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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Zündkerze
für eine Brennkraftmaschine
mit einer Lichtleitereinrichtung zur Versorgung der Zündkerze
mit optischer Strahlungsleistung. Eine Zündeinrichtung mit einem Laser ist
aus der
DE 199 11 737 oder
der
DE 101 45 944 bekannt.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen
Zündkerze
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 8.
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Zündkerzen
und Betriebsverfahren der eingangs genannten Art sind bekannt und
werden insbesondere bei laserbasierten Zündsystemen von Brennkraftmaschinen
verwendet. Zur Erfassung von optischen Betriebsinformationen eines
der Zündkerze
zugeordneten Brennraums bzw. der Zündkerze selbst ist es bekannt,
die zur Versorgung der Zündkerze
mit optischer Strahlungsleistung wie z.B. Pumplicht vorgesehene
Lichtleitereinrichtung zu verwenden. Hierbei werden dementsprechend
optische Betriebsinformationen aus dem Brennraum über die Lichtleitereinrichtung
an eine Auswertvorrichtung übertragen,
was üblicherweise
eine Trennung dieser optischen Informationen von dem Pumplicht erforderlich
macht.
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Ferner
ist die vorstehend beschriebene, bekannte Art der Ermittlung optischer
Betriebsinformationen aus der Zündkerze
bzw. einem ihr zugeordneten Brennraum nicht bei herkömmlichen
Zündkerzen anwendbar,
die einen integrierten Zündlaser
aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze und ein Betriebsverfahren der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine einfachere
und flexiblere Auswertung von Betriebsinformationen der Zündkerze
möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Zündkerze
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
zumindest teilweise in die Zündkerze
integrierte, jedoch außerhalb
der Lichtleitereinrichtung angeordnete Sensormittel, die zur Erfassung
von Betriebsinformationen der Zündkerze
und/oder eines der Zündkerze
zugeordneten Brennraums ausgebildet sind, vorgesehen sind.
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Durch
die erfindungsgemäß außerhalb
der Lichtleitereinrichtung angeordneten Sensormittel ergibt sich
nicht das von dem Stand der Technik bekannte Problem der Separierung
der unterschiedlichen optischen Signale.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Zündkerze
gemäß Patentanspruch
7 angegeben. Die einen integrierten Zündlaser aufweisende Zündkerze
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zündlaser zumindest teilweise
transparent ist für
Licht eines ersten Wellenlängenbereichs,
das von einem Brennraum in die Zündkerze
eingestrahlt wird, wobei der erste Wellenlängenbereich vorzugsweise von
etwa 200 nm bis etwa 800 nm reicht, und dass der Lichtleitereinrichtung
ein optischer Strahlteiler zugeordnet ist zur Separierung von Licht
des ersten Wellenlängenbereichs
von dem Pumplicht. Durch die erfindungsgemäße transparente Ausbildung
des Zündlasers
bzw. dessen Komponenten für
einen interessierenden Wellenlängenbereich
optischer Betriebsinformationen kann auch bei derartigen Zündkerzentypen
eine kleinbauende Konfiguration erzielt werden, die gleichzeitig
eine optische Überwachung
eines Betriebs der Zündkerze bzw.
von Vorgängen
in dem Brennraum ermöglicht.
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Eine
Kombination des erfindungsgemäßen transparenten
Zündlasers
mit weiteren, außerhalb der
Lichtleitereinrichtung angeordneten Sensormitteln ist ebenfalls
denkbar.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zündkerze,
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2 eine
zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zündkerze,
und
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3 eine
dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zündkerze.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze 100 für eine Brennkraftmaschine.
Die Zündkerze 100 weist
eine vorliegend als lichtleitende Faser ausgebildete Lichtleitereinrichtung 110 auf,
die die Zündkerze 100 mit Licht
versorgt, das von einer Lichtquelle 150 bereitgestellt
wird.
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Bei
der Lichtquelle 150 kann es sich beispielsweise um eine
Pumplichtquelle handeln, die einen in der Zündkerze 100 vorgesehenen
laseraktiven Festkörper 105 eines
integrierten Zündlasers
mit Pumplicht versorgt. Der Zündlaser
erzeugt daraufhin in bekannter Weise Laserimpulse, vgl. den Pfeil 20, die
durch das in 1 an einem linken Ende der Zündkerze 100 angeordnete
Brennraumfenster 130 in einen benachbarten Brennraum der
Brennkraftmaschine abgestrahlt werden. Zur Fokussierung der Laserimpulse 20 auf
einen in dem Brennraum befindlichen Zündpunkt ZP bzw. auf in diesem
Bereich befindlichen Kraftstoff kann eine vorliegend durch die Linse 30 symbolisierte
Optik vorgesehen sein.
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Zur Überwachung
eines ordnungsgemäßen Betriebs
der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 sind
Sensormittel vorgesehen, die bei der Ausführungsform gemäß 1 eine
separate Lichtleitereinrichtung 120 sowie einen optoelektrischen
Wandler 115' aufweisen.
Wie aus 1 ersichtlich, ist ein erstes
Ende 120a der separaten Lichtleitereinrichtung 120 direkt
in der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 angeordnet,
so dass Betriebsinformationen repräsentierende optische Signale
aus dem Inneren der Zündkerze 100 in
die separate Lichtleitereinrichtung 120 eingekoppelt werden
können.
Solche optischen Signale können
beispielsweise bei einer Zündung bzw.
Verbrennung von in dem Brennraum befindlichen Kraftstoff entstehen,
wobei insbesondere ein Wellenlängenbereich
von etwa 200 nm bis etwa 900 nm interessierende Informationen enthalten
kann. Diese optischen Signale dringen durch das Brennraumfenster 130 in
den Innenraum der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 und
können
somit direkt in die separate Lichtleitereinrichtung 120 einkoppeln.
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Ein
zweites Ende 120b der separaten Lichtleitereinrichtung 120 ist
vorzugsweise außerhalb
der Zündkerze 100 angeordnet
und optisch verbunden mit dem optoelektrischen Wandler 115', bei dem es sich
beispielsweise um eine Fotodiode handeln kann. Der optoelektrische
Wandler 115' wandelt
die über die
separate Lichtleitereinrichtung 120 aus der Zündkerze 100 erhaltenen
optischen Signale in entsprechende elektrische Signale um, die gegebenenfalls durch
eine nicht in 1 abgebildete, nachgeschaltete
Auswerteeinheit ausgewertet werden können.
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Bei
der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 gemäß 1 ergibt
sich vorteilhaft nicht das Problem der Separierung des Pumplichts
der Lichtquelle 150 von den optischen Betriebsinformationen,
die beispielsweise von in dem Brennraum verbrennendem Kraftstoff
stammen.
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Das
erste Ende 120a der separaten Lichtleitereinrichtung 120 kann
beispielsweise auch so innerhalb der Zündkerze 100 angeordnet
sein, dass von dem integrierten Zündlaser erzeugte Laserimpulse
zumindest teilweise direkt in die separate Lichtleitereinrichtung 120 einkoppeln.
Dadurch ist eine unmittelbare Überwachung
des Betriebs des integrierten Zündlasers
der Zündkerze 100 gewährleistet.
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Alternativ
oder ergänzend
kann das erste Ende 120a der separaten Lichtleitereinrichtung 120 auch
so in der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 angeordnet
sein, dass durch das Brennraumfenster 130 in das Innere
der Zündkerze 100 eintretende Strahlung – wie bereits
beschrieben – zumindest
teilweise in die separate Lichtleitereinrichtung 120 einkoppelt.
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Die
Verwendung mehrerer separater Lichtleiter 120 ist ebenso
denkbar.
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Eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 ist
in 2 abgebildet. Im Unterschied zu dem vorstehend
unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel,
weist die erfindungsgemäße Zündkerze 100 aus 2 einen
optoelektrischen Wandler 115 auf, der direkt innerhalb
der Zündkerze 100 angeordnet ist.
Der optoelektrische Wandler 115 wandelt aus dem Innenraum
der Zündkerze 100 aufgenommene optische
Signale direkt in entsprechende elektrische Signale um, die über ein
in 2 nicht näher
bezeichnetes Signalkabel an eine nachgeschaltete Auswerteelektronik 140 weitergeleitet
werden. Wie aus 2 ersichtlich, kann die Auswerteeinheit 140 auch
zusammen mit einer die Zündkerze 100 versorgenden
Lichtquelle 150 in einer gemeinsamen Steuereinheit 200 angeordnet
sein. Bei der Steuereinheit 200 kann es sich beispielsweise
auch um ein Steuergerät
handeln, das den Betrieb einer die erfindungsgemäße Zündkerze 100 aufweisenden
Brennkraftmaschine koordiniert und dementsprechend auch weitere,
anderen Brennräumen
der Brennkraftmaschine zugeordnete Zündkerzen 100, steuert.
Ein ggf. erforderlicher optischer Verteiler zur Verteilung von Pumplicht
oder dergleichen von der Lichtquelle 150 auf die mehreren
Zündkerzen 100 ist
in 2 nicht abgebildet.
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Der
besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 nach 2 besteht
darin, dass direkt an dem Ort der optischen Erfassung von Betriebsinformationen
der Zündkerze 100 eine
Signalumwandlung zu elektrischen Signalen erfolgt, so dass keine
Dämpfungsverluste
durch eine optische Weiterleitung der Betriebsinformationen auftreten.
Es ist darüberhinaus
auch eine zumindest teilweise Vorverarbeitung der elektrischen Signale,
insbesondere eine Vorverstärkung,
lokal in der Zündkerze 100 vorstellbar.
Eine hierzu erforderliche Elektronik ist vorteilhaft zusammen mit
dem optoelektrischen Wandler 115 in einem einzigen Modul
integriert.
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Ebenso
wie das erste Ende 120a der in 1 abgebildeten
separaten Lichtleitereinrichtung 120 kann der optoelektrische
Wandler 115 aus 2 so angeordnet sein, dass er
direkt von dem Zündlaser
abgestrahlte Laserimpulse beziehungsweise durch das Brennraumfenster 130 in
den Innenraum der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 eingekoppeltes
Licht aufnimmt.
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Darüber hinaus
ist es ferner möglich,
mehrere optoelektrische Wandler 115 innerhalb der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 vorzusehen
oder auch eine dem Wandler 115 vorgeschaltete Optik (nicht
gezeigt), welche sowohl durch das Brennraumfenster 130 eingekoppeltes
Licht als auch von dem Zündlaser
herrührendes
Laserlicht auf den optoelektrischen Wandler 115 abbildet.
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Analog
hierzu kann auch bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 mehr
als eine separate Lichtleitereinrichtung 120 vorgesehen
sein beziehungsweise eine besondere Optik, die dem ersten Ende 120a der
separaten Lichtleitereinrichtung 120 zugeordnet ist und
eine Abbildung von Licht aus dem Brennraum und/oder dem Zündlaser
der Zündkerze 100 durchführt.
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Eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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Die
in 3 abgebildete erfindungsgemäße Zündkerze 100 weist
einen integrierten Zündlaser auf,
der u.a. einen Einkoppelspiegel 106, einen Auskoppelspiegel 107 und
den dazwischen angeordneten und bereits beschriebenen laseraktiven
Festkörper 105 aufweist
und somit einen Oszillator bildet, der nach hinreichender Beaufschlagung
mit von der Lichtquelle 150 über die Lichtleitereinrichtung 110 eingekoppeltem
Pumplicht Laserimpulse 20 abgibt.
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Die
den Oszillator begrenzenden Spiegel 106, 107 sind – wie bei
herkömmlichen
Zündlasern – transparent
für das
Pumplicht, das beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 790 nm bis etwa
990 nm aufweisen kann, und weitestgehend reflektierend für die Wellenlänge(n) der
erzeugten Laserimpulse 20, die beispielsweise in einem
Bereich von etwa 1000 nm bis etwa 1550 nm liegen. Allein der Auskoppelspiegel 107 weist
für die
Laserimpulse 20 einen hinreichend großen Transmissionskoeffizienten
auf, um überhaupt
Laserimpulse 20 in den Brennraum abstrahlen zu können.
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Erfindungsgemäß ist der
gesamte Zündlaser,
insbesondere also die Komponenten 105, 106, 107,
zumindest teilweise transparent für Licht eines interessierenden
Wellenlängenbereichs,
das von dem Brennraum in das Innere der Zündkerze 100 eingestrahlt
wird. Der interessierende Wellenlängenbereich reicht vorzugsweise
von etwa 200 nm bis etwa 900 nm, und die erfindungsgemäße Transparenz
in diesem Wellenlängenbereich
ermöglicht
die Weiterleitung von aus dem Brennraum stammenden Licht 25 durch
die Lichtleitereinrichtung 110 an einen optoelektrischen
Wandler 115.
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Die
in 3 abgebildete Zündkerze 100 weist
ferner einen der Lichtleitereinrichtung 110 zugeordneten
optischen Strahlteiler 111 auf zur Separierung von Licht 25, 25a aus
dem Brennraum und dem Pumplicht der Lichtquelle 150.
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Bis
auf einen ersten Abschnitt 110a der Lichtleitereinrichtung 110 erfolgt
dementsprechend eine Doppelnutzung der Lichtleitereinrichtung 110 durch das
zum Betrieb des Zündlasers
erforderliche Pumplicht und durch Licht, das z.B. von in dem Brennraum
verbrennendem Kraftstoffabgestrahlt wird und durch das Brennraumfenster 130 und
den hierfür
transparenten Zündlaser
in die Lichtleitereinrichtung 110 einkoppelt und interessierende
Betriebsinformationen in optischer Form liefert.
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Durch
die transparente Auslegung des Zündlasers
bei der Zündkerze
nach 3 ist eine besonders kleinbauende Konfiguration
der Zündkerze 100 möglich.
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Gemäß einer
weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird ein von dem optoelektrischen Wandler 115, 115' geliefertes
elektrisches Signal im Wege einer Filterung ausgewertet. Die Filterung
kann insbesondere mittels geeigneter Bandpassfilter oder einer entsprechenden
Signalverarbeitung oder dergleichen erfolgen und berücksichtigt
vorteilhaft die unterschiedlichen Phasen bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Zündkerze 100,
wie beispielsweise die Erzeugung und Abstrahlung eines Laserimpulses 20 von
der Zündkerze 100 durch
das Brennraumfenster 130 auf einen außerhalb der Zündkerze 100 liegenden
Zündpunkt
ZP einerseits und einen nachfolgenden Verbrennungsvorgang in dem
Brennraum der Brennkraftmaschine andererseits, bei dem insbesondere
ultraviolettes Licht 25 von dem verbrennenden Luft-Kraftstoff-Gemisch
abgestrahlt wird und zumindest teilweise durch das Brennraumfenster 130 in
das Innere der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 einkoppelt.
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Zur Überprüfung der
Lichtquelle 150 beziehungsweise des Zündlasers oder generell der
ordnungsgemäßen Erzeugung
eines Laserimpulses 20 kann das von dem optoelektrischen
Wandler 115, 115' gelieferte
Signal beispielsweise in einem ersten Überwachungszeitfenster ausgewertet
werden, das um einen vermuteten Zündzeitpunkt herum liegt. Falls
in diesem Überwachungszeitfenster
kein optisches Signal detektiert wird, das auf das Auftreten eines
Laserimpulses 20 schließen lässt, kann in der Auswerteelektronik 140 beispielsweise
ein entsprechender Fehler eingetragen werden. Ferner ist es möglich, durch
die erfindungsgemäßen Sensormittel einen
tatsächlichen
Zeitpunkt des Auftretens des Laserimpulses 20 genau festzustellen
und beispielsweise der Steuereinheit 200 zu Diagnosezwecken
zuzuleiten.
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Neben
der Überprüfung der
Lichtquelle 150 beziehungsweise des Zündlasers kann auch aufgrund
einer ggf. nachfolgenden Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches
in dem Brennraum entstehendes Licht 25, 25a durch
den optoelektrischen Wandler 115, 115' ausgewertet
werden.
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Zur
Trennung der verhältnismäßig hochfrequenten
Laserimpulse 20 von dem infolge der Verbrennung in dem
Brennraum entstehenden Licht 25, 25a bzw. zur
Trennung der entsprechenden elektrischen Signale kann ein Bandpassfilter
vorgesehen sein, das eine entsprechend hohe Mittenfrequenz aufweist
und neben den Signalen, die dem Brennraumlicht 25, 25a entsprechen,
auch niederfrequente Störsignale
filtert.
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Ein
weiteres Bandpassfilter entsprechender Mittenfrequenz kann ebenso
zur Selektion des Brennraumlichts 25, 25a bzw.
der entsprechenden elektrischen Signale eingesetzt werden.
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Aufgrund
der zeitlichen Trennung zwischen dem Auftreten des Laserimpulses 20 und
einer erst danach einsetzenden Verbrennung kann auch allein durch
eine entsprechende zeitliche Fensterung das jeweilig interessierende
Signal ausgewählt
werden. Eine Kombination der beschriebenen Filterung mit der Auswahl
eines interessierenden Zeitfensters bzw. ein zeitliches Umschalten
zwischen Bandpassfiltern verschiedener Mittenfrequenzen ist ebenfalls möglich.
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Durch
die erfindungsgemäße Zündkerze 100 und
die darin angeordneten Sensormittel 115, 115', 120 ist
vorteilhaft einerseits die Überwachung
der Erzeugung eines Laserimpulses 20 möglich und andererseits kann
auch eine in dem Brennraum der Brennkraftmaschine stattfindende
Verbrennung überwacht
werden.
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Eine
ggf. vorhandene Optik 30 (1) zur Fokussierung
der Laserimpulse 20 sowie das Brennraumfenster 130 sind – ebenso
wie der Zündlaser
bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
nach 3 – transparent
zu gestalten für
interessierende Wellenlängen
des aus dem Brennraum stammenden Lichts 25, 25a.