EP0986696B1 - Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten verbrennungsmotor - Google Patents

Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten verbrennungsmotor Download PDF

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EP0986696B1
EP0986696B1 EP98928335A EP98928335A EP0986696B1 EP 0986696 B1 EP0986696 B1 EP 0986696B1 EP 98928335 A EP98928335 A EP 98928335A EP 98928335 A EP98928335 A EP 98928335A EP 0986696 B1 EP0986696 B1 EP 0986696B1
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rotor
valve
valve arrangement
stator
sheets
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Bernhard Hoffmann
Alfred Krappel
Ullrich Masberg
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Bayerische Motoren Werke AG
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F01L9/21—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids
    • F01L2009/2105—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by solenoids comprising two or more coils

Definitions

  • the present invention relates to a valve arrangement for a valve-controlled internal combustion engine.
  • a valve arrangement in which the rear and movement of the valve member not by a camshaft is effected and controlled. Rather, the invention Arrangement of an electrically operated valve drive used.
  • JP-A-3-92518 is a drive device for a Valve arrangement in internal combustion engines, in which the Stator is made up of two approximately semi-cylindrical shells, the both in the circumferential and longitudinal directions of each The shell has split teeth facing the rotor.
  • the individual teeth of each shell are each of a winding surrounded, whose central longitudinal axis runs in the radial direction.
  • a matching design of the stand, the stator coils and the rotor of a drive device for a valve assembly in internal combustion engines is in the US 5,129,369. Again are radial and tangential The teeth of the stand divided in the direction of surrounded a winding, the central longitudinal axis in radial Direction runs.
  • EP 0 485 231 A1 also shows a similar type of design of the stator, the stator coils and the rotor one Drive device for a valve arrangement in internal combustion engines.
  • the stator, the stator coils and the rotor one Drive device for a valve arrangement in internal combustion engines are in the radial and tangential directions divided teeth of the stand each by a radially oriented Surrounded winding.
  • the invention teaches a valve arrangement for a valve-controlled internal combustion engine, with an electric linear motor as an actuator for a valve member, which is defined by the features of claim 1.
  • This arrangement enables a very small pole pitch of the Linear motor, so that a very high force density can be realized is.
  • the force generated by the linear motor can be adjusted exactly along the stroke of the valve member. So it is not necessary to use the valve member with considerable to apply kinetic energy so this takes its final position. This means considerably less Energy required to actuate the valve member is than in the arrangements known from the prior art. This also means a significantly lower noise level and less wear.
  • the stator winding By arranging the stator winding, it is possible to keep vibrations acting on the winding low, so that vibrations of the winding or friction of the winding on the Sheets are low. It is possible with minimal insulation material or lining material of the winding chamber get along. This also contributes to compactness and reliability of the overall arrangement. It also causes a high one Power density even with small linear motors because of the fill factor the winding chamber (winding volume in the winding chamber based on the total volume of the winding chamber) is high.
  • the sheets preferably have at least one recess, which contains iron material for connecting the sheets.
  • This Iron material can be formed by (packed) iron wires that penetrate the sheets across their surface. alternative the iron material can also be caused by iron particles be formed by means of synthetic resin or the like. in the recesses the sheets are pressed.
  • the invention enables the construction of an actuator in which the at least one winding over its entire extent contributes to the effective generation of force in the linear motor.
  • the winding has no end windings, such as this is the case with conventional engines.
  • the reason for this is that the winding is completely between the sheets of the Stator is included in the winding chambers and the winding neither in the axial direction nor in the radial direction protrudes beyond the teeth of the stand.
  • the valve arrangement according to the invention thus has an actuator, compared to a conventional engine, significantly less Copper to generate a comparable magnetic field having.
  • the rotor can be an asynchronous rotor or Synchronous rotor, or specifically designed as a reluctance rotor his.
  • Valve arrangement is the rotor with a sensor for path detection, preferably coupled to a moving coil arrangement.
  • Actuator also a partial stroke of the valve arrangement is possible. This partial stroke can be detected via the sensor.
  • Runner can be coupled to a resonance spring arrangement.
  • the rotor is preferred as a hybrid rotor with an iron body are used in the copper or aluminum tires, designed.
  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one combustion cylinder, with at least a valve assembly for intake or exhaust valves with one or more of the above features.
  • valve arrangement for a valve controlled Internal combustion engine schematically illustrated in longitudinal section.
  • An electric linear motor 10 is used in the invention Valve arrangement as an actuator for a valve member 12.
  • the Linear motor 10 has one with the valve member 12 via a Rod 14 coupled rotor 16 and a stand 18th
  • the stand 18 is constructed from circular iron sheets 20, whose surface is perpendicular to the direction of movement B of the Runner 16 is oriented.
  • the stand 18 faces the rotor 16 facing teeth 22, each having a closed, the Runner 16 have facing surface.
  • the individual teeth 22 a circular cylindrical surface.
  • oval sheets or sheets with a polygonal shape for Structure of the stand 18 to use.
  • the stator 18 has stator windings 24 that are parallel are oriented to the surface of the sheets 20. To do this, some have the sheets 20 have a smaller diameter than those Sheets that form the teeth 22. So that are each between two adjacent teeth 22 open to the outside Winding chambers 26 are formed, in each of which one 18 concentric winding to the central longitudinal axis of the stator 24 is located.
  • each of the sheets 20 has a recess 30 in the polymorphic iron material or packed iron wires for magnetic connection of the sheets is included.
  • each winding 24 over its entire extent in the Winding chamber is arranged, it also carries over its entire Length for effective force generation in the linear motor at.
  • the rotor 16 is a hollow cylindrical one Eisenring, the one on the stand 18 facing Has inner recesses axially spaced from each other, in which copper or aluminum rings 34 are added are.
  • the rotor 16 thus works as a hybrid rotor.
  • the rotor is on the end face facing away from the valve member 12 16 with a sensor 36 for path detection of the rotor 16 in the direction of movement B coupled.
  • the rotor 16 is against the housing 40 with a resonance spring arrangement 42 supported.

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Abstract

Eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor, mit einem elektrischen Linearmotor (10) als Aktuator für ein Ventilglied, der einen mit einem Ventilglied (12) gekoppelten Läufer (16) und einen Ständer (18) aufweist, wobei der Ständer (18) aus Blechen (20) aufgebaut ist, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientiert ist, und der Ständer (18) dem Läufer (18) zugewandte Zähne (22) aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer (18) zugewandte Mantelfläche haben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ventilanordnung, bei der die Hin- und Herbewegung des Ventilgliedes nicht durch eine Nockenwelle bewirkt und gesteuert wird. Vielmehr wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein elektrisch betätigter Ventilantrieb eingesetzt.
Derartige elektrisch betätigte Ventilanordnungen sind in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt.
Die DE 30 19 109 A1 beschreibt eine Ventilanordnung, die auf einem Linearmotor zur Betätigung der Ventile beruht. Der Linearmotor wird dabei in. Abhängigkeit von einem oder mehreren Motorparametern (Drehzahl, Kraftstoffmenge etc.) durch einen Microprozessor gesteuert. Allerdings sind keinerlei Hinweise zur Ausgestaltung des Linearmotors in diesem Dokument zu finden.
Aus der DE 195 18 056 A1 ist eine Gasventilsteuerung mit einem Gaswechselventil bekannt, das durch eine Elektromagnetanordnung betätigt wird. Dabei wird durch eine besondere Ausgestaltung des Polschenkels der Elektromagnetanordnung ein auf die Bewegung des Ankers bezogenes Signal in der Ansteuerleitung der Elektromagnetanordnung erzeugt. Dieses Signal kann ausgewertet werden, um beliebige Ankerpositionen ohne zusätzliche Sensoren zu erkennen. Ein großes Problem beim Einsatz einer Elektromagnetanordnung zur Betätigung des Ventils ist die hohe Geräuschentwicklung beim Erreichen der jeweiligen Endstellungen, das abrupte Abbremsen beim Erreichen der Endstellungen sowie die erforderlichen hohen Halteströme.
Gleiches gilt für ebenfalls verschiedentlich vorgeschlagene Differential-Elektromagnetanordnungen, die zum Erreichen des erforderlichen Schubes von etwa 300 - 400 N für PKW-Verbrennungsmotoren gezielt mit ansteigenden Strömen beaufschlagt werden. Damit führt das durch eine Federanordnung belastete Ventil zunächst eine Schwingbewegung aus, bevor eine an dem Ventilschaft angeordnete Eisenplatte an dem Anker der Elektromagnetanordnung anliegt, so daß ein sehr viel geringerer Haltestrom erforderlich ist. Allerdings ist hierbei die maximale Drehzahl des Motors erheblich begrenzt. Die Anlaufzeit beim Start ist relativ hoch, da es wegen der notwendigen hohen dynamischen Kraft einige Zeit dauert, bis sich die Ventilanordnung in ihre gewünschte Stellung geschwungen hat.
Weitere Dokumente ohne Anspruch auf Vollständigkeit, die technischen Hintergrund für die Erfindung zeigen, sind:
  • DE 33 07 070 A1, DE 35 00 530 A1, EP 244 878 B1,
  • WO 90/07635, US 4,829,947, EP 377 244 B1, EP 347 211 B1,
  • EP 390 519 B1, EP 328 194 B1, EP 377 251 B1, EP 312 216 B1,
  • US 4,967,702, US 3,853,102, US 4,829,947, US 4,915,015,
  • WO 90/07637, EP 244 878 B1, EP 328 195 A2.
    • Alle Konzepte, die in den vorstehend genannten Dokumenten beschrieben sind, haben gemeinsam, daß bei ihnen wenigstens eines der oben erwähnten Probleme besteht. Darüber hinaus können mit den im Stand der Technik bekannten Anordnungen auch der für Ventilanordnungen in Verbrennungsmotoren erforderliche Hub, Schub und Dynamik bei ausreichend kompaktem Aufbau und Zuverlässigkeit für den Groß-Serien-Einsatz im KFZ-Motoren nicht erreicht werden.
    Aus der JP-A-3-92518 ist eine Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren bekannt, bei der der Stator aus zwei etwa halbzylindrischen Schalen aufgebaut ist, die sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung jeder Schale geteilte, dem Läufer zugewandte Zähne aufweisen. Die einzelnen Zähne jeder Schale sind jeweils von einer Wicklung umgeben, deren Mittellängsachse in radialer Richtung verläuft.
    Dadurch ergibt sich ein in radialer Richtung orientierter magnetischer Fluß, der ausgehend von jedem einzelnen der Vielzahl von Zähnen, durch den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer, in den Läufer fließt.
    Eine insoweit übereinstimmende Ausgestaltung des Ständers, der Ständerspulen und des Läufers einer Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren ist in der US 5,129,369 beschrieben. Auch hier sind in radialer und tangentialer Richtung unterteilte Zähne des Ständers jeweils von einer Wicklung umgeben, deren Mittellängsachse in radialer Richtung verläuft.
    Auch die EP 0 485 231 A1 zeigt eine ähnliche Art der Gestaltung des Ständers, der Ständerspulen und des Läufers einer Antriebseinrichtung für eine Ventilanordnung in Verbrennungsmotoren. Auch hier sind in radialer und tangentialer Richtung unterteilte Zähne des Ständers jeweils von einer radial orientierten Wicklung umgeben.
    Diese Anordnungen sind in der Herstellung sehr aufwendig, da die Montage der Wicklungen um die einzelnen Zähne schwierig zu bewerkstelligen ist. Außerdem ist die bei diesem Aufbau erzielbare Polteilung relativ groß.
    Zur Behebung dieser Nachteile lehrt die Erfindung eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor, mit einem elektrischen Linearmotor als Aktuator für ein Ventilglied, der durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist.
    Diese Anordnung ermöglicht eine sehr kleine Polteilung des Linearmotors, so daß eine sehr hohe Kraftdichte realisierbar ist. Außerdem kann die durch den Linearmotor erzeugte Kraft entlang des Hubweges des Ventilgliedes genau eingestellt werden. Damit ist es nicht erforderlich, das Ventilglied mit erheblicher kinetischer Energie zu beaufschlagen, damit dieses seine Endstellung einnimmt. Dies bedeutet, daß erheblich weniger Energie zur Betätigung des Ventilgliedes erforderlich ist, als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen. Dies bedeutet auch eine deutlich geringere Geräuschentwicklung und weniger Verschleiß.
    Durch die Anordnung der Ständerwicklung ist es möglich, die auf die Wicklung wirkenden Rüttelkräfte gering zu halten, so daß Vibrationen der Wicklung oder Reibung der Wicklung an den Blechen gering sind. Damit ist es möglich, mit minimalem Isolationsmaterial bzw. Auskleidungsmaterial der Wicklungskammer auszukommen. Auch dies trägt zur Kompaktheit und Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung bei. Außerdem bewirkt dies eine hohe Leistungsdichte auch bei kleinen Linearmotoren, da der Füllfaktor der Wicklungskammer (Wicklungsvolumen in der Wicklungskammer bezogen auf das Gesamtvolumen der Wicklungskammer) hoch ist.
    Bevorzugt weisen die Bleche wenigstens eine Ausnehmung auf, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche enthält. Dieses Eisenmaterial kann durch (gepackte) Eisendrähte gebildet sein, die die Bleche quer zu deren Fläche durchdringen. Alternativ dazu kann das Eisenmaterial auch durch Eisenpartikel gebildet sein, die mittels Kunstharz oder dergl. in den Ausnehmungen der Bleche verpreßt sind.
    Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines Aktuators, bei dem die wenigstens eine Wicklung über ihre gesamte Erstreckung zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor beiträgt. Dies bedeutet, daß die Wicklung keine Wickelköpfe aufweist, wie dies bei herkömmlichen Motoren der Fall ist. Der Grund dafür ist, daß die Wicklung vollständig zwischen den Blechen des Ständers in den Wickelkammern aufgenommen ist und die Wicklung weder in axialer Richtung, noch in radialer Richtung über die Zähne des Ständers hinausragt.
    Damit hat die Ventilanordnung gemäß der Erfindung einen Aktuator, der gegenüber einem herkömmlichen Motor erheblich weniger Kupfer zur Erzeugung eines vergleichbaren Magnetfeldes aufweist.
    Erfindungsgemäß kann der Läufer als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder im speziellen als Reluktanzläufer ausgebildet sein.
    In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ist der Läufer mit einem Sensor zur Wegerfassung, vorzugsweise einer Tauchspulenanordnung gekoppelt.
    Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil mit dem erfindungsgemäßen Aktuator auch ein Teilhub der Ventilanordnung möglich ist. Dieser Teilhub kann über den Sensor erfaßt werden.
    Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung der Läufer mit einer Resonanzfederanordnung gekoppelt sein.
    Bevorzugt ist der Läufer als Hybridläufer, mit einem Eisenkörper in den Kupfer- oder Aluminiumreifen eingesetzt sind, ausgestaltet.
    Schließlich betrifft die Erfindung einen internen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Verbrennungszylinder, mit wenigstens einer Ventilanordnung für Ein- oder Auslaßventile mit einem oder mehreren der vorstehenden Merkmale.
    Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist.
    In der Zeichnung ist eine Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor schematisch im Längsschnitt veranschaulicht.
    Ein elektrischer Linearmotor 10 dient bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung als Aktuator für ein Ventilglied 12. Der Linearmotor 10 hat einen mit dem Ventilglied 12 über eine Stange 14 gekoppelten Läufer 16 und einen Ständer 18.
    Der Ständer 18 ist aus kreisrunden Blechen 20 aus Eisen aufgebaut, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung B des Läufers 16 orientiert ist. Der Ständer 18 weist dem Läufer 16 zugewandte Zähne 22 auf, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer 16 zugewandte Mantelfläche haben. Im vorliegenden Beispiel mit kreisrunden Blechen 20 haben die einzelnen Zähne 22 eine kreiszylindrische Mantelfläche. Es ist jedoch auch möglich, ovale Bleche oder Bleche mit polygonaler Gestalt zum Aufbau des Ständers 18 zu verwenden.
    Der Ständer 18 weist Ständer-Wicklungen 24 auf, die parallel zu der Fläche der Bleche 20 orientiert sind. Dazu haben einzelne der Bleche 20 einen geringeren Durchmesser als diejenigen Bleche, welche die Zähne 22 bilden. Damit sind jeweils zwischen zwei benachbarten Zähnen 22 zur Außenseite hin offene Wicklungskammern 26 gebildet, in denen sich jeweils eine zur Mittellängsachse des Ständers 18 konzentrische Wicklung 24 befindet. Die Art der Verschaltung der einzelnen Wicklungen 24 bzw. deren Beaufschlagen mit elektrischem Strom ist von der gewünschten Art des Motors (Ein- oder Mehrphasenmotor) abhängig.
    In der Mitte hat jedes der Bleche 20 eine Ausnehmung 30 in der polymorphes Eisenmaterial oder gepackte Eisendrähte zur magnetischen Verbindung der Bleche enthalten ist.
    Da jede Wicklung 24 über ihre gesamte Erstreckung in der Wicklungskammer angeordnet ist, trägt sie auch über ihre gesamte Länge zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor bei.
    In der gezeigten Anordnung ist der Läufer 16 ein hohlzylindrischer Eisenring, der an seiner dem Ständer 18 zugewandten Innenfläche voneinander axial beabstandete Ausnehmungen aufweist, in denen Kupfer- oder Aluminiumringe 34 aufgenommen sind. Damit arbeitet der Läufer 16 als Hybridläufer.
    An der dem Ventilglied 12 abgewandten Stirnseite ist der Läufer 16 mit einem Sensor 36 zur Wegerfassung des Läufers 16 in der Bewegungsrichtung B gekoppelt.
    Der Läufer 16 ist gegen das Gehäuse 40 mit einer Resonanzfederanordnung 42 abgestützt.

    Claims (8)

    1. Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten Verbrennungsmotor, mit einem elektrischen Linearmotor (10) als Aktuator für ein Ventilglied, der
      einen mit einem Ventilglied (12) gekoppelten Läufer (16) und
      einen Ständer (18) aufweist, wobei
      der Ständer (18) aus Blechen (20) aufgebaut ist, deren Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung (B) des Läufers (16) orientiert ist, und
      der Ständer (18) dem Läufer (16) zugewandte Zähne (22) aufweist, die jeweils eine geschlossene, dem Läufer (16) zugewandte Zylindermantelfläche haben, und wobei
      jeweils zwischen zwei benachbarten Zähnen (22) des Ständers (18) Wicklungskammern (26) gebildet sind, in denen jeweils eine parallel zu der Fläche der Bleche (20) orientierte Wicklung (24) angeordnet ist.
    2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bleche (20) wenigstens eine Ausnehmung (30) aufweisen, die Eisenmaterial zur Verbindung der Bleche (20) enthält.
    3. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Wicklung (24) über ihre gesamte Erstreckung zur effektiven Kraftbildung in dem Linearmotor (10) beiträgt.
    4. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) als Asynchronläufer oder als Synchronläufer, oder als Reluktanzläufer ausgebildet ist.
    5. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einem Sensor zur Wegerfassung, vorzugsweise einer Tauchspulenanordnung (36) gekoppelt ist.
    6. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer (16) mit einer Resonanzfederanordnung (42) gekoppelt ist.
    7. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Läufer als Hybridläufer, mit einem Eisenkörper (16) in den Kupfer- oder Aluminiumreifen (34) eingesetzt sind, ausgestaltet ist.
    8. Interner Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Verbrennungszylinder, mit wenigstens einer Ventilanordnung mit den Merkmalen eines oder mehrerer der vorstehenden Ansprüche.
    EP98928335A 1997-06-06 1998-05-29 Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten verbrennungsmotor Expired - Lifetime EP0986696B1 (de)

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    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0986696A1 EP0986696A1 (de) 2000-03-22
    EP0986696B1 true EP0986696B1 (de) 2002-03-27

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    ID=7831698

    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP98928335A Expired - Lifetime EP0986696B1 (de) 1997-06-06 1998-05-29 Ventilanordnung für einen ventilgesteuerten verbrennungsmotor

    Country Status (4)

    Country Link
    EP (1) EP0986696B1 (de)
    JP (1) JP2002506499A (de)
    DE (2) DE19723923C2 (de)
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