JP5960696B2 - 反応剤添加を有するコンパクトな排ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスが数回転換されるコンパクトな排ガス処理装置に関する。この排ガス処理装置において、排ガスは、追加のまたは反応エージェントによって、そして適切な場合には、少なくとも１つの触媒、フィルタ、その他によっても、さらに処理される。

自動車交通の連続した増加およびより厳しい排出基準のせいで、内燃機関からの排ガスが効率的に浄化されなければならないことは、内燃機関を有する自動車両にとって重要である。この目的のために、先行技術は、内燃機関からの排ガスが触媒的に活性な表面を横切って通過して、そして、排ガス中の例えば酸化窒素合成物、すす粒子、一酸化炭素、ハイドロカーボン、その他の汚染物質が、物質（例えばこの表面に置かれる触媒材料を用いた窒素、水およびＣＯ２）に変換される排ガス浄化システムを開示する。概して、比較的高い排ガス温度は、排ガスの効率的な変換のために必要とされる。内燃機関からの排ガスの温度は、通常、排ガスが内燃機関から出た直後に最も高い。したがって、内燃機関の付近（例えば、自動車両のエンジン室）は、この場合、排ガス浄化システムを配置する好ましい場所である。しかしながら、エンジンの近くの設置スペースは、通常、自動車両において非常に制限される。

にもかかわらず、排ガス浄化システムのためのエンジン室の限られた設置スペースを使用することを可能にするために、同心的な流れを有する特にコンパクトな排ガス処理装置は、開発されて、これらは、例えば特許文献１から公知である。この種の排気システムにおいて、排ガスは、最初にアプローチフロー領域を通って流れて、次いで転換されて、外側の逆流領域を通って後ろへ流れる。この場合、逆流領域は、アプローチフロー領域の周囲に同心的に配置される。そして、アプローチフロー領域と逆流領域との間に効率的な熱伝達を確実にする。一般に、排気システムの触媒表面で起こる触媒反応のいくつかは、放熱である。したがって、後ろへ流れる排ガスは、通常、追加の加熱にさらされる。アプローチフローと逆流との間の効率的な熱伝達のせいで、排気システムの排ガス温度は、したがって、上昇することができるかまたは高レベルに維持されることができて、特に効率的な変換を確実にする。同時に、排気システムのアプローチフロー領域、転換領域および逆流領域への分割は、排気システムの特にコンパクトな配置を確実にする。したがって、システムがエンジン室において、または自動車両の内燃機関の付近において配置されることを可能にする。

この種の排ガス浄化システムにおいて、反応エージェントを排ガスに加えるためのいくつかの場合における供給がある。この反応エージェントは、例えば、還元剤または還元剤前駆体（特に水性の尿素溶液）を含む。そしてそれは、この目的のために特別に設けられるコーティングを有する相互作用に無害なコンポーネントへの排ガスの汚染物質の変換に寄与する。この場合、これらの反応エージェントのためのこの種の追加装置は、できる限り、排ガスの最適分配および供給される反応媒体の高度な蒸発が達成されるというような方法で、配置される。この場合、反応エージェントは、流れ方向においてハニカム体に適用されるか、または、排ガスの流れ方向と逆方向において、例えば前記ハニカム体に直接適用される。その結果、（熱い）ハニカム体上の反応エージェントの衝突によって蒸発が促進され、そして、反応エージェント液滴の微細な分割および、適切な場合、ハニカム体の構造におけるまたはコーティングにおける反応エージェントの蓄積は、達成される。しかしながら、ハニカム体に対する反応エージェントのこの適用は、例えばウォーターハンマによって、またはハニカム体と反応エージェントとの間の温度差によって、ハニカム体のコーティングの損傷につながる可能性もある。

国際公開第２００５００１２５２号

これを出発点として、先行技術と関連して説明される技術的課題を少なくとも部分的に解決することは、本発明の目的である。特に、意図は、一方では、コンパクトな構造を提供し、他方では、液体反応エージェントの特に適切な追加が排ガス処理装置の構成要素に対する応力を減らす蒸発を含むことのできる排ガス処理装置を特定することである。

これらの目的は、請求項１の特徴による排ガス処理装置によって達成される。本発明による排ガス処理装置の、そして自動車両におけるその配置の有利な実施形態は、従属請求項において示される。請求項において個々に示される特徴は、いかなる技術的意味においても組み合わされることができて、本発明の別の実施形態を生起することができる点に留意する必要がある。記述は、特に図と結合して、本発明を説明して、付加的な実施形態を示す。

本発明による排ガス処理装置は、流れに関して直列に配列される、少なくとも１つのアプローチフロー領域、１つの転換領域、１つの逆流領域および１つの流出領域を備える。この構成において、逆流領域および流出領域は、アプローチフロー領域の外部表面上に配置される。さらに、反応エージェントのための追加装置は、流出領域において配置される。

内燃機関から始まって、排ガスは、排ガス処理装置に向けて排気ラインを通って流れて、アプローチフロー領域を経て排ガス処理装置に入る。アプローチフロー領域を通って流れた後、排ガスは、それが流出領域に向けて逆流領域を通ってアプローチフロー領域の外側周囲を特に（同心的に）流れるというような方法で、第１の転換領域において転換される。この構成において、逆流領域および流出領域は、特に、アプローチフロー領域の外部表面上に配置される。逆流領域を通って流れた後、アプローチフロー領域の外側周囲を（同心的に）流れる排ガスは、流出領域においてまとめられて、特に単一の排気ラインを介して、排ガス処理装置から出る。この構成において、反応エージェント（特に水性の尿素溶液）を加えるための追加装置は、流出領域に配置される。したがって、反応エージェントは、排ガス処理装置の最終的な流れ部分において、好ましくは加えられる。正確にこの位置で、小さい流れの断面積および／または曲がった流れ経路は、しばしば設けられる。流れ断面は、したがって少なくとも部分的に乱流をもたらし、そして、したがって反応エージェントの追加を招く。排ガス処理装置のこの領域において、反応エージェントが対応して衝突することのできるハニカム体は、通常ない。反応エージェントは、流出領域の追加装置によって排ガスに加えられる。ここで、反応エージェントは、排ガスと混合して、排ガスの熱のせいで少なくとも部分的に蒸発する。排ガス処理装置を出た後にのみ、そして反応エージェントの非常に広範囲な蒸発または微細な分割の後、排ガスは、排気ラインに配置されてよいハニカム体を含む排ガスクリーニング構成要素に再び衝突する。ここで、しかしながら、反応エージェントは、例えばコーティングに対しての、しかし排ガスフローに配置されるハニカム体の構造に対しても損傷が回避されるほど微細に、排ガスフロー中ですでに分割される。

排ガス処理装置の他の有利な実施形態によれば、反応エージェントがアプローチフロー領域の外部表面上に少なくとも部分的に供給されることができるというような方法で、追加装置は、配置される。この目的のために、追加装置は、特に、アプローチフロー領域の外側に放射状に配置されて、アプローチフロー領域に向けて整列される。追加装置のこの種の特に有利な配置によって、反応エージェントは、アプローチフロー領域の外部表面に少なくとも部分的に衝突する。そしてそれは、内燃機関に対してその近傍のせいで、初期でさえ相当な高温を有して、および／または、隣接する触媒的に活性な触媒に熱伝導によって接続している。外部表面上のその衝突によって、特に少なくとも部分的に液滴の形態で追加装置から現れる反応エージェントは、その液滴サイズに関してより微細に霧化されて、したがって、排ガスフローにおいてよりよく分配される。反応エージェントの表面積のそれに伴う増加は、排ガスフローにおける反応エージェントの蒸発を促進する。アプローチフロー領域の外部表面は、例えば（堅牢な）管によって、またはジャケットによって形成されるので、例えば、さもなければハニカム体の場合に生じるかもしれない種類のこの外部表面への損傷は、回避される。

熱伝達を改良するための手段がアプローチフロー領域の部位に設けられて、したがって、アプローチフロー領域の外部表面の、特に反応エージェントが外部表面に衝突する領域の壁の温度が、特に急速に高温に達することを確実にすることは、さらに提案される。この種の手段は、例えばアプローチフロー領域の部位の熱伝導プレートまたは伝熱板でありえる。そしてそのプレートは、排ガスによって、外部表面の部位におけるアプローチフロー領域の壁の加熱を加速することができる。さらに、外部表面は、それが少なくとも部分的に、特に電気的に加熱されることができるというような方法で、具体化されることができる。特に、加熱は、反応エージェントによって作用される外部表面の領域において行われる。加えて、アプローチフロー領域の外部表面からの熱伝達を減らすための処置は、とられることができる。このようにして、一旦達したならば、外部表面の領域の壁の温度ができるだけ長い間維持され得ることを確実にすることは、可能である。特に、流出領域は、外側と関連する絶縁によって具体化される。したがって、排ガスの熱が、および外部表面にすでに蓄積された熱も、妨害されず消失されないことを確実にする。

このために、特に、アプローチフロー領域が排ガスの熱を外部表面に伝達するための少なくとも１つの熱伝達エレメントを有する排ガス処理装置のための提案は、なされる。この種の「熱伝達エレメント」は、特に、排ガスからアプローチフロー領域の外部表面までの熱伝達を促進する。したがって、例えば、渦エレメント、ガイドベーンおよび／またはリブは、熱伝達の改良が達成されるというような方法で、接近する排ガスと相互作用するように、設けられることができる。このようにして、外部表面の温度は、上昇することができておよび／または（後ろ側の還元剤の蒸発のための）特に効率的な方法において高レベルで保持されることができる。

加えて、逆流領域が排ガスを偏向させるかまたは鎮めるための少なくとも１つの流れデフレクタを有する場合、それは有利でもよい。この種の流れデフレクタは、排ガスが、特に、還元剤の蒸発のための外部表面上に熱い表面積が必要とされる領域を通って流れないか、または減少した強度でのみそのようにするという効果を有する。これを達成するために、例えば、適切に配置される流れデフレクタは、設けられることができて、例えば、その場所で一種の風下のゾーン（ｌｅｅ ｚｏｎｅ）および／または遅い流れ境界層を確立する。しかしながら、流れデフレクタが（単に）排ガスを層流化して、したがって、排ガスと外部表面との間に接触強度を減少することも、可能である。結果は、後ろに流れる排ガスがより少ない熱を壁の温度から取るということであり、したがって、還元剤の蒸発／変換のための利用可能なより多くの熱があるということである。

少なくとも、逆流領域が排ガスの流れ方向に直角に変化する流れの断面積を有することは、さらに提案される。概して、周知のコンパクトな排ガス処理装置は、同心的に配置されるアプローチフローおよび逆流領域を有する。転換領域における反応エージェントの適用のせいで、反応エージェントは、通常、排ガスフロー全体に作用する。ここで示される排ガス処理装置において、流出領域における追加装置の配置は、特に、反応エージェントが追加装置から現れた後、排ガスフローの一部のみが反応エージェントを吸収することを可能にする。特に、逆流領域は、アプローチフロー領域が逆流領域に関して偏心的に配置される場合、排ガスの流れ方向（すなわち、特に、アプローチフロー領域のまわりの円周方向）に直角に、変化する（狭くなる／広がる）流れの断面積を有することができる。したがって、逆流領域の断面積は、１つの領域で減少する。その一方で、前記断面積は、１つの領域で増加する。その結果、排ガスの量は、したがって分割されることができる。これは、反応エージェントの最適蒸発のために必要である。さらに、あとでのみ残りの排ガスを混合することによって、排ガスフローにおいて反応エージェントの最適混合を達成することは、可能である。反応エージェントを排ガスの部分フローに導入することは、したがって、排ガス中の反応エージェントの少なくとも二段階の混合を確実にする。最初に、反応エージェントは、第１の部分的な排ガスフローに加えられる。次いで、反応エージェントの微細な分割は、アプローチフロー領域の外部表面上の衝突によってこの初期段階で達成される。排ガスフローの流れの一部のみが通る流出領域における追加装置の配置によって、反応エージェントをすでに含む排ガスの部分フローと、逆流領域から流れ出て追加装置によって反応エージェントを供給されない流出領域の一部に流れ込む残りの排ガスフローとの混合を通して、反応エージェントの付加的な混合がある。

他の有利な実施形態によれば、アプローチフロー領域の外部表面は、少なくとも１つの少なくとも部分的なコーティングまたは構造を有する。そしてそれは、外部表面の表面積を増加させる。もちろん、両方の手段が一緒に設けられることも可能である。構造および／またはコーティングは、したがって、例えば、蒸発表面積を最大にするのに役立つ。さらに、反応エージェントが作用するアプローチフロー領域の外部表面の少なくとも一部が、少なくとも１つのコーティングを少なくとも部分的に備えて、反応エージェントの少なくとも部分的な変換を確実にすることも、可能である。特に、コーティングは、この場合、加水分解機能を有することができて、したがって、還元剤前駆体（特に水性の尿素溶液）を含む反応エージェントが適切に還元剤（この場合アンモニア）に変換されることを確実にする。その結果、加水分解触媒層を有する追加のハニカム体を省くことは、可能でもよい。特にディーゼル機関の場合、この加水分解触媒は、尿素を含む液体還元剤前駆体からアンモニアを生成するために、ＳＣＲ触媒よりも前に配置される。そしてそれは、排ガスに含まれるＮＯｘをＳＣＲ触媒のＮＯ２に変換することを許容する。加えて、外部表面のこのコーティングは、下流に配置される触媒（例えば酸化チタン・コーティングを有する加水分解触媒）の量を減らすことを可能にする。アプローチフロー領域の外部表面に対するコーティングの適用が非常に単純にされることができるので、さもなければ必要であるハニカム構造と比較して、ここでの経費節減の大きい可能性がある。さらに、コーティングは、反応エージェントのための貯留機能を有することができる。反応エージェントは、したがって、排ガスの温度にしたがっておよび／または例えば排ガスの質量流量にしたがって、再び貯留層から解放されて、排ガス中に取られる。

特に、外部表面を拡大する構造は、コーティングとして（例えば薄め塗膜（ｗａｓｈｃｏａｔ）として）および／またはリブ、ノブ、波形などによって具体化されることができる。構造は、反応エージェントが適用されて、したがって、熱い外壁から反応エージェントへの熱伝達を促進する利用可能な表面積を増加させる。外部表面を拡大する構造は、適切な場合、外壁に適用されて、加えて被覆されることのできる多孔質材料（不織布、織物、フォーム）によって形成されることもできる。

酸化触媒がアプローチフロー領域の範囲内に配置されることは、さらに提案される。そして、排ガスは、それが、酸化触媒が配置される領域においてアプローチフロー領域を囲む逆流領域を経て流出領域へと通過するというような方法で、第１の転換領域において転換される。アプローチフロー領域は、上流に配置される流入領域を有する。そしてそれは、流出領域を通る管の形において、還元剤または還元剤前駆体が追加装置によって適用される外部表面に延びる。

特に、酸化触媒は、ハイドロカーボンの放熱変換に適している。さらに、この逆流領域が同心的に具体化されてはならなくて、内部固定具から自由でなければならないことが好ましい場合であっても、付加的なおよび／またはマルチパートのハニカム体または触媒は、外側の逆流領域に配置されることができる。この場合、逆流領域は、それが、酸化触媒が配置されるアプローチフロー領域の部位を囲むというような方法で設計される。これは、流出領域が、酸化触媒が配置されるアプローチフロー領域のいかなる一部も囲まないことを意味する。生じてもよいアプローチフロー領域の管またはジャケットを冷却するせいで、この種の装置は、アプローチフロー領域に配置される酸化触媒がアプローチフロー領域への反応エージェントの適用によって損傷を受ける状況を回避する。

アプローチフロー領域は、現在、酸化触媒の上流に配置されて、そして、流出領域を通る管の形に延びて、したがって、流出領域の中に少なくとも部分的に配置される流入領域を有する。この流入領域を通って、排ガスは、排ガス処理装置内に流入する。流入領域（内部固定具から自由に設けられる）とアプローチフロー領域（ハニカム体または触媒を有する）との機能的な分離によって、流入領域は、排ガス処理装置のハウジングへの組み込みに関する要求のために、そして、その表面に対する反応エージェントの適用に関する要求のために、特に設計されることができる。

加えて、本発明は、内燃機関、排気ラインおよび反応エージェントを供給するための装置を有する自動車両を提案する。排気ラインは、本発明による少なくとも１つの排ガス処理装置を有する。ディーゼルまたは、あるいは火花点火式内燃機関は、特に、内燃機関としてここで提供される。反応エージェントを供給する装置は、特に、反応エージェント貯蔵部、および反応エージェントを貯蔵部から追加装置へ送給するための送給装置、さらには反応エージェントの適切な測定のための対応するコントローラを備える。

本発明および技術的な文脈は、図を参照して以下でさらに詳細に説明される。図は、本発明の特に好ましい実施形態を示す。しかし、本発明はそれに制限されない。

図１は、排気ラインを有する自動車両を示す。 図２は、排ガス処理装置の第１実施形態を示す。 図３は、排ガス処理装置の第２実施形態を示す。

図１は、自動車両２１の範囲内における排ガス処理装置１の配置を図式的に示す。自動車両２１は、内燃機関１８を有する。そしてそれは、排気ライン１９を介して排ガスを環境に放出する。排気ライン１９の範囲内には、追加装置７を有する排ガス処理装置１が設けられる。追加装置７は、適切な場合には制御される方法で、排ガス処理装置１に反応エージェントを供給する装置２０に接続している。排ガス浄化を支援するさらなる構成要素２２（以下のグループのうちの少なくとも１つ：触媒、フィルタ、粒子セパレータ、ターボチャージャ、吸着器、その他）は、排ガス処理装置１の下流で排気ライン１９の範囲内に配置される。

図２は、排ガス処理装置１の第１実施形態を図式的に示す。この場合、排ガス１０は、アプローチフロー領域２を経て流れ方向９に排ガス処理装置１に入る。アプローチフロー領域２は、外部表面６（少なくとも断面において、例えば円筒の、円錐の、その他の外部表面）、および排ガスの熱を外部表面６へ伝達するための複数の熱伝達エレメント２３を有する。さらに、酸化触媒１５は、アプローチフロー領域２の範囲内に配置される。排ガス１０は、アプローチフロー領域２を通って、次いで酸化触媒１５を通って流れる。そして、排ガス１０が次いでアプローチフロー領域２を過ぎた外側上を、逆流領域４を通って、流出領域５の方向に同心的に搬送されるというような方法で、排ガス１０は、第１の転換領域３において転換される。この場合、排ガスを偏向させるかまたは鎮めるための複数の流れデフレクタ２４は、逆流領域５に設けられる。その結果、排ガスは、還元剤が減少した強度でのみ熱い外部表面６に衝突する領域に到達する。

アプローチフロー領域２は、酸化触媒１５が配置される領域１６を有する。逆流領域４を去った後に、排ガス１０は、流出領域５に流入する。排ガス１０の一部は、少なくとも部分的な領域において、反応エージェント８が適用されるアプローチフロー領域２の外部表面６にわたって流れる。反応エージェント８は、追加装置７を介して流出領域５に導入される。この場合、追加装置７は、排ガスの出口の反対側に位置するアプローチフロー領域２の側（詳しくは、出口を経た反応エージェント８の直接的な出現が回避され得ることを確実にする特に重要でもよい側）に配置される。排ガス１０は、流出領域５の中で結合されて、排ガス処理装置１から流出する。

図３は、排ガス処理装置１の第２実施形態を図式的に示す。ここでも、排ガス１０は、流れ方向９においてアプローチフロー領域２を貫通する。アプローチフロー領域２の範囲内には、領域１６に隣接する流入領域１７が配置される。酸化触媒１５は、領域１６において配置される。転換領域３において、排ガス１０は、それがアプローチフロー領域２の周囲に同心的に逆流領域４を通って流れるというような方法で、転換される。この実施形態において、アプローチフロー領域２は、排ガス処理装置１の範囲内で中心に配置されない。そして、流れの断面積１１を排ガス処理装置１の上部においてより小さくして、減少した逆流領域４を形成する。排ガス処理装置１の下部において、逆流領域４は、より大きい流れの断面積１１を有する。追加装置７は、排ガス処理装置１の流出領域５に配置されて、流入領域１７の外部表面６の少なくとも一部に反応エージェント８を供給する。この場合、追加装置７は、出口を経た反応エージェント８の直接的な出現を回避するために、排ガスの出口からアプローチフロー領域２の反対側に、もう一度配置される。反応エージェント８が衝突する表面積１４を増加させる構造１３は、外部表面６上に形成されて、したがって、反応エージェント８の蒸発を改善する。

すべてのその変形例をともなう本発明は、先行技術に関して説明される課題を解決する。特に、ハニカム体にまたはコーティングに反応エージェントが直接適用されないので、ハニカム体に対する、またはそのコーティングに対する損傷は、回避される。反応エージェントの蒸発は、特に、排ガスと反応エージェントとの多段階の混合によって、そして堅牢な表面を提供することによって、達成される。さらに、反応エージェントを蒸発させるために排気ラインの特に熱い領域を使用することは、このようにして可能である。追加装置は、排ガスの流れ方向の追加の対抗力も可能なというような方法で、流出領域の範囲内に配置されることができる。そして、排ガス中の反応エージェントの対応する分配は、改善される。

１…排ガス処理装置
２…アプローチフロー領域
３…転換領域
４…逆流領域
５…流出領域
６…外部表面
７…追加装置
８…反応エージェント
９…流れ方向
１０…排ガス
１１…流れの断面積
１２…コーティング
１３…構造
１４…表面積
１５…酸化触媒
１６…領域
１７…流入領域
１８…内燃機関
１９…排気ライン
２０…装置
２１…自動車両
２２…構成要素
２３…熱伝達エレメント
２４…流れデフレクタ

Claims (9)

1. 排ガス（１０）の流れに関して直列に配列される往流領域（２）、転換領域（３）、復流領域（４）および流出領域（５）を少なくとも含む排ガス処理装置（１）であって、
   前記復流領域（４）および前記流出領域（５）は、前記往流領域（２）の外部表面（６）上に配置され、
   排ガス（１０）は、前記転換領域（３）で方向転換され、
   排ガス（１０）は、前記流出領域（５）で前記排ガス処理装置（１）の流出口へ流出し、
   前記排ガス処理装置（１）は、反応剤（８）のための添加装置（７）をさらに含み、
   前記添加装置（７）は、前記流出領域（５）に配置され、前記添加装置（７）は、前記往流領域（２）を間にして前記排ガス処理装置（１）の流出口と向かい合って、前記排ガス処理装置（１）の流出口に向く、排ガス処理装置（１）。
2. 前記反応剤（８）が前記往流領域（２）の前記外部表面（６）上に少なくとも部分的に供給されることができるというような方法で、前記添加装置（７）は、配置される、請求項１に記載の排ガス処理装置（１）。
3. 前記外部表面（６）は、少なくとも部分的に加熱されることができる、請求項１または２に記載の排ガス処理装置（１）。
4. 少なくとも前記復流領域（４）は、排ガス（１０）の流れ方向（９）を横切って変わる流れ横断面（１１）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス処理装置（１
   ）。
5. 前記往流領域（２）の前記外部表面（６）は、前記外部表面（６）の表面積（１３）を増加させる少なくとも１つの少なくとも部分的なコーティング（１２）または構造（１４）を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の排ガス処理装置（１）。
6. 前記往流領域（２）は、排ガスの熱を前記外部表面（６）へ伝達するための少なくとも１つの熱伝達エレメント（２３）を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス処理装置（１）。
7. 前記流出領域（５）は、排ガスを偏向させるかまたは鎮めるための少なくとも１つの流れデフレクタ（２４）を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガス処理装置（１）。
8. 前記往流領域（２）内に酸化触媒（１５）が配置され、排ガス（１０）は、前記酸化触媒（１５）が配置される領域（１６）において前記往流領域（２）を囲む前記復流領域（４）を介して、前記流出領域（５）に入るように、前記転換領域（３）において方向転換され、
   前記往流領域（２）は、上流に配置される流入領域（１７）を有し、前記流入領域（１７）は、管の形で前記流出領域（５）を通って延び、その前記外部表面（６）に、前記添加装置（７）によって還元剤または還元剤前駆体が適用される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の排ガス処理装置（１）。
9. 内燃機関（１８）、排気ライン（１９）、および反応剤（８）を供給するための装置（２０）を有する自動車両（２１）であって、前記排気ライン（１９）は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の少なくとも１つの排ガス処理装置（１）を有する、自動車両（２１）。
   

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