KR101459439B1 - 자동차 엔진의 촉매 장치 및 이를 구비한 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

자동차 엔진의 촉매 장치 및 이를 구비한 배기 가스 정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시동 초기에 다량으로 발생하는 탄화수소를 저장하고 저장된 탄화수소를 암모니아로 변환하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화할 수 있는 자동차 엔진의 촉매 장치 및 이를 구비한 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 자동차 엔진의 촉매 장치는 기저층; 상기 기저층 상에 코팅되어 있으며, 온도에 따라 선택적으로 탄화수소를 흡장하거나 탈착하는 탄화수소 트랩; 상기 탄화수소 트랩 상에 코팅되어 있으며, 상기 탄화수소 트랩에서 탈착된 탄화수소 또는 배기 가스에 포함된 탄화수소를 이용한 촉매 반응으로 암모니아를 생성하는 삼원촉매; 그리고 상기 삼원촉매 상에 코팅되어 있으며, 상기 삼원촉매에서 생성된 암모니아를 저장하고, 배기 가스에 포함된 질소산화물을 상기 저장된 암모니아를 이용하여 질소기체로 환원시키는 선택적 환원 촉매;를 포함할 수 있다.

Description

자동차 엔진의 촉매 장치 및 이를 구비한 배기 가스 정화 장치{CATALYTIC CONVERTER OF ENGINE FOR VEHICLE AND APPARATUS OF PURIFYING EXHAUST GAS PROVIDED WITH THE SAME}
본 발명은 자동차 엔진의 촉매 장치 및 이를 구비한 배기 가스 정화 장치에 관한 것으로, 시동 초기에 다량으로 발생하는 탄화수소를 저장하고 저장된 탄화수소를 암모니아로 변환하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화할 수 있는 자동차 엔진의 촉매 장치 및 이를 구비한 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
최근에는 내연기관에서 연비 및 성능을 개선하기 위하여 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진의 사용이 늘어나고 있다. 일반적인 가솔린 엔진은 연료(가솔린)를 흡기 매니폴드에 분사하여 흡기와의 혼합을 통해 혼합기를 생성한 후 상기 혼합기를 연소실에 분사하나, GDI 엔진은 가솔린을 연소실에 직접 분사하는 연료 분사 방식을 채택하고 있다.
이러한 GDI 엔진은 점화 플러그 주위의 공연비를 농후하게 하므로 희박한 공연비에서도 엔진의 작동이 가능한 장점이 있으나, 연료를 연소실에 직접 분사하므로 연료와 흡기가 충분히 섞이지 못하고 연소실 내에 불완전 연소 구간이 증대하는 단점이 있을 수 있다. 이러한 불완전 연소 구간의 증대에 따라 입자상 물질의 증대 및 배기가스에 포함된 유해물질의 증대 등의 문제점이 있을 수 있다.
최근에는 가솔린 직접 분사 엔진이 장착된 차량의 배기 파이프에 매연 필터를 장착하는 기술이 개발되고 있으며, 또한 기존의 가솔린 엔진에 사용되는 삼원촉매 외에 추가적인 촉매 장치를 장착하는 기술이 개발되고 있다.
그러나, 배기 파이프에 추가적인 촉매 장치를 부착하더라도, 냉 시동시와 같이 배기 가스의 온도가 낮아 촉매의 활성화 온도에 도달하기 전에는 배기 가스에 포함된 유해한 물질을 제거하기가 어려운 문제점이 있었다. 특히, 탄화수소와 같은 물질은 시동 초기에 다량으로 발생하는데, 시동 초기에 다량으로 발생한 탄화수소는 촉매 장치에서 정화되지 못하고 그대로 차량 외부로 배출되는 문제점이 있었다.
특허문헌1: 일본공개특허공보 제2010-265831호 특허문헌2: 일본공개특허공보 제 특개평09-173782호 특허문헌3: 일본공개특허공보 제2004-148190호
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 냉 시동시와 같이 배기 가스의 온도가 낮은 경우에 발생하는 탄화수소를 저장해 두었다가 상기 저장된 탄화수소를 이용하여 질소산화물을 환원시킴으로써 배기 가스에 포함된 탄화수소와 질소산화물을 동시에 저감시킬 수 있는 자동차 엔진의 촉매 장치 및 이를 구비한 배기 가스 정화 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 자동차 엔진의 촉매 장치는 기저층; 상기 기저층 상에 코팅되어 있으며, 온도에 따라 선택적으로 탄화수소를 흡장하거나 탈착하는 탄화수소 트랩; 상기 탄화수소 트랩 상에 코팅되어 있으며, 상기 탄화수소 트랩에서 탈착된 탄화수소 또는 배기 가스에 포함된 탄화수소를 이용한 촉매 반응으로 암모니아를 생성하는 삼원촉매; 그리고 상기 삼원촉매 상에 코팅되어 있으며, 상기 삼원촉매에서 생성된 암모니아를 저장하고, 배기 가스에 포함된 질소산화물을 상기 저장된 암모니아를 이용하여 질소기체로 환원시키는 선택적 환원 촉매;를 포함할 수 있다.
상기 탄화수소 트랩은 베타 제올라이트 또는 ZSM-5일 수 있다.
상기 삼원촉매는 팔라듐을 포함할 수 있다.
상기 선택적 환원 촉매는 구리 또는 철이 이온 결합된 제올라이트일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는 연소실 내 가솔린을 분사하는 인젝터를 가지는 자동차 엔진; 상기 자동차 엔진에서 발생된 배기가스가 흘러가는 배기 파이프; 상기 자동차 엔진의 후단 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시키는 제1삼원촉매; 그리고 상기 제1삼원촉매의 후단 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 유해물질을 무해한 성분으로 변화시키는 촉매 장치;를 포함하며, 상기 촉매 장치는 기저층; 상기 기저층 상에 코팅되어 있으며, 온도에 따라 선택적으로 탄화수소를 흡장하거나 탈착하는 탄화수소 트랩; 상기 탄화수소 트랩 상에 코팅되어 있으며, 상기 탄화수소 트랩에서 탈착된 탄화수소 또는 배기 가스에 포함된 탄화수소를 이용한 촉매 반응으로 암모니아를 생성하는 제2삼원촉매; 그리고 상기 제2삼원촉매 상에 코팅되어 있으며, 상기 제2삼원촉매에서 생성된 암모니아를 저장하고, 배기 가스에 포함된 질소산화물을 상기 저장된 암모니아를 이용하여 질소기체로 환원시키는 선택적 환원 촉매;를 포함할 수 있다.
상기 배기 가스 정화 장치는 배기가스의 공연비를 조절하는 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 탄화수소 트랩에서 탄화수소가 탈착될 조건에 해당되면 공연비를 농후하게 조절할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 선택적 환원 촉매가 질소산화물을 환원시킬 조건에 해당되면 공연비를 연하게 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 배기 가스의 온도가 낮은 경우에 발생되는 탄화수소를 탄화수소 트랩에서 흡장하고, 배기 가스의 온도가 올라가면 흡장된 탄화수소를 탈착하여 암모니아를 생성하며, 상기 암모니아를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 저감하므로 배기 가스의 정화 효율이 향상될 수 있다.
또한, 탄화수소와 질소산화물을 제1삼원촉매에 추가적으로 장착되는 촉매 장치를 사용하여 정화시키므로 제1삼원촉매에 들어가는 귀금속양을 줄여 원가절감이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 장치의 개략적인 구성도로서, 배기 가스의 온도가 낮아 탄화수소가 흡장되는 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 장치의 개략적인 구성도로서, 배기 가스의 온도가 높아 탄화수소가 탈착되는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 장치의 개략적인 구성도로서, 암모니아가 생성되는 과정 및 질소산화물이 정화되는 과정을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는 가솔린 직접 분사 엔진(10), 배기 파이프(20), 제1삼원촉매(30), 촉매 장치(40) 및 제어 유닛(50)을 포함한다.
가솔린 직접 분사 엔진(10)은 연료와 공기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 가솔린 직접 분사 엔진(10)은 연료와 공기가 유입되는 다수의 연소실(11)과, 연소실(11) 내로 유입된 연료와 공기를 점화시키는 점화 장치(도시하지 않음)를 포함한다. 상기 가솔린 직접 분사 엔진(10)은 흡기 매니폴드(15)에 연결되어 연소실(11) 내부로 공기를 유입 받으며, 배기 매니폴드(17)에 연결되어 연소 과정에서 발생한 배기 가스는 배기 매니폴드(17)에 모인 후 가솔린 직접 분사 엔진(10) 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실(11)에는 가솔린을 그 내부로 직접 분사하기 위한 인젝터(13)가 장착되어 있다. 한편, 본 실시예에서는 가솔린 직접 분사 엔진(10)이 사용되는 것을 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 일반적인 자동차의 엔진 역시 사용될 수 있다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(17)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 제1삼원촉매(30)와 촉매 장치(40)가 장착되어 배기 가스에 포함된 탄화수소, 일산화탄소 그리고 질소산화물 등을 제거한다.
상기 제1삼원촉매(30)는 상기 가솔린 직접 분사 엔진(10) 후단의 배기 파이프(20) 상에 장착되어 있으며, 가솔린 직접 분사 엔진(10)으로부터 배출되는 배기 가스에 포함된 유해물질을 산화-환원 반응을 통하여 제거한다. 일반적으로, 제1삼원촉매(30)는 배기 가스에 포함된 3개의 유해물질(CO, HC, NOx)을 산화-환원 반응을 통해 무해한 가스(CO2, H2O, N2)로 변환시킨다. 상기 제1삼원촉매(30)에는 통상적으로 귀금속이 코팅되어 있으며, 이에 대한 구성은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 여기에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
촉매 장치(40)는 상기 제1삼원촉매(30)의 후단 배기 파이프(20) 상에 장착되어 있다. 상기 촉매 장치(40)는 제1삼원촉매(30)를 통과한 배기 가스에 포함된 탄화수소와 질소산화물을 제거하도록 되어 있다.
한편, 상기 배기 파이프(20)에는 제1산소 센서(60)와 제2산소 센서(70)가 장착되어 있다.
상기 제1산소 센서(60)는 상기 가솔린 직접 분사 엔진(10)과 상기 제1삼원촉매(30) 사이의 배기 파이프(20) 상에 장착되어 상기 가솔린 직접 분사 엔진(10)에서 배출된 배기 가스 내의 산소량을 검출한다. 상기 제1산소 센서(60)는 제어 유닛(50)이 배기 가스의 공연비 제어를 수행하는 것을 돕기 위한 것이다.
또한, 상기 제2산소 센서(70)는 상기 촉매 장치(40) 후측의 배기 파이프(20) 상에 장착되어 상기 촉매 장치(40)를 통과한 배기 가스 내에 포함된 산소량을 검출한다. 상기 제2산소 센서(70)는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치가 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 하기 위한 것이다.
제어 유닛(50)은 배기 가스의 공연비를 조절하도록 되어 있다. 즉, 상기 제어 유닛(50)은 제1산소 센서(60)와 제2산소 센서(70)에 전기적으로 연결되어 제1산소 센서(60)와 제2산소 센서(70)에서 측정한 값들을 전달 받는다. 또한, 상기 제어 유닛(50)은 상기 인젝터(13)에 전기적으로 연결되어 배기 가스의 상태(예를 들어, 배기 가스의 온도 및 배기 가스의 공연비)에 따라 상기 인젝터(13)가 분사하는 연료의 양을 조절함으로써 배기 가스의 공연비를 조절하도록 되어 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 장치의 개략적인 구성도로서, 배기 가스의 온도가 낮아 탄화수소가 흡장되는 과정을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 장치의 개략적인 구성도로서, 배기 가스의 온도가 높아 탄화수소가 탈착되는 과정을 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 장치의 개략적인 구성도로서, 암모니아가 생성되는 과정 및 질소산화물이 정화되는 과정을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 촉매 장치(40)는 기저층(42), 탄화수소 트랩(44), 제2삼원촉매(46), 그리고 선택적 환원 촉매(48)를 포함한다.
기저층(42)은 상기 촉매 장치(40)의 틀을 형성하는 것으로 상기 기저층(42)에 의하여 배기 가스가 흘러갈 수 있는 복수개의 채널이 형성된다.
탄화수소 트랩(44)은 상기 기저층(42) 상에 코팅되어 있다. 상기 탄화수소 트랩(44)은 베타 제올라이트 또는 ZSM-5로 제작된다. 상기 탄화수소 트랩(44)은 배기 가스의 온도가 낮은 경우(약 200~250℃ 이하) 배기 가스에 포함된 탄화수소를 흡장하며, 배기 가스의 온도가 높은 경우 상기 흡장된 탄화수소를 탈착한다. 즉, 상기 탄화수소 트랩(44)은 시동 초기와 같이 배기 가스의 온도가 낮은 경우 다량으로 발생하는 탄화수소를 흡장하고 있다가 배기 가스의 온도가 올라 촉매 장치(40) 또는 제1삼원촉매(30)가 활성화되는 온도에서 탄화수소를 탈착한다.
제2삼원촉매(46)는 상기 탄화수소 트랩(44) 상에 코팅되어 있으며, 배기 가스에 포함된 3개의 유해물질(CO, HC, NOx)을 산화-환원 반응을 통해 무해한 가스(CO2, H2O, N2)로 변환시킨다. 특히, 제2삼원촉매(46)에 사용되는 귀금속으로 팔라듐(Pd) 만이 사용되어 탄화수소를 산화하고 질소산화물을 환원하는 과정에서 암모니아의 발생이 많아지도록 설계되어 있다. 즉, 상기 제2삼원촉매(46)는 배기 가스에 포함된 탄화수소 또는 탄화수소 트랩(44)으로부터 탈착된 탄화수소를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 산화시키며, 이 과정에서 암모니아를 생성한다. 상기 생성된 암모니아는 선택적 환원 촉매(48)로 이동한다.
상기 선택적 환원 촉매(48)는 상기 제2삼원촉매(46) 상에 코팅되어 있으며, 구리와 철이 이온 교환된 제올라이트가 사용될 수 있다. 상기 선택적 환원 촉매(48)는 제2삼원촉매(46)에서 생성된 암모니아를 저장하고, 설정된 조건 하에서 상기 저장된 암모니아를 탈착하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 질소기체로 환원시키도록 되어 있다. 이때, 상기 암모니아는 환원제로 사용된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 작동을 상세히 설명하기로 한다.
정상적인 엔진 작동 조건에서는(즉, 냉 시동과 같이 배기 가스의 온도가 낮지 않은 경우에는), 상기 제1삼원촉매(30)가 배기 가스에 포함된 3개의 유해물질(CO, HC, NOx)을 산화-환원 반응을 통해 무해한 가스(CO2, H2O, N2)로 변환하고, 상기 제1삼원촉매(30)에서 완전히 제거되지 못한 배기 가스에 포함된 탄화수소와 질소산화물은 촉매 장치(40)에 의하여 제거되어 차량의 외부로 배출된다.
초기 시동시와 같이 배기 가스의 온도가 낮은 경우에는 가솔린 직접 분사 엔진(10)에서 다량의 탄화수소가 발생하나, 제1삼원촉매(30)가 활성화 온도에 도달하지 못하여 상기 탄화수소는 제1삼원촉매(30)에서 산화되지 못하고 촉매 장치(40)로 유입된다.
이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 배기 가스에 포함된 탄화수소는 탄화수소 트랩(44)에 흡장되게 된다. 상기 탄화수소 트랩(44)은 가솔린 직접 분사 엔진(10)에서 촉매 활성화 온도에 도달하기까지 발생하는 탄화수소를 모두 흡장할 수 있도록 설계될 수 있다.
그 후, 배기 가스의 온도가 높아져서 탄화수소 탈착 온도에 도달하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄화수소 트랩(44)에 흡장된 탄화수소는 탈착되어 제2삼원촉매(46)로 이동하게 된다. 상기 탄화수소 트랩(44)에서 탈착된 탄화수소와 배기 가스에 포함된 탄화수소는 제2삼원촉매(46)에 의하여 산화되고, 이 과정에서 배기 가스에 포함된 질소산화물이 환원되며 암모니아가 생성되게 된다. 또한, 생성된 암모니아는 선택적 환원 촉매(48)로 이동하여 저장된다. 이 때, 암모니아의 생성을 촉진하기 위하여 상기 제어 유닛(50)은 인젝터(13)를 제어함으로써 배기 가스의 공연비를 농후(rich)하게 조절할 수 있다. 즉, 제어 유닛(50)은 탄화수소 트랩(44)에서 탄화수소가 탈착될 조건(즉, 배기 가스의 온도가 탄화수소 탈착 온도에 도달)을 만족하면, 배기 가스의 공연비를 농후하게 조절할 수 있다. 실험에 의하면, 암모니아는 공연비가 14.0~14.2 사이에서 많이 발생한다. 따라서, 제어 유닛(50)은 배기 가스의 공연비를 14.0~14.2 사이가 되도록 제어할 수 있다.
이러한 상태에서, 질소산화물이 환원될 수 있는 조건(즉, 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양이 많아지면)에 해당하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 선택적 환원 촉매(48)에 저장된 암모니아가 배기 가스에 포함된 질소산화물과 반응을 하며 상기 질소산화물을 질소기체로 환원시키게 된다. 이 때, 질소산화물의 환원 반응을 촉진하기 위하여 제어 유닛(50)은 배기 가스의 공연비를 연(lean)하게 조절할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 상기 촉매 장치(40)는 시동 초기와 같이 배기 가스의 온도가 낮은 경우 다량으로 발생하는 탄화수소를 저장하였다가 배기 가스의 온도가 높아지면 상기 저장된 탄화수소를 암모니아로 변환하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 저감할 수 있다. 따라서, 시동 초기에 발생할 수 있는 배기 가스의 정화 효율을 향상시키는 효과가 있다.
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.

Claims (8)

  1. 기저층;
    상기 기저층 상에 코팅되어 있으며, 온도에 따라 탄화수소를 흡장하거나 탈착하는 탄화수소 트랩;
    상기 탄화수소 트랩 상에 코팅되어 있으며, 상기 탄화수소 트랩에서 탈착된 탄화수소 또는 배기 가스에 포함된 탄화수소를 이용한 촉매 반응으로 암모니아를 생성하는 삼원촉매; 그리고
    상기 삼원촉매 상에 코팅되어 있으며, 상기 삼원촉매에서 생성된 암모니아를 저장하고, 배기 가스에 포함된 질소산화물을 상기 저장된 암모니아를 이용하여 질소기체로 환원시키는 선택적 환원 촉매;
    를 포함하는 자동차 엔진의 촉매 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소 트랩은 베타 제올라이트 또는 ZSM-5인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 촉매 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 삼원촉매는 팔라듐을 포함하는 자동차 엔진의 촉매 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선택적 환원 촉매는 구리 또는 철이 이온 결합된 제올라이트인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 촉매 장치.
  5. 연소실 내 가솔린을 분사하는 인젝터를 가지는 자동차 엔진;
    상기 자동차 엔진에서 발생된 배기가스가 흘러가는 배기 파이프;
    상기 자동차 엔진의 후단 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시키는 제1삼원촉매; 그리고
    상기 제1삼원촉매의 후단 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 유해물질을 무해한 성분으로 변화시키는 촉매 장치;
    를 포함하며,
    상기 촉매 장치는
    기저층;
    상기 기저층 상에 코팅되어 있으며, 온도에 따라 탄화수소를 흡장하거나 탈착하는 탄화수소 트랩;
    상기 탄화수소 트랩 상에 코팅되어 있으며, 상기 탄화수소 트랩에서 탈착된 탄화수소 또는 배기 가스에 포함된 탄화수소를 이용한 촉매 반응으로 암모니아를 생성하는 제2삼원촉매; 그리고
    상기 제2삼원촉매 상에 코팅되어 있으며, 상기 제2삼원촉매에서 생성된 암모니아를 저장하고, 배기 가스에 포함된 질소산화물을 상기 저장된 암모니아를 이용하여 질소기체로 환원시키는 선택적 환원 촉매;
    를 포함하는 배기 가스 정화 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배기 가스 정화 장치는 배기가스의 공연비를 조절하는 제어 유닛을 더 포함하는 배기 가스 정화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 탄화수소 트랩에서 탄화수소가 탈착될 조건에 해당되면 공연비를 농후하게 조절하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 선택적 환원 촉매가 질소산화물을 환원시킬 조건에 해당되면 공연비를 연하게 조절하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
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