FR3051230A1 - Procede de demarrage par anticipation du moteur thermique d'un vehicule hybride - Google Patents

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Abstract

Procédé de démarrage d'un moteur thermique (10) de traction d'un véhicule hybride équipé d'une machine électrique (2) de traction, ce procédé comportant une première étape de définition pour la machine électrique (2) de zones de fonctionnement comprenant pour chaque zone une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée, une deuxième étape préalable de calcul d'un écart de temps pour l'application d'un couple par le moteur thermique (10), ce procédé lors du roulage avec la machine électrique (2), le moteur thermique (10) étant arrêté, calculant pour cette machine électrique (2) un temps de fonctionnement équivalent comprenant une durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée, puis après un temps de fonctionnement équivalent se terminant avant cette durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée avec une marge de temps au moins égale à l'écart de temps, le procédé demande la mise en action du moteur thermique.

Description

PROCEDE DE DÉMARRAGE PAR ANTICIPATION DU MOTEUR THERMIQUE D’UN VEHICULE HYBRIDE
La présente invention concerne un procédé de démarrage d’un moteur thermique de traction d’un véhicule hybride comportant une machine électrique de traction, ainsi qu’un véhicule hybride équipé de moyens mettant en oeuvre un tel procédé de démarrage.
Un type de véhicule automobile hybride connu, présenté notamment par le document EP-B1-2528793, comporte en parallèle un moteur thermique et une première machine électrique qui peuvent entraîner tous les deux une transmission reliée aux roues avant du véhicule. De cette manière on peut réaliser un roulage avec le moteur thermique seul, avec la première machine électrique seule, ou avec les deux motorisations en même temps. De plus la première machine électrique peut fonctionner en génératrice pour recharger des accumulateurs.
Le véhicule comporte aussi une deuxième machine électrique reliée aux roues arrière, qui peut entraîner directement ces roues arrière indépendamment du fonctionnement du moteur thermique et de la première machine électrique.
Lors d’un roulage avec la première machine électrique seule, en cas d’augmentation de la demande de couple arrivant à un niveau que cette machine ne peut fournir, on démarre le moteur thermique pour apporter un couple supplémentaire. Pendant le temps de préparation du moteur thermique comprenant son démarrage, l’ajustement de sa vitesse et son accouplement aux roues motrices, qui présente une durée d’environ deux secondes, la deuxième machine électrique délivre un couple temporaire permettant de répondre sans interruption à la demande croissante.
Toutefois la deuxième machine électrique équipée d’une alimentation électrique de puissance et d’un système électronique de contrôle, permettant de compenser un manque de couple pendant la préparation du moteur thermique, pose des problèmes par sa masse et son encombrement importants, ainsi que par son coût élevé.
La présente invention a notamment pour but de résoudre ces problèmes de l’art antérieur.
Elle propose à cet effet un procédé de démarrage d’un moteur thermique de traction d’un véhicule hybride comportant une machine électrique pouvant l’entraîner en laissant le moteur thermique à l’arrêt, ce procédé étant remarquable en ce qu’il comporte une première étape préalable de définition pour la machine électrique de zones de fonctionnement dépendant de sa vitesse de rotation et du couple délivré, comprenant pour chaque zone de fonctionnement une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée, en ce qu’il comporte une deuxième étape préalable de calcul d’un écart de temps entre une demande de mise en action du moteur thermique à l’état arrêté, et l’instant où il peut appliquer un couple sur les roues motrices, et en ce que lors du roulage avec la machine électrique, le moteur thermique étant arrêté, le procédé calcule pour cette machine électrique un temps de fonctionnement équivalent à partir des temps de fonctionnement particuliers successifs dans chaque zone, comprenant une durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée, puis après un temps de fonctionnement équivalent se terminant avant cette durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée avec une marge de temps au moins égale à l’écart de temps, le procédé demande la mise en action du moteur thermique.
Un avantage de ce procédé de démarrage est qu’en démarrant systématiquement le moteur thermique quand le temps de fonctionnement équivalent arrive au plus tard à l’écart de temps avant la durée de fonctionnement équivalente maximum, cet écart de temps représentant la durée nécessaire pour obtenir le couple sur les roues motrices, comprenant le démarrage du moteur thermique, sa montée en régime et l’actionnement d’un moyen d’accouplement, on peut maintenir une puissance élevée délivrée par la machine électrique en sachant que le moteur thermique appliquera un couple sans délai dès que la durée de fonctionnement maximum de cette machine sera atteinte.
On obtient ainsi un bon niveau de confort et d’agrément de conduite en évitant une baisse importante d’accélération longitudinale du véhicule entre une insuffisance de traction de la machine électrique constatée, et un démarrage du moteur thermique demandé après ce constat. On améliore aussi la sécurité en délivrant à chaque moment au véhicule l’accélération maximum possible.
Le procédé de démarrage du moteur thermique selon l’invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.
Avantageusement, l’étape préalable de définition de zones de fonctionnement définit une première zone comprenant une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée qui n’est pas limitée.
Avantageusement, l’étape préalable de définition de zones de fonctionnement, définit une dernière zone comprenant une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée qui est égale à l’écart de temps permettant au moteur thermique la délivrance du couple.
En particulier, l’étape préalable de définition de zones de fonctionnement peut définir trois zones intermédiaires entre la première zone et la dernière zone.
Avantageusement, le temps de fonctionnement équivalent est formé par une combinaison linéaire des temps de fonctionnement particuliers dans chaque zone.
Dans ce cas, la durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée du temps de fonctionnement équivalent, est avantageusement la durée de fonctionnement particulière maximum autorisée de la deuxième zone, les zones supérieures à la deuxième zone ayant toutes dans cette combinaison linéaire un coefficient supérieur à un.
Avantageusement, avec la demande de mise en action du moteur thermique, le procédé demande un fonctionnement de la machine électrique dans une zone de fonctionnement comprenant une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée qui n’est pas limitée.
Dans ce cas, le procédé maintient avantageusement la machine électrique dans la zone de fonctionnement comprenant une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée qui n’est pas limitée, pendant une période minimum de retour prédéfinie. L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile hybride équipé d’une machine électrique pouvant entraîner ce véhicule en laissant le moteur thermique à l’arrêt, qui comporte des moyens mettant en oeuvre un procédé de démarrage du moteur thermique comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes.
En particulier, la machine électrique peut être reliée aux roues motrices par l’intermédiaire d’un premier embrayage relié à une boîte de vitesses comportant plusieurs rapports de démultiplication, et le moteur thermique peut être relié à la machine électrique par un deuxième embrayage. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma présentant les motorisations d’un véhicule hybride comportant une machine électrique, mettant en oeuvre un procédé de démarrage du moteur thermique selon l’invention ; - la figure 2 est un graphique présentant en fonction du temps différents couples délivrés par ces motorisations, pour un fonctionnement avec un procédé selon l’art antérieur ; - la figure 3 est un graphique présentant différentes zones de fonctionnement de la machine électrique ; - la figure 4 est un graphique présentant en fonction du temps différents couples délivrés par ces motorisations pour un fonctionnement avec un procédé selon l’invention ; et - la figure 5 est un graphique présentant en fonction du temps différents couples délivrés par ces motorisations pour un fonctionnement avec un procédé selon l’invention suivant une variante.
La figure 1 présente une machine électrique 2 entraînant par un premier embrayage 4 une boîte de vitesses automatique 6, qui est reliée aux roues motrices 8 du véhicule.
Un moteur thermique 10 est relié par un deuxième embrayage 12 à l’extrémité de l’arbre de la machine électrique 2, opposée à l’autre extrémité comportant la sortie vers le premier embrayage 4.
De cette manière on obtient une traction du véhicule par la machine électrique 2 seule, le premier embrayage 4 étant fermé et le deuxième 12 étant ouvert, ce qui donne un mode de roulage avec une traction uniquement électrique, sans émission de gaz polluants, ou un freinage du véhicule par cette machine électrique travaillant en génératrice pour récupérer une énergie rechargeant des batteries de traction.
On obtient aussi une traction du véhicule par le moteur thermique 10 seul en fermant les deux embrayages 4, 12, et sans alimenter la machine électrique 2. On peut de plus avec la même configuration utiliser les deux motorisations en même temps, la machine électrique 2 travaillant en moteur ou en génératrice.
Le moteur thermique 10 comporte sur l’extrémité du vilebrequin opposée au deuxième embrayage 12, une poulie 14 qui entraîne en permanence par une courroie 16 une machine électrique secondaire 18.
La machine électrique secondaire 18 présente un fonctionnement réversible, formant un alternateur qui recharge une batterie du réseau de bord, et un démarreur en prélevant une énergie sur cette batterie pour démarrer le moteur thermique 10. La machine électrique secondaire 18 permet des arrêts et démarrages automatiques du moteur thermique 10 afin de réaliser une optimisation de son fonctionnement, et une réduction de la consommation d’énergie.
La boîte de vitesses automatique 6 permet de choisir automatiquement à partir d’un calculateur électronique de gestion des motorisations, en fonction de la vitesse du véhicule et de la demande du conducteur, la vitesse de rotation de la machine électrique 2 ou du moteur thermique 10 en sélectionnant un des rapports de boîte de vitesses parmi ceux disponibles.
La figure 2 présente en fonction du temps T exprimé en seconde, des couples G exprimés en Newton/mètre, comprenant le couple 20 délivré par la machine électrique 2, le couple 22 délivré par le moteur thermique 10, et le couple résultant 24 de ces deux couples moteurs, appliqué aux roues motrices 8 en sortie de la boîte de vitesses automatique 6 mettant en oeuvre son rapport de démultiplication. A partir du temps TO sur un rapport donné de la boîte de vitesses automatique 6, le conducteur demande une accélération régulière du véhicule. Jusqu’au temps Tl la machine électrique 2 pouvant délivrer seule par le premier embrayage fermé 4 la puissance demandée, on a une augmentation régulière du couple 20 délivré par cette machine suivant une pente constante répondant à la demande du conducteur. Le couple résultant 24 délivré par la boîte de vitesses automatique 6 est proportionnel, suivant une valeur plus élevée grâce au rapport de démultiplication de cette boîte de vitesses.
Pendant ce temps le moteur thermique 10 est arrêté, le deuxième embrayage 12 étant ouvert.
Au temps Tl pour la machine électrique 2 la durée de fonctionnement maximum autorisé suivant ses conditions de roulage étant atteinte avec une saturation en couple de cette machine, le couple 20 délivré par la machine électrique 2, et donc celui résultant 24 appliqué aux roues motrices 8, n’augmentent plus.
On demande alors à ce moment une mise en action du moteur thermique 10 pour apporter un couple, comprenant son démarrage prenant environ 0,8s, sa montée en vitesse pour atteindre celle de la machine électrique 2, prenant environ 0,7s, et enfin la fermeture du deuxième embrayage 12 prenant environ 0,5s. Ces différentes manoeuvres prennent un écart de temps total ΔΤ d’environ deux secondes, ce qui nous mène au temps T2 deux secondes après le temps T1.
On a ensuite après le temps T2 une limitation du couple délivré par la machine électrique 2, à 200Nm dans cet exemple, et une augmentation régulière du couple 22 délivré par le moteur thermique 10, et donc du couple résultant 24 suivant des pentes de croissance similaires à celles présentées avant le temps T1.
On obtient un couple résultant 24 appliqué aux roues motrices qui reprend sa croissance régulière après le palier horizontal compris sensiblement pendant l’écart de temps ΔΤ entre les temps T1 et T2. Ce palier représente une rupture dans l’accélération longitudinale du véhicule qui est inconfortable, et qui réduit les performances de ce véhicule.
La figure 3 présente pour la machine électrique 2 différentes zones de fonctionnement représentant des puissances de plus en plus élevées, dépendant de la vitesse de rotation de ce moteur exprimée en T/mn et du couple délivré exprimé en Nm, qui permettent chacune une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée.
Ces durées de fonctionnement particulières maximum sont possibles tant que le niveau de charge de la batterie le permet, qui doit généralement rester supérieur à un seuil minimum d’environ 10% de la charge maximum. En dessous de ce seuil minimum de niveau de charge de la batterie, le démarrage du moteur thermique 10 est obligatoirement demandé.
Une première zone ZI limitée par un couple maximum de 130Nm et une vitesse comprise entre 3000 et 5000trs/mn, présente une puissance assez faible permettant un fonctionnement en continu de la machine électrique 2 sans limitation de durée, tant que sa batterie d’alimentation n’est pas vide.
Une deuxième zone Z2 limitée par un couple maximum de 210Nm et une vitesse comprise entre 3000 et 6500trs/mn, présente une puissance un peu plus élevée permettant une durée de fonctionnement particulière de la machine électrique pendant 60 secondes maximum.
Une troisième zone Z3 limitée par un couple maximum de 250Nm et une vitesse comprise entre 3000 et 6700trs/mn, présente une puissance plus élevée permettant une durée de fonctionnement particulière de la machine électrique pendant 30 secondes maximum.
Une quatrième zone Z4 limitée par un couple maximum de 300Nm et une vitesse comprise entre 3500 et 7000trs/mn, présente une puissance plus élevée permettant une durée de fonctionnement particulière de la machine électrique pendant 10 secondes maximum.
Et enfin une cinquième zone Z5 limitée par un couple maximum de 330Nm et une vitesse comprise entre 3500 et 7000trs/mn, présente la puissance la plus élevée permettant une durée de fonctionnement particulière de la machine électrique 2 pendant seulement 2 secondes maximum. D’une manière générale le procédé d’optimisation du démarrage du moteur thermique 10 selon l’invention calcule cette cinquième zone de fonctionnement Z5 pour une durée de fonctionnement particulière maximum de la machine électrique 2 correspondant à l’écart de temps ΔΤ nécessaire pour la délivrance d’un couple par le moteur thermique 10 à partir de son arrêt.
Pour des questions de contraintes sur la machine électrique 2 pouvant affecter sa durée de vie, comprenant en particulier des contraintes thermiques sur ce moteur, une fois la durée particulière maximum atteinte pour un roulage dans chaque zone, il faut obligatoirement revenir à un fonctionnement dans la première zone ZI.
Après un retour du fonctionnement de la machine électrique 2 dans la première zone ZI pendant une période minimum de retour prédéfinie, par exemple dix secondes, on considère que l’état de cette machine est régénéré, en particulier par un échange thermique, et permet à nouveau une entrée dans les zones supérieures, si on reste sur une seule zone pendant sa durée de fonctionnement particulière maximum.
Pour des fonctionnements de la machine électrique 2 oscillants entre différentes zones, on calcule un temps équivalent maximum avant un retour obligatoire du fonctionnement dans la première zone ZI, avec une combinaison linéaire additionnant la durée de fonctionnement de chaque zone multipliée par un coefficient particulier de zone qui est croissant. On peut notamment prendre un coefficient de 1 pour la deuxième zone Z2, un coefficient de 2 pour la troisième zone Z3, et un coefficient de 6 pour la quatrième zone Z4.
Le temps de fonctionnement équivalent donné par cette addition est comparé avec une durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée, qui est dans cet exemple la durée particulière maximum de la deuxième zone Z2, soit 60 secondes.
Dans tous les cas un passage dans la cinquième zone Z5 implique obligatoirement une mise en action immédiate du moteur thermique 10.
On notera que la première zone ZI peut être en particulier prévue pour permettre un roulage du véhicule à une vitesse stabilisée demandant peu d’énergie, permettant avantageusement une vitesse maximum de 130km/h. A partir d’un roulage avec la machine électrique 2 seule présentant un fonctionnement dans la première zone ZI comprenant une vitesse stabilisée, si le conducteur demande une accélération en enfonçant la pédale d’accélérateur, le calculateur de gestion des motorisations augmente la puissance délivrée par cette machine électrique, qui peut passer dans une zone de fonctionnement supérieure.
Si nécessaire le calculateur de gestion décide d’utiliser un rapport supérieur de la boîte de vitesses 6 pour délivrer la même puissance en évitant des passages du fonctionnement dans des zones supérieures, pour rester plus longtemps avec une zone inférieure permettant une durée de fonctionnement plus importante. On notera que le passage à un rapport supérieur donnant une diminution de la vitesse de rotation de la machine électrique 2, nécessite pour délivrer la même puissance une augmentation du couple délivré.
Pour une même puissance demandée par la machine électrique 2, correspondant à une courbe d’iso-puissance 30 sur la figure 3, on peut suivant le rapport de la boîte de vitesses 6 engagé se trouver dans l’une quelconque des zones de fonctionnement.
En particulier la boîte de vitesses automatique 6 peut comporter au moins six rapports, notamment huit rapports, qui donnent plus de possibilités pour optimiser le fonctionnement de la machine électrique 2.
Dans l’exemple présenté figure 2, le temps Tl correspond à un fonctionnement de la machine électrique 2 dans une zone ayant atteint sa durée de fonctionnement particulière maximum, ce qui impose le passage de son fonctionnement dans la première zone Z1.
La figure 4 présente une accélération du véhicule demandée par le conducteur, comprenant au temps T3 un démarrage du moteur thermique 10 pour continuer à suivre cette demande d’accélération. Le temps T3 est défini par l’écart de temps ΔΤ avant le temps T2 qui correspond à la saturation en couple de la machine électrique 2.
Le calculateur de gestion des motorisations demande alors au temps T3 immédiatement la mise en action du moteur thermique 10 comprenant son démarrage, l’ajustement de sa vitesse de rotation suivant celle de la machine électrique 2, et la fermeture du deuxième embrayage 12.
On obtient ensuite juste à la fin de l’écart de temps ΔΤ se terminant au temps T2 où la machine électrique 2 est à saturation de son couple, le couple 22 délivré par le moteur thermique 10 qui commence à augmenter, alors que le couple 20 délivré par cette machine électrique descend à 130Nm pour revenir dans la première zone de fonctionnement ZI.
La figure 5 présente une demande de démarrage du moteur thermique 10 par anticipation, avec une marge de temps ΔΤ’ plus grand que l’écart de temps ΔΤ. La machine électrique 2 n’arrive alors pas à saturation de son couple quand le moteur thermique 10 applique son couple. On peut alors continuer à ce moment à demander un couple à la machine électrique 2 dans une zone assez élevée, qui est dans cet exemple la deuxième zone Z2 permettant un couple de 200Nm.
Si le fonctionnement de la machine électrique 2 s’est fait sur plusieurs zones on prend la combinaison linéaire des temps de fonctionnement de chaque zone, pour la comparer avec la durée équivalente maximum autorisée, qui est la durée particulière maximum de la deuxième zone Z2, soit 60 secondes.
On obtient ainsi avec l’anticipation de démarrage du moteur thermique 10, quelle que soit la zone de fonctionnement de la machine électrique 2, une très bonne continuité du couple résultant 24 appliqué sur les roues motrices 8, qui ne présente pas de rupture dans son augmentation progressive.
Les passagers du véhicule ne ressentent pas de variation d’accélération ce qui est confortable. De plus on obtient la meilleure accélération du véhicule ce qui assure la sécurité. D’une manière générale on peut définir un nombre varié de zones de fonctionnement de la machine électrique 2, entre la première zone où la durée de fonctionnement n’est pas limitée et la dernière zone où la demande de mise en action du moteur thermique et immédiate, qu’il faut dans une étape préalable définir clairement. Un nombre de zones plus important permet d’optimiser la consommation énergétique des motorisations.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1 - Procédé de démarrage d’un moteur thermique (10) de traction d’un véhicule hybride comportant une machine électrique (2) pouvant l’entraîner en laissant le moteur thermique (10) à l’arrêt, caractérisé en ce qu’il comporte une première étape préalable de définition pour la machine électrique (2) de zones de fonctionnement (ZI, Z2, Z3, Z4, Z5) dépendant de sa vitesse de rotation (V) et du couple délivré (G), comprenant pour chaque zone de fonctionnement (ZI, Z2, Z3, Z4, Z5) une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée, caractérisé en ce qu’il comporte une deuxième étape préalable de calcul d’un écart de temps (ΔΤ) entre une demande de mise en action du moteur thermique (10) à l’état arrêté, et l’instant où il peut appliquer un couple sur les roues motrices (8), et caractérisé en ce que lors du roulage avec la machine électrique (2), le moteur thermique (10) étant arrêté, le procédé calcule pour cette machine électrique (2) un temps de fonctionnement équivalent à partir des temps de fonctionnement particuliers successifs dans chaque zone (ZI, Z2, Z3, Z4, Z5), comprenant une durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée, puis après un temps de fonctionnement équivalent (T3) se terminant avant cette durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée avec une marge de temps (ΔΤ’) au moins égale à l’écart de temps (ΔΤ), le procédé demande la mise en action du moteur thermique (10).
  2. 2 - Procédé de démarrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape préalable de définition de zones de fonctionnement (ZI, Z2, Z3, Z4, Z5), définit une première zone (ZI) comprenant une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée qui n’est pas limitée.
  3. 3 - Procédé de démarrage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’étape préalable de définition de zones de fonctionnement (ZI, Z2, Z3, Z4, Z5), définit une dernière zone (Z5) comprenant une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée qui est égale à l’écart de temps (ΔΤ) permettant au moteur thermique (10) la délivrance du couple.
  4. 4 - Procédé de démarrage selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l’étape préalable de définition de zones de fonctionnement (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5), définit trois zones intermédiaires (Z2, Z3, Z4) entre la première zone (Z1) et la dernière zone (Z5).
  5. 5 - Procédé de démarrage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le temps de fonctionnement équivalent est formé par une combinaison linéaire des temps de fonctionnement particuliers dans chaque zone (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5).
  6. 6 - Procédé de démarrage selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que la durée de fonctionnement équivalente maximum autorisée du temps de fonctionnement équivalent, est la durée de fonctionnement particulière maximum autorisée de la deuxième zone (Z2), les zones supérieures à la deuxième zone (Z3, Z4, Z5) ayant toutes dans cette combinaison linéaire un coefficient supérieur à un.
  7. 7 - Procédé de démarrage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’avec la demande de mise en action du moteur thermique (10), il demande un fonctionnement de la machine électrique (2) dans une zone de fonctionnement (ZI) comprenant une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée qui n’est pas limitée.
  8. 8 - Procédé de démarrage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il maintient la machine électrique (2) dans la zone de fonctionnement (ZI) comprenant une durée de fonctionnement particulière maximum autorisée qui n’est pas limitée, pendant une période minimum de retour prédéfinie.
  9. 9 - Véhicule automobile hybride équipé d’une machine électrique (2) pouvant entraîner ce véhicule en laissant le moteur thermique (10) à l’arrêt, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens mettant en oeuvre un procédé de démarrage du moteur thermique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  10. 10 - Véhicule automobile selon la revendication 9, caractérisé en ce que la machine électrique (2) est reliée aux roues motrices (8) par l’intermédiaire d’un premier embrayage (4) relié à une boîte de vitesses (6) comportant plusieurs rapports de démultiplication, et en ce que le moteur thermique (10) est relié à la machine électrique (2) par un deuxième embrayage (12).
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