DE10228619B4 - Abgasrohr für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs - Google Patents
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Abstract
Abgasrohr (1) für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, die zwischen einem Abgas erzeugenden Verbrennungsmotor und einem Abgas in die Umgebung überleitenden Auspuffrohr, insbesondere zwischen einem motornahen Drei-Wege-Katalysator und einem vor dem Auspuffrohr angeordneten NOx-Adsorber, angeordnet ist, mit einem das Abgas (AG) leitenden Innenrohr (2) und einem das Innenrohr (2) mit Abstand umgebenden zweiten Rohr (3), das mit dem Innenrohr (2) einen Abgas (AG) leitenden Ringspalt (4) bildet, der mittels einer Klappe (14) versperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkachse (13) der Klappe (14) entlang der Innenrohrwandung (15) angeordnet ist und dass im Verschwenkbereich der Klappe (14) eine Durchtrittsöffnung (12) in der Innenrohrwandung (15) zum Ein- oder Ausleiten von Abgas in den oder aus dem Ringspalt (4) vorgesehen ist, wobei die Klappe (14) zwischen einer Versperrstellung der Durchtrittsöffnung (12) und einer Versperrstellung des Innenrohrs (2) einschließlich Zwischenstellungen verschwenkbar ist, dass das zweite Rohr (3) von einem Mantelrohr (5) umgeben ist und mit...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Abgasrohr für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, die zwischen einem Abgas erzeugenden Verbrennungsmotor und einem Abgas in die Umgebung überleitenden Auspuffrohr und hier insbesondere zwischen einem motornahen Drei-Wege-Katalysator und einem NOx-Adsorber, der sich vor dem Auspuffrohr befindet, angeordnet ist. Das Abgasrohr weist ein Abgas leitendes Innenrohr und ein das Innenrohr mit Abstand umgebendes zweites Rohr auf, das mit dem Innenrohr einen Abgas leitenden Ringspalt bildet, wobei der Ringspalt mittels einer Klappe versperrbar ist.
- Zur Reduktion des NOx-Ausstosses direkteinspritzender Ottomotoren werden beispielsweise gekühlte Abgasrückführungen, wie sie aus der
DE 19841927 A1 bekannt sind, oder Katalysatoren mit einem NOx-Adsorber eingesetzt. Der Einsatz von Katalysatoren erfordert ein bestimmtes Temperaturfenster für die Abgase. Erst ab einer Temperatur von etwa 250° (Anspringtemperatur) findet eine Konvertierung der Schadstoffkomponenten wie Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOX) in die Verbindungen Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N2) bzw. Wasser (H2O) statt. Das Erreichen der Anspringtemperatur nach dem Kaltstart kann beispielsweise durch luftspaltisolierte Abgaskrümmer oder Abgasrohre deutlich verkürzt werden. Hierdurch wird zwar ein schnelle Aufheizung des Katalysators erreicht, es können aber beim Dauerbetrieb, insbesondere im Hochlast- bzw. Hochgeschwindigkeitsbetrieb, so hohe Temperaturen entstehen, dass der Katalysator und insbesondere der thermisch empfindliche NOx-Adsorber dauerhaft geschädigt werden und somit nicht mehr effektiv sind. Um den NOx-Adsorber schnellstmöglich auf Betriebstemperatur zu bringen und die Temperatur auf Werte innerhalb des gewünschten Temperaturfensters von 250–450°C einzustellen und zuhalten, muss das heiße Abgas, das aus dem Motor austritt, in der Startphase möglichst gut isoliert werden, bei längerem Betrieb aber gekühlt werden. - Es sind Abgassysteme bekannt, die dieses Problem dadurch lösen, dass das Abgas durch ein System mit mehreren parallelen Rohren fließt. Einige der Rohre sind thermisch isoliert und andere nicht. In den nicht isolierten Rohren wird das Abgas durch Umgebungsluft abgekühlt. Die Steuerung des Anteils der Abgase, die durch die isolierten oder die nicht isolierten Rohre strömen, erfolgt entweder durch eine Mehrzahl von Stellorganen oder unter Verzicht von Stellorganen unter Ausnutzung des Umstandes, dass mit Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit ein größerer Teil der Abgase durch die nicht isolierten Rohre fließt, wie in der
US 5,979,159 beschrieben. Das bekannte Mehrkanalsystem mit parallelen Rohren benötigt relativ viel Platz. - Zudem gibt es Abgassysteme mit luftspaltisolierten Abgasrohren. Aus der
DE 198 54 095 A1 ist eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen mit einer Abgasleitung bekannt, in die eine separate Leitung integriert ist und somit ein Ringspalt zum äußeren Rohr entsteht. Eingangsseitig wird der Ringspalt, nicht aber die separate Leitung, mittels einer Klappe verschlossen. Hierzu soll in der Klappe eine entsprechende Ausnehmung vorgesehen sein. Bei geschlossener Klappe strömt das Abgas luftspaltisoliert nur durch die separate Leitung. Wird die Klappe geöffnet, strömt der größte Teil des Abgases aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes in den Ringspalt und wird durch Umgebungsluft gekühlt. - Aus der
DE 36 18 762 A1 ist ein Abgasrohr für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bekannt, das zum einen ein Innenrohr und ein das Innenrohr umgebende zweite Rohr aufweist. Das zweite Rohr bildet mit dem Innenrohr in axialer Richtung versetzt angeordnete Ringspalte, wobei zwischen den Ringspalten im Innenrohr eine Klappe vorgesehen ist, die in einer Versperrstellung das Abgas daran hindert, durch das Innenrohr weiter zu fließen. Da die Klappe in Axialrichtung zwischen den beiden Ringspalten angeordnet ist, ergibt sich in der Versperrstellung der Klappe ein schleifenförmiger Leitungsweg des Abgases, wobei das Abgas zuerst durch einen Abschnitt des Innenrohres, dann unter Umkehrung der Strömungsrichtung durch einen ersten Ringspalt in einen ersten Ringabschnitt des zweiten Rohres zurückfließt und dann unter Umkehrung der Strömungsrichtung in einem zweiten Abschnitt des zweiten Roh res wieder in ursprünglicher Strömungsrichtung vorausfließt, bis es durch den zweiten Ringspalt wieder in das Innenrohr geleitet wird. In einer Öffnungsstellung der Klappe fließt das Abgas nur durch das Innenrohr, so dass keine Kühlung des Abgases eintreten kann. Nachteilig an dem bekannten Abgasrohr ist, dass durch die doppelte Umlenkung des Abgases in der Versperrstellung der Klappe sich der Abgasgegendruck im Betriebszustand hohe Lasten erheblich erhöht, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch des Motors führt. - Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Abgasrohr für eine Abgasanlage der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei kleiner Baugröße die Temperatur des aus dem Rohr austretenden Abgases optimal geregelt werden kann.
- Diese Aufgabe wird mittels eines Abgasrohres mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Kerngedanke der Erfindung ist, mittels einer Klappe als Stellmittel entweder das Innenrohr gegen ein Durchströmen des Abgases oder den Ringspalt gegen ein Durchströmen des Abgases zu versperren, wobei auch Zwischenstellungen im Verschwenkbereich der Klappe möglich sind. Die Verschwenkachse der Klappe wird hierzu in Umfangsrichtung entlang der Innenrohrwandung angeordnet. Die Klappenfläche ist so zugeschnitten, dass in der Versperrstellung für das Innenrohr der gesamte Querschnitt des Innenrohrs abgedeckt wird. Im Verschwenkbereich der Klappe ist eine Durchtrittsöffnung in der Rohrwand für die Ein- oder Ausleitung des Abgases in den oder aus dem Ringspalt vorgesehen. Um ein Ein- oder Ausleiten des Abgases zu verhindern oder einzuschränken, wird mittels der dann verschwenkten Klappe diese Durchtrittsöffnung versperrt.
- Der Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Klappe als aktives Stellmittel genau einstellbar ist, ob und in welcher Menge das Abgas durch das Innenrohr oder den Ringspalt strömt. Folglich kann die optimale Arbeitstemperatur des NOx-Adsorbers eingestellt werden. Aufgrund der Zwischenstellungen ist eine exakte Temperaturregelung des gesamten austretenden Abgases in allen Betriebszuständen möglich. Mit dem vorgeschlagenen Mehrkanalsystem, das sehr kompakt und effektiv ist, kann das gewünschte Abgastemperaturfenster optimal eingeregelt werden. Die Ansteuerung der Klappe ist individuellen Anforderungen gemäß wählbar. Erfindungsgemäß ist das Abgasrohr dreiwandig ausgebildet, um die Kühlwirkung auf das Abgas zu erhöhen. Das zweite Rohr ist mit einem Mantelrohr umgeben, das zwischen sich und dem zweiten Rohr einen zweiten, äußeren, Ringspalt bildet. Durch diesen Ringspalt strömt ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser. Damit wird der oben beschriebene Ringspalt zum inneren Ringspalt.
- Um eine vollständige Versperrwirkung der Durchtrittsöffnung zu erreichen, muss die Klappe mindestens die Größe der Durchtrittsöffnung aufweisen. Sofern die Klappenfläche größer als die Durchlassfläche ist, kommt die Klappe auf der Innenrohrwandung zur Anlage. Schon in diesem Zustand weist die Klappe nur einen geringen Abgasgegendruck gegenüber vorbeistreichendem Gas auf.
- Der Abgasgegendruck kann zusätzlich minimiert werden, indem die Verschwenkachse der Klappe in die Innenrohrwandung integriert wird und die Klappenfläche der Durchlassfläche entspricht. Dann schließt die Klappe im Versperrzustand bündig mit der Innenrohrwand ab. Aufgrund des bündigen Abschlusses kann das Abgas bei verschlossener Öffnung ohne Hindernis durch das Innenrohr strömen.
- Um eine vollständige Versperrwirkung des Innenrohres zu erreichen, weist die Klappe die Querschnittsform des Innenrohres auf. Da die Verschwenkachse gerade ausgebildet ist, ist das Innenrohr im Verschwenkbereich durch eine entsprechende ebene Wandung angepasst ausgeformt. Aus Vereinfachungsgründen bei der Herstellung kann das Innenrohr auch über seine gesamte Länge mit einer ebenen Wandung geformt werden.
- Die Klappe mit einer geraden Verschwenkachse ist vorzugsweise zungenförmig oder halbkreisförmig ausgebildet. Sie wird vorzugsweise einlass- oder auslassseitig angeordnet. Es ist auch möglich, die Klappe beispielsweise in der Mitte des Innenrohres im Überlappbereich von dem zweiten zum Innenrohr zu platzieren. Zur Erfüllung ihrer Doppelfunktion bzw. doppelten Versperrfunktion der Klappe muss nur gewährleistet sein, dass die Durchtrittsöffnung im Verschwenkbereich bzw. Wirkbereich der Klappe angeordnet ist. Da das zweite Rohr jeweils eingangs- oder endseitig geschlossen ist, strömt das Abgas an dieser Seite nicht konzentrisch in oder aus dem Rohr, sondern in oder aus der Durchtrittsöffnung.
- Da das Abgas in den Ringspalt durch die Durchtrittsöffnung eintritt bzw. austritt, empfiehlt es sich aus Gründen einer besseren Gasströmung, das zweite Rohr mit einer schrägen Wandung an das Innenrohr anzubinden. Die Durchtrittsöffnung ist innerhalb des durch die Schräge verlängerten Rohrabschnittes angeordnet. Auf diese Weise wird das Abgas am Einlass von einer Seite strömungsgünstig in den Ringspalt geleitet bzw. am Auslass strömungsgünstig auf eine Seite des Innenrohrs in Richtung Durchtrittsöffnung umgelenkt. Ein Anschluss mit einer rechtwinkligen Wandung wäre auch möglich, bedeutete aber einen höheren Druckverlust.
- Derartige mehrwandige Kanalsysteme lassen sich mittels Innenhochdrucktechnik kostengünstig realisieren, wobei auch komplex geformte Querschnitte, beispielsweise am Innenrohr, gut formbar sind. Ein besonders günstiges Herstellverfahren ist in der
DE 40 19 899 C1 beschrieben, was sich auch zur Herstellung eines dreiwandigen Rohres eignet. Dann wird in einem ersten Schritt der innere Ringspalt in einem ersten Werkzeug aufgeweitet. Anschließend wird in einem zweiten Schritt der äußere Ringspalt in einem zweiten Werkzeug mit entsprechender Gravur ausgeformt. - Die Klappe selbst ist leicht zuzuschneiden. Für ihre Anordnung entlang der Innenrohrwandung sind keine zusätzlichen gegossenen und mechanisch bearbeiteten Gehäuse notwendig.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert: Hierbei zeigen:
-
1 einen Längsschnitt eines Abgasrohres mit der Klappe in Isolierstellung; -
2 den gleichen Längsschnitt eines Abgasrohres mit der Klappe in der Kühlstellung; -
3 die Schnittdarstellung X-X aus1 ; -
4 die Schnittdarstellung Y-Y aus1 ; -
5 eine schematische Ansicht auf ein Abgasrohr mit einer Klappe, die auslassseitig angeordnet ist. -
1 zeigt das Abgasrohr1 , das in eine Abgasanlage (nicht gezeigt) eines Kraftfahrzeugs zwischen einem Abgas erzeugenden Verbrennungsmotor und einem Abgas in die Umgebung überleitenden Auspuffrohr integriert ist. Hierbei gelangt das Abgas zunächst über einen Krümmer in einen Drei-Wege-Katalysator und über ein Abgasrohr in einen vor dem Auspuffrohr angeordneten NOx-Adsorber. Das Abgasrohr1 als Mehrkanalsystem umfasst ein Innenrohr2 als direkte Verbindung zwischen dem Drei- Wege-Katalysator und dem NOx-Adsorber. Das Innenrohr2 ist von einem zweiten Rohr3 umgeben, wodurch zwischen dem Innenrohr2 und dem zweiten Rohr3 ein innerer Ringspalt4 gebildet wird. Zusätzlich ist um das zweite Rohr3 ein äußeres Mantelrohr5 mit Abstand angeordnet, wobei der sich ergebende äußere Ringspalt6 mittels eines Kühlmittels KM durchströmt wird, was durch einen Zuführ-(nicht gezeigt) bzw. Ausführstutzen7 ein- bzw. austritt. Diese Stutzen7 sind mit einer Kühleinheit (nicht gezeigt) verbunden. - Bei der gezeigten Ausführungsform ist das zweite Rohr
3 einlasseitig verschlossen und mit einer schrägen Wandung8 an die Außenwandung9 des Innenrohres2 verbunden. Zudem weist das zweite Rohr3 einen schrägen Anschnitt10 auf. Hierdurch wird ein verlängerter Rohrabschnitt11 auf einer Seite des Innenrohres2 gebildet. Innerhalb dieses verlängerten Rohrabschnitts11 und im Überlappungsbereich zwischen dem zweiten Rohr3 und dem Innenrohr2 ist eine Durchtrittsöffnung12 , hier eine Eintrittsöffnung, für das Abgas AG in den inneren Ringspalt4 eingebracht. Diese Durchtrittsöffnung12 kann auch als Aussparung oder Fenster bezeichnet werden. Die Form der Durchtrittsöffnung12 ist aus der4 ersichtlich. Die gerade Verschwenkachse13 der Stell- oder Schaltklappe14 verläuft entlang der Innenrohrwandung15 und ist im gezeigten Beispiel in die Innenrohrwandung15 integriert.1 zeigt die Klappe14 in der vollständigen Versperrstellung für die Durchtrittsöffnung12 . Dies entspricht der bevorzugten Stellung in der Startphase des Motors, in der das Abgas luftspaltisoliert auf Temperatur gehalten werden soll. 100% des Abgases AG strömt durch das luftspaltisolierte Innenrohr2 . Um ein sehr schnelles Anspringen („light off) des NOx-Adsorbers zu erreichen, ist das Innenrohr2 dünnwandig ausgebildet. Es nimmt somit wenig Wärme auf und heizt sich schnell auf, was aufgrund der Isolierung durch den inneren Ringspalt4 unterstützt wird. -
2 stellt die Kühlstellung der Klappe14 dar. Mit der strich-punktierten Linie ist der Verschwenkbereich der Klappe14 gezeigt, wobei die Kühlstellung bereits bei einem Schwenkwinkel kleiner als 90° erreicht ist. In dieser Stellung fließt das Abgas AG nur in den inneren Ringspalt4 und kühlt sich an dem im äußeren Ringspalt6 strömenden Kühlmittel KM ab. - Den Schnitt X-X der
1 zeigt3 , aus der ersichtlich wird, dass die Verschwenkachse13 , die Klappenfläche sowie die Innenrohrwandung15 in einer Ebene liegen. Das gerade Klappenende16 ist mit einer Welle17 verbunden, die endseitig schwenkbar in beispielsweise einem Gleitlager18a , b gelagert ist. An einem Wellenende19 ist ein – hier stabförmiges – Stellglied20 angeschweißt, über das der Verschwenkwinkel der Klappe eingestellt werden kann. Die Steuerung des Stellgliedes20 und damit der Klappe ist variabel und kann rein mechanisch, pneumatisch oder auch durch einen Kraft erzeugenden Temperaturfühler, wie ein Bimetall, verwirklicht werden. Die Klappachse bietet sich außerdem als Ort für eine Temperaturmessung an, da diese ständig von Abgas umströmt wird. Die Lagerungen18a , b sind mit den Rohrwandungen verschweißt (21). - Die Klappe
14 selbst ist zungenförmig, wie aus der4 hervorgeht, die den Schnitt Y-Y der1 zeigt. Es ist gut ersichtlich, dass die Klappenfläche der Fläche der Durchtrittsöffnung entspricht. Der Zuschnitt22 der Klappe14 ermöglicht gerade ein bündiges Eintauchen der Klappe14 in die Durchschnittsöffnung12 . Das zweite Rohr3 ist, etwa beginnend am Ende der Durchtrittsöffnung12 umlaufend, an die Außenwandung des Innenrohres2 angeschweißt (23 ). - Mit Hilfe der
5 wird eine alternative Anordnung der Durchtrittsöffnung12' am Ende des Abgasrohres dargestellt. Das zweite Rohr3 bindet endseitig an das Innenrohr2 an. Um die Doppelfunktion der Klappe14 zu ermöglichen, ist die Verschwenkachse13 in Strömungsrichtung vor der Durchtrittsöffnung12' angeordnet. Der Zuschnitt22 der Klappe14 ist in etwa halbkreisförmig, was dem Querschnitt des Innenrohres2 entspricht. Das durch das Innenrohr2 strömende Abgas AG wird durch stehendes Abgas im inneren Ringspalt4 wärmeisoliert. An diesem Beispiel wird die Wirkungsweise der schrägen Anbindung des zweiten Rohrs3 an das Innenrohr2 deutlich. Das Abgas AG wird strömungsgünstig aus dem kompletten Ringspaltquerschnitt am schrägen Anschnitt10 entlang der Innenrohraußenseite in den Teil unterhalb der Öffnung12' geführt und tritt dann radial aus der Durchtrittsöffnung12' in das Innenrohr2 aus. -
- 1
- Abgasrohr
- 2
- Innenrohr
- 3
- zweites Rohr
- 4
- innerer Ringspalt
- 5
- Mantelrohr
- 6
- äußerer Ringspalt
- 7
- Ausführstutzen
- 8
- schräge Wandung
- 9
- Außenwandung des Innenrohrs
- 10
- schräger Anschnitt
- 11
- verlängerter Rohrabschnitt
- 12
- Durchtrittsöffnung (12 auslassseitig)
- 13
- Verschwenkachse
- 14
- Klappe
- 15
- Innenrohrwandung
- 16
- Klappenende
- 17
- Welle
- 18a, b
- Gleitlager
- 19
- Wellenende
- 20
- Stellglied
- 21
- Schweißpunkt
- 22
- Zuschnitt der Klappe
- 23
- Schweißnaht
- KM
- Kühlmittel
- AG
- Abgas
Claims (7)
- Abgasrohr (
1 ) für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, die zwischen einem Abgas erzeugenden Verbrennungsmotor und einem Abgas in die Umgebung überleitenden Auspuffrohr, insbesondere zwischen einem motornahen Drei-Wege-Katalysator und einem vor dem Auspuffrohr angeordneten NOx-Adsorber, angeordnet ist, mit einem das Abgas (AG) leitenden Innenrohr (2 ) und einem das Innenrohr (2 ) mit Abstand umgebenden zweiten Rohr (3 ), das mit dem Innenrohr (2 ) einen Abgas (AG) leitenden Ringspalt (4 ) bildet, der mittels einer Klappe (14 ) versperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkachse (13 ) der Klappe (14 ) entlang der Innenrohrwandung (15 ) angeordnet ist und dass im Verschwenkbereich der Klappe (14 ) eine Durchtrittsöffnung (12 ) in der Innenrohrwandung (15 ) zum Ein- oder Ausleiten von Abgas in den oder aus dem Ringspalt (4 ) vorgesehen ist, wobei die Klappe (14 ) zwischen einer Versperrstellung der Durchtrittsöffnung (12 ) und einer Versperrstellung des Innenrohrs (2 ) einschließlich Zwischenstellungen verschwenkbar ist, dass das zweite Rohr (3 ) von einem Mantelrohr (5 ) umgeben ist und mit dem Mantelrohr (5 ) einen ein Kühlmittel (KM) führenden äußeren Ringspalt (6 ) bildet. - Abgasrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkachse (
13 ) der Klappe (14 ) in die Innenrohrwandung (15 ) integriert ist und die Klappe (14 ) im Versperrstellung der Durchtrittsöffnung (12 ) bündig mit der Innenrohrwand abschließt. - Abgasrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (
2 ) wenigstens im Verschwenkbereich der Klappe (14 ) eine dem Verlauf einer geraden Verschwenkachse (13 ) entsprechende ebene Wandung (15 ) aufweist. - Abgasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (
14 ) zungenförmig ausgebildet ist. - Abgasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (
3 ) einlassseitig geschlossen ist, dass die Durchtrittsöffnung (12 ) im Überlappbereich des Innenrohres (2 ) und des zweiten Rohres (3 ) einlassseitig in die Innenrohrwandung (15 ) eingebracht ist und dass die Verschwenkachse (13 ) der Klappe (14 ) in Strömungsrichtung hinter der Durchtrittsöffnung (12 ) angeordnet ist. - Abgasrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (
3 ) auslassseitig geschlossen ist, dass die Durchtrittsöffnung (12' ) im Überlappbereich des Innenrohres (2 ) und des zweiten Rohres (3 ) auslassseitig in die Innenrohrwandung (15 ) eingebracht ist und dass die Verschwenkachse (13 ) der Klappe (14 ) in Strömungsrichtung vor der Durchtrittsöffnung (12' ) angeordnet ist. - Abgasrohr nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (
3 ) mit einer schrägen Wandung (8 ) an das Innenrohr (2 ) anbindet, wobei sich die Durchtrittsöffnung (12 ,12' ) innerhalb des durch die Schräge verlängerten Rohrabschnittes (11 ) befindet.
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