JP2018071411A - 排気ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ターボ過給機のアルミ化に貢献する技術を提供する。【解決手段】タービンハウジング４と軸受けハウジング６とがアルミ鋳造品で一体化されており、タービンハウジング４の入口筒部４ａとタービン側スクロール４ｂとに、冷却水ジャケット２２が形成されている。スクロール部ジャケット２２と入口部ジャケットとは連通しており、入口部ジャケットは入口筒部の端面に開口している。更に、冷却水ジャケット２２は、インサイド部２２ａとアウトサイド部２３ｂとに分離している。コンプレッサハウジング４は別体であるため、コンプレッサ２の組み付けなどは確実に行える。冷却水ジャケット２２はタービンハウジング４のみに形成しているため、構造の複雑化を防止できる。【選択図】図２

Description

本願発明は、自動車用等の内燃機関に設ける排気ターボ過給機に関するものである。

排気ターボ過給機は、排気ガスで回転するタービンによってコンプレッサを駆動するものであり、タービンとコンプレッサとは回転軸によって連結されている。そして、タービンが配置されたタービンハウジングと、コンプレッサが配置されたコンプレッサハウジングと、両者の間に位置して回転軸を回転自在に保持する軸受けハウジングとを備えており、一般に、タービンハウジングと軸受けハウジングとコンプレッサハウジングとは、それぞれ別々に製造されており、ボルトやバンド類で固定（連結）している。

これらハウジングは一般に鋳鋼製としているが、軽量化のためにアルミ化することが提案されている。その例として特許文献１には、タービンハウジングと軸受けハウジングとコンプレッサハウジングとの三者の全体をアルミで鋳造し、更に、各ハウジングに冷却水ジャケットを形成することが開示されている。

他方、特許文献２には、タービンハウジングと軸受けハウジングとを別体に製造した場合において、タービンハウジングをアルミ製として、その内部に冷却水ジャケットを形成することが開示されている。タービンハウジングは、スクロール部と排気ガス導入通路とを有するが、特許文献２では、スクロール部を囲う冷却水ジャケットと、排気ガス導入通路を囲う冷却水ジャケットとを形成して、両者を連通させた態様が開示されている。

国際公開ＷＯ２０１４／１０３５７０公報 特開２０１６−７５２８７号公報

ハウジングをアルミ製として軽量化することは、特に自動車用排気ターボ過給機の分野では燃費向上に貢献できて好適であるが、特許文献１のように排気ターボ過給機の全体を単一部材として鋳造すると、タービンやコンプレッサの組み付けなどが非常に厄介であり、実用性は疑問である。また、軸受けハウジングやコンプレッサハウジングは排気ガスに晒されないので、アルミ製であっても冷却の必要性は薄いが、特許文献１のように軸受けハウジングとコンプレッサにも冷却水ジャケットを形成すると、必要以上に構造が複雑化して鋳造は極めて面倒なものとなる。この面からも、実用性が問題になる。

他方、特許文献２のようにタービンハウジングのみをアルミ製とすることは、実際に使用されているタービンハウジングをアルミ化することなので、実用化の問題は特許文献１に比べると少ないが、組み付けの手間は現状と変わりないので、軽量化以外のメリットはあまり生じないといえる。

また、ハウジングを鋳造する鋳型について見ると、冷却水ジャケットになる部分が砂の中子型になるが、特許文献２の場合（特許文献１も同様であるが）、中子型が外型の中で浮いたような状態になるため、鋳型を製造してから金属湯の流し込みに至るまで中子型が安定した状態に保持されるか否かも疑問であり、安定した品質のものを量産できるか否かも疑問である。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の排気ターボ過給機は、回転軸の一端部に固定されたタービンが回転自在に配置されたタービンハウジングと、前記回転軸の他端部に固定されたコンプレッサが回転自在に配置されたコンプレッサハウジングと、前記タービンハウジングとコンプレッサハウジングとの間に位置して前記回転軸を回転自在に保持する軸受けハウジングとを有している。

そして、前記タービンハウジングと軸受けハウジングとは鋳造によって一体に製造されており、前記タービンハウジングのみに冷却水ジャケットを形成している一方、前記コンプレッサハウジングは、前記タービンハウジング及び軸受けハウジングとは別体に製造されていて前記軸受けハウジングに連結されている。

本願発明は、様々に展開できる。その例として請求項２では、前記タービンハウジングは、前記タービンの外周外側に形成されたタービン側スクロール部と、排気ガスを取り込んで前記タービン側スクロール部に送り込む排気ガス導入通路とを有しており、前記冷却水ジャケットは、前記タービン側スクロール部を囲うスクロール部ジャケットと、前記排気ガス導入通路を囲う入口部ジャケットとから成っていて、スクロール部ジャケットと入口部ジャケットとは一体に連通している。

更に、請求項３の発明では、請求項２において、前記排気ガス導入通路は筒状の入口筒部に形成されており、入口部ジャケットは前記入口筒部の端面に開口している。

本願発明によると、タービンハウジングと軸受けハウジングとが一体化することにより、タービンハウジングの回転軸挿通穴と軸受けハウジングの軸受け穴とを、組み付け誤差を皆無として同心に設定できる。これにより、排気ターボ過給機の品質を向上できる。また、コンプレッサハウジングは別体であるので、コンプレッサの組み込みは問題なく行えると共に、コンプレッサハウジングのスクロール部を切削加工したり、コンプレッサハウジングを複数部材で構成したりすることも問題なく行えるので、寸法精度を確保して品質も安定化できる。

また、冷却水ジャケットはタービンハウジングのみに形成しているが、軸受けハウジングは排気ガスに晒されることはないので、軸受けハウジングがアルミ製であっても冷却水ジャケットを設ける必要はなく、タービンハウジングに設けた冷却水ジャケットによって軸受けハウジングへの伝熱も抑制できる。従って、軸受けハウジングの軸受け機能を損なうことなく、鋳造に際して鋳型が必要以上に複雑化することを抑制して、鋳造の歩留りを向上できる。また、軸受けハウジングをコンパクト化することもできる。

請求項２のように、スクロール部ジャケットと入口部ジャケットとを連通させると、タービンハウジングの全体をできるだけ均等に冷却できるため、熱ひずみの発生を抑制して品質を向上・安定化できる。

さて、排気ターボ過給機においては、排気ガス導入通路からは、排気ガスを逃がすバイパス通路が分岐しており、ウエストゲートバルブでバイパス通路を開閉することで過給が制御されるが、本実施形態のように、排気ガス導入通路を囲う入口部ジャケットを形成すると、バイパス通路を形成する筒状壁が、入口部ジャケットを貫通して配置される。従って筒状壁が入口部ジャケットに中州のような状態で存在しており、この筒状壁が、入口部ジャケットが分断された内外の部分を繋ぐブリッジとして機能して、入口筒部の強度確保に貢献する。

更に、排気ガスがバイパス通路に流れると、バイパス通路に沿った部分が昇温するが、バイパス通路を囲う筒状壁は排気ガスに晒されて昇温しているため、入口筒部との間に大きな温度差は発生せず、従って、バイパス通路の箇所と入口筒部との間で熱膨張が大きく変化することを防止できる。その結果、バイパス通路の箇所（或いはウエストゲートバルブの配置部）の熱ひずみを抑制して、高い信頼性を確保できる。

なお、冷却水ジャケットの広がり面積が大きくなり過ぎると、タービンハウジングの強度が低下してしまう。従って、必要に応じて、冷却水ジャケットを横切るブリッジ部を設けるのが好ましい。ブリッジ部は柱状でもよいし、板状（或いは隔壁状）でもよく、必要な強度や冷却水の流れなども考慮して、形状や配置位置、個数などを選択したらよい。

請求項３のように、排気ガス導入通路を入口筒部の端面に開口させると、鋳造用の鋳型を製造するにおいて、冷却水ジャケットとなる砂製の中子型を安定的に保持できるため、ハウジングの鋳造能率を向上できると共に品質も安定化できる。また、鋳造後の中子型の排除（砂の排除）も容易化できる。

更に、シリンダヘッドに固定する排気ターボ過給機の場合、シリンダヘッドのジャケットから冷却水をタービンハウジングの冷却水ジャケットに取り込んだり、逆に、タービンハウジングを流れた冷却水をシリンダヘッドのジャケットに排出したり、或いは、冷却水をシリンダヘッドから取り込んでシリンダヘッドに戻したりすることが可能になるため、冷却構造の簡素化も可能になる。

実施形態の縦断正面図である。 実施形態の分離縦断正面図である。 実施形態を示す図で、（Ａ）はハウジングを前から見た斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視方向から見た（シリンダヘッドの側から見た）背面図である。 実施形態のハウジングを示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 （Ａ）は図２の VA-VA視断面図、（Ｂ）の（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。 図２のVI-VI 視断面図である。 （Ａ）（Ｂ）とも、冷却水の流れの例を示す図である。 （Ａ）は冷却水の流れの別例を示す図、（Ｂ）はブリッジ部の別例を示す図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、概要を説明する。本実施形態では、方向を明確にするため前後・左右の文言を使用するが、これは、回転軸の長手方向を左右方向として、これと直交した水平方向を前後方向として、シリンダヘッドから向いた方向を前としている。念のため、図３に方向を明示している。

図１に示すように、排気ターボ過給機は、ブレード式のタービン１及びコンプレッサ２を備えており、両者は、水平姿勢の回転軸３で一体に固定されている。また、排気ターボ過給機は、タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５、及び、両者の間に位置した軸受けハウジング（軸受けハウジング）６とを有しており、タービンハウジング４と軸受けハウジング６とは、アルミの鋳造品として一体に製造されている。コンプレッサハウジング５は、タービンハウジング４及び軸受けハウジング６とは別体に製造されている。コンプレッサハウジング５は、アルミのダイキャスト品又は鋳造品である。

タービンハウジング４には、タービン１が回転自在に配置されたタービン室７と、タービン室７の外周部に連通したタービン側スクロール空間８とが形成されている。タービン側スクロール空間８は、始端の断面積が終端の断面積よりも大きくて渦状になっており、その始端（上端）に、図３（Ｂ）に示すように、タービン側スクロール空間８の始端部の接線方向に延びる排気ガス導入通路９が連通している。

従って、タービンハウジング４は、排気ガス導入通路９が形成された入口筒部４ａを有しており、その先端に、シリンダヘッド１１（又は排気マニホールド）にボルト（及びナット）で固定されるフランジ１２を形成している。従って、タービンハウジング３は、主要な要素として、入口筒部４ａとタービン側スクロール部４ｂとを有しており、入口筒部４ａは、概ね水平に近い横長姿勢になっている。なお、図５に示すように、本実施形態では、シリンダヘッド１１の排気側面１１ａは、上に行くほど鉛直線１３との間隔が広がるように少し後傾姿勢になっている。

排気ガス導入通路９からタービン側スクロール空間８に流入した排気ガスは、タービン側スクロール空間８の周方向に流れながらタービン１を回転駆動しつつ、軸方向に排出される。従って、タービンハウジング４には、排気ガスを排出する筒状の排気出口１４が、回転軸３の軸心方向に向けて開口しており、この排気出口１４に、排気管又は触媒ケースが接続される。

また、図１に部分的に示すように、タービンハウジング４のうち排気出口１４の近くには、排気ガス導入通路９から排気出口１４に排気ガスを逃がすバイパス通路１５が形成されている。バイパス通路１５は排気出口１４の上に位置している。そこで、図４から容易に理解できるように、タービンハウジング４に、入口筒部１０と排気出口１４とに繋がった拡張部１６を形成し、この拡張部１６に、バイパス通路１５と、これに連通したウエストゲートバルブ配置空間１７（図１参照）とを形成している。

ウエストゲートバルブ配置空間１７は、排気出口１４に連通して回転軸３の軸心方向に開口しており、ウエストゲートバルブは、排気出口１４の開口方向から挿入されて、支軸によってタービンハウジング４に連結される。図３に符号１８で示すのは、支軸が挿通される穴である。

図１，２のとおり、タービン１の外周縁（ブレードの外周縁）は、回転軸心と平行になっている。一方、タービン室７もストレート状になっている。従って、タービン１を排気出口１４の側から挿通できる。タービン１の外周をストレート形状とすることにより、タービン１の嵌め込みを可能としつつ、タービンハウジング４と軸受けハウジング６とを一体化できる。

回転軸３のうちタービンハウジング４の内周穴１９に嵌まっている箇所には、複数の環状溝２０が形成されていて、この環状溝２０にオイルシール２１が嵌め込まれている。また、タービン１の内径穴は両端に開口している。

(2).タービンハウジングの冷却水ジャケット
例えば図６に示すように、タービンハウジング４には、冷却水による冷却手段として、タービン側スクロール空間８を覆うリング状のスクロール部ジャケット２２と、排気ガス導入通路９を囲う筒状の入口部ジャケット２３とが形成されている。

これらスクロール部ジャケット２２と入口部ジャケット２３とは一体に連通しており、かつ、それぞれ、上下の隔壁２４ａ，２４ｂで左右に分断されている。上下の隔壁２４ａ，２４ｂは、前端部において一連に繋がっている。従って、スクロール部ジャケット２２と入口部ジャケット２３とから成る冷却水ジャケットは、軸受けハウジング６の側に位置したインサイド部２２ａ，２３ａと、排気出口１４の側に位置したアウトサイド部２２ｂ，２３ｂとに、左右分断されている。図３（Ｂ）や図４（Ｂ）に示すように、入口部ジャケット２３は、入口筒部４ａの後面（端面）に開口している。

既述のとおり、排気ガス導入通路９の中途部にはバイパス通路１５が横向きに開口している。従って、図６から理解できるように、入口部ジャケット２３のアウトサイド部２３ｂは、バイパス通路１５を囲う状態に形成されている。つまり、入口部ジャケット２３のアウトサイド部２３ｂに、バイパス通路１５が中州のような状態で配置されている。

タービンハウジング４での冷却水の流れの態様は、様々に具体化できる。その例を図７及び図８（Ａ）で模式的に示している。図７（Ａ）に示す例では、上下の隔壁２４ａ，２４ｂの前端部を繋がずに分離することにより、スクロール部ジャケット２２のインサイド部２２ａとアウトサイド部２２ｂとを連通部２５にて連通させて、冷却水を入口部ジャケット２３のインサイド部２３ａから取り込んで、入口部ジャケット２３のアウトサイド部２３ｂに流している。

従って、この例では、入口部ジャケット２３の後端に、冷却水入口２６と冷却水出口２７が形成されている。冷却水入口２６と冷却水出口２７とは、シリンダヘッド１１に形成した冷却水ジャケット（図示せず）と連通している。また、この例では、冷却水の配管は不要になる。

図７（Ｂ）に示す例では、インサイド部２２ａ，２３ａとアウトサイド部２２ｂ，２３ｂとは完全に分離しており、スクロール部ジャケット２２のインサイド部２２ａとアウトサイド部２２ｂとの下端に、それぞれ冷却水入口２６を形成している。冷却水出口２７は、入口部ジャケット２３の後端に形成している。この場合は、冷却水はパイプ等の配管で取り込まれてから、シリンダヘッド１１の冷却水ジャケットに排出される。

図８（Ａ）に示す例では、スクロール部ジャケット２２のインサイド部２２ａとアウトサイド部２２ｂとを連通部２５で繋いで、連通部２５に冷却水入口２６を設けている。この場合は、冷却水出口２７は、入口部ジャケット２３におけるインサイド部２３ａとアウトサイド部２３ｂとの後端になる。

図７（Ｂ）及び図８（Ａ）の例では、冷却水は流れがスムースになるため、冷却水性能に優れる利点がある。また、タービンハウジング４を鋳造するにおいて、ジャケットを形成するための中子型はその一端と他端とが露出するため、安定性が格段に向上する。排気ターボ過給機を排気マニホールドに固定する場合は、入口部ジャケット２３の後端はガスケットを介して排気マニホールドで塞いで、入口筒部４ａの後端部の外周に外向きの出口ポートを設けたらよい。

図２に示すように、アウトサイドジャケット２０は、タービン側スクロール部８の周囲を、概ね１／４程度の範囲で囲っており、スクロール部ジャケット２２において、インサイド部２２ａはアウトサイド部２２ｂとほぼ対称状の形態なっている。但し、インサイド部２２ａを、図２に点線で示すように、タービンハウジング４の内周穴１９に近づけることも可能である。

タービンハウジング４と軸受けハウジング６とが一体化しているため、スクロール部ジャケット２２のインサイド部２２ａを内周穴１９に近づけたり、インサイド部２２ａを軸受けハウジング６に近づけたりしても、強度低下の問題は生じない。従って、冷却水ジャケットを形成するにおいて、設計の自由性を格段に向上できる。

図３，図４（Ｂ），図５に示すように、入口筒部４ａの下面には、フランジ１２からタービン側スクロール部４ｂまで延びる補強用のリブ２８が下向きに突設されており、このリブ２８は、入口筒部４ａの下部に形成した下部隔壁２４ｂと上下に重なっている。リブ２８は板状であり、前後の全長に亙ってほぼ等しい上下幅になっているが、上下幅を前後方向に向けて徐々に異ならせたり、下端が側面視でアーチ状になるように形成したりすることも可能である。

図８（Ｂ）に示す例では、入口部ジャケット２３のインサイド部２３ａをサイド隔壁２４ｃで上下に分断している。従って、入口筒部４ａの強度が高くなっている。アウトサイド部２３ｂにはサイド隔壁２４ｃは設けていないが、アウトサイド部２３ｂにはバイパス通路１５が中州状に配置されていて、バイパス通路１５を囲う筒状壁１５ａで内外の部分が繋がっているため、敢えてサイド隔壁２４ｃを設けなくても強度は確保できるといえる。すなわち、筒状壁１５ａがブリッジになっているため、特別にリブを形成しなくても、高い強度を確保できる。

また、バイパス通路１５には排気ガスが流入するため、筒状壁１５ａは加熱されて昇温しており、入口筒部４ａとの間で過大な温度差が生じることを防止できる。従って、熱膨張率の違いによって筒状壁１５ａや拡張部１６に亀裂が生じるようなことはなくて、高い信頼性を保持できる。

インサイド部２３ａとアウトサイド部２３ｂとの両方をサイド隔壁２４ｃで分断する（すなわち、入口部ジャケット２３を４つに分断する）ことも可能である。更に、サイド隔壁２４ｃは、スクロール部ジャケット２２まで配置することも可能である。

(3).コンプレッサハウジング・軸受けハウジング
念のため、コンプレッサハウジング５と軸受けハウジング６とを説明しておく。図１，２に示すように、コンプレッサハウジング５には、コンプレッサ２が回転自在に配置されたコンプレッサ室３０と、コンプレッサ室３０の外側に位置したコンプレッサ側スクロール空間３１とが形成されており、両者は連通路３２で繋がっている。

コンプレッサ側スクロール空間３１には出口通路３３が連通している。図１に符号３４で示すのは、ダイヤフラム式アクチェータの取り付けボスである。符号３５は、コンプレッサハウジング５に嵌まっており蓋部材である。従って、正確には、コンプレッサハウジング５は、本体部と蓋部材３５とで構成されているといえる。

図１，２に示すように、軸受けハウジング６には、回転軸３が回転自在に嵌まる軸受け部３７が形成されており、軸受け部３７に、オイル層を介して中空のフローティングメタル３８が配置されており、回転軸３の中途部が、フローティングメタル３８の内部に回転自在に嵌まっている。フローティングメタル３８は、軸受け部３７に設けたストッパー３９によって回転不能に保持されている。

軸受け部３７の上部には、上下方向に貫通したオイル入口４０が形成されている。また、軸受け部３７の下方には、空洞状のオイル出口空間４１が形成されている。図５（Ａ）に示すように、オイル出口空間４１は側面視で半円状の形態を成している。更に、軸受けハウジング６のうち軸受け部３７の左右両側方には、第１及び第２のオイル飛散空間４２，４３が形成されている。

例えば図２に示す符号４４は、第１オイルシールである。なお、第１オイルシール４４の断面表示（ハッチング）は省略している。符号４５はシールリング、符号４６は第２オイルシールである。回転軸３の他端部は、ナット４７でコンプレッサ２に固定されている。図１に示すように、軸受けハウジング６とコンプレッサハウジング５とは、Ｃ形のストッパーリング４８で抜け不能に保持されている。

(4).まとめ
以上の説明のとおり、タービンハウジング４と軸受けハウジング６とは、アルミの一体鋳造品であるので、タービンハウジング４の内周穴１９と軸受けハウジング６の軸受け穴とは同心に加工できる。従って、内周穴１９と軸受け穴との芯ずれを皆無として、回転軸３の円滑な回転を確保できる。その結果、排気ターボ過給機の圧縮効率も向上できる。また、アルミ製であるので、軽量化して燃費向上に貢献できる。

また、冷却水ジャケット２２，２３はタービンハウジング４のみに形成して軸受けハウジング６には形成していないので、軸受けハウジング６はコンパクト化できる。この場合、軸受けハウジングへの伝熱は、スクロール部ジャケット２２のインサイド部２２ａの冷却水で阻止できるので、軸受けハウジング６が過剰に昇温することはない。従って、タービンハウジング４と軸受けハウジング６とを一体化したものであっても、軸受けハウジング６が熱害を受けることを阻止できる。

また、入口部ジャケット２３は入口筒部４ａの端面に開口しているので、フランジ１２の冷却性に優れており、フランジ１２の熱変形を抑制できる。また、入口部ジャケット２３の開口端を冷却水の入口又は出口として機能させることにより、冷却水通路の簡素化にも貢献できる。更に、鋳造するに際しては、フランジが下になるように鋳型を構成することにより、ジャケット２２，２３を形成するための中子を安定的に保持できる。鋳造後の鋳砂の排除は、入口部ジャケット２３のインサイド部とアウトサイド部とのうちいずれか一方から圧縮空気を噴出させる等して、完全にかつ容易に除去できる。

実施形態のように、隔壁２４ａ，２４ｂ，２４ｃを設けると、タービンハウジング４を高い強度に保持できる。また、冷却水の流路が単純化するため、冷却水の淀み現象を防止して、タービンハウジング４をできるだけ均等に冷却できる。従って、いびつな熱変形を防止して、熱ひずみも大幅に抑制できる。その結果、高い信頼性・耐久性を得ることができる。

実施形態のような細長い隔壁２４ａ，２４ｂ，２４ｃに代えて、柱状のブリッジ部を多数形成することも可能である。従って、スクロール部ジャケット２２及び入口部ジャケット２３は、必ずしも左右に分断する必要はないのである。

本願発明は、排気ターボ過給機に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ タービン
２ コンプレッサ
３ 回転軸
４ タービンハウジング
４ａ 入口筒部
４ｂ タービン側スクロール部
５ コンプレッサハウジング
６ 軸受けハウジング
７ タービン室
９ 排気ガス導入通路
１４ 排気出口
１５ バイパス通路
２２ スクロール部ジャケット
２３ 入口部ジャケット
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ ブリッジ部の一例としての隔壁
２６ 冷却水入口
２７ 冷却水出口

Claims (3)

1. 回転軸の一端部に固定されたタービンが回転自在に配置されたタービンハウジングと、前記回転軸の他端部に固定されたコンプレッサが回転自在に配置されたコンプレッサハウジングと、前記タービンハウジングとコンプレッサハウジングとの間に位置して前記回転軸を回転自在に保持する軸受けハウジングとを有しており、
   前記タービンハウジングと軸受けハウジングとは鋳造によって一体に製造されており、前記タービンハウジングのみに冷却水ジャケットを形成している一方、
   前記コンプレッサハウジングは、前記タービンハウジング及び軸受けハウジングとは別体に製造されていて前記軸受けハウジングに連結されている、
   排気ターボ過給機。
2. 前記タービンハウジングは、前記タービンの外周外側に形成されたタービン側スクロール部と、排気ガスを取り込んで前記タービン側スクロール部に送り込む排気ガス導入通路とを有しており、
   前記冷却水ジャケットは、前記タービン側スクロール部を囲うスクロール部ジャケットと、前記排気ガス導入通路を囲う入口部ジャケットとから成っていて、スクロール部ジャケットと入口部ジャケットとは一体に連通している、
   請求項１に記載した排気ターボ過給機。
3. 前記排気ガス導入通路は筒状の入口筒部に形成されており、入口部ジャケットは前記入口筒部の端面に開口している、
   請求項２に記載した排気ターボ過給機。

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