JPH08509648A - 液体噴射器 - Google Patents

液体噴射器

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JPH08509648A JP6514608A JP51460894A JPH08509648A JP H08509648 A JPH08509648 A JP H08509648A JP 6514608 A JP6514608 A JP 6514608A JP 51460894 A JP51460894 A JP 51460894A JP H08509648 A JPH08509648 A JP H08509648A
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ニューマン・バリー・リチャード
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トランスコム ガス テクノロジーズ ピー・ティー・ワイ エル・ティー・ディー
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Abstract

(57)【要約】 ガスを燃料とする内燃機関用のガス噴射器(10)。このガス噴射器(10)にはバルブ(12)、そのバルブが合致するようになつているバルブシート(14)があり、そのバルブの第1の位置は「閉」の位置で噴射器の内部を液体が流ないようになっており、第2の位置は「開」の位置でバルブ(12)がシートから上がり、液体が噴射器(10)の中を通るようになっている。この噴射器(10)の内部にはソレノイドアクチュエーター(16)があり、アクチュエーターは電気信号の指示に従って、バルブ(12)を第1の位置から第2の位置に動かす。この電気信号を変化させる事で正確に調整された量のガスが噴射器(10)から内燃機関に供給される。バルブ(12)は中空の細長い軸の(20)形をしていて一端が円錐型の表面(18)になっていて、この端には穴(22)があり他端には3カ所で放射状に切れ目(24)が入っている。この結果、使用中にはガスがバルブ(12)の内部を通過する。バルブの軸部(20)には環型のフランジ(30)が付いていてこれがソレノイドアクチュエーターの表面(28)と接する。環状のフランジ(30)は磁性体で出来ていて、ソレノイドアクチュエーターで生成する磁界のためのアーマチュアー(接極子)(16)の1部となる。噴射器の外部ケース(50)は磁性体で作られ内郎のコイルの近くに置かれているのでコア(34)、環状フランジ(30)と共に噴射器の磁界形成装置の1部となる。注意深く機械的な及び磁界の設計をする事で磁束の逃げを最小にし、総合的にエアーギャップを最小にして噴射器のすばやい反応を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】流体噴射器 発明の分野 この発明は圧力のかかった流体を調整しながら噴射する装置に関するもので特に ガス状の燃料をコントロールしながら内燃機関に噴射する装置に使われるものに 該当する。但しこの種の装置を適用範囲の全てとして限定するものではない。発明に関する背景 本書で言う流体とは技術的に言うもので全ての流体を指し、本書では特にガス処 理について説明しているが、液体やガスも含むものとする。 番号PCT/AU92/00575で内燃機関へのガスの供給システムについて 国際特許として申請済みである。このシステムは各々シリンダー点火部の近くに 調整しながら供給する複数系統の方式が使われている。このガス供給システムは エンジンの速度や負荷に従って各噴射器を直接コントロールする、エンジンコン トロールユニットで操作されている。このエンジンコントロールユニットはその 刻々と変わる時間毎のエンジン速度や負荷に従って正確に測られた量のガス燃料 を供給するために噴射器の必要な「開」の時間の計算をする。 過去に使われてきたこの種の液体噴射器はガスの供給用には不十分なところがあ った。特に、必要に応じたガスの供給には噴射器の開閉弁は動きが遅く燃料の流 れ率も低い状態であった。 従って本発明は、これらの過去の方式にある不備な点を1つ以上直すために開発 した物である。発明の要旨 この発明は調整された量の圧縮された液体を供給する流体噴射器を定義している 。この噴射器には以下の装置が含まれる。 2つの移動位置のあるバルブ、その第1の位置は「閉」の位置で液体の流れを止 める位置、第2の位置は「開」の位置で液体を噴射器の中に通す位置である。こ のバルブは中空の細長い軸の形で両端に穴が開いており液体がこの軸の中を通る ようになっている。 ソレノイドアクチュエーターは正確に必要な量の液体を噴射器で供給できるよう に電気信号に従ってバルブを第1の位置から第2の位置に移動させる。 このバルブは噴射器の中で滑り式に保持されていて、バルブの1方が噴射器のソ レノイドアクチュエータ側に位置し、自身の端の部分が磁性を持つフランジとな っていてソレノイドアクチュエータのアーマチャー(接極子)を構成する。 このソレノイドアクチュエーターは中空になってコイルを巻いてあるコアがあり 、この中空部は軸型バルブと中心軸を共有し、中を流れる液体がコイルの冷却を するようになっている。 このコアと軸状バルブの端の環状フランジとの間に、非磁性の板があり電気信号 が切れた後も残っている残留磁性がバルブに掛かり続ける事を阻止する働きをす る。 環状のフランジとコアの端部の間のギャップは最小にとどめ、この間隔はバルブ がバルブシートから外れ第2の位置に行くまでの距離と非磁性体の厚さの合計に 近い値になっている。 噴射器にはソレノイドアクチュエーターとバルブの間にバネが入っていてこのバ ルブ を第1の位置に戻す役割をする。ここに定義する理想的な噴射器は外側に磁性体 の外部ケースが囲みその壁部がコイルの近くになるように位置されていて両者一 緒になってソレノイドアクチュエーターの磁界を形成する。一般的にこのコアと 外部ケースは円筒型で、バルブの端のフランジ部は環状である。図面の簡単な説明 発明の内容、即ち理想的な溶液噴射器の完全な把握をして頂くために、更に細か い説明を図面にある例で説明する。 図1は噴射器の本発明で定義する最も理想的な形状の断面図である。 図2は噴射器の本発明で定義するもう1つの設計の断面図である。 図3は図2に示した噴射器のバルブの拡大図である。 図4は図3に示した部品の面A−A部の断面図である。 図5は図1で示した噴射器の典型的な電流対時間の関係図、及び、ガス流量対時 間の関係図である。理想的形状の詳細説明 以下説明は、特にガス燃料式の内然機関のガス噴射器に付いてであるが、噴射器 は多少の変更を加える事で他の機械に適用できるようになっている。例えば食品 加工業界で正確に測定した量の液体を供給するような場合である。 図1に本発明で定義する理想的な流体噴射器をガス噴射器10として当てはめた 例を示す。ガス噴射器10はバルブ12、バルブが第1の位置に来た位置にある バルブ シート14があり、(図示されている)この状態で液体の流れは阻止されている 。バルブ12は移動可能であり、第2の位置に来た時、バルブシート14から離 れ液体が噴射器40の中に流れる事が可能になる。噴射器10にはソレノイドア クチュエーター16がありバルブ12を第1から第2の位置に、電気信号に従っ て移動させる。使用に際しては、この電気信号を正確にコントロールする事で噴 射器10は必要な量のガスを内然機関に供給できる。 バルブ12は円錐型の一端と中空の軸部持ち、液体がこのバルブの中を流れるよ うに片方の端には穴22と他方の端には放射状の隙問24が切られている。また バルブ12を中空の軸20にする事でバルブが軽くなる。噴射器10の素早い操 作とバルブシート14への歪を最小化するために軽量化が望ましい。バルブ12 はベアリング26内に滑り保持されており、軸部の片方の端はソレノイドアクチ ュエーター16の表面28の近くに位置されている。バルブの軸20は環状のフ ランジが付いていてこれがソレノイドアクチュエーターの表面28と面している 。環状型のフランジ30があり、このフランジは磁性体でソレノイドアクチュエ ーター16のアーマチャー(接極子)の構成要素として磁界を構成する。 バルブ12は軸部20と円錐型のバルブ表面18での2点からなり、これらはツ ール鋼のような耐摩耗材でつくる。環状のフランジ30がもう1つの部品でこれ は軸20にネジ止めしてある。この部品は磁性対で柔らか材料で作る。他の方法 はバルブの軸20とバルブの表面18も別の材料で作りバルブの構成を3部品と する事である。こうすればバルブの円錐面が摩耗したらバルブ全体12を変えな いで部品18だけ変えれば良い。 ソレノイドアクチュエーター16はコア34に巻いたコイル32からなる。コア 34は内部が空洞で液体が通過できるようになっている。従って入り口36から 噴射器10に入ってきたガスは噴射器が「開」の間、即ちバルブ軸20がシート 14から離れている間だけこのコアの中を通過し2番目の穴24を通じてバルブ の出口38から抜け出す。スペースをあまり使わないようにするためコイル32 は直接コア34上に巻かれている。先端の成形部40はコア部34の端板28の 近くにあり、コイルがまか れた際、正しい形を維持できるように置かれている。このコア34はガスが中心 部を通過するため放熱材としての機能がある。ソレノイドを使う際、良く面する 問題が電流は既に切れているのに残留性の性質のためバルブが開いたままになる 点である。この残留磁性を最小にするため、薄い非磁性のシム板42をコアの薄 い端板28と環状のフランンジ30の間に入れてある。 コア34の内径に納まるバネ44がソレノイドアクチュエーター16とバルブ1 2の間に置いてある。これはバルブを第一のの位置「閉」の位置に戻す役割を持 つ。バネは出来るだけ軽く出来ていて自体の自然周波数がバルブ自身の「開」時 聞−ふつう1ms(周波数に換算すると2ms、これは最悪の場合の500Hz から250Hzまでにあたる)−よりかなり高いように出来ている。バネ44の 自然周波数は例えば9.8KHzで約バルブの「開」時間の20倍に等しい。従 ってバネの共振による破壊することはない。 バルブシート14は外部から調節が可能なアジャスター46に取り付けられてい る。このアジャスターでバルブ10の浮き上がり度(リフト)を調整し、この結 果、噴射器10の液量または「開」の時間を調節できる。アジャスター46の内 径とバルブシート14の間に小さい隙間を持たせた事でバルブ面18とシートと のセンター合わせが自動的に出来る。これで素早いラッブが出来るようになる。 Oリング48がバルブシート14、アジャスター46及び外側のケーシング50 間の漏れ止めをする。 外部ケース50は磁性対の材料で作られ、その外壁はコイル32のすぐ側に位置 する。こうしてコア34、環状フランジ30等と供に噴射器の磁界の構成装置と なる。この例でコア34と外部ケース50は基本的には円筒型の形をした装置で ある。コア34の端板28と外部ケース50の間から磁束が逃げる事を最小にす る様に環状のフランジ30の外径が設定され、それはコア34の外形と外部ケー スの内径の半径差がバルブの作動距離とセパレータ板の厚さを加えた値の2.5 倍に成っている。 コア34と外部ケース50の間のスペースにはコイル32が入る。このコイルに 電流が通ると1本々の巻きが生成ずる磁束が1つに集められ、コア34、環状フ ランジ3 0、外部ケース50及びエアーギャップの中央部を通過する。磁束がコアをでた 後も磁束通過断面積が一定になるように、バルブ12の環状フランジ30はテー パーしている。この結果バルブの重量軽減にも役だっている。 エアーギャップ合計量を最小限にするために環状フランジ30とコア34の端板 28の間隔はバルブの移動距離だけに抑えてある。この移動距離とは必要な流量 を得るために必要なバルブ浮上量(リフト)である。その他のギャップはセパレ ータ板42に必要なスペースと環状フランジ30と外郎ケース50の円周周囲の 隙間である。この総ギャップを少なくすればコイル32の電流量を減少でき好ま しい。特に噴射器やソレノイドの大きさが大きくなるほど倍々効果で性能に悪影 響するので、この減少は望ましい。 図1に示す噴射器では使用期間中の1000 X 108 サイクルに及ぶ連続し たインパクトのためバルブシートとバルブ表面は摩耗し安い。2番目に好ましい 噴射器の設計としては、図2、3、4で示されているがバルブ部の設計を変更し てこの様なバルブシートとバルブの問のインパクトを無くしている。この設計の 場合でも図1の設計の場合と同様な機能のある部品には同じ番号を付けてある。 図2と図3に示したガス噴射器10にバルブ12が滑り式にセットされている。 (図にあるように)第1の状熊では穴15は閉じており流体はこの噴射器の中を 通過できない。第2の状態では穴15が開き液は噴射器10の中を流れる。バル ブストップ18は環状の非磁性のできればメタリックの材料で出来ている−これ がバルブ12の動きを制限するように位置されている。 バルブ12はこの例では、図2、図3で示すように、中空になった両端に穴が明 いたバルブの軸20を使う。バルブ12の内部を中空にすることで質量が最小に なっている。噴射器の反応時間を早くし又バルブストップへのインパクトを減ら せるので質量が小さい方がよい。バルブの軸20は、スリーブ22の中に滑り式 にいれてあり図2、図3で見えるように穴15はスリープの外壁につけられてい る。バルブの軸の20は2つの滑り式表面部24がありこれがスリーブ22で囲 われて非常にぴったりとは まっている。バルブ軸20とスリーブ22の間に潤滑油用の隙間26を設けてお く事で摩擦力は最小に抑えてある。スリーブには複数の外周に沿った溝27が彫 ってあり弾力性のあるOリングが付けられて図1に示しているようにスリーブ2 2を外部ケース50内に保持している。このOリングは外部ケース50への外部 からの力でスリーブ22が変形する事を避ける働きをしている。 シール29がスリーブ22の相対する表面24に付けられ、隙間26の潤滑油を 逃がさない役目をしている。スリーブ22の穴15の付近で、バルブ軸20に溝 と穴31が付けられ、29でシールされた部分内での差圧を減らす役目をしてい る。スリーブ22には1個以上の潤滑油供給口33が付けられ、外部ケース50 には潤滑油サービス口35が付けられている。 スリーブ22は、バルブ軸20の端が第1位置(または閉の位置)で穴15と交 わる付近で、外部から調整が可能なアジャスター46で保持されている。図3で 示しているように、スリーブ22に3つの放射状の穴を開けて、穴15からの最 大流量を得ている。穴15の放射状のスロット(穴)は回転式カッターでスリー ブ22に切り込んで作り、細いブリッジ連結部48を残している。図示したこの 例では放射状のスロット穴15はスリーブ22と軸方向に合致している。この場 合、もし必要なら各スロットをお互いに軸方向にオフセットすることでバルブの リフト(上下範囲)に従って(3段階の流れ面積を設定できる。バルブの上下範 囲は環状のフランジ板30とストップ板18の距離で決まる。同じ噴射器であれ ばバルブ軸20のスロット15が完全に開いていれば、流れ面積は全く同じ値と なる。即ちバルブのリフトはこれらの穴の長さより大きく閉めた位置ではオーバ ーラップしている。他の面は図2、図3に示している噴射器は、殆ど図1で示す 場合と同一であるのでその他の説明は省く。これからの説明は両者の噴射器に適 用できる事の説明である。噴射器10の設計に当たっては何回かの繰り返しテス トでコアの大きさ、何重コイルにするか、バネ定数はどうするか等の決定をする 必要がある。噴射弁の開閉を早く作動させる事は大切であり、これで同じ噴射弁 間での設計のばらつきを防げ、またガスが必要な量、シリンダーに届く事になる 。その上噴射器のオープンさせる時問は、総合「開」時間よりか なり短くしておかなければエンジンが高速で運転する時オーバーラップしてしま う。噴射器の設計は噴射器のオリフィス(出口)の大きさの設定から始まるが、 この大きさはエンジンの最大出力時の回転数及びその時のガスの必要量等の条件 による。安定した流量は、必要なガスの量を吸気時間で割る事で得られるがこの 時間はエンジンの約0.6回転分に当たる。噴射器のオリフィスは超音速の状態 で作動する様に設計されており背圧の変化は流量に影響は与えない。ガスの入力 圧とバルブシートの直径はバルブのリフトが約1mmでちょうど良いように設定 する。バルブの円錐径面18とバルブシート14の間の環状のギャッブの面積は バルブがリフトの位置(「開」の位置」)でバルブシートからオリフィスに至る 部分の面積と同じになるように設計されている。ガスの圧力は通常700から8 00KPaと成っている。最大背圧は絶対ガス圧力の0.544倍と成っている 。(0.544はガスの組成によるが熱力学の理論によれば、この値は天然ガス の場合である) いったんオリフィスの大きさ、シートの直径、及び背圧が決まったらバルブを締 めの状態にしておく為の必要圧力が決まる。そしてバルブを開けるためにはこれ 以上の力が必要となる。 噴射器を急速に操作しても電気的にコイルへの加熱を最小限に抑えるために、特 別なドライバー回路を設計してある(図にはしめされていない)。この回路を通 じてコイル32は最大電圧(24ボルト)を受け、電流は最大の4アンプに達す る。その後、装置のコントロールで1アンブに下がり、その後スイッチがオフに なる。当然これらの数値は噴射器の大きさにより変化する。電流は電圧、コイル の抵抗、及び噴射器のインダクタンスと供に上昇する。噴射器のインダクタンス は(コイルの巻数)2と磁束の通過する面積をエアーギャップとコイルの抵抗で 割った値に比例する。全ての変数はシミュレーションプログラムで解析し、トラ イアル試験の時点で値がきめられる。ブログラムを実行し十分な操作力がある期 間得られたらバルブ12を上げ始め環状のフランジ板30がコア34(セパレー ター42)に当たるまで繰り返す。コイルの巻数を変更する事でバルブがちょう ど全開になった時点で電流が4アンプに達する。(最悪の場合) 図5(a)はドライバー回路でコイル32に流した電流の変化の様子を示す。こ のドライバー回路はコイルを励磁する信号を発生し、この信号を元にコントロー ル様の電流を急速に最大値(4アンプ)まで出すようになっている。これでバル ブが急速に全開できる。この電気信号はコンタクト52を通じてコイル32に送 られる。図5(a)で見られるように、環状のフランジ板30がコア(34)の 端表面28に近づき、エアーギャップが狭くなるに従って磁界のインダクタンス が変わり、電流に凹みがみられる。いったんバルブ12が全開の位置にきたらコ ントロール電流は急速に減少して最小値(1アンプ)に下がりバルブを「開」の 位置に保持する。このコントロール電流は各シリンダーに必要な量のガスが来る ように計算して得た時間の間、バルブが保持されるように、流れ続ける。 図5(b)は、バルブが第1の位置から第2の位置(開)まで移動する際のガス の流量の変化状熊を示す。始めの時期はバルブがシート14から離れるに従って 大量のガスが流れ始め、そのすぐ後、ガスが供給ラインから減少し、またレギュ レーターの反応に遅れがでる事などで、流れが少し減少する状態が見られる。こ の後、スイッチがオフになるまでガスは安定して供給され続ける。 これで本発明による流体噴射器の設計例の詳細を説明したがこれでこの噴射器が 従来の噴射器と比べて多くの利点がある事が判明したであろう。特に機械式構造 と磁性回路の設計によって、正確に調整した量を噴射する反応が早くなり、また 同一製品を製造する場合の製造上のばらつきを減らす事が出来る。 本文書で説明した基本的な設計から外れないでも、無数の変化型の設計は電気及 び機械技術のある技師によって考慮できる。例えば流体の通過部分の形状を変更 して違う性質を持つ媒体、例えば液体を処理できる。これらの設計変更は前述の 説明に照らし合わせて考慮すれば全て本申請の適用範囲と考える。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AT,AU,BB,BG,BR,BY, CA,CH,CZ,DE,DK,ES,FI,GB,H U,JP,KP,KR,KZ,LK,LU,LV,MG ,MN,MW,NL,NO,NZ,PL,PT,RO, RU,SD,SE,SK,UA,US,UZ,VN 【要約の続き】 状のフランジ(30)は磁性体で出来ていて、ソレノイ ドアクチュエーターで生成する磁界のためのアーマチュ アー(接極子)(16)の1部となる。噴射器の外部ケ ース(50)は磁性体で作られ内郎のコイルの近くに置 かれているのでコア(34)、環状フランジ(30)と 共に噴射器の磁界形成装置の1部となる。注意深く機械 的な及び磁界の設計をする事で磁束の逃げを最小にし、 総合的にエアーギャップを最小にして噴射器のすばやい 反応を実現できる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】この申請の定義する発明内容は以下の通りである 1.コントロールされた量の流体を供給する流体噴射器。この噴射器は次からな る:2つの移動位置のあるバルブ、その第1の位置は「閉」の位置で液体の流れ を止める場所、第2の位置は「開」の位置で液体を噴射器の中に通す位置である 。このバルブは中空の細長い軸の形で両端に穴が開いており、液体をこの軸の中 に通すようになっている。 ソレノイドアクチュエーターは正確に必要な量の液体を噴射器で供給できるよう に電気信号に従ってバルブを第1の位置から第2の位置に移動させる。 このバルブは噴射器の中で滑り式に保持されていてバルブ軸の片方が噴射器のソ レノイドアクチュエータ側に位置し、端の部分が磁性を持つフランジに成ってい て、ソレノイドアクチュエータのアーマチャー(接極子)の構成要素となり、磁 界を形成するようになっている。 2.上記1で申請する流体噴射器でその中にソレソイドアクチュエーターがあり 、中は中空でコイルを巻いてあるコアがある。この中空部は軸型バルブと中心軸 を共有し、噴射器中を流れる液体がコイルの冷却をするようになっている。 3.上記2で申請する流体噴射器で磁性のある外部ケースでくるまれていてその ケースの壁はコイルとすぐ接する近さにあり、中のコア体と軸状バルブの端の環 状フランジでソレノイドアクチュエーターの磁界となる働きをする。 4.上記3で申請する流体噴射器でコア体と外部ケースは円筒型で、バルブの端 のフランジ部は環状と成っている。 5.上記4で申請する流体噴射器で環状のフランジと静止体の端部の間に非磁性 体のセパレータがあり電気信号がオフになった後の残留磁性を最小に止めるよう になって いる。 6.上記5で申請する流体噴射器で環状のフランジ板とコア体の端の間のエアー ギャップが最小に抑えられていて、この量はバルブがバルブシートから離れて第 2の位置に行く距離と非磁性体の厚さを加えた値に等しい。 7.上記6で申請する流体噴射器でコア体の外径と外部ケースの内径の差はエア ーギャップより大きくなるように環状フランジの設定をし、コアの端板とケース の間からの磁性の漏れが最小になるようになっている。 8.上記7で申請する流体噴射器でソレノイドアクチュエーターが励磁した時コ イルの各1巻1巻からの磁束が1つの磁束体として集まってコアの中、環状フラ ンジ、外側ケースそしてエアーギャップを通り、かつ環状フランジの形状は先細 りになっていてコアをでた後の磁束の通過する横断面積が大体一定になっている 。 9.上記8で申請する流体噴射器でソレノイドアクチュエーターとバルブの間に バネが入っていてこのバルブを第1の位置に戻す役割をする。このバネの自然周 波数は典型的な噴射器の運転周波数よりかなり高くなっていて使用中の共振破壊 などが防げるようになっている。 10.上記1で申請する流体噴射器でバルブはスリーブ内部に滑り式に設置され ていて流体の通過口(ポート)はスリーブの外壁に設けてあり使用に際しては流 体はバルブが第2の位置にある時、バルブ軸の内部を通りその後、放射状にこれ らのポートから出てくる。 11.上記10で申請する流体噴射器でバルブの軸は第1及び第2の滑り表面を 持ちこれらの表面はスリーブ装置の内部壁にぴったりとはまっている。 12.上記11で申請する流体噴射器で先に説明したポートは複数のスロット口 とし てスリーブ装置の壁に放射状に位置されている。 13.上記12で申請する流体噴射器でスリーブ装置は複数の円周に沿った溝が 付けられていて弾力性のあるOリングが付けられている。このOリングは噴射器 の外部ケースの中でスリーブを保持し且つケースに対する外部からの力に対して スリーブが変形する事を避けるようになっている。 14.上記1で申請する流体噴射器で外部から調整できるアジャスター付いてお りバルブが2番目の位置にある時の流体の流れ量を調節できる。 15.上記14で申請する流体噴射器でバルブ軸の端の表面がバルブが第1の位 置にある時バルブシートに合致するように成形されており、バルブシートは外部 から調節が出きるアジャスターに保持されている。このアジャスターでバルブシ ートの位置を調節してバルブのリフト距離を調節できる。 16.上記15で申請する流体噴射器で、アジャスターはその中心部に穴が開い ておりバルブシートとのギャップが取ってあるので、バルブの表面と合致した時 自動的にバルブに対してセンター位置決めが出きるようになっている。
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