DE102007032316A1 - Fahrzeug mit einer Energierekuperations- und Speichereinrichtung - Google Patents

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Abstract

Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, einer elektrischen Maschine, die zum Starten des Verbrennungsmotors kinematisch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist und die während des Betriebs des Verbrennungsmotors von dem Verbrennungsmotor kinematisch entkoppelbar ist, und einer Energierekuperations- und Speichereinrichtung. Die Energierekuperations- und Speichereinrichtung ist während und nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors kinematisch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar. Sie nimmt zumindest einen Teil der im Moment des Abschaltens des Verbrennungsmotors im Verbrennungsmotor gespeicherten kinematischen Energie auf und speichert sie.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Zur Senkung des Spritverbrauchs werden zunehmend Maßnahmen ergriffen, mit denen in bestimmten Betriebszuständen kinetische Energie, Wärmeenergie oder andere im Fahrzeug vorhandene Energiearten rekuperiert werden können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug zu schaffen, bei dem beim Abstellen bzw. Auslaufen des Motors zumindest ein Teil der im Motor gespeicherten Energie rekuperiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, die zum Starten des Verbrennungsmotors kinematisch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist und die während des Betriebs des Verbrennungsmotors von dem Verbrennungsmotor kinematisch entkoppelbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor ausschließlich oder aber auch nur unterstützend durch die elektrische Maschine gestartet wird. Ferner weist das Fahrzeug eine Energierekuperations- und Speichereinrichtung auf.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Energierekuperations- und Speichereinrichtung während des Abschaltens des Verbrennungsmotors und während des Auslaufens des Verbrennungsmotors kinematisch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist und zumindest einen Teil der kinetischen Energie, die im Moment des Abschaltens des Verbrennungsmotors im Verbrennungsmotor vorhanden ist, aufnimmt und speichert. Die kinetische Auslaufenergie des Verbrennungsmotors kann dabei in eine andere Energieform umgewandelt und in der anderen Energieform gespeichert werden.
  • Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass es hier im Unterschied zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Energierekuperationseinrichtungen, insbesondere im Unterschied zu herkömmlichen „Hybridfahrzeugen", vor allem um eine Rekuperation kinetischer Energie geht, die im Verbrennungsmotor gespeichert ist, wenn bzw. nachdem dieser ausgeschaltet wurde, d. h. nicht mehr „befeuert" wird, insbesondere wenn das Fahrzeug bereits steht. Wenngleich Bestandteil bzw. im Rahmen der Erfindung, steht eine Rekuperation kinetischer Bewegungsenergie des Fahrzeugs während Schubphasen des Fahrzeugs nicht im Vordergrund.
  • Bei der elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um einen Startergenerator handeln, der über eine elektrisch schaltbare Kupplung und einen Riementrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors koppelbar ist. Zum Starten des Verbrennungsmotors wird die Kupplung geschlossen und der Startergenerator arbeitet als Elektromotor, der den Verbrennungsmotor aleine oder unterstützend startet. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors kann der Startergenerator über die Kupplung zugeschaltet werden, wenn Strom erzeugt werden soll. Wenn kein Strom erzeugt werden soll, kann der Startergenerator abgeschaltet werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors gesenkt wird. Wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet, so kann der Startergenerator eingekoppelt werden und während des Auslaufens des Verbrennungsmotors kann die im Verbrennungsmotor gespeicherte kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt und in der Fahrzeugbatterie zwischengespeichert werden.
  • Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht primär auf ein Fahrzeug mit einem Startergenerator abzielt, der über einen Riementrieb mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist. Die Erfindung ist insbesondere auch bei einem Fahrzeug mit anderen Startsystemen anwendbar, z. B. bei Fahrzeugen mit einem einspurbaren Ritzelstarter.
  • Die Energierekuperations- und Speichereinrichtung muss auch nicht notwendigerweise einen elektrischen Energiespeicher aufweisen. Alternativ dazu kann es sich bei dem Energiespeicher um einen mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Energiespeicher handeln, der beim Abstellen bzw. beim Auslaufen des Verbrennungsmotors bis zum Stillstand des Verbrennungsmotors „geladen" werden kann und der beim Starten des Verbrennungsmotors „entladen" werden kann und zumindest einen Teil der zum Starten des Verbrennungsmotors erforderlichen Energie liefern kann. Wenn der Verbrennungsmotor mit zum Teil mit der in der Energierekuperations- und Speichereinrichtung gespeicherten Energie gestartet wird, kann die elektrische Maschine entsprechend kleiner ausgelegt werden als dies bei herkömmlichen Fahrzeugen der Fall ist, bei denen der Verbrennungsmotor ausschließlich durch die elektrische Maschine gestartet wird.
  • Vorzugsweise wird die Erfindung bei einem Fahrzeug eingesetzt, das mit einer Start-/Stoppautomatik ausgestattet ist, die den Verbrennungsmotor bei Vorliegen bestimmter Stoppkriterien bzw. Stoppparameter automatisch abschaltet und bei Vorliegen bestimmter Startparameter automatisch startet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Energiespeicher eine Welle auf, über die er geladen bzw. entladen werden kann. Durch Drehen der Welle in eine erste Drehrichtung kann der Energiespeicher aufgeladen werden und durch Drehen der Welle in einer der ersten Richtungen entgegengesetzten zweiten Drehrichtung kann der Energiespeicher entladen werden.
  • Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die Energierekuperations- und Speichereinrichtung an verschiedensten Stellen angeordnet und mit verschiedensten Komponenten des Verbrennungsmotors gekoppelt werden kann. Beispielsweise könnte die Energierekuperations- und Speichereinrichtung über eine Reibradanordnung oder eine andere Kupplungseinrichtung während des Auslaufens des Verbrennungsmotors mit einer Kurbelwelle, einer Nockenwelle oder einer anderen sich drehenden Komponente des Verbrennungsmotors gekoppelt werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in dem Kraft- bzw. Drehmomentpfad zwischen dem Verbrennungsmotor und der Energierekuperations- und Speichereinrichtung eine zu- bzw. abschaltbare Drehrichtungsumkehreinrichtung angeordnet. Durch Zu- bzw. Abschalten der Drehrichtungsumkehreinrichtung kann sichergestellt werden, dass der Verbrennungsmotor bei seinem Start bzw. beim Entladen des Energiespeichers von der im Energiespeicher gespeicherten Energie in derselben Drehrichtung angetrieben wird, in der der Verbrennungsmotor beim Laden des Energiespeichers bzw. in normalen Betrieb des Verbrennungsmotors läuft.
  • Vorzugsweise weist die Energierekuperations- und Speichereinrichtung eine mechanische Federeinrichtung, z. B. eine Spiralfeder oder einen Drehstab auf.
  • Bei einem Fahrzeug mit einem einspurbaren Ritzelstarter übernimmt die elektrische Maschine die Aufgabe des Ritzelstarters. Zum Starten des Verbrennungsmotors arbeitet die elektrische Maschine im Motormodus und treibt ein in einer Axialrichtung verschiebbares bzw. in einen Starterzahnkranz des Verbrennungsmotors einspurbares Starterritzel an.
  • Bei dem Startzahnkranz kann es sich um einen Zahnkranz handeln, der an der Außenseite des Schwungrads des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
  • In einer ersten Verschiebestellung des Starterritzels kämmt das Starterritzel ausschließlich mit dem Starterzahnkranz des Verbrennungsmotors.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann das Starterritzel eine zweite Verschiebestellung einnehmen, in der es sowohl mit dem Starterzahnkranz des Verbrennungsmotors kämmt als auch mit der Welle des Energiespeichers drehgekoppelt ist. In diesem Verschiebezustand kann der Energiespeicher beim Auslaufen des Verbrennungsmotors, d. h. nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors mit der kinetischen Restenergie des Verbrennungsmotors geladen werden.
  • Um ein „Überladen" bzw. „Überdrehen" des Energiespeichers zu vermeiden kann im Drehmomentpfad zwischen dem Verbrennungsmotor und der Welle des Energiespeichers, z. B. zwischen dem Starterritzel und der Welle des Energiespeichers ein Überlastschutz, z. B. in Form einer Rutschkupplung vorgesehen sein, die das auf die Welle des Energiespeichers übertragbare Drehmoment auf einen vorgegebenen Wert begrenzt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann das Starterritzel eine dritte Verschiebestellung einnehmen, in der es einerseits mit dem Starterzahnkranz des Verbrennungsmotors kämmt und über die Drehrichtungsumkehreinrichtung mit der Welle des Energiespeichers gekoppelt ist. Diese Verschiebestellung wird beim Starten des Verbrennungsmotors eingenommen.
  • Die Drehrichtungsumkehreinrichtung stellt dabei sicher, dass beim „Entladen" des Energiespeichers der Verbrennungsmotor in seiner normalen Drehrichtung angetrieben wird und gestartet werden kann.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 die Drehzahlverläufe von Verbrennungsmotor und Starter wenn der Starter beim Abstellen des Verbrennungsmotors eingespurt wird;
  • 2 ein Drehzahl-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Energierekuperation;
  • 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem Ritzelstarter;
  • 4 eine als Energiespeicher verwendete Spiralfeder;
  • 5 das Ausführungsbeispiel der 4 in einer zweiten Stellung;
  • 6 das Ausführungsbeispiel der 4 in einer dritten Stellung;
  • 7, 8 Ausführungsbeispiele einer Rutschkupplung.
  • 1 zeigt ein Drehzahl-Zeitdiagramm eines Verbrennungsmotors und eines Ritzelstarters, wobei die Kurve 1 die Drehzahl des Verbrennungsmotors und die Kurve 2 die Drehzahl des Ritzelstarters darstellt. In einem Zeitpunkt t1 wird der Ritzelstarter in den Starterzahnkranz des Schwungrads des Verbrennungsmotors eingespurt und der Verbrennungsmotor wird abgeschaltet. Ritzelstarter und Verbrennungsmotor sind zwangsgekoppelt und laufen in einer kurzen Zeitspanne gemeinsam aus, wobei die im Ver brennungsmotor gespeicherte kinetische Energie durch den Ritzelstarter rekuperiert werden kann. Im Zeitpunkt t2 kommen Ritzelstarter und Verbrennungsmotor zum Stillstand. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Verbrennungsmotor und der Ritzelstarter ab dem Zeitpunkt t1 zwangsgekoppelt, d. h. sie laufen – gekoppelt durch eine Übersetzungsstufe – entsprechend der Übersetzung der Übersetzungsstufe mit unterschiedlichen Drehzahlen aus.
  • Alternativ dazu müssen der Verbrennungsmotor und der Ritzelstarter beim Auslaufen des Verbrennungsmotors nicht „starr" gekoppelt sein. Denkbar ist auch eine schlupfbehaftete Kopplung, z. B. über ein Reibradgetriebe bzw. eine Kupplung, die einen gewissen Schlupf aufweist.
  • 2 erläutert anhand eines Drehzahl-Zeitdiagramms das Grundprinzip der Energierekuperation. Die durchgezogene Linie 3a, 3b beschreibt das Abstellen, Auslaufen und das erneute Starten eines herkömmlichen Motors, bei dem die im Verbrennungsmotor im Abstellzeitpunkt gespeicherte kinetische Energie nicht rekuperiert wird. Die gestrichelten Linien 4a, 4b beschreiben denselben Vorgang bei einem Fahrzeug mit Energierekuperations- und Speichereinrichtung. Deutlich ersichtlich ist, dass der Verbrennungsmotor schneller zum Stehen kommt, da die Energierekuperations- und Speichereinrichtung einen erhöhten Drehwiderstand darstellt. Umgekehrt geht der Startvorgang des Verbrennungsmotors schneller von statten, da die in der Energierekuperations- und Speichereinrichtung gespeicherte Energie zur Unterstützung des Startvorgangs genutzt werden kann. Die Kurve 4b ist demnach deutlich steiler als die Kurve 3b.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs mit einer Energierekuperations- und Speichereinrichtung. Ein hier nicht näher dargestellter Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs weist ein Schwungrad mit einem Anlasserzahnkranz 5 auf, in den ein Starterritzel 6 einer als Anlasser fungierenden elektrischen Maschine 7 in einer Einspurrichtung 8 einspurbar ist. Der Startvorgang des Verbrennungsmotors wird im Zusammenhang mit 6 noch näher erläutert.
  • An der Stirnseite des Starterritzels 6 ist ein Stift 9 angeordnet, der z. B. mit einem Mehrkantprofil oder einer Verzahnung versehen sein kann. Der Stift 9 kann beim Einspuren des Starterritzels 6 in eine Ausnehmung 10 eines Zahnrads 11 eintauchen, das drehfest mit einer Welle 12 verbunden ist. Mit der Welle 12 ist ein Ende 13 einer Spiralfeder 14 verbunden, deren anderes Ende 15 drehfest in Bezug auf ein Gehäuse 16 angeordnet ist.
  • Das Zahnrad 11 kämmt mit einem auf einer Welle 17 sitzenden Zahnrad 18. Ein zweites auf der Welle 17 sitzendes Zahnrad 19 kämmt mit einem Zwischenrad 20 und dieses wiederum steht in der hier gezeigten ausgespurten Stellung des Starterritzels 6 mit dem Starterritzel 6 in Eingriff.
  • 4 zeigt einen Betriebszustand, in dem sich das Starterritzel in einer „Neutralstellung" befindet, d. h. nicht eingespurt ist und der durch die Spiralfeder 14 gebildete Energiespeicher leer ist, d. h. die Spiralfeder 14 ist entspannt.
  • 5 beschreibt einen Zustand, in dem kinetische Energie aus dem auslaufenden Verbrennungsmotor rekuperiert wird. Der Verbrennungsmotor befindet sich also kurz nach dem Ausschalten der Zündung und läuft aus. Das Starterritzel 6 ist in diesem Zustand in den Anlasserzahnkranz 5 des Schwungrads des Verbrennungsmotors eingespurt. Der auslaufende Verbrennungsmotor treibt über den Anlasserzahnkranz das Starterritzel 6 an. Der Stift 9 des Starterritzels 6 ist in die Ausnehmung 10 des Zahnrads 11 eingespurt und somit drehfest mit dem Zahnrad 10 gekoppelt. Die kinetische Energie des auslaufenden Verbrennungsmotors treibt somit das Zahnrad 11 und die Welle 12 an, wodurch die in den 3, 4 gezeigte Spiralfeder 14 gespannt wird. Anders ausgedrückt, der durch die Spiralfeder 14 gebildete Energiespeicher wird mit der kinetischen Energie des auslaufenden Verbrennungsmotors „geladen".
  • Wie aus 5 ersichtlich ist, sind das Starterritzel 6 und das Zahnrad 20 in dieser Stellung außer Eingriff.
  • 6 beschreibt den Zustand des erneuten Startens des Verbrennungsmotors. In diesem Zustand befindet sich das Starterritzel 6 in einer Zwischenstellung zwischen den in den 3 und 5 gezeigten Verschiebepositionen. In dieser Zwischenstellung steht das Starterritzel 6 in Eingriff mit dem Anlasserzahnkranz des Schwungrads des Verbrennungsmotors und ist gleichzeitig über die Zahnräder 11, 18, 19, 20 mit dem durch die Spiralfeder 14 gebildeten Energiespeicher gekoppelt. In diesem Zustand entspannt sich die Spiralfeder 14 allmählich und treibt über die Zahnräder 11, 18, 19, 20 und das Starterritzel 6 den Starterzahnkranz 5 des Schwungrads des Verbrennungsmotors an, wodurch die elektrische Maschine, d. h. der Anlasser unterstützt wird. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Startvorgang, bei dem ausschließlich der Anlasser den Motor auf Startdrehzahl bringt, geht der Startvorgang schneller von Statten.
  • Wie bereits erwähnt sind in der in 5 gezeigten Verschiebestellung des Starterritzels 6 der Stift 9 und das Zahnrad 11 formschlüssig miteinander gekoppelt.
  • Alternativ dazu kann zwischen dem Starterritzel 6 und dem Zahnrad 11 auch eine „Rutschkupplung" vorgesehen sein.
  • Beim Ausführungsbeispiel der 7 ist die Rutschkupplung durch eine Feder 21 gebildet. Das Starterritzel 6 drückt hierbei in Axialrichtung gegen die Feder 21 und überträgt somit reibschlüssig einen Drehmoment auf das Zahnrad 11. Der Reibbeiwert der Reibpaarung zwischen der Feder 21 und dem Starterritzel 6 begrenzt hierbei in Abhängigkeit von der Andruckkraft das übertragbare Drehmoment und verhindert somit ein „Überladen" des Energiespeichers, d. h. ein Abreißen bzw. eine Beschädigung der Spiralfeder 14.
  • 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rutschkupplung. Anstatt einer durch ein Federelement gebildeten Reibpaarung ist hier an der Stirnseite des Starterritzels 6 ein Konuselement 22 vorgesehen, das in eine komplementär gestaltete konische Ausnehmung des Zahnrads 11 eingreift.

Claims (15)

  1. Fahrzeug, mit – einem Verbrennungsmotor, – einer elektrischen Maschine (7), die zum Starten des Verbrennungsmotors kinematisch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist und die während des Betriebs des Verbrennungsmotors von dem Verbrennungsmotor kinematisch entkoppelbar ist, und – einer Energierekuperations- und Speichereinrichtung (9–12, 14) dadurch gekennzeichnet, dass die Energierekuperations- und Speichereinrichtung (9–12, 14) während des Abschaltens bzw. während des Auslaufens des Verbrennungsmotors kinematisch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist und zumindest einen Teil der im Moment des Abschaltens des Verbrennungsmotors im Verbrennungsmotor gespeicherten kinetischen Energie aufnimmt und speichert.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine elektronisch gesteuerte bzw. geregelte Start-Stopp-Automatik aufweist, die dem Verbrennungsmotor bei stehendem Fahrzeug und Vorliegen bestimmter Stopp-Fahrzeugparameter automatisch abschaltet und bei Betätigen einer Betätigungseinrichtung durch den Fahrer und Vorliegen bestimmter Start-Fahrzeugparameter automatisch startet.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung durch ein Kupplungs- oder/und Gaspedal gebildet ist.
  4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energierekuperations- und Speichereinrichtung durch die elektrische Maschine (7), eine damit elektrisch verbundene Fahrzeugbatterie und eine Elektronik gebildet ist.
  5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energierekuperations- und Speichereinrichtung (9–12, 14) einen mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Energiespeicher (14) aufweist, der beim Starten des Verbrennungsmotors entladen wird und zumindest einen Teil der zum Starten des Verbrennungsmotors erforderlichen Energie liefert.
  6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (14) eine Welle (12) aufweist, wobei der Energiespeicher (14) durch Drehen der Welle in einer ersten Drehrichtung mit Energie aufladbar und durch Drehen der Welle (12) in einer der ersten Richtung entgegen gesetzten zweiten Richtung entladbar ist.
  7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Drehmomentpfad zwischen dem Verbrennungsmotor und der Energierekuperations- und Speichereinrichtung (9–12, 14) eine zu- bzw. abschaltbare Drehrichtungsumkehreinrichtung (18–20) angeordnet ist, wobei durch Zu- bzw. Abschalten der Drehrichtungsumkehreinrichtung (18–20) sichergestellt wird, dass der Verbrennungsmotor bei dessen Start bzw. beim Entladen des Energiespeichers (14) von der im Energiespeicher (14) ge speicherten Energie in derselben Drehrichtung angetrieben wird, in der der Verbrennungsmotor beim Laden des Energiespeichers (14) ausläuft.
  8. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energierekuperations- und Speichereinrichtung (9–12, 14) eine mechanische Federeinrichtung (14) aufweist.
  9. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung durch eine Spiralfeder (14) gebildet ist.
  10. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (7) im Motormodus ein in einer Axialrichtung verschiebbares Starterritzel (6) antreibt, das zum Starten des Verbrennungsmotors in einen Startzahnkranz (5) des Verbrennungsmotors einspurbar ist.
  11. Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Startzahnkranz (5) ein Zahnkranz eines Schwungrads des Verbrennungsmotors ist.
  12. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Starterritzel (6) in einer ersten Verschiebestellung ausschließlich mit dem Startzahnkranz (5) des Verbrennungsmotors kämmt.
  13. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Starterritzel (6) in einer zweiten Verschiebestellung mit dem Starterzahnkranz (5) des Verbrennungsmotors kämmt und mit der Welle (12) des Energiespeichers (14) drehgekoppelt ist.
  14. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Drehmomentpfad zwischen dem Starterritzel (6) und der Welle (12) des Energiespeichers (14) ein Überlastschutz, insbesondere eine Rutschkupplung, vorgesehen ist.
  15. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Starterritzel (6) eine dritte Verschiebestellung einnehmen kann, in der das Starterritzel (6) mit dem Starterzahnkranz (5) kämmt und über die Drehrichtungsumkehreinrichtung (18–20) mit der Welle (12) des Energiespeichers (14) drehgekoppelt ist.
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