JP5056953B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。
従来、例えば、日本特開2009−74459号公報に開示されているように、燃焼後の排気ガスを吸気通路へと循環するEGR(Exhaust Gas Recirculation)装置を備えた内燃機関が知られている。
上記公報に開示の内燃機関は、過給器および2つのEGR経路を備えている。1つ目の経路は、過給器のタービン上流からコンプレッサ下流へ燃焼後の排気ガスを循環する経路である。このようなEGR経路を有するEGR装置は、HPL(High Pressure Loop)−EGRとも称される。2つ目の経路は、過給器のタービン下流からコンプレッサ上流へと燃焼後の排気ガスを循環する経路である。このようなEGR経路を有するEGR装置は、LPL(Low Pressure Loop)−EGRとも称される。
日本特開2009−74459号公報 日本特開2009−138722号公報
過給器を有する内燃機関において、過給器のコンプレッサ下流とコンプレッサ上流とを結ぶ吸気バイパス通路が設けられることがある。なお、この吸気バイパス通路を開閉するためのバルブを、以下、エアバイパスバルブ(Air Bypass Valve、ABV)とも称する。
上記のLPL−EGRのようにコンプレッサ上流に排気ガスを循環する内燃機関においても、吸気バイパス通路が設けられることがある。このような構成においてABVを開放させた場合、コンプレッサ下流の吸気の一部がコンプレッサ上流へと戻る。一方、EGR装置によりコンプレッサ上流に排気ガスを循環している場合、コンプレッサ下流の吸気はすでに排気ガス(EGRガス)が添加された状態にある。EGR装置によるコンプレッサ上流への排気ガス循環中に、ABV作動によって排気ガス添加済の吸気がコンプレッサ上流に戻ると、想定外に排気ガス濃度が高くなったEGRガスが発生してしまうおそれがある。必要以上に高EGR率となったガスが内燃機関に吸入されてしまうことは、好ましくない。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、吸気バイパス通路開放にともなって必要以上に高EGR率なガスが吸入される弊害を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
第1の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを有する過給器と、
前記内燃機関の排気ガスを前記吸気通路における前記コンプレッサの上流に循環させるEGR手段と、
前記吸気通路における前記コンプレッサの上流と前記吸気通路における前記コンプレッサの下流とを連通させる吸気バイパス通路と、
前記吸気バイパス通路に設けられた開閉手段と、
前記開閉手段が零開度以上の所定開度を上回る開度で前記吸気バイパス通路を開放したときに、前記コンプレッサの上流に循環させられる前記排気ガスの量を低減するEGR量制御手段と、
を備え
前記EGR量制御手段は、前記排気ガスの量の低減を行ったあとに所定期間が経過したら当該低減中より前記排気ガスの量を増加させるEGR量回復手段を含むことを特徴とする。
また、第の発明は、第の発明において、
前記所定期間は、前記吸気バイパス通路が開放されたことで前記吸気バイパス通路を介して前記コンプレッサ下流から前記コンプレッサ上流に戻ったガスが、前記吸気通路前記コンプレッサの上流と前記EGR通路とが接続する位置を通過する程度の時間であることを特徴とする。
また、第の発明は、第1または第2の発明において、
前記EGR手段は、
前記吸気バイパス通路が前記吸気通路における前記コンプレッサの前記上流に接続する位置よりも上流に一端が接続し、前記排気通路に他の一端が接続するEGR通路を、
含み、
前記EGR量制御手段は、前記開閉手段が前記吸気バイパス通路を前記所定開度を上回る開度に開放させたときに前記EGR通路を流れる排気ガスの量を低減する手段を、含むことを特徴とする。
の発明は、第1乃至の発明のいずれか1つにおいて、
前記内燃機関の排気ガスを前記吸気通路における前記コンプレッサの下流に循環させる第2のEGR手段を更に備え、
前記コンプレッサ上流に排気ガスを循環させる前記EGR手段が、LPL(Low Pressure Loop)−EGR装置であり、
前記コンプレッサ下流に排気ガスを循環させる前記第2のEGR手段が、HPL(High Pressure Loop)−EGR装置であることを特徴とする。
第1の発明によれば、必要以上に高EGR率となったEGRガスが発生することを抑制するように、EGR量制御手段がEGR量を調節することができる。これにより、必要以上に高EGR率となったガスが吸入される弊害を、抑制することができる。さらに、必要なタイミングでEGR量を抑制した後に、通常の状態に戻すようにEGR量を回復することができる。
の発明によれば、上記のような高EGR率のガスの発生を回避した後、当該高EGR率ガス発生の心配の無い好適なタイミングでEGRを再開することができる。
の発明によれば、吸気バイパス通路が開放されたとき、過度に高EGR率なEGRガスの発生、吸入を抑制し、かつEGR率の急減を抑制することもできる。
の発明によれば、LPL−EGRとHPL−EGRとを併用する内燃機関において、過度に高EGR率となったEGRガスが吸入される弊害を抑制するように、LPL−EGRにおけるEGR量を調節することができる。
本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置で実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態における吸気バイパス通路とLPL−EGRの構成の特徴を説明するための図である。 本発明の実施の形態における吸気バイパス通路とLPL−EGRの構成の特徴を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる構成が奏する効果を説明するための比較例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる構成が奏する効果を説明するための比較例を示す図である。
実施の形態.
[実施の形態にかかる構成]
図1は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の構成を示す図である。本実施形態にかかる制御装置は、自動車用内燃機関の制御に好適に用いることができる。
図1には、内燃機関本体10が示されている。内燃機関本体10は、具体的には、シリンダブロック、シリンダヘッド、ピストン、クランクシャフト等の各種部品で構成されている。内燃機関本体10の吸気ポートは、吸気通路26に接続している。吸気通路26には、吸気多枝管、サージタンク22、スロットル24、インタークーラ28が設けられている。内燃機関本体10は、排気多枝管を介して排気管30に接続している。排気管30には、触媒32が設けられている。この触媒32は、例えば三元触媒とすることができる。
本実施形態では、コンプレッサ62およびタービン60を有する過給器が設けられている。図1に示すように、コンプレッサ62は吸気通路26に、タービン60は触媒32の上流に、それぞれ配置されている。コンプレッサ62は、吸気通路26の入口26aから吸入された空気を、下流へと吐出する。
本実施形態では、内燃機関本体10へのEGR(Exhaust Gas Recirculation)を行うための装置として、LPL(Low Pressure Loop)−EGR装置とHPL(High Pressure Loop)−EGR装置の双方が設けられている。図1において、EGR通路40、EGRクーラ44、EGR触媒42およびEGRバルブ46が、HPL−EGR装置を構成している。EGR通路40は、排気多枝管と、サージタンク22とを接続させている。
一方、EGR通路50、EGRクーラ52およびEGRバルブ54が、LPL−EGR装置を構成している。EGR通路50は、排気管30における触媒32の下流と、吸気通路26におけるコンプレッサ62上流とを接続させている。図2は、図1におけるコンプレッサ62の周辺の構成を部分的に拡大した拡大図である。本実施形態では、図2に示すように、EGR通路50の一端が、吸気バイパス通路66のコンプレッサ62の上流への接続位置よりもコンプレッサ62のさらに上流に接続している。これにより、LPL−EGRにおける吸気通路26への排気ガス導入位置を、吸気バイパス通路66と吸気通路26の接続位置よりも上流に設けることができる。
なお、HPL−EGRとLPL−EGRとを併用するシステムの場合、LPLにおいては一定量のEGR率でのEGRを定常的に行い、HPLにおいては運転条件によるEGR率制御を実施することができる。この場合、LPLでのEGR率は、最も燃焼耐性が低いアイドル時や減速時にあわせたEGR率に設定される。このようなシステムは、高負荷でのLPLによるEGR率の底上げが狙いのシステムといえる。具体的には、HPLにおけるEGR率は、例えば15〜25%程度とし、LPLにおけるEGR率は、例えば5〜10%程度の少量とすることができる。
本実施形態では、吸気通路26において、コンプレッサ62をバイパスする吸気バイパス通路66が設けられている。吸気バイパス通路66は、コンプレッサ62の上流と、コンプレッサ62の下流とを接続させる。吸気バイパス通路66の開閉は、ABV(エアバイパスバルブ、Air Bypass Valve)64によって実現される。
本実施形態にかかる構成は、制御装置として、ECU(Electronic Control Unit)80を含んでいる。ECU80は、EGRバルブ46、54、ABV64を操作可能である。なお、ECU80は、内燃機関本体10の運転条件に基づき各種構成(スロットル開度、バルブタイミング、燃料噴射量など)の制御を行うことができる。また、ECU80は、内燃機関本体10周辺を含むシステムの各箇所に備えられた各種センサ(図示せず)とも接続している。ECU80は、これらの各種センサから出力信号を受けて、機関運転情報に関する種々の情報を取得することができる。具体的には、本実施形態では、サージタンク圧や、エアフローメータ、吸気温度、スロットル開度などの各種情報を、センサ値に基づいて取得することができる。
[実施の形態にかかる制御装置の動作、効果]
以下、実施の形態にかかる内燃機関の制御装置の動作について説明する。以下の説明では、本実施形態にかかる、(1)制御動作と、(2)吸気バイパス通路66とLPL−EGRの構成における動作および効果について、それぞれ説明する。
(1)制御動作
図2において、符号90は、ABV64が開放された場合にコンプレッサ62の下流から上流へと戻ったガスを指し示している。ガス90には、一度コンプレッサ62を通過する過程でLPL−EGR装置によって排気ガス(EGRガス)を添加されている。ガス90が再びEGRバルブ54付近を流れる過程で排気ガス添加を受けると、想定以上に排気ガス添加を受けたガスが吸気通路26に吸入されてしまう。
そこで、本実施形態では、ABV64の作動と同時に、LPL−EGR装置におけるEGRバルブ54を閉じる。これにより、上記のような過剰な排気ガス添加の発生を抑制することができる。その結果、必要以上に高EGR率となったEGRガスが発生することを抑制でき、当該高EGR率ガスが吸入されるのを抑制することができる。
また、本実施形態によれば、LPL−EGRとHPL−EGRとを併用する内燃機関において、過度に高い濃度のEGRガスが発生し、吸入される弊害を抑制するように、LPL−EGRにおけるEGR量を調節することができる。
上述したように、本実施形態において、LPLでのEGR率は、最も燃焼耐性が低いアイドル時や減速時にあわせたEGR率に設定されている。アイドル等の燃焼耐性の低い運転条件下で過剰な高EGR率ガスの発生、吸入を招いた場合には、不安定な燃焼、トルク変動悪化や失火発生が懸念される。本実施形態によれば、EGRバルブ54をABV64作動に応じて閉じることで、LPL−EGRによるEGRガスが高濃度化することを抑制でき、トルク変動悪化や失火といった弊害を抑制することができる。
(2)吸気バイパス通路66とLPL−EGRの構成が奏する効果
図4および5は、本発明の実施の形態における吸気バイパス通路66とLPL−EGRの構成の特徴を説明するための図である。図4、5に示す構成は図2に示した構成と同じである。便宜上、コンプレッサ62は破線で示している。本実施形態では、LPL−EGRにおける吸気通路26へのEGRガス導入位置を、コンプレッサ62上流側における吸気バイパス通路66と吸気通路26の接続位置よりも上流側に(つまりコンプレッサ62入口から離して)配置する。これにより、ABV64作動後の一時的なEGR率減少を抑制する。
ここで、図6および図7を参照する。図6および7は、実施の形態にかかる構成が奏する効果を説明するための比較例を示す図である。図6、7に示す構成は、吸気バイパス通路66とABV64が吸気バイパス通路166およびABV164に置換された点を除き、本実施形態と同じ構成を有している。図6,7の比較例の構成では、コンプレッサ62上流における吸気バイパス通路166と吸気通路26の接続位置が、EGRバルブ54と吸気通路26の接続位置よりも上流に位置している。このように、比較例の構成と実施の形態にかかる構成との間では、吸気バイパス通路166とEGRバルブ54の位置(つまり吸気バイパス通路166とEGR通路50の位置)が相違(逆転)している。
図4、図5、図6および図7において、符号92、94、96、98は、それぞれ、吸気通路26内におけるガスを指し示している。ガス92は、EGRが行われた吸気、つまり排気ガスを含む新気である。ガス94は、ABV作動前にEGR導入済みの新気である。ガス96は、ABV164作動後に吸気バイパス通路166を介してコンプレッサ62上流に戻ったガスである。以下、ガス96を便宜上「戻りガス96」とも称す。また、ガス98は、排気ガス添加を受けていない空気である。
比較例の構成においてABV164作動時(つまり吸気バイパス通路166開放時)にEGRバルブ54を閉じると、図6の符号93が示す位置に、ガス98によって新気層が形成されてしまう。図7に模式的に示すように、吸気通路26の一部にガス98のみの層(新気層)が形成されている。この新気層が内燃機関本体10の気筒内に吸入されると、一時的にEGR率が急減してしまう。このようなEGR率急減はノッキングの発生を招くおそれがあり、好ましくない。なお、点火時期の遅角でこれに対処することも考えられるが、EGR率急減の正確なタイミングを特定したり、吸気通路26内において新気層が周囲のガスと混合したり、気筒毎のEGR率なども考慮することが要求される。これらの事項を考慮した上で正確な点火時期遅角量を算出することは難しい。
そこで、本実施形態では、LPL−EGRの吸気通路26への導入位置を、コンプレッサ62上流側における吸気バイパス通路66と吸気通路26の接続位置よりも上流側に(つまりコンプレッサ62入口から離して)配置する。このようにすることで、図5に示すように、ABV64作動時に、ガス98による新気層が形成されることなく、戻りガス96がコンプレッサ62上流へと戻ることができる。このように、本実施形態によれば、ABV64作動に伴ってEGRバルブ54を閉じた後、新気層の形成を回避して同じEGR率のガス94、96を吸入させていくことができる。その結果、図7に示すようなEGR率の急変を抑制することができる。
[実施の形態にかかる具体的処理]
図3は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の制御装置においてECU80が実行するルーチンのフローチャートである。
図3に示すルーチンでは、先ず、LPL用EGRバルブが開いているか否かが判定される(ステップS100)。例えばエンジンの暖機前などでは、EGRバルブ54を閉じてEGRを行わないつまりLPL−EGRを作動させない場合がある。このような場合には、本実施形態にかかる制御を実行しない。このステップの判定は、具体的には、例えば、ECU80がEGRバルブ54を開放させる制御信号を発しているか否かを検出して行ったり、あるいはEGRバルブ54の開度検知用の開度センサが備えられている場合には当該センサの出力信号に基づいて行ったりしても良い。本ステップの条件が成立していない場合には、本ステップの条件が成立するまで処理がループする。
ステップS100の条件の成立が認められた場合には、空気流量、サージタンク圧・温度、およびスロットル開度を記憶する処理が実行される(ステップS102)。このステップでは、戻りガス96の量を推定するために、ABV64作動前の吸気系の状態を把握する。
次に、ABV64が作動したか否かが判定される(ステップS104)。このステップでは、具体的には、例えば上述したEGRバルブ54の開閉状態を判定したのと同様に、ECU80の制御信号に基づいて、或いは、ABV64の開度検出用の開度センサがあればその開度センサの出力信号に基づいて、ABV64が開放したかどうかが判定される。このステップの条件が成立していない場合には、処理がループする。
ステップS104の条件が成立した場合には、LPL用EGRバルブを閉じる処理が実行される(ステップS106)。ステップS106への処理移行は、ステップS100とS104の両方の成立、つまりEGRバルブ54の開放中にABV64の作動があったことを意味する。そこで、本実施形態では、ステップS104の条件成立後に速やかに、ECU80がEGRバルブ54を閉じるよう制御信号を発し、ABV64の作動とほぼ同時にEGRバルブ54を閉じる。あるいは、ABV64を作動させるべき条件が成立した段階でABV64作動を待機したうえで、ABV64の作動とEGRバルブ54の閉鎖が同時に行われるように、ABV64の作動処理とEGRバルブ54の閉鎖処理のタイミングを調節しても良い。
次に、戻りガス量の推定が行われる(ステップS108)。このステップでは、具体的には、ステップS102において記憶した吸気系物理量や圧損などから、戻りガス96の量を推定的に算出すればよい。
次に、戻りガス通過時間を計算する処理が実行される(ステップS110)。このステップでは、戻りガス通過時間とは、「戻りガス96が、LPL−EGR装置におけるEGR導入部(つまり、吸気通路26とEGRバルブ54が接続する位置)を通過し終えるまでにかかる時間」である。この時間は、ABV64作動後における内燃機関本体10の運転条件に応じて求めればよい。
次に、戻りガス通過時間が経過したか否かが判定される(ステップS112)。戻りガス通過時間の経過が認められるまで、処理はループする。
ステップS112の条件成立が認められ場合には、LPL用EGRバルブを開く処理が実行される(ステップS114)。このステップでは、ステップS106で閉じられたEGRバルブ54が、再び開放される。EGRバルブ54の開放とともに通常制御へと復帰する。
以上の処理によれば、ABV64の作動に応じてEGRバルブ54を閉じることができる。これにより、EGRガスが必要以上に高EGR率となってしまうことを、抑制することができる。このように、上記の処理により、当該高EGR率ガスが吸入される弊害を抑制するように、LPL−EGR装置において循環させられる排気ガス量(EGR量)を調節することができる。
また、上記の処理によれば、必要なタイミングでEGR量を抑制した後に、通常の状態に戻すようにEGR量を回復することができる。しかも、上記の処理によれば、ABV64作動時にコンプレッサ62上流に戻るガスの量(ガス90の量)に応じて、EGRバルブ54の開放時期の決定にあたり戻りガス96の通過に要する期間を考慮に入れつつ、EGRバルブ54を再び開放させるタイミングを決めることができる。これにより、過不足のないタイミングで、LPL−EGR装置の作動を再開させることができる。
また、上記の処理が、本実施形態にかかる構成において実行されることによって、比較例で示したようなガス98による新気層の形成を、抑制することができる。その結果、EGR率の急減を避けることができる。
なお、上述した実施の形態においては、コンプレッサ62およびタービン60により構成された過給器が、前記第1の発明における「過給器」に、EGR通路50、EGRクーラ52およびEGRバルブ54により構成されたLPL−EGR装置が、前記第1の発明における「EGR手段」に、吸気バイパス通路66が、前記第1の発明における「吸気バイパス通路」に、ABV64が、前記第1の発明における「開閉手段」に、それぞれ相当している。また、実施の形態においては、図3のルーチンにおいてECU80がステップS104およびS106の処理を実行することにより、前記第1の発明における「EGR量制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態においては、EGR通路50が、前記第の発明における「EGR通路」に相当している。

[実施の形態にかかる変形例]
実施の形態では、ABV64の作動と同時に、LPL−EGR装置におけるEGRバルブ54を閉じた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。単にABV64を開くときにEGRバルブ54を閉じるという手法に限らず、ABV64の開度が所定開度を上回ったときにEGRバルブ54の開度を低減してもよい。具体的には、ABV64の開度が所定開度を上回ったか否かをステップS104において検出しても良い。なお、この所定開度が零である場合が、ABV64の開度が零を上回ったか否かつまりABV64が開いたか否かを判定している場合に当たる。また、実施の形態のようにEGRバルブ54を完全に閉塞するのではなく、EGRバルブ54の開度を低減してEGR量を減少させてもよい。ABV64作動時においてEGRバルブ54を制御すべき所定の目標開度を決めておき、当該所定目標開度と一致又はこれを下回るようにEGRバルブ54を制御しても良い。こういった手法でも、戻りガス96のEGR率を低く抑えて、ABV64作動時に、過剰に高EGR率となったガスが発生して吸入される弊害を少なくすることができる。
実施の形態では、EGRバルブ54の開放時期(EGR再開時期)の決定にあたり、計算により求めた戻りガス経過時間を利用した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。エアフローメータ等を用いて通過空気量を検出することで、戻りガス96が通過したかどうかを検出しても良い。具体的には、図3のルーチンのステップS108において戻りガス量を推定した後、エアフローメータ等から積算吸入空気量を求めて、推定戻りガス量分のガスが吸気通路26内を通過したかどうかを判定する。これにより戻りガス96が通過したかどうかを判定して、EGRバルブ54の開放時期を決めても良い。
実施の形態では、「実施の形態にかかる制御装置の動作、効果」の(2)の欄において図2、図4および図5を用いて説明したように、LPL−EGRの吸気通路26への導入位置を、コンプレッサ62上流側における吸気バイパス通路66と吸気通路26の接続位置よりも上流側に配置している。しかしながら、本発明は必ずしもこの構成に限られるものではない。比較例として示した構成、すなわち、コンプレッサ62上流における吸気バイパス通路166と吸気通路26の接続位置が、EGRバルブ54と吸気通路26の接続位置よりも上流に位置している構成でもよい。また、LPL−EGRの吸気通路26への導入位置と、コンプレッサ62上流側における吸気バイパス通路66と吸気通路26の接続位置とが、同じであっても良い。こういった構成でも、過剰な排気ガス添加の発生を抑制する観点から、ABV64の作動に応じたEGRバルブ54の閉鎖又は開度低減を行うことができる。これにより、必要以上に高EGR率となったガスが発生することを抑制でき、そのような高EGR率のガスが吸入されるのを抑制することができる。
10 内燃機関本体
22 サージタンク
24 スロットル
26 吸気通路
28 インタークーラ
30 排気管
32 触媒
40 EGR通路
42 EGR触媒
44 EGRクーラ
46 EGRバルブ
50 EGR通路
52 EGRクーラ
54 EGRバルブ
60 タービン
62 コンプレッサ
64、164 エアバイパスバルブ(ABV)
66、166 吸気バイパス通路

Claims (4)

  1. 内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを有する過給器と、
    前記内燃機関の排気ガスを前記吸気通路における前記コンプレッサの上流に循環させるEGR手段と、
    前記吸気通路における前記コンプレッサの上流と前記吸気通路における前記コンプレッサの下流とを連通させる吸気バイパス通路と、
    前記吸気バイパス通路に設けられた開閉手段と、
    前記開閉手段が零開度以上の所定開度を上回る開度で前記吸気バイパス通路を開放したときに、前記コンプレッサの上流に循環させられる前記排気ガスの量を低減するEGR量制御手段と、
    を備え
    前記EGR量制御手段は、前記排気ガスの量の低減を行ったあとに所定期間が経過したら当該低減中より前記排気ガスの量を増加させるEGR量回復手段を含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記所定期間は、前記吸気バイパス通路が開放されたことで前記吸気バイパス通路を介して前記コンプレッサ下流から前記コンプレッサ上流に戻ったガスが、前記吸気通路前記コンプレッサの上流と前記EGR通路とが接続する位置を通過する程度の時間であることを特徴とする請求項に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記EGR手段は、
    前記吸気バイパス通路が前記吸気通路における前記コンプレッサの前記上流に接続する位置よりも上流に一端が接続し、前記排気通路に他の一端が接続するEGR通路を、
    含み、
    前記EGR量制御手段は、前記開閉手段が前記吸気バイパス通路を前記所定開度を上回る開度に開放させたときに前記EGR通路を流れる排気ガスの量を低減する手段を、含むことを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記内燃機関の排気ガスを前記吸気通路における前記コンプレッサの下流に循環させる第2のEGR手段を更に備え、
    前記コンプレッサ上流に排気ガスを循環させる前記EGR手段が、LPL(Low Pressure Loop)−EGR装置であり、
    前記コンプレッサ下流に排気ガスを循環させる前記第2のEGR手段が、HPL(High Pressure Loop)−EGR装置であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の内燃機関の制御装置。
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