EP0664381B1 - Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf Download PDF

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EP0664381B1
EP0664381B1 EP94118644A EP94118644A EP0664381B1 EP 0664381 B1 EP0664381 B1 EP 0664381B1 EP 94118644 A EP94118644 A EP 94118644A EP 94118644 A EP94118644 A EP 94118644A EP 0664381 B1 EP0664381 B1 EP 0664381B1
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EP
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internal combustion
combustion engine
cooling medium
coolant
pump
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Walter Wanjek
Frank Ganssloser
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Caterpillar Energy Solutions GmbH
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Motoren Werke Mannheim AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/02—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks
    • F02N19/04—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines
    • F02N19/10—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines by heating of engine coolants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F01P7/162—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control by cutting in and out of pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F01P5/12—Pump-driving arrangements
    • F01P2005/125—Driving auxiliary pumps electrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/20—Cooling circuits not specific to a single part of engine or machine

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one Cooling circuit in which a by a coolant pump through at least the internal combustion engine and a heat exchanger conveyable coolant circulates that while the engine is at a standstill is heatable, the cooling water from one during standstill the coolant pump which can be driven by the internal combustion engine the coolant circuit can be promoted.
  • Such an internal combustion engine is known from FR-A-1 085 207.
  • This document discloses an internal combustion engine, the one has flanged gearbox on the crankshaft, which via a Flywheel is connectable to an auxiliary engine. This is in turn connected to a coolant pump via a coupling.
  • a coolant pump For preheating the cooling water of the internal combustion engine now operated the auxiliary engine and this drives the coolant pump on. Then the cooling water from the coolant pump is initially promoted by the cooling water room Auxiliary internal combustion engine conveyed and only then in the individual cylinders the water jacket surrounding the cylinders of the internal combustion engine. From these, the cooling water becomes the coolant pump promoted back.
  • the internal combustion engine is operated itself and accordingly the cooling water is heated to the extent that it is passed through the cooler 18, it is via a line to a Pumped back on the outlet side of the coolant pump. That is, during normal operation of the internal combustion engine, the Coolant pump in the delivery of the cooling water through the radiator no function and the whole connected to the crankshaft Auxiliary device, consisting of gear, flywheel, auxiliary engine and the coolant pump can usefully be switched off will. For pumping the cooling water during operation the internal combustion engine is therefore a further cooling water pump, not shown required.
  • the still known DE-A-29 40 643 is a Internal combustion engine in which the oil of the internal combustion engine is preheated can be.
  • This is a device that especially as an external system to the internal combustion engine Quick couplings can be connected or through the internal combustion engine itself or an additional electric motor can be driven. In any case, it is an adaptive system that is additionally connected to the internal combustion engine and actually Operation of the internal combustion engine has no function.
  • the invention has for its object this generic To further develop the device in such a way that the lowest possible additional construction effort while heating the cooling water the shutdown of the internal combustion engine is possible.
  • This object is achieved in that the coolant by the during the standstill of the internal combustion engine drivable coolant pump conveyable through the coolant circuit is.
  • This embodiment of the invention has several findings underlying. At first it was found out in experiments that heating of the cooling water during the standstill of the Internal combustion engine to about 40 ° C compared to not heated Cooling water causes significantly improved exhaust gas quality, at the same time but also a better start of the internal combustion engine better and faster ignition of the combustion mixture enables and thereby a faster start up overall the operating point of the internal combustion engine can be reached. This is particularly so important for gas engine systems, for example in one Combined heat and power plants are used and where according to the requirement of electrical energy or heat, if possible must be provided immediately.
  • Coolant pump uses a single pump, whereby this pump during the operation of the internal combustion engine the cooling water for cooling purposes and during standstill the internal combustion engine - as described - for heating purposes.
  • the coolant pump is dependent operable from the coolant temperature. This can be done with simple Average the specified coolant temperature, for example in a range between 38 ° C and 40 ° C can be adjusted by for example, a temperature sensor in the coolant circuit is switched on over which the drive of the coolant pump on and is turned off. This is particularly useful when using the Internal combustion engine in combined heat and power plants the aforementioned electrical drive of the coolant pump.
  • the delivery capacity of the coolant pump is a further development of the invention adjustable depending on the coolant temperature.
  • the specified coolant temperature can be achieved with simple means for example, set from 40 ° C, for example a temperature sensor in the coolant circuit is turned on is used to regulate the drive of the coolant pump. Also this is particularly useful when using the internal combustion engine in Combined heat and power plants the aforementioned electric drive Coolant pump on.
  • a throttle in the coolant circuit switchable In a development of the invention is at least during the standstill the internal combustion engine a throttle in the coolant circuit switchable.
  • the restriction results from the restricted flow area an increased flow rate of the cooling water, which ultimately results from fluid friction in an increase in temperature of the coolant.
  • the throttle has a variable one Throttle cross section. This can make an adjustment to the given requirements regarding an additional Coolant heating by changing the throttle cross section respectively.
  • the throttle cross section changeable depending on the coolant temperature. This facility can interact with the scheme the coolant pump a favorable interaction of these two components be guaranteed with regard to heating the coolant.
  • the figure shows a coolant circuit designed according to the invention Internal combustion engine, in particular as a gas engine system for combined heat and power plants is trained.
  • the coolant circuit is arranged outside the internal combustion engine 1 Coolant pump 2, which is controlled by an electric motor 3 is.
  • the coolant pump 2 conveys the coolant through a connecting line, in which a flexible connection 4a is installed, in the coolant circuit the internal combustion engine 1, which in turn drives a generator 5.
  • the output from the coolant circuit of the internal combustion engine is in turn provided with a flexible connection 4b, and in the further course of External coolant line is an adjustable and lockable throttle 6 used.
  • a branch line behind the throttle 6 provided, in which a vent valve 7 and a pressure relief valve 8 are switched on.
  • the coolant continues through the main circuit a heat exchanger 9, from there back into the inlet of the coolant pump 2 to arrive. It is between the heat exchanger 9 and the Coolant pump 2, a further branch line is provided, into which an expansion tank 10 and a further pressure relief valve 11 are switched on.
  • the coolant pump 2 By operating the coolant pump 2 during the When the internal combustion engine 1 is at a standstill, the coolant is heated to approximately 40 ° C. This preheating results in better starting behavior Internal combustion engine and the internal combustion engine 1 can with low exhaust gas emission values are brought up to their operating point more quickly. Another significant advantage is a significant reduction in wear the internal combustion engine.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Kühlkreislauf, in dem ein von einer Kühlmittelpumpe durch zumindest die Brennkraftmaschine und einen Wärmetauscher förderbares Kühlmittel zirkuliert, daß während des Stillstandes der Brennkraftmaschine erhitzbar ist, wobei das Kühlwasser von einer während des Stillstandes der Brennkraftmaschine antreibbaren Kühlmittelpumpe durch den Kühlmittelkreislauf förderbar ist.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der FR-A-1 085 207 bekannt. Dieses Dokument offenbart eine Brennkraftmaschine, die ein an der Kurbelwelle angeflanschtes Getriebe aufweist, das über ein Schwungrad mit einer Hilfsbrennkraftmaschine verbindbar ist. Diese ist wiederum über eine Kupplung mit einer Kühlmittelpumpe verbunden. Zum Vorwärmen des Kühlwassers der Brennkraftmaschine wird nun die Hilfsbrennkraftmaschine betrieben und diese treibt die Kühlmittelpumpe an. Dabei wird dann das Kühlwasser, das von der Kühlmittelpumpe gefördert wird, zunächst durch den Kühlwasserraum der Hilfsbrennkraftmaschine gefördert und dann erst in die einzelnen Zylinder der die Zylinder der Brennkraftmaschine umgebenden Wassermäntel. Von diesen wird das Kühlwasser zu der Kühlmittelpumpe zurückgefördert. Wird nun die Brennkraftmaschine selbst betrieben und wird dementsprechend das Kühlwasser soweit erwärmt, das es durch den Kühler 18 geleitet wird, wird es über eine Leitung an eine Stelle auf der Ausgangsseite der Kühlmittelpumpe zurückgefördert. D. h., während des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine hat die Kühlmittelpumpe bei der Förderung des Kühlwassers durch den Kühler keine Funktion und die gesamte an die Kurbelwelle angeschlossene Hilfseinrichtung, bestehend aus Getriebe, Schwungrad, Hilfsbrennkraftmaschine und Kühlmittelpumpe kann sinnvollerweise abgeschaltet werden. Für eine Förderung des Kühlwassers beim Betrieb der Brennkraftmaschine ist also eine weitere nicht dargestellte Kühlwasserpumpe erforderlich.
Bei der weiterhin bekannten DE-A-29 40 643 handelt es sich um eine Brennkraftmaschine, bei der das Öl der Brennkraftmaschine vorgeheizt werden kann. Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung, die insbesondere als externes System an die Brennkraftmaschine über Schnellkupplungen anschließbar ist oder aber durch die Brennkraftmaschine selbst oder einen zusätzlichen Elektromotor antreibbar ist. In jedem Fall handelt es sich aber um ein adaptives System, das zusätzlich an der Brennkraftmaschine angeschlossen ist und im eigentlichen Betrieb der Brennkraftmaschine keine Funktion hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese gattungsgemäße Einrichtung derart weiterzubilden, daß mit einem möglichst geringen zusätzlichen Bauaufwand eine Erhitzung des Kühlwassers während des Stillstands der Brennkraftmaschine möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kühlmittel durch die während des Stillstandes der Brennkraftmaschine antreibbare Kühlmittelpumpe durch den Kühlmittelkreislauf förderbar ist. Dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegen mehrere Erkenntnisse zugrunde. Zunächst wurde in Versuchen herausgefunden, daß eine Erwärmung des Kühlwassers während des Stillstandes der Brennkraftmaschine auf ca. 40°C eine gegenüber nicht erwärmten Kühlwasser erheblich verbesserte Abgasqualität bewirkt, gleichzeitig aber zusätzlich einen besseren Start der Brennkraftmaschine durch ein besseres und schnelleres Zünden des Verbrennungsgemisches ermöglicht und dadurch insgesamt ein schnelleres Hochfahren auf den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erreichbar ist. Dies ist insbesondere bei Gasmotoranlagen wichtig, die beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk eingesetzt sind und bei denen nach der Bedarfsanforderung von elektrischer Energie oder Heizwärme diese möglichst umgehend bereitgestellt werden muß. Dies erfordert ein schnelles Hochfahren der den Generator antreibenden Brennkraftmaschine auf einen genau vorgegebenen Betriebspunkt, da der Generator mit einer exakt vorgegebenen Drehzahl angetrieben werden muß. Damit ist ein längeres Warmlaufen der Brennkraftmaschine allein schon aus der Anforderung an die umgehende Erzeugung von elektrischer Energie ausgeschlossen. Hinzu kommen die strengen behördlichen Auflagen an derartige Blockheizkraftwerke, die beispielsweise durch die TA-Luft dargestellt sind. Bezüglich der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist nun herausgefunden worden, daß gerade bei einer Vorheizung des Kühlwassers auf ca. 40°C ein ausreichend schnelles Hochfahren der Brennkraftmaschine bei Einhaltung aller behördlichen Abgas- und Umweltbestimmungen möglich ist. Ein weiteres Aufheizen des Kühlwassers auf höhere Temperaturen bringt hier keine nennenswerte Verbesserung, während aber bei geringeren Kühlwassertemperaturen als 40°C nur deutlich schlechtere Werte erreichbar sind. Von dieser Erkenntnis ausgehend ist es der nächste Schritt der Erfindung herauszufinden, daß das Kühlwasser durch den Betrieb der Kühlmittelpumpe während des Stillstandes der Brennkraftmaschine auf eine Temperatur von ca. 40°C erwärmt werden kann. Dabei äußert sich die in die Kühlmittelpumpe hineingegebene Leistung durch Flüssigkeitsreibung in einer Erwärmung des Kühlwassers. Zusätzlich ergibt sich durch das Umpumpen der vorteilhafte Effekt, daß das gesamte System gleichmäßig erwärmt wird. Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung wird ein zusätzlicher Heizstab mit einer Leistungsaufnahme von ca. 3 KW eingespart, während der Betrieb der Kühlmittelpumpe auch beim Stillstand der Brennkraftmaschine insbesondere bei Blockheizkraftwerken mit Brennkraftmaschinenanlagen keinen zusätzlichen Bauteilaufwand erfordert, sondern lediglich einer schaltungstechnischen Änderung bedarf. Bei derartigen Brennkraftmaschinenanlagen ist es leicht möglich, die Kühlmittelpumpe außerhalb der jeweiligen Brennkraftmaschine anzuordnen und die Kühlmittelpumpe mit elektrischer Energie anzutreiben. Dabei wird davon ausgegangen, daß als Kühlmittelpumpe eine einzige Pumpe zum Einsatz kommt, wobei diese Pumpe während des Betriebs der Brennkraftmaschine die Förderung des Kühlwassers zu Kühlzwecken und während des Stillstandes der Brennkraftmaschine - wie beschrieben - zu Heizzwecken vornimmt.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur betreibbar. Dadurch kann mit einfachen Mitteln die vorgegebene Kühlmitteltemperatur beispielsweise in einem Bereich zwischen 38°C und 40°C eingeregelt werden, indem beispielsweise ein Temperatursensor in dem Kühlmittelkreislauf eingeschaltet ist, über den der Antrieb der Kühlmittelpumpe ein- und ausgeschaltet wird. Hierzu bietet sich insbesondere bei Einsatz der Brennkraftmaschine in Blockheizkraftwerken der zuvor genannte elektrische Antrieb der Kühlmittelpumpe an.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Förderleistung der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur einstellbar. Dadurch kann mit einfachen Mitteln die vorgegebene Kühlmitteltemperatur beispielsweise von 40°C eingestellt werden, indem beispielsweise ein Temperatursensor in dem Kühlmittelkreislauf eingeschaltet ist, über den der Antrieb der Kühlmittelpumpe geregelt wird. Auch hierzu bietet sich insbesondere bei Einsatz der Brennkraftmaschine in Blockheizkraftwerken der zuvor genannte elektrische Antrieb der Kühlmittelpumpe an.
In Weiterbildung der Erfindung ist zumindest während des Stillstandes der Brennkraftmaschine eine Drossel in den Kühlmittel kreislauf einschaltbar. Die Drossel bewirkt durch den verengten Durchströmungsquerschnitt eine erhöhte Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers, was sich letztendlich durch Flüssigkeitsreibung in einer Temperaturerhöhung des Kühlmittels ausdrückt.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Drossel einen veränderlichen Drosselquerschnitt auf. Hierdurch kann eine Anpassung an die jeweils gegebenen Anforderungen bezüglich einer zusätzlichen Kühlmittelerwärmung durch Verändern des Drosselquerschnitts erfolgen. Hierbei ist in weiterer Ausgestaltung der Drosselquerschnitt in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur veränderbar. Durch diese Einrichtung kann im Zusammenwirken mit der Regelung der Kühlmittelpumpe ein günstiges Zusammenwirken dieser beider Bauelemente bezüglich einer Erwärmung des Kühlmittels gewährleistet sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Die Figur zeigt einen erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine, die insbesondere als Gasmotoranlage für Blockheizkraftwerke ausgebildet ist.
Der Kühlmittelkreislauf weit eine außerhalb der Brennkraftmaschine 1 angeordnete Kühlmittelpumpe 2 auf, die von einem Elektromotor 3 regelbar angetrieben ist. Die Kühlmittelpumpe 2 fördert das Kühlmittel durch eine Verbindungsleitung, in die ein flexibler Anschluß 4a eingebaut ist, in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 1, die ihrerseits einen Generator 5 antreibt. Der Ausgang aus dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine ist wiederrum mit einem flexiblem Anschluß 4b versehen, und im weiteren Verlauf der motorexternen Kühlmittelleitung ist eine einstellbare und arretierbare Drossel 6 eingesetzt. Im weiteren Strömungsverlauf ist hinter der Drossel 6 eine Abzweigeleitung vorgesehen, in die ein Entlüftungsventil 7 und ein Überdruckventil 8 eingeschaltet sind. Weiter gelangt das Kühlmittel durch den Hauptkreislauf in einen Wärmetauscher 9, um von dort wieder in den Eingang der Kühlmittelpumpe 2 zu gelangen. Dabei ist zwischen dem Wärmetauscher 9 und der Kühlmittelpumpe 2 eine weitere Abzweigleitung vorgesehen, in die ein Ausdehnungsgefäß 10 und ein weiteres Überdruckventil 11 eingeschaltet sind.
Durch das erfindungsgemäße Betreiben der Kühlmittelpumpe 2 während des Stillstandes der Brennkraftmaschine 1 wird das Kühlmittel auf ca. 40°C erhitzt. Durch diese Vorwärmung bedingt ergibt sich ein besseres Startverhalten der Brennkraftmaschine und die Brennkraftmaschine 1 kann bei geringen Abgasemissionswerten schneller auf ihren Betriebspunkt hochgefahren werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist eine deutliche Verringerung des Verschleißes der Brennkraftmaschine.

Claims (6)

  1. Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Kühlmittel kreislauf, in dem ein von einer Kühlmittelpumpe (22) durch zumindest die Brennkraftmaschine (1) und einem Wärmetauscher (9) förderbares Kühlwasser zirkuliert, das während des Stillstands der Brennkraftmaschine (1) erhitzbar ist, wobei das Kühlwasser von einer während des Stillstandes der Brennkraftmaschine (1) antreibbaren Kühlmittelpumpe (2) durch den Kühlmittel kreislauf förderbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelpumpe von einem Elektromotor (3) antreibbar ist und daß die Kühlmittelpumpe (2) während des Betriebes der Brennkraftmaschine (1) das Kühlwasser zu Kühlzwecken fördert.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelpumpe (2) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur betreibbar ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der Kühlmittelpumpe (2) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur einstellbar ist.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Drossel (6) in den Kühlmittelkreislauf einschaltbar ist.
  5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (6) einen veränderbaren Drosselquerschnitt aufweist.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselquerschnitt in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur veränderbar ist.
EP94118644A 1993-12-24 1994-11-26 Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf Expired - Lifetime EP0664381B1 (de)

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DE4344602A DE4344602A1 (de) 1993-12-24 1993-12-24 Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf
DE4344602 1993-12-24

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EP0664381A1 EP0664381A1 (de) 1995-07-26
EP0664381B1 true EP0664381B1 (de) 1998-09-09

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ES (1) ES2120559T3 (de)

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