CN102072033B - 具有obd系统的车用燃气顺序喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有OBD功能的车用燃气顺序喷射系统，包括燃气供给系统，燃气供给系统是气体存储钢瓶与高压电磁阀相连接，压力传感器装在高压电磁阀上，高压电磁阀经钢管连接到手动截止阀，再由钢管连接到减压器，减压器与气体过滤器一端经橡胶软管相连接，经橡胶软管将气体过滤器另一端与气体喷射阀相连，气体喷射阀的喷嘴与相对应的发动机气缸经橡胶软管相连，气体存储钢瓶上有钢瓶角阀，气体存储钢瓶的出气管上有充气阀；电控系统是由安装在减压器上的水温传感器，安装在气体喷射阀上的气体温度传感器，转换开关，蜂鸣器，岐管压力传感器，燃气压力传感器，氧传感器，发动机转速传感器，OBD适配器和燃气ECU构成，本发明是具有OBD功能的燃气多点顺序喷射控制系统，确保发动机在各种工况下的最佳空燃比和汽车的最佳行驶性能，经济性比传统的车用燃气系统提高10％以上。

Description

具有OBD系统的车用燃气顺序喷射系统

一、技术领域

本发明涉及车用燃气喷射系统，特别是对燃气进行精确喷射控制的一种具有OBD系统的车用燃气顺序喷射系统。

二、背景技术

随着全球交通业的发展，各国对汽车尾气排放日益重视。2008年6月24日，环境保护部发布《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断(OBD)系统技术要求》，并宣布此要求从2008年7月1日起实施。目前现有的燃气发动机电控多点顺序喷射系统及控制方法已不能适应此要求，现有的燃气系统只有对燃气脉宽的粗略控制，不能接受原车OBD的监控及对燃气脉宽进行短期修正和长期修正，从而不能满足现行的国3或国4排放要求，造成燃气时OBD故障灯点亮。因此，如何解决上述问题，已是本领域技术人员所关心的问题。

三、发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明目的就是提供一种具有OBD功能的车用燃气顺序喷射系统。本发明解决的技术方案是：通过具有多种通讯协议的燃气汽车OBD适配器连接燃气ECU和原车ECU，OBD使用基于CAN总线的先进数字串口技术，根据诊断原车ECU对不同工况下的喷油脉宽，燃气ECU根据原车ECU的喷油脉宽和OBD传输的修正信号通过软件对燃气脉宽进行精确的实时短期和长期修正，使车辆在燃气的过程中动力性与燃油性能相同。同时完全符合《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断(OBD)系统技术要求》的规定，并且本系统可以和现有所有车型的OBD诊断系统(OBD II和EOBD)兼容。据此，本发明结构是，包括燃气供给系统和电控装置系统，其中燃气供给系统是由气体存储钢瓶，充气阀，钢瓶角阀，压力传感器，高压电磁阀，手动截止阀，减压器，气体过滤器，气体喷射阀和发动机气缸构成，气体存储钢瓶与高压电磁阀相连接，压力传感器安装在高压电磁阀上，高压电磁阀通过钢管连接到手动截止阀，然后再由钢管连接到减压器，减压器与气体过滤器一端通过橡胶软管相连接，再通过橡胶软管将气体过滤器另一端与气体喷射阀相连接，气体喷射阀的喷嘴与相对应的发动机气缸通过橡胶软管相连接，气体存储钢瓶上有钢瓶角阀，气体存储钢瓶的出气管上有充气阀；电控系统是由安装在减压器上的水温传感器，安装在气体喷射阀上的气体温度传感器，转换开关，蜂鸣器，岐管压力传感器，燃气压力传感器，氧传感器，发动机转速传感器，OBD适配器和燃气ECU构成。气体压力传感器装在手动截止阀与减压器之间的管道上，原车ECU、电磁阀、气体压力传感器、歧管压力传感器、水温传感器、气体温度传感器、转换开关、氧传感器、发动机转速传感器、燃气汽车OBD适配器、蜂鸣器分别与燃气ECU相连接，原车ECU、电磁阀、气体压力传感器、水温传感器、气体温度传感器、转换开关、燃气汽车OBD、蜂鸣器分别与燃气ECU相连接，构成电控单元；燃气ECU通过对上述传感器信号的处理对燃气脉宽进行精确控制并根据OBD信号对燃气脉宽进行短期和长期修正从而满足排放要求。

本发明是具有OBD功能的燃气多点顺序喷射控制系统，除了从原车ECU采集信号外，还通过OBD反馈对燃气脉宽进行短期和长期修正，确保发动机在各种工况下的最佳空燃比和汽车的最佳行驶性能，使车辆的尾气排放完全符合尾气排放标准，并且动力性能与使用汽油性能相同，经济性比传统的车用燃气系统提高10％以上，经济和社会效益巨大。

四、附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中的燃气ECU电路原理图。

五、具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1图2给出，本发明包括燃气供给系统和电控装置系统，其中燃气供给系统是由气体存储钢瓶3，充气阀1，钢瓶角阀2，压力表4，高压电磁阀5，手动截止阀6，减压器8，气体过滤器10，气体喷射阀11和发动机气缸12构成，气体存储钢瓶3与高压电磁阀5相连接，压力表4安装在高压电磁阀5上，高压电磁阀5经手动截止阀6，接减压器8，减压器8与气体过滤器10相连接，气体过滤器10连接到气体喷射阀11上，气体喷射阀的喷嘴与相对应的发动机气缸12相连接，气体存储钢瓶3上有钢瓶角阀2，气体存储钢瓶3的出气管上有充气阀1；电控装置系统是由水温传感器7，气体压力传感器9，气体温度传感器13，转换开关18，蜂鸣器17，歧管压力传感器14，原车ECU 16，燃气汽车OBD适配器19，氧传感器20，发动机转速传感器21和燃气ECU15构成，气体压力传感器9装在手动截止阀6与减压器8之间的管道上，原车ECU 16、电磁阀5、气体压力传感器9、水温传感器7、气体温度传感器13、转换开关18、氧传感器20、发动机转速传感器21、燃气汽车OBD适配器19、蜂鸣器17分别与燃气ECU15相连接，构成电控单元，燃气ECU15通过判断上述各电控单元信号，对燃气脉宽进行精确的控制。

为了保证使用效果，所述的燃气汽车OBD适配器19具有基于CAN总线的先进数字串口技术，并且具有多种通讯协议，可与市场上所有车辆进行安装使用，本系统通过燃气汽车OBD适配器19和燃气ECU 15及原车ECU 16相连接，根据诊断原车ECU 16对喷油信号的控制状态，燃气ECU通过软件进行精确控制所需的燃气气量，使汽车的尾气排放符合尾气排放标准，排除由于燃气系统与燃油系统的不匹配问题而造成的故障；

本系统的燃气ECU与原车ECU相连，采集水温传感器，气体温度传感器，转换开关，蜂鸣器，岐管压力传感器，燃气压力传感器，氧传感器，发动机转速传感器，OBD适配器等信号，对气体喷射阀的每个喷嘴的喷射脉宽进行单独、实时的计算，精确控制气体喷射阀的喷射脉宽，使汽车在烧气的过程中的效率和动力与烧油达到一致；

本发明系统的燃气ECU有集成的数字串口，可通过数据线方便的与PC机进行通信，通过PC机直观、方便的标定发动机在各种工况下的空燃比及燃气脉宽以达到最佳性能。

所述的燃气ECU 15是由壳体及其内的控制电路构成，所述的控制电路由图2给出，包括输入电路、运算处理电路和输出控制电路，其中输入电路主要对歧管压力传感器、转速传感器、进气温度传感器、冷却水温度传感器等提供的信号和控制信号进行滤波、放大和处理，信号经过放大、去噪后交给ECU进行运算处理，本系统选用高速、稳定的控制芯片，通过多次滤波、隔离等操作，确保了控制器芯片稳定，抗干扰能力强等特点，本系统燃气ECU通过对各种信号的综合计算、处理，来控制外围的执行单元按照预期执行，即通过输出IJBT电路对喷射阀11喷气脉宽以及喷气量进行精确控制，确保汽车在燃气过程中与燃油性能的一致性，使汽车在行驶过程中高速、稳定。据此，本控制电路具体结构是，单片机U1(ATmega64)的23脚、24脚间装有晶振Y1，并经电容C17、C18接地，构成时钟电路，为单片机U1提供时间基准；单片机U1(ATmega64)的21脚、52脚、64脚接电源5V，20脚、53脚、63脚接地，构成单片机的电源电路；单片机U1(ATmega64)的57脚接电阻R2、电容C2，电阻R2经电阻R1接电容C1和燃气汽车OBD适配器，电容C1、C2接地，电容C1、C2，电阻R1、R2构成第一二级低通滤波电路；单片机U1的58脚接电阻R4、电容C4，电阻R4经电阻R3接电容C3和气体压力传感器，电容C3、C4接地，电容C3、C4，电阻R3、R4构成第二二级低通滤波电路；单片机U1(ATmega64)的60脚接电阻R6、电容C6，电阻R6经电阻R5接电容C5和歧管压力传感器，电容C5、C6接地，电容C5、C6，电阻R5、R6构成第三二级低通滤波电路；这三组二级低通滤波电路确保了OBD适配器信号、气体压力信号在进入燃气ECU控制芯片后的准确性，增强了其抗干扰能力；单片机U1(ATmega64)的56脚接电阻R7、R8和电容C7，电阻R7接电源12V，电容C7、电阻R8接地，电阻R7、R8和C7构成限流滤波电路，负责检测系统是否已经启动；单片机U1(ATmega64)的54脚接电阻R10和电容C8，并经电阻R10，接电阻R9、R11，电阻R9接电源5V，电阻R11接电容C9和气体温度传感器，电容C8、C9接地，电容C8、C9和电阻R9、R10、R11构成第一带上拉的二级滤波电路；单片机U1(ATmega64)的61脚接电容C11、电阻R14，并经电阻R14接电阻R12、R13，电阻R13接电源5V，电阻R12接电容C10和水温传感器，电容C10、C11接地，电容C10、C11和电阻R12、R13、R14构成第二带上拉的二级滤波电路，由于水温传感器和气体温度传感器都是电阻型传感器，通过这两组带上拉的二级滤波电路，确保了温度信号具有准确，抗干扰能力强的优点；单片机U1的48脚接电阻R15电容C13，并经电阻R5接三极管Q1的集电极和电阻R16，电阻R16、电容C13接地，三极管Q1的发射极接电源5V，三极管Q1的基极接二极管D2、电容C14、电阻R17，二极管D2、电容C14接地，电阻R17接点火开关，电阻R15、R16、R17电容C13、C14三极管Q1和二极管D2构成了点火开关的开关电路，燃气ECU通过检测单片机U1的48脚的高低电平，判断汽车的状态，从而达到汽车启动点火的过程；单片机U1的2脚接二极管第一电容C12、电阻R18，并经电阻R18接串口接收，电容C12、二极管第一接地，电阻R18电容C12和二极管D1构成电压嵌位电路；单片机U1的3脚接二极管D3、电容C15、电阻R19，并经电阻R19接串口发送，电容C15、二极管D3接地，电阻R19、电容C15和二极管D3构成低电压嵌位电路，这两组电压嵌位电路分别是燃气ECU单片机U1(ATmega64)的(主控制芯片的)数字串口的发送和接收电路，这种电路避免了燃气ECU在通过数据线与外部通信时电压过高对ECU的影响；单片机U1(ATmega64)的16脚接集成运算放大器U2A的1脚，集成运算放大器U2A的2脚接电阻R25、R26，电阻R25接地，电阻R26接电源5V，集成运算放大器的3脚接电阻R27、R28和接地电容C16，电阻R27接电源5V，电阻R28接原车ECU，电阻R25、R26、R27、R28电容C16和集成运算放大器构成电压比较器，通过采集原车ECU的喷油信号，进行信号的处理后，转化为单片机U1(ATmega64)可以接受的TTL信号，传输给16脚，从而采集原车ECU在不同工况下的燃油信号，燃气ECU通过与燃油的对比，由单片机U1的42脚输出一定频率的矩形波通过电阻R20限流后控制IJBT管Q2的导通与关闭，从而使气体喷射阀能够输出期望的喷射信号，精确控制气体喷射阀喷射可燃气体的数量；单片机U1的42脚经电阻R20接IJBT管Q2基极，IJBT管Q2的发射机接地及电阻R21，IJBT管Q2的集电极接电阻R21二极管D4和气体喷射阀，二极管D4接电阻R22、MOS管Q3，电阻R22接MOS管Q3和电阻R23，MOS管Q3接电源12V，电阻R23接三极管Q4的集电极，三极管Q4发射极接地，三极管Q4的基极经电阻R24接单片机U1的33脚，电阻R21、R22、R23、R24二极管D4三极管Q4和MOS管Q3构成高脉冲电压信号的保护电路，从而使喷射阀可以得到长时间的工作，而不至损坏；单片机U1(ATmega64)的17脚接电阻R29、R30，电阻R29接三极管Q8的发射极接地，电阻R30接三极管Q8基极，三极管Q8的集电极接继电器J2，并经串联的继电器J1接电源12V，电阻R29、R30和三极管Q8组成开关电路，控制继电器J1、J2的导通，从而控制电磁阀的打开与关闭；单片机U1(ATmega64)的28脚接三极管Q6的基极和接地电容C19，三极管Q6的发射极接地，三极管Q6的集电极接三极管Q7的基极，三极管Q7的发射极接电源12V，三极管Q7的集电极接转换开关和接地电阻R31，单片机U1(ATmega64)的28脚通过输出高低TTL电平控制Q6的导通与关断从而控制了Q7的导通与关断，使转换开关信号线输出相应的高低信号，电容C19保证了输出信号的平滑性，增强抗干扰能力；单片机U1(ATmega64)的32脚接三极管Q5的基极，三极管Q5的集电极接电源5V，三极管Q5的发射极接蜂鸣器，单片机U1(ATmega64)的32脚通过控制三极管Q5，使蜂鸣器可以发出不同的报警声音，本系统的燃气ECU通过对输入信号的判断、运算处理后，控制本系统的执行单元，完成相应的动作。

该系统燃气ECU 15可通过专用数据线方便的与PC机进行连接通信，通过PC机直观、方便的调节发动机在行驶过程中的喷气时间与可燃气体的混合比等发动机的主要参数，安装简单，调试方便、准确，从而使汽车在行驶过程中达到高速、稳定的目的。

本发明系统的工作情况是，首先打开存储钢瓶手动截止阀6，打开汽车点火开关，发动机12以燃油状态启动，当发动机运行一段时间冷却水温度达到燃气ECU 15设定的燃气转换温度时，通过转换开关18转换到燃气状态，燃气ECU 15发出控制信号打开高压电磁阀5，使得高压气体通过钢管流经手动控制阀输送到减压器8，通过减压器8将高压气体减为适合发动机工作的低压气体后进入气体过滤器10，被过滤后相对比较纯净的低压燃气进入气体喷射阀11内，燃气ECU 15采集水温传感器7、气体压力传感器9、气体温度传感器13、歧管压力传感器14以及燃气汽车OBD适配器19所传回的发动机冷却水温信号、气体喷射阀11的气体压力信号、气体温度信号、发动机转速信号、电源电压和OBD适配数据等特定信号，通过对这些信号进行运算处理，计算出燃气喷射时间，从而精确控制喷射阀的各个喷嘴顺序喷射时间，从而使汽车在燃气时与燃油时在各种行驶工况下发动机运行状况的一致，从而使汽车在行驶过程中具有平稳、高速、动力性强等优势。

Claims (4)

1.一种具有OBD系统的车用燃气顺序喷射系统，包括燃气通道系统和电控装置系统，其特征在于，所述的燃气通道系统是由气体存储钢瓶(3)，充气阀(1)，钢瓶角阀(2)，压力表(4)，高压电磁阀(5)，手动截止阀(6)，减压器(8)，气体过滤器(10)，气体喷射阀(11)和发动机气缸(12)构成，气体存储钢瓶(3)与高压电磁阀(5)相连接，压力表(4)安装在高压电磁阀(5)上，高压电磁阀(5)经手动截止阀(6)接减压器(8)，减压器(8)与气体过滤器(10)相连接，气体过滤器(10)接气体喷射阀(11)，气体喷射阀的喷嘴与相对应的发动机气缸(12)相连接，气体存储钢瓶(3)上有钢瓶角阀(2)，气体存储钢瓶(3)的出气管上有充气阀(1)；所述的电控装置系统是由水温传感器(7)，气体压力传感器(9)，气体温度传感器(13)，转换开关(18)，蜂鸣器(17)，歧管压力传感器(14)，原车ECU(16)，燃气汽车OBD适配器(19)，氧传感器(20)，发动机转速传感器(21)和燃气ECU(15)构成，气体压力传感器(9)装在手动截止阀(6)与减压器(8)之间的管道上，原车ECU(16)、高压电磁阀(5)、气体压力传感器(9)、水温传感器(7)、气体温度传感器(13)、转换开关(18)、氧传感器(20)，发动机转速传感器(21)，燃气汽车OBD适配器(19)、蜂鸣器(17)分别与燃气ECU(15)相连接，构成电控单元，燃气ECU(15)通过判断上述各电控单元信号，对燃气脉宽进行精确的控制；

所述的燃气ECU(15)是由壳体及其内的控制电路构成，所述的控制电路结构是，单片机U1的23脚、24脚间装有晶振Y1并经电容C17、C18接地，构成时钟电路，为单片机U1提供时间基准；单片机U1的21脚、52脚、64脚接电源5V，20脚、53脚、63脚接地，构成单片机的电源电路；单片机U1的57脚接电阻R2、电容C2，电阻R2经电阻R1接电容C1和燃气汽车OBD适配器，电容C1、C2接地，电容C1、C2，电阻R1、R2构成第一二级低通滤波电路；单片机U1的58脚接电阻R4、电容C4，电阻R4经电阻R3接电容C3和气体压力传感器，电容C3、C4接地，电容C3、C4，电阻R3、R4构成第二二级低通滤波电路；单片机U1的60脚接电阻R6、电容C6，电阻R6经电阻R5接电容C5和真空传感器，电容C5、C6接地，电容C5、C6，电阻R5、R6构成第三二级低通滤波电路；这三组二级低通滤波电路确保了OBD适配器信号、气体压力信号、真空信号在进入燃气ECU控制芯片后准确、抗干扰能力强；单片机U1的56脚接电阻R7、R8和电容C7，电阻R7接电源12V，电容C7、电阻R8接地，电阻R7、R8和C7构成限流滤波电路，负责检测系统是否已经启动；单片机U1的54脚接电阻R10和电容C8，并经电阻R10，接电阻R9、R11，电阻R9接电源5V，电阻R11接电容C9和气体温度传感器，电容C8、C9接地，电容C8、C9和电阻R9、R10、R11构成第一带上拉的二级滤波电路；单片机U1的61脚接电容C11、电阻R14，并经电阻R14接电阻R12、R13，电阻R13接电源5V，电阻R12接电容C10和水温传感器，电容C10、C11接地，电容C10、C11和电阻R12、R13、R14构成第二带上拉的二级滤波电路，由于减压器水温传感器和气体温度传感器都是电阻型传感器，通过这两组带上拉的二级滤波电路，确保了温度信号具有准确，抗干扰能力强的优点；单片机U1的48脚接电阻R15电容C13，并经电阻R5接三极管Q1的集电极和电阻R16，电阻R16、电容C13接地，三极管Q1的发射极接电源5V，三极管Q1的基极接二极管D2、电容C14、电阻R17，二极管D2、电容C14接地，电阻R17接点火开关，电阻R15、R16、R17电容C13、C14三极管Q1和二极管D2构成了点火开关的开关电路，燃气ECU通过单片机U1的48脚的高低电平，判断汽车的状态，从而达到汽车启动点火的过程；单片机U1的2脚接二极管第一电容C12、电阻R18，并经电阻R18接串口接收，电容C12、二极管第一接地，电阻R18电容C12和二极管D1构成电压嵌位电路；单片机U1的3脚接二极管D3、电容C15、电阻R19，并经电阻R19接串口发送，电容C15、二极管D3接地，电阻R19、电容C15和二极管D3构成低电压嵌位电路，这两组电压嵌位电路分别是燃气ECU单片机U1的数字串口的发送和接收电路，这种电路避免了燃气ECU在通过数据线与外部通信时电压过高对ECU的影响；单片机U1的16脚接集成运算放大器U2A的1脚，集成运算放大器U2A的2脚接电阻R25、R26，电阻R25接地，电阻R26接电源5V，集成运算放大器的3脚接电阻R27、R28和接地电容C16，电阻R27接电源5V，电阻R28接原车ECU，电阻R25、R26、R27、R28电容C16和集成运算放大器构成电压比较器，通过采集原车ECU的喷油信号，进行信号的处理后，转化为单片机U1可以接受的TTL信号，传输给16脚，从而采集原车ECU在不同工况下的燃油信号，燃气ECU通过与燃油的对比，由单片机U1的42脚输出一定频率的矩形波通过电阻R20限流后控制IJBT管Q2的导通与关闭，从而使气体喷射阀能够输出期望的喷射信号，精确控制气体喷射阀喷射可燃气体的数量；单片机U1的42脚经电阻R20接IJBT管Q2基极，IJBT管Q2的发射极接地及电阻R21，IJBT管Q2的集电极接电阻R21二极管D4和气体喷射阀，二极管D4接电阻R22、MOS管Q3，电阻R22接MOS管Q3和电阻R23，MOS管Q3接电源12V，电阻R23接三极管Q4的集电极，三极管Q4发射极接地，三极管Q4的基极经电阻R24接单片机U1的33脚，电阻R21、R22、R23、R24二极管D4三极管Q4和MOS管Q3构成高脉冲电压信号的保护电路，从而使喷射阀可以得到长时间的工作，而不至损坏；单片机U1的17脚接电阻R29、R30，电阻R29接三极管Q8的发射极接地，电阻R30接三极管Q8基极，三极管Q8的集电极接继电器J2，并经串联的继电器J1接电源12V，电阻R29、R30和三极管Q8组成开关电路，控制继电器J1、J2的导通，从而控制电磁阀的打开与关闭；单片机U1的28脚接三极管Q6的基极和接地电容C19，三极管Q6的发射极接地，三极管Q6的集电极接三极管Q7的基极，三极管Q7的发射极接电源12V，三极管Q7的集电极接转换开关和接地电阻R31，单片机U1的28脚通过输出高低TTL电平控制Q6的导通与关断从而控制了Q7的导通与关断，使转换开关信号线输出相应的高低信号，电容C19保证了输出信号的平滑性，增强抗干扰能力；单片机U1的32脚接三极管Q5的基极，三极管Q5的集电极接电源5V，三极管Q5的发射极接蜂鸣器，单片机U1的32脚通过控制三极管Q5，使蜂鸣器可以发出不同的报警声音，燃气ECU通过对输入信号的判断、运算处理后，控制本系统的执行单元，完成相应的动作。

2.根据权利要求1所述的具有OBD系统的车用燃气顺序喷射系统，其特征在于，所述的燃气汽车OBD适配器(19)具有基于CAN总线的先进数字串口，并且具有通讯协议，可与市场上所有车辆进行安装使用，通过燃气汽车OBD适配器(19)和燃气ECU(15)及原车ECU(16)相连接，诊断原车ECU(16)对喷油信号的控制状态，燃气ECU(15)通过软件进行精确控制所需的燃气气量，使汽车的尾气排放符合尾气排放标准，排除由于燃气系统与燃油系统的不匹配问题而造成的故障。

3.根据权利要求1所述的具有OBD系统的车用燃气顺序喷射系统，其特征在于，所述的燃气ECU(15)与原车ECU(16)相连，采集水温传感器(7)，气体温度传感器(13)，转换开关(18)，蜂鸣器(17)，岐管压力传感器(14)，气体压力传感器(9)，氧传感器(20)，发动机转速传感器(21)，OBD适配器(19)的信号，对气体喷射阀(11)的每个喷嘴的喷射脉宽进行单独、实时的计算，精确控制气体喷射阀(11)的喷射脉宽，使汽车在烧气的过程中的效率和动力与烧油达到一致。

4.根据权利要求1所述的具有OBD系统的车用燃气顺序喷射系统，其特征在于，所述的燃气ECU(15)具有集成的数字串口，通过数据线与PC机进行通信，通过PC机直观地调节各种传感器、喷嘴以及发动机在行驶过程中的发动机转速、燃料喷射时间、燃料喷射压力主要参数，从而使汽车在行驶过程中达到高速、稳定的性能。

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