DE10358723A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents
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Abstract
Ein Brennstoffeinspritzventil (1) hat einen piezoelektrischen Aktor (2). Der Aktor (2) steht mit einem Ventilschließkörper (7) in Wirkverbindung, der mit einer Ventilsitzfläche (13) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Ein Koppler (3) weist einen ersten Koppler-Abschnitt (23) und einen zweiten Koppler-Abschnitt (24) auf, wobei der erste Koppler-Abschnitt (23) axial verschiebbar in eine Ausnehmung (16) des zweiten Koppler-Abschnitts (24) unter Beibehaltung eines als Drosselstelle ausgebildeten Spalts (27) und unter Bildung eines Hydraulik-Volumens (17) eingreift. Die beiden Koppler-Abschnitte (23, 24) stehen über ein Hydraulikmedium in Wirkverbindung und der Spalt verbindet (27) das Hydraulik-Volumen (17) mit einem Ausgleichsraum (21). Der Ausgleichsraum (21) ist durch den ersten und zweiten Koppler-Abschnitt (23, 24) und einen flexiblen Abschnitt (25) begrenzt und der flexible Abschnitt (25) ist durch ein Ende eines Druckelements (28) mit Druck beaufschlagt, wobei sich das andere Ende des Druckelements (28) an einem Halter (30), der mit einem der Koppler-Abschnitte (24) verbunden ist, abstützt.
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
- Koppler, insbesondere hydraulisch arbeitende Koppler in Brennstoffeinspritzventilen mit Piezo-Antrieb, zur Kompensation von temperatur- und druckbedingten Längenänderungen von Bauteilen, insbesondere des Aktors, sowie Längenänderungen aufgrund von Verschleiß, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
- Beispielsweise ist aus der
DE 101 37 210 A1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor bekannt, welcher in Wirkverbindung mit einer Ventilnadel steht. Die Ventilnadel weist an ihrem abspritzseitigen Ende einen Ventilschließkörper auf, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Ein Koppler, welcher zum Ausgleich von Längenänderungen von Bauteilen des Brennstoffeinspritzventils, insbesondere von temperaturbedingten Längenänderungen des Aktors, dient, ist zwischen der Ventilnadel und dem Aktor angeordnet. Der Koppler weist zwei gegeneinander axial bewegliche Abschnitte bzw. Kolben auf, die zwei Ringspalte und ein Hydraulik-Volumen bilden. Die Ringspalte verbinden das Hydraulik- Volumen mit dem brennstoffbefüllten Inneren des Ventilkörpers. Zum Ausgleich von Längenänderungen des Aktors wird Brennstoff über die Ringspalte zu- oder abgegeben. Durch eine um die Ventilnadel spiralförmig herum verlaufende Schließfeder wird die Vorspannung, mit der die beiden Kolben auf das Hydraulik-Volumen wirken, eingestellt. - Nachteilig bei dem obengenannten Stand der Technik ist insbesondere, daß hohe Kopplerinnendrücke nur durch entsprechend hohe Vorspannkräfte erreicht werden können. Bei geringen Kopplerinnendrücken steigt die Kavitationsneigung des verwendeten Hydraulikmediums, starke Vorspannkräfte sind ungünstig für die Ventildynamik und die Einstellgenauigkeit. Außerdem müssen Bauteile größer bemessen werden, um den erhöhten Kräften dauerhaft standzuhalten.
- Vorteile der Erfindung
- Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß bei relativ niedrigen Vorspannkräften hohe Kopplerinnendrücke erzielt werden können. Die Kavitationsneigung des Hydraulikmediums ist bei gleichzeitiger guter Ventildynamik und geringen Bauteilabmessungen sehr gering. Die Dauerhaltbarkeit und Zuverlässigkeit sowie die Ventildynamik des Brennstoffeinspritzventils werden dadurch ebenfalls verbessert. Außerdem können die Vorspannkräfte genauer und leichter eingestellt werden.
- Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
- In ersten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils ist das Druckelement spiralförmig und dauerelastisch ausgebildet. Das Druckelement kann dadurch vorteilhaft kompakt angeordnet werden und die Vorspannkraft kann dauerhaft konstant halten.
- Vorteilhaft ist es zudem, wenn der erste Koppler-Abschnitt und der zweite Koppler-Abschnitt zylinderförmig ausgebildet sind, der Spalt als Ringspalt ausgebildet ist und die Ausnehmung hohlzylindrisch geformt ist. Dadurch läßt sich der Koppler besonders einfach, kompakt und leicht aufbauen.
- In einer weiteren Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils verjüngt sich der erste Abschnitt in einem zylindrischen Fortsatz vom Hydraulik-Volumen weggerichtet. Auch dadurch ist eine sehr kompakte Bauweise möglich. Insbesondere läßt sich das Druckelement besonders günstig platzieren, wobei es dafür besonders günstig ist, daß sich der Fortsatz zudem durch eine Stufe auf Höhe der Oberkante der Ausnehmung verjüngt und der Fortsatz koaxial zum ersten Abschnitt angeordnet ist.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Fortsatz einen axial verlaufenden Kanal aufweist, der über eine dazu mit einem radialen Richtungsanteil verlaufende Öffnung mit dem Ausgleichsraum verbunden ist. Der Koppler läßt sich dadurch in besonders einfacher Weise mit Hydraulikmedium befüllen und durch einen Kugelkörper verschließen.
- Wird ein Ende des flexiblen Abschnitts an der radialen Außenfläche des ersten Abschnitts und das andere Ende des flexiblen Abschnitts an der radialen Außenfläche des zweiten Koppler-Abschnitts hermetisch dicht gefügt, kann der Ausgleichsraum besonders einfach gebildet und vorteilhaft platziert werden. Dies läßt sich weiter verbessern, indem ein Ende des flexiblen Abschnitts zwischen dem ersten Abschnitt und dem ersten Halter und/oder das andere Ende des flexiblen Abschnitts zwischen dem zweiten Abschnitt und dem zweiten Halter geklemmt ist.
- Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Druckelement unter Zwischenlage eines Zwischenlageelements auf den flexiblen Abschnitt drückt. Der im Ausgleichsraum herrschende Druck kann dadurch besonders einfach eingestellt und angepasst werden.
- Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Zwischenlageelement ringförmig oder lochscheibenförmig ist, wobei die auf dem flexiblen Abschnitt aufliegende Fläche im Querschnitt kreissegmentförmig bzw. abgerundet ist. Der auf den flexiblen Abschnitt wirkende Druck läßt sich dadurch gleichmäßiger verteilen und der Koppler läßt sich kompakter gestalten, wie auch durch die hülsenförmige Ausbildung zumindest einer der Halter.
- Vorteilhafterweise verjüngt sich der zweite Halter stufenförmig. Dadurch ist eine sehr kompakte und einfache Bauweise des Kopplers möglich.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, den ersten Halter an seinem dem ersten Abschnitt zugewandten Ende abzurunden. Der flexible Abschnitt wird dadurch weniger belastet und dauerhaltbarer.
- In einer weiteren Weiterbildung ist das Hydraulik-Volumen, zusätzlich zum Spalt, mit dem Ausgleichsraum durch zumindest eine Drosselbohrung verbunden. Die hydraulischen Eigenschaften des Kopplers lassen sich dadurch vorteilhaft und einfach beeinflussen und leicht einstellen.
- Zeichnung
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine vereinfachte schematische axiale Schnittdarstellung durch das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils. - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft beschrieben.
- Ein in
1 in einer axialen Schnittdarstellung gezeigtes erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil1 dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine. - In einem sich stufenartig nach unten in Abspritzrichtung verjüngenden hohlzylindrischen Ventilgehäuse
38 sind eine Ventilnadel8 , ein Aktor2 und ein hydraulischer Koppler3 jeweils zueinander koaxial angeordnet. Oben, zuströmseitig ist das Gehäuse38 durch einen Gehäusedeckel4 hermetisch dicht verschlossen. Am Gehäusedeckel4 stützt sich an der Innenseite der Aktor2 mit seinem zuströmseitigen Ende ab. Abströmseitig weist der Aktor2 einen scheibenförmigen Aktorkopf10 auf. Der Aktorkopf10 ist in einem hohlzylindrischen Aktormodulgehäuse9 axial beweglich geführt. Das Aktorgehäuse5 ist abströmseitig mit der Ventilnadel8 über einen Wellbalg39 verbunden, der den Aktorraum42 hermetisch vom Kraftstoff abdichtet. Ein zweites Federelement22 ist zwischen dem Aktorkopf10 und dem zweiten Flansch15 mit einer Vorspannung eingespannt und hält den Aktorkopf10 in ständiger Anlage an den Aktor2 . - Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der hydraulische Koppler
3 zwischen dem Aktor2 und der Ventilnadel8 angeordnet, wobei ein erster zylinderförmiger Koppler-Abschnitt23 zuströmseitig und ein zweiter zylinderförmiger Koppler-Abschnitt24 abströmseitig angeordnet sind. Der erste im Durchmesser kleinere Koppler-Abschnitt23 greift in eine koaxial im zweiten Abschnitt24 zuströmseitig angeordnete hohlzylinderförmige Ausnehmung16 teilweise ein. Umfänglich des ersten Koppler-Abschnitts23 , zwischen dem ersten und zweiten Koppler-Abschnitt23 ,24 , bildet sich dabei ein als Ringspalt ausgeführter Spalt27 aus. Der Spalt27 verbindet ein zwischen den sich gegenüberliegenden axialen Innenflächen von erstem und zweitem Koppler-Abschnitt23 ,24 liegendes Hydraulik-Volumen17 und einen Ausgleichsraum21 . - Die Größe des Hydraulik-Volumens
17 ist durch die gegeneinander axial verschiebbaren beiden Koppler-Abschnitte23 ,24 variierbar. Der erste Koppler-Abschnitt23 weist einen koaxial angeordneten zylinderförmigen bzw. stabförmigen Fortsatz32 auf. Der Fortsatz32 ist dabei auf der vom Hydraulik-Volumen17 weggerichteten axialen Seite des ersten Koppler-Abschnitts23 , also zum Aktor2 hin, angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verjüngt sich der erste Koppler-Abschnitt23 durch eine etwa auf Höhe der Oberkante der Ausnehmung16 liegende Stufe33 zu dem Fortsatz32 . Ein im Fortsatz32 axial und koaxial verlaufender Kanal26 , der beispielsweise durch Bohren hergestellt ist, ist durch eine in der Wandung des Fortsatzes32 angeordnete Öffnung34 mit dem Ausgleichsraum21 verbunden. Zuströmseitig greift der Fortsatz32 bis zum Aktorkopf10 teilweise in das Aktorgehäuse9 ein und ist mit dem Aktorkopf10 gefügt, beispielsweise stoff- oder kraftschlüssig. - Ein flexibler Abschnitt
25 , der lochscheibenähnlich als Membran ausgebildet ist, sich jedoch an seinen Enden auch axial erstreckt, ist im Bereich seines Außenumfangs an der radialen Außenfläche des zweiten Abschnitts24 hermetisch dicht gefügt. Im Bereich seines Innenumfangs ist der flexible Abschnitt25 an der radialen Außenfläche des Fortsatzes32 hermetisch dicht gefügt, wobei der Fortsatz32 den flexiblen Abschnitt25 mittig durchgreift. Der flexible Abschnitt25 , der erste Koppler-Abschnitt23 mit dem Fortsatz32 und der zweite Koppler-Abschnitt24 begrenzen in dieser Weise den Ausgleichsraum21 . - Ein erster hülsenförmiger Halter
29 ist über den Fortsatz32 gestülpt und klemmt den flexiblen Abschnitt25 im Bereich seines Innenumfangs zwischen sich und dem Fortsatz32 form- und/oder kraftschlüssig und hermetisch dicht fest. Das dem flexiblen Abschnitt25 zugewandte und an ihm aufliegende Ende des ersten Halters29 ist abgerundet. Der erste Halter29 ist bewegungsfest mit dem Fortsatz32 beispielsweise durch eine Schweißung verbunden. - Ein zweiter hülsenförmiger Halter
30 umgreift mit einem abströmseitigen axialen Teilabschnitt den zweiten Koppler-Abschnitt24 und ist hier mit der radialen Außenfläche des zweiten Koppler-Abschnitts24 beispielsweise durch eine Schweißung gefügt. Der Bereich des Außenumfangs des flexiblen Abschnitts25 ist zwischen dem abströmseitigen axialen Teilabschnitt des zweiten Halters30 und dem zweiten Koppler-Abschnitt24 hermetisch dicht geklemmt. Ein um den Fortsatz32 umlaufender axialer Teilbereich des zweiten Halter30 verjüngt sich stufenförmig, wobei das zuströmseitige Ende durchmesserverkleinernd zu einem Einzug37 eingezogen ist und dabei den Fortsatz32 radial umgibt. - Der flexible Abschnitt
25 und damit der Ausgleichsraum21 bzw. das im Ausgleichsraum21 befindliche Hydraulikmedium ist durch ein unter einer Vorspannung stehendes Druckelement28 mit Druck beaufschlagt. Das im gezeigten Ausführungsbeispiel spiralförmige und dauerelastische Druckelement28 drückt mit einem Ende über ein Zwischenlageelement31 auf den flexiblen Abschnitt25 von außerhalb des Ausgleichsraums21 und stützt sich dabei mit dem anderen Ende an dem mit dem zweiten Koppler-Abschnitt24 bewegungsfest verbundenen zweiten Halter30 am Einzug37 ab. In anderen Ausführungsbeispielen stützt sich das andere Ende des Druckelements28 am mit dem ersten Koppler-Abschnitt23 bewegungsfest verbundenen ersten Halter29 ab. - Das Zwischenlageelement
31 ist in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig, umgibt den Fortsatz32 radial und ist an den mit dem flexiblen Abschnitt25 berührenden Flächen abgerundet. - Der Ausgleichsraum
21 ist neben dem Spalt27 durch eine axial im zweiten Koppler-Abschnitt24 angeordnete Drosselbohrung36 mit dem Hydraulik-Volumen17 verbunden. - Der Ausgleichsraum
21 , der Spalt27 , die Öffnung34 und der Kanal26 sind vollständig mit dem Hydraulikmedium gefüllt, welches durch den Kanal26 eingefüllt ist. Der Kanal26 ist nach dem Einfüllen durch einen Kugelkörper35 druckfest verschlossen. - Abspritzseitig weist die Ventilnadel
8 einen Ventilschließkörper7 auf und greift durch einen am abspritzseitigen Ende des Gehäuses38 angeordneten Ventilsitzkörper6 . Der Ventilsitzkörper6 weist eine zentriert angeordnete Abspritzöffnung12 und eine Ventilsitzfläche13 auf, die mit dem Ventilschließkörper7 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Zuströmseitig weist die Ventilnadel8 einen ersten Flansch14 auf. Zwischen dem ersten Flansch14 und dem Ventilsitzkörper6 ist ein erstes Federelement20 eingespannt, das den Ventilschließkörper7 in den Dichtsitz zieht und wie das zweite Federelement22 spiralförmig ausgebildet ist. Das Brennstoffeinspritzventil1 öffnet nach außen. - Wird der Aktor
2 über eine nicht dargestellte elektrische Leitung erregt, so dehnt er sich schnell aus. Da das Hydraulikmedium nicht schnell genug durch den Spalt27 und die Drosselbohrung36 aus dem Hydraulik-Volumen17 abfließen kann, verhält sich der Koppler3 sehr hart, wodurch die Längenausdehnung des Aktors2 fast vollständig auf die Ventilnadel8 wirkt. Die Ventilnadel8 wird entgegen der Vorspannkraft des ersten Federelements20 axial in Abspritzrichtung bewegt. Dadurch öffnet der Dichtsitz und der druckbehaftet zugeleitete Brennstoff wird über die Abspritzöffnung12 in den nicht dargestellten Brennraum abgespritzt. Langsame Längenänderungen des Aktors2 werden durch den Austausch von Hydraulikmedium zwischen dem Hydraulik-Volumen17 und dem Ausgleichsraum21 ausgeglichen. - Der Druck im Ausgleichsraum
21 ergibt sich dabei aus der durch die effektiv auf den flexiblen Abschnitt25 wirkende geteilte Federkraft des Druckelements28 . Die Rückstellkraft des Kopplers3 ergibt sich aus dem Druck im Ausgleichsraum21 multipliziert mit der effektiv zum Aktor2 hin gerichteten Fläche, die mit Druck durch das Hydraulikmedium beaufschlagt ist. - Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann z. B. auch für nach innen öffnende Brennstoffeinspritzventile verwendet werden.
Claims (18)
- Brennstoffeinspritzventil (
1 ), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor (2 ), einem mit dem Aktor (2 ) in Wirkverbindung stehenden Ventilschließkörper (7 ), der mit einer Ventilsitzfläche (13 ) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und einem Koppler (3 ), der einen ersten Koppler-Abschnitt (23 ) und einen zweiten Koppler-Abschnitt (24 ) aufweist, wobei der erste Koppler-Abschnitt (23 ) axial verschiebbar in eine Ausnehmung (16 ) des zweiten Koppler-Abschnitts (24 ) unter Beibehaltung eines als Drosselstelle ausgebildeten Spalts (27 ) und unter Bildung eines Hydraulik-Volumens (17 ) eingreift, und wobei die beiden Koppler-Abschnitte (23 ,24 ) über ein Hydraulikmedium in Wirkverbindung stehen und der Spalt (27 ) das Hydraulik-Volumen (17 ) mit einem Ausgleichsraum (21 ) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsraum (21 ) durch den ersten und zweiten Koppler-Abschnitt (23 ,24 ) und einen flexiblen Abschnitt (25 ) begrenzt ist und der flexible Abschnitt (21 ) durch ein Ende eines Druckelements (28 ) mit Druck beaufschlagt ist, wobei sich das andere Ende des Druckelements (28 ) an einem ersten Halter (29 ), der mit dem ersten Koppler-Abschnitt (23 ) verbunden ist, oder an einem zweiten Halter (30 ), der mit dem zweiten Koppler-Abschnitt (24 ) verbunden ist, abstützt. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement (
28 ) spiralförmig ausgebildet ist - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement (
28 ) dauerelastisch ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Koppler-Abschnitt (
23 ) und der zweite Koppler-Abschnitt (24 ) zylinderförmig ausgebildet sind und der Spalt (27 ) als Ringspalt ausgebildet ist, wobei die Ausnehmung (16 ) hohlzylindrisch geformt ist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Koppler-Abschnitt (
23 ) sich in axialer, vom Hydraulik-Volumen (17 ) weggerichteter Richtung zu einem zylindrischen Fortsatz (32 ) verjüngt. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Koppler-Abschnitt (
23 ) auf Höhe einer Oberkante der Ausnehmung (16 ) durch eine Stufe (33 ) zu dem zylindrischen Fortsatz (32 ) verjüngt. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (
32 ) koaxial zum ersten Koppler-Abschnitt (23 ) angeordnet ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (
32 ) einen axial verlaufenden Kanal (26 ) aufweist, der über eine dazu mit einem radialen Richtungsanteil verlaufende Öffnung (34 ) mit dem Ausgleichsraum (21 ) verbunden ist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (
26 ) durch einen Kugelkörper (35 ) verschlossen ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Abschnitt (
25 ) als Membran ausgebildet ist und lochscheiben- oder schlauchförmig ist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Ende des flexiblen Abschnitts (
25 ) an der radialen Außenfläche des ersten Koppler-Abschnitts (23 ) und am zweiten Koppler-Abschnitt (24 ) hermetisch dicht gefügt ist. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des flexiblen Abschnitts (
25 ) zwischen dem ersten Koppler-Abschnitt (24 ) und dem ersten Halter (29 ) und/oder das andere Ende des flexiblen Abschnitts (25 ) zwischen dem zweiten Koppler-Abschnitt (24 ) und dem zweiten Halter (30 ) geklemmt ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement (
28 ) unter Zwischenlage eines Zwischenlageelements (31 ) auf den flexiblen Abschnitt (25 ) drückt. - Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenlageelement (
31 ) ringförmig und/oder lochscheibenförmig ist, wobei die auf dem flexiblen Abschnitt (25 ) aufliegende Fläche des Zwischenlageelements (31 ) kreissegmentförmig und/oder abgerundet ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Halter (
29 ,30 ) hülsenförmig ausgebildet ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Halter (
30 ) sich stufenförmig verjüngt. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halter (
29 ) an einem dem flexiblen Abschnitt (25 ) zugewandten Ende abgerundet ist. - Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydraulik-Volumen (
17 ) mit dem Ausgleichsraum (21 ) durch zumindest eine Drosselbohrung verbunden ist.
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