制御方法の概略的な手順を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る内燃機関10、及び、内燃機関10の制御装置12の概略的な構成を示している。内燃機関10及び制御装置12は図示しない車両に搭載されている。
内燃機関10は、クランクケース14及びシリンダブロック16を有し、シリンダブロック16の内部には一つ以上のシリンダ18が区画されている。クランクケース14内にはクランク軸20が回転可能に配置され、各シリンダ18内にはピストン22が往復動可能に配置されている。ピストン22は連接棒24を介してクランク軸20に連結されている。
シリンダブロック16には、シリンダヘッド26が取り付けられている。シリンダヘッドは、シリンダ18の開口端を閉塞するように配置され、ピストン22とシリンダヘッド26との間に燃焼室28が形成される。
シリンダヘッド26には、燃料室28に連通する吸気ポート30及び排気ポート32が設けられ、吸気ポート30及び排気ポート32には、吸気弁34及び排気弁36がそれぞれ設けられている。吸気弁34は吸気カム38によって往復動させられ、吸気ポート30を開閉する。排気弁36は排気カム40によって往復動させられ、排気ポート32を開閉する。
また、シリンダヘッド26には、各シリンダ18に対応して、筒内噴射弁(筒内燃料噴射弁)42が取り付けられている。筒内噴射弁42は、燃焼室28内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射手段を構成している。燃料はガソリンであり、筒内噴射弁42には、図示しないけれども、フィードポンプ及び高圧ポンプを介して燃料タンクから燃料が供給される。筒内噴射弁42は、制御装置12からの指令に従って開閉作動し、所定の噴射量にて燃焼室28内に燃料を噴射する。
更に、シリンダヘッド26には、各シリンダ18に対応して点火プラグ44が取り付けられ、点火プラグ44は、燃焼室28内の燃料を含む混合気に点火して燃焼させる。
吸気ポート30には吸気通路46が接続されている。吸気通路46は、燃焼室28に空気を供給するための通路であり、配管等によって構成される。吸気通路46には、空気を浄化するためのエアフィルタ48、空気を圧縮するためのコンプレッサ50、圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ52、及び、空気の流量を調整するためのスロットルバルブ54が設けられている。
スロットルバルブ54は、例えば、開度を電子的に制御可能な電子制御バルブ(ETV)であり、スロットルバルブ54はスロットルバルブアクチュエータ55によって駆動される。
排気ポート32には、排気通路56が接続されている。排気通路56は、燃焼室28から排気を排出させるための通路であり、配管等によって構成される。排気通路56には、排気によって駆動される排気タービン58、排気を浄化するための触媒60、及び、消音のためのマフラー62が設けられている。
排気タービン58はコンプレッサ50に連結されており、排気によって駆動された排気タービン58の動力は、コンプレッサ50が空気を圧縮するための動力として利用される。つまり、コンプレッサ50及び排気タービン58は、排気ターボチャージャからなる過給機64を構成しており、内燃機関10は、過給機64を有する直噴ガソリンエンジンである。
また、内燃機関10は、複数種類のセンサを有している。
具体的には、内燃機関10は、空気流量センサ66、スロットルバルブ開度センサ、クランク回転角センサ68、及び、アクセル開度センサ69を有している。
空気流量センサ66は、エアフィルタ48よりも下流の吸気通路46の部分に設けられ、吸気の流量を検出する。
スロットルバルブ開度センサは、スロットルバルブ54の開度を計測するためのセンサであり、本実施形態ではスロットルバルブアクチュエータ55が、スロットルバルブ開度センサを兼ねている。そこで以下では、スロットルバルブ開度センサ55ともいう。
クランク回転角センサ68は、クランク軸20の近傍に設けられ、クランク軸20の回転角を検出する。
アクセル開度センサ69は、アクセルペダルの近傍に設けられ、アクセル開度、及び、アクセル開度の単位時間当たりの変化量、即ちアクセル開度の変化速度を検出することができる。
空気流量センサ66、スロットルバルブ開度センサ55、クランク回転角センサ68、及び、アクセル開度センサ69によって連続的又は断続的に検出された、吸気流量、スロットルバルブ開度、クランク軸の回転角、アクセル開度、及びアクセル開度の変化速度の検出値は、制御装置12に連続的又は断続的に入力される。
制御装置12は、例えばECU(電子中央制御装置)によって構成され、CPU(中央演算処理装置)、メモリ、外部記憶装置、及び、入出力装置等によって構成される。
制御装置12は、内燃機関10を含め、車両全体の制御を統括するコントロールユニットである。
制御装置12は、入力されたアクセル開度及びアクセル開度の変化速度の検出値に応じて、筒内噴射弁42によって燃焼室28内に供給される燃料の量、及び、スロットルバルブ54を通じて燃焼室28内に供給される吸気の量を調整する。また、制御装置12は、入力されたクランク軸20の回転角の検出値に基づいて、燃料の供給時期(噴射時期)、及び、点火プラグ44の点火時期も制御している。
ここで、図1は、本実施形態の制御装置12の機能的な構成を概略的に示している。制御装置12は、加速要求判定部70、加速終了判定部72、及び、分割噴射制御部(分割噴射制御手段)74を有する。
加速要求判定部70は、入力された直近のアクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSと、所定の加速要求判定用閾値(第1閾値)ΔAPSth1とを比較する。そして、加速要求判定部70は、検出値ΔAPSが加速要求判定用閾値ΔAPSth1以上になると、運転者が加速を要求していると判定し、検出値ΔAPSが所定の加速要求判定用閾値ΔAPSth1未満であれば、運転者が加速を要求していないと判定する。
分割噴射制御部74は、運転者が加速を要求していると判定されると可及的速やかに若しくは同時に、筒内噴射弁42に分割噴射を実行させる。すなわち、分割噴射制御部74は、検出値ΔAPSが加速要求判定用閾値ΔAPSth1以上になると可及的速やかに若しくは同時に、筒内噴射弁42に分割噴射を実行させる。
一方、運転者が加速を要求していないと判定された場合、制御装置12は、筒内噴射弁42に吸気噴射を実行させる。
ここで、吸気噴射とは、吸気行程中に燃焼室28内に燃料を噴射することである。
そして分割噴射とは、吸気行程で吸気噴射を行った後、更に、当該吸気行程に続く圧縮行程で燃焼室内28内に燃料を噴射する圧縮噴射を実行することである。つまり分割噴射は、吸気噴射と圧縮噴射の組合せである。
なお、内燃機関10では、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程及び排気行程の4つの行程が繰り返されており、ピストン22の位置についていえば、吸気行程では、ピストン22は上死点から下死点までの位置にあり、圧縮行程では、ピストン22は下死点から上死点までの位置にある。
加速終了判定部72は、入力された直近のアクセル開度の検出値APSが所定の加速終了判定用閾値APSth未満になると、運転者による加速の要求が終了したと判定する。そして、運転者による加速の要求が終了したと判定されると、分割噴射制御部74は、分割噴射を終了し、制御装置12は吸気噴射のみを実行する。
次に、内燃機関10の制御装置12が実行する分割噴射制御方法について図2を参照して説明する。図2は、分割噴射制御方法の概略的な手順を示すフローチャートである。
分割噴射制御方法では、まず、加速要求判定工程S10が行われる。加速要求判定工程S10では、入力された直近のアクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが、予め設定された加速要求判定用閾値ΔAPSth1と比較される。
加速要求判定工程S10での比較の結果、検出値ΔAPSが加速要求判定用閾値ΔAPSth1よりも小さければ、加速要求判定工程S10が繰り返され、検出値ΔAPSが加速要求判定用閾値ΔAPSth1以上であれば、判定から可及的速やかに若しくは判定と同時に分割噴射オン工程S12が実行される。
分割噴射オン工程S12では、分割噴射が開始される。分割噴射では、吸気行程、及び、該吸気行程に続く圧縮行程にて燃料が噴射される。
分割噴射における吸気行程での燃料の噴射量と圧縮行程での燃料の噴射量の比率は、予め設定されている。例えば、吸気行程での燃料の噴射量と圧縮行程での燃料の噴射量の比率は7:3に設定される。また、吸気行程及び圧縮行程で噴射される燃料の合計噴射量は、吸気噴射のみの場合と同様に、アクセル開度の検出値APS、及び、車両の走行状態に基づいて、制御装置10によって決定される。
分割噴射オン工程S12の後、加速終了判定工程S14が実行される。加速終了判定工程S14では、入力された直近のアクセル開度の検出値APSが、加速終了判定用閾値APSth以上であるか否かが判定される。判定の結果、検出値APSが加速終了判定用閾値APSth未満であれば、分割噴射オフ工程S16が実行され、分割噴射が終了させられる。分割噴射オフ工程S16の後、再び加速要求判定工程S10が実行される。なお、分割噴射の終了後は、通常の吸気噴射のみが行われる。
また、加速終了判定工程S14の判定の結果、検出値APSが加速終了判定用閾値APSth以上であれば、再び充填効率演算工程S12が実行される。なお、すでに分割噴射が行われている状態では、分割噴射オン工程S12にて分割噴射がオン状態に維持される。
図3は、制御装置12が分割噴射を実行する場合のタイミングチャートの一例である。
図3(a)に示したように、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが加速要求判定用閾値ΔAPSth1以上になると速やかに又は同時に、図3(b)に示したように分割噴射がオン状態にされ、分割噴射が開始される。
上述した第1実施形態の制御装置12によれば、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが加速判定用閾値ΔAPSth1以上になると、分割噴射が実行される。
ここで、図3(c)の実線は、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが加速判定用閾値ΔAPSth1以上になると同時に、分割噴射を開始した場合の充填効率の時間変化を示しており、図3(c)の一点鎖線は、充填効率が所定値以上になった時点(A)で分割噴射を開始した場合の充填効率の時間変化を示している。
図3(c)に示したように、検出値ΔAPSが加速判定用閾値ΔAPSth1以上になると同時に、分割噴射を開始した場合、充填効率が所定値以上になった時点(A)で分割噴射を開始した場合に比べて、充填効率がΔEcだけ上昇する。
そして、図3(d)の実線は、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが加速判定用閾値ΔAPSth1以上になると同時に、分割噴射を開始した場合のトルクの時間変化を示しており、図3(d)の一点鎖線は、充填効率が所定値以上になった時点(A)で分割噴射を開始した場合のトルクの時間変化を示している。
図3(d)に示したように、検出値ΔAPSが加速判定用閾値ΔAPSth1以上になると同時に、分割噴射を開始した場合、トルクが所定値以上になった時点(A)で分割噴射を開始した場合に比べて、トルクがΔTだけ上昇する。
このように、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが加速判定用閾値ΔAPSth1以上になってから速やかに又はそれと同時に、分割噴射を開始することによって充填効率が上昇してトルクが上昇する結果、この制御装置12によれば、アクセルを操作した運転者の要求に対して速やかに分割噴射が開始され、加速性能が向上する。
つまり、充填効率の検出値に左右されることなく、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが加速判定用閾値ΔAPSth1以上であることのみを十分条件として分割噴射を開始することで、加速性能が向上する。
分割噴射によりトルクが向上するのは、分割噴射することにより燃焼が改善し、点火進角が可能となるからである。
なお、制御装置10が、変化速度ΔAPSが加速要求判定用閾値ΔAPSth1以上であると判定すると同時に、分割噴射を開始することで、要求に対して最も速やかに分割噴射が開始され、加速性能が向上する。
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について説明する。なお、第2実施形態の説明において、第1実施形態と同一又は類似の構成については、同一の名称又は符号を付して説明を省略又は簡略化する。
図4に示したように、第2実施形態では、内燃機関10がポート噴射弁(ポート燃料噴射手段)43を有する。ポート噴射弁43は、吸気ポート30内に燃料を噴射可能である。なお、ポート噴射弁43には、図示しないけれども、フィードポンプを介して燃料から燃料が供給される。
そして、制御装置80は、加速レベル判定部76及びポート噴射制御部(ポート噴射制御手段)78を更に有する。ポート噴射制御部78は、ポート噴射弁43の開閉を制御することによって、ポート噴射弁43から噴射される燃料の噴射量を制御する。
図5は、制御装置80が実行する分割噴射制御方法の概略的な手順を示すフローチャートである。
加速レベル判定部76は、加速要求判定部70が判定を行うのと同時に、又はその直後に、入力された直近のアクセル開度の変化速度ΔAPSを予め設定された加速レベル判定用閾値(第2閾値)ΔAPSth2と比較する(加速レベル判定工程S16)。加速レベル判定用閾値ΔAPSth2は、加速判定用閾値ΔAPSth1よりも大である。
制御装置80は、変化速度ΔAPSが加速要求判定用閾値ΔAPSth1以上であり、且つ、加速レベル判定用閾値ΔAPSth2未満であると判定されると可及的速やかに又は同時に、分割噴射制御部74及びポート噴射制御部78によって、ポート噴射併用分割噴射を開始させる(ポート噴射併用分割噴射オン工程S16)。
ポート噴射併用分割噴射では、ポート噴射弁43が吸入ポート30内に燃料を噴射するポート噴射が実行されるとともに、筒内噴射弁42が分割噴射を実行する。すなわち、ポート噴射併用分割噴射では、燃料が、ポート噴射と、吸気噴射と、圧縮噴射とに分けて噴射される。ポート噴射併用分割噴射での燃料の合計噴射量は、吸気噴射のみの場合と同様に、アクセル開度の検出値APS、及び、車両の走行状態に基づいて、制御装置80によって決定される。
また、制御装置80は、変化速度ΔAPSが加速レベル判定用閾値ΔAPSth2以上であると判定されると可及的速やかに又は同時に、分割噴射制御部74によって、分割噴射を開始させる。このとき、制御装置80は、ポート噴射制御部78によるポート噴射を停止させる。
そして、加速終了判定工程S14において、加速要求が終了したと判定されるまで、分割噴射又はポート噴射併用分割噴射が継続される。
なお、ポート噴射は、変化速度ΔAPSが加速要求判定用閾値ΔAPSth1以上であるときでも、所定の運転条件下において、吸気噴射と併用されてもよい。
上述した第2実施形態の制御装置80によれば、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが加速判定用閾値ΔAPSth1以上になると、ポート噴射を併用せずに又は併用しながら、分割噴射が実行される。このため、制御装置10の場合と同様に、加速性能が向上する。
そして、上述した第2実施形態の制御装置80によれば、変化速度の検出値ΔAPSが加速レベル判定用閾値ΔAPSth2未満であるときに、ポート噴射併用分割噴射(第1制御モード)が実行され、加速レベル判定用閾値以上であるときに分割噴射のみ(第2制御モード)が実行される。
第1制御モードでは、筒内噴射と並行して、ポート噴射が併用されるので、排ガスに含まれる未燃焼成分等が低減される。このため、第1制御モードによれば、運転者の要求に応じた加速性能を確保しながら、環境に優しい制御が可能である。
一方、第2制御モードでは、ポート噴射の実行が禁止され、筒内噴射のみ実行されるので、良好な加速性能が得られる。
最後に、本発明は上述した第1又は第2実施形態に限定されることなく、第1又は第2実施形態の各々に変形を加えた形態を含む。
例えば、第2実施形態において、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSの大きさに応じて、ポート噴射比率Rportを変更するようにしてもよい。具体的には、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが加速レベル判定用閾値ΔAPSth2に近づくほど、すなわち、アクセル開度の変化速度の検出値ΔAPSが大きくなるほど、ポート噴射によって噴射される燃料の噴射量の比率が小さくなるようにしてもよい。
10 内燃機関
12 制御装置
14 クランクケース
16 シリンダブロック
18 シリンダ
22 ピストン
26 シリンダヘッド
28 燃焼室
34 吸気弁
36 排気弁
42 筒内噴射弁
43 ポート噴射弁
44 点火プラグ
64 過給機
66 空気流量センサ
68 クランク回転角センサ
69 アクセル開度センサ
70 加速要求判定部
72 加速終了判定部
74 分割噴射制御部
76 加速レベル判定部
78 ポート噴射制御部

Claims (2)

  1. 過給機と、燃料を燃焼室内に直接噴射する筒内燃料噴射手段とを有する内燃機関の加速の際に、前記内燃機関の吸気行程及び圧縮行程の両行程で前記筒内燃料噴射手段により前記燃焼室内に燃料を噴射する分割噴射を行うように構成された内燃機関の制御装置において、
    アクセル開度の変化速度の検出値が第1閾値以上であると判定されることを十分条件として、前記筒内燃料噴射手段に前記分割噴射を開始させる分割噴射制御手段を有するように構成され
    前記内燃機関は、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射を行うポート燃料噴射手段を更に有し、
    前記アクセル開度の変化速度の検出値が、前記第1閾値以上であって第2閾値未満であるときに、前記分割噴射と並行して、前記ポート燃料噴射手段により前記ポート噴射を実行させる一方、前記アクセル開度の変化速度の検出値が、前記第2閾値以上であるときに、前記分割噴射が実行されている状態で、前記ポート燃料噴射手段による前記ポート噴射の実行を禁止するポート噴射制御手段を更に有する
    ように構成されたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記アクセル開度の変化速度の検出値が前記第1閾値以上であると判定されると同時に、前記筒内燃料噴射手段に前記分割噴射を開始させるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
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