DE3821688A1 - Spark electrodes (ignition electrodes) in a spark plug with a front chamber - Google Patents

Spark electrodes (ignition electrodes) in a spark plug with a front chamber

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Abstract

A method and 2 different devices are proposed for constructing spark electrodes in a spark plug (1) with a front chamber (3) as well as a narrowed lower sub-chamber (4) with a flow behaviour in the form of eddies, by means of which the erosive and corrosive wear of the spark electrodes (7) and (8) is counteracted by the particularly economical use of noble-metal wires composed of metals or metal alloys from the platinum group and, in addition, the resistance to corrosive and erosive removal of the material of the spark electrodes (7) and (8) increases progressively with the life. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer von Zündelektroden in Zündkerzen mit Vorkammer. Derartige Zündkerzen werden zur besseren Entflammung magerer Kraftstoff/Luftgemische verwendet. Besonders günstig wirkt sich ein wirbelförmiger Strömungsverlauf in der Vorkammer aus. Derartige Einrichtungen werden in verschiedenen Patentschriften u.a. in US 21 27 512 und DE 29 16 285 beschrieben.The invention relates to a device for increasing the Life of ignition electrodes in spark plugs with prechamber. Such spark plugs become leaner for better ignition Fuel / air mixtures used. Works particularly cheap a vortex-shaped flow in the antechamber. Such facilities are used in different Patents and others in US 21 27 512 and DE 29 16 285 described.

Die in DE 29 16 285 gezeigte Anordnung mit dünner stiftförmiger Mittelelektrode, die zur zylindrischen Wand eine Funkenstrecke bildet, hat den Nachteil, daß die dünne Elektrode vergleichsweise schnell verschleißt, wodurch die teure Gesamtanordnung einen zu geringen Gebrauchsnutzen aufweist. Zudem ergibt sich durch die Zündung zur zylindrischen Wand ein Löscheffekt der Wände, der die Ausbildung einer vom Zündfunken ausgehenden Flammenfront stört.The arrangement shown in DE 29 16 285 with thinner pin-shaped center electrode, a to the cylindrical wall Spark gap has the disadvantage that the thin Electrode wears out comparatively quickly, causing the expensive overall arrangement too little use having. In addition, the ignition results in cylindrical wall an extinguishing effect of the walls that the Formation of a flame front emanating from the ignition spark disturbs.

Um dieses zu vermeiden, wurde in DE 31 48 296 eine stiftförmige Masseelektrode in der zylindrischen Wand angeordnet. Dadurch ist aber keinesfalls der Verschleiß durch die erosive Wirkung des Zündfunkens vermindert.To avoid this, DE 31 48 296 a pin-shaped ground electrode in the cylindrical wall arranged. However, this is by no means the wear through reduces the erosive effect of the ignition spark.

Eine wesentliche Verringerung der Verschleißvorgänge läßt sich durch die Verwendung hochwarmfester, korrosions- und erosionsfester metallischer Werkstoffe insbesondere solcher der Platingruppe erreichen.A significant reduction in the wear processes can be through the use of high-temperature, corrosion and erosion-resistant metallic materials, especially those reach the platinum group.

Um die Materialkosten zu vermindern, wurde deshalb vielfach bei konventionellen Zündkerzen vorgeschlagen, nur die Spitzen der Elektroden aus Edelmetall herzustellen (vergl. z.B. DE 22 24 270, DE 22 56 823 sowie DE 25 20 622) oder Edelmetallelektroden mit Ummantelungen aus Nickel zu verwenden (vergl. z.B. DE 26 14 274, DE 36 05 300).In order to reduce the material costs, it was therefore used many times proposed with conventional spark plugs, only the tips the electrodes are made of precious metal (see e.g. DE 22 24 270, DE 22 56 823 and DE 25 20 622) or Use precious metal electrodes with nickel sheaths (see e.g. DE 26 14 274, DE 36 05 300).

Diese für konventionelle Zündkerzen vorgeschlagenen Lösungen wurden zur Entflammung des Gemisches innerhalb des Hauptbrennraumes entwickelt. These proposed solutions for conventional spark plugs were used to ignite the mixture within the Main combustion chamber developed.  

Da innerhalb dieses Brennraumes an den Zündelektroden konventioneller Zündkerzen keine geordneten Verhältnisse bezüglich der Gemischanströmung und des Entflammungsvorganges bestehen, werden dort i.a. symmetrische Lösungen, d.h. zylindrische Mittelelektroden verwendet. Diese Lösungen geben keine Anregungen zur Verbesserung der Lebensdauer von Zündelektroden in einer Vorkammer mit wirbelförmigem Strömungsverlauf, die sich durch einen geordneten und reproduzierbaren Entflammungsvorgang auszeichnet.Because within this combustion chamber at the ignition electrodes conventional spark plugs no orderly relationships with regard to the mixture inflow and the ignition process exist, i.a. symmetrical solutions, i.e. cylindrical center electrodes used. Give these solutions no suggestions to improve the lifespan of Ignition electrodes in an antechamber with vortex-shaped Flow pattern, which is ordered and reproducible ignition process.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des korrosiven und erosiven Verschleißes beider Zündelektroden (Masse- und Mittelelektrode) in einer Zündkerzenvorkammer, insbesondere einer solchen mit wirbelförmigem Strömungsverlauf zu vermindern.The invention is therefore based on the object Disadvantages of both corrosive and erosive wear Ignition electrodes (ground and center electrodes) in one Spark plug prechamber, especially one with to reduce vortex-shaped flow.

Dabei soll der Einsatz von teuren Edelmetallen aus Kostengründen gering gehalten werden und durch die Art der Anordnung die unvermeidbare verschleißbedingte Zunahme des Elektrodenabstandes mit fortschreitender Lebensdauer degressiv erfolgen.Here, the use of expensive precious metals Cost reasons are kept low and by the type of Arrangement the inevitable wear-related increase in Electrode spacing is degressive with advancing service life respectively.

Zusätzlich soll die Anordnung derart ausgeführt werden, daß die Löschwirkung umgebender Wände auf den Zündfunken und den sich in seinem Bereich entwickelnden Flammenkern gering ist.In addition, the arrangement should be carried out such that the extinguishing effect of surrounding walls on the spark and the developing in its area developing flame core is small.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Korrosion und Erosion der Zündelektroden durch den Einsatz von dünnen Edelmetalldrähten, vorzugsweise aus Metallen oder Metallegierungen der Platingruppe bestehend, entgegengewirkt wird.The object is achieved in that the Corrosion and erosion of the ignition electrodes through the use of thin precious metal wires, preferably made of metals or Platinum group metal alloys, counteracted becomes.

Zur Verringerung der Löschwirkung wird eine von der Zylinderwand in die Vorkammer radial hineinragende vergleichsweise dicke Masseelektrode verwendet, die an ihrem Ende den besonders verschleißfesten Edelmetallwerkstoff, vorzugsweise aus einem Metall der Platingruppe oder dessen Legierung bestehend, in Form eines dünnen Drahtes trägt, auf den von der Mittelelektrode ausgehend ein dünner Stift aus ebenfalls vorzugsweise aus einem Metall der Platingruppe oder dessen Legierung bestehend ausgerichtet ist. Auf diese Weise bildet sich die Funkenstrecke zwischen den Edelmetalldrähten aus, die wegen ihres geringen Durchmessers nur eine geringe Löschwirkung auf den Flammenkern bewirken.To reduce the extinguishing effect, one of the Cylinder wall protruding radially into the antechamber comparatively thick ground electrode used on her End of the particularly wear-resistant precious metal material, preferably from a metal of the platinum group or its Alloy consisting of a thin wire starting from the center electrode with a thin pin likewise preferably from a metal of the platinum group or whose alloy is aligned. In this way the spark gap is formed between the precious metal wires from which due to their small diameter only a small one Extinguish the flame core.

Die Masseelektrode trägt an ihrem freien Ende eine über den Querschnitt im wesentlichen quer durch die Achse verlaufende Nut, in die der genannte Draht eingelegt und am Umfang der Masseelektrode mit dieser verschweißt wird. The ground electrode carries one at its free end Cross-section essentially transverse to the axis Groove into which the wire mentioned is inserted and on the circumference of the Earth electrode is welded to it.  

Die Nutabmessungen werden so gewählt, daß vorzugsweise der halbe Querschnitt des Platindrahts über die Endfläche der Masseelektrode hervorsteht.The groove dimensions are chosen so that preferably the half cross section of the platinum wire over the end face of the Earth electrode protrudes.

Die geometrische Ausrichtung des Einlegedrahtes ist dann besonders strömungsgünstig, wenn seine Achse in Richtung der Stromlinien d.h. im wesentlichen tangential zu den horizontal verlaufenden schraubenförmigen Stromlinien, der Vorkammer verläuft. Aber auch ein vertikaler Verlauf des Einlegedrahtes ist möglich.The geometric orientation of the insert wire is then particularly streamlined if its axis is in the direction of the Streamlines i.e. essentially tangent to the horizontal trending helical streamlines, the prechamber runs. But also a vertical course of the insert wire is possible.

Beim dünnen Edelmetallstift der Mittelelektrode kann zur besonders günstigen Ausgestaltung am freien Ende eine Kugel aus dem Grundmaterial angeschmolzen werden, wodurch sich auf kostengünstigem Wege Edelmetallvolumen zur Lebensdauersteigerung anhäufen läßt.The thin precious metal pin of the center electrode can be used particularly favorable design at the free end of a ball be melted from the base material, causing itself to inexpensive way to volume precious metals Accumulates lifespan increase.

Ebenso ist es möglich, den Stift der Mittelelektrode abzuwinkeln und im wesentlichen parallel im Elektrodenabstand zum Einlegedraht der Masseelektrode verlaufen zu lassen.It is also possible to pin the center electrode bend and essentially parallel in the electrode spacing to run to the insertion wire of the ground electrode.

Um eine definierte Lokalisierung des Zündfunkens zu erreichen wird vorzugsweise das freie Ende des Edelmetallstiftes der Mittelelektrode unter einem kleinen Winkel gegenüber dem Einlegedraht geneigt angeordnet, so daß der geringste Elektrodenabstand am Ende der Edelmetalldrähte entsteht. Bei dieser Art der Anordnung wird besonders viel Edelmetallvolumen den Verschleißvorgängen zur Verfügung gestellt.In order to achieve a defined localization of the ignition spark is preferably the free end of the precious metal pin Center electrode at a small angle to that Insert wire inclined so that the least Electrode spacing arises at the end of the precious metal wires. At This type of arrangement is particularly precious volume made available to the wear processes.

Durch die Ausführung der Elektrodenoberflächen als konvexe Flächen führt die Erosion des Zündfunkens mit zunehmender Betriebszeit zu einer Abplattung durch Materialabtragung.By designing the electrode surfaces as convex Spark erosion leads to increasing erosion Operating time for flattening through material removal.

Dabei nimmt zwar der Elektrodenabstand zu, gleichzeitig wird jedoch die sich gegenüberliegende Elektrodenfläche vergrößert. Damit wird die Erosion des Funkens mit zunehmender Betriebszeit progressiv ansteigend auf mehr Elektrodenfläche verteilt und die Vergrößerung des Elektrodenabstandes verzögert. Wegen des sich vergrößernden Elektrodenabstandes wirkt sich in vorteilhafter Weise die Vergrößerung der Elektrodenfläche nicht nachteilig auf die Entflammung aus.The electrode gap increases, but at the same time however, the opposite electrode area increases. So the erosion of the spark increases with Operating time increases progressively on more electrode area distributed and the increase in electrode spacing delayed. Because of the increasing electrode gap has an advantageous effect of increasing the Electrode surface does not adversely affect the ignition.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin zeigtThe following are exemplary embodiments of the invention described with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 einen Querschnitt durch den unteren Teil einer Zündkerze mit Vorkammer und allgemeiner Elektrodenanordnung, Fig. 1 shows a cross section through the lower part of a spark plug with a pre-chamber and general electrode arrangement,

Fig. 2A einen Querschnitt durch die Elektrodenanordnung in einer ersten Ausführungsform, Fig. 2A is a cross section through the electrode assembly in a first embodiment;

Fig. 2B den Schnitt I/II gemäß Fig. 1 der Elektrodenanordnung in der ersten Ausführungsform, FIG. 2B, the interface I / II of FIG. 1 of the electrode assembly in the first embodiment,

Fig. 3A einen Querschnitt durch die Elektrodenanordnung in einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3A is a cross section through the electrode assembly in a second embodiment,

Fig. 3B den Schnitt I/II gemäß Fig. 1 der Elektrodenanordnung in der zweiten Ausführungsform. Fig. 3B shows the section I / II of FIG. 1 of the electrode assembly in the second embodiment.

Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte untere Teil einer Vorkammerzündkerze (1) ist in die Wand (2) des Zylinderkopfes eines Ottomotors eingeschraubt dargestellt.The lower part of a prechamber spark plug ( 1 ) shown in longitudinal section in FIG. 1 is shown screwed into the wall ( 2 ) of the cylinder head of a gasoline engine.

Die Vorkammerzündkerze enthält eine zylindrische Kammer (3), die im Bereich der Stirnseite (4) verengt ist. Im Bereich der Stirnseite sind mehrere tangentiale Einlaßbohrungen (5) angeordnet, über die während des Kompressionstaktes des Ottomotors das frische Gemisch in die untere Teilkammer (4) eindringt und dort eine Drehströmung erzeugt, mit der das Gemisch schraubenlinienförmig in die obere zylindrische Teilkammer (3) einströmt. Die Zündstelle befindet sich vorzugsweise in der Verlängerung der unteren Teilkammer bei (6) zwischen der stiftförmigen Masseelektrode (7) und dem Stift (8) der Mittelelektrode (9) .The prechamber spark plug contains a cylindrical chamber ( 3 ) which is narrowed in the area of the end face ( 4 ). A number of tangential inlet bores ( 5 ) are arranged in the area of the end face, through which the fresh mixture penetrates into the lower part chamber ( 4 ) during the compression stroke of the gasoline engine and generates a rotary flow there with which the mixture forms a helical shape in the upper cylindrical part chamber ( 3 ). flows in. The ignition point is preferably located in the extension of the lower partial chamber at ( 6 ) between the pin-shaped ground electrode ( 7 ) and the pin ( 8 ) of the center electrode ( 9 ).

Die erste Ausführungsform zeigt in der Schnittdarstellung von Fig. 2A den an die Mittelelektrode (9) angeschweißten Edelmetallstift (8) mit dem zur Kugel aufgeschmolzenen Ende (10). In die Masseelektrode (7) ist in einer Nut (11) ein dünner Edelmetalldraht (12) eingelegt.The first embodiment shows in the sectional view of Fig. 2A the welded to the central electrode (9) noble metal pin (8) with the molten ball on the end (10). A thin noble metal wire ( 12 ) is inserted into the ground electrode ( 7 ) in a groove ( 11 ).

In der Schnittdarstellung entlang der Linie I/II von Fig. 1, die in Fig. 2B gezeigt wird, ist die Befestigung des Einlegedrahts (12) durch Verschweißung (13) am Umfang der Masseelektrode gezeigt. Der Zündfunke (15) springt zwischen den Edelmetalldrähten (10) und (12) der Zündelektroden (7) und (9) wie dargestellt über.In the sectional view along the line I / II of Fig. 1, which is shown in Fig. 2B, the attachment of the insert wire ( 12 ) by welding ( 13 ) on the circumference of the ground electrode is shown. The ignition spark ( 15 ) jumps between the noble metal wires ( 10 ) and ( 12 ) of the ignition electrodes ( 7 ) and ( 9 ) as shown.

Eine zweite Ausführungsform ist im Längsschnitt in Fig. 3A dargestellt. Der Aufbau der Masseelektrode (7) mit eingelegtem Platindraht (12) gleicht dem von Fig. 2A. Der Edelmetallstift (8) der Mittelelektrode (9) ist an seinem freien Ende (14) abgewinkelt und fluchtend zum Einlegedraht (12) angeordnet (Fig. 3B). A second embodiment is shown in longitudinal section in Fig. 3A. The structure of the ground electrode ( 7 ) with inserted platinum wire ( 12 ) is the same as that of Fig. 2A. The noble metal pin ( 8 ) of the center electrode ( 9 ) is angled at its free end ( 14 ) and aligned with the insertion wire ( 12 ) ( FIG. 3B).

Durch die Anordnung eines kleinen Winkels zwischen Einlegedraht (12) und Stiftende (14) ist der Elektrodenabstand am freien Stiftende (14) am kleinsten, so daß dort der Zündfunken (15) überspringt. Durch den Verschleißvorgang wird das Edelmetallvolumen von Stiftende (14) und Einlegedraht (12) abgetragen. Die Lebensdauer wird durch diese Maßnahmen entscheidend erhöht, wobei der Elektrodenabstand in definiertem Umfang sich innerhalb des für den störungsfreien Motorbetrieb zulässigen Toleranzbereiches verändern kann.By arranging a small angle between the insert wire ( 12 ) and the end of the pin ( 14 ), the electrode spacing at the free end of the pin ( 14 ) is the smallest, so that the ignition spark ( 15 ) jumps there. The volume of precious metal is removed from the pin end ( 14 ) and insert wire ( 12 ) by the wear process. The service life is significantly increased by these measures, whereby the electrode spacing can change to a defined extent within the tolerance range permissible for trouble-free engine operation.

Wie die Fig. 2A und 3A zeigen, ist der Einlegedraht (12) einmal horizontal und das anderemal vertikal, d.h. im wesentlichen parallel bzw. quer zu den horizontalen schraubenlinienförmigen Stromlinien der Drehströmung in der Vorkammer angeordnet. Da die Strömung sich auf Schraubenlinienbahnen an den Elektroden vorbeibewegt, wirkt die horizontale Anordnung besonders wenig störend auf das Strömungsfeld.As shown in FIGS. 2A and 3A, the insertion wire ( 12 ) is arranged once horizontally and the other vertically, ie essentially parallel or transversely to the horizontal helical streamlines of the rotary flow in the prechamber. Since the flow moves past the electrodes on helical lines, the horizontal arrangement has a particularly little disruptive effect on the flow field.

Wie in den Darstellungen von Fig. 2 zu erkennen ist, führt die Erosionswirkung des Zündfunkens zur Abplattung der konvexen Drahtoberflächen der Zündelektroden (10) und (12), so daß bei beiden Elektroden mit zunehmendem Verschleiß zunehmend größere Flächen entstehen. Dadurch wird die Erosionswirkung des Funkens auf eine mit dem Elektrodenabstand sich progressiv vergrößernde Fläche verteilt mit dem Ergebnis, daß der Elektrodenabstand sich während dieser Phase nur relativ wenig verändert. Dieser Zusammenhang ist insbesondere bei gasbetriebenen Magermotoren mit Gemischaufladung von wesentlicher Bedeutung, da hier der Zündspannungsbedarf ein Mehrfaches desjenigen normaler Motoren beträgt. Bedingt durch das hohe Zündspannungsniveau beträgt die zulässige verschleißbedingte Vergrößerung des Elektrodenabstandes nur wenige zehntel Millimeter, da bei größerem Abstand die Zündenergie durch Nebenschlußentladungen verloren geht.As can be seen in the representations of FIG. 2, the erosion effect of the ignition spark leads to the flattening of the convex wire surfaces of the ignition electrodes ( 10 ) and ( 12 ), so that with increasing wear, increasingly larger areas are created in both electrodes. As a result, the erosion effect of the spark is distributed over a surface that progressively increases with the electrode spacing, with the result that the electrode spacing changes relatively little during this phase. This relationship is particularly important in the case of gas-operated lean-burn engines with mixture charging, since the ignition voltage requirement here is a multiple of that of normal engines. Due to the high ignition voltage level, the permissible wear-related increase in the electrode spacing is only a few tenths of a millimeter, since at a greater distance the ignition energy is lost due to shunt discharges.

In beiden Ausführungsformen wird mit der Wahl des Durchmessers der Edelmetalldrähte und des konstruktiven Elektrodenabstandes festgelegt, wieweit sich der wirksame Elektrodenabstand bis zur erosiven Abtragung des gesamten Edelmetalles verändern kann.In both embodiments, the choice of diameter the precious metal wires and the constructive electrode spacing determined to what extent the effective electrode distance for erosive removal of the entire precious metal can.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer der Zündelektroden bei Zündkerzen mit Vorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Zündelektroden einen mit der Lebensdauer progressiv zunehmenden Widerstand gegen Verschleiß aufweist.1. A method for increasing the life of the ignition electrodes in spark plugs with a prechamber, characterized in that at least one of the two ignition electrodes has a resistance to wear progressively increasing with the life. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Elektroden eine mit verschleißbedingt wachsendem Elektrodenabstand zunehmende Elektrodenfläche aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that at least one of the two electrodes with one increasing electrode distance due to wear Has electrode surface. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 mit einer Zentralelektrode (9) sowie mit einem auf die Masseelektrode (7) gerichteten dünnen Stift (8) und mit einer Masseelektrode aus einem von der zylindrischen Wand radial zur Kammermitte gerichteten vergleichsweise dickeren Stift (7), dadurch gekennzeichnet, daß in eine Nut (11) der Stirnfläche der Masseelektrode (7) ein dünner Edelmetalldraht (12), bestehend vorzugsweise aus Metall oder Metallegierungen der Platingruppe, eingelegt und endseitig mit der Masseelektrode verschweißt ist (13).3. Device according to claims 1 and 2 with a central electrode ( 9 ) and with a thin pin ( 8 ) directed towards the ground electrode ( 7 ) and with a ground electrode made of a comparatively thicker pin ( 7 ) directed radially from the cylindrical wall towards the center of the chamber, characterized in that a thin noble metal wire ( 12 ), preferably consisting of metal or metal alloys of the platinum group, is inserted into a groove ( 11 ) of the end face of the ground electrode ( 7 ) and is welded to the ground electrode ( 13 ) at the end. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Zentralelektrode radial ausgehende Stift (8) durch einen dünnen Edelmetalldraht, bestehend vorzugsweise aus Metall oder Metallegierungen der Platingruppe, gebildet wird, an dessen freiem Ende eine Kugel (10) angeordnet ist, die durch Aufschmelzen des Edelmetalldrahtes erzeugt wird.4. Device according to claim 3, characterized in that the radially outgoing from the central electrode pin ( 8 ) is formed by a thin precious metal wire, preferably consisting of metal or metal alloys of the platinum group, at the free end of which a ball ( 10 ) is arranged, which is generated by melting the precious metal wire. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Zentralelektrode radial ausgehende Stift (8) aus einem dünnen Edelmetalldraht aus Metall oder Metallegierungen der Platingruppe besteht, der an seinem freien Ende (14) derart abgewinkelt wird, daß dieses annähernd parallel zu dem Einlegedraht (12) der Masseelektrode (7) verläuft.5. Device according to claim 3, characterized in that the radially outgoing from the central electrode pin ( 8 ) consists of a thin precious metal wire made of metal or metal alloys of the platinum group, which is angled at its free end ( 14 ) such that it is approximately parallel to the insertion wire ( 12 ) of the ground electrode ( 7 ). 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie annähernd parallele Ende (14) des von der Zentralelektrode ausgehenden Stiftes (8) in einem kleinen Winkel zum Einlegedraht (12) der Masseelektrode derart ausgerichtet ist, daß am freien Ende des Stiftes (14) der geringste Abstand zum Einlegedraht (12) auftritt.6. Device according to claim 5, characterized in that the free, approximately parallel end ( 14 ) of the pin emanating from the central electrode ( 8 ) is aligned at a small angle to the insertion wire ( 12 ) of the ground electrode such that at the free end of the pin ( 14 ) the smallest distance to the insert wire ( 12 ) occurs.
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