JP2006250008A - 内燃機関のカム構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 リフト面とベースサークル面間の狭幅部の高周波焼き入れ時における高熱による溶けを防止して、カム面の表面積の減少などを防止する。
【解決手段】 クランクシャフトによって回転駆動され、外周に駆動カム１５が設けられた駆動軸１３と、前記駆動カムからロッカアーム２３を介して揺動力が伝達され、この揺動力によって吸気弁２を開閉作動させる揺動カム１７とを備えている。この揺動カムの下面に形成されたカム面２２のベースサークル面２２ａとリフト面２２ｂとの間に形成された狭幅部２９の両側部３０ａ、３０ｂを前記リフト面からベースサークル面に亘って漸次なだらかな円弧状に形成して、高熱によって溶けやすい角部を消失させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関のカム構造に関し、例えば、吸気弁や排気弁である機関弁のバルブリフト量や作動角等の作動状態を機関の駆動状態に応じて可変制御する可変動弁装置などに用いられる内燃機関のカム構造に関する。

従来の内燃機関のカム構造としては、種々提供されており、その１つとして例えば以下の特許文献１に記載された、可変動弁装置に適用されたものが知られている。

前記可変動弁装置は、外周に駆動カムが設けられ、クランクシャフトの回転力が伝達される駆動軸と、前記駆動カムから伝達された回転力を揺動運動に変換する伝達機構と、該伝達機構のロッカアームによって揺動して各バルブリフターを介して一気筒あたり２つの吸気弁を開閉作動させる一対の揺動カムと、機関駆動状態に応じて前記吸気弁のバルブリフト量や作動角を可変にするリフト可変機構とを備えている。

このリフト可変機構は、駆動機構によって回転制御される一本の制御軸の外周に各気筒毎にそれぞれ制御カムが設けられ、該各制御カムを回転制御することによって前記ロッカアームなどの伝達機構の姿勢を変化させることにより、前記各揺動カムを介して各吸気弁のバルブリフト特性を変化させるようになっている。

前記各揺動カムは、ほぼ雨滴状に形成されて、円筒状の基端部側が前記駆動軸に回転自在に支持されていると共に、下面に前記バルブリフターの上面に摺動するカム面が形成されている。

このカム面は、前記基端部側に形成されたベースサークル面と、該ベースサークル面からカムノーズ部方向に形成されたリフト面とからなり、バルブスプリングの小さなばね荷重が作用する前記ベースサークル面の軸方向の幅を、大きなばね荷重が作用する前記リフト面の軸方向の幅よりも小さく形成して、カム全体の軽量化を図るようになっている。また、前記カム面全体には、バルブリフターとの摺動中における耐摩耗性を確保するため、高周波焼き入れを施こして硬度を向上させるようになっている。
特開２０００−３３７１１４号公報

前記従来の揺動カムは、前述のように、前記ベースサークル面がリフト面よりも軸方向の幅を小さくして軽量化を図っているものの、ベースサークル面とリフト面との間の境界部位がほぼ鋭角な段差状の狭幅部になっている。

このため、前述のように、カム面に高周波焼き入れを施すと、この変態点以上の高熱によって前記狭幅部の角部が溶けてしまうおそれがある。この結果、前記カム面の表面積が減少して、所望のリフト作動が得られなくなる可能性がある。

本発明は、前記従来の内燃機関のカム構造の実状に鑑みて案出されたもので、請求項１記載の発明は、とりわけ、カムの機関弁を開弁させないベースサークル面の軸方向の幅を、開弁させるリフト面の軸方向の幅よりも狭幅に形成すると共に、前記ベースサークル面とリフト面との境界両側部を、前記リフト面からベースサークル面に亘って漸次なだらかな狭幅状に形成し、かつ少なくとも前記カム面の全体に高周波焼き入れを施したことを特徴としている。

この発明によれば、前記狭幅部の軸方向の幅が、リフト面からベースサークル面までなだらかに減少するようになっていることから、かかる狭幅部に鋭角な角部が形成されることがない。このため、前記カム面全体を高周波焼き入れを行った際に、この変態点以上の高熱によって前記狭幅部の溶けを防止できる。この結果、ベースサークル面やリフト面の表面積の減少などを防止できる。

請求項２に記載の発明は、揺動運動を行うことによってバルブスプリングのばね力に抗してカム面により機関弁を開閉作動させ、先端両側が鋭角に形成されたカムノーズ部を有する内燃機関のカム構造であって、前記カムノーズ部の先端側を前記カム面の摺動方向へ延長形成すると共に、該延長部以外のカム面のみに高周波焼き入れを施したことを特徴としている。

この発明によれば、カム面に施される高周波焼き入れの領域を、前記カムノーズ部の延長された先端側を避けた形にしたため、該延長部の先端両側に形成された鋭角な角部が高熱で溶けることかなくなる。また、かかる延長部の先端両側の角部が前記高熱によって仮に溶けてしまったとしても、実質的なリフト面は確保されていることから、機関弁の開閉作動には何ら支障を来すことがない。

請求項３に記載の発明は、前記カムを、揺動することによって前記機関弁を開閉作動させる揺動カムによって構成したことを特徴としている。

この発明によれば、前記揺動カムは、回転運動を行わないため、重量（慣性質量）の影響を大きく受け易くなるが、カム面以外の部位を切除することができるので、カムの軽量化に貢献できる。

以下、本発明に係る内燃機関のカム構造の実施形態を図面に基づいて詳述する。

この実施形態では、カム構造を可変動弁装置のＶ型６気筒内燃機関の吸気側に適用したものであって、本実施形態の図面では片側３気筒に適用した場合を示している。

すなわち、まず、可変動弁装置は、図４〜図８に示すように、シリンダヘッド１に図外のバルブガイドを介して摺動自在に設けられて、バルブスプリング３，３によって閉方向に付勢された一気筒当たり２つの吸気弁２，２と、該各吸気弁２，２のバルブリフト量を可変制御する可変機構４と、該可変機構４の作動位置を制御する制御機構５と、該制御機構５を回転駆動するアクチュエータである駆動機構６とを備えている。

前記可変機構４は、シリンダヘッド１の上部に有する軸受１４に回転自在に支持された中空状の駆動軸１３と、該駆動軸１３に固定用ピンにより固設された一気筒当たり１つの駆動カム１５と、駆動軸１３の外周面に揺動自在に支持されて、各吸気弁２，２の上端部に配設されたバルブリフター１６，１６の上面に摺接して各吸気弁２，２を開作動させる２つの揺動カム１７，１７と、駆動カム１５と揺動カム１７，１７との間に連係されて、駆動カム１５の回転力を揺動カム１７，１７の揺動力として伝達する伝達手段とを備えている。

前記駆動軸１３は、図５にも示すように、機関前後方向に沿って配置されていると共に、一端部に設けられた従動スプロケット７に巻装されたタイミングチェーン等を介して機関のクランク軸から回転力が伝達されており、この回転方向は図４中、矢印方向に設定されている。

前記軸受１４は、図６Ａに示すように、シリンダヘッド１の上端部に設けられて、後述する円筒部材２０を回転自在に支持するメインブラケット１４ａと、該メインブラケット１４ａの上端部に設けられて後述する制御軸３２を回転自在に支持するサブブラケット１４ｂとを有し、両ブラケット１４ａ、１４ｂが一対のボルト１４ｃ、１４ｃによって上方から共締め固定されている。

前記駆動カム１５は、ほぼリング状を呈し、円環状のカム本体と、該カム本体の外端面に一体に設けられた筒状部とからなり、内部軸方向に駆動軸挿通孔が貫通形成されていると共に、カム本体の軸心Ｙが駆動軸１３の軸心Ｘから径方向へ所定量だけオフセットしている。また、この駆動カム１５は、駆動軸１３に対し前記両バルブリフター１６，１６に干渉しない位置に駆動軸挿通孔を介して固定されていると共に、カム本体の外周面が偏心円のカムプロフィールに形成されている。

前記各揺動カム１７は、図１〜図３にも示すように、鋼材によってほぼ同一形状の雨滴状に型成形され、各基端部１７ａ、１７ａが前記駆動軸１３の外周面に回転自在に嵌挿した鋼材の円筒部材２０の両端部に一体的に固定されていると共に、該円筒部材２０を介して駆動軸１３に回転自在に支持されている。また、前記円筒部材２０のほぼ中央位置には、前記メインブラケット１４ａに回転自在に軸受されるジャーナル部２０ａが一体に形成されている。

また、各揺動カム１７，１７は、先端に延びるカムノーズ部２１，２１を有し、各下面にはカム面２２、２２がそれぞれ形成されている。

前記各カムノーズ部２１は、先端側がカム面２２の摺動方向に沿って僅かに延長突出した延長部２１ａが一体に設けられている。

前記カム面２２は、円筒部材２０側のベースサークル面２２ａと、該ベースサークル面２２ａからカムノーズ部２１側に円弧状に延びるリフト面２２ｂとを備え、このリフト面２２ｂは、ベースサークル面２２ａ側のランプ部２２ｃと該ランプ部からカムノーズ部２１の先端側に有する最大リフトの頂面に連なる揚程部２２ｄとによって構成されている。

また、このカム面２２は、前記カムノーズ部２１の延長部２１ａを除く全体に予め高周波焼き入れが施されていると共に、揺動カム１７の揺動位置に応じて各バルブリフター１６の上面の所定位置に当接するようになっている。

さらに、この各揺動カム１７，１７は、図１に示すように、前記各ベースサークル面２２ａの軸方向の幅Ｗが、前記各リフト面２２ｂの軸方向の幅Ｗ１よりも狭幅に形成されていると共に、前記ベースサークル面２２ａとリフト面２２ｂとの境界両側部３０ａ、３０ｂが、前記リフト面２２ｂからベースサークル面２２ａに亘って漸次なだらかな狭幅部２９として形成されている。

すなわち、この各狭幅部２９は、この両側部３０ａ、３０ｂが前記リフト面２２ｂ側からベースサークル面２２ａ側に亘って漸次狭幅となる円弧状に形成されていると共に、該狭幅部２９のリフト面２２ｂ側の外端部とベースサークル面２２ａ側の外端部を前記円弧面と連続した円弧状に形成されている。

さらに、前記一方側の揺動カム１７は、図３に示すように、先端部のカムノーズ部２１側に、後述するリンクロッド２５の他端部２５ｂと連結するためのピンが２８が挿通されるピン孔１７ｂが貫通形成されていると共に、上面の前後方向には、リンクロッド２５からの揺動力やバルブスプリング３からのばね力からの大きな荷重を受ける剛性を確保するための狭幅なリブ３１が一体に設けられている。

前記伝達手段は、駆動軸１３の上方に各気筒毎に１つずつ配置されたロッカアーム２３と、該各ロッカアーム２３の各一端部２３ａと前記各駆動カム１５とを連係するリンクアーム２４と、ロッカアーム２３の他端部２３ｂと揺動カム１７とを連係するリンクロッド２５とを備えている。

前記ロッカアーム２３は、中央に有する筒状基部の内部に形成された支持孔２３ｃを介して後述する制御カム３３に回転自在に支持されている。また、筒状基部から一方向に突設された前記一端部２３ａには、ピン２６が嵌入するピン孔が貫通形成されている一方、筒状基部の他方向に突設された前記他端部２３ｂには、リンクロッド２５の一端部と連結するピン２７が嵌入するピン孔が形成されている。

前記リンクアーム２４は、比較的大径な円環状の基部２４ａと、該基部２４ａの外周面所定位置に突設された突出端２４ｂとを備え、基部２４ａの中央位置には、前記駆動カム１５のカム本体が回転自在に嵌合する嵌合孔２４ｃが形成されている一方、突出端２４ｂには、前記ピン２６が回転自在に挿通するピン孔が貫通形成されている。

前記リンクロッド２５は、ロッカアーム２３側が凹状のほぼく字形状に形成され、両端部２５ａ，２５ｂには前記ロッカアーム２３の他端部２３ｂと揺動カム１７のカムノーズ部２１の各ピン孔に挿入した各ピン２７，２８の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔が貫通形成されている。

なお、各ピン２６，２７，２８の一端部には、リンクアーム２４やリンクロッド２５の軸方向の移動を規制するスナップリングがそれぞれが設けられている。

前記制御機構５は、前記駆動軸１３の上方位置に同じ軸受１４に回転自在に支持された制御軸３２と、該制御軸３２の外周面に一体に設けられ、ロッカアーム２３の揺動支点となる制御カム３３とを備えている。

前記制御軸３２は、図５に示すように、駆動軸１３と並行に機関前後方向に配設されていると共に、所定位置のジャーナル部が前記軸受１４のメインブラケット１４ａとサブブラケット１４ｂとの間に回転自在に軸受されている。

前記制御カム３３は、各気筒毎、つまり前記各ロッカアーム２３毎に設けられほぼ偏心円環状に形成されていると共に、軸心Ｐ２位置が前記制御軸３２の軸心Ｐ１から所定分だけ偏倚している。

前記駆動機構６は、シリンダヘッド１の後端部に固定された図外のハウジングと、該ハウジングの一端部に固定された電動モータ３５と、ハウジングの内部に設けられて電動モータ３５の回転駆動力を前記制御軸３２に伝達するボール螺子伝達機構３６とから構成されている。

前記電動モ−タ３５は、比例型のＤＣモータによって構成され、ほぼ円筒状のモータケーシング３７の矩形状先端部が前記ハウジングの一端開口部を封止する状態で固定されている。また、電動モータ３５は、図１に示すように、機関の駆動状態を検出するコントロールユニット３８からの制御信号によって駆動するようになっている。

このコントロールユニット３８は、クランク角センサ３９やエアーフローメータ４０、水温センサ４１や、前記制御軸３２の回転位置を検出するポテンショメータ４２等の各種のセンサからの検出信号をフィードバックして現在の機関運転状態を演算などにより検出して、前記電動モータ３６に制御電流を出力するようになっている。

前記ボール螺子伝達機構３７は、前記ハウジング内に電動モータ３５の駆動シャフトと同軸上に配置されたボール螺子軸４３と、該ボール螺子軸４３の外周に螺合する移動ナットであるボールナット４４と、前記制御軸３２の一端部に直径方向に沿って連結された連係アーム４５と、該連係アーム４５と前記ボールナット４４とを連係するリンク部材４６とから主として構成されている。

そして、ボールナット４４は、各ボールを介してボール螺子軸４３の回転運動をボールナット４６に直線運動に変換しつつ軸方向の移動力が付与されるようになっている。

以下、本実施形態の作用を説明すれば、まず、例えば、機関のアイドリング運転時を含む低回転運転領域には、コントロールユニット３８からの制御電流によって電動モータ３５に伝達された回転トルクは、ボール螺子軸４３に伝達されて回転すると、この回転に伴って各ボールがボール循環溝とガイド溝との間を転動しながらボールナット４４を一方向へ直線状に移動させる。

これによって制御軸３２は、図６に示すように、リンク部材４６と連係アーム４５とによって時計方向に回転駆動される。

これによって、制御カム３３は、軸心Ｐ２が図６Ａ、Ｂに示すように、制御軸３２の軸心Ｐ１の回りを同一半径で回転して、肉厚部が駆動軸１３から上方向に離間移動する。これにより、ロッカアーム２３の他端部２３ｂとリンクロッド２５の枢支点は、駆動軸１３に対して上方向へ移動し、このため、各揺動カム１７は、リンクロッド２５を介してカムノーズ部２１側が強制的に引き上げられて全体が時計方向へ回動する。

よって、駆動カム１５が回転してリンクアーム２４を介してロッカアーム２３の一端部２３ａを押し上げると、そのバルブリフト量がリンクロッド２５を介して揺動カム１７及びバルブリフター１６に伝達されるが、そのリフト量は充分小さくなる。

したがって、かかる機関の低回転領域では、バルブリフト量が、図８のＬ１に示すように、最も小さくなることにより、各吸気弁２の開時期が遅くなり、排気弁とのバルブオーバラップが小さくなる。このため、燃費の向上と機関の安定した回転が得られる。

また、機関高回転領域に移行した場合は、コントロールユニット３８からの制御信号によって電動モータ３６が逆回転し、この回転トルクがボール螺子軸４３に伝達されて回転すると、この回転に伴ってボールナット４４が各ボールを介して他方向へ直線移動する。

これによって、制御軸３２は、制御カム３３を図６に示す位置から時計方向へ回転させて、図７Ａ、Ｂに示すように軸心Ｐ２を下方向へ回動させる。このため、ロッカアーム２３は、今度は全体が駆動軸１３方向寄りに移動して他端部２３ｂが揺動カム１７のカムノーズ部２１をリンクロッド２５を介して下方へ押圧して該揺動カム１７全体を所定量だけ反時計方向へ回動させる。

よって、駆動カム１５が回転してリンクアーム２４を介してロッカアーム２３の一端部２３ａを押し上げると、そのバルブリフト量がリンクロッド２５を介して揺動カム１７及びバルブリフター１６に伝達されるが、そのリフト量は大きくなる。

よって、かかる高回転領域では、各吸気弁２のバルブリフト量が、図８のＬ２に示すように、最大に大きくなり、該各吸気弁２の開時期が早くなると共に、閉時期が遅くなる。この結果、吸気充填効率が向上して十分な出力が確保できる。

そして、この実施形態によれば、前記狭幅部２９の軸方向の幅が、リフト面２２ｂからベースサークル面２２ａまでなだらかな円弧面で漸次減少するようになっていることから、かかる狭幅部２９の両側部２９ａ、２９ｂに鋭角な角部が形成されることがない。このため、前記カム面２２全体を高周波焼き入れを行った際に、この変態点以上の高熱によって前記狭幅部２９が溶けにくくなる。この結果、ベースサークル面２２ａやリフト面２２ｂの表面積の減少などを防止できる。

また、前記カム面２２に施される高周波焼き入れの領域を、前記カムノーズ部２１の延長部２１ａ（図１の一点鎖線外側）を除いた領域としたため、該延長部２１ａの先端両側に形成された鋭角な角部２１ｂ、２１ｂが高熱で溶けることかなくなる。また、かかる延長部２１ａの先端両側の角部２１ｂ、２１ｂが前記高熱によって仮に溶けてしまったとしても、実質的なリフト面は確保されていることから、吸気弁２，２の開閉作動には何ら支障を来すことがない。

さらに、本実施形態では、回転運動を行わない揺動カム１７，１７によって構成したため、重量（慣性質量）の影響を大きく受け易くなるが、バルブリフター１６と摺接しない部分を切除することができるので、軽量化に貢献できる。

また、前述のように、前記狭幅部２９の両側部３０ａ、３０ｂを、なだらかな円弧状に形成して角部を消失したことから、揺動カム１７を型成形する場合において狭幅部２９にアンダーカット部が形成されないので、該型成形を容易に行うことが可能になる。この結果、成形コストの低減化が図れる。

前記実施形態から把握される前記請求項に記載した発明以外の技術的思想について以下に説明する。

請求項（１）前記狭幅部を、前記リフト面側からベースサークル面側に亘って漸次狭幅となるテーパ状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のカム構造。

前記狭幅部をテーパ状に形成したため、カムを型成形する場合においてアンダーカット部が形成されないことから、該型成形を容易に行うことが可能になる。この結果、成形コストの低減化が図れる。

請求項（２）前記狭幅部を、前記リフト面側からベースサークル面側に亘って漸次狭幅となる円弧状に形成すると共に、該狭幅部のリフト面側の外端部とベースサークル面側の外端部を前記円弧面と連続した円弧状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のカム構造。

この発明によれば、狭幅部とこの各端部が連続した円弧状になっていることから、幅方向のいずれの箇所も角部が形成されないことから、作動時における応力集中の発生を防止できる。

請求項（３）前記カムの前記カム面を、該カムと前記機関弁との間に設けられたバルブリフターの上面に摺接させたことを特徴とする請求項１〜（２）のいずれかに記載の内燃機関のカム構造。

バルブリフターの上面は、シムなどの高硬度な金属材によって形成されていることから、カムとの摺動抵抗が大きくなる。したがって、該カムのカム面なども高い硬度が要求されることから、高周波焼き入れが必要になる。

請求項（４）前記カムは、機関駆動状態に応じて機関弁のバルブリフト量を可変制御する可変機構によって駆動されることを特徴とする請求項１〜（３）のいずれかに記載の内燃機関のカム構造。

可変機構によって機関弁のバルブリフト量を大きくする方向へ制御させた場合に、前記カムに大きな荷重が作用するため、リフト面などに高い硬度が要求されるので、ここに高周波焼き入れが必要になるのである。

請求項（５）前記可変機構は、
クランクシャフトから回転力が伝達される駆動軸と、
該駆動軸の回転運動を揺動運動に変換する運動変換機構と、
該運動変換機構からの揺動運動を前記カムに作用させて、該カムを揺動させる伝達機構とから構成されていることを特徴とする請求項（４）記載の内燃機関のカム構造。

請求項（６）前記可変機構は、
機関のクランク軸に同期して回転し、外周に駆動カムが設けられた駆動軸と、 支軸に揺動自在に支持されて、カム面がバルブリフター上面を摺接して機関弁を開閉作動させる揺動カムと、
一端部が前記駆動カムに機械的に連係し、他端部がリンクロッドを介して揺動カムに連係したロッカアームとを備え、
機関運転状態に応じて前記ロッカアームの揺動支点を変化させることにより、揺動カムのカム面のバルブリフター上面に対する当接位置を変化させて機関弁のバルブリフトを可変にするように構成されたことを特徴とする請求項１〜（５）のいずれかに記載の内燃機関のカム構造。

請求項（７）前記カムは、揺動軸に揺動自在に支持されていると共に、この揺動力は前記カム面の前記揺動軸側のベースサークル面側からカムノーズ部側に揺動力が伝達されることによって揺動運動することを特徴とする請求項１〜（６）のいずれかに記載の内燃機関のカム構造。

本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、前記狭幅部２９の両側部３０ａ、３０ｂを、円弧面ではなく直線状のテーパ面状に形成して角部を鈍角状に形成することも可能である。また、カムとしては前記揺動カム１７以外に、カムシャフトによって回転する一般的な駆動カムに適用することも可能である。

さらに、この発明を前記吸気弁側の他に排気弁側あるいは両方の弁側に適用することも可能であり、さらに可変機構としては、必ずしも前記実施形態のものに限定されるものではない。また、内燃機関の気筒数についても４気筒、直列６気筒などの多気筒のものに適用できることは勿論である。

本発明の実施形態に供される揺動カムの底面図である。 同揺動カムの斜視図である。 同揺動カムの側面図である。 本実施形態のカム構造が適用された可変動弁装置を示す要部斜視図である。 同可変動弁装置の要部を示す平面図である。 Ａは可変動弁装置における最小リフト制御時の閉弁作用を示す図４のＡ矢視図、Ｂは同最小リフト制御時の開弁作用を示す図４のＡ矢視図である。 Ａは可変動弁装置における最大リフト制御時の閉弁作用を示す図４のＡ矢視図、Ｂは同最大リフト制御時の開弁作用を示す図４のＡ矢視図である。 本実施形態に供された可変動弁装置による吸気弁のバルブリフト特性図である。

符号の説明

２…吸気弁（機関弁）
４…可変機構
５…制御機構
６…駆動機構
１３…駆動軸
１５…駆動カム
１７…揺動カム
２１…カムノーズ部
２２…カム面
２２ａ…ベースサークル面
２２ｂ…リフト面
２３…ロッカアーム
３２…制御軸
３３…制御カム

Claims (3)

1. 回転または揺動運動を行うことによりバルブスプリングのばね力に抗してカム面により機関弁を開閉作動させる内燃機関のカム構造であって、
   前記カム面の前記機関弁を開弁させないベースサークル面の軸方向の幅を、開弁させるリフト面の軸方向の幅よりも狭幅に形成すると共に、前記ベースサークル面とリフト面との境界両側部を、前記リフト面からベースサークル面に亘って漸次なだらかな狭幅状に形成し、かつ少なくとも前記カム面の全体に高周波焼き入れを施したことを特徴とする内燃機関のカム構造。
2. 揺動運動を行うことによってバルブスプリングのばね力に抗してカム面により機関弁を開閉作動させ、先端両側が鋭角に形成されたカムノーズ部を有する内燃機関のカム構造であって、
   前記カムノーズ部の先端側を前記カム面の摺動方向へ延長形成すると共に、該延長部以外のカム面のみに高周波焼き入れを施したことを特徴とする内燃機関のカム構造。
3. 前記カムを、揺動することによって前記機関弁を開閉作動させる揺動カムによって構成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のカム構造。
   

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