JP2009091995A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）と火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）との切換えをノッキング等を回避しつつ良好に行う。
【解決手段】 第１燃料噴射弁により主燃料（ガソリン）を吸気ポート噴射し、燃焼室内に予混合気を形成する。ＣＩ燃焼の場合は、第２燃料噴射弁１４から圧縮行程にて噴射した着火用燃料（軽油）の自己着火燃焼をトリガとして予混合気を自己着火燃焼させる。ＳＩ燃焼の場合は、点火プラグ１５により点火して予混合気を火炎伝播燃焼させる。ＣＩ燃焼とＳＩ燃焼との切換時は、第３の燃焼（ＣＩ−ＳＩ燃焼）を経由させる。ＣＩ−ＳＩ燃焼では、ＣＩ燃焼に比べ、有効圧縮比を小さく、着火用燃料の噴射量を少なくし、この着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして予混合気を火炎伝播燃焼させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、機関運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切換える内燃機関の燃焼制御装置に関する。

機関運転条件に応じて、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切換え、特に所定の運転条件において圧縮着火燃焼に切換えることで、空燃比のリーン化により燃費節減を図ることは、よく知られている。

また、特許文献１（特に図８の実施形態）には、主燃料（ガソリン）を噴射する燃料噴射弁とは別に、前記主燃料よりも高自着火性の着火用燃料（軽油）を噴射する燃料噴射弁を備え、圧縮着火燃焼に際しては、圧縮行程にて噴射した着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして、燃焼室内の予混合気（主燃料＋空気）を自己着火燃焼させるものが提案されている。
特開２００１−３５５４４９号公報

しかしながら、このような従来の燃焼制御装置では、点火プラグにより点火して燃焼室内の予混合気を火炎伝播燃焼させる火花点火燃焼と、着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして燃焼室内の予混合気を自己着火燃焼させる圧縮着火燃焼と、を切換える際に、満足いくような燃焼が得られないという問題点があった。

すなわち、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼には、それぞれに適した空燃比Ａ／Ｆ（又は、ガス／燃料比；Ｇ／Ｆ）があり、切換時には中間のＡ／Ｆ（又はＧ／Ｆ）を経由するため、いずれの燃焼も成立しなくなるからである。

具体的には、中間のＡ／Ｆ（又はＧ／Ｆ）で火花点火燃焼を行うと、リーン過ぎて、点火しずらくなり、燃焼安定性が悪化する。
また、中間のＡ／Ｆ（又はＧ／Ｆ）で圧縮着火燃焼を行うと、リッチ過ぎて、ノッキングを生じる。

本発明は、このような実状に鑑み、点火プラグを用いた火花点火燃焼（第１の燃焼）と、着火用燃料を用いた圧縮着火燃焼（第２の燃焼）とを切換える際の、燃焼安定性の悪化や、ノッキングの発生を回避することを目的とする。

このため、本発明では、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切換時に、圧縮行程にて噴射した着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして燃焼室内の予混合気を火炎伝播燃焼させる第３の燃焼を経由させる構成とする。

本発明によれば、点火エネルギーとして強力な着火用燃料の自己着火燃焼を用い、これをトリガとして、予混合気を自己着火燃焼ではなく火炎伝播燃焼させることにより、燃焼を緩慢にして、ノッキングの発生を回避でき、燃焼切換えを良好に行うことができる。尚、自己着火燃焼ではなく火炎伝播燃焼となるようにするのは、着火用燃料の噴射量や有効圧縮比の調整により可能である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（エンジン）のシステム図である。
シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３によって画成される燃焼室４は、吸気弁５を介して吸気ポート６と接続され、また排気弁７を介して排気ポート８と接続されている。吸気弁５及び排気弁７の開閉時期は、それぞれ、可変動弁装置９、１０により制御可能である。

各可変動弁装置９、１０としては、例えば、クランク軸とカム軸との回転位相を変更して吸・排気弁のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を可変制御可能なバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ装置）と、バルブ作動角（開期間）及びバルブリフト量を連続的に可変制御可能なバルブ作動角及びバルブリフト可変装置（ＶＥＬ装置）とを組み合わせて用いる。この他、吸・排気弁を電磁アクチュエータにより駆動する電磁駆動弁装置（ＥＭＶ装置）を用いてもよい。

吸気ポート６上流の吸気通路１１には、電制スロットル弁１２が設けられている。また、吸気通路１１には、各気筒毎に（各気筒の吸気ポート６毎に）、主燃料（一般的にはガソリン燃料）を噴射する第１燃料噴射弁１３が設けられている。主燃料の吸気ポート噴射は排気行程〜吸気行程になされ、吸気行程にて燃焼室４内に吸入されて、燃焼室４内に均質な予混合気が形成される。

燃焼室４内には、シリンダヘッド１側の中央部から、第２燃料噴射弁１４と点火プラグ１５とが臨んでいる。第２燃料噴射弁１４は、前記主燃料（ガソリン）より高自着火性（高セタン価、あるいは低オクタン価）の着火用燃料（例えば軽油）を噴射可能であり、圧縮着火燃焼時に圧縮行程後期にて着火用燃料を噴射する。点火プラグ１５は、燃焼室４内の混合気に点火可能であり、火花点火燃焼用である。

排気ポート８下流の排気通路１６からは、排気の一部をＥＧＲガスとして導くＥＧＲ通路１７が導出され、このＥＧＲ通路１７は吸気通路１１のスロットル弁１２下流に接続されている。ＥＧＲ通路１７の途中には、ＥＧＲ量を制御する例えばステップモータ式のＥＧＲ制御弁１８が設けられている。排気通路１６には、排気浄化触媒（三元触媒）１９が設けられている。

可変動弁装置９、１０、電制スロットル弁１２、第１燃料噴射弁１３、第２燃料噴射弁１４、点火プラグ１５、及び、ＥＧＲ制御弁１８の作動は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０により制御される。

ＥＣＵ２０には、クランク角センサ（図示せず）により検出されるエンジン回転数Ｎ、アクセル開度センサ（図示せず）により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、エアフローメータ２１により検出される吸入空気量Ｑａの他、排気通路１６の排気浄化触媒１９上流に設けた空燃比センサ２２等からの情報が入力されている。

本実施形態のエンジンでは、図２に示すように、比較的低回転・低負荷側の所定の運転領域にて、可変動弁装置９により吸気弁５の閉時期を下死点付近に設定して、有効圧縮比（実圧縮比）を増大させつつ、第２燃料噴射弁１４を用いて、圧縮着火燃焼を行わせ、このとき空燃比をリーン化することで、燃費を節減する。

その一方、高回転・高負荷側やアイドル運転域など、他の運転領域では、可変動弁装置９により吸気弁５の閉時期を下死点より遅らせた時期（圧縮着火燃焼時より遅角側）に設定して、有効圧縮比を低下させつつ、点火プラグ１５を用いて、火花点火燃焼を行わせ、高出力やアイドル安定性を確保する。

ここで、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼との切換時、すなわち、火花点火燃焼から圧縮着火燃焼への切換時、及び、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時は、後述する第３の燃焼を経由させる。

以下、圧縮着火燃焼、火花点火燃焼、及び、第３の燃焼について、図３を参照して、詳しく説明する。
〔圧縮着火燃焼；以下「ＣＩ燃焼」という〕
ＣＩ燃焼は、有効圧縮比が高い状態でなされる。また、スロットル弁はほぼ全開（ノンスロットル）であるが、ＥＧＲ率が高く（例えば６０％）、Ｇ／Ｆは３０〜４０程度（Ａ／Ｆはストイキ〜リーン）である。

第１燃料噴射弁１３から排気行程〜吸気行程にて主燃料をポート噴射し、吸気行程を経て、燃焼室内に均質な予混合気を形成する。
その後、圧縮行程後期（圧縮上死点近傍）にて、第２燃料噴射弁１４から燃焼室中央部に着火用燃料（軽油）を噴射する。これにより、着火用燃料の自己着火燃焼を生じる。燃焼室中央部の着火用燃料が自己着火燃焼を生じると、有効圧縮比が高いため、これをトリガとして、周囲の予混合気が自己着火燃焼を生じる。

〔火花点火燃焼；以下「ＳＩ燃焼」という〕
ＳＩ燃焼は、有効圧縮比が低い状態でなされる。また、スロットリングを行い、Ａ／Ｆはストイキに制御する。ＥＧＲ率は比較的低い（最大でもＥＧＲ限界の３０％程度）。

第１燃料噴射弁１３から排気行程〜吸気行程にて主燃料をポート噴射し、吸気行程を経て、燃焼室内に均質な予混合気を形成する。
その後、圧縮行程後期（圧縮上死点近傍）にて、点火プラグ１５により点火し、火炎伝播燃焼させる。

〔第３の燃焼；以下「ＣＩ−ＳＩ燃焼」という〕
ＣＩ−ＳＩ燃焼は、ＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換時、あるいは、ＳＩ燃焼からＣＩ燃焼への切換時に、行わせる。

ＣＩ−ＳＩ燃焼は、有効圧縮比が低い状態でなされる。また、切換過程であるので、スロットリングは中程度である。また、比較的大量のＥＧＲを行って、Ａ／Ｆはストイキに制御する。

第１燃料噴射弁１３から排気行程〜吸気行程にて主燃料をポート噴射し、吸気行程を経て、燃焼室内に均質な予混合気を形成する。
その後、圧縮行程後期（圧縮上死点近傍）にて、第２燃料噴射弁１４から燃焼室中央部に着火用燃料（軽油）を噴射する。これにより、着火用燃料の自己着火燃焼を生じる。但し、このときの着火用燃料の噴射量（軽油噴射量）は、ＣＩ燃焼時に比べ少なくする。このため、点火エネルギーとしては強力であるが、着火用燃料の噴射量が少ないことと、有効圧縮比が低いこととから、周囲の混合気を自己着火燃焼させるまでには至らず、着火用燃料の自己着火燃焼による火炎が周囲の予混合気に伝播し、火炎伝播燃焼を生じる。

すなわち、着火用燃料の圧縮行程噴射により、着火用燃料を自己着火させ、これを熱源として、周囲の混合気（主燃料＋空気）を伝播燃焼させるのであり、伝播燃焼は、着火用燃料の噴射量（軽油噴射量）と有効圧縮比との少なくとも一方でコントロールする。

図４は燃焼切換制御のメインフローチャートである。
Ｓ１では、エンジン運転条件として、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｔを検出する。尚、負荷Ｔとしては、アクセル開度、燃料噴射量、エンジントルクなどを用いる。

Ｓ２では、検出されたエンジン回転数Ｎ、負荷Ｔに基づいて、現在の運転領域が、図２のマップのＣＩ燃焼領域、ＳＩ燃焼領域のいずれに該当するかを判定する。
Ｓ２での判定の結果、ＣＩ燃焼領域の場合は、Ｓ３へ進み、ＣＩ燃焼中か否かを判定する。ＣＩ燃焼中であれば、そのままリターンするが、ＣＩ燃焼中でない場合（ＳＩ燃焼中である場合）は、Ｓ４へ進み、ＳＩ燃焼からＣＩ−ＳＩ燃焼を経由してＣＩ燃焼へ切換える。

Ｓ２での判定の結果、ＳＩ燃焼領域の場合は、Ｓ５へ進み、ＳＩ燃焼中か否かを判定する。ＳＩ燃焼中であれば、そのままリターンするが、ＳＩ燃焼中でない場合（ＣＩ燃焼中である場合）は、Ｓ６へ進み、ＣＩ燃焼からＣＩ−ＳＩ燃焼を経由してＳＩ燃焼へ切換える。

図５は、ＳＩ燃焼からＣＩ燃焼への切換制御のフローチャートであり、図４のＳ４にて実行される。また、図６に、タイムチャートを示している。
Ｓ１１では、ＳＩ−ＣＩ燃焼のため、吸気弁閉時期を下死点より遅らせた時期に保持して、有効圧縮比を低い状態に保持する。

Ｓ１２では、スロットル弁を徐々に開く、また、外部ＥＧＲを徐々に増大させて、Ｇ／Ｆを徐々に増大させる。Ａ／Ｆはストイキに制御する。
Ｓ１３では、点火プラグ１５による点火を停止し、第２燃料噴射弁１４から圧縮行程後期に比較的少量の着火用燃料を噴射するようにして、ＣＩ−ＳＩ燃焼を開始する。

尚、このときの着火用燃料の噴射量は、着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして、その周囲の混合気の火炎伝播燃焼を実現するため、ＣＩ燃焼時より少なくするが、各種条件（ＥＧＲ量、スロットル開度、負荷など）により調整する。

具体的には、図７（Ａ）に示すように、ＥＧＲ量が多くなるほど、着火性が悪化するので、ＥＧＲ量が多くなるほど、着火用燃料の噴射量を増大させる。
また、図７（Ｂ）に示すように、スロットル開度が小さくなるほど（吸気絞りを大きくするほど）、着火性が悪くなるので、スロットル開度が小さくなるほど、着火用燃料の噴射量を増大させる。

また、図７（Ｃ）に示すように、負荷が小さくなるほど、着火性が悪くなるので、負荷が小さくなるほど、着火用燃料の噴射量を増大させる。
着火用燃料の噴射時期については、次のように設定する。

図８（Ａ）は、着火用燃料の噴射時期と局所空燃比（着火部位すなわち燃焼室中央部の空燃比）との関係を示し、噴射時期を進角すると、燃料が分散して、局所空燃比が薄くなり、遅角すると、燃料が集中して、局所空燃比が濃くなる。

図８（Ｂ）は、局所空燃比とＰＭ生成量との関係を示し、局所空燃比が薄くなると、ＰＭ生成量が少なくなる。
従って、ＰＭ生成量が最小レベルとなるときの局所空燃比φ１を実現する噴射時期に設定する。言い換えれば、ＰＭ生成量が最小レベル以下の図示利用可能領域のうち、最も遅角側の噴射時期に設定する。噴射時期を進角するほど、局所空燃比が薄くなって、ＰＭ生成量は低下するが、薄くなりすぎると、着火性が悪くなるからである。

Ｓ１３では、ＣＩ燃焼が可能か否かの判定のため、Ｇ／Ｆを推定する。具体的には、エアフローメータにより検出される吸入空気量、ＥＧＲ制御弁の開度（ステップ数）と吸入空気量とから推定されるＥＧＲ量、及び、燃料噴射量から、Ｇ／Ｆを算出する。

Ｓ１４では、Ｇ／ＦがＣＩ燃焼が可能な所定値ＳＬ以上になったか否かを判定し、所定値ＳＬ以上になった時点で、Ｓ１６へ進む。
これは、図９にＧ／ＦとＮＯｘ排出量との関係を示すように、Ｇ／Ｆが大きくなる（リーンになる）ことで、ＮＯｘ排出量が低下するので、ＮＯｘ排出量が低下する領域に達した時点で、ＣＩ燃焼に切換えるためである。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒を使用しないで済むようになる。

但し、単純に所定時間経過後に、ＣＩ−ＳＩ燃焼からＣＩ燃焼へ切換えるようにしてもよい。また、筒内圧センサにより、燃焼状態を検知し、その結果に基づいて、切換えるようにしてもよい。

Ｓ１６では、吸気弁閉時期を下死点近傍まで進めて、有効圧縮比を増大させ、また、着火用燃料の噴射量を増大させて、ＣＩ燃焼に移行させる。
尚、図４のＳ６にて実行されるＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切換制御のフローチャート及びタイムチャートについては図示を省略したが、図５、図６のＳＩ燃焼からＣＩ燃焼への切換制御とほぼ逆に行うことになる。

本実施形態によれば、点火プラグ１５により点火して燃焼室内の予混合気を火炎伝播燃焼させるＳＩ燃焼と、第２燃料噴射弁１４から圧縮行程にて噴射した着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして燃焼室内の予混合気を自己着火燃焼させるＣＩ燃焼と、の切換時に、第２燃料噴射弁１４から圧縮行程にて噴射した着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして燃焼室内の予混合気を火炎伝播燃焼させるＣＩ−ＳＩ燃焼を経由させることにより、次のような効果が得られる。

点火エネルギーとして強力な着火用燃料の自己着火燃焼を用い、これをトリガとして、予混合気を自己着火燃焼ではなく火炎伝播燃焼させることにより、燃焼を緩慢にして、ノッキングの発生を回避でき、燃焼切換えを良好に行うことができる。

言い換えれば、切換え途中の中間のＡ／Ｆ（又はＧ／Ｆ）でＳＩ燃焼を行うと、リーン過ぎて、点火しずらくなり、燃焼安定性が悪化するが、点火エネルギーとして強力な着火用燃料の自己着火燃焼を用いることで、これを解決できる。

また、切換え途中の中間のＡ／Ｆ（又はＧ／Ｆ）でＣＩ燃焼を行うと、リッチ過ぎて、ノッキングを生じるが、火炎伝播燃焼させることにより、燃焼を緩慢にして、ノッキングの発生を回避できる。

また、切換え途中に、点火アシストによる圧縮着火燃焼（ＳＩ−ＣＩ燃焼）を行うことも考えられるが（特許文献１の００１１参照）、点火アシストでは、（１）成層化するための燃焼室構造が必要、（２）空燃比がリーンになるにつれて、火花点火がしずらくなり、さらに火花点火による着火エネルギーも小さくなり、自己着火できなくなる、という問題がある。これに対して、着火用燃料を用いたＣＩ−ＳＩ燃焼によれば、（１）成層化のための特別な燃焼室構造は必要ない、（２）着火性に優れるので、確実に着火し、さらに着火エネルギーも強力なので、確実に主燃料を伝播燃焼できる、という効果がある。

また、本実施形態によれば、ＣＩ−ＳＩ燃焼での着火用燃料の噴射量は、ＣＩ燃焼に比べ、少なくすることにより、火炎伝播燃焼を確実に実現できる。
また、本実施形態によれば、ＣＩ−ＳＩ燃焼での有効圧縮比は、ＣＩ燃焼に比べ、小さくすることにより、火炎伝播燃焼を確実に実現できる。ここでの有効圧縮比の変更は、吸気弁の閉時期の制御により行うことで、確実かつ容易に行うことができる。

すなわち、切換え途中でガソリンを自己着火燃焼させるとノッキングが生じるので、ＣＩ通常のＣＩ燃焼に比べ、軽油の噴射量を少なくし、更に圧縮比を小さくすることにより、ガソリンを伝播燃焼させて、ノッキングを回避するのである。

また、本実施形態によれば、ＣＩ−ＳＩ燃焼では、空燃比をストイキに制御し、ＥＧＲによりガス／燃料比をリーンに制御することにより、切換時のＮＯｘ排出量を低減しつつ、スムーズに切換えを行うことができる。

また、本実施形態によれば、ＣＩ−ＳＩ燃焼では、ＥＧＲ率は、ＳＩ燃焼に比べ大きく、ＣＩ燃焼に比べ小さく設定することにより、適切なＥＧＲ率で運転できる。
また、本実施形態によれば、ＳＩ−ＣＩ燃焼では、スロットル開度は、ＳＩ燃焼に比べ大きく、ＣＩ燃焼に比べ小さく設定することにより、適切なスロットル開度（スロットリング）で運転できる。

特に、ＣＩ−ＳＩ燃焼では、着火用燃料を用いて、着火させることで、ＥＧＲ限界を大幅に拡大することができ、かかるＥＧＲにより、Ａ／Ｆをストイキに保って切換えを行うことができ、排気性能をも大幅に向上させることができる。

尚、以上の実施形態では、主燃料（ガソリン）を噴射する第１燃料噴射弁１３を吸気通路１１（吸気ポート６）に設けたが、レイアウト的に可能であれば、燃焼室４の側部などに、燃焼室４内に直接臨ませて設けてもよい。この場合は、吸気行程〜圧縮行程前期に主燃料を噴射して、燃焼室４内に予混合気を形成するようにする。

また、着火用燃料としては、軽油の他、エタノールに代表されるアルコール燃料、バイオ燃料、あるいは着火促進剤を混入させた燃料などを用いることもできる。
また、有効圧縮比（実圧縮比）を変更する手段としては、可変動弁装置を用いて、吸気弁閉時期を変更する他、ピストンのストローク量を調整する圧縮比可変機構などを用いることもできる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 ＣＩ燃焼領域とＳＩ燃焼領域の説明図 ＣＩ燃焼、ＣＩ−ＳＩ燃焼、ＳＩ燃焼の説明図 燃焼切換制御のメインフローチャート ＳＩ燃焼→ＣＩ燃焼の燃焼切換制御のフローチャート ＳＩ燃焼→ＣＩ燃焼の燃焼切換制御のタイムチャート ＥＧＲ量、スロットル開度、負荷と着火性との関係を示す図 噴射時期、局所空燃比、ＰＭ生成量の関係を示す図 Ｇ／ＦとＮＯｘ排出量との関係を示す図

符号の説明

４ 燃焼室
５ 吸気弁
７ 排気弁
９、１０ 可変動弁装置
１１ 吸気通路
１２ 電制スロットル弁
１３ 第１燃料噴射弁
１４ 第２燃料噴射弁
１５ 点火プラグ
１６ 排気通路
１７ ＥＧＲ通路
１８ ＥＧＲ制御弁
１９ 排気浄化触媒
２０ ＥＣＵ
２１ エアフローメータ
２２ 空燃比センサ

Claims (7)

1. 燃焼室内に予混合気を形成するように主燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、燃焼室内に前記主燃料より高自着火性の着火用燃料を噴射可能な第２燃料噴射弁と、燃焼室内の混合気に点火可能な点火プラグとを備え、
   機関運転条件に応じて、前記点火プラグにより点火して燃焼室内の予混合気を火炎伝播燃焼させる火花点火燃焼と、前記第２燃料噴射弁から圧縮行程にて噴射した着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして燃焼室内の予混合気を自己着火燃焼させる圧縮着火燃焼と、を切換える内燃機関の燃焼制御装置であって、
   前記火花点火燃焼と前記圧縮着火燃焼との切換時に、前記第２燃料噴射弁から圧縮行程にて噴射した着火用燃料の自己着火燃焼をトリガとして燃焼室内の予混合気を火炎伝播燃焼させる第３の燃焼を経由させることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記第３の燃焼での前記着火用燃料の噴射量は、前記圧縮着火燃焼に比べ、少なくすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記第３の燃焼での有効圧縮比は、前記圧縮着火燃焼に比べ、小さくすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記有効圧縮比は、吸気弁の閉時期により制御することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記第３の燃焼では、空燃比をストイキに制御し、ＥＧＲによりガス／燃料比をリーンに制御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燃焼制御装置。
6. 前記第３の燃焼では、ＥＧＲ率は、前記火花点火燃焼に比べ大きく、前記圧縮着火燃焼に比べ小さく設定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
7. 前記第３の燃焼では、スロットル開度は、前記火花点火燃焼に比べ大きく、前記圧縮着火燃焼に比べ小さく設定することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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