JP3116486B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

排気ガス浄化装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気浄化装
置のうち特にディーゼルの排気中に含まれる微粒子成分
（パティキュレ−ト）を捕集し再生する為の方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ディーゼル機関の排気経路に装備
されるセラミック製のディ−ゼルパティキュレ−ト捕集
フィルタ（ＤＰＦ）を再生するために、フィルタの前端
面（以下、再生時の空気流通方向上流側の端面をいう）
に端面ヒータを配設して、パティキュレ−トに着火、延
焼させて再生を行うのが一般的である。
【０００３】実開平３ー０１７２２５号公報は、ディー
ゼル機関より排出されるパテイキュレートを捕集したセ
ラミック製ハニカムフィルタを再生するために、フィル
タ外周部に外周ヒータを囲設し、端面部に端面ヒータを
設けている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前端面に
端面ヒータを設けた上記従来装置では、フィルタにおけ
る温度分布の不均一の繰り返し（熱ストレス）によりク
ラックが生じるという問題があった。この問題は、再生
時間短縮のため、再生ガス流速の増速により一層深刻と
なる。
【０００５】一方、上記公報はフィルタの外周部及び端
面にヒータを配設することを開示するもののこれら外周
ヒータ及び端面ヒータへの通電方法については何ら考慮
が払われていなかった。本発明は、上記問題点に鑑みな
されたものであり、外周ヒータ及び端面ヒータを用いて
クラックを防止しつつ再生速度の短縮が可能な排気ガス
浄化装置を提供することを、その目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第一発明の排気ガス浄化
装置は、一端封止の通気孔及び該通気孔に通気可能に隣
接する他端封止の通気孔がそれぞれ軸方向に貫設され、
ディ−ゼル機関の排気ガス経路中に配設される略円柱形
状のセラミックフィルタと、該フィルタの外周面に沿っ
て配設される外周ヒータと、前記フィルタの前端面に沿
って配設された端面ヒータと、前記両ヒータへの通電を
制御する通電制御部とを備える排気ガス浄化装置におい
て、前記通電制御部は、前記フィルタ再生に際し、前記
外周ヒータへの通電を前記端面ヒータへの通電より所定
時間先行させるとともに、前記端面ヒ−タへの通電期間
中の前記外周ヒ−タへの通電電力を前記外周ヒ−タの初
期の通電電力より低減し、かつ、実質的に遮断しないこ
とを特徴としている。
【０００７】第二発明の排気ガス浄化装置は請求項１記
載の排気ガス浄化装置において、前記通電制御部は、前
記フィルタ再生に際し、前記外周ヒ−タへの通電終了を
前記端面ヒ−タへの通電終了より所定時間遅延させ、前
記端面ヒ−タ通電終了後の前記外周ヒ−タの通電電力
は、前記外周ヒ−タの初期通電電力より小さく設定され
ることを特徴としている。
【０００８】第三発明の排気ガス浄化装置は請求項２記
載の排気ガス浄化装置において、前記通電制御部は、前
記フィルタ再生に際し、前記外周ヒータのみへの通電に
より前記フィルタの外周部から燃焼を開始させる外周着
火モードと、その後、前記外周ヒータのみへの前記外周
着火モード時より小電力の通電により前記燃焼を維持す
るとともに前記フィルタの外周部の応力を緩和する外周
燃焼維持モードと、その後、前記外周ヒータ及び端面ヒ
ータへの通電により前記フィルタの外周部の応力を緩和
しつつ前記フィルタの前端面から燃焼させる端面着火モ
ードと、その後、前記外周ヒータのみへの通電により前
記フィルタの外周部の応力を緩和しつつ内部温度低下を
待つ燃焼終期外周応力緩和モードとを備え、前記端面着
火モードにおける前記外周ヒ−タへの通電電力を前記外
周着火モードにおける前記外周ヒ−タへの通電電力より
も低減することを特徴としている。
【０００９】第四発明の排気ガス浄化装置は請求項２記
載の排気ガス浄化装置において、前記通電制御部は、前
記フィルタ再生に際し、前記外周ヒータのみへの通電に
より前記フィルタの外周部から燃焼を開始させる外周着
火モードと、その後、前記外周ヒータ及び端面ヒータへ
の通電により前記燃焼を維持しつつ前記フィルタの外周
部の応力を緩和するとともに前記フィルタの前端面から
燃焼を開始させる端面着火モードと、その後、前記外周
ヒータのみへの通電により前記フィルタの外周部の応力
を緩和しつつ内部温度低下を待つ燃焼終期外周応力緩和
モードとを備え、前記端面着火モードにおける前記外周
ヒ−タへの通電電力を前記外周着火モードにおける前記
外周ヒ−タへの通電電力よりも低減し、かつ、前記燃焼
終期外周応力緩和モードにおける前記外周ヒ−タへの通
電電力を前記外周着火モードにおける前記外周ヒ−タへ
の通電電力よりも低減することを特徴としている。
【００１０】
【作用】第一発明の要部である通電制御部の作用を説明
する。再生に際し、まず外周ヒータへの通電を先行して
開始し、フィルタの外周部を加熱し、外周部のパティキ
ュレ−トの燃焼を開始する。その結果、気流による冷却
に関わらずフィルタの外周部の温度は少なくともフィル
タの内部温度以上に維持され、その結果としてフィルタ
の外周部に引っ張り応力が緩和される。
【００１１】その後、端面ヒータに通電してフィルタの
前端面（この部位は気流冷却により比較的着火しにくい
（再生されにくい））を加熱し、フィルタの前端面のパ
ティキュレ−トに着火し、燃焼は気流とともに次第にフ
ィルタの中心部下流へ伝播する。これによりフィルタの
前端面及び中心部の温度が上昇するが、既にフィルタの
外周部が充分高温となっているので、フィルタの中心部
が高温、外周部が低温となることはなく、急速燃焼を行
ってもクラック発生が抑止される。
【００１２】第二発明の要部である通電制御部の作用を
説明する。再生終了に際し、まず端面ヒータへの通電遮
断を先行して実施し、これによりフィルタの前端部特に
その中心部の温度を低下させた後、外周ヒータへの通電
を遮断する。このようにすれば、フィルタの中心部の温
度の低下の後、フィルタの外周部の温度が低下するの
で、フィルタの外周部が気流により冷却されるに関わら
ず、フィルタの外周部に引っ張り応力が生じるのが抑止
されるか又は緩和される。
【００１３】
【発明の効果】以上説明したように第一発明の排気ガス
浄化装置は、通電制御部が、セラミックフィルタの再生
に際し、外周ヒータへの通電を端面ヒータへの通電より
所定時間先行させているので、端面ヒータによるフィル
タの端面及び中心部の温度上昇に先行してフィルタの外
周部における温度上昇が開始される。
【００１４】したがって、フィルタの外周部が気流冷却
などによりその中心部より低温となってフィルタの外周
部に引っ張り応力が作用してクラックが生じることが防
止でき、そのために高速再生が可能となり、クラックを
抑止しつつ再生時間短縮及び再生電力節減が実現すると
いう優れた効果を奏することができる。更に、この第一
発明の排気ガス浄化装置は、外周ヒ−タ通電電力を端面
ヒ−タ通電期間中、外周ヒ−タの初期通電電力より低減
するので、ト−タルの必要電力の低減を実現することが
できる。第二発明の排気ガス浄化装置は、通電制御部
が、セラミックフィルタの再生終了に際し、外周ヒータ
への通電遮断を端面ヒータへの通電遮断より所定時間遅
延させているので、端面ヒータによるフィルタの前端部
特にその中心部の加熱が終了し、またフィルタの中心部
におけるパティキュレ−ト燃焼が充分行われ、フィルタ
の中心部の温度が低下するのを待って、外周部の温度が
低下することとなり、上記と第一発明と同様の理由でフ
ィルタの外周部における引っ張り応力を緩和してクラッ
クを防止しつつ再生時間短縮及び再生電力節減が実現す
るという優れた効果を奏することができる。更に、この
第二発明の排気ガス浄化装置は、端面ヒ−タ通電終了後
の外周ヒ−タの通電電力を、外周ヒ−タの初期通電電力
より小さくするので、電力消費を低減することができ
る。
【００１５】
【実施例】本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を図１
に示す。この装置は、ディ−ゼル機関の上流側排気管８
ａと下流側排気管８ｂとの間に介装される両端開口円筒
状のステンレス容器５と、容器５の内部に配設された略
円柱形状のセラミックフィルタ（以下、フィルタとい
う）１と、セラミックフィルタ１の外周に囲設された外
周ヒータ７と、セラミックフィルタ１の下流側の端面に
近接して配設された端面ヒータ６と、これらヒータ６、
７への通電を制御する通電制御部９とからなる。
【００１６】フィルタ１はコ−ジェライト等を素材とす
る公知のセラミック製ＤＰＦであり、容器５と外周ヒー
タとの間にはセラミック系繊維をシ−ト状に固めた緩衝
材４が配設されている。フィルタ１には、上流側排気管
８ａ側から下流側排気管８ｂ側へ多数の通気孔（以下、
セルという）２が貫設されており、各セル２を隔てる隔
壁の多数の微小孔により隣接セル間は通気可能となって
いる。また、約半数のセル２の上流端部はプラグ３によ
り封栓され、上流端部が封栓されたセル２に隣接するセ
ル２の下流端部はプラグ３により封栓されている。
【００１７】ヒータ６、７は、カンタル又はニクロム材
等でできた電熱材を素材としており、ヒータ６、７の断
面形状は円形の他、角形としてもよく、波状に配設で
き、ヒータ７はコイル状とすることもできる。通電制御
部９は、図２に示すように、マイコン９１と、このマイ
コン９１により通電制御されるパワートランジスタ９２
〜９８とからなり、トランジスタ９２、９３の各コレク
タはヒータ６、７の各一端に個別に接続され、ヒータ
６、７の各他端はバッテリ（図示せず）から給電されて
いる。
【００１８】また、トランジスタ９４、９５及び９６、
９７はそれぞれＣＭＯＳパワーインバ−タＡ，Ｂを構成
しており、両インバータＡ，Ｂの出力接点間には後述の
切替バルブ駆動用のモータＭ１、Ｍ２がそれぞれ接続さ
れている。トランジスタ９８のコレクタはエアーポンプ
駆動用のモータＭ３の一端に接続され、モータＭ３の他
端はバッテリ（図示せず）から給電されている。
【００１９】図２の通電制御部９の回路動作を説明すれ
ば、トランジスタ９２、９３、９８の各オンによりヒ−
タ６、７、モ−タＭ３が個別にオンオフされ、ＣＭＯＳ
パワーインバ−タＡにハイレベルのゲート電圧を印加
し、ＣＭＯＳパワーインバ−タＢにロ−レベルのゲート
電圧を印加するとモータＭ１，Ｍ２は正転し、ＣＭＯＳ
パワーインバ−タＡにローレベルのゲート電圧を印加
し、ＣＭＯＳパワーインバ−タＢにハイレベルのゲート
電圧を印加するとモータＭ１，Ｍ２は逆転する。
【００２０】次に、このフィルタ１のパティキュレ−ト
捕集動作を図３により説明する。不図示のエンジンから
出た排気ガスは上流側排気管８ａを通じてフィルタ１の
図中左側より導入され、上流側開口のセル２から隔壁を
透過して下流側開口のセル２に達する。この時、排気ガ
ス中に含まれるパテイキュレートは隔壁を透過できずに
上流側開口のセル２内に堆積する。一方、パテイキュレ
ートを除去された排気ガスは下流側排気管８ｂ及びマフ
ラーを通じて大気に放出される。
【００２１】なお排気経路には、フィルタ１をバイパス
するバイパス管８ｃ、８ｄが設けられており、パティキ
ュレ−ト捕集時には、バイパス管８ｃの下流端及びバイ
パス管８ｄの上流端で切替バルブを閉鎖して、排気ガス
がフィルタ１を通過するようにしている。その後、一定
時間走行してフィルタ１にパテイキュレートが堆積する
と、フィルタ前後の圧力損失が増大し、エンジンの出力
低下、燃費の悪化となる、パテイキュレートを燃焼させ
フィルタ１の再生を行う。
【００２２】次にこのフィルタ１の再生動作を図４及び
図５により説明する。まず、エンジン稼働中かどうかを
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）からの信号に
基づいて判断し（１００）、稼働中でなければ待機し稼
働中ならエンジン稼働累積時間としてエンジン積算回転
数をカウントし（１０２）、このエンジン積算回転数が
所定量のパティキュレ−トが堆積したと見なすことがで
きる所定値に達したかどうかを判別し（１０４）、達し
ていなければ１００にリターンし、達したたなら再生必
要と判断して、両切替バルブ駆動用のモータＭ１、Ｍ２
（図２参照）を正転させて、両切替バルブをフィルタ１
遮断側に倒し（１０６）、エアポンプ（図２参照）駆動
用のモータＭ３を駆動して新鮮空気をフィルタ１に供給
し（１０８）、、フィルタ１から出たガスを下流側の排
気管８ｂに排気する。なお、新鮮空気の代わりにエンジ
ン排気ガスを導入してもよい。
【００２３】この状態でヒ−タ６、７を後述のＡ，Ｂど
ちらかのモードで通電し、フィルタ１を再生し（１１
０）、再生終了後、エアポンプを停止し（１１２）、モ
ータＭ１、Ｍ２を所定時間逆転させて両切替ダンパを元
の位置（図３参照）に復帰させ（１１４）、マイコン９
１に内蔵のエンジン稼働時間累積カウンタを０にリセッ
トして（１１６）、１００にリターンする。
【００２４】なお、上記積算回転数の代わりに、フィル
タ１の両端の圧力差を検出して再生時期を決定してもよ
い。次に、本実施例の要部であるヒータ６、７の通電パ
ターンを以下に説明する。 （Ａパタ−ン再生）通電パタ−ンＡを図８のタイミング
チャート及び図６のフローチャートに示す。
【００２５】この通電パタ−ンＡでは、２次エア流量１
８リットル／ｍｉｎ（０．０２ｍ／ｓ）に制御する。な
お、この制御は、トランジスタ９８のスイッチングデュ
ーティ比を制御することによりモータＭ３の回転数を制
御して実施される。この後、ヒータ通電を以下のＡパタ
−ンで開始する。 外周着火モード まず外周ヒータ７に１．７ＫＷ×８ｍｉｎを印加し（２
００）、図１１の点（フィルタ１の外周部の軸方向中
央の点）の温度を８００〜８５０℃まで加熱する。これ
により、外周部のパティキュレ−トは約６００程度で着
火し、燃焼する。
【００２６】外周燃焼維持モード その後、外周ヒータ７への通電電力を９００Ｗに低下さ
せて、約２５ｍｉｎ維持する（２０２）。この供給電力
の低下にも関わらず、燃焼熱などによりフィルタ１の外
周部から次第に内部へと燃焼は持続し、フィルタ１の外
周部は８００〜８５０℃を維持する。これによりフィル
タ外周から中心まで燃焼が伝播し、二次空気により冷却
される端面ヒータ付近を除いて約８０％のパテイキュレ
ートが再生される。
【００２７】端面着火モード その後、上記外周ヒータ７への通電を持続した状態で更
に、端面ヒータ６に１．３ＫＷ×３ｍｉｎ通電し（２０
４）、フィルタ１の前端部近傍に燃え残る残り２０％の
パティキュレ−トを再生する。 燃焼終期外周応力緩和手段 次に、端面ヒータ６への通電だけを中止し、外周ヒータ
７への通電を持続させる。
【００２８】この時点でほとんどのパティキュレ−トは
燃焼済みであり、内部温度の低下をまつ間、外周ヒータ
７への通電が持続され、フィルタ１の外周部の応力が緩
和され、その後、フィルタ内部温度がある程度低下した
時点で外周ヒータ７への通電を終了する。なお、上記し
た外周ヒータ７への２段階の通電制御はトランジスタ９
２のスイッチングデューティ比を制御することにより実
施される。
【００２９】次に、図７のフローチャート及び図９のタ
イミングチャートに示すヒータ通電のＢパタ−ンを説明
する。このＢパターンは、更に再生時間の短縮及び省電
力を図るもので、Ａパターンにおける外周燃焼維持モー
ドを省略したものである。 外周着火モード まず外周ヒータ７に４６リットル／ｍｉｎ（０．０５ｍ
／ｓ）の二次空気を流し、外周ヒータ７に１．７ＫＷ×
５ｍｉｎを印加して図１２の点温度が６００〜６５０
℃となるまで加熱し、外周部を着火させる（３０２）。
これによりフィルタ外周部近傍において全体の約２０〜
４０％のパテイキュレートが燃焼される。
【００３０】設計では、図１２の、、、点の昇
温が認められた後、このモードを終了するものとした。 端面着火モード その後、上記外周ヒータ７への通電を持続した状態で更
に、端面ヒータ６に１．５ＫＷ×３ｍｉｎ、通電し、フ
ィルタ１の前端部近傍を着火し、中心部へ延焼させて残
りを燃焼させる（３０４）。
【００３１】燃焼終期外周応力緩和手段 次に、端面ヒータ６への通電だけを中止し、外周ヒータ
７への通電を持続させる（３０６）。この時点でパティ
キュレ−トは燃焼済みであり、残存パティキュレ−トが
ほとんど燃焼し尽くしフィルタ内部の温度が低下するま
で、外周ヒータ７への通電を持続する。これにより、フ
ィルタ１の外周部の応力が緩和され、その後、フィルタ
内部温度がある程度低下した時点で外周ヒータ７への通
電を終了する。
【００３２】このＢパターンでは外周部温度が低く、か
つ再生ガス流速が速く冷却効果が高いので、外周ヒータ
７への通電電力は６００Ｗとされている。ここで６００
Ｗとしたのは、省電力を目的として点をパテイキュレ
ート着火温度６００〜６５０℃にする為の最少のレベル
として設定したためである。再生率はいずれのパタ−ン
でも９５％以上確保できるが、Ａパタ−ンとＢパタ−ン
では以下の様な特徴差がある。
【００３３】Ａパタ−ンはパテイキュレート捕集量が約
５ｇ〜１２ｇ／ｌまでクラックがなく安定して再生でき
るというメリットがある。Ｂパタ−ンは再生時間、ヒー
タ電力共Ａパタ−ンの約１／２になるというメリットを
もつが、パテイキュレート捕集量は１０ｋｇ／ｌ以下と
することがこのましい。
【００３４】なお、上記各実施例ではフィルタ温度は常
温としてヒータの通電パタ−ンを設定しているが、再生
開始時のフィルタ温度が２００℃を越える場合は外周着
火モードの時間を１分程度短縮することができる。以
下、Ａ，Ｂパタ−ンにおけるフィルタ各部（図１０参
照）の実測温度分布を図１１及び図１２に示す。
【００３５】なお、、、は前端面から１５ｍｍの
位置、、、は前端面から６５ｍｍの位置、、
、は前端面から１１０ｍｍの位置とした。外周ヒー
タ７は、Ａパターンではの点を８００℃とするべく電
力制御しており、Ｂパターンではの点を６００℃とす
るべく電力を制御している。端面ヒータ６は、の点を
６００℃以上とするべく電力制御している。
【００３６】以上、本実施例の排気ガス浄化装置では、
端面ヒータ６への通電開始より先行して外周ヒータに通
電し、端面ヒータへの通電終了より遅延して外周ヒータ
の通電を終了しているので、フィルタ１の外周部におけ
るクラックを防止することができる。尚、Ａパターンお
よびＢパターンの切り換えは、フィルタのパテイキュレ
ート捕集量によって行なわれてもよいし、さらにはバッ
テリーの容量に応じて切り換えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気ガス浄化装置の一実施例を示す模
式断面図、
【図２】図１の装置の通電制御部の電気回路図、
【図３】図１の装置の捕集動作を示す模式断面図、
【図４】図１の装置の再生動作を示す模式断面図、
【図５】図１の装置の通電制御部の再生動作を示すフロ
ーチャート、
【図６】Ａパターンを示すタイミングチャート、
【図７】Ｂパターンを示すタイミングチャート、
【図８】Ａパターンを示すフローチャート、
【図９】Ｂパターンを示すフローチャート、
【図１０】測温点を示す再生動作を示す測温点配置図、
【図１１】Ａパターンの温度分布を示す温度分布図、
【図１２】Ｂパターンの温度分布を示す温度分布図、
【符号の説明】
１はフィルタ、２はセル（通気孔）、９は通電制御部、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−258910（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−26029（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−125924（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−118213（ＪＰ，Ｕ) 特許3000762（ＪＰ，Ｂ２) 実公 平７−10033（ＪＰ，Ｙ２) 実公 平７−12656（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/02 - 3/038

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一端封止の通気孔及び該通気孔に通気可能
    に隣接する他端封止の通気孔がそれぞれ軸方向に貫設さ
    れ、ディ−ゼル機関の排気ガス経路中に配設される略円
    柱形状のセラミックフィルタと、該フィルタの外周面に
    沿って配設される外周ヒータと、前記フィルタの前端面
    に沿って配設された端面ヒータと、前記両ヒータへの通
    電を制御する通電制御部とを備える排気ガス浄化装置に
    おいて、 前記通電制御部は、前記フィルタ再生に際し、前記外周
    ヒータへの通電を前記端面ヒータへの通電より所定時間
    先行させるとともに、前記端面ヒ−タへの通電期間中の
    前記外周ヒ−タへの通電電力を前記外周ヒ−タの初期の
    通電電力より低減し、かつ、実質的に遮断しないことを
    特徴とする排気ガス浄化装置。
  2. 【請求項２】前記通電制御部は、前記フィルタ再生に際
    し、前記外周ヒ−タへの通電終了を前記端面ヒ−タへの
    通電終了より所定時間遅延させ、前記端面ヒ−タ通電終
    了後の前記外周ヒ−タの通電電力は、前記外周ヒ−タの
    初期通電電力より小さく設定されることを特徴とする請
    求項１記載の排気ガス浄化装置。
  3. 【請求項３】前記通電制御部は、前記フィルタ再生に際
    し、前記外周ヒータのみへの通電により前記フィルタの
    外周部から燃焼を開始させる外周着火モードと、その
    後、前記外周ヒータのみへの前記外周着火モード時より
    小電力の通電により前記燃焼を維持するとともに前記フ
    ィルタの外周部の応力を緩和する外周燃焼維持モード
    と、その後、前記外周ヒータ及び端面ヒータへの通電に
    より前記フィルタの外周部の応力を緩和しつつ前記フィ
    ルタの前端面から燃焼させる端面着火モードと、その
    後、前記外周ヒータのみへの通電により前記フィルタの
    外周部の応力を緩和しつつ内部温度低下を待つ燃焼終期
    外周応力緩和モードとを備え、 前記端面着火モードにおける前記外周ヒ−タへの通電電
    力を前記外周着火モードにおける前記外周ヒ−タへの通
    電電力よりも低減する ことを特徴とする請求項２記載の
    排気ガス浄化装置。
  4. 【請求項４】前記通電制御部は、前記フィルタ再生に際
    し、前記外周ヒータのみへの通電により前記フィルタの
    外周部から燃焼を開始させる外周着火モードと、その
    後、前記外周ヒータ及び端面ヒータへの通電により前記
    燃焼を維持しつつ前記フィルタの外周部の応力を緩和す
    るとともに前記フィルタの前端面から燃焼を開始させる
    端面着火モードと、その後、前記外周ヒータのみへの通
    電により前記フィルタの外周部の応力を緩和しつつ内部
    温度低下を待つ燃焼終期外周応力緩和モードとを備え、 前記端面着火モードにおける前記外周ヒ−タへの通電電
    力を前記外周着火モードにおける前記外周ヒ−タへの通
    電電力よりも低減し、かつ、前記燃焼終期外周応力緩和
    モードにおける前記外周ヒ−タへの通電電力を前記外周
    着火モードにおける前記外周ヒ−タへの通電電力よりも
    低減する ことを特徴とする請求項２記載の排気ガス浄化
    装置。
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