DE102008013773B4 - Turboladeranordnung mit Katalysatorbeschichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft Turbolader für Verbrennungsmotoren.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Verbrennungsmotoren können eine abgasgetriebene Verdichter- oder Turboladeranordnung verwenden, um den Krümmerluftdruck oder MAP (MAP von manifold air pressure) zu erhöhen, wodurch sie eine erhöhte Motorleistung bei einem gegebenen Motorhubraum bereitstellen. Eine typische Turboladeranordnung umfasst eine Turbinenanordnung in Fluidverbindung mit den Abgasen und eine Verdichteranordnung in Fluidverbindung mit den Einlassgasen. Ein Teil der in den Abgasen enthaltenen Energie dient zum Drehen oder Rotierenlassen eines Turbinenrads, das in der Turbinenanordnung angeordnet ist. Das Turbinenrad ist durch eine gemeinsame Welle mit einem Verdichterantriebsrad verbunden, das in der Verdichteranordnung angeordnet ist. Folglich drehen sich das Turbinenrad und das Verdichterantriebsrad einheitlich. Wenn die Abgase im Betrieb das Turbinenrad drehen, leitet oder saugt das sich drehende Verdichterantriebsrad Einlassgase in die Verdichteranordnung, wo sie für eine nachfolgende Einleitung in den Verbrennungsmotor unter Druck gesetzt werden.
- Neueste Fortschritte bei der Konstruktion von Turboladern führten zu der Einführung so genannter Turbolader mit variabler Geometrie. Der Turbolader mit variabler Geometrie umfasst typischerweise eine Vielzahl beweglicher Schaufeln, die in der Verdichteranordnung oder der Turbinenanordnung oder in beiden angeordnet sind, welche zum Variieren der Betriebskennlinien des Turboladers dienen. Derartige Turbolader mit variabler Geometrie können ein Verringern der so genannten ”Turboverzögerung” zusätzlich zu einer Verbesserung des Betriebswirkungsgrad der Turboladeranordnung über einen Bereich von Motordrehzahlen bewirken. Die Ansammlung von Ablagerungen, wie z. B. Kohlenwasserstoffen und löslichen organischen Teilen an den aerodynamischen Innenoberflächen des Verdichtergehäuses und/oder des Turbinengehäuses können den Wirkungsgrad des Turboladers verringern und möglicherweise ein Festsetzen der darin enthaltenen beweglichen Schaufeln verursachen.
- Die
DE 199 31 150 A1 offenbart einen Abgasturbolader mit einer Turbinenanordnung mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche und mit einer Verdichteranordnung mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche. Die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung ist zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial beschichtet, um bereits kurz nach dem Motorstart eine wirksame Vorreinigung der Motorabgase zu erreichen. - In der
US 4 122 673 A ist ein Verbrennungsmotor mit einem Turbolader offenbart, der eine Turbinenanordnung mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche und eine Verdichteranordnung mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche aufweist, wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist, um eine Nachverbrennung und eine katalytische Oxidation zu erreichen. - ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Es wird eine Turboladeranordnung bereitgestellt, die eine Turbinenanordnung mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche und eine Verdichteranordnung mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche aufweist. Die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung und die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung sind zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial beschichtet, das dazu dient, ein Verbrennen von Kohlenwasserstoffablagerungen zu bewirken.
- Die Turbinenanordnung kann ein Turbinengehäuse mit einem Diffusor umfassen. Die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung kann zumindest teilweise durch den Diffusor des Turbinengehäuses definiert sein. Zusätzlich kann das Turbinengehäuse einen Auslass definieren, der die aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung zumindest teilweise definiert. Die Turbinenanordnung kann ferner ein Turbinenrad und einen Mechanismus für eine variable Geometrie umfassen, von denen jeder die aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung teilweise definieren kann. Der Mechanismus für eine variable Geometrie der Turbinenanordnung kann eine Vielzahl beweglicher Schaufeln umfassen.
- Die Verdichteranordnung kann ein Verdichtergehäuse mit einem Diffusor umfassen. Der Diffusor kann die aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung zumindest teilweise definieren. Zusätzlich kann die Verdichteranordnung ein Verdichterantriebsrad, einen Ausströmraum und einen Mechanismus für eine variable Geometrie umfassen, von denen jeder die aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung teilweise definieren kann. Der Mechanismus für eine variable Geometrie der Verdichteranordnung kann eine Vielzahl beweglicher Schaufeln umfassen.
- Es wird auch ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, der die offenbarte Turboladeranordnung einschließt. Der Verbrennungsmotor kann ein Abgasrückführungssystem umfassen, das zur Rückführung von Abgas durch den Verbrennungsmotor dient.
- Die voranstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden genauen Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung leicht offenbar, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen werden.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine schematische diagrammartige Veranschaulichung eines Verbrennungsmotors mit einer daran montierten Turboladeranordnung; und -
2 ist eine Querschnittsansicht der in1 schematisch gezeigten Turboladeranordnung. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Mit Bezug auf
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Verbrennungsmotors gezeigt, der allgemein mit10 bezeichnet ist. Der Verbrennungsmotor10 kann ein Verbrennungsmotor vom Kompressionszündungstyp oder vom Funkenzündungstyp sein. Der Verbrennungsmotor10 umfasst einen Motorblock12 , der eine Vielzahl von Zylindern14 definiert. Obwohl in1 vier Zylinder14 gezeigt sind, werden Fachleute erkennen, dass Motoren mit einer alternativen Anzahl von Zylindern, beispielsweise 1, 2, 6, 8, 10 und 12 verwendet werden können, wobei man im Bereich dessen bleibt, was beansprucht ist. Ein Einlasskrümmer16 und ein Auslasskrümmer18 sind an dem Verbrennungsmotor10 montiert. Der Einlasskrümmer16 dient zur Weiterleitung von Einlassgasen20 , beispielsweise von Luft, rückgeführten Abgasen (AGR) etc. an die Zylinder14 des Verbrennungsmotors10 . Die Zylinder14 definieren zumindest teilweise eine Brennkammer mit variablem Volumen, um die Einlassgase20 zusammen mit einem nicht gezeigten Kraftstoff zu verbrennen. Die Verbrennungsprodukte oder Abgase22 werden aus den Zylindern14 in den Auslasskrümmer18 ausgestoßen. - Der Verbrennungsmotor
10 umfasst eine Turboladeranordnung24 . Die Turboladeranordnung24 umfasst eine Turbinenanordnung26 , eine Verdichteranordnung28 und ein Mittelgehäuse30 . Die Turbinenanordnung26 umfasst ein Turbinenrad32 , das in der Turbinenanordnung26 drehbar ist. Auf ähnliche Weise umfasst die Verdichteranordnung28 ein Verdichterantriebsrad34 , das in der Verdichteranordnung28 drehbar ist. - Das Mittelgehäuse
30 stützt eine Welle36 drehbar ab, die zur Verbindung des Turbinenrads32 mit dem Verdichterantriebsrad34 dient. Folglich drehen sich das Turbinenrad32 und das Verdichterantriebsrad34 einheitlich. Die Verdichteranordnung28 ist in Fluidverbindung mit einem Einlasskanal38 bereitgestellt, der zum Einführen von Einlassgasen20 an die Turboladeranordnung24 dient. Die Verdichteranordnung28 ist auch in Fluidverbindung mit dem Einlasskrümmer16 bereitgestellt, um Einlassgase20 dort hinzuleiten. Zusätzlich ist die Turbinenanordnung26 in Fluidverbindung mit dem Auslasskrümmer18 bereitgestellt, um von dort Abgase22 aufzunehmen. Abgase22 werden von einem Auslass40 an einen Abgasauspuff42 für ein anschließendes Entlassen in die Atmosphäre weitergeleitet. - Der Verbrennungsmotor
10 umfasst ein Abgasrückführungssystem oder AGR-System44 . Das AGR-System44 umfasst ein Ventil46 , das dazu dient, einen Teil48 der Abgase22 selektiv und variabel in einen Durchgang50 für eine anschließende Einleitung in den Einlasskanal38 weiterzuleiten. Der Teil48 der Abgase22 kann entweder stromaufwärts oder stromabwärts der Turbinenanordnung26 in den Durchgang50 eingeleitet werden. Fachleute werden erkennen, dass die Verwendung des AGR-Systems44 sich als ein effektives Mittel zur Verringerung gewisser Emissionsbestandteile, wie z. B. Oxide oder Stickstoff, erwiesen hat. - Im Betrieb des Verbrennungsmotors
10 werden Abgase22 aus den Zylindern14 in den Auslasskrümmer18 ausgestoßen. Die Abgase22 werden in das Turbinengehäuse26 geleitet, wo ein Teil der Energie, die in den Abgasen22 enthalten ist, zum Drehen oder Rotierenlassen des Turbinenrads32 verwendet wird. Die Abgase22 werden dann an den Abgasauspuff42 weitergeleitet. Das sich drehende Turbinenrad32 veranlasst das Verdichterantriebsrad34 mittels der Welle36 , sich zu drehen oder zu rotieren. Das sich drehende Verdichterantriebsrad34 wird Einlassgase20 in die Verdichteranordnung28 einleiten, wo die Einlassgase20 unter Druck gesetzt werden und in den Einlasskrümmer16 zur Einleitung in die Zylinder14 eingeleitet werden. Durch ein Erhöhen des Drucks in dem Einlasskrümmer16 wird die Dichte der Einlassgase20 erhöht, wodurch ermöglicht wird, dass eine größere Menge an Kraftstoff in den Zylindern14 oxidiert und verbrannt wird, wodurch sich der Spitzendruck in den Zylindern erhöht. Folglich kann von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor mit gleichem Hubraum, der auf natürliche Weise mit Luft versorgt wird, ein größerer Leistungsbetrag erzeugt werden. Die Turboladeranordnung24 wird nachfolgend hierin mit Bezug auf2 genauer erörtert. -
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Ausführungsform der Turboladeranordnung24 von1 veranschaulicht. Die Turbinenanordnung26 umfasst ein Turbinengehäuse52 . Das Turbinengehäuse52 definiert eine Schnecke oder einen Diffusor54 , die bzw. der dazu dient, Abgase22 radial nach innen zu dem Turbinenrad32 hin zu lenken, um eine Drehung desselben zu bewirken. Die Turbinenanordnung26 umfasst ferner einen Mechanismus56 für eine variable Geometrie, der dazu dient, das Strömungsmuster der Abgase22 von dem Diffusor54 an das Turbinenrad32 zu variieren. Der Mechanismus56 für eine variable Geometrie der Turboladeranordnung24 umfasst eine Vielzahl radial angeordneter Schaufeln58 , die um das Turbinenrad32 herum angeordnet sind. Die Schaufeln58 sind durch ein Betätigungsmittel, wie z. B. einen Steuerungsring60 , vorzugsweise gemeinsam bewegbar. Fachleute werden erkennen, dass andere Mechanismen für eine variable Geometrie in der Turbinenanordnung26 verwendet werden können, wobei man in dem Umfang dessen bleibt, was beansprucht ist. - Abschnitte des Diffusors
54 , des Mechanismus56 für eine variable Geometrie, des Turbinenrads32 und des Auslasses40 bilden zumindest teilweise die aerodynamischen Innenoberflächen der Turbinenanordnung26 . Die aerodynamischen Innenoberflächen sind Oberflächen, die in Kontakt mit den Abgasen22 kommen, wenn die Abgase22 durch die Turbinenanordnung32 strömen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Teil von mindestens einer der aerodynamischen Innenoberflächen vorzugsweise mit einem Katalysatormaterial61 beschichtet, das in1 schematisch gezeigt ist. Das Katalysatormaterial61 muss haltbar und in dem Temperaturbereich des Abgases22 aktivierbar sein. Zusätzlich dient das Katalysatormaterial61 vorzugsweise der Oxidation von Kohlenwasserstoffen derart, dass irgendwelches Kohlenwasserstoffmaterial, das in Kontakt mit dem Katalysatormaterial61 kommt, oxidieren und verbrennen wird, und damit nicht an der jeweiligen aerodynamischen Innenoberfläche abgelagert wird. Dies ist besonders nützlich, da übermäßige Kohlenwasserstoffablagerungen in der Turbinenanordnung26 eine Fehlfunktion des Mechanismus56 für eine variable Geometrie verursachen und/oder den Strömungswirkungsgrad der Turbinenanordnung26 verringern können. - Die Verdichteranordnung
28 umfasst ein Verdichtergehäuse61 , welches einen Einlass62 definiert, der dazu dient, Einlassgase20 axial zu dem Verdichterantriebsrad34 hin zu lenken. Die Verdichteranordnung28 umfasst ferner einen Ausströmraumabschnitt64 , der dazu dient, die Geschwindigkeit der Einlassgase20 zu verringern, und einen Mechanismus66 für eine variable Geometrie, der dazu dient, das Strömungsmuster der Einlassgase20 von dem Verdichterantriebsrad34 an einen Diffusor68 , der von dem Verdichtergehäuse61 definiert ist, zu variieren. Der Mechanismus66 für eine variable Geometrie der Turboladeranordnung24 umfasst eine Vielzahl radial angeordneter Schaufeln70 , die um das Verdichterantriebsrad34 herum angeordnet sind. Die Schaufeln70 sind durch ein Betätigungsmittel, wie z. B. einen Steuerungsring72 , vorzugsweise gemeinsam bewegbar. Fachleute werden erkennen, dass andere Mechanismen für eine variable Geometrie in der Verdichteranordnung28 verwendet werden können, wobei man im Umfang dessen bleibt, was beansprucht ist. - Abschnitte des Einlasses
62 , des Verdichterantriebsrads34 , des Ausströmraums64 , des Mechanismus66 für eine variable Geometrie und des Diffusors68 bilden zumindest teilweise die aerodynamischen Innenoberflächen der Verdichteranordnung28 . Die aerodynamischen Innenoberflächen sind Oberflächen, die in Kontakt mit den Einlassgasen20 kommen, wenn die Einlassgase20 durch die Verdichteranordnung28 strömen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Teil von mindestens einer der aerodynamischen Innenoberflächen vorzugsweise mit einem Katalysatormaterial61 beschichtet. Das Katalysatormaterial61 muss haltbar und in dem Temperaturbereich der Einlassgase20 aktivierbar sein. Zusätzlich dient das Katalysatormaterial61 vorzugsweise zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen derart, dass jegliches Kohlenwasserstoffmaterial, das in Kontakt mit dem Katalysatormaterial61 kommt, oxidieren und verbrennen wird, und damit nicht an der jeweiligen aerodynamischen Innenoberfläche abgelagert wird. Dies ist besonders nützlich, da übermäßige Kohlenwasserstoffablagerungen, wie z. B. diejenigen, die als ein Ergebnis eines Betriebs des AGR-Systems44 auftreten können, in der Verdichteranordnung28 bewirken können, dass der Mechanismus66 für eine variable Geometrie nicht funktioniert und/oder dass der Strömungswirkungsgrad der Verdichteranordnung28 verringert wird. - Das an den aerodynamischen Innenoberflächen der Turbinenanordnung
26 und der Verdichteranordnung28 bereitgestellte Katalysatormaterial61 kann ein Oberflächenhaftungsmaterial, Edelmetalle (Platin, Palladium etc.), Stabilisatoren, Aktivitätsverbesserer, und Trägermaterialien umfassen, welche durch bestimmte Zwischenschichttechnologien für Dünnschichtkatalysatoren erzeugt werden. Zusätzlich dient das Katalysatormaterial61 vorzugsweise zum Oxidieren von Kohlenwasserstoffen, löslichen organischen Teilen und/oder Partikelmaterial über einen breiten Bereich von Motorbetriebszuständen. Ferner kann das Katalysatormaterial61 einen Betrag an Reduktion von Stickstoffoxiden in der Turbinenanordnung26 bereitstellen. - Obwohl die besten Arten zur Ausführung der Erfindung genau beschrieben wurden, werden Fachleute, welche diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung in dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche erkennen.
Claims (19)
- Turboladeranordnung (
24 ), die umfasst: eine Turbinenanordnung (26 ) mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche; und eine Verdichteranordnung (28 ) mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche; und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung (26 ) und die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung (28 ) zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial (61 ) beschichtet sind. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei die Turbinenanordnung (26 ) ein Turbinengehäuse (52 ) mit einem Diffusor (54 ) umfasst und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung (26 ) zumindest teilweise durch den Diffusor (54 ) des Turbinengehäuses (52 ) definiert ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei die Turbinenanordnung (26 ) ein Turbinengehäuse (52 ) mit einem Auslass (40 ) umfasst und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung (26 ) zumindest teilweise durch den Auslass (40 ) definiert ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei die Turbinenanordnung (26 ) ein Turbinenrad (32 ) umfasst und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung (26 ) zumindest teilweise durch das Turbinenrad (32 ) definiert ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei die Turbinenanordnung (26 ) einen Mechanismus (56 ) für eine variable Geometrie umfasst und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung (26 ) zumindest teilweise durch den Mechanismus (56 ) für eine variable Geometrie definiert ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 5, wobei der Mechanismus (56 ) für eine variable Geometrie der Turbinenanordnung (26 ) mindestens ein Schaufelelement (58 ) umfasst. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei die Verdichteranordnung (28 ) ein Verdichtergehäuse (61 ) mit einem Diffusor (68 ) umfasst und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung (28 ) zumindest teilweise durch den Diffusor (68 ) des Verdichtergehäuses (61 ) definiert ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei die Verdichteranordnung (28 ) ein Verdichterantriebsrad (34 ) umfasst und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung (28 ) zumindest teilweise durch das Verdichterantriebsrad (34 ) definiert ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei die Verdichteranordnung (28 ) einen Ausströmraum (64 ) umfasst und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung (28 ) zumindest teilweise durch den Ausströmraum (64 ) definiert ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei die Verdichteranordnung (28 ) einen Mechanismus (66 ) für eine variable Geometrie umfasst und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung (28 ) zumindest teilweise durch den Mechanismus (66 ) für eine variable Geometrie definiert ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 10, wobei der Mechanismus (66 ) für eine variable Geometrie der Verdichteranordnung (28 ) mindestens ein Schaufelelement (70 ) umfasst. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 1, wobei das Katalysatormaterial (61 ) dazu dient, ein Verbrennen von Kohlenwasserstoffablagerungen zu bewirken. - Verbrennungsmotor (
10 ), der umfasst: eine Turboladeranordnung (24 ), die umfasst: eine Turbinenanordnung (26 ) mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche; eine Verdichteranordnung (28 ) mit mindestens einer aerodynamischen Innenoberfläche; und wobei die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Turbinenanordnung (26 ) und die mindestens eine aerodynamische Innenoberfläche der Verdichteranordnung (28 ) zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial (61 ) beschichtet sind. - Verbrennungsmotor (
10 ) nach Anspruch 13, wobei die Turbinenanordnung (26 ) und/oder die Verdichteranordnung (28 ) einen Mechanismus (56 ;66 ) für eine variable Geometrie umfasst bzw. umfassen. - Verbrennungsmotor (
10 ) nach Anspruch 13, wobei das Katalysatormaterial (61 ) dazu dient, ein Verbrennen von Kohlenwasserstoffablagerungen zu bewirken. - Verbrennungsmotor (
10 ) nach Anspruch 13, der ferner ein Abgasrückführungssystem (44 ) umfasst, das zur Rückführung von Abgas durch den Verbrennungsmotor (10 ) dient. - Turboladeranordnung (
24 ), die umfasst: eine Turbinenanordnung (26 ), die umfasst: einen Auslass (40 ); einen Diffusor (54 ); ein Turbinenrad (32 ); wobei der Auslass (40 ), der Diffusor (54 ) und/oder das Turbinenrad (32 ) zumindest teilweise mit einem Katalysatormaterial (61 ) beschichtet ist bzw. sind, das ausreicht, um ein Verbrennen von Kohlenwasserstoffablagerungen zu bewirken; und eine Verdichteranordnung (28 ), die umfasst: einen Diffusor (68 ); ein Verdichterantriebsrad (34 ); einen Ausströmraum (64 ); und wobei der Diffusor (68 ), das Verdichterantriebsrad (34 ) und/oder der Ausströmraum (64 ) zumindest teilweise mit dem Katalysatormaterial (61 ) beschichtet ist bzw. sind. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 17, wobei die Turbinenanordnung (26 ) und/oder die Verdichteranordnung (28 ) einen Mechanismus (56 ;66 ) für eine variable Geometrie umfasst bzw. umfassen, und wobei der Mechanismus (56 ;66 ) für eine variable Geometrie zumindest teilweise mit dem Katalysatormaterial (61 ) beschichtet ist. - Turboladeranordnung (
24 ) nach Anspruch 18, wobei der Mechanismus (56 ;66 ) für eine variable Geometrie eine Vielzahl von Schaufeln (58 ;70 ) umfasst.
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