DE10307461A1 - Method and device for monitoring a piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines piezoelektrischen Aktors zur Steuerung eines Injektors beschrieben. Es wird eine Kennlinie des Aktors ermittelt. Die ermittelte Kennlinie wird mit einer erwarteten Kennlinie verglichen. Bei einer Abweichung der ermittelten Kennlinie von der erwarteten Kennlinie wird ein Fehler des Injektors erkannt.A device and a method for monitoring a piezoelectric actuator for controlling an injector are described. A characteristic curve of the actuator is determined. The determined characteristic is compared with an expected characteristic. If the determined characteristic curve deviates from the expected characteristic curve, an error of the injector is recognized.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines piezoelektrischen Aktors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method and a monitoring device of a piezoelectric actuator according to the preambles of the independent claims.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Messung der Spannung eines piezoelektrischen Aktors ist aus
der
Im Bereich eines solchen Injektors bzw. eines solchen piezoelektrischen Aktors können eine Vielzahl von Fehlern auftreten. So kann beispielsweise auf Grund verschiedener Ursachen, wie beispielsweise Verschleiß, eine erhöhte mechanische Reibung auftreten. Diese kann so weit gehen, dass einzelne Bauelemente des Injektors sich nicht mehr bewegen. Des weiteren kann er Fall eintreten, dass Undichtigkeiten auftreten, oder dass Strömungen von zu steuernden Flüssigkeiten unterbunden oder erschwert sind. Ferner kann als Fehler auftreten, dass einzelne Schichten des Piezoaktors beschädigt oder nicht mehr funktionsfähig sind. Ferner kann der Fall eintreten, dass der Aktor fehlerhaft elektrisch kontaktiert wird.In the area of such an injector or such a piezoelectric actuator can cause a variety of errors occur. For example, due to various causes, such as wear, an increased mechanical friction occur. This can go so far that individual Components of the injector no longer move. Furthermore can it happen that leaks occur or that currents of liquids to be controlled prevented or difficult. Furthermore, errors can occur that individual layers of the piezo actuator are damaged or no longer functional. Furthermore, the case may occur that the actuator is defective in electrical terms is contacted.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Kennlinie des Aktors ermittelt wird und diese mit einer erwarteten Kennlinie verglichen wird. Weicht die ermittelte Kennlinie von der erwarteten Kennlinie ab, so wird erfindungsgemäß ein Fehler erkannt. Mit einer solchen Vorgehensweise können zahlreiche Fehler im Bereich des Aktors bzw. im Bereich des Injektors sicher erkannt werden.According to the invention it is provided that a characteristic curve of the actuator is determined and this with an expected characteristic is compared. The determined characteristic deviates from the expected Characteristic curve, an error is recognized according to the invention. With such an approach can numerous errors in the area of the actuator or in the area of the injector be recognized.
Vorzugsweise wird eine Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt. Diese ist mit geringem Aufwand bestimmbar. Bestimmte Fehler führen zu charakteristischen Verläufen. Aus diesen Verläufen ist eine sichere Erkennung verschiedener Fehler möglich. Die Kraft-Weg-Kennlinie kann in einfacher Weise durch Erfassung von Wertepaaren für die Ladung und die Spannung ermittelt werden.A force-displacement characteristic is preferably determined. This can be determined with little effort. Certain errors lead to characteristic courses. From these courses various errors can be reliably identified. The force-displacement characteristic can be in simply by capturing pairs of values for the load and the voltage can be determined.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren und die Vorrichtung im Rahmen der Prüfung des Injektors vor der ersten Inbetriebnahme, in regelmäßigen Abständen, beispielsweise bei Wartungsarbeiten und/oder ständig im laufenden Betrieb des Injektors durchgeführt.According to the method and Device as part of the test the injector before the first start-up, at regular intervals, for example during maintenance work and / or constantly carried out while the injector is in operation.
Von besonderer Bedeutung sind weiterhin die Realisierungen in Form eines Computerprogramms mit Programmcode-Mitteln und in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcode-Mitteln. Das erfindungsgemäße Computerprogramm weist Programmcode-Mittel auf, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, ausgeführt wird. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein in dem Steuergerät abgespeichertes Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Steuergerät in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt weist Programmcode-Mittel auf, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgeführt wird. In diesem Fall wird also die Erfindung durch einen Datenträger realisiert, so dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, wenn das Programmprodukt bzw. der Datenträger in ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs integriert wird. Als Datenträger bzw. als Computerprogrammprodukt kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Read-Only-Memory (ROM), ein EPROM oder auch ein elektrischer Permanentspeicher wie beispielsweise eine CD-ROM oder DVD.The are still of particular importance Realizations in the form of a computer program with program code means and in the form of a computer program product with program code means. The computer program according to the invention has program code means for all steps of the method according to the invention perform, if the program on a computer, in particular a control device for an internal combustion engine of a motor vehicle becomes. In this case, the invention is thus stored in the control unit Program implemented so that this control unit provided with the program in the same The invention represents how the method, the execution of which Program is suitable. The computer program product according to the invention has program code means which are stored on a computer-readable data carrier are to carry out the method according to the invention if the program product on a computer, in particular a control unit for an internal combustion engine a motor vehicle becomes. In this case, the invention is implemented by a data carrier, so that the inventive method accomplished can be, if the program product or the data carrier in one control unit for one Internal combustion engine integrated especially of a motor vehicle becomes. As a data carrier or as a computer program product, in particular an electrical one Storage medium are used, for example a read-only memory (ROM), an EPROM or an electrical permanent memory such as for example a CD-ROM or DVD.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient configurations and further developments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Endung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert.The extension is shown below of the embodiments illustrated in the drawing.
Es zeigenShow it
Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am Beispiel eines sogenannten Common-Rail-Systems, bei dem ein piezoelektrischer Aktor die von einem Injektor zugemessene Kraftstoffmenge steuert, beschrieben.The procedure according to the invention is as follows using the example of a so-called common rail system, in which a piezoelectric Actuator controls the amount of fuel metered by an injector, described.
In
Das Ausgangssignal I der Stromerfassung
Das Ausgangssignal Q des Integrators
und das Ausgangssignal U der Spannungserfassung
Die Funktionsweise dieser Vorrichtung
wird im Folgenden anhand des Flussdiagrammes der
In einem ersten Schritt
Ist der Ladevorgang beendet, so wird
in Schritt
Üblicherweise werden bei einer Einspritzung drei Phasen der Ansteuerung eines Aktors unterschieden. In einer ersten Phase wird der Aktor geladen und bewegt sich von seiner ersten Position in eine zweite Position, in einer zweiten Phase bleibt der Aktor geladen und verbleibt damit in seiner Position, in einer dritten Phase wird er entladen und nimmt damit seine ursprüngliche erste Position wieder ein.Usually are three phases of the activation of an injection Actuator differentiated. The actuator is charged in a first phase and moves from its first position to a second position, in a second phase the actuator remains charged and remains there in his position, in a third phase, he is unloaded and takes hence its original first position again.
Die beschriebene Messung der Ladung Q und der Spannung U erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform über alle drei Phasen. Verschieden Fehler können bereits am Ende des Ladevorgangs erkannt werden. Andere Fehler können dagegen erst nach Abschluss der zweiten Phase und/oder nach dem Ende des Entladevorgangs erkannt werden.The charge measurement described Q and the voltage U occur in a preferred embodiment over all three phases. Various errors can be recognized at the end of the loading process become. Other mistakes can on the other hand only after completion of the second phase and / or after the Be recognized at the end of the discharge process.
In
Jedem Punkt der Kraft-Web Kennlinie
entspricht eindeutig ein Wertepaar aus Spannung U und Ladung Q.
Die im Schritt
So lange die Kraft auf den Aktor in Folge des Raildrucks größer ist, als die für den Koppler aufgebrachte Aktorkraft, bleibt das Steuerventil geschlossen. Das Steuerventil befindet sich in seinem unteren Sitz US. Die Aktorkraft wirkt nur gegen die Elastizität der einzelnen Elemente des Injektors. Entsprechend dem sich einstellenden Kräftegleichgewicht führt der Aktor einen entsprechenden Hub aus, ohne dass sich das Steuerventil öffnet. Dies bewirkt, dass die Kraft-Weg-Kennlinie einen nahezu linearen Verlauf besitzt. Wird die über den Koppler aufgebrachte Aktorkraft größer, als die vom Raildruck aufgebrachte Kraft, so löst sich das Dichtelement vom Dichtsitz und der Aktor dehnt sich aus. Dieser Punkt wird in der Kraft-Weg-Kennlinie als Ablösepunkt A1 bzw. bei erhöhtem Druck als A2 bezeichnet. Bis zu diesem Punkt ist die Kraft-Weg-Kennlinie nahezu linear.As long as the force on the actuator due to the rail pressure is greater than the actuator force applied to the coupler, the control valve remains closed. The control valve is located in its lower seat US. The actuator force only acts against the elasticity of the individual elements of the injector. In accordance with the resulting balance of forces, the actuator executes a corresponding stroke without the control valve opening. This causes the Force-displacement characteristic has an almost linear course. If the actuator force applied via the coupler is greater than the force exerted by the rail pressure, the sealing element is released from the sealing seat and the actuator expands. This point is referred to as the separation point A1 in the force-displacement characteristic curve or as A2 at increased pressure. Up to this point, the force-displacement characteristic is almost linear.
Im Folgenden dehnt sich der Aktor weiter aus, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht zwischen Aktorkraft und der Kraft in Folge des Raildrucks auf das Steuerventil ausbildet. Das neue Kräftegleichgewicht bildet sich aus, wenn das Steuerventil im Punkt OS seinen oberen Sitz erreicht. Auf Grund des sensorischen Effekts des Piezoaktors führt eine größere Kraft auf den Aktor zu einer größeren Spannung am Aktor. Bei gleicher Ladung erhält man bei gleichem Hub X in Folge höherem Raildruck eine höhere Spannung U.In the following, the actuator expands continue until there is a balance of forces between actuator force and the force as a result of the rail pressure on the control valve. The new balance of power forms when the control valve in the OS point its upper Seat reached. Due to the sensory effect of the piezo actuator, one leads greater strength on the actuator to a greater voltage on the actuator. With the same load you get X in with the same stroke Follow higher Rail pressure a higher Voltage U.
Klemmt das Dichtelement des Steuerventils, so
arbeitet der Aktor nur gegen die Elastizität der Injektorteile. Ein solches
Klemmen des Dichtelements kann beispielsweise durch eine Verschmutzung und/oder
einen mechanischen Defekt desselben verursacht sein. Ein entsprechender
Defekt wirkt sich derart aus, dass sich der Ablösepunkt entlang der in
Bei einem im geschlossenen Sitz klemmenden Steuerventil ergibt sich im Vergleich zum Fehlerfreien Betrieb bei gleicher Ladung eine höhere Spannung U, da der Aktor nur gegen die Elastizität der Injektorteile arbeitet und eine geringere Ausdehnung realisiert, als im fehlerfreien Betrieb. Damit lässt sich durch eine einfache Messung an wenigen Betriebspunkten ein entsprechender Defekt erkennen. Erfindungsgemäß wird ein klemmendes Ventil erkannt, wenn eine Kombination von Spannungs- und Ladungswerten auftritt, die auf der dargestellten Geraden liegt und nicht mit dem gemessenen Raildruck plausibel ist, d.h. bei einem Druck P1 wird auf Fehler erkannt, wenn der Messdruck bei entsprechend größeren Spannungen oder/und Ladungen liegt.With a sticking in the closed seat Control valve results in comparison to error-free operation same charge a higher one Voltage U, since the actuator only works against the elasticity of the injector parts and realized a smaller expansion than in error-free operation. With that leaves a simple measurement at a few operating points detect the corresponding defect. According to the invention, a pinching valve detected when a combination of voltage and charge values occurs that lies on the straight line shown and not with the measured rail pressure is plausible, i.e. at a pressure P1 is recognized for errors when the measuring pressure at correspondingly larger voltages or / and charges.
Erfindungsgemäß wird zur Erkennung eines klemmenden
Ventils im Schritt
Ein weiterer Fehler besteht darin, dass der hydraulische Koppler zwischen dem Stellkolben des Aktors und dem Kolben des Steuerventils zwischen zwei Zumessungen nur unvollständig befüllt wird. Ein solcher unvollständig befüllter hydraulischer Koppler hat zur Folge, dass der Abstand zwischen dem Stellkolben des Aktors und dem Kolben des Steuerventils kleiner als bei einem vollständig befüllten hydraulischen Koppler ist. Demzufolge muss der Aktor den geringeren Abstand mit einem größeren Hub kompensieren. Die Ursache für einen unbefüllten Koppler sind zum Beispiel ein zu geringer Befülldruck, oder dass das Steuerventil im offenen Zustand verbleibt und nicht schließt.Another mistake is that the hydraulic coupler between the actuator's piston and the piston of the control valve is only incompletely filled between two meterings. Such an incomplete one filled hydraulic coupler means that the distance between the Control piston of the actuator and the piston of the control valve smaller than with one completely filled hydraulic coupler. As a result, the actuator must have the lower one Distance with a larger stroke compensate. The cause of an unfilled one Couplers are, for example, a filling pressure that is too low, or that the control valve remains in the open state and does not close.
Bei einem unvollständig befüllten Koppler
ergibt sich im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb ein Versatz nach
rechts auf der Hubachse X, da der Piezoaktor einen sogenannten Leerweg
macht, bevor sich eine entsprechende Aktorkraft aufbaut. Dies bewirkt
in der Kraft-Weg-Kennlinie ein Bereich, in dem die Steigung der
Kraft-Weg-Kennlinie deutlich kleiner ist als erwartet. Vorzugsweise
nimmt die Steigung einen Wert von nahezu Null an. Ein entsprechender Verlauf
ist beispielhaft in
Die Erkennung erfolgt beispielsweise dadurch, dass bei gleicher Ladung eine kleinere Spannung anliegt bzw. dass, um die gleiche Spannung zu erzielen, mehr Ladung in den Aktor eingeladen werden muss. Vorzugsweise wird die Steigung der Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt und auf Fehler erkannt, wenn die Steigung nahezu den Wert Null annimmt, das heißt kleiner als ein bestimmter Wert ist. Der bestimmte Wert entspricht der Steigung im fehlerfreien Zustand.The detection takes place, for example due to the fact that a lower voltage is present with the same charge or that to achieve the same voltage, more charge in the Actor must be invited. The gradient of the force-displacement characteristic is preferably determined and recognized for errors when the slope is almost zero, the is called is less than a certain value. The certain value corresponds the slope in perfect condition.
Bei einem Ausfall von einzelnen Schichten der
Piezokeramik des Piezoaktors ergibt sich ein geänderter Verlauf der geraden
mit konstanter Ladung bzw. der Geraden mit konstanter Spannung.
Diese veränderten
Geraden mit konstanter Ladung und/oder Spannung sind in
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schichtausfall unmittelbar nach dem Verbau am Bandende beim Kunden auftritt ist sehr gering. Aufgrund dessen kann mit der gleichen Vorgehensweise ein verpolter Aktor erkannt werden. Eine Verpolung des Aktors führt zu einer Umpolarisation der Keramik, was wiederum zu einer geringeren Kapazität des Aktors führt.The likelihood that a Layer loss immediately after installation at the customer's end of the line occurrence is very low. Because of this, the same can be done Procedure a polarity reversed actuator can be recognized. Reverse polarity of the actuator to re-polarization of the ceramic, which in turn leads to a lower capacity of the actuator.
Wird ein Schichtausfall erkannt, erfolgt ein Eintrag im Fehlerspeicher des Steuergeräts und/oder der Fehler wird dem Fahrer signalisiert und veranlasst ihn, den Service aufzusuchen. In der Regel bedeutet ein größerer Schichtenausfall, dass durch das Steuerventil in den zugehörigen Zylinder kein Kraftstoff eingespritzt wird.If a shift failure is detected, a occurs An entry in the fault memory of the control unit and / or the fault is signaled to the driver and causes the driver to seek service. As a rule, a major shift failure means that no fuel is injected into the associated cylinder through the control valve.
Kommt es auf Grund eines Fehler zu einer erhöhten Reibung in der Wirkkette zwischen Aktor und Steuerventil, so wird zur Überwindung der Reibkraft eine höhere Aktorkraft benötigt. Dies äußert sich darin, dass im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb bei gleicher Ladung eine höhere Aktorspannung benötigt wird, da der Aktor zusätzlich gegen die zusätzliche Reibkraft arbeitet und einen geringeren Hub realisiert.It is due to an error an elevated Friction in the knitting chain between actuator and control valve, so to overcome a higher friction force Actuator force needed. This manifests itself in that compared to faultless operation with the same charge higher Actuator voltage is required because the actuator is additional against the additional friction works and realizes a smaller stroke.
Wird die Reibung und dadurch der Hubverlust zu groß, so öffnet das Steuerventil nicht mehr und es kommt zum Ausbleiben der Einspritzung.If the friction and thereby the Stroke loss too large, so opens the control valve no longer and there is no injection.
Bei einer zusätzlichen Reibkraft ergibt sich im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb bei gleicher Ladung eine niedere Aktorspannung beim Laden, da der Piezoaktor zusätzlich gegen die zusätzliche Reibkraft arbeitet und mit einer größeren Ausdehnung nachfolgt. Im Extremfall würde sich das Steuerventil nicht mehr schließen und es würde somit zur Dauereinspritzung und möglicherweise ungewollten Beschleunigung des Fahrzeugs kommen.An additional friction force results in Compared to error-free operation with the same charge, a lower one Actuator voltage when charging, as the piezo actuator also counteracts the additional frictional force works and with a larger extension follows. In an extreme case the control valve no longer closes and it would for continuous injection and possibly unwanted acceleration of the vehicle.
Betrachtet man den Lade- und den
Entladevorgang, so ergibt sich im Vergleich zum fehlerfreien Betrieb
des Injektors bei gleicher Ladung eine größere Spannungshysterese, die
sich auch in einer größeren elektrischen
Verlustleistung des Piezoaktors ausdrückt. In
Wird eine unzulässig hohe Reibkraft erkannt, erfolgt vorzugsweise ein Eintrag im Fehlerspeicher des Steuergeräts. Ferner kann zusätzlich eine Signalisierung dem Fahrer durch eine Signallampe und/oder andere Maßnahmen, wie eine Momentbegrenzung, erfolgen. Dadurch kann rechtzeitig ein Totalausfall des Injektors verhindert werden. D.h. es können rechtzeitig durch die sich möglicherweise weiter vergrößernde Reibkraft verursachte Dauereinspritzungen oder Einspritzaussetzer rechtzeitig vermieden werden. Durch eine Verminderung des zur Verfügung stehenden Moments wird der Fahrer gezwungen eine Werkstatt aufzusuchen. Bei einer geringfügig erhöhten Reibung innerhalb zulässiger Grenzen kann vorgesehen sein, dass die veränderten Öffnungs- und Schließverhalten des Injektors durch eine Korrektur der elektrischen Ansteuerbeginne und/oder der elektrischen Ansteuerdauer und/oder der Ladezeit und/oder der Aktorsollspannung korrigiert wird.If an inadmissibly high frictional force is recognized, this is done preferably an entry in the error memory of the control unit. Further can additionally signaling to the driver by a signal lamp and / or others Activities, like a torque limitation. This can make one in time Total failure of the injector can be prevented. That it can be timely through which may continue increasing friction caused permanent injections or misfires in time be avoided. By reducing the available Moments the driver is forced to go to a workshop. at one slightly increased Friction within acceptable limits it can be provided that the changed opening and closing behavior of the injector by correcting the electrical activation starts and / or the electrical activation duration and / or the charging time and / or the actuator setpoint voltage is corrected.
In
Nachfolgend wird die Funktionsweise
dieses Injektors näher
erläutert.
Bei jeder Ansteuerung des Aktors
Zwischen zwei Einspritzungen muß daher der
hydraulische Koppler
Über
den Zulaufkanal
Erfindungsgemäß werden im Laufe der Ansteuerung eines Injektors in festen Zeitabständen bzw. in festen Winkelabständen Messwertepaare für die Spannung, die am Injektor anliegt, und die Ladung, die in den Injektor eingeladen wird, erfasst. Die Erfassung der Ladung erfolgt durch eine Strommessung, wobei der Stromwert aufintegriert wird. Diese Wertepaare werden im Steuergerät in ein Kennfeld eingetragen. Dieses so ermittelte Kennfeld wird dann mit einem erwarteten Kennfeld verglichen. Weicht das gemessene Kennfeld von dem erwarteten Kennfeld ab, so wird auf Fehler erkannt. Ausgehend von der Art der Abweichung werden unterschiedliche Fehler erkannt.According to the invention in the course of control of an injector at fixed time intervals or at fixed angular intervals measured value pairs for the Voltage that is present at the injector and the charge that is in the injector is invited. The charge is recorded by a current measurement, the current value being integrated. These pairs of values are in the control unit entered in a map. This map thus determined is then compared with an expected map. Gives way to the measured Map from the expected map, so is recognized for errors. Based on the type of deviation, there are different errors recognized.
Das Kennfeld, in dem der erwartete Verlauf der Kraft-Web Kennlinie abgelegt wird, wird vorzugsweise vor der ersten Inbetriebnahme und/oder bei der ersten Inbetriebnahme des Injektors ermittelt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses Referenzkennfeld applikativ abgelegt und im laufenden Betrieb gelernt wird. Dies bedeutet, immer dann, wenn das Kennfeld neu vermessen wird, werden die Kennfeldwerte mit dem alten Kennfeld verglichen. Ist die Abweichung kleiner als ein Schwellwert, so wird aus den alten und neuen Werten einer neuer Mittelwert ermittelt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass bei einer kleinen Abweichung der neue Wert unmittelbar verwendet wird. Weichen die alten und der neuen Wertepaare wesentlich voneinander ab, d.h. um mehr als einen Schwellenwert, so wird auf Fehler erkannt.The map in which the expected The course of the Kraft-Web characteristic curve is preferred before the first start-up and / or the first start-up of the injector. It is particularly advantageous if this Reference map stored in application and learned during operation becomes. This means whenever the map is remeasured the map values are compared with the old map. If the deviation is smaller than a threshold value, the old and new values a new mean is determined. alternative can also be provided that in the event of a small deviation of the new value is used immediately. Give way to the old and the new pairs of values differ significantly from each other, i.e. by more than one Threshold, so it is recognized for errors.
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