(57)【要約】【課題】冷間始動直後の排気浄化を行うバイパス触媒コンバータをより上流側に配置できるようにするとともに、流路切換弁４を通した排気の漏洩を防止する。【解決手段】気筒毎に接続された４本の上流側メイン通路が下流側メイン通路として集合する合流部に、流路切換弁４が配置される。バイパス流路として、上流側メイン通路の各々から、上流側バイパス通路が分岐しており、下流側バイパス通路の途中にバイパス触媒コンバータが介装される。流路切換弁４閉時には、メイン流路が遮断されると同時に、各気筒の上流側メイン通路同士が非連通状態となる。流路切換弁４は、弁体が取り付けられた一対の回転軸２７が対称に回転する構成であり、第１リンク３１、第２リンク３５、第３リンク３６を介して、一つのアクチュエータにより同時に駆動される。連結ピン３７がガイド壁４１により対称中心線Ｌに沿って直線状に動くように規制される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン通路と、
複数の気筒の上流側メイン通路が合流してなる下流側メイン通路と、
この下流側メイン通路もしくはこれよりも下流の流路に介装されたメイン触媒コンバータと、
上記上流側メイン通路から分岐するとともにバイパス触媒コンバータが介装されたバイパス通路と、
各気筒から排出された排気が上記バイパス通路へ流れるように、上記上流側メイン通路を開閉するとともに、閉時に各上流側メイン通路相互の連通を遮断する流路切換弁と、
を備え、
上記流路切換弁は、対となる弁開口部が隣接して設けられ、それぞれを開閉する対となる弁体が上記弁開口部の外側にそれぞれ配置された一対の回転軸に取り付けられているとともに、両回転軸が同時に対称に回転するようにリンク機構を介してアクチュエータに連係しており、
上記リンク機構は、上記回転軸にそれぞれ固定され、該回転軸とともに回動する一対の第１リンクと、基端部が互いに連結点において揺動可能に連結され、かつ先端部が上記第１リンクの端部に揺動可能に連結された一対の第２リンクと、上記連結点が、一対の回転軸の間の対称中心線に沿って移動するように案内するガイド機構と、上記連結点にさらに連結され、上記アクチュエータによって動かされる第３リンクと、を備えていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項２】
上記ガイド機構は、上記流路切換弁のハウジングに上記対称中心線に沿って直線上に設けられたガイド溝と、上記連結点を支持して上記ガイド溝内で摺動するスライダと、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項３】
上記連結点となる連結ピン自体が上記スライダとして上記ガイド溝内に嵌合することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項４】
上記ガイド機構は、先端部が上記対称中心線に近似する円弧に沿って移動するように基端部が回転可能に支持されたコントロールリンクと、このコントロールリンク先端部の移動軌跡と上記対称中心線との間の差を許容するように長孔を介して上記コントロールリンク先端部と上記連結点とを連結する連結部と、から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項５】
一つの回転軸に複数個の弁体が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
【請求項６】
４つの気筒に対応した４つの弁開口部が２列に並んで設けられ、一対の回転軸にそれぞれ２つずつ取り付けられた弁体が、各弁開口部を一斉に開閉することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、触媒コンバータで排気浄化を行う内燃機関の排気装置、特に、メイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に、別の触媒コンバータを備えたバイパス流路側に排気を案内するようにした形式の排気装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。
【０００３】
そのため、特許文献１に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
【特許文献１】特開平５−３２１６４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の排気装置では、バイパス流路は、排気マニホルドの合流点よりも下流側においてメイン流路から分岐している。つまり、多気筒内燃機関において、各気筒の排気流路が１本の流路に合流した合流点よりも下流側の部分で、メイン流路とバイパス流路とが並列に配置された構成となっている。従って、バイパス流路に介装されたバイパス触媒コンバータは、メイン触媒コンバータよりは上流側位置となるものの、各気筒の排気ポートからの距離はかなり大きく、始動直後から直ちに排気浄化を開始することができない。
【０００５】
また、排気マニホルドの下流側でバイパス流路へと分岐するので、大型部品である排気マニホルド全体の熱容量によって、バイパス流路へ流入する排気の温度が低下し、それだけバイパス触媒コンバータによる排気浄化の開始が遅れてしまう。しかも、切換弁がメイン流路側を閉塞している状態においても、各気筒で順次排気行程が到来することから、一つの気筒の排気流路から他の気筒の排気流路へと排気が回り込む現象が生じる。そのため、外部へ熱が逃げやすくなり、バイパス触媒コンバータの温度上昇が阻害される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る内燃機関の排気装置は、各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン通路と、複数の気筒の上流側メイン通路が合流してなる下流側メイン通路と、この下流側メイン通路もしくはこれよりも下流の流路に介装されたメイン触媒コンバータと、上記上流側メイン通路から分岐するとともにバイパス触媒コンバータが介装されたバイパス通路と、各気筒から排出された排気が上記バイパス通路へ流れるように、上記上流側メイン通路を開閉するとともに、閉時に各上流側メイン通路相互の連通を遮断する流路切換弁と、を備えている。そして、上記流路切換弁は、対となる弁開口部が隣接して設けられ、それぞれを開閉する対となる弁体が上記弁開口部の外側にそれぞれ配置された一対の回転軸に取り付けられているとともに、両回転軸が同時に対称に回転するようにリンク機構を介してアクチュエータに連係している。上記リンク機構は、上記回転軸にそれぞれ固定され、該回転軸とともに回動する一対の第１リンクと、基端部が互いに連結点において揺動可能に連結され、かつ先端部が上記第１リンクの端部に揺動可能に連結された一対の第２リンクと、上記連結点が、一対の回転軸の間の対称中心線に沿って移動するように案内するガイド機構と、上記連結点にさらに連結され、上記アクチュエータによって動かされる第３リンクと、を備えている。
【０００７】
本発明の排気装置においては、バイパス通路の少なくとも上流側部分は、気筒数と同じ数の通路となっており、メイン流路つまり上流側メイン通路の合流点よりも上流側の位置において、該上流側メイン通路からそれぞれ分岐する。従って、メイン流路の合流点の位置に制約されずに、バイパス触媒コンバータをより上流側に配置することが可能となる。また、バイパス流路側へ分岐する点が各気筒に近い位置となるので、冷間始動直後などに、メイン流路の熱容量による冷却作用を比較的受けずにバイパス流路側に排気が流入する。
【０００８】
すなわち、冷間始動直後などには、上記流路切換弁が閉じ、上流側メイン通路と下流側メイン通路との間を遮断する。これにより、各気筒から吐出される排気は、バイパス触媒コンバータを備えたバイパス通路側を流れる。そして、同時に、流路切換弁は、複数の上流側メイン通路の弁開口部を個々に閉塞するので、各気筒の上流側メイン通路の相互の連通が遮断される。流路切換弁を閉状態としたときに各上流側メイン通路が互いに連通していると、各気筒で順次排気行程が到来することから、一つの気筒の上流側メイン通路から他の気筒の上流側メイン通路へと排気が回り込む現象が生じる。そのため、外部へ熱が逃げやすくなり、バイパス触媒コンバータの温度上昇が阻害される。流路切換弁の閉時に各上流側メイン通路が互いに非連通状態となるようにすることで、この回り込みの現象を回避できる。
【０００９】
ここで本発明では、弁体を備えた一対の回転軸がリンク機構を介して対称に回転することで複数個の弁開口部が一斉に開閉される。一対の第２リンクを互いに連結した連結点の移動が上記ガイド機構によって一対の回転軸の間の対称中心線に沿うように規制されるので、一つのアクチュエータの駆動によって、一対（もしくは複数対）の弁体が確実に対称に動き、双方が同時に着座した状態が確実に得られる。
【００１０】
具体的な一つの態様では、上記ガイド機構は、上記流路切換弁のハウジングに上記対称中心線に沿って直線上に設けられたガイド溝と、上記連結点を支持して上記ガイド溝内で摺動するスライダと、を備えており、例えば、連結点となる連結ピン自体を上記スライダとして利用することもできる。
【００１１】
また本発明の異なる態様では、上記ガイド機構は、先端部が上記対称中心線に近似する円弧に沿って移動するように基端部が回転可能に支持されたコントロールリンクと、このコントロールリンク先端部の移動軌跡と上記対称中心線との間の差を許容するように長孔を介して上記コントロールリンク先端部と上記連結点とを連結する連結部と、から構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、一般に排気マニホルドとして構成されるメイン流路の合流点の位置に制約されずに、バイパス触媒コンバータをより上流側つまり各気筒に近い位置に配置することが可能となり、しかもメイン流路を構成する排気マニホルド等の熱容量による冷却作用が低減するので、冷間始動後、早期に排気浄化作用を得ることができる。そして、一つのアクチュエータでもって複数個の弁開口部を確実に開閉でき、排気の漏洩を回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明を直列４気筒内燃機関の排気装置として適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１はこの排気装置の配管レイアウトを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置全体の構成を説明する。
【００１５】
直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒からなる各気筒１には、気筒毎に上流側メイン通路２が接続されている。４つの気筒に個々に接続された４本の上流側メイン通路２は、下流側で１本の下流側メイン通路３として合流しており、その合流部、換言すれば、上流側メイン通路２と下流側メイン通路３との境界となる部位には、４本の上流側メイン通路２を一斉に開閉する流路切換弁４が設けられている。この切換弁４は、冷間時に閉じられるものであって、閉時には、上流側メイン通路２と下流側メイン通路３との間の上下の連通を遮断するとともに、４本の上流側メイン通路２の間を互いに非連通状態とする構成となっている。
【００１６】
流路切換弁４から下流に延びる下流側メイン通路３の途中には、メイン触媒コンバータ８が介装されている。このメイン触媒コンバータ８は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、その触媒としては、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。以上の上流側メイン通路２と下流側メイン通路３とメイン触媒コンバータ８とによって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。
【００１７】
なお、メイン流路として、直列４気筒内燃機関において周知の「４−２−１」の形で集合するように、一対の上流側メイン通路２に対して１本の下流側メイン通路３をそれぞれ設け、一対の下流側メイン通路３をさらに１本の流路に合流させてメイン触媒コンバータ８を配置するようにしてもよい。この場合も、流路切換弁４は、４本の上流側メイン通路２を個々に開閉するように設けられる。
【００１８】
一方、バイパス流路として、上流側メイン通路２の各々から、上流側バイパス通路１１が分岐している。この上流側バイパス通路１１は、上流側メイン通路２よりも通路断面積が十分に小さなものであって、その上流端となる分岐点１２は、上流側メイン通路２のできるだけ上流側の位置に設定されている。そして、互いに隣接した位置にある♯１気筒の上流側バイパス通路１１と♯２気筒の上流側バイパス通路１１とが合流点１３において１本の中間バイパス通路１４として互いに合流しており、同様に互いに隣接した位置にある♯３気筒の上流側バイパス通路１１と♯４気筒の上流側バイパス通路１１とが合流点１３において１本の中間バイパス通路１４として互いに合流している。なお、各通路を模式的に示した図１では、各上流側バイパス通路１１が比較的長く描かれているが、実際には、可能な限り短くなっている。換言すれば、最短距離でもって中間バイパス通路１４として合流している。２本の中間バイパス通路１４は、合流点１５において１本の下流側バイパス通路１６として互いに合流している。この下流側バイパス通路１６の下流端は、下流側メイン通路３のメイン触媒コンバータ８より上流側の合流点１７において、下流側メイン通路３に合流している。そして、上記下流側バイパス通路１６の途中には、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ１８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ１８は、バイパス流路の中で、可能な限り上流側に配置されている。つまり、中間バイパス通路１４もできるだけ短くなっている。
【００１９】
なお、上記実施例では、バイパス流路全体の通路長（各気筒のバイパス通路の総和）を短くして、配管自体の熱容量ならびに外気に対する放熱面積を小さくするために、４本の上流側バイパス通路１１を長く引き回さずに上流側で２本の中間バイパス通路１４にまとめているが、このような構成は任意であり、例えば、バイパス触媒コンバータ１８が気筒列の一方に偏って位置する場合などには、他方の端部気筒から直線状に延ばした上流側バイパス通路に残りの気筒の上流側バイパス通路を略直角に接続することにより、全体の通路長を短くすることができる。
【００２０】
上記バイパス触媒コンバータ１８は、その内部に、前後に分割された２つのモノリス触媒担体つまり第１触媒１８ａと第２触媒１８ｂとを備えている。そして、これらの第１触媒１８ａと第２触媒１８ｂとの間の間隙１９に、排気還流通路２０の一端が接続されている。この排気還流通路２０の他端は、図示せぬ排気還流制御弁を介して機関吸気系へと延びている。つまり、上記間隙１９が、還流排気の取り出し口となっている。上記バイパス触媒コンバータ１８は、メイン触媒コンバータ８に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。
【００２１】
上記のように構成された排気装置においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、適宜なアクチュエータを介して流路切換弁４が閉じられ、メイン流路が遮断される。そのため、各気筒１から吐出された排気は、その全量が、分岐点１２から上流側バイパス通路１１および中間バイパス通路１４を通してバイパス触媒コンバータ１８へと流れる。バイパス触媒コンバータ１８は、排気系の上流側つまり気筒１に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。また、このとき、流路切換弁４が閉じることで、各気筒１の上流側メイン通路２が互いに非連通状態となる。そのため、ある気筒から吐出された排気が他の気筒の上流側メイン通路２へと回り込む現象が防止され、この回り込みに伴う排気温度の低下が確実に回避される。
【００２２】
一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、流路切換弁４が開放される。これにより、各気筒１から吐出された排気は、主に、上流側メイン通路２から下流側メイン通路３を通り、メイン触媒コンバータ８を通過する。このときバイパス流路側は特に遮断されていないが、バイパス流路側の方がメイン流路側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ１８が介在しているので、両者の通気抵抗の差により、排気流の大部分はメイン流路側を通り、バイパス流路側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ１８の熱劣化は十分に抑制される。またバイパス流路側が完全に遮断されないことから、排気流量が大となる高速高負荷時には、排気流の一部がバイパス流路側を流れることで、背圧による充填効率低下を回避することができる。
【００２３】
次に、本発明の要部である流路切換弁４の構成を図２〜図４に基づいて説明する。なお、この例は、前述した直列４気筒内燃機関における周知の「４−２−１」の形で排気系を集合させるように、一対の下流側メイン通路３を備えたものであり、これらの一対の下流側メイン通路３がさらに下流側で１本の通路に合流する。
【００２４】
この実施例では、４気筒分の流路切換弁４が一つのバルブユニットとして一体化されており、図２は、その要部の斜視図、図３は、要部の断面図、図４は、実際の排気系に組み込まれた状態を示す斜視図、である。図示するように、流路切換弁４は、流れと直交する面に沿った略矩形の板状をなすバルブベース２１を主体とし、その一方の面に上流側メイン通路用金属管２２がそれぞれ溶接され、他方の面に下流側メイン通路用金属管２３がそれぞれ溶接されている。
【００２５】
上記バルブベース２１には、４個の円形の弁開口部２５が、２列に並んで、つまり正方形の頂点となる位置に、それぞれ開口形成されており、この弁開口部２５を円盤状の弁体２６が上流側から開閉している。上記弁開口部２５の上流側の開口縁は、弁体２６の外周縁が接するテーパ状のシール面２５ａとして機械加工されている。上記弁体２６は、回転軸２７とともに揺動するアーム２８の先端に取り付けられており、その外周縁は、上記シール面２５ａに対応したテーパ形状をなしている。なお、図示するように、上流側メイン通路用金属管２２の側壁に、開位置にあるときの弁体２６を収容するための凹部２９が形成されている。
【００２６】
上記回転軸２７は、図２，図４に示すように、２つの気筒に共通なものであり、１つの回転軸２７に２つの弁体２６が取り付けられている。従って、流路切換弁４全体としては、４個の弁開口部２５の外側にそれぞれ配置された平行な２本の回転軸２７を備えている。この２本の回転軸２７は、後述するリンク機構を介して互いに連動しており、図示せぬ１つのアクチュエータでもって同時に対称的に開閉動作する。つまり、４つの弁体２６が一斉に開閉する。上記回転軸２７の端部には、リンク機構の一部となる第１リンク３１が取り付けられており、その先端の回転軌跡に沿うように、上記バルブベース２１に扇形のガイドプレート３２が一体に形成されている。このガイドプレート３２は、第１リンク３１の回動角度を弁体２６の閉位置と開位置との間に制限するための円弧形のスリット３３を備えている。
【００２７】
図５は、リンク機構の構成を示しており、このリンク機構は、前述した一対の第１リンク３１と、これらの第１リンク３１の先端部にそれぞれ連結ピン３４を介して一端部が揺動可能に連結された一対の第２リンク３５と、図外の単一のアクチュエータに連係した１本の第３リンク３６と、を備えており、一対の第２リンク３５の他端部は、連結ピン３７によって互いに揺動可能に連結されているとともに、同じ連結ピン３７を介して、上記第３リンク３６の先端部と揺動可能に連結されている。直線状をなす上記第３リンク３６は、一対の回転軸２７の間の対称中心線Ｌ（図６参照）にほぼ沿って配置され、図外のアクチュエータにより、その長手方向にほぼ沿って前後進するように駆動される。つまり、一対の第２リンク３５と中央の第３リンク３６とが、Ｙ字形をなすように組み合わされている。
【００２８】
ここで、上記連結ピン３７が位置する流路切換弁４のハウジング、例えば隣接する一対の下流側メイン通路用金属管２３の外表面上に、上記連結ピン３７の端部を上記対称中心線Ｌに沿って案内するための一対のガイド壁４１が一体に設けられており、この一対のガイド壁４１の間のガイド溝４２に、上記連結ピン３７の端部が嵌合することで、該連結ピン３７の移動軌跡が上記対称中心線Ｌに沿ったものに制限されている。
【００２９】
このような構成のリンク機構では、図６の説明図に示すように、第３リンク３６の進退に伴って一対の第２リンク３５が揺動するときに、連結ピン３７の位置が常に対称中心線Ｌ上にあるので、リンク機構全体が一方に傾くことがなく、対称に配置された一対（より詳しくは２対）の弁体２６が同時にかつ対称関係を保ったまま開閉される。従って、双方の着座状態が確実に得られ、着座不良による排気の漏洩が回避される。
【００３０】
なお、第１リンク３１先端の連結ピン３４が前述したガイドプレート３２のスリット３３を貫通し、これにより、第１リンク３１の回動角度が前述したように弁体２６の閉位置と開位置との間に制限される。
【００３１】
次に、図７は、ガイド機構の異なる実施例を示しており、この実施例では、前述のガイド壁４１に代えて、上記連結ピン３７を側方から支持するコントロールリンク５１を備えている。このコントロールリンク５１は、図８にも示すように、先端部５１ａが上記対称中心線Ｌに近似した円弧形の移動軌跡を描くように、その長さおよび基端部５１ｂの回転中心位置が定められている。そして、その先端部５１ａに、上記連結ピン３７が支持されている。ここで、上記コントロールリンク５１の先端部５１ａには、図８に示すように、その長手方向に沿って細長い長孔５２が設けられており、この長孔５２を上記連結ピン３７が貫通している。この長孔５２は、コントロールリンク５１の先端部５１ａの円弧形の移動軌跡と完全な直線である対称中心線Ｌとの間の差（ずれ量）を吸収するためのものであり、連結ピン３７が弁体２６の閉位置にあるとき（図８（ａ））および連結ピン３７が弁体２６の開位置にあるとき（図８（ｃ））には、長孔５２の一方の端部（コントロールリンク５１の基端部５１ｂ寄りの端部）に連結ピン３７が位置し、両者の中間位置にあるとき（図８（ｂ））には、長孔５２の他方の端部に連結ピン３７が位置する。
【００３２】
なお、逆に、コントロールリンク５１の先端部５１ａにピンを固定的に設け、連結ピン３７を支持するスライダに長孔を設けた構成も可能である。また、コントロールリンク５１の回転中心となる基端部５１ｂの側に同様の長孔構造を設けるようにしてもよい。
【００３３】
このようにガイド機構としてコントロールリンク５１を用いた構成では、ガイド壁４１を用いた第１の実施例に比較してレイアウトの自由度が高く、またコントロールリンク５１が直接に排気管に接触しないことから、アクチュエータへ伝達される熱が少なくなる、という利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明に係る排気装置の配管レイアウトを示す構成説明図。
【図２】流路切換弁の斜視図。
【図３】流路切換弁の断面図。
【図４】組付状態で示す流路切換弁の斜視図。
【図５】リンク機構の第１実施例を示す流路切換弁要部の平面図。
【図６】このリンク機構の説明図。
【図７】リンク機構の第２実施例を示す構成説明図。
【図８】長孔と連結ピンとの位置関係を示す説明図。
【符号の説明】
【００３５】
２…上流側メイン通路
３…下流側メイン通路
４…流路切換弁
８…メイン触媒コンバータ
１１…上流側バイパス通路
１６…下流側バイパス通路
１８…バイパス触媒コンバータ
２１…バルブベース
２６…弁体
２７…回転軸
３１…第１リンク
３５…第２リンク
３６…第３リンク
４１…ガイド壁
４２…ガイド溝
５１…コントロールリンク
【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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