DE102008000807A1 - Kraftmaschine sowie Verfahren zum Verlängern der Nutzungsdauer von Kraftstoff - Google Patents

Kraftmaschine sowie Verfahren zum Verlängern der Nutzungsdauer von Kraftstoff Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine (1), vorzugsweise eine Kolbenkraftmaschine, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder eine Arbeitsmaschine mit einem Kraftstofftank (5) für Kraftstoff, insbesondere für Biodiesel und/oder für Kraftstoff mit einem Biodieselanteil, zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur (6) vorgesehen sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verlängern der Nutzungsdauer von Kraftstoffen in einer Kraftmaschine (1).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine, vorzugsweise eine Kolbenkraftmaschine, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder eine Arbeitsmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Verlängern der Nutzungsdauer von Kraftstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung von Mitteln zum Minimieren der Kraftstofftemperatur gemäß Anspruch 14.
  • Aus der DE 101 520 84 A1 ist es bekannt, Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen mit Biodiesel zu betreiben. Biodiesel ist ein, nach seiner Verwendung dem Dieselkraftstoff entsprechender, zumindest teilweise pflanzlicher und/oder tierischer Kraftstoff. Im Gegensatz zum konventionellen Diesel-Kraftstoff wird er nicht aus Rohöl, sondern aus Pflanzenöl oder tierischen Fetten gewonnen. Chemisch betrachtet handelt es sich bei Biodiesel um Fettsäure-Methylester (FAME). Die Beimischung von Biodiesel zu herkömmlichem Diesel-Kraftstoff wird je nach Anteil als B5, B10 oder B20 bezeichnet. Dies entspricht einem Anteil von 5%, 10% oder 20% an Biodiesel. B100 entspricht demnach reinem Biodiesel.
  • Ein wesentlicher Nachteil von Biodiesel besteht darin, dass dieser vergleichsweise schnell altert. Ein gealteter Kraftstoff führt jedoch nach kurzer, abhängig von der Robustheit des Systems unterschiedlicher, Nutzungsdauer zum sicheren Ausfall des Einspritzsystems des Verbrennungsmotors. Durch steigenden Biodieselanteil im Kraftstoff verringert sich die Zeitdauer, also die Verweildauer, im Kraftstofftank, bis zu der der Kraftstoff als ungealtert definiert wird. Diese Zeitdauer wird im Labortest als induction period (IP) bezeichnet (EN 14112).
  • Ein Haupttreiber für die Alterung von Kraftstoff, insbesondere von Biodiesel oder von Kraftstoffen mit Biodieselanteil, ist Sauerstoff.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmaschine vorzuschlagen, in der Kraftstoff, insbesondere Biodiesel oder ein Biodiesel enthaltender Kraftstoff, über einen möglichst langen Zeitraum zum Betreiben der Verbrennungsmaschine nutzbar ist. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Verlängern der Nutzungsdauer von Kraftstoff in einer Kraftmaschine vorzuschlagen.
  • Technische Lösung
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Kraftmaschine, vorzugsweise der Kolbenkraftmaschine, insbesondere des Kraftfahrzeugs oder der Arbeitsmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 14 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombina tionen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
  • Die Erfindung hat erkannt, dass neben dem Sauerstoffgehalt des Kraftstoffs hohe Kraftstofftemperaturen ein Haupttreiber für die Alterung des Kraftstoffs, insbesondere von Biodiesel oder von Kraftstoff mit einem Biodieselanteil, sind. Zur Minimierung der Alterungsgeschwindigkeit von Kraftstoff schlägt die Erfindung daher vor, in der Kraftmaschine Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur vorzusehen. Dabei sind unter Mitteln zum Minimieren der Kraftstofftemperatur sämtliche technischen Maßnahmen zu verstehen, die die Kraftstofftemperatur absolut und integral reduzieren oder zumindest ein (übermäßiges) Ansteigen der Kraftstofftemperatur verhindern. Dadurch, dass die Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur integraler Bestandteil der Kraftmaschine sind, wird die Alterung von in der Kraftmaschine befindlichem Kraftstoff, insbesondere von Biodiesel oder einem Kraftstoff mit einem Biodieselanteil, reduziert, wodurch der Kraftstoff länger nutzbar ist. Darüber hinaus wird durch das Vorsehen von Mitteln zum Minimieren der Kraftstofftemperatur in einer Kraftmaschine das Einspritzsystem geschont. Ferner wird die Standzeit von Kraftstofffiltern erhöht, sowie der Einsatz weniger temperaturbeständiger Materialien ermöglicht.
  • Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungen am Beispiel eines Kraftfahrzeugs beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf eine derartige Kraftmaschine beschränkt ist.
  • Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von Mitteln zum Minimieren der Kraftstofftemperatur bei Kraftmaschinen mit einem als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor zum Verbrennen von Biodiesel oder einem Kraftstoff, vorzugsweise Diesel, mit einem Biodieselanteil. Gerade Biodiesel und Biodiesel enthaltende Kraftstoffe sind besonders anfällig gegenüber erhöhten Temperaturen. Unter Biodiesel wird dabei nicht naturbelassenes oder lediglich gefiltertes Pflanzenöl verstanden, welches ebenfalls als Biokraftstoff in speziellen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden kann. Dies gilt auch für Bioethanol-Kraftstoff, bei dem es sich ebenfalls nicht um Biodiesel handelt. Besonders bevorzugt wird unter Biodiesel ein Kraftstoff oder Kraftstoffanteil verstanden, wie dieser in der E DIN 51606 und/oder der DIN EN 14214 definiert ist.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie einen Wärmeeintrag in den Kraftstofftank minimierend ausgebildet sind. Anders ausgedrückt wird durch derartig ausgebildete Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur verhindert, dass die Temperatur des Kraftstoffs im Kraftstofftank durch Wärmeeinwirkung von außen (übermäßig) ansteigt.
  • Eine Möglichkeit zur Minimierung des Wärmeeintrags in den Kraftstofftank besteht darin, einen Kraftstoffkühler einzusetzen. Bevorzugt ist dieser Kraftstoffkühler in einem Kraftstoffrücklauf des Einspritzsystems angeordnet und kühlt den in Richtung des Kraftstofftanks abströmenden Kraftstoff ab. Der Kraftstoffkühler sitzt vorzugsweise möglichst nahe an der Stelle der höchsten Kraftstofftemperatur. Hierdurch wird verhindert, dass die Kraftstofftemperatur des Kraftstoffs im Kraftstofftank durch rückströmenden Kraftstoff erwärmt wird.
  • Zusätzlich oder alternativ zu dem Vorsehen eines Kraftstoffkühlers kann die Temperatur des vom Einspritzsystem in den Kraftstofftank rückströmenden Kraftstoffs dadurch minimiert werden, dass das Einspritzsystem hinsichtlich seiner Wärmebilanz optimiert ausgebildet ist. Die Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur können derart ausgebildet sein, dass sie das Einspritzsystem hinsichtlich von Schmiermengen und/oder Leckagemengen und/oder Steuermengen optimieren.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Kraftstofftemperatur minimiert werden, indem die Anbausituation bzw. die Anordnung des Kraftstofftanks optimiert wird, derart, dass die Exposition des Kraftstofftanks zu Wärmequellen, wie dem Verbrennungsmotor und/oder Nebenaggregaten der Kraftmaschine, vermieden wird. Zum Vermeiden des Wärmeeintrags in den Kraftstofftank ist es hierzu beispielsweise möglich, den Kraftstofftank, zumindest teilweise, mit einer Wärmeisolierung zu versehen.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Minimierung des Wärmeeintrags in den Kraftstoffrücklauf zum Kraftstofftank kann dadurch realisiert werden, dass das Einspritzsystem nicht druckgeregelt, sondern kraftstoffmengengeregelt ausgebildet ist. Anders ausgedrückt wird der Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher (Rail) durch eine Mengenregelung des zugeführten Kraftstoffs gesteuert. Hierzu können spezielle Zulaufdosierventile eingesetzt werden, die von einem Steuergerät des Einspritzsystems mit einem variablen Strom (PWM-Signal) angesteuert werden. Die Mengenregelung hat den Vorteil, dass für jeden Betriebszustand des Verbrennungsmotors nur die gerade benötigte Kraftstoffmenge gefördert wird, wodurch der Wirkungsgrad des Einspritzsystems steigt und dadurch Wärmeverluste, die zur Erhöhung der Kraftstofftemperatur beitragen, minimiert werden.
  • Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, auf einen Kraftstoffrücklauf in den Kraftstofftank zu verzichten und stattdessen die Kraftstoffrücklaufmenge des Einspritzsystems unmittelbar wieder dem Einspritzsystem zuzuführen. Bevorzugt durchläuft dieser Kraftstoff vor dem Wieder-Einspeisen einen Kraftstoffkühler zur Optimierung des Wärmehaushaltes.
  • Wie erwähnt, ist es des Weiteren möglich, zur Minimierung der Kraftstofftemperatur eine Kraftstofftankisolation vorzusehen und/oder den Kraftstofftank vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt anzuordnen. Zusätzlich oder alternativ zu einer unmittelbaren Kraftstofftankisolation können Wärmeschutzbleche als Außenhaut der Kraftmaschine eingesetzt werden.
  • Darüber hinaus ist es möglich, die Form des Kraftstofftanks im Hinblick auf einen minimalen Wärmeeintrag zu optimieren. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Kraftstofftank in der Nähe von Wärmequellen eine möglichst geringe Oberfläche aufweist und in Bereichen, in denen der Kraftstofftank nicht (unmittelbar) benachbart zu Wärmequellen angeordnet ist, bauchig bzw. mit einer großen Oberfläche ausgeführt wird. Besonders bevorzugt ist es, besonders schlecht wärmeleitendes Material zur Ausbildung des Kraftstofftanks einzusetzen. Zusätzlich oder alternativ kann die Dicke der Kraftstofftankwandung gegenüber bekannten Kraftstofftanks erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, den Kraftstofftank mit einer wenig wärmeabsorbierenden Farbe, insbesondere weiß, auszugestalten oder mit einer derartigen Farbe zu lackieren.
  • Des Weiteren ist die Kühlung des Kraftstofftanks durch Fahrtwind vorteilhaft. Vorteilhaft ist ebenfalls den Tank außerhalb des Abwärmestroms von Motor oder Nebenaggregaten zu platzieren. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, die Kraftstoffspitzentemperaturen durch einen Warmenergiepuffer zu reduzieren.
  • Die Erfindung führt auch auf ein in einer Kraftmaschine anzuwendendes Verfahren zum Verlängern der Nutzungsdauer von Kraftstoff zum Betreiben eines Verbrennungsmotors einer Kraftmaschine. Bevorzugt wird durch das Verfahren die Nutzungsdauer von Biodiesel oder von Kraftstoff, insbesondere von Diesel mit einem Biodieselanteil, verlängert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verlängerung der Nutzungsdauer des Kraftstoffs durch eine Minimierung der Kraftstofftemperatur, insbesondere im Kraftstofftank, realisiert wird. Wie erwähnt, ist es besonders bevorzugt, die Kraftstofftemperatur in Kraftstofftanks zu reduzieren, in denen Biodiesel oder ein Biodiesel enthaltender Kraftstoff gelagert ist und/oder die zur Aufnahme von Biodiesel oder Kraftstoff mit einem Biodieselanteil geeignet bzw. ausgebildet sind.
  • Die Kraftstofftemperatur kann auf vielfältige Weise reduziert werden. So ist es möglich, den Wärmeeintrag in den Kraftstofftank über den Kraftstoffrücklauf durch eine Optimierung der Wärmebilanz des Einspritzsystems zu minimieren. Zusätzlich oder alternativ kann die Anbausituation des Kraftstofftanks unter Vermeidung einer Exposition zu Wärmequellen in der Kraftmaschine und/oder zur Sonneneinstrahlung optimiert werden. Darüber hinaus kann die Wärmeaufnahme des Kraftstoffs im Kraftstofftank durch eine Optimierung des Kraftstofftankdesigns bzw. der Kraftstofftankkonstruktion verbessert werden. So ist es möglich, schlecht wärmeleitendes Material einzusetzen und die Dicke des Kraftstofftanks gegenüber bekannten Kraftstofftanks zu erhöhen. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, den Kraftstofftank in einer wenig wärmeabsorbierenden Farbe, beispielsweise in weiß, auszubilden.
  • Des Weiteren führt die Erfindung auf eine Verwendung von Mitteln zum Minimieren der Kraftstofftemperatur in einer Kraftmaschine. Besonders bevorzugt finden diese Mittel Anwendung in Kraftmaschinen, die zum Betreiben mit Biodiesel oder mit einem Kraftstoff mit Biodieselanteil ausgelegt sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
  • 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer als Kraftfahrzeug ausgebildeten Kraftmaschine, bei der die Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur einen im Kraftstoffrücklauf angeordneten Kraftstoffkühler umfassen,
  • 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kraftmaschine, bei der die Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur einen hinsichtlich der Vermeidung der Exposition des Kraftstofftanks zur Sonneneinstrahlung optimiert designten Kraftstofftank umfassen, und
  • 3: ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kraftmaschine, bei der die Rücklaufmenge der Injektoren über die Kraftstoffleitung wieder dem Einspritzsystem zugeführt wird, ohne zuvor in den Kraftstofftank zu gelangen.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In 1 ist eine als Kraftfahrzeug ausgebildete Kraftmaschine 1 mit einem als Dieselmotor zur Verbrennung von Kraftstoffen mit Biodieselanteil ausgebildeten Verbrennungsmotor 2 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 2, genauer ein Einspritzsystem des Verbrennungsmotors 2, ist über eine Kraftstoffleitung 3 mit einer Kraftstoffpumpe 4 mit einem Kraftstofftank 5 hydraulisch verbunden. Die Kraftmaschine 1 weist Mittel 6 zum Minimieren der Kraftstofftemperatur im Kraftstofftank 5 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Mittel 6 einen Kraftstoffkühler 7, der in einem Kraftstoffrücklauf 8 (Kraftstoffrücklaufleitung) angeordnet ist, über den Kraftstoff vom Einspritzsystem zurück zum Kraftstofftank 5 strömen kann. Durch das Vorsehen des Kraftstoffkühlers 7 wird der Kraftstoff (Rücklaufmenge) vor Erreichen des Kraftstofftanks 5 heruntergekühlt, vorzugsweise auf eine Temperatur, die geringer ist, als die Kraftstoffdurchschnittstemperatur im Kraftstofftank 5. Hierdurch wird ein zusätzlicher Wärmeeintrag in den Kraftstofftank 5 vermieden, wodurch insgesamt die Kraftstofftemperatur im Kraftstofftank 5 minimiert wird, was wiederum zu einem verlangsamten Alterungsprozess des Kraftstoffes führt.
  • In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Kraftmaschine 1, vorzugsweise Kolbenkraftmaschine mit einem Kraftstoffversorgungssystem und einem Kraftstofftank 5, insbesondere Kraftfahrzeug oder Arbeitsmaschine gezeigt. Auch hier ist der Verbrennungsmotor 2, genauer ein Einspritzsystem des Verbrennungsmotors 2, über eine Kraftstoffleitung 3 mit einer Kraftstoffpumpe 4 hydraulisch mit einem Kraftstofftank 5 verbunden. Zu erkennen ist, dass von dem Einspritzsystem kein Kraftstoffrücklauf zum Kraftstofftank 5 führt. Stattdessen wird (symbolisiert durch den Pfeil 9) die Kraftstoff-Rücklaufmenge unmittelbar wieder dem Einspritzsystem zugeführt. Bevorzugt durchläuft die Rücklaufmenge hierbei einen Kraftstoffkühler 7, um die Wärmebilanz weiter zu optimieren.
  • Neben dem unmittelbaren Einspeisen der Rücklaufmenge nach Durchlaufen des Kraftstoffkühlers 7 in das Einspritzsystem umfassen die Mittel 6 auch einen speziell geformten Kraftstofftank 5. Zu erkennen ist, dass die Oberfläche des Kraftstofftanks 5 in Bereichen verstärkter Sonneneinstrahlung minimiert ist. In seinem unteren Bereich ist der Kraftstofftank 5 bauchig ausgeführt, da ein (übermäßiger) Wärmeeintrag von der Kraftfahrzeugunterseite her nicht zu erwarten ist.
  • Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird der Kraftstoff bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 nicht unmittelbar in den Hochdruckkreislauf des Einspritzsystems gelenkt, sondern zurück in die Kraftstoffleitung 3 (hinter dem Kraftstofftank 5). Von dort aus wird die Rücklaufmenge zusammen mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 5 mit der Kraftstoffpumpe 4 zum Einspritzsystem gefördert.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10152084 A1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - EN 14112 [0003]
    • - E DIN 51606 [0009]
    • - DIN EN 14214 [0009]

Claims (14)

  1. Kraftmaschine, vorzugsweise Kolbenkraftmaschine, insbesondere Kraftfahrzeug oder Arbeitsmaschine, mit einem Kraftstofftank (5) für Kraftstoff, insbesondere für Biodiesel und/oder für Kraftstoff mit einem Biodieselanteil, zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Minimieren der Kraftstofftemperatur (6) vorgesehen sind.
  2. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) ein Dieselmotor, insbesondere ein zum Verbrennen von Biodiesel und/oder von Kraftstoff mit einem Biodieselanteil ausgebildeter Verbrennungsmotor (2), ist.
  3. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) den Wärmeeintrag in den Kraftstofftank (5) minimierend ausgebildet sind.
  4. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) mindestens einen, vorzugsweise in einem Kraftstoffrücklauf (8) angeordneten, Kraftstoffkühler (7) umfassen.
  5. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) ein hinsichtlich von Schmiermengen und/oder Leckagemengen und/oder Steuermengen optimiertes Einspritzsystem umfassen.
  6. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) das Übertragen von Verbrennungsmotorabwärme und/oder von Abwärme von Nebenaggregaten auf den Kraftstoff minimierend ausgebildet sind.
  7. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspritzsystem des Verbrennungsmotors (2) eine Mengenregelung aufweist.
  8. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) eine Kraftstoffrücklaufmenge, ohne diese zurück in den Kraftstofftank (5) zu leiten, direkt dem Einspritzsystem, insbesondere nach Durchlaufen eines Kraftstoffkühlers (7), wieder zuführen.
  9. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) eine Kraftstofftankisolation umfassen.
  10. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstofftank (5) vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt angeordnet ist.
  11. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Form des Kraftstofftanks (5) im Hinblick auf einen minimalen Wärmeeintrag optimiert ausgebildet ist.
  12. Kraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoff-Fahrtwindkühlung und/oder ein Wärmepuffer vorgesehen sind/ist.
  13. Verfahren zum Verlängern der Nutzungsdauer von Kraftstoff zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) einer Kraftmaschine (1), vorzugsweise einer Kolbenkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder einer Arbeitsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstofftemperatur minimiert wird.
  14. Verwendung von Mitteln zum Minimieren der Kraftstofftemperatur (6) in einer, vorzugsweise zum Betreiben mit Biodiesel oder einem Kraftstoff mit einem Biodiesel ausgebildeten, Kraftmaschine (1), vorzugsweise in einer Kolbenkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug oder in einer Arbeitsmaschine.
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