(57)【要約】【課題】シール性を向上させたロータリー構造体のシール構造およびこのシール構造を利用した可変圧縮比内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関の燃焼室に臨んで配置される略円筒形上のロータリー構造体のシール構造において、このロータリー構造体の表面に軸方向に沿って設けられた溝２２内に配置される周方向用シール２５と、円周方向に沿って設けられた溝２３内に配置される軸方向用シール２６と、これらの溝の交差部に設けられた溝２４内に配置されるコーナーピース２７とを備え、溝２４は溝２２、２３より深く形成されるとともに、コーナーピース２７は、溝２２、２３より奧まで達して、溝２３と溝２２、２３の連通を遮断している。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に臨んで配置される略円筒形状のロータリー構造体のシール構造において、
前記ロータリー構造体表面の周方向に所定の間隔を置いて軸方向に沿って設けられた複数の溝内にそれぞれ配置される周方向用シールと、
前記ロータリー構造体表面の軸方向に所定の間隔を置いて円周方向に沿って設けられた複数の溝内にそれぞれ配置される軸方向用シールと、
を備えており、
前記周方向用シールが収容される溝と軸方向用シールが収容される溝の交差部が双方の溝より深く形成されており、この交差部で一体化されたシールは、前記周方向用シール、前記軸方向用シールがそれぞれ収容される溝と両溝の交差部との連通を遮断する形状に形成されているロータリー構造体のシール構造。
【請求項２】
内燃機関の燃焼室に臨んで配置される略円筒形状のロータリー構造体のシール構造において、
前記ロータリー構造体表面の周方向に所定の間隔を置いて軸方向に沿って設けられた複数の溝内にそれぞれ配置される周方向用シールと、
前記ロータリー構造体表面の軸方向に所定の間隔を置いて円周方向に沿って設けられた複数の溝内にそれぞれ配置される軸方向用シールと、
前記ロータリー構造体表面の前記周方向用シールを収容する溝と前記軸方向用シールを収容する溝とが交差する位置にそれぞれ設けられた溝内に配置されるコーナーピースと、を備えており、
前記コーナーピースが収容される溝は、前記周方向用シール、軸方向用シールが収容される溝よりも深く形成され、前記コーナーピースは前記周方向用シール、軸方向用シールに連結され、両シールが収容される溝とコーナーピースが収容されている溝とのそれぞれの連通を遮断する形状に形成されているロータリー構造体のシール構造。
【請求項３】
内燃機関の燃焼室に臨んで配置される略円筒形状のロータリー構造体のシール構造において、
前記ロータリー構造体の表面に閉ループとして形成されている溝内に該溝に合致する形状の閉ループ構造のシールが配置されているロータリー構造体のシール構造。
【請求項４】
前記シールの断面は開ループ形状であって、開口部が高圧側に向くよう配置されている請求項３記載のロータリー構造体のシール構造。
【請求項５】
前記シールの接触端部の断面が丸みを帯びた形状に形成されている請求項３または４に記載のロータリー構造体のシール構造。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のシール構造を有し、表面に凹部が形成されているロータリー構造体を備え、前記ロータリー構造体の転動によって前記凹部の配置位置を燃焼室内と燃焼室外に切り替えることで燃焼室における圧縮比を変更可能とした可変圧縮比内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室に臨んで配置される円筒状のロータリー構造体のシール構造とこのシール構造を有するロータリー構造体を利用した可変圧縮比内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の吸気構造としてロータリーバルブ装置が知られている。こうしたロータリーバルブ装置では、周面の一部が燃焼室に向けて露出される構造であり、高圧の燃焼ガスの漏洩を防ぐため、各種のシール構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１のシール構造は、ロータリーバルブ外周面の周方向に間隔を置いた３カ所の溝内に装着された軸方向に延びるシールプレート３本と、軸長手方向に間隔をおいて４カ所の溝内に装着された周方向に延びるシールリング４本とを備えており、各シールリングは少なくとも２カ所でシールプレートに交差して一体化され保持されている。このような構成を採ることで、吸気通路間の連通・遮断を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２２７３４７号公報（段落００４１〜００５６、図７）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のシール構造においては、シールリング、シールプレートの双方に凹部が形成され、凹部同士を嵌め合わせることで一体化されている。この凹部は、温度変化によるシール部材の膨張変形を見越して所定のクリアランスを有するよう成形されている。このため、シールリング、シールプレートの嵌め合い部の隙間によりシール内側と外側とが連通してしまい、特に、周方向のガス流れに対するシール性が不足してしまう。このシール性の不足は、ロータリー構造体によって可変圧縮比内燃機関を実現するような場合に、問題となる。
【０００６】
そこで、本発明は、シール性を向上させたロータリー構造体のシール構造およびこのシール構造を利用した可変圧縮比内燃機関を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るロータリー構造体のシール構造は、内燃機関の燃焼室に臨んで配置される略円筒形状のロータリー構造体のシール構造において、ロータリー構造体表面の周方向に所定の間隔を置いて軸方向に沿って設けられた複数の溝内にそれぞれ配置される周方向用シールと、ロータリー構造体表面の軸方向に所定の間隔を置いて円周方向に沿って設けられた複数の溝内にそれぞれ配置される軸方向用シールと、を備えており、周方向用シールが収容される溝と軸方向用シールが収容される溝の交差部が双方の溝より深く形成されており、この交差部で一体化されたシールは、周方向用シール、軸方向用シールがそれぞれ収容される溝と両溝の交差部との連通を遮断する形状に形成されているものである。
【０００８】
このように構成すると、周方向用シールと軸方向用シールの交差部は、それぞれ収容される溝より深く形成され、交差部の溝と両溝との連通は、交差部に収容されている一体化されたシールによって遮断されているため、周方向用シールと軸方向用シールの連通および軸方向用シールの交差部を超えた連通が防止されるため、シール性が向上する。
【０００９】
あるいは、本発明に係るロータリー構造体のシール構造は、ロータリー構造体表面の周方向用シールと軸方向用シールとが交差する位置にそれぞれ設けられた溝内に配置されるコーナーピースを備え、このコーナーピースが収容される溝は、周方向用シール、軸方向用シールが収容される溝よりも深く形成され、コーナーピースは周方向用シール、軸方向用シールに連結され、両シールが収容される溝とコーナーピースが収容されている溝との連通を遮断する形状に形成されているものである。
【００１０】
このように構成すると、周方向用シールと軸方向用シールがそれぞれ収容される溝の間にコーナーピースが配置され、コーナーピースが収容される溝と周方向用シールと軸方向用シールのそれぞれが収容される溝との連通がコーナーピースによって防止されるため、周方向用シールを収容する溝と軸方向用シールを収容する溝および軸方向用シールを収容する溝間の連通を確実に防止することができ、シール性が向上する。
【００１１】
または、本発明に係るロータリー構造体のシール構造は、ロータリー構造体の表面に閉ループとして形成されている溝内に該溝に合致する形状の閉ループ構造のシールが配置されているものである。
【００１２】
このようにシール自体を閉ループ構造とすることで、シールの内側と外側とが連通することがなくなるので、シール性が向上する。
【００１３】
このシールの断面は開ループ形状であって、開口部が高圧側に向くよう配置されていることが好ましい。このようにすると、シールを燃焼ガス等の圧力によって溝の壁面に密着させシール機能を有効に発揮させることができる。
【００１４】
このシールの接触端部の断面が丸みを帯びた形状に形成されていることが好ましい。このようにすると、ロータリーバルブを転動させる際に、円筒周囲の接触面とシールとの接触が線接触となるので、耐圧性向上やバルブ転動時の摩擦力を低減して転動をスムースにする効果がある。
【００１５】
本発明に係る可変圧縮比内燃機関は、上述の本発明に係るロータリー構造体のシール構造を有し、表面に凹部が形成されているロータリー構造体を備え、このロータリー構造体の転動によって凹部の配置位置を燃焼室内と燃焼室外に切り替えることで燃焼室における圧縮比を変更可能としたものである。
【００１６】
この可変圧縮比内燃機関は、上述のシール構造を用いているため、燃焼ガスが漏洩することがないので、圧縮比を正確に制御することが可能であり、また、安定した燃焼が実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１８】
図１〜図４は本発明に係るシール構造の第１の実施形態を採用したロータリー構造体を示す図であり、図５〜図７は、このロータリー構造体を用いた可変圧縮比内燃機関を示す図である。
【００１９】
ロータリー構造体２は、図１に示されるように、略円柱構造を有しており、内燃機関１に配置される際にその燃焼室１２に臨む部分の断面は周の一部を切り欠いて凹部２１が形成されている。ロータリー構造体２の円筒表面上には、この凹部２１の周囲を取り囲むように溝２２〜２４が形成されている。これらの溝２２〜２４は、ロータリー構造体２の長手方向に沿って直線状に延びる溝２２と、ロータリー構造体２の円周方向に沿って延びるリング状の溝２３と、溝２２と溝２３の交差部に設けられる円筒形状の溝２４からなる。これらの溝２２〜２４には、それぞれ溝に合致する形状のシール２５〜２７が挿入されている。
【００２０】
以下、長手方向に沿って配置されるシール２５を凹部２１から周方向に漏洩しようとするガスに対するシールとして機能することから周方向用シールと呼び、円周方向に沿って配置されるシール２６を凹部２１から軸方向に漏洩しようとするガスに対するシールとして機能することから軸方向用シールと呼ぶこととし、交差部に配置されるシール２７はコーナーピースと呼ぶこととする。周方向用シール２５は直線状であり、軸方向用シール２６は、リングの一部を切り取った円弧状であり、コーナーピース２７は円筒状となる。
【００２１】
これらのシール２５〜２７は、図３に示されるように、溝２２〜２４内に直線状の周方向用シール２５、円弧状の軸方向用シール２６、円筒状のコーナーピース２７を収容する際に、コーナーピース２７に設けた凹部２７１、２７２に周方向用シール２５、軸方向用シール２６それぞれを嵌め込むことで一体化されている。
【００２２】
また、図３に示されるように、コーナーピース２７が収容される溝２４は、周方向用シール２５が収容される溝２２より深く形成され、コーナーピース２７の底面２７ａは溝２２の底面２２ａより奥（ロータリー構造体２の軸中心側）まで達している。つまり、コーナーピース２７の高さをＨ、その溝２４からの突出高さをΔＨとし、溝２２の深さをＤとすると、Ｈ−ΔＨ＞Ｄの関係が成立する。コーナーピース２７、軸方向用シール２６、溝２３、２４の間にも同様の関係が成立し、コーナーピース２７が収容される溝２４は、軸方向用シール２６が収容される溝２３より深く形成され、コーナーピース２７の底面２７ａは溝２３の底面より奥まで達している。各シール２５〜２７の底面と溝２３〜２６の間には弾性部材からなる付勢部材２８１〜２８３が配置されており、各シール２５〜２７の頂面をロータリー構造体２の円筒表面から突出させている。
【００２３】
次に、このロータリー構造体２を用いて圧縮比を可変とした本発明に係る可変圧縮比内燃機関１（以下、単に内燃機関と呼ぶ。）について説明する。内燃機関１においては、図５、図６に示されるように、シリンダ１０内に往復移動するピストン１１が配置され、図のピストン１１上部のシリンダヘッド１３との間の空間が燃焼室１２を形成している。シリンダヘッド１３には、吸気管３０と排気管４０への連通・遮断をそれぞれ切り替える吸気弁３１と排気弁４１が配置されており、その間に上述したシール構造を有するロータリー構造体２と点火プラグ５０が配置されている。
【００２４】
このロータリー構造体２は、シリンダヘッド１３内の略円管状の凹部１４内に軸中心を中心として転動可能に配置されている。ここで、凹部１４は、その円管側面が燃焼室１２に連通開放されている。上述したロータリー構造体２の凹部２１とこの凹部１４との間にチャンバー２０が形成される。
【００２５】
この内燃機関１は、例えば、直列４気筒の内燃機関であって、図７に示されるように、各気筒が一直線上に並べて配置されており、１本の円柱状のロータリー構造体２は、気筒の配列方向に延在している。そして、一端にロータリー構造体２を転動させる駆動機構６０が配置されている。なお、図７ではシール構造を省略している。ここで、周方向用シール２５は、複数の気筒にまたがるように配置してもよいが、設置や交換の容易性、またシール部材への過剰な応力付与や溝２２が気筒間を連通することのないようにするため、各気筒ごとに独立させて設けることが好ましい。
【００２６】
本実施形態では、図示していないエンジンＥＣＵの指示により駆動機構６０がロータリー構造体２を転動させることで、チャンバー２０が燃焼室１２と連通する状態（図５に示される状態）と、チャンバー２０が燃焼室１２から遮断される状態（図６に示される状態）とを切り替えることができる。チャンバー２０が燃焼室１２と連通した状態（図５）では、連通していない状態（図６）に比べてチャンバー２０の容積の分だけ燃焼室１２の実効容積が増えるため、圧縮比が低下する。つまり、２段階で圧縮比を変更することができる。
【００２７】
本実施形態では、チャンバー２０を含めた燃焼室１２の形状は複雑なものとならないため、燃焼室１２の表面積増加に伴う熱効率の低下や既燃ガスの掃気の悪化を抑制することができるので、運転条件に応じて圧縮比を変えて、出力の増大や燃費の向上といったメリットを最大限に生かすことができる。また、ロータリー構造体２を転動させるだけの簡単な構成で実現できるので、部品点数の増加も僅かであり、その転動位置の制御も燃焼室１２とチャンバー２０が連通するか、遮断されるかを切り替えればよいため、制御精度をそれほど必要とせず、駆動機構２１の構成が簡単ですみ、制御も容易である。
【００２８】
また、本発明に係るシール構造を採用することにより、燃焼時の高温・高圧ガスに対しても確実なシールを行うことができるので、安定した圧縮比制御を行うことが可能となる。以下、従来のシール構造と比較して本発明に係るシール構造の利点を説明する。
【００２９】
図８〜図１０は、従来のシール構造を示す図であり、それぞれ本実施形態を示す図１、図２、図４に対応している。従来技術のロータリー構造体２ｘでは、本実施形態のロータリー構造体２と異なり、その円筒表面上には、直線状の溝２２と、リング状の溝２３のみが設けられている。そして、直線状の溝２２に収容される周方向用シール２５とリング状の溝２３に収容される軸方向用シール２６とは互いに設けた凹部２５１ｘと２６１ｘとを噛み合わせて結合させることにより、一体化されている。各シール２５、１６の底面と溝２２、２３の底面との間には付勢部材２８１ｘ、２８２ｘが配置されており、各シール２５ｘ、２６ｘの頂面をロータリー構造体２ｘの円筒表面から突出させている。
【００３０】
ここで、シール２５ｘ、２６ｘの底面はいずれも、浅い側の溝２３ｘの底面よりロータリー構造体２ｘの円筒表面側に位置する。この結果、溝２２ｘと溝２３ｘとは、シール２５ｘ、２６ｘの底面より内側で連通することになる。このため、凹部２１ｘを燃焼室１２に向けて配置している場合、図９に示されるように、この連通部を介して高圧側から低圧側へと燃焼ガスが抜けてしまい、シール性の低下を招いてしまう。
【００３１】
これに対して、本実施形態のシール構造においては、溝２２と溝２３の交差部には、両者より深い溝２４が形成されており、かつ、この溝２４内には、溝２２と溝２３の両者の底面より奥まで到達しているコーナーピース２７が配置されている。このコーナーピース２７が溝２２と溝２４、溝２３と溝２４のそれぞれのシール２５〜２７の底面より下側に形成される隙間同士の連通を遮断しているため、溝２２と溝２３との連通を確実に防止できる。このため、図９と同様の状況においても、凹部２１の高圧ガスが各シール２５〜２７を超えてその外側に到達することがない。このようにシール性を向上させているので、燃焼室１２からのガスの漏洩がなく、それによる圧縮比変動が抑制されるので、安定した燃焼を行うことができ、燃焼変動を抑制するほか、エミッションの悪化やドライバビリティーの低下も抑制できる。
【００３２】
ここでは、コーナーピース２７を円筒状としたが、コーナーピース２７をロータリー構造体２の表面側からみた形状は円形のほか楕円形、卵形、多角形等の各種の形状を採用することができる。
【００３３】
また、コーナーピース２７自体を周方向用シール２５あるいは軸方向用シール２６の一部として形成してもよい。図１１、図１２は周方向用シール２５の一部としてコーナーピース２７を形成した第２の実施形態のシール構造を示す図である。
【００３４】
この実施形態では、周方向用シール２５’の端部２５１が中間部２５０より幅広で厚く形成されている。ここで、この端部２５１の厚みは、溝２２、２３の底面より奧まで、つまりロータリー構造体２のより中心側に到達するよう形成されている。これにより、端部２５１が溝２４と溝２２、２３のそれぞれの連通を遮蔽しているので第１の実施形態と同様に、溝２２と２３間および溝２３同士の連通を防止してシール性を確実なものとすることができる。
【００３５】
図１３、図１４は本発明に係るシール構造の第３の実施形態を示す図である。図１３はロータリー構造体２”の円筒面側からみた図である。この構造体２”においては、凹部２１を取り囲むように閉ループであるカプセル形の溝２００が形成され、この溝２００内にこれと合致した閉ループであるカプセル形のシール２０１が収納されている。シール２０１の断面は図１４に示されるように開ループであるＣ字形に形成されている。そしてこのＣ字の開口部２０１ａが凹部２１側を向くように、つまり凹部２１を内燃機関１の燃焼室１２に向けて配置したときに開口部２０１ａが高圧側を向くように溝２００内に収容され、Ｃ字型の円弧状の端面の一方２０１ｂが溝２００の底面に接触し、他方２０１Ｃが溝２００から突出するよう配置されている。図１３では図示を省略したが、ロータリー構造体２”の凹部２１と略反対側の表面は、ロータリー構造体２”の円筒側面を囲む形で同様の溝２００とシール２０１が配置されている。
【００３６】
本実施形態のロータリー構造体２”を図５、図６に示される内燃機関１に適用する場合、圧縮比を切り替えたいずれの場合においても、ロータリー構造体２”の転動位置をシール２０１を収容した溝２００の閉ループ内に燃焼室１２との連通部が収まるような位置に制御することが好ましい。このような位置にロータリー構造体２”の転動位置を配置することで、シール２０１のＣ字形断面の開口部２０１ａが燃焼室１２に面することとなり、燃焼室１２内の燃焼ガスによる筒内圧でシール２０１のＣ字型が溝２００の底面、側壁およびシリンダヘッド１３の凹部１４の円管壁面に押しつけられるため、シール２０１がこれらに密着してシール性を確保することができる。さらに、ロータリー構造体２”を転動させる際に、シール２０１の端部２０１ｃと凹部１４の内壁とは線接触しているため、転動字の摩擦を低減し、転動がスムースに行える。また、シール２０１の一部が燃焼室１２内に露出してから再度凹部１４の内壁と接触する場合にも、端部２０１ｃが丸みを帯びた円弧状に形成されているため、スムースに凹部１４との隙間に入り込むことができるため、転動をスムースに行える効果が増す。
【００３７】
この端部は円弧状でなくとも丸みを帯びた形状に形成されていれば好ましい。また、シール２０１の断面は、筒内圧によって溝２００の壁面や凹部１４の内壁に密着する形状であればＣ字形でなくともその他の開ループ形状であってもよい。そして、シール２０１およびそれが収容される溝２００の形状はカプセル形のほか、円形、楕円形、卵形、矩形等の閉ループであれば凹部２１の形状に合わせて設定することができる。
【００３８】
以上の説明では、ロータリー構造体２を可変圧縮比内燃機関において圧縮比可変機構として使用する例を説明してきた。ロータリー構造体２の周方向の異なる位置に容積の異なる複数の凹部２１を配置すれば、圧縮比を多段階に調整することが可能となる。また、本発明に係るロータリー構造体のシール構造は、吸排気弁として用いられるロータリーバルブや、ＥＧＲ（排ガス再循環）のために燃焼室に向けて配置されるロータリーバルブ等にも好適に用いることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、周方向用シールが収容される溝と軸方向用シールが収容される溝の交差部をそれぞれの溝より深く形成し、かつ、交差部に収容されるシールが双方の溝の底面より奧まで達するように形成することにより、交差部の溝と各溝間の連通を遮断している。これにより、周方向用シールが収容される溝と軸方向用シールが収容される溝との交差部を超えた連通を確実に防止することができ、シール性が向上する。この交差部に収容されるシールは、周方向用シールまたは軸方向用シールの一部であっても独立したシールであってもよい。
【００４０】
あるいは、溝を閉ループとして形成し、この溝に合致する閉ループ形状のシールを収容すれば、シール本体に隙間がないためシール性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシール構造の第１の実施形態を採用したロータリー構造体の一部斜視図である。
【図２】図１のＩＩ部分の拡大図である。
【図３】図１のシール構造の取り付けを説明する図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図１のロータリー構造体を採用した可変圧縮比内燃機関の断面図である。
【図６】図５の内燃機関においてロータリー構造体を半回転転動させた状態を示す断面図である。
【図７】図５の内燃機関の気筒とロータリー構造体の関係を説明する図である。
【図８】従来のシール構造を有するロータリー構造体を示す斜視図である。
【図９】図８のＩＸ部分の拡大図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】本発明に係るシール構造の第２の実施形態を採用したロータリー構造体の一部斜視図である。
【図１２】図１１の断面図である。
【図１３】本発明に係るシール構造の第３の実施形態を採用したロータリー構造体を円筒面側から見た図である。
【図１４】図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…ロータリー構造体、１０…シリンダ、１１…ピストン、１２…燃焼室、１３…シリンダヘッド、１４…凹部、２０…チャンバー、２１…凹部、２２〜２４…溝、２５…周方向用シール、２６…軸方向用シール、２７…コーナーピース、３０…吸気管、３１…吸気弁、４０…排気管、４１…排気弁、５０…点火プラグ、６０…駆動機構、２００…溝、２０１…シール、２５０…中間部、２５１…端部、２７１、２７２…凹部、２８１〜２８３…付勢部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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