DE10055365B4 - Verdampfungselement - Google Patents

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Abstract

Verdampfungselement (3) zum Eindampfen einer Flüssigkeit in ein Gas (7), insbesondere für Brennkraftmaschinen (2), mit einem porösen Körper (4) dessen Oberfläche zumindest teilweise vom Gas (7) anströmbar ist, sowie mit einem Anschluss (11) zur Zuführung der Flüssigkeit, wobei der poröse Körper (4) zumindest teilweise in die Gasströmung (7) hineinragt, wobei der poröse Körper (4) einen länglichen Kapillarenkörper (6) zumindest teilweise umgibt, dessen erstes Ende (15) im Bereich des Anschlusses (11) und dessen zweites Ende (16) innerhalb des porösen Körpers (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (4) innerhalb des Strömungsweges (1) für das Gas (7) teilweise von einem Gehäusemantel (5) umgegeben ist und der zumindest teilweise in die Gasströmung (7) ragende Gehäusemantel (5) an der Anströmseite (5a) hochgezogen und an der Abströmseite (5b) gegenüber dem porösen Körper (4) freigestellt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verdampfungselement zum Eindampfen einer Flüssigkeit in ein Gas, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einem porösen Körper dessen Oberfläche zumindest teilweise vom Gas anströmbar ist, sowie mit einem Anschluss zur Zuführung der Flüssigkeit, wobei der poröse Körper zumindest teilweise in die Gasströmung hineinragt, wobei der poröse Körper einen länglichen Kapillarenkörper zumindest teilweise umgibt, dessen erstes Ende im Bereich des Anschlusses und dessen zweites Ende innerhalb des porösen Körpers angeordnet ist.
  • Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen ergibt sich die Notwendigkeit in ein strömendes, gasförmiges Medium eine Substanz einzubringen und dort verdampfen zu lassen. Diese Notwendigkeit besteht vornämlich aus folgenden Gründen:
    • – Es wird ein Gas mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung benötigt. Die Komponente kann dem Gas aber erst nachträglich zugeführt werden. Die Substanz muss also durch Eindampfen dem Gas zugesetzt werden, wobei eventuell auftretende Temperaturerniedrigung der Gasströmung wegen der Verdampfungswärmeverluste in Kauf genommen wird,
    • – dem Gas wird zum Zweck der Kühlung durch Entzug der Verdampfungswärme eine flüssige Substanz zugesetzt. Die Substanz selbst wird nicht direkt benötigt, ihr Vorhandensein in der Gasströmung ist aber auch nicht schädlich für einen eventuellen Folgeprozess.
  • Im Idealfall kann sowohl die Substanz selbst, als auch die Kühlung durch Verdampfungswärme vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Es sind verschiedene Verfahren zum Zusetzen einer Flüssigkeit in ein Gas bekannt. Die Flüssigkeit kann mittels Hochdruckpumpen in die Gasströmung eingespritzt oder eingeblasen werden. Es ist auch bekannt die Flüssigkeit durch Ultraschallzerstäubung in möglichst kleine und möglichst fein verteilte Tröpfchen zu teilen und so direkt in die Gasströmung einzubringen, damit die Flüssigkeit in der Gasströmung selbst verdampfen kann.
  • Die einzubringende Substanz liegt prinzipbedingt im flüssigen Aggregatzustand vor. Das Ziel ist, einen bestimmen Dampfgehalt der einzubringenden Substanz im Gasstrom zu erreichen. Mittels Eindüsen, Einspritzen oder Ultraschallzerstäubung wird eine zwar feine, allerdings lokal sehr unterschiedliche Verteilung verschieden großer, singulärer Tröpfchen erreicht. Diese Tröpfchen verdampfen aber nur unvollständig, insbesondere falls die Temperatur der Gasströmung nur knapp die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit überschreitet. Dadurch ergeben sich in weiterer Folge mehr oder weniger stark ausgeprägte Unregelmäßigkeiten in der Dampfverteilung, die sich im eventuell nachfolgenden Prozess negativ bemerkbar machen können. Durch die unregelmäßige Verteilung kann es auch zur kaum vorhersagbaren Wandanlagerung der eingebrachten Substanz in flüssiger Form kommen, da sich die Tröpfchen an allen kalten Stellen der Wand wieder zu einem Flüssigkeitsfilm vereinigen. Diese Flüssigkeitsansammlungen sind meist unerwünscht und können – bei stärkerer Ausbildung – auch prozessgefährdend werden. Vereinzelt kann es auch vorkommen, dass größere Tröpfchen – ohne zu verdampfen – von dem Gasstrom mitgerissen werden und den Nachfolgeprozess erreichen.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass leistungsfähigere Systeme, wie Hochdruckpumpen mit hochdrucktauglichen Zerstäubungsdüsen, nicht kontinuierlich, sondern intermittierend arbeiten. Damit wird aber die exakte Dosierung der im einzelnen Schritt zu zerstäubenden Substanzmenge zum vorrangigen Problem. Bekannte Systeme zur Zerstäubung sind daher sehr aufwendig und kostspielig.
  • Dazu kommt, dass für jede flüssige Substanz eigene Zerstäubungseinrichtungen konzipiert und verwendet werden müssen, da sich die Flüssigkeiten grundsätzlich in chemischer und physikalischer Hinsicht stark unterscheiden. So besitzt beispielsweise Wasser völlig andere tribologische Eigenschaften als ein Kraftstoff.
  • Eine Möglichkeit, die genannten Nachteile zu vermeiden, ist, die einzubringende Substanz zuerst völlig zu verdampfen und sie erst anschließend dem Gasstrom zuzumischen. Diese Lösung ist jedoch aufwendig und damit auch teuer.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Verdampfungsoberfläche im Eindampfungsbereich, beispielsweise durch Verwendung von porösen Materialien zu erhöhen.
  • Aus der US 4 088 104 A ist eine Einrichtung zur Erhöhung der Verdunstungsrate für Flüssigkeiten bekannt, welche einen konischen, porösen Hohlkörper aufweist. Die mit Benzin angereicherte kalte Frischluft strömt dabei durch den porösen Körper. Dadurch werden geometrisch die Bedingungen zur Benzinverdunstung, die aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit der Frischluft gegeben ist, verbessert. Trotzdem können aber Flüssigkeitsteilchen in den Gasstrom gelangen. Wegen der tiefen Temperaturen tritt nur eine Verdunstung, aber keine Verdampfung auf.
  • Aus der US 4 997 598 A ist ebenfalls eine Einrichtung zur Erhöhung der Verdunstungsrate von Flüssigkeiten mit einer Düse bekannt, welche eine Wand aus porösem Material, beispielsweise aus gesintertem Bronze aufweist, durch welche die Flüssigkeit, beispielsweise ein Kraftstoff, verdampft wird. Die Durchfluss- und Verdunstungscharakteristik der Flüssigkeit durch das poröse Material wird dabei durch unterschiedliche Oberflächenbehandlung definiert, was relativ aufwendig ist.
  • Aus der SU 1 158 889 A ist eine Verdunstungseinrichtung mit einem Kapillarrohr bekannt, welches sich in eine Kammer erweitert, in welcher poröses Material angeordnet ist, dessen an den Gasstrom grenzende Oberfläche eingebuchtet ist. Die erreichbaren Verdampfungsraten sind mit dieser Einrichtung allerdings nur sehr klein.
  • Aus der GB 1 496 548 A ist weiters eine Verdunstungs- bzw. Verdampfungseinrichtung für den Einlaßströmungsweg einer Brennkraftmaschine bekannt, welche im Bodenbereich eine poröse Oberfläche aufweist, welche über Asbestfasern mit einem Tank verbunden ist. Durch die Kapillarwirkung der Asbestfasern gelangt das Wasser aus dem Tank zum porösen Material, wo es verdunstet bzw. verdampft. Die Verdunstungs- bzw. Verdampfungsrate ist auch hier relativ gering, insbesondere außerhalb des Vollastbereiches, wenn die zur Verdampfung erforderliche Ladelufttemperatur noch nicht erreicht wird. Da die Asbestfasern direkt vom Tank ausgehen, darf die Entfernung zwischen Tank und dem porösen Material nicht zu groß sein. Dadurch ergeben sich konstruktive Zwänge in der Anordnung der Verdampfungseinrichtung und des Tankes.
  • Die US 3 352 545 A beschreibt eine Vergasereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem in eine Gasströmung hineinragenden porösen zylindrischen Körper, über welchen Kraftstoff in die Ansaugleitung eingebracht wird. Da der poröse Körper nicht nur im Wandbereich angeordnet ist, sondern in den Gasstrom hineinragt, wird dessen Oberfläche vom Gas umströmt. Durch die relativ große vom Gas kontaktierte Oberfläche des porösen Körpers wird die Verdampfungsrate gesteigert.
  • Die GB 2 263 501 A offenbart ebenfalls eine Vergasereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Ansaugrohr angeordneten porösen Körper. In einem Hohlraum des porösen Körpers wird Kraftstoff eingespritzt. In einer Ausführung ist der von einem sekundären Luftstrom durchströmte poröse Körper gegenüber dem umgebenden Gasstrom abgeschirmt. In einer anderen Ausführung wird der poröse Körper vom Gasstrom des Ansaugrohres durchströmt. Um die Verdampfungsrate zu verbessern, ist eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen. Zur Kraftstoffeinspritzung in den porösen Körper sind externe Fördereinrichtungen erforderlich.
  • Aus der DD 268 981 A1 ist eine Vorrichtung zum Befeuchten der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine mit einem porösen Körper bekannt, welcher in die Ansaugströmung hineinragt und einen länglichen Kapillarkörper umgibt. Der poröse Körper wird zumindest teilweise von der Ansaugluft angeströmt, wodurch er Verun reinigungen ausgesetzt ist. Weiters kann es zu einem Mitreißen von Flüssigkeitsteilchen kommen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Verdampfungseinrichtung der genannten Art mit möglichst geringem Aufwand hohe Verdampfungsraten zu erreichen, wobei ein Mitreißen von Flüssigkeitsteilchen vermieden werden soll.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der poröse Körper innerhalb des Strömungsweges für das Gas teilweise von einem Gehäusemantel umgegeben ist und der zumindest teilweise in die Gasströmung ragende Gehäusemantel an der Anströmseite hochgezogen und an der Abströmseite gegenüber dem porösen Körper freigestellt ist. Die Flüssigkeit kommt über eine Zuleitung von einem Außentank in den Bereich des ersten Endes des Kapillarenkörpers, welches tiefer angeordnet ist als das zweite Ende. Durch die Kapillarenwirkung wird der Flüssigkeitsspiegel auf die Höhe des porösen Körpers angehoben und die Flüssigkeit kommt in Kontakt mit dem außenliegenden porösen Körper. Dieser poröse Körper, der eine sehr große wirksame Oberfläche besitzt, ist der eigentliche Teil, wo die Verdampfung der Flüssigkeit stattfindet. Durch den Kapillarenkörper werden auch eventuell vorhandene Druckschwankungen in der Zuleitung soweit gedämpft und unschädlich gemacht, dass ein Überschwappen der Flüssigkeit ins Gas mit Sicherheit unterbunden wird. Durch den hochgezogenen Gehäusemantel wird einerseits ein Mitreißen eventuell vorhandener Flüssigkeitströpfchen verhindert und andererseits der poröse Körper vor eventuell vorhandenen Verunreinigungen im Gas geschützt.
  • Der poröse Körper besteht vorzugsweise aus einem porösen, metallischen Sinterkörper. Dazu eignen sich am besten Körper aus zusammengeschweißten Aluminium- oder Bronzekügelchen.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Ende des Kapillarenkörpers tiefer angeordnet ist als das zweite Ende. Das Verdampfungselement mündet somit im Wesentlichen von unten in den Strömungsweg ein. Dadurch wird die Gefahr, dass Flüssigkeitströpfchen in den Strömungsweg gelangen, zusätzlich vermindert.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verdampfungselement im Wesentlichen eine längliche, vorzugsweise eine zylindrische Gestalt aufweist und vorzugsweise quer, besonders vorzugsweise im Bereich einer Querschnittserweiterung in den Gasströmungsweg einmündet. Dadurch wird bei möglichst geringer Steigerung des Strömungswiderstandes erreicht, dass eine große Oberfläche des porösen Körpers von der zu verdampfenden Flüssigkeit benetzt wird. Da der poröse Körper radial weit in die Gasströmung hineinragt, wird dieser mit relativ hoher Gasgeschwindigkeit angeströmt und umströmt, was sich vorteilhaft auf die Verdampfungsrate auswirkt. Dabei steht eine große Verdampfungsoberfläche zu Verfügung, wobei der poröse Körper in direktem Kontakt mit dem warmen Gasstrom steht und rasch von diesem aufgeheizt wird. Das in die Gasströmung hineinragende Ende des porösen Körpers kann zur Verminderung des Strömungswiderstandes abgerundet und vorzugsweise auf der der Strömung zugewandten Seite durch ein eng anliegendes Metallschild abgedeckt sein.
  • Der Kapillarenkörper selbst kann aus Fasermaterial oder aus einem zweiten, sehr viel feineren Sinterkörper als der poröse Körper bestehen, beispielsweise aus poröser Keramik mit großem Durchflusswiderstand.
  • Der poröse Körper, der sich im direkten Kontakt mit dem Gasstrom befindet, wird von diesem selbst aufgeheizt. Dies ist allerdings nur dann möglich, wenn sich die Gastemperatur stets über der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit befindet. Ist die Gastemperatur zu niedrig, kann vorgesehen sein, dass der poröse Körper elektrisch beheizbar ist.
  • Bevorzugte Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verdampfungselementes sind Luft- oder Abgasleitungen von Brennkraftmaschinen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Verdampfungselement in einer Abgasrückführleitung angeordnet ist, wobei vorzugsweise die in das rückgeführte Abgas eingedampfte Flüssigkeit Wasser ist.
  • Das erfindungsgemäße Verdampfungselement ist im wesentlichen selbstregelnd. Der Hauptregelparameter ist dabei die Temperatur des porösen Körpers. Je höher diese ist, desto mehr Flüssigkeit kann verdampfen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
  • 1 das erfindungsgemäße Verdampfungselement in einem Längsschnitt und
  • 2 ein Ausführungsbeispiel bei einer Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung.
  • Die Figuren zeigen ein in einen Strömungsweg 1 eingebautes Verdampfungselement 3. Im Beispiel wird der Strömungsweg 1 durch eine Abgasrückführleitung einer Brennkraftmaschine 2 gebildet. Das Verdampfungselement 3 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen porösen Körper 4, einem den porösen Körper 4 zum Teil umgebenden Gehäusemantel 5 und einem Kapillarenkörper 6. Beim porösen Körper 4 handelt es sich um einen in den Gehäusemantel 5 eingepressten, porösen Metallteil mit möglichst großer Oberfläche, welcher beispielsweise aus gesintertem Aluminium oder Bronze besteht. Das in die Gasströmung 7 der Abgasrückführleitung 1 einmündende Ende 8 des porösen Körpers 4 ist abgerundet, um den Luftwiderstand möglichst gering zu halten. Der Kapillarenkörper 6 ist in einer axialen Bohrung 9 des porösen Körpers 4 angeordnet.
  • Das Gehäuse 10 des Verdampfungselementes 3 weist einen Anschluss 11 zur Zuführung der einzudampfenden Flüssigkeit auf. An diesen ist eine Zuführleitung 12 angeschlossen, welche von einem Tank 13 ausgeht. Der Tank 13 ist weiters über eine weitere Druckausgleichsleitung 14 mit der Abgasrückführleitung 1 verbunden.
  • Das erste Ende 15 des Kapillarenkörpers 6 ist im Bereich des Anschlusses 11 angeordnet. Das zweite Ende 16 des Kapillarenkörpers 6 befindet sich mitten im porösen Körper 4. Der Kapillarenkörper 6 hat die Aufgabe einerseits den Flüssigkeitsspiegel auf die Höhe des porösen Körpers 4 zu heben und andererseits die eventuell vorhandenen Druckschwankungen in der Zuführleitung 12 soweit zu dämpfen und somit unschädlich zu machen, dass ein Überschwappen der Flüssigkeit in die Gasströmung 7 mit Sicherheit unterbunden bleibt. Der Kapillarenkörper 6 kann aus Fasermaterial, feinem Metallmaschengeflecht oder aber aus einem weiteren Sinterkörper bestehen, der viel feiner ausgebildet ist als der po röse Körper 4, beispielsweise aus poröser Keramik mit großem Durchflusswiderstand.
  • Der Gehäusemantel 5 ist direkt in radialer Richtung in die Abgasrückführleitung 1 eingeschraubt. An der Anströmseite 5a ist der Gehäusemantel 5 hochgezogen, um ein Mitreißen eventuell vorhandener Flüssigkeitströpfchen zu verhindern. Außerdem soll der poröse Körper 4 gegen eventuell vorhandene Verunreinigungen geschützt werden. An der Abströmseite 5b ist der Gehäusemantel 5 ausgenommen.
  • Die in 1 dargestellte Ausführungsvariante mit einen in die Bohrung 9 eingesetzten Kapillarenkörper 6 eignet sich für einzudampfende Flüssigkeiten. Hat die einzudampfende Substanz eine gel- bzw. wachsartige Konsistenz, so wird der Kapillarenkörper 6 weggelassen. In diesem Fall muss die einzudampfende Substanz über eine separate Fördereinrichtung dem Verdampfungselement 3 zugeführt werden. Insbesondere zur Verdampfung von gel- bzw. wachsartigen Substanzen ist eine separate externe beispielsweise elektrische Heizung des porösen Körpers 4 vorteilhaft. Eine externe Aufwärmung ist aber auch bei einzudampfenden Flüssigkeiten von Vorteil, wenn die Gastemperatur zu niedrig ist.
  • Das Verdampfungselement 3 wird bei Verwendung eines Kapillarenkörpers 6 grundsätzlich so eingebaut, dass sich die Zulauföffnung 11 an der tiefsten Stelle befindet. Die Längsachse 3a des Verdampfungselementes 3 ist dabei etwa senkrecht ausgerichtet bzw. kann um einen Winkel von +/– 45° von der Senkrechten abweichen.
  • Die Flüssigkeit kommt über die Zuleitung 12 vom Tank 13 in den Bereich des Kapillarenkörpers 6. Durch die Kapillarenwirkung wird der Flüssigkeitsspiegel angehoben und die Flüssigkeit kommt in Kontakt mit dem außenliegenden porösen Körper 4. Dieser poröse Körper 4 besitzt eine sehr große wirksame Oberfläche und ist der eigentliche Teil, wo die Verdampfung der Substanz stattfindet. Der poröse Körper 4 wird dabei direkt vom Gasstrom aufgeheizt. Die Gastemperatur muss dabei allerdings stets über der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit liegen. Ist die Gastemperatur zu niedrig, so muss der poröse Körper 4 extern, beispielsweise elektrisch beheizt werden.
  • Das beschriebene Verdampfungselement 3 ist im wesentlichen selbstregelnd. Der Hauptregelparameter ist dabei die Temperatur des porösen Körpers 4. Je höher diese ist, desto mehr Flüssigkeit verdampft. Neben den rein konstruktiven Möglichkeiten, die maximale Durchtrittsmenge der Flüssigkeit festzulegen (Durchmesser der Zuleitung 12, Fallhöhe des Tanks 13, Oberfläche des porösen Körpers 4, Durchflusswiderstand des Kapillarenkörpers 6 etc.) kann über folgende Parameter die Verdampfung beeinflusst werden:
    • a) Temperatur des porösen Körpers 4.
    • b) Druck im Tank 13.
    • c) Drosselung der Flüssigkeitsmenge in der Zuleitung 12 über ein in den Figuren nicht weiter dargestelltes Regelventil.
  • Da beim Betrieb mit einer zu verdampfenden gel- bzw. wachsartigen Substanz die Zuführung dieser über eine Fördereinrichtung erfolgt, liegen keine Beschränkungen hinsichtlich der Einbaulage vor.
  • Bei dem in 2 dargestellten Einbaubeispiel des Verdampfungselementes 3 in der Abgasrückführleitung 1 wird Wasser in die heiße Gasströmung 7 eingebracht.
  • Die Menge der Gasströmung 7 kann über das Abgasrückführventil 17 gesteuert werden. Durch die Abgasrückführung allein können die NOx-Emissionen einer Brennkraftmaschine um mehr als 50% gesenkt werden. Wird, wie im vorliegenden Fall, die rückgeführte Abgasmenge zusätzlich gekühlt (Entzug der Verdampfungswärme), ist eine weitere Reduktion der NOx-Emissionen um 10-20% möglich. Der vorhandene Wasserdampf im rückgeführten Abgas (ca. 5-20% der aktuellen Kraftstoffmasse) senkt zusätzlich auch den Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich um einige Prozentpunkte.
  • Das beschriebene Verdampfungselement 3 hat den Vorteil, dass die zu verdampfende Substanz exakt dosiert dem Gasstrom zugesetzt werden kann. Der in den Gasstrom ragende poröse Körper 4, der im wesentlichen quer zur Gasströmung angeordnet ist, ermöglicht hohe Verdampfungsraten. Die Zuführung durch den Kapillarenkörper 6 bewirkt, dass die Einbringung von Flüssigkeitströpfchen in den Gasstrom weitgehend verhindert wird.

Claims (6)

  1. Verdampfungselement (3) zum Eindampfen einer Flüssigkeit in ein Gas (7), insbesondere für Brennkraftmaschinen (2), mit einem porösen Körper (4) dessen Oberfläche zumindest teilweise vom Gas (7) anströmbar ist, sowie mit einem Anschluss (11) zur Zuführung der Flüssigkeit, wobei der poröse Körper (4) zumindest teilweise in die Gasströmung (7) hineinragt, wobei der poröse Körper (4) einen länglichen Kapillarenkörper (6) zumindest teilweise umgibt, dessen erstes Ende (15) im Bereich des Anschlusses (11) und dessen zweites Ende (16) innerhalb des porösen Körpers (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (4) innerhalb des Strömungsweges (1) für das Gas (7) teilweise von einem Gehäusemantel (5) umgegeben ist und der zumindest teilweise in die Gasströmung (7) ragende Gehäusemantel (5) an der Anströmseite (5a) hochgezogen und an der Abströmseite (5b) gegenüber dem porösen Körper (4) freigestellt ist.
  2. Verdampfungselement (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (4) quer in den Strömungsweg (1) des Gases (7), vorzugsweise im Bereich einer Querschnittserweiterung des Strömungsweges (1) einmündet.
  3. Verdampfungselement (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (15) des Kapillarenkörpers (6) tiefer angeordnet ist als das zweite Ende (16).
  4. Verdampfungselement (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapillarenkörper (6) aus Fasermaterial besteht.
  5. Verdampfungselement (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapillarenkörper (6) aus einem im Vergleich zum porösen Körper (4) feinporigeren Sinterkörper, vorzugsweise aus poröser Keramik besteht.
  6. Verdampfungselement (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (4) elektrisch beheizbar ist.
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