DE102018200083A1 - Kraftstoffhochdruckpumpe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe (10) mit einem Niederdruckbereich (20), der zum Verändern eines Volumens (30) von einem aus einer Ruheposition auslenkbaren Abdichtelement (28) begrenzt ist, wobei ein regelbares Stellelement (38) mit dem Abdichtelement (28) wechselwirkt, um das Volumen (30) in dem Niederdruckbereich (20) bedarfsgerecht zu regeln.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit Hochdruck.
  • Kraftstoffhochdruckpumpen werden in Kraftstoffeinspritzsystemen, mit denen Kraftstoff in Brennkammern einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, dazu verwendet, den Kraftstoff mit einem hohen Druck zu beaufschlagen, wobei der Druck beispielsweise bei Benzin-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 150 bar bis 400 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 1500 bar bis 2500 bar liegt. Je höher der Druck, der in dem jeweiligen Kraftstoff erzeugt werden kann, desto geringer sind Emissionen, die während der Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkammer entstehen, was insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft ist, dass eine Verringerung von Emissionen immer stärker gewünscht wird.
  • Um die hohen Drücke in dem jeweiligen Kraftstoff erzielen zu können, ist die Kraftstoffhochdruckpumpe typischerweise als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Pumpenkolben eine translatorische Bewegung ausführt und dabei den Kraftstoff periodisch verdichtet und entspannt. Durch die somit ungleichmäßige Förderung einer solchen Kolbenpumpe entstehen Schwankungen im Volumenstrom in einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe, welche mit Druckschwankungen im gesamten Kraftstoffeinspritzsystem verbunden sind. Durch diese Schwankungen kann es in der Kraftstoffhochdruckpumpe zu Befüllungsverlusten kommen, womit eine korrekte Dosierung der in der Brennkammer erforderlichen Kraftstoffmenge nicht gewährleistet werden kann. Die entstehenden Druckpulsationen regen außerdem Pumpenkomponenten und beispielsweise Zulaufleitungen zu der Kraftstoffhochdruckpumpe zu Schwingungen an, welche unerwünschte Geräusche oder im schlimmsten Fall auch Schäden an unterschiedlichen Bauteilen verursachen können.
  • Daher wird gewöhnlich im Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe eine Dämpferanordnung vorgesehen, die als hydraulischer Speicher arbeitet und welche die Schwankungen im Volumenstrom ausgleicht und somit die entstehenden Druckpulsationen reduziert. Zu diesem Zweck werden beispielsweise verformbare Elemente verbaut, die ein Gasvolumen von Kraftstoff trennen. Steigt nun der Druck in dem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe an, verformen sich diese Elemente, wobei beispielsweise das Gasvolumen komprimiert und Platz für die überflüssige Flüssigkeit des Kraftstoffes geschaffen wird. Fällt der Druck zu einem späteren Zeitpunkt wieder ab, dehnt sich das Gas wieder aus, und die gespeicherte Flüssigkeit des Kraftstoffes wird somit wieder frei gegeben.
  • Bislang war es bekannt, als verformbare Elemente sog. Dämpferkapseln zu verwenden, die zumeist aus zwei Teilmembranen aufgebaut sind, welche mit Gas gefüllt und an den Rändern verschweißt sind. Diese Dämpferkapseln können sich verformen, indem das darin enthaltene Gas komprimiert wird, und so die Druckpulsationen passiv abdämpfen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit Hochdruck weist einen Niederdruckbereich zum Zuführen von Kraftstoff zu einem Druckraum der Kraftstoffhochdruckpumpe auf, wobei der Niederdruckbereich ein veränderbares Volumen aufweist und von einem starren Gehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe und einem zum Verändern des Volumens in dem Niederdruckbereich aus einer Ruheposition auslenkbaren Abdichtelement zum Abdichten des Niederdruckbereichs gegen eine Umgebung begrenzt ist. Weiter weist die Kraftstoffhochdruckpumpe ein regelbares Stellelement auf, das mit dem Abdichtelement zum Auslenken des Abdichtelementes wechselwirkt, um das Volumen in dem Niederdruckbereich bedarfsgerecht zu regeln.
  • Die Idee ist es daher, statt der bislang bekannten passiven Dämpferkapseln eine Volumenänderung bzw. eine Volumenkompensation mittels eines aktiv betätigten Mechanismus zu realisieren.
  • Vorzugsweise ist das Stellelement derart angeordnet, dass sich bei seiner Betätigung das Volumen des Niederdruckbereiches vergrößert. Dadurch wird ein Ausgleich geschaffen zu einer Volumenvergrößerung, die mit Druckpulsationen in dem Niederdruckbereich einhergeht.
  • Der Niederdruckbereich wird nicht ausschließlich von dem starren Gehäuse und dem auslenkbaren Abdichtelement begrenzt, sondern es sind noch weitere Elemente wie beispielsweise ein Ventilelement und ein Zulaufanschluss vorhanden, die den Niederdruckbereich mit bilden.
  • Vorteilhaft ist das Abdichtelement als plattenförmiges Element ausgebildet und an dem Gehäuse befestigt, wobei in einer möglichen Ausführungsform das Abdichtelement als elastisch verformbare Membran ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass das Abdichtelement als starre Platte ausgebildet ist, die über elastische Aufhängeelemente an dem Gehäuse befestigt ist. Der Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe kann daher entweder durch ein verformbares Element oder durch ein starres Element, welches mit einem verformbaren Element verbunden ist, gegen die Umgebung abgedichtet sein.
  • Vorteilhaft ist das Stellelement als elektrisch betätigbarer Aktor, insbesondere als elektromagnetischer Aktor oder als Piezoaktor, ausgebildet. Die Volumenänderung bzw. -kompensation kann daher vorteilhaft mittels eines elektrisch betätigten Mechanismus realisiert werden. Sowohl die Verwendung eines elektromechanisch betriebenen Ventiles als auch eines Piezoaktors sind dabei denkbar. Vorteil eines Piezoaktors ist eine sehr kurze Schaltzeit, d. h. dieser Aktor kann sehr schnell reagieren und somit in einer definierten Zeit öfter betätigt bzw. angesteuert werden.
  • Bei einer entsprechenden Auslegung des Stellelementes z. B. als Piezoaktor kann eine Volumenänderung bzw. -kompensation in sehr kurzer Zeit realisiert werden. Beispielsweise kann ein Piezoaktor bei Anlegen einer entsprechenden Spannung sehr hohe Kräfte auf das Abdichtelement ausüben.
  • Vorzugsweise wird das Abdichtelement entlang einer Stellachse des Aktors ausgelenkt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Aktor so angeordnet ist, dass er im aktivierten Zustand auf einen Zentralbereich des Abdichtelementes drückt und dieses dadurch auslenkt. Der Aktor kann dadurch beispielsweise von einer Umgebungsseite auf die Membran bzw. die starre Platte einen Hub ausüben, um somit die Membran elastisch zu verformen bzw. die starre Platte zu bewegen, und somit das hydraulische Volumen zu verändern. Alternativ ist es auch denkbar, dass der Aktor von der Seite des Niederdruckbereiches her auf die Membran bzw. die Platte drückt, um somit das hydraulische Volumen gezielt zu verändern.
  • In einer möglichen Ausführungsform ist das Stellelement fest mit dem Abdichtelement verbunden und kann beispielsweise durch ein Zusammenziehen eine Zugkraft auf das Abdichtelement ausüben und es somit auslenken.
  • Die Kombination aus Abdichtelement und Stellelement kann nicht nur dafür verwendet werden, Druckpulsationen, die durch den Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe im Pumphub verursacht werden, auszugleichen, sondern auch dazu, während einer Saugphase beim Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe eine ausreichende Befüllung der Kolbenkammer zu gewährleisten. Dies wird normalerweise mit einem ausreichend hohen Vorförderdruck sichergestellt. Es ist jedoch auch denkbar, mittels des Stellelementes zu einem gezielten Zeitpunkt während der Saugphase einen Druckimpuls zu generieren, der die Befüllung des Druckraumes unterstützt.
  • Vorzugsweise ist zwischen Aktor und Abdichtelement ein Hebelelement zum Vergrößern eines Hubes des Aktors angeordnet. Der Hub des Aktors kann daher entweder durch den Aktor direkt oder durch eine zusätzliche Mechanik in Form eines Hebelelementes auf das Abdichtelement aufgebracht werden.
  • Vorteilhaft ist das Stellelement mit einer Steuereinrichtung verbunden, die abhängig von einem Betriebspunkt der Kraftstoffhochdruckpumpe Auslenkungsparameter des Abdichtelementes, insbesondere einen Betätigungszeitpunkt des Stellelements und/oder eine Frequenz des Betätigungsstellelements und/oder einen Hub des Stellelements, einstellt.
  • Unter Betriebspunkt der Kraftstoffhochdruckpumpe kann einerseits ein Lastpunkt der Brennkraftmaschine verstanden werden, der beispielsweise durch eine Drehzahl, Temperatur und einen Vorförderdruck des Kraftstoffes bestimmt ist. Es kann darunter jedoch auch ein in dem Niederdruckbereich durch den Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe resultierender Druck in Form von Druckpulsationen verstanden werden.
  • Abhängig von einem solchen Betriebspunkt und den daraus resultierenden Druckpulsationen innerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe kann mittels des Stellelementes ein definierter Hub und somit eine definierte Volumenänderung in dem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe vorgenommen werden, um somit die Druckpulsationen innerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe so gering wie möglich zu halten.
  • Abhängig von dem Betriebspunkt kann dabei das Stellelement zu verschiedenen Betätigungszeitpunkten bzw. mit unterschiedlichen Frequenzen und mit unterschiedlichem Hub angesteuert werden.
  • Dazu ist das Stellelement vorteilhaft mit einer Steuereinrichtung verbunden, welche den Betätigungszeitpunkt, die Frequenz und den Hub des Stellelementes steuert. Es ist beispielsweise möglich, ein ohnehin in der Brennkraftmaschine vorhandenes Steuergerät wie beispielsweise die ECU als Steuereinrichtung zu verwenden.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein mit der Steuereinrichtung kommunizierender Sensor zum Erfassen eines Druckes in dem Niederdruckbereich vorgesehen. Dabei können die auftretenden Druckpulsationen innerhalb bzw. kurz vor der Kraftstoffhochdruckpumpe mittels des Sensors gemessen und an die Steuereinrichtung weiter kommuniziert werden. Auf Basis des erfassten Druckes der Druckpulsationen kann dann die Steuereinrichtung ein entsprechendes Signal zur Auslenkung des Abdichtelementes über das Stellelement ausgeben.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist die Steuereinrichtung zum Berechnen von Auslenkungsparametern abhängig von einem Betriebspunkt der Kraftstoffhochdruckpumpe ausgebildet. Werden der Steuereinrichtung in diesem Fall Betriebspunktparameter zugeführt, wie beispielsweise eine Drehzahl der Brennkraftmaschine, eine Kraftstofftemperatur oder ein Vorförderdruck, kann die Steuereinrichtung die benötigten Auslenkungsparameter des Abdichtelementes und somit den Hub des Stellelementes berechnen und ein entsprechendes Signal an das Stellelement ausgeben.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist in der Steuereinrichtung ein Kennfeld hinterlegt, das einem Betriebspunkt der Kraftstoffhochdruckpumpe vordefinierte Auslenkungsparameter zuordnet. Dabei werden die erforderlichen Auslenkungsparameter wie beispielsweise die Frequenz und der Hub in Abhängigkeit vom Betriebspunkt im Vorfeld über Versuche herausgefahren und dieses Mapping hinterlegt. Die Steuereinrichtung wählt daher aus dem Kennfeld an dem entsprechenden Betriebspunkt die benötigten Auslenkungsparameter aus, und gibt ein entsprechendes Signal an das Stellelement aus.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
    • 1 eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem auslenkbaren Abdichtelement in einer ersten Ausführungsform, auf das ein regelbares Stellelement wirkt; und
    • 2 eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem auslenkbaren Abdichtelement in einer zweiten Ausführungsform, auf das ein regelbares Stellelement wirkt.
  • 1 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10 mit einem Gehäuse 12, in dem ein Druckraum 14 ausgebildet ist. Im Gehäuse 12 ist ein Pumpenkolben 16 geführt, der durch translatorische Bewegung ein Volumen des Druckraumes 14 periodisch vergrößert und verkleinert. Dabei wird in dem Druckraum 14 angeordneter Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird dann über einen Hochdruckanschluss 18 an der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 nachgelagerte Elemente weitergeleitet.
  • Der Kraftstoff wird dem Druckraum 14 von einem Niederdruckbereich 20 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zugeführt. Eine Ventilanordnung 22 trennt den Druckraum 14 im geschlossenen Zustand von dem Niederdruckbereich 20. Der Niederdruckbereich 20 ist begrenzt von dem Gehäuse 12 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10, der Ventilanordnung 22 und einer Zulaufleitung 26, über die von außerhalb Kraftstoff zu der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zugeführt wird. Weiter begrenzt ein Abdichtelement 28 den Niederdruckbereich 20, wobei das Abdichtelement 28 derart flexibel bzw. auslenkbar ausgebildet ist, dass ein Volumen 30 des Niederdruckbereiches 20 veränderbar ist.
  • Im Betrieb bewegt sich der Pumpenkolben 16 translatorisch in dem Druckraum 14 auf und ab, was zu Druckpulsationen in dem Kraftstoff führt, welche sich in dem Niederdruckbereich 20 fortpflanzen. Die Ausbreitung solcher Druckpulsationen in dem Niederdruckbereich 20 ist jedoch nicht erwünscht, da dadurch Bauteile der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 wie beispielsweise die Zulaufleitung 26 zu Schwingungen angeregt werden, welche einerseits unerwünschte Geräusche verursachen, und andererseits auch zu Beschädigungen der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 führen können.
  • Aus diesem Grund ist das Volumen 30 des Niederdruckbereiches 20 veränderbar vorgesehen, indem ein auslenkbares Abdichtelement 28 zum zumindest teilweise Abdichten des Niederdruckbereiches 20 gegen eine Umgebung 32 vorgesehen ist.
  • In der vorliegenden Ausführungsform in 1 ist das Abdichtelement 28 als elastisch verformbare Membran 34 ausgebildet und kann sich daher aufgrund seiner Materialeigenschaften bei dem Auftreten von Druckpulsationen verformen.
  • An einer Außenseite 36 der Membran 34, d. h. auf einer dem Niederdruckbereich 20 abgewandten Seite, ist ein Stellelement 38 vorgesehen, das mit dem Abdichtelement 28 so wechselwirkt, dass es durch eine Betätigung das Abdichtelement 28 auslenkt, um so das Volumen 30 in dem Niederdruckbereich 20 zu verändern. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Stellelement 38 so angeordnet, dass es bei einer Betätigung die Membran 34 in den Niederdruckbereich 20 hineinverformt und somit das Volumen 30 verkleinert.
  • Das Stellelement 38 ist aktiv ansteuerbar, so dass es möglich ist, über das Stellelement 38 die Größe des Volumens 30 aktiv und insbesondere bedarfsgerecht zu regeln.
  • Das Stellelement 38 ist als elektrisch betätigbarer Aktor 40 ausgebildet und kann so durch einfache elektrische Ansteuerung aktiv betätigt werden. Eine mögliche Ausführungsform eines Aktors 40 ist ein elektromagnetischer Aktor 42, es ist jedoch auch denkbar, den Aktor 40 als Piezoaktor 44 auszubilden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist zwischen Aktor 40 und Abdichtelement 28 ein Hebelelement 46 angeordnet, das einen Hub des Aktors 40 mechanisch vergrößern kann.
  • Das Stellelement 38 ist mit einer Steuereinrichtung 48 verbunden, die Signale zum Betätigen des Stellelementes 38 ausgibt. Die Steuereinrichtung 48 kann dabei durch entsprechende Ausgabe von Signalen einen Betätigungszeitpunkt des Stellelementes 38, eine Frequenz der Betätigung des Stellelementes 38 und einen Hub des Stellelementes 38 als Auslenkungsparameter des Stellelementes 38 beeinflussen.
  • Die Steuereinrichtung 48 tut dies abhängig von einem Betriebspunkt B der Kraftstoffhochdruckpumpe 10, der der Steuereinrichtung 48 von außerhalb zugeführt wird. Dabei kann der Betriebspunkt B einen von einem Sensor 50, der in dem Niederdruckbereich 20 angeordnet ist, erfassten Druck in dem Niederdruckbereich 20 wiederspiegeln, es ist jedoch auch möglich, dass weitere Betriebsparameter B wie beispielsweise eine Drehzahl, Temperatur oder ein Vorförderdruck in die Steuereinrichtung 48 eingespeist werden.
  • Abhängig von dem Betriebspunkt B kann dann die Steuereinrichtung 48 entscheiden, welche Auslenkungsparameter sie an das Stellelement 38 weitergibt.
  • In einer möglichen Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 48 dazu ausgebildet, die Auslenkungsparameter abhängig von dem Betriebspunkt B über eine Berechnungseinheit 52 zu berechnen. In einer möglichen alternativen Ausgestaltung ist in der Steuereinrichtung 48 ein Kennfeld 54 hinterlegt, das im Vorfeld über Versuche herausgefahren worden ist, und das einem bestimmten Betriebspunkt B vordefinierte Auslenkungsparameter zuordnet. Die Steuereinrichtung 48 liest dann die vordefinierten Auslenkungsparameter aus und leitet das entsprechende Signal an das Stellelement 38 für dessen Auslenkung weiter.
  • 2 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Kraftstoffhochdruckpumpe 10, wobei sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform lediglich in der Ausgestaltung des Abdichtelementes 28 unterscheidet. In dieser zweiten Ausführungsform ist das Abdichtelement 28 nicht als elastisch verformbare Membran 34, sondern als starre Platte 56 ausgebildet, die über elastische Aufhängeelemente 58 an einem Gehäuse 12 befestigt ist. Die Auslenkung des Abdichtelementes 28 gemäß der zweiten Ausführungsform erfolgt daher nicht durch elastische Verformung des Materials des Abdichtelementes 28 selbst, sondern durch Verformung lediglich der Aufhängeelemente 58, wobei die Platte 56 als starre Platte 56 verbleibt.

Claims (7)

  1. Kraftstoffhochdruckpumpe (10) zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit Hochdruck, aufweisend: - einen Niederdruckbereich (20) zum Zuführen von Kraftstoff zu einem Druckraum (14) der Kraftstoffhochdruckpumpe (10), wobei der Niederdruckbereich (20) ein veränderbares Volumen (30) aufweist und von einem starren Gehäuse (12) der Kraftstoffhochdruckpumpe (10) und einem zum Verändern des Volumens (30) in dem Niederdruckbereich (20) aus einer Ruheposition auslenkbaren Abdichtelement (28) zum Abdichten des Niederdruckbereichs (20) gegen eine Umgebung (32) begrenzt ist; und - ein regelbares Stellelement (38), das mit dem Abdichtelement (28) zum Auslenken des Abdichtelementes (28) wechselwirkt, um das Volumen (30) in dem Niederdruckbereich (20) bedarfsgerecht zu regeln.
  2. Kraftstoffhochdruckpumpe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (38) derart angeordnet ist, dass sich bei seiner Betätigung das Volumen (30) des Niederdruckbereiches (20) vergrößert.
  3. Kraftstoffhochdruckpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichtelement (28) als plattenförmiges Element ausgebildet und an dem Gehäuse (12) befestigt ist, wobei das Abdichtelement (28) als elastisch verformbare Membran (34) ausgebildet ist oder wobei das Abdichtelement (28) als starre Platte (56) ausgebildet ist, die über elastische Aufhängeelemente (58) an dem Gehäuse (12) befestigt ist.
  4. Kraftstoffhochdruckpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (38) als elektrisch betätigbarer Aktor (40), insbesondere als elektromagnetischer Aktor (42) oder als Piezoaktor (44), ausgebildet ist.
  5. Kraftstoffhochdruckpumpe (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aktor (40) und Abdichtelement (28) ein Hebelelement (46) zum Vergrößern eines Hubes des Aktors (40) angeordnet ist.
  6. Kraftstoffhochdruckpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (38) mit einer Steuereinrichtung (48) verbunden ist, die abhängig von einem Betriebspunkt (B) der Kraftstoffhochdruckpumpe (10) Auslenkungsparameter des Abdichtelementes (28), insbesondere einen Betätigungszeitpunkt des Stellelements (38) und/oder eine Frequenz der Betätigung des Stellelements (38) und/oder einen Hub des Stellelements (38), einstellt.
  7. Kraftstoffhochdruckpumpe (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Steuereinrichtung (48) kommunizierender Sensor (50) zum Erfassen eines Druckes in dem Niederdruckbereich (20) vorgesehen ist und/oder dass die Steuereinrichtung (48) zum Berechnen von Auslenkungsparametern abhängig von einem Betriebspunkt (B) der Kraftstoffhochdruckpumpe (10) ausgebildet ist und/oder dass in der Steuereinrichtung (48) ein Kennfeld (54) hinterlegt ist, das einem Betriebspunkt (B) der Kraftstoffhochdruckpumpe (10) vordefinierte Auslenkungsparameter zuordnet.
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