WO2012124399A1 - 舶用エンジン制御装置および方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a marine engine control device that controls the operation of a main engine of a marine vessel.
  • the object of the present invention is to perform main engine control in which the propeller torque is constant, suppress thrust fluctuation, and improve propulsion efficiency.
  • the marine engine control apparatus of the present invention is a marine engine control apparatus that outputs a fuel index by giving a target rotational speed, and feeds back a feedback signal that is delayed by 10% to 30% with respect to the fluctuation cycle of the actual rotational speed of the main engine.
  • the fuel index is varied in proportion to the fluctuation angular velocity of the actual rotational speed.
  • the feedback signal is, for example, a signal obtained by delaying the actual rotation speed with a time delay logic, and the deviation between the target rotation speed and the feedback signal is output via a proportional calculation unit in which a gain corresponding to the variable angular speed is set, for example. .
  • a target rotational speed / fuel index conversion means for calculating a fuel index corresponding to the target rotational speed is further provided, and an output from the proportional calculation unit is added to the fuel index corresponding to the target rotational speed.
  • the marine engine control device includes a PI control unit, and a deviation between the target rotation speed and the feedback signal is input to the PI control unit, and a fuel index corresponding to the target rotation speed is generated and generated in the I calculation unit of the PI control unit. Maintained.
  • the feedback signal may be generated by differential calculation of the actual rotation speed.
  • the ship of the present invention is characterized by including the marine engine control device.
  • the marine engine control method of the present invention is a marine engine control method for providing a target rotational speed and outputting a fuel index, and providing a feedback signal delayed by 10% to 30% with respect to the fluctuation cycle of the actual rotational speed of the main engine. While returning, the fuel index is varied in proportion to the angular velocity of the actual rotational speed.
  • FIG. 1 is a control block diagram showing the configuration of a marine engine control apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the marine engine control device 10 of this embodiment is a governor system that controls fuel supply to the main engine 11, and a crankshaft (not shown) of the main engine 11 is connected to a propeller (not shown) for propulsion. Is done.
  • the target rotational speed No is set as the target value, and the actual rotational speed Ne that is the output of the main engine 11 is detected by a known method using a turning gear or the like.
  • the target rotation speed No is converted into the fuel index FIo in the N / FI conversion unit 12.
  • a deviation from the actual rotational speed Ne of the main engine 11 fed back via the time delay logic 13 is obtained, and a proportional calculation is performed in the proportional control unit 14.
  • the proportional control unit 14 performs a proportional calculation with a gain proportional to the fluctuation angular velocity ⁇ of the actual rotational speed Ne, and the time delay logic 13 sets the phase of the actual rotational speed Ne to approximately 90 ° or about the fluctuation period. Delay 10-30%.
  • the gain of the proportional control unit 14 and the delay time of the time delay logic 13 are determined based on the cycle T of the actual rotation speed Ne calculated by the cycle calculation unit 15 based on the fluctuation of the actual rotation speed Ne.
  • signals from the N / FI conversion unit 12 and the proportional control unit 14 are added and input to the actuator 16, and the actuator 16 supplies the main engine 11 with an amount of fuel corresponding to the fuel index FI.
  • FIG. 2 shows main engine rotation speed N (FIG. 2 (a)), fuel index FI or main engine torque Qe (FIG. 2 (b)), propeller torque Qp or thrust (in the constant fuel index control and constant propeller torque control).
  • FIG. 2 (c)) shows the time variation of the torque coefficient Kq (FIG. 2 (d)) with the average value being 100%. Further, in FIG. 2, the fluctuation of each physical quantity in the fuel index constant control is shown in the section of 0 to 25 seconds, and the fluctuation of each physical quantity in the constant propeller torque control is shown in the section of 30 to 55 seconds.
  • the propeller torque Qp, the torque coefficient Kq, and the main engine rotation speed N are calculated using the average values Qpa, Kqa, Na and the fluctuation components ⁇ Qp, ⁇ Kq, ⁇ N, respectively.
  • load fluctuation due to disturbance such as waves is expressed as fluctuation ⁇ Kq of torque coefficient Kq, and ⁇ Kq is a sine wave of fluctuation angular velocity ⁇ (left of FIG. 2 (d)).
  • ⁇ Kq A ⁇ sin ( ⁇ t) (7) (T is time), from equation (3):
  • ⁇ Qp A ⁇ sin ( ⁇ t) + 2 ⁇ ⁇ N (8) It becomes.
  • the main engine rotational speed N has a phase ⁇ delay corresponding to the moment of inertia I as shown in the equation (10). fluctuate.
  • the thrust coefficient Kt fluctuates in substantially the same manner (in the same phase) as the torque coefficient Kq except for the difference in offset.
  • the fuel index FI can be regarded as the main engine torque Qe. Therefore, when the load variation is given by the equation (7), the propeller torque Qp is kept constant by adding the variation of the equation (13) to the fuel index FIo corresponding to the target rotational speed No (FIG. 2 (c) )right). That is, in the first embodiment, as shown in FIG. 1, in the time delay logic 13, the phase obtained by delaying the phase of the actual rotational speed Ne by 90 ° (one quarter cycle) is negatively fed back, and the proportional control unit 14. Then, amplification is performed with a gain corresponding to the fluctuation angular velocity ⁇ .
  • the propeller torque can be kept constant, the thrust can be kept constant, and the propulsion efficiency can be prevented from lowering due to load fluctuations.
  • FIG. 3 is a control block diagram showing the configuration of the marine engine control device of the second embodiment.
  • the marine engine control apparatus 10 of the first embodiment only the P control is used, and the fuel index FIo corresponding to the target rotational speed No is generated through the N / FI conversion unit 12.
  • the marine engine control device 20 of the second embodiment PI control is used and the N / FI conversion unit 12 is not used.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same reference numerals are used for the same configurations and the description thereof is omitted.
  • the deviation between the target rotational speed No and the feedback signal of the actual rotational speed Ne via the time delay logic 13 is input to the proportional + integral control unit (PI control unit) 17.
  • the input deviation is subjected to various calculations in the proportional + integral control unit (PI control unit) 17 and is output to the actuator 16.
  • the fuel index FIo corresponding to the target rotational speed No is generated and maintained in the I calculation unit of the proportional + integral control unit (PI control unit) 17.
  • the integration time constant is set to a longer time that is not affected by the fluctuation period.
  • the propeller torque can be kept constant, and the same effect can be obtained.
  • feedback is performed by delaying the actual rotational speed using the time delay logic, and the gain of the proportional calculation unit is set corresponding to the fluctuation angular speed of the actual rotational speed.
  • a configuration may also be adopted in which a differential operation is performed on the rotational speed to feed back.
  • FIGS. 4 and 5 show control block diagrams of the marine engine control devices 22 and 25 of the third and fourth embodiments using the differential operation.
  • the same reference numerals are used for the same configurations as those in the first and second embodiments, and the description thereof is omitted.
  • the fuel index FIo corresponding to the target rotational speed No is generated through the N / FI conversion unit 12, and the actual rotational speed Ne is determined by the N / FI via the differential operation logic 21 and the proportional control unit 14. Positive feedback is provided to the fuel index FIo from the converter 12.
  • differential operation logic 21 differential operation is performed on the actual rotational speed Ne, and in the proportional control unit 14, the differential signal is amplified with a predetermined gain.
  • the actual rotational speed Ne is positively fed back via the differential operation logic 21 and the proportional control unit 14 as in the third embodiment, and negatively fed back to the input side of the target rotational speed No.
  • the deviation is input to the integration control unit 24. That is, the integration time constant of the integration control unit 24 is set to a longer time that is not affected by the fluctuation period, and the fuel index FIo corresponding to the target rotational speed No is generated and maintained in the I operation of the integration control unit 24. .
  • the feedback signal output from the proportional control unit 14 is positively fed back to the signal FIo from the integration control unit 24, and the sum thereof is input to the actuator 16.
  • the constant propeller torque control can be realized as in the first and second embodiments.
  • the constant propeller torque control of the first to fourth embodiments is used in combination with, for example, constant rotation speed control, constant fuel index control, constant output control, and the like, and can be selectively switched automatically or manually according to sea conditions, for example.
  • Propeller torque constant control is suitable when the load fluctuation due to waves or the like has a substantially constant cycle of about 20 seconds or less (more preferably 10 seconds or less), and is selected under such conditions, for example.
  • the propeller torque constant control can be switched to the constant output control by setting the delay time of the time delay logic to 0 and setting the proportional gain of the control unit to 1.

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Abstract

主機関11の実回転速度Neを検出し、時間遅れロジック13および周期算出部15に入力する。周期算出部15において実回転速度Neの変動周期を検出し、時間遅れロジック13において実回転速度Neを4分の1周期分の遅延して負帰還する。目標回転速度Noとフィードバック信号の偏差を比例制御部14に入力し、周期算出部15で求められた周期から算出される実回転速度Neの変動角速度ωに対応するゲインで比例演算を行う。N/FI変換部12において目標回転速度Noに対応するフューエルインデックスFIoを算出し、比例制御部14からの出力と加算する。

Description

舶用エンジン制御装置および方法
 本発明は、船舶の主機の運転を制御する舶用エンジン制御装置に関する。
 船舶では、プロペラ回転速度を一定値に維持する回転速度一定制御が一般に採用される。すなわち船舶主機のガバナ制御では、PID制御により実回転速度が目標回転速度に維持される(特許文献1)。しかし、回転速度一定制御では、負荷変動に応じて燃料供給量(フューエルインデックス)が変動するため燃費が悪化する場合がある。このことから海象によっては、燃料供給量(フューエルインデックス)を一定値に固定するガバナ制御を行う場合もある。
特開平8-200131号公報
 しかし、フューエルインデックスを一定にして、主機トルクを略一定に維持しても、プロペラ負荷が変動すると、プロペラトルクは一定に維持されないので、スラストに変動が発生し推進効率が低下する。
 本発明は、プロペラトルクが一定となる主機制御を行い、スラスト変動を抑え、推進効率を向上することを目的としている。
 本発明の舶用エンジン制御装置は、目標回転速度を与えフューエルインデックスを出力する舶用エンジン制御装置であって、主機関の実回転速度の変動周期に対して10%~30%遅延したフィードバック信号を帰還するとともに、実回転速度の変動角速度に比例してフューエルインデックスを変動させることを特徴としている。
 フィードバック信号は、例えば実回転速度を時間遅れロジックで遅延された信号であり、目標回転速度とフィードバック信号の偏差は、例えば変動角速度に対応するゲインが設定される比例演算部を介して出力される。
 また目標回転速度に対応するフューエルインデックスを算出する目標回転速度/フューエルインデックス変換手段を更に備え、比例演算部からの出力は、目標回転速度に対応するフューエルインデックスに加算される。
 あるいは、舶用エンジン制御装置は、PI制御部を備え、目標回転速度とフィードバック信号の偏差がPI制御部に入力され、目標回転速度に対応するフューエルインデックスが、PI制御部のI演算部において生成・維持される。
 また、フィードバック信号は、実回転速度の微分演算により生成される構成でもよい。
 本発明の船舶は、上記舶用エンジン制御装置を備えたことを特徴としている。
 また本発明の舶用エンジン制御方法は、目標回転速度を与えフューエルインデックスを出力する舶用エンジン制御方法であって、主機関の実回転速度の変動周期に対して10%~30%遅延したフィードバック信号を帰還するとともに、実回転速度の変動角速度に比例してフューエルインデックスを変動させることを特徴としている。
 本発明によれば、プロペラトルクが一定となる主機制御を行い、スラスト変動を抑え、推進効率を向上することができる。
第1実施形態のエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 発明の原理および作用・効果を説明するためのグラフである。 第2実施形態のエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 第3実施形態のエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 第4実施形態のエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。
 10、20、22、25 舶用エンジン制御装置
 11 主機関
 12 N/FI変換部
 13 時間遅れロジック
 14 比例制御部
 15 周期算出部
 16 アクチュエータ
 17 比例+積分制御部(PI制御部)
 21 微分演算ロジック
 24 積分制御部
 以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
 図1は、本発明の第1実施形態である舶用エンジンの制御装置の構成を示す制御ブロック図である。
 本実施形態の舶用エンジン制御装置10は、主機関11への燃料供給を制御するガバナシステムであり、主機関11のクランクシャフト(図示せず)は、推進用のプロペラ(図示せず)に連結される。舶用エンジン制御装置10では、目標値として目標回転速度Noが設定され、主機関11の出力である実回転速度Neがターニングギア等を用いた周知の方法により検出される。
 目標回転速度Noは、N/FI変換部12においてフューエルインデックスFIoに変換される。また、これに並行して本実施形態では時間遅れロジック13を介してフィードバックされる主機関11の実回転速度Neとの偏差が求められ、比例制御部14において比例演算が施される。
 本実施形態において、比例制御部14は、実回転速度Neの変動角速度ωに比例するゲインで比例演算を行い、時間遅れロジック13は、実回転速度Neの位相を略90°あるいは変動周期の約10~30%遅延する。なお、比例制御部14のゲインおよび時間遅れロジック13の遅延時間は、実回転速度Neの変動に基づき周期算出部15で算出される実回転速度Neの周期Tに基づいて決定される。
 また、N/FI変換部12および比例制御部14からの信号は、加算されてアクチュエータ16に入力され、アクチュエータ16は、フューエルインデックスFIに対応する量の燃料を主機関11に供給する。
 次に図2を参照して本発明のプロペラトルク一定制御の原理について、フューエルインデックス一定制御と対比して説明する。
 なお、図2には、フューエルインデックス一定制御およびプロペラトルク一定制御における主機回転速度N(図2(a))、フューエルインデックスFIまたは主機トルクQe(図2(b))、プロペラトルクQpまたはスラスト(図2(c))、トルク係数Kq(図2(d))の時間変動がその平均値を100%として示される。また、図2では、0~25秒の区間にフューエルインデックス一定制御における各物理量の変動が示され、30~55秒の区間にプロペラトルク一定制御における各物理量の変動が示される。
 流体密度ρ、プロペラ径D、目標回転速度Noで各物理量を無次元化するとき、プロペラトルクQpは、トルク係数Kqと主機回転速度Nを用いて
 Qp=Kq・N    (1)
と表される。
 ここで、プロペラトルクQp、トルク係数Kq、主機回転速度Nを、それぞれの平均値Qpa、Kqa、Naと、変動成分△Qp、△Kq、△Nを用いて
 Qp=Qpa+△Qp
 Kq=Kqa+△Kq
 N =Na +△N
と表し、(1)式を平均値周りに線形近似すると
 △Qp=(∂Qp/∂Kq)・△Kq+(∂Qp/∂N)・△N
    =Na・△Kq+2Kqa・Na・△N       (2)
と近似できる。
 ここでトルク係数の平均値Kqaを1(100%)、すなわち平均プロペラトルクQpaを1(100%)とするとき、平均値周りにおいて平均回転速度Naは、実質的に目標回転速度No(=1)に等しいので、プロペラトルク変動成分△Qpは、(2)式から
 △Qp=△Kq+2・△N    (3)
と表わされる。
 また、エンジンやプロペラを含む回転部の慣性モーメントをI、主機トルクをQeとすると、オイラーの運動方程式は
 dN/dt=(Qe-Qp)/I    (4)
となる。ここで主機トルクQeをその平均値Qeaおよび変動成分△Qeに分離し、Qe=Qea+△Qeで表すとき、Qeaは実質的にQpaに等しいので(Qea=Qpa)、(4)式は
 d△N/dt=(△Qe-△Qp)/I    (5)
と表される。
(フューエルインデックス一定制御)
 主機トルクQeは、フューエルインデックスFIに略正比例し、係数を除けば実質的にフューエルインデックスFIに等しいとおけるので、フューエルインデックス一定制御では、△Qe=0と考えることができる(図2(b)左)。このとき、(5)式は
 d△N/dt=-△Qp/I    (6)
と表される。
 ここで波等の外乱による負荷変動を、トルク係数Kqの変動△Kqとして表し、△Kqに変動角速度ωの正弦波(図2(d)左)
 △Kq=A・sin(ωt)    (7)
を仮定すると(tは時間)、(3)式から
 △Qp=A・sin(ωt)+2・△N    (8)
となる。これを(6)式に代入するとオイラーの運動方程式は、
 d△N/dt=-(A・sin(ωt)+2・△N)/I    (9)
となる。
 ここで(9)式の定常解は、
 △N=B・sin(ωt+θ)        (10)
    B=-A/√((ωI)+4)
    θ=-tan-1(ωI/2)
と表される(図2(a)左)。
 すなわち、フューエルインデックス一定制御では、プロペラに(7)式で表される周期的な負荷変動が加わると、主機回転速度Nは慣性モーメントIに応じた位相θの遅れをもって(10)式のように変動する。このときプロペラトルクQpおよびスラストTh(=Kt・N、Kt:推力係数)は、(8)式のように変動し(図2(c)左)、推進効率が低下する。なお、ここで推力係数Ktはオフセット分の違いを除きトルク係数Kqと略同様(同位相で)に変動するものと仮定している。
(プロペラトルク一定制御)
 一方、プロペラトルクQpが一定であれば、△Qp=0であり(図2(c)右)、これを(3)式に代入すると
 △N=-△Kq/2    (11)
が得られる。すなわち平均値の周りで線形近似が成り立つとき、プロペラトルクQpを一定にするには、主機回転速度Nをトルク係数Kqの変動△Kqに合わせて目標回転速度Noを中心に(11)式にしたがって変動させればよい(図2(a)右)。
 また、プロペラトルクQpが一定のとき(△Qp=0のとき)、(5)式は
 d△N/dt=△Qe/I
と表され、主機トルクQeの変動成分△Qeは
 △Qe=I・(d△N/dt)    (12)
となる。
 ここでフューエルインデックス一定制御のときと同様に、トルク係数Kqに(7)式の周期変動を仮定するとき(図2(d)右)、プロペラトルクQpを一定にするための条件は、(11)式から
 △N=-A・sin(ωt)/2
となり、主機回転速度Nをトルク係数の変動△Kqとは逆位相で、1/2の振幅で変動させればよいことが分かる(図2(a)右)。また、これは(12)式から、主機トルクQeを平均値Qeaの周りに
 △Qe=-ω・I・A・cos(ωt)/2    (13)
で変動させることに対応する(図2(b)右)。
 前述したように、フューエルインデックスFIは、主機トルクQeと見なすことができる。したがって、負荷変動が(7)式で与えられるとき、目標回転速度Noに対応するフューエルインデックスFIoに(13)式の変動を付加すれば、プロペラトルクQpは一定に維持される(図2(c)右)。すなわち、第1実施形態では、図1に示されるように、時間遅れロジック13において実回転速度Neの位相を90°(4分の1周期)遅延させたものを負帰還させ、比例制御部14では変動角速度ωに対応するゲインでの増幅が行われる。
 以上のように第1実施形態によれば、プロペラトルクを一定に維持してスラストを一定に維持し、負荷変動による推進効率の低下を防止することができる。
 次に図3を参照して、本発明の第2実施形態である舶用エンジンの制御装置について説明する。なお、図3は第2実施形態の舶用エンジンの制御装置の構成を示す制御ブロック図である。
 第1実施形態の舶用エンジン制御装置10では、P制御のみを用い、目標回転速度Noに対応するフューエルインデックスFIoは、N/FI変換部12を通して生成された。しかし、第2実施形態の舶用エンジン制御装置20では、PI制御を用い、N/FI変換部12は用いられない。なお、その他の構成は第1実施形態と同様であり、同様の構成に関しては同一参照符号を用い、その説明を省略する。
 舶用エンジン制御装置20では、目標回転速度Noと、時間遅れロジック13を介した実回転速度Neのフィードバック信号の偏差が比例+積分制御部(PI制御部)17に入力される。入力された偏差は、比例+積分制御部(PI制御部)17において各演算が施されアクチュエータ16へ出力される。なお、目標回転速度Noに対応するフューエルインデックスFIoは、比例+積分制御部(PI制御部)17のI演算部において生成・維持される。このとき、積分時定数は変動周期の影響を受けない長めの時間に設定される。
 以上のように第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、プロペラトルクを一定に維持することができ、同様の効果を得ることができる。
 なお、第1、第2実施形態では、時間遅れロジックを用いて実回転速度を遅延させてフィードバックを行うとともに、比例演算部のゲインを実回転速度の変動角速度に対応して設定したが、実回転速度に微分演算を施してフィードバックする構成とすることもできる。
 例えば図4、5に微分演算を用いる第3および第4実施形態の舶用エンジンの制御装置22、25の制御ブロック図を示す。なお、以下の説明では第1、第2実施形態と同様の構成に関しては、同一参照符号を用い、その説明を省略する。
 図4の第3実施形態は、図1の第1実施形態に対応し、図5の第4実施形態は図3の第2実施形態に対応する。すなわち、第3実施形態では、目標回転速度Noに対応するフューエルインデックスFIoは、N/FI変換部12を通して生成され、実回転速度Neは微分演算ロジック21、比例制御部14を介してN/FI変換部12からのフューエルインデックスFIoに正帰還される。微分演算ロジック21では、実回転速度Neに微分演算が施され、比例制御部14では、微分信号が所定のゲインで増幅される。
 一方、第4実施形態では、実回転速度Neは第3実施形態と同様に微分演算ロジック21、比例制御部14を介して正帰還されるとともに、目標回転速度Noの入力側に負帰還され、その偏差が積分制御部24に入力される。すなわち、積分制御部24の積分時定数は変動周期の影響を受けない長めの時間に設定され、目標回転速度Noに対応するフューエルインデックスFIoは、積分制御部24のI演算において生成・維持される。比例制御部14から出力されるフィードバック信号は積分制御部24からの信号FIoに正帰還され、それらの和がアクチュエータ16に入力される。
 以上のように、第3、第4実施形態の構成においても、第1、第2実施形態と同様にプロペラトルク一定制御を実現できる。
 また、第1~第4実施形態のプロペラトルク一定制御は、例えば、回転速度一定制御、フューエルインデックス一定制御、出力一定制御などと併用され、海象に応じて例えば自動または手動で選択的に切り替えられる。プロペラトルク一定制御は、波などによる負荷変動が、約20秒以下(より好ましくは10秒以下)の略一定の周期のときに適し、例えばそのような条件において選択される。また、第1、第2実施形態において、時間遅れロジックの遅れ時間を0にし、制御部の比例ゲインを1にすることで、プロペラトルク一定制御を出力一定制御に切り替えることも可能である。

Claims (7)

  1.  目標回転速度を与えフューエルインデックスを出力する舶用エンジン制御装置であって、主機関の実回転速度の変動周期に対して10%~30%遅延したフィードバック信号を帰還するとともに、前記実回転速度の変動角速度に比例して前記フューエルインデックスを変動させることを特徴とする舶用エンジン制御装置。
  2.  前記フィードバック信号が前記実回転速度を時間遅れロジックで遅延された信号であり、前記目標回転速度と前記フィードバック信号の偏差が前記変動角速度に対応するゲインが設定される比例演算部を介して出力されることを特徴とする請求項1に記載の舶用エンジン制御装置。
  3.  前記目標回転速度に対応するフューエルインデックスを算出する目標回転速度/フューエルインデックス変換手段を備え、前記比例演算部からの出力が、前記目標回転速度に対応するフューエルインデックスに加算されることを特徴とする請求項2に記載の舶用エンジン制御装置。
  4.  PI制御部を備え、前記目標回転速度と前記フィードバック信号の偏差が前記PI制御部に入力され、前記目標回転速度に対応するフューエルインデックスが、前記PI制御部のI演算部において生成・維持されることを特徴とする請求項2に記載の舶用エンジン制御装置。
  5.  前記フィードバック信号が、前記実回転速度の微分演算により生成されることを特徴とする請求項1に記載の舶用エンジン制御装置。
  6.  請求項1~5の何れか一項に記載の舶用エンジン制御装置を備えることを特徴とする船舶。
  7.  目標回転速度を与えフューエルインデックスを出力する舶用エンジン制御方法であって、主機関の実回転速度の変動周期に対して10%~30%遅延したフィードバック信号を帰還するとともに、前記実回転速度の変動角速度に比例して前記フューエルインデックスを変動させることを特徴とする舶用エンジン制御方法。
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