BRPI0900653A2 - sensor lógico para biodiesel - Google Patents
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Abstract
Sensor lógico para biodiesel. O presente pedido de patente se refere a um sensor lógico para motores de ignição espontânea (ou por compressão ou ciclo Diesel), baseado em um algoritmo software (SBS). Este algoritmo reconhece a mistura diesel - biodiesel que está sendo utilizada pelo motor e, em seguida, adapta a estratégia de controle do motor em função da fração de ácidos Graxos de Metil-Esters (FAME) de óleos vegetais ou combustíveis provenientes de refugos biológicos (biodiesel) presentes em uma misturade combustível baseado em óleo diesel cru (fórmula química média C~12~H~23~).
Description
Sensor lógico para biodiesel.
O presente pedido de patente refere-se a um sensor lógicopara motores de ignição espontânea (ou por compressão - ciclo Diesel), baseado em umalgoritmo software denominado SBS (Sensor Software para Biodiesel), queprimeiramente reconhece a mistura diesel - biodiesel utilizado pelo motor e, em seguida,adapta a estratégia de controle do motor em função da fração de Ácidos Graxos de Metil-Esters (FAME) de óleos vegetais ou combustíveis procedentes de refugos biológicos(biodiesel) presentes em uma mistura de combustível, tomando como base o óleo dieselcru (fórmula química média: C12H23).
ESTADO DA TÉCNICA
Em um motor ciclo Diesel ou motor de ignição espontânea(Cl), o ar, normalmente diluído por uma pequena fração controlada de gases residuais dacombustão, é comprimido em uma taxa de compressão de aproximadamente 12 a 20vezes. O combustível líquido é pulverizado no cilindro próximo ao ponto morto superiordo pistão (PMS ou TDC).
Uma vez que tanto a pressão quanto a temperatura doconteúdo do cilindro no momento da injeção são muito altos (TAI: temperatura de autoignição), as reações químicas começam assim que as primeiras gotículas do combustívelinjetado encontram o ar aquecido do cilindro.
A figura 1 mostra esquematicamente as partes principais deum motor moderno Cl. O combustível é transferido a partir do tanque (1) através de umfiltro apropriado (2) a uma bomba de alta pressão (3), que envia o combustível a umapressão entre 130 a 200 MPa para uma galeria de injeção única (common rail) (4) paratodos os injetores (6a a 6d). Uma unidade de controle eletrônica (ECU) (7), que coletainformações da velocidade do motor, temperatura, pressão de combustível (5) e cargarequerida, adapta os parâmetros de controle do injetor para otimizar o número I deinjeções e sua duração para preencher não só a carga requerida, mas também atenderos parâmetros de emissões de poluentes. Os atomizadores de injeção (injetores) sãoprojetados para produzir uma forma geométrica de pulverização (8), a qual é adaptadaindividualmente para a geometria da câmara de combustão de cada motor (9).
Contudo, em um motor Cl, as reações químicas começamtão lentamente que as manifestações usuais de combustão, tais como o aumento depressão mensurável, ocorrem apenas após a expiração de um período apreciável detempo, chamado de período de retardamento físico químico da combustão (delay). Asoma do período de injeção e do período de retardamento caracteriza a primeira fase decombustão. O período de retardamento é seguido por um aumento da pressão,característico do combustível usado, pela quantidade total de combustível injetado emrelação ao ar armazenado no cilindro (relação ar-combustível (A/F)), pelo número deinjeções na qual a quantidade total de combustível é distribuída e pelo ângulo dovirabrequim (crank angle - CA) no qual as injeções são feitas. O período de aumento depressão caracteriza a chamada segunda fase da combustão.
A terceira fase da combustão, a chamada fase 3, começaapós a pressão máxima de combustão ser atingida. Esta fase de expansão (blow-down)irá determinar a natureza e o volume de diferentes produtos da pós combustão nos gasesde exaustão (NOx, material partículado, aldeídos, etc.) e é também pesadamenteinfluenciada por uma estratégia apropriada de múltiplas injeções.
A figura 2 mostra um diagrama genérico pressão-CA paraum motor ciclo Diesel no qual apenas uma injeção simples é feita no período entre 40° e20° CA antes do Ponto Morto Superior (TDC ou PMS) do ciclo de compressão. A linhatracejada representa a compressão e expansão do ar apenas, sem combustão. A linhacontinua representa a compressão e expansão do ar com combustão. O período deinjeção é seguido por um período de atraso, cuja soma é a chamada fase 1.
A combustão principal acontece durante a fase de aumentode pressão, a chamada fase 2, que termina quando a pressão de combustão atinge ovalor máximo. Por um determinado valor de A/F, da estratégia de injeção, da geometriada câmara de combustão e da composição de combustível, a duração das fases 1 e 2assim como o valor Pmax (pressão máxima) são parâmetros que tem uma variação cicloa ciclo menor que ± 3% em uma dada condição de carga motor.
Na chamada fase 3 (blow-down) a distribuição detemperatura da câmara de combustão (nível absoluto e homogeneidade), influênciasignificativamente a produção de eventuais produtos de pós combustão não desejadosnos gases de exaustão.
É, desta forma, importante entender que o diagramacompleto pressão-CA em conjunto com a temperatura de gás de exaustão induzida,representa uma assinatura única de ambos os processos de combustão termodinâmica equímica e do equilíbrio potencial da matéria poluente nos gases de exaustão(temperatura) para um dado conjunto de condições de contorno fixas (velocidade domotor, carga motor, estratégia de injeção, temperatura global do motor, composição decombustível).
As características importantes do combustível dieseltipicamente comercial (fórmula química média: C12H23) são as qualidades de combustão,a massa específica (densidade), o calor de combustão, a volatilidade, a limpeza e a suanão corrosividade. Todas menos as duas últimas propriedades são completamente inter-relacionadas. Por causa disto a qualidade da combustão do combustível comercial éavaliada pelo número de cetanas. Como no caso da avaliação do número de octanas dagasolina, o método de avaliação do combustível diesel com relação à qualidade decombustão (e.g. American Society for Testing Materials (ASTM) Standard D613) dependede comparações de motores específicos para diferentes combustíveis.
Os dois combustíveis de referência são o Cetano Normal(C16H34)1 Parafina de cadeia linear que apresenta excelente qualidade de ignição, e oAlfa-metilnaftaleno (Ci0H7CH3), um composto naftenico que apresenta uma qualidade deignição ruim. Um motor de testes, específico para este fim, mono cilíndrico de ignição porcompressão é usado como equipamento padrão para este tipo de teste.
A porcentagem de cetana em uma mistura dos doiscombustíveis de referência acima indicados dando a mesma defasagem de ignição comcombustível sob teste é tomado como número de cetanas deste combustível (em teste).Assim como o diagrama de pressão-CA é uma assinatura única do processo decombustão, o número de cetanas é uma assinatura única no que se refere à qualidade decombustão do combustível.
Uma conseqüência importante é que, se todos osparâmetros do motor são mantidos constantes e um combustível com um númerodiferente de cetanas é usado, a assinatura do diagrama pressão-CA irá mudar e, comoconseqüência mudará as fases 1 e 2 e o valor de Pmax.
Em anos recentes a presença de misturas debiocombustíveis para motores de combustão por faísca Sl (misturando gasolina pura eetanol em várias frações - flexfuel) se tornou popular como um meio muito eficiente eprático de diminuir a quantidade de CO2 permanentemente armazenado na atmosfera(efeito estufa).
Foi então sugerido a mistura do combustível diesel correntecom uma fração de óleo baseado em vegetais FAME (Ácido Graxo de Metil-Esters), ochamado biodiesel. Quanto maior a percentagem de óleo FAME mais importante é adiminuição da quantidade total de CO2 permanentemente emitido e armazenado naatmosfera. Dependendo da percentagem "x" do óleo FAME presente na mistura seráchamado de Bx a mistura com x% do óleo FAME e (100-x)% de óleo diesel fóssil.
Para os motores diesel comerciais correntes uma fração deóleo FAME menor que 20% é aceitável sem maiores mudanças na estratégia de injeçãode um sistema common rail. Com frações maiores que 20% a reação do processo decombustão torna-se incontrolável em relação à qualidade de combustão, quegradualmente passa a ter condições de detonação extremas. Uma conseqüênciaimediata é um aumento importante não só no consumo de combustível, mas também nasemissões de poluentes, fato que pode eventualmente ocasionar combustões acidentais e,em casos extremos, destruição do motor.
Como conseqüência, um combustível diesel comercial purotem um número médio de cetanas de aproximadamente 42, enquanto que o número decetanas de um óleo FAME 100%, biodiesel B100, esta no entorno de 60. O número decetanas da fração de 20 % de óleo FAME1 biodiesel B20, será de aproximadamente 48 a49, o que explica por que acima desta porcentagem a combustão torna-se incontrolável euma ação torna-se necessária.
RESUMO DA INVENÇÃO
O objetivo da presente invenção é a identificação de umaestratégia para o reconhecimento da fração de óleo FAME1 biodiesel Bx1 misturada aocombustível diesel baseado em óleo cru e uma proposta de metodologia de mediçãobaseada em software para obter a imagem da combustão pressão-CA, o qual utiliza dossensores já existentes nos sistemas de injeção diesel common rail. Desta forma oconceito básico proposto pela invenção não requer sensores auxiliares adicionais,utilizando apenas os sensores já presentes em uma aplicação de motor diesel commonrail específica.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
O presente pedido será mais bem compreendido a luz dasfiguras anexas, dadas a título de exemplo, mas não limitando o escopo da invenção, nasquais:
Figura 1 - é uma vista em diagrama de um motor do estado da técnica;
Figura 2 - é um diagrama pressão-CA;
Figura 3a - é um diagrama de blocos da estratégia de validação de dados dapresente invenção;
Figura 3b - é um diagrama de blocos da estratégia de validação de dados dapresente invenção;
Figura 4 - é um diagrama tridimensional do método de adaptabilidade do controlemotor de um sensor inteligente ao software dos parâmetros de combustão;
Figura 5 - é um diagrama de blocos do método da presente invenção.
REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO
Como previamente indicado, o diagrama pressão-CA mostrauma assinatura única do processo completo de combustão termodinâmico e químico deum conjunto de combustível, de um sistema de preparação da mistura e dos parâmetrosde carga do motor.
Em outras palavras, se a carga do motor e os parâmetros dosistema de preparação de mistura são mantidos constantes, uma mudança como acimaindicado no diagrama de pressão-CA (mudança da chamada fase 1 e da fase 2 e do valorda Pmax, os quais daqui para frente serão referenciados como os 3 parâmetros principaisda combustão), será uma expressão da composição do combustível (número de cetanas)e conseqüentemente um indicador da porcentagem de óleo FAME, biodiesel misturadono combustível diesel baseado em óleo cru.A primeira ação a ser feita de acordo com a invenção édeterminar a fração de bio-combustível misturado no combustível diesel normal e ainvenção propõe para esta ação uma técnica de engenharia reversa para determinar os 3parâmetros principais de combustão baseado na interpretação do diagrama pressão-CAou uma imagem representativa deste diagrama.
Esta primeira ação é a fase de reconhecimento docombustível (figura 3a). Como já proposto no sistema flexfuel em veículos Sl (MagnetiMarelli patentes Pl 020226-5, C1 0202226-5 e Pl 0405357-5) esta primeira ação iniciacom um processo de aprendizado, que faz testes sistemáticos após cadareabastecimento de combustível no tanque.
Nesta fase a ECU recupera um valor de referência para onúmero de cetanas, o qual corresponde a uma composição de combustível de referência.Para o combustível de referência é aplicado um conjunto correspondente de estratégiasde controle do motor, os quais são específicos para o motor e veículo onde este éaplicado e localizado na área de memória da ECU, onde são carregados durante odesenvolvimento inicial da calibração do motor.
O comportamento da combustão do motor irá mudar pelaqueima de um combustível com uma composição diferente daquela do combustível dereferência e desta forma introduz uma mudança proporcional nos 3 parâmetros principaisde combustão quando comparado com os valores de referência.
A identificação da mudança nos 3 parâmetros principais dacombustão é feita de acordo com o esquema da figura 3b. Cada um dos 3 parâmetrosprincipais de combustão (201) é incluído em uma tabela bi dimensional (202, 203, 204)função da velocidade do motor (eixo χ - abscissas) e da carga do motor (eixo y -ordenadas). Os valores superior e inferior (Nm(n, Nmáx, Lmm e Lmáx) da velocidade do motore carga definem a dimensão de uma janela especial (205) na qual será realizada aaprendizagem. Os parâmetros principais de referência são específicos para cadamotor/veículo e são localizados na área de memória da ECU onde são carregadosdurante o desenvolvimento inicial da calibração (motor - veículo). De forma geral umconjunto completo de tabelas dos parâmetros principais de referência de combustãoexiste para a condição de motor quente (Twater > Thresholdwater (0C)) e outro conjunto paraa condição de motor frio (Twater < Thresholdwater (0C)), mas isto não é mandatório nemlimitativo.
A aceitação dos novos valores dos parâmetros principais dacombustão é apenas permitida se as seguintes duas condições são preenchidas, avelocidade do motor e as condições de carga motor devem estar dentro da janelaespacial definida (205) e os gradientes de oscilação dos valores (dN/dt e dL/dt) devemser abaixo de níveis específicos para cada motor (OSCILmáx1 e OSCILmá*2) (206). Quandoa medição é autorizada, será estendida através de um número, especifico para cadamotor/veiculo, de ciclos de combustão (NcycIe). Os valores gravados são então filtrados(208) e um valor médio de cada um dos 3 parâmetros principais de combustão é validado (209).
A mudança nos parâmetros principais de combustão comrelação aos valores de referência são então confrontados com a correspondenteevolução do número de cetanas. Esta evolução é caracterizada para um mapeamentoespecífico para cada motor/veículo que está localizado na área de memória da ECU ondeserá gravado durante o desenvolvimento inicial da calibração (específica domotor/veículo).
Como conseqüência a mudança no valor dos 3 parâmetrosprincipais de combustão com relação aos valores de referência vai levar a um valor denúmero de cetanas novo com relação ao valor de referência original (103).
Outro recurso da invenção é a possibilidade de detectar otipo específico de óleo FAME baseado em vegetal ou combustíveis de proveniência dosrefugos biológicos usado na mistura (e.g, soja, palma, mamona, dendê, dentre outros).Esta função requer o preenchimento de duas condições específicas. Quando é usado umóleo diferente do óleo FAME de referência, um ou mais dos 3 parâmetros principais decombustão será, para uma dada porcentagem Bx de óleo FAME1 diferente com relaçãoao óleo FAME de referência. Isto significa uma mudança proporcional no número decetanas com relação à condição de referência do óleo FAME.
A primeira condição é que cada óleo baseado em vegetaldiferente do óleo FAME de referência deverá ser conhecido e aplicado ao motor durantea calibração inicial, que será específica para cada motor/veículo e as tabelas resultantesdos parâmetros principais de combustão e número de cetanas serão localizados na áreade memória ECU onde serão gravadas durante o desenvolvimento inicial da calibraçãoespecífica do motor.
A segunda condição é que a ECU usada deve oferecer umacapacidade de armazenamento suficiente para permitir a presença permanente nãoapenas das tabelas relacionadas ao óleo FAME de referência, mas também tabelasparalelas ou tabelas de multiplicação para cada suplementar formulação de óleo baseadoem vegetais possíveis de ser usados dentro uma específica área/país delimitado.
Se as duas condições são satisfeitas uma malha fechada(loop) de aprendizado suplementar pode ser inserido antes da validação de um númerode cetanas. O fluxograma da figura 3a mostra a localização na qual este testesuplementar (104) deve ser feito.
Após o novo número de cetanas (novo 103) ser conhecido,uma nova percentagem de óleo FAME biodiesel no combustível diesel é conhecida (Bx)(105).
Neste ponto é executada uma ação secundária, ilustrada nográfico da figura 4 que é a adaptação da estratégia de controle do motor. Nesta fase osparâmetros de controle, preferencialmente expressos em mapas tridimensionais, sãoadaptados de acordo com a interpolação entre as estratégias de controle pré-mapeadas"x" e "x+1", mais próximas.
Como a propagação do combustível do tanque ao motor édependente do tempo, a composição do combustível estabilizado B%8tabiiized é alcançadaapenas após certo atraso pré-definido específico para um motor/veículo (T8tabiiization)· Oprocesso de aprendizado, que inicia se imediatamente após o reabastecimento, vaicontinuar a intervalos regulares predefinidos específicos para cada motor/veiculo e podecontinuar até que o tempo total para aprendizado supere Tstabinzation-
As ações primárias e secundarias são feitas em conjuntoapenas quando um diagrama pressão-CA pode ser identificado pela ECU. Para realizaresta identificação diversas alternativas são possíveis.
Uma alternativa, que é direta, e já foi testada em veículos dedemonstração com motores com ignição por faísca (SI) projetado para trabalhar emambos os modos, modo Sl e modo de Auto-lgnição Controlada (Cl), é implementar umsensor rápido de pressão em cada cilindro.
Contudo, o sensor de pressão individual por cilindro é umcomponente submetido a condições ambientais duras (pressão, vibração e temperatura)e com um requerimento de precisão de menos de +1-5 % de erro em relação ao valormáximo. Isto significa que tal dispositivo, mesmo em produção de larga escala,permanece como um componente de alto custo.
Para superar este problema a invenção propõe uma técnicade sensoriamento diferente, que cria uma imagem do processo de combustão baseadoem um algoritmo (software) avançado que processa a aceleração instantânea dovirabrequim (PI 9204450).
A figura 5 fornece a informação básica necessária paramelhor entendimento do princípio de funcionamento deste tipo de sensor lógico, quefornece a informação dos parâmetros de combustão desejados. A ECU 510 conectada aum sensor de pulso 522 (e.g. relutância variável ou "de efeito Hall"), que é posicionadopara medir a posição angular e a aceleração da roda dentada 512 fixada no eixo dovirabrequim do motor (e.g. no volante de partida). O perfil angular da roda dentada édividido em um número (i.e. 60) de dentes 516 e de ausência de dentes (i.e. 2) 514eqüidistantes. Em um ponto da roda dentada, dois dentes 520 (não limitativos) sãoeliminados e esta área é posicionada no volante de partida para identificar o ponto mortosuperior (PMS ou TDC) de um cilindro (e.g. cilindro número um).A duração d, do tempo requerido para medir a passagem dodente é elaborada por algoritmos baseados nos blocos do diagrama com a normalizaçãodo sinal 526, na medida do tempo d, 530, no bloco de comparação 532 e em um buffer dememória 534.
A partir dos valores d,· armazenados no buffer 534, umnúmero de frações de tempo T4 equivalentes são extraídos por análise de Fourier emtempo real 536 (dois ciclos por revolução para um motor de 4 cilindros e quatro tempos),cada um representativo de uma pequena janela de tempo da combustão. Estes valoressão armazenados no bloco 538. Em paralelo, um segundo termo D4 é computado pelobloco 540 e assistido pelo bloco 541 e armazenado no bloco 542. Este termo é aprojeção da componente alternada da velocidade angular instantânea do volante departida (eixo virabrequim) no vetor rotativo da freqüência de combustão.
Sucessivamente o bloco 544 combina os termos T4 e D4com as constantes AeB dependentes do motor. A variação do torque cíclico pode sergenericamente expressada por:
<formula>formula see original document page 9</formula>
As constantes AeB são calibradas para cada motor e osvalores computados de Tg corrigidos para distorções em altas velocidades do motor.
A roda dentada é referenciada a um par de cilindros (e.g.motor de quatro cilindros) apenas, mas uma resolução individual de cilindro pode serobtida por uma combinação com um sensor de fase baseado no eixo do comando deválvulas. A vantagem do uso deste sensor para detecção dos parâmetros de combustãoé que este já se encontra implementado ao motor para o controle do sistema de injeçãodo diesel common rail. Nenhum sensor suplementar tais como sensores de pressãoindividuais por cilindro serão adicionados.
De maneira a obter uma estimativa do conteúdo poluidornos gases de exaustão o procedimento de detecção sugerido pela presente invençãoserá combinado com um sensor de temperatura de gás de exaustão adicional (baixocusto). Uma comparação entre os valores instantâneos de Tg e a evolução sobre certonúmero de ciclos torna isto possível tanto para matéria partículada quanto para valoresNOx e são dependentes da temperatura de gás do cilindro durante a fase de expansão.
A grande vantagem deste sistema é o uso de sensores pré-existentes que permitem um controle efetivo do processo de combustão, garantindo umamelhor queima do combustível e diminuindo as emissões.
Claims (8)
1. Sensor lógico para motores a combustão interna, queutilizam o princípio de iniciar a combustão por compressão e são projetados para utilizarmisturas de combustíveis fósseis e biocombustíveis, dito sensor caracterizado pelo fatode compreender as seguintes etapas:- inicio processo de aprendizado (200);- recuperação de um valor de referência para o número de cetanas a partir de diagramaspré-armazenados (100);- aplicação de um conjunto de estratégias de controle do motor, específicos para o motore veículo;- identificação dos parâmetros principais de combustão a partir dos diagramas pressão-CA ou de uma imagem equivalente produzido por sensores(201);- comparação dos parâmetros com os valores pré armazenados (207);- identificação do novo numero de cetanas (105)- alteração da estratégia de controle do motor.
2. Sensor, conforme a reivindicação 1, caracterizado pelofato de prever que o algoritmo separa o diagrama pressão-CA ou a sua imagemequivalente em parâmetros (201) que identificam a duração do período de injeção com oretardo da ignição (FASE 1)(202), o aumento de pressão (FASE 2)(203) e o ângulo e ovalor máximo do pico de pressão de combustão (Pmax)(204).
3. Sensor, conforme as reivindicações 1 e 2, caracterizadopelo fato de comparar os parâmetros principais de combustão identificados por cadacilindro com tabelas pré-calibradas específicas para cada motor/veiculo (205) e que sãodefinidas em função da velocidade de rotação do motor, da carga do motor e da condiçãoda mistura de biocombustíveis, e de realizar uma interpolação de ordem N entre astabelas pré-calibradas mais próximas aos valores dos parâmetros principais decombustão lidos e de calcular o bloco dos parâmetros principais de combustão que sãoproporcionais a real porcentagem de biocombustivel presente na mistura no tanque,definido pelo número de cetanas.
4. Sensor, conforme as reivindicações 1 a 3, caracterizadopelo fato da possibilidade de detectar o tipo especifico de óleo FAME ou combustíveis deproveniência dos refugos biológicos usados na mistura de biocombustivel (104).
5. Sensor, conforme as reivindicações 1 a 4, caracterizadopelo fato de realizar a identificação de um especifico óleo vegetal FAME ou combustíveisde proveniência dos refugos biológicos através da comparação dos parâmetros principaisde combustão para cada cilindro, com tabelas pré-calibradas específicas para cadamotor/veículo, que são representativas de diferentes óleos vegetais (207), realizando ascorreções do número de cetanas (105).
6. Sensor, conforme as reivindicações 1 a 5, caracterizadopelo fato de aplicar os parâmetros principais de combustão para otimizar o processo decombustão através de correspondentes tabelas pré-calibradas que corrigem asestratégias de controle motor.
7. Sensor, conforme as reivindicações 1 ou 6, caracterizadopelo fato de utilizar uma técnica de sensoriamento para criar uma imagem representativado diagrama pressão-CA através de um sensor de pulso (522), que é posicionado deforma a mensurar a posição angular e a aceleração de uma roda dentada (512)diretamente montada no virabrequim e, com essa informação, através de um algoritmo,extrair os valores do torque cíclico Tg para cada cilindro.
8. Sensor, conforme as reivindicações 1 a 7, caracterizadopelo fato de atrelar a leitura do sinal que vem de um sensor adicional de temperatura dogás de exaustão com o diagrama instantâneo pressão-CA ou com as informações dotorque cíclico Tg durante certo número de ciclos motor, estimando o valor do particuladoe dos Nox gerados pelo motor e de usar estas informações para realizar corrigir asestratégias de controle motor.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
| B08F | Application dismissed because of non-payment of annual fees [chapter 8.6 patent gazette] |
Free format text: REFERENTE A 7A ANUIDADE. |
|
| B08G | Application fees: restoration [chapter 8.7 patent gazette] | ||
| B08F | Application dismissed because of non-payment of annual fees [chapter 8.6 patent gazette] |
Free format text: REFERENTE A 8A ANUIDADE. |
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| B08K | Patent lapsed as no evidence of payment of the annual fee has been furnished to inpi [chapter 8.11 patent gazette] |