JP2006169975A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 環境条件が変化した場合においても目標バルブタイミングを適切に算出する。
【解決手段】 機関回転数から一次元のテーブルを用いてシリンダ吸入空気量が最大となる基準目標バルブタイミングを算出し（ステップ２）、コレクタ圧および外気圧から圧力比（コレクタ圧／外気圧）を算出し（ステップ３）、この圧力比から一次元の目標バルブタイミング補正係数算出テーブルを用いて目標バルブタイミング補正係数を算出する（ステップ４〜ステップ５）。そして、基準目標バルブタイミングおよび目標バルブタイミング補正係数を乗算することで吸気弁の目標バルブタイミングを算出する（ステップ６）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、少なくとも吸気弁の目標バルブタイミング（目標位相角）に応じて吸気弁の位相を変化させる可変動弁機構を有する内燃機関の制御装置としては、特許文献１に開示されているものがある。
この内燃機関の制御装置は、オイルポンプから供給される作動油をオイルコントロールバルブにて切換制御して可変動弁機構に供給し、その油圧によりベーンロータを任意の方向に回動し、タイミングプーリに対するカム軸の位相、すなわち吸気弁の開閉タイミングを調整することが開示されている。

ＥＣＵは、各センサからの検出情報に基づいて、オイルコントロールバルブを駆動して可変動弁機構による吸気カム軸の位相角制御を実行する（制御手段）。吸気カム軸の位相角制御は目標位相角に基づいて実行され、この目標位相角は、例えばエンジン負荷を表す目標平均有効圧（目標スロットルバルブ開度とエンジン回転速度から求められる）及びエンジン回転速度に基づいて、予め設定されたマップから決定される（目標閉時期設定手段）。車両の減速時には目標位相角を遅角側に制御しておき、その位相角を再加速時の開始後も所定時間保持することにより再加速時のトルク抑制を行い、体積効率を低下させることで燃費悪化や燃焼状態の悪化等を抑制する。
特開２００２−１８０８５５号公報

しかしながら、特許文献１では、目標位相角を算出する際、目標平均有効圧及びエンジン回転速度などをパラメータとした２次元マップを用いていたため、外気圧などの環境条件が変わった場合には、これらのパラメータのバランスが崩れてしまう結果、目標位相角の適合が煩雑になるという問題が生じていた。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、環境条件が変化した場合においても目標位相角を適切に算出することを目的とする。

そのため本発明では、機関回転数から一次元のテーブルを用いてシリンダ吸入空気量が最大となる基準目標バルブタイミングを算出する一方、外気圧とコレクタ圧との圧力比を算出し、この圧力比に基づいて基準目標バルブタイミングを補正することで目標バルブタイミングを算出する。

本発明によれば、環境条件（例えば外気圧）が変化した場合においても、変化した後の環境条件に応じて適切な目標バルブタイミングを算出できるという効果がある。

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は、内燃機関のシステム構成図である。
エンジン１の各気筒のシリンダ２及びピストン３により画成される燃焼室４には、点火プラグ５を囲むように、吸気弁６と排気弁７とを備えている。吸気弁６および排気弁７は、可変動弁機構１４によりカム軸に対するカム位相（位相角）を所定の基準位置から例えば０°〜４０°の範囲で変化させることで、吸気弁６のバルブタイミング（開閉時期）を最遅角位置から最進角位置まで変化させることができる。８は排気通路、９は吸気通路である。

吸気通路９には、上流側からエアクリーナ１２および電制スロットルバルブ（バタフライバルブ）１３が配設されており、電制スロットルバルブ１３のバルブ開口面積に応じて空気を燃焼室４内に導入する。電制スロットルバルブ１３は、エンジン制御装置（ＥＣＵ）３０の開度指令に基づいてバルブ開口面積が決定される。
吸気通路９のコレクタ１１の下流のマニホールドブランチ部には、燃料噴射弁１０が配設されている。

また、ＥＣＵ３０には、スロットルバルブ開度センサ２３、エアフロメータ２４、ブーストセンサ（圧力センサ）２５、クランク角センサ２６、および外気圧センサ２７からの信号が入力される。
スロットルバルブ開度センサ２３は、電制スロットルバルブ１３の開度に応じた信号を出力する。

エアフロメータ２４は、電制スロットルバルブ１３より上流の吸気通路９に設けられ、電制スロットルバルブ１３を通過する気体の流量に応じた信号を出力する。
ブーストセンサ２５は、電制スロットルバルブ１３より下流のコレクタ１１に設けられ、コレクタ１１内の圧力（下流圧力）に応じた信号を出力する。
クランク角センサ２６は、エンジン１のクランク角に応じた信号を出力する。このクランク角センサ２６の信号によりエンジン回転数を検出可能である。

外気圧センサ２７は、外気圧（外気の状態）に応じた信号を出力する。
ＥＣＵ３０は、各種制御を行う。例えば、電制スロットルバルブ１３の開度制御、可変動弁機構１４による吸気弁６および排気弁７の位相（バルブタイミング）制御、燃料噴射弁１０からの燃料噴射時期および噴射量の制御、並びに点火時期制御などを行う。
図２は、ＥＣＵ３０により目標バルブタイミングを算出するフローチャートである。

ステップ１（図では、「Ｓ１」と示す。以下同様）では、エンジン１の運転状態を算出する。エンジン１の運転状態としては、スロットルバルブ開度、エンジン回転数、電制スロットルバルブ１３の下流圧力、外気圧（電制スロットルバルブ１３の上流圧力としてもよい）などを算出する。
スロットルバルブ開度は、電制スロットルバルブ１３に設けられたスロットルバルブ開度センサ２３の出力信号に基づいて算出した値とする。エンジン回転数は、クランク角センサ２６の出力信号に基づいて算出した値とする。下流圧力は、ブーストセンサ２５の出力信号に基づいて算出した値とする。外気圧は、外気圧センサ２７の出力信号に基づいて算出した値とする。なお、外気圧の代わりに電制スロットルバルブ１３の上流の吸気通路９内の圧力を用いてもよい。

ステップ２では、図３に示す基準目標バルブタイミング算出テーブルを用いて基準目標バルブタイミングを算出する。このテーブルは一次元テーブルであり、エンジン回転数に応じてシリンダ吸入空気量が最大となる基準目標バルブタイミングを算出可能である。
基準目標バルブタイミング算出テーブルは、エンジン回転数が第１所定値Ｎｅ１未満であれば吸気弁６の開弁時期を基準位置（最遅角位置であり、例えば、０ｄｅｇ）から所定量（例えば、位相角＝４０ｄｅｇ）だけ進角させた第１基準目標バルブタイミングとする一方、エンジン回転数が第１所定値Ｎｅ１より大きい第２所定値Ｎｅ２以上であれば所定の第２基準目標バルブタイミング（例えば、位相角＝０ｄｅｇ）となることを示している。エンジン回転数がＮｅ１からＮｅ２に増加する場合には、基準目標バルブタイミングは遅角側の値となる。

ステップ３では、外気圧をコレクタ圧で除算することで圧力比を算出する（コレクタ圧／外気圧）。なお、圧力比は、後述する機関運転状態から、または電制スロットルバルブ１３の前後圧力（下流圧力／上流圧力）から算出してもよい。
ステップ４では、圧力比が臨界圧力比以上であるか否かを判定する。臨界圧力比とは、図６に示すように、圧力比を１．０から低下させる場合に、吸気速度が音速と等しくなり始める時の圧力比の所定値（例えば０．５）をいう。圧力比を１．０から低下させる場合とは、例えばエンジン１の吸気（ポンプ作用）を行う時をいう。圧力比が臨界圧力比以上（圧力比≧臨界圧力比）であれば、ステップ５へ進む。一方、圧力比が臨界圧力比未満（圧力比＜臨界圧力比）であれば、後述するステップ７へ進む。

ステップ５では、図４に示すように、圧力比を基準とした一次元の目標バルブタイミング補正係数算出テーブルを用いて目標バルブタイミング補正係数を算出する。目標バルブタイミング補正係数は、圧力比に応じて算出し、例えば図４に示す臨界圧力比を用いて（圧力比−臨界圧力比）／（１−臨界圧力比）として算出する。
目標バルブタイミング補正係数は、圧力比が臨界圧力比以上の時は、圧力比が大きくなるほど進角側に補正される。すなわち、圧力比が大きいほどエンジン出力を大きくしようとしているので、吸気量を増加させるために可変動弁機構１４を同期して追従させる。

なお、図４に破線にて示すように、目標バルブタイミング補正係数は非線形の式を用いて算出した値（圧力比が臨界圧力比以上であれば、０＜目標バルブタイミング補正係数≦１）であってもよい。
ステップ６では、基準目標バルブタイミングに目標バルブタイミング補正係数を乗算することで目標バルブタイミングを算出する（目標バルブタイミング＝基準目標バルブタイミング×目標バルブタイミング補正係数）。

また、ステップ４からステップ７へ進んだ場合（圧力比＜臨界圧力比である場合）について説明する。
ステップ７では、目標バルブタイミング補正係数を算出する。目標バルブタイミング補正係数は、圧力比に応じて算出し、圧力比が臨界圧力比未満であれば、吸気弁６のバルブタイミングを遅角側にする。例えば図４に示すように、圧力比が臨界圧力比未満であれば、目標バルブタイミング補正係数を０とする。すなわち、目標バルブタイミングは、圧力比が臨界圧力比未満の時は、エンジン１が最も吸気しないようにしてエンジン１のポンプロスを低くする。これによりエンジン１の燃費の向上を図る。

ここでエンジン１のポンプロスＷは、ｎを状態変化させた気体の量（変化量）、Ｒをガス定数、Ｐ１を外気圧、およびＰ２をコレクタ圧として、Ｗ＝ｎＲｌｎ（Ｐ１／Ｐ２）で表すことができる。
そして、目標バルブタイミング補正係数を算出した後は、前述のステップ６へ進み、目標バルブタイミングを算出する（目標バルブタイミング＝基準目標バルブタイミング×目標バルブタイミング補正係数）。

次に、前述のフローチャートにより目標バルブタイミングを算出して可変動弁機構１４により吸気弁６のバルブタイミングを変化させる場合について図３〜図５を用いて説明する。
図３に示すように、エンジン回転数がＮｅ２を越える場合（エンジン回転数＞Ｎｅ２）、すなわち、圧力比が臨界圧力比未満（圧力比＜臨界圧力比）の場合には、カム軸に対するカムの位相は最遅角位置（例えば、位相角＝０ｄｅｇ）となる。この状態では、図４および図５に示すように、圧力比は臨界圧力比未満であり、電制スロットルバルブ１３の開度で吸気量が決まるので、圧力比を大きくしてポンプロスを低減し効率を向上させる（ステップ５，ステップ６）。

また図３に示すように、エンジン回転数がＮｅ１未満（エンジン回転数＜Ｎｅ１）の場合には、図４に示すように目標バルブタイミング補正係数を１．０とし、吸気弁６の基準目標バルブタイミングは最進角位置（例えば、位相角＝４０ｄｅｇ）、すなわち吸気弁６を通過する空気量が最大となる基準目標バルブタイミングとする。
また図３に示すように、エンジン回転数がＮｅ１以上Ｎｅ２未満（Ｎｅ１≦エンジン回転数＜Ｎｅ２）、すなわち、圧力比が臨界圧力比以上（圧力比≧臨界圧力比）の場合には、エンジン回転数が減少するに伴い、目標バルブタイミングおよび圧力比が共に増加するため、図４および図５に示すように、目標バルブタイミング補正係数および目標バルブタイミングが増加する。

次に、本発明の吸気系モデルについて図７を用いて説明する。
吸気系モデルは、スロットルモデル３１、ポンプ（エンジン）モデル３２、コレクタモデル３３、およびシリンダモデル３４から大別構成されている。
スロットルモデル３１は、電制スロットルバルブ１３の開度（有効開口面積）、外気圧（または電制スロットルバルブ１３の上流圧力）Ｐ１、およびコレクタ１１内の圧力（電制スロットルバルブ１３の下流圧力）Ｐ２が入力される。コレクタ圧Ｐ２を外気圧Ｐ１で除算することで圧力比（＝Ｐ２／Ｐ１）を算出する。

圧力比を前述の臨界圧力比と比較して、所定条件を満たせば（Ｐ２／Ｐ１≧臨界圧力比であれば）、目標バルブタイミング補正係数を算出し、目標バルブタイミング（＝基準目標バルブタイミング×目標バルブタイミング補正係数）を算出する（ステップ４〜ステップ６）。
一方、圧力比を前述の臨界圧力比と比較して、所定条件を満たさなければ（Ｐ２／Ｐ１＜臨界圧力比であれば）、目標バルブタイミング補正係数を０にして、目標バルブタイミング（＝基準目標バルブタイミング×目標バルブタイミング補正係数）を算出する（ステップ７）。

また圧力比に基づいて流量係数（電制スロットルバルブ１３を通過する空気量に比例する値）を算出する。そして、流量を算出する式（流量＝開口面積×流量係数）により、電制スロットルバルブ１３を通過する気体の流量を算出する。
ポンプモデル３２は、エンジン１の吸気をポンプ作用と考え、エンジン回転数Ｎｅに基づいて体積吸気量を算出する。

コレクタモデル３３は、スロットル通過気体流量、外気圧Ｐ１、吸気温度、エンジン回転数Ｎｅ、および体積吸気量に基づいてコレクタ圧（密度）Ｐ２を算出する。
シリンダモデル３４は、コレクタ圧および体積吸気量に基づいてシリンダ吸気量を算出する。
なお、これまでは圧力比を運転状態のパラメータである外気圧およびコレクタ圧から算出することについて説明したが、これに限定されるわけではない。すなわち、圧力比は、電制スロットルバルブ１３の前後圧力をセンサにより計測した圧力比として算出するようにしてもよい。

また圧力比は、図８に示す各パラメータを各一次元テーブルに当てはめることで算出するようにしてもよい。
図８（イ）に示す一次元の開口面積算出テーブルに、スロットルバルブ開度センサ２３の出力信号により算出したスロットルバルブ開度を割り当ててスロットルバルブ開口面積を算出する。図８（ロ）に示す一次元の体積効率算出テーブルに、クランク角センサ２６の出力信号により算出したエンジン回転数を割り当ててスロットル全開時の体積効率を算出する。

そして、次式に示すように、総行程容積Ｃ［ｍ³］、スロットルバルブ全開時の体積効率η、スロットルバルブ開口面積ＡＰＯ［ｍ²］およびエンジン回転数Ｎｅ［rpm］より電制スロットルバルブ１３を通過する気体の仮想流速Ｖ［m/s］を算出する。
Ｖ＝Ｃ×η×Ｎｅ／（ＡＰＯ×１２０）
この式により算出された仮想流速Ｖを図７（ハ）に示す一次元の圧力比算出テーブルに割り当てて圧力比を算出する。このようにして算出された圧力比は平衡値となる。

また、図８のようにして算出する場合において、電制スロットルバルブ１３の開度は、吸気弁の応答遅れ分だけ時間的に先行させてもよい。これにより実吸気に応答遅れがあっても、その遅れ分に応じて平衡先への応答性が向上するためである。スロットルバルブ開度を吸気弁６の応答遅れ分だけ時間的に先行させることで、実圧力比に遅れることなく吸気弁６の位相を変更することでバルブタイミングを制御可能とする。

本実施形態によれば、少なくとも吸気弁６の目標バルブタイミングに応じて吸気弁６のバルブタイミングを変化させる可変動弁機構を有する内燃機関１の制御装置において、機関回転数Ｎｅから一次元のテーブルを用いてシリンダ吸入空気量が最大となる基準目標バルブタイミングを算出し（ステップ２、図３）、外気圧とコレクタ圧との圧力比（コレクタ圧／外気圧）を算出し（ステップ３）、この圧力比に基づいて基準目標バルブタイミングを補正することで目標バルブタイミングを算出する（ステップ６、図５）。このため、環境条件（外気圧）が変化した場合においても、変化した後の環境条件に応じて適切な目標バルブタイミングを算出できる。

また本実施形態によれば、目標バルブタイミングは、圧力比から一次元の目標バルブタイミング補正係数算出テーブルを用いて目標バルブタイミング補正係数を算出し（ステップ５，ステップ７、図４）、基準目標バルブタイミングおよび目標バルブタイミング補正係数から算出する（ステップ６）。このため、一次元テーブルにより目標バルブタイミングを簡単に算出できる。

また本実施形態によれば、目標バルブタイミングは、圧力比が臨界圧力比以上の時は、圧力比が大きくなるほど進角側に補正される（ステップ５）。このため、圧力比が大きいほどエンジン出力を大きくしようとしているので吸気弁６をこれに同期して追従できる。
また本実施形態によれば、目標バルブタイミングは、圧力比が臨界圧力比未満の時は、遅角側に補正される（ステップ７）。このため、臨界圧力比未満では、スロットルバルブ１３の開度（開口面積）で吸気量が決まるので、目標バルブタイミングを遅角側に補正することで圧力比を大きくしてポンプロスを低減し効率を向上できる。

また本実施形態によれば、圧力比は、機関回転数およびスロットルバルブ開度に基づいて算出する平衡値である（ステップ３）。このため、実吸気に応答遅れがあっても平衡先への応答性を向上できる。
また本実施形態によれば、スロットルバルブ開度は、吸気弁６の応答遅れ分だけ時間的に先行させる。このため、可変動弁機構１４により応答遅れ分だけ先行して吸気弁６に指令値を与えることで実圧力比に遅れることなく吸気弁６を制御できる。

また本実施形態によれば、スロットルバルブ開度は、機関回転数に基づいて算出した目標スロットルバルブ開度である。このため、スロットルバルブ１３に対する指令値をエンジン回転数に基づいて算出した目標値とすることで、応答性を向上できる。
また本実施形態によれば、圧力比は、スロットルバルブ１３の前後圧力をセンサにより計測した圧力比（下流圧力／上流圧力）から算出する（ステップ３）。このため、センサ出力により現在の圧力比を算出できる。

また本実施形態によれば、圧力比は、吸気系モデル（スロットルモデル３１）による算出値である。このため、各パラメータからモデル３１により正確な圧力比を算出できる。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、音速比から吸気弁６の目標バルブタイミングを算出することとしている。

前述の図６に示すように、圧力比と音速比Ｍとの関係は一次元テーブルにて表される。圧力比が約１．０の時、すなわち電制スロットルバルブ１３が略全開の時には音速比が約０．３となっている。
一方、圧力比が臨界圧力比（例えば０．５）未満の時、すなわち吸気通路９のスロート部を流れる気体の流速が音速となる時（チョーク時）には音速比Ｍが１．０となっている。

圧力比が臨界圧力比以上の状態では圧縮性流れとなっており、圧力比が１近傍に近づくにつれて音速比Ｍの減少率が大きくなるようになっている。これにより、圧力比と音速比Ｍとは１：１の関係になっており、圧力比または音速比Ｍのいずれか一方が分かれば他方が分かることとなる。
図９は、図６の一次元テーブルを用いて音速比に対する目標バルブタイミングを算出する一次元の目標バルブタイミング算出テーブルである。

音速比が０．３未満であれば可変動弁機構１４により吸気弁６の位相を最進角にする。一方、音速比が１．０の時は吸気弁６のバルブタイミングを最遅角にする。音速比が０．３〜１．０の範囲にあるときには、音速比が大きくなるにつれて目標バルブタイミング補正係数が減少するように設定する。これは、図６に示す一次元テーブルにおいて、音速比Ｍが０．３から１．０に増加する時に、圧力比は１．０から臨界圧力比まで低下することに対応するものである。

このようにして目標バルブタイミング補正係数を算出すれば、音速比が０．３から１．０に増加する時に、目標バルブタイミングを減少させるように補正できる。
また、図１０には燃費優先モードにおける目標バルブタイミングを示している。燃費優先モードとは、吸気弁６の位相を排気弁７の閉弁時期に対して遅角側に補正することで、シリンダ内の吸気量を減少させて燃料消費量を抑制することを優先する運転モードをいう。燃費優先モードは、アイドル運転時に行う。

前述の図６において圧力比が略１．０未満の近傍にある時、例えば圧力比が０．９８〜１．０の範囲にある時には、音速比Ｍが約０．３となっており、図１０では、音速比が０．３以上の時には、吸気弁６の位相を最遅角にしている。これにより、シリンダ内への吸気量および燃料消費量を減少させる。
一方、音速比Ｍが０．３未満の時には、０．３に近づくに従い、最進角から最遅角側へ目標バルブタイミング（目標位相補正係数）が減少する。これにより、燃費優先モード時には、同じ吸気量でも圧力比を大きくなるように吸気弁６の位相を遅角側にすることでエンジン１のポンプロスが少なくなり燃費が良くなる。

内燃機関のシステム構成図 目標バルブタイミング算出フロー 基準目標バルブタイミング算出テーブル 目標バルブタイミング補正係数算出テーブル 目標バルブタイミング算出テーブル 圧力比と音速比とを示す図 吸気系モデル 圧力比算出テーブル 目標バルブタイミング算出テーブル 目標バルブタイミング算出テーブル

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダ
５ 点火プラグ
９ 吸気通路
１０ 燃料噴射弁
１１ コレクタ
１３ 電制スロットルバルブ
１４ 可変動弁機構
２３ スロットルバルブ開度センサ
２４ エアフロメータ
２５ ブーストセンサ
２６ クランク角センサ
２７ 外気圧センサ
３０ ＥＣＵ
３１ スロットルモデル
３２ ポンプモデル
３３ コレクタモデル
３４ シリンダモデル

Claims (14)

1. 少なくとも吸気弁の目標バルブタイミングに応じて吸気弁のバルブタイミングを変化させる可変動弁機構を有する内燃機関の制御装置において、
   機関回転数から一次元のテーブルを用いてシリンダ吸入空気量が最大となる基準目標バルブタイミングを算出する一方、外気圧とコレクタ圧との圧力比を算出し、この圧力比に基づいて前記基準目標バルブタイミングを補正することで前記目標バルブタイミングを算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記目標バルブタイミングは、前記圧力比から一次元の目標バルブタイミング補正係数算出テーブルを用いて目標バルブタイミング補正係数を算出し、前記基準目標バルブタイミングおよび前記目標バルブタイミング補正係数から算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記目標バルブタイミングは、前記圧力比が臨界圧力比以上の時は、前記圧力比が大きくなるほど進角側に補正されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記目標バルブタイミングは、前記圧力比が臨界圧力比未満の時は、遅角側に補正されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記圧力比は、機関回転数およびスロットルバルブ開度に基づいて算出する平衡値であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記スロットルバルブ開度は、吸気弁の応答遅れ分だけ時間的に先行させることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記スロットルバルブ開度は、機関回転数に基づいて算出した目標スロットルバルブ開度であることを特徴とする請求項５または請求項６記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記圧力比は、スロットルバルブの前後圧力から算出することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記圧力比は、スロットルバルブの前後圧力をセンサにより計測した圧力比であることを特徴とする請求項８記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記圧力比は、吸気系モデルによる算出値であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
11. 前記圧力比は、吸気通路のスロート部での音速比から一次元の圧力比算出テーブルを用いて算出することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
12. 前記音速比は、前記圧力比の臨界圧力比未満をチョーク状態の流れとする一方、前記臨界圧力比以上を圧縮性流れとすることを特徴とする請求項１１記載の内燃機関の制御装置。
13. 前記圧力比が略１．０未満の時に、前記目標バルブタイミングを遅角側に制御して燃料消費量を抑制することを優先する燃費優先モードを有することを特徴とする請求項１１または請求項１２記載の内燃機関の制御装置。
14. 前記燃費優先モードは、アイドル時であることを特徴とする請求項１３記載の内燃機関の制御装置。
    

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