DE102006013295A1 - Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs, insbesondere eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Verbrennungsmotor, der eine erste und mindestens eine zweite Betriebsart mit einem ersten und mindestens einem größeren, zweiten Arbeitsbereich aufweist, und mit mindestens einem Elektromotor, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor im Parallelhybridbetrieb mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung betrieben werden. Es ist vorgesehen, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (18) den Hybridantrieb (1) bei einer Drehmomentanforderung innerhalb des ersten Arbeitsbereichs (21) nur mit dem Verbrennungsmotor (2) in der ersten Betriebsart betreibt, bei höherer Drehmomentanforderung den Elektromotor (4) in Abhängigkeit von der Drehmomentanforderung bis zu einem Maximalwert zuschaltet, wobei sich ein erweiterter Arbeitsbereich (30) ausbildet, und den Hybridantrieb (1) außerhalb des erweiterten Arbeitsbereichs (30) mit dem Verbrennungsmotor (2) in der zweiten Betriebsart betreibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs, insbesondere eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Verbrennungsmotor, der eine erste und mindestens eine zweite Betriebsart mit einem ersten und mindestens einem größeren, zweiten Arbeitsbereich aufweist, und mit mindestens einem Elektromotor, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor in einem parallelen Hybridbetrieb mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung betrieben werden.
  • Stand der Technik
  • Ein derartiges Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs ist bekannt. Der Verbrennungsmotor kann im laufenden Betrieb zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart in beiden Richtungen umgeschaltet werden, wobei sich die beiden Betriebsarten zum Beispiel durch unterschiedliche Betriebsparameter oder durch die Verwendung von unterschiedlichen Treibstoffen unterscheidet. Die entsprechenden Arbeitsbereiche der ersten und zweiten Betriebsart, die Effizienz der Verbrennung, sowie die Umweltverträglichkeit können dabei unterschiedlich groß sein. Der erste Arbeitsbereich kann zum Beispiel nur einen Teillastbereich umfassen. Dabei ergibt sich zum Beispiel eine erste Betriebsart, in der der Betrieb des Verbrennungsmotors günstig ist, die jedoch einen beschränkten Arbeitsbereich aufweist. Ist zum Beispiel eine höhere Leistung des Verbrennungsmotors erwünscht, als der Arbeitsbereich dieser ersten Be triebsart zulässt, so ist ein Umschalten auf die zweite Betriebsart, die einen entsprechend größeren Arbeitsbereich aufweist, erwünscht. Kurzfristige zusätzliche Leistungsanforderungen an den Hybridantrieb können durch Zuschalten des Elektromotors (Boostbetrieb) erfüllt werden. Beim Umschalten von der ersten in die zweite Betriebsart des Verbrennungsmotors gibt es einen Bereich zwischen den Arbeitsbereichen (Übergangsphase) bei der der Verbrennungsmotor weder eindeutig in der ersten noch in der zweiten Betriebsart arbeitet. In diesem Übergangsbereich können die Verbrennungsvorgänge stark variieren, sodass es beim Umschaltvorgang temporär zu Leistungseinbußen kommen kann, die die Fahrdynamik beeinträchtigen.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuer-/Regeleinrichtung den Hybridantrieb bei einer Drehmomentanforderung innerhalb des ersten Arbeitsbereichs nur mit dem Verbrennungsmotor in der ersten Betriebsart betreibt, bei höherer Drehmomentanforderung den Elektromotor in Abhängigkeit von der Drehmomentanforderung bis zu einem Maximalwert zuschaltet, wobei sich ein erweiterter Arbeitsbereich ausbildet, und den Hybridantrieb außerhalb des erweiterten Arbeitsbereichs mit dem Verbrennungsmotor in der zweiten Betriebsart betreibt. Durch das Zuschalten des Elektromotors für den Fall, dass die Leistungsanforderung über den Arbeitsbereich der ersten Betriebsart hinaus geht, kann eine unerwünschte Übergangsphase beim Umschalten von der ersten auf die zweite Betriebsart überbrückt werden. Diese ist zum Beispiel durch einen nicht klar definierten Verbrennungsvorgang gekennzeichnet. Gleiches gilt für einen Übergang in entgegengesetzte Richtung, bei dem sich die Leistungsanforderung derart verringert, dass sie von dem Verbrennungsmotor in der ersten Betriebsart aufgebracht werden kann. Besitzt der Elektromotor einen Arbeitsbereich, der hinreichend groß ist um zusammen mit dem Arbeitsbereich der ersten Betriebsart einen erweiterten Arbeitsbereich zu bilden, sodass die Übergangsphase vollständig überbrückt werden kann, so kann die Anzahl der Übergänge zwischen den beiden Betriebsarten derart minimiert werden, dass bei einem Umschalten zwischen den Betriebsarten zu jedem Zeitpunkt eine stabile Leistung des Hybridantriebs zur Verfügung steht.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuer-/Regeleinrichtung den Elektromotor bei Drehmomentbedarf außerhalb des erweiterten Arbeitsbereichs zu dem Verbrennungsmotor in der zweiten Betriebsart unterstützend zuschaltet. Dies gilt insbesondere, wenn der Verbrennungsmotor auch in seiner zweiten Betriebsart an seine Leistungsgrenzen stößt und eine kurzfristige Leistungssteigerung – zum Beispiel bei einem Überholvorgang – benötigt wird.
  • Ferner ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Steuer-/Regeleinrichtung den Elektromotor bei einem Übergang zwischen den Betriebsarten derart betreibt, dass Änderungen des verbrennungsmotorischen Drehmoments ausgeglichen werden. Kommt es bei dem Umschalten zwischen den Betriebsarten zu kurzfristigen Drehmomentänderungen des Verbrennungsmotors – zum Beispiel beim Ändern der Betriebsparameter oder beim Wechseln der Kraftstoffart – so kann der Elektromotor diese kurzfristigen Drehmomentänderungen kompensieren.
  • Bevorzugt wird ein derartiges Verfahren angewandt, wenn die erste Betriebsart eine kraftstoffsparende und/oder eine emissionsarme Betriebsart ist. Kraftstoffeinsparung und Emissionsreduktion sind generell zwei Motivationen für die Verwendung von Hybridantrieben. Weist die erste Betriebsart derartige Vorteile auf, besitzt gegenüber der zweiten Betriebsart jedoch einen kleineren Arbeitsbereich, so sorgt das Verfahren für eine maximale Ausnutzung dieses ersten Arbeitsbereichs und für einen Übergang zur zweiten Betriebsart bei dem keine temporären Leistungsschwankungen auftreten.
  • Bevorzugt ist der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor. Unter einem Dieselmotor ist ein Selbstzünder-Verbrennungsmotor zu verstehen, der für die Verwendung von Dieselkraftstoff vorgesehen ist, jedoch auch andere Kraftstoffe nutzen kann.
  • Es ist vorteilhaft, wenn bei der ersten Betriebsart eine homogene Dieselverbrennung stattfindet. Diesel-Brennverfahren sind gegenüber anderen Brennverfahren kraftstoffsparend, weisen bezüglich ihrer Emissionen von Ruß-Partikeln deutliche Nachteile auf. Ein Konzept zur Reduktion von Ruß-Partikeln und Stickoxyden ist die sogenannte homogene Dieselverbrennung (HCCI = Homogeneous Charge Compression Ignition). Dabei wird Dieselkraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt und das im Brennraum so entstandene Kraftstoff-Luftgemisch wird, im Gegensatz zur derzeitig konventionellen Diesel-Verbrennung, erst gezündet, wenn die gesamte Kraftstoffmenge eines Motortakts in den jeweiligen Brennraum gespritzt wurde. Der Arbeitsbereich der homogenen Dieselverbrennung erstreckt sich bisher nur über einen Teillastbereich des Verbrennungsmotors. Im Vollastbereich muss der Dieselmotor mit einem konventionellen Brennverfahren (zweite Betriebsart) betrieben werden, bei dem nach dem Beginn der Verbrennung des Dieselkraftstoffs noch weiterer Dieselkraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird.
  • Bevorzugt weist der Hybridantrieb ein Getriebe auf, wobei ein Getriebeeingangsstrang mit einem Abtriebsstrang des Verbrennungsmotors und einem Abtriebsstrang des Elektromotors über jeweils eine steuerbare Kupplung kuppelbar ist. Um den Elektromotor wahlweise zuschalten zu können, wird dieser über eine eigene, steuerbare Kupplung mit dem Getriebeeingangsstrang verbunden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuer-/Regeleinrichtung die Kupplungen ansteuert. Das wahlweise Zuschalten des Elektromotors über die steuerbare Kupplung wie auch die Steuerung der steuerbaren Kupplung des Verbrennungsmotors wird von der Steuer-/Regeleinrichtung betrieben, die durch das wahlweise Zuschalten des Elektromotors für einen klar definierten Übergang zwischen den beiden Betriebsarten des Verbrennungsmotors sorgen kann.
  • Alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Abtriebsstrang des Verbrennungsmotors und der Abtriebsstrang des Elektromotors durch ein steuerbares, leistungsverzweigendes Getriebe gekuppelt sind. Bei einem leistungsverzweigenden Getriebe kann der Leistungsanteil von dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor wahlweise bestimmt werden. Dabei können Verbrennungsmotor und Elektromotor unterschiedliche Drehzahlen aufweisen. Das leistungsverzweigenden Getriebe vereint die Leistungsanteile und gibt die Gesamtleistung mit einheitlicher Drehzahl am Getriebeabtrieb aus.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuer-/Regeleinrichtung das leistungsverzweigende Getriebe ansteuert. Die Steuer-/Regeleinrichtung koordiniert neben den Drehzahlen der Motoren auch die Drehzahl eines Getriebeabtriebs des leistungsverzweigenden Getriebes.
  • Ferner ist vorgesehen, dass der Elektromotor als elektrischer Generator umschaltbar ist, der einen dem Elektromotor zugeordneten elektrischen Speicher auflädt. Kann der Elektromotor auch im generatorischen Betrieb arbeiten, dies spart einen separaten Generator und ein zusätzliches Getriebe, das Räder und Generator verbindet sowie zusätzliche elektrische Leitungen, die den elektrischen Speicher mit dem Generator verbinden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen zum Aufladen des elektrischen Speichers durch einen elektrischen Generator benutzt wird. Insbesondere im Stadtverkehr zeigt die Rückgewinnung der kinetischen Energie (Rekuperation) über Minderung des Kraftstoffverbrauchs und zur Erhöhung der Reichweite bei.
  • Bevorzugt ist der elektrische Speicher eine wiederaufladbare Batterie. Bei einer solchen Batterie kann die durch Rekuperation gewonnene und in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie einfach gespeichert werden. Eine solche Batterie ist einfach handhabbar, sicher und weist ein für ein Kraftfahrzeug akzeptables Verhältnis aus Speicherkapazität und Eigengewicht auf.
  • Jeder Hybridantrieb eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des Hybridantriebs fällt in den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche.
    •
  • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung eines Hybridantriebs zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren,
  • 2 ein Diagramm mit einem ersten und einem zweiten Arbeitsbereich eines als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors,
  • 3 ein Diagramm mit dem ersten Arbeitsbereich des Dieselmotors und einem Arbeitsbereich eines Elektromotors eines Hybridantriebs und
  • 4 ein Diagramm mit den Arbeitsbereichen des Hybridantriebs bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein Hybridantrieb 1 bestehend aus einem Verbrennungsmotor 2 und einem zugeordneten Tank 3, sowie einem Elektromotor 4 mit einem zugeordneten Leistungselektronik-Einheit 5 und einem als wiederaufladbare Batterie 6 ausgebildeten elektrischen Speicher 7 dargestellt. Bei diesem parallelen Hybridantrieb 1 sind der Verbrennungsmotor 2 und der Elektromotor 4 seriell hintereinander auf einer Achse 8 angeordnet. Der entlang der Achse 8 verlaufende Abtriebsstrang 9 des Verbrennungsmotors 2 ist durch eine steuerbare erste Kupplung 10 mit einem Antriebs- beziehungsweise Abtriebsstrang 11 des Elektromotors 4 trennbar verbunden. Der Abtriebsstrang 11 des Elektromotors 4 ist auf der steuerbaren Kupplung 10 gegenüberliegenden Seite durch eine zweite steuerbare Kupplung 12 mit einem Getriebeantriebsstrang 13 eines Getriebes 14 trennbar verbunden. Ein dem Getriebeantriebsstrang 13 gegenüberliegender Getriebeabtriebsstrang 15 treibt über ein Differenzial 16 Antriebsräder 17 an, von denen in 1 lediglich ein Antriebsrad 17 dargestellt ist. Der Hybridantrieb 1 wird mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung 18 im Parallelhybrid betrieben, die auf den Verbrennungsmotor 2, den Elektromotor 4 beispielsweise auch die beiden steuerbaren Kupplungen 10, 12 wirkt.
  • Es ergibt sich folgende Funktion des in 1 dargestellten parallelen Hybridantriebs: Sind beide steuerbare Kupplungen 10, 12 geschlossen, so ist der Abtriebsstrang 9 des Verbrennungsmotors 2 über das Getriebe 14 und das Differenzial 16 mit den Antriebsrädern 17 verbunden. Der Elektromotor 4 kann in dieser Betriebssituation wahlweise zurückgeschaltet werden. Kann der Elektromotor 4 auch als Generator 19 eingesetzt werden, so kann er den elektrischen Speicher 7 aufladen. Ist der Elektromotor 4 vom elektrischen Netz 20 getrennt und wird elektrisch nicht belastet, so wirkt lediglich der Verbrennungsmotor 2 als Antrieb. Wird die steuerbare Kupplung 10 geöffnet, so kann das nicht dargestellte Kraftfahrzeug nur durch den Elektromotor 4 angetrieben werden. Wird die steuerbare Kupplung 12 geöffnet und die steuerbare Kupplung 10 geschlossen, so kann die Leistung des Verbrennungsmotors 2 über den Generator 19 zum Aufladen des elektrischen Speichers 7 genutzt werden, wobei das Getriebe 14 vom Hybridantrieb 1 getrennt ist.
  • Weist der Verbrennungsmotor 2 eine erste und mindestens eine zweite Betriebsart mit einem ersten Arbeitsbereich 21 mit Bereichsgrenze 22 und mindestens einem zweiten Arbeitsbereich 23 Arbeitsbereich 21 mit Bereichsgrenze 24 auf, so können temporäre Leistungseinbrüche beim Übergang zwischen den beiden Betriebsarten durch Zuschalten des Elektromotors 4 kompensiert werden. Gleichzeitig kann durch das Zuschalten des Elektromotors 4 erreicht werden, dass sich der Verbrennungsmotor eindeutig entweder in der ersten Betriebsart oder in der zweiten Betriebsart befindet, wobei dies auch für das Umschalten von einer der Betriebsarten in die jeweils andere Betriebsart gilt.
  • Bei einem Umschalten zwischen den Betriebsarten ohne das Zuschalten des Elektromotors 4 ergibt sich folgende, in 2 am Beispiel von homogener Verbrennung als erster Betriebsart (HCCI Modus) und konventioneller Verbrennung als zweiter Betriebsart bei einem Hybridantrieb 1 mit einem als Dieselmotor 2' ausgebildeten Verbrennungsmotor 2: 2 zeigt ein Diagramm, dass das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 2 in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 für den ersten Arbeitsbereich 21 der ersten Betriebsart (hier die homogene Dieselverbrennung), für den zweiten Arbeitsbereich 23 der zweiten Betriebsart (hier die konventionelle Dieselverbrennung) und einen Übergangsbereich 25 (mit der Bereichsgrenze 26), bei dem durch Umschalten von der ersten auf die zweite Betriebsart beziehungsweise von der zweiten auf die erste Betriebsart, wenn nicht klar definierter Betrieb vorherrscht (Doppelpfeil 27). Im Fall der Dieselverbrennung ist der Übergangsbereich 25, dadurch gekennzeichnet, dass keine klar definierte Dieselverbrennung stattfindet.
  • 3 zeigt ein Diagramm mit dem ersten Arbeitsbereich 21 des Verbrennungsmotors 2, dem Arbeitsbereich 28 (mit Bereichsgrenze 29) des Elektromotors 4 und einem erweiterten Arbeitsbereich 30, der sich aus einer Addition des ersten Arbeitsbereichs 21 des Verbrennungsmotors 2 und dem Arbeitsbereich 28 des Elektromotors 4 ergibt. Der erweiterte Arbeitsbereich 30 hat eine Bereichsgrenze 31, die von einem Drehmoment M = 0 bis zu einem Maximalwert 32 reicht.
  • Die 4 zeigt ein Diagramm, bei dem das Drehmoment M des Hybridantriebs 1 in Abhängigkeit der Drehzahl n des Hybridantriebs dargestellt ist. Das Diagramm weist den ersten Arbeitsbereich 21 des Verbrennungsmotors 2, den erweiterten Arbeitsbereich 30 des Verbrennungsmotors 2 in der ersten Betriebsart zusammen mit dem zugeschalteten Elektromotor und den zweiten Arbeitsbereich 23 des Verbrennungsmotors 2 auf.
  • Zur Überbrückung des Übergangsbereichs 23 beim Übergang beziehungsweise dem Umschalten zwischen erster und zweiter Betriebsart des Verbrennungsmotors 2 (Doppelpfeil 33) betreibt eine nicht dargestellte Steuer-/Regeleinrichtung den Hybridantrieb 1 derart, dass bei einer Drehmomentanforderung innerhalb des ersten Arbeitsbereichs 21 nur der Verbrennungsmotor 2 auf die Antriebsräder 17 wirkt. Bei höherer Drehmomentanforderung innerhalb des erweiterten Arbeitsbereichs 30 wird der Verbrennungsmotor 2 weiterhin in der ersten Betriebsart betrieben, jedoch der Elektromotor 4 zugeschaltet. Erst wenn die Bereichsgrenze 31 überschritten wird und das Drehmoment M und/oder die Drehzahl n außerhalb dieses erweiterten Arbeitsbereich 26 benötigt wird, schaltet die Steuer- /Regeleinrichtung 18 den Verbrennungsmotor 2 auf die zweite Betriebsart um (Doppelpfeil 33). Entsprechendes gilt für den Übergang von dem zweiten Arbeitsbereich 23 in den ersten Arbeitsbereich 21 (Doppelpfeil 33). Hier wird zunächst auf die erste Betriebsart umgeschaltet, wobei der Elektromotor 4 das fehlende Drehmoment kompensiert, sodass der Elektromotor 4 und der Verbrennungsmotor 2 in erster Betriebsart das benötigte Drehmoment M aufbringen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs, insbesondere eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Verbrennungsmotor, der eine erste und mindestens eine zweite Betriebsart mit einem ersten und mindestens einem größeren, zweiten Arbeitsbereich aufweist, und mit mindestens einem Elektromotor, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor in einem parallelen Hybridbetrieb mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (18) den Hybridantrieb (1) bei einer Drehmomentanforderung innerhalb des ersten Arbeitsbereiches (21) nur mit dem Verbrennungsmotor (2) in der ersten Betriebsart betreibt, bei höherer Drehmomentanforderung den Elektromotor (4) in Abhängigkeit von der Drehmomentanforderung bis zu einem Maximalwert zuschaltet, wobei sich ein erweiterter Arbeitsbereich (30) ausbildet, und den Hybridantrieb (1) außerhalb des erweiterten Arbeitsbereichs (30) mit dem Verbrennungsmotor (2) in der zweiten Betriebsart betreibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (18) den Elektromotor (4) bei Drehmomentbedarf außerhalb des erweiterten Arbeitsbereichs (30) zu dem Verbrennungsmotor (2) in der zweiten Betriebsart unterstützend zuschaltet.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (18) den Elektromotor (4) bei einem Übergang zwischen den Betriebsarten derart betreibt, dass Änderungen des verbrennungsmotorischen Drehmoments ausgeglichen werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsart eine kraftstoffsparende und/oder eine emissionsarme Betriebsart ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) ein Dieselmotor (2') ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten Betriebsart eine homogene Dieselverbrennung stattfindet.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Getriebe (14), wobei ein Getriebeeingangsstrang (13) mit einem Abtriebsstrang (9) des Verbrennungsmotors (2) und einem Abtriebsstrang (11) des Elektromotors (4) über jeweils eine steuerbare Kupplung (10, 12) kuppelbar ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (18) die Kupplungen (10, 12) ansteuert.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebsstrang (9) des Verbrennungsmotors (2) und der Abtriebsstrang (11) des Elektromotors (4) durch ein steuerbares, leistungsverzweigendes Getriebe gekuppelt und über mindestens eine Kupplung (12) mit dem Getriebe (14) kuppelbar sind.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (18) das leistungsverzweigende Getriebe ansteuert.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) als elektrischer Genera tor (18) umschaltbar ist, der einen dem Elektromotor (4) zugeordneten elektrischen Speicher (7) auflädt.
  12. Hybridantrieb zur Verwendung mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 11.
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