EP2601398A1 - Zylinderkopf - Google Patents

Zylinderkopf

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EP2601398A1
EP2601398A1 EP11738970.0A EP11738970A EP2601398A1 EP 2601398 A1 EP2601398 A1 EP 2601398A1 EP 11738970 A EP11738970 A EP 11738970A EP 2601398 A1 EP2601398 A1 EP 2601398A1
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EP
European Patent Office
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cylinder head
injector
cylinder
receiving device
receiving
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EP11738970.0A
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Marco Jung
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Deutz AG
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Deutz AG
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/242—Arrangement of spark plugs or injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M53/00—Fuel-injection apparatus characterised by having heating, cooling or thermally-insulating means
    • F02M53/04—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means
    • F02M53/043—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means with cooling means other than air cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/14—Arrangements of injectors with respect to engines; Mounting of injectors
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/40—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling cylinder heads with means for directing, guiding, or distributing liquid stream 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/85—Mounting of fuel injection apparatus

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head with liquid cooling.
  • Such cylinder heads are known from EP 780560 B2. Here large coolant volumes are arranged around the injectors, which are flowed through laminar. Furthermore, such cylinder heads have become known from WO 2009013077 A1.
  • a device for fastening a fuel injector in a receiving bore in the cylinder head of an internal combustion engine is disclosed.
  • a cooling medium leading channels In the area of the receiving bore extending in the cylinder head of the internal combustion engine, a cooling medium leading channels.
  • the fuel injector is secured in the region of an upper guide by means of a clamping device in the receiving bore of the cylinder head, wherein the clamping device seals the receiving bore in the cylinder head both outwardly and inwardly.
  • a cylinder head for an internal combustion engine having at least one inlet valve and at least one outlet valve per cylinder, wherein on each side a longitudinal central axis of the cylinder an inlet valve and an exhaust valve for each cylinder are arranged and the valves of a cylinder are grouped around an approximately in the middle of the cross-sectional area of the cylinder injector and with valve stems acting levers, which are actuated by a camshaft or bumpers, wherein in a direction the longitudinal central axis extending Injektortrog is provided, emanating from the bores for receiving the injectors and arranged substantially directly in the region of the injector and the bottom of the cylinder head coolant structures.
  • the advantage of the cylinder head according to the invention is that optimal cooling takes place through the form-fitting casing of the injector with cooling medium, and thus optimum operating conditions of the internal combustion engine containing the cylinder head prevail.
  • a further advantageous embodiment provides that the bore for receiving the injector has a receiving device.
  • This receiving device has the advantage that the assembly and disassembly can be done on the one hand easier, on the other hand, this solution also has advantages in terms of sealing the combustion chamber to the cooling system out.
  • the receiving device seals the coolant structures formed as cooling channels.
  • the receiving device receives an injector.
  • An advantageous embodiment provides that the receiving device is almost completely in direct contact with the coolant. Optimal cooling and optimum operating conditions of the cylinder head-containing internal combustion engine are the result. In a further advantageous embodiment, it is provided that the receiving device with the exception of the front for receiving the tapered injector head suitable shareholdersvoriquesskopfes is in direct contact with the coolant. This advantageous embodiment, a reliable sealing cylinder head to be created.
  • cooling channels taper towards the receiving device and that the REYNOLDS number is greater than 2,300 or greater than 10,000.
  • the flow is turbulent, in particular in the region around the injector, and thus the heat transfer or the energy exchange is improved.
  • Figure 1 shows a longitudinal section without background edges
  • Figure 3 shows a cross section without background edges
  • Figure 6 is a cross section
  • FIG. 1 shows a longitudinal section without background edges through a cylinder head 1.
  • a receiving device for receiving the injector 13 in which the injector 5, not shown in Figure 1 is used.
  • Coolant structures 12 are arranged in the interior of the cylinder head 1 and taper in particular in the direction of the receiving device for receiving the injector 13, in order to increase the flow velocity of the coolant and to bring the coolant into the region of a turbulent flow.
  • Figure 2 shows a longitudinal section with background edges through a cylinder head 1.
  • coolant structures 12 are arranged, which taper in particular towards the receiving device for receiving the injector 13, the flow rate increase the coolant and to bring the coolant in the range of a turbulent flow.
  • FIG. 3 a cross section without background edges is represented by a cylinder head 1.
  • a receiving device for receiving the injector 13 in which the injector 5, not shown in Figure 3 is used.
  • Coolant structures 12 are arranged in the interior of the cylinder head 1 and taper in particular in the direction of the receiving device for receiving the injector 13, in order to increase the flow velocity of the coolant and to bring the coolant into the region of a turbulent flow.
  • Figure 4 shows a cross section with background edges through a cylinder head 1.
  • a receiving device for receiving the injector 13 in which the injector 5 is inserted.
  • coolant structures 12 are arranged, which in particular taper towards the receiving device for receiving the injector 13 in order to increase the flow velocity of the coolant and to bring the coolant into the region of a turbulent flow.
  • FIG. 5 shows a partial section of a 3D model of the cylinder head 1.
  • a receiving device for receiving the injector 13 in which the injector 5 is inserted.
  • the fuel injector 5 is inserted by means of receptacle 13 in a copper sleeve in the cylinder head 1.
  • This copper sleeve 13 then ensures by sealing by O-rings 15 that the media such as the coolant 16, fuel leakage and fuel gas are separated from each other. Due to the valve arrangement and geometric boundary parameters, the coolant inflow to the injector 5 is possible via 4 narrow connection channels.
  • the cylinder head 1 4 valves per cylinder.
  • FIG. 5 shows the longitudinal central axis 4 along the injector trough 9.
  • Coolant structures 12 are arranged in the interior of the cylinder head 1 and taper in particular in the direction of the receiving device for receiving the injector 13, in order to increase the flow velocity of the coolant and to bring the coolant into the region of a turbulent flow.
  • FIG. 6 shows a cross section in a different representation than in FIG. 3 through a cylinder head 1.
  • a receiving device for receiving the injector 13 in which the injector 5, not shown in Figure 3 is used.
  • Coolant structures 12 are arranged in the interior of the cylinder head 1 and taper in particular in the direction of the receiving device for receiving the injector 13, in order to increase the flow velocity of the coolant and to bring the coolant into the region of a turbulent flow.

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Abstract

Beschrieben wird ein Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil pro Zylinder, wobei auf jeder Seite einer Längsmittelachse (L) des Zylinderkopfes (1) ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil für jeden Zylinder angeordnet und die Ventile eines Zylinders um einen etwa in der Mitte der Querschnittsfläche des Zylinders befindlichen Injektor (5) gruppiert sind und mit auf Ventilschäfte (6) wirkenden Hebeln, welche von einer Nockenwelle und/oder von Stoßstangen (8) betätigt werden, wobei ein in Richtung der Längsmittelachse (L) verlaufender Injektortrog (9) vorgesehen ist, von dem Bohrungen (10) zur Aufnahme der Injektoren (5) ausgehen und im Wesentlichen unmittelbar im Bereich des Injektors und dem Boden des Zylinderkopfes Kühlmittelstrukturen angeordnet sind.

Description

Zylinderkopf
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit Flüssigkeitskühlung.
Derartige Zylinderköpfe sind bekannt aus der EP 780560 B2. Hier werden große Kühlmittel-Volumina um die Injektoren herum angeordnet, die laminar durchströmt werden. Weiter sind solche Zylinderköpfe aus der WO 2009013077 A1 bekannt geworden.
Es wird eine Vorrichtung zum Befestigen eines Kraftstoffinjektors in einer Aufnahmebohrung im Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine offenbart. Im Bereich der Aufnahmebohrung verlaufen im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine ein Kühlmedium führende Kanäle. Der Kraftstoffinjektor ist im Bereich einer oberen Führung mittels einer Spanneinrichtung in der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes befestigt, wobei die Spanneinrichtung die Aufnahmebohrung im Zylinderkopf sowohl nach außen als auch nach innen abdichtet.
Daran ist nachteilig, dass die Kühlmittelstrukturen nicht unmittelbar im Bereich des Injektors angeordnet sind, was zur Überhitzung oder zum Verkoken des Injektors führen kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile zu vermeiden und eine Brennkraftmaschine mit optimierter Kühlung zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil pro Zylinder gelöst, wobei auf jeder Seite einer Längsmittelachse des Zylinder- kopfes ein Einlassventil und ein Auslassventil für jeden Zylinder angeordnet und die Ventile eines Zylinders um einen etwa in der Mitte der Querschnittsfläche des Zylinders befindlichen Injektor gruppiert sind und mit auf Ventilschäfte wirkenden Hebeln, welche von einer Nockenwelle oder von Stoßstangen betätigt werden, wobei ein in Richtung der Längsmittelachse verlaufender Injektortrog vorgesehen ist, von dem Bohrungen zur Aufnahme der Injektoren ausgehen und im Wesentlichen unmittelbar im Bereich des Injektors und dem Boden des Zylinderkopfes Kühlmittelstrukturen angeordnet sind.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs besteht darin, dass durch die formschlüssige Ummantelung des Injektors mit Kühlmedium eine optimale Kühlung erfolgt und somit optimale Betriebsverhältnisse der den Zylinderkopf enthaltenden Brennkraftmaschine herrschen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Bohrung zur Aufnahme des Injektors eine Aufnahmevorrichtung aufweist. Diese Aufnahmevorrichtung hat zum Vorteil, dass die Montage bzw. die Demontage einerseits einfacher erfolgen kann, andererseits weist diese Lösung auch Vorteile hinsichtlich der Abdichtung des Brennraums zum Kühlsystem hin auf.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung die als Kühlkanäle ausgebildeten Kühlmittelstrukturen abdichtet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung einen Injektor aufnimmt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Aufnahmevorrichtung fast vollständig im direkten Kontakt mit dem Kühlmittel ist. Optimale Kühlung und optimale Betriebsverhältnisse der den Zylinderkopf enthaltenden Brennkraftmaschine sind die Folge. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung mit Ausnahme des vorderen zur Aufnahme des verjüngten Injektorenkopfes geeigneten Aufnahmevorrichtungskopfes im direkten Kontakt mit dem Kühlmittel ist. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung soll ein zuverlässig dichtender Zylinderkopf geschaffen werden.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass sich die Kühlkanäle hin zur Aufnahmevorrichtung verjüngen und dass die REYNOLDS-Zahl größer als 2.300 bzw. größer als 10.000 ist. Hierbei ist von Vorteil, dass die Strömung insbesondere im Bereich um den Injektor turbulent ist und somit der Wärmeübergang bzw. der Energieaustausch verbessert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt ohne Hintergrundkanten
Figur 2 einen Längsschnitt mit Hintergrundkanten
Figur 3 einen Querschnitt ohne Hintergrundkanten
Figur 4 einen Querschnitt mit Hintergrundkanten
Figur 5 einen Teilschnitt eines 3D-Modells des Zylinderkopfs
Figur 6 einen Querschnitt
In Figur 1 wird ein Längsschnitt ohne Hintergrundkanten durch einen Zylinderkopf 1 dargestellt. Am Boden des Zylinderkopfes 11 steckt in einer Öffnung des Zylinderkopfes 1 eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13, in die der in Figur 1 nicht dargestellte Injektor 5 eingesetzt wird. Im Inneren des Zylinderkopfes 1 sind Kühlmittelstrukturen 12 angeordnet, die sich insbesondere in Richtung hin zur Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 verjüngen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen und um das Kühlmittel in den Bereich einer turbulenten Strömung zu bringen. Figur 2 zeigt einen Längsschnitt mit Hintergrundkanten durch einen Zylinderkopf 1. Am Boden des Zylinderkopfes 1 1 steckt in einer Öffnung des Zylinderkopfes 1 eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13, in die der Injektor 5 eingesetzt ist. Neben der Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 befinden sich die Öffnung für Einlassventil 2 und die Öffnung für Auslassventil 3. Im Inneren des Zylinderkopfes 1 sind Kühlmittelstrukturen 12 angeordnet, die sich insbesondere in Richtung hin zur Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 verjüngen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen und um das Kühlmittel in den Bereich einer turbulenten Strömung zu bringen.
In Figur 3 wird ein Querschnitt ohne Hintergrundkanten durch einen Zylinderkopf 1 dargestellt. Am Boden des Zylinderkopfes 11 steckt in einer Öffnung des Zylinderkopfes 1 eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13, in die der in Figur 3 nicht dargestellte Injektor 5 eingesetzt wird. Im Inneren des Zylinderkopfes 1 sind Kühlmittelstrukturen 12 angeordnet, die sich insbesondere in Richtung hin zur Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 verjüngen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen und um das Kühlmittel in den Bereich einer turbulenten Strömung zu bringen.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt mit Hintergrundkanten durch einen Zylinderkopf 1. Am Boden des Zylinderkopfes 11 steckt in einer Öffnung des Zylinderkopfes 1 eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13, in die der Injektor 5 eingesetzt ist. Neben der Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 befinden sich der Einlasskanal 2 und der Auslasskanal 3. Im Inneren des Zylinderkopfes 1 sind Kühlmittelstrukturen 12 angeordnet, die sich insbesondere in Richtung hin zur Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 verjüngen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen und um das Kühlmittel in den Bereich einer turbulenten Strömung zu bringen.
In Figur 5 wird ein Teilschnitt eines 3D-Modells des Zylinderkopfs 1 dargestellt. Am Boden des Zylinderkopfes 1 1 steckt in einer Öffnung des Zylin- derkopfes 1 eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13, in die der Injektor 5 eingesetzt ist. Neben der Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 befinden sich der Einlasskanal 2 und der Auslasskanal 3. Der Kraftstoffinjektor 5 wird mittels Aufnahme 13 in einer Kupferhülse im Zylinderkopf 1 eingesetzt. Diese Kupferhülse 13 sorgt dann mittels Abdichtung durch Runddichtringe 15 dafür, dass die Medien wie das Kühlmittel 16, Leckkraftstoff sowie Brenngas voneinander getrennt werden. Bedingt durch die Ventilanordnung und geometrischen Randparameter wird die Kühlmittelanströmung zum Injektor 5 über 4 schmale Verbindungskanäle möglich. Dies wird optimiert, da sich dieser Bereich im unteren Teil des Injektors 5 von allen Seiten zur Mitte des Zylinders hin verjüngt, was eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und somit eine verbesserte Kühlung im unteren Bereich des Injektors 5 zur Folge hat. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Zylinderkopf 1 4 Ventile je Zylinder auf.
In Figur 5 ist die Längsmittelachse 4 entlang des Injektortrogs 9 dargestellt. Im Inneren des Zylinderkopfes 1 sind Kühlmittelstrukturen 12 angeordnet, die sich insbesondere in Richtung hin zur Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 verjüngen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen und um das Kühlmittel in den Bereich einer turbulenten Strömung zu bringen.
In Figur 6 wird ein Querschnitt in einer anderen Darstellung als in Figur 3 durch einen Zylinderkopf 1 dargestellt. Am Boden des Zylinderkopfes 1 1 steckt in einer Öffnung des Zylinderkopfes 1 eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13, in die der in Figur 3 nicht dargestellte Injektor 5 eingesetzt wird. Im Inneren des Zylinderkopfes 1 sind Kühlmittelstrukturen 12 angeordnet, die sich insbesondere in Richtung hin zur Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors 13 verjüngen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen und um das Kühlmittel in den Bereich einer turbulenten Strömung zu bringen. Bezugszeichen
1 Zylinderkopf
2 Einlasskanal
3 Auslasskanal
4 Längsmittelachse
5 Injektor
6 Ventilschäfte
7 Nockenwelle
8 Stoßstangen
9 Injektortrog
10 Bohrungen zur Aufnahme der Injektoren
11 Boden des Zylinderkopfes
12 Kühlmittelstrukturen
13 Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des Injektors
14 Hochdruckanschluss
15 Runddichtung
16 Kühlmittel

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Zylinderkopf (1 ) für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil pro Zylinder, wobei auf jeder Seite einer Längsmittelachse (L) des Zylinderkopfes (1 ) ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil für jeden Zylinder angeordnet und die Ventile eines Zylinders um einen etwa in der Mitte der Querschnittsfläche des Zylinders befindlichen Injektor (5) gruppiert sind und mit auf Ventilschäfte (6) wirkenden Hebeln, welche von einer Nockenwelle und/oder von Stoßstangen (8) betätigt werden, wobei ein in Richtung der Längsmittelachse (L) verlaufender Injektortrog (9) vorgesehen ist, von dem Bohrungen (10) zur Aufnahme der Injektoren (5) ausgehen und im Wesentlichen unmittelbar im Bereich des Injektors und dem Boden des Zylinderkopfes Kühlmittelstrukturen angeordnet sind.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung zur Aufnahme des Injektors eine Aufnahmevorrichtung aufweist.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung die als Kühlkanäle ausgebildeten Kühlmittelstrukturen abdichtet.
4. Zylinderkopf nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung einen Injektor aufnimmt.
5. Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung fast vollständig im direkten Kontakt mit dem Kühlmittel ist.
6. Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung mit Ausnahme des vorderen zur Aufnahme des verjüngten Injektorenkopfes geeigneten Aufnahmevorrichtungskopfes im direkten Kontakt mit dem Kühlmittel ist.
7. Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlkanäle hin zur Aufnahmevorrichtung verjüngen.
8. Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle insbesondere im Bereich der Aufnahmevorrichtung derart ausgestaltet sind, dass die REYNOLDS-Zahl größer als 2.300 ist.
9. Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle insbesondere im Bereich der Aufnahmevorrichtung derart ausgestaltet sind, dass die REYNOLDS-Zahl größer als 10.000 ist.
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