KR100504053B1 - 하이브리드 차량 - Google Patents

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KR100504053B1
KR100504053B1 KR10-2001-7015741A KR20017015741A KR100504053B1 KR 100504053 B1 KR100504053 B1 KR 100504053B1 KR 20017015741 A KR20017015741 A KR 20017015741A KR 100504053 B1 KR100504053 B1 KR 100504053B1
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오까자끼아끼히또
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닛산 디젤 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

동력원으로서 엔진과 전동 발전기를 구비한 하이브리드 차량에 있어서, 엔진의 출력축과 트랜스미션의 입력축 사이의 회전 전달을 자동적으로 단절과 접속하는 클러치와, 전동 발전기의 입출력축과 트랜스미션의 입력축 사이에서 동력을 전달하는 동력 전달 기구와, 운전 조건에 따라서 클러치를 단절하여 전동 발전기를 구동하는 하이브리드 제어 유닛을 구비한다. 운전 조건에 따라서 클러치를 단절하여, 전동 발전기의 회전을 트랜스미션에 의해 변속하여 차량을 구동할 수 있고, 이에 의해 전동 발전기가 효율적으로 작동하는 영역을 확대하여 하이브리드 차량의 연비 저감 효과가 향상된다.

Description

하이브리드 차량{HYBRID VEHICLE}
본 발명은 동력원으로서 연소 엔진과 전동 모터를 구비하는 하이브리드 차량에 관한 것이다.
엔진의 출력축과 전동 발전기가 연결된 병렬 방식의 하이브리드 차량에는 가속시에 필요에 따라 전동 발전기에서 전력을 공급하여 엔진의 출력을 보조하는 한편, 저속시 및 제동시에는 엔진으로의 연료 공급을 정지하는 동시에, 전동 발전기를 발전기로서 작동시켜, 그 발생 전력을 배터리 충전에 이용하는 것이 있다(일본 특허 공개 평10-295002호 공보, 일본 특허 공개 평10-252517호 공보, 일본 특허 공개 평8-275305호 공보, 참조). 또한, 시리즈 방식의 하이브리드 차량에서는 전동 발전기만이 차륜을 구동하고, 엔진은 발전기만을 구동한다(일본 특허 공개 평10-313505호 공보, 참조).
상기 종래의 병렬식 하이브리드 차량에서는, 전동 발전기가 항상 엔진과 함께 운전되고, 즉 엔진의 운전을 정지하여 전동 발전기만의 구동력으로 주행할 수는 없다. 이것은 전동 발전기를 효율적으로 이용할 수 있는 운전 영역을 한정한다. 전동 발전기를 엔진의 출력축이나 차륜의 구동축에 직접적으로 연결한 구조의 하이브리드 차량에서는 전동 발전기와 엔진 또는 구동축 사이의 회전 속도비가 일정하므로, 적용 가능한 전동 발전기가 한정된다. 또, 상기 하이브리드 차량에서는 전동 발전기를 설치하기 위해서는 플라이 휠이나 차륜 등을 특별한 구조로 해야만 하므로 비용이 상승된다.
도1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 실시 형태의 개념도이다.
도2는 상기 하이브리드 차량의 발진시 등에 있어서의 제어 내용을 도시한 플로우차트이다.
도3은 동일하게 가속 및 순항시 등에 있어서의 제어 내용을 도시한 플로우차트이다.
도4는 동일하게 보조 제동시에 있어서의 제어 내용을 도시한 플로우차트이다.
도5는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 다른 실시 형태의 개념도이다.
본 발명은 입력축과 출력축과의 회전 속도비를 변화시켜, 출력축의 회전이 차륜에 전달되는 트랜스미션(transmission)과, 엔진의 출력축과 트랜스미션의 입력축과의 접속/분리를 행하는 클러치와, 전동기와 발전기를 겸하는 전동 발전기와, 전동 발전기의 입출력축과 트랜스미션의 입력축 사이에서 회전을 전달하는 동력 전달 기구와, 전동 발전기에 공급되는 전력을 비축하는 축전 요소와, 운전 조건에 따라 클러치를 단절하여 전동 발전기를 구동하는 모터 주행 제어 수단을 구비한 하이브리드 차량이다.
본 발명에서는 엔진 출력축과 전동 발전기의 입력축은 클러치와 트랜스미션을 경유하여 연결되어 있다. 따라서, 클러치를 단절함으로써, 예를 들어 저속 저부하의 운전 영역에서 엔진의 운전을 정지하여 전동 발전기만의 동력으로 차량 주행하는 것이 가능하며, 이것이 전동 발전기의 작동 영역을 확대하여, 연비의 저감, 동력 성능의 향상, 배기 가스의 저감을 실현한다. 또한, 본 발명에서는 전동 발전기의 회전을 임의의 속도비로 차륜의 구동축에 전달할 수 있으므로, 폭 넓은 사양의 전동 발전기를 적용할 수 있다. 또한, 전동 발전기를 설치하기 위해 엔진의 플라이 휠이나 차륜의 구동계에 특별한 구조를 적용할 필요가 없어지므로 비용이 절감된다.
상기 동력 전달 기구는, 전동 발전기의 입출력축의 회전을 감속하여 트랜스미션의 입력축에 전달하는 구성으로 할 수 있다. 이에 의해, 적용 가능한 전동 발전기의 사양에 대한 제한을 작게 할 수 있는 데다가, 보다 작은 전동 발전기의 적용이 가능해진다.
본 발명의 하이브리드 차량에서는 축전량이 소정치 이상에 있는 차량 발진시에 클러치를 단절하여 전동 발전기를 구동하는 모터 발진 제어 수단과, 축전량이 소정치보다 낮은 차량 발진시에 클러치를 연결하여 엔진을 구동하는 엔진 발진 제어 수단을 구비할 수 있다. 축전량이 충분히 있는 차량 발진시에 클러치를 단절한 상태에서 전동 발전기를 구동함으로써, 발진시에 엔진을 정지하는 것이 가능해져, 이에 의해 소음 및 연비를 보다 저감할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 차량에서는 차속이 상승하는 데 수반하여 클러치를 단절하여 전동 발전기를 구동하는 주행 상태로부터 클러치를 연결하여 엔진을 구동하는 주행 상태로 절환하는 동력원 절환 수단을 구비할 수 있다. 차속이 상승하는 데 수반하여 클러치를 단절하여 전동 발전기를 구동하는 주행 상태로부터 클러치를 연결하여 엔진을 구동하는 주행 상태로 절환함으로써 충분한 출력이 확보된다.
본 발명의 하이브리드 차량에서는 차량의 제동시를 검출하는 제동시 검출 수단과, 차량의 제동시에 전동 발전기에 회생 발전을 시키는 제동시 회생 제어 수단을 구비할 수 있다. 차량의 제동시에 전동 발전기에서 회생 발전을 시킴으로써 차량의 운동 에너지를 효율적으로 회수하고, 또한 제동 장치의 부담을 경감할 수 있다.
도1에 도시한 바와 같이, 차량의 파워 트레인은 엔진(1), 클러치(3), 수동 트랜스미션(4)을 구비한다. 엔진(1)의 출력은 클러치(3)에 의해 트랜스미션(4)의 입력축(41)에 전달되고, 트랜스미션(4)의 출력축(42)의 회전은 도시하지 않은 프로펠러 샤프트로부터 디퍼렌셜 기어 및 드라이브 샤프트를 거쳐서 좌우의 차륜에 전달된다.
엔진(1)은 연료 분사 펌프(11)로부터 공급되는 연료가 실린더에서 연소하고, 실린더에서 왕복 이동하는 피스톤을 거쳐서 그 출력축(12)을 회전 구동한다. 엔진 제어 유닛(10)은 엔진 회전 센서(13)의 검출 신호나 후술하는 하이브리드 제어 유닛(20)으로부터의 요구 정보 신호에 따라서 연료 분사 펌프(11)로부터의 연료 공급량을 제어하여 엔진(1)의 발생 출력을 조절한다.
클러치(3)는 클러치 부스터(31)에 의해 엔진 출력축(12)과 트랜스미션 입력축(41)의 접속과 분리가 행해진다. 클러치 부스터(31)는 운전자에 의해 조작되는 도시하지 않은 클러치 페달에 연동하는 밸브를 거쳐서 공기압이 제어되어 클러치(3)를 단절과 접속하는 동시에, 하이브리드 제어 유닛(20)으로부터의 신호에 따라 작동하는 도시하지 않은 전자 밸브를 통해 공기압이 제어되어 클러치(3)를 자동적으로 단절과 접속한다.
트랜스미션(4)은 운전자가 기어 체인지 레버(40)를 조작함으로써 변속 기어의 절환이 행해진다.
차량의 파워 트레인은 전동 발전기(2)와, 전동 발전기(2)의 회전을 트랜스미션 입력축(41)에 소정의 회전 속도비로 전달하는 감속 기어 장치(5)를 구비한다. 상기 감속 기어 장치(5)는 본 발명의 동력 전달 기구에 해당한다.
전동 발전기(2)는 삼상 동기 전동기 또는 삼상 유도 전동기 등의 교류기이며, 인버터(6)에 의해 구동된다. 인버터(6)는 축전 요소(7)에 접속되어, 축전 요소(7)의 직류 충전 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동 발전기(2)에 공급하는 동시에, 전동 발전기(2)의 교류 발전 전력을 직류 전력으로 변환하여 축전 요소(7)에 충전한다. 축전 요소(7)는 화학 반응을 이용한 각종 축전지나 전기 이중상 커패시터 전지가 이용된다. 또, 전동 발전기(2)는 교류기에 한정되지 않고 직류 전동기를 이용하여, DC/DC 컨버터에 의해 구동하는 구성으로 할 수도 있다.
감속 기어 장치(5)는 전동 발전기(2)의 입출력축(21)에 연결되는 구동 기어(51)와, 트랜스미션 입력축(41)에 연결되는 피동 기어(53)와, 양자에 맞물리는 아이들러 기어(52)에 의해 구성된다. 감속 기어 장치(5)는 전동 발전기(2)의 구동시에 전동 발전기 입출력축(21)의 회전을 감속하여 트랜스미션 입력축(41)에 전달하고, 전동 발전기(2)의 회생 발전시에 트랜스미션 입력축(41)의 회전을 증속하여 전동 발전기 입출력축(21)에 전달한다.
하이브리드 제어 유닛(20)은, 본 발명의 모터 주행 제어 수단, 모터 발진 제어 수단, 엔진 발진 제어 수단, 동력원 절환 수단, 제동시 검출 수단, 제동시 회생 제어 수단으로서의 기능을 갖는다. 이 하이브리드 제어 유닛(20)에는 보조 브레이크 스위치(26), 비상 스위치(24), 액셀 개방도 센서(22), 클러치(3)의 포지션 센서(29), 트랜스미션(4)의 기어 포지션 센서(23), 트랜스미션 출력축(42)의 회전 센서(44), 트랜스미션 입력축(41)의 회전 센서(54)의 각 검출 신호, 엔진 제어 유닛(10)으로부터의 정보 신호가 입력된다. 액셀 개방도 센서(22)는 운전자에 의해 조작되는 액셀 페달의 답입량을 기초로 하여 요구되는 부하를 검출한다. 클러치(3)의 포지션 센서(29)는, 클러치 부스터(31)를 거쳐서 작동하는 클러치(3)의 단절과 접속을 검출한다. 보조 브레이크 스위치(26)가 운전자에 의해 조작되는 레버 위치에 의거하여 온이 되면, 도시하지 않은 배기 브레이크 등의 보조 브레이크가 작동하도록 되어 있다. 비상 스위치(24)는 운전자에 의해 조작되는 레버 위치에 의거하여 시스템의 작동, 정지를 절환하는 것으로, 시스템에 어떠한 이상이 발생한 경우에 하이브리드 제어 유닛(20)에 의한 클러치 부스터(31), 인버터(6)의 제어를 정지할 수 있다.
하이브리드 제어 유닛(20)은, 이들 신호에 의거한 운전 조건에 따라 클러치 부스터(31), 인버터(6)의 작동을 제어하는 동시에, 엔진 제어 유닛(10)에 요구 정보 신호를 출력하여 엔진(1)의 운전을 제어한다. 엔진 제어 유닛(10)과 하이브리드 제어 유닛(20)은 통신 회선을 거쳐서 정보를 송수신하여, 서로 협조 제어가 행해진다. 하이브리드 제어 유닛(20)은 차량의 발진시 및 저속 주행시에 엔진(10)의 운전을 정지하여 클러치(3)를 단절한 상태에서 전동 발전기(2)를 구동하는 모터 주행 제어를 행한다.
도2의 플로우차트는 차량의 발진 가속시에 실행되는 루틴을 도시하고 있으며, 이 루틴은 하이브리드 제어 유닛(20)에 있어서, 일정 주기마다 실행된다. 우선 스텝 1에서 도시하지 않는 키 스위치가 온이 되어 있는 것을 판정하고, 스텝 2에서 축전 요소(7)의 축전량이 소정치 이상인지의 여부를 판정한다. 이 소정치는 전동 발전기(2)에만 의해 발진 가속에 필요한 축전량으로서 미리 설정되어 있다.
스텝 2에서 축전량이 충분히 있다고 판정된 경우, 스텝 3 내지 8로 진행하여 전동 발전기(2)에 의한 발진이 행해진다. 즉, 스텝 3에서 기어 체인지 레버(40)의 조작을 검출하고, 스텝 4에서 클러치(3)를 거쳐서 엔진 출력축(12)과 트랜스미션 입력축(41)을 분리하고, 스텝 5에서 트랜스미션(4)을 발진 기어 위치로 절환하여, 전동 발전기(2)에만 의한 발진의 준비를 한다. 이어서 스텝 6에서 액셀 개방도 센서(22)의 검출 신호에 의거하여 액셀 페달이 답입된 것이 판정되면, 스텝 7, 8로 진행하여 전동 발전기(2)를 액셀 페달의 답입량에 따른 출력으로 구동한다. 이렇게 하여 전동 발전기(2)만의 동력에 의한 발진이 행해진다.
한편, 스텝 2에서 키 스위치가 온이 된 단계에서 축전량이 충분하지 않다고 판정된 경우, 스텝 9 내지 14로 진행하여 엔진(1)에 의한 발진이 행해진다. 즉, 스텝 9에서는 도시하지 않은 셀 모터를 구동하여 엔진(1)을 기동한다. 계속되는 스텝 10에서 기어 체인지 레버(40)의 조작을 검출하고, 스텝 11에서 클러치(3)를 거쳐서 엔진 출력축(12)과 트랜스미션 입력축(41)을 분리하고, 스텝 12에서 트랜스미션(4)을 발진 기어 위치로 절환하여, 엔진(1)에 의한 발진의 준비를 한다. 이어서 스텝 13에서 액셀 개방도 센서(22)의 검출 신호에 의거하여 액셀 페달이 답입된 것이 판정되면, 스텝 14로 진행하여 클러치(3)를 접속한다. 이렇게 하여 엔진(1)만의 동력에 따른 발진이 행해진다.
도3의 플로우차트는 차량의 가속 순항시에 실행되는 절차를 도시하고 있으며, 하이브리드 제어 유닛(20)에 있어서 일정 주기마다 실행된다. 우선 스텝 21에서 전동 발전기(2)에만 의한 가속 중이라고 판정된 경우, 스텝 22로 진행한다. 스텝 22에서는 미리 설정된 맵에 의거한 차속이 소정치를 넘어 상승하는지를 판단하고, 스텝 23 이후의 절차로 진행하여 전동 발전기(2)에만 의한 주행으로부터 엔진(1)에 의한 주행으로 절환한다. 즉, 스텝 23에서 엔진(1)을 시동하고, 스텝 24에서 전동 발전기(2)의 구동을 정지하고, 스텝 25에서 엔진(1)의 운전을 제어하고, 스텝 26에서 클러치(3)를 접속한다. 이 엔진(1)의 동력이 차륜으로 전달되는 주행 상태에서는 차속이 상승하는 데 수반하여 운전자의 조작에 의해 변속 기어 위치가 절환되게 된다,
또한, 엔진(1)의 운전시에서도 미리 설정된 맵에 의거한 회전 센서(54), 액셀 개방도 센서(22)의 검출 신호에 따라 전동 발전기(2)를 구동하고, 전동 발전기(2)의 구동력에 의해 엔진(1)의 구동력을 어시스트한다. 이에 의해, 차량의 가속 성능 및 등판 성능을 높인다.
도4의 플로우차트는 차량의 제동 주행시에 실행되는 절차를 도시하고 있으며, 하이브리드 제어 유닛(20)에 있어서 일정 주기마다 실행된다. 우선 스텝 31에서 보조 브레이크 스위치(26)가 온이 되는 보조 제동시인지의 여부를 판정하고, 스텝 32로 진행하여 축전 요소(7)의 축전량이 소정치보다 적은 축전 가능 상태인지의 여부를 판정한다. 여기서, 보조 제동시이면서 축전 가능 상태라고 판정된 경우, 스텝 33으로 진행하여, 전동 발전기(2)에 의한 회생 발전을 행하고, 배기 브레이크를 작동시킨다. 계속해서 스텝 35로 진행하여 차속이 소정치보다 하강하는 것이 판정되면 본 절차를 종료한다. 이렇게 하여 보조 제동시에 전동 발전기(2)에 회생 발전을 시킴으로써, 배기 브레이크의 브레이크 효과와 전동 발전기(2)의 회생 발전시의 브레이크 효과 모두에 의해 감속이 충분히 행해지는 동시에, 연비가 저감된다.
또한, 엔진(1)의 동력을 트랜스미션(4)을 거쳐서 차륜에 전달하는 차량의 주행시에, 축전 요소(7)의 축전량이 소정치를 넘어 저하하면, 엔진(1)의 동력을 감속 기어 장치(5)를 거쳐서 전동 발전기(2)에 전달하고, 전동 발전기(2)에 의해 발전되는 전력을 인버터(6)를 거쳐서 축전 요소(7)에 공급하여 충전한다. 축전 요소(7)의 축전량이 충분히 있는 정차시에는 엔진(1)을 정지하여, 연비를 절약한다. 한편, 축전 요소(7)의 축전량이 소정치를 넘어 저하한 정차시에는 트랜스미션(4)이 중립 위치에 있는 상태에서 클러치(3)를 접속하는 동시에, 엔진(1)을 운전하고, 엔진(1)의 동력을 감속 기어 장치(5)를 거쳐서 전동 발전기(2)에 전달하고, 전동 발전기(2)에 의해 발전되는 전력을 인버터(6)를 거쳐서 축전 요소(7)에 공급하여 충전한다.
이상과 같이, 전동 발전기(2)는 트랜스미션(4)의 입력축(41)과 함께 회전하는 한편 클러치(3)에 의해서 엔진(1)과의 회전 전달을 분리할 수 있다. 이로 인해, 저속 저부하의 운전 영역에서 엔진(1)의 운전을 정지하여 전동 발전기(2)만의 구동력으로 주행할 수 있고, 따라서 전동 발전기(2)가 효율적으로 작동하는 영역이 확대된다.
전동 발전기(2)의 구동력을 사용하지 않는 주행시에는 운전자가 엔진(1)의 출력을 조절하는 동시에, 트랜스미션(4)의 변속을 행하여 차속을 조절한다. 이 경우, 트랜스미션(4)의 변속을 자동화할 필요가 없으며, 제품의 비용 절감을 달성할 수 있다. 전동 발전기(2)가 구동력을 발생하지 않고 발전도 행하지 않는 주행시에는 전동 발전기(2)는 트랜스미션(4)의 입력축(41)과 함께 회전하여, 그 관성 질량에 의해 플라이 휠의 기능을 감당한다.
감속 기어 장치(5)는 전동 발전기(2)의 회전을 임의의 감속비로 트랜스미션(4)의 입력축(41)의 구동계에 전달할 수 있으므로, 전동 발전기(2)의 사양에 대한 제한을 적게 할 수 있다. 또, 전동 발전기(2)를 파워 트레인에 설치하기 위한 특별한 구조를 엔진의 플라이 휠이나 차륜의 구동계에 적용할 필요가 없어, 따라서 이들 제품의 비용을 절감할 수 있다.
도5는 본 발명에 의한 하이브리드 차량의 다른 실시 형태를 도시한다. 상기 도1의 실시 형태와 동일 구성부에는 동일 부호를 부여하여 도시하고 있다.
이 하이브리드 차량에서는 브레이크 페달의 답입량을 검출하는 요구 제동력 검출 센서(62)와, 차량의 서비스 브레이크의 제동력을 조절하는 브레이크 액튜에이터(61)와, 요구 제동력 검출 센서(62)의 검출 신호에 따라서 차량의 서비스 브레이크의 제동력을 조절하는 브레이크 제어 유닛(60)를 구비한다. 브레이크 제어 유닛(60)과 엔진 제어 유닛(10)과 하이브리드 제어 유닛(20)은 통신 회선을 거쳐서 정보를 송수신하여, 서로 협조 제어를 행한다. 브레이크 제어 유닛(60)은 브레이크 페달이 답입되는 데 따라서 브레이크 액튜에이터(61)를 거쳐서 서비스 브레이크를 작동시키는 동시에, 하이브리드 제어 유닛(20)에 전동 발전기(2)에 의해 회생 발전을 행하는 지령을 보내, 요구 제동력에 따라서 회생 발전 전력을 제어한다.
이 경우, 차량의 감속 주행시에 있어서의 전동 발전기(2)의 회생 발전 전력을 높일 수 있고 차량의 운동 에너지를 유효하게 회수할 수 있어 서비스 브레이크의 부담을 경감할 수 있다. 또, 보조 브레이크 스위치(26)를 거쳐서 차량의 감속 주행시에 전동 발전기(2)에 의해 회생 발전을 행하지 않는 모드로 설정되어 있는 경우도, 브레이크 페달이 답입되는 데 수반하여 전동 발전기(2)에 의한 회생 발전이 행해져, 차량의 운동 에너지를 회수할 수 있다.
하이브리드 제어 유닛(20)은 브레이크 제어 유닛(60)의 요구 신호에 따라서 제동 조건을 판정하고, 제동 조건에 따라서 전동 발전기(2)에 의한 회생 발전 전력을 제어하는 동시에, 급(急)제동시 클러치(3)를 접속시키고 전동 발전기(2)에서 회생 발전을 시키는 한편, 완(緩)제동시 클러치(3)를 단절시키고 전동 발전기(2)에서 회생 발전을 시킨다. 급제동시에 클러치(3)를 접속하여 전동 발전기(2)에 회생 발전을 시킴으로써, 엔진(1)의 브레이크 효과와 전동 발전기(2)의 브레이크 효과 모두에 의해 제동이 충분히 행해진다. 한편, 클러치(3)를 단절하여 전동 발전기(2)에 회생 발전을 시킴으로써, 전동 발전기(2)의 브레이크 효과에만 의해 제동이 느슨하게 행해진다. 이 결과, 전동 발전기(2)에 회생 발전시키는 영역이 확대되어, 연비의 절약이 가능하다.

Claims (5)

  1. 구동륜과,
    입력축과 출력축을 구비하며, 입력축과 출력축의 회전 속도비를 변화시키고, 출력축의 회전이 구동륜에 전달되는 트랜스미션과,
    출력축을 구비한 엔진과,
    엔진의 출력축과 트랜스미션의 입력축의 접속/분리를 행하는 클러치와,
    입력축과 출력축을 구비하고, 전동기와 발전기의 기능을 겸하는 전동 발전기와,
    전동 발전기의 입출력축과 트랜스미션의 입력축 사이에서 회전을 전달하는 동력 전달 기구와,
    전동 발전기에 의해 공급되는 전력을 비축하는 축전 요소와,
    운전 조건에 따라서 클러치를 분리하고, 전동 발전기를 구동하는 모터 주행 제어 수단과,
    제동력을 차량에 인가하는 브레이크와,
    차량의 제동을 검출하는 제동 검출 수단과,
    급제동시 클러치를 접속시키고 전동 발전기에서 전력을 회생시키며, 완제동시 클러치를 분리시키고 전동 발전기에서 전력을 회생시키는 회생 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  2. 제1항에 있어서, 제동시, 전동 발전기가 전력을 회생시키는 하이브리드 차량.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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