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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren, und insbesondere Erdgasmotoren.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren sind an sich wohl bekannt. Solche, die Benzin als Kraftstoff einsetzen, setzen typischerweise eine Anzahl von Zylindern ein, die ein Benzin-/Luft-Gemisch verdichten, so dass bei Zündung einer Zündkerze, die jedem Zylinder zugeordnet ist, das verdichtete Gemisch sich entzündet. Die sich ausdehnenden Verbrennungsgase, die bei der Zündung entstehen, bewegen einen Kolben innerhalb des Zylinders. Bei Erreichen eines Endes des Hubwegs in einer Richtung innerhalb des Zylinders kehrt der Kolben die Richtung um, um ein weiteres Volumen des Benzin-/Luftgemischs zu verdichten. Die resultierende mechanische Energie des sich bewegenden Kolbens kann und wird bisher für unzählige Anwendungen genützt, unter denen der Vortrieb von Fahrzeugen in vorderster Reihe steht.
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Ein weiterer Typ von Verbrennungsmotoren verwendet Erdgas als die Kraftstoffquelle. Zum Beispiel ist es bekannt, einen Motor für komprimiertes Erdgas bereitzustellen, bei dem ein Kolben innerhalb eines Zylinders oszilliert. Eine Zündkerze ist innerhalb eines Zylinderkopfs positioniert, der jedem Zylinder zugeordnet ist, und jede Zündkerze wird jeweils durch eine Zeitsteuerungsschaltung gesteuert, so dass, wenn der Kolben das Ende seines Verdichtungshubs erreicht, die Zündkerze feuert und dadurch das verdichtete Gemisch zündet.
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In weiteren Typen von Verbrennungsmotoren werden Vorkammern in Verbindung mit Erdgasmotoren eingesetzt. Eine Vorkammer ist jedem Zylinder des Erdgasmotors zugeordnet und mit einer Zündkerze versehen, um die Verbrennung des Erdgasmotors zugeordnet und mit einer Zündkerze versehen, um die Verbrennung innerhalb der Vorkammer auszulösen, die dann an die Hauptverbrennungskammer kommuniziert werden kann.
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Einige Motoren können unterschiedlich geformte Kolben aufweisen, um die Verbrennung zu fördern. Ein Beispiel für ein solches Verbrennungssystem ist in der
US-Patentveröffentlichung 2010/0326400 an Hayes Jr. offenbart. Das System in der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2010/0326400 umfasst ein Verbrennungssystem mit einer Vorkammer, die dazu geeignet ist, mit einem Kolben auf solche Weise zusammenzuwirken, dass ein hocheffizienter Verbrennungsprozess erzeugt wird. Die Vorkammer weist Durchgänge auf, die einen variablen Querschnitt aufweisen, sowie eine variable Winkelorientierung in Bezug auf eine Mittellinie des Vorkammerkörpers. Der Kolben ist mit einer Anzahl von Oberflächen versehen, die die Strömung von Kraftstoff und Luft innerhalb der Verbrennungskammer erleichtern. Darüber hinaus sind die Kolbenoberflächen allgemein mit Winkeln der Verbrennungskammer ausgerichtet, etwa den Winkeln der Einlass- und Auslassventile. Der Kolben weist auch Oberflächen auf, die dazu geeignet sind, mit einer Spitze der Vorkammer zusammenzuwirken.
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Die Verbesserung der Konstruktion eines bestimmten Motors ist oft wünschenswert, etwa in Form erhöhter Motoreffizienz und/oder verringerter Emissionen, insbesondere angesichts der steigenden Kraftstoffkosten und immer strengerer Vorschriften bezüglich Motoremissionen. Dementsprechend herrscht Bedarf nach verbesserten Motorsystemen.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Mehrpunkt-Zündungssystem für einen Motor. Das System kann umfassen: einen Motor mit einem Motorblock, der zumindest eine Zylinderbohrung aufweist, einen Zylinderkopf mit einer Flammdeckoberfläche, die an einem Ende der Zylinderbohrung angeordnet ist, einen Kolben, der dazu ausgestaltet ist, innerhalb der Zylinderbohrung zu oszillieren, wobei der Kolben eine Kolbenkrone aufweist, die zu der Flammdeckoberfläche hin weist, so dass eine Verbrennungs-Hauptkammer innerhalb der Zylinderbohrung definiert wird und zwischen der Kolbenkrone und der Flammdeckoberfläche angeordnet ist, wobei die Kolbenkrone des Weiteren eine Kolbenschale mit einer allgemein konkaven Gestalt umfasst, und eine Verbrennungs-Vorkammer mit einer Düsenspitze, die in Fluidverbindung mit der Verbrennungs-Hauptkammer angeordnet ist, wobei die Düsenspitze zumindest eine Düsenöffnung aufweist, die dazu ausgestaltet ist, einen Kraftstoffstrahl in die Verbrennungs-Hauptkammer einzuspritzen, wobei der Kolben eine Kolbenwand umfasst, die um einen Umfang der Kolbenschale angeordnet ist, wobei die Kolbenwand zumindest einen Hohlraum umfasst, wobei der zumindest eine Hohlraum einen Einlass in Fluidverbindung mit der Kolbenschale umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Kolben zur Verwendung in einem Motor, wobei der Kolben einen Körperabschnitt mit einer allgemein zylindrischen Gestalt aufweist und dazu ausgestaltet ist, innerhalb einer Zylinderbohrung des Motors zu oszillieren, sowie einen Schalenabschnitt, der mit dem Körperabschnitt gekoppelt ist, wobei die Schale des Weiteren eine Kolbenschale mit einer allgemein konkaven Gestalt umfasst, wobei der Kolben eine Kolbenwand umfasst, die um einen Umfang der Kolbenschale angeordnet ist, wobei die Kolbenwand zumindest einen Hohlraum umfasst, wobei der zumindest eine Hohlraum einen Einlass in Fluidverbindung mit der Kolbenschale umfasst.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems, das die folgenden Schritte umfasst: Oszillieren eines Kolbens innerhalb einer Zylinderbohrung eines Motors, wobei der Kolben eine Kolbenkrone aufweist, die zu der Flammdeckoberfläche hin weist, so dass eine Verbrennungs-Hauptkammer innerhalb der Zylinderbohrung definiert wird und zwischen der Kolbenkrone und der Flammdeckoberfläche angeordnet ist, wobei die Kolbenkrone des Weiteren eine Kolbenschale mit einer allgemein konkaven Gestalt umfasst, wobei der Kolben eine Kolbenwand umfasst, die um einen Umfang der Kolbenschale angeordnet ist, wobei die Kolbenwand zumindest einen Hohlraum umfasst, wobei der zumindest eine Hohlraum einen Einlass in Fluidverbindung mit der Kolbenschale umfasst, Einspritzen eines Kraftstoffstrahls von einer Düsenspitze einer Verbrennungs-Vorkammer entlang einer Kraftstoffstrahl-Mittellinie in die Verbrennungs-Hauptkammer, und Leiten des Kraftstoffstrahls zumindest zum Teil in den zumindest einen Hohlraum.
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Weitere und alternative Aspekte und Merkmale der offenbarten Prinzipien werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen deutlich werden. Es sollte klar sein, dass die Systeme für gasförmige Kraftstoffe, Mehrpunkt-Zündungs-Gasmotorsysteme und Verfahren, die hierin offenbart sind, auch in anderen und unterschiedlichen Aspekten ausgeführt werden können, und in verschiedener Hinsicht modifiziert werden können. Dementsprechend ist klar, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung rein beispielhaft sind und nur der Erklärung dienen, aber keinesfalls den Umfang der beiliegenden Ansprüche einschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 veranschaulicht einen Querschnitt einer Motorverbrennungskammer in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Offenbarung.
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2 veranschaulicht eine isometrische Draufsicht eines Motorkolbens und einer Vorkammer in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
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3 veranschaulicht eine Draufsicht eines Motorkolbens und einer Vorkammer in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
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4 veranschaulicht eine Draufsicht eines Motorkolbens und einer Vorkammer in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
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5 ist ein Flussdiagramm, das Schritte eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungssystems in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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6 veranschaulicht einen Querschnitt eines Motorkolbens in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
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7 veranschaulicht einen Querschnitt eines Motorkolbens in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
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8 veranschaulicht eine isometrische Draufsicht eines Motorkolbens in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
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9 ist eine schematische Zeichnung und stellt ein System zur Erzeugung eines dreidimensionalen Modells eines Kolbens dar.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der Offenbarung und der darin enthaltenen Beispiele besser verständlich.
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Bevor die vorliegenden Verbindungen, Zusammensetzungen, Produkte, Systeme, Vorrichtungen und/oder Verfahren offenbart und beschrieben werden, wird klar gemacht, dass diese nicht auf spezifische synthetische Verfahren (außer es wird etwas anderes angegeben), oder auf bestimmte Bestandteile (außer es wird etwas anderes angegeben) beschränkt sind, da diese natürlich variieren können. Es sollte auch klar sein, dass die hierin verwendete Terminologie rein dem Zweck der Beschreibung bestimmter Aspekte dient und keinesfalls einschränkend sein soll.
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Verschiedene Kombinationen von Elementen dieser Offenbarung werden von dieser Offenbarung umfasst, z. B., Kombinationen von Elementen aus Unteransprüchen, die von demselben unabhängigen Anspruch abhängig sind.
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Es sollte auch klar sein, dass die hierin verwendete Terminologie rein dem Zweck der Beschreibung bestimmter Aspekte dient und keinesfalls einschränkend sein soll. So wie er in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, kann der Begriff ”umfassend” die Bedeutungen von ”bestehend aus” und ”im Wesentlichen bestehend aus” einschließen. Wenn nicht anders angegeben haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe dieselbe Bedeutung, wie sie üblicherweise von einem gewöhnlichen Fachmann auf dem Gebiet, in das die Offenbarung fällt, verstanden wird. In dieser Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen wird auf eine Reihe von Begriffen Bezug genommen, die hierin definiert werden sollen.
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Jedes der hierin offenbarten Materialien ist entweder im Handel verfügbar und/oder das Verfahren zu seiner Herstellung ist dem Fachmann bekannt. Es ist klar, dass die hierin offenbarten Zusammensetzungen bestimmte Funktionen aufweisen. Hierin werden bestimmte strukturelle Parameter zur Durchführung der offenbarten Funktionen offenbart, und es sollte klar sein, dass es eine Reihe von Strukturen gibt, die dieselbe Funktion ausführen und mit den offenbarten Strukturen in Beziehung stehen, und dass diese Strukturen typischerweise dasselbe Ergebnis erzielen.
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Erdgasmotoren, wie etwa Großmotoren mit magerer Verbrennung, können Probleme mit instabiler Verbrennung, etwa Fehlzündungen, aufweisen, wenn der Kraftstoff mit einem Luftüberschuss verbrannt wird oder wenn der effektive Bremsmitteldruck (BMEP) erhöht ist. Eine vollständigere Zündung des Kraftstoffs in der Verbrennungskammer kann gewünscht sein, um die Verbrennungsstabilität, Drehzahl und Effizienz zu verbessern sowie die Emissionen zu verringern.
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Ein beispielhafter Aspekt der Offenbarung schafft ein verteiltes Mehrpunktzündungssystem, das die Verbrennungswolken oder -flammen, die aus einer einzelnen Vorkammer kommen, oder einer Mehrfachflammen-Zündkerze in mehrere verteilte Verbrennungsquellen durch kleinere Kammern, die sich in dem Kolbenkopf befinden, zu einer Zylinderwandung hin. Diese Mehrzahl von Verbrennungsquellen oder -punkten kann neue Verbrennungswolken erzeugen, die von einer oder nahe einer Zylinderwandung zu dem Zentrum des Zylinders hin sowie in andere Richtungen wandern können, um für eine vollständigere Verbrennung zu sorgen. Ein solches Verbrennungssystem kann die Drehzahl, Stabilität und Effizienz der Verbrennung verbessern, während unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHCs für unburnt hydrocarbon) und Stickoxide (NOx) reduziert werden.
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Nun werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente beziehen, Systeme und Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems veranschaulicht. Alle hierin angeführten numerischen Werte dienen rein der Veranschaulichung. In anderen Aspekten können andere Werte verwendet werden, und die Werte können auf beliebige Weise variiert werden, wie dies für die jeweilige Anwendung geeignet erscheint.
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1 veranschaulicht einen Querschnitt einer Motorverbrennungskammer in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Offenbarung. Wie in 1 zu sehen kann das Verbrennungssystem 100 des Motors 10 einen Motorblock 104 mit zumindest einer Zylinderbohrung 102 umfassen. Das Verbrennungssystem 100 auch als ein Mehrpunkt-Zündungssystem bezeichnet werden. In einem Aspekt kann die Verbrennungs-Hauptkammer 101 des Verbrennungssystems 100 eine allgemein zylindrische Gestalt aufweisen, die innerhalb einer Zylinderbohrung 102 definiert ist, die innerhalb eines Kurbelgehäuses oder Motorblocks 104 ausgebildet ist. Ein Zylinderkopf 108 kann eine Flammdeckoberfläche 106 umfassen, die an einem Ende der Zylinderbohrung 102 angeordnet ist. Ein Kolben 112 kann dazu ausgestaltet sein, innerhalb der Zylinderbohrung 102 zu oszillieren, wobei der Kolben 112 eine Kolbenkrone 110 aufweisen kann, die zu der Flammdeckoberfläche 106 hin weist, so dass eine Verbrennungs-Hauptkammer 101 innerhalb der Zylinderbohrung 102 zwischen der Kolbenkrone 110 und der Flammdeckoberfläche 106 definiert ist. Die Kolbenkrone 110 kann des Weiteren eine Kolbenschale 103 umfassen. In einem Aspekt kann die Kolbenschale 103 eine allgemein konkave Gestalt aufweisen. Eine Verbrennungs-Vorkammer 114 kann eine Düsenspitze 121 aufweisen, die in Fluidverbindung mit der Verbrennungs-Hauptkammer 101 angeordnet ist. Die Düsenspitze 121 kann innerhalb der Verbrennungs-Hauptkammer 101 durch die Flammdeckoberfläche 106 vorragen und kann zumindest eine Düsenöffnung 127 aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, einen Kraftstoffstrahl 118 in die Verbrennungs-Hauptkammer 101 einzuspritzen. In einem Aspekt kann die Verbrennungs-Hauptkammer 101 des Weiteren an einem Ende der Flammdeckoberfläche 106 eines Zylinderkopfs 108 definiert sein, und an dem anderen Ende durch eine Kolbenkrone 110 eines Kolbens 112, der oszillierbar innerhalb der Bohrung 102 angeordnet ist. Die Vorkammer 114 kann in Fluidverbindung mit einem Kraftstoffeinlass 115 stehen und kann in dem Zylinderkopf 108 montiert sein.
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Der Kolben 112 kann eine Kolbenwand 112a umfassen, die um einen Umfang der Kolbenschale 103 herum angeordnet ist, und die Kolbenwand 112a kann zumindest einen Hohlraum 116 umfassen, wobei ein Hohlraum 116 einen Einlass 116a in Fluidverbindung mit der Kolbenschale 103 aufweisen kann. In 1 werden zwei Hohlräume 116 dargestellt, doch kann der Kolben 112 in anderen Aspekten einen oder eine beliebige Anzahl von Hohlräumen 116 umfassen. In einem Aspekt kann der Einlass 116a eine Öffnung zwischen der Kolbenschale 103 und einem Hohlraum 116 sein, so dass ein Kraftstoffstrahl 118 ein Kraftstoff-/Gemisch in dem Hohlraum 116 zünden kann. In einem Aspekt kann jeder der Hohlräume 116 einen Auslass 116b in Fluidverbindung mit der Kolbenschale 103 und der Verbrennungs-Hauptkammer 101 umfassen. Die Auslässe 116b können eine einzelne Öffnung in einem Ende eines Hohlraums 116 sein, oder die Auslässe 116b können eine Abdeckung 129 mit Hohlraumdüsen 129a sein (3). In einigen Aspekten können die Abdeckungen 129 flach sein, so dass die Abdeckung 129 in derselben Ebene liegt wie die Kolbenkrone 110, während in anderen Aspekten die Abdeckungen 129 in einer konvexen Gestalt gekrümmt sein können, so dass die Abdeckung 129 sich nach außen in einer Richtung zu der Flammdeckoberfläche 106 des Zylinderkopfs 108 hin erstreckt. In bestimmten Aspekten kann ein Hohlraum 116 einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweisen und sich in einer Radialrichtung relativ zu der Zylinderbohrung 102 erstrecken. Die Hohlräume 116 können sich über die Kolbenschale 103 gegenüberliegend angeordnet sein. In einigen Aspekten kann der Einlass 116a des Hohlraums 116 im Wesentlichen mit der Düsenöffnung 127 ausgerichtet sein, so dass eine Mittellinie des Kraftstoffstrahls 118 sich zwischen der Düsenöffnung 127 und dem Einlass 116a eines Hohlraums 116 erstreckt.
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Wie in 1 dargestellt kann sich der Auslass 116b an der Kolbenkrone 110 oder an der oberen Oberfläche des Kolbens 112 befinden. In einem weiteren Aspekt kann sich ein Hohlraum 116 in einer Radialrichtung relativ zu der Zylinderbohrung 102 durch die Kolbenwand 112a erstrecken, so dass der Auslass 116b sich an einer Außenfläche 112b des Kolbens 112 befinden kann. Der Auslass 116b kann eine Hohlraumspitze oder Abdeckung 129 aufweisen, die eine Vielzahl von Hohlraumdüsen 129b umfasst. Die Hohlraumdüsen 129b können sich in beliebiger Richtung erstrecken, um die Kraftstoffstrahlen aus dem Hohlraum 116 in die Verbrennungs-Hauptkammer 101 zu leiten. In dem in 1 dargestellten Aspekt ist der Hohlraum 116 zwischen dem Einlass und dem Auslass gekrümmt. In einem weiteren Aspekt kann der Hohlraum 116 zwischen dem Einlass und dem Auslass gerade sein. Der Durchmesser eines Hohlraums 116 kann zwischen dem Einlass 116a und dem Auslass 116b konstant sein. In weiteren Aspekten kann ein Hohlraum 116 einen variablen Durchmesser aufweisen; zum Beispiel kann der Durchmesser des Einlasses 116a (entweder) größer als der Durchmesser des Auslasses 116b sein. In einem weiteren Aspekt kann der Durchmesser des Einlasses 116a kleiner sein als der Durchmesser des Auslasses 116b. In einigen Aspekten kann eine Querschnittsgestalt eines Hohlraums 116 zwischen dem Einlass 116a und dem Auslass 116b konstant sein. In anderen Aspekten kann eine Querschnittsgestalt eines Hohlraums 116 zwischen dem Einlass 116a und dem Auslass 116b variiert werden.
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Während des Betriebs des Motors 10 kann Luft in die Verbrennungs-Hauptkammer 101 über eine Einlassdurchgang 120 eingelassen werden, wenn ein oder mehrere Einlassventile 123 (eines ist dargestellt) während eines Einlasshubs offen sind. Der Einlassdurchgang 120 kann Luft-/Kraftstoff-Gemisch an die Verbrennungs-Hauptkammer 101 liefern. Ein Kraftstoff-/Luft-Gemisch in der Verbrennungs-Vorkammer 114 kann durch eine Zündkerze oder andere Zündungsvorrichtung (nicht dargestellt) in der Vorkammer 114 gezündet werden. Nach der Zündung wird Kraftstoff durch Düsenöffnungen 127 in die Spitze 121 eingesprüht. Jede Düsenöffnung 127 kann einen Kraftstoffstrahl 118 erzeugen, der allgemein dispergiert wird und das Kraftstoff-/Luft-Gemisch in der Verbrennungs-Hauptkammer 101 zündet. Die Kraftstoffstrahlen 118 können auch das Kraftstoff-/Luft-Gemisch in den Hohlräumen 116 zünden, was die Kraftstoffstrahlen 118a (3 und 4) veranlasst, dispergiert zu werden und des Weiteren das Kraftstoff-/Luft-Gemisch in der Verbrennungs-Hauptkammer 101 zu zünden. Dies kann für eine vollständigere Verbrennung in der Verbrennungs-Hauptkammer 101 sorgen, als wenn die Hohlräume 116 nicht eingeschlossen wären, da mehr Kraftstoffstrahlen 118 vorhanden sind und sich in mehrere Richtungen in der Verbrennungs-Hauptkammer 101 erstrecken. Auf die Verbrennung folgend kann Abgas aus der Verbrennungskammer durch einen Abgaskanal 122 ausgestoßen werden, wenn ein oder mehrere Auslassventile 125 (eines ist dargestellt) während eines Auslasshubs offen ist/sind.
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Unter Bezugnahme auf 2–4 kann der Kolben 212 eine Kolbenwand 212a umfassen, die um einen Umfang der Kolbenschale 103 herum angeordnet ist, und die Kolbenwand 212a kann zumindest einen Hohlraum 116 umfassen, wobei ein Hohlraum 116 einen Einlass 116a in Fluidverbindung mit der Kolbenschale 103 aufweisen kann. In 2 sind drei Hohlräume 116 dargestellt, wobei die Hohlräume 116 radial in einem gleichen Abstand voneinander um die Kolbenschale 103 herum beabstandet angeordnet sind. In anderen Aspekten kann der Kolben 212 einen oder eine Reihe von Hohlräumen 116 umfassen. In einem Aspekt kann der Einlass 116a eine Öffnung zwischen der Kolbenschale 103 und einem Hohlraum 116 sein, so dass ein Kraftstoffstrahl 118 ein Kraftstoff-/Gemisch in dem Hohlraum 116 zünden kann. Ein Hohlraum 116 kann des Weiteren einen Auslass 116b in Fluidverbindung mit der Kolbenschale 103 und der Verbrennungs-Hauptkammer 101 umfassen. In bestimmten Aspekten können die Einlässe 116a der Hohlräume 116 im Wesentlichen mit den Düsenöffnungen 127 ausgerichtet sein, so dass die Mittellinien des Kraftstoffstrahls 118 sich zwischen der Düsenöffnung 127 zu den Einlässe 116a der Hohlräume 116 erstrecken. In einigen Aspekten kann ein Hohlraum 116 eine allgemein röhrenförmige Gestalt aufweisen und sich in einer Richtung zu der Kolbenwand 212a hin erstrecken.
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In bestimmten Aspekten ist eine Düsenöffnung 127 dazu ausgestaltet, den Kraftstoffstrahl 118 entlang einer Kraftstoffstrahl-Mittellinie 128 einzuspritzen. Wie in 3 zu sehen, können die Hohlraumdüsen 129a dazu ausgestaltet sein, einen ersten Hohlraum-Kraftstoffstrahl 118a in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht auf die Mittellinie 128 des Vorkammer-Kraftstoffstrahls 118 zu senden, und einen zweiten Hohlraum-Kraftstoffstrahl 118b in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht auf die Mittellinie 128 des Vorkammer-Kraftstoffstrahls 118 an einer dem ersten Hohlraum-Kraftstoffstrahl 118a gegenüberliegenden Seite des Auslasses 116b zu senden. In einem weiteren Aspekt können die Hohlraumdüsen 129a dazu ausgestaltet sein, einen weiteren Hohlraum-Kraftstoffstrahl 118c (4) in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht auf eine Mittellinie 128a des ersten Hohlraum-Kraftstoffstrahls 118a zu der Vorkammer 114 hin zu senden. In einigen Aspekten können die Kraftstoffstrahlen 118, wie zum Beispiel in 4 zu sehen, an andere Stellen als die Einlässe 116a geleitet werden, etwa zwischen die Hohlräume 116. In anderen Aspekten können einige Kraftstoffstrahlen 118 an die Einlässe 116a geleitet werden, und andere Kraftstoffstrahlen 118 an andere Stellen als die Einlässe 116a geleitet werden, wie in 3 zu sehen. 5 ist ein Flussdiagramm, das Schritte eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungssystems 100 veranschaulicht, die in weiterem Detail im Abschnitt Gewerbliche Anwendbarkeit erläutert werden.
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Unter Bezugnahme auf die 6–8 wird ein alternativer Aspekt einer Motor-Verbrennungskammer dargestellt. Der Kolben 312 ist ähnlich dem Kolben 112, der oben beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass der Kolben 312 einen Hohlraum 316 umfassen kann, wobei der Hohlraum 316 einen Einlass 316a umfasst, der in der Kolbenschale 303 angeordnet ist und einen Auslass 316b, der an einer Außenfläche 312b des Kolbens 312 angeordnet ist. Der Hohlraum 316 kann sich in einer Radialrichtung relativ zu der Zylinderbohrung 102 durch die Kolbenwand 312a erstrecken, so dass der Auslass 316b sich an einer Außenfläche 312b des Kolbens 312 befinden kann, so dass der Auslass 316b dazu ausgestaltet ist, einen Kraftstoffstrahl 118a in einen Spalt 317 zwischen der Kolbenwand 312a und der Zylinderbohrung 102 auszustoßen. In einigen Aspekten können Kolbenringe 319 um einen Umfang an einer Außenfläche 312b des Kolbens 312 herum ausgebildet sein, so dass der Spalt 317 zwischen der Außenfläche 312b des Kolbens 312 und der Zylinderbohrung 102 ausgebildet wird, so dass ein Kraftstoffstrahl 118a ein Kraftstoff-/Luft-Gemisch in dem Spalt 317 zünden kann, um eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoff-/Luft-Gemischs in der Zylinderbohrung 102 sicherzustellen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Aspekte eines Verbrennungssystems für einen Motor unter Verwendung eines gasförmigen Kraftstoffs sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems werden hierin beschrieben. Die gewerbliche Anwendbarkeit von Aspekten, die in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung konstruiert sind, wird aus der vorstehenden Erläuterung deutlich geworden sein. Die beschriebenen Prinzipien sind zur Verwendung in mehreren Aspekten eines Motors anwendbar und finden Anwendung in vielen Maschinen, die einen Motor umfassen.
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Die offenbarten Systeme und Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems können auf jegliche Anwendung eines Motors mit Zylindern anwendbar sein. Das System und das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems dieser Offenbarung können zum Beispiel in einem allein betriebenen Motor oder in einem Motor, der mit einer Maschine (nicht dargestellt) gekoppelt ist, verwendet werden. In einigen Aspekten kann die Maschine ein ”straßengängiges” Fahrzeug sein, etwa ein Lastwagen, oder kann ein beliebiger anderer Typ von Maschine sein, die eine Betriebsart ausführt, die einer Industrie, wie z. B. Bergbau, Bau, Landwirtschaft, Transport oder einer beliebigen anderen bekannten Industrie zugeordnet ist. Zum Beispiel kann die Maschine ein geländegängiger Lastwagen, eine Erdbewegungsmaschine, wie beispielsweise ein Muldenkipper, ein Bagger, ein Baggerlader oder dergleichen sein.
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5 ist ein Flussdiagramm, das Schritte eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungssystems in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. In bestimmten Aspekten kann das in 5 dargestellte Verfahren 500 zum Betreiben eines Verbrennungssystems 100 den Schritt 502 des Oszillierens oder Bewegens eines Kolbens 112 innerhalb einer Zylinderbohrung 102 eines Motors 10 umfassen. Der Kolben 112 kann eine Kolbenkrone 110 umfassen, die zu einer Flammdeckoberfläche 106 eines Zylinderkopfs 108 hin weist, so dass eine Verbrennungs-Hauptkammer 101 innerhalb der Zylinderbohrung 102 und zwischen der Kolbenkrone 110 und der Flammdeckoberfläche 106 definiert wird. Die Kolbenkrone 110 kann des Weiteren eine Kolbenschale 103 mit einer allgemein konkaven Gestalt umfassen, wobei der Kolben 112 eine Kolbenwand 112a umfasst, die um einen Umfang der Kolbenschale 103 herum angeordnet ist. Die Kolbenwand 112a kann zumindest einen Hohlraum 116 umfassen, wobei der zumindest eine Hohlraum 116 einen Einlass 116a in Fluidverbindung mit der Kolbenschale 103 umfassen kann. In Schritt 504 kann ein Kraftstoffstrahl 118 von einer Düsenspitze 121 einer Verbrennungs-Vorkammer 114 entlang einer Kraftstoffstrahl-Mittellinie 128 in die Verbrennungs-Hauptkammer 101 eingespritzt werden. Der Kraftstoffstrahl 118 kann in Schritt 506 zumindest zum Teil in den zumindest einen Hohlraum 116 geleitet werden, wobei der zumindest eine Hohlraum 116 einen allgemein kreisförmige Querschnitt aufweist. Das Verfahren 500 kann des Weiteren den Schritt 508 des Einspritzens eines ersten Hohlraum-Kraftstoffstrahls 118a von einer aus einer Vielzahl von Hohlraumdüsen 129a in einen Auslass 116b des zumindest einen Hohlraums 116 in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht auf eine Mittellinie 128 eines Vorkammer-Kraftstoffstrahls 118 in die Verbrennungs-Hauptkammer 101 umfassen.
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Der offenbarte Kolben 112 kann unter Verwendung herkömmlicher Techniken wie beispielsweise etwa Gießen oder Spritzgießen hergestellt werden. Alternativ kann der offenbarte Kolben 112 unter Verwendung herkömmlicher Techniken hergestellt werden, die allgemein als generative Herstellungsverfahren oder generative Fertigung bezeichnet werden. Bekannte generative Herstellungs-/Fertigungsprozesse umfassen Techniken wie beispielsweise etwa 3D-Druck. 3D-Drucken ist ein Verfahren, bei dem Material in aufeinander folgenden Schichten unter Steuerung eines Computers abgeschieden wird. Der Computer steuert die generative Fertigungsanlage zur Abscheidung der aufeinander folgenden Schichten in Übereinstimmung mit einem dreidimensionalen Modell (z. B. eine digitale Datei, etwa eine AMF- oder STL-Datei), das dazu ausgestaltet ist, in eine Vielzahl von Schnitten umgewandelt zu werden, zum Beispiel im Wesentlichen zweidimensionale Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht des Kolbens 112 definieren, um den Kolben 112 herzustellen oder zu fertigen. In einem Fall würde der offenbarte Kolben 112 eine originale Komponente sein, und das 3D-Druckverfahren würde zur Herstellung des Kolbens 112 eingesetzt werden. In anderen Fällen könnte das 3D-Verfahren verwendet werden, um einen bestehenden Kolben 112 nachzubilden, und der nachgebildete Kolben 112 könnte als Ersatzteil verkauft werden. Diese nachgebildeten Ersatzkolben 112 könnten entweder exakte Kopien des originalen Kolbens 112 sein, oder Pseudokopien, die sich in nur unwesentlichen Aspekten unterscheiden.
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Unter Bezugnahme auf 9 kann das dreidimensionale Modell 1001, das verwendet wird, um einen originalen Kolben 112 zu repräsentieren, sich auf einem computerlesbaren Speichermedium 1002 befinden, etwa einem magnetischen Speicher, etwa einer Floppydisk, Festplatte oder auf Magnetband; Halbleiterspeichern wie etwa einer SSD oder einem Flashspeicher; optischen Plattenspeichers; magneto-optischen Plattenspeichern; oder einem beliebigen anderen Typ von physikalischem Speicher, auf dem Informationen oder Daten gespeichert werden können, die von zumindest einem Prozessor gelesen werden können. Dieses Speichermedium kann in Verbindung mit handelsüblich verfügbaren 3D-Druckern 1006 zur Herstellung oder Fertigung des Kolbens 112 verwendet werden. Alternativ kann das dreidimensionale Modell elektronisch auf Streaming-Basis an den 3D-Drucker 1006 übertragen werden, ohne permanent an der Position des 3D-Drucker 1006 gespeichert zu sein. In beiden Fällen stellt das dreidimensionale Modell eine digitale Repräsentation des Kolbens 112 dar, die zur Verwendung in der Herstellung des Kolbens 112 geeignet ist.
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Das dreidimensionale Modell kann auf eine Reihe bekannter Wege ausgebildet werden. Im Allgemeinen wird das dreidimensionale Modell durch Eingeben von Daten 1003, die den Kolben 112 darstellen, in einen Computer oder einen Prozessor 1004 geschaffen, etwa ein cloudbasiertes Softwarebetriebssystem. Die Daten können dann als ein dreidimensionales Modell verwendet werden, das den physischen Kolben 112 darstellt. Das dreidimensionale Modell ist dazu vorgesehen, für die Zwecke der Herstellung des Kolbens 112 geeignet zu sein. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das dreidimensionale Modell für den Zweck der Herstellung des Kolbens 112 durch eine generative Herstellungstechnik geeignet.
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In einer Ausführungsform, die in 9 abgebildet ist, kann die Eingabe der Daten durch einen 3D-Scanner 1005 erfolgen. Das Verfahren kann das Kontaktieren des Kolbens 112 über eine Kontaktier- und Datenerfassungsvorrichtung sowie das Erfassen von Daten aus der Kontaktierung umfassen, um das dreidimensionale Modell zu erzeugen. Zum Beispiel kann der 3D-Scanner 1005 ein Scanner vom Kontakttyp sein. Die gescannten Daten können in ein 3D-Modellierungssoftwareprogramm importiert werden, um einen digitalen Datensatz zu erstellen. In einer Ausführungsform kann die Kontaktierung durch direkten physischen Kontakt einer Koordinatenmessvorrichtung erfolgen, die die physische Struktur des Kolbens 112 durch Inkontaktbringen einer Sonde mit den Oberflächen des Kolbens 112 misst, um ein dreidimensionales Modell zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen kann der 3D-Scanner 1005 ein kontaktloser Scannertyp sein, und das Verfahren kann das Richten von projizierter Energie (z. B. Licht oder Ultraschall) auf den Kolben 112, um zurückgeworfen zu werden, sowie das Erfassen der reflektierten Energie umfassen. Aus dieser reflektierten Energie erzeugt ein Computer ein computerlesbares dreidimensionales Modell zur Verwendung in der Herstellung des Kolbens 112. In verschiedenen Ausführungsformen können mehrere 2D-Bilder verwendet werden, um ein dreidimensionales Modell zu erzeugen. Zum Beispiel können 2D-Schnitte eines 3D-Ziels kombiniert werden, um das dreidimensionale Modell zu erzeugen. Anstatt mit einem 3D-Scanner kann die Eingabe von Daten unter Verwendung einer computerunterstützten Konstruktions- bzw. CAD-Software erfolgen. In diesem Fall kann das dreidimensionale Modell durch Erzeugen eines virtuellen 3D-Modells des offenbarten Kolbens 112 unter Verwendung der CAD-Software erfolgen. Ein dreidimensionales Modell wird aus dem virtuellen CAD-3D-Modell erzeugt, um den Kolben 112 herzustellen.
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Das generative Herstellungsverfahren, das zur Erzeugung des offenbarten Kolbens 112 eingesetzt wird, kann Materialien aus Kunststoff, Kautschuk, Metall, etc. umfassen. In einigen Ausführungsformen können zusätzliche Prozesse durchgeführt werden, um ein fertiges Produkt zu erzeugen. Solche zusätzlichen Prozesse können zum Beispiel einen oder mehrere aus Reinigungs-, Härtungs-, Wärmebehandlungs-, Materialentfernungs-, und Polierprozessen umfassen. Andere Prozesse, die notwendig sind, um ein fertiges Produkt abzuschließen, können zusätzlich oder anstelle der genannten Prozesse durchgeführt werden. Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur Beispiele des offenbarten Systems bzw. der offenbarten Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder deren Beispiele sind als Verweis auf das speziell an dieser Stelle besprochene Beispiel zu verstehen und stellen keine Begrenzung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen dar. Alle Formulierungen einer Unterscheidung und einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Merkmale sollen eine geringere Bevorzugung für diese Merkmale angeben, jedoch diese nicht vom Bereich der Offenbarung ausschließen, falls nichts anderes angegeben ist.
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Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in beliebiger geeigneter Reihenfolge durchgeführt werden, falls hier nichts anderes angegeben ist oder es zum konkreten Zusammenhang nicht in einem klaren Widerspruch steht.
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Im Fall von Inkonsistenzen zwischen diesem Dokument und irgendwelchen Dokumenten, die durch Verweis hierin aufgenommen sind, hat die Verwendung in diesem Dokument Vorrang.
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In diesem Dokument wird der Begriff ”ein” wie in Patentdokumenten üblich so verwendet, dass er ein oder mehr als ein umfasst, unabhängig von anderen Fällen oder Verwendungen wie ”zumindest ein” oder ”ein oder mehrere”. In diesem Dokument wird der Begriff ”oder” nicht ausschließlich verwendet, so dass ”A oder B”, außer es wird anders angegeben, ”A aber nicht B,” ”B aber nicht A” und ”A und B” umfasst. In diesem Dokument werden die Begriffe ”einschließlich” und ”worin” als die üblichen standardsprachlichen Äquivalente der jeweiligen Begriffe ”umfassend” und ”wobei” verwendet. Auch in den folgenden Ansprüchen sind die Begriffe ”einschließlich” und ”umfassend” offen, das heißt, ein System, eine Vorrichtung, ein Produkt, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Verfahren, das/die Elemente zusätzlich zu jenen, die nach einem solchen Begriff in einem Anspruch angeführt werden, umfasst, werden immer noch als in den Umfang des Anspruchs fallend betrachtet. Darüber hinaus werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe ”erste/r”, ”zweite/r” und ”dritte/r” etc. rein als Kennzeichnungen verwendet, und sollen keine numerischen Anforderungen an ihren Gegenstand darstellen.
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Hierin beschriebene Verfahrensbeispiele können zumindest zum Teil maschinen- oder computer-implementiert sein. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder maschinenlesbares Medium umfassen, das mit Anweisungen codiert ist, die ausführbar sind, um eine elektronische Vorrichtung dazu zu konfigurieren, das Verfahren auszuführen, wie es in den obigen Beispielen beschrieben ist. Eine Implementierung solcher Verfahren kann Code umfassen, etwa Microcode, Assembler-Code, Code in einer höheren Programmiersprache oder dergleichen. Solcher Code kann computerlesbare Anweisungen zur Ausführung verschiedener Verfahren umfassen. Der Code kann Teile von Computerprogrammprodukten bilden. Des Weiteren kann der Code in einem Beispiel materiell auf einem oder mehreren flüchtigen, nicht veränderlichen oder nicht flüchtigen materiellen computerlesbaren Medien gespeichert sein, etwa während der Zeit der Ausführung oder zu anderen Zeitpunkten. Beispiele solcher materieller computerlesbarer Medien umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Festplatten, magnetische Wechselplatten, optische Wechselplatten (z. B. CDs oder DVDs), Magnetbandkassetten, Speicherkarten oder -sticks, wahlfreie Zugriffsspeicher (RAMs), Nurlesespeicher (ROMs), und dergleichen.
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Die vorstehende Beschreibung soll rein der Veranschaulichung dienen und ist keinesfalls als Einschränkung zu verstehen. Zum Beispiel können die vorstehend beschriebenen Beispiele (oder eines oder mehrere Beispiele davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Weitere Beispiele können verwendet werden, wie dem Fachmann nach Lektüre der Beschreibung klar sein wird. Die Zusammenfassung wird vorgesehen, um § 37 C.f.r. § 1,72(b) zu erfüllen und dem Leser einen raschen Einblick in die Natur der technischen Offenbarung zu gewähren. Sie wird mit der Maßgabe vorgelegt, dass sie nicht zur Auslegung oder Einschränkung des Umfangs oder der Bedeutung der Ansprüche verwendet wird. Auch können in der vorstehenden detaillierten Beschreibung verschiedene Merkmale zusammengefasst werden, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dies sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal essentiell für irgendeinen Anspruch ist. Vielmehr kann ein erfinderischer Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines bestimmten offenbarten Beispiels liegen. Somit gelten die folgenden Ansprüche hiermit als in die detaillierte Beschreibung als Aspekte oder Beispiele aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein separates Beispiel für sich steht, und es wird in Betracht gezogen, dass solche Beispiele in verschiedenen Kombinationen oder Abwandlungen miteinander kombiniert werden können. Der Umfang der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zu bestimmen, zusammen mit dem vollen Umfang jeglicher Äquivalente, welche diesen Ansprüchen zufallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0326400 [0005, 0005]
