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'''V형엔진'''(V-type engine)은 하나의 크랭크축에 대해 [[실린더]]를 V형으로 배열한 기관이다. [[내연기관자동차]]에 탑재되는 가장 일반적인 [[엔진]] 형식으로, 실린더가 지그재그 형태로 배열되어 있다. V형엔진의 V라는 글자를 사용해서, [[6기통]] V형엔진을 'V6'라고 표기한다. 균형이 좋고 소형이어서 널리 사용되고 있다.
 
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2024년 3월 19일 (화) 15:12 판

V형엔진(V-type engine)

V형엔진(V-type engine)은 하나의 크랭크축에 대해 실린더를 V형으로 배열한 기관이다. 내연기관자동차에 탑재되는 가장 일반적인 엔진 형식으로, 실린더가 지그재그 형태로 배열되어 있다. V형엔진의 V라는 글자를 사용해서, 6기통 V형엔진을 'V6'라고 표기한다. 균형이 좋고 소형이어서 널리 사용되고 있다.

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개요

V형엔진은 엔진의 실린더를 V형으로 배열한 기관이다. 직렬엔진 2개가 V자로 연결된 형태이다. 직렬엔진 다음으로 내연기관자동차에 자주 사용되는 방식이다. 일반적으로 각 뱅크에 동일한 수의 실린더가 공통 크랭크 샤프트에 연결된 두 개의 실린더 뱅크로 구성되어 있다. 이 실린더 뱅크는 서로 비스듬히 배열되어 있어서 엔진 전면에서 볼 때 뱅크가 V 모양을 형성한다. V6, V8 및 V12 엔진은 각각 6개, 8개 또는 12개의 실린더가 있는 자동차 엔진의 가장 일반적인 레이아웃이다.[1] 6기통 이상의 차량은 대부분 V형 엔진을 사용한다. 흔히 볼 수 있는 V6 배지는 엔진 실린더가 V자이며 6기통 사양임을 의미한다. 일반적으로 V6 엔진은 3.0~3.8리터 배기량을 갖고 있으며, 4.0리터 이상일 경우 8기통인 V8 엔진을 사용한다. 고성능 스포츠카는 V10, V12 엔진을 사용하며, 1930년대에는 자동차용 V16 엔진도 존재했다. V형엔진의 특징은 인상적인 출력과 성능이다. V자 구성은 더 많은 수의 실린더를 수용하면서 보다 콤팩트한 디자인을 형성할 수 있다. 그 결과 상당한 마력토크가 발생하여 짜릿한 가속과 최고속도를 제공한다. 또한 다양한 구성으로 제공될 수 있는 장점이 있어 자동차 제조업체는 스포티하고 반응성이 뛰어난 V6 엔진에서 슈퍼카에서 볼 수 있는 엄청난 힘을 가진 V12 엔진에 이르기까지 다양한 성능 선호도를 충족할 수 있다.[2][3]

구조

V형엔진의 2분할된 실린더 블록은 뱅크(bank)라고 부른다. 뱅크가 좌우로 나누어져 있어서 필요한 경우엔 한쪽 열은 정지시켜 한쪽 뱅크만으로도 동력을 얻고 달리는 것이 가능하여 연비의 향상을 꾀하고 있는 모델도 있다. 하지만 각 뱅크 캠축에 들어가는 부품이 많아지고 복잡해지기 때문에 엔진의 무게가 증가하는 단점이 있다. V형 진의 뱅크는 어느 정도의 각도를 하고 있는가에 따라서, 엔진은 60˚ V 또는 90˚ V 등으로 나뉜다. 진동을 최소화하기 위해서 8기통에서는 90˚, 6기통에서는 60˚의 뱅크 각이 보통이며, 뱅크 간의 각도가 커질수록 무게중심은 낮아지지만 대신 수평대향 엔진의 단점을 가지게 된다.[4]

특징

  • 승차감 : V형엔진은 다른 엔진 유형보다 더 많은 진동을 생성할 수 있지만 이 문제를 최소화하기 위해 밸런스 샤프트와 같은 최신 엔지니어링 솔루션이 사용되었다. 결과적으로 많은 V형엔진 차량은 부드럽고 세련된 주행 경험을 제공한다. 엔진의 무게중심이 직렬 엔진보다 낮기 때문에 운동성능 측면에서도 이점을 발휘한다.
  • 배기음 : V형엔진 중에서 특히 V8에서 생성되는 독특하고 매혹적인 배기음은 마니아들 사이에서 인기가 높다. 깊고 폭발적인 굉음은 전반적인 주행 경험을 즐겁게 하고 다른 엔진과 차별되는 매력을 느낄 수 있다. 기통 수에 따라 배기음의 차이가 분명하게 나타난다.[3]
  • 럭셔리함 : V형엔진을 장착한 차량은 럭셔리하고 명성이 높은 차량인 경우가 많다. V형엔진을 사용하는 자동차 제조업체는 고급 소재, 첨단 기술 및 최고 수준의 기능을 차량에 장착하여 호화로운 운전 경험에 기여하는 경향이 있기 때문이다.
  • 정밀한 구조 : V형엔진의 설계 및 제조 방식은 다른 엔진 구성보다 더 복잡하다. 고성능 구성 요소를 포함하는 것과 함께 필요한 정밀한 가공 및 조립은 더 높은 생산 비용에 기여한다.
  • 프리미엄 구성 요소 : 고수준의 출력과 성능을 달성하기 위해 V형엔진에는 고성능 캠축, 단조 피스톤 및 고급 연료 분사 시스템과 같은 프리미엄 부품이 장착되어 있다. 이러한 구성 요소는 표준 구성 요소보다 더 가격이 높다.
  • 독점 브랜딩 : 고가의 차량을 생산하는 자동차 제조업체는 종종 브랜드 독점성을 중시한다. 라인업에 V형엔진을 사용하면 차량의 가치를 높여 더 높은 가격을 요구할 수 있다.
  • 선진 기술 : V형엔진을 장착하는 차량에는 일반적으로 고급 인포테인먼트 시스템, 운전자 지원 기능, 어댑티브 서스펜션 및 사륜구동과 같은 성능 향상 시스템을 포함한 최첨단 기술이 탑재되어 있다. 이러한 기술은 차량의 전체 비용에 추가된다.[2]

관련 엔진

수평대향 엔진

수평대향 엔진은 V형엔진의 뱅크 각도를 최대한 넓힌 수평 형태의 엔진이다. 엔진이 누워 있기 때문에 보통의 엔진처럼 피스톤 운동이 상하가 아닌 좌우로 움직인다. 피스톤이 움직이는 모습이 마치 복싱선수가 두 주먹을 날리는 모습을 닮아 박서(boxer) 엔진이라고도 불린다. 또한 F형 엔진이라고도 불리기도 하며, 수평대향 엔진만의 독특한 배기음이 특징이다. 자동차에 탑재되기 시작한 건 1903년부터이며, 개발 당시에는 피스톤이 누워 있는 상태에서 좌우로 움직이기 때문에 편마모에 취약하다는 내구성 문제가 있었다. 엔진룸의 구조 자체가 복잡하여 정비성도 좋지 못했다. 수평대향 엔진은 높이가 낮고 가로 길이가 넓다 보니 엔진의 무게중심이 낮아지면서 차량의 무게와 균형을 잡아 핸들링이 뛰어나다. 또한, 기존의 피스톤 엔진은 회전력을 일정하게 하기 위해 카운터 웨이트와 같은 평형 추가 붙어 무게가 증가하며, 크랭크축이 필요 이상의 강성을 요구받기 때문에 엔진의 효율성이 떨어지고, 엔진 전체 무게를 증가하는 원인이 된다. 하지만 수평대향 엔진처럼 실린더를 눕혀서 배치하게 되면 양쪽 실린더의 폭발력이 상쇄되어 카운터 웨이트를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 수평대향 엔진을 탑재하는 자동차로는 스바루포르쉐가 있다. 스바루는 4기통 엔진을, 포르쉐는 6기통 엔진을 사용한다. 페라리12기통 엔진을 수평대향 엔진으로 제작하기도 했고, 토요타쿠페토요타 84에도 4기통 수평대향 엔진을 장착했다. 또한 혼다바이크BMW에서도 활용된다.[4]

VR엔진

VR엔진은 V형엔진보다 뱅크각이 작고, 엔진 블록의 정면에서 바라봤을 때 실린더가 중첩되어 있어 실린더 간 간격이 좁아 V형이지만 엔진헤드를 1개만 사용하는 엔진이다. 1991년에 폭스바겐그룹에서 제작하여 현재까지 사용되고 있다. VR5라고 불리는 이 5기통 엔진은 폭스바겐의 광기 어린 실험이라고 할 수 있었던 초협각 V6 엔진인 'VR6 엔진'을 모체로 하고 있다. 폭스바겐 VR5의 모체인 VR6 엔진은 통상 60~90도 사이의 뱅크각을 가지는 일반적인 V6 엔진을 대폭 소형화하면서 직렬 6기통에 가까운특성을 얻기 위해 개발한 엔진이다. 고작 15도에 불과한 뱅크각으로 인해 V형엔진임에도 불구하고 하나의 실린더 헤드를 가지며, 골프와 같은 해치백 차종에도 탑재할 수 있을 정도로 소형화된 것이 특징이며, 여기서 실린더 1기를 제거하여 5기통으로 변환한 것이 바로 VR5 엔진이다. 폭스바겐 VR 엔진은 2.3리터의 배기량으로 150마력의 최고출력을 발휘할 수 있었다.[5]

W형엔진

W형엔진은 3개 또는 4개의 실린더 뱅크가 동일한 크랭크 샤프트를 사용하는 피스톤 엔진의 한 유형으로, 정면에서 볼 때 알파벳 W와 비슷한 형상을 하고 있다. 3개의 실린더 뱅크가 있는 W 엔진은 영국 정부의 넓은 화살표 속성 표시와 유사한 모양 때문에 브로드 애로우 엔진이라고도 한다. 보통 실린더의 수가 12개 이상이기 때문에 높은 출력을 자랑한다. V형엔진에 비해 보편적으로 쓰이지는 않는다. 또, V형엔진에 비해 더 짧고 넓다. 그래서 같은 길이에 더 많은 실린더를 넣을 수 있고 실린더의 뱅크 각이 충분히 좁다면 헤드를 하나로 합칠 수도 있다. 최초의 W형엔진 중 하나는 안자니(Anzani)의 오토바이에 사용하기 위해 1906년에 제작된 안자니 3기통이었다. 영국해협을 횡단하는 최초의 비행기인 1909 Blériot XI에 동력을 공급한 것이 W3 엔진이다. W형엔진은 V형엔진을 마치 두 개 합친 듯한 모양을 하고 있지만, 구조 면에서 형태만 비슷할 뿐 엔진이 물리적으로 두 개인 것은 아니다. V형엔진의 각 뱅크 사이에 15º 전후의 좁은 각도로 뱅크를 추가로 배치하는 방식이다. 제조하기 까다로운 만큼 가격도 높기 때문에 고가의 대형세단, 스포츠카 등에 사용된다. 대표적으로 부가티 베이론 16.4폭스바겐 W12가 있고, 골프 GTI W12-650, 벤틀리 컨티넨탈에도 올라간 적이 있다. W형엔진은 자동차 제조사의 기술력을 과시하기 위해 제작된 의도가 있어 앞으로도 소수의 고가 모델에만 적용될 전망이다.[6][7]

구성

V-트윈

V-트윈 엔진(V-twin engine)은 두 개의 실린더가 45도 각도로 배치된 2기통 엔진이다. 오토바이에 주로 쓰이고, 산업용 엔진 및 여러 소형자동차에도 사용되었다. 최초의 V-트윈 엔진은 1889년 고틀리프 다임러가 제작했다. 이 엔진은 보트용 고정식 엔진으로 사용되었다.[8] V-트윈 엔진을 사용하는 모델로는 할리 데이비슨(Harley-Davidson)과 두카티(Ducati)가 대표적이다. V형 2기통 엔진의 장점은 배기량을 많이 키워도 엔진을 얇게 만들 수 있다는 것이고, 전체적인 차체 폭도 좁아서 운동성이 좋으며, 좌우 기울임 한계가 높다. 단점은 뒤쪽 엔진 블록이 냉각에 취약하다는 점인데, 수랭식 엔진이라면 기계적으로 크게 상관없지만, 이때는 또 배기장치가 문제가 된다. 외부로 노출된 부품 중 가장 뜨거운 게 바로 배기장치다. 이것이 바람이 통하지 않는 운전자의 안장 바로 아래쪽에 꼭꼭 숨어 있기 때문에 이런 모터사이클을 타는 운전자는 달구어진 숯덩이 하나를 사타구니 사이에 끼고 있다고 생각하면 된다. 할리 데이비슨의 경우 서스펜션이 차체 하단이나 뒷바퀴 쪽에 위치해 상관없지만, 대개의 스포츠 모터사이클은 서스펜션이 뒤쪽 배기장치 부근에 있어 좋지 않은 영향을 받기도 한다.[9]

V4

V4 엔진은 4개의 실린더가 좌우 2개씩 V자를 이루며 마주보고 있는 형태의 엔진이다. V형 4기통 엔진은 직렬 4기통 엔진에 비해 크랭크샤프트 길이가 짧고, 무게중심을 낮출 수 있으며, 밸런스를 맞추기가 용이하여, 진동이 거의 없는, 깔끔한 회전질감이 장점이다. 오늘날에는 직렬 4기통 엔진 기술의 발달과 제작 단가가 높은 등의 단점으로 인해, 이륜차에서나 일부 사용되고 있는 엔진 형태다. 대부분의 V4 엔진에는 반대 실린더가 공유하는 두 개의 크랭크핀이 있다. 크랭크샤프트는 일반적으로 3개의 메인 베어링으로 지지되어 있다. 단점은 4기통 직렬 엔진에 비해 본질적으로 더 넓은 설계와 2개의 배기 매니폴드, 2개의 실린더 헤드 및 2개의 밸브 트레인(따라서 오버헤드 캠 엔진의 경우 2개 또는 4개의 캠축이 필요함)이 필요하다는 것이다. 실린더 헤드, 매니폴드 1개, 밸브 트레인 1개, 직렬 4개 엔진용 캠축 1개 또는 2개를 가지고 있다. 두 개의 개별 구성 요소 뱅크가 있으면 비용과 복잡성이 증가한다. V4 엔진은 4기통 직렬엔진보다 넓기 때문에 보조 드라이브, 흡기 시스템 및 배기 시스템을 통합하면서 콤팩트한 크기를 유지하는 것이 더 어려울 수 있다. 60° V4는 90° V4 엔진보다 더 콤팩트하지만 60° 설계는 완벽한 기본 균형을 갖지 않으므로(크랭크핀이 분할되지 않은 경우) 진동을 줄이기 위해 종종 균형 샤프트가 필요하다. 또한 공유 크랭크핀이 있는 모든 V4 엔진은 불균일하게 발사되며 잠재적으로 더 무거운 플라이 휠이 필요할 수 있다.[10][11]

V6

V6 엔진은 6개의 실린더가 좌우 3개씩 V자를 이루며 마주보고 있는 형태의 엔진이다. 가장 일반적으로 사용되는 엔진 형식이다. V6는 L6의 단점을 보완하기 위해 개발되었다. V형엔진은 보통 3개씩 2열로 나눠서 V자로 설계를 한다. 각도는 차량 제조사마다 다르지만 보통 60도를 많이 사용한다. 크랭크축의 전체 길이를 짧게 할 수 있기 때문에 고회전에서 크랭크축의 변형이 작다. 그렇기 때문에 중저속에서의 높은 토크를 얻을 수 있다. 그리고 L6보다 공간이 적기 때문에 전륜구동이나 후륜구동에 상관없이 배치가 가능하며, 부품 배열이 간단하기 때문에 제작비를 줄일 수 있다. V6 엔진은 단점이 극히 드물다. L6 엔진의 경우, 밸런스 부분에서 유리한 부분을 차지하지만 V6 엔진은 밸런스 부분에서 약간 불리하다. 그렇다고 확연하게 밸런스가 무너진 편은 아니지만, L6 엔진에 비해 진동이 세게 느껴질 수 있다.[12] V6 엔진을 개발한 자동차 제조사 중 페라리는 비록 자사의 차종에는 거의 사용하지 않지만 상당한 양의 V6 엔진을 생산해 다른 제조사에게 공급하기도 했다. 란치아(Lancia) 랠리 역사의 산 증인이었던 스트라토스(Stratos)가 대표적인 사례다. 란치아 스트라토스는 페라리 V6 엔진을 품은 채 WRC에서 3회 우승을 차지하며 란치아 랠리 역사에 굵직한 한 획을 그었다. 최근에도 페라리가 개발한 V6 엔진들은 여러 브랜드에서 사용되고 있다. 페라리 엔진의 직접적인 수혜자인 마세라티 브랜드가 대표적이다. 마세라티의 경우, 기블리콰트로포르테, 르반떼 등 볼륨 모델들에 페라리의 F160 V6 엔진을 사용한다.[13]

V8

V8 엔진은 8개의 실린더가 좌우 4개씩 V자를 이루며 마주보고 있는 형태의 엔진이다. V8 엔진은 자동차 역사의 초기부터 지금까지 다양한 형태로 만들어지고 있으며, V형엔진 중 V6 엔진과 더불어 가장 널리 사용되고 있는 형태이기도 하다. 하지만 기본적으로 큰 배기량을 갖는 탓에, 픽업트럭 수요가 많은 북미 등 일부 지역을 제외하면 대중적이지는 않다. V8 엔진은 V6나 V12와는 확연히 구분되는 특유의 거친 맥동과 파워풀한 감각을 특징으로 꼽는다. 물론 이는 어디까지나 기본 설계와 세팅에 따라 달라지는 것으로, 선입견상의 거친 V8도 분명히 존재하지만 경우에 따라 6기통처럼 매끈한 경우도 존재하는 등, 전 세계의 V8 엔진들은 각각 다양한 모습을 가지고 있다. 대한민국 완성차 업계에서 최초로 독자 개발한 V8 엔진으로는 현대자동차 타우(Tau) 엔진이 있다. 이 엔진은 현대자동차그룹의 최고급 승용차에 사용하기 위해 개발되었으며, 포지션상으로는 초대 에쿠스에 사용되었던 미쓰비시 8A8형 엔진의 개량형인 현대 오메가엔진을 대체한다. 엔진명인 타우(τ)는 그리스 문자의 19번째 문자로, 알파(α) 엔진 이래 줄곧 그리스 문자를 사용해 왔던 현대자동차의 가솔린 엔진 작명법에 따른 것이다. 일본 자동차 업계의 대표적인 V8 엔진으로는 토요타 UR 엔진이 있다. 토요타 UR 엔진은 2006년형 렉서스 LS460을 통해 처음 선보여 오늘날까지 사용하고 있는 토요타의 대표적인 V8 엔진이다. 이 엔진은 개발 주체인 토요타를 비롯하여, 렉서스 브랜드까지 폭넓게 사용 중이다. 구조 상으로는 알루미늄 실린더 블록과 마그네슘 실린더 헤드, 32밸브 DOHC(Double Over Head Cam) 방식을 사용하며, 타이밍 체인으로 구동된다. 실린더는 좌우 4개씩 90도의 뱅크각으로 짜여진다. 이외에도 크라이슬러 HEMI, 제너럴모터스 LT1 등이 있다.[14]

V12

V12 엔진은 12기의 실린더가 양쪽에 각 6기씩 V자 형태로 배열되는 엔진이다. 초고가형 슈퍼카하이퍼카, 혹은 초호화 세단을 상징하는 엔진이기도 하다. 반면 최근에는 날로 심화되고 있는 환경규제 앞에 상당수의 V12 엔진들이 퇴출 위기에 놓인 상태에 놓여 있다. V12 엔진은 자동차용 엔진으로서는 가장 호화로운 엔진 중 하나다. 오늘날 자동차에게 요구되는 성능 조건은 V8만으로도 얼마든지 구현할 수 있지만, V형 12기통 엔진은 V8이나 V10이 전달해 주지 못하는 특별함이 있다. 가장 많은 실린더 숫자와 함께, 필연적으로 대형화되는 배기량 등, 상당 수의 제원표 항목을 위압감 넘치는 숫자들로 채워 넣을 수 있다. 20세기와 21세기의 사이를 장식한 대표적인 V12 엔진 중 하나는 엔초 페라리(Enzo Ferrari)에 탑재된 페라리 F140이 있다. 실린더 뱅크각 65도의 알루미늄 블록과 DOHC 기구를 탑재한 알루미늄실린더 헤드를 사용하며, 전자제어식 연료분사 기구를 탑재한 자연흡배기(Natural Aspiration) 엔진이다. 또한 20세기 최강의 슈퍼카이자 맥라렌의 첫 로드카인 맥라렌 F1에 사용된 BMW S70은 뱅크각 60도의 알루미늄 실린더 블록과 실린더당 4밸브 구조의 DOHC 밸브트레인을 적용한 알루미늄 실린더 헤드를 사용했다. 여기에 맥라렌의 수장, 고든 머레이가 요구한 중량 제원에 맞추기 위해 상당한 부위에 마그네슘 함급을 사용하는 등, 경량화에도 엄청난 노력을 기울였다. 람보르기니 V12 엔진은 람보르기니가 창립 이래 무려 반세기 동안 함께해 온 엔진이다. 이 엔진은 반세기 동안 꾸준한 업그레이드로 성능을 지속적으로 향상시켜 나갔다. 284마력의 최고출력을 내도록 설정되어, 람보르기니의 첫 양산차인 350GT에 채용됐다.[15]

비교

V형엔진은 직렬엔진에 비해 길이를 줄일 수 있지만 폭이 넓어진다는 단점이 있다. 수평대향 엔진이 V형엔진을 최대한 넓게 편 형태라면, VR엔진은 반대로 직렬엔진과 비슷한 수준으로 좁힌 엔진이다. 일반적인 V형엔진의 실린더 간 각도가 60도에서 넓게는 120도 미만의 범위를 갖는다면, VR엔진은 15도 전후의 매우 협소한 각도를 갖는다. 외형은 사실상 직렬엔진에 가까울 정도다. VR엔진 2개를 연결시키면 W형엔진으로 변화한다. 외형상으로는 일반 V형엔진과 크게 다르지 않지만, 구조적으로 V형엔진 2개가 결합됐기 때문에 W형엔진이라고 지칭하고 있다. 다기통 엔진 2개가 결합된 만큼 W형엔진은 8기통부터 시작해 12기통16기통까지 존재하고 있다. W12 엔진을 사용하는 대표적인 브랜드는 벤틀리(Bentley)가 있으며, W16 엔진은 부가티(Bugatti)가 사용하고 있다.[3]

각주

  1. V 엔진〉, 《위키백과》
  2. 2.0 2.1 자CAR르타, 〈고급 차량에 주로 쓰이는 V형 엔진의 특징에 대해 알아보자.〉, 《네이버 블로그》, 2023-10-04
  3. 3.0 3.1 3.2 뉴스팀, 〈[자동차 상식] 당신의 엔진은 어떻게 생겼습니까?〉, 《오토뷰》, 2015-06-03
  4. 4.0 4.1 김서현, 〈내연기관 자동차의 심장, 엔진 이야기〉, 《타고》, 2021-02-18
  5. 박병하 기자, 〈4기통와 6기통 사이, 5기통 엔진들〉, 《모토야》, 2019-01-01
  6. W형 엔진〉, 《나무위키》
  7. 다키포스트, 〈I, V, F, W ? 보기는 했지만 아무도 알려주지 않았던 엔진 표현들〉, 《네이버 포스트》, 2017-11-04
  8. V-트윈 엔진〉, 《위키백과》
  9. 바이크의 심장, 엔진에 관한 이야기〉, 《네이버 지식백과》
  10. V4 엔진〉, 《위키백과》
  11. 박병하 기자, 〈[차갑고도 뜨거운 심장, 엔진]란치아 V4 엔진 편〉, 《모토야》, 2017-07-06
  12. coolroly, 〈[자동차상식] V6엔진이란?〉, 《티스토리》, 2020-04-07
  13. 박병하 기자, 〈페라리의 첫 V6 스포츠카, '디노' 이야기〉, 《모토야》, 2021-06-28
  14. 모토야, 〈폭발하는 힘, 폭발하는 감성 – 세계의 V8 엔진들 상편〉, 《모토야》, 2019-08-14
  15. 박병하 기자, 〈슈퍼카를 위한 특별한 심장, V12〉, 《모토야》, 2018-12-28

참고자료

같이 보기


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