JP5659256B2 - 電磁弁の駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁弁の駆動制御装置に関し、特に内燃機関に装着される燃料噴射弁や排気還流制御弁などのように流体の流量を制御する電磁弁の開閉制御を行う装置に関する。

特許文献１には、内燃機関に設けられる燃料噴射弁を備える燃料噴射装置が示されている。この装置によれば、燃料噴射弁の実リフト期間がリフトセンサを用いて検出され、実リフト期間が目標リフト期間に一致するように、燃料噴射弁の駆動信号が補正される。

特開昭６３−９７８６９号公報

例えば内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁では、燃料噴射弁の実開弁時間（実リフト期間）が、燃料の圧力を受け易い傾向がある。ところが、特許文献１に示される装置では、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力の影響は考慮されていないため、比較的速い速度で燃料圧力が変化するような場合には、フィードバック制御での修正が間に合わず、実開弁時間と目標開弁時間との偏差が大きくなるという課題がある。

本発明はこの課題を解決するためになされたものであり、電磁弁によって流量制御される流体の圧力が比較的早い速度で変化した場合でも実開弁時間の制御偏差の増加を抑制し、制御精度を維持できる電磁弁の駆動制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、流体の流量を制御する電磁弁（２）の駆動制御装置において、前記流体の圧力（ＰＦ）を検出する圧力検出手段と、前記電磁弁の開弁要求時間（Ｔｏｐｅｎ）を算出する開弁要求時間算出手段と、前記開弁要求時間（Ｔｏｐｅｎ）に基づいて前記電磁弁の開弁指令時間（Ｔｉ）を算出し、該開弁指令時間（Ｔｉ）を用いて前記電磁弁の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、前記電磁弁の駆動時に前記電磁弁の実開弁時間（ＴｏｐｅｎＡ）を検出する実開弁時間検出手段と、前記実開弁時間（ＴｏｐｅｎＡ）が前記開弁要求時間（Ｔｏｐｅｎ）に近づくように前記開弁指令時間（Ｔｉ）を修正する修正手段と、修正した前記開弁指令時間（ＴｉＵＰＤ）を、検出される流体圧力に応じて所定の学習用流体圧（ＰＦＲＥＦ）における開弁指令時間に相当する学習用流体圧相当値（ＴｉＲＥＦ）に換算し、前記開弁要求時間（Ｔｏｐｅｎ）の制御単位時間（ＴＵＮＩＴ）毎に保持する保持手段とを備え、前記駆動信号生成手段は、前記学習用流体圧相当値（ＴｉＲＥＦ）を用いて前記駆動信号を生成することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電磁弁の駆動制御装置において、前記駆動信号生成手段は、前記開弁要求時間（Ｔｏｐｅｎ）に対応する前記学習用流体圧相当値（ＴｉＲＥＦ）を算出し、算出した学習用流体圧相当値（ＴｉＲＥＦ）を、検出される流体圧力（ＰＦ）に応じて検出流体圧相当値に換算して前記開弁指令時間（Ｔｉ）を算出し、前記電磁弁の駆動信号を生成することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電磁弁の駆動制御装置において、前記保持手段は、前記電磁弁の実開弁時間（ＴｏｐｅｎＡ）が前記流体圧力（ＰＦ）の影響を受け易い範囲（ＲＰＬＦＴ）に対応する前記学習用流体圧相当値（ＴｉＲＥＦ）を保持することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、電磁弁の開弁要求時間に基づいて電磁弁の開弁指令時間が算出され、該開弁指令時間を用いて電磁弁の駆動信号が生成される。電磁弁の駆動時に電磁弁の実開弁時間が検出され、実開弁時間が開弁要求時間に近づくように開弁指令時間が修正され、修正された開弁指令時間が、検出される流体圧力に応じて所定の学習用流体圧における開弁指令時間に相当する学習用流体圧相当値に換算され、開弁要求時間の制御単位時間毎に保持される。電磁弁の駆動信号は、保持された学習用流体圧相当値を用いて生成される。流体圧力の変化に対する実開弁時間の変化特性は、一定の相関関係があり、その相関関係を利用することにより、異なる流体圧力下で修正された開弁指令時間を、所定学習用流体圧における学習用流体圧相当値に換算し、またその逆の換算を行うことができる。したがって、保持した学習用流体圧相当値を用いることによって、流体圧力が比較的早い速度で変化した場合でも制御偏差の増加を抑制し、制御精度を維持することができる。また、所定学習用流体圧における学習用流体圧相当値に換算して保持するようにしたので、種々の流体圧下で修正された開弁指令時間をそれぞれの流体圧力に対応させて保持する場合に比べて、必要なメモリ容量を小さく抑えることができる。

請求項２に記載の発明によれば、開弁要求時間に対応する学習用流体圧相当値が算出され、算出した学習用流体圧相当値を、検出される流体圧力に応じて検出流体圧相当値に換算することにより開弁指令時間が算出されるので、小容量のメモリを用いて流体圧力の変化範囲の全体において制御精度を維持することができる。

請求項３に記載の発明によれば、保持する学習用流体圧相当値は、電磁弁の実開弁時間が流体圧力の影響を受け易い範囲に対応するものに限定されるので、必要なメモリ容量をさらに低減することができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置を示す図である。 燃料噴射弁の開弁要求時間（Ｔｏｐｅｎ）と、実開弁時間が開弁要求時間と一致するように設定した開弁指令時間（Ｔｉ）との関係を示す図である。 所定の学習用燃料圧における開弁指令時間に相当する学習用燃料圧相当値（ＴｉＲＥＦ）を保持するテーブルを示す。 開弁要求時間が一定という条件の下で部分リフト動作を行った場合における燃料圧（ＰＦ）と開弁指令時間（Ｔｉ）との関係を示す図である。 燃料噴射制御処理のフローチャートである。 図５に示す処理の変形例のフローチャートである。 開弁要求時間（Ｔｏｐｅｎ）が大きいフルリフト範囲でも学習を行うことにより得られたテーブルの一例を示す図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置を示す図であり、本実施形態では、ソレノイドを有する電磁弁で構成される燃料噴射弁の開弁時間を変更することによって、エンジンに供給する燃料量の制御が行われる。

４気筒のエンジン１は各気筒に対応して４つの燃料噴射弁２を備えており、燃料噴射弁２は、エンジン１の燃焼室内に直接燃料を噴射する。４つの燃料噴射弁２はそれぞれＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によって、その作動が制御される。

燃料噴射弁２は、燃料通路３を介してデリバリパイプ４に接続されており、デリバリパイプ４には図示しない高圧燃料ポンプによって加圧された燃料が供給される。デリバリパイプ４には、燃料圧ＰＦを検出する燃料圧センサ１２が取り付けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される

ＥＣＵ５には、燃料噴射弁２のソレノイドの両端の電圧ＶＳＬ及びソレノイドに供給される電流ＩＳＬを検出する電圧電流検出センサ１１、エンジン１の回転数ＮＥを検出するエンジン回転数センサ１３、エンジン１の吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ１４、吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ１５、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１６などのエンジン運転状態を検出する各種センサが接続されており、それらのセンサの検出信号はＥＣＵ５に供給される。ＥＣＵ５は、これらのセンサの検出信号を用いてエンジン運転状態に応じた燃料噴射弁２の開弁要求時間Ｔｏｐｅｎを算出し、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎに応じて開弁指令時間Ｔｉを算出し、開弁指令時間Ｔｉを用いて燃料噴射弁２の駆動制御を行う。

図２は、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎと、実際の開弁時間が開弁要求時間Ｔｏｐｅｎと一致するように設定した開弁指令時間Ｔｉとの関係を示す図である。この図に示す実線Ｌ１，破線Ｌ２，及び一点鎖線Ｌ３は、それぞれ燃料圧ＰＦが第１圧力ＰＦ１（例えば２０ＭＰａ），第２圧力ＰＦ２（例えば１０ＭＰａ），及び第３圧力ＰＦ３（例えば３．５ＭＰａ）である場合に対応する関係を示し、第１〜第３圧力ＰＦ１〜ＰＦ３はＰＦ１＞ＰＦ２＞ＰＦ３なる関係を満たす。通常は、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎの増加に対して開弁指令時間Ｔｉは単調に増加するが、一部（矢印ＡＲで示す範囲）において逆の相関特性を示す。これは、燃料噴射弁２の弁体が開弁作動時にバウンス動作（リフト量が小さく増減する動作）をすることに起因している。実際の制御においては後述するように単調に変化する特性で近似して、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎから開弁指令時間Ｔｉが算出される。

図２においてＴＯＤＬは最少開弁時間を示し、これより小さい範囲は使用されない。最少開弁時間ＴＯＤＬから要求時間閾値ＴＯＤＴＨまでの範囲ＲＰＬＦＴは、燃料噴射弁２の弁体が最大リフト量ＬＦＴＭＡＸに達しないような開弁動作（部分リフト動作）を行う範囲（以下「部分リフト範囲」という）であり、燃料圧ＰＦの影響を受けやすい範囲である。そこで本実施形態では部分リフト範囲ＲＰＬＦＴにおいては開弁要求時間Ｔｏｐｅｎと開弁指令時間Ｔｉとの相関関係を学習し、異なる燃料圧下における開弁要求時間Ｔｏｐｅｎに対応する開弁指令時間Ｔｉを、所定の学習用燃料圧ＰＦＲＥＦ（例えば燃料圧ＰＦ１に設定される）における開弁指令時間に相当する学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦに換算してＴｉＲＥＦテーブルとして保持するようにしている。

図３はＴｉＲＥＦテーブルの一例を示す図であり、部分リフト範囲ＲＰＬＦＴでは、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎの制御単位時間ＴＵＮＩＴ（例えば１０μｓｅｃ）毎に格子点が設定されており、対応する学習用燃料圧相当値ＴＩＲＥＦが学習により更新されつつ保持される。図３において、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎが要求時間閾値ＴＯＤＴＨより大きい範囲では、予め直線状に算出されたテーブル値ＴｉＲＥＦＴが設定されている。

図４は、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎが一定という条件の下で部分リフト動作を行った場合における燃料圧ＰＦと開弁指令時間Ｔｉとの関係を示す図であり、両者の関係は図に示す直線で近似可能である。この直線は下記式（１）で示される。
Ｔｉ＝Ａ×ＰＦ＋Ｂ （１）

式（１）のＡは直線の傾きであり、Ｂは燃料圧ＰＦが「０」のときの開弁指令時間Ｔｉに相当するが、実際にはあり得ない状態であり実用的な意義はない。図４に示す関係から明らかなように、燃料圧ＰＦが高くなるほど開弁指令時間Ｔｉを大きくする必要がある。燃料圧ＰＦが高くなるほど燃料噴射弁２が開弁し難くなるためである。

図５は、ＥＣＵ５で実行される燃料噴射制御処理のフローチャートである。なお、以下に説明する開弁指令時間Ｔｉの算出にかかる演算は、すべて制御対象の気筒毎に行われる。

ステップＳ１１では、エンジン運転状態に応じて開弁要求時間Ｔｏｐｅｎを算出し、ステップＳ１２では算出した開弁要求時間Ｔｏｐｅｎが要求時間閾値ＴＯＤＴＨ以下であるか否かを判別する。ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎに応じて図３に示すＴｉＲＥＦテーブルを検索し、学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦを算出する。

ステップＳ１４では、検出される燃料圧ＰＦを取得し、この燃料圧ＰＦ及びステップＳ１３で算出した学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦを下記式（２）に適用し、開弁指令時間Ｔｉを算出する。式（２）は、式（１）の関係（傾きＡ）を用いて学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦを、現時点の燃料圧ＰＦに対応する開弁指令時間（検出燃料圧相当値）に換算する式である。
Ｔｉ＝ＴｉＲＥＦ−Ａ×（ＰＦＲＥＦ−ＰＦ） （２）

ステップＳ１５では開弁指令時間Ｔｉを用いて燃料噴射弁２の駆動信号を生成し、燃料噴射を実行する。ステップＳ１７では燃料噴射実行時に実開弁時期ｔＯＰ及び実閉弁時期ｔＣＬを検出する。実開弁時期ｔＯＰは、電圧電流センサ１１により検出される電流波形の変曲点から求められ、実閉弁時期ｔＣＬは電圧電流センサ１１により検出される電圧波形の変曲点が求められる。この検出手法は、例えば特開平６−１７４１３９号公報に示されている。

ステップＳ１８では、下記式（３）により実開弁時間ＴｏｐｅｎＡを算出し、ステップＳ１９では、下記式（４）により偏差ＤＴｏｐｅｎを算出する。
ＴｏｐｅｎＡ＝ｔＣＬ−ｔＯＰ （３）
ＤＴｏｐｅｎ＝Ｔｏｐｅｎ−ＴｏｐｅｎＡ （４）

ステップＳ２０では、下記式（５）により補正時間ＴｉＣＲを算出する。式（５）のＧＰ及びＧＩはそれぞれ比例項ゲイン及び積分項ゲインであリ、ΣＤＴｏｐｅｎは偏差ＤＴｏｐｅｎの積算値である。
ＴｉＣＲ＝ＧＰ×ＤＴｏｐｅｎ＋ＧＩ×ΣＤＴｏｐｅｎ （５）

ステップＳ２１では、下記式（６）に開弁指令時間Ｔｉ及び補正時間ＴｉＣＲを適用して、更新開弁指令時間ＴｉＵＰＤを算出し、ステップＳ２２では更新開弁指令時間ＴｉＵＰＤを下記式（７）に適用して、更新テーブル値ＴｉＲＥＦＵＰＤを算出する。式（７）は、式（２）の逆変換を行うものであり、更新開弁指令時間ＴｉＵＰＤが学習用燃料圧ＰＦＲＥＦ相当の値である更新テーブル値ＴｉＲＥＦＵＰＤに換算される。
ＴｉＵＰＤ＝Ｔｉ＋ＴｉＣＲ （６）
ＴｉＲＥＦＵＰＤ＝ＴｉＵＰＤ＋Ａ×（ＰＦＲＥＦ−ＰＦ） （７）

ステップＳ２３では、更新テーブル値ＴｉＲＥＦＵＰＤを下記式（８）に適用して、ＴｉＲＥＦテーブルにおける、今回の開弁要求時間Ｔｏｐｅｎに対応する設定値を更新する。式（８）の右辺のＴｉＲＥＦは現在のテーブル設定値であり、ＣＬは例えば「０．１」程度の値に設定されるなまし係数である。
ＴｉＲＥＦ＝ＣＬ×ＴｉＲＥＦＵＰＤ＋（１−ＣＬ）×ＴｉＲＥＦ （８）

一方ステップＳ１２の答が否定（ＮＯ）であって、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎが要求時間閾値ＴＯＤＴＨより大きいとき（部分リフト範囲ＲＰＬＦＴ外であるとき）は、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎに応じてＴｉＲＥＦテーブルを検索して、テーブル値ＴｉＲＥＦＴを算出する（ステップＳ３１）。部分リフト範囲ＲＰＬＦＴ内の設定値である学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦと区別するために、部分リフト範囲ＲＰＬＦＴ外の設定値を「テーブル値ＴｉＲＥＦＴ」という表記する。

ステップＳ３２では、下記式（９）にテーブル値ＴｉＲＥＦＴを適用して、開弁指令時間Ｔｉを算出する。式（９）のＴｉＣＲは、後述するステップＳ３７で算出される補正時間（前回算出値）である。
Ｔｉ＝ＴｉＲＥＦＴ＋ＴｉＣＲ （９）

ステップＳ３３〜Ｓ３７における処理内容は、上述したステップＳ１６〜Ｓ２０と同一である。すなわち、燃料噴射を実行して実開弁時間ＴｏｐｅｎＡを検出し（ステップＳ３３〜Ｓ３５）、実開弁時間ＴｏｐｅｎＡと開弁要求時間Ｔｏｐｅｎとの偏差ＤＴｏｐｅｎを算出し（ステップＳ３６）、偏差ＤＴｏｐｅｎ応じて補正時間ＴｉＣＲを算出する（ステップＳ３７）。

以上のように本実施形態では、燃料噴射弁２の開弁要求時間Ｔｏｐｅｎに基づいて開弁指令時間Ｔｉが算出され、開弁指令時間Ｔｉを用いて燃料噴射弁２の駆動信号が生成され、燃料噴射を実行したときに燃料噴射弁２の実開弁時間ＴｏｐｅｎＡが検出される。燃料噴射弁２の部分リフト範囲ＲＰＬＦＴでは、実開弁時間ＴｏｐｅｎＡが開弁要求時間Ｔｏｐｅｎに近づくように開弁指令時間Ｔｉを修正することにより、更新開弁時間ＴｉＵＰＤが算出され、更新開弁時間ＴｉＵＰＤが、検出される燃料圧ＰＦに応じて学習用燃料圧ＰＦＲＥＦにおける開弁指令時間に相当する更新テーブル値ＴｉＲＥＦＵＰＤに換算され、更新テーブル値ＴｉＲＥＦＵＰＤによって、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎの制御単位時間ＴＵＮＩＴ毎にＴｉＲＥＦテーブルとして保持される学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦが更新される。したがって、更新テーブル値ＴｉＲＥＦＵＰＤによって更新された学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦがＴｉＲＥＦテーブルとして保持される。そして、燃料噴射弁２の駆動信号の生成に使用される開弁指令時間Ｔｉは、保持された学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦを用いて算出される。

図４に示すように、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎが一定であるときの燃料圧ＰＦと開弁指令時間Ｔｉとの関係は直線で近似できるので、この関係を用いて異なる燃料圧ＰＦ下で算出された更新開弁時間ＴｉＵＰＤを、所定学習用燃料圧ＰＦＲＥＦにおける学習用燃料圧相当値としての更新テーブル値ＴｉＲＥＦＵＰＤに換算すること、及びその逆の換算を行うことができる。したがって、保持した学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦを用いることによって、燃料圧ＰＦが比較的早い速度で変化した場合でも、実開弁時間ＴｏｐｅｎＡの制御偏差の増加を抑制し、制御精度を維持することができる。また、所定学習用燃料圧ＰＦＲＥＦにおける学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦに換算して保持するようにしたので、種々の異なる燃料圧下で修正された開弁指令時間Ｔｉをそれぞれの燃料圧ＰＦに対応させて保持する場合に比べて、必要なメモリ容量を小さく抑えることができる。

また保持する学習用燃料圧相当値ＴｉＲＥＦは、実開弁時間ＴｏｐｅｎＡが燃料圧ＰＦの影響を受け易い部分リフト範囲ＲＰＬＦＴに対応するものに限定するようにしたので、必要なメモリ容量をさらに低減することができる。

本実施形態では、電圧電流センサが実開弁時間検出手段の一部を構成し、燃料圧センサ１２が圧力検出手段に相当し、ＥＣＵ５が開弁要求時間算出手段、実開弁時間検出手段の一部、駆動信号生成手段、修正手段、及び保持手段を構成する。具体的には、図５のステップＳ１１が開弁要求時間算出手段に相当し、ステップＳ１３〜Ｓ１６が駆動信号生成手段に相当し、ステップＳ１７及びＳ１８が実開弁時間検出手段に相当し、ステップＳ１９〜Ｓ２１が修正手段に相当し、ステップＳ２２及びＳ２３が保持手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図５の処理では、テーブル値ＴｉＲＥＦＴの学習は行っていないが、図６に示すように算出された補正時間ＴｉＣＲを用いてテーブル値ＴｉＲＥＦＴの学習（更新）を行うようにしてもよい。図６の処理は、図５の処理にステップＳ３８及びＳ３９を追加したものである。

ステップＳ３８では、ステップＳ２１と同様にして更新開弁指令時間ＴｉＵＰＤを算出し、ステップＳ３９では下記式（１０）により、テーブル値ＴｉＲＥＦＴの更新を行う。式（１０）の右辺のＴｉＲＥＦＴは現在のテーブル設定値である。
ＴｉＲＥＦＴ＝ＣＬ×ＴｉＵＰＤ＋（１−ＣＬ）×ＴｉＲＥＦＴ （１０）

図７は、開弁要求時間Ｔｏｐｅｎが要求時間閾値ＴＯＤＴＨより大きい範囲（フルリフト範囲）でも学習を行うことにより得られたＴｉＲＥＦテーブルの一例を示す。
このようにフルリフト範囲でも学習を行うことによって、実開弁時間ＴｏｐｅｎＡの制御精度を高めることができる。

また、電磁弁の実開弁時間（ＴｏｐｅｎＡ）は、特許文献１に示されるようにリフトセンサを用いて検出するようにしてもよい。また、上述した実施形態では、比例積分制御を適用して補正時間ＴｉＣＲを算出するようにしが、比例項ゲインＧＰを「１」とし、積分項ゲインＧＩを「０」として、偏差ＤＴｏｐｅｎをそのまま補正時間ＴｉＣＲとしてもよい。

上述した実施形態では、内燃機関の燃料噴射弁に本発明を適用した例を示したが、本発明は流体の流量を制御するための一般的な電磁弁にも適用可能である。

２ 燃料噴射弁（電磁弁）
５ 電子制御ユニット（開弁要求時間算出手段、実開弁時間検出手段、駆動信号生成手段、修正手段、保持手段）
１１ 電圧電流センサ（実開弁時間検出手段）
１２ 燃料圧センサ（圧力検出手段）

Claims (3)

1. 流体の流量を制御する電磁弁の駆動制御装置において、
   前記流体の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記電磁弁の開弁要求時間を算出する開弁要求時間算出手段と、
   前記開弁要求時間に基づいて前記電磁弁の開弁指令時間を算出し、該開弁指令時間を用いて前記電磁弁の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
   前記電磁弁の駆動時に前記電磁弁の実開弁時間を検出する実開弁時間検出手段と、
   前記実開弁時間が前記開弁要求時間に近づくように前記開弁指令時間を修正する修正手段と、
   修正した前記開弁指令時間を、検出される流体圧力に応じて所定の学習用流体圧における開弁指令時間に相当する学習用流体圧相当値に換算し、前記開弁要求時間の制御単位時間毎に保持する保持手段とを備え、
   前記駆動信号生成手段は、前記学習用流体圧相当値を用いて前記駆動信号を生成することを特徴とする電磁弁の駆動制御装置。
2. 前記駆動信号生成手段は、前記開弁要求時間に対応する前記学習用流体圧相当値を算出し、算出した学習用流体圧相当値を、検出される流体圧力に応じて検出流体圧相当値に換算して前記開弁指令時間を算出し、前記電磁弁の駆動信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の電磁弁の駆動制御装置。
3. 前記保持手段は、前記電磁弁の実開弁時間が前記流体圧力の影響を受け易い範囲に対応する前記学習用流体圧相当値を保持することを特徴とする請求項２に記載の電磁弁の駆動制御装置。

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