5.Verbrennungsmotoren II Flashcards by Olaf K

Kerzenflamme und Gasflamme

Die homogene Verbrennung im Ottomotor ähnelt welche Prinzip?

Prinzip der vorgemischten Flamme (Gasflamme)

—> siehe Folie 4

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Kerzenflamme und Gasflamme

Die Verbrennung im Dieselmotor ähnelt welchem Prinzip?

Prinzip der Diffusionsflamme (Kerzenflamme)

—> siehe Folie 4

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Ottomotor Bsp.
„Äußere Gemischbildung, Saugrohreinspritzung“

—> siehe Abb. Folie 5!!! (Beschriftung)

…

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Ottomotor Bsp.
„Äußere Gemischbildung, Saugrohreinspritzung“

Wie berechnet man das Luftverhältnis lambda?

Luftverhältnis (Lambda) =

zugeführte Sauerstoffmenge
/
stöchiometrischer Sauerstoffbedarf

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Was versteht man unter dem stöchiometrischen Sauerstoffbedarf?

Sauerstoffbedarf, der für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffes notwendig ist

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Verbrennung beim Ottomotor

—> siehe Abbildung Folie 6!! (Beschriftung)

…

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Verbrennung beim Ottomotor

Im Diagramm auf Folie 6 sieht man den Zündbereich für Kraftstoff/Luft-Gemisch.

In welchem Luftverhältnis-Bereich (lambda-Bereich) liegt er?

0,6 <= lambda <= 1,4

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Im Diagramm auf Folie 6 ist die Auswirkung des Zündfunkens gekennzeichnet.

Was bewirkt der Zündfunken?

Bewirkt Anhebung der Temperatur am Ende des Kompressionshubs (Tc) auf die Zündtemperatur (Tmin)

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Zündung des Ottomotors

—> Abbildung Folie 7 (Beschriftung) !

…

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Zündung des Ottomotors

Aufgaben der Zündeinrichtung: ?? (2)

Bereitstellung ausreichender Zündenergie an der Zündkerze

- Sicherstellen des optimalen Zündzeitpunktes in allen Betriebspunkten

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Zündkerzengesicht

Anhand des Kerzengesichts können Rückschlüsse auf die ?? gezogen werden.

Verbrennung

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Zündkerzengesichter

—> normal 
—> verrußt
—> verölt 
—> Verbleiung 
Jeweils mit Abbildung und Text auf Folie 8!

Verrußt, Verölt, Verbleiung sind jeweils Zeichen einer ??

fehlerhaften Verbrennung

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Zündung des Ottomotors

Zeichne den Aufbau des Zündkreises!

Siehe Folie 9

—> mit Spannungsverlauf!

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Zündung des Ottomotors

Gegenüber der einfachen Vorzündung früherer Zeiten haben wir heute ein 3-dimensionales ??

Zündwinkelkennfeld (Last über Drehzahl)

—> siehe Folie 9

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Ottomotor: Zylinderdruckverläufe in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt

—> siehe Folie 10!!!

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Ottomotor: Zylinderdruckverläufe in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt

Durch was wird der Prozess gesteuert bzw. mit was wird der optimale Verlauf (Zylinderdruckverlauf) herausgefunden?

Klopfsensor

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Nenne Einspritzsysteme für Ottomotoren: ??

Saugrohreinspritzung (zentral)
Saugrohreinspritzung (vor jedem einzelnen Zyliner)
Direkteinspritzung (direkt in den Brennraum)

—> siehe Folie 11!!!

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Ottomotor - Saugrohreinspritzung

Einspritzventil EV6
—> Abbildung Folie 12 links (Beschriftung)

Schema einer LH - Jetronic-Anlage
—> Abbildung siehe Folie 12 rechts (Beschriftung)

!!!!!

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Ottomotor - Saugrohreinspritzung

Saugrohreinspritzung für ?(1)?
Gemischbildung während ?(2)?
Lastregelung über ?(3)? oder variable ?(4)? (Doppel-VANOS)

(1) Homogenbetrieb
(2) Einströmung
(3) Drosselklappe
(4) Nockenwellensteuerung

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Ottomotor: Saugrohreinspritzung

Animation der 4 Takte!
—> Video 6:50min

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Ottomotor:

Saugrohreinspritzung und Direkteinspritzung

Bei der Direkteinspritzung: Gemischbildung mittels ??

Mulde und Wirbel

—> siehe Folie 15 (+16)

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Ottomotor-Direkteinspritzung

Die unterschiedlichen Arten der Ottomotor-Direkteinspritzung.

Beim ?(1)? Verfahren wird die aus dem Einspritzstrahl resultierende Gemischwolke über eine entsprechende Verformung (“Nase”) im Kolben zur Zündkerze geleitet.

Beim ?(2)? Verfahren übernimmt diese Aufgabe ein dem Einspritzstrahl entgegen gerichteter Tumble (das ist ein Luftwirbel um eine horizontale Achse), der über die Geometrie der Einlasskanäle und Ventile beim Einströmvorgang in den Brennraum erzeugt werden muss.

Beim ?(3)? Verfahren liegen Einspritzventil und Zündkerze schließlich sehr dicht beieinander, und die Steuerung der Gemischbildung und damit die Sicherstellung eines zündfähigen Gemisches an der Zündkerze kann ausschließlich über den Einspritzstrahl selbst erfolgen.

(1) wandgeführten
(2) luftgeführten
(3) strahlgeführten

—> siehe Abb. Folie 16

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Ottomotor-Direkteinspritzung

Nenne die unterschiedlichen Arten der Ottomotor-Direkteinspritzung! (3)

luftgeführtes Verfahren
wandgeführtes Verfahren
strahlgeführtes Verfahren

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Zusammenfassung und Vergleich der Direkteinspritzung ggü. der Saugrohreinspritzung (indirekte Einspritzung)

https://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/otto/direkteinspritzfazit.htm

Durchlesen!

…

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Zusammenfassung und Vergleich der Direkteinspritzung ggü. der Saugrohreinspritzung (indirekte Einspritzung) Bewerte Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung anhand folgender Punkte: 1) Wo findet Einspritzung statt? 2) Wo befindet sich das Einspritzventil? (…)Rest siehe Quelle: https://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/otto/direkteinspritzfazit.htm

1) - Direkteinspritzung: Einspritzung in den Brennraum - Saugrohreinspritzung/ind. Einspritzung: Einspritzung vor das Einlassventil/Saugrohr 2) - Direkteinspritzung: Einspritzventil direkt über dem Brennraum (GDI) bzw. unter dem Einlasskanal im Zylinderkopf (FSI) - Saugrohreinspritzung/ind. Einspritzung: Einspritzventil im Saugrohr

Ottomotor-Direkteinspritzung —> Die Luftbewegung unterstützt was?

Die Gemischbildung

Ladungsbewegung Die erzeugte globale Ladungsbewegung dient wozu?

- die Reaktionsoberfläche zu vergrößern und damit eine turbulente Verbrennung zu generieren

Ladungsbewegung Welche 3 Grundformen werden bezüglich der Hauptbewegungsrichtung der Ladung unterschieden?

- Drall (bzw. Swirl) - Tumble - Squish

Ladungsbewegung Grundformen der Hauptbewegungsrichtung der Ladung Swirl: 1) Als Drall bzw. Swirl wird was bezeichnet? 2) Wie wird dabei die Strömung geführt? 3) kann diese während des Verdichtungstakts bis hin zur Verbrennung aufrechterhalten werden? 4) Bewegungsrichtung des Kolbens?

1) Ein Wirbel um die Zylinderlängsachse 2) entlang der Zylinderwand 3) Ja 4) nach unten (weil entsteht beim Ansaugtakt) —> siehe Folie 17

Ladungsbewegung Grundformen der Hauptbewegungsrichtung der Ladung Tumble: 1)Was beschreibt die Tumbleströmung? 2) Bewegungsrichtung des Kolbens?

1) einen Wirbel um die Zylinderquerachse 2) nach unten (weil entsteht beim Ansaugtakt) —> siehe Folie 17

Ladungsbewegung Grundformen der Hauptbewegungsrichtung der Ladung Die Tumbleströmung ist nicht so stabil wie die Drallströmung und löst sich während der Kolbenbewegung schneller auf. Wahr/Falsch?

Wahr

Ladungsbewegung Grundformen der Hauptbewegungsrichtung der Ladung Squish 1) wird auch wie bezeichnet? 2) wird wann erzeugt? 3) entsteht wie? 4) beschreibt was exakt? 5) Bewegungsrichtung des Kolbens?

1) Quetschströmung 2) beim Verdichtungstakt 3) entsteht während der Kolbenbewegung im Bereich des oberen Totpunktes 4) eine nach innen gerichtete Strömung (Quetschströmung) 5) nach oben (weil entsteht beim Verdichtungstakt) —> siehe Folie 17

Ladungsbewegung Grundformen der Hauptbewegungsrichtung der Ladung Squish (bzw. Quetschströmung) wird im Gegensatz zu Drall und Tumble nicht beim Ansaug-, sondern beim Verdichtungstakt erzeugt. Wahr/Falsch?

WAHR

Ladungsbewegung Grundformen der Hauptbewegungsrichtung der Ladung Welche Form der Ladungsbewegung erwünscht ist, hängt von mehreren Faktoren ab. Entscheidend sind beispielsweise: ?? (2)

- der Brennstoff | - die Art der Gemischaufbereitung

Ladungsbewegung Grundformen der Hauptbewegungsrichtung der Ladung Während bei flüssigen Kraftstoffen die Turbulenz speziell der ?(1)? dient, soll diese bei Gasmotoren bzw. homogenen Gemischen die ?(2)? beeinflussen. Für mager betriebene Gasmotoren soll die Turbulenz die ?(3)? erhöhen und [...] zu einer möglichst ?(4)? zwischen verbranntem und unverbranntem ?(5)? führen.

(1) Gemischaufbereitung (2) Verbrennung (3) Verbrennungsgeschwindigkeit (4) homogenen Durchmischung (5) Gemisch

Direkteinspritzung bei Ottomotoren Gegenüber einem Ottomotor mit Saugrohreinspritzung spart die Direkteinspritzung bis zu ??% Kraftstoff.

15%

Gegenüber einem Ottomotor mit Dirketeinspritzung spart die Saugrohreinspritzung bis zu 15% Kraftstoff. Wahr/Falsch?

FALSCH!!!! —> die Direkteinspritzung spart bis zu 15% Kraftstoff ggü. der Saugrohreinpritzung

Einspritzsysteme für Otto-DI-Motoren haben aktuell einen Systemdruck im Bereich 200bar, neuste Entwicklungen arbeiten mit bis zu 350 bar Der Kraftstoff-Einspritzdruck bei Ottomotoren liegt im dreistelligen bar-Bereich und somit über oder unter dem von Dieselmotoren?

Deutlich unter dem von Dieselmotoren!! | Einspritzsystem mit Steuergerät (ECU) für Otto-DI-Motoren —> siehe Folie 19

Aufbau von elektromagnetischen Einspritzventilen —> siehe Folie 20!!!

…

Piezo-Einspritzventil Piezo-Einspritzventile zeichnet sich durch was aus?

eine extrem kurze Reaktionszeit

Piezo-Einspritzventile Die Reaktionszeit ist bis zu ?(1)? kürzer als bei elektromagnetischen Einspritzventilen. Piezokeramische Werkstoffe erzeugen beim Anlegen einer elektrischen Spannung nur eine kleine ?(2)?. Deshalb werden in einem Einspritzventil mehrere Piezoelemente als Vielschicht-Keramikelement zu einem sogenannten ?(3)? hintereinander geschaltet. Der Stellweg von 80 μm wird in weniger als einer zehntausendstel Sekunde zurückgelegt. Die theoretische Kraft, die die Einspritzdüsennadel bewegt, beträgt dabei ?(4)?. Da die Keramik keine ?(5)? erträgt, werden die Piezoelemente durch eine Feder ?(6)?. Ausgeführte Piezo-Aktuatoren für Einspritzventile erreichen bei einer Länge der Keramikelemente von ca. 40 mm einen Ventilnadelhub von ca. 30 μm bei einem Kraftstoffdruck von 200 bar. —> Hinweis: Heute bis zu 350 bar

(1) viermal (2) Auslenkung (3) Piezostack (4) 6300 N (5) Zugspannungen (6) vorgespannt —> Aufbau siehe Folie 21!

Einspritzsystem für Ottomotoren: Bsp. Bosch —> siehe Folie 22!!! - Systemdruck: bis 350 bar (35MPa) - Einbau in welcher Injektorposition möglich?

In seitlicher und zentraler Injektorposition

Ottomotoren: Direkteinspritzung - Direkteinspritzung (bis 350bar) mit Schichtladung oder für Homogenbetrieb - Gemischbildung im Brennraum durch Ladungsbewegung - Lastregelung über Drosselkappe oder variable Nockenwellensteuerung (Doppel-VANOS) —> siehe Folie 23

…

Ottomotor: Direkteinspritzung Ottomotor-Direkteinspritzung Homogen- & Schichtbetrieb —> siehe Folie 25!!

Ottomotor-Direkteinspritzung Homogen- & Schichtbetrieb Konstruktive Ausführung: Mittels der Tumble-Klappe wird bei Niedriglast eine Tumble-Strömung erzeugt —> siehe Folie 26

…

Die Darstellung der Ottomotoren-Direkteinspritzung im Homogen- und Schichtbetrieb —> siehe Diagramm Folie 27!!!

…

HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Die Motivation zur Erforschung von Brennverfahren mit homogener ?(1)? (CAI, HCCI) liegt in der Kombination von sehr hohen ?(2)? im ?(3)? und extrem geringen ?(4)? selbst bei deutlich überstöchiometrischem Betrieb.

(1) Selbstzündung (2) Wirkungsgraden (3) Teillastbetrieb (4) NOx-Emissionen

HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Die Motivation zur Erforschung von Brennverfahren mit homogener Selbstzündung (CAI, HCCI) liegt in der Kombination von sehr hohen Wirkungsgraden im Teillastbetrieb und extrem geringen NOx-Emissionen (Stickoxid) selbst bei deutlich überstöchiometrischem Betrieb. Die Ursachen sind in der geringen Verbrennungsspitzentemperatur durch die sehr hohen Restgasanteile und die Verbrennung ohne Flammfront zu sehen Worin liegen dafür die Ursachen?

In der geringen Verbrennungsspitzentemperatur durch die sehr hohen Restgasanteile und die Verbrennung ohne Flammfront.

HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Beschreibung des Verfahrens: Vor der Zündung ist das ?(1)? homogen im Brennraum verteilt. Die Zündung erfolgt bei entsprechenden ?(2)? gleichzeitig im gesamten Brennraum und auch die Verbrennung findet gleichzeitig statt. Das Brennverfahren konnte bisher noch nicht in einem PKW-Motor umgesetzt werden.

(1) zündfähige Gemisch | (2) Umgebungsbedingungen

Dieselmotor Diffusionsverbrennung Kraftstoff wird durch weitere Verdampfung nachgeliefert und ?(1)? in das bereits von der Flamme erfasste Gebiet stöchiometrischer Mischung. Von der anderen Seite ?(2)? die im Zylinder im Überschuss vorhandene ?(3)? in dieses Gebiet. Diese Mischung wird durch die ?(4)? und die ?(5)? beherrscht. —> siehe Folie 30!

(1) diffundiert (2) diffundiert (3) Luft (4) Ladungsbewegung (5) Turbulenz

Gemischbildung beim DI-Dieselmotor: Strahlausbreitung und Strahlauflösung —> siehe Folie 31!

…

``` Dieselmotor Einspritzung und Verbrennung über der Kurbelstellung. —> Spritzdauer —> Hauptverbrennung —> Nachverbrennung ``` —> siehe Folie 32!!!

Dieselmotor —> Gemischbildung & Selbstzündung Beim Dieselmotor haben sich über die Jahre verschiedene Ausbildungformen der Gemischbildung und Selbstzündung entwickelt. 1) Nenne diese! 2) Welche ist heute Stand der Technik für PKW-Dieselmotoren?

1) - Wirbelkammer - Vorkammer - Direkteinspritzung 2) Direkteinspritzung (—> siehe Folie 33)

Dieselmotor —> Gemischbildung & Selbstzündung Beim Dieselmotor haben sich über die Jahre verschiedene Ausbildungformen der Gemischbildung und Selbstzündung entwickelt. Die Vorkammer und die Wirbelkammer sind zwei unterschiedliche Verfahren, um die Zündung einzuleiten und dann entsprechend auszublasen aus der Vorkammer und die restlichen Räume auszufüllen. —> Heute: Direkteinspritzung mit extrem hohen Anforderungen an? (2)

- Einspritzdrücke - Präzision bei der Gestaltung der Einspritzdüsengeometrie (—> siehe Folie 33)

Dieselmotor Gemischbildung&Selbstzündung —> Animation Video 23:40min

…

Gemischbildung beim DI-Dieselmotor: Drall Dem Drall kommt vom Einlass- und Spiralkanal besondere Bedeutung zu. —> siehe Folie 35 (Ausführungen: Einlass: Spiralkanal; Einlass: Spiralkanal&Tangentialkanal)

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Gemischbildung beim DI-Dieselmotor: Strahlausbreitung und Strahlauflösung —> zeigt Animation Video: 24:55min Dauer vom Beginn der Einspritzung bis zum Ende der Verbrennung: 9,4 ms

…

Dieselmotoren | Nenne Einspritzsysteme! (3)

- Verteilereinspritzpumpe - Common-Rail-System (Stand der Technik bei PKW-Dieselmotoren) - Pumpe-Düse —> siehe Folie 37

Technologie und Innovation —> Bsp.: Dieseleinspritzung Kennwerte für die Dieseleinspritzung, die zeigen, dass Extremwerte gefordert werden. —> z.B.: - Spritzdauer: 1,5 ms - Einspritzgeschwindigkeit: 700 m/s - Einspritzdruck: 3000bar - minimale Einspritzmenge: 1mm^3/str. - Anzahl Einspritzungen: 1.000.000.000 @useful life (= engl. für Nutzungsdauer)

…

Einspritzsystem für Dieselmotoren: Pumpe-Düse (Unit Injector System, UIS) —> siehe Folie 39+40 Nenne die Phasen 1-4: ??

Phase 1: Befüllung Phase 2: Beginn Arbeitshub Phase 3: Einspritzung Phase 4: Einspritzende

Einspritzsystem für Dieselmotoren Common-Rail-System —> siehe Folie 41 —> siehe Folie 42 mit Beschriftung (Bsp. Audi 3.0I V6-TDI)

…

Einspritzsystem für Dieselmotoren Common-Rail-System, CRS Herzstück des dieses Einspritzsystems sind die hochpräzisen und extrem anspruchsvollen Injektoren (Magnetventil-Injektoren und Piezo-Injektoren). —> Funktionsweise am Beispiel eines Magnetventil-Injektor (Querschnitt mit Beschriftung) —> siehe Folie 43!

…

Vorteile eines Piezoventils gegenüber eines Magnetventils: ?? (3)

- Schaltet schneller - höhere Stellkräfte - der Hub kann geregelt werden

Common-Rail-System: Aufbau am Beispiel Bosch —> FOLIE 44 (mit Beschriftung)!

Common-Rail-System Das Rail mit Druckregelventil und Drucksensor —> FOLIE 45!! (Mit Beschriftung!)

Common-Rail-System: Hochdruckpumpe (separate) —> siehe Folie 46!! (Beschriftet!)

Common-Rail-System: Auslegung für typische Anwendungen —> siehe Tabelle Folie 47!! - Personenkraftwagenmotor - Nutzfahrzeugmotor —> jeweiligen Präzisionsansprüche in Tabelle vorzufinden

…

Dieselmotor Common-Rail-System (CR-System) —> Animation, Video: 32:40min

…

Nenne Bauformen von Diesel-Einspritzdüsen: ?? (2)

- Zapfendüse - Lochdüse —> siehe Folie 49!

Bauformen von Diesel-Einspritzdüsen 1) Für Motoren mit unterteiltem Brennraum (Vorkammer, Wirbelkammer) werden meistens welche Bauformen verwendet? 2) Für Motoren mit direkter Einspritzung verwendet man meistens welche Bauformen?

1) Drosselzapfendüsen 2) Lochdüsen —> dabei kommt es wegen der hohen Drücken und der Präzision besonders auf die Gestaltung der Düsenporung und des Sacklochvolumens an

Einspritzsystem für Dieselmotoren: Nadelholz bei Mehrfacheinspritzung Die unterschiedlichen Ansprüche der Verbrennung an den Nadelhub und an Mehrfacheinspritzungen erfordern eine sehr aufwendige Führung des Nadelhubes. Z.B.: - Haupteinspritzung mit einer Voreinspritzung - Haupteinspritzung mit zwei Voreinspritzungen - Split-Einspritzung (…) ``` Nur damit (auch als injection rate shaping bezeichnet) sind die hohen Leistungen und gleichzeitig auch niedrigen Verbräuche und die niedrigen Emissionswerte zu erzielen. —> siehe Folie 50 ```

….

Bsp. für die Einbaulage eines Bosch Piezo-Inline-Injektor in einem V6 TDI, Audi —> Abb. Siehe Folie 51 (Beschriftung)

…

Die Evolution der Einspritzdrücke von Dieselmotoren der letzten 20 Jahren zeigt das Diagramm auf Folie 52. Wobei wir mittlerweile bei 3000bar angekommen sind. —> Nur damit waren die Fortschritte, auch im Hinblick auf ?? möglich.

Emissionen

Gegenüberstellung der Brennverfahren —> Otto, externe Gemischbildung —> Otto, Direkt-Einspritzung —> Diesel-Direkt-Einspritzung —> HCCI FOLIE 53!!!!! (Zum Üben in KT)

!!!

Lerninhalte: - Luftverhältnis (lambda) - Ottomotor: Zylinderdruckverläufe - Einspritzsysteme für Ottomotoren - Ottomotor-Direkteinspritzung —> Homogen-&Schichtbetrieb - Ottomotor-Direkteinspritzung —> (luftgeführt, wandgeführt, strahlgeführt) - Common-Rail-System

…

5.Verbrennungsmotoren II Flashcards

(75 cards)