DE102012104545B4 - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Es sind Vorrichtungen zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Wärmetauscher (12) mit einem Innengehäuse (39) und einem Außengehäuse (34), einer Bypassklappe (56), einem Mischgehäuse (10), in dem die Bypassklappe (56) gelagert ist, und welches am Wärmetauscher (12) befestigt ist, einem ersten Ventilsitz (60), der am Mischgehäuse (10) ausgebildet ist und auf dem die Bypassklappe (56) im den Bypass verschließenden Zustand aufliegt, einem zweiten Ventilsitz (62), auf dem die Bypassklappe (56) im den Wärmetauscher (12) verschließenden Zustand aufliegt, bekannt. Um eine möglichst einfache Montage des zweiten Ventilsitzes zu gewährleisten, ohne das Mischgehäuse (10) mechanisch bearbeiten zu müssen, ist am Innengehäuse (39) des Wärmetauschers (12) ein Kragen (64) ausgebildet, der den zweiten Ventilsitz (62) bildet.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Wärmetauscher mit einem Innengehäuse und einem Außengehäuse, einer Bypassklappe, einem Mischgehäuse, in dem die Bypassklappe gelagert ist und welches am Wärmetauscher befestigt ist, einem ersten Ventilsitz, der am Mischgehäuse ausgebildet ist und auf dem die Bypassklappe im den Bypass verschließenden Zustand aufliegt und einem zweiten Ventilsitz, auf dem die Bypassklappe in dem den Wärmetauscher verschließenden Zustand aufliegt.
- Derartige Vorrichtungen zur Abgasführung werden vor allem im Bereich der Abgasrückführung bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen verwendet. Dabei wird das beim Verbrennungsprozess entstehende Abgas über eine Abgasrückführleitung zur Verminderung der Schadstoffemissionen dem Verbrennungsprozess erneut zugeführt. Eine weitere Verringerung, insbesondere der entstehenden Stickoxide, wird durch die Kühlung des Abgases und die damit verbundene Herabsetzung der Verbrennungstemperatur erreicht, weswegen Abgaskühler eingesetzt werden. Dieser Effekt wird jedoch während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors konterkariert, da ein Anspringen des Katalysators durch die niedrigen Temperaturen verhindert wird, wodurch Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide nicht mehr entfernt werden. Aus diesem Grund können Abgaskühler in modernen Verbrennungsmotoren zumindest während der Warmlaufphase über einen Bypass umgangen werden, wodurch die Aufheizzeit deutlich verkürzt wird.
- Es sind verschiedene Vorrichtungen und insbesondere Baueinheiten mit Kühlern, Bypassklappen und Abgasrückführventilen bekannt geworden. Häufig besteht dabei das Problem, dass bei geringem Bauraum aufgrund der notwendigen Umlenkungen des Abgasstromes ein erhöhter Druckverlust entsteht, der wiederum zu einem reduzierten Spülgefälle und somit verringerten Abgasrückführraten führt.
- Aus diesem Grund wird in der
DE 10 2006 035 423 A1 eine Abgasrezirkulationsvorrichtung offenbart, bei der ein in einem Mischgehäuse und vor einem Abgaskühler angeordnete Bypassklappe zwei Endstellungen aufweist, von denen in der ersten Endstellung eine im Wesentlichen gerade Einströmung in einen Wärmetauscher erfolgen kann. Bei Umgehung des Wärmetauschers muss das Abgas um etwa 90° umgelenkt werden, Um hier zu hohe Druckverluste zu vermeiden, wird die Bypassklappe in ihrer anderen Endstellung in einem Winkel von etwa 45° angeströmt. Etwa im gleichen Winkel strömt das Abgas von der Klappenoberfläche weiter, so dass eine sanfte Umlenkung mit deutlich verringertem Druckverlust folgt. - Hierzu wird in das Mischgehäuse ein schräg abgeschnittener Rohrstutzen mittels Presssitz befestigt, dessen schräge Oberfläche den zweiten Ventilsitz bildet. Diese Montage ist aufwendig und erfordert eine mechanische Bearbeitung des Mischgehäuses, so dass ein erhöhter Herstell- und Montageaufwand zur Bereitstellung dieses Ventilsitzes besteht.
- Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Abgasrückführung mit geringem Druckverlust sowohl bei Durchströmung als auch bei Umgehung des Abgaskühlers zur Verfügung zu stellen, welche mit verringertem Montage- und Herstellaufwand erzeugt werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
- Dadurch, dass am Innengehäuse des Wärmetauschers ein Kragen ausgebildet ist, der den zweiten Ventilsitz bildet, wird durch Befestigung des Wärmetauschergehäuses am Mischgehäuse gleichzeitig der Ventilsitz montiert. So entfallen Bearbeitungsschritte des Mischgehäuses.
- Vorzugsweise weist das Innengehäuse eine Flanschplatte auf, an der der Kragen ausgebildet ist. Diese Flanschplatte bildet eine gerade Oberfläche, welche zur maßgenauen Fixierung des Kragens genutzt werden kann, so dass der Ventilsitz korrekt zur Bypassklappe ausgerichtet ist.
- Damit dabei die Bauteileanzahl möglichst gering gehalten werden kann, begrenzt die Flanschplatte gleichzeitig einen Kühlmittelkanal zwischen Innengehäuse und Außengehäuse axial.
- Vorzugsweise ist das Mischgehäuse unter Zwischenlage der Flanschplatte am Außengehäuse des Wärmetauschers befestigt, so dass eine Positionierung aller drei Gehäuseteile zueinander in einem Befestigungsschritt erfolgt.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher ein Rohrbündelwärmetauscher, dessen Rohre an entsprechend zu den Rohren geformten Öffnungen der Flanschplatte befestigt sind, wobei der Kragen an der entgegengesetzten Seite der Flanschplatte befestigt ist und in das Mischgehäuse ragt. So kann der Kragen beim Lötvorgang der Rohre am Wärmetauscher ebenfalls festgelötet werden, so dass kein zusätzlicher Befestigungsschritt erforderlich ist.
- Vorteilhaft ist es, wenn die Bypassklappe auf einer im Mischgehäuse gelagerten Welle exzentrisch befestigt ist und im geschlossenen Zustand jeweils umlaufend auf dem jeweiligen Ventilsitz aufliegt, da auf diese Weise eine hohe Dichtheit im geschlossenen Zustand erzielt wird.
- Eine besonders kompakte Anordnung mit sehr geringem axialem Bauraum ergibt sich, wenn der Wärmetauscher U-förmig durchströmbar ist und die Flanschplatte den Einlass und den Auslass des Wärmetauschers bildet, wobei Einlass und Auslass an gegenüberliegenden Seiten der Lagerung der Weile der Bypassklappe angeordnet sind.
- Um sicherzustellen, dass beim Zusammenbau eine korrekte Positionierung der Klappe zum Ventilsitz erfolgt, sind am Mischgehäuse Öffnungen ausgebildet, in die Positionierelemente ragen, die am Wärmetauscher angeordnet sind. Durch diese korrekte Ausrichtung des Ventilsitzes zum Klappenkörper wird eine hohe Dichtigkeit im geschlossenen Zustand der Klappe sichergestellt.
- In einer besonders bevorzugten Ausführung dienen die Schrauben, mittels derer die Flanschplatte am Außengehäuse des Wärmetauschers befestigt ist, als Positionierelemente, so dass auf zusätzliche Elemente zur Ausrichtung verzichtet werden kann, so dass ein exakter Sitz ohne weitere Montageschritte erreicht wird.
- In einer vorteilhaften alternativen Ausführung ist das Mischgehäuse mittels Passstiften zum Wärmetauscher ausgerichtet. Hier wird zwar ein weiterer Herstellungsschritt benötigt, jedoch können noch höhere Toleranzgenauigkeiten bei der Montage der beiden Gehäuse aneinander erzielt werden.
- Vorzugsweise besitzt eine Wand, welche an der vom Auslass des Wärmetauschers abgewandten Seite des Kragens ausgebildet ist, eine größere Ausdehnung als eine Wand, welche an der zum Auslass des Wärmetauschers gewandten Seite ausgebildet ist, so dass der Stellwinkel des Ventils verkleinert wird. Gleichzeitig entsteht eine sanfte Umlenkung des Gasstromes, so dass entstehende Druckverluste durch Wirbelbildung abrupte senkrechte Umlenkung weitestgehend vermieden werden.
- Eine weitere Verringerung des auftretenden Druckverlustes wird erzielt, wenn im Mischgehäuse stromaufwärts der Bypassklappe ein Abgasrückführventil angeordnet ist, dessen Auslass gegenüberliegend zum Einlass des Wärmetauschers angeordnet ist, da auf diese Weise eine Strömungsrichtungsänderung beim Einströmen in das Mischgehäuse zunächst vermieden wird.
- Es wird somit eine Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welche einerseits bei geringem Bauraum mit wenigen Montageschritten herzustellen ist und andererseits sowohl ein hohe Dichtigkeit des Ventils bei geringen Druckverlusten im geschlossenen Zustand des Wärmetauschers aufweist.
- Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
-
1 zeigt in teilweise geschnittener Ansicht einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Darstellung. -
2 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Vorrichtung unmittelbar vor dem Zusammenbau in perspektivischer Darstellung. - Die in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasführung besteht aus einem Mischgehäuse
10 , an welchem ein Wärmetauscher12 befestigt ist. Das Mischgehäuse10 weist eine Öffnung14 auf, in welche ein als Steckventil ausgeführtes Abgasrückführventil16 eingeschoben ist, welches mittels Schrauben18 an einem Flansch20 , der die Öffnung14 umgibt, befestigt ist. - Das Abgasrückführventil
16 weist ein Strömungsgehäuse22 mit einem Einlass24 und einem Auslass26 auf, die jeweils in das Mischgehäuse10 münden. Zwischen Einlass24 und Auslass26 befindet sich ein in den Zeichnungen nicht erkennbarer Ventilkörper, mittels dessen ein Durchströmungsquerschnitt vom Einlass24 zum Auslass26 entsprechend der Ansteuerung eines Aktors28 regelbar ist. - In Verlängerung des Auslasses
26 des Abgasrückführventils16 befindet sich ein Einlass30 eines Wärmetauschers12 , so dass bei geöffnetem Abgasrückführventil16 Abgas aus dem Auslass26 über einen im Mischgehäuse10 ausgebildeten Einlassraum32 in den Einlass30 des Wärmetauschers12 strömen kann. - Der Wärmetauscher
12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Flachrohrbündelwärmetauscher, der ein Außengehäuse34 aufweist, welches einen Kühlmittelmantel nach radial außen begrenzt und in dem die Flachrohre des Wärmetauschers12 verlaufen. Diese Flachrohre sind jeweils an entsprechend geformte Öffnungen36 in einer Flanschplatte38 gelötet und weisen eine U-Form auf, so dass beide Enden der Flachrohre in den Öffnungen36 der gleichen Flanschplatte38 münden. So bilden die Flachrohre mit der Flanschplatte38 ein Innengehäuse39 des Wärmetauschers12 . Die Öffnungen36 dieser Flanschplatte38 bilden nicht nur den Einlass30 sondern auch den Auslass40 , in den die zweiten Enden der Flachrohre münden. Dieser Auslass40 mündet in einen Auslassraum42 im Mischgehäuse10 der eine Auslassöffnung44 aufweist, über die das Abgas das Mischgehäuse10 verlassen kann. - Zur Verbindung mit dem Außengehäuse
34 wird die Flanschplatte38 an einem Flansch46 am Außengehäuse34 befestigt, wobei dies entweder durch Löten oder Schweißen oder im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Schrauben48 erfolgen kann. - Das Mischgehäuse
10 wird ebenfalls über einen am Mischgehäuse10 ausgebildeten Flansch50 jedoch über ein anderes Lochbild mit der Flanschplatte38 und dem Außengehäuse34 unter Zwischenlage einer Dichtung52 mittels nicht dargestellter Schrauben verbunden. Eine Vorpositionierung des Mischgehäuses10 zur Flanschplatte38 wird dabei vorgenommen, indem die Köpfe der Schrauben48 , welche für die Montage der Flanschplatte38 am Außengehäuse34 dienen als Passstifte genutzt werden, indem diese in entsprechende Öffnungen54 am Flansch50 des Mischgehäuses10 ragen. - Um nun Abgas wahlweise entweder über den Wärmetauscher
12 oder unter Umgehung des Wärmetauschers12 direkt zur Auslassöffnung44 des Mischgehäuses10 führen zu können, ist im Mischgehäuse10 eine Bypassklappe56 exzentrisch über eine Welle58 gelagert. Die Bypassklappe56 weist zwei Endpositionen auf, in denen sie entweder den Einlass30 des Wärmetauschers12 oder einen Bypasskanal verschließt, der durch eine direkte Verbindung des Einlassraums32 mit dem Auslassraum42 im Mischgehäuse10 gebildet wird. Zwischen dem Einlassraum32 und dem Auslassraum42 ist entsprechend ein umlaufender erster Ventilsitz60 am Mischgehäuse10 ausgebildet, auf dem die Bypassklappe56 in der den Bypasskanal verschließenden Stellung umlaufend aufliegt. - Erfindungsgemäß wird ein zweiter Ventilsitz
62 durch einen Kragen64 gebildet, der an der Flanschplatte38 des Wärmetauschers12 an der zu den ersten Flachrohrenden gegenüberliegenden Seite, insbesondere durch Löten befestigt ist und somit in den Einlassraum32 des Mischgehäuses10 ragt. Die vorbeschriebene Positionierung ist wichtig, um einen dichten Verschluss bei Auflage der Bypassklappe56 auf dem Kragen64 erreichen zu können, obwohl der Kragen64 im Gegensatz zur Bypassklappe56 nicht direkt, sondern lediglich indirekt über die Flanschplatte38 am Mischgehäuse10 befestigt ist. Die Montage des Kragens64 gestaltet sich jedoch sehr einfach. - Eine vom Auslass
40 des Wärmetauschers12 weiter entfernte Wand66 des Kragens64 ragt deutlich weiter in den Einlassraum32 , als eine zum Auslass40 weisende Wand68 des Kragens64 . Diese beiden entgegengesetzten Wände66 ,68 sind an ihren Enden durch entsprechend schräg verlaufende Wände70 miteinander verbunden. Die Wände66 ,68 ,70 des Kragens64 umschließen alle als Einlass30 dienenden Öffnungen36 der Flanschplatte38 . Die Wände70 schließen dabei einen Winkel von ca. 35° ein, so dass die Bypassklappe56 lediglich einen Stellbereich von ca. 55° aufweist. Damit die Bypassklappe56 mit ihrem Randbereich vollständig auf dem zweiten Ventilsitz62 aufliegen kann, ist die Welle58 etwa in Höhe der zum Auslass40 weisenden Wand68 und parallel zu dieser im Mischgehäuse10 gelagert. Dabei grenzt die Welle58 im montierten Zustand unmittelbar an die Wand68 an. Auch der erste Ventilsitz60 ist in Höhe der Welle58 angeordnet. - Ein Ende der Welle
58 ragt aus dem Mischgehäuse10 nach außen. Auf diesem Ende der Welle58 ist ein Exzenter72 angeordnet, der in bekannter Weise mit einem nicht dargestellten Aktor verbindbar ist. - In
1 befindet sich die Bypassklappe56 im den Bypasskanal verschließenden Zustand, trennt entsprechend den Einlassraum32 vom Auslassraum42 des Mischgehäuses10 , indem sie auf dem ersten Ventilsitz60 umliegend aufliegt. In diesem Zustand strömt Abgas aus dem Abgasrückführventil16 ohne umgelenkt zu werden gerade durch den Einlassraum32 über die Bypassklappe56 zum Einlass30 des Wärmetauschers12 , der unmittelbar gegenüberliegend zum Auslass26 des Abgasrückführventils16 angeordnet ist. Von hier aus strömt das Abgas durch die Flachrohre des Wärmetauschers12 und wird durch das zwischen den Flachrohren im Kühlmittelmantel strömende Kühlmittel gekühlt. Es strömt in U-Form durch den Wärmetauscher12 und tritt über die Öffnungen36 am Auslass40 in den Auslassraum42 des Mischgehäuses10 . Über die Auslassöffnung44 verlässt das Abgas das Mischgehäuse und kann erneut den Zylindern des Verbrennungsmotors zugeführt werden. - Während der Warmlaufphase, also nach Kaltstart, ist es zur schnelleren Aufheizung des Verbrennungsmotors erwünscht, das Abgas ungekühlt dem Verbrennungsprozess zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall befindet sich die Bypassklappe
56 auf dem am Kragen64 ausgebildeten zweiten Ventilsitz62 . Somit strömt das aus dem Auslass26 des Abgasrückführventils16 stammende Abgas im Einlassraum32 in Richtung der Bypassklappe56 . Durch deren Schrägstellung zur Hauptströmungsrichtung aufgrund der schrägen Ausbildung des zweiten Ventilsitzes62 wird das Abgas sanfter umgelenkt und gelangt durch den ersten Ventilsitz60 hindurch vom Einlassraum32 unter Umgehung des Wärmetauschers12 direkt in den Auslassraum42 und somit zur Auslassöffnung44 . Eine Wirbelbildung, die zu einem erhöhten Druckverlust führen würde, wird so weitestgehend vermieden. - Entsprechend kann der zweite Ventilsitz
62 mittels des Kragens64 mit geringem Aufwand und ohne notwendige mechanische Bearbeitung des Mischgehäuses10 über die Flanschplatte38 zur Bypassklappe56 ausgerichtet werden, wobei Druckverluste in der Abgasführung reduziert werden. - Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So sind verschiedene konstruktive Änderungen ebenso denkbar, wie eine andere Befestigung des Kragens an der Flanschplatte oder die Verwendung anders aufgebauter Wärmetauscher, wie beispielsweise Druckgusskühler mit einem Innengehäuse und einem Außengehäuse oder i-förmig durchströmter Kühler. Auch ist eine Ausrichtung und somit noch genauere Positionierung des Mischgehäuses zum Wärmetauscher und somit zum Kragen über zusätzliche Passstifte ausführbar, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.
Claims (12)
- Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Wärmetauscher (
12 ) mit einem Innengehäuse (39 ) und einem Außengehäuse (34 ), einer Bypassklappe (56 ), einem Mischgehäuse (10 ), in dem die Bypassklappe (56 ) gelagert ist, und welches am Wärmetauscher (12 ) befestigt ist, einem ersten Ventilsitz (60 ), der am Mischgehäuse (10 ) ausgebildet ist und auf dem die Bypassklappe (56 ) im den Bypass verschließenden Zustand aufliegt, einem zweiten Ventilsitz (62 ), auf dem die Bypassklappe (56 ) im den Wärmetauscher (12 ) verschließenden Zustand aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass am Innengehäuse (39 ) des Wärmetauschers (12 ) ein Kragen (64 ) ausgebildet ist, der den zweiten Ventilsitz (62 ) bildet. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (
39 ) eine Flanschplatte (38 ) aufweist, an der der Kragen (64 ) ausgebildet ist. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschplatte (
38 ) einen Kühlmittelkanal zwischen Innengehäuse (39 ) und Außengehäuse (38 ) axial begrenzt. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischgehäuse (
10 ) unter Zwischenlage der Flanschplatte (38 ) am Außengehäuse (38 ) des Wärmetauschers (12 ) befestigt ist. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (
12 ) ein Rohrbündelwärmetauscher ist, dessen Rohre an entsprechend zu den Rohren geformten Öffnungen (36 ) der Flanschplatte (38 ) befestigt sind, wobei der Kragen (64 ) an der entgegengesetzten Seite der Flanschplatte (38 ) befestigt ist und in das Mischgehäuse (10 ) ragt. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassklappe (
56 ) auf einer im Mischgehäuse (10 ) gelagerten Welle (58 ) exzentrisch befestigt ist und im geschlossenen Zustand jeweils umlaufend auf dem jeweiligen Ventilsitz (60 ,62 ) aufliegt. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (
12 ) U-förmig durchströmbar ist und die Flanschplatte (38 ) einen Einlass (30 ) und einen Auslass (40 ) des Wärmetauschers (12 ) bildet, wobei Einlass (30 ) und Auslass (40 ) an gegenüberliegenden Seiten der Lagerung der Welle (58 ) der Bypassklappe (56 ) angeordnet sind. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Mischgehäuse (
10 ) Öffnungen (54 ) ausgebildet sind, in die Positionierelemente (48 ) ragen, die am Wärmetauscher (12 ) angeordnet sind. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauben (
48 ), mittels derer die Flanschplatte (38 ) am Außengehäuse (34 ) des Wärmetauschers (12 ) befestigt ist, als Positionierelemente dienen. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischgehäuse (
10 ) mittels Passstiften zum Wärmetauscher (12 ) ausgerichtet ist. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand (
66 ), welche an der vom Auslass (40 ) des Wärmetauschers (12 ) abgewandten Seite des Kragens (64 ) ausgebildet ist eine größere Ausdehnung besitzt als eine Wand (68 ), welche an der zum Auslass (40 ) des Wärmetauschers (12 ) gewandten Seite ausgebildet ist. - Vorrichtung zur Abgasführung in einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Mischgehäuse (
10 ) stromaufwärts der Bypassklappe (56 ) ein Abgasrückführventil (16 ) angeordnet ist, dessen Auslass (26 ) gegenüberliegend zum Einlass (30 ) des Wärmetauschers (12 ) angeordnet ist.
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