JPS6122130B2 - - Google Patents

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JPS6122130B2
JPS6122130B2 JP57151829A JP15182982A JPS6122130B2 JP S6122130 B2 JPS6122130 B2 JP S6122130B2 JP 57151829 A JP57151829 A JP 57151829A JP 15182982 A JP15182982 A JP 15182982A JP S6122130 B2 JPS6122130 B2 JP S6122130B2
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JP
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cylinder liner
cap
cylinder
force
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JP57151829A
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Hintsu Berunharuto
Koohenderufuaa Rihyaruto
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DOITSUCHE FUORUSHUNGUSU UNTO FUERUZUTSUHISU ANSHUTARUTO HYURU RUFUTO UNTO RAUMU FUAARUTO EE FUAU
Original Assignee
DOITSUCHE FUORUSHUNGUSU UNTO FUERUZUTSUHISU ANSHUTARUTO HYURU RUFUTO UNTO RAUMU FUAARUTO EE FUAU
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Filing date
Publication date
Application filed by DOITSUCHE FUORUSHUNGUSU UNTO FUERUZUTSUHISU ANSHUTARUTO HYURU RUFUTO UNTO RAUMU FUAARUTO EE FUAU filed Critical DOITSUCHE FUORUSHUNGUSU UNTO FUERUZUTSUHISU ANSHUTARUTO HYURU RUFUTO UNTO RAUMU FUAARUTO EE FUAU
Publication of JPS58180750A publication Critical patent/JPS58180750A/ja
Publication of JPS6122130B2 publication Critical patent/JPS6122130B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシリンダライナとこのシリンダライナ
内に摺動自在に支持されたピストンとを有する往
復式内燃機関、特にオツトーまたはデイーゼル機
関用のピストンとシリンダの組合せ体に関する。
上記ピストン内部にはコンロツドを揺動自在に支
持する支持部が設けられ、この支持部はピストン
内に保持されたピストンピンとピストン内に形成
された球面状圧力伝達表面を含んで構成され、こ
の球面状圧力伝達表面はコンロツド上端に形成さ
れた対応する球面状圧力受座表面と球面接触をす
るように構成されている。このような設計構造は
ドイツ国特許公開公報第2737596号に開示されて
いる。
燃料によつて往復式内燃機関に与えられる熱の
大部分は冷媒により逸失するようになつているか
ら無駄になつている。従来の往復式内燃機関にお
いて冷媒の伝熱作用により失われる熱エネルギ部
分は合計すれば、その機関の燃料の出す熱の25〜
35％にもなる。冷媒への熱伝達が起こる部位は断
然、燃焼室の壁特にシリンダライナである。従来
の往復式内燃機関ではシリンダライナを冷却しな
ければならない。これは、そうしないと、シリン
ダライナやピストンへの熱応力が極めて高くなつ
てしまうからである。またピストンリングの領域
内の潤滑油の炭化を防ぐには特に冷却作用が必要
である。それはかかる炭化によつてピストンリン
グの密封作用が減じ且つピストンリングが損傷し
てしまうからである。こうした必要性のため、ピ
ストンとシリンダの組合せ体のピストンリング潤
滑油と接触する部分における最高温度は約220〜
230℃に制限される。
冷却による直接的な熱損失に加えて、冷却に必
要な冷媒回路を駆動することからもやはり熱損失
が起こる。
更に、ピストンとシリンダ摺動面との間を完全
密封するために従来はピストンにピストンリング
を設けていた。ピストンリングはピストンの外周
に形成されたいわゆるピストンリング溝に取りつ
けられる。このピストンリング溝のため、ピスト
ンの特にピストンリング溝の周囲領域に応力集中
が生ずる。このことは明らかにピストンの機械的
弱点であつて、この部分に特に脆性材料を使用す
ると、損傷を生ずるおそれがある。
既に知られている通り、燃焼室からの熱損失を
減ずる手段が様々講じられている。そうした手段
として、セラミツク製ピストンヘツドを有するピ
ストンの使用、ヘツドとスカートとが別部品であ
るピストンの使用（Elsbett，Development of
ａ Diesel Motor with Heat―retaining
Combustion Chamber，MTZ 42―1981―３）等
がある。ピストンやシリンダライナにセラミツク
材を使用することも知られている（Ceramics
Eliminate Diesel Cooling，Automot Ind 160―
1980―６）。
しかし、上記手段のいずれもピストンリングを
使用してピストンとシリンダライナ間の密封作用
を行う必要性は解消されていないので、密封を必
要とする領域を低温にすることは依然として必要
である。
本発明の目的はこれに対して高い熱応力に耐え
るユニツト構成体としてのピストンとシリンダの
組合せ体を提供することにある。
上記目的は本発明による下記のようなピストン
とシリンダの組合せ体によつて達成される。すな
わち、本発明のピストンとシリンダの組合せ体は
冒頭に述べた型式のものにおいて、シリンダライ
ナの外周が繊維組成物により構成されたバンドで
包囲されており、このバンドはその半径方向熱膨
張がシリンダライナの熱膨張より小さく且つシリ
ンダライナの長手軸線方向に沿つて変化するよう
に構成されている。またピストンはキヤツプと力
伝達コアとを備えて構成され、このキヤツプは燃
焼室に対面するピストンヘツド及びシリンダの摺
動面に近接する本質的に円筒形状のピストンスカ
ートを有し、また力伝達コアにはピストンピンの
支承部及び球面状圧力伝達表面が形成されてい
る。そしてキヤツプのピストンヘツドは力伝達コ
アに球面状圧力伝達表面の上方に位置してピスト
ンの長手方向軸線に関し回転対称性を有する力伝
達結合部を介して結合されている。一方、キヤツ
プのピストンスカートはその下端周縁部において
力伝達コアに結合されていている。しかしながら
これら力伝達結合部およびピストンスカート下端
周縁部以外にはキヤツプと力伝達コアとの接触部
が皆無となるように構成されている。更にシリン
ダライナおよびキヤツプは両方共セラミツク材で
作られている。
かかる構成によれば、運転中の高温状態でも、
ピストンリングを使用することなしに、ピストン
とシリンダライナとの間を完全密封可能になしう
る。これは以下のような個々の構成が効果的に相
補し合う結果である。
その第一は、半径方向熱膨張がシリンダライナ
の熱膨張より小さく且つシリンダライナの長手軸
線方向に沿つて変化するように構成されたバンド
でシリンダライナの外周を包囲したことにより、
シリンダライナの熱膨張をシリンダライナの長手
軸線方向に沿つた温度勾配の影響をうけることな
しにシリンダライナの全長に亘つて均一に且つピ
ストンの熱膨張と等しくなるように調整すること
ができることである。通常、シリンダにはその上
部においてより高温が作用し、従つてシリンダの
熱膨張はその上部の方がより大きい。しかるに、
本発明では、上記のようにシリンダの長手軸線方
向に沿つて熱膨張が変化するバンドでシリンダラ
イナを囲んだ結果、シリンダライナの半径方向熱
膨張に対する拘束力が上方の高温部位では下方の
低温部位よりも大きくなり、シリンダライナの長
手軸線方向に沿つて生ずる不均一な熱膨張が修正
され、シリンダライナとバンドからなる構成体の
半径方向の熱膨張がシリンダライナの長手軸線方
向全体に亘つて均一で且つピストンの熱膨張と一
致することになる。更に、セラミツク製シリンダ
ライナへの適当な圧縮予応力付加の結果として、
燃焼圧力によつて生ずる力は予め圧縮応力状態に
おかれたバンドによつて拮抗され、従つてシリン
ダライナにおける引張応力の発生は回避される。
尚、バンドの熱膨張をその長手軸線方向に沿つ
て変化させるには２つの方法がある。その１つ
は、バンドの厚みをその長手軸線方向に沿つて変
化させることである。もう１つは、その構造を長
手軸線方向に沿つて異ならしめることである。例
えばバンドの上方部及び下方部に使用する繊維を
相異なるものにしてもよく、あるいはバンドの異
なる部位毎に繊維糸条の配列方向を変えてもよ
い。勿論、以上の２つの方法を組み合わせてもよ
い。
第二には、ピストンが完全にその中心軸線に関
し回転対称性を有することである。まず、本発明
のピストンのスカートは完全に回転対称的な筒形
体をなす。従来のピストンスカートは、ピストン
ピン用の穴が形成されているために回転対称形で
はない。本発明のピストンでは、このピストンピ
ン用穴がピストン内部に設けられ、外側のピスト
ンスカートは完全な回転対称形となつている。か
かる構造によれば、シリンダ摺動面に密接するピ
ストン外周部分が回転対称的な温度分布を示し、
それらの部分に回転対称的に力を伝達することが
できる。その結果、シリンダライナの摺動面に対
するピストン部分の変形も回転対称性を維持す
る。しかし、ピストンの特定部分はピストンとコ
ンロツドとの連接のために回転対称形にはできな
い。本発明ではこの問題をピストンを２つの基本
構成部分、すなわち高温の燃焼ガスに曝される回
転対称形キヤツプと、このキヤツプに回転対称形
部分のみで結合されてしかも高温の燃焼ガスに露
出されない非回転対称形状の力伝達コアとに分割
することにより解決している。このようにすれ
ば、燃焼圧力は中間の力伝達結合部により回転対
称性を保つて力伝達コアに伝達される。また、キ
ヤツプの下端部は円筒形の周縁部だけで力伝達コ
アの適切に形成された部分に結合されているの
で、ピストンスカートの非対称的変形を回避でき
る。
すなわち、力伝達コアの非回転対称的な熱膨張
はキヤツプ側へは影響を及ぼすことなく、そして
その一方では力伝達コアはキヤツプによつて高温
の燃焼ガスから効果的に遮蔽されるので、力伝達
コアの加熱作用が減ずる結果としてその非回転対
称的変形も減少する。
これに関連して、もう１つの好ましい結果とし
て、燃焼圧力はピストンピンによつてコンロツド
に伝えられるのではなく、コンロツドの上端部分
に直接的に伝えられるので、ピストンピンに作用
する応力が減少し、ピストンピンは単にピストン
の重量によつて生じる遠心力を負担するだけでよ
い。その結果、必然的にシリンダの長手方向軸線
に対して非回転対称的な部分をなすピストンピン
の寸法を小さくすることができ、従つて望ましい
回転対称性が乱されることが少なくなる。
ピストンリングの廃止や、ピストンのキヤツプ
やシリンダライナにセラミツク材を使用すること
により、ピストンとシリンダの組合せ体を実質的
に高い温度で運転することができる。本発明の好
適実施例では、シリンダライナは、バンドの外周
を囲んでそれをシリンダブロツクから熱的に隔離
する外套を含んでいるので、熱損失を最小限にと
どめることができる。
好適構成において、シリンダライナまたはキヤ
ツプは黒鉛を埋め込んだセラミツク材で作られ
る。埋め込まれた黒鉛粒子は相対運動する２部材
間を潤滑する作用を有し、そしてその作用は高温
下でも発揮される。
この場合、ピストンヘツドと燃焼室に近接した
シリンダライナ上部周縁部分に耐腐食性、耐酸化
性の表面保護層を設けるのが有利である。これに
よつて、ピストンヘツドおよびシリンダライナの
高温の燃焼ガスに最も曝される領域が高温の燃焼
ガスから保護される。特にこれにより、埋め込ま
れた黒鉛粒子の破壊作用が回避される。
表面保護層は好ましくはMoSi2，Al2O3、ある
いはTaCで作られる。またこれはセラミツクベー
ス材そのもので作つてもよい。好適実施例におい
ては、シリンダライナは、バンドの外周を囲んで
それをシリンダブロツクから熱的に隔離する外套
を含んでおり、また力伝達結合部はキヤツプと力
伝達コアとの間に設けられた断熱性の圧力伝達中
間部材を有しており、そしてキヤツプが窒化珪素
から、力伝達コアが鋼から、圧力伝達中間部材が
チタン酸アルミまたは菫青石から、シリンダライ
ナが炭化珪素または炭化珪素と黒鉛との組成物か
ら、バンドが炭素繊維により強化された炭素また
は炭素繊維により強化されたガラスから、また断
熱外套がチタン酸アルミまたは菫青石からそれぞ
れ作られる。
また、シリンダライナの摺動面またはキヤツプ
に、好ましくはTiN、TiCまたはW2Cで作つた摺
動減摩性被覆層を設けるのも有利である。
上記の構成では、ピストンリングによる密封や
シリンダライナの冷却を不要とすることができ、
しかもピストンとシリンダの摺動面との間を良好
に密封できると共に、これらの組合せ体を極めて
高い温度で運転できる。
燃焼室からの熱損失が低減するために、下記の
ように多数の付加的な利点が得られる。
Ａ 燃焼室からの熱損失低減により、排気ガスの
熱エネルギの再利用が可能となり、これを排気
ターボチヤージヤやその他の下流側の諸設備に
利用できる。
Ｂ 高温排気により、下流側において汚染物質の
低減処理対策が容易に実施可能となる。
Ｃ ピストンとシリンダライナは迅速に表面温度
が高くなり、そのため特にデイーゼルエンジン
の場合に点火遅れの減少ならびに低温始動時間
の短縮が得られる。
Ｄ 冷媒への熱散逸が減るので放熱器の構造が小
型化されかつ軽量化する。
また、ピストンとシリンンダ壁間の運転間隙
が減少するために更にその他の利点が多数得ら
れる。
Ｅ シリンダ内でのピストンの方向転換時に生じ
る衝撃力と騒音とが低減される Ｆ ピストンとシリンダ壁間での汚染物質の形成
が減ずる。
更には、耐摩耗性のセラミツク材を使用して
いるので、シリンダの摩損を低減できる。
次ぎに添付図面に従い、本発明を更に詳しく説
明する。
シリンダライナ１は、シリンダブロツク２内に
形成したライナ挿入用開口内に挿入されている。
このシリンダライナ１の外周表面はほぼその全長
に亘つて繊維組成物からなるバンド３で囲まれて
おり、このバンドを構成する繊維糸条は好ましく
はシリンダライナの周りに周方向に配向されたも
のがよい。図示の実施例においてはバンド３はそ
の厚みがその上端から下端にかけて減少してい
る。
シリンダライナ１はまたバンド３の外周を包囲
する外套４を有し、この外套４はシリンダブロツ
ク２からシリンダライナ１を熱的に遮断してい
る。
シリンダライナ１内にピストン５が摺動自在に
挿入支持されており、このピストンは基本的に２
つの部分、すなわち回転対称形のキヤツプ６と非
回転対称形の力伝達コア７とから構成されてい
る。力伝達コア７はピストンピン９が挿入される
通し穴８を有する。力伝達コア７にはピストンピ
ン９を介してコンロツド１０が揺動回転可能に接
続される。コンロツド１０の上端１１は球面状の
圧力受座表面１２を形成しており、この圧力受座
表面１２は力伝達コア７に形成された補完し合う
形状の球面状圧力伝達表面１３に球面接触してい
る。
キヤツプ６は燃焼室１４に対面し且つ中央凹部
１６を有するピストンヘツド１５と、円筒形状の
ピストンスカート１７とを有し、ピストンスカー
ト１７の外周面はシリンダライナ１の摺動面に面
接触している。ピストンヘツド１５上の凹部１６
の下側中央部分には外周に環状肩部１９を有する
平面状の圧力伝達表面１８が形成されており、、
この圧力伝達表面は力伝達コア７の上側中央部分
に形成された外周に環状肩部２１を有する平面状
の圧力伝達表面２０と向い合つている。上記２つ
の圧力伝達表面１８と２０との間には平板状の圧
力伝達中間部材２２が介在している。この圧力伝
達中間部材２２の強化された外周縁部２３は圧力
伝達表面１８，２０の外周の環状肩部１９，２１
に嵌合し、従つて圧力伝達中間部材２２はこれら
圧力伝達表面１８，２０と平行に一体化されてい
る。
力伝達コア７は下方部に円筒形の周縁部２４を
有し、これには半径方向外方に突出したフランジ
２５が形成されている。ピストンスカートの下端
周縁部２６は力伝達コア７の円筒形周縁部２４と
面接触すると共にフランジ２５上に衝合してお
り、この領域においてキヤツプ６と力伝達コア７
は可撓的に、または固定的に、あるいは接着剤に
より一体的に結合される。
この結合部ならびに上記の圧力伝達中間部材２
２の圧力伝達表面だけがキヤツプと力伝達コア間
における接触部分となつている。それ以外の部分
ではキヤツプと力伝達コアは中央力伝達結合部の
周囲の環状空洞２７により相互に分離されてい
る。
燃焼ガスによつて発生した力はピストンヘツド
１５、上側の平面状圧力伝達表面１８、平板状の
圧力伝達中間部材２２、下側の平面状圧力伝達表
面２０、球面状圧力伝達表面１３、および球面状
圧力受座表面１２を経て直接コンロツド１０の上
端１１に伝達される。他方、ピストンピン９はピ
ストンの重量で生じる遠心力のみを負担すればよ
いので、その寸法を小さくすることができる。
本発明の好適実施例において、ピストンはセラ
ミツク材、好ましく窒化珪素で作られる。一方、
ピストンヘツド１５から力伝達コア７へ圧縮力を
伝達する作用をする圧力伝達中間部材２２はまた
キヤツプ６を力伝達コア７から熱的に遮断する作
用をする。この圧力伝達中間部材２２はチタン酸
アルミまたは菫青石で作るのが好ましい。
力伝達コア７はその下部低温部のみでそれに結
合されているキヤツプにより高温燃焼ガスから熱
的に遮蔽されるので、力伝達コアは鋼から作るこ
とができる。
またシリンダライナもセラミツク材、例えば炭
化珪素または炭化珪素と黒鉛との組成物で作るの
が好ましい。これらの材料はシリンダライナの冷
却が行われない本発明の構成において発生する温
度に耐えるのに特に適している。ピストンヘツド
１５の上死点では上記温度は700℃に達し得る。
このため高温耐性、熱衝撃耐性および薬品耐性
（酸化安定性）が強く要求されるが、これらの要
求は上記のセラミツク材を使用することで満たさ
れる。
上記のピストン構成の結果として、ピストンの
変形は本質的に回転対称的となる。従つてキヤツ
プの高さ方向に沿つた温度差にもかかわらず、そ
の高さ方向に沿つてほぼ一定の半径方向膨張が得
られる。使用するセラミツク材は概して熱膨張係
数が力伝達コアの製作に用いる鋼よりも小さい。
ピストンの半径方向熱膨張はその上部では専らキ
ヤツプの材料によつて、しかしその下部では部分
的には力伝達コアの材料によつて決まるので、温
度差にかかわらずほぼ均一なピストンの半径方向
熱膨張が得られる。
シリンダライナの半径方向熱膨張挙動はバンド
３の存在によつてピストンの膨張に一致する。バ
ンドの半径方向熱膨張はシリンダライナよりも小
さいので、シリンダライナの半径方向膨張がバン
ドで拘束され、ピストンの半径方向熱膨張と一致
する大きさに制限される。
同時に、バンドは温度差の結果としてシリンダ
の長手方向軸線に沿つて生じるシリンダライナの
半径方向膨張の差をも補償する。
かかる補償作用は、図示実施例の場合、バンド
をシリンダライナの上方高温部においてその下方
部よりも厚くすることにより達成される。
従つて全体として、シリンダライナの全長に亘
つて均一でしかもピストンの半径方向膨張と一致
した半径方向膨張が得られる。
更にバンドは、セラミツク製シリンダライナへ
の適当な圧縮予応力の付加により、燃焼圧力によ
つて生じた力を受容する働きをなし、従つてシリ
ンダライナにおける引張応力の発生が回避され
る。
相対運動をする部材、すなわちシリンダライナ
とキヤツプは黒鉛が埋め込まれたセラミツク材、
例えば炭化珪素と黒鉛との組成物で作るのが有利
である。これにより摩擦し合う部材間の潤滑作用
が保証され、他の潤滑手段が故障しても少なくと
も緊急の潤滑作用だけは確保される。
これと関連して、シリンダライナおよびキヤツ
プの高温の燃焼ガスと直接接触する領域、すなわ
ちピストンヘツドおよびシリンダライナ上部周縁
部分には、埋め込まれた黒鉛粒子が高温燃焼ガス
により破壊されるのを防止する表面保護層を設け
るのが好ましい。この表面保護層は例えば
MoSi2、Al2O3、またはTaCで作るのがよい。ま
た、この表面保護層はセラミツクベース材そのも
ので作ることもできる。すなわちシリンダライナ
やピストンヘツドのその問題の臨界領域内に黒鉛
粒子が埋め込まれていないようにすることができ
る。
圧力伝達中間部材２２及び熱遮断作用をもつ外
套４は、熱に対して抵抗の大きい部分すなわちシ
リンダライナ及びキヤツプを、熱に敏感な部分す
なわち力伝達コア、ピストンピン、コンロツド、
シリンダブロツクから熱的に隔離している。この
ため圧力伝達中間部材及び外套は良好な断熱性を
有するものでなければならない。しかも圧力伝達
中間部材にはガス圧力やピストンの慣性力も作用
するので、それらの力を受け止める支持機能をも
具備しなければならない。すなわち圧力伝達中間
部材は圧縮強度が大きくなくてはならない。この
大きい圧縮強度や良好な断熱性に対する要求を満
たすものはセラミツク材、特にチタン酸アルミま
たは菫青石である。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明のピストンとシリンダほ成組合せ
体の縦断面図である。 １……シリンダライナ、２……シリンダブロツ
ク、３……バンド、４……外套、５……ピスト
ン、６……キヤツプ、７……力伝達コア、９……
ピストンピン、１０……コンロツド、１２……球
面状圧力受座表面、１３……球面状圧力伝達表
面、１４……燃焼室、１５……ピストンヘツド、
１６……凹部、１７……ピストンスカート、１
８，２０……平面状圧力伝達表面、１９，２１…
…環状肩部、２２……圧力伝達中間部材、２３…
…外周縁部、２４……円筒形周縁部、２５……フ
ランジ、２６……スカートの下端周縁部、２７…
…空洞。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ シリンダライナとこのシリンダライナ内に摺
    動自在に支持されたピストンとからなり、該ピス
    トン内部にはコンロツドを揺動自在に支持する支
    持部が設けられ、該支持部はピストン内に保持さ
    れたピストンとピストン内に形成された球面状圧
    力伝達表面とで構成され、上記球面状圧力伝達表
    面はコンロツド上端に形成された対応する球面状
    圧力受座表面と球面接触している往復式内燃機関
    用ピストンとシリンダの組合せ体において、 前記シリンダライナ１の外周が繊維組成物によ
    り構成されたバンド３で包囲され、該バンドはそ
    の半径方向熱膨張がシリンダライナ１の熱膨張よ
    り小さく且つシリンダライナ１の長手軸線方向に
    沿つて変化するように構成され、 前記ピストン５はキヤツプ６と力伝達コア７と
    を備えて構成され、該キヤツプ６は燃焼室に対面
    するるピストンヘツド１５及びシリンダの摺動面
    に近接する本質的に円筒形状をなすピストンスカ
    ート１７を有し、また力伝達コア７にはピストン
    ピン９の支承部及び球面状圧力伝達表面１３が形
    成されており、 前記キヤツプ６のピストンヘツド１５と力伝達
    コア７とは前記球面状圧力伝達表面１３の上方に
    位置してピストンの長手方向軸線に関し回転対称
    性を有する力伝達結合部を介して結合され、また
    前記キヤツプ６のピストンスカート１７はそれの
    下端周縁部２６において前記力伝達コア７に結合
    され、該力伝達結合部およびピストンスカート下
    端周縁部以外にはキヤツプ６と力伝達コア７との
    接触部が皆無となるように形成され そして前記シリンダライナ１およびキヤツプ６
    の両者がセラミツク材で形成されていることを特
    徴とするピストンとシリンダの組合せ体。
JP57151829A 1981-09-02 1982-09-02 往復式内燃機関用ピストンとシリンダの組合せ体 Granted JPS58180750A (ja)

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