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Zweitakt-Dieselmaschinen kleinerer und mittlerer Leistung PDF

259 Pages·1935·10.599 MB·German
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Zweitakt Dieselmaschinen kleioerer nod mittlerer Leistnog Von Ing. Dr. techno J. Zeman VDI Assistent an der Lehrkanzel fUr Verbrennungskraftmaschinen und Automobilwesen der Technischen Hochschule in Wi en Mit 240 Abbildungen im Text Wien Verlag von Julius Springer 1935 Aile Rechte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Copyright 1935 by Julius Springer in Vienna Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1935 ISBN-13: 978-3-7091-5145-7 e-ISBN-13: 978-3-7091-5293-5 DOl: 10.1007/978-3-7091-5293-5 Vorwort. Angeregt durch die groBe Verbreitung des Gliihkopfmotors wurde vor etwa fiinfzehn Jahren die Entwicklung kleinerer kompressorloser Zweitaktdieselmaschinen in dem Bestreben aufgenommen, eine billige, dem Viertaktmotor annahernd gleichwertige Maschine zu schaffen. Da haufig mehr Gewicht auf die Billigkeit als auf die Gleichwertigkeit gelegt wurde, waren die Ergebnisse durchaus nicht einheitlich, so daB in manchen Kreisen det Zweitaktmotor erne grundsatzlich ablehnende Beurteilung erfuhr. Allmahlich setzte sich indessen die Erkenntnis durch - was teilweise sicherlich auch auf die Erfolge des Zweitakt-GroBdieselmotors zuriickgefiihrt werden kann -, daB Zweitaktmotoren den Viertakt maschinen nicht nur gleichwertig, sondern in bestimmten Fallen (Anlassen, Umsteuern) sogar iiberlegen sern konnen. In jiingster Zeit endlich hat sich die Aufmerksamkeit erneut dem Zweitaktverfahren zugewandt, weil es Moglichkeiten zur ErhOhung der Literleistung bietet. Obwohl die konstruktiven Mittel im Zweitaktmotorenbau einfacher sind als beim Viertaktmotor, bereiten Entwurf und Berechnung ungleich groBere Schwierigkeiten. Die Arbeitsweise dieser Bauart ist viel undurch sichtiger, die theoretische und versuchsmaBige Erforschung der Vorgange wesentlich schwieriger. Verfasser und Verlag waren daher der Ansicht, daB eine zusammenfassende Darstellung des Zweitaktdieselmotors be sonders im gegenwartigen Zeitpunkt der Entwicklung erwiinscht sein und vielleicht dazu beitragen konnte, die schwere und verantwortungs volle Arbeit des Entwurfs- und Versuchsingenieurs etwas zu erleichtern; iiberdies kann das Buch dazu dienen, den Anfanger in sein Arbeitsgebiet einzufiihren. Dabei bildete die zwol£jahrige Tatigkeit des Verfassers auf diesem Sondergebiet die Grundlage der Arbeit, sie wurde wesentlich unter stiitzt und erleichtert durch die rege Forschertatigkeit, die insbesondere in den letzten Jahren die Fragen des Zweitaktmotorenbaues bevorzugte, und durch das groBe Entgegenkommen, das die beteiligten Firmen bei der Uberlassung von zeichnerischen Unterlagen und Versuchsergebnissen zeigten. Es ist dem Verfasser eine angenehme Pflicht, auch an dieser Stelle allen Beteiligten seinen warmsten Dank fur diese verstandnisvolle Unterstiitzung auszusprechen. Die Doppelkolben-Zweitaktmaschinen wurden in diesem Buche lediglich deshalb nicht behandelt, weil der Verfasser iiber eigene Er fahrungen mit dieser Maschine nicht verfiigt und es sich daher auch nicht anmaBen wollte, iiber diesel be zu schreiben. r* IV Vorwort. Die besondere Eignung des Zweitaktmotors fUr Schiffsantriebszwecke lieB es wunschenswert erscheinen, die dabei notwendigen Sonderein richtungen wenn auch nur kurz zu besprechen. Herr o. o. Professor lug. Josef Eckert, Wien, hat dabei seine reichen Erfahrungen dem Ver fasser zur Verfugung gestellt, war bei der Abfassung des betreffenden Abschnitts behilflich und uberlieB seine Konstruktionen, die zum Teil noch wahrend des Krieges vom Marinearsenal in Pola, zum Teil spater von der Technischen Zeugsanstalt in Krems ausgefUhrt wurden, zur Veroffentlichung, wofUr ihm der warmste Dank ausgesprochen werden solI. GroBes Verstandnili fUr dieses Buch fand der Verfasser bei den Herren der Lehrkanzel fUr Verbrennungskraftmaschinen und Automobilwesen der Technischen Hochschule Wien, insbesondere bei ihrem Vorstande o. o. Professor Dr.-lng. Ludwig Richter und Herrn Dr.-lng. Gustav N idetzky. Fur die Unterstutzung, die sie seiner Arbeit in jeder Beziehung angedeihen lieBen, seien sie auch an dieser Stelle herzlichst bedankt. Der Verlag ist dem Verfasserin allen Fragen weitgehend entgegen gekommen, wofUr ihm volle Anerkennung ausgesprochen werden solI. Wien, im September 1935. J. Zeman. Inhaltsverzeichnis. Seite Einleitung ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Erster Teil: Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 A. Mittel zur Spulluftbeschaffung .......................... 3 1. Die KurbelkastenspUlpumpe ................................ 3 2. Allgemeine Anforderungen des Zweitaktmotors an das Spulluft- geblase ................................................... 5 3. Theoretischer Leistungsbedarf der Geblase ................... 6 4. Kolbengeblase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5. Zwei- oder Mehrzahnpumpen (Rootsblaser u. dgl.) ............ 8 6. Kapselgeblase ............................................. 8 Allgemeine Angaben uber KapselgebIase ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 B. Der Spulvorgang.......................................... 11 1. Die SpUlverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11 2. Spulluftmenge und Leistung bei Geblasemaschinen............ 13 3. Spulluftmenge und Leistung bei Kurbelkastenmaschinen. . . . . .. 17 4. Bestimmung der Auspuffschlitzabmessungen bei Zweitakt- maschinen mit besonderem Geblase ......................... 18 5. Zusammenhang zwischen Spulschlitzabmessungen und Spuldruck bei Maschinen mit besonderem GebIase...................... 22 6. Die gunstigsten Schlitzabmessungen bei Zweitaktmaschinen mit besonderem Geblase........................................ 26 7. Auspufftopf und Auspuffleitung bei Geblasemaschinen ........ 31 8. Bestimmung der Auspuffschlitzabmessungen bei Kurbelkasten- maschinen ................................................ 32 9. Bestimmung der Spulschlitzabmessungen bei Kurbelkasten- maschinen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33 10. Der Druckverlauf im Auspufftopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 TopfgroLle ................................................ 39 Verwendung einer zweiten Auspuffkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Mehrzylindermaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40 C. Der Spulluftaufnehmer.................................... 40 D. Baugrenzen von Zweitaktdieselmaschinen ............... 44 1. Kurbelkastenmaschinen .................................... 45 2. Zweitaktmaschinen mit besonderem Spulgeblase '" . . . . . . . . . .. 48 E. Wahl des Verdichtungsverhaltnisses ..................... 51 1. Verdichtungsbeginn bei Zweitaktmotoren .................... 51 2. Druckerhohung im Zylinder bei AbschluLl der Schlitze durch die Kolbenkante .............................................. 52 VI Inhaltsverzeichnis. Seite 3. Luftverlust in del' Zeit yom Abschlusse der Schlitze durch die Kolbenkante bis zum Ubel'schleifen des ersten Kolbenringes uber die Schlitzkante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4. Abkuhlungsverluste wahrend del' Verdichtung ... .. ........... 56 5. Gasverluste wahrend del' Verdichtung ....... . . . . . . . . . . . . . . .. 61 6. Zusammenfassung del' Abkuhlungs- und Undichtheitsverluste.. 63 7. Die Bestimmung des Beiwertes F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64 8. Vel'dichtungsvel'hiiItnis und MaschinengroJ3e . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69 9. Vel'einfachte Bel'echnung del' Verdichtungsspannung. '.' . . . . . . .. 71 F. Bl'ennstoffeinspI'itzung, Verbrennung und Vel'brennungs- l'aum....................................................... 72 1. Mechanik del' Bl'ennstoffeinspritzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Hubvolumen der Bl'ennstoffpumpe .......................... 72 Bl'ennstoffdl'uck und Einspritzgeschwindigkeit ................ 73 Die geschlossene Duse (Bl'ennstoffventil) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77 2. Das VorkammerveI'fahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80 Konstruktive Angaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83 3. Das Strahl- odeI' Dl'uckeinspritzverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4. Gestaltung des Vel'brennungsraumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5. Dl'ucksteigerung bei der Verbrennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88 6. Del' Bl'ennstoffverbrauch ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90 G. Bestimmung der Hauptabmessungen, Beispiele......... 91 Kurbelkastenmaschinen .................................... 93 Kurbelkastenmaschinen mit el'hohtem Luftaufwand . . . . . . . . . .. 94 Zweitaktmaschinen mit besonderem Geblase ................. 94 H. Anhang: Zusammenstellung del' im el'sten Teil ver wende ten Beziehungen aus Mechanik und Warmelehre 103 1. Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 103 2. Warmelehre ............................................... 103 Zweiter Teil: Konstruktion....................................... 107 A. Spulpumpen ............................................... 107 1. Kurbelkastenpumpen... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107 2. Kolbengeblase ............................................. 110 3. Zweizahnpumpen (Rootsblasel') .............................. 113 4. Kapselgeblase .............................................. 113 Einfachwil'kende Kapselgeblase ............................. 113 Doppelt- und mehI'fachwil'kende Kapselgeblase ............... 116 5. Allgemeine Bemel'kungen ubel' die Konstl'uktion von Kapsel- geblasen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120 6. Antrieb del' Kapselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 121 B. Bl'ennstoffpumpen und ihr Antl'ieb ...................... 122 1. Altere Bauarten von Brennstoffpumpen ...................... 123 Allgemeine Richtlinien fUr den EntwuI'f ..................... 124 2. Neuere Brennstoffpumpen .................................. 125 3. Brennstoffbehaltel', Saugleitung und Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127 4. Dl'uckleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128 5. Bl'ennstoffdusen ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 129 Inhaltsverzeichnis. VII Seite 6. Brennstoffpumpenantrieb ................................... 129 Nocken und Rollen ........................................ 130 Verstellung deil Einspritzzeitpunktes...... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133 Umsteuerung der Brennstoffpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133 C. RegIer ..................................................... 134 D. Zylinder und ZyIinderdeckel ............................. 138 Zylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138 Zylinderschmierung ..................................... 146 Zylinderdeckel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146 Das Sicherheitsventil ................................... 148 EntIiiftungsverschraubung und Glimmpapierhalter ......... 149 Indikatorbohrung ....................................... 149 E. Trie bwerk ................................................. 149 1. Koiben ................................................... 149 Formgebung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150 Koibenspiel .................. :............................ 152 Koibenringe ............................................... 153 Koibenbolzen ............................................. 154 2. Schubstange............................................... 158 3. Kurbelwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162 VVahl der Kurbeiversetzung ................................ 166 F. Grundplatten, Lager und Gestelle ....................... 169 Grundplatten ............................................. 169 Bauformen der Grundplatten ............................ 169 Grundplatten von Schiffsmascl;tinen ...................... 172 Beanspruchung der Grundplatten ........................ 172 Ausbildung der Grundiager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175 Gestelle .................................................. 176 Lagerschiidmotoren ..................................... . .. 178 G. LuftanIa13 und -umsteuerungen, DruckIuftbehiiJter ..... 178 GroBe des Ventilquerschnittes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180 Anzahl der beaufschiagten Zylinder ......................... 180 Dauer der VentiIerOffnung ................................ " 181 Umsteuerbare Schiffsmaschinen ............................. 182 RiickschIagventiIe am ZyIinderdeckel ........................ 183 Beschaffung der Druckluft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184 Luftflaschen und Luftieitungen ............................. 185 H. Schwungrader ............................................. 187 J. Schmierung ................................................ 189 Allgemeine Anordnung der UmIaufschmierung ................ 192 Umiaufoimenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193 Normale Olverbrauchsziffern von Zweitaktmaschinen ....... 193 Bauteile der SchmieranIage ................................. 194 Schmierapparate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194 Umlaufpumpen ......................................... 194 Schmierolfilter ......................................... 194 Schmierolkiihler ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 195 Druckregeiventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 195 VIII Inhaltsverzeichnis. Seite K. Kiihlung ............................... '" ................. 195 Kiihlwasser- und Lenzpumpen fUr Schiffsmaschinen .......... 197 L. Fundamente ortsfester Maschinen ....................... 199 M. Gesamtaufbau ............................................. 204 1. Kurbelkastenmaschinen .................................... 204 Motoren der Grazer Waggon- und Maschinenfabriks-AG ....... 205 Maschinen der Climax-Motorenwerke und Schiffswerft Linz AG. 205 Motor der Motorenwerke Mannheim AG., vorm. Benz ......... 209 Motoren der Hille-Werke AG., Dresden ...................... 212 Stufenkolbenmotor der Atlas-Diesel AB., Stockholm.......... 213 2. Zweitaktdieselmaschinen mit besonderem Geblase ............. 215 Motor der Humbold-Deutz Motorenfabrik AG. ............... 215 Motor der Nydquist und Holm (Nohab) AB ................. 217 Maschine der Atlas-Diesel AB., Stockholm................... 220 Motor der Deutschen Werke Kiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 223 Motor der Motorenwerke Darmstadt AG. (Modaag) ........... 226 N. Schiffsmaschinenanlagen .................................. 228 1. Fundamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 228 2. Wendegetriebe ............................................ 231 3. Drucklager ................................................ 231 4. Wellenleitung...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 232 5. Schrauben ................................................ 238 6. Nebeneinrichtungen bei Fischereifahrzeugen .................. 238 7. Installation ............................................... 239 Literaturverzeichnis ....................................... 241 Verzeichnis der im Abschnitt "Berechnung" verwendeten Bezeichnungen. 1 1 Ko1benkantc die Auspuffschlitze A = 427 Warmewert der Arbeits- ! abdeckt. einheit. I G,,' [kg] Gasmenge, die durch die B Festwert, der die Abkiih1ungs- I Sch1itze m jenem Zeitabschnitt verluste bei der Verdichtung: entweicht, m dem die Ko1ben kennzeichnet. i kante den Weg Yom unteren Tot rD2n punkt bis zur Oberkante der Aus = OolDrn - Vol -4-' Festwert. , puffsch1itze zuriick1egt. = VklJ Verha1tnis des Inha1tes I G,," [kg] Gasmenge, die durch den des Kurbe1kastens zum Hub-, durch das Ko1benspie1 bedingten vo1umen. Spa1t in der Zeit entweicht, die D Em] Zy1inderdurchmesser (wo an zwischen dem Absch1u13 del' Aus gegeben in dm oder mm). puffsch1itze durch die Ko1ben E Festwert, der die Undichtheits kante und dem Ubersch1eifen des verluste bei der Verdichtung ersten Ko1benringes iiber die kennzeichnet. Sch1itzkante verstreicht. F em jeder Maschine eigentiim-; H zeitwei1ig beniitzte Hi1fsgri:i13e. 1icher Festwert, der die Undicht- J nD2 heitsverluste kennzeichnet. = - 4 . s [m3] Hubvo1umen [m2] F1ache des Brennstoffpum (auch 1). penp1ungers. K zeitwei1ig verwendeter Festwert. [m2] Querschnitt der Einspritz- I L [m kg] theoretische Arbeitsfliiche dusenoffnungen. eines Verdichters. ! [kg] allgemein Gewicht. L Em] Auspuffrohrlange. [kg] Gewicht der Zy1inderladung i N [PS] Leistung. in jenem Zeitpunkt, in dem die Ne [PS] effektive Motorleistung. Ko1benkante die Auspuffsch1itz- I Nel [PS/1] Literleistung. kante iibersch1eift. , N g [PS] eff. Leistungsbedarf des [kg] Gewicht del' l1ll Kurbe1- Geb1ases. kasten befind1ichen Luft. i N gt [P S ] theoretischer Leistungs [kg] mitt1eres Gewicht del' Spii1- , bedarf des Geb1ases. 1uft im Aufnehmer. Ni [P S] indizierte Motorleistung. [kg] Spiilluftgewicht, das wah-I 0 [m2] gasberiihrte Oberflache des rend eines Spie1es gefi:irdert : Arbeitsraumes. wird : 0 [m2] gasberiihrte Oberflache des 0 G [kg] Gasgewicht, das durch Un- ' Verdichtungsraumes. " dichtheiten verlorengeht. i P [kg/m2] allgemein Druck. G' [kg] Gewicht der Zy1inderladung : P a [kg/m2] Druck im Zy1inder bei im unteren Totpunkt. I Auspuffschlitzeri:iffnung. G" [kg] Gewicht del' Zy1inderladung ! Pf [kg] Federkraft bei del' Brenn in jenem Zeitpunkt, in dem die, stoffdiise. x Verzeichnis der verwendeten Bezeichnungen. P [kg/m2] der der Geblaseleistung V [mB] Inhalt des Kurbelkastens. g k entsprechende, auf die Flache des V R [mB] Inhalt des Spulluftaufneh. Arbeitskolbens bezogene mittlere mers. Druck. V u [mB] Inhalt des Auspufftopfes. PI [kg/m2] Druck der Atmosphare. Vo EmS] Inhalt des Verdichtungs· P u [kg/m2] Druck im Auspufftopf raumes. (hinter den Auspuffschlitzen). W Hilfsgro13e.· P s [kg/m2] SpUlluftdruck. X Hilfsgro13e. Pv [kg/m2] Verdichtungsanfangs. a [m/s] Schallgeschwindigkeit. druck. ba Em] Auspuffschlitzbreite. p' [kg/m2] Druck im Zylinder bei be [g/PSh] eff. spezifischer Brenn. Abschlu13 der Auspuffschlitze stoffverbrauch. durch die Kolbenkante. bi [g/PSh] indizierter spezifischer Q [kcal] Warmemenge. Brennstoffverbrauch. R Em/Grad] Gaskonstante; fUr bp [m/s2] Beschleunigung des Brenn· Luft = 29,26. stoffpumpenplungers. Sa [dimensionslos] bezogener Zeit· bs Em] Spiilschlitzbreite, Breite des querschnitt der Auspuffschlitze. Spulluftstromes. S s [dimensionslos] bezogener Zeit· Cv [kcal/kg] spezifische Warme bei querschnitt der Spiilschlitze. unveranderlichem Volumen. T [Grad] abs. Temperatur. c [kcal/kg] spezifische Warme bei 11 T a [Grad] abs. Temperatur der La· unveranderlichem Druck. dung bei ErOffnung der Auspuff. du Em] Durchmesser der Auspuff- schlitze. leitung. Tl [Grad] abs. Temperatur der At· e Basis der natUrlichen Logarith- mosphare. men. T s [Grad] abs. Temperatur der I [m2] allgemein: Querschnitt der Spulluft im Aufnehmer. Ausflu13offnung, U ndichtheits- T u [Grad] abs. Temperatur im Aus flache. pufftopf. fa [m2] verandedicher Querschnitt Tv [Grad] abs. Verdichtungsan der Auspuffschlitze, fangstemperatur. [m2] au13ere Ringflache des T w [Grad] abs. Temperatur der Brennstoffdusenplungers. Oberflache des Arbeitsraumes. [m2] Innenflache des Brennstoff U Hilfsgro13e. dusenplungers. V [mB] Volumen (Variables Zy- Is [m2] veranderlicher Querschnitt lindervolumen). der Spiilschlitze. Va [mB] Volumen im Zylinder beim lu [m2] Querschnitt der Auspuff Uberschleifen der Kolbenkante leitung. uber die Oberkante des Auspuff- I" [m2] Flache in der Breite des schlitzes. halben Kolbenspieles, in der Ve [mB] Volumen im Zylinder beim Lange der Auspuffschlitzbreite. Uberschleifen des ersten Kolben· 9 [m/s2] = 9,81 Erdbeschleunigung ringes uber die Oberkante des ha Em] AuspuffschlitzhOhe. Auspuffschlitzes. hs Em] Spulschlitzhohe. Vg [mB/s] durch das Geblase sekund- i Zylinderzahl. lich angesaugtes Luftvolumen yom k L uftaufwandziffer. Zustand der Atmosphare. kl = 1 + Vo/J. V' g' [mB/s] yom Geblase sekundlich k2 = Va/J· gefordertes Luftvolumen yom Zu- l [m] SchubstangenIange. stande der Spulluft im Auf- m Polytropenexponent. nehmer. n U./Min, Motordrehzahl.

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