KR100969377B1 - 연속 가변 밸브 리프트 장치 - Google Patents

연속 가변 밸브 리프트 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밸브 리프트를 차량의 운전 상태에 따라 가변 시킬 수 있는 연속가변 밸브 리프트 장치에 관한 것으로, 캠 샤프트에 구비되어 회전하는 입력캠, 팔로워 지지부, 상기 팔로워 지지부에 의하여 지지되며 상기 캠 샤프트의 원주방향을 따라 그 중심축의 위치가 가변 되며, 상기 입력 캠의 회전을 전달받아 상기 중심축을 중심으로 왕복운동하는 팔로워, 직선 가이드, 상기 팔로워에 접촉하여 상기 직선 가이드를 따라 왕복운동하는 출력캠 및 상기 출력캠과 접촉하여 개폐되는 밸브 개폐부를 포함한다.
연속 가변 밸브 리프트(CVVL:Continuous Variable Valve Lift), 입력 캠, 캠 축

Description

연속 가변 밸브 리프트 장치{CONTINUOUS VARIABLE VALVE LIFT APPARATUS}
본 발명은 연속 가변 밸브 리프트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 밸브의 리프트량을 엔진의 동작상태에 따라 가변 시킬 수 있는 연소 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것이다.
내연기관(internal combustion engine)은 연소실(combustion chamber)에 연료와 공기를 받아들여 이를 연소함으로써 동력을 형성한다. 공기를 흡입할 때에는 캠축(camshaft)의 구동에 의해 흡기밸브(intake valves)를 작동시키고, 흡기밸브가 열려있는 동안 공기가 연소실에 흡입되게 된다. 또한, 캠축의 구동에 의해 배기밸브(exhaust valve)를 작동시키고 배기밸브가 열려있는 동안 공기가 연소실에서 배출되게 된다.
그런데, 최적의 흡기밸브/배기밸브 동작은 엔진의 회전속도에 따라 달라진다. 즉, 엔진의 회전속도에 따라 적절한 리프트(lift) 또는 밸브 오프닝/클로징 타임이 달라지게 된다. 이와 같이 엔진의 회전속도에 따라 적절한 밸브 동작을 구현하기 위하여, 밸브를 구동시키는 캠의 형상을 복수개로 설계하거나, 밸브가 엔진회전수에 따라 다른 리프트(lift)로 동작하도록 구현하는 가변 밸브 리프트(variable valve lift; VVL) 장치가 연구되고 있다.
이러한 가변 밸브 리프트 장치는, 캠축의 회전력을 이용하여 밸브를 구동하는 과정에서 동력 손실이 최소화되는 것이 바람직하다. 그리고 V형 엔진의 경우 양쪽 뱅크(bank) 모두에 적용할 수 있도록 대칭적으로 장착될 수 있는 구조인 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 작동 영역을 다양하게 구성할 수 있는 연속 가변 밸브 리프트 장치를 제공하는데 있다.
또한 V형 엔진에서 적용이 가능하도록, 대칭되는 연속 가변 밸브 리프트 장치의 밸브 프로파일이 동일한 연속 가변 밸브 리프트 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연속 가변 밸브 리프트 장치는 캠 샤프트에 구비되어 회전하는 입력캠, 팔로워 지지부, 상기 팔로워 지지부에 의하여 지지되며 상기 캠 샤프트의 원주방향을 따라 그 중심축의 위치가 가변 되며, 상기 입력 캠의 회전을 전달받아 상기 중심축을 중심으로 왕복운동하는 팔로워, 직선 가이드, 상기 팔로워에 접촉하여 상기 직선 가이드를 따라 왕복운동하는 출력캠 및 상기 출력캠과 접촉하여 개폐되는 밸브 개폐부를 포함할 수 있다.
상기 팔로워 지지부는 상기 캠 샤프트에 회전 가능하도록 구비될 수 있다.
상기 팔로워 지지부는 결합부를 포함하고, 상기 결합부가 실린더 헤드에 구비될 수 있다.
상기 팔로워와 상기 팔로워 지지부 사이에는 복원력을 제공하는 제1 탄성부가 구비될 수 있다.
상기 팔로워는 상기 입력캠과 접촉하는 제1 롤러를 포함할 수 있다.
상기 팔로워는 상기 출력캠과 접촉하는 접촉부를 포함할 수 있다.
상기 출력캠은 상기 팔로워와 접촉하는 제2 롤러를 포함할 수 있다.
상기 출력캠과 상기 팔로워가 항상 접촉하도록 상기 직선가이드와 상기 출력캠 사이에 제2 탄성부가 구비될 수 있다.
상기 직선 가이드는 상기 출력캠이 왕복운동할 수 있도록 가이드 롤러를 구비할 수 있다.
상기 직선 가이드는 상기 출력캠이 왕복운동할 수 있도록 가이드 레일을 구비할 수 있다.
상기 출력 캠은, 상기 밸브 개폐부와 접촉하는 출력부를 포함하고, 상기 출력부는, 상기 직선 가이드와 평행한 제로 리프트 구간 및 상기 직선 가이드로부터 점점 멀어지는 형상의 리프트 구간을 포함할 수 있다.
상기 팔로워와 상기 출력캠이 접촉하는 위치와 상기 캠 샤프트의 중심을 지나는 직선은 상기 직선 가이드와 평행을 이루는 것이 바람직하다.
상기 팔로워의 회전 중심을 이동시키도록 상기 팔로워 지지부에 연결된 제 어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 편심축을 포함할 수 있다.
상기 제어부는 편심축 하우징을 포함하며, 상기 편심축 하우징은 최대 리프트와 최소 리프트 사이의 리프트 범위를 벗어나지 않도록 스타퍼가 구비될 수 있다.
상기 입력캠, 상기직선 가이드, 상기 출력캠, 상기 밸브 개폐부는 쌍을 이루어 대칭되도록 구비되되, 상기 입력캠은 동일한 방향으로 회전하며, 상기 팔로워와 상기 팔로워 지지부는 반대방향으로 구비되어 동일한 밸브 프로파일을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 가변 밸브 리프트 장치는 출력 캠의 간단한 설계변경이나 팔로워의 위치 조절에 따라 밸브 리프트 조절이 용이하고, CDA모드의 운전도 가능하다.
대칭되는 연속 가변 밸브 리프트 장치의 밸브 프로파일이 동일하여 V형 엔진에도 적용이 가능하다.
직선 가이드에 의하여 설계 변경이 용이하며 내구성이 향상될 수 있다.
밸브 리프트가 작아질 때 각 리프트의 최대 밸브 열리는 지점이 진각하는 특성을 갖는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명 하면 다음과 같다.
도1과 도2는 각각 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도와 사시도이고, 도3은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 팔로워와 팔로워 지지부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도1 내지 도3를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 구성을 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 연속 가변 밸브 리프트 장치는 캠 샤프트(100)에 구비되어 회전하는 입력캠(110), 팔로워 지지부(200)를 포함한다.
상기 팔로워 지지부(200)에는 상기 캠 샤프트(100)의 원주방향을 따라 그 중심축(305)의 위치가 가변 되며, 상기 입력 캠(110)의 회전을 전달받아 상기 중심축(305)을 중심으로 왕복운동하는 팔로워(300)가 구비된다.
상기 팔로워(300)에 접촉하는 출력캠(500)이 직선 가이드(400)를 따라 왕복운동하도록 구비된다.
밸브 개폐부(600)는 상기 출력캠(500)과 접촉하도록 구비된다.
상기 팔로워 지지부(200)는 상기 캠 샤프트(100)에 회전 가능하도록 구비되고, 상기 팔로워(300)와 상기 팔로워 지지부(200) 사이에는 복원력을 제공하는 제1 탄성부(220)가 구비된다.
상기 팔로워(300)에는 상기 입력캠(110)과 접촉하는 제1 롤러(310)와 상기 출력캠(500)과 접촉하는 접촉부(320)가 구비된다.
상기 출력캠(500)에는 상기 팔로워(300)와 접촉하는 제2 롤러(550)가 구비된다.
상기 직선가이드(400)와 상기 출력캠(500) 사이에는 상기 출력캠(500)과 상기 팔로워(300)가 항상 접촉하도록 제2 탄성부(410)가 구비된다.
상기 직선 가이드(400)에는 상기 출력캠(500)이 원활하게 왕복운동할 수 있도록 가이드 롤러(420)가 구비된다.
상기 출력캠(500)에는 상기 밸브 개폐부(600)와 접촉하는 출력부(540)가 형성되고, 상기 출력부(540)는 상기 직선 가이드(400)와 평행한 제로 리프트 구간(510) 및 상기 직선 가이드(400)로부터 점점 멀어지는 형상의 리프트 구간(520)을 포함한다, 그리고, 상기 제로 리프트 구간(510)과 상기 리프트 구간(520) 사이에는 급속한 밸브 프로파일 변화를 막기 위한 램프 구간(530)이 형성된다.
도4는 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 팔로워 지지부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도5는 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 팔로워 지지부와 결합하는 실린더 헤드의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도6은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 팔로워, 팔로워 지지부와 캠 샤프트가 실린더 헤드에 결합한 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
상기 팔로워 지지부(200)는 결합부(210)를 포함하고, 상기 결합부(210)가 실린더 헤드(700)와 결합한다.
상기 팔로워 지지부(200)에는 중심축 지지부(201)가 구비되어 상기 팔로 워(300)의 중심축(305)이 연결되고, 제어 결합부(202)가 구비되어 후술할 제어부(800)가 결합한다.
도7은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 제어부를 포함한 구성을 나타내는 정면도이고, 도8은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 제어부의 일부 구성을 나타내는 정면도이다.
상기 팔로워(300)의 회전 중심(305)을 이동시키도록 상기 팔로워 지지부(200)에 제어부(800)가 연결된다.
상기 제어부(800)는 편심축(810)과 편심축 하우징(820)을 포함하며, 상기 편심축 하우징(820)에는 최대 리프트와 최소 리프트 사이의 리프트 범위를 벗어나지 않도록 스타퍼(830)가 구비된다.
상기 스타퍼(830)는, 도8에 도시된 바와 같이, 상기 편심축(810)을 중심으로 상기 편심축 하우징(820)이 회전하더라도 일정한 각도 이상으로 회전하는 것을 방지하여 밸브 리프트 장치가 오동작 하는 것을 방지한다.
도9는 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 직선 가이드의 변형예를 도시한 도면이다.
도9의 (a)내지 (c)에 도시된 바와 같이 상기 출력캠(501,502)이 직선으로 왕복운동할 수 있도록 상기 직선 가이드(400)는 가이드 레일(430)이 구비될 수 도 있고, 가이드 샤프트(440)이 구비될 수 있다.
상기 직선 가이드(400)의 형상은 도면에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 변경을 포함한다.
도13은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 밸브 프로파일을 나타내는 도면이다.
도13에 되시된 바와 같이 밸브 프로파일은 밸브 리프트가 작아질 때 최대 밸브 열림 지점이 진각하는 것이 바람직하다.
V형 엔진에서는 양쪽 뱅크의 밸브 프로파일은 완전히 동일한 모양을 가져야 엔진 토크 변동을 최소화할 수 있고, V형 엔진에서 양쪽 뱅크의 밸브 프로파일을 동일하게 하기 위해서는 V형 엔진의 양쪽 뱅크의 흡기 캠 축을 반대 방향으로 회전시키는 장치가 필요하다. 그러나, 이러한 장치의 구성은 많은 부품을 필요로 하고, 중량의 증대를 야기한다.
V형 엔진의 양쪽 뱅크에서 밸브 프로파일이 완전히 동일하기 위해서는 상기직선 가이드(400)의 설치 방향이 제한을 받는다. 즉, 상기 팔로워(300)와 접촉하는 출력캠(500)의 접촉부의 곡률 중심은 특정 조건하에 있어야 한다. 도1에는 출력캠(500)에 설치된 제2 롤러(550)가 상기 팔로워(300)와 만나는 실시 예가 도시되어 있다.
상기 제2 롤러(550)의 중심과 상기 캠 샤프트(100)의 중심을 연결한 직선(P)이 상기 직선 가이드(400)와 평행해야만 V형 엔진에서 양쪽 뱅크의 밸브 프로파일이 완전히 동일하게 구현될 수 있다.
만약 출력캠에 롤러가 없고 곡면 형상이 팔로워와 접촉하는 경우에도 곡면의 곡률 중심과 캠 샤프트 중심을 연결한 직선은 직선 가이드와 평행해야 한다. 또한, 팔로워와 만나는 출력 캠의 접촉부가 평면일 경우에는 평면의 곡률 중심이 평면에 수직한 무한의 위치에 존재하므로, 평면 중심과 캠 축 중심을 연결한 직선이 직선 가이드와 평행하기 위해서는 팔로워와 만나는 출력 캠의 접촉 평면이 직선 가이드와 수직의 위치에 있어야 한다.
도10은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치가 쌍을 이루어 양쪽 뱅크에 구비되는 실시예를 도시한 도면이다.
도10에 도시된 실시예에서는, 캠 샤프트(100,101)가 동일한 방향으로 회전하더라도 동일한 밸브 프로파일을 얻을 수 있는 구성이 도시되어 있다.
도1에 도시된 실시예와 비교하면 우측의 구성은 팔로워(301)와 팔로워 지지부(201)는 반대방향으로 구비되고, 다른 구성은 대칭되어 구비된다.
도10에 도시된 바와 같이 캠 샤프트(100,101)가 동일한 방향으로 회전하더라도 동일한 밸브 프로파일을 얻을 수 있어, V형 엔진에서도 성능이 우수한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 적용이 가능하다.
도11과 도12는 각각 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 하이 리프트 모드와 로우 리프트 모드에서의 작동을 도시한 도면이다.
도11과 도12에 표시된 A는 하이 리프트 모드에서 상기 캠 샤프트(100)의 중심과 상기 중심축(305)를 연결한 선을 표시하고, B는 로우 리프트 모드에서 상기 캠 샤프트(100)의 중심과 상기 중심축(305)를 연결한 선을 표시하며, α는 상기 A와 B가 이루는 각을 나타낸다.
하이 리프트 모드에서는, 도11에 도시된 바와 같이, 상기 출력캠(500)의 왕복하는 위치가 상대적으로 좌측으로 이동한다.
따라서, 상기 밸브 개폐부(600)가 상기 출력캠(500)의 상기 리프트 구간(520)과 접하는 시간이 상대적으로 길어지고, 상기 밸브(610)가 열리는 양이 커지고, 열리는 시간은 길어지게 된다.
로우 리프트 모드에서는, 도12에 도시된 바와 같이, 상기 팔로워 지지부(200)가 α만큼 회전하게 되고, 상기 출력캠(500)의 왕복하는 위치가 상대적으로 우측으로 이동한다.
따라서, 상기 밸브 개폐부(600)가 상기 출력캠(500)의 상기 리프트 구간(520)과 접하는 시간이 상대적으로 짧아지고, 상기 밸브(610)가 열리는 양이 작아지며, 열리는 시간은 짧아지게 된다.
상기 출력부(540)의 설계변경이나, α의 조절에 의하면 상기 밸브 개폐부(600)가 상기 제로 리프트 구간(510)에만 접하게 할 수 있고, 이러한 경우 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치는 CDA(cylinder deactivation)로 기능하게 된다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 팔로워와 팔로워 지지부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 팔로워 지지부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도5는 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 팔로워 지지부와 결합하는 실린더 헤드의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도6은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 팔로워, 팔로워 지지부와 캠 샤프트가 실린더 헤드에 결합한 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도7은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 제어부를 포함한 구성을 나타내는 정면도이다.
도8은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 제어부의 일부 구성을 나타내는 정면도이다.
도9는 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 직선 가이드의 변형예를 도시한 도면이다.
도10은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치가 쌍을 이루어 구비되는 실시예를 도시한 도면이다.
도11은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 하이 리프트 모드에서의 작동을 도시한 도면이다.
도12는 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 모드에서의 작동을 도시한 도면이다.
도13은 본 발명의 실시예에 의한 연속 가변 밸브 리프트 장치의 밸브 프로파일을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 캠 샤프트 110: 입력캠
200,201: 팔로워 지지부 201: 중심축 지지부
202: 제어 연결부 210: 결합부
220: 제1 탄성부 300,301: 팔로워
305: 중심축 310: 제1 롤러
320: 접촉부 400: 직선 가이드
410: 제2 탄성부 420: 가이드 롤러
430: 가이드 레일 440: 가이드 샤프트
500,501,502: 출력캠 510: 제로 리프트 구간
520: 리프트 구간 530: 램프 구간
540: 출력부 550: 제2 롤러
600: 밸브 개폐부 610: 밸브
700: 실린더 헤드 800: 제어부
810: 편심축 820: 편심축 하우징
830: 스타퍼

Claims (16)

  1. 캠 샤프트에 구비되어 회전하는 입력캠;
    팔로워 지지부;
    상기 팔로워 지지부에 의하여 지지되며 상기 캠 샤프트의 원주방향을 따라 그 중심축의 위치가 가변 되며, 상기 입력 캠의 회전을 전달받아 상기 중심축을 중심으로 왕복운동하는 팔로워;
    직선 가이드;
    상기 팔로워에 접촉하여 상기 직선 가이드를 따라 왕복운동하는 출력캠; 및
    상기 출력캠과 접촉하여 개폐되는 밸브 개폐부;
    를 포함하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팔로워 지지부는 상기 캠 샤프트에 회전 가능하도록 구비된 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팔로워 지지부는 결합부를 포함하고,
    상기 결합부가 실린더 헤드에 구비되는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 팔로워와 상기 팔로워 지지부 사이에는 복원력을 제공하는 제1 탄성부가 구비된 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 팔로워는 상기 입력캠과 접촉하는 제1 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 팔로워는 상기 출력캠과 접촉하는 접촉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 출력캠은 상기 팔로워와 접촉하는 제2 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 출력캠과 상기 팔로워가 항상 접촉하도록 상기 직선가이드와 상기 출력캠 사이에 제2 탄성부가 구비된 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 직선 가이드는 상기 출력캠이 왕복운동할 수 있도록 가이드 롤러를 구비한 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 직선 가이드는 상기 출력캠이 왕복운동할 수 있도록 가이드 레일을 구비한 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 출력 캠은,
    상기 밸브 개폐부와 접촉하는 출력부를 포함하고,
    상기 출력부는,
    상기 직선 가이드와 평행한 제로 리프트 구간; 및
    상기 직선 가이드로부터 점점 멀어지는 형상의 리프트 구간;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 팔로워와 상기 출력캠이 접촉하는 위치와 상기 캠 샤프트의 중심을 지나는 직선은 상기 직선 가이드와 평행을 이루는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 팔로워의 회전축 위치를 이동시키도록 상기 팔로워 지지부에 연결된 제어부를 포함하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는 편심축을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 편심축 하우징을 포함하며, 상기 편심축 하우징은 최대 리프트와 최소 리프트 사이의 리프트 범위를 벗어나지 않도록 스타퍼가 구비된 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 입력캠, 상기직선 가이드, 상기 출력캠, 상기 밸브 개폐부는 쌍을 이루어 대칭되도록 구비되되,
    상기 입력캠은 동일한 방향으로 회전하며,
    상기 팔로워와 상기 팔로워 지지부는 반대방향으로 구비되어 동일한 밸브 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 연속 가변 밸브 리프트 장치.
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