JP6270590B2 - 車両用内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、モータジェネレータを備えている車両用内燃機関に関するものである。

車両用の内燃機関において、モータ兼用発電機（モータジェネレータ）を搭載して、これにスタータを兼用させたり、クランク軸の回転をアシストしたりすることが実施されたり提案されたりしている。モータジェネレータとクランク軸との間の動力伝達はベルトで行われており、このため、クランク軸にはクランクプーリを設けて、モータジェネレータにはモータジェネレータプーリを設けている。

クランクプーリとモータジェネレータプーリとに巻き掛けられたベルトの特徴は、モータジェネレータが発電機として機能するときとモータとして機能するときとで張り側と弛み側とが入れ替わることである。

そこで、いずれの使用態様でもベルトとモータジェネレータプーリとの間に必要なフリクションが得られるようにするため、一対のテンションプーリを有する自動テンショナをモータジェネレータの近くに配置して、ベルトをモータジェネレータプーリの近くにおいてテンションプーリで両側から挟んでいる。従って、ベルトは、２つのテンションプーリで挟まれてくびれた形態になっている。

自動テンショナを構成する一対のテンションプーリは、ベルトの動きに追従して一緒にスイング（振り子運動）しつつ、ばねに抗して互いに独立し移動可能になっているが、ベルトを単にクランクプーリとモータジェネレータプーリとに巻き掛けただけであると、ベルトの変形量が少ないため、ベルトで押されたテンションプーリがベルトから離れて、ばねで戻ることでベルトを叩く現象が発生して、異音を発生させやすい問題があった。

つまり、図１０に示すように、ベルト１０１の張り側と弛み側とが入れ変わることでベルト１０１の曲がり形態が変化するにおいて、ベルト１０１は真っ直ぐな状態までしか変形できないが、単にクランクプーリ１０２とモータジェネレータプーリ１０３とにベルト１０１を巻き掛けたに過ぎない状態では、ベルト１０１の変形許容範囲θ１が小さいため、ベルト１０１が真っ直ぐになってもテンションプーリ１０４は惰性で移動してベルト１０１から離れ、これがばねで戻ることでベルト１０１に当たり、ここで異音が発生しやすいのであった。

この点については、ベルト１０１がモータジェネレータプーリ１０３から両側に広がる基準広がり角度θ２を大きくして、２つのテンションプーリ１０４で大きく窄めた状態にしておくことで、テンションプーリ１０４が大きくスイングしてもベルト１０１が真っ直ぐにならないようにしておけばよいと云える。

この点について特許文献１には、クランクプーリの真横にアイドルプーリを配置して、クランクプーリとアイドルプーリとの中間点の真上にモータジェネレータを配置することで、モータジェネレータの両側に広がる基準角度を大きくしつつ、ベルトをモータジェネレータプーリの近くにおいて２つのテンションプーリが挟むことが開示されている。この特許文献１では、アイドルプーリは、ベルトの周回方向に向かってクランクプーリとモータジェネレータとの間にアイドルプーリが配置されている。

特開２００４−６８９７３号公報

さて、特許文献１では、クランクプーリとアイドルプーリとモータジェネレータプーリとは二等辺三角形を構成しており、従って、ベルトのうちモータジェネレータプーリとクランクプーリとの間の長さと、モータジェネレータプーリとアイドルプーリとの間の長さは同じである。このため、２つのテンションプーリは完全に同期して動く傾向を呈しており、その結果、テンションプーリに慣性力が作用して、図１０（Ｃ）のようにベルトから離反しやすくなることが懸念される。

つまり、特許文献１は、ベルトの広がり角度を大きくすることはできるが、ベルトの動きにテンションプーリが追従し過ぎて、テンションプーリの踊り現象によってテンションプーリによるベルトの叩き音が発生するおそれがあった。

また、モータジェネレータは発電機として使用する頻度が圧倒的に高いが、特許文献１では、モータジェネレータを発電機として使用する状態ではアイドルプーリは弛み側に位置しているため、張り側においてベルトが直線状又はそれに近い状態になると、クランクプーリに対するベルトの接触長さが短くなって、クランクプーリとベルトとの間の動力伝達効率が悪化するおそれがある。

更に、特許文献１では、アイドルプーリをクランクプーリの真横に配置してモータジェネレータ９は両者の間の中間点の真上に配置しているため、モータジェネレータは、シリンダヘッドカバーの上に配置するか、シリンダヘッド又はシリンダブロックの一端面から大きく突出した状態に配置するかせねばならず、すると、モータジェネレータが他の部材の邪魔になって設計が非常に面倒になるおそれもある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、クランクプーリが固定された一端部を機関本体の一端面から突出させたクランク軸と、ベルトを介して前記クランクプーリで駆動されるモータジェネレータとを備えており、前記モータジェネレータを、クランク軸線方向から見て気筒軸心を挟んだ一方の側に配置している、という基本構成である。

そして、請求項１では、上記基本構成において、前記機関本体のうち、クランク軸線方向から見て前記クランク軸とモータジェネレータとの間の左右範囲でかつクランク軸及びモータジェネレータよりも高い領域に、前記ベルトのうち周回方向に向かってモータジェネレータプーリとクランクプーリとの間に位置した部位が巻き掛けられるアイドルプーリを配置しており、更に、前記ベルトのうち前記モータジェネレータの近くの部位を、一緒に移動する一対のテンションプーリで両側から挟んで間隔を狭めている。

請求項２の発明は、請求項１において、前記アイドルプーリの真下に、前記クランク軸で駆動されるウォータポンプを配置している。なお、モータジェネレータは、スタータモータとして機能する場合と、スタータモータは別にあってクランク軸の回転のアシストモータとして機能する場合との両方を含んでいる。

本願発明では、アイドルプーリは、ベルトの周回方向に向かってモータジェネレータとクランクプーリとの間に配置しているため、モータジェネレータを発電機として使用する状態では、クランクプーリはベルトの張り側に位置しており、モータジェネレータプーリはアイドルプーリを介してベルトで引かれる。

そして、ベルトのうちモータジェネレータプーリとクランクプーリとの間の部分が伸び状態になると、ベルトのうちモータジェネレータプーリとクランクプーリとの間の部分は大きく凹むため、クランクプーリに対するベルトの接触長さを大きくすることができる。すなわち、使用頻度が圧倒的に高い発電状態で、クランクプーリとベルトとの接触長さを長くして動力伝達効率を向上できる。

また、モータジェネレータプーリを挟んだ両側でのベルトの広がり角度が大きくなるため、テンションプーリによってベルトを大きく狭めることができる。このため、ベルトの形状が変化してもテンションプーリがベルトに当接した状態を維持して、テンションプーリによるベルトの叩き現象を防止でき、これにより、異音の発生を抑制できる。

また、ベルトが空回り状態から発電状態になってトルクが掛かる場合、モータジェネレータプーリにベルトのテンションが作用し、これによってテンションプーリも移動するが、モータジェネレータとクランクプーリとの間の長さが長いため、ベルトの伸びにより、張力が即座にモータジェネレータプーリ及びテンションプーリに伝わることを抑制して、ごく僅かながらタイムラグをおいて張力がテンションプーリに伝わる。このため、テンションプーリが急激に動いて踊る現象を緩和できる。その結果、テンションプーリがベルトから離れることを抑制して、異音の発生を抑制できる。

更に、本願発明ではモータジェネレータはクランク軸線方向から見て気筒軸心を挟んだ一方の側に配置しているため、モータジェネレータを正面視で機関本体の外側に配置することを簡単に行える。このため、モータジェネレータを他の部材の邪魔にならないように配置することが簡単で設計が容易であると共に、機関のコンパクト化・低重心化にも貢献できる。

ウォータポンプもクランク軸で駆動されるが、機関本体のうちウォータポンプを設けている部分は高い強度になっていることが殆どである。そして、請求項２の構成を採用すると、機関本体のうち強度が高いウォータポンプ配置部の近くにアイドルプーリが配置されるため、アイドルプーリの支持強度を向上できる利点がある。更に、請求項２の構成を採用すると、ウォータポンプやその駆動ベルトがモータジェネレータ駆動ベルトで囲われたエリアに配置されるため、機関全体をコンパクト化できる利点もある。

実施形態の全体的な概略正面図である。 フロントカバーの斜視図である。 概略平面図である。 （Ａ）はクランクプーリの平断面図、（Ｂ）はウォータポンプのプーリの部分の平断面図、（Ｃ）はアイドルプーリの箇所の平断面図である。 振り子式自動テンショナを回転軸心方向から見た正面図である。 図５のVI-VI 視側面図である。 モータジェネレータの取り付け手段を示す分離平面図である。 （Ａ）は図３の VIII-VIII視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図である。 図８（Ａ）のIX-IX 視断面図である。 従来技術を説明するための模式図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜３に基づいて概要を説明する。以下の説明では方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線Ｏ１の方向であり、左右方向は、気筒軸線Ｏ２及びクランク軸線Ｏ１と直交した方向である。なお、実施形態の内燃機関は、気筒軸線Ｏ２は鉛直線Ｏ３に対して若干傾斜している（スラントしている）が、図では、便宜的に気筒軸線Ｏ２を鉛直姿勢にして表示している。

内燃機関の基本的な構成は従来と同様であり、機関本体１は、主要要素として、シリンダブロック２とその上面に固定されたシリンダヘッド３、並びにこれらの一端面に多数のボルト４で固定されたフロントカバー（チェーンカバー、チェーンケース）５を備えている。シリンダヘッド３の上面にはヘッドカバー６が固定されて、シリンダブロック２の下面にはオイルパン７が固定されている。

クランク軸８の一端部はフロントカバー５の外側に突出している一方、正面視で機関本体１を挟んだ左側にはモータジェネレータ（ＩＳＧ）１０を配置し、右側にはエアコン用コンプレッサ１０を配置している。また、フロントカバー５のうち、概ね上下中間部でかつ左寄りの部位にはウォータポンプ１１を配置している。

モータジェネレータ９は複数のブラケット（詳細は後述する）を介してシリンダブロック２及びフロントカバー５に固定されており、エアコン用コンプレッサ１０は、図示しないブラケットを介してシリンダブロック２（又は／及びフロントカバー５）に固定されている。

ウォータポンプ１１はポンプハウジングをフロントカバー５で兼用しており、フロントカバー５にポンプカバー１２（図１参照）を固定することでウォータポンプ１１が構成されている。このため、フロントカバー５にはポンプ室１３（図２参照）が空いている。ポンプ室１３の奥側はシリンダブロック２で塞がれる。従って、正確には、シリンダブロック２もウォータポンプ１１の構成要素になっている。

モータジェネレータ９、エアコン用コンプレッサ１０、ウォータポンプ１１は、それぞれ回転軸に固定されたプーリ１５，１６，１７を備えており、モータジェネレータプーリ１５と第１クランクプーリ１８とに第１ベルト１９が巻き掛けられて、エアコン用コンプレッサ１０のプーリ１６と第２クランクプーリ２０とに第２ベルト２１が巻き掛けられて、ウォータポンプ１１のプーリ１７と第３クランクプーリ２２とに第３ベルト２３が巻き掛けられている。

第１クランクプーリ１８と第２クランクプーリ２０とは略同径であり、モータジェネレータプーリ１５は第１クランクプーリ１８の略半分の外径になっている。従って、発電機として機能するときは、モータジェネレータ９はクランク軸８の回転数の数倍の回転数で駆動され、モータジェネレータ９がモータとして機能するときは、クランク軸８はモータジェネレータ９の数分の１の回転数で駆動される。

第１ベルト１９のうちモータジェネレータプーリ１５の近くの部位は、振り子式の自動テンショナ２８における２個のテンションプーリ２９で挟まれている。この場合、自動テンショナ２８が機能するには、第１ベルト１９がモータジェネレータプーリ１５から遠ざかるに従って広がることが必要であり、そこで、第１ベルト１９の広がり角度を確保するため、フロントカバー５のうちウォータポンプ１１の上側にアイドルプーリ３０を取り付けている。従って、ウォータポンプ１１は、第１ベルト１９で囲われたエリアに配置されている。

エアコン用コンプレッサ１０のプーリ１６は、第２クランクプーリ２０よりもやや小径になっている。従って、第２ベルト２１を単に巻き掛けただけで、第２ベルト２１と第２クランクプーリ２０との間に必要なフリクションを確保できる。第３クランクプーリ２２は第１及び第２のクランクプーリ１８，２０の略半分程度の外径であり、第３クランクプーリ２２とウォータポンプ１１のプーリ２２とは略同径になっている。この場合も、第３ベルト２３を単に巻き掛けただけで、必要なフリクションを得ることができる。

なお、本実施形態では、オイルポンプはフロントカバー５の一部をハウジングに兼用しており、このため、フロントカバー５には、クランク軸８で駆動されるロータが嵌まり込むポンプ室３１を設けている。また、フロントカバー５の右側の下端には、下方からオイルフィルター３２を着脱できるフィルター取り付け座３３が一体に形成されている。

モータジェネレータ９はクランク軸８よりも上に位置しており、ウォータポンプ１１及びアイドルプーリ３０は、モータジェネレータ９及び第１クランクプーリ１８よりも上に位置している。また、アイドルプーリ３０及びウォータポンプ１１は、正面視で気筒軸線Ｏ２よりもモータジェネレータ９に寄ったエリアに配置されている。

従って、クランク軸８とモータジェネレータ９との間の間隔Ｌ１、モータジェネレータ９とアイドルプーリ３０との間隔Ｌ２、アイドルプーリ３０とクランク軸８との間隔Ｌ３は、Ｌ１＜Ｌ２＋Ｌ３の関係にあり、かつ、Ｌ１はＬ２よりも大きくなっている（Ｌ１≠Ｌ２の関係になっている。）。Ｌ１とＬ３とは略同じになっているが、互いに異ならせてもよい。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は上記の関係にあるが、モータジェネレータプーリ１５を挟んだ両側に位置した第１ベルト１９の露出長さは略同じになっている。従って、２つのテンションプーリ２９は略同じ動きで第１ベルト１９に追従する。

(2).要部の詳細
次に、本願発明に関連した各部位の詳細を説明する。図３，４に示すように、第１クランクプーリ１８と第２クランクプーリ２０と第３クランクプーリ２２とはクランク軸心Ｏ１とは一体に形成されており、第１クランクプーリ１８が最もフロントカバー５に近くて第３クランクプーリ２２がフロントカバー５から最も遠く、第２クランクプーリ２０は両者の間に位置している。３つのクランクプーリ１８，２０，２２は一体に製造されていて、ボルト３５でクランク軸８の一端部に固定されている。

なお、クランクプーリ１８，２０，２２はキー係合等でクランク軸８に対して相対回転しないように保持されている。また、各クランクプーリ１８，２０，２２を別々に製造して互いに重ね合わせてもよい。

各ベルト１９，２１，２３は断面凹凸のものを使用しており、このため、各クランクプーリ１８，２０，２２及び補機のプーリ１５，１６，１７の外周面にもベルト１９，２１，２３が嵌まる溝３６が形成されている。本実施形態の特徴として、ベルト１９，２１，２３の溝幅は、第１ベルト１９は第２ベルト２１よりも幅広で、第２ベルト２１は第３ベルト２３より幅広になっている。従って、各クランクプーリ１８，２０，２２及び各補機のプーリ１５，１６，１７も、ベルト１９，２１，２３の幅に応じて幅寸法が相違している。

このように各ベルト１９，２１，２３の幅寸法を変えることで、各ベルト１９，２１，２３の撓み変形を容易にしつつ必要な動力伝達性能を確保できる。従って、１本のベルトで各補機を駆動する場合に比べて動力損失を低減できる。

図４（Ｂ）に示すように、ウォータポンプ１１のプーリ１７には円板部１７ａが一体に形成されており、円板部１７ａに設けた円筒部１７ｂが回転軸３７に固定されている。

他方、図４（Ｃ）に示すように、アイドルプーリ３０は、フロントカバー５に設けたボス３８にボールベアリング３９を介してボルト４０で取り付けられており、ボルト４０を中心軸に兼用していると共に、ボールベアリング３９のインナーレースがボルト４０でボス３８に押さえ固定されている。もとより、ボールベアリング３９が嵌まる中心筒を有するスペーサをフロントカバー５に重ね配置してもよい。

図５，６に示すように、自動テンショナ２８は、モータジェネレータ１５が遊嵌する円板状ベース４１と、テンションプーリ２９が回転自在に保持された２つのアーム４２とを有しており、２つのアーム４２を、テンションプーリ２９が遠近動し得るようにベース４１に回動自在に連結し、かつ、略Ｕ型のばね４３で２つのアーム４２を互いに接近する方向に付勢している。２つのアーム４２は、ベース４１に対して、基部を中心に回動しつつ、ベース４１の軸心回りに旋回もするように取り付けられている。

従って、２つのテンションプーリ２９は、ばね４３と一緒にベース４１の軸心回りに回動し得ると共に、ばね４３を変形させることで互いに独立して動くことが可能である。ベース４１のうちテンションプーリ２９と反対側の部位には、複数個（３個）の円筒状足部４４を設けており、足部４４がモータジェネレータ９の外面にボルト（図示せず）で固定されている。足部４４は、図３に一点鎖線で示すトップブラケット板４５に固定されている。なお、トップブラケット板４５は、リアブラケット板４６と補強ロッド４７で連結されている。

本実施形態では、自動テンショナ２８は、ベース４１の軸心４８が、正面視において、モータジェネレータ９におけるプーリ１５の軸心４９よりも若干の寸法Ｅだけフロントカバー５から離れるように設定している。

次に、モータジェネレータ９の取り付け構造を、主として図７〜９に基づいて説明する。モータジェネレータ９は、上ブラケット５１を介してシリンダヘッド３及びフロントカバー５に固定されていると共に、第１及び第２の下ブラケット５２，５３を介してシリンダブロック２に固定されている。

上ブラケット５１は鋳物品又はダイキャスト品であり、側面視では上窄まりの形状であり、上端部はシリンダヘッド３の一側面３ａに突設した突部５４に第１上ボルト５５で締結されている。また、フロントカバー５は、シリンダヘッド３の一側面３ａから外向きに突出した張り出し部５６を設ける一方、上ブラケット５１には、フロントカバー５における張り出し部５６の裏面に重なるボス部５７を設け、フロントカバー５の張り出し部５６とボス部５７とを第２上ボルト５８で締結している。従って、上ブラケット５１は、姿勢が直交している２本の上ボルト５５，５８により、シリンダヘッド３とフロントカバー５とに固定されている。

上ブラケット５１の下端には、モータジェネレータ９のケーシングに設けた前後の上リブ５９の間に嵌まる筒部５１ａを設けており、筒部５１が第３上ボルト６０及びナット６１で上リブ５９に締結されている。この場合、ナット６１は奥側の上リブ５９に設けた六角穴６２に回転不能に嵌まっている。従って、取り付けに際しては、第３上ボルト６０をねじ込み操作するだけでよい。

第１下ブラケット５２は、上下の筒６３を前後の端板６４に固定したリンクの形態を成しており、上部はシリンダブロック２に設けた前後の支持突起６５の間に挟み込んで、支持突起６５に第１下ボルト６６及びナット６７で固定されている。また、第１下ブラケット５２の下端は、モータジェネレータ９のケーシングに設けた前後の下リブ６７の間に挟み込まれている。

他方、第２下ブラケット５３は板金製であって、シリンダブロック２の一側面２ａに重なる基部５３ａと、基部５３ｂから横向きに突出したアーム部５３ｂとを有しており、基部５３ａは第２下ボルト６８でシリンタブロック２に締結されている。

他方、アーム部５３ｂでモータジェネレータ９の前後の下リブ６７を外側から挟み、第２下ブラケット５３の前後アーム部５３ｂと、前後の第２下リブ６７と第１ブラケット５２とを第３下ボルト６９及びナット７０で共締めしている。なお、下第１ブラケット５２は、前後下リブ６７に対して回動が許容される状態であってもよい。

(3).まとめ
以上の構成において、アイドルプーリ３０は、第１ベルト１９の周回方向に向かってモータジェネレータ９と第１クランクプーリ１８との間に配置しているため、モータジェネレータ９を発電機として使用する状態では、第１クランクプーリ１８は第１ベルト１９の張り側に位置しており、モータジェネレータプーリ１５はアイドルプーリ３０を介して第１ベルト１９で引かれる。

そして、機関の運転中、ベルトが駆動されてモータジェネレータ９が発電機として機能するに際して、モータジェネレータプーリ１５が負荷として作用することで第１ベルト１９がモータジェネレータプーリ１５とアイドルプーリ３０との間で真っ直ぐになろうとするが、モータジェネレータプーリ１５からアイドルプーリ３０を経由して第１クランクプーリ１８に至る第１ベルト１９の長さが長いため、第１ベルト１９の若干の伸びにより、張力がテンションプーリ２９に作用するのが遅れ気味になる。

従って、上側のテンションプーリ２９に強いテンションが瞬間的に作用することがなく、張力は緩和された状態で上側のテンションプーリ２９に作用する。その結果、上側のテンションプーリ２９で瞬間的に動いて第１ベルト１９から離反する踊り現象を抑制して、テンションプーリ２９と第１ベルト１９とが叩き合うことにより異音の発生を抑制することが可能になる。

また、第１ベルト１９のうちモータジェネレータプーリ１５とアイドルプーリ３０との間の部分が伸び状態になると、第１ベルト１９のうちモータジェネレータプーリ１５と第１クランクプーリ１８との間の部分は大きく凹むため、第１クランクプーリ１８に対する第１ベルト１９の接触長さを大きくすることができる。すなわち、使用頻度が圧倒的に高い発電状態で、第１クランクプーリ１８と第１ベルト１９との接触長さを長くして動力伝達効率を向上できる。

また、既述のとおり、ウォータポンプ１１のポンプハウジングをフロントカバー５に兼用させていることから、フロントカバー５のうちウォータポンプ１１の配置箇所は高い強度になっており、この強度が高い部分の近傍にアイドルプーリ３０を設けているため、アイドルプーリの３０の支持強度も高くなっている。すなわち、わざわざ補強等の手段を施すことなく、アイドルプーリ３０は高い支持強度で配置できるのである。

更に、モータジェネレータ９は機関本体１の横に配置されているため、モータジェネレータ９が他の部材の邪魔にならないように配置することが簡単で設計が容易であると共に、機関のコンパクト化・低重心化にも貢献できる。また、ウォータポンプ１１をアイドルプーリ３つの下に配置したことで、ウォータポンプ１１は第１ベルト１９で囲われた内部に配置されるため、機関全体としてコンパクト化できる。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、内燃機関は必ずしもフロントカバーを備えている必要はないのであり、ウォータポンプやアイドルプーリなどをシリンダブロックやシリンダヘッドのような機関本体構成要素に取り付けることも可能である。

本願発明は、車両用内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 機関本体
２ 機関本体としてのシリンダブロック
３ 機関本体としてのシリンダヘッド
５ 機関本体としてのフロントカバー
９ モータジェネレータ
１０ エアコン用コンプレッサ
１１ ウォータポンプ
１５ モータジェネレータプーリ
１６ エアコン用コンプレッサのプーリ
１７ ウォータポンプのプーリ
１８ 第１クランクプーリ（請求項のクランクプーリ）
１９ 第１ベルト（請求項のベルト）
２８ 自動テンショナ
２９ テンションプーリ
３０ アイドルプーリ

Claims (2)

1. クランクプーリが固定された一端部を機関本体の一端面から突出させたクランク軸と、ベルトを介して前記クランクプーリで駆動されるモータジェネレータとを備えており、前記モータジェネレータを、クランク軸線方向から見て気筒軸心を挟んだ一方の側に配置している構成であって、
   前記機関本体のうち、クランク軸線方向から見て前記クランク軸とモータジェネレータとの間の左右範囲でかつクランク軸及びモータジェネレータよりも高い領域に、前記ベルトのうち周回方向に向かってモータジェネレータプーリとクランクプーリとの間に位置した部位が巻き掛けられるアイドルプーリを配置しており、
   更に、前記ベルトのうち前記モータジェネレータの近くの部位を、一緒に移動する一対のテンションプーリで両側から挟んで間隔を狭めている、
   車両用内燃機関。
2. 前記アイドルプーリの真下に、前記クランク軸で駆動されるウォータポンプを配置している、
   請求項１に記載した車両用内燃機関。

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