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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündvorrichtung und ein Zündverfahren für einen Innenverbrennungsmotor zum Zünden einer brennbaren (zündfähigen) Mischung in einer Verbrennungskammer des Innenverbrennungsmotors.
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2. Beschreibung verwandten Stands der Technik
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In den letzten Jahren haben sich Probleme wie etwa Umweltschutz und Kraftstofferschöpfung gezeigt und eine Antwort auf jene Probleme ist in der Automobilindustrie ein dringliches Thema. Als Maßnahme bei diesen Problemen ist beispielsweise ein ultramagerer Verbrennungs-(Schichtmagerverbrennung)Betrieb des Motors unter Verwendung einer geschichteten Mischung bekannt. Jedoch kann eine Verteilung eines brennbaren Gemisches in der geschichteten Magerverbrennung variieren und eine Zündvorrichtung wird benötigt, welche zur automatischen Absorption dieser Variation in der Lage ist.
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Um die oben erwähnte Anforderung zu erfüllen, wird eine Zündvorrichtung vorgeschlagen, die eine Zündkerze zum Erzeugen einer Zündentladung in einer Verbrennungskammer, und ein Mikrowellen-Erzeugungsvorrichtung zum Zuführen von Energie an die Funkenentladung der Zündkerze beinhaltet (siehe beispielsweise
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-96128 ).
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Diese Zündvorrichtung kann ein großes Entladungsplasma ausbilden, die räumlichen Zündmöglichkeiten verbessern und die Variation bei der Verteilung der brennbaren Mischung absorbieren. Daher kann die Zündvorrichtung die Anforderung an die geschichtete Magerverbrennung erfüllen.
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Jedoch hat der Stand der Technik die nachfolgenden Probleme.
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Die in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-96128 beschriebene Zündvorrichtung kann ein großes Entladungsplasma bilden, und kann daher verhindern, dass eine Fehlzündung eine Variation beim erzeugten Drehmoment beschränkt, aber es wird ein Durchgang zum Zuführen der Mikrowelle in die Verbrennungskammer zusätzlich zur Zündkerze benötigt. Daher gibt es das Problem, dass es schwierig ist, die Zündvorrichtung gemäß der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-96128 auf einen existierenden Motor anzuwenden.
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Darüber hinaus wird in der Verbrennungskammer eine große Druckänderung durch eine reziproke Bewegung eines Kolbens wiederholt und die Bildung und Auslöschung des Plasmas werden durch die Entladung und Verbrennung wiederholt, was zu einem sehr instabilen Zustand führt. Daher gibt es das Problem, dass eine stabile Zufuhr von Hochfrequenzenergie, wie etwa der Mikrowelle, an die Verbrennungskammer bei Impedanzabpassung und dergleichen technisch und im Hinblick auf das Abpassen individueller Produkte sehr schwierig ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme gemacht worden und hat daher als Aufgabe, eine Zündvorrichtung und ein Zündverfahren für einen Innenverbrennungsmotor bereitzustellen, welche in der Lage sind, leicht ein großes Entladungsplasma mit einer einfachen Konfiguration auszubilden.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Zündvorrichtung für einen Innenverbrennungsmotor bereitgestellt, die beinhaltet: eine Zündkerze, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die zueinander über einen vorgegebenen Spalt opponiert sind, enthält, zum Erzeugen, im vorbestimmten Spalt, einer Funkenentladung zum Zünden einer brennbaren Mischung in einer Verbrennungskammer des Innenverbrennungsmotors; eine Zündspule, die eine Primärspule und eine Sekundärspule enthält, zum Erzeugen einer Hochspannung in der Sekundärspule durch Zuführen oder Stoppen eines durch die Primärspule fließenden Primärstroms, und dann Anlegen der erzeugten Hochspannung an die erste Elektrode; und eine Steuereinheit zum Antreiben der Zündspule mehrmals innerhalb eines einzelnen Zündprozesses und Ändern einer Primärspannung zum Antreiben der Zündspule innerhalb des einzelnen Zündprozesses.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auch ein Zündverfahren für einen Innenverbrennungsmotor bereitgestellt, wobei der Innenverbrennungsmotor beinhaltet: eine Zündkerze, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die zueinander über einen vorgegebenen Spalt opponiert sind, enthält, zum Erzeugen, im vorbestimmten Spalt, einer Funkenentladung zum Zünden einer brennbaren Mischung in einer Verbrennungskammer des Innenverbrennungsmotors; und eine Zündspule, die eine Primärspule und eine Sekundärspule enthält, zum Erzeugen einer Hochspannung in der Sekundärspule durch Zuführen oder Stoppen eines durch die Primärspule fließenden Primärstroms, und dann Anlegen der erzeugten Hochspannung an die erste Elektrode; wobei das Zündverfahren beinhaltet: ein Antreiben der Zündspule mehrmals innerhalb eines einzelnen Zündprozesses und ein Ändern einer Primärspannung zum Antreiben der Zündspule innerhalb des einzelnen Zündprozesses.
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Gemäß der Zündvorrichtung und dem Zündverfahren für den Innenverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung treibt die Steuereinheit (der Steuerschritt) die Zündspule mehrmals innerhalb eines einzelnen Zündprozesses an und ändert die Primärspannung zum Antreiben der Zündspule innerhalb des einzelnen Zündprozesses.
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Daher kann ein großes Entladungsplasma mit einem einfachen Aufbau leicht gebildet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den beigefügten Zeichnungen ist
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1 ein Konfigurationsdiagramm, das eine Zündvorrichtung für einen Innenverbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
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2 ein Timing-Diagramm, das einen Betrieb der Zündvorrichtung für den Innenverbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert; und
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3 ein Timing-Diagramm, das einen Betrieb einer Zündvorrichtung für einen Innenverbrennungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird nunmehr eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen einer Zündvorrichtung und eines Zündverfahrens für einen Innenverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gegeben. Dieselben oder entsprechende Komponenten werden in den Zeichnungen durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Zündvorrichtung und das Zündverfahren für den Innenverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung können an einem Motorfahrzeug, einem Motorrad, einem Außenbordermotor und anderen Spezialmaschinen, die einen Innenverbrennungsmotor verwenden, installiert werden, und einen Kraftstoff sicher so zünden, dass der Innenverbrennungsmotor effizient betrieben werden kann. Daher sind die Zündvorrichtung und das Zündverfahren für den Innenverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich für Umwelterhaltung und das Kraftstofferschöpfungsproblem.
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Erste Ausführungsform
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1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine Zündvorrichtung 100 für einen Innenverbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. In 1 beinhaltet die Zündvorrichtung 100 eine Zündkerze 110 zum Erzeugen einer Funkenentladung zum Zünden einer brennbaren Mischung in einer Verbrennungskammer (nicht gezeigt) des Innenverbrennungsmotors, eine Zündkerze 120 zum Anlegen einer vorgegebenen Hochspannung an die Zündkerze 110 und Zuführen eines Stroms zur Zündkerze 110, und eine Steuereinheit 30 zum Steuern eines Betriebs der Zündspule 120.
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Nunmehr wird eine Beschreibung einer Konfiguration mit einer Funktion jeder Komponente dieser Zündvorrichtung 100 gegeben.
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Die Zündkerze 100 beinhaltet eine Hochspannungselektrode 111 als eine erste Elektrode und eine äußere Elektrode 112 als eine zweite Elektrode, die zur Hochspannungselektrode 111 über einen vorgegebenen Spalt opponiert ist (nachfolgend als ”Hauptkerzenspalt” bezeichnet).
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Die Zündspule 120 beinhaltet eine Primärspule 121, eine Sekundärspule 122 und einen Eisenkern 123 zum magnetischen Kuppeln der Primärspannung 121 und der Sekundärspule 122. Ein Ende der Sekundärspule 122 ist mit der Hochspannungselektrode 111 der Zündkerze 110 verbunden und das andere Ende derselben ist mit Erdung (GND) verbunden.
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Die Steuereinheit 130 beinhaltet ein erstes Schaltelement 131, einen Zündkondensator 132, eine erste Gleichrichterdiode 133, einen Induktor 134, eine erste Stromversorgung 135, eine zweite Gleichrichterdiode 136, eine zweite Stromversorgung 137, ein zweites Schaltelement 138 und eine Signalerzeugungseinheit 139.
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Der Zündkondensator 132 ist zwischen beiden Enden der Primärspule 121 über das erste Schaltelement 131, das durch einen isolierten Gatter-Bipolartransistor (IGBT) gebildet ist, verbunden. Mit einer positiven Elektrodenseite des Zündkondensators 132 ist eine erste Stromversorgung 135 über die erste Gleichrichterdiode 133 und den Induktor 134 verbunden und ist die zweite Stromversorgung 137 über die zweite Gleichrichterdiode 136 verbunden.
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Eine negative Elektrodenseite des Zündkondensators 132 ist mit GND über das zweite Schaltelement 138, das durch einen IGBT gebildet wird, verbunden. Darüber hinaus sind eine Basis des ersten Schaltelements 131 und eine Basis des zweiten Schaltelements 138 mit der Signalerzeugungseinheit 139 verbunden.
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Bei dieser Gelegenheit, ist die zweite Stromversorgung 137 eine Stromversorgung, die eine Spannung zwei- oder mehrfach so hoch wie eine Spannung, welche die erste Stromversorgung 135 anlegen kann, anlegen kann. Beispielsweise werden gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die erste Stromversorgung 135 und die zweite Stromversorgung 137 als eine 100 V Stromversorgung bzw. eine 1000 V Stromversorgung ausgewählt.
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Das Schalten des ersten Schaltelements 131 und des zweiten Schaltelements 138 wird jeweils durch ein erstes Steuersignal SH bzw. ein zweites Steuersignal SL aus der durch einen Mikroprozessor (Mikroprozessierungseinheit: MPU) gebildeten Signalerzeugungseinheit 139 gesteuert. Die Signalerzeugungseinheit 139 stellt Anzahl und Timing von Operationen der Zündspule 120 gemäß einem Betriebszustand des Innenverbrennungsmotors ein, wodurch das erste Steuersignal SH und das zweite Steuersignal SL erzeugt werden.
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Man beachte, dass die Signalerzeugungseinheit 139, das erste Schaltelement 131 und das zweite Schaltelement 138 eine kapazitative Stromzufuhreinheit zum Versorgen der Primärseite der Zündspule 120 mit einem kapazitativen Strom mittels einer im Zündkondensator 132 akkumulierten Ladung bilden und die kapazitative Stromversorgungseinheit einen Teil der Steuereinheit 130 zum Steuern des Betriebs der Zündspule 120 bildet.
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Bei dieser Gelegenheit sei erwähnt, dass der durch die Primärspule 121 der Zündspule 120 fließende Primärstrom I1 durch einen kapazitativen Strom aus dem Zündkondensator 132 gebildet wird, der auf einem Ladungspfad fließt, der an der positiven Elektrodenseite des Zündkondensators 132 startet, die Primärspule 121 und einen Kollektor und einen Emitter des ersten Schaltelements 131 passiert und zur negativen Elektrodenseite des Zündkondensators 132 rückkehrt.
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Daher, wenn die im Zündkondensator 132 akkumulierte elektrische Ladung ansteigt und die Spannung zum Laden des Zündkondensators 132 ansteigt, steigt der Wert des Primärstroms I1, und steigt die Sekundärspannung, die auf der Sekundärseite der Zündspule 120 erzeugt wird. Daher kann ”ein großer Strom” zugeführt werden und kann eine ”hohe Spannung” angelegt werden, indem die elektrostatische Kapazität C des Zündkondensators 132 und die Ladungsspannung auf einen angemessenen Wert eingestellt werden.
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Bei dieser Gelegenheit, der Zündkondensator 132 wird über einen Ladungspfad geladen, der an der ersten Stromversorgung 135, der ersten Gleichrichterdiode 133 und dem Induktor 134 startet, oder an der Stromversorgung 137 und der zweiten Gleichrichterdiode 136 startet, die positive Elektrodenseite des Zündkondensators 132, die negative Elektrodenseite des Zündkondensators 132, einen Kollektor und einen Emitter des zweiten Schaltelements 138 passiert und GND erreicht.
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Darüber hinaus ist der Zündkondensator 132 mit der Stromversorgung 135 über den Induktor 134 verbunden und daher wird der aus der ersten Stromversorgung 135 zum Zündkondensator 132 fließende Ladestrom bei einem Zyklus einer sogenannten LC-Resonanz verstärkt, die durch die elektrostatische Kapazität C des Zündkondensators 132 und die Induktanz L des Induktors 134 bestimmt ist.
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Mit anderen Worten kann der Zündkondensator 132 sehr rasch auf eine höhere Spannung als die Spannung 100 V der ersten Stromversorgung 135, beispielsweise ungefähr 200 V, geladen werden, indem die elektrostatische Kapazität C des Zündkondensators 132 und die Induktanz L des Induktors 134 auf angemessene Werte eingestellt werden.
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Darüber hinaus ist der Zündkondensator 132 mit einer höheren Spannung als der mittels der LC-Resonanz aus der Stromversorgung 135 geladenen Spannung, nämlich die zweite Stromversorgung 137 bei 1000 V gemäß der ersten Ausführungsform verbunden. Daher kann, obwohl das Aufladen Zeit erfordert, der Zündkondensator 132 bei einer höheren Spannung als der Spannung geladen werden, die von der Ladung aus der ersten Stromversorgung 135 über die erste Gleichrichterdiode 133 und den Induktor 134 herrührt.
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Nunmehr wird eine Beschreibung eines Verfahrens zum Ausbilden des Entladungsplasmas in dieser Zündvorrichtung 100 gegeben.
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Es ist notwendig, den Hauptkerzenspalt der Zündkerze 110 mit ”einem großen Strom” ”wiederholt in einem kurzen Zeitraum” zu versorgen, um ein großes Entladungsplasma im Hauptkerzenspalt auszubilden. Beispielsweise wird mit steigendem, dem Hauptkerzenspalt zugeführtem Strom mehr Plasma gebildet.
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Jedoch konzentriert sich das Plasma um den Entladungspfad herum und daher wird ein Entladungsplasma in einem gewünschten Volumen nicht einfach ausgebildet, indem der Entladungsstrom erhöht wird. Die Entladung muss mehrmals erzeugt werden, also ist eine Mehrfachzündung notwendig, um das ausgebildete Plasma in einem räumlich weiten Bereich zu verteilen.
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Spezifisch wird das Plasma im Hauptkerzenspalt der Zündkerze 110 durch die im Hauptkerzenspalt erzeugte Entladung erzeugt. Bei dieser Gelegenheit, wenn die Entladung unterbrochen wird, nimmt das Plasma verschiedene Formen an, wie etwa dass ein Teil des Plasmas durch seine eigene Hitze diffundiert, ein anderer Teil desselben längs der brennbaren Mischung in die Verbrennungskammer des Innenverbrennungsmotors fließt und noch ein anderer Teil davon sich auflöst.
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Bei dieser Gelegenheit, wenn die Entladung unterbrochen wird und eine vorgegebene Hochspannung an den Hauptkerzenspalt angelegt wird, um wieder die Entladung im Hauptkerzenspalt zu erzeugen, wird das Laden auf einen Pfad, der von niedrigerer Impedanz ist, im Hauptkerzenspalt wieder aufgenommen.
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Dieser Pfad niedrigerer Impedanz variiert und kann ein Pfad hoher Plasmadichte sein, oder kann ein Pfad der kürzesten Distanz im Hauptkerzenspalt sein. Daher steigt eine Wahrscheinlichkeit, dass eine Entladung wieder auf einem anderen Pfad als dem vorherigen Entladungspfad erzeugt wird, durch die Mehrfachzündung.
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Mit anderen Worten kann die sogenannte Mehrfachzündung, welche lediglich die Zündung wiederholt, kein hinreichendes Plasma durch eine einzelne Entladung bilden und kann daher insgesamt das große Entladungsplasma nicht ausbilden.
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Weiterhin führt ein einfacher Anstieg im Entladungsstrom zu einem engen Zufuhrbereich des Plasmas und kann kein großes Entladungsplasma bilden.
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Andererseits wird gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Entladungsstrom, der ausreichend Plasma bilden kann, zugeführt, und Plasma wird wiederholt in einem breiten Bereich aus räumlich unterschiedlichen Orten durch die Mehrfachzündung gebildet, was zur Ausbildung eines großen Entladungsplasmas führt.
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Im Hinblick auf das Obige steuert die Signalerzeugungseinheit 139 das erste Schaltelement 131 und das zweite Schaltelement 138 so, dass die Entladung mit einem Intervall gestartet wird, das kürzer ist als dasjenige, in dem das im Hauptkerzenspalt der Zündkerze 110 ausgebildete Plasma vollständig verschwindet, und das dem gebildeten Plasma gestattet, angemessen zu diffundieren.
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Bezug nehmend auf ein Timing-Diagramm in 2 wird nunmehr eine Beschreibung eines Betriebs der Zündvorrichtung 100 für den Innenverbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben.
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In 2 illustriert Teil (a) das an die Basis des zweiten Schaltelements 138 ausgegebene zweite Steuersignal SL, illustriert Teil (b) das an die Basis des ersten Schaltelements 131 ausgegebenen ersten Steuersignals SH, illustriert Teil (c) eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Zündkondensators 132, illustriert Teil (d) den durch die Primärspule 121 der Zündspule 120 fließenden Primärstrom I1, illustriert Teil (e1) die an die Hochspannungselektrode 111 der Zündkerze 110 angelegte Spannung und illustriert Teil (f1) eine Wellenform eines durch den Hauptkerzenspalt fließenden Entladungsstroms I2.
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Wenn das zweite Steuersignal SL aus der Signalerzeugungseinheit 139 den H-Pegel zu einem Zeitpunkt entsprechend einer Zeit T0 von 2 erreicht, wird das zweite Schaltelement 138 in den EIN-Zustand gebracht. Bei dieser Gelegenheit ist das erste Steuersignal SH aus der Signalerzeugungseinheit 139 auf L-Pegel und ist somit das erste Schaltelement 131 im AUS-Zustand.
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Wenn das zweite Schaltelement 138 in den EIN-Zustand gebracht wird, wird der Zündkondensator 132 rasch aus der ersten Stromversorgung 135 bis auf ungefähr 200 V, was ungefähr das Doppelte der Spannung der ersten Stromversorgung 135 ist, in einem sehr kurzen Zeitraum durch die LC-Resonanz über den oben erwähnten Ladepfad, wie in Teil (c) von 2 illustriert, geladen.
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Weiterhin wird der Zündkondensator 132 langsam bis auf ungefähr 1000 V, was die Spannung der zweiten Stromversorgung 137 ist, aus der zweiten Stromversorgung 137 aufgeladen. Man beachte, dass die Ladung durch die zweite Stromversorgung 137 langsam ist und daher ein hinreichender Zeitraum als Ladeperiode einzustellen ist (Periode von der Zeit T0 bis zu einer Zeit T1).
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Darüber hinaus werden das erste Steuersignal SH und das zweite Steuersignal SL aus der Signalerzeugungseinheit 139 ausgegeben, so dass, wenn das erste Steuersignal SH oder das zweite Steuersignal SL auf H-Pegel ist, das andere der ersten Steuersignale SH und zweiten Steuersignale SL auf dem L-Pegel bei einer Zündoperation zur Zeit T0 und danach ist. Als Ergebnis wird Schaltsteuerung für das erste Schaltelement 131 und das zweite Schaltelement 138 so bereitgestellt, dass, wenn das eine von dem ersten Schaltelement 131 oder dem zweiten Schaltelement 138 im EIN-Zustand ist, das andere des ersten Schaltelements 131 und des zweiten Schaltelements 138 im AUS-Zustand ist.
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Wenn das erste Steuersignal SH aus der Signalerzeugungseinheit 139 den H-Pegel zu einem Zeitpunkt entsprechend der Zeit T1 von 2 erreicht, wird das erste Schaltelement 131 in den EIN-Zustand gebracht. Bei dieser Gelegenheit erreicht das zweite Steuersignal SL aus der Signalerzeugungseinheit 139 den L-Pegel und somit wird das zweite Schaltelement 138 in den AUS-Zustand gebracht.
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Wenn das erste Schaltelement 131 in den EIN-Zustand gebracht wird, fließt der kapazitative Strom des auf etwa 1000 V geladenen Zündkondensators 132 als der Primärstrom I1 durch die Zündspule 120 auf dem oben erwähnten Pfad.
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Bei dieser Gelegenheit wird der Primärstrom I1 veranlasst, rasch gemäß der geladenen Spannung von 1000 V zu fließen, welche höher ist als die übliche Spannung 200 V, die sich mit der Stromversorgung 135 einstellt, und daher wird eine Sekundärspannung, welche höher ist als eine übliche Spannung, auf der Sekundärseite der Zündspule 120 erzeugt.
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Beispielsweise in einem Fall, bei dem der Zündkondensator 132 auf 200 V geladen wird und der Primärstrom I1 veranlasst wird zu fließen, falls die auf der Sekundärseite der Zündspule 120 erzeugte Sekundärspannung ungefähr 10 kV ist, kann Sekundärspannung von ungefähr 50 kV auf der Sekundärseite der Zündspule 120 erzeugt werden, wenn der Zündkondensator 132 auf 1000 V geladen wird, und der Primärstrom I1 veranlasst wird, zu fließen.
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Darüber hinaus wird eine Konfiguration bereitgestellt, in der zur Zeit T1 eine negative Hochspannung auf der Hochspannungselektrode 111 der Zündkerze 110 erzeugt wird. Mit anderen Worten, um sicher einen dielektrischen Durchbruch im Hauptkerzenspalt zur Zeit T1 zu erzeugen, wird Aufmerksamkeit dem gewidmet, dass die negative Hochspannung, welche den dielektrischen Durchbruch leichter erzeugt, an die Hochspannungselektrode 111 angelegt wird. Als Ergebnis kann der dielektrische Durchbruch zur Zeit T1 sicher im Hauptkerzenspalt erzeugt werden.
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Wenn ein Versuch unternommen wird, den Sekundärstrom (Entladungsstrom I2), der durch die Sekundärspule 122 der Zündspule 120 fließt, zu erhöhen, nimmt die Sekundärspannung, die auf der Sekundärspule 122 erzeugt wird, ab, und daher mag es sein, dass ein dielektrischer Durchbruch im Hauptkerzenspalt der Zündkerze 110 nicht erzeugt wird. Als Ergebnis kann sich ein Fehlzündungszustand einstellen.
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Jedoch, wie in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, kann der dielektrische Durchbruch sicher erzeugt werden, indem der Primärstrom I1 in Übereinstimmung mit der höheren Spannung als der üblichen Spannung in der Anfangsperiode der Mehrfachzündung zugeführt wird.
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Daher, selbst falls die Zündspule 120 durch eine stromorientierte Spezifikation konfiguriert ist, wie etwa eine Spezifikation, in der ein Wicklungsverhältnis zwischen der Primärspule 121 und der Sekundärspule 122 gleich oder kleiner 80 ist, statt einer konventionellen, spannungsorientierten Spezifikation, kann ein dielektrischer Durchbruch sicher im Hauptkerzenspalt erzeugt werden und es kann ein großer Entladungsstrom I2 veranlasst werden, zu fließen.
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Als Nächstes, wenn das erste Steuersignal SH den L-Pegel zu einem Zeitpunkt entsprechend der Zeit T2 von 2 erreicht, wird das erste Schaltelement 131 in den AUS-Zustand gebracht. Bei dieser Gelegenheit wird der Primärstrom I1 aus dem Zündkondensator 132 angehalten, und das zweite Steuersignal SL erreicht simultan den H-Pegel. Als Ergebnis wird das zweite Schaltelement 138 in den EIN-Zustand gebracht.
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Wenn das zweite Schaltelement 138 in den EIN-Zustand gebracht wird, wird der Zündkondensator 132 rasch aus der Stromversorgung 135 bis auf etwa 200 V, was ungefähr das Zweifache der Spannung der ersten Stromversorgung 135 ist, in einem sehr kurzen Zeitraum durch die LC-Resonanz über den oben erwähnten Ladungspfad geladen.
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Ein Zeitraum zwischen der Zeit T2 und einer Zeit T3 von 2 ist kurz, zum Laden des Zündkondensators 132 durch die zweite Stromversorgung 137, und die geladene Spannung des Zündkondensators 132 steigt in diesem Zeitraum kaum an. Mit anderen Worten verbleibt die geladene Spannung bei ungefähr 200 V während der Zeit T3.
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Darüber hinaus ist der dielektrische Durchbruch bereits im Hauptkerzenspalt zwischen der Hochspannungselektrode 111 und der äußeren Elektrode 112 der Zündkerze 110 zur Zeit T1 erzeugt worden, die durch einen Entladungspfad ausgebildet wird. Daher ist nachfolgend die Erzeugung einer sekundären Hochspannung nicht mehr nötig, sofern nicht die Entladung für eine Weile unterbrochen wird, und der Entladungsstrom I2 kann veranlasst werden, durch den Entladungspfad im Hauptkerzenspalt durch beispielsweise eine Spannung von ungefähr 500 V zu fließen.
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Zu dem dem Zeitpunkt T2 entsprechenden Timing und danach, von 2, werden das erste Steuersignal SH und das zweite Steuersignal SL abwechselnd zwischen dem H-Pegel und dem L-Pegel in einem kurzen Zeitraum zur Zeit T3 und einer Zeit T4 umgeschaltet. Als Ergebnis ändern sich abwechselnd die Leitungszustände des ersten Schaltelementes 131 und des zweiten Schaltelements 138 wie oben beschrieben, und fließt der Primärstrom I1 wiederholt in jedem kurzen Zeitraum in der Induktionsspule 120.
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In der Zündvorrichtung 100 für den Innenverbrennungsmotor der in 1 illustrierten ersten Ausführungsform der Erfindung wiederholt das erste Schaltelement 131 den EIN-Zustand und den AUS-Zustand und fließt somit der Sekundärstrom (Entladungsstrom I2), der durch die Sekundärseite der Zündspule 120 fließt, als ein Wechselstrom, wie in Teil (f1) von 2 illustriert.
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Wie oben beschrieben, treibt gemäß der ersten Ausführungsform die Steuereinheit die Zündspule mehrmals innerhalb eines einzelnen Zündprozesses an und ändert die Primärspannung zum Antreiben der Zündspule innerhalb des einzelnen Zündprozesses. Daher kann ein großes Entladungsplasma leicht mit der simplen Konfiguration gebildet werden.
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Darüber hinaus, wie oben beschrieben, wird die hohe Sekundärspannung erzeugt, um den Entladungspfad im Hauptkerzenspalt auszubilden, indem der Primärstrom veranlasst wird, gemäß der Spannung höher als der üblichen Spannung in der Anfangsperiode der Mehrfachzündung zu fließen. Nachfolgend wird der Primärstrom veranlasst, bei der niedrigeren als der Spannung in der Anfangsperiode der Mehrfachzündung zu fließen, und daher ist es möglich, den großen Entladungsstrom kontinuierlich durch den Entladungspfad im Hauptkerzenspalt zuzuführen.
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Daher kann das große Entladungsplasma effizient gebildet werden und kann eine große Plasmamenge einem breiten Bereich in der Verbrennungskammer des Innenverbrennungsmotors zugeführt werden, wodurch die Verbrennungsreaktion vereinfacht wird. Als Ergebnis kann ein Grenzbereich und dergleichen einer Magerverbrennung oder der dilutierten Verbrennung ausgeweitet werden.
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Mit anderen Worten kann ein großer Wechselentladungsstrom zwischen den Elektroden der Zündkerze in einer frühen Periode zugeführt werden und daher kann ein großes Plasma mit einer einfachen Konfiguration ausgebildet werden, was zu stabiler Magerverbrennung führt. Als Ergebnis kann der für den Betrieb des Innenverbrennungsmotors verbrauchte Kraftstoff signifikant reduziert werden, wodurch die Menge an CO2-Emission sehr reduziert wird und zum Umweltschutz beigetragen wird.
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Zweite Ausführungsform
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Gemäß der ersten Ausführungsform wird durch Erhöhen der geladenen Spannung des Zündkondensators 132 in der Anfangsperiode des Mehrfachzündbetriebs der Primärstrom I1 veranlasst, auf der Primärseite der Zündspule 120 rasch zu fließen, wodurch die Hochspannungselektrode 111 der Zündkerze 110 mit der Sekundärspannung als negativer Hochspannung versorgt wird, welche durch die sogenannte ”magnetische Anregung” erzeugt wird, wenn der Strom einfließt. Als Ergebnis wird der dielektrische Durchbruch im Hauptkerzenspalt erzeugt und wird der Entladungspfad ausgebildet.
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Bei dieser Gelegenheit weist ”Freisetzung magnetischen Flusses” eine zu ”magnetische Anregung” entgegengesetzte Bedeutung auf. Darüber hinaus ist es bekannt, dass eine höhere Sekundärspule leichter zur Zeit der ”Freisetzung des magnetischen Flusses” erzeugt wird. Mit anderen Worten ist die elektromotorische Kraft der Spule proportional zu einer Menge an zeitlicher Änderung im Magnetfluss. Darüber hinaus sind die Anzahlen von Wicklungen der Spulen der Zündspule 120 nicht variable Elemente und daher kann auch umformuliert werden, dass die elektromotorische Kraft der Spule proportional zu einer Größe temporärer Stromänderung ist. Darüber hinaus weist die Spule Induktanz auf und es ist damit schwierig, einen erforderlichen Strom spontan fließen zu lassen, aber es kann einfach sein, einen fließenden Strom zu stoppen.
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Unter Erwägung dieser Punkte kann eine Hochspannung effizienter erzeugt werden, indem die ”Freisetzung des magnetischen Flusses” eingesetzt wird und daher kann eine Zündspule 120 mit einem kleinen Wicklungsverhältnis eingesetzt werden. Als Ergebnis kann ein größerer Entladungsstrom I2 veranlasst werden, in den Entladungspfad im Hauptkerzenspalt zu fließen.
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Bezug nehmend auf ein Timing-Diagramm in 3 wird nunmehr eine Beschreibung eines Betriebs der Zündvorrichtung 100 für den Innenverbrennungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. Man beachte, dass die Konfiguration der Zündvorrichtung 100 des Innenverbrennungsmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die gleiche wie diejenige der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform ist, und daher eine Beschreibung derselben weggelassen wird.
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In 3 illustriert Teil (a) das zweite Steuersignal SL, das an die Basis des zweiten Schaltelements 138 ausgegeben wird, illustriert Teil (b) das an die Basis des ersten Schaltelements 131 ausgegebene erstn Steuersignal SH, illustriert Teil (c) eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Zündkondensators 132, illustriert Teil (d) den durch die Primärspule 121 der Zündspule 120 fließenden Primärstrom I1, illustriert Teil (e2) die an die Hochspannungselektrode 111 der Zündkerze 110 angelegte Spannung, und illustriert Teil (f2) eine Wellenform eines durch den Hauptkerzenspalt fließenden Entladungsstroms I2.
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Wenn das zweite Steuersignal SL aus der Signalerzeugungseinheit 139 zu einem Zeitpunkt entsprechend einer Zeit T0 von 3 den H-Pegel erreicht, wird das zweite Schaltelement 138 in den EIN-Zustand gebracht. Bei dieser Gelegenheit ist das erste Steuersignal SH aus der Signalerzeugungseinheit 139 auf L-Pegel und ist somit das erste Schaltelement 131 im AUS-Zustand.
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Wenn das zweite Schaltelement 138 in den EIN-Zustand gebracht wird, wird der Zündkondensator 132 rasch aus der Stromversorgung 135 bis auf ungefähr 200 V, was ungefähr zweimal so hoch wie die Spannung der ersten Stromversorgung 135 ist, in einem sehr kurzen Zeitraum durch die LC-Resonanz über den in Teil (c) von 3 illustrierten oben erwähnten Ladepfad geladen.
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Weiterhin wird der Zündkondensator 132 langsam bis zu ungefähr 1000 V. was die Spannung der Stromversorgung 137 ist, aus der zweiten Stromversorgung 137 geladen. Man beachte, dass das Laden durch die zweite Stromversorgung 137 langsam erfolgt und daher wird ein ausreichender Zeitraum als ein Ladezeitraum eingestellt (Zeitraum von T0 bis zu einer Zeit T1).
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Darüber hinaus werden das erste Steuersignal SH und das zweite Steuersignal SL aus der Signalerzeugungseinheit 139 ausgegeben, so dass, wenn das erste Steuersignal SH oder das zweite Steuersignal SL auf H-Pegel ist, das andere der ersten Steuersignale SH und zweiten Steuersignale SL auf dem L-Pegel bei einer Zündoperation zur Zeit T0 und danach ist. Als Ergebnis wird Schaltsteuerung für das erste Schaltelement 131 und das zweite Schaltelement 138 so bereitgestellt, dass, wenn das eine von dem ersten Schaltelement 131 oder dem zweiten Schaltelement 138 im EIN-Zustand ist, das andere des ersten Schaltelements 131 und des zweiten Schaltelements 138 im AUS-Zustand ist.
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Wenn das erste Steuersignal SH aus der Signalerzeugungseinheit 139 den H-Pegel zu einem Zeitpunkt entsprechend der Zeit T1 von 2 erreicht, wird das erste Schaltelement 131 in den EIN-Zustand gebracht. Bei dieser Gelegenheit erreicht das zweite Steuersignal SL aus der Signalerzeugungseinheit 139 den L-Pegel und somit wird das zweite Schaltelement 138 in den AUS-Zustand gebracht.
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Wenn das erste Schaltelement 131 in den EIN-Zustand gebracht wird, fließt der kapazitative Strom des auf etwa 1000 V geladenen Zündkondensators 132 als der Primärstrom I1 durch die Zündspule 120 auf dem oben erwähnten Pfad, um eine Sekundärspannung auf der Sekundärseite der Zündspule 120 zu erzeugen.
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Die Schaltung ist so konfiguriert, dass die durch diese ”magnetische Anregung” erzeugte Sekundärspannung als eine positive Hochspannung an die Hochspannungselektrode 111 der Zündkerze 110 angelegt wird. Bei dieser Gelegenheit wird, falls kein dielektrischer Durchbruch im Hauptkerzenspalt zur Zeit T1 erzeugt wird, mehr magnetischer Fluss im Eisenkern 123 der Zündspule 120 akkumuliert.
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Als Nächstes wird, wenn das erste Steuersignal SH den L-Pegel zu einem Zeitpunkt entsprechend der Zeit T2 von 3 erreicht, das erste Schaltelement 131 in den AUS-Zustand gebracht. Bei dieser Gelegenheit wird der Primärstrom I1 aus dem Zündkondensator 132 gestoppt und erreicht das zweite Steuersignal SL simultan den H-Pegel. Als Ergebnis wird das zweite Schaltelement 138 in den EIN-Zustand gebracht.
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Wenn das zweite Schaltelement 138 in den EIN-Zustand gebracht wird, wird der Zündkondensator 132 rasch aus der Stromversorgung 135 bis zu ungefähr 200 V, was ungefähr zweimal so hoch wie die Spannung der ersten Stromversorgung 135 ist, in einer sehr kurzen Periode durch die LC-Resonanz über den oben erwähnten Ladungspfad geladen.
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Bei dieser Gelegenheit wird die Zeit T2 auf einen Zeitpunkt eingestellt, bei dem der auf der Primärspulenseite 121 der Zündspule 120 fließende Primärstrom I1 sich einer Spitze nähert. Diese Einstellung kann die maximale Menge an Ladung im Magnetfluss mit sich bringen, was zur Erzeugung einer höheren Sekundärspannung auf der Sekundärseite der Zündspule 120 führt.
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Selbst falls zur Zeit T1 kein dielektrischer Durchbruch erzeugt wird, kann eine höhere negative Spannung an die Hochspannungselektrode 111 der Zündkerze 110 zur Zeit T2 angeregt werden, die etwas später ist, und daher wird ein dielektrischer Durchbruch im Hauptkerzenspalt sicher erzeugt, der von der Ausbildung des Entladungspfades herrührt. Daher kann eine Zündspule 120 ausgewählt werden, die von kleinem Wicklungsverhältnis ist und kann daher einen größeren Sekundärstrom liefern.
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Zur Zeit T2 wird der Entladungspfad sicher im Hauptkerzenspalt ausgebildet und nachfolgend ist die Erzeugung einer hohen Sekundärspannung nicht mehr länger notwendig, sofern nicht die Entladung für eine Weile unterbrochen wird. Daher kann der Entladungsstrom I2 veranlasst werden, durch den Entladungspfad im Hauptkerzenspalt zwischen der Hochspannungselektrode 111 und der äußeren Elektrode 112 der Zündkerze 110 zu fließen, beispielsweise durch eine Spannung von ungefähr 500 V.
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Ein Betrieb ist der gleiche wie derjenige der oben erwähnten ersten Ausführungsform zu und nach einem der Zeit T2 von 3 entsprechenden Timing, obwohl die Prioritäten der Spannung und des Stroms entgegengesetzt sind, und eine detaillierte Beschreibung derselben wird daher weggelassen.
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Wie oben beschrieben, kann gemäß der zweiten Ausführungsform der dielektrische Durchbruch im Hauptkerzenspalt effizienter erzeugt werden und der Entladungspfad wird gebildet. Entsprechend kann eine Zündspule von kleinem Wicklungsverhältnis eingesetzt werden und kann ein großer Entladungsstrom kontinuierlich über den Entladungspfad im Hauptkerzenspalt zugeführt werden.
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Daher kann das große Entladungsplasma effizient ausgebildet werden und kann eine große Menge an Plasma einem breiten Bereich in der Verbrennungskammer des Innenverbrennungsmotors zugeführt werden, wodurch die Verbrennungsreaktion erleichtert wird. Als Ergebnis kann ein Grenzbereich und dergleichen der Magerverbrennung oder der dilutierten Verbrennung ausgedehnt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010-96128 [0003, 0006, 0006]
