JP2006077671A - 排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】エンジン停止状態で電気ヒータを用いた強制再生を実行しても、バッテリ上がりやエンジンの始動性の悪化を招くことのない排気浄化装置を実現する。
【解決手段】パティキュレートを捕集するフィルタ本体７に電気ヒータ９を装備した加熱再生型のパティキュレートフィルタ１０を採用し、捕集済みパティキュレートを電気ヒータ９の加熱により燃焼してパティキュレートフィルタ１０を強制再生するようにした排気浄化装置に関し、パティキュレートフィルタ１０の強制再生に係る一連の制御を担う制御装置３７を、バッテリ３４の電圧が規定値より高い条件下でのみエンジン停止状態での強制再生を実行し且つそのエンジン停止状態での強制再生中にエンジン始動操作が成された時に強制再生を一時的に中断するように構成する。
【選択図】図１
【解決手段】パティキュレートを捕集するフィルタ本体７に電気ヒータ９を装備した加熱再生型のパティキュレートフィルタ１０を採用し、捕集済みパティキュレートを電気ヒータ９の加熱により燃焼してパティキュレートフィルタ１０を強制再生するようにした排気浄化装置に関し、パティキュレートフィルタ１０の強制再生に係る一連の制御を担う制御装置３７を、バッテリ３４の電圧が規定値より高い条件下でのみエンジン停止状態での強制再生を実行し且つそのエンジン停止状態での強制再生中にエンジン始動操作が成された時に強制再生を一時的に中断するように構成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排出ガス中からパティキュレートを除去する排気浄化装置に関するものである。
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策として、図３に示す如く、ディーゼルエンジン１からの排出ガス２が流通する排気管３の途中にパティキュレートフィルタ４を装備することが考えられている。
図４に詳細に示す如く、このパティキュレートフィルタ４は、コージェライト等のセラミックで製作された多孔質ハニカム構造のフィルタ本体７を主構成とし、このフィルタ本体７における格子状に区画された各流路５の入口が栓体８により交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路５については、その出口が栓体８により目封じされるようになっており、各流路５を区画する多孔質薄壁６を通過した排出ガス２のみが下流側へ排出されて、前記多孔質薄壁６の内側表面にパティキュレートが捕集されるようにしてある。
そして、排出ガス２中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁６の内側表面に捕集されて堆積し、排気温度が高い運転領域に移行した際に自然燃焼して除去されるようになっているが、例えば、都内の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような車両では、必要な所定温度以上での運転が長く継続しないため、パティキュレートの処理量よりも堆積量の方が上まわり、パティキュレートフィルタ４が目詰まりを起こす虞れがあった。
このため、排気温度が低い運転領域でもパティキュレートを良好に燃焼除去し得るよう電気ヒータを装備させることが検討されており、この種の電気ヒータにより積極的な加熱を行えば、排気温度が低い運転領域でもパティキュレートを良好に燃焼除去することが可能となる。
尚、電気ヒータを装備した加熱再生型のパティキュレートフィルタについては、例えば、本発明と同じ出願人による下記の特許文献１等が既に提案されている。
特開昭６２−２５５５１２号公報
ところが、このような電気ヒータを利用した従来提案にあっては、パティキュレートフィルタ４の再生に要する電力消費量が多いために、既存の車両用バッテリで賄いきれない程の大容量電源が必要となり、しかも、消費した電力分に見合う充電が必要となることで燃費の悪化を招くという問題があり、また、パティキュレートフィルタ４の再生時に、パティキュレートが比較的低温で焼却されることになるため、高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスが発生して大気中に排出される懸念もあった。
そこで、本発明者は、電力消費量が少なくて済み且つ有害ガスを大気中に排出することのない加熱再生型のパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置を創案するに到り、これを未だ未公開の特願２００３−３２８３４１号として既に先行出願している。
この先行出願の基本概念は図５に示す如きものであり、先の図４で示したものと同じ構造を採用した炭化珪素製のフィルタ本体７の前端面に、シーズドヒータ等から成る電気ヒータ９を装備して加熱再生型のパティキュレートフィルタ１０を構成すると共に、この加熱再生型のパティキュレートフィルタ１０の前後位置に、該パティキュレートフィルタ１０に対し保温効果が得られるように酸化触媒１１，１２を近接配置したものとなっている。
而して、このような排気浄化装置とすれば、軽負荷運転時等における排気温度の低い運転状態であっても、フィルタ本体７に捕集されたパティキュレートを電気ヒータ９の加熱により効果的に燃焼除去することができ、しかも、前後の酸化触媒１１，１２による保温効果によりフィルタ本体７を急速に温度上昇させてパティキュレートを焼却し易い環境とすることができるので、従来より短い通電時間でパティキュレートの燃焼除去を終了することができ、これにより消費電力の大幅な低減化を図ることができる。
また、パティキュレートを電気ヒータ９の加熱により比較的低温で焼却することにより生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスを、後段の酸化触媒１２を通過させることで無害なＣＯ2やＨ2Ｏに酸化処理して排出することができ、最終的に大気中へ排出される排出ガス２中に有害ガスが残存してしまう虞れを未然に回避することができる。
更に、前段の酸化触媒１１を通過させることで排出ガス２中のＮＯxの大半を占めるＮＯを反応性の高いＮＯ2とすることができるので、排気温度が比較的高い運転条件下でのパティキュレートの酸化反応を大幅に促進することができ、これにより電気ヒータ９による加熱を加えない場合でのパティキュレートの自然燃焼を促して良好な燃焼除去を図ることもできる。
しかしながら、ここに例示しているような手段を講じて電気ヒータ９を用いた加熱再生型の排気浄化装置を実用化し得るとしても、宅配荷物を配達して回る業務やコンビニエンスストアに商品を卸して回る業務等を担う商業車輌の如きエンジン停止頻度の高い運行形態の車輌に適用させるにあたっては、エンジンが運転中であるか停止状態であるかを問わず、適切にパティキュレートフィルタ１０の強制再生を実行できるようにすることが重要となるが、エンジン停止状態で電気ヒータ９を用いた強制再生を実行することはバッテリへの負担が非常に大きいため、バッテリ上がりが生じてしまったり、エンジン停止状態での強制再生中にエンジン始動が行えなくなったりする虞れがあった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、エンジン停止状態で電気ヒータを用いた強制再生を実行しても、バッテリ上がりやエンジンの始動性の悪化を招くことのない排気浄化装置を実現することを目的としている。
本発明は、パティキュレートを捕集するフィルタ本体に電気ヒータを装備した加熱再生型のパティキュレートフィルタを採用し、捕集済みパティキュレートを電気ヒータの加熱により燃焼してパティキュレートフィルタを強制再生するようにした排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの強制再生に係る一連の制御を担う制御装置を、バッテリ電圧が規定値より高い条件下でのみエンジン停止状態での強制再生を実行し且つそのエンジン停止状態での強制再生中にエンジン始動操作が成された時に強制再生を一時的に中断するように構成したことを特徴とするものである。
而して、このようにすれば、バッテリ電圧が規定値より低い場合に、エンジン停止状態での強制再生が制御装置にて実行（継続）されなくなるので、エンジン停止状態での電気ヒータの電力消費によりバッテリ上がりが生じる虞れが未然に回避される。
しかも、エンジン停止状態での強制再生中にエンジン始動操作が成された時には、制御装置により強制再生が一時的に中断されるようになっているので、エンジン停止状態で電力的負担の大きな電気ヒータによる強制再生とエンジン始動とが重複しなくなり、エンジン始動が優先されることでエンジンが支障なく始動されることになる。
上記した本発明の排気浄化装置によれば、バッテリ電圧が規定値以下の条件下でエンジン停止状態での強制再生が実行されることはなく、しかも、そのエンジン停止状態での強制再生中にエンジン始動操作が成された時には強制再生が一時的に中断されるようになっているので、エンジン停止状態で電気ヒータを用いたパティキュレートフィルタの強制再生を実行しても、バッテリ上がりやエンジンの始動性の悪化を未然に回避することができるという優れた効果を奏し得る。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図３〜図５と同一の符号を付した部分は同一物を表している。
図１及び図２に示す如く、本形態例の排気浄化装置においては、排気管３の途中を二つの流路に分離して構成し、その夫々の流路にフィルタケース１３，１４を並列に対で装備して両フィルタケース１３，１４の夫々に加熱再生型のパティキュレートフィルタ１０を収容させた場合を例示している。
ここに図示している加熱再生型のパティキュレートフィルタ１０は、先の図５に示したものと同じものであり、炭化珪素製のフィルタ本体７の前端面に、シーズドヒータ等から成る電気ヒータ９を装備したものとなっていて、各フィルタケース１３，１４内におけるパティキュレートフィルタ１０の前後位置には、該パティキュレートフィルタ１０に対し保温効果が得られるように酸化触媒１１，１２が近接配置されている。
ここで、これら前後の酸化触媒１１，１２は、コージェライト等のセラミックで製作されたハニカム構造の担体に白金を適量担持させたフロースルー型式のものとしてあるが、後段の酸化触媒１２の容積及び白金担持量については、前段の酸化触媒１１より少なくした仕様として良い。
尚、前述した各フィルタケース１３，１４におけるフィルタ本体７には、該フィルタ本体７に捕集されたパティキュレートの酸化反応を促進する目的で酸化触媒を一体的に担持させても良い。
更に、各フィルタケース１３，１４の入側には、排気管３を流れる排出ガス２を各フィルタケース１３，１４の何れか一方に選択的に振り分け得るよう排気シャッタ１５，１６が夫々設けられており、これら各排気シャッタ１５，１６は、エアタンク１７から電磁弁１８，１９を介して導いた加圧空気により駆動されるエアシリンダ２０，２１により開閉作動されるようにしてある。
また、前記各排気シャッタ１５，１６の直後には、エアポンプ２２の駆動により大気中から取り込んだ燃焼用空気を電磁弁２３，２４を介して各フィルタケース１３，１４の入口に導くエア導入管２５，２６が挿入設置されている。
そして、図中２７，２８は圧力センサ、２９，３０は温度センサ、３１，３２はヒータ用リレー、３３はポンプ用リレー、３４はバッテリ、３５は自動再生スイッチ、３６はキースイッチ、３７はエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を兼ねた制御装置を示し、この制御装置３７においては、前記圧力センサ２７，２８、温度センサ２９，３０からの検出信号と、前記自動再生スイッチ３５、キースイッチ３６からのオン・オフ信号とが入力される一方、前記ヒータ用リレー３１，３２、ポンプ用リレー３３、電磁弁１８，１９、電磁弁２３，２４の夫々に向け制御信号が出力されるようになっており、以下に詳述する如きパティキュレートフィルタ１０の強制再生に係る一連の制御が実行されるようになっている。
例えば、図１に図示されている通り、排気シャッタ１６を閉じ且つ排気シャッタ１５を開けて一方のフィルタケース１３に排出ガス２を流しながら運転を行うと、このフィルタケース１３に流入した排出ガス２が前段の酸化触媒１１を通過する際に、前記排出ガス２中のＮＯxの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ2となり、排気温度が約２５０℃以上となる運転条件下でパティキュレートの酸化反応が大幅に促進されて良好に燃焼除去されることになるが、市街地の渋滞路を走行する場合の如き排気温度が２５０℃を大きく下まわるような軽負荷での運転条件が長く継続すると、パティキュレートの良好な燃焼除去が望めなくなる。
そこで、圧力センサ２７，２８の検出値に基づきフィルタケース１３のフィルタ本体７におけるパティキュレートの堆積量が所定量以上となっているものと推定（フィルタ本体７の入側と出側の差圧から推定）された際に、制御装置３７により電磁弁１８を開けて排気シャッタ１５を閉じ且つ電磁弁１９を閉じて排気シャッタ１６を開け、これにより排出ガス２を他方のフィルタケース１４へ迂回させてフィルタケース１３のフィルタ本体７が排出ガス２の流れに晒されない状態とし、然る後、ヒータ用リレー３１の接点を閉じてフィルタケース１３内の電気ヒータ９に対し通電を行い、該電気ヒータ９を発熱させてフィルタケース１３内のフィルタ本体７を積極的に加熱させる。
次いで、前記電気ヒータ９によりフィルタ本体７を積極的に加熱することで温度センサ２９により検出される排気温度が所定値に到達したら、制御装置３７によりポンプ用リレー３３の接点を閉じてエアポンプ２２を駆動し且つ電磁弁２３を開けて前記エアポンプ２２からの燃焼用空気をエア導入管２５を介しフィルタケース１３の入口に導く。
このように排出ガス２を迂回させつつフィルタケース１３の入口に燃焼用空気を導いて電気ヒータ９による加熱を継続すると、電気ヒータ９の発熱量が排出ガス２に奪われることなく効率良くフィルタ本体７に与えられて該フィルタ本体７が効果的に加熱され、該フィルタ本体７に捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されることになり、しかも、フィルタ本体７周囲の酸化雰囲気が高められて捕集済みパティキュレートが燃え易くなる。
この際、加熱再生型のパティキュレートフィルタ１０は、同じフィルタケース１３，１４内で前後を酸化触媒１１，１２により挟み込まれて断熱された状態にあるので、捕集済みパティキュレートの酸化反応が始まることでフィルタ本体７が急速に温度上昇し、これによりパティキュレートがより一層焼却され易くなる結果、従来より短い通電時間でパティキュレートの焼却を終了することが可能となり、消費電力が従来より少なくて済むことになる。
また、このような電気ヒータ９の加熱を受けてパティキュレートが比較的低温で焼却されることで生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスは、後段の酸化触媒１２を通過する際に無害なＣＯ2やＨ2Ｏに酸化処理されて排出されることになる。
尚、一方のフィルタケース１３のフィルタ本体７における再生が終了した後、長時間に亘る運転期間を経て他方のフィルタケース１４のフィルタ本体７におけるパティキュレートの堆積量が所定量以上となっているものと推定されたら、前記フィルタケース１４側について、前述と同様の手順によりフィルタ本体７の再生を図るようにすれば良い。
より具体的には、制御装置３７により電磁弁１８を閉じて排気シャッタ１５を開け且つ電磁弁１９を開けて排気シャッタ１６を閉じ、これにより今度は排出ガス２を一方のフィルタケース１３へ迂回させ、ヒータ用リレー３２の接点を閉じてフィルタケース１４内の電気ヒータ９に対し通電を行い、該電気ヒータ９を発熱させてフィルタケース１４内のフィルタ本体７を積極的に加熱させ、然る後に、温度センサ３０により検出される排気温度が所定値に到達したら、制御装置３７によりポンプ用リレー３３の接点を閉じてエアポンプ２２を駆動し且つ電磁弁２４を開けて前記エアポンプ２２からの燃焼用空気をエア導入管２６を介しフィルタケース１４の入口に導くようにすれば良い。
そして、以上に詳述した如きパティキュレートフィルタ１０の強制再生に係る一連の制御を担う制御装置３７にあっては、バッテリ３４の電圧が規定値より高い条件下でのみエンジン停止状態での強制再生を実行し且つそのエンジン停止状態での強制再生中にキースイッチ３６をオンとするエンジン始動操作が成された時に強制再生を一時的に中断する機能が備えられている。
即ち、前述のエンジン停止状態での強制再生の中止及び中断に関する制御装置３７での具体的な制御手順は図２のフローチャートで示す通りであり、先ずステップＳ１でパティキュレートフィルタ１０の強制再生の要否が判定され、強制再生が必要と判定されるまでステップＳ１での判定が繰り返されるようになっている。
ここで、強制再生の要否は、圧力センサ２７，２８の検出値（フィルタ本体７の入側と出側の差圧：圧力損失）に基づきフィルタ本体７におけるパティキュレートの堆積量を推定し、その推定値が所定量以上となっている場合に強制再生が必要と判定するようにしてあるが、以下の通りエンジンの運転状態からパティキュレートの堆積量を推定することも可能である。
即ち、本形態例における制御装置３７は、エンジン制御コンピュータを兼ねたものとなっていて、エンジン回転数やアクセル開度に基づき各気筒への燃料噴射制御も担うようになっているので、その燃料噴射制御の決定時に判明している燃料の噴射量を抽出し、この噴射量と回転数とによるパティキュレートの発生量マップから現在のエンジンの運転状態に基づくパティキュレートの基本的な発生量を推定し、その基本的な発生量に対しパティキュレートの発生にかかわる各種の条件を考慮した補正係数を掛け且つ現在の運転状態におけるパティキュレートの処理量を減算してパティキュレートフィルタ１０の捕集量を求め、この捕集量を時々刻々積算してパティキュレートの堆積量を推定するようにしても良い。
尚、このようなパティキュレートの堆積量を推定する方法には各種の考え方があり、ここに例示した推定方法以外の手法を用いてパティキュレートの堆積量を推定することも勿論可能である。
そして、ステップＳ１でパティキュレートフィルタ１０の強制再生が必要と判定された際には、ステップＳ２へと進んでエンジン停止状態か否かが判定されるようになっており、エンジンが運転中である場合には、ステップＳ３へと進んで強制再生に係る一連の制御（何れか一方の電気ヒータ９のオン及び温調、エアポンプ２２のオン、排気シャッタ１５，１６による流路の切り替え、燃焼用空気の導入先の切り替え等）が実行されるようになっている。
ステップＳ３で強制再生が実行された後は、次のステップＳ４にて強制再生中にキースイッチ３６をオフとするエンジン停止操作が成されたか否かが監視されるようになっており、特にエンジン停止操作が成されることなく強制再生が継続している場合には、次のステップＳ５へ進んでパティキュレートフィルタ１０の再生（捕集済みパティキュレートの焼却）が終了されたか否かが判定され、その終了が判定された際に強制再生に係る一連の制御が終了し、パティキュレートフィルタ１０の再生の終了が判定されないうちはステップＳ３からの手順が繰り返されるようになっている。
先のステップＳ５におけるパティキュレートフィルタ１０の再生の終了判定は、例えば、温度センサ２９又は温度センサ３０の計測値が所定値以上となっている条件が何分継続されたかを監視し、その延べ時間がパティキュレートフィルタ１０内のパティキュレートの推定堆積量を燃やし尽くすに足る所定時間以上となった時に終了判定が下るようにすれば良い。
尚、温度センサ２９又は温度センサ３０の計測値に基づいて単位時間当りのパティキュレートの焼却処理量を推定し、この焼却処理量を単位時間が経過する毎に積算していって、パティキュレートフィルタ１０内のパティキュレートの推定堆積量と前記焼却処理量の積算値とが等しくなった時に終了判定が下るようにしても良い。
他方、先のステップＳ４において、強制再生中にエンジン停止操作が成された場合には、ステップＳ６へと進んで自動再生スイッチ３５がオンになっているか否かが確認されるようになっており、自動再生スイッチ３５がオンになっていない場合には、ステップＳ２からの手順が繰り返されるようになっている。
ここで、自動再生スイッチ３５とは、エンジン停止状態での強制再生の自動的な実行を避けたい場合（例えば屋内で駐車しているケース等）に運転者の意志で任意に強制再生を中止できるようにするためのスイッチのことを指している。
そして、先のステップＳ６で自動再生スイッチ３５のオンが確認された場合には、次のステップＳ７において、バッテリ３４の電圧が規定値より高いか否かが判定され、バッテリ３４の電圧が規定値より高いと判定された場合に限り次のステップＳ８へと進んで強制再生に係る一連の制御が実行されるようになっている。
また、バッテリ３４の電圧が規定値以下の場合には、ステップＳ７からステップＳ２へと戻されてエンジン停止状態か否かの判定が繰り返し行われることになり、実質的にステップＳ３へ進むためのエンジン始動を待つ待機状態となるようにしてある。
更に、ステップＳ８で強制再生が実行された後は、次のステップＳ９にて強制再生中にキースイッチ３６をオンとするエンジン始動操作が成されたか否かが監視されるようになっており、特にエンジン始動操作が成されることなく強制再生が継続している場合には、次のステップＳ１０へ進んでパティキュレートフィルタ１０の再生（捕集済みパティキュレートの焼却）が終了されたか否かが判定され、その終了が判定された際に強制再生に係る一連の制御が終了し、パティキュレートフィルタ１０の再生の終了が判定されないうちはステップＳ６からの手順が繰り返されるようになっている。尚、ここでのパティキュレートフィルタ１０の再生終了の判定は、先のステップＳ５で説明したものと同じであるので説明を割愛する。
他方、先のステップＳ９において、強制再生中にエンジン始動操作が成された場合には、ステップＳ１１へと進んで強制再生を約１０秒程度一時的に中断し、その後にステップＳ２へ戻されて同様の手順が繰り返されるようになっている。
即ち、通常の場合は、エンジン始動操作により約１０秒程度の中断時間内にエンジンが始動するので、ステップＳ２でエンジン始動が確認されてからステップＳ３へと進んでエンジンの運転状態での強制再生が実行されることになる。
而して、このような制御装置３７によりパティキュレートフィルタ１０の強制再生を制御すれば、バッテリ３４の電圧が規定値より低い場合に、エンジン停止状態での強制再生が制御装置３７にて実行（継続）されなくなるので、エンジン停止状態での電気ヒータ９の電力消費によりバッテリ上がりが生じる虞れが未然に回避されることになり、しかも、エンジン停止状態での強制再生中にキースイッチ３６をオンとするエンジン始動操作が成された時には、制御装置３７により強制再生が一時的に中断されるようになっているので、エンジン停止状態で電力的負担の大きな電気ヒータ９による強制再生とエンジン始動とが重複しなくなり、エンジン始動が優先されることでエンジンが支障なく始動されることになる。
従って、上記形態例によれば、バッテリ３４の電圧が規定値以下の条件下でエンジン停止状態での強制再生が実行されることはなく、しかも、そのエンジン停止状態での強制再生中にエンジン始動操作が成された時には強制再生が一時的に中断されるようになっているので、エンジン停止状態で電気ヒータ９を用いたパティキュレートフィルタ１０の強制再生を実行しても、バッテリ上がりやエンジンの始動性の悪化を未然に回避することができる。
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、加熱再生型のパティキュレートフィルタは必ずしも並列に対で設けなくても良く、例えば単一の加熱型のパティキュレートフィルタに対しこれを迂回するバイパス流路を設けるようにしても良いこと、フィルタ本体には必ずしも酸化触媒を担持させなくて良いこと、フィルタ本体の形状は図示例に限定されないこと、また、フィルタ本体に対する電気ヒータの装備の形式は図示例に限定されないこと、エンジン始動操作はキースイッチをオンとする操作だけに限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
７ フィルタ本体
９ 電気ヒータ
１０ 加熱再生型のパティキュレートフィルタ
３４ バッテリ
３６ キースイッチ
３７ 制御装置
９ 電気ヒータ
１０ 加熱再生型のパティキュレートフィルタ
３４ バッテリ
３６ キースイッチ
３７ 制御装置
Claims (1)
- パティキュレートを捕集するフィルタ本体に電気ヒータを装備した加熱再生型のパティキュレートフィルタを採用し、捕集済みパティキュレートを電気ヒータの加熱により燃焼してパティキュレートフィルタを強制再生するようにした排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの強制再生に係る一連の制御を担う制御装置を、バッテリ電圧が規定値より高い条件下でのみエンジン停止状態での強制再生を実行し且つそのエンジン停止状態での強制再生中にエンジン始動操作が成された時に強制再生を一時的に中断するように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
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