DE102008011834B4 - Method for operating a lambda probe - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Lambdasonde in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine, wobei die Abgasanlage einen Katalysator und wenigstens ein elektrisches Heizelement zum Aufheizen der Lambdasonde auf Betriebstemperatur aufweist, welches in wenigstens einem Verfahrensschritt aufgeheizt wird, und das Aufheizen dieses Heizelementes durch eine Heizelementsteuerung ausgeführt wird, wobei dem Heizelement von der Heizelementsteuerung wenigstens ein Regelparameter vorgegeben wird, wobei – in einem ersten Schritt die Leistungsfähigkeit des Heizelementes ermittelt und einem repräsentativen Leistungswert zugeordnet wird und – in einem zweiten Schritt dieser repräsentative Leistungswert zur Korrektur der durch die Heizelementsteuerung dem Heizelement pro Zeiteinheit zugewiesenen Energiemenge herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Heizelementes: – seine Aufheizgeschwindigkeit bei Zuführung einer definierten Energiemenge erfasst wird oder – der Innenwiderstand seines Messelementes zu einem festgelegten Zeitpunkt gemessen wird, wobei der festgelegte Zeitpunkt derart bestimmt wird, indem eine vorbestimmte aufsummierte Heizenergiemenge erfasst und mit dieser das Heizelement beaufschlagt wird.Method for operating at least one lambda probe in the exhaust system of an internal combustion engine with a lambda control system for controlling the fuel / air mixture ratio of a combustion process of the internal combustion engine, wherein the exhaust system comprises a catalyst and at least one electric heating element for heating the lambda probe to operating temperature, which in at least is heated by a heating element control, wherein the heating element of the heating element control at least one control parameter is specified, wherein - in a first step, the performance of the heating element is determined and assigned to a representative power value - in a second Step this representative power value is used to correct the amount of energy allocated by the heating element control to the heating element per unit of time, characterized in that Determining the performance of the heating element: - its heating rate is detected when supplying a defined amount of energy or - the internal resistance of its measuring element is measured at a predetermined time, wherein the specified time is determined by detecting a predetermined summed amount of heating energy and this is applied to the heating element ,
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Lambdasonde in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und eine Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine zum Steuern wenigstens einer Lambdasonde mit den im Oberbegriff des Anspruchs 8 genannten Merkmalen. The invention relates to a method for operating at least one lambda probe in the exhaust system of an internal combustion engine with the features mentioned in the preamble of claim 1 and an engine control of an internal combustion engine for controlling at least one lambda sensor with the features mentioned in the preamble of claim 8.
Es ist bekannt, dass zur Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben an die zulässigen Abgasemissionen eine hohe Wirksamkeit von Abgasreinigungsmaßnahmen notwendig ist. Eine dieser Maßnahmen ist eine möglichst genaue Einstellung der Abgaszusammensetzung dergestalt, dass ein im Abgassystem angeordneter Katalysator möglichst wirkungsvoll arbeiten kann. Nach dem Stand der Technik erfolgt eine Justierung des Gemisches durch Nutzung der Signale von im Abgassystem verbauten Lambdasonden. Heutige Lambdasonden basieren auf dem Funktionsprinzip, dass bestimmte Keramiken bei hohen Temperaturen eine von dem Sauerstoffgehalt der angrenzenden Gasmischung abhängige elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Daher verfügen heutige Lambdasonden nach dem Stand der Technik über einen Keramikkörper, auf welchem Elektroden zur Bestimmung einer Spannung oder eines Pumpstromes aufgebracht sind, sowie über ein Heizelement, welches den Keramikkörper auf eine Temperatur im Bereich von 600–800°C aufheizt. It is known that in order to comply with the legal requirements for permissible exhaust emissions, a high degree of effectiveness of exhaust gas purification measures is necessary. One of these measures is the most accurate possible adjustment of the exhaust gas composition such that a catalyst arranged in the exhaust system can work as effectively as possible. According to the prior art, the mixture is adjusted by utilizing the signals of lambda probes installed in the exhaust system. Today's lambda probes are based on the functional principle that certain ceramics at high temperatures have an dependent on the oxygen content of the adjacent gas mixture electrical conductivity. Therefore, today's lambda sensors according to the prior art have a ceramic body on which electrodes are applied for determining a voltage or a pump current, and via a heating element which heats the ceramic body to a temperature in the range of 600-800 ° C.
Problematisch ist es, dass das Signal heutiger Lambdasonden abhängig von der Keramikelement-Temperatur ist. Das heißt, dass bei identischer Kraftstoff-Gemischzusammensetzung die Sonde je nach Temperatur ein etwas anderes Signal abgibt. Da dieses Verhalten zu Schwankungen der Gemischzusammensetzung einer Brennkraftmaschine und damit zu einer Verschlechterung der Abgasemissionen führt, wird in der praktischen Anwendung versucht, die Temperatur der Sonden möglichst konstant zu halten. The problem is that the signal of today's lambda probes is dependent on the ceramic element temperature. This means that with identical fuel mixture composition, the probe emits a slightly different signal depending on the temperature. Since this behavior leads to fluctuations of the mixture composition of an internal combustion engine and thus to a deterioration of the exhaust emissions, in practical application it is attempted to keep the temperature of the probes as constant as possible.
Ein bekannter Einfluss auf die Temperatur der Sonde rührt von dem elektrischen Widerstand des Heizelementes. Dieser unterliegt in einer Serienproduktion gewissen Streuungen, wodurch die Sonden im beheizten Zustand bei identischen Heizspannungen unterschiedliche Sondentemperaturen aufweisen. Ein weiterer Einfluss besteht in den je nach Betriebspunkt des Motors unterschiedlichen Abgasmassenströmen und Abgastemperaturen, mit welchen die Sonde beaufschlagt wird. Dadurch ist der Wärmeaustausch zwischen Sonde und Umgebung betriebspunktabhängig unterschiedlich. A known influence on the temperature of the probe is due to the electrical resistance of the heating element. This is subject to certain variations in a series production, whereby the probes in the heated state at identical heating voltages have different probe temperatures. Another influence consists in the different exhaust gas mass flows and exhaust gas temperatures, depending on the operating point of the engine, with which the probe is acted upon. As a result, the heat exchange between the probe and the environment is dependent on the operating point.
Die Beheizung heutiger Lambdasonden wird mit einem offenen oder geschlossenen Regelkreis realisiert. Bei dem offenen Regelkreis wird üblicherweise eine betriebspunktabhängige Soll-Heizerspannung vorgegeben, wodurch der erwähnte abweichende Wärmeaustausch kompensiert werden soll. Insbesondere kann dabei aber nicht der Wärmeaustausch zwischen der Lambdasonde und der Rohrwand der Abgasanlage/Katalysators bzw. der Außenluft berücksichtigt werden. Dadurch, und auch insbesondere bei dynamischen Lastwechseln, kommt es zu weiteren stärkeren Temperaturschwankungen. The heating of today's lambda probes is realized with an open or closed loop. In the case of the open control loop, an operating point-dependent desired heater voltage is usually specified, as a result of which the abovementioned differential heat exchange is to be compensated. In particular, however, the heat exchange between the lambda probe and the pipe wall of the exhaust system / catalyst or the outside air can not be taken into account. As a result, and especially in dynamic load changes, it comes to further stronger temperature fluctuations.
Bei dem geschlossenen Regelkreis wird der Umstand zunutze gemacht, dass der elektrische Widerstand des Messelementes und des Heizelementes temperaturabhängig ist. Durch entsprechende elektrische Schaltungen kann dieser Widerstand gemessen werden und auf einen konstanten Soll-Widerstand in einem geschlossenen Regelkreis geregelt werden. Nachteilig ist, dass bei dynamischen Lastwechseln aufgrund der thermischen Trägheit Temperaturänderungen am Element auftreten können, die jedoch über den erfassten Widerstandswert nur verzögert und/oder gedämpft erkannt sein können. Außerdem ist der Widerstand elektrischer und elektronischer Elemente in einer Großserienfertigung ebenfalls Streuungen unterworfen. Ferner kommt es auch zu Alterungseffekten, so dass die Korrelation zwischen dem Widerstand und der Temperatur nicht für alle Sensoren und Alterungszustände dieselbe ist. Bekannt ist im Stand der Technik des weiteren, über Rechenmodelle die aktuelle Temperatur der Lambdasonde zu berechnen. Dabei werden unterschiedliche motorische Betriebspunkte dergestalt berücksichtigt, dass üblicherweise die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom sowie die zugeführte Heizleistung als Eingangsgrößen solcher Modelle verwendet werden. Die dergestalt modellierte Sondentemperatur kann dann für eine Regelung mit geschlossenem Kreis verwendet werden. Üblicherweise erfolgt die Abstimmung solcher Rechenmodelle mit ausgesuchten Lambdasonden, welche einen Heizer-Widerstand in der Mittellage möglicher Streuungen besitzen. Daher ist es mit solchen Modellen zwar möglich, die Betriebspunkteinflüsse zu minimieren, jedoch kann die durch die Streuungen der Heizerwiderstände auftretende Temperaturabweichung nicht kompensiert werden. In the case of the closed control loop, the circumstance is exploited that the electrical resistance of the measuring element and the heating element is temperature-dependent. By appropriate electrical circuits, this resistor can be measured and controlled to a constant target resistance in a closed loop. The disadvantage is that with dynamic load changes due to the thermal inertia temperature changes can occur on the element, which, however, can be recognized only delayed and / or attenuated on the detected resistance value. In addition, the resistance of electrical and electronic elements in mass production is also subject to variations. Furthermore, there are also aging effects, so that the correlation between the resistance and the temperature is not the same for all sensors and aging states. Furthermore, it is known in the prior art to calculate the current temperature of the lambda probe via calculation models. In this case, different engine operating points are taken into account such that usually the exhaust gas temperature and the exhaust gas mass flow and the supplied heating power are used as input variables of such models. The probe temperature thus modeled can then be used for closed-loop control. Usually, the coordination of such calculation models with selected lambda probes, which have a heater resistance in the middle position of possible scatters. Therefore, although it is possible to minimize the operating point effects with such models, the temperature deviation occurring due to the variations in the heater resistances can not be compensated.
Die
Laut
Es sind folgende Patentdokumente in den technologischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung gestellt worden:
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit des Betriebs einer Lambdasonde in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zu erhöhen und dadurch den Kraftstoffverbrauch zu senken, der auf eine zu ungenaue Lambdaregelung zurückzuführen ist, und die dadurch bedingte Umweltbelastung zu verringern. The invention has for its object to increase the accuracy of the operation of a lambda probe in the exhaust system of an internal combustion engine and thereby reduce fuel consumption, which is due to inaccurate lambda control, and to reduce the environmental impact caused thereby.
Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Lambdasonde in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine aus. Die Abgasanlage weist einen Katalysator und wenigstens ein elektrisches Heizelement zum Aufheizen der Lambdasonde auf Betriebstemperatur auf, welches in wenigstens einem Verfahrensschritt aufgeheizt wird. Das Aufheizen dieses Heizelementes wird durch eine Heizelementsteuerung ausgeführt, wobei dem Heizelement von der Heizelementsteuerung wenigstens ein Regelparameter, wie beispielsweise eine aufgeprägte Spannung, vorgegeben wird. Dabei wird in einem ersten Schritt die Leistungsfähigkeit des Heizelementes ermittelt und einem repräsentativen Leistungswert zugeordnet und in einem zweiten Schritt dieser repräsentative Leistungswert zur Korrektur der durch die Heizelementsteuerung dem Heizelement pro Zeiteinheit zugewiesenen Energiemenge herangezogen. The present invention is based on a method for operating at least one lambda probe in the exhaust system of an internal combustion engine having a lambda control system for regulating the fuel / air mixture ratio of a combustion process of the internal combustion engine. The exhaust system has a catalyst and at least one electrical heating element for heating the lambda probe to operating temperature, which is heated in at least one method step. The heating of this heating element is performed by a heating element control, wherein the heating element of the heating element control at least one control parameter, such as an impressed voltage, is specified. In a first step, the performance of the heating element is determined and assigned to a representative power value and in a second step, this representative power value is used to correct the amount of energy allocated by the heating element control to the heating element per unit time.
Erfindungsgemäß wird zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Heizelementes:
- – seine Aufheizgeschwindigkeit bei Zuführung einer definierten Energiemenge erfasst oder
- – der Innenwiderstands seines Messelementes zu einem festgelegten Zeitpunkt gemessen, wobei der festgelegte Zeitpunkt derart bestimmt wird, indem eine vorbestimmte aufsummierte Heizenergiemenge erfasst und mit dieser das Heizelement beaufschlagt wird.
- - recorded its heating rate when supplying a defined amount of energy or
- - The internal resistance of its measuring element measured at a predetermined time, wherein the predetermined time is determined by detecting a predetermined accumulated amount of heating energy and applied thereto, the heating element.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird der zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit festgelegte Zeitpunkt derart vorgegeben, dass die Temperatur des Messelementes der Lambdasonde einen Wert in einem mittleren Temperaturbereich aufweist, welcher zwischen der Betriebstemperatur und der Temperatur der unbetriebenen Lambdasonde liegt, wobei der Fehlertoleranzbereich des Innenwiderstandes des Messelementes der Lambdasonde in diesem mittleren Temperaturbereich einer geringen Streuung unterliegt. According to yet another embodiment of the method according to the present invention, the determined for determining the performance time is set such that the temperature of the measuring element of the lambda probe has a value in a medium temperature range, which is between the operating temperature and the temperature of the untuned lambda probe, wherein the Fault tolerance range of the internal resistance of the measuring element of the lambda probe in this medium temperature range is subject to low scattering.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung liegt der Heizelementsteuerung ein Temperaturmodell der Lambdasonde vor, in welchem der ermittelte repräsentative Leistungswert des Heizelementes berücksichtigbar ist, wobei die Heizelementsteuerung einen korrigierten Ist-Wert des gemessenen Heizelementwiderstandes zum Steuern der Beheizung des Heizelementes in einem geschlossenen Regelkreis erzeugt. According to a further preferred embodiment of the method according to the present invention, the heating element control is a temperature model of the lambda probe, in which the determined representative power value of the heating element is considered, wherein the heating element control a corrected actual value of the measured heating element resistance for controlling the heating of the heating element in a closed Generated loop.
Der Sollwert für das Heizelement wird in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise betriebspunktabhängig vorgegeben und einer Korrektur in Abhängigkeit von dem ermittelten repräsentativen Leistungswert des Heizelementes unterzogen. In a preferred embodiment of the present invention, the setpoint value for the heating element is preferably predetermined as a function of the operating point and subjected to a correction as a function of the determined representative power value of the heating element.
Vorzugsweise wird in einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wenigstens eines von den dem Heizelement von der Heizelementsteuerung vorgegebenen Regelparameter einer Korrektur in Abhängigkeit von dem ermittelten repräsentativen Leistungswert des Heizelementes unterzogen. Preferably, in a preferred further embodiment of the present invention, at least one of the control parameters predetermined by the heating element control is subjected to a correction as a function of the determined representative power value of the heating element.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der korrigierte Ist-Wert des gemessenen Heizelementwiderstandes vorzugsweise einer Zustandsdiagnose-Vorschrift der Lambdasonde bereitgestellt. Der erfindungsgemäß ermittelte und korrigierte Ist-Wert des gemessenen Heizelementwiderstandes ermöglicht durch seine höhere Genauigkeit eine entsprechend zuverlässigere Zustandsdiagnose der Lambdasonde. According to a further embodiment of the present invention, the corrected actual value of the measured heating element resistance is preferably provided to a state diagnostic prescription of the lambda probe. The inventively determined and corrected actual value of the measured heating element resistance allows a correspondingly more reliable state diagnosis of the lambda probe due to its higher accuracy.
Die Zustandsdiagnose-Vorschrift der Lambdasonde erfasst gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung das Unter- oder Überschreiten vorgegebener Schwellenwerte des jeweiligen Widerstandswertes des Heizelementes und/oder der Lambdasonde und erzeugt beim Eintreten eines unter- oder überschreitenden Messwertes ein Wartungssignal. Dieses Wartungssignal kann auf vielfältige Weise zu einer Wartungseinrichtung weitergeleitet und übertragen werden. According to a further refinement of the present invention, the state diagnostic specification of the lambda probe detects that the threshold values of the respective resistance value of the heating element and / or the lambda probe are undershot and / or exceeded and generates a maintenance signal when an undershooting or exceeding measured value occurs. This maintenance signal can be forwarded in a variety of ways to a maintenance facility and transmitted.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe der Erfindung mithilfe einer Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine zum Steuern wenigstens einer Lambdasonde in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem erreicht, in der die Verfahrensschritte nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen ausführbar sind. According to a second aspect of the present invention, the object of the invention is achieved by means of an engine control of an internal combustion engine for controlling at least one lambda probe in the exhaust system of the internal combustion engine with a lambda control system, in which the method steps according to one of the embodiments described above are executable.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert. The invention will be explained below with reference to a drawing.
Beispielsweise kann eine Lambdasonde dergestalt beheizt werden, dass sich mit einem exakt einem Referenz-Widerstandswert entsprechenden Heizelement eine Temperatur Tn von beispielsweise 450°C ergibt. Bei dieser Temperatur wird eine Lambdasonde mit einem nominalen (ideal eingestellten) Innenwiderstands-Wert einen dementsprechenden Widerstand R2 aufweisen. Umgekehrt kann daher aus dem Innenwiderstand der Lambdasonde auf die Temperatur geschlossen werden. Wie erwähnt, unterliegt jedoch auch der Innenwiderstand der Lambdasonde gewissen Toleranzabweichungen, so dass unter Berücksichtigung der maximal möglichen Innenwiderstandsabweichungen ein Innenwiderstandswert der Lambdasonde zwischen R1 und R2 vorkommen kann. Bei dem erwähnten Innenwiderstandswert der Lambdasonde könnte unter Berücksichtigung der maximal möglichen Toleranzen daher nur ermittelt werden, dass die Temperatur des Sensors zwischen den Temperaturen T1 und T2 liegt: beispielsweise zwischen 420°C und 480°C. Mit Heizelementen, deren Heizwiderstand dem unteren bzw. oberen Ende der Spezifikation entspricht, würde sich unter gleichen Heizbedingungen jedoch eine minimale und/oder eine maximale Temperatur von Tmin oder Tmax, beispielsweise 250°C oder 600°C einstellen. Der sich dann einstellende Widerstandswert liegt auch unter Berücksichtigung der möglichen Streuungen unterhalb von R2 bzw. oberhalb von R1, somit außerhalb des Toleranzbereiches einer nominalen Lambdasonde, wodurch eine Unterscheidung der Leistungsfähigkeit des Heizelementes ermöglicht ist. Bevorzugt wird abhängig von dem ermittelten Innenwiderstandswert der Lambdasonde ein Wert für den tatsächlichen Heizelement-Widerstand rechnerisch quantifiziert. For example, a lambda probe can be heated in such a way that a temperature T n of, for example, 450 ° C. results with a heating element which corresponds exactly to a reference resistance value. At this temperature, a lambda probe with a nominal (ideally set) internal resistance value will have a corresponding resistor R2. Conversely, it can therefore be concluded from the internal resistance of the lambda probe to the temperature. However, as mentioned, the internal resistance of the lambda probe is also subject to certain tolerance deviations, so that, taking into account the maximum possible internal resistance deviations, an internal resistance value of the lambda probe between R1 and R2 can occur. In the case of the mentioned internal resistance value of the lambda probe, taking into account the maximum possible tolerances, it could therefore only be determined that the temperature of the sensor lies between the temperatures T 1 and T 2 : for example between 420 ° C. and 480 ° C. With heating elements whose heating resistance corresponds to the lower or upper end of the specification, however, a minimum and / or a maximum temperature of T min or T max , for example 250 ° C. or 600 ° C., would set under the same heating conditions. The resistance value that then sets is also taking into account the possible scatters below R2 or above R1, thus outside the tolerance range of a nominal lambda probe, whereby a discrimination of the performance of the heating element is made possible. Depending on the determined internal resistance value of the lambda probe, a value for the actual heating element resistance is preferably mathematically quantified.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die dargestellten Kennlinien I und II jeweils für ein neues und ein gealtertes Bauelement einer Lambdasonde jeweils zusätzlich eine Serienstreuung des Innenwiderstandes aufweisen, die nicht dargestellt ist und die zu einer Verbreiterung der Toleranzabweichungen führen. It should be noted that the illustrated characteristics I and II respectively for a new and an aged component of a lambda probe additionally each have a series dispersion of the internal resistance, which is not shown and which lead to a broadening of the tolerance deviations.
Durch die Alterung verschiebt sich diese Serienstreuung mit der Kennlinie mit, so dass die Abweichungen insgesamt dann eine entsprechend vergrößerte Abweichung aufweisen, wenn man eine große Anzahl neuer und gealterter Lambdasonden in Betracht zieht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, diese durch die Alterung bedingte Zunahme der zu berücksichtigenden Toleranzabweichungen zu verringern. As a result of aging, this variation in series shifts with the characteristic, so that the deviations as a whole have a correspondingly increased deviation when a large number of new and aged lambda probes are taken into consideration. The method according to the invention is particularly suitable for reducing this increase in tolerance deviations due to aging.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
-
- II
- Innenwiderstands-Kennlinie einer gealterten Lambdasonde Internal resistance characteristic of an aged lambda probe
- IIII
- Innenwiderstands-Kennlinie einer neuen Lambdasonde Internal resistance characteristic of a new lambda probe
- Ri R i
- Innenwiderstand der Lambdasonde Internal resistance of the lambda probe
- R1R1
- Innenwiderstand der gealterten Lambdasonde Internal resistance of the aged lambda probe
- R2R2
- Innenwiderstand der neuen Lambdasonde Internal resistance of the new lambda probe
- tt
- Temperatur der Lambdasonde Temperature of the lambda probe
- Tmin T min
- minimale Temperatur minimum temperature
- Tmax T max
- maximale Temperatur maximum temperature
- Tn T n
- nominale Temperatur nominal temperature
- T1 T 1
- Temperatur bei neuer Lambdasonde Temperature at new Lambda probe
- T2 T 2
- Temperatur bei alter Lambdasonde Temperature at old Lambda probe
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