JP2021148124A - 火花点火内燃機関のための燃料噴射装置および相対制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来装置の欠点に悩まさされることなく、特に製造が容易で経済的な火花点火噴射機関用の燃料噴射装置とその制御方法を提供する。【解決手段】主燃焼室ＭＣがそれぞれ定義されているいくつかのシリンダ１１と、シリンダに結合された第１のインジェクタ２および点火プラグ１３と、それぞれが各点火プラグの領域で取得された燃焼前室ＰＣと、各々の主燃焼室内に存在する混合ガスを抽出するために、各シリンダから発生する抽出ダクト１７、２８と、抽出ダクトによって抽出されたガスが、燃焼前室内の化学量論的条件下で燃焼を得るために必要な量の燃料と混合されるリザーブ１８と、各々が各燃焼前室に結合され、リザーブから来るガスと燃料の混合物を注入する第２のインジェクタ２７と、を備える火花点火内燃機関の燃料噴射装置１。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
この特許出願は、２０２０年３月１７日に出願されたイタリア特許出願第１０２０２００００００５６８３号からの優先権を主張するもので、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、火花点火内燃機関用の燃料噴射装置および相対制御方法に関する。

知られているように、火花点火内燃機関用の燃料噴射装置は、一般に、いくつかのインジェクタと、圧力下で燃料をインジェクタに供給するコモンレールと、供給ダクトで燃料を前記コモンレールに供給する高圧ポンプと、燃料を供給ダクトを使用してタンクから前記高圧ポンプに供給する低圧ポンプと、を備える。

火花点火内燃機関はさらに、いくつかのシリンダを含み、各シリンダはピストンをそれぞれ収容している。ピストンは、コネクティングロッドによってクランクシャフトに機械的に接続され、シリンダ内での燃焼によって生成された力をクランクシャフト自身に伝達するよう構成される。

さらに、上記内燃機関は、各シリンダの内部に存在する混合ガスの点火を周期的に決定するために、各シリンダのための点火プラグを備える。特に、各点火プラグが周期的に作動して、シリンダの燃焼サイクルの各圧縮行程の終わりに、シリンダの内部に画定された主燃焼室内の圧縮ガスの点火を決定する。

各シリンダに対し、対応のインジェクタが設けられる。噴射は間接噴射であってもよく、その場合、各インジェクタはシリンダの上流で吸気ダクト内に配置され、あるいは、噴射は直線噴射であってもよく、その場合、各インジェクタは一部がシリンダ内に配される。

さらに、燃焼が、各点火プラグの近くに定義された燃焼前室（または補助燃焼室）内で化学量論的条件下で実行され、所定量の燃料と空気が燃焼前室に噴射され、燃焼前室内の混合ガスに存在する燃料（噴射された全燃料の約２〜３％に相当する割合）への点火により、各シリンダの下流に配置された主燃焼室内での燃焼が生じてより効率的となる、噴射システムの使用が知られている。

新鮮な空気は、燃焼前室の上部の領域に得られた穴（いわゆる受動燃焼前室）を介して主燃焼室によって燃焼前室に供給される。あるいは、いわゆる能動燃焼前室を備えたシステムでは、主燃焼室から来る空気に加えて、混合気を供給することも可能である。通常、燃焼前室は、好ましくは電気圧縮機装置が収容されているダクトによって、インジェクタの上流で前記混合気を用意するための新鮮な空気（すなわち、外部から来る空気）を受け取る。

特許文献１には、これまでに説明したタイプの火花点火内燃機関用の燃料噴射システムの例が開示されている。

独国特許第１０ ２０１５ ２２１２８６号公報

しかしながら、燃焼前室に空気を供給するために使用される既知の圧縮機装置は、６〜７バールの範囲の圧力のみで供給が行われることを保証することができない。

本発明の目的は、火花点火噴射機関用の燃料噴射システムを提供することであり、その燃料噴射システムは、上記欠点に悩まされることがなく、特に製造が容易で経済的であるものである。

本発明のさらなる目的は、火花点火噴射機関の燃料噴射システムを制御する方法を提供することであり、その方法は、上記の欠点に悩まされることがなく、特に実施が容易で経済的なものである。

本発明により、火花点火内燃機関用の燃料噴射システムおよび添付の特許請求の範囲による相対制御方法が提供される。

以下、本発明を、その非限定的な実施形態を示した添付の図面を参照して説明する。

火花点火内燃機関を、明りょう化のため細部を省略して示す概略図である。 図１に示した本発明の内燃機関のための燃料噴射装置の第１実施形態を示す概略図である。 図１に示した本発明の内燃機関のための燃料噴射装置の第２実施形態を示す概略図である。 図１に示した本発明の内燃機関のための燃料噴射装置の第３実施形態を示す概略図である。 図１に示した本発明の内燃機関のための燃料噴射装置の第４実施形態を示す概略図である。

図１において、全体として符号１は火花点火内燃機関のための燃料噴射装置を示している。

この噴射装置１は、複数のインジェクタ２と、これらインジェクタ２に圧力下で燃料を供給するコモンレール３と、供給ダクト５によって燃料をコモンレール３に供給し、かつ流量調整装置６を備える高圧ポンプ４と、コモンレール３内の燃料圧力を、一般にエンジンの運転条件に応じて時間とともに変化する所望の値とする電子制御ユニット７と、供給ダクト１０によって燃料をタンク９から前記高圧ポンプ４に供給する低圧ポンプ８と、を備える。

電子制御ユニット７は、高圧ポンプ４の流量を制御するように流量調整装置６に結合され、コモンレール３に、該コモンレール３内で所望の圧力値を持つのに必要な燃料の量を瞬時に供給する。

火花点火内燃機関はさらに、好ましくは一列に配置されたいくつかの（特には４つの）シリンダ１１を含む。各シリンダ１１は各ピストン１２を収容し、各ピストン１２は、コネクティングロッドによってクランクシャフトに機械的に接続されており、シリンダ１１内部の燃焼によって生成された力をクランクシャフト自体に伝達する。

さらに、火花点火機関の場合、４つの点火プラグ１３（各シリンダ１１に１つ）が、シリンダ１１内に存在する混合ガスの点火を周期的に確定するように、シリンダ１１に結合される。各点火プラグ１３は、シリンダ１１の燃焼サイクルの各圧縮行程の終わりにシリンダ１１の内部で定義された主燃焼室ＭＣ内の圧縮ガスの点火を決定するために、周期的に作動される。

図２によれば、吸気マニホルド４３が、２つの吸気弁１４（それらのうちの１つのみが図２に示されている）によって各シリンダ１１に接続され、それら吸気弁１４から、新鮮な（すなわち、外部からの）空気および必要に応じＥＧＲを含む混合ガスを取り込む。さらに、この内燃機関は、排気マニホルド１５を備え、排気マニホルド１５は、２つの排気弁１６（それらのうちの１つのみが図２に示されている）によって各シリンダ１１に接続され、燃焼によって生成されたガスを大気中へ放出するため排出ダクト（図示せず）に通じている。

知られているように、完全な燃焼サイクルは、４ストロークの連続の結果であり、その終わりに、７２０°の角度をカバーしてクランクシャフトの２回転が完了する。通常、吸気行程および／または後続の圧縮行程および／または後続の膨張行程中に、燃料がシリンダ１１の燃焼室に噴射され、膨張行程またはその前の圧縮行程の最後の部分で、点火プラグ１３の電極がスパークを生成し、それがシリンダ１１内の空気と燃料の混合物に点火し、実際の燃焼を開始して温度と圧力を上昇させる。最終的に、排気行程において、燃焼ガスは、ピストン１２の動きによりそれぞれの排気弁１６を通して排出され、排気マニホルド１５に放出される。

シリンダ１１毎に、対応するインジェクタ２が設けられる。噴射は間接噴射であってよく、その場合、各インジェクタ２は、吸気マニホルド４３をシリンダ１１に接続する吸気ダクト内でシリンダ１１の上流に配置され、あるいは、噴射は直接噴射であってよく、その場合、各インジェクタ２は、部分的にシリンダ１１の内部に配置される。

各シリンダ１１はさらに、それぞれのダクト１７を備えている。このダクト１７は、各シリンダ１１の主燃焼室ＭＣから混合ガス（新鮮な空気およびＥＧＲおよび／または燃料）を抽出するために、シリンダ１１の側壁における抽出ポイントＰのエリアから延びて、４つのシリンダ１１によって共有される共通のリザーブ１８に至る。前記抽出ポイントＰは、ピストン１２のストロークの上死点の上または下で取得することもできる。抽出ダクト１７に沿って、制御弁１９が収容されている。この制御弁１９は、抽出ダクト１７を通過する混合ガスを調節するよう構成され、抽出ポイントＰの近くに配置されている。制御弁１９は、好ましくは、圧縮行程およびそれに続く燃焼サイクルの膨張行程中に油が漏れるのを防ぐために、所定の圧力値（４または５バールの範囲）に設定される。制御弁１９とリザーブ１８との間には、インジェク２０が介装されており、各シリンダ１１の主燃焼室ＭＣから抽出された混合ガスをリザーブ１８に供給する。インジェクタ２０は、電子制御ユニット７に接続されており、燃焼サイクルの圧縮行程中に各シリンダ１１の主燃焼室ＭＣから混合ガスを抽出し、それをリザーブ１８に供給するように制御される。特に、インジェクタ２０は、（燃焼サイクルの所与の角度ウィンドウ内で）主燃焼室ＭＣ内部の圧力が燃焼前室ＰＣの噴射圧力以上であるときに、各シリンダ１１の主燃焼室ＭＣから混合ガスを抽出するように、電子制御ユニット７によって制御される。燃焼前室ＰＣの噴射圧力は８〜１２バールの範囲であり、好ましくは、燃焼前室ＰＣの噴射圧力は１０バールに等しい。

好ましい変形例によれば、抽出ダクト１６に沿って、好ましくはインジェク２０と制御弁１９との間に介装されて、インジェク２０を保護するフィルタ２１が収容されている。

さらに、以下でより詳細に説明するように、燃焼前室ＰＣ内で化学量論的条件下での燃焼が実行されるのに必要な所定量の燃料をリザーブ１８に供給するのに適したインジェクタ２２が設けられている。このインジェクタ２２は、ダクト２３によって、低圧ポンプ８または高圧ポンプ４に接続されている。好ましい変形例によれば、リザーブ１８は、電子制御ユニット７に接続された温度および圧力センサ２４と、混合ガスの燃料−空気当量比を読み取るためのラムダセンサ２５とをさらに備えており、これらセンサは電子制御ユニット７にも接続されている。好ましい変形例によれば、ダクト２３に沿って燃圧センサ２６が収容されている、この燃圧センサ２６は、電子制御ユニット７に接続され、かつ起こり得る故障を診断するのに適したものとされている。

各シリンダ１１はさらに、各ダクト２８によってリザーブ１８に接続されたインジェクタ２７を備えている。このインジェクタ２７は、リザーブ１８に含まれるガスと燃料の混合物を、点火プラグ１３の近くに画定された燃焼前室ＰＣ（または補助燃焼室）に供給するよう構成されている。燃焼前室ＰＣに噴射された混合ガスに存在する燃料（噴射される全燃料の約２〜３％に相当する割合）の点火は、各シリンダ１１内の主燃焼室ＭＣ内の乱流を増加させ、したがって、各シリンダ１１の主燃焼室ＭＣに噴射される燃料の点火を向上させる。特に、インジェクタ２７は、（燃焼サイクルの所与の角度ウィンドウ内で）当該燃焼前室ＰＣ内の圧力が主燃焼室ＭＣから混合ガスが吸引されたときの圧力値よりも小さいときに、リザーブ１８に含まれるガスと燃料の混合物を燃焼前室ＰＣに供給するように、電子制御ユニット７によって制御される。

図３は、噴射装置１が、インジェクタ２７の上流のダクト２８に沿って収容されたポンプ装置２９を含む点で図２とは異なる。ポンプ装置２９の存在により、リザーブ１８に含まれるガスと燃料の混合物を（燃焼サイクルの任意の角度ウィンドウ内で）常に燃焼前室ＰＣ内に供給するようインジェク２７を制御することが可能となるため、燃焼前室ＰＣへの噴射の柔軟性が高まる。さらに、ガスと燃料の混合物の圧力センサ３０が設けられている。この圧力センサ３０は、ダクト２８に沿って収容され、ポンプ装置２９とインジェクタ２７との間に介装されている。このセンサ３０は、制御ユニット７に接続されており、ガスと燃料の混合物の燃焼前室ＰＣ内への噴射を制御できるようになっている。

図４は、リザーブ１８の上流かつインジェクタ２０の下流において、ポンプ装置２９が抽出ダクト１７に沿って収容されている点で図３のものと異なっている。この場合も、このポンプ装置の存在により、リザーブ１８に含まれるガスと燃料の混合物を（燃焼サイクルの任意の角度ウィンドウ内で）常に燃焼前室ＰＣ内に供給するようインジェク２７を制御することが可能となるため、燃焼前室ＰＣへの噴射の柔軟性が高まる。

好ましくは、リザーブ１８にすべてのシリンダ１１から来る混合ガスを供給する単一のポンプ装置２９が設けられている。あるいは、リザーブ１８に各シリンダ１１から来る混合ガスを供給するのに適した一つのポンプ装置２９が各シリンダ１１に対して設けられる。

図５は、ポンプ装置２９がインジェク２７の上流で抽出ダクト２８に沿って収容されている点で図３のものと異なる。この場合もまた、このポンプ装置の存在により、リザーブ１８に含まれるガスと燃料の混合物を（燃焼サイクルの任意の角度ウィンドウ内で）常に燃焼前室ＰＣ内に供給するようインジェク２７を制御することが可能となるため、燃焼前室ＰＣへの噴射の柔軟性が高まる。

さらに、噴射装置１にはインジェクタ２０と抽出ダクト１７の両方を欠いている。この実施形態によれば、インジェクタ２７は、主燃焼室ＭＣからリザーブ１８に向かう混合ガスを吸引することと、ガスと燃料の混合物をリザーブ１８から燃焼前室ＰＣへ供給することの両方に適したものとなっている。さらに、ガスと燃料の混合物の圧力センサ３１が設けられている。この圧力センサ３１は、ポンプ装置２９とインジェクタ２７との間に介装されて、ダクト２８に沿って収容されている。この圧力センサ３１は、ガスと燃料の混合物の圧力を検出して燃焼前室ＰＣへの噴射を制御することができるよう、電子制御ユニット７に接続されている。ポンプ装置２９の下流では、ダクト２８に沿って、制御弁３２が収容されている。この制御弁３２は、ダクト２８を通るガスおよび燃料の混合物の通過を調節するよう構成されている。この制御弁３２は、好ましくは、所定の圧力値（約２２バールの範囲）に設定される。

さらに、接続ダクト３３が設けられている。この接続ダクト３３は、インジェクタ２７をリザーブ１８に接続し、該接続ダクトに沿って各制御弁３４が収容されている。制御弁３４は、該ダクト３３を通る混合ガスの通過を調節するよう構成され、好ましくは、所定の圧力値（約１２バールの範囲）に設定される。

電子制御ユニット７は、噴射装置１の動作を管理し、とりわけ、各シリンダ２内の圧縮ガスの点火を決定するように点火プラグ１３を制御する。

噴射装置１を制御する方法を以下に説明する。前記方法は、主燃焼室ＭＣから混合ガスを吸引するための最初の吸気工程を含む。吸気工程は、電子制御ユニット７がインジェクタ２０（図２、図３、および図４に示される実施形態による）またはインジェクタ２７（図５に示される実施形態による）の開放を制御することを要求する。明らかに、インジェクタ２０またはインジェクタ２７の開放は、電子制御ユニット７に格納されている完全燃焼サイクルの角度ウィンドウ内に制限される。各角度ウィンドウは、エンジン角度の度数で表され、シリンダ１１の完全燃焼サイクルの圧縮行程に関連付けられている。各角度ウィンドウは、クランクシャフトの端部に取り付けられたフォニックホイールセンサー（図示せず）の信号によって認識され、その回転速度を検出する。さらに、図４および図５に示される実施形態によれば、電子制御ユニット７は、センサ２４，３１によって検出された信号に応じて、主燃焼室ＭＣから吸引された混合ガスの圧力を、燃焼前室ＰＣへの注入のために定められた値まで高めるようにポンプ装置２９を制御する。

吸気工程に続いて、噴射装置１を制御する方法は、リザーブ１８内のガスと燃料の混合物を混合する混合工程を含む。この混合工程中、電子制御ユニット７は、インジェクタ２２の開放を制御して、ラムダセンサ２５からの信号を介して実行されるフィードバック（または閉ループ）制御によって決定される燃料の量をリザーブ１８に供給する。

混合工程に続いて、噴射装置１を制御する方法は、ガスと燃料の混合物を燃焼前室ＰＣに噴射する噴射工程を含む。噴射工程の間、電子制御ユニット７は、インジェクタ２７の開放を制御する。インジェクタ２７の開放は、電子制御ユニット７に格納されている完全燃焼サイクルの角度ウィンドウ内に制限されている。各角度ウィンドウは、エンジン角度の度数で表される。さらに、図４に示される実施形態によれば、電子制御ユニット７は、センサ２４，３１によって検出された信号に応じて、主燃焼室ＭＣから吸引された混合ガスの圧力を、燃焼前室ＰＣへの注入のために定められた値まで高めるようにポンプ装置２９を制御する。

最後に、噴射工程に続いて、噴射装置１を制御する方法は、燃焼前室ＰＣ内のガスおよび燃料の混合物に点火するための点火工程を含む。点火工程の間、電子制御ユニット７は、点火プラグ１３の点火を制御する。明らかに、点火プラグ１３の点火は、電子制御ユニット７に格納されている完全燃焼サイクルの角度ウィンドウ内に制限されている。 各角度ウィンドウはエンジン角度の度数で表される。

１ 燃料噴射装置
２ インジェクタ
４ 高圧ポンプ
８ 低圧ポンプ
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ 点火プラグ
１７ 抽出ダクト
１８ リザーブ
２０ インジェクタ
２２ インジェクタ
２３ ダクト
２４ 圧力センサ
２６ 燃圧ポンプ
２７ インジェクタ
２８ 抽出ダクト
２９ ポンプ装置
３３ ダクト
Ｐ 抽出ポイント
ＰＣ 燃焼前室
ＭＣ 主燃焼室

Claims (16)

1. 火花点火内燃機関のための燃料噴射装置（１）であって、
   新鮮な空気を含む混合ガスを受けるいくつかのシリンダ（１１）であって、それぞれに主燃焼室（ＭＣ）が規定されるシリンダ（１１）と、
   各シリンダ（１１）にそれぞれ結合され、燃焼サイクルの間に圧力下で該シリンダ（１１）内に燃料を噴射する第１インジェクタ（２）と、
   各シリンダ（１１）にそれぞれ結合され、前記主燃焼室（ＭＣ）内に存在する前記燃料の点火を周期的に確定する点火プラグ（１３）と、
   各点火プラグ（１３）の領域でそれぞれ得られた燃焼前室（ＰＣ）であって、各シリンダ（１１）の前記主燃焼室（ＭＣ）内の乱流を増加させるために、新鮮な空気と燃料からなる混合ガスの燃焼が行われる燃焼前室（ＰＣ）と、
   を備え、
   さらに、該燃料噴射装置（１）は、
   いくつかの抽出ダクト（１７；２８）であって、それぞれが、抽出ポイント（Ｐ）の領域において各シリンダ（１１）から発し、燃焼サイクルの間に各主燃焼室（ＭＣ）内に存在する混合ガスを抽出する抽出ダクト（１７；２８）と、
   前記抽出ダクト（１７；２８）から前記混合ガスを受ける少なくとも１つのリザーブ（１８）であって、該リザーブ（１８）内で、前記抽出ダクト（１７；２８）からの混合ガスが、前記燃焼前室（ＰＣ）内部での化学量論的条件下での燃焼を得るために必要な量の燃料と混合される、少なくとも１つのリザーブ（１８）と、
   各燃焼前室（ＰＣ）にそれぞれ結合されて、各燃焼前室（ＰＣ）内に、前記リザーブ（１８）からのガスと燃料の混合物を噴射する第２インジェクタ（２７）と、
   前記燃料を前記リザーブ（１８）に送り、かつ、第１ダクト（２３）によって低圧ポンプ（８）または高圧ポンプ（４）に結合される第３インジェクタ（２２）と、
   を備えてなる、燃料噴射装置。
2. 各抽出ダクト（１７；２８）に沿ってそれぞれ配され、各前記シリンダ（１１）の前記主燃焼室（ＭＣ）から前記混合ガスを抽出して前記リザーブ（１８）に送る第４インジェクタ（２０）を備える、請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 各抽出ダクト（１７；２８）に沿って前記第４インジェクタ（２０）の上流にそれぞれ配されたフィルタ（２１）を備える、請求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記抽出ダクト（１７）に沿って、前記リザーブ（１８）の上流かつ前記第４インジェクタ（２０）の下流にそれぞれ配されたポンプ装置（２９）を備える、請求項２または３に記載の燃料噴射装置。
5. 各シリンダ（１１）が各ピストン（１２）を収容し、かつ、前記抽出ポイント（Ｐ）が前記ピストン（１２）のストロークの上死点の上に得られている、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
6. 各シリンダ（１１）が各ピストン（１２）を収容し、かつ、前記抽出ポイント（Ｐ）が前記ピストン（１２）のストロークの上死点の下に得られている、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
7. 各抽出ダクト（１７）に沿って前記抽出ポイント（Ｐ）に近接してそれぞれ配され、前記抽出ダクト（１７）を通る前記混合ガスの流れを調節するよう構成された第１制御弁（１９）を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
8. 前記第１ダクト（２３）に沿って配された燃圧センサ（２６）を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
9. 前記リザーブ（１８）が温度および圧力センサ（２４）を備え、かつ、前記ガスと燃料の混合物の空燃比を読み取るラムダセンサ（２５）を有している、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
10. 前記リザーブ（１８）から各前記第２インジェクタ（２７）へ前記ガスと燃料の混合物を送るいくつかの第２ダクト（２８）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
11. 前記第２ダクト（２８）に沿って収容されたポンプ装置（２９）を備える、請求項１０に記載の燃料噴射装置。
12. 前記ガスと燃料の混合物の圧力のための圧力センサ（３０；３１）を備え、該圧力センサが前記第２ダクト（２８）に沿って収容され、かつ前記ポンプ装置（２９）と前記第２インジェクタ（２７）との間に介装されている、請求項１１に記載の燃料噴射装置。
13. 前記第２インジェクタ（２７）が、前記リザーブ（１８）から来る前記ガスと燃料の混合物を各前記燃焼前室（ＰＣ）内に噴射すること、および、各前記シリンダ（１１）の前記主燃焼室（ＭＣ）から前記混合ガスを抽出して前記リザーブ（１８）に送ることの双方に適しており、かつ、各前記主燃焼室（ＭＣ）からの前記混合ガスを前記リザーブ（１８）に送るいくつかの第３ダクト（３３）を備える、請求項１１または１２に記載の燃料噴射装置。
14. 前記第２ダクト（２８）を通る前記ガスと燃料の混合物の通過を調節するよう構成された第２制御弁（３２）と、前記第３ダクト（３３）を通る前記混合ガスの通過を調節するよう構成された第３制御弁（３４）とを備える、請求項１３に記載の燃料噴射装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置（１）を制御する方法であって、
    前記混合ガスが前記シリンダ（１１）の前記主燃焼室（ＭＣ）から吸引される吸気工程と、
    前記シリンダ（１１）から来た前記混合ガスが前記リザーブ（１８）内で前記燃料と混合される混合工程と、
    前記ガスと燃料の混合物が前記燃焼前室（ＰＣ）内に噴射される噴射工程と、
    前記点火プラグ（１３）が点火され 燃焼前室（ＰＣ）内で前記ガスと燃料の混合物が点火される点火工程と、
    を順に備える、制御方法。
16. 前記吸気工程、および／または、前記噴射工程、および／または、前記点火プラグ（１３）の前記点火工程は、完全燃焼サイクルの角度ウィンドウ内に制限されている、請求項１５に記載の制御方法。

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