JP2006119035A - Knocking sensor and knocking detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関のノッキングを検出する技術に関する。 The present invention relates to a technique for detecting knocking of an internal combustion engine.
特許文献1には、ノッキングセンサからの出力またはノッキング判定値を、水温センサで検出された水温に基づいて推定したセンサ温度によって、修正することにより、ノッキング判定精度の向上を図った技術が開示されている。
しかしながら、特許文献のように、水温その他ノッキングセンサ以外の個所で検出された温度とセンサ温度との間には、ずれがあるので、十分に判定精度を向上できるものではなかった。
また、ノッキングセンサに温度センサを内蔵することが考えられるが、温度センサからの温度検出信号を取り出すためのコネクタ端子や信号線(ハーネス)を増やす必要があり、コスト高についてしまう。
However, as in the patent literature, there is a difference between the sensor temperature and the temperature detected at a location other than the water temperature or other knocking sensor, so that the determination accuracy cannot be sufficiently improved.
Although it is conceivable to incorporate a temperature sensor in the knocking sensor, it is necessary to increase the number of connector terminals and signal lines (harness) for taking out a temperature detection signal from the temperature sensor, resulting in high costs.
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、ノッキングセンサの出力端子や信号線の数を増やすことなく低コストな構成で高精度にセンサ温度を検出しつつ、高精度なノッキング判定を行えるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and is capable of detecting a sensor temperature with high accuracy with a low-cost configuration without increasing the number of output terminals and signal lines of the knocking sensor, and providing high accuracy. The purpose is to make a simple knocking determination.
このため、本発明に係る内燃機関用ノッキングセンサは、圧電素子の出力端子に、温度係数の大きな感温抵抗素子を並列接続して内蔵した構成とした。
また、本発明に係る内燃機関のノッキング検出装置は、圧電素子と温度係数の大きな感温抵抗素子とを並列接続して構成したノッキングセンサと、該ノッキングセンサの出力からノッキング振動成分を含む高周波成分とセンサ部温度検出用の直流に近い低周波成分とを分離して抽出する周波数分別回路とを含んで構成した。
For this reason, the knocking sensor for an internal combustion engine according to the present invention has a configuration in which a temperature sensitive resistance element having a large temperature coefficient is connected in parallel to the output terminal of the piezoelectric element.
The knock detection device for an internal combustion engine according to the present invention includes a knock sensor configured by connecting a piezoelectric element and a temperature-sensitive resistance element having a large temperature coefficient in parallel, and a high-frequency component including a knock vibration component from the output of the knock sensor. And a frequency separation circuit that separates and extracts a low frequency component close to a direct current for detecting the sensor temperature.
かかる構成とすれば、ノッキングセンサの出力端子に温度係数の大きな感温抵抗素子を並列接続した構成により、ノッキングセンサの出力の低周波成分がセンサ温度によって変化するため、該低周波成分に基づいてセンサ温度を検出することができ、該センサ温度に基づいてセンサ出力(高周波成分)を温度補正してノッキング判定精度を向上することが可能となる。 With such a configuration, since the low frequency component of the output of the knocking sensor changes depending on the sensor temperature due to the configuration in which the temperature sensing resistance element having a large temperature coefficient is connected in parallel to the output terminal of the knocking sensor, the low frequency component is changed based on the low frequency component. The sensor temperature can be detected, and it is possible to improve the knocking determination accuracy by correcting the temperature of the sensor output (high frequency component) based on the sensor temperature.
また、センサの出力端子数は、増えないので出力信号線(ハーネス)の数を増やすことなく、低コストかつコンパクト性を維持できる。 Further, since the number of output terminals of the sensor does not increase, it is possible to maintain low cost and compactness without increasing the number of output signal lines (harnesses).
以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図1において、ノッキングセンサ1は、底部が外側に張り出すフランジ部11aを有した筒状部材11が中心部に設けられ、該筒状部材11の中心孔に締結用ボルト3を通してエンジンのシリンダブロック2に締結される。筒状部材の外側には、前記フランジ部の上面に接合して環状の圧電素子(ピエゾ素子)12が嵌挿され、該圧電素子12の上にマス部材13が載せられ、さらに該マス部材13を弾性付勢する板ばね14と、該板ばね14の押さえ金15が載せられる。さらに、これらの外周を樹脂モールドしてハウジング16が形成され、前記圧電素子12の2本の出力端子12aの端部を突出させてコネクタ部16aが形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, a knocking sensor 1 includes a cylindrical member 11 having a flange portion 11a with a bottom portion protruding outward, and a cylinder block of an engine through a fastening bolt 3 in a central hole of the cylindrical member 11. 2 is fastened. On the outside of the cylindrical member, an annular piezoelectric element (piezo element) 12 is fitted and joined to the upper surface of the flange portion, and a mass member 13 is placed on the piezoelectric element 12. A plate spring 14 that elastically urges the plate spring 14 and a presser plate 15 of the plate spring 14 are mounted. Further, a housing 16 is formed by resin molding of these outer circumferences, and a connector portion 16a is formed by projecting end portions of the two output terminals 12a of the piezoelectric element 12.
そして、圧電素子12に機関の振動加速度が加わると、振動加速度に応じた出力電圧が発生し、該出力電圧の高周波成分に基づいてノッキングを検出することができる。
かかる圧電素子型のノッキングセンサ1において、本願発明にかかる構成として、圧電素子12の出力端子12aに温度係数の大きなサーミスタ(感温抵抗素子)17を、並列接続する。該サーミスタ17は、上記樹脂モールドによりハウジング16内に埋設される。
When the vibration acceleration of the engine is applied to the piezoelectric element 12, an output voltage corresponding to the vibration acceleration is generated, and knocking can be detected based on the high frequency component of the output voltage.
In the piezoelectric element type knocking sensor 1, as a configuration according to the present invention, a thermistor (temperature sensitive resistance element) 17 having a large temperature coefficient is connected in parallel to the output terminal 12 a of the piezoelectric element 12. The thermistor 17 is embedded in the housing 16 by the resin mold.
図2は、上記ノッキングセンサ1を含むノッキング検出装置の回路構成を示す。ノッキングセンサ1(圧電素子12)の出力は、ハーネス21を介してエンジンコントロールユニット(ECU)31のハイパスフィルタ(HPF)32及びローパスフィルタ(LPF)33に入力される。なお、入力端子の+側は、抵抗(RL)34を介して電源VCCに接続され、−側は、コンデンサ(CL)35を介して接地される。 FIG. 2 shows a circuit configuration of a knocking detection device including the knocking sensor 1. The output of the knocking sensor 1 (piezoelectric element 12) is input to the high-pass filter (HPF) 32 and the low-pass filter (LPF) 33 of the engine control unit (ECU) 31 via the harness 21. The positive side of the input terminal is connected to the power supply VCC via a resistor (RL) 34, and the negative side is grounded via a capacitor (CL) 35.
前記ハイパスフィルタ32は、ノッキングセンサ1の出力からノッキング判定用の高周波成分を抽出し、前記ローパスフィルタ33は、ノッキングセンサ1の出力から直流に近い低周波成分を抽出する。
ここで、ローパスフィルタ33によって抽出される直流に近い低周波成分は、前記サーミスタ17の温度−抵抗特性によって温度に依存するので、該低周波成分レベルに応じてセンサ温度を検出できる。したがって、ローパスフィルタ33からの信号はセンサ温度信号としてマイクロコンピュータ36に入力される。また、前記ハイパスフィルタ32からの高周波成分は増幅器(AMP)37で増幅された後、振動信号としてマイクロコンピュータ36に入力される。
The high-pass filter 32 extracts a high-frequency component for knocking determination from the output of the knocking sensor 1, and the low-pass filter 33 extracts a low-frequency component close to direct current from the output of the knocking sensor 1.
Here, since the low frequency component close to the direct current extracted by the low pass filter 33 depends on the temperature by the temperature-resistance characteristic of the thermistor 17, the sensor temperature can be detected in accordance with the low frequency component level. Therefore, the signal from the low-pass filter 33 is input to the microcomputer 36 as a sensor temperature signal. The high frequency component from the high pass filter 32 is amplified by an amplifier (AMP) 37 and then input to the microcomputer 36 as a vibration signal.
そして、前記マイクロコンピュータ36は、前記振動信号を周波数分析しつつノッキング成分のレベルを、前記検出されたセンサ温度に応じて補正し、補正したノッキング成分レベルを判定レベルと比較することによって、ノッキングの有無を判定する。なお、ハイパスフィルタ32によって、ノッキング周波数成分に帯域を絞ることにより周波数分析機能を持たせるようにしてもよい。あるいは、専用の周波数分析回路を介して周波数分析された信号をマイクロコンピュータ36に入力させるようにしてもよい。 The microcomputer 36 corrects the level of the knocking component according to the detected sensor temperature while performing frequency analysis of the vibration signal, and compares the corrected knocking component level with the determination level, thereby performing knocking. Determine presence or absence. Note that the high-pass filter 32 may have a frequency analysis function by narrowing the band to the knocking frequency component. Alternatively, a signal subjected to frequency analysis via a dedicated frequency analysis circuit may be input to the microcomputer 36.
具体的には、センサ温度が高いほどセンサ(圧電素子)出力が低下し、かつ、共振点が低周波数側にシフトする温度特性を有するので、ノッキング判定に用いる周波数帯域における温度特性に応じて温度による変化の影響を無くす方向の温度補正を行う。
なお、前記サーミスタ17としては、検出温度範囲で高周波成分への影響を小さくするように高抵抗値を維持でき、かつ、安定した特性を有するものを用いる。現状では負の温度−抵抗特性を有するNTCサーミスタが適するが、正の温度−抵抗特性を有するPTCサーミスタでも安定した特性を有すれば用いることができる。本実施形態では、NTCサーミスタを用いる。
Specifically, the sensor (piezoelectric element) output decreases as the sensor temperature increases, and the resonance point shifts to the low frequency side. Therefore, the temperature depends on the temperature characteristic in the frequency band used for knocking determination. Perform temperature correction in a direction that eliminates the effects of changes due to.
As the thermistor 17, a thermistor having a stable characteristic and maintaining a high resistance so as to reduce the influence on the high frequency component in the detection temperature range is used. Currently, NTC thermistors having negative temperature-resistance characteristics are suitable, but PTC thermistors having positive temperature-resistance characteristics can be used as long as they have stable characteristics. In this embodiment, an NTC thermistor is used.
このようにすれば、ノッキングセンサ1にセンサ温度検出用のサーミスタ17がハウジング16に内蔵されるので、水温等で代用するものに比較しセンサ温度を高精度に検出でき、ひいてはノッキング判定を高精度に行える。
また、ノッキングセンサ1の外形を変更することなくセンサ自体のコンパクト性を維持できると共に、ノッキングセンサ1の出力端子数が増えないため、ノッキングセンサ1とエンジンコントロールユニット31とを接続するハーネスの本数も増加せず、装置全体のコンパクト性も維持でき、低コストで実施できる。なお、ノッキングセンサに内蔵してセンサ温度を検出する温度センサとして熱電対などを用いることも考えられるが、熱電対のように起電力によって温度検出する素子を用いた場合は、出力端子と並列接続することができず、出力端子数およびハーネス本数が増加してしまう。本発明のように感温抵抗素子を出力端子に並列接続することでかかる不具合を解消できるのである。
In this manner, since the thermistor 17 for detecting the sensor temperature is built in the housing 16 in the knocking sensor 1, the sensor temperature can be detected with higher accuracy compared to a substitute for the water temperature or the like, so that the knocking determination can be performed with high accuracy. Can be done.
Further, the compactness of the sensor itself can be maintained without changing the outer shape of the knocking sensor 1 and the number of output terminals of the knocking sensor 1 does not increase. Therefore, the number of harnesses connecting the knocking sensor 1 and the engine control unit 31 is also increased. It does not increase, can maintain the compactness of the entire apparatus, and can be implemented at low cost. It is also possible to use a thermocouple or the like as a temperature sensor that detects the sensor temperature built in the knocking sensor. However, when an element that detects temperature by electromotive force, such as a thermocouple, is used, it is connected in parallel with the output terminal. The number of output terminals and the number of harnesses increase. Such a problem can be solved by connecting the temperature-sensitive resistance element in parallel to the output terminal as in the present invention.
また、ローパスフィルタは、通常のノッキング判定回路でも低周波成分を分離するため、一般的に設けられるので、該ローパスフィルタをセンサ温度検出用としてそのまま利用することができ、コストアップを回避できる。
また、前記センサ温度に基づいて、ノッキングセンサの故障診断を行うことができる。すなわち、上述したように、ノッキングセンサ1は、エンジンのシリンダブロック2に装着されるため、エンジン冷却水温度(水温)と略同じになるので、ノッキングセンサ1外部から信号に基づくセンサ取付部温度として水温を用い、センサ出力の低周波成分から求めたセンサ温度と水温(センサ取付部温度)との温度差が所定以上大きくなったときにノッキングセンサ1が故障していると診断する。
Further, since the low-pass filter is generally provided in order to separate low-frequency components even in a normal knocking determination circuit, the low-pass filter can be used as it is for sensor temperature detection, and an increase in cost can be avoided.
Further, a failure diagnosis of the knocking sensor can be performed based on the sensor temperature. That is, as described above, since the knocking sensor 1 is mounted on the cylinder block 2 of the engine, the knocking sensor 1 is substantially the same as the engine coolant temperature (water temperature). Using the water temperature, when the temperature difference between the sensor temperature obtained from the low frequency component of the sensor output and the water temperature (sensor mounting portion temperature) becomes larger than a predetermined value, it is diagnosed that the knocking sensor 1 has failed.
上記故障診断のため、前記マイクロコンピュータ36は、エンジン制御用に設けられている水温センサ41から入力される水温信号を用いる。
図3は、上記ノッキングセンサ故障診断のフローチャートを示す。
ステップ1では、異常状態継続時間を計測するカウンタを初期値にリセットする。
ステップ2では、水温Twが診断許可水温Tw0以上であるかを判定する。低水温時には、センサ正常時でも水温とセンサ温度との温度差が小さいので、温度差に基づく故障診断精度が低下するため診断を禁止し、診断許可水温Tw0以上を条件として診断を行うことで精度を確保する。
For the fault diagnosis, the microcomputer 36 uses a water temperature signal input from a water temperature sensor 41 provided for engine control.
FIG. 3 shows a flowchart of the knocking sensor failure diagnosis.
In step 1, the counter that measures the abnormal state duration is reset to the initial value.
In step 2, it is determined whether the water temperature Tw is equal to or higher than the diagnosis permission water temperature Tw0. When the water temperature is low, the temperature difference between the water temperature and the sensor temperature is small even when the sensor is normal, so failure diagnosis accuracy based on the temperature difference is reduced, so diagnosis is prohibited, and accuracy is achieved by performing diagnosis on the condition that the diagnosis allowable water temperature is Tw0 or higher. Secure.
ステップ3では、水温Twから所定温度を差し引いた温度値を、断線故障判定用のしきい値Tdとして算出し、水温Twに所定温度を加算した温度値を、短絡故障判定用のしきい値Ttとして算出する。前記所定温度を水温Twが高いほど高い値に設定してもよい。
ステップ4では、センサ温度Tsが前記断線故障判定用のしきい値Td未満であるかを判定し、しきい値Td未満と判定されたときは断線異常状態と判断し、ステップ5へ進んで該断線異常状態の継続時間を計測するため、前記カウンタの値をデクリメントする。
In step 3, a temperature value obtained by subtracting a predetermined temperature from the water temperature Tw is calculated as a threshold value Td for disconnection failure determination, and a temperature value obtained by adding the predetermined temperature to the water temperature Tw is calculated as a threshold value Tt for short-circuit failure determination. Calculate as The predetermined temperature may be set to a higher value as the water temperature Tw is higher.
In step 4, it is determined whether the sensor temperature Ts is less than the threshold value Td for determining the disconnection failure. If it is determined that the sensor temperature Ts is less than the threshold value Td, it is determined that the disconnection is abnormal, and the process proceeds to step 5. In order to measure the duration of the disconnection abnormality state, the value of the counter is decremented.
ステップ6では、前記カウンタの値が0になったかを判定し、0になる前はステップ2へ戻り、断線異常判定が継続したときは、カウンタのデクリメントを繰り返して断線異常状態の継続時間を計測する。
このようにして、ステップ6でカウンタの値が0になった、つまり、断線異常状態が所定時間継続したと判定したときに、ステップ7へ進んでノッキングが断線故障しているとの診断を確立する。ここで、本実施形態では、サーミスタ17が負の温度−抵抗特性を有するので、断線すると出力端子間の抵抗が極めて大きくなってセンサ温度が水温Twと比較すると極端に低い温度として検出されしきい値Td未満となるので、断線異常と判断することができる。
In step 6, it is determined whether the value of the counter has become 0. Before it becomes 0, the process returns to step 2, and when the disconnection abnormality determination continues, the counter is decremented repeatedly to measure the duration of the disconnection abnormality state. To do.
In this way, when it is determined in step 6 that the counter value has become 0, that is, the disconnection abnormality state has continued for a predetermined time, the process proceeds to step 7 to establish a diagnosis that knocking has failed. To do. Here, in this embodiment, since the thermistor 17 has a negative temperature-resistance characteristic, if the wire breaks, the resistance between the output terminals becomes extremely large, and the sensor temperature is detected as an extremely low temperature compared to the water temperature Tw. Since it is less than the value Td, it can be determined that the disconnection is abnormal.
また、ステップ4で、センサ温度Tsが前記断線故障判定用のしきい値Td以上と判定されたときは、ステップ8へ進んでセンサ温度Tsが前記短絡故障判定用のしきい値Ttより高いかを判定する。そして、しきい値Ttより高いと判定されたときは短絡異常状態と判断し、ステップ9へ進んでカウンタの値をデクリメントし、ステップ10でカウンタの値が0になったかを判定し、0になる前はステップ2へ戻り、0になった、つまり、短絡異常状態が所定時間継続したと判定したときに、ステップ11へ進んでノッキングが短絡断線故障しているとの診断を確立する。ここで、短絡すると出力端子間の抵抗が極めて小さくなってセンサ温度が水温Twと比較すると極端に高い温度として検出されしきい値Ttより高くなるので、短絡異常と判断することができる。 If it is determined in step 4 that the sensor temperature Ts is equal to or higher than the disconnection failure determination threshold value Td, the process proceeds to step 8 to check whether the sensor temperature Ts is higher than the short-circuit failure determination threshold value Tt. Determine. If it is determined that the value is higher than the threshold value Tt, it is determined that the short circuit is abnormal, and the process proceeds to step 9 where the counter value is decremented. In step 10, it is determined whether the counter value becomes 0. Before that, the process returns to Step 2 and becomes 0, that is, when it is determined that the short-circuit abnormality state has continued for a predetermined time, the process proceeds to Step 11 to establish a diagnosis that knocking has a short-circuit disconnection failure. Here, when the short circuit occurs, the resistance between the output terminals becomes extremely small, and the sensor temperature is detected as an extremely high temperature as compared with the water temperature Tw and becomes higher than the threshold value Tt.
これら、断線故障または短絡故障の診断結果(フラグ設定)が出されたときは、ノッキング判定の信頼性が失われるので、ステップ12でノッキング判定を禁止する。
図4に、本故障診断を行ったときのノッキングセンサ正常時と断線故障時との様子を比較して示す。
このように、水温等でセンサ温度を代用した場合には行えなかったノッキングセンサの故障診断を行うこともできる。また、異常状態が所定時間継続したときに診断を確立することで、過渡的な温度のずれによる誤判定を防止できる。なお、本診断許可の前提として水温センサ41など比較用のセンサ取付部温度を検出するセンサが正常であることを条件とする。すなわち、先に水温センサ41の故障診断を行って故障と診断されたときは、ノッキングセンサの故障診断は禁止する。
When these disconnection failure or short circuit failure diagnosis results (flag setting) are issued, the reliability of knocking determination is lost, and therefore knocking determination is prohibited in step 12.
FIG. 4 shows a comparison between the normal state of the knocking sensor and the disconnection failure when this failure diagnosis is performed.
As described above, it is possible to perform a failure diagnosis of the knocking sensor that cannot be performed when the sensor temperature is substituted by the water temperature or the like. In addition, by establishing diagnosis when an abnormal state continues for a predetermined time, erroneous determination due to a transient temperature shift can be prevented. The precondition for permitting the diagnosis is that the sensor for detecting the temperature of the sensor mounting portion for comparison, such as the water temperature sensor 41, is normal. That is, when the failure diagnosis of the water temperature sensor 41 is performed first and the failure is diagnosed, the knocking sensor failure diagnosis is prohibited.
ノッキングセンサ外部からのセンサ取付部温度として潤滑油温度を用いてもよい。また、出力端子に並列接続する感温抵抗素子として正の温度−抵抗特性を有するサーミスタを用いた場合には、上記センサ温度と水温等のセンサ取付部温度との比較に基づく診断結果を上記とは逆(断線→短絡、短絡→断線)にすればよい。
次に、診断許可条件が異なる故障診断の別の実施形態を示す。
Lubricating oil temperature may be used as the sensor mounting portion temperature from the outside of the knocking sensor. Further, when a thermistor having a positive temperature-resistance characteristic is used as the temperature sensitive resistance element connected in parallel to the output terminal, the diagnosis result based on the comparison between the sensor temperature and the temperature of the sensor mounting portion such as the water temperature is as above. May be reversed (disconnection → short circuit, short circuit → disconnection).
Next, another embodiment of failure diagnosis with different diagnosis permission conditions will be described.
本実施形態は、図2に点線で示すように外気温度(若しくは吸気温度)を検出する外気温度センサ42を設けてマイクロコンピュータ36に外気温度信号を入力する。また、マイクロコンピュータ36には、前記水温センサ41の他、エンジン制御用のクランク角センサ43からのエンジン回転信号が入力されている。
図5は、本実施形態にかかる故障診断のフローチャートを示す。
In this embodiment, as shown by a dotted line in FIG. 2, an outside air temperature sensor 42 that detects the outside air temperature (or intake air temperature) is provided, and an outside air temperature signal is input to the microcomputer 36. In addition to the water temperature sensor 41, the microcomputer 36 receives an engine rotation signal from an engine control crank angle sensor 43.
FIG. 5 shows a flowchart of failure diagnosis according to the present embodiment.
ステップ21では、前記クランク角センサ43からのエンジン回転信号に基づいて、エンジンが停止しているかを判定する。
ステップ21でエンジン停止状態と判定されたときは、ステップ22へ進んで水温Twと外気温度Taとが略同温(偏差|ΔT|が所定値以内)であるかを判定する。
そして、水温Twと外気温度Taとが略同温と判定されたときは、ノッキングセンサ1の故障診断許可条件が成立したと判断し、ステップ23へ進んで、上記第1の実施形態のステップ3以降で実施されるのと同様の故障診断を実行する。
In step 21, it is determined based on the engine rotation signal from the crank angle sensor 43 whether the engine is stopped.
When it is determined in step 21 that the engine is stopped, the process proceeds to step 22 where it is determined whether the water temperature Tw and the outside air temperature Ta are substantially the same temperature (deviation | ΔT | is within a predetermined value).
When it is determined that the water temperature Tw and the outside air temperature Ta are substantially the same temperature, it is determined that the failure diagnosis permission condition for the knocking sensor 1 is satisfied, and the process proceeds to step 23 to perform step 3 of the first embodiment. Failure diagnosis similar to that performed thereafter is executed.
本実施形態のように、エンジン停止時の温度が平衡状態にあり、外気温度とエンジン温度(水温などセンサ取付部温度)が、略同じ値となっている安定状態で故障診断を行うことにより、正確な故障判定を行うことができる。 By performing failure diagnosis in a stable state where the temperature when the engine is stopped is in an equilibrium state and the outside air temperature and the engine temperature (sensor temperature such as water temperature) are substantially the same as in this embodiment, Accurate failure determination can be performed.
1 ノッキングセンサ
12 圧電素子
12a 出力端子
17 サーミスタ
21 ハーネス
31 エンジンコントロールユニット
32 ハイパスフィルタ
33 ローパスフィルタ
41 水温センサ
42 外気温度センサ
43 クランク角センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Knocking sensor 12 Piezoelectric element 12a Output terminal 17 Thermistor 21 Harness 31 Engine control unit 32 High pass filter 33 Low pass filter 41 Water temperature sensor 42 Outside temperature sensor 43 Crank angle sensor
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