JP5004025B2 - ジェット推進艇のエンジン制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ジェット推進艇のエンジン制御装置に関し、特に、過給器付きエンジンおよび過給器無しエンジンのいずれにおいてもキャビテーションを防止するのに好適なジェット推進艇のエンジン制御装置に関する。
ウォータジェットポンプで加圧、加速した水を後方の噴射口から噴射して、その反動で艇体を推進するジェット推進艇が知られる。ジェット推進艇は、その特性から、艇の速度が低い時や負荷牽引時等にエンジンのスロットル弁を大きく開いてエンジン回転を急上昇させると、艇体の速度がエンジン回転の急上昇に追従できず、ジェットポンプ流水量が不足し、ポンプ負荷が過小になってキャビテーションを生じる。その結果、エンジン回転数が制限回転数近くまで上昇してリミッタが作動し、エンジン回転数が低下する。そして、エンジン回転数が低下して目標値以下になると、再び、エンジン回転数が上昇する。このようなエンジン回転数の上昇と下降を繰り返して、艇の速度が上昇するのに伴ってポンプ流水量がエンジン出力と平衡するとエンジン回転数が安定する。このようにエンジン回転数が安定化するまでキャビテーションによるエンジン回転数のハンチングが発生すると、発進時に加速低下する。
このような不具合を解消するため、例えば、特許文献1では、エンジン回転数の上昇率が所定値以上の場合に、ターボチャージャ(過給器)の過給圧の上昇を遅延させてエンジン回転数の上昇を抑制するジェット推進艇のエンジン制御装置が提案されている。
また、特許文献2には、車両の走行中に駆動輪がスリップしたときにエンジンの駆動力を低減させてスリップを抑制するトラクションコントロール装置において、変速機のギヤの回転数を検出するセンサを設け、このセンサで検出された回転上昇率が所定値を超えた時にエンジンの点火時期を遅角させる点火時期制御手段を備えたトラクションコントロール装置が提案されている。
特開2004−324483号公報 特開平10−141105号公報
特許文献1に記載されたジェット推進艇のエンジン制御装置では、過給器の過給圧を制御するものなので、過給器を備えていないエンジンに適用できない。
また、特許文献2に記載されたトラクションコントロール装置はエンジンの回転数を抑制するものであるが、ギヤの回転上昇率に基づいてエンジンの出力を低下させるものであり、エンジンの出力軸にインペラが直結される構成を有するジェット推進艇のエンジン制御に適さない。また、特許文献2に記載の装置は発進時に生じやすいキャビテーション防止に適用することは想定されていない。
本発明の目的は、過給器を有しているエンジンおよび過給器を有していないエンジンの双方において、発進時のキャビテーションを回避することができるジェット推進艇のエンジン制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するための本発明は、ジェット推進艇のエンジン制御装置において、ジェット推進艇の通常運転時のエンジン点火時期を設定する第1点火時期設定手段と、ジェット推進艇の発進時のエンジン点火時期を、第1のエンジン回転数以上のときにリタードさせるように設定する第2点火時期設定手段と、エンジン回転数が前記第1エンジン回転数より小さい第2エンジン回転数以下で、第1の予定時間以上維持されている状態を検出する発進準備検出手段と、発進準備検出手段によるエンジン状態の検出後にエンジン回転数が前記第2のエンジン回転数以上に上昇したときに点火時期の設定を前記第1点火時期設定手段によるものから前記第2点火時期設定手段によるものに切り替える切り替え手段とを具備した点に第1の特徴がある。
また、本発明は、前記点火時期切り替え手段が、前記発進準備検出手段によるエンジン状態の検出後、予め設定した時間が経過するまでの間、切り替え動作を行うように構成されている点に第2の特徴がある。
また、本発明は、前記第1のエンジン回転数が、エンジンの最高出力発生回転数以上に設定されている点に第3の特徴がある。
さらに、本発明は、エンジンの排気系に過給器と過給圧制御バルブとを備え、前記点火時期切り替え手段によって点火時期の設定を前記第2点火時期設定手段によるものに切り替えている間、過給圧制御バルブ開弁用の過給圧制御コマンド上限値を通常運転時の値より小さい値に設定する点に第4の特徴がある。
上記第1の特徴を有する発明によれば、エンジンの低回転域(第2のエンジン回転数以下)の領域で予定時間維持されている状態を発進準備状態として検出し、この状態から急激な加速が生じたときにキャビテーションが発生し得る状況と判断してエンジンの点火時期をリタードして出力を低下させるようにした。このような発進準備検出後の急加速が検出されたときに点火時期のリタードを行うことにより、ジェット推進艇の発進時のキャビテーションを防止することができる。
第2の特徴を有する発明によれば、リタード可能期間を制限することにより、ジェット推進艇の速度が上昇してキャビテーションのおそれがなくなる時期まで点火時期のリタードが行われるのを回避して、出力を復帰させることができる。
第3の特徴を有する発明によれば、出力が最高値に達するまでの領域で点火時期のリタードが行われないようにして、キャビテーションのおそれがないような低回転数時に出力を低下させることがないようにすることができる。
第4の特徴を有する発明によれば、過給圧制御コマンド上限値を通常運転時より小さくしたので、過給圧の上昇を抑えることができ、点火時期のリタードとの相乗でキャビテーションを防止することができる。なお、過給圧制御コマンド上限値は通常運転時より小さいものの、点火時期のリタードによって出力が低下されているので、従来よりは大きい過給圧制御コマンド上限値とすることができる。したがって、予定時間経過後に点火時期をリタード状態から進角側に戻したときに、エンジン回転数は高い状態にあり、実過給圧も比較的高い過給圧制御コマンド上限値によって比較的高い値になっているので、発進後の加速を良好にすることができる。また、実過給圧が比較的高く、過給器のタービン回転数が高い状態では、実過給圧が目標過給圧より大きい状態にあるので、実過給圧が目標過給圧に上がるまでの遅延(ターボラグ)がない。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図2は本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置を搭載したジェット推進艇の一部破断側面図である。図2において、符号Frはジェット推進艇の前方、符号Rrはジェット推進艇の後方を示す。ジェット推進艇1は、鞍乗り型小型船舶であり、艇体2は下部艇体(ハル)3と甲板(デッキ)4と接合して内部に空間を形成した浮き体構造となっており、この空間内でハル3の上にはエンジン5および燃料タンク6が搭載され、エンジン5で駆動される推進手段としてのウォータジェットポンプ7がハル3の後部に設けられている。
ウォータジェットポンプ7は、船底に開口した取水口8から艇体2の後端に開口した噴流口9およびデフレクタ(ステアリングノズル)10に至るダクト11を有し、このダクト11内にインペラ12が配置される。インペラ12の駆動軸13はエンジン5の出力軸14にカプラ15を介して連結される。したがって、エンジン5によりインペラ12が回転駆動されると、取水口8から取り入れられた水が噴流口9からデフレクタ10を経て噴出され、これによって艇体2が推進される。
デッキ4には乗員が跨って着座するシート16が設けられ、シート16の前方にはスロットルレバー17を備えた操舵ハンドル18が設けられる。エンジン5の駆動回転数、すなわちウォータジェットポンプ7による推進力は、スロットルレバー17によって操作される図示しないスロットルバルブの開度を変化させることで調整される。デフレクタ10は図示しない操作ワイヤで操舵ハンドル18に連係されており、操舵ハンドル18の操作に応じて回動され、艇体2の進行方向を変更するために設けられている。
艇体2の前部であって操舵ハンドル18の近傍にはエンジン5や過給器(後述)等の制御を行う電子制御装置(ECU)19が設けられる。
図3は、エンジン5の斜視図である。エンジン5はDOHC型直列4気筒のドライサンプ式4サイクルエンジンであり、そのクランクシャフト(出力軸14)が艇体2の前後方向に沿うように配置される。符号Fは艇体2の進行方向である。エンジン5の左側には、サージタンク20とインタクーラ21とが接続配置される。エンジン5の後方にはエンジン5へ吸気を圧送する過給器(ターボチャージャ)22が配設されるとともに、エンジン5の前方には過給器22へパイプ23を介して空気を導入するエアクリーナ24が設けられる。
過給器22のタービン部には図示しない排気マニホルドの排気出口が接続される。また、過給器22のコンプレッサ部にはインタクーラ21がパイプ25で接続され、インタクーラ21には、パイプ26でサージタンク20が接続される。
このエンジン5では、エアクリーナ24を介して導入された空気はパイプ23を介して過給器22に供給され、そのコンプレッサ部で圧縮されてパイプ25を介してインタクーラ21へ供給されて冷却される。その後、圧縮された空気はサージタンク20へと供給される。過給器22のタービンを回転させた排気は、第1排気管27、逆流防止装置28、および第2排気管29を通じてウォータマフラ30へと排出され、さらにウォータマフラ30から排気・排水管31を経てウォータジェットポンプ7による水流内へ排出される。
エンジン5には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサおよびスロットルの開度を検出するスロットル開度センサ(図示せず)がそれぞれ設けられる。また、過給器22には過給圧を検出する過給圧センサ(図示せず)が設けられる。エンジン回転数センサ、スロットル開度センサ、および過給圧センサはECU19と接続され、それぞれの検出信号がECU19に入力される。
図1は、ECU19の要部機能を示すブロック図である。図1において、キャビテーション制御モード判定部(発進準備検出手段)32は、エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2(例えば、3200rpm)以下の状態が第1予定時間T1(例えば、3秒)維持されたかどうかを判定する。予定時間T1が維持されたかどうかは、第1タイマ部40で判定する。第1タイマ部40は、ECU19に含まれるマイクロコンピュータのクロックパルスCLKを計数することによって第1予定時間T1を計測する。第1タイマ部40はキャビテーション制御モード判定部32からモード判定開始指令が出力された時に計測を開始し、第1予定時間T1を計測したときに時間経過信号(タイムアウト)をキャビテーション制御モード判定部32に入力する。タイムアウトが入力されたならば、キャビテーション制御モード判定部32での判定が肯定となり、キャビテーション制御モード確定信号がキャビテーション制御モード開始部33に入力される。
キャビテーション制御モード開始部33は、エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2を超えたか否かを判定し、この判定が肯定ならば、キャビテーション制御モード開始指令を出力する。過給圧制御コマンド上限値設定部34は、キャビテーション制御モード開始信号が入力されると、過給圧制御コマンド上限値を通常運転時の値から発進時用の値に下げる。例えば、通常運転時の過給圧制御コマンド上限値99%を、発進時用の過給圧制御コマンド上限値70%に下げて設定する。過給器22にはタービン室をバイパスするウェイストゲート通路が設けられており、実過給圧PCがこの目標過給圧POBJを超えるとウェイストゲートバルブ(過給圧制御バルブ)が開かれる。過給圧制御コマンドWCMDは過給圧制御部35に入力される。過給器22の過給圧制御コマンドWCMDは、この発進時用の過給圧制御コマンド上限値に制限される。
点火時期設定手段切替部36は、キャビテーション制御モード開始指令が入力されると、エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2以上になったか否かを判定する。そして、この判定が肯定ならば、スイッチ37に切り替え指令を与えて、第1点火時期設定手段41を第2点火時期設定手段42に切り替える。第1点火時期設定手段41は通常運転時用のものであり、第2点火時期設定手段42は発進時用のものである。第2点火時期設定手段42は、エンジン回転数Neが第1の回転数Ne1(最高出力発生回転数Nemax以上に設定、例えば、6500rpm)以上の領域で点火時期をリタードさせる点で第1点火時期設定手段41と異なっている。第1点火時期設定手段41と第2点火時期設定手段42はいずれもエンジン回転数と点火時期の関係を設定したマップで構成できる。点火制御部38は第1点火時期設定手段41または第2点火時期設定手段42の設定に従って点火時期を制御する。点火制御部38は、第2点火時期設定手段42が選択されている間は、エンジン回転数Neが第1の回転数Ne1以上になった時に、第2点火時期設定手段42の設定に従って点火時期をリタードさせ、リタードされた点火時期に従って点火を行う。
第2タイマ部39は、キャビテーション制御モード開始指令が発せられたときに第2予定時間T2(例えば1秒)を計測し、第2予定時間T2を計測後にタイムアウトをキャビテーション制御モード開始部33に入力する。キャビテーション制御モード開始部33は、タイムアウトが入力されると、点火時期設定手段切替部36と、過給圧制御コマンド上限値設定部34にキャビテーション制御モード解除信号を入力する。過給圧制御コマンド上限値設定部34はキャビテーション制御モード解除信号が入力されると、過給圧制御コマンド上限値を通常走行時の値に戻す。また、点火時期設定手段切替部36は、キャビテーション制御モード解除信号が入力されると、第2点火時期設定手段42を第1点火時期設定手段41に切り替える。つまり通常運転時用にマップを切り替える。
図4は、ECU19の要部処理を示すフローチャートである。ステップS1では、キャビテーションを抑止するキャビテーション制御モードが確定しているか否かを判定する。キャビテーション制御モードでは、エンジン回転数Neが最高出力発生回転数(6500rpm)以上に設定された第1の回転数Ne1以上になったときにエンジン5の点火時期をリタード(遅角)させてエンジン5の出力を低下させることによりキャビテーションの発生を防止する。
キャビテーション制御モードが確定していないときは、ステップS2に進み、エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2(3200rpm)より低いか否かを判断する。エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2より高い場合は、キャビテーション制御モードが確定せず、このフローチャートの処理を抜ける。エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2より低い場合は、ステップS3Aに進み、第1タイマ部40を始動する。予定時間T1は例えば3秒である。ステップS3Bでは、予定時間T1が経過したか、つまり第1タイマ部40がタイムアウトしたかどうかが判別される。予定時間T1が経過すると、ステップS3Cに進んで、エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2より低いか否かを判断する。このステップS3Cは予定時間T1が経過するまでにエンジン回転数Neに変動があった場合を考慮したものである。ステップS3Cが肯定であれば、エンジン回転数Neが第2回転数Ne2より低い状態が予定時間T1経過したと判断されるので、ステップS4に進み、キャビテーション制御モードを確定する。ステップS3Cが否定の場合は、ステップS4はスキップされ、キャビテーション制御モードは確定されない。
キャビテーション制御モードが確定したならば、ステップS5に進んでエンジン回転数Neが第2の回転数Ne2より高いか否かを判断する。エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2より低いときは、キャビテーション制御モードを実行する必要がないので、このフローチャートの処理を抜ける。
エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2より高い場合、つまりキャビテーション制御モードが確定した後、エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2以上に上昇したときは、ステップS6に進み、過給圧制御コマンド上限値を通常運転時の値より低い値である発進時用の値に設定する。過給圧制御コマンド上限値は通常運転時、例えば99%であり、発進時用の値は、例えば70%とする。ステップS7では、点火時期マップ(第1点火時期設定手段41)を通常運転時のものから発進時用のもの(第2点火時期設定手段42)に切り替える。発進時用の点火時期マップは通常運転時のものと異なり、エンジンの出力を低下させるために、エンジン回転数Neが第1の回転数Ne1以上の領域で点火時期をリタードさせるように設定される。
ステップS8では、予定時間T2を計測する第2タイマ部39を始動する。予定時間T2は例えば1秒である。予定時間T2はジェット推進艇の速度が上昇し、キャビテーション発生の可能性がなくなるとおもわれる時間であるので、1秒に限らない。1〜2秒程度がよい。ステップS9では、発進時用の点火時期マップ(第2点火時期設定手段42)を参照して点火時期が設定される。予定時間T2が経過するまでの間に、エンジン回転数Neが第1の回転数Ne1(最大出力発生回転数Nemax以上に設定される)以上に上昇すれば、点火時期のリタードが実行される。
ステップS10では、予定時間T2が経過したか否かを判断する。予定時間T2が経過したならばステップS11に進んで、過給圧制御コマンド上限値を通常運転時の値に戻す。ステップS12では、点火時期マップを発進時用のもの(第2点火時期設定手段42)から通常運転時のもの(第1点火時期設定手段41)に戻す。ステップS13では、キャビテーション制御モードを解除する。
次に上記フローチャートに基づく動作をタイミングチャートを参照して説明する。図5は、発進時の点火時期および過給圧制御コマンド上限値の制御におけるタイミングチャートである。図5において、タイミングt0でスロットル弁を開くと、スロットル開度信号THが立ち上がる。スロットル弁が開かれると、エンジン回転数Neが上昇する。エンジン回転数Neが上昇するのに伴って実過給圧PCが上昇する。符号POBJで示す線は目標過給圧である。エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2である3200rpmに上昇するまでの時間(t1−t0)が3秒以上であると、発進準備が検出されてキャビテーション制御モードが確定し、エンジン回転数Neが3200rpmを超えたときから点火時期切り替え時間が開始する。点火時期切り替え時間(t2−t1)は1秒間である。この1秒間にエンジン回転数Neが第1の回転数Ne1(6500rpm)に上昇すると、点火時期マップを発進時用(第2点火時期設定手段42)に切り替えて点火時期をリタードさせる。なお、図5において、タイミングt0〜t1の間は便宜上、時間軸を縮小して記載している。
過給圧制御コマンドWCMDはエンジン回転数Neの上昇とともに過給圧制御コマンド上限値(70%)まで上昇する。キャビテーション制御モードが確定した後、エンジン回転数Neが第2の回転数Ne2を超えたとき過給圧制御コマンド上限値は通常運転時の値(99%)より低い発進時用(70%)が設定され、過給圧制御コマンドWCMDはこの発進時用の過給圧制御コマンド上限値に制限され、実過給圧PCの上昇も停止する。タイミングt2で点火時期切り替え時間である1秒間を経過すると、過給圧制御コマンド上限値は通常運転時の値に戻され、実過給圧PCは下降して、目標過給圧POBJに落ち着くようになる。
図6に、本実施形態におけるキャビテーション制御モード中のエンジン出力と点火時期との関係を示す。横軸はエンジン回転数Ne、縦軸はエンジン出力および点火時期を示す。図6に示すように、エンジン回転数Neが増大するにつれて出力が増大していく。そして、キャビテーション制御モード中は、エンジン出力が最高になるまで(エンジン回転数Neが最高出力発生回転数Nemax以上に設定された第1の回転数Ne1以下のとき)は、点火時期はエンジン回転数やスロットル開度、エンジン温度等に基づいて通常制御される。そして、キャビテーション制御モード中は発進時用の第2点火時期設定手段42が選択されているので、エンジン回転数が第1の回転数Ne1(最高出力発生回転数Nemax以上に設定される)を超えたときに、点火時期が通常制御モード点火時期からキャビテーション制御モードリタード点火時期に切り替えられる。発進準備が検出されなくて、キャビテーション制御モードが確定していないときは、通常運転中の加速状態であるので、第1の回転数Ne1以上でも点火時期は通常制御モード点火時期が適用される。
図4〜図6に関して説明したように、本実施形態では、点火時期をリタードさせてエンジンの出力を低下させるようにした。そして、過給圧制御コマンド上限値を通常運転時の値より低い発進時用にして、かつ点火時期をリタードさせてエンジン出力を低下させたので、キャビテーションは防止できる。また、点火時期をリタードさせてエンジン出力を低下させているが、エンジン回転数Neは第1の回転数Ne1つまり最高出力発生回転数になっているので、加速性は良好に維持することができる。
そして、キャビテーション制御モードを解除した後、点火時期が第1点火時期設定手段41に戻されると、リタードは停止されて出力が高められる。しかも、実過給圧PCが高いので、一定の間、出力は高い値に維持される。また、過給器のタービン回転数が高く、実過給圧PCは目標過給圧POBJより高くなっているので、キャビテーション制御モードを解除後、実過給圧PCが目標過給圧POBJに上がるまでのターボラグがない。したがって、キャビテーション制御モードを解除後もターボラグなく、良好な加速性能を維持することができる。
最高出力発生回転数以上つまり出力ピーク以上の回転数でのみ点火時期のリタードを行うことにより、キャビテーションが発生しにくいエンジン回転数領域では、通常の加速を行うことができる。
なお、過給器を有していない自然吸気エンジンでも、出力ピーク以降の領域で点火時期をリタードさせることにより、キャビテーションを防止することができるし、キャビテーションが発生しにくいエンジン回転数領域で通常の加速を行うことができるという点では過給器付きエンジンと同様である。
本発明を最良の形態に従って説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しないで変形し得る。例えば、第1の回転数Ne1や、第2の回転数Ne2、あるいは、第1の予定時間T1や第2の予定時間T2は任意に変更できる。また、実施形態では、過給器付きのエンジンを搭載したジェット推進艇の制御装置に関して説明したが、過給器無しのエンジンを搭載したジェット推進艇のエンジン制御装置には、過給圧制御コマンド上限値を通常より下げる制御を除いて、同様に実施することができる。
本発明の一実施形態に係るジェット推進艇のエンジン制御装置の要部機能を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るジェット推進艇のエンジン制御装置を搭載したジェット推進艇の側面図である。 本発明の一実施形態に係るジェット推進艇のエンジン制御装置を搭載したジェット推進艇のエンジンを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るジェット推進艇のエンジン制御装置の要部処理を示すフローチャートである。 発進時の点火時期および過給圧制御コマンド上限値の制御におけるタイミングチャートである。 本発明の一実施形態におけるキャビテーション制御モード中のエンジン出力と点火時期との関係を示す図である。
符号の説明
1…ジェット推進艇、 2…艇体、 5…エンジン、 7…ウォータジェットポンプ、 22…過給器(ターボチャージャ)、 32…キャビテーション制御モード判定部(発進準備検出手段)、 33…キャビテーション制御モード開始部、 34…過給圧制御コマンド上限値設定部、 35…過給圧制御部、 36…点火時期設定手段切替部、 37…スイッチ、 38…点火制御部、 39…第2タイマ部、 40…第1タイマ部、 41…第1点火時期設定手段、 42…第2点火時期設定手段

Claims (4)

  1. ジェット推進艇のエンジン制御装置において、
    ジェット推進艇のエンジン点火時期を設定する第1点火時期設定手段(41)と、
    エンジン回転数が最高出力発生回転数(Nmax)以上に設定される第1のエンジン回転数(Ne1)以上のときにジェット推進艇のエンジン点火時期を前記第1点火時期設定手段(41)で設定されるエンジン点火時期に対してリタードさせるキャビテーション制御モード用の第2点火時期設定手段(42)と、
    エンジン回転数が前記第1のエンジン回転数(Ne1)より小さく、かつそこからの発進時にジェット推進艇のウォータジェットポンプによるキャビテーションが生じ得る所定の第2エンジン回転数(Ne2)以下で、第1の予定時間(T1)以上維持されている状態を検出する発進準備検出手段(32)と、
    前記発進準備検出手段(32)によるエンジン状態の検出後にエンジン回転数が前記第2のエンジン回転数(Ne2)以上に上昇したときにキャビテーション制御モードを確定し、点火時期の設定を前記第1点火時期設定手段(41)によるものから前記第2点火時期設定手段(42)によるものに切り替える点火時期切り替え手段(36)とを具備したことを特徴とするジェット推進艇のエンジン制御装置。
  2. 前記点火時期切り替え手段(36)が、前記発進準備検出手段(32)によるエンジン状態の検出後、第2の予定時間(T2)が経過するまでの間、切り替え動作を行うように構成されていることを特徴とする請求項1記載のジェット推進艇のエンジン制御装置。
  3. 前記第1のエンジン回転数(Ne1)が、エンジンの最高出力発生回転数以上に設定されていることを特徴とする請求項1または2記載のジェット推進艇のエンジン制御装置。
  4. エンジンの排気系に過給器と過給圧制御バルブとを備え、
    前記点火時期切り替え手段(36)によって点火時期の設定を前記第2点火時期設定手段(42)によるものに切り替えている間、過給圧制御バルブ開弁用の過給圧制御コマンド上限値を通常運転時の値より小さい値に設定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のジェット推進艇のエンジン制御装置。
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