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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere betrieben nach einem solchen Verfahren.
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Aus der
DE 10 2008 053 243 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem während eines Schichtladungsbetriebes die Auslassventile beim Ladungswechsel vor einem oberen Totpunkt schließen und die Einlassventile nach einem oberen Totpunkt öffnen. Dadurch wird beim Ladungswechselvorgang Abgas im Brennraum zurückbehalten und dieses heiße Restgas im Schichtladungsbetrieb genutzt. Insofern handelt es sich bei diesen Verfahren um eine sogenannte Abgasrückhaltung, bei der Abgas im Verbrennungsraum zurückbehalten wird.
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Aus der
DE 10 2009 034 763 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer internen Abgasrückführung bekannt. Zu diesem Zweck wird ein Einlassventil ein zweites Mal geöffnet, um während des Ausstoßtaktes einen Teil des Abgases in den Zuleitungskanal hinauszudrücken und während eines Ansaugtaktes dieses Abgas wieder in die Brennkammer hineinzusaugen und/oder durch ein zweites Öffnen und Schließen des Auslassventils während eines Ansaugtaktes in den Abgaskanal hinausgedrücktes Abgas in die Brennkammer zurückzusaugen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine und für ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit Kraftstoffdirekteinspritzung, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vereinfachte interne Abgasrückführung mit reduzierten Strömungs- und Reibungsverlusten auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und einer mit einem solchen Verfahren betreibbaren, Brennkraftmaschine, insbesondere, mit Kraftstoffdirekteinspritzung, mit mehreren in jeweils einem Zylinder hubverstellbar angeordneten Kolben und mit zumindest einem jeweils einem Zylinder zugeordneten Einlassventil und mit zumindest einem jeweils einem Zylinder zugeordneten Auslassventil eine interne Abgasrückführung durch ein verfrühtes Öffnen des Einlassventils und/oder ein verspätetes Schließen des Auslassventils durchzuführen, wobei eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve des verfrüht öffnenden Einlassventils und/oder des verspätet schließenden Auslassventils zumindest vier Wendepunkte aufweist. Durch Rücksaugen von heißem Abgas durch die Einlass- bzw. die Auslassventile im Zuge einer inneren Abgasrückführung steigt im Vergleich zu einer äußeren Abgasrückführung die mittlere Gastemperatur im Brennraum deutlich an. Dadurch sind höhere Abgasanteile realisierbar und die Stickoxidemission kann abgesenkt werden. Des Weiteren ist die Gasdichte durch den Temperaturanstieg reduziert und somit kann auch der Luftdurchsatz verringert und die Abgastemperatur erhöht werden. Dadurch wird wiederum ein Kennfeldbereich für eine Schichtladung ausgeweitet und die Absenkung der Stickoxidemission als auch die Abgastemperaturerhöhung können letztlich zu einer Absenkung des Kraftstoffverbrauchs infolge eines erweiterten Schichtladungsbetriebes genutzt werden. Ebenfalls sind aufgrund des längeren geöffneten Zustandes der Ventile die Strömungs- und Reibungsverluste verringert. Vorteilhaft kann dabei der Ventilhub im Bereich des oberen Totpunktes reduziert werden, um eine Kollision mit dem jeweiligen Kolben zu verhindern.
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Üblicherweise weist eine Brennkraftmaschine mehrere in jeweils einem Zylinder hubverstellbar angeordnete Kolben auf, die jeweils zusammen mit dem Zylinder eine Brennkammer umschließen. Jeweils einem Zylinder sind zumindest ein Einlassventil und zumindest ein Auslassventil zugeordnet. Hauptsächlich wird der Brennkammer über ein solches Einlassventil Frischluft zugeführt, während über ein solches Auslassventil die Abgase der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches aus der Brennkammer ausgestoßen werden. Letztlich wird durch ein solches Einlassventil und durch ein solches Auslassventil ein Ladungswechsel der Brennkammer gesteuert. Bei Otto-Motoren bzw. Benzin-Motoren kann durch eine Direkteinspritzung eine Schichtung bzw. Schichtladung des Kraftstoff-Luftgemisches in der Brennkammer ausgebildet werden. Bei einer solchen Schichtladung sind in der Brennkammer mehrere Zonen unterschiedlicher Kraftstoffkonzentrationen angeordnet. Durch die Schichtladung besteht die Möglichkeit, zum Beispiel durch eine späte Einspritzung des Kraftstoffes während der Verdichtung, ein gut brennbares Kraftstoff-Luftgemisch im Bereich der Zündkerze zu erzeugen, während der übrige Brennraum der Brennkammer eine deutlich geringere Kraftstoffkonzentration aufweist. Dabei wird durch Zünden des gut brennbaren Kraftstoff-Luftgemisches im Bereich der Zündkerze die Verbrennung des Kraftstoffes auch in Zonen geringerer Kraftstoffkonzentration angefacht. Somit ist durch eine Schichtladung in der Brennkammer ein sogenannter Magerbetrieb ermöglicht. Im Magerbetrieb weist das in der Brennkammer befindliche Kraftstoff-Luftgemisch eine über alle Zonen der Brennkammer gemittelte, unterstöchiometrische Kraftstoffkonzentration mit einem hohen Luftüberschuss bzw. Sauerstoffüberschuss auf. Dadurch kann eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoffes zumindest reduziert werden und der Kraftstoffverbrauch bei einer solchen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung verringert werden. Zudem sind die Emissionswerte verbessert.
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Man unterscheidet strahlgeführte, wandgeführte und luftgeführte Schichtladungs- bzw. Brennverfahren. Diese Einteilung erfolgt anhand der Mechanismen, die im Schichtladungsbetrieb für den Transport des Kraftstoffes zur Zündkerze verantwortlich sind. Maßgebliche Mechanismen können dabei die Strahldynamik selbst, die Strahlumlenkung an einer Wand der Brennkammer und die Ladungsbewegung selbst sein, wobei üblicherweise eine Kombination der Verfahren zur Anwendung kommt. Bei einem strahlgeführten Schichtladungs- bzw. Brennverfahren können die Injektoren etwa mittig in der Brennkammer angeordnet werden. Üblicherweise können piezoelektrisch betätigbare Einspritzventile mit nach außen öffnender Düse eingesetzt werden, wobei die Entflammung im Bereich eines Rezirkulationsgebietes am Strahlrand erfolgen kann. Des Weiteren kann gewohnheitsmäßig eine getaktete Einspritzung vorgenommen werden, bei der die Einspritzung des Kraftstoffes mit einer oder zwei Unterbrechungen erfolgt.
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Aufgrund lokaler Zonen mit etwa stöchiometrischem Kraftstoff-Luftgemisch in der Brennkammer tritt bei einer Brennkraftmaschine mit durch Direkteinspritzung erzeugter Schichtladung eine hohe Stickoxidbildung auf. Dies gilt gerade für strahlgeführte Schichtladungsverfahren. Typischerweise wird zur Absenkung der Stickoxidemission die Abgasrückführung (AGR) angewendet. Dabei wird zusammen mit der Frischluft der Brennkammer auch Abgas zugeführt. Die Verträglichkeit des Verbrennungsprozesses gegenüber der Abgasrückführung ist allerdings begrenzt, so dass die Stickoxidemission sich auch nur in begrenztem Umfang durch die Abgasrückführung absenken lässt. Nachfolgend erfolgt im Zuge der Abgasnachbehandlung die Bindung der Stickoxide an einem Stickoxidspeicher-Katalysator. Ein solcher Stickoxidspeicher-Katalysator adsorbiert die während der Verbrennung entstandenen Stickoxide temporär und muss nach vollständiger Belegung des Katalysatormaterials durch Stickoxide regeneriert werden. Da bei einer Direkteinspritzung mit unterstöchiometrischem Kraftstoffverhältnis eine hohe Stickoxidemission auftritt, erfordert eine Schichtladung auch eine häufige Regeneration des Stickoxidspeicher-Katalysators. Dies wirkt sich infolge des hohen Kraftstoffverbrauchs der Regeneration des Stickoxidspeicher-Katalysators nachteilig auf den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus. Des Weiteren können die erniedrigten Abgastemperaturen insbesondere während eines Niederlastbetrieb zu Problemen führen, da die Abgastemperaturen gegebenenfalls nicht ausreichen, um die Funktion der Katalysatoren zu erhalten. Demzufolge muss auf den Betrieb mit einem homogenen, stöchiometrischen Gemisch mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch umgeschaltet werden. Dies führt ebenfalls zu einem Absenken des Gesamtwirkungsgrads der Brennkraftmaschine.
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Vorteilhafterweise führt eine Erhöhung der Gemischtemperatur in der Brennkammer gleichzeitig zu einer höheren Abgasverträglichkeit der Verbrennung und zu höheren Abgastemperaturen. Deshalb wird zumindest in einigen Betriebszuständen eine Erhöhung der Gemischtemperatur in der Brennkammer vorgenommen. Dies kann zum Beispiel durch eine Vorwärmung des Ansauggemisches sowie durch eine kurze und/oder isolierte Abgasrückführungsleitung erreicht werden. Ebenso führt eine Abgasrückhaltung zu einer Erhöhung der Gemischtemperatur in der Brennkammer. Dabei ist die Abgasrückhaltung nicht mit der internen Abgasrückführung, die ebenfalls eine Möglichkeit zur Gemischtemperaturerhöhung in der Brennkammer darstellt, zu verwechseln, da im Falle der Abgasrückhaltung die Abgase die Brennkammer nicht verlassen. Die Abgasrückhaltung ist in der Regel hinsichtlich der Gemischtemperatursteigerung als die effektivste Variante anzusehen. Allerdings ergeben sich gegebenenfalls Einschränkungen durch Erhöhung der Ladungswechselarbeit, insbesondere durch die Abgaszwischenkompression, und Nachteile infolge abnehmender Ladungsbewegung insgesamt. Dabei kann aufgrund einer geringeren Turbulenz eine schlechtere Vermischung von Frischluft und Abgas auftreten, wodurch die Flammfortschrittsgeschwindigkeit verringert ist. Deshalb ist zusätzlich oder auch ausschließlich die innere Abgasrückführung ein probates Verfahren zur Anhebung der Gemischtemperatur in der Brennkammer. Bei der inneren Abgasrückführung wird das Abgas temporär in das Abgassystem und/oder das Einlasssystem ausgestoßen und anschließend zusammen mit Frischluft über das Einlasssystem aus dem Einlasssystem und/oder dem Abgassystem in die Brennkammer zurückgesaugt. Dies kann unter anderem dadurch bewerkstelligt werden, dass die Einlassöffnung schon während des Ausstoßtaktes früh geöffnet wird. Somit wird Abgas in das Einlasssystem ausgestoßen und im nachfolgenden Ansaugtakt über das geöffnete Einlassventil wieder zurück in die Brennkammer gesaugt. Ebenso ist ein spätes Schließen des Auslassventiles während des Ansaugtaktes denkbar, wodurch aus dem Abgassystem Abgas zurück in die Brennkammer gesaugt wird. Um eine innere Abgasrückführung zu realisieren, können beide oben beschriebenen Varianten miteinander kombiniert werden.
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Aufgrund der Verbrennung des Luft-/Brennstoff-/Abgasgemisches in der Brennkammer tritt eine Expansion des in der Brennkammer angeordneten Fluidgemisches auf, wodurch wiederum der in der Brennkammer angeordnete Kolben angetrieben wird. Diese Bewegung des Kolbens wird mittels einer Kurbelwelle auf den Antrieb übertragen. Die Stellung der Kurbelwelle wird bezüglich eines Kurbelwellenwinkels angegeben, der die jeweilige Stellung eines Kolbens reflektiert. Dabei stellt ein Kurbelwellenwinkel von 180° den unteren Totpunkt (UT) des Kolbens dar, in dem der Kolben maximal aus dem Zylinder ausgefahren ist. Ein Kurbelwellenwinkel von 360° stellt demzufolge einen oberen Totpunkt (OT) dar, bei dem der Kolben maximal in den Zylinder eingefahren ist. Im Falle eines Viertaktmotors, bei dem jeweils nachfolgend ein Ansaugtakt, ein Kompressionstakt, ein Expansionstakt und ein Ausstoßtakt auftritt, durchfährt der Kolben zweimal den unteren Totpunkt und zweimal den oberen Totpunkt, so dass der Kurbelwellenwinkel von 0 bis 720° reicht. Dabei kann der Ausstoßtakt in einem Kurbelwellenwinkelbereich von 180° bis 360° angeordnet sein, während der Ansaugtakt in einem Kurbelwellenbereich zwischen 360° und 540° angeordnet sein kann.
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Das Öffnen der Ventile wird üblicherweise über eine Nockenwelle gesteuert, wobei die Nockenwelle zumindest einen jeweils einem Ventil zugeordneten Nocken aufweist, und wobei aufgrund einer Rotation der Nockenwelle durch den jeweiligen Nocken das jeweilige Ventil gegen zum Beispiel eine Federkraft geöffnet und geschlossen wird. Um nun das Öffnen und Schließen der Ventile im Zusammenhang mit den jeweiligen Kolbenbewegungen zu verdeutlichen, lässt sich jeweils für einen Kolben der Ventilhub des Einlassventiles und/oder des Auslassventiles in Abhängigkeit zum Kurbelwellenwinkel in Form einer Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve in einem Diagramm darstellen, auf dessen Y-Achse der Ventilhub und auf dessen X-Achse der Kurbelwellenwinkel abgetragen ist. Dabei weist eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve eines Standardnockenprofiles einen Kurvenverlauf in Art einer Glockenkurve auf. Wird nun ein von dem Standardnockenprofil abweichendes Nockenprofil verwendet, so lässt sich ein Ventilhub des jeweiligen Ventiles erzeugen, bei dem die Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve anstatt der zwei bei einem Standardnockenprofil üblichen Wendepunkt zusätzliche zwei Wendepunkte und somit vier Wendepunkte aufweist. Dabei kann durch ein derartiges Nockenprofil ein Auslassventil gemäß einem Standard-Nockenprofil geöffnet werden, während ein Schließen des Auslassventiles derart stattfindet, dass eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve zum Schließen des Auslassventils hin ein Plateau aufweist und erst nach dem Öffnen eines Einlassventils geschlossen wird. Somit wird das Auslassventil nicht wie üblich in einem Bereich des Kurbelwellenwinkels von 360°, sondern erst bei einem deutlich höheren Kurbelwellenwinkel geschlossen. Da in diesem Fall aufgrund des geöffneten Auslassventils bei gleichzeitig geöffnetem Einlassventil Abgas aus dem Auslasskanal in die Brennkammer zurückgeführt wird, liegt in diesem Fall eine innere Abgasrückführung vor. Dabei kann die Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve auch zum Schließen des Auslassventils hin ein zwischen zwei Maxima angeordnetes Minimum aufweisen.
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Eine weitere Form der inneren Abgasrückführung gelingt durch ein verfrühtes Öffnen des Einlassventils, so dass die Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve entweder im Bereich des Öffnen des Einlassventiles ein Plateau oder ein zwischen zwei Maxima angeordnetes Minimum aufweist. Auch in diesem Fall weist die Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve des Einlassventils vier Wendepunkte auf und das Einlassventil wird nicht wie bei Standard-Nockenprofilen üblich in einem Kurbelwellenwinkelbereich von 360° geöffnet, sondern bei deutlich kleineren Kurbelwellenwinkeln. Dadurch ist auch in diesem Fall in einem Kurbelwellenwinkelbereich von kleiner 360° bis 360° ein Zustand vorhanden, in dem beide Ventile geöffnet sind. Somit wird während des Ausstoßtaktes ein Teil des Abgases in den Einlasskanal hinausgeschoben und während des Ansaugtaktes durch das geöffnete Einlassventil wieder in die Brennkammer rückgesaugt.
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Beide Formen der inneren Abgasrückführung können gemeinsam oder jeweils einzeln angewendet werden.
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Aufgrund des längeren geöffneten Zustandes des jeweiligen Ventils kann mit Hilfe eines dementsprechenden Nockenprofiles der Ventilhub im oberen Totpunkt des Kolbens respektive bei einem Kurbelwellenwinkel von 360° geringer ausgeführt werden.
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Ein solches Nockenprofil eines jeweiligen ein Einlassventil oder ein Auslassventil steuernden Nockens kann in Art eines Doppelnockenprofiles ausgebildet werden, so dass sich die vorhergehend beschriebenen Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurven ergeben. Da nicht in jedem Betriebszustand in der Brennkraftmaschine eine solche innere Abgasrückführung gewünscht ist, ist es denkbar, die Nockenwelle mit mehreren Nocken unterschiedlicher Nockenprofile auszustatten, so dass zum Beispiel ein Nocken ein Standard-Nockenprofil aufweist, während ein weiterer dem gleichen Ventil zuordenbarer Nocken ein wie vorhergehend beschriebenes Nockenprofil aufweist. Dabei wäre in Abhängigkeit des Betriebszustandes oder anderer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine die Auswahl des jeweiligen zu dem Betriebszustand zuordenbaren Nockens denkbar.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve eines Auslassventils mit verspätetem Schließen des Auslassventils,
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2 eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve eines Einlassventils mit verfrühtem Öffnen des Einlassventils.
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Wie in 1 dargestellt, kann eine Version der inneren Abgasrückführung durch ein verspätetes Schließen eines Auslassventils realisiert werden. Zur Verdeutlichung dieser Variante einer inneren Abgasrückführung ist in einem Diagramm 1 auf der Y-Achse 2 der Ventilhub des jeweiligen Ventils abgetragen, während auf der X-Achse 3 der Kurbelwellenwinkel abgetragen ist. Zwischen einem Kurbelwellenwinkel von 180 bis 360° findet im Wesentlichen ein Ausstoßtakt IV statt, während zwischen einem Kurbelwellenwinkel von 360° bis 540° ein Ansaugtakt I anzutreffen ist. Des Weiteren ist in dem Diagramm 1 eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 4 des Auslassventils gemäß einem Standard-Nockenprofil dargestellt, ein Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 5 eines Einlassventiles gemäß eines Standard-Nockenprofils und eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 6 des Auslassventils mit einem Plateau 7, sowie eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 8 des Auslassventils mit einem zwischen zwei Maxima 9, 9' angeordneten Minimum 10. Im Falle der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurven 6, 8 des Auslassventils, die entweder ein Plateau 7 oder ein zwischen zwei Maxima 9, 9' angeordnetes Minimum 10 aufweisen, sind diese Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurven 6, 8 im Vergleich zu den mit zwei Wendepunkten ausgestatteten Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurven 4, 5 mit zwei zusätzlichen Wendepunkten und somit mit vier Wendepunkten ausgestattet. Ein Auslassventil, das eine solche Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 6, 8 aufweist, wird nicht gemäß einer Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 4 des Auslassventils kontinuierlich geschlossen, sondern wird im Falle der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 8 nach einem anfänglichen Schließen wieder etwas stärker geöffnet, wodurch sich in der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 8 ein Minimum 10 zwischen zwei Maxima 9, 9' ergibt. Im Fall der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 6 wird durch ein Halten des teilweise geschlossenen Auslassventils auf einem vorbestimmten Ventilhub Niveau 11 das Plateau 7 der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 6 des Auslassventils erzeugt.
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Beide Verfahren hinsichtlich der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve des Auslassventils führen zu einem verspäteten Schließen des Auslassventils, wodurch hier eine Form der inneren Abgasrückführung realisiert wird, nämlich das Rücksaugen von Abgas aus dem Abgaskanal.
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Eine weitere Variante der inneren Abgasrückführung ist in 2 dargestellt. Neben den Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurven 4, 5 des Auslassventils und des Einlassventils gemäß eines Standard-Nockenprofils sind noch eine Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 12 des Einlassventils mit einem zwischen zwei Maxima 13, 13' angeordnetem Minimum 14 und einem Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 15 des Einlassventils mit einem Plateau 16 dargestellt. Dabei wird während des Öffnens des Einlassventils im Falle der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 12 ein teilweise Öffnen des Einlassventils von einem teilweisen Schließen des Einlassventils unterbrochen, so dass ein zwischen zwei Maxima 13, 13' angeordnetes Minimum 14 im Kurvenverlauf der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 12 auftritt. Im Falle der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 15 wird das teilweise geöffnete Einlassventil auf einem vorbestimmten Ventilhubniveau 17 gehalten, so dass das Plateau 16 im Kurvenverlauf der Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve 15 auftritt.
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Beide in 1 und 2 dargestellte Verfahren können durch ein dementsprechendes Nockenprofil des jeweiligen zu dem Einlass- und Auslassventil zugeordneten Nockens erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Diagramm
- 2
- Y-Achse
- 3
- X-Achse
- 4
- Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve
- 5
- Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve
- 6
- Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve
- 7
- Plateau
- 8
- Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve
- 9, 9'
- Maximum
- 10
- Minimum
- 11
- Ventilhubniveau
- 12
- Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve
- 13, 13'
- Maximum
- 14
- Minimum
- 15
- Ventilhub-/Kurbelwellenwinkelkurve
- 16
- Plateau
- 17
- Ventilhubniveau
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008053243 [0002]
- DE 102009034763 [0003]