DE102013212596A1 - Device and method for reducing the pollutants and / or fuel consumption of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung der Schadstoffemissionen und/oder des Kraftstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Einrichtung zur Abgasrückführung (2), über welche Abgas aus einem Abgastrakt (3) einem Ansaugtrakt (4) der Brennkraftmaschine (1) zuführbar ist. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Kondensatabscheider (5) zur Wassergewinnung, der mit der Einrichtung zur Abgasrückführung (2) verbunden ist, einen Speicherbehälter (6) zur Bevorratung des gewonnenen Wassers, der an den Kondensatabscheider (5) angeschlossen ist und eine Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung (7), die über den Speicherbehälter (6) mit Wasser versorgbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reduzierung der Schadstoffemissionen und/oder des Kraftstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine (1).The invention relates to a device for reducing the pollutant emissions and / or the fuel consumption of an internal combustion engine (1) of a motor vehicle, comprising a device for exhaust gas recirculation (2), via which exhaust gas from an exhaust gas tract (3) to an intake tract (4) of the internal combustion engine (1) is feedable. According to the invention, the device comprises a condensate separator (5) for water production, which is connected to the device for exhaust gas recirculation (2), a storage container (6) for storing the water obtained, which is connected to the condensate separator (5) and a device for water or emulsion injection (7), which can be supplied with water via the storage container (6). The invention also relates to a method for reducing the pollutant emissions and / or the fuel consumption of an internal combustion engine (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.The invention relates to a device and a method for operating an internal combustion engine of a motor vehicle having the features of the preamble of claim 1 and the features of the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Es ist allgemein bekannt, dass mittels Abgasrückführung die Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine reduziert werden können. Die Abgasrückführung gelangt dabei insbesondere bei Dieselmotoren zum Einsatz, wobei zwischen einer Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) und einer Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) unterschieden wird. Ferner ist bekannt, dass mittels Kühlung der Wirkungsgrad einer Einrichtung zur Abgasrückführung verbessert werden kann, und zwar unabhängig davon, ob eine ND-AGR oder HD-AGR eingesetzt wird. Mit einer Erhöhung der Kühlungsleistung, beispielsweise durch Absenkung der Kühlmitteltemperatur, steigt jedoch das Risiko, dass im Kühler Kondensat ausfällt. Das Kondensat kann zur Korrosion und in der Folge zu Schäden an den Komponenten der Abgasrückführung führen. Bei der ND-AGR treten die Schäden insbesondere an einem Verdichter des Systems auf. Bei der HD-AGR kann das Kondensat zur Versottung bis hin zur Verstopfung des Kühlers führen.It is generally known that the pollutant emissions of an internal combustion engine can be reduced by means of exhaust gas recirculation. Exhaust gas recirculation is used in particular in diesel engines, whereby a distinction is made between low-pressure exhaust gas recirculation (LP EGR) and high-pressure exhaust gas recirculation (HP EGR). Furthermore, it is known that the efficiency of an exhaust gas recirculation device can be improved by means of cooling, regardless of whether an LP EGR or HD EGR is used. Increasing the cooling capacity, for example by lowering the coolant temperature, increases the risk of condensate in the radiator. The condensate can lead to corrosion and, as a consequence, damage to the exhaust gas recirculation components. In the case of the LP EGR, the damage occurs in particular to a compressor of the system. With the HD-EGR, the condensate can lead to sooting up to blockage of the cooler.
Die Abgasrückführung kann aber auch bei Ottomotoren angewendet werden. Um die Klopfneigung dieser Motoren bei hohen Lasten zu mindern, ist der Einsatz eines AGR-Kühlers unerlässlich. Der Einsatz eines AGR-Kühlers und der damit verbundenen Gefahr der Kondensatbildung führt hier zu sehr ähnlichen Problemen, wie sie zuvor in Zusammenhang mit Dieselmotoren beschrieben wurden.The exhaust gas recirculation can also be applied to gasoline engines. To reduce the tendency of these engines to knock at high loads, the use of an EGR cooler is essential. The use of an EGR cooler and the associated risk of condensation leads here to very similar problems as previously described in connection with diesel engines.
Aus der
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, welche die Einhaltung bestehender als auch zukünftiger Emissionsgrenzwerte für Schadstoffe ermöglichen und zugleich verschleißarm betrieben bzw. durchgeführt werden können. Idealerweise soll zugleich der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.Based on the above-mentioned prior art, the present invention has the object to provide an apparatus and a method for operating an internal combustion engine, which allow compliance with existing and future emission limits for pollutants and at the same time operated or carried out wear. Ideally, at the same time, fuel consumption should be reduced.
Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the device with the features of claim 1 and the method with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die zur Reduzierung der Schadstoffemissionen und/oder des Kraftstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagene Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zur Abgasrückführung, über welche Abgas aus einem Abgastrakt einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zuführbar ist. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner:
- – einen Kondensatabscheider zur Wassergewinnung, der mit der Einrichtung zur Abgasrückführung verbunden ist,
- – einen Speicherbehälter zur Bevorratung des gewonnenen Wassers, der an den Kondensatabscheider angeschlossen ist und
- – eine Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung, die über den Speicherbehälter mit Wasser versorgbar ist.
- A condensate separator for the production of water, which is connected to the device for exhaust gas recirculation,
- - A storage container for storing the recovered water, which is connected to the condensate and
- - A device for water or emulsion injection, which is supplied via the storage tank with water.
Mittels des Kondensatabscheiders wird der Einrichtung zur Abgasrückführung Wasser entzogen, so dass die Gefahr der Kondensatbildung innerhalb der korrosionsempfindlichen Komponenten der Einrichtung minimiert wird. Das abgeschiedene und gesammelte Wasser wird darüber hinaus einem Zweck zugeführt. Denn es wird als Betriebsmittel einer Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung eingesetzt. Auf diese Weise wird das üblicherweise schädliche Kondenswasser aus dem Abgas nicht nur einfach und umweltfreundlich entsorgt, sondern darüber hinaus einer Verwertung zugeführt. Durch die Kombination einer Einrichtung zur Abgasrückführung mit einer Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung kann zudem der Schadstoffausstoß noch weiter verringert werden. Denn – bekanntermaßen – wirkt sich eine Befeuchtung des Kraftstoffs in dieser Hinsicht ebenfalls positiv aus. Zudem kann die Leistung der Brennkraftmaschine gesteigert und/oder der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, so dass sich hieraus weitere Vorteile ergeben. Insbesondere bei Ottomotoren führt die zusätzliche Befeuchtung des Kraftstoffs zu einer Absenkung der Temperatur im Brennraum der Brennkraftmaschine, was mit einer erhöhten Zylinderfüllung bei gleichem Druck und einer geringeren Klopfneigung einhergeht. Dies wiederum ermöglicht eine Steigerung der Motorleistung, da der Motor mit einem höheren Verdichtungsverhältnis ausgelegt werden kann. In Abhängigkeit von der jeweiligen Auslegung des Motors kann demnach eine erhöhte spezifische Leistung erreicht werden, die – bei gleicher Ausgangsleistung – eine Reduktion des Motorhubraums sowie ferner eine CO2-Reduktion ermöglicht. Dies wiederum wirkt sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch aus.Water is withdrawn from the exhaust gas recirculation device by means of the condensate separator, so that the risk of condensate formation within the corrosion-sensitive components of the device is minimized. The separated and collected water is further supplied to a purpose. Because it is used as a resource of a device for water or emulsion injection. In this way, the usually harmful condensation water from the exhaust gas is not only disposed of in a simple and environmentally friendly manner, but also sent for recovery. The combination of an exhaust gas recirculation device with a device for water or emulsion injection can also further reduce pollutant emissions. Because - as is known - a humidification of the fuel in this regard also has a positive effect. In addition, the performance of the internal combustion engine can be increased and / or the fuel consumption can be reduced, resulting in further advantages. Especially in gasoline engines, the additional humidification of the fuel leads to a lowering of the temperature in the combustion chamber of the internal combustion engine, resulting in an increased cylinder filling at the same pressure and associated with a lower tendency to knock. This in turn allows an increase in engine performance, since the engine can be designed with a higher compression ratio. Depending on the particular design of the engine, therefore, an increased specific power can be achieved, which - with the same output power - a reduction of the engine displacement and also allows a CO 2 reduction. This in turn has a favorable effect on fuel consumption.
Die Einrichtung einer Wasser- oder Emulsionseinspritzung kann zudem ohne den logistischen Aufwand für die Versorgung mit Wasser erfolgen, da kein separater Tank vorgehalten werden muss, der regelmäßig manuell vom Fahrzeughalter zu befüllen ist. Des Weiteren kann die Einrichtung zur Abgasrückführung mit einem leistungsstarken AGR-Kühler betrieben werden, da Schäden durch ausfallendes Kondensat nicht zu befürchten sind. Die Abscheidung des Kondensats führt ferner dazu, dass der Massenstrom über den Verdichter verringert wird, so dass der Verdichter weniger Arbeit leisten muss. In der Folge reduziert sich der Kraftstoffverbrauch.The establishment of a water or emulsion injection can also be done without the logistical effort for the supply of water, since no separate tank must be held, which is regularly filled manually by the vehicle owner. Furthermore, the device for exhaust gas recirculation can be operated with a high-performance EGR cooler, since damage caused by precipitating condensate is not to be feared. The deposition of the condensate also results in reducing the mass flow through the compressor so that the compressor has less work to do. As a result, the fuel consumption is reduced.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Einrichtung zur Abgasrückführung einen Kühler, wobei der Kondensatabscheider mit dem Kühler verbunden ist. Die Kühlleistung des Kühlers vereinfacht die Abscheidung von Kondenswasser aus dem Abgas. Besonders bevorzugt findet ein sehr leistungsfähiger Kühler Einsatz, da sich dies günstig auf die Schadstoffreduzierung auswirkt.In an advantageous embodiment of the invention, the device for exhaust gas recirculation comprises a cooler, wherein the condensate is connected to the radiator. The cooling capacity of the radiator simplifies the separation of condensed water from the exhaust gas. Particularly preferred is a very powerful cooler use, since this has a favorable effect on the emission reduction.
Zur Erfassung und/oder Überwachung des Füllstands umfasst der Speicherbehälter vorzugsweise einen Sensor. Sollte der Füllstand des Speicherbehälters unter einen vorgegebenen Grenzwert fallen, wird dies über den Sensor erfasst, so dass die in diesem Fall erforderlichen Maßnahmen, wie beispielsweise manuelle Nachfüllung, ergriffen werden können.For the detection and / or monitoring of the filling level, the storage container preferably comprises a sensor. If the level of the storage container falls below a predetermined limit, this is detected by the sensor, so that the measures required in this case, such as manual refilling, can be taken.
Des Weiteren bevorzugt umfasst die Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung wenigstens einen Injektor zur Einspritzung des Wassers oder der Emulsion in den Ansaugtrakt oder in einen Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine. Die Anordnung des Injektors erfolgt in Abhängigkeit von seiner konkreten Funktion. Handelt es sich beispielsweise um eine Einrichtung zur Wassereinspritzung, ist der Injektor vorzugsweise in der Luftzuführung oder direkt in einen Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine eingesetzt. Wobei jedem Zylinder ein solcher Injektor zugeordnet ist.Furthermore, the device for water or emulsion injection preferably comprises at least one injector for injecting the water or the emulsion into the intake tract or into a working cylinder of the internal combustion engine. The arrangement of the injector is dependent on its specific function. For example, if it is a device for water injection, the injector is preferably used in the air supply or directly into a working cylinder of the internal combustion engine. Each cylinder is assigned such an injector.
Alternativ oder ergänzend kann die Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung wenigstens eine Mischeinheit zur Mischung des Wassers mit Kraftstoff umfassen. Die Mischeinheit ist hierzu mit einer Kraftstoffleitung verbindbar. Die Mischeinheit ist insbesondere von Bedeutung, wenn eine Emulsion eingespritzt werden soll, da eine Emulsion ein Wasser-/Kraftstoffgemisch ist. Die Mischeinheit muss derart ausgelegt sein, dass eine gleichmäßige Emulsion erzeugt wird. Vorzugsweise ist sie injektornah, d. h. hochdruckseitig, anzuordnen, um eine schnelle Reaktion der Zumischung auf Betriebspunktwechsel der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.Alternatively or additionally, the device for water or emulsion injection may comprise at least one mixing unit for mixing the water with fuel. For this purpose, the mixing unit can be connected to a fuel line. The mixing unit is of particular importance when an emulsion is to be injected, since an emulsion is a water / fuel mixture. The mixing unit must be designed so that a uniform emulsion is produced. Preferably, it is close to the injector, i. H. high pressure side, to arrange to allow a quick response of the admixing to operating point change of the internal combustion engine.
Vorteilhafterweise ist ferner eine Verdichtungseinheit für das Wasser vorzusehen. Diese kann als separate Einheit oder in Verbindung mit der Mischeinheit und/oder dem Injektor angeordnet werden.Advantageously, a compression unit for the water is also provided. This can be arranged as a separate unit or in conjunction with the mixing unit and / or the injector.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner eine Steuereinheit vorgesehen, mittels welcher der Sensor, der Injektor und/oder die Mischeinheit steuerbar ist bzw. sind. Der Anschluss des Sensors an eine Steuereinheit erlaubt eine Überwachung des Füllstandes, insbesondere dann, wenn die Steuereinheit mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist. Die Steuerung des Injektors und/oder der Mischeinheit über eine Steuereinheit erlaubt eine dosierte und damit kontrollierte Einspritzung des Wassers bzw. der Emulsion. Ferner kann die Steuerung des Injektors und/oder der Mischeinheit in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder Randbedingungen, wie beispielsweise Umgebungsdruck, Umgebungstemperatur und dergleichen, erfolgen. In Verbindung mit einem Navigationssystem kann zudem vorausschauend für eine bestimmte Strecke der optimale Einsatz des verfügbaren Kondensats ermittelt werden.According to a preferred embodiment of the invention, a control unit is further provided by means of which the sensor, the injector and / or the mixing unit is or are controllable. The connection of the sensor to a control unit allows monitoring of the level, in particular when the control unit is connected to a display device. The control of the injector and / or the mixing unit via a control unit allows a metered and thus controlled injection of the water or the emulsion. Furthermore, the control of the injector and / or the mixing unit in dependence on certain operating parameters of the internal combustion engine and / or boundary conditions, such as ambient pressure, ambient temperature and the like, take place. In conjunction with a navigation system, the optimal use of the available condensate can also be determined proactively for a certain distance.
Aufgrund der bevorzugten Anwendung wird ferner eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Die Brennkraftmaschine kann ein Dieselmotor oder ein Ottomotor, insbesondere ein Schichtmotor, sein. Besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Brennkraftmaschine mit einer gekühlten externen Abgasrückführung, die einen leistungsstarken AGR-Kühler umfasst. Der AGR-Kühler ist vorzugsweise wassergekühlt, beispielsweise über einen separaten Kühlkreislauf. Weiterhin vorzugsweise weist der AGR-Kühler eine im Vergleich zur Motortemperatur deutlich abgesenkte Kühlmitteltemperatur auf.Due to the preferred application, an internal combustion engine for a motor vehicle with a device according to the invention is also proposed. The internal combustion engine may be a diesel engine or a gasoline engine, in particular a stratified engine. Particularly preferably, this is an internal combustion engine with a cooled external exhaust gas recirculation, which includes a high-performance EGR cooler. The EGR cooler is preferably water-cooled, for example via a separate cooling circuit. Further preferably, the EGR cooler has a significantly reduced compared to the engine temperature coolant temperature.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Reduzierung der Schadstoffemissionen und/oder des Kraftstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird Abgas aus einem Abgastrakt über eine Einrichtung zur Abgasrückführung einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeführt, wobei erfindungsgemäß über einen mit der Einrichtung zur Abgasrückführung verbundenen Kondensatabscheider Wasser gewonnen wird, das Wasser in einem Speicherbehälter gesammelt und aus dem Speicherbehälter in eine Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung eingespeist wird. Das Verfahren wird vorzugsweise mittels der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt, so dass hinsichtlich der Vorteile auf die bereits in Zusammenhang mit der Vorrichtung genannten Vorteile verwiesen werden kann. Insbesondere können in Anwendung des Verfahrens die Schadstoffemissionen und der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gesenkt werden. Ferner erfordert der Betrieb der Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung kein Nachtanken des Betriebsmittels Wasser, da das Wasser dem vorhandenen System entnommen wird.To solve the object mentioned above, a method for reducing the pollutant emissions and / or the fuel consumption of an internal combustion engine of a motor vehicle is also proposed. In the method, exhaust gas is supplied from an exhaust tract via a device for exhaust gas recirculation to an intake tract of the internal combustion engine, according to the invention via Obtaining a water connected to the device for exhaust gas recirculation condensate, the water is collected in a storage container and fed from the storage container into a device for water or emulsion injection. The method is preferably carried out by means of the device according to the invention described above, so that with regard to the advantages, reference may be made to the advantages already mentioned in connection with the device. In particular, by using the method, the pollutant emissions and the fuel consumption of the internal combustion engine can be reduced. Further, operation of the water or emulsion injection device does not require refueling of the water resource since the water is removed from the existing system.
Zur effizienten Wassergewinnung wird der Kondensatabscheider mit einem Kühler der Einrichtung zur Abgasrückführung verbunden. Das Wasser wird auf diese Weise aus dem Kühler entfernt, so dass dieser vor Schäden durch ausfallendes Kondensat geschützt ist. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer des Kühlers sowie der Einrichtung zur Abgasrückführung einschließlich der hieran angeschlossenen Komponenten.For efficient water extraction, the condensate separator is connected to a cooler of the exhaust gas recirculation device. The water is removed in this way from the radiator, so that it is protected from damage caused by condensate. This increases the service life of the radiator and the exhaust gas recirculation system, including the components connected to it.
Vorteilhafterweise wird der Füllstand im Speicherbehälter mittels eines Sensors erfasst und/oder überwacht. Sollte der Füllstand unter einen vorgegebenen Grenzwert fallen, können – sofern erforderlich – Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Bevorzugt wird der Sensor an eine Steuereinheit angeschlossen, um eine Auswertung der vom Sensor erfassten Messwerte zu ermöglichen.Advantageously, the level in the storage container is detected and / or monitored by means of a sensor. If the level drops below a specified limit, countermeasures can be taken if necessary. The sensor is preferably connected to a control unit in order to enable an evaluation of the measured values detected by the sensor.
Die Einspritzung des Wassers oder der Emulsion erfolgt vorzugsweise über wenigstens einen Injektor, der Bestandteil der Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung ist. Das Wasser oder die Emulsion wird dabei in den Ansaugtrakt oder in einen Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Verwendung eines Injektors erlaubt eine genaue Dosierung des Wassers bzw. der Emulsion.The injection of the water or the emulsion is preferably carried out via at least one injector, which is part of the device for water or emulsion injection. The water or the emulsion is injected into the intake tract or into a working cylinder of the internal combustion engine. The use of an injector allows accurate metering of the water or emulsion.
Zur Erzeugung einer Emulsion wird das Wasser vorzugsweise mittels einer Mischeinheit, die Bestandteil der Einrichtung zur Wasser- oder Emulsionseinspritzung ist, mit Kraftstoff gemischt. Die Mischeinheit gewährleistet die Erzeugung einer gleichmäßigen Emulsion.To produce an emulsion, the water is preferably mixed with fuel by means of a mixing unit, which is part of the device for water or emulsion injection. The mixing unit ensures the production of a uniform emulsion.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Einspritzung des Wassers oder der Emulsion und/oder die Erzeugung einer Emulsion durch Mischen von Wasser mit Kraftstoff über eine Steuereinheit gesteuert wird. Hierzu wird bzw. werden der Injektor und/oder die Mischeinheit an eine Steuereinheit angeschlossen.It is further proposed that the injection of the water or the emulsion and / or the production of an emulsion is controlled by mixing water with fuel via a control unit. For this purpose, the injector and / or the mixing unit is or are connected to a control unit.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Emulsionseinspritzung.A preferred embodiment of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings. This shows a schematic representation of a device according to the invention with a device for emulsion injection.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine
Die Einspritzung der Emulsion verbessert den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und hilft zugleich den Schadstoffausstoß zu verringern. Dies setzt jedoch voraus, dass der Speicherbehälter
Zur Reduzierung der Schadstoffemissionen weist die dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Einrichtung zur Abgasrückführung
Die Kühlung des Abgases A über den Kühler
Die Einrichtung zur Abgasrückführung
Nicht dargestellt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die anstelle einer Einrichtung zur Emulsionseinspritzung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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