DE3922448C2 - Regeleinrichtung für das Kraftstoff-Luftverhältnis einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Regeleinrichtung für das Kraftstoff-Luftverhältnis einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für das Kraft
stoff-Luftverhältnis einer Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 (DE 32 29 763 A1).
Bei einer konventionellen Regeleinrichtung für das Kraft
stoff-Luftverhältnis gemäß der DE 32 29 763 A1 (oder der ungeprüften JP-Patent
veröffentlichung 2 04 942/1983) wird das Kraftstoff-Luftver
hältnis von einem Kraftstoff-Luftverhältnissensor auf der
Basis der Abgasbestandteile erfaßt, und das Kraftstoff-
Luftverhältnis wird entsprechend einem Integrationswert
korrigiert, der durch Integration des Ausgangssignals des
Kraftstoff-Luftverhältnissensors gewonnen wird.
Bei der konventionellen Regeleinrichtung kann der Kraft
stoff-Luftverhältnissensor aber nur zwei Arten von Werten
bestimmen, und zwar fett und mager. Infolgedessen war es bei der
Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses durch Integration
des Ausgangssignals des Kraftstoff-Luftverhältnissensors
nur möglich, um einen festen Wert pro Zeiteinheit zu er
höhen oder zu vermindern, und es war schwierig, eine aus
reichende Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses zu
erzielen, so daß ein hinreichend konvergenter Wert nur
gewonnen werden konnte, wenn ein zu erfassender Ausgangs
wert relativ lang in einem Betriebsbereich vorliegt, wobei
dann der Korrekturkoeffizient groß ist; es war somit
schwierig, eine gute Abgasreinigung durchzuführen. Außerdem
war es notwendig, ein großes Mischungsverhältnis vorzu
sehen, um die Ausgangsleistung der Maschine zu erhöhen,
wenn sie bei hoher Drehzahl und hoher Last betrieben wird.
In diesem Betriebsbereich konnte daher keine Korrektur
information hinsichtlich des Mischungsverhältnisses gewon
nen werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Regel
einrichtung für das Kraftstoff-Luftverhältnis einer Brenn
kraftmaschine, bei welcher
die Regelung des Mischungsverhältnisses verbessert ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine
Regeleinrichtung für das Kraftstoff-Luftverhältnis einer
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbei
spiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels der
Regeleinrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
der Steuerschaltung für die Regeleinrichtung
nach der Erfindung;
Fig. 3 bis 5 Flußdiagramme, die die Betriebsweise der
Regeleinrichtung zeigen;
Fig. 6 und 7 Kennliniendiagramme zur Berechnung eines Soll-
Kraftstoff-Luftverhältnisses;
Fig. 8 eine Map, in der Korrekturkoeffizienten ge
speichert sind; und
Fig. 9 ein Diagramm mit der Spannung über dem Luft/Kraftstoff
verhältnis.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Viertakt-Ottomotor 11, der in
ein Kraftfahrzeug eingebaut ist. Verbrennungsluft wird zum
Motor 11 durch einen Luftfilter 12, ein Ansaugrohr 13 und
eine Drosselklappe 14 in dieser Reihenfolge angesaugt.
Kraftstoff wird dem Motor 11 durch Einspritzventile 15a,
15b ... zugeführt, die entsprechend der Anzahl Zylinder des
Motors 11 vorgesehen sind. Nach Verbrennung eines Gasge
mischs werden die Abgase durch einen Auspuffkrümmer 16,
eine Luftauslaßleitung 17, einen Dreiwegkatalysator 18 etc.
zur Atmosphäre abgeführt. Am Ansaugrohr 13 sind ein als
Potentiometer ausgebildeter Ansaugluftmengensensor 19, der
die dem Motor 11 zugeführte Ansaugluftmenge mißt und eine
entsprechende Analogspannung liefert, sowie ein als Ther
mistor ausgeführter Ansauglufttemperatursensor 20 ange
ordnet, der die Temperatur der dem Motor zugeführten Luft
mißt und eine dementsprechende Analogspannung (ein analoges
Meßsignal) liefert. Der Motor 11 weist einen als Thermistor
ausgeführten Kühlwassertemperatursensor 21 auf, der die
Kühlwassertemperatur mißt und eine dementsprechende Analog
spannung liefert. Der Auspuffkrümmer 16 weist einen Breit
band-Kraftstoff-Luftverhältnissensor 22 auf, der innerhalb
eines weiten Bereichs zwischen fettem und magerem Mi
schungsverhältnis ständig ein Kraftstoff-Luftverhältnis auf
der Basis der Sauerstoffkonzentration im Abgas mißt. Der
Breitband-Kraftstoff-Luftverhältnissensor 22 entspricht
z. B. demjenigen nach der JP-PS 18 659/1987, wobei aus der
Sauerstoffkonzentration der Auslaßluft ein Kraftstoff-Luft
verhältnis als Parameter erfaßt wird und ein dem erfaßten
Verhältnis entsprechender Spannungswert aus einem Diagramm
gemäß Fig. 9 ableitbar ist. Die Drehzahl der Kurbelwelle
des Motors 11 wird von einem Drehzahlsensor 23 erfaßt, so
daß dieser ein Impulssignal erzeugt, dessen Frequenz der
Drehzahl entspricht. Als Drehzahlsensor 23 kann z. B. eine
Zündspule einer Zündvorrichtung verwendet werden. In diesem
Fall kann als Drehzahlsignal ein Zündspulensignal verwendet
werden, das am primärseitigen Anschluß der Zündspule auf
tritt. Das Meßsignal jedes Sensors 19-23 wird einer Steuer
einheit 24 zugeführt, die aufgrund dieser Meßsignale eine
Einspritzmenge berechnet und den Öffnungszeitpunkt der
elektromagnetischen Einspritzventile 15a, 15b ... bestimmt;
dadurch wird die Einspritzmenge geregelt.
Fig. 2 zeigt die Einzelheiten des Aufbaus der Steuereinheit
24. Ein Mikroprozessor bzw. eine CPU 100 ermittelt die Ein
spritzmenge. Ein Umdrehungszähler 101 zählt die Anzahl
Motorumdrehungen auf der Basis des Signals vom Drehzahl
sensor 23. Der Umdrehungszähler 101 liefert synchron mit
der Umdrehung des Motors einen Unterbrechungsbefehl an
einen Unterbrechungssteuerteil 102. Wenn der Unterbre
chungssteuerteil 102 dieses Signal empfängt, liefert er ein
Unterbrechungssignal auf einem gemeinsamen Bus CB an die
CPU 100.
Ein digitaler Eingabebaustein 103 empfängt ein digitales
Signal von einem Anlaßschalter 25 zum Betätigen eines An
lassers (nicht gezeigt) und leitet das Anlaßsignal an die
CPU 100 weiter. Ein analoger Eingabebaustein 104 besteht
aus einem Analogmultiplexer und einem A-D-Umsetzer, der
jedes Signal vom Ansaugluftmengensensor 19, vom Ansaugluft
temperatursensor 20, vom Kühlwassertemperatursensor 21 und
vom Kraftstoff-Luftgemischverhältnissensor 22 in Digital
signale umwandelt, die von der CPU 100 sequentiell gelesen
werden. Ein Energieversorgungskreis 105 liefert Energie von
einer Batterie 26 direkt an einen RAM 107. In dem die Bat
terie 26 umfassenden Kreis ist ein Schlüsselschalter 27
vorgesehen. Der Energieversorgungskreis 105 ist direkt mit
der Batterie 26 ohne Zwischenschaltung des Schlüsselschal
ters 27 verbunden, so daß der RAM 107 unabhängig von der
Betätigung des Schlüsselschalters 27 stets mit Energie ver
sorgt wird. Die Batterie 26 ist mit einem weiteren Ener
gieversorgungskreis 106 durch den Schlüsselschalter 27 ver
bunden und versorgt die übrigen Komponenten mit Energie.
Der RAM 107 hat einen Zwischenspeicher, der während der
Operationen eines Programms kurzzeitig verwendet wird und
ein nichtflüchtiger Speicher ist, in dem gespeicherte
Informationen auch dann nicht gelöscht werden, wenn der
Schlüsselschalter 27 abgeschaltet wird, um den Motor anzu
halten. In einem ROM 108 sind Programme und verschiedene
Konstanten gespeichert. Es ist ein den Einspritzzeitpunkt
bestimmender Zähler 109 mit Widerständen vorgesehen, der
ein Abwärtszähler ist und ein Digitalsignal, das eine Öff
nungszeit der elektromagnetischen Einspritzventile 15a,
15b, d. h. eine von der CPU 100 berechnete Einspritzmenge,
bezeichnet, in ein Impulssignal umwandelt, das eine Impuls
dauer darstellt, die die tatsächliche Öffnungszeit der Ein
spritzventile 15a, 15b bestimmt. Ein Leistungsverstärker
abschnitt 110 dient zum Treiben der Einspritzventile 15a,
15b, . . ., und ein Zeitgeber 111 mißt den Zeitablauf und
überträgt die so gemessene Zeit an die CPU 100. Der Umdre
hungszähler 101 mißt die Motordrehzahl auf der Basis des
Ausgangssignals des Drehzahlsensors 23 z. B. bei jeder
Umdrehung des Motors und liefert jedesmal, wenn die Meßvor
gänge beendet sind, ein Unterbrechungsbefehlssignal an den
Unterbrechungssteuerteil 102. Der Unterbrechungssteuerteil
102 erzeugt ein Unterbrechungssignal auf der Basis des
Unterbrechungsbefehlssignals, so daß die CPU 100 eine Ver
arbeitungsroutine zur Berechnung der Einspritzmenge aus
führt.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm der Operationen der CPU 100.
Wenn der Schlüsselschalter 27 und der Anlaßschalter 25
betätigt werden, um den Motor 11 anzulassen, wird in
Schritt 120 ein Startbefehl gegeben, wodurch der Ablauf der
Hauptroutine ausgelöst wird.
In Schritt 121 erfolgt die Initialisierung. Dann werden in
Schritt 122 durch den analogen Eingabebaustein 104 Digital
werte entsprechend einer Kühlwassertemperatur und einer
Ansauglufttemperatur eingelesen. In Schritt 123 wird ein
Korrekturkoeffizient (eine Korrekturmenge) K1 auf der
Grundlage der eingelesenen Digitalwerte errechnet, und der
Rechenwert wird im RAM 107 gespeichert. In Schritt 124 wird
ein dem Ausgangssignal des Kraftstoff-Luftverhältnissensors
22 entsprechender Digitalwert durch den analogen Eingabe
baustein 104 eingelesen, und eine Differenz zwischen dem
eingelesenen Digitalwert und einem vorher im ROM 108 ent
sprechend einem Operationsbereich gespeicherten Soll-Kraft
stoff-Luftverhältnis wird gebildet. Die Differenz wird
einer PID-Regelung unterworfen unter Bildung eines Korrek
turkoeffizienten (einer Korrekturmenge) K2, der im RAM 107
gespeichert wird.
Fig. 4 zeigt den Ablauf von Schritt 124 im einzelnen.
Zuerst wird in Schritt 400 bestimmt, ob der Kraftstoff-
Luftverhältnissensor 22 aktiv ist. Wenn ein inaktiver Zu
stand des Sensors 22 festgestellt wird, wenn also keine
Regelung mit Rückführung durchführbar ist, wird Schritt 406
ausgeführt, in dem der Korrekturkoeffizient K2 zu 1 gemacht
wird. Dann folgt als nächstes Schritt 405. Wenn dagegen die
Regelung mit Rückführung durchführbar ist, wird in Schritt
401 ein Zeitintervall Δt1 gemessen. Wenn das Zeitintervall
Δt1 abgelaufen ist, wird Schritt 402 ausgeführt. In Schritt
402 wird ein Soll-Kraftstoff-Luftverhältnis, das auf der
Grundlage einer Motordrehzahl N, einer Ansaugluftmenge Q
und einer Kühlwassertemperatur bestimmt und vorher im ROM
gespeichert wurde, unter Berücksichtigung des Betriebszu
stands zu diesem Zeitpunkt errechnet. In Schritt 403 wird
ein dem Ausgangssignal des Kraftstoff-Luftverhältnissensors
22 entsprechendes Ist-Kraftstoff-Luftverhältnis als Digi
talwert eingelesen. In Schritt 404 wird der Korrekturko
effizient K2 als Funktionen eines P-Glieds, eines I-Glieds
und eines D-Glieds auf der Basis einer Differenz ΔA/F zwi
schen einem Ist-Kraftstoff-Luftverhältnis und dem Soll-
Kraftstoff-Luftverhältnis und einer Änderungsrate des
Kraftstoff-Luftverhältnisses
gebildet. In
Schritt 405 wird der Korrekturkoeffizient K2 im RAM 107
gespeichert.
In Fig. 3 wird ein Korrekturkoeffizient (eine Korrektur
menge) K3 in Schritt 125 durch Additions- oder Subtrak
tionsvorgänge gebildet, und ein durch den Rechenvorgang
erhaltener Wert wird im RAM 107 gespeichert. Der Sinn der
Berechnung des Korrekturkoeffizienten K3 ist es, die Grund-
Einspritzmenge mit Zeitintervallen so zu modifizieren, daß
die durch die Grundoperationen gebildete Grund-Einspritz
menge die vom Motor momentan benötigte Einspritzmenge ist,
und zwar auch dann, wenn keine Rückführungsregelung des
Kraftstoff-Luftverhältnisses durchgeführt wird. Durch Modi
fikation des Grund-Kraftstoff-Luftverhältnisses (der Grund-
Einspritzmenge) ist es also möglich, die Kraftstoffzufuhr
charakteristik in einem Übergangsstadium des Motors, in dem
eine ausreichende Rückführung des Kraftstoff-Luftverhält
nisses nicht möglich ist, zu verbessern; eine Veränderung
von Bauteilen über die Zeit sowie eine Änderung des Be
triebsverhaltens werden in geeigneter Weise kompensiert;
eine Änderung des Atmosphärendrucks beim Fahren in großen
Höhen wird kompensiert, ohne daß ein Atmosphärendrucksen
sor benötigt wird; oder das Grund-Kraftstoff-Luftverhältnis
(die Grund-Einspritzmenge) stimmt mit einem Soll-Kraft
stoff-Luftverhältnis (einer benötigten Kraftstoffmenge)
auch dann überein, wenn die Rückführungsregelung des Kraft
stoff-Luftverhältnisses (bei rückführungsloser Steuerung)
stillgesetzt ist.
Fig. 5 zeigt im einzelnen den Ablauf von Schritt 125.
Zuerst wird in Schritt 410 bestimmt, ob der Motor im Nor
malbetrieb arbeitet. Dieser Schritt 410 dient dem Zweck,
den unerwünschten Zustand auszuschalten, daß in einer Über
gangsphase des Motors eine sehr schnelle Änderung des
Kraftstoff-Luftverhältnisses auftritt, so daß eine Korrek
turregelung nicht hinreichend verfolgt und angenähert wer
den kann. In Schritt 411 wird durch Operationen der Korrek
turkoeffizient K3 gewonnen. Dieser wird bestimmt durch eine
Ansaugluftmenge Q, eine Motordrehzahl N und eine Kühlwas
sertemperatur und ist vorher im RAM 107 in Form einer Map
entsprechend Fig. 8 gespeichert. In Schritt 411 werden die
Operationen
ausgeführt, wobei K3 oben erläutert und K2 in Schritt 404
erhalten wurde. Der so gewonnene Wert wird in der entspre
chenden Adresse in Fig. 8 (Schritt 412) gespeichert, die
als Map im RAM 107 vorhanden ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist α mit 8 vorgegeben. Wenn
daher die Abweichung zwischen dem Soll-Kraftstoff-Luftver
hältnis und einem Ist-Kraftstoff-Luftverhältnis groß und K2
groß ist, wird K3 aufgrund der Abweichung bei einem großen
Wert von K2 schnell konvergent gemacht.
Normalerweise wird der Ablauf der Hauptroutine von Schritt
122 zu Schritt 125 entsprechend dem Steuerprogramm wieder
holt ausgeführt. Wenn in Fig. 2 das Unterbrechungssignal
für die Berechnung der Einspritzmenge vom Unterbrechungs
steuerteil 102 eingegeben wird, stoppt die CPU 100 sofort
die Operationen, auch wenn sie die Hauptroutine ausführt,
und geht zur Unterbrechungsroutine (Schritt 130). In
Schritt 131 wird vom Umdrehungszähler 101 ein der Motor
drehzahl N entsprechendes Signal abgenommen. Dann wird in
Schritt 132 ein einer Ansaugluftmenge Q entsprechendes
Signal vom analogen Eingabebaustein 104 eingelesen. In
Schritt 133 werden die Drehzahl N und die Ansaugluftmenge Q
im RAM 107 gespeichert, um sie als Parameter für die Be
rechnung des Korrekturkoeffizienten K3 in der Hauptroutine
zu verwenden. In Schritt 134 wird die Grund-Einspritzmenge
(d. h. die Einspritzdauer der Einspritzventile 15a, 15b
. . .) auf der Basis der Drehzahl N und der Ansaugluftmenge Q
errechnet unter Anwendung einer Gleichung
wobei F eine Konstante ist. In Schritt 135 werden die Kor
rekturkoeffizienten für die Kraftstoffeinspritzung, die in
der Hauptroutine gebildet werden, aus dem RAM 107 ausge
lesen, und der Rechenvorgang zur Korrektur der Einspritz
menge (einer Einspritzdauer) wird in Schritt 136 durchge
führt, um ein Kraftstoff-Luftverhältnis zu bestimmen, indem
eine Gleichung zur Bildung der Einspritzdauer T verwendet
wird:
T = t × K₁ × K₂ × K₃.
Die Einspritzmenge betreffende Information wird in den
Zähler 109 gesetzt. In Schritt 137 springt die Unterbre
chungsroutine zur Hauptroutine zurück. Dann werden die
durch die Unterbrechungsroutine unterbrochenen Schritte
wieder aufgenommen.
Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel dienen die Ansaug
luftmenge und die Motordrehzahl als Parameter zur Bestim
mung des Korrekturkoeffizienten K3 im RAM in Form einer
Map, die durch Division in vorbestimmten Zeitintervallen
entsprechend Fig. 6 gebildet wird. Es ist aber auch mög
lich, die Ansaugluftmenge als Parameter zu verwenden, so
daß der Korrekturkoeffizient K3 durch K1, K2, K3 . . . Km
angegeben werden kann; dadurch wird die Anzahl von K3,
d. h. die Anzahl Speicherplätze, vermindert, wodurch die
Herstellungskosten gesenkt werden und die Gefahr des Auf
tretens eines Fehlers ausgeschlossen wird. Außerdem kann
anstelle der Ansaugluftmenge Q der Öffnungsgrad einer
Unterdruckdrosselklappe als Parameter genützt werden.
Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird K3 in Schritt
125, in dem der Korrekturkoeffizient K3 errechnet und ge
speichert wird, für jede Zeiteinheit errechnet und wieder
eingeschrieben (gespeichert). K3 kann jedoch auch für jede
Drehzahleinheit ΔN des Motors errechnet und wiedereinge
schrieben werden.
Gemäß der Erfindung wird also der Korrekturkoeffizient in
Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem Soll- und dem
Ist-Kraftstoff-Luftverhältnis bestimmt. Wenn daher die
Abweichung groß ist, ist ein durch Integration gebildeter
Wert ebenfalls groß, so daß der Korrekturkoeffizient groß
ist; dadurch kann die Konvergenz der Kraftstoff-Luftver
hältnisregelung verbessert werden, und es kann ein sehr
gutes Ansprechverhalten für das Kraftstoff-Luftverhältnis
erreicht werden. Dabei wird der Breitband-Kraftstoff-Luft
verhältnissensor verwendet, der das Kraftstoff-Luftverhält
nis innerhalb des weiten Bereichs zwischen fett und mager
kontinuierlich erfaßt. Infolgedessen kann das Kraftstoff-
Luftverhältnis im gesamten Betriebsbereich geregelt werden,
und zwar einschließlich einer Übergangsphase des Motors,
bei inaktivem Kraftstoff-Luftverhältnissensor, bei niedri
ger Kühlwassertemperatur, im Hochlastzustand des Motors, im
Hochdrehzahlbereich etc. Ferner kann die Regeleinrichtung
nach der Erfindung eine sich mit der Zeit einstellende
Änderung des Motors, eine Verschlechterung des Kraftstoff-
Luftverhältnissensors und Schwankungen des Betriebsverhal
tens kompensieren.
Claims (4)
1. Regeleinrichtung für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einer
Brennkraftmaschine mit
- - einer Recheneinrichtung zum Berechnen einer Grund- Einspritzmenge auf der Basis von Betriebsparametern der Maschine und zum Korrigieren der Grund-Einspritz menge durch Korrekturkoeffizienten K₁, K₂ und K₃,
- - einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der ein Ist- Signal für die Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhält nisses abgibt,
- - einem nichtflüchtigen Speicher zum Speichern von Kor rekturkoeffizienten in Abhängigkeit von den Betriebs parametern,
wobei die Recheneinrichtung auf der Basis der Betriebspa
rameter einen Soll-Wert für die Regelung des Luft/Kraft
stoff-Verhältnisses ermittelt,
K₁ auf der Grundlage der Kühlwassertemperatur und der An sauglufttemperatur berechnet wird,
K₂ in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen dem Soll- Wert und dem Ist-Wert für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ein Breitband-Luft/ Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ist, der ein kontinuierlich variables Ist-Signal bezüglich des Luft/Kraftstoff-Ver hältnisses abgibt, und
daß der Koeffizient K₃ ein Koeffizient zur Korrektur der Einspritzmenge bei fehlender Rückführungsregelung ist und nach folgender Formel berechnet wird: K₃ (n)=K₃ (n-1)-(K₂/2α).
K₁ auf der Grundlage der Kühlwassertemperatur und der An sauglufttemperatur berechnet wird,
K₂ in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen dem Soll- Wert und dem Ist-Wert für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ein Breitband-Luft/ Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ist, der ein kontinuierlich variables Ist-Signal bezüglich des Luft/Kraftstoff-Ver hältnisses abgibt, und
daß der Koeffizient K₃ ein Koeffizient zur Korrektur der Einspritzmenge bei fehlender Rückführungsregelung ist und nach folgender Formel berechnet wird: K₃ (n)=K₃ (n-1)-(K₂/2α).
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Korrekturkoeffizient K₂ als Funk
tion eines P-Glieds, eines I-Glieds und eines D-Glieds auf
der Grundlage der Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert für
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gebildet wird.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Soll-Luft/Kraftstoff-
Verhältnis durch eine Maschinendrehzahl (N), eine
Ansaugluftmenge (Q) und eine Kühlwassertemperatur bestimmt
und vorher in einem ROM (108) gespeichert ist.
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Family Applications (1)
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