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【资料库】奔驰12缸发动机M279AMG简介

发布时间:2017-09-26内容来源:未知 点击:


◆文/ 林宇清


奔驰车上新一代V 型12 缸汽油发动机M279AMG( 图1) 取代了上一款非常成功的M275 发动机,这一全新双涡轮增压 发动机在提高发动机性能的同时,极大减少了燃油消耗和尾气 排放,不断满足市场需求和法规要求。该款发动机与上一代 M275AMG 发动机的扭矩和功率对比如图2 所示。本文将讲解 M279AMG 发动机的技术亮点, 详解各系统及其功能。



图1 M279AMG 发动机




图2 M279AMG 与M275AMG 发动机扭矩和功率曲线


一、机械系统

        机械系统包括了发动机的主要机械部件和机构, 如汽缸盖、 凸轮轴调节、曲轴箱等。 



1.汽缸盖

        每一侧汽缸盖都有一根顶置式凸轮轴,该凸轮轴是锻造而成 的,左侧凸轮轴还用于驱动曲轴箱通风系统的机油分离器。此外, 凸轮轴上的链轮可减轻噪音。每个汽缸在缸盖上对应的有两个火 花塞、两个进气门和一个排气门,汽缸盖具体构造如图3 所示。


图3 汽缸盖


2. 曲轴箱

        如图4 所示,曲轴箱采用台板设计,采用螺丝固定式主轴承 盖,箱体由全铝制压铸而成,汽缸衬套则采用了矽铝合金材料, 压缩比ε=9.0。



图4 曲轴箱


3. 分离器

        曲轴箱通过离心式机油分离器进行通风,该分离器由左侧凸 轮轴驱动,确保在任何运转状况下都能稳定地分离机油。集成的 调压阀根据发动机的运转状况,向曲轴箱内部提供必要的压力, 防止曲轴箱出现过度真空。此外,在部分负荷和全负荷通风管中 的检验阀,确保流出曲轴箱的气流方向正确。图5 所示为分离器 各零件位置。


图5 分离器构成


        图6 所示为分离器工作原理。混合蒸汽通过曲轴箱进入分离 器,随凸轮轴以同样的转速旋转。在此机油从气体中分离出来, 滴回曲轴箱。清洁的空气流入压力调节器,并根据发动机的运转 状况,被供应到增压空气歧管或左侧涡轮增压进气管。 


图6 分离器工作原理


4. 油底壳

        油底壳( 图7) 采用后坑式,由沙型模铸造铝制成,为使噪 音最小化,油底壳通过减振橡胶密封圈与曲轴箱相分离。


图7 油底壳


5. 曲轴连杆机构

        M279AMG 发动机曲轴总成( 图8) 与前款发动机有所不同。 M279AMG 发动机曲轴带有平衡块,被设计成最小的负荷承载 和较高的平衡率。其连杆由高强度合金钢锻造而成,并能承受涡 轮增压产生的高负载而不增加重量。活塞由高等级的铝合金制造 而成,通过优化的生产流程实现良好的运转特性。


图8 曲轴总成


6. 皮带驱动

        皮带传动( 图9) 采用单皮带系统设计,驱动ABC 泵、制冷 压缩机、发电机以及冷却液泵。


图9 皮带传动



二、点火系统

        传统工作模式会对点火线圈充电,且每次点火循环产生一次 点火火花,即单火花点火。为确保点燃混合汽,M279 发动机采 用多火花点火系统,即通过高能点火线圈产生持续时间较长的火 花,且每个点火循环还可使用多次火花。多火花点火与单火花点 火循环的开始方式相同,最初线圈会产生所需的初级电流,在点 着火的瞬间,充电电流切断,从而产生火花。但是在多火花模式下, 线圈不会完全放电,系统会对线圈中的次级电流进行测量,该电 流直接取决于线圈的充电水平。如果该电流降至次级线圈电流阈 值以下,则线圈的电控装置会再次提供充电电流,且电流大小会 受到监测,当达到阈值时,初级电路断开,再次感应出高电压, 这会产生另一次火花, 之后的火花也以相同的方式产生。多火花 点火的优点是能够降低燃油消耗量。


三、燃油供应系统

        发动机M279AMG 的燃油供给系统由供油回路和燃油箱通 风功能组成。 


1.燃油供应 

        燃油泵位于油箱右侧,由燃油泵控制单元促动, 根据燃油温 度和转速的变化, 产生3.7~4.1bar(1bar=105Pa) 的燃油压力, 将燃油输送至油箱左侧的滤清器,过滤燃油中的杂质,随后通过 油轨上的喷油嘴喷入缸内燃烧。另外,在燃油泵至滤清器的供油 管上有一个检验阀,防止油泵关闭时压力下降;滤清器上还集成 了压力调节器和虹吸泵。调节器通过卸压回流的方式将燃油压力 调节在3.8bar 左右,卸载的压力用于驱动虹吸泵, 以便将左半油箱中的燃油抽吸到右半油箱, 防止油箱单侧被抽空。图10 所示 为燃油回路的流程。


图10 燃油回路


2. 燃油箱通风

        燃油箱清洗功能由ME 控制,当该功能启用时,ME 通过接 地信号促动清洗控制阀。这样,存储在活性炭罐中的燃油蒸汽就 会通过清洗控制阀被引入到发动机中燃烧。对于燃油箱通风功能, ME 需要评估B11/4( 冷却液温度传感器)、B2/5( 热膜式空气流 量计)、B70( 曲轴霍尔传感器)、G3/3( 左侧三元催化上游氧 传感器)、G3/4( 右侧三元催化上游氧传感器) 等传感器信号。 图11 所示为燃油箱构成。


图11 燃油箱


四、涡轮增压系统

        M279AMG 带双涡轮增压, 每个汽缸列各安装一个水冷式 涡轮增压器,通过增压提供汽缸的充气效率,从而增加发动机的 扭矩和功率。增压大约在转速为1000r/min 时开始产生,在约2300r/min 时,达到1.5bar 的最大增压压力。图12 所示为增 压空气路径。


图12 增压空气路径


1.增压简介

        涡轮增压原理如图13 所示,废气流通过排气歧管冲到涡轮 上,驱动涡轮转动;压缩机叶轮通过刚性轴连接到涡轮上,以相 同的速度被带动。因此,吸入的空气经叶轮压缩后进入发动机, 另外,较低的热损失可确保催化转换器迅速达到工作温度。


图13 涡轮增压原理


2. 增压控制原理

        增压压力通过增压压力控制阀(Y77/1) 以电子气动的方式控 制,该电磁阀由ME 通过PWM 信号控制,占空比在5% ~ 95% 内,其原理借助M276AMG 发动机来理解( 图14)。


图14 控制阀工作原理


        在Y77/1 没有被促动时,即占空比<5%, 它控制风门的真 空室通大气, 使大气压克服弹簧的弹力,带动操纵杆长的一端 向左移动,而短的一端则向右移动,将增压压力控制风门打开, 部分废气通过旁通回路排出,增压压力减小,从而降低燃油消 耗量( 图15)。


图15 Y77/1 未被促动


        当Y77/1 被促动时, 即占空比>5%,真空泵到真空室的真 空连接建立,弹簧回位,拉动操纵杆长的一端向右移动,从而使 短的一端向左移动,在全负荷范围内,将增压压力控制风门关闭, 全部废气都用于驱动涡轮, 形成最大为1.5bar(1bar=105Pa) 的 增压压力。这样,通过改变流经涡轮的气体流量,来控制涡轮的 转速,可达到控制增压压力的效果。为控制增压压力,ME 评估 以下传感器的信号:进气温度传感器,左汽缸列空气滤清器下游 的压力传感器,右汽缸列空气滤清器下游的压力传感器,节气门 促动器上游的压力传感器,增压压力、节气门促动器下游的压力 传感器,增压空气分配器的压力、油门踏板传感器,驾驶员的负 荷请求、曲轴霍尔传感器,发动机转速、爆震控制、变速器过载 保护及过热保护传感器( 图16)。


图16 Y77/1 被促动


3. 增压压力旁通回路

        由于涡轮增压器的轴、叶轮和涡轮的惯性,在车辆开始减速之后,增压器总是会稍稍空转。因此,当快速关闭节气门时, 增压压力反作用于压缩机,出现压力波。为防止此现象,在ME 检测到由负载模式变为减速模式时,就会促动排空阀Y101,来 自真空室的真空作用在涡轮增压器的排气阀上,排空阀打开压缩 机叶轮处的旁通回路,增压压力降低。当Y101 没有被促动时, 它通大气,即控制风门的真空室通大气,排空阀被集成式弹簧关 闭( 图17)。


图17 旁通回路工作原理


五、排气系统

        排气系统由靠近催化转换器、催化转换器上游和下游的氧传 感器和消音器组成( 图18)。废气处理系统的任务是减少废气中 CO、HC、NOx 的排放,同时,将混合物的空燃比严格控制在 λ=1 的限制范围内,实现催化转换器中更高的废气转换率。 剩余氧含量是混合物成分的一项重要指标, 氧含量较低意味 着空气不足,混合物“较浓”;氧含量较高则意味着空气过剩,混 合物“较稀”。如果氧传感器检测到混合物过浓,则ME 会缩短 喷油时间,直至浓度降低;如果混合物过稀,则该过程会反向进行。 


六、二次空气喷射系统

        二次空气喷射是指在冷启动时将新鲜空气喷入排气歧管,燃 烧废气中的CO 和HC 化合物,以提高废气温度,使三元催化器 尽快达到工作温度,从而提高了发动机暖机的速度。


图18 排气系统的组成


1.电子空气泵

        电子空气泵位于右侧排气歧管下方( 图19),由ME 通过空 气喷射继电器促动,促动后从右侧空气滤清器的干净侧吸收新鲜 空气,然后通过空气喷射锁止阀上的2 个压力接口输送到排气歧 管。空气泵的最长促动时间为90s,电流消耗约45 A。空气泵 在长时间促动后,会保持锁止,只有在三元催化器再次冷却下来 后,才会重新工作,确保空气泵有足够长的时间冷却,防止泵损坏。


图19 电子空气泵位置


2. 空气泵转换阀

        空气泵转换阀是一个电磁阀,位于右侧缸盖的前面( 图20), 其供电来自87 回路,与空气泵同时由ME 促动最长时间为90s。 


图20 空气泵转换阀


        图21 所示为转换阀结构,转换阀通过来自进气歧管的真空 激活锁止阀,其工作原理如图22 :当转换阀被促动时,固定板由 线圈吸出,然后密封橡胶块关闭通风口,通道2 和3 相通,这样 从进气歧管到锁止阀之间的真空就被建立。当转换阀不通电的情 况下,通道1 和3 之间的连接再次被建立,即通道3 通大气压。


图21 转换阀结构


图22 转换阀工作原理

3. 空气喷射锁止阀及其功能

        两个空气喷射锁止阀分别位于右侧缸盖的前部,阀的一端通 过软管连到空气泵,另一端通过缸盖上的气道连到排气歧管,表面有一接口与转换阀的真空接口相连( 图23)。锁止阀内部为组 合阀:集成了具有单向阀性质的阀板和检验阀。当转换阀被促动 时,受空气泵和真空之间的压差作用,阀板被打开,新鲜空气通 过锁止阀进入排气歧管;当转换阀未通电时,转换阀的真空接口 通风,阀板由弹簧力关闭。检验阀防止废气进入锁止阀,使其脏 污和受热损坏。


图23 锁止阀位置


4. 空气喷射控制原理

        二次空气喷射由ME 控制,在此借助下图所示的M272 发 动机的控制原理来理解( 图24)。ME 分析B70 和B11/4 监测的 信号,以判断是否满足以下二次空气喷射启用条件:①冷却液温 度在-10 ~ 35 ℃之间;②发动机转速<2 500r/min。如果满足, 那么ME 就会同时触发空气泵继电器和转换阀,锁止阀打开,空 气泵输送的新鲜空气通过锁止阀进入排气歧管,将废气中的CO 和HC 化合物燃烧生成CO2 和H2O,提高暖机阶段的尾气排放 和废气温度,使三元催化器的工作温度更快上升。


图24 空气喷射控制原理


七、冷却系统

        M279AMG根据发动机的运转要求,通过控制节温器的各 工作位置,从而调节冷却液温度。该系统包含以下功能:电子扇 控制、风扇延迟关闭功能、过热保护、涡轮增压冷却及空气冷却 系统( 图25)。 


图25 冷却回路



        1.电子扇控制:电子扇由ME 通过PWM 信号促动,即ME 通过占空比控制风扇转速:-10%,电子扇停止;-20%,电子扇 运转,最低速;-90%,电子扇运转,最高速。如果促动时出现故障, 风扇将以最高速运转。 


        2. 风扇延迟关闭功能:在关闭钥匙(ignition OFF) 后,如果冷 却液温度、机油温度或ME 自身的温度超过了最高标准值,那么电 子扇会继续运转,最长持续5min,即电子扇的run-on 功能。但如 果run-on 功能引起了电池电压急剧下降,那么该功能将会被抑制。


        3. 过热保护:为了防止冷却液超出允许的最高温度而导致发 动机和三元催化损坏,在冷却系统中安装了过热保护功能,防止 热量过载,为此ME 需要分析当前的冷却液温度和油门踏板,以 控制风扇和节温器运转。当过热保护功能启用时,节气门不再全开, 空气流量和燃油喷射减少。 


        4. 涡轮增压冷却:冷却液流通过曲轴箱中不同的接口流入每侧涡轮增压器,从底部到顶部流过增压器的轴承座,然后离开轴 承座回流至右侧汽缸盖上的主冷却回路( 图26)。


图26 增压器冷却


5. 空气冷却系统

        每个汽缸列都有一个增压空气冷却器,两个冷却器与低温 冷却器、膨胀容器、增压空气冷却器循环泵组成了增压空气冷却 回路( 图27)。这样,热的增压空气通过增压空气冷却器向冷却 液流散热,然后冷却液通过低温冷却器散热至大气中。循环泵 由ME 根据增压空气温度促动,增压空气温度由进气歧管中的 进气温度传感器记录,并传送至ME 分析。当增压空气温度高 于45℃时,ME 通过继电器促动循环泵;当增压空气温度降至 35℃以下时,循环泵关闭。冷却后的空气密度更高,因此,可增 加汽缸进气量,提高发动机功率。此外,还可降低爆震趋势和减 少NOx 的形成。


图27 空气冷却系统


八、发动机润滑

        M279AMG 润滑回路采用轻便设计, 机油由机油泵供给,为 一系列润滑点和液压调节器供应机油,除了润滑外,还具有冷却 作用, 图28 所示为机油回路。 


图28 机油回路


机油泵( 图29) 由曲轴通过一根链条驱动,是一个两级齿轮 泵,具有两个虹吸水平,负责来自涡轮增压器的回流,防止机油 被压入进气通道或排气通道中。机油液位检查开关记录油底壳中 的机油液位、油质、油温,并将信号传送至ME。


图29 机油泵


        如图30 所示,除了发动机自身的润滑,机油回路还向涡轮 增压器的轴、压缩机叶轮和涡轮提供润滑,机油来自曲轴箱的主 油道,然后通过轴承座并被抽吸到两侧涡轮增压器,流动方向与 冷却液流向相反。


图30 机油泵后视图


九、发动机控制

        为了对发动机进行精确控制,ME 除了读取各传感器的信号, 还通过CAN 网络获取相应的数据,据此促动各执行器,整个过 程可通过图31、32 来理解。


图31 发动机控制单元



注释:A1. 仪表盘;A1e4. 燃油存量警告灯;A1e58. 发动机诊断指示灯;A1p13. 多功能显示屏;A16/1. 爆震传感器1;A16/2. 爆震传感器2;A16/3. 爆震传感器3; A16/4. 爆震传感器4;B4. 油箱燃油液位传感器;B4/3. 油箱压力传感器[ 美国版/ 代码(494)];B4/7. 燃油压力传感器;B6/1. 凸轮轴霍尔传感器;B11/4. 冷却液 温度传感器;B17/8. 增压空气温度传感器;B28/4. 左汽缸列空气滤清器下游的压力传感器;B28/5. 右汽缸列空气滤清器下游的压力传感器;B28/6. 节气门促动器 上游的压力传感器;B28/7. 节气门促动器下游的压力传感器;B37. 油门踏板传感器;B40. 机油传感器;B70. 曲轴霍尔传感器;B89. 二次空气压力传感器;G1. 车 载电气系统蓄电池;G2. 发电机;G3/3. 催化转换器上游的左侧氧传感器;G3/3b1. 催化转换器上游的左侧氧传感器的传感器元件;G3/3r1. 催化转换器上游的左侧 氧传感器的加热器;G3/4. 催化转换器上游的右侧氧传感器;G3/4b1. 催化转换器上游的右侧氧传感器的传感器元件;G3/4r1. 催化转换器上游的右侧氧传感器的加 热器;G3/5. 催化转换器下游的左侧氧传感器;G3/5b1. 催化转换器下游的左侧氧传感器的传感器元件;G3/5r1. 催化转换器下游的左侧氧传感器的加热器;G3/6. 催化转换器下游的右侧氧传感器;G3/6b1. 催化转换器下游的右侧氧传感器的传感器元件;G3/6r1. 催化转换器下游的右侧氧传感器的加热器;k60. 冷却液泵继电器; L6/1. 左前转速传感器;L6/2. 右前转速传感器;L6/3. 左后转速传感器;L6/4. 右后转速传感器;M1. 启动机;M3. 燃油泵;M4/7. 带集成式控制的发动机和空调电 动吸气风扇;M33. 电子空气泵;M44 冷却器循环泵;M16/6. 节气门促动器;N2/7. 防护装置控制单元;N3/10. 发动机控制单元;N10/1. 带熔丝和继电器模块的前侧; SAM. 控制单元;N10/1kN. 发动机电路87 继电器;N10/1kJ. 电路15 继电器;N10/1kM. 启动机电路50 继电器;N10/1KP. 二次空气喷射继电器;N22/1. 自动空调(KLA) 控制单元;N30/4 ESP. 控制单元;N62/1. 视频和雷达传感器控制单元;N73. 点火开关控制单元;N80. 转向柱管模块;N118. 燃油系统控制单元;S9/1. 制动灯开 关;T1/1. 汽缸1 的点火线圈;T1/2. 汽缸2 的点火线圈;T1/3. 汽缸3 的点火线圈;T1/4. 汽缸4 的点火线圈;T1/5. 汽缸5 的点火线圈;T1/6. 汽缸6 的点火线圈; T1/7. 汽缸7 的点火线圈;T1/8. 汽缸8 的点火线圈;T1/9. 汽缸9 的点火线圈;T1/10. 汽缸10 的点火线圈;T1/11. 汽缸11 的点火线圈;T1/12. 汽缸12 的点火线圈; X11/4. 数据传输连接器;Y3/8. 电控单元(VGS); Y32. 空气泵转换阀;Y58/1. 净化转换阀;Y58/4. 活性炭罐切断阀[ 美国版/ 代码(494)] ;Y62/1. 汽缸1 的喷油器; Y62/2. 汽缸2 的喷油器;Y62/3. 汽缸3 的喷油器;Y62/4. 汽缸4 的喷油器;Y62/5. 汽缸5 的喷油器;Y62/6. 汽缸6 的喷油器;Y62/7. 汽缸7 的喷油器;Y62/8. 汽缸8 的喷油器;Y62/9. 汽缸9 的喷油器;Y62/10. 汽缸10 的喷油器;Y62/11. 汽缸11 的喷油器;Y62/12. 汽缸12 的喷油器;Y77/1. 增压压力控制阀;Y101. 排 空转换阀;CAN B. 车内CAN;CAN C. 传动系统CAN;CAN D. 诊断CAN;CAN E1. 底盘CAN1;CAN E2. 底盘CAN2;LIN C1. 传动系LIN。A1. 仪表盘;A1e4. 燃油存量警告灯;A1e58. 发动机诊断指示灯;A1p13. 多功能显示屏;A16/1. 爆震传感器1;A16/2. 爆震传感器2;A16/3. 爆震传感器3; A16/4. 爆震传感器4;B4. 油箱燃油液位传感器;B4/3. 油箱压力传感器[ 美国版/ 代码(494)];B4/7. 燃油压力传感器;B6/1. 凸轮轴霍尔传感器;B11/4. 冷却液 温度传感器;B17/8. 增压空气温度传感器;B28/4. 左汽缸列空气滤清器下游的压力传感器;B28/5. 右汽缸列空气滤清器下游的压力传感器;B28/6. 节气门促动器 上游的压力传感器;B28/7. 节气门促动器下游的压力传感器;B37. 油门踏板传感器;B40. 机油传感器;B70. 曲轴霍尔传感器;B89. 二次空气压力传感器;G1. 车 载电气系统蓄电池;G2. 发电机;G3/3. 催化转换器上游的左侧氧传感器;G3/3b1. 催化转换器上游的左侧氧传感器的传感器元件;G3/3r1. 催化转换器上游的左侧 氧传感器的加热器;G3/4. 催化转换器上游的右侧氧传感器;G3/4b1. 催化转换器上游的右侧氧传感器的传感器元件;G3/4r1. 催化转换器上游的右侧氧传感器的加 热器;G3/5. 催化转换器下游的左侧氧传感器;G3/5b1. 催化转换器下游的左侧氧传感器的传感器元件;G3/5r1. 催化转换器下游的左侧氧传感器的加热器;G3/6. 催化转换器下游的右侧氧传感器;G3/6b1. 催化转换器下游的右侧氧传感器的传感器元件;G3/6r1. 催化转换器下游的右侧氧传感器的加热器;k60. 冷却液泵继电器; L6/1. 左前转速传感器;L6/2. 右前转速传感器;L6/3. 左后转速传感器;L6/4. 右后转速传感器;M1. 启动机;M3. 燃油泵;M4/7. 带集成式控制的发动机和空调电 动吸气风扇;M33. 电子空气泵;M44 冷却器循环泵;M16/6. 节气门促动器;N2/7. 防护装置控制单元;N3/10. 发动机控制单元;N10/1. 带熔丝和继电器模块的前侧; SAM. 控制单元;N10/1kN. 发动机电路87 继电器;N10/1kJ. 电路15 继电器;N10/1kM. 启动机电路50 继电器;N10/1KP. 二次空气喷射继电器;N22/1. 自动空调(KLA) 控制单元;N30/4 ESP. 控制单元;N62/1. 视频和雷达传感器控制单元;N73. 点火开关控制单元;N80. 转向柱管模块;N118. 燃油系统控制单元;S9/1. 制动灯开 关;T1/1. 汽缸1 的点火线圈;T1/2. 汽缸2 的点火线圈;T1/3. 汽缸3 的点火线圈;T1/4. 汽缸4 的点火线圈;T1/5. 汽缸5 的点火线圈;T1/6. 汽缸6 的点火线圈; T1/7. 汽缸7 的点火线圈;T1/8. 汽缸8 的点火线圈;T1/9. 汽缸9 的点火线圈;T1/10. 汽缸10 的点火线圈;T1/11. 汽缸11 的点火线圈;T1/12. 汽缸12 的点火线圈; X11/4. 数据传输连接器;Y3/8. 电控单元(VGS); Y32. 空气泵转换阀;Y58/1. 净化转换阀;Y58/4. 活性炭罐切断阀[ 美国版/ 代码(494)] ;Y62/1. 汽缸1 的喷油器; Y62/2. 汽缸2 的喷油器;Y62/3. 汽缸3 的喷油器;Y62/4. 汽缸4 的喷油器;Y62/5. 汽缸5 的喷油器;Y62/6. 汽缸6 的喷油器;Y62/7. 汽缸7 的喷油器;Y62/8. 汽缸8 的喷油器;Y62/9. 汽缸9 的喷油器;Y62/10. 汽缸10 的喷油器;Y62/11. 汽缸11 的喷油器;Y62/12. 汽缸12 的喷油器;Y77/1. 增压压力控制阀;Y101. 排 空转换阀;CAN B. 车内CAN;CAN C. 传动系统CAN;CAN D. 诊断CAN;CAN E1. 底盘CAN1;CAN E2. 底盘CAN2;LIN C1. 传动系LIN。

图32 控制框图


        图中箭头代表控制方向或信号传输方向,CAN 总线由两 条平行的导线组成,具有双向性,既能传输又能接收信息,不 同CAN 网络之间的通信需要借助中央网关N10/1 来完成,即 N10/1 确定信号优先权和转换CAN 信号类型。这样, 分析框图 为ME 综合读取各传感器和CAN 信号,然后做出相应的控制, 并将信号传送至CAN 网络。如:ME 接收到N73 传来的启动信 号后,促动点火线圈和喷油嘴等工作;同时,又将转速等信号传 送给A1,从而在仪表中显示。此外,图中还有LIN 线传输,与 CAN 线一样具有双向性,不同的是LIN 线是单线的。



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