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发动机进气系统选型设计手册

轻卡发动机进气系统的设计

一、进气系统概述

1，发动机进气系统：

1）进气系统的功用

发动机进气系统关系到发动机动力性、经济性、进气噪声、柴油机的烟度等性能。

●为发动机提供足量的空气，以保证发动机功率的正常发挥；（进气阻力增加6Kpa，功率下降3%左右）。

●有足够的滤清效率及过滤精度，滤除空气中的硬质灰尘颗粒，降低灰尘对发动机的磨损；

●对进气产生一定的抑制作用，降低进气噪音。

2）进气系统布置要求

空气滤清器作为发动机进气系统的一部分，在系统布置时，必须从整个进气系统考虑以下几点：

1）空气滤清器进口处的温度，不应过高，不应超出环境温度的15℃（较高要求为不超过8℃），进气温度过高会降低发动机充气系数。

2）进气口应避免吸入雨雪及发动机排出的废气。

3）进气口应避开机舱的负压区，集灰区，甩泥区。

卡车空滤进口应尽量升高，放在驾驶室顶部，以降低吸入空气的含尘浓度，空气灰尘浓度与地面距离高度三次方成反比。

4）空气滤清器至发动机进气口之间的管子应减少接口数量，接口卡箍沿管壁360º密封。

5）空气滤清器装在车辆上，容易让人接近，便于保养，外壳上在醒目的位置贴上明确的保养说明。

2，空气滤清器

在发动机进气系统中，空气滤清器（以下简称空滤器）是其中最主要的部件。

空滤器的作用主要是保护发动机，使它不被空气中的灰尘磨损，以提高发动机的经济性和动力性，并可延长汽车的大修里程。

统计显示，机动车和工程机械发动机的早期磨损，70%与空气滤清器有关，空气滤清器的滤清效率对发动机的磨损和寿命起着决定性的作用。

1）空滤器的分类：

根据使用条件，空气滤清器主要有以下类型：

（1）干式

（2）湿式（3）油浴式（4）离心式（5）组合式

根据滤清级数可分为

（1）单级

（2）双级（3）多级

结合国内路况一般较差的情况，为保证高效的过滤，延长空滤器的保养周期和使用寿命，国内轻卡空滤器一般采用干式双级过滤（粗滤器+细滤器）。

有的生产厂家参照日本轻卡使用单级空滤器，本人认为其设计未充分考虑国内实际路况，长期使用会对发动机产生不良影响。

在工作环境较恶劣的一些车型上，则采用三级过滤，即增加安全滤芯，防止主滤芯偶然损坏时灰尘进入发动机。

另外在空滤器上提倡增加空气压力报警器，以便能够及时提醒司机在空滤器堵塞严重时进行保养。

干式空滤器与其它类型相比，它具有以下优点：

●效率高，性能稳定

●滤芯容易设计，使空气滤清器结构简单，体积小，重量轻

●滤芯更换方便

3，进气管路

1）刚性管道：

必须绝对气密，而且能经受得住发动机振动和压力脉冲所引起的机械压力。

无缝钢管及塑料管道能适用这一要求；也可以采用薄钢板的焊接管，但其先决条件是焊缝致密，内部要清理。

管道内表面必须清洁，无焊瘤、锈层、氧化皮等进行防锈处理。

进气钢管不允许内表面涂漆处理。

管道须根据发动机的安装检查振动情况，并尽可能增加固定支架。

2）软管：

由于发动机弹性支撑在车架上，在使用过程中会发生抖动，而空滤器一般刚性连接于车架上，对此必须在进气管道上装上具有减震作用的弹性管路（如橡胶管）。

在管路布置时，软管的纵向中心线应尽可能与主振动方向垂直。

为保证进气软管在一定的负压下不被吸瘪，对于装配自吸柴油发动机的轻卡上，以前应用较多的软管为纯橡胶管内衬钢丝骨架结构。

该结构橡胶管采用挤压成型工艺，工艺简单，制作周期短（一般4~5天），但缺点是由于内部塞有钢丝骨架，对气流有扰动作用，同时加大了进气阻力，另外受工艺限制，两端管径变化不能太大。

为了满足排放法规及动力升级的需要，轻卡上越来越多的匹配增压或增压中冷发动机，而发动机增压器对进气阻力及气流的组织提出了更高要求。

同时为满足增压器性能需要，发动机增压器进气口直径一般较小（目前轻卡常用ф60），而增压发动机要求空气流量较大（一般在500m3/h左右），决定了空滤器出气口直径也较大（一般为ф90~ф100），如果需要用软管直接连接空滤器出口及增压器进口，用挤压工艺已无法加工出所需的连接胶管。

适应这一变化，轻卡上进气软管采用了模压工艺，一种结构是将ф1钢丝骨架埋于胶层内部，而胶管内外表面保持光洁；另一种结构是用纯胶管制作，在胶管外表面增加纵横交错的凸起作为加强结构。

这样做的目的就是要保持胶管内部光洁，降低进气阻力。

其中第二种结构生产效率高于第一种，适宜批量生产，应尽量采用。

胶管性能要求：

（1），胶管邵氏硬度:

60~85，耐温-20~110℃，耐臭氧，在40℃时软管耐真空度负10kPa.

（2），低温性能:

在-40℃时将橡胶成形件挤压到等于内径一半的尺寸,停留3秒种不得有裂纹或破裂.

（3）,收缩率:

最大外径的10%

3）橡胶管的密封

为了不让灰尘通过连接部位进入管路（即短路），胶管与刚性硬管连接时必须用卡箍可靠连接，确保可靠密封。

一般还要求在进气硬管上增加限位凸台。

由于进气管路内负压并不是很大（一般小于10kPa），最常用的紧固件是蜗杆紧固的带式卡箍或钢丝环箍,橡胶件的扦接长度应不小于40mm,卡箍位于密封凸台后。

4,进气真空度要求

进气系统的真空度用充水的U形管来测量,对非增压发动机,不带负荷,在额定转速下于发动机的进气管口前不远处测量;对增压发动机,在全负荷\额定转速下,于压气机进口前清洁空气管上测量。

表1-1纸芯空气滤脏污后的许用进气阻力（单位mmH2O）

发动机

空气真空度

管道阻力

可短期使用的许用真空度总值

1缸

200

250

2缸

350

100

450

3缸

500

100

600

4缸及以上

650

150

800

注：

⑴油浴-湿式空滤器的许用进气阻力在上述数值基础上低100mmH2O

⑵在空滤出气管上设置保养指示器（直观式和电感式，开关点600mmH2O）

（3）表中指标主要用于柴油自吸发动机，对汽油机及增压柴油机来讲，阻力值应适当降低。

5、国内外相关行业标准

JB/T6004-1992内燃机油浴及油浸式空气滤清器总成技术条件

JB/T9747-1999内燃机空气滤清器试验方法

JB/T9755-1999内燃机纸质空气滤清器总成技术条件

QC/T32-1999汽车空气滤清器实验方法

IS05011-2000内燃机和空气滤清器—试验方法

JISD1612-1989汽车空气滤清器试验方法

二、进气流量的计算

内燃机在工作过程中，要求一定比例的空气以确保燃料燃烧充分。

为了防止外界杂质进入发动机气缸引起磨损，要求对进入气缸的空气进行必要的清洁处理。

因此决定了对空滤器除了滤清效率的要求外，还要求它在保养期的进气量（可用进气阻力表示）不影响发动机的设计指标。

空滤器流量不足（即进气阻力超过要求的进气允许阻力），发动机的表现为油耗逐渐上升、排放温度升高、功率逐渐下降。

要对一种新车型发动机进气系统进行设计，首先要明确该车搭载的发动机对进气系统的要求，其次要知道整车对进气系统总成布置的要求。

1），发动机要求的空气流量；

2），进气阻力的要求；

4），进气系布置（高位或低位进气、空滤器维修保养的方便性等）

5），其他要求（如是否前翻等）

进气系统包括空滤器和管路，在以下部分主要针对这两部分的设计及验证进行介绍。

一般发动机的进气流量是发动机厂通过台架试验进行测量，然后在主机厂进行进气系统设计时提出相应要求。

在发动机厂未明确要求进气流量的情况下，整车厂可通过以下的近似计算结果设计空滤器及管路。

以下对非增压与增压两种发动机进气流量的计算方法分别进行介绍。

1，非增压发动机额定空气流量的计算

可以通过以下经验公式计算获得

Q=0.03Vh·n·ηv·Z

其中：

Q：

额定空气流量（m3/h）

Vh:

活塞总排量（l）

发动机转速（r/min）

ηv：

充气系数，柴油机取0.85，汽油机取0.75，

Z：

缸数系数，4缸机以上取1

2，增压（含中冷）发动机额定空气流量的计算

对于增压（含中冷）发动机，发动机的进气量也就是发动机在额定转速下增压器的进气流量，一般在发动机的性能试验报告中可以查到，单位kg/s。

将其转换成我们常用的体积流量公式为：

Q=3600·Mc/γc

其中：

Q：

柴油机所需空气量（m3/h）

Mc：

额定状态下增压器质量流量（kg/s）

γc：

空气密度（kg/m3）

如果发动机实验报告上不能提供准确的进气流量数值，也可通过以下计算方法进行估算：

1）根据发动机增压器压比、增压器出气温度、发动机进气温度以及发动机常规参数确定。

该方法需要发动机进行必要的实验，测量也比较方便。

Q=0.03Vh·n·ηv·ηs·A

其中A=I·（T0/T）0.75

Q：

柴油机所需空气量（m3/h）

A：

增压系数

Vh:

活塞总排量（l）

发动机转速（r/min）

ηs：

扫气系数，增压机取1.05

ηv：

充气系数，柴油机取0.85

I：

增压器压比（增压器出口与进口空气压力的比值）

T0：

增压器进气温度（K）

T：

发动机进气温度（K）（增压机为增压器出口温度，增压中冷发动机为中冷后发动机进气温度）

2）根据进气密度近似计算空气流量

Q=0.03*Vh*n*ψk*ρk/γc

其中ρk=P2/（RT）

Q：

柴油机所需空气量（m3/h）

ρk：

进入发动机的空气密度（kg/m3）

P2：

进入发动机的空气压力（Pa）

R：

气体常数。

对空气R=287

T：

发动机进气温度（K）（增压机为增压器出口温度，增压中冷发动机为中冷后温度）

Vh：

发动机排量（（l）

ψk：

过量扫气系数：

气阀重叠角0°~30°曲轴转角时ψk=0.9；气阀重叠角50°~70°曲轴转角时ψk=1；气阀重叠角100°~140°曲轴转角时ψk=1.1；

ρk：

增压后进气密度

γc：

空气密度（kg/m3）

3，对于气制动车型，如果需要空滤器为气泵提供新鲜空气，在确定空滤器流量时，需加上气泵排气量，即：

Qk=k·（Q+Q1）

Qk：

空滤器额定空气流量（m3/h）

Q：

发动机所需空气量（m3/h）

Q1：

气泵排量（m3/h）

储备系数取1~1.05

三，空滤器的设计

1，空滤器的工作原理；

由于发动机工作造成的负压，含有灰尘等杂质的空气通过进气管以一定的流速被吸入空滤器，首先由于叶片环或导流板的作用，空气以一定的速度旋转，在离心力的作用下，经过一定的升程，空气中的较大质量的粒子被甩到外围，最后沉积到储灰盘或排尘袋中，这就是粗滤。

而夹杂着剩余很细颗粒的空气继续前进将遇到空滤器滤芯，滤芯的主要组成部分滤纸将完成设计要求的对细小微粒的拦截作用。

捕捉颗粒的空滤器滤纸并不是简单的起到筛网作用，它能捕集的颗粒比滤纸孔要小得多。

有关捕集的机理有四:

1、直接捕获或拦截。

对于较大颗粒大部分由粗滤过滤掉，还有一部分被挡在滤纸外表面；

2、吸附。

当被过滤的流体通过滤纸的迷宫式结构时，尽管颗粒直径远比孔径小，但在静电吸附力下也将这些小颗粒吸附在滤纸上。

3、冲击陷入。

由于流速的关系，颗粒直接陷入滤纸纤维表面，从而阻挡一些较小颗粒。

4、过滤结块。

随着污物颗粒在滤纸表面不断积累，其自身形成一种过滤层，从而捕获更小颗粒，提高滤清效率，但阻力也在不断增加，直至最后完全堵死或达到压差。

其中以拦截为主，拦截很大程度取决于几何因素，不仅意味着粗厚的纤维较细长的纤维能拦截更多的颗粒，并且也意味着旁邻的纤维也影响拦截的可能性。

不管捕捉的机理如何，颗粒撞击纤维后的结局取决于纤维的性质及其表面结构，颗粒撞击纤维，依其撞击速度不同，或粘附于纤选维上或弹回。

所弹回的颗粒失去部分动能，其再被捕集的机会又取决于邻近的纤维。

即使颗粒已经粘附在纤维上，（由于布朗运动和撞击），仍存在被流动液体剪切力洗掉的机会。

总之，由于捕集机理的复杂性，现在还不能测量微孔分布和颗粒去除效率之间的确切关系，事实上滤纸能捕集的颗粒大小要比它的微孔小得多。

空滤器滤纸的内外表面不同，面对气流的表面滤层较疏松，透气度较好，而到另一面滤层较紧密，透气度较小。

若两面装反，其堵塞寿命将下降30%左右。

若空滤器达到使用寿命后继续使用会出现什么情况，经咨询国内相关专家和厂家，均未进行过专项研究。

一般认为，从空滤效率来讲，经历一个不断升高然后下降的过程。

空滤效率开始下降，说明滤纸开始出现轻微破损或击穿现象，若效率降到99%以下，可认为该空滤器已失效，已不能再继续使用。

但该过程比较复杂，他受到滤纸性能、杂质成份、使用环境等多方面影响，很难定性测量和控制。

2,滤芯材料

滤纸是空气滤清器乃至三滤最基本最重要的材料，空气滤清器的性能指标是靠滤纸来保证的，而滤纸的性能取决于原料，处理方法和造纸技术。

微孔滤纸主要采用木浆，含量为88%~90%的纤维素，进行蒸煮处理，丝光化处理，配以皮革纤维、植物单纤维，化学合成纤维，以实现任意要求的孔径。

为了提高滤纸的挺度，耐破度和工艺性，以前采用热固型树脂浸渍技术，称为固化滤纸，需要160℃~180℃，经10~15min的固化，这种热固化滤纸加工使用过程中，释放甲醛等有毒气体；而热塑型滤纸，称非固化滤纸，性能指标与固化滤纸相同，没有有害气体，安全低耗，德国BINEER公司和杭州新华纸业公司都有这种产品。

成品滤纸一般应有如下的技术标：

（1）定量；

（2）厚度；（3）瓦楞深度；（4）透气性；（5）空气阻力；（6）耐破度；（7）挺度；（8）最大孔径；（9）平均孔径；（10）树脂含量；（11）挥发率；（12）抗拉强度。

表3-1列出滤纸、非织造布、发泡聚氨酯（泡沫塑料）等常用滤料的性能范围；表3-2给出几种典型滤纸的技术指标；表3-3列出美国HV公司两种新型滤纸的指标。

表3-1几种滤料的技术指标

项目

滤纸

非织造布

发泡聚氨酯

干式

湿式

干式

湿式

原料纤维

木浆

化学纤维

发泡聚氨酯

树脂粘接剂

热固化

热可塑性热固化

—

定量（g/m2）

100~200

150~200

70~300

300~600

厚度（mm）

0.4~1.0

0.7~1.0

1.0~3.0

15~35

进气阻力（mmH2O）（流速40cm/s）

20~90

9~40

15以下

5以下

孔径（μm）

40~100

70~150

70~200

200以上

表3-2几种滤纸技术指标

公司及用途

美国HV公司唐纳森重负荷发动机

德国GESSNER

MANN风冷

发动机

意大利BOSSO，用于小汽车

意大利BOSSO，德国大众用于桑塔纳

中国K-100上海大众用于桑塔纳

定量，g/m2

125

140

150

147

140

厚度，mm

0.45

0.55

0.64

0.57

0.50

耐破度，kPa

157

343

177

180

透气度，L/m2min

600

700

2260

2850

2200

最大孔径，μm

104

112

平均孔径，μm

表3-3美国HV公司新型滤纸的指标

滤纸型号

定量g/m2

厚度mm

瓦楞深度mm

破裂强度kpa

挺度mg

最大孔径μm

平均孔径μm

重负荷FA7406

127

0.800

0.406

345

4000

重负荷FA7026

114

0.711

0.30

379

4000

所列数据表明，滤纸朝着定量下降、厚度减薄，孔径缩小的趋势发展。

滤纸各参数之间的关系

1）最大孔径与平均流量孔径的关系

Y=0.002377X2+0.094X-0.9452

Y代表平均流量孔径，X代表最大孔径

2）最大孔径与过滤精度的关系

Y=0.00175X2+0.080527X-1.353

Y代表标定过滤精度，X代表最大孔径

3）透气度与最大孔径的关系

Y=0.01748X2-1.1X+20.9

Y弗雷泽透气度，X代表最大孔径

3，纸质滤芯的设计

查阅纸质滤芯系列标准，根据发动机的空气流量，选择合适的滤芯型号，可以保证滤芯的原始阻力不大于0.5kPa。

如果已经知道滤芯的结构尺寸，并不知道适用多大的空气流量，可以根据经验数据，空气通过滤芯单位面积的许用流量为0.03m3/h·cm2来计算。

对圆柱形状的滤芯，滤芯表面积A计算公式如下：

（cm2）

式中

—折宽，mm；

—折数；

—滤芯高，mm；

一般来讲，应该尽量采用系列型谱的标准型号；如果系列型谱的尺寸确实不合适，非要重新设计不可，则应注意儿点：

1）折宽

的尺寸必须选用系列表中的尺寸，它是制定纸芯系列标准的基本尺寸之一，使新设计的滤芯通用现有的生产设备，便于加工。

2）为使滤芯有一定刚度，折宽

不宜大于50mm。

3）折数

可按下式计算：

式中D—滤芯外径，mm；

b—折宽，mm；

t—折距（滤芯内孔周缘上测量）t=3~8（mm），

4）为了防止滤芯并折，滤芯高度h与折宽b之比应不大于7。

现在，对于长径比值较大的圆柱形滤芯，在滤芯外表面每隔一定的轴向高度，喷涂一圈固化胶线，有效地防止并折，增加了滤芯的刚度，因此，采用这种工艺的滤芯，滤芯高度h与折宽b之比可以大于7。

4，空滤管口阻力

空滤器管口阻力对总成阻力起决定作用。

H=3.02х108Q1.94/d3.88

H—管气流阻力（Pa）

Q—管口空气流量（m3/min）

d—管口直径（mm）

上述公式可做出诺模图，不需计算仅查图即可知阻力值。

表3-4额定流量下管口直径（流速≈25m/s）

流量m3/h

180

250

360

600

720

900

1260

1620

标准管口直径

ф50

Ф64

Ф76

Ф90

Ф102

Ф110

Ф132

Ф150

设计进气流速应在20-30m/s之间，若受进气系统布置限制管口直径低于上述值应选择大档流量空滤，以提保证系统阻力。

5,壳体材料

1）金属材料

空滤器壳体，壳体前盖，壳体后盖，构成空滤器主体。

安装在车辆或发动机上，在机械运行过程中，会产生振动，空滤器承受很大的应力，容易疲劳破坏。

一般采用钢板冲压拉伸，焊接成型。

为了提高冲压拉伸工序成品率，采用优质碳素结构钢板08AL。

一套空滤器总成的零件，需要数十套模具和胎具，经过冲压拉伸，焊接，修磨成形，喷漆，涂密封胶，零件组装，之后通过性能试验，湿热盐雾试验，油漆层不剥落，金属不锈蚀。

金属材料的缺点，需要模具多，大量的焊接设备，喷漆线，致使产品成本高；再好的设备和模具，也难以保证形状复杂零件的要求，钢板比重大，属先天不足。

2）工程塑料

当前，高强度工程塑料应用在空滤器壳体材料越来越多。

值得注意的是，目前国外许多卡车进气系统，从进气帽，进气管路，进气管路内的旋流叶片，空气滤清器总成壳体，几乎都采用工程塑料注射成形。

这种材料是热塑性塑料，聚丙烯（PP），密度0.89~0.91g/cm3，有较高的刚度、较低的韧性，为了改善性能，添加20%~30%玻纤。

采用工程塑料的优点：

减轻重量，是机动车设计追求的目标，提高车辆的动力因数。

结构形状可以达到任意要求，将图纸的程序输入模具加工中心，加工出模具，精度高。

零件几乎没有后处理过程，零件表面的光洁度取决于模具，可以是光滑的，带花纹的。

塑料不腐不锈，是理想的材料。

6,空滤器设计参数的确定

与空滤器相关的设计参数主要有：

额定流量、原始进气阻力、全寿命进气阻力、实验室寿命、粗滤效率、滤清效率、储灰能力、复原率等。

其中原始阻力、滤清效率和实验室寿命是空滤器的三个基本设计参数。

表3-5纸芯空气滤清器的原始进气阻力

发动机

1缸（单级/多级）

2缸（单级/多级）

3缸（单级/多级）

四缸（叶片环/旋流管）

mmH2O

50/150

100/200

150/250

250/350

1）粗滤效率对空滤器寿命的影响

粗滤器的分类：

（1）旋风筒

（2）叶片环（3）旋流管（切向/轴向/直通）（4）盆式粗滤（5）防雨帽（6）切向进气口

类型

帽式/盆式

切向进气口

叶片环

旋风筒

直通旋流管

切向旋流管

轴向旋流管

粗滤效率

60%

70%

80%

70%

90%

93%

进气流速m/s

10-17

20-30

15-25

20-50△

10-15△

20-30△

表3-6各种粗滤器的设计参数及性能比较

注：

△系指单管流量m3/h

粗滤对滤芯寿命的影响可分三方面来说，1，装了粗滤之后，到达滤芯上的尘土，粒度较为细小，滤芯容易堵塞，滤芯除尘能力下降。

2，由于有粗滤，滤清器总成原始阻力增大，极限阻力与原始阻力差值减小。

3，与前两项相反，装粗滤后，减轻了滤芯上的尘土负担可延长滤芯使用寿命。

表3-7试验结果数据

滤清器类型

SAE粗灰　　

SAE细灰　

POCT灰　

效率

通过率

寿命比

效率

通过率

寿命比

效率

通过率

寿命比

单极

100%

双级中荷

82%

18%

57%

43%

1.3

80%

20%

1.9

双及重荷

95%

79%

21%

1.7

95%

从表中可以看出，装了粗滤之后，到达滤芯上的尘土量的减少程度并不与滤清器寿命增长的比率同步。

例如滤清器装有效率为95%的粗滤器，与单级空滤器相比到达滤芯上的尘土量，前者只有后者的二十分之一，但寿命比仅为6倍和3倍。

这说明粗滤器对滤芯寿命的三个因素是由制约作用的。

因此在双级空滤器技术要求中，滤清器总成的效率，原始阻力和室内寿命是主要指标。

给这些指标规定界限值后，对粗滤效率的限制要求并不必很严格。

2）空滤器的实验室寿命以及使用保养周期的确定

空滤器的寿命是指从空滤阻力的原始值到达极限值之间所经历的时间。

空滤器的原始阻力受到滤纸性能、空滤器空间大小以及滤清效率等多方面影响，在兼顾设计的可行性及先进性的条件下，目前我们轻卡上使用的双级空滤器的原始阻力值行业内定为2.5Kpa以下，以后随着滤纸等产品质量的提高，该值可能继续下调。

在制定空滤器最大允许阻力值时，通过对发动机的大量试验研究，在满足发动机相关指标，如发动机功率的下降、油耗的升高以及排温的提高达到设计规定的条件下，该极限阻力值一般定为6Kpa。

空滤寿命可以用达到这个极限值之间的工作时间、行驶里程数或累计加灰量来表示。

在室内测定的为实验室寿命，在使用过程中记录的为使用寿命，对整车讲，该参数也就决定了在整车使用过程中空滤器的保养周期。

在空滤器的原始阻力值及极限阻力值确定后，对空滤器寿命影响最直接的是滤纸的容尘能力。

对于高性能滤纸，容尘能力大而进气阻力上升慢，从而延长了空滤器使用寿命。

在综合考虑国内滤纸行业技术水平，国内道路条件，并参考国外相关技术标准的条件下，汽车标准中将目前我们使用的双级空滤器的实验室寿命定为10h，既具有可行性又保持了比较先进。

另外空滤器的粗率效率对空滤器寿命也有重要影响，前面已经进行讨论。

首先看一组数据：

表3-8空气中含尘量的测试数据

序号

含尘量（g/m3）

表现特征

<0.001

看

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