CN101994551A - 用于将还原剂定量输送到内燃机的排气系统中的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种定量输送装置，用于将还原剂引入到内燃机的排气系统中，具有：用于储存还原剂的储备容器；供应管路，其使得储备容器与配属于排气系统的定量输送单元连接，该定量输送单元将还原剂引入到排气系统中；在供应管路上用于输送还原剂的泵机构；压力传感器机构，其用于在泵机构的下游检测供应管路中的压力；卸压机构，其包括回馈管路和设置在回馈管路上的第一阀机构，回馈管路在泵机构的下游起始于供应管路，并与储备容器连接。回馈管路的管路区段在空间上来看高于回馈管路，从而形成用于处在供应管路中的空气的蓄存容积。在供应管路上设有第二阀机构，从而通过管路区段在第二阀机构关闭的情况下提供用于施加压力的还原剂的蓄存容积。

Description

用于将还原剂定量输送到内燃机的排气系统中的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于将还原剂例如水状尿素溶液定量输送到内燃机的排气系统(Abgastrakt)中的装置和方法。
背景技术
下面将内燃发动机简称为内燃机，在其运转时产生含有例如HC、CO、NOx等有害物质的废气。针对各种不同的有害物质如HC、CO、NOx和颗粒，法律规定要进行调节，借此能确定出有害物质极限值。为了符合这些法律规定，通常需要对所产生的废气进行清洁。为此通常使用废气清洁设备。在稀薄燃烧内燃机如柴油发动机、快燃稀薄发动机的情况下，日益采用能减少NOx的专用方法，其基于NOx-蓄存器-催化器或SCR-催化器。为了实现NOx还原，SCR-催化器需要还原剂，当前常用的还原剂是氨(NH3)。如今，通常在内燃机的排气设备中或者在相应车辆的载板(on board)上喷入尿素水溶液及其水解物，由此产生还原剂，然后将还原剂输送给SCR-催化器。但也可以应耐用性、可靠性和经济性的要求而提供还原剂。
当前由现有技术已知的系统使用适合于尿素水溶液介质的隔膜泵，以便输送还原剂，即将还原剂从储备罐输送至转变成氨的地点。基于回流系统的系统具有很繁琐且昂贵的4/2路阀。利用这些阀来实现空吸，而不逆转抽吸方向。这种系统还需要用于冲洗管路的阀，且需要调节管路系统中的温度。此外，还原剂还被往回抽吸，即与正常工作时的输送方向相逆地抽吸。一方面利用新鲜空气，另一方面利用废气，通过开口的喷射器来实现此点。但后者具有缺点：喷射器可能会出现堵塞。根据现有技术，通过喷射器将还原剂喷射到发电机中，或者直接喷射到废气系统中。
由EP 1 656 986 A1已知一种尿素定量输送装置。这种尿素定量输送装置包括用于还原剂的储备容器。该储备容器通过第一管路与2/2路阀连接，该阀将还原剂输入到排气系统中。在储备容器与定量输送阀之间设有泵和与泵连接的过滤器。泵将还原剂抽吸至排气系统，其中通过对定量输送阀的操纵将还原剂定量输入到排气系统中。泵经过适当设计，使得它还能将还原剂从定量输送阀输送回到储备容器中。这样就能将位于第一管路中的还原剂抽吸回到储备容器中，并使得第一管路完全排空。另外设有第二管路，其可通过2/2路阀通断。如果在泵运转时有过量的还原剂经由第一管路被输送至阀，并因而产生过高的压力，则为了卸压，使得第二管路上的阀打开，并使得过量的还原剂可以经由第二管路回流到储备容器中。
此外由DE 10 2004 054 238 A1已知一种定量输送系统。这种定量输送系统具有储备罐，储备罐具有作为还原剂的尿素溶液。储备罐通过管路与泵、定量输送阀和各种不同的过滤器连接，通过定量输送阀将还原剂定量输入到催化器的废气进入区域的定量输送部位。另外，可与正常运行时的输送方向相逆地将在输送泵与定量输送阀之间的输送管路区域排空。在这种情况下，输送泵的输送方向逆转，与在正常运行时通常的输送方向相逆地将尿素溶液输送回到储备罐中。设置在定量输送阀上游的通风阀打开，定量输送阀关闭。
由现有技术还已知一种系统，其基于空回(dead headed)系统(只输入，不返回)。但在一定的外部条件下，例如冰冻，这种系统会发生损坏，如果不充分地采取措施，如卸压或者使得还原剂膨胀。而且，使用隔膜泵不能根据要求来减小压力管路中的压力。
由DE 199 47 197 A1已知一种装置，其用于利用定量输送阀机构将还原剂定量输入到车辆的排气系统中。设有含有还原剂的储备容器。该储备容器通过第一管路与定量输送阀机构连接。在第一管路中设有过滤部件，接下来设有泵机构。第一管路与卸压机构连接，以便从第一管路卸压。
由DE 100 47 516 A1已知用于定量输送还原剂的方法和装置，所述还原剂用于从废气中去除氧化氮。还原剂位于储备容器中，且通过管路借助于泵伸展至定量输送装置。与泵平行地设有回馈管路，在该回馈管路上设有止回阀。
发明内容
本发明的目的在于，提出用于将还原剂定量输送到内燃机的排气系统中的装置和方法，其允许废气后处理设备安全可靠地运行。
本发明的特征在于一种定量输送装置，用于将还原剂输送到内燃机的排气系统中，具有：用于储存还原剂的储备容器；供应管路，其使得储备容器与配属于排气系统的定量输送单元连接，该定量输送单元将还原剂引入到排气系统中；在供应管路上用于输送还原剂的泵机构；压力传感器机构，其用于在泵机构的下游检测供应管路中的压力；卸压机构，其包括回馈管路和设置在回馈管路上的第一阀机构，回馈管路在泵机构的下游起始于供应管路的支路，并与储备容器连接。供应管路的位于支路与第一阀机构的输入端之间的管路区段在空间上来看高于回馈管路，从而形成用于处在供应管路中的空气的蓄存容积。
在供应管路上，在支路的下游设有第二阀机构，其中供应管路的在支路与第二阀机构的输入端之间的管路区段(Leitungszweig)比供应管路的在定量输送机构与第二阀机构的输出端之间的管路区段短。
利用这种结构设计的定量输送装置，一方面确保能通过对卸压机构的激活来可靠地避免例如由于液态还原剂冻结引起的或者在温度很高时出现的在定量输送装置中的压力过高，另一方面允许使用成本低廉的泵机构，因为该泵机构只需沿着一个方向输送还原剂。
另外，本发明的定量输送装置确保泵机构还能抽吸气泡，代替抽吸液态的还原剂，而不会有损于废气后处理的效率。还能确保不中断地进行废气后处理工作，直至气泡又从供应系统引回到储备容器中，且重新输送纯还原剂。为此所需要的还原剂位于供应管路的在定量输送单元与关闭的第二阀机构之间的用作还原剂蓄存器的管路段中。因为该管路段比较长，所以能有足够多的还原剂位于该管路段中，以便能跨越一段时间，直至泵机构重新输送还原剂。
在内燃机停机时切断第二阀机构，这样就能进一步提高定量输送装置的抗压强度。还原剂在温度较低时形成冰，通常在定量输送单元上开始形成冰，这会使得在管路段内朝向第二阀机构形成冰柱，由于第二阀机构关闭，所以形成冰并不会有损于系统的敏感组件(泵机构、压力传感器)。
本发明的用于将还原剂引入到内燃机的排气系统中的第一方法使用了一种定量输送装置，该定量输送装置具有：用于储存还原剂的储备容器；供应管路，其使得储备容器与配属于排气系统的定量输送单元连接，该定量输送单元将还原剂引入到排气系统中；在供应管路上用于输送还原剂的泵机构；压力传感器机构，其用于在泵机构的下游检测供应管路中的压力；卸压机构，其包括回馈管路和设置在回馈管路上的第一阀机构，回馈管路在泵机构的下游起始于供应管路的支路，并与储备容器连接。
根据该方法，在定量输送装置工作期间，在第一阀机构的阀关闭的情况下，将由压力传感器机构检测的压力值持续地与预先给定的阈值相比较，在低于该阈值时，使得在支路的下游设置在供应管路上的第二阀机构的阀关闭，从而在第二阀机构的上游存在于供应管路中的空气在回馈管路的用作蓄存容积的管路区段中积聚。
本发明的用于将还原剂引入到内燃机的排气系统中的第二方法使用了一种定量输送装置，该定量输送装置具有：用于储存还原剂的储备容器；供应管路，其使得储备容器与配属于排气系统的定量输送单元连接，该定量输送单元将还原剂引入到排气系统中；在供应管路上用于输送还原剂的电的泵机构；卸压机构，其包括回馈管路和设置在回馈管路上的第一阀机构，回馈管路在泵机构的下游起始于供应管路的支路，并与储备容器连接。
根据该方法，在定量输送装置工作期间，在第一阀机构的阀关闭的情况下，利用电流检测机构来检测泵机构所吸取的电流值，并将该值持续地与预先给定的阈值相比较，在低于该阈值时，使得在支路的下游设置在供应管路上的第二阀机构的阀关闭，从而在第二阀机构的上游存在于供应管路中的空气在回馈管路的用作蓄存容积的管路区段中积聚。
附图说明
下面对照示意图详细地介绍本发明的实施例。
在唯一的附图中以方框图的形式示出用于内燃机废气处理的液态还原剂的定量输送装置，其中仅示出对于理解本发明必需的组件。
具体实施方式
定量输送装置10具有用于液态还原剂14的储备容器12，该储备容器设有注入接管13。在所谓的SCR(选择性催化还原)废气清洁过程中，使用氨前身物质
Figure BSA00000231825500051
优选尿素水溶液作为还原剂14。通过罐抽取管27，从储备容器12中取出还原剂14，第一流体管路-下面称为供应管路15-在储备容器12之外与罐抽取管27连接，并伸至定量输送单元16。定量输送单元16例如设置在汽车(未示出)的内燃机的排气系统17上，以便将还原剂14定量输入到排气系统17中，例如定量输入到废气催化器18的废气进入区域中。备选地，利用定量输送单元16，还原剂14可以不直接注入到排气系统17中，而是也可以注入到设置在废气催化器之前的混合腔中，或者注入到水解催化器中。还原剂14使得废气中的有毒的氧化氮转变为氮和水。作为定量输送单元16，优选使用可电控制的阀，例如用于吸管注射的通常的燃料喷射阀。作为成本低廉的变型方案，也可以将定量输送单元16设计成简单的喷嘴。
在供应管路15上，靠近还原剂14的取出部位，设有过滤部件19，且在该过滤部件的下游设有泵机构20。过滤部件19例如用于过滤还原剂14中存在的固体颗粒或因干燥而产生的晶体，以防泵机构20和定量输送单元16堵塞。过滤部件19也可以设置在储备容器12中。泵机构20沿着一个方向输送还原剂14，即从储备容器12经由供应管路15、15′、15″输送至定量输送单元16。
备选地，也可以设有如下泵机构20，即该泵机构不仅能沿着一个方向输送，而且能在两个方向上输送，也就是说，也可以将还原剂14又抽吸回到储备容器12中。作为泵机构20，例如可以使用隔膜泵，其隔膜优选被电驱动。替代地，隔膜也可以机械地或液压地被驱动。
在供应管路15的从泵机构20的压力侧伸展至第二阀机构22的部分段上，设有压力传感器机构21，该压力传感器机构在泵机构20的下游检测供应管路15中的压力。为此可以设有至少一个压力传感器。也可以附加地有选择地设有至少一个温度传感器，该温度传感器例如检测供应管路15中的温度、储备容器12上或中的温度和/或环境温度。通过这种方式可以确定例如是否应担心还原剂14冻结。市场上常见的尿素含量为32.5％的水状尿素溶液的冰点为-11℃。在冻结时，水状尿素溶液约膨胀10％，从而在定量输送装置10的装有还原剂的组件中的压力上升。
为了抑制这种压力上升，设有卸压机构24，该卸压机构带有第二流体管路(下面称为回馈管路25)和设置在该回馈管路上的可电控制的第一阀机构23。为此，在供应管路15的部分段上，在压力传感器机构21的下游，且在第二阀机构22的上游，设有支路(Abzweig)28，伸展回到储备容器12的回馈管路25与该支路连接。第一阀机构23在回馈管路25上的接入部位并不很靠近地位于支路28之后，而是位于供应管路15上方较高处，从而在支路28与第一阀机构23的输入端之间，通过由此产生的管路段25′，形成一定的存储容积(Speichervolume)，该存储容积的含义在以后还将予以阐述。
第一阀机构23例如可以具有至少一个2/2路阀或者另一个适当的阀，特别是可以使用常用的用于吸管注射的燃料喷射阀。
在供应管路15的从泵机构20的压力侧伸展至定量输送单元16的部分段上，设有可电控制的第二阀机构22，借助于该第二阀机构可以开通或阻止通至定量输送单元16的还原剂14的流。第二阀机构22在供应管路15上在空间上并非位于定量输送阀16之前很近处，而是与定量输送阀间隔一定距离，从而在第二阀机构22的输出端与定量输送阀16之间留出一段管路15″，这段管路的目的在以后还将予以介绍。第二阀机构22例如可以具有至少一个2/2路阀或另一个适当的阀，特别是可以使用常用的用于吸管注射的燃料喷射阀。
如附图中进一步示出，所述可控制的阀机构22、23、泵机构20、压力传感器机构21和定量输送阀16，与控制机构26电连接。这也涉及到图中未明确示出的其它传感器，例如在储备容器12中或上的用于还原剂14的物位传感器，或者在废气催化器18上游和下游的废气传感器和温度传感器。为了检测泵机构20的电流，设有电流检测机构29。控制机构26处理由这些传感器得到的数据，并控制各种不同的执行器如泵机构20以及阀机构22、23，从而可以根据需要将还原剂14分配给废气。为此，在控制机构26中集成有控制功能，用于在程序存储器30中按照软件控制和调节废气后处理。此外在控制机构26中设有数据存储器31，在该数据存储器中存储有各种不同的阈值SWi。
控制机构26可以是专为废气后处理而设置的控制器，对于废气后处理所需要的所有信号都直接输送给该控制器，或者控制机构26通过接口，例如通过CAN总线，与用于控制和调节内燃机的控制器连接。在所述第一种情况下，定量输送装置10和控制机构26优选适合于补装到内燃机的已有排气设备中。
另外，控制机构26的功能也可以部分地或完全地集成在内燃机的控制器中。
下面详细地介绍定量输送装置的功能，特别是两个阀机构22、23的功能和配合作用。
例如如果在冬天水状尿素溶液出现冻结，则尿素溶液在供应管路15膨胀，如果冻结程度加重，该供应管路和与其连接的组件特别是泵机构20和压力传感器机构21就会受损。为了使得在相转变时产生的压力卸压，相应地使得第一阀机构23打开，由此将还原剂14的一部分引回到储备容器12中。其优点是，在出现冰冻时能防止定量输送装置10的组件受损。
另外，在解冻时可以对还原剂14进行所谓的循环抽吸。这意味着，抽走的液态还原剂14能被抽吸回到储备容器12中，在这里又引起其它还原剂14解冻。这样就能缩短解冻时间。
因此，由回馈管路25和第一阀机构23构成的卸压机构24的功能通常在于，当压力传感器和/或温度传感器机构21确定至少在供应管路15中的压力面临太高的危险时，就进行卸压。在这种情况下就能省去用于将还原剂14抽吸回到储备容器12中的专用的泵机构。因此仅在一个方向上即从储备容器12至定量输送单元20的方向上抽吸的一个泵机构20就足够用了。
由于在供应管路15的管路区段15′上使用了第二阀机构22，还能显著地提高定量输送装置10的冰抗压强度。用作还原剂的水状尿素溶液的冻结过程通常开始于定量输送单元16，所产生的冰柱沿着管路区段15″朝向泵机构20和压力传感器机构21蔓延。即使管路区段15″是柔性的软管，也存在由于在冻结情况下尿素溶液体积增大而使得所述部件受损的危险。因此，如果当配备有这种用于内燃机废气后处理的定量输送装置的车辆停车时第二阀机构22的阀关闭，则所产生的冰压力可以被第二阀机构22无损害地吸收，并有效地保护了定量输送机构10的其余部件，特别是泵机构20和压力传感器机构21。
使用第一阀机构23和回馈管路25并不局限于所述卸压、预防冻结和便于还原剂14解冻的情况。
由于汽车中已有的安装空间有限，用于储存还原剂的储备容器通常仅被设计成相对扁平，也就是说，储备容器的长度和宽度都很小。这种用于还原剂的储备容器特别是通常安装在备胎槽中。但这种扁平的储备容器有如下危险：由于还原剂晃动，特别是当经过很差的路段时，或者在出现突然加速和/或制动过程时，罐抽取管就不再完全浸入到还原剂中，用于输送还原剂的泵机构就会部分地吸入空气，或者只吸入空气。
于是，特别是在使用隔膜泵时，会有气泡进入到泵机构20中，因此就无法再输送足够量的还原剂，或者当泵腔完全充满空气时，根本就不能输送还原剂。
在定量输送装置10工作期间，第二阀机构22的阀打开，而第一阀机构23的阀关闭。用压力传感器机构21持续地监视供应管路15中的在泵机构20下游的压力p。如果泵机构20尚仅仅输送可压缩的空气而并未输送不可压缩的液态还原剂，则压力p下降，控制机构26分析压力p的这种下降。如果这种压降达到了存储在控制机构26的数据存储器31中的预定的阈值SW1，则通过控制机构26的电信号来适当地控制第二阀机构22的阀，使得从泵机构20至定量输送单元16的流量中断。在定量输送单元16和现在关闭的第二阀机构22的输出端之间的管路段15″形成了用于还原剂14的处于低压的蓄存器，所以在需要时还可以使用定量输送单元16将还原剂14装入到废气系统17中。在此期间，泵机构20所输送的空气在从支路28至第一阀机构23的输入端由管路区段25′构成的蓄存容积中积聚。如前所述，由于第一阀机构23在空间上高于供应管路15，所以气泡朝向第一阀机构23的输入端上升，并在这里积聚在供应管路25的管路区段25′中，而还原剂14保留在位置较低的供应管路15中。
经过给定的一段时间后，利用电信号适当地控制第一阀机构23的阀，使得现在通过回馈管路25在储备容器12与用作气泡蓄存容积的管路区段25′之间建立流通连接。这样就能使得管路区段25′中的空气回流到储备容器12中。经过一段时间之后，第一阀机构23使得回馈管路25开通，这段时间优选根据经验通过试验来确定，且例如取决于供应管路15、管路区段25′的几何形状，进而取决于蓄存容积29的大小和泵机构20的功率。在第一阀机构23的阀打开期间，利用压力传感器机构21持续地监视供应管路15中的压力p。如果压力p超过了预定的阈值SW2，则确定通过泵机构20又能建立起压力，第一阀机构23的阀关断回馈管路25的横截面，同时第二阀机构22的阀又允许还原剂14流向定量输送单元16。
如果通过压力测量得知不可能达到阈值SW2，则借助于第一阀机构23又将回馈管路25关断，经过预定的一段时间后，重新检查可能的压力建立。
由于在输送液态还原剂14时所吸收的电流的大小明显不同于在输送可压缩空气时所吸收的电流的大小，所以可以采取一种备选方案，即使用电流检测机构29来检测和分析泵机构20所吸收的电流，由此确定再次输送还原剂14，而不是输送空气。在输送空气时吸收的电流小于在输送液体时的电流。在使用具有磁驱动器的隔膜泵作为泵机构20的情况下，还能分析控制电流的时间变化情况。
本发明已借助一范例予以阐述，为明了起见，在该范例中，定量输送装置10的各个部件被示为分立的元件。但也可以将多个所述组件组成一个唯一的模块或多个模块，特别是可以将过滤器19、泵机构20、压力传感器机构21和阀机构22、23集成在一个共同的承载板上。

Claims (10)

1.一种定量输送装置(10)，用于将还原剂(14)引入到内燃机的排气系统(17)中，具有：
-用于储存还原剂(14)的储备容器(12)；
-供应管路(15)，其使得储备容器(12)与配属于排气系统(17)的定量输送单元(16)连接，该定量输送单元将还原剂(14)引入到排气系统中(17)；
-在供应管路(15)上用于输送还原剂(14)的泵机构(20)；
-压力传感器机构(21)，其用于在泵机构(20)的下游检测供应管路(15)中的压力(p)；
-卸压机构(24)，其包括回馈管路(25)和设置在回馈管路(25)上的第一阀机构(23)，回馈管路在泵机构(20)的下游起始于供应管路(15)的支路(28)，并与储备容器(12)连接，
其特征在于，
-回馈管路(25)的位于支路(28)与第一阀机构(23)的输入端之间的管路区段(25′)在空间上来看高于供应管路(15)，从而形成用于处在供应管路(15)中的空气的蓄存容积；和
-在供应管路(15)上，在支路(28)的下游设有第二阀机构(22)，其中供应管路(15)的在支路(28)与第二阀机构(22)的输入端之间的管路区段(15′)比供应管路(15)的在定量输送机构(16)与第二阀机构(22)的输出端之间的管路区段(15″)短。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还原剂(14)是尿素溶液或氨溶液。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，阀机构(22、24)具有可电控制的阀。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，泵机构(20)是隔膜泵。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在供应管路(15)上设有用于过滤还原剂(14)的过滤部件(19)。
6.一种方法，用于利用定量输送机构(16)将还原剂(14)引入到内燃机的排气系统(17)中，该定量输送机构具有：
-用于储存还原剂(14)的储备容器(12)；
-供应管路(15)，其使得储备容器(12)与配属于排气系统(17)的定量输送单元(16)连接，该定量输送单元将还原剂(14)引入到排气系统(17)中；
-在供应管路(15)上用于输送还原剂(14)的泵机构(20)；
-压力传感器机构(21)，其用于在泵机构(20)的下游检测供应管路(15)中的压力(p)；
-卸压机构(24)，其包括回馈管路(25)和设置在回馈管路(25)上的第一阀机构(23)，回馈管路在泵机构(20)的下游起始于供应管路(15)的支路(28)，并与储备容器(12)连接，
其特征在于，
-在定量输送装置(10)工作期间，在第一阀机构(23)的阀关闭的情况下，将由压力传感器机构(21)检测的压力(p)的值持续地与预先给定的阈值(SW1)相比较；
-在低于该阈值(SW1)时，使得在支路(28)的下游设置在供应管路(15)上的第二阀机构(22)的阀关闭，从而在第二阀机构(22)的上游存在于供应管路(15)中的空气在回馈管路(25)的用作蓄存容积的管路区段(25′)中积聚。
7.一种方法，用于利用定量输送机构(16)将还原剂(14)引入到内燃机的排气系统(17)中，该定量输送机构具有：
-用于储存还原剂(14)的储备容器(12)；
-供应管路(15)，其使得储备容器(12)与配属于排气系统(17)的定量输送单元(16)连接，该定量输送单元将还原剂(14)引入到排气系统(17)中；
-在供应管路(15)上用于输送还原剂(14)的电的泵机构(20)；
-卸压机构(24)，其包括回馈管路(25)和设置在回馈管路(25)上的第一阀机构(23)，回馈管路在泵机构(20)的下游起始于供应管路(15)的支路(28)，并与储备容器(12)连接，
其特征在于，
-在定量输送装置(10)工作期间，在第一阀机构(23)的阀关闭的情况下，利用电流检测机构(29)来检测泵机构(20)所吸取的电流值，并将该值持续地与预先给定的阈值(SW3)相比较；
-在低于该阈值(SW3)时，使得在支路(28)的下游设置在供应管路(15)上的第二阀机构(22)的阀关闭，从而在第二阀机构(22)的上游存在于供应管路(15)中的空气在回馈管路(25)的用作蓄存容积的管路区段(25′)中积聚。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在第二阀机构(22)关闭的情况下，使得施加压力的还原剂(14)至少暂时地从供应管路(15)的位于第二阀机构(22)的上游的用作蓄存容积的管路区段(15″)供应给定量输送单元(16)。
9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，经过预定的一段时间后，打开第一阀机构(23)的阀，从而使得在管路区段(25′)中积聚的空气经由回馈管路(25)流回到储备容器(12)中。
10.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，使得第二阀机构(22)的阀在内燃机停机时关闭。
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