JP2009250130A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒からSOxを良好に放出させる。
【解決手段】機関排気通路内に酸化触媒12とNOx吸蔵触媒14とを配置する。酸化触媒12およびNOx吸蔵触媒14は夫々第1の温度TAO以上および第2の温度TBO以上のときに排気ガスの空燃比がリッチにされるとSOxを放出する性質を有する。触媒からSOxを放出すべき時期に達したときには各触媒12,14が夫々第1の温度TAO以上および第2の温度TBO以上になったときに排気ガスの空燃比がリッチにされる。
【選択図】図3
【解決手段】機関排気通路内に酸化触媒12とNOx吸蔵触媒14とを配置する。酸化触媒12およびNOx吸蔵触媒14は夫々第1の温度TAO以上および第2の温度TBO以上のときに排気ガスの空燃比がリッチにされるとSOxを放出する性質を有する。触媒からSOxを放出すべき時期に達したときには各触媒12,14が夫々第1の温度TAO以上および第2の温度TBO以上になったときに排気ガスの空燃比がリッチにされる。
【選択図】図3
Description
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するNOxがNOx吸蔵触媒に吸蔵される。一方、NOx吸蔵触媒のNOx吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってNOx吸蔵触媒からNOxが放出され還元される。
ところで燃料内には硫黄が含まれており、従って排気ガス中にはSOxが含まれている。このSOxはNOxと共にNOx吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこのSOxは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではNOx吸蔵触媒から放出されず、従ってNOx吸蔵触媒に吸蔵されているSOxの量が次第に増大していく。その結果吸蔵しうるNOx量が次第に減少してしまう。
そこでNOx吸蔵触媒にSOxが送り込まれるのを阻止するためにNOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内にSOx吸収剤を配置した内燃機関が公知である(特許文献1参照)。この内燃機関では排気ガス中に含まれるSOxがSOx吸収剤に吸収され、斯くしてNOx吸蔵触媒にSOxが流入するのが阻止される。その結果、SOxの吸蔵によりNOxの吸蔵能力が低下するのを阻止することができる。
ところでこのようなSOx吸収剤を用いた場合、SOx吸収剤のSOx吸収能力が飽和してしまうとSOxがNOx吸蔵触媒に流入してしまう。ところがこのSOx吸収剤ではSOx吸収剤の温度を上昇させかつSOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとSOx吸収剤から吸収したSOxを放出させることができ、斯くしてSOx吸収剤を再生することができる。そこでこの内燃機関ではSOx吸収剤のSOx吸収能力が飽和する前にSOx吸収剤の温度を上昇させると共にSOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにし、それによってSOx吸収剤から吸収したSOxを放出させるようにしている。
特開平11−311138号公報
しかしながらこの内燃機関ではSOx吸収剤からSOxを放出させるときにSOx吸収剤の下流側に配置されているNOx吸蔵触媒の状態が何ら考慮されていない。従って例えばNOx吸蔵触媒の温度が低く、従ってNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになってもNOx吸蔵触媒からSOxが放出しないときにSOx吸収剤からSOxが放出されるとこの放出されたSOxがNOx吸蔵触媒に吸蔵され、斯くしてNOx吸蔵触媒のNOx吸蔵能力が低下してしまうという問題を生ずる。
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるSOxを捕捉する第1の触媒が配置され、第1の触媒下流の機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるSOxを吸蔵する第2の触媒が配置され、第1の触媒は触媒温度が予め定められた第1の温度以上のときに流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとSOxを放出する性質を有し、第2の触媒は触媒温度が第1の温度とは異なる予め定められた第2の温度以上のときに流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとSOxを放出する性質を有し、触媒からSOxを放出すべき時期に達したときには第1の触媒の温度が第1の温度以上となりかつ第2の触媒の温度が第2の温度以上になったときに第1の触媒および第2の触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。
触媒からSOxを放出すべき時期に達したときには必ず第1の触媒と第2の触媒との両触媒からSOxを放出させることができる。
図1に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド4は吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結され、コンプレッサ7aの入口は吸入空気量を検出するためのエアフローメータ8を介してエアクリーナ9に連結される。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁10が配置され、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置11内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド4は吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結され、コンプレッサ7aの入口は吸入空気量を検出するためのエアフローメータ8を介してエアクリーナ9に連結される。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁10が配置され、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置11内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド5は排気ターボチャージャ7の排気タービン7bの入口に連結され、排気タービン7bの出口は第1の触媒12の入口に連結される。この第1の触媒12の出口は排気管13を介して第2の触媒14に連結される。また、排気マニホルド5の例えば1番気筒のマニホルド枝管5a内には排気ガス中に燃料を供給するための燃料供給弁15が配置される。
排気マニホルド5と吸気マニホルド4とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路16を介して互いに連結され、EGR通路16内には電子制御式EGR制御弁17が配置される。また、EGR通路16周りにはEGR通路16内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置18が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置18内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁3は燃料供給管19を介してコモンレール20に連結される。このコモンレール20内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ21から燃料が供給され、コモンレール20内に供給された燃料は各燃料供給管19を介して燃料噴射弁3に供給される。
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。第1の触媒12には第1の触媒12の温度を検出するための温度センサ22が取付けられ、第2の触媒14には第2の触媒14の温度を検出するための温度センサ23が取付けられる。これら温度センサ22,23およびエアフローメータ8の出力信号は夫々対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。
アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁3、スロットル弁10の駆動用ステップモータ、燃料供給弁15、EGR制御弁17および燃料ポンプ21に接続される。
第1の触媒12は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるSOxを捕捉する性質を有し、更にこの第1の触媒12は触媒温度TAが予め定められた第1の温度TAO以上のときに流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとSOxを放出する性質を有する。
一方、第2の触媒14は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるSOxを吸蔵する性質を有し、更にこの第2の触媒14は触媒温度TBが第1の温度TAOとは異なる予め定められた第2の温度TBO以上のときに流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとSOxを放出する性質を有する。
図1に示される実施例では第1の触媒12が酸化触媒からなり、第2の触媒14がNOx吸蔵触媒からなる。そこでまず初めにNOx吸蔵触媒14について説明すると、このNOx吸蔵触媒14の基体上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図2(A)はこの触媒担体45の表面部分の断面を図解的に示している。図2(A)に示されるように触媒担体45の表面上には貴金属触媒46が分散して担持されており、更に触媒担体45の表面上にはNOx吸収剤47の層が形成されている。
図1に示される実施例では貴金属触媒46として白金Ptが用いられており、NOx吸収剤47を構成する成分としては例えばカリウムK、ナトリウムNa、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
機関吸気通路、燃焼室2およびNOx吸蔵触媒14上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比と称すると、NOx吸収剤47は排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOxを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出するNOxの吸放出作用を行う。
即ち、NOx吸収剤47を構成する成分としてバリウムBaを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるNOは図2(A)に示されるように白金Pt46上において酸化されてNO2となり、次いでNOx吸収剤47内に吸収されて炭酸バリウムBaCO3と結合しながら硝酸イオンNO3 -の形でNOx吸収剤47内に拡散する。このようにしてNOxがNOx吸収剤47内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Pt46の表面でNO2が生成され、NOx吸収剤47のNOx吸収能力が飽和しない限りNO2がNOx吸収剤47内に吸収されて硝酸イオンNO3 -が生成される。
これに対し、燃料供給弁15から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向(NO3 -→NO2)に進み、斯くしてNOx吸収剤47内の硝酸イオンNO3 -がNO2の形でNOx吸収剤47から放出される。次いで放出されたNOxは排気ガス中に含まれる未燃HC,COによって還元される。
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のNOxがNOx吸収剤47内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にNOx吸収剤47のNOx吸収能力が飽和してしまい、斯くしてNOx吸収剤47によりNOxを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではNOx吸収剤47の吸収能力が飽和する前に燃料供給弁15から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってNOx吸収剤47からNOxを放出させるようにしている。
ところで排気ガス中にはSOx、即ちSO2が含まれており、このSO2がNOx吸蔵触媒14に流入するとこのSO2は白金Pt46において酸化されてSO3となる。次いでこのSO3はNOx吸収剤47内に吸収されて炭酸バリウムBaCO3と結合しながら、硫酸イオンSO4 2-の形でNOx吸収剤47内に拡散し、安定した硫酸塩BaSO4を生成する。しかしながらNOx吸収剤47が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩BaSO4は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩BaSO4は分解されずにそのまま残る。従ってNOx吸収剤47内には時間が経過するにつれて硫酸塩BaSO4が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてNOx吸収剤47が吸収しうるNOx量が低下することになる。
このようにNOx吸収剤47のNOx吸収能力が低下したときにはNOx吸収能力を回復させるためにNOx吸収剤47からSOxを放出させる必要がある。この場合、NOx吸蔵触媒14の温度TBを前述した第2の温度TBOである600℃以上に上昇させた状態でNOx吸蔵触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとNOx吸収剤47からSOxを放出させることができる。
ところでNOxはNO2の形のときがNOx吸蔵触媒14に最も吸蔵されやすい。ところが機関からは大部分のNOxがNOの形で放出される。そこで図1に示される実施例ではNOをNO2に酸化するために第1の触媒12が酸化触媒から構成されている。この酸化触媒12の基体上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図2(B)はこの触媒担体50の表面部分の断面を図解的に示している。図2(B)に示されるように触媒担体50の表面上には例えば白金Ptからなる貴金属触媒51が担持されている。
ところでこの酸化触媒12でも排気ガスの空燃比がリーンのもとで図2(B)に示されるように触媒担体50上および貴金属触媒51上にSOxが捕捉される。これらのSOxは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは放出されることなくそのまま捕捉され続ける。従って酸化触媒12に捕捉されるSOx量は時間の経過と共に増大することになる。酸化触媒12上にSOxが捕捉されると酸化触媒12の酸化能力が弱まり、従って時間が経過するにつれてNOをNO2に酸化する能力が低下していくことになる。
従って酸化触媒12の酸化能力が低下したときには酸化能力を回復させるために酸化触媒12からSOxを放出させる必要がある。この場合、酸化触媒12の温度TAを前述した第1の温度TAOである500℃以上に上昇させた状態で酸化触媒12に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると酸化触媒12からSOxを放出させることができる。なお、図1に示される実施例のように第1の触媒12を酸化触媒から構成し、第2の触媒14をNOx吸蔵触媒から構成した場合には第1の温度TAOは第2の温度TBOよりも低くなる。
さて、酸化触媒12の温度TAは第1の温度TAO、即ち500℃よりも高いがNOx吸蔵触媒14の温度TBが第2の温度TBO、即ち600℃よりも低いときに酸化触媒12およびNOx吸蔵触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると酸化触媒12からはSOxが放出されるがNOx吸蔵触媒14からはSOxが放出されない。このときには酸化触媒12から放出されたSOxがNOx吸蔵触媒14に吸蔵されるのでNOx吸蔵触媒14のNOx吸蔵能力が低下し、斯くしてNOx浄化率の低下を招くことになる。
従って酸化触媒12の温度TAは第1の温度TAOよりも高いがNOx吸蔵触媒14の温度TBが第2の温度TBOよりも低いときには酸化触媒12およびNOx吸蔵触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしないようにする必要がある。
一方、酸化触媒12の温度TAは第1の温度TAO、即ち500℃よりも低いがNOx吸蔵触媒14の温度TBが第2の温度TBO、即ち600℃よりも高いときに酸化触媒12およびNOx吸蔵触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると酸化触媒12からはSOxが放出されないがNOx吸蔵触媒14からはSOxが放出される。このときにはNOx吸蔵触媒14のNOx吸蔵能力は増大するが酸化触媒12の酸化能力は回復されないのでNOx浄化率を十分に回復することができない。
これに対し、酸化触媒12の温度TAが第1の温度TAO、即ち500℃よりも高くかつNOx吸蔵触媒14の温度TBが第2の温度TBO、即ち600℃よりも高いときに酸化触媒12およびNOx吸蔵触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると酸化触媒12からもNOx吸蔵触媒14からもSOxが放出される。このときには酸化触媒12から放出されたSOxがNOx吸蔵触媒14に吸蔵されることもないので酸化触媒12の酸化能力およびNOx吸蔵触媒14のNOx吸蔵能力が共に回復する。斯くして高いNOx浄化率を得られることになる。
従って本発明では、触媒12,14からSOxを放出すべき時期に達したときには第1の触媒12の温度TAが第1の温度TAO以上となりかつ第2の触媒14の温度TBが第2の温度TBO以上になったときに第1の触媒12および第2の触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。
図3に本発明によるSOx放出制御のタイムチャートを示す。なお、この図3には機関から排出される排出SOx量の積算値ΣSOXと、酸化触媒12の温度TAと、NOx吸蔵触媒14の温度TBと、酸化触媒12に流入する排気ガスの空燃比A/Fとが示されている。
ここで図3に示されるΣSOXについて説明すると、燃料中には或る割合で硫黄が含まれており、従って機関から排出される排出SOx量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、従って排出SOx量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では機関から単位時間当り排出される排出SOx量SOXZが要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図4に示されるようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、この排出SOx量SOXZを積算することによって排出SOx量の積算値ΣSOXが算出される。
図3を参照すると、排出SOx量の積算値ΣSOXが予め定められた許容値MAXを越えたときに触媒からSOxを放出すべき時期であると判断され、このとき昇温制御が開始される。この昇温制御は排気ガスの空燃比A/Fがリーンのもとで燃料供給弁15から燃料を噴射することによって行われる。
燃料噴射弁15から燃料が噴射されると一部の燃料は酸化触媒12に付着し、一部の燃料は酸化触媒12を素通りしてNOx吸蔵触媒14に付着する。このとき酸化触媒12に付着した燃料の酸化反応熱により酸化触媒12の温度TAが上昇し、酸化触媒12の温度上昇により温度上昇した排気ガスの熱およびNOx吸蔵触媒14に付着した燃料の酸化反応熱によりNOx吸蔵触媒14の温度TBが上昇する。このとき酸化触媒12とNOx吸蔵触媒14のいずれが急速に温度上昇するかは機関の運転状態による。
次いで酸化触媒12の温度TAが第1の温度TAO以上になりかつNOx吸蔵触媒14の温度TBが第2の温度TBO以上になるとSOx放出のために排気ガスの空燃比A/Fをリッチにするリッチ処理が行われる。このリッチ処理は燃料供給弁15から燃料を間欠的に噴射することによって行われ、従ってこのときにはリッチとリーンとが繰返されることもある。リッチ処理は酸化触媒12に捕捉されているSOxおよびNOx吸蔵触媒14に吸蔵されているSOxを放出させるのに必要な時間に亘って行われる。
図5にSOx放出処理ルーチンを示す。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図5を参照するとまず初めにステップ60において図4に示すマップから排出SOx量SOXZが算出される。次いでステップ61ではこのSOXZが排出SOx量の積算値ΣSOXに加算される。次いでステップ62では排出SOx量の積算値ΣSOXが許容値MAXを越えたか否かが判別され、ΣSOX>MAXとなったときにはステップ63に進んで酸化触媒12に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料供給弁15から燃料を供給することによって各触媒12,14の温度を上昇させる昇温制御が現在行われているか否かが判別される。昇温制御が現在行われていないときにはステップ64に進んで昇温制御が開始される。
図5を参照するとまず初めにステップ60において図4に示すマップから排出SOx量SOXZが算出される。次いでステップ61ではこのSOXZが排出SOx量の積算値ΣSOXに加算される。次いでステップ62では排出SOx量の積算値ΣSOXが許容値MAXを越えたか否かが判別され、ΣSOX>MAXとなったときにはステップ63に進んで酸化触媒12に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料供給弁15から燃料を供給することによって各触媒12,14の温度を上昇させる昇温制御が現在行われているか否かが判別される。昇温制御が現在行われていないときにはステップ64に進んで昇温制御が開始される。
昇温制御が開始されるとステップ63からステップ65に進んで酸化触媒12の温度TAが第1の温度TAOよりも高いか否かが判別される。TA>TAOのときにはステップ66に進んでNOx吸蔵触媒14の温度TBが第2の温度TBOよりも高いか否かが判別される。TB>TBOのときにはステップ67に進んで昇温制御が終了せしめられ、次いでステップ68において燃料供給弁15から供給された燃料によって酸化触媒12に流入する排気ガスの空燃比をSOxの放出完了までリッチに維持するリッチ制御が行われる。SOxの放出が完了するとΣSOXがクリアされる。
なお本発明は、第2の触媒14としてSOxにより被毒するパティキュレートフィルタやNOx選択還元触媒を用いた場合にも適用することができる。
4 吸気マニホルド
5 排気マニホルド
7 排気ターボチャージャ
12 第1の触媒
14 第2の触媒
15 燃料供給弁
5 排気マニホルド
7 排気ターボチャージャ
12 第1の触媒
14 第2の触媒
15 燃料供給弁
Claims (3)
- 機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるSOxを捕捉する第1の触媒が配置され、該第1の触媒下流の機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるSOxを吸蔵する第2の触媒が配置され、該第1の触媒は触媒温度が予め定められた第1の温度以上のときに流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとSOxを放出する性質を有し、該第2の触媒は触媒温度が該第1の温度とは異なる予め定められた第2の温度以上のときに流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとSOxを放出する性質を有し、触媒からSOxを放出すべき時期に達したときには第1の触媒の温度が上記第1の温度以上となりかつ第2の触媒の温度が上記第2の温度以上になったときに第1の触媒および第2の触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置。
- 上記第1の触媒は酸化触媒からなり、上記第2の触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒からなり、上記第1の温度は上記第2の温度よりも低い請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関から排出される排出SOx量の積算値が予め定められた許容値を越えたときに触媒からSOxを放出すべき時期であると判断される請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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JP2014206076A (ja) * | 2013-04-11 | 2014-10-30 | 株式会社キャタラー | 排気ガス浄化用システム及びscr触媒再生方法 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110607 |