DE2500608A1 - Cam-driven four-stroke reciprocating-piston engine - allowing only axial forces to be applied to piston - Google Patents

Cam-driven four-stroke reciprocating-piston engine - allowing only axial forces to be applied to piston

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DE2500608A1 DE19752500608 DE2500608A DE2500608A1 DE 2500608 A1 DE2500608 A1 DE 2500608A1 DE 19752500608 DE19752500608 DE 19752500608 DE 2500608 A DE2500608 A DE 2500608A DE 2500608 A1 DE2500608 A1 DE 2500608A1
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Abstract

Cam-driven four-stroke reciprocating-piston engine comprises a cam (3) which is mounted on a central variable-length main shaft (2) and which transmits only axial forces to the piston (4) via the piston rod which is provided with low-friction means (15, 16): engine speed, piston travel, piston speed, piston acceleration and the lengths of the four strokes can be varied in any manner by the shape of the cam. The valves (11, 12) or ports are controlled by a cam (7) which is also mounted centrally on the main shaft or by push rods. The first cam pref. consists of two concentric identically shaped annular segments.

Description

atentanmeldungpatent registration

Anmelder: Karl KrausApplicant: Karl Kraus

7891 Ühlingen7891 Ühlingen

Hauptstr.43Hauptstrasse 43

Erfinder: Karl KrausInventor: Karl Kraus

7891 Ühlingen7891 Ühlingen

Hauptstr.43Hauptstrasse 43

Kurvenscheibenangetriebener -und gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmotor mit kontinuierlich einstellbarem Zylinderraum Cam disk driven and controlled 4-stroke reciprocating piston engine with continuously adjustable cylinder space

Die Erfindung betrifft einen kurvenscheibenangetriebenen -und gesteuerten 4-Takt Hubkolbenmotor mit kontinuierlich veränderlichem Zylinderraum, der zum Teil aus den bekannten Elementen des kurbelgetriebenen Otto-Viertaktmotors besteht, aber einige der dem letzteren anhaftenden Mängel vermeidet.The invention relates to a cam-driven and controlled 4-stroke reciprocating engine with continuous variable cylinder space, which partly consists of the familiar elements of the crank-driven four-stroke Otto engine, but avoids some of the shortcomings inherent in the latter.

Hubkolbenbrennkraf'tiaaschinen mit Eurvenscheibentriebwerk sind bereits vorgeschlagen worden, aber nicht in Gebrauch gekommen. Dies ist mit den Schwierigkeiten bei der Übertragung der umlaufenden Kurvenscheibenbewegung auf die Kolbenbewegung zu erklären. Bei den bekannt gewordenen Motoren sollte die Axialbewegung des Kolbens durch das Abrollen der an ihrem Ende mit einem Rollager versehenen Kolbenstange auf einer einzigen Kurvenscheibe erzeugt werden. Der senkrecht nach unten wirkende Verbrennungsdruck auf Kolben und Kolbenstange, sowie die zur Tangente des Rallagerauflagepunktes senkrechte Kurvenscheibenreaktionskraft, ergeben als Resultierende eine Seitenzwangskraft und somit ein Kippmoment auf den Kolben. Außerdem tritt bei der Konstruktion mit nur einer Kurvenscheibe eine nicht abgestützte Rotationskomponente um die Längsachse des Kolbens auf.
Kit der Erfindung soll daher, unter anderem, auch dieReciprocating internal combustion engines with a Eurve disc drive have been proposed but have not come into use. This can be explained by the difficulties in transferring the rotating cam disk movement to the piston movement. In the case of the engines that have become known, the axial movement of the piston should be generated by rolling the piston rod, which is provided with a roller bearing at its end, on a single cam disk. The combustion pressure acting vertically downwards on the piston and piston rod, as well as the cam disk reaction force perpendicular to the tangent of the bearing support point, result in a lateral constraining force and thus a tilting moment on the piston. In addition, in the design with only one cam, an unsupported rotational component about the longitudinal axis of the piston occurs.
Kit of the invention should therefore, inter alia, also the

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Aufgabe gelöst werden, einen kurvenscheibenangetriebenen Motor so auszubilden, daß die bei der Drehung der Kurvenscheibe nicht kolbenaxialen Zwangskräfte durch geeignete Mittel reibungsarm so aufgefangen werden, daß auf den Kolben nur noch axiale Kräfte wirken. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die reibungsarmen Mittel, z.B. Rollager, seitlich über achsparallele Führungsschienen abgestützt werden, und die Kolbenstange auf zwei konzentrischen, gleichgeformten Kurvenscheiben abrollt. Mirch den erfindungsgemäßen Motor werden gegenüber dem bekannten 4-Takt-0ttomotor folgende Vorteile erzielt: Erstens werden bei einer Umdrehung der Kurvenscheibe ein- oder mehrere Arbeitsspiele durchlaufen, gegenüber zwei Kurbelwellenumdrehungen pro Arbeitsspiel beim 4-Takt Ottomotor.Die hieraus relativ zum 4-Takt Ottomotor resultierende, Höchstens halb so hohe Motorendrehzahl, läßt den Motor erfindungsgemäß überall direkt dort zum Einsatz kommen, wo man bisher gewünschte niedrige Drehzahlen nur durch aufwendige Zwischengetriebe erreichte, beispielsweise als Plugzeugantrieb.Object to be achieved to design a cam-driven motor so that the non-piston-axial constraining forces when rotating the cam are absorbed with low friction by suitable means so that only axial forces act on the piston. This is achieved according to the invention in that the low-friction means, for example roller bearings, are supported laterally via axially parallel guide rails, and the piston rod rolls on two concentric, identically shaped cam disks. With the engine according to the invention, the following advantages are achieved over the known 4-stroke petrol engine: Firstly , one or more work cycles are run through with one revolution of the cam disc, compared to two crankshaft revolutions per work cycle in the 4-stroke petrol engine The resulting engine speed, at most half as high, allows the engine, according to the invention, to be used directly wherever previously desired low speeds have only been achieved by expensive intermediate gears, for example as a plug-in tool drive.

Zweitens lassen sich Weggeschwindigkeit -und Beschleunigung der Kolben über das ganze Arbeitsspiel hinweg optimieren. Während beim Motor mit Kurbelwellentriebw©rk aus geometrischen Gründen die Bewegungskurve des Arbeitskolbens stets eine mehr oder weniger angenäherte Sinusfunktion darstellt, kann sie beim beschriebenen Motor beliebige Formen annehmen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Wahl geeigneter Formen der Kurvenscheibe erreicht. Während beispielsweise beim Ottomotor zu Beginn der Arbeitsphase, während des höchsten Gasdruckes im oberen Totpunkt, Geschwindigkeit und Beschleunigung widersinnigerweise gleich Null sind, kann der Kurvenscheibenverlauf in diesem Bereich so gewählt werden, daß sein aweiter Differentialquotient als Maß für die Kolbenbeschleunigung ein Maximum erreicht. Dies führt erfindungsgemäß zu einer Wirkungsgradsteigerung gegenüber dem Ottomotor. Second , the path speed and acceleration of the pistons can be optimized over the entire work cycle. While the motion curve of the working piston always represents a more or less approximate sine function in the case of the engine with a crankshaft drive unit, for geometric reasons, it can assume any shape in the case of the engine described. According to the invention, this is achieved by the choice of suitable forms of the cam disk. For example, while the gasoline engine at the start of the working phase, while the highest gas pressure in the upper dead point, speed and acceleration are paradoxically equal to zero, the cam profile can be selected in this range so that its aweiter differential quotient obtained as a measure of piston acceleration is a maximum. According to the invention, this leads to an increase in efficiency compared to the Otto engine.

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Die Tatsache der beschriebenen Optimierungsmöglichkeiten läßt grundsätzlich auch Versionen des erfindungsgemäßen Motors zu, welche mit schnellbrennenden Gasen wie Wasserstoff oder Methan mit gutem Wirkungsgrad arbeiten. Drittens; Im Gegensatz zum Motor mit Kurbelwellenantrieb lassen sich beim erfindungsgemäßen Motor die Hubhöhen der Arbeitstakte eines Arbeitsspiels unterschiedlich gestalten. Erfindungsgemäß wird dies durch Variation der Maxima bezw. Minima im Kurvenverlauf der Kurvenscheibe erreicht. Durch größeren Hub im Arbeits - bezw. Ausstoßtakt, kann eine vollständigere Verbrennung erzielt werden, was eine Wirkungsgradverbesserung und größere Umweltfreundlichkeit des Motors zur Folge hat.The fact of the optimization possibilities described basically also allows versions of the engine according to the invention which work with fast-burning gases such as hydrogen or methane with good efficiency. Third ; In contrast to the engine with a crankshaft drive, the stroke heights of the work cycles of a work cycle can be designed differently in the engine according to the invention. According to the invention this is BEZW by varying the maxima. Minima reached in the curve of the cam. Due to the larger stroke in the work or Exhaust stroke, a more complete combustion can be achieved, which results in an improvement in efficiency and greater environmental friendliness of the engine.

Viertens: Während beim Ottomotor immer zusätzlich zujkolbenaxialen Kraftkomponente über die Pleuel eine Seitenkraft auf die Zylinderwand wirkt und zu deren allmählichen Verschleiß führt, wird diese Seitenkraft beim erfindungsgemäßen Motor bereits an der Stelle ihrer Entstehung kompensiert. Dies geschieht erfindungsgemäß durch die reibungsarme Bewegung der Mittel am Ende der Kolbenstange in achsparallelen Führungsschienen. Hierdurch wird eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens und Zylinders erreicht. Fourth : While in the gasoline engine a side force always acts on the cylinder wall via the connecting rod in addition to the piston-axial force component and leads to its gradual wear, in the engine according to the invention this side force is compensated at the point where it arises. This is done according to the invention by the low-friction movement of the means at the end of the piston rod in axially parallel guide rails. This significantly increases the service life of the piston and cylinder.

Fünftens: Die Ansteuerung der Ventile beim beschriebenen Motor, kann, im Gegensatz zum 4-Takt Ottomotor, auf einfache Weise optimal bewerkstelligt werden. Erfindungsgemäß sitzt auf der zentralen Hauptwelle, diametral gegenüber der Kurvenscheibe, eine plane Scheibe, auf der sich Nockenleisten befinden, welche Ventile (z.B. solche konventioneller Bauart) betätigen. Diese Nockenleisten lassen sich in Länge und Form so variieren, daß bei einer Umdrehung des Motors, und somit der ÜTockenleistenscheibe, die Füll -und Entleerphasen während des Arbeitsspiels optimal gesteuert werden. Fifth : The control of the valves in the engine described can, in contrast to the 4-stroke gasoline engine, be carried out in a simple and optimal way. According to the invention sits on the central main shaft, diametrically opposite the cam disk, a planar disk on which there are cam strips which actuate valves (for example those of conventional design). These cam strips can be varied in length and shape in such a way that the filling and emptying phases are optimally controlled during one revolution of the motor, and thus of the cam track disk, during the work cycle.

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Dadurch, wird eine bessere Verbrennung und eine Wirkungsgrade rhöhung erreicht und der Motor wird unsveltfreundlicher. Zudem bewirkt das Ersetzen des aufwendigen Nockenwellen -und Stößelmechanismus durch die einfache Nockenwellenscheibe eine Massenverkleinerung des Gesamtmotors. Außerdem ist erfindungsgemäß eine Ansteuerung des Motors ohne Ventile und Nocken durch eine um die Hauptwelle rotierende Schlitzschiebersteuerplatte als Spezialversion des Motors vorgesehen.This will result in better combustion and efficiency and the engine becomes more environmentally friendly. In addition, the complex camshaft and tappet mechanism is replaced by the simple camshaft disk a mass reduction of the overall engine. In addition, according to the invention, there is a control of the motor without valves and cams thanks to a slotted valve control plate rotating around the main shaft as a special version of the engine provided.

Sechstens : Da beim erfindungsgemäßan Motor nur kolbenaxiale Kräfte wirksam werden, kann auf den Kolbenmantel verzichtet werden. Auch Pleuelstange und Kolbenbolzen werden nicht benötigt. Ihre Punktion wird von der starr mit dem Kolben, an ihrem Ende mit einem geeigneten Mittel (z.B.Rollager), versehenen Kolbenstange übernommen. Hierdurch wird erfindungsgemäß eine Massenverkleinerung und somit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht.Sec at least : Since only axial piston forces are effective in the engine according to the invention, the piston skirt can be dispensed with. Connecting rods and piston pins are also not required. Your puncture is carried out by the piston rod, which is rigidly provided with the piston, at its end with a suitable means (e.g. roller bearing). In this way, according to the invention, a mass reduction and thus an improvement in the degree of efficiency is achieved.

Sieb_tj3ns : Ottoviertaktmotore mit kontinuierlich einstellbarem Zylinderraum, sind nur als Testmotore bekannt und wegen des anfallenden Mehraufwandes nicht als Serienmodell zu gebrauchen. Beim beschriebenen Motor kann dieser kontinuierlich einstellbare Zylinderraum auf einfache Weise miteiner einzigen axialen Verstellung realisiert werden. Erfindungsgemäß wird die zentrale Hauptwelle mit Mitteln versehen (z.B.Schraubhülsen), die deren Längenänderung ermöglichen. Hierdurch kann das Volumen des Zylinderräumes kontinuierlich variiert werden.Sieb_tj3ns: Otto four-stroke engines with continuously adjustable Cylinder space, are only known as test engines and not as a series model because of the additional work involved to use. In the engine described, this continuously adjustable cylinder space can be easily adjusted can be realized with a single axial adjustment. According to the invention, the central main shaft is provided with means provided (e.g. screw sleeves), the change in length enable. This allows the volume of the cylinder spaces can be varied continuously.

Durch die beschriebene Möglichkeit der Zylinderraumvariation, kann der Motor erfinuungsgemäß z.B. auch in Kombination mit einer Vielstoffkraftstoffpumpe als Vielstoffmotor, oder auch als Dampf -und Wasserstoffmotor eingesetzt werden. Außerdem ist es erfindungsgemäß möglich, durch elektronische Verstellungsregelung, beispielsweise in Punktion des Luftdruckes, einen in jäder HöhenlageDue to the described possibility of the cylinder space variation, the engine can according to the invention e.g. also in combination with a multi-fuel pump as a multi-fuel engine, or can also be used as steam and hydrogen engines. In addition, according to the invention it is possible through Electronic adjustment control, for example in puncturing the air pressure, one in any altitude

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optical arbeitenden Flugmotor zu realisieren.to realize optical working aircraft engine.

Der beschriebene Motor läßt sich erfinaun^sgemäß, in Kombination mit den vom klassischen Dieselmotor her bekannten Ansaug -und Einspritzvorrichtungen, auch als kurvenscheibenangetriebener -und gesteuerter 4-Takt Diesel motor realisieren. Der Llotor stellt aufgrund seiner verhältnismäßig kleinen Masse, seiner exakten Steuerung, seines optimierbaren Zylinderraumvolumens, und der ebenfalls optimierbaren Kolbenwege, Kolbengeschwindigkeit und - Beschleunigung einen v/esentlichen technischen Fortschritt dar.The motor described can be, according to the invention, in Combination with the intake and injection devices known from classic diesel engines, also known as Realize cam-driven and controlled 4-stroke diesel engine. The Llotor represents due to its proportionate small mass, its exact control, its optimizable cylinder space volume, and that too Optimizable piston travel, piston speed and acceleration represent a considerable technical advance represent.

In der Zeichnung ist der Motor in seinen wesentlichen Bauteilen dargestellt, und zwar in ιIn the drawing, the engine is shown in its essential components, namely in ι

Hauptquerschnitt Nockenleistenscheibe, DraufsichtMain cross-section of the cam track disc, top view

abgewickelte Kurvenscheibe FIg. 4 seitliche Abstützung im Querschnitt ]?ig._5. Längenvariable Hauptwelledeveloped cam disk FIg. 4 lateral support in cross section]? Ig._5. Main shaft variable in length

dabei bedeuten im Einzelnen :specifically mean:

1) G-ehäuse1) G-housing

2) Hauptwelle2) main shaft

3) Kurvenscheibe3) cam

4) Kolben mit Kolbenstange4) Piston with piston rod

5) Zylinder5) cylinder

6) Zylinderkopf6) cylinder head

7) Nockenscheibe7) cam disc

8) Nocken für Auslaßventil8) cam for exhaust valve

9) Nocken für Einlaßventil9) Inlet valve cam

10) Antriebswelle für ITockenscheibe10) Drive shaft for I-cam disc

11) Auslaßventil11) Exhaust valve

12) Einlaßventil12) inlet valve

13) Zündkerze13) spark plug

14) Verstellhülse für Hauptwelle14) Adjustment sleeve for main shaft

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15) reibungsarme Mittel für seitliche Abstützung15) Low friction means for lateral support

16) reibungsarme Mittel für Kurvenscheibenantrieb16) Low friction means for cam drive

17) Ansaugtakt17) intake stroke

18) Verdichtungstakt18) compression stroke

19) Arbeitstakt19) work cycle

20) Auspufftakt20) exhaust stroke

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Claims (1)

PatentansprücheClaims Kurvenscheibenangetriebener und -ge steuert er t 4-Takt HubkοIbenmotor, dadurch gekennzeichnet, daß eine, auf einer längenvariablen, zentralen Hauptwelle mittig montierte Kurvenscheibe, über mit geeigneten, reibungsarmen Mitteln versehene, starr mit dem Kolben verbundene Kolbenstange dem Kolben nur axiale Kräfte überträgt, wobei Motorendrehzahl, Kolbenweg, Kolbengeschwindigkeit und Kolbenbeschleunigung, sowie die Hübe der 4- Takte eines Arbeitsspiels in beliebiger Weise durch die Form der Kurvenscheibe variiert werden können, und die Ansteuerung der Ventile oder Taktschlitze durch die ebenfalls mittig auf der zentralen Hauptwelle montierte Wockenleistenscheibe, oder eine Schlitzschieberstange, bewerkstelligt wird.K urvenscheibenan driven and -ge it controls t 4-stroke Hu bkοIbenmotor, characterized in that, on a variable length, the central main shaft centrally mounted cam on with suitable low-friction means provided, rigidly connected to the piston rod the piston only axial forces transmits, whereby the engine speed, piston travel, piston speed and piston acceleration, as well as the strokes of the 4-stroke cycles of a work cycle can be varied in any way by the shape of the cam, and the control of the valves or timing slots by the cam track disc, which is also centrally mounted on the central main shaft, or a slotted slide rod. (2) Kurvenscheibenangetriebener und -gesteuerter, 4-Takt Hubkolbenmotor, nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe so viele Maxima und Minima besitzt, daß bei einer ihrer Umdrehungen mindestens ein Arbeitsspiel durchlaufen wird.(2) Kur venscheibenangetr i level and -controlled, 4-stroke reciprocating engine , according to claim (1), characterized in that the cam has so many maxima and minima that at least one work cycle is run through in one of its revolutions. (3)Kurvenscheibenangetriebener und -gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmotor, nach Anspruch (1) und (2) dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe in Form zweier konzentrischer, gleichgeformter Kurvenscheibenringsegmente ausgebildet ist.(3) Cam-driven and controlled 4-stroke reciprocating engine , according to claims (1) and (2), characterized in that the cam is designed in the form of two concentric, identically shaped cam ring segments. (4)Kurvenscheibenangetriebener und -gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmotor, nach Anspruch (1),(2) und (3) dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe geometrisch so geformt ist, daß Kolbenwege, Kolbengeschwindigkeit und - Beschleunigung die zum entsprechenden Fotortyp optimalen Werte annehmen.(4) Cam driven and controlled 4- stroke piston engine , according to claim (1), (2) and (3), characterized in that the cam is geometrically shaped so that the piston travel, piston speed and acceleration are optimal for the corresponding type of photo Accept values. (5)Kurvenscheibenangetriebener und -gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmotor, nach Anspruch (1),(2),(3)»(4) dadurch gekennzeichnet, daß die Maxima und Minima auf der Kurvenscheibe die Hubhöhen der Arbeitstakte so bestimmen, daß diese im-Verlauf eines Arbeitsspiels beliebig variierbar sind.(5) Kurvenscheibenang etriebener and gesture uerter 4-Tak t H ubkolb enmotor, according to claim (1), (2), (3) "(4) characterized in that the maxima and minima on the curve disc, the lifting height of the working strokes so determine that these can be varied as required in the course of a work cycle. 609829/0371609829/0371 (6) Kurvenscheibenanaetriebener und -gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmotor nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, daß die auf aie Kolbenstange wirkende, aus Verbrennungsdruckkraft und Reaktionskraft der Kurvenscheibe resultierende Seitenkraft, von achsparallelen Eührungsschienen reibungsarm aufgenommen wird.(6) Ku rvenscheibenanaetriebener -driven and 4-stroke Hu bkolbenmotor according to claim (1) characterized in that the force acting on aie piston rod, resulting from combustion pressure force and reaction force of the cam side force is taken parallel to the axis of friction Eührungsschienen. (7) Kurvenscheibenangetriebener und -gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmotor nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Ventile über eine mittig auf der Hauptwelle montierte Nockenleistenscheibe erfolgt.(7) 4-stroke reciprocating piston engine driven and controlled by a cam disk according to claim (1), characterized in that the valves are controlled via a cam disk mounted centrally on the main shaft. (8) Kurvenscheibenangetriebener und -gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmotor nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Taktschlitz& über eine mittig auf der Hauptwelle montierte Schlitzschiebersteuerung erfolgt.(8) Cam disk driven and controlled 4-stroke reciprocating piston engine according to claim (1), characterized in that the control of the timing slot takes place via a slot slide control mounted centrally on the main shaft. (9) Kurv ens ch 3 ib enan petri eb ene r und -g ;e s t e ue rjbe r 4 -Takt Hubkolbenmotor nach Anspruch (1),(7), dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nockenleisten in Länge und Form variieren lassen.(9) Curve v ens ch 3 ib enan petri eb ene r and - g; esteu e rjbe r 4-stroke reciprocating piston engine according to claim (1), (7), characterized in that the cam strips can be varied in length and shape. (1 o)KurvenschejLbenanp;etriebener und -gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmot or nach Anspruch (1),(7), dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Hauptwelle durch geeignete Mittelverstellung stufenlos längenvariabel ist, und somit der Zylinderraum beliebig variiert werden kann. (11)Kurvenscheibenangetriebener und -gesteuerter 4-Takt Hubkolbenmotor nach Anspruch (1),(7),(9), dadurch gekennzeichnet, daß die Längenvariation der zentralen Hauptwelle elektronisch geregelt werden kann.(1 o) KurvenschejLbenanp; driven and controlled 4-stroke piston engine according to claim (1), (7), characterized in that the central main shaft is continuously variable in length by suitable central adjustment, and thus the cylinder space can be varied as desired. (11) Cam disk drive ner and -controlled 4-stroke reciprocating engine according to claim (1), (7), (9), characterized in that the length variation of the central main shaft can be regulated electronically. Ühling-en, 6. Jan. 1975 . Ühling-en, Jan. 6, 1975 . Karl Kraus /Karl Kraus / 609829/0371609829/0371 ^0^ 0 LeerseiteBlank page
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