(57)【要約】【課題】光触媒の劣化を抑制しつつ、上流側から下流側に亘って均質な強度のプラズマを発生させることができる小型の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】内燃機関の排気管内に排気の流通方向に沿って設けられた円筒状の外周電極３１と、外周電極３１の中心軸と同軸に設けられた線状又は棒状の内部電極３２と、外周電極３１内に排気の流通方向に沿って設けられ、上流側端部及び下流側端部のうち少なくとも一方の端部に光触媒が担持された円柱状のハニカム構造体３３と、を備えるプラズマリアクタ１であって、内部電極３２は、ハニカム構造体３３内を貫通して外周電極３１内でハニカム構造体３３よりも上流側及び下流側に延在し、且つその上流側端部及び下流側端部が高圧電源６の同電位極に接続され、ハニカム構造体３３内の内部電極３２は、円筒状の電気絶縁部材３４により被覆されて外周電極３１から電気的に絶縁されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管内に排気の流通方向に沿って設けられた筒状の外周電極と、
前記外周電極の中心軸と同軸に設けられた線状又は棒状の内部電極と、
前記外周電極内に前記排気の流通方向に沿って設けられ、上流側端部及び下流側端部のうち少なくとも一方の端部に光触媒が担持された柱状のハニカム構造体と、を備える排気浄化装置であって、
前記内部電極は、前記ハニカム構造体内を貫通して前記外周電極内において前記ハニカム構造体よりも上流側及び下流側に延在し、且つその上流側端部及び下流側端部が高圧電源の同電位極に接続され、
前記ハニカム構造体内の内部電極は、絶縁手段により前記外周電極から電気的に絶縁されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記ハニカム構造体は、その上流側端面から下流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分及びその下流側端面から上流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分のうち少なくとも一方の部分に、前記光触媒が担持されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記ハニカム構造体は、上流側から下流側に亘って所定の間隔をあけて複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関する。より詳しくは、プラズマ及び光触媒の作用により排気を浄化する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置として、プラズマリアクタと呼ばれるものが提案されている。このプラズマリアクタは、排気管内に設けられた一対の電極間に高電圧を印加してプラズマを発生させ、発生したプラズマの作用により、排気中の有害成分を浄化する。
【０００３】
また、上記のプラズマリアクタ内に、光触媒を担持したハニカム構造体を設け、プラズマによる排気浄化に加えて光触媒による排気浄化を行う技術が提案されている。この技術は、プラズマリアクタ内で発生するプラズマから発光される紫外線によって光触媒を励起し、励起された光触媒の作用により、排気中の有害成分を浄化する。
【０００４】
ところが、光触媒を担持したハニカム構造体の内部でプラズマ放電を行うと、ハニカム構造体への水分や未燃燃料成分の付着等により生じる短絡によって、光触媒が劣化するという問題があった。
【０００５】
そこで、第１電極及び第２電極を有するプラズマ発生手段と、光触媒が担持されたハニカム構造体を有する触媒手段と、を分離して設け、これらプラズマ発生手段と触媒手段を排気の流通方向に沿って交互に複数配置した排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置によれば、光触媒を担持したハニカム構造体の外部でプラズマ放電を行うため、光触媒の劣化が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２６５８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の排気浄化装置では、第１電極及び第２電極が円盤形状に形成され、互いに対向して上流側と下流側に設けられるとともに、これら両電極が各高圧電源のプラス電極とマイナス電極にそれぞれ接続される。そのため、複数のプラズマ発生手段ごとに高圧電源が必要であり装置が大型化するうえ、上流側から下流側に亘って均質な強度のプラズマを発生させることができない、という問題があった。
【０００８】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、光触媒の劣化を抑制しつつ、上流側から下流側に亘って均質な強度のプラズマを発生させることができる小型の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関の排気管（例えば、後述の排気管２）内に排気の流通方向に沿って設けられた筒状の外周電極（例えば、後述の外周電極３１）と、前記外周電極の中心軸と同軸に設けられた線状又は棒状の内部電極（例えば、後述の内部電極３２）と、前記外周電極内に前記排気の流通方向に沿って設けられ、上流側端部及び下流側端部のうち少なくとも一方の端部に光触媒が担持された柱状のハニカム構造体（例えば、後述のハニカム構造体３３）と、を備える排気浄化装置（例えば、後述のプラズマリアクタ１）を提供する。本発明に係る排気浄化装置では、前記内部電極は、前記ハニカム構造体内を貫通して前記外周電極内において前記ハニカム構造体よりも上流側及び下流側に延在し、且つその上流側端部及び下流側端部が高圧電源（例えば、後述の高圧電源６）の同電位極に接続され、前記ハニカム構造体内の内部電極は、絶縁手段（例えば、後述の電気絶縁部材３４）により前記外周電極から電気的に絶縁されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、排気の流通方向に沿って延びる外周電極の中心軸と同軸に内部電極を設け、この内部電極の上流側端部及び下流側端部を高圧電源の同電位極に接続する。これにより、上流側と下流側とで両電極間のインピーダンスに差が生じるのを抑制できるため、上流側から下流側に亘って均質な強度のプラズマを発生させることができる。同時に、１つの高圧電源で足りるため、装置を小型化できる。
また本発明では、外周電極内で排気の流通方向に沿って延びる柱状のハニカム構造体に光触媒を担持させ、このハニカム構造体内を貫通して外周電極内においてハニカム構造体よりも上流側及び下流側に延在するように内部電極を設ける。また、ハニカム構造体内の内部電極を外周電極から電気的に絶縁させる。これにより、光触媒が担持されたハニカム構造体の内部ではなく、その上流側と下流側でプラズマ放電を行うことができるため、光触媒の劣化を抑制できる。また、ハニカム構造体内の内部電極が電気的に絶縁されているため、ハニカム構造体の内部でプラズマ放電が行われるのを回避でき、光触媒の劣化をより確実に抑制できる。
また本発明では、ハニカム構造体の上流側端部及び下流側端部のうち少なくとも一方の端部に、光触媒を担持させる。これにより、ハニカム構造体よりも上流側及び下流側で発生したプラズマから発光される紫外線が到達可能な部分に光触媒を効率的に担持させることができる。そのため、ハニカム構造体に担持した光触媒の多くを励起して有効利用できるため、光触媒の担持量を低減でき、装置をより小型化できる。
【００１１】
この場合、前記ハニカム構造体は、その上流側端面から下流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分（例えば、後述の部分３３１）及びその下流側端面から上流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分（例えば、後述の部分３３２）のうち少なくとも一方の部分に、前記光触媒が担持されていることが好ましい。
【００１２】
この発明では、ハニカム構造体の上流側端面から下流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分と、その下流側端面から上流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分のうち少なくとも一方の部分に光触媒を担持させる。即ち、ハニカム構造体よりも上流側及び下流側で発生したプラズマから発光される紫外線が到達可能な部分にのみ、光触媒を担持させる。これにより、ハニカム構造体に担持した全ての光触媒を励起して有効利用できるため、光触媒の担持量をより低減でき、装置をより小型化できる。
【００１３】
この場合、前記ハニカム構造体（例えば、後述のハニカム構造体３５）は、上流側から下流側に亘って所定の間隔をあけて複数設けられていることが好ましい。
【００１４】
この発明では、上流側から下流側に亘って、所定の間隔をあけて複数のハニカム構造体を設ける。これにより、プラズマによる浄化と光触媒による浄化とを交互に繰り返し実行できるため、浄化効率を向上できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光触媒の劣化を抑制しつつ、上流側から下流側に亘って均質な強度のプラズマを発生させることができる小型の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係るプラズマリアクタの概略構成を示す斜視図である。
【図２】上記実施形態に係るプラズマ放電ユニットの概略構成を示す断面図である。
【図３】上記実施形態に係るプラズマリアクタを適用した排気浄化システムの一例を示す図である。
【図４】上記実施形態に係るプラズマリアクタを適用した排気浄化システムの一例を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るプラズマ放電ユニットの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るプラズマリアクタ１の概略構成を示す斜視図である。図２は、プラズマリアクタ１のプラズマ放電ユニット３の概略構成を示す断面図である。このプラズマリアクタ１は、後段で図３及び図４を参照して説明するように、内燃機関（以下、「エンジン」という）の排気を浄化する排気浄化装置の１つとして車両に搭載される。
【００１９】
プラズマリアクタ１は、図示しないエンジンの排気通路の一部を構成する円筒状の排気管２と、この排気管２内に収容された複数の円筒状のプラズマ放電ユニット３と、これら複数のプラズマ放電ユニット３によりプラズマを発生させるための高圧電源６と、高圧電源６の電力を排気管２内部の複数のプラズマ放電ユニット３に供給する第１給電プラグ４１及び第２給電プラグ４２と、排気管２内部においてこれら給電プラグ４１，４２と複数のプラズマ放電ユニット３とを電気的に接続する第１接続部材５１及び図示しない第２接続部材と、を含んで構成される。このプラズマリアクタ１は、図１においては紙面手前側から奥へ向けて、図２においては左から右へ向けてエンジンの排気が流通するように、図示しない車両の排気管の一部に組み込まれる。
【００２０】
第１給電プラグ４１は、排気管２のうち、プラズマ放電ユニット３よりも上流側の上部に設けられている。また第２給電プラグ４２は、排気管２のうち、プラズマ放電ユニット３よりも下流側の上部に設けられている。これら給電プラグ４１、４２は、各々の先端部が排気管２内のプラズマ放電ユニット３の上流側及び下流側に臨むように、鉛直方向に沿って排気管２に装着される。
【００２１】
第１接続部材５１は、排気管２内のうちプラズマ放電ユニット３の上流側に設けられ、各プラズマ放電ユニット３の内部電極３２の上流側の端部と第１給電プラグ４１とを電気的に接続する。また、図示しない第２接続部材は、排気管２内のうちプラズマ放電ユニット３の下流側に設けられ、各プラズマ放電ユニット３の内部電極３２の下流側の端部と第２給電プラグ４２とを電気的に接続する。即ち、各プラズマ放電ユニット３の内部電極３２の両端は、第１接続部材５１及び第２接続部材を介して給電プラグ４１，４２に保持されている。これにより、第１接続部材５１及び第２接続部材の排気管２内における位置が固定され、内部電極３２の位置を外周電極３１の中心に維持されるため、均質なプラズマを安定して発生させることができる。
【００２２】
第１接続部材５１は、互いに隣接するプラズマ放電ユニット３の内部電極３２の端部を連結する連結部５１１と、この連結部５１１から排気の流通方向に対し垂直な面方向、より具体的には鉛直方向に沿って延び、第１給電プラグ４１の先端部に嵌合する支持軸５１５とを備える。これら連結部５１１と支持軸５１５とは、導電性の材料により一体に形成されている。
連結部５１１は、水平方向に沿って延び排気管２内の上段に設けられた２つの隣接するプラズマ放電ユニット３の内部電極３２を連結する第１連結部材５１２と、水平方向に沿って延び排気管２内の中段に設けられた３つの隣接するプラズマ放電ユニット３の内部電極３２を連結する第２連結部材５１３と、水平方向に沿って延び排気管２内の下段に設けられた２つの隣接するプラズマ放電ユニット３の内部電極３２を連結する第３連結部材５１４とで構成される。
なお、第２接続部材は、上述の第１接続部材５１と同様の構成である。
【００２３】
各プラズマ放電ユニット３は、排気管２の延在方向、即ち排気の流通方向に沿って設けられた円筒状の外周電極３１と、この外周電極３１の中心軸と同軸に設けられた線状又は棒状の内部電極３２と、を備える。これら複数のプラズマ放電ユニット３は、それぞれの両端を揃えて並列に束ねた上、排気管２内に収容される。より具体的には、本実施形態では、排気管２内の上段に２つ、中段に３つ、下段に２つのプラズマ放電ユニット３が設けられる。ただし本発明において、プラズマ放電ユニット３の数や排気管２内における配置態様はこれに限らない。また本実施形態では、排気の流通方向に対し垂直な断面視が円になるような円筒状の外周電極３１を例に説明するが、本発明はこれに限らない。例えば、断面視で多角形となるような筒状の外周電極を用いてもよい。
【００２４】
図２に示すように、各外周電極３１内には、排気の流通方向に沿って延びる円柱状のハニカム構造体３３が設けられている。ハニカム構造体３３の径は、外周電極３１の内径と略同一となっており、外周電極３１のうち排気の流通方向の略中央部の内部に、ハニカム構造体３３が嵌合して配置されている。
ハニカム構造体３３は、その上流側端部と下流側端部の両端部に、光触媒としての酸化チタン（ＴｉＯ２）が担持されている。具体的には、ハニカム構造体３３には、その上流側端面から下流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分３３１と、その下流側端面から上流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分３３２に、光触媒が担持されている。これらの部分３３１，３３２は、ハニカム構造体３３よりも上流側及び下流側（図２の領域Ｐ）で発生するプラズマから発光される紫外線が到達して光触媒を励起させることが可能な部分である。
【００２５】
ここで、光触媒による排気浄化のメカニズムについて説明する。
先ず、物質中の電子は、通常、価電子帯に存在し、エネルギが付与されることで伝導帯に遷移して表面から放出される特性を有する。このとき、電子の遷移に必要なエネルギの大きさは、紫外線の波長領域の光が有するエネルギの大きさに相当することが知られている。
このような大きさのエネルギを有する紫外線がプラズマから発光されて光触媒に照射されると、電子が伝導帯に遷移してその表面から放出される。電子が抜け出た穴は正孔（ホール）と呼ばれ、この正孔は、プラスの電荷を帯び、強力な酸化力を有する。そのため、正孔は、水中にあるＯＨ−（水酸化物イオン）等から電子を奪い、電子を奪われたＯＨ−は、非常に不安定な状態で強力な酸化力を有するＯＨラジカルとなる。このＯＨラジカルにより、排気中の有害成分は電子を奪われて分子内の結合が分断される結果、浄化される。
【００２６】
次に、光触媒の調製方法について説明する。
光触媒の調製方法としては特に限定されず、従来公知の調製方法により調製される。光触媒の調製方法の一例は、次の通りである。
先ず、粉末状の酸化チタン（ＴｉＯ２）と、アルミナバインダと、水と、アルミナボールと、を所定量ずつポットに入れ、ボールミルにて湿式粉砕を行うことで、スラリーを得る。
得られたスラリー中に、円柱状のコージエライト製ハニカム構造体を浸漬させる。所定時間経過後、そのハニカム構造体をスラリー中から取出し、表面に付着している過剰のスラリーをエア噴射により除去する。次いで、所定の加熱条件にて加熱処理を行う。
以上の浸漬、過剰分の除去、加熱処理を繰返し実施した後、マッフル炉内にそのハニカム構造体を入れて所定の焼成条件にて焼成を行うことで、ウオッシュコートを得る。
【００２７】
また図２に示すように、内部電極３２は、ハニカム構造体３３内を貫通し、外周電極３１内においてハニカム構造体３３よりも上流側及び下流側に延在している。これにより、ハニカム構造体３３よりも上流側及び下流側（図２の領域Ｐ）において、内部電極３２と外周電極３１との間でプラズマ放電が行われ、プラズマが発生する。
内部電極３２は、その上流側端部と下流側端部が、高圧電源６に並列に、即ち高圧電源６の同電位極（図２ではプラス極）に接続されている。図２では、便宜上、第１給電プラグ４１、第２給電プラグ４２、第１接続部材５１及び第２接続部材を省略しているが、内部電極３２の上流側端部は第１接続部材５１及び第１給電プラグを介して高圧電源６に接続されており、下流側端部は第２接続部材及び第２給電プラグ４２を介して高圧電源６に接続されている。一方、各プラズマ放電ユニット３の外周電極３１は接地されており、これにより、各プラズマ放電ユニット３の内部電極３２と外周電極３１との間に電圧を印加し、プラズマを発生させることができる。
【００２８】
また、図２に示すように、ハニカム構造体３３内の内部電極３２には、その外周を被覆する円筒状の電気絶縁部材３４が設けられている。これにより、ハニカム構造体３３内の内部電極３２は外周電極３１から電気的に絶縁され、ハニカム構造体３３の内部でのプラズマ放電が回避される。なお、電気絶縁部材３４の全長は、ハニカム構造体３３の排気の流通方向の長さよりも長く設定されており、これにより、ハニカム構造体３３の内部でのプラズマ放電がより確実に回避される。
【００２９】
次に、図３及び図４を参照して、以上のような構成を備えるプラズマリアクタ１を適用した排気浄化システムの一例について説明する。
図３は、排気中の炭化水素を還元剤として排気中のＮＯｘを還元除去する選択還元触媒（ＨＣ−ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｔ））７３を備えた排気浄化システム７Ａにプラズマリアクタ１を適用した例を示す図である。このシステム７Ａでは、図３に示すように、エンジン７１の排気通路７２に、上流側から下流側へ向かってプラズマリアクタ１、選択還元触媒７３、酸化触媒７４の順で設けることが好ましい。
図３に示すような排気浄化システム７Ａでは、プラズマリアクタ１で発生するプラズマの浄化作用と光触媒の浄化作用とにより、エンジン７１の排気に含まれるＨＣをより高活性の還元剤ＣＨ３ＣＨＯに変換するとともに、排気中のＮＯをＮＯ２に変換し、下流側の選択還元触媒７３におけるＮＯｘのＮ２への還元を促進することができる。
【００３０】
図４は、プラズマリアクタ１により排気中のＨＣ及びＮＯｘを直接浄化する排気浄化システム７Ｂを示す図である。このシステム７Ｂでは、図４に示すように、プラズマリアクタ１の下流側に酸化触媒７５を設けることが好ましい。
上述したように図３では、選択還元触媒７３におけるＮＯｘの還元を促進するための補助的な装置としてプラズマリアクタ１を適用した例を示している。しかしながら、プラズマリアクタ１では、図３に示すシステム７Ａよりも高いエネルギのプラズマを発生させることにより、排気中のＨＣやＮＯｘをＣＯ２やＮ２に直接分解することができるため、図４に示すようなプラズマリアクタ１により排気中のＨＣやＮＯを浄化するシステム７Ｂを構築することができる。
【００３１】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、排気の流通方向に沿って延びる円筒状の外周電極３１の中心軸と同軸に線状又は棒状の内部電極３２を設け、この内部電極３２の上流側端部及び下流側端部を高圧電源６の同電位極に接続する。これにより、上流側と下流側とで両電極間のインピーダンスに差が生じるのを抑制できるため、上流側から下流側に亘って均質な強度のプラズマを発生させることができる。同時に、１つの高圧電源６で足りるため、プラズマリアクタ１を小型化できる。
【００３２】
また本実施形態では、外周電極３１内で排気の流通方向に沿って延びる円柱状のハニカム構造体３３に光触媒を担持させ、このハニカム構造体３３内を貫通して外周電極３１内においてハニカム構造体３３よりも上流側及び下流側に延在するように内部電極３２を設ける。また、ハニカム構造体３３内の内部電極３２を外周電極３１から電気的に絶縁させる。これにより、光触媒が担持されたハニカム構造体３３の内部ではなく、その上流側と下流側でプラズマ放電を行うことができるため、光触媒の劣化を抑制できる。また、ハニカム構造体３３内の内部電極３２が電気的に絶縁されているため、ハニカム構造体３３の内部でプラズマ放電が行われるのを回避でき、光触媒の劣化をより確実に抑制できる。
【００３３】
また本実施形態では、ハニカム構造体３３の上流側端面から下流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分３３１と、その下流側端面から上流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分３３２に光触媒を担持させる。即ち、ハニカム構造体３３よりも上流側及び下流側で発生したプラズマから発光される紫外線が到達可能な部分にのみ、光触媒を担持させる。これにより、ハニカム構造体３３に担持した全ての光触媒を励起して有効利用できるため、光触媒の担持量をより低減でき、プラズマリアクタ１をより小型化できる。
【００３４】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係るプラズマリアクタは、ハニカム構造体の構成が第１実施形態と異なる以外は、第１実施形態に係るプラズマリアクタ１と同様の構成である。
図５は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ放電ユニット４の概略構成を示す断面図である。図５に示すように、本実施形態に係るプラズマ放電ユニット４では、光触媒を担持したハニカム構造体３５が、排気の流通方向に沿って一定の間隔をあけて複数配置されている。より具体的には、図５に示すように、４つのハニカム構造体３５が排気の流通方向に沿って一定の間隔をあけて配置されている。各ハニカム構造体３５は、第１実施形態に係るハニカム構造体３３と同様に、その上流側端面から下流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分３５１と、その下流側端面から上流側に向かって１ｍｍ〜１０ｍｍの部分３５２に、光触媒としての酸化チタンが担持されている。また、各ハニカム構造体３５内の内部電極３２には、その外周を被覆する円筒状の電気絶縁部材３６が設けられている。
また、本実施形態に係るプラズマリアクタは、第１実施形態と同様の排気浄化システムに適用される。
【００３５】
本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて以下の効果が奏される。
本実施形態では、上流側から下流側に亘って、所定の間隔をあけて複数のハニカム構造体３５を設ける。これにより、プラズマによる浄化と光触媒による浄化とを交互に繰り返し実行できるため、浄化効率を向上できる。
【００３６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば上記実施形態では、ハニカム構造体の上流側端部と下流側端部の両方に光触媒を担持させたが、いずれか一方の端部のみでもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１…プラズマリアクタ（排気浄化装置）
２…排気管
３…プラズマ放電ユニット
３１…外周電極
３２…内部電極
３３…ハニカム構造体
３４…電気絶縁部材（絶縁手段）
６…高圧電源
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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【図５】
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