DE102005048286B4 - Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Betrieb eines Kühlsystems
für eine
Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kühlkanalsystem im Motorblock
der Verbrennungskraftmaschine, einem Hauptkühler (HWK) in einem Kreislauf
mit einem Kühlkanalsystem
der Verbrennungskraftmaschine, einer Wasserpumpe, (12) einem ersten
Thermostatventil (TH1) in dem Kreislauf, einem Heizwärmetauscher
(HWT) der über
einen Bypass (10) mit der Wasserpumpe verbunden ist, einem zweiten
Thermostaten (TH2), wobei die Öffnungstemperatur
des Thermostatventils (8) des zweiten Thermostaten (TH2) niedriger
ist als die Öffnungstemperatur
des Thermostatventils (A) des ersten Thermostaten (TH1) und die
Thermostaten so betrieben werden, dass bei geöffnetem Thermostatventil (B)
des zweiten Thermostaten (TH2) ab seiner Öffnungstemperatur eine größere Wassermenge
durch das Kühlkanalsystem
strömt
und ab der Öffnungstemperatur
des Thermostatventils (A) des ersten Thermostaten (TH1) über den
ersten Thermostaten (TH1) und über
den Hauptkühler
(HWK) eine thermostatische Regelung erfolgt, wodurch die Kühlmittelmenge
ab der Öffnung
des Thermostatventils (B) des zweiten Thermostaten (TH2) zunehmend
erhöht
und/oder mindestens ein weiterer Wärmetauscher (MÖK),(GÖK) zugeschaltet
wird, dadurch...
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Im Rahmen von Abgas- und Verbrauchsvorschriften ist es erforderlich, insbesondere bei Automobilen eine schnelle Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine auf ihre Betriebstemperatur zu erreichen, weil ein Großteil der relevanten Emissionen und des Verbrauchs im Kaltbetrieb erzeugt wird. Die schnelle Aufheizung wird erreicht, wenn die im Kaltstart durch die Maschine zirkulierende Kühlmittelmenge auf ein Mindestmaß reduziert ist. Im Hinblick auf die Betriebssicherheit ist jedoch Sorge dafür zu tragen, dass die Kühlmittelmenge ausreichend ist, um lokale Überhitzungen an kritischen Stellen der Maschine sicher zu verhindern. Außerdem muß die gesetzliche Vorgabe zur Scheibenenteisung bei kalten Außentemperaturen erfüllt werden.
- Bei Kühlsystemen für Verbrennungskraftmaschinen unterscheidet man zwischen Motorblöcken, die nur einen Kreislauf besitzen und solchen, welche eine getrennte Kopf- und Blockkühlung aufweisen. Im letzteren Fall weist der Wassermantel der Maschine zwei Kreise auf.
- Bei Einkreis-Kühlsystemen ist herkömmlich ein Thermostatventil vorgesehen, das als Doppelventil ausgebildet ist. Unterhalb der Betriebstemperatur wird Kühlmittel über einen Heizwärmetauscher, das zweite Ventil des Thermostatventils und einen Bypass durch das Kühlkanalsystem der Maschine gefördert. Ist die Betriebstemperatur erreicht, öffnet das Thermostat und drosselt dabei über das zweite Ventil Strömung über den Heizwärmeaustauscher, während die Hauptmenge des Kühlmittels über einen Hauptkühler geleitet wird.
- Aus
DE 41 21 379 A1 ist ein Kühlsystem der eingangs genannten Art bekannt geworden. Über einen Parallelzweig fließt Kühlwasser über einen Heizwärmetauscher in den Rücklauf des Kühlsystems. In diesem Zweig ist das Dehnwachselement eines zweiten Thermostatventils angeordnet, das bei einer Temperatur unterhalb der Ansprechtemperatur des ersten Thermostatventils, das den Kühlwasserfluß durch den Kühler des Kühlsystems regelt, öffnet. Öffnet das zweite Thermostatventil, gelangt Kühlwasser vom Kühler über einen Ölkühler in den Kühlkreis über den Heizwärmetauscher und mischt sich mit dem Wasser dieses Kreises. Eine Regelung des Kühlwassers über den Bypass findet nicht statt. - Aus
DE 100 47 081 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei dem in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine durch das Zylinderkurbelgehäuse lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, wie zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils notwendig ist, während durch den Zylinderkopf lediglich eine solche Kühlmittelmenge geleitet wird, wie zum Abführen von Dampfblasen und zur Beheizung des Thermostatventils notwendig ist. - Aus
DE 103 01 448 A1 ist eine Vorrichtung zur Temperierung von Schmieröl eines Kraftfahrzeugs bekannt geworden, bei dem Mittel vorgesehen sind, um wenigstens bei nicht mit Kühlmittel durchströmten Öl/Kühlmittelwärmetauscher eine Anströmung des thermostatischen Arbeitselements durch Kühlmittel von der Brennkraftmaschine zu bewirken. - Aus
DE 199 56 893 A1 ist ein Kühlkreis für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt geworden, bei dem ein Eingang eines Thermostatventils mit einem Ausgang des Verbrennungsmotors, ein erster Ausgang des Thermostatventils mit einem Eingang des Hauptwärmetauschers, ein Ausgang des Hauptwärmetauschers mit einem Eingang des Verbrennungsmotors, ein zweiter Ausgang des Thermostatventils über eine Kurzschlußleitung mit dem Eingang des Verbrennungsmotors, ein Eingang des Nebenwärmetauschers mit dem zweiten Ausgang des Thermostatventils und ein Ausgang des Nebenwärmetauschers mit dem Eingang des Verbrennungsmotors verbunden ist. Der Nebenwärmetauscher ist üblicherweise der Heizwärmetauscher. Das Thermostatventil ist so ausgebildet, daß es in einer ersten Endstellung (Kühlbetrieb) den ersten Ausgang voll öffnet und den zweiten Ausgang drosselt, in einer Zwischenstellung (Mischbetrieb) den ersten und zweiten Ausgang mehr oder weniger öffnet und in einer zweiten Endstellung (Warmluftbetrieb) den ersten Ausgang sperrt und den zweiten Ausgang voll öffnet. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben, mit dem eine sehr schnelle Aufheizung der Maschine erreicht wird.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Bei der Erfindung ist ein zweites Thermostatventil im Bypasszweig angeordnet, das eine Öffnungstemperatur aufweist, die deutlicher niedriger ist als die Öffnungstemperatur des ersten Thermostatventils. Die beiden Thermostatventile sind so geschaltet, dass bei geschlossenem zweiten Thermostatventil unterhalb seiner Öffnungstemperatur eine Mindestwassermenge über das Kühlkanalsystem der Maschine strömt, welche ermöglicht, dass die Maschine innerhalb kürzester Zeit aufgeheizt wird. Die umlaufende Kühlmittelmenge strömt durch den Heizwärmetauscher. Ab der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils strömt Kühlmittel in einer größeren Menge durch das System, indem es einen Bypass zum Heizwärmetauscher bildet. Ab der Öffnungstemperatur des ersten Thermostatventils strömt das Kühlmittel über den Hauptkühler, wobei das erste Thermostatventil, wie an sich bekannt, für eine Regelung der Kühlmitteltemperatur sorgt. Mit steigender Temperatur wird die über den Bypass strömende Kühlmittelmenge zunehmend gedrosselt.
- Bei der Erfindung wird eine Minimierung des beim Kaltstart durch die Maschine zirkulierenden Kühlmittels erhalten, indem ein Thermostat mit niedriger Öffnungstemperatur eingesetzt wird, wobei dieser Thermostat eine stetige Zunahme des Kühlmittelstroms durch die Maschine erlaubt und ggfs. eine bedarfsgerechte Zuschaltung weiterer Wärmeaustauscher, wie ein Motorölkühler oder ein Getriebeölkühler.
- Die Thermostatventile können in einem gemeinsamen Gehäuse oder getrennt angeordnet werden.
- Die Thermostatventile sind vorzugsweise als Doppelventile ausgeführt mit jeweils einem zweiten Ventil derart, dass es bei geschlossenem Thermostatventil geöffnet ist und mit dem zunehmenden Öffnen des Thermostatventils seinen Öffnungsquerschnitt verringert. Vorzugsweise wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung das zweite Ventil des ersten Thermostatventils vollständig geschlossen, wenn das erste Thermostatventil vollständig geöffnet ist. Bezüglich des zweiten Thermostatventils sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das zweite Ventil in Drosselstellung ist, während das zweite Thermostatventil vollständig geöffnet ist.
- Je nachdem, welche Regelung bevorzugt wird, nämlich entweder eine Motorausgangsregelung oder eine Wasserpumpeneingangsregelung, erfolgt die Verschaltung des ersten Thermostatventils und damit in Verbindung auch des zweiten Thermostatventils. Im ersteren Fall wird der Vorteil erhalten, dass Schläuche und der Hauptkühler im Kaltstart vom Kühlsystemdruck entlastet ist. Letztere Konfiguration erlaubt ein gutes Regelverhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht je nach Anordnung eine gewünschte Zuschaltung mindestens eines weiteren Wärmetauschers, beispielsweise eines Motoröl- oder Getriebeölkühlers. Dieser weitere Wärmeaustauscher ist so mit dem Kühlsystem verschaltet, dass er entweder unterhalb der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils, ab der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils oder ab der Öffnungstemperatur des ersten Thermostatventils durchströmt wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für getrennte Kühlsysteme für Motorblock und Zylinderkopf anwendbar, wobei wie üblich jedem Kühlsystem ein Thermostatventil zugeordnet wird. Dem Kühlsystem für den Motorblock kann ein drittes Thermostatventil zugeordnet werden, wobei die beiden Thermostatventile für das Kühlsystem des Motorblocks in der Weise geschaltet sind und arbeiten, wie dies in Verbindung mit einem einzigen Kühlkreislauf beschrieben wurde.
- Das Verfahren nach der Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
-
1 -5 zeigen schematisch Schaltungsanordnungen für ein Kühlsystem in unterschiedlicher Ausführung, -
6 -9 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung für ein erfindungsgemäßes Kühlsystem in verschiedenen Zuständen. - Das in den
1 -9 dargestellte Kühlsystem für eine Verbrennungskraftmaschine weist jeweils gleiche Komponenten und Bauteile auf. Die Verbrennungskraftmaschine ist mit „Motor" bezeichnet. Der Motorblock weist ein nicht ge zeigtes Kühlkanalsystem auf, wobei dem Motorblock ein Bypasskanal10 zugeordnet ist. Eine Wasserpumpe12 dient für den Umlauf von Kühlwasser durch das Kühlkanalsystem des Motors. Zum Kühlsystem gehört ein Wärmeaustauscher EGR für zurückgeführtes Abgas, ein Motorölkühler MÖK, ein Getriebeölkühler GÖK, ein Heizungswärmetauscher HWT, ein Hauptwasserkühler HWK, ein erster Thermostat TH1 und ein zweiter Thermostat TH2. - Die Thermostaten TH1 und TH2 sind als Doppelventile ausgebildet mit einem Thermostatventil A bzw. B und einem zweiten Ventil a bzw. b, welche gemeinsam durch ein Dehnwachselement verstellt werden, jedoch gegensinnig wirken, worauf weiter unten noch eingegangen wird.
- Das Thermostatventil A öffnet etwa bei 87°C, was allgemein die Öffnungstemperatur für Kühlwasserthermostaten ist. Das Thermostatventil B öffnet hingegen bei einer deutlich niedrigeren Temperatur, von z.B. 30-35°C.
- Bei der Ausführungsform nach den
6 -9 ist eine Wasserpumpeneingangsregelung vorgesehen, d.h. der Thermostat TH1 ist dem Eingang der Wasserpumpe12 zugeordnet. Am Ausgang des Kühlkanalsystems des Motors liegt der zweite Thermostat TH2, dessen ungehinderter Durchgang über einen Kanal mit dem Hauptwasserkühler verbunden ist. Dessen Ausgang ist mit dem Thermostat TH1 verbunden. Der Eingang des Heizwärmetauschers HWT ist mit dem Thermostaten TH2 verbunden und sein Ausgang mit dem Bypass10 . Die Thermostaten TH1 und TH2 sind untereinander verbunden. Die Ölkühler MÖK und GÖK sind über eine Leitung mit dem Eingang des Thermostaten TH1 verbunden. Der erste Thermostat TH1 ist mit dem Eingang der Wasserpumpe12 verbunden, wie bereits erwähnt. - In
6 ist das Kühlsystem in einem Zustand dargestellt, der dem sog. Kaltstart entspricht. Die. Wasserpumpe12 fördert eine minimale Wassermenge über das zweite Ventil b des zweiten Thermostaten TH2, den Heizwärmetauscher HWT und dem Bypass10 durch das Kühlkanalsystem des Motors. Es sei nur der Vollständigkeit halber erwähnt, dass der Heizwärmetauscher HWT der Erwärmung des Fahrgastraumes des Automobils dient. Da beide Thermostatventile A und B geschlossen sind, fließt weder über die Ölkühler MÖK und GÖK noch über den Hauptwasserkühler HWK Kühlmittel. Nach dem Erreichen der Öffnungstemperatur von z.B. 30-35° C des Thermostatventils B ermöglicht dieses einen Durchgang von Wasser auch zum ersten Thermostaten TH1 über die beschriebene Verbindungsleitung und das zweite Ventil a, sodass eine zusätzliche Kühlmittelmenge durch das Kühlkanalsystem des Motors strömt. Der Anteil vergrößert sich mit zunehmender Öffnung des Thermostatventils B. Der beschriebene Vorgang ist in7 angedeutet. Wird – wie in8 angedeutet – die Öffnungstemperatur des ersten Thermostaten TH1 erreicht, z.B. 87° C, öffnet das Thermostatventil A, sodass der Hauptwasserkühler HWK von Wasser durchströmt wird und eine zusätzliche Kühlmittelmenge durch das Kühlkanalsystem strömt. Gleichzeitig wird die durch den Heizwärmetauscher HWT fließende Wassermenge durch das zunehmende Schließen des zweiten Ventils b begrenzt. Gleichzeitig wird der Kurzschluß zwischen den Thermostaten TH1 und TH2 durch allmähliches Schließen des zweiten Ventils a gedrosselt. Außerdem ist nun der Wasserweg durch die Ölkühler MÖK und GÖK freigegeben. Nunmehr befindet sich das Kühlsystem im Regelbetrieb. - Falls die Temperatur des Wassers weiter ansteigt, wird gemäß
9 das Thermostatventil A vollständig geöffnet und das zweite Ventil a vollständig geschlossen. Das zweite Ventil b des Thermostaten TH2 erreicht eine große Drosselrate. Hierbei wird eine maximale Wassermenge durch den Hauptwasserkühler HWK geleitet. - Bei den Ausführungsformen des dargestellten Kühlsystems nach den
1 bis5 ist jeweils nur die Kaltstartphase angedeutet. - Bei der Ausführungsform nach
1 ist eine Motorausgangsregelung verwendet, mit der etwa die Schläuche und der Hauptwasserkühler HWK im Kaltstart vom Kühlsystemdruck entlastet sind. Während des Kaltstarts ist der Heizwärmetauscher HWT vollständig mit Wasser durchströmt, wobei das zur Wasserpumpe12 zurückfließende Kühlmittel innerhalb des Bypasses10 geführt ist, welcher sich im Motorblock befindet. Zugleich werden die Ölkühler MÖK und GÜK mit Kühlmittel durchströmt. Diese Ausführung einer Kühlsystemverschaltung ist dann besonders sinnvoll, wenn das Öl schnell aufgeheizt soll, um Reibungsverluste zu minimieren. - Nach dem Erreichen der Öffnungstemperatur des Thermostaten TH2 wird ein weiterer Bypassweg über das zweite Ventil a und das Thermostatventil B geöffnet. Dies erhöht die im Motor umlaufende Wassermenge und verhindert lokale Überhitzungen. Der Einsatz der zusätzlichen Wassermenge erfolgt sanft. Der Thermostat TH2 ist so ausgelegt, dass eine Drosselung des Wassers aus dem Heizwärmetauscher HWT über das Ventil b erst dann erfolgt, wenn die Temperatur des Wassers höher ist als z.B. 90° C. Das Ventil b schließt niemals vollständig ab.
- Nach Erreichen der Öffnungstemperatur des Thermostaten TH1 beginnt das Thermostatventil A langsam zu öffnen und das zweite Ventil b beginnt zu schließen. Dabei wird das Wasser über den Hauptwasserkühler HWK geführt und gleichzeitig wird der zusätzliche Wasserweg über dem Bypass gedrosselt. Im Heißbetrieb ist der Wasserweg über den Hauptwasserkühler vollständig geöffnet und der Bypassweg vollständig geschlossen. Gleichzeitig ist der Wasserkreis über den Heizwassertauscher HWT stark gedrosselt. Dies verhindert eine Überhitzung des Fahrgastraumes und ermöglicht eine größtmögliche Menge über den Hauptwasserkühler HWK zu führen.
- Die Ausführungsform nach
2 unterscheidet sich von der nach1 nur in der Art der Anbindung der Ölkühler GÖK und MÖK. Durch die Anbindung zwischen den Thermostaten TH1 und TH2 wird ab dem Öffnungsbeginn des Thermostatventils B mehr Kühlmittel über diese Wärmeaustauscher geführt. -
3 zeigt wie die1 und2 eine Motorausgangsregelung, d.h. der erste Thermostat TH1 ist dem Ausgang des Kühlkanalsystems des Motors zugeordnet. In der Kaltstartphase strömt das Wasser über den Heizwärmetauscher HWT und das Ventil b des zweiten Thermostaten TH2 und den Bypass10 zur Wasserpumpe12 . Außerdem kann Wasser von den Ölkühlern MÖK und GÖK über das Ventil a des ersten Thermostaten TH1 ebenfalls über den Heizwärmetauscher HWT fließen. Nach dem Öffnen des zweiten Thermostaten TH2 fließt das Wasser durch diesen unmittelbar zum Motor zurück. Sowohl während des Kaltstarts als auch nach dem Öffnen des zweiten Thermostats TH2 wird der aus dem Kühlkanalsystem des Motors kommende Wasserstrom geteilt, wobei ein Teil über den Heizwärmetauscher HWT und ein anderer Teil über den ersten Thermostaten TH1, nämlich über sein zweites Ventil a strömt. - Bei der Ausführungsform nach
4 ist wiederum eine Motorausgangsregelung vorgesehen. Der Unterschied zu3 besteht darin, dass im Kaltstart die Kühlwasserströme der Ölkühler MÖK und GÖK im kleinen Kreislauf über den Heizwärmetauscher HWT fließen. Ab der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostaten TH2 erschließt sich ein zweiter Weg dieses Kühlmittelstroms über den ersten Thermostaten TH1 und das Thermostatventil B des zweiten Thermostaten. Im Regelbetrieb, d.h. wenn der erste Thermostat TH1 geöffnet ist, wird das Kühlmittel im Mischbetrieb teilweise über den Bypass10 und über den Hauptwasserkühler HWK geführt. - Wie aus der Ausführungsform nach
5 hervorgeht, erlaubt diese das Zuschalten der Ölkühler MÖK und GÖK ab der niedrigen Öffnungstemperatur des zwei ten Thermostaten TH2. Bis zu dieser Temperatur wird durch diese Wärmetauscher kein Kühlmittel geführt. - Der Hauptwasserkühler HWK ist über den ersten Thermostaten TH1 angeschlossen. In dieser Anordnung fließt ein zusätzlicher Kühlmittelstrom über das zweite Ventil a des ersten Thermostaten TH1.
Claims (7)
- Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kühlkanalsystem im Motorblock der Verbrennungskraftmaschine, einem Hauptkühler (HWK) in einem Kreislauf mit einem Kühlkanalsystem der Verbrennungskraftmaschine, einer Wasserpumpe, (
12 ) einem ersten Thermostatventil (TH1) in dem Kreislauf, einem Heizwärmetauscher (HWT) der über einen Bypass (10 ) mit der Wasserpumpe verbunden ist, einem zweiten Thermostaten (TH2), wobei die Öffnungstemperatur des Thermostatventils (8 ) des zweiten Thermostaten (TH2) niedriger ist als die Öffnungstemperatur des Thermostatventils (A) des ersten Thermostaten (TH1) und die Thermostaten so betrieben werden, dass bei geöffnetem Thermostatventil (B) des zweiten Thermostaten (TH2) ab seiner Öffnungstemperatur eine größere Wassermenge durch das Kühlkanalsystem strömt und ab der Öffnungstemperatur des Thermostatventils (A) des ersten Thermostaten (TH1) über den ersten Thermostaten (TH1) und über den Hauptkühler (HWK) eine thermostatische Regelung erfolgt, wodurch die Kühlmittelmenge ab der Öffnung des Thermostatventils (B) des zweiten Thermostaten (TH2) zunehmend erhöht und/oder mindestens ein weiterer Wärmetauscher (MÖK),(GÖK) zugeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Bypass (10 ) fließende Kühlwassermenge über das zweite Thermostatventil (B) geregelt wird und bei geschlossenem zweiten Thermostatventil (B) unterhalb seiner Öffnungstemperatur nur eine Mindestwassermenge durch den Heizwärmetauscher (HWT) und den Bypass (10 ) strömt. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatventil (B) des zweiten Thermostaten (TH2) ab seiner Öffnungstemperatur mit steigender Kühlmitteltemperatur allmählich weiter geöffnet wird und unterhalb der Öffnungstemperatur des Thermostatventils (A) des ersten Thermostaten (TH1) seine vollständige Öffnung erreicht.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermostatventile (A) und (B) jeweils ein zweites Ventil (a), (b) betätigen, das bei geschlossenem Thermostatventil (A), (B) geöffnet und mit dem zunehmenden Öffnen des Thermostatventils (A), (B) in seinem Öffnungsquerschnitt verringert wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (a) des ersten Thermostatventils (A) vollständig geschlossen wird, wenn das erste Thermostatventil (A) vollständig geöffnet wird.
- Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (b) des zweiten Thermostatventils (B) in Drosselstellung ist, wenn das zweite Thermostatventil (B) vollständig geöffnet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem zusätzlichen Wärmeaustauscher (MÖK), (GÖK) versehen wird, der so mit dem Kühlsystem verschaltet wird, dass er entweder unterhalb der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils (B), ab der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils (B) oder ab der Öffnungstemperatur des ersten Thermostatventils (A) durchströmt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Thermostatventil (B) bei 30-35°C öffnet.
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