DE69720464T2 - Hydraulisch betätigte ansaug/auslass hubventil - Google Patents
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Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- 1. GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einlass-/Auslassventilanordnung für einen Verbrennungsmotor.
- 2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
- Verbrennungsmotoren umfassen für jeden Zylinder des Motors ein Einlassventil und ein Auslassventil. In einem Motor mit Eigenzündung (Dieselmotor) kann durch das Einlassventil Luft in den Brennraum strömen und durch das Auslassventil das Gemisch von verbrannter Luft und verbranntem Kraftstoff aus dem Brennraum strömen. Die zeitliche Steuerung der Ventile muss mit der Bewegung des Kolbens und der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum übereinstimmen. Herkömmliche Dieselmotoren enthalten Nocken zur Koordinierung der zeitlichen Steuerung der Ventile mit dem Kolben und der Kraftstoffeinspritzpumpe. Die Nocken sind einem Verschleiß ausgesetzt, der die zeitliche Steuerung der Ventile beeinflussen kann. Außerdem sind Nocken bei Betrieb des Motors nicht für Änderungen einer zeitlichen Steuerung empfänglich.
- Das an Kawamura ausgegebene US-Patent Nr. 5 125 370, das an Buchl ausgegebene US-Patent Nr. 4 715 330 und das an Kreuter ausgegebene US-Patent Nr. 4 715 332 offenbaren Einlassventile, die durch Zylinderspulen gesteuert werden. Jedes Ventil wird zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegt, wenn die Zylinderspulen unter Strom gesetzt werden. Die Menge der zur Betätigung der Zylinderspulen und zur Bewegung der Ventile benötigten Leistung ist relativ groß. Die zusätzliche Leistungsanforderung reduziert den energetischen Wirkungsgrad des Motors.
- Die Druckschrift WO-A-92/07172 und die an Trenne ausgegebenen US-Patente Nr. 4 200 067 und 4 206 728, die an Richeson ausgegebenen US-Patente 5 248 123, 5 022 358 und 4 899 700, das an Tittizer ausgegebene US-Patent Nr. 4 791 895, das an Miller et al. ausgegebene US-Patent Nr. 5 237 968 sowie das an Schechter ausgegebene US-Patent Nr. 5 255 641 offenbaren alle hydraulisch gesteuerte Einlassventile. Das hydraulische Fluid wird typischerweise durch ein elektromagnetisches Steuerventil gesteuert. Die im Stand der Technik beschriebenen und verwendeten Magnetventile erfordern eine konstante Zuführung von Energie, um die Ventile in einer Stellposition zu halten. Der ständige Verbrauch von Energie reduziert den energetischen Wirkungsgrad des Motors. Es hat sich außerdem herausgestellt, dass die elektromagnetischen Steuerventile im Stand der Technik relativ langsam sind, so dass die Genauigkeit der zeitlichen Steuerung des Ventils eingeschränkt ist. Es wäre daher wünschenswert, ein nockenloses Ventil zur Verfügung zu stellen, das schnell und leistungswirksam wäre.
- Einige große Dieselmotoren verwenden eine „Jake-Bremsentechnik", um das Fahrzeug zu verlangsamen, wenn der Motor den Brennräumen des Verbrennungsmotors keinen Kraftstoff zuführt. Eine Jake-Bremse hält die Einlass- und Auslassventile während des Kompressionstaktes der Kolben in geschlossener Stellung. In der Nähe des oberen Totpunktes sind die Ventile geöffnet, um die Luft aus dem Brennraum freizugeben, so dass die verdichtete Luft keine gespeicherte Energie liefert, um den Kolben zum unteren Totpunkt zurückzuführen. Somit muss der Motor arbeiten, um die Luft kontinuierlich in den Brennräumen zu verdichten. Die zusätzliche Arbeit reduziert die Drehzahl des Motors und die Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Jake-Bremsen enthalten typischerweise komplexe Mechanismen, die die Ventile während des Bremsvorgangs steuern. Es wäre wünschenswert, eine einfache Ventilanordnung zu schaffen, um einen Verbrennungsmotor mit einer Jake-Bremse zu bremsen.
- Die Druckschrift WO-A-96/36795 (Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ) des Anmelders offenbart eine Ventilanordnung mit hydraulisch angetriebenen Stiften, die durch ein Ventil zur Steuerung der Stellung angetrieben wird, um ein Ventil in eine geöffnete Stellung oder in eine geschlossene Stellung zu bewegen, wobei diese Druckschrift kein Positionssteuerventil mit einer neutralen Stellung offenbart, in der keine Fluidverbindung zwischen irgendwelchen Ventilöffnungen vorhanden ist.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Ventilanordnung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bereitgestellt.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verbrennungsmotor vorgesehen, umfassend einen Block, der einen inneren Brennraum, eine Auslassöffnung und eine Einlassöffnung aufweist; ein Ventilgehäuse, das an dem Block befestigt ist; ein Einlassventil, das mit dem Ventilgehäuse verbunden ist und sich zwischen einer geöffneten Stellung, einer geschlossenen Stellung und einer Zwischenstellung bewegen kann, um einen Luftstrom durch die Einlassöffnung zu regeln; ein Auslassventil, das mit dem Ventilgehäuse verbunden ist und sich zwischen einer geöffneten Stellung, einer geschlossenen Stellung und einer Zwischenstellung bewegen kann, um einen Abgasstrom durch die Auslassöffnung zu regeln; einen ersten Einlasszapfen, der sich mit einem Fluid in selektiver Fluidverbindung befindet, welches das Einlassventil in die geöffnete Stellung bewegt; einen ersten Auslasszapfen, der sich mit dem Fluid in selektiver Fluidverbindung befindet, um das Auslassventil in die geöffnete Stellung zu bewegen; ein Einlass-Steuerventil mit drei Stellungen, das die Bewegung des ersten Einlasszapfens steuert, wobei die drei Stellungen des Einlass-Steuerventils eine erste Stellung beinhalten, die es dem Fluid ermöglicht, zu dem ersten Einlasszapfen zu fließen, eine zweite Stellung, die es ermöglicht, dass das Fluid von dem ersten Einlasszapfen wegfließt, und eine neutrale Stellung, die keinen Durchfluss von Fluid erlaubt und das Einlassventil in der Zwischenstellung hält; ein Auslass-Steuerventil mit drei Stellungen, das die Bewegung des ersten Auslasszapfens steuert, wobei die drei Stellungen des Auslass-Steuerventils eine erste Stellung umfassen, die es erlaubt, dass Fluid zu dem ersten Auslasszapfen fließt, eine zweite Stellung, die es ermöglicht, dass Fluid von dem ersten Auslasszapfen wegfließt, und eine neutrale Stellung, die keinen Durchfluss von Fluid erlaubt und das Auslassventil in der Zwischenstellung hält; einen zweiten Einlasszapfen, der sich mit dem Fluid in Fluidverbindung befindet und das Einlassventil in die geschlossene Stellung bewegt, wenn sich das Einlass-Steuerventil mit drei Stellungen in der zweiten Stellung befindet; und einen zweiten Auslasszapfen, der sich mit dem Fluid in Fluidverbindung befindet und das Auslassventil in die geschlossene Stellung bewegt, wenn sich das Auslass-Steuerventil mit drei Stellungen in der zweiten Stellung befindet.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann nach Beurteilung der folgenden ausführlichen Beschreibung und begleitenden Zeichnungen leichter deutlich, in denen zeigen
-
1 die Querschnittsansicht einer Ventilanordnung nach der vorliegenden Erfindung; -
2 die Querschnittsansicht eines Steuerventils mit drei Stellungen in einer neutralen Stellung; -
3 eine Querschnittsansicht des Steuerventils mit drei Stellungen, das in einer ersten Stellung dargestellt ist. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Mit speziellerem Bezug auf die Zeichnungen durch Bezugszahlen zeigt
1 eine Ventilanordnung10 für einen Verbrennungsmotor. Der Motor umfasst einen Block12 , der einen Brennraum14 , eine Einlassöffnung16 und eine Auslassöffnung18 aufweist. Im Brennraum14 bewegt sich ein Kolben20 . Es versteht sich, dass ein Motor typischerweise eine Anzahl von Brennräumen und dazugehörige Ventile und Kolben enthält. - Der Luftstrom durch die Einlassöffnung
16 wird von einem Einlassventil22 gesteuert, das sich zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegen kann. Der Abgasstrom durch die Auslassöffnung18 wird durch ein Auslassventil24 geregelt, das sich zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegen kann. Die Ventile22 und24 können sich außerdem in jede Zwischenstellung zwischen der völlig geschlossenen Stellung und der völlig geöffneten Stellung bewegen. Die Zwischenstellungen werden auch als geöffnete Stellungen betrachtet. - Jedes Ventil
22 und24 besitzt einen Schaft26 , der sich durch die Bohrung28 eines Ventilgehäuses30 erstreckt, das an dem Block12 befestigt ist. Der Schaft26 und die Bohrung28 des Ventilgehäuses30 können ein entsprechendes Gewinde aufweisen, mit dem die Ventile jedes Mal rotiert werden, wenn sich ein Ventil zwischen geöffneter und geschlossener Stellung bewegt. Eine Drehung der Ventile verringert den ungleichmäßigen Verschleiß an dem Ventilsitz. Alternativ dazu kann die Anordnung einen Nocken oder andere Einrichtungen enthalten, um die Ventile zu rotieren, wenn sich die Ventile zwischen geöffneter und geschlossener Stellung bewegen. - Jedes Einlass-/Auslassventil
22 und24 ist durch einen Halsring36 mit einer Anzahl von ersten Zapfen32 und einer Anzahl von zweiten Zapfen34 verbunden. Die Halsringe36 können durch Klemmen38 an den Ventilschäften26 befestigt werden. Die ersten Zapfen32 sind in mehreren Fluid enthaltenden Kammern40 angeordnet. Die zweiten Zapfen34 sind in mehreren Fluid enthaltenden Kammern42 angeordnet. Die Kammern40 und42 sind durch das Ventilgehäuse30 und ein Verteilergehäuse44 begrenzt. Das Fluid kann der Kraftstoff oder ein separates hydraulisches Fluid sein. - Der Fluidstrom in die Kammern
40 und42 wird durch eine Anzahl von Steuerventilen46 mit drei Stellungen geregelt. Die Steuerventile46 können entweder ein einzelnes Vierwegeventil für jedes Ventil oder zwei Dreiwegeventile für jedes Ventil umfassen. Zum Öffnen eines Einlassventils22 oder Auslassventils24 wird das entsprechende Steuerventil46 in eine erste Stellung geschaltet, damit in die Kammern40 Fluid strömen kann, um die ersten Zapfen32 zu schieben und das Ventil22 oder das Ventil24 in die geöffnete Stellung zu bewegen. Die Einlass-/Auslassventile werden geschlossen, indem das Steuerventil46 geschaltet wird, um dem zweiten Zapfen34 unter Druck gesetztes Fluid bereitzustellen. Die Zapfenkammern40 werden zu einer Ablauföffnung entlüftet, damit Fluid aus den Kammern40 fließen kann. -
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Dreiwege-Steuerventils46 mit drei Stellungen. Das Steuerventil46 umfasst ein Gehäuse48 , das eine Rückführöffnung50 , zwei Zylinderöffnungen52 und zwei Zuführöffnungen54 aufweist. Die Rückführöffnung50 ist typischerweise mit einer Ablaufleitung des Motors verbunden. Die Zuführöffnungen54 sind typischerweise an eine Druckfluidleitung angeschlossen. Die erste Zylinderöffnung52 kann mit der ersten Zapfenkammer40 oder der zweiten Zapfenkammer42 verbunden werden. Ein Vierwegeventil würde eine zusätzliche Zylinderöffnung aufweisen, die mit der anderen Zapfenkammer verbunden ist. - Das Steuerventil
46 besitzt eine erste Zylinderspule58 und eine zweite Zylinderspule60 , die einen Steuerkolben62 in dem Gehäuse48 bewegen. Der Steuerkolben62 besitzt eine Anzahl von Ausnehmungen64 , die zwischen den verschiedenen Öffnungen eine Fluidverbindung ermöglichen, wenn die Zylinderspulen betätigt werden. Der Steuerkolben62 wird durch zwei Federn66 in einer neutralen Stellung gehalten. In der neutralen Stellung erlaubt der Steuerkolben62 keine Fluidverbindung zwischen jedweden Öffnungen des Ventils46 . Jede Feder66 wird durch das Gehäuse48 und eine Nadelanordnung68 aufgenommen. - Gemäß
3 wird der Steuerkolben62 bei Betätigung der ersten Zylinderspule58 in eine erste Stellung bewegt. In der ersten Stellung befinden sich die Zylinderöffnungen52 mit der Zuführöffnung54 in Fluidverbindung. Wenn die zweite Zylinderspule60 betätigt ist, wird der Steuerkolben62 in eine zweite Stellung bewegt. In der zweiten Stellung befinden sich die Zylinderöffnungen52 mit der Zuführöffnung54 in Fluidverbindung. - Der Steuerkolben
62 und das Gehäuse48 sind vorzugsweise aus einem Werkstoff ausgeführt, der eine Hysterese besitzt, die die Stellung des Steuerkolbens62 selbst dann hält, wenn die Energie an die Zylinderspulen beendet ist. Das Material ist vorzugsweise Stahl 52100 oder 440C. Der magnetische Stahlwerkstoff ermöglicht es, dass der Steuerkolben in der ersten Stellung oder der zweiten Stellung verriegelt wird, indem ein digitaler Puls auf die Zylinderspulen erzeugt wird. Der Steuerkolben62 kann in die neutrale Stellung zurückgeführt werden, indem ein kurzer Puls auf die gegenüber liegende Zylinderspule erzeugt wird oder eine Spannung von entgegengesetzter Polarität auf die neben dem verriegelten Steuerkolben62 befindlichen Zylinderspule angelegt wird, um den Steuerkolben62 von dem Gehäuse48 zu lösen. Der gelöste Steuerkolben62 wird durch die Federn66 in die neutrale Stellung vorgespannt. Alternativ dazu können beiden Zylinderspulen digitale Pulse zugeführt werden, um den Steuerkolben62 wiederholt in die neutrale Stellung zu bewegen. Das Steuerventil46 kann einen Positionssensor70 , beispielsweise einen Hall-Sensor aufweisen, um die Stellung des Steuerkolbens62 zu fühlen. Die Zylinderspulen58 und60 sind typischerweise mit einem Regler72 verbunden, der die digitalen Pulse für das Steuerventil46 erzeugt. - Bei Betrieb schaltet der Regler
72 zum Öffnen des Einlassventils22 oder des Auslassventils24 das (die) entsprechende(n) Steuerventile)46 in die erste Stellung, damit Fluid in die ersten Zapfenkammern40 fließen und die ersten Zapfen32 schieben kann. Das innerhalb der zweiten Zapfenkammern42 befindliche Fluid kann in die Ablaufleitung des Motors fließen. - Die ersten Zapfenkammern
40 können Treibfedern74 enthalten, um eine zusätzliche Kraft zum Öffnen der Einlass-/Auslassventile zu bewirken. Die Federn74 dämpfen außerdem die Bewegung des Ventils zurück in die geschlossene Stellung, um das Aufschlagen und den entsprechenden Verschleiß am Ventilsitz zu verhindern. - Die Stellung des Ventils
22 oder des Ventils24 kann beibehalten werden, indem das Steuerventil46 in die neutrale Stellung geschaltet wird und verhindert wird, dass Fluid in die Zapfenkammern40 und42 fließt. Durch Erzeugung einer neutralen Stellung kann der Zeitraum, in dem das Einlass-/Auslassventil geöffnet ist, für unterschiedliche Betriebsbedingungen des Motors verändert werden. Beispielhaft kann die Ventilstellung variiert werden, um die Menge von in den Brennraum angesaugter Luft zu verändern und kann bei einem Jake-Bremszyklus freigegeben werden. - Anschließend kann das Einlass-/Auslassventil geschlossen werden, indem das Steuerventil
46 geschlossen wird, um die Kammern42 mit Druck zu beaufschlagen und um die zweiten Zapfen34 zu schieben. Die Anordnung10 kann Rückstellfedern76 umfassen, die die Ventile in die geschlossene Stellung vorspannen. - Obwohl bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt wurden, versteht es sich, dass diese Ausführungsformen für die breite Erfindung lediglich veranschaulichend sind und sie nicht einschränken, und dass diese Erfindung nicht auf spezifische Konstruktionen und Anordnungen, die gezeigt und beschrieben wurden, beschränkt ist, da dem Fachmann verschiedene andere Modifizierungen einfallen werden.
Claims (13)
- Ventilanordnung (
10 ) für einen Verbrennungsmotor, umfassend ein Ventil (22 ), das zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung bewegbar ist; einen ersten hydraulisch bewegten Zapfen (32 ), verwendbar, um das Ventil (22 ) in die geöffnete Stellung zu bewegen; einen zweiten hydraulisch bewegten Zapfen (34 ), verwendbar, um das Ventil (22 ) in die geschlossene Stellung zu bewegen; und ein Steuerventil (46 ) mit einer Rückführöffnung (50 ), einer Zuführöffnung (54 ), einer ersten Zylinderöffnung (52 ), die mit dem ersten hydraulisch bewegten Zapfen (32 ) verbunden ist, und eine zweite Zylinderöffnung (52 ), die mit dem zweiten hydraulisch bewegten Zapfen verbunden ist, so betreibbar, dass das Steuerventil (46 ) sich in einer ersten Stellung, in der die erste Zylinderöffnung (52 ) eine Fluidverbindung zur Zuführöffnung (54 ) und die zweite Zylinderöffnung (52 ) eine Fluidverbindung zur Rückführöffnung (50 ) besitzt, in einer zweiten Stellung, in der die erste Zylinderöffnung (52 ) eine Fluidverbindung zur Rückführöffnung (50 ) und die zweite Zylinderöffnung (52 ) eine Fluidverbindung zur Zuführöffnung (54 ) besitzt oder in einer neutralen Stellung, in der keine Fluidverbindung zwischen der Rückführöffnung (50 ), der Zuführöffnung (54 ), der ersten Zylinderöffnung (52 ) oder der zweiten Zylinderöffnung (52 ) besteht, befinden kann. - Ventilanordnung (
10 ) nach Anspruch 1, wobei das Steuerventil (46 ) umfasst: einen Steuerkolben (62 ) in einem Gehäuse (48 ), der durch ein Paar von Federn (66 ) in der neutralen Stellung als Ruhelage gehalten wird, eine erste Zylinderspule (58 ), um den Steuerkolben (62 ) in die erste Stellung zu ziehen, und eine zweite Zylinderspule (60 ), um den Steuerkolben (62 ) in die zweite Stellung zu ziehen. - Ventilanordnung (
10 ) nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Zylinderspule (58 ,60 ) durch einen digitalen Puls eingeschaltet werden. - Ventilanordnung (
10 ) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Triebfeder (74 ), die mit dem ersten Zapfen (32 ) verbunden ist und das Ventil (22 ) in der geöffneten Stellung vorspannt. - Ventilanordnung (
10 ) nach Anspruch 1, wobei das Steuerventil (46 ) aus zwei Dreiwegeventilen besteht. - Ventilanordnung (
10 ) nach Anspruch 1, wobei das Steuerventil (46 ) ein Vierwegeventil ist. - Ventilanordnung (
10 ) nach Anspruch 6, weiterhin umfassend einen Halsring (36 ), der den ersten Zapfen (32 ) und den zweiten Zapfen (34 ) mit dem Ventil (22 ) verbindet. - Verbrennungsmotor, umfassend einen Block (
12 ), der eine Verbrennungskammer (14 ), eine Auslassöffnung (18 ) und eine Einlassöffnung (16 ) enthält; ein Ventilgehäuse (48 ), das am Block (12 ) angebracht ist; ein Einlassventil (22 ), das mit dem Ventilgehäuse (48 ) verbunden ist und sich zwischen einer geöffneten Stellung, einer geschlossenen Stellung und einer mittleren Stellung bewegen kann, um einen Luftstrom durch die Einlassöffnung (16 ) zu regeln; ein Auslassventil (24 ), das mit dem Ventilgehäuse (48 ) verbunden ist und sich zwischen einer geöffneten Stellung, einer geschlossenen Stellung und einer mittleren Stellung bewegen kann, um einen Abgasstrom durch die Auslassöffnung (18 ) zu regeln; einen ersten Einlasszapfen (32 ), der sich in Kontakt mit einem Fluid befindet, das das Einlassventil (22 ) in die geöffnete Stellung bewegt; einen ersten Auslasszapfen, der sich in Kontakt mit einem Fluid befindet, das das Auslassventil (22 ) in die geöffnete Stellung bewegt; ein Einlasssteuerventil (46 ) mit drei Stellungen, das die Bewegung des ersten Einlasszapfens (32 ) steuert, wobei in der ersten Stellung des Einlasssteuerventils (46 ) das Fluid zum ersten Einlasszapfen (32 ) hin fließt, in der zweiten Stellung das Fluid vom ersten Einlasszapfen (32 ) weg fließt, und in einer neutralen Stellung das Fluid nicht fließt, wodurch das Einlassventil (22 ) in der mittleren Stellung gehalten wird; ein Auslasssteuerventil (46 ) mit drei Stellungen, das die Bewegung des ersten Auslasszapfens steuert, wobei in der ersten Stellung des Einlasssteuerventils (46 ) das Fluid zum ersten Auslasszapfen hin fließt, in der zweiten Stellung das Fluid vom ersten Auslasszapfen weg fließt, und in einer neutralen Stellung das Fluid nicht fließt, wodurch das Auslassventil (24 ) in der mittleren Stellung gehalten wird; einen zweiten Einlasszapfen, der sich in Kontakt mit dem Fluid befindet und das Einlassventil (22 ) in die geschlossene Stellung bewegt, wenn sich das Steuerventil (46 ) in der zweiten Stellung befindet; einen zweiten Auslasszapfen, der sich in Kontakt mit dem Fluid befindet und das Auslassventil (24 ) in die geschlossene Stellung bewegt, wenn sich das Steuerventil (46 ) in der zweiten Stellung befindet. - Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei die Einlass- und Auslasssteuerventile (
46 ) mit drei Stellungen jeweils einen Steuerkolben (62 ) in einem Gehäuse (48 ), die durch ein Paar Federn (66 ) in der neutralen Stellung gehalten wird; eine erste Zylinderspule (58 ), um den Steuerkolben (62 ) in die erste Stellung zu ziehen; und eine zweite Zylinderspule (60 ), um den Steuerkolben (62 ) in die zweite Stellung zu ziehen, umfassen. - Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, wobei die erste und zweite Zylinderspule (
60 ,62 ) durch einen digitalen Puls eingeschaltet werden. - Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei die Einlass- und Auslasssteuerventile jeweils aus zwei Dreiwegeventilen bestehen.
- Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, weiterhin umfassend ein Paar von Treibfedern (
74 ), die mit den ersten Einlass- und Auslasszapfen (32 ) verbunden sind und das Einlassventil (22 ) und das Auslassventil (24 ) jeweils in der offenen Stellung vorspannen. - Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, weiterhin umfassend ein Paar Halsringe (
36 ), die die ersten und zweiten Einlass- und Auslasszapfen (32 ,34 ) mit dem Einlass- bzw. Auslassventil (22 ,24 ) verbinden.
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