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高效环保 有望标配的主流动力技术解读

发布时间:2012年05月03日 12:28 | 进入复兴论坛 | 来源:Che168 | 手机看视频


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在汽车市场竞争日趋激烈的时候,各大厂商都已经认识到,仅仅是靠打价格战已经不能再在这个市场环境中生存下去了,只有技术的进步才能带来核心的竞争力。因此我们在今年中看到了各合资以及自主汽车品牌大打技术战,尤其以作为汽车心脏的发动机技术发展最为迅猛,从涡轮增压、可变气门正时,再到混合动力,各种新技术的宣传层出不穷。我们从近年来发展最快、应用前景最广的技术中筛选出了部分有代表性的主流动力技术为大家进行解读,这些技术包含直喷、涡轮增压、可变气门正时系统以及新能源动力等,下面我们就来一起详细了解一下。

动力技术1——汽油发动机缸内直喷技术
技术特点:燃油喷射更为直接,燃烧更加充分,达到提升燃油效率的目的

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缸内直喷发动机气缸内的工作状态

发动机油气混合技术在经历了化油器、单点电喷、多点电喷技术阶段之后,渐渐步入了直喷的时代。直喷为我们带来了更加高效的燃油利用率,因而成为各大厂商研发的目标。那么缸内直喷发动机的技术原理和特点是什么呢?

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直喷采用多孔高压喷嘴,使油气混合更均匀充分

目前市面上一般的电喷发动机都是将喷油嘴安置在进气歧管内,缺点是混合气的空燃比难以得到精确的控制。而缸内直喷技术则将喷油嘴安置在气缸内,使燃油喷射和油气的混合过程均在气缸内进行,这样就可以使油量与油气混合的控制更为精准,消除了缸外喷射的缺点。同时,汽缸内的混合气浓度也可以得到精确控制,而高压燃油在缸内湍流的作用下也能够得到更充分的混合,因此,燃烧效率大大提高,同时动力表现也能更加出色。

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组成高压喷油系统的四个主要部分

技术原理解读

看完上文相信大家已经对汽油直喷技术原理有所了解,那么支撑这项技术的关键部件是什么呢?可以说,高压喷油系统是直喷发动机最核心最关键的部分,其由发动机控制模块(ECM)、高压油轨、高压油泵和喷油嘴四部分组成。

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高压油轨结构图

其中发动机控制模块(ECM)等于是发动机的大脑,主要负责采集发动机数据,按照预定程序控制喷油时机和喷油量,从而实现最高的燃烧效率;而高压油泵是依靠进气凸轮轴驱动的,主要负责给燃油加压;高压油轨主要起均衡各喷油嘴喷射压力的作用;最后由耐高温高压的喷油嘴向缸内喷射燃油。

技术差异及应用程度
技术差异:内部配件应用有所不同
应用程度:通用、宝马、大众、奔驰以及现代等品牌多数引擎已普遍应用

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1.4TSI发动机的高压油泵

目前已经有多家汽车厂商的发动机运用了缸内直喷技术,包括宝马、大众以及通用等等。而它们各自的直喷技术原理都基本相同,只是在配件应用上有所不同。以大众主流的1.4TSI发动机为例,其高压燃油泵可同时配备高压燃油系统和低压燃油系统,低压为4bar,在低压油泵将燃油送到高压油泵之后,高压油泵可以将燃料加压到100bar的压力(这是普通汽油泵压力的数十倍),并将其送入油轨,从而更易于燃烧,发动机工作效率更好。

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此外,宝马公司部分发动机还配备了高精度直喷技术,其采用压电喷油器,其可在0.14毫秒内完成燃油喷射,并且可实现单次燃烧过程喷射两次燃油,使燃油与空气更好的融合。与传统喷油嘴相比,BMW高精度直喷系统的燃油利用率会更高。

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目前,多家汽车厂商的发动机已普遍应用了直喷技术,如宝马经典的N55、N54及Prince等系列引擎、福特EcoBoost系列和大众TFSI系列等等发动机,而像江淮、吉利等自主品牌也列入研发此技术的行列,相信在未来两年中,采用直喷技术的引擎将全面替代现有的电喷发动机,成为主流的油气混合技术。

动力技术2——涡轮增压器可变截面技术
技术特点:避免传统涡轮器的迟滞现象,高/低转速时均可获得充足进气量

相信大家都知道,传统的涡轮增压器多数有“涡轮迟滞”的现象,而可变截面涡轮增压技术则有效的解决了此问题,实现发动机高/低转速时都能获得充足进气量,让车辆在低发动机转速下就可以带来更好的驾驶感受,那么它的技术原理和结构又是什么呢?

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可变截面涡轮增压器可以通过改变截面,更好的引导废气流(红色)推动涡轮

技术原理解读

涡轮增压器现在对于消费者来说已经并不陌生,它的原理其实非常简单,是由发动机做功燃烧过程中排出的废气带动涡轮,涡轮再带动叶轮对空气进行增压,从而有效增大进气量,提升发动机动力。但传统的放气阀式涡轮增压器也有弊端,就是当发动机转速较低时,由于排气量较小,此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速,在该工作状态时,动力表现甚至小于同排量的自然吸气发动机,这就是大家经常说的“涡轮迟滞(turbo lag)”现象。

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也有的厂商将这项技术成为VNT,比如沃尔沃和奥迪,它们在本质上是一样的

而VGT可变截面涡轮增压技术(或称VNT可变截面涡轮增压技术)则很好的解决了涡轮迟滞现象,其核心是在于其涡轮内部增加了可由电子系统控制角度的导流叶片,其位置固定,但角度可以根据发动机工况进行自动调整,在系统工作时,废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上,通过调整叶片角度,控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速,从而控制涡轮的转速。简单来说,其原理好比用软管的一端插入水龙头,当开启龙头后,水的压力比较平缓,但当挤压软管出水口的开口时,水压则会变大,而随着挤压开口减小,水的压力则逐渐加大。

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左图:低转速时导流叶片开度小,提高空气流速? 右图:高转速时开度大,减小排气负压

上述比喻的例子与可变截面涡轮增压技术相似,当发动机低转速排气压力较低的时候,导流叶片打开的角度较小。根据流体力学原理,此时导入涡轮处的空气流速就会加快,增大涡轮处的压强,从而可以更容易推动涡轮转动,有效减轻涡轮迟滞的现象,也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。而在随着转速的提升和排气压力的增加,叶片也逐渐增大打开的角度,在发动机全负荷状态下,叶片则保持全开的状态,减小了排气背压,从而达到传统大涡轮的增压效果。

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长城VGT可变截面增压器内部结构

此外,由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制,这也就实现对涡轮的过载保护,因此使用了可变截面技术的涡轮增压器都不需要设置排气泄压阀。而需要指出的是,VGT可变截面涡轮增压器只能通过改变排气入口的横切面积改变涡轮的特性,但是涡轮的尺寸大小并不会发生变化。

技术差异与应用程度
技术差异:此技术在各家汽车厂商发动机中的结构原理都基本相同
应用程度:在柴油发动机领域此技术已普遍应用,而汽油机目前只局限于保时捷品牌引擎

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保时捷可变涡轮叶片增压器

在柴油发动机领域,VGT可变截面涡轮增压技术已得到了很广泛的应用,而汽油机由于排气温度要远远高于柴油发动机,其可变截面增压器的硬件材质很难承受如此高温的环境,因此汽油机上运用的较少,而目前只有博格华纳与保时捷联手克服了这个难题,使用了耐高温的航空材料技术,从而成功开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动机,保时捷则将这项技术称为VTG(Variable Turbine Geometry)可变涡轮叶片技术。两者在原理上没有本质区别,结构也基本相同。

目前,涡轮增压技术已在多数引擎上应用,而为了迎合用户的需求,高/低转速均可输出充沛动力的可变截面增压技术有望得到广泛运用,随着科技的发展,更多耐高温材质也会相继推出,在未来,汽油机可变截面增压器可能不仅只有保时捷拥有该项技术,更多汽车厂家的汽油发动机也会列入其中。

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动力技术3——可变气门正时/升程技术
技术特点:根据不同的工况调整气门的开启大小/开启时间,提升动力和燃油效率

多家汽车厂商在宣传自身产品时,习惯运用VVTi,i-Vtec和VVEL等字眼大力推广,而这些字母均代表了可变气门技术,可变气门技术可以凭借相对简单的方式有效提升发动机的动力并且节省油耗,因此国内众多尚未采用该技术的厂商,尤其是自助品牌车型都在纷纷推出自己的可变气门正时/升程技术。但是它们都是通过什么原理实现的呢?

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发动机内部的配气机构主要负责向汽缸提供汽油燃烧做功的气体,并将燃烧后的废气排出,这一套动作的工作原理可以看做是人类的吸气和呼气过程。从配气机构的工作原理来讲,其主要功能是在一定时限内自动开启和关闭各气缸的进、排气门,从而使新鲜空气或者可燃混合气及时通过进气门供给气缸内,并且及时将燃烧做功后形成的废气从排气门排出,实现发动机气缸换气补给的整个过程。

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可变气门正时技术

那么传统的配气机构也有自己的缺点,对于没有配备可变气门技术的普通发动机而言,进排气门开闭时间和开启大小都是相对固定的,这会使气门很难顾及到发动机在不同转速工况时的工作需要,从而影响发动机的工作效率。而可变气门正时/升程技术则有效的解决了这项难题,其中升程代表气门开启的大小,正时代表气门开启的时间。这两项技术可使发动机在不同负载情况都能够自由的调整“呼吸”,从而提升动力表现,使燃烧更有效率。

可变气门正时技术介绍

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前面文章说过,正时代表了气门开启的时间,那么可变气门正时技术是如何工作的呢?由于发动机在做功时转速很高,每一次燃烧过程仅需千分之几秒,这样往往会引起气门供给汽缸内的空气不足,排气不净,造成功率下降。而解决这项难题最理想的办法是使发动机在高低转速下都可以获得理想的进气量,从而提升发动机燃烧效率,这就是可变气门正时技术开发的初衷。在低转速和怠速工况下,该技术可缩减排气门开启时间,从而改善低速下的扭矩表现,而高转速情况下,其会自动增加气门的开启时间,以保证发动机燃烧过程中进气量。

技术差异与应用程度
技术差异:原理基本相同,但结构上各品牌做了相应优化,如丰田双VVT-i、通用D-VVT等
应用程度:目前像丰田、通用、本田、三菱等汽车厂商的发动机已普遍应用

丰田 一汽丰田 卡罗拉 2011款 1.6L GL AT
丰田VVT-i可变气门正时技术

而目前,可变气门正时技术在各个厂商的称谓都各有相同,但是基本原理都大同小异,以丰田VVT-i为例,其是由ECU协调控制,而发动机各部位的传感器随时向ECU报告运转工况,ECU会随时控制凸轮轴正时控制液压阀,根据发动机转速调整气门的开启时间,或提前,或滞后,或保持不变。此外,还有少数汽车厂家的发动机(丰田双VVT-i、通用D-VVT等)在排气门也配备了可变气门正时技术,从而实现进排气门正时无级可调,进一步优化了燃烧效率。

可变气门升程技术介绍

可变气门正时技术确实可以有效提高发动机效率和经济性,但是对发动机性能的提升却作用不大,下面将要介绍的可变气门升程技术则可以弥补这个不足。

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发动机的动力表现是取决于单位时间内汽缸的进气量,而气门正时只能改变气门开启的时间,并不能有效改善汽缸内单位时间的进气量,因此对于发动机动力性的帮助并不大。而如果气门开启大小(气门升程)也可以实现可变调节的话,那么就可以根据发动机的转速使用合适的气门开度,从而提升发动机在各个转速内的动力性能,这就是可变气门升程技术。

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奥迪AVS气门升程控制系统

当发动机处于低转速时,可变气门升程技术会采用较小的气门开度,这样有利于增加缸内紊流提高燃烧速度,增加发动机低速输出扭矩,而高转速时使用较大的气门开度,则可以显著提高进气量,进而提升高转速时的功率输出。

技术差异和应用程度
技术差异:通过改变联动气门的传动结构,控制单位时间内的进气量
应用程度:奥迪,三菱、丰田、宝马以及日产等发动机已普遍应用

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可实现气门升程分段可调的i-VTEC系统

目前,多家汽车厂商都拥有自己的可变气门升程技术,其中本田i-vtec技术是最好的范例,其是通过第三根摇臂和第三个凸轮即实现了气门升程变化,当发动机达到一定转速时,系统就会控制连杆将两个进气摇臂和特殊设计的摇臂连接为一体,此时三个摇臂就会同时被高角度凸轮驱动,而气门升程也会随之加大,单位时间内的进气量更大,从而发动机动力更强。

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日产的工程师使用了一组螺杆(螺栓)和螺套(螺母)就实现了气门升程的连续可变

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宝马则是使用偏心凸轮轴来改变摇臂转轴位置控制气门升程

另外,像奥迪,三菱和丰田等厂商也通过增加凸轮轴上的凸轮来实现了气门升程的分段可调。而在近几年,日产和宝马则推出了连续可变气门升程技术,它可根据改变摇臂结构来控制气门升程,从而实现气门升程的无级可调。另外,目前的可变气门升程技术的运用基本还只停留在进气端,因此可变气门升程技术在未来还拥有很大的提升空间。

目前,可变气门正时/升程技术已得到多家海外厂商的广泛应用,但配备在自主研发的引擎中还处于少数,相信在未来近两年中,可变气门技术将成为自主引擎中的研发重点之一。而排气端的可变气门升程技术也将成为各大汽车厂商研发重点。

动力技术4——混合动力技术
技术特点:对经济和环保性能提升巨大/纯电动汽车技术瓶颈解决前最好的过渡产品

混合动力汽车是今年来发展最为火爆的新能源汽车了,作为汽油和纯电动车型的过度期产品,混合动力无疑是现阶段最为容易实现的汽车新能源动力技术了,虽然目前还鲜有真正实现量产并普及开来的混合动力车型,但毫无疑问,混合动力必将成为未来一段时间内的主流产品。另外我们知道,混合动力技术是一个统称,不同的布置方式从根本上决定了各自的特点,下面我们就来详细了解一下。

奥迪 奥迪(进口) 奥迪A6(进口) 2012款 Hybrid

混合动力系统简单来形容,就是在普通的汽油发动机车型的基础上,加入电动机和电池组,利用这套系统来给车辆提供另一种动能的转化方式。根据发动机和电动机联动形式的不同,还分为串联式、并联式以及混联式等。其中,我们最常见的就要算是混联式了,而采用串联式的车型也有一些出彩的车型。

串联式混合动力系统

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串联式混合动力系统结构

先来说一下较为简单的串联式混合动力,这种动力系统的实质就是在电动机以及电池之外,加入了能够给电池进行充电的发电系统,即汽油发动机和发电机的组合。这种混合动力系统最为接近通常意义上的纯电动车型,发动机和发电机的出现仅仅是为了将燃料进行能量转化,为电动机提供电能,从而增加行驶里程。串联式混合动力系统的优点是结构较为简单,成本相对较低,发动机可以在一个较为恒定的转速下工作,对燃油的利用率较高。但由于能量需要经过多次的转化才能传递到车轮,因此总体的能量损失并不小。目前采用这种驱动方式的车辆主要为客车,而在轿车领域,串联式混合动力车型使用较少。

并联式混合动力系统

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并联式混合动力系统结构

并联式混合动力系统的应用非常广泛,这种混合动力系统既可以由电动机和发动机共同驱动车辆,有些车型的并联式混合动力系统的电机和发动机还可以分别单独驱动车辆。而根据对电动机依赖程度的不同,电动机还有辅助及独立驱动车辆的区别。

宝马 宝马(进口) 宝马7系 2010款 4.4T 混合动力版

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宝马7系混合动力车型就采用了并联式混合动力系统,其双涡轮增压V8发动机作为主要的动力输出,而拥有15kw、210Nm动力输出的电动机则作为辅助驱动系统,在诸如启动、上坡、急加速等需要动力爆发时提供更多动力输出,但该电动机并不能单独驱动重达两吨多的7系行进。

2011日内瓦车展_A 奥迪_A 奥迪Q5(进口)

奥迪Q5混合动力车型的驱动方式更进一步,它的动力系统由最大输出功率为208马力的2.0升TFSI四缸直喷发动机和可输出44马力的电动机组成。依靠这套混合动力系统,奥迪Q5 Hybrid可在纯电动模式下续航3公里。与之类似,保时捷Panamera S Hybrid车型也采用了这种并联式的混动方式,在采用纯电动机驱动的情况下,其最高时速为85km/h,续航里程可达2km。这种并联的混合动力也是采用最为广泛的。

保时捷 保时捷 保时捷911 2011款 GT3 R Hybrid

除了上述两种并联式混合动力以外,保时捷在其跑车上还应用了另一种并联式的混合动力系统,例如911 GT3 R Hybrid以及918 RSR Couper,它的发动机负责驱动后轮,而电动机会在需要的时候将动力输出至前轮。目前这种并联混动技术由于技术复杂,尚未大量推广在量产车型上。

混联式混合动力

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混联式混合动力系统结构

相比较串联式和并联式,混联式混合动力系统取了这两者的长处:它既能够使用电动机和发动机共同将动力直接应用于驱动车辆前进,实现并联式混动的特性,同时在无需大负荷运转时,发动机还可以通过发电机将机械能转化为电能,并将其储存于电池或直接用于给电动机供电,实现串联式混动的特性。虽然拥有最好的适应性和优秀的油耗表现,但其相较前两种混动方式的弱点也非常明显,那就是对于技术要求高,造价也会相应较高。

丰田 丰田(进口) 普锐斯(海外) 2012款 V
丰田普锐斯——量产混合动力车型的成功代表之一

丰田普锐斯车型就采用了这种混联式混合动力系统,1.5L排量的VVT-i发动机在50kw电动机的配合下,其综合动力输出可以达到2.0L排量发动机的水平。根据车辆不同的形式状态,行车电脑会自动调整发动机和电动马达的配合驱动方式,达到最佳的油耗控制。另外,在自主品牌中,比亚迪F3 DM车型也采用了混联式混合动力系统。

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东风风神S30混合动力车型

在国内,几乎所有的合资以及自主品牌都有着混合动力车型的研发计划和试做产品。随着国家扶持政策进一步的出台,未来两年中,我们很可能会见到混合动力车型大量的实现量产推出,更加节能环保的混合动力汽车即将走入更多百姓的家庭。

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动力技术5——发动机启停系统
技术特点:使用方便/节能环保/应用前景广泛

在拥堵的城市中行车,我们不得不走走停停、怠速行驶,此时很多的燃油都损失在了怠速的过程中,不但没有将能量有效的利用起来,而且排出的尾气严重的污染着空气。为解决这些问题,发动机启动/停止系统(start/stop)应运而生。

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发动机启动/停止系统是由车辆中多种系统配合来实现功能的,通过了解其操作方式我们会知道其工作原理:对于手动挡车型,在遇到红灯时减速停车,退出挡位到空挡,此时再抬起离合器,当车轮转速传感器显示为零,并且蓄电池传感器显示电池有足够电量进行下次启动时,行车电脑即会自动停止发动机的工作。而需要再次启动前进时,只需踩下离合器,系统中的“启动停止器”电机就可快速将发动机启动,进入正常行车状态。

smart smart smart fortwo 2011款 1.0 MHD 硬顶标准版
奔驰smart是将发动机启停技术作为重要卖点的车型

对于自动挡车型,发动机启停系统的基本原理是相同的,只是抬起离合器的动作由电脑所替代,驾驶者只需踩下刹车,当电池电量充足时,即可激活发动机启停系统停止发动机工作,而松开刹车,发动机即可自动启动。

应用程度
应用程度:目前量产车型以奔驰、宝马、奥迪等品牌为主,更多品牌有着发展计划

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目前,市场上推采用发动机启动/停止系统的车型主要以德系厂商为主,奔驰、宝马、奥迪、大众等品牌的多款车型都配置了启停系统,但基本原理和操作方式都基本相同。因为较高的成本、养护费用等条件制约着这项技术的推广。但这套系统对于经济性的提升,以及更重要的是这套系统对环保的贡献,都注定了其未来将成为主流技术的前景,因此我们也看到非常多的汽车厂商在新产品以及未来的新车计划中都纷纷加入了这一配置,例如长安、东风风神、中华等。

动力技术6——制动能量回收系统
技术特点:与混合动力系统相辅相成/将能源利用最大化

制动力回收系统是现今广泛引用于混合动力以及纯电动车型上的技术。作为汽车新能源技术的伴生技术,制动力回收系统的加入进一步的提高了能源的利用率,将混动、电动车型的节能环保性能发挥至极致。

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采用电动飞轮作为储能机构的保时捷制动能量回收系统

制动能量回收系统是指汽车在减速或制动时,将其中一部分的机械能(动能)通过置于车轮的电机转化为电能储存,并加以再利用的技术。由于可以同混合动力系统中的电动机进行很好的配合,大多数的混合动力车型都采用了制动力回收系统。由电池储存的能量在汽车启动或加速等需要更大动力输出时释放,而电能还可提供给车内电子设备的使用,从而改善汽车能量利用效率,提高续航里程等目的。

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应用程度
应用程度:目前主要以保时捷等高档品牌车型为主,未来有望得到普及

制动能量回收系统由于技术要求较高,因此目前采用该技术的车型定位都较高,在市售车型中应用该技术的品牌有奥迪、宝马、保时捷等。随着混动技术以及电动技术的发展,制动能量回收系统有着广泛的应用前景。

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