DE3007866A1 - Katalytischer konverter fuer brennkraftmaschinenabgase - Google Patents

Description

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Ein katalytischer Konverter für Brennkraftmaschinenabgase ist beispielsweise durch die US-PS 3 771 969 bekannt.

Das der Luftzufuhr dienede Rohr ist verhältnismässig kurz , hat einen gleichmässigen Durchmesser und erstreckt sich quer zum Abgasstrom₀ Bei der bekannten Bauart wurde aber festgestellt, dass eine ungleichmässige 2_uteilung der Luft zu den Abgasen eintritt. Für die einwandfreie Reinigung ist aber eine weitgehend homogene Mischung zwischen den Abgasen und der Luft anzustreben, um eine vollständige Nachverbrennung zu erzielen«.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, von einem Stand der Technik gemäss dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 ausgehend, eine weitgehende Vermischung der zugeleiteten Luft zu den Abgasen zu erreichen»

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der -Erfindung ist in dei Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen senkrechten Sohnitt durch einen katalytischen Konverter,

Figo 2 einen S_chnitt nach der Linie 2-2 in Fig

Fig«, 3 einen Schnitt nach der Linie 3~3 in FigJ e 4 einen S_ehnitt nach der Linie 44 in Figd,

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Figo 5 einen Schnitt nach der Ljnie 5-5 in Figo

1 in grösserem Maßstabe, Figo 6 einen S_chnitt nach der -^inie 6—6 in Fig«,

5,
Fig„ 7 einen Schnitt nach der Linie 7-7 in Fig₀

5,

Fig. 8 eine perspektische Darstellung des Konverters mit auseinander gezeichneten Teilen,,

Der Konverter enthält zwei momolithisehe Katalysatorelemente 10 und 12, die hintereinander mit Abstand •voneinander in einem Gehäuse 13 aus Metallblech angeordnet sind, und sicbmit Stirnflächen 14 und 15 gegenüberliegen« Das Gehäuse 13 besteht aus zwei Schalen 16 und 18, die an ihren Emden Halbstutzen 20,21 und 22,23 aufweisen, die zusammen passen, so dass die Halbstutzen 20 und 22 eine zylindrische öffnung 24 zu einem sich erweiternden Kanal 25 bilden, der sich über die volle vordere Stirnfläche 26 des Katalysatorelemmnts 10 erstreckte Die Halbstutzen 21 und 23 bilden eine zylindrische Öffnung 27 am anderen Ende des Gehäuses, von der ein sich erweiternder Kanal 28 zur hinteren Stirnfläche 29 des Katalysatorelements 1t erstreckte Die Schalen 16 und 18 passen an ihren Langskanten mit abgewinkelten #la|sft.ehen 32,33 und 34-, 35 zusammen, die durch nähte 36 und 37 abgedichtet miteinander verbunden sind.

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Zur Erleichterung des Einbaus des K₀nverter8 unterhalb der Bodenplatte eines Kraftfahrzeugs sind die öffnungen 24 und 27 gemäss Fig«, 1 etwas nach unten geneigt, sowie die Öffnung 27 gemäas Figo 2 auch etwas seitlich geneigt, Ferner liegen die die S_chalen verbindenden Flal^nche unterhalb der Mittellinie Cl des Konverters (Έίg_e^₉3 und 4). Die untere S_chale 18 ist somit flacher als die obere Schale 16. Dadurch liegen die tiefsten Punkte der Öffnungen etwas oberhalb des tiefsten Punktes des Konverters₉ während die obersten Punkte der öffnungen beträchtlich unter dem höchsten Punkten de· Konverters liegen,. Die öffnungen 24 und 27 nehmen Abgasrohre 38 bzw„ 39 auf, die abgedichtet durch Schweißnähte 40 bzw«, 41 verbunden sind und die Eingliederung des Konverters in die Abgasanlage ermöglichen, so dass die Abgas· den Konverter vom Einlass über das Katalysatorelement 10 und das Katalys.atorelement 12 zum Auslass durchströmen»

Die Abgase behandelnden Katalysatorelement· 10 und 12 bestehen aus zerbrechlichem Werkstoff, beispielsweise Keramik und weisen einen honigwabenartigen Querschnitt 42 auf, der einen elliptischen Umfang 43 hat (Figo3), so dass eich eine flache Bauart des Konverters ergibt, die sei-i-

I nen Einbau unterhalb der Bodenplatte des Fahrzeugs erleieh-l

tert, wo bekanntlich wenig Raumhöhe zur Verfugung steht_β j Die Katalysatorelemente 10 und 12 sind mit einem dreifach wirkenden Oxidationskatalysator bekleidet, durch dim die

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das Gehäuse durchströmenden Abgase durch Reduktion und Oxidation in bekannter Weise gereinigt werden»

Die Schalen 16 und 18 des Gehäuses 13 bestehen zweckmässig aus rostfreiem Stahl oder einem anderen hochwärmefesten, korrosionsfreiem Werkstoff, die also einen er- j

heblich grösseren Wärmedehnungsbeiwert haben als die Katalysatorelemente aus Keramik«, Das Gehäuse 13 fleht sich bei dejr Erwärmung während de· Betriebes also aue und entfernt sich von den Katalysatorelementen_o Es ist daher für eine stete dichte Abstützung zu sorgen ₉ um einen Vorbeitritt der Ab— ga·· zu verhindern.

Im Ausführungsbeispiel sind die Katalysatorele— ;

mente 10 und 12 am Umfang durch eine zylindrische Hülse 44 j aus Maschendraht und eine daneben liegende zylindrische Büehse 46 aus einem intumeszenten Werkstoff abgestützt (z.Bo unter dem Namen INTERAM der Technical Geramios Produet|s Division,3MGompany bekannt),, Die Hülse 44 und die Büchse 46

umgeben die gesamte Umfangsfläche 43 des zugeordneten Kata« i

, lysatorelemente, wobei die axiale Länge der Büchse 46 wesent i

lioh geringer als die der Hülse aus Maschendraht ist«, Am Katalysatorelement 10 beträgt die axiale Länge der Buchs· 46 ein sechstel der Länge der Hülse 44 aus restfreiem Maechejn« draht, während beim Katalysatorelement 12 die axiale Länge der Büchse 46 auf ein fünftel der Länge der Hülse 44 gewählt iet₉ aber die gleiche Lgnge wie die andere Buchs« 46 hat ₉ weil das Katalysatorelement 12 eine geringere axiale

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Länge aufweist ₉ um den Einbau eines Luftrohrs zu ermöglichen«,

_±6/ Zur Erleichterung der herstellung werden die Büchsen/aus Stangenmaterial hergestellt, wie auch die Hülsen 44 aus Bahnen τοη Maschendraht gebildet werden_e Die Büchsen 46 weisen dabei in Achsrichtung liegende Schlitze auf, während die S_chlitae der Hülsen 44 nach einer Diagonalen 47 verlaufen.

Zur Abstützung sind die S_ehalen 16 und 18 des Gehäuses mit halbelliptischen Teilen. 48 und 50 versehen, deren innere Fläche 52 mit radialem Abstand die Oberfläche 43 de» Katalysatorelements umgibt (Pig_o3), so dass in die« sen Raum die Hülse 44 aus Maschendraht unter Zusammendrük— ken und daneben die Büchse 46 eingelegt werden können,, Die hierdurch erhöhte Steifigkeit des Gehäuses verhindert sein Ausbeulen beim Erhitzen während des Betriebes! das durch in axiale* Abstand voneinander liegende Querrippen 54 und 56 erhöhte Versteifen der Schalenteile48 und 50 trägt hiern au beiβ Zur Erhöhung der Steifigkeit der Schalen 16 und 18 sind ferner radiale Einschnürungen 58 und 60 an den Kanten der einander zugewanten Stirnflächen 14 und 15 der Katalysaterelemente gebildete

Jede Hülse 44 aus Maschendraht hat vor dem Ein-i bau eine radiale Dicke, die wesentlich grosser ist als die < Dicke de· Radialen Raums, so dass sie nach dem Einlegen _: um dam KatalyeatereJtement beim Zusammen»pannen der Schälen 16 und 18 zusammengedrückt wird (Fig_e5). Die dadurch erzielte

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Federwirkung bedingt eine Abstützung in radialer Richtung j unter Vermeidung axialer Verlagerung des Katalysatorelementa bei Aussentemperatur_o Wenn während des Betriebs durch Erwär-j men das Gehäuse rom Katalysatorelement lieh entfernt,, bleit eine die sichere Abstützung gewährleistende ^ederwirkung

i erhalten, wenn sich die Hülse 44 ausdehnte Bei einem ausge- | führt em Konverter wurden folgende Werte ermittelte Bas mitt-j lere Wachsen des Gehäuses in radialer Richtung beim Erwärmen betrug etwa 0,508 mm. Bei einem radialen Abstand zwischen dem Katalysatorelement und dem Gehäuse von etwa 2,286 ί mm war die Hülse von ursprünglich radialer Dicke von 6,35 mm zusammengedrückte

Andererseite dehnen sich die Büchsen 46 rechteckigen Querschnitts (Fig.i) beim Erwärmen des Konverters, um eine zuverlässige Dichtung zu bewirken, die jedoch nicht so nachgiebig ist, wie die durch die Hülsen 44 aus Maschen— drähte Die Halterung der Büchsen 46 im Gehäuse 13 ist daher grundsätzlich verschieden gegenüber der Halterung der Hüls«. 44 ausgebildete Es sind hierzu halbelliptische Teile 62 und 64 der Schalen 16 und 18 nach Ans sen gebildet (i¹ig.4),die mit radialen Einschnürungen 66 zusammenarbeiten, die die flächen 43 des zugeordneten Katalysatorelements an den Kanten der Eintrittsseite umgreifen. Radiale Rippen 68 und 70 ,die in axialem Abstand voneinander liegen, verstärken die Einschnürungeri$6 und begrenzen eine halbelliptische Fläche 72, die in radialem Abstand von der fläche 43 des Xatalyaaterelements liegt und an die sich dann die fläche 48 an-

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schlieset«,

Vor dem ersten Erwärmen des Konverters im Betrieb ist die Dicke des radialen Raums zwischen dem Gehäuse und den Katalysatorelementen wesentlich kleiner als die ur-i sprüngliche Dick· der nicht zusammengedrückten Hülsen 44,
aber nur wenig grosser als die Dicke der Büchsen 46„ Im
erwähnten gebauten Konverter war der zur Aufnahme der Hülsen 44 aus Maschendraht bestimmte l'eil des radialen Raums
mit einer Dicke von 2,286 mm angegeben; der Raum zur Aufnahme der Büchsen 46 hatte eine Dicke von 3,302 mm₀ Die er-* forderliche Dicke der Büchsen 46 ergibt sich aus der folgen· den Überlegung. Der Wärmedehnungsbeiwert der Büchsen 46 ist wesentlich grosser als der des Werkstoffs der Schalen»Hier-+ durch ergibt sich eine anfängliche Dicke der Büchsen 46,
die wesentlich geringer als die ursprüngliche Dicke der
Hülsen 44 ist, aber nur etwas grosser ist als die Dicke
des sie aufnehmenden Raums, damit beim Einbau ein Bruch deö Katalysatorelements vermieden wird, jedoch nach dem Erwärmen eine ausreichende Dichte dieses Materials zur Erzielung einer abdichtenden Abstützung eintritt« Im Beispiel hatten
die Büchsen 46 vor dem Einbau eine Dicke von 4,699 am,
und könnten bei Erwärmen ohne Behinderung sich bis auf ein? Sicke von 12,7 mm ausdehnen, also erheblich mehr als der ' zur Aufnahme vorgesehene Raum von 3,302 mm Dicke und dem : Wachsen des Gehäuses beim Erwärmen von 0,508 mm.

Sie Büchsen 46 werden wie die Hülsen 44 mit

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-lodern zugeordneten Katalysatorelement gemäss Figo 5 zusammengebaut und dann das Einsetzen in die Schalen 16 und 18 bewirkte Durch die gegebenen Dicken von Hülsen 44 und Büchsen 46, werden letztere beim Zusammenbau nur leicht aufge— j nommen und beim Zusammenspannen der Schallen nicht zusammen-» gedrückte Während also die Hülsen 44 unter Zusammendrücken .

gespannt werden, können die Büchsen von den Schalen keine die Katalysatorelemente zerstörenden Kräfte übertragene Beim ersten Erhitzen des Konverters dehnen sich dann die ' Büchsen 46 und stützen sich an den versteiifen teilen 66 des Gehäuses ab, wodurch eine beachtliche Kraft zwischen dem j ausbeulsicherem Gehäuse und dem Katalysatorelement auftrittJ die allerdings letzteres nicht zerstören kann. Danach blei— i ben die Büchsen 46 in dichtender Anlage am Eintritt der Katalysatorelemente und ausreichend nachgiebig, um die Hülsen 44 aus Maschendraht in ihrer radialen und axialen Abstützung zu unterstützen,,

Die Zufuhr der für die Oxidation erforderlichen Luft erfolgt durch ein Luftrohr 80 kreisförmigen Querschnitt·, das zwischen den Flaknchen der Schalen, 16 und 18 in den Bereich zwischen den beiden Katalysatorelementen 10 und 12 reicht (Fig. 1, 2 und 5-8). In den Planschen 33 und 35 sind halbkreisförmige Aussparungen 82 und 84 gebildet_s die eine kreisförmige öffnung 85 (FIg₀5 und 6) zu dem Raum 86 innerhalb des Gehäuses zwischen den beiden Katalysatorelementen 10 und 12 begrenzen. Gegenüber der öffnung 85

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ist im oberen Flansch 32 eine Aussparung 88 zur Aunahme des Rohrs 80 gebildet (Fig„5 und 7), die drei Wände und einen ebenen Boden im Bereich der Berührungsfläche zwischen den Planschen 32 und 34 aufweist„

Das Rohr 80 besteht wie die Schalen aus rostfreiem Stahl oder einem anderem hochwärmefesten und korrosionsfestem Werkstoffe Es ist mit seiner offenen Mündung 90 in der öffnung 85 befestigt, und erstreckt sich durch den Raum 86 zwischen den beiden Katalysatorelementen 10 und 12 ,um mit seinem geschlossenen Ende 92 in der Aussparung 88 abgesetzt zu werden» Das Rohr 80 enthält über seine Länge verteilt Löcher 94 zur Zufuhr von Luft in die Abgase« Um eine gleichmassige Zuteilung der Luft zu den Abgasen zu erhalten, ist trotz der versetzten Trennebene der Schalen die Lage des Rohrs 80 in der Mittelebene CL des Konverters erreicht« Die öffnung 85 ist daher etwas nach oben geneigt und nimmt einen entsprechend abgewinkelten Teil/des Rohrs 80 auf, der in der Mittelebene GL in einen horizontalen Teil/über— geht (Bogen 96) « Das Rohr 80 IJ^t senkrecht zur Mittelebene

Die Mündung 100 des Rohrs 80 ist etwas erweitert und nimmt ein nicht dargestelltes Speiserohr für Luft auf. Der Rand 101 der Mündung liegt an den Rändern der flansche 33 und 35 im Bereich der öffnung 85, wo eine feste ^verbindung durch eine Schweißnaht 104 hergestellt ist· ;

Das andere Ende 92 des Rohrs 80 ist zusammenge- :

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quetscht und ist mit rechteckigem Querschnitt in die Ausspa— rung 88 auf dem Boden abgestützt ₉ wobei in Querrichtung ein Spiel 105 zur Seitenwand vorgesehen ist„ Da die abgeflachte Form nach unten versetzt am Rohr gebildet ist, ist , der Versatz der Trennebene zwischen den Schalen ausgeglichen«.

Damit ist das Rohr 80 fest mit dem ^uehäuse 13 veif·

bunden, ohne letzteres zu schwächen, anderseits gestattet

K '

das geschlossene Ende des Rohs Wärmedehnungen auszugleichen, '.

ohne die Dichtigkeit zu gefährden,, Anderseits kann sich aber J auch das Gehäuse im Bereich der Abstützung des Rohrs 80 ausdehnen, um Wärme spannungen zu vermeiden. Ein weiterer Vorteiüj.

besteht darin, dass der Zusammenbau des Konverters erleich- j

tert ist, wie dies Figo 8 veranschaulicht* Eine besondere Halterung des Rohrs 80 ist beim Zusammenbau entbehrlich, wem. der Konverter mit seiner Unterseite nach oben zusammengebaut wird ο

Bei derartig aufgebauten Konvertern hat man festgestellt, dass Anordnung und G-rösse der Löcher im Luftrohr von ausschlaggebender Bedeutung für die G-üte der Abgasreinigung sind, da es hierzu auf eine möglichst homogene Mischung der Luft mit den Angasen ankommt,,

j Erfindungsgemäss sind daher die Löcher 94 in

_; drei geraden längs des Rohrs 80 verlaufenden ^eihen 110,112 und 114· angeordnet, die in ümfangsrichtung Abstand voneinan- ! der haben₀ Die Löcher 94-T in den Reihen 110 und 112 haben, axialen Abstand voneinander, der gleich gross ist, liegen

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diametral einander gegenüber und münden in Querrichtung des Konverters, also snkrecht zum Abgasstrom an beiden Seiten des Rohrs 8O₀ Lie Löcher 94U der Reihe 114 münden unmittelbar entgegengesetzt zum Abgasstrom und liegen in axialer Richtung zwischen den Löchern 94T in den ^xleihen 112 und 114o

In derartigen kurzen und geraden Rohren folgt die Luft dem Weg des geringsten Widerstands. Der Druck im Rohr nimmt in Richtung auf das geschlossene Ende des Rohrs 80 ZUe Um eine gleichmässige Verteilung der austretenden Luft zu erhalten, sind die Löcher in den Reihen entsprechend ihrer axialen Lage im Rohr mit unterschiedlichem Querschnitt ausgebildet, damit jeweils gleiche Durchsatzmengen erreicht werden«, In Richtung des zunehmenden Drucks im Rohr ist daher fortschreitend ein kleinerer Querschnitt erforderliche Dies allein wurde jedoch noch nicht als ausreichend erkannte Es wurde daher auch eine.Abstimmung der Grosse der Löcher 94U zu den Löchern 941 als wesentlich erkannt^ und zwar in dem Sinne, dass die Luftmenge durch die Löcher 94Ü wesentlich geringer zu wählen ist als die durch die in Querrichtung mündenden Löcher 94 To Bei einem Luftdurchsatz durch den Konverter von 184,05 bis 283_O16 l/min wurde eine zufriedenstellende Misch^ung zwischen Luft und Abgas erreicht, wenn 10 bis 20$ der Luft gleichmässig durch die entgegen dem Ab— gasstrom gerichteten Lßoher 94U zugeleitet wird, und die restliche Luft durch, gleichmässige Zuteilung durch die Löcher 941. Beim gebauten Konverter waren zehn Löcher

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in jeder Keihe 110 und 112 gebildet, während die Reihe 114 neun Löcher 94U₁ ~ enthielt (Pig_o5)_o -ßeste Ergebnisse waren bei einer Zufuhr von 15$ durch die Löcher 94U und 85 % durch die Löcher 94T erzielte

Die Durchmesser der Löcher waren hierbei gemäss der nachstehenden Tafel gewählte Abweichend von der beschriebenen Bauart wurden allerdings Gruppen von Löchern mit gleichem Durchmesser verwendete

	3,	1	3,	2	2	3	1	ies	Loches	.50	2	2O	50	2O25	7	CVJ	8	2.	9I	10
Loch	2,		2,		1			»I ·	,50	1,	1f	50	1c 50		1		1.
		20		20		*Jro	Durchmesser des	.50				O25		25	2,25
941	25	25	4	50	Lochs	,50	50
94U			2O25
			1o50

Die nachstehenden Werte geben Aufschluss über den Durchfluss durch die einzelnen Löcher„ Bei einem Durchsatz von 226,5 l/min des Konverters treten in jedem Loch 94-T.i ^₀ etwa 9,911 l/min und in den Löchern 94U^ « etwa 3,398 l/min Luft aus_ö

Ferner wurde festgestellt, dass zum vollständigen Vermischen von Luft und Abgasen vor dem Eintritt in das zweite Katalysatorelement 12 ein Mindestabstand des Rohrs von letzterem einzuhalten ist_e Dieser wurde mit etwa 19,05

mm ermittelt, so dass unter Umständen das Rehr näher zum

i
vorderen Katalysatorelement 10 anzuordnen ist_e

Herstellungsmässig ist die Anordnung der Reihen 110 und 112 vorteilhaft, da ihre Löcher in einem Arbeits-

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' gang herstellbar sincU Die im letzten -Beispiel erwähnte Form I mit Gruppen von Löchern hleichen Durchmessers verringert die , Zahl der bereit zu stellenden Werkzeuge.

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Leerseife

Claims (1)

1. Γίρΐ.-lngK.WaIther ·____

   28.FE?.r;80 w-w-5403

   General Motors Corporation, Detroit, Michigan, V₈St₀A,

   K a t alytischer Konverter für Brennkraftmaschinenabgase

   Patentansprüche :

   Katalytischer Konverter für Brennkraftmaschi nenabgase mit einem oxidierenden Katalysator, der in einem Gehäuse untergebracht ist, durch das sich ein im wesentlichen gerades, einseitig geschlossenes Rohr zur Zufuhr von Luft erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (80) mehrere Reihen (110,112,114) Ton Löehera enthält, die in Längsrichtung des Rohres mit Abstand voneinander in Umfangsrichtung vorgesehen sind, wobei die Löcher (94U)der einen Reihe (114) dem Abgasstrom entgegengesetzt münden, und die Löcher (94T7 der beiden anderen Reihen (110,112) diametral zueinander liegend senkrecht zum Abgasstrom münden, und dass die Löcher der drei Reihen in Richtung auf das geschlossene Ende (92) des Rohrs fortschreitend geringeren Querschnitt und damit im wesentlichen gleiche !Durchsatzmengen aufweisen, und die Löcher der Reihen so aufeinander abgestimmt sind, dass in den beiden Reihen mit den senkrecht zum Abgasstrom münden-

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   den Löchern im wesentlichen gleiche aber grössere Luftmengen al· aus der Reihe mit den gegen den Abgasstrom mündenden Löchern austreten«,

   2„ Katalytischer Konrerter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (94U,94T) der Reihen (114,110,112) im wesentlichen im gleichen Abstand voneinander längs des Rohrs (80) angeordnet sind und die Reihen (110,112) mit den senkrecht zum Abgasatrom münden_ den Löchern (94T) 80 bis 90% und die andere Reihe (114) 20 bis 10% der Gesamtluftmenge durchlassen«,

   3ο Katalytischer Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen aus Gruppen von Löchern gleichen Querschnitts bestehen, und der Querschnitt der Löcher der Gruppen in Richtung auf das geschlossene Ende (92) des Rohrs (80) kleiner gewählt sind.

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