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Dokumentenidentifikation DE602004004357T2 11.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001541816
Titel Elektromagnetischer Antrieb mit inhärenter Abbremsung der Betätigung zwischen Grenzstellungen
Anmelder BorgWarner Inc., Auburn Hills, Mich., US
Erfinder Simpson, Roger T., Ithaca New York, 14850, US
Vertreter Viering, Jentschura & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 602004004357
Vertragsstaaten DE, FR, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.12.2004
EP-Aktenzeichen 040286643
EP-Offenlegungsdatum 15.06.2005
EP date of grant 17.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse F01L 9/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01F 7/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F01L 1/46(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Bezug auf verwandte Anmeldungen

Diese Anmeldung beansprucht eine Erfindung, welche in der am 12.10.2003 eingereichten, vorläufigen Anmeldung Nr. 60/528,465 mit dem Titel "Electromagnetic actuator having inherently decelerating actuation between limits" ("Elektromagnetischer Antrieb mit inhärenter Abbremsung der Betätigung zwischen Grenzstellungen") offenbart wurde.

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Ventil-Antriebssysteme von der Art, welche in EP A 1215370 offenbart wurde. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein elektromagnetisches Ventil-Antriebssystem, das die Tellerventile eines Verbrennungsmotors öffnet und schließt.

Beschreibung des Standes Technik

Herkömmlich weisen Ventiltriebe von Verbrennungsmotoren Tellerventile auf, die in Richtung einer Ventil-geschlossen-Stellung federbelastet sind. Die Tellerventile werden entweder mittels eines Mechanismus mit oben liegender Nockenwelle oder mittels eines Nocken- und Ventilstangen-Mechanismus auf offen voreingestellt. In jedem Fall ist die Nockenwelle verbunden mit und sie dreht sich in Synchronisation mit einer Motorkurbelwelle, um jedes Ventil in vorbestimmten Zeitabständen, wie sie von der Position der Nocken an der Nockenwelle definiert sind, zu öffnen und zu schließen. Daher wird die Reihenfolge und der Hubabstand jedes Ventils von der Position und der Größe der Nocken an der Nockenwelle festgelegt und die Frequenz der Betätigung jedes Ventils ist proportional zu der Motorkurbelwellendrehzahl.

Solche Direktantriebsanordnungen legen die Ventiltriebbetätigung fest und beschränken dadurch die Motorleistung, weil die ideale Ventilsteuerzeit variiert und nicht über den vollen Bereich der Motordrehzahl fixiert ist. Daher wäre es wünschenswert, eine indirekte Antriebsanordnung einzubeziehen, in welcher der Ventiltrieb nicht festgelegt ist, sondern bezüglich jedes Ventils unabhängig variabel ist. Solche Faktoren wie Hubabstand, Hubgeschwindigkeit, und Setzgeschwindigkeit könnten für jedes Ventil unabhängig variiert werden. Diese Faktoren können variiert werden, um den Gasaustausch des Motors zu verbessern, um die Leistung, die Treibstoffersparnis zu erhöhen oder Emissionen zu reduzieren. Die Vorrichtungen zum variablen zeitlichen Steuern der Nocken (VCT) des Standes der Technik ermöglichen es, den Ventiltrieb bezüglich der Motorkurbelwellendrehzahl variabel zu synchronisieren, aber sie ermöglichen keine unabhängige Variabilität der Ventile.

Auf Grund der oben beschriebenen Einschränkung von VCT-Vorrichtungen sind viele Erfinder vom Direktantrieb und VCT-Bauweisen zu Gunsten von elektromagnetischen Ventil-Antriebssystemen abgekommen. Solche Systeme haben das Potential, den Gesamtwirkungsgrad der Motoren durch Reduzieren von Reibungsverlusten, die mit dem herkömmlichen Ventiltrieb verbunden sind, und durch Reduzieren von schweren Bauelementen, wie z.B. der Nockenwelle, der Kette, der Kettenzahnräder und VCT-Vorrichtungen zu erhöhen. Solche Systeme sind auch in der Lage, bestimmte Ventile zu schließen, um dem Motor zu erlauben, als "kleinerer", effizienterer Motor unter Hochgeschwindigkeits-/Niederdrehmomentsbedingungen zu laufen. Leider gewannen jedoch diese elektromagnetischen Ventiltriebe in erster Linie auf Grund einer wesentlichen Erhöhung der Teilezahl, einer geringen Ventilsetz-Zuverlässigkeit, einer erhöhten Lautstärke, Vibration und Härte (NVH) während des Betriebs keine verbreitete Akzeptanz auf dem Markt.

Diese Antriebssysteme verwenden scheibenartige Anker, die an dem Ventil sicher befestigt sind und zwischen ringartigen Zug-Elektromagneten axial gefangen sind. Die Elektromagnete weisen Pole an einem Ende auf, die den Anker sowohl zu einer Offen- als auch einer Geschlossen-Stellung gegen die entsprechenden Pole der Elektromagneten ziehen. Da sich das Ventil unter normalen Betriebsbedingungen erwärmt, dehnt sich das Ventil leider in der Länge aus und hat keine Chance, sich zu setzen, bevor der Anker an dem entsprechenden Pol gestoppt wird. Ferner resultiert erhöhtes NVH (Geräusche, Vibration und Härte) daraus, dass das Ventil und der Anker gegen ihre jeweiligen gepaarten Flächen stoßen. Dies ergibt sich daraus, weil die Kraft auf den Anker mit der dritten Potenz anwächst, wie der Abstand zwischen dem Anker und dem Pol abnimmt. Daher beschleunigt der Anker, wenn er sich dem Pol nähert, und die Kraft auf den Anker wird gerade dann maximal, wenn der Anker mit dem Pol in Kontakt tritt.

Ein Überblick über den Stand der Technik liefert eine große Anzahl von elektromagnetischen Ventilantriebsvorrichtungen, die auf das Lösen von Ventilsetzproblemen und NVH während des Betriebs gerichtet sind. Z.B. verwenden die US Patente 4,455,543 (Pischinger et al.) und 4,749,167 (Gottschall) Federsysteme, die an Elektromagnet-Ankern angebracht sind, um ein Ventil zu der vollständig geöffneten oder geschlossenen Stellung hin abzubremsen. Das US Patent 4,515,343 (Pischinger et al.) verwendet eine Balg-Vorrichtung, die innerhalb eines elektromagnetischen Antriebs koaxial befestigt ist, um den Abstand zwischen dem Ventilsitz und dem elektromagnetischen Pol anzupassen, sodass er dem Abstand zwischen dem Ventilkopf und dem elektromagnetischen Anker entspricht, sodass ein gewünschtes Maß an Dämpfung beständig erreicht wird. Das US Patent 5,878,704 (Schebrtz et al.) verwendet eine Schalldämpfungsschicht, die zwischen die Elektromagneten des elektromagnetischen Antriebs eingeschoben ist, um Vibration von dem gegen die Pole der Elektromagneten schlagenden Anker zu absorbieren. Das US Patent 5,592,905 (Barn) ersetzt schwere Eisenanker durch einen leichten leitfähigen Anker, der durch Variieren des dem Anker zugeführten Stromes fein abgestimmt gesteuert wird. Die US Patente 5,647,311 (Liang et al.) und 6,003,481 (Pischinger et al.) verwenden jeweils mindestens einen Hilfsmagnet und einen Hilfsanker, um eine zusätzliche Steuerung der Schließkraft des Ventils zu liefern. Schließlich verwenden die US Patente 5,636,601 (Moriya et al.), 5,671,705 (Natsumoto et al.) und 6,016,778 (Koch) Steuerschaltungen, um den den Elektromagneten zugeführten Strom gemäß der Änderung der Betriebstemperaturen zu variieren, um ein kontrollierteres Setzen des Ventils zu erreichen.

Alle der oben aufgelisteten Referenzen haben erhebliche Nachteile, die ihre Verwendung auf dem Markt unwahrscheinlich machen. Erstens sind einige auf einen einzigen Ventilhubabstand beschränkt und ziehen somit keinen vollen Vorteil aus möglichen Motorwirkungsgraden und arbeiten mit einem festen scheibenartigen Anker, der sich gegen den elektromagnetischen Pol setzen kann, bevor sich der Ventilkopf auf den Ventilsitz setzt. Andere beziehen teuere zusätzliche Bauteile, wie z.B. Bälge, stromführende Anker, Dämpfungsvorrichtungen und zusätzliche Elektromagneten und Anker ein. Schließlich beziehen andere komplizierte Steuerschaltungen ein, um die inhärenten Hardwareprobleme des Standes der Technik zu überwinden. Solche Steuerschemata sind mit der schwierigen Aufgabe konfrontiert, den Strom des Elektromagneten schnell genug zu reduzieren, um den beschleunigenden Anker zu verlangsamen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ventil-Antriebssystem nach Anspruch 1. Ein elektromagnetisches Ventil-Antriebssystem zum Steuern des Betriebs eines Ventils in einem Verbrennungsmotor weist ein Ventil auf, das einen Ventilschaft mit einem Ventilkopf an einem Ende aufweist. Das Ventil ist entlang der Längsmittelachse des Ventilschaftes hin und her bewegbar, um den Ventilkopf zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung abwechselnd zu bewegen. Eine erste Spule ist an einem ersten laminierten Kern positioniert, der ein Spiel und eine Dicke aufweist. Eine zweite Spule ist an einem zweiten laminierten Kern positioniert, der ein Spiel und eine Dicke aufweist. Die Spiele des ersten und des zweiten Kerns sind zueinander ausgerichtet. Ein Anker an dem Ventilschaft geht so durch das Spiel des ersten und des zweiten laminierten Kerns, dass, wenn der Anker in beiden der Spiele zentriert ist, mindestens ein Bereich leicht über die Dicke des anderen laminierten Kerns hinausgeht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 zeigt einen schematischen Aufriss, teils als Querschnitt eines elektronischen Ventil-Antriebssystems (EVA) gemäß dem Stand der Technik.

2 zeigt eine Draufsicht des elektronischen Ventil-Antriebssystems (EVA) gemäß der vorliegenden Erfindung.

3 zeigt eine perspektivische Ansicht des EVA-Systems der 2.

Die 4A und 4B zeigen eine Querschnittsansicht längs der Linie 4A-4A der 2, die das Motorventil geschlossen bzw. offen zeigt.

5 zeigt eine Draufsicht eines elektronischen Ventil-Antriebssystems gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel.

Die 6A und 6B zeigen eine Querschnittsansicht längs der Linie 6A-6A der 5, die das Motorventil geschlossen bzw. offen zeigt, in einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

7A, 7B und 7C zeigen eine schematische Ansicht eines Steuersystems zum Steuern des Betriebs der vorliegenden Erfindung und die Beziehungen des Stroms zu der Stellung in Systemen mit offenem und geschlossenen Regelkreis.

8 zeigt eine Ansicht von oben nach unten des oberen Lamellenkerns, der den Weg der magnetischen Kraft umfasst.

9 zeigt ein Schema der Beziehung zwischen dem Ventilschaft und dem Anker des elektronischen Ventil-Antriebssystems der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die 1 des Standes der Technik stellt ein bekanntes elektronisches Ventil-Antriebssystem (EVA) in einem Verbrennungsmotor dar, in dem ein Ventilschaft 12 mit einem einstückigen Kopf 14 innerhalb eines Motorblocks 16 hin und her bewegt wird. Die Hin- und Herbewegung des Ventilschafts 12 ist wirksam, um den Ventilkopf 14 abwechselnd in eine Geschlossen-Stellung und eine Offen-Stellung zu bringen, in der Geschlossen-Stellung sitzt der Ventilkopf 14 auf einem Ventilsitz 18 des Motorblocks 16. In der Offen-Stellung, welche in der 1 des Stands der Technik gezeigt ist, ist der Ventilkopf 14 von dem Sitz 18 entfernt, wodurch ein Fluss in einen Zylinder (nicht gezeigt), zu dem der Ventilschaft 12 gehört, oder aus ihm heraus verhindert oder ermöglicht wird.

Der Ventilschaft 12 trägt einen Anker 20 und die Hin- und Herbewegung des Ventilschafts 12 wird durch das Einschalten der einen oder anderen der voneinander mit einem Abstand auf gegenüberliegenden Seiten des Ankers 20 angeordneten ringförmigen oder U-förmigen elektromagnetischen Spulen 22, 24 verursacht. Wenn keine der Spulen 22, 24 eingeschaltet ist, ist der Ventilschaft 12 auf eine neutrale oder Gleichgewichts-Stellung, welche zwischen seiner geschlossenen und voll geöffneten Stellung liegt, mittels Druckfedern 26, 28 voreingestellt, die an gegenüberliegenden Seiten des Ankers 20 wirken. Der Ventilkopf 14 wird an seine Geschlossen-Stellung durch Einschalten der Spule 22 gezogen, welche den Anker 20 zu sich zieht, und er wird durch Einschalten der Spule 24, welche den Anker 20 zu sich zieht, zu seiner Offen-Stellung gezogen. Die Geschwindigkeit der Bewegung des Ankers in Richtung der Geschlossen-Stellung des Ventilkopfs 14 wird durch eine Erhöhung der Kraft, die auf den Anker 20 ausgeübt wird, mittels der Druckfeder 26 bezüglich der, die durch die Druckfeder 28 auf den Anker 20 ausgeübt wird, verlangsamt, um dadurch irgendeinen Aufprall durch den Ventilkopf 14 gegen den Ventilsitz 18 beim Schließen des Ventils abzuschwächen. Die Spulen 22, 24 werden mittels Strom von der Steuerschaltung 32 selektiv eingeschaltet.

Die 1 des Stands der Technik erfordert zwei Federn, um den korrekten Betrieb zu gewährleisten, und dies ist eine mechanische Komplexität, die die Kosteneffizienz der Erfindung eines solchen Ausführungsbeispiels beeinträchtigt. Ferner ist die auf den Anker 20 von den Spulen 22 und 24 ausgeübte Belastung eine inverse Funktion der ersten Kraft des Abstandes zwischen dem Anker 20 und den Spulen 22 und 24. D.h., dass die Kraft des Ankers am Ende der Bewegung größer ist, wenn der Anker zu den Spulen 22 und 24 am nächsten ist.

Ferner ist es auf Grund der relativ hohen Geschwindigkeit des Betriebs eines Verbrennungsmotorventils schwierig, eine elektromagnetische Kraft an dem Ventil 12 durch Reduzieren des Stroms zu der Spule 22 zu steuern, wenn der Anker 20 zu der Spule 22 durch elektrische Energie gezogen wird, die durch sie hindurchfließt. Um diese Probleme zu lösen, ist es notwendig, dass der Anker 20 in der vollständig gesetzten Stellung des Ventils 14 von der Spule 22 in einem ziemlich erheblichen Abstand beabstandet ist, und dies erfordert einen etwas längeren als den gewünschten Ventilschaft 12 und beeinträchtigt die Häusungseffizienz des Systems der 1 des Standes der Technik.

Die 2, 3, 4A und 4B zeigen ein elektronisches Ventil-Antriebssystem (EVA) für einen Verbrennungsmotor, das einen Ventilschaft 42 aufweist, der einen einstückigen Kopf 44 aufweist, der innerhalb des Motorblocks 46 hin und her bewegt wird. Der Ventilschaft 42 geht durch ein Spiel in den laminierten Kernen 52, 54 hindurch. Die laminierte Kerne 52, 54 enthalten jeweils elektromagnetische Spulen 51, 53. Die Ventilführungen 56 halten den Ventilschaft 42 zwischen den zwei elektromagnetischen Spulen 51, 53 ausgerichtet. Die Ventilführungen 56 können Halterungen oder bevorzugt Positionssensoren, z.B. piezoelektrische Positionssensoren sein. Zwischen den Ventilführungen 56 befindet sich der Anker 50, der an dem Schaft 42 montiert ist.

Der geschlossene Regelkreis für den Positionssensor, bevorzugt ein piezoelektrischer Positionssensor, ist in 7A gezeigt. Der Sensor 56 wird mit einem Sollwert 72 abgestimmt, der einem Fehlerdetektor 58 eingeprägt wird. Der Fehlerdetektor 58 erzeugt ein Fehlersignal, das auf der Positionsabweichung des Ventilschafts 42 von seiner Offen-Stellung, wie sie in 4B gezeigt ist, basiert. Das Fehlersignal wird dann an den Treiber 60 gesendet. Der Treiber 60 gibt ein Signal an die Spulen 51, 53, das das Einschalten oder das Ausschalten der Spulen bewirkt, um zu bewirken, dass sich das Ventil entweder in Offen- oder Geschlossen-Stellung befindet. Dieses Signal wird dann zurück an den Positionssensor 56 gesendet. 7B zeigt die Beziehung des Stroms gegenüber der Stellung in einem System mit offenem Regelkreis. In dem System mit offenem Regelkreis liegt etwas Hysterese vor, wenn sich das Ventil zu der Offen- und der Geschlossen-Stellung bewegt. 7C zeigt die Beziehung des Stroms gegenüber der Stellung in einem System mit geschlossenem Regelkreis. Es liegt keine Hysterese vor.

Wie in den 4A und 4B gezeigt, weist das Ventil zwei Stellungen, geöffnet und geschlossen auf. In der Geschlossen-Stellung, die in 4A gezeigt ist, ist die obere elektromagnetische Spule 51 eingeschaltet, die den Anker 50, der an dem Ventilschaft 42, wie in 9 gezeigt, montierbar angebracht ist, so in Richtung der oberen Spule 51 zieht, dass der einstückige Kopf 44 in Kontakt mit dem Motorblock ist. Die magnetische Kraft an dem Anker 50 erhöht sich, bis der Anker zwischen der oberen Gruppe der Magnetspulen 51 zentriert ist, wo die magnetische Kraft 0 ist. Ein Beispiel des Weges der magnetischen Kraft in einer elektromagnetischen Spule, wenn sie eingeschaltet ist, ist in 8 gezeigt. Ein kleiner Abschnitt des Ankers ist zu der unteren Gruppe der Spulen 53 exponiert und eine kleine magnetische Kraft liegt vor. Jedoch ist die magnetische Kraft nicht groß genug, um den Anker 50 zu bewegen, wenn die obere Gruppe der Spulen 51 eingeschaltet ist und die untere Gruppe der Spulen 53 ausgeschaltet ist.

In der Offen-Stellung, die in 4B gezeigt ist, ist die untere Spule 53 eingeschaltet, die den Anker 50, der montierbar an dem Ventilschaft 42 angebracht ist, in Richtung der unteren Spule 53 zieht, wodurch bewirkt wird, dass sich der einstückige Kopf vom Motorblock löst. Die magnetische Kraft an dem Anker 50 erhöht sich, bis der Anker zwischen der unteren Gruppe der Spulen 53 zentriert ist, wo die magnetische Kraft 0 ist. Ein Beispiel des Weges der magnetischen Kraft in einer elektromagnetischen Spule, wenn sie eingeschaltet ist, ist in 8 gezeigt. Ein kleiner Abschnitt des Ankers ist zu der oberen Gruppe der Spulen 51 exponiert und eine kleine magnetische Kraft liegt vor. Jedoch ist die magnetische Kraft nicht groß genug, um den Anker 50 zu bewegen, wenn die untere Gruppe der Spulen 53 eingeschaltet ist und die obere Gruppe der Spulen 51 ausgeschaltet ist.

Die 5, 6A und 6B zeigen ein alternatives elektronisches Ventil-Antriebssystem (EVA) für einen Verbrennungsmotor. In diesem Ausführungsbeispiel liegt eine strap-drive-Rückholfeder 62 an der Oberseite eines Abstandshalters 64 und ist vorsichtshalber als Fehlersicherung vorhanden, die die Ventile in dem Fall schließt, dass das System versagt oder der Strom abgeschaltet wird. Das elektronische Ventil-Antriebssystem (EVA) öffnet und schließt die Ventile in ähnlicher Weise zu der, die in dem vorherigen Ausführungsbeispiel offenbart wurde, und wird hier mittels Bezug darauf wiederholt.

Folglich ist zu verstehen, dass die Ausführungsbeispiele der Erfindung, die hierin beschrieben wurde, bloß veranschaulichend für die Anwendung der Prinzipien der Erfindung sind. Der Bezug hierin auf Details der dargestellten Ausführungsbeispiele soll nicht den Bereich der Ansprüche einschränken, welche selbst diese Merkmale zitieren, die als für die Erfindung wesentlich betrachtet werden.


Anspruch[de]
Elektromagnetisches Antriebssystem für die Steuerung des Betriebes eines Ventils in einem Verbrennungsmotor, das ein Ventil, das einen Ventilschaft (42) mit einem Ventilkopf (44) an einem Ende aufweist und das Ventil (42) zum abwechselnden Bewegen des Kopfes (44) zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung entlang einer Längsmittelachse des Schaftes (42) hin- und herbewegbar ist, und das elektromagnetische Antriebssystem umfasst:

– eine erste Spule (51), positioniert auf einem ersten Lamellenkern (52), der ein Spiel und eine Dicke aufweist:

– eine zweite Spule (53), positioniert auf einem zweiten Lamellenkern Kern (54), der ein Spiel und eine Dicke aufweist und das Spiel im ersten Lamellenkern (52) und das Spiel im zweiten Lamellenkern (54) miteinander ausgerichtet sind;

– einen Anker (50) am Ventilschaft (42), hin- und herbewegbar damit, der so durch das Spiel des ersten Kernes (52) und das Spiel des zweiten Lamellenkerns (52) geht, dass der Anker (50) sowohl im Spiel des ersten Lamellenkerns (52) als auch im Spiel des zweiten Lamellenkernes (54) zentriert ist, wobei ein kleiner Teil des Ankers (50) leicht über die Dicke des ersten (52) oder des zweiten Lamellenkerns (54) hinaus geht bzw. einer geringen magnetischen Kraft ausgesetzt ist;

– wobei, wenn der Anker (50) im Spiel des ersten Lamellenkernes (52) zentriert ist und der zweite Lamellenkern (54) erregt wird, sich die magnetische Kraft am Anker (50) erhöht bis der Anker (50) im Spiel des zweiten Lamellenkerns (54) zentriert und die magnetische Kraft null ist;

– wobei, wenn der Anker (50) im Spiel des zweiten Lamellenkerns (54) zentriert ist und der erste Lamellenkern (52) erreget wird, sich die magnetische Kraft am Anker (50) erhöht bis der Anker (50) im Spiel des ersten Lamellenkern (52) zentriert und die magnetische Kraft null ist.
Elektromagnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei in der ersten Stellung der Ventilkopf (44) des Ventils einen Motorblock (46) berührt. Elektromagnetisches Antriebssystem nach Anspruch 2, wobei das Ventil in seiner ersten Stellung geschlossen ist. Elektromagnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Ventilkopf (44) des Ventils in der zweiten Stellung keinen Motorblock (46) berührt. Elektromagnetisches Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei das Ventil in der zweiten Stellung offen ist. Elektromagnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1, das außerdem eine Rückholfeder vom Typ strap-drive-Antrieb (62), gekoppelt mit dem Ventilschaft (42), umfasst. Elektromagnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1, das außerdem einen Positionssensor (56) zum Abtasten der Stellung des Ventilschaftes (42), wenn er sich zwischen der ersten und der zweiten Stellung bewegt, umfasst. Elektromagnetisches Antriebssystem nach Anspruch 7, das außerdem ein Steuersystem zur Steuerung der Erregung der ersten Spule (51) und zweiten Spule (53) als Funktion eines Signals vom Positionssensor (56), umfasst.






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