JP2006242159A - Fuel injection valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料噴射弁に関し、詳細には、針弁を中心とする周方向に配列させて複数の噴孔が形成された多噴孔タイプの燃料噴射弁において、噴霧の貫徹力を強化するための技術に関する。 The present invention relates to a fuel injection valve, and in particular, in a multi-injection type fuel injection valve in which a plurality of injection holes are formed in a circumferential direction centering on a needle valve, the penetration force of spray is enhanced. For technology.
燃料の微細化のため、多噴孔タイプの燃料噴射弁が採用されることは、よく知られたことである。この多噴孔タイプの燃料噴射弁のうち、特に噴霧における燃料の分布均一化を目的としたものとして、次の群噴孔タイプの燃料噴射弁が知られている。すなわち、噴霧に貫徹力を持たせる方向として、針弁を中心とする周方向にずらして複数の方向が設定されるとともに、この複数の方向のそれぞれについて、複数の小さな噴孔からなる噴孔群が設けられたものである(特許文献1)。このものにおいて、各噴孔群の噴孔は、貫徹力を持たせる方向を示す軸上の位置と、この軸を基準とする円周上の位置とに、円陣状に配置される。
しかしながら、この公知の群噴孔タイプの燃料噴射弁には、次のような噴射特性上の問題がある。すなわち、このものでは、各噴孔群において、複数の噴孔が前記軸上の位置を含む円陣状に配置される。このため、貫徹力を持たせる方向毎に、その方向を示す軸上の位置のみに噴孔が設けられた一般的な多噴孔タイプのものと比較して、噴霧における燃料の分布均一化を促進することができる。しかしながら、噴霧の拡がり角を単に拡大させるものに過ぎないため、逆に噴霧の貫徹力の低下を来し、燃料と空気との混合が充分に進行せず、すすの発生を満足に抑制することができない場合があることである。 However, this known group injection hole type fuel injection valve has the following problems in injection characteristics. That is, in this, in each nozzle hole group, a plurality of nozzle holes are arranged in a circle shape including the position on the axis. For this reason, the distribution of fuel in the spray is made uniform compared to the general multi-hole type in which the nozzle holes are provided only in the position on the axis indicating the direction for each direction in which the penetrating force is given. Can be promoted. However, since the spray spread angle is merely increased, the spray penetration force is reduced, and the mixing of fuel and air does not proceed sufficiently, so that the generation of soot can be suppressed satisfactorily. There is a case that cannot be done.
本発明は、群噴孔タイプの燃料噴射弁において、噴霧の強い貫徹力を確保し、すすの発生を抑制することを目的とする。 An object of the present invention is to secure a strong penetration force of spray and suppress the generation of soot in a group injection hole type fuel injection valve.
本発明は、多噴孔タイプの燃料噴射弁を提供する。本発明に係る装置は、針弁を中心とする周方向に配列された複数の噴孔から燃料が噴射される燃料噴射弁であって、噴霧に貫徹力を持たせる方向を示す基準線として、針弁を中心とする周方向にずらして第1及び第2の基準線が設定され、第1の基準線に関し、この第1の基準線上を除く位置に形成された複数の噴孔からなる第1の噴孔群が設けられるとともに、第2の基準線に関し、この第2の基準線上を除く位置に形成された複数の噴孔からなる第2の噴孔群が設けられ、第1の噴孔群の各噴孔は、第1の基準線に対して鋭角をなすとともに、この第1の基準線を中心とする周方向に並ぶ開口端を形成し、第2の噴孔群の各噴孔は、第2の基準線に対して鋭角をなすとともに、この第2の基準線を中心とする周方向に並ぶ開口端を形成するものである。 The present invention provides a multi-injection type fuel injection valve. The apparatus according to the present invention is a fuel injection valve in which fuel is injected from a plurality of injection holes arranged in a circumferential direction centering on a needle valve, and as a reference line indicating a direction in which a penetration force is given to the spray, First and second reference lines are set by shifting in the circumferential direction around the needle valve, and the first reference line is a first reference line formed of a plurality of nozzle holes formed at positions excluding the first reference line. The first nozzle hole group is provided, and the second nozzle hole group including a plurality of nozzle holes formed at positions other than the second reference line is provided with respect to the second reference line. Each nozzle hole of the hole group forms an acute angle with respect to the first reference line, and forms an opening end aligned in the circumferential direction with the first reference line as the center. The hole makes an acute angle with respect to the second reference line, and forms an opening end aligned in the circumferential direction around the second reference line. It is intended.
本発明によれば、噴霧に貫徹力を持たせる方向を示す複数の基準線(すなわち、第1及び第2の基準線)に関し、各基準線上の位置を外して、各基準線に対して鋭角をなす複数の噴孔を周方向に配列させて形成したので、噴霧における燃料の分布均一化を促進するとともに、各基準線上を進む噴霧が形成され、この噴霧により噴霧全体としての強い貫徹力を得ることができる。 According to the present invention, with respect to a plurality of reference lines (that is, the first and second reference lines) indicating the direction in which the penetration force is given to the spray, the position on each reference line is removed and an acute angle with respect to each reference line. The nozzles are arranged in the circumferential direction to promote uniform fuel distribution in the spray, and sprays that travel on each reference line are formed. This spray provides a strong penetration force for the entire spray. Obtainable.
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料噴射弁101を含んで構成される内燃機関1の構成を示している。
内燃機関(以下「エンジン」という。)1は、燃焼の予混合化が促進された、いわゆるHCCI(又は予混合圧縮着火)タイプのディーゼルエンジンである。このエンジン1において、燃料噴射弁101は、気筒中心軸m上に配置され、燃焼室102の上部中央に臨ませて、シリンダヘッドHに設置されている。燃料噴射弁101により、燃焼室102内に燃料が直接噴射され、噴射された燃料は、全体として中空のコーン状噴霧を形成する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of an
An internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 is a so-called HCCI (or premixed compression ignition) type diesel engine in which premixing of combustion is promoted. In the
シリンダブロックBには、ピストン103が挿入されており、ピストン103の冠面とシリンダヘッドHの下面との間に形成される空間が、燃焼室102となる。シリンダヘッドHには、気筒中心軸mを基準とした一側に吸気ポート104が形成されており、吸気ポート104は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート104は、吸気弁105により開放及び遮断される。一方、気筒中心軸mを基準とした他側に排気ポート106が形成されており、排気ポート106は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート106は、排気弁107により開放及び遮断される。吸気弁105及び排気弁107は、各弁105,107の上方に配置された吸気カム及び排気カム(図示せず。)により夫々駆動される。
A
本実施形態では、エンジン1の運転状態に応じ、HCCI燃焼と、燃料の噴射終了前に燃焼を開始させる典型的な圧縮着火(以下「圧縮着火」という。)燃焼との間で燃焼形態を切り換える。エンジン1が比較的に低回転、かつ低負荷側の領域にあるときは、前者のHCCI燃焼によることとし、これ以外の領域にあるときは、後者の圧縮着火燃焼によることとする。HCCI燃焼による場合は、内部EGR等により多量の既燃ガスを筒内に循環させるとともに、燃料の噴射時期を圧縮着火燃焼による場合よりも遅角させる。HCCI燃焼により、本来的にトレードオフの関係にある窒素酸化物及びすすの発生を同時に低減することができる。内部EGRの実施のため、本実施形態では、吸気カムに可変機構を採用し、吸気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ量を変化させることとしている。
In the present embodiment, the combustion mode is switched between HCCI combustion and typical compression ignition (hereinafter referred to as “compression ignition”) combustion that starts combustion before the end of fuel injection in accordance with the operating state of the
燃料噴射弁101の動作は、エンジンコントロールユニット(以下「ECU」という。)201により制御される。ECU201には、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルセンサ251からの信号、及び単位クランク角及び基準クランク角を検出するクランク角センサ252からの信号(この信号に基づいてエンジン回転数を検出する。)等が入力される。ECU201は、入力した各種の信号をもとに、燃料噴射弁101による燃料の噴射量及び噴射時期を制御する。
The operation of the
図2は、燃料噴射弁101のノズル部の構成を示している。図2(a)は、このノズル部を、針弁151の中心軸(以下「針弁中心軸」という。)nを含む平面による断面で示しており、同図(b)は、その先端を拡大して示している。
燃料噴射弁101は、多噴孔タイプの燃料噴射弁であり、針弁151を中心とする周方向に配列させて複数の噴孔152a,152a・・・が形成されている。本体152の内部には、軸方向に空洞が形成されており、この空洞に針弁151が同軸に挿入されて、針弁151の周面及び本体152の内面により、噴孔152aに連通する燃料の内部通路153が形成されている。針弁151は、ECU201からの信号に基づいて駆動され、この信号に基づいて図示しないソレノイドが励磁されることで、このソレノイドに吸着されて針弁中心軸n上を上昇し、噴孔152aを開放させる。燃料は、燃料ポンプ108により配管109を介して供給され、内部通路153及び噴孔152aを介して燃焼室102内に噴射される。
FIG. 2 shows the configuration of the nozzle portion of the
The
本実施形態では、噴射された燃料の噴霧に貫徹力を持たせる方向として、針弁151を中心とする周方向にずらして複数の方向が設定され、かつこの方向毎に対応させて、複数の基準線L,L・・・が設定されている。各基準線Lは、針弁中心軸nに対して鋭角をなすとともに、針弁151を中心とする周方向に所定の角度(ここでは、60°)毎にずらして、放射状に設定されている。本体152の先端には、貫徹力を持たせる方向のそれぞれについて、その方向を規定する基準線Lを中心とする周方向に複数の噴孔152a,152a・・・が並設されており、基準線L毎に噴孔群g,g・・・が形成されている。各噴孔群gの噴孔152aは、本体152の端面において、基準線Lを中心とする円周上に並ぶ開口端を形成している。各噴孔152a(中心軸をCで示す。)は、基準線Lに対して20〜45°の角度θで傾斜するとともに、0.1mm以下の孔径φで形成されている。角度θ及び孔径φに関するこのような設定は、後述する噴霧の巻き込みにより貫徹力の強い噴霧S2を形成するために必要であると考えられる。なお、本実施形態では、基準線Lを中心とする周方向の噴孔152aの位相αを、全ての噴孔群gで一致させている。
In the present embodiment, a plurality of directions are set by shifting in the circumferential direction around the
図3は、燃料噴射弁101による噴霧の形成過程を示している。
噴射初期において、各噴孔152aから噴射された燃料の噴霧S1は、全体として、貫徹力を持たせる方向を示す基準線Lを中心とする中空のコーン状噴霧を形成する(図3(a))。ここで、各噴孔152aが基準線Lに対して傾斜させて形成されるとともに、各噴孔152aの孔径φが小さな値に設定され、燃料が充分に微細化されることで、内部通路153内の燃料の圧力が充分に高められた場合は、噴射開始直後にコーン状噴霧の周囲の空気を内部に巻き込む旋回流動Fが形成される。この旋回流動Fにより、後続の噴霧S1が周囲の空気とともにコーン状噴霧の内部に、加速しながら巻き込まれる(図3(b))。巻き込まれた噴霧は、基準線L上を進むほぼ中実の、かつ燃料濃度差の小さい噴霧S2を形成する。この噴霧S2が噴射終了までに先行の噴霧S1を追い越すことで、この噴霧S2により噴霧全体としての強い貫徹力が与えられることになり(図3(c))、燃料と空気との混合不足によるすすの発生が抑制される。噴射終期において、各噴孔群gからの噴霧S2により、燃焼室102の比較的に広い範囲に拡散された中空のコーン状噴霧が形成される(図3(d))。
FIG. 3 shows a spray formation process by the
In the initial stage of injection, the fuel spray S1 injected from each
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、多噴孔タイプの燃料噴射弁101において、噴霧に貫徹力を持たせる方向毎に基準線Lを設定し、この方向のそれぞれについて、基準線L上の位置を外して、基準線Lに対して鋭角をなす複数の噴孔152aを周方向に配列させて形成した。このため、噴射開始直後に旋回流動Fが形成され、この旋回流動Fにより後続の噴霧が、先行の噴霧が形成するコーンの内部に巻き込まれることで、基準線L上を進み、燃焼濃度差の小さな噴霧を形成するため、噴霧全体としての燃料の分布均一化を促進することができる。また、旋回流動Fによる巻き込みにより形成される噴霧S2は、先行の噴霧S1よりも貫徹力が強く、かつ噴射終了までにこの先行の噴霧S1を追い越すため、噴霧S2により噴霧全体としての強い貫徹力を得ることができ、すすの発生を抑制することができる。特に、HCCI燃焼による場合は、燃焼の予混合化も相俟って、すすの低減効果を一層際立たせることができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
That is, in this embodiment, in the multi-hole injection type
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料噴射弁のノズル部の先端を拡大して示している。
本実施形態では、隣り合う噴孔群g,gの間における噴霧の干渉を抑制し、旋回流動Fを確実に発達させることを企図している。すなわち、本実施形態では、各噴孔群gにおいて、噴孔152aの孔径φと、隣り合う噴孔152a,152a同士の間隔ρとを、基準線Lを中心とする周方向で変化させ、孔径φを、針弁中心軸nに対して垂直な線(以下「原線」という。)xに近い噴孔152aのものほど小さな値に設定するとともに、間隔ρも、この原線xに近い位置におけるものほど小さな値に設定している。図5は、原線xから角度αの位置における噴孔152aの孔径φ、及びこの噴孔152aと隣り合う噴孔152aとの間隔ρを示している。孔径φは、原線x上の位置(α=0,180°)で最も小さな値に設定するとともに、角度αが90,270°の位置で最も大きな値に設定し、最小点及び最大点の間で徐々に変化させている。また、間隔ρも、これと同様に、原線x上の位置で最も小さな値に設定するとともに、角度αが90,270°の位置で最も大きな値に設定している。言い換えれば、範囲当たりの噴孔152aの数μを、原線x上の位置で最も大きな値に設定するとともに、角度αが90,270°の位置で最も小さな値に設定している。なお、本実施形態では、間隔ρとして、隣り合う噴孔152a,152aの中心軸上の2つの点により切り取られる円弧の中心角を採用している。孔径φ及び間隔ρの設定以外の構成は、第1の実施形態のものと同様である。
Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is an enlarged view of the tip of the nozzle portion of the fuel injection valve according to the second embodiment of the present invention.
In this embodiment, it is intended to suppress the spray interference between the adjacent nozzle hole groups g and g and to develop the swirl flow F with certainty. That is, in this embodiment, in each nozzle hole group g, the hole diameter φ of the
本実施形態により得られる効果について、図6,7により説明する。図6は、第1の実施形態のものによる場合に、隣り合う噴孔群g,gの間で噴霧S1,S1が干渉し、旋回流動Fが充分に発達せず、基準線L上を進む噴霧S2が良好に形成されない状態を示している。他方、図7は、本実施形態の採用により、噴霧S1,S1の干渉が抑制され、旋回流動Fが発達し、噴霧S2が良好に形成された状態を示している。 The effects obtained by this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows that, in the case of the first embodiment, the sprays S1 and S1 interfere with each other between the adjacent nozzle hole groups g and g, and the swirl flow F does not develop sufficiently and proceeds on the reference line L. The state in which the spray S2 is not formed well is shown. On the other hand, FIG. 7 shows a state in which the interference of the sprays S1 and S1 is suppressed, the swirl flow F is developed, and the spray S2 is formed satisfactorily by adopting this embodiment.
孔径φ及び間隔ρを周方向で一定とした図6の場合は、隣り合う噴孔群g,gの間で噴霧S1,S1が干渉し易い傾向にある。噴霧S1,S1が実際に干渉すると、干渉領域で周囲の空気を取り込み難くなるため、旋回流動Fの未発達により後続の噴霧の巻き込みが弱くなり、噴霧S2の貫徹力を充分な強さで得ることができない。また、噴霧に燃料濃度差を生じさせることとなり、干渉領域に集中した燃料によりすすの発生量が増大する。これに対し、本実施形態の採用により、孔径φ及び間隔ρを周方向で変化させた図7の場合は、噴霧S1,S1の干渉を抑制することができ、旋回流動Fを確実に発達させて、噴霧S2の貫徹力を充分な強さで得ることができる。この効果は、干渉が生じ易い領域で噴孔φを小さな値に設定することで、燃料の微細化が促進され、周囲の空気に付与される運動エネルギーが大きくなるためであり、また、この領域で間隔ρを小さな値に設定し、範囲当たりの噴孔152aの数μを増大させることで、噴射初期の圧力低下が大きくなり、噴霧の巻き込みが強くなるためであると考えられる。
In the case of FIG. 6 in which the hole diameter φ and the interval ρ are constant in the circumferential direction, the sprays S1 and S1 tend to interfere with each other between the adjacent nozzle hole groups g and g. When the sprays S1 and S1 actually interfere with each other, it becomes difficult to take in the surrounding air in the interference region, so that the entrainment of the subsequent spray becomes weak due to the undeveloped swirl flow F, and the penetration force of the spray S2 is obtained with sufficient strength. I can't. Further, a fuel concentration difference is caused in the spray, and the amount of soot is increased by the fuel concentrated in the interference region. On the other hand, by adopting this embodiment, in the case of FIG. 7 in which the hole diameter φ and the interval ρ are changed in the circumferential direction, the interference of the sprays S1 and S1 can be suppressed, and the swirling flow F is reliably developed. Thus, the penetration force of the spray S2 can be obtained with sufficient strength. This effect is because by setting the nozzle hole φ to a small value in a region where interference is likely to occur, fuel miniaturization is promoted, and kinetic energy imparted to the surrounding air increases. In this case, the interval ρ is set to a small value and the number μ of the
図8,9は、本発明の第3及び第4の実施形態に係る燃料噴射弁のノズル部の構成を夫々示している。図8(a)は、燃料噴射弁のノズル部の先端を示しており、同図(b)は、この先端を拡大して示している。他方、図9(a)は、燃料噴射弁のノズル部を、針弁中心軸nを含む平面による断面で示しており、同図(b)は、このノズル部の先端を示している。 8 and 9 show the configuration of the nozzle portion of the fuel injection valve according to the third and fourth embodiments of the present invention, respectively. FIG. 8A shows the tip of the nozzle part of the fuel injection valve, and FIG. 8B shows the tip in an enlarged manner. On the other hand, FIG. 9A shows the nozzle portion of the fuel injection valve in a cross section by a plane including the needle valve central axis n, and FIG. 9B shows the tip of the nozzle portion.
これらの実施形態でも、先の第2の実施形態におけると同様に、隣り合う噴孔群g,gの間における噴霧の干渉を抑制することを目的とし、第3の実施形態では、基準線Lを中心とする周方向の噴孔152aの位相αを噴孔群g毎にずらして設定することとし、第4の実施形態では、隣り合う噴孔群g,gの基準線L,Lを針弁中心軸nの方向にずらして設定している。第3の実施形態では、隣り合う噴孔群g,gの間で、噴孔152a,152aの位相をα/2ずつずらして設定し(図8(b))、第4の実施形態では、噴孔152aの位相を全ての噴孔群gで一致させる一方、基準線L,Lを針弁中心軸nの方向に距離lだけずらして設定している。
In these embodiments, as in the previous second embodiment, the purpose is to suppress spray interference between adjacent nozzle hole groups g, g. In the third embodiment, the reference line L In the fourth embodiment, the reference lines L and L of the adjacent nozzle hole groups g and g are set as the needles in the fourth embodiment. It is set by shifting in the direction of the valve center axis n. In the third embodiment, the phase of the
これらの実施形態によれば、噴霧が隣接する領域で空気の取り込みを生じ易くし、旋回流動Fを確実に発達させることができるので、噴霧の干渉による旋回流動Fの未発達を回避し、強い貫徹力の噴霧S2を良好に形成することができる。
なお、以上では、内燃機関としてHCCIタイプのディーゼルエンジンを採用した場合を例に説明したが、本発明は、これに限らず、HCCIタイプのガソリンエンジンに適用することもできる。ガソリンエンジンに適用する場合は、圧縮着火を確実なものとするため、内部EGR等により圧縮開始時における筒内温度を上昇させるとともに、実用運転領域を確保するため、点火プラグを設置し、HCCI燃焼と均質燃焼との間で燃焼形態を切り換えるようにするとよい。
According to these embodiments, it is easy to cause the intake of air in a region where the spray is adjacent, and the swirl flow F can be reliably developed, so that the undeveloped swirl flow F due to the interference of the spray is avoided and strong. The penetrating force spray S2 can be formed satisfactorily.
In addition, although the case where the HCCI type diesel engine was employ | adopted as an internal combustion engine was demonstrated above as an example, this invention is applicable not only to this but to an HCCI type gasoline engine. When applied to gasoline engines, in order to ensure compression ignition, the in-cylinder temperature at the start of compression is increased by internal EGR, etc., and a spark plug is installed to ensure a practical operating range, and HCCI combustion It is preferable to switch the combustion mode between homogeneous combustion and homogeneous combustion.
また、内燃機関としてガソリンエンジンを採用する場合は、燃料の分布均一性及び噴霧の貫徹力が得られるこの燃料噴射弁の特性により、直噴タイプのものを採用すると効果的である。
更に、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を運転状態に応じて変化させ、貫徹力の確保を主体とする噴射形態と、拡がり角の拡大を主体とする噴射形態とを、たとえば、燃焼形態に対応させて切り換えるようにしてもよい。
Further, when a gasoline engine is employed as the internal combustion engine, it is effective to adopt a direct injection type due to the characteristics of the fuel injection valve capable of obtaining uniform fuel distribution and spray penetration.
Further, the pressure of the fuel supplied to the fuel injection valve is changed according to the operating state, and an injection mode mainly for ensuring penetration force and an injection mode mainly for widening the spread angle are, for example, combustion modes You may make it switch corresponding to.
1…内燃機関、101…燃料噴射弁、102…燃焼室、103…ピストン、104…吸気ポート、105…吸気弁、106…排気ポート、107…排気弁、151…針弁、152…燃料噴射弁の本体、152a…噴孔、201…エンジンコントロールユニット、251…アクセルセンサ、252…クランク角センサ、H…シリンダヘッド、B…シリンダブロック、L…基準線、S1,S2…噴霧、F…空気の流れ、g…噴孔群、m…気筒中心軸、n…針弁中心軸。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
噴霧に貫徹力を持たせる方向を示す基準線として、前記針弁を中心とする周方向にずらして第1及び第2の基準線が設定され、
前記第1の基準線に関し、この第1の基準線上を除く位置に形成された複数の噴孔からなる第1の噴孔群が設けられるとともに、
前記第2の基準線に関し、この第2の基準線上を除く位置に形成された複数の噴孔からなる第2の噴孔群が設けられ、
前記第1の噴孔群の各噴孔は、前記第1の基準線に対して鋭角をなすとともに、この第1の基準線を中心とする周方向に並ぶ開口端を形成し、
前記第2の噴孔群の各噴孔は、前記第2の基準線に対して鋭角をなすとともに、この第2の基準線を中心とする周方向に並ぶ開口端を形成する燃料噴射弁。 A fuel injection valve in which fuel is injected from a plurality of injection holes arranged in a circumferential direction around a needle valve,
As a reference line indicating a direction in which a penetrating force is given to the spray, the first and second reference lines are set by shifting in the circumferential direction around the needle valve,
With respect to the first reference line, a first nozzle hole group including a plurality of nozzle holes formed at positions other than on the first reference line is provided,
With respect to the second reference line, a second nozzle hole group comprising a plurality of nozzle holes formed at positions other than on the second reference line is provided,
Each nozzle hole of the first nozzle hole group forms an acute angle with respect to the first reference line, and forms an opening end aligned in the circumferential direction around the first reference line,
Each of the nozzle holes of the second nozzle hole group has an acute angle with respect to the second reference line and a fuel injection valve that forms an opening end aligned in the circumferential direction centering on the second reference line.
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