韓志強(qiáng),蘇慶鵬,錢云壽,胡明艷,吳學(xué)舜*(1.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 61009; .西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院,四川 成都 61009;.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院,廣東 廣州 51144)
隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,燃燒系統(tǒng)和燃燒方案呈現(xiàn)多元化組合發(fā)展的趨勢(shì),增壓系統(tǒng)也隨之步入了大發(fā)展的階段。在滿足全工況進(jìn)氣需求的前提下,本文著重對(duì)改善柴油機(jī)低速工況性能,降低高速工況背壓,增加增壓比滿足低溫燃燒進(jìn)氣密度以及改善氣路系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)等問題進(jìn)行了探討。
隨著內(nèi)燃機(jī)對(duì)高平均有效壓力的追求,以及實(shí)施嚴(yán)格的排放法規(guī),單級(jí)渦輪增壓已經(jīng)不能滿足柴油機(jī)大范圍流量使用需求[1]。Mehrdad Zangeneh[2]認(rèn)為針對(duì)潛力巨大的低溫燃燒模式,燃燒方案多采用大比例 EGR(廢氣再循環(huán))率(>50%)。要使柴油機(jī)在降低NOx排放的同時(shí),不產(chǎn)生更多的 Soot (碳煙)排放物,且能維持輸出功率,需保證缸內(nèi)平均當(dāng)量比在一定限值之內(nèi),提高柴油機(jī)進(jìn)氣壓力來保持燃燒過程所需的空氣量,正是解決問題的關(guān)鍵。天津大學(xué)堯命發(fā)教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為進(jìn)一步增加EGR 率,必然伴隨著柴油機(jī)對(duì)更多的新鮮充量的需求,高增壓技術(shù)就成為了必然選擇[3]。柴油機(jī)平均有效壓力的提高受限于缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力,米勒循環(huán)能有效降低柴油機(jī)壓縮比,而保持膨脹比不變,同時(shí)能降低缸內(nèi)上止點(diǎn)時(shí)刻溫度,故是一種節(jié)油和低溫的循環(huán)[4];由此可以看出,米勒循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是降低熱負(fù)荷,降低NOx排放和降低燃油消耗率。其缺點(diǎn)在于減少了進(jìn)氣量,增加當(dāng)量比,不利于降低 Soot 排放,而 Eric Watel等認(rèn)為兩級(jí)增壓系統(tǒng)恰恰能彌補(bǔ)這個(gè)缺陷[5]。這種互補(bǔ)的氣路技術(shù)模式已成為應(yīng)對(duì)嚴(yán)格排放法規(guī)的“殺手锏”,備受國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)研究者青睞。由此可知,在低溫燃燒模式中,高增壓技術(shù)是其實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的必備技術(shù)手段;但隨著低溫燃燒模式向中高負(fù)荷工況拓展,無論是采用更大的 EGR 率,還是使用米勒循環(huán)降低有效壓縮比,均會(huì)造成缸內(nèi)平均燃空當(dāng)量比上升,易于處于局部混合氣過濃而生成碳煙,因此,解決該問題的唯一途徑就是增加充量密度來增加進(jìn)氣量。這種以增加充量密度的方法來拓展工況實(shí)現(xiàn)低溫燃燒的方案,蘇萬(wàn)華院士等將其定義為“高密度-低溫燃燒”模式[6-7],而兩級(jí)增壓技術(shù)作為高增壓技術(shù)的杰出代表,則成為了實(shí)現(xiàn)高密度-低溫燃燒的必要條件;因此,兩級(jí)增壓技術(shù)迅速成為氣路技術(shù)的研究熱點(diǎn),并作為各國(guó)應(yīng)對(duì)歐Ⅵ等最嚴(yán)格排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的首選技術(shù)之一[8]。
在兩級(jí)增壓系統(tǒng)中,旁通閥的設(shè)計(jì)對(duì)兩級(jí)增壓系統(tǒng)具有革命性的意義,較為廣泛的使用方式是在高壓級(jí)增壓器渦端或者壓端并聯(lián)一條旁通道[9-10]。它的存在使柴油機(jī)對(duì)進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)更為靈活,特別是針對(duì)不同工況區(qū)間采用不同燃燒方案的新型柴油機(jī),對(duì)于燃燒方案邊界出現(xiàn)的進(jìn)氣量較大變化的需求,也能很好地實(shí)現(xiàn)。同時(shí),在高速工況使用旁通閥,其功能無異于可靈活調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力的Wastegate(排氣泄壓閥),使柴油機(jī)進(jìn)氣壓力不至于過高,同時(shí)又能在更大的范圍使兩級(jí)增壓系統(tǒng)工作在高定熵效率區(qū)域,進(jìn)而提高廢氣能量的利用率[11-12]。
基于上述功能的研究工作,Mattarelli等[13]根據(jù)需求對(duì)旁通閥制定的策略是在低速低負(fù)荷工況關(guān)閉旁通閥,利用高壓級(jí)增壓器相似流量較小的特點(diǎn),改善柴油機(jī)低速流量特性。中高速滿負(fù)荷工況,開啟壓端旁通閥,以避免缸內(nèi)峰值壓力超過極限值(16 MPa),保證柴油機(jī)在全工況范圍滿足進(jìn)氣需求。Byungchan Lee等[14]認(rèn)為選擇相似流量較小的增壓器作為高壓級(jí)增壓器,有利于提高增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性。然而隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加,高壓級(jí)壓氣機(jī)運(yùn)行區(qū)域逐漸往大流量低定熵效率區(qū)域移動(dòng),排氣背壓也逐漸增加,此時(shí)需開啟渦端旁通閥來降低渦前壓力。渦端旁通閥的開啟相當(dāng)于增加了高壓級(jí)渦輪流通截面,但這種做法將會(huì)減緩增壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度。然而渦端旁通閥直接面對(duì)渦前尾氣,本身需具有耐高溫、高壓的能力,同時(shí)面對(duì)廢氣中的諸多成分,還需具有抗腐蝕、密封性好且不宜結(jié)焦、瞬態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)[15]。這先天造就了渦端旁通閥的制造材料貴、加工工藝難、使用成本高的缺點(diǎn)。這也是渦端旁通閥僅僅停留在實(shí)驗(yàn)研究過程中,難以大批量推廣使用的原因。相對(duì)渦端旁通閥,壓端旁通閥工作溫度一般在 200 ℃以內(nèi),易于找到高精度閉環(huán)控制的電控閥門,而壓端旁通閥開啟后(如圖 1 所示),高壓級(jí)壓氣機(jī)出口氣體倒流回高壓級(jí)壓氣機(jī)入口,即高壓級(jí)壓氣機(jī)與旁通道之間形成一個(gè)氣流流動(dòng)死循環(huán),旁通閥開度越大,進(jìn)入死循環(huán)的氣體越多,這樣就能調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量,從而控制增壓壓力和渦前壓力。
然而壓端旁通流通特性復(fù)雜于渦端旁通,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此研究較少,有必要對(duì)壓端旁通流通特性的機(jī)制進(jìn)行深入研究,為后續(xù)理解高密度-低溫燃燒過程奠定基礎(chǔ)。本文著重針對(duì)兩級(jí)增壓柴油機(jī)流通特性對(duì)氣路系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)、混合歷程、燃燒反應(yīng)和排放生成影響機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)問題展開研究,提出合理組織缸內(nèi)高密度充量在時(shí)間與空間的不均勻分布狀態(tài),以及對(duì)柴油的霧化和分布特性是改善柴油機(jī)燃燒特性與排放特性的關(guān)鍵,為重型柴油機(jī)在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效、清潔燃燒的目標(biāo)提供技術(shù)路線。
圖1 壓端旁通閥開啟氣流運(yùn)行路徑示意圖
國(guó)內(nèi)外有較多關(guān)于兩級(jí)增壓系統(tǒng)匹配特性及相關(guān)流通特性參數(shù)影響規(guī)律研究的文獻(xiàn)。早在1974年,曼徹斯特大學(xué) Benson 和Svetnicka就研究得出一種能預(yù)測(cè)兩級(jí)渦輪增壓柴油機(jī)匹配特性的數(shù)學(xué)方法。試驗(yàn)結(jié)果證明預(yù)測(cè)得到的柴油機(jī)工況點(diǎn)與試驗(yàn)測(cè)得的工況點(diǎn)相當(dāng)接近,同時(shí)該方法提供了一個(gè)能快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)兩級(jí)增壓柴油機(jī)各個(gè)工況下所需要獲得的外界進(jìn)氣量的計(jì)算程序。2008年美國(guó)密歇根大學(xué)的Byungchan Lee等[16]研究了最新的兩級(jí)增壓匹配方法,這種方法是在 Benson 研究的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,不需要提供增壓器轉(zhuǎn)速相關(guān)曲線,計(jì)算更加準(zhǔn)確和清晰。英國(guó)拉夫堡大學(xué)的Alexandros Plianos等[17]以使用 VGT(可變截面渦輪增壓系統(tǒng))和 EGR 的柴油機(jī)為研究和控制對(duì)象,建立平均值模型,并提出用線性二次高斯控制器對(duì)柴油機(jī)空燃比、EGR 率和渦輪功率進(jìn)行精確控制,得到較快的響應(yīng)速度。然而R.S. Benson、Byungchan Lee 和Alexandros Plianos等的模型均未包含旁通閥的流通特性參數(shù)的描述。
2011 年上海交通大學(xué)劉博等[18]提出基于調(diào)節(jié)能力的柴油機(jī)可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)匹配方法,應(yīng)用等效增壓器概念從經(jīng)濟(jì)性角度給出了可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)的匹配準(zhǔn)則:排氣能量分配與效率相適應(yīng)。但該模型并未從能量分配最優(yōu)化的角度,提出兩級(jí)增壓器增壓比和膨脹比最優(yōu)分配原則理論方程。2012 年天津大學(xué)韓志強(qiáng)等[19]深入研究了高壓級(jí)增壓器效率、低壓級(jí)增壓器效率以及高壓級(jí)渦輪前后溫差等關(guān)鍵氣路參數(shù)對(duì)兩級(jí)增壓器匹配關(guān)系的影響,通過推導(dǎo)兩級(jí)增壓系統(tǒng)壓氣機(jī)和渦輪能量平衡關(guān)系式,總結(jié)出一種兩級(jí)增壓器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選方法,并提出兩級(jí)增壓器增壓比和膨脹比最優(yōu)分配原則理論方程,即兩級(jí)增壓比相等原則方程、兩級(jí)渦輪耗能最小約束原則方程,并在此基礎(chǔ)上建立了混合燃燒系統(tǒng)熱力學(xué)模型,提出兩級(jí)增壓器在各工況的優(yōu)化調(diào)節(jié)方法,為高密度-低溫燃燒方案的優(yōu)化提供了思路和依據(jù)。然而該模型提出的兩級(jí)增壓器增壓比和膨脹比最優(yōu)分配原則理論方程依然未考慮壓端旁通流通特性參數(shù)。此外,通過實(shí)驗(yàn)研究,韓志強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)在高負(fù)荷工況,通過調(diào)整壓端旁通閥,降低換氣負(fù)功,提高兩級(jí)增壓器效率,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳煙和熱效率的優(yōu)化;但并未在理論上總結(jié)出增壓器運(yùn)行效率與旁通道流通特性參數(shù)之間的數(shù)學(xué)描述關(guān)系,以及時(shí)間與空間不均勻性的分布狀態(tài)對(duì)其產(chǎn)生的影響規(guī)律。由此可知,壓端旁通對(duì)兩級(jí)增壓柴油機(jī)的氣體流通特性的描述及相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律還需要進(jìn)一步系統(tǒng)地進(jìn)行理論研究。
針對(duì)兩級(jí)增壓柴油機(jī)大負(fù)荷工況,通過優(yōu)化氣體流通特性實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)高密度充量狀態(tài)和高壓噴射的方法來使液態(tài)燃油霧化生成細(xì)小的油滴群,從而增加蒸發(fā)面積,快速形成可以燃燒的氣相燃油/空氣混合氣,提高燃燒速率;因此,理解缸內(nèi)高密度充量在時(shí)間與空間的不均勻分布狀態(tài)對(duì)柴油的霧化和分布特性是改善柴油機(jī)燃燒特性與排放特性的關(guān)鍵。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。Siebers等[20]研究表明缸內(nèi)高密度條件下噴射柴油,油束有更短的貫穿距離和更大的噴霧錐角,同時(shí)也能減小燃油液滴長(zhǎng)度。Tongwoo Kim 等[21]在定容燃燒彈中采用單孔噴油器研究了環(huán)境溫度、環(huán)境壓力和環(huán)境組分對(duì)環(huán)境密度、噴油壓力、噴孔直徑以及氣相噴霧當(dāng)量比分布的影響。研究發(fā)現(xiàn),低的環(huán)境密度會(huì)使噴霧貫穿距離變長(zhǎng);高的環(huán)境溫度會(huì)使噴霧最高濃度值增大(800 K 時(shí)為 2.5,1 200 K 時(shí)為3.0),氣相噴霧邊緣濃度梯度增大,同時(shí)氣相噴霧最低溫降也明顯增大;高噴油壓力會(huì)造成噴霧錐角增大、燃油蒸發(fā)速率提高,但其環(huán)境密度最高只有 15 kg/m3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前重型柴油機(jī)大負(fù)荷工況上止點(diǎn)附近時(shí)刻缸內(nèi)環(huán)境密度;所以其研究結(jié)果對(duì)于理解和改進(jìn)現(xiàn)代重型柴油機(jī)混合氣的組織和制備意義有限。Mark Sean Beckman等[22]在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)對(duì)進(jìn)氣溫度、轉(zhuǎn)速、環(huán)境密度對(duì)著火前噴霧濃度場(chǎng)進(jìn)行了定量研究,其實(shí)驗(yàn)環(huán)境密度為 12~25 kg/m3,環(huán)境氣體為空氣。研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí),提高環(huán)境密度,上止點(diǎn)時(shí)刻氣相噴霧質(zhì)量減少,這是提高環(huán)境密度對(duì)噴霧貫穿距離的大幅縮短作用的結(jié)果。但是 Beckman 的研究中環(huán)境密度同樣很低,噴孔直徑也太大。天津大學(xué)孫田等[23-24]使用復(fù)合激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)在定容燃燒彈內(nèi)對(duì)液相噴霧濃度場(chǎng)進(jìn)行了定量標(biāo)定,發(fā)現(xiàn)液相噴霧最大濃度為 139 mg/mL, 并使用氣液相噴霧標(biāo)定結(jié)果研究了環(huán)境溫度(600~1000 K)、環(huán)境密度(7.8~18.2 kg/m3)、噴油壓力(100 MPa)、噴孔直徑(0.12~0.18 mm)等對(duì)噴霧特性的影響。但其在研究噴霧特性時(shí),環(huán)境密度和噴油壓力太低,對(duì)于理解現(xiàn)代柴油機(jī)上止點(diǎn)附近時(shí)刻缸內(nèi)噴霧霧化、混合過程以及當(dāng)量比分布情況幫助有限。由此可知,前人對(duì)柴油噴霧的研究已經(jīng)不能滿足理解現(xiàn)代重型柴油機(jī)高溫高壓相似環(huán)境條件下噴霧霧化、混合和濃度分布情況的需要,更不能理解壓端旁通流通特性下,缸內(nèi)高密度充量在時(shí)間與空間的不均勻分布狀態(tài)對(duì)霧化、混合和濃度分布情況的影響。
為了深入研究?jī)杉?jí)增壓柴油機(jī)相似環(huán)境條件下環(huán)境溫度、環(huán)境密度、噴油壓力、噴孔直徑等噴射參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對(duì)噴霧霧化、混合和濃度分布情況的影響,建立高密度-低溫燃燒模式的相似環(huán)境條件下柴油噴霧結(jié)構(gòu)模型,改善噴霧霧化和混合過程,需在高密度-低溫燃燒條件下(試驗(yàn)中激光能量為 150 mJ/pulse,避免了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正過程;環(huán)境密度為 20~100 kg/m3,環(huán)境溫度為 800~1 100 K,噴油壓力為 100~220 MPa),采用復(fù)合激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)在定容燃燒彈內(nèi)深入定量研究環(huán)境條件和噴射條件等參數(shù)對(duì)噴霧霧化、混合和濃度分布情況的影響。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣體充量的高密度-低溫燃燒過程、熱效率及排放性能的影響機(jī)制研究較多。Pickett 等[25]研究表明,在超過一個(gè)氧濃度范圍之后,增加缸內(nèi)密度,Soot生成會(huì)增加,而低氧濃度時(shí),缸內(nèi)密度越大,Soot生成量越多。同時(shí)還指出,增加缸內(nèi)密度能改善油氣混合過程,從而促進(jìn) Soot 在燃燒過程中的氧化率,即有生成和氧化的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。Noehre等[26]將上述結(jié)論進(jìn)一步具體化,在重型柴油 IMEP(指示平均有效壓力)=0.8 MPa時(shí),通過試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明,充量密度在不同氧濃度下對(duì) Soot 的影響效果也不同。由數(shù)據(jù)顯示,充量密度增加,Soot 到峰值時(shí)所需 EGR 率也增加,然而 Soot 生成的核心問題不在于“Soot bump”(碳煙碰撞)位置的改變。在低氧濃度時(shí),隨著充量密度增加,Soot 逐漸增加,而高氧濃度時(shí)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。中氧濃度時(shí),Soot 先隨著充量密度的增加而增加,之后充量密度進(jìn)一步增加后,Soot逐漸下降。Sanghoon Kook等[27]測(cè)試過兩級(jí)增壓系統(tǒng)中充量密度(溫度因素)對(duì)放熱率的影響,得出結(jié)論:充量溫度的上升是促使著火提前的主要原因,充量溫度從30 ℃提升至 160 ℃,主放熱始點(diǎn)提前至少 20 ℃A。過早著火,雖然使缸壓上升,但密度相對(duì)下降,柴油機(jī)輸出功率減少,熱效率下降。天津大學(xué)蘇萬(wàn)華、郭紅松等[28-29]通過定容彈內(nèi)的復(fù)合激光誘導(dǎo)熒光試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明,增大充量密度,降低了全局燃氧當(dāng)量比,能有效地改善燃氧混合率,提高化學(xué)反應(yīng)率,進(jìn)一步促進(jìn)了燃燒后期的混合速率,加快了燃燒后期的 HC 氧化和 CO向CO2轉(zhuǎn)化的程度,縮短燃燒持續(xù)期,有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率。鹿盈盈等[30-32]研究表明充量密度作為溫度、壓力、混合氣成分等的綜合因素,有利于降低NOx排放,而降低氧濃度對(duì)NOx排放的抑制作用更大。于文斌等[33-35]進(jìn)一步研究,在 WP12 重型柴油機(jī)上研究充量密度對(duì)高密度-低溫燃燒過程、熱效率及排放的影響規(guī)律。研究表明,充量密度對(duì)缸內(nèi)熱容和混合率的影響共同制約著NOx的生成。在滿負(fù)荷工況下,提高充量密度,可獲得NOx=1.92 g/kWh,Soot=0.013 9 g/kWh,指示熱效率達(dá)到 47.7%的結(jié)果。但以上研究均采用模擬增壓實(shí)現(xiàn),未考慮增壓系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系、轉(zhuǎn)化效率及能量分配對(duì)高充量密度的影響機(jī)制,以及兩級(jí)增壓系統(tǒng)對(duì)高密度-低溫燃燒過程的影響規(guī)律。針對(duì)兩級(jí)增壓旁通特性,天津大學(xué)韓志強(qiáng)等[36]、戰(zhàn)強(qiáng)等[37]結(jié)合兩級(jí)增壓系統(tǒng)、可變氣門系統(tǒng)、EGR 系統(tǒng)、高混合率 BUMP 燃燒室等手段研究高密度-低溫燃燒過程。研究表明在 EGR 率相等的條件下,隨著渦端旁通閥開度增加,進(jìn)氣壓力降低,進(jìn)氣流量下降,缸內(nèi)氧氣絕對(duì)含量降低,有利于降低NOx,且隨著 EGR 率增加,進(jìn)氣流量的降低對(duì)NOx的降低作用愈發(fā)明顯。在高渦前壓力時(shí),隨著渦端旁通閥開度增加,Soot 排放會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn),呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。這是氣量和油量降低速度不一致造成的,分別體現(xiàn)在柴油混合時(shí)間、缸內(nèi)平均溫度以及缸內(nèi)平均當(dāng)量比3個(gè)參數(shù)上,三者綜合決定 Soot的生成量。此外,隨著渦端旁通閥開度增加,渦前壓力降低幅度大于進(jìn)氣壓力降低幅度,有效熱效率逐漸增加。這充分說明,在高渦前壓力工況,適時(shí)放氣,既能降低排放,又能提高熱效率。
以高密度-低溫燃燒基礎(chǔ)理論體系構(gòu)建為目標(biāo),重點(diǎn)圍繞兩級(jí)增壓流通特性對(duì)高密度-低溫燃燒過程中氣路系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)、混合歷程、燃燒反應(yīng)和排放生成影響機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)問題,開展一系列的深入探索,主要結(jié)論如下:
1)在低溫燃燒模式中,高增壓技術(shù)是其實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的必備技術(shù)手段,而兩級(jí)增壓技術(shù)作為高增壓技術(shù)的杰出代表,則成為了實(shí)現(xiàn)高密度-低溫燃燒的必要條件。
2)系統(tǒng)性進(jìn)行兩級(jí)增壓柴油機(jī)氣體流通特性的描述及相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律理論研究是理解高密度-低溫燃燒過程的必備基礎(chǔ)條件。
3)合理組織缸內(nèi)高密度充量在時(shí)間與空間的不均勻分布狀態(tài),以及柴油的霧化和分布特性是改善柴油機(jī)燃燒特性與排放特性的關(guān)鍵。
4)以高密度-低溫燃燒理論為基礎(chǔ),重型柴油機(jī)在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒為目標(biāo),需協(xié)調(diào)超高增壓技術(shù)與噴油策略、可變氣門技術(shù)、EGR 技術(shù)的耦合關(guān)系,提出燃燒過程的優(yōu)化組織及控制策略。
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