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domingo, 28 de febrero de 2016

Diseño de Motores 2T diesel marinos, la necesidad de los análisis CAE y CFD

Todas las ventajas que proporciona la gestión electrónica recientemente introducida en los modernos motores de 2T marinos (motores lentos, Low Speed) se encuentran limitadas por la física de los elementos mecánicos que costituyen el propio motor, la capacidad de consumo de aire, combustible, eficiencia del barrido, capacidad para quemar diferentes combustibles, temperaturas admisibles en la cámara de combustión, potencia máxima que puede desarrollar la estructura motor, capacidades de la turbosoplante etc. Todos estos parámetros se encuentran determinados por la arquitectura del propio motor, para optimizar el diseño de un motor antes de contruirlo contamos con las herramientas CAD, CAE y el CFD, que nos van a permitir construir de forma virtual y simular su comportamiento, el ahorro de costes en tiempo y dinero es incomparable, además de que es posible desarrollar y evolucionar mucho más un determinado diseño. 
 
El cálculo de esfuerzos y la resistencia de los materiales de los elementos que componen el motor son validados por medio de análisis FEM, o cálculo por elementos finitos a partir de los modelos 3D previamente realizados por ordenador, lo que se conoce como CAD 3D, es decir los componentes son creados virtualmente por ordenador a escala real, posteriormente todos estos elementos, ordinariamente compuestos por miles de elementos son ensamblados en conjuntos y subconjuntos, para crear un motor completo realizado por ordenador. Posteriormente se analizan por medio del CAE el comportamiento de estos elementos, se le aplican a las geometrías las propiedades de materiales con las que están fabricados, condiciones de contorno, restricciones y cargas, etc. Se realizan miles de simulaciones FEM para validar el comportamiento de cada uno de los elementos que componen el motor. 
 
A continuación se muestra el comportamiento del cigueñal de un motor sometido a las cargas que recibirá durante su funcionamiento real una vez contruido, el análisis muestra el nivel de tensiones que recibe el material en cada punto de su geometría.
Análisis por elementos finitos del nivel de tensiones de un cigueñal de un motor lento de 2T.
 
Los motores de dos tiempos en general presentan un inconveniente que tiene una gran influencia en el desarrollo de su ciclo de funcionamiento, este problema viene motivado por el hecho de tener que realizar las cuatro fases del ciclo de funcionamiento (expansión, escape, admisión y compresión) en una sola vuelta del cigüeñal, por tanto los periodos necesarios para cada una de las fases son necesariamente más cortos que en un motor de cuatro tiempos. De todas ellas, las etapas más críticas son el escape-admisión, que es cuando se renueva la carga dentro del cilindro, es por ello que en el diseño del motor es sumamente importante que dichas etapas se lleven a cabo de forma óptima, para que el motor pueda desarrollar buenas prestaciones.

Diagrama presión-volumen de un motor de dos tiempos.
 
El proceso de desplazamiento de los gases quemados fuera del cilindro, y el llenado con carga de aire fresco, recibe el nombre de “barrido”, y su adecuada realización tiene una influencia decisiva no solo en el consumo de combustible, sino también en la potencia y en la contaminación.  En la siguiente figura se indica la circulación de aire (color rojo) y gases de escape (color azul).
Esquema de barrido y renovación de la carga del motor MAN S50MC
 
Tal y como se puede observar en la figura anterior, el aire entrante se utiliza para expulsar fuera o barrer los gases de escape y mientras tanto llenar el espacio con aire fresco. Durante el proceso, una cantidad de aire externo es usado para limpiar el cilindro de gases de combustión. El aire entrante a presión dentro del cilindro se llama aire de barrido, y las lumbreras a través de los que entrase son llamadas lumbreras de admisión o de barrido. El barrido de los motores de dos tiempos se caracteriza por dos problemas típicos: las pérdidas por short-circuit y mixing. Short-circuit (cortocircuito) consiste en expulsar parte de la carga de aire fresco directamente al escape y Mixing (mezcla) consiste en que hay una pequeña cantidad de gases residuales que permanecen atrapados sin ser expulsados, los cuales se mezclan con parte de la carga de aire fresco. A fin de reducir estos problemas, el aire de barrido que entra dentro del cilindro a partir de las lumbreras de admisión debe estar perfectamente dirigido. La siguiente figura, obtenida mediante un análisis CFD, muestra la distribución de velocidades del flujo en el interior del cilindro durante la renovación de la carga.
Distribución de velocidades del flujo durante el barrido. Imagen obtenida con OpenFOAM.
Lumbreras de barrido del motor MAN B&W S50MC
 
El motor MAN B&W 7S50MC cuenta con 7 cilindros en línea, con un diámetro de cilindro de 500 mm y una carrera de 1910 mm, suma una cilindrada total de 375 litros y desarrolla una potencia máxima de 9.988 kW a 127 rpm. Cada cilindro posee en su parte baja 16 lumbreras de admisión y en la culata posee una gran válvula de escape para permitir la exhaustación de los gases quemados. 
Parámetro
Valor
Tipo de motor
Diesel, dos tiempos
Sistema de barrido
Uniflujo
Sobrealimentación
Turbocompresor
Cilindrada (cm3)
375.028
Diámetro (cm)
500
Carrera (cm)
1910
Presión media efectiva (bar)
19
Velocidad (rpm)
127
Número de cilindros
7
Potencia (kW)
9988

Por medio del análisis CFD proporciona información completa sobre el fenómeno en el interior del cilindro y la influencia de multitud de factores. En el campo de los motores marinos medianas y grandes, el análisis CFD es especialmente útil porque un prototipo experimental es extremadamente costoso y la construcción de un modelo a escala a veces no es suficientemente preciso.

La siguiente figura muestra las fracciones másicas de gases de escape (color azul) y aire (color rojo) para un recorrido desde 90º hasta 270º de ángulo de cigüeñal.
Evolución de las fracciones másicas de aire y gases durante el barrido, análisis CFD realizado con OpenFOAM


FORMACIÓN:
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FUENTES:
 

sábado, 20 de febrero de 2016

Puch Condor III

La Puch Condor III fue unos de los ciclomotores más populares de la década de los 80 y principio de los años 90.

La Puch Condor III venía a ser una evolución de la Puch Condor II, que se caracterizaba por llevar el basculante con dos amortiguadores, frenos de tambor, plásticos en amarillo para guardabarros y pantalla, que incorporaba faro redondo.

Con la aparición de la Condor III, se cambió el depósito por uno de mayor capacidad, con 7 litros (0,5 litros de reserva), se mejoraron las suspensiones, con una horquilla delantera telescópica hidráulica con 180mm de recorrido y detrás un basculante con mono-amortiguador hidráulico sistema Monoshock y un recorrido de 162mm. El apartado de frenos también se mejoró incorporando, en la rueda delantera, un nuevo freno de disco hidráulico con 220mm de diámetro, para la rueda posterior se conservó el freno de tambor de expansión interna de 110mm y mando mecánico por varilla. Los plásticos, guardabarros y pantalla también cambiaron, con un diseño diferente, y la incorporación de un faro cuadrado.
Lo mejor de la Condor estaba en el motor, un monocilíndrico de dos tiempos refrigerado por aire con 48,8 cm³, y sistema de admisión a la faldilla del pistón. La transmisión era con cambio de 4 velocidades con mando por palanca en el lado izquierdo. Fue un motor de mucha longevidad, ya que permaneció sin apenas cambios en todas las Puch de marchas, montándose también en las Puch Monza, Puch Borrasca y las restantes unidades de la saga Puch Condor, como son la Puch Condor MD-85, Puch Condor Trail y finalmente en la última variante de la Condor, que pasó a llamarse Puch TZX.


Y por que decimos que lo mejor de la Condor estaba en el motor, pues en primer lugar porque incorporaba un motor con cambio de cuatro marchas muy bueno, la palanca de cambios era pura mantequilla y tan solo era criticable el elevado recorrido que limitaba la realización de cambios de marcha muy rápidos. Lo que ofrecían marcas rivales no podía compararse en este apartado, como por ejemplo la Derbi FDS (su más directa rival por esas fechas) que era muy inferior.

Otra buena cualidad del motor Puch era se elevada robustez, ya que estaba derivado del que se había diseñado para la desaparecida Puch Cobra de 74cc. Por ejemplo el cigüeñal iba, si mal no recuerdo, sobre rodamientos dobles.  El cilindro poseía un aleteado muy generoso, lo cual permitía sobrepotenciar o trucar el motor, y tanto la refrigeración como el cambio de marchas admitía sin problemas el incremento de potencia, tan solo el embrague daba problemas y era necesario ponerle unos muelles más duros.

Tal y como venía de fábrica, con el cilindro de 4 transfers y 48,8cc, carburador Dell Orto SHA 12/12 y escape de serie, la potencia disponible era bastante baja, con unos 2CV a 5.500 rpm, según la publicidad del fabricante. Las prestaciones obviamente eran bastante modestas, con unos 60-65 km/h de velocidad máxima.

Pocos eran los que dejaban la Puch en esas condiciones, y lo primero que se le solía hacer era cambiar el carburador por un Amal de 16/16mm o un 18/18, eran carburadores muy sencillos pero permitían varios ajustes, ya que contaban con 3 ranuras para ajustar la altura de la aguja, tornillo de regulación del aire y cambio de chiclé. La puesta en marcha era por medio de un cebador, arrancaba a la primera pero te dejaba la mano oliendo a gasolina.  El cambio de carburador hacía que la potencia se incrementara de forma notable.

Otro cambio que venía unido al del carburador era alargar los desarrollos, de serie venía con piñón de ataque de 12 dientes y corona de 45 dientes, lo más inmediato era ponerle una corona de 38 dientes (también se podía poner de 36 dientes), otra opción era poner un piñón de 13 dientes, que era lo máximo que admitía y equivalente a 3 dientes menos de la corona. Al cambiar la la corona debíamos quitarle eslabones a la cadena, de lo contrario quedaba excesivamente larga. Las cadenas no eran remachadas, disponiendo de eslabón de cierre, por lo que eran fáciles de sustituir. En caso de trucar el motor era preferible poner una cadena más fuerte, lo más común era poner una cadena reforzada. En mi Puch recuerdo que llevaba una Iris semi-reforzada serie oro (de color dorado).

El siguiente elemento de gran importancia era el cambio del tubo de escape, algunos modelos como el Yasuni Bufanda añadían alrededor de 1 CV más, con una curva de potencia más puntiaguda, y más estirada (más revoluciones máximas). Se podían poner tubarros por arriba (tipo bufanda) o por abajo como los que llevaban las motos de carretera. Marcas más usuales para esta moto eran los tubarros Yasuni y Metrakit.
 

Con estos cambios las prestaciones se incrementaban notablemente, también el consumo de combustible, pero la fiabilidad del motor no se veía comprometida, al contrario, incluso permitía circular más desahogado.

El siguiente paso para potenciar el motor consistía en cambiar el cilindro, lo cual pasaba por adquirir un Kit que venía con un cilindro, pistón, bulón, jaula de agujas y juegos de juntas, que permitía hacer el cambio fácilmente. En ocasiones también se recomendaba cambiar la culata para evitar elevar en exceso la relación de compresión (podría dar problemas de picado de biela). Este cilindro tenía un diámetro mayor (la carrera permanecía constante), lo cual permitía el incremento de cilindrada, los suministraban de 65cc, 74cc e incluso 80cc. Además estos kits contaban con cilindros con mayor número de transfers, pasando de 4 a 5, 6 o 7, mayores galerías de paso y lumbreras de escape más grandes, en ocasiones divididas en dos, o una central con lumbreras tipo boost. Algunos contaban también con admisión por láminas. Los pistones solían ser mejores, forjados y aligerados, de la marca Manhle o otras. Los fabricantes de estos Kits solían ser Autisa, Metrakit y Gilardoni.

Con todas estas mejoras la potencia podía superar fácilmente los 10CV, y la velocidad máxima los 100km/h, pero consumo y fiabilidad se veían desfavorablemente afectados.

En la imagen siguiente se puede contemplar la Puch Condor III  que fue de mi propiedad, tal y como quedó después de efectuadas la modificaciones en el año 1994. Llevaba carburador Amal de 18mm, escape Yasuni Bufanda, desarrollos 36-12, cilindro de fábrica limado, guardabarros Acervis irrompibles, y pantalla Goneli de faro rectangular. La rueda trasera era la famosa Pirelli Madrake, la cual cantaba fuertemente al frenar en seco.


LINKS:

viernes, 12 de febrero de 2016

Raleigh Signature model John Tomac (1991)

La Raleigh Signature model John Tomac, es una bicicleta de montaña de competición diseñada para el famoso cliclista de BTT John Tomac. El magnífico artículo es de Julio Vicioso y fue publicado en la revista Bicisport.
Es una bicicleta avanzada que cuenta con diversas particularidades como son su exclusivo cuadro de aluminio, fibra de carbono y titanio, suspensión Manitou de elastómeros, rueda lenticular trasera (la famosa Disk Drive) y el sorprendente manillar de bicicleta de carreras. Su precio también era muy exclusivo, superando las 500.000 ptas en 1991.
 



LINK: 


miércoles, 10 de febrero de 2016

Fiat 500 Topolino (1936)

El Fiat 500 Topolino (en italiano significa ratoncito) era un pequeño utilitario de dos plazas diseñado por Franco Fessia y fabricado en Italia por la firma Fiat desde el año 1936 hasta 1955, durante este intervalo tuvo una producción estimada de 520.000 unidades.

Contaba con un pequeño motor de 4 cilindros en línea con válvulas laterales y 567 cm³ que desarrollaba una potencia de 13,5 CV a 4.000 rpm. La disposición motriz era clásica, con motor delantero longitudinal y tracción trasera, con cambio de marchas de 4 velocidades. 
 

Las prestaciones eran modestas, con una velocidad máxima de 85 Km/h y una pendiente máxima superable no superior al 20%.

En su época de producción era uno de los coches más pequeños del mundo, lo cual lo hacía especialmente apropiado como vehículo urbano, su longitud era de 3.215mm, anchura 1.275mm y altura 1.377mm.

Fue el primer Fiat que dispuso de sistema de calefacción en serie, mediante un ingenioso sistema compuesto por tubos que introducían en el habitáculo el aire caliente proveniente del radiador. 

Derivado del Topolino se fabricó la versión Giardiniera, una versión tipo break del pequeño modelo Fiat con cuatro plazas recordando el concepto familiar, que se popularizó en los años cuarenta en América, y que en España la sabiduría popular bautizó con el nombre de «Rubia», debido al color de la madera con que fabricaban estos coches. 

En 1952 aparece el Belvedere que se diferenciaba de su antecesor, el «Giardiniera», al estar construido enteramente en chapa y abandonar la terminación en madera. Tenía dos tonos de gris, uno oscuro y otro claro, recalcando los vivos de la carrocería enteramente metálica.


CARACTERISTICAS PRINCIPALES:


 


VIDEOS:



ENLACES:
- Peugeot 203 (1948-60)


AGRADECIMIENTOS:
Norplan Engineering SL por su amable colaboración en cedernos gran parte de las fotografías aquí mostradas.

sábado, 6 de febrero de 2016

Motor diesel Wärtsilä 46

El motor Wärtsilä 46 es un motor diesel de media velocidad, sobrealimentado, de cuatro tiempos y diseñado principalmente para aplicaciones marinas, bien como motor principal o como generador eléctrico. Aunque también ha sido utilizado en plantas de producción de energía eléctrica terrestre.
Motor diesel Wärtsilä 46
 
El motor diésel Wärtsilä 46 cuenta con cilindros de 460mm de diámetro y 580mm de carrera, totalizando una cilindrada unitaria de 96,4 litros, la renovación de la carga se consigue por medio de cuatro válvulas por cilindro, cuenta con un sistema de inyección directa de alta presión, enfriador de aire de barrido por intercambiador aire-agua, sistema Spex para el conducto de gases de escape y además cuenta con un turbocompresor de alta eficiencia. La gama de motores Wärtsilä 46, abarca desde motores de 6 cilindros en línea, hasta los más potentes de 16 cilindros en V.

Corte transversal del motor marino Wärtsilä 46.

El motor marino de cuatro tiempos Wärtsilä 46 ha sido empleado en múltiples buques tales como los atuneros “Albatún 2”, "Txori Toki" y “Panama Tuna”, el buque tanque “Sten Idun”, el crucero “Oasis of the Seas”, entre otros.
Sala de máquinas del Oasis of the Seas, con Wartsilla 46 como generadores eléctricos.
 
La importancia del solape de válvulas para mejorar el barrido:
El periodo de solape de válvulas es durante el cual permanecen abiertas las válvulas de admisión y de escape al mismo tiempo, quedando en comunicación el colector de admisión y el colector de escape y permitiendo que el flujo de gases frescos que impulsa el compresor pase a la turbina. Para comprender mejor en lo que consiste el solape, la Figura siguiente se muestra el diagrama de distribución del motor marino de cuatro tiempos Wärtsilä 46. Tal y como se puede apreciar en la Figura, existe un solape durante el cual las válvulas de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo, en este caso de 94º de ángulo de cigüeñal.
Diagrama de distribución del motor marino Wärtsilä 46.

El solape de válvulas es de crucial importancia en los grandes motores diesel de cuatro tiempos con elevada tasa de sobrealimentación actuales debido a los siguientes motivos:  
-    Permite mejorar la eliminación de los gases quemados expulsándolos hacia el escape, empleando para ello el flujo de aire entrante a elevada presión que es impulsado por el compresor.
-     El flujo de aire entrante por las válvulas de admisión a una temperatura relativamente baja representa una importante contribución en la refrigeración de las paredes de la cámara de combustión, cabeza de pistón y enfriamiento de las válvulas de escape.
-     Los gases frescos que se mezclan con los quemados y salen por los conductos de escape permiten reducir la temperatura de los gases de escape que llegan a la turbina del turbocompresor, evitando que la temperatura en las paletas de la turbina se aproxime a los límites compatibles con la resistencia mecánica.
Es por ello que en este tipo de motores se requiere que el periodo de barrido sea mayor que en otros motores, y para conseguir esto, el tiempo de solape de válvulas de ser particularmente amplio. El valor adecuado para el solape de válvulas es determinado para cada motor concreto en consonancia con los demás parámetros de diseño de ese motor. Como valores de referencia podemos indicar que el motor MAN 40-54 tenía un periodo de solape de 101,62º (54,62º+47º), el MAN 32-40 tiene valores un poco menores 89º (45º+44º),), el MACK 32 tiene un periodo de solape de 90º (45º+45º). Motores antiguos semirrapidos como el  MTU 16V 956 TB91 tiene un periodo de solape menor ya que solo tiene 61º (32º+29º), sin embargo mas moderno MAN 20-27 tiene valores de 100º (50º+50º), el motor rápido MAN D2840 LE tiene un periodo de solape de 51º (24º+27º). En motores de automóvil el periodo de solape tiende a reducirse e incluso a desaparecer con objeto de rebajar los consumos.
Culata del Motor diesel Wärtsilä 46

Análisis CFD del proceso de barrido durante el periodo de solape de válvulas:
A pesar de las ventajas que proporciona un largo periodo de solape, alargarlo demasiado tiene como inconveniente que el barrido resulta defectuoso. Por tanto, es muy importante determinar el tiempo óptimo de solape en motores. Para demostrar una vez más en este blog las ventajas del CFD (Mecánica de Fluidos Computacional), se ha analizado el barrido de gases dentro del motor Wartsila 46, especialmente durante el solape de válvulas. La Figura siguiente indica la malla utilizada para simular un cilindro de este motor. En la figura se ve el cilindro, conductos de admisión y escape y válvulas de admisión y escape. Se ha empleado una malla móvil para simular el movimiento del pistón desde 90º hasta 630º de ángulo de cigüeñal. 
Malla computacional del cilindro del Wartsilla 46.

En la Figura siguiente se muestran los resultados obtenidos mediante CFD. Para ver con claridad lo que ocurre en el interior del cilindro. Se indica en color azul el aire fresco y en color rojo los gases de escape. Asimismo, las flechas indican la velocidad del flujo. Como se puede observar, la válvula de admisión se abre antes de que los gases de escape abandonen completamente el cilindro, y su considerable velocidad asiste en aspirar carga fresca.
Resultados obtenidos mediante análisis de CFD.


CURSOS DE FORMACIÓN RELACIONADOS:

Con este breve artículo, incidimos en la importancia del CFD en motores diesel con el fin de analizar su funcionamiento e implementar mejoras con el fin de mejorar su funcionamiento.

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Otro curso de interés es el indicado a continuación, en él se explican todos los aspectos relacionados con el mantenimiento e inspección en esta clase de motores diesel:

- Curso de inspección y mantenimiento predictivo en motores diesel marinos 

 http://www.technicalcourses.net





FUENTES:
1-Wärtsilä
2-OpenFOAM
3-Technical Courses

miércoles, 3 de febrero de 2016

Yamaha XT 600 E

La Yamaha XT 600E es una moto de trail de cilindrada media, con motor monocilíndrico de 600cc y de cuatro tiempos, refrigerado por aire, y distribución tipo SOHC con 4 válvulas por cilindro. La potencia máxima es de 40 CV a 6.250 rpm y por medio de un cambio de cinco velocidades le permite una velocidad máxima de aproximadamente unos 160 km/h. La E significa que posee arranque eléctrico.

La XT 600 fue fabricada desde el año 1984 hasta el año 2003, cuando fue reemplazada por la XT 660 refrigerada por agua. En su momento, la XT 600 fue considerada como una buena motocicleta de enduro de doble propósito, muy adecuada para uso en ciudad y caminos tanto pavimentados como sin pavimentar. Su uso en campo através era limitado debido a su gran peso (unos 170kg con fluidos). Para autopista puede ser considerada un poco lenta y falta de protección aerodinámica (alcanza 160 km/h de velocidad máxima), pero se maneja confortablemente (con vibraciones aceptables) hasta unos 128 km/h.

Catálogo comercial de la XT 600 E:

La XT 600 fue producida durante un motón de años (concretamente unos 19 años), lo cual demuestra lo acertado de su diseño. Su polivalencia y tambien su relativo bajo precio hizo que se convirtiera en la motocicleta ideal en muchos casos y cubriera las necesidades básicas de transporte para personas que requerían de un vehículo suficientemente potente, fiable, fácil de mantener y sobre todo que aportaba la versatilidad suficiente para adaptarse sin problemas a diferentes escenarios.

En la práctica se trata de una motocicleta ágil y bastante polivalente, unido a la contrastada fiabilidad de su motor monocilíndrico refrigerado por aire, alimentado por carburador y con culata tipo SOHC con cuatro válvulas por cilindro. De este motor cabe mencionar que se conocen casos de kilometrajes superiores a 100.000 km sin necesidad de abrir el motor, lo cual dice mucho de su buena construcción y su longevidad mecánica.


ESPECIFICACIONES TÉCNICAS (Yamaha XT modelo 2003)

Make Model
Yamaha XT 600E
Year
2002-03
Engine
Air cooled, four stroke, single cylinder, 4 valves per cylinder.
Capacity
595
Bore x Stroke
95 x 84 mm
Compression Ratio
8.5:1
Induction
28mm Y26PV carb
Ignition  /  Starting
T.C.I. digital  /  electric
Max Power
45 hp 32.8 kW @ 6500 rpm (rear tyre 38.1 hp @ 6300 rpm)
Max Torque
48.1 Nm @ 5500 rpm
Transmission  /  Drive
5 Speed  /  chain
Front Suspension
41mm Telescopic forks, oil damped
Rear Suspension
Rising rate monoshock
Front Brakes
Single 282mm discs  4 piston calipers
Rear Brakes
Single 220mm disc  2 piston caliper
Front Tyre
90/90-21
Rear Tyre
120/90-17
Dry Weight / Wet Weight
156 kg / 170 kg
Fuel Capacity 
15 Litres
Consumption Average
18.0 km/lit
Braking 60 - 0 / 100 - 0
14.7 m / 41.8 m
Standing ¼ Mile  
14.3 sec / 138.4 km/h
Top Speed
160,3 km/h

La Yamaha XT 600 E entraba de lleno en el competido sector de las motocicletas trail de media cilindrada, teniendo como principales rivales de la época las Honda NX 650 Dominator, Yamaha XT 600 Teneré, Suzuki DR 650 RS, Gilera RC 600, Kawasaki KLR 650 Tengai. Con algo más de cilindrada estaba la también monocilíndrica Suzuki DR Big 800 S, y con algo menos de cilindrada, pero motor bicilíndico, la Honda XL 600 V Transalp y la Kawasaki KLE 500cc.

 

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