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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzventil für
eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist aus der
DE 103 52 736 A1 bekannt.
Bei einem solchen Kraftstoffeinspritzventil steht der Aktor über
einen Druckraum in hydraulischer Wirkverbindung mit einem Einspritzventilglied,
das auch als Düsennadel bezeichnet wird. Ein Steuerventil,
das in sonst üblicher Weise den Druck in einem Steuerraum
durch Druckentlastung zum Niederdruckbereich steuert, ist bei dieser
Ausführung nicht vorgesehen. Die aus der
DE 103 52 736 bekannte Art der Betätigung
der Düsennadel wird als direkte Nadelsteuerung bezeichnet.
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Aus
der
DE 10 2005
032 841 A1 ist ein Ansteuerverfahren zur Ansteuerung eines
piezoelektrischen Aktors eines Kraftstoffeinspritzventils bekannt. Um
Alterungserscheinungen des Aktors zu vermeiden, wird vorgeschlagen,
die am Aktor anliegende Spannung zwischen zwei Einspritzungen zu
reduzieren. Dabei soll jedoch darauf geachtet werden, dass der Gradient
der Spannungsänderung (dU/dt) so gering ist, dass die Längenänderung
des Aktors durch Leckage am Kolben ausgeglichen wird. Die reduzierte
Spannung muss also schon relativ früh vor dem nächsten
Einspritzzyklus erhöht werden, damit bei gegebenem maximal
zulässigem Gradienten der Spannungsänderung (dU/dt)
zum richtigen Zeitpunkt das für die Erzielung einer Einspritzung
erforderliche Spannungsniveau erreicht ist.
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Um
die Lebensdauer der Aktoren noch weiter zu erhöhe, wäre
es wünschenswert, wenn man die Spannungsänderung
schneller durchführen könnte, um insgesamt eine
zeitlich längere Spannungsabsenkung zu erzielen bzw. die
Spannungsabsenkung auch zwischen zwei kurz hintereinander erfolgenden
Einspritzungen durchführen zu können. Fährt
man die Spannung jedoch erst kurz vordem Beginn einer Einspritzung
schnell auf das erforderliche Niveau hoch, wird die Längenänderung
des Aktors nicht rechtzeitig kompensiert. Es entsteht dann ein Überdruck
im Druckraum, mit der Folge, dass die Düsennadel und andere
Bauteile stärker beansprucht werden. Bei anschließender
schneller Absenkung der Spannung zur Erzielung der Einspritzung
wird dann zunächst lediglich der Überdruck im
Druckraum abgebaut, so dass dann nicht das volle Spannungsniveau
zur Betätigung der Düsennadel zur Verfügung steht.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, den Druckraum mit dem Kraftstoffhochdruckbereich über ein Überdruckventil
zu verbinden. Das Überdruckventil wird dabei so dimensioniert,
dass es die infolge der schnellen Spannungserhöhung auftretenden Druckspitzen
zum unter Systemdruck stehenden Kraftstoffhochdruckbereich abbauen
kann. Damit steht vor Beginn der Einspritzung ein geringerer Druck
im Druckraum an. Das vorhandene Spannungsniveau kann dann wirkungsvoller
zur Betätigung der Düsennadel genutzt werden,
da dann eine geringere Druckabsenkung bis zum Erreichen des Öffnungsdruckes
der Düsennadel erforderlich ist.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, eine den Druckraum begrenzende federbelastete
Hülse als Überdruckventil auszubilden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel,
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2 eine
Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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3 eine
Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In
der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche bzw. gleichwirkende
Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei
dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffeinspritzventil 1 nach 1 gelangt
zunächst Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 2 mittels
einer Hochdruckpumpe 3 über eine Hochdruckleitung 4 in
einen Kraftstoffhochdruckspeicher 5. Am Kraftstoffhochdruckspeicher 5 sind
Anschlüsse 6 angeordnet, die jeweils zu einem
Zylinder der Brennkraftmaschine führen. Jeder der Anschlüsse 6 ist über
eine Kraftstoffzuleitung 7 mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffeinspritzventil 1 verbunden. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 umfasst einen
als Kolben 8 ausgebildeten Kolben, der in einem Kopplergehäuse 9 geführt
ist, sowie ein Einspritzventilglied 10, das auch als Düsennadel
bezeichnet werden kann. Das Einspritzventilglied 10 ist in
einer bevorzugten Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils 1 in
einen Übersetzerabschnitt 11, einen Führungsabschnitt 12 und
einen Nadelabschnitt 13 unterteilt.
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Der
Kolben 8, das Kopplergehäuse 9 und das
Einspritzventilglied 10 sind in einem Gehäuse aufgenommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse
in ein Injektorgehäuseteil 14 und ein Düsengehäuseteil 15 aufgeteilt.
Die Verbindung des Injektorgehäuseteils 14 und
des Düsengehäuseteils 15 erfolgt vorzugsweise
kraftschlüssig mittels einer hier nicht dargestellten Düsenspannmutter.
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Weiterhin
umfasst das Kraftstoffeinspritzventil 1 mindestens eine
Einspritzöffnung 16, welche durch den Nadelabschnitt 13 des
Einspritzventilgliedes 10 verschlossen werden kann. Zum
Verschließen der Einspritzöffnung 16 wird
der Nadelabschnitt 13 des Einspritzventilgliedes 10 an
einen oberhalb der Einspritzöffnung 16 angeordneten
Sitz 17 gestellt. Eine axiale Bewegung zum Öffnen
und Verschließen der mindestens einen Einspritzöffnung 16 wird
dadurch gewährleistet, dass das Einspritzventilglied 10 mit
seinem Führungsabschnitt 12 in einer im Düsengehäuseteil 15 angeordneten
Nadelführung 18 geführt ist. Der Übersetzerabschnitt 11 des
Einspritzventilgliedes 10 ist von einer Hülse 19 umschlossen. Die
Hülse 19 dient als seitliche Begrenzung eines Druckraumes 20.
Die Hülse 19 ist mit einer Dichtkante 21 versehen,
die gegen einen als Dichtsitz dienenden Absatz 22 des Kopplergehäuses 9 oder
wie in 2 dargestellt gegen eine dazwischen angeordnete
Drosselplatte gepresst wird. Hierdurch wird eine flüssigkeits-
und damit druckdichte Verbindung der Hülse 19 mit
dem Absatz 22 des Kopplergehäuses 9 erreicht.
Der Druckraum 20 ist dabei in einen Kopplerraum 20a und
einen Steuerraum 20b unterteilt, wobei der Kolben 8 den
Kopplerraum 20a und der Übersetzerabschnitt 11 den
Steuerraum 20b begrenzen.
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An
einer der Dichtkante 21 gegenüberliegenden Stirnfläche 23 der
Hülse 19 stützt sich ein Federelement 24 ab.
Das Federelement 24 ist ringförmig ausgebildet
und umschließt den Übersetzerabschnitt 11 des
Einspritzventilgliedes 10. Als Federelemente 24 eignen
sich zum Beispiel Spiralfedern, Rohrfedern oder weitere dem Fachmann
bekannte, ringförmig ausgebildete Federelemente. Mit seiner
anderen Seite stützt sich das Federelement 24 gegen
einen Ring 25, welcher vorzugsweise in einem Einstich 26,
der sich zwischen dem Übersetzerabschnitt 11 und
dem Führungsabschnitt 12 des Einspritzventilgliedes 10 befindet,
angeordnet ist.
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Das
Kopplergehäuse 9 ist von einem zweiten Federelement 27 umgeben,
welches sich mit einer Seite auf einer Stufe 28 am Kopplergehäuse 9 und mit
seiner anderen Seite an einem Ring 29, welcher an einer
Stufe 30 am Kolben 8 anliegt, abstützt.
Die Stufe 28 dient dabei gleichzeitig als Führung
des Kopplergehäuses 9 im Injektorgehäuseteil 14.
Durch die von dem Federelement 27 aufgebrachte Federkraft
wird das Kopplergehäuse 9 auf einem Absatz 31 am
Düsengehäuseteil 15 fixiert. Das Federelement 27 ist
in einem ersten Federraum 32 aufgenommen, welcher zwischen
dem Kopplergehäuse 9 und der Innenwand 33 des
Injektorgehäuseteils 14 angeordnet ist. In der
Stufe 28 des Kopplergehäuses 9 ist mindestens
eine Nut 34, die vorzugsweise axial ausgerichtet ist, aufgenommen. Über
die mindestens eine Nut 34, im Absatz 31 am Düsengehäuseteil 15 ausgebildete
Nuten 35 und einen mindestens eine Ringspalt 36,
der zwischen der Außenwand 37 der Hülse 19 und
der Innenwand 38 des Düsengehäuseteils 15 ausgebildet
ist, steht der erste Federraum 32 mit einem den Übersetzerabschnitts 11 des
Einspritzventilgliedes 10 umgebenden zweiten Federraum 39 in
hydraulischer Verbindung. Hierzu sind die mindestens eine Nut 34 und
die Nuten 35 im Absatz 31 des Düsengehäuseteils 15 vorzugsweise
so ausgerichtet, dass ihre Positionen radial und axial übereinstimmen.
Der zweite Federraum 39 steht über mindestens
einen Kanal, der zwischen mindestens einem Anschliff 40 im
Führungsabschnitt 12 des Einspritzventilgliedes 10 und
der Nadelführung 18 ausgebildet ist, in hydraulischer
Verbindung mit einem Düsenraum 41.
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Die
Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils 1 erfolgt über
einen Aktor, welcher auf eine obere Stirnfläche 42 des
Kolbens 8 wirkt. Als Aktor wird vorzugsweise ein Piezoaktor 43 eingesetzt.
Es eignen sich aber auch Elektromagneten oder hydraulisch/mechanische
Steller.
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Der
Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 1 erfolgt hydraulisch
mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff. Der Kraftstoff wird
durch den Kraftstoffhochdruckspeicher 5 bereitgestellt. Über
die Kraftstoffzuleitung 7 strömt der Kraftstoff
in einen Ringraum 44, der den Piezoaktor 43 umgibt. Über
einen Spalt 45 zwischen dem Kolben 8 und der Innenwand 33 des
Injektorgehäuseteils 14 gelangt der unter Systemdruck
stehende Kraftstoff in den ersten Federraum 32. Über
die mindestens eine Nut 34, die Nuten 35 im Absatz 31 des
Düsengehäuseteils 15 und den Ringspalt 36 strömt
der Kraftstoff in den zweiten Federraum 39. Von dort gelangt
der Kraftstoff entlang dem mindestens einen Anschliff 40 in
den Düsenraum 41. Aufgrund der hydraulischen Verbindungen zwischen
dem Ringraum 44, dem ersten Federraum 32, dem
zweiten Federraum 39 und dem Düsenraum 41 herrscht
sowohl im Ringraum 44, als auch im ersten Federraum 32,
dem zweiten Federraum 39 und dem Düsenraum 41 Systemdruck.
Die genannten Kanäle der Kraftstoffzuleitung 7 bis
zum Düsenraum 41 bilden somit insgesamt einen
Kraftstoffhochdruckbereich im Kraftstoffeinspritzventil 1,
in dem Systemdruck herrscht.
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Zum
Erzielen einer Längenänderung wird der Piezoaktor 43 mit
einem Strom (I) geladen, wobei eine entsprechende Spannung (U) anliegt.
Eine Längenänderung des Piezoaktors wirkt wie
folgt:
Wird der Kolben 8 beispielsweise entgegen der
mit dem Pfeil 46 gekennzeichneten Bewegungsrichtung mit
einer unteren Stirnseite 47 in den Druckraum 20 bewegt,
verringert sich das Volumen im Druckraum 20, wodurch der
Druck darin steigt. Hierdurch steigt die hydraulische Kraft, die
auf eine Stirnfläche 48 am Übersetzerabschnitt 11 des
Einspritzventilgliedes 10 wirkt. Die auf die Stirnfläche 48 wirkende
hydraulische Kraft ist einer auf das Einspritzventilglied 10 infolge
von Druckstufen 50, 51 wirkenden hydraulischen
Kraft entgegengerichtet. Das Verschließen der mindestens
einen Einspritzöffnung 16 wird durch die Federkraft
des Federelementes 24 unterstützt. Hierzu wirkt
das Federelement 24 auf eine Stirnfläche 54 des
Ringes 25. Um auch bei Druckschwankungen im Kraftstoffhochdruckbereich
stets eine Schließstellung des Einspritzventilgliedes 10 sicherzustellen, liegt
am Piezoaktor 43 zwischen zwei Einspritzungen stets eine
ausreichende positive Haltepannung U an.
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Zum
Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 52 der Verbrennungskraftmaschine
wird der Piezoaktors 43 entladen und die am Piezoaktor 43 anliegende
Spannung U wird gesenkt. Hierdurch kontrahieren die Piezokristalle
und der Piezoaktor 43 zieht sich zusammen. Unterstützt
durch die von dem Federelement 27 ausgeübte Federkraft
bewegt sich der Kolben 8 in die mit dem Pfeil 46 gekennzeichnete Bewegungsrichtung.
Hierdurch bewegt sich die untere Stirnfläche 47 des
Kolbens 8 aus dem Druckraum 20, wodurch sich dessen
Volumen vergrößert. Aufgrund des sich vergrößernden
Volumens des Druckraumes 20 nimmt der Druck im Druckraum 20 ab.
Da der Druck im Druckraum 20 hierbei unter den Systemdruck
sinkt, ist es erforderlich, dass die Verbindung zwischen der Hülse 19 und
dem Absatz 22 im Kopplergehäuse 9 druckdicht
ist. Die Befüllung des Druckraumes 20 erfolgt
durch Führungsleckage zwischen dem Kopplergehäuse 9 und
dem Kolben 8 bzw. zwischen der Innenseite 43 der
Hülse 19 und dem Übersetzerabschnitt 11 des
Einspritzventilgliedes 10.
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Aufgrund
des sinkenden Drucks im Druckraum 20 bei nicht geladenem
Piezoaktor 43 nimmt die auf die Stirnfläche 38 des Übersetzerabschnitt 11 des
Einspritzventilgliedes 10 wirkende hydraulische Kraft ab.
Sobald die auf die Druckstufen 50 und 51 wirkende
hydraulische Kraft größer ist als die hydraulische
Kraft auf die Stirnfläche 38 und die Federkraft des
Federelementes 34, hebt das Einspritzventilglied 10 ab
und gibt so die mindestens eine Einspritzöffnung 16 frei.
Hierbei strömt Kraftstoff aus dem Düsenraum 41 über
die Einspritzöffnung 16 in den Brennraum 52.
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Zum
Verschließen der mindestens einen Einspritzöffnung 16 wird
der Piezoaktor 43 wieder bestromt. Die Piezokristalle dehnen
sich dadurch aus und der Piezoaktor 43 längt sich.
Hierdurch fährt der Kolben 8 wieder entgegen der
mit dem Pfeil 46 gekennzeichneten Bewegungsrichtung in
den Druckraum 20 ein, wodurch sich das Volumen des Druckraumes 20 verringert.
Hierdurch vergrößert sich wiederum der Druck im
Druckraum 20 und damit die auf die Stirnfläche 48 des Übersetzerabschnitt 11 des Einspritzventilgliedes 10 wirkende
hydraulische Kraft. Sobald die auf den Ring 25 wirkende
Federkraft des Federelementes 24 und die hydraulische Kraft,
die auf die Stirnfläche 48 am Übersetzerabschnitt 11 des
Einspritzventilgliedes 10 wirkt, größer ist
als die auf die Druckstufen 50 und 51 wirkende
hydraulische Kraft, bewegt sich das Einspritzventilglied 10 in
Richtung der mindestens eine Einspritzöffnung 16 und
wird an den Sitz 17 gestellt. Hierdurch wird die mindestens
eine Einspritzöffnung 16 verschlossen und der
Einspritzvorgang in den Brennraum 52 wird beendet.
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Erfindungsgemäß ist
die Hülse 19 so ausgebildet, dass an ihr eine
Druckangriffsfläche 55 ausgebildet ist, auf die
der im Druckraum 20 herrschende Druck wirkt und eine entgegen
der Feder 24 gerichtete Kraft ausübt. Im Beispielfall
ist die Druckangriffsfläche 55 durch eine Fase
gebildet, die druckraumseitig an der Innenseite der Hülse 19 angeordnet
ist. Die Kraft der Feder 24 und die Größe
der Druckstufe sind dabei so dimensioniert, dass ein Druckentlastungsventil 56 gebildet
wird, das bei über Systemdruck liegendem Druck im Druckraum 20 zum
Kraftstoffhochdruckbereich hin öffnet, indem die Dichtkante 21 bei
Erreichen des Öffnungsdruckes vom Absatz 31 entgegen
der Kraft der Feder 24 abhebt und einen Spalt zum dahinter
liegenden Hochdruckbereich freigibt. Auf diese Weise wird ein Überdruck
im Druckraum 20 vermieden.
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Mit
Hilfe des Druckentlastungsventils 56 ist es möglich,
die Spannung von einer den Piezoaktor 43 schonenden, abgesenkten
Haltespannung aus kurzfristig auf das vor der Einspritzung erforderliche Spannungniveau
hoch zu fahren. Der mit dem Hochfahren der Spannung einhergehende
Druckanstieg im Druckraum 20, der wegen des hohen Gradienten der
Spannungsänderung dU/dt nicht durch Leckage ausgeglichen
werden kann, führt wegen des Druckentlastungsventils 56 nicht
zu einem unzulässig hohen Druckanstieg im Druckraum 20.
Damit ist es möglich, das Spannungsniveau auch zwischen
zwei kurz hintereinander liegenden Einspritzungen zu senken, beispielsweise
zwischen einer Haupt- und einer Nacheinspritzung, und so den Piezoaktors
zusätzlich zu schonen.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt,
das sich vom ersten Ausführungsbeispiel dahingehend unterscheidet,
dass zwischen dem Kopplerraum 20a und dem Steuerraum 20b eine
Drossel 57 angeordnet ist.
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Die 3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
das Druckentlastungsventil 56 im Kopplerraum 20b angeordnet
ist. Am Kolben 8 ist hierzu eine Hülse 19a geführt,
die von einem Federelement 24a in eine Schließstellung
beaufschlagt ist. An der Hülse 19a ist eine Dichtkante 21a ausgebildet,
die mit einem korrespondierenden Dichtsitz zusammenwirkt. Kopplerraumseitig
ist an der Hülse 19a eine Druckangriffsfläche 55a in
Form einer Fase ausgebildet. Die Druckangriffsfläche 55a und
dass Federelement 24a sind dabei so dimensioniert, dass
das Druckenlastungsventil 56 bei einem Kraftstoffdruck
oberhalb des Kraftstoffzulaufdrucks öffnet, so dass ein
Druckabbau zum Kraftstoffzulaufkanal 7 hin erfolgt.
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Die
Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So
sind zahlreiche Änderungsmöglichkeiten bei der
konkreten Ausführung denkbar, die den Sinngehalt der Erfindung
nicht wesentlich verändern. So könnte beispielsweise
das Einspritzventilglied 10 mehrteilig ausgeführt
sein und der Übersetzerabschnitt 11 könnte
mit einer Druckstange verbunden sein, die das Einspritzventilglied 10 betätigt.
Das Druckentlastungsventil 56 kann auch durch ein konventionelles Überdruckventil
bekannter Bauart gebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10352736
A1 [0002]
- - DE 10352736 [0002]
- - DE 102005032841 A1 [0003]