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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs
1 genannten Art zur Steuerung des Betriebs eines Kompressors.
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In
Kraftfahrzeugen werden häufig Kompressoren verwendet, in
denen ein gasförmiges oder flüssiges Medium auf
einen Druck bringbar ist, der über dem Umgebungsdruck liegt.
Das gasförmige oder flüssige Medium wird häufig
als Steuerdruckmedium genutzt, mit dem beispielsweise Aktuatoren,
insbesondere Kolben-Zylinder-Anordnungen, beaufschlagbar sind.
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Ein
Anwendungsfall in Kraftfahrzeugen ergibt sich aus der Notwendigkeit,
die Luftfedern einer Niveauregulierungsanlage derart mit Druckluft
zu versorgen, dass diese die Karosserie des Fahrzeugs in einen fahrsituationsgerechten
Abstand zur Fahrbahnoberfläche bringt. Da eine solche Niveauregulierungsanlage
nicht ständig für eine Höhenverstellung der
Karosserie des Fahrzeugs sorgt, wird ein zugehöriger Kompressor
bedarfsgerecht immer nur dann in Betrieb genommen, wenn die Notwendigkeit
dazu besteht. Die entsprechenden Kompressoren sind in der Regel
als elektromotorisch betriebene Kolbenkompressoren ausgebildet.
Zur Minimierung der Kosten für die verwendeten Kompressoren
werden verstärkt relativ kleine Kompressoren eingesetzt,
die bei einem ggf. länger dauernden Betrieb thermisch erheblich
belastet werden, so dass sich Bauteile unzulässig hoch
erwärmen können. Bei zu starker thermischer Beanspruchung
wird in der Regel zuerst das Auslassventil oder die Kolbendichtung
eines Kolbenkompressors beschä digt, was letztlich zu einem
Ausfall des Kompressors und damit der Niveauregulierungsanlage führen
kann.
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Zur
Vermeidung derartiger Schäden ist es beispielsweise durch
DE 15 03 446 A1 ,
DE 19 43 936 A1 und
EP 1 253 321 A2 bekannt,
die Temperatur des Kompressors im Bereich der thermisch stark belasteten
Bauteile direkt zu messen und bei einer thermischen Überlastung
den Kompressor zur Abkühlung abzuschalten. Nachteilig hierbei
ist, daß die notwendigen Temperatursensoren vergleichsweise
teuer und bei kleinen Kompressoren aufgrund des beengten Bauraums
im interessierenden Bereich nur schwer unterzubringen sind. Zwar
deutet
EP 1 253 321
A2 an, dass die Steuerung des Kompressorbetriebs auch ohne
Temperatursensoren auf der Basis eines thermischen Modells erfolgen
kann. Der Inhalt eines solchen Mess- bzw. Steuerungsverfahrens wird
dabei jedoch nicht näher definiert.
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Durch
DE 39 19 407 A1 und
DE 40 30 475 A1 ist
es bekannt, die thermische Belastung eines Kompressors über
die elektrische Leistungsaufnahme und/oder die Betriebsdauer des
zu dem Kompressor gehörenden Elektromotors zu ermitteln.
In eine ähnliche Richtung geht der aus
DE 43 33 591 A1 bekannt gewordene
Vorschlag, die Steuerung eines Kompressors durch Aufsummieren von
dessen Einzeleinschaltzeiten und Einzelabschaltzeiten zu beeinflussen.
Die Einzeleinschalt- und Abschaltzeiten stellen jeweils einen von
mehreren Einflussfaktoren im Hinblick auf die thermische Belastung
des Kompressors dar. Durch
DE
198 12 234 C2 ist es bekannt, dass ein Kompressor hinsichtlich
seiner Ein- und Ausschaltzeiten variabel betrieben werden kann.
Dabei soll die jeweils aktuelle Einschaltdauer an die aktuellen
Betriebsbedingungen des Kompressors angepasst werden. Als Parameter,
in dessen Abhängigkeit die Einschaltdauer des Kompressors
variiert wird, dienen die Wärmeübertragungsbedingungen,
die zwischen dem Kompressor und der diesen umgebenden Luft herrschen.
Dabei kann die Einschaltdauer beispielsweise in Abhängigkeit
von der in der Umgebung des Kompressors herrschenden Lufttemperatur
und Luftströmungsgeschwindigkeit derart variiert werden, dass
die Einschaltdauer verkürzt wird, wenn die Umgebungstemperatur
zunimmt, und verlängert wird, wenn sie abnimmt. Die Umgebungstemperatur
kann dabei anhand einer Modellrechnung aus der aktuellen Fahrzeugaußenlufttemperatur
und/oder der Fahrzeugmotoransauglufttemperatur bestimmt werden. Nachteilig
ist hierbei, dass das bekannte Verfahren wie alle Einschaltdauermethoden
durchweg ungenau ist, weil es die thermodynamischen Eigenschaften des
Kompressors selbst nicht berücksichtigt. Die Steuerung
nimmt dabei beispielsweise keinen Einfluss darauf, in welchem Temperaturband
der Kompressor letztlich betrieben wird.
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Durch
DE 196 21 946 C2 ist
ein Verfahren zur temperaturgestützten Steuerung eines
Kompressors für eine Luftfederung eines Kraftfahrzeugs
bekannt, das als Schätzverfahren ausgestaltet ist und ohne
einen gesonderten Temperatursensor am Kompressor auskommt. Dazu
ist vorgesehen, dass der Kompressor von einem Steuergerät
abgeschaltet wird, wenn ein von diesem berechneter Temperatur-Schätzwert
einen oberen Schwellenwert überschreitet, oder eingeschaltet
wird bzw. ein Einschalten gestattet wird, wenn ein unterer Schwellenwert unterschritten
wird. Dazu wird der jeweils letzte Temperatur-Schätzwert
beim Einschalten des Kompressors um einen bestimmten Temperatursprung
erhöht, dessen Maß von der Höhe des letzten
Schätzwertes abhängig ist. Weiterhin wird der
Schätzwert während eines Kompressorbetriebes in
vorgegebener Weise erhöht und bei Stillstand des Kompressors
in vorgegebener Weise abgesenkt. Nachteilig ist hierbei, da die
für das Verfahren zugrunde gelegten linearen Zusammenhänge
in der Praxis in der Regel nicht vorliegen, da bei großen
Temperaturdifferenzen die Temperaturänderungen größer
sind als bei kleinen Temperaturdifferenzen. Der Temperatursprung
findet außerdem in der Realität nicht augenblicklich
statt, so daß in diesem Bereich auch die steuerungstechnische
Verfügbarkeit des Kompressors nachteilig herabgesetzt ist.
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Durch
EP 1 644 640 B1 ist
ein Verfahren der betreffenden Art zur Steuerung des Betriebs des Kompressors
bekannt, bei dem der Kompressor von einem Steuergerät zur
Vermeidung thermischer Schäden dann abgeschaltet wird,
wenn ein von dem Steuergerät berechneter Temperatur-Schätzwert
einen oberen Schwellenwert überschreitet. Bei dem bekannten
Verfahren berechnet das Steuergerät unter Heranziehung
des Temperatur-Schätzwertes als Zustandsgröße
eine Abkühlfunktion, die den zeitlichen Verlauf der Abkühlung
des Kompressors repräsentiert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, dass die Abkühlfunktion
präziser ermittelbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Abkühlfunktion
in einem Falle, in dem der Kompressor so betrieben wurde, dass er
sich beispielsweise ausschließlich in einem Bereich des
Auslassventiles stark erwärmt hat, im übrigen
jedoch nicht vollständig oder weitgehend ”durchgewärmt” ist,
einen anderen Verlauf hat als in einem Falle, in dem der Kompressor
so betrieben wurde, dass er beispielsweise nicht nur im Bereich des
Auslassventiles stark erwärmt ist, sondern vollständig
oder weitgehend ”durchgewärmt” ist. Hiervon ausgehend
liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, die Abkühlfunktion
ausgehend von einem Temperaturgradienten zwischen den Temperaturen
an wenigstens zwei zueinander räumlich beabstandeten Stellen
des Kompressors zu ermitteln. Dementsprechend sieht die Erfindung
vor, dass das Steuergerät die Abkühlfunktion ausgehend
von wenigstens einem ersten und einem zweiten Temperatur-Schätzwert
ermittelt, die räumlich zueinander beabstandeten Stellen
des Kompressors zugeordnet sind, derart, daß die Abkühlfunktion
ausgehend von einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatur-Schätzwert
und dem zweiten Temperatur-Schätzwert ermittelt wird. Auf
diese Weise lässt sich die Abkühlfunktion wesentlich
genauer ermitteln. Ist der Kompressor beispielsweise so betrieben
worden, dass er sich überwiegend an einer dem ersten Temperatur-Schätzwert
zugeordneten Stelle erwärmt hat, beispielsweise im Bereich
seines Auslassventiles, während er sich an einer dem zweiten
Temperatur-Schätzwert zugeordneten Stelle, die beispielsweise
einer Außenfläche des Gehäuses des Kompressors
entspricht, weniger stark erwärmt hat, so ist der Temperaturgradient
zwischen den herangezogenen Stellen des Kompressors relativ hoch.
Dementsprechend wird sich der Kompressor nach dem Abschalten durch
Wärmeabfuhr an die Umgebung relativ schnell abkühlen,
so dass das Steuergerät eine Abkühlfunktion berechnet,
die einer solchen relativ schnellen Abkühlung entspricht.
Ist demgegenüber der Kompressor so betrieben worden, dass
er sich sowohl an einer dem ersten Temperatur-Schätzwert zugeordneten
Stelle als auch an einer dem zweiten Temperatur-Schätzwert
zugeordneten Stelle relativ stark erwärmt hat, so ist der
Temperaturgradient zwischen den betrachteten Stellen des Kompressors
geringer. In einem solchen Fall wird sich der Kompressor durch Wärmeabfuhr
an die Umgebung relativ langsam abkühlen. Dementsprechend
berechnet das Steuergerät eine Abkühlfunktion,
die einer langsameren Abkühlung des Kompressors entspricht.
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Da
sich die Abkühlfunktion mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens präziser ermitteln lässt, ist erfindungsgemäß die
Reaktionsschnelligkeit der Steuerung des Betriebs des Kompressors
erhöht. Insbesondere ist es möglich, den Kompressor
relativ schnell wieder einzuschalten, wenn die ermittelte Abkühlfunktion
einer schnelleren Abkühlung entspricht. Dadurch sind die
Reaktionsmöglichkeiten der Steuerung beim Betrieb des Kompressors
erweitert. Beispielsweise ist es möglich, den Kompressor
nach einer relativ schnellen Abkühlung sofort wieder in
Betrieb zu nehmen, wenn beispielsweise eine Niveauregulierungsanlage
eines Kraftfahrzeugs zum Schutz von Fußgängern
eine Absenkung der Karosserie des Kraftfahrzeugs erfordert.
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Auf
diese Weise ist die Betriebssicherheit eines mit einer solchen Niveauregulierungsanlage
ausgestatteten Kraftfahrzeugs wesentlich erhöht.
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Die
grundsätzliche Art und Weise der Ermittlung der Abkühlfunktion
ist dem Fachmann aus der
EP
1 644 640 B1 bekannt und wird daher hier nicht näher
erläutert. Der Inhalt der
EP 1 644 640 B1 wird hiermit durch Bezugnahme
vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
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Die
dem ersten und dem zweiten Temperatur-Schätzwert räumlich
zugeordneten Stellen des Kompressors sind entsprechend den jeweiligen
Anforderungen, baulichen Gegebenheiten und Betriebszuständen
des Kompressors innerhalb weiter Grenzen wählbar. Ausgehend
von dem Gedanken, dass sich eine Abkühlung des Prozessors
vor allem durch Wärmeabfuhr an die Umgebung vollzieht,
sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Lehre vor, dass eine dem zweiten Temperatur-Schätzwert
räumlich zugeordnete Stelle des Kompressors näher
an einem auf Umgebungstemperatur befindlichen Bereich liegt als
eine dem ersten Temperatur-Schätzwert räumlich
zugeordnete Stelle. Auf diese Weise ist die Präzision bei
der Ermittlung der Abkühlfunktion weiter erhöht.
Die den Temperatur-Schätzwerten zugeordneten Stellen werden
hierbei beispielsweise und insbesondere so gewählt, dass
sich zwischen diesen Stellen bei einer vorwiegend lokalen Erwärmung
des Kompressors, beispielsweise im Bereich des Auslassventiles,
ein hoher Temperaturgradient ergibt.
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Dieser
Temperaturgradient ist dann besonders hoch, wenn der erste Temperatur-Schätzwert
einer Stelle des Kompressors zugeordnet ist, an der sich der Kompressor
im Betrieb relativ schnell erwärmt und/oder wenn der zweite
Temperatur-Schätzwert einer Stelle des Kompressors zugeordnet
ist, an der sich der Kompressor im Betrieb relativ langsam erwärmt,
wie dies vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Lehre vorsehen.
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Da
sich der Kompressor erfahrungsgemäß im Bereich
seines Auslassventiles oder seiner Kolbendichtung am schnellsten
und an einer Außenfläche seines Gehäuses
relativ langsam erwärmt, sehen zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung vor, dass die erste Stelle im Bereich
eines Auslassventiles oder einer Kolbendichtung des Kompressors angeordnet
ist und/oder dass die zweite Stelle im Bereich einer Außenfläche
des Gehäuses des Kompressors, insbesondere im Bereich seines
Zylinderkopfes, angeordnet ist. Das Steuergerät kann die
Abkühlfunktion unter Heranziehung beliebiger weiterer Zustandsgrößen
ermitteln. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit
vor, dass das Steuergerät die Abkühlfunktion unter
Heranziehung weiterer Zustandsgrößen, insbesondere
der Umgebungstemperatur und/oder der Kompressorspannung und/oder
eines Vor- und Gegendruckes des Kompressors, ermittelt. Eine andere
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass nach einem Einschalten
und Wiedereinschalten des Steuergerätes dasselbe unter
Heranziehung der ermittelten Abkühlfunktion und der zwischen
dem Einschalten und Wiedereinschalten ermittelt, zu welchem Zeitpunkt ein
unterer Temperatur-Schwellenwert unterschritten wird und der Kompressor
wiedereingeschaltet werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung
des Betriebs eines Kompressors wird der Kompressor zunächst
in einem Prüfaufbau verschiedenen Betriebszuständen,
insbesondere hinsichtlich der Dauer seines Betriebes, der Umgebungstemperatur,
der Kompressorspannung und des Vor- und Gegendruckes des Kompressors,
unterworfen. Hierbei wird mittels eines ersten Temperatursensors
der zeitliche Verlauf der Temperatur des Kompressors an einer ersten
Stelle, die bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich eines
Auslassventiles des Kompressors angeordnet ist, gemessen und abgespeichert, insbesondere
während der Abkühlung des Kompressors im ausgeschalteten
Zustand. Darüber hinaus wird mittels eines zweiten Temperatursensors
der zeitliche Verlauf der Temperatur des Kompressors an einer zweiten
Stelle gemessen, die bei diesem Ausführungsbeispiel im
Bereich des Zylinderkopfes des Kompressors angeordnet ist. Die auf
diese Weise für verschiedene Betriebszustände
ermittelten Temperaturverläufe werden abgespeichert und
in eine Software des Steuergerätes des Kompressors eingespeist,
so dass im Einbauzustand des Kompressors, beispielsweise an einer
Niveauregulierungsanlage eines Kraftfahrzeuges, von dem Steuergerät
Temperatur-Schätzwerte ermittelt werden können,
und dementsprechend im Einbauzustand des Kompressors ein Temperatursensor
nicht erforderlich ist.
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Im
Einbauzustand des Kompressors wird derselbe durch das Steuergerät
derart gesteuert, dass das Steuergerät den Kompressor zur
Vermeidung thermischer Schäden dann abschaltet, wenn ein
von dem Steuergerät berechneter Temperatur-Schätzwert
einen oberen Schwellenwert überschreitet.
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Während
des Betriebs des Kompressors errechnet das Steuergerät
zeitlich kontinuierlich oder in Intervallen anhand seiner Software
einen ersten Temperatur-Schätzwert, der bei dem Ausführungsbeispiel
einer Stelle im Bereich des Auslassventiles des Kompressors zugeordnet
ist, und einen zweiten Temperatur-Schätzwert, der bei dem
Ausführungsbeispiel einer Stelle im Bereich des Zylinderkopfes des
Kompressors zugeordnet ist. Ausgehend von diesen Temperatur-Schätzwerten
berechnet das Steuergerät zusätzlich eine Abkühlfunktion,
die den zeitlichen Verlauf der Abkühlung des Kompressors nach
einem Abschalten repräsentiert. Hierbei ermittelt das Steuergerät
die Abkühlfunktion erfindungsgemäß ausgehend
von dem ersten und dem zweiten Temperatur-Schätzwert, derart,
dass die Abkühlfunktion ausgehend von der Temperaturdifferenz
zwischen dem ersten Temperatur-Schätzwert und dem zweiten
Temperatur-Schätzwert ermittelt wird.
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Überschreitet
der erste Temperatur-Schätzwert einen oberen Schwellenwert,
so schaltet das Steuergerät den Kompressor zur Vermeidung
thermischer Schäden ab. Bleibt das Steuergerät
nach dem Abschalten des Kompressors eingeschaltet, so errechnet
es ausgehend von den Temperatur-Schätzwerten die Abkühlfunktion,
aus der abgeleitet werden kann, zu welchem Zeitpunkt der Kompressor
wieder eingeschaltet werden kann, ohne dass thermische Schäden
in dem Kompressor entstehen. Ist die Temperaturdifferenz zwischen
dem ersten und dem zweiten Temperatur-Schätzwert relativ
groß, so bedeutet dies, dass der Kompressor vor allem lokal
im Bereich seines Auslassventiles relativ stark erwärmt
ist, ohne dass der Kompressor relativ stark ”durchgewärmt” ist.
Daraus ergibt sich eine Abkühlfunktion, die einer schnelleren
Abkühlung entspricht, so dass ein unterer Schwellenwert
der Temperatur relativ schnell unterschritten wird und der Kompressor
dementsprechend relativ schnell wieder eingeschaltet werden kann.
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Ermittelt
das Steuergerät demgegenüber, dass die Temperaturdifferenz
zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatur-Schätzwert
relativ gering ist, so ergibt sich daraus, dass sich der Kompressor
nicht ausschließlich im Bereich seines Auslassventiles
relativ stark erwärmt, sondern relativ stark ”durchgewärmt” ist.
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Daraus
ergibt sich eine Abkühlfunktion, die einer relativ langsamen
Abkühlung entspricht, so dass der untere Schwellenwert,
bei dem der Kompressor wieder eingeschaltet werden kann, erst nach einer
längeren Zeit unterschritten wird.
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Wird
das Steuergerät beim oder kurz nach dem Abschalten des
Kompressors abgeschaltet, beispielsweise beim Ausschalten der Zündung
des Kraftfahrzeugs, so wird die Abkühlfunktion ausgehend
von den für den Zeitpunkt des Abschaltens ermittelten Temperatur-Schätzwerten
berechnet, sobald das Steuergerät wieder eingeschaltet
wird, also beispielsweise beim Einschalten der Zündung
des Kraftfahrzeuges. Ausgehend von der ermittelten Abkühlfunktion
und der zwischen dem Ausschalten des Kompressors und dem Wiedereinschalten
des Steuergerätes vergangenen Zeit kann das Steuergerät dann
ermitteln, zu welchem Zeitpunkt ein unterer Schwellenwert der Temperatur
des Kompressors unterschritten ist und der Kompressor dementsprechend
wieder eingeschaltet werden kann.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Lehre kann die Abkühlfunktion
präziser ermittelt werden, da sie erfindungsgemäß nicht
ausgehend von einem einzigen Temperatur-Schätzwert, sondern
ausgehend von einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatur-Schätzwerten
ermittelt wird.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Lehre ergeben sich
bereits dann, wenn ausschließlich die Differenz zwischen
zwei Temperaturwerten ermittelt wird. Es ist erfindungsgemäß jedoch
auch möglich, die Abkühlfunktion ausgehend von
wenigstens zwei Temperaturdifferenzen aus wenigstens drei Temperatur-Schätzwerten
zu ermitteln. Eine Heranziehung von zwei oder mehreren Temperaturdifferenzen
ermöglicht entsprechen den jeweiligen Anforderungen noch
genauere Aussagen über die räumliche Wärmeverteilung
in dem Kompressor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1503446
A1 [0004]
- - DE 1943936 A1 [0004]
- - EP 1253321 A2 [0004, 0004]
- - DE 3919407 A1 [0005]
- - DE 4030475 A1 [0005]
- - DE 4333591 A1 [0005]
- - DE 19812234 C2 [0005]
- - DE 19621946 C2 [0006]
- - EP 1644640 B1 [0007, 0012]
- - EP 1644640 B [0012]