KR20090033044A - 스토리지 촉매 변환기의 재생 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기-가스 정화 시스템 내의 스토리지 촉매 변환기를 위한 재생 방법에 관한 것으로서, 이하의 단계, 즉 a) 희박 배기 가스의 표준 작동 모드로부터 부화 배기 가스의 재생 모드로 내연 기관을 전환하는 단계, b) 재생 모드로의 전환 후에 상기 내연 기관의 배기 가스 내의 질소산화물 농도를 측정하는 단계, c) 재생 모드로의 전환 후에 측정된 질소산화물 농도의 탈착 피크의 특성 변수를 결정하는 단계, 그리고 d) 탈착 피크의 측정된 특성 변수를 함수로 하여, 내연 기관의 제어를 통해 탈착 피크의 특성 변수를 최소화하는 단계를 포함한다.

Description

스토리지 촉매 변환기의 재생 방법 {REGENERATION METHOD FOR A STORAGE CATALYTIC CONVERTER}
본 발명은 내연 기관의 배기-가스 정화 시스템의 스토리지 촉매 변환기를 재생하는 방법에 관한 것이다.
내연 기관을 위한 현재의 배기-가스 정화 시스템은 일반적으로 NOx 스토리지 촉매 변환기를 포함하며, 그러한 스토리지 촉매 변환기는 내연 기관이 린(lean; 희박연소) 작동 모드에 있을 때, 생산되는 질소산화물을 임시로 저장한다. 그러나, 그러한 NOx 스토리지 촉매 변환기의 저장 용량은 한정적이며, 그에 따라 배기-가스 정화 시스템은 재생 모드로 정기적으로 전환(스위칭; switch over)되어야 하며, 그러한 재생 모드에서 NOx 스토리지 촉매 변환기에 저장된 질소산화물이 방출되고 질소로 환원된다. 이러한 재생 모드에서, 내연 기관은 부화(rich) 배기-가스 혼합물로 작동되고, 그러한 수단에 의해서 탄화수소가 환원제로서 배기 가스내에 제공되며, 이는 저장된 질소산화물을 무해한 질소로 환원시킨다.
그러나, 이러한 공지된 배기-가스 정화 시스템의 문제점은, 재생 모드로의 전환 직후에, NOx 스토리지 촉매 변환기 하류의 배기 가스 내에서 탈착 피 크(desorption peak)가 발생된다는 것이다. 이는, NOx 스토리지 촉매 변환기 하류에서 내연 기관의 배기 가스 내의 질소산화물 농도는 재생 모드로의 변환시에 짧은 시간 동안 급격하게 상승한다는 것을 의미하며, 이는 NOx 스토리지 촉매 변환기 내에 저장된 질소산화물이 이미 방출(release)되었지만 아직 질소로는 환원되지 않았기 때문이다. 그에 따라, 종래의 배기-가스 정화 시스템에서, 재생 모드로의 변환시에 탈착 피크로 인해서 원하지 않는 질소산화물의 방출이 발생된다.
또한, 내연 기관용 배기-가스 정화 시스템이 EP 1 118 756으로부터 공지되어 있으며, 여기에서는 NOx 탈착 피크가 결정되어 내연 기관의 제어에 고려된다. 그러나, 이러한 특허는 재생의 최적화만을 목적하는 것이며, 탈착 피크 자체에 대한 영향은 기재되어 있지 않다. 따라서, 탈착 피크가 단순히 평가만 되고 있고, 감소는 되지 않는다. 또한, 재생 모드로의 변환시에 탈착 피크가 발생되고, 이는 원치 않는 질소산화물 방출을 수반하게 된다.
그에 따라, 본 발명의 목적은 NOx 스토리지 촉매 변환기를 포함하는 전술한 통상적인 배기-가스 정화 시스템에서 질소산화물의 방출을 감소시키는 것이다.
이러한 목적은 주요 청구항에 따른 본 발명의 재생 방법에서 달성된다.
본 발명은 탈착 피크와 관련된 갑작스런 방출을 감소시키기 위해서 흡착 모드(예를 들어, 희박 작동 모드, 성층 연소(stratified charge) 모드)로부터 재생 모드로의 변환시에 탈착 피크를 최소화하는 기술적 사상을 포함한다.
상기 EP 1 118 756 B1과 관련하여 전술한 특허에서와 대조적으로, 탈착 피크는 NOx 스토리지 촉매 변환기의 에이징(ageing) 조건의 측정치로서 채용되지 않고, 의도적으로(deliberately) 최소화된다.
본 발명에 따른 탈착 피크 최소화 범위 내에서, 예를 들어, 탈착 피크의 최대 값, 탈착 피크의 지속 시간 동안의 측정된 질소산화물 농도의 적분, 또는 탈착 피크의 지속 시간과 같은 과 같은 탈착 피크의 특성 변수(characteristic variable)가 바람직하게 최소화된다. 그러나, 측정되고 최소화될 탈착 피크 변수와 관련하여, 본 발명은 상기 예로 제한되는 것이 아니라, 원칙적으로 탈착 피크의 다른 변수들에 의해서도 구현될 수 있다. 중요한 것은, 최소화될 탈착 피크 변수가 탈착 피크를 통해서 방출되는 질소산화물의 양을 반영한다는 것이다.
탈착 피크의 특성 변수를 최소화하기 위해서, 본 발명의 범위 내에서 스토리지 촉매 변환기 하류의 내연 기관의 배기 가스 내의 질소산화물의 농도의 측정이 실시된다.
관심의 대상이 되는 특성 탈착 피크 변수가 내연 기관의 배기 가스 내의 측정된 질소산화물의 농도로부터 결정된다.
이어서, 탈착 피크의 특성 변수가 본 발명의 범위내에서 최소화되고, 그에 따라, 내연 기관의 제어가 탈착 피크의 측정된 특성 변수를 함수로 하여(즉, 측정된 특성 변수에 따라서) 변화된다. 그에 따라, 본 발명은 내연 기관의 제어로 측정된 질소산화물 농도를 피드백을 제공한다.
본 발명의 변형예에서, 탈착 피크의 특성 변수를 최소화하기 위해서, 내연 기관의 배기 가스 내의 공기 비율(람다 값)이 탈착 피크의 특성 변수의 함수로서 조정 또는 변화된다. 여기에서, 새로운 그에 따라 손상되지 않은 스토리지 촉매 변환기는 오래되고 손상된 스토리지 촉매 변환기와 상이한 재생을 필요로 할 것이라는 기술적 이해를 이용한다. 그에 따라, 스토리지 촉매 변환기의 에이징 프로세스는 스토리지 촉매 변환기의 표면으로부터 진행되고 이어서 스토리지 촉매 변환기 내부로 보다 깊이 침투한다. 이는, 스토리지 촉매 변환기의 에이지(사용 시간)가 늘어남에 따라, 보다 긴 재생 모드가 요구된다는 것을 의미하고, 재생 모드의 보다 길어진 지속 시간을 상쇄하기 위해서는 배기-가스 혼합물이 보다 덜 부화(less rich)되도록 조정되어야 한다는 것을 의미한다. 이러한 본 발명의 변형 실시예에서, 스토리지 촉매 변환기의 스토리지 용량은 탈착 피크의 결정된 특성 변수로부터 결정되며, 또는 다른 방식에서, 스토리지 용량은 스토리지 촉매 변환기의 에이징 조건을 반영한다. 탈착 피크의 특성 변수로부터 스토리지 용량을 결정하는 것은 전술한 특허 EP 1 118 756 B1에 개시되어 있으며, 그에 따라 스토리지 용량의 결정에 관한 설명 내용 또는 스토리지 촉매 변환기의 에이징 조건의 결정에 관한 설명 내용은 전체적으로 본 발명의 상세한 설명에 포함될 것이다. 재생 모드 중에, 스토리지 용량이 예를 들어 특허 EP 1 118 756 B1의 방볍에 의해서 또는 다른 대안적 인 방법에 의해서 결정되는 스토리지 촉매 변환기의 실제 스토리지 용량이 고려되며, 이때 스토리지 용량이 감소됨에 따라, 재생 모드 중의 공기 비율 및 재생 모드의 지속시간이 증대된다. 이는, 스토리지 촉매 변환기의 스토리지 용량이 감소됨에 따라, 재생이 보다 길게 그러나 보다 덜 세게(less intensively) 실행된다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 변형 실시예에서, 탈착 피크의 특성 변수는 최소화되며, 이때 촉매 변환 온도는 탈착 피크의 특성 변수의 함수로서 조정된다. 촉매 변환기 온도는, 예를 들어, 내연 기관의 배기 가스 내의 공기 비율을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 이러한 방식에서, 배기 가스 혼합물의 부화는 배기 가스 온도의 상승을 초래하고 그에 따라 대응 촉매 변환기 온도의 상승을 초래한다. 그에 따라, 촉매 변환기 온도 윈도우(window) 내에서 작동 포인트(operating point)가 변화될 수 있고 연료 소모 및 배출과 관련하여 최적화될 수 있다. 그러나, 촉매 변환기 온도의 상승은 또한 다른 방법을 통해서 달성될 수 있으며, 그러한 다른 방법은, 예를 들어, "늦은 점화" 쪽으로 점화 타이밍을 조정하는 것 또는 연료 후분사(post-injecting fuel)와 같이, 내연 기관의 작동 온도에 영향을 미치는 방법이다.
탈착 피크의 특성 변수를 최소화하기 위한 전술한 두 변형 실시예들(촉매 변환기 온도의 조정 및 공기 비율의 조정)은 본 발명의 범위 내에서 다른 실시예를 대체하여 또는 그와 조합되어 사용될 수 있을 것이다.
또한, 바람직하게, 내연 기관을 제어하기 위한 적용 값(adaption value)들을 결정하는 것은 탈착 피크의 특성 변수를 최소화하는 것의 일부로서 실시된다. 이 러한 경우에, 적용 값을 이용하여 내연 기관을 제어하는 것이 탈착 피크의 특성 변수의 최소화를 초래하도록, 적용 값이 결정된다. 본 발명의 범위 내에서 사용되는 적용 값의 개념은 내연 기관의 하나의 파라미터로 한정되는 것이 아니고, 내연 기관의 모든 제어 변수를 포함할 수 있다.
이어서, 재생 모드 중에 결정되는 적용 값은 바람직하게 데이터베이스에 저장되며, 따라서 적용 값은 내연 기관의 제어를 위해서 그리고 동시에 탈착 피크를 최소화하기 위해서 다음의 재생 모드 중에 사용될 수 있을 것이다. 그에 따라, 적용 값은 내연 기관의 각각의 재생 모드에서 새롭게 결정될 필요가 없다. 그 대신에, 내연 기관의 작동 범위 내에서, 재생 모드 중에 판독될 수 있는 적절한 적용 값으로 데이터베이스가 구성될 수 있을 것이다.
적용 값의 저장 및 판독 중에, 스토리지 촉매 변환기의 촉매 변환기 온도가 바람직하게 고려된다. 그에 따라, 예를 들어, 온도 센서를 통한 단순한 측정에 의해서 달성될 수 있으며, 스토리지 촉매 변환기의 촉매 변환기 온도에 대해 결정되는 규정(provision)이 있는 것이 바람직하다. 바람직하게, 결정된 적용 값은 촉매 변환기 온도와 함께 데이터베이스에 저장된다. 추후의 재생 모드 중에, 측정된 촉매 변환기 온도에 따라서, 적절한 적용 값이 판독되고 내연 기관의 제어에 사용된다.
바람직하게, 본 발명은 가솔린 엔진 및 디젤 엔진에 적합하나, 본 발명은 이러한 타입의 내연 기관으로 제한되지는 않는다.
또한, 본 발명은 스토리지 촉매 변환기를 구비한 내연 기관용 엔진 제어 유 닛 및 프로그램 메모리를 포함하며, 상기 프로그램 메모리내에는 제어 프로그램이 저장되고, 상기 제어 프로그램이 작동되면 본 발명에 따른 재생 방법이 실행된다.
특허청구범위의 종속항들에 개시되어 있는 본 발명의 다른 이점은, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 대한 설명과 함께, 첨부 도면을 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 차량내의 내연 기관을 위한 배기-가스 정화 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
여기에서, 공기-질량 유동 계량기(3)가 내연 기관(1)의 흡입 섹션(2)에 정렬되고, 상기 공기-질량 유동 계량기는 내연 기관(1)에 의해 흡입되는 공기-질량 유동(dm/dt)을 측정하고, 그 측정 값을 엔진 제어 유닛(ECU; Electronic Control Unit; 4)으로 으로 전달하며, 엔진 제어 유닛(4)은 측정된 공기-질량 유동(dm/dt) 및 추가적인 측정 변수들을 내연 기관의 분사 밸브(injection valve; 5)의 제어시에 고려하며, 이러한 것은 종래의 분사 시스템으로부터 소위 당업계에 공지되어 있다.
사전-촉매 변환기(pre-catalytic converter; 7) 및 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)가 내연 기관의 배기-가스 섹션(6) 내에 직렬로 정렬되며, 상기 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)는 배기 가스 내에 포함된 질소산화물을 임시로 저장하며, 이는 소위 당업계에 공지되어 있다.
또한, 배기-가스 정화 시스템은 두 개의 람다 프로브(lambda probes; 9, 10) 를 가지며, 상기 람다 프로브(9, 10)는 내연 기관의 배기-가스 섹션(6) 내에 정렬된다. 여기에서, 람다 프로브(9)가 내연 기관(1)과 사전-촉매 변환기(7) 사이에서 배기-가스 섹션(6) 내에 정렬되고 공기 비율(λ1)을 엔진 제어 유닛(4)으로 전달한다. 한편, 람다 프로브(10)는 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 하류에 정렬되고 공기 비율(λ2)을 엔진 제어 유닛(4)으로 전달한다.
배기-가스 정화 시스템은 또한 온도 센서(11)를 포함하며, 상기 온도 센서는 사전-촉매 변환기(7)와 NOx 스토리지 촉매 변환기(8) 사이의 배기-가스 섹션(6) 내에 정렬되고 배기 가스 온도(T)를 측정하여 엔진 제어 유닛(4)으로 전달한다.
마지막으로, 이러한 예시적인 실시예에서, 배기-가스 정화 시스템은 또한 질소산화물 센서(12)을 포함하며, 상기 질소산화물 센서는 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 하류에서 배기-가스 섹션(6) 내에 정렬되고, NOx 스토리지 촉매 변환기(8) 하류에서 내연 기관(1)의 배기 가스 내의 질소산화물 농도(NOx)를 측정하여 엔진 제어 유닛(4)으로 전달한다.
이어서, 엔진 제어 유닛(4)은 공기-질량 유동(dm/dt), 공기 비율(λ1, λ2), 배기 가스 온도(T) 및 측정된 질소산화물 농도(NOx)를 내연 기관(1)의 제어시에 특히, NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 재생이 이루어지는 재생 모드에서 고려한다.
NOx 스토리지 촉매 변환기(8)를 위한 재생 방법에 대해서는 도 2의 흐름도를 참조하여 이하에서 설명한다.
먼저, 제 1 단계(S1)에서, 내연 기관(1)이 흡착 모드에서 작동된다. 이는, 내연 기관이 희박 작동 모드에서 또는 성층 연소 모드에서 작동된다는 것을 의미하 며, 내연 기관의 배기 가스 내에 포함된 질소산화물은 NOx 스토리지 촉매 변환기(8) 내에 임시로 저장된다.
이어서, 단계(S2)에서, NOx 스토리지 촉매 변환기의 저장 용량이 고갈되어 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 재생이 필요한지의 여부를 체크한다.
만약 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 재생이 불필요하다면, 단계(S1)가 계속되고, 즉 내연 기관(1)이 계속적으로 흡착 모드로 작동된다.
한편, 만약 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 재생이 필요하다면, 단계(S3)에서, 흡착 모드로부터 재생 모드로 전환이 이루어진다. 이는, NOx 스토리지 촉매 변환기(8) 내에 저장된 질소산화물이 분리되고 질소로 환원될 수 있도록 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)에 환원제로서 충분한 탄화수소를 제공하기 위해서, 내연 기관(1)이 부화 배기 가스 혼합물로 작동된다는 것을 의미한다.
또한, 단계(S4)에서, 내연 기관(1)의 배기 가스의 온도(T)가 온도 센서(11)에 의해서 측정되고, 상기 엔진 제어 유닛(4)은 상기 온도(T)로부터 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 촉매 변환기 온도를 추정한다.
단계(S5)에서, 측정된 온도(T)를 함수로 하여 이전에 생성된 데이터베이스로부터 적용 값을 판독하고, 상기 적용 값은 내연 기관(1)의 제어에 기여하고 NOx 스토리지 촉매 변환기(8) 하류의 질소산화물 농도(NOx)의 탈착 피크를 최소화할 수 있게 한다.
이어서, 단계(S6)에서, 탈착 피크를 최소화하기 위해서, 데이터베이스로부터 판독된 적용 값을 이용하여 내연 기관(1)을 제어한다.
단계(S7)에서, NOx 스토리지 촉매 변환기(8) 하류에서의 질소산화물 농도(NOx)의 측정이 질소산화물 센서(12)에 의해서 이루어진다.
단계(S8)에서 엔진 제어 유닛(4)은, 측정된 질소산화물 농도(NOx)로부터, 예를 들어 탈착 피크의 적분 또는 최대치와 같은 탈착 피크의 특성 변수를 결정한다.
단계(S9)에서, 탈착 피크의 특성 변수를 최소화하기 위해서 이전의 단계(S8)에서 결정된 탈착 피크의 특성 변수의 함수로서(즉, 특성 변수에 따라서), 엔진 제어 유닛(4)은 최적화된 적용 값을 계산한다. 여기에서, 탈착 피크의 특성 변수가 NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 에이징 조건을 반영한다는 사실이 이용될 수 있다. 그러나, 탈착 피크를 최소화하기 위해서, NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 에이징 조건에 따라서, 적용된(adapted) 재생이 실시되어야 한다.
그에 따라, NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 에이징이 많이 진행된 경우에, 느리고 덜 집중적인(intensive) 재생이 실시되어야 할 것이다.
한편, NOx 스토리지 촉매 변환기(8)의 에이징이 약간만 진행되었다면, NOx 스토리지 촉매 변환기의 급격하고 집중적인 재생이 실시될 것이다.
에이징 조건에 따라서 그리고 그에 따라 탈착 피크의 이전에 결정된 특성 변수에 따라서, 재생 모드 중에 공기 비율의 시간 프로파일(time profile)을 결정하는 대응 적용 값이 결정된다.
단계(S10)에서, 최적화된 적용 값이 미리 측정된 온도(T)와 함께 데이터베이스에 저장되고 그에 따라 다음 재생 모드에서 이용될 수 있게 된다.
도 1은 배기-가스 정화 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 재생 방법을 흐름도 형태로 도시한 도면이다.

Claims (11)

  1. 내연 기관(1)의 배기-가스 정화 시스템 내의 스토리지 촉매 변환기(8)를 위한 재생 방법으로서: 이하의 단계(S3, S7, S8): 즉
    a) 희박 배기 가스의 표준 작동 모드로부터 부화 배기 가스의 재생 모드로 내연 기관(1)을 전환하는 단계,
    b) 재생 모드로의 전환 후에 상기 내연 기관(1)의 배기 가스 내의 질소산화물 농도(NOx)를 측정하는 단계,
    c) 재생 모드로의 전환 후에 측정된 질소산화물 농도의 탈착 피크의 특성 변수를 결정하는 단계를 포함하며,
    이어서 다음 단계(S6): 즉
    d) 탈착 피크의 측정된 특성 변수를 함수로 하여, 내연 기관(1)의 제어를 통해 탈착 피크의 특성 변수를 최소화하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    이하의 단계(S9, S10): 즉
    a) 탈착 피크의 측정된 특성 변수를 함수로 하여 내연 기관(1)을 제어하기 위한 적용 값을 결정하는 단계로서, 상기 적용 값을 이용하여 내연 기관(1)을 제어 하는 것은 탈착 피크의 특성 변수를 최소화하는, 적용 값 결정 단계,
    b) 추후의 재생 모드를 위해서 상기 결정된 적용 값을 데이터베이스에 저장하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    이하의 단계(S4, S10): 즉
    a) 스토리지 촉매 변환기(8)의 촉매 변환기 온도(T)를 결정하는 단계,
    b) 추후의 재생 모드를 위해서 상기 결정된 촉매 변환기 온도(T)를 상기 결정된 적용 값과 함께 데이터베이스에 저장하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    이하의 단계(S5, S6): 즉
    a) 상기 촉매 변환기 온도(T)에 따라서, 상기 선행 재생 모드에서 저장된 적용 값을 판독하는 단계,
    b) 재생 모드 중에 상기 판독된 적용 값을 이용하여 내연 기관(1)을 제어하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    재생 모드 중에, 내연 기관(1)의 배기 가스 내의 공기 비율(λ1, λ2)이 탈착 피크의 특성 변수에 따라 조절되어 탈착 피크의 특성 변수를 최소화시키는
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상기 스토리지 촉매 변환기(8)의 저장 용량이 탈착 피크의 특성 변수로부터 또는 다른 방식으로 결정되고,
    b) 상기 스토리지 촉매 변환기(8)의 저장 용량이 감소됨에 따라, 상기 재생 모드의 지속 시간이 증대되며,
    c) 상기 스토리지 촉매 변환기(8)의 저장 용량이 감소됨에 따라, 상기 재생 모드 중의 공기 비율(λ1, λ2)이 증대되고, 결과적으로 배기 가스가 덜 부화되는(less rich),
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 변환기 온도(T)가 탈착 피크의 특성 변수를 함수로 조절되어 상기 탈착 피크의 특성 변수를 최소화하는
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    탈착 피크의 특성 변수가 이하의 변수들 중 하나: 즉
    a) 탈착 피크의 최대 값,
    b) 탈착 피크 중의 측정된 질소산화물 농도의 적분,
    c) 탈착 피크의 지속 시간
    중 하나인
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(1)이 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진 인
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스토리지 촉매 변환기(8)가 질소산화물 스토리지 촉매 변환기인
    것을 특징으로 하는 재생 방법.
  11. 스토리지 촉매 변환기(8) 및 프로그램 메모리를 구비한 내연 기관(1)용 엔진 제어 유닛(4)으로서,
    상기 프로그램 메모리 내에는 제어 프로그램이 저장되고, 상기 제어 프로그램은, 작동시에, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 재생 방법을 실행하는
    내연 기관용 엔진 제어 유닛.
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