DE2942294A1 - Verfahren zum verbrennen von zuendunwilligen kraftstoffen in viertakt-kolbenmotoren mit kraftstoffeinspritzung - Google Patents
Verfahren zum verbrennen von zuendunwilligen kraftstoffen in viertakt-kolbenmotoren mit kraftstoffeinspritzungInfo
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Description
Nürnberg, I8.1o.79 18/48
MOTOREN-WERKE MANNHEIM AG, vorm. BENZ Abt. stat. Motorenbau, Carl-Benz-Straße 5, 6800 Mannheim 1
Verfahren zum Verbrennen von zündunwilligen Kraftstoffen in Viertakt-Kolbenmotoren mit Kraftstoffeinspritzung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
Mit zunehmender Verknappung mineralischer Rohöle wird es zunehmend wichtiger, alternative Kraftstoffe unter
anderem auch für Verbrennungsmotoren zu finden. Hierfür bieten sich das aus Kohle gewinnbare Methanol für
Länder mit großen Kohlevorkommen und das aus Pflanzen gewinnbare Äthanol für klimatisch begünstigte Länder
mit der Möglichkeit einer hohen Biomasseproduktion an.
Beiden Kraftstoffen ist gemeinsam, daß sie im Vergleich zu den mineralischen Kraftstoffen Dieselöl bzw. Benzin
einen geringeren Heizwert haben*, daß sie aber für Verbrennungs-Kolbenmaschinen noch einsetzbar sind. Die
hohe Klopffestigkeit der Alkohole (Methanol und Äthanol) läßt sich in fremdzündenden Ottomotoren durch Steigerung
des Verdichtungsverhältnisses zu einer Verbrauchs-
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verbesserung ausnützen. Derartige für Alkoholbetrieb optimierte Ottomotoren erreichen Wirkungsgrade, die
denen von Dieselmotoren nahekommen. Ottomotoren, und zwar auch solche, die mit Alkohol betrieben werden, sind
durch vier wesentliche Eigenschaften gekennzeichnet, nämlich Verwendung klopffester Kraftstoffe, äußere Gemischbildung
durch Vergaser oder Saugrohreinspritzung, Ansaugung eines Kraftstoff-Luftgemisches und Fremdzündung
des angesaugten Kraftstoff-Luftgemisches.
Es sind auch bereits Verfahren bekannt geworden, zündunwillige Kraftstoffe, wie Äthanol, in Dieselmotoren
einzusetzen. Da Alkohole und somit auch Äthanol im Vergleich zu normalen Dieselkraftstoffen wesentlich
höhere Zündtemperaturen aufweisen, haben sie extrem niedere Cetan-Zahlen, was bedeutet, daß diese Kraftstoffe
sehr zündunwillig sind. Andererseits liegen die Verdampfungswärmen von Alkoholen und insbesondere die
von Äthanol erheblich höher als die von normalem Dieselkraftstoff. Um bei Einsatz von Äthanol in Dieselmotoren
Zündaussetzer zu vermeiden, sind schon verschiedene Maßnahmen zur Steigerung der Kompressionstemperatüren angewandt
worden, nämlich Steigerung des Verdichtungsverhältnisses, Drosselung und Vorwärmung der Ansaugluft, Abgasrückführung
und Heißkühlung. Wie Untersuchungen gezeigt haben, reicht jede Einzelmaßnahme der vorgenannten Art
nicht aus, um Teillastbetrieb ohne Zündaussetzer zu gewährleisten.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bereits bekannt geworden, Äthanol über einen Vergaser oder eine Niederdruckeinspritzung
der Ansaugluft beizugeben, also eine äußere Gemischbildung zwischen Äthanol und Luft vorzunehmen.
Die Zündung erfolgt dann durch eine Hochdruckeinspritzung von herkömmlichem Dieselöl. Als
nachteilig ist hierbei anzusehen, daß der Äthanolanteil
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nicht über 2 5 bis 4o % der gesamten Kraftstoffmenge gesteigert
v/erden kann, da sich sonst eine klopfende Verbrennung einstellt.
Eine wesentliche Steigerung des Äthanolanteils wurde mit einem Zweistoffbetrieb erreicht, bei dem Alkohol einerseits
und konventioneller Dieselkraftstoff als Zündkraftstoff andererseits mittels völlig voneinander getrennter
Hochdruck-Einspritzsysteme am Ende der Kompressionsphase in den Brennraum des Zylinders eingespritzt
wurde. Dieser Verbesserung steht jedoch der Nachteil eines erheblichen konstruktiven und fertigungstechnischen
Aufwandes gegenüber. Hinzukommt, daß Düsen für den Zündkraftstoff relativ leicht verkoken, weil nur relativ
geringe Kraftstoffmengen durch diese Düsen jeweils eingespritzt werden, so daß Uberhitzungen die Verkokung
einleiten. In der Patentanmeldung P 29 24 128.9 ist bereits eine Einrichtung zur Einspritzung von Zündkraftstoff
einerseits und zündunwilligem Hauptkraftstoff andererseits für Dieselmotoren beschrieben, bei der
nur eine Düse für das nacheinander erfolgende Einspritzen des Zündkraftstoffes und des Hauptkraftstoffes ausgebildet
ist, wobei zur Förderung des Zündkraftstoffes zur Düse eine im Vergleich zur Hochdruckeinspritzpumpe
als Niederdruckpumpe ausgebildete Pumpe vorgesehen ist und wobei das Einspritzen des Zündkraftstoffes durch
den Druck des Hauptkraftstoffes erfolgt, bevor dieser seinen hohen Einspritzdruck erreicht hat. Es erfolgt
also eine Vorlagerung des Hauptkraftstoffes vor den Zündkraftstoff. Dieselmotoren, und zwar auch derartige,
für den Einsatz von zündunwilligem Kraftstoff ausgebildete Dieselmotoren, zeichnen sich durch folgende
Merkmale aus:Verwendung zündwilliger Kraftstoffe zumindest
als Zündkraftstoffe, Ansaugung von Frischluft, innere Gemischbildung am Ende der Kompressionsphase,
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Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß die hohen
Verdampfungswärmen der zündunwilligen Kraftstoffe zur Verbesserung der Verbrennungsvörgänge unter Beibehaltung
der dieselmotorischen Qualitätsregelung ausgenutzt werden. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst. Durch die Art der inneren Gemischbildung wird erreicht, daß eine intensive innere
Kühlung der Zylinder, und zwar insbesondere an thermisch hoch beanspruchten Bauteilen, vorgenommen wird.
Dadurch wird die Wärme, die sonst als Verlustwärme durch Kühlung nach außen abgeführt werden muß, als
Verdampfungswärme für den Alkohol ausgenutzt. Der Verbesserung der Kühlung des Motors steht also gleichzeitig
eine Verringerung der Verlustwärme und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber. Weiterhin
wird eine Leistungssteigerung des Motors erreicht, da der Liefergrad infolge der Temperaturabsenkung der Zylinderfüllung
erhöht wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren handelt es sich also um ein
Hybridverfahren, bei dem Elemente des Otto-Verfahrens und Elemente des Diesel-Verfahrens eingesetzt werden.
Wesentlich ist, daß zumindest ein Teil des zündunwilligen Kraftstoffes während der Ansaugphase bereits in
den Verbrennungsraum eingespritzt wird, wobei es auf jeden Fall zweckmäßig ist, eine direkte Einspritzung
vorzunehmen. Eine indirekte Einspritzung in eine Vorkammer sollte nur dann vorgenommen werden, wenn es sich
auch hierbei um eine quasi-direkte Einspritzung handelt, wie bei dem bekannten Verfahren nach der DE-PS 26 34
(entsprechend US-Ser. No. 817 526).
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Durch die Einspritzung zumindest eines Teils des Kraftstoffes während der Ansaugphase wird auch eine besonders
intensive Gemischbildung erreicht, insbesondere dann, wenn während des Einströmens der Luft in den Verbrennungsraum
eine ganz besonders intensive Luftbewegung vorhanden ist. Hierdurch wird auch die Gefahr verringert;
daß sich Alkohol an den Zylinderwänden niederschlägt, was zu einer Verschlechterung der SchmierfUmbildung und damit einer Verschlechterung der Schmiereigenschaften
führen würde.
Durch die Maßnahmen nach dem Patentanspruch 2 wird eine besonders intensive Kühlung von thermisch hochbelasteten
Bauteilen erreicht.
Durch die Maßnahmen nach dem Patentanspruch 3 wird weiter verhindert, daß sich Alkohol in nicht verdampfter
Form an. den Zylinderwänden niederschlägt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in verschiedenartiger
Weise das bei Alkoholbetrieb generell bestehende Problem zu lösen, die aufgrund des geringen
Heizwertes der Alkohole für einen Verbrennungsvorgang notwendige größere Menge Alkohol in den Verbrennungsraum
einzuspritzen. Da für die Gemischbildung fast die gesamte Ansaugphase und fast die gesamte Kompressionsphase zur Verfügung stehen, können in besonders vorteilhafter
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Maßnahmen nach den Ansprüchen 4 und 5
angewendet werden.
den
Die Maßnahmen nach/Ansprüchen 6 bis 8 haben im Grundsatz den Effekt, daß der Kraftstoff in zwei Teilmengen, die unterschiedlich groß sein können, eingespritzt wird. Dies hat zur Folge, daß bei einer Umrüstung eines Dieselmotors auf das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren
Die Maßnahmen nach/Ansprüchen 6 bis 8 haben im Grundsatz den Effekt, daß der Kraftstoff in zwei Teilmengen, die unterschiedlich groß sein können, eingespritzt wird. Dies hat zur Folge, daß bei einer Umrüstung eines Dieselmotors auf das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren
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der Plungerdurchmesser der Einspritzpumpe nicht verändert zu werden braucht, da ja zwei Einspritzungen erfolgen.
Es bedarf lediglich einer Änderung der Nockenwelle der Einspritzpumpe. Da die Einspritzzeit für die
zweite Teilmenge hierbei auf jeden Fall kürzer ist als die Einspritzzeit bei einem konventionellen Dieselmotor,
kann diese Art der Einspritzung dazu verwendet werden, die Drehzahl des Motors im Vergleich zu konventionellen
Dieselmotoren zu steigern, ohne daß die Gefahr von klopfenden Verbrennungen auftritt. Weiterhin lassen sich
durch diese Doppeleinspritzung Schichtladeeffekte des Gemisches verbrennungstechnisch ausnutzen.
Die Zündung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
durch Zündkerze oder auch durch gesonderte Einspritzung eines Zündkraftstoffes erfolgen. In diesem Sinn kann
auch letzteres als Fremdzündung angesehen werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigen
Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt durch einen Zylinder mit Zylinderkopf eines Motors,
Fig. 2 ein p-t-Diagramm eines Motors,
Fig. 3 ein Einspritzdiagramm für eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Nockenwelle einer Einspritzpumpe zur Erzeugung einer Einspritzung
nach Fig. 3,
Fig. 5 ein Einspritzdiagramm einer weiteren Verfahrensvariante,
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■l·
Fig. 6 einen Querschnitt durch die Nockenwelle einer Einspritzpumpe für ein Einspritzverfahren nach
Fig. 5f
Fig. 7 ein Einspritzdiagramm einer weiteren Verfahrensvariante und
Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Nockenwelle einer Einspritzpumpe für ein Einspritzverfahren nach
Fig. 7.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Zylinderlaufbüchse
1 eines Zylinders 2 eine s Viertakt-Verbrennungsmotors. Zwischen der Zylinderlaufbüchse 1 und dem
Zylinder 2 sind Kühlwasserkanäle 3 ausgebildet. In der Zylinderlaufbüchse 1 ist ein in Richtung seiner Mittellängsachse
4 bewegbarer Kolben 5 angeordnet, der in üblicher Weise mittels Kolbenringen 6 gegenüber der
Zylinderlaufbüchse 1 abgedichtet ist.
Im Kolbenboden 7 ist eine Mulde 8 ausgebildet.
Die Endpunkte der hin- und hergehenden Kolbenbewegung sind als unterer Totpunkt (UT) und oberer Totpunkt
(OT) in Fig. 1 angedeutet.
Der Zylinder 2 ist in der Nähe des OT durch einen Zylinderkopf 9 verschlossen, in dem ein Einlaßventil 1o
angebracht ist. Das Einlaßventil verbindet den durch die Zylinderlaufbüchse 1, den Zylinderkopf 9 und den
Kolbenboden 7 begrenzten Verbrennungsraum 11 und einen durch den Zylinderkopf 9 führenden Ansaugkanal 12
für Verbrennungsluft miteinander, wenn es geöffnet ist, bzw. trennt es die beiden voneinander, wenn es
geschlossen ist. Ein im Zylinderkopf 9 ebenfalls ange-
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brachtes Auslaßventil zum Verbinden des Verbrennungsraumes 11 mit einem Auslaßkanal zum Ausschieben der
Abgase, ist in der Zeichnung nicht dargestellt. In dem Zylinderkopf ist weiterhin eine Einspritzdüse 13 zur
Direkt-Einspritzung eines Kraftstoffes in den Verbrennungsraum 11, d.h. in die Mulde 8 im Kolbenboden 7, vorgesehen.
Die Einspritzdüse 13 ist mit einer nur schematisch angedeuteten Leitung 14 mit dem zugeordneten Zylinder einer
Einspritzpumpe 15 verbunden. Insoweit als es bisher beschrieben ist, handelt es sich dem Aufbau nach um einen
Viertakt-Dieselmotor mit Direkteinspritzung.
Abweichend von diesem Diesel-Prinzip ist im Zylinderkopf eine Bohrung 16 ausgebildet, in die eine Fremzündungseinrichtung
eingeschraubt wird. Es kann sich hierbei um eine Zündkerze 17a, deren Zündkontakt beim Verbrennungsraum
liegt, handeln, oder um eine Zündöldüse 17b, die in allgemein
bekannter Weise zündwilligen Kraftstoff in die Kolbenmulde 8 spritzt.
In dem Diagramm nach Fig. 2 ist der Druck ρ im Verbrennungsraum
11 über der Zeit t, also auch über der jeweiligen Stellung des Kolbens 5 dargestellt, von der jeweils
nur die Endpunkte UT-OT dargestellt sind. Hiernach werden während der Ausschubphase I, während der
der Kolben 5 sich vom UT zum OT bewegt, bei geöffnetem Auslaßventil die Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum
11 mit einem Druck ausgeschoben, der etwas über Atmosphärendruck liegt. Während der sich anschließenden
Ansaugphase II, während der der Kolben 5 sich vom OT zum UT bewegt, wird bei geöffnetem Einlaßventil
10 Luft in den Verbrennungsraum 11 eingesaugt. Während
der anschließenden Kompressionsphase III wird bei einer Bewegung des Kolbens vom UT zum OT und bei geschlossenem
Einlaß- und Auslaßventil die im Verbrennungsraum
11 befindliche Luft komprimiert. Am Ende dieser Kompressionsphase
III setzt die Verbrennung eines in den Verbrennungsraum 11 eingebrachten Kraftstoffes ein. Diese
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Einbringung des Kraftstoffes und seine Zündung wird nachfolgend noch näher erläutert. Die Verbrennung führt
auch schon bei einer Kolbenbewegung vom OT zum UT zu einer Druckerhöhung und dann zu einem Druckabfall.
Hierbei, handelt es sich um die Expansionsphase IV, an die^sich wiederum eine erneute Ausschubphase I anschließt.
Bei einer ersten Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs, und zwar eines
zündunwilligen Kraftstoffs, insbesondere Äthanol, während der Ansaugphase II. Diese Einspritzphase a, während
der die gesamte für den nachfolgenden Verbrennungsvorgang erforderliche Kraftstoffmenge durch die Einspritzdüse
13 in den Verbrennungsraum direkt eingespritzt wird, ist in Fig. 3 in der richtigen Abszissen-Zuordnung zu
Fig. 2 dargestellt. Wie sich aus der Fig. 4 ergibt, ist der zugehörige Nocken 18 der Nockenwelle 19 der Einspritzpumpe
15 verhältnismäßig flach ausgebildet und erstreckt sich dafür über einen verhältnismäßig großen Umfangswinkel
der Nockenwelle. Die Einspritzung der Kraftstoffmenge
bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt also als Niederdruckeinspritzung. Die Zündung mittels der Zündkerze 17a
bzw. der Zündöldüse 17b erfolgt - wie üblich - unmittelbar vor OT der Kompressionsphase III, wie durch den Zündpunkt
Zp in Fig. 3 angedeutet ist.
Bei der Variante nach den Fig. 5 und 6 erfolgt eine Teileinspritzung b während der Ansaugphase und eine
zweite Teileinspritzung c am übergang von der Kompressionsphase III zur Expansionsphase IV. Die Zündung
mittels der Zündkerze 17a bzw. der Zündöldüse 17b erfolgt hier während der Teileinspritzung c, wo der
Zündpunkt Zp eingezeichnet ist.
Wie sich aus Fig. 6 ergibt, sind hierbei an der Nockenwelle 19 der Einspritzpumpe 15 zwei Nocken 2o, 21
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angebracht, die für eine Hochdruckeinspritzung ausgebildet sind. Der Nocken 2o bewirkt die Einspritzung b
während der Ansaugphase II, während der Nocken 21 die Einspritzung c am Übergang von der Kompressionsphase III
zur Expansionsphase IV steuert.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 erfolgt
wiederum eine Teileinspritzung d während der Ansaugphase II, während am übergang von der Kompressionsphase
III zur Expansionsphase IV eine weitere Teileinspritzung e stattfindet. Während dieser zweiten Einspritzung erfolgt
auch die Zündung am Zündzeitpunkt Zp. Wie sich aus Fig. 8 ergibt, erfolgt die erste Teileinspritzung d
als Niederdruckeinspritzung, d. h. der an der Nockenwelle 19 hierfür ausgebildete Nocken 22 ist sehr flach
und über einen verhältnismäßig großen Winkel ausgebildet, während der zweite, für die zweite Teileinspritzung
e vorgesehene Nocken 2 3 entsprechend steil für eine Hochdruckeinspritzung ausgebildet ist.
Zur Vervollständigung sei darauf hingewiesen, daß die Einspritzpumpe 15 in der üblichen Weise seitlich
am Kurbelgehäuse 24 des Motors angeflanscht ist und ebenfalls in der allgemein üblichen Weise angetrieben
wird.
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Leerseite
Claims (8)
- PATENTANWÄLTE
DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAUD-8500 NÜRNBERG ESSE N WEINST R ASSE 4-6 TELEFON O? U / 20 37 27 TElEX Oi / 23135Nürnberg, 18.1ο.79 18/48MOTOREN-WERKE MANNHEIM AG, vorm. BENZ Abt. stat. Motorenbau, Carl-Benz-Straße 5, 6 8oo Mannheim 1Ansprücheiy Verfahren zum Verbrennen von zündunwilligen Kraft-'stoffen in Viertakt-Kolbenmotoren mit Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet,daß der Kraftstoff mindestens teilweise während der Ansaugphase direkt eingespritzt wird. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung etwa am Anfang der Ansaugphase beginnt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung in eine Mulde im Kolbenboden erfolgt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Kraftstoffmenge während der Ansaugphase eingespritzt wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff während des Ansaugvorgangs mit Niederdruck eingespritzt wird.130018/0361ORIGINAL INSPECTED
- 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff während der Ansaugphase und am Ende derKompressionsphase jeweils in Teilmengen eingespritzt wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Teilmenge während der Ansaugphase mit Niederdruck und die andere Teilmenge am Ende der Kompression sphase mit Hochdruck eingespritzt wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilmengen mit Hochdruck eingespritzt werden.130018/0361
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792942294 DE2942294A1 (de) | 1979-10-19 | 1979-10-19 | Verfahren zum verbrennen von zuendunwilligen kraftstoffen in viertakt-kolbenmotoren mit kraftstoffeinspritzung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19792942294 DE2942294A1 (de) | 1979-10-19 | 1979-10-19 | Verfahren zum verbrennen von zuendunwilligen kraftstoffen in viertakt-kolbenmotoren mit kraftstoffeinspritzung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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DE19792942294 Withdrawn DE2942294A1 (de) | 1979-10-19 | 1979-10-19 | Verfahren zum verbrennen von zuendunwilligen kraftstoffen in viertakt-kolbenmotoren mit kraftstoffeinspritzung |
Country Status (1)
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---|---|
DE (1) | DE2942294A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
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- 1979-10-19 DE DE19792942294 patent/DE2942294A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MOTOREN-WERKE MANNHEIM AG VORM. BENZ ABT. STATIONA |
|
8141 | Disposal/no request for examination |