氧化鋯式氧傳感器的主要組成結(jié)構(gòu)

開車的朋友有時在某個時間，會發(fā)現(xiàn)在汽車發(fā)動機(jī)儀表盤上會突然出現(xiàn)下面這個圖標(biāo)。熟悉汽車的朋友都知道這是發(fā)動機(jī)自檢故障燈，如果汽車啟動后還是常亮的話，一般都表示發(fā)動機(jī)某個部位出現(xiàn)了故障。

發(fā)動機(jī)故障燈

如果車輛的年限比較久的話，很多情況下，這個故障燈一般都會和某個部件名詞相關(guān)——發(fā)動機(jī)氧傳感器。接下來，我們就和大家一起聊一聊這個與汽車發(fā)動機(jī)緊密相關(guān)的氧傳感器

氧傳感器

對汽車發(fā)動機(jī)而言，氧傳感器并不是一開始就存在的，為滿足環(huán)保部門日益嚴(yán)格的汽車排放要求，電噴發(fā)動機(jī)越來越得到廣泛應(yīng)用，氧傳感器則是電噴發(fā)動機(jī)中的一個非常重要的部件。

在使用三元催化轉(zhuǎn)換器減少排氣污染的發(fā)動機(jī)上，氧傳感器是必不可少的元件。由于混合氣的空燃比一旦偏離理論空燃比，三元催化劑對CO、HC和NOx的凈化能力將急劇下降，故在排氣管中安裝氧傳感器，用以檢測排氣中氧的濃度，并向ECU發(fā)出反饋信號，再由ECU根據(jù)來自氧傳感器的信號差別判斷空燃比的低或高，并相應(yīng)地控制噴油持續(xù)的時間。

同時，氧傳感器還能彌補(bǔ)由于機(jī)械及其它件磨損而引起空燃比的誤差?？梢哉f，它是電噴系統(tǒng)中唯一有“智能”的傳感器。

氧傳感器概念及工作原理

氧傳感器是利用陶瓷敏感元件測量各類加熱爐或排氣管道中的氧電勢，由化學(xué)平衡原理計(jì)算出對應(yīng)的氧濃度，從而達(dá)到監(jiān)測和控制燃燒空燃比，以保證產(chǎn)品質(zhì)量及尾氣排放達(dá)標(biāo)的測量元件。

其實(shí)，氧傳感器并不僅僅應(yīng)用在汽車發(fā)動機(jī)，它還廣泛應(yīng)用于各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣成分控制，它是目前最佳的燃燒氣成分測量方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、維護(hù)容易、使用方便、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用該傳感器進(jìn)行燃燒氣成分測量和控制既能穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，又可縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能源。

氧傳感器的結(jié)構(gòu)

氧傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

氧傳感器是利用了Nernst原理。其核心元件是一種多孔的ZrO2陶瓷管，它是一種固態(tài)電解質(zhì)，兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極。在一定溫度下，由于兩側(cè)氧濃度不同，高濃度側(cè)（陶瓷管內(nèi)側(cè)4）的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)（廢氣側(cè)），使該電極帶負(fù)電， 即產(chǎn)生電位差，且濃度差越大，電位差越大。

大氣中氧的含量為21%，濃混合氣燃燒后的廢氣實(shí)際上不含氧，稀混合氣燃燒后生成的廢氣或因缺火產(chǎn)生的廢氣中含有較多的氧，但仍比大氣中的氧少得多。

在高溫及鉑的催化下，帶負(fù)電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內(nèi)外表面上。由于大氣中的氧氣比廢氣中的氧氣多，套管上與大氣相通一側(cè)比廢氣一側(cè)吸附更多的負(fù)離子，兩側(cè)離子的濃度差產(chǎn)生電動勢。

當(dāng)套管廢氣一側(cè)的氧濃度低時，在電極之間產(chǎn)生一個高電壓（0。6～1V），這個電壓信號被送到ECU放大處理，ECU把高電壓信號看作濃混合氣，而把低電壓信號看作稀混合氣。根據(jù)氧傳感器的電壓信號，電腦按照盡可能接近14.7：1的理論最佳空燃比來稀釋或加濃混合氣。

因此氧傳感器是電子控制燃油計(jì)量的關(guān)鍵傳感器。氧傳感器只有在高溫時（端部達(dá)到300°C以上）其特性才能充分體現(xiàn)，才能輸出電壓。它在約800°C時，對混合氣的變化反應(yīng)最快，而在低溫時這種特性會發(fā)生很大變化。

氧傳感器的分類及特點(diǎn)

實(shí)際應(yīng)用的氧傳感器有氧化鋯式氧傳感器和氧化鈦式氧傳感器兩種。而常見的氧傳感器又有單引線、雙引線和三根引線之分；單引線的為氧化鋯式氧傳感器；雙引線的為氧化鈦式氧傳感器；三根引線的為加熱型氧化鋯式氧傳感器，原則上三種引線方式的氧傳感器是不能替代使用的。

氧化鋯式氧傳感器

氧化鋯式氧傳感器結(jié)構(gòu)

氧化鋯式氧傳感器主要由氧化鋯（ZrO2）、和護(hù)套組成。氧化鋯式氧傳感器有加熱式的和非加熱式的兩種。加熱式的氧傳感器在鋯管中間有加熱棒， 鋯管是由陶瓷體制成、固定在帶有安裝螺紋的固定套中。

導(dǎo)人排插入排氣管中，它的內(nèi)表面與空氣相通，外表面與廢氣相通。鋯管的內(nèi)、外表面覆蓋一層多孔性鉑膜作電極，為防止廢氣腐蝕鉑膜，在鋯管外表面的鉑膜層上覆蓋一層多孔陶瓷層，并有一個防護(hù)套管，套管上開有槽口或孔。

氧傳感器的接線端有一個金屬護(hù)套，上面開有孔，使鋯管內(nèi)表面與空氣相通，電線將鋯管內(nèi)表面鉑極經(jīng)絕緣套從傳感器引出。

氧化鋯式傳感器結(jié)構(gòu)

帶加熱的氧化鋯式傳感器結(jié)構(gòu)

氧化鋯式氧傳感器特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、維護(hù)容易、使用方便、測量準(zhǔn)確。運(yùn)用該傳感器進(jìn)行燃燒氣氛測量和控制既能穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，又可縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能源。

缺點(diǎn)：其缺點(diǎn)是這種特性只有在溫度較高時（600℃左右）才充分體現(xiàn)出來。在低溫時，這種特性會發(fā)生很大變化。

氧化鈦式氧傳感器

氧化鈦式氧傳感器工作原理

相對于氧化鋯型的氧傳感器是以產(chǎn)生電壓的訊號，氧化鈦（TiO2）型則是利用電阻的變化來判別其中的含氧量。在某個溫度以上鈦與氧的結(jié)合微弱，在氧氣極少的情況下就必須放棄氧氣，因此缺氧而形成低電阻的氧化半導(dǎo)體。

相反的，若氧氣較多，則形成高電阻的狀態(tài)。就像水溫度傳感器一樣，有著電阻高低的變化，這時只要供給一參考電壓，即可由電壓來可知冷卻水的溫度。

氧化鈦式傳感器結(jié)構(gòu)

氧化鈦式氧傳感器特點(diǎn)

氧化鈦式氧傳感器對比氧化鋯式氧傳感器的工作原理有很大的不同，它是利用多孔狀導(dǎo)體TiO2的導(dǎo)電性隨排氣中氧含量的變化而變化的特性制成的，故又稱電阻性氧傳感器。

這種傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，但是在300℃～900℃工作時，電阻值隨溫度變化較大，所以必須用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖?a target="_blank">高精度，通常用另一個實(shí)心TiO2導(dǎo)體作為溫度補(bǔ)償。

氧傳感器的未來發(fā)展

前面提到過，氧傳感器并不僅僅應(yīng)用在汽車發(fā)動機(jī)，它還廣泛應(yīng)用于各類燒煤、燒油、燒氣等爐體的氣成分控制，甚至在醫(yī)療領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

但汽車行業(yè)是目前國際上應(yīng)用傳感器的最大市場之一，而從世界各國公布的專利情況來看，氧傳感器的申報(bào)專利數(shù)，居汽車傳感器的首位。因此氧傳感器（氧探頭）的市場前景非常廣闊。

從目前情況來看，針對氧傳感器材料的研究重點(diǎn)應(yīng)在以下幾個方面：

1、研究改進(jìn)保護(hù)層材料，提高抗劣化性，增強(qiáng)透氣性。

汽油和機(jī)油中含有鉛、硫、磷等雜質(zhì)，會使傳感器性能大幅下降．而灰塵、油、硅等成分則會堵塞傳感器保護(hù)層和電極。為此，需改進(jìn)保護(hù)層材料，使傳感器元件抗劣化性能提高。

可采取的方式有使用吸附效果、催化作用好的材料，使雜質(zhì)被吸附、聚集在保護(hù)層上并得到轉(zhuǎn)化。同時通過添加適當(dāng)材料改進(jìn)制造工藝．使保護(hù)層透氣性能增強(qiáng)，減小響應(yīng)時間。

2、提高氧傳感器材料的環(huán)境適應(yīng)性，延長使用壽命。

對于汽車用氧傳感器其工作環(huán)境很惡劣．工作時處于500℃～800℃的高溫下，平時還要承受一30℃左右的氣候溫度的影響。因此，擴(kuò)大其工作溫度范圍，尤其是商溫區(qū)工作穩(wěn)定性，耐久性，成為材料改進(jìn)的一個方向。

同時整個元件在很大溫差快速變化下，其可靠性、抗劣化性的改進(jìn)也是～個關(guān)鍵問題。普遍采取的方法是，從材料添加劑入手，改進(jìn)電極材料、敏感材料在高溫時的穩(wěn)定性，改進(jìn)工藝，提高電極與敏感材料的附著力。

3、擴(kuò)大空/燃比控制測量區(qū)域。實(shí)現(xiàn)廣域空/燃比的測量控制。

這樣可使氧傳感器能連續(xù)計(jì)量控測從過濃區(qū)域空/燃比向稀薄區(qū)域（貧油區(qū)）的整個狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)廠域反饋控制。

4、提高測量、反饋信號的精確度，增強(qiáng)對瞬時變化狀態(tài)的反饋控制能力。

由子西方發(fā)達(dá)國家對排放廢氣法規(guī)的目趨嚴(yán)格，因而要求氧傳感器測量信號的精度不斷提高，以利于提高控制能力。同時對瞬時變化的排氣也要求做到及時測量修正。因此，這也成為改進(jìn)材料性能的一個主要方向。

氧傳感器的作用

上世紀(jì)90年代，汽車排放污染已日漸成為人們關(guān)注的熱門話題。隨著我國汽車排放法規(guī)的逐步規(guī)范和社會對汽車排放污染物控制的重視，電噴發(fā)動機(jī)在我國開始普及。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，電噴發(fā)動機(jī)技術(shù)已日益成熟，而汽車排放污染也得到了逐步控制，這都和發(fā)動機(jī)上一個重要的部件—氧傳感器密不可分。

確切地說，電噴發(fā)動機(jī)采用了混合氣成分的閉環(huán)控制和三元催化反應(yīng)裝置的聯(lián)合使用技術(shù)，這是目前為止汽油機(jī)最有效的凈化排氣的方法。三元催化轉(zhuǎn)化器能有效地凈化CO，HC和NOx這三種有害氣體，但其凈化效率嚴(yán)格依賴于混合氣濃度必須保持在理論空燃比（14.7:1）附近的狹小范圍內(nèi)。一旦混合氣體濃度偏離了這個范圍，三元催化轉(zhuǎn)化器凈化排氣污染物的能力便急劇下降。正是由于空燃比的變化會引起排氣中氧濃度相應(yīng)的變化，因此，便在排氣管中設(shè)置了氧傳感器。

氧傳感器隨時檢測排氣中的氧濃度，并隨時向汽車的電控單元反饋信號。電控單元根據(jù)反饋信號及時調(diào)整噴油量，如信號反映混合氣偏濃，則減少噴油時間；反之，則增加噴油時間，從而使混合氣的空燃比始終保持在理論空燃比附近。這就是所謂的發(fā)動機(jī)閉環(huán)控制。

氧傳感器是實(shí)現(xiàn)這一閉環(huán)控制必不可少的重要部件，它對發(fā)動機(jī)排放控制起著不可或缺的作用?，F(xiàn)代電噴發(fā)動機(jī)一般裝有前后兩只氧傳感器，三元催化轉(zhuǎn)化器效率監(jiān)測，必須使用位于三元催化轉(zhuǎn)化器后方的第二個氧傳感器。當(dāng)三元催化轉(zhuǎn)化器工作正常時，位于三元催化器前方的氧傳感器的變動次數(shù)應(yīng)高于后方的氧傳感器，監(jiān)測器比較前／后氧傳感器的變動次數(shù)來判定三元催化轉(zhuǎn)化器老化與否。

氧傳感器的常見故障

氧傳感器一旦出現(xiàn)故障，汽車電控單元就不能接收空燃比反饋信號，因而不能對空燃比進(jìn)行反饋控制，會使發(fā)動機(jī)油耗和排氣污染增加，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)怠速不穩(wěn)、缺火、喘振等故障現(xiàn)象。

1、氧傳感器中毒

氧傳感器中毒是經(jīng)常出現(xiàn)并且較難防治的一種故障，氧傳感器頂尖部位的正常顏色為淡灰色，當(dāng)頂尖部位的顏色為白色則是硅中毒，顏色為棕色則是鉛中毒。

隨著環(huán)保要求的日益提高，我國已全面禁止使用含鉛汽油，這也避免了氧傳感器鉛中毒的問題。

2、積碳

積碳的氧傳感器頂部是碳黑色的。積碳粘附在氧傳感器表面，讓對氧敏感材料不能與排氣充分接觸，積碳少的情況下，可能出現(xiàn)輸出信號失準(zhǔn)，積碳過多的情況下，氧傳感器會完全失效。

3、氧傳感器陶瓷碎裂

氧化鋯氧傳感器的陶瓷硬并且脆，在安裝或維修過程中要避免用較硬的工具敲擊或者是用強(qiáng)烈氣流吹洗，這樣都有可能會使陶瓷碎裂，所以要特別注意。

4、加熱器電阻絲燒斷

加熱器電阻絲是給氧傳感器進(jìn)行加熱，讓其可以提前進(jìn)入工作狀態(tài)，如果加熱器電阻絲燒蝕，就很難使傳感器達(dá)到正常的工作溫度而失去作用。

5、氧傳感器內(nèi)部線路斷脫

氧傳感器內(nèi)部線路有很多是由線束和端子連接不良造成的，故障還可能是由于其它電系統(tǒng)干涉和機(jī)械或化學(xué)損壞所造成的，有時會因?yàn)闄z修或其它原因?qū)е缕渚€路斷路或脫落。

氧傳感器的檢測

1、氧傳感器加熱器電阻的檢測

將點(diǎn)火開關(guān)置于“OFF”，拔下氧傳感器的導(dǎo)線連接器，用萬用表歐姆擋測量氧傳感器接線端中加熱器端子與搭鐵端子間的電阻（具體端子請查閱相關(guān)車型的維修手冊），其電阻值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，一般為4～40Ω（具體數(shù)值參見具體車型說明書）。如不符合標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)更換氧傳感器。測量后，重新連接好氧傳感器線束，以便作進(jìn)一步的檢測。

2、氧傳感器反饋電壓的檢測

測量氧傳感器反饋電壓時，應(yīng)先拔下氧傳感器線束連接器插頭，使用汽車電路測試跨接線進(jìn)行測量，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時從引出線上測量反饋電壓。在對氧傳感器的反饋電壓進(jìn)行檢測時，最好使用指針型的電壓表，以便直觀地反映出反饋電壓的變化情況。發(fā)動機(jī)氧傳感器反饋電壓檢測的具體步驟：

（1）、將發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至正常工作溫度。

（2）、把電壓表的負(fù)表筆連接搭鐵端或負(fù)極，正表筆接氧傳感器線束插頭上引出的測試線。

（3）、讓發(fā)動機(jī)以2500r/min左右的轉(zhuǎn)速保持運(yùn)轉(zhuǎn)，同時檢查電壓表指針能否在0-1V之間來回?cái)[動，記下10s內(nèi)電壓表指針擺動次數(shù)。在正常情況下，隨著反饋控制的進(jìn)行，氧傳感器的反饋電壓將在0.4V上下不斷變化，10s內(nèi)反饋電壓的變化次數(shù)應(yīng)不少于8次。如果使用數(shù)字萬用表，則記錄下變化的次數(shù)。

（4）、若電壓表指針在10s內(nèi)的擺動次數(shù)等于或多于8次，則說明氧傳感器及反饋控制系統(tǒng)工作正常；電壓表指針若在10s內(nèi)的擺動次數(shù)少于8次，則說明氧傳感器或反饋控制系統(tǒng)工作不正常，可能是氧傳感器表面有積碳而使靈敏度降低，此時應(yīng)讓發(fā)動機(jī)以2500r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)約2min，以清除氧傳感器表面的積碳；若電壓表指針變化依舊緩慢，則為氧傳感器損壞或ECU反饋控制電路有故障。

氧傳感器故障還可以通過觀察氧傳感器頂尖部位的顏色進(jìn)行判斷：

1、淡灰色頂尖：這是氧傳感器的正常顏色；

2、白色頂尖：由硅污染造成的，此時必須更換氧傳感器；

3、棕色頂尖：由鉛污染造成的，如果嚴(yán)重，也必須更換氧傳感器；

4、黑色頂尖：由積碳造成的，在排除發(fā)動機(jī)積碳故障后，一般可以自動清除氧傳感器上的積碳。

氧傳感器的應(yīng)用及主要品牌

汽車氧傳感器最早是由Bosch公司于1976年發(fā)明的，該產(chǎn)品一經(jīng)問世就得到社會的廣泛關(guān)注和認(rèn)同，一些大的汽車零部件配套企業(yè)也紛紛開發(fā)自己的氧傳感器，如通用、本田、豐田、日立、現(xiàn)代、大宇等汽車整車企業(yè)都有其專門配套的氧傳感器。后來，逐步形成了現(xiàn)在的幾大氧傳感器生產(chǎn)企業(yè)并存的格局。

現(xiàn)在，生產(chǎn)汽車氧傳感器的主要有Bosch、Delphi、Denso、NTK、Kefico等，以及其在各地的一些合資公司和子公司。其中Bosch公司為最大的氧傳感器生產(chǎn)企業(yè)。另外，國外一些陶瓷企業(yè)，依靠其強(qiáng)大的陶瓷開發(fā)能力，生產(chǎn)氧傳感器敏感元件和陶瓷加熱器，如日本京瓷。

世界知名的汽車氧傳感器品牌介紹

Bosch公司

博世公司于1976年研制出了世界上第一只汽車氧傳感器，1982年又率先開發(fā)了加熱型汽車氧傳感器，能使汽車?yán)鋯雍?0s內(nèi)進(jìn)入完全工作狀態(tài)，1994年又開發(fā)出平面陶瓷結(jié)構(gòu)氧傳感器，將反應(yīng)時間縮短到10s。現(xiàn)在其每年的氧傳感器產(chǎn)量已超過3500萬只，世界上許多中高檔車大都采用了博世氧傳感器。

Delphi公司

德爾福氧傳感器應(yīng)用非常廣泛，除了在美國本部生產(chǎn)氧傳感器外，其與韓國大宇合作的KDAC公司、中國的德爾福萬源發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)有限公司、德爾福汽車系統(tǒng)國際公司、德爾福汽車系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司等眾多公司也都提供氧傳感器，特別是在中國，幾乎所有的汽車生產(chǎn)企業(yè)都有用到德爾?；蚱湓谌A公司提供的氧傳感器。

Denso公司

Denso公司生產(chǎn)氧傳感器的時間也比較早，其產(chǎn)品除為豐田汽車配套外，還供應(yīng)英國捷豹、路虎、日本鈴木和我國的一汽、上海通用等汽車公司。電裝中國的氧傳感器生產(chǎn)企業(yè)主要集中在天津電裝電子有限公司，產(chǎn)品主要供應(yīng)長安鈴木和四川豐田。

NTK／NGK公司

NGK公司從1982開始生產(chǎn)汽車氧傳感器，該公司具有從敏感元件到傳感器成品的全套生產(chǎn)技術(shù)。產(chǎn)品主要在日本本土生產(chǎn)，主要供應(yīng)美國、歐洲和亞洲地區(qū)，現(xiàn)在汽車氧傳感器已成為該公司主產(chǎn)品之一，應(yīng)用非常廣泛。

Kefico公司

Kefico公司是韓國現(xiàn)代汽車集團(tuán)的子公司， 1993年開始生產(chǎn)氧傳感器，其產(chǎn)品主要為現(xiàn)代汽車及其合資公司配套。

UAES公司

UAES（聯(lián)合汽車電子有限公司）是由Bosch公司與上海汽車集團(tuán)股份有限公司、無錫威孚高科技股份有限公司和西安昆侖工業(yè)（集團(tuán)）公司等8家國內(nèi)大型企業(yè)聯(lián)合投資，專業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營車用電子產(chǎn)品。氧傳感器是其主要產(chǎn)品之一，產(chǎn)品主要供應(yīng)上海通用、北汽、浙江吉利、安徽奇瑞、保定長城等汽車制造企業(yè)。

氧氣傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

便攜式呼吸機(jī)上使用的氧氣含量檢測設(shè)備

便攜式呼吸機(jī)，是一種用于急救的醫(yī)療設(shè)備，在這種設(shè)備工作的時候，往往需要注意氧氣濃度的變化與氣體氣壓的變化，否則比較容易對正在搶救的患者的身體健康構(gòu)成一定的威脅，所以在大多數(shù)的便攜式呼吸機(jī)上面就需要安裝一種測量氧氣濃度的設(shè)備，這就是氧氣傳感器。

國外新出現(xiàn)的高壓氧氣療法

目前，隨著醫(yī)療技術(shù)的提高，在國外已經(jīng)出現(xiàn)了一種利用氧氣質(zhì)量病人疾病的方式，它利用將壓縮的氧氣（氣壓高于普通大氣壓值）作用在病變處進(jìn)行質(zhì)量，這種質(zhì)量方式對于熱燒傷、 視網(wǎng)膜動脈硬化、一氧化碳中毒、腦外傷、慢性疲勞、免疫功能紊亂以及氣性壞疽等病癥有著很好的了解，這也會是氧氣傳感器在醫(yī)療行業(yè)的最新應(yīng)用之一。

另外，氧傳感器還廣泛用于石油、化工、煤炭、冶金、造紙、消防、市政、氣體排放監(jiān)測等行業(yè)。

在我國，氧傳感器方面得到了國家政策的大力支持，進(jìn)展比較快，但目前絕大多數(shù)氧傳感還限于工業(yè)氧檢測和水融氧檢測方面，在汽車氧感器方面很少。近年來，國內(nèi)許多科研院所也開始汽車用氧傳感器的研究開發(fā)，如西安交大、北科大、北京航空航天大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院等，相信不久的將來，我們一定能我們生產(chǎn)的汽車上用上我們自己研發(fā)的汽車氧傳感器。
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