KR101584013B1 - 하이브리드 차량용 파워트레인 - Google Patents

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KR101584013B1
KR101584013B1 KR1020140165018A KR20140165018A KR101584013B1 KR 101584013 B1 KR101584013 B1 KR 101584013B1 KR 1020140165018 A KR1020140165018 A KR 1020140165018A KR 20140165018 A KR20140165018 A KR 20140165018A KR 101584013 B1 KR101584013 B1 KR 101584013B1
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power
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박종윤
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현대자동차주식회사
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H3/00Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
    • F16H3/44Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H3/00Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
    • F16H3/44Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
    • F16H3/72Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously
    • F16H3/727Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously with at least two dynamo electric machines for creating an electric power path inside the gearing, e.g. using generator and motor for a variable power torque path
    • F16H3/728Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously with at least two dynamo electric machines for creating an electric power path inside the gearing, e.g. using generator and motor for a variable power torque path with means to change ratio in the mechanical gearing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

본 발명은, 모터 구동에 의해 형성되는 변속단을 다단화하여 차량 주행 성능을 향상시키고, 모터의 원가 및 중량을 저감하는 하이브리드 차량용 파워트레인에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 제1마찰부재에 의해 선택적인 고정요소로 작동되는 제1회전요소와, 전동입력축에 의해 제1전동기와 연결되어 선택적인 입력요소로 작동되는 제2회전요소와, 외접기어를 매개로 출력축에 연결되어 선택적인 출력요소로 작동되는 제3회전요소를 포함하는 제1유성기어장치; 전동입력축 및 외접기어의 회전속도에 따라, 전동입력축에 대한 외접기어의 상대 회전을 허용하거나, 전동입력축의 회전에 대해 외접기어를 함께 구속 회전시키는 원웨이클러치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

하이브리드 차량용 파워트레인{POWERTRAIN FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량에 적용되는 파워트레인에 관한 것이다.
하이브리드 자동차는 전기의 동력과 내연기관의 동력원을 조합하여 구동하는 자동차로서, 엔진과 전기 모터로 시스템의 효율이 높은 지점에서 동작되도록 제어하여 효율이 우수하면서 배기가스를 효과적으로 줄일 수 있는바, 친환경 자동차의 대안으로 실용화되고 있는 실정에 있다.
이러한, 하이브리드 자동차의 동력분기방식은 유성기어와 같이 동력 흐름을 분기하는 동력분기장치를 사용하여 엔진의 동력을 직접 출력축으로 전달하는 기계적 흐름과 엔진의 동력을 이용하여 제너레이터를 발전하고, 이 발전된 동력을 이용하여 배터리를 충전하거나 충전된 배터리의 에너지로 모터를 구동하는 전기적 흐름으로 구성된다.
상기와 같은 동력분기방식 하이브리드 시스템은 엔진이 출력축과 독립적으로 작동이 가능하고 주행 중 엔진을 자유롭게 온/오프할 수 있으며 전기차 모드 구현이 가능한 장점이 있다.
또한, 2개의 모터제너레이터에 의한 전기적 무단 변속기(Electrically Variable Transmission: EVT) 효과로 엔진을 효율적으로 운전시킬 수 있는 장점을 가지고 있고, 모터는 속도에 따라 출력이 일정하므로, 기본적으로 변속기가 불필요하다.
하지만, 차량의 최고 속도가 높으면서 저속 토크를 확보하기 위해서는 변속기가 필요하게 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2005-132365 A KR 10-2014-0080638 A
본 발명의 목적은, 모터 구동에 의해 형성되는 변속단을 다단화하여 차량 주행 성능을 향상시키고, 모터의 용량을 축소하여 원가 및 중량을 저감하는 하이브리드 차량용 파워트레인을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 제1마찰부재에 의해 선택적인 고정요소로 작동되는 제1회전요소와, 전동입력축에 의해 제1전동기와 연결되어 선택적인 입력요소로 작동되는 제2회전요소와, 외접기어를 매개로 출력축에 연결되어 선택적인 출력요소로 작동되는 제3회전요소를 포함하는 제1유성기어장치; 전동입력축 및 외접기어의 회전속도에 따라, 전동입력축에 대한 외접기어의 상대 회전을 허용하거나, 전동입력축의 회전에 대해 외접기어를 함께 구속 회전시키는 원웨이클러치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제2전동기에 연결되어 선택적인 입력요소 또는 선택적인 고정요소로 작동되는 제1회전요소와, 엔진 동력이 제공되어 선택적인 입력요소로 작동되는 제2회전요소와, 출력축에 연결되어 선택적인 출력요소로 작동되는 제3회전요소를 포함하여 구성된 제2유성기어장치;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1유성기어장치에서, 제1회전요소는 선기어이고, 제2회전요소는 캐리어이며, 제3회전요소는 링기어일 수 있다.
상기 제1마찰부재는 변속기케이스에 고정되는 브레이크일 수 있다.
상기 제2유성기어장치에서, 제1회전요소는 선기어이고, 제2회전요소는 캐리어이며, 제3회전요소는 링기어일 수 있다.
상기 제2유성기어장치의 제1회전요소에는 제2마찰부재가 연결되어, 상기 제1회전요소가 선택적인 고정요소로 작동되도록 구성할 수 있다.
상기 제2마찰부재는 변속기케이스에 고정되는 브레이크이거나, 변속기케이스와 제1회전요소 사이에서 선택적으로 체결 가능한 도그클러치일 수 있다.
상기 원웨이클러치는 전동입력축과 외접기어 사이에 구비되고, 전동입력축과 동심축을 이루어 구비될 수 있다.
상기 외접기어는 출력축에 구비된 출력기어에 치합되어 마련될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 엔진EVT(전기적 무단 변속기)모드, 또는 엔진OD(오버드라이브)모드의 주행이 가능하고, 더불어 EV모드 1단 및 2단 주행을 통해 HEV모드를 구현함으로써, 변속단을 다단화 형성하게 되고, 이로 인해 차량의 EV주행 성능 및 고속 주행 성능을 향상시키고, 모터의 용량을 감소하여 모터의 원가 및 중량을 저감하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 차량용 파워트레인의 배치형태를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 의해 EV모드 1단 주행시 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 의해 EV모드 2단 주행시 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 의한 엔진EVT모드에서 EV1단 및 EV2단 주행시 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 엔진OD모드에서 EV1단 및 EV2단 주행시 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 의한 하이브리드 차량용 파워트레인의 다른 실시예의 구조를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 의한 하이브리드 차량용 파워트레인의 또 다른 실시예의 구조를 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 하이브리드 차량용 파워트레인은, 제1유성기어장치(PG1) 및 원웨이클러치(7)를 포함하여 구성된다.
도 1을 참조하여 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 먼저 제1유성기어장치(PG1)는, 제1마찰부재(B1)에 의해 선택적인 고정요소로 작동되는 제1회전요소와, 전동입력축(5)에 의해 제1전동기(MG1)와 연결되어 선택적인 입력요소로 작동되는 제2회전요소와, 외접기어(9)를 매개로 출력축(11)에 연결되어 선택적인 출력요소로 작동되는 제3회전요소를 포함하여 구성된다.
예컨대, 상기 제1유성기어장치(PG1)에서, 제1회전요소는 제1선기어(S1)이고, 제2회전요소는 제1캐리어(CR1)이며, 제3회전요소는 제1링기어(R1)일 수 있다.
그리고, 상기 제1마찰부재(B1)는 변속기케이스(15)에 고정되는 브레이크일 수 있다.
즉, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 제1마찰부재(B1)와 연결되어 제동이 가능하고, 제1캐리어(CR1)는 제1전동기(MG1)와 연결되어 제1전동기(MG1)로부터 회전동력을 선택적으로 제공받으며, 제1링기어(R1)는 외접기어(9)와 연결되어 상기 외접기어(9)를 통해 출력축(11)에 회전동력을 전달하는 역할을 한다.
특히, 본 발명의 원웨이클러치(7)는, 전동입력축(5) 및 외접기어(9)의 회전속도에 따라, 전동입력축(5)에 대한 외접기어(9)의 상대 회전을 허용하거나, 전동입력축(5)의 회전에 대해 외접기어(9)를 함께 구속 회전시키는 역할을 한다.
예컨대, 상기 원웨이클러치(7)는 전동입력축(5)과 외접기어(9) 사이에 구비되고, 상기 원웨이클러치(7) 및 외접기어(9)가 전동입력축(5)과 동심축을 이루어 구비된다.
그리고, 상기 외접기어(9)는 출력축(11)에 구비된 출력기어(13)에 치합되어 마련됨으로써, 상기 외접기어(9)를 통해 입력되는 제1전동기(MG1)의 회전동력이 출력기어(13)를 통해 감속되어 출력축(11)이 회전되는 것이다.
따라서, 본 발명은 제1마찰부재(B1)의 선택적인 제동작동에 의해 EV모드 1단 및 2단 주행이 가능함으로써, 모터 구동에 따른 변속단을 다단화 형성하여 EV주행 성능을 향상시키고, 모터 용량을 축소하여 원가 및 중량을 저감하는 것이다.
한편, 본 발명은, 엔진(1) 또는 제2전동기(MG2)의 동력을 출력축(11)으로 분기하여 제공 가능한 제2유성기어장치(PG2)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 1을 참조하여 구체적으로 살펴보면, 상기 제2유성기어장치(PG2)는, 제2전동기(MG2)에 연결되어 선택적인 입력요소 또는 선택적인 고정요소로 작동되는 제1회전요소와, 엔진(1) 동력이 제공되어 선택적인 입력요소로 작동되는 제2회전요소와, 출력축(11)에 연결되어 선택적인 출력요소로 작동되는 제3회전요소를 포함하여 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 제2유성기어장치(PG2)에서, 제1회전요소는 제2선기어(S2)이고, 제2회전요소는 제2캐리어(CR2)이며, 제3회전요소는 제2링기어(R2)일 수 있다.
그리고, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제1회전요소에는 제2마찰부재(B2)가 연결되어, 상기 제1회전요소가 선택적인 고정요소로 작동되도록 구성할 수 있다.
이때에, 상기 제2마찰부재(B2)는 도 1과 같이 변속기케이스(15)에 고정되는 브레이크일 수 있고, 또한 도 6과 같이 변속기케이스(15)와 제1회전요소 사이에서 선택적으로 체결 가능한 도그클러치(DC)일 수도 있다. 예컨대, 제2마찰부재(B2)로서 도그클러치(DC)를 사용하는 경우에는, 제2전동기(MG2)의 회전수를 제어함으로써, 도그클러치(DC)를 안정적으로 체결할 수 있다.
그리고, 도 7과 같이 제2마찰부재(B2)가 사용되지 않는 경우, 엔진EVT모드에서 고속 주행시에는, 전기부하의 손실이 있기는 하지만 제2전동기(MG2)를 제어하여 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)를 고정시켜 주행할 수도 있을 것이다.
여기서, 상기 제2전동기(MG2)와, 제1전동기(MG1)는 동력을 제공하거나 발전 가능한 모터제너레이터일 수 있다.
즉, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)는 제2마찰부재(B2)와 연결되어 제동이 가능하고, 제2캐리어(CR2)는 엔진(1)과 연결되어 엔진(1)으로부터 회전동력을 선택적으로 제공받으며, 제2링기어(R2)는 출력축(11)과 연결되어 상기 출력축(11)에 회전동력을 전달하는 역할을 한다.
이때에, 상기 엔진(1)과 제2캐리어(CR2) 사이에는 토션댐퍼(3)가 마련되어 비틀림진동을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 제2마찰부재(B2)의 선택적인 제동작동에 의해 엔진EVT(전기적 무단 변속기)모드, 또는 엔진OD(오버드라이브)모드의 주행이 가능하고, 더불어 EV모드 1단 및 2단 복합 주행을 통해 HEV모드를 구현함으로써, 변속단을 다단화 형성하여 차량의 고속 주행 성능을 향상시키게 되는 것이다.
이하에서는, 본 발명을 이용한 주행모드별 동력 흐름을 살펴보기로 한다.
<EV모드>
도 2를 참조하면, 제1전동기(MG1)에서 제공되는 동력에 의해 전동입력축(5)이 회전하게 되는데, 이때에 원웨이클러치(7)는 이너레이스가 아우터레이스를 끄는 방향으로 작동하게 되는바, 전동입력축(5)이 외접기어(9)를 구동시키게 된다.
즉, 제1전동기(MG1)의 회전 동력이 제1유성기어장치(PG1)를 거치지 않고, 바로 외접기어(9)를 통해 출력됨으로써, EV모드 1단으로 주행하게 되는 것이다
이어서, 도 3을 참조하면, 제1전동기(MG1)에서 제공되는 동력에 의해 전동입력축(5)이 회전하게 되는데, EV모드 1단에서 EV모드 2단으로 변속시 제1선기어(S1)가 제1마찰요소에 의해 고정됨으로써, 제1링기어(R1)가 증속되면서 외접기어(9)를 통해 출력된다.
즉, 이 경우 제1유성기어장치(PG1)의 기어비에 의해 외접기어(9)의 회전속도가 전동입력축(5)의 회전속도보다 빠르므로, 원웨이 클러치는 작동하지 않고 헛돌게 되고, 이로 인해 EV모드 2단으로 주행하게 되는 것이다.
이때에, EV모드 1단에서 EV모드 2단으로 변속시, 제1마찰부재(B1)에 의한 슬립 제어가 이루어지게 됨으로써, 변속시 발생하는 토크드롭을 방지하게 된다.
<엔진EVT모드 + EV모드>
도 4의 (a)를 참조하면, 엔진(1) 동력이 제2캐리어(CR2)에 입력되는 경우, 제2전동기(MG2)의 제어에 의해 엔진(1) 동력이 제2선기어(S2) 및 제2링기어(R2)를 통해 제2전동기(MG2) 및 출력축(11)으로 분기(파워스플릿)되면서 발전 및 출력에 사용되거나, 혹은 제2전동기(MG2)의 동력과 엔진(1) 동력이 출력축(11)으로 함께 제공될 수 있다.
다만, 도 4에서는 엔진(1) 동력이 분기되는 흐름에 대해서 예시하고 있다.
이와 함께, 제1전동기(MG1)에서 제공되는 동력에 의해 상술한 바와 같은 EV모드 1단 주행이 가능함으로써, 엔진EVT모드와 EV모드 1단이 복합된 변속단을 형성하여 주행할 수 있는 것이다.
이어서, 도 4의 (b)를 참조하면, 엔진(1) 동력이 제2캐리어(CR2)에 입력되면서, 위와 동일하게 제2유성기어장치(PG2)에 의해 엔진(1) 동력이 분기되거나, 혹은 제2전동기(MG2)의 동력과 함께 출력축(11)에 제공될 수 있다.
이와 함께, 제1전동기(MG1)에서 제공되는 동력에 의해 상술한 바와 같이 EV모드 1단에서 EV모드 2단으로 변속하는 과정을 통해서, EV모드 2단 주행이 가능함으로써, 엔진EVT모드와 EV모드 2단이 복합된 변속단을 형성하여 주행할 수 있는 것이다.
<엔진OD모드 + EV모드>
도 5의 (a)를 참조하면, 엔진(1) 동력이 제2캐리어(CR2)에 입력되는 경우, 제2선기어(S2)가 제2마찰부재(B2)에 의해 고정되어 있으므로, 엔진(1) 동력이 제2링기어(R2)를 통해 증속되어 출력되어, 출력축(11)에 제공되는 것이다.
이와 함께, 제1전동기(MG1)에서 제공되는 동력에 의해 상술한 바와 같은 EV모드 1단 주행이 가능함으로써, 엔진OD모드와 EV모드 1단이 복합된 변속단을 형성으로 주행할 수 있는 것이다.
이어서, 도 5의 (b)를 참조하면, 엔진(1) 동력이 제2캐리어(CR2)에 입력되면서, 위와 동일하게 엔진(1) 동력이 제2링기어(R2)를 통해 출력축(11)에 증속되어 제공된다.
이와 함께, 제1전동기(MG1)에서 제공되는 동력에 의해 상술한 바와 같이 EV모드 1단에서 EV모드 2단으로 변속하는 과정을 통해서, EV모드 2단 주행이 가능함으로써, 엔진OD모드와 EV모드 2단이 복합된 변속단을 형성하여 주행할 수 있는 것이다.
특히, 상기한 엔진OD모드에서 고속 주행하는 경우, 본 발명은 제2마찰부재(B2)에 의해 제2선기어(S2)를 고정시켜 엔진(1) 동력을 증속함으로써, 제2선기어(S2)를 고정하기 위해 제2전동기(MG2)를 제어할 필요가 없으므로, 제2전동기(MG2)를 제어하는데 사용되는 전기부하의 손실을 줄이게 되는바, 연비 향상에 도움을 주게 된다.
또한, 도면으로 도시하지는 않았으나, 엔진EVT모드의 엔진 단독주행모드로 주행하는 경우, 제1전동기(MG1)는 원웨이클러치(7)에 의해 프리휠링하게 됨으로써, 제1전동기(MG1)의 회전에 필요한 전기부하가 필요치 않아, 이 역시 연비 향상에 도움을 주게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 엔진 3 : 토션댐퍼
5 : 전동입력축 7 : 원웨이클러치
9 : 외접기어 11 : 출력축
13 : 출력기어 15 : 변속기케이스
PG1 : 제1유성기어장치 S1 : 제1선기어
CR1 : 제1캐리어 R1 : 제1링기어
PG2 : 제2유성기어장치 S2 : 제2선기어
CR2 : 제2캐리어 R2 : 제2링기어
MG1 : 제1전동기 MG2 : 제2전동기
B1 : 제1마찰부재 B2 : 제2마찰부재

Claims (9)

  1. 제1마찰부재에 의해 선택적인 고정요소로 작동되는 제1회전요소와, 전동입력축에 의해 제1전동기와 연결되어 입력요소로 작동되는 제2회전요소와, 외접기어를 매개로 출력축에 연결되어 출력요소로 작동되는 제3회전요소를 포함하는 제1유성기어장치;
    전동입력축 및 외접기어의 회전속도에 따라, 전동입력축에 대한 외접기어의 상대 회전을 허용하거나, 전동입력축의 회전에 대해 외접기어를 함께 구속 회전시키는 원웨이클러치;를 포함하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제2전동기에 연결되어 선택적인 입력요소 또는 선택적인 고정요소로 작동되는 제1회전요소와, 엔진 동력이 제공되어 입력요소로 작동되는 제2회전요소와, 출력축에 연결되어 출력요소로 작동되는 제3회전요소를 포함하여 구성된 제2유성기어장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1유성기어장치에서,
    제1회전요소는 선기어이고, 제2회전요소는 캐리어이며, 제3회전요소는 링기어인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1마찰부재는 변속기케이스에 고정되는 브레이크인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2유성기어장치에서,
    제1회전요소는 선기어이고, 제2회전요소는 캐리어이며, 제3회전요소는 링기어인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2유성기어장치의 제1회전요소에는 제2마찰부재가 연결되어, 상기 제1회전요소가 선택적인 고정요소로 작동되도록 구성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2마찰부재는 변속기케이스에 고정되는 브레이크이거나, 변속기케이스와 제1회전요소 사이에서 선택적으로 체결 가능한 도그클러치인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 원웨이클러치는 전동입력축과 외접기어 사이에 구비되고, 전동입력축과 동심축을 이루어 구비된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 외접기어는 출력축에 구비된 출력기어에 치합되어 마련된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
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