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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktormodul für
ein Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil
mit solch einem piezoelektrischen Aktormodul. Speziell betrifft
die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von
luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 101 33 151
A1 ist ein Bauteil mit einem Bauelement und einem das Bauelement
umgebenden Gehäuse bekannt. Dabei ist zwischen dem Gehäuse
und dem Bauelement ein geringer Abstand vorgesehen, der eine Gießspalte
definiert. In die Gießspalte ist eine Vergussmasse eingefüllt,
die einen vernetzenden Füllstoff enthält. Dabei
ist ein relativ hoher Füllstoffgehalt der Vergussmasse
vorgegeben, wobei der Füllstoffgehalt bezogen auf das Gesamtgewicht
der Vergussmasse zwischen 20 und 90 Gewichtsprozent liegt. Als Vergussmasse
können Harze auf der Basis von Siliconen, Polyurethanen und
Epoxiden eingesetzt werden, die mit einem Füllstoff aus
der Gruppe Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Bornitrid
und Aluminiumnitrid gefüllt sind, um ihre Wärmeleitfähigkeit
zu verbessern.
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Das
aus der
DE 101 33
151 A1 bekannte Bauteil hat den Nachteil, dass die Herstellung
aufwändig ist. Speziell ist die Vorgabe einer schmalen, gleichmäßigen
Gießspalte und deren homogene Befüllung relativ
aufwändig. Ferner besteht bei einem solchen Bauteil, bei
dem das Bauelement aus einem Piezoaktor gebildet ist, das Problem,
dass die Vergussmasse sowohl in Verbindung mit dem Bauelement als
auch mit dem Gehäuse steht, so dass im Betrieb bei periodischen
Dehnungen des Bauelements Spannungen in der Vergussmasse auftreten, was
sich ungünstig auf die Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit
auswirken kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Aktormodul mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 11 haben den Vorteil, dass eine
relativ kostengünstige Herstellung ermöglicht
ist, wobei ein zuverlässiger Schutz gegenüber
Medien gewährleistet ist, und dass insbesondere eine hohe
Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit gewährleistet
ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Aktormoduls und des im Anspruch 11 angegebenen Brennstoffeinspritzventils
möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist die duroplastische Formmasse aus einer Epoxid-Niederdruckpressmasse
gebildet. Es kann aber auch eine andere, vergleichbare duroplastische
Formmasse zum Einsatz kommen. Zur Ummantelung wird vorzugsweise
der kurzgeschlossene Aktorkörper zusammen mit dem Übergangsstück
in einem Spritzpresswerkzeug positioniert und anschließend
im Spritz-Press-Verfahren mit der duroplastischen Formmasse ummantelt.
Die Füll- und Nachdruckphase kann dabei über Werkzeuginnendrucksensoren
geregelt werden, um eine reproduzierbare Verdichtung der Epoxid-Niederdruckpressmasse
zu gewährleisten. Ferner kann das Werkzeuginnendrucksignal
als Signal zur Prozesskontrolle zur Selektion der Gut- von den Schlechtteilen
genutzt werden. Nach Abschluss der Einspritzphase beginnt die Härtephase,
in der die Epoxid-Niederdruckpressmasse teilweise unter Nachdruck
chemisch vernetzt wird. Nach dem Erreichen des erforderlichen Vernetzungsgrades
kann der ummantelte, piezoelektrische Aktorkörper entformt
werden.
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In
vorteilhafter Weise besteht eine gute Haftung zu dem Übergangsstück,
d. h. dem Aktorkopf- oder Aktorfußmaterial, damit der Aktorkörper
vor der Umgebung, insbesondere vor Feuchtigkeit und Brennstoffen,
geschützt ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Füllstoffmenge
und die Füllstoffgeometrie der Epoxid-Niederdruckpressmasse
so gewählt ist, dass zur Vermeidung von Beschädigungen
am Aktorkörper eine niedrige oder sehr niedrige Verarbeitungsviskosität
erzielt ist und der isotrope Wärmeausdehnungskoeffizient
im Bereich der Wärmeausdehnungskoeffizienten der zur ummantelnden
Komponenten, nämlich des Aktorkörpers und des Übergangsstücks,
liegt. Die Ermüdungsgrenze für die Dehnung der
Außenschicht liegt dabei vorzugsweise über der
Axialdehnung des Aktorkörpers im Betrieb.
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Vorteilhaft
ist es, dass eine elastische Zwischenschicht vorgesehen ist, die
aus einer Lösung mit Mikrohohlkugeln gebildet ist. Dabei
ist es vorteilhaft, dass der Aktorkörper zunächst
mit einem Haftvermittler beschichtet wird, um eine Haftvermittlerschicht
auszubilden. Die Haftvermittlerschicht kann beispielsweise aus einem
Silan oder einem vergleichbaren Haftvermittler ausgebildet werden.
Die Zwischenschicht kann auf der Basis eines Fluorkautschuks oder
eines vergleichbaren Elastomers gebildet sein. Solch ein Elastomer
kann zur Ausbildung der Zwischenschicht im Tauchverfahren aufgebracht werden,
wobei vor dem Vulkanisieren die Lösung abdampft und getrocknet
wird, oder das Elastomer wird im Spritz-Gießen auf den
in ein Werkzeug eingelegten Aktorkörper aufgebracht. Die
Ausgestaltung der elastischen Zwischenschicht aus einer Lösung
mit Mikrohohlkugeln ermöglicht, dass nach der Vulkanisation
der Fluorkautschuk als geschlossenzelliger Schaum vorliegt. Nach
dem Aufbringen der Zwischenschicht kann die Außenschicht
aufgebracht werden, wobei vorzugsweise ein beidseitiges Überstehen
der Außenschicht über die elastische Zwischenschicht
erzielt ist, beispielsweise am Aktorfuß und am Aktorkopf,
um eine Abdichtung der Zwischenschicht gegenüber der Umgebung
zu erzielen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen
sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktormodul
in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ein
piezoelektrisches Aktormodul eines Brennstoffeinspritzventils entsprechend
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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3 den
in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt eines Aktormoduls
eines Brennstoffeinspritzventils entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen
Aktormodul 2 entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als
Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden,
selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter
Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für
eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter
hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt.
Das erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul 2 eignet
sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1 und
auch für eine inverse Ansteuerung des piezoelektrischen
Aktormoduls 2. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und
das erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul 2 eignen
sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und
einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Brennstoffeinlassstutzen 4 auf.
An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist eine Brennstoffleitung anschließbar,
um das Brennstoffeinspritzventil 1 über ein Common-Rail
oder direkt mit einer Hochdruckpumpe zu verbinden. Über
den Brennstoffeinlassstutzen 4 kann dann Brennstoff in
einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Aktorraum 5 eingeleitet werden, so dass sich im Betrieb
des Brennstoffeinspritzventils 1 Brennstoff in dem Aktorraum 5,
in dem auch das piezoelektrische Aktormodul 2 vorgesehen
ist, befindet. Der Aktorraum 5 ist durch ein Gehäuseteil 6 von
einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Brennstoffraum 7 getrennt. In dem Gehäuseteil 6 sind
dabei Durchlassöffnungen 8, 9 ausgestaltet,
um den über den Brennstoffeinlassstutzen 4 in
den Aktorraum 5 geführten Brennstoff in den Brennstoffraum 7 zu
leiten.
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Das
Ventilgehäuse 3 ist mit einem Ventilsitzkörper 10 verbunden,
an dem eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet ist.
Die Ventilsitzfläche 11 wirkt mit einem Ventilschließkörper 12 zu
einem Dichtsitz zusammen. Dabei ist der Ventilschließkörper 12 einstückig mit
einer Ventilnadel 15 ausgebildet, über die der Ventilschließkörper 12 mit
einer im Aktorraum 5 vorgesehenen Druckplatte 16 verbunden
ist. Dabei ist die Ventilnadel 15 durch das Gehäuseteil 6 entlang einer
Achse 17 des Brennstoffeinspritzventils 1 geführt.
Ein Federelement 18, das einerseits an dem Gehäuseteil 6 und
andererseits an der Druckplatte 16 anliegt, beaufschlagt
den piezoelektrischen Aktor 2 mit einer Vorspannkraft,
wobei durch die Beaufschlagung außerdem die Ventilnadel 15 mittels
der Druckplatte 16 betätigt wird, so dass der
zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 gebildete Dichtsitz geschlossen
ist.
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Außerdem
weist das Ventilgehäuse 3 ein Anschlusselement 20 auf,
um das Anschließen einer elektrischen Zuleitung an das
Brennstoffeinspritzventil 1 zu ermöglichen. Die
elektrische Zuleitung kann dabei mittels eines Steckers an elektrische
Leitungen 21, 22 angeschlossen werden. Die elektrischen
Leitungen 21, 22 sind durch das Gehäuse 3 und
einen an einen Aktorkörper 23 des Aktormoduls 2 angefügten
Aktorfuß 24 an den Aktorkörper 23 geführt.
An den Aktorkörper 23 des piezoelektrischen Aktormoduls 2 ist
ferner ein Aktorkopf 25 angefügt, über
den der Aktorkörper 23 entgegen der Kraft des
Federelements 18 auf die Druckplatte 16 einwirkt.
Das piezoelektrische Aktormodul 2 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
den Aktorkörper 23, den Aktorfuß 24 und
den Aktorkopf 25 auf. Der Aktorfuß 24 und der
Aktorkopf stellen jeweils ein an den Aktorkörper 23 angefügtes Übergangsstück
dar.
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Der
Aktorkörper 23 des piezoelektrischen Aktormoduls 2 weist
eine Vielzahl von keramischen Schichten 26, 27 und
eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 26, 27 angeordneten
Elektrodenschichten 28, 29 auf. Dabei sind in
der 1 zur Vereinfachung der Darstellung nur die keramischen Schichten 26, 27 sowie
die Elektrodenschichten 28, 29 gekennzeichnet.
Die Elektrodenschichten 28, 29 sind abwechselnd
mit der elektrischen Leitung 21 und der elektrischen Leitung 22 verbunden,
so dass alternierend positive und negative Elektroden zwischen den
keramischen Schichten 26, 27 vorgesehen sind.
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Über
die elektrischen Leitungen 21, 22 kann der Aktorkörper 23 geladen
werden, wobei sich dieser in Richtung der Achse 17 ausdehnt,
so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 ausgebildete Dichtsitz
geöffnet wird. Dadurch kommt es zum Abspritzen von Brennstoff
aus dem Brennstoffraum 7 über einen Ringspalt 30 und den
geöffneten Dichtsitz. Beim Entladen des Aktorkörpers 23 zieht
sich dieser wieder zusammen, so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der
Ventilsitzfläche 11 ausgebildete Dichtsitz wieder geschlossen
ist.
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Die
Verbindung der elektrischen Leitungen 21, 22 mit
den Elektrodenschichten 28, 29 kann durch innenliegende
Elektrodenanbindungen erfolgen. Es können allerdings auch außenliegende
Elektrodenanbindungen vorgesehen sein. Der Aktorkörper 23 ist
zwischen dem Aktorkopf 25 und dem Aktorfuß 24 angeordnet.
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Das
Aktormodul 2 weist eine Außenschicht 35 auf.
Die Außenschicht 35 ummantelt sowohl den Aktorkörper 23 als
auch die Übergangsstücke 24, 25, d.
h. den Aktorfuß 24 und den Aktorkopf 25.
Dabei ist in diesem Ausführungsbeispiel die Druckplatte 16 mit dem
Aktorkopf 25 verbunden oder einstückig ausgestaltet,
wobei die Druckplatte 16 auch Teil des Aktorkopfes 25 und
somit des piezoelektrischen Aktormoduls 2 sein kann. Die
Außenschicht 35 ummantelt eine Außenfläche 36 des
Aktorkörpers 23 vollständig. Ferner ummantelt
die Außenschicht 35 den Aktorkopf 25 an
einer Außenfläche 37 vollständig,
d. h. bis zu der Druckplatte 16. Ferner ummantelt die Außenschicht 35 den
Aktorfuß 24 an einer Außenfläche 38 abschnittsweise.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Außenschicht 35 direkt
auf die Außenfläche 36 des Aktorkörpers 23,
die Außenfläche 37 des Aktorkopfes 25 sowie
die Außenfläche 38 des Aktorfußes 24 aufgebracht.
Durch die Verbindung der Außenschicht 35 sowohl
mit dem Aktorkopf 25 als auch mit dem Aktorfuß 24 ist
der Aktorkörper 23 gegenüber der Umgebung
abgedichtet, insbesondere ist eine Abdichtung gegenüber
Gasen, insbesondere Brennstoffgasen, und flüssigen Medien,
insbesondere Wasser enthaltenden Dieselbrennstoff, gewährleistet.
Die Außenschicht 35 ist aus einer duroplastischen
Formmasse gebildet. Zum Aufbringen der Außenschicht 35 ist
der Aktorkörper 23 zusammen mit dem Aktorfuß 24 und
dem Aktorkopf 25 in einem Spritzwerkzeug positioniert und
wird in einem Spritz-Press-Verfahren mit einer Epoxid-Niederdruckpressmasse
oder einer vergleichbaren duroplastischen Formmasse ummantelt. Nach
Abschluss der Einspritzphase beginnt die Härtephase, wobei sich
die duroplastische Formmasse chemisch vernetzt. Nach dem Erreichen
des erforderlichen Vernetzungsgrades erfolgt die Entformung des
mit der Außenschicht 35 versehenen Aktormoduls 2.
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2 zeigt
ein piezoelektrisches Aktormodul 2 eines Brennstoffeinspritzventils 1 entsprechend
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem
Ausführungsbeispiel weist das Aktormodul 2 eine
elastische Zwischenschicht 40 auf. Dabei wird der Aktorkörper 23 zunächst
mit einem Haftvermittler beschichtet, um eine Haftvermittlerschicht 41 auszubilden.
Die Haftvermittlerschicht 41 kann sich dabei auch abschnittsweise
auf den Aktorfuß 24 und/oder abschnittsweise auf
den Aktorkopf 25 erstrecken. Die Haftvermittlerschicht 41 kann
beispielsweise aus einem Silan oder einem vergleichbaren Haftvermittler ausgebildet
werden. Anschließend wird die elastische Zwischenschicht 40,
die auf der Basis eines Fluorkautschuk oder eines vergleichbaren
Elastomers ausgebildet sein kann, über die Haftvermittlerschicht 41 auf
den Aktorkörper 23 sowie gegebenenfalls den Aktorfuß 24 sowie
den Aktorkopf 25 aufgebracht. Das Elastomer zur Ausbildung
der elastischen Zwischenschicht 40 kann entweder als Lösung
im Tauchverfahren aufgebracht werden, wobei vor dem Vulkanisieren
die Lösung abgedampft und getrocknet wird. Das Elastomer
zur Ausgestaltung der elastischen Zwischenschicht 40 kann
auch im Spritz-Press-Verfahren oder Spritz-Gieß-Verfahren
aufgebracht werden. Im Fall des Aufbringens des Elastomers mittels einer
Lösung, können in die Lösung Mikrohohlkugeln eingearbeitet
werden, so dass nach dem Abdampfen des Lösungsmittels und
der Vulkanisation der Fluorkautschuk der elastischen Zwischenschicht 40 als geschlossenzelliger
Schaum vorliegt, wie es anhand der 3 veranschaulicht
ist. Nach dem Aufbringen der elastischen Zwischenschicht 40 erfolgt
eine Ummantelung mit der Außenschicht 35 entsprechend der
in 1 dargestellten Ausgestaltung.
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Bei
dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
erstreckt sich die Außenschicht 35 in einer axialen
Richtung, d. h. entlang der Achse 17, sowohl über
ein Ende 42 der elastischen Zwischenschicht 40 im
Bereich des Aktorkopfes 25 als auch über ein Ende 43 der
elastischen Zwischenschicht 40 im Bereich des Aktorfußes 24.
Somit ist die Außenschicht 35 mittels der Zwischenschicht 40 mit
dem Aktorkörper 23, teilweise mittels der Zwischenschicht 40 mit
dem Aktorfuß 24 und teilweise mittels der Zwischenschicht 40 mit
dem Aktorkopf 25 verbunden. Ferner ist die Außenschicht 35 allerdings
auch noch direkt, d. h. unmittelbar, mit dem Aktorfuß 24 an
der Außenfläche 38 sowie mit dem Aktorkopf 25 an
der Außenfläche 37 verbunden. Dadurch
ist eine Abdichtung der Zwischenschicht 40 durch die Außenschicht 35 gegenüber
der Umgebung, insbesondere im Aktorraum 5 vorgesehene Gase
oder flüssige Medien, abgedichtet. Durch die elastische
Zwischenschicht 40 kann in Abhängigkeit vom jeweiligen
Anwendungsfall das Betriebsverhalten des Aktormoduls 2 und
somit des Brennstoffeinspritzventils 1 günstig
beeinflusst werden.
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3 zeigt
den in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt eines piezoelektrischen
Aktormoduls 2 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist die elastische
Zwischenschicht 40 aus einem geschlossenzelligen Schaum
gebildet. Solch ein geschlossenzelliger Schaum kann beispielsweise
dadurch hergestellt werden, dass das Elastomer zur Ausgestaltung der
elastischen Zwischenschicht 40 als Lösung auf den
mit der Haftvermittlerschicht 41 benetzten Aktorkörper 23 aufgebracht
wird, wobei in der Lösung, die auf der Basis eines Fluorkautschuks
gebildet ist, Mikrohohlkugeln 45 eingearbeitet sind. Dabei
ist in der 3 zur Vereinfachung der Darstellung
nur eine der Mikrohohlkugeln 45 gekennzeichnet. Nach der
Vulkanisation des Fluorkautschuks ergibt sich dann die in der 3 dargestellte
Ausgestaltung der elastischen Zwischenschicht 40, wobei
der vulkanisierte Fluorkautschuk 46 die Mikrohohlkugeln 45 umgibt.
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Im
Gegensatz zu einer rein elastischen Zwischenschicht ist die elastische,
Mikrohohlkugeln 45 enthaltende elastomere Zwischenschicht 40 zusätzlich
volumenkompressibel und kann dadurch Volumenänderungen
des Aktorkörpers 23 kompensieren und dadurch Aktorkörper 23 und
Umspritzung 35 bezüglich der Radialdehnung entkoppeln.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10133151
A1 [0002, 0003]