CN218862754U - 一种活塞与发动机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及发动机技术领域，尤其涉及一种活塞与发动机，活塞包括活塞本体及活塞环；活塞环包括：气环，横断面为偏心桶面，气环上设有第一涂层，摩擦系数为0.01～0.02；及组合油环，组合油环包括衬环及刮环，刮环的横断面为偏心桶面，偏心线位于中心线下方；刮环上设有第二涂层，摩擦系数为0.03～0.04。本申请的活塞，气环与刮环均为偏心桶面结构，偏心桶面的偏心线位于中心线下方，因此，当气环与组合油环随活塞下行时，可将气环与气缸壁之间、刮环与气缸壁之间的楔形油膜厚度减薄，从而降低机油消耗。同时，气环上设有第一膜层，组合油环的刮环上设有第二膜层，第一膜层与第二膜层的摩擦系数低，使得活塞工作时的摩擦功耗进一步减小，提高了发动机的热效率。

Description

一种活塞与发动机

【技术领域】

本申请涉及发动机技术领域，尤其涉及一种活塞与发动机。

【背景技术】

活塞是发动机中的主要配件，安装在气缸中，燃气燃烧的作用力冲击活塞后，活塞通过活塞销和连杆把作用力转换为动力传给曲轴，以完成发动机的工作过程。在燃料燃烧过程中，需要在活塞上设置活塞环，保持活塞与气缸壁之间的密封，通常活塞环主要包括两道气环及一道油环，气环主要用于密封燃烧室，防止燃烧室内气体窜漏进入曲轴箱内，油环的作用是防止润滑机油窜入燃烧室，同时将气缸壁上过量的润滑机油刮回到油底壳。

但现有的活塞环中气环与油环向下刮油的效果一般，使得气缸壁上的机油得不到有效的清理，未刮下的机油上窜至燃烧室与混合气一起燃烧，引起烧机油现象，机油消耗大。并且随着越来越严苛的排放法规的实施，对发动机的热效率与经济性提出了更高的要求，现有的活塞环的外周面摩擦系数高，使得活塞的摩擦功耗大，进而降低了发动机的热效率，无法满足混合动力发动机高热效率的要求。

【实用新型内容】

鉴于此，本申请提供一种活塞与发动机，通过活塞环上的偏心桶面结构，将气环与气缸壁之间、刮环与气缸壁之间的楔形油膜厚度减薄，提高活塞环的向下刮油效果；并且通过低摩擦系数的第一膜层及第二膜层，减少活塞的摩擦功耗，进而提高发动机的热效率。

第一方面，本申请提供一种活塞，所述活塞包括活塞本体及活塞环，所述活塞本体上开设有安装环槽，所述活塞环套设于所述安装环槽内；所述活塞环包括：

气环，所述气环的横断面为偏心桶面，沿竖直方向所述气环的偏心桶面的偏心线位于中心线下方；所述气环上设有第一涂层，所述第一涂层的摩擦系数为0.01～0.02；及

组合油环，所述组合油环包括衬环及卡设于所述衬环与所述安装环槽的壁面之间的刮环，所述刮环的横断面为偏心桶面，沿竖直方向所述刮环的偏心桶面的偏心线位于中心线下方；所述刮环上设有第二涂层，所述第二涂层的摩擦系数为0.03～0.04。

在一些实施方式中，所述气环的偏心线与中心线的竖直距离为0.2mm～0.6mm。

在一些实施方式中，所述气环的偏心桶面的最外圈与底圈的水平距离为0.05mm～0.2mm。

在一些实施方式中，所述第一涂层为DLC涂层、PVD涂层、氮化涂层中的一种。

在一些实施方式中，所述刮环的偏心线与中心线的竖直距离为0.05mm～0.18mm。

在一些实施方式中，所述刮环的偏心桶面的最外圈与底圈的水平距离为0.05mm～0.15mm在一些实施方式中，所述第二涂层为PVD涂层、DLC涂层、氮化涂层中的一种。

在一些实施方式中，所述活塞本体包括活塞顶部、活塞头部及活塞裙部；

所述安装环槽开设于所述活塞头部上，包括沿轴向设置的第一气环槽、第二气环槽及油环槽。

在一些实施方式中，所述气环及所述组合油环为具有弹性的开口环。

第二方面，本申请提供一种发动机，所述发动机包括第一方面任一项所述的活塞。

采用上述技术方案后，有益效果是：

本申请提供的活塞，套设于活塞主体上的气环与组合油环的刮环均为偏心桶面结构，且偏心桶面的偏心线位于中心线下方，因此，在活塞的工作过程中，当气环与组合油环随活塞上行时，气环与气缸壁之间、刮环与气缸壁之间的楔形油膜厚度增加，可减少活塞的运动阻力，减小活塞的摩擦功耗；当气环与组合油环随活塞下行时，再将气环与气缸壁之间、刮环与气缸壁之间的楔形油膜厚度减薄，从而降低机油消耗。同时，气环上设有第一膜层，组合油环的刮环上设有第二膜层，第一膜层与第二膜层的摩擦系数低，使得活塞工作时的摩擦功耗进一步减小，提高了发动机的热效率。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的活塞的气环的截面图；

图2为本申请提供的活塞的组合油环的截面图。

附图标记：

1-气环；

11-偏心线；12-中心线；

2-组合油环；

21-衬环；22-刮环。

【具体实施方式】

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

活塞是发动机中的主要配件，安装在气缸中，燃气燃烧的作用力冲击活塞后，活塞通过活塞销和连杆把作用力转换为动力传给曲轴，以完成发动机的工作过程。在燃料燃烧过程中，需要在活塞上设置活塞环，保持活塞与气缸壁之间的密封，通常活塞环主要包括两道气环及一道油环，气环主要用于密封燃烧室，防止燃烧室内气体窜漏进入曲轴箱内，油环的作用是防止润滑机油窜入燃烧室，同时将气缸壁上过量的润滑机油刮回到油底壳。

但现有的活塞环中气环与油环向下刮油的效果一般，使得气缸壁上的机油得不到有效的清理，未刮下的机油上窜至燃烧室与混合气一起燃烧，引起烧机油现象，机油消耗大。并且随着越来越严苛的排放法规的实施，对发动机的热效率与经济性提出了更高的要求，现有的活塞环的外周面摩擦系数高，使得活塞的摩擦功耗大，进而降低了发动机的热效率，无法满足混合动力发动机高热效率的要求。

鉴于此，本申请提供一种活塞，活塞包括活塞本体及活塞环，活塞本体上开设有安装环槽，活塞环套设于安装环槽内；活塞环包括：

气环1，气环1的横断面为偏心桶面，沿竖直方向气环1的偏心桶面的偏心线11位于中心线12下方；气环1上设有第一涂层，第一涂层的摩擦系数为0.01～0.02；及

组合油环2，组合油环2包括衬环21及卡设于衬环21与安装环槽的壁面之间的刮环22，刮环22的横断面为偏心桶面，沿竖直方向刮环22的偏心桶面的偏心线11位于中心线12下方；刮环22上设有第二涂层，第二涂层的摩擦系数为0.03～0.04。

上述方案中，套设于活塞主体上的气环1与组合油环2的刮环22均为偏心桶面结构，且偏心桶面的偏心线11位于中心线12下方，因此，在活塞的工作过程中，当气环1与组合油环2随活塞上行时，气环1与气缸壁之间、刮环22与气缸壁之间的楔形油膜厚度增加，可减少活塞的运动阻力，减小活塞的摩擦功耗；当气环1与组合油环2随活塞下行时，再将气环1与气缸壁之间、刮环22与气缸壁之间的楔形油膜厚度减薄，从而降低机油消耗。同时，气环1上设有第一膜层，组合油环2的刮环22上设有第二膜层，第一膜层与第二膜层的摩擦系数低，使得活塞工作时的摩擦功耗进一步减小，提高了发动机的热效率。

在一些实施方式中，活塞安装于气缸内，承受气缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴；此外，活塞还与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室，由于气缸内为高温、高压及高往复惯性力的环境，在活塞的工作过程中，持续高温容易导致活塞的机械强度下降，高负荷运行容易导致活塞开裂或变形，因此可选用兼具高强度、高硬度、良好的导热性且耐高温、耐高压的活塞。可选的，本申请使用的活塞可以为铸铁活塞、钢活塞、铝合金活塞或组合活塞等，采用铸铁材质，活塞的耐磨性能好，且制备成本低；采用钢材质，活塞的强度高，耐热性能好；采用铝合金材质，活塞的重量小，可以降低发动机的总成重量，且热膨胀系数小；采用组合式，活塞的不同部位可根据不同的工作需求选择性能不同的材质，活塞具有更好的机械性能。可根据实际需要选择活塞的种类，在此不做限定。

活塞包括活塞本体及套设于活塞本体上的活塞环，活塞本体包括活塞顶部，活塞头部及活塞裙部，具体的：

活塞顶部为活塞头部的端面，与气缸壁围合形成燃烧室，压缩空气及燃料在燃烧室内混合后燃烧，燃烧室内的气体燃烧膨胀后作用于活塞顶部，进而推动活塞的上下运动。因此，为了使得燃烧室的结构紧凑，活塞顶部通常呈平面结构或呈曲面结构，活塞顶部设置为平面结构时，活塞顶部形成工艺简单，但平面较曲面的吸热面积小，使得燃烧室的压缩比偏小、气缸内无法形成较强流场运动，可燃混合气体的燃烧时间变长，容易降低发动机的热效率；活塞顶部为曲面结构时，可以减小燃烧室容积，进而提高发动机的压缩比，使得发动机的热效率高，但曲面结构形成工艺复杂。也可以为其他结构的活塞顶部，可根据实际需要选择，在此不做限定。

活塞头部为活塞的主要功能部分，主要功能包括：活塞头部可以提供安装位，即活塞头部上沿轴向开设有多条安装环槽，用于密封的活塞环可以套设在安装环槽内；或者，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气体进入曲轴箱内；或者，活塞头部可以吸收活塞顶部传来的热量，再将热量通过活塞环传递至气缸壁上进行散热过程。

活塞裙部为椭圆结构，位于活塞头部下方，与活塞头部一体成型设置，引导活塞在气缸中做往复运动并承受气缸壁对活塞的侧压力，防止楔形油膜被破坏。因此，活塞裙部需要具备一定的高度，若活塞裙部的高度过小，即活塞裙部与气缸壁的接触面积过小，活塞工作过程中，运动的稳定性差；若活塞裙部的高度过大，即活塞裙部与气缸壁的接触面积过大，摩擦做工变大，会降低发动机的热效率。可根据实际需要选择活塞裙部的高度，在此不做限定。

套设于活塞头部上的活塞环用于燃烧室的密封过程，防止燃烧室内的气体进入油底壳。具体的，活塞环包括第一气环1、第二气环1及组合油环2，活塞头部的安装环槽包括沿轴向设置的第一气环槽、第二气环槽及油环槽，当第一气环1套设于第一气环槽内、第二气环1套设于第二气环槽内、组合油环2安装于油环槽内时，第一气环1、第二气环1及组合油环2与气缸壁紧贴，保证活塞与气缸壁之间的良好密封。

在一些实施方式中，气环1安装至安装环槽后，与安装环槽在竖直方向上形成第一密封面，与气缸壁在水平方向上形成第二密封面，通过第一密封面与第二密封面，气环1可进行密封过程。具体的，气环1具备一定的弹性，在自由状态下，气环1的外径大于气缸的内径，使得气环1安装至安装环槽内后，气环1的外表面在弹力的作用下紧贴在气缸壁上，形成第一密封面；同时，气环1随活塞上行或下行时，气环1的运动过程中在运动的惯性力、气体的压力及气缸壁的摩擦力的作用下，紧贴在安装环槽的上侧或下侧，形成第二道密封面，进而燃烧室内的气体无法穿过活塞后进而油底壳。

需要说明的是，由于气环1在安装至安装环槽内时，气环1与安装环槽之间存在侧隙及背隙，侧隙为气环1在高度方向与安装环槽的间隙，背隙为气环1在水平方向与安装环槽底部的间隙，侧隙与背隙在活塞的运动过程中，会产生泵油作用，即当活塞在气缸中向下运动时，气缸壁上的机油就通过活塞环的下方侧隙进入背隙，当活塞在气缸中向上运动时，机油就从活塞环的背隙进入上方侧隙，然后被送入燃烧室参与燃烧，此过程在发动机运行过程中反复不断的进行，使得机油的消耗量增大。

因此，可以通过改变气环1的结构，降低气环1的泵油作用。可选的，气环1的横断面形状可以为矩形、锥形、梯形、桶面形等；矩形环的结构简单，容易制备，且与气缸壁接触面积大，有利于活塞的散热过程，但易泵油；锥形环和气缸壁为线接触，线接触可以增大气环1与气缸壁接触压力，进一步增强密封效果，但线接触也会导致气环1与气缸壁之间的传热效果差；梯形环的断面呈梯形，安装在安装环槽内时，梯形环的侧隙、背隙可在运动过程中发生变化，将机油挤出，抗机油黏结性好，但加工精度高，加工困难；桶形环的外圆面为圆弧形，使得活塞在气缸内不论上行或下行均能形成楔形油膜，将气环1浮起，减轻气环1和气缸壁的磨损，但圆弧面的加工困难。可根据实际需要进行选择，在此不做限定。

优选的，本申请使用的气环1的横断面为偏心桶面，沿竖直方向，偏心桶面的偏心线11位于中心线12的下方。具体的，将气环1沿竖直方向将气环1等分为厚度相同的第一部分与第二部分，第一部分与第二部分的接触面的高度即为气环1的中心线12位置，偏心线11位于第二部分上。此时，由于偏心线11位于第二部分上，第一部分的顶面至偏心线11之间的弧度变化速度小于偏心线11至第二部分的底面的弧度变化速度，气环1向下移动刮机油的过程中，由于弧度变化较大，即气环1的外周面斜度更大，外周面对机油沿竖直方向的推力增大，且沿水平方向的推力减小，机油被沿竖直方向刮下的速度加快，单位时间内可刮下更多的机油，进而抑制气环1的泵油作用。

本申请的气环1的偏心线11与中心线12的竖直距离为0.2mm～0.6mm，即偏心线11向下偏移的距离为0.2mm～0.6mm，且偏心桶面的最外圈与底圈的水平差值为0.05mm～0.2mm，可选的，偏心线11与中心线12的竖直距离具体可以为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm等，偏心桶面的最外圈与底圈的水平差值具体可以为0.05mm、0.08mm、0.11mm、0.14mm、0.17mm、0.2mm等，也可以为范围内的其它数值，可根据实际需要进行选择，在此不做限定。若偏心线11向下偏移的距离过大或偏心桶面的最外圈与底圈的水平差值过大，当气环1与组合油环2随活塞下行时，气环1与气缸壁之间的楔形油膜厚度过薄，气环1的摩擦损耗高；若偏心线11向下偏移的距离过小或偏心桶面的最外圈与底圈的水平差值过小，即中心线12与偏心线11的间距过小，甚至两者重合，气环1的上行及下行形成的楔形油膜厚度无变化，气环1的向下刮油效果无提升，机油的消耗量大。

进一步的，由于活塞的运动过程中，气环1与气缸壁抵接且发生相对滑动，滑动过程中，气环1与气缸壁的摩擦功会降低发动机的热效率，因此，本申请的气环1上设有第一涂层，第一涂层为DLC涂层、PVD涂层、氮化涂层中的一种，设置第一涂层，第一涂层具有低的摩擦系数，进而可减小气环1与气缸壁的摩擦损耗。具体的，本申请使得的第一涂层为DLC涂层，且DLC涂层的摩擦系数为0.01～0.02，可选的，第一涂层的摩擦系数具体可以为0.01、0.011、0.012、0.013、0.014、0.015、0.016、0.017、0.018、0.019、0.02等，也可以为范围内的其它数值，在此不做限定。若第一涂层的摩擦系数过低，涂层的制备困难，活塞的制备成本升高；若第一涂层的摩擦系数过高，活塞的摩擦功耗高，发动机的热效率低。

在一些实施方式中，安装于气环1下方的组合油环2的作用是活塞上行时，组合油环2使飞溅在气缸壁上的润滑油均匀分布，有利于活塞、活塞环和气缸壁的润滑，方便活塞的工作过程；活塞下行时，组合油环2刮除气缸壁上多余的机油，防止机油窜入燃烧室燃烧，进一步减少机油损耗。

本申请的组合油环2包括衬环21及两个刮环22，刮环22可通过衬环21安装至油环槽内，具体的，衬环21为中间衬簧，在使用过程中，先将中间衬簧安装至油环槽内，此时，由于刮环22的外径大于气缸直径，且两个刮环22之间的竖直距离大于油环槽的高度，当刮环22安装至中间衬簧与油环槽之间的间隙中时，中间衬簧在竖直方向及水平方向均受到压缩，使得刮环22被压向气缸壁及油环槽的壁面上，进而组合油环2可起到密封作用。

进一步的，为了提高组合油环2的刮油及布油效果，可将刮环22的横断面为偏心桶面，沿竖直方向，偏心桶面的偏心线11位于中心线12的下方。具体的，将刮环22沿竖直方向将刮环22等分为厚度相同的第一部分与第二部分，第一部分与第二部分的接触面的高度即为刮环22的中心线12位置，偏心线11位于第二部分上。此时，由于偏心线11位于第二部分上，第一部分的顶面至偏心线11之间的弧度变化速度小于偏心线11至第二部分的底面的弧度变化速度，刮环22向下移动刮机油的过程中，由于弧度变化较大，即刮环22的外周面斜度更大，外周面对机油沿竖直方向的推力增大，且沿水平方向的推力减小，机油被沿竖直方向刮下的速度加快，单位时间内可刮下更多的机油，组合油环2的刮油效果增强。

本申请的刮环22的偏心线11与中心线12的竖直距离为0.05mm～0.18mm，即偏心线11向下偏移的距离为0.05mm～0.18mm，且偏心桶面的最外圈与底圈的水平差值为0.05mm～0.15mm，可选的，偏心线11与中心线12的竖直距离具体可以为0.05mm、0.07mm、0.09mm、0.11mm、0.13mm、0.15mm、0.17mm、0.18mm等，偏心桶面的最外圈与底圈的水平差值具体可以为0.05mm、0.07mm、0.09mm、0.11mm、0.13mm、0.15mm等，也可以为范围内的其它数值，可根据实际需要进行选择，在此不做限定。若偏心线11向下偏移的距离过大或偏心桶面的最外圈与底圈的水平差值过大，当刮环22与组合油环2随活塞下行时，刮环22与气缸壁之间的楔形油膜厚度过薄，刮环22的摩擦损耗高；若偏心线11向下偏移的距离过小或偏心桶面的最外圈与底圈的水平差值过小，即中心线12与偏心线11的间距过小，甚至两者重合，刮环22的上行及下行形成的楔形油膜厚度无变化，刮环22的布油效果好，但向下刮油效果无提升，不能减少机油的消耗量。

进一步的，由于活塞的运动过程中，刮环22与气缸壁抵接且发生相对滑动，滑动过程中，刮环22与气缸壁的摩擦功会降低发动机的热效率，因此，本申请的刮环22上设有第二涂层，第二涂层为PVD涂层、DLC涂层、氮化涂层中的一种，设置第二涂层，第二涂层具有低的摩擦系数，进而可减小刮环22与气缸壁的摩擦损耗。具体的，本申请使得的第二涂层为PVD涂层，且PVD涂层的摩擦系数为0.01～0.02，可选的，第二涂层的摩擦系数具体可以为0.03、0.031、0.032、0.033、0.034、0.035、0.036、0.037、0.038、0.039、0.04等，也可以为范围内的其它数值，在此不做限定。若第二涂层的摩擦系数过低，涂层的制备困难，活塞的制备成本升高；若第二涂层的摩擦系数过高，活塞的摩擦功耗高，发动机的热效率低。

在实际应用过程中，先将衬环21安装至油环槽内，再将两个刮环22安装至中间衬簧与油环槽之间的间隙，使得刮环22被压向气缸壁及油环槽的壁面上，组合油环2的安装完成，此时再将两个气环1安装至第一气环槽与第二气环槽内，最后将活塞安装至气缸内，气环1、组合油环2与安装环槽及气缸的壁面贴合，活塞环起到密封作用。

当活塞在气缸内上行时，第一涂层与第二涂层减少活塞与气缸壁之间的摩擦损耗，且偏心结构的刮环22在气缸壁上形成第一楔形油膜，同时，偏心结构的刮环22辅助形成第二楔形油膜，活塞环的布油过程完成，便于活塞的运动过程；当活塞在气缸内下行时，偏心结构的刮环22将第一楔形油膜刮下，气环1将第二楔形油膜刮下，防止活塞再次上行时，多余的机油泵入燃烧室内，进而降低了机油的消耗量。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种活塞，所述活塞包括活塞本体及活塞环，所述活塞本体上开设有安装环槽，所述活塞环套设于所述安装环槽内；其特征在于，所述活塞环包括：

气环(1)，所述气环(1)的横断面为偏心桶面，沿竖直方向所述气环(1)的偏心桶面的偏心线(11)位于中心线(12)下方；所述气环(1)上设有第一涂层，所述第一涂层的摩擦系数为0.01～0.02；及

组合油环(2)，所述组合油环(2)包括衬环(21)及卡设于所述衬环(21)与所述安装环槽的壁面之间的刮环(22)，所述刮环(22)的横断面为偏心桶面，沿竖直方向所述刮环(22)的偏心桶面的偏心线(11)位于中心线(12)下方；所述刮环(22)上设有第二涂层，所述第二涂层的摩擦系数为0.03～0.04。

2.根据权利要求1所述活塞，其特征在于，所述气环(1)的偏心线(11)与中心线(12)的竖直距离为0.2mm～0.6mm。

3.根据权利要求1所述活塞，其特征在于，所述气环(1)的偏心桶面的最外圈与底圈的水平距离为0.05mm～0.2mm。

4.根据权利要求1所述活塞，其特征在于，所述第一涂层为DLC涂层、PVD涂层、氮化涂层中的一种。

5.根据权利要求1所述活塞，其特征在于，所述刮环(22)的偏心线(11)与中心线(12)的竖直距离为0.05mm～0.18mm。

6.根据权利要求1所述活塞，其特征在于，所述刮环(22)的偏心桶面的最外圈与底圈的水平距离为0.05mm～0.15mm。

7.根据权利要求1所述活塞，其特征在于，所述第二涂层为PVD涂层、DLC涂层、氮化涂层中的一种。

8.根据权利要求1所述活塞，其特征在于，所述活塞本体包括活塞顶部、活塞头部及活塞裙部；

所述安装环槽开设于所述活塞头部上，包括沿轴向设置的第一气环槽、第二气环槽及油环槽。

9.根据权利要求1所述活塞，其特征在于，所述气环(1)及所述组合油环(2)为具有弹性的开口环。

10.一种发动机，其特征在于，所述发动机包括权利要求1～9任一项所述的活塞。

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