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Dokumentenidentifikation DE10024662B4 15.12.2005
Titel Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Lixl, Heinz, 93055 Regensburg, DE
DE-Anmeldedatum 18.05.2000
DE-Aktenzeichen 10024662
Offenlegungstag 06.12.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.12.2005
IPC-Hauptklasse F02M 47/02
IPC-Nebenklasse F02D 41/38   F02M 41/16   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Ein Einspritzventil ist aus der Patentschrift DE 198 22 503 C1 bekannt, bei dem ein Aktor mit einem Stellglied in Wirkverbindung steht, das den Druck in einem Steuerraum beeinflusst. Es ist eine Düsennadel vorgesehen, die in Abhängigkeit vom Druck in dem Steuerraum unterschiedliche Einspritzzustände des Einspritzventils einstellt. Ist der Druck in dem Steuerraum größer als ein Schließdruck, so wird die Düsennadel nach unten in Richtung auf einen Dichtsitz gedrückt und unterbricht damit eine Verbindung zwischen einer Kraftstoffleitung und Einspritzlöchern. Sinkt jedoch der Druck in dem Steuerraum unter den Schließdruck, so hebt die Düsennadel vom Dichtsitz ab, da sie im Bereich der Einspritzlöcher an Kraftstoff mit hohem Druck angrenzt und somit durch den Druck nach oben vom Dichtsitz abgehoben wird. Als Folge davon wird eine Verbindung zwischen der Kraftstoffleitung und den Einspritzlöchern geöffnet, so dass eine Einspritzung erfolgt. Es ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die den Aktor in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine steuert. Soll beispielsweise zum Zeitpunkt T1 eine Einspritzung erfolgen, so wird der Aktor eine vorgegebene Zeitspanne vor T1 angesteuert, so dass der Aktor seine Länge vergrößert und damit das Stellglied in Richtung auf den Steuerraum bewegt und einen Ablauf öffnet. Über den Ablauf fließt Kraftstoff aus dem Steuerraum ab, so dass der Druck sinkt und eine Einspritzung erfolgt.

Der Steuerraum wird von einer Zulaufdrossel mit Kraftstoff versorgt. Über eine Ablaufdrossel wird Kraftstoff aus dem Steuerraum über den Ablauf abgegeben. Somit ist der Einspritzvorgang von fertigungstechnischen Ungenauigkeiten wie z. B. der Dimensionierung der Zulaufdrossel und der Ablaufdrossel abhängig. Dies bedingt eine Streuung des tatsächlichen Einspritzzeitpunktes der einzelnen Einspritzventile bei gleicher Ansteuerung.

Aus DE 3103061 A1 ist ein piezoelektrisches Stellglied bekannt, das aus wenigstens einer Piezo-Oxidscheibe besteht. Das piezoelektrische Stellglied wird zur Überwachung der Arbeit des Stellgliedes oder des Verhaltens des Stellmediums bzw. zur Gewinnung von Steuer- oder Regelgrößen zumindest zeitweise als Messsensor verwendet. Das piezoelektrische Stellglied betätigt ein Kraftstoffeinspritzventil und wird beispielsweise als Klopfsensor zur Überwachung der Kraftstoffverbrennung in einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Das Messen erfolgt unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts, d. h. der Piezoaktor gibt eine elektrische Spannung ab, wenn ein Druck auf ihn ausgeübt wird. So wird während der Betätigung ein größerer Teil des Aktors als Aktor und ein kleinerer Teil als Sensor benutzt, oder außerhalb der Betätigung der gesamte Aktor als Sensor benutzt, nicht aber während der Betätigung der gesamte Aktor als Aktor und Sensor.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Einspritzvorgang zu präzisieren.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Das Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils nach den Ansprüchen 1 und 2 weist den Vorteil auf, dass die Einspritzung präzise ausgeführt wird. Vorzugsweise werden toleranzbedingte Abweichungen ausgeglichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Druck in dem Steuerraum zur Steuerung des Aktors verwendet wird.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Vorzugsweise wird der Druck in dem Steuerraum über das Stellglied erfasst, mit dem der Aktor den Druck in dem Steuerraum beeinflusst. Der Aktor ist dabei als piezoelektrischer Aktor ausgebildet. Der Druck in dem Steuerraum bewirkt eine Spannung im piezoelektrischen Aktor, die erfasst und zur Steuerung des piezoelektrischen Aktors verwendet wird. Diese Ausführungsform ermöglicht eine kostengünstige Ausbildung der Erfindung, da bereits vorhandene Bauteile zur Erfassung des Drucks verwendet werden.

Vorzugsweise wird eine Änderung der Spannung detektiert, wodurch eine relativ präzise Steuerung des Aktors ermöglicht wird. Eine bevorzugte Ausführungsform des Drosselelementes besteht darin, im Drosselelement einen Kanal als Ablaufdrossel vorzusehen. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass am Drosselelement auch nach dem Öffnen eines Ablaufs weiterhin ein relativ großer Druck anliegt, da der Kraftstoff durch den Kanal im Drosselelement abfließt. Auf diese Weise wird eine empfindliche Aufnahme des Drucks ermöglicht. Dies führt wiederum zu einer präzisen Steuerung des Aktors.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert: Es zeigen

1 ein Einspritzventil,

2 ein Steuerraum mit Drosselelement, und

3 einen Spannungsverlauf am piezoelektrischen Aktor.

1 zeigt ein Einspritzventil mit einem Aktor 1, der vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet ist. Der Aktor 1 steht über ein Stellglied 2 mit einem Ventilglied 3 in Verbindung. Das Stellglied 2 ist als Ventilkolben ausgebildet und längsbeweglich im Gehäuse 15 des Einspritzventils angeordnet. Das Ventilglied 3 grenzt an einen Steuerraum 4, der über eine Zulaufdrossel 12 mit einer Kraftstoffleitung 11 verbunden ist. Die Kraftstoffleitung 11 steht mit einem Kraftstoffspeicher in Verbindung, der von einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt wird. Weiterhin weist der Steuerraum 4 einen Ablauf in Form einer ersten Bohrung 19 auf, durch den der Ventilkolben 2 geführt ist und am Ventilglied 3 anliegt. Vorzugsweise weist der Ventilkolben 2 einen definierten Abstand d, einen sogenannten Leerhub, vom Ventilglied 3 auf.

Der Steuerraum 4 wird zudem von einem Steuerkolben 5 begrenzt. Der Steuerkolben 5 ist im Gehäuse 15 längsbeweglich in einer zweiten Bohrung 20 angeordnet und steht mit einer Düsennadel 7 in Verbindung. Die Düsennadel 7 ist ebenfalls längsbeweglich im Gehäuse 15 angeordnet und ist mit ihrer Spitze einem Dichtsitz zugeordnet. Der Dichtsitz ist zwischen der Kraftstoffleitung 11 und Einspritzlöchern 9 angeordnet, so dass eine Verbindung zwischen der Kraftstoffleitung 11 und den Einspritzlöchern 9 unterbrochen ist, wenn die Düsennadel 7 mit ihrer Spitze auf dem Dichtsitz aufsitzt. Die Düsennadel 7 wird von einer Düsenfeder 6, die zwischen einem Stützkragen 10 der Düsennadel 7 und dem Gehäuse 15 eingespannt ist, in Richtung auf den Dichtsitz vorgespannt. Oberhalb des Dichtsitzes weist die Düsennadel 7 eine Druckfläche auf, an die der Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung 11 geführt ist. Über die Druckfläche übt der Kraftstoff einen Druck auf die Düsennadel 7 aus, die die Düsennnadel 7 vom Dichtsitz abheben will.

Der piezoelektrische Aktor weist elektrische Anschlüsse 25 auf, die zu einer Steuerschaltung 26 geführt sind. Die Steuerschaltung 26 ist mit einem Datenspeicher 27 verbunden, in dem Programme zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 1 abgelegt sind. Weiterhin steht die Steuerschaltung 26 mit Sensoren 28 in Verbindung, die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfassen. Zudem ist ein Spannungsmesser 29 vorgesehen, der an die Anschlüsse 25 angeschlossen ist und mit der Steuerschaltung 28 verbunden ist.

2 zeigt deutlich das Ventilglied 3, das in Form eines beweglichen Kolbens ausgebildet ist, der in der ersten zylinderförmigen Bohrung 19 oberhalb des Steuerraumes 4 angeordnet ist. Das Ventilglied 3 weist auf seiner Unterseite eine Druckfläche 22 auf, die dem Steuerraum 4 zugewandt ist. Das Ventilglied 3 ist in der ersten Bohrung 19 dichtend geführt. Das Ventilglied 2 weist an seinem oberen Ende einen kegelförmigen Abschnitt 23 auf, der einem Ventilsitz 18 zugeordnet ist, der am Gehäuse 15 ausgebildet ist. Die erste Bohrung 19 geht nach oben in eine dritte Bohrung 13 über, die einen kleineren Querschnitt als die erste Bohrung 19 aufweist. Die erste Bohrung 19 geht über den Ventilsitz 18 in die dritte Bohrung 13 über. In der dritten Bohrung 13 ist der Ventilkolben 2 angeordnet, der mit dem Aktor 1 verbunden ist. Zwischen dem Gehäuse 15 und dem Ventilkolben 2 ist ein Ablaufkanal 24 ausgebildet, der mit einer Leckageleitung 14 in Verbindung steht.

Das Ventilglied 3 weist eine Ablaufbohrung 21 auf, die von der Druckfläche 22 ausgeht und in eine Ablaufdrossel 16 mit verkleinertem Querschnitt übergeht. Im oberen Bereich weist das Ventilglied 3 angrenzend an den kegelförmigen Abschnitt 23 eine ringförmig umlaufende Nut 17 auf, die mit dem Gehäuse 15 einen Ringkanal bildet, in den die Ablaufdrossel 16 mündet.

Soll nun eine Einspritzung erfolgen, so wird der Aktor 1 angesteuert. Der Aktor 1 vergrößert dabei seine Länge und schiebt das Stellglied 2 in Richtung auf den Steuerraum 4. Dabei wird das Ventilglied 3 vom Dichtsitz 18 abgehoben und Kraftstoff fließt über die Ablaufdrossel 16 in den Ablaufkanal 24 zur Leckageleitung 14. Als Folge davon sinkt der Druck im Steuerraum 4, so dass die Düsennadel 7 und der Steuerkolben 5 nach oben in Richtung auf den Steuerraum 4 bewegt werden. Folglich wird eine Verbindung zwischen der Kraftstoffleitung 11 und den Einspritzlöchern 9 freigeschaltet. Die Einspritzung beginnt.

Das Ventilglied 3 steht während der Ansteuerung des Aktors 1 über das Stellglied 2 in Verbindung mit dem piezoelektrischen Aktor 1, so dass der Druck, der in dem Steuerraum 4 vorliegt, als Druck auf den Aktor 1 übertragen wird. Der piezoelektrische Aktor 1 weist die Eigenschaft auf, dass er gleichzeitig als Drucksensor verwendet werden kann. Je nachdem, welcher Druck am piezoelektrischen Aktor 1 anliegt, weist der piezoelektrische Aktor 1 eine unterschiedliche Spannung an seinen elektrischen Anschlüssen 25 auf. Die Spannung an den Anschlüssen 25 wird vom Spannungsmesser 29 erfasst und an die Steuerschaltung 26 weitergegeben. Im Datenspeicher 27 sind Tabellen abgelegt, die eine Zuordnung der gemessenen Spannung zu den entsprechenden Drücken aufweisen. Somit kann der piezoelektrische Aktor 1 als Druckmesser verwendet werden, um den Druck in dem Steuerraum 4 zu erfassen. In einer einfachen Ausführungsform wird die Einspritzung in Abhängigkeit von den gemessenen Spannungen geregelt, ohne eine Umrechnung in Drücke vorzunehmen.

3 zeigt über die Zeit aufgetragen den Spannungsverlauf U, der über die elektrischen Anschlüsse 25 von der Steuerschaltung 26 am piezoelektrischen Aktor 1 erfasst wird. Parallel dazu ist der Nadelhub der Düsennadel 7 aufgetragen, den die Düsennadel beim Abheben vom Dichtsitz ausführt. Weiterhin ist ein Detektionssignal D eingezeichnet, das mit Hilfe der Steuerschaltung 26 aus dem Verlauf der Spannung U ermittelt wird.

Zum Zeitpunkt t0 wird der piezoelektrische Aktor zum Starten einer Einspritzung angesteuert. Die Spannung steigt dabei von einer ersten Spannung U1 auf eine zweite Spannung U2, die größer ist als die erste Spannung U1. Beim Ansteuern des piezoelektrischen Aktors 1 wird der piezoelektrische Aktor 1 mit einer vorgegebenen Ladung versorgt. Dies bewirkt eine Auslenkung des Aktors. Im Ruhezustand weist das Stellglied einen definierten Abstand d vom Ventilglied 3 auf. Dies bietet die Sicherheit, dass das Ventilglied 3 immer sicher am Ventilsitz 18 anliegt und damit der Steuerraum 4 gegenüber den Ablaufkanal 24 abdichtet. Wird nun der Aktor 1 ausgelenkt, so drückt das Stellglied 2 das Ventilglied 3 gegen den Druck in dem Steuerraum 4 nach unten. Damit wird der Druck auf den piezoelektrischen Aktor erhöht, so dass die Spannung, die an den elektrischen Anschlüssen 25 anliegt, auf die zweite Spannung U2 ansteigt. Die zweite Spannung U2 liegt zum Zeitpunkt t1 am piezoelektrischen Aktor an.

Nachdem das Ventilglied 3 vom Dichtsitz 18 abgehoben wurde, fließt Kraftstoff über die Ablaufdrossel 16 zur Leckageleitung 14 ab. Dieser Zustand wird zum Zeitpunkt t2 erreicht. Da mehr Kraftstoff über die Ablaufdrossel 16 abfließt als über die Zulaufdrossel 12 zufließt, sinkt der Druck in dem Steuerraum 4, so dass auch der Druck auf den piezoelektrischen Aktor sinkt und die Spannung auf den dritten Wert U3 abfällt. Zugleich bewegt sich die Düsennadel 7 vom Dichtsitz weiter weg, was durch den Nadelhub N dargestellt ist. Auf diese Weise wird das Volumen in dem Steuerraum 4 reduziert, da auch der Steuerkolben 5 sich nach oben in Richtung auf den Steuerraum 4 bewegt. Somit sinkt in dieser Phase der Druck im Steuerraum 4 nur noch unmerklich, was durch eine nahezu gleichbleibende dritte Spannung U3 angezeigt wird.

Erreicht nun die Düsennadel 7 ihre maximale Auslenkung, was durch den Nadelhub N zum Zeitpunkt t3 erfolgt, dann wird durch den Steuerkolben 5 kein Druck mehr auf den Steuerraum ausgeübt, so dass sich bei dem folgendem Zeitpunkt t4 ein weiterer Abfall des Druckes im Steuerraum 4 ereignet. Folglich sinkt auch die Spannung am piezoelektrischen Aktor 1 vom dritten Spannungswert U3 auf den vierten Spannungswert U4, der zum Zeitpunkt t5 erreicht wird. Zum Zeitpunkt t5 befindet sich der Druck im Steuerraum 4 in einem niedrigen, ausgeglichenen Zustand, der sich bei geöffnetem Ablauf nicht mehr ändert.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Spannung U des piezoelektrischen Aktors dahingehend ausgewertet, dass eine Spannungsänderung auftritt und diese als Detektionssignal D erfasst wird. Die Spannung U ändert sich zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 und zwischen den Zeitpunkten t4 und t5. In diesen Zeitbereichen wird das Detektionssignal D von der Steuerschaltung 26 erfasst und ausgewertet.

Das Detektionssignal D gibt somit eine Information darüber, zu welchem Zeitpunkt das Ventilglied 3 tatsächlich vom Ventilsitz 18 abhebt und der Druck im Steuerraum 4 zu sinken beginnt. Weiterhin gibt das Detektionssignal D im Zeitbereich zwischen t4 und t5 die Information, dass die Düsennadel ihre Endposition, d. h. ihren maximalen Nadelhub, erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt ist somit der gesamte zur Verfügung stehende Öffnungsquerschnitt zwischen der Kraftstoffleitung 11 und den Einspritzlöchern 9 geöffnet.

Das am piezoelektrischen Aktor 1 anliegende Spannungssignal U kann sowohl zur präzisen Steuerung des Ventilgliedes 3 als auch zur präzisen Steuerung der Einspritznadel verwendet werden. Die Information, dass zum Zeitpunkt t4 die Düsennadel den Maximalhub erreicht hat, wird für eine präzise Festlegung des Einspritzzeitpunktes verwendet.

Das in 2 dargestellte Ventilglied 3 weist den Vorteil auf, dass der Kraftstoff durch das Ventilglied 3 über eine Ablaufdrossel 16 abfließt, so dass der Kraftstoffdruck im Steuerraum 4 auch bei geöffnetem Ablaufkanal 24 weiterhin auf den piezoelektrischen Aktor 1 übertragen wird, da in der Ablaufdrossel 16 eine Druckdifferenz auftritt und diese auf den piezoelektrischen Aktor 1 weiterwirkt. Dies ermöglicht eine präzise Druckerfassung.

Die Erfindung wurde im vorliegenden Beispiel an der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, bei der das Stellglied 2 und das Ventilglied 3 in Zusammenhang mit dem piezoelektrischen Aktor 1 als Sensor zur Erfassung des Drucks verwendet werden. Die Erfindung kann jedoch auch in beliebig anderen Ausführungsformen eingesetzt werden, bei denen beispielsweise ein separater Drucksensor zur Erfassung des Drucks im Steuerraum 4 vorgesehen ist, dessen Messsignal zur Steuerung des Drucks im Steuerraum 4 verwendet wird. Ebenso kann anstelle des Stellgliedes 2 und des Ventilgliedes 3 auch jede andere beliebige Art von Schaltventil vorgesehen sein.

Mit Hilfe der beschriebenen Erfindung wird der Einspritzzeitpunkt anhand des maximalen Nadelhubes der Düsennadel entsprechend einem gewünschten Einspritzzeitpunkt gesteuert. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Einspritzventile mit verschiedenen mechanischen Parametern insbesondere im Bereich der Zulaufdrossel und der Ablaufdrossel sehr präzise zu steuern und damit bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine bei den verschiedenen Einspritzventilen immer exakt den gleichen Einspritzzeitpunkt bei gleicher Ansteuerung des Aktors zu erhalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Geometrien in der Weise gewählt, dass die Düsennadel 7 soweit vom Dichtsitz abhebt, dass der Steuerkolben 5 am Drosselelement 3 anschlägt. Somit bildet das Drosselelement 3 einen Anschlag für den maximalen Hub der Düsennadel 7. Das Anschlagen des Steuerkolbens 5 am Drosselelement 3 wird auf den piezoelektrischen Aktor übertragen und als Spannungserhöhung und damit als Spannungsabfall am piezoelektrischen Aktor durch die Steuerschaltung erkannt. Auf diese Weise kann präzise das Erreichen des maximalen Hubes durch die Düsennadel 7 detektiert werden und zur Steuerung der Einspritzung verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils mit einem von einer Steuerschaltung (26) gesteuerten piezoelektrischen Aktor (1),

    wobei das Einspritzventil eine Düsennadel aufweist, die in Abhängigkeit von dem Druck in einem Steuerraum (4) in verschiedene Positionen bewegbar ist, in denen unterschiedliche Einspritzzustände des Einspritzventils einstellbar sind,

    wobei der Druck in dem Steuerraum (4) von dem piezoelektrischen Aktor (1) über ein mit dem piezoelektrischen Aktor (1) in Wirkverbindung stehendes Ventilglied (3) beeinflussbar ist,

    und wobei das Ventilglied (3) zugleich als Anschlagelement für die Düsennadel ausgebildet ist,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors (1) der piezoelektrische Aktor (1) von der Steuerschaltung (26) über zwei Anschlüsse (25) mit einer vorgegebenen Ladung versorgt wird,

    wobei die Spannung an den Anschlüssen (25) erfasst und aus der Spannung der Druck im Steuerraum (4) ermittelt wird,

    und wobei die Steuerschaltung (26) den piezoelektrischen Aktor (1) abhängig von dem Druck im Steuerraum (4) steuert.
  2. Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils mit einem von einer Steuerschaltung (26) gesteuerten piezoelektrischen Aktor (1),

    wobei das Einspritzventil eine Düsennadel aufweist, die in Abhängigkeit von dem Druck in einem Steuerraum (4) in verschiedene Positionen bewegbar ist, in denen unterschiedliche Einspritzzustände des Einspritzventils einstellbar sind,

    wobei der Druck in dem Steuerraum (4) von dem piezoelektrischen Aktor (1) über ein mit dem piezoelektrischen Aktor (1) in Wirkverbindung stehendes Ventilglied (3) beeinflussbar ist,

    und wobei das Ventilglied (3) zugleich als Anschlagelement für die Düsennadel ausgebildet ist,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors (1) der piezoelektrische Aktor (1) von der Steuerschaltung (26) über zwei Anschlüsse (25) mit einer vorgegebenen Ladung versorgt wird,

    wobei die Spannung an den Anschlüssen (25) erfasst und aus der Spannung das Anschlagen der Düsennadel am Ventilglied (3) ermittelt wird,

    und wobei die Steuerschaltung (26) den piezoelektrischen Aktor (1) abhängig vom Anschlagen der Düsennadel an das Ventilglied (3) steuert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Spannungsmesser (29) die am Aktor (1) anliegende Spannung erfasst wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Steuerschaltung (26) eine Änderung der Spannung (8) erfasst wird, wobei die Änderung der Spannung einen Druckanstieg oder Druckabfall in dem Steuerraum (4) anzeigt, und daß über die Steuerschaltung (26) der Aktor (1) in Abhängigkeit von der Spannungsänderung (8) gesteuert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzzeitpunkt von der Steuerschaltung (26) über die Spannungsänderung gesteuert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck über mit dem Ventilglied (3) in Verbindung stehendes ein Stellglied (28) erfasst wird, mit dem der Aktor (1) den Druck in dem Steuerraum (4) beeinflusst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zur Steuerung des Einspritzzeitpunktes verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsänderung zur Detektion eines Betriebszustandes des Einspritzventils verwendet wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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