DE3132134C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des Strömungsquerschnitts für die Auspuffgase im Leitkranz der Turbine eines Abgasturboladers für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des Strömungsquerschnitts für die Auspuffgase im Leitkranz der Turbine eines Abgasturboladers für einen Verbrennungsmotor

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Abstract

Um den Strömungsquerschnitt der Auspuffgase im Leitkranz eines Turbokompressors verändern zu können, sind zwischen den Leitschaufeln des Leitkranzes der Turbine Fenster vorgesehen. Über diese Fenster strömt radial Druckluft ein, welche einen Strömungsvorhang zwischen dem Auspuffgas und der einströmenden Luft bildet, wodurch der wirksame Strömungsquerschnitt des Auspuffgases zwischen den Leitschaufeln vermindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Strömungsquerschnitts für die Auspuffgase im Leitkranz der Turbine eines Abgasturboladers für einen Verbrennungsmotor und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Auspuffgase vom Motor durchströmen hierbei den Leitkranz der Turbine des Abgasturboladers, dessen Kompressor eine Oberladung des Verbrennungsmotors bewirkt, bei welchem es sich bevorzugt um einen Diselmotor handelt.
Es ist bekannt, daß die Leistung eines Verbrennungsmotors rasch ansteigt, wenn der Motor geladen wird. Moderne Abgasturbolader bzw. Turbokompressoren weisen eine Drucksteigerung von 4,5—5 auf, wodurch der mittlere effektive Druck des Motors auf etwa 25 bar ansteigt. Werden zwei Turbokompressoren in Serie verwendet, ist es sogar möglich, einen mittleren effektiven Druck von 33 bar oder mehr zu erhalten.
Bei den Turbokompressoren ist es jedoch nachteilig, daß sie für einen Betrieb nahe dem Nominalpunkt ausgelegt sind, d.h. für einen Betrieb bei einer Maximalleistung des Motors. Bei einer geringen Ladung des Motors ist der Betrieb des Turbokompressors unwirtschaftlich.
In diesem Zusammenhang sind prinzipiell Probleme vorhanden:
Die im Auspuffgas enthaltene Energie, die den Betrieb der Turbine bewirkt, hängt ab vom Produkt der Durchflußleistung multipliziert mit der Temperatur, d. h. von der Leistung des Motors. E»ie:.er Druck sollte jedoch proportional zum Motordrehmoment sein, damit der Motor nahezu mit konstantem Luftüberschuß funktioniert.
Da der Motor mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben wird, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, ist das bei niederen Drehzahlen zur Verfügung stehende Drehmoment ziemlich gering, und liegt außerhalb des Verhältnisses bei Nennleistung des Motors.
Bei einem Motor mit einem mittleren Effektivdruck von beispielsweise 25 bar ist es ohne Kunstgriffe unmöglich, die Schraube eines stehenden Bootes anzukuppeln, ohne daß der Motor auf höhere Drehzahlen gebracht wird, wo die Leistung entsprechend hoch ist.
Die Turbine eines Turbokompressors weist einen Leitkranz für die Auspuffgase auf. der aus der aus feststehenden Leitschaufeln besteht. Diese Leitschaufeln leiten die Auspuffgase in Richtung auf die Leitschaufeln des Rotors der Turbine. Der Kompressor des Turbokompressors besteht im wesentlichen aus einem mit Schaufeln versehenen Rotor, der über eine Welle mit der Turbine verbunden ist, und einem Druckraum für die Ladeluft.
Um die vorerwähnten Nachteile zu beseitigen, ist es erforderlich, die Dimensionen des Turbokompressors (im Leitkranz und im Druckraum) an die Betriebsparameter des Motors anzupassen, insbesondere an das vom Motor abgegebene Drehmoment.
Hierfür werden folgende Maßnahmen vorgeschlagen und angewendet:
Bei einer geringen Ladung des Motors wird nur ein Teil des Leitkranzes mit Auspuffgas beaufschlagt Dies führt jedoch zu einem Verlust Es ist weiterhin möglich, mehrere Turbokompressoren parallel geschaltet zu verwenden. Ein Viertel oder die Hälfte von ihnen werden lediglich bei geringen Ladungen verwendet Dies erfordert jedoch eine komplizierte Ventilsteuerung, um einen Synchronlauf zu erhalten. Es ist weiterhin möglich, einen Turbokompressor zu verwenden, dessen Geometrie mechanisch veränderbar ist Die Leitschaufeln und evtl. der Druckraum des Kompressors sind veränderbar ausgebildet jedoch sind derartige Turbokompressoren mechanisch kompliziert aufgebaut
Diese verschiedenen Lösungen laufen im wesentlichen darauf hinaus, die Querschnittsfläche des Strömungsquerschnitts der Auspuffgase im Leitkranz bei einer geringen Ladung des Motors zu verringern, jedoch handelt es sich hierbei stets um mechanisch komplizierte und teure Lösungen.
Es besteht die Aufgabe, das eingangs genannte Verfahren und den Abgasturbolader so zu verbessern, daß der Strömungsquerschnitt für die Auspuffgase im Leitkranz der Turbine auf einfache Weise ohne mechanische Mittel veränderbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei einem Turbokompressor nach Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird der Strömungsquerschnitt der Auspuffgase im Leitkranz mittels Luftstrahlen verändert Hierfür sind keinerlei mechanische Teile erforderlich.
Das zwischen zwei Leitschaufeln hindurchströmende Auspuffgas trifft auf einen im wesentlichen dazu rechtwinklig einströmenden Druckluftstrahl, der bewirkt, daß der Strömungsquerschnitt der Auspuffgase eingeschnürt wird. Die einströmende Druckluft bewirkt hierbei eine Suömungsgrenze zwischen der Druckluft und dem Abgas.
Das Einströmen der Druckluft wird bew-rkt über Fenster zwischen benachbarten Leitschaufeln, welche im wesentlichen rechtwinklig zum Strömungskanal zwischen den Leitschaufeln angeordnet sind. Diese Fenster stehen in Verbindung mit einei Druckluftquelle. Damit sich ein Strömungsvorhang zwischen der Luft und dem Auspuffgas bildet, ist es nicht erforderlich, daß große Luftmengen einströmen oder der Druck der Druckluft sehr hoch ist. Es genügt eine äußere Druckluftquelle. Vorzugsweise wird jedoch diese Druckluft abgegriffen vom Kompressor des Turbokompressors. Hierbei werden die Wirkungen kombiniert und sogar überraschende Wirkungen erzielt, welche sich ergeben einerseits durch die Verminderung des Strömungsquerschnitts im Leitkranz und andererseits durch das Ableiten eines Tei's der L?deluft zur Turbine des Turbokompressors.
Es ist bekannt, einen Teil der Ladeluft vom Kompressor zur Turbine abzuleiten (GB-OS 20 36 185). Diese abgeleitete Druckluft wird direkt zum Turbineneinlaß geführt und kann zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln der Turbine eingeführt werden. Da dies jedoch nur an einer Stelle des Leitschaufelkranzes erfolgt, kann von einer beabsichtigten Verminderung des Strömungsquerschnitts für die Auspuffgase nicht eesorochen werden. Di-.: Menge der abgeleiteten Druckluft ist steuerbar in Abhängigkeit bestimmter Parameter des Motors. Von der gesamten Durchflußleistung können etwa 0 bis 50% abgeleitet werden.
Die hierduich sich ergebende Wirkung besteht vielmehr darin, daß bei geöffnetem Bypass eine relativ große Gasmenge bei mäßiger Temperatur infolge der
Vermischung von Luft und Auspuffgas der Turbine zugeführt wird. Falls man die über den Bypass
zugeführte Luftmenge erhöht wird dOhierdurch die auf die Turbine wirkende Energie erhöht und damit die dem Kompressor zugeführte Leistung, dessen Druck steigt
Von einer bestimmten über den Bypass zugeführten Luftmenge bewirkt jedoch die Temperaturverminderung, daß die der Turbine zugeführte Energie sich vermindert Es besteht demnach ein Optimum. Üblicherweise wird der Bypass so ausgelegt daß er bei einer Nominalladung des Motors geschlossen ist und voll geöffnet ist bei 35% der Nominalladung. Hieraus ergibt sich, daß bei geringen Motorladungen die über den Bypass zugeführte Luftmenge am größten ist
Falls man die über den Bypass zugeführte Luft dazu verwendet, den Strömungsquerschnitt ^<:r Auspuffgase im Leitkranz zu vermindern, werden hierdurch zwei Effekte erhalten, die zu einer Erhöhung des Ladedrucks führen. Einmal bewirkt die über den Bypass zugeführte Luft eine Druckerhöhung der Ladeluft, eine weitere Erhöhung wird zu dem durch die Verminderung des vorgenannten Strömungsquerschnitt erreicht
Um einen Leistungsabfall infolge eines Temperaturabfalls des dem Kompressor zugefühnen Gases zu verhindern, kann eine Verbrennungskammer vor der Turbine angeordnet sein, welche das Luft-Auspuffgasgemisch aufheizt
In jedem Fall ist in der Bypassleitung ein Ventil angeordnet, über welches die der Turbine zugeführte Luftmenge einstellbar ist
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch die obere Hälfte eines Turbokompressors, welcher an einen Verbrennungsmotor angeschlossen ist;
F i f 2 einen Schnitt durch den Leitkranz der Turbine des Turbokompressors längs der Linie H-II in Fig. 1:
F i g. 3 eine Ansicht auf einen Teil des abgewickelten ■»5 Leitkranzes;
F i g. 4 eine schematische Darstellung der An des Einschnüren des Auspuffgasstromes /wischen zwei Leitschaufeln:
Fig. 5 einen Teilschnitt durch die Turbine des Turbokompressors und
F i g. 6, 7 und 8 drei verschiedene Kombinationen der Systeme zur Einsteilung des Strömungsquerschnitts andererseits und zum Ableiten eines Teils der Ladeluft vom Kompressor zur Turbine.
In Fig. I ist schematisch ein Turbokompressor 2 dargestellt, welcher Luft unter Überschuß einem Dieselmotor 4 zuführt. Bei diesem Dieselmotor ist schematisch lediglich die Ansaugleitung 6 und die Auspuffleitung 8 dargestellt.
Die Turbine 10 w. ist wie üblich einen Auspuffgasverteiler 12 auf. welcher aus einer ringförmigen Anordnung von Leitschaufeln 14 besteht, welche das Auspuffgas gegen die Flügel 16 des Rotors 18 der Tu'bine lenken. Das vom Auspuffrohr 8 anströmende Auspuffgas tritt am Turbineneintritt 20 in die Turbine ein und tritt, nachdem es in der Turbine geleitet hat, über den Auslaßkranz 22 gegen Atmosphäre aus.
Der Rotor 18 der Turbine ist auf einer Welle 24
angeordnet, auf welcher weiterhin angeordnet ist der Rotor 26 des Kompressors 27. Dieser Rotot 26 trägt Flügel 28. Atmosphärenluft 30 oder bereits vorverdichtctc Luft bei einem mehrstufigen Kompressor wird über die Einlaßöffnung 32 angesaugt, verdichtet und über den Auslaßkran/ 34 und den Auslaß 36 des Kompressors als Überschußluft zum Einlaß 6 des Motors gefördert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Luftansaugöffnungen bzw. -fenster 38 am Umfang 39 des Verteilers 12 vorgesehen. Diese Fenster oder öffnungen befinden sich zwischen den feststehenden Leitschaiifeln 14 und verlaufen im wesenrlichen radial bzw. rechtwinklig /u den Auspulfgasdurehlässen, welche zwischen den Lei !schaufeln 14 gebildet werden, wie dies die F-" i g. 2 und 3 zeigen. ΐί
Diese Fenster 38 sind außerhalb des Verteilers 12 mit einer Luftverteilerleitung 40 verbunden, welche ihrerseits in Verb!nduna steht rnit einer \ iiftrlnirknuellp 42. wobei zwischen der Leitung 40 und der Luftdruckquelle 42 ein Luftregelventil 41 angeordnet ist.
Die Wirkung dieser Zusatzluft auf das Auspuffgas ist in F i g. 4 dargestellt. Die Pfeile 44 stellen den Weg des Auspuffgases zwischen zwei Leitschaufeln 14 des Verteilers 12 dar. Der Pfeil 46 verdeutlicht den über das Fenster 38 angesaugten Luftstrahl. Die Linie 48 verdeutlicht den .Strömungsvorhang 48, welcher eine Einschnürung der Auspuffgase bewirkt, welche mit 44' dargestellt sind.
Die Fenster oder Öffnungen 38 können im wesentlichen rechtwinklig zum Strömungskanal ausgerichtet )o sein oder können zu diesem Strömungskanal geneigt angeordnet sein, beispielsweise unter einem Winkel von 30 . in Stromungsrichtung oder entgegen der Strömungsrichtung im Durchlaß gesehen. Wie aus den F i g. 2 und 3 entnehmbar ist, ist ein Fenster 38 zwischen J5 jeweils zwei Leitschaufel 14 vorgesehen. Die Fenster münden in das Innere des Verteilers 14 beispielsweise in der Nähe des von zwei Leitschaufeln gebildeten Düsenhalses in einer im wesentlichen radialen Richtung.
Wie am deutlichsten der F i g. 5 entnehmbar ist. sind -to die Fenster 38 angeordnet im äußeren Befestigungsring 39 für die Leitschaufel des Verteilers 12. Sie stehen mit einem Luftverteilerkanal in Verbindung, welcher gebildet wird durch eine Ringnut 50 im äußeren Turbinengehäuse 52. Eine Querbohrung 54 im Gehäuse 52 dient zum Anschluß der Ringnut 50 mit der Luftspeiseleitung 40.
Es ist auch möglich, anstelle der Fenster 38 im äußeren Ring 39 des Verteilers 12 Fenster 38' am inneren Befestigmgsring 39' des Verteilers 12 vorzusehen. Weiterhin ist es möglich. Fenster 38,38' sowohl im äußeren Befestigungsring 39 als auch im inneren Befestigungsring 39' vorzusehen, wie dies in Fig.5 dargestellt ist.
Die Fenster 33' stehen in Verbindung mit einer Ringnu; 50'. weiche ihrerseits mit der zur Luftdruckquelle 42 in Verbindung stehenden Leitung 40 verbunden ist über eine Leitung 54'. welche im Zentralteil 52' der Turbine angeordnet ist.
Wie aus der F i g. 1 entnehmbar ist. stehen die Fenster 38 undoder 3i!'. über welche Luft unter Druck eingespeist wird, in Verbindung mit einer äußeren Luftquelle 42.
In einem solchen Fall ist die Arbeitsweise der Vorrichtung recht einfach. Arbeitet der Motor mit voller Ladung, dann ist das Ventil 41 geschlossen und die Turbine arbeitet normal, wobei der gesamte Strömungsauerschnitt zwischen den Leitschaufeln vom Auspuffgas durchströmt wird, so daß die Turbine ihre Nominalleistung aufweist. Bei einer geringen Ladung des Motors wird das Ventil 41 mehr und mehr geöffnet, wodurch der vom Auspuffgas durchströmte Querschnitt infolge des über die Fenster eintretenden Luftstrahls vermindert wird. Es ist hierbei möglich, eine Verminderung des Strömungsquerschnittes von etwa 50% zu erhalten, was ermöglicht, daß eine ausreichende Überladung des Motors in allen Betriebsbereichen sich einstellt. Das Ventil 41 kann hierbei durch einen Servomechanismus automatisch gesteuert werden, wobei der Servomechanismus seinerseits gesteuert wird von den Arbeitsparametern des Motors.
Eine weit vorteilhaftere Lösung für den vorliegenden Turbokompressor besteht darin, das System der Verminderung des Strömungsquerschnitts des die Turbinenschaufel^ beaufschlagenden Abgasstromes zu kombinieren mit einem Bypass-System des Kompressorteils des Turbokompressors, was ermöglicht, die Vorteile beider Systeme zu erhöhen.
Verschiedene Möglichkeiten einer solchen Kombination sind schematisch in den F i g. 6. 7 und 8 dargestellt, wo lediglich die Frischluft- und die Abgaskreise dargestellt sind.
Bei den Figuren umfaßt der Turbokompressor schematisch die Turbine 10 mit ihrem Abgaseintritt 20 und mit :hrem Austritt 22 und den Kompressor 27 mit seiner Ansaugöffnung 32 und seinem Ausgang 36, welcher komprimierte Luft führt. Die Fenster 38, über welche Luft eingeblasen wird und welche zwischen den feststehenden Leitschaufeln der Turbine angeordnet sind, werden gespeist durch eine Leitung 40, deren Querschnitt gesteuert wird durch das Ventil 41. Weiterhin ist in den Zeichnungen dargestellt der Motor 4 mit seiner Ansaugöffnung 6, über welche Luft in den Motor eingedrückt wird und seiner Auspuffleitung 8.
Gemäß der Ausführungsform nach F i g. b wird die Leitung 40 gespeist mit Druckluft über eine Nebenleitung 56. welche an die Lufteinlaßleitung des Motors angeschlossen ist. d. h. an die Leitung 6 zwischen dem Kompressorausgang 36 und dem Lufteintritt des Motors. Ein Teil der Ladeluft dient auf diese Weise zur Speisung der Blasfenster 38 der Turbine. Die Größe dieses Luftstromes wird gesteuert durch mehr oder weniger starkes öffnen des Ventils 41.
Entsprechend der Öffnung des Ventils 41 kann der Luftabgriff zwischen 0 und etwa 50% der Gesamtströmungsmenge der Luft betragen. Bei einer geringen Motorladung, d. h. wenn das Ventil 41 ganz geöffnet ist. vermindern die über die Fenster 38 einströme iden Luftströme den vom Auspuffgas eingenommenen Querschnitt. Gleichzeitig wird infolge der über die Fenster zuströmenden Luft der Turbine eine sehr große Gasmenge zugeführt bei einer relativ niedrigen Temperatur infolge der Mischung der Gase. Diese beiden Effekte kumulieren sich und erhöhen die Energie der Turbine und damit auch diejenige des Kompressors. Mit anderen Worten, es findet also eine Erhöhung des Überladedrucks statt Gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt also die abgeleitete Luft in zwei Richtungen eine Erhöhung des Überladedrucks.
Für eine volle Ladung des Motors ist das Ventil 41 völlig geschlossen. Es ist vollständig geöffnet bei etwa 35%iger Ladung. Die Zwischenstellungen des Ventils 41 hängen vom jeweiligen Ladezustand ab.
Eine weitere Ausführungsform ist in F i g. 7 gezeigt Sie entspricht derjenigen nach F i g. 6. jedoch ist eine zweite Nebenleitung 58 vorgesehen und zwar zwischen
der Leitung 40. über welche Druckluft den Fenstern 38 zugeführt wird, und dem Einlaß 20. über den Abgas der Turbine 10 zugeführt svird. Auf diese Weise wird ein Teil der abgeleiteten Uideluft mit dem Abgas vermischt, wodurch sich die Energie der Turbine erhöht. Diese Ausführungsforni kann vorteilhaft sein falls der Querschnitt der Fenster 38 nicht ausreichend ist. daß dort d.v gesamte abgeleitete Ladeluft auszutreten vermag. Eiei dieser Ausführungsform kann ein nicht dargestelltes Ventil in der Leitung 58 vorgesehen sein, um clic l.uftanteile. die einerseits zu den Fenstern 38 und
Einlaß 20 gelangen, dosieren zu
andererseits zum
können.
Die Ausführungsform nach F- i g. 8 entspricht derjenigen nach Fig. 7 jedoch ist vor dem Turbineneinlaß 20 eine Verbrennungskammer 60 angeordnet, welche eine Erhitzung des Abgas-Luftgemisches in der Leitung 8 bewirkt. Die Luft wurde hierbei über die zweite Leitung 58 der Abgasleitung zugeführt. Hierdurch wird die Arbeitsweise der Turbine bei einer geringen Ladung des Motors verbessert.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verminderung des Strömungsquerschnitts für die Auspuffgase im Leitkranz der Turbine eines Abgasturboladers für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Luftstrahl unter Druck zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln im wesentlichen radial einströmt, hierbei gegen das Auspuffgas strömt und zwischen Luft und Auspuffgas eine Grenzfläche sich bildet, die den Sirömungsquerschnitt des gegen die Laufschaufeln der Turbine strömenden Auspuffgases vermindert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft für die Luftstrahlen von einer is externen Druckluftquelle erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft für die Luftstrahlen vom Kompressor des Turbokompressors abgeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Luftstrahlen zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors, insbesondere von seiner Ladung geregelt wird.
5. Turbokompressor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ann Umfang des Leitkranzes (12) zwischen den Leitschaufeln (14) Fenster oder öffnungen (38) angeordnet sind, über die Druckluft im wesentlichen radial in den Strömungskanal vor das Auspuff^ -s zwischen benachbarten Leitschaufeln (14) einströmt, und diese fenster (38) mit einer Leitung (40) verbunden sind, welche an eine Druckluftquelle angeschlossen ■« ■
6. Turbokompressor nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (40) zwischen der Druckluftquelle und den Fenstern (38) ein die Luftdurchtrittsmenge steuerndes Steuerorgan (41) angeordnet ist.
7. Turbokompressor nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (38) jeweils in Nähe des von zwei benachbarten Leitschaufeln (K) gebildeten Düsenhalses angeordnet sind.
8. Turbokompressor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (38) am inneren und/oder äußeren Haltering (39, 39') des Leitkranzes (12) angeordnet sind.
9. Turbokompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (38) in eine ringförmige Nut (50) des den Leitkranz (12) haltenden Gehäuses (52,52') münden.
10. Turbokompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (38) im wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung des zwischen zwei Leitschaufeln (14) strömenden Gases angeordnet sind.
11. Turbokompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftquelle eine externe Druckluftquelle (42 ist.
12. Turbokompressor nach einem der Anspriiehe 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckliiftquelle der Ausgang des von der Turbine (10) angetriebenen Kompressors (27) ist.
13. Turbokomprcssor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß vom Ausgang (36) des Kornpressen s (27) eine Leitung (56, 40) zu den Fenstern (38) führt, in welche ein die Luftdurchflußmenge steuernden Organ (41) geschaltet ist.
14. Turbokompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das DurchfluOmengenregelorgan (41) durch einen Servomechanismus gesteuert wird, der seinerseits durch Betriebsparameter des Motors, insbesondere dessen Ladung gesteuert wird.
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