丁宣　王哲　尹兆雷　孫晨樂

摘 要：依照直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的設(shè)計思路，分別自主開發(fā)了直線發(fā)動機及直線ISG電機樣機，并將兩者耦合構(gòu)建完成了一套直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)。同時，基于直線位移傳感器測得的活塞瞬時位置開發(fā)了直線ISG/發(fā)動機控制系統(tǒng)，并利用開發(fā)的位置跟蹤模式的啟動力換向策略進行了系統(tǒng)啟動試驗。試驗結(jié)果表明，開發(fā)的位置跟蹤模式啟動力換向控制策略可實現(xiàn)系統(tǒng)活塞組件的運動換向，且直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)在啟動點火首行程著火成功，著火缸壓為1.38 MPa；相對傳統(tǒng)啟動方式的直線發(fā)動機系統(tǒng)，直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動過程具有啟動頻率較高、改善首循環(huán)混合氣加濃、燃燒缸壓變動較小、啟動平穩(wěn)的特點。

關(guān)鍵詞：直線發(fā)動機；直線ISG電機；樣機設(shè)計；啟動性能；換向控制

中圖分類號：TK441+.2文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.07

Abstract：Based on the design concept of linear ISG/engine system， the linear engine and the linear ISG were developed respectively and then were integrated into a linear ISG/engine system. The linear ISG/engine control system was designed according to the piston position signal and the starting experiment was conducted in which the piston position tracking mode was used for the control of starting force reversing. The results show that the piston motion reversing can be achieved by the control strategy of starting force reversing and the mixture is ignited successfully in the first stroke with the peak cylinder pressure of 1.38 MPa. Compared with the linear engine system using the traditional starting method， the starting process of the linear ISG/engine system has higher starting frequency which can reduce the amount of mixture added into the cylinder in the first ignition cycle and has a lower range of pressure changes in the combustion cylinder which helps to start smoothly.

Key words：linear engine； linear ISG； prototype design； starting performance； reversing control

由直線ISG（Integrated Starter Generator）電機和直線發(fā)動機耦合而成的直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)作為一種新型的發(fā)電裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高、效率高、燃料適應(yīng)性強等優(yōu)點[1]，非常適合作為增程器應(yīng)用于電動汽車上，正受到越來越多國內(nèi)外研究機構(gòu)的關(guān)注[2-4]。

1998年，美國Sandia國家實驗室開發(fā)了一種與直線電機有機結(jié)合的內(nèi)燃發(fā)電機系統(tǒng)，采用均質(zhì)充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，

HCCI）的燃燒方式，具有效率高、質(zhì)量輕、有害氣體排放低、壓縮比可變、燃料適應(yīng)性強等特點[5]。同年，美國西弗吉尼亞大學對點燃式自由活塞直線發(fā)電機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行進行了驗證，試驗測得該系統(tǒng)的最大發(fā)電功率為316 W，研究結(jié)果表明，較小的動子質(zhì)量與較高的往復(fù)運動速度有利于提高直線發(fā)動機的功率密度[6]。2014年，豐田提出了一種正處于研發(fā)階段的自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩沖程發(fā)動機單缸結(jié)構(gòu)，通過氣體彈簧實現(xiàn)系統(tǒng)往復(fù)運動，并采用缸內(nèi)直噴的供油方式，目前該系統(tǒng)可在23 Hz的工作頻率下發(fā)出2.3 kW的功率，但豐田預(yù)計該系統(tǒng)的輸出可達到10 kW [7-8]。在國內(nèi)，上海交通大學研制了自由活塞內(nèi)燃機樣機及其控制系統(tǒng)，針對性地制定了系統(tǒng)的啟動方案，并通過反復(fù)試驗對各種啟動控制參數(shù)進行修正，實現(xiàn)了自由活塞式內(nèi)燃機的成功啟動，在此基礎(chǔ)上進一步討論了點火時刻與空燃比對啟動過程中自由活塞運動特性的影響[9]。

通過進一步查閱文獻可知，目前國內(nèi)外對自由活塞直線發(fā)動機系統(tǒng)的研究多處于仿真階段，能成功運行的試驗樣機較少，且主要集中在對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的研究，關(guān)于系統(tǒng)啟動等瞬態(tài)特性的研究還比較少見。本文依照直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的設(shè)計思路，分別開發(fā)直線發(fā)動機和直線ISG電機樣機，并將兩者耦合構(gòu)建直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)。同時，根據(jù)活塞瞬時位置開發(fā)直線ISG/發(fā)動機控制系統(tǒng)，并基于位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略[10]進行系統(tǒng)啟動試驗，研究系統(tǒng)啟動過程的運動特性和燃燒規(guī)律。

1 直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)完成的直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。該系統(tǒng)由水平對置的直線發(fā)動機及位于兩缸之間的直線ISG電機組成。

直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)開發(fā)包括直線發(fā)動機設(shè)計、直線ISG電機設(shè)計以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，其中直線發(fā)動機設(shè)計包括二沖程發(fā)動機改造、進氣系統(tǒng)改裝、供油/點火系統(tǒng)改裝及控制系統(tǒng)設(shè)計，直線ISG電機設(shè)計包括直線ISG電機結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計，分別介紹如下。

1.1 直線發(fā)動機設(shè)計

1.1.1 二沖程發(fā)動機的改造

直線發(fā)動機由傳統(tǒng)二沖程汽油發(fā)動機經(jīng)去除曲柄連桿機構(gòu)并重新設(shè)計掃氣箱改造而來，并保證改裝后的掃氣箱壓縮比與原機曲軸箱的壓縮比相等。因此，直線發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量變輕，活塞和缸體之間的側(cè)向力大大減小，摩擦損耗降低，能量轉(zhuǎn)換效率提高，而且直線發(fā)動機采用雙缸對置的形式，活塞在每個運動行程都做功，系統(tǒng)的功率密度大。此外，為保證掃氣箱的密封性，在連桿與掃氣箱配合處的一端設(shè)計有高品質(zhì)的橡膠密封圈；為減小連桿與掃氣箱配合處的摩擦，在連桿與掃氣箱配合處的另一端設(shè)計有自潤軸承且連桿經(jīng)表面鍍鉻處理[11]。

1.1.2 進氣系統(tǒng)的改裝

直線發(fā)動機進氣系統(tǒng)上安裝有空氣流量傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、電控噴油器等，能調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度并實現(xiàn)進氣道燃油噴射。

1.1.3 供油及點火系統(tǒng)改裝

在直線發(fā)動機開發(fā)過程中，對其噴油及點火系統(tǒng)進行了改造，將原機的化油器式供油系統(tǒng)改為進氣道噴射式的電控噴射系統(tǒng)，并采用單片機控制的數(shù)字式點火系統(tǒng)取代原機的磁電機驅(qū)動電容放電式點火系統(tǒng)（Capacitor Discharge Ignition，CDI），從而實現(xiàn)了直線發(fā)動機噴油脈寬及點火時刻的精確控制。

1.1.4 直線發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計

直線發(fā)動機的控制器芯片采用Freescale公司的MC9sXET256MAL高性能單片機，并選用德國Novotechnik的TEX系列直線位移傳感器用于檢測活塞的位移信號，其控制構(gòu)架如圖2所示，可分為初級控制、活塞運動軌跡控制及系統(tǒng)運轉(zhuǎn)監(jiān)督控制三部分。其中，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)監(jiān)督控制模塊用于設(shè)定系統(tǒng)運行的頻率、活塞運動的上止點（Top Dead Center，TDC）和下止點（Bottom Dead Center，BDC），同時可直接發(fā)送噴油位置給下層的初級控制模塊，用于進行系統(tǒng)的性能優(yōu)化；活塞運動軌跡控制模塊能將設(shè)定的運行頻率、活塞運動的上、下止點與實測的數(shù)據(jù)進行對比，計算和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的循環(huán)噴油量及點火位置，從而實現(xiàn)活塞運動軌跡的控制；初級控制模塊可實時讀取活塞的位移信號，并提供系統(tǒng)的噴油及點火指令，驅(qū)動噴油器噴油及火花塞點火，同時將實時計算的系統(tǒng)運行頻率、活塞運動上、下止點等信息反饋給活塞運動軌跡控制模塊。

圖3為基于LabVIEW開發(fā)的直線發(fā)動機控制器的人機交互界面，能實時更改發(fā)動機噴油脈寬、噴油位置、點火位置、點火蓄能時間等工作參數(shù)，并能實現(xiàn)動力電池的使能以及動力電池的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）值、動力電池端電壓、動力電池單體電壓、動力電池溫度等參數(shù)的讀取。

1.2 直線ISG電機設(shè)計

1.2.1 直線ISG電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于開發(fā)的直線發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行特性，并根據(jù)直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動和發(fā)電要求及其仿真結(jié)果，設(shè)計了與直線發(fā)動機匹配的徑向充磁管狀永磁三相直線ISG電機，其基本性能設(shè)計指標見表2。

其中，為了使直線ISG電機在單向行程內(nèi)完成一個電流波形的輸出，設(shè)計直線ISG電機額定電頻率為機械頻率的兩倍，即直線ISG電機走過一個行程長度，永磁體需走過一對極的距離，故永磁體極距：

此外，由參考文獻[12]可知，運動部件的質(zhì)量直接影響到直線發(fā)動機的功率、耗油率以及壓縮比等性能指標，運動部件的質(zhì)量取為3.75 kg時，系統(tǒng)性能最佳。系統(tǒng)的運動部件質(zhì)量Mt計算公式為

式中，Mt為系統(tǒng)運動部件質(zhì)量，kg；Mp為直線發(fā)動機單缸活塞部件質(zhì)量，kg；Mcr為系統(tǒng)連桿質(zhì)量，kg；Mi為直線ISG電機動子鐵芯質(zhì)量，kg；Mm為直線ISG電機單片永磁體質(zhì)量，kg；nm為直線ISG電機永磁體個數(shù)。當直線發(fā)動機活塞組件、連桿組件已經(jīng)確定，并選定直線ISG電機中永磁體數(shù)量、厚度、寬度后，便可根據(jù)此公式計算得到動子的直徑。

直線ISG電機每定子槽線圈匝數(shù)ws及定子槽面積As計算公式分別為[13]

式中，ws為每定子槽線圈匝數(shù)；Er為空載相電壓，V；fe為額定電頻率，Hz；Bgr為氣隙磁通密度，T；τ為永磁體極距，mm；D為定子內(nèi)徑，mm；q為每極每相槽數(shù)；n為永磁體極數(shù)；As為定子槽面積；Pr為額定功率，W；Kfill為槽填充系數(shù)；JCO為額定電流密度，A/mm2。

參考傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計方法，直線ISG電機采用6極9槽結(jié)構(gòu)，為獲得更小的運動部件質(zhì)量，本文將電機設(shè)計為短動子、長定子的結(jié)構(gòu)，同時保證了任何時候所有磁極是發(fā)揮作用的[14]。其中，由于圓柱形鐵芯及永磁體較難加工及安裝，則在不改變性能的情況下，本文將直線ISG電機動子鐵芯設(shè)計為六邊形結(jié)構(gòu)，永磁體采用表面燕尾槽楔入的形式固定在動子鐵芯上。表3為設(shè)計完成的電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖4為直線ISG電機的立體結(jié)構(gòu)圖。

1.2.2 直線ISG電機控制系統(tǒng)設(shè)計

在直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動階段，直線ISG電機需以電動模式帶動直線發(fā)動機活塞組件直線往復(fù)運動，因此，直線ISG電機不僅要進行啟動力大小的控制，還要進行啟動力的換向控制。

對于啟動力大小的控制，本文采用矢量控制的思路。圖5為啟動力大小控制模式方框圖，其中，F(xiàn)表示直線ISG電機電磁推力，Id表示d軸電流，Iq表示q軸電流，iA、iB、iC分別表示A相、B相和C相電流，PI表示比例積分環(huán)節(jié)，SVPWM表示空間矢量脈寬調(diào)制，M表示直線ISG電機，DRIVE表示驅(qū)動電路，dqT表示dq變換。

圖5中，直線ISG電機通過控制電機輸入電流實現(xiàn)啟動力大小的控制。在控制系統(tǒng)中，啟動力大小由人機操作界面設(shè)定，并轉(zhuǎn)化為直線ISG電機d軸及q軸的電流，該電流經(jīng)逆dq/Clarke坐標變化及空間矢量脈寬調(diào)制后轉(zhuǎn)化為A、B、C三相電流，最后經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動直線ISG電機啟動。

本文采用位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略，在該控制策略下，直線位移傳感器實時獲取直線ISG電機動子的瞬時位置，當動子運動到設(shè)定的換向位置時，控制器改變電機電流相序，從而實現(xiàn)啟動力的換向，控制流程如圖6所示。

為了便于直線ISG電機的控制，基于Visual Basic開發(fā)了直線ISG電機的人機交互界面，能對直線ISG電機的工作模式（電動或發(fā)電）、啟動力（或負載力）大小、啟動力換向位置等控制參數(shù)進行設(shè)定，并能實時監(jiān)測和顯示電機的位移、啟動力大小、母線電壓、母線電流以及運行故障等信息，如圖7所示。

1.3 直線ISG/發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

為進行直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動及發(fā)電性能研究，需要做大量的臺架試驗，并采集記錄各工況下的所有運行參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)在不同運行參數(shù)下的性能。本文基于阿爾泰PCI8640數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計開發(fā)了直線ISG/發(fā)動機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖8所示。該卡具有最多32路模擬量輸入通道，8 k字節(jié)的FIFO存儲器，其采樣頻率范圍為0.01 Hz～400 kHz，能夠滿足系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)采集要求。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘觸發(fā)方式，多通道同步采集，用半滿查詢方式取得AD數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r顯示并存儲直線發(fā)動機運行時活塞位移、氣缸壓力、進排氣溫度、空氣流量等信號。

2 直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動試驗研究

2.1 直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動試驗方案

如前所述，試驗臺架主要包括直線發(fā)動機子系統(tǒng)、直線ISG電機子系統(tǒng)以及控制與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，試驗所用測量儀器主要包含活塞直線位移傳感器、缸壓傳感器等。

直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動過程可細分為啟動拖動過程和啟動燃燒過程兩個階段。其中，啟動拖動過程是指在直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動初期，直線ISG電機在電動模式下帶動活塞連桿組件做頻率和行程逐漸增大的直線往復(fù)運動的過程；啟動燃燒過程是指當活塞連桿組件的運動頻率和行程到達著火條件時，發(fā)動機點火燃燒后的系統(tǒng)啟動過程。

本文分別對以上兩個啟動階段進行試驗研究，試驗中電機的啟動控制參數(shù)和發(fā)動機噴油點火參數(shù)由仿真結(jié)果確定。系統(tǒng)啟動后，實時采集運行過程中的啟動力、位移、缸壓等信號，通過試驗數(shù)據(jù)的分析，驗證自主開發(fā)的直線ISG/發(fā)動機樣機及其啟動控制系統(tǒng)的可行性，并研究系統(tǒng)在啟動過程中的運動特性和燃燒規(guī)律。

2.2 直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動拖動試驗研究

在位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略下，設(shè)定直線ISG電機啟動力為250 N、啟動力換向位置為極限位置前13 mm，進行直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動拖動試驗。試驗測得的啟動力與活塞運動位移的對應(yīng)關(guān)系如圖9所示。在啟動過程中，直線ISG電機控制器實時監(jiān)測活塞的運動位置，當活塞運動到設(shè)定的啟動力換向位置（如圖9中★所示）時，電機控制器產(chǎn)生換向指令，通過改變電流的相序?qū)崿F(xiàn)啟動力的換向。圖中，啟動力換向完成位置（如圖9中●所示）與設(shè)定的換向位置存在一定的延遲，這主要是由于直線ISG電機在啟動力換向時存在一定的電機機械及電磁響應(yīng)時間，且該電機機械及電磁響應(yīng)時間受電流調(diào)節(jié)時間及電機線圈時間常數(shù)的影響。由圖9可知，在該啟動控制策略下，直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)活塞組件做直線往復(fù)運動。這表明，自主開發(fā)完成的直線ISG/發(fā)動機臺架及啟動控制系統(tǒng)可實現(xiàn)系統(tǒng)活塞組件的直線往復(fù)運動。

2.3 直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動燃燒試驗研究

基于驗證有效的位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略，設(shè)定直線ISG電機的啟動力為310 N、啟動力換向位置為極限位置前4.35 mm、直線發(fā)動機循環(huán)噴油量為4.8 mg、點火位置為極限位置前3.5 mm，

進行直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動燃燒試驗。試驗測得的系統(tǒng)啟動過程中的運動位移、缸壓以及運動頻率曲線如圖10所示。

由于系統(tǒng)在啟動過程中需要三個行程形成兩缸內(nèi)的混合氣，試驗中在啟動第四個行程進行點火，由圖10可知，直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)在啟動第四個行程（點火首行程）著火成功，著火缸壓為1.38 MPa，且該循環(huán)壓縮比為6.64，與原機壓縮比6.6基本一致，著火次循環(huán)缸壓峰值為1.67 MPa，且系統(tǒng)在后續(xù)循環(huán)均能著火成功，系統(tǒng)運動頻率穩(wěn)步上升。

本文將直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動試驗結(jié)果與前期開發(fā)的采用傳統(tǒng)啟動方式的直線發(fā)動機系統(tǒng)啟動試驗結(jié)果進行了對比。其中，采用傳統(tǒng)啟動方式的直線發(fā)動機系統(tǒng)在啟動過程中，以傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機為啟動源，并經(jīng)偏心輪滑塊機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞連桿的直線往復(fù)運動，由于活塞運動的行程固定，系統(tǒng)啟動過程中的壓縮比一定，這與傳統(tǒng)曲柄連桿式發(fā)動機的啟動方式相似，而與直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動過程中壓縮比可變的性質(zhì)不同。因此，將兩者試驗結(jié)果進行對比，能夠更加深入地分析直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動過程的運動特性及燃燒規(guī)律。表4為采用傳統(tǒng)啟動方式的直線發(fā)動機啟動試驗結(jié)果與直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)啟動試驗結(jié)果的對比。

由表4可知，由于直線ISG電機的功率比傳統(tǒng)啟動電機大，直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動拖動頻率為12.5 Hz，高于采用傳統(tǒng)啟動方式的發(fā)動機啟動拖動頻率8.7 Hz，且較高的拖動頻率使系統(tǒng)啟動過程燃油的霧化效果變好，燃燒得到改善，從而使直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動首循環(huán)噴油量4.8 mg低于采用傳統(tǒng)啟動方式的直線發(fā)動機系統(tǒng)的首循環(huán)噴油量15 mg，改善了傳統(tǒng)啟動方式下的首循環(huán)混合氣加濃。同時，由于啟動首循環(huán)噴油量較少，直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動燃燒缸壓較小。

此外，由表4可以看出，直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的燃燒首循環(huán)缸壓峰值與次循環(huán)缸壓峰值從1.38 MPa增大到1.67 MPa，變化0.29 MPa，變動較??；采用傳統(tǒng)啟動方式的直線發(fā)動機燃燒首循環(huán)缸壓峰值與次循環(huán)缸壓峰值從3.72 MPa減小到2.76 MPa，變化0.96 MPa，變動較大。而燃燒缸壓的較大變化會導(dǎo)致活塞受力的變化，進而導(dǎo)致活塞運動頻率的較大波動，最終影響系統(tǒng)的啟動性能。因此，相比傳統(tǒng)啟動方式，直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動過程更加平穩(wěn)。

3 結(jié)論

本文基于直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的設(shè)計思路，分別完成了直線發(fā)動機和直線ISG電機的設(shè)計，并將兩者耦合構(gòu)建了直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進行了系統(tǒng)的啟動試驗，對系統(tǒng)的啟動特性進行了初步研究，試驗結(jié)果表明：

（1）自主開發(fā)的直線ISG/發(fā)動機及其控制系統(tǒng)工作可靠，在基于位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略下，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)啟動拖動階段活塞組件的直線往復(fù)運動。在試驗所給的啟動控制參數(shù)下，系統(tǒng)可在啟動點火首行程點火成功，著火缸壓為1.38 MPa，且系統(tǒng)在后續(xù)循環(huán)運動頻率穩(wěn)步上升，系統(tǒng)啟動成功。

（2）與采用傳統(tǒng)啟動方式的直線發(fā)動機系統(tǒng)的啟動過程相比，直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動拖動頻率從8.7 Hz 提高到12.5 Hz，較高的啟動拖動頻率，使啟動過程燃燒霧化條件變好，從而使直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)的啟動首循環(huán)噴油量從15 mg減少到4.8 mg，改善了傳統(tǒng)啟動方式下的首循環(huán)混合氣加濃。

（3）直線ISG/發(fā)動機系統(tǒng)在啟動過程中的燃燒首循環(huán)缸壓峰值與次循環(huán)缸壓峰值之間變動為0.29 MPa，低于采用傳統(tǒng)啟動方式的直線發(fā)動機系統(tǒng)的0.96 MPa，因此，活塞受力更加均勻，啟動過程更加平穩(wěn)。

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