DE102005036045B4 - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents
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Abstract
Kühlvorrichtung
für Verbrennungskraftmaschinen
mit einer Außenschale,
in die ein im Druckgussverfahren einstückig hergestelltes Wärmetauscherelement
eingesetzt ist, wobei zwischen dem Wärmetauscherelement und der
Außenschale
ein von einem zu kühlenden Fluid
durchströmbarer
Kanal angeordnet ist und im Wärmetauscherelement
ein Kühlmittel
durchströmter
Kanal ausgebildet ist, der durch sich in Hauptströmungsrichtung
erstreckende Seitenwände
begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Hauptströmungsrichtung
(z) abwechselnd von zwei gegenüberliegenden
Seitenwänden
(20, 21) des Kühlmittel
durchströmten
Kanals (4) des Wärmetauscherelementes
(3) Rippen (22) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (z) in den Kanal
(4) erstrecken, wobei der Querschnitt zur Hauptströmungsrichtung
(z) des Kanals (4) durch jede Rippe (22) über die Höhe der Seitenwand vollständig verschlossen
ist und in Erstreckungsrichtung jeder Rippe (22) zumindest zur Hälfte verschlossen ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Außenschale, in die ein im Druckgussverfahren einstückig hergestelltes Wärmetauscherelement eingesetzt ist, wobei zwischen dem Wärmetauscherelement und der Außenschale ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal angeordnet ist und im Wärmetauscherelement ein Kühlmittel durchströmter Kanal ausgebildet ist, der durch sich in Hauptströmungsrichtung erstreckende Seitenwände begrenzt ist.
- Derartige Kühlvorrichtungen können in Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise zur Abgaskühlung oder Ladeluftkühlung eingesetzt werden. Bekannt sind hier vor allem mehrteilig aufgebaute Kühlvorrichtungen, welche als Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet sind. So sind aus der
DE 103 12 788 A1 und der mehrteilige Kühlvorrichtungen zur Abgaskühlung bekannt, bei denen ein inneres Bauteil als Wärmetauscherelement dient, dessen mehrere Einzelkanäle von Abgas durchströmt werden, wobei zwischen dem Wärmetauscherelement und einem Außengehäuse ein Kühlmittel durchströmter Kanal gebildet wird. Zur Zwangsführung des zu kühlenden Fluids und um die Verweilzeit des zu kühlenden Gases zu erhöhen ist es aus derWO 03/098026 A1 DE 43 105 38 A1 bekannt, Trennplatten zur Zwangsführung des zu kühlenden Gases im Wärmetauscher anzuordnen, damit die vorhandenen Kühlmittel führenden Rohrbündel quer angeströmt werden, wodurch der Wärmeübergang auf das zu kühlende Fluid verbessert werden soll. - Eine solche Kühlvorrichtung hat jedoch den Nachteil, das sie aus vielen einzelnen Teilen zusammen gesetzt werden muss, welche in ihrer Größe genau aufeinander abgestimmt sein müssen. Hierdurch entstehen hohe Montagezeiten und Kosten. Des Weiteren besteht ein bezüglich der Baugröße weiterhin relativ schlechter Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid.
- Daher wurde in der
DE 103 21 533 B4 ein Abgaskühler offenbart, bei dem in einer Außenschale ein einstückig im Druckgussverfahren hergestelltes Wärmetauscherelement befestigt ist, welches in den Fluid führenden Kanal sich erstreckende Rippen aufweist, über die der Wärmeübergang des Kühlmittels deutlich verbessert wird. Das Kühlmittel strömt dabei in einem zentral in dem Wärmetauscherelement angeordneten Kanal, der durch in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids und des Kühlmittels sich erstreckende Seitenwände begrenzt ist. - Eine derartige Kühlvorrichtung verringert den Montageaufwand insbesondere durch das verwendete Druckgussverfahren im Vergleich zu bekannten Kühlvorrichtungen zwar deutlich und weist auch einen zur Baugröße verbesserten Wärmeübergang im Vergleich zu anderen bekannten Wärmetauschern auf, ist jedoch bei kleinem zur Verfügung stehendem Bauraum weiterhin bezüglich seiner Kühlleistung beschränkt.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Kühlleistung eines derartigen Kühlers weiter zu verbessern, ohne die Baulänge erweitern zu müssen, wobei zusätzlich je nach Anwendung, die Möglichkeit bestehen soll, den gewünschten Wärmeübergang sowie die auftretenden Druckverluste entsprechend der Anwendung einzustellen, ohne eine vollständige neue Konstruktion der Kühlvorrichtung durchführen zu müssen. Die Vorteile bezüglich einer einfachen und kostengünstigen Herstellung und Montage sollen erhalten bleiben.
- Diese Aufgabe wird bei einer Kühlvorrichtung, die die Markmale der Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist dadurch gelöst, dass sich in Hauptströmungsrichtung abwechselnd von zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Kühlmittel durchströmten Kanals des Wärmetauscherelementes Rippen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in den Kanal erstrecken, wobei der Querschnitt zur Hauptströmungsrichtung des Kanals durch jede Rippe über die Höhe der Seitenwand vollständig verschlossen ist und in Erstreckungsrichtung jeder Rippe zumindest zur Hälfte verschlossen ist. Dadurch entsteht eine Zwangsführung des Kühlmittels im Kühlmittelkanal in Schlangenlinienform und somit eine deutlich erhöhte Verweilzeit des Kühlmittels. Dies führt zu einer deutlichen Verbesserung des Wärmeübergangs und zu der Möglichkeit über den Abstand der Rippen zueinander auch den Druckverlust im Kühlmittelkanal beliebig einzustellen.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der durchströmte Querschnitt des Kühlmittel durchströmten Kanals zwischen den Rippen und zwischen den Rippen und den Seitenwänden im Wesentlichen konstant. Dies bedeutet das keine Strömungsverluste durch auftretende Druckunterschiede innerhalb des Kanals entstehen, so dass auch eine Einstellung des gewünschten Druckverlustes einfach realisierbar ist.
- In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Rippen eine stetig in Erstreckungsrichtung schrumpfende Querschnittsbreite auf, so dass die Masse der Kühlvorrichtung bei etwa gleichbleibend gutem Wärmeübergang reduziert wird. Zugleich wird die Herstellbarkeit und der Wärmeübergang im Vergleich zu dünnen Rippen verbessert.
- Vorzugsweise weist das Wärmetauscherelement an seiner zum vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal weisenden Seite in Strömungsrichtung verlaufende Rippen auf, wodurch Druckverluste im Bereich des zu kühlenden Fluids deutlich verringert werden und ein guter Wärmeübergang erreicht wird.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal durch das Wärmetauscherelement verschlossen, so dass wiederum Bauteile eingespart werden und eine einfache Herstellbarkeit bei Reduzierung der Herstell- und Montagekosten gewährleistet wird.
- Weiterhin ist der Kühlmittel durchströmte Kanal vorzugsweise durch einen Deckel verschlossen, an dem Ein- und/oder Auslassstutzen für das Kühlmittel angeordnet sein können.
- Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Verbindung zwischen Außenschale und Wärmetauscherelement sowie Wärmetauscherelement und Deckel durch Reibrührschweißen herzustellen, da es sich hierbei um ein kostengünstiges Verbindungsverfahren handelt, welches sich auch für Druckgussteile eignet.
- In einer weiterführenden Ausführungsform ist in der Außenschale der Kühlvorrichtung eine Zwischenwand ausgebildet, die den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal von einem Bypasskanal trennt, wobei der Bypasskanal und der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal mittels einer Bypassklappe zu- und abschaltbar sind. Hierdurch wird es möglich, beispielsweise bei einem Einsatz als Abgaskühler diesen in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine zu umgehen, ohne zusätzliche Rohrleitungen vorsehen zu müssen.
- In einer wiederum weiterführenden Ausführungsform sind die Bypassklappe und ein Dosierventil ebenso wie das Wärmetauscherelement in der Außenschale der Kühlvorrichtung angeordnet, so dass zusätzliche Gehäuseteile eingespart werden und somit Gewicht und Kosten reduziert werden. Die gesamte Einheit kann als komplettes Modul gefertigt und die Einzelteile optimal aufeinander abgestimmt werden.
- Es wird somit eine Kühlvorrichtung geschaffen, welche die notwendige Anzahl an Bauteilen deutlich reduziert, einen im Vergleich zu bekannten im Druckgussverfahren hergestellten Kühlvorrichtungen höheren Wirkungsgrad aufweist, und somit kleiner gebaut werden kann. Zusätzlich ist es möglich, die gesamte Einheit als komplettes Modul mit optimal aufeinander abgestimmten Komponenten zu fertigen und anzubieten. Des Weiteren ist die Einstellung der Druckverluste im Kühlmittelkanal möglich und durch unterschiedliche Verteilung der anzuordnenden Querrippen je nach Anwendungsfall auf einfache Weise zu ändern.
- Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in dreidimensionaler Darstellung in Modulbauweise mit Anbauteilen. -
2 zeigt ebenfalls in dreidimensionaler geschnittener Darstellung einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aus1 mit weggeschnittenem Deckel. -
3 zeigt wiederum die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung aus1 in dreidimensionaler Darstellung mit teilweise aufgeschnittener Außenschale und Deckel. - Die
1 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung1 in Modulbauweise mit einer Außenschale2 , welche einen einseitig offenen Kanal bildet, in den ein Wärmetauscherelement3 derart eingesetzt wird, das die offene Seite der Außenschale2 durch dieses Wärmetauscherelement3 verschlossen wird. Dieses Wärmetauscherelement3 weist ebenfalls einen einseitig offenen von Kühlmittel durchströmten Kanal4 auf, der in den2 und3 zu erkennen ist und der wie in1 ersichtlich wiederum durch einen Deckel5 verschlossen wird. Am Deckel5 sind zusätzliche Anbauteile der Kühlvorrichtung1 befestigt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind dies ein Kühlmitteleinlassstutzen6 sowie eine Unterdruckdose7 die in Verbindung mit einem Elektromagnetventil8 steht und als Aktuator einer in3 erkennbaren Bypassklappe9 dient. - An der Außenschale
2 sind ein nicht dargestellter Eintrittsstutzen für das zu kühlende Fluid sowie ein Austrittsstutzen10 für das zu kühlende Fluid sowie ein Austrittsstutzen11 für das Kühlmittel vorhanden. Der Austrittstutzen10 für das zu kühlende Fluid wird durch ein Dosierventil12 beherrscht, wobei das zu kühlende Fluid beispielsweise ein Abgas ist, so dass das den Austrittstutzen10 beherrschende Ventil12 als AGR-Ventil ausgebildet ist, welches wiederum über eine Stelleinrichtung13 betätigt wird, die ebenfalls an der Außenschale2 der Kühlvorrichtung1 befestigt ist. - Der Aufbau der eigentlichen Kühlvorrichtung
1 mit dem Wärmetauscherelement3 wird insbesondere aus2 ersichtlich, bei der das Wärmetauscherelement3 sowie die Außenschale2 aufgeschnitten und ohne Deckel5 dargestellt sind. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine am Wärmetauscherelement3 ausgebildete Platte14 die Außenschale2 an ihrer offenen Seite verschließt. Des Weiteren wird ersichtlich, dass parallel zur Hauptströmungsrichtung z durch eine Zwischenwand15 ge trennt, in der Außenschale2 ein Bypasskanal16 ausgebildet ist, über den das Wärmetauscherelement3 umgehbar ist. Auch dieser Bypasskanal wird durch die Platte14 verschlossen. Des Weiteren wird in dieser Ansicht deutlich, dass in der Außenschale2 zwischen dem sich in Hauptströmungsrichtung z erstreckenden Wärmetauscherelement3 sowie der Zwischenwand15 beziehungsweise der äußeren Wand17 der Außenschale2 ein Abgas führender Kanal18 ausgebildet ist. In diesen Abgas führenden Kanal18 ragen ebenfalls in Hauptströmungsrichtung z verlaufende Längsrippen19 . - Der Kühlmittel durchströmte Kanal
4 wird außer an seiner offenen, durch den Deckel5 verschlossenen Seite vollständig durch das einstückig im Druckgußverfahren hergestellte Wärmetauscherelement3 gebildet. Dieses Wärmetauscherelement3 weist zwei sich in Hauptströmungsrichtung z erstreckende Seitenwände20 ,21 auf, die den Kanal4 in seiner Breite begrenzen und von denen aus sich Querrippen22 in den Kühlmittel durchströmten Kanal4 erstrecken. Diese Rippen22 stehen senkrecht zu den Seitenwänden20 ,21 , wobei sich in Hauptströmungsrichtung z gesehen abwechselnd von jeder Seitenwand20 ,21 jeweils eine Rippe22 erstreckt, welche sich über die gesamte Höhe der betreffenden Seitenwand20 ,21 des Kühlmittel durchströmten Kanals4 erstreckt und sich in Erstreckungsrichtung zumindest über die halbe Breite des Kanals4 erstreckt. Daraus folgt, dass der Querschnitt des Kanals4 zumindest zur Hälfte durch jede Rippe22 verschlossen wird. - Dies wird auch aus der
3 deutlich, wobei in der3 sowohl der Deckel5 , der den Kühlmittel durchströmten Kanal4 verschließt, teilweise weggeschnitten dargestellt ist, als auch eine in dieser Ansicht vordere Wand der Aussenschale2 der Kühlvorrichtung1 . Hierdurch ist der innere Aufbau der Kühlvorrichtung1 ersichtlich, so dass sowohl die Bypassklappe9 als auch das Dosierventil12 in dieser Darstellung erkennbar sind. Das Dosierventil12 ist als Tellerventil ausgeführt, dessen Ventilsitz im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Austrittsstutzen10 und Aussenschale2 angeordnet ist und so den Gesamtmassenstrom des zu kühlenden Fluids regelt. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Dosierventil12 um ein Steckventil, welches im zusammengebauten Zustand in die Außenschale2 eingeschoben wird und an der Außenschale2 befestigt wird. Die Bypassklappe9 ist als exzentrisch auf einer Welle gelagerte Klappe ausgeführt, deren Antriebswelle durch den Deckel5 reicht und dort über einen Exzenter23 und ein Kugelgelenk24 mit einer Betätigungsstange25 der Unterdruckdose7 verbunden ist. - Des weiteren ist zu erkennen, dass in Strömungsrichtung hinter dem berippten Kühlmittel führenden Kanal
4 ein weiterführender Kanal26 angeordnet ist, der im Austrittsstutzen11 mündet und über den die Bypassklappe9 und das Dosierventil12 umgangen werden. - Im folgenden wird die Funktionsweise der Kühlvorrichtung
1 am Beispiel eines Einsatzes als Abgaskühler näher erläutert. - Bei Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine gelangt rückgeführtes Abgas über den Abgaseintrittsstutzen in die Kühlvorrichtung
1 . Da bei Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine die Bypassklappe9 den Abgas führenden Kanal18 verschließt, strömt das Abgas über den Bypasskanal16 , ohne gekühlt zu werden. Der Abgasmassenstrom wird gleichzeitig über die Stellung des in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscherelement3 angeordneten Abgasrückführventils1 geregelt. Durch die Rückführung des warmen ungekühlten Abgases wird die Verbrennungskraftmaschine schnell aufgeheizt, wobei gleichzeitig das warme Abgas im Kanal18 vor der Bypassklappe9 steht und auch hier zur Kühlmittelerwärmung beiträgt. - Nachdem die Verbrennungskraftmaschine aufgewärmt ist, wird die Bypassklappe
9 durch Schalten des Elektromagnetventils8 und somit der Unterdruckdose7 umgeschaltet, so dass nun der Bypasskanal16 verschlossen ist und der Abgas durchströmbare Kanal18 geöffnet ist. Durch die Längsrippen19 im Abgas durchströmten Kanal18 entstehen ein guter Wärmeübergang und eine gute Kühlung des Abgases. Die rückgeführte Abgasmenge wird weiterhin durch die Stellung des Abgasrückführventils12 bestimmt. - Während des gesamten Zeitraumes wird Kühlmittel über den Einlassstutzen
6 in den Kühlmittel durchströmten Kanal4 gepumpt und dort in Schlangenlinien zwischen den in den Querschnitt ragenden Querrippen22 geleitet. Durch die Anordnung der Quer rippen22 entsteht eine deutlich vergrößerte Verweilzeit des Kühlmittels im Kanal4 , so dass ein sehr guter Wärmeübergang zum Abgas hin erreicht wird. Dies wird sowohl durch die längere Verweilzeit als auch durch die Verrippung selbst erreicht, wodurch mehr Fläche zum Wärmeaustausch zur Verfügung steht. - Ist nun der Abstand zwischen den Rippen
22 untereinander und den Rippen22 und den Seitenwänden20 ,21 besonders gering, so entsteht ein höherer Druckverlust im Kühlmittel durchströmten Kanal4 . Es wird deutlich, dass eine Einstellung des Druckverlustes in diesem Kanal4 somit einzig durch die Stellung der Rippen zueinander erreichbar ist. Dabei sollte jedoch möglichst darauf geachtet werden, dass der jeweils durchströmte Querschnitt möglichst konstant bleibt. Anschließend strömt das Kühlmittel über den Kanal26 zum Austrittsstutzen11 . Je nach notwendiger Abgastemperatur und Abgasmenge werden die Bypassklappe9 und das Abgasrückführventil12 angesteuert, wobei eine Optimierung der Temperatur und somit eine deutliche Reduzierung der ausgestoßenen Schadstoffe im Motor erreicht wird. - Es wird deutlich, dass ein derartiges Wärmetauscherelement und eine solche Kühlvorrichtung mit Außenschale und Wärmetauscherelement im Druckgussverfahren herstellbar ist, so dass der Montageaufwand und die Herstellkosten reduziert werden. Zum Befestigen dieser Bauteile untereinander wird bevorzugt ein Reibrührschweißverfahren angewendet. Eine Anpassung des Druckverlustes im Kühlkanal
4 durch Anpassen des Druckgusswerkzeuges und somit entsprechendes Anordnen der Querverrippung22 ist ohne den Wärmetauscher in seiner übrigen Form anpassen zu müssen möglich. Im Vergleich zu bekannten Ausführungen ist somit bei einfacher Herstellung eine Optimierung des Wärmeübergangs erreicht und somit können kleine Bauformen verwendet werden. - Es sollte deutlich sein, dass die Querverrippung unterschiedlich ausgebildet sein kann. Entscheidend ist die Zwangsführung des Kühlmittels unter Verlängerung der durchströmten Strecke, sowie die Anströmung der Rippen. So ist beispielsweise auch eine zwangsgeführte schlangenförmige Auf- und Abbewegung durch eine entsprechende Verrippung denkbar.
- Es sollte ebenfalls klar sein, dass jegliche Anbauteile wie Bypassklappe oder Dosierventil oder Stelleinheiten unterschiedlich ausgeführt sein können oder die Kühlvorrichtung einzeln genutzt wird. Auch eine unterschiedliche Anordnung der Ein- und Auslässe ist sicherlich denkbar.
Claims (9)
- Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Außenschale, in die ein im Druckgussverfahren einstückig hergestelltes Wärmetauscherelement eingesetzt ist, wobei zwischen dem Wärmetauscherelement und der Außenschale ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal angeordnet ist und im Wärmetauscherelement ein Kühlmittel durchströmter Kanal ausgebildet ist, der durch sich in Hauptströmungsrichtung erstreckende Seitenwände begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Hauptströmungsrichtung (z) abwechselnd von zwei gegenüberliegenden Seitenwänden (
20 ,21 ) des Kühlmittel durchströmten Kanals (4 ) des Wärmetauscherelementes (3 ) Rippen (22 ) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (z) in den Kanal (4 ) erstrecken, wobei der Querschnitt zur Hauptströmungsrichtung (z) des Kanals (4 ) durch jede Rippe (22 ) über die Höhe der Seitenwand vollständig verschlossen ist und in Erstreckungsrichtung jeder Rippe (22 ) zumindest zur Hälfte verschlossen ist. - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmte Querschnitt des Kühlmittel durchströmten Kanals (
4 ) zwischen den Rippen (22 ) und zwischen den Rippen (22 ) und den Seitenwänden (20 ,21 ) im wesentlichen konstant ist - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (
22 ) eine stetig in Erstreckungsrichtung schrumpfende Querschnittsbreite aufweisen. - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscher element (
3 ) an seiner zum vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal (18 ) weisenden Seite in Strömungsrichtung verlaufende Rippen (19 ) aufweist. - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal (
18 ) durch das Wärmetauscherelement (3 ) verschlossen ist. - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittel durchströmte Kanal (
4 ) durch einen Deckel verschlossen ist. - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen zwischen Außenschale (
2 ) und Wärmetauscherelement (3 ) sowie Wärmetauscherelement (3 ) und Deckel (5 ) durch Reibrührschweißen hergestellt sind. - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenschale (
2 ) der Kühlvorrichtung (1 ) eine Zwischenwand (15 ) ausgebildet ist, die den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal (18 ) von einem Bypasskanal (16 ) trennt, wobei der Bypasskanal (16 ) und der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal (18 ) mittels einer Bypassklappe (9 ) zu- und abschaltbar sind. - Kühlvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassklappe (
9 ) und ein Dosierventil (12 ) in der Außenschale (2 ) der Kühlvorrichtung (1 ) angeordnet sind.
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