氧氣流量控制策略對(duì)低溫等離子體技術(shù)再生柴油機(jī)微粒捕集器的影響

施蘊(yùn)曦,蔡憶昔,李弘揚(yáng),李小華,徐輝,李偉俊

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,212013,江蘇鎮(zhèn)江)

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氧氣流量控制策略對(duì)低溫等離子體技術(shù)再生柴油機(jī)微粒捕集器的影響

施蘊(yùn)曦,蔡憶昔,李弘揚(yáng),李小華,徐輝,李偉俊

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,212013,江蘇鎮(zhèn)江)

以O(shè)2為氣源,利用自行設(shè)計(jì)的低溫等離子體噴射系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)微粒捕集器(DPF)進(jìn)行再生試驗(yàn)研究;在O2總量相同、O2流量為3～7 L/min時(shí),設(shè)計(jì)了3種O2流量控制策略,即恒流量法、遞增流量法和遞減流量法;通過(guò)監(jiān)測(cè)再生產(chǎn)物中CO、CO2體積流量變化,分析了O2流量控制策略對(duì)微粒(PM)的氧化分解和DPF再生效果的影響。研究結(jié)果表明,O2流量增大,O3流量增大,進(jìn)入DPF的O3增多,PM的氧化得到促進(jìn)。反應(yīng)初始時(shí)3種流量控制方案下CO、CO2流量均急劇上升;隨著反應(yīng)的進(jìn)行,恒流量法的CO、CO2流量趨于平穩(wěn);遞增、遞減流量法的CO、CO2體積流量在跨越試驗(yàn)階段分別呈直線上升、下降趨勢(shì),在同一個(gè)試驗(yàn)階段保持穩(wěn)定。CO、CO2、CO+CO2中C的質(zhì)量變化趨勢(shì)相同,質(zhì)量大小由高到低為遞減流量法—遞增流量法—恒流量法。變O2流量法的DPF再生效果優(yōu)于恒O2流量法,采用遞減流量法時(shí)PM被分解的質(zhì)量最多且其控制的O2流量隨再生階段由大到小變化時(shí)可達(dá)到較優(yōu)的DPF再生效果。

柴油機(jī);微粒捕集器;低溫等離子體技術(shù);再生

根據(jù)環(huán)保部《關(guān)于實(shí)施第五階段機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)的公告》,自2016年4月1日起,包括北京市在內(nèi)的東部11省市,所有進(jìn)口、銷售和注冊(cè)登記的輕型汽油車、輕型柴油客車、重型柴油車(僅公交、環(huán)衛(wèi)、郵政用途),須符合國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)除了對(duì)國(guó)四現(xiàn)有的排放指標(biāo)限值更為嚴(yán)格外,還新增了顆粒物粒子數(shù)量(PN)限值要求。新法規(guī)的實(shí)行,必將對(duì)顆粒物排放控制技術(shù)提出更高的要求。柴油機(jī)微粒捕集器(DPF)憑借其對(duì)微粒(PM)的高效捕捉能力,已成為汽車后處理排放控制技術(shù)的必然選擇,而該技術(shù)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)DPF的再生[1-3]。DPF再生是指將已沉積的PM通過(guò)燃燒或氧化方法去除,避免堵塞通道內(nèi)壁,保持正常的捕集效率,以免造成較高的排氣背壓,惡化燃油經(jīng)濟(jì)性。

低溫等離子體(NTP)技術(shù)能夠有效降低NOx和PM排放,且不會(huì)產(chǎn)生二次污染,在汽車尾氣治理方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[4-6]。將NTP技術(shù)應(yīng)用于DPF再生,也成為近年來(lái)DPF再生領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。已有研究表明[7-15],NTP活性物質(zhì)具有強(qiáng)氧化性,在200 ℃以下可氧化分解PM,生成CO和CO2,實(shí)現(xiàn)DPF的再生。目前,應(yīng)用較為廣泛的DPF再生方法主要分為兩類:主動(dòng)再生和被動(dòng)再生[16-22]。主動(dòng)再生通常要求DPF的溫度達(dá)到650 ℃以上,而PM的燃燒是個(gè)放熱反應(yīng),再生過(guò)程中的熱沖擊會(huì)導(dǎo)致DPF出現(xiàn)熱融化及內(nèi)部坍塌現(xiàn)象。被動(dòng)再生通過(guò)催化劑可使PM的燃燒溫度降低到400 ℃甚至更低,但這類方法多采用貴金屬做催化劑,需反復(fù)添加或涂覆催化劑,成本較高,且存在DPF再生不完全等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比可以看出,NTP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了DPF的低溫再生,且使用不受限制,展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。

本文在前期的研究基礎(chǔ)上[15,23-24],以O(shè)2為氣源,選取80 ℃為試驗(yàn)溫度,利用自行設(shè)計(jì)的NTP噴射系統(tǒng),對(duì)DPF進(jìn)行再生試驗(yàn)。在O2總量相同的條件下,設(shè)計(jì)了3種O2流量控制策略:恒流量法、遞增流量法和遞減流量法,O2流量變化范圍為3～7 L/min。通過(guò)監(jiān)測(cè)再生產(chǎn)物中COx的濃度變化,對(duì)PM的氧化和DPF再生效果進(jìn)行了研究,以尋求更為合理的氣源控制策略,提高氧氣的利用率,進(jìn)一步降低DPF的再生成本。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 DPF采樣試驗(yàn)

試驗(yàn)所用柴油機(jī)型號(hào)為YD480Q,主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。圖1為DPF采樣系統(tǒng)。試驗(yàn)所用DPF為壁流式蜂窩陶瓷,材料為堇青石,尺寸為Φ144 mm×152.4 mm,孔密度為15.5個(gè)/cm2。對(duì)DPF進(jìn)行采樣試驗(yàn)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min,負(fù)荷為75%。每次采樣均選用潔凈的DPF,采樣時(shí)間均為120 min,待DPF冷卻后取出。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 DPF采樣系統(tǒng)

1.2 DPF再生試驗(yàn)

圖2為DPF再生試驗(yàn)系統(tǒng),由NTP噴射系統(tǒng)、電學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)以及DPF再生系統(tǒng)組成。

圖2 DPF再生試驗(yàn)系統(tǒng)

NTP噴射系統(tǒng)包括O2供給裝置、等離子體電源、NTP發(fā)生器、風(fēng)冷裝置、水冷裝置及紅外測(cè)溫儀,其中:O2供給裝置包括氧氣瓶、傳輸管路及流量計(jì),流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)O2流量;等離子體電源采用CTP-2000K智能電子沖擊機(jī)(0～25 kV,7～20 kHz);NTP發(fā)生器采用同軸圓柱結(jié)構(gòu),低壓極采用外徑為32 mm的不銹鋼管,阻擋介質(zhì)采用壁厚為2 mm、內(nèi)徑為36 mm的石英管,高壓極采用軸長(zhǎng)為100 mm的細(xì)鐵絲網(wǎng),緊貼于石英管外壁上,放電間隙為2 mm;風(fēng)冷裝置為冷卻風(fēng)機(jī);水冷裝置包括水泵、水閥和傳輸管路,管路中通以冷卻水,冷卻風(fēng)機(jī)和冷卻水用于降低放電電極表面的溫度;紅外測(cè)溫儀TASI用于測(cè)量NTP發(fā)生器放電區(qū)表面溫度。電學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由TDS3034B型數(shù)字示波器和分壓電路組成,示波器用于監(jiān)測(cè)NTP發(fā)生器放電過(guò)程中的工作電壓與頻率。DPF再生系統(tǒng)由溫控裝置、壓差計(jì)、O3分析儀和氣體分析儀組成,其中溫控裝置用于控制DPF的試驗(yàn)環(huán)境溫度,壓差計(jì)用于測(cè)量DPF兩端的壓差,O3分析儀用于測(cè)量NTP活性氣體中O3的質(zhì)量濃度,氣體分析儀用于測(cè)量PM的氧化分解產(chǎn)物CO和CO2的體積分?jǐn)?shù)。

試驗(yàn)時(shí)開(kāi)啟等離子體電源,調(diào)節(jié)NTP發(fā)生器使之工作電壓為20 kV、工作頻率為9 kHz,控制放電表面溫度為90 ℃。O2經(jīng)NTP發(fā)生器放電后產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的活性氣體,將活性氣體通入已加熱至試驗(yàn)溫度的DPF中與捕集的PM進(jìn)行反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)DPF的再生。溫控裝置控制DPF環(huán)境溫度為80 ℃。

DPF再生試驗(yàn)均進(jìn)行120 min,在O2總消耗量相同的條件下,設(shè)計(jì)了3種O2流量控制策略,即恒流量法、遞增流量法和遞減流量法。試驗(yàn)分為3個(gè)階段,每階段均進(jìn)行40 min,如表2所示。由表2可知:恒流量法控制的O2流量在各階段均保持5 L/min不變;遞增流量法控制的O2流量隨各試驗(yàn)階段由3 L/min遞增至7 L/min;遞減流量法控制的O2流量隨各試驗(yàn)階段由7 L/min遞減至3 L/min。

表2 O2流量控制策略 L/min

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 O2流量控制策略對(duì)PM氧化分解的影響

柴油機(jī)顆粒物的化學(xué)組分可分為兩類,一類為可溶性有機(jī)組分(SOF),另一類為不可溶性有機(jī)組分(IOF),其主要成分為干碳煙(DS)。O2經(jīng)NTP發(fā)生器放電擊穿后產(chǎn)生活性物質(zhì)O3、O等,可分解轉(zhuǎn)化PM中的煙塵和SOF,實(shí)現(xiàn)DPF的再生,其中O3對(duì)PM的氧化起主要作用[11,25],主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下[9-11]

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(1)～式(4)可見(jiàn),PM的主要分解產(chǎn)物為CO和CO2,對(duì)CO和CO2的監(jiān)測(cè)可以反映PM的分解情況。由于各氣體流量不同,所以氣體分析儀測(cè)得的CO、CO2的體積分?jǐn)?shù)反映了各氣體的濃度,不能直接反映CO、CO2的產(chǎn)量。本文采用CO、CO2的體積流量作為PM分解效果的指標(biāo),其計(jì)算方法如下

Qv1(CO)=c1v

(5)

Qv2(CO2)=c2v

(6)

式中:c1為CO的體積分?jǐn)?shù);c2為CO2的體積分?jǐn)?shù);v為氣體的流量,根據(jù)表2取值。圖3和圖4為3種O2流量控制策略下生成的CO、CO2體積流量隨再生試驗(yàn)階段的變化。

圖3 CO體積流量隨再生試驗(yàn)階段的變化

圖4 CO2體積流量隨再生試驗(yàn)階段的變化

不同的O2流量Qv(O2)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的O3質(zhì)量濃度w(O3)及質(zhì)量流量Qm(O3)如表3所示。由表3可知,隨著O2流量的增大,O3質(zhì)量濃度減小,O3質(zhì)量流量增大,相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)入DPF的O3質(zhì)量增大。經(jīng)計(jì)算,3種策略進(jìn)入DPF的O3總質(zhì)量分別為24.6 g、24.2 g、24.2 g,可見(jiàn)遞增流量法和遞減流量法進(jìn)入DPF的O3總質(zhì)量相同,恒流量法的O3總質(zhì)量略高于遞增流量法和遞減流量法。

表3 O3質(zhì)量濃度及質(zhì)量流量隨O2流量的變化

由圖3和圖4可見(jiàn),同一O2流量控制策略下,CO和CO2的體積流量的變化趨勢(shì)基本一致。在反應(yīng)初始時(shí),3種策略下CO、CO2體積流量均急劇上升;隨著反應(yīng)的進(jìn)行,恒流量法的CO、CO2體積流量趨于平穩(wěn),遞增流量法的CO、CO2體積流量在轉(zhuǎn)向下一個(gè)試驗(yàn)階段時(shí)直線上升,遞減流量法的CO、CO2體積流量在轉(zhuǎn)向下一個(gè)試驗(yàn)階段時(shí)直線下降;遞增流量法和遞減流量法的CO、CO2體積流量在同一個(gè)試驗(yàn)階段內(nèi)基本保持穩(wěn)定。第I階段3種策略的CO和CO2體積流量從大到小排序:遞減流量法(7 L/min)-恒流量法(5 L/min)-遞減流量法(3 L/min)。第I階段初始時(shí),CO、CO2的體積流量均急劇升高,可見(jiàn)活性物質(zhì)一經(jīng)通入DPF,就立即與PM發(fā)生氧化分解反應(yīng)。由表3還可知,O2的流量越大,O3的質(zhì)量流量越大,進(jìn)入DPF的活性物質(zhì)越多。第I階段反應(yīng)初始,由于DPF內(nèi)PM的沉積量與分布情況相同,故進(jìn)入DPF內(nèi)的O3越多,PM的氧化分解反應(yīng)越劇烈。第II階段3種策略的CO和CO2體積流量從大到小排序:遞減流量法(5 L/min)-遞增流量法(5 L/min)-恒流量法(5 L/min)。3種策略在第II階段O2的流量相同,O3的質(zhì)量流量也相同,但PM的分解產(chǎn)物CO和CO2的體積流量卻存在差異。由此可見(jiàn),前階段反應(yīng)對(duì)后續(xù)階段反應(yīng)的影響很大。第III階段3種策略的CO和CO2體積流量從大到小排序:遞增流量法(7 L/min)-遞減流量法(3 L/min)-恒流量法(5 L/min)。與前2個(gè)階段相比,第III階段3種策略的CO和CO2的體積流量的差值減小。對(duì)比恒流量法和遞減流量法可知,遞減流量法的氣源流量低于恒流量法,進(jìn)入DPF的O3的質(zhì)量流量小,但遞減流量法中CO和CO2的體積流量卻高于恒流量法?？梢?jiàn),合理的O2流量控制策略可以提高NTP活性物質(zhì)的利用率,有助于NTP對(duì)PM的氧化分解反應(yīng)。NTP與PM的氧化分解反應(yīng)受多項(xiàng)因素的影響,如氣源流量、NTP活性物質(zhì)的濃度、PM的沉積量與分布以及反應(yīng)溫度等。PM的氧化分解反應(yīng)為放熱反應(yīng),反應(yīng)本身放出的熱量會(huì)提高DPF內(nèi)部溫度,也會(huì)對(duì)后期反應(yīng)造成影響。第I階段初始時(shí),只有O2流量這一因素存在差異,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,各項(xiàng)影響因素發(fā)生變化,所以每個(gè)階段的CO和CO2的產(chǎn)量是各項(xiàng)因素綜合作用的結(jié)果。

2.2 O2流量控制策略對(duì)DPF再生效果的影響

由于DPF的初始積碳量相同,PM被分解得越多,DPF的再生效果越好。由式(1)～式(4)可見(jiàn),PM氧化分解的主要產(chǎn)物為CO和CO2,可近似認(rèn)為CO和CO2中C的質(zhì)量便是PM被分解的質(zhì)量,并作為評(píng)價(jià)DPF再生效果的指標(biāo)。C1為CO中的C,C2為CO2中的C,C1+2為CO和CO2中的C,計(jì)算方法如下

m(C1)=∫Qv1dt

(7)

m(C2)=∫Qv2dt

(8)

m(C1+2)=m(C1)+m(C2)

(9)

圖5為3種策略下C1、C2和C1+2的質(zhì)量變化。由圖5可見(jiàn),3種策略下C1、C2、C1+2的質(zhì)量變化趨勢(shì)相同,從質(zhì)量大小上看遞減流量法最大、遞增流量法次之、恒流量法最小。所以,采用遞減流量法時(shí)DPF的再生效果最為顯著,被氧化分解的PM質(zhì)量為恒流量法的1.82倍。為進(jìn)一步分析3種策略下C1+2質(zhì)量差異的原因,按式(7)～式(9)計(jì)算再生試驗(yàn)各階段中C1+2的質(zhì)量,得出C1+2質(zhì)量隨再生試驗(yàn)階段的變化,如圖6所示。

圖5 不同O2流量控制策略下C1、C2和C1+2質(zhì)量

圖6 C1+2質(zhì)量隨再生試驗(yàn)階段的變化

由圖6可見(jiàn):采用恒流量法時(shí)C1+2質(zhì)量隨試驗(yàn)階段的進(jìn)行基本保持平穩(wěn),僅略微增大,這是恒流量法控制的O2流量在各階段均保持5 L/min不變,NTP活性氣體與PM的反應(yīng)較為平穩(wěn)的緣故;采用遞增流量法時(shí),C1+2質(zhì)量隨著試驗(yàn)階段的進(jìn)行顯著升高;采用遞減流量法時(shí),C1+2質(zhì)量隨著試驗(yàn)階段的進(jìn)行顯著降低。這些均與各階段O2流量的變化趨勢(shì)一致。雖然第I階段中遞增流量法的C1+2質(zhì)量比恒流量法小,但O2流量隨著試驗(yàn)階段的遞增,O3的質(zhì)量流量增大,PM被氧化的量增多,使C1+2質(zhì)量亦隨試驗(yàn)階段遞增。因此,在整個(gè)再生過(guò)程中遞增流量法的C1+2質(zhì)量比恒流量法大。

采用遞減流量法時(shí)C1+2質(zhì)量隨試驗(yàn)階段遞減,這是遞減流量法控制的O2流量隨試驗(yàn)階段遞減,O3質(zhì)量流量減小,PM被氧化的量減少的緣故。雖然C1+2質(zhì)量隨試驗(yàn)階段遞減,但在整個(gè)再生過(guò)程中遞減流量法的C1+2質(zhì)量比遞增流量法大,這是遞減流量法的O2流量在第I階段中取較大值7 L/min,而較大流量的O2經(jīng)NTP發(fā)生器放電擊穿后產(chǎn)生質(zhì)量流量較大的O3,使位于DPF內(nèi)部孔道前端的大量PM被氧化,有利于活性氣體在第II、III階段與DPF較深處的PM接觸并發(fā)生氧化反應(yīng)的緣故。遞增流量法的O2流量在第I階段中取較小值3 L/min,位于DPF內(nèi)部孔道前端的PM被氧化的量較少,不利于活性氣體與DPF較深處的PM直接接觸并發(fā)生氧化反應(yīng)。因此,在整個(gè)再生過(guò)程中遞減流量法的C1+2質(zhì)量比遞增流量法大。

為驗(yàn)證3種策略對(duì)DPF的再生效果,在再生試驗(yàn)前后分別向DPF通入10 L/min的O2,測(cè)量DPF兩端壓差,如圖7所示。

由圖7可見(jiàn),進(jìn)行再生試驗(yàn)后,恒流量法的DPF兩端壓差最大,遞增流量法次之,遞減流量法最小,故采用遞減流量法時(shí)DPF的背壓下降的值最大。由于DPF再生前的積碳量相同,PM被氧化得越多,DPF的再生效果越好,DPF兩端壓差就越小。因此,遞減流量法的DPF再生效果最好,遞增流量法次之,恒流量法最差。這與前文以C1+2質(zhì)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)DPF再生效果的分析結(jié)果相吻合。

圖7 再生試驗(yàn)前后DPF兩端壓差ΔpDPF的變化

綜上分析可知,在O2總量相同的條件下,變O2流量法的DPF再生效果優(yōu)于恒O2流量法?？刂频腛2流量隨再生階段由大到小變化,可達(dá)到較佳的DPF再生效果。

3 結(jié) 論

以O(shè)2為氣源,利用自行設(shè)計(jì)的NTP噴射系統(tǒng)對(duì)DPF進(jìn)行了再生試驗(yàn)。在O2總量相同的條件下,設(shè)計(jì)了3種O2流量控制策略:恒流量法控制的O2流量保持5 L/min不變,遞增流量法控制的O2流量由3 L/min遞增至7 L/min,遞減流量法控制的O2流量由7 L/min遞減至3 L/min。通過(guò)對(duì)PM分解產(chǎn)物CO、CO2的監(jiān)測(cè),研究了3種策略對(duì)NTP再生DPF的影響,結(jié)論如下。

(1)隨著O2流量的增大,O3質(zhì)量濃度減小,O3質(zhì)量流量增大,在相同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入DPF的O3質(zhì)量增多,有利于PM的氧化分解。

(2)CO和CO2的體積流量變化趨勢(shì)基本一致:恒流量法的CO、CO2體積流量均先急劇升高后基本趨于平穩(wěn);遞增流量法的CO、CO2體積流量均先急劇升高后呈階梯狀上升;遞減流量法的CO、CO2體積流量均先急劇升高后呈階梯狀下降。

(3)3種策略下CO、C2、CO+CO2中的C的質(zhì)量變化趨勢(shì)相同,從大到小排序:遞減流量法-遞增流量法-恒流量法?？梢?jiàn),變O2流量法的DPF再生效果優(yōu)于恒O2流量法。采用遞減流量法時(shí)PM被分解的質(zhì)量最多,在控制O2流量隨再生階段由大到小變化時(shí),可達(dá)到較佳的DPF再生效果。

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(編輯 苗凌)

Effect of Oxygen Flow Control Strategy on Diesel Particulate Filter Regeneration by Non-Thermal Plasma Technology

SHI Yunxi,CAI Yixi,LI Hongyang,LI Xiaohua,XU Hui,LI Weijun

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

Regeneration of diesel particulate filter (DPF) is experimentally investigated by a self-designed non-thermal plasma (NTP) injection system with oxygen as the gas source. Three control schemes of oxygen flow are proposed - the oxygen flow for scheme 1 remains constant at 5 L/min; increases from 3 L/min to 7 L/min for scheme 2; and decreases from 7 L/min to 3 L/min for scheme 3. The total oxygen amount for three schemes keeps equal. The effects of the oxidation of PM and DPF regeneration are discussed by measuring the volume fractions of CO and CO2during the regeneration process. The results reveal that the mass flow rate of O3increases remarkably with the increasing oxygen flow to promote the oxidation of PM. The volume fractions of CO and CO2for scheme 1 rise sharply and then remain stable; the volume fractions of CO and CO2for scheme 2 tend upward by three steps; the volume fractions of CO and CO2for scheme 3 tend downward by three steps. The mass of carbon in CO, CO2, and CO+CO2has same varying trend, and the total carbon is in descending order of scheme 3, scheme 2 and scheme 1. The variable flow control has better regeneration effect of DPF than the constant flow control. The remarkable effect of DPF regeneration can be reached by gradually making oxygen flow decrease during the experimental period.

diesel engine; particulate filter; non-thermal plasma technology; regeneration

2016-02-02。 作者簡(jiǎn)介:施蘊(yùn)曦(1988—),女,博士生;蔡憶昔(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176067);江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(PDPA);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX15_1070)。

時(shí)間:2016-06-14

10.7652/xjtuxb201609012

TK421.5

A

0253-987X(2016)09-0074-06

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