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문제 정의
- 버킷을 이용한 운반 작업과 브레이커를 이용한 암 파쇄 작업의 시간당 작업량을 현장에서 실제 작업량과 ‘16 표준품셈에 의한 작업량을 비교하여 분석결과의 객관적 수준을 확인해 보았다.
- 본 연구에서는 국내 건설기계 중 등록대수가 두 번째로 많고 실제 건설 현장에서 활용도가 가장 높은 굴삭기를 대상으로 작업 형태를 버킷 작업과 브레이커 작업으로 분류하여 작업 형태에 따른 생산성과 엔진부하 특성을 분석하였다. 그리고 굴삭기의 운행 특성을 무부하상태와 부하상태로 구분하여 PEMS 장비를 이용해 RPM 변화에 따른 배기가스 배출 특성(CO2 농도, 온도, 유속)을 분석하여 직접측정방식에 의한 CO2 배출량을 산정하고 탄소배출 계수를 활용하는 방법들과 비교하여, 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 굴삭기를 대상으로 현장에서 건설장비의 작업 형태에 따른 생산성과 부하 특성을 분석하고 실제 운행 특성을 반영한 엔진 부하량인 RPM (Revolution Per Minute) 변화에 따른 배기가스 배출 특성을 이동식 배출가스 측정장비(PEMS, Portable Emission Measurement System)로 직접 측정하여 CO2 배출량을 산정하였다. 그리고 연구 결과를 탄소배출계수를 이용하는 방법들에 의한 CO2 배출량과 비교하여 분석하였다.
- 배출량을 산정하였다. 그리고 연구 결과를 탄소배출계수를 이용하는 방법들에 의한 CO2 배출량과 비교하여 분석하였다.
- 배출량 직접측정방법을 제안하였다. 이 방법은 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO2 농도를 유량과 연산하여 시간당 배출되는 CO2 질량을 산정한다. 보다 자세히는 CO2 농도를 측정하기 위해 차량에서 배출되는 가스를 일정한 크기의 포집용기에 포집한 후 CO2 센서를 이용하여 포집된 배기가스의 RPM별 CO2 농도(ppm)를 측정하고 측정된 농도 값을 Eq.
- 이 방법은 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO2 농도를 유량과 연산하여 시간당 배출되는 CO2 질량을 산정한다. 보다 자세히는 CO2 농도를 측정하기 위해 차량에서 배출되는 가스를 일정한 크기의 포집용기에 포집한 후 CO2 센서를 이용하여 포집된 배기가스의 RPM별 CO2 농도(ppm)를 측정하고 측정된 농도 값을 Eq. (4)를 이용하여 단위부피당 CO2 질량값(g/l)로 환산한다.
- 배출량을 산정하는 것이 보다 합리적이라 판단된다. 운행 상태를 차대동력계로 동력 전달이 없는 공회전 무부하(Non-load) 상태(Fig. 3)와 버킷과 블레이드를 이용해 차체를 들어 올려 차대동력계로 동력을 주어 바퀴를 회전시키는 부하(Load) 상태(Fig. 4)로 구분하였다. CO2 배출량을 산정하기 위해 PEMS 장비로 현장에서 굴삭기의 특정 RPM에 대해 배기구로 배출되는 배기가스의 CO2 농도와 온도 그리고 유속 등을 측정하여 RPM 변화와 상관관계를 분석하였다.
- 농도를 실시간으로 연속 측정하게 되면 측정치에 기계적 오류를 범할 수 있는 것으로 판단하였다. 따라서 굴삭기의 배기구에 알루미늄 관을 연결하여 외부 영향요인을 최소화한 상태에서 배출되는 배기가스의 CO2 농도(%)와 온도(℃) 그리고 유속(m/s)을 특정된 RPM에서 60초 이상으로 5회 이상 측정한 값을 평균하여 측정 결과로 활용하였다. 그리고 배기가스의 시간당 배출량은 배기구에서 측정된 유속으로 배출량을 환산하였다.
- 따라서 굴삭기의 배기구에 알루미늄 관을 연결하여 외부 영향요인을 최소화한 상태에서 배출되는 배기가스의 CO2 농도(%)와 온도(℃) 그리고 유속(m/s)을 특정된 RPM에서 60초 이상으로 5회 이상 측정한 값을 평균하여 측정 결과로 활용하였다. 그리고 배기가스의 시간당 배출량은 배기구에서 측정된 유속으로 배출량을 환산하였다.
- 실험에 사용된 굴삭기는 엔진부하량을 디지털방식으로 제어하고 있어 무부하상태와 부하상태에서의 RPM 변화 최대치가 서로 달라 각 상태의 RPM 변화를 최대치까지 확인한 후 측정구간을 일정하게 나누었다.
- 첫 번째 공회전 무부하상태에서 최대 RPM은 1700까지이며 이를 5구간으로 나누었다. 측정결과는 Table 5에서와 같이 기준치인 공회전 대기상태 최소 RPM 800에서 CO2 농도는 2.
- 농도, 온도, 유속은 굴삭기의 작업 시 배출 특성을 구분한 무부하상태와 부하상태에서 큰 차이를 보이고 있다. 실제 건설장비들은 공회전 무부하상태가 아니라 차대동력계로 전달된 동력을 운행 시 차체의 크고 작은 움직임으로 전달하여 작업이 이루어지게 되며 이를 본 연구에서는 부하상태로 모사하였다. 디젤엔진 등 내연기관을 사용하는 건설 장비들의 운행 특성을 반영한 CO2 배출량은 부하상태에서 측정된 결과를 반영하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 직접측정방식으로 운행 특성을 반영하여 산정된 굴삭기의 CO2 배출량과 탄소배출계수를 활용하는 IPCC Tier 1 및 국내 가이드라인에 의한 CO2 배출량을 Table 10에서 비교하였다. 굴삭기의 시간당 주 연료소비량은 경유 11.
- 본 연구에서는 국내 건설기계 중 등록대수가 두 번째로 많고 실제 건설 현장에서 활용도가 가장 높은 굴삭기를 대상으로 작업 형태를 버킷 작업과 브레이커 작업으로 분류하여 작업 형태에 따른 생산성과 엔진부하 특성을 분석하였다. 그리고 굴삭기의 운행 특성을 무부하상태와 부하상태로 구분하여 PEMS 장비를 이용해 RPM 변화에 따른 배기가스 배출 특성(CO2 농도, 온도, 유속)을 분석하여 직접측정방식에 의한 CO2 배출량을 산정하고 탄소배출 계수를 활용하는 방법들과 비교하여, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 1사이클의 자갈 운반 작업은 장비가 준비된 상태에서 측정이 시작되어 이동 동작이 없고 버킷(0.6m3)으로 325초간 17회의 담기→회전→비우기→회전을 반복하여 자갈 8m3 운반 후 대기상태(RPM 800)로 전환하여 마무리 하였다.
- 배수로 정비(폭 5m × 높이 2m)를 위한 암 파쇄 작업 중인 굴삭기를 대상으로 브레이커를 이용한 작업에서의 RPM 변화량과 생산성을 파악하였다.
- 4)로 구분하였다. CO2 배출량을 산정하기 위해 PEMS 장비로 현장에서 굴삭기의 특정 RPM에 대해 배기구로 배출되는 배기가스의 CO2 농도와 온도 그리고 유속 등을 측정하여 RPM 변화와 상관관계를 분석하였다.
- 또한, 건설 장비의 생산성(작업량)과 CO2 배출량과의 관계를 분석하기 위해 건설장비의 작업 시 부하특성을 보여주는 RPM 변화를 소형 영상기록 장치(고프로)를 이용해 차량 내부에서 기록하고 동시에 외부에서 건설장비의 생산성을 영상기록 장치(캠코더)로 기록하여 동 시간으로 연계 분석하였다.
- 버킷(Bucket)을 이용한 작업에서 RPM 변화량과 생산성을 파악하기 위해 덤프트럭(15ton) 한 대분의 자갈 8m3를 준비하고 작업을 위한 굴삭기의 회전각이 90도가 되도록 하여 작업 상태의 일관성을 최대한 유지한 상태에서 자갈 운반 작업을 4사이클 반복 측정하였다. 그리고 굴삭기의 작업 형태를 관찰하여 굴삭기가 자리를 잡기 위한 이동(Moving)과 버킷에 담기(Filling) (Fig.
- 5(b)), 버킷 비우기(Empting), 흐트러진 자갈 모으기(Gathering)의 5가지 동작으로 세분화였다. 엔진부하량인 RPM 변화와 작업 동작이 동 시간으로 기록된 영상자료를 실험실에서 Fig. 6과 같이 작업시간에 따른 RPM 변화를 1초 단위로 시계열 자료화하여 분석하였다.
- 배수로 정비(폭 5m × 높이 2m)를 위한 암 파쇄 작업 중인 굴삭기를 대상으로 브레이커를 이용한 작업에서의 RPM 변화량과 생산성을 파악하였다. 작업 동작은 브레이커를 이용한 암 파쇄(Crushing), 파쇄한 암을 모으는 모으기(Gathering), 장비의 이동(Moving)으로 3가지로 구분하였다. 영상기록 장치를 이용한 굴삭기 내외부의 기록방법은 버킷작업 시와 동일하고 약 40분간 연속기록 후 작업과 무관한 시간을 배제하고 RPM 변화가 큰 굴삭기의 이동 동작이 포함되게 10분(600초) 단위로 분할하여 Fig.
- 작업 동작은 브레이커를 이용한 암 파쇄(Crushing), 파쇄한 암을 모으는 모으기(Gathering), 장비의 이동(Moving)으로 3가지로 구분하였다. 영상기록 장치를 이용한 굴삭기 내외부의 기록방법은 버킷작업 시와 동일하고 약 40분간 연속기록 후 작업과 무관한 시간을 배제하고 RPM 변화가 큰 굴삭기의 이동 동작이 포함되게 10분(600초) 단위로 분할하여 Fig. 7과 같이 3사이클에 대해 작업에 따른 RPM 변화를 1초 단위로 시계열 자료화하여 분석하였다.
대상 데이터
-
3.1 실험장비
실험대상 건설 장비는 현장에서 운행 중인 타이어 굴삭기(DX140WA)로 엔진은 6기통, 무게는 13.5ton, 버킷용량은 0.59m3,정격출력 134ps/2,000rpm이며 상세 제원은 Table 1과 같다.
- 브레이커 작업 대상인 암반은 설계내역서 상 연암이며 실험장소 주변에서 연구(Kim, 2007)된 암반의 압축강도는 약 55MPa이하로 연암에 해당하고, 육안 조사결과도 암질이 치밀하지 못하고 기공을 불규칙하게 가지고 있어 연암으로 판단된다. 그리고 굴삭기의 암 파쇄 작업 생산성은 암 파쇄 전 배수로 상단에 1m씩 등간격으로 횡단라인을 그리고 1시간 작업 후 작업 물량을 산출하는 방식으로 3시간 동안 확인한 결과 매시 6.
성능/효과
- REMS 방식의 배기가스 측정기 2기를 사용하였으며 주 측정기는 Fig. 2(a)의 프랑스 KIMO 사의 MGA5K 기종이고 CO2 농도의 측정범위는 0~100%이고 NDIR 센서, 배기가스 유속의 측정범위는 1~100m/s, 배기가스 온도의 측정범위는 최대 0~1700℃까지이고 반응 응답시간은 T90까지 약 20초이다. 보조 측정기는 Fig.
- 굴삭기의 CO2 배출량을 직접측정방식으로 산출하기 위해서는 굴삭기의 운행특성상 CO2 배출량을 주행속도별로 측정하는 것보다 작업에 따른 부하상태의 RPM 변화를 장비 부하량으로 고려하여 CO2 배출량을 산정하는 것이 보다 합리적이라 판단된다. 운행 상태를 차대동력계로 동력 전달이 없는 공회전 무부하(Non-load) 상태(Fig.
- 총 3사이클의 브레이커 작업에 대한 세부 동작의 최대, 최소, 평균 RPM 및 작업시간을 Table 4에서 보여주고 있다. 작업시간 구성비(67.7%)가 가장 큰 암 파쇄 동작의 RPM 변화는 최대와 최소의 차가 약 40정도로 변화 폭이 미미하고 평균 RPM이 1000으로 브레이커 작업 특성도 매우 정적인 것으로 확인된다. 그리고 각 세부 동작시간 구성비로 가중 평균한 RPM은 1004이다.
- 브레이커 작업 대상인 암반은 설계내역서 상 연암이며 실험장소 주변에서 연구(Kim, 2007)된 암반의 압축강도는 약 55MPa이하로 연암에 해당하고, 육안 조사결과도 암질이 치밀하지 못하고 기공을 불규칙하게 가지고 있어 연암으로 판단된다. 그리고 굴삭기의 암 파쇄 작업 생산성은 암 파쇄 전 배수로 상단에 1m씩 등간격으로 횡단라인을 그리고 1시간 작업 후 작업 물량을 산출하는 방식으로 3시간 동안 확인한 결과 매시 6.4m3, 5.2m3, 6.2m3의 암을 파쇄한 것으로 산출되어 단위시간 생산성은 5.9m3/hr로 산정되었다.
- 실험에 사용한 PEMS 장비들의 특성상 T90까지의 응답시간이 약 20초~60초로 확인되어 RPM 변화에 따른 CO2 농도를 실시간으로 연속 측정하게 되면 측정치에 기계적 오류를 범할 수 있는 것으로 판단하였다. 따라서 굴삭기의 배기구에 알루미늄 관을 연결하여 외부 영향요인을 최소화한 상태에서 배출되는 배기가스의 CO2 농도(%)와 온도(℃) 그리고 유속(m/s)을 특정된 RPM에서 60초 이상으로 5회 이상 측정한 값을 평균하여 측정 결과로 활용하였다.
- 06m3/s이다. RPM 변화에 따른 굴삭기의 배기가스 배출 특성을 살펴보면, CO2 농도 변화는 아주 미미한 수준으로 RPM 1700에서 7%정도 증가하고 온도 변화는 37% 증가하였으며 유속은 93%까지 증가하였다.
- 두 번째 차대 동력계로 동력전달을 주어 바퀴를 회전시키면서 측정한 부하상태에서의 RPM은 기준치인 대기상태 최소 800에서 최대 2050까지이며 이를 7구간으로 나누어 측정한 결과는 Table 6과 같다. RPM 변화에 따른 배기가스 배출 특성으로 CO2 농도 변화는 RPM 1800에서 5.58%로 216% 증가하였고 RPM 최대치인 2050에서는 소폭 감소하여 5.44%이나, 이는 실제상황에서 보기 어려운 출력 한계 상태에서의 불완전 연소(Incomplete combustion)로 인한 결과로 판단된다. 그리고 RPM 2050에서 온도 변화는 247% 증가하였고 유속은 변화 폭이 가장 크게 나타나 436% 증가하였다.
- 8(b))에서는 무부하상태와부하상태 둘 다 RPM이 커질수록 증가폭의 차이를 보이며 선형적으로 증가하고 있다. 측정된 데이터를 회귀분석 해보면 무부하상태에서 R2=0.952이고 부하상태에서 R2=0.982인 선형회귀식으로 추정되었다. 그리고 배기가스 온도는 RPM값이 커질수록 그 차이가 더 크게 벌어져 기울기가 큰 부하상태의 온도 변화가 더 크다.
- 8(c))는 무부하와 부하상태 모두 RPM이 증가할수록 선형적으로 증가하는 양상을 보이고 기울기가 큰 부하상태에서 유속 변화가 크다. 회귀분석 결과 무부하상태에서 R2=0.995이고 부하 상태에서 R2=0.984인 선형회귀식으로 추정되었다.
- 실제 건설장비들은 공회전 무부하상태가 아니라 차대동력계로 전달된 동력을 운행 시 차체의 크고 작은 움직임으로 전달하여 작업이 이루어지게 되며 이를 본 연구에서는 부하상태로 모사하였다. 디젤엔진 등 내연기관을 사용하는 건설 장비들의 운행 특성을 반영한 CO2 배출량은 부하상태에서 측정된 결과를 반영하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 2m3/hr으로 산출된다. 그리고 실제 실험을 통해 측정된 시간당 작업량은 72.7m3/hr로 표준품셈에 의해 산출된 결과와 약 3.4%수준의 차이를 보인다. 이는 현장에서 작업량(8m3)과 붐 회전(90°)을 일정하게 제어한 상태에서 측정된 비교적 양호한 결과가 도출된 것으로 판단된다.
- 0m3/hr로 산정하였다. 실제 실험을 통해 한 시간씩 3회 측정된 시간당 작업량은 6.4m3, 5.2m3,6.2m3이며 평균 5.9m3/hr로 산출되어 표준품셈에 의한 결과와 비교해보면 약 15.7%의 차이를 보인다. 하지만 표준품셈에서는 최대치가 5.
- 7%의 차이를 보인다. 하지만 표준품셈에서는 최대치가 5.5m3/hr이고 암질 및 작업 환경에 따른 효율 등을 반영하지 못하고 있어 현장여건이 반영된 실제 측정값을 활용하는 것이 타당할 것으로 판단된다. Table 8은 굴삭기의 작업별 생산성 비교 결과이다.
- 00031kgCO2/kcal이다. 따라서, 탄소배출계수와 경유의 순발열량을 곱하면 단위 연료량에 따른 CO2 배출량이 2.62kg/ℓ로 산정되고 에너지사용량 11.6ℓ/hr로부터 굴삭기의 시간당 CO2 배출량은 30.41kg/hr로 산정된다.
- IPCC Tier 1을 기준으로 연구결과들을 비교해 보면, IPCC를 기초로 만들어진 국내 가이드라인에 의한 CO2 배출량은 30.41kg/hr이고 99.3% 수준으로 약간의 차이는 순발열량을 산출할 때 사용된 경유의 밀도 차이에 의한 것으로 판단된다. 본 연구에 의한 부하상태에서 굴삭기의 CO2 배출량은 버킷을 이용한 운반 작업 시 16.
- 3% 수준으로 약간의 차이는 순발열량을 산출할 때 사용된 경유의 밀도 차이에 의한 것으로 판단된다. 본 연구에 의한 부하상태에서 굴삭기의 CO2 배출량은 버킷을 이용한 운반 작업 시 16.60kg/hr으로 54.2%이고 브레이커를 이용한 암 파쇄 작업은 13.49kg/hr으로 44.0% 수준이다. 그리고 굴삭기의 단위 작업에 대한 CO2 배출량은 버킷 작업 시 0.
- Bottom-Up방식으로 중규모 굴삭기의 운행 특성이 반영된 CO2배출량을 직접측정방식으로 산정한 결과는 Top-Down방식으로 연료소비량과 탄소배출계수를 활용해 CO2 배출량을 산정한 간접 방식의 CO2 배출량 보다 약 50% 작은 결과를 보이고 있다. 이는 Tier 2 수준 이상의 개별 장비에 대한 국가 고유 배출계수 산정 시 고려되어야할 CO2 배출량 특성을 보여주고 있다.
- 첫째, 굴삭기의 작업 특성과 생산성은 버킷 작업 시 세부동작별 시간가중 평균 RPM 1110이고 시간당 작업량은 72.7m3/hr이고,브레이커 작업에서는 시간가중 평균 RPM 1004이며 시간당 작업량은 5.9m3/hr이다. 그리고 작업 시 이동 동작을 제외하면 RPM 변화가 비교적 작은 정적인 작업 부하 특성을 보인다.
- 둘째, RPM 변화와 배기가스 배출 특성들과의 상관관계를 선형 회귀 분석한 결과 R2=0.876~0.995로 추정되었다. RPM 800 대비 무부하상태 최대 RPM 1700에서 CO2 농도 7%, 온도 37%, 유속 93%가 증가하였고, 부하상태 최대 RPM 2050에서는 CO2 농도 211%, 온도 247%, 유속은 436% 증가하였다.
- 995로 추정되었다. RPM 800 대비 무부하상태 최대 RPM 1700에서 CO2 농도 7%, 온도 37%, 유속 93%가 증가하였고, 부하상태 최대 RPM 2050에서는 CO2 농도 211%, 온도 247%, 유속은 436% 증가하였다. 부하상태에서는 선형적인 증가 양상이 뚜렷하고 기울기가 커 RPM 변화가 커질수록 무부하상태와 차이가 커진다.
- 셋째, CO2 배출량 산정결과 IPCC Tier 1은 30.63kg/hr이고 국내 가이드라인에서는 30.41kg/hr로 비슷한 수준으로 산정되었다. 버킷 작업에서 무부하상태는 6.
- 3배의 차이를 보인다. 본 연구를 통해 직접 측정된 굴삭기의 부하상태CO2 배출량은 IPCC Tier 1 대비 약 50% 수준이다.
- 다른 세부 동작에서는 1사이클과 유사한 RPM 변화를 보였다. 그리고 3사이클 작업은 369초간 17회의 작업을 반복했으며 작업 동작에 따른 RPM 변화는 2사이클과 유사하다. 마지막 4사이클 작업에서는 452초간 17회의 작업을 반복하였고 자갈이 흐트러져 있어 담기와 모으기에 작업 시간이 더 소모되었다.
- 그리고 3사이클 작업은 369초간 17회의 작업을 반복했으며 작업 동작에 따른 RPM 변화는 2사이클과 유사하다. 마지막 4사이클 작업에서는 452초간 17회의 작업을 반복하였고 자갈이 흐트러져 있어 담기와 모으기에 작업 시간이 더 소모되었다.
- Table 3은 총 4사이클의 자갈 운반 작업에서 세부 동작별 최대, 최소, 평균 RPM 및 작업시간을 보여주고 있다. 세부 동작인 담기, 회전, 비우기, 모으기의 RPM 변화는 유사하며 최대 RPM과 최소 RPM의 차이가 약 90정도로 변화 폭이 작고 평균 RPM은 1100이다. RPM 변화가 가장 큰 이동은 최대와 최소의 차가 약 370이고 평균 RPM은 1206으로 다른 세부 동작에 비해 RPM이 100정도 높다.
- 운반 작업에서 세부 동작의 작업시간 구성비로 가중 평균한 평균 RPM은 약 1110으로 산출되었다. 버킷 작업 시 이동 동작을 제외하고는 비교적 엔진부하 폭이 작은 정적인 작업 특성을 갖는 것으로 나타났다.
- 이러한 결과는 Kim and Jang (2013);Kim (2014)의 연구에서 제시한 것처럼 건설장비들을 정지된 상태(무부하상태)에서 RPM 변동을 주어 배기가스를 포집 후 안정화시켜 CO2 농도를 반복 측정한 결과, 유사한 농도로 수렴한다는 결과와 동일하다. 그리고 동력전달에 의해 차제의 움직임을 동반한 부하상태에서 RPM 변화에 따른 CO2 농도는 RPM이 커질수록 선형적으로 증가하여 RPM 변화에 대한 CO2 농도변화는 R2=0.949인 선형 회귀식으로 추정되었다.
- RPM 변화 구간의 중간 정도인 RPM 1400에서 무부하상태의 CO2 농도는 2.76%이나 부하상태에서는 4.46%으로 무부하상태보다 약 60% 크고 RPM값이 커질수록 그 차이가 더 크게 벌어지는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 동일한 RPM조건에서 부하상태의 CO2 농도가 큰 이유는 동력계로 전달된 굴삭기의 움직임(바퀴 회전)으로 인해 연료의 소비량 즉, 연소량이 많아졌기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 이는 Tier 2 수준 이상의 개별 장비에 대한 국가 고유 배출계수 산정 시 고려되어야할 CO2 배출량 특성을 보여주고 있다. 또한 건설 분야에서 건설 장비의 온실가스 배출량 산정 시 실질적인 연구방법론으로 활용 가능할 것으로 예상된다.
- 운행 중인 건설기계의 CO2 배출량은 차대동력계로 동력전달이 이루어지는 부하상태에서 측정된 결과를 활용해야할 것으로 판단되며, 향후 본 연구결과를 바탕으로 다양한 건설기계들의 활동도를 반영한 CO2 배출량 산정방법과 실제 작업 상태에서 엔진부하 특성 및 장비운행 특성을 보다 효과적으로 측정하기 위한 방법론에 대한 연구가 필요하다.
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