JP4019375B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンに燃料を噴射して供給する燃料噴射装置に関し、特に燃料タンクからの燃料の汲み上げを電動アクチュエータ(例えば、電気モータ)により行う燃料噴射装置に係わる。
〔従来の技術〕
従来より、エンジンに燃料を噴射供給する燃料噴射装置は、燃料を高圧化するとともに噴射弁を介してエンジンに供給する高圧ポンプと、燃料タンクから燃料を汲み上げて高圧ポンプに供給する低圧ポンプとを備えている。高圧ポンプは、エンジンにより回転駆動される回転軸を有し、この回転軸が回転することにより低圧ポンプから供給された燃料を吸入して高圧化するとともに噴射弁へ圧送する。低圧ポンプは、高圧ポンプの回転軸の一端に取り付けられ、回転軸が回転することにより燃料タンクから燃料を汲み上げるとともに高圧ポンプへ供給する。このように、高圧ポンプおよび低圧ポンプは、エンジンにより駆動され、エンジン回転数、すなわちエンジンの燃料要求量に応じた燃料をエンジンに供給している。
近年、燃料噴射装置の高圧ポンプ、低圧ポンプをエンジンにより駆動するエンジン駆動方式に代わり、高圧ポンプおよび低圧ポンプを電動アクチュエータ(例えば、電気モータ)により駆動する電動方式が検討されている(例えば、特許文献1、2参照)。この電動方式が採用された燃料噴射装置、特に電動方式の低圧ポンプを備える燃料噴射装置は、以下に述べる点で、エンジン駆動方式の低圧ポンプを備える燃料噴射装置よりも有利である。
第1に、エンジン駆動方式の低圧ポンプは、エンジン回転数に応じた量以上に燃料を供給することができないため、エンジン起動直後の低回転時などに供給不足が発生する虞がある。これに対し、電動方式の低圧ポンプは、エンジン回転数と無関係に一定量の燃料を供給することができるため、エンジン起動直後の低回転時の供給不足は発生しない。
第2に、エンジン駆動方式の低圧ポンプは、高圧ポンプの回転軸の一端に取り付けられるので、ガス欠再始動時や出荷時に燃料タンクから低圧ポンプまでの燃料流路を燃料で充填するための別のポンプが必要になる。これに対し、電動方式の低圧ポンプは、取付位置の自由度が大きいため、燃料タンクに近接して取り付けることができる。このため、燃料充填用のポンプが不要である。
以下に、電動方式の低圧ポンプ100を適用した燃料噴射装置101の構成を、図3を用いて説明する。燃料噴射装置101は、燃料を高圧化してエンジン(図示せず)に供給する高圧ポンプ102と、電動アクチュエータとしての電気モータ103により駆動され、燃料タンク104から燃料を汲み上げて高圧ポンプ102に供給する低圧ポンプ100と、低圧ポンプ100から供給される燃料のうち高圧ポンプ102に吸入される燃料の吸入量を調節する吸入調量弁106(以下、SCVと呼ぶ)とを備える。
高圧ポンプ102は、高圧燃料を蓄圧するコモンレール107、およびコモンレール107の高圧燃料をエンジンに噴射する噴射弁108(以下、インジェクタと呼ぶ)を介して、エンジンに高圧燃料を噴射供給する。高圧ポンプ102は、エンジンにより駆動されるカム機構111と、拡縮自在の加圧室112が形成され、カム機構111により作動して加圧室112へ燃料を吸入するとともに吸入した燃料をインジェクタ108へ圧送する複数の加圧部113とを有する。
カム機構111は、エンジンにより回転駆動される回転軸117、回転軸117に偏心して組みつけられた円柱状のカム118、カム118を摺動自在に収容するカムリング119を有する。
加圧部113は、シリンダ122に摺動自在に収容され、カム機構111により反回転軸方向に駆動されるプランジャ123と、プランジャ123を回転軸方向へ付勢するスプリング124とを有する。なお、プランジャ123の回転軸側先端には、プランジャタペット125が設けられ、スプリング124の付勢力によりカムリング119の外周に形成された摺動面に摺接している。加圧室112は、シリンダ122の内周面や、プランジャ123の反回転軸側端面などにより形成されている。また、複数の加圧部113は、回転軸117を中心として等角度間隔ごと(例えば、180°または120°間隔ごと)に配置されている。
カム118、カムリング119およびプランジャタペット125などはカム室128に収容されている。カム室128には、低圧ポンプ100から供給される燃料の一部が潤滑燃料として循環供給され、カム118とカムリング119との摺接による焼き付き、およびプランジャタペット125とカムリング119との摺接による焼き付きが防止される。なお、潤滑燃料の供給量は絞り129により制限されている。
そして、回転軸117がエンジンにより回転駆動されると、カム118が回転軸117の軸心を中心として公転する。これにより、回転軸117が1回転すると、プランジャ123はシリンダ122内を1往復する。すなわち、回転軸117が1回転すると、プランジャ123は、例えば加圧室112が最大容積となる位置から最小容積となる位置に変位し、再び最大容積となる位置に変位する。この間、プランジャタペット125は、カムリング119の摺動面を摺動する。
そして、加圧室112の容積が最大になると、加圧室112への燃料の吸入が終わり加圧室112からの燃料の圧送が始まる。そして、加圧室112の容積が最大から最小になるまで、加圧室112の燃料圧力は高圧状態で推移し、高圧の燃料が加圧室112からコモンレール107へ圧送される。加圧室112の容積が最小になると、加圧室112からの高圧燃料の圧送が終わり加圧室112への燃料の吸入が始まる。そして、加圧室112の容積が最小から最大になるまで、加圧室112の燃料圧力は低圧状態で推移し、低圧の燃料が加圧室112に吸入される。
低圧ポンプ100は、羽根車130が回転することにより燃料タンク104から燃料を汲み上げて高圧ポンプ102へ供給する周知構造のポンプである。そして、低圧ポンプ100の羽根車130は、電気モータ103によって回転駆動されることにより、燃料タンク104から燃料を汲み上げて、主にSCV106を経て高圧ポンプ102に供給する。なお、低圧ポンプ100の供給量、すなわち低圧ポンプ100による供給圧力は、高圧ポンプ102による圧送量の増減に関わりなく一定であるため、SCV106の入口での圧力は調圧バルブ131により調節されている。すなわち、高圧ポンプ102の圧送量が減少すると、調圧バルブ131の開度が大きくなり燃料タンク104への燃料の逃がし量が増え、高圧ポンプ102の圧送量が増加すると、調圧バルブ131の開度が小さくなり燃料タンク104への燃料の逃がし量が減る。
なお、燃料噴射装置101は、制御手段135により制御される。
例えば、制御手段135は、エンジン回転数検出手段136やアクセル開度検出手段137などのエンジンからの要求を検出する検出信号に応じて、インジェクタ108による各気筒への燃料の噴射量や噴射時期を制御する。また、制御手段135は、コモンレール圧検出手段138からの検出信号に応じて、コモンレール107の燃料圧力がインジェクタ108による噴射圧力に略一致するように、SCV106による吸入量を調節する。
〔従来技術の不具合〕
しかし、電動方式の低圧ポンプ100を用いると、電気モータ103の劣化などに伴い低圧ポンプ100の燃料供給量が経時変化する虞がある。低圧ポンプ100による燃料供給量が経時変化すると、高圧ポンプ102の回転軸117の回転数およびSCV106の弁開度が経時変化以前と同じでも高圧ポンプ102の吸入量、すなわちインジェクタ108への圧送量が変動する。このため、エンジンへの燃料供給量とエンジンの燃料要求量との差が大きくなり、排気ガス特性などが悪化する虞がある。
特開平9−209870号公報 特開2000−179427号公報
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は電動アクチュエータの劣化などに伴い低圧ポンプによる燃料供給量が経時変化しても、高圧ポンプによるエンジンへの燃料供給量とエンジンの燃料要求量とを略一致させることができる燃料噴射装置を提供することにある。
〔請求項1の手段〕
請求項1の手段によると、燃料噴射装置は、電動アクチュエータにより駆動され、燃料タンクから燃料を汲み上げて高圧ポンプに供給する低圧ポンプと、低圧ポンプによる燃料の供給圧力を検出する低圧ポンプ供給圧検出手段と、低圧ポンプ供給圧検出手段からの検出信号に応じて吸入調量弁の弁開度を制御する制御手段とを備える。
低圧ポンプによる燃料の供給圧力は、低圧ポンプによる燃料の供給量に応じて変化する。よって、低圧ポンプ供給圧検出手段からの検出信号を用いれば、低圧ポンプによる燃料の供給量に応じた制御を行うことができる。
以上により、低圧ポンプ供給圧検出手段からの検出信号に応じて吸入調量弁の弁開度を制御すれば、低圧ポンプによる燃料供給量が経時変化しても、高圧ポンプによるエンジンへの燃料供給量をエンジンの燃料要求量に略一致させることができる。
〔請求項2の手段〕
請求項2の手段によると、低圧ポンプ供給圧検出手段は、燃料フィルタと吸入調量弁とを連結する燃料流路の燃料圧力を検出することにより、低圧ポンプの供給圧力を検出する。
これにより、電動アクチュエータの劣化とともに燃料フィルタの目詰まりなどを考慮して、吸入調量弁の弁開度を制御することができる。
最良の形態の燃料噴射装置は、燃料を高圧化してエンジンに供給する高圧ポンプと、電動アクチュエータにより駆動され、燃料タンクから燃料を汲み上げて高圧ポンプに供給する低圧ポンプと、低圧ポンプから供給される燃料のうち高圧ポンプに吸入される燃料の吸入量を調節する吸入調量弁と、低圧ポンプから供給される燃料に含まれる異物を除去する燃料フィルタと、燃料フィルタと吸入調量弁とを連結する燃料流路の燃料圧力を検出することにより、低圧ポンプによる供給圧力を検出する低圧ポンプ供給圧検出手段と、低圧ポンプ供給圧検出手段からの検出信号に応じて吸入調量弁の弁開度を制御する制御手段とを備える。
〔実施例1の構成〕
実施例1の燃料噴射装置1の構成を図1に基づいて説明する。
燃料噴射装置1は、燃料を高圧化してエンジン(図示せず)に供給する高圧ポンプ2と、電動アクチュエータとしての電気モータ3により駆動され、燃料タンク4から燃料を汲み上げて高圧ポンプ2に供給する低圧ポンプ5と、低圧ポンプ5から供給される燃料のうち高圧ポンプ2に吸入される燃料の吸入量を調節する吸入調量弁6(以下、SCVと呼ぶ)と、低圧ポンプ5から供給される燃料に含まれる異物を除去する燃料フィルタ7と、燃料フィルタ7とSCV6とを連結する燃料流路aの燃料圧力を検出することにより、低圧ポンプ5による燃料の供給圧力を検出する低圧ポンプ供給圧検出手段8と、低圧ポンプ供給圧検出手段8からの検出信号に応じてSCV6の弁開度を制御する制御手段9とを備える。
高圧ポンプ2は、高圧燃料を蓄圧するコモンレール12、およびコモンレール12の高圧燃料をエンジンに噴射する噴射弁13(以下、インジェクタと呼ぶ)を介して、エンジンに高圧燃料を噴射供給する。高圧ポンプ2は、エンジンにより駆動されるカム機構14と、拡縮自在の加圧室15が形成され、カム機構14により作動して加圧室15へ燃料を吸入するとともに吸入した燃料をインジェクタ13へ圧送する複数の加圧部16とを有する。
カム機構14は、軸受18、19により回転自在に支持され、エンジンにより回転駆動される回転軸21、回転軸21に偏心して組みつけられた円柱状のカム22、カム22を摺動自在に収容するカムリング23を有する。
加圧部16は、シリンダ24に摺動自在に収容され、カム機構14により反回転軸方向に駆動されるプランジャ25と、プランジャ25を回転軸方向へ付勢するスプリング26と、加圧室15とコモンレール12との間の燃料流路bに取り付けられて、コモンレール12から加圧室15への燃料の逆流を防止する圧送側逆止弁27と、加圧室15とSCV6との間の燃料流路cに取り付けられて、加圧室15からSCV6への燃料の逆流を防止する吸入側逆止弁28とを有する。なお、プランジャ25の回転軸側先端には、プランジャタペット31が設けられ、スプリング26の付勢力によりカムリング23の外周に形成された摺動面に摺接している。
加圧室15は、シリンダ24の内周面や、プランジャ25の反回転軸側端面などにより形成されている。また、複数の加圧部16は、回転軸21を中心として等角度間隔ごと(例えば、180°または120°間隔ごと)に配置されている。複数の圧送側逆止弁27から伸びる複数の燃料流路bは、1つに合流してコモンレール12に接続されている。
カム22、カムリング23およびプランジャタペット31などはカム室32に収容されている。カム室32には、低圧ポンプ5から供給される燃料の一部が潤滑燃料として循環供給され、カム22とカムリング23との摺接による焼き付き、およびプランジャタペット31とカムリング23との摺接による焼き付きが防止される。カム室32への潤滑燃料の供給は、燃料流路aから分岐した燃料流路dを通って行われる。燃料流路dには絞り33が配置され、加圧室15への燃料吸入に支障が生じないように潤滑燃料の供給量を制限している。また、カム室32に供給された潤滑燃料は燃料流路eを経て燃料タンク4へ戻る。
ここで、カム機構14および加圧部16の作動を説明する。回転軸21がエンジンにより回転駆動されると、カム22が回転軸21の軸心を中心として公転する。これにより、回転軸21が1回転すると、プランジャ25はシリンダ24内を1往復する。すなわち、回転軸21が1回転すると、プランジャ25は、例えば加圧室15が最大容積となる位置から最小容積となる位置に変位し、再び最大容積となる位置に変位する。この間、プランジャタペット31は、カムリング23の摺動面を摺動する。
次に、カム機構14および加圧部16の作動に伴う燃料の吸入および圧送を説明する。加圧室15の容積が最大になると、加圧室15への燃料の吸入が終わって吸入側逆止弁28が閉じられる。同時に、圧送側逆止弁27が開かれて加圧室15からの燃料の圧送が始まる。そして、加圧室15の容積が最大から最小になるまで、加圧室15の燃料圧力は高圧状態で推移し、高圧の燃料が加圧室15からコモンレール12へ圧送される。加圧室15の容積が最小になると、加圧室15からの高圧燃料の圧送が終わって圧送側逆止弁27が閉じられる。同時に、吸入側逆止弁28が開かれて加圧室15への燃料の吸入が始まる。そして、加圧室15の容積が最小から最大になるまで、加圧室15の燃料圧力は低圧状態で推移し、低圧の燃料が加圧室15に吸入される。
ここで、コモンレール12は、高圧ポンプ2から供給される燃料を、インジェクタ13による噴射圧力に相当する燃料圧力(以下、コモンレール12の燃料圧力をコモンレール圧と呼ぶ)で蓄圧する蓄圧容器である。また、コモンレール12は、コモンレール圧を限界圧力以下に抑えるためのプレッシャリミッタ37、コモンレール圧を検出するコモンレール圧検出手段38を有する。
プレッシャリミッタ37は、コモンレール圧が所定の設定値を超えると作動し、コモンレール圧が設定値以下で安定するまで、燃料流路fを通してコモンレール12の燃料を断続的に燃料タンク4へ逃す。また、インジェクタ13での余剰燃料は、燃料流路fに合流する燃料流路gを通って燃料タンク4へ戻る。なお、燃料流路eおよび燃料流路fは、合流して1つの燃料流路hとなり、燃料タンク4に接続されている。
コモンレール圧検出手段38は、コモンレール12に取り付けられた周知の圧力センサである。
また、インジェクタ13は、エンジンの各気筒(図示せず)に搭載され、複数の燃料流路iによりコモンレール12と接続されている。インジェクタ13は、ソレノイド(図示せず)への通電により生じる磁力によって弁体(図示せず)が駆動されて弁孔(図示せず)が開かれ、通電の停止によりスプリング(図示せず)等の付勢力によって弁体が駆動されて弁孔が閉じられる。そして、弁孔が開かれることにより、コモンレール12の燃料が気筒へ噴射供給される。
低圧ポンプ5は、羽根車39が回転することにより燃料タンク4から燃料を汲み上げて高圧ポンプ2へ供給する周知構造のポンプである。そして、低圧ポンプ5の羽根車39は、電気モータ3によって回転駆動されることにより、燃料タンク4から燃料を汲み上げて高圧ポンプ2に供給する。すなわち、燃料タンク4から汲み上げられた燃料は、低圧ポンプ5と燃料フィルタ7とを連結する燃料流路jを経て燃料フィルタ7へ供給され、燃料フィルタ7で異物が除去された後、燃料流路aおよびSCV6を経て高圧ポンプ2に供給される。
SCV6は、ソレノイド(図示せず)への通電により生じる磁力によって弁体(図示せず)が駆動される。また、通電される電流の値は、後記するように弁開度を調節するためデューティ制御される。そして、SCV6は、ソレノイドへの通電が停止されると、スプリング(図示せず)等の付勢力によって弁開度が全開状態または全閉状態となる。以上により弁開度に応じた量の燃料が高圧ポンプ2の加圧室15に吸入される。
低圧ポンプ供給圧検出手段8は、燃料流路aに取り付けられた周知の圧力センサである。そして、低圧ポンプ供給圧検出手段8は、燃料流路aの燃料圧力、すなわち燃料フィルタ7の流出側における低圧ポンプ5による供給圧力(以下、低圧ポンプ供給圧と呼ぶ)を検出する。
制御手段9は、制御処理、演算処理を行うCPU、各種プログラムやデータを保存する記憶装置、入力装置および出力装置などを具備するコンピュータを有するECU(図示せず)、インジェクタ13のソレノイドへ通電するためのインジェクタ駆動回路(図示せず)、SCV6のソレノイドへ通電するためのSCV駆動回路(図示せず)などで構成されている。そして、制御手段9は、エンジン回転数を計測するための信号を検出するエンジン回転数検出手段43、アクセル開度を計測するための信号を検出するアクセル開度検出手段44、低圧ポンプ供給圧検出手段8およびコモンレール圧検出手段38などからの検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて各種の制御を実行する。
例えば、制御手段9は、エンジン回転数やアクセル開度などのエンジンからの要求に応じて、インジェクタ13による各気筒への燃料の噴射量や噴射時期を制御する。すなわち、制御手段9は、エンジン回転数検出手段43およびアクセル開度検出手段44などからの検出信号に応じて、インジェクタ13による各気筒への燃料の噴射量や噴射時期を算出する。そして、算出された噴射量指令値や噴射時期指令値に基づいて、インジェクタ13のソレノイドへの通電が行われ、インジェクタ13による各気筒への燃料の噴射供給が行われる。
また、制御手段9は、コモンレール圧がインジェクタ13による噴射圧力に略一致するように、高圧ポンプ2による圧送量(SCV6による吸入量)を調節する。すなわち、制御手段9は、コモンレール圧検出手段38からの検出信号に応じて、SCV6のソレノイドへ通電されるSCV駆動電流を算出し、算出されたSCV駆動電流指令値に応じたデューティ比の制御信号を合成する。そして、この制御信号により、SCV6のソレノイドへ通電が行われSCV6の弁開度が調節される。これにより、SCV6による吸入量、すなわち高圧ポンプ2による圧送量が調節される。
〔実施例1の特徴〕
実施例1の制御手段9は、コモンレール圧検出手段38からの検出信号のみならず、低圧ポンプ供給圧検出手段8からの検出信号に応じて、SCV6の弁開度を制御する。すなわち、制御手段9は、主にコモンレール圧の計測値に応じて算出されたSCV駆動電流を、低圧ポンプ供給圧の計測値で補正することにより、SCV駆動電流指令値を算出する。
この補正は、図2に示すSCV駆動電流補正マップ(以下、補正マップと略す)を用いて行われる。補正マップは、SCV駆動電流と高圧ポンプ2の圧送量(高圧ポンプ2の吸入量、またはSCV6の吸入量)との相関を示す図である。ここで標準線Sとは、低圧ポンプ5の燃料供給量が経時変化していない状態、すなわち低圧ポンプ供給圧が経時変化していない値(以下、標準値と呼ぶ)である状態のSCV駆動電流と高圧ポンプ2の圧送量との相関線である。また、高圧線Hは、低圧ポンプ供給圧が標準値よりもΔPだけ高い場合(ΔPは正の値とする)のSCV駆動電流と高圧ポンプ2の圧送量との相関線であり、低圧線Lは、低圧ポンプ供給圧が標準値よりもΔPだけ低い場合のSCV駆動電流と高圧ポンプ2の圧送量との相関線である。
また、図2の補正マップは、SCV駆動電流の値が0になると、高圧ポンプ2の圧送量が最大となる常開型吸入調量弁に対する相関を示している。そして、例えば標準線Sでは、SCV駆動電流が閾値Isを超えるまで、弁孔は全開状態であり最大圧送量Qmaxの燃料が高圧ポンプ2から圧送されている。SCV駆動電流が閾値Isを超えると、弁孔は閉じ始め高圧ポンプ2の圧送量は徐々に減少する。そして、SCV駆動電流が所定値Imaxになると、弁孔は全閉状態になり、高圧ポンプ2の圧送量は0になる。
続いて、SCV駆動電流の補正方法を説明する。まず、低圧ポンプ5による燃料供給量が経時変化していないと仮定して、コモンレール圧の計測値などに応じてSCV駆動電流の仮値を算出する。次に、この仮値を、標準線Sに当てはめて高圧ポンプ2の圧送量を算出する。次に、低圧ポンプ供給圧の計測値と標準値との差Eに応じて補正マップ上に補正線Xを作成する。差Eが正の値であるとき、補正線Xは、高圧線Hと標準線Sとの間に作成され、差Eが負の値であるとき、補正線Xは、低圧線Lと標準線Sとの間に作成される。なお、図2には、差Eが負の値であるときの補正線Xが示されている。この補正線Xに圧送量の算出値を当てはめることにより、新たにSCV駆動電流を算出し、この値をSCV駆動電流指令値とする。
〔実施例1の効果〕
実施例1の制御手段9は、主にコモンレール圧の計測値に応じて算出されたSCV駆動電流を、低圧ポンプ供給圧の計測値で補正することにより、SCV駆動電流指令値を算出する。
これにより、電気モータ3の劣化などにより低圧ポンプ5の燃料供給量が経時変化しても、SCV6による吸入量を低圧ポンプ5の燃料供給量に応じて調節することができる。この結果、低圧ポンプ5の燃料供給量が経時変化しても、高圧ポンプ2によるエンジンへの燃料供給量をエンジンの燃料要求量に略一致させることができる。
また、SCV6の弁開度に低圧ポンプ供給圧の影響が反映されるので、従来必要とされていた調圧バルブが不要になる。
実施例1の低圧ポンプ供給圧検出手段8は、燃料フィルタ7とSCV6とを連結する燃料流路aの燃料圧力を検出する。
これにより、燃料フィルタ7の目詰まりなどを考慮した低圧ポンプ供給圧を計測できるので、さらにSCV6の制御の信頼性を向上させることができる。
燃料噴射装置の構成を示す説明図である(実施例1)。 SCV駆動電流と高圧ポンプの圧送量との相関図である。 燃料噴射装置の構成を示す説明図である(従来例)。
符号の説明
1 燃料噴射装置
2 高圧ポンプ
3 電気モータ(電動アクチュエータ)
4 燃料タンク
5 低圧ポンプ
6 SCV(吸入調量弁)
7 燃料フィルタ
8 低圧ポンプ供給圧検出手段
9 制御手段
a 燃料流路

Claims (2)

  1. エンジンに燃料を噴射して供給する燃料噴射装置において、
    燃料を高圧化して前記エンジンに供給する高圧ポンプと、
    電動アクチュエータにより駆動され、燃料タンクから燃料を汲み上げて前記高圧ポンプに供給する低圧ポンプと、
    この低圧ポンプから供給される燃料のうち前記高圧ポンプに吸入される燃料の吸入量を調節する吸入調量弁と
    前記低圧ポンプによる燃料の供給圧力を検出する低圧ポンプ供給圧検出手段と、
    この低圧ポンプ供給圧検出手段からの検出信号に応じて前記吸入調量弁の弁開度を制御する制御手段と
    を備える燃料噴射装置。
  2. 請求項1に記載の燃料噴射装置において、
    前記低圧ポンプから供給される燃料に含まれる異物を除去する燃料フィルタを備え、
    前記低圧ポンプ供給圧検出手段は、前記燃料フィルタと前記吸入調量弁とを連結する燃料流路の燃料圧力を検出することにより、前記供給圧力を検出することを特徴とする燃料噴射装置。
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