DE10330092A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) beschrieben, das eine Unterscheidung zwischen einem Luftfehler und einem Kraftstofffehler im Rahmen einer Gemischadaption ermöglicht. Dabei wird in mindestens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) eine Abweichung eines Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses von einem Sollwert korrigiert. Für diese Korrektur in dem mindestens einen Betriebszustand wird für mindestens zwei Sollwerte die jeweilige Abweichung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses ermittelt. Aus diesen Abweichungen wird ein Luftfehler und/oder ein Kraftstofffehler bestimmt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruches aus.
  • Es ist bereits bekannt, dass in mindestens einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine Abweichung eines Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses von einem Sollwert korrigiert wird. Systematische Fehler in der Luft-Kraftstoff-Gemischzusammensetzung werden dabei von der so genannten Gemischadaption korrigiert. Dabei wird grundsätzlich zwischen additiven und multiplikativen Fehlern unterschieden. Diese Gemischabweichungen werden in dem Last-Drehzahl-Bereich adaptiert, in dem sie sich stark auswirken. Eingerechnet werden sie dann im gesamten Last-Drehzahl-Bereich. Additive Gemischabweichungen, die sich beispielsweise auf Grund von Leckluft oder Einspritzventilverzugszeiten ergeben, werden in einem unteren Last-Drehzahl-Bereich adaptiert. Multiplikativen Gemischabweichungen, die sich beispielsweise aus einer Kennliniendrift des verwendeten Luftmassenmessers ergeben, werden in einem mittleren bis oberen Last-Drehzahl-Bereich adaptiert. Dabei wird für jeden Adaptionsbereich, d. h. für jeden Last-Drehzahl-Bereich, in dem adaptiert wurde, ein Korrekturwert gebildet, der als Kraftstofffehler interpretiert wird. Im Falle eines Luftfehlers, z. B. durch ein Leck im Saugrohr, wird dieser Fehler ebenfalls auf dem Kraftstoffpfad korrigiert, anstatt auf den Luftpfad.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, dass für die Korrektur der Abweichung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses von Sollwert in dem mindestens einen Betriebsbereich für mindestens zwei Sollwerte die jeweilige Abweichung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses ermittelt wird und das aus diesen Abweichungen ein Luftfehler und/oder ein Kraftstofffehler bestimmt wird. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen einem Luftfehler und einem Kraftstofffehler zu unterscheiden. Damit ist es möglich, Fehler im Luftpfad an der richtigen Stelle zu korrigieren, nämlich wiederum im Luftpfad. Entsprechendes gilt für die Korrektur von Fehlern im Kraftstoffpfad, die ebenfalls an der richtigen Stelle korrigiert werden, nämlich im Kraftstoffpfad, und deren Korrektur die Luftfehler nicht einschließt. Luftfehler müssen somit nicht vom Fahrer durch entsprechende Betätigung des Fahrpedals kompensiert werden. Weiterhin lässt sich die erfindungsgemäße Korrektur der Abweichung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses vom Sollwert ohne zusätzliche Sensorik realisieren.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Luftfehler und/oder der Kraftstofffehler mittels eines Gleichungssystems mit mindestens zwei Gleichungen für die Abweichung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses vom jeweiligen Sollwert ermittelt wird. Auf diese Weise lassen sich der Luftfehler und/oder der Kraftstofffehler mit geringem Aufwand präzise ermitteln und voneinander unterscheiden.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Luftfehler nur auf einem Luftpfad der Brennkraftmaschine korrigiert wird. Auf diese Weise müssen Luftfehler nicht vom Fahrer durch entsprechende Betätigung des Fahrpedals kompensiert werden. Außerdem erübrigt sich eine Korrektur des Luftfehlers im Kraftstoffpfad.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Kraftstofffehler nur auf einem Kraftstoffpfad der Brennkraftmaschine korrigiert wird. Auf diese Weise müssen Kraftstofffehler nicht vom Fahrer durch entsprechende Betätigung des Fahrpedals kompensiert werden.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn nur ein Fehler aus der durch den Luftfehler und den Kraftstofffehler gebildeten Menge ermittelt und korrigiert wird und wenn eine übrig bleibende Abweichung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses vom Sollwert als auf demjenigen Fehler basierend interpretiert wird, der zuvor nicht ermittelt wurde. Auf diese Weise lässt sich die Berechnung eines Fehlers der durch den Luftfehler und den Kraftstofffehler gebildeten Menge vermeiden und damit Aufwand einsparen, wobei dieser Fehler dennoch identifiziert und korrigiert werden kann.
  • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine und 2 einen Ablaufplan für einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In 1 kennzeichnet 1 eine Brennkraftmaschine beispielsweise eines Fahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 30, der beispielsweise als Ottomotor ausgebildet sein kann. Dem Verbrennungsmotor 30 ist über eine Luftzufuhr 15 Frischluft zugeführt. In der Luftzufuhr 15 ist ein Luftmassenmesser 20 angeordnet, der beispielsweise als Heißfilm-Luftmassenmesser ausgebildet sein kann und den dem Verbrennungsmotor 30 zugeführten Frischluftmassenstrom ṁLuft misst und das Messergebnis an eine Steuerung 45 weiterleitet. Die Strömungsrichtung der Frischluft in der Luftzufuhr 15 ist in 1 durch Pfeile gekennzeichnet. Dem Luftmassenmesser 20 in Strömungsrichtung der Frischluft in der Luftzufuhr 15 nachfolgend angeordnet ist eine Drosselklappe 5 zur Einstellung und Korrektur des dem Verbrennungsmotor 30 zugeführten Frischluftmassenstroms ṁLuft. Dazu wird die Drosselklappe 5 von der Steuerung 45 angesteuert. Der Frischluftmassenstrom ṁLuft wird dann über mindestens ein in 1 nicht dargestelltes Einlassventil einem ebenfalls nicht dargestellten Brennraum des Verbrennungsmotors 30 zugeführt. Dem Brennraum ist außerdem über mindestens ein Einspritzventil 10 Kraftstoff zugeführt, wobei die zugeführte Kraftstoffmenge ebenfalls von der Steuerung 45 eingestellt und korrigiert wird. Gemäß 1 ist eine direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum des Verbrennungsmotor 30 angedeutet. Alternativ könnte der Kraftstoff auch in den Bereich der Luftzufuhr 15 eingespritzt werden, der zwischen der Drosselklappe 5 und dem mindestens einen Einlassventil liegt und der auch als Saugrohr bezeichnet wird. Weiterhin wird das im Brennraum des Verbrennungsmotor 30 befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch von mindestens einer Zündkerze 25 gezündet, die zu diesem Zweck ebenfalls von der Steuerung 45 zur Einstellung eines geeigneten Zündzeitpunktes angesteuert wird. Durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Brennraum des Verbrennungsmotors 30 wird die Brennkraftmaschine 1 in dem Fachmann bekannter Weise angetrieben. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird über mindestens ein in 1 nicht dargestelltes Auslassventil aus dem Brennraum in einen Abgasstrang 40 ausgestoßen, wobei in 1 die Strömungsrichtung des Abgases im Abgasstrang 40 ebenfalls durch einen Pfeil gekennzeichnet ist. Im Abgasstrang 40 ist eine Lambda-Sonde 35 angeordnet, die den Sauerstoffgehalt im Abgas misst und den Messwert an die Steuerung 45 weiterleitet, in der dann aus dem gemessenen Sauerstoffgehalt in dem Fachmann bekannter Weise ein Istwert für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis λ im Brennraum des Verbrennungsmotors 30 berechnet werden kann.
  • Das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis λ im Brennraum des Verbrennungsmotors 30 ist wie folgt definiert:
    Figure 00040001
  • Dabei ist ṁkr der Kraftstoffmassenstrom und mlmin ein vorgegebener Festwert, der angibt, welche Masse in Kilogramm an Luft erforderlich ist, um ein Kilogramm Kraftstoff zu verbrennen. Bei handelsüblichen Ottokraftstoffen beträgt dieser Festwert derzeit ca. 14,7. Aus Gleichung (1) lässt sich der Kraftstoffmassenstrom ṁkr wie folgt aus dem Frischluftmassenstrom ṁLuft und dem Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis λ berechnen:
    Figure 00040002
  • Der Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ wird beschrieben durch:
    Figure 00050001
  • Dabei ist ΔṁLuft der Fehler im Luftpfad der Brennkraftmaschine 1 und Δṁkr der Fehler im Kraftstoffpfad der Brennkraftmaschine 1. Der Luftpfad bezeichnet dabei die Zuführung von Frischluft zum Verbrennungsmotor 30 über die Luftzufuhr 15, die Luftmassenmesser 20 und die Drosselklappe 5. Der Fehler ΔṁLuft im Luftpfad ergibt sich beispielsweise aufgrund eines Lecks in der Luftzufuhr 15, beispielsweise im Bereich des Saugrohres, oder durch einen Kennlinienoffset des Luftmassenmesser 20. Der Kraftstoffpfad bezeichnet die Zuführung von Kraftstoff der Verbrennungsmotor 30 über das mindestens eine Einspritzventil 10. Der Fehler Δṁkr Kraftstoffpfad ergibt sich beispielsweise durch Einspritzventilverzugszeiten.
  • Je nach Betriebsbereich bzw. Last-Drehzahl-Bereich der Brennkraftmaschine 1 kann ein entsprechender Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis vorgegeben sein. Eine in 1 nicht separat dargestellte Lambda-Regelung in der Steuerung 45 regelt ein Istwert λist für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis dem Sollwert λsoll nach. Zu diesem Zweck wird in dem Fachmann bekannter Weise ein Regelfaktor fr gebildet, mit dem die Kraftstoffzufuhr über das mindestens eine Einspritzventil 10 zur Nachführung des Istwertes λist für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis an den Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis zu korrigieren. Ist der Regelfaktor fr = 1, dann ist keine Korrektur erforderlich und der Istwert λist für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis entspricht bereits dem Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis λ. Eine Gemischabweichung liegt dann nicht vor. Im Falle einer Gemischabweichung ist fr ungleich 1 und die Kraftstoffzufuhr wird derart korrigiert, dass der Istwert λist für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis dem Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis weitestgehend entspricht. Der Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ entspricht dann letztlich der Gemischabweichung des Istwertes λist für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis λ vom Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis die sich für einen Regelfaktor fr = 1 einstellen würde. Der Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ wird dabei in der Steuerung 45 in dem Fachmann bekannter Weise aus dem tatsächlich vorliegenden Regelfaktor fr berechnet. Zur Reduzierung des Aufwandes kann der Fehler λFehlerdes Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ durch die Abweichung des tatsächlichen Wertes für den Regelfaktor fr vom Wert 1 näherungsweise bestimmt werden. Zur Kompensation von Schwankungen des tatsächlichen Wertes für den Regelfaktor fr kann dieser Regelfaktor fr beispielsweise mittels eines Integrators mit entsprechend großer Zeitkonstante gemittelt werden.
  • Die Ableitungen des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ nach seinen Variablen sind:
    Figure 00060001
  • Der Kraftstoffmassenstrom ṁkr wird entsprechend der Gleichung (2) ersetzt:
    Figure 00060002
  • Aus den Gleichungen (3), (6) und (7) ergibt sich dann der Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ wie folgt:
    Figure 00060003
  • Bei der bisherigen Adaption der Gemischabweichung misst man beispielsweise bei einem konstanten Lambda-Wert von 1,0 einen allgemeinen Fehler der Gemischzusammensetzung, d. h. des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses. Da nur ein Lambda-Wert je Lastpunkt vorliegt, wobei der jeweilige Lastpunkt durch einen entsprechenden Wert für den Frischluftmassenstrom ṁLuft gekennzeichnet ist, kann zwischen Kraftstoff- und Luftfehler nicht differenziert werden. Werden nun aber in einem Lastpunkt zwei unterschiedliche Lambdawerte eingestellt, so entstehen zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten. Dieses Gleichungssystem ist auflösbar. Damit kann eine Unterscheidung zwischen Kraftstoff- und Luftfehler getroffen werden. Der Frischluftmassenstrom ṁLuft für den jeweiligen Lastpunkt wird vom Luftmassenmesser 20 gemessen und steht daher in der Steuerung 45 zur Verfügung und wird in Gleichung (8) eingesetzt. Alternativ könnte der Frischluftmassenstrom ṁLuft über ein Modell in dem Fachmann bekannter Weise aus einem von einem Saugrohrdrucksensor ermittelten Saugrohrdruck abgeleitet werden, wenn ein solcher Saugrohrdrucksensor im Saugrohr der Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung steht. Als Lambda-Wert wird in Gleichung (8) der Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis eingesetzt. Der sich bei der Umsetzung dieses Sollwertes λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis ergebende Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ wird wie beschrieben aus dem sich einstellenden tatsächlichen Regelfaktor fr ermittelt und ebenfalls in Gleichung (8) eingesetzt. Unbekannt sind in Gleichung (8) der Fehler ΔṁLuft im Luftpfad und der Fehler Δṁkr im Kraftstoffpfad. Stellt man daher die Gleichung (8) für mindestens zwei verschiedene Sollwerte λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis auf, so erhält man das gewünschte Gleichungssystem, das nach dem Fehler ΔṁLuft im Luftpfad, also dem Luftfehler, und dem Fehler Δṁkr im Kraftstoffpfad, also dem Kraftstofffehler, aufgelöst werden kann.
  • Durch die Unterscheidung des Luftfehlers vom Kraftstofffehler ist es möglich, den Luftfehler nur auf dem Luftpfad der Brennkraftmaschine 1 zu korrigieren, d. h. durch entsprechende Korrektur der Einstellung der Drosselklappe 5. Entsprechend besteht die Möglichkeit, den Kraftstofffehler nur auf dem Kraftstoffpfad der Brennkraftmaschine 1, d. h. durch Korrektur der Einspritzmenge am mindestens einen Einspritzventil 10 zu korrigieren. Zur Einsparung von Rechenaufwand kann es weiterhin vorgesehen sein, dass entweder nur der Luftfehler oder nur der Kraftstofffehler aus dem Gleichungssystem (8) mit den mindestens zwei Gleichungen berechnet und beispielsweise auf dem zugehörigen Pfad korrigiert wird. Die übrig bleibende Abweichung bzw. der übrig bleibende Fehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ kann dann eindeutig als derjenige Fehler identifiziert werden, der zuvor nicht berechnet wurde und entsprechend beispielsweise auf dem zugehörigen Pfad korrigiert werden. Die beschriebene Gemischadaption kann für einen oder mehrere Lastpunkte durchgeführt werden, insbesondere in verschiedenen Betriebsbereichen, d. h. in verschiedenen Last-Drehzahl-Bereichen der Brennkraftmaschine 1.
  • In 2 ist ein Ablaufplan für einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Nach dem Start des Programms prüft die Steuerung 45 bei einem Programmpunkt 100, ob die Lambdaregelung aktiv ist. Ist dies der Fall, so wird zu einem Programmpunkt 105 verzweigt, andernfalls wird das Programm verlassen.
  • Bei Programmpunkt 105 prüft die Steuerung 45, ob eine Gemischadaption möglich ist. Ist dies der Fall, so wird zu einem Programmpunkt 110 verzweigt, andernfalls wird das Programm verlassen. Eine Gemischadaption ist zum Beispiel nicht möglich, wenn eine Tankentlüftung aktiv ist. Weiterhin ist eine Gemischadaption nur in einen bestimmten Motortemperaturbereich oberhalb einer Schwelltemperatur von beispielsweise ca 60° C möglich. Bei Programmpunkt 110 wird für einen vorgegebenen Lastpunkt, gekennzeichnet durch einen zugeordneten Frischluftmassenstrom ṁLuft ein erster Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis vorgegeben, beispielsweise der Wert 1. Der sich dabei ergebende erste Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ wird ermittelt. Der Frischluftmassenstrom ṁLuft der erste Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis und der erste Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ werden in eine erste Gleichung des Gleichungssystems nach Gleichung (8) eingesetzt. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 115 verzweigt. Bei Programmpunkt 115 wird für den vorgegebenen Lastpunkt ein zweiter Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis vorgegeben, beispielsweise der Wert 1,2. Diese entspricht einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis. Der sich dabei ergebende zweite Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ wird ermittelt. Der Frischluftmassenstrom ṁLuft, der zweite Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis und der zweite Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ werden in eine zweite Gleichung des Gleichungssystems nach Gleichung (8) eingesetzt. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 120 verzweigt. Bei Programmpunkt 120 wird für den vorgegebenen Lastpunkt ein dritter Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis vorgegeben, beispielsweise der Wert 0,8. Diese entspricht einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis. Der sich dabei ergebende dritte Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ wird ermittelt. Der Frischluftmassenstrom ṁLuft der dritte Sollwert λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis und der dritte Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ werden in eine dritte Gleichung des Gleichungssystems nach Gleichung (8) eingesetzt. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 125 verzweigt.
  • Bei Programmpunkt 125 wird das gebildete Gleichungssystem aus drei Gleichungen gemäß der obigen Gleichung (8) nach dem Luftfehler ΔṁLuft und/oder nach dem Kraftstofffehler Δṁkr aufgelöst und eine entsprechende Korrektur auf dem Luftpfad und dem Kraftstoffpfad als Gemischadaption durchgeführt und der Fehler λFehler des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses λ kompensiert.
  • Beim Ablaufplan nach 2 wurden drei verschiedene Sollwerte λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis bei dem vorgegebenen Lastpunkt verwendet. Zur Auflösung des Gleichungssystems nach Gleichung (8) nach dem Luftfehler ΔṁLuft und dem Kraftstofffehler Δṁkr reicht es jedoch aus, zwei verschiedene Sollwerte λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis vorzugeben. Alternativ können auch mehr als drei Sollwerte λsoll für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis pro Lastpunkt vorgegeben werden, um die Luftfehler ΔṁLuft und den Kraftstofffehler Δṁkr aus dem Gleichungssystem gemäß Gleichung (8) zu bestimmen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), bei dem in mindestens einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) eine Abweichung eines Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses von einem Sollwert korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass für diese Korrektur in dem mindestens einen Betriebsbereich für mindestens zwei Sollwerte die jeweilige Abweichung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses ermittelt wird und dass aus diesen Abweichungen ein Luftfehler und/oder ein Kraftstofffehler bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftfehler und/oder der Kraftstofffehler mittels eines Gleichungssystems mit mindestens zwei Gleichungen für die Abweichung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses vom jeweiligen Sollwert ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftfehler nur auf einem Luftpfad (5) der Brennkraftmaschine (1) korrigiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstofffehler nur auf einem Kraftstoffpfad (10) der Brennkraftmaschine (1) korrigiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Fehler aus der durch den Luftfehler und den Kraftstofffehler gebildeten Menge ermittelt und korrigiert wird und dass eine übrig bleibende Abweichung des Luft- Kraftstoff-Gemischverhältnisses vom Sollwert als auf demjenigen Fehler basierend interpretiert wird, der zuvor nicht ermittelt wurde.
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