ES2328887B1 - Sistema cdi-piezoelectrico aplicable a scooters y ciclomotores. - Google Patents

Abstract

Sistema CDI-Piezoeléctrico aplicable a scooters y ciclomotores.

Se describe un sistema de alimentación provisto de tecnología CDI con inyector piezoeléctrico, similar a los que se aplican en los motores de automóviles convencionales, diseñado para su aplicación en los scooters y ciclomotores de diversas cilindradas, tanto de tipo monocilíndrico como bicilíndrico, en el que los elementos y mecanismos que integran dicho sistema, están realizados a base de un material compuesto por aleaciones de aluminio reforzadas, con pistones provistos de precámara, 4 válvulas por cilindro, conductos de admisión dobles, con relación de compresión más elevada, lo que permite obtener ventajas respecto a los motores convencionales tales como un rendimiento, incrementado, una significativa diferencia de alta presión del combustible, con un momento y una presión de inyección variables, una pulverización especialmente fina del combustible, un consumo de combustible muy moderado, un bajo índice de contaminación ambiental, y otras de naturaleza similar.

Description

Sistema CDI-Piezoeléctrico aplicable a scooters y ciclomotores.

Objeto de la invención

La presente invención se describe en referencia a un sistema CDI-Piezoeléctrico aplicable a scooters y ciclomotores, que aporta notables ventajas y evidentes características de novedad, en relación con los medios conocidos y utilizados para los mismos fines en el estado actual de la técnica.

Más en particular, la presente invención propone un conjunto de modificaciones en relación a determinados elementos de los que componen el conocido sistema CDI (common rail diesel turbo inyección) con piezoeléctrico, empleado en los motores diesel de los automóviles. De manera que dichos elementos adaptados convenientemente, determinen su correcta instalación y aplicación en scooters y ciclomotores, los cuales alcanzarían características tales en sus motores, que aumentarían considerablemente el rendimiento de los mismos, en comparación con la técnica aplicada actualmente. La creatividad de la invención del diseño en las modificaciones que se proponen en la presente, se encuentra orientada para su aplicación específicamente en motores monocilindro y bicilindros de los vehículos antes mencionados. Los cuales se verían dotados de las mismas ventajas e incluso de algunas más, que los automóviles provistos de sistema CDI, fundamentalmente en lo que respecta al ahorro en el consumo de combustible, la contaminación ambiental y otras.

El campo de aplicación de la invención se encuentra dentro del sector industrial dedicado a la fabricación de motores, específicamente para scooters y ciclomotores.

Antecedentes y sumario de la invención

Es ampliamente conocido en general, la gran utilidad que aportan las motos Scooters hoy día, esencialmente debido a su gran facilidad de conducción y movilidad en las ciudades, en las cuales, se incrementa con notable diferencia cada vez más su utilización como medio de locomoción. Este tipo de motos en la actualidad son propulsadas con motores que cuentan con una alimentación de gasolina, exentos de colector de admisión, ni ayuda alguna de sobrealimentación, siendo cuya alimentación desarrollada por inyección directa de gasolina, de 2 a 4 tiempos, con una relación de compresión de 7:1 a 12,5:1, un cigüeñal provisto de rodamientos de agujas con pocos refuerzos, con biela sencilla, de las que generalmente se utilizan para motores de gasolina, pistones convencionales sin recámara y de aluminio, siendo de éste mismo material la culata. Dichos motores cuentan con uno o dos cilindros, los cuales se encuentran provistos de dos o cuatro válvulas, y con unos valores de cilindradas entre 50 a 500 cc.

Tomando en cuenta los valores representados en el apartado anterior, se podría valorar que de modo semejante a como ocurre con los automóviles, en los cuales el cambio de combustible (de gasolina a diesel), ha proporcionado en estos últimos grandes ventajas, principalmente desde el punto de vista del consumo y precio. En los scooters la propulsión por motores de diesel le proporcionaría grandes ventajas, que evidentemente se acentuarían, más aun, si a dicho cambio de motor se le aplicará una tecnología basada en el sistema conocido como CDI con piezoeléctrico, el cual es ampliamente acreditado en motores de automóviles, en los cuales, no solo han destacado por su menor consumo y precio, sino también por su gran aporte y desarrollado óptimo del rendimiento en general. A tal efecto, la presente invención ha valorado la posibilidad de que, tanto las motos scooters, como los ciclomotores, puedan beneficiarse de las ventajas generales que aportan los motores diesel, y ha tenido la ingeniosa creatividad de adaptar determinados elementos de los que componen dicho sistema CDI-piezoeléctrico, para su correcta aplicación en el motor de los scooters y ciclomotores, y aunque estos vehículos a los que se destina la invención son de cilindradas reducidas, normalmente del orden de unos 100 a 400 cc, no debe entenderse en sentido limitativo puesto que las enseñanzas de la invención pueden ser perfectamente adaptadas a vehículos de cualquier otra cilindrada.

Con la realización preferente del diseño que se propone, los scooters alcanzan mayor autonomía, aumento de su ligereza debido a que se pueden reducir algunos componentes como inyectores, se alcanzaría una menor contaminación ambiental, tanto de los gases que resultan de la propulsión como también acústica, mayor posibilidad de régimen de giro a altas revoluciones (5000 a 6000 rpm) debido a una menor inercia en los inyectores, reduciendo además las vibraciones, mayor presión en el combustible favoreciendo la ignición, mayor facilidad de operatividad por parte de los mecánicos ante eventuales averías y reducción del coste de las piezas, ya que estas pueden encontrarse disponibles actualmente en los establecimientos comerciales de recambios para automóviles.

El sistema CDI-piezoeléctrico que propone la invención para su incorporación en los scooters, se caracteriza por diversos componentes indispensables instalados de manera conveniente para que dicho sistema pueda aportar las ventajas estimadas por el solicitante de la presente, de forma similar a las que el mismo sistema aporta en los automóviles.

Dicho sistema cuenta con una técnica que proporciona en la culata cuatro válvulas por cilindro, con conductos dobles de admisión, construida con material básicamente compuesto de aleaciones de aluminio reforzado para diesel, y la tapa de culata compuesta del mismo material, la cual cuenta con alojamiento suficiente para el inyector piezoeléctrico, con la fijación centrada mediante tornillos en su propia cavidad. Donde dicha culata contiene los árboles de levas de admisión y escape, que accionan las válvulas mediante un empujador hidráulico. En cambio, inyector utilizado en el sistema propuesto no cuenta con electroimán, ya que al incidir corriente de 200 voltios en los cristales piezoeléctricos, estos mismos son los que se contraen o dilatan para abrir o cerrar el paso del combustible, a diferencia con los piezoeléctricos actuales, los cuales se encuentran provistos de electroimanes. Así la proyección de la presión de ignición es más elevada, el canal de admisión presenta una forma diferente que garantiza una mejor optimización y el orificio de posicionamiento del inyector presenta un diámetro (17 mm) menor que el de los inyectores actuales.

El bloque motor puede estar compuesto de fundición gris, y construido en dos variantes, según el tipo de construcción que presente la moto en cuestión. Donde una variante, puede estar construida de manera íntegra al bloque motor, definido por dos piezas soportando el sistema de transmisión, con la parte de la transmisión y el conjunto variador, haciendo a su vez de basculante trasero y suspensión, y la otra variante puede ser un motor dispuesto de modo independiente, asociado al chasis, pudiendo ser por medio de tornillos y que la fuerza o movimiento se transmita por medio de una correa dentada o similar.

La bomba de alta presión con que cuenta el sistema, presenta tres émbolos radiales de estructura compacta, alcanzando presiones máximas de 1800 a 2000 bar, con un régimen de giro que se puede encontrar en las 5000 rpm. Dicha bomba aloja la sonda térmica de combustible, la válvula reguladora de caudal y la válvula limitadora de sobrepresión. La afluencia del combustible se lleva a cabo mediante válvulas independientes en los cabezales de la bomba, de manera que dicho combustible acciona sobre una chaveta cónica provista en la válvula de afluencia, dejando libre una sección de apertura. Cuando el embolo de la bomba comprime el combustible, la válvula presiona sobre el asiento y se obtura. Así la válvula de salida de combustible permanece cerrada por la resistencia de un muelle y presión ejercida por la alta presión que llega por medio de la tubería de distribución.

El inyector piezoeléctrico con que cuenta el sistema propuesto por la invención, cumple con los requisitos apropiados para su aplicación tanto en scooters como en ciclomotores que cuenten generalmente con una cilindrada de 100 a 400 cc. Donde dicho inyector, ejerce su función (inyecta) a través de una tobera provista de 7 orificios, directamente en la cámara de combustión, el cual se activa indirectamente mediante una válvula electromagnética, que activa la aplicación y la descarga de presión de la cámara de control por medio de la aguja de inyección, así, cuando la aguja del inyector se eleva (inicio de inyección), la válvula se abre a fin de que el combustible de la cámara de control retorne, y cuando cuya aguja de inyección se debe cerrar (fin de la inyección), la válvula se cierra proporcionando la presión adecuada en la cámara de control. El sistema esta provisto por una tobera venturi, la cual funciona según el principio de bomba de aspiración, en la que al producirse una depresión en la conexión de recuperación de los inyectores, permite que el retorno de combustible se incremente con el volumen de combustible de recuperación. Este proceso cuenta con una alta precisión del caudal, en comparación con la presión establecida.

La válvula reguladora provista en la bomba de alta presión funciona basada en el principio electromagnético, la cual consta de tres partes principales, siendo la primera, por llevar un orden, una bobina eléctrica que al aplicar corriente procedente de la unidad de control del motor, según sus necesidades de funcionamiento, modifica la intensidad magnética de la misma. Otra parte consiste en un pistón de válvula que actúa al mismo tiempo que reacciona la modificación de la intensidad de campo del electroimán, modificando la posición de la válvula y dando paso al combustible, y la tercera parte esta comprendida en que en la caja de válvula que aloja el pistón de válvula, se encuentran los orificios de afluencia y salida, conectados en la bomba de alta presión. Así, según la fuerza magnética esta válvula abre o cierra el canal by-pass entre el campo de presión del common-rail y el retorno.

El sensor de presión del common-rail se encuentra dispuesto en un extremo de éste, donde puede detectar la presión que presenta el mismo, y por medio de la transformación del impulso mecánico en la electrónica del sensor, se crea una tensión de señal que corresponde a la presión actual del common-rail traspasándose automáticamente a la unidad de control de motor. El extremo opuesto del common-rail, al extremo donde se encuentra el sensor de presión, se encuentra provisto de una válvula reguladora de caudal, asociada por medio de roscas, que funciona de manera semejante a la válvula reguladora aludida anteriormente, o sea, según el principio electromagnético.

La sonda térmica de combustible que presenta el sistema, se encuentra integrada en la bomba de alta presión, formando parte del circuito de baja presión. Dicha sonda se encuentra construida según un coeficiente negativo de temperatura, o sea, que la resistencia eléctrica disminuye al aumentar la temperatura, enviando la información a la unidad de control.

El sensor de picado se encuentra alojado en el bloque motor, su funcionamiento se encuentra basado según el principio piezocerámico, siendo capaz de reconocer combustiones internas del motor por medio de señales acústicas. Las funciones del sensor de picado son tres específicamente, las cuales consisten en reconocer el envejecimiento mecánico del motor y transmitirlo a la unidad de motor para que actúe en consecuencia, modificando el ajuste mínimo de inyección, facilitando el reconocimiento de agujas de inyectores en mal estado o estancas, y permitiendo un autodiagnóstico adecuado.

El sensor de posición de cigüeñal funciona según el principio inductivo, produciendo una tensión de señal senoidal, que al cruzar una barrera fotoeléctrica (una rueda incremental), envía la señal a la unidad de control de motor. Al faltar dos dientes incrementales a la corona, la señal varia, siendo cuya unidad capaz de reconocer la posición del cigüeñal a la falta de los dientes y la respectiva señal cambiantes.

La unidad de control de motor se puede asociar por medio de tornillo de forma flotante en cualquier lugar del scooter o motocicleta, de manera que pueda absorber las vibraciones, siempre que donde se sitúe la misma, sea una zona refrigerada o con corriente de aire. Dicha unidad tiene múltiples funcionalidades, de las cuales se podrían mencionar algunas como, la identificación de la carga del motor, regulación del ralentí con una presión mínima de trabajo comprendida entre 280 a 300 bares, la estabilidad de marcha y presión del common-rail, activación de la bomba eléctrica de combustible de baja presión, control de la bomba de alta presión, limitación del número de revoluciones y corte de inyección en régimen de retención, etc.

El circuito de baja presión se encarga de abastecer el sistema de inyección de la cantidad suficiente de combustible filtrado con la presión necesaria para su correcto funcionamiento. Siendo la bomba eléctrica la encargada de transportar el combustible, desde el depósito pasando por la válvula limitadora de presión interna, que puede restringir la presión a un máximo de 8,5 bares en caso de obstrucción. A través de la bomba de alta presión el combustible es desplazado, siendo regulado a una presión aproximada de 3 a 3,5 bares por la válvula de sobre presión instalada en la bomba de alta. La cantidad de combustible que no se consume en la alta presión vuelve al depósito por retorno.

El common-rail se fija, pudiendo ser por medio de tornillos a la tapa de motor. El cual determina un tubo de metal de gran resistencia, que cuenta con un predeterminado mecanismo y conexiones concebidas para el funcionamiento del inyector o inyectores (según necesidades) y un vínculo con la bomba de alta presión. En ambos extremos cuyo tubo se encuentra provisto de roscas interiores, que le sirven de sujeción al sensor de presión y la válvula reguladora de presión, presenta además una conexión que sirve de salida de combustible al retorno correspondiente. Dicho common-rail almacena el combustible comprimido por la bomba de alta presión y lo envía según la necesidad de los inyectores. Su volumen total debe ser previamente calculado para compensar las caídas de presión cuando se efectúa la inyección.

El circuito de alta presión se encarga de crear y acumular la alta presión necesaria para la inyección. Donde la bomba de alta comprime el combustible regulado en función del common-rail, enviando el combustible a los inyectores a través de las tuberías de alta presión. La unidad de control CDI detecta, por sus señales de entrada el estado del motor en cada instante y las necesidades del conductor. En caso de que la temperatura del combustible (diesel) sea inferior a 10ºC, la presión del common-rail se regula mediante la válvula reguladora de presión, y aumenta lo antes posible la temperatura del mismo. Al comprimir el combustible a alta presión, la bomba de alta se calienta y el caudal excesivo se purga por retorno mediante la válvula reguladora de presión.

De este modo, el combustible frío que se encuentra acumulado en el depósito, se mezcla con el caliente que llega por las tuberías de retorno. En caso en que la temperatura del combustible sea superior a 10ºC, la presión del common-rail se regula por medio de la válvula reguladora de caudal de la bomba de alta presión. Así, durante el proceso la válvula reguladora de presión permanece cerrada y la bomba de alta presión solo recibe el caudal necesario para la presión del common-rail. De esta manera se reduce la emisión de calor excesivo para mantener una temperatura óptima en el gasoil.

La sobrealimentación en el sistema esta destinado a generar presiones en la admisión, en torno a 0,8 y 1,5 bares, en dependencia de las características, cilindradas y necesidades del motor. Para mover la turbina del turbo es necesario aprovechar la corriente de gases de escape. Dicho turbo podría ser de regulación variable electrónicamente, modificando la posición de unos álabes en su interior, y a su vez, el caudal de aprovechamiento de gases de escape, aumentando o disminuyendo con el correspondiente giro del turbo, en dependencia de las necesidades del motor. El número de revoluciones de gases de escape determina el caudal de aire comprimido, o sea, la presión de sobrealimentación. El transmisor de presión de sobrealimentación controla constantemente la presión y la transmite a la unidad de CDI. Para controlar la presión de sobrealimentación la unidad de control de motor, tiene en cuenta la información procedente de la temperatura de refrigeración y de sobrealimentación, la presión atmosférica, el número de revoluciones del motor y el caudal de inyección. La invención ha previsto otra alternativa de sobre alimentación, que consiste en un compresor volumétrico de pequeñas dimensiones, el cual, de forma mecánica a través de una correa dentada recibe movimiento constante del motor y mediante los sensores mencionados en lo que antecede provistos en la unidad de motor CDI, actúa sobre una mariposa paso a paso, creando el exceso de presión de admisión o dejándola escapar según necesidades de la carga del motor.

El tubo distribuidor de aire puede estar compuesto de un material plástico de alta resistencia, diseñado con predeterminadas diferencias estructurales en su forma y longitud, con el objeto de favorecer la entrada de aire a distintas revoluciones, pudiendo contar además con dos canales de llenado por cilindro, siendo uno recto y otro en espiral. Cada canal de llenado se puede cerrar por medio de una mariposa electrónica, comandada por la unidad electrónica de motor CDI, en función de las necesidades del motor y su régimen de trabajo, modificando así la capacidad de llenado de aire del motor. La unidad de control de motor para actuar sobre el colector de admisión, tiene en cuenta determinados valores como, el medidor de masa de aire, sensor térmico de aire de sobrealimentación, los transmisores de sobrealimentación, de alimentación, de cigüeñal, etc.

Se debe señalar además, que el precalentamiento en el sistema CDI-piezoeléctrico, se encuentra concebido principalmente para dar cumplimiento a la normativa de contaminación EURO-4, OBD-IV, ya que al estar concebido el sistema para trabajar con alta presión, éste alcanza la temperatura optima necesaria para el arranque, pudiendo ser un tiempo de precalentamiento muy breve, así como un ralentí más estable y una temperatura de incandescencia regulable.

El sistema common-rail que la invención propone, para su aplicación a los scooter y ciclomotores, conlleva el aporte de múltiples ventajas que en general siempre se han encontrado ligadas a este tipo de tecnología aplicadas a automóviles, como son; el momento y presión de inyección variable, la pulverización del combustible especialmente fina, una elevada presión de combustión, más enriquecida, con menos emisión de contaminantes, menor consumo de combustible y mayor par de giro. La dosificación del caudal de inyección se realiza con gran exactitud, contando con varias etapas de combustión, siendo estas, la inyección previa, principal y posterior, de donde se obtienen ventajas adicionales que comprenden; un mantenimiento más largo del proceso a presión constante (inyección principal), mayor grado de rendimiento térmico, proceso más suave de la combustión (inyección previa) y opción a un tratamiento posterior de los gases de escape (inyección posterior). El cigüeñal se encuentra compuesto de un material más reforzado, provisto de casquillos y rodamientos de bolas, también las bielas se encuentran reforzadas para trabajar con diesel, y los pistones además cuentan con una precámara con un diseño diferente, en forma de tinaja aplastada.

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Breve descripción de los dibujos

Las características principales que la invención reivindica en la presente, se pondrán más claramente de manifiesto en la descripción detallada que sigue, haciendo alusión a las distintas piezas modificadas y/o sustituidas en el mecanismo correspondiente en el motor del scooter o en el caso de ciclomotor, el cual ha sido construido según las enseñanzas de la invención, y que para mayor claridad explicativa se hace referencia al dibujo que se acompaña, realizado de una forma preferida, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, donde;

En la figura 1 y única que se acompaña, se muestra un esquema general del sistema de alimentación del motor propuesto por la presente para ser instalado en un scooter o ciclomotor.

Descripción de una forma de realización preferida

Tal y como se ha indicado en lo que antecede, la descripción detallada del sistema CDI con piezoeléctrico para motor de scooters, propuesto por la invención, va a ser llevada a cabo en lo que sigue con ayuda del dibujo anexo, a través del cual se utilizan referencias numéricas para designar las partes que lo componen.

Así, atendiendo al dibujo esquematizado de la figura 1, se puede observar un inyector piezoeléctrico 1, previsto para su aplicación en el sistema, por su elevado rendimiento en la inyección directa de gasoil, el cual proporciona un control preciso de la dosis adecuada de combustible en la admisión, siendo esto un valor importante a tener en cuenta en el ahorro del combustible, de manera que dicho inyector cuenta con dos tomas (2, 2') dispuesta de forma conveniente próximas a un extremo, donde una toma 2 es para el combustible de llegada a alta presión procedente del common-rail, y la otra toma 2' para la salida del combustible de retorno por la tubería de retorno, en la que se señala en el dibujo por medio de flechas indicando el sentido del combustible. La integración del common-rail (CDI) 3, proporciona menor emisión de ruidos durante la combustión, aportando mayor precisión de inyección, conformado generalmente de forma cilíndrica, provisto de una válvula reguladora de presión 4 por un extremo y un sensor de presión 5 por el extremo opuesto, mientras que por la zona intermedia presenta las tomas de entrada y salidas del combustible, siendo una primera 6 la de salida a alta presión hacia el inyector, otra similar separada a pocos milímetros que pertenece a la toma de entrada 6' del combustible a alta presión procedente de la bomba 7 y la tercera 6'' en posición diametralmente opuesta a las tomas ( 6, 6') mencionadas anteriormente, sirviendo como salida por la tubería de retorno.

En el dibujo se ha representado la bomba de alta presión 7, la cual se encarga de enviar el combustible a alta presión al common-rail 3, saliendo por la toma 8. La bomba 7 cuenta con dos tomas más, siendo una toma 8' de entrada del combustible procedente del retorno desde el common-rail 3, y la otra toma 8'' prevista para el paso del suministro a la bomba, del combustible procedente del deposito 12. Adicionalmente, incluye una válvula 9 reguladora de caudal y una sonda térmica 10.

El circuito representado en el dibujo, cuenta con una unidad de filtro 11, de configuración cilíndrica, con dos tomas (13, 13') en una de sus bases, siendo una para del combustible de entrada 13 desde el deposito 12 y la otra para la salida 13' hacia la bomba 7. Parte del combustible de retorno llega hasta el deposito 12 por las tuberías de retornos, y ya dentro del mismo, la tubería se bifurca (14, 15), de manera que una de estas dos tubería 14 vierte el combustible de retorno en el deposito, y la otra 15 conduce el combustible de retorno directamente hasta una bomba eléctrica 16 provista en el deposito. Siendo esta última la encargada de impulsar la salida del gasoil, desde el deposito hacia la bomba pasando antes por el filtro.

En el dibujo que se muestra en la figura 1, se han representado además cuatro conexiones, señalizadas para mayor facilidad en el dibujo, encerradas en círculos 17, las cuales permiten una mejor distribución y aprovechamiento del combustible en todo el sistema de alimentación. Así como también, para mayor claridad se ha querido representar las diversas funciones de los tubos mediante referencias numéricas, de manera que los tubos señalizados con la referencia numérica 18, representan el fluido de alta presión, los que se han marcado con el número 19, representan el fluido de baja presión y por último los tubos señalizado con la referencia numérica 20, representan el fluido de retorno.

No se considera necesario hacer más extenso el contenido de esta descripción para que un experto en la materia pueda comprender su alcance y las ventajas derivadas de la invención, así como desarrollar y llevar a la práctica el objeto de la misma.

No obstante, debe entenderse que la invención ha sido descrita según una realización preferida de la misma, por lo que puede ser susceptible de modificaciones, en especial, a la forma general, a las dimensiones de las piezas, y/o a los materiales de fabricación del conjunto de sus partes, siempre que éstos cumplan con los requisitos impuestos por la aplicación a los que van destinados.

Claims (4)

1. Sistema CDI-Piezoeléctrico aplicable a scooters y ciclomotores, especialmente para motores comprendidos en la gama de cilindradas de entre 100 y 400 cc, con un menor consumo de combustible, índices más bajos de emisiones contaminantes, un aporte considerable de alta presión de combustible, y otras de naturaleza similar, caracterizado porque como características constructivas y funcionales incluye: un sistema de alimentación especialmente adaptado a esta aplicación específica con la incorporación de un inyector piezoeléctrico (1), una tecnología de inyección de tipo common-rail (3), y una bomba (7) de alta presión.

2. Sistema según reivindicación 1, caracterizado porque el elemento common-rail (3) comprende un sensor (5) de presión, una válvula (4) reguladora de presión, una toma (6) para la salida del combustible a alta presión hacia el inyector, otra toma (6') de entrada del combustible procedente de la bomba de alta presión y una tercera toma (6'') para la salida del combustible de retorno.

3. Sistema según reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la bomba de alta presión (7) cuenta con una válvula de caudal (9), sonda térmica (10), una toma (8) para la salida del combustible a alta presión y dos tomas (8', 8'') de entrada.

4. Sistema según una o más de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque presenta diversos conductos o tubos para el fluido del combustible, de los cuales unos (18) son para el fluido de alta presión, otros (19) para el de baja presión y los restantes (20) sirven para el combustible de retorno, además cuenta con cuatro conexiones (17) que determinan un aprovechamiento optimo del combustible.