KR102029880B1 - 차량용 요소수 분사장치 - Google Patents

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Abstract

차량용 요소수 분사장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 차량용 요소수 분사장치는: 배기관에 요소수를 분사하는 인젝터; 인젝터에 요소수를 공급하는 요소수 공급관; 요소수가 저장되고, 요소수 공급관에 요소수를 공급하는 요소수 탱크; 전원을 공급하는 전원 공급부; 요소수 탱크의 내부에 배치되는 스웰 포트; 및 전원 공급부에 전기적으로 연결되고, 스웰 포트에 유입되는 요소수를 가열하도록 스웰 포트에 설치되는 히터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 요소수 분사장치{UREA INJECTING DEVICE FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 요소수 분사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 시동 초기에 요소수가 원활하게 공급될 수 있는 차량용 요소수 분사장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 운행시 연료의 연소에 따라 발생되는 배기가스에는 인체에 유해하거나 대기를 오염시킬 수 있는 배기규제물질이 발생하게 된다. 배기규제물질로는 탄소산화물 또는 질소산화물 등이 있다.
이러한 배기규제물질의 배출량을 저감하기 위해 차량에는 다양한 배기정화장치가 설치된다. 배기가스 중에 존재하는 질소산화물(NOx)을 제거하기 위해 촉매장치가 설치된다. 질소산화물이 포함된 배기가스 중에 요소수를 분사하여 요소수와 배기의 혼합가스를 형성하고, 혼합가스가 촉매장치를 경유하면서 화학반응을 일으켜 배기중의 질소산화물이 물과 질소로 변화된다. 따라서, 배기가스에서 질소산화물이 제거된다.
요소수는 요소탱크에 저장되고, 요소탱크에는 엔진의 냉각수라인이 경유된다. 따라서, 엔진의 냉각수가 냉각수라인을 따라 유동되면, 냉각수가 요소수와 열교환됨에 따라 요소수가 가열된다. 가열된 요소수는 배기관(10)에 분사된다.
그러나, 종래에는 동절기 차량의 시동 초기에 엔진의 냉각수가 충분히 가열되지 못하므로, 요소탱크에 저장된 요소수가 동결될 수 있다. 요소탱크의 요소수가 동결되면 배기관에 분사될 수 없으므로, 배기가스에 함유된 질소산화물이 제거될 수 없다. 따라서, 동절기 차량의 시동 초기에는 질소산화물을 함유한 배기가스가 배출될 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제1655655호(2016. 09. 07 공고, 발명의 명칭: 차량의 요소수 탱크용 충전제한 통기밸브)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 시동 초기에 요소수가 원활하게 공급될 수 있는 차량용 요소수 분사장치을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 차량용 요소수 분사장치는: 배기관에 요소수를 분사하는 인젝터; 상기 인젝터에 요소수를 공급하는 요소수 공급관; 요소수가 저장되고, 상기 요소수 공급관에 요소수를 공급하는 요소수 탱크; 전원을 공급하는 전원 공급부; 상기 요소수 탱크의 내부에 배치되는 스웰 포트; 및 상기 전원 공급부에 전기적으로 연결되고, 상기 스웰 포트에 유입되는 요소수를 가열하도록 상기 스웰 포트에 설치되는 히터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 히터부는 상기 스웰 포트의 내측면에 설치될 수 있다.
상기 히터부는 서로 이격되게 배치되고, 선형으로 형성되는 복수의 발열라인; 복수의 상기 발열라인에 연결되는 복수의 전원 공급라인; 및 복수의 상기 발열라인을 서로 이격되게 고정시키는 복수의 고정라인을 포함할 수 있다.
복수의 상기 발열라인은 복수의 상기 고정라인과 수직하게 배치될 수 있다.
상기 스웰 포트에는 요소수 통과홀부가 형성되고, 상기 히터부는 상기 요소수 통과홀부를 가로지르도록 설치될 수 있다.
상기 요소수 통과홀부는 복수 개가 형성되고, 복수의 상기 요소수 통과홀부는 상기 스웰 포트의 하측에 편중되게 배치될 수 있다.
상기 요소수 통과홀부는 복수 개가 형성되고, 복수의 상기 요소수 통과홀부는 상기 스웰 포트의 상측에 편중되게 배치될 수 있다.
상기 차량용 요소수 분사장치는 상기 스웰 포트의 내부에 설치되는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 감지부는 상기 스웰 포트의 하측에 설치되는 제1 온도센서; 및 상기 스웰 포트의 하측에 상기 제1 온도센서 보다 높게 설치되는 제2 온도센서를 포함할 수 있다.
상기 온도 감지부는 상기 스웰 포트의 하측에 상기 제2 온도센서 보다 높게 설치되는 제3 온도센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 요소수가 히터부에 의해 가열되므로, 동절기의 차량의 시동 초기에 요소수를 해동시킬 수 있다. 해동된 요소수가 요소수 공급관을 통해 배기관에 분사되므로, 차량의 시동 초기에 질소산화물이 배기가스와 함께 배출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 히터부가 스웰 포트의 내측면에 설치되므로, 동절기에 스웰 포트 외부의 요소수가 먼저 결빙되고 스웰 포트의 내부의 요소수가 결빙되지 않은 경우, 스웰 포트 외측의 결빙된 요소수가 팽창됨에 의해 히터부나 스웰 포트가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치에서 스웰 포트를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치에서 스웰 포트의 내부에 히터부가 설치된 일 예를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치에서 스웰 포트의 내부에 히터부가 설치된 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치의 히터부를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 차량용 요소수 분사장치의 일 실시예를 설명한다. 차량용 요소수 분사장치를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치를 도시한 회로도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치에서 스웰 포트를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치에서 스웰 포트의 내부에 히터부가 설치된 일 예를 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치에서 스웰 포트의 내부에 히터부가 설치된 다른 예를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치의 히터부를 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 요소수 분사장치는 인젝터(20), 요소수 공급관(30), 전원 공급부(50), 요소수 탱크(40), 스웰 포트(60) 및 히터부(70)를 포함한다.
엔진의 배기관(10)에는 질소산화물을 제거하는 촉매부(12)(SCR: selective catalystic reduction)가 설치된다. 촉매부(12)에서는 배기가스 중의 질소산화물과 분사되는 요소수는 화학반응을 일으켜 물과 질소로 변환된다. 따라서, 배기가스에서 질소산화물이 제거된다.
인젝터(20)는 배기관(10)에 요소수를 분사한다. 요소수는 액적 형태로 분사된다.
요소수 공급관(30)은 인젝터(20)에 요소수를 공급한다. 요소수 공급관(30)에는 요소수를 펌핑하도록 펌프(32)가 설치되고, 펌프(32)는 제어부(34)에 의해 구동된다.
요소수 탱크(40)에는 요소수가 저장되고, 요소수 공급관(30)에 요소수를 공급한다. 요소수 탱크(40)는 원통형으로 형성된다. 요소수 탱크(40)에는 흡입 파이프(42)가 설치되고, 요소수 공급관(30)은 흡입 파이프(42)에 연결된다. 요소수 탱크(40)에는 메인 온도센서(45)가 설치된다.
전원 공급부(50)는 히터부(70)에 전원을 공급한다. 전원 공급부(50)로는 배터리부를 제시한다. 전원 공급부(50)와 히터부(70)는 전선(52)에 의해 연결된다. 전원 공급부(50)에는 차량에서 회수되는 전기 에너지가 저장될 수 있다. 즉, 제동장치(미도시)에 발전부(미도시)를 연결하고, 발전부에서 발생되는 전기 에너지가 전원 공급부(50)에 저장될 수 있다.
스웰 포트(60)는 요소수 탱크(40)의 내부에 배치되고, 요소수 탱크(40)의 요소수에 난류를 형성한다. 스웰 포트(60)는 원통형으로 형성되거나 다각 기둥 형태로 형성될 수 있다. 스웰 포트(60)에는 요소수 탱크(40)에 저장된 요소수가 유입된다. 스웰 포트(60)는 요소수 탱크(40)와 동심을 이루도록 배치된다. 스웰 포트(60)가 요소수 탱크(40)의 내부에 배치되므로, 요소수 탱크(40)에 저장된 요소수 중에서 스웰 포트(60) 내부의 요소수는 외부의 온도로부터 가장 덜 영향을 받는다. 따라서, 요소수 탱크(40)에 저장된 요소수 중에서 스웰 포트(60) 내부의 요소수가 가장 늦게 동결된다.
히터부(70)는 전원 공급부(50)에 전기적으로 연결되고, 스웰 포트(60)에 유입되는 요소수를 가열하도록 스웰 포트(60)에 설치된다. 요소수가 히터부(70)에 의해 가열되므로, 동절기의 차량의 시동 초기에 요소수를 해동시킬 수 있다. 해동된 요소수가 요소수 공급관(30)을 통해 배기관(10)에 분사되므로, 차량의 시동 초기에 질소산화물이 배기가스와 함께 배출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 차량의 시동 초기에 요소수가 해동되는 시간이 지연되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 차량의 시동 초기에 질소산화물이 배기관(10)을 통해 외부에 배기되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 엔진에 연결되는 냉각수 순환라인이 요소수 탱크(40)에 설치될 필요가 없다.
히터부(70)는 스웰 포트(60)의 내측면에 설치된다. 히터부(70)가 스웰 포트(60)의 내측면에 설치되므로, 스웰 포트(60)에서 동결되는 요소수가 히터부(70)에서 발생되는 열기에 의해 가열되어 해동될 수 있다. 또한, 히터부(70)가 스웰 포트(60)의 내측면에 안정되게 설치될 수 있다. 또한, 히터부(70)가 스웰 포트(60)의 내측면에 설치되므로, 동절기에 스웰 포트(60)의 외부의 요소수가 먼저 결빙되고 스웰 포트(60)의 내부의 요소수가 결빙되지 않은 경우, 스웰 포트(60) 외측의 결빙된 요소수가 팽창됨에 의해 히터부(70)나 스웰 포트(60)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
히터부(70)는 서로 이격되게 배치되고, 선형으로 형성되는 복수의 발열라인(71)과, 복수의 발열라인(71)에 연결되는 복수의 전원 공급라인(72)과, 복수의 발열라인(71)을 서로 이격되게 고정시키는 복수의 고정라인(73)을 포함한다. 복수의 발열라인(71)은 섬유사에 탄소섬유가 침적됨에 따라 형성된다. 발열라인(71), 전원 공급라인(72) 및 고정라인(73)은 투명하거나 반투명한 합성수지로 형성되는 서포트 시트(75)에 부착될 수 있다. 이때, 겹쳐진 서포트 시트(75) 사이에 발열라인(71), 전원 공급라인(72) 및 고정라인(73)이 배치된다. 또한, 합성수지로는 실리콘을 제시한다.
복수의 발열라인(71)이 선형으로 형성되므로, 일부의 발열라인(71)이 단락되거나 손상되더라도 나머지 발열라인(71)이 결빙된 요소수를 가열할 수 있다. 또한, 복수의 전원 공급라인(72)이 복수의 발열라인(71)에 연결되므로, 일부의 전원 공급라인(72) 또는 일부의 발열라인(71)이 단락되거나 손상되더라도 결빙된 요소수를 가열할 수 있다. 발열라인(71), 전원 공급라인(72) 및 고정라인(73)이 서포트 시트(75) 사이에 배치되므로, 요소수가 발열라인(71), 전원 공급라인(72) 및 고정라인(73)을 부식 또는 손상시키는 것을 방지할 수 있다.
고정라인(73)은 발열라인(71)을 묶어 고정시킨다. 이때, 한 쌍의 고정라인(73)이 지그재그로 엇갈리게 설치되므로, 고정라인(73) 사이에 발열라인(71)이 고정된다. 고정라인(73)이 발열라인(71)을 고정시키므로, 발열라인(71)의 지지력과 강성을 향상시킬 수 있다. 고정라인(73)으로는 섬유사를 제시한다.
발열라인(71)과 전원 공급라인(72)이 가요성 및 신축성 재질로 형성되므로, 요소수의 결빙시 요소수의 팽창에 의해 단락되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 고정라인(73)이 가요성 및 신축성을 갖는 섬유사로 형성되므로, 요소수의 결빙시 고정라인(73)이 요소수의 팽창에 의해 단락되는 것을 방지할 수 있다.
복수의 발열라인(71)은 그 길이방향과 수직한 방향으로 나란하게 배열된다. 복수의 발열라인(71)이 나란하게 배열되므로, 고정라인(73)이 발열라인(71)을 용이하게 위치 고정시킬 수 있다. 또한, 히터부(70)의 발열량이 전체적으로 균일해질 수 있다.
복수의 발열라인(71)는 복수의 고정라인(73)과 수직하게 배치된다. 발열라인(71)과 고정라인(73)이 수직하게 배치되므로, 격자 형태의 공간부가 형성된다. 따라서, 히터부(70)의 발열량이 전체적으로 균일해질 수 있다.
스웰 포트(60)에는 요소수 통과홀부(62)가 형성되고, 히터부(70)는 요소수 통과홀부(62)를 가로지르도록 설치된다. 스웰 포트(60)에 요소수 통과홀부(62)가 형성되므로, 요소수의 온도가 기 설정된 온도 이하에 도달되면 히터부(70)를 구동하여 요소수를 가열할 수 있다. 따라서, 동절기에 요소수가 결빙되는 것을 억제할 수도 있다.
요소수 통과홀부(62)는 복수 개가 형성되고, 복수의 요소수 통과홀부(62)는 스웰 포트(60)의 하측에 편중되게 배치된다(도 3 참조). 요소수 탱크(40)의 내부에서 요소수의 열에너지의 이동은 하측에서 상측으로 이동되므로, 요소수 탱크(40)의 하측과 상측 사이에 온도편차가 증가된다. 복수의 요소수 통과홀부(62)가 스웰 포트(60)의 하측에 편중되게 배치되므로, 히터부(170)가 가열됨에 따라 요소수 탱크(40)의 하측의 요소수를 가열할 수 있다. 따라서, 요소수 탱크(40)의 하측에 위치된 요소수가 먼저 결빙되는 것을 억제할 수 있다.
요소수 통과홀부(62)는 복수 개가 형성되고, 복수의 요소수 통과홀부(62)는 스웰 포트(60)의 상측에 편중되게 배치될 수 있다(도 4 참조). 요소수 탱크(40)의 상측의 요소수가 가열되므로, 요소수 탱크(40)의 상측에서 하측으로 열에너지가 이동되게 할 수 있다. 따라서, 요소수 탱크(40)에서 요소수가 대류 순환되게 할 수 있다.
히터부(70)는 스웰 포트(60)의 벽면에 설치되는 직사각판 형태의 제1 히터부와, 스웰 포트(60)의 하측에 설치되는 원판 형태의 제2 히터부를 포함한다. 제1 히터부가 사각판 형태로 형성되므로, 스웰 포트(60)의 내측면에 용이하게 부착될 수 있다. 또한, 제2 히터부가 스웰 포트(60)의 하측면에 용이하게 부착될 수 있다. 이때, 제1 히터부는 스웰 포트(60)의 벽면에 상하방향으로 3개 정도 설치되고, 제2 히터부는 스웰 포트(60)의 하측에 원주방향을 따라 5개 정도 설치될 수 있다. 따라서, 요소수의 높이에 따라 히터부(70)를 개별적으로 제어할 수 있다.
차량용 요소수 분사장치는 스웰 포트(60)의 하측에는 설치되는 온도 감지부(80)를 더 포함한다. 온도 감지부(80)가 스웰 포트(60)의 하측에 설치되므로, 열에너지가 상측으로 이동됨에 따라 상대적으로 저온인 요소수의 온도를 용이하게 측정할 수 있다.
온도 감지부(80)는 스웰 포트(60)의 하측에 설치되는 제1 온도센서(81)와, 스웰 포트(60)의 하측에 제1 온도센서(81) 보다 높게 설치되는 제2 온도센서(82)를 포함한다. 제2 온도센서(82)가 제1 온도센서(81) 보다 높게 설치되므로, 제1 온도센서(81)는 상대적으로 낮게 위치된 요소수의 온도를 측정하고, 제2 온도센서(82)는 상대적으로 높게 위치된 요소수의 온도를 측정할 수 있다. 따라서, 요소수의 높이 별로 요소수의 온도를 측정하므로, 제1 온도센서(81)와 제2 온도센서(82)에서 감지되는 온도 중에서 상대적으로 저온인 요소수를 기준으로 히터부(70)를 구동시킬 수 있다. 또한, 요소수가 위치별로 온도가 달라지는 경우, 높이가 다른 히터부(70) 중 일부를 제어하거나 히터부(70)마다 구동 시간을 다르게 제어할 수 있다. 예를 들면, 상측에 위치된 히터부(70)는 900초 정도 구동하고, 하측에 위치된 히터부(70)를 1800초 정도 구동할 수 있다.
온도 감지부(80)는 스웰 포트(60)의 하측에 제2 온도센서(82) 보다 높게 설치되는 제3 온도센서(83)를 더 포함한다. 제3 온도센서(83)는 가장 높이 위치된 요소수의 온도를 측정할 수 있다. 제1 온도센서(81), 제2 온도센서(82) 및 제3 온도센서(83)가 서로 다른 높이에 위치된 요소수를 가열하므로, 가장 저온에 위치되는 요소수층을 국부적으로 가열하도록 히터부(70)를 개별적으로 제어할 수 있다.
히터부(70)가 대략 220℃ 이상 발열되면, 실리콘 재질이 변형되고, 히터부(70)의 표면에서 요소수의 끓음 현상이 발생된다. 이 경우, 히터부(70)와 스웰 포트(60)가 손상되고, 요소수가 증발됨에 따라 요소수가 손실될 수 있다.
히터부(70)가 대략 150℃ 정도 발열되면, 히터부(70)의 표면에서 요소수의 증발이 발생된다. 이 경우에도 요소수가 손실될 수 있다.
히터부(70)가 대략 90-25℃ 범위로 발열되면, 요소수가 해리된다. 따라서, 히터부(70)는 대략 90-25℃ 범위로 발열되는 것이 바람직하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 배기관 12: 촉매부
20: 인젝터 30: 요소수 공급관
32: 펌프 34: 제어부
40: 요소수 탱크 42: 흡입 파이프
45: 메인 온도센서 50: 전원 공급부
52: 전선 60: 스웰 포트
62: 요소수 통과홀부 70: 히터부
71: 발열라인 72: 전원 공급라인
73: 고정라인 75: 서포트 시트
80: 온도 감지부 81: 제1 온도센서
82: 제2 온도센서 83: 제3 온도센서

Claims (10)

  1. 배기관에 요소수를 분사하는 인젝터;
    상기 인젝터에 요소수를 공급하는 요소수 공급관;
    요소수가 저장되고, 상기 요소수 공급관에 요소수를 공급하는 요소수 탱크;
    전원을 공급하는 전원 공급부;
    상기 요소수 탱크의 내부에 배치되는 스웰 포트; 및
    상기 전원 공급부에 전기적으로 연결되고, 상기 스웰 포트에 유입되는 요소수를 가열하도록 상기 스웰 포트에 설치되는 히터부를 포함하고,
    상기 히터부는 상기 스웰 포트의 내측면에 설치되며,
    상기 히터부는,
    서로 이격되게 배치되고, 선형으로 형성되는 복수의 발열라인;
    복수의 상기 발열라인에 연결되는 복수의 전원 공급라인; 및
    복수의 상기 발열라인을 서로 이격되게 고정시키는 복수의 고정라인을 포함하고,
    한 쌍의 상기 고정라인 사이에 상기 발열라인을 고정시키도록 한 쌍의 상기 고정라인이 지그재그로 엇갈리게 설치되고,
    상기 스웰 포트에는 요소수 통과홀부가 형성되고,
    상기 히터부는 상기 요소수 통과홀부를 가로지르도록 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 요소수 분사장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    복수의 상기 발열라인은 복수의 상기 고정라인과 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 요소수 분사장치.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 요소수 통과홀부는 복수 개가 형성되고,
    복수의 상기 요소수 통과홀부는 상기 스웰 포트의 하측에 편중되게 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 요소수 분사장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 요소수 통과홀부는 복수 개가 형성되고,
    복수의 상기 요소수 통과홀부는 상기 스웰 포트의 상측에 편중되게 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 요소수 분사장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 스웰 포트의 내부에 설치되는 온도 감지부를 더 포함하는 특징으로 하는 차량용 요소수 분사장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 온도 감지부는,
    상기 스웰 포트의 하측에 설치되는 제1 온도센서; 및
    상기 스웰 포트의 하측에 상기 제1 온도센서 보다 높게 설치되는 제2 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 요소수 분사장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 온도 감지부는,
    상기 스웰 포트의 하측에 상기 제2 온도센서 보다 높게 설치되는 제3 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 요소수 분사장치.
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