CN1332313A - 一种用于驱动内燃机的排气阀的方法及其排气阀 - Google Patents

Abstract

为了控制排气阀,使控制阀的阀柱(21)沿纵向位移,以便在驱动器中,连通高压口(8)或低压口(11)与第一压力腔室(29),在驱动器中,驱动器活塞可以位移。排气阀的阀杆(4)沿纵向的位移与阀柱(21)的纵向位移成正比,例如,1∶1。阀杆可以位于排气阀完全开启和完全关闭之间的位置。在排气阀的关闭和开启位置之间,排气阀的阀杆(4)与阀柱(21)基本上同步运动。

Description

一种用于驱动内燃机的排气阀的 方法及其排气阀

本发明涉及一种用于驱动内燃机排气阀的方法，其中排气阀由控制阀的一个阀柱沿纵向位移开启，以便在一个驱动器中连通高压口与第一压力腔室。在此，驱动器的活塞与排气阀的阀杆一起朝着排气阀的开启位置位移，而且，控制阀的阀柱沿纵向位移，以便当排气阀关闭时，连通低压口与第一压力腔室。

从美国专利US-3209737可以了解这种排气阀，其中控制阀由一个凸轮轴上的凸轮或电磁阀来驱动。控制阀在排气阀的开启运动的过程中，持续地连通第一压力腔室与高压口，并且在关闭运动的过程中，持续地连通第一压力腔室与低压口。因此，由液体压力值和作用在驱动器活塞上的压力持续时间来控制排气阀的运动，所述驱动器活塞具有开启区域和关闭区域。在事实上，控制阀只有一个排气阀开启的位置和一个排气阀关闭的位置。而且，随着液体压力作用在驱动器活塞上启动阀杆的运动，控制作用分别发生在开启或关闭运动的初期。接着，在控制阀保持在开启位置的同时，驱动器活塞持续运动。在液体压力中产生操作变化的过程中，导致阀杆的运动速度出现波动。在特定的发动机载荷，例如在完全载荷作用下，控制排气阀在最佳条件下运动，并且使其开启速度不随着发动机转速变化，而且，因此在其它发动机载荷作用下，排气阀不在确定的最佳时刻开启。通过将阀杆上的销向上推入固定壳体中的孔内，切断液流通过间隙，完成在关闭运动的最后阶段制动阀杆的运动。

本发明的目的是提供一种更精确地控制排气阀的方法，其包括在排气阀运动的过程中进行控制。

为此，本发明的特征是排气阀的阀杆沿纵向的位移与控制阀的阀柱的纵向位移成正比，例如，1∶1，以致阀杆可以位于完全开启和完全关闭之间的选定位置，在排气阀的关闭和开启位置之间，排气阀的阀杆与控制阀的阀柱基本上同步运动。

阀杆与阀柱成比例的纵向位移导致任何阀柱的调整都被转变为排气阀的相应运动。因此，在阀柱的当前位置和阀杆的当前位置之间具有直接相互关系，而且，排气阀的调整运动仅仅依赖于阀柱的调整，同时，当阀柱保持在一定位置时，其不受液体压力变化或作用时间的影响。当阀杆在极端位置之间时，阀柱可以使阀杆定位于中间位置，容许直接控制阀杆的运动。由于阀杆进一步的运动与阀柱基本上同时进行，在发动机循环工作的过程中，排气阀能够按照需要运动，其独立于发动机的当前转动速度。

最好，排气阀关闭运动的终端由控制阀主动控制，取代通过节流作用使阀杆制动，这是由于节流作用将导致能量损失。如果控制阀控制关闭运动的最后阶段，并且由此使阀杆制动，从高压流体到达排气阀的驱动器需要的能量减小。除需要精确成型部件以便形成节流间隙之外，驱动器的结构被简化。

此外，从发动机的一个工作循环到下一个工作循环，在运动路径的预定部分排气阀阀杆的速度可以改变。例如，在开启运动的初期，排气阀的速度可以增加，由此加速阀门的开启。快速移动的阀杆以高的加速度离开关闭位置，进入开启位置，因为外流区域迅速扩大，由此使阀碟和固定阀座的被加热量减小。在发动机运行的过程中，排气阀变化速度的可能性容许对当前运行条件进行连续调整。

按照本发明提供的方法，当阀杆保持在开启位置时，在到达完全开启位置之前，由于排气阀的开启运动可以停止在开启的中间位置，其优点是可以根据需要改变运行的条件。由此减小了液流的消耗，并且由此降低了挤压排气阀时能量的消耗。当发动机在部分载荷作用下运行时，在每个发动机工作循环的过程中排气量比较小，这取决于发动机的类型，发动机的转速可以比较低，为排出气体提供比较长的时间。这种工作环境允许减小外流区域。

精确控制阀杆运动的可能性适合用于保持阀杆在关闭运动的最后阶段，在通气位置停顿一段时间；在此通气位置，在排气阀的阀座表面之间具有一个通气间隙，在此之后，阀杆移动进入其完全关闭位置。保持排气阀在其完全关闭位置的附近开启一段时间，即所谓等待时间或停顿时间，由此引导相当冷的空气流动通过阀座表面，阀座表面基本上是被冷却的。由此导致阀门材料的平均温度降低，延长了排气阀的使用寿命，而且可以采用比较便宜的阀座材料。阀座的耐久性进一步得到改善，借助流通空气的强气流，可以吹走任何残余的微粒，因此减少出现凹痕。

等待时间的合适范围是4～50毫秒(ms)。这个时间范围适用于具有大孔径的低速或中速发动机。如果等待时间变得小于4毫秒，此时需要的冷却条件变得相当恶劣，相反如果等待时间大于50毫秒，用于冷却的空气消耗量过大。

最好，在通气位置的阀杆与阀座表面相互之间的距离是0.02～0.5毫米，由此给出的通过通气间隙的空气流动速度达到音速，而且这个距离最好是0.05～0.2毫米，由此减少流出空气量的体积，以便保持压力基本上不受影响。

出现的凹痕可以进一步减少，其手段是在关闭运动的最后阶段，首先使阀杆移动到基本上关闭的位置，在此之后使阀杆短暂地立即向开启方向移动，然后再进入其完全关闭位置。通过首先进行靠近完全关闭位置的作用，任何在阀座表面之间存在的颗粒被挤压成为灰尘状材料，当阀杆随后短暂地开启时，出现较强的空气流，吹走被压碎的灰尘状材料与废气。在后续步骤中，完全关闭阀门，阀座表面不再有微粒，由此防止凹痕的出现。

为了限制载荷空气卸载，对于阀座表面的冷却和清洁作用可以按时间进行限制，以便朝着开启方向的短暂运动和进入完全关闭位置的运动发生在较短的时间内，这个时间比排气阀开启时间周期的十分之一还要短。

本发明还涉及用于内燃机的排气阀，其包括具有液压驱动器的阀杆，所述液压驱动器具有固定的压力缸，所述压力缸具有至少一个第一压力腔室和一个与之相关的驱动器活塞，在控制阀壳体/室中，一个控制阀至少能够连通第一压力腔室与高压口或低压口。

通过这样构造排气阀的结构可以获得更精确的控制，以便具有高压和低压口的控制阀的壳体可以沿纵向位移，而且，控制阀壳体的纵向位移与排气阀杆的开启和关闭位置之间的纵向位移成正比。当阀杆和与阀杆一起的壳体在需要的位置时，所述位置由阀柱的当前位置确定，此时通过壳体与阀杆一同位移，控制阀能够以简单的方式在液力作用下不产生作用。

最好，控制阀壳体相对于排气阀杆不能沿纵向运动，所以壳体和阀杆在相同的运动中位移，即，运动比为1∶1。另外，阀杆的位移可以相对于控制阀壳体的位移增加，例如产生预定的位移运动比是1∶2或1∶3，所以控制阀阀柱具有相当短的行程。

在特别简单的结构中，驱动器活塞构成控制阀的壳体。在另一种简单结构中，阀杆的上部分构成控制阀壳体。通过使驱动器本身直接由控制阀阀柱控制而不存在中间连接元件，因此对排气阀的控制变得直接了并且没有延迟因素。最少数量的控制部件提供了非常高的可靠性。

在一个实施例中，控制阀阀柱这样安装，使其在直线电动机的可移动的磁铁部件上没有纵向移动，直线电动机的固定线圈部件作为排气阀杆的延伸部分，以同轴方式安装。采用直线电动机调整控制阀阀柱提供的优点是简化了机械元件的结构，因为直线电动机可以根据来自控制单元的电信号，自由控制可移动部件的瞬时或当前位置及其运动速度。另外，在运行过程中，阀柱可以由一个凸轮轴上的凸轮驱动，但是，这需要在凸轮轴和发动机的曲轴之间具有同步运动，因此在发动机的工作循环过程中，要自由改变排气阀的运动模式受到限制。

当采用直线电动机时，最好在关闭和完全开启位置之间，直线电动机的可移动部件有比排气阀的最大移动距离长的行程。由此提供的优点是可以补偿因为磨损、温度等因素变化造成的排气阀长度的变化。由于直线电动机的特性在运动位置的终点附近区域可以变化，这种结构还提供了非常精确的控制方式。

下面参照示意性描绘的附图更详细地解释本发明。

图1是本发明的排气阀的示意图。

图2～4表示图1中所示排气阀执行运动过程的实施例的曲线图。

图5是一个更详细的实施例的局部侧剖视图。

图1表示内燃机气缸1的上部，所述内燃机可以是两冲程或四冲程发动机，其具有大气缸内径，例如气缸内径至少为200毫米，通常气缸内径的尺寸范围是240～1200毫米。例如，这种内燃机可以是用于推动船舶或者用于固定的动力生产设备的增压、常压、两冲程带滑块的发动机。排气阀2被安装在气缸最上部的气缸盖3中。借助单向排气排除气缸中的废气，排气口位于气缸的下部。排气阀也可以位于气缸盖中央以外的其它位置，例如，在气缸的侧壁上，或者在同一气缸盖上安装多个排气阀。

排气阀包括具有阀碟的阀杆4，阀碟具有上环形阀座表面，该环形阀座表面可以密封方式与气缸盖3处的固定的向下设置的阀座表面对接。在阀门封闭位置，排气阀阻挡燃烧腔室5和排气通道6之间连通。在阀门开启位置，阀杆4沿其纵向向下位移。

具有高压液流的高压导管7将高压液流，例如，压力范围在100～500巴、一般为150～300巴的流体引导进入控制阀室或壳体中的高压口8，如图5所示，在此实施例中，控制阀的壳体与阀杆4形成一体。低压导管10连接在控制阀壳体中的低压口11与用于液流的回流管。在气缸盖3的顶部一侧和阀门外壳底部的回流管连接低压导管10，以便排除任何泄漏的流体。低压导管可以围绕高压导管同轴设置，在大型发动机中，这是特别突出的优点，其中来自排气阀壳体的通道向下到达高压导管，并且平行于发动机设置，其长度有几米长。高压导管也可以向燃料射流驱动器供给液流。除了通过将低压导管和高压导管同轴设置以获得更大的空间外，在高压导管被破坏的情况下，低压导管还可以作为围绕高压导管设置的保护屏障。

在如图所示的实施例中，气动弹簧活塞13被固定到阀杆4上，并设置成可以在气动弹簧缸5中位移，因此，气动弹簧腔室14位于活塞的下方，并且从气动导管15中供给压缩空气。气动弹簧以向上的作用力、沿着关闭位置的方向，连续作用在阀杆4上。

电子控制单元16连接相关的气缸，当排气阀开启或关闭时，电子控制单元16从信号装置17接收数据。这个数据可以是来自另一个控制单元，例如是整个发动机的中央控制器的驱动信号，或者是来自曲轴的瞬时角度位置数据，以便根据来自另一个信号源18的信号，驱动在控制单元16中的开启和关闭次数，所述的基本信号，例如是瞬时发动机负载数据，或者是以预先确定的操作模式之一运行的发动机上的任何可能的信息，其中要求以特定方式驱动偏离标准操作模式的排气阀。

在阀杆4在关闭位置和开启位置之间运动的过程中，根据需要，控制单元16通过信号线19向排气阀发送设置信号，并且，通过信号线20控制单元16接收来自传感器测量的阀杆当前位置的信号，所述阀杆的当前位置是阀杆本身的位置，或是在控制阀中与阀柱21连接的元件的位置。

在控制阀中，机电转换器22将来自控制单元的电信号转换为阀柱21的线性位移。在未图示的实施例中，控制阀与阀杆4处于分开的位置，因此在控制阀口和下面所述的驱动器中的压力腔之间具有相当长的连接通道。但是，这种分开的结构可以使控制阀的纵向轴线朝着其它方向，而不是与阀杆的纵向轴线共轴，例如沿着水平方向取向。此外，由于具有分开的结构，转换器22可以是不随着阀杆4以相同方式运动的装置，而取而代之的是短的运动方式，这个短的运动方式通过放大装置转换成为与阀杆4需要的位移相同尺寸的线性运动。例如，阀柱的位移可以在放大装置中转换为阀杆的四行程位移，即，阀柱与阀杆沿着纵向方向位移比是1∶4。

通过使阀杆4沿着纵向位移，其位移量与阀柱的位移成正比，由于阀柱进而阀杆能进入选择的中间位置，借助电磁转换器22，在阀杆运动的任何给定时间，控制单元16都能使阀杆制动或加速。选择的位置可以是预先确定的中间位置，或者是常规计算的位置，由控制单元根据发动机当前的操作模式和/或排气阀的实际运动顺序的测量值计算该位置。参照附图2，其中描绘了一个运动顺序的实施例曲线图，其中表示阀杆向下的位移L是时间t的函数。在点a，排气阀完全关闭，并且控制阀的阀柱沿纵向的位移刚刚开始，因此驱动器以开启作用力作用在阀杆上，使阀杆产生最初的运动，使阀杆连续均匀地运动到达点b，在此位置阀柱的速度减慢到足够慢，因此气动弹簧的关闭作用力基本上足够引导阀杆4到达点c处的完全开启的最大位置1max而停止。然后阀杆保持在此位置，直到当转换器22使阀柱开始朝着开始位置的方向回移时，在点d，开始关闭运动。当阀杆接近关闭位置时，控制单元16使阀柱的速度减慢，直到在点e，阀杆进入停止状态，在这个离开关闭位置的短距离中，在阀座表面之间存在0.3mm的排气间隙。在这个狭窄的间隙中，空气以声速向外流动，其产生强大的冷却作用，但是，由于间隙非常窄，空气的流动体积/流量非常小。这种冷却作用在燃烧腔室的活塞23的上方，不会产生明显的压力损失。在停顿一段时间后，在点f排气阀完全关闭，上述停顿时间可以通过控制单元根据当前的运转模式和需要冷却程度之间的相互关系的经验值进行自由调整，或者根据实际测量的阀座材料的温度为基础进行调整，这适合于借助安装在固定阀座上的温度传感器来进行工作。

如果在特殊的运行条件下，要快速排空气缸，或者需要强化排除废气的作用，在使阀杆4速度减慢之前，控制单元16可以停顿一段较长时间，或者从点b’以强化减速来代替，如图2中虚线所示。以相应的方式，虚线表示根据需要，关闭运动可以加速，例如，由于运行条件的暂时变化，使阀柱朝着开启位置方向的运动加快，直到在点f’阀门关闭。

图3表示阀门的关闭顺序，其中阀杆首先被短暂地带到点f”的关闭位置，然后在点e立即再开启，进入通气位置。如上所述，这可使关闭的阀座之间捕获的任何颗粒被挤压或吹走。阀座不暴露于强作用力状态，直到燃料压力开始作用在阀碟上，并且阀门临时关闭，因此在阀座材料上不会产生大的冲击，因此不会形成凹痕。在停顿合适的一段时间后，阀杆4位移到完全关闭位置，以点f表示。

当发动机在部分载荷作用下运行时，发动机每转需要排出的气体体积量很小。因此，不需要使阀杆移动到完全开启位置。通过控制单元16驱动阀柱，以便尽快减速直到停止，如图4所示。阀杆4仅仅向下移动很小的距离，由此降低液流的消耗。如果在导管7中的小液流量反常，控制单元接收警报信号，也可以选择较短暂的开启运动。

下面描述本发明的另一个实施例，其中采用与前面实施例相同的标号来表示具有相同功能的零部件。

图5表示与驱动器的活塞部件和控制阀形成整体的阀杆4的顶部。图中的左半部分表示处于开始位置的控制阀和驱动器，在此位置，排气阀关闭。图中的右半部分表示排气阀开启。阀杆4以压力密封方式向上移动，进入驱动器壳体24中的中央孔的下部25，所述壳体24在顶部带有端盖26，端盖26具有向下延伸的、用于转换器22的管状护套27。转换器22与阀杆4同轴安装。转换器22可以是瑞士SULZER ELECTRONICS AG生产的、商标为Linmot、型号为P01-23×160的直线电动机，其最大冲程达到140毫米。转换器具有固定线圈部件和可移动的在杆件上形成的磁铁部件31，在其下端，在控制阀中设置的阀柱不能相对于部件31沿纵向位移。

在驱动器壳体中，固定着用于第一压力腔室29的一端底部28，阀杆4顶部的环形壁30以压力密封方式向上伸出，并且位于端底部圆柱形内表面37和管状护套27的圆柱形外表面之间。驱动器活塞包括第一活塞部件32和第二活塞部件34，第一活塞部件32具有向上的第一开口区域33，所述开口区域33由环形活塞部件的外径和内径限定，而且，第二活塞部件34也具有向上的开口区域35。在开始位置，第一活塞部件与第二活塞部件的环形上表面对接，总的开口区域相应于环形部分的区域，这个环形部分区域由活塞部件32的外表面和环形壁30的外表面限定，所述活塞部件32的外表面以压力密封方式沿着腔室的内表面滑动，所述环形壁30的外表面以压力密封方式沿着端底部的圆柱形内表面37滑动。

在驱动器活塞向下运动的过程中，第一活塞部件32座落在驱动器压力缸内表面的台阶38上，并且停止运动，此时，只有第二活塞部件继续运动。在开启运动的剩余部分，开口区域减小到环形部分区域，这个环形部分区域由活塞部件34的外表面和环形壁30的外表面限定，所述活塞部件34的外表面沿着压力缸内表面36滑动。

驱动器活塞还包括关闭区域39，其相应于环形部分区域，这个环形部分区域由阀杆4的外表面和活塞部件34的外表面限定，所述阀杆4的外表面沿着驱动器壳体的下部25以压力密封方式滑动。所述活塞部件34的外表面沿着内表面36滑动。这个关闭区域位于第二压力腔室40中。

高压导管7在第二压力腔室40处连通驱动器腔室，并且由通道41导入高压口8。低压导管10连通驱动器腔室中端底部28上方的空腔，通道42连通低压口11和上述腔室。控制阀的阀柱21具有小直径的中间部分和两个圆柱形端部，这两个圆柱形端部以压力密封方式与控制阀壳体45中圆柱形孔的内表面相靠，如附图中的实施例所示，控制阀壳体45在阀杆4的上部直接形成。通过短的通道43，控制口与第一压力腔室持续连通。在控制阀柱的中间位置，阀柱的两端部分才正好阻塞高压和低压口。当阀柱21相对于驱动活塞向下位移时，高压口暴露，使得流体进入第一压力腔室，由此使驱动器活塞与阀杆4向下位移，直到高压口被再次关闭。当阀柱21向上相对于驱动器活塞位移时，低压口暴露，使得流体流出第一压力腔室，由此使驱动器活塞与阀杆4向上位移直到低压口被再次关闭。因此，随着阀柱21的位移运动，严格控制驱动器活塞的运行。

由于采用这种控制方式，驱动器活塞的开口和关闭区域可以相当大，留出剩余的作用力来调整阀杆4，这可以保证快速精确地调整运动。由于允许具有剩余的作用力，活塞面积的尺寸可以根据高压导管7中的最小可调整压力来计算，以致在导管中压力的变化只能导致剩余作用力增加。

当驱动器执行调整运动时，流体流动并冷却驱动器。在图5所示的实施例中，控制阀与驱动器活塞形成一体，其优点是从控制口到腔室29的通道43的长度最小，因此在阀柱调整和驱动器活塞的运动之间的控制连接直接准确可靠，并且输出损失最小。

排出通道44可以保持在第一活塞部件32下方的空间清洁，排除任何渗漏的流体。在图5所示的实施例中，不需要与阀杆4上设置的气动弹簧一起使用。如果采用气动弹簧，可以省略第一关闭区域39，另外，当确定这个区域的尺寸时，应当考虑气动弹簧也具有关闭作用力。

上面所述用于保持排气阀在最后阶段、冷却通风位置和挤压、吹开任何微粒的方法也可以用于连接其它驱动器，例如，凸轮控制驱动器，但是，上面所述的实施例特别适用，这是因为其具有精确调整的功能。

还可以对图5所示的实施例进行修改。例如，将驱动器活塞与阀杆4分开制造并分开，并且将驱动器活塞作为阀杆4的延伸部分，可以借助螺栓连接件、螺纹连接件或销钉连接件，将该连接件插入两个部件的横向穿孔中，或者借助其它沿轴线方向设置的机械固定装置。对于驱动器活塞本身，控制阀壳体还可以形成分开的元件，将其插入并且固定在驱动器活塞的孔中。这个固定结构可以由锥形壳体的外表面制成，活塞的孔具有相应的锥形表面，其与壳体压力接触，或者部件可以热压配合或用螺纹连接在一起。

Claims (14)

1.一种用于驱动内燃机的排气阀(2)的方法，其中排气阀由控制阀的阀柱(21)开启，所述阀柱沿纵向位移以便在一个驱动器中连通一个高压口(8)与一个第一压力腔室(29)，在此，驱动器的活塞(32、34)与排气阀的阀杆(4)一起朝着排气阀的开启位置位移，而且控制阀的阀柱(21)沿纵向位移，以便当排气阀关闭时，连通一个低压口(11)与第一压力腔室(29)，其特征是：排气阀的阀杆(4)沿纵向的位移与控制阀的阀柱(21)的纵向位移成正比，例如，1∶1，以致阀杆可以位于完全开启和完全关闭之间的选定位置，在排气阀的关闭和开启位置之间，排气阀的阀杆(4)与控制阀的阀柱(21)基本上同步运动。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征是：排气阀关闭运动的最后阶段由控制阀主动控制。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征是：从发动机的一个工作循环到下一个循环，在运动路径的预定阶段中排气阀的速度是变化的。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征是：在排气阀到达完全开启位置之前，排气阀的开启运动在开启中间位置停止。

5.按照权利要求2所述的方法，其特征是：在关闭运动的最后阶段，阀杆(4)保持在通风位置一段时间，在此通风位置，在排气阀的阀座表面之间具有通风间隙，然后，阀杆移动到其完全关闭位置。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征是：阀杆(4)保持在通风位置一段时间的范围是4～50毫秒。

7.按照权利要求5所述的方法，其特征是：在通风位置，阀杆(4)与阀座表面保持一段距离，其范围为0.02～0.5毫米，最好是0.05～0.2毫米。

8.按照权利要求3～7之一所述的方法，其特征是：在关闭运动的最后阶段，阀杆(4)首先运动到基本上关闭的位置，然后，立即短暂地向开启位置方向移动，再进入其完全关闭位置。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征是：向开启位置方向的短暂移动和进入完全关闭位置的运动发生在比排气阀开启的期间的十分之一还短的时间内。

10.一种用于内燃机的排气阀，其包括具有液压驱动器的阀杆(4)，所述液压驱动器具有固定的压力缸，所述压力缸具有至少一个第一压力腔室(29)和相关的驱动器活塞(32、34)，在控制阀壳体中，控制阀至少能够连通第一压力腔室与高压口(8)或低压口(11)，其特征是：具有高压口和低压口的控制阀壳体能够沿纵向位移，并且，控制阀壳体的纵向位移与排气阀杆(4)在开启和关闭位置之间的纵向位移成正比。

11.按照权利要求10所述的排气阀，其特征是：控制阀壳体(45)不能相对于排气阀杆沿纵向位移。

12.按照权利要求10所述的排气阀，其特征是：驱动器活塞或阀杆的上部构成控制阀壳体(45)。

13.按照权利要求10～12之一所述的排气阀，其特征是：控制阀阀柱(21)安装成不能在一个直线电动机的可移动磁铁部件(31)上纵向移动，所述直线电动机的固定线圈部分以同轴方式安装在排气阀杆(4)的延伸部分上。

14.按照权利要求13所述的排气阀，其特征是：直线电动机的可移动部分(31)具有比关闭和完全开启位置之间的排气阀最大行程之间更长的行程。

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