曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成和發(fā)展趨勢

王駿

（曼胡默爾管理（上海）有限公司，上海201815）

1 前言

當(dāng)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，少量的工作氣體從氣缸壁與活塞環(huán)以及活塞環(huán)與活塞之間的間隙進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱。這一現(xiàn)象主要是因?yàn)榛钊h(huán)并不是完全氣密的，見圖1。這些竄氣除了殘留的燃油和燃燒產(chǎn)生的廢氣和炭黑之外，還含有不少機(jī)油，這些氣流會(huì)將旋轉(zhuǎn)組件和用于冷卻活塞裙部而滯留在活塞和缸套表面的油膜和油滴帶入氣流，形成含有油蒸汽和水蒸汽的特細(xì)氣溶膠體。如果采用曲軸箱開始系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，竄氣會(huì)夾雜著大量的污染物進(jìn)入大大氣。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，隨著對(duì)柴油機(jī)排氣管排放物的控制，曲軸箱排放物中PM值占柴油機(jī)總的排放物PM的百分比相對(duì)增高[1]，參見圖2。

為了避免柴油機(jī)的竄氣直接排向大氣，在柴油機(jī)排放升級(jí)開發(fā)過程中必須考慮閉式強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)來取代目前的開式循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)。目前，通過閉式系統(tǒng)即曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)來解決曲軸箱排氣，即將含有雜質(zhì)的旁通氣體導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣濾清器與增壓器進(jìn)氣管之間的接管中。但是采用了曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)之后，隨之帶來了2個(gè)問題：

（1）采用曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)之后，系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣送回到進(jìn)氣管并與新鮮混合氣一起進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒。由于竄氣里含有大量的機(jī)油油滴，機(jī)油是不能夠完全燃燒的，因而對(duì)排放會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

（2）竄氣重新進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)后，竄氣里的含油物質(zhì)以及炭黑顆?？赡軙?huì)污染渦輪增壓器、中冷器、進(jìn)排氣閥門和廢氣催化器，影響這些部件的壽命。

為了避免以上2個(gè)問題，在曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)里必須采用一個(gè)高效的油氣分離器，以分離竄氣里的機(jī)油油滴。

2 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成

曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)通常由高效的油氣分離器、壓力調(diào)節(jié)閥、安全閥以及回油閥等部件組成，見圖3。其中油氣分離器和壓力調(diào)節(jié)閥為必須的功能部件。安全閥和回油閥需要根據(jù)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)的整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置進(jìn)行實(shí)際情況來決定是否需要。

2.1 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)里的油氣分離器

為確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)的由于竄氣造成的排放問題，必須將竄氣中的機(jī)油油滴進(jìn)行分離。在竄氣中油滴的直徑可以從0.08μm到60μm，其平均直徑僅為0.9μm，見圖4[2]。對(duì)于這種油滴微粒，能夠做到高效分離的方法并不多。按照這些分離方法的性質(zhì)，可以將它們分為慣性或撞擊分離器、彌散分離器以及靜電式分離器，其中慣性或撞擊分離器又可以分為迷宮撞擊式分離、旋風(fēng)式分離器以及離心機(jī)分離器，見圖5。

2.1.1 迷宮撞擊分離

迷宮撞擊式油氣分離器主要利用油滴的慣性和撞擊實(shí)現(xiàn)分離。當(dāng)油氣混合氣進(jìn)入迷宮式分離器后，由于油滴和氣體二者密度不同，較大的油滴在流動(dòng)中由于慣性的作用撞擊到分離器的內(nèi)壁和擋板上被吸附下來。迷宮撞擊式分離器具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，流量阻力低的優(yōu)點(diǎn)，但是由于較小的油滴可能隨氣流一起被帶出分離器，所以這種油氣分離方法的效率較低。目前在整個(gè)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)里主要被作為預(yù)分離器，即在進(jìn)入到精分離器前進(jìn)行一道預(yù)過濾，將大顆粒的油滴先分離出來，以降低精分離器的負(fù)擔(dān)以及提高整個(gè)油氣分離器系統(tǒng)的效率。圖6是迷宮撞擊式分離器的示意圖。

2.1.2 旋風(fēng)式油氣分離器

旋風(fēng)式油氣分離器是結(jié)構(gòu)最簡單、成本最佳的油氣精分離器的方案，見圖7。旋風(fēng)式油氣分離器是利用將含油滴的竄氣在錐形圓柱體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，由于油滴的密度比較大，所以產(chǎn)生的離心力也較大。通過這種離心力的作用，油滴會(huì)從旋轉(zhuǎn)氣流中被甩向內(nèi)壁后分離出來。被去除油滴后的竄氣從油氣分離器的排氣口離開。如果旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)得當(dāng)，就可以在獲得合適的壓差情況下得到良好的分離效率。

如今在國外已經(jīng)有很多曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)的設(shè)計(jì)供應(yīng)商將這種旋風(fēng)式油氣分離器設(shè)計(jì)成單元模塊式，即根據(jù)客戶實(shí)際的分離效率、壓降要求以及安裝空間等要求，直接選取相應(yīng)數(shù)量的單元模塊進(jìn)行并聯(lián)組合，這樣整個(gè)油氣分離器模塊的尺寸設(shè)計(jì)就十分緊湊。此外，旋風(fēng)式油氣分離器是一個(gè)免維護(hù)的設(shè)計(jì)，所以終端用戶無需在使用過程中繼續(xù)投入成本。

但是旋風(fēng)式油氣分離器也有其缺點(diǎn)，由于旋風(fēng)式油氣分離器采用的是通過竄氣在圓柱體內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生離心力，并且以此為動(dòng)力將油滴分離的方法，所以旋風(fēng)式油氣分離器的分離效率直接受到竄氣流速的影響。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的竄氣量不是恒定不變的，它隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載的不同而變化。所以采用旋風(fēng)式油氣分離器還需要考慮對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況。

2.1.3 彌散分離器（纖維式分離器）

彌散分離則利用油滴和過濾介質(zhì)之間的相互作用，通過3種分離的機(jī)理來分離竄氣中的油滴，見圖8。夾帶著油滴的竄氣以連續(xù)相層流狀通過纖維周圍。當(dāng)質(zhì)量較大的大顆粒油滴接近纖維時(shí)，油滴的惰性導(dǎo)致它們離開流線，與纖維碰撞并被分離出來，這種分離的機(jī)理被稱為慣性效應(yīng)。較小的油滴則能繼續(xù)跟隨流線運(yùn)動(dòng)，如果這些油滴的直徑達(dá)到剛好能與纖維相碰，它們會(huì)被纖維粘附下來并被分離出來，這種分離機(jī)理被稱為攔截效應(yīng)。還有更小直徑的油滴（直徑小于0.5μm），這些油滴在流體中做不規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)；如果這些微小油滴剛好與纖維相碰，那么這些微小油滴也將被分離出來，這種分離機(jī)理被稱為漫射效應(yīng)。一般在液體過濾中，攔截效應(yīng)會(huì)成為主要的分離機(jī)理，但是在油氣分離器的應(yīng)用上，由于空氣的粘性很小，除攔截效應(yīng)之外氣流中最小油滴顆粒的慣性效應(yīng)和漫射效應(yīng)也會(huì)成為主要的分離機(jī)理。這種慣性效應(yīng)和自由漫射作用能使細(xì)小的微粒最大可能地撞擊過濾介質(zhì)的纖維，獲得最大的分離效率。

由于采用的分離機(jī)理不同，彌散分離器在不同的竄氣流量下都能夠獲得很高的分離效率，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用上，通常彌散分離器的平均分離效率會(huì)比旋風(fēng)式油氣分離器高。但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣里含有炭黑顆粒，隨著使用的時(shí)間推移，炭黑顆粒會(huì)粘附在纖維濾芯的表面阻塞纖維層，壓差也會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而增加。所以絕大部分情況下，彌散式分離器的濾芯不是長壽命部件，需要定期更換和維護(hù)，所以在終端用戶那里會(huì)增加額外的維護(hù)保養(yǎng)成本。圖9是一個(gè)彌散式分離器的示意圖。

2.1.4 離心機(jī)分離器

離心機(jī)分離器是一種慣性分離器。分離效率會(huì)在離心區(qū)域獲得較大的提升，從而較小的顆粒被分離出來。離心機(jī)的分離能力可以通過調(diào)整離心機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以它的分離效率不受到發(fā)動(dòng)機(jī)的工況影響。這類分離機(jī)的壓降取決于它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在極個(gè)別的情況下，它們還可能產(chǎn)生正壓。但是使用離心機(jī)會(huì)導(dǎo)致額外的成本。由于離心機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所以它的工作需要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)，并且需要配套的軸承和密封。離心機(jī)也是一種終身免維護(hù)的分離裝置，見圖10。

2.1.5 靜電分離器

用靜電式分離器可獲得分離效率最高，壓降最低的效果[9]。微小的油滴被加上電荷，并在電場的作用下被分離電極析出，見圖11。同樣這種較高的分離效率也是通過外力取得，它能保證可靠的分離效率，與發(fā)動(dòng)機(jī)的工況無關(guān)。靜電分離器也需要額外的成本，因?yàn)檫@種分離器需要高壓電源以及電氣絕緣和屏蔽。另外如果竄氣里含有的炭黑顆粒較多，炭黑顆粒會(huì)沉積在電極上。如果不將這些炭黑清除，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)失去效用。所以靜電分離器也需要定期進(jìn)行維護(hù)。

一個(gè)油氣分離器的設(shè)計(jì)需要考慮很多因素，包括客戶對(duì)分離效率的要求、壓降的要求、曲軸箱壓力的要求、密封的要求、竄氣里的含油量、油氣分離器使用壽命的要求、成本的要求還有安裝空間的要求等等，所以說一個(gè)最理想的油氣分離器是不存在的，只有最合適的方案，表1列出了各種油氣分離器的性能對(duì)比。

2.2 壓力調(diào)節(jié)閥

由于采用了曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)，即竄氣會(huì)被排入到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管上，曲軸箱里的壓力會(huì)受到渦輪增壓器的工作影響，在某些工況下，曲軸箱會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)壓。這種情況的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致環(huán)境中的空氣攜帶著大氣的污染物被吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，污染發(fā)動(dòng)機(jī)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命?，F(xiàn)代汽油機(jī)或柴油機(jī)上的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置了調(diào)壓閥（PRV，Pressure Regulation Valve），以盡量減少竄氣流量和進(jìn)氣管內(nèi)壓力變化帶來的影響，使曲軸箱內(nèi)的壓力維持在恒定值。圖12是一種常規(guī)調(diào)壓閥的截面圖，由薄膜、彈簧和竄氣的進(jìn)出口構(gòu)成。在彈簧力、大氣在薄膜上表面產(chǎn)生的壓力、曲軸箱內(nèi)竄氣在薄膜外圓環(huán)帶的作用力和進(jìn)氣管內(nèi)氣體在薄膜中心圓面積上的作用力四者的綜合作用下達(dá)到平衡狀態(tài)[11]。當(dāng)調(diào)壓閥處于靜止?fàn)顟B(tài)或竄氣流量很少時(shí)，曲軸箱內(nèi)的壓力損失大小取決于調(diào)壓閥內(nèi)的最小流通面積。而這又取決于噴口的直徑大小。由于膜片和噴口之間形成的柱形表面積等于噴口的面積，即可得到膜片的最大行程[12]，竄氣流經(jīng)調(diào)壓閥時(shí)幾乎沒有壓力損失。見圖12b，在工作狀態(tài)下，由于薄膜非常靠近噴口（此時(shí)壓力損失最大），調(diào)壓閥前部（連接到曲軸箱）和后部（連接到進(jìn)氣管）的空間上可以被認(rèn)為是分離的，膜片表面會(huì)受到2個(gè)不同的壓力作用。圖13所示，曲軸箱壓強(qiáng)P1，作用在薄膜外圈面積A1上，而進(jìn)氣管壓強(qiáng)P2作用在薄膜內(nèi)圈面積A2上。設(shè)彈簧的彈力為F，大氣壓力為P0，則整個(gè)系統(tǒng)的受力平衡方程為：

即彈簧的彈力與由曲軸箱和進(jìn)氣管的真空度所產(chǎn)生的朝向噴口的“吸力”大小平衡。

如果進(jìn)氣管內(nèi)的壓力降低，作用在膜片上表面的壓力（大氣壓）與作用在下表面的壓力（進(jìn)氣管／曲軸箱）之差增大，因此會(huì)使膜片向下運(yùn)動(dòng)，使得膜片和噴口之間的截面積減小。對(duì)于流量一定的流體而言，截面減小意味著壓力損失增大。此時(shí)，調(diào)壓閥之前的壓力又會(huì)開始增加，膜片上的壓差減小，從而使得膜片向上移動(dòng)。截面積的增大又會(huì)減少壓力損失。最終調(diào)壓閥前部的壓力回落，膜片重新達(dá)到工作中的平衡狀態(tài)[10]。圖14描述了一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥在工作中對(duì)曲軸箱壓力控制的曲線。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的壓力小于-3 kPa時(shí)，調(diào)壓閥完全閉合，曲軸箱里的壓力隨之開始上升。這樣保證了曲軸箱壓力不會(huì)達(dá)到-3 kPa的真空度。

2.3 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)里的其他功能部件

2.3.1 安全閥（旁通閥）

安全閥在曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)的系統(tǒng)里并不是必須的。如果油氣分離器的方案采用彌散分離器，此時(shí)就必須采用安全閥設(shè)計(jì)。這是由于彌散式油氣分離器采用的是纖維濾芯設(shè)計(jì)，且這種濾芯在使用一段時(shí)間后會(huì)由于竄氣里的炭黑顆粒的附著而流量阻力上升，最終用戶必須更換這個(gè)濾芯以維持一個(gè)合理的流量阻力。安全閥就是為了防止用戶在纖維濾芯壽命到達(dá)時(shí)沒有及時(shí)更換而導(dǎo)致阻力過大，這種情況會(huì)導(dǎo)致曲軸箱里的竄氣排除發(fā)動(dòng)機(jī)困難，直接影響到了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性，安全閥會(huì)在這種情況下開啟，及時(shí)排除發(fā)動(dòng)機(jī)里的竄氣，到達(dá)一個(gè)可以接受的壓力平衡。安全閥通常是一個(gè)常閉式的旁通閥，依靠著彈簧的彈力支撐著閥片不被打開。當(dāng)曲軸箱里的壓力超過彈簧所能支撐的范圍后，安全閥的閥片會(huì)被竄氣壓力頂開，竄氣直接被旁通排入大氣，見圖15。由于旁通入大氣的竄氣并沒有被進(jìn)行過濾，所以會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。所以安全閥只是一個(gè)在安全性能和保護(hù)環(huán)境上做了一個(gè)妥協(xié)，用戶正確、按時(shí)對(duì)油氣分離器進(jìn)行維護(hù)才是真正有效的方法。

2.3.2 回油單向閥

通過有效的油氣分離器對(duì)竄氣進(jìn)行處理后，竄氣中的油滴被分離出來并匯聚重新被排回到發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼?；赜捅仨毣氐接偷讱さ挠兔嬉韵拢揽恐偷讱?nèi)的機(jī)油將回油口封堵。由于油氣分離器會(huì)造成一定的壓降，如果回油口被設(shè)計(jì)在油底殼油面以上，曲軸箱里的竄氣將從這個(gè)回油管里直接旁通到油氣分離器的出口，即曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)里的油氣分離器失去了其應(yīng)有的作用。所以如果無法將回油口設(shè)計(jì)到油底殼的油面以下，就需要在回油口之前安裝一個(gè)單向閥，見圖16。通常這個(gè)單向閥在竄氣的作用下是閉合的，當(dāng)被分離出來的油面高度產(chǎn)生的壓力超過曲軸箱壓力的時(shí)候，單向閥就會(huì)被頂開，回油管里的機(jī)油就會(huì)流回到曲軸箱。除了用單向閥防止竄氣旁通，有些發(fā)動(dòng)機(jī)廠家在既沒有辦法把回氣管引回發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼油面以下，也無法布置旁通閥，就會(huì)在回油口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體后內(nèi)置一個(gè)小容器，這樣讓回油仍然可以處在小容器的油面以下，道理是一樣。

3 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)的發(fā)展趨勢

隨著國家法規(guī)的對(duì)柴油機(jī)的排放要求不斷提高，越來越多的發(fā)動(dòng)機(jī)廠家關(guān)注到了曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，并且加大了對(duì)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的研發(fā)投入。其中最熱門的就是對(duì)油氣分離器的開發(fā)和曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的集成化開發(fā)。

3.1 油氣分離器方案的發(fā)展趨勢

前文已經(jīng)介紹了油氣分離器的幾種方案，包括了迷宮式油氣分離器、旋風(fēng)式油氣分離器、彌散式油氣分離器、離心機(jī)油氣分離器以及靜電油氣分離器。由于離心機(jī)和靜電分離器需要額外的動(dòng)力輔助，且價(jià)格十分高昂，所以除非一些特殊場合會(huì)使用這2種分離方式，通常在發(fā)動(dòng)機(jī)上只會(huì)采用前三者，其中，尤以旋風(fēng)式油氣分離器最為熱門。如圖17所示，這是在歐洲針對(duì)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)中采用的油氣分離器的方案發(fā)展概況。從歐3開始，由于對(duì)曲軸箱竄氣的含油量要求并不是很高(大約5～10 g/h)，所以只需要采用迷宮式油氣分離器就可以滿足其要求。到了歐4的排放要求，對(duì)于曲軸箱竄氣的含油量要求上升到了2～5 g/h，迷宮式油氣分離器已經(jīng)沒有辦法滿足，所以采用了旋風(fēng)式油氣分離器。歐5對(duì)竄氣含油量的要求進(jìn)一步提高（小于2 g/h），采用迷宮式油氣分離器作為系統(tǒng)的預(yù)分離器，再采用旋風(fēng)式油氣分離器作為系統(tǒng)的精分離器，通過合理的組合就能達(dá)到包括油氣分離效率和壓降的要求。在未來的歐6排放標(biāo)準(zhǔn)里，允許的曲軸箱竄氣含油量更為苛刻（小于1 g/h）。由于旋風(fēng)分離器會(huì)受到竄氣流速即發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響，所以總的分離效率無法滿足最新的要求。所以必須采用旋風(fēng)分離器搭配彌散式油氣分離器的方案以達(dá)到最終的要求。

3.2 集成化

現(xiàn)代柴油機(jī)除了對(duì)工作效率、排放要求等要求不斷提高，另一個(gè)重要的發(fā)展方向就是小型化和輕量化。對(duì)于曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)集成性的發(fā)展歷程可以劃分為3個(gè)階段。

第1階段稱為外置式曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。顧名思義就是從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上引出竄氣，進(jìn)入到一個(gè)外置的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，包括了油氣分離器、調(diào)壓閥、安全閥等，見圖18。這種外置式曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就是成本較低，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可以引用到多款發(fā)動(dòng)機(jī)上，所以成本被分?jǐn)偭恕Ｍ鈷焓降娜秉c(diǎn)是需要管路連接，所以增加了泄漏點(diǎn)。同時(shí)，外掛式的需要額外的安裝空間和可靠的安裝方式，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的可應(yīng)用性。

第2階段是半集成式曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。半集成式的通風(fēng)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋上，通過法蘭口連接而無需額外的管路連接，見圖19。半集成式的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)比起外置式的外型上更加緊湊，而且避免了管路上的泄漏，安裝方式也更為可靠。但是比起外置式，其開發(fā)成本更加高，所以適合批量大的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型。

第3階段是高集成式曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。高集成式通風(fēng)會(huì)把整個(gè)系統(tǒng)集成到發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋內(nèi)部。現(xiàn)在國外很多大型柴油機(jī)已經(jīng)開始采用全塑料的罩蓋，這一點(diǎn)上增加了曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)集成的可行性，見圖20。由于整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)被集成到了罩蓋內(nèi)部，所以可靠性更加高，而且在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)體積上也起到了小型化、輕量化的作用。隨著大型柴油機(jī)的市場需求量的增加，高集成也必然會(huì)成為未來曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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