JP4116552B2 - 内燃機関用の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に応じた内燃機関用の燃料噴射装置から出発している。
【０００２】
このような燃料噴射装置はドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８３５４９４号明細書より公知である。この燃料噴射装置は、噴射弁部材を備えた燃料噴射弁を有しており、噴射弁部材によって少なくとも１つの噴射開口が制御される。噴射弁部材は、噴射弁の圧力室内に生じる圧力によって、閉鎖力に抗して開放方向に負荷される。圧力室内に生じる圧力は、燃料高圧ポンプのポンプピストンによって生ぜしめられ、このポンプピストンは、カムによって行程運動するように駆動される。圧電素子から成るアクチュエータによって操作される制御弁が設けられており、この制御弁は、電気的な制御装置によって制御され、この制御弁によって放圧室との圧力室の接続が制御される。制御弁は制御弁部材を有しており、この制御弁部材にアクチュエータが液圧式カップラを介して作用し、制御弁部材を開放位置と閉鎖位置との間で移動させる。制御弁部材が閉鎖位置にある場合は、圧力室は放圧室から分離されており、圧力室内に燃料噴射のための高圧が生じることができる。したがって、制御弁部材の閉鎖位置の達成の時期は、燃料噴射の制御にとって大きな意味がある。しかしながら、制御弁部材はカップラによってアクチュエータから分離されているので、この時期についての情報は提供されない。さらに、制御弁部材の正常な機能のために、カップラの完全な充填も必要である。
【０００３】
発明の利点
これに対して、請求項１の特徴を備えた本発明による燃料噴射装置は、制御弁の機能を監視することができるという利点を有する。圧電式アクチュエータの通電段階の間、液圧式カップラ内に圧力が生じ、この圧力は、通電プロセスの終了後にもアクチュエータに反作用し、アクチュエータには、電圧供給部が切断された場合、カップラ内の圧力比に特有の、ひいては制御弁部材の行程への制御電圧の変換に特有の圧電電圧を生ぜしめる。したがって、圧電式アクチュエータにおける電気端子の間の電圧は、その他のセンサを必要とすることなく、弁動作のための測定パラメータとして考慮されることができる。
【０００４】
従属請求項には、本発明による燃料噴射装置の有利な構成及び別の構成が示されている。測定された電圧は、請求項２によれば、制御弁部材の閉鎖位置の到達時点を認識するために考慮されることができる。電圧の推移は、請求項３に示されているように、カム推移における最小値の出現の直後に監視されることができる。カップラ内の圧力は、アクチュエータの通電完了後に時間的な経過で見るとまず低下する。なぜならば、アクチュエータは、通電プロセスの後にはほぼ完全な行程を達成しているのに対し、制御弁部材は、この時点でまだ閉鎖位置へ移動しており、ひいてはカップラは放圧される。しかしながら、制御弁部材が閉鎖位置に到達し、衝突に基づき開放位置に向かって反動するやいなや、カップラ内の媒体の圧縮が生じ、この圧縮は、端子電圧の上昇として現れる。したがって、電圧推移において出現する最小値は、制御弁部材が閉鎖位置に到達した時点を表す。択一的に、請求項４に示されているように、端子電圧の時間導関数が形成され、ゼロ通過が監視されることができる。時間的に導出された電圧信号のゼロ通過は、この場合、同様に、端子電圧の時間的推移における最小値、ひいては制御弁部材による閉鎖位置の達成を表す。さらに別の有利な構成において、請求項５によれば、制御弁部材の算出された閉鎖位置達成時期から、制御装置の制御パラメータのための修正値が導出される。この場合、特にアクチュエータの制御電圧及び／又は制御時点及び／又は通電プロセスの継続時間のための修正値が準備される。請求項６によれば、電圧は、カップラの充填状態を知るために考慮されることもできる。なぜならば、カップラ内の圧力推移は充填状態に依存し、ひいては同様に電圧への反作用をも有するからである。請求項８に基づき提供される試験制御は、燃料噴射の前における制御弁の機能の検査を可能にし、この場合、修正値を算出することができ、この修正値を、後の燃料噴射の場合に使用することができる。したがって、修正値の算出と、燃料噴射のための制御弁の制御との間の時間的な間隔は極めて小さく、これにより、高い精度を備えた燃料噴射を行うことができる。
【０００５】
図面
本発明の実施例は図面に示されており、以下の説明においてより詳しく説明されている。図１は、内燃機関用の燃料噴射装置を概略図で示しており、図２は、燃料噴射装置の燃料噴射弁を拡大図で示している。
【０００６】
実施例の説明
図１及び図２には、例えば自動車の内燃機関のための燃料噴射装置が示されている。燃料噴射装置は、燃料高圧ポンプ１０と、この燃料高圧ポンプと接続された燃料噴射弁１２とを有している。図示された実施例の場合、燃料高圧ポンプ１０と燃料噴射弁１２とは互いに直接結合されており、いわゆるポンプ・ノズルユニットを形成している。しかしながら、択一的に、燃料高圧ポンプ１０は燃料噴射弁１２から離れて配置されていて、導管を介して燃料噴射弁と接続されていてもよい。内燃機関のそれぞれのシリンダのために、燃料高圧ポンプ１０及び燃料噴射弁１２を備えた燃料噴射装置が設けられている。
【０００７】
燃料高圧ポンプ１０は、ポンプボディ１４を有しており、このポンプボディ１４内にシリンダ孔１６内にポンプピストン１８が摺動可能に案内されており、このポンプピストンはシリンダ孔１６内にポンプ作動室２０を仕切っている。ポンプピストン１８は、内燃機関のカムシャフトによって、カム２２を介して、リターンスプリング２４に抗して往復動するように駆動される。カム２２とポンプピストン１８との間には、伝達エレメントとしてロッカアーム２６が配置されていてよい。カム２２は、急勾配の領域２２ａと緩やかな領域２２ｂとを有しており、急勾配の領域２２ａによってポンプピストン１８はリターンスプリング２４の力に抗してシリンダ孔１６内へ内方死点まで押し込まれ、緩やかな領域２２ｂによってポンプピストン１８はリターンスプリング２４によってシリンダ孔１６から外方死点まで押し出される。シリンダ孔１６内へのポンプピストン１８の行程運動の場合、ポンプピストンは吐出行程を行い、この吐出行程の場合、ポンプ作動室２０内の燃料が圧縮される。シリンダ孔１６内から外方へ向かうポンプピストン１８の行程運動の場合、ポンプピストン１８は吸入行程を行い、この吸入行程の場合燃料がポンプ作動室２０内へ吸い込まれる。
【０００８】
燃料噴射弁１２は弁体３０を有しており、この弁体３０は複数の部分から形成されていてよく、弁体３０内において孔３２内に噴射弁部材３４が案内されている。弁体３０の、内燃機関のシリンダの燃焼室に面した端部領域において、少なくとも１つの、有利には複数の噴射開口３６を有しており、これらの噴射開口３６は、弁体３０の円周に亘って分配して配置されている。噴射弁部材３４は、燃焼室に面した端部領域に、例えばほぼ円錐形のシール面３８を有しており、このシール面３８は、弁体３０に、燃焼室に面した端部領域において形成された弁座４０と協働し、この弁座から又は弁座の後に噴射開口３６が延びている。弁体３０には、噴射弁部材３４と弁座４０側における孔３２との間に環状室４２が形成されており、この環状室４２は、弁座４０とは反対側の端部領域において、孔３２の半径方向拡開によって、噴射弁部材３４を取り囲んだ圧力室４４に移行している。噴射弁部材３４は、圧力室４４の高さに、横断面変化によって圧力肩部４６を有しており、この圧力肩部４６を介して、圧力室４４内に生じる圧力が、噴射弁部材３４に対する力を、弁座４０から離れる方向で生ぜしめる。噴射弁部材３４の、燃焼室とは反対側の端部に、予負荷された閉鎖ばね４８が当接しており、この閉鎖ばね４８によって噴射弁部材３４は弁座４０に向かって押し付けられている。閉鎖ばね４８は、弁体３０の一部を形成したばねホルダ３０ａのばね室５０内に配置されており、このばね室５０は孔３２に接続している。
【０００９】
燃料噴射弁１２の圧力室４４は、チャネル５２を介して燃料高圧ポンプ１０のポンプ作動室２０と接続されている。圧力室４４内に生じた圧力が、圧力肩部４６を介して噴射弁部材３４に対して、閉鎖ばね４８によって生ぜしめられる力よりも大きな力を生ぜしめると、噴射弁部材３４のシール面３８が開放方向３５へ弁座４０から離反し、噴射開口３６を開放させ、これらの噴射開口から燃料が燃焼室内へ噴射される。圧力室４４内に生じる圧力が、圧力肩部４６を介して噴射弁部材３４に対して、閉鎖ばね４８によって生じる力よりも小さな力を生ぜしめると、噴射弁部材３４のシール面３８は開放方向３５とは反対方向に弁座４０に向かって移動し、弁座４０に当接することにより噴射開口３６を閉鎖し、これにより燃料は燃焼室内へ噴射されなくなる。
【００１０】
燃料噴射を制御するために、電気的に制御される制御弁５４が設けられており、この制御弁５４によって、放圧室とのポンプ作動室２０との接続が制御される。放圧室として、例えば自動車の燃料タンク１１又は低い圧力が生じる別の領域であることができる。制御弁５４は制御弁部材５６を有しており、この制御弁部材５６は、液圧式カップラ５７を介して、圧電アクチュエータ５８によって操作される。アクチュエータ５８は、電子制御装置５３によって電圧が提供される。アクチュエータ５８は、互いに接続された多数の圧電素子５９を有している。制御弁５４は例えばポンプボディ１４に配置されている。アクチュエータ５８は、一方ではケーシング壁部６０と結合されていて、このケーシング壁部を、アクチュエータ５８の電気端子６１が貫通させられており、他方では、調整ピストン６２と段階互摩擦により結合されている。調整ピストン６２は、アクチュエータ５８とは反対側の端面６３によって、液圧式カップラ５７を閉鎖している。液圧式カップラ５７自体は、接続チャネル６４内において案内された調整ピストン６５に対して作用し、調整ピストンの、カップラ５７とは反対側の端部には制御弁部材５６が配置されている。制御弁部材５６は、弁室６６内に形成されている２つの弁座と協働することができ、弁室内には制御弁部材５６が配置されている。制御弁部材５６は、アクチュエータ５８の無負荷静止位置に対応する第１の端部位置において、弁室６６内の第１の弁座６８に当接する。アクチュエータ５８の最大制御に対応しかつ制御弁部材５６の閉鎖位置である第２の端部位置においては、制御弁部材５６は、弁室６６内の第２の弁座７０に当接し、弁室６６を閉鎖する。制御弁５４は二重切換弁として形成されていることもでき、この場合、制御弁部材５６が両弁座６８，７０のうちの一方に当接している場合にはそれぞれ制御弁部材は閉鎖されており、両弁座６８，７０の間の中間位置においてのみ開放される。
【００１１】
弁室６６には、両弁座６８，７０の間において放圧室への接続部７１が開口している。第２の弁座７０上に、弁室６６はポンプ作動室２０との接続部を有している。制御弁部材５６が第１の端部位置において第１の弁座６８と当接していると、ポンプ作動室２０への弁室６６の接続部が、第２の弁座７０を介して開放し、ポンプ作動室２０は放圧室と接続され、ポンプ作動室内に高圧が生じることはできない。放圧室と弁室６６との接続部７１に絞り箇所７６が設けられていることができる。制御弁部材５６が第２の端部位置ひいては閉鎖位置において第２の弁座７０と当接していると、ポンプ作動室２０への弁座６６の接続部は第２の弁座７０によって閉鎖され、ポンプ作動室２０は放圧室から分離され、ポンプピストン１８の吐出行程に対応して、ポンプ作動室内に高圧が生じることができる。したがって、制御弁部材５６の閉鎖位置の到達時点が、燃料噴射の開始を決定し、制御弁部材５６の閉鎖位置における滞留時間が、噴射される燃料量を決定する。
【００１２】
制御弁５４のアクチュエータ５８は、内燃機関の運転パラメータ、例えば回転数、負荷、温度及びその他に応じて、制御装置５３によって制御される。高い精度で燃料噴射を制御するために、制御弁部材５６の閉鎖位置の到達の時点と少なくともほぼ同時である燃料噴射の開始についてのフィードバックが必要である。制御弁部材５６が閉鎖位置に到達したかどうかを検出するために、通電プロセス完了後、すなわち制御弁５４を閉鎖するためのアクチュエータ５８の制御完了後、測定窓の所定の継続時間間、アクチュエータ５８の端子６１に、制御装置５３の構成部材であることができる電圧測定装置７２が接続される。電圧測定装置７２には診断装置７４が接続されていてよい。測定データは直接に例えばアナログ電圧信号として診断装置７４に伝達されることができる。これにより、アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧の監視が時間の関数として行われる。しかしながら、択一的に、まず最初に、端子６１の間の電圧の時間導関数を形成することができる。このためには、電圧信号が、電圧測定装置７２に配属された微分素子７６に供給される。微分素子において形成された微分された信号は、次いで診断装置７４に伝達される。いずれの択一例においても、アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧の時間的経過から、診断装置７４において、制御弁部材５６の閉鎖位置の到達が推量される。
【００１３】
制御弁部材５６の閉鎖位置を検出するために、カム推移の最小値の出現に関して、アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧の時間的経過が監視される。微分素子７６を用いて電圧の時間導関数を評価する場合、これに対応して、ゼロ通過の出現が確認される。確認されたように、アクチュエータ５８の通電段階の終了後に液圧式カップラ５７内の圧力はまず低下する。なぜならば、アクチュエータ５８は、通電プロセスの終了後にほぼ完全な行程を達成しているのに対して、制御弁部材５６はこの時点でまだ閉鎖位置に移動しており、ひいてはカップラ５７は放圧される。この圧力低下は、アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧の監視によって、時間の関数として生じる、電圧の低下の形式で確認可能である。
【００１４】
制御弁部材５６が閉鎖位置に到達し、衝突に基づき第１の端部位置の方向に戻るやいなや、カップラ内の媒体の圧縮が生じ、この圧縮は、段階応に、アクチュエータ５８の端子の間の電圧の上昇として現れる。したがって、電圧推移において生じる最小値は、制御弁部材５６が閉鎖位置に到達した時点を表す。制御弁５４の閉鎖の時点の検出に基づき、制御装置５３の制御パラメータのための修正値５３を得ることができ、この修正値は、後の燃料噴射のために利用することができ、この修正値により、燃料噴射の時期及び燃料噴射量に関する燃料噴射の精度を改善することができる。
【００１５】
アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧の前記監視は、それぞれの生じる燃料噴射の間に行われることができる。つまり、この場合に得られる修正値は、後の燃料噴射の制御のために利用することができる。
【００１６】
択一的に、電圧の前記監視は、制御弁５４の試験制御の間に制御装置５３によってインターバルの間に行うことができ、このインターバルの間燃料噴射は行われない。このインターバルは、特に、ポンプピストン１８がシリンダ孔１６から外部死点に向かって移動する時のポンプピストン１８の行程段階の間のことである。つまり、カム１８は、緩やかな領域２２ｂにおいて揺動レバー２６に当接している。ポンプピストン１８のこの行程段階の間、この行程段階によってポンプ作動室２０、ひいては燃料噴射弁１２の圧力室４４内には、燃料噴射のために十分な圧力は生ぜしめられないので、制御弁５４が閉鎖しても燃料噴射は生じない。制御弁５４の試験制御は有利にはインターバルの間に生じ、このインターバルの間には、ポンプピストン１８の吸入行程によるポンプ作動室２０への充填、及び、制御弁５４が開放されることにより燃料噴射を終了させるための、ポンプ作動室２０から燃料の減少制御は、全く又はほとんど影響されない。
【００１７】
制御弁５４を試験制御することにより修正パラメータを得ることができ、この修正パラメータは、後の燃料噴射の制御の場合に既に利用することができる。修正値の獲得と燃料噴射の制御との時間的なずれは、制御弁５４の試験制御の場合には、実際に燃料噴射が生じるときに修正値を獲得する場合と比べて約半分の大きさでしかない。したがって、燃料噴射の制御の精度をさらに著しく高めることができる。制御弁５４の試験制御の場合、燃料噴射のための制御の直前に修正値が算出される。
【００１８】
漏れギャップによって、調整ピストン６２の移動時に、液圧式カップラ５７内の媒体の一部、すなわち有利には燃料が押し出される。しかしながら、アクチュエータ５８の制御電圧と噴射される燃料量との規定通りの関連のために、カップラ５７の規定通りの充填が必要である。したがって、２回の噴射の間に、図示されていないチャネルを介してカップラ５７が再充填される。カップラ５７が実際にも正常に再充填されたかどうかを確認するために、さらに、アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧を考慮することができる。アクチュエータ５８の通電プロセス完了後、さらに、電圧測定装置７２によって、アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧の時間的推移が監視される。アクチュエータ５８の通電プロセスが終了した後、液圧式カップラ５７内の圧力は、媒体が流出することにより再び低下する。この圧力降下は、アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧の監視によって、時間の関数として生じる電圧の低下の形式で確認可能である。この場合、電圧のこの時間的な低下の大きさは、カップラ５７内のいわゆる伝達比や、すなわち調整ピストン６５の横断面に対する調整ピストン６２の横断面の比と、アクチュエータ５８の、カップラ５７に作用する長さ変化に対する制御弁部材５６の発生可能な行程の比にも依存する。さらに、電圧の低下は、カップラ５７内の充填度に特に大きく依存する。カップラ５７が完全に充填されている場合、例えば約５０Ｖの比較的大きな電圧低下が見られる。これに対して、カップラ５７が部分的にしか充填されていない場合にはこの効果は明らかにより小さく、この場合、圧力低下は例えば約１５Ｖでしかない。
【００１９】
したがって、アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧を監視することにより、診断装置７４において、アクチュエータ５８の通電完了後に電圧が測定されることによって診断結果が形成される。例えば約０．２５ｍｓの所定の待機時間の後、電圧は新たに測定される。次いで両測定値の差が形成され、限界値と比較される。この場合、一定の限界値を提供することができ、この限界値は、例えば約３０Ｖであってよい。しかしながら、択一的に、運転時点に依存する限界値が、事前の測定によって獲得された、データメモリモジュール７８に記憶された特性マップに基づくことができる。この場合、待機時間は、電圧の測定が、この測定の後に行われる制御介入の直前、すなわち電圧のさらなる上昇の直前に行われるように選択可能である。
【００２０】
算出された電圧の差が限界値よりも大きいならば、診断として、カップラ５７の完全で正常な再充填が推定され、さらなる処置は導入されない。しかしながら、算出された電圧の差が限界値よりも小さいならば、診断として、カップラ５７の不完全で欠陥のある再充填が推定される。この場合、さらに電圧の差が第２の限界値又は最小値と比較される。この比較により、さらにエラーの効果に基づく識別が行われる。電圧の差が第２の、より小さな限界値又は最小値をも下回るならば、大きなエラーが診断され、このエラーは例えば内燃機関を即座に停止させる。これに対して電圧の差が第１の限界値よりも低いが第２の限界値よりも大きいならば、軽度のエラーが診断され、このエラーの場合には内燃機関はそのまま運転し続けることができ、この軽度のエラーは後の診断のためにデータメモリモジュール７８に記憶される。
【００２１】
さらに、診断装置７４において軽度の誤りを確認した場合、アクチュエータ５８の制御電圧のための目標値が提供され、この場合、目標値は次のように選択される。すなわち、カップラ５７の確認された、不完全な充填にも拘わらず、制御の後には、制御弁部材５６の所定の行程が生じるようにである。アクチュエータ５８の端子６１の間の電圧の前記監視は、有利には、制御弁５４の試験制御の間に、燃料噴射が生じない段階において行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関用の燃料噴射装置を概略図で示している。
【図２】 燃料噴射装置の燃料噴射弁を拡大図で示している。
【符号の説明】
１０ 燃料高圧ポンプ
１２ 燃料噴射弁
１４ ポンプ体
１６ シリンダ孔
１８ ポンプピストン
２０ ポンプ作動室
２２ カム
２２ａ 突出した領域
２２ｂ 平坦な領域
２４ リターンスプリング
２６ ロッカアーム
３０ 弁体
３０ａ ばねホルダ
３２ 孔
３４ 噴射弁部材
３５ 開放方向
３６ 噴射開口
３８ シール面
４０ 弁座
４２ 環状室
４４ 圧力室
４６ 圧力肩部
４８ 閉鎖ばね
５０ ばね室
５４ 制御弁
５３ 制御装置
５６ 制御弁部材
５８ アクチュエータ
６０ ケーシング壁部
６１ 端子
６２ 調整ピストン
６３ 端面
６４ 接続チャネル
６５ 調整ピストン
６６ 弁室
６８，７０ 弁座
７１ 接続部
７２ 電圧測定装置
７４ 診断装置
７６ 微分素子

Claims (10)

1. 燃料噴射弁（１２）を備えた内燃機関用の燃料噴射装置であって、前記燃料噴射弁が少なくとも１つの噴射弁部材（３４）を有しており、該噴射弁部材によって少なくとも１つの噴射開口（３６）が制御されるようになっており、前記噴射弁部材（３４）が、燃料噴射弁（１２）の圧力室内に生じる圧力によって、閉鎖力に抗して開放方向（３５）へ負荷されるようになっており、圧力室（４４）内に生じる圧力が、燃料高圧ポンプ（１０）のポンプピストン（１８）によって生ぜしめられるようになっており、該ポンプピストンが、カム（２２）によって行程運動するように駆動されるようになっており、圧電アクチュエータ（５８）によって操作される制御弁（５４）が設けられており、該制御弁が、電気的な制御装置（５３）によって制御されるようになっており、該制御装置によって少なくとも間接的に圧力室（４４）と放圧室の接続部（７１）が制御されるようになっており、制御弁（５４）が閉鎖されている場合には圧力室（４４）は放圧室から分離されており、制御弁（５４）が制御弁部材（５６）を有しており、該制御弁部材が、液圧式カップラ（５７）を介してアクチュエータ（５８）と連結されている形式のものにおいて、
   前記アクチュエータ（５８）が通電段階の後に、配属された電圧測定装置（７２）と接続されており、制御弁（５４）の機能を認識するためにアクチュエータ（５８）の電気端子（６１）の間の電圧が監視されるようになっていることを特徴とする、燃料噴射装置。
2. 前記アクチュエータ（５８）の電気端子（６１）の間の電圧が、制御弁部材（５６）の閉鎖位置の到達を認識するために考慮される、請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 電圧の時間的な推移が、カム推移における最小値の出現に関して監視される、請求項２記載の燃料噴射装置。
4. 電圧の時間導関数が形成され、ゼロ通過が監視される、請求項２記載の燃料噴射装置。
5. 制御弁部材（５６）の閉鎖位置の達成の算出された時点から、制御装置（５３）の制御パラメータのための修正値が形成され、該修正値が、後の燃料噴射において考慮される、請求項２記載の燃料噴射装置。
6. 前記アクチュエータ（５８）の電気端子（６１）の間の電圧が、カップラ（５７）の充填状態を認識するために考慮される、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。
7. アクチュエータ（５８）の通電段階の終了の直後に測定された電圧と、設定可能な待機時間の経過後に測定された電圧との差が、限界値と比較される、請求項６記載の燃料噴射装置。
8. 制御弁（５４）の試験制御の間に制御弁（５４）の機能を認識するためにアクチュエータ（５８）の電気端子（６１）の間の電圧が監視され、前記試験制御の間は燃料噴射が行われない、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。
9. 前記制御弁（５４）の試験制御が、ポンプピストンが燃料噴射弁（１２）の圧力室（４４）内に、噴射弁部材（３４）の開放に十分な圧力を生ぜしめないようなポンプピストン（１８）の行程段階において行われる、請求項８記載の燃料噴射装置。
10. それぞれの燃料噴射弁（１２）のために、ポンプピストン（１８）を備えた固有の燃料高圧ポンプ（１０）を有しており、前記ポンプピストン（１８）が、カム（２２）によって駆動される、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。

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