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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Bordnetz gemäß den
Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Ein
solches Kraftfahrzeug-Bordnetz ist aus der
EP 1 046 811 A1 bekannt.
Durch die Verwendung eines Starter-Generators kann die herkömmliche Lichtmaschine
entfallen und gleichzeitig ein Mittel zum Starten des warmen Motors
bzw. ein Mittel zum Unterstützen des Anlassers beim Starten
des kalten Motors bereitgestellt werden. Der Starter-Generator speist
im generatorischen Betrieb die Versorgungsbatterie und versorgt
wie die Versorgungsbatterie elektrische Verbraucher wie Lichteinrichtungen,
Gebläse, Steuerelektronik, Heizungssysteme, Audiosysteme
etc. mit elektrischer Energie. Hierzu ist der Startergenerator mechanisch
mit der Brennkraftmaschine verbunden, beispielsweise mittels eines
Riemens an der Kurbelwelle. Insofernn ist mit dem generatorischen
Betrieb des Starter-Generators ein entsprechender Kraftstoffverbrauch
verbunden.
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Die
Spannung des Bordnetzes wird herkömmlicherweise durch die
Lichtmaschine bzw. den Starter-Generator bestimmt, welche üblicherweise abhängig
von der Temperatur einen Spannungssollwert von etwa 14 Volt besitzt.
Da die Batterie eine Gleichgewichtsspannung von ungefähr
12,7 Volt aufweist, wird diese in der Regel geladen. Wenn eine höhere
elektrische Leistung als die von der Lichtmaschine bzw. dem Starter-Generator
gelieferte angefordert wird, weist diese Topologie den Nachteil
auf, dass die Spannungssteuerung verloren geht und die restliche
Leistung von der Versorgungsbatterie bereitgestellt werden muss.
In diesem Fall fällt die Spannung des Bordnetzes von 14
Volt auf die 12,7 Volt der Versorgungsbatterie. Derartige Spannungsänderungen
führen beispielsweise zu Lichtschwankungen und Änderungen
der Gebläsegeräusche, was von den Fahrzeuginsassen
als unangenehm empfunden werden kann. Derartige spannungsempfindliche
Verbraucher wie Lichter, Gebläse etc. werden im Folgenden
als „empfindliche Verbraucher", andere Verbraucher als „unempfindliche"
Verbraucher bezeichnet.
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Die
beschriebenen Spannungsschwankungen treten in herkömmlichen
Kraftfahrzeug-Bordnetzen vergleichsweise selten auf, da der Spannungssollwert
der Lichtmaschine bzw. des Starter-Generators konstant und größer
als die Versorgungsbatteriespannung gehalten wird. Hierzu wird der
Starter-Generator in seiner Größe so ausgelegt,
dass ein Verlust der Spannungssteuerung in den meisten Betriebssituationen
vermieden werden kann. Mit dem Halten des Spannungssollwertes über
der Versorgungsbatteriespannung ist jedoch der Nachteil verbunden,
dass die Versorgungsbatterie permanent geladen wird. Diese permanente
Ladung führt zu Gasungsverlusten in der Batterie, was wiederum
den Wirkungsgrad des elektrischen Systems vermindert, da Leistung
verloren geht.
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Neuere
Entwicklungen im Kraftfahrzeugbereich stellen weitere Anforderungen
an das Bordnetz herkömmlicher Fahrzeuge. Einerseits wird
durch die Entwicklung weiterer Verbraucher wie elektromechanischer
Ventile, elektrischen Wasserpumpen, elektrisch unterstützten
Turboladern, elektrisch getriebenen Kompressoren, elektrisch unterstützten
Lenkungen und aktiven Feder- und Dämpfungssystemen erhöhte
Anforderungen an das Bordnetz gestellt, wobei derartige neue elektrische
Subsysteme unterschiedliche Leistungsanforderungen im Vergleich
zu den herkömmlichen elektrischen Verbrauchern besitzen. Im
Unterschied zu einer geringen elektrischen Leistung über
einen langen Zeitraum benötigen diese Verbraucher eine
hohe Leistung über einen kurzen Zeitraum. Andererseits
werden durch gesetzliche Vorgaben immer höhere Anforderungen
an den Spritverbrauch, insbesondere zur Erniedrigung der CO2-Emmission
erhoben.
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Diese
Anforderungen führen zu bedeutenden Veränderungen
in zukünftigen Kraftfahrzeug-Bordnetzen. 5 zeigt
die Bordnetzspannung eines gattungsbildenden Bordnetzes, wobei im
Betrieb unterschiedliche Bordnetzspannungen auftreten. In der Figur
sind unterschiedlichen Betriebsphasen mit den Bezugszeichen 1, 2 und 3 gekennzeichnet.
Dabei wird in der Phase 1 durch den generatorisch betriebenen
Starter-Generator beim Verzögern des Fahrzeuges eine erhöhte
Bordnetzspannung erzeugt, in der Phase 2 eine zeitlich
befristete Entladung der Batterie durchgeführt, um die
in der Phase 1 zugeführte Ladung wieder vollständig
zu entnehmen. Das Bezugszeichen 3 zeigt eine Betriebsphase an
mit einem Zwischenpegel der Batteriespannung nahe oder gleich der
Leerlaufspannung. Wie aus 5 ersichtlich,
schwankt die Ausgangsspannung beträchtlich, was von den
Fahrzeuginsassen aufgrund der empfindlichen elektrischen Verbraucher des
Fahrzeuges bemerkt wird.
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Insofern
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die empfindlichen elektrischen
Verbraucher des Kraftfahrzeuges so zu stabilisieren, dass die beschriebenen
Nachteile zumindest vermindert sind.
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Diese
Aufgabe löst die Erfindung auf überraschend einfache
Weise schon mit einem Kraftfahrzeug-Bordnetz mit den Merkmalen von
Anspruch 1. Dabei umfasst das erfindungsgemäße
Kraftfahrzeug-Bordnetz eine Brennkraftmaschine und einen mit dieser
mechanisch verbundenen Starter-Generator sowie einen mit der Brennkraftmaschine
mechanisch verbindbaren elektrischen Anlasser, wobei der Starter-Generator
zum wahlweise generatorischen oder motorischen Betrieb über
einen bidirektionalen AC/DC-Wandler an eine Versorgungsbatterie
angeschlossen ist, der Starter-Generator im generatorischen Betrieb
die Versorgungsbatterie direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung eines
anderen Energiespeichers wie eines Ultra-Caps lädt sowie
im motorischen Betrieb von der Versorgungsbatterie gespeist wird.
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Ferner
umfasst das Bordnetz eine Steuervorrichtung zum Steuern des Startvorgangs
der Brennkraftmaschine durch Ansteuern des Anlassers und/oder des
Starter-Generators, wobei sowohl an den Starter-Generator als auch
an der Versorgungsbatterie Verbraucher angeschlossen sind. Das erfindungsgemäße
Kraftfahrzeug-Bordnetz zeichnet sich durch eine zwischen Versorgungsbatterie
und Starter-Generator angeordnete Schaltereinrichtung auf, welche
im offenen Schalterzustand empfindliche elektrische Verbraucher
wie Lüfter und/oder Beleuchtungseinrichtungen von der Versorgungsbatterie trennt,
wobei im offenen Schalterzustand der Schaltereinrichtung der Starter-Generator
zumindest einen empfindlichen elektrischen Verbraucher und die Versorgungsbatterie
zumindest einen unempfindlichen elektrischen Verbraucher speist.
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Durch
die angegebene Gestaltung des erfindungsgemäßen
Kraftfahrzeug-Bordnetzes wird erreicht, dass bei Bedarf insbesondere
in Betriebssituationen, in welchen die Versorgungsbatterie entladen werden
soll, die empfindlichen elektrischen Verbraucher von der Versorgungsbatterie
getrennt werden können, sodass keine für Fahrzeuginsassen
störende Situationen entstehen, da die empfindlichen elektrischen
Verbraucher direkt vom Starter-Generator gespeist werden. Derartige
Betriebssituationen, in welchen die zwischen Versorgungsbatterie
und Starter-Generator angeordnete Schaltereinrichtung öffnet,
können beispielsweise durch das Auftreten einer erhöhten
Leistungsanforderung an das Bordnetz oder auch die Überladung
der Versorgungsbatterie in einer Phase des generatorisch betriebenen
Starter-Generators beim Verzögern des Fahrzeuges verursacht
werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Um
das Auftreten von Spannungsspitzen an den empfindlichen elektrischen
Verbrauchern insbesondere beim Trennen von Verbrauchern vom Bordnetz
zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, elektrisch
parallel zur besagten Schaltereinrichtung eine Spannungsbegrenzungseinrichtung,
wie eine Zenerdiode vorzusehen. Hierdurch wird erreicht, dass erzeugte
Spannungsspitzen nicht über die empfindlichen Verbraucher,
sondern über den Spannungsbegrenzer abfließen.
Dabei kann die Spannungsbegrenzungseinrichtung entweder der Schaltungseinrichtung
direkt parallel geschaltet sein oder einer Reihenschaltung, welche
zumindest die Schaltereinrichtung und die Versorgungsbatterie umfasst.
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Um
sicherzustellen, dass die an den empfindlichen elektrischen Verbrauchern
anliegende Spannung in allen in 5 gezeigten
Betriebsphasen im Wesentlichen konstant ist, kann vorgesehen sein,
dass in einem, vom Starter-Generator zu einem solchen empfindlichen
Verbraucher verlaufenden Versorgungspfad wahlweise eine Widerstandseinrichtung
einschaltbar ist. Diese Widerstandseinrichtung kann vorzugsweise
in der Betriebsphase 1, siehe 5, zugeschaltet
werden, um die an dem jeweiligen Verbraucher anliegende Spannung
zu vermindern und in etwa auf den der Betriebsphase 3 bestehenden
Wert einzustellen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn
die Widerstandseinrichtung von einer Steuereinrichtung angesteuert
wird, welche das gesamte Bordnetz steuert. Besonders zweckmäßig
ist es, wenn das Bordnetz neben der beschriebenen Schaltereinrichtung
und der Widerstandseinrichtung auch eine Spannungsbegrenzungseinrichtung
aufweist, welche parallel zur Schaltereinrichtung angeordnet ist,
um die besagten Spannungsspitzen beim Trennen von Verbrauchern vom
Bordnetz abzuleiten, ohne dass diese auf die empfindlichen elektrischen Verbraucher
einwirken.
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Um
die Verlustleistung an der im Versorgungspfad eines empfindlichen
elektrischen Verbrauchers angeordnete Widerstandseinrichtung zu
vermeiden, kann vorgesehen sein, diese Widerstandsvorrichtung durch
einen DC/DC-Wandler zu ersetzen. Dieser wandelt dann die vom Starter-Generator im
generatorischen Betrieb gelieferte hohe Spannung in eine vorgewählte,
niedrigere Sollspannung für den jeweiligen empfindlichen
Verbraucher.
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Zweckmäßigerweise
umfasst das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz
eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltereinrichtung. Dabei
ist es vorteilhaft, wenn diese Steuereinrichtung als zentrale Steuereinrichtung
für das Bordnetz ausgebildet ist, welche insbesondere auch
den bidirektionalen AC/DC-Wandler für die Einstellung des
generatorischen bzw. motorischen Betriebs des Starter-Generators
und darüber hinaus die Ladung der Versorgungsbatterie steuert.
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Die
Steuereinrichtung kann dabei im Falle eines Versorgungsbedarfes
der eingeschalteten Verbraucher über einen vorgegebenen
Schwellwert hinaus die Schaltereinrichtung zum Öffnen ansteuern, sodass
in jedem Fall sichergestellt ist, dass die empfindlichen elektrischen
Verbraucher mit der ihr zugeordneten Sollbetriebsspannung betrieben
werden. Darüber hinaus kann es auch zweckmäßig sein, wenn
die Steuereinrichtung den Ladezustand der Versorgungsbatterie steuert
und im Fall einer Überladung die Entladung der Batterie
durch die Einstellung eines offenen Schalterzustandes der Schaltereinrichtung
einleitet. In beiden Fällen kann es zweckmäßig sein,
wenn die Steuereinrichtung die Schaltereinrichtung zum Öffnen
für ein, durch einen Steueralgorithmus berechnetes Zeitintervall
ansteuert. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, die Entladung
der Batterie so lange aufrecht zu erhalten, bis ein vorgegebener
Soll-Ladezustand der Batterie erreicht ist.
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Um
sicherzustellen, dass die empfindlichen elektrischen Verbraucher
auch im offenen Schaltzustand der Schaltereinrichtung eine vorgegebene Soll-Betriebsspannung
erhalten, kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinrichtung
insbesondere während des offenen Schaltzustandes der Schaltereinrichtung
ein Mittel ansteuert zum Einstellen oder Regeln der Versorgungsspannung
für einen, von dem Starter-Generator gespeisten, empfindlichen Verbraucher.
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Die
Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einiger Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 den
Aufbau einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bordnetzes;
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2a, 2b eine
zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kraftfahrzeug-Bordnetzes unter Nutzung einer Spannungsbegrenzungseinrichtung;
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3a, 3b eine
dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kraftfahrzeug-Bordnetzes unter Nutzung eines Mittels zum Festlegen
der Versorgungsspannung von empfindlichen elektrischen Verbraucher;
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4 ein
gattungsgemäßes Kraftfahrzeug-Bordnetz; und
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5 den
Spannungsverlauf eines herkömmlichen Kraftfahrzeug-Bordnetzes
in verschiedenen Betriebsphasen
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4 zeigt
ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug-Bordnetz, welches
mit einem generatorisch oder motorisch betreibbaren Starter-Generator 3 ausgestattet
ist. Der Generator 3 ist über einen Keilriemen
mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 verbunden
und ist elektrisch an einen bidirektionalen AC/DC-Wandler 4 angeschlossen,
welcher von einer Steuereinrichtung 5 gesteuert wird.
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Wird
der Starter-Generator 3 generatorisch betrieben, liegen
die einzelnen Verbraucher wie Anlasser 6, nichtempfindliche
elektrische Verbraucher 8a, ... 8n bzw. empfindliche
elektrische Verbraucher 9a, ... 9n parallel zur
Versorgungsbatterie 7, d. h. in dieser Betriebsphase kann
der Starter-Generator die Versorgungsbatterie 7 direkt,
d. h. ohne Zwischenschaltung eines anderen Energiespeichers wie
einer Kondensatoreinrichtung laden bzw. die angegebenen elektrischen
Verbraucher speisen.
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Im
motorischen Betrieb des Starter-Generators dient dieser zum Starten
der Brennkraftmaschine, insbesondere zum Warmstarten, sodass zu
diesem Zweck der Anlasser 6 abgeschaltet bleiben kann.
In dieser Betriebsphase wird der Starter-Generator 3 von
der Versorgungsbatterie 7 gespeist und der bidirektionale
AC/DC-Wandler 4 zum Wandeln der Batteriespannung in eine
Wechselspannung für den Starter-Generator 3 angesteuert.
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5 zeigt
den schon beschriebenen herkömmlichen Verlauf der Bordnetzspannung
für drei verschiedene Betriebsphasen, namentlich eine Rekuperationsphase 1,
in welcher Verzögerungsenergie im generatorischen Betrieb
des Starter-Generators in elektrische Energie zum Laden der Versorgungsbatterie
erzeugt wird, eine zweite Betriebsphase 2, in welcher die
Batterie entladen wird, sowie eine dritte Betriebsphase 3,
in welcher die Batteriespannung etwa der Sollspannung im Leelauf
entspricht. Wie oben stehend erläutert, sind die Phasen 1 und 2 verantwortlich
für Betriebssituationen der empfindlichen elektrischen
Verbraucher, welche durch die erfindungsgemäße
Gestaltung des Netzes erfindungsgemäß zumindest
teilweise vermieden werden.
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In
einer ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt
ist, wird hierzu die Verwendung eines Schalters 60 vorgeschlagen,
welcher zwischen Versorgungsbatterie und Starter-Generator angeordnet
ist. Dieser Schalter wird von der Steuereinrichtung 50 angesteuert,
welche auch den bidirektionalen AC/DC-Wandler 4 steuert.
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Soweit
die verschiedenen Bestandteile des Bordnetzes 10 sich nicht
von denen des herkömmlichen Netzes 1 der 4 unterscheiden,
sind die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Bauteile
verwendet. Der Schalter 60 wird von der Steuerung 50 immer
dann zum Öffnen gesteuert, wenn die Batterie insbesondere
zur Vermeidung oder Aufhebung eines Überladezustandes entladen
werden muss. Soweit der Schalter 60 offen ist, werden die
empfindlichen elektrischen Verbraucher 9a, ... 9n über
den Starter-Generator 3 versorgt. Um im Wesentlichen unabhängig
vom Betrieb des Generators eine konstante Spannung bereitzustellen,
ist der bidirektionale AC/DC-Wandler 4 zur Abgabe einer
geregelten Gleichspannung an die Verbraucher 9a, ... 9n ausgelegt.
In solchen Fällen, in welchen die Batterie nicht entladen
werden muss, ist der Schalter 60 geschlossen.
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In
den beiden in den 2a und 2b angegebenen
Ausführungsformen ist zusätzlich eine Zenerdiode 70 vorgesehen,
welche dem Schalter 60 parallel liegt. Hierdurch wird erreicht,
dass Spannungsspitzen, welche insbesondere durch das Entfernen einer
empfindlichen Last 9a, ... 9n entstehen können, über
die Versorgungsbatterie 7 gemäß der Ausführungsform
der 2a abfließen können oder gemäß der
in 2b dargestellten Ausführungsform direkt
nach Masse fliegen. Die Ansteuerung des Schalters 60 unterscheidet
sich in den Ausführungsformen der 2a, b nicht von der in 1 dargestellten.
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Um
in der Rekuperationsphase 1, siehe 5, eine
erhöhte Speisespannung für die sensiblen Verbraucher 9a,
... 9n zu vermeiden, ist in der in 3a dargestellten
Ausführungsform vorgesehen, in den Versorgungspfad eines
empfindlichen Verbrauchers wahlfrei einen Widerstand 80a,
... 80n einzuschalten, sodass ein Teil der erhöhten
Speisespannung an diesen Widerständen abfällt
und somit im Idealfall die Speisespannung an den Verbrauchern 9a,
... 9n auch während der Rekuperation konstant
gehalten werden kann. In dem in 3a dargestellten
Beispiel steuert die Steuereinrichtung 50 in der Rekuperationsphase
sowohl den Schalter 60 zum Schließen als auch
die Schalter 90a, ... 90n zum Einschalten des
jeweiligen Widerstandes 80a, ... 80n in den Versorgungspfad
des jeweiligen Verbrauchers 9a, ... 9n.
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Während
der Entladungsphase der Versorgungsbatterie (Phase 2 in 5)
ist der Schalter 60 geöffnet, sodass über
die Batterie nur nichtempfindliche Verbraucher 8a, ... 8n entladen
werden. Dagegen sind die Schalter 90a, ... 90n in
dieser Phase so eingestellt, dass die auswählbaren Widerstände 80a, ... 80n überbrückt
sind, wobei die Spannung des Starter-Generators 3 auf einen
festen Wert gesteuert oder geregelt ist, sodass die Anschlussspannung
der empfindlichen Verbraucher im Vergleich zur ersten Betriebsphase
gleich bleibt.
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In
den dritten Phase 3 ist der Schalter 60 zwischen
Batterie und Starter-Generator 3 geschlossen, wobei die
empfindlichen Verbraucher 9a, ... 9n direkt, ohne
die jeweiligen Widerstände 80a, ... 80n an
den Starter-Generator 3 angeschlossen sind. Auch in diesem
Fall wird die Ausgangsspannung des Starter-Generators 3 auf
einen Wert geregelt, der etwa gleich dem Wert in den vorhergehenden
Betriebsphasen ist. Diese Sollspannung muss nicht notwendigerweise
gleich der Leerlaufspannung der Batterie sein.
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In
nicht dargestellter Weise kann die in 3a angegebene
Ausführungsform auch wie in den vorhergehenden Beispielen
eine Zenerdiode zur Ableitung von Spannungsspitzen aufweisen.
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Zur
Vermeidung der Verlustleistung in den wahlweise zuschaltbaren Widerständen 80a,
... 80n in der in 3a dargestellten
Ausführungsform wird in einer Weiterbildung vorgeschlagen,
in die jeweiligen Versorgungspfade der empfindlichen elektrischen
Verbraucher 9a, ... 9n keine Widerstände
vorzusehen, sondern eine elektronische Schaltungseinrichtung, insbesondere
einen DC/DC-Wandler, wobei entweder für jeden der Verbraucher 9a,
... 9n ein getrennter solcher Wandler vorgesehen sein kann
oder wie in der in 3b dargestellten Ausführungsform ein
einzelner Wandler 100 für alle Verbraucher 9a,
... 9n. Dieser DC/DC-Wandler stellt in der Rekuperationsphase 1,
siehe 5 sicher, dass die Speisespannung für
die empfindlichen elektrischen Verbraucher 9a, ... 9n in
keinem Fall eine vorgegebene Grenze, im DC/DC-Wandler festgelegte überschreiten
kann. Während dieser ersten Phase wird wiederum der Schalter 60 durch
die Steuereinrichtung 50 zum Schließen angesteuert,
sodass die vom Starter-Generator 3 unter Umständen
abgegebene erhöhte Spannung heruntergeregelt wird. Während
der Phase 2 wird die Batterie entladen, insofern ist der Schalter 60 geöffnet,
sodass die Entladung der Batterie über die nichtempfindlichen
Verbraucher 8a, ... 8n erfolgt. Die von dem Starter-Generator
abgegebene Spannung wird wie beschrieben durch den DC/DC-Wandler 90 auf
einen vorbestimmten Wert heruntergeregelt. Während der
dritten Phase 3 wird der Schalter 60 zum Schließen
angesteuert, wobei die Ausgangsspannung des Starter-Generators 3 auf einen
vorbestimmten Wert geregelt wird, welcher den der vorhergehenden
Phasen 1, 2 entspricht und nicht unbedingt gleich
der Leerlaufspannung der Batterie sein muss.
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In
der in 3b dargestellten Ausführungsform
wird der Schalter 60 geöffnet und damit die Batterie
entladen, sodass letztlich mit dieser Maßnahme im Wesentlichen
vermieden werden kann, dass die Versorgungsbatterie 7 ausgast.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen
sein, dass elektrische Kenndaten der Batterie erfasst werden und
von der Steuerung zum Öffnen bzw. Schließen des
Schalters 60 verwendet werden.
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- 1
- Bordnetz
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Starter-Generator
- 4
- Bidirektionaler
AC/DC-Wandler
- 5
- Steuereinrichtung
- 6
- Anlasser
- 7
- Versorgungsbatterie
- 8a,
... 8n
- Nichtempfindlicher
elektrischer Verbraucher
- 9a,
... 9m
- Empfindlicher
elektrischer Verbraucher
- 10
- Bordnetz
- 50
- Steuereinrichtung
- 60
- Schalter
- 70
- Zenerdiode
- 80a,
... 80n
- Widerstand
- 90a,
... 90n
- Wechselschalter
- 100
- DC-DC-Wandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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