KR20120013906A - 내연 기관 - Google Patents

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KR20120013906A
KR20120013906A KR1020110078027A KR20110078027A KR20120013906A KR 20120013906 A KR20120013906 A KR 20120013906A KR 1020110078027 A KR1020110078027 A KR 1020110078027A KR 20110078027 A KR20110078027 A KR 20110078027A KR 20120013906 A KR20120013906 A KR 20120013906A
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camshaft
sliding cam
internal combustion
cylinder head
combustion engine
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KR1020110078027A
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Inventor
프랑크 익킹어
요아힘 그륀베르거
Original Assignee
독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Publication date
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
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    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
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    • F01L13/0042—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction with cams being profiled in axial and radial direction
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads

Abstract

본 발명은 복수의 실린더들, 크랭크케이스, 실린더 헤드 및 실린더 헤드 커버를 구비한 내연 기관에 관한 것이며, 실린더 헤드는 실린더 헤드 하부와, 실린더 헤드 커버와 실린더 헤드 하부 사이에 포지셔닝된 캠샤프트 하우징으로 형성되며, 이때 내연 기관의 가스 교환 밸브들을 작동시키기 위해 하나 이상의 캠샤프트 및 상기 캠샤프트 상에서 축방향으로 변위될 수 있는 슬라이딩 캠이 제공되며, 슬라이딩 캠은 슬롯형 안내 부분을 포함하고, 슬라이딩 캠의 축방향 변위를 야기하기 위해 작동 가능한 핀을 구비한 액추에이터가 제공된다. 더욱이, 캠샤프트와 슬라이딩 캠은 캠샤프트 하우징에 포지셔닝되고, 밸브 작동을 위해 회전 가능하게 지지되는 캠샤프트는 축방향으로 변위 가능한 슬라이딩 캠과 함께 이들이 사전 조립된 하나의 유닛으로서 실린더 헤드 하부에 장착될 수 있는 방식으로 캠샤프트 하우징 내에 배치된다.

Description

내연 기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 특허 청구항 제1항의 전제부에 따라 복수의 실린더들을 구비한 내연 기관에 관한 것이다.
최신 내연 기관에 있어서, 연소 챔버 내에서 차지(charge) 이동을 최적화하기 위해 가변 밸브 트레인이 사용되며, 이 가변 밸브 트레인에 의해 내연 기관의 가스 교환 밸브들에서 상이한 밸브 행정들이 조정될 수 있다. 독일 특허 DE 196 11 541 C1호에는 복수의 상이한 행정 곡선들을 갖는 가스 교환 밸브의 작동을 가능하게 하는 내연 기관의 밸브 트레인이 공지되어 있다. 이를 위해, 복수의 캠 트랙들(cam tracks)을 가진 슬라이딩 캠이 회전 불가능하지만 축방향으로 변위되도록 캠샤프트 상에 지지되며, 이 슬라이딩 캠은 캠의 축방향 변위를 발생시키기 위한 핀 형태의 작동 부재가 맞물리는 캠 윤곽을 갖는다. 캠의 축방향 변위에 의해, 각각의 가스 교환 밸브에서 상이한 밸브 행정이 조정된다.
독일 특허 DE 10 2007 027 979 A1호에는 캠샤프트 터널 베어링을 구비한 내연 기관의 가스 교환 밸브들을 위한 밸브 트레인이 공지되어 있으며, 이 밸브 트레인은 캠샤프트 상에서 변위될 수 있는 캠 피스들(pieces)을 포함하며, 실린더의 가스 교환 밸브들의 작동을 위해 제공되는 두 개의 슬라이딩 캠 피스들 사이에 캠샤프트의 레이디얼 베어링이 포지셔닝된다. 슬라이딩 캠 패킷을 구비한 밸브 트레인을 종래에 공지된 바와 같이 지지하는 것은 복잡하며 유연성이 제한된다.
본 발명의 목적은, 특히 실린더 헤드에 대한 슬라이딩 캠 시스템의 포지셔닝(positioning) 및 조정과 관련하여, 청구항 제1항의 전제부에 따른 밸브 트레인을 내연 기관의 실린더 헤드에 배치하는 것을 단순화하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 내연 기관은 캠샤프트들과 슬라이딩 캠들이 캠샤프트 하우징에 포지셔닝된다는 것을 특징으로 하며, 밸브 작동을 위해 회전 가능하게 지지되는 캠샤프트는 캠샤프트, 슬라이딩 캠 및 캠샤프트 하우징이 실린더 헤드 하부에 장착될 수 있는 사전 조립된 하나의 유닛을 형성하는 방식으로, 축방향으로 변위 가능한 슬리이딩 캠과 함께 캠샤프트 하우징 내에 조립되는 것이 가능하다. 그러므로 밸브 트레인은 실린더의 가스 교환 밸브들의 작동을 위한 콤팩트한 슬라이딩 캠 장치와 함께 캠샤프트 하우징 내에 바람직하게 수용되며, 캠샤프트 하우징은 실린더 헤드 하부에 대해 캠샤프트 하우징이 장착되기 전에 사전 조립될 수 있다. 이로써 내연 기관의 조립이 단순화되며, 그에 따라 단순화된 취급 및 사전에 테스트된 사전 조립된 유닛에 기초하여 신뢰할 수 있고, 품질이 보증되는 내연 기관의 저렴한 생산이 가능해진다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 슬라이딩 캠의 축방향 변위를 야기하기 위해 제공되는 액추에이터들이 캠샤프트 하우징의 측면 영역에 배치된다. 이를 위해, 캠샤프트 하우징의 측벽에는 액추에이터들을 수용하기 위해 복수의 개구부들이 상기 측벽 내에 바람직하게 제공된다. 액추에이터들의 측면 배치의 결과로서, 이들은 종래보다 덜 복잡하게 캠샤프트 하우징으로 삽입될 수 있으며 제조 공차가 감소될 수 있으며, 상기 액추에이터들은 실린더 헤드의 전체 높이가 최소치로 감소되는 방식으로 수용된다. 그러므로 내연 기관은 특히 콤팩트하며 단순하게 배치될 수 있으며, 예를 들어 내연 기관의 제어 유닛에 대한, 액추에이터들의 연결 가능성은 액추에이터들을 수용하기 위해 제공되는 측면 개구부들에 의해 단순화된다. 더구나, 특히, 실린더 헤드 커버의 구성이 단순화될 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라, 각각의 슬라이딩 캠에는 흡기측 또는 배기측의 가스 교환 밸브들의 작동을 위해 실린더당 하나의 개별 액추에이터가 할당된다. 특히, 슬라이딩 캠과 액추에이터는 캠샤프트 하우징에서 공간적으로 볼 때 캠샤프트의 두 개의 베어링 지점들 사이에 포지셔닝된다. 두 개 이상 또는 세 개 이상의 가스 교환 밸브들이 바람직하게는 실린더당 하나의 슬라이딩 캠에 의해 작동될 수 있으며, 슬라이딩 캠에 배치되는 슬롯형 안내 부분은 각각의 경우에 가스 교환 밸브들의 작동을 위한 역할을 하며 각각의 경우에 복수의 캠 트랙들을 포함하는 두 개의 캠 부분들 사이에 포지셔닝된다. 그 결과로, 서로 인접하게 포지셔닝되는 두 개의 가스 교환 밸브들의 작동이 기능적으로 신뢰할만한 방식으로 일어날 수 있게 하는, 콤팩트한 슬라이딩 캠 형상이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 캠샤프트 조정 장치와 구동 휠이 캠샤프트에 연결되며, 캠샤프트 하우징에 배치되어 유리하게도 사전 조립된 유닛의 일부를 형성한다.
추가의 특징들 및 특징들의 조합이 상세한 설명으로부터 도출된다. 본 발명의 구체적인 실시예들은 도면에 단순하게 도시되며 다음의 상세한 설명에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 개략적으로 도시된 박서 타입(boxer type)의 내연 기관의 도면.
도 2는 도 1의 내연 기관의 실린더 헤드의 단면도.
도 3은 도 1의 내연 기관의 실린더 헤드의 추가의 단면도.
도 4는 제1 실시예에 따른 도 1의 내연 기관의 캠샤프트 하우징의 사시도.
도 5는 제1 실시예에 따른 도 1의 내연 기관의 추가의 사시도.
도 6은 제2 실시예에 따른 도 1의 내연 기관의 캠샤프트 하우징의 사시도.
도 7은 캠샤프트 하우징에 일체로 구성되는 베어링 장치들을 구비한, 도 1의 내연 기관의 캠샤프트 하우징의 사시도.
도 1에는 배치된 두 개의 실린더 열(1a, 1b)로 이루어지는 박서 타입의 내연 기관(1)이 도시되어 있다. 내연 기관(1)은 크랭크케이스(2)와, 실린더 열(1a 또는 1b)당 각가 하나의 실린더 헤드(3)를 포함하며, 실린더 헤드는 실린더 헤드 커버(4)에 의해 외부측과 경계를 이룬다. 실린더 헤드(3)는 실린더 헤드 하부(5)와 캠샤프트 하우징(6)으로 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 흡기 캠샤프트(7)과 배기 캠샤프트(8)가 내연 기관(1)의 가스 교환 밸브들을 제어하기 위해 캠샤프트 하우징(6)에 지지된다. 본 발명에 따라, 캠샤프트 하우징(6)은 사전 조립된 하나의 유닛으로서 실린더 헤드 하부(5)에 장착되어 실린더 헤드 하부에 나사결합된다. 이를 위해 복수의 나사들(11)이 제공된다. 실린더 헤드 하부(5)에 캠샤프트 하우징(6)을 조립한 후, 실린더 헤드 커버(4)가 캠샤프트 하우징(6)에 장착된다. 실린더 헤드 커버(4)를 캠샤프트 하우징(6)에 고정하기 위해 복수의 나사들(12)이 구비된다.
두 개의 흡기 밸브들(9)과 두 개의 배기 밸브들(10)이 실린더마다 제공되며, 흡기 밸브들(9)은 공지의 방식으로 흡기 캠샤프트(7)에 의해 제어되는 방식으로 작동된다. 배기 밸브들(10)은 배기 캠샤프트(8)에 의해 제어되는 방식으로 작동된다. 이를 위해, 캠샤프트 하우징(6)에 지지된 흡기 캠샤프트(7) 또는 배기 캠샤프트(8)는 각각 복수의 슬라이딩 캠들(13)을 포함한다. 도 3에는 롤러 타입 캠 팔로우어(21)의 도움으로 두 개의 흡기 밸브들(9)을 작동시키는 흡기 캠샤프트(7)의 단면도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 슬라이딩 캠(13)은 중앙에 포지셔닝되는 슬롯형 안내 부분(15)과 두 개의 외측 캠 부분들(14)로 이루어진다. 각각의 외측 캠 부분(14)은 세 개의 캠 트랙들(17)을 포함하며, 이들 각각을 통해 상이한 밸브 행정이 조정된다. 대안으로서, 세 개 대신에 두 개의 캠 트랙들이 각각의 외측 캠 부분(14)에 배치될 수 있다.
도 4 또는 도 5에 도시될 수 있는 바와 같이, 각각의 슬라이딩 캠(13)에는 슬롯형 안내 부분(15)과 상호작용하는 펴질 수 있는 핀(extendable pin)(도시되지 않음)을 포함하는 액추에이터(16)가 할당된다. 그 결과로, 슬라이딩 캠(13)은 두 개의 캠샤프트 베어링들 사이의 영역에서 축방향으로 변위된다. 슬라이딩 캠(13)이 축방향으로 변위됨으로써, 각각의 밸브는 특정 캠 트랙에 의해 목표대로 작동하게 되므로, 상이한 밸브 행정 조정이 구현된다. 변위 가능한 슬라이딩 캠(13)의 기능은, 예를 들면, 간행물 DE 196 11 641 C1호에 따라 구현될 수 있다.
도 3에 도시된 슬라이딩 캠(13)은 각각의 밸브를 위해 축방향으로 변위 가능한 세 개의 캠 트랙들(17)을 포함한다. 대안으로서, 세 개 대신에 두 개의 캠 트랙이 각각의 밸브를 위해 배치될 수 있다. 각각의 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이 각각 하나의 캠샤프트 조정 장치(18)와 구동 휠(19)이 각각의 캠샤프트(7, 8)의 일 단부에 장착된다. 캠샤프트 각을 조정하는 캠샤프트 조정 장치(18)는 내연 기관의 제어 시간 변동을 위해 유압식 또는 전기식으로 작동된다. 구동 휠(19)은 체인 스프로킷으로 구현되고 각각의 캠샤프트를 구동시키는 역할을 한다. 이를 위해, 구동 휠(19)은 구동 체인(도시되지 않음)에 의해 내연 기관(1)의 크랭크샤프트(도시되지 않음)에 결합된다.
캠샤프트(7, 8)를 지지하기 위해, 각각의 경우에 예컨대 세 개의 레이디얼 베어링 장치(20)가 제공되며, 이는 캠샤프트 하우징(6)과 일체로 형성되는 하부 베어링 링 몸체(23)를 포함한다. 여덟 개의 실린더를 구비한 V 타입의 내연 기관의 경우에는, 예를 들면, 네 개의 레이디얼 베어링 장치(20)가 제공된다. 더구나, 각각의 레이디얼 베어링 장치(20)는 예를 들면, 두 개의 나사의 도움으로 하부 링과 함께 캠샤프트 하우징(6)에 고정되는 개별 베어링 캡(22)을 포함한다. 대안으로서, 도 7에 따른 개별 베어링 캡들은 캠샤프트 하우징(6)과 일체로 형성된다. 이 경우에, 터널식의 레이디얼 베어링 장치(20a)가 제공된다. 여기에서, 각각의 캠샤프트(7 또는 8)는 캠샤프트 하우징(6)에 조립되도록 상응하는 개구부(28)를 통하여 삽입된다. 슬라이딩 캠들(13)은 각각의 캠샤프트(7 또는 8)가 슬라이딩 캠 내에 삽입되는 방식으로 각각의 레이디얼 베어링 장치들(20a) 사이의 상응하는 지점의 위치에 배치된다.
본 발명에서 청구되는 바와 같이, 캠샤프트(7, 8)는 캠샤프트 하우징(6)에 사전 조립되며 각각의 캠샤프트 조정 장치(18) 및 구동 휠(19)과 연결된다. 이 다음에, 단일 조립 단계(single mounting step)에서 실린더 헤드 하부(5)에 장착되는 사전 조립된 캠샤프트 하우징 유닛이 제공된다.
캠샤프트 하우징(6)은 두 개의 단부 섹션들(24, 25)을 포함하며, 이들 사이에 두 개의 측벽 또는 엣지부들(26, 27)이 연장되어 있다. 캠샤프트들(7, 8)이 측벽들(26, 27)과 평행하게 축방향으로 연장되고 두 개의 단부 섹션(24, 25)에 의해 축방향으로 제한된다.
도 4에는 본 발명의 제1 실시예가 도시되어 있다. 도 4에는 캠샤프트들(7, 8)과 함께 사전 조립된 캠샤프트 하우징(6)이 도시되어 있다. 함께 나사결합된 부품들인 실린더 헤드 커버(4), 캠샤프트 하우징(6), 및 실린더 헤드 하부(5)가 도 2에 도시된다. 흡기 캠샤프트(7) 뿐만 아니라 배기 캠샤프트(8)에도 각각 하나의 개별 슬라이딩 캠(13)이 각각의 실린더를 위해 제공되며, 슬라이딩 캠과 각각의 가스 교환 밸브 사이에 각각 하나의 롤러 타입 캠 팔로우어(21)가 배치된다.
각각의 캠샤프트에 회전 불가능하게 연결된 슬라이딩 캠(13)은 밸브 행정 조정을 가능하게 한다. 캠샤프트 각은 각각의 캠샤프트 조정 장치에 의해 변동될 수 있다. 캠샤프트들(7, 8)은 구동 휠(19)에 의해 구동된다. 내연 기관(1)의 작동점(operating point)에 의존하여, 각각의 작동점에서 내연 기관(1)의 최대로 가능한 효율을 달성하도록 밸브 행정 및/또는 캠샤프트 각의 목표된 조정이 수행된다.
도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 액추에이터(16)는 캠샤프트 하우징(6)의 측면에, 바람직하게는 각각의 측벽들(26, 27)에 포지셔닝된다. 이를 위해, 도 5에서 도시된 바와 같이, 각각 하나의 상응하는 개구부(29)가 캠샤프트 하우징(6)의 측벽들(26, 27)에 제공되고, 이 개구부를 통해 각각의 액추에이터(16)가 삽입된다. 액추에이터(16)가 측면 배치됨으로써, 캠샤프트 하우징(6)의 전체 높이가 최소치로 감소된다. 이러한 배치는 특히 박서 엔진들에서 유리한데, 그 이유는 상기 엔진들이 차량에 놓인 실린더들을 포함하고, 예컨대, 인라인 엔진들(inline engines) 또는 V 엔진들보다도 폭 방향으로 더 큰 설치 공간을 필요로 하기 때문이다.
도 6에는 액추에이터들(16)이 캠샤프트(7, 8) 위로 캠샤프트 하우징(6)에 포지셔닝되는 본 발명의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이러한 배치는 특히 V 타입 또는 인라인 타입의 내연 기관에 적합하다.
도 7에 도시된 대안예는 본 발명의 두 실시예 모두에 대해 적합하다. 여기에서, 도 7에 따른 개별 베어링 캡들이 캠샤프트 하우징(6)과 일체로 형성되므로 각각의 레이디얼 베어링 장치는 터널식으로 형성된다.
단순화된 조립 과정을 가진 내연 기관(1)을 위한 3단 슬라이딩 캠 시스템(three-stage sliding-cam system)이 본 발명에 의해 도시되며, 이 슬라이딩 캠 시스템에서는 밸브 거리와 실린더 거리가 작을 경우에 레이디얼 베어링(20)의 충분한 베어링 폭이 캠샤프트들(7, 8)을 위해 제공될 수 있다. 캠샤프트 하우징(6)내에 액추에이터들(16)이 수용됨으로써, 슬라이딩 캠들(13)의 기능을 위한 공차가 작게 유지될 수 있는데, 그 이유는 캠샤프트 베어링(20)의 가공과, 액추에이터 시스템 및 캠샤프트 조정 장치(18)를 수용하기 위한 가공 작업이 하나의 구성부품에서 처리될 수 있기 때문이다. 또한, 캠샤프트 하우징(6)은 사전 조립된 캠샤프트들(7, 8) 및 액추에이터(16)와 함께 하나의 유닛으로서 내연 기관(1)의 제조 시에 운반될 수 있다.

Claims (9)

  1. 복수의 실린더들, 크랭크케이스(2), 실린더 헤드(3) 및 실린더 헤드 커버(4)를 구비한 내연 기관(1)이며, 상기 실린더 헤드(3)는 실린더 헤드 하부(5)와, 실린더 헤드 커버(4)와 실린더 헤드 하부(5) 사이에 포지셔닝되는 캠샤프트 하우징(6)으로 형성되며, 내연 기관(1)의 가스 교환 밸브들의 작동을 위해 하나 이상의 캠샤프트(7, 8) 및 상기 캠샤프트(7, 8) 상에서 축방향으로 변위될 수 있는 슬라이딩 캠(13)이 제공되고, 상기 슬라이딩 캠은 슬롯형 안내 부분(15)을 포함하며, 상기 슬라이딩 캠(13)의 축방향 변위를 야기하기 위해 작동 가능한 핀을 구비한 액추에이터(16)가 제공되는 내연 기관에 있어서,
    상기 캠샤프트(7, 8)와 상기 슬라이딩 캠(13)은 상기 캠샤프트 하우징(6)에 포지셔닝되며, 밸브 작동을 위해 회전 가능하게 지지된 캠샤프트(7, 8)는 상기 캠샤프트(7, 8), 상기 슬라이딩 캠(13) 및 상기 캠샤프트 하우징(6)이 상기 실린더 헤드 하부(5)에 장착될 수 있는 사전 조립된 하나의 유닛을 형성하는 방식으로, 축방향으로 변위 가능한 슬라이딩 캠(13)과 함께 상기 캠샤프트 하우징(6) 내에 조립될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이딩 캠의 축방향 변위를 야기하기 위해 제공되는 액추에이터들은 상기 캠샤프트 하우징의 측면 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캠샤프트 하우징에는 상기 액추에이터들을 수용하기 위해 복수의 측면으로 포지셔닝되는 개구부들이 구비되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 슬라이딩 캠에는 흡기측 또는 배기측 가스 교환 밸브들의 작동을 위해 실린더 당 하나의 개별 액추에이터가 할당되며, 상기 슬라이딩 캠과 상기 액추에이터는 상기 캠샤프트 하우징에서 공간적으로 볼 때 상기 캠샤프트의 두 개의 베어링 지점들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    두 개 이상의 가스 교환 밸브들은 하나의 슬라이딩 캠에 의해 작동될 수 있으며, 상기 슬라이딩 캠에 배치되는 슬롯형 안내 부분은 각각의 경우에 상기 가스 교환 밸브들의 작동시키는 역할을 하며 각각의 경우에 복수의 캠 트랙들을 포함하는 두 개의 캠 부분들 사이에 포지셔닝되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    캠샤프트 조정 장치와 하나 이상의 구동 휠 중 어느 하나 또는 둘 다는 상기 캠샤프트의 일 단부에 장착되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캠샤프트 조정 장치 및 상기 구동 휠은 상기 캠샤프트에 연결되며, 사전 조립된 유닛의 일부를 형성하기 위해 상기 캠샤프트 하우징에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 캠샤프트 조정 장치는 전기로 구동되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캠샤프트 하우징은 상기 캠샤프트들을 지지하기 위해 복수의 베어링 장치들을 포함하며, 상기 베어링 장치들은 상기 캠샤프트 하우징과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
KR1020110078027A 2010-08-06 2011-08-05 내연 기관 KR20120013906A (ko)

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