DE102010049918A1 - Supercharged internal combustion engine for cooling lithium ion battery of hybrid vehicle, has absorption refrigeration device designed such that refrigeration device uses heat energy contained in air for cooling electrical energy storage - Google Patents

Supercharged internal combustion engine for cooling lithium ion battery of hybrid vehicle, has absorption refrigeration device designed such that refrigeration device uses heat energy contained in air for cooling electrical energy storage Download PDF

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Abstract

The engine (1) has an exhaust-gas turbocharger (2), and an absorption refrigeration device (5) arranged downstream of a compressor (4) of the exhaust-gas turbocharger. The absorption refrigeration device is designed such that the absorption refrigeration device uses heat energy contained in compressed supercharged air for cooling an electrical energy storage (6) e.g. lithium ion battery. An intercooler (7) is arranged downstream to the compressor of the exhaust-gas turbocharger and connected with the absorption refrigeration device in a heat transfer manner. An independent claim is also included for a method for cooling an electrical energy storage of a motor vehicle with a supercharged internal combustion engine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hybridfahrzeug mit einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs.The present invention relates to a supercharged internal combustion engine of a motor vehicle, with an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a hybrid vehicle with such supercharged internal combustion engine, and a method for cooling an electrical energy storage of a motor vehicle.

Hybridfahrzeuge werden in Verbindung mit Hochleistungsbatterien (z. B. Lithium-Ionen-Batterien) betrieben, wobei diese Batterie entsprechend ihrem Betrieb (Laden und Entladen) und der dabei entstehenden Abwärme gekühlt werden müssen, um die Batterie innerhalb einer vordefinierten Betriebstemperatur halten zu können. Dies erfolgt üblicherweise über Kühlluft oder auch über eine thermische Kopplung der Batterie mit einer Klimaanlage, wobei die Klimaanlage (Kompressionskälteanlage) für einen Kältemittelverdichter eine mechanische oder elektrische Antriebsleistung benötigt, die wiederum vom Antriebssystem des Hybridfahrzeuges zur Verfügung gestellt werden muss und dadurch den gesamten Wirkungsgrad des Antriebssystems reduziert bzw. den Kraftstoff-/Energieverbrauch erhöht. Eine Möglichkeit diese mechanische bzw. elektrische Antriebsleistung für den Kältemittelverdichter zu eliminieren besteht darin, für die Kühlung der Fahrzeugbatterie eine Absorptionskältemaschine zu verwenden, die über die thermische Energie eines Brenners oder eines Heizelements angetrieben wird. Nachteilig ist aber auch hierbei, dass für den Brenner oder für ein entsprechendes Heizelement Energie bzw. Kraftstoff zur Verfügung gestellt werden muss.Hybrid vehicles are operated in conjunction with high-performance batteries (eg lithium-ion batteries), which battery must be cooled according to their operation (charging and discharging) and the resulting waste heat in order to keep the battery within a predefined operating temperature. This is usually done via cooling air or via a thermal coupling of the battery with an air conditioner, the air conditioning (compression refrigeration) for a refrigerant compressor requires a mechanical or electrical drive power, which in turn must be provided by the drive system of the hybrid vehicle available and thereby the overall efficiency of Drive system reduces or increases the fuel / energy consumption. One way to eliminate this mechanical or electrical drive power for the refrigerant compressor is to use for the cooling of the vehicle battery an absorption chiller, which is driven by the thermal energy of a burner or a heating element. However, it is also disadvantageous here that energy or fuel must be made available for the burner or for a corresponding heating element.

Aus der DE 103 33 219 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlanordnung bekannt, wobei die Kühlanordnung eine Absorptionskühleinrichtung aufweist. Die zum Antrieb der Absorptionskühleinrichtung erforderliche thermische Leistung wird dabei dem Fahrzeug entnommen, vorzugsweise im Bereich eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors. Hierdurch soll die für die erforderliche Antriebsleistung benötigte thermische Energie kostenfrei abgezweigt werden.From the DE 103 33 219 A1 a motor vehicle with a cooling arrangement is known, wherein the cooling arrangement comprises an absorption cooling device. The thermal power required to drive the absorption cooling device is taken from the vehicle, preferably in the region of an exhaust gas flow of the internal combustion engine. As a result, the required for the required drive power thermal energy is diverted free of charge.

Aus der EP 1 391 665 B1 ist eine weitere Absorptionskältemaschine sowie eine Verwendung derselben in einem Energieumwandlungssystem bekannt.From the EP 1 391 665 B1 For example, another absorption refrigeration machine and use thereof in an energy conversion system is known.

Schließlich ist aus der DE 10 2008 039 908 A1 eine Absorptionskältemaschine bzw. eine Absorptionskälteeinrichtung bekannt, die zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie verwendet wird. Die Absorptionskältemaschine ist dabei über einen Kältemittelkreislauf und einen entsprechendem Wärmetauscher mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs Wärme übertragend verbunden und entnimmt diesem die für den Antrieb der Absorptionskältemaschine erforderliche thermische Energie. Da das Temperaturniveau des Kühlkreislaufs jedoch vergleichsweise niedrig ist, folgt die Beheizung der Absorptionskältemaschine vergleichsweise ineffizient bzw. es sind vergleichweise große Wärmeübertragungsflächen und damit auch ein entsprechend großer Bauraum erforderlich, was aufgrund des beschränkten Platzangebotes in modernen Kraftfahrzeugen nachteilig ist.Finally, out of the DE 10 2008 039 908 A1 an absorption chiller or an absorption refrigeration device known which is used for cooling a vehicle battery. The absorption chiller is connected via a refrigerant circuit and a corresponding heat exchanger with a coolant circuit of the motor vehicle heat transferring and removes this required for the drive of the absorption chiller thermal energy. However, since the temperature level of the cooling circuit is comparatively low, the heating of the absorption chiller comparatively inefficient or comparatively large heat transfer surfaces and thus a correspondingly large space is required, which is disadvantageous due to the limited space available in modern vehicles.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen effizienten Betrieb und einen lediglich geringen Bauraumbedarf auszeichnet.The present invention addresses the problem of providing for an internal combustion engine of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which is characterized in particular by an efficient operation and only a small space requirement.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs.This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claim.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Absorptionskälteeinrichtung zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug zu verwenden, wobei die zum Betrieb der Absorptionskälteeinrichtung erforderliche thermische Energie einem verdichteten Ladeluftstrom eines Abgasturboladers entnommen wird. Durch die Verdichtung der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft erwärmt sich diese aufgrund des erhöhten Druckniveaus auf ca. 150 bis ca. 200°C, also deutlich oberhalb des Temperaturniveaus eines herkömmlichen Kühlmittelkreislaufs, wodurch sich ein besonders effizienter Betrieb und ein entsprechend geringer Bauraumbedarf der Absorptionskälteeinrichtung erreichen lässt, da lediglich geringe Wärmeübertragungsflächen erforderlich sind. Da darüber hinaus kein Kraftstoff zum Betrieb eines Brenners notwendig ist, erfordert die Bereitstellung der thermischen Antriebsleistung für die Absorptionskälteeinrichtung keinen zusätzlichen Kraftstoff, wodurch ein hoher Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems und ein entsprechend niedriger Kraftstoffverbrauch erreicht werden können. Die erfindungsgemäße Absorptionskälteeinrichtung ist dabei stromab des Verdichters des Abgasturboladers angeordnet und erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sie die in der verdichteten Ladeluft enthaltene Wärmeenergie zur Kühlung der Fahrzeugbatterie nutzt.The present invention is based on the general idea of using an absorption refrigeration device for cooling an electrical energy store in a motor vehicle, wherein the thermal energy required for operating the absorption refrigeration device is taken from a compressed charge air flow of an exhaust gas turbocharger. Due to the compression of the internal combustion engine to be supplied charge air heats up due to the elevated pressure level to about 150 to about 200 ° C, well above the temperature level of a conventional coolant circuit, which can be a particularly efficient operation and a correspondingly low space requirement of the absorption refrigeration can be achieved because only small heat transfer surfaces are required. In addition, since fuel is not required to operate a burner, providing the thermal drive power to the absorption refrigerator does not require additional fuel, thereby achieving high efficiency of the entire drive system and correspondingly low fuel consumption. The absorption refrigeration device according to the invention is arranged downstream of the compressor of the exhaust gas turbocharger and according to the invention designed such that it uses the heat energy contained in the compressed charge air for cooling the vehicle battery.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist stromab des Verdichters des Abgasturboladers ein mit der Absorptionskälteeinrichtung Wärme übertragend verbundener Ladeluftkühler angeordnet, wobei die Absorptionskälteeinrichtung die vom Ladeluftkühler einem der Brennkraftmaschine zuzuführenden Luftstrom entzogene Wärmeenergie zur Kühlung der Fahrzeugbatterie nutzt. Bei dieser Ausführungsform wird somit mittels des Ladeluftkühlers der der Brennkraftmaschine zuzuführende Ladeluftstrom gekühlt und die hierfür erforderliche Kühlleistung in Form von thermischer Energie an die Absorptionskälteeinrichtung abgeführt. Diese ist durch die derart zugeführte thermische Energie in der Lage, die Fahrzeugbatterie zu kühlen. Generell wird bei einer Absorptionskälteeinrichtung ein Kältemittel in einem Lösungsmittelkreislauf bei geringer Temperatur in einem zweiten Stoff absorbiert und bei höheren Temperaturen desorbiert. Bei dem Prozess wird dabei die Temperaturabhängigkeit der physikalischen Lösung zweier Stoffe genutzt, wobei für den Prozess Voraussetzung ist, dass die beiden Stoffe in dem verwendeten Temperaturintervall in jedem Verhältnis ineinander löslich sind.In an advantageous development of the solution according to the invention, downstream of the compressor of the exhaust gas turbocharger, a heat exchanger connected to the absorption refrigeration device intercooler is arranged, wherein the Absorption refrigeration device uses the thermal energy withdrawn from the charge air cooler one of the internal combustion engine extracted heat energy for cooling the vehicle battery. In this embodiment, the charge air flow to be supplied to the internal combustion engine is thus cooled by means of the charge air cooler and the required cooling power in the form of thermal energy is dissipated to the absorption refrigeration device. This is able by the thus supplied thermal energy to cool the vehicle battery. In general, in an absorption refrigeration device, a refrigerant is absorbed in a solvent circuit at low temperature in a second material and desorbed at higher temperatures. In the process, the temperature dependence of the physical solution of two substances is used, whereby the process is a prerequisite that the two substances in the temperature interval used in each ratio are soluble in each other.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawing and from the associated description of the figures with reference to the drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description.

Die einzige 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.The only 1 shows a schematic representation of the internal combustion engine according to the invention.

Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße aufgeladene Brennkraftmaschine 1 einen Abgasturbolader 2 zum Aufladen der Brennkraftmaschine 1 auf. Dabei ist nachfolgend unter Abgasturbolader prinzipiell jede geeignete Verdichtungseinrichtung zur Verdichtung der der Brennkraftmaschine zugeführten Gase zu verstehen, also beispielsweise auch ein G-Lader, mechanischer Lader oder ähnliches. Der Abgasturbolader 2 weist dabei in gewohnter Weise eine Turbine 3 sowie einen Verdichter 4 auf, wobei erfindungsgemäß stromab des Verdichters 4 des Abgasturboladers 2 eine Absorptionskälteeinrichtung 5 angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass sie die in der verdichteten Ladeluft enthaltene Wärmeenergie zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers 6 nutzt. Dabei kann der elektrischen Energiespeicher 6 beispielsweise als Supercap, als Kombination aus Supercap und Batterie, oder als Batterie ausgeführt sein. Bevorzugt ist der elektrischen Energiespeicher 6 als Fahrzeugbatterie ausgeführt insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie. Als Wärmetauscher kann dabei ein Ladeluftkühler 7 dienen, der der verdichteten Ladeluft Wärmeenergie entzieht und einer Trenneinheit 8 als thermische Antriebsenergie zur Verfügung stellt. Die Absorptionskälteeinrichtung 5 besitzt dabei in bekannter Weise eine Kältemittelpumpe 9, einen Absorber 10 sowie entsprechende Versorgungsleitungen. Die Absorptionskälteeinrichtung 5 ist in einen Kältemittelkreislauf 11 integriert, in welchem zusätzlich ein Kondensator 12 sowie eine Wärmeübertragereinrichtung 13 angeordnet sind. Die Wärmeübertragereinrichtung 13 ihrerseits ist wiederum in einen Kühlmittelkreislauf 14 integriert, wobei eine Kühlmittelpumpe 15 Kühlmittel von der Wärmeübertragereinrichtung 13 zum elektrischen Energiespeicher 6 und zurück umwälzt. Im Bereich des Kühlmittelkreislaufs 14 ist darüber hinaus noch ein Ausgleichsbehälter 16 vorgesehen.According to the 1 , Has a supercharged internal combustion engine according to the invention 1 an exhaust gas turbocharger 2 for charging the internal combustion engine 1 on. In principle, any suitable compression device for compressing the gases supplied to the internal combustion engine is to be understood below as the exhaust gas turbocharger, that is, for example, also a G-type supercharger, mechanical supercharger or the like. The turbocharger 2 has a turbine in the usual way 3 and a compressor 4 on, according to the invention downstream of the compressor 4 the exhaust gas turbocharger 2 an absorption refrigeration device 5 is arranged, which is designed such that it contains the heat energy contained in the compressed charge air for cooling an electrical energy storage 6 uses. In this case, the electrical energy storage 6 for example, as a supercap, as a combination of supercap and battery, or be designed as a battery. The electrical energy store is preferred 6 as a vehicle battery running in particular as a lithium-ion battery. As a heat exchanger can be a charge air cooler 7 serve, which extracts heat energy from the compressed charge air and a separation unit 8th as thermal drive power provides. The absorption refrigeration device 5 has in a known manner a refrigerant pump 9 , an absorber 10 and corresponding supply lines. The absorption refrigeration device 5 is in a refrigerant circuit 11 integrated, in which additionally a capacitor 12 and a heat transfer device 13 are arranged. The heat transfer device 13 in turn, is in a coolant circuit 14 integrated, with a coolant pump 15 Coolant from the heat exchanger device 13 to the electrical energy storage 6 and rolled back. In the area of the coolant circuit 14 is also still a surge tank 16 intended.

Die Kühlung des elektrischen Energiespeichers 6 erfolgt dabei gemäß nachfolgend beschriebenem Verfahren:
Zunächst wird vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 der Abgasturbolader 2 angetrieben, woraufhin dieser mit seinem Verdichter 4 Ladeluft verdichtet und diese dadurch auf ein höheres Temperaturniveau anhebt. Mittels des Ladeluftkühlers 7 wird der Ladeluft dabei Wärmeenergie entzogen und diese Wärmeenergie gleichfalls als Antriebsleistung für die Absorptionskälteeinrichtung 5 zur Verfügung gestellt. Diese bewirkt eine Kühlung der in den Kühlmittelkreislauf 14 eingebundenen Wärmetauschereinrichtung 13, wodurch der in dem Kühlmittelkreislauf 14 zirkulierende Kühlmittelstrom abgekühlt und damit die Fahrzeugbatterie 6 ebenfalls gekühlt werden können.The cooling of the electrical energy storage 6 takes place according to the following procedure:
First, the exhaust gas flow of the internal combustion engine 1 the exhaust gas turbocharger 2 driven, whereupon this with its compressor 4 Charge air compressed and thereby raises it to a higher temperature level. By means of the intercooler 7 In this case, the charge air is withdrawn heat energy and this heat energy also as a drive power for the absorption refrigeration device 5 made available. This causes a cooling of the in the coolant circuit 14 integrated heat exchanger device 13 , causing the in the coolant circuit 14 cooled circulating coolant flow and thus the vehicle battery 6 can also be cooled.

Generell kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 in einem nicht näher beschriebenen Hybridfahrzeug eingebaut sein, da insbesondere dort der Kühlbedarf von großen und dem Antrieb dienenden Fahrzeugbatterien 6 eine nicht unerhebliche Kühlleistung erfordert. Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ist es somit möglich, die bisher Ladeluftkühler 7 nutzlos in die Umgebung abgegebene Wärmeenergie zum Antrieb der Absorptionskälteeinrichtung 5 und damit zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 6 zu nutzen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 und eines damit angetriebenen Hybridfahrzeugs generell gesteigert werden können. Aufgrund der vergleichsweise hohen Temperaturen des verdichteten Ladeluftstroms im Bereich von ca. 150 bis 200°C sind auch lediglich geringe Wärmetauscherflächen zwischen der Absorptionskälteeinrichtung 5 und dem Ladeluftkühler 7 erforderlich, wodurch zusätzlich ein vergleichsweise lediglich geringer Bauraum erforderlich ist.In general, the internal combustion engine according to the invention 1 be installed in a hybrid vehicle not described in detail, since there especially the cooling demand of large and the drive serving vehicle batteries 6 a not inconsiderable cooling capacity requires. With the internal combustion engine according to the invention 1 It is thus possible, the previously intercooler 7 uselessly discharged into the environment heat energy to drive the absorption refrigeration device 5 and thus for cooling the vehicle battery 6 to use, thereby increasing the overall efficiency of the internal combustion engine 1 and a hybrid vehicle powered therewith can generally be increased. Due to the relatively high temperatures of the compressed charge air flow in the range of about 150 to 200 ° C and only small heat exchange surfaces between the absorption refrigeration device 5 and the intercooler 7 required, which in addition a comparatively small space is required.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10333219 A1 [0003] DE 10333219 A1 [0003]
  • EP 1391665 B1 [0004] EP 1391665 B1 [0004]
  • DE 102008039908 A1 [0005] DE 102008039908 A1 [0005]

Claims (5)

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeuges, mit einem Abgasturbolader (2), dadurch gekennzeichnet, dass stromab eines Verdichters (4) des Abgasturboladers (2) eine Absorptionskälteeinrichtung (5) angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass sie die in der verdichteten Ladeluft enthaltene Wärmeenergie zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers (6) nutzt.Charged internal combustion engine ( 1 ) of a motor vehicle, with an exhaust gas turbocharger ( 2 ), characterized in that downstream of a compressor ( 4 ) of the exhaust gas turbocharger ( 2 ) an absorption refrigeration device ( 5 ) is arranged, which is designed such that it contains the heat energy contained in the compressed charge air for cooling an electrical energy store ( 6 ) uses. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Verdichters (4) des Abgasturboladers (2) ein mit der Absorptionskälteeinrichtung (5) wärmeübertragend verbundener Ladeluftkühler (7) angeordnet ist, wobei die Absorptionskälteeinrichtung (5) die vom Ladeluftkühler (7) einem der Brennkraftmaschine (1) zuzuführenden Luftstrom entzogene Wärmeenergie zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers (6) nutzt.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that downstream of the compressor ( 4 ) of the exhaust gas turbocharger ( 2 ) with the absorption refrigeration device ( 5 ) heat transfer connected intercooler ( 7 ), wherein the absorption refrigeration device ( 5 ) from the intercooler ( 7 ) one of the internal combustion engine ( 1 ) supplied air stream withdrawn heat energy for cooling the electrical energy storage ( 6 ) uses. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (6) als Fahrzeugbatterie ausgebildet ist.Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical energy store ( 6 ) is designed as a vehicle battery. Hybridfahrzeug mit einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.Hybrid vehicle with a supercharged internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 1 to 3. Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers (6) eines Kraftfahrzeugs mit einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Hybridfahrzeugs nach Anspruch 3, bei dem – ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) einen Abgasturbolader (2) antreibt, – ein einem Verdichter (4) des Abgasturboladers (2) nach geschalteter Ladeluftkühler (7) einem der Brennkraftmaschine (1) zuzuführenden Luftstrom Wärmeenergie entzieht, – mittels dieser Wärmeenergie eine Absorptionskälteeinrichtung (5) betrieben wird, – die Absorptionskälteeinrichtung (5) den elektrischen Energiespeicher (6) kühlt.Method for cooling an electrical energy store ( 6 ) of a motor vehicle with a supercharged internal combustion engine ( 1 ), in particular a hybrid vehicle according to claim 3, in which - an exhaust gas stream of the internal combustion engine ( 1 ) an exhaust gas turbocharger ( 2 ), - a compressor ( 4 ) of the exhaust gas turbocharger ( 2 ) after switched intercooler ( 7 ) one of the internal combustion engine ( 1 ) supplies heat energy, extracts by means of this heat energy an absorption refrigeration device ( 5 ), - the absorption refrigeration device ( 5 ) the electrical energy storage ( 6 ) cools.
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