Grundlagen Verbrennungsmotoren: Funktionsweise, Simulation, Messtechnik ; mit ... 43 Tabellen
Gespeichert in:
| Format: | Buch |
|---|---|
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Vieweg+ Teubner
2011
|
| Ausgabe: | 5., vollst. überarb., aktualisierte und erw. Aufl. |
| Schriftenreihe: | ATZ-MTZ Fachbuch
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XXVIII, 795 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783834813930 3834813931 |
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XV
INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT ZUR 5. AUFLAGE V
GELEITWORT VI
DIE HERAUSGEBER VII
AUTORENVERZEICHNIS IX
FIRMEN- UND HOCHSCHULVERZEICHNIS XI
KAPITEL, BEITRAEGE UND MITARBEITER XIII
ABKUERZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS XXIII
1 EINLEITUNG 1
1.1 VORBEMERKUNGEN 1
1.2 MODELLBILDUNG UND SIMULATION 2
1.3 VERBRENNUNGSDIAGNOSTIK 5
1.4 MOEGLICHKEITEN UND GRENZEN 5
LITERATUR 7
TEIL A: HUBKOLBENMOTOR 9
2 MOTORISCHE VERBRENNUNG 11
2.1 BRENNSTOFFE 11
2.1.1 KOHLENWASSERSTOFFE 11
2.1.2 BENZIN UND OTTOBRENNSTOFFE 16
2.1.3 DIESELBRENNSTOFFE 17
2.1.4 BRENNSTOFFE FUER MARINEANWENDUNGEN 18
2.1.5 ALTERNATIVE BRENNSTOFFE 19
2.1.6 KLASSIFIKATION VON VERBRENNUNGSMOTOREN 21
2.2 DIESELMOTOREN 22
2.2.1 EINSPRITZVERFAHREN UND-SYSTEME 22
2.2.2 GEMISCHBILDUNG 29
2.2.3 SELBSTZUENDUNG UND VERBRENNUNGSABLAUF 31
2.2.4 ROHEMISSIONEN DES DIESELMOTORS 36
2.2.5 POTENZIAL DES DIESELMOTORS 47
2.3 OTTOMOTOREN 48
2.3.1 VORGEMISCHTE FLAMMEN UND DIFFUSIONSVERBRENNUNG 48 2.3.2 ZUENDUNG 49
2.3.3 FLAMMENFRONTENTWICKLUNG, EINFLUSS DER TURBULENZ 52 2.3.4
VERBRENNUNGSGESCHWINDIGKEIT UND BRENNVERLAUF 55
2.3.5 IRREGULAERE VERBRENNUNG 55
2.3.6 BRENNVERFAHREN, GEMISCHBILDUNG, BETRIEBSARTEN 60
2.3.7 ROHEMISSIONEN UND INNERMOTORISCHE SCHADSTOFFREDUKTION 72 2.3.8
POTENZIALE DES OTTOMOTORS 98
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN HTTP://D-NB.INFO/1013110005
DIGITALISIERT DURCH
IMAGE 2
XVI INHALTSVERZEICHNIS
2.4 GROSS-GASMOTOREN 100
2.4.1 ALLGEMEINE GRUNDLAGEN 102
2.4.2 GROSSGAS-OTTOMOTOREN 108
2.5 GROSS-DIESELMOTOREN 132
2.5.1 ALLGEMEINE GRUNDLAGEN 132
2.5.2 ZWEI-TAKT LANGSAMLAEUFER 137
2.5.3 VIER-TAKT MITTELSCHNELLLAEUFER 141
2.5.4 VIER-TAKT SCHNELLLAEUFER 146
LITERATUR 149
3 THERMODYNAMIK DES VERBRENNUNGSMOTORS 153
3.1 ENERGIEWANDLUNG 153
3.2 KINEMATIK DES KURBELTRIEBS 154
3.3 KREISPROZESSE 158
3.3.1 GRUNDLAGEN 158
3.3.2 GESCHLOSSENE KREISPROZESSE 163
3.3.3 OFFENE VERGLEICHSPROZESSE 169
3.4 REALER MOTORPROZESS 171
3.4.1 KENNGROESSEN UND KENNWERTE 172
3.4.2 OTTOMOTOREN 175
3.4.3 DIESELMOTOREN 176
3.4.4 HYBRIDMOTOREN 177
LITERATUR 178
4 AUFLADUNG VON VERBRENNUNGSMOTOREN 179
4.1 AUFLADEVERFAHREN 179
4.1.1 DRUCKWELLENAUFLADUNG 179
4.1.2 MECHANISCHE AUFLADUNG 183
4.1.3 EINSTUFIGE ABGASTURBOAUFLADUNG 188
4.1.4 LADEDRUCKREGELUNG 193
4.1.5 ZWEISTUFIGE ABGASTURBOAUFLADUNG 197
4.1.6 VERBUNDAUFLADUNG (TURBOCOMPOUND) 202
4.2 SIMULATION VON KOMPONENTEN DER AUFLADUNG 203
4.2.1 STROEMUNGSVERDICHTER 204
4.2.2 VERDRAENGERLADER 213
4.2.3 STROEMUNGSTURBINE 214
4.2.4 ABGASTURBOLADER 228
4.2.5 LADELUFTKUEHLUNG 231
LITERATUR 236
TEIL B: VERBRENNUNG, SCHADSTOFFBILDUNG, EMISSIONSMESSTECHNIK 237
5 REAKTIONSKINETIK 239
5.1 GRUNDLAGEN 239
5.1.1 CHEMISCHES GLEICHGEWICHT 239
5.1.2 REAKTIONSGESCHWINDIGKEIT 242
5.1.3 PARTIELLES GLEICHGEWICHT UND QUASI-STATIONARITAET 243
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS XVII
5.2 REAKTIONSKINETIK VON KOHLENWASSERSTOFFEN 245
5.2.1 OXIDATION VON KOHLENWASSERSTOFFEN 245
5.2.2 ZUENDVORGAENGE 248
5.2.3 REAKTIONSKINETIK IN DER MOTORISCHEN SIMULATION 252
LITERATUR 258
SCHADSTOFFBILDUNG 259
6.1 ABGASZUSAMMENSETZUNG 259
6.2 KOHLENMONOXID (CO) 260
6.3 UNVERBRANNTE KOHLENWASSERSTOFFE (HC) 261
6.3.1 QUELLEN VON HC-EMISSIONEN 262
6.3.2 NICHT LIMITIERTE SCHADSTOFFKOMPONENTEN 265
6.4 PARTIKELEMISSION BEIM DIESELMOTOR 269
6.4.1 EINFUEHRUNG 269
6.4.2 POLYZYKLISCHE AROMATISCHE KOHLENWASSERSTOFFE (PAK) 272 6.4.3
ENTSTEHUNG VON RUSS 273
6.4.4 MODELLIERUNG DER PARTIKELEMISSION 275
6.5 STICKOXIDE 278
6.5.1 THERMISCHES NO 278
6.5.2 PROMPT-NO 282
6.5.3 UEBER N2O-MECHANISMUS ERZEUGTES NO 283
6.5.4 BRENNSTOFF-STICKSTOFF 284
6.5.5 REAKTIONEN ZU NO2 284
LITERATUR 284
EMISSIONSMESSTECHNIK 287
7.1 EINFUEHRUNG 287
7.2 MESSGASAUFBEREITUNG 287
7.2.1 MESSGASAUFBEREITUNG FUER ABGAS-MESSANLAGEN (AMA) 288 7.2.2
MESSGASAUFBEREITUNG DURCH VERDUENNUNG 291
7.3 MESSUNG GASFOERMIGER BESTANDTEILE 293
7.3.1 NDIR-NICHTDISPERSIVER INFRAROT DETEKTOR 293
7.3.2 FID - FLAME IONISATION DETEKTOR 295
7.3.3 CLD - CHEMOLUMINESZENZ DETEKTOR 295
7.3.4 PMD - PARAMAGNETISCHER DETEKTOR 296
7.3.5 FTIR-FOURIER TRANSFORM INFRAROT SPEKTROSKOPIE 297
7.3.6 LDS - LASER DIODEN SPEKTROSKOPIE 298
7.4 MESSUNG FESTER BESTANDTEILE 299
7.4.1 MESSUNG DER PARTIKEL ENTSPRECHEND GESETZLICHER VORGABEN 299 7.4.2
BESTIMMUNG VON PARTIKELEIGENSCHAFTEN IM ABGAS MIT ALTERNATIVEN VERFAHREN
302
LITERATUR 307
VERBRENNUNGSDIAGNOSTIK 309
8.1 DRUCKINDIZIERUNG 309
8.1.1 ALLGEMEINES 309
8.1.2 DIE INDIZIERMESSKETTE 312
IMAGE 4
XVIII INHALTSVERZEICHNIS
8.1.3 EINFLUESSE AUF DIE MESSGENAUIGKEIT 328
8.1.4 KENNWERTE INFOLGE VON AEUSSEREN EINFLUESSEN AUF DEN SENSOR 335 8.1.5
VARIANTEN FUER DIE SENSORADAPTIERUNG 340
8.1.6 ELEKTRISCHE DRIFT AM LADUNGSVERSTAERKER 345
8.1.7 DRUCKINDIZIERUNG IM EIN-UND AUSLASSSYSTEM 346
8.2 DRUCKVERLAUFSANALYSE 348
8.2.1 BESTIMMUNG DES BRENNVERLAUFES 348
8.2.2 VERLUSTTEILUNG 351
8.2.3 VERGLEICH UNTERSCHIEDLICHER BRENNVERFAHREN 354
8.3 OPTISCHE MESSVERFAHREN 356
8.3.1 EINLEITUNG 356
8.3.2 ANWENDUNGSGEBIETE OPTISCHER METHODEN IM TABELLARISCHEN UEBERBLICK
356
8.3.3 ANWENDUNGSBEISPIELE OPTISCHER METHODEN 358
8.3.4 DIESELMOTOREN 358
8.3.5 OTTOMOTOREN 363
8.3.6 LASERMESSTECHNIKEN 375
8.4 AUSBLICK VERBRENNUNGSDIAGNOSTIK 376
LITERATUR 377
TEIL C: 0D- UND ID-SIMULATION DES GESAMTPROZESSES 379
9 REALE ARBEITSPROZESSRECHNUNG 381
9.1 EIN-ZONEN-ZYLINDER-MODELL 382
9.1.1 GRUNDLAGEN 382
9.1.2 ERMITTLUNG DES MASSENSTROMS DURCH DIE VENTILE/VENTILHUBKURVEN 384
9.1.3 WAERMEUEBERGANG 386
9.1.4 BRENNVERLAUF 398
9.1.5 KLOPFENDE VERBRENNUNG 410
9.1.6 INNERE ENERGIE 413
9.2 ZWEI-ZONEN-ZYLINDER-MODELL 421
9.2.1 MODELLIERUNG DES HOCHDRUCKTEILES NACH HOHLBAUM 421 9.2.2
MODELLIERUNG DES HOCHDRUCKTEILES NACH HEIDER 424
9.2.3 MODELLIERUNG DES LADUNGSWECHSELS BEIM 2-TAKT-MOTOR 428 9.3
MODELLIERUNG DES GASPFADES 430
9.3.1 MODELLIERUNG PERIPHERER KOMPONENTEN 430
9.3.2 MODELLBILDUNG 432
9.3.3 INTEGRATIONSVERFAHREN 433
9.4 GASDYNAMIK 434
9.4.1 GRUNDGLEICHUNGEN DER EINDIMENSIONALEN GASDYNAMIK 434 9.4.2
NUMERISCHE LOESUNGSVERFAHREN 438
9.4.3 RANDBEDINGUNGEN 440
9.5 HYDRAULISCHE SIMULATION 445
9.5.1 MODELLIERUNG DER GRUNDKOMPONENTEN 446
9.5.2 ANWENDUNGSBEISPIEL 449
LITERATUR 450
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS XIX
10 PHAENOMENOLOGISCHE VERBRENNUNGSMODELLE 453
10.1 DIESELMOTORISCHE VERBRENNUNG 454
10.1.1 NULLDIMENSIONALE BRENNVERLAUFSFUNKTION 454
10.1.2 STATIONAERER GASSTRAHL 456
10.1.3 PAKET-MODELLE 460
10.1.4 ZEITSKALEN MODELLE 467
10.2 OTTOMOTORISCHE VERBRENNUNG 471
10.2.1 LAMINARE UND TURBULENTE FLAMMENGESCHWINDIGKEIT 471 10.2.2
WAERMEFREISETZUNG 473
10.2.3 ZUENDUNG 475
10.2.4 KLOPFEN 476
LITERATUR 477
11 ABGASNACHBEHANDLUNGSSYSTEME 479
11.1 METHODEN DER ABGASNACHBEHANDLUNG 479
11.2 MODELLBILDUNG UND SIMULATION 481
11.3 ABGASKATALYSATOREN 481
11.3.1 GRUNDGLEICHUNGEN 482
11.3.2 KATALYSATOR-TYPEN 485
11.4 DIESELPARTIKELFILTER 490
11.4.1 GRUNDGLEICHUNGEN 490
11.4.2 BELADUNG UND DRUCKVERLUST 494
11.4.3 REGENERATION UND TEMPERATURVERTEILUNG 495
11.5 DOSIEREINHEITEN 496
11.6 GESAMTSYSTEM 497
LITERATUR 498
12 GESAMTPROZESSANALYSE 499
12.1 ALLGEMEINES 499
12.2 THERMISCHES MOTORVERHALTEN 499
12.2.1 GRUNDLAGEN 499
12.2.2 KUEHLKREISLAUF 500
12.2.3 OELKREISLAUF 501
12.3 MOTORREIBUNG 502
12.3.1 REIBUNGSANSATZ FUER DEN BETRIEBSWARMEN MOTOR 502
12.3.2 REIBUNGSANSATZ FUER DEN WARMLAUF 503
12.4 STATIONAERE SIMULATIONSERGEBNISSE 505
12.5 TRANSIENTE SIMULATIONSERGEBNISSE 511
LITERATUR 515
13 BEHERRSCHUNG KOMPLEXER ENTWICKLUNGSPROZESSE 517
13.1 NOTWENDIGKEIT VON OPTIMIERUNGSSTRATEGIEN 518
13.2 MODELLSTRUKTURIERUNG 519
13.3 MODELLANSAETZE FUER DIE OPTIMIERUNG 525
13.4 ANWENDUNGSBEISPIELE FUER OPTIMIERUNGSAUFGABEN 527
13.4.1 EMISSIONSOPTIMIERUNG DIESEL PKW 527
13.4.2 VOLLLASTOPTIMIERUNG OTTOMOTOR 533
IMAGE 6
XX INHALTSVERZEICHNIS
13.4.3 VARIANTENAUSLEGUNG VON ARBEITSMASCHINEN 536
13.4.4 OPTIMIERUNG DES ENERGIEMANAGEMENTS VON HYBRIDFAHRZEUGEN IN
KRITISCHEN ZYKLUSABSCHNITTEN 541
13.5 FUNKTIONSBEDATUNG 544
13.6 ZUSAMMENFASSUNG 548
LITERATUR 549
TEIL D: 3D-SIMULATION DES ARBEITSPROZESSES 551
14 DREIDIMENSIONALE STROEMUNGSFELDER 553
14.1 STROEMUNGSMECHANISCHE GRUNDGLEICHUNGEN * 555
14.1.1 MASSEN-UND IMPULSTRANSPORT 555
14.1.2 TRANSPORT VON INNERER ENERGIE UND SPEZIES 558
14.1.3 PASSIVE SKALARE UND MISCHUNGSBRUCH 559
14.1.4 KONSERVATIVE FORMULIERUNG DER TRANSPORTGLEICHUNGEN 560 14.2
TURBULENZ UND TURBULENZMODELLE 560
14.2.1 PHAENOMENOLOGIE DER TURBULENZ 560
14.2.2 MODELLIERUNG DER TURBULENZ 562
14.2.3 TURBULENTES WANDGESETZ 565
14.2.4 MODELLIERUNG DES TURBULENTEN MISCHUNGSZUSTANDES 567 14.2.5 DIE
GUELTIGKEIT VON TURBULENZMODELLEN; ALTERNATIVANSAETZE 570 14.3 NUMERIK 574
14.3.1 FINITES-VOLUMEN-VERFAHREN 574
14.3.2 DISKRETISIERUNG DES DIFFUSIONSTERMS - ZENTRALE DIFFERENZEN 575
14.3.3 DISKRETISIERUNG DES KONVEKTIONSTERMS - AUFWINDSCHEMA 576 14.3.4
DISKRETISIERUNG DER ZEITABLEITUNG - IMPLIZITES SCHEMA 578 14.3.5
DISKRETISIERUNG DES QUELLTERMS 579
14.3.6 OPERATOR-SPLIT-VERFAHREN 580
14.3.7 DISKRETISIERUNG UND NUMERISCHE LOESUNG DER IMPULS-GLEICHUNG ...
580 14.4 RECHENNETZE 581
14.5 BEISPIELE 583
14.5.1 SIMULATION VON STROEMUNGSSTRUKTUREN IM ZYLINDER: OTTOMOTOR 583
14.5.2 SIMULATION VON STROEMUNGSSTRUKTUREN IM ZYLINDER: DIESELMOTOR...
584 14.5.3 DUESENINNENSTROEMUNG 586
LITERATUR 590
15 3D-SIMULATION DER AUFLADUNG 591
15.1 ALLGEMEINES 591
15.2 GRUNDLAGEN DER 3D-CFD-SIMULATION VON TURBOMASCHINEN 592 15.2.1
BEHANDLUNG UNTERSCHIEDLICHER UND BEWEGTER KOORDINATENSYSTEME 592
15.2.2 GITTERGENERIERUNG FUER TURBOMASCHINEN 594
15.2.3 AUFBAU VON BERECHNUNGSMODELLEN UND RANDBEDINGUNGEN 596 15.3
POSTPROCESSING: ERGEBNISANALYSE UND-DARSTELLUNG 598
15.4 ANWENDUNGSBEISPIELE 600
15.4.1 ANALYSE DES VERDICHTERVERHALTENS 600
15.4.2 UNTERSUCHUNG VON TURBINENVARIANTEN 602
IMAGE 7
INHALTSVERZEICHNIS XXI
16 SIMULATION VON EINSPRITZPROZESSEN 603
16.1 EINZELTROPFENPROZESSE 603
16.1.1 IMPULSAUSTAUSCH 603
16.1.2 MASSEN-UND WAERMEAUSTAUSCH (EINKOMPONENTENMODELL) 604 16.1.3
MASSEN- UND WAERMEAUSTAUSCH (MEHRKOMPONENTEN- MODELLIERUNG) 607
16.1.4 FLASHBOILING 611
16.2 STRAHLSTATISTIK 612
16.2.1 BOLTZMANN-WILLIAMS-GLEICHUNG 613
16.2.2 NUMERISCHE LOESUNG DER BOLTZMANN-WILLIAMS-GLEICHUNG: DAS
STANDARDMODELL (LAGRANGE-FORMULIERUNG) 614
16.2.3 EXKURS: NUMERISCHE BESTIMMUNG VON ZUFALLSZAHLEN 616 16.2.4
PARTIKEL-STARTBEDINGUNGEN AM DUESENAUSTRITT 618
16.2.5 MODELLIERUNG VON ZERFALLSPROZESSEN 619
16.2.6 MODELLIERUNG VON STOSSPROZESSEN 623
16.2.7 MODELLIERUNG DER TURBULENTEN DISPERSION IM STANDARD-MODELL... 624
16.2.8 BESCHREIBUNG DER TURBULENTEN DISPERSION MITTELS
FOKKER-PLANCK-GLEICHUNG 625
16.2.9 DIE DIFFUSIONSDARSTELLUNG DER FOKKER-PLANCK-GLEICHUNG 630 16.2.10
PROBLEME DES STANDARD-STRAHLMODELLS 633
16.2.11 BENZINDIREKTEINSPRITZUNG FUER SCHICHTLADUNG MIT NACH AUSSEN
OEFFNENDEM PIEZO-INJEKTOR 636
16.3 EULER-STRAHLMODELLE 639
16.3.1 LOKAL HOMOGENE STROEMUNG 641
16.3.2 EINBETTUNGEN VON 1-D-EULER-VERFAHREN UND ANDEREN ANSAETZEN .. 643
16.3.3 3D-EULER-VERFAHREN 646
LITERATUR 649
17 SIMULATION DER VERBRENNUNG 651
17.1 VERBRENNUNGSREGIMES 651
17.2 ALLGEMEINES VORGEHEN 653
17.3 DIESEL-VERBRENNUNG 655
17.3.1 SIMULATION DER WAERMEFREISETZUNG 655
17.3.2 ZUENDUNG 662
17.3.3 NOX-BILDUNG 662
17.3.4 RUSSBILDUNG 664
17.3.5 HC-UND CO-EMISSIONEN 665
17.4 HOMOGENER BENZINMOTOR (VORMISCHVERBRENNUNG) 665
17.4.1 ZWEIPHASENPROBLEMATIK 666
17.4.2 MAGNUSSEN-MODELL 669
17.4.3 FLAMMENFLAECHENMODELLE (AUCH COHERENT FLAME MODELS) 673 17.4.4
G-GLEICHUNG 676
17.4.5 DIFFUSIVE G-GLEICHUNG 679
17.4.6 ZUENDUNG 680
17.4.7 KLOPFEN 681
17.4.8 SCHADSTOFFBILDUNG 681
IMAGE 8
XXII
17.5 BENZINMOTOR MIT LADUNGSSCHICHTUNG (TEILWEISE VORGEMISCHTE FLAMMEN)
.. 681 17.6 STROEMUNGSMECHANISCHE SIMULATION VON LADUNGSWECHSEL,
GEMISCHBILDUNG UND VERBRENNUNG: AUSBLICK 686
17.6.1 NETZBEWEGUNG 687
17.6.2 NUMERIK..... 687
17.6.3 TURBULENZ 688
17.6.4 MODELLIERUNG DER EINSPRITZPROZESSE 688
17.6.5 MODELLIERUNG DER VERBRENNUNG 691
LITERATUR 692
TEIL E: SYSTEMBETRACHTUNGEN UND AUSBLICK 695
18 DER VERBRENNUNGSMOTOR ALS TEIL DES GESAMTEN ANTRIEBSSTRANGS 697 18.1
ZUKUENFTIGE ENTWICKLUNGSZIELE DER VERBRENNUNGSMOTOREN 697 18.1.1
EINFUEHRUNG 697
18.1.2 KONFIGURATION DES OPTIMALEN ANTRIEBSSYSTEMS 699
18.1.3 TECHNOLOGIEELEMENTE KUENFTIGER ANTRIEBSSTRANG-KONFIGURATIONEN .
700 18.1.4 VORAUSLEGUNG 702
18.1.5 ENTWICKLUNGSPHASE 708
18.1.6 ANTRIEBSSTRANGKONFIGURATIONEN - BEISPIELE 710
18.2 ANSAETZE ZUR SIMULATIONSGESTUETZTEN MOTORAUSLEGUNG 715
18.2.1 SIMULATION IM MOTORENTWICKLUNGSPROZESS 716
18.2.2 SKALIERBARE MOTOR-UND GESAMTSYSTEMMODELLIERUNG 719 18.2.3
AUSGEWAEHLTE ANWENDUNGEN 725
18.2.4 AUSBLICK 731
LITERATUR 732
19 ZUKUNFT DES VERBRENNUNGSMOTORS 735
19.1 EINLEITUNG 735
19.2 DIE ROLLE DER VERBRENNUNGSMOTOREN FUER DIE MOBILITAET DER ZUKUNFT 736
19.3 VERBRENNUNGSMOTOREN - GESTERN, HEUTE, MORGEN 743
19.3.1 ALTERNATIVE KONZEPTE 743
19.3.2 ENTWICKLUNGSPOTENZIAL DES VERBRENNUNGSMOTORS 751 19.4 ZUKUENFTIGE
KRAFTSTOFFE 766
19.4.1 ANFORDERUNGEN 766
19.4.2 BIO-KRAFTSTOFFE 770
19.4.3 SYNTHETISCHE KRAFTSTOFFE (SYNFUEL) 772
19.4.4 WASSERSTOFF 772
19.5 ZUSAMMENFASSUNG/AUSBLICK 774
LITERATUR 776
SACHWORTVERZEICHNIS 779
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