JP2010223001A - 直接噴射式エンジンのピストン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】未燃炭化水素や粒子状物質の排出量を低減させることのできる直接噴射式エンジンのピストン構造を提供する。
【解決手段】ピストン１０が凹部１２の内周壁面１２ａおよび内底壁面１２ｂの間にボール形断面の環状溝部１４を有するとともに、複数の燃料噴霧軸線２１ｃの近傍に位置する複数の第１断面領域と、複数の燃料噴霧軸線２１ｃの中間近傍に位置する第２断面領域とで、凹部１２が異なる断面形状を有しており、第１断面領域にて複数の燃料噴霧軸線２１ｃが凹部１２の内壁面１２ａ、１２ｄと燃料噴霧との衝突点を通る接線位置から離れる方向の第１衝突角α１が、第２断面領域にて複数の燃料噴霧軸線２１ｃを含む円錐面２１ｃ´が内周壁面１２ａから離れる方向の第２衝突角α２より大きく、ボール形断面の環状溝部１４が、第１断面領域にてボール形断面が大きくなるように深く、第２断面領域にて浅く形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直接噴射式エンジンのピストン構造、特にコモンレール等による高圧燃料噴射を併用する直接噴射式エンジンのピストン構造に関する。

近時、排気ガス特性、出力特性および燃費等の面から、直接噴射式（副室式でなく）のディーゼルエンジンにコモンレール式の高圧燃料噴射装置を装備するとともに、ピストンヘッドに噴射ノズルからの燃料噴霧を受け入れる凹みを形成して燃焼室内のスワールやスキッシュ等を増加させ、燃料と空気の混合を促進するものが多用されている。

従来のこの種の直接噴射式エンジンのピストン構造としては、例えばピストン頂部の凹みの内底壁側には中心に近いほどその凹みを浅くする中突起を設け、その凹みの内周壁側には噴射ノズルからの燃料噴霧を衝突させる環状の凹壁面およびボール形断面空間を形成して、燃料噴霧とボール形断面空間中の空気との接触・混合を容易にし、スモークの発生を抑えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、ピストンヘッド頂部の凹みの内周壁に燃料噴霧の衝突位置（噴射距離）を交互に変化させるよう複数の突出壁を設けて、隣り合う燃料噴霧の衝突後（火炎）のベクトルが相互の混合を助長する方向となるようにして、スモークやＮＯｘの低減を図ったものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、ピストン頂部の凹みの内壁部のうち、噴射ノズルから噴射される燃料噴霧が指向する部分を他の部分に比べて凹ませ、燃料濃度が高くなる部分の空気量を多くするようにしたもの（例えば、特許文献３参照）が知られている。

特開２００５−１４６８６９号公報 特開平０５−７１３４６号公報 実開昭６１−１６９２３４号公報

しかしながら、上述のような従来の直接噴射式エンジンのピストン構造にあっては、燃料消費量や騒音の低減を図るべく圧縮比を低下させる場合等に、外気温が低く高度が高い運転環境において排気ガス中の未燃炭化水素（ＨＣ）や粒子状物質（ＰＭ）の濃度が大きく増加し易いという問題があった。

特にボアの小さいエンジンでは、燃料噴霧がピストン頂部の凹み（以下、ピストンチャンバともいう）の内周壁面部に衝突して燃料噴霧のオーバーラップが生じ、燃焼室内に燃料濃度の高い部分が生じ易くなるため、未燃炭化水素や粒子状物質の増加が顕著になる傾向があった。

これに対し、燃料噴霧が衝突するピストンチャンバの内周壁部で燃料噴霧の衝突角（燃料噴霧軸と内周壁面部のなす角）を大きくすれば、ピストンチャンバ内に燃料濃度の高い部分を生じさせる燃料噴霧のオーバーラップを抑えることができるものの、角度間隔を持つ放射状の燃料噴霧軸の中間の領域では、反対に、ボール形断面空間から空気の存在する燃焼室頂部側へ向かう噴霧の流動（貫通力）が十分でなくなり、空気と燃料噴霧の混合が不十分になる傾向があった。

そこで、本発明は、燃料噴霧軸近傍の断面領域では燃料噴霧のオーバーラップを抑え、燃料噴霧軸の間の中間断面領域では燃焼室頂部側への噴霧の流動を助長するように、燃料噴霧軸近傍の断面領域と燃料噴霧軸間の中間断面領域とでピストン頂部の凹部の壁面形状を相違させるようにして、未燃炭化水素や粒子状物質の排出量を低減させることのできる直接噴射式エンジンのピストン構造を提供することを目的とする。

本発明に係る直接噴射式エンジンのピストン構造は、上記目的達成のため、ピストンの頂部に凹部を有し、シリンダ内で燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧を受け入れるチャンバが前記凹部により形成される直接噴射式エンジンのピストン構造において、前記ピストンが前記凹部の内周壁面および内底壁面の外周部分の間にボール形断面の環状溝部を有するとともに、前記燃料噴射ノズルから予め設定された角度間隔で噴射される前記燃料噴霧の中心軸線に相当する複数の燃料噴霧軸線の近傍に位置する複数の第１断面領域と、前記複数の燃料噴霧軸線の中間近傍に位置する第２断面領域とで、前記ピストンの前記凹部が異なる断面形状を有し、前記第１断面領域にて前記複数の燃料噴霧軸線が前記凹部の内周壁面と前記燃料噴霧との衝突点を通る接線位置から離れる方向に傾斜する角度に相当する第１衝突角が、前記第２断面領域にて前記複数の燃料噴霧軸線を含む円錐面が前記凹部の内周壁面から離れる方向に傾斜する角度に相当する第２衝突角より大きく、前記ボール形断面の環状溝部が、前記第１断面領域においてボール形断面が大きくなるように深く形成され、前記第２断面領域においてボール形断面が小さくなるように浅く形成されていることを特徴とする。

この構成により、燃料噴霧が衝突する凹部（ピストンチャンバ）の内壁部分で燃料噴霧の第１衝突角を大きくすることにより、ピストンチャンバ内に燃料濃度の高い部分を生じさせる燃料噴霧のオーバーラップを抑えることができ、しかも、放射状の燃料噴霧軸線の間では、反対に、内壁部分に衝突した両側の燃料噴霧がボール形断面空間に流入してくるが、これらの噴霧が浅い環状溝部の壁面に沿ってピストンチャンバの頂部側へ向かう噴霧となり、空気と燃料噴霧の混合が助長されることになる。したがって、燃料と空気が十分に混合されるとともに、凹部内に燃料濃度の高い部分ができることが防止され、未燃炭化水素や粒子状物質の排出量を低減させることのできる直接噴射式エンジンとなる。

なお、ピストンの頂部の凹部が全体として噴射ノズルが配置される中心部に近いほど浅く、中心部から離れるほど深くなるかさ（傘）状の内底壁面を有し、前記ボール形断面の環状溝部の壁面がそれよりさらに深くなっているのがよい。また、凹部の内底壁面が第１断面領域において浅い位置に、第２断面領域において深い位置に位置していてもよい。さらに、凹部の内底壁面に接続するボール端部分の環状溝部の壁面がなす傾斜角（ピストンの軸線を中心とする円筒面から離れるように傾斜する角度；以下、ボール端傾斜角という）を第１断面領域と第２断面領域とで同等な角度に設定し、ピストンの加工を容易化することができるが、ボール端傾斜角は、第１断面領域において小さく、第２断面領域において大きくなっていてもよい。すなわち、ボール端部分における環状溝部の壁面が、第１断面領域では燃焼室の頂部側（上死点側）を向き、第２断面領域では中心側に向くようにすることで、環状溝部の第１断面領域と第２断面領域とでの深さの差を調整することもできる。

本発明によれば、燃料噴霧が衝突する凹部の内壁部分で燃料噴霧の第１衝突角を大きくして燃料噴霧のオーバーラップを抑えるとともに、放射状の燃料噴霧軸線の間では、両側からの噴霧が浅い環状溝部の壁面に沿ってピストンチャンバの頂部側へ向かうようにしているので、燃料と空気を十分に混合させるとともに、凹部内に燃料濃度の高い部分ができるのを防止し、未燃炭化水素や粒子状物質の排出量を低減させることのできる直接噴射式エンジンのピストン構造を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る直接噴射式エンジンのピストン構造を示すそのピストンの要部断面図である。 本発明の第１実施形態に係る直接噴射式エンジンのピストン構造を示すそのピストンの上面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第２実施形態に係る直接噴射式エンジンのピストン構造を示すそのピストンの要部断面図である。 本発明の第３実施形態に係る直接噴射式エンジンのピストン構造を示すそのピストンの要部断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１および図２は、本発明の第１実施形態に係る直接噴射式エンジンのピストン構造を示す図である。

まず、構成について説明する。

本実施形態の直接噴射式エンジンのピストン構造は、例えば公知のコモンレール式の高圧燃料噴射装置を装備する直接噴射式のディーゼルエンジンに採用されている。もっとも、ピストンが圧縮上死点の近傍にあって燃焼室内の雰囲気が高温、高圧になっているときにその燃焼室内に燃料を直接に噴射させ、燃料を気化させつつ空気と混合させる、いわゆる拡散燃焼方式の４ストロークの内燃機関であれば、本発明を適用できる。

図１に半径領域における部分断面で示すように、本実施形態のピストン１０は、その頂部１１に凹部１２を有しており、この凹部１２は、ピストン１０が圧縮上死点ＴＤＣの近傍にあるとき、シリンダ１内で公知の燃料噴射ノズル２（例えば、特開２００２−３６４３６６号公報参照）から噴射される燃料噴霧を受け入れるピストンチャンバを形成するようになっている。ここにいうピストンチャンバは、シリンダ１内でピストン１０の頂部１１側に形成される燃焼室３の燃料噴射時における主要部であり、燃料噴射時に燃焼室３内におけるスワールやスキッシュ等を増加させて、燃料と空気を混合させる形状になっている。

なお、シリンダ１は、図示しないシリンダブロックおよびシリンダヘッドによって形成された天井壁面１ａおよび円筒壁面１ｂを有しており、図示しないが、その天井壁面１ａに開口する吸気ポートおよび排気ポートが吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作に応じて開閉される。

図２に示すように、燃料噴射ノズル２は、予め設定された等角度間隔に、例えば図示しない８つの噴孔から燃料（例えば、軽油）を放射状に噴射するようになっている。

凹部１２は、内周壁面１２ａおよび内底壁面１２ｂを有し、全体として燃料噴射ノズル２が配置される中心側ではその深さが浅く中心から離れるほど深くなるように、内底壁面１２ｂが上死点側に向かって凸となるかさ状に形成されている。

また、その内底壁面１２ｂの外周部分１２ｃと内周壁面１２ａの間には、燃料噴射ノズル２からの燃料噴霧２１を衝突させる環状の凹壁面１２ｄが設けられている。この凹部１２の環状の凹壁面１２ｄは、凹部１２の内周壁面１２ａおよび内底壁面１２ｂの外周部分１２ｃの間にボール形断面の環状溝部１４を形成しており、内底壁面１２ｂの外周部分１２ｃよりさらに深い環状溝部１４の底部側を形成している。

さらに、凹部１２の内周壁面１２ａにおいては、燃料噴射ノズル２からの燃料噴霧２１が直接的に衝突する部分、すなわち、燃料噴霧２１の中心軸線に相当する複数の燃料噴霧軸線２１ｃの近傍に位置する複数の第１壁面部分１２ａ１と、これら第１壁面部分１２ａ１の間に位置する第２壁面部分１２ａ２とで、上面視における半径ｒａ１、ｒａ２が互いに異なり（ｒａ１＞ｒａ２）、かつ、曲率半径ｒｂ、ｒａ２も互いに相違している（ｒｂ＜ｒａ２）。

すなわち、ピストン１０においては、燃料噴射ノズル２からの燃料噴霧２１の燃料噴霧軸線２１ｃの近傍に位置する複数の第１断面領域Ｒ１と、複数の燃料噴霧軸線２１ｃの中間近傍に位置する第２断面領域Ｒ２とで、凹部１２が異なる断面形状を有している。

より具体的には、図１に実線で示す凹部１２が、第１壁面部分１２ａ１に対応する第１断面領域Ｒ１中の内周壁面１２ａ、内底壁面１２ｂおよび環状の凹壁面１２ｄの断面形状を示しており、図１に点線で示す凹部１２が、第２壁面部分１２ａ２に対応する第２断面領域Ｒ２中の内周壁面１２ａ、内底壁面１２ｂおよび環状の凹壁面１２ｄの断面形状を示している。

ここで、燃料噴霧２１の内周壁面１２ａまたは環状の凹壁面１２ｄ（以下、凹部１２の内壁面１２ａ、１２ｄともいう）との衝突点を通る接線位置、すなわち、各燃料噴霧軸線２１ｃと内壁面１２ａ、１２ｄとの交点を通る接線位置を基準とし、第１断面領域Ｒ１において複数の燃料噴霧軸線２１ｃが凹部１２の内周壁面１２ａの第１壁面部分１２ａ１から離れる方向に傾斜する角度に相当する第１衝突角α１は、複数の燃料噴霧軸線２１ｃを含む円錐面２１ｃ´と内壁面１２ａ、１２ｄとの交点を基準とし、第２断面領域Ｒ２において円錐面２１ｃ´が内壁面１２ａ、１２ｄから離れる方向に傾斜する角度に相当する第２衝突角α２よりも、大きくなっている。

また、ボール形断面の環状溝部１４は、図１に実線で示すように、第１断面領域Ｒ１においてはそのボール形断面の断面積が大きくなるように深く形成され、一方、図１に点線で示すように第２断面領域Ｒ２においてはそのボール形断面の断面積が小さくなるように浅く形成されている。ここにいう深さの差は、例えば図１中に示す凹壁面１２ｄの半径方向の深さの差ｅ１およびピストンストローク方向（軸方向）の深さの差ｅ２として示されており、燃料噴射ノズル２からの燃料噴霧２１が直接的に衝突する範囲では概ね半径方向に、内周壁面１２ａおよび凹壁面１２ｄに衝突した燃料が凹部１２の内底部側に広がる範囲内では概ね軸方向に、深さが増している。

さらに、ピストン１０の中心軸線Ｃを含む断面上において、図１に実線で示す第１断面領域Ｒ１中の内周壁面１２ａおよび凹壁面１２ｄの曲率半径ｒｄ１は、図１に点線で示す第２断面領域Ｒ２中の内周壁面１２ａおよび凹壁面１２ｄの曲率半径ｒｄ２より大きくなっている。

なお、図１に示すように、凹部１２の内底壁面１２ｂに接続するボール端部分の環状溝部１４の壁面、すなわち外周部分１２ｃの近傍の凹壁面１２ｄが、ピストン１０の中心軸線Ｃを中心とする仮想の円筒面から離れるように傾斜する角度、すなわちボール端傾斜角βは、第１断面領域Ｒ１と第２断面領域Ｒ２とでほぼ同等な角度に設定されている。

また、かさ状の内底壁面１２ｂの外周形状は、図２中では、第１断面領域Ｒ１と第２断面領域Ｒ２とで異なる外周部半径ｒｃ１、ｒｃ２となるように設定されているが、これはボール端傾斜角βが第１断面領域Ｒ１と第２断面領域Ｒ２とでわずかに相違することを誇張して示すものであり、ボール端傾斜角βが第１断面領域Ｒ１と第２断面領域Ｒ２とで同等な角度に設定される場合、かさ状の内底壁面１２ｂの外周形状は、ほぼ円形となる。

次に、作用について説明する。

上述のように構成された本実施形態の直接噴射式エンジンのピストン構造においては、ピストン１０が圧縮上死点（図１中にＴＤＣで示す仮想線位置）の近傍にあって燃焼室３内の雰囲気が高温・高圧となっているときに、燃料噴射ノズル２から燃料噴霧２１が噴射される。

このとき、図３（ａ）に示すように、燃料噴射ノズル２からの燃料噴霧２１が衝突するピストンチャンバの内壁部分、すなわち第１断面領域Ｒ１内の内周壁面１２ａおよび凹壁面１２ｄでは、燃料噴霧２１の第１衝突角α１が大きくなっていることから、ピストンチャンバ内に燃料濃度の高い部分を生じさせる燃料噴霧２１のオーバーラップ（衝突前の燃料噴霧２１と衝突後の燃料噴霧とがぶつかる状態）を抑えることができる。

一方、第２断面領域Ｒ２、すなわち、放射状に等角度間隔に離間する複数の燃料噴霧軸線２１ｃの間では、図３（ｂ）に示すように、隣接する第１断面領域Ｒ１内の内周壁面１２ａおよび凹壁面１２ｄに衝突した両側の燃料噴霧２１が第２断面領域Ｒ２内のボール形断面空間である環状溝部１４に流入してくるが、これらの燃料噴霧２１が浅い環状溝部１４の凹壁面１２ｄに沿って燃焼室３の頂部側へ向かう噴霧となり、空気と燃料噴霧２１の混合が助長されることになる。したがって、燃料と空気が十分に混合されるとともに、凹部１２内に燃料濃度の高い部分ができることが防止され、未燃炭化水素や粒子状物質の排出量を低減させることができることになる。

このように、本実施形態においては、燃料噴霧２１が衝突する凹部１２の内壁部分で燃料噴霧２１の第１衝突角α１を大きくして燃料噴霧２１のオーバーラップを抑えるとともに、放射状の燃料噴霧軸線２１ｃの間では、環状溝部１４の凹壁面１２ｄに沿って両側からの燃料噴霧２１が第１断面領域Ｒ１から第２断面領域Ｒ２内に流入し、第２断面領域Ｒ２内の浅い凹壁面１２ｄに沿って燃焼室３の頂部側へ向かうようにしているので、燃料と空気を十分に混合させるとともに、凹部１２内に燃料濃度の高い部分ができるのを防止し、未燃炭化水素や粒子状物質の排出量を低減させることのできる直接噴射式エンジンのピストン構造を提供することができるものである。

なお、上述の実施形態においては、ボール端傾斜角βを第１断面領域Ｒ１と第２断面領域Ｒ２とで同等な角度に設定しているので、その部分のピストン１０の加工を容易化することができるが、第１断面領域Ｒ１と第２断面領域Ｒ２とでボール端傾斜角βを相違させてもよい。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る直接噴射式エンジンのピストン構造を示す図である。なお、以下に説明する各実施形態は、凹部の内底壁面形状にわずかな相違点があるものの、他の構成は上述の第１実施形態と同様であるので、同一の構成については、図中に図１および図２中の対応する構成要素の番号を付し、相違点についてのみ説明する。

図４に示す第２実施形態のピストン３０では、第１断面領域Ｒ１におけるボール端傾斜角β１を小さく、第２断面領域Ｒ２におけるボール端傾斜角β２を大きく設定している。すなわち、環状溝部１４のボール端部分の凹壁面１２ｄが、第１断面領域Ｒ１では燃焼室３の頂部側（上死点側）を向き、第２断面領域Ｒ２では凹部１２の中心側に向くように形成されている。

また、これに対応して、環状溝部１４の第１断面領域Ｒ１と第２断面領域Ｒ２とでの深さの差を調整するように、第１断面領域Ｒ１におけるボール端傾斜角β１は第２断面領域Ｒ２に近付くほど大きくなり、第２断面領域Ｒ２におけるボール端傾斜角β２は第１断面領域Ｒ１に近付くほど小さくなるように、連続的にその角度が変化している。

このようにしても、燃料噴霧２１が衝突する凹部１２の内壁部分で燃料噴霧２１の第１衝突角α１を大きくして燃料噴霧２１のオーバーラップを抑えるとともに、放射状の燃料噴霧軸線２１ｃの間では、環状溝部１４の凹壁面１２ｄに沿って両側からの燃料噴霧２１が第１断面領域Ｒ１から第２断面領域Ｒ２内に流入し、第２断面領域Ｒ２内の浅い凹壁面１２ｄに沿って燃焼室３の頂部側へ向かうことになるので、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る直接噴射式エンジンのピストン構造を示す図である。

図５に示す第３実施形態のピストン４０では、凹部１２の内底壁面１２ｂが、第１断面領域Ｒ１において浅い位置に、第２断面領域Ｒ２において深い位置に位置している。なお、図５中では、第１断面領域Ｒ１におけるボール端傾斜角β１を小さく、第２断面領域Ｒ２におけるボール端傾斜角β２を大きく示しているが、ボール端傾斜角β１、β２を等しく設定しながら、かさ状の内底壁面１２ｂの傾斜角のみを第１断面領域Ｒ１と第２断面領域Ｒ２とで相違させてもよい。

このようにしても、燃料噴霧２１が衝突する凹部１２の内壁部分で燃料噴霧２１の第１衝突角α１を大きくして燃料噴霧２１のオーバーラップを抑えるとともに、放射状の燃料噴霧軸線２１ｃの間では、両側からの燃料噴霧２１が第２断面領域Ｒ２内に流入し、第２断面領域Ｒ２内の浅い凹壁面１２ｄに沿って燃焼室３の頂部側へ向かうことになるので、上述の各実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明は、燃料噴霧が衝突する凹部の内壁部分で燃料噴霧の第１衝突角を大きくして燃料噴霧のオーバーラップを抑えるとともに、放射状の燃料噴霧軸線の間では、両側からの噴霧が浅い環状溝部の壁面に沿ってピストンチャンバの頂部側へ向かうようにしているので、燃料と空気を十分に混合させるとともに、凹部内に燃料濃度の高い部分ができるのを防止し、未燃炭化水素や粒子状物質の排出量を低減させることのできる直接噴射式エンジンのピストン構造を提供することができるという効果を奏するものであり、直接噴射式エンジンのピストン構造、特にコモンレール等による高圧燃料噴射を併用する直接噴射式エンジンのピストン構造全般に有用である。

１ シリンダ
１ａ 天井壁面
１ｂ 円筒壁面
２ 燃料噴射ノズル
３ 燃焼室
１０、３０、４０ ピストン
１１ 頂部
１２ 凹部
１２ａ 内周壁面（凹部の内壁面）
１２ａ１ 第１壁面部分
１２ａ２ 第２壁面部分
１２ｂ 内底壁面（凹部の内壁面）
１２ｃ 外周部分
１２ｄ 凹壁面（凹部の内壁面）
１４ 環状溝部（ボール形断面空間）
２１ 燃料噴霧
２１ｃ 燃料噴霧軸線
２１ｃ´ 円錐面
ｅ１、ｅ２ 深さの差
ｒａ１、ｒａ２ 内周壁面の上面視における半径
ｒｃ１、ｒｃ２ 内底壁面の外周部半径
ｒｄ１、ｒｄ２ 凹壁面の曲率半径
Ｒ１ 第１断面領域
Ｒ２ 第２断面領域
α１ 第１衝突角
α２ 第２衝突角
β、β１、β２ ボール端傾斜角

Claims (1)

1. ピストンの頂部に凹部を有し、シリンダ内で燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧を受け入れるチャンバが前記凹部により形成される直接噴射式エンジンのピストン構造において、
   前記ピストンが前記凹部の内周壁面および内底壁面の外周部分の間にボール形断面の環状溝部を有するとともに、
   前記燃料噴射ノズルから予め設定された角度間隔で噴射される前記燃料噴霧の中心軸線に相当する複数の燃料噴霧軸線の近傍に位置する複数の第１断面領域と、前記複数の燃料噴霧軸線の中間近傍に位置する第２断面領域とで、前記ピストンの前記凹部が異なる断面形状を有し、
   前記第１断面領域にて前記複数の燃料噴霧軸線が前記凹部の内周壁面と前記燃料噴霧との衝突点を通る接線位置から離れる方向に傾斜する角度に相当する第１衝突角が、前記第２断面領域にて前記複数の燃料噴霧軸線を含む円錐面が前記凹部の内周壁面から離れる方向に傾斜する角度に相当する第２衝突角より大きく、
   前記ボール形断面の環状溝部が、前記第１断面領域においてボール形断面が大きくなるように深く形成され、前記第２断面領域においてボール形断面が小さくなるように浅く形成されていることを特徴とする直接噴射式エンジンのピストン構造。

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