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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Klopferkennung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Aus der
DE 19 46 346 A1 ist bereits ein Verfahren zur Klopferkennung bekannt, bei dem ein Messwert einer Verbrennung mit einem Referenzwert verglichen wird. Dabei wir nach jeder Messung ein neuer Referenzwert gebildet, der für die nächste Verbrennung genutzt wird. Zur Neubildung des Referenzwerts wird dabei der aktuelle Messwert und der vorhergehende Referenzwert verwendet.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat dem gegenüber der Vorteil, dass ein Einfluss aufgrund sich ändernder Betriebsparameter der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird. Es kann so eine schnellere Anpassung des Referenzwerts an sich ändernde Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erkannt werden. Es wird so eine verbesserte Erkennung von Klopfen und infolge dessen eine verbesserte Effizienz der Brennkraftmaschine sichergestellt.
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Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach erfolgt die Ermittlung des Messwertes durch eine Filterung, Gleichrichtung und Integration. Eine verbesserte Qualität kann durch Erzeugung des Messwertes durch Fourier-Transformation, Gewichtung der einzelnen Merkmale und auch Integration der gewichteten Merkmale erzielt werden. Der Einfluss eines Betriebsparameters wird besonders einfach durch einen Einfluss des Betriebsparameters auf ein Grundgeräusch der Brennkraftmaschine angegeben. Es lässt sich so durch eine einfache Grundbedatung für einen Brennkraftmaschinentyp dieser Einfluss des Betriebsparameters auf das Grundgeräusch ermitteln und bei allen Brennkraftmaschinen dieses Typs verwenden. Typische Betriebsparameter die einen wesentlichen Einfluss auf das Grundgeräusch der Brennkraftmaschine ausüben, sind beispielsweise die Drehzahl, die Last, die Lage der Einspritzung und die Lage der Nockenwelle der Brennkraftmaschine. Durch die Verwendung verschiedener Berechnungsverfahren, bei denen jeweils ausgehend vom Messwert der letzten Verbrennung, vom Referenzwert der letzten Verbrennung und vom Grundgeräusch der letzten Verbrennung, erfolgt eine Berechnung eines neuen Referenzwerts, der für die Klopferkennung der nächsten Verbrennung optimal ist. Gegebenenfalls kann zusätzlich noch ein Grundgeräusch einer vorletzten Verbrennung berücksichtigt werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 die prinzipiellen Schritte eines Verfahrens zur Klopferkennung und
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2 die Abhängigkeit eines Grundgeräusches von einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 wird schematisch ein Überblick über ein Verfahren zur Klopferkennung einer Brennkraftmaschine gegeben. Bei einem Klopfen handelt es sich um einen Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine, bei der es zu einer Selbstentflammung des unverbrannten Gemisches nach einer Zündung des Gemisch durch eine Zündkerze kommt. Typischerweise entstehen beim Klopfen mehrere Flammfronten zeitgleich in einem Zylinder, wodurch die verschiedenen Verbrennungsfronten gegeneinander laufen und zu erhöhten Druck- und Temperaturbelastungen im Brennraum führen. Dies führt zu einer mechanischen und thermischen Belastung der Brennkraftmaschine und derartige klopfende Verbrennungen müssen daher erkannt werden und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Das Klopfen äußert sich als Vibrations- oder Schallwellen im Motorblock und werden von einem Klopfsensor 1, typischerweise einem piezoelektrischen Vibrations- oder Geräuschsensor, aufgenommen.
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In der 1 werden die Signale des Klopfsensors 1 an eine Signalverarbeitung 2 gegeben. In dieser Signalverarbeitung 2 wird aus dem Signal des Klopfsensors 1 ein Messwert als Ausgangssignal erzeugt, der dann durch eine Bewertung 3 bzw. eine Referenzwertbildung 4 weiter verarbeitet wird. Als Eingangssignal erhält die Verarbeitungseinheit 2 ein Amplitudensignal des Klopfsensors über der Zeit und wertet einen bestimmten Zeitraum oder einen Winkelbereich der Brennkraftmaschine, d.h. ein zeitliches Messfenster oder Winkelfenster, im Bereich der Verbrennung aus. Durch die Verarbeitung 2 wird aus dem Signal des Klopfsensors 1 in diesem zeitlichen Messfenster oder Winkelfenster ein einzelner Messwert erzeugt, der die Stärke der Signale des Klopfsensors in diesem zeitlichen Messfenster oder Winkelfenster angibt.
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Eine übliche Methode diesen Messwert, der die Stärke des Klopfsignals angibt, zu erzeugen, besteht beispielsweise darin, zunächst das Signal des Klopfsensors zu filtern, um nur einen Frequenzbereich auszuwerten in dem typischerweise Klopfsignale liegen, diese gefilterten Werte dann gleichzurichten und anschließend für das Messfenster oder Winkelfenster zu integrieren. Eine alternative Methode besteht darin, eine Fourier-Transformation vorzunehmen, danach die Fourier-transformierten Signale entsprechend der zugeordneten Frequenzen zu gewichten und dann die Fourier-transformierten Signale aufzusummieren bzw. zu integrieren. Durch beide Verfahren wird aus einem zeitlichen Verlauf des Signals des Klopfsensors 1 in einem Messfenster oder Winkelfenster um den Verbrennungsvorgang herum eine Stärke des Signals des Klopfsensors ermittelt.
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Für die weitere Verarbeitung wird dann nur noch dieser Messwert der die Stärke des Verbrennungsvorgangs angibt, weiter betrachtet. Dieses Ergebnis wird im Folgenden als Integral der Klopfregelung, d.h. ikr bezeichnet. Dieser Messwert ist dabei immer einer bestimmten Verbrennung zugeordnet, da für jede Verbrennung einzeln festgestellt wird, ob es sich um eine klopfende Verbrennung handelt oder nicht. Im Folgenden wird daher das verarbeitete Signal des Klopfsensors 1 als ikr(i) d.h. als Messwert, der einer i-ten Verbrennung zugeordnet ist, bezeichnet.
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In der Bewertung 3 erfolgt eine Bewertung des Messwerts ikr(i) dahingehend ob es sich um eine klopfende Verbrennung handelt oder nicht. Dazu wird im Verarbeitungsschritt 4, der Referenzwertbildung, ein Referenzwert rkr(i) gebildet. Zur Bildung dieses Referenzwerts erhält die Referenzbildung 4 alle Messwerte ikr(i). Dabei erfolgt bei jedem Verbrennungsvorgang der Brennkraftmaschine eine Neubildung des Referenzwerts, wobei der Referenzwert rkr(i) angibt, das für die Bildung dieses Referenzwerts, der Beitrag der i-ten Verbrennung mit berücksichtigt wurde. Für die Bewertung in dem Schritt 3 folgt aber immer ein Vergleich des aktuellen Messwertes der letzten d.h. der aktuellen Verbrennung ikr(i) mit dem Referenzwert der vorhergehenden Verbrennung rkr(i – 1) des gleichen Zylinders. Insbesondere wird der Quotient ikr(i)/rkr(i – 1) gebildet und es wird überprüft, ob dieser Quotient einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Wenn der Quotient ikr(i)/rkr(i – 1) den Schwellwert übersteigt, so wird die Verbrennung i als klopfende Verbrennung betrachtet. Alle Berechnungen werden dabei zylinderindividuell vorgenommen, d.h. es werden für jeden Zylinder einer Brennkraftmaschine individuell die Messwerte und Referenzwerte gebildet.
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Für die Bildung des Referenzwerts rkr ist es wesentlich, dass der Einfluss der letzten Verbrennung nur mit einem gewissen Anteil bei der Bildung des Referenzwerts eingeht, da nicht immer nur ein Vergleich des aktuellen Messwertes mit dem vorhergehenden Messwert erfolgt. Üblicherweise erfolgt daher die Referenzwertbildung, indem neben den letzten Messwert ikr(i) eine Vielzahl von zurückliegenden Messwerten ikr(i – 1), ikr(i – 2), ... ikr(i – n) berücksichtigt werden. Weiterhin sollten bei der Bildung des Referenzwerts die Veränderungen während des Betriebs der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, für die Bildung des Referenzwerts einen zusätzlichen Beitrag, der in einem Zusammenhang mit Betriebsparametern der Brennkraftmaschine steht, zu berücksichtigen.
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In der 2 wird dazu die Abhängigkeit eines Grundgeräuschs der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine dargestellt. Für das Beispiel nach der 2 ist der Geräuschlevel GL gegen die Drehzahl n (als ein Beispiel für einen Betriebsparameter) aufgetragen, wobei die Kurve 10 die Abhängigkeit des Geräuschlevels GL gegen die Drehzahl n für eine erste Brennkraftmaschine darstellt. Die Kurve 11 stellt die gleiche Abhängigkeit des Geräuschlevels GL gegen die Drehzahl n für eine andere Brennkraftmaschine dar. Dabei kann es sich auch um eine Brennkraftmaschine des gleichen Typs handeln, die sich aufgrund von Alterung oder Fertigungstoleranzen unterscheidet.
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Weiterhin sind auf der n-Achse zwei unterschiedliche Drehzahlwerte dargestellt: n(i) ist der Betriebsparameter Drehzahl für die i-te Verbrennung und der Wert n(i – 1) ist der Drehzahlwert für die unmittelbar vorhergehende Verbrennung i – 1. Dem Drehzahlwert n(i) ist das entsprechende Grundgeräusch GL(i) und dem Drehzahlwert n(i – 1) ist das entsprechende Grundgeräusch GL(i – 1) zugeordnet. Diese Werte der Kurve 10 werden beispielsweise bei einer Applikation oder Grundbedatung für ein Kraftfahrzeug ermittelt. Dazu wird die Abhängigkeit zwischen Drehzahl und Grundgeräusch für einen bestimmten Motor, wie er typischerweise hergestellt wird, ausgemessen. Diese Daten werden dann in einem entsprechenden Steuergerät abgelegt und dienen beim Betrieb aller Motoren dieses Typs als Grundbedatung für diesen Motorentyp.
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Durch Fertigungsschwankungen nicht nur des Motors aber beispielweise auch des Klopfsensors oder der Befestigung des Klopfsensors an dem Motorblock oder Alterungserscheinungen der Motors oder des Klopfsensors, kann es sich aber bei einem realen Betrieb ergeben, dass die Abhängigkeit zwischen dem Grundgeräusch GL und der Drehzahl n gegenüber der Kurve 10 verändert ist. Dies würde sich im Wesentlichen durch eine Verschiebung der Kurve 10 parallel zur n-Achse äußern, wie dies durch die Kurve 11 dargestellt ist. Die Kurve 11 ist relativ zur Kurve 10 nur ein wenig parallel verschoben, was typischer Weise bei entsprechenden Fertigungsschwankungen oder Alterungserscheinungen der Fall wäre. Der prinzipielle Verlauf der Kurven 10 und 11, d. h. der Abhängigkeit des Grundgeräusch GL gegenüber der Drehzahl n ist jedoch im Wesentlichen gleich. Weiterhin ist auch eine Veränderung des Grundgeräusch in der Art einer Multiplikation der Kurve 10 möglich. Die Kurve 11 würde sich dann nicht durch eine Offsetverschiebung sondern durch eine Multiplikation der Kurve 10 mit einem Faktor ergeben. Ebenso können Veränderungen durch beide Effekte, d.h. eine Offsetverschiebung und einen multiplikativen Faktor ergeben.
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Neben der Grundbedatung in einer Applikation kann auch in einem Steuergerät ein Lernalgorithmus vorgesehen werden, mit dem alterungsbedingte Verschiebungen dieser Kurve 10 gelernt werden. Typischer Weise wird dazu der Geräuschlevel des Verbrennungsmotors in einem definierten Betriebszustand, beispielsweise Leerlauf bei stehenden Fahrzeug untersucht und wenn dabei der tatsächlich gemessene Geräuschlevel GL von dem erwarteten Grundgeräusch GL abweicht, so wird entsprechend die Kurve 10 angepasst.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die Abhängigkeit des Grundgeräusch GL von dem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bei der Bildung des Referenzpegels zu berücksichtigen. Es kann so eine bessere Anpassung des Referenzwerts an Änderungen der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erreicht werden. Es kann so eine verbesserte Klopferkennung erzielt werden, wodurch Fehlerkennungen oder Nichterkennungen von klopfenden Verbrennungen besser vermieden werden können bzw. die Brennkraftmaschine effektiver betrieben werden kann, da der Betrieb näher an der Klopfgrenze erfolgt.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Berechnung des neuen Referenzwerts rkr(i) mit der folgenden Formel 1: rkr(i) = rkr(i – 1) + ((ikr(i) – rkr(i – 1))/k_nach) + (GL(i) – GL(i – 1)) (1)
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Die Berechnung des neuen Referenzwerts rkr(i) erfolgt somit in dem zunächst der vorhergehende Referenzwert rkr(i – 1) berücksichtigt wird. Zu diesem vorhergehenden Referenzwert wird dann als erster Term die Differenz des aktuellen Messwerts ikr(i) und des zur Bewertung dieses Messwerts verwendeten Referenzwertr kr(i – 1) geteilt durch einen Nachführfaktor k_nach addiert, wobei der Nachführfaktor k_nach größer als eins ist. Der Einfluss der Differenz des aktuellen Messwerts zum dazugehörigen Referenz wird somit mit einem Faktor 1/k_nach für die Bildung des neuen Referenzpegels berücksichtigt. Weiterhin wird noch als zweiter Term die Differenz zwischen GL(i) – GL(i – 1) gebildet und für die Bildung des Referenzwerts mit berücksichtigt. Die Berechnung des neuen Referenzwerts rkr(i), der zur Bewertung der nächsten Verbrennung ikr(i + 1) verwendet wird, erfolgt als ein Rechenschritt unmittelbar nach der Bewertung der Verbrennung ikr(i). Es wird so immer der nächste Referenzwert zur Bewertung der nächsten nachfolgenden Verbrennung vorrätig gehalten.
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Nach einem alternativen Verfahren des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgt die Berechnung des Referenzwerts durch die folgende Formel (2): rkr(i) = [rkr(i – 1) + (ikr(i) – rkr(i – 1))/k_nach)]·(GL(i)/GL(i – 1)) (2)
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Auch hier wird wieder vom Referenzwert rkr(i – 1), der für die Bewertung der letzten Verbrennung verwendet wurde, ausgegangen. Weiterhin wird die Differenz des Messwerts der letzten Verbrennung ikr(i) und des Referenzwerts der letzten Verbrennung rkr(i – 1) gebildet und durch einen Nachführfaktor k_nach dividiert. Dies wird dann zu dem Referenzwert der letzten Verbrennung rkr(i – 1) hinzuaddiert um einen dritten Term zu bilden.
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Dieser dritte Term wird dann mit dem Grundgeräusch GL(i) multipliziert und durch das Grundgeräusch der vorhergehenden Verbrennung GL(i – 1) dividiert. Es wird so ebenfalls der Einfluss der Grundgeräusche der letzten Verbrennung und der vorhergehenden Verbrennung berücksichtigt.
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Eine weitere alternative Berechnung des Referenzwerts kann nach der folgenden Formel des Ausführungsbeispiels 3 erfolgen: rkr(i) = [rkr(i – 1) + GL(i) – GL(i – 1)] + (ikr(i) – [rkr(i – 1) + GL(i) – GL(i – 1])/k_nach (3)
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Hier wird in der ersten Klammer von links ein vierter Rechenterm gebildet, in dem von dem Referenzwert der letzten Verbrennung rkr(i – 1) das Grundgeräusch zum Betriebsparameter der letzten Verbrennung GL(i) hinzu addiert wird und das Grundgeräusch zu einem Betriebsparameter der vorletzten Verbrennung GL(i – 1) abgezogen wird. Zu diesem vierten Term wird dann noch ein fünfter Term hinzu addiert, der sich aus einer Differenz des Messwerts der letzten Verbrennung ikr(i) verringert, um den vierten Term ergibt, wobei diese Differenz noch durch einen Nachführfaktor k_nach dividiert wird. Es wird somit zu dem letzten Referenzwert ein Beitrag, der sich durch die Drehzahlverändert ergibt, hinzugefügt. Weiterhin wird dann überprüft, inwieweit dieser Wert sich von dem Messwert unterscheidet und wird mit einem Wert von 1/k_nach hinzu addiert. Wenn das tatsächliche Messgeräusch deutlich größer war als der Referenzwert, so wird somit ein positiver Beitrag hinzugefügt und wenn der Messwert kleiner war als der Referenzwert, wird ein negativer Beitrag hinzugefügt. Es erfolgt so eine unmittelbare Berücksichtigung des Grundgeräusches und ein mit 1/k_nach gewichtete Nachführung der tatsächlich gemessenen Messwerte.
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Ein weiteres alternatives Verfahren wird durch die Berechnungsvorschrift der Formel 4 angegeben: rkr(i) = [rkr(i – 1)·(GL(i)/GL(i – 1)] + (ikr(i) – [rkr(i – 1)·(GL(i)/GL(i – 1)])/k_nach (4)
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In der linken Klammer wird zunächst ein sechster Rechenterm gebildet, bei dem der vorhergehende Referenzwert rkr(i – 1) mit dem Geräuschpegel der letzten Verbrennung GL(i) multipliziert wird und durch das Grundgeräusch der vorhergehenden Verbrennung GL(i – 1) dividiert wird. In einem weiteren siebten Rechenterm wird wieder die Differenz zwischen dem letzten Messwert ikr(i) und dem sechsten Term gebildet und dann durch Division durch den Nachführfaktor k_nach gewichtet. Auch hier erfolgt wieder eine unmittelbare Berücksichtigung der Grundgeräusche der letzten und vorletzten Verbrennung, in dem diese mit dem letzten Referenzwert RKR(i – 1) multipliziert bzw. dividiert werden und es wird wieder betrachtet, wie sehr sich dieser Wert von dem aktuellen letzten Messwert unterscheidet. Auch hier ist der Beitrag des siebten Terms positiv oder negativ, je nachdem, ob der Messwert größer ist als der Referenzwert.
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Eine weitere alternative Form der Berechnung wird durch die nachfolgende Formel 5 dargestellt: rki(i) = rkr_int(i) + GL(i) mit rkr_int(i) = rkr_int(i – 1) + ((ikr(i) – rkr(i – 1))/k_nach) (5)
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Für die Berechnung des Referenzwerts wird zunächst ein achter Rechenterm ein Zwischenreferenzwert rkr_int(i) gebildet. Zu diesem achten Term dem Zwischenreferenzwert rkr_int(i) wird das Grundgeräusch der letzten Verbrennung GL(i) hinzu addiert. Wesentlich ist hier die Berechnung dieses achten Terms des Zwischenreferenzwert, der dadurch gebildet wird, dass zu dem Zwischenreferenzwert der vorhergehenden Verbrennung rkr_int(i – 1) die Differenz zwischen dem letzten Messwert ikr(i) und dem Referenzwert für die letzte Verbrennung ikr(i – 1) gebildet wird und wieder durch den Nachführfaktor k_nach dividiert wird. Der Zwischenreferenzwert wird somit auch bei jeder Verbrennung neu berechnet und wird bei einem erstmaligen Start der Brennkraftmaschine mindestens k_nach-Verbrennungen erfordern, bis sich ein klarer Wert eingestellt hat. Da für die Berechnung des Zwischenreferenzwerts immer die Referenzwerte vorhergehender Verbrennungen berücksichtigt werden, findet sich so auch ein Einfluss der Grundgeräusche vorhergehender Verbrennungen. Es wird somit durch die iterative, jedes Mal erfolgende Berechnung des Referenzwerts und Zwischenreferenzwerts ein Einfluss des Geräuschpegels der aktuellen Verbrennung und vorhergehender Verbrennungen mit berücksichtigt. Auch diese Form der Berechnung berücksichtigt somit den Einfluss des Grundgeräuschs GL auf den Referenzwert.
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Die Formeln 1, 3 und 5 sind besonders vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen, bei denen sich die Toleranzen und Alterungseffekte als Offsetverschiebung darstellen. Bei Brennkraftmaschinen mit einem multiplikativen Faktor sind die Formeln 2 und 4 vorteilhaft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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