KR101674237B1 - 내연기관 구성 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기관실 (2) 과 이 기관실에 직접 연결되는 엔진 케이싱 (21) 을 갖는 해양 선박 (1) 에 배치되는 내연기관 구성에 관한 것이다. 내연기관 구성은 내연기관 (3), 내연기관에 연결되고 내연기관으로부터 배기 가스 흐름을 수용하기 위해 구성되는 배기 파이프 (4), 배기 가스 흐름의 방향으로 배기 파이프 (4) 이후에 구성되는 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6), 그리고 전기 모터 (12) 가 제공되고 내연기관 (3) 에 직접 연결되는 컴프레셔 유닛 (10) 을 포함한다. 개선된 방출 제어를 가지며 에너지 효율적인 구성을 제공하기 위해 내연기관 구성은 배기 가스 흐름의 방향으로 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 바로 이전에 엔진 케이싱 (21) 에 구성되는 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 을 또한 포함한다.
Description
본 발명은 청구항 1 항의 전문에서 더 규정되는 것과 같이 기관실 (engine room) 및 이 기관실에 직접 연결되는 엔진 케이싱 (engine casing) 을 갖는 해양 선박에 배치되는 내연기관 구성에 관한 것이다.
해양 선박에는 내연기관, 예컨대 디젤 엔진이 호텔 소비자를 위해 전기 에너지 그리고 추진력을 제공하기 위해 보통 배치된다. 이러한 엔진, 특히 디젤 엔진으로부터의 배기 가스는 폐 에너지로서 분류될 수 있는 과잉 에너지를 함유하고 있다.
종래의 구성에서, 폐 에너지는 엔진에 연소 가스를 공급하는 터보 차저에서 회수된다. 이러한 구성은, 터보차저 및 선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛을 갖는 대형 과급 디젤 엔진을 기재하고 있는 WO 2008/135059 A1 으로부터 공지되어 있다. 일반적으로, 한편, 높은 로드에서, 필요한 것보다 더 많은 에너지가 이용 가능하고, 다른 한편, 낮은 로드에서 터보 차저는 충분한 공기를 공급하지 않는다.
환경적인 규제에 의해, 더 엄격한 방출 규정이 적용되며 그리고 적용될 것이다. 통상적으로, 선택적 촉매 환원 (SCR) 은 NOX 방출을 줄이는데 사용되어 왔다. 적절한 효율 등급에 도달하기 위해, 선택적 촉매 환원은 상당히 높은 온도를 요구한다. 터보 차저 이용시에, 온도는 일반적으로, 특히 온도 레벨이 4 스트로크 엔진에서 보다 더 낮은 2 스트로크 엔진에 대하여 충분하지 않은 레벨로 떨어진다. 그 결과, SCR 유닛은 온도가 충분히 높은 배기 가스 흐름의 지점에 구성되어야 한다. 이는 특히, 해양 선박에서 공간 문제를 초래한다.
상기 언급된 것과 같이, 2 스트로크 해양 선박 엔진 설비에서 SCR 유닛의 위치는 4 스트로크 엔진과 비교할 때 터보 차저 이후의 낮은 배기 가스 온도 때문에 특히 문제가 된다. 공지된 해결책에서 SCR 유닛은 보통 터보차저 이전에 놓인다. SCR 반응기는, 공간이 제한된 해양 선박의 기관실에 위치될 때 디자인 문제를 야기하는 대형 컨테이너와 파이프를 포함한다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 문제를 피하고 증가된 작동 효율을 가능하게 하며, 또한 방출 제어를 제공하는 내연기관 구성을 달성하는 것이다. 본 목적은 청구항 1 항에 따른 내연기관 구성에 의해 달성된다.
본 발명의 기본 아이디어는 효과적인 방출 제어를 위한 구성을 가능하게 하면서, 엔진 효율을 강화하기 위해 종래의 터보 차저에 대한 교체 시스템을 갖는 내연기관 구성을 제공하는 것이다. 이는 내연기관 구성이 배기 가스 흐름의 방향으로 전기 발전기를 포함하는 터빈 유닛 바로 전에 엔진 케이싱에 구성되는, 선택적 촉매 환원 유닛을 더 포함하게 함으로써 제공될 수 있다.
엔진 케이싱은 기관실로부터 해양 선박의 외부까지 뻗어있는 해양 선박의 기관실 위에 위치되는 구조물이다. 엔진 케이싱은 내연기관의 배기 파이프를 위한 하우징을 제공한다.
유리하게는, 그리고 배기 가스 흐름의 더 나은 제어를 위해, 배기 가스 이코노마이저 (economiser) 는 배기 가스 흐름의 방향으로 전기 발전기를 포함하는 터빈 유닛 바로 이후에 구성된다. 소음기가 배기 가스 흐름의 방향으로 배기 가스 이코노마이저 바로 이후에 또한 구성될 수 있다.
바람직하게는 또한 배기 가스 이코노마이저는 엔진 케이싱에 구성된다.
바람직하게는 또한 소음기는 엔진 케이싱에 구성된다.
본 발명은 내연기관이 해양 선박에 통상적으로 사용되는 2 스트로크 저속 엔진인 경우에 특히 유리하다. 종래의 터보 차저 없이 배기 가스는 터빈 유닛으로 유도되기 전에 선택적 촉매 환원 유닛으로 직접 유도될 수 있으며, 따라서 환원 공정에 대하여 높은 충분한 온도를 제공한다.
본 발명은 내연기관이 해양 선박에 통상적으로 사용되는 4 스트로크 중속 엔진인 경우에 특히 유리하다. 종래의 터보 차저 없이 비교적 높은 배기 가스 온도는 선택적 촉매 환원 공정이 엔진 시동 동안 더 일찍 시작하게 하고 또한 매우 낮은 로드에서 운행하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 내연기관이 해양 선박에 일반적으로 사용되는 듀얼 연료 엔진인 경우에 특히 유리하다. 이는 공기 흐름의 독립적인 제어에 대한 가능성에 의하여 전기 모터에 의해 구동되는 컴프레셔 유닛에 의해 가능하게 된다.
바람직하게는, 터빈 유닛의 전기 발전기는 해양 선박에 전기 스위치 보드에 의해 전기 모터에 연결되고, 이에 의해 전기 발전기에 의해 발생된 전기 에너지는 또한 전기 스위치 보드를 통하여 보드 상의 다른 소비자에 의해 사용될 수 있다.
바람직하게는, 제 1 제어 수단이 전류를 해양 선박의 전기 네트워크에 적합하도록 조정하기 위해 터빈 유닛의 전기 발전기와 전기 스위치 보드 사이에 구성된다.
바람직하게는, 제 2 제어 수단이 전기 모터의 속도를 조정하기 위해 전기 스위치 보드와 전기 모터 사이에 구성된다.
유리하게는, 내연기관 구성에는 스위치 보드에 연결되는, 하나 이상의 보조 발전기 유닛이 제공된다. 이는 대리 기능성 (redundancy) 을 제공하고 해양 선박의 모든 작동 모드에서 컴프레셔의 작업을 보장한다.
본 발명의 유리한 특징은 청구항 2 항 내지 12 항에서 규정된다.
이후에 본 발명은, 단지 실시예로서, 본 발명의 실시형태를 나타내는 첨부된 개략도를 참조하여 설명될 것이다.
도면에 나타낸 본 발명의 실시형태에서, 본 발명이 배치되는 해양 선박은 일반적으로 참조 번호 1 로 나타낸다. 해양 선박 (1) 에는 해양 선박 (1) 의 기관실 (2) 에 위치되는 적어도 하나의 내연기관 (3) 이 제공된다. 내연 기관 (3) 은 예컨대 해양 선박 (1) 의 추진 유닛 또는 발전기 (도시되지 않음) 에 연결되는 메인 섀프트 (S) 에 연결된다.
내연기관 (3) 에는 내연기관 (3) 으로부터의 배기 가스 흐름을 수용하기 위한 배기 파이프 (4) 가 제공된다. 이 실시형태에서, 배기 파이프 (4) 는 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 으로 유도하도록 구성된다. 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 이후, 배기 가스 흐름의 흐름 방향으로, 소위 배기 가스 터빈이며, 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 이 제공된다. 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 이후, 배기 가스 흐름은 배기 가스 이코노마이저 (8) 로 유도되고 또한 소음기 (9) 를 통하여 대기로 유도되도록 구성된다. 따라서, 구성은 종래적으로 사용되는 터보 차저를 포함하지 않는다.
내연기관 (3) 에는 연소 가스를 내연기관 (3) 에 제공하기 위한 컴프레셔 유닛 (10) 이 또한 제공된다. 컴프레셔 유닛 (10) 을 위한 공기 공급은 블럭 화살표 (11) 로 나타내었다. 컴프레셔 유닛 (10) 에는 전기 모터 (12) 의 형태인 구동 수단이 제공된다. 터빈 유닛 (6) 의 전기 발전기 (7) 는 전기 모터 (12) 를 구동하기 위한 전기 에너지를 공급하기 위해 전기 모터 (12) 에 연결된다.
나타낸 실시형태에서, 엔진 케이싱 (21) 이 기관실 (2) 에 연결되어 구성된다. 엔진 케이싱 (21) 은 따라서 기관실 (2) 에 직접 연결된다. 엔진 케이싱 (21) 은 기관실 (2) 로부터 해양 선박 (1) 의 외부까지 뻗어있는 해양 선박 (1) 의 기관실 (2) 위에 위치된 구조물이다. 엔진 케이싱 (21) 은 내연기관의 배기 파이프 (4) 를 위한 하우징을 제공한다.
배기 파이프 (4) (실시형태에서 나타낸 것과 같이 도면에 적어도 부분적으로 나타낸), 선택적 촉매 환원 유닛 (5), 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6), 배기 가스 이코노마이저 (8), 소음기 (9), 뿐만 아니라 전기 모터 (12) 는 해양 선박 (1) 의 엔진 케이싱 (21) 내에 모두 구성될 수 있다. 하지만, 이하에 더욱 상세하게 논의되는 것과 같이, 본 발명의 이점은 다른 구성에 의해 달성될 수 있다. 배기 가스 이코노마이저 (8) 와 소음기 (9) 는 만연한 요구에 의존하는 본 발명에 대한 선택적인 특징이다. 구성에는 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 이후에 배기 가스 흐름에 스크러버 (scrubber) 유닛 (도시되지 않음, 마찬가지로 이하에 논의됨) 이 또한 제공될 수 있다.
터빈 유닛의 전기 발전기 (7) 는, 바람직하게는 제 1 제어 수단 (13) 을 통하여 해양 선박 (1) 의 전기 스위치 보드 (14) 에 전기 에너지를 공급하기 위해 구성된다. 전기 에너지는 전기 스위치 보드 (14) 에 의해, 바람직하게는 제 2 제어 수단 (15) 을 통하여 상기 공기 컴프레셔 유닛 (10) 의 전기 모터 (12) 에 상기 공기 컴프레셔 유닛 (10) 을 구동시키기 위해 공급되도록 구성된다. 제 2 제어 수단 (15) 그리고 내연기관 (3) 에 연결되는 자동화 시스템이 참조 기호 A 에 의해 개략적으로 나타나 있다.
도면에 나타낸 본 발명의 실시형태는 참조 번호 16 에 의해 나타낸 것과 같이 3 개의 추가적인 소위 보조 발전기 유닛 (전기 발전기 (genset)) 을 또한 나타내며, 이들은 전기 모터에 전기 에너지를 공급하기 위해 전기 스위치 보드 (14) 에 연결된다. 보조 발전기 유닛 (16) 으로부터의 전기 에너지는 컴프레셔 유닛 (10) 의 전기 모터 (12) 에 유도될 수 있다. 보조 발전기 유닛 (16) 은 개수가 하나 이상일 수 있다.
상기 언급된 것과 같이, 본 발명은 유리하게는 기관실 (2) 과 이에 연결되는 엔진 케이싱 (21) 이 제공되는 해양 선박 (1) 에 배치된다. 종래적으로 사용되는 터보 차저가 소위 배기 가스 터빈이며, 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 에 의해 대체된다 (또한 이하에 논의됨). 터빈 유닛 (6) 의 전기 발전기 (7) 에 의해 발생되는 전기 에너지는 해양 선박 (1) 의 전기 스위치 보드 (14) 에 공급된다. 전기 발전기 (7) 는, 해양 선박의 전기 네트워크에 적합하게 하기 위해 예컨대 주파수, 전압 등에 대하여 전류를 조정하기 위해 구성되는, 제 1 제어 수단 (13) 을 통하여 전기 스위치 보드 (14) 에 연결된다. 컴프레셔 유닛 (10) 은 전기 모터 (12) 에 의해 구동되고, 이 전기 모터는 내연기관 제어 입력에 따라 전기 모터의 속도를 조정하기 위해 제 2 제어 수단 (15) 을 통하여 전기 스위치 보드 (14) 에 연결된다. 컴프레셔 유닛 (10) 은 연소 가스를 내연기관 (3) 에 공급한다. 터빈 유닛 (6) 의 전기 발전기 (7) 는 전기 스위치 보드 (14) 에 의한 것 대신에 전기 모터 (12) (도시되지 않음) 에 직접 전기 에너지를 공급하기 위해 또한 구성될 수 있다.
보통, 전기 에너지를 공급하기 위해 해양 선박 (1) 의 전기 스위치 보드 (14) 에 연결되는 상기 언급된 것과 같은 보조 발전기 유닛 (16) 과 같은 하나 이상의 다른 발전기 수단이 또한 있다.
높은 로드에서 컴프레셔 유닛 (10) 에 의해 소비되는 것보다 더 많은 회수되는 에너지가 있을 것이다. 터빈 유닛 (6) 의 전기 발전기 (7) 에 의해 이 에너지는 해양 선박 (1) 의 다른 소비를 위해 전기 스위치 보드 (14) 에 공급될 수 있다.
터빈 유닛 (6) 의 전기 발전기 (7) 로부터의 전기 에너지는 보드 상의 다른 소비자에게 또한 공급될 수 있다.
또한, 상기 논의된 구성은 터빈 유닛 (6) 의 전기 발전기 (7) 의 출력과 독립적으로 컴프레셔 유닛 (10) 의 출력을 제어하는 것을 가능하게 한다. 이는 내연기관 (3) 을 위한 충분한 연소 가스가 독립적으로 작업하는 컴프레셔 유닛 (10) 에 의해 모든 로드에서 공급될 수 있는 것을 의미한다. 종래의 터보 차저와 비교하여, 더 적은 소위 터보 래그 (lag) 가 있을 것이며, 이는 컴프레셔 유닛 (10) 이 전기 모터 (12) 에 의해 구동될 때 신속하게 출력을 증가시킬 수 있기 때문이다. 이는 엔진 로드 증가가 더 빠르게 될 수 있는 것을 의미한다. 공급되는 공기의 양의 정밀한 제어가 달성되는 것이 가능하다.
SCR 유닛 및 예컨대 스크러버 (상기에서 논의됨) 와 같은 구성 요소를 추가하는 것은 배기 배압을 증가시킬 수 있으며, 이는 더 높은 흡기 압력에 의한 보상을 요구할 수 있다. 하지만, 이와 관련하여 본 발명의 추가적인 이점은 내연기관 주위의 배기 파이프가 종래의 터보 차저가 사용될 때 (상기에서 논의됨) 와 비교하여 덜 복잡하다는 것이다. 이러한 유리한 형상은 배압이 줄어드는 것을 초래한다.
컴프레셔 유닛 (10) 에 의해 공급되는 공기의 양은 공기 온도, 습도 등을 고려하여 그리고 내연기관 (3) 이 올바른 온도의 공기를 수용하는 것을 보장함으로써 제어될 수 있다. 종래의 터보 차저와 비교하여, 웨이스트 게이트 (waste gate) 또는 우회 구성에 대한 필요가 없는데, 이는 컴프레셔 유닛 (10) 이 배기 가스 흐름 및 내연기관 로드로부터 독립적으로 제어될 수 있기 때문이다. 또한, 공기 흐름은 더 낮은 온도에서 줄어들 수 있고, 이는 더 낮은 입구 온도에서의 작업을 가능하게 하고 유입 공기를 가열할 필요를 줄인다. 그 결과, 구성에 자동화 시스템 (A) 에 연결되는 온도 제어부 (T) 를 추가하는 것이 유리하다.
컴프레셔 유닛 (10) 에 의해 달성될 수 있는 공기 흐름의 독립적인 제어는 듀얼 연료 엔진에 대하여 특히 유리하다. 공기 요구는 디젤 연료 작업과 비교하여 가스 연료 작업에 대하여 상당히 상이하다.
본 발명에 따른 내연기관 구성에서 컴프레셔 유닛 (10) 및 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 은 서로 독립적으로 위치될 수 있으며, 이에 의해 이들은 내연기관 (3) 에 직접 위치되어야 할 필요는 없다. 따라서, 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 은 엔진 케이싱 (21) 에 위치될 수 있다.
내연기관 (3) 이 종래의 터보 차저를 갖는 2 스트로크 저속 엔진인 경우, 배기 가스 흐름은 환원 공정을 위한 충분히 높은 온도를 갖는 배기 가스를 제공하기 위해 보통 엔진으로부터 선택적 촉매 환원 유닛으로 그리고 그 후 터보차저로 (그리고 또한 배기 가스 이코노마이저로) 흐른다. 터보 차저가 보통 엔진에 설립되기 때문에, 또한 선택적 촉매 환원 유닛이 엔진에 근접해야 하며, 이는 기관실에 충분한 공간을 요구한다. 이는 해양 선박에서 어려움을 야기하는데 이는 SCR 유닛이 대형 구성 요소이기 때문이다.
본 발명에 따르면, 컴프레셔 유닛 (10) 및 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 의 독립적인 위치에 의해, 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 은 내연기관 (3) 의 배기 파이프 (4) 로부터 직접 배기 가스 흐름을 수용하는 엔진 케이싱 (21) 에 구성될 수 있다. 또한, 낮은 엔진 로드를 위한 보조적인 블로워 (blower) 를 제공할 필요가 없다. 결과적으로, 더 적은 공간이 기관실 그 자체에 요구되며, 이는 또한 더 가변적인 구성을 가능하게 한다.
이러한 구성의 다른 중요한 이점은 내연기관 (3) 을 떠나고 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 에 들어가는 배기 가스 흐름이, 터보 차저와 같은 중간 구성 요소가 없기 때문에, 또한 해양 선박에 통상적으로 배치되는 2 스트로크 저속 엔진에 대하여 효과적인 선택적 촉매 환원 공정을 제공하기 위해 충분히 높은 온도를 가질 것이라는 것이다.
내연기관 (3) 이 종래의 터보 차저를 갖는 4 스트로크 중속 엔진인 경우, 배기 가스 흐름은 보통 엔진으로부터 터보 차저로 그리고 그 후 선택적 촉매 환원 유닛으로 (그리고 또한 배기 가스 이코노마이저로) 흐른다. 하지만, 본 발명에 따르면 터보 차저와 같은 중간 구성 요소가 없기 때문에, 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 은 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 이전의 더 높은 배기 가스 흐름 온도 때문에 엔진 시동 동안 그리고 또한 매우 낮은 로드에서 작업을 더 빨리 시작할 것이다. 이는 방출 제어를 강화한다.
설명 및 이와 관련된 도면은 단지 본 발명의 기본 아이디어를 명백하기 위한 것으로 의도된다. 본 발명은 이하의 청구항의 범위 내에서 변할 수 있다.
Claims (12)
- 외부를 갖고 기관실 (2) 과 이 기관실 (2) 에 직접 연결되는 엔진 케이싱 (21) 이 제공되는 해양 선박 (1) 에 배치되는 내연기관 구성으로서,
이 엔진 케이싱 (21) 은 기관실 (2) 로부터 해양 선박 (1) 의 외부까지 뻗어있는 해양 선박 (1) 의 기관실 (2) 위에 위치되고,
이 내연기관 구성은 내연기관 (3), 내연기관으로부터의 배기 가스 흐름을 수용하기 위해 내연기관에 연결되는 배기 파이프 (4) 를 포함하며,
상기 내연기관 구성은 배기 가스 흐름의 방향으로 배기 파이프 (4) 이후에 구성되는 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 을 포함하며, 이에 의해 배기 파이프 (4), 터빈 유닛 (6) 및 전기 발전기 (7) 는 엔진 케이싱 (21) 에 구성되고, 상기 내연기관 구성은 컴프레셔 유닛 (10) 을 또한 포함하며, 이 컴프레셔 유닛에는 전기 모터 (12) 가 제공되고 내연기관 (3) 에 직접 연결되며, 이에 의해 컴프레셔 유닛 (10) 은 연소 가스를 내연기관 (3) 에 공급하기 위해 구성되고 이 내연기관 구성은 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 을 또한 포함하는 내연기관 구성에 있어서, 상기 터빈 유닛 (6) 의 전기 발전기 (7) 는 전기 스위치 보드 (14) 에 의해 컴프레셔 유닛 (10) 의 전기 모터 (12) 에 연결되고, 컴프레셔 유닛 (10) 은 독립적으로 작업하도록 구성되고, 상기 내연기관 (3) 은 2 스트로크 저속 엔진이며, 상기 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 은 배기 가스 흐름의 방향으로 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 바로 이전에 엔진 케이싱 (21) 에 구성되며, 상기 선택적 촉매 환원 유닛 (5) 은 상기 내연기관 (3) 의 배기 파이프 (4) 로부터 직접 배기 가스 흐름을 수용하는 엔진 케이싱 (21) 에 구성되며, 상기 엔진 케이싱 (21) 내의 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 의 위치는 컴프레셔 유닛 (10) 과 독립적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관 구성. - 제 1 항에 있어서, 배기 가스 이코노마이저 (8) 가 배기 가스 흐름의 방향으로 전기 발전기 (7) 를 포함하는 터빈 유닛 (6) 바로 이후에 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 구성.
- 제 2 항에 있어서, 소음기 (9) 가 배기 가스 흐름의 방향으로 배기 가스 이코노마이저 (8) 바로 이후에 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 구성.
- 제 2 항에 있어서, 상기 배기 가스 이코노마이저 (8) 는 엔진 케이싱 (21) 에 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 구성.
- 제 3 항에 있어서, 상기 소음기 (9) 는 엔진 케이싱 (21) 에 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 구성.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 내연기관 (3) 은 듀얼 연료 엔진인 것을 특징으로 하는 내연기관 구성.
- 제 1 항에 있어서, 제 1 제어 수단 (13) 이 전기 스위치 보드 (14) 와 터빈 유닛 (6) 의 전기 발전기 (7) 사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 구성.
- 제 1 항에 있어서, 제 2 제어 수단 (15) 이 전기 모터 (12) 와 전기 스위치 보드 (14) 사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관 구성.
- 제 1 항에 있어서, 상기 내연기관 구성에는 전기 스위치 보드 (14) 에 연결되는 하나 이상의 보조 발전기 유닛 (16) 이 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관 구성.
- 삭제
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