CN105705775B - 点火系统和用于运行点火系统的方法 - Google Patents
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Abstract
建议了一种用于运行用于内燃机的点火系统（1）的方法，其中所述点火系统包括初级电压发生器（2）以及用于维持借助于所述初级电压发生器（2）产生的火花的旁路（7）、尤其是升压斩波器，该方法的特征在于‑确定用于借助所述旁路（7）来维持的点火火花的改变了的能量需求，并且在对此作出的响应中改变所述旁路（7）的工作方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行用于内燃机的点火系统的方法，所述点火系统包括初级电压发生器和旁路。本发明尤其涉及减小运行期间点火系统内的磨损。
背景技术
点火系统用在现有技术中，以便点燃外源点火的内燃机的燃烧室中的可点燃的混合物。为此，向火花隙加载电压，在对此作出的响应中所形成的点火火花点燃燃烧室中的可燃烧的混合物。对现代的点火系统的主要要求间接地从必要的减少排放及减少燃料中产生。从相应的用马达驱动的解决方案、如高增压和稀薄混合气运行/分层运行（Schichtbetrieb）（射束控制的直接喷射）中，结合提高的废气再循环率（AGR）派生出对所述点火系统的要求。在提高温度要求的情况下有必要提高点火电压需求及能量需求。对于常规的感应式点火系统来说，必须将全部对于燃烧来说必要的能量中间储存在点火线圈中。对于在点火火花能量方面的较高的要求来说，得出了点火线圈的较大的结构形式。这与对现今的马达方案（“小型化”）的较小结构空间的要求相冲突。在本申请人的早期的申请中，点火系统的两个主要功能通过不同的标准组件来承担。高压发生器产生对于火花塞上的高压击穿来说所需要的高压。例如形式为升压斩波器的旁路提供用于维持点火火花的能量，用于使混合物点火持续。通过这种方式，尽管所述点火系统的结构形式得到减小也可以在火花电流曲线优化的情况下提供较高的火花能量。
众所周知，高的火花电流会导致火花塞电极强烈的腐蚀，而如果点火火花能量未超过所定义的极限，则小的火花电流可能导致火花中断。前述的系统不能令人满意地充分利用点火系统内的降低磨损的潜力。
发明内容
前面所提到的需求按照本发明通过一种用于运行点火系统的方法来得到满足。所述方法的特征在于符合需求地提供火花能量，从而能够将火花电流调节到所期望的数值上。即根据点火火花的能量需求来改变旁路的工作方式。通过这种方式能够以合适的方式在电极腐蚀与易于火花中断之间实现折衷。根据本发明的、易于运行点火系统的方法例如尤其适合于用汽油运行的内燃机。所述点火系统包括初级电压发生器和旁路，所述旁路尤其设计为升压斩波器，其中所述旁路被设计用于维持借助于所述初级电压发生器来产生的火花。通过所述旁路可以将车载电网能量带至合适的电压水平上并且将其输送给火花隙。按本发明的方法的突出之处在于：确定用于借助于旁路要维持的点火火花的、改变了的能量需求。换句话说，可以根据当前的运行状态来改变用于点火火花的能量需求并且根据本发明来确定这种改变。在对此作出的响应中，改变所述旁路的工作方式，以便按需求来对点火火花能量进行计量。通过这种方式，通过避免高的火花电流减小了火花塞磨损。商业上常见的火花塞上的特别明显的电极磨损例如在火花电流大于100mA时出现。此外，火花中断通过增大旁路的输出功率来避免，方法是：在未超过火花电流的下限阈值时调整旁路的工作方式。替代地，在未超过或超过与火花塞上的电压值处于相应关系中的电压阈值（测量电压）时，调整所述旁路的工作方式。通过将火花电流调节到所需要的最小值上而降低所述旁路内的热量损失也是本发明的优点。减小了电气构件（例如用于中间存储电能的高压电容器）的负载。因此在设计所述点火系统时可以价格低廉地选择电气结构元件。在电气的（控制）电路中，在根据改变的能量需求来调整旁路的工作方式时也产生了更少的热量损失。总体而言，本发明能够实现点火系统的来自（例如机动车（KFZ）或PKW的）车载电网的更小的能量吸收，由此可以将电缆横截面的尺寸设计得更小并且可以实现消耗优势。此外，点火系统内的更小的电流意味着电磁辐射的减小。换言之，改善了电磁兼容性（EMV）。
从属权利要求展示了本发明的优选的改进方案。
优选地，对于改变了的能量需求的确定包括对点火火花电流或点火火花电压的测量或相应的测量电压。这例如可以通过分流器来实现，通过所述分流器来确定流过点火系统的点火火花隙的电流。所述电压确定例如可以借助于所述点火系统的内部的电气操控机构或者模拟的电路，例如形式为微控制器，场可编程门阵列（FPGA）或者ASIC来实现。通过这种方式，需要较小的或者不需要额外的硬件开销来实现按本发明的方法。
进一步优选地，对所述改变了的能量需求的确定包括：将点火火花的所测量的电气的特征参量与所分配的参考值进行比较。所述参考值例如可以从存储器件中得知。该参考值例如表征阈值，在超过所述阈值时应该降低点火火花能量用于避免腐蚀，并且在低于所述阈值时应该提高点火火花能量用于避免无意的火花中断。例如可以将形式为点火火花电流和/或点火火花电压的阈值作为电气的特征参量加以保存并且将其与所确定的特征参量进行比较。与各个阈值的比较是简单的数学运算，所述数学运算可以在线路技术上成本低廉地并且节省位置空间地得到实现。
进一步优选地，所述方法包括对所述电气的特征参量进行分类的步骤，方法是：例如在所述点火系统的存储器件的内部为预定义的特征参量间隔分配用于所述电气的特征参量的测量值。在此，所述点火系统可以被设计用于为相应的特征参量类别分配所述旁路的合适的运行参数。所述参量例如可以在所述点火系统的存储器件的内部被分配给相应的特征参量类别，并且在对分类处理作出的响应中用于运行所述旁路。这种运算也是一种不太麻烦的并且在线路技术上能够容易地并且快速地实现的、用于实现本发明的可行方案。
十分有利的是，确定改变了的能量需求，方法是，在第一步骤中确定电气的特征参量和/或所述特征参量的变化和/或所述特征参量的变化速度。所述电气的特征参量例如是所述点火火花的电流和/或表示出所述点火火花的电压的特征的电压。在第二步骤中确定，是否满足了超出条件和/或未超出条件，方法是：确定比较参量是否超过了预先确定的上限阈值并且/或者未超出预先确定的下限阈值。在此所述比较参量可以所确定的特征参量或者所确定的特征参量的变化或者所确定的特征参量的变化速度。根据一种实施例，改变所述旁路的工作方式，方法是：如果满足了所述超出条件，则减小所述输出功率或者表示出所述输出功率的特征的参量。而如果满足了所述未超出条件，则发生火花中断并且增大所述输出功率或者表示出所述输出功率的特征的参量。通过这种方式将火花电流调节到一个值上，从而既不会发生火花中断也不会出现火花塞电极的显著腐蚀。
进一步优选地，在所述点火系统的电气操控机构或者电子线路，例如形式为微控制器，FPGA和/或ASIC内部来确定特征参量。前面所提到的电子的结构元件例如布置在用于控制点火过程的点火系统的区域内。因此可以通过这种方式在没有额外的硬件开销的情况下实现本发明。
进一步优选地，所述旁路的工作方式的改变包括增大旁路的输出电流和/或输出电压和/或输出功率。这尤其是下述情况：确定了直到现在的输出电流和/或直到现在的输出电压和/或直到现在的输出功率已经引起点火火花的电气特征参量，所述直到现在的输出电流未超过预先定义的参考值（阈值）。在相反的情况中，所述旁路的工作方式的改变也可以包括减小旁路的输出电流和/或输出电压和/或输出功率，以便将点火火花的当前的电气特征参量减小至参考值（阈值）以下的一个数值上。通过这种方式，不仅可以有效地避免或减少火花侵蚀而且可以有效地避免或减少点火火花的中断。
附加地，所述旁路的工作方式的改变可以包括延长或缩短为了维持点火火花而发出的电信号。例如，在对改变了的运行状态（例如改变了的转速）作出的响应中，可以通过所述旁路来缩短/延长电能的提供，以便调整改变了的马达转速并且也相应地调整点火火花持续时间。此外，例如可以通过压力传感器和/或转矩传感器来确定，尚未在燃烧室内成功地进行混合物的点火，从而指示出现了点火火花的维持。该设计方案通过根据本发明的方法提供了在点火时附加的自由度。
被构造用于内燃机的点火系统—借助于该点火系统来实施按本发明的方法—具有旁路，该旁路用来维持借助于初级电压发生器产生的火花。所述旁路例如可以设计为升压斩波器。所述点火系统包括用来确定用于借助旁路来维持的点火火花的、改变了的能量需求的器件。换句话说，所述器件可以确定所述点火系统或者内燃机的运行状态变化，在对所述运行状态变化作出的响应中可以向火花塞供给改变了的电能或改变了的电功率，以便一方面避免火花中断并且避免点火系统的过度磨损。所述点火系统额外地包括用于在对所确定的能量需求变化作出的响应中改变所述旁路的工作方式的器件。这些器件被设计用于根据改变了的能量需求通过所述旁路来调整能量提供，以便向火花隙输送改变了的功率。例如，所述点火系统包括分流器，借助于该分流器所述点火系统被设计用于实施点火火花电流测量，以便确定改变了的能量需求。所述分流器上面的电压测量例如可以借助于所述点火系统的电气操控机构或者模拟的电路，例如形式为微控制器，FPGA和/或ASIC来实现。附加地，也可以将在不使用分流器的情况下所确定的点火火花电压通过前面提到的集成电路而使用用于确定点火火花隙的改变了的能量需求。在此也考虑将电流、电压和/或功率用作有待确定的电气的特征参量。所述点火系统可以包括FPGA或ASIC，尤其是相应的在每个燃烧室上或者在每个火花塞上的FPGA或ASIC。
所述点火系统额外地例如具有存储器件，借助于所述存储器件所述点火系统被设计用于对当前的能量需求进行分类。换句话说，可以将在当前的运行状态中所测量的能量需求与所述存储器件内部的能量需求类别进行比较。此外，所述存储器件可以准备好用于所述旁路的运行参量，所述运行参量已经证实为适合于相应的能量需求类别。
附图说明
下面参照附图对本发明的实施例进行详细描述。在附图中：
图1是点火系统的一种实施例的线路图，其中在该点火系统中可以使用根据本发明的方法；并且
图2a至2f是关于电气的特征参量的时间图，如其在图1中示出的点火系统运行时可能出现的那样；并且
图3是流程图，该流程图说明了按本发明的方法的一种实施例的步骤。
具体实施方式
图1示出了点火系统1的线路，该点火系统包括作为高压发生器的升压变压器2，可以由电源5通过第一开关30来向所述升压变压器的初级侧3供给电能。由初级线圈8和次级线圈9构成的升压变压器2也可以被称为第一电压发生器或者初级电压发生器。在所述线路的输入端上，换句话说也就是在用于连接电源5的接头上，设置了保险丝26。除此以外，为了使输入电压稳定而设置了与所述线路的输入端并联或者说与所述电源5并联的电容17。通过所述初级线圈8与所述次级线圈9的感应耦合来向所述升压变压器2的次级侧4供给电能，并且该次级侧具有从现有技术中已知的、用于进行接通火花抑制的二极管23，其中作为替代方案该二极管可以被所述二极管21所取代。在具有次级线圈9和二极管23的环路或者说网络（Masche）中，火花隙6电气接地14，点火电流i2应该通过所述火花隙将可燃的混合气点燃。
在所述电源5与所述升压变压器2的次级侧4之间设置了旁路7，该旁路例如包括升压斩波器的电子结构元件，即，电感15、开关27、电容10和二极管16。在所述旁路7中，设置了形式为具有初级侧15_1和次级侧15_2的变压器的电感15。所述电感15在此用作蓄能器，以便维持电流。所述变压器的初级侧15_1的和次级侧15_2的两个第一接头分别与所述电源5或保险丝26相连接。在此，所述初级侧15_1的第二接头通过所述开关27电气接地14。所述变压器的次级侧15_2的第二接头在没有开关的情况下直接与所述二极管16相连接，所述二极管又通过节点与所述电容10的接头相连接。所述电容10的这个接头例如通过分流器19与所述次级线圈9相连接，并且所述电容10的另一个接头电气接地14。所述升压斩波器的输出功率通过所述二极管16上的节点来馈入到所述点火系统中并且供所述火花隙6所用。
所述二极管16朝所述电容10的方向可传导地定向。于是所述旁路7的结构能与升压斩波器相比较。根据传输比例，通过所述处于初级侧15_1的分支中的开关27引起的开关过程也在所述次级侧15_2上起作用。但是因为电流和电压按照换算比例（Übersetzungsverhältnis）在所述变压器的其中一侧上比在其另一侧上更高或者更低，所以对于开关过程来说可以找到更为有利的、用于所述开关27的尺寸设计。例如可以实现更小的开关电压，由此可以更为容易并且成本更为低廉地进行所述开关27的尺寸设计。所述开关27通过操控机构24来控制，所述操控机构通过驱动器25与所述开关27相连接。在所述电容10与所述次级线圈9之间设置了作为电流测量器件或者电压测量器件的分流器19，该分流器的测量信号被输送给所述开关27。通过这种方式，所述开关27被设立用于对流经所述次级线圈9的电流强度i2的所定义的范围作出反应。为了保护所述电容10，以沿着闭锁方向与所述电容10并联的方式连接了齐纳二极管21。此外，所述操控机构24收到了控制信号SHSS。通过该控制信号，可以接通和切断通过所述旁路7将能量或输出功率馈入到所述次级侧中的过程。在此，通过所述旁路分别（bzw.）被引入到火花隙中的、尤其是关于频率和/或脉冲-暂停-比例的电参量的效率也可以通过合适的控制信号SHSS来控制。此外，勾画出了开关信号32，借助于该开关信号可以通过所述驱动器25来操控所述开关27。在所述开关27闭合时，通过所述电源5来向所述电感15供给电流，该电流在所述开关27闭合时直接流入电气接地14中。在所述开关27断开时，所述电流通过所述电感15经由所述二极管16被传导到所述电容器10上。在对所述电容器10中的电流作出的响应中出现的电压与在所述升压变压器2的次级线圈9上减小的电压相加，由此所述火花隙6处的电弧得到支持。但是，在这种情况下，所述电容器10放电，从而通过闭合开关27可以将能量带到所述电感15的磁场中，以便在所述开关27重新断开时又将这种能量装载到所述电容器10上。可识别出：对在初级侧3中设置的开关30的操控31被保持得明显地比通过用于开关27的开关信号32进行的操控情况短。可选地，可以并联连接所述升压斩波器的次级侧线圈9的、通过用虚线示出的高压二极管33来象征性地表示的非线性的二极。这个高压二极管33在次级侧跨接所述高压发生器2，由此在没有通过所述高压发生器2的次级线圈9来导送的情况下将通过所述旁路7提供的能量或输出功率直接导送给所述火花隙6。由此在所述次级线圈9上没有产生损失并且提高了效率。
通过在信息技术方面连接马达控制器（MSG）40这种方式，可以按照本发明来确定用于点火火花的、改变了的能量需求，所述马达控制器收到用于对内燃机的工作点进行调节的第一信号S40并且将相一致的第二信号S40’输出给微控制器42。该微控制器42进一步被连接到存储器41上，从该存储器中可以读出形式为用于能量的类别的极限值的参考值，所述能量则用于当前或者将来所需要的、用来维持所述点火火花的电能。所述微控制器42为了影响所述旁路7的工作方式而被设立用于向所述操控机构24供给按照需求来改动的控制信号SHSS，在对该控制信号作出的响应中所述驱动器25向所述开关27提供改变了的开关信号32。例如，所述旁路7可以在对收到改变了的开关信号32这种情况作出的响应中为火花隙6供给或多或少的、形式为增大了的或减小了的输出电压的电能。
此外示出了用于点火线圈电流iZS的时间图2a）、用于所属的旁路电流iHSS的时间图2b）、用于所述火花隙6上的输出侧的电压的时间图2c）、用于在未使用（501）和使用（502）旁路7的情况下在图1中示出的点火系统的次级线圈电流i2的时间图2d）、用于所述开关30的开关信号31的时间图2e）以及用于所述开关27的开关信号32的时间图2f）。详细来讲：图2a）示出了初级线圈电流iZS的较短且陡峭的上升，所述初级线圈电流出现在开关30处于传导状态中（“ON”，参见图2e））的时间期间。随着所述开关30的切断，所述初级线圈电流iZS也下降到0 A。图2b）此外说明了旁路7的、通过对开关27的脉冲状的操控而产生的电流消耗。在实际中，作为开关频率，处于几十kHz范围内的时钟频率已经经受考验，用于一方面实现相应的电压并且另一方面实现可接受的效率。作为可能的范围极限，示范性地列举10000 Hz的、处于10 kHz与100 kHz的范围内的多个整数倍。为了调节被输出给所述火花隙的功率，在此建议对所述信号32的脉冲-暂停-比例进行尤其无级的调节，用于产生相应的输出信号。图2c）示出了在按本发明运行时在所述火花隙6上出现的电压的曲线34。图2d）示出了所述次级线圈电流i2的曲线。一旦所述初级线圈电流iZS由于所述开关30的断开而变为0 A并且由此在所述升压变压器中所储存的磁能以火花隙6上面的电弧的形式放电，就出现次级线圈电流i2，该次级线圈电流在没有旁路（501）的情况下很快下降到0。与此相比，通过对所述开关27的脉冲状的操控（参见图2f），开关信号32），通过所述火花隙6驱送着基本上恒定的次级线圈电流i2（502），其中所述次级电流i2取决于所述火花隙6上的点火电压并且在这里为了简便起见以恒定的点火电压为出发点。只有在通过断开开关27而中断所述旁路7之后，所述次级线圈电流i2现在才也下降到0 A。从图2d）中能够看出，下降沿通过所述旁路7的使用而被推迟。下述全部持续时间，在该全部持续时间期间使用旁路，被标识为tHSS，并且下述持续时间，在该持续时间期间在初级侧将能量提供到所述升压变压器2中，被标识为ti。可以可变地选择tHSS相对于ti的开始时刻。此外也可以在旁路7中进一步对由电源提供的电压进行处理之前通过（未示出的）额外的DC-DC-转换器来提高该电压。应当指出的是，具体的设计取决于许多线路固有的以及外部的边界条件。没有将有关的本领域技术人员推到不合理的、亲自进行对于其目的和应该由其考虑的边界条件来说合适的尺寸设计的问题的前面。
图3示出了对按本发明的方法的一种实施例的步骤进行说明的流程图。在此，在步骤100中确定改变了的、用于借助所述旁路来维持的点火火花的能量需求。在该步骤的过程中，实施对点火系统的电气的运行参量（尤其是点火火花隙）的测量，并且在步骤200中将所确定的数值与所保存的参考值进行比较。关于例如可以作为被分配给所述测量值的运行参量类别来加以保存的参考值，读出所属的运转参数并且在步骤300中根据更新的运行参量来改变所述旁路的工作方式。例如，所述参量可以在作为旁路的升压斩波器运行时指示开关频率的变化。通过改变了的开关频率来将改变了的电压通过所述旁路提供给所述火花隙，从而能够或者避免中断点火或者避免电极腐蚀的提高。
根据一种实施例，确定改变了的能量需求，方法是，在步骤100中确定电气的特征参量和/或所述特征参量的变化和/或所述特征参量的变化速度。所述电气的特征参量例如是所述点火火花的电流和/或表示出所述点火火花的电压的特征的电压。此外，在步骤200中确定，是否满足了超出条件和/或未超出条件，方法是：检查比较参量是否超过了预先确定的上限阈值并且/或者未超出预先确定的下限阈值。当所述比较参量超过了预先确定的上限阈值时，就满足了所述超出条件。当所述比较参量未超过预先确定的下限阈值时，就满足了所述未超出条件。在此所述比较参量可以是所确定的特征参量或者所确定的特征参量的变化或者所确定的特征参量的变化速度。上限阈值和/或下限阈值例如静态地或动态地存储在存储器中。
根据一种实施例，在步骤300中改变所述旁路的工作方式，方法是：如果满足了所述超出条件，则减小所述输出功率或者表示出所述输出功率的特征的参量。而如果满足了所述未超出条件，则发生火花中断并且增大所述输出功率或者表示出所述输出功率的特征的参量。所述旁路的输出功率或者表示出所述旁路的输出功率的特征的参量的减小或者增大可以在能够预先给定的阶段中进行或者连续地进行，更确切地说，基于预先给定值或者前述值而进行。用于减小或增大输出功率的各个阶段的值例如静态地或动态地存储在存储器中。
用于确定改变了的能量需求的步骤和用于改变所述旁路7的工作方式的步骤形成一种调节机构。该调节机构例如设计为非线性的调节机构、尤其设计为两点式调节机构或三点式调节机构。但是，也可以设置连续的调节机构，尤其是具有P调节元件和/或I调节元件和/或D调节元件的调节机构。
在此通过改变所述旁路7的开关27的同步操控这种方式来增大或者减小所述输出功率或者表示出所述输出功率的特征的参量。
可以设置一种计算机程序，该计算机程序被设计用于：执行按本发明的方法的所有所描述的步骤。在此，所述计算机程序被保存在存储介质上。作为所述计算机程序的替代方案，按本发明的方法可以由在所述点火系统中所设置的电气开关电路、模拟的线路、ASIC或者微型控制器来控制，所述ASIC或者微型控制器被设计用于执行按本发明的方法的所有所描述的步骤。
即使借助于结合附图所解释的实施例对按本发明的方面和有利的实施方式进行了详细描述，但是对于本领域的技术人员来说可以实现所描述的实施例的特征的改动和组合，而不脱离本发明的范围，其中本发明的保护范围通过随附的权利要求来定义。
Claims (10)
1.用于运行用于内燃机的点火系统（1）的方法，其中所述点火系统包括初级电压发生器（2）以及用于维持借助于所述初级电压发生器（2）产生的点火火花的旁路（7），所述方法具有下述步骤：
-确定（100）用于所述点火火花的改变了的能量需求，并且在对此作出的响应中，
-改变（300）所述旁路（7）的工作方式，
其中对所述改变了的能量需求的确定包括以下步骤：
-确定电气的特征参量和/或所述特征参量的变化和/或所述特征参量的变化速度；
-确定，是否满足了超出条件和/或未超出条件，方法是：确定比较参量是否超过了预先确定的上限阈值并且/或者未超出预先确定的下限阈值，其中所述比较参量是所确定的特征参量或者所确定的特征参量的变化或者所确定的特征参量的变化速度，
其中所述旁路（7）的工作方式的改变（300）包括以下步骤：
-如果满足了所述超出条件，则减小所述旁路的输出功率或者表示出所述旁路的输出功率的特征的参量，或者
-如果满足了所述未超出条件，则增大所述旁路的输出功率或者所述旁路的表示出该旁路的输出功率的特征的参量，
其特征在于，
在对内燃机的改变了的运行状态作出的响应中，通过所述旁路（7）来缩短或延长电能的提供。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对所述改变了的能量需求的确定（100）包括下述步骤：测量点火火花的电流和/或与所述点火火花的电压相对应的电压。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中对所述改变了的能量需求的确定（100）包括：将所述点火火花的测量的电气的特征参量与所分配的参考值进行比较（200）。
4.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：对所述电气的特征参量进行分类，并且根据被分配给类别的参数来改变（300）所述旁路（7）的工作方式。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述旁路（7）的工作方式的改变（300）包括以下步骤：
-如果满足了所述超出条件和/或未所述超出条件，则对所述旁路的输出功率或者表示出所述旁路的输出功率的特征的参量进行调整。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旁路的输出功率或者表示出所述旁路的输出功率的特征的参量的减小或者增大在能够预先给定的阶段中进行或者连续地进行。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过改变所述旁路（7）的开关（27）的同步操控这种方式来增大或者减小所述旁路的输出功率或者表示出所述旁路的输出功率的特征的参量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述旁路（7）是升压斩波器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电气的特征参量是所述点火火花的电流和/或表示出所述点火火花的电压的特征的电压。
10.点火系统，该点火系统被设计用于执行根据权利要求1至9中任一项所述方法的所有步骤。
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