DE102014008859A1 - Single-circuit cooling system for increasing the performance of supercharged internal combustion engines and method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader (2) zur Aufladung und mit einem Einkreiskühlsystem (3) zur Kühlung der Brennkraftmaschine mittels eines flüssigen Kühlmittels (4), wobei das Einkreiskühlsystem im Kühlkreislauf (5) mindestens einen Rückkühler (6), einen Ladeluftkühler (7), gegebenenfalls einen Ölkühler (8) eine Kühlmittelpumpe (9) und die zu kühlende Brennkraftmaschine (1) aufweist. Zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass ein erster den mindestens einen Rückkühler (6), den mindestens einen Ladeluftkühler (7) und den ggf. mindestens einen Ölkühler (8) überbrückender Bypass (10) und/oder ein zweiter den mindestens einen Rückkühler (6) überbrückender Bypass (11) vorgesehen ist, wobei mindestens einer der beiden Bypässe (10, 11) ein Drosselorgan (12), vorzugsweise eine Blende (13) aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine mit Aufladung. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein von der Verbrennungskraftmaschine kommender Kühlmittelstrom in einen ersten und zweiten Teilstrom aufgeteilt wird und der erste Teilstrom dem Rückkühler zugeführt wird, während der zweite Teilstrom an dem mindestens einen Rückkühler und dem mindestens einen Ladeluftkühler über einen ersten Bypass vorbeigeleitet und vorzugsweise mittels eines Drosselorgans gedrosselt wird und diese Teilströme vor der Kühlmittelpumpe wieder vereinigt werden und/oder ein am Rückkühler vorbeigeführter Bypasstrom des ersten Teilstroms des Kühlmittels gedrosselt wird.The invention relates to an internal combustion engine (1) with an exhaust gas turbocharger (2) for charging and with a single-circuit cooling system (3) for cooling the internal combustion engine by means of a liquid coolant (4), wherein the single-circuit cooling system in the cooling circuit (5) at least one recooler (6), a charge air cooler (7), optionally an oil cooler (8) has a coolant pump (9) and the internal combustion engine to be cooled (1). In order to increase the performance of the internal combustion engine, it is provided that a first bypass (10) bridging the at least one charge air cooler (7) and optionally one or more oil coolers (8) and / or a second one the at least one recooler ( 6) bridging bypass (11) is provided, wherein at least one of the two bypasses (10, 11) has a throttle body (12), preferably a diaphragm (13). Moreover, the invention relates to a method for increasing the performance of an internal combustion engine with charging. According to the invention, it is proposed that a coolant flow coming from the internal combustion engine is divided into a first and second partial flow and the first partial flow is supplied to the recooler, while the second partial flow is conducted past the at least one recooler and the at least one charge air cooler via a first bypass and preferably by means of a throttling member is throttled and these partial streams are reunited before the coolant pump and / or throttled past the recooler bypass flow of the first partial flow of the coolant is throttled.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader zur Aufladung und mit einem Einkreiskühlsystem zur Kühlung der Brennkraftmaschine mittels eines flüssigen Kühlmittels, wobei das Einkreiskühlsystem im Kühlkreislauf mindestens einen Rückkühler, einen Ladeluftkühler, gegebenenfalls einen Ölkühler mindestens eine Kühlmittelpumpe und die zu kühlende Brennkraftmaschine aufweist.The invention relates to an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger for charging and with a single-circuit cooling system for cooling the internal combustion engine by means of a liquid coolant, wherein the single-circuit cooling system in the cooling circuit at least one recooler, a charge air cooler, optionally an oil cooler at least one coolant pump and the internal combustion engine to be cooled.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine mit Aufladung.Moreover, the invention relates to a method for increasing the performance of an internal combustion engine with charging.
An Bord von Schiffen ist es üblich, die zu kühlenden Maschinen und Aggregate in zwei Gruppen zusammenzufassen, die jeweils an getrennte Kühlmittelkreisläufe und zwar an einen so genannten Hochtemperaturkreislauf an einen so genannten Niedertemperaturkreislauf angeschlossen sind. An den Hochtemperaturkreislauf sind die so genannten Warmläufer, wie zum Beispiel die Hauptmaschine und die Dieselgeneratoren, und an den Niedrigtemperaturkreislauf, Ölkühler, Ladeluftkühler und dergleichen angeschlossen.On board ships, it is customary to combine the machines and units to be cooled into two groups which are each connected to separate coolant circuits and to a so-called high-temperature circuit to a so-called low-temperature circuit. Connected to the high-temperature circuit are the so-called warm runners, such as the main engine and the diesel generators, and the low-temperature circuit, oil cooler, intercooler, and the like.
Brennkraftmaschinen mit Abgasturboladern sind allgemein bekannt. Die
Des Weiteren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
Nachteilig an den vorstehend beschriebenen Lösungen ist, dass zwei getrennte Kühlkreisläufe einen größeren Teileaufwand benötigen als ein Einkreissystem. Einkreiskühlsysteme, die die oben beschriebenen Kühlkreisläufe zusammenfassen, sind bekannt. So zeigt beispielsweise die
Nachteilig ist, dass bei Motoren mit großem Betriebsdrehzahlbereich und mit dem üblichen konstanten Übersetzungsverhältnis der vom Motor angetriebenen Wasserpumpe der Strömungsdruck sehr stark schwankt. Wegen der Regelträgheit sind deshalb bei krassen Belastungsänderungen gefährliche Betriebszustände im Ladeluftkühler zu erwarten.The disadvantage is that in engines with a large operating speed range and with the usual constant transmission ratio of the motor pump driven by the water flow pressure fluctuates very much. Because of the regularity of inertia, dangerous operating conditions in the intercooler are therefore to be expected in the event of severe load changes.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlkreislauf der gattungsgemäßen Art auf möglichst einfache Weise so auszugestalten, dass einerseits die für die Hochleistungsmotoren mit extrem schwankender Motorbelastung geforderte rasche Aufwärmung des Motors nach dem Kaltstart innerhalb weniger Minuten erreicht und bei Teillast die Warmhaltung des Motors durch den Ladeluftkühler nicht beeinträchtigt wird, und dass andererseits ständig eine intensive Kühlung der Ladeluft erzielt werden kann, indem ohne Zeitverzögerung sofortige Bereitschaft des Ladeluftkühlers zur vollen Leistung gegeben ist, wie diese bei häufigen schroffen Laständerungen nötig ist.The object of the invention is to design a cooling circuit of the generic type in the simplest possible way so that on the one hand reaches the required for the high-performance engines with extremely fluctuating engine load rapid warming of the engine after cold start within a few minutes and at partial load, the engine by the charge air cooler is not affected, and that on the other hand constantly intensive cooling of the charge air can be achieved by immediate delay of the intercooler is given full power without delay, as is necessary with frequent rugged load changes.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader zur Aufladung und mit einem Einkreiskühlsystem zur Kühlung der Brennkraftmaschine mittels eines flüssigen Kühlmittels, wobei das Einkreiskühlsystem im Kühlkreislauf mindestens einen Rückkühler, einen Ladeluftkühler, gegebenenfalls einen Ölkühler, eine Kühlmittelpumpe und die zu kühlende Brennkraftmaschine aufweist, dadurch gelöst, dass ein erster den mindestens einen Rückkühler, den mindestens einen Ladeluftkühler überbrückender erster Bypass und/oder ein zweiter den mindestens einen Rückkühler überbrückender zweiter Bypass und/oder ein den Ölkühler überbrückender dritter Bypass vorgesehen ist, wobei mindestens einer der drei Bypässe ein Drosselorgan, vorzugsweise eine Blende aufweist.This object is achieved by an internal combustion engine according to the invention with an exhaust gas turbocharger for supercharging and with a single-circuit cooling system for cooling the internal combustion engine by means of a liquid coolant, wherein the single-circuit cooling system in the cooling circuit has at least one recooler, a charge air cooler, optionally an oil cooler, a coolant pump and the internal combustion engine to be cooled, in that a first at least one recirculating cooler, the at least one charge air cooler bridging the first bypass and / or a second bridging the at least one rear cooler second bypass and / or the oil cooler bridging third bypass is provided, wherein at least one of the three bypasses a throttle body , preferably has a diaphragm.
Durch die parallel zum Rückkühler im zweiten Bypass vorgesehene Blende wird mit vorteilhaft einfachen Mitteln der am Rückkühler vorbeigeleitete Kühlmittelstrom gedrosselt. Dadurch fließt mehr Kühlmittel durch den Rückkühler, so dass die Vereinigung der beiden Teilströme der Kühlmittelstrom eine niedrigere Temperatur aufweist und dadurch der oder die Ladeluftkühler besser gekühlt werden. Mit anderen Worten: der oder die Ladeluftkühler werden auf einem niedrigeren Temperaturniveau betrieben, so dass dadurch mehr Ladeluft in die Zylinder strömt und die Leistung der Verbrennungskrafmaschine gesteigert wird.By provided parallel to the recooler in the second bypass aperture is throttled with advantageously simple means of the coolant stream passed by the recooler. As a result, more coolant flows through the recooler, so that the combination of the two partial flows of the coolant flow has a lower temperature and thereby the one or more intercoolers are better cooled. In other words, the intercooler (s) are operated at a lower temperature level, thereby allowing more charge air to flow into the cylinders and the power of the internal combustion engine is increased.
Ergänzend oder alternativ zu der Drosselung des am Rückkühler vorbei strömenden Kühlmittels kann auch erfindungsgemäß ein Drosselorgan, vorzugsweise eine Blende im ersten Bypass vorgesehen werden. Die Blende im ersten Bypass hat zur Folge, dass weniger Kühlmittel am Rückkühler vorbei geleitet wird. Es wird also ein geringerer Anteil des Kühlmittelstroms ohne Kühlung wieder direkt der Brennkraftmaschine zugeleitet, was zunächst die Zeitdauer erhöht, die der Motor beim Kaltstart benötigt, um auf die Betriebstemperatur zu gelangen. Bei geeigneter Abstimmung jedoch, ist dieser Nachteil vernachlässigbar, da der die Ladeluftkühler verlassende erwärmte Kühlmittelstrom mit dem Strom des ersten Bypasses vor Eintritt in die Brennkraftmaschine vereinigt wird und so zur schnelleren Erwärmung der Maschine nach einem Kaltstart führt.In addition or as an alternative to the throttling of the coolant flowing past the recooler, it is also possible according to the invention for a throttle element, preferably an orifice, to be provided in the first bypass. The orifice in the first bypass has the consequence that less coolant is routed past the recooler. Thus, a smaller proportion of the coolant flow without cooling is again fed directly to the internal combustion engine, which initially increases the time it takes for the engine to start operating at a cold start. However, with proper tuning, this disadvantage is negligible, as the heated coolant flow leaving the intercooler is combined with the flow of the first bypass before it enters the internal combustion engine, thus resulting in a faster start of the engine after a cold start.
Mit Vorteil lässt sich das Mengenverhältnis der Kühlmittelströme, die über den Rückkühler einerseits und über den zweiten Bypass andererseits geführt werden, einstellen, wenn in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass in Fliessrichtung des Kühlmittels vor dem mindestens einen Rückkühler ein Mengenteilungsventil vorgesehen ist, von dem der zweite Bypass abzweigt.Advantageously, the quantitative ratio of the coolant flows, which are guided via the recooler on the one hand and the second bypass on the other hand, adjust if it is provided in an embodiment of the invention that in the direction of flow of the coolant before the at least one recooler, a flow divider valve is provided by the the second bypass branches off.
Dadurch, dass das Mengenteilungsventil temperaturgesteuert ausgebildet ist, vorzugsweise in Abhängigkeit einer Vorlauftemperatur des Mengenteilungsventils, passt sich das Teilungsverhältnis selbsttätig an verschiedene Betriebszustände der Maschine an. Bei einem Kaltstart kann die über den Rückkühler geführte Kühlmittelmenge solange niedrig gehalten werden, bis die Betriebstemperatur des Motors erreicht ist. Erst dann wird das Teilungsverhältnis so geregelt, dass der gewünschte höhere Kühlmittelstrom über den Rückkühler zu dem Ladeluftkühler geführt wird.Characterized in that the flow divider valve is formed temperature controlled, preferably in dependence on a flow temperature of the flow divider valve, the division ratio adapts automatically to different operating conditions of the machine. In the event of a cold start, the coolant quantity routed via the recooler can be kept low until the operating temperature of the engine has been reached. Only then is the division ratio regulated so that the desired higher coolant flow is conducted via the recooler to the intercooler.
Wenn in weiterer Ausgestaltung ein dritter den mindestens einen Ölkühler überbrückender Bypass vorgesehen ist, wobei vorzugsweise im dritten Bypass ein Drosselorgan, vorzugsweise eine Blende, vorgesehen ist und/oder in Fliessrichtung des Kühlmittels vor dem mindestens einen Ölkühler ein Mengenteilungsventil vorgesehen ist, von dem der dritte Bypass abzweigt, kann die Öltemperatur in weiten Bereichen an die Temperatur des Motorkühlwassers angepasst werden. Temperaturspannungen werden somit wirkungsvoll vermieden.If, in a further refinement, a third bypass is provided which bypasses at least one oil cooler, a throttle element, preferably a diaphragm, being preferably provided in the third bypass and / or a flow divider valve is provided in the flow direction of the coolant upstream of the at least one oil cooler, of which the third one Bypass branches off, the oil temperature can be adjusted in many areas to the temperature of the engine cooling water. Temperature stresses are thus effectively avoided.
Dadurch, dass der mindestens eine Ladeluftkühler aus mindestens einem Hochdruckladeluftkühler und mindestens einem Niederdruckladeluftkühler besteht, die im Kühlkreislauf parallel geschaltet angeordnet sind, werden sowohl der Hochdruck- als auch der Niederdruckladeluftkühler mit derselben Vorlauftemperatur des Kühlmittels versorgt. Die Ladeluft lässt sich in dieser Ausgestaltung auf ein besonders vorteilhaft niedriges Temperaturniveau kühlen.Characterized in that the at least one charge air cooler consists of at least one high-pressure charge air cooler and at least one low-pressure charge air cooler, which are arranged connected in parallel in the cooling circuit, both the high-pressure and the low-pressure charge air cooler are supplied with the same flow temperature of the coolant. The charge air can be cooled in this embodiment to a particularly advantageous low temperature level.
Die Maßnahme, dass der mindestens eine Ölkühler im Kühlkreislauf in Serie mit dem mindestens einen Ladeluftkühler, vorzugsweise in Fliessrichtung des Kühlmittels hinter dem mindestens einen Niederdruckladeluftkühler, geschaltet angeordnet ist, dient dem Zweck, den Ölkühler mit vorgewärmten Kühlmittel zu versorgen. Insbesondere soll die Kühlmitteltemperatur nicht weit von der des Motors entfernt liegen.The measure that the at least one oil cooler in the cooling circuit is connected in series with the at least one charge air cooler, preferably in the flow direction of the coolant behind the at least one low-pressure charge air cooler, serves the purpose of supplying the oil cooler with preheated coolant. In particular, the coolant temperature should not be far away from the engine.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelpumpe in einer Zulaufleitung zur Brennkraftmaschine in Fliessrichtung des Kühlmittels hinter dem mindestens einen Rückkühler, dem mindestens einen Ladeluftkühler und dem ggf. mindestens einen Ölkühler angeordnet ist. Hierdurch ist auch bei Leitungsbruch eine Notversorgung der Brennkraftmaschine sichergestellt. Diese wird durch die Pumpe unmittelbar versorgt, so dass der höchste Druck direkt am Kühlwassereintritt der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Entsprechend ist auch ein Kühlmittelreservoir mit Ausdehnungsgefäß direkt vor der Pumpe angeordnet.In a further embodiment of the invention it is provided that the coolant pump is arranged in a supply line to the internal combustion engine in the direction of flow of the coolant behind the at least one recooler, the at least one charge air cooler and possibly at least one oil cooler. As a result, an emergency power supply of the internal combustion engine is ensured even with line break. This is supplied directly by the pump, so that the highest pressure is directly available at the cooling water inlet of the internal combustion engine. Accordingly, a coolant reservoir with expansion vessel is arranged directly in front of the pump.
Alternativ kann der mindestens eine Ölkühler im Kühlkreislauf im ersten Bypass in Fliessrichtung des Kühlmittels in Serie oder parallel mit diesem geschaltet angeordnet sein. Die Wahl wird der Fachmann in Abhängigkeit der gewünschten Kühlwassertemperatur oder Mengen- und Druckaufteilung des Kühlwassers vornehmen.Alternatively, the at least one oil cooler in the cooling circuit in the first bypass in the direction of flow of the coolant may be connected in series or in parallel therewith. The choice will be made by the skilled person depending on the desired cooling water temperature or volume and pressure distribution of the cooling water.
Insbesondere bei Schiffsantrieben ist es von Vorteil, wenn der Rückkühler wassergekühlt, vorzugsweise seewassergekühlt, ausgebildet ist. Der Rückkühler kann dann vorzugsweise klein dimensioniert werden.Especially in marine propulsion systems, it is advantageous if the recooler is water-cooled, preferably seawater-cooled. The recooler can then preferably be made small.
Besonders bewährt hat sich eine Gehäusegestaltung, bei der die Brennkraftmaschine ein gekühltes Kurbelgehäuse mit mindestens einem Zylinderkopf und ein gekühltes Abgasturbolagergehäuse aufweist, die in Fließrichtung des Kühlmittels zwischen Kühlmittelpumpe und Rückkühler in Serie geschaltet sind, wobei das Abgasturboladergehäuse in Fließrichtung hinter dem Kurbelgehäuse angeordnet ist.Has proven particularly useful a housing design in which the internal combustion engine has a cooled crankcase with at least one cylinder head and a cooled exhaust gas turbine bearing housing, which are connected in the flow direction of the coolant between the coolant pump and the recirculator in series, wherein the exhaust gas turbocharger housing is arranged in the flow direction behind the crankcase.
Die Verfahrensaufgabe wird bei einem Verfahren zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine mit Aufladung mittels eines Einkreiskühlsystems, wobei das Einkreiskühlsystem im Kühlkreislauf mindestens einen Rückkühler, einen Ladeluftkühler, gegebenenfalls einen Ölkühler, eine Kühlmittelpumpe und die zu kühlende Brennkraftmaschine aufweist, dadurch gelöst, dass ein von der Brennungskraftmaschine kommender Kühlmittelstrom in einen ersten und zweiten Teilstrom aufgeteilt wird und der erste Teilstrom dem Rückkühler zugeführt wird, während der zweite Teilstrom an dem mindestens einen Rückkühler und dem mindestens einen Ladeluftkühler über einen ersten Bypass vorbeigeleitet und vorzugsweise mittels eines Drosselorgans gedrosselt wird und diese Teilströme vor der Kühlmittelpumpe wieder vereinigt werden und/oder ein am Rückkühler über einen zweiten Bypass vorbeigeführter Bypasstrom des ersten Teilstroms des Kühlmittels gedrosselt wird. Die Leistungssteigerung ergibt sich insbesondere dadurch, dass sich erfindungsgemäß auch bei einem Einkreiskühlsystem, die Ladeluft in ihrem Temperaturniveau weiter drücken lässt. Dieser Gewinn wird bei den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ohne Gefahr für die Maschine durch unkontrollierbare Kühlzustände bei plötzlichen Laständerungen oder Drehzahländerungen erreicht. Mit Vorteil ist die Öltemperatur nach dem Ölwärmetauscher von der Motorkühlwassertemperatur entkoppelt, welche bei den Mischkreisläufen nach dem Stand der Technik im Motorkennfeld und bei unterschiedlichen Randbedingungen deutliche Unterschiede aufweisen kann. Erfindungsgemäß ist die Kühlwassertemperatur vor dem Ladeluftkühler im gesamten Motorkennfeldbereich gegenüber dem Temperaturniveau nach dem Stand der Technik deutlich reduziert.The process task is in a method for improving the performance of an internal combustion engine with charging by means of a single-circuit cooling system, wherein the single-circuit cooling system in the cooling circuit at least one recooler, a charge air cooler, optionally an oil cooler, a Coolant pump and the internal combustion engine to be cooled, solved in that a coming of the internal combustion engine coolant flow is divided into a first and second partial flow and the first partial flow is supplied to the recooler, while the second partial flow of the at least one recooler and the at least one charge air cooler over bypassed a first bypass and preferably throttled by means of a throttle body and these partial flows are reunited before the coolant pump and / or throttled on the recooler bypassing a second bypass Bypasstrom the first partial flow of the coolant. The increase in performance results in particular from the fact that according to the invention, even in a single-circuit cooling system, the charge air can be further pressed in its temperature level. This gain is achieved in the embodiments of the invention without risk to the machine by uncontrollable cooling conditions in sudden load changes or speed changes. Advantageously, the oil temperature after the oil heat exchanger is decoupled from the engine cooling water temperature, which may have significant differences in the mixing circuits according to the prior art in the engine map and under different boundary conditions. According to the invention, the cooling water temperature before the intercooler in the entire engine map area is significantly reduced compared to the temperature level according to the prior art.
In Ausgestaltung des Verfahrens zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine ist mit Vorteil vorgesehen, dass der zweite Teilstrom gedrosselt wird.In an embodiment of the method for increasing the performance of an internal combustion engine is advantageously provided that the second partial flow is throttled.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der zweite Teilstrom dem Ölkühler zugeführt.In a further embodiment of the method, the second partial flow is supplied to the oil cooler.
Bevor die Teilströme des Kühlmittels wieder in die Brennkraftmaschine eintreten, ist es vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Teilstrom hinter dem mindestens einen Ladeluftkühler wieder zusammengeführt werden.Before the partial flows of the coolant re-enter the internal combustion engine, it is advantageous if the first and the second partial flow are brought together again behind the at least one intercooler.
Das Verfahren zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine lässt sich auch bei bereits im Feld betriebenen Maschinen ohne größeren Aufwand nachrüsten und anwenden, wenn als Drosselorgan eine Blende oder zur Kühlmittelstromteilung ein Mengenteilungsventil verwendet wird, wobei das Mengenteilungsventil vorzugsweise geregelt ausgebildet ist, insbesondere durch eine Temperatur oder einen Druck im Vorlauf.The method for increasing the performance of an internal combustion engine can be retrofitted and applied even when already operated in the field machines, if a throttle or a coolant flow divider a flow divider valve is used as the throttle body, the mass divider valve is preferably designed to be regulated, in particular by a temperature or pressure in the lead.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:A preferred embodiment of the invention will be explained by way of example with reference to a drawing. The figures of the drawing show in detail:
Die
In den
Die erwähnten beiden Leitungstränge, die an Stelle
Die
In
Alternativ oder zusätzlich kann auch der zweite Bypass
Damit nicht auch die Öltemperatur durch Ölkühler
Eine Blende als Drosselorgan in den
Die Anordnung der Teile entspricht in
Durch entsprechende Abstimmung der im dritten Bypass
In
In
Auf diese Weise ist in allen Ausführungsformen gemäß
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 54792 A1 [0006] EP 54792 A1 [0006]
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