JP2001207908A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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JP2001207908A
JP2001207908A JP2000021816A JP2000021816A JP2001207908A JP 2001207908 A JP2001207908 A JP 2001207908A JP 2000021816 A JP2000021816 A JP 2000021816A JP 2000021816 A JP2000021816 A JP 2000021816A JP 2001207908 A JP2001207908 A JP 2001207908A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼室を高温に保持することによって排気ガ
スの高温化を達成した内燃機関を提供する。 【解決手段】 シリンダヘッド10内に,隔壁11を挟
んで一側に燃焼室17を,また他側に断熱層18をそれ
ぞれ設ける。隔壁11内の熱負荷を異にする複数の領域
A,Cにそれぞれ冷却路a,cを設ける。冷却媒体の流
量は,熱負荷が大なる領域Aに存する冷却路aの方が,
熱負荷が小なる領域Cに存する冷却路cよりも大となる
ように設定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関,特に,燃
焼室で生成される排気ガスの高温化を図り得るようにし
た内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】従来,内燃機関におけるシリンダヘッド
の内部には,隔壁を挟んで一側に燃焼室が,また他側に
冷却水路がそれぞれ設けられている(例えば,特開平1
0−212946号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ランキンサイクルシス
テムにおける熱源として排気ガスを利用し,また暖機促
進,排気ガス浄化装置の早期活性化等を行うためには,
燃焼室で生成される排気ガスを極力高温化することが望
ましい。
【0004】しかしながら,従来例においては,隔壁の
冷却度合を,熱負荷が最も大なる領域に合せて燃焼室全
体を冷却しているので,熱負荷の小なる領域に対しては
冷却度合が過度となり,全体として過冷却傾向であるこ
とから排気ガスの温度が低く,したがって前記各種態様
に十分に応じることができない,という問題があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は燃焼室を高温に
保持することによって排気ガスの高温化を図ることがで
きるようにした前記内燃機関を提供することを目的とす
る。
【0006】前記目的を達成するため本発明によれば,
シリンダヘッド内に,隔壁を挟んで一側に燃焼室を,ま
た他側に断熱層をそれぞれ設け,前記隔壁内の熱負荷を
異にする複数の領域にそれぞれ冷却路を設け,冷却媒体
の流量を,最も熱負荷が大なる領域に存する前記冷却路
から最も熱負荷が小となる領域に存する前記冷却路に亘
って減少させた内燃機関が提供される。
【0007】前記のように構成すると,隔壁における熱
負荷を異にする複数の領域を,その熱負荷の大,小に応
じて必要最小限に冷却することが可能であり,また断熱
層により隔壁を通じたシリンダヘッド主体部への熱の伝
播を抑制し,これにより燃焼室を高温に保持して排気ガ
スの高温化を図ることができる。
【0008】また本発明によれば,熱負荷が小なる領域
と,その領域よりも熱負荷が大なる領域とが,前記隔壁
において占める割合は前者の方が後者よりも大であり,
また熱負荷が小なる領域に存する前記冷却路と,その領
域よりも熱負荷が大なる領域に存する前記冷却路との通
路断面積は前者の方が後者よりも小であり,且つ通路表
面積は前者の方が後者よりも大である内燃機関が提供さ
れる。
【0009】前記のように構成すると,熱負荷が大なる
領域をそれに応じて冷却することによりその機能の維持
を図り,一方,熱負荷が小なる領域では冷却媒体をより
高速で流すことと,通路表面積の増加およびレイノルズ
数増大による熱伝達率の向上との相互効果により,熱引
きを向上させつつ少ない冷却媒体によって前記広い領域
を効果的に,且つ均一に必要最小限に冷却することがで
きる。
【0010】
【発明の実施の形態】図1において,ランキンサイクル
システム1は,内燃機関2の排気ガスを熱源として,高
圧状態の液体,例えば水から温度上昇を図られた高圧状
態の蒸気,つまり高温高圧蒸気を発生する蒸発器3と,
その高温高圧蒸気の膨脹によって出力を発生する膨脹器
4と,その膨脹器4から排出される,前記膨脹後の,温
度および圧力が降下した蒸気,つまり降温降圧蒸気を液
化する凝縮器5と,凝縮器5からの水を蒸発器3に加圧
供給する供給ポンプ6とを有する。
【0011】図2,3に示す内燃機関2の第1実施例に
おいて,シリンダブロック7のデッキ面8にシール部材
9を介してシリンダヘッド10が取付けられる。シリン
ダヘッド10内に,略円錐形をなし,且つ頂点側をシリ
ンダブロック7と反対側に向けた隔壁11と,その隔壁
11の円形周縁部に連なる円筒形周壁12とが設けられ
ている。周壁12の内周面には,上死点に在るピストン
13のヘッド部14が摺擦する。実施例ではシリンダス
リーブ15の端部がシリンダブロック7のデッキ面8か
ら突出して周壁12内周面に嵌着されており,そのシリ
ンダスリーブ15の端部内周面にピストン13のヘッド
部14が摺擦する。隔壁11の一側には,その隔壁11
と上死点に在るピストン13のヘッド部頂面16との協
働で形成された略円錐形をなす燃焼室17が設けられ,
また他側には断熱層18が設けられる。
【0012】隔壁11内には熱負荷を異にする複数の部
位が存し,それらの部位は,実施例では排気ポート19
の入口20周りに存する排気環状領域A,吸気ポート2
1の出口22周りに存する吸気環状領域B,入,出口2
0,22間の一方に在って隔壁11の中心部分より末広
がりに延び,且つ排気ポート19に近い排気扇形領域C
および入,出口20,22間の他方に在って,隔壁11
の中心部分より末広がりに延び,且つ吸気ポート21に
近い吸気扇形領域Dである。
【0013】この場合,熱負荷の大,小の順序は,排気
環状領域A>吸気環状領域B≧排気扇形領域C≒吸気扇
形領域Dとする。
【0014】これらの領域A〜Dにはそれぞれ冷却路が
設けられており,それら冷却路は,排気環状領域Aでは
排気湾曲路aとし,吸気環状領域Bでは吸気湾曲路bと
し,排気扇形領域Cでは排気扇形路cとし,吸気扇形領
域Dでは吸気扇形路dとする。冷却媒体としては,実施
例では水が用いられているが,オイル等の冷却媒体でも
よく,任意に選択できる。
【0015】冷却水の流量の多少は,熱負荷の大小に応
じて,排気湾曲路a>吸気湾曲路b≧排気扇形路c≒吸
気扇形路dの順となるように設定されている。
【0016】シリンダヘッド10において,その隔壁1
1は燃焼室17側の内壁23と断熱層18側の外壁24
とを合せることによって構成され,それら内,外壁2
3,24間に,排気湾曲路a,吸気湾曲路b,排気扇形
路cおよび吸気扇形路dが形成される。
【0017】排気扇形路cの構造は次の通りである。即
ち,内壁23の合せ面25における扇形部分に,それを
周方向に二分割する区画部26が存し,その区画部26
を挟んで両側に複数の円弧状溝27が同心状に形成され
る。一方,外壁24の合せ面28における扇形部分に,
その外壁24を内壁23に合せたとき,内壁23の全部
の円弧状溝27を覆い,且つ外周部分が周壁12に達す
る扇形凹部29と,その凹部29から突出して各円弧状
溝26に緩く挿入される複数の円弧状凸条30と,内壁
23の区画部26に重なる区画部31とが存する。これ
により排気扇形路cは隔壁11内において,その厚さ方
向と平行な平面内で蛇行する。
【0018】外壁24における扇形凹部29の外周部分
は,周壁12における外周壁33および内周壁34間に
形成された筒状冷却路35に連通し,これにより,排気
扇形路cの円弧状入口36が形成され,したがって排気
扇形路cにおいては,その入口36から中心部に存する
出口37に向って流量が増加する。図3において,32
は,筒状冷却路35を形成すべく,内周壁34の外周面
複数箇所に形成された突起状スペーサである。
【0019】排気扇形路cの出口37は排気湾曲路aの
入口38に連通し,その排気湾曲路aの出口39は,隔
壁11および断熱層18の形成壁40間を繋ぐ補強リブ
41に形成された通路42に連通する。その通路42
は,排気バルブ43におけるバルブステムガイド44の
冷却路45に連通し,その冷却路45は出口通路46に
連通する。
【0020】吸気扇形路dおよび吸気湾曲路bは,排気
扇形路cおよび排気湾曲路aとそれぞれ略同様に構成さ
れているので,図3において,吸気扇形路dおよび吸気
湾曲路bの各構成部分には,排気扇形路cおよび排気湾
曲路aの各構成部分を示す符号と同一の符号を付して,
それらd,bの説明は省略する。ただし,排気湾曲路a
および排気扇形路cにおける冷却水の総流量と,吸気湾
曲路bおよび吸気扇形路dにおける冷却水の総流量とで
は,前者の方が後者よりも大となるように設定されてい
る。
【0021】熱負荷が小なる排気扇形領域Cと,その領
域Cよりも熱負荷が大なる排気環状領域Aとが,隔壁1
1において占める割合は前者Cの方が後者Aよりも大で
ある。そこで,熱負荷が小なる排気扇形領域Cに存する
排気扇形路cと,熱負荷が大なる排気環状領域Aに存す
る排気湾曲路aとの通路断面積は前者Cの方が後者Aよ
りも小となり,且つ通路表面積は前者Cの方が後者Aよ
りも大となるように設定される。
【0022】熱負荷が小なる吸気扇形領域Dと,その領
域Dよりも熱負荷が大なる吸気環状領域Bとが,隔壁1
1において占める割合は前者Dの方が後者Bよりも大で
ある。そこで,熱負荷が小なる吸気扇形領域Dに存する
吸気扇形路dと,熱負荷が大なる吸気環状領域Bに存す
る吸気湾曲状路bとの通路断面積は前者dの方が後者b
よりも小となり,且つ通路表面積は前者dの方が後者b
よりも大となるように設定される。
【0023】前記周壁12に存する筒状冷却路35は,
上死点に在るピストン13におけるヘッド部頂面16の
外周部分により形成される燃焼室17のスキッシュ領域
47を冷却する。このスキッシュ領域47は熱だまりと
なり易い。この筒状冷却路35における冷却水の流量
は,スキッシュ領域47の最も熱負荷が大なる部位近傍
に存する流路部からその領域47の最も熱負荷が小なる
部位近傍に存する流路部に亘って減少するように設定さ
れる。実施例では図3に示すように,筒状冷却路35に
おける冷却水の流量の多少は,図3に示すように熱負荷
の大小に応じて通路幅eを変えることにより,排気ポー
ト入口20の近傍に存する流路部f>吸気ポート出口2
2の近傍に存する流路部g≧排気扇形領域Cの近傍に存
する流路部h≒吸気扇形領域Dの近傍に存する流路部i
の順となる。筒状冷却路35はシリンダブロック7の水
ジャケット48に連通する。
【0024】断熱層18は,排気ポート19周りでは,
シリンダヘッド10に鋳ぐるまれたセラミック製排気ポ
ートライナ49により形成され,また図には省略したが
吸気ポート21周りも排気ポート19周りと同様であ
る。断熱層18のその外の部分は空洞50に存する空気
によって形成されているが,その空洞50には断熱材,
例えばnmサイズの粒子からなる粉末状断熱材を充填する
こともある。
【0025】前記構成において,水ジャケット48から
の冷却水は筒状冷却路35を流動し,燃焼室17のスキ
ッシュ領域47を,その周囲から熱負荷の大小に応じて
必要最小限に冷却する。次いで,冷却水は排気扇形路c
および吸気扇形路dを流動する。この場合,前記のよう
に両通路c,dの通路断面積は小で,且つ通路表面積は
大となるように設定されているので,冷却水をより高速
で流すことと,通路表面積の増加およびレイノルズ数増
大による熱伝達率の向上との相互効果により,熱引きを
向上させつつ少ない冷却水によって広い排気および吸気
扇形領域C,Dを効果的に,且つ均一に,また必要最小
限に冷却することができる。
【0026】その後,冷却水は排気扇形路cから排気湾
曲路aに流入してそこを流動する。この場合,排気扇形
路cはその入口36から出口37に向って先細りとなる
ので,出口37では冷却水の流量が増し,その増加され
た流量の冷却水が排気湾曲路aを流動することになるの
で,熱負荷が最も大である排気環状領域Aが効率良く,
且つ均一に,また必要最小限に冷却され,これにより排
気弁用弁座51およびその取付部の熱損を防止してその
機能の維持を図ることができる。このような冷却作用は
吸気側においても同様に現出する。
【0027】前記のように隔壁11および燃焼室17の
スキッシュ領域47における熱負荷を異にする複数の領
域A〜D,f〜iを,その熱負荷の大,小に応じて必要
最小限に冷却し,また断熱層18により隔壁11を通じ
たシリンダヘッド主体部への熱の伝播を抑制するように
すると,燃焼室17を高温に保持して排気ガスの高温化
を図ることができる。
【0028】図4〜10に示す内燃機関2の第2実施例
において,そのシリンダヘッド10内には,前記同様に
略円錐形をなし,且つ頂点側をシリンダブロック(図示
せず)と反対側に向けた隔壁11と,その隔壁11の円
形周縁部に連なる周壁12とが設けられている。周壁1
2の内周側には,上死点に在るピストン13のヘッド部
14が位置するようになっている。隔壁11の一側に,
その隔壁11と上死点に在るピストン13のヘッド部頂
面16との協働で形成された略円錐形をなす燃焼室17
が設けられ,また他側には断熱層18が設けられる。
【0029】隔壁11内には前記同様に,排気ポート1
9の入口20周りに存する排気環状領域A,吸気ポート
21の出口22周りに存する吸気環状領域B,両入,出
口20,22間に在って隔壁11の中心部分より末広が
りに延び,且つ排気ポート19に近い排気扇形領域Cお
よび入,出口20,22間に在って隔壁11の中心部分
より末広がりに延び,且つ吸気ポート21に近い吸気扇
形領域Dが存する。この場合,熱負荷の大,小の順序
は,第1実施例とは異なり,排気環状領域A>排気扇形
領域C≒吸気扇形領域D≧吸気環状領域Bとする。
【0030】これらの領域A〜Dにはそれぞれ冷却路が
設けられており,それら冷却路は,排気環状領域Aでは
排気湾曲路aとし,吸気環状領域Bでは吸気湾曲路bと
し,排気扇形領域Cでは,隔壁11の厚さ方向と交差す
る平面内で蛇行する排気扇形路cとし,吸気扇形領域D
では前記同様に蛇行する吸気扇形路dとする。冷却媒体
としては,実施例では水が用いられる。
【0031】冷却水の流量の多少は,熱負荷の大小に応
じて,排気湾曲路a>排気扇形路c≒吸気扇形路d≧吸
気湾曲路bとなるように設定されている。この冷却水の
流量調節は各通路a〜dの入口を形成するオリフィス5
2〜55の直径を変えることによって行われている。各
通路a〜dの出口側は,補強リブ41に形成された1つ
の集合路56に集合され,その集合路56は排気バルブ
用バルブステムガイド44の冷却路45に連通し,その
冷却路45は図示しない出口に連通する。
【0032】熱負荷が小なる排気,吸気扇形領域C,D
と,それらの領域C,Dよりも熱負荷が大なる排気環状
領域Aとが,隔壁11において占める割合は前者C,D
の方が後者Aよりも大である。そこで,熱負荷が小なる
排気,吸気扇形領域C,Dに存する排気,吸気扇形路
c,dと,熱負荷が大なる排気環状領域Aに存する排気
湾曲路aとの通路断面積は前者c,dの方が後者aより
も小となり,且つ通路表面積は前者c,dの方が後者a
よりも大となるように設定される。
【0033】図5〜8に明示するように,排気湾曲路
a,吸気湾曲路b,蛇行する排気扇形路cおよび吸気扇
形路dならびに隔壁11に連なる周壁12に在って燃焼
室17のスキッシュ領域47を冷却する筒状冷却路35
は1個または複数個の中子を用いて成形されたものであ
る。
【0034】図7,8に示すように,排気湾曲路aの天
井壁58および底壁59には,それぞれそれら58,5
9の幅jよりも狭い幅kを有する複数の突出部60,6
1が所定の間隔で,また天井壁58側のものと底壁59
側のものとが食違うように形成されている。これにより
排気湾曲路aを流通する冷却水は隔壁11の厚さ方向と
平行な平面内で蛇行すると共に乱流となって,排気環状
領域Aを効率良く冷却する。また図5,6に示すよう
に,シリンダヘッド10の鋳造に際し,例えば中子の蛇
行形状部における同心状に配列された複数の円弧状部分
にはそれらの破損,位置ずれ等を防止するために複数の
ピン62が刺通して配置され,また各ピン62における
中子の筒状部(筒状冷却路35に対応)側はその筒状部
内に刺込まれるように配置されて蛇行形状部と筒状部と
の位置決めがなされる。
【0035】シリンダヘッド10をAl合金より構成
し,各ピン62をステンレス鋼等より構成すると,鋳造
後中子を除去しても各ピン62は隔壁11および周壁1
2内に残置され,それらの一部が排気,吸気扇形路c,
d内に露出する。この露出部分mは冷却水の流れに対し
抵抗となってその乱流化を促進し,これは排気,吸気扇
形領域C,Dの熱引きを良好にするといった効果をもた
らす。
【0036】断熱層18は,シリンダヘッド10に形成
された空洞63に存する空気によって形成されている
が,その空洞63には断熱材,例えばnmサイズの粒子か
らなる粉末状断熱材を充填することもある。
【0037】図4,9,10に示すように排気ポート1
9はステンレス鋼よりなる筒状排気ポートライナ64に
よって形成され,その排気ポートライナ64はシリンダ
ヘッド10の空洞63内に配置されて,そのシリンダヘ
ッド10に複数箇所で部分的に支持されている。これに
より,排気ポートライナ64周りには,空洞63内に存
する空気による断熱層18が存する。
【0038】排気ポートライナ64における複数の部分
的な支持箇所には,図4,9に示すように,排気バルブ
43が配設される排気ガス入口側の外周面に存する部位
Eおよび排気ガス出口側の外周面に存する部位Fならび
に筒状バルブステム挿通部65が選定されている。即
ち,排気ガス入口側の外周面に存する部位Eには,ステ
ンレス鋼よりなる2本のステー66がバルブステム挿通
部65を挟み,且つバルブステム軸線nと略平行するよ
うに相対向して配置されて,それらの一端部が前記部位
Eに溶接される。両ステー66は排気ポートライナ64
と一体でもよい。また排気ガス出口側の外周面に存する
部位Fには,ステンレス鋼よりなる3本のステー67が
周方向に120度宛間隔をとって配置され,それらの一
端部が前記部位Fに溶接されている。それらのステー6
6,67の他端部はシリンダヘッド10の鋳造過程でそ
れに鋳ぐるまれている。筒状バルブステム挿通部65は
クッション性を有する断熱性筒状シール部材68および
バルブステムガイド44を介してシリンダヘッド10に
支持される。図4,9に示すように排気ポートライナ6
4の入口形成部69は,弁座51に隣接する孔部71に
遊挿され,その入口形成部69近傍に存する排気ポート
ライナ64のフランジ72および弁座51間の環状空間
が,クッション性を有する断熱性環状シール部材73に
よって満たされている。前記シール部材68,73は,
アルミナ繊維,シリカ繊維およびバインダよりなる成形
体であって,耐用温度1100℃以上および熱伝導率
0.2W/(m・K)である。排気ポートライナ64の
出口形成部74は空洞18の開口部75を閉鎖する環状
断熱板76の孔部77に嵌合されている。一方,吸気ポ
ート21はシリンダヘッド10に直接形成されている。
【0039】図11に示すシリンダヘッド10は,集合
路56を有する補強リブ41および周壁12の外周から
補強リブ41と平行に延びる複数のボルト孔形成部77
に合せ面78,79が存するように分割されていて,両
合せ面78,79間には断熱ガスケット80が挟まれて
おり,この分割部分で,燃焼室17側からの熱伝導が遮
断される。この第2実施例において,燃焼室17のスキ
ッシュ領域47を冷却する環状冷却路35の流量を前記
同様に熱負荷に応じて変えることも当然に行われる。
【0040】なお,隔壁11において,熱負荷が小で,
且つ広い吸,排気扇形領域D,Cでは,冷却通路の通路
断面積を小にして冷却媒体をより高速で流すことと,通
路表面積の増加およびレイノルズ数増大による熱伝達率
の向上との相互効果により,熱引きを向上させることが
でき,これによりシリンダヘッド主体部への熱伝播を十
分に抑制して断熱層18を省くことも可能である。
【0041】
【発明の効果】本発明によれば,前記のように構成する
ことによって,燃焼室を高温に保持して排気ガスの高温
化を達成し,これによりランキンサイクルの熱源用構成
要素として好適で,また暖機促進を図ると共に排気ガス
浄化装置の早期活性化を図ることが可能な内燃機関を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ランキンサイクルシステムの説明図である。
【図2】シリンダヘッドの第1例を示す縦断正面図で,
図3の2−2線断面図に相当する。
【図3】図2の3−3線断面図である。
【図4】シリンダヘッドの第2例を示す縦断正面図で,
図5の4−4線断面図に相当する。
【図5】図4の5−5線断面図である。
【図6】図5の6−6線断面図である。
【図7】図5の7−7線断面図である。
【図8】図7の8−8線断面図である。
【図9】排気ポートライナの斜視図である。
【図10】図9の10−10線切断端面図である。
【図11】シリンダヘッドの第3例を示す縦断側面図
で,図6に対応する。
【符号の説明】
10………シリンダヘッド 11………隔壁 12………周壁 13………ピストン 14………ヘッド部 16………ヘッド部頂面 17………燃焼室 18………断熱層 35………筒状冷却路 47………スキッシュ領域 A…………排気環状領域 B…………吸気環状領域 C…………排気扇形領域 D…………吸気扇形領域 a…………排気湾曲路(冷却路) b…………吸気湾曲路(冷却路) c…………排気扇形路(冷却路) d…………吸気扇形路(冷却路) f〜i……流路部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 峰見 正彦 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 遠藤 恒雄 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 北村 泰三 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 Fターム(参考) 3G024 AA06 AA14 AA15 CA02 CA05 CA11 CA26 FA11

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリンダヘッド(10)内に,隔壁(1
    1)を挟んで一側に燃焼室(17)を,また他側に断熱
    層(18)をそれぞれ設け,前記隔壁(11)内の熱負
    荷を異にする複数の領域(A〜D)にそれぞれ冷却路
    (a〜d)を設け,冷却媒体の流量を,最も熱負荷が大
    なる領域(A)に存する前記冷却路(a)から最も熱負
    荷が小となる領域(D)に存する前記冷却路(d)に亘
    って減少させたことを特徴とする内燃機関。
  2. 【請求項2】 熱負荷が小なる領域(C)と,その領域
    よりも熱負荷が大なる領域(A)とが,前記隔壁(1
    1)において占める割合は前者の方が後者よりも大であ
    り,また熱負荷が小なる領域(C)に存する前記冷却路
    (c)と,その領域(C)よりも熱負荷が大なる領域
    (A)に存する前記冷却路(a)との通路断面積は前者
    の方が後者よりも小であり,且つ通路表面積は前者の方
    が後者よりも大である,請求項1記載の内燃機関。
  3. 【請求項3】 前記隔壁(11)に連なって,上死点に
    在るピストン(13)のヘッド部(14)と摺擦する周
    壁(12)に,前記ヘッド部頂面(16)の外周部分に
    より形成される前記燃焼室(17)のスキッシュ領域
    (47)を冷却する冷却路(35)を設け,その冷却路
    (35)における冷却媒体の流量を,前記スキッシュ領
    域(47)の最も熱負荷が大なる部位近傍に存する流路
    部(f)からその領域(47)の最も熱負荷が小なる部
    位近傍に存する流路部(i)に亘って減少させた,請求
    項1または2記載の内燃機関。
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