JP4026592B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

この発明は、高圧供給ポンプによって加圧しコモンレール内に蓄圧した高圧燃料を、内燃機関の燃焼室に噴射するための電磁制御式の燃料噴射弁に関する。

電磁制御式の燃料噴射弁は、ディーゼルエンジンなどの蓄圧式燃料噴射装置に用いられ、コモンレールから供給される高圧燃料をエンジンの燃焼室に噴射する。この燃料噴射弁は、噴射ノズルを有する噴射弁本体と、噴射弁本体を制御する電磁弁とからなる。電磁弁は、電磁ソレノイドと、噴射弁本体を制御する圧力制御室の燃料圧を増減させる開閉弁機構とを有する。電磁ソレノイドには、エンジン制御装置（ＥＣＵ）から制御信号が送出され、開閉弁機構を開閉制御する。

電磁ソレノイドは、通電（オン）および通電停止（オフ）によって変位する可動子（可動コア）を有する。この可動子は、開閉弁機構の弁体として作用し、可動子の変位により弁口（燃料噴射弁の圧力制御室の出口オリフィス）が開閉される。この弁口の開閉により、圧力制御室の高圧燃料油の油圧が制御され、噴射弁本体の制御ピストンおよび噴射ノズルのニードルに加わる油圧が変化し、制御ピストンおよびニードルが変位して噴射ノズルの燃料噴射孔が開閉する。

図２に示すように、電磁弁３は、内筒３２の外周に磁気コア３３を配し、磁気コア３３の外周を外筒３４で包囲し、磁気コア３３内に電磁コイル３５を設置した電磁ソレノイド３０を備えている。磁気コア３３の下には、上面が吸着面となっている平板部５１、および平板部５１の中心から下方に延長されたシャフト部５２とを有する可動子５が収容されている。可動子５は、シャフト部５２を上下動可能に保持する円筒状の可動子ホルダ６により保持されている。

可動子ホルダ６の下には、中央に出口オリフィス７３を有するオリフィスプレート７が置かれ、シャフト部５２の下端には、出口オリフィス７３を開閉するボール弁７８が設置されている。可動子５は、付勢手段であるスプリング３６により下方（出口オリフィス７３の閉鎖方向）に付勢され、電磁ソレノイド３０で生じた磁力により上方（出口オリフィス７３の開放方向）に吸引されて上下に０．０５ｍｍ程度のストロークで変位する。可動子５の変位の応答性は、燃料噴射弁１の噴射制御の応答性に対応する。また、可動子５は、上下動に伴い内筒３２のストッパ面（下端面）と、ボール弁７８を介してオリフィスプレート７とに衝突し、繰り返し衝撃を受ける。

電磁弁３内には低圧燃料油が導入されており、可動子５の上下方向の変位には低圧燃料油の抵抗が生じる。このため、応答性の向上には低圧燃料油の抵抗の低減が重要である。従来より、可動子５の平板部５１の外周には複数の切欠き５３が設けられており（図５参照）、流体（低圧燃料油）抵抗の低減と軽量化による変位の応答性の向上が図られている（特許文献なし）。

従来の可動子５Ｊは、図６の（Ａ）に示す如く、平板部５１の外周に、約６０度のＶ字形で、最奥部（平板部５１の最小径部）５Ａから当接部（当接平面５Ｄ）までの径方向距離が０．９ｍｍである３個の切欠き５３を設け、平板部５１の吸着面に、最奥部５Ａに連通する通油溝５８を設け、平板部５１の上方への低圧燃料油の流れ込みを円滑化するとともに軽量化を図っている。しかるに、従来の可動子５Ｊは、衝突により生じる衝撃の最奥部５Ａへの応力集中が極めて大きいため、耐久性が不十分であった。

図６の（Ｂ）に示す可動子５Ｈは、図６の（Ａ）と同一有効面積を有し、約９０度のＶ字形で、最奥部５Ａから当接部までの径方向距離が２．０ｍｍである３個の切欠き５３を有する。この比較例の可動子５Ｈは、最奥部５Ａへの応力集中はある程度低減できる。しかるに、最奥部５Ａと連通して通油溝５８が設けられているため、この連通部分に応力が集中するとともに構造強度が小さく、なお十分な耐久性の向上が得られていない。

この発明の目的は、可動子の平板部の上方への低圧燃料油の流れ込みを円滑にできるとともに、可動子の外周に設けた切欠きの最奥部への応力集中を低減でき、高い応答性と高い耐久性とを兼ね備える燃料噴射弁の提供にある。

請求項１の発明では、電磁ソレノイドへの吸着面を有する平板部を備えた可動子を有しており、平板部の外周には、低圧燃料油が電磁ソレノイドと吸着面との間に迅速に出入りできるための切欠きが形成され、吸着面には、該吸着面の中心部と外周部とを連通し低圧燃料油が吸着面の中心部と外周部との間で円滑に移動できるための通油溝が形成された燃料噴射弁において、通油溝は切欠きの最奥部と離隔して形成されていることを特徴とする。

この構成では、通油溝と切欠きの最奥部とが離隔しているため、切欠きの最奥部への応力集中を低減できるとともに、切欠きの最奥部の構造強度が向上する。このため優れた耐久性を有する。なお、吸着面の中心部と外周部とを連通する通油溝の寸法および個数は、低圧燃料油の円滑な移動が確保できるように適宜に決定される。

請求項２の発明では、切欠きは平板部の外周に等間隔に形成された略Ｖ字形状を有し、付勢手段は電磁ソレノイドの中心に配され平板部の中心に設けた凹所に当接するスプリングであり、通油溝は凹所から半径方向に形成されており、該通油溝の外側端が切欠きの最奥部と分離していることを特徴とする。集中応力の低減の観点から、切欠きの角度は直角（９０度）以上であり、最奥部から当接部までの径方向距離は２．０ｍｍ以上であることが望ましい。切欠きの角度の上限および最奥部から当接部までの径方向距離の上限は、低圧燃料油の円滑な移動が確保できる範囲で限定される。

請求項３の発明では、電磁ソレノイドの中心に、スプリングを内包するとともに、吸着面に当接するストッパ面を有する内筒が挿設され、吸着面の凹所の外周には、ストッパ面に当接する円環状の当接面が形成され、通油溝は凹所から当接面と交差して半径方向に形成されるとともに、外側端の中間に最奥部が位置することを特徴とする。切欠きは平板部の外周に１２０度間隔で３個形成され、通油溝は６０度間隔で６個形成され、最奥部は２つの通油溝の外側端の中間位置に設定することが最も有効で実用的である。
なお、請求項４に記載の如く、隣り合う通油溝の間に、補助溝を形成してもよく、補助溝により吸着面の中心への低圧燃料油の出入りをさらに円滑に行うことができる。

請求項５の発明では、可動子が、溶製材製のシャフト部の外周に、珪素鋼からなる平板部を接合して形成されており、切欠きは珪素鋼部分に形成されており、通油溝は溶製材製部分に形成されていることを特徴とする。
この構成では、強磁性を有し、かつ機械的強度の高い可動子を容易に形成できるとともに、切欠きおよび通油溝の形成による構造強度の低下を最小限に抑えることができる。

請求項６の発明では、シャフト部と平板部の接合が、溶製材製のシャフト部の外周に、珪素鋼からなる焼結金属製の平板部を焼結して行われることを特徴とする。
この構成では、平板部が型形成でき、生産性に富んだ可動子を得ることができる。

請求項７の発明では、シャフト部と平板部の接合が、溶製材製のシャフト部の外周に、珪素鋼からなる溶製材製の平板部を摩擦圧接接合して行われることを特徴とする。
この構成では、平板部に密度のより高い溶製材を使用でき、より高い次元で応答性と耐久性とを兼ね備えた燃料噴射弁を得ることができる。

請求項８の発明では、電磁ソレノイドが外周部に円環状のストッパ面を有し、平板部の吸着面の外周に、ストッパ面に当接する円環状の当接面が設けられ、通油溝は当接面と交差して形成されたことを特徴とする。
この構成では、可動子と電磁ソレノイドとの接合が大面積であるため、可動子の作動が安定するとともに、通油溝の幅を大きくすることが容易であり、吸着面への低圧燃料油の移動が迅速化できる。

本発明の最良の形態を実施例１および実施例２に基づき説明する。

図１はエンジンの燃焼室内へ間欠的に燃料を噴射する電磁制御式の燃料噴射弁１を示し、図２は燃料噴射弁１の要部を示す。燃料噴射弁１は、ディーゼルエンジン用の蓄圧式（コモンレール式）燃料噴射装置に用いられ、図示しないコモンレールから供給される高圧燃料をエンジンの燃焼室に噴射する。燃料噴射弁１は、噴射弁本体２と、該噴射弁本体２の上端部に装着した電磁弁３と、下端に締結した燃料の噴射ノズル４とからなる。電磁弁３には、図示しないエンジン制御装置（ＥＣＵ）からのワイヤハーネスに接続されるコネクタＣが設けられており、ＥＣＵから送出される制御信号により制御される。

噴射弁本体２は、棒状を呈し、軸心に貫通したシリンダ２１が設けられるとともに、シリンダ２１に平行して高圧燃料流路２２、および低圧燃料流路２３が設けられた弁ボディ２０を有する。弁ボディ２０の上端部には、円筒状の電磁弁設置室１０が設けられ、電磁弁設置室１０には電磁弁３が装着されてリテーニングナット２４により固定されている。弁ボディ２０の下端には、噴射ノズル４が同軸的に接合されリテーニングナット２５により締結されている。弁ボディ２０の上部には、斜め上方に傾斜して、いずれも筒状のインレット部２６、およびアウトレット部２７が設けられている。

電磁弁３は、電磁弁設置室１０の上部に設置された電磁ソレノイド３０、および電磁弁設置室１０の下部に設置された開閉弁機構５０からなる。開閉弁機構５０は、可動子５と、該可動子５を保持する可動子ホルダ６とを有する。電磁ソレノイド３０の下面と可動子ホルダ６との間は、可動子５が上下動する可動子室６０となっている。可動子ホルダ６の下側（電磁弁設置室１０の下端部）はやや小内径のプレート室７０となっており、円板状のオリフィスプレート７が収容されている。

シリンダ２１には制御ピストン４１が収容され、噴射ノズル４内には制御ピストン４１に当接してニードル弁４２が収容されている。噴射ノズル４は下端に噴射孔４３が設けられ、ニードル弁４２はシリンダ２１の下部に設置されたスプリング４４により下方（噴射孔４３を閉じる方向）に付勢されている。制御ピストン４１の上端と、オリフィスプレート７との間には圧力制御室４５が形成されている。

ニードル弁４２は、圧力制御室４５の油圧およびスプリング４４のバネ荷重による下方への付勢力と、噴射ノズル４内の油圧によりニードル弁４２に加わる上方への付勢力とのバランスで上下動し、噴射孔４３を開閉する。すなわち、圧力制御室４５が低圧になったとき、制御ピストン４１とニードル弁４２とが上方に移動し、噴射孔４３が開いて、高圧燃料流路２２から噴射ノズル４に供給された高圧燃料が燃焼室に噴射される。

インレット部２６の内部には、高圧燃料流路２２に連通した高圧燃料流入路１１、および高圧燃料流入路１１とプレート室７０とを連通する入口流路１２が形成されている。アウトレット部２７には、プレート室７０を経て低圧燃料流路２３に連結した流出路１３が設けられており、燃料噴射弁１内の余剰燃料を外部に排出する排出流路を形成している。

オリフィスプレート７は、下面の中心に圧力制御室４５を形成する円錐凹所７１が形成され、円錐凹所７１の上には、上下に径大部７２、７２を有する出口オリフィス７３が形成されている。オリフィスプレート７の内部には、下面から入口オリフィス７４を有する傾斜穴７５が掘られ、円錐凹所７１から入口オリフィス７４に連通する入口穴７６が開けられている。コモンレールから供給された高圧燃料の燃料圧は、高圧燃料流入路１１、入口流路１２、傾斜穴７５、入口オリフィス７４、入口穴７６を介して、圧力制御室４５に導かれている。

電磁ソレノイド３０は、強磁性材製で上端に鍔部３１を有する内筒３２の外周に、複合磁性体（ＳＭＣ）からなる磁気コア３３を配し、磁気コア３３の外周を強磁性材製の外筒３４で包囲し、磁気コア３３内に電磁コイル３５を配設した構造を有する。電磁ソレノイド３０の下面は、可動子５の吸引面となっており、内筒３２の下端面は、可動子５が衝突（当接）するストッパ面となっている。

可動子５は、平板部５１およびシャフト部５２とを有し、平板部５１は可動子室６０に配されている。可動子ホルダ６は円筒状を呈し、中心穴６１にシャフト部５２が摺動自在に嵌め込まれている。図４に示す如く、平板部５１の上面は平面であり、電磁ソレノイド３０の下面に吸着される吸着面５Ｋとなっている。可動子ホルダ６は、外周に外ネジが形成され、電磁弁設置室１０の内周に設けた内ネジに螺合されている。

シャフト部５２は円柱状を呈し、下端面の中心には円筒部および円錐部からなる弁体室７７が設けられ、弁体室７７には窒化珪素製のボール弁７８が収容されている。ボール弁７８の下面は、出口オリフィス７４を塞ぐシール平面７９となっている。可動子５は、内筒３２内に配されたスプリング３６で下方（閉弁方向）に付勢され、電磁ソレノイド３０で生じた磁力により上方（開弁方向）に吸引されて上下に変位する。

可動子室６０および内筒３２内を含む電磁ソレノイド３０内、および開閉弁機構５０が収容されている電磁弁設置室１０は、低圧燃料流路２３に連結した流出路１３に連通しており、低圧燃料油で満たされている。このため、可動子５の上下方向の変位には、主に平板部５１に低圧燃料油の抵抗が生じる。電磁弁３の応答性を向上させるためには、平板部５１の低圧燃料油の抵抗を低減するとともに、可動子５の重量を軽減して、迅速な可動子５の変位を可能にすることが必要である。また、可動子５には、上下動に伴い衝撃が加わるため、構造強度の増大が耐久性の観点から重要である。

可動子５の平板部５１には、図３〜図５に示す如く、外周部の３箇所に等間隔（１２０度間隔）で、略Ｖ字形（扇型）の切欠き５３を設けている。切欠き５３は、低圧燃料油による抵抗の軽減と軽量化のために形成されており、形状および個数は適宜に決定される。この実施例では平板部５１の半径Ｒに対し、切欠き５３は深さが約０．４３Ｒで約９０度の略Ｖ字形を有し、最奥部５Ａから当接平面５Ｄまでの径方向距離が２．０ｍｍとなっている。平板部５１の切欠き５３、５３の間は、切欠き間部５４となっている。なお、切欠き５３の形状は、外周側が幅広で中心側が幅狭の形状であれば、略Ｖ字形（扇型）以外であってもよい。

３個の切欠き間部５４の中央には、中心から約０．７Ｒの円周上に直径が約０．２７Ｒで軸方向に貫通した円孔５５が設けられている。切欠き間部５４の外周の下側には、板圧の２／３の高さで約４５度の外周傾斜面５６が周設されている。円孔５５は下端の外側部において外周傾斜面５６の下の環状空間５Ｃに連通しており、低圧燃料油による抵抗の軽減と軽量化による可動子５の変位の応答性の向上が図られている。

平板部５１の吸着面（上面）５Ｋの中心には、円形凹所５７が形成されスプリング３６の下端が当接する座面となっている。円形凹所５７の外周には、上方に５０ミクロンだけ突き出した円環状の当接平面５Ｄが形成されている。当接平面５Ｄは、内筒３２のストッパ面（下端面）に対応した大きさを有する。円形凹所５７からは、等間隔（６０度間隔）に半径方向の６個の通油溝５８が設けてある。

６個の通油溝５８の外端５Ｂの位置は、３個の切欠き５３の最奥部５Ａと半径方向にずれた位置（図示の実施例では、中間位置）に設定してある。この実施例では、６個の通油溝５８の中間位置に、円環状の当接平面５Ｄの突き出し部を欠落させた補助溝５９が交互に形成されている。補助溝５９は、通油溝５８より小さく、６個の通油溝５８内を通過する低圧燃料油の不足を補い、迅速な低圧燃料油の移動に寄与する。補助溝５９の幅、深さ、個数、形成位置は、適宜に設計できる。

可動子ホルダ６は、図４に示す如く、上面に円形の上面凹所６２が設けられ、下面の中央に下面凹所６３が形成されている。上面凹所６２には、上広がりのテーパーを有する中心穴６４と、環状空間５Ｃに連通している切欠き６５とを有する円環板６６が嵌め込まれている。可動子ホルダ６には、切欠き５３および環状空間５Ｃに連通した上下方向の貫通穴６７が形成されている。貫通穴６７は、傾斜穴６８により下面凹所６３と連通している。

この燃料噴射弁１は、電磁ソレノイド３０へ通電されると、可動子５は電磁力により吸引されて上方に移動し、円環状の当接平面５Ｄは内筒３２の下面（ストッパ面）に衝突して停止する。可動子５に連動してボール弁７８は上位に変位し、出口オリフィス７３が開放されて流出路１３に連通するため、圧力制御室４５内の高圧燃料は、１／２程度の油圧に降圧する。このため、制御ピストン４１は上方に移動し、ニードル弁４２も連動して上位に変位するため、噴射孔４３から燃料の噴射が行われる。

電磁ソレノイド３０への通電が停止されると、可動子５はスプリング３６のバネ力で下方に移動し、シャフト部５２とともに、ボール弁７８は下位に変位して出口オリフィス７３を閉じる。圧力制御室４５内の高圧燃料は、コモンレールから供給される高圧に昇圧し、制御ピストン４１は下方に移動し、ニードル弁４２も連動して下位に変位するため、噴射孔４３は閉じて燃料の噴射は終了する。

可動子５は、上下に付勢され停止する際に、内筒３２の下面（ストッパ面）またはボール弁７８を介してオリフィスプレート７に衝突するため、衝撃荷重を受ける。この衝撃荷重は、平板部５１に内部応力を生じ、この内部応力は曲率半径の小さい切欠き５３の最奥部５Ａに集中する。このため、可動子５の耐久性の向上には、最奥部５Ａに集中する応力の低減が重要になる。図６は、従来の可動子５Ｊ、比較品の可動子５Ｈ、およびこの発明の可動子５の応力集中の度合いを比較している。

図６の（Ａ）は従来の可動子５Ｊを示し、切欠き５３は、６０度の略Ｖ字形で、最奥部５Ａから当接平面５Ｄまでの径方向距離が０．９ｍｍ、最奥部５Ａに通油溝５８の外端５Ｂが連通している。
図６の（Ｂ）は比較品の可動子５Ｈを示し、切欠き５３は、９０度の略Ｖ字形で、最奥部５Ａから当接平面５Ｄまでの径方向距離が２．０ｍｍ、最奥部５Ａに通油溝５８の外端５Ｂが連通している。
図６の（Ｃ）は本発明の可動子５であり、切欠き５３は、９０度の略Ｖ字形で、最奥部５Ａから当接平面５Ｄまでの径方向距離が２．０ｍｍ、最奥部５Ａに通油溝５８の外端５Ｂが連通していない。

図６に示すように、従来の可動子５Ｊでは、最奥部５Ａに加わる集中応力は１８４ＭＰａ、比較品の可動子５Ｈでは、最奥部５Ａに加わる集中応力は１２０ＭＰａ、本発明の可動子５では、最奥部５Ａに加わる集中応力は８６ＭＰａとなっており、著しい集中応力の低減が可能になっている。このため、可動子５の耐久性が向上でき、かつ、切欠き５３および通油溝５８により、低圧燃料油が可動子５の平板部５１の上方に迅速に流動でき、応答性にも優れる。

図７は、この発明の実施例２にかかる燃料噴射弁の可動子８を示す。この燃料噴射弁では、電磁ソレノイド３０の外筒３４の下面に円環状のストッパ面３Ｓが形成されている。可動子８は、外周に３箇所の切欠き８１を有する平板部８２の吸着面（上面）８３の外周部に、ストッパ面３Ｓに対応して、上方に５０ミクロンだけ突き出した円環状の当接平面８４が形成されている。当接面８４には、幅が広く浅い通油溝８５（図では、円環状の当接面８４の突出し欠落部）が形成されている。通油溝８５は、平板部８２の上面への低圧燃料油の流入を円滑化している。

この実施例の可動子８は、電磁ソレノイド３０との当接面が大きく作動安定性に優れるとともに、通油溝８５の幅を大きくできるため、低圧燃料油の吸着面８３上への出入りを円滑化することが容易である。なお、可動子８は、平板部８２の吸着面８３の外周部に当接平面８４があるため、構造強度の観点から、全体を溶製材で形成することが望ましい。

燃料噴射弁の断面図である（実施例１）。 図１の要部断面図である（実施例１）。 可動子の平面図である（実施例１）。 可動子および可動子ホルダの断面図である（実施例１）。 可動子の斜視図である（実施例１）。 応力集中の度合いを説明するための可動子の平面図である（実施例１）。 可動子の斜視図である（実施例２）。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
１０ 電磁弁設置室
２ 噴射弁本体
２０ 弁ボディ
３ 電磁弁
３０ 電磁ソレノイド
３２ 内筒
３６ スプリング（付勢手段）
４ 噴射ノズル
５ 可動子
５０ 開閉弁機構
５１ 平板部
５２ シャフト部
５３ 切欠き
５Ａ 切欠きの最奥部
５７ 円形凹所（凹所）
５８ 通油溝
５Ｂ 通油溝の外端
５Ｄ 当接平面（当接面）
５９ 補助溝
６ 可動子ホルダ
６０ 可動子室
７ オリフィスプレート
７３ 出口オリフィス
７４ 入口オリフィス

Claims (8)

1. 噴射弁本体と電磁弁とからなり、前記電磁弁は電磁ソレノイドと開閉弁機構とを有する燃料噴射弁であって、
   前記開閉弁機構は、低圧燃料油が満たされている前記電磁弁内に配され、付勢手段と前記電磁ソレノイドの磁力とにより駆動されるとともに、前記電磁ソレノイドに離接する吸着面を有する平板部を備えた可動子を有しており、
   前記平板部の外周には、低圧燃料油が前記電磁ソレノイドと前記吸着面との間に出入りするための複数の切欠きが形成され、前記吸着面には、該吸着面の中心部と外周部とを連通し低圧燃料油が吸着面の中心部と外周部との間で円滑に移動できるための通油溝が形成された燃料噴射弁において、
   前記通油溝は前記切欠きの最奥部と離隔して形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、前記切欠きは前記平板部の外周に等間隔に形成されるとともに外周部が広い形状を有し、前記付勢手段は前記電磁ソレノイドの中心に配されるとともに前記平板部の中心に設けた凹所に当接するスプリングであり、前記通油溝は前記凹所から半径方向に形成されており、該通油溝の外側端が前記切欠きの最奥部と分離していることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２に記載の燃料噴射弁において、前記電磁ソレノイドの中心には、前記スプリングを内包するとともにストッパ面を有する内筒が挿設され、前記吸着面の前記凹所の外周には、前記ストッパ面に当接する円環状の当接面が形成され、前記通油溝は前記凹所から当接面と交差して半径方向に形成されるとともに、外側端の中間に前記最奥部が位置することを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３に記載の燃料噴射弁において、前記隣り合う通油溝の間に、補助溝を形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の燃料噴射弁において、前記可動子は、溶製材製のシャフト部の外周に、珪素鋼からなる前記平板部を接合して形成されており、前記切欠きは珪素鋼部分に形成されており、前記通油溝は溶製材製部分に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項５に記載の燃料噴射弁において、前記シャフト部と前記平板部の接合は、溶製材製のシャフト部の外周に、珪素鋼からなる焼結金属製の前記平板部を焼結して行われたことを特徴とする燃料噴射弁。
7. 請求項５に記載の燃料噴射弁において、前記シャフト部と前記平板部の接合は、溶製材製のシャフト部の外周に、珪素鋼からなる溶製材製の前記平板部を摩擦圧接接合して行われたことを特徴とする燃料噴射弁。
8. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、前記電磁ソレノイドは外周部に円環状のストッパ面を有し、前記平板部の前記吸着面の外周に、前記ストッパ面に当接する円環状の当接面が設けられ、前記通油溝は前記当接面と交差して形成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
   

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