JP4536572B2 - 内燃機関の空燃比推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の気筒内における空燃比を推定する内燃機関の空燃比推定装置に関する。

気筒内に燃料を噴射する、いわゆる気筒内噴射式内燃機関では、例えば特許文献１に示されるように、機関負荷に応じて燃焼モードの切換（成層燃焼モードと、均質燃焼モードの切換）が行われ、燃焼モードの切換の際には、切換先の燃焼モードに適した目標空燃比の設定が行われる。実際の気筒内の空燃比は、目標空燃比より遅れて変化するため、目標空燃比を判定基準として燃焼モードの切換を行うと、燃焼の不安定化やトルクショックを招くおそれがある。

この課題を解決するため、特許文献１には、内燃機関の運転状態に応じて、気筒内空燃比を推定し、推定した気筒内空燃比に基づいて燃焼モードの切換を行うようにした制御装置が提案されている。この制御装置によれば、吸入空気量、機関回転数等を入力とする気筒内空気量推定モデルを用いて気筒内空気量が推定され、推定された気筒内空気量及び燃料噴射量に応じて、気筒内空燃比が推定される。

特開２００１−２２７３８７号公報

しかしながら、特許文献１に示された制御装置では、前記燃料噴射量として、要求トルクに応じて求められる目標燃料量が用いられるため、燃料噴射弁の特性劣化などにより、実際の燃料噴射量と目標燃料量とのずれが発生し、気筒内空燃比の推定精度が低下する場合があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、内燃機関の気筒内空燃比をより正確に推定することができる、内燃機関の空燃比推定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の吸気系（２）に設けられ、前記機関（１）に吸入される空気量（ＧＡ）を検出する吸入空気量検出手段（２１）と、前記機関（１）の排気系（４）に設けられ、排気中の酸素濃度（ＯＸＹＣ）を検出する酸素濃度検出手段（２３）とを備え、前記機関（１）の気筒内の空燃比を推定する内燃機関の空燃比推定装置において、前記吸入空気量検出手段の出力（ＧＡ）を前記機関に供給される燃料量（ＴＯＵＴ）で除算した値に基づいて、気筒内空燃比を示す第１空燃比値（ＡＦＲｃａｌ）を算出する第１空燃比値算出手段と、前記酸素濃度検出手段の出力（ＯＸＹＣ）に応じて第２空燃比値（ＡＦＲｅｘ）を算出する第２空燃比値算出手段と、前記第１空燃比値（ＡＦＲｃａｌ）及び第２空燃比値（ＡＦＲｅｘ）を入力とする適応フィルタのオフセットパラメータ（θ）を、前記第１空燃比値（ＡＦｃａｌ）に当該オフセットパラメータ（θ）を乗算した値と、前記第２空燃比値（ＡＦＲｅｘ）との差（ｅｒｒ）が０となるように逐次同定する同定手段と、該同定手段により同定されるオフセットパラメータ（θ）及び前記第１空燃比値（ＡＦＲｃａｌ）に基づいて、前記機関（１）の気筒内の空燃比を推定する気筒内空燃比推定手段とを備え、前記同定手段は、前記第２空燃比値（ＡＦＲｅｘ）が所定の上限空燃比（ＡＦＲＨＬ）より小さいときに前記オフセットパラメータ（θ）の同定を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比推定装置において、前記オフセットパラメータ（θ）の値が所定範囲外（θ≧θＨＬまたはθ≦θＬＬ）となったとき、前記酸素濃度検出手段（２３）または前記機関の燃料供給系（９）が異常であると判定する異常判定手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、吸入空気量検出手段の出力を機関に供給される燃料量で除算した値に基づいて第１空燃比値が算出され、第１空燃比値にオフセットパラメータを乗算した値と、酸素濃度検出手段に応じて算出される第２空燃比値との差が０となるように、同定手段によりオフセットパラメータが同定され、同定されたオフセットパラメータ及び第１空燃比値に基づいて、気筒内の空燃比が推定される。同定手段により算出されるオフセットパラメータには、定常的な状態における第１空燃比値と第２空燃比値との関係が反映されるので、このオフセットパラメータと第１空燃比値に基づいて気筒内空燃比を推定することにより、定常的な運転状態だけでなく、空燃比を切り換える過渡状態においても、遅れのない正確な推定値を得ることができる。また第２空燃比値が所定の上限空燃比より小さいときにオフセットパラメータの同定が行われるので、第２空燃比値の精度が低下しない状態でオフセットパラメータを同定することができる。

請求項２に記載の発明によれば、オフセットパラメータの値が所定範囲外となったとき、酸素濃度検出手段または機関の燃料供給系が異常であると判定される。オフセットパラメータは、上記したとおり、定常的な状態における第１空燃比値と第２空燃比値との関係が反映される、換言すれば、酸素濃度センサあるいは燃料供給系の特性変化の学習値としての特性を有するので、オフセットパラメータの値が大きくずれたときは、酸素濃度検出手段の出力または機関に実際に供給される燃料量が、所望値から大きくずれていることを示す。したがって、オフセットパラメータ値が予め定めた所定範囲外となったときは、酸素濃度検出手段または機関の燃料供給系が異常であると判定することできる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関と、その制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁９が設けられている。燃料噴射弁９は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁９の開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２，排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール１０を有するタービン１１と、タービンホイール１０とシャフト１４を介して連結されたコンプレッサホイール１５を有するコンプレッサ１６とを備えている。コンプレッサホイール１５は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。

タービン１１は、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される複数の可変ベーン１２（２個のみ図示）及び該可変ベーンを開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）を有しており、可変ベーン１２の開度（以下「ベーン開度」という）ＶＯを変化させることにより、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させ、タービンホイール１０の回転速度を変更できるように構成されている。可変ベーン１２を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ２０に接続されており、ベーン開度ＶＯは、ＥＣＵ２０により制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をアクチュエータに供給し、これによってベーン開度ＶＯを制御する。なお、可変ベーンを有するターボチャージャの構成は広く知られており、例えば特開平１−２０８５０１号公報に示されている。

排気管４と吸気管２との間には、排気を吸気管２に環流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流弁（以下「ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。

吸気管２には、吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、及びコンプレッサ１６の下流側の吸気圧（過給圧）Ｐ２を検出する過給圧センサ２２が設けられている。また、排気管４のタービン１１の下流側には、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２３が設けられている。これらのセンサ２１〜２３は、ＥＣＵ２０と接続されており、センサ２１〜２３の検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

排気管４の、酸素濃度センサ２３の下流側には、排気ガス中に含まれる粒子状物質（主としてすすからなる）を捕集する粒子状物質フィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１７が設けられている。
エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２６、及びエンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ２７がＥＣＵ２０に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、タービン１１の可変ベーン１２を駆動するアクチュエータ、燃料噴射弁９、ＥＧＲ弁６などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態、具体的にはアクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて目標過給圧Ｐ２ＣＭＤを算出し、検出される過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤと一致するようにベーン開度ＶＯの制御する過給圧制御を行う。さらにＥＣＵ２０は、アクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて燃料噴射弁９の開弁時間ＴＯＵＴを算出し、開弁時間ＴＯＵＴに応じた駆動信号を燃料噴射弁９に供給する。燃料噴射弁９による燃料噴射量は、開弁時間ＴＯＵＴにほぼ比例するので、以下の説明では、燃料噴射量ＴＯＵＴという。

ＥＣＵ２０は、さらにアクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤを設定し、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤ及び検出される吸入空気流量ＧＡに基づいて排気還流量を決定し、ＥＧＲ弁６のリフト量（開弁量）を制御する。

ＥＣＵ２０は、さらに以下に詳述する手法により、エンジン１の気筒内における空燃比（以下「気筒内空燃比」という）の推定値ＡＦＲｈａｔを算出するとともに、推定値ＡＦＲｈａｔの算出に用いられるオフセットパラメータθ(k)に基づく異常判定を行う。

図２は、気筒内空燃比の推定値ＡＦＲｈａｔの算出を行う気筒内空燃比推定モジュールの構成を示すブロック図である。この気筒内空燃比推定モジュールの機能は、実際にはＥＣＵ２０のＣＰＵにより実現される。
気筒内空燃比推定モジュールは、乗算器３１，３３，３６，減算器３２，加算器３４，及び遅延器３５により構成される。図２に示すｋは、ＥＣＵ２０のＣＰＵにおける演算周期で離散化した離散化時刻を示し、遅延器３５は、ＥＣＵ２０のＣＰＵにおける１演算周期に対応する時間だけ入力データを遅延させるものである。

気筒内空燃比推定モジュールの入力データＡＦＲｃａｌは、気筒内空燃比を示す第１空燃比値であり、吸入空気流量センサ２１により検出される吸入空気流量ＧＡと、燃料噴射量ＴＯＵＴとに応じて算出される。第１空燃比値ＡＦＲｃａｌは、検出される吸入空気流量ＧＡ及び燃料噴射量ＴＯＵＴが、実際の吸入空気流量ＧＡＲ及び実際の燃料噴射量ＴＯＵＴＲと等しければ、真の気筒内空燃比ＡＦＲｒｅａｌと等しくなる。しかし、実際には、吸入空気流量ＧＡは検出誤差を含み、燃料噴射量ＴＯＵＴは、燃料噴射弁９の特性ばらつきや経時劣化により実際の噴射量と必ずしも正確に一致しないため、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌをそのまま気筒内空燃比の推定値として採用することはできない。また、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定して運転する場合には、排気還流通路５を介して還流される排気中にも酸素（空気）が含まれるため、その点も第１空燃比値ＡＦＲｃａｌが真の気筒内空燃比ＡＦＲｒｅａｌからずれる要因となる。

図３には、時刻ｔ１及びｔ２において設定空燃比を切り換えた場合における、真の気筒内空燃比ＡＦＲｒｅａｌが太い実線Ｌ１で示されており、この場合、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌは、一点鎖線Ｌ２で示すように推移する。

図２の気筒内空燃比推定モジュールのもう一つの入力データＡＦＲｅｘは、気筒内空燃比を示す第２空燃比値であり、酸素濃度センサ２３により検出される酸素濃度ＯＸＹＣに応じて算出される。第２空燃比値ＡＦＲｅｘは、図３に細い実線Ｌ３で示されており、定常状態ではほぼ真の気筒内空燃比ＡＦＲｒｅａｌと等しくなるが、過渡状態では、ガスの輸送遅れ、及び酸素濃度センサ２３の検出遅れにより、真の気筒内空燃比ＡＦＲｒｅａｌからずれる。

図２に示す気筒内空燃比推定モジュールは、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌ及び第２空燃比値ＡＦＲｅｘを入力とする適応フィルタにより、定常状態及び過渡状態のいずれにおいても、真の気筒内空燃比ＡＦＲｒｅａｌに近い推定値ＡＦＲｈａｔを算出するものである。

図２に示す気筒内空燃比推定モジュールにより実行される演算を数式で表すと以下のようになる。
ＡＦＲｈａｔ(k)＝θ(k)×ＡＦＲｃａｌ(k) （１）
ｅｒｒ(k)＝ＡＦＲｅｘ(k)−θ(k-1)×ＡＦＲｃａｌ(k) （２）
θ(k)＝θ(k-1)＋（Ｐ／（１＋Ｐ））×ｅｒｒ(k) （３）
ここで、θ(k)は、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌ(k)と、推定値ＡＦＲｈａｔとの比率（ＡＦＲｈａｔ(k)／ＡＦＲｃａｌ(k)）に対応するオフセットパラメータであり、式（２）により算出される同定誤差ｅｒｒ(k)が「０」となるように、式（３）により逐次同定される。式（３）のＰは、所定の値に設定される同定ゲインである。

推定値ＡＦＲｈａｔの推移は、図３に破線Ｌ４で示されている。この例では、時刻ｔ０からオフセットパラメータθ(k)の同定が開始される（θ(k)の初期値は、「１．０」である）ので、推定値ＡＦＲｈａｔは、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌから徐々に真の気筒内空燃比ＡＦＲｒｅａｌに近づいていく。そして、オフセットパラメータθ(k)の同定が完了した状態では、空燃比がステップ的に変化したときにも（図３，時刻ｔ１，ｔ２参照）、推定値ＡＦＲｈａｔは、その変化に追従し、気筒内空燃比の正確な推定を行うことができる。

図４は、図２に示す気筒内空燃比推定モジュールに対応する演算処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間（例えば１００ミリ秒）毎に実行される。
ステップＳ１１では、酸素濃度センサ２３により検出される酸素濃度ＯＸＹＣに応じて、第２空燃比比値ＡＦＲｅｘを算出する。具体的には、酸素濃度ＯＸＹＣに応じて図６に示すＡＦＲｅｘテーブルを検索し、第２空燃比値ＡＦＲｅｘを算出する。

ステップＳ１２では、検出される吸入空気流量ＧＡ及び燃料噴射量ＴＯＵＴに応じて、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌを算出する。具体的には単位時間当たりに吸入される空気量（質量）を、単位時間当たりに噴射される燃料量（質量）で除算することにより、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌが算出される。

ステップＳ１３では、前記式（１）により、推定値ＡＦＲｈａｔを算出し、次いで第２空燃比値ＡＦＲｅｘが所定上限空燃比ＡＦＲＨＬ（例えば３０）より小さいか否かを判別する（ステップＳ１４）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、前記式（２）により同定誤差ｅｒｒ(k)を算出するとともに、前記式（３）によりオフセットパラメータθ(k)を算出する。

ステップＳ１３で、ＡＦＲｅｘ≧ＡＦＲＨＬであるときは、酸素濃度ＯＸＹＣに基づいて算出される第２空燃比値ＡＦＲｅｘの誤差が大きくなる可能性があるため、同定誤差ｅｒｒの算出及びオフセットパラメータθの更新を行うことなく、処理を終了する。これは、図６に示す関係から明らかなように、第２空燃比値ＡＦＲｅｘが大きい領域では、酸素濃度ＯＸＹＣの変化に対する第２空燃比値ＡＦＲｅｘの変化率（ΔＡＦＲｅｘ／ΔＯＸＹＣ）が非常に大きくなるため、酸素濃度ＯＸＹＣの僅かなずれにより、第２空燃比値ＡＦＲｅｘが大きく変化し、第２空燃比値ＡＦＲｅｘの精度が低下するからである。

図５は、図４のステップＳ１５で算出されるオフセットパラメータθ(k)の値に応じて、酸素濃度センサ２３またはエンジン１の燃料供給系（燃料噴射弁９及び燃料噴射弁９に燃料を供給する燃料通路、圧力レギュレータ、燃料ポンプ（いずれも図示せず）など）の異常を判定する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間（例えば１秒）に実行される。

ステップＳ２１では、吸入空気流量センサ２１が正常であるか否かを判別する。図示しない処理により、例えば吸入空気流量センサ２１の出力が低レベルまたは高レベルに固定された状態にあるとき、吸入空気流量センサ２１は異常と判定されるので、ステップＳ２１ではその判定結果が参照される。吸入空気流量センサ２１が異常であるときは、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌが正確なものでなくなり、したがってオフセットパラメータθ(k)の値も信頼できなため、直ちに本処理を終了する。

ステップＳ２１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、オフセットパラメータθ(k)が、所定上限値θＨＬ（例えば１．３）と所定下限値θＬＬ（例えば０．７）の範囲内にあるか否かを判別する。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、酸素濃度センサ２３及びエンジン１の燃料供給系は正常と判定する（ステップＳ２４）。

一方、ステップＳ２３の答が否定（ＮＯ）であるときは、酸素濃度センサ２３またはエンジン１の燃料供給系に異常があると判定する（ステップＳ２５）。この場合には、例えば警告ランプを点灯させ、運転者に警告する。

以上説明したように、本実施形態では、吸入空気流量センサ２１により検出される吸入空気流量ＧＡ及び燃料噴射量ＴＯＵＴに基づいて第１空燃比値ＡＦＲｃａｌが算出され、酸素濃度センサ２３により検出される酸素濃度ＯＸＹＣに応じて第２空燃比値ＡＦＲｅｘが算出され、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌにオフセットパラメータθを乗算した値と、第２空燃比値ＡＦＲｅｘとの差が０となるように、適応フィルタのオフセットパラメータθが算出され、第１空燃比値ＡＦＲｃａｌにオフセットパラメータθを乗算することにより、気筒内空燃比の推定値ＡＦＲｈａｔが算出される。適応フィルタのオフセットパラメータθには、定常的な状態における第１空燃比値ＡＦＲｃａｌと第２空燃比値ＡＦＲｅｘとの関係が反映されるので、このオフセットパラメータθと第１空燃比値ＡＦＲｃａｌに基づいて気筒内空燃比の推定値ＡＦＲｈａｔを算出することにより、定常的な運転状態及び空燃比を切り換える過渡状態のいずれにおいても、正確な推定値を得ることができる。

またオフセットパラメータθは、定常的な状態における第１空燃比値ＡＦＲｃａｌと第２空燃比値ＡＦＲｅｘとの関係が反映される、換言すれば、酸素濃度センサ２３あるいは燃料供給系の特性変化の学習値としての特性を有するので、オフセットパラメータθの値が大きくずれたときは、酸素濃度センサ２３により検出される酸素濃度ＯＸＹＣ、またはエンジン１に実際に供給される燃料量が、所望値から大きくずれていることを示す。したがって、オフセットパラメータθが予め定めた所定範囲外（所定下限値θＬＬ以下または所定上限値θＨＬ以上）となったときは、酸素濃度センサ２３またはエンジン１の燃料供給系が異常であると判定することできる。

本実施形態では、吸入空気流量センサ２１及び酸素濃度センサ２３が、それぞれ吸入空気量検出手段及び酸素濃度検出手段に相当し、ＥＣＵ２０が、第１空燃比値算出手段、第２空燃比値算出手段、同定手段、及び気筒内空燃比推定手段を構成する。具体的には、図４のステップＳ１２が第１空燃比値算出手段に相当し、ステップＳ１１が第２空燃比値算出手段に相当し、ステップＳ１４及びＳ１５が同定手段に相当し、ステップＳ１３が気筒内空燃比推定手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関に適用した例を示したが、ガソリン内燃機関にも適用可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの気筒内空燃比の推定にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 気筒内空燃比の推定値（ＡＦＲｈａｔ）を算出する気筒内空燃比推定モジュールの構成を示すブロック図である。 第１空燃比値（ＡＦＲｃａｌ）、第２空燃比値（ＡＦＲｅｘ）、及び気筒内空燃比の推定値（ＡＦＲｈａｔ）と、真の気筒内空燃比（ＡＦＲｒｅａｌ）との関係を説明するためのタイムチャートである。 気筒内空燃比推定処理のフローチャートである。 故障判定処理のフローチャートである。 排気中の酸素濃度（ＯＸＹＣ）と、第２空燃比値（ＡＦＲｅｘ）との関係を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
４ 排気管
５ 排気還流通路
９ 燃料噴射弁
２０ 電子制御ユニット（第１空燃比値算出手段、第２空燃比値算出手段、同定手段、気筒内空燃比推定手段）
２１ 吸入空気流量センサ（吸入空気量検出手段）
２３ 酸素濃度センサ（酸素濃度検出手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気系に設けられ、前記機関に吸入される空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記機関の排気系に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段とを備え、前記機関の気筒内の空燃比を推定する内燃機関の空燃比推定装置において、
   前記吸入空気量検出手段の出力を前記機関に供給される燃料量で除算した値に基づいて、気筒内空燃比を示す第１空燃比値を算出する第１空燃比値算出手段と、
   前記酸素濃度検出手段の出力に応じて第２空燃比値を算出する第２空燃比値算出手段と、
   前記第１空燃比値及び第２空燃比値を入力とする適応フィルタのオフセットパラメータを、前記第１空燃比値に当該オフセットパラメータを乗算した値と、前記第２空燃比値との差が０となるように逐次同定する同定手段と、
   該同定手段により同定されるオフセットパラメータ及び前記第１空燃比値に基づいて、前記機関の気筒内の空燃比を推定する気筒内空燃比推定手段とを備え、
   前記同定手段は、前記第２空燃比値が所定の上限空燃比より小さいときに前記オフセットパラメータの同定を行うことを特徴とする内燃機関の空燃比推定装置。
2. 前記オフセットパラメータの値が所定範囲外となったとき、前記酸素濃度検出手段または前記機関の燃料供給系が異常であると判定する異常判定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比推定装置。

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