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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zum Vorbehandeln eines elektromechanischen Wandlers,
insbesondere zum Polen eines piezoelektrischen Stellglieds einer
Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, bei dem an den Wandler
vor dem eigentlichen Betrieb ein bestimmtes Vorbehandlungssignal
angelegt wird, und bei dem während
des Anliegens des Vorbehandlungssignals wenigstens zeitweise eine
mechanische Last auf den Wandler einwirkt.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Vorbehandeln eines elektromechanischen Wandlers,
insbesondere zum Polen eines piezoelektrischen Stellglieds einer
Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit einer Aufnahme für mindestens
einen elektromechanischen Wandler, mit einer Einrichtung zum Anlegen
eines bestimmten elektrischen Vorbehandlungssignals an den Wandler
und mit einer Einrichtung zum Aufbringen einer mechanischen Last
auf den Wandler.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner ein elektromechanischer Wandler, insbesondere
ein piezoelektrisches Stellglied einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 199 46 718 C2 bekannt.
Es wird bei elektromechanischen Wandlern in Form von piezoelektrischen
Stellgliedern verwendet. Derartige piezoelektrische Stellglieder
wiederum kommen in Injektoren von Einspritzanlagen zum Einsatz,
um beispielsweise ein Ventilelement von einer geschlossenen in eine geöffnete Position
und wieder zurück
zu bewegen. Das bekannte piezoelektrische Stellglied weist ein piezoelektrisches
Substrat auf, in dem eine Vielzahl räumlich verteilt angeordneter
Domänen
vorhanden sind, die zumindest teilweise unterschiedlich ausgerichtet
sind.
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Damit
das piezoelektrische Stellglied bestimmte gewünschte Eigenschaften im späteren Betrieb
aufweist, wird bei dem bekannten Verfahren an das piezoelektrische
Stellglied vor dessen eigentlichen Einsatz eine elektrische Spannung
angelegt, welche im Wesentlichen der elektrischen Spannung während des
späteren
normalen Betriebs des piezoelektrischen Stellglieds entspricht.
Ferner wird das piezoelektrische Stellglied bei der Ansteuerung
mit dem Vorbehandlungssignal mechanisch belastet, wobei diese mechanische
Belastung im Wesentlichen der mechanischen Belastung während des
normalen Betriebs entspricht.
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Insbesondere
beim Einsatz von elektromechanischen Wandlern in Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
ist ein möglichst
großes
Hubvermögen,
also ein großer
Maximalhub bei einer bestimmten Ladung, gewünscht. Außerdem soll der elektromechanische
Wandler eine möglichst
hohe Lebensdauer aufweisen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass
der entsprechend vorbehandelte elektromechanische Wandler die genannten
Eigenschaften aufweist. Die Erfindung hat ferner die Aufgabe, eine
entsprechende Vorrichtung und einen entsprechenden elektromechanischen
Wandler bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass sich die mechanische Last während
der Vorbehandlung in vorgegebener Weise ändert.
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Bei
einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch
gelöst,
dass sie eine Steuer- und/oder Regeleinheit umfasst, welche mit
den beiden Einrichtungen derart verbunden ist, dass ein bestimmter
Verlauf des elektrischen Vorbehandlungssignals und ein bestimmter
Verlauf der mechanischen Last realisiert werden können.
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Bei
einem elektromechanischen Wandler wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
er gemäß einem
Verfahren der obigen Art vorbehandelt ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die mechanische Last während
der Vorbehandlung nicht konstant gehalten. Sie wird stattdessen
in vorgegebener Art und Weise variiert. Dabei haben zu jedem Zeitpunkt
während
der Durchführung
des Vorbehandlungsverfahrens das elektrische Vorbehandlungssignal
und die mechanische Last bestimmte gewünschte Werte, es liegen also "Wertpaare" aus der Last und
dem elektrischen Vorbehandlungssignal vor.
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Es
hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Vorbehandlungsverfahren
für den
elektromechanischen Wandler besonders schonend ist. Insbesondere
wurde festgestellt, dass während
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Vorbehandlungsverfahrens
am elektromechanischen Wandler nur wenige oder überhaupt keine Risse entstehen.
Dies führt
gegenüber
herkömmlichen
Vorbehandlungsverfahren zu einer Verlängerung der Lebensdauer des elektromechanischen
Wandlers. Ferner kann das Hubvermögen entsprechend der Art und
Weise, in der sich die mechanische Last während der Vorbehandlung ändert, so
beeinflusst werden, dass es optimal den Anforderungen im späteren Normalbetrieb entspricht.
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Die
gleichen Vorteile ergeben sich bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der
Einsatz des erfindungsgemäßen elektromechanischen
Wandlers ist insgesamt kostengünstig,
da dieser eine lange Lebensdauer aufweist. Darüber hinaus weist eine Brennkraftmaschine,
in deren Einspritzsystem ein solcher elektromechanischer Wandler
eingesetzt ist, ein gutes Emissions- und Verbrauchsverhalten auf.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird
vorgeschlagen, dass die mechanische Last einer bestimmten Kraft
und/oder einem bestimmten Hub entspricht. Ein bestimmter Kraftverlauf
während
der Vorbehandlung kann technisch einfach eingestellt werden und
wirkt sich besonders günstig
im Hinblick auf die Lebensdauer des elektromechanischen Wandlers
aus. Ein bestimmter Hubverlauf wiederum ermöglicht eine sehr exakte Beeinflussung
des Hubvermögens.
Optimal ist es, wenn eine bestimmte Kraft-Hub-Kombination vorgegeben
wird, denn hierdurch können
gleichzeitig das Hubvermögen
und die Lebensdauer des elektromechanischen Wandlers optimal beeinflusst
werden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die mechanische Last der Wirkung des elektrischen
Vorbehandlungssignals auf den elektrochemischen Wandler entgegenwirkt.
Wird also durch das elektrische Vorbehandlungssignal eine Verkürzung des
elektromechanischen Wandlers bewirkt, wirkt bei dieser Weiterbildung
die mechanische Last in Zugrichtung, wird dagegen durch das elektrische
Vorbehandlungssignal eine Verlängerung
beziehungsweise Ausdehnung des elektromechanischen Wandlers bewirkt, wirkt
die mechanische Last in Druckrichtung. Vor allem der letztgenannten
Fall ist für
die Vermeidung von Rissen in dem elektromechanischen Wandler optimal.
Dessen Lebensdauer ist daher besonders lang.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass durch das elektrische Vorbehandlungssignal die Ladung des
Wandlers verändert
wird, und dass der Verlauf der mechanischen Last im Wesentlichen
gleichsinnig zum Verlauf der Ladung des Wandlers ist. Dies bedeutet,
dass eine Erhöhung
der Ladung des Wandlers auch zu einer Erhöhung der mechanischen Last führt, wobei
der Umfang der Erhöhung
nicht gleich sein muss und im Verlauf der Durchführung des Verfahrens variieren
kann.
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In
konkreter Weiterbildung dieses Verfahrens wird vorgeschlagen, dass
die Ladung des Wandlers im Wesentlichen linear ansteigt bis zu einem
Maximum und dann wieder im Wesentlichen linear abfällt, und
dass die mechanische Last ebenfalls im Wesentlichen linear ansteigt
bis zu einem Maximum und dann wieder im Wesentlichen linear abfällt. Dabei
ist es optimal, wenn die Minima und die Maxima der einzelnen Verläufe gleichzeitig
auftreten. Dieses Verfahren ist technisch sehr einfach zu realisieren.
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Alternativ
hierzu wird vorgeschlagen, dass durch das elektrische Vorbehandlungssignal
die Ladung des Wandlers verändert
wird, und dass der Verlauf der mechanischen Last im Wesentlichen
gegensinnig zum Verlauf der Ladung des Wandlers ist. In diesem Fall
kann der elektromechanische Wandler mit zunehmender Veränderung
der Ladung seine Länge
besonders gut ändern.
Er erreicht daher sein maximales Hubvermögen besonders schnell, und das
maximale Hubvermögen
ist besonders groß. Dieses
Verfahren ist besonders dann von Vorteil, wenn die Veränderung
der Ladung derart ist, dass eine Ausdehnung des elektromechanischen
Wandlers bewirkt wird, wobei in diesem Falle zur Rissvermeidung
darauf zu achten ist, dass während
der Durchführung
des Vorbehandlungsverfahrens im elektromechanischen Wandler keine
Zugspannungen auftreten. Der Gradient der Veränderung der mechanischen Last
sowie das Minimum der mechanischen Last sind entsprechend abzustimmen.
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In
konkreter Ausgestaltung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Ladung
des Wandlers im Wesentlichen linear ansteigt bis zu einem Maximum
und dann wieder im Wesentlichen linear abfällt, und dass die mechanische
Last im Wesentlichen linear abfällt bis
zu einem Minimum und dann wieder im Wesentlichen linear ansteigt.
Dieses Verfahren ist technisch ebenfalls leicht realisierbar.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugsnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
mit einem elektromechanischen Wandler;
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2 eine schematische Darstellung
einer Vorrichtung zur Vorbehandlung des elektromechanischen Wandlers
von 1;
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3 ein Diagramm, in dem der
Ladezustand des elektromechanischen Wandlers von 1 über
der Zeit während
der Durchführung
einer Vorbehandlung aufgetragen ist;
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4 ein Diagramm, in dem die
Verläufe
eines Hubs und einer Kraft über
der Zeit aufgetragen sind, die in der Vorrichtung von 2 während eines ersten Vorbehandlungsverfahrens
erfasst werden;
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5 ein Diagramm ähnlich 4 bei einem zweiten Vorbehandlungsverfahren;
und
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6 ein Diagramm ähnlich 4 eines dritten Vorbehandlungsverfahrens.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie ist nur schematisch
strichpunktiert dargestellt und kommt in einer Brennkraftmaschine
(nicht dargestellt) zum Einsatz, und sie dient zur Einspritzung
von Kraftstoff in einen Brennraum 12. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 umfasst
einen elektromechanischen Wandler 14, der vorliegend als
Piezoaktor ausgeführt
ist. Dieser ist über
eine nicht näher
dargestellte Kopplungseinrichtung 16 mit einem nur symbolisch
dargestellten Ventilelement 18 verbunden.
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Der
Piezoaktor 14 ist an eine Ansteuerschaltung 20 angeschlossen,
mit der durch Anlegen einer Spannung U eine Ladung des Piezoaktors 14 verändert werden
kann. Eine Erhöhung
der Ladung des Piezoaktors 14 resultiert in einer Ausdehnung,
eine Verringerung der Ladung in einer Verkürzung des Piezoaktors 14.
Damit die Länge
des Piezoaktors 14 während
des Einsatzes in der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 in
der gewünschten
Art und Weise geändert
werden kann, wird der Piezoaktor 14 vor dem Einbau in die
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 10 einer Vorbehandlung
unterzogen. Diese Vorbehandlung wird in einer speziellen Vorrichtung 22 durchgeführt, die
in 2 dargestellt ist:
Die
Vorrichtung 22 umfasst eine untere Aufnahme 24 und
eine obere Aufnahme 26 für den Piezoaktor 14. Die
untere Aufnahme 24 ist starr mit einem Tisch 28 verbunden.
Die obere Aufnahme 26 ist dagegen am Ende eines Kolbens 30 eines
Hydraulikzylinders 32 befestigt (möglich ist aber auch der Einsatz
von pneumatischen oder elektrischen Stellgliedern). Dieser ist wiederum über ein
Befestigungsteil 34 an einem als starr anzusehenden Träger 36 gehalten. Eine
Bewegung der oberen Aufnahme 26 wird von einem Wegsensor 38 erfasst,
wohingegen eine Reaktionskraft von einer Kraftmesseinrichtung 40 am
Befestigungsteil 34 abgegriffen wird.
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Der
Wegsensor 38 und die Kraftmesseinrichtung 40 liefern
entsprechende Signale an eine Steuer- und Regeleinrichtung 42.
Diese steuert wiederum eine Hydraulikeinheit 44 an, mit
der der Hydraulikzylinder 32 betätigt wird. Insofern bilden
die beiden Sensoren 38 und 40 zusammen mit der
Steuer- und Regeleinrichtung 42 und der Hydraulikeinheit 44 mit dem
Hydraulikzylinder 32 einen geschlossenen Regelkreis. Die
Steuer- und Regeleinrichtung 42 steuert auch die Ansteuerschaltung 20 an,
mit der die Ladung des Piezoaktors 14 beeinflusst wird.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist,
steuert die Steuer- und Regeleinrichtung 42 die Ansteuerschaltung 20 so
an, dass sich eine Ladung Q des Piezoaktors 14 linear von
einem Ausgangswert Q1 bis auf ein Maximum Q2 erhöht und dann wieder auf den
Ausgangswert Q1 abfällt.
Dieser Vorgang wird quasistatisch, also vergleichsweise langsam,
durchgeführt, und
er bewirkt eine Polarisierung des Piezoaktors 14. Eine
solche ist für
den späteren
Normalbetrieb des Piezoaktors 14 erforderlich.
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Bei
einer ersten Verfahrensart, die in 4 dargestellt
ist, wird angenommen, dass das Befestigungsteil 34 eine
vergleichsweise steife Feder mit einer Federsteifigkeit c umfasst.
Ferner wird angenommen, dass die Hydraulikeinheit 44 so
angesteuert wird, dass zu Verfahrensbeginn (Zeitpunkt t0) eine statische
Anfangskraft F1 auf den Piezoaktor 14 wirkt. Bei dieser
Anfangskraft F1 handelt es sich um eine Druckkraft. Schließlich wird
bei dieser ersten Verfahrensart davon ausgegangen, dass nach der Einstellung
der Anfangskraft F1 der Kolben 30 gegenüber dem Hydraulikzylinder 32 verriegelt
wird.
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Wird
nun entsprechend 3 die
Ladung des Piezoaktors 14 linear erhöht und so dessen Länge vergrößert, wird
von der Kraftmesseinrichtung 40 ein dem Anstieg der Ladung
Q entsprechender und daher weitgehend linearer Kraftanstieg von
der Kraft F1 bis zu einer Maximalkraft F2 erfasst. Diese Maximalkraft
F2 wird zum gleichen Zeitpunkt t1 erreicht, zu dem die Ladung Q
ihr Maximum Q2 erreicht. Gleichzeitig wird vom Wegsensor 38 ein
entsprechender Hub h erfasst, der zum Zeitpunkt t1 einen Maximalwert
h2 erreicht. Am Ende des Vorbehardlungsverfahrens (Zeitpunkt t2)
ist die Ladung des Piezoaktors 14 wieder auf einen Wert
Q1 abgefallen, und der Hub h liegt wieder bei im Wesentlichen Null.
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Da
die Kraft F sich im Wesentlichen allein aus dem Hub h und der Steifigkeit
c der Feder im Befestigungsteil 34 ergibt, gemäß der Formel
dF = c × dh,
wird am Ende der Vorbehandlung des Piezoaktors 14 von der
Kraftmesseinrichtung 40 wieder die ursprüngliche
Einspannkraft F1 gemessen. Diese erste Verfahrensart ist technisch
besonders einfach zu realisieren, wobei die mechanische Last, die
auf den Piezoaktor 14 während
der Durchführung
des Vorbehandlungsverfahrens einwirkt, in Form der Parameter Hub
h und Kraft F variabel ist.
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Ein
anderes Vorbehandlungsverfahren, welches ebenfalls in der in 2 gezeigten Vorbehandlungsvorrichtung 22 durchgeführt werden
kann, und bei dem von einem starren Befestigungsteil 34 ausgegangen
wird, wird nun unter Bezugsnahme auf 5 erläutert:
Nach
dem Einbau des Piezoaktors 14 in die beiden Aufnahmen 24 und 26 wird
die Hydraulikeinheit 44 von der Steuer- und Regeleinrichtung 42 so
angesteuert, dass auf den Piezoaktor 14 eine anfängliche Druckkraft
F1 wirkt. Dies ist der Ausgangszustand zum Zeitpunkt t0. Nun wird
die Ansteuerschaltung 20 von der Steuer- und Regeleinrichtung 42 so
angesteuert, dass die Ladung des Piezoaktors 14 vom Wert
Q1 bis auf den Wert Q2 ansteigt, entsprechend 3, was zu einer Ausdehnung des Piezoaktors 14 führt. Gleichzeitil
wird die Hydraulikeinheit 44 von der Steuer- und Regeleinrichtung 42 so
angesteuert, dass die von der Kraftmesseinrichtung 40 erfasste Druckkraft,
welche auf den Piezoaktor 14 wirkt, linear von der Anfangskraft
F1 bis auf ein Minimum F2 abfällt.
Das Minimum F2 wird zum gleichen Zeitpunkt t1 erreicht, zu dem die
Ladung Q ihr Maximum Q2 erreicht.
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Vom
Wegsensor 38 wird ein entsprechender Hub h erfasst, dessen
Maximalwert h2 größer ist
als der Maximalwert h2, welcher bei der vorhergehenden Verfahrensart
(4) erzielt wurde, da
die auf den Piezoaktor 14 wirkende Kraft F2 zum Zeitpunkt
t1, also bei maximaler Ladung Q des Piezoaktors 14, niedriger
ist als bei dem in 4 gezeigten
Verfahren. Bei dieser Verfahrensart kann sich der Piezoaktor 14 also
besonders gut dehnen. Dies kann zu einer Verkürzung des Vorbehandlungsverfahrens
oder zur Erzielung eines höheren
Hubvermögens
bei dem Piezoaktor 14 genutzt werden. Wenn die Ladung Q vom
Maximalwert Q2 wieder auf den Ausgangswert Q1 zurückgeführt wird,
wird die Hydraulikeinheit 44 von der Steuer- und Regeleinrichtung 42 so
angesteuert, dass die Kraft wieder auf den Ausgangswert F1 ansteigt.
Entsprechend verringert sich der Hub h wieder auf den Ausgangswert
Null.
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Bei
der im Zusammenhang mit 5 erläuterten
Verfahrensart wurde der Hydraulikzylinder 32 kraftgeregelt.
Denkbar ist jedoch ebenso eine Wegregelung entsprechend dem Signal
des Wegsensors 38. Möglich
ist aber auch, dass eine bestimmte Kraft-Hub-Kombination vorgegeben
wird und entsprechend dieser Vorgabe eine bestimmte Ladung Q am
Piezoaktor 14 eingestellt wird. Ein entsprechender Verlauf
der Ladung Q ist in 3 gestrichelt
gezeigt, und die entsprechenden Kurven für die Kraft F und den Hub h sind
in 6 über der
Zeit aufgetragen. Mit der Vorbehandlungsvorrichtung 22 können somit
ganz unterschiedliche Vorbehandlungsverfahrer. an einem Piezoaktor 14 realisiert
werden. Um im Hinblick auf die Lebensdauer des Piezoaktors 14 optimale
Ergebnisse zu erzielen, ist jedoch vor allem bei den beiden Verfahrensarten
gemäß 5 und
6 darauf zu achten, dass im Piezoaktor 14 keine Zugspannungen während der
Durchführung
des Verfahrens auftreten. Der Minimalwert F2 muss also immer einer
Druckkraft entsprechen.