DE10161055A1 - Über Mikrowellen regenerierbare Dieselpartikelabfangeinrichtung - Google Patents
Über Mikrowellen regenerierbare DieselpartikelabfangeinrichtungInfo
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Abstract
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einleitung einer Regeneration in einer Partikelabfangeinrichtung umfasst die Schritte, dass mikrowellenabsorbierende Material in der Partikelabfangeinrichtung in Bereichen angeordnet wird, in denen sich Partikel aufbauen, Mikrowellen erzeugt werden, Mikrowellen mit dem mikrowellenabsorbierenden Material absorbiert werden und die Mikrowellen gesteuert werden, um ein Abbrennen der Partikel einzuleiten.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dieselpartikelabfangeinrichtung.
Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrich
tung zur Regenerierung einer Dieselpartikelabfangeinrichtung durch
Verwendung von Mikrowellenstrahlung.
Verschärfte Gesetze haben die zulässigen Niveaus an durch Dieselmotoren
erzeugten Partikeln abgesenkt. Die Partikel können allgemein als ein Ruß
gekennzeichnet werden, der durch Partikelfilter oder -abfangeinrichtungen
gefangen und verringert wird. Derzeitige Partikelfilter oder
-abfangeinrichtungen enthalten ein Trennmedium mit sehr kleinen Poren,
die Partikel abfangen. Wenn sich abgefangenes Material in der Partikelab
fangeinrichtung ansammelt, steigt der Widerstand in Bezug auf die Strö
mung in der Partikelabfangeinrichtung, wodurch einen Gegendruck er
zeugt wird. Die Partikelabfangeinrichtung muss dann regeneriert werden,
um die Partikel/den Ruß in der Partikelabfangeinrichtung abzubrennen
und damit den Gegendruck zu beseitigen und eine Luftströmung durch
die Partikelabfangeinrichtung zuzulassen. Bisherige Vorgehensweisen zur
Regenerierung einer Partikelabfangeinrichtung betrafen die Verwendung
einer Energiequelle, wie beispielsweise eines Brenners oder eines elektri
schen Heizers, um eine Verbrennung der Partikel zu bewirken. Es hat sich
herausgestellt, dass eine Partikelverbrennung in einer Dieselpartikelab
fangeinrichtung mit diesen bisherigen Vorgehensweisen schwierig zu
steuern ist und einen übermäßigen Temperaturanstieg zur Folge haben
kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Regeneration einer Partikelabfangeinrichtung unter Verwendung von
Mikrowellenenergie. Die vorliegende Erfindung lenkt Mikrowellen an aus
gewählte Orte in einer Partikelabfangeinrichtung, wie beispielsweise in die
Nähe eines Endstopfens eines Einlasskanales einer Partikelabfangeinrich
tung, um eine Regenerierung einzuleiten und einen Partikelaufbau zu
verhindern. Dadurch, dass Mikrowellen an gewählte Orte gelenkt werden,
leitet eine relativ kleine Energiemenge die Partikelverbrennung ein, die die
Partikelabfangeinrichtung regeneriert. Die exotherme Verbrennung einer
kleinen Menge an Partikeln wird weitergeführt, um eine größere Anzahl
von Partikeln zu verbrennen.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Partikelabfangeinrichtung, die in
dem Abgasstrom eines Dieselmotors angeordnet ist. Die Partikelabfangein
richtung umfasst mikrowellenabsorbierende Materialien, die so ausgebil
det sind, um Mikrowellen an gewählten Orten in der Partikelabfangein
richtung zu absorbieren. Eine Mikrowellenquelle ist wirksam mit einem
Wellenleiter (Hohlleiter) gekoppelt, und ein Fokussierring kann dazu
verwendet werden, die Mikrowellen an die mikrowellenabsorbierenden
Materialien zu lenken. Das mikrowellenabsorbierende Material erzeugt
Wärme in Ansprechen auf einfallende Mikrowellen, um Partikel abzubren
nen. Vorzugsweise werden für Mikrowellen transparente Materialien für
den Grundaufbau des Gehäuses der Partikelabfangeinrichtung und ande
re Bereiche in der Partikelabfangeinrichtung verwendet, an denen es
unefiizient wäre, Mikrowellenenergie zu absorbieren.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die mikrowellenreflektierenden und
-leitenden Materialien so ausgebildet, um die Mikrowellen zu leiten und zu
reflektieren, bis sie auf das mikrowellenabsorbierende Material einfallen.
Die Mikrowellen "prallen" tatsächlich um die Partikelabfangeinrichtung
herum auf, bis sie auf die mikrowellenabsorbierenden Materialien auftref
fen. Durch strategisches Anordnen mikrowellenabsorbierender Materialien
können Mikrowellen wirksam an den Orten verwendet werden, an denen
sie am nötigsten sind, um das Abbrennen der Partikel einzuleiten.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die mikrowellenleitenden und
-reflektierenden Materialien so ausgebildet, um eine konstruktive Interfe
renz für die Mikrowellenenergie vorzusehen, wodurch die Amplitude der
Mikrowellen erhöht wird, die auf das mikrowellenabsorbierende Material
einfallen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die mikrowellenleitenden und
-reflektierenden Materialien so ausgebildet, um ein Energieplasma zu
erzeugen und damit die Energie zu erhöhen, die dazu verwendet wird, um
die Partikel in der Partikelabfangeinrichtung zu verbrennen.
Die Verwendung von Mikrowellen bei der vorliegenden Erfindung ermög
licht ferner, dass die Häufigkeit der Regeneration der Partikelabfangein
richtung genau gesteuert werden kann. Die vorliegende Erfindung kann
Regenerierungen auf Grundlage von empirisch gebildeten Betriebsdaten
einer Partikelabfangeinrichtung planen und/oder einen Drucksensor
verwenden, um zu bestimmen, wann die Partikelabfangeinrichtung eine
Regenerierung erfordert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer monolithischen
Partikelabfangeinrichtung für Wandströmung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Abgasströmung
durch eine Partikelabfangeinrichtung zeigt.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Mikrowellenregenera
tionssystemes der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die eine Erwärmung des
Endstopfens in einer Partikelabfangeinrichtung zeigt.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flam
menfront und die Wärmefreigabe darstellt, die durch die in
Fig. 4 gezeigte Erwärmung des Endstopfens erzeugt wird.
Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen einer Partikelabfangein
richtung unter Verwendung einer Axialkanalerwärmung.
Fig. 8 und 9 sind schematische Darstellung einer Partikelabfangeinrich
tung, die eine Mittelkanalbanderwärmung zeigt.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung, die eine Mittelkanaler
wärmung in einer Partikelabfangeinrichtung zeigt.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flam
menfront und die Wärmefreigabe zeigt, die durch die Mittel
kanalerwärmung von Fig. 10 erzeugt wird.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung, die die Mittelkanaler
wärmung kombiniert mit der Erwärmung des Endstopfens
in einer Partikelabfangeinrichtung zeigt.
Fig. 13 ist ein Diagramm, das die Abgasgeschwindigkeit, die Flam
menfront und die Wärmefreigabe darstellt, die durch die
Mittelkanal- und Erwärmung des Endstopfens von Fig. 12
erzeugt wird.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer typischen monolithischen
Partikelabfangeinrichtung 10 für Wandströmung, die in Dieselanwendun
gen verwendet wird und hier allgemein als "Partikelabfangeinrichtung"
bezeichnet ist. Die Partikelabfangeinrichtung 10 umfasst abwechselnd
geschlossene Zellen/Kanäle 14 und offene Zellen/Kanäle 12. Abgase,
wie beispielsweise diejenigen, die durch einen Dieselmotor erzeugt werden,
treten in die Kanäle 14 mit geschlossenen Enden ein, scheiden partikulä
res Material 16 ab und treten durch die offenen Kanäle 12 aus. In Fig. 2
ist eine detailliertere Ansicht der Abgasströmung durch die Kanäle mit
geschlossenem Ende 14 und offenem Ende 12 gezeigt. Stopfen 18 werden
dazu verwendet, die Enden der Kanäle 12 und 14 abzudichten. Die Wände
20 der Partikelabfangeinrichtung bestehen vorzugsweise aus einer porö
sen Keramikwabenwand aus Cordierit-Material, wobei aber beliebiges
Keramikwabenmaterial innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden
Erfindung liegt.
Mikrowellen werden durch den porösen Cordierit-Monolithen nur schlecht
absorbiert, während bestimmte Ferrite (wie beispielsweise NiZnFeO2 und
NiMnFeO2), wenn sie beispielsweise kurzen Expositionen mit Mikrowellen
in der Größenordnung von 2,45 GHz ausgesetzt sind, sehr schnell er
wärmt werden können. Diese Materialien können in der Nähe des End
stopfens des Einlasskanals konzentriert und häufig Mikrowellen ausge
setzt werden, um eine Regenerierung der Partikelabfangeinrichtung einzu
leiten und den Aufbau von partikulärem Material in kritischen Bereichen
der Abfangeinrichtung zu verhindern. Die Endstopfen können aus diesen
Ferritpulvern in einer Aluminiumoxidmatrix (alumina matrix) hergestellt
werden. Alternativ dazu können die mikrowellenabsorbierenden Materia
lien auch in die Cordierit-Beschichtungen gemischt werden, um eine
breite Oberflächenerwärmung zu erreichen, was aber den Verbrauch an
elektrischer Energie erhöht.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Mikrowellensystemes 22 der
vorliegenden Erfindung. Das System 22 umfasst eine Partikelabfangein
richtung 10, die in dem Abgasstrom eines Dieselmotores angeordnet ist.
Die Partikelabfangeinrichtung 10 umfasst ein mikrowellenabsorbierendes
Material 24, wie beispielsweise Siliziumcarbid, das so ausgebildet ist, um
Mikrowellen an gewählten Orten in der Partikelabfangeinrichtung 10 zu
absorbieren, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung jedoch
jegliche bekannten mikrowellenabsorbierenden Materialien umfasst. Eine
Mikrowellenenergiequelle 26 und eine Mikrowellenantenne 28 sind wirk
sam mit einem Wellenleiter 30 und einem optionalen Fokussierring 32
gekoppelt, um die Mikrowellen an das mikrowellenabsorbierende Material
24 zu lenken. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erin
dung ist die Mikrowellenantenne 28 direkt mit dem Gehäuse der Partikel
abfangeinrichtung 10 gekoppelt. Das mikrowellenabsorbierende Material
24 erzeugt Wärme an Ansprechen auf einfallende Mikrowellen, um das
Abbrennen von Partikeln in der Partikelabfangeinrichtung 10 einzuleiten.
Materialien, wie beispielsweise Cordierit, die für Mikrowellen transparent
sind, werden bevorzugt für den grundsätzlichen Aufbau des Gehäuses der
Partikelabfangeinrichtung 10 und anderer Bereiche in der Partikelabfang
einrichtung 10 verwendet, an denen es uneffizient wäre, Mikrowellenener
gie zu absorbieren. Da das Cordierit Mikrowellenenergie nicht absorbiert,
"prallen" die Mikrowellen solange rundherum auf, bis sie auf das mikro
wellenabsorbierende Material 24 auftreffen. Die Kanäle 12 und 14 sind
ferner so ausgebildet, um die Mikrowellen an das mikrowellenabsorbie
rende Material 24 zu führen. Die Temperatur der Partikelabfangeinrich
tung 10 kann durch die Eigenschaften und den Ort der mikrowellenab
sorbierenden Materialien und durch Steuerung der Anwendung der Mik
rowellenenergie reguliert werden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Erwärmung des Endstopfens in einer Parti
kelabfangeinrichtung 10 der vorliegenden Erfindung. Der Endstopfen 18
von Fig. 4 besteht aus mikrowellenabsorbierendem Material. Das Diesel
abgas ist mit Partikeln 34 beladen und strömt durch die Keramikwaben
wände 20, wobei Ruß 16 an den oberstromigen Wänden 20 der Partikelab
fangeinrichtung 10 abgeschieden wird. Auf den mikrowellenabsorbieren
den Stopfen 18 einfallende Mikrowellen erwärmen den Stopfen 18, und
der erwärmte Stopfen 18 leitet das Abbrennen des Rußes 16 ein, um die
Wände 20 der Partikelabfangeinrichtung 10 zu reinigen, wie durch Wellen
17 gezeigt ist, die die Flammenfront der Partikelabbrennung darstellen.
Bei einer Konfiguration mit Erwärmung des Endstopfens gemäß der vor
liegenden Erfindung erfolgt das Abbrennen anfänglich an dem Ende des
Kanales 14 mit geschlossenem Ende, wo die Partikelmasse oder der Ruß
16 am größten ist, und breitet sich zu dem Rest dieses Kanales 14 mit
dem geschlossenen Ende aus. Die exotherme Verbrennung einer relativ
kleinen Menge an Partikeln, die durch den Endstopfen 18 gezündet wer
den, wird übertragen, um eine relativ große Russmenge zu verbrennen.
Fig. 5 veranschaulicht die Leistungsfähigkeit der in Fig. 4 gezeigten Parti
kelabfangeinrichtung. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion
der Distanz des Kanals 14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die
Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe des
Endstopfens 18 vorgesehen und breitet sich dann als eine Abbrennflam
menfront aus, wie durch Pfeil 19 gezeigt ist.
Die Fig. 6 und 7 sind schematische Zeichnungen einer Partikelabfangein
richtung 10, die eine Axialkanalerwärmung verwendet. Die Partikelab
fangeinrichtung ist ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Partikelabfangeinrich
tung 10, wobei mikrowellenabsorbierendes Material 38 an die Kanäle 14
mit geschlossenem Ende hinzugefügt ist. Das mikrowellenabsorbierende
Material 38 ist linear entlang einer Wand oder entlang von Wänden der
Kanäle 14 mit geschlossenen Enden angeordnet, wie in den Fig. 6 und 7
gezeigt ist.
Die Fig. 8 und 9 sind schematische Darstellungen einer Partikelabfangein
richtung 10, die eine Mittelkanalbanderwärmung verwendet. Die Partikel
abfangeinrichtung ist ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Partikelabfangein
richtung 10, wobei die Kanäle 14 mit geschlossenem Ende mit Bändern 40
aus mikrowellenabsorbierendem Material versehen sind. Die Bänder 40
aus mikrowellenabsorbierendem Material sind in gewählten Bereichen
entlang der axialen Strömungslänge der Kanäle 14 mit geschlossenem
Ende angeordnet, wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist. Der exakte Ort der
mikrowellenabsorbierenden Bänder 40 an den Kanalwänden und das
Muster der Kanäle, die mit Bändern/Streifen versehen sind, kann für die
jeweilige Anwendung experimentell bestimmt werden.
Die Fig. 10 und 11 zeigen die Mittelkanal- oder Banderwärmung in einer
Partikelabfangeinrichtung 10 der vorliegenden Erfindung. Das Dieselabgas
ist mit Partikeln 34 beladen und strömt durch die Keramikwabenwände
20, wobei der Ruß 16 an den Wänden 20 der Partikelabfangeinrichtung 20
abgeschieden wird. Mikrowellen, die auf das mikrowellenabsorbierende
Band (Streifen) 40 einfallen; erwärmen das Band 40, und das erwärmte
Band 40 leitet das Abbrennen des Rußes 16 ein, um die Wände 20 der
Partikelabfangeinrichtung 10 zu reinigen. Bei einer Mittelkanal- oder
Banderwärmungskonfiguration der vorliegenden Erfindung erfolgt das
anfängliche Abbrennen, wenn die Bänder 40 in einem Kanal 14 mit ge
schlossenem Ende angeordnet sind, wie in Fig. 10 gezeigt ist.
Fig. 11 zeigt die Leistungsfähigkeit der Partikelabfangeinrichtung 10, die
in Fig. 10 gezeigt ist. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion
der Distanz des Kanals 14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die
Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe der
Bänder 40 vorgesehen und breitet sich dann als eine Abbrennflammen
front aus, wie durch Pfeil 41 gezeigt ist.
Die Fig. 12 und 13 sind schematische Ansichten einer Partikelabfangein
richtung 10, die eine Kombination aus Banderwärmung und Erwärmung
des Endstopfens verwendet. Die Partikelabfangeinrichtung ist ähnlich der
Partikelabfangeinrichtung 10, die in Fig. 1 gezeigt ist, wobei die Kanäle 14
mit geschlossenem Ende und ein mikrowellenabsorbierender Endstopfen
18 mit Bändern 40 aus mikrowellenabsorbierendem Material versehen
sind. Diese Kombination von mikrowellenabsorbierenden Bändern 40 und
mikrowellenabsorbierenden Endstopfen 18 leitet das Abbrennen der Parti
kel im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Kanales 14 mit
geschlossenem Ende ein.
Fig. 13 zeigt die Leistungsfähigkeit der Partikelabfangeinrichtung 10, die
in Fig. 12 gezeigt ist. Die Abgasgeschwindigkeit nimmt als eine Funktion
der Distanz des Kanals 14 mit geschlossenem Ende ab. Die durch die
Partikelwärmefreigabe erzeugte Wärme ist anfänglich in der Nähe des
Bandes 40 und des Endstopfens 18 vorgesehen und breitet sich dann als
Abbrennflammenfronten aus, wie durch Pfeile 51 und 53 gezeigt ist.
Claims (14)
1. Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor mit:
einer Mikrowellenquelle, die Mikrowellen erzeugt; mikrowellenabsorbierenden Materialien, um die Mikrowellen zu absorbieren und Wärme zu erzeugen; und
eine Partikelabfangeinrichtung, die Partikel abfängt, die durch den Motor erzeugt werden, wobei die Partikelabfangeinrichtung durch die mikrowellenabsorbierenden Materialien erwärmt wird, um die Partikel abzubrennen.
einer Mikrowellenquelle, die Mikrowellen erzeugt; mikrowellenabsorbierenden Materialien, um die Mikrowellen zu absorbieren und Wärme zu erzeugen; und
eine Partikelabfangeinrichtung, die Partikel abfängt, die durch den Motor erzeugt werden, wobei die Partikelabfangeinrichtung durch die mikrowellenabsorbierenden Materialien erwärmt wird, um die Partikel abzubrennen.
2. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei das mikrowellenabsorbierende
Material als ein Endstopfen ausgebildet ist.
3. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei das mikrowellenabsorbierende
Material als axiale Bänder/Streifen ausgebildet ist, die entlang von
Kanälen der Partikelabfangeinrichtung verteilt sind.
4. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei das mikrowellenabsorbierende
Material in im Wesentlichen linearer Art und Weise entlang der Länge
der Kanäle der Partikelabfangeinrichtung aufgebracht ist.
5. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei das mikrowellenabsorbierende
Material Siliziumcarbid ist.
6. Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei die Partikelabfangeinrichtung
aus einem mikrowellentransparenten Material besteht.
7. Partikelfilter nach Anspruch 6, wobei das mikrowellentransparente
Material Cordierit ist.
8. Verfahren zur Regeneration einer Partikelabfangeinrichtung, umfas
send, dass:
Mikrowellenstrahlung erzeugt wird; und
Mikrowellen absorbiert werden, um Wärme zu erzeugen und Par tikel iri der Partikelabfangeinrichtung zu verbrennen.
Mikrowellenstrahlung erzeugt wird; und
Mikrowellen absorbiert werden, um Wärme zu erzeugen und Par tikel iri der Partikelabfangeinrichtung zu verbrennen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt, dass:
mikrowellenabsorbierendes Material entlang der Wände der Parti kelabfangeinrichtung aufgebracht wird.
mikrowellenabsorbierendes Material entlang der Wände der Parti kelabfangeinrichtung aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt, dass:
mikrowellenabsorbierendes Material als Endstopfen in der Parti kelabfangeinrichtung ausgebildet wird.
mikrowellenabsorbierendes Material als Endstopfen in der Parti kelabfangeinrichtung ausgebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt, dass:
die Temperatur der Partikelabfangeinrichtung durch Steuerung der Mikrowellenstrahlung gesteuert wird.
die Temperatur der Partikelabfangeinrichtung durch Steuerung der Mikrowellenstrahlung gesteuert wird.
12. System zur Entfernung von Partikeln in einer Partikelabfangeinrich
tung, mit:
einer Mikrowellenenergiequelle;
einer Mikrowellenantenne, die mit der Energiequelle zur Erzeu gung von Mikrowellen gekoppelt ist;
einem Mikrowellen-Wellenleiter, der wirksam mit der Mikrowel lenantenne gekoppelt ist, um die Mikrowellen zu leiten; und
mikrowellenabsorbierendem Material, das in der Partikelabfang einrichtung angeordnet ist, wobei die Mikrowellen auf das mikrowel lenabsorbierende Material einfallen, um Wärme zu erzeugen und Par tikel, die in der Partikelabfangeinrichtung angeordnet sind, abzu brennen.
einer Mikrowellenenergiequelle;
einer Mikrowellenantenne, die mit der Energiequelle zur Erzeu gung von Mikrowellen gekoppelt ist;
einem Mikrowellen-Wellenleiter, der wirksam mit der Mikrowel lenantenne gekoppelt ist, um die Mikrowellen zu leiten; und
mikrowellenabsorbierendem Material, das in der Partikelabfang einrichtung angeordnet ist, wobei die Mikrowellen auf das mikrowel lenabsorbierende Material einfallen, um Wärme zu erzeugen und Par tikel, die in der Partikelabfangeinrichtung angeordnet sind, abzu brennen.
13. System nach Anspruch 12, ferner mit einem Dieselmotor, der mit der
Partikelabfangeinrichtung gekoppelt ist, wobei sich das Dieselabgas
durch die Partikelabfangeinrichtung ausbreitet.
14. Verfahren zur Einleitung einer Regeneration in einer Partikelabfang
einrichtung, mit den Schritten, dass:
mikrowellenabsorbierendes Material in der Partikelabfangeinrich tung in Bereichen angeordnet wird, in denen sich Partikel aufbauen;
Mikrowellen erzeugt werden;
Mikrowellen mit dem mikrowellenabsorbierenden Material absor biert werden; und
die Mikrowellen gesteuert werden, um ein Abbrennen von Parti keln einzuleiten.
mikrowellenabsorbierendes Material in der Partikelabfangeinrich tung in Bereichen angeordnet wird, in denen sich Partikel aufbauen;
Mikrowellen erzeugt werden;
Mikrowellen mit dem mikrowellenabsorbierenden Material absor biert werden; und
die Mikrowellen gesteuert werden, um ein Abbrennen von Parti keln einzuleiten.
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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