(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料噴射時におけるニードル速度を制御すること。【解決手段】小径部と、小径部より基端側に位置し小径部より軸径の大きい大径部とを有し、ニードルボディの内壁面に沿って摺動可能なニードルと、大径部の先端側面が露出する油密室と、大径部の基端側面が露出する背圧室と、大径部の側面及びニードルボディの内壁により形成され、油密室と背圧室とを連通する連通部と、電流が付与されることにより伸縮を行うピエゾ素子と、を備え、ピエゾ素子の伸縮に伴う油密室の圧力変化によりニードルが摺動し、開弁及び閉弁が制御されることを特徴とする燃料噴射弁であって、ニードルボディの内壁は、閉弁状態において大径部の側面と共に連通部を形成する絞り部と、絞り部の基端側に位置する拡径部とを有し、拡径部と大径部の側面とのクリアランスが、絞り部と大径部の側面とのクリアランスより大きいことを特徴とする燃料噴射弁。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
小径部と、前記小径部より基端側に位置し前記小径部より軸径の大きい大径部とを有し、ニードルボディの内壁面に沿って摺動可能なニードルと、
前記大径部の先端側面が露出する油密室と、
前記大径部の基端側面が露出する背圧室と、
前記大径部の側面及び前記ニードルボディの内壁により形成され、前記油密室と前記背圧室とを連通する連通部と、
電流が付与されることにより伸縮を行うピエゾ素子と、を備え、
前記ピエゾ素子の伸縮に伴う前記油密室の圧力変化により前記ニードルが摺動し、開弁及び閉弁が制御されることを特徴とする燃料噴射弁であって、
前記ニードルボディの内壁は、閉弁状態において前記大径部の側面と共に前記連通部を形成する絞り部と、前記絞り部の基端側に位置する拡径部とを有し、
前記拡径部と前記大径部の側面とのクリアランスが、前記絞り部と前記大径部の側面とのクリアランスより大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記拡径部は、先端側から基端側に向かって拡大するテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
小径部と、前記小径部より基端側に位置し前記小径部より軸径の大きい大径部とを有し、ニードルボディの内壁面に沿って摺動可能なニードルと、
前記大径部の先端側面が露出する油密室と、
前記大径部の基端側面が露出する背圧室と、
前記大径部の側面及び前記ニードルボディの内壁により形成され、前記油密室と前記背圧室とを連通する連通部と、
電流が付与されることにより伸縮を行うピエゾ素子と、
前記ピエゾ素子に電流を付与する制御手段と、を備え、
前記ピエゾ素子の伸縮に伴う前記油密室の圧力変化により前記ニードルが摺動し、開弁及び閉弁が制御されることを特徴とする燃料噴射装置であって、
前記ニードルボディの内壁は、閉弁状態において前記大径部の側面と共に前記連通部を形成する絞り部と、前記絞り部の基端側に位置する拡径部とを有し、
前記拡径部と前記大径部の側面とのクリアランスが、前記絞り部と前記大径部の側面とのクリアランスより大きいことを特徴とする燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料噴射装置及び燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射弁と、当該燃料噴射弁を制御する制御手段を備えた燃料噴射装置が知られている。燃料噴射弁の噴射孔の開閉は、燃料噴射弁内部に備えられたニードルを摺動させることにより行われる。
【０００３】
また、従来から、ピエゾ素子の伸張及び収縮によりニードルを摺動させるピエゾ燃料噴射弁において、ピエゾ素子への電荷の付与速度を変更することにより、ニードル速度を変更することのできる技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２００９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料の噴射開始直後は、ニードルのシート部とニードルボディとの間隔が狭く、燃料を高圧で噴射することができないため、燃料の微粒化が不十分となり排気が悪化する傾向にある。従って、このような状態（以下、ニードルシート絞り状態と称する）を早期に解消するために、燃料噴射開始直後はニードル速度を大きくすることが好ましい。また、ニードルシート絞り状態を抜けた後は、燃料噴射量のばらつきを抑制するため、ニードル速度を抑制することが好ましい。このような目的に沿った燃料噴射を行うために、ニードルのリフト量に応じてニードル速度を変更することが求められる。
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、ニードルのリフト速度を制御するために、ピエゾ素子の充電及び放電速度を制御する複雑な制御機構が必要になってしまう。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、簡易な手段で燃料噴射時におけるニードル速度を適切に制御することのできる燃料噴射弁及び燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本燃料噴射弁は、小径部と、前記小径部より基端側に位置し前記小径部より軸径の大きい大径部とを有し、ニードルボディの内壁面に沿って摺動可能なニードルと、前記大径部の先端側面が露出する油密室と、前記大径部の基端側面が露出する背圧室と、前記大径部の側面及び前記ニードルボディの内壁により形成され、前記油密室と前記背圧室とを連通する連通部と、電流が付与されることにより伸縮を行うピエゾ素子と、を備え、前記ピエゾ素子の伸縮に伴う前記油密室の圧力変化により前記ニードルが摺動し、開弁及び閉弁が制御されることを特徴とする燃料噴射弁であって、前記ニードルボディの内壁は、閉弁状態において前記大径部の側面と共に前記連通部を形成する絞り部と、前記絞り部の基端側に位置する拡径部とを有し、前記拡径部と前記大径部の側面とのクリアランスが、前記絞り部と前記大径部の側面とのクリアランスより大きいことを特徴とする。
【０００９】
本構成によれば、燃料噴射開始に伴いニードルがリフトするにつれ、ニードルの大径部とニードルボディの内壁面とのクリアランスが変化する。すなわち、大径部が絞り部に沿って摺動する間はクリアランスが比較的小さく、大径部が拡径部に沿って摺動する間はクリアランスが比較的大きくなる。クリアランスが大きくなると、油密室から背圧室への燃料漏れの量が増加するため、油密室の圧力上昇速度が低下し、ニードルの加速が抑制される。このため、燃料噴射開始後一定期間は比較的大きな加速度でニードルを上昇させ、その後はニードル速度の上昇を抑制することができる。これにより、排気が悪化するニードルシート絞り状態を早期に解消し、その後はニードル速度が大きくなりすぎることによる燃料噴射量のばらつきを抑制することができる。
【００１０】
以上のように、本燃料噴射弁によれば、簡易な手段によりニードルのリフト速度を適切に制御することができる。
【００１１】
上記構成において、前記拡径部は、先端側から基端側に向かって拡大するテーパ状に形成されている構成とすることができる。
【００１２】
本燃料噴射装置は、小径部と、前記小径部より基端側に位置し前記小径部より軸径の大きい大径部とを有し、ニードルボディの内壁面に沿って摺動可能なニードルと、前記大径部の先端側面が露出する油密室と、前記大径部の基端側面が露出する背圧室と、前記大径部の側面及び前記ニードルボディの内壁により形成され、前記油密室と前記背圧室とを連通する連通部と、電流が付与されることにより伸縮を行うピエゾ素子と、前記ピエゾ素子に電流を付与する制御手段と、を備え、前記ピエゾ素子の伸縮に伴う前記油密室の圧力変化により前記ニードルが摺動し、開弁及び閉弁が制御されることを特徴とする燃料噴射装置であって、前記ニードルボディの内壁は、閉弁状態において前記大径部の側面と共に前記連通部を形成する絞り部と、前記絞り部の基端側に位置する拡径部とを有し、前記拡径部と前記大径部の側面とのクリアランスが、前記絞り部と前記大径部の側面とのクリアランスより大きいことを特徴とする。本燃料噴射装置によれば、簡易な手段によりニードルのリフト速度を適切に制御することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡易な手段により燃料噴射時におけるニードル速度を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料噴射装置の構成を示した図である。
【図２】図２は、実施例１に係る燃料噴射弁の構成を示した図である。
【図３】図３は、図２に示すニードルのシート部付近の拡大図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｂ）は、図２に示すニードルの大径部付近の拡大図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は、実施例１に係る燃料噴射装置の動作を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用い本発明に係る実施例について説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、実施例１に係る燃料噴射装置１００の構成を示した図である。燃料タンク１０には、内燃機関で使用される燃料（例えば、軽油等）が蓄えられている。高圧ポンプ１２は、燃料タンク１０から燃料を汲み上げ、高圧状態にしてコモンレール１４へと供給する。コモンレール１４は、高圧ポンプ１２から供給される燃料を高圧状態で蓄え、高圧燃料通路１６を介してピエゾインジェクタ１８に供給する。コモンレール１４に蓄えられた燃料の一部は、リターン通路１９を介して燃料タンク１０へと戻される。
【００１７】
ピエゾインジェクタ１８は、内燃機関の燃焼室２２に対し、ＥＣＵ２０（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）からＥＤＵ２１（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｒｉｖｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を介して出力される電流信号に基づき燃料の噴射を行う。噴射されなかった燃料は、ピエゾインジェクタ１８に接続されたリターン通路１９により、燃料タンク１０へと戻される。
【００１８】
ＥＣＵ２０は、マイクロコンピュータやメモリ等を備えて構成され、内燃機関内に設けられた各種センサの出力に基づいて、上記の燃料噴射制御を行う。特に、ＥＣＵ２０は、ピエゾインジェクタ１８に内蔵されたピエゾ素子に対し、電流を付与する制御手段として機能する。より詳細には、ＥＣＵ２０からの指令に基づき、ＥＤＵ２１の内部の駆動回路が電流信号を生成してピエゾインジェクタ１８へと出力する。これらの動作については後段で詳述する。
【００１９】
図２は、図１のピエゾインジェクタ１８の断面模式図である。ニードルボディ３０の内部には、ニードルボディ３０の内壁面に沿ってニードル３２が摺動可能に配置されている。ニードルボディ３０の先端側には噴射孔５４が設けられている。ニードル３２は、先端側から順に、シート部３２ａ、第１の小径部３２ｂ、大径部３２ｃ、及び第２の小径部３２ｄを有する。シート部３２ａは、基端側から先端側に向かって細くなる形状を有し、閉弁時はニードルボディ３０に着座することにより噴射孔５４を閉鎖する。大径部３２ｃの軸径は、第１の小径部３２ｂ及び第２の小径部３２ｄの軸径より大きい。
【００２０】
ニードルボディ３０の内部には、電流が付与されることにより伸縮を行うピエゾ素子としてのピエゾスタック３３が配置されている。ピエゾスタック３３は、付与された電荷量が大きくなると伸張し、電荷量が小さくなると収縮する。ピエゾスタック３３の先端側には、ピエゾスタック３３に接触してピストン３４が配置されている。また、燃料通路として高圧燃料通路３６、リターン通路３８が設けられている。
【００２１】
ニードルボディ３０内にニードル３２が内蔵されることにより、ニードルボディ３０内には油密室４０、燃料室４２、第１の背圧室４４、及び第２の背圧室４５が形成されている。すなわち、ニードル３２の先端側の周囲には燃料室４２が設けられており、ニードル３２の基端側の周囲には第１の背圧室４４及び第２の背圧室４５が設けられている。燃料室４２及び第２の背圧室４５にはそれぞれ高圧燃料通路３６から燃料が供給され、第１の背圧室４４はリターン通路３８に接続されている。また、ニードル３２の第２の小径部３２ｄは、第２の背圧室４５の内壁に摺動自在に支持されており、これにより第１の背圧室４４と第２の背圧室４５との間は隔離されている。
【００２２】
ニードル３２の大径部３２ｃの基端側面３２ｃ１は第１の背圧室４４に露出しており、大径部３２ｃの先端側面３２ｃ２は油密室４０に露出している。油密室４０は、ピストン３４に設けられた通路５３によりリターン通路３８と繋がっている。また、大径部３２ｃの側面３２ｃ３とニードルボディ３０の内壁との間には微小なクリアランスがあり、油密室４０と第１の背圧室４４とを連通する連通部４７が形成されている。連通部４７により、油密室４０から第１の背圧室４４へと微量の燃料漏れが生じている。ピエゾスタック３３の伸縮に伴い、ピストン３４が押上または押下され、油密室４０の容積及び圧力が変化する。油密室４０の圧力変化は大径部３２ｃの先端側面３２ｃ２へと伝達され、ニードル３２を基端側または先端側に摺動させる。
【００２３】
図２をもとに、ピエゾインジェクタ１８の動作について説明する。燃料噴射停止状態においては、ニードル３２を先端側に付勢する力（第１の背圧室４４及び第２の背圧室４５のレール圧と、不図示のスプリング力を合わせたもの）が、ニードル３２を基端側に付勢する力（油密室４０及び燃料室４２のレール圧）より大きく、高圧燃料はニードル３２のシート部３２ａでシールされている。ＥＣＵ２０からの指令によりピエゾスタック３３に電荷が付与されると、ピエゾスタック３３が膨張し、ピストン３４が押下げられる。ピストン３４が押下げられると、慣性により作動の遅れたチェックボール５２がリターン通路３８と油密室４０との間の通路５３を塞ぎ、油密室４０は閉空間となる。
【００２４】
ピエゾスタック３３が更に伸張すると、油密室４０内の燃料は圧縮され、油密室４０の圧力が上昇する。油密室４０の圧力が一定以上になると、ニードル３２を先端側に付勢する力より、ニードルを基端側に付勢する力が大きくなり、ニードルが基端側に摺動（リフト）して噴射孔５４が開く。噴射孔５４が開いた後も、ピエゾスタック３３が伸張を続ける間は油密室４０の圧力が上昇するため、ニードル３２のリフト速度が増大する。
【００２５】
なお、油密室４０の圧力が上昇する速度は、ピエゾスタック３３に対し電荷を付与する割合（すなわち、ピエゾスタック３３の伸張速度）により決定される。本実施例では、ピエゾスタック３３に対する電荷の付与速度、及びピエゾスタック３３の伸張速度は一定であるものとする。
【００２６】
ピエゾインジェクタ１８の閉弁は、ピエゾスタック３３からの電荷の除去により行われる。電荷が除去されることでピエゾスタック３３は収縮し、ピストン３４が押し上げられて油密室４０の容積が増大する。これにより、油密室４０の圧力が低下し、ニードル３２を基端側に付勢する力も低下するため、ニードル３２を先端側に付勢する力が相対的に大きくなり、ニードル３２はニードルボディ３０に押し付けられる。これにより、燃料の噴射が終了する。ここでも、ニードル３２の上昇時と同様に、ピエゾスタック３３からの電荷の除去速度及びピエゾスタック３３の収縮速度は一定であるものとする。
【００２７】
図３は、ニードル３２のシート部３２ａ付近（図２の領域５６）の拡大図である。ニードル３２の先端はニードルボディ３０からＬ１だけ持ち上がっている。高圧燃料は、ニードル３２がリフトしたことにより生じた空間を通り、図中の矢印に沿って噴射孔５４から外部に噴射される。ここで、燃料噴射開始直後は、ニードル３２とニードルボディ３０との間の距離Ｌ２が小さく、いわゆるシート絞りが発生している状態である。シート絞り状態では、燃料室４２内の燃料の圧力が噴射孔５４側へ十分に伝わらず、燃料は高圧で噴射されない。このため、噴射される燃料の微粒化が不十分となり、排気が悪化する原因となる。
【００２８】
ニードル３２が更にリフトしてＬ２の距離が大きくなると、シート絞り状態は解消され、燃料は高圧で噴射されるようになる。その結果、燃料の微粒化が促進され排気は改善する。従って、燃料の噴射開始直後は、なるべくニードル速度を大きくして、燃料絞り状態を早期に解消できるようにすることが好ましい。一方、シート絞り状態を脱した後は、ニードル速度が大きすぎると燃料噴射量のばらつきが大きくなってしまうため、そうならないようにニードル速度の上昇を抑制することが好ましい。
【００２９】
本実施例のピエゾインジェクタ１８では、上記のような適切なニードル速度（噴射開始後一定時間は速く上昇させ、その後は比較的緩やかに上昇させる）による開弁動作を実現することを目的とする。
【００３０】
図４（ａ）及び（ｂ）は、ニードル３２の大径部３２ｃ付近（図２の領域５８）の拡大図である。図４（ａ）は、噴射停止状態における大径部３２ｃの位置を、図４（ｂ）は、噴射開始後一定期間が経過した後の大径部３２ｃの位置をそれぞれ示している。大径部３２ｃの可動範囲に対応するニードルボディ３０の内壁面は、ニードル３２の軸に対する垂直断面が等径の絞り部６０と、絞り部６０の基端側に形成された拡径部６２とからなる。拡径部６２は、ニードル３２の先端側から基端側に向かって拡大するテーパ形状を有している。
【００３１】
図４（ａ）の噴射停止状態（閉弁状態）において、ニードル３２の大径部３２ｃは、ニードルボディ３０の内壁の絞り部６０と共に、油密室４０から第１の背圧室４４に通ずる連通部４７ａを形成している。このとき、大径部３２ｃの側面３２ｃ３と絞り部６０とのクリアランスＤ１は、後述する図４（ｂ）のクリアランスＤ２に比べて小さくなっており、油密室４０から第１の背圧室４４への燃料漏れの量も比較的少ない。従って、この状態で油密室４０の圧力が上昇すると、油密室４０の圧力上昇速度及びニードル３２の加速度は比較的大きくなる。なお、図示するようにクリアランスとは、拡大部３２ｃの先端側の端における、拡大部３２ｃの側面３２ｃ３と、ニードルボディ３０の内壁との距離を指すものとする。
【００３２】
図４（ｂ）の状態において、ニードル３２の大径部３２ｃは、ニードルボディ３０の内壁の拡径部６２と共に、油密室４０から第１の背圧室４４に通ずる連通部４７ｂを形成している。このとき、大径部３２ｃの側面３２ｃ３と拡径部６２とのクリアランスＤ２は、図４（ａ）のクリアランスＤ１に比べて広く、油密室４０から第１の背圧室４４への燃料漏れの量も多い。従って、この状態で油密室４０の圧力が上昇すると、油密室４０の圧力上昇速度及びニードル３２の加速度は、図４（ａ）の状態に比べて小さくなる。また、拡径部６２が、ニードル３２の基端側に向かって拡大するテーパ状に形成されていることから、大径部３２ｃの側面３２ｃ３と拡径部６２とのクリアランスは、ニードル３２がリフトするに従って徐々に大きくなる。このため、油密室４０の圧力上昇速度及びニードル３２の速度上昇の割合（加速度）は、ニードル３２のリフト量が大きくなるに従って小さくなる。
【００３３】
図５（ａ）〜（ｄ）は、ピエゾインジェクタ１８の動作を示したグラフである。各グラフとも共通に、横軸にはニードル３２のリフト量をとり、本実施例のグラフを実線で、比較例（大径部３２ｃと内壁面とのクリアランスがＤ１で一定のもの）のグラフを点線で示す。
【００３４】
図５（ａ）は、ピエゾスタック３３の変位量を示したグラフである。図示するように、本実施例及び比較例の双方において、ピエゾスタック３３の伸張速度は一定であるため、両者のグラフは一致している。すなわち、本実施例では、ピエゾスタック３３の伸張速度を変更するための複雑な構成（例えば、ピエゾスタック３３への電荷の付与速度を変更可能な制御機構）を必要としない。
【００３５】
図５（ｂ）は、ニードル３２の大径部３２ｃとニードルボディ３０の内壁面とのクリアランスを示している。このグラフにおいて、クリアランスとは大径部３２ｃの下端部とニードルボディ３０の内壁面との距離を示すものとする（図４（ａ）〜（ｂ）参照）。図示するように、比較例においてはクリアランスが一定であるが、本実施例では途中から（大径部３２ｃが内壁面の絞り部６０を通過した後）、クリアランスが徐々に大きくなっている。
【００３６】
図５（ｃ）は、油密室４０の圧力変化を示したグラフである。比較例においては、連通部４７のクリアランスが一定であるため、燃料漏れの量も一定であり、油密室４０の圧力増加の割合も一定である。本実施例では、連通部４７のクリアランスが途中から大きくなり、燃料漏れの量が増加するため、油密室４０の圧力増加速度も途中から低下している。
【００３７】
図５（ｄ）は、ニードル速度の変化を示したグラフである。比較例においては、油密室４０の圧力増加速度が一定であるため、ニードル速度の増加量（ニードルの加速度）は一定である。これに対し、本実施例では油密室４０の圧力増加速度が途中から低下するため、ニードルの加速度も途中から減少している。これにより、ニードル速度の増加量も比較例に比べて小さくなる。
【００３８】
以上のように、本実施例のピエゾインジェクタ１８によれば、ニードル３２の大径部３２ｃの可動範囲に対応するニードルボディ３０の内壁面が、絞り部６０及び拡径部６２の２つの領域から構成されている。そして、大径部３２ｃの側面３２ｃ３と拡径部６２とのクリアランスＤ２が、大径部３２ｃの側面３２ｃ３と絞り部６０とのクリアランスＤ１より大きい。これにより、燃料開始後一定期間は比較的速くニードル３２をリフトさせ、その後はニードル速度の上昇率を抑制することができる。その結果、噴霧の悪化するニードルシート絞り状態を早期に解消し、その後は燃料噴射量のばらつきを抑制することができる。また、このような目的に沿って、簡易な手段により、ニードルのリフト量に応じてニードル速度を適切に変更させることができる。
【００３９】
なお、図５（ｂ）〜（ｄ）のグラフにおいて、クリアランス、油密室圧力上昇速度、及びニードル加速度が変化するニードルリフト量Ｌは、ニードル３２の大径部３２ｃの下端部が、絞り部６０と拡径部６２との境界を通過する時点でのニードルリフト量（図４のＬ）に相当する。本実施例において、Ｌの長さ（絞り部６０の軸方向の長さ）は任意に決定することができるが、上記の長さＬは、図３においてシート絞り状態が解消されるのに十分な距離Ｌ２を得ることのできる、必要最低限のニードルリフト量Ｌ１に等しくなるようにすることが好ましい。シート絞り状態が解消された後は、直ちにニードル速度の上昇を抑制することが好ましいためである。これにより、最も適切な位置でニードル速度の上昇率を変化させることができる。
【００４０】
本実施例では、ピエゾスタック３３を有するピエゾインジェクタ１８を例にとり説明したが、上記のニードル３２及びニードルボディ３０の構成は、他の形態の燃料噴射弁にも応用することが可能である。特に、油密室の圧力を制御し、油密室と背圧室との相対的な圧力の変化によりニードルのリフトを行うタイプの燃料噴射弁に対して好適である。また、このような燃料噴射弁及び制御機構を備えた燃料噴射装置に対しても好適である。
【００４１】
また、本実施例では、ニードルボディ３０の拡径部６２の形状を、先端側から基端側に向かって拡大するテーパ状としたが、ニードル３２の大径部３２ｃとのクリアランスが絞り部６０より大きくなるものであれば、テーパ形状以外の任意の形状を採用してもよい。
【００４２】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１８    ピエゾインジェクタ
２０    ＥＣＵ
３０    ニードルボディ
３２    ニードル
３３    ピエゾスタック
【図１】
2010236494.tif 000003
【図２】
2010236494.tif 000004
【図３】
2010236494.tif 000005
【図４】
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【図５】
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