JP2010209780A - 内燃機関の可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】中間ロック機構付きＶＴＣにおいて、エンジン停止時に確実に中間位相でロックすることができる可変動弁機構を提供する。
【解決手段】いわゆるベーン式の可変動弁機構において、最進角位相と最遅角位相の中間位相で、ベーン部材４とスプロケット２の相対回転を禁止するロック機構１５と、ロック状態を解除するための油圧を進角室５及び遅角室６のそれぞれから供給する回路２０、２３と、ベーン部材４が付勢手段により付勢される方向にある遅角室６からロック機構１５に油圧を供給する回路２０〜２２の途中に設けられ、回路内の油圧に応じて開閉するチェック弁１４と、を有し、チェック弁１４の開弁圧が、遅角室６の機関低回転時における油圧では開弁しないように設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁機構に関し、特に、最進角位相と最遅角位相の中間位相で固定するロック機構を有する可変動弁機構に関する。

エンジンの出力性能、排気性能、燃費性能等を向上させるための機構として、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を運転状態に応じて変更することで、吸気バルブや排気バルブのバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構が知られている。

例えば、カムシャフトと一体回転するよう固定されたベーンと、クランクシャフトと同期回転するスプロケットに固定されたハウジングを備え、油圧によりハウジングとべーンを相対回転させる、いわゆるベーン式の可変バルブタイミング機構が、一般によく知られている。

特許文献１には、エンジンの始動性を向上させるとともに、バルブタイミングの可変領域を拡大して高回転時の出力の向上等を図るために、最進角と最遅角の中間の状態でベーンの動きを規制するロックピンを設ける構成が開示されている。具体的には、油圧がかかっていない状態では、ロックピンはスプリングに付勢されてロックピン用凹部に係合し、ベーンの動きが規制される。一方、油圧がスプリングの付勢力を超えると、ロックピンはロックピン用凹部から外れ、ベーンはハウジングに対して相対回転可能になる。そして、ロックピンで規制された状態が、エンジンの始動に好適なバルブタイミングとなっている。

この構成によれば、バルブタイミングの可変領域を拡大することができるので、エンジン始動性を確保しつつ、例えば、エンジン高回転時にはエンジン始動に適したバルブタイミングよりさらに遅角側に変更することで、体積効率を向上させることができる。

特許第３２１１７１３号公報

ところで、上記構成では、通常運転時には少なくともロックピンがロックピン用凹部から外れるだけの油圧（解除油圧）をかけておく必要がある。運転状態に応じてバルブタイミングを変更する途中で、ロックピンがロックピン用凹部に係合しないようにするためである。

この点、特許文献１では、進角室用油圧及び遅角室用油圧のいずれもが、それぞれ解除油圧として用いることができる構成になっている。

しかしながら、エンジンを停止する際に、カム反力またはベーンを付勢するスプリング等によってベーンが初期位置に向けて回転するとき、ベーンの進行方向側の油室（例えば初期位置が最遅角の場合には進角室）では、残っている作動油がベーンに押されることで油圧が発生する。これによって、ロックピンが解除された状態となり、ベーンが中間位相でロックされることなく、最進角または最遅角の状態まで回転してしまうおそれがある。この場合、次回始動時には、始動に好適なバルブタイミングにはなっていないので、始動性が低下してしまう。

そこで、本発明では、ロックピンがエンジン停止時には確実にロックし、通常運転時には確実に解除するような可変バルブタイミング機構を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の可変動弁機構は、クランク軸により回転駆動されるスプロケットと、スプロケットと相対回転可能に設けられたカム軸と、カム軸の一端側に固定されスプロケットのハウジング内で回転自在に設けられたベーン部材と、ハウジングの内部にベーン部材により区画された進角室及び遅角室と、ベーン部材を進角方向または遅角方向のいずれか一方に回転させるよう付勢する付勢手段と、を備え、進角室及び遅角室への油圧の供給を制御することによりクランク軸とカム軸の位相を変更させる。そして、最進角位相と最遅角位相の中間位相で、ベーン部材とスプロケットの相対回転を禁止するロック状態とすることが可能なロック機構と、ロック状態を解除するための油圧を進角室及び遅角室のそれぞれから供給する回路と、進角室または遅角室のうちベーン部材が付勢手段により付勢される方向にある方の油室からロック機構に油圧を供給する回路の途中に設けられ、回路内の油圧に応じて開閉するチェック弁と、を有する。さらに、チェック弁の開弁圧が、進角室または遅角室のうちベーン部材が付勢手段により付勢される方向にある方の油室の機関低回転時における油圧では開弁しないように設定されている。

本発明によれば、エンジンを停止する際に、ベーンが回転することによって、回転方向にある油室に油圧が発生しても、この油圧がロック機構に作用することを防止できる。したがって、エンジン停止時には、ロック機構は確実にロック可能な状態となる。

第１実施形態を適用する可変バルブタイミングシステムの構成図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 第２実施形態のロックピン及びチェック弁周辺の構成図である。 第３実施形態のロックピン及びチェック弁周辺の構成図である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施形態を適用する可変バルブタイミングシステムの構成図である。１は可変動弁機構（ＶＴＣ）、７はオイルポンプ、８はオイルパン、９はＶＴＣ変換角位置決めコントローラ、１０はソレノイドバルブ、１４はチェック弁、１５はロックピンである。

ＶＴＣ変換角位置決めコントローラ９は、クランク角センサ１１及びカム軸位置センサ１２の検出値に基づいて後述するＶＴＣ１の変換角を計測するとともに、水温センサ１３の検出値や運転者のアクセル開度等に応じて目標変換角を算出し、目標変換角に応じた電流指令値をソレノイドバルブ１０に出力し、変換角を制御する。

オイルポンプ７はオイルパン８内のオイルを汲み上げてソレノイドバルブ１０に供給し、ソレノイドバルブ１０はＶＴＣ変換角位置決めコントローラ９からの電流指令値に基づいて、ＶＴＣ１に供給する油圧の調節、油路の切替えを行う。

ＶＴＣ１は、エンジンのカム軸３の一端にカム軸３と一体回転可能に固定された複数のベーン４と、カム軸３と同軸かつカム軸３に対して周方向に回転可能に取り付けたカム軸駆動用スプロケット２とで構成される。

カム軸駆動用スプロケット２はハウジング内部に油圧室が設けられ、この油圧室はベーン４によって進角室５と遅角室６とに区切られている。また、カム軸駆動用スプロケット２には図示しないタイミングチェーンが掛けまわされ、このタイミングチェーンを介して図示しないクランクシャフトと同期回転する。ここで、カム軸駆動用スプロケット２の回転方向は図中時計回りとする。そして、カム軸駆動用スプロケット２が回転すると、カム軸３はカム軸駆動用スプロケット２に対して相対位相角（以下、変換角という）をもって回転する。

上記のような構成において、進角室５又は遅角室６のいずれに油圧を供給するかにより進角側又は遅角側の何れの方向の変換角にするかを制御し、供給する油圧の大きさにより変換角の大きさを制御する。例えば、遅角室６に油圧を供給すると、ベーン４はカム軸駆動用スプロケット２に対して反時計回りに相対回転するので、バルブ開閉時期は相対的に遅角する。

これとは反対に、進角室５に油圧を供給すると、ベーン４はカム軸駆動用スプロケット２に対して時計回りに相対回転するので、バルブ開閉時期は相対的に進角する。進角量又は遅角量、すなわち変換角の大きさは、進角室５又は遅角室６に供給する油圧の大きさを調節することにより制御する。例えば、供給する油圧を高くするほど進角量又は遅角量は大きくなり、供給する油圧を低くするほど進角量又は遅角量は小さくなる。

また、本実施形態のＶＴＣは、ベーン４を進角方向に付勢するスプリング（図示せず）を備える。このため、エンジンが停止して進角室５及び遅角室６の油圧が低下すると、ベーン４は進角方向に回転し、後述するロックピン１５によって中間位相でロックされなければ最進角の状態となる。

このような、初期状態では最進角の状態となっており、遅角方向にのみ回転可能なＶＴＣを「遅角ＶＴＣ」と呼ぶ。

なお、これとは逆に、初期状態では最遅角の状態で、進角方向にのみ回転可能なＶＴＣを進角ＶＴＣという。

次に、ロックピン１５及びチェック弁１４について図２を参照して説明する。

図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、ロックピン１５の位置がロックピン用凹部１６と重なる状態を示している。３０はＶＴＣ１のフロントプレート、３１はリアプレートである。カム軸３の軸方向でエンジン側にあるのがリアプレート３１である。なお、車両搭載状態では、ＶＴＣ１全体を覆うようなフロントカバーを、エンジンフロント部分を取り付ける。

ベーン４には、ロックピン１５が摺動可能に収まる第１シリンダ３２と、チェック弁１４が摺動可能に収まる第２シリンダ３３と、第２シリンダ３３と遅角室６を連通する油路２０と、２つのシリンダを連通する油路２２と、第１シリンダ３２と進角室５を連通する油路２３と、第２シリンダ３３と油路２２を連通する油路２１と、を設ける。

第１シリンダ３２及び第２シリンダ３３のシリンダ軸は、カム軸３の長手方向軸と一致する。また、油路２０及び油路２３は、リアプレート３１とベーン４の間に形成されている。

ロックピン１５は、リアプレート３１側端部から所定範囲にわたって外径が細くなっている、いわゆる段付き形状となっている。そして、フロントプレート３０側からリアプレート３１方向へ向けて、スプリング１８により付勢される。したがって、後述する油圧の作用がなければ、ロックピン１５の後端部１５ａはロックピン用凹部１６に収まり、ベーン４がスプロケット２に対して相対回転できない状態（以下、ロック状態という）となる。

ロックピン用凹部１６は、最進角状態と最遅角状態の中間の、エンジン始動に適したバルブタイミングとなる位置に設ける。

一方、チェック弁１４は、フロントプレート３０側及びリアプレート３１側のいずれも、先端から所定範囲にわたって外径が細い段付き形状となっている。そして、ロックピン１５と同様にスプリング１９によってリアプレート３１方向に付勢されている。

油路２２のリアプレート３１側の底面と、チェック弁１４の先端部１４ａと胴体部１４ｃの段付部との距離をａとする。そして、第２シリンダ３３と油路２１とで形成される段付部３４と、チェック弁１４の後端部１４ｂと胴体部１４ｃの段付部との距離をｂとする。このとき、ａがｂより大きくなるようにチェック弁１４や油路２２等の寸法を設定する。

また、第２シリンダ３３のフロントプレート３０側端面には、フロントプレート３０及びベーン４を貫通するリリーフ通路１７が設けられている。

次に、上記のような構成における、ロックピン１５のロック・解除について説明する。

進角室５の油圧を高めると、油路２３に流入した作動油の油圧によって、ロックピン１５がスプリング１８の付勢力に抗して押し上げられ、ロック状態が解除される。

一方、遅角室６の油圧を高めると、油路２０に流入した作動油の油圧によって、チェック弁１４がスプリング１９の付勢力に抗して押し上げられる。チェック弁１４が距離ａだけ押し上げられたら、油路２０、油路２１及び油路２２が連通するので、油路２２の油圧が高まってロックピン１５を押し上げる。

なお、前述したように距離ａは距離ｂより大きいので、油路２０と油路２１が連通したときに、チェック弁１４の胴体部１４ｃによって油路２１と第２シリンダ３３の連通は遮断される。よって、遅角室６から流入した作動油の油圧は、リリーフ通路１７で開放されることなく、ロックピン１５のロック解除に用いられる。

このように、進角室５または遅角室６のいずれの油圧でもロックピン１５を解除することができる構成となっている。したがって、進角室５または遅角室６のいずれかの油圧が高まっている運転中は、ロックピン１５が解除された状態となり、バルブタイミング変更時にロックピン用凹部１６を通過しても、ロック状態になることはない。

なお、スプリング１９のバネ定数は、エンジン低回転時の遅角室６の油圧を遮断することができるような値に設定する。

また、より確実に運転中にロック状態となることを防止するために、通常の運転時には、ロックピン１５とロックピン用凹部１６が重なる状態となるようなバルブタイミングは設定しないようにしてもよい。

次に、エンジンを停止する際のロックピン１５の挙動について説明する。

エンジンを停止する際には、ロックピン用凹部１６よりも遅角側にした状態でエンジンを停止する。すると、進角室５及び遅角室６の油圧が低下し、ベーン４は進角方向（図２において遅角室６方向）に回転する。このとき、ロックピン１５にかかる油圧がスプリング１８の付勢力よりも低下していれば、ロックピン用凹部１６まできたときにロック状態となる。しかし、油圧が低下する前にロックピン１５がロックピン用凹部１６に到達してしまうと、ロック状態とはならず、ロックピン用凹部１６を通過してしまう。

本実施形態では、ベーン４が遅角室６方向に回転することによって、進角室５は負圧になるので、進角室５の油圧は速やかに低下する。

一方、遅角室６に作動油が残っている状態で、ベーン４が遅角室６方向に回転することにより、遅角室６には油圧が発生する。

しかし、チェック弁１４がスプリング１９によりリアプレート３１側に付勢されているので、遅角室６で発生した油圧は遮断される。また、チェック弁１４が、遅角室６からの油圧を遮断する程度リアプレート３１側へ移動すると、油路２１とシリンダ３３が連通する。このため、油路２１、油路２２に残っている作動油はリリーフ通路１７から排出される。したがって、遅角室６で発生した油圧によって、ロックピン１５がロック不可能な状態になることはない。

すなわち、ベーン４は、エンジンを停止する際に中間位相で確実にロックされる。

上述したような構成の遅角ＶＴＣ１を、排気側、つまり排気バルブの駆動装置として用いる。そして、ロック状態では、エンジン始動に好適なバルブタイミングとなるようにロックピン用凹部１６の位置を設定する。

始動時のバルブタイミングは、例えば冷間始動時におけるＨＣ排出量の低減等を目的として設定される。そして、加速時のように出力が要求される場面では、これより進角させる。一方、中高回転・部分負荷運転時には、内部ＥＧＲを増大させて燃費性能の向上を図るために始動時よりもバルブタイミングを遅角させる。

すなわち、エンジン始動直後には、排気バルブのバルブタイミングを遅角する場面はなく、バルブタイミングを変更する場合には、進角させることとなる。したがって、図２に示したように、始動時及び低回転域では遅角室６からの油圧が遮断される構成であっても、進角室５の油圧がロックピン１５に作用して、ロックの解除及びバルブタイミングの進角が可能となるので、バルブタイミング変更の遅れによるエンジン性能の低下を招くことはない。

以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）ベーン式のＶＴＣ１において、中間位相でベーン４とスプロケット２の相対回転を禁止するロックピン１５と、ロック状態を解除するための油圧を供給する油路２０〜２３と、ベーン４がスプリングにより付勢される方向にある遅角室６からロックピン１５に油圧を供給する油路２０〜２２の途中に設けられるチェック弁１４とを有し、チェック弁１４の開弁圧が、遅角室６の機関低回転時における油圧では開弁しないように設定されている。このため、エンジンを停止する際に、遅角室６の作動油が抜け切る前にベーン４が進角方向に回転することによって遅角室６に油圧が発生しても、この油圧がロックピン１５に作用することを防止できる。したがって、エンジン停止時に、ロック状態が解除されたままベーン４が最進角位相まで回転してしまうことを防止できる。

（２）ロックピン１５がロック解除状態からロック状態に変化し、かつチェック弁１４が開弁状態から閉弁状態に変化したときに、ベーン４内部に設けた油路２１、２２の油圧をリリーフするリリーフ通路１７を備えるので、エンジン停止時に、速やかにロック可能状態にすることができる。

（３）リリーフ通路１７は、チェック弁１４が閉弁状態になると、油路２１がスプロケット２の外部と連通し、チェック弁１４が開弁状態になると、この連通を遮断する構成になっているので、遅角室６の油圧が直接大気中にリリーフされてしまうことがない。

（４）機関始動後には、ロックピン１５とロックピン用凹部１６が重なる中間位相で運転しないので、低回転時のように油圧が不安定となり易い状況でも、運転中に誤ってロックピン１５がロック状態となることを防止できる。

なお、本実施形態では、遅角ＶＴＣについて説明したが、進角ＶＴＣについても同様である。ただし、図２の進角室５と遅角室６の位置が逆になる。つまり、エンジンを停止する際に油圧が発生するのは進角室５なので、進角室５からの油圧を遮断するようにチェック弁１４を設ける。

また、排気側のＶＴＣ１について説明したが、吸気側に設ける場合にも適用することができる。この場合には、進角ＶＴＣであることが望ましい。加速時等は、充填効率を高めるために吸気バルブ閉時期を遅らせ、中高回転・部分負荷運転時には、オーバーラップ期間を拡げるために吸気バルブ開時期を進角させる。したがって、始動直後に進角させることはなく、進角室５からの油圧が遮断されても構わないからである。

第２実施形態について説明する。

図３は、本実施形態のＶＴＣ１の、ロックピン１５及びチェック弁１４周辺の構成図である。図２と異なるのは、チェック弁１４及びその周辺の油路の構成である。

チェック弁１４の胴体部には、外径が絞られた小径部が設けられている。この小径部と、これに対向するシリンダ３３の壁面とで、油路４２を形成している。

そして、チェック弁１４がリアプレート３１に当接した状態で、油路４２に対向する位置に開口する油路４０及び油路４１がベーン４に設けられている。

油路４０は、油路４２に対向する位置に開口部を有し、そこから油路２２のシリンダ３３側開口部とシリンダ３２側開口部との間に合流している。油路４１は、ベーン４内部を貫通して、油路４２とＶＴＣ１の外部とを連通している。

チェック弁１４が遅角室６からの油圧で上昇し、油路２２とシリンダ３３が連通すると、油路４０及び油路４１のシリンダ３３側開口部は、チェック弁１４の胴体部１４ｃで閉塞される。つまり、図２の構成と同様に、遅角室６からの油圧が直接リリーフされてしまうことがない。また、エンジンを停止する際、チェック弁１４がリアプレート３１に当接したときに油路２２にある作動油は、油路４０から油路４２、油路４１を介して外部に放出される。

このように、図３に示した構成でも、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、リリーフ通路１７を設けることでシリンダ３３が外部と連通するので、シリンダ３３内の圧力変動によってチェック弁１４の動きが妨げられることを防止できる。

第３実施形態について説明する。

図４は、本実施形態のＶＴＣ１の、ロックピン１５及びチェック弁１４周辺の構成図である。本実施形態では、チェック弁１４とロックピン１５を同軸に配置する。

ベーン４に、チェック弁１４及びロックピン１５が摺動可能に収まる、カム軸方向に延びるシリンダ５７を設ける。

シリンダ５７には、リアプレート３１側にロックピン１５を、フロントプレート３０側にチェック弁１４を収める。

ロックピン１５は、スプリング１８によってリアプレート３１方向に付勢されている。なお、スプリング１８は、一端がロックピン１５に、他端がシリンダ５７内のロックピン１５とチェック弁１４の中間に固定した支持部材５６にそれぞれ固定支持されている。

チェック弁１４は、スプリング１９によってリアプレート３１方向に付勢されている。スプリング１９は、一端がチェック弁１４に、他端がシリンダ５７の内壁面に固定支持されている。

ベーン４には、遅角室６とシリンダ５７を連通する油路５０を、シリンダ５７側の開口部が支持部材５６とチェック弁１４の間となるように設ける。さらに、カム軸方向に延びる油路５４と、シリンダ５７と油路５４を連通する油路５２、油路５３及び油路５５を設ける。

油路５２及び油路５３は、いずれもシリンダ５７側の開口部がチェック弁１４によって開閉されるように設けられる。具体的には、油路５２は、チェック弁１４が支持部材５６に当接した状態になると、シリンダ５７側が開口するような位置に設けられる。油路５３は、チェック弁１４が遅角室６からの油圧によってフロントプレート３０側に動いたときに、シリンダ５７側が開口するような位置に設けられる。

油路５５は、シリンダ５７側の開口部が、ロックピン１５の段付部が着座する位置付近になるように設けられる。

このような構成にすることで、遅角室６の油圧が高まると、油路５０からシリンダ５７に流入した作動油がチェック弁１４を押し上げ、油路５３が開口する。そして、油路５３から油路５４に流入した作動油は、油路５５を通ってロックピン１５を押し上げる。

一方、進角室５の油圧が高まったときは、油路５１を通った作動油がロックピン１５を押し上げる。

また、エンジンを停止する際には、油圧が低下してチェック弁１４が支持部材５６に着座すると、油路５２が開口するので、油路５４内に残っている作動油はベーン４内から速やかに排出される。このため、ロックピン１５は速やかにロック可能な状態となり、確実にロックピン用凹部１６に係合する。

ここで、油路５２〜油路５５の形成方法について説明する。

油路５４は、ベーン４のフロントプレート３０側からドリル加工により形成した後、フロントプレート３０側端部付近をプラグ６０で塞ぐ。

油路５２、油路５３及び油路５５は、進角室５側からシリンダ５７に向けてドリル加工した後、油路５４よりも進角室５側の部分をプラグ６０で塞ぐ。

以上説明したように、図４の構成でも、第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。さらに、チェック弁１４とロックピン１５を同軸に配置することで、ベーン４の径方向にコンパクトな構成にすることができる。

また、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 可変動弁機構（ＶＴＣ）
２ スプロケット
３ カム軸
４ ベーン
５ 進角室
６ 遅角室
７ オイルポンプ
８ オイルパン
９ ＶＴＣ変換角位置決めコントローラ
１０ ソレノイドバルブ
１１ クランク角センサ
１２ カム軸位置センサ
１３ 水温センサ
１４ チェック弁
１５ ロックピン
１７ リリーフ通路
３０ フロントプレート
３１ リアプレート

Claims (4)

1. 内燃機関のクランク軸により回転駆動されるスプロケットと、
   前記スプロケットと相対回転可能に設けられたカム軸と、
   前記カム軸の一端側に固定され前記スプロケットのハウジング内で回転自在に設けられたベーン部材と、
   前記ハウジングの内部に前記ベーン部材により区画された進角室及び遅角室と、
   前記ベーン部材を進角方向または遅角方向のいずれか一方に回転させるよう付勢する付勢手段と、
   を備え、
   前記進角室及び前記遅角室への油圧の供給を制御することにより前記クランク軸と前記カム軸の位相を変更させる内燃機関の可変動弁機構において、
   最進角位相と最遅角位相の中間位相で、前記ベーン部材と前記スプロケットの相対回転を禁止するロック状態とすることが可能なロック機構と、
   前記ロック状態を解除するための油圧を前記進角室及び前記遅角室のそれぞれから供給する回路と、
   前記進角室または前記遅角室のうち前記ベーン部材が前記付勢手段により付勢される方向にある方の油室から前記ロック機構に油圧を供給する回路の途中に設けられ、回路内の油圧に応じて開閉するチェック弁と、
   を有し、
   前記チェック弁の開弁圧が、前記進角室または前記遅角室のうち前記ベーン部材が前記付勢手段により付勢される方向にある方の油室の機関低回転時における油圧では開弁しないように設定されていることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
2. 前記ロック機構がロック解除状態からロック状態に変化し、かつ前記チェック弁が開弁状態から閉弁状態に変化したときに、前記ベーン内部の前記チェック弁と前記ロック機構との間に設けられた回路内の油圧をリリーフするリリーフ機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁機構。
3. 前記リリーフ機構は、前記チェック弁が閉弁状態になると、前記チェック弁と前記ロック機構の間に設けられた回路が前記ハウジングの外部と連通し、前記チェック弁が開弁状態になると、前記チェック弁と前記ロック機構との間に設けられた回路と外部との連通を遮断する構成になっていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変動弁機構。
4. 機関運転状態に応じて前記クランク軸と前記カム軸の位相を設定する位相設定手段を備え、この位相設定手段は、機関始動後には前記ロック状態となる中間位相を設定しないことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関の可変動弁機構。

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