CN106715866A - 包括其中具有锥形凹部的活塞的活塞对置式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种活塞对置式发动机，包括：具有气缸壁的气缸和一对对置式活塞，该一对对置式活塞中的每个活塞的每个面具有顶平面和形成在其中的凹部，每个凹部包括限定锥形部的一部分的第一表面，由所述凹部中的至少一个凹部的第一表面限定的该锥形部具有纵向轴线，此纵向轴线与所述顶平面限定等于该锥形部的锥角的至少一半的角度。

Description

包括其中具有锥形凹部的活塞的活塞对置式发动机
技术领域
本发明的各个方面涉及活塞对置式发动机，更具体地，涉及具有特定的活塞面几何形状的活塞对置式发动机。
背景技术
在常规的单活塞发动机中，燃料或多或少地从封闭气缸端部的气缸盖轴向地喷射到气缸内。在常规的发动机中，燃烧室由气缸盖和活塞顶部之间的空间形成，并且通常具有在气缸盖表面中、活塞顶表面中或二者中的凹部的形式。对于常规的发动机，已很好地建立了产生用于良好燃烧的燃料和空气的有效混合的燃烧室设计。
活塞对置式发动机是两个活塞容纳在一个气缸内的发动机(其中，燃烧室形成在两个活塞之间)，因此不存在气缸盖。当用于压燃式发动机时，燃料从形成在两个活塞之间的空间处从气缸壁中的或多或少地径向定位的位置喷射。这被称为“侧喷射”。通常，活塞对置式发动机传统地存在燃烧较差的问题，因为更难以形成将燃料和空气有效地混合的室，从而导致不良的碳烟排放、冒烟以及比预期差的效率。
对置式活塞柴油发动机的一个主要挑战是燃料喷射必须从气缸的侧面进入气缸，典型地大致垂直于气缸轴线。这与常规发动机不同，在常规发动机中，喷雾或多或少地与气缸轴线对齐，并且这允许轴对称的燃烧室。
历史上，大多数活塞对置式发动机将喷射器放置在发动机的相反两侧，以使燃烧在气缸内相对居中地发生。然而，喷射器在气缸的相反两侧的这种设计有若干缺点。存在来自两个喷射器的喷射羽雾(spray plumes)彼此撞击的危险，在现代柴油燃烧理论中，已知这种状况会导致高的碳烟生成。试图保持良好居中的燃烧的大多数设计在或大或小的程度上有此缺点。
另一个缺点涉及如下事实：即，高压燃料系统由在发动机的寿命期间可能需要维修的部件形成。在发动机的两侧具有燃料系统意味着维修技师必须靠近发动机的两侧，并从该应用场所的一侧移动到另一侧以执行维修工作，这对于大发动机或在商用车辆固定安装应用中可能是困难的，或至少是耗时的。
此外，现代高压燃料系统包含许多精密部件，包括燃料喷射器中的导线连接、高压流体连接和电子部件。所有这些对于高热都是敏感的，并且可能在维修期间或在机械故障的情况下泄漏燃料。当喷射器位于发动机的两侧时，非常难以使燃料通道及电特征件与排气歧管附近位置隔开，该排气歧管是高热来源和可能的点火源。
希望提供如下一种活塞对置式发动机，该活塞对置式发动机允许以能够避免燃料喷射羽雾彼此撞击的方式喷射燃料。还希望避免喷射器在气缸的相反两侧时的缺点。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种活塞对置式发动机包括：具有气缸壁的气缸；一对对置式活塞，所述一对对置式活塞中的每个活塞均具有一个面，所述一对活塞布置在气缸内并能够在气缸内的第一位置和气缸内的第二位置之间移动，在所述第一位置，对置式活塞的所述面和气缸壁限定最大容积，而在所述第二位置，对置式活塞的所述面和气缸壁限定最小容积，其中，所述一对对置式活塞中的每个活塞的所述面各自具有顶平面和形成在所述面中的凹部，每个凹部包括限定锥形部的一部分的第一表面，由所述凹部中的至少一个凹部的第一表面限定的所述锥形部具有纵向轴线，该纵向轴线与所述顶平面限定等于所述锥形部的锥角的至少一半的角度。
附图说明
通过结合附图来阅读以下的详细描述，将很好地理解本发明的特征和优点，在这些附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1A是根据本发明一个方面的活塞对置式发动机的截面示意图，其中，气缸内的两个活塞处于彼此间隔开的第一位置；
图1B是图1A的活塞对置式发动机的截面示意图，其中，气缸内的两个活塞处于彼此最靠近的第二位置；
图1C是图1A的活塞对置式发动机的活塞沿图1A的截面1C-1C截取的剖视图；
图1D是图1A的活塞对置式发动机的一部分沿图1A的截面1D-1D截取的剖视图；
图2A至图2D是本发明的另外方面的活塞对置式发动机的截面示意图，其中，气缸内的活塞处于彼此最靠近的第二位置并且锥形凹部相对于活塞的所述面的平面具有不同的角度；
图3A至图3B是本发明的另一方面的活塞对置式发动机的顶视截面示意图和侧视截面示意图，其中，气缸内的活塞处于彼此最靠近的第二位置；
图4A至图4B是本发明的另一方面的活塞对置式发动机的顶视截面示意图和侧视截面示意图，其中，气缸内的活塞处于彼此最靠近的第二位置；
图5A至图5B是本发明的另一方面的活塞对置式发动机的顶视截面示意图和侧视截面示意图，其中，气缸内的活塞处于彼此最靠近的第二位置；
图6A是本发明的另一方面的活塞对置式发动机的一部分的侧视截面示意图，其中，气缸内的活塞处于彼此最靠近的第二位置，并且图中示出了活塞的凹部中的锥形燃料喷射羽雾；
图6B是本发明的另一方面的活塞对置式发动机的一部分的局部分解侧视示意图，其中，气缸内的活塞相对于彼此倾斜，以示出活塞的凹部中的锥形燃料喷射羽雾；
图6C是本发明的另一方面的活塞对置式发动机的燃料喷射器的侧视图，示出了锥形燃料喷射羽雾；并且
图6D是本发明的另一方面的活塞对置式发动机的燃料喷射器的侧视图，图中从与图6D不同的角度示出了锥形燃料喷射羽雾。
具体实施方式
在图1A-1B中可以看到根据本发明一个方面的活塞对置式发动机21，该活塞对置式发动机21包括(至少一个)具有气缸壁25的气缸23和一对对置式活塞27和29。例如，如图1A可见，这一对对置式活塞中的每个活塞27和29各具有一个面31和33。这一对活塞27和29布置在气缸23内并能够在气缸内的第一位置(图1A)和气缸内的第二位置(图1B)之间移动，在第一位置，该对置式活塞的面31、33和气缸壁25限定最大容积，在第二位置，该对置式活塞的所述面和气缸壁限定最小容积。当提到活塞27和29的特征件的结构在其他特征件“上方”或“下方”时，所提到的该特征件在其他特征件“上方”通常是指该特征件更靠近这两个活塞之间的中心位置CP，而在其他特征件“下方”的特征件通常更远离所述中心点。活塞27和29中的一个活塞通常被称为“进气”活塞，因为它更靠近气缸壁25中的进气开口且打开和关闭该进气开口，而另一个活塞通常被称为“排气”活塞，因为它更靠近气缸壁中的排气开口且打开和关闭该排气开口。
例如，如图1A可见，这一对对置式活塞中的每个活塞27和29各自的面31和33具有顶平面31P和33P以及形成在所述面31和33中的凹部(或燃烧碗)35和37。在图1A至图1B所示的实施例中，每个凹部35和37包括限定锥形部的一部分的第一表面39和41(图1A)，并且，由凹部35和37中的至少一个凹部(在图1A至图1B中为两个凹部)的第一表面限定的锥形部C1和C2具有纵向轴线AC1和AC2，所述纵向轴线AC1、AC2与所述顶平面限定等于该锥形部的锥角的至少一半的角度Θ1和Θ2。虽然每个锥形部C1和C2能够具有与所述顶平面限定等于锥形部的锥角的至少一半的角度的纵向轴线AC1和AC2，如图1A和图1B所示，但也能够使所述锥形部中的一个或两个具有与所述顶平面限定小于锥形部的锥角的至少一半的角度的纵向轴线AC1'和/或AC2'，如图2A、图2B和图2D可见，或者，具有与顶平面限定大于锥形部的锥角的至少一半的角度的纵向轴线AC1”和/或AC2”，如图2C和图2D可见。
如图1C和图1D可见，每个凹部35和37通常包括在锥形部C1和C2的最宽端部处的U形基部表面43和45(活塞29的图示同样适用于活塞27的图示，其附图标记在图1C和图1D中在括号中示出)。基部表面43和45能够垂直于锥形部C1和C2的纵向轴线AC1和AC2，如图2A-2D可见，并且如图1A和图1B中以假想线示出的。可替代地，基部表面43和45可具有一些其他适当的形状，例如凹陷的、局部的环面部分47和49，如图1A至图1B可见，并能够包括在由该环面部分限定的环面(toroid)的中心处的“凸端”或中心凸起51和53。
如图3A中可见，当沿气缸25的轴线AC观察时(图3B是从侧面观察)，所述一对对置式活塞中的第一活塞27的凹部35的第一表面39的锥形部C1的纵向轴线AC1能够与所述一对对置式活塞中的第二活塞29的凹部37的第一表面41的锥形部C2的纵向轴线AC2限定非零角度α。然而，如图1A-2D和图4A-4B可见，在其他实施例中，当沿气缸25的轴线AC观察时，所述一对对置式活塞中的第一活塞27的凹部35的第一表面39的锥形部C1的纵向轴线AC1也可与所述一对对置式活塞中的第二活塞29的凹部37的第一表面39的锥形部C2的纵向轴线AC2对齐。如图4A至图4B中可见，第一活塞27的凹部35的第一表面39的锥形部C1能够在与第二活塞29的凹部37的第一表面41的锥形部C2相反的方向上扩宽(widen)，或如图1A至图2D中可见，能够在与第二活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部相同的方向上扩宽。
凹部35和37的第一表面39和41能够限定锥形部C1和C2的一半，或者如所希望地限定该锥形部的更小的部分。例如，如果凹部35和37的第一表面39和41限定锥形部C1和C2的一半，那么，高于第一表面且延伸到活塞27和29的面31和33的壁部能够彼此平行且平滑地汇聚到第一表面中，如图1C中可见。如图1C中的假想线可见，凹部35和37可以基本完整地限定具有朝向活塞27和29的面31和35的最小开口O的锥形形状，然而，为了易于制造，在该锥形部的下半体上方的壁部通常将竖直向上延伸到活塞的所述面，特别当在铸造所述活塞时形成该凹部时。如果凹部35和37的第一表面39和41限定了锥形部C1和C2的一半以下，那么，在第一表面上方且延伸到活塞27和29的面31和33的壁部都是平的且平滑地汇聚到第一表面中，这些壁部将彼此不平行。
如图2A-2B和图2D中可见，在活塞对置式发动机中，由活塞27’中的凹部35的第一表面限定的锥形部C1’中的一个(图2A和图2D)或两个(图2B)能够具有与所述顶平面限定小于锥形部的锥角的一半的角度的纵向轴线AC1’。在图2A中，锥形部C1’的一部分布置在活塞27的面31的顶平面31P上方。对于所述一对对置式活塞中的活塞29，由凹部37的第一表面41限定的锥形部C2被布置成与该活塞的面33的顶平面33P相切或位于该顶平面33P下方。替代地，由凹部35和37的第一表面39和41限定的锥形部C1”和C2”中的一个(图2D)或两个(图2C)能够完全布置在活塞27和29的面31和33的顶平面31P和33P下方。替代地，如图2B中可见，由凹部35和37的第一表面39和41限定的锥形部C1’和C2’中的两个能够部分地布置在活塞27和29的面31和33的顶平面31P和33P上方。虽然图2A-2D中的锥形部被示出为使得它们的纵向轴线在沿气缸的纵向轴线AC观察时对齐，但所述锥形部(尤其是在所述锥形部的一部分布置在活塞的所述面的顶平面上方的任何实施例中)通常将被定向成使得所述锥形部的纵向轴线彼此成非零的角度，以便喷射到所述锥形部的形状范围内的燃料羽雾不相交。
如图5A至图5B中可见，由所述一对对置式活塞中的第一活塞27a中的凹部35a的第一表面39a限定的锥形部C1a能够与由所述一对对置式活塞中的第二活塞29a中的凹部37a的第一表面41a限定的锥形部C2a具有不同的形状。例如，由所述一对对置式活塞中的第一活塞27a中的凹部35a的第一表面39a限定的锥形部C1a能够具有与由所述一对对置式活塞中的第二活塞29a中的凹部37a的第一表面41a限定的锥形部C2a的锥角CA2a不同的锥角CA1a，和/或该锥形部C1a可以比锥形部C2a长或短。
如图1A至图1B和图2A至图6D中所示，发动机21能够包括在气缸壁25中的一对燃料喷射器55和57。每个燃料喷射器55和57能够构造成将燃料以燃料喷射锥(fuel jet cones)的形状喷射到气缸23中，该燃料喷射锥的燃料喷射锥角大致等于锥角CA1和CA2。通常，燃料喷射器55和57将布置成当活塞27和29处于使燃料喷射锥与锥形部C1和C2重合的位置时将燃料喷射到气缸23中，然而，每个活塞能够在不同的时间到达其最靠近气缸中心CP的点。所述一对燃料喷射器中的每个燃料喷射器55和57能够布置成沿着所述一对对置式活塞中的各个活塞27和29的凹部35和37的第一表面39和41的锥形部C1和C2的纵向轴线AC1和AC2以燃料喷射锥的形状喷射燃料。
如图6A至图6D中可见，每个燃料喷射器55和57能够包括多个喷雾开孔，所述喷雾开孔适于产生多个喷射羽雾61a、61b、61c，以形成燃料喷射包络锥(fuel jet envelopecones)FJC1和FJC2。替代地，如图2A至图2D中的假想线可见，每个燃料喷射器55和57能够包括单个喷雾开孔，该喷雾开孔适于形成作为中空或实体锥的燃料喷射锥。
燃料喷射器57和59能够被设计和控制成实现不同的燃烧目标。例如，如图5A至图5B中可见，所述一对燃料喷射器55和57可具有不同的尺寸。另外，所述燃料喷射器能够布置成供给不同量的燃料。这一对燃料喷射器55和57还可布置成在不同的时间供给燃料，例如，燃料喷射器55在活塞27到达其最接近气缸中心CP的点时首先喷射，然后，喷射器57随后在活塞29到达其最接近气缸中心的点时喷射。
无论喷射器55和57是多孔型还是中空或实体锥型的喷射器，通常希望防止不同的喷雾部分(spray elements)相互碰撞，因为这会导致燃料小滴聚集并导致形成更多碳烟。任何喷雾图案(spray pattern)的目的应是允许任何小滴路径在空间内持续扩展，直至所述小滴完全气化或在火焰中被消耗掉为止。总的来看，多孔喷雾图案(multi-hole spraypattern)也形成了中空的包络锥，如图6A至图6D中可见，其中，多个喷射羽雾形成该包络锥的多个部分。当然，单独的喷射羽雾也扩展为较小的锥，因此，通常选择喷雾孔的数目、包络锥角、以及喷射器到活塞碗腔体的距离来最小化小滴的彼此作用。请注意，凹部35和37中的锥形形状的基部通常包含中心“凸端”或中心凸起51和53，它们有助于使多个喷雾/火焰部分(spray/flame elements)径向分离。
本发明的各个方面的优点包括：两个喷射器55和57能够放置在发动机21的同一侧，这能够使维修更容易，并能够便于将诸如燃料通道和电气特征件的精密部件从排气歧管附近隔离，例如通过将排气歧管仅放置在发动机的与燃料系统相反的一侧。另外，通过将每个喷射器喷雾朝向不同的活塞27和29引导，本发明能够与在任何位置(即使如所期望地在发动机的相反两侧)上的喷射器一起使用，而不会使其喷射羽雾相互碰撞。然而，目前优选的实施例是将两个喷射器放置在发动机的同一侧。在此构思的是：在实践中，喷射器之间的间隔通常被限制为沿气缸的圆周间隔开小于90度，以避免干涉相邻气缸的喷射器。
每个喷射器55和57通常是成角度的，使得整个喷雾图案基本被包括在活塞27或29中的一个活塞的凹部35或37内。典型地，如图1A至图1B的实施例中，此角度大约为喷射器喷雾包络锥角CA1和CA2的一半，但该角度可以变化。通常，对置式活塞的喷射器的喷雾包络锥将远窄于常规发动机中使用的喷雾包络锥，典型地约为30°至90°(对比于常规发动机中的典型的120°)。因此，喷射器55和57的基本目标角度将典型地大致为与气缸轴线垂直的平面成15°至45°。然而，因为活塞27和29在燃料喷射期间相对于喷射器55和57的位置移动，所以此角度可以被修改以实现对于活塞位置范围的更有利的目标。能够在仍维持喷射器本体的轴线与气缸壁垂直的同时通过喷射器喷嘴的适当设计来实现上述成角度的喷雾图案。
为了实现特定发动机中的最优燃烧，每个活塞中的凹部35和37可以具有不同的尺寸并具有不同的形状细节。指向每个活塞27和29的喷射器55和57可以具有不同的流速、喷雾图案和不同的目标包络角，并可以在不同的时间喷射燃料。提供不同尺寸的喷射器例如能够允许一个小的喷射器，该喷射器能够对于多次喷射(特别是先导喷射或后喷射)精确地计量非常小的燃料量，而较大的喷射器能够在短时间内供给所期望的动力所需的主喷射量。在两冲程发动机中，该主喷射能用的时间段比四冲程发动机短，因此，主喷射器必须相对大。
通过不同的喷射器55和57提供不同的燃料量可以是有用的。例如，在一些活塞对置式发动机中，进气曲轴几乎总是在相位上滞后于排气曲轴。这导致其循环中的最小容积点(类似于常规发动机中的上止点)在排气活塞向外移动之后而进气活塞仍向内移动时出现。在现代的排放受控制的柴油燃烧中，喷射的开始通常被定时为在快接近最小容积时开始，而主喷射延伸到最小容积之后很久。因此，在活塞对置式发动机中，排气活塞相对于喷射器非常快地移动离位，而进气活塞以非常小的移动在最小容积之后驻留一定时间。为了将喷射喷雾保持限制在其相应的室内，被导向排气活塞的喷射必须在最小容积之前被切断，因此可能在活塞移动离位之前仅喷射少量燃料。另一方面，进气活塞在喷射的早期阶段移动到位，但在进行主喷射的时间期间基本不动。因此，通常，使朝向排气引导的喷射小于朝向进气引导的喷射可以是有用的。
来自喷射器55和57的不同的喷雾图案可以是有用的，因为排气活塞将主要用于预喷射和早期喷射，而进气活塞将主要用于主喷射和后喷射，所述两个凹部35和37和相关的喷射器可以具有不同的尺寸，因此在细节上也略微不同。进气活塞上的较大凹部可以被展平，例如以限制凹部到活塞本体内的深度，或排气活塞腔体可被展平或外扩，使得活塞表面中的开口更好地匹配。这些细节能够被略微改变，以解决具体的设计问题而基本上不改变构思。
在本申请中，所使用的例如“包括”的术语是开放式的，并且旨在与例如“包含”的术语具有相同的意义，而不排除其他结构、材料或行为的存在。类似地，虽然所使用的例如“能够”或“可以”的术语旨在是开放性的并且旨在表明结构、材料或行为不是必需的，但不使用此术语并不意味着表明该结构、材料或行为是必不可少的。对于结构、材料或行为被考虑为必不可少的程度，它们被认为如此。
虽然已根据优选实施例图示和描述了本发明，但应认识到，在不偏离如权利要求中限定的本发明的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。

Claims (20)

1.一种活塞对置式发动机，包括：
具有气缸壁的气缸；和
一对对置式活塞，所述一对对置式活塞中的每个活塞均具有一个面，所述一对活塞布置在所述气缸内并能够在所述气缸内的第一位置和所述气缸内的第二位置之间移动，在所述第一位置，所述对置式活塞的所述面和所述气缸壁限定最大容积，而在所述第二位置，所述对置式活塞的所述面和所述气缸壁限定最小容积，
其中，所述一对对置式活塞中的每个活塞的所述面各自具有顶平面和形成在所述面中的凹部，每个凹部包括限定锥形部的一部分的第一表面，由所述凹部中的至少一个凹部的第一表面限定的所述锥形部具有纵向轴线，所述纵向轴线与所述顶平面限定等于所述锥形部的锥角的至少一半的角度。
2.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，其中，每个所述凹部在所述锥形部的最宽端部处包括U形基础表面。
3.根据权利要求2所述的活塞对置式发动机，其中，所述基础表面垂直于所述锥形部的纵向轴线。
4.根据权利要求2所述的活塞对置式发动机，其中，所述基础表面具有凹陷的、局部的环面部分并包括在由所述环面部分限定的环面的中心处的中心凸起。
5.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，其中，当沿所述气缸的轴线观察时，所述一对对置式活塞中的第一活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部的纵向轴线与所述一对对置式活塞中的第二活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部的纵向轴线限定非零角度。
6.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，其中，当沿所述气缸的轴线观察时，所述一对对置式活塞中的第一活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部的纵向轴线与所述一对对置式活塞中的第二活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部的纵向轴线对齐。
7.根据权利要求6所述的活塞对置式发动机，其中，所述第一活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部在与所述第二活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部相反的方向上扩宽。
8.根据权利要求6所述的活塞对置式发动机，其中，所述第一活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部在与所述第二活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部相同的方向上扩宽。
9.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，其中，所述第一表面限定所述锥形部的一半。
10.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，其中，对于所述一对对置式活塞中的至少一个活塞，由所述第一表面限定的所述锥形部布置在所述顶平面下方。
11.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，其中，由所述一对对置式活塞中的第一活塞中的所述凹部的第一表面限定的所述锥形部与由所述一对对置式活塞中的第二活塞中的所述凹部的第一表面限定的所述锥形部具有不同的形状。
12.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，其中，由所述一对对置式活塞中的第一活塞中的所述凹部的第一表面限定的所述锥形部具有与由所述一对对置式活塞中的第二活塞中的所述凹部的第一表面限定的所述锥形部的锥角不同的锥角。
13.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，其中，对于所述一对对置式活塞中的每个活塞，由所述第一表面限定的所述锥形部的纵向轴线与所述顶平面限定的角度等于所述锥形部的锥角的至少一半。
14.根据权利要求1所述的活塞对置式发动机，包括在所述气缸壁中的一对燃料喷射器，每个燃料喷射器被构造成将燃料以燃料喷射锥的形状喷射到所述气缸内，所述燃料喷射锥具有基本等于所述锥角的燃料喷射锥角。
15.根据权利要求14所述的活塞对置式发动机，其中，所述一对燃料喷射器中的每个燃料喷射器被布置成沿着所述一对对置式活塞中的各个活塞的所述凹部的第一表面的所述锥形部的纵向轴线以燃料喷射锥的形状喷射燃料。
16.根据权利要求14所述的活塞对置式发动机，其中，每个燃料喷射器包括多个喷雾开孔，所述多个喷雾开孔适于产生多个喷射羽雾，以形成作为包络锥的所述燃料喷射锥。
17.根据权利要求14所述的活塞对置式发动机，其中，每个燃料喷射器包括单个喷雾开孔，该喷雾开孔具有中心柱，该中心柱适于形成作为中空或实体锥的所述燃料喷射锥。
18.根据权利要求14所述的活塞对置式发动机，其中，所述一对燃料喷射器具有不同的尺寸。
19.根据权利要求14所述的活塞对置式发动机，其中，所述一对燃料喷射器被布置成供给不同量的燃料。
20.根据权利要求14所述的活塞对置式发动机，其中，所述一对燃料喷射器被布置成在不同的时间供给燃料。
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