JP2006138323A - 電子流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】電子流量制御弁を提供する。
【解決手段】内燃機関において、高圧送給ラインと、その高圧送給ラインに流体連結された複数の燃料噴射器であって、各々が燃料を内燃機関内に噴射するように操作可能である燃料噴射器とを含む内燃機関が、提供される。この内燃機関は、高圧送給ラインと燃料噴射器の各々との間に配置された電子制御流れ阻止器をさらに含んでいる。流れ阻止器の各々は、弁部材を、流れ阻止器が個別の燃料噴射器への燃料流れを阻止する閉位置に向かって、移動させるように操作可能なアクチェータを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本明細書は、一般に、内燃機関に関し、さらに詳細には、内燃機関であって、その少なくとも１つの燃料噴射器への燃料流れを選択的に阻止する電子制御流れ阻止器を含む内燃機関に関する。

内燃機関は、殆どあらゆる考え得る環境において、動力源として用いられる。オートバイ、乗用車、飛行機、機関車、及び船舶は、全て、推進及び／又は種々の車載装置に動力を供給するために、内燃機関を用い得る。また、発電機及び発電所は、電力を生成するために、種々の内燃機関を用い得る。内燃機関は、その規模において、動力付き手工具用に設計される小さいエンジンから単一住宅の大きさに至るエンジンまでの範囲に及び得る。前世紀において、内燃機関は、１８００年代の石炭を燃料とする蒸気機関に代えて、比較的大きな貨物船及び荷船に、広く用いられてきた。これら及び類似の内燃機関は、巨大な船舶を駆動、回転、及び減速させるのに十分な動力を与えるために、極めて大きくなる傾向がある。

いったん比較的大きな内燃機関が始動されると、例えば、点検するために、又は突発的なエンジン故障を回避するために、絶対に必要である場合を除いては、そのエンジンを停止するのは、一般的に望ましくない。船舶用途では、この理由が少なくとも２つある。第１に、巨大な内燃機関を実際に始動させるのは、極めて困難であり得るからである。第２に、巨大な船舶は、強大なモーメントを有し得るので、例えば、入港時において、適切な時間内に減速又は回転させるのに、強力な逆方向又は横方向推力を必要とし得るからである。衝突を避けるには、プロペラを反転させ、又は横方向推進を行なう能力も重要であり得る。

継続的なエンジン運転を維持することは、重要であり得るが、エンジン運転に伴う問題は、決して無視され得ない。例えば、１つ以上のエンジンシリンダーにおける誤作動が検出された場合、エンジンを継続的に運転させる試みは、結果的に、影響を受けたシリンダー及び関連する部品への損傷、又は一層悪い突発的なエンジンの故障を生じさせ得る。後者の場合、エンジンのさらなる運転は、明らかに不可能であり、前述のエンジン停止によっても、何の益にもならない。

エンジニア及びオペレータは、典型的には、広範なエンジンの診断及び保守業務を行なうが、大きな内燃機関は、著しい痛手を受け得る。例えば、大きな船舶エンジンは、多くの場合、保守と運転停止との間の数時間にわたって、連続的に運転される。このようなエンジンの運転要求を複雑にするのは、比較的粘性のある重燃料が一般的に用いられていることによる。

超大型タンカーを、例えば、数千マイル駆動するのに必要な燃料の量は、当然のことながら、膨大である。運転コストを低減する目的で、多くの船舶オペレータ達は、それらのエンジンを留出ディーゼル燃料のみならず、他の比較的安価な残渣石油燃料によって、運転させ得ることが有利であることを見出している。従って、多くの船舶エンジンは、ディーゼルのような比較的精製された燃料と、業界において残渣石油燃料と呼ばれることが多いわずかに精製されているか又は全く精製されていない重燃料とを切換える能力を有している。エンジンは、例えば、交通量の多い領域又は港内では、主にディーゼルを燃焼させ、外洋を航行中は、主に残渣燃料を燃焼させ得る。２つの燃料種の相対的なコスト、さらに国内の規制も、いずれの燃料種を用いるべきかの決定に影響を及ぼし得る。

多数の燃料種を燃やす所望の融通性を得るという前提から、前述の船舶エンジンは、一般に、少なくとも２つの別個の燃料タンク、及び必要に応じて、２つのタンクからの燃料流れを配分する種々の弁と配管系統を備えている。また、このようなシステムは、多くの場合、コモンレール又は類似の燃料供給システムを用いる。典型的なコモンレールの設計は、加圧レール又は供給ラインを含み、複数の燃料噴射器がこれに流体連結されている。噴射器の各々は、一般に、計量された燃料の噴流を１つ以上の燃料噴射制御弁を介してエンジンの関連するシリンダーに供給するように、作動される。

また、このようなシステムは、エンジン運転を阻害し、エンジン損傷を生じ得るエンジンシリンダーへの過剰噴霧又は過剰な燃料流れを制限するための種々の手段を備えていることが多い。このような機構の１つは、機械的流れ制限器として、当分野において知られている。一般に、機械的流れ制限器は、通常は噴射過程に続いて、１つ以上のエンジンシリンダーへの燃料流れを制限又は阻止するように操作可能な１つ以上の液圧可動部品を含んでいる。

機械的な流れ制限器の比較的小さな液圧検知部品は、一般に、その中を流れる燃料の略粘度に少なくとも部分的に基づいて、形作られ及び／又は設計されている。従って、ディーゼルのような比較的軽い低粘性の石油留出分に適した機械的流れ制限器の設計は、比較的高粘性の残渣燃料を燃焼するシステムに用いられるとき、同じようには機能しないか、又は全く機能しない可能性がある。残渣燃料は、実際、加圧供給ラインを介する供給及び燃料噴射器を通る噴射に適した流動性に達する前に加熱しなければならないほど粘性が高い傾向にある。

本明細書は、前述の１つ以上の問題又は欠点を克服することに関する。

一形態において、本明細書は、内燃機関を提供する。この内燃機関は、高圧送給ラインと、高圧送給ラインに流体連結された複数の燃料噴射器とを含んでいる。燃料噴射器の各々は、燃料をエンジンのシリンダー内に噴射するように操作可能である。この内燃機関は、高圧送給ラインと複数の燃料噴射器の各々の燃料噴射制御弁との間に配置された電子制御流れ阻止器をさらに含んでいる。流れ阻止器の各々は、弁部材を流れ阻止器が個別の燃料噴射器への燃料流れを阻止する閉位置に向かって移動させるように操作可能なアクチェータを含んでいる。

他の形態において、本明細書は、内燃機関を運転する方法を提供する。この方法は、燃料を、個別の燃料噴射器の個別の燃料噴射制御弁を介して、高圧送給ラインから複数のエンジンシリンダーに噴射させるステップと、故障の検出時に、エンジンシリンダーの少なくとも１つを、そこへの燃料流れを阻止するように電子制御流れ阻止器を選択的に作動させることによって、機能停止させるステップとを含んでいる。

図１を参照するに、本明細書によるエンジン１０が示されている。エンジン１０は、エンジンハウジング１２と、燃料をそこに噴射するように操作可能な複数の燃料噴射器３０とを含んでいる。燃料噴射器３０の各々は、供給ライン４２を介して、高圧送給ライン１４に流体連結され、好ましくは、内蔵された少なくとも１つの燃料噴射制御弁を有する形式の噴射器である。高圧送給ライン１４、好ましくは、コモンレールは、好ましくは、１つ以上の高圧ポンプ１８に流体連結され、この高圧ポンプ１８は、好ましくは、低圧ドレン２０と燃料供給源６０とに連結されている。エンジン１０は、例えば、駆動シャフトを介して１つ以上のプロペラに動力を供給する比較的大きな船舶推進システムに主に適用されることが意図されている。しかし、エンジン１０は、このような用途に制限されず、代替的に、例えば、トラック又は機関車のような陸上車両、あるいは発電機に動力を供給するのに用いられ得ることが理解されるべきである。

燃料供給源６０は、好ましくは、第１燃料タンク６２と第２燃料タンク６４とを含む。タンク６２と６４の各々は、好ましくは、異なる種類の燃料、例えば、タンク６２と６４の１つにおけるディーゼルのような石油留出燃料と、タンク６２と６４の他の１つにおける残渣石油燃料のような他の燃料とを含む。

制御弁６６は、好ましくは、燃料供給源６０を高圧ポンプ１８に連結する燃料供給ライン６７内に配置され、燃料タンク６２と６４のいずれか又は両方を供給ライン６７に選択的に流体連結するように操作可能である。制御弁６６は、例えば、内部通路６９を有する可動弁部材６８を含み得る。弁部材６８の位置は、タンク６２と６４の１つのみを供給ライン６７に選択的に連結させるように、調整され、又は代替的に、弁部材６８は、通路６９が燃料タンク６２と６４の両方を同時に供給ライン６７に流体連結させるように、配置され得る。後者は、好ましくは、燃料種の比較的滑らかな交換を容易にし、これによって、１つの燃料種から他の燃料種に急速に切換えるよりもむしろそれらの混合物を高圧送給ライン１４に一時的に供給し得るのに、用いられる。

電子制御モジュール１６が、好ましくは、エンジン１０に含まれ、その種々の部品と制御通信される。制御モジュール１６は、好ましくは、通信リンク１７を介して、燃料噴射器３０の各々の燃料噴射制御弁３２と通信し、エンジン運転中にそれを電子的に作動させる。制御モジュール１６は、同様に、第２通信リンク１９を介して、高圧送給ライン１４と通信し、第３通信リンク２１を介して、高圧ポンプ１８と通信する。好ましい実施形態において、制御モジュール１６は、エンジン速度、送給ライン１４の圧力、高圧ポンプの速度、要求される噴射器の出力とタイミング、排気量、及び温度などを含む複数のエンジン運転パラメータを、通常の手法で監視するように、操作可能である。第４通信リンク２３が、燃料レベル、弁位置、燃料温度なども監視し得るように、燃料供給源６０、特に制御弁６６と制御モジュール１６との間に設けられ得る。

制御モジュール１６は、さらに好ましくは、燃料噴射器３０内の燃料噴射制御弁３２とは独立に操作可能な複数の電子制御流れ阻止器４０と制御通信する。また、図２を参照するに、エンジン１０と共に用いられるのに適した流れ阻止器４０が概略的に示されている。各流れ阻止器４０は、好ましくは、燃料噴射器３０の１つと高圧送給ライン１４との間の各燃料供給ライン４２に配置される。流れ阻止器４０は、ライン４２の１つを通る燃料流れを阻止し、その結果、そのラインを通るエンジン１０、典型的には、そのシリンダーへの燃料流れを阻止するように、操作可能である。

好ましい実施形態において、流れ阻止器４０の各々は、内部通路４６を有する弁部材４１を含んでいる。各弁部材４１は、好ましくは、燃料が自在にライン４２内を流れ、個別の噴射器３０に到達し得るように、開位置に常時付勢される。アクチェータ４４が、好ましくは、各流れ阻止器４０に連結され、制御モジュール１６からの適切な指令によって、個別の弁部材４１を閉位置に移動させるように操作可能である。付勢手段、例えば、付勢バネ４９が、好ましくは、弁部材４１と隣接して配置され、図２に示されるように、弁部材４１を開位置に向かって付勢する。

当業者であれば、記載された電子制御流れ阻止器４０は、単なる例示であり、ここに開示された実施形態に対する有効な修正が、本明細書の範囲から逸脱することなく、なされ得ることを理解するだろう。例えば、弁部材４１は、開位置に向かって付勢される必要は全くない。開位置に付勢される代わりに、弁部材４１は、閉位置に向かって付勢されることが可能であり、離脱可能な機械的又は液圧的ロックを用いて、弁部材４１を開位置に維持し、次いで、制御モジュール１６又はオペレータからの信号によって、離脱され得る。同様に、各流れ阻止器４０の各々の作動は、種々の手段によって、なされ得る。例えば、弁部材４１を作動させるために、空圧的又は電気的システム、あるいはパイロット操作又は非パイロット操作液圧アクチェータが用いられ得る。好ましい実施形態において、電子制御流れ阻止器は、単に、バネのような付勢装置を介して開位置に常時付勢される弁部材に操作可能に連結される電気アクチェータを有している。次いで、この好ましい実施形態では、流れ阻止器が、電気アクチェータを励磁することによって、閉位置に作動される。また、本明細書は、バネのような付勢装置を介して、閉位置に常時作動され、電気アクチェータを励磁することによって、開位置に移動され得る流れ阻止器をも意図している。従って、この特許において用いられる「作動」という用語は、「作動」を行なう手段がある物を１つの位置から他の位置に移動させるという通常の定義に基づき、その「作動」は、別体の電気アクチェータを励磁するか又は脱磁することによって、直接的又は間接的になされ得る。

好ましくは、複数の機械的流れ制限器５０も設けられる。これらの制限器５０は、好ましくは、送給ライン１４の上流側又は下流側のいずれかにおいて、その１つが電子制御流れ阻止器４０の各々と直列に配置される。好ましい実施形態において、機械的流れ制限器５０は、供給ライン４２を介して個別の燃料噴射器３０に向かう燃料流れを制限又は阻止、最も好ましくは、阻止するように操作可能である。当分野においてよく知られているように、典型的には燃料流れを停止するように操作可能な液圧的可動部材を含む機械的流れ制限器５０に対して、無数の適切な設計が知られている。

エンジン１０の操作は、典型的には、高圧ポンプ１８によって燃料を加圧し、その燃料を送給ライン１４に供給することによって、開始される。

次いで、加圧燃料が、供給ライン４２を介して、燃料噴射器３０の各々に供給され、必要に応じて、エンジンシリンダーに燃料を供給するために、噴射され得る。この噴射のタイミングは、典型的には、制御モジュール１６によって、電子制御される。典型的には、エンジン始動は、タンク６２と６４の１つから送られるディーゼル又は他の石油留出燃料によって、行なわれる。所望の時刻に、制御弁６６は、タンク６２と６４の１つからの燃料とタンク６２と６４の他の１つからの燃料とを切換えることによって、燃料種の交換を開始するように、作動され得る。燃料の交換は、好ましくは、燃料がタンク６２と６４の両方から供給ライン６７に同時に流れ得る中間位置に、弁部材６８を移動させることによって、比較的穏やかに行なわれる。所望長さの混合時間を経た後、弁部材６８は、タンク６２と６４の１つのみが供給ライン６７と連結する位置に向かって、移動され、単一の燃料種のみがエンジン１０に動力を供給する。燃料種の１つが残渣燃料である場合、好ましくは、加熱システム（図示せず）を用いて、残渣燃料を加熱し、その粘度を残渣燃料が噴射器３０によって供給かつ噴射され得る点に低下させる。

好ましい実施形態において、電子制御モジュール１６は、そこに記録された制御アルゴリズムを有するコンピュータ読取可能媒体を含んでいる。制御アルゴリズムは、好ましくは、エンジン速度と噴射器３０の作動を監視するための手段を含んでいる。種々の他のエンジン運転パラメータが、制御アルゴリズムによって、監視及び／又は制御され得る。好ましい実施形態において、第２制御アルゴリズムが、好ましくは、コンピュータ読取可能媒体に記録され、この第２制御アルゴリズムは、故障の検出時に、関連するシリンダーへの燃料流れを阻止するように、１つ以上の流れ阻止器４０を選択的に作動させるための手段を含んでいる。

エンジン１０は、１つ以上のエンジンシリンダーと関連する故障条件を検出するように操作可能な種々のセンサを含み得る。このようなセンサは、例えば、１つ以上のシリンダーの燃焼特性の変化を検出するように操作可能な燃焼騒音センサと、燃料システムの全体にわたる種々の点における燃料圧力の突発的な変化を検出するように操作可能な圧力センサとを含み得る。個々の燃料噴射器の種々の電気特性も、センサによって監視され得る。エンジン１０内において用いられる好ましい噴射器のような多くの液圧作動燃料噴射器は、多数の小さく、かつ比較的複雑な内部移動部品を含んでいる。エンジン１０のようなエンジンに好ましくは用いられる比較的粘性のある残渣石油燃料は、内部噴射器部品と配管系統を詰まらせることがある。このような状況において、その噴射器と関連するシリンダーを継続的に作動させることは、望ましくない。従って、エンジン１０の１つ以上のシリンダーの機能停止が、典型的には、エンジン運転中に、残渣燃料によって生じるが、本明細書は、決してそのように制限されない。

電子制御モジュール１６は、好ましくは、１つ以上のエンジンセンサからの故障信号を受信するように構成される。コンピュータ読取可能媒体に記録された第２制御アルゴリズムは、好ましくは、故障の検出時において、流れ阻止器４０の１つ以上の電気アクチェータを励磁（又は脱磁）し、その流れ阻止器を閉位置に作動させる手段を含む。第２制御アルゴリズムは、好ましくは、燃料噴射器３０を励磁する役割の第１制御アルゴリズムとは独立して操作可能である。好ましい実施形態において、１つ以上の噴射器３０への燃料流れが流れ阻止器４０によって阻止され得ても、第１制御アルゴリズムは、継続して、燃料噴射器３０の全てにおける燃料噴射過程を信号で伝え得る。

流れ阻止器４０の作動は、手動又は自動のいずれかによって、行なわれ得ることが意図されている。制御アルゴリズムが燃料阻止器４０を励磁させるように操作可能である実施形態と対照的に、船舶オペレータ又はエンジニアが、例えば、個別のシリンダーへの燃料流れを阻止するための警報の音によって故障に気付いたとき、流れ阻止器４０の１つ以上の電気アクチェータを手動によって励磁（又は脱磁）させ得る。

電子制御モジュール１６は、さらに好ましくは、種々のエンジン運転パラメータ、特に、故障が生じているエンジン運転の時間帯に加えて、故障状態の進展に関連するようなパラメータに関するデータを記録するように構成される。従って、オペレータが、故障状態の原因となる種々のエンジン状態を推定し、どのシリンダーを停止するかを決定し、それらのシリンダーと関連する燃料噴射器を再始動し得るどうか、又はいつ再始動し得るかに関する決定を行なうことができる。好ましい実施形態において、特定のシリンダーへの燃料の噴射は、その特定のシリンダーと関連する流れ阻止器の作動を、好ましくは、手動制御によって、停止することによって、再始動される。いったんアクチェータ４４が脱磁されると、弁部材４１は、付勢バネ４９の作用によって、その開位置に復帰することができる。ラッチ手段が流れ阻止器４０の各々と共に設けられるさらなる実施形態が考えられる。このような設計において、流れ阻止器４０の励磁時に、もしアクチェータ４４が不注意によって脱磁された場合でも、弁部材４１がその開位置に復帰しないように、弁部材４１がその閉位置に係止される。このラッチ手段は、手動によって又は自動的に、離脱され得る。

従って、本明細書は、１つ以上のエンジンシリンダーへの燃料の供給を選択的に停止し、それらのシリンダーと関連する燃料噴射器、ピストン、及び弁を継続して消極的に作動させるための手段を提供する。これによって、エンジン損傷及び／又は故障の危険性が可能な限り抑制される。さらに、故障の検出時において、エンジンの全体を停止する必要がなく、又は仕様から外れたシリンダーを継続して作動させる必要がなく、エンジンを継続して運転させることができる。

本説明は、単なる例示に過ぎず、本明細書の広さをどのようにも狭めると解釈されるべきではない。従って、当業者であれば、ここに開示された実施形態に対して、種々の修正が、本明細書の意図される精神と範囲から逸脱することなく、なされ得ることを理解するだろう。本明細書を大きなディーゼルエンジン船舶と関連させて説明したが、他の小さなエンジンも、ここでの教示から利益を得ることができる。例えば、高圧送給ライン又はコモンレールを有する小さなディーゼル又はガソリンエンジンは、ここに記載されるような電子制御流れ阻止器に適し得る。他の形態、特徴、及び利点は、添付の図面と添付の請求の範囲を検討することによって、明らかになるだろう。

本明細書によるエンジンの概略図である。 本明細書による電子制御流れ阻止器の線図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ エンジンハウジング
１４ 高圧送給ライン
１６ 電子制御モジュール
１７ 通信リンク
１８ 高圧ポンプ
１９ 通信リンク
２０ 低圧ドレン
２１ 通信リンク
２３ 通信リンク
３０ 燃料噴射器
３１ 噴射器本体
３２ 燃料噴射制御弁
４０ 電子制御流れ阻止器
４１ 弁部材
４２ 燃料供給ライン
４４ アクチェータ
４５ 通信リンク
４６ 通路
４９ 付勢バネ
５０ 機械的流れ制限器
６０ 燃料供給源
６２ 第１燃料タンク
６４ 第２燃料タンク
６６ 流量制御弁
６７ 燃料供給ライン
６８ 弁部材
６９ 通路

Claims (10)

1. 内燃機関において、
   高圧送給ラインと、
   前記高圧送給ラインに流体連結された複数の燃料噴射器であって、前記燃料噴射器の各々が燃料を前記内燃機関に噴射するように操作可能である燃料噴射器と、
   前記高圧送給ラインと前記燃料噴射器の各々の燃料噴射制御弁との間に配置された電子制御流れ阻止器であって、前記流れ阻止器の各々が、弁部材を前記流れ阻止器が個別の燃料噴射器への燃料流れを阻止する閉位置に向かって移動させるように操作可能なアクチェータを含む流れ阻止器と
   を含む内燃機関。
2. 前記電子制御流れ阻止器の各々は、個別の噴射器本体の外側に配置され、
   各流れ阻止器の各々の弁部材は、前記弁部材が前記高圧送給ラインからの燃料流れを許容する第１位置と、前記弁部材が前記高圧送給ラインからの燃料流れを阻止する第２位置との間で移動可能であり、
   前記弁部材は、それを前記第１位置に向かって付勢する付勢手段に連結される、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記電子制御流れ阻止器の各々と制御通信する電子制御モジュールを備え、
   前記制御モジュールは、コンピュータ読取可能媒体を含み、該媒体は、そこに記録された第１制御アルゴリズムであって、エンジン速度を監視し、前記複数の燃料噴射器の各々の作動を制御するための手段を含む第１制御アルゴリズムと、そこに記録された第２制御アルゴリズムであって、前記第１制御アルゴリズムとは独立して操作可能であり、故障の検出時において、前記電子制御流れ阻止器の各々を選択的に作動させるための手段を含む第２制御アルゴリズムとを有する、請求項２に記載の内燃機関。
4. 第１粘度を有する第１燃料種を含む第１タンクと、
   前記第１粘度よりも大きい第２粘度を有する第２燃料種を含む第２タンクと
   を含み、
   前記第１及び第２タンクは、前記高圧送給ラインと選択的に連結可能である、請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記燃料噴射器の少なくとも１つへの燃料流れを制限又は阻止するように操作可能な複数の機械的流れ制限器であって、各々が前記電子制御流れ阻止器の１つと直列に配置される機械的流れ制限器をさらに含む、請求項４に記載の内燃機関。
6. 複数の燃料噴射器であって、各々がそこに配置された少なくとも１つの噴射制御弁を有する燃料噴射器と、
   個別の噴射器への燃料流れを選択的に阻止するために、前記少なくとも１つの噴射制御弁の各々とは独立して操作可能な複数の電子制御流れ阻止器とを含む、請求項５に記載の内燃機関。
7. 内燃機関を運転する方法において、
   燃料を高圧送給ラインから、個別の燃料噴射器の個別の燃料噴射制御弁を介して、複数のエンジンシリンダーに噴射するステップと、
   故障の検出時に、エンジンシリンダーの少なくとも１つを、そこへの燃料流れを阻止するように電子制御流れ阻止器を選択的に作動させることによって、機能停止させるステップとを含む方法。
8. 機能停止ステップは、弁部材を開位置から閉位置に向かって移動させるように、少なくとも１つのシリンダーへの燃料供給源内の電子制御流れ阻止器を励磁することを含み、
   故障の検出は、少なくとも１つのエンジンシリンダーの仕様から外れた作動の検出を含む、請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも１つのシリンダーは、機能停止したシリンダーであり、
   エンジンの少なくとも１つのその他のシリンダーの作動を維持すると共に、機能停止したシリンダーへの燃料の流入を阻止するステップと、
   故障の解除時に、個別の電子制御流れ阻止器の作動を停止することによって、機能停止したシリンダーを少なくとも部分的に再び機能回復させるステップとをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 電子制御モジュールは、故障を検出するための手段を含み、少なくとも１つのシリンダーを機能停止するステップは、故障の検出時に、電子制御モジュールによって、個別の電子制御流れ阻止器を自動的に作動させることを含む、請求項９に記載の方法。
    

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