JP2013227930A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元触媒の劣化を精度良く検出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排ガス浄化装置２のＥＣＵ１２は、ＳＣＲ触媒８の劣化を判定する判定ユニット１３を備えている。判定ユニット１３は、ＳＣＲ触媒８にて浄化された浄化ＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出部１５と、当該浄化ＮＯｘ量の浄化に必要なＮＨ_３量を算出する消費アンモニア量算出部３０と、ＮＨ_３センサ１１による計測値に基づいてＳＣＲ触媒８をスリップしたＮＨ_３量を算出するスリップアンモニア量算出部２７と、ＳＣＲ触媒８をスリップしたＮＨ_３のスリップ率を算出し、当該スリップ率に基づいてＳＣＲ触媒８の劣化を判定する劣化判定部３５と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガス通路に還元触媒を配設し、還元剤として尿素水から生成されたアンモニアを供給することにより、ＮＯｘ（窒素酸化物）を還元して排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排ガス中に含まれるＮＯｘを浄化するための排ガス浄化装置として、内燃機関の排ガス通路に配置された還元触媒を有し、還元剤としてアンモニアを供給することにより、ＮＯｘを還元して排ガスを浄化する排ガス浄化装置が用いられている（例えば、特許文献１）。
このような排ガス浄化装置では、尿素水を排ガス中に供給するのが一般的であり、尿素水インジェクタなどを用いて排ガス中に尿素水を噴射する。尿素水インジェクタから排ガス中に噴射された尿素水は排ガスの熱により加水分解し、その結果生成されるアンモニアが還元触媒に供給される。こうして還元触媒に供給されたアンモニアと排ガス中のＮＯｘとの間の脱硝反応が還元触媒によって促進されることによりＮＯｘが還元されて排ガスが浄化される。

ここで、排ガス浄化装置に異常が発生して所定の排ガス浄化性能を発揮しなくなると、ＮＯｘの一部が大気中へ放出されてしまう。このため、例えば米国や欧州のＯＢＤ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）に関する法規制では、排ガス浄化装置の異常を検出して検出情報を保存すると共に、運転者への修理を促すべく排ガス浄化装置の異常警告を行う診断機能を車両に装備することが義務付けられている。

特開２００３−３０１７３７号公報

排ガス浄化装置の異常警告を行うだけでなく、排ガス浄化装置の異常の原因となる還元触媒の劣化や尿素水の異常（濃度低下又は供給量不足）等を検出することが望まれている。

本発明は、このような問題を解決するものであって、ＮＯｘ浄化率の低下の原因である還元触媒の劣化を精度良く検出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置は、
内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、
前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出手段と、
前記ＮＯｘ量算出手段により算出されたＮＯｘ量の浄化に必要な消費アンモニア量を算出する消費アンモニア量算出手段と、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるスリップアンモニア量を算出するスリップアンモニア量算出手段と、
前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量及び前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする。

上記内燃機関の排ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ量算出手段と、消費アンモニア量算出手段と、スリップアンモニア量算出手段とを備えているため、還元触媒にて実際に消費された消費アンモニア量及び還元触媒をスリップしたスリップアンモニア量を算出することができる。
そして、劣化判定手段を備えているため、算出された消費アンモニア量及びスリップアンモニア量に基づいて、還元触媒の劣化を判定することができる。これにより、還元触媒の劣化を検出することができる。

また、ＮＯｘの浄化に必要なアンモニアを発生させるために、排ガス通路内に尿素を供給する場合においては、尿素の一部が、還元触媒に到達する前に排ガス通路に堆積する場合がある。これにより、発生するアンモニア量が減少し、還元触媒に到達するアンモニア量が所望量よりも少なくなる。かかる場合に、排ガス通路内に実際に供給された尿素量から生成される発生アンモニア量を用いて還元触媒の劣化判定を実施するとＮＯｘ浄化率が低下するため、還元触媒が劣化していないにもかかわらず劣化していると判定してしまうおそれがある。しかしながら、本発明では、還元触媒の劣化の判定に、還元触媒にて実際に消費された消費アンモニア量を用いており、排ガス通路中に供給した尿素量から生成される発生アンモニア量を用いていない。したがって、還元触媒の劣化を精度良く判定することができる。

また、前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出する無効尿素量算出手段と、を更に備え、
前記劣化判定手段は、
前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量と前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する前記無効尿素量又は前記有効尿素量の割合を算出し、当該割合の値に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定することとしてもよい。

このように、有効尿素量算出手段と、無効尿素量算出手段とを備えているため、実際に還元触媒にて消費された消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量及び還元触媒をスリップしたスリップアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出することができる。
また、還元触媒の劣化の判定に、実際に消費された消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量を用いており、排ガス通路中に実際に供給した尿素量を用いていない。したがって、精度良く還元触媒の劣化を判定することができる。
さらに、劣化判定手段にて、有効尿素量と無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する無効尿素量又は前記有効尿素量の割合を算出し、当該割合の値に基づいて還元触媒の劣化を判定するため、還元触媒の劣化を更に精度良く判定するこができる。

また、前記劣化判定手段は、
前記合計尿素量に対する前記無効尿素量の割合の値が第１閾値以上の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。

このように、劣化判定手段は、合計尿素量に対する無効尿素量の割合の値が第１閾値以上の場合に還元触媒が劣化していると判定するため、短時間で還元触媒の劣化を判定するこができる。

また、前記劣化判定手段は、
前記合計尿素量に対する前記無効尿素量の割合の値が所定回数以上連続して前記第１閾値以上となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。

還元触媒の還元能力は、排ガス流量、排ガス温度、供給される尿素水の濃度等により変動する。このため、有効尿素量と無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する無効尿素量の割合の値が、所定回数以上連続して第１閾値以上となる場合に、還元触媒が劣化していると判定することで、還元触媒の劣化をより精度良く判定することができる。

また、前記劣化判定手段は、
前記合計尿素量に対する前記有効尿素量の割合の値が第２閾値以下の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。

このように、劣化判定手段は、合計尿素量に対する有効尿素量の割合の値が第２閾値以下の場合に還元触媒が劣化していると判定するため、短時間で還元触媒の劣化を判定するこができる。

また、前記劣化判定手段は、
前記合計尿素量に対する前記有効尿素量の割合の値が所定回数以上連続して前記第２閾値以下となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。

還元触媒の還元能力は、排ガス流量、排ガス温度、供給される尿素水の濃度等により変動する。このため、有効尿素量と無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する有効尿素量の割合の値が、所定回数以上連続して第２閾値以下となる場合に、還元触媒が劣化していると判定することで、還元触媒の劣化をより精度良く判定することができる。

また、前記有効尿素量算出手段は、
前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記有効尿素量とすることとしてもよい。

このように、有効尿素量算出手段は、消費アンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出するため、正確な有効尿素量を短時間で算出することができる。

また、前記無効尿素量算出手段は、
前記スリップアンモニア量算出手段により計測されたスリップアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記無効尿素量とすることとしてもよい。

このように、無効尿素量算出手段は、スリップアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出するため、正確な無効尿素量を短時間で算出することができる。

また、前記スリップアンモニア量算出手段は、還元触媒よりも下流の前記排ガス通路に設けられて、アンモニアの濃度を計測するアンモニアセンサを有していることとしてもよい。

このように、アンモニアセンサが還元触媒よりも下流の排ガス通路に設けられているため、還元触媒をスリップしたスリップアンモニア量を短時間で正確に計測することができる。

また、前記ＮＯｘ量算出手段は、前記内燃機関の直下流のＮＯｘ量から前記還元手段の直下流のＮＯｘ量を減算して算出することとしてもよい。

このように、ＮＯｘ量算出手段は、内燃機関の直下流のＮＯｘ量から還元手段の直下流のＮＯｘ量を減算して算出するため、浄化されたＮＯｘ量を正確に取得することができる。

また、前記劣化判定手段によって前記還元触媒が劣化していると判定された際に、運転者に対して警報を発する警告手段を更に備えることとしてもよい。

このように、警告手段を備えているため、運転者は還元触媒が劣化したことを直ちに検知することができる。

本発明によれば、還元触媒の劣化を精度良く検出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略全体構成図である。 判定ユニットの各部にて算出される算出結果及びその出力先を示す図である。 総走行距離とアンモニアスリップ率との関係を示すマップである。 尿素水の濃度を算出するフローを示す図である。 総走行距離と尿素消費率との関係を示すマップである。

以下、本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

＜排ガス浄化装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略全体構成図である。また、図２は、判定ユニットの各部にて算出される算出結果及びその出力先を示す図である。
図１及び図２に示すように、ディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の排ガス浄化装置２は、前段酸化触媒４と、パティキュレートフィルタ（以下フィルタ６という）と、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒８と、後段酸化触媒１０と、を備えている。

エンジン１は、燃料の噴射時期及び噴射量がＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１２によって電子制御されており、かかる噴射時期及び噴射量にて燃焼室５毎に設けられた燃料噴射弁３から、燃焼室５内に燃料が噴射される。
ＥＣＵ１２は、図示しない中央処理装置（ＣＰＵ）、制御プログラムや制御マップ等を格納する記憶装置、走行距離カウンタ及びタイマカウンタ等を備えている。そして、ＥＣＵ１２は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御する。

エンジン１の各燃焼室５から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド９を介して排ガス通路１６に接続されている。
排ガス通路１６は、ターボチャージャ７のタービン７ａを経由して排ガス浄化装置２に接続されている。また、タービン７ａはコンプレッサ７ｂと機械的に連結されており、タービン７ａが排ガス通路１６内を流動する排気を受けてコンプレッサ７ｂを駆動する。

排ガス浄化装置２は、排ガス通路１６に設けられた筒状の上流側ケーシング１４及び当該上流側ケーシング１４よりも下流に設けられた筒状のＳＣＲ用ケーシング１８を備えている。

上流側ケーシング１４内には、前段酸化触媒４が収容されると共に、この前段酸化触媒４よりも下流にはフィルタ６が収容されている。
フィルタ６は、排ガス中のＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を捕集する。このフィルタ６はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、この通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン１の排ガスが内部を流通することによって排ガス中のＰＭが捕集される。

前段酸化触媒４は排ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化させてＮＯ_２（二酸化窒素）を生成する。このため、前段酸化触媒４の下流にフィルタ６を配置することにより、フィルタ６に捕集され堆積しているＰＭは、前段酸化触媒４から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、これによってフィルタ６の連続再生が行われる。また、前段酸化触媒４で生成されたＮＯ_２（二酸化窒素）は、ＮＯｘのＮＯ_２比率を増大しＮＯｘの浄化効率の向上に貢献している（最も浄化効率が高くなるＮＯ_２比率は５０％）。

また、ＳＣＲ用ケーシング１８内には、ＮＨ_３（アンモニア）を還元剤として、排ガス中のＮＯｘを選択還元して排ガスを浄化するＳＣＲ触媒８が収容されている。
そして、ＳＣＲ用ケーシング１８よりも下流の排ガス通路１６には、後段酸化触媒１０を収容するための筒状の下流側ケーシング３８が設けられている。

後段酸化触媒１０は、ＳＣＲ触媒８を通過したＮＨ_３を排ガス中から除去する機能を有している。また、後段酸化触媒１０は、フィルタ６の強制再生でＰＭが焼却される際に発生するＣＯ（一酸化炭素）を酸化し、ＣＯ_２（二酸化炭素）として大気中に排出する機能も有している。

また、排ガス浄化装置２は、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６に設けられ、排ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を計測するＮＯｘセンサ４６と、ＳＣＲ触媒８の直上流に設けられ、ＳＣＲ触媒８に流入する排ガスの温度を検出する温度センサ２８と、排ガス通路１６のフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の部分に尿素水を噴射する噴射装置２０と、を備えている。噴射装置２０の噴射量及び噴射時期等は、ＥＣＵ１２に備えられている尿素水制御部２２にて制御される。

温度センサ２８による計測結果は、温度センサ２８から尿素水制御部２２へ向けて出力される。尿素水制御部２２は、温度センサ２８による計測結果に基づいて、噴射装置２０から尿素水を供給するか否かを決定する。

噴射装置２０は、排ガス通路１６のフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の部分に設けられた尿素水インジェクタ２４と、尿素水インジェクタ２４に尿素水を供給する尿素水供給用ポンプ２５と、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を調整する制御弁２１と、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を計測する尿素水流量計２３と、尿素水を貯留する尿素水タンク２６と、を備えている。

尿素水制御部２２は、温度センサ２８の計測結果に基づいて、排ガスの温度が尿素水を加水分解可能な温度以上か否かを判定する。そして、排ガスの温度が加水分解可能な温度以上であると判定した場合に、尿素水供給用ポンプ２５を稼働させて尿素水を排ガス中に供給する。このとき、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水量を制御弁２１により制御することにより、ＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水を供給する。この制御弁２１は、尿素水制御部２２により制御される。
そして、尿素水流量計２３による計測結果は、尿素水流量計２３から尿素水制御部２２へ向けて出力される。なお、本実施形態では、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を計測する尿素水流量計２３を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、尿素水の供給量を計測可能なメータリングユニットを備えた尿素水供給用ポンプを用いてもよい。要は、尿素水供給用ポンプから供給される尿素水の流量を計測できる機能を備えていればよい。

尿素水供給用ポンプ２５から供給された尿素水は、ミキシングチャンバー２９にて圧縮エアと混合され、供給管３１を通過後、尿素水インジェクタ２４からＳＣＲ触媒８よりも上流の排ガス通路１６の部分に供給される。
使用すべき正規の尿素水の濃度は、予め定められており、本実施形態では、尿素の飽和状態である３２．５％とした。以下、濃度３２．５％を規定濃度という。なお、本実施形態では、規定濃度を３２．５％としたが、この値に限定されるものではなく、３２．５％未満としてもよいが、尿素水の消費量が増加するため、３２．５％に近い値であることが望ましい。

次に、ＳＣＲ触媒８の劣化を判定する判定ユニット１３について説明する。
判定ユニット１３は、ＥＣＵ１２内に設けられている。そして、判定ユニット１３は、ＮＯｘ量算出部１５、消費アンモニア量算出部３０及び有効尿素量算出部１７を備えている。

ＮＯｘセンサ４６による計測結果は、ＮＯｘセンサ４６から判定ユニット１３へ向けて出力される。判定ユニット１３のＮＯｘ量算出部１５は、ＮＯｘセンサ４６により計測されたＮＯｘ濃度及びエンジン１から排出される排ガスに含まれる第１ＮＯｘ量（後述する）に基づいて、ＳＣＲ触媒８にて浄化された浄化ＮＯｘ量を算出する。浄化ＮＯｘ量を算出する算出方法について以下に説明する。

まず、エンジン１から排出される単位時間当たりのＮＯｘ量として第１ＮＯｘ量を決定する。エンジン１から排出されるＮＯｘ量は、エンジン１の回転速度や燃料噴射量、即ちエンジン１の運転状態から決定することができる。具体的には、エンジン１の運転状態とＮＯｘ量との関係を示すマップ等に基づいて第１ＮＯｘ量を決定する。エンジン１の運転状態とＮＯｘ量との関係が示されたマップ等はＥＣＵ１２内の上記記憶装置に格納されている。
なお、本実施形態では、エンジン１の運転状態から第１ＮＯｘ量を定める場合について説明したが、この方法に限定されるものではなく、例えば、タービン７ａの直上流の排ガス通路１６の部分にＮＯｘセンサを設け、当該ＮＯｘセンサにより計測された計測値に、単位時間当たりの排ガス流量を乗算して、エンジン１から排出される単位時間当たりの第１ＮＯｘ量を算出してもよい。

また、ＮＯｘ量算出部１５は、ＮＯｘセンサ４６により計測された計測値に、単位時間当たりの排ガス流量を乗算して、ＳＣＲ触媒８を通過した排ガス中に含まれる単位時間当りの第２ＮＯｘ量を算出する。

第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量をそれぞれ、予め設計等により決定された所定の走行距離（例えば、３０ｋｍ）にわたって積算する。走行距離は、ＥＣＵ１２の上記走行距離カウンタにより計測される。第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量を所定の走行距離にわたって積算することで、ＳＣＲ触媒８に貯蔵されるＮＨ_３量を無視することができる。以下の説明では、所定の走行距離にわたって積算された第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量をそれぞれ第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量という。

次に、ＳＣＲ触媒８にて浄化された所定の走行距離当たりの浄化ＮＯｘ量を次式（１）より算出する。
浄化ＮＯｘ量＝第１ＮＯｘ積算量−第２ＮＯｘ積算量・・・式（１）
この浄化ＮＯｘ量は、所定の走行距離毎に算出される。

所定の走行距離毎に算出された浄化ＮＯｘ量は、ＥＣＵ１２の上記記憶装置に格納される。記憶装置には、所定の走行距離を積算した総走行距離情報（例えば、３０、６０、９０・・・（ｋｍ））が格納されている。そして、総走行距離情報に対応する浄化ＮＯｘ量（即ち所定の走行距離毎に算出された浄化ＮＯｘ量）が、各総走行距離情報のそれぞれに紐付けられて記憶装置に格納される。なお、総走行距離情報は、ＳＣＲ触媒８を再生又は交換する際にリセットされる。

そして、算出された浄化ＮＯｘ量は、ＮＯｘ量算出部１５から消費アンモニア量算出部３０に向けて出力される。

消費アンモニア量算出部３０は、ＮＯｘ量算出部１５により算出された浄化ＮＯｘ量に基づいて、当該浄化ＮＯｘ量の浄化に必要な消費アンモニア量を算出する。ＮＯｘ浄化量とＮＨ_３の関係はＮＯ_２比率に依存するため、詳細の値を算出することは困難である。このため、ＮＯ_２比率を５０％と仮定して簡易的に１モルのＮＯｘは、１モルのＮＨ_３と反応して浄化されることとする。即ち、ＮＯ_２１モルに対してＮＨ_３１モルが１当量となるため、浄化ＮＯｘ量の浄化に必要な消費アンモニア量Ｎｎを、次式（２）により算出する。なお、ＮＯｘをＮＯ_２として分子量は４６ｇ／ｍｏｌ、ＮＨ_３の分子量は１７ｇ／ｍｏｌとした。
Ｎｎ＝（浄化ＮＯｘ量／４６）×１７ ・・・式（２）
ここで、Ｎｎは消費アンモニア量（ｇ）であり、浄化ＮＯｘ量は上記式（１）から算出される値（ｇ）である。また、値４６はＮＯ_２の分子量（ｇ）、値１７はＮＨ_３の分子量（ｇ）である。
そして、算出された消費アンモニア量は、消費アンモニア量算出部３０から有効尿素量算出部１７へ向けて出力される。

有効尿素量算出部１７は、上記式（２）により算出された消費アンモニア量Ｎｎを生成するのに必要な有効尿素量Ａｎを算出するとともに、当該尿素量の発生に必要な必要尿素水量Ｕｎを算出する。具体的に１モルの尿素から２モルのＮＨ_３が生成されるため、消費アンモニア量Ｎｎを発生させるのに必要な有効尿素量Ａｎを、次式（３）により算出する。なお、尿素の分子量を６０ｇ／ｍｏｌとした。
Ａｎ＝（Ｎｎ／（１７×２））×６０×β ・・・式（３）
ここで、Ａｎは有効尿素量（ｇ）であり、Ｎｎは上記式（２）から算出される消費アンモニア量（ｇ）である。また、値１７はＮＨ_３の分子量（ｇ）、値２はモル数、値６０は尿素の分子量（ｇ）である。さらに、βは、実験等から求められる係数である。係数βの値は予め決定されている。
なお、本実施形態では、上記式（２）から算出した消費アンモニア量Ｎｎに基づいて有効尿素量Ａｎを算出した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば有効尿素量算出部１７は、上記式（１）により算出された浄化ＮＯｘ量を還元するのに必要な有効尿素量を直接、算出してもよい。具体的に１モルの尿素は、２モルのＮＯ_２と反応して浄化される（即ち、尿素１モルに対してＮＯ_２２モルが１当量となる）ため、有効尿素量Ａｎを、次式（４）により算出してもよい。
Ａｎ＝（浄化ＮＯｘ量／（４６×２））×６０×β ・・・式（４）
ここで、Ａｎは有効尿素量（ｇ）であり、浄化ＮＯｘ量は上記式（１）から算出される値（ｇ）である。また、値４６はＮＯ_２の分子量（ｇ）、値２はモル数、値６０は尿素の分子量（ｇ）である。そして、βは実験等から求められる係数である。

続いて、有効尿素量算出部１７は、上記式（３）又は（４）により算出された有効尿素量Ａｎに基づいて、当該有効尿素量Ａｎの発生に必要な規定濃度の必要尿素水量Ｕｎを次式（５）により算出する。
Ｕｎ＝Ａｎ×（１／０．３２５） ・・・式（５）
ここで、Ｕｎは、必要尿素水量（ｇ）であり、値０．３２５は、尿素水の規定濃度である。
算出された有効尿素量Ａｎ及び必要尿素水量Ｕｎは、有効尿素量算出部１７からそれぞれ劣化判定部３５（後述する）及び尿素水制御部２２に向けて出力される。

尿素水制御部２２は、有効尿素量算出部１７により算出された必要尿素水量に基づいて噴射装置２０の尿素水供給用ポンプ２５及び制御弁２１を制御し、必要尿素水量の尿素水をフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の排ガス通路１６内の排ガス中に供給する。
排ガス中に供給された尿素水は霧化し、排ガスの熱により加水分解してＮＨ_３となってＳＣＲ触媒８に供給される。ＳＣＲ触媒８は、ＮＨ_３と排ガス中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを還元して無害なＮ_２とする。なお、このときＮＨ_３がＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒８から流出した場合には、このＮＨ_３が後段酸化触媒１０によって排ガス中から除去される。

ところで、尿素水タンク２６内の尿素水の濃度が規定濃度よりも低い場合、尿素水と間違って水等が補充されている場合、或いはＳＣＲ触媒８が劣化している場合等、ＳＣＲ触媒８のＮＯｘ浄化率が低下してしまう。ＮＯｘ浄化率が低下するとアンモニアスリップが発生する。アンモニアスリップが発生すると脱硝反応に寄与しないＮＨ_３がＳＣＲ触媒８を通過する。

そこで、排ガス浄化装置２は、ＳＣＲ触媒８を通過したＮＨ_３の濃度を常時計測している。具体的に、排ガス浄化装置２は、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６に設けられ、排ガス中に含まれるＮＨ_３の濃度を計測するＮＨ_３センサ（アンモニアセンサ）１１を備えている。
ＮＨ_３センサ１１による計測結果は、ＮＨ_３センサ１１から後述するスリップアンモニア量算出部２７へ向けて出力される。

判定ユニット１３は、スリップアンモニア量算出部２７と、無効尿素量算出部１９とを更に備えている。

スリップアンモニア量算出部２７は、ＮＨ_３センサ１１により計測されたＮＨ_３濃度に基づいてＳＣＲ触媒８を通過したスリップアンモニア量ＳＡｎを、次式（６）により算出する。
ＳＡｎ＝（ＮＨ_３濃度×Ｅｇａｓ）／１０^６ ・・・式（６）
ここで、ＳＡｎはスリップアンモニア量（ｇ）であり、ＮＨ_３濃度はＮＨ_３センサ１１により計測された値（ｐｐｍ）であり、ＥｇａｓはＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６を通過する排ガスの体積流量を標準状態（１０℃、１ａｔｍ）に換算した排ガス体積流量（Ｌ）である。排ガス体積流量は、所定の時間間隔で取得され、スリップアンモニア量算出部２７に格納される。
算出したスリップアンモニア量ＳＡｎは、スリップアンモニア量算出部２７から無効尿素量算出部１９に向けて出力される。

無効尿素量算出部１９は、スリップアンモニア量算出部２７により算出されたスリップアンモニア量ＳＡｎの生成に必要な無効尿素量Ｑｎを算出する。具体的に１モルの尿素から２モルのＮＨ_３が生成されるため、上記式（６）により算出されたスリップアンモニア量ＳＡｎを生成するのに必要な無効尿素量Ｑｎを、次式（７）により算出する。
Ｑｎ＝（ＳＡｎ／（２２．４×２））×６０ ・・・式（７）
ここで、Ｑｎは無効尿素量（ｇ）であり、ＳＡｎは上記式（６）により算出されたスリップアンモニア量（ｇ）である。また、値２２．４は標準状態（１０℃、１ａｔｏｍ）における１モルの体積（Ｌ）、値２はモル数、値６０は尿素の分子量（ｇ）である。
なお、本実施形態では、ＮＨ_３センサ１１により計測されたＮＨ_３濃度から無効尿素量Ｑｎを算出する過程において、式（６）及び式（７）をそれぞれ計算した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、式（６）及び式（７）をまとめた次式（８）にて、無効尿素量Ｓｎを算出してもよい。
Ｑｎ＝（（（ＮＨ_３濃度×Ｅｇａｓ）／１０^６）／２２．４）×（１／２）×６０ ・・・式（８）
算出された無効尿素量Ｑｎは、無効尿素量算出部１９から後述する劣化判定部３５に向けて出力される。

ＥＣＵ１２の判定ユニット１３は、劣化判定部３５を更に備えている。
劣化判定部３５は、無効尿素量算出部１９により算出された無効尿素量Ｑｎ及び有効尿素量算出部１７により算出された有効尿素量Ａｎに基づいて、次式（９）にてＳＣＲ触媒８を通過するＮＨ_３のスリップ率Ｒｓを算出する。
Ｒｓ ＝Ｑｎ／（Ａｎ＋Ｑｎ） ・・・式（９）
ここで、ＲｓはＳＣＲ触媒８を通過するＮＨ_３のスリップ率である。また、Ｑｎは無効尿素量算出部１９より算出された無効尿素量（ｇ）であり、Ａｎは有効尿素量算出部１７より算出された有効尿素量（ｇ）である。

算出されたスリップ率Ｒｓは、ＥＣＵ１２の記憶装置に格納されている総走行距離情報に紐付けられて記憶装置に格納される。

次に、劣化判定部３５は、算出されたスリップ率Ｒｓに基づいて、総走行距離とスリップ率Ｒｓとの関係を示すマップを作成するとともに、スリップ率Ｒｓが第１閾値以下か否かを判定する。

図３は、総走行距離とスリップ率との関係を示すマップである。図３に示すように、劣化判定部３５は、ＥＣＵ１２の記憶装置に格納されている総走行距離情報、及び当該総走行距離情報に紐付けられたスリップ率Ｒｓに基づいてマップを作成する。
そして、スリップ率Ｒｓが第１閾値未満である場合、ＳＣＲ触媒８が正常であるとして、この判定結果を記憶装置に格納する。判定結果は、対応する総走行距離情報に紐付けられて格納される。また、運転席付近に設置された緑色の正常ランプ３６を点灯させて、ＳＣＲ触媒８が正常であることを表示する。なお、本実施形態では、スリップ率Ｒｓが第１閾値未満のときに正常ランプ３６を点灯させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、正常ランプ３６を点灯させる等の対策を実施しなくても良い。なお、第１閾値は、ＮＯｘの平均浄化率に基づいて設計等により決定される値である。

一方、スリップ率Ｒｓが第１閾値以上である場合、ＳＣＲ触媒８が劣化していると判定して、この判定結果を記憶装置の対応する総走行距離情報に紐付けて格納するとともに、第１閾値以上であると判定した判定回数Ｎａをカウントする。例えば、スリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると最初に判定された場合、判定回数Ｎａは１となる。そして、所定距離を走行した後、再びスリップ率Ｒｓを算出したときに、新たなスリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると判定された場合、判定回数Ｎａは２となる。ただし、スリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると判定されて、所定距離を走行した後、再びスリップ率Ｒｓを算出したときに、スリップ率Ｒｓが第１閾値未満であると判定された場合、判定回数Ｎａはリセットされて０（ゼロ）となる。
そして、劣化判定部３５は、判定回数Ｎａが予め設定された所定回数Ｎｔｈ（例えば、４回）以上になったら、運転席付近に設置された警告ランプ３７を点滅又は点灯させて、ＳＣＲ触媒８が劣化していることを運転手に警告する。

ＳＣＲ触媒８を再生又は交換した後には、走行距離カウンタは車両の総走行距離を０（ゼロ）にリセットし、新たに総走行距離の計測を開始する。

＜ＳＣＲ触媒８の劣化判定フロー＞
次に、上述した構成からなる排ガス浄化装置２を用いたＳＣＲ触媒８の劣化判定フローについて図４を用いて説明する。

図４に示すように、まず、第１閾値Ｒｔｈ及び連続して第１閾値以上となった場合に警告ランプ３７を点滅又は点灯させる所定回数Ｎｔｈを設定する。また、判定回数Ｎａを０（ゼロ）に設定する（ステップＳ２）。

次に、第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量の積算を開始するとともに、ＮＨ_３濃度の計測を開始する（ステップＳ４）。

第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量は、ＮＯｘ量算出部１５に向けて出力され、当該ＮＯｘ量算出部１５に格納される。また、ＮＨ_３濃度は、スリップアンモニア量算出部２７に向けて出力され、当該スリップアンモニア量算出部２７に格納される。

次に、ＮＯｘ量算出部１５は、格納された第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量に基づいて、第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量を算出する。続いて、算出した第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量に基づいて、上記式（１）より浄化ＮＯｘ量を算出する（ステップＳ６）。
そして、算出された浄化ＮＯｘ量は、ＮＯｘ量算出部１５から消費アンモニア量算出部３０に向けて出力される。

消費アンモニア量算出部３０は、ＮＯｘ量算出部１５により算出された浄化ＮＯｘ量に基づいて上記（２）式より、当該浄化ＮＯｘ量の浄化に必要な消費アンモニア量を算出する。
そして、算出された消費アンモニア量は、消費アンモニア量算出部３０から有効尿素量算出部１７にむけて出力される。
有効尿素量算出部１７は、消費アンモニア量算出部３０により算出された消費アンモニア量に基づいて上記式（３）より、当該消費アンモニア量を生成するのに必要な有効尿素量を算出する（ステップＳ８）。
そして、算出された有効尿素量は有効尿素量算出部１７から劣化判定部３５に向けて出力される。

次に、ステップＳ４でスリップアンモニア量算出部２７に格納されたＮＨ_３濃度に基づいて上記式（６）より、スリップアンモニア量を算出する。
そして、算出されたスリップアンモニア量はスリップアンモニア量算出部２７から無効尿素量算出部１９に向けて出力される。
無効尿素量算出部１９は、スリップアンモニア量算出部２７により算出されたスリップアンモニア量に基づいて上記式（７）より、当該スリップアンモニア量を生成するのに必要な無効尿素量を算出する（ステップＳ１０）。
そして、算出された無効尿素量は無効尿素量算出部１９から劣化判定部３５に向けて出力される。

劣化判定部３５は、無効尿素量算出部１９により算出された無効尿素量、及び有効尿素量算出部１７により算出された有効尿素量に基づいて上記式（９）より、アンモニアのスリップ率Ｒｓを算出する（ステップＳ１２）。

続いて、劣化判定部３５は、算出されたスリップ率Ｒｓに基づいて、当該スリップ率Ｒｓが第１閾値以上か否かを判定する（ステップＳ１４）。
劣化判定部３５は、スリップ率Ｒｓが第１閾値未満であると判定した場合、運転席付近に設置された正常ランプ３６を点灯させて、ＳＣＲ触媒８が正常であることを表示する（ステップＳ１６）。
続いて、劣化判定部３５は、判定回数Ｎａをリセットして０（ゼロ）とし（ステップＳ１８）、再び、ステップＳ４を実施する。

一方、劣化判定部３５は、スリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると判定した場合、判定回数Ｎａをカウントする（ステップＳ２０）。具体的には、スリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると判定された場合、判定回数Ｎａに１が加算される。例えば、スリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると最初に判定された場合、判定回数Ｎａは１となる。また、所定距離を走行した後、再びスリップ率Ｒｓを算出したときに、新たなスリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると判定された場合、判定回数Ｎａに１が加算されて２となる。

次に、劣化判定部３５は、判定回数Ｎａが所定回数Ｎｔｈ以上か否かを判定する（ステップＳ２２）。
劣化判定部３５は、判定回数Ｎａが所定回数Ｎｔｈ以上であると判定した場合、運転席付近に設置された警告ランプ３７を点滅又は点灯させて、ＳＣＲ触媒８が劣化していることを表示する（ステップＳ２４）。
一方、劣化判定部３５は、判定回数Ｎａが所定回数Ｎｔｈ未満であると判定した場合、再び、ステップＳ４を実施する。

なお、本実施形態では、浄化ＮＯｘ量等を算出（ステップＳ６）して有効尿素量を算出（ステップＳ８）し、その後、無効尿素量を算出（ステップＳ１０）する順番で実施する場合について説明したが、この順番に限定されるものではない。例えば、無効尿素量を算出した後、浄化ＮＯｘ量等を算出して有効尿素量を算出してもよい。また、浄化ＮＯｘ量等を算出して有効尿素量を算出する工程と並行して無効尿素量を算出してもよい。

＜排ガス浄化装置２による効果＞
上述したように、本実施形態に係る排ガス浄化装置２によれば、ＮＯｘ量算出部１５と、消費アンモニア量算出部３０とを備えているため、実際にＳＣＲ触媒８にて消費された消費アンモニア量を算出することができる。さらに、有効尿素量算出部１７を備えているため、消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量を算出することができる。
また、ＮＨ_３センサ１１と、スリップアンモニア量算出部２７とを備えているため、ＳＣＲ触媒８をスリップしたスリップアンモニア量を算出することができる。さらに、無効尿素量算出部１９を備えているため、スリップアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出することができる。
そして、劣化判定部３５にて、有効尿素量と無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する無効尿素量の割合（即ち、消費アンモニア量とスリップアンモニア量とを加算した合計アンモニア量に対するスリップアンモニア量の割合）であるスリップ率を算出するとともに、スリップ率が第１閾値以上の場合にＳＣＲ触媒８が劣化していると判定するため、短時間でＳＣＲ触媒８の劣化を判定するこができる。
また、排ガス通路１６に尿素水を噴射すると、尿素の一部が、ＳＣＲ触媒８に到達する前に排ガス通路１６内に堆積する場合がある。これにより、発生するアンモニア量が減少し、ＳＣＲ触媒８に到達するアンモニア量が所望量よりも少なくなってしまう場合がある。かかる場合に、有効尿素量の代わりに排ガス通路１６内に実際に供給された尿素量を用いてＳＣＲ触媒８の劣化判定を実施すると、ＳＣＲ触媒８の劣化が進行していないにもかかわらず劣化していると判定してしまう場合がある。しかしながら、本発明では、ＳＣＲ触媒８の劣化の判定に、実際にＳＣＲ触媒８で消費された有効尿素量を用いており、排ガス通路１６中に実際に供給した尿素量を用いていない。したがって、精度良くＳＣＲ触媒８の劣化を判定することができる。

また、ＳＣＲ触媒８の還元能力は、排ガス流量、排ガス温度、供給される尿素水の濃度等により変動する。このため、スリップ率の値が、所定回数以上連続して第１閾値以上となる場合に、ＳＣＲ触媒８が劣化していると判定することで、ＳＣＲ触媒８の劣化を精度良く判定することができる。

また、無効尿素量算出部１９は、スリップアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出するため、正確な尿素量を短時間で算出することができる。
そして、ＮＨ_３センサ１１は、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間に設けられているため、ＳＣＲ触媒８をスリップしたスリップアンモニア量を正確に計測することができる。
さらに、ＮＯｘ量算出部１５は、エンジン１の直下流のＮＯｘ量からＳＣＲ触媒８の直下流のＮＯｘ量を減算して算出するため、正確なＮＯｘ量を取得することができる。
また、ＳＣＲ触媒８が劣化していないこと示す正常ランプ３６及びＳＣＲ触媒８の劣化を示す警告ランプ３７を備えているため、運転者は、点検等の作業をすることなく、ＳＣＲ触媒８の状態を検知することができる。

また、現在のＯＢＤは、ＮＯｘ値の絶対量に規制を設けており、ＮＯｘ量が予め設定された値を超えたときに異常である旨を出力する。しかし、ＯＢＤ自体では異常の原因について特定することができない。そこで、本発明に係る排ガス浄化装置２を用いることで、ＮＯｘ値の異常の原因の一つであるＳＣＲ触媒８の劣化を検知することができる。

なお、本実施形態では、総走行距離を計測して所定の走行距離毎（例えば、３０ｋｍ毎）にスリップ率を算出する場合について説明したが、走行距離に限定されるものではなく、総走行時間を計測して所定の時間毎（例えば、１時間毎）にスリップ率を積算してもよい。かかる場合には、総走行時間は、ＳＣＲ触媒８を再生又は交換する際に０（ゼロ）にリセットし、新たに総走行時間の計測を開始する。

また、本実施形態では、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間にＮＨ_３センサ１１を配置した場合について説明したが、この位置に限定されるものではない。例えば、後段酸化触媒１０よりも下流側に設けてよいし、また、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０とが一体型になっているものを用いる場合には、当該一体型のものの下流側に配置してもよい。要は、ＮＨ_３センサ１１がＳＣＲ触媒８よりも下流側に配置されていれば良い。

また、本実施形態では、劣化判定部３５にて、有効尿素量Ａｎと無効尿素量Ｑｎとを加算した合計尿素量に対する無効尿素量Ｑｎの割合（即ち、Ｑｎ／（Ａｎ＋Ｑｎ））であるスリップ率を算出し、当該スリップ率に基づいてＳＣＲ触媒８の劣化を判定する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、劣化判定部３５にて、有効尿素量Ａｎと無効尿素量Ｑｎとを加算した合計尿素量に対する有効尿素量Ａｎの割合（即ち、Ａｎ／（Ａｎ＋Ｑｎ））である尿素消費率を算出し、当該尿素消費率に基づいてＳＣＲ触媒８の劣化を判定してもよい。
かかる場合には、劣化判定部３５は、図５に示すように、総走行距離と尿素消費率に基づいてマップを作成して、尿素消費率が第２閾値よりも大きい場合、ＳＣＲ触媒８が正常であると判定する。一方、尿素消費率が第２閾値以下である場合、ＳＣＲ触媒８が劣化していると判定して、判定回数Ｎａをカウントする。そして、判定回数Ｎａが予め設定された所定回数Ｎｔｈ（例えば、４回）以上になったら、運転席付近に設置された警告ランプ３７を点滅又は点灯させて、ＳＣＲ触媒８が劣化していることを運転手に警告することとしてもよい。なお、第２閾値は、ＮＯｘの平均浄化率に基づいて設計等により決定される値である。

内燃機関から排出される排ガス中に含まれるＮＯｘの浄化に適用できる。

１ エンジン
２ 排ガス浄化装置
３ 燃料噴射弁
４ 前段酸化触媒
５ 燃焼室
６ フィルタ
７ ターボチャージャ
７ａ タービン
７ｂ コンプレッサ
８ ＳＣＲ触媒
９ 排気マニホールド
１０ 後段酸化触媒
１１ ＮＨ_３センサ
１２ ＥＣＵ
１３ 判定ユニット
１４ 上流側ケーシング
１５ ＮＯｘ量算出部
１６ 排ガス通路
１７ 有効尿素量算出部
１８ ＳＣＲ用ケーシング
１９ 無効尿素量算出部
２０ 噴射装置
２１ 制御弁
２２ 尿素水制御部
２３ 尿素水流量計
２４ 尿素水インジェクタ
２５ 尿素水供給用ポンプ
２６ 尿素水タンク
２７ スリップアンモニア量算出部
２８ 温度センサ
２９ ミキシングチャンバー
３０ 消費アンモニア量算出手段
３５ 劣化判定部
３６ 正常ランプ
３７ 警告ランプ
３８ 下流側ケーシング
４６ ＮＯｘセンサ

Claims (11)

1. 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、
   前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出手段と、
   前記ＮＯｘ量算出手段により算出されたＮＯｘ量の浄化に必要な消費アンモニア量を算出する消費アンモニア量算出手段と、
   前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるスリップアンモニア量を算出するスリップアンモニア量算出手段と、
   前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量及び前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
   前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出する無効尿素量算出手段と、を更に備え、
   前記劣化判定手段は、
   前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量と前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する前記無効尿素量又は前記有効尿素量の割合を算出し、当該割合の値に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 前記劣化判定手段は、
   前記合計尿素量に対する前記無効尿素量の割合の値が第１閾値以上の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 前記劣化判定手段は、
   前記合計尿素量に対する前記無効尿素量の割合の値が所定回数以上連続して前記第１閾値以上となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
5. 前記劣化判定手段は、
   前記合計尿素量に対する前記有効尿素量の割合の値が第２閾値以下の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
6. 前記劣化判定手段は、
   前記合計尿素量に対する前記有効尿素量の割合の値が所定回数以上連続して前記第２閾値以下となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
7. 前記有効尿素量算出手段は、
   前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記有効尿素量とすることを特徴とする請求項２〜６のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
8. 前記無効尿素量算出手段は、
   前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記無効尿素量とすることを特徴とする請求項２〜６のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
9. 前記スリップアンモニア量算出手段は、還元触媒よりも下流の前記排ガス通路に設けられて、アンモニアの濃度を計測するアンモニアセンサを有していることを特徴とする請求項１〜８のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
10. 前記ＮＯｘ量算出手段は、前記内燃機関の直下流のＮＯｘ量から前記還元手段の直下流のＮＯｘ量を減算して前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
11. 前記劣化判定手段によって前記還元触媒が劣化していると判定された際に、運転者に対して警報を発する警告手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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