JP4089683B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘを浄化するために、排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等のＮＯｘ浄化用の触媒が設置される。しかし、排気中にはＮＯｘに加えてＳＯｘも含まれており、このＳＯｘがＮＯｘ浄化用触媒に取り込まれることで、該触媒のＮＯｘ浄化作用が低下する場合がある。

そこで、内燃機関の排気通路において、上流側にＳＯｘ吸収剤を設置し、その下流側にＮＯｘ吸収剤を設置する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。この技術によると、リーン混合気が燃焼せしめられたときには排気中のＳＯｘがＳＯｘ吸収剤に吸収されるのでＳＯｘ吸収剤の下流に配置されたＮＯｘ吸収剤にはＮＯｘのみが吸収される。一方、ＳＯｘ吸収剤およびＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられるとＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出され、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘが放出される。この結果、ＳＯｘはＮＯｘ吸収剤に取り込まれにくくなる。
特開平６−１７３６５２号公報

内燃機関の排気通路において、上流側にＳＯｘ吸収剤を設置し、その下流側にＮＯｘ吸収剤等のＮＯｘ浄化用触媒を設置すると、ＳＯｘ吸収剤の吸収可能な容量の範囲でのみ排気中のＳＯｘがＳＯｘ吸収剤に取り込まれ、それ以上のＳＯｘは下流側に設置されたＮＯｘ浄化用触媒にＳＯｘが取り込まれる。また、ＳＯｘ吸収剤は、その内部にＳＯｘを吸収するに従い、ＳＯｘの吸収率が低下していくため、吸収されなかったＳＯｘが徐々にＮＯｘ浄化用触媒に取り込まれる虞もある。

本発明では、上記した問題に鑑み、内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に設けられたＮＯｘ浄化用触媒にＳＯｘが取り込まれるのを可及的に回避することを目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、排気中のＳＯｘをその内部に保持する保持能を有するとともに、流入する排気の温度が上昇し且つ流入する排気の空燃比がストイキよりリーン側の空燃比になるとそのＳＯｘ保持能を回復するＳＯｘ保持手段に対して、適宜ＳＯｘ保持剤の溶液を供給することとした。より詳細には、本発明は、内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の排気通路に設けられ、ＳＯｘ保持剤が担持されて排気中のＳＯｘをその内部に保持するＳＯｘ保持能を有するとともに、流入する排気の温度が上昇し且つ流入する排気の空燃比がストイキよりリーン側の空燃比になるとそのＳＯｘ保持能を回復するＳＯｘ保持手段と、前記ＳＯｘ保持剤の溶液を貯蔵するＳＯｘ保持剤溶液貯蔵手段と、前記ＳＯｘ保持剤溶液貯蔵手段に貯蔵されている前記ＳＯｘ保持剤の溶液を、該ＳＯｘ保持手段に供給するＳＯｘ保持剤供給手段と、を備える。

上記ＳＯｘ保持手段は、内燃機関の排気浄化に用いられ、排気中のＳＯｘをその内部に保持するＳＯｘ保持能を有するとともに、流入する排気の温度が上昇し且つ流入する排気の空燃比がストイキよりリーン側の空燃比になるとそのＳＯｘ保持能を回復するＳＯｘ保持剤が担持されている。このＳＯｘ保持手段によって、その下流側にＳＯｘが流れ込むことが抑制される。しかし、ＳＯｘ保持手段に担持されているＳＯｘ保持剤の量は有限であるため、そのＳＯｘ保持能にも限界があり、場合によってはその下流側に比較的多くのＳＯｘが流れ出す虞がある。

そこで、ＳＯｘ保持剤供給手段によって、ＳＯｘ保持剤の溶液、例えば水溶液等を好ま
しくは噴霧の状態でＳＯｘ保持手段に供給することで、ＳＯｘ保持手段に担持されるＳＯｘ保持剤の量を増加させる。その結果、ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能が増加し、その下流側へのＳＯｘの流出を可及的に抑制することが可能となり、以て、下流側の例えばＮＯｘ浄化用触媒にＳＯｘが取り込まれるのを可及的に回避され得る。ここで、ＳＯｘ保持剤を溶液の状態で供給するのは、ＳＯｘ保持手段へのＳＯｘ保持剤の担持をより容易にするためである。

ここで、上記の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＳＯｘ保持剤溶液貯蔵手段は、前記ＳＯｘ保持剤が前記内燃機関の燃料に溶けた状態でその溶液を貯蔵し、前記ＳＯｘ保持剤供給手段は、前記内燃機関の吸気通路または気筒に設けられた燃料噴射弁から前記溶液を噴射するようにしてもよい。即ち、ＳＯｘ保持剤を内燃機関の既存の燃料噴射系を経由して、ＳＯｘ保持手段へのＳＯｘ保持剤の供給を行う。この場合、ＳＯｘ保持剤溶液貯蔵手段として、内燃機関の燃料タンクを兼用させることも可能である。

また上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能の程度を推定するＳＯｘ保持能推定手段を、更に備え、前記ＳＯｘ保持能推定手段によって推定されたＳＯｘ保持能が所定程度以下のとき、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給されるようにしてもよい。即ち、ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能が低下したときにのみＳＯｘ保持剤供給手段から溶液を供給することで、不必要なＳＯｘ保持剤の供給を回避することが可能となる。

ここで、ＳＯｘ保持能推定手段は、ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能の程度を推定するが、例えば、ＳＯｘ保持手段に流れ込むＳＯｘ量と流れ出すＳＯｘ量との比較から該ＳＯｘ保持手段のＳＯｘを保持する能力を推定することができる。また、内燃機関の運転状態の履歴など、内燃機関から排出されるＳＯｘ量等を考慮してＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能の程度を推定するようにしてもよい。

また上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記ＳＯｘ保持手段に流れ込む排気流量を検出し又は推定する排気流量検出手段を、更に備える場合、前記排気流量検出手段によって検出され又は推定される排気流量が所定流量以上であるとき、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給されるようにしてもよい。即ち、排気通路を流れる排気の流れを利用し、ＳＯｘ保持剤供給手段から供給されたＳＯｘ保持剤をＳＯｘ保持手段に広く分散させる。従って、上記の所定流量とは、ＳＯｘ保持剤の溶液がＳＯｘ保持手段で広く分散し得る程度の排気流量である。

また上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記ＳＯｘ保持手段の温度を検出し又は推定する温度検出手段を、更に備える場合、前記温度検出手段によって検出され又は推定される前記ＳＯｘ保持手段の温度が所定の温度範囲に属しているとき、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給されるようにしてもよい。即ち、ＳＯｘ保持手段の熱エネルギーによってＳＯｘ保持剤供給手段から供給されたＳＯｘ保持剤がＳＯｘ保持手段に広く拡散するためである。従って、上記の所定の温度範囲とは、ＳＯｘ保持剤の溶液がＳＯｘ保持手段で広く分散し得る程度の、ＳＯｘ保持手段の温度範囲である。

ここで、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給された後に、前記ＳＯｘ保持手段の温度を上昇させる昇温手段を、更に備えるようにしてもよい。ＳＯｘ保持剤の溶液の供給後にＳＯｘ保持手段を上昇させても、ＳＯｘ保持剤の分散を促進させることが可能となる。ＳＯｘ保持手段の昇温方法として、ＳＯｘ保持手段に流れ込む排気温度を上昇させてもよく、またＳＯｘ保持手段自身をヒータ等で暖めてもよい。

また、上述までの内燃機関の排気浄化装置において、前記ＳＯｘ保持手段の温度を上昇させて流入する排気をリーン側の空燃比とすることで、該ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能を回復させるＳＯｘ保持能回復手段を、更に備える場合、前記ＳＯｘ保持能回復手段によって前記ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能が所定回復状態に達しないとき、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給されるようにしてもよい。

ＳＯｘ保持剤の溶液が供給されるのは所定回復状態に達しないとき、即ち、ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能が低下し、ＳＯｘ保持能回復手段によっても該ＳＯｘ保持能が、下流へのＳＯｘ流出を十分に抑止できない程度に回復しないときである。このような場合、低下したＳＯｘ保持能に相当するＳＯｘ保持能を発揮し得るＳＯｘ保持剤が供給される。尚、ＳＯｘ保持能回復手段は、ＳＯｘ保持手段に保持されているＳＯｘを放出させることで、そのＳＯｘ保持能を回復させる。

内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に設けられたＮＯｘ浄化用触媒にＳＯｘが取り込まれるのを可及的に回避することが可能となる。

ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置について図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成が示されている。内燃機関１からの排気は排気通路２へ排出される。排気通路２には、上流側にＳＯｘトラップ触媒３とその下流側にＮＯｘ触媒４が設けられている。ＳＯｘトラップ触媒３は、排気中のＳＯｘをその内部に保持するＳＯｘ保持能を有するＳＯｘ保持剤が担持されている。ＳＯｘ保持剤としては、バリウムやカリウム等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が挙げられる。従って、排気中のＳＯｘは、ＳＯｘトラップ触媒３の容量が許す限り、その内部に保持される。また、ＮＯｘ触媒４は、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であって、主に排気中のＮＯｘの浄化を行う。

また、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持剤の水溶液が格納されているタンク７が設けられており、タンク７は供給通路５を介してＳＯｘトラップ触媒３の上流側の排気通路２に繋がっている。ここで、供給通路５には、ＳＯｘ保持剤の水溶液をタンク７から汲み上げて排気通路２内に圧送するポンプ６が設けられている。

ここで、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種の制御ルーチン及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。ここで、ポンプ６は、ＥＣＵ２０からの制御信号によって動作を行う。

また、内燃機関１の吸気通路８に設けられ、吸気流量を検出するエアフローメータ９が、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。更に、ＳＯｘトラップ触媒３の上流側の排気通路を流れる排気の温度を検出する温度センサ１０も、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。これらにより、ＥＣＵ２０は各種信号を受信する。

このように構成される内燃機関１の排気浄化装置では、ＳＯｘトラップ触媒３によって排気中のＳＯｘが保持されるため、ＮＯｘ触媒４に流れ込むＳＯｘ量が低減され、ＮＯｘ触媒４のＳＯｘ被毒によるＮＯｘ浄化能力の低下が回避され得る。しかし、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能は有限であり、ＳＯｘ保持量の増加とともにＳＯｘ保持能は徐々
に低下していく。その結果、ＮＯｘ触媒４に流れ込むＳＯｘ量も増加することになる。

そこで、タンク７内のＳＯｘ保持剤の水溶液をポンプ６で圧送し、排気通路２を介してＳＯｘトラップ触媒３にＳＯｘ保持剤（水溶液）を供給する。これにより、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能がある程度回復し、ＮＯｘ触媒４に流れ込むＳＯｘ量を低減させることが可能となる。ここで、図２に、ＳＯｘトラップ触媒３にＳＯｘ保持剤を供給するためのＳＯｘ保持剤供給制御のフローを示す。該フローで示される制御は、ＥＣＵ２０によって実行される。

先ず、Ｓ１０１では、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能が推定される。具体的には、内燃機関１の運転状態やその運転履歴に基づいて、ＳＯｘトラップ触媒３にどの程度の量のＳＯｘが保持されているかを推定し、それより現時点でのＳＯｘの保持能を推定する。一般的に、保持されるＳＯｘ量が多くなるに従い、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能は低下する。そこで、ＳＯｘ保持能を保持しているＳＯｘ量に関連づけてＳＯｘ保持能を推定することが可能である。

また、ＳＯｘトラップ触媒３の上流側と下流側とにそれぞれＳＯｘセンサーを設け、該センサーの検出値から、ＳＯｘトラップ触媒３に流れ込む排気中のＳＯｘ濃度と、流れ出す排気中のＳＯｘ濃度との比率を算出し、該比率から実際にＳＯｘトラップ触媒３が保持しているＳＯｘ量であるＳＯｘ保持能を検出しても良い。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、Ｓ１０１で推定されたＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能が低下しているか否かの判定が行われる。該判定は、Ｓ１０１で推定されたＳＯｘ保持能が、基準となるＳＯｘ保持能より高いか否かで判定される。ＳＯｘ保持能が低下していると判定されるとＳ１０３へ進み、ＳＯｘ保持能が低下していないと判定されると本制御を終了する。

Ｓ１０３では、排気通路を流れる排気流量が所定流量ＳＶ０以上であるか否かが判定される。この排気流量は、エアフローメータ９からの信号に基づいて推定される。また、所定流量ＳＶ０は、ポンプ６によって圧送されたＳＯｘ保持剤の水溶液がＳＯｘトラップ触媒３で十分に拡散するための排気流量の閾値である。即ち、排気流量がＳＶ０より少ないと、供給されたＳＯｘ保持剤の水溶液は、ＳＯｘトラップ触媒３の排気入口側のみに付着し、その全体に拡散しにくくなることを鑑みて、Ｓ１０３における判定が行われる。そこで、排気流量が所定流量ＳＶ０以上である場合はＳ１０４へ進み、所定流量ＳＶ０未満である場合は本制御を終了する。

Ｓ１０４では、ＳＯｘトラップ触媒３の触媒温度が所定温度Ｔ０以上であるか否かが判定される。この触媒温度は、温度センサー１０からの信号に基づいて推定される。また、所定温度Ｔ０は、ポンプ６によって圧送されたＳＯｘ保持剤の水溶液が、ＳＯｘトラップ触媒３の有する熱エネルギーによって、ＳＯｘトラップ触媒３で十分に拡散するための閾値である。即ち、触媒温度がＴ０より低いと、供給されたＳＯｘ保持剤の水溶液はその全体に拡散しにくくなることを鑑みて、Ｓ１０４における判定が行われる。そこで、触媒温度が所定温度Ｔ０以上である場合はＳ１０５へ進み、所定温度Ｔ０未満である場合は本制御を終了する。

Ｓ１０５では、ポンプ６によってＳＯｘ保持剤の水溶液の圧送が行われる。これによって、ＳＯｘ保持剤がＳＯｘトラップ触媒３に供給される。その結果、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能が上昇する。また、ＳＯｘ保持剤の供給後、ＳＯｘ保持剤がＳＯｘトラップ触媒３で拡散するために、ＳＯｘトラップ触媒３の温度を上昇させるべく、内燃機関１の排気温度を上昇させる制御を行ってもよい。Ｓ１０５の処理後、本制御を終了する。

本制御によると、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能が低下したとき、ＳＯｘ保持剤の水溶液をＳＯｘトラップ触媒３に供給することでそのＳＯｘ保持能を回復させて、ＮＯｘ触媒４にＳＯｘが取り込まれるのを可及的に回避することが可能となる。

また、図３にＳＯｘトラップ触媒３にＳＯｘ保持剤を供給するための別のＳＯｘ保持剤供給制御のフローを示す。該フローで示される制御は、ＥＣＵ２０によって実行される。尚、該ＳＯｘ保持剤供給制御における処理のうち、図２に示すＳＯｘ保持剤供給制御における処理と同一の処理については、同一の参照番号を付して、その説明を省略する。

図３に示すＳＯｘ保持剤供給制御においては、Ｓ１０２でＳＯｘ保持能が低下していると判定されると、Ｓ２０１へ進む。Ｓ２０１では、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能を回復させる処理を行う。具体的には、ＳＯｘトラップ触媒３に流れ込む排気温度上昇させ、且つ排気の空燃比をストイキよりリーン側の空燃比になるべく、内燃機関１の燃焼条件を制御する。このようにすることで、ＳＯｘトラップ触媒３に保持されていたＳＯｘが解放され、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能が回復する。Ｓ２０１の処理が終了するとＳ２０２へ進む。

Ｓ２０２では、Ｓ２０１の処理によって、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能が所定回復状態にまで回復したか否かが判定される。ここで、所定回復状態とは、再びＳＯｘトラップ触媒３によるＳＯｘの保持能が、Ｓ１０２の判定で保持能の低下と判定されない程度に回復した状態をいう。Ｓ２０２で、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能が所定回復状態にまで回復していないと判定されるとＳ１０３以降の処理が行われる。また、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能が所定回復状態にまで回復したと判定されると、本制御を終了する。

本制御によると、ＳＯｘトラップ触媒３へのＳＯｘ保持剤の供給は、そのＳＯｘ保持能が十分に回復しなかった場合、例えば、ＳＯｘトラップ触媒３の劣化等によってＳＯｘ保持能が低下していた場合のみに行われる。従って、ＳＯｘ保持剤の消費量を抑制することが可能となる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第二の実施例について、以下に説明する。図４に、第二の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略図を示す。尚、図１に示す内燃機関の排気浄化装置の構成要素と同一の構成要素については、同一の参照番号を付して、その説明を省略する。

本実施例に係る内燃機関１の排気浄化装置の特徴点は、ＳＯｘ保持剤が内燃機関１の燃料中に溶かされ、燃料とともに燃料噴射弁１１から供給される点である。即ち、内燃機関１の備える燃料噴射弁１１は蓄圧室１２に繋がれ、蓄圧室１２は燃料供給通路１３を介して燃料タンク１４と繋がれている。そして、この燃料タンク１４に溜められている燃料中にＳＯｘトラップ触媒３に供給されるべきＳＯｘ保持剤が溶かされている。

従って、燃料噴射弁１１からの燃料噴射とともにＳＯｘ保持剤も噴射され、排気中のＳＯｘ保持剤が排気通路２に設けられたＳＯｘトラップ触媒３に供給され続ける。これにより、ＳＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ保持能は維持され、ＮＯｘ触媒４にＳＯｘが取り込まれるのを可及的に回避することが可能となる。

本発明の第一の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を表す図である。 本発明の第一の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置において行われるＳＯｘ保持剤供給制御の第一のフローチャートである。 本発明の第一の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置において行われるＳＯｘ保持剤供給制御の第二のフローチャートである。 本発明の第二の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を表す図である。

符号の説明

１・・・・内燃機関
２・・・・排気通路
３・・・・ＳＯｘトラップ触媒
４・・・・ＮＯｘ触媒
５・・・・供給通路
６・・・・ポンプ
７・・・・タンク
８・・・・吸気通路
９・・・・エアフローメータ
１０・・・・温度センサー
１１・・・・燃料噴射弁
１４・・・・燃料タンク

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、ＳＯｘ保持剤が担持されて排気中のＳＯｘをその内部に保持するＳＯｘ保持能を有するとともに、流入する排気の温度が上昇し且つ流入する排気の空燃比がストイキよりリーン側の空燃比になるとそのＳＯｘ保持能を回復するＳＯｘ保持手段と、
   前記ＳＯｘ保持剤の溶液を貯蔵するＳＯｘ保持剤溶液貯蔵手段と、
   前記ＳＯｘ保持剤溶液貯蔵手段に貯蔵されている前記ＳＯｘ保持剤の溶液を、該ＳＯｘ保持手段に供給するＳＯｘ保持剤供給手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＳＯｘ保持剤溶液貯蔵手段は、前記ＳＯｘ保持剤が前記内燃機関の燃料に溶けた状態でその溶液を貯蔵し、
   前記ＳＯｘ保持剤供給手段は、前記内燃機関の吸気通路または気筒に設けられた燃料噴射弁から前記溶液を噴射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能の程度を推定するＳＯｘ保持能推定手段を、更に備え、
   前記ＳＯｘ保持能推定手段によって推定されたＳＯｘ保持能が所定程度以下のとき、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記ＳＯｘ保持手段に流れ込む排気流量を検出し又は推定する排気流量検出手段を、更に備え、
   前記排気流量検出手段によって検出され又は推定される排気流量が所定流量以上であるとき、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記ＳＯｘ保持手段の温度を検出し又は推定する温度検出手段を、更に備え、
   前記温度検出手段によって検出され又は推定される前記ＳＯｘ保持手段の温度が所定の温度範囲に属しているとき、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給された後に、前記ＳＯｘ保持手段の温度を上昇させる昇温手段を、更に備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記ＳＯｘ保持手段の温度を上昇させて流入する排気をリーン側の空燃比とすることで、該ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能を回復させるＳＯｘ保持能回復手段を、更に備え、
   前記ＳＯｘ保持能回復手段によって前記ＳＯｘ保持手段のＳＯｘ保持能が所定回復状態に達しないとき、前記ＳＯｘ保持剤供給手段によってＳＯｘ保持剤の溶液が供給されることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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