DE19714409A1 - Electromagnetic control device - Google Patents
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Abstract
Description
Elektromagnetische Antriebe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind z. B. aus der DE 39 23 477 A1 bekannt.Electromagnetic drives with the features of the preamble of claim 1 are z. B. known from DE 39 23 477 A1.
Bei der bekannten Anordnung wird zum Erreichen der Offenstellung eines Ventils eines Verbrennungsmotors der Öffnungselektromagnet mit einem Stromimpuls zuerst voll angesteuert. Danach schließt sich eine Phase mit niedrigeren getakteten Stromimpulsen an. Schließlich wird ein niedrigerer konstanter Stromwert eingeregelt, um nach Erreichen der Endstellung wieder mit einem getakteten Strom die Energie zum Halten des Ankers in Endstellung aufzubringen. Die unterschiedliche Ansteuerung des Elektromagneten hat den Zweck Energie zu sparen.In the known arrangement is to achieve the open position of a valve an internal combustion engine, the opening electromagnet with a current pulse fully controlled first. Then a phase with lower clocked times closes Current pulses on. Finally, a lower constant current value is adjusted after the end position has been reached again with a clocked current to hold the anchor in the end position. The different Controlling the electromagnet has the purpose of saving energy.
Die erfindungsgemäße Lösung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß ebenfalls der Energiebedarf für den Betrieb des Antriebs herabgesetzt wird. So werden hier der Elektromagneten nur während eines Teils der Ankerbewegung mit Strom beaufschlagt. Es ist wegen des Rastsystems keine elektrische Energie zur Endstellungshaltung notwendig. Durch die Regelung auf Sollpositionen in Polnähe ist automatisch eine Dämpfung und damit eine geringe Geräuschentwicklung gegeben. Es ergeben sich keine Temperatureinflüsse, wie sie bei einer hydraulischen Dämpfung auftreten. Die Elektromagnete sind in trockener Umgebung untergebracht. Der Gesamtaufbau ist äußerst reibungsarm, so daß in der Hubphase wenig Energie zugeführt werden muß.The solution according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the energy requirement for the operation of the drive is also reduced. So Here the electromagnet is only used during part of the armature movement Electricity applied. There is no electrical energy due to the locking system End position required. By regulating to target positions near the pole damping and therefore low noise are automatically given. There are no temperature influences like those with a hydraulic one Damping occur. The electromagnets are in a dry environment housed. The overall structure is extremely low-friction, so that in the lifting phase little energy needs to be supplied.
Ein Großteil der Bewegungsenergie wird in Federn gespeichert und nicht wie bei der hydr. Dämpfung vergeudet.A large part of the kinetic energy is stored in springs and not like in the hydr. Damping wasted.
Die Unteransprüche enthalten Ausgestaltungen der Erfindung. Deren Vorteile werden im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung erläutert.The subclaims contain embodiments of the invention. Their advantages are explained in connection with the description of the figures.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.An embodiment of the invention will be explained with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein elektromagnetischer Antrieb gemäß der Erfindung mit angetriebenem Ventil eines Verbrennungsmotors Fig. 1 shows an electromagnetic drive according to the invention with a driven valve of an internal combustion engine
Fig. 2 bis 6 Diagramme zur Funktionsbeschreibung Fig. 2 to 6 diagrams for functional description
Fig. 7 eine bestimmte Ausbildung des Ankers und der Magnetpole. Fig. 7 shows a specific design of the armature and the magnetic poles.
In Fig. 1 ist ein Ventil 1 mit Ventilschaft 2 im Ventilblock 3 gezeigt. Eine Feder 4 drückt das Ventil 1 nach oben. In Fig. 1, a valve 1 with valve stem 2 in the valve block 3 is shown. A spring 4 pushes the valve 1 upwards.
Oben ist ein zweipoliger elektromagnetischer Antrieb gezeigt, der zwei Elektromagneten 5 und 6 und einen dazwischenliegenden Anker 7 aufweist. Der Anker 7 ist mittels einer Torsionsfeder 8 gelagert. Am Anker 7 ist eine Betätigungsstange 9 angelenkt, die durch eine Schraube 10 in ihrer Länge veränderbar ist. Die Schraube 10 steht auf dem Ventilschaft 2 auf. Die Torsionsfeder 8 ist so vorgespannt, daß sie ohne Erregung der Elektromagnete 5 und 6 zusammen mit der Feder 4 den Anker 7 in der gezeigten Mittelstellung hält. Ein Verbindungsteil 11 verbindet den Anker 7 mit der Torsionsfeder 8. Rechts am Elektromagnet 6 ist ein Rastsystem 12 dargestellt. Es besteht aus einer um die Achse 13 kippbaren Wippe 14. Am unteren Ende der Wippe ist eine Rastrolle 15 gezeigt, die in den Endstellungen des Ankers 7, in die er durch die Kraft der Elektromagneten 5 bzw. 6 und durch die Wirkung der Federn 4 oder 8 gebracht wird, über bzw. unter den Anker greift, und den Anker 7 festhält. Die Rastrolle 15 ist zur Erniedrigung der Reibung kugelgelagert. Sie wird durch eine Welle 15a zwischen zwei Kugellagern gebildet. Im Kern des Elektromagneten 6 ist ein Rastelektromagnet 17 untergebracht, bei dessen Erregung die in den Magnetkreis des Rastmagneten 17 einbezogene Wippe 14 betätigt wird. Hierdurch kann die eingerastete Rastrolle 15 aus den Raststellungen herausgezogen werden. Die Welle 15a rollt während der Umlenkung des Ankers 7 auf einen Ankerteil (Ankerplatte) ab. In der Fig. 1 ist noch ein Ventilwegsensor 18 und ein Ankerwegsensor 19 eingezeichnet. Beide Sensoren arbeiten z. B. auf der Basis einer linearen Hallschranke. Es können auch induktive Geber 18a eingesetzt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist dieser nur halbseitig gezeichnet. Ober den Ventilwegsensor wird die Schließstellung des Ventils 7 erfaßt. Der Ankerwegsensor erfaßt den Gesamthub.A two-pole electromagnetic drive is shown above, which has two electromagnets 5 and 6 and an armature 7 located between them. The armature 7 is supported by means of a torsion spring 8 . An actuating rod 9 is articulated on the armature 7 and its length can be changed by a screw 10 . The screw 10 stands on the valve stem 2 . The torsion spring 8 is biased so that it keeps the armature 7 in the middle position shown together with the spring 4 without energizing the electromagnets 5 and 6 . A connecting part 11 connects the armature 7 to the torsion spring 8 . A locking system 12 is shown on the right of the electromagnet 6 . It consists of a rocker 14 which can be tilted about the axis 13 . At the lower end of the rocker a locking roller 15 is shown, which in the end positions of the armature 7 , into which it is brought by the force of the electromagnets 5 and 6 and by the action of the springs 4 or 8 , engages over or under the armature , and holds the anchor 7 . The locking roller 15 is ball-bearing to reduce the friction. It is formed by a shaft 15 a between two ball bearings. In the core of the electromagnet 6 , a latching electromagnet 17 is accommodated, upon its excitation the rocker 14 included in the magnetic circuit of the latching magnet 17 is actuated. As a result, the latched locking roller 15 can be pulled out of the locked positions. The shaft 15 a rolls during the deflection of the armature 7 on an anchor part (anchor plate). A valve travel sensor 18 and an armature travel sensor 19 are also shown in FIG. 1. Both sensors work e.g. B. on the basis of a linear Hall barrier. Inductive sensors 18 a can also be used. To simplify the illustration, this is only drawn on one side. The closed position of the valve 7 is detected via the valve travel sensor. The anchor travel sensor detects the total stroke.
Während des Arbeitshubes sind die Meßergebnisse beider Sensoren gleich. Lediglich beim Schließen des Ventiles läuft der Ankerwegsensor noch einen Betrag weiter.During the working stroke, the measurement results of both sensors are the same. Only when the valve closes does the armature travel sensor run an amount continue.
In der strichpunktiert gezeichneten Endstellung des Ankers 7 ist das Ventil 1 geschlossen und zwischen der Betätigungsstange 9 und dem Schaft 2 des Ventils tritt Ventilspiel von etwa 0,1 bis 0,3 mm auf. In the end position of the armature 7 shown in dash-dotted lines, the valve 1 is closed and valve clearance of approximately 0.1 to 0.3 mm occurs between the actuating rod 9 and the stem 2 of the valve.
Fig. 2 zeigt in Fig. 2a den Weg/Zeit Verlauf (s über t) des Magnetankers 7 bzw. des Ventils 1/2 während der Ventilöffnung. Fig. 2b gibt den zeitlichen Verlauf der Kräfte wieder und Fig. 2c zeigt die Bewegung der Rastrolle 15. Zum Zeitpunkt T0 setzt die Ankerbewegung ein und nach einem kurzen Weg Δsv (Ventilspiel) trifft die Stellschraube 10 auf den Ventilschaft 2 und nimmt das Ventil 112 mit. Der gezeichnete Kraftsprung kommt beim Auftreffen auf das Ventil zustande, wenn dessen Ventilfeder wirksam wird. Aufgrund der Feder- und Magnetkräfte stellt sich der in Fig. 2a gezeigte Bewegungsverlauf ein, der im Idealfall den Anker 7 genau in die Sollposition ssoll bringt, die um einen Weg Δs vom Endanschlag entfernt ist. Die strichpunktierte und die gestrichelte Linien zeigen Abweichungen vom Sollverlauf und zwar wird bei der gestrichelten Linie der Sollwert unterschritten und bei der strichpunktierten Linie überschritten, wobei hier der Anker 7 auf den Endanschlag auftrifft. Der Sollwert kam durch die eingerastete Rastrolle oder dem Abstand vom Endanschlag definiert sein. Fig. 2 shows in FIG. (S over t) of the armature 7 and the valve 1/2 during the valve opening 2a the path / time. FIG. 2b shows the chronological course of the forces again and Fig. 2c shows the movement of the detent roller 15. The armature movement begins at time T 0 and, after a short distance Δs v (valve clearance), the adjusting screw 10 hits the valve stem 2 and takes the valve 112 with it. The force jump shown occurs when it hits the valve when its valve spring becomes effective. Due to the spring and magnetic forces, the moving path shown in FIG. 2a illustrates a which s is to bring in the ideal case the armature 7 exactly in the desired position, which is away by a distance from the end stop .DELTA.s. The dash-dotted and dashed lines show deviations from the set course, namely that the setpoint is undershot in the dashed line and exceeded in the dash-dotted line, the armature 7 hitting the end stop here. The setpoint came to be defined by the snap-in roller or the distance from the end stop.
In Fig. 2b ist mit FF die resultierende Kraft der Federn 4 und 8 überlagert von den Kräften zweier weiterer nicht dargestellter Federn, die in der Nähe der Endstellungen wirksam werden (links bzw. rechts vom Knick) bezeichnet. Diese Zusatzfedern bewirken eine große Beschleunigung des Ankers 7 aus den Endstellungen. Mit FM ist die Kraft des Magneten 5 bezeichnet. Hierbei ist eine Form des Ankers 7' und der Magnetpole unterstellt, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind. Diese Ausbildung ermöglicht eine hohe Anfangskraft, die insbesondere für das Auslaßventil günstig ist, da hier zusätzlich die Gaskraft überwunden werden muß. Um die Totzeiten der Signalaufbereitung zu berücksichtigen, wird der Elektromagnet 5 um die Zeit t01 vor T0 eingeschaltet. Nach Entrastung des Rastsystems bei T0 wird diese Magnetkraft bei T0 wirksam. Sie wirkt über eine relativ kurze Zeitdauer T5. Die dargestellte Summe der Kräfte Ff und FM wirkt auf den Anker und das Ventil ein und beschleunigt diese. Nach Abschalten des Erregerstroms nach T5 klingt die Magnetkraft über tv ab. Die Summe der Kräfte bringt den Anker in die andere Endstellung. Zur vereinfachten Darstellung sind die Reibungs- und Gaskräfte nicht berücksichtigt. Die Abweichung von der Sollposition wird vom Ankerwegsensor 19 festgestellt. Aus der Feststellung der Ablage (+Δs, -Δs) ermittelt ein nicht gezeigter Rechner einen Korrekturwert -ΔT oder +ΔT für die Einschaltung des Elektromagneten 5 im nächsten Zyklus. Fig. 2c zeigt den Bewegungsablauf der Rastrolle 15. Der Rastmagnet wird entsprechend den Tot- und Verzugszeiten um t02 vor T0 eingeschaltet. Bei T0 hat sich die Rastrolle 15 über die Kante des Ankers 7 bewegt und gibt den Anker 7 frei. Die Summe der Kräfte kann wirksam werden und den Anker samt Ventil beschleunigen. Nach einiger Zeit TRR wird der Rastmagnet abgeschaltet. Die Rastrolle 15 drückt sich durch die Kraft der Feder 16 an den Anker 7 bzw. auf eine damit verbundene Rastplatte und rollt auf ihm ab. Kurz vor Erreichen der Endstellung rastet die Rastrolle 15 wieder ein und hält den Anker in der Endstellung. Eine magnetische Haltekraft ist nicht notwendig. Damit entfallen auch störende Klebezeiten bei der folgenden Umsteuerung des Ventils: das erfindungsgemäße System kann schneller beschleunigen. Zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen sind nicht notwendig.In Fig. 2b with F F the resulting force of the springs 4 and 8 is superimposed by the forces of two further springs, not shown, which are effective in the vicinity of the end positions (left and right of the kink). These additional springs cause a large acceleration of the armature 7 from the end positions. FM is the force of the magnet 5 . Here, a shape of the armature 7 'and the magnetic poles is assumed, as shown in FIG. 7. This design enables a high initial force, which is particularly favorable for the exhaust valve, since the gas force must also be overcome here. In order to take into account the dead times of the signal processing, the electromagnet 5 is switched on by the time t 01 before T 0 . After unlocking the locking system at T 0 , this magnetic force becomes effective at T 0 . It acts over a relatively short period of time T 5 . The sum of the forces Ff and FM shown acts on the armature and the valve and accelerates them. After switching off the excitation current after T 5 , the magnetic force decays over t v . The sum of the forces brings the anchor to the other end position. For a simplified representation, the friction and gas forces are not taken into account. The deviation from the target position is determined by the anchor travel sensor 19 . From the determination of the storage (+ Δs, -Δs), a computer (not shown) determines a correction value -ΔT or + ΔT for switching on the electromagnet 5 in the next cycle. Fig. 2c shows the movement of the detent roller 15. The locking magnet is switched on according to the dead and delay times by t 02 before T 0 . At T 0 , the locking roller 15 has moved over the edge of the armature 7 and releases the armature 7 . The sum of the forces can be effective and accelerate the armature including the valve. After some time T RR , the locking magnet is switched off. The locking roller 15 is pressed by the force of the spring 16 on the armature 7 or on an associated locking plate and rolls on it. Shortly before reaching the end position, the locking roller 15 engages again and holds the armature in the end position. A magnetic holding force is not necessary. This also eliminates annoying sticking times in the following reversal of the valve: the system according to the invention can accelerate faster. Additional damping measures are not necessary.
Ist die -Δs-Abweichung zu groß, so daß die Rastrolle nicht einrasten kann, so wird bei Tx der Elektromagnet 5 nochmals kurz betätigt. Dies läßt sich optimieren, wenn man neben dem Ankerweg auch die Ankergeschwindigkeit auswertet oder bei einem bestimmten Zeitpunkt den zurückgelegten Weg bestimmt oder zum Zeitpunkt den zurückgelegten Weg auswertet.If the -Δs deviation is too large so that the locking roller cannot lock in, the electromagnet 5 is actuated again briefly at T x . This can be optimized if, in addition to the anchor path, the anchor speed is also evaluated or the distance covered is determined at a specific point in time or the distance covered is evaluated at the point in time.
Die Fig. 3 zeigt die Kurven entsprechend Fig. 2 für das Schließen des Ventils. Bei T0 gibt die Rastrolle 15 den Anker 7 frei und Anker und Ventil bewegen sich durch die Kraft der Federn FF in Richtung Schließstellung. FM wäre der Verlauf der Magnetkraft FM, wenn der Elektromagnet 6 eingeschaltet wäre. Tatsächlich wird dieser nur über eine relativ kurze Zeit T6 nach Überschreiten der Zwischenstellung (FF = 0) eingeschaltet. Die Magnetkraft ist bei diesem zurückgelegten Weg bzw. dem Luftspalt zum Magnetpol hier schon groß. Die Beeinflussung der Federkraft zeigt die Summe FM und FF. Bei Idealverlauf gelangt der Anker in die Position ssoll Δs vom Endanschlag entfernt. Fig. 3 shows the curves corresponding to Fig. 2 for the closing of the valve. At T 0 , the locking roller 15 releases the armature 7 and the armature and valve move in the direction of the closed position by the force of the springs F F. F M would be the course of the magnetic force F M if the electromagnet 6 were switched on. In fact, this is only switched on for a relatively short time T 6 after the intermediate position has been exceeded (F F = 0). The magnetic force is already great here with this distance covered or the air gap to the magnetic pole. The influence of the spring force shows the sum F M and F F. Under ideal course of the anchor comes to the position s to .DELTA.s from the stop away.
Der Kraftverlauf FM des stärkeren Elektromagneten 6 ähnelt einem hyperbolischen Verlauf. Er wurde gewählt, um das übliche Anschwingen des Systems nach Motorstart zu vermeiden und um bei stärkerer Sollwertabweichung im normalen Regelvorgang das Ventil sofort schließen zu können, da eine entsprechende Überschußkraft gegenüber der Feder vorgesehen ist. Dies ist beim schwächeren Elektromagnet 5 in der Aufstellung aus kosten- und Gewichtsgründen nicht notwendig, da im Grenzfall die Motorfunktion auch bei halbgeöffnetem Ventil möglich ist.The force curve F M of the stronger electromagnet 6 is similar to a hyperbolic curve. It was chosen in order to avoid the usual start-up of the system after starting the engine and to be able to close the valve immediately in the normal control process in the event of a greater setpoint deviation, since a corresponding excess force against the spring is provided. This is not necessary for the weaker electromagnet 5 in the setup for reasons of cost and weight, since in the limit case the motor function is also possible with the valve half open.
Die Regelung erfolgt analog zu Fig. 2, indem die Abweichung von der Sollposition festgestellt wird und für den folgenden Schließvorgang die Ansteuerzeit T6 um eine Zeit -ΔT oder +ΔT variiert wird. Auch die Rastrolle 15 hat die gleiche Wirkung wie bei Fig. 2.The regulation is carried out analogously to FIG. 2, in that the deviation from the target position is determined and the actuation time T 6 is varied by a time -ΔT or + ΔT for the following closing operation. The locking roller 15 also has the same effect as in FIG. 2.
Auch hier kann entsprechend Fig. 2 bei Tx der Elektromagnet nochmals zugeschaltet werden, um ein sicheres Einrasten zu gewährleisten. Zur Überwachung der Rastfunktion kann ein Rastschalter vorgesehen werden. Auch läßt sich die Einrastung aus dem Stromverlauf des Rastmagneten ableiten.Here, too, the electromagnet can be switched on again at T x in accordance with FIG. 2 in order to ensure a secure engagement. A latching switch can be provided to monitor the latching function. The latching can also be derived from the current profile of the latching magnet.
Fig. 4 zeigt mit großer Auflösung den Hubbeginn zum Öffnen. Hier zeigt sich eine Phasenverschiebung des Wegverlaufes von Anker sM und Ventil sV. Zu berücksichtigen ist bei einem Gesamthub von ungefähr 8 mm ein Ventilspiel von ca. 0,1 bis 0,3 mm. Daher muß der Ventilhubsensor nur diesen Bereich auswerten. Fig. 4 shows the start of the stroke for opening with high resolution. This shows a phase shift in the path of armature s M and valve s V. With a total stroke of approximately 8 mm, a valve clearance of approximately 0.1 to 0.3 mm must be taken into account. The valve lift sensor therefore only has to evaluate this area.
Bild 5 zeigt vergrößert die Zustände bei Hubende beim Schließvorgang. Die Einrastung SRR erfolgt vor dem SSOLL und die Ventilschließung erfolgt ebenfalls vor der Einrastung. Entsprechend erfolgt die Justierung des Magnetsystems und der Endanschläge zur Einrastung. Dies ist in einer Baueinheit sichergestellt. Nach Montage erfolgt dann die Einstellung des Ventilspieles. Dieses kann über die Auswertung von sV und sM im Regelvorgang überwacht werden, ebenso bei der Ventilspieleinstellung im Werk oder Service. Figure 5 shows an enlarged view of the states at the end of the stroke during the closing process. The S RR engages before the S SHOULD and the valve closes before the engaging. The magnet system and the end stops are locked accordingly. This is ensured in one unit. After assembly, the valve clearance is then adjusted. This can be monitored by evaluating s V and s M in the control process, as well as when adjusting the valve clearance in the factory or service.
Bild 6 zeigt die Ventilhubbewegung in Relation zur Kolbenbewegung mit Eckwerten OT und UT. Figure 6 shows the valve stroke movement in relation to the piston movement with key values OT and UT.
Motorspezifisch und insbesondere drehzahlabhängig erfolgt die Ansteuerung des Magnetsystems. Über den frei wählbaren Zeitversatz ts (Systemzeit) erfolgt die Ansteuerung bezogen auf das beschriebene T0. Drehzahlabhängig erfolgt auch die Festlegung einer Öffnungszeit Tauf und einer Ventilschließzeit Tzu. O.g. Parameter sind Bestandteil der Motorsteuerung, welche dem Magnetsteuerungssystem die Vorgaben ts, Tauf, Tzu vorgibt. The solenoid system is controlled in a motor-specific and speed-dependent manner. Via the freely selectable time offset t s (system time), the control is based on the described T 0 . Speed, depending also defining an opening time T and a valve closing time T is carried to. The above parameters are part of the motor control, which specifies the specifications t s , T auf , T for the magnetic control system.
Dementsprechend ist ein entsprechend schneller Mikroprozessor mit z. B. DSP für die schnellen Rechenoperationen notwendig, da sehr viele schnelle Echtzeitvorgänge gerechnet werden müssen.Accordingly, a correspondingly fast microprocessor with z. B. DSP for the fast arithmetic operations necessary, since there are many fast ones Real-time operations must be expected.
Der oben beschriebene elektromagnetische Antrieb kann zum Antreiben eines Gaswechsel-Ventils oder eines anderen vergleichbaren Ventils eingesetzt werden. Auch kann damit eine Pumpe angetrieben werden, wobei der Ventilstößel durch einen Pumpenkolben ersetzt wird.The electromagnetic drive described above can be used to drive a Gas exchange valve or another comparable valve can be used. It can also be used to drive a pump, with the valve tappet passing through a pump piston is replaced.
Aber auch sein Einsatz bei Getrieben ist möglich, weil auch dort eine schnelle Umschaltung von der einen in die andere Stellung mit hoher Kraft erwünscht ist. Auch bei sonstigen Anwendungen mit ähnlichen Voraussetzungen ist die Erfindung einsetzbar.But it can also be used in gearboxes because it is also fast there Switching from one position to the other with high force is desired. The invention is also for other applications with similar requirements applicable.
Claims (8)
Priority Applications (4)
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DE19714409A DE19714409A1 (en) | 1997-04-08 | 1997-04-08 | Electromagnetic control device |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1541816A1 (en) * | 2003-12-10 | 2005-06-15 | BorgWarner Inc. | Electromagnetic actuator having inherently decelerating actuation between limits |
EP1344903A3 (en) * | 2002-03-14 | 2007-01-17 | Ford Global Technologies, Inc. | A Control Method and System for Soft-Landing an Electromechanical Actuator |
-
1997
- 1997-04-08 DE DE19714409A patent/DE19714409A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |