COMPREX: ESQUECIDO OU NÃO?

Ferrari 126 CX de 1981  testando o Comprex

Provavelmente o menos conhecido  sistema de superalimentação utilizado em veículos seja o Comprex.

Houve uma época em que se falou um bocado dele no meio técnico-automobilístico, início dos anos 1980. A Fórmula 1 havia adotado em seu regulamento, a partir de 1966, a possibilidade da comprimir o ar de admissão, mesma situação que irá ocorrer esse ano com os motores V-6 turbo — só que obrigatório, enquanto que em 1966 os motores podiam ser até 1,5-litro superalimentado ou 3 litros de aspiração atmosférica. Levaria 11 anos para alguém se lançar na receita de motor menor: coube à Renault inaugurar a chamada Era Turbo na F-1, em 1977, com o RS 01. A regra da opção durou a até o final de temporada de 1988, embora nesta e na anterior os motores de aspiração atmosférica pudessem ser de até 3,5 litros.

O nome Comprex vem de “compressão–expansão”, e tem o nome técnico de compressor de ondas de pressão. Movido por uma correia, atua desde a marcha-lenta, já mostrando aí a vantagem em relação aos turbocompressores, a eliminação do atraso de resposta (turbo lag) presente em praticamente todos os carros com esse conjunto mecânico, que a cada dia recebem mais duendes eletrônicos para matar as características não-lineares, fazendo até mesmo motores turbo muito potentes terem funcionamento sedado e pasteurizado, sem vícios, manhas ou qualquer outra politicamente incorreta.

Mas até aí, ser atuado por correia pode fazer imaginar que seja como os compressor mecânico, os populares blowers (sopradores) e os mais raros compressores volumétricos. Mas o Comprex é outra coisa.

O Comprex tem uma roda giratória com aletas internas e não há separação física entre os gases de escapamento quentes e o ar de admissão a temperatura ambiente. Seu princípio de funcionamento são as ondas de pressão, fenômeno entendido por volta de 1910. Apesar de ser uma idéia simples, a fabricação prática é um pouco mais difícil em automóveis, sendo menos incomum em maquinaria pesada e geradores, todos sempre movidos a óleo diesel, tipo de ciclo motor para o qual o Comprex nasceu.

Sua construção é simples, uma carcaça cilíndrica onde se aloja uma roda giratória de aletas retas, parecendo uma roda d’água de sítio, larga, mas seu funcionamento exige entender mais que o necessário para um turbo.

A roda é movida por uma correia, ligada ao virabrequim, girando por volta de 4 a 5 vezes mais rápido que esse, dependendo do motor, velocidade essa calculada para eliminar ao máximo a perda de potência de girar o Comprex, um equilíbrio alcançado já na marcha-lenta. Esse consumo de potência não chega acima de 2% nos piores casos construídos até hoje. Fica assim pronto para gerar pressão logo no momento em que se acelera acima da lenta.

O mais difícil aqui é entender a onda de pressão, diferença básica entre o Comprex e o turbo, já que nesse, muito mais comum e conhecido, não há contato entre gases de escapamento e ar de admissão. O Comprex usa um para comprimir o outro, com contato entre eles.

A pressão do escapamento passa ao ar de admissão na velocidade do som (1.225 km/h no nível do mar), e por esse mesmo fenõmeno físico é que escutamos, diferenças de pressão sonora fazem o tímpano ser pressionado e relaxado, com esse movimento sendo lido pelo aparelho auditivo. Não significa necessariamente que teremos uma pressão que danifique os ouvidos, mas sim, que a informação de pressão é rápida. 

Sendo repetitivo e de forma simplificada, é como calibrar um pneu. Não é necessário agitar o ar mecanicamente para que a pressão dentro de todo o pneu seja a mesma ajustada pelo calibrador.

Na roda do Comprex acontece a mesma coisa, informação de pressão passando rápido do gás quente para o frio, não indefinidamente, mas sim de forma pulsada pois, ao girar, a roda do Comprex expõe janelas de admissão e de escapamento, como em um motor 2-tempos, criando um selamento do ar frio para quando o gás quente entrar o pressurizar, saindo para dentro da câmara de combustão quando sua janela se abre, provocando uma depressão que puxa mais gás quente que vem com pressão, assim sucessivamente, com o gás indo embora menos quente, já tendo transmitido sua pressão ao ar na temperatura ambiente. Essa pulsação é o que se entende como onda de pressão.

A correta proporção de rotação e posicionamento das janelas é obtido quando do projeto do Comprex para extrair a eficiência máxima, e aí reside a maior desvantagem, já que um projeto específico deve existir para cada modelo de motor — diferente do turbo, em que um mesmo modelo serve para vários tamanhos e marcas de motores dentro de uma determinada faixa, variando as tubulações, que são simples de serem fabricadas e ajustadas. Claro que estou simplificando, mas a base do raciocínio é essa mesmo.

Existe, sim, a passagem de calor entre escapamento e admissão, além de ocorrer um efeito de recirculação de gases de escapamento poluentes, o que mesmo parecendo desvantagem, significam menor consumo e emissões. O consumo pode chegar a ser menor em cerca de 20% num diesel quando instalado um Comprex bem projetado.  Na redução de óxidos de nitrogênio, algo em torno de 20% a menos, devido à recirculação que ocorre em taxas entre 10 e 15% de todo gás de escapamento.

Tudo isso melhorando a potência em uma faixa mais utilizável, e gerando um adicional de potência da mesma ordem dos turbocompressores.

Para entender melhor, olhemos a figura abaixo, clássica do escasso material sobre o Comprex, onde os gases de escapamento estão à direita (vermelho) e o ar frio de admissão  na esquerda (azul). As janelas de entrada e saída de ar ambiente e de gases de escapamento não são visíveis nessa figura.

O tambor aletado gira constantemente, importante para entender o funcionamento

Motor desligado, imagine um canal do rotor ou tambor cheio de ar ambiente. Ele não está alinhado a uma janela, nem de entrada nem de saída, ou seja, está vedado. Quando se liga o motor e o tambor gira, se alinha do lado direito uma abertura por onde entra gás de escapamento, que vem com uma onda de pressão. A onda se propaga na velocidade do som, empurrando o ar fresco para o lado esquerdo do tambor, que ainda está fechado. O ar então se comprime.

Conforme ocorre a compressão, aumenta o espaço livre para mais gás entrar nesse canal do tambor, que está girando sem parar e atinge a abertura de saída de ar comprimido, maior que a de entrada de gás, o que diminui a velocidade de saída do ar comprimido. Essa diminuição de velocidade provoca outra onda de pressão  que se propaga para a direita, lado de escapamento, que comprime mais ainda o ar. Com isso, o ar entrando para ser queimado no motor (junto com o combustível) tem uma pressão maior que dos gás de escapamento.

Quando essa onda secundária atinge o lado direito do tambor, a entrada de gás de alta pressão se fecha, causando uma batida ou frenagem abrupta da onda de compressão, que reflete de volta como uma onda de expansão (menor pressão), empurrando a maior parte do ar comprimido para fora e fechando a abertura. Nesse momento, a abertura de baixa pressão do gás no lado direito fica exposta, deixando o gás de escapamento levemente pressurizado sair para o tubo em direção ao bocal. Isso causa outra série de ondas de compressão e expansão que ajudam a encher o canal do tambor com ar fresco, recomeçando todo o ciclo do Comprex.

Lembrem, todas as vezes em que digo "abre" e "fecha", na verdade são janelas fixas nas laterais do tambor que estão sendo expostas e tampadas devido ao giro constante. Não há peças móveis nessas aberturas.

Isso tudo está diagramado aqui nesse desenho abaixo, em que o tambor está aberto ou planificado, nada fácil de entender, convenhamos. 

Uma volta do tambor, com cores mostrando temperaturas. Azul, ar de admissão, em vermelho, escapamento, e em laranja, escapamento já resfriado, após comprimir o ar ambiente

Se formos considerar apenas os volumes de gás e ar no tambor, o Comprex teria problemas, precisando que o motor estivesse sempre em uma rotação ideal para todo esse movimento de gás–ar. Por isso há volumes externos ao tambor, em pequenos coletores ou caixas, que compensam as variações de temperatura de escapamento e seu volume de gás e ajustam as velocidades de propagação das ondas, por uma acomodação natural. A pressão máxima é controlada por válvula de alívio, similar à de um turbo, no duto de escapamento.

Essas câmaras são visíveis na foto abaixo, de um Comprex em corte, pintadas de azul e vermelho.




Uma desvantagem óbvia é o calor passado do escapamento para a admissão, o que faz o ar que entra expandir e reduzir seu volume, diminuindo a quantidade de combustível que pode ser espargido e conseqüentemente nebulizado para queimar.

Mas como tudo tem dois lados, essa passagem de uma parte dos gases para a área de admissão significa uma recirculação de gases de escapamento, de novo para dentro do motor. Como os sistemas (chamados EGR, exhaust gas recirculation) que faziam isso eram comuns há alguns anos para diminuir as emissões de poluentes, isso não era considerado problema que pudesse prejudicar o motor. Era mesmo apenas uma questão de menor eficiência termodinâmica. Aliás, a EGR é muito usada atualmente nos motores Diesel para redução de emissões de óxidos de nitrogênio.

Os materiais usados na construção também se constituem problema, já que em um Diesel a temperatura de escapamento é menor que em um Otto, possibilitando menos problemas nesse campo.

A dificuldade maior no desenvolvimento desse componente é o desenho das aletas, para que funcionem bem em qualquer rotação de motor, assim, apenas uma empresa em cerca de mais de meio século de desenvolvimento conseguiu fazer um Comprex eficiente, a Brown-Boveri Cie. (BBC), da Suíça, hoje ABB, Asea-Brown Boveri, que já equipava tratores da série 1203 da Valmet desde 1980.

Isso foi conseguido pelo desenho das aletas e quantidade delas, que variam de acordo com a aplicação, como se vê na foto abaixo.

Rotores ou tambores de diferentes configurações

Anteriormente, nos anos 1970, foi explorado o mercado de caminhões movidos a diesel, mas não ocorreu a produção de nenhum com esse sistema. A empresa então se dedicou a vender o produto para fabricantes de carros, e modelos de testes movidos a diesel foram produzidos por Opel, Volkswagen e Daimler-Benz, esta última, num Mercedes 220D em 1975, conseguiu baixar o tempo de aceleração de 0 a 100 km/h de 25 para 18,5 segundos.

Apenas a Opel chegou à produção normal, apesar de serem séries limitadas. Foi em 1978, num Opel Rekord diesel, com motor de 2,3 litros. O tempo de aceleração de 23 segundos de 0 a 100 km/h baixava para cerca de 14 s, fazendo o carro muito similar ao modelo a gasolina em desempenho.

Em produção maior houve o Senator, sucessor do Rekord, motor de mesmo tamanho mas no carro mais moderno, disponível a partir de novembro de 1984. Seriam mil unidades, mas não se sabe se todas foram produzidas e vendidas. Fala-se em 750 carros nas ruas. Esse carro tinha 95 cv e atingia 172 km/h de velocidade máxima.

Mas seguindo a tradição de desenvolver, produzir e vender algo inusitado, a Mazda, que já tinha o motor Wankel em produção há muito tempo, foi a primeira a adotar o Comprex e produzir um carro assim equipado normalmente e sem limitar a quantidade. Foi em 1994 que chegou ao mercado japonês e europeu o modelo 626 D-CX (motor RF-CX), chamado de Capella no Japão, dos quais cerca de 150.000 unidades foram fabricadas.

Folheto do Mazda 626 com Comprex

 O conjunto do Mazda

Comprex abaixo da caixa mais clara,  amplie para ver o emblema

Interessante notar que o motor de 2 litros desse carro tinha potência bastante baixa, cerca de 77 cv, mas com torque máximo de 17,6 m·kgf a apenas 2.000 rpm. O funcionamento era exemplar, com resposta imediata ao pedal do acelerador, parecendo um motor ciclo Otto grande, daqueles com potência sempre disponível, sendo essa a maior vantagem no uso normal para o motorista.

O consumo era de 14 km/l na cidade, 23 km/l a 90 km/h constantes e 17 km/l a 120 km/h. O desempenho era bem de utilitário, mas bom para um diesel de vinte anos atrás, com aceleração de 0 a 100 km/h em 14,7 segundos, e apenas 160 km/h de velocidade máxima.

Em 1981, com a possibilidade do uso de superalimentação na Fórmula 1, a Brown-Boveri Cie. trabalhou com a Ferrari, e Gilles Villeneuve testou em Long Beach antes da temporada começar um modelo 126 assim construído. Em vez da sigla 126 CK, turbo, o carro era o 126 CX, do qual se sabe que não foi escolhido para as corridas, apesar dos bons resultados. Veja na foto de abertura da matéria o adesivo azul com o logotipo da empresa, na extremidade posterior da carenagem, sobre o motor. 

Motor Ferrari V-6 a 120° com o Comprex. Note a válvula de alívio no ponto mais alto do motor

O certo é que a Ferrari prosseguiu mais um tempo com os testes, mesmo já tendo o carro com dois turbos competindo, e o programa parou sem maiores explicações.

O ruído do Comprex é um tipo de assovio, como o de um compressor mecânico do tipo Roots, por exemplo, mas a constância do mesmo fazia a utilização do carro algo cansativo com o passar do tempo, principalmente pela localização na parte do motor mais próxima da cabine. Esse som pode ser ouvido, no video abaixo, em um 626 sem silenciador.



Para perceber como a história é mesmo ciclotímica, basta ver que a Mercedes trabalhou novamente com o Comprex para a possível adoção no atual A45 AMG, mas acabou optando pelo mais convencional turbocompressor de dupla voluta (twin scroll).

Um dia ele pode voltar.

JJ

Fotos e imagens: F1technical.net, ABB, History.Valtra.com; Sport Compact Car; ebay; YouTube






33 comentários :

  1. JJ,
    Não sabia que esta tecnologia havia sido tão estudada assim.
    Vivendo e aprendendo no AE!
    abs

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    1. MB,
      ótimo foi pesquisar aprender tudo isso para poder escrever !
      Obrigado MB.

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  2. Muito interessante. Mazda, sempre ela o modelo do folheto é um belo 5 portas que aqui foi vendido com L4 e V6. Wankel, wankel turbo, diesel turbo, diesel comprex, motores me linha, em V, linha com turbo, Miller,. pena ter abandonado o Brasil e quando pensou em retornar encontrou dificuldades quando percebeu a fragilidade/insegurança das regras, câmbio, leis. Mas estuda retorno.

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    1. Anônimo,
      bem lembrado, o motor de ciclo Miller, usado no Mazda Millenia.

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    2. Complementando, segundo apurado ainda fez o segundo menor motor V6 do mundo com 1,8 l de deslocamento.

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    3. A Mazda fornece motores 4 cilindros à um certo fabricante de empilhadeiras industriais bem difundido aqui no Brasil. E é um belíssimo motor 2.2 com comando no bloco, torcudo e com bom fôlego, apesar de seus 48 HP ( no butano ) .

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    4. Por um lado, não foi justo conosco o abandono do nosso mercado pela Mazda. A quantidade de MX3 que eram vistos por aqui não era pequena...
      Por outro lado, em relação à esses motores "diferentes", a média dos mexânicos daqui não conseguem trabalhar com Fiasa e Fivetech, imagina ao se depararem com um Wankel ou Miller... Eu disse a média, claro que há exceções.

      ______
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    5. Sair do mercado brasileiro não foi culpa da Mazda, e sim do grupo Mesbla, que tinha a sua representação exclusiva no Brasil...
      E continuam inovando com a tecnologia Skyactiv dos novos motores, q usam o ciclo atkinsons.

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    6. Ace, esta charada eu mato. A fabricante é a Yale! E que motores... pau para toda obra.

      Saudações

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  3. Lembro desse desenho do Comprex, para variar, na Motor 3 da decada de 80. Fico pensando se um acionamento por motor eletrico, substituindo a polia do girabrequim, e controlado eletronicamente, não simplifcaria a adaptação para motores diferentes.

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    1. Anônimo,
      sim, uma edição de 1982, com a Pampa Souza Ramos na capa, tenho esta e a usei para o post.

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    2. Aproveitando o tema de compressores, deixo o aviso para não caírem em "roubadas" por aí. Assistam este vídeo:

      Electric SuperChargers Mythbusted
      http://www.youtube.com/watch?v=cbGWgvJN1_8

      Está em inglês, mas dizem que uma imagem vale mais que mil palavras (que a língua não seja uma barreira então). É um vídeo, então uma sucessão delas, muitas delas! {temos um piadista...}

      Aplicação incorreta (bomba - que sopra - ao invés de compressor - que... hehe, ups).

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  4. Muito interessante !

    Fiquei curioso com uma coisa.. esta tecnologia será sensacional em motores aeronáuticos, sabe se alguém se arriscou a tentar ?

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  5. Ahhhhh aulas de motores de combustão interna I e II que não voltam mais...

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  6. Esse sistema me lembrou do trocador de calor usado no Chrysler Turbine.

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  7. JJ,
    você sabe de algum caso de utilização do comprex em motores de ciclo Miller?

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    1. cslinux,
      não encontrei nada sobre isso pesquisando sobre o Comprex.

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  8. tem som de bomba hidráulica cansada =)

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    1. A minha Montana faz esse som chato quando eu ligo o ar-condicionado! Hahahaha
      Agora, na minha cabeça imaginativa, estou dirigindo um motor com comprex!

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  9. JJ, saberia dizer se esse motor do Mazda 626, o RF, é o mesmo da Kia Sportage 2.0 Diesel?

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    1. enricof18,
      não sei dizer. Se você descobrir, escreva aqui mesmo nos comentários, por favor.
      Obrigado.

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    2. De acordo com o Wikipedia, é o mesmo motor, pelo menos a mesma base. 1998 cc, 86mm x 86mm, SOHC com 2 válvulas por cilindro. A Kia usou a versão turbo-intercooler dele de 1998 a 2003 na Sportage. Temos uma aqui em casa, já montei e desmontei o motor dela algumas vezes e sempre quis aprender mais sobre ele. É um motor honesto, mas acho ele muito amarrado. Os dutos de admissão e escape de pequeno diâmetro, nem parecem ser de um 2.0 turbo. Bom, achei interessantíssimo a história do Comprex, confesso que não sabia da existência desse tipo de sobrealimentação, mas minha pergunta se era o mesmo motor fica por conta da comparação entre os valores de potência e torque, comparando o 626 Comprex e a Sportage Turbo. No caso da Sportage, são 87 cv a 4000 rpm e 22 m.kgf de torque a 2000 rpm. São números melhores que o Comprex, não saberia dizer se pela presença do intercooler na versão Turbo do RF, provavelmente é essa a explicação. Fiquei curioso pra saber do comportamento do comprex abaixo dos 2000 rpm, porque na Sportage, o desempenho é bem fraco abaixo dessa rotação. Confesso que deu vontade de estudar mais o comprex pra ver se é possível instalá-lo na minha Sportage, hahaha.

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    3. enricof18,
      seria o único Sportage com Comprex do mundo !
      Grato pela interessante informação.

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  10. JJ, eu acho que entendi o conceito do negócio (depois de ler duas vezes!), mas minha mente limitada não consegue entender como isso funciona em um motor com 3 cilindros ou mais, pois nesses motores sempre há obrigatoriamente um momento em que a válvula de escape de um cilindro está aberta ao mesmo tempo que a de admissão de outro cilindro está aberta também. Isso não faria com que os gases de escape fossem comprimidos de volta para a câmara de combustão? Ou as aletas da parte quente são projetadas de modo a sempre puxar os gases da câmara de combustão?
    Ou eu que fiz uma confusão enorme do conceito de funcionamento mesmo? Coisa complicada, sô!

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    1. Guilherme,
      cada tipo de motor e cilindrada precisa de projeto específico de roda com aletas e tambor, incluindo aí o tamanho e posição das janelas, daí um dos motivos de não ter sido popularizado como o turbocompressor, mais versátil do ponto de vista de projeto de aplicação.

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    2. Entendi, devem ser cálculos bem mais complexos do que o necessário para projetar um turbo que, embora seja mais eficiente em determinadas condições, é razoavelmente eficiente para quase todas as condições, ainda mais hoje em dia. Estou indo para o último ano de engenharia mecânica, vou dar uma prensada nos professores assim que retomar as aulas, agora eu invoquei com esse negócio!

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  11. Excelente aula deste criativo sistema! Uma dúvida: como o rotor do Comprex é acionado mecanicamente por uma polia e recebe gás de escapamento, ele poderia estar aplicando torque no eixo virabrequim, como um turbo-compound?

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    1. Se eu entendi certo, acho que a única serventia do sistema giratório seria abrir e fechar as janelas das câmaras do comprex, não sendo possível gerar torque a partir daí. O ar é comprimido pois o ar da admissão é acelerado e "empurrado" pra admissão pelos gases de escapamento, igual uma bolinha de gude empurra outra e volta

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    2. Anônimo,
      não, o Comprex atua somente no ar de admissão, não no virabrequim.

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  12. Ótimo e elucidativo post técnico.

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  13. O funcionamento do Comprex é muito complexo (devia de chamar Complex), já que para comprimir o ar um compressor ou turbocompressor faz a mesma coisa a um custo técnico muito menor. Achei que conseguia algum torque extra no eixo. Nunca existiu um automóvel com turbo-compound ou algo similar?

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  14. JJ, eu achei o som deste motor do Mazda muito interessante. Nada cansativo, pelo contrário, instigante. E que fabricante corajosa e inovadora! Sempre fui fã desta marca. Este motor estaria no caminho para certo para atingir-se o verdadeiro diesel do Autoentusiasta: Imaginei um destes modernos e giradores 2.0D Common-Rail de hoje em dia, com um som destes! Que maravilha!
    Neste mesmo assunto de obscuros métodos de sobrealimentação, caberia um post sobre o G-Lader dos VW's da década de 80... já foi escrito algo a respeito no AE?
    Saudações

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