KR20060010058A - Method for designing cam profile for variable valve lift apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엔진의 구동력을 전달받아 회전하는 캠축과 흡기 및 배기 밸브의 밸브스템사이에 설치되어 상기 흡기 및 배기밸브를 로우 리프트와 하이 리프트로 동작시키는 가변밸브 리프트 장치용 캠 프로파일 설계방법에 관한 것으로서, 원형 베이스와, 상기 원형 베이스로부터 연장형성된 로브로 이루어진 캠을 마련하는 과정과; 상기 캠축이 회전함에 따라 상기 로브의 단부가 상기 가변밸브 리프트 장치와 접촉하는 동안 상기 캠축의 회전각에 대한 상기 밸브의 리프트 변이가 일정하도록, 상기 로브의 단부의 굴곡도를 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 태핏만에 의한 가변밸브 리프트 장치와 한 종류의 캠 프로파일을 이용하여 밸브의 개폐시 발생하는 노이즈 및 진동을 줄일 수 있게 된다.The present invention relates to a cam profile design method for a variable valve lift device installed between a camshaft that is rotated by a driving force of an engine and a valve stem of an intake and exhaust valve to operate the intake and exhaust valves at low lift and high lift. Providing a cam comprising a circular base and a lobe extending from the circular base; Setting the degree of curvature of the end of the lobe such that the lift shift of the valve relative to the rotation angle of the camshaft is constant while the end of the lobe is in contact with the variable valve lift device as the camshaft rotates. It is characterized by. Accordingly, by using the variable valve lift apparatus and the cam profile of only one tappet only, it is possible to reduce noise and vibration generated when opening and closing the valve.
가변 밸브 리프트, 캠 프로파일Variable Valve Lifts, Cam Profiles
Description
도 1은 종래의 2단 가변밸브 리프트와 캠 프로파일의 동작 구조도,1 is a structural diagram of a conventional two-stage variable valve lift and cam profile,
도 2 및 도 3은 본 발명에 적용되는 태핏만에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 동작 구조도, 2 and 3 is a structural view of the operation of the variable valve lift apparatus by the tappet applied to the present invention,
도 4는 도 2 및 도 3의 가변 밸브 리프트 장치에서 크랭크 각도에 따른 밸브 열림 변이량 및 속도 변이 그래프, 4 is a graph of valve opening variation and speed variation according to crank angle in the variable valve lift apparatus of FIGS. 2 and 3;
도 5는 본 발명에 따라 하이 리프트시의 캠프로파일 설계를 위한 크랭크 각도에 따른 밸브 열림 변이량 및 밸브 열림 속도 그래프,5 is a graph of valve opening variation and valve opening speed according to the crank angle for the camp profile design at high lift in accordance with the present invention;
도 6은 본 발명에 따라 로우 리프트시 캠프로파일 설계를 위한 크랭크 각도에 따른 밸브 열림 변이량 및 밸브 열림 속도 그래프,6 is a graph of valve opening variation and valve opening speed according to crank angle for low profile camp profile design according to the present invention;
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 캠 프로파일의 단면도,7a and 7b are cross-sectional views of the cam profile according to the invention,
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
1 : 스템 10 : 캠 프로파일 1: Stem 10: Cam Profile
10a : 베이스 10b : 로브 10a:
11 : 밸브 로드 12 : 스프링11: valve rod 12: spring
20 : 태핏 바디 21 : 오일공급경로20: tappet body 21: oil supply path
22 : 푸쉬로드 리턴 스프링 23 : 스토퍼 리턴 스프링22: push rod return spring 23: stopper return spring
24 : 스토퍼 25 : 푸쉬로드 24: Stopper 25: Push Rod
26 : 유압챔버26: hydraulic chamber
본 발명은 엔진의 저속과 고속에서 하나의 캠에 의해 밸브의 리프트 량을 조절하여 엔진의 성능을 높일 수 있도록 한 가변밸브 리프트장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밸브의 개폐시 발생하는 노이즈 및 진동을 줄이는 엔진의 가변밸브 리프트장치용 캠 프로파일 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a variable valve lift device that can increase the performance of the engine by adjusting the lift amount of the valve by one cam at a low speed and a high speed of the engine, and more specifically, noise and vibration generated when opening and closing the valve. A cam profile design method for a variable valve lift apparatus of an engine that reduces engine losses.
일반적으로 엔진은 실린더와 실린더 헤드 및 상기 실린더 내에서 왕복 운동하는 피스톤의 사이에 형성되는 연소실에서 연료를 연소시켜 발생된 폭발력을 상기 피스톤에 연결된 커넥팅 로드를 통해 크랭크샤프트를 회전시킴으로써 열에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 장치이다. In general, an engine generates thermal energy by rotating a crankshaft through a connecting rod connected to the piston to explode force generated by burning fuel in a combustion chamber formed between a cylinder and a cylinder head and a piston reciprocating in the cylinder. To convert.
상기와 같은 엔진의 실린더 헤드에는 연료가 연소되어 동력을 발생시키도록 하는 연소실이 구비되어 있고, 이 연소실에는 연소될 연료가 포함된 혼합기를 제공하는 흡기밸브와 연속된 가스를 방출하기 위한 배기 밸브가 형성되어 있는 바, 이들 흡기밸브 및 배기 밸브는 크랭크샤프트에 연결된 밸브 개폐 기구에 의해 연소실을 개폐하도록 이루어져 있다. 밸브 개폐 기구는 캠 샤프트의 회전운동을 밸브의 직선운동으로 변환하는 것으로서, 일반적으로 캠 프로파일의 표면의 곡선의 변화에 따라 각 밸브의 개폐시기나 리프트가 달라져 기관의 성능에 영향을 준다.The cylinder head of such an engine is provided with a combustion chamber for burning fuel to generate power, and the combustion chamber includes an intake valve for providing a mixer containing a fuel to be burned and an exhaust valve for releasing continuous gas. As formed, these intake valves and exhaust valves are configured to open and close the combustion chamber by a valve opening and closing mechanism connected to the crankshaft. The valve opening / closing mechanism converts the rotational motion of the camshaft into the linear motion of the valve. In general, the opening and closing timing or lift of each valve varies according to the change of the curve of the surface of the cam profile, thereby affecting the performance of the engine.
도 1은 종래의 하이 리프트 시와 로우 리프트시 2단 가변 밸브 리프트 장치의 동작상태를 도시한 것이다. 종래의 2단 가변밸브 리프트 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 캠축(100)에 연결되는 하이 캠(101)과 로우 캠(102)의 2종류의 프로파일을 가지고 있으며, 특수한 태핏(200)을 이용하여 2단의 가변밸브 리프트로 동작한다. 하이 리프트시 오일압에 의해 락핀과 중심축이 일체로 형성되어 하이 캠(101)과 접촉하여 태핏(200) 전체가 상하로 동작하고, 로우 리프트시 락핀의 락킹이 해제되면서 중심축만이 로우 캠(102)과 접촉하여 상하로 동작한다. 1 is a view illustrating an operation state of a conventional two-stage variable valve lift apparatus during high lift and low lift. As shown in FIG. 1, the conventional two-stage variable valve lift apparatus has two types of profiles, a
한편, 현재 한 종류의 캠 프로파일에 의해 동작되는 태핏만에 의한 가변밸브 리프트 장치(도 2 및 도 3참조)가 개발되어 있으며, 가변밸브 리프트 장치는 유압에 의해 가변되는 구조로 이루어져 있다.On the other hand, a variable valve lift apparatus (see FIGS. 2 and 3) by tappets operated by one type of cam profile is currently developed, and the variable valve lift apparatus is configured to be variable by hydraulic pressure.
그런데, 상술한 도 1의 가변밸브 리프트와 같이 2가지 종류의 캠 프로파일을 가지는 경우, 로우 리프트와 하이 리프트시의 캠 프로파일을 각각 설계하여 적용하면 밸브의 움직임 특성이나 노이즈/진동에 문제가 생길 것이 없다. However, in the case of having two types of cam profiles like the variable valve lift of FIG. 1 described above, designing and applying cam profiles for low lift and high lift will cause problems in valve movement characteristics and noise / vibration. none.
그러나, 태핏(20)만에 의한 가변밸브 리프트 장치와 한 종류의 캠 프로파일을 이용하여 로우 리프트와 하이 리프트를 동시에 동작시키면 다음과 같은 문제가 생기게 된다. 즉, 하이 리프트 캠 프로파일에 적합하게 설계를 하면 로우 리프트시 문제가 발생한다. However, when the low lift and the high lift are operated at the same time by using the variable valve lift device and the cam profile of only one type by the
도 4에 도시된 크랭크 각도에 따른 리프트의 위치 및 속도 변이 그래프를 살 펴보면, 위로 볼록한 그래프는 하이 리프트와 로우 리프트의 변이 그래프이고, 점선으로 표시한 그래프는 하이 리프트와 로우 리프트시 속도 그래프이다. 속도 그래프에서 점선으로 표시한 부분에서 밸브가 열리기 시작하는데, 이때, 밸브의 열림 속도가 너무 빠름으로 인하여 밸브의 열림/닫힘 시기에 노이즈 및 진동문제가 발생한다.Looking at the graph of the position and speed variation of the lift according to the crank angle shown in FIG. 4, the convex graph is the variation graph of the high lift and the low lift, and the graph indicated by the dotted line is the velocity graph at the high lift and the low lift. . The valve starts to open at the portion indicated by the dotted line in the speed graph. At this time, noise and vibration problems occur at the opening / closing time of the valve because the opening speed of the valve is too fast.
태핏 밸브 계에서 여러 가지 램프(Ramp;열림)속도의 캠과 엔진 속도의 관계를 시험하여 발표된 논문에 따르면, 밸브 열림 시의 실린더 헤드의 진동 및 노이즈는 캠이 태핏을 치는 속도에 비례한다고 한다. 즉, 캠이 태핏을 치는 속도와 노이즈는 비례하므로, 램프(Ramp)구간에는 등속운동을 유지시켜야 캠이 태핏을 치는 충격량을 줄일 수 있다. According to a paper published by testing the relationship between cam and engine speed at various ramp speeds in a tappet valve system, the vibration and noise of the cylinder head when the valve is opened are proportional to the speed at which the cam hits the tappet. . That is, since the speed at which the cam hits the tappet and noise are proportional to each other, it is necessary to maintain the constant velocity motion in the ramp section to reduce the amount of impact on the cam hitting the tappet.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 태핏만에 의한 가변밸브 리프트 장치와 한 종류의 캠프로파일을 이용하여 밸브의 개폐시 발생하는 노이즈 및 진동을 줄이는 가변 밸브 리프트 태핏용 캠프로파일을 제공함에 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, using a variable valve lift device by a tappet and a type of camp profile for variable valve lift tappets to reduce the noise and vibration generated when opening and closing the valve. The purpose is to provide a camp profile.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진의 구동력을 전달받아 회전하는 캠축과 흡기 및 배기 밸브의 밸브스템사이에 설치되어 상기 흡기 및 배기 밸브를 로우 리프트와 하이 리프트로 동작시키는 가변밸브 리프트 장치용 캠 프로파일 설계방법에 있어서, 원형 베이스와, 상기 원형 베이스로부터 연장 형성된 로브로 이루어진 캠을 마련하는 과정과; 상기 캠축이 회전함에 따라 상기 로브의 단부가 상기 가변밸브 리프트 장치와 접촉하는 동안 상기 캠축의 회전각에 대한 상기 밸브의 리프트 변이가 일정하도록, 상기 로브의 단부의 굴곡도를 설정하는 과정을 포함하는 것에 의해 달성된다.The present invention for achieving the above object, the variable valve lift is installed between the cam shaft and the valve stem of the intake and exhaust valve rotated by receiving the driving force of the engine to operate the intake and exhaust valves low and high lift CLAIMS 1. A method of designing a cam profile for a device, comprising: providing a cam comprising a circular base and a lobe extending from the circular base; Setting the degree of curvature of the end of the lobe such that the lift shift of the valve relative to the rotation angle of the camshaft is constant while the end of the lobe is in contact with the variable valve lift device as the camshaft rotates. Is achieved by.
여기서, 상기 로브의 단부와 상기 가변밸브 리프트 장치와 접촉되는 구간은 상기 로우 리프트시 밸브가 개폐되는 구간인 것이 바람직하다.Here, the section in contact with the end of the lobe and the variable valve lift device is a section in which the valve is opened and closed during the low lift.
상기 가변밸브 리프트 장치는, 밸브 바디와, 상기 밸브 바디의 중앙 영역을 유동 가능하게 배치되며 상기 밸브스템와 연결되는 '┕┙'자형 푸쉬로드와, 상기 푸쉬로드의 양측에 설치되며 유압에 의해 가압되어 상기 푸쉬로드의 이동을 한정시키는 스토퍼와, 상기 유압의 해제시 상기 스토퍼를 리턴 시키는 스토퍼 리턴 스프링과, 상기 푸쉬로드 리턴용 스프링으로 이루어진 밸브 태핏과; 상기 밸브 바디에 유압을 공급하여 상기 밸브 태핏을 하이 리프트로 동작시키고, 상기 밸브 태핏에 공급된 유압을 해제하여 상기 밸브 태핏을 로우 리프트로 동작시키는 마이컴을 구비하는 것이 바람직하다.The variable valve lift apparatus includes a valve body, a '┕┙'-shaped push rod which is arranged to flow in a central region of the valve body and is connected to the valve stem, and is installed at both sides of the push rod and pressurized by hydraulic pressure. A valve tappet consisting of a stopper for limiting movement of the push rod, a stopper return spring for returning the stopper when the hydraulic pressure is released, and a spring for the push rod return; It is preferable to have a microcomputer to supply hydraulic pressure to the valve body to operate the valve tappet in a high lift, and to release the hydraulic pressure supplied to the valve tappet to operate the valve tappet in a low lift.
이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 도 2 및 도 3의 태핏만에 의한 가변 밸브 리프트 장치와, 한 종류의 캠 프로파일을 이용하여 가변 밸브 리프트 엔진을 구현하는 것을 전제로 한다. 본 발명에 적용되는 태핏(20)만에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 태핏(20)은, 밸브 바디와, 상기 밸브 바디의 중앙 영역을 유동 가능하게 배치되며 밸브스템(1)과 연결되는 '┕┙'자형 푸쉬로드(25)와, 푸쉬로드(25)의 양측에 설치되며 유압에 의해 가압되어 푸쉬로드(25)의 이동을 한정시키는 스토퍼(24)와, 유압의 해제시 스토퍼(24)를 리턴 시키는 스토퍼 리턴 스프링(23)과, 푸쉬로드 리턴 스프링(22)으로 이루어진다. The present invention is based on the premise of implementing a variable valve lift engine using the tappet-only variable valve lift apparatus of FIGS. 2 and 3 and one type of cam profile. The
가변 밸브 리프트 장치의 태핏(20)의 동작과정은 다음과 같다. 하이 리프트시 오일공급경로(21)를 통해 오일을 공급하여 고압의 유압을 형성하면 스토퍼(24)가 튀어나가면서 푸쉬로드(25)를 아래로 다운시켜 푸쉬로드(25)의 양단부를 고정시킨다. The operation process of the
반면, 로우 리프트 시에는 유압이 해제되어 오일이 오일공급경로(21)로 빠져나가면 스토퍼 리턴 스프링(23)에 의해 스토퍼(24)는 원래의 위치로 복원된다. 이에 따라 푸쉬로드(25)는 푸쉬로드 리턴 스프링(22)에 의해 태핏 바디(20)의 상부로 이동한다. 도면에는 도시하지 않았으나, 하이 리프트 시와 로우 리프트 시 오일의 유입 및 배출은 가변 밸브 리프트 장치의 제어기능을 하는 마이컴을 구비한 ECU(Electronic Control Unit)에 의해 제어된다. On the other hand, during the low lift, when the hydraulic pressure is released and the oil exits the
도 5는 본 발명에 따른 하이 리프트시의 캠 프로파일 설계를 위한 크랭크 각도에 따른 밸브 열림 변이량 및 밸브 열림 속도 변이 그래프이다. 도 5의 그래프에서, 그래프 '①'는 캠축의 변이크기를 나타내고, 그래프 '②'는 크랭크 각에 대해 캠축의 변이크기를 미분한 속도를 나타낸 것이고, 그래프 '③'는 크랭크 각에 대해 속도를 미분한 가속도를 나타낸 그래프이다. 5 is a graph of valve opening variation and valve opening speed variation according to crank angle for cam profile design at high lift according to the present invention. In the graph of FIG. 5, the graph '①' represents the displacement size of the camshaft, and the graph '②' represents the speed differentiating the displacement size of the camshaft with respect to the crank angle, and the graph '③' represents the speed with respect to the crank angle. It is a graph showing differential acceleration.
하이 리트프시, ECU(미도시)는 유압에 의해 가변 리프트 장치를 하이 리프트 상태로 변환하고, 캠축을 회전시키면 캠 프로파일(10)이 회전하여 태핏(20)과 캠 프로파일(10)의 표면이 접촉한다. 도 5의 그래프에 따르면, 후술할 도 7a의 캠 프로파일(10)의 베이스(10a)에서 로브(10b) 영역으로 진입하여 캠 프로파일(10)의 첨단부(이하에서 로브(10b)의 단부를 첨단부라고 칭함)에서 로브(10b) 영역을 거쳐 다시 베이스(10a)로 돌아오는 구간은 밸브가 열렸다가 닫히는 구간이다. 이 구간을 지나는 동안 캠 프로파일(10)에 의해 밸브의 리프트 양이 가변됨에 따른 밸브 열림의 최대 변이를 설정한다. At high lift, the ECU (not shown) converts the variable lift device into the high lift state by hydraulic pressure, and when the camshaft is rotated, the
여기서, 하이 리프트 상태에서 캠축이 회전할 때, 도 5의 속도 그래프에서 거의 등속도를 유지되는 구간은 본 발명에 따른 캠 프로파일(10)의 첨단부 및 그 인접한 영역이 태핏(20)과 접촉하는 순간으로서, 등속도를 유지하는 구간은 로우 리프트 시에 램프(Ramp)작용을 하여 노이즈를 줄여준다. Here, when the camshaft rotates in the high lift state, the section in which the constant speed is almost maintained in the speed graph of FIG. 5 is such that the tip of the
그러므로, 캠 프로파일 설계시, 크랭크각도당 밸브의 리프트 변이가 일정하게 변이 되도록, 즉 등속도가 되도록 캠 프로파일의 첨단부의 굴곡도를 설정한다. Therefore, in the cam profile design, the degree of curvature of the tip of the cam profile is set so that the lift variation of the valve per crank angle becomes constant, that is, at constant velocity.
도 6은 본 발명에 따른 로우 리프트시의 캠 프로파일(10) 설계를 위한 크랭크 각도에 따른 밸브 열림 변이량 및 밸브 열림 속도 변이 그래프이다. 그래프 '①'는 밸브 열림 변이를 나타내고, 그래프 '②'는 크랭크 각으로 밸브 열림 변이를 미분한 속도를 나타낸 것이고, 그래프 '③'는 크랭크각으로 속도를 미분한 가속도를 나타낸 그래프이다. 6 is a graph of valve opening variation and valve opening speed variation according to the crank angle for the
가변 리프트 장치를 로우 리프트 상태로 변환하고, 캠 프로파일(10)의 첨단 부가 태핏(20)에 접촉하도록 한다. 도 5의 그래프에 따르면, 캠축의 회전에 따라 캠 프로파일(10)이 회전하여, 태핏(20)과 캠 프로파일(10)이 접촉한다. 캠 프로파일(10)이 로브(10b) 영역의 일정 영역에서 캠 프로파일(10)의 첨단부를 거쳐 로브(10b) 영역의 소정 영역으로 이동하는 구간은 밸브가 열렸다가 닫히는 구간이다. 밸브가 열렸다가 닫히는 구간에서 캠 프로파일(10)에 의해 밸브 열림의 최대 변이는 하이 리프트 시에 비해 매우 작도록 설정하는 것이 바람직하다. Converts the variable lift device to the low lift state and causes the tip portion of the
도 7a 및 도 7b는 도 5 및 도 6의 그래프에 기초한, 캠 프로파일(10)의 단면도이다. 캠 프로파일(10)은 원형 베이스(10a)와, 원형 베이스(10b)의 일단부로부터 경사져서 연장 형성된 로브(lobe, 10b)로 구성된다. 가변 밸브 리프트 장치가 하이 리프트 상태일 때, 캠축이 회전함에 따라 캠 프로파일(10)의 로브(10b)와 가변 밸브 리프트 장치의 태핏(20)의 접촉상태가 변하고, 그에 따라 밸브가 개폐된다. 7A and 7B are cross-sectional views of the
즉, 태핏(20)이 캠 프로파일(10)의 일측 로브(10b)에서 첨단부까지 접촉함에 따라 밸브가 열리고, 태핏(20)이 캠 프로파일(10)의 첨단부에서 타측 로브(10b)까지 접촉함에 따라 밸브가 닫힌다. That is, the valve opens as the
마찬가지로, 가변 밸브 리프트 장치가 로우 리프트 상태일 때는, 캠축이 회전함에 따라 태핏(20)이 캠 프로파일(10)의 로브(10b)의 소정 영역에서 첨단부까지 접촉하면서 밸브가 열리고, 태핏이 첨단부에서 타측 로브(10b)의 소정 영역까지 접촉함에 따라 밸브가 닫힌다.Similarly, when the variable valve lift apparatus is in the low lift state, as the camshaft rotates, the valve opens while the
이러한 구성에 의하여, 흡배기 포트의 밸브를 개폐시킬 때, 가변 밸브 리프트 장치와 한 종류의 캠 프로파일을 이용하되, 가변 밸브 리프트 장치를 로우 리프 트 상태로 하여 밸브를 개폐할 때, 밸브의 열림/닫힘 되는 램프(Ramp)구간에는 캠축의 회전각에 대한 밸브의 리프트 변이량이 일정하도록 캠 프로파일을 형성하여, 밸브의 열림/닫힘시 캠이 태핏을 쳐서 발생하는 충격을 감소시킴으로써 소음 및 진동을 줄일 수 있다.With this configuration, when opening and closing the valve of the intake and exhaust port, the variable valve lift apparatus and one type of cam profile are used, but the valve is opened / closed when opening and closing the valve with the variable valve lift apparatus in the low lift state. In the ramp section, the cam profile is formed so that the lift shift amount of the valve with respect to the rotation angle of the camshaft is constant, thereby reducing noise and vibration by reducing the shock generated by the cam tapping when the valve is opened / closed. .
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 태핏만에 의한 가변밸브 리프트 장치와 한 종류의 캠프로파일을 이용하여 밸브의 개폐시 발생하는 노이즈 및 진동을 줄일 수 있게 된다. 또한, 캠 프로파일이 태핏을 쳐서 발생하는 가변밸브 리프트의 마모량을 줄일 수 있다.
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce noise and vibration generated when the valve is opened and closed by using the variable valve lift apparatus using a tappet and one kind of camp profile. In addition, the cam profile can reduce the amount of wear of the variable valve lift caused by hitting the tappet.
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KR1020040058629A KR20060010058A (en) | 2004-07-27 | 2004-07-27 | Method for designing cam profile for variable valve lift apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR20060010058A (en) |
-
2004
- 2004-07-27 KR KR1020040058629A patent/KR20060010058A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
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