CN101932817B - 启动发动机的方法及发动机 - Google Patents

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Abstract

一种用于启动发动机的方法，该方法包括：使活塞在TDC位置与BDC位置之间通过多个往复运动在气缸内往复，且使排气门与在正常燃烧循环期间相比关闭较久；并且当排气门关闭时，在压缩运动和排气运动中的至少一个的至少一部分内使进气门打开。还公开了一种发动机。

Description

启动发动机的方法及发动机
技术领域
本发明涉及一种用于启动发动机的方法及发动机，更具体地涉及一种用于启动冷发动机的方法。
背景技术
内燃发动机具有其操作是最佳的某些条件，以及其操作不太佳的某些条件。例如，柴油发动机的气缸中的燃料在温度太低时可能不发生燃烧。对该温度的典型解决方法是例如通过进气歧管附近的空气加热器或电热塞加热空气供给。期望提供不需要额外的装备的加热空气的装置。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种用于启动发动机的方法。发动机包括至少一个气缸设备，该气缸设备包括：具有至少一个进气门和至少一个排气门的气缸；用于将燃料喷射到气缸内的燃料喷射器；适于在TDC位置和BDC位置之间通过进气运动、压缩运动、膨胀运动和排气运动在气缸内往复的活塞；以及用于打开和关闭排气门的装置，该打开和关闭装置在发动机的正常运行期间根据正常燃烧循环打开和关闭排气门。该方法包括：使活塞在TDC位置和BDC位置之间通过多个往复运动在气缸内往复，且使排气门与在正常燃烧循环期间相比关闭较久，并且当排气门关闭时，在压缩运动和排气运动中的至少一个的至少一部分内使进气门打开。
根据本发明的另一方面，发动机包括气缸设备，该气缸设备包括：气缸；用于打开和关闭与气缸的流动连通的进气门和排气门；适于在TDC位置和BDC位置之间通过进气运动、压缩运动、膨胀运动和排气运动在气缸内往复的活塞；适于将燃料喷射到气缸内的燃料喷射器；和用于打开和关闭排气门的装置，该打开和关闭装置在发动机的正常运行期间根据正常燃烧循环打开和关闭排气门。控制器适于控制向气缸的燃料喷射，以及进气门和排气门的打开和关闭，控制器设置成当活塞在TDC位置和BDC位置之间通过多个往复运动在气缸内往复时，使排气门与在正常燃烧循环期间相比保持关闭较久，而且当排气门关闭时，在压缩运动和排气运动中的至少一个的至少一部分内使进气门打开。
附图说明
通过结合附图阅读以下详细说明能更好地理解本发明的特征和优点，在附图中，类似的附图标记表示类似的元件，且在附图中：
图1a-1m示意性示出根据本发明的一方面的发动机在发动机的运行循环的不同阶段中的气缸设备；
图2示意性示出根据本发明的一方面的包括多种气缸设备的发动机；并且
图3是示出根据本发明的一方面的涉及冷启动运行的步骤的流程图。
具体实施方式
图1a-1m示出根据本发明的一方面的发动机21(图2)的气缸设备23。尽管本发明的各方面适合结合任何类型的发动机使用，但是目前设想本发明的各方面将特别适合结合压燃式发动机使用，且除非其他地方另外表明，为了示出描述了柴油发动机和方法。
发动机21包括至少一个气缸设备23。每个气缸设备23包括气缸25以及用于打开和关闭与气缸的流体连通的进气门27和排气门29。气缸设备23还可包括活塞31和燃料喷射器33，活塞31适于在气缸25中在上死点(TDC)位置(例如图1b、1d、1f、1h、1j和1l)和下死点(BDC)位置(例如图1a、1c、1e、1g、1i、1k和1m)之间往复运动，燃料喷射器33适于将燃料(从燃料源，未给出)喷射到气缸内。
发动机21还包括控制器35，例如常规的电子控制单元，通常包含计算机。控制器35适于控制燃料喷射进入气缸，并控制进气门27和排气门29的打开和关闭，例如通过可变气门致动器(VVA)37的控制操作或通过常规的凸轮和摇臂设备(未给出)，其中控制器通过改变并固定摇臂的位置来控制打开和关闭。
控制器35可以进一步设置成(例如通过编程序)：当活塞31在气缸25中通过多个往复运动而往复运动于TDC和BDC位置之间时，使排气门29保持在关闭位置，如图1a-1g所示，上述往复运动包括进气运动、压缩运动、膨胀运动以及排气运动。控制器35还能设置成：当活塞在TDC和BDC位置之间往复运动时，将排气门29在关闭位置保持为与排气门在发动机的正常运行期间相比关闭较久。这里所使用的“较久”的意思是指燃烧循环的较久部分，且不必是在耗费时间意义上的较久。为了讨论的目的示出了其中排气门29在活塞往复运动的整个时间内关闭的发动机的实施例，但是，应理解，与本发明方面一致，对于往复运动的一些部分，控制器35可比在发动机的正常操作过程中打开排气门少，而是使其在整个运动中保持关闭。对排气门处于“关闭”的参考将理解为包括排气门在整个燃烧循环中关闭，以及与在正常燃烧循环期间相比关闭较久，除非另外表明。表达“往复运动”预期指的是从TDC到BDC到TDC的运动或者从BDC到TDC到BDC的运动，而不仅是从TDC到BDC或从BDC到TDC的运动。控制器35可设置成以任何合适方式控制活塞31的往复运动，例如通过操作常规的启动器设备来转动摇臂(未给出)，这则引起活塞往复运动。
控制器35还可设置成以不同于正常燃烧期间的时间长度、即以较久或较短的持续时间来控制进气门27的打开和关闭。但是，当排气门被关闭以使任何“空气弹簧”效果最小时，控制器35在压缩运动和/或排气运动中的至少一个过程中保持进气门27打开。例如，控制器35可控制进气门27保持打开较久的时间，以有利于与发动机的进气歧管流动连通。控制器35可控制城在活塞的一个或多个往复运动内使进气门27保持完全打开或完全关闭。
在进气门27关闭的每一个压缩冲程中，气缸25中的空气被压缩，从而被加热。在随后的进气冲程中，气缸25中的、已经被压缩和加热的空气一般比气缸外较冷的空气(如进气歧管39(图2)中的空气)温度高，且可流出气缸，从而使气缸外的空气(例如进气歧管中的)变暖。因为进气空气和气缸25中压缩的、加热的空气在压缩冲程过程中以及在活塞31的每次往复运动过程中不通过关闭的排气门29排出，所以气缸中的空气变得更暖。
活塞31在排气门29关闭时能往复预定的次数，直到预期气缸25中的温度充分高以便发生点燃。例如，对于不同的发动机能在不同的温度下建立模型，以确定为了使气缸中的温度达到预期发生点燃的预定温度，活塞31必须在气缸25中往复运动多少次循环。控制器35能接收与环境温度对应的信号，且能使排气门29保持关闭，直到气缸25往复通过预定次数的往复运动且预期气缸25中的温度充分高。这样，启动过程中的碳氢化合物排放能被减少，因为包含的燃料不会因低温而点燃，使得气缸排放降低。
可选地或除气缸25中温度升高的模型建立以外，还能提供用于感测气缸25中或气缸25附近的温度的温度传感器41。温度传感器41可包括设置在气缸25中的探针，或者温度传感器可设置在气缸外面，例如在进气歧管39中。温度传感器41当然能设置在气缸25和进气歧管39中，或者一些其他合适的位置。温度传感器41能将与气缸25中的温度对应的信号发送到控制器35。控制器35能设置成仅在气缸25中的温度达到预定的温度(通常为预期发生点燃的温度)之后控制燃料喷射器33喷射燃料。这样，启动过程中的碳氢化合物排放能被降低，因为包含的燃料不会因低温而点燃使得气缸排放降低。
如图3所示，当在步骤101对发动机提供发动机启动命令时，能在步骤103提供另一温度传感器(未给出)来感测环境温度。控制器35能编制程序，以当环境温度等于或大于某一预定的期望温度时，根据步骤105所示的正常启动程序启动发动机。当然，控制器35也能编制程序，以通过此处所述的“冷启动”程序始终启动发动机，其中排气门29与在正常燃烧循环期间相比关闭较久，如图3的虚线所示。发动机能在图3的步骤107开始冷启动。
对于进行燃料喷射有几种选择，如通过步骤109-1、109-2和109-3所示的三种这样的选项所示，它们预期是燃料能被喷射的方式的示例，而不是限制性。在控制器35控制了排气门29的关闭，使得气缸中或附近的T测量大于或等于T期望之后，能在步骤109-1进行燃料喷射。可选择地，在控制器35控制了排气门29的关闭预定量的往复运动之后，能在步骤109-2进行燃料喷射，数量N作为可包括一个或多个T环境、P环境或增压压力P增压的变量的函数来计算。另一选择是，当控制器35控制了排气门29的关闭时，例如在曲柄旋转过程中第一次(或随后)往复运动过程中或者通过多次喷射事件，能在某一预定的时间下在步骤109-3进行燃料喷射。
如图1i-1m所示，控制器35能设置成在保持排气门关闭直到温度为预定的温度或预定次数或循环(通常为如图1d-1g所示喷射燃料之后活塞的至少一次往复运动)之后，根据正常的燃烧循环来控制进气门27和排气门29的打开和关闭。而且，控制器35能设置成根据与正常操作不同的循环来控制进气门27和排气门29的打开和关闭。通过在排气门29关闭时往复运动活塞31，喷射的燃料往往会与空气预混合，且相比于如果燃料以喷洒喷射同时活塞在TDC或附近且进气门和排气门在常规的燃烧操作中关闭(如图1l所示)，能在进气门27和排气门关闭(如图1h所示(示出了预混合燃料的压缩)和1i(示出了燃烧))时更好地点燃。另外，因为活塞31在气缸25中通过一次或多次往复运动，则气缸中混合物的温度更暖，且混合物一般更适于点燃。
应理解的是，在有利于燃料和空气混合的燃料喷射(即，图1e-1g所示的运动能重复多次)之后，活塞31能在排气门29关闭时往复运动多次。还应理解的是，燃料喷射能在活塞的开始往复运动期间进行，且在燃料喷射之前不需要活塞的往复运动(即图1a-1b所示的运动能省略)。如果在早先的循环过程中在某一点进行了燃料喷射，则装料将点燃并且比如果无载的空气刚被压缩时更多地加热进气歧管39。但是，通过等待直到气缸25中的温度达到燃料喷射之前的某一预定水平，活塞31能在燃烧之前且燃料喷射之后移动通过最小数量的往复运动，这能使喷射燃料从气缸25进入进气歧管的进入最小化。
如图2所示，发动机21典型地包括多个气缸设备23。每个气缸设备23的气缸25典型地适于通过进气门27与进气歧管39流动连通以及通过排气门29与排气歧管43流动连通。在进气门27打开且排气门29关闭时气缸25中的活塞31的进气冲程过程中，来自气缸的加热的空气往往处于比进气歧管39中的较冷空气高的压力，这可导致一些加热空气流入进气歧管并在随后的进气冲程中吸回到气缸中之前与来自其他气缸的空气混合。如果燃料被喷射，则来自每个其他气缸25的空气和燃料能与来自每一个其他气缸25的空气和燃料在进气歧管中混合。这样，温度和空气/燃料混合物在每一个气缸25中更均匀，且往往会进行进气歧管和出口的变暖。而且，因为排气门29在启动操作过程中关闭，所以不会浪费能量来加热气缸设备23下游的排气歧管或其他部件。
提供了用于启动发动机21(特别是柴油发动机)的方法，该发动机包括至少一个气缸设备23，气缸设备23包括具有至少一个进气门27和至少一个排气门29的气缸25、用于将燃料喷射到气缸内的至少一个燃料喷射器33以及适于在气缸中在TDC位置和BDC位置之间往复运动的活塞31。根据该方法，在排气门29关闭时(即，整个地关闭或者比在正常燃烧循环过程中长)，活塞31在气缸25中往复通过在TDC位置和BDC位置之间的多个往复运动。
根据本方法的一方面，在活塞的至少一个初始的往复运动过程中不将燃料喷射到气缸25中，如图1a-1c所示。之后，燃料被喷射到气缸25中，如图1d所示。在喷射燃料之后，对于活塞31的至少一个往复运动，排气门29保持关闭，如图1e-1g所示。当进气门27和排气门29在燃料喷射之后都关闭时，如果气缸25中的温度充分高且空气/燃料混合物的压缩足够大，则在活塞31接近达到TDC位置时，如图1h所示，燃料将进行燃烧，如图1i所示。在喷射燃料之后，在维持排气门关闭活塞的至少一个往复运动之后，进气门27和排气门29能随后根据正常燃烧循环打开和关闭，如图1i-1m所示。温度传感器41能感测气缸25中的温度，且如图1i-1m所示，能使根据正常燃烧循环打开和关闭进气门27和排气门29仅在感测温度达到预定温度之后进行。
根据本方法的另一方面，温度传感器41能感测气缸25中的温度，且如图1d所示，能使燃料喷射仅在感测温度达到预定温度之后进行。在燃料喷射之后立即或者在活塞的一个或多个往复运动之后(一般没有额外的燃料喷射)，进气门27能被关闭，如图1h所示，且如果诸如当量比和温度的条件充分，接近TDC位置，燃料将点燃。随后，进气门27和排气门29能根据正常的燃烧循环而打开和关闭，或者能在图3的步骤111从冷启动操作转变到正常操作，例如在步骤113的正常怠速。该转变可采取任何合适的形式，例如在所选气缸中切换到正常的燃烧循环和燃料喷射，同时在其他气缸中继续“冷启动”模式；增加时间长度，即当最不同于正常燃烧循环操作时，排气门在正常燃烧循环过程中从该条件打开；或者在关闭或更关闭操作和正常或更接近正常燃烧循环操作之间交替。如果在喷射燃料之后排气门29保持关闭活塞31的至少一个往复运动，则预期燃料一般与如果燃料在活塞接近TDC位置时简单地引入气缸可能发生的进行更好地混合。除此之外，转变可包括调节时间长度，进气门27相对于在正常燃烧过程中的操作打开，且可包括保持其完全或部分地关闭或完全或部分地打开活塞31的一个或多个往复运动。然而，当排气门关闭时，将控制进气门27，以便在压缩和/或排气运动中的至少一个过程中保持打开。
根据本方法的另一方面，燃料能在活塞31的至少初始的往复运动过程中喷射到气缸25内，即能省略图1a和1b所示的步骤。活塞31能随后在喷射燃料之后往复运动，同时维持排气门29关闭活塞的至少一个往复运动，以增加混合物的温度并更好地混合空气和燃料。燃料喷射器33可在曲柄旋转过程中(例如先前在曲柄旋转过程中)，在任何期望的时刻喷射燃料，单次喷射或多次分开的喷射事件，如图3的步骤109-3所示。当气缸25达到预定温度，只要气缸中满足其他必要的燃烧条件，则当活塞31达到接近TDC的位置时能发生燃料点燃，且能根据正常的燃烧循环开始进气门和排气门29的打开和关闭。可选地，在当活塞接近TDC位置时燃料燃烧之后，排气门29能在活塞的排气冲程中打开，随后，活塞能在排气门关闭时在TDC和BDC位置之间移动通过多个往复运动。这样，发动机能逐渐地加热到期望的温度，同时气缸周期性地燃烧。
在本申请中，使用的术语，诸如“包括”是开放式的且预期具有与诸如“包含”的术语相同的意思，且不排除其他结构、材料或作用的存在。类似地，尽管使用诸如“能”或“可以”的术语预期是开放式的且反映出结构、材料或作用不是必须的，但不使用这样的术语不意图反映出结构、材料或作用是必须的。就目前认为是必须的结构、材料或作用而言，它们本身是被认同的。
尽管根据优选实施例示出并描述了本发明，但是应认识到，在不偏离权利要求阐述的本发明的情况下可以进行改变和变化。

Claims (25)

1.一种用于启动发动机的方法，所述发动机包括至少一个气缸设备，所述至少一个气缸设备包括： 
气缸，所述气缸具有至少一个进气门和至少一个排气门； 
燃料喷射器，所述燃料喷射器安装在所述气缸处，用于将燃料喷射到所述气缸内； 
活塞，所述活塞适于通过进气运动、压缩运动、膨胀运动和排气运动来在所述气缸内往复运动于TDC位置与BDC位置之间；以及 
用于打开和关闭所述排气门的装置，所述打开和关闭装置在所述发动机的正常运行期间根据正常燃烧循环来打开和关闭所述排气门； 
所述方法包括： 
将燃料喷射到所述气缸内；并且 
在喷射燃料之后，使所述活塞在所述气缸内通过多个往复运动来往复于所述TDC位置与所述BDC位置之间，且在所述活塞的至少一个往复运动内，使所述排气门与在所述正常燃烧循环期间相比关闭较久，并且，在所述压缩运动和所述排气运动中的至少一个过程中，使所述进气门保持打开。 
2.根据权利要求1所述的方法，包括：以多个分开的喷射事件将燃料喷射到所述气缸内。 
3.根据权利要求1所述的方法，包括：使所述活塞在所述气缸内通过多个往复运动来在所述TDC位置与所述BDC位置之间做往复运动，且使所述进气门与在所述正常燃烧循环期间相比关闭不同的时间长度。 
4.如权利要求1所述的方法，包括：通过压缩点燃来点燃所述气缸内的燃料。 
5.一种发动机，包括： 
气缸设备，所述气缸设备包括： 
气缸； 
进气门和排气门，所述进气门和排气门用于打开和关闭与所述气缸的流动连通； 
活塞，所述活塞适于在所述气缸内通过进气运动、压缩运动、膨胀运动和排气运动来往复运动于TDC位置与BDC位置之间； 
燃料喷射器，所述燃料喷射器安装在所述气缸处，适于将燃料喷射到所述气缸内；和 
用于打开和关闭所述排气门的装置，所述打开和关闭装置在所述发动机的正常运行期间、根据正常燃烧循环打开和关闭所述排气门； 
以及控制器，所述控制器适于控制向所述气缸的燃料喷射，以及控制所述进气门和所述排气门的打开和关闭，所述控制器设置成控制燃料何时喷射到所述气缸内，并且所述控制器还设置成：在喷射燃料之后，在所述活塞的至少一个往复运动内使所述排气门与在所述正常燃烧循环期间相比保持关闭较久，并且，在所述压缩运动和所述排气运动中的至少一个过程中，使所述进气门保持打开。 
6.根据权利要求5所述的发动机，包括：温度传感器，所述温度传感器用于感测所述气缸内的温度，并且将对应于所述气缸内的温度的信号发送到所述控制器，其中，所述控制器设置成仅在所述气缸内的温度达到预定温度之后控制所述燃料喷射器喷射燃料。 
7.权利要求5所述的发动机，其中，所述控制器设置成：当所述活塞在所述气缸内通过多个往复运动而往复于所述TDC位置与所述BDC位置之间时，使所述进气门与在所述正常燃烧循环期间相比在关闭位置保持不同的时间长度。 
8.根据权利要求5所述的发动机，包括多个气缸设备，其中，对 于每个气缸设备，所述进气门适于打开和关闭相应的气缸与进气歧管之间的流动连通，并且对于每个气缸设备，所述控制器设置成：当所述活塞通过多个往复运动在所述气缸内往复时，使所述排气门与在所述正常燃烧循环期间相比在所述关闭位置保持较久。 
9.权利要求5所述的发动机，其中，所述发动机为压燃式发动机。 
10.一种用于启动发动机的方法，所述发动机包括至少一个气缸设备，所述气缸设备包括： 
气缸，所述气缸具有至少一个进气门和至少一个排气门； 
燃料喷射器，所述燃料喷射器安装在所述气缸处，用于将燃料喷射到所述气缸内； 
活塞，所述活塞适于在所述气缸内通过进气运动、压缩运动、膨胀运动和排气运动往复于TDC位置与BDC位置之间；和 
用于打开和关闭所述排气门的装置，所述打开和关闭装置在所述发动机的正常运行期间根据正常燃烧循环打开和关闭所述排气门； 
所述方法包括： 
使所述活塞在所述气缸内通过多个往复运动往复于所述TDC位置与所述BDC位置之间，且使所述排气门与在所述正常燃烧循环期间相比关闭较久；且当所述排气门关闭时，所述进气门在所述压缩运动和所述排气运动中的至少一个的至少一部分内打开；并且 
仅在满足以下条件至少一个之后，根据所述正常燃烧循环打开和关闭所述进气门和所述排气门，所述条件为：执行预定量的往复运动，以及所述气缸和进气歧管中的至少一个内的温度达到预定温度。 
11.根据权利要求10所述的方法，包括：在所述活塞的至少一个初始的往复运动期间不将燃料喷射到所述气缸内。 
12.根据权利要求11所述的方法，包括：在所述活塞的至少一个初始的往复运动之后将燃料喷射到所述气缸内。 
13.根据权利要求12所述的方法，包括：在喷射燃料之后，在所述活塞的至少一个往复运动内将所述排气门保持为与所述正常燃烧循环期间相比关闭较久。 
14.根据权利要求10所述的方法，包括：将燃料喷射到所述气缸内，且在燃料喷射之后的至少一个往复运动期间不将燃料喷射到所述气缸内。 
15.根据权利要求10所述的方法，包括：将燃料喷射到所述气缸内，当所述活塞接近所述TDC位置时点燃燃料，且在点燃燃料之后，使所述活塞在所述气缸内通过多个往复运动往复于所述TDC位置与所述BDC位置之间，并且使所述排气门与在所述正常燃烧循环期间相比关闭较久。 
16.根据权利要求10所述的方法，包括：将燃料喷射到所述气缸内，并使所述气缸通过足够的往复运动而运动，直到所述气缸内的温度达到足以点燃燃料的温度。 
17.根据权利要求10所述的方法，包括：以多个分开的喷射事件将燃料喷射到所述气缸内。 
18.根据权利要求10所述的方法，包括：使所述活塞在所述气缸内通过多个往复运动来在所述TDC位置与所述BDC位置之间做往复运动，且使所述进气门与在所述正常燃烧循环期间相比关闭不同的时间长度。 
19.根据权利要求10所述的方法，包括：感测所述气缸和进气歧管中的至少一个内的温度，并且仅在所感测的温度达到预定温度之后，根据所述正常燃烧循环打开和关闭所述进气门和所述排气门。 
20.根据权利要求10所述的方法，包括：通过压缩点燃来点燃所述气缸内的燃料。 
21.一种发动机，包括： 
气缸设备，所述气缸设备包括： 
气缸； 
进气门和排气门，所述进气门和排气门用于打开和关闭与所述气缸的流动连通； 
活塞，所述活塞适于在所述气缸内通过进气运动、压缩运动、膨胀运动和排气运动来往复于TDC位置与BDC位置之间； 
燃料喷射器，所述燃料喷射器安装在所述气缸处，适于将燃料喷射到所述气缸内；和 
用于打开和关闭所述排气门的装置，所述打开和关闭装置在所述发动机的正常运行期间、根据所述正常燃烧循环打开和关闭所述排气门； 
以及控制器，所述控制器适于控制向所述气缸的燃料喷射，以及控制所述进气门和所述排气门的打开和关闭，所述控制器设置成：当所述活塞在所述气缸内通过多个往复运动来往复于所述TDC位置与所述BDC位置之间时，使所述排气门与在所述正常燃烧循环期间相比保持在关闭位置较久，且当所述排气门关闭时，所述进气门在所述压缩运动和所述排气运动中的至少一个的至少一部分内打开；并且所述控制器设置成：仅在满足以下条件至少一个之后，根据所述正常燃烧循环打开和关闭所述进气门和所述排气门，所述条件为：执行预定量的往复运动，以及所述气缸和进气歧管中的至少一个内的温度达到预定温度。 
22.根据权利要求21所述的发动机，包括多个气缸设备，其中，对于每个气缸设备，所述进气门适于打开和关闭相应的气缸与进气歧管之间的流动连通，且对于每个气缸设备，所述控制器设置成：当所 述活塞在所述气缸内通过多个往复运动往复时，使所述排气门与在所述正常燃烧循环期间相比保持在关闭位置较久。 
23.根据权利要求21所述的发动机，包括温度传感器，所述温度传感器用于感测所述气缸和进气歧管中的至少一个内的温度，其中，所述控制器设置成：确定所述气缸和所述进气歧管中的至少一个内所感测的温度是否达到了预定温度，且设置成：响应于确定所感测温度已达到所述预定温度，从而根据所述正常燃烧循环打开和关闭所述进气门和所述排气门。 
24.根据权利要求23所述的发动机，其中，所述控制器设置成仅在所述气缸内的温度达到所述预定温度之后控制所述燃料喷射器喷射燃料。 
25.权利要求21所述的发动机，其中，所述发动机为压燃式发动机。 
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