KR101805855B1 - 연소 기관의 적어도 하나의 실린더를 냉각하는 냉각 장치 - Google Patents

연소 기관의 적어도 하나의 실린더를 냉각하는 냉각 장치 Download PDF

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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 연소 기관의 실린더를 냉각하는 냉각 장치에 관한 것이다. 실린더(1)는 실린더 헤드(3) 및 실린더 라이너(2)를 구비한다. 냉각 장치는, 실린더 헤드의 하부를 관통하여 냉각수를 안내하는 제1 유로(5), 실린더 헤드의 상부를 관통하여 냉각수를 안내하는 제2 유로(6), 및 실린더 라이너(2)의 상부를 관통하여 냉각수를 안내하는 제3 유로(7)를 구비한 냉각 회로를 포함한다. 냉각 회로는 초기에 제2 유로(6) 및 제3 유로(7)를 관통하여 병렬로 안내되기 전에, 제1 유로를 관통하여 냉각수를 안내하도록 구성된다.

Description

연소 기관의 적어도 하나의 실린더를 냉각하는 냉각 장치{COOLER ARRANGEMENT FOR COOLING AT LEAST ONE CYLINDER OF A COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 제1항의 전제부에 따른 연소 기관의 적어도 하나의 실린더를 냉각하는 냉각 장치에 관한 것이다.
연소 기관의 실린더에서 연소 과정은 예컨대, 실린더 헤드 및 실린더 라이너와 같은 연소 공간 부근 영역을 가열하는 열 에너지를 생성한다. 예컨대, 실린더 헤드의 하부와 같이, 연소 공간에 가장 가까운 영역은 예컨대, 실린더 라이너의 하부와 같이, 연소 공간으로부터 먼 거리에 있는 영역보다 더 높은 온도에 도달한다. 따라서, 연소 기관의 동작 중에 고온 영역과 저온 영역이 실린더 헤드 및 실린더 라이너에서 발생한다. 연소 기관이 높은 부하로 장기간 작동하는 상황에서, 고온 영역은 매우 높은 온도에 도달할 수 있다.
연소 기관을 냉각하는 종래의 냉각 시스템은 정상 작동 중에, 80-90℃ 범위 내의 온도일 수 있는 냉각수를 순환시킨다. 연소 기관을 통해 냉각수가 순환할 때, 냉각 덕트는 실질적으로 동일한 온도 및 유동으로 냉각수에 의한 냉각으로 연소 기관에 모두 냉각된 영역을 제공한다. 연소 기관이 높은 부하로 작동하는 상황에서, 냉각은 실린더 헤드 및 실린더 라이너의 고온 영역에서 불충분할 수 있다. 적은 열 부하가 있는 다른 영역에는 냉간 시동 이후에 장기간의 엔진 예열 시간을 초래할 수 있는 냉각이 제공될 것이다.
국제 공개공보 WO 2012/101014호는 연소 기관의 실린더 헤드를 냉각하기 위해 순환 냉각수를 구비한 냉각 시스템을 개시한다. 상기 시스템은 실린더 헤드의 하부 냉각 챔버의 중앙 영역에서 초기에 냉각수를 전달하는 유입구 라인을 구비한다. 상기 하부 챔버는 반경 방향 외측으로 냉각수를 안내하는 반경 방향 덕트를 구비한다. 냉각수는 환형 덕트에서 수신되고, 개구를 통해 상기 환형 덕트에서 실린더 헤드의 상부 냉각 챔버로 통과한다. 이후에, 냉각수는 배출 덕트를 통해 멀리 실린더 헤드로부터 안내된다.
본 발명의 목적은 각각의 냉각 요구사항에 따라 실린더의 다른 부분에 차별화된 냉각을 제공할 수 있는 냉각 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 제1항의 특징부에 나타난 기능을 특징으로 하는 냉각 장치로 달성된다. 실린더의 다른 부분은 연소 과정에서 실질적으로 수신된 열 에너지의 양과 관련된 냉각을 요구한다. 순환 냉각수가 주는 냉각 효과는 온도 및 흐름에 관련된 것이다. 본 발명에 따르면, 모든 냉각수는 초기에 냉각 요구사항이 가장 큰 실린더 헤드의 하부를 관통하여 연장되는 제1 유로에 안내된다. 제1 유로에서 냉각수는 가장 낮은 온도일 수 있고, 동시에 흐름이 최적 상태이다. 이에 따라, 실린더 헤드의 하부에는 냉각수에 의해 최적의 냉각이 제공된다.
이후에, 냉각 회로는 2개의 평행한 유로, 즉, 실린더 헤드의 상부를 관통하여 냉각수를 안내하는 제2 유로 및 실린더 라이너의 상부에 냉각수를 유도하는 제3 유로로 분할된다. 이러한 평행한 흐름의 이점은 냉각 회로의 압력 손실이 작아진다는 것이다. 그러나, 각각 병렬인 유로를 관통하는 냉각수 흐름은 제1 냉각수 유로보다 적을 것이고, 동시에, 냉각수는 실린더 헤드의 하부를 냉각시킨 이후에 가장 높은 온도일 것이다. 이에 따라, 실린더 헤드의 상부 및 실린더 라이너의 상부는 실린더 헤드의 하부를 냉각시킨 것보다 적은 흐름이고 높은 온도인 냉각수에 의해 냉각된다. 따라서, 실린더 헤드의 상부와 실린더 라이너의 상부에는 실린더 헤드의 하부보다 낮은 냉각이 제공된다. 이는 실린더 헤드의 하부와 동일한 냉각을 요구하지 않는 인접한 부분 사이에서 차별화된 냉각을 달성하는 간단한 방식이다. 상기 차별화된 냉각은 상대적으로 낮은 압력 손실로 냉각수가 순환되는 냉각 회로로 달성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 제2 유로 및 제3 유로는 제2 유로보다 제3 유로를 관통하는 냉각수의 흐름이 더 많도록 크기가 정해진다. 이러한 경우에, 냉각수는 동일 온도이지만, 실린더 헤드의 상부 및 실린더 라이너의 상부를 관통하는 다른 흐름으로 통과된다. 실린더 헤드의 상부 및 실린더 라이너의 상부를 관통하는 냉각수의 흐름을 치수화함으로써, 그들 사이에서 적절한 비율의 냉각 효과를 달성하는 것이 가능하다. 냉각 요구사항은 실린더 헤드의 상부에서보다 실린더 라이너의 상부에서 더 크고, 이에 따라, 냉각수 흐름의 가장 큰 부분은 실린더 라이너의 상부에 안내된다. 그 결과, 각각의 부분의 냉각 요구사항에 따라 차별화된 실린더의 냉각 효과를 얻는다.
본 발명의 일 실시예에서, 제2 유로에서의 냉각수 및 제3 유로에서의 냉각수는 상기 유로보다 낮은 높이에 위치된 배출구 덕트에 모인다. 이는, 냉각수 정체 영역이 없고, 냉각수의 임의의 불순물이 상기 유로에 축적될 수 없는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에서, 냉각 장치는 실린더 라이너의 하부를 관통하는 냉각 매체를 안내하는 제4 유로를 구비하여 실린더의 상기 부분에 냉각을 제공한다. 실린더의 상기 부분에서의 냉각 요구사항은 전술한 부분보다 낮을 것이다. 이에 따라, 냉각장치는 실린더의 상기 부분에 가장 작은 냉각 효과를 제공한다. 냉각 장치는 제1 유로에서 평행한 제4 유로로 냉각수를 안내할 수 있고, 상기 제4 유로는 평행한 제2 유로 및 평행한 제3 유로보다 낮은 냉각수 흐름을 수신하도록 크기가 정해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 냉각 장치는 제4 유로를 관통하여 냉각 매체를 안내하는 별도의 냉각 회로를 구비할 수 있다. 이러한 별도의 냉각 회로는 냉각수, 기어박스 오일 또는 모터 오일 형태인 냉각 매체를 제4 유로를 통해 안내할 수 있다. 별도의 냉각 회로를 구비하는 이점은, 냉간 시동 이후에 연소 기관이 의도된 작동 온도에 도달했을 때에만 활성화될 수 있다는 것이다. 실린더 라이너의 하부의 초기 냉각 결여는 엔진이 의도된 작동 온도로 빠르게 예열되는 것을 가능하게 할 것이다. 이에 따라, 연소 기관이 의도된 작동 온도 미만일 때 발생하는 마찰 손실이 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 유로는 실린더 헤드의 하부를 관통하여 냉각수의 평행한 흐름을 안내하는 덕트를 포함한다. 이러한 평행한 덕트는 냉각수가 실질적으로 실린더 헤드의 전체 하부에 바람직한 방식으로 분해되고, 냉각이 우선되는 영역에 집중되는 것을 가능하게 한다. 평행한 덕트는 상당히 짧을 수 있고, 이에 따라, 냉각수가 제1 유로를 관통하여 낮은 압력 강하를 받도록 한다. 제2 냉각수 유로는 실린더 헤드의 상부를 관통하여 병렬로 냉각수를 안내하는 복수의 덕트를 또한 포함할 수 있다. 제3 유로 및 제4 유로는 실린더 라이너와 실린더 블록 사이의 원형 격벽(bulkhead)에 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 유로는 실린더 헤드의 모든 유입구 덕트 및 배기 덕트에 인접한 냉각수 흐름을 제공한다. 실린더 헤드에 위치되는, 전술된 부품은 너무 높은 온도에 노출되지 않는 것이 중요하다. 상기 제1 유로는 실린더 헤드의 인젝터에 인접한 냉각수 흐름을 제공할 수 있다. 인젝터는 연소 과정 중에 많은 열 작용의 대상이 되도록 실린더 헤드에 위치될 것이다. 또한, 인젝터는 작동에 영향을 끼칠 수 있는 열 작용의 대상이 되는 것을 방지하기 위해 알맞은 냉각이 요구되는 이동식 부품을 포함할 수 있다. 제1 유로는 인젝터에 인접한 냉각수를 수직 방향으로 안내하는 적어도 하나의 수직 덕트를 구비할 수 있다. 바람직하게, 이러한 수직 덕트는 둘러쌀 수 있다. 이에 따라, 긴 형상인 인젝터에는 양호한 냉각이 제공될 수 있다. 이러한 수직 덕트의 냉각수는 실린더 헤드의 상부를 관통하여 연장되는 임의의 덕트에 수신될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 장치를 도시한다.
도 2는 실린더 헤드의 하부를 관통하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각 장치를 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 디젤 엔진일 수 있고, 차량에 위치될 수 있는 연소 기관의 실린더(1)를 도시한다. 실린더는 종래의 방식으로 미 도시된 이동식 피스톤을 포함하는 원통형 공간을 포함한다. 실린더의 측벽은 실린더 라이너(2)로 획정된다. 실린더는 실린더 헤드(3)의 하부면에 의해 위쪽으로 제한된다. 실린더의 연소 과정 중에, 연소는 피스톤의 상부면과 실린더 헤드의 하부면 사이에서 실린더의 상부의 연소 공간에서 발생한다. 본원 명세서에서 제1 영역(Ⅰ)으로 표시되는 실린더 헤드의 하부는 연소 과정에서 발생하는 대부분의 열 에너지를 수신할 것이다. 본원 명세서에서 제2 영역(Ⅱ)으로 표시되는 실린더 헤드의 상부는 제1 영역(Ⅰ)보다 적은 열 에너지를 수신할 것이다. 본원 명세서에서 제3 영역(Ⅲ)으로 표시되며, 실질적으로 연소 공간의 측벽을 구성하는 실린더 라이너(2)의 상부는 연소 과정에서 발생하는 다음의 대부분의 열 에너지를 수신할 것이다. 본원 명세서에서 제4 영역(Ⅳ)으로 표시되며, 하부 레벨에 위치되는 실린더 라이너의 하부는 연소 과정 중에 비교적 적당한 열을 받을 것이다. 엔진이 낮은 연료를 소비하며 최적의 방식으로 작동되도록 실린더에 인접하는 모든 영역(Ⅰ- Ⅳ)은 엔진 작동 중에 냉각이 요구된다.
냉각 장치는 실린더(1)의 상기 영역(Ⅰ- Ⅳ)의 차별화된 냉각을 제공하도록 구성된다. 냉각 장치는 순환 냉각수를 구비한 냉각 덕트를 포함한다. 냉각 덕트는 엔진 및 가능하게는 차량의 다른 부품을 냉각시키는 냉각 시스템의 일부일 수 있다. 냉각수는 상기 냉각 덕트에 다시 유도되기 전에 차량의 전방 영역의 라디에이터에서 냉각될 수 있다. 냉각 회로는 유입구 라인(4)으로부터 냉각수를 수신한다. 냉각수는, 실린더 헤드(3)의 하부를 관통하여 평행하게 연장되며, 전체 제1 영역(Ⅰ)의 소재 및 부품에 실질적으로 균일한 냉각이 제공되도록 배치되는 복수의 평행한 제1 덕트(5)를 포함하는 제1 유로로 초기에 안내된다.
냉각수가 제1 영역(Ⅰ)을 통과한 이후에, 냉각수 흐름의 일부는, 실린더 헤드(3)의 상부에 배치되며, 전체 제2 영역(Ⅱ)에 실질적으로 균일한 냉각이 제공되도록 배치되는 복수의 평행한 덕트(6)를 포함하는 제2 유로로 안내된다. 냉각수 흐름의 나머지 부분은 실린더 라이너(2)와 주위 실린더 블록 사이에 갈라진 틈과 같은 공간에서 실린더(1) 주위에서 연장되는 제3 유로(7)로 안내된다. 상기 제3 유로는 제3 영역(Ⅲ) 전체에 실질적으로 균일한 냉각을 초래하는 크기를 갖는다. 실린더 헤드의 상부에서의 냉각수 흐름 및 실린더 라이너의 상부에서의 냉각수 흐름은 각각의 영역(Ⅰ- Ⅳ)의 유로(5, 6, 7)보다 낮은 높이에 위치되며, 2개 이상의 실린더로부터의 냉각수를 모으는데 사용될 수 있는 배출 덕트(8)에서 합쳐진다.
제2 유로 상부의 평행 덕트(6) 중 적어도 하나의 덕트는 통기 덕트(17)를 포함한다. 연소 기관의 각각의 실린더는 이러한 통기 덕트를 구비하여 이로울 것이다. 2개 이상의 실린더에서 다양한 공기 덕트(17)는 팽창 탱크 위쪽으로 안내하는 공통의 통기 덕트를 구비하도록 서로 연결될 수 있다. 그 결과로, 냉각 회로의 일부를 형성하는 모든 유로(5, 6, 7)의 양호한 통기가 될 것이다. 냉각수 또는 오일일 수 있는 순환 냉각 매체를 구비한 별도의 냉각 회로는 실린더 라이너의 하부를 냉각하는 데에 사용된다. 상기 냉각 회로는 실린더 주위에서 연장되는 제4 유로(10)에 도달하기 전에 매체를 수신하는 유입구(9)를 구비한다. 상기 제4 유로는 실린더 라이너와 주위 실린더 블록 사이에 위치된 갈라진 틈과 같은 공간 내로 냉각 매체를 안내하고, 제4 영역(Ⅳ) 전체에 실질적으로 균일한 냉각을 초래하는 크기를 갖는다. 냉각 매체가 실린더 라이너의 하부를 냉각시킨 이후에, 배출구(11)에 모여진다.
도 2는 실린더 헤드(3)의 하부를 관통하는 단면도를 도시한다. 실린더 헤드는 공기를 실린더에 공급하는 2개의 유입구 덕트(12) 및 2개의 유입구 밸브(13), 연소 과정과 관련하여 실린더에서 발생하는 배기 가스의 배출을 규제하는 2개의 배출구 덕트(14) 및 2개의 배기 밸브(15)를 구비한다. 고압에서 연료를 실린더 내로 분사하도록 실린더의 중앙부에 인젝터(16)가 제공된다. 제1 유로는 유입구 덕트(12), 배기 덕트(13) 및 인젝터(16) 주위를 완전히 연장하도록 배치된 덕트(5)를 포함한다. 상기 제1 유로는 인젝터(16) 주위로 수직 냉각수 흐름을 운반하는 수직 덕트(5a)를 또한 포함한다. 이에 따라, 긴 인젝터가 양호한 냉각을 제공할 수 있다. 이러한 수직 덕트(5a)는 도 1에 도시되어있다.
따라서, 냉각 요구사항은 실린더(1)의 각각의 영역(Ⅰ-Ⅳ)에서 변할 것이다. 가장 큰 냉각 요구사항은 제1 영역(Ⅰ), 즉, 실린더 헤드의 하부가 될 것이다. 순환 냉각수로 달성될 수 있는 냉각 효과는 온도 및 흐름과 관련된다. 실린더 헤드의 하부에 최적의 냉각 효과를 제공하기 위해, 유입구(4)로부터 전체 냉각수 흐름은 제1 유로(5)로 초기에 안내된다. 이에 따라, 제1 영역(Ⅰ)의 냉각은 가장 낮은 온도에서 냉각수의 최적의 흐름에 의해 제공된다. 따라서, 냉각 회로는 제1 영역(Ⅰ)에서 매우 효과적인 냉각을 제공할 것이다. 다음으로 가장 큰 냉각 요구사항은 제3 영역(Ⅲ), 즉, 실린더 라이너의 상부이다. 제2 영역(Ⅱ)보다 더욱 효과적인 제3 영역(Ⅲ)의 냉각을 제공하기 위해, 제3 유로(7)는 제2 유로(6)보다 더 큰 냉각수 흐름을 수신하도록 크기가 정해진다. 제3 유로의 크기는 제2 유로의 크기보다 더 클 수 있다. 제2 영역(Ⅱ) 및 제3 영역(Ⅲ)에 도달하는 냉각수는 동일한 온도이지만, 실린더 라이너의 상부가 실린더 헤드의 상부보다 더욱 효과적인 냉각이 제공되도록 다른 흐름일 것이다. 가장 작은 냉각 요구사항은 실린더 라이너의 하부이다. 실린더 라이너의 하부의 냉각 요구 사항은 상대적으로 작기 때문에, 별도의 냉각 회로는 상대적으로 낮은 냉각 능력을 가질 수 있다.
연소 기관의 작동 중에, 냉각 시스템은 냉각수를 냉각 회로에 전달한다. 전술된 냉각 회로는 실린더 헤드의 하부의 제1 영역(Ⅰ)에 가장 큰 냉각 효과를 주고, 실린더 라이너의 상부의 제3 영역(Ⅲ)에 두 번째로 큰 냉각 효과를 주며, 실린더 헤드의 상부의 제2 영역(Ⅱ)에 세 번째로 큰 냉각 효과를 준다. 별도의 냉각 회로는 전술된 영역(Ⅰ-Ⅲ)에서 달성되는 냉각 효과보다 작은 냉각 효과를 제4 영역(Ⅳ)에 제공하는 냉각 매체를 공급한다. 또한, 대안적인 냉각 회로는, 냉간 시동 이후에 연소 기관이 일정한 예열 정도에 도달했을 때, 실린더 라이너의 하부의 제4 유로(10)를 통해 냉각 매체의 순환을 개시한다. 이에 따라, 냉간 시동 이후에 적절한 작동 온도로 연소 기관의 예열되는 시간이 단축될 수 있다. 또한, 냉간 시동 중에 발생하는 마찰 손실도 감소될 수 있다.
도 3은 전체 4개의 영역(Ⅰ-Ⅳ)에 냉각수를 전달하는 하나의 냉각 회로를 포함하는 냉각 장치의 대안적인 실시예를 도시한다. 3개의 영역의 유로(5, 6, 7)로 표시되는 냉각 회로의 구성은 도 1과 동일하고, 이에 따라, 이 부분의 추가적인 설명은 생략될 것이다. 전술한 냉각 회로와 달리, 제1 영역(Ⅰ)을 통과한 냉각수는 제4 영역(Ⅳ)으로 평행하게 안내된다. 제1 영역(Ⅰ)에서의 냉각수를 수신하는 3개의 평행한 냉각 영역(Ⅱ-Ⅳ)에 차별화된 냉각을 제공하기 위해, 제3 유로(7)는 가장 큰 냉각수 흐름을 수신하도록 크기가 정해지고, 제2 유로(6)는 제3 유로보다 작은 냉각수 흐름을 수신하도록 크기가 정해지며, 제4 유로(10)는 가장 작은 냉각수 흐름을 수신하도록 크기가 정해진다. 이후에, 3개의 평행한 유로(5, 6, 7)에서의 냉각수는 실린더 라이너의 하부를 관통하여 연장되는 가장 낮은 제4 유로(10)보다 낮은 높이에 위치되는 공통의 배출구(8)에 도달한다. 이에 따라, 유로에는 불순물이 축적될 수 있는 냉각수의 정체 영역이 없을 것이다. 제2 유로(6)의 상부에 위치되는 통기 라인(17)은 전체 유로(5, 6, 7, 10)에 양호한 통기를 제공할 것이다.
본 발명은 본 실시예에 제한되지 않고, 청구 범위 내에서 자유롭게 변형될 수 있다.

Claims (10)

  1. 연소 기관의 적어도 하나의 실린더를 냉각하는 냉각 장치로,
    실린더(1)는 실린더 헤드(3) 및 실린더 라이너(2)를 구비하며, 상기 냉각 장치는, 실린더 헤드의 하부를 관통하여 냉각수를 안내하는 제1 유로(5), 실린더 헤드의 상부를 관통하여 냉각수를 안내하는 제2 유로(6), 및 실린더 라이너(2)의 상부를 관통하여 냉각수를 안내하는 제3 유로(7)를 구비한 냉각 회로를 포함하는, 냉각 장치에 있어서,
    냉각 회로는 초기에 제2 유로(6) 및 제3 유로(7)를 관통하여 병렬로 안내되기 전에, 제1 유로를 관통하여 냉각수를 안내하도록 구성되며,
    냉각수의 흐름이 제2 유로(6)보다 제3 유로(7)에 많도록 제2 유로(6) 및 제3 유로(7)의 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 유로(6) 및 제3 유로(7)에서 배출되는 냉각수가 상기 제2 유로(6) 및 제3 유로(7)보다 낮은 높이에 위치된 배출구 덕트(8)에 모이는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 실린더 라이너(2)의 하부를 관통하는 냉각 매체를 안내하는 제4 유로(10)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 유로(5)를 빠져나오는 냉각수는 제4 유로(10)에 병렬로 안내되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    제4 유로(10)를 관통하는 냉각 매체를 안내하는 별도의 냉각 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유로는 실린더 헤드(3)의 하부를 관통하는 평행한 냉각수 흐름을 운반하는 냉각 덕트(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유로는 실린더 헤드(3)의 모든 유입구 덕트(12) 및 배기 덕트(14)에 인접한 냉각수 흐름을 제공하는 냉각 덕트(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유로는 실린더 헤드(3)의 인젝터(16)에 인접한 냉각수 흐름을 제공하는 냉각 덕트(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    제1 유로(5)는 인젝터(16)에 인접한 냉각수를 수직 방향으로 안내하는 적어도 하나의 수직 덕트(5a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  10. 삭제
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