JP6475117B2 - センサ制御方法およびセンサ制御装置 - Google Patents
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- Exhaust Gas After Treatment (AREA)
Description
第1ポンピングセルは、測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。
アンモニアセンサ部は、NOxセンサ部の外表面に形成されて、被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたアンモニア濃度信号を出力する。
修正濃度演算ステップでは、酸素濃度とアンモニアセンサ部のアンモニア濃度信号とに基づき、修正アンモニア濃度を演算する。
アンモニア濃度設定ステップでは、予め定められた修正許可条件を満たす場合には、修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定する。他方、アンモニア濃度設定ステップでは、修正許可条件を満たさない場合には、過去に演算した修正アンモニア濃度のうち、修正許可条件を満たした際に演算した修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定する。なお、アンモニア濃度設定ステップでは、酸素濃度変化率が予め定められた基準判定値未満である場合に、修正許可条件を満たすと判定し、酸素濃度変化率が基準判定値以上である場合に、修正許可条件を満たさないと判定する。
上述のセンサ制御方法においては、アンモニア濃度設定ステップでは、修正許可条件を満たさない場合には、前回の検出結果に設定したアンモニア濃度を今回のアンモニア濃度の検出結果に設定してもよい。
そこで、修正許可条件を満たさないと判定されてから停止期間が経過するまでは、修正許可条件を満たさないと判定することで、過去に演算した修正アンモニア濃度のうち、修正許可条件を満たした際に演算した修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定する。
つまり、酸素濃度変化率を演算するにあたり、前回演算した酸素濃度を今回演算した酸素濃度で除算した値を酸素濃度変化率として演算することで、酸素濃度が低下したときに、酸素濃度変化率が大きな値となる。このため、酸素濃度のわずかな変化に対して酸素濃度変化率が大きく変化するため、酸素濃度変化率が変動したか否かの判定が容易となる。
上述のセンサ制御方法においては、センサは、NOxセンサ部とアンモニアセンサ部とを一体に備えるマルチガスセンサであってもよい。
本発明の他の局面におけるセンサ制御装置は、NOxセンサ部とアンモニアセンサ部とを備えるセンサを制御するセンサ制御装置であり、酸素濃度演算部と、修正濃度演算部と、酸素濃度変化率演算部と、アンモニア濃度設定部と、を有する。
第1ポンピングセルは、測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。
アンモニアセンサ部は、NOxセンサ部の外表面に形成されて、被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたアンモニア濃度信号を出力する。
修正濃度演算部は、酸素濃度とアンモニアセンサ部のアンモニア濃度信号とに基づき、修正アンモニア濃度を演算する。
アンモニア濃度設定部は、予め定められた修正許可条件を満たす場合には、修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定する。他方、アンモニア濃度設定部は、修正許可条件を満たさない場合には、過去に演算した修正アンモニア濃度のうち、修正許可条件を満たした際に演算した修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定する。なお、アンモニア濃度設定部は、酸素濃度変化率が予め定められた基準判定値未満である場合に、修正許可条件を満たすと判定し、酸素濃度変化率が基準判定値以上である場合に、修正許可条件を満たさないと判定する。
このようなマルチガスセンサは、NOxセンサ部およびアンモニアセンサ部を一体に備えるため、同一の被測定ガス中に含まれる窒素酸化物濃度及びアンモニア濃度を検出する用途に利用される。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
[1−1.全体構成]
第1実施形態として、自動車などの内燃機関に備えられるマルチガスセンサ制御装置1について説明する。
マルチガスセンサ2は、図1に示すように、センサ素子部10と、主体金具110と、セパレータ134と、接続端子138と、を主に備えている。なお、以下の説明では、マルチガスセンサ2のセンサ素子部10が配置されている側(図1の下側)を先端側、接続端子138が配置されている側(図1の上側)を後端側と表記する。
セパレータ134と外筒131との間には、筒状に形成された保持部材137が配置されている。保持部材137は、セパレータ134の鍔部136と当接すると共に、外筒131の内面とも当接することにより、セパレータ134を外筒131に対して固定保持するものである。
ここで、センサ素子部10の構成の詳細について、図2を参照しながら説明する。なお、図2では説明の便宜のために、センサ素子部10の長手方向に沿う模式的な断面図のみを表示している。
第1ポンピングセル12は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体とする第1固体電解質体12aと、白金を主体とする内側第1ポンピング電極(第1電極)12bおよび外側第1ポンピング電極(第1電極)12cと、から主に構成されている。
その一方で、アンモニアセンサ部21は、NOxセンサ部11の外表面、より具体的には、絶縁層10eの上に形成されている。アンモニアセンサ部21は、NOxセンサ部11の長手方向(図2の左右方向)における基準電極16cと略同位置に配置されている。
一対の電極21aは、アンモニアセンサ部用固体電解質体23の上に配置された一対の電極21a1、21a2で構成されている。
マルチガスセンサ制御装置1の制御部3は、図2に示すように、マルチガスセンサ制御装置1が搭載された車両の車両側制御装置であるECU200と電気的に接続されている。ECU200は、制御部3で演算された排気ガス中のNO濃度、NO2濃度およびアンモニア濃度を示すデータを受信し、受信データに基づいてディーゼルエンジンの運転状態の制御処理を実行したり、触媒に蓄積されたNOxの浄化処理を実行したりするものである。
マイクロコンピュータ60は、制御部3の全体を制御するものである。マイクロコンピュータ60には、中央演算処理装置であるCPU61と、記憶手段であるRAM62およびROM63と、信号入出力部64と、A/Dコンバータ65と、クロック(図示せず。)と、が主に設けられている。マイクロコンピュータ60は、ROM63などに予め格納されたプログラムをCPU61が実行することにより、各種の処理を行うものである。
次に、制御回路50による制御について以下に説明する。
まず、エンジンが始動されて外部から制御回路50に電力が供給されると、ヒータ駆動回路57からヒータ19に電力が供給される。電力が供給されたヒータ19は熱を発生して、第1ポンピングセル12、酸素濃度検出セル16、および、第2ポンピングセル18を活性化温度まで加熱させる。
ここで、マイクロコンピュータ60のROM63には、以下に説明する各種のデータが格納されている。CPU61は、ROM63から当該各種データを読み込み、第2ポンピング電流Ip2の値およびアンモニア起電力から酸素濃度の影響を取り除くなどの種々の演算処理を行う。
次に、マイクロコンピュータ60のCPU61において実行されるガス濃度演算処理について説明する。ガス濃度演算処理は、第2ポンピング電流Ip2およびアンモニア起電力EMFを用いて、被測定ガス中の各種ガス成分の濃度(NO濃度、NO2濃度およびアンモニア濃度)を演算する処理である。
ガス濃度演算処理が起動されると、まず、S110(Sはステップを表す)では、ヒータ駆動回路57を動作させて、ヒータ19を発熱させる。
次のS130では、ヒータ19によりマルチガスセンサ2(第1ポンピングセル12、酸素濃度検出セル16、第2ポンピングセル18、およびアンモニアセンサ部21)が活性化温度になったか否かを判定しており、肯定判定するとS140に移行し、否定判定すると同ステップを繰り返し実行することで待機する。
次のS150では、酸素濃度の演算を行う。具体的には、酸素濃度の演算は、S140で測定した第1ポンピング電流Ip1およびROM63に記憶された関係式(第1ポンピング電流Ip1と酸素濃度との関係式(詳細には、「第1ポンピング電流(Ip1)−酸素濃度関係式」63a))を用いて実行される。このとき得られた酸素濃度を、「O2濃度(今回)」として記憶する。
詳細には、上述した「アンモニア濃度出力(起電力EMF)−アンモニア濃度関係式」63bを用いて、被測定ガス中の酸素濃度の影響を受けない正確なアンモニア濃度(特許請求の範囲の「修正アンモニア濃度」)を演算し、この修正アンモニア濃度を「NH3濃度(今回)」の値として記憶する。このとき演算される修正アンモニア濃度は、酸素濃度の影響が除去されたアンモニア濃度を表している。
次のS230では、S220でのタイマーカウントのスタートを基点として、予め定められた停止期間が経過したか否かを判定しており、肯定判定するとS240に移行し、否定判定すると同ステップを繰り返し実行することで待機する。なお、本実施形態では、停止期間として5.0[sec]が設定されている。
次のS250では、「O2濃度(今回)」の値を「O2濃度(前回)」の値として記憶する処理を実行する。
このようにしてガス濃度演算処理を実行するCPU61は、「NH3濃度(今回)」、「NH3濃度(基準)」、「NO2濃度(今回)」、「NO2濃度(基準)」、「NO濃度(今回)」、「NO濃度(基準)」、「O2濃度(今回)」、「O2濃度(前回)」の各値を更新する。なお、ガス濃度演算処理は、内燃機関が停止されることで処理を終了する。
次に、マルチガスセンサ制御装置1を用いて、アンモニア濃度を測定した測定試験の測定結果について説明する。
この測定結果によれば、本実施形態のアンモニア濃度(NH3濃度(修正あり))は、比較例のアンモニア濃度(NH3濃度(修正なし))に比べて、アンモニア分析計により測定したアンモニア濃度に近い波形を示している。
以上説明したように、本実施形態のマルチガスセンサ制御装置1は、NOxセンサ部11とアンモニアセンサ部21とを備えるマルチガスセンサ2を制御する制御装置であり、マイクロコンピュータ60のCPU61がガス濃度演算処理を実行することで、被測定ガスにおけるアンモニア濃度、NO2濃度、NO濃度の演算を行う。
[1−9.特許請求の範囲との対応関係]
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
次に、本発明の変形形態1について説明する。なお、変形形態1のマルチガスセンサ制御装置201は、第1実施形態のマルチガスセンサ制御装置1のうち、センサ素子部10の構成(特に、アンモニアセンサ部21の構成)が異なり、さらに、アンモニアセンサ部21の構成の違いに起因する制御部3、及びマイクロコンピュータ60のROM63に格納されるデータが異なるものである。
図8は、変形形態1のマルチガスセンサ制御装置201のセンサ素子部10の長手方向に沿う模式的な断面図のみを表示している。
[2−2.制御部]
マルチガスセンサ制御装置201の制御部3の制御回路50は、基準電圧比較回路51と、Ip1ドライブ回路52と、Vs検出回路53と、Icp供給回路54と、Ip2検出回路55と、Vp2印加回路56と、ヒータ駆動回路57と、第1起電力検出回路58aと、第2起電力検出回路58bを主に備えて構成されている。変形形態の制御回路50のうち、基準電圧比較回路51と、Ip1ドライブ回路52と、Vs検出回路53と、Icp供給回路54と、Ip2検出回路55と、Vp2印加回路56と、ヒータ駆動回路57は、第1実施形態と同様の構成であるため、説明を省略する。
マイクロコンピュータ60のROM63には、以下に説明する各種のデータ(関係式)が格納されている。CPU61は、ROM63から当該各種データを読み込み、第1ポンピング電流Ip1の値、第2ポンピング電流Ip2の値、第1アンモニア起電力および第2アンモニア起電力から種々の演算処理を行う。
=(eA−c)*(jB−h−fA+d)/(eA−c−iB+g)+fA−d
補正式(2):y=F’(A、B、D)
=(jB−h−fA+d)/(eA−c−iB+g)
補正式(3):z=C−ax+by
ここで、xは修正アンモニア濃度であり、は修正NO2濃度であり、zは修正NO濃度である。また、Aは第1アンモニア濃度であり、Bは第2アンモニア濃度であり、CはNOx濃度であり、Dは酸素濃度である。そして、補正式(1)、(2)のF及びF’は、xが(A,B、D)の関数であることを表す。さらに、a、bは補正係数、c、d、e、f、g、h、i、jは酸素濃度Dを用いて計算される係数である(Dによって決まる係数)。
変形形態1のマルチガスセンサ制御装置201によれば、マルチガスセンサ制御装置1と同様に、被測定ガス中の窒素酸化物濃度及びアンモニア濃度を検出するマルチガスセンサを用いるにあたり、アンモニア濃度の検出精度の低下を抑制できる。
次に、本発明の変形形態2について説明する。なお、変形形態2のマルチガスセンサ制御装置は、第1実施形態のマルチガスセンサ制御装置1のうち、ガス濃度演算処理が異なるものである。以下の、変形形態2のマルチガスセンサ制御装置の説明では、第1実施形態のマルチガスセンサ制御装置1と異なる点について説明し、第1実施形態のマルチガスセンサ制御装置1と同じ点については、第1実施形態と同符号を用いて説明するか、説明を省略する。
このように構成された変形形態2のマルチガスセンサ制御装置は、修正許可条件を満たす場合(S200で肯定判定)には、今回の修正アンモニア濃度を今回のアンモニア濃度の検出結果(NH3濃度(今回))に設定する(S170)。また、マルチガスセンサ制御装置は、修正許可条件を満たさない場合(S200で否定判定)には、前回の検出結果に設定したアンモニア濃度(NH3濃度(前回))を今回のアンモニア濃度の検出結果(NH3濃度(今回))に設定する(S210)。
次に、本発明の変形形態3について説明する。なお、変形形態3のセンサ制御装置301は、第1実施形態のマルチガスセンサ制御装置1と比べて、マルチガスセンサ2に代えて、分離型センサ540を備えている点が異なっている。分離型センサ540は、NOxセンサ541およびアンモニアセンサ542が個別に備えられており、NOxセンサ541およびアンモニアセンサ542のそれぞれを分離して個別に配置することができる。
図11は、変形形態3のセンサ制御装置301の構成を説明するブロック図である。
センサ制御装置301は、分離型センサ540(NOxセンサ541、アンモニアセンサ542)と、センサを制御すると共にセンサ出力を演算処理することにより、NO、NO2およびアンモニアの濃度を演算する制御部3(演算部3)と、を備えている。
[4−2.排気浄化装置]
エンジン500の排気管502の途中には、エンジン500から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置550が取付けられている。排気浄化装置550は、上流側排気浄化装置510(「DPF装置510」ともいう)と、下流側排気浄化装置520(「SCR装置520」ともいう)と、尿素水添加ノズル531と、を有している。上流側排気浄化装置510は、排気管502において、下流側排気浄化装置520の上流側に配置されている。尿素水添加ノズル531は、上流側排気浄化装置510と下流側排気浄化装置520との間に設けられている。
排気経路502に備えられる複数の空間のうち、SCR522とCUC524との間の空間に、NOxセンサ541およびアンモニアセンサ542が配置されている。NOxセンサ541は、排気ガスの進行方向において、アンモニアセンサ542よりも上流側に配置されている。
以上説明したように、センサ制御装置301は、第1実施形態のマルチガスセンサ制御装置1と比べて、マルチガスセンサ2に代えて、分離型センサ540を備えている点で相違しているが、ガス濃度演算処理を実行することで、被測定ガスにおけるアンモニア濃度、NO2濃度、NO濃度の演算を行う点で共通している。
また、ECU200は、SCR522を通過した後の排気ガス中のNO、NO2およびアンモニアの濃度を制御部3から受信すると共に、エンジンの各種制御や、DOC512の劣化判定や、DPF514の再生制御や、尿素水の添加制御などを行う。これにより、ECU200は、制御部3での検出結果(NO、NO2およびアンモニアの濃度)に基づいて排気ガスの状態を適切に判断できるとともに、エンジンの各種制御、DOC512の劣化判定、DPF514の再生制御、尿素水の添加制御などを適切に実行できる。
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
分離型センサ540がセンサの一例に相当し、NOxセンサ541がNOxセンサ部の一例に相当し、アンモニアセンサ542がアンモニアセンサ部の一例に相当し、センサ制御装置301がセンサ制御装置の一例に相当する。排気管502(排気経路502)が排気経路の一例に相当し、酸化触媒512,パティキュレートフィルタ514,選択還元型触媒522,後段酸化触媒524が仕切部の一例に相当する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
Claims (16)
- 測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第1ポンピングセルと、該第1ポンピングセルにて酸素濃度が調整された被測定ガス中のNOx濃度に応じて第2ポンピング電流が流れる第2ポンピングセルと、を備えたNOxセンサ部と、
前記NOxセンサ部の外表面に形成されて、前記被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたアンモニア濃度信号を出力するアンモニアセンサ部と、
を備えるセンサを制御するセンサ制御方法であって、
前記第1ポンピングセルに流れる第1ポンピング電流に基づいて前記被測定ガス中の酸素濃度を演算する酸素濃度演算ステップと、
前記酸素濃度と前記アンモニアセンサ部の前記アンモニア濃度信号とに基づき、修正アンモニア濃度を演算する修正濃度演算ステップと、
時間経過に伴う前記酸素濃度の変化率である酸素濃度変化率を演算する酸素濃度変化率演算ステップと、
予め定められた修正許可条件を満たす場合には、前記修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定し、前記修正許可条件を満たさない場合には、過去に演算した前記修正アンモニア濃度のうち、前記修正許可条件を満たした際に演算した前記修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定するアンモニア濃度設定ステップと、
を有し、
前記アンモニア濃度設定ステップでは、前記酸素濃度変化率が予め定められた基準判定値未満である場合に、前記修正許可条件を満たすと判定し、前記酸素濃度変化率が前記基準判定値以上である場合に、前記修正許可条件を満たさないと判定すること、
を特徴とするセンサ制御方法。 - 前記アンモニア濃度設定ステップでは、前記修正許可条件を満たさない場合には、過去に演算した前記修正アンモニア濃度のうち、前記修正許可条件を満たした際に演算した最新の前記修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定すること、
を特徴とする請求項1に記載のセンサ制御方法。 - 前記アンモニア濃度設定ステップでは、前記修正許可条件を満たさない場合には、前回の検出結果に設定したアンモニア濃度を今回のアンモニア濃度の検出結果に設定すること、
を特徴とする請求項1に記載のセンサ制御方法。 - 前記アンモニア濃度設定ステップでは、前記酸素濃度変化率が前記基準判定値未満であり、かつ、前記酸素濃度が予め定められた基準濃度を超える場合に、前記修正許可条件を満たすと判定し、前記酸素濃度変化率が前記基準判定値以上であること、および前記酸素濃度が予め定められた基準濃度以下であること、のうち少なくとも一方が成立する場合に、前記修正許可条件を満たさないと判定すること、
を特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載のセンサ制御方法。 - 前記アンモニア濃度設定ステップでは、前記修正許可条件を満たさないと判定されてから、予め定められた停止期間が経過するまでは、前記修正許可条件を満たさないと判定すること、
を特徴とする請求項1から請求項4のうちいずれか一項に記載のセンサ制御方法。 - 前記酸素濃度変化率演算ステップでは、前回演算した前記酸素濃度を今回演算した前記酸素濃度で除算した値を前記酸素濃度変化率として演算すること、
を特徴とする請求項1から請求項5のうちいずれか一項に記載のセンサ制御方法。 - 前記センサは、前記NOxセンサ部と前記アンモニアセンサ部とを一体に備えるマルチガスセンサであること、
を特徴とする請求項1から請求項6のうちいずれか一項に記載のセンサ制御方法。 - 前記センサは、前記NOxセンサ部と前記アンモニアセンサ部とが個別に備えられるとともに、内燃機関の排気経路に配置されており、
前記排気経路は、排気ガスが透過可能な仕切部で仕切られた複数の空間を備えて構成されており、
前記NOxセンサ部および前記アンモニアセンサ部は、前記複数の空間のうち同一空間に配置されること、
を特徴とする請求項1から請求項6のうちいずれか一項に記載のセンサ制御方法。 - 前記NOxセンサ部は、前記排気ガスの進行方向において、前記アンモニアセンサ部と同一位置か、前記アンモニアセンサ部よりも上流側に配置されること、
を特徴とする請求項8に記載のセンサ制御方法。 - 測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第1ポンピングセルと、該第1ポンピングセルにて酸素濃度が調整された被測定ガス中のNOx濃度に応じて第2ポンピング電流が流れる第2ポンピングセルと、を備えたNOxセンサ部と、
前記NOxセンサ部の外表面に形成されて、前記被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたアンモニア濃度信号を出力するアンモニアセンサ部と、
を備えるセンサを制御するセンサ制御装置であって、
前記第1ポンピングセルに流れる第1ポンピング電流に基づいて前記被測定ガス中の酸素濃度を演算する酸素濃度演算部と、
前記酸素濃度と前記アンモニアセンサ部の前記アンモニア濃度信号とに基づき、修正アンモニア濃度を演算する修正濃度演算部と、
時間経過に伴う前記酸素濃度の変化率である酸素濃度変化率を演算する酸素濃度変化率演算部と、
予め定められた修正許可条件を満たす場合には、前記修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定し、前記修正許可条件を満たさない場合には、過去に演算した前記修正アンモニア濃度のうち、前記修正許可条件を満たした際に演算した前記修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定するアンモニア濃度設定部と、
を有し、
前記アンモニア濃度設定部は、前記酸素濃度変化率が予め定められた基準判定値未満である場合に、前記修正許可条件を満たすと判定し、前記酸素濃度変化率が前記基準判定値以上である場合に、前記修正許可条件を満たさないと判定すること、
を特徴とするセンサ制御装置。 - 前記アンモニア濃度設定部は、前記修正許可条件を満たさない場合には、過去に演算した前記修正アンモニア濃度のうち、前記酸素濃度変化率が前記修正許可条件を満たした際に演算した最新の前記修正アンモニア濃度をアンモニア濃度の検出結果に設定すること、
を特徴とする請求項10に記載のセンサ制御装置。 - 前記アンモニア濃度設定部は、前記修正許可条件を満たさない場合には、前回の検出結果に設定したアンモニア濃度を今回のアンモニア濃度の検出結果に設定すること、
を特徴とする請求項10に記載のセンサ制御装置。 - 前記アンモニア濃度設定部は、前記酸素濃度変化率が前記基準判定値未満であり、かつ、前記酸素濃度が予め定められた基準濃度を超える場合に、前記修正許可条件を満たすと判定し、前記酸素濃度変化率が前記基準判定値以上であること、および前記酸素濃度が予め定められた基準濃度以下であること、のうち少なくとも一方が成立する場合に、前記修正許可条件を満たさないと判定すること、
を特徴とする請求項10から請求項12のうちいずれか一項に記載のセンサ制御装置。 - 前記センサは、前記NOxセンサ部と前記アンモニアセンサ部とを一体に備えるマルチガスセンサであること、
を特徴とする請求項10から請求項13のうちいずれか一項に記載のセンサ制御装置。 - 前記センサは、前記NOxセンサ部と前記アンモニアセンサ部とが個別に備えられるとともに、内燃機関の排気経路に配置されており、
前記排気経路は、排気ガスが透過可能な仕切部で仕切られた複数の空間を備えて構成されており、
前記NOxセンサ部および前記アンモニアセンサ部は、前記複数の空間のうち同一空間に配置されること、
を特徴とする請求項10から請求項13のうちいずれか一項に記載のセンサ制御装置。 - 前記NOxセンサ部は、前記排気ガスの進行方向において、前記アンモニアセンサ部と同一位置か、前記アンモニアセンサ部よりも上流側に配置されること、
を特徴とする請求項15に記載のセンサ制御装置。
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