4. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA INTERFACEbibing.us.es/proyectos/abreproy/4433/fichero/MEPO%2F5.pdf ·...

Estudio sobre los programas MEPO Y MECIDI Araceli Navas Muñoz

Departamento de Ingeniería Energética

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4. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA (INTERFACE) Comprender como funciona un motor de encendido por chispa, no es tarea fácil para los alumnos; y en el caso de los profesores, no siempre encuentran la herramienta apropiada para explicar su funcionamiento. Es por ese motivo, por el que se ha lanzado la propuesta de implementar en Matlab un modelo de un motor. Esto sin lugar a dudas, presenta un elevado carácter educacional; ya que no solo sirve para que aprendamos conceptos básicos de motores, sino que además seremos capaces de familiarizarnos con ellos de una manera sencilla. A continuación, proponemos al lector que lea con detenimiento las posibilidades que le ofrece dicha herramienta, para que a posteriori pueda jugar con las diferentes variables que modifican el comportamiento del motor y pueda ver gráfica o numéricamente los resultados de los cambios que ha realizado. Pasaremos a explicar paso a paso el funcionamiento del programa con el fin de que el usuario haga un uso adecuado del mismo.

En primer lugar, debemos introducir la carpeta que contiene el programa, “MEPO” en este caso, en el path de Matlab. Una vez hecho esto sólo tendremos que escribir MEPO en la línea de comandos de Matlab y pulsar INTRO para ejecutarlo. 4.1. Introducción de los parámetros de diseño del motor. Una vez puesto en funcionamiento el programa, se visualiza una primera pantalla en donde se deberán introducir, dentro de los rangos establecidos, los datos de entrada que serán fijos para cada motor. Éstos se pueden introducir manualmente; o de forma automática pulsando el botón EXAMINAR, de esta forma nos aparecerá un cuadro de diálogo en donde podremos elegir cualquiera de los archivos que se nos muestran. Los datos a introducir son los siguientes:

- El radio del cigüeñal R (2-7 cm). - La longitud de la biela L (10-25 cm, y tal que R/L = 0.25-0.3). - El diámetro del pistón (3-13 cm). - El número de cilindros del motor (1-12). - La relación de compresión volumétrica del motor (4-12). - El retraso al cierre de admisión respecto del PMI (0º-60º). - El avance a la apertura del escape respecto del PMI (0º-60º). - El avance a la apertura de admisión respecto del PMS (0º-30º). - El retraso al cierre del escape respecto del PMS (0º-30º). - El dosado relativo (0.85-1.25). - La temperatura del refrigerante (80-120 ºC). - La temperatura ambiente (0-50 ºC). - La presión ambiente (0.8-1.05 bar). - El volumen de huecos (como máximo el 2.5 % del volumen muerto en cm3). - El poder calorífico inferior del combustible (40-44 MJ/kg). - Parámetro m de la función de Wiebe (1-3). - Régimen de giro al ralentí (750-1200 r.p.m.). - Humedad relativa del aire (0-100%).



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- Opcionalmente, en vez de considerar el ángulo de duración de la combustión y el punto de encendido automáticos (por defecto), se pueden introducir de forma manual dentro de los rangos establecidos (20º- 90º y 0º- 40º respectivamente). − Finalmente, tanto el número de segmentos de compresión (2-3) como el desgaste de la segmentadura (Bajo\Medio\Alto) se seleccionarán mediante las listas desplegables situadas en la parte inferior derecha de la pantalla. Una vez introducidos los datos tan solo tendremos que pulsar el botón ACEPTAR para que el programa empiece a funcionar. En caso de haber introducido un dato erróneamente el programa nos avisará con un mensaje de error.

Figura 1: Pantalla de introducción de datos

Figura 2: Cuadro de diálogo que aparece si elegimos introducir los datos de forma automática

4.2. Pantalla de resultados Una vez hemos pulsado el botón ACEPTAR en la pantalla de introducción de datos, entramos en la pantalla de resultados. Dicha pantalla se divide en 4 zonas, que pasaremos a explicar a continuación: Zona 1: Se encuentra en la parte superior y dispone de unos ejes en donde se visualizarán las representaciones gráficas. Zona 2: Se sitúa debajo de los ejes y está formada por unas barras de deslizamiento para la selección de las variables del motor. Éstas son las siguientes:

- El régimen de giro del motor (desde el régimen al ralentí hasta 7000 r.p.m.). - El porcentaje de gases de escape recirculados (grado de EGR, 0-25 %). - El grado de carga del motor (0-100 %).



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En la parte inferior de esta zona, se encuentra una ventana de mensajes que indica en todo momento al usuario el estado del procesamiento y las posibles acciones que puede ejecutar para un uso correcto del programa. Zona 3: Se trata de un cuadro que se encuentra a la derecha de los ejes, donde aparecerán los valores promedios característicos del motor. Zona 4: Situada en la parte derecha se encuentran una serie de botones correspondientes a las representaciones gráficas que el programa nos ofrece en función del ángulo de giro del cigüeñal y a la presentación numérica de los resultados (salidas del programa). Cabe mencionar que en todas las representaciones gráficas, se puede realizar una ampliación de una región del gráfico (zoom), marcando un rectángulo en la zona deseada con el botón izquierdo del ratón. Este zoom puede aplicarse repetidamente para ver con más detalle una zona de interés. Éstas son las diferentes posibilidades: - Botón doble ( Presión ) + ( Temperatura ): Representación gráfica de la evolución de la presión y de la temperatura en el cilindro con el ángulo de giro del cigüeñal. También incluye la evolución de la presión en caso de ausencia de combustión (presión en arrastre). - Botón doble ( P-V ) + ( lgP-lgV ): Representación gráfica de la presión frente al volumen del cilindro (diagrama del indicador), en escala normal y logarítmica respectivamente. Se indican también los valores de la presión media de bombeo (pmb) y de fricción (pmf), cuya suma constituye la presión media de las pérdidas mecánicas (pmpm). Los parámetros nc, ne y GM representan los exponentes politrópicos de compresión y expansión y global respectivamente. - Botón doble ( Par efectivo ) + ( Par indicado ): Representación gráfica de los pares instantáneos efectivo e indicado del motor con el ángulo de giro del cigüeñal. Se indican también los valores medios del par en cada caso. - Botón doble (Xb)+(Qch): Representación gráfica de la fracción de masa quemada y de la tasa de liberación de calor debida a la combustión en un cilindro respectivamente con el ángulo de giro del cigüeñal. Se indican también los valores del rendimiento de la combustión, el ángulo de retraso, el ángulo donde se produce el salto de la chispa y los parámetros m, a y ángulo de duración de la combustión usados en la función de Wiebe. - Botón doble (Qht(MW/m2))+(Qht(MW)): Representación gráfica de la Tasa de transferencia de calor a las paredes de un cilindro tanto en términos absolutos (MW) como por m2 de superficie de transferencia. Un valor negativo del flujo indica transferencia de calor de las paredes al fluido contenido en el cilindro (más frío). - Botón triple (Fugas(mg))+(Fugas(%))+(Presiones): Representación gráfica de las fugas al cárter en un cilindro tanto en mg como en porcentaje respecto de la masa total atrapada al cerrar la admisión (RCA), y distribución de presiones en la segmentadura (presión en el cilindro y en los volúmenes entre segmentos). Una disminución de las fugas supone la entrada de gases al cilindro provenientes de la segmentadura (a mayor presión que el cilindro). - Botón doble (Pérdidas)+(Ciclo Aire-Cble): Representación gráfica de las pérdidas de calor en un cilindro debidas: al rendimiento de la combustión, los huecos, las fugas y la



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transferencia de calor. Cada curva se obtiene a partir de la inmediatamente superior. La última curva (azul) representaría la energía real utilizada. Un valor negativo indica pérdidas netas de calor desde RCA hasta ese instante. En el segundo botón se muestran el ciclo aire-combustible y el diagrama P-V, indicando el porcentaje de pérdidas de área del ciclo real (área = pmi). - NUM: Presentación numérica de los resultados tanto de los datos de entrada como de los resultados obtenidos con el programa. -NUEVO: vuelve a la pantalla de introducción de datos para poder modificar cualquier dato, o bien simular un motor diferente.

Figura 3: Pantalla de resultados

Ya calculada la situación de ralentí estamos en disposición de simular el comportamiento del motor, por lo que pulsamos el botón ACEPTAR. Transcurridos unos minutos el programa nos indicará que se encuentra en disposición de mostrarnos los resultados. Es en este momento, cuando tenemos la posibilidad de modificar las variables mencionadas anteriormente. Una vez efectuados los cambios para que éstos se hagan efectivos pulsaremos de nuevo el botón ACEPTAR. Mencionar además que en la parte superior de la pantalla podremos desplegar un menú ARCHIVO en donde podremos seleccionar impresora, salir del programa o imprimir. 4.3. Menú ayuda Tanto en la pantalla de introducción de datos como en la pantalla principal disponemos de un menú de ayuda al cual se accede desde la parte superior de la pantalla y en el que encontraremos las instrucciones necesarias para el correcto manejo del programa.



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Figura 4: Menú ayuda

4.4. Resultados obtenidos A pesar de que los resultados obtenidos son satisfactorios, en especial en el rango de revoluciones comprendido entre 1000 y 3000 r.p.m., se produce un distanciamiento progresivo para mayores regímenes de giro; esto es debido principalmente, a que en nuestro modelo no se tienen en cuenta los efectos dinámicos que favorecen el llenado de los cilindros a altas vueltas. En el modelo tampoco se consideran otros factores causantes de este distanciamiento a elevadas revoluciones y que penalizan el rendimiento volumétrico, tales como: - Efectos de la inercia del gas en el sistema de admisión. - Compresibilidad del fluido. - Sintonización de colectores. Por último, comentar a nuestros alumnos que a la turbulencia responsable de aumentar la velocidad y características de la combustión, lo que mejora el control de emisiones y rendimiento respectivamente. No se le ha prestado demasiado cuidado en nuestro modelo, ya que no se han considerado: - Disposiciones constructivas encaminadas a aumentar la turbulencia durante el proceso de admisión. - Factores de diseño no considerados que afecten a la velocidad de combustión como: - Geometría de la cámara de combustión. - Número de bujías y su disposición. A pesar de esto, los resultados obtenidos cubren nuestras pretensiones de realizar una herramienta educacional que nos proporcione una información bastante exhaustiva del comportamiento de un motor de combustión de encendido por chispa.; dándonos la posibilidad de jugar con los diferentes parámetros que gobiernan su funcionamiento. En las gráficas de resultados que a continuación se van a presentar el color azul corresponde a lo resultados reales mientras que el rojo corresponde a los experimentales, correspondientes al modelo RENAULT LAGUNA 3.0 V6:



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CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR

Nº de cilindros

Cilindrada (cm

3)

φ (mm)

Carrera (mm)

Relación compresión

Alimentación

6

2946

87.0

82.6

10.5

Inyección electrónica gasolina

N (r.p.m)

Potencia Motor (CV)

Potencia Modelo (CV)

Error Relativo

(%)

Par Motor (N⋅m)

Par Modelo (N⋅m)

Error Relativo

(%)

1500

33.00

36.60

10.91

154.00

171.10

11.10

2000

54.00

54.15

0.28

180.00

189.90

5.50

2500

80.00

78.23

2.21

210.00

219.60

4.57

3000

101.00

100.82

0.18

238.00

235.90

0.88

3500

123.00

121.09

1.55

254.00

242.80

4.41

4000

146.00

134.15

8.12

260.00

235.30

9.50

4500

164.00

145.03

11.56

258.00

226.10

12.36

5000

180.00

153.88

14.51

259.00

215.90

16.64

5500

191.00

159.73

16.37

244.00

203.60

16.56

6000

204.00

159.86

21.64

243.00

186.90

23.09

6200

180.00

160.14

11.04

205.00

181.20

11.61

POTENCIA

PAR

4.5. Manejo del programa por los alumnos A continuación, se muestran los resultados obtenidos por uno de nuestros alumnos, el cual ha tratado de mostrarnos sus conocimientos adquiridos sobre el funcionamiento del motor gasolina. Para ello, ha tomado de nuestra base de datos los parámetros referentes al modelo Civic 1.6 y ha generado un modelo asignándole a las variables los siguientes valores: EGR= 15%, Carga= 75% y régimen de giro= 4000 rpm. Posteriormente, ha ido modificando los parámetros que ha considerado oportunos y ha comparado dichos resultados con el modelo mencionado. Los resultados que ha obtenido los comentará desde dos puntos de vista: por un lado, se basará en los conocimientos sobre motores térmicos; y por el otro, desde el punto de vista de usuario del programa que se le ha presentado.



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Sin entrar más en detalles, se presentan a continuación los resultados, donde se especifican las variables que ha modificado y las repercusiones que trataba de conseguir con dichas variaciones:

1. Modificar el avance al encendido y estudiar las repercusiones que ocasiona sobre la presión y temperatura en el interior del cilindro. En el modelo considerado el valor del avance al encendido (salto de la chispa) es de 35.7º y dicho valor se modifica a 20º.

RESULTADOS NUMÉRICOS

Valor de los datos almacenados en el programa:

SC= -35.7º

Valor de los datos modificados:

SC= -20º

Se observan como los valores medios de las presiones indicada y efectiva disminuyen al disminuir el ángulo donde se produce el salto de la chispa, esto es debido a que disminuye el trabajo desarrollado por el ciclo. Sin embargo, cabe comentar que esta tendencia se invertirá al alcanzar un máximo, ya que un mayor avance produciría una disminución de la pme, debido fundamentalmente a un aumento de las pérdidas de calor y a la reducción de la expansión efectiva (diferencia entre los trabajos de expansión y compresión).



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A continuación se mostrarán los resultados gráficos que genera el programa:

PRESIÓN

Datos almacenados: SC= -37.5º

Datos modificados: SC= -20º



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TEMPERATURA



Se observa que al avanzar el punto de encendido (SC= -37.5º), para unas condiciones operativas dadas, la presión y la temperatura cuando salta la chispa se reducen, pero la cantidad de calor liberado por la masa que se quema antes del PMS crece. El efecto combinado lleva a que la presión máxima crezca (al igual que la temperatura según observamos en las gráficas pero no en la misma proporción puesto que la presión crece mucho más) con el avance de encendido hasta un punto en el que se alcanza el máximo absoluto y a partir de él disminuye. A continuación se presentan las gráficas del calor liberado y la masa quemada para comprobar el efecto ya comentado.



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Calor liberado

Masa quemada


Calor liberado

Masa quemada

Me gustaría mencionar que el signo del parámetro avance al encendido me ha generado cierta confusión, puesto que a pesar de que se le asigne un valor positivo el programa directamente contempla que se trata de un valor negativo. Esto es debido a que dicho parámetro se suele referenciar como positivo frente al PMS.

2. A continuación se estudiarán las repercusiones que tienen un cambio en el régimen de giro sobre el rendimiento volumétrico. Dichos resultados también se pueden analizar sobre la gráfica del par, puesto que como ya sabemos, el par motor se corresponde con la fuerza desarrollada durante la rotación, éste alcanza su valor máximo a un determinado régimen (inferior al de la potencia máxima). A partir de dicho valor el par disminuye al aminorarse el rendimiento volumétrico, entre otros factores, esto se explica teniendo en cuenta que para cada motor existe una velocidad de rotación en correspondencia con la cual la masa del fluido activo que entra en los cilindros en cada ciclo es la máxima posible. Pasamos a presentar los resultados numéricos y gráficos donde se observarán esa disminución de rendimiento volumétrico y de par al aumentar el régimen de giro:



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Régimen de giro= 4000 rpm

Régimen de giro= 6000 rpm

Observamos como el rendimiento volumétrico (RV) pasa de 0.68 a 0.59 cuando el régimen de giro aumenta en 2000 rpm, es decir, cambia de 4000 a 6000 rpm.

PAR EFECTIVO

4000rpm



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6000rpm

PAR INDICADO

4000rpm

6000rpm



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Se aprecia una considerable diferencia en el apartado de pérdidas y que se refleja en una mayor diferencia cuando el motor gira a 6000rpm entre el par efectivo y el par indicado (en torno a un 30%). Ya que las pérdidas por fricción deben ser iguales en los dos casos, por ser los mismos el pistón y el cilindro, se llega a la conclusión que por otro lado tiene cierta lógica, de que las válvulas y el conjunto del motor no están diseñados para trabajar a estos regímenes; y por ello la diferencia antes comentada entre pares a 4000rpm es de solo el 18%. Esta diferencia probablemente sea menor incluso a más bajas revoluciones, en un punto cercano al óptimo de la curva de consumo específico. 3. Vamos a analizar como influyen las variaciones de las condiciones de

funcionamiento, como una disminución del porcentaje de carga, pasando de un valor del 75% a un 30% sobre: el dosado, la fracción de masa quemada y la presión en el colector de admisión.

En primer lugar se analizarán las masas contenidas en el cilindro al cerrar la admisión (RCA) en ambos casos:

Carga=75%

Aire seco(g)= 0.3161 Combustible(g)= 0.0217 Agua en aire(g)= 0.0041 Masa EGR(g)= 0.0558 Residuales(g)= 0.0190 Masa total quemada(g)= 0.0748 Masa total atrapada(g)= 0.4168

Carga=30%

Aire seco(g)= 0.2041 Combustible(g)= 0.0140 Agua en aire(g)= 0.0027 Masa EGR(g)= 0.0360 Residuales(g)= 0.0168 Masa total quemada(g)= 0.0529 Masa total atrapada(g)= 0.2737

Analizando los resultados podemos observar como el valor del dosado para ambos casos apenas varía, esto es debido a que la regulación de la carga en un motor de gasolina se realiza de forma cuantitativa y no cualitativa, de esta forma conseguimos más o menos cantidad de mezcla pero de la misma composición.

Dosado (75% carga) = 068.03202.0

0217.0 =

Dosado (30% carga) = 068.02068.0

0140.0 =

Sin embargo, el rendimiento volumétrico es un parámetro que sí varía significativamente y que es más favorable en el caso de una mayor apertura de la mariposa; variando en el primer caso desde el 0.68 hasta el 0.44 del segundo caso. Esto es debido a que una mayor apertura favorece la capacidad de llenado y conlleva un mayor rendimiento total, visible en el parámetro gfe que para el 75% es 257,4 g/Kw·h mientras que para el 30% su valor es de 309,2 g/Kw·h



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A continuación mostramos las representaciones gráficas de la fracción de masa quemada y del calor liberado:

FRACCIÓN DE MASA QUEMADA

Carga = 75%

Carga = 30%

Según se observan en las gráficas con menor carga se produce un avance en el encendido y la combustión es de mayor duración, ya que el ángulo de combustión aumenta en el segundo caso. Sin embargo observando la tasa de liberación de calor no



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cabe duda que al aumentar el calor liberado durante la combustión es mayor, este hecho se contempla en las gráficas siguientes:

Carga = 75%

Carga = 30%

Por último comentar que la presión en el colector de admisión dependerá sobre todo de la carga y del régimen de giro del motor, que son fundamentalmente los que provocan el vacío tras la válvula estranguladora, y por tanto en el colector de admisión. Estas relaciones se pueden visualizar perfectamente en la siguiente gráfica:



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Los resultados obtenidos por el programa reafirman esta dependencia ya que para un valor del 75% de carga el valor de la presión en el colector de admisión es de 0.96 bar y para un valor del 30% es de 0.63 bar.

4. Como ya vimos en este artículo, la ley de Wiebe está caracterizada por dos parámetros (a y m). El primero, a, constituye el indicador del grado de combustión, es decir de la fracción máxima de calor puesta en juego; y el segundo, m, proporciona cuando y cómo se libera la energía. A medida que m disminuye, mayor es la velocidad de quemado al inicio de la combustión y viceversa, cuando mayor es m, mayor es la tasa de liberación de energía en el estadio final de la combustión. Comprobaremos esta segunda afirmación sobre el parámetro m, haciendo aumentar su valor de 2 a 3 y observaremos gráficamente los resultados sobre la tasa de liberación de energía:

m=2



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m=3

Tras observar el efecto que produce el parámetro m sobre la tasa de calor liberado, me ha quedado muy claro el significado de dicho parámetro; por ello, pienso que el poderse variar en este programa el parámetro “a” también sería de gran utilidad.

5. Vamos a analizar como influyen en las fugas modificar el estado del desgaste. Lo que estamos modificando realmente es el área de paso entre segmentos Aj. Pasaremos de un desgaste bajo a alto y el efecto que se produce es que las fugas se multiplican por 3, este hecho se observa en las siguientes gráficas:

FUGAS %

Desgaste bajo



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Desgaste alto

Cabe mencionar que para un estado óptimo del paquete de segmentos (desgaste bajo), las presiones existentes entre los distintos segmentos presentan típicamente las siguientes distribuciones en función del ángulo de giro del cigüeñal:

DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN LA SEGMENTADURA

Desgaste bajo

Al aumentar el área de paso Aj (debido a un amento del desgaste de la segmentadura), aumentarán las presiones de las cámaras entre segmentos y por tanto también las fugas al cárter.



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Desgaste alto

Las fugas también aumentarán al aumentar las dimensiones del pistón, al disminuir el número de vueltas o al disminuir los volúmenes entre segmentos. Finalmente se presentan unos resultados numéricos que constatan que una disminución de fugas va asociada a un aumento de potencia, debido a que se han reducido las pérdidas:

Desgaste bajo

Desgaste alto



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6. Analizaremos lo que ocurre con el calor transferido a las paredes, si modificamos el régimen de giro del motor:

n = 4000rpm

n = 6000rpm

Al igual que ocurría con el motor de encendido por compresión, al disminuir n aumenta el calor transferido. Esto era debido a que a bajas velocidades hay más tiempo para que el calor pase a través de las paredes, y por lo tanto, existen más pérdidas de calor que a altas velocidades. Desde mi punto de vista, el poder analizar el calor transferido por metro cuadrado es una gran ventaja, puesto que podemos desvincular los resultados del tamaño y forma del cilindro.



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7. Para finalizar este estudio sobre los motores Otto, diluiremos la mezcla con una proporción mayor de EGR pasando a ser del 15% al 25%, y los valores obtenidos en las emisiones son las siguientes:

EGR= 15%

EGR= 25%

EGR= 15%



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EGR= 25%

Observamos que al aumentar la proporción de la mezcla con los gases de escape se reducirán los niveles de NO, pasando a valer de 1500 ppm a 644.8 ppm, pero empeorará la combustión, provocando el prematuro apagado de la llama. Esto lo podemos observar en las gráficas de análisis de las pérdidas, donde queda patente que al aumentar el porcentaje de EGR la energía total aportada es menor.

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