JP4761223B2 - 内燃機関の触媒劣化検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置に関する。

一般に、内燃機関では排気ガスを浄化するために排気通路に触媒が配置されている。このような触媒、例えば三元触媒は、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きくなると、即ちリーンになると排気ガス中に存在する過剰酸素を吸着保持し、触媒流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも小さくなると、即ちリッチになると吸着保持された酸素を放出するＯ₂ストレージ機能を有する。従って、内燃機関の通常運転時、理論空燃比を中心として運転条件により混合気がリッチ側又はリーン側に振れてしまっても、触媒表面は理論空燃比に保たれ、三元触媒のもつＯ₂ストレージ機能により、混合気がリーンになったときには過剰な酸素が触媒に吸着保持されるためにＮＯｘが還元され、混合気がリッチになったときには触媒に吸着保持された酸素が放出されるためにＨＣおよびＣＯが酸化され、これによりＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化できることになる。

そこで従来より触媒上流側の排気通路に排気空燃比を検出するための空燃比センサを配置し、排気空燃比がリーンになったときには燃料供給量を増量し、排気空燃比がリッチになったときには燃料供給量を減量させることにより、空燃比が理論空燃比を中心として制御されるためリッチ側又はリーン側に交互に振れてしまっても、それによってＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に低減されるようになっている。

ところで、三元触媒が劣化すると排気ガス浄化率が低下する。三元触媒の劣化度とＯ₂ストレージ機能の低下度との間にはともに貴金属を介する反応であるため相関関係がある。よって、Ｏ₂ストレージ機能が低下したことを検出することで触媒が劣化したことを検出することができる。より具体的には、現状の触媒が吸蔵し得る最大酸素量としての酸素吸蔵容量を計測することで触媒の劣化が検出可能である。

例えば、触媒に流入する排気ガスの空燃比が所定の中心空燃比を境にリーン側及びリッチ側に強制的に切り替えられ、即ちアクティブ空燃比制御が実行される。そしてその切替毎に触媒の酸素吸蔵容量が繰り返し計測され、これら複数の酸素吸蔵容量計測値の平均値を所定の劣化判定値と比較して、触媒の劣化の有無が判定される（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−３４０５号公報

このアクティブ空燃比制御を伴う触媒劣化検出では、一般的に、最初から所定個（例えば２〜３個）の酸素吸蔵容量計測値が劣化判定に用いられず無効化される。その理由は、アクティブ空燃比制御開始直後は触媒の状態が安定せず、酸素吸蔵容量計測値に誤差が含まれるからである。

一方、内燃機関の例えば加速時において、内燃機関に供給する燃料量を通常運転時よりも増量する燃料増量補正が実施される場合がある。この燃料増量補正が実施された場合、排気ガス中のリッチ成分（主にＨＣ，ＣＯ）が触媒表面に付着し、触媒が一時的にリッチ被毒することがある。

このリッチ被毒状態で触媒の酸素吸蔵容量が計測されると、触媒の酸素吸放出作用が妨げられる結果、計測値に一層大きな誤差が含まれるようになる。この誤差を多く含む計測値を用いて触媒劣化検出を行うことは、当然ながら、触媒劣化検出の検出精度を落としめ、最悪誤検出につながる虞もある。

そこで、本発明は以上の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料増量補正に起因する検出精度の低下を防止し得る内燃機関の触媒劣化検出装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
排気空燃比を所定の中心空燃比を境にリーン側及びリッチ側に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
該アクティブ空燃比制御手段による排気空燃比の切替毎に、触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
該計測手段によって計測された複数の酸素吸蔵容量計測値のうち、最初から所定個の計測値を除いた残余の計測値に基づき、触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、
アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、その燃料増量補正が無い場合に比べ、触媒劣化判定に使用しない前記所定個の無効計測値の数を増加させる無効計測値増加手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置が提供される。

この本発明の第１の形態によれば、アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、触媒劣化判定に使用しない無効計測値の数が増加させられる。これにより、リッチ被毒による誤差を含む酸素吸蔵容量計測値を検出データから除くことができ、検出精度の低下及び誤検出を未然に防止することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記無効計測値増加手段は、燃料増量補正終了時からアクティブ空燃比制御開始時までの経過時間が所定時間より短い場合に、前記所定個の無効計測値の数を増加させる
ことを特徴とする。

燃料増量補正による触媒のリッチ被毒は、その燃料増量補正終了後、一定時間を経過すると解消する一時的なものである。逆に言えば、その一定時間経過前のみが触媒がリッチ被毒状態にある期間である。よって、本発明の第２の形態のように、燃料増量補正終了時からアクティブ空燃比制御開始時までの経過時間が所定時間より短い場合に無効計測値の数を増加させることによって、徒に無効計測値の数を増加させずに済み、劣化検出時間の長期化ひいてはエミッションの悪化を防止することができる。

本発明の第３の形態は、前記第１又は第２の形態において、
前記無効計測値増加手段は、燃料増量補正終了時からアクティブ空燃比制御開始時までの経過時間に応じて、前記所定個の無効計測値の数を変更する
ことを特徴とする。

燃料増量補正終了時から多くの時間が経過するほど、触媒のリッチ被毒状態は解消していく。よって、本発明の第３の形態のように、燃料増量補正終了時からアクティブ空燃比制御開始時までの経過時間に応じて無効計測値の数を変更することで、無効計測値の数を触媒のリッチ被毒状態に応じた適正数にすることが可能となる。

本発明の第４の形態は、前記第１乃至第３のいずれかの形態において、
前記無効計測値増加手段は、燃料増量補正時における実際の排気空燃比と理論空燃比との差、及び燃料増量補正時間の少なくとも一方に基づき、前記所定個の無効計測値の数を変更する
ことを特徴とする。

燃料増量補正時における実際の排気空燃比と理論空燃比との差が大きいほど、また燃料増量補正時間が長いほど、触媒のリッチ被毒度合いが大きく、その解消に長時間を要する。よってこれらのうちの少なくとも一方に基づき無効計測値の数を変更することで、無効計測値の数を適正化することが可能となる。

本発明の第５の形態は、前記第１乃至第４のいずれかの形態において、
前記アクティブ空燃比制御手段は、前記無効計測値の計測中に前記中心空燃比を前記所定の中心空燃比よりもリーン側にシフトする
ことを特徴とする。

これによれば、無効計測値の計測中にリーン度合いの大きな排気ガスを触媒内に流通させることができ、触媒に付着したリッチ成分のパージを促進することができる。

本発明の第６の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
排気空燃比を所定の中心空燃比を境にリーン側及びリッチ側に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
該アクティブ空燃比制御手段によって排気空燃比がリーン側及びリッチ側に切り替えられるとき、最初から所定回数の切替時を除く残余の切替時毎に、前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
該計測手段によって計測された切替時毎の酸素吸蔵容量計測値に基づき、触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、
アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、その燃料増量補正が無いときに比べ、酸素吸蔵容量を計測しない前記所定回数の値を増加させる未計測回数増加手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置が提供される。

前述の第１の形態は、最初の排気空燃比切替時から酸素吸蔵容量を複数計測した上で、そのうちの最初から所定個の計測値を無効化するものであった。これに対し、この第６の形態は、最初から所定回数の排気空燃比切替時に酸素吸蔵容量の計測自体を行わないものである。そして、この第６の形態によれば、アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正がなされた場合、酸素吸蔵容量を計測しない前記所定回数の値が増加される。これによっても第１の形態と同様の作用効果を奏することができる。

本発明の第７の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
排気空燃比を所定の中心空燃比を境にリーン側及びリッチ側に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
該アクティブ空燃比制御手段による排気空燃比の切替毎に、触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
該計測手段によって計測された複数の酸素吸蔵容量計測値に基づき、触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、
アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、前記複数の酸素吸蔵容量計測値のうち最初から所定個の計測値を補正する補正手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置が提供される。

これによれば、アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、複数の酸素吸蔵容量計測値のうち最初から所定個の計測値を補正して、触媒劣化判定に用いることができる。計測値の無効化や未計測を実施しないので、その分、劣化検出時間を短縮でき、エミッション上も有利になる場合がある。

本発明の第８の形態は、前記第７の形態において、
前記補正手段は、燃料増量補正終了時から各酸素吸蔵容量の計測開始時又は計測終了時までの経過時間に応じて、前記補正のための補正量を変更する
ことを特徴とする。

燃料増量補正終了時から多くの時間が経過するほど、触媒のリッチ被毒状態が解消していく。よって、燃料増量補正終了時から各酸素吸蔵容量の計測開始時又は計測終了時までの経過時間に応じて補正量を変更することで、触媒のリッチ被毒状態に応じた適切な補正量を設定することが可能になる。

本発明によれば、燃料増量補正に起因する検出精度の低下を防止できるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態の構成を示す概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は車両用多気筒エンジン（１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設され、燃焼室３内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン４はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部４ａが形成されている。そして内燃機関１では、燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ１２からピストン４の凹部４ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ７の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）され、安定した成層燃焼が実行される。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されており、排気管６には、Ｏ₂ストレージ機能（酸素吸蔵能）を有する三元触媒からなる触媒１１が取り付けられている。なお排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。触媒１１の上流側と下流側とにそれぞれ排気空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８が設置されている。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。

触媒１１は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ）Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）近傍のときにＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１に流入する排気ガスの空燃比即ち触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓになるように空燃比を制御する。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比Ａ／Ｆｓに等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、触媒前センサ１７により検出された触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致するように、インジェクタ１２から噴射される燃料噴射量を制御する。これにより触媒１１に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１において最大の浄化性能が発揮されるようになる。

ここで、触媒１１についてより詳細に説明する。図２に示すように、触媒１１においては、図示しない担体基材の表面上にコート材３１が被覆され、このコート材３１に微粒子状の触媒成分３２が多数分散配置された状態で保持され、触媒１１内部で露出されている。触媒成分３２は主にＰｔ，Ｐｄ等の貴金属からなり、ＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯといった排ガス成分を反応させる際の活性点となる。他方、コート材３１は、排気ガスと触媒成分３２との界面における反応を促進させる助触媒の役割を担うと共に、雰囲気ガスの空燃比に応じて酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分を含む。酸素吸蔵成分は例えば酸化セリウムＣｅＯ₂やジルコニアからなる。例えば、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりリッチであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分に吸蔵されていた酸素が放出され、この結果、放出された酸素によりＨＣおよびＣＯといった未燃成分が酸化され、浄化される。逆に、触媒成分３２及びコート材３１の雰囲気ガスが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりリーンであると、触媒成分３２の周囲に存在する酸素吸蔵成分が雰囲気ガスから酸素を吸収し、この結果ＮＯｘが還元浄化される。

このような酸素吸放出作用により、通常の空燃比制御の際に触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに対し多少ばらついたとしても、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯといった三つの排気ガス成分を同時浄化することができる。よって通常の空燃比制御において、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを敢えて理論空燃比Ａ／Ｆｓを中心に微小振動させ、酸素の吸放出を繰り返させることにより排ガス浄化を行うことも可能である。

ところで、新品状態の触媒１１では前述したように細かい粒子状の触媒成分３２が多数均等に分散配置されており、排気ガスと触媒成分３２との接触確率が高い状態に維持されている。しかしながら、触媒１１が劣化してくると、一部の触媒成分３２に消失が見られるほか、触媒成分３２同士が排気熱で焼き固まって焼結状態になるものがある（図の破線参照）。こうなると排気ガスと触媒成分３２との接触確率の低下を引き起こし、浄化率を落としめる原因となる。そしてこのほかに、触媒成分３２の周囲に存在するコート材３１の量、即ち酸素吸蔵成分の量が減少し、酸素吸蔵能自体が低下する。

このように、触媒１１の劣化度と触媒１１の持つ酸素吸蔵能の低下度とは相関関係にある。そこで本実施形態では、触媒１１の酸素吸蔵能を検出することにより触媒１１の劣化度を検出することとしている。ここで、触媒１１の酸素吸蔵能は、現状の触媒１１が吸蔵し得る最大酸素量である酸素吸蔵容量（ＯＳＣ；O₂ Strage Capacity、単位はｇ）の大きさによって表される。

以下、本実施形態における触媒の劣化検出について説明する。

本実施形態では、触媒１１の劣化検出の際にＥＣＵ２０によってアクティブ空燃比制御が実行される。アクティブ空燃比制御とは、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒを、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリッチ側及びリーン側に強制的に（アクティブに）切り替える制御である。なおリッチ側に変化されたときの空燃比をリッチ空燃比Ａ／Ｆｒ、リーン側に変化されたときの空燃比をリーン空燃比Ａ／Ｆｌと称す。このアクティブ空燃比制御によって触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリッチ側又はリーン側に変化されているときに触媒の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測される。

触媒１１の劣化検出は、内燃機関１の定常運転時で且つ触媒１１が活性温度域にあるときに実行される。触媒１１の温度は、温度センサを用いて直接検出してもよいが、本実施形態の場合内燃機関の運転状態から推定することとしている。例えばＥＣＵ２０は、エアフローメータ５によって検出される吸入空気量ＧＡと、クランク角センサ１４の出力に基づいて算出される機関回転速度ＮＥとに基づいて、予め実験等を通じて設定されたマップ又は関数を利用し、触媒１１の温度を推定する。

触媒の劣化検出は、内燃機関の１トリップ当たりに少なくとも１回実行され、少なくとも２トリップ連続で触媒劣化が検出されたときに触媒劣化との最終判断がなされ、チェックランプ等の警告装置が作動させられる。なお１トリップとは１回のエンジンの始動から停止までの期間をいう。

図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、アクティブ空燃比制御実行時における触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力が実線で示されている。また、図３（Ａ）には、ＥＣＵ２０内部で発生される目標空燃比Ａ／Ｆｔが破線で示されている。触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の出力値はそれぞれ触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ及び触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒの値を表す。

図３（Ａ）に示されるように、目標空燃比Ａ／Ｆｔは、中心空燃比としての理論空燃比Ａ／Ｆｓを中心として、そこからリッチ側に所定の振幅（リッチ振幅Ａｒ、Ａｒ＞０）だけ離れた空燃比（リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ）と、そこからリーン側に所定の振幅（リーン振幅Ａｌ、Ａｌ＞０）だけ離れた空燃比（リーン空燃比Ａ／Ｆｌ）とに強制的に、且つ交互に切り替えられる。そしてこの目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えに追従して、実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒも、目標空燃比Ａ／Ｆｔに対し僅かな時間遅れを伴って切り替わる。このことから目標空燃比Ａ／Ｆｔと触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒとは時間遅れがあること以外等価であることが理解されよう。

図示例においてリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとは等しい。例えば理論空燃比Ａ／Ｆｓ＝１４．６、リッチ空燃比Ａ／Ｆｒ＝１４．１、リーン空燃比Ａ／Ｆｌ＝１５．１、リッチ振幅Ａｒ＝リーン振幅Ａｌ＝０．５である。通常の空燃比制御の場合に比べ、アクティブ空燃比制御の場合は空燃比の振り幅が大きく、即ちリッチ振幅Ａｒとリーン振幅Ａｌとの値は大きい。

ところで、目標空燃比Ａ／Ｆｔが切り替えられるタイミングは、触媒後センサ１８の出力がリッチからリーンに、又はリーンからリッチに切り替わるタイミングである。ここで図示されるように触媒後センサ１８の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓを境に急変し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓより小さいリッチ側の空燃比であるときその出力電圧がリッチ判定値ＶＲ以上となり、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓより大きいリーン側の空燃比であるときその出力電圧がリーン判定値ＶＬ以下となる。ここでＶＲ＞ＶＬであり、例えばＶＲ＝０．５９（Ｖ）、ＶＬ＝０．２１（Ｖ）である。

図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、触媒後センサ１８の出力電圧がリッチ側の値からリーン側に変化してリーン判定値ＶＬに等しくなった時（時刻ｔ１）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリーン空燃比Ａ／Ｆｌからリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられる。その後、触媒後センサ１８の出力電圧がリーン側の値からリッチ側に変化してリッチ判定値ＶＲに等しくなった時（時刻ｔ２）、目標空燃比Ａ／Ｆｔはリッチ空燃比Ａ／Ｆｒからリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。

このような空燃比変化を行うアクティブ空燃比制御を実行しつつ、次のようにして触媒１１の酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測され、触媒１１の劣化が判定される。

図３を参照して、時刻ｔ１より前では目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌとされ、触媒１１にはリーンガスが流入されている。このとき触媒１１では酸素を吸収し続けているが、一杯に酸素を吸収した時点でそれ以上酸素を吸収できなくなり、リーンガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリーン側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリーン判定値ＶＬに達した時点（ｔ１）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられ、或いは反転される。このように目標空燃比Ａ／Ｆｔは触媒後センサ１８の出力をトリガにして反転される。

そして今度は触媒１１にリッチガスが流入されることとなる。このとき触媒１１では、それまで吸蔵されていた酸素が放出され続ける。よって触媒１１の下流側にはほぼ理論空燃比Ａ／Ｆｓの排気ガスが流出し、触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリッチにならないことから、触媒後センサ１８の出力は反転しない。触媒１１から酸素が放出され続けるとやがて触媒１１からは全ての吸蔵酸素が放出され尽くし、その時点でそれ以上酸素を放出できなくなり、リッチガスが触媒１１を通り抜けて触媒１１の下流側に流れ出す。こうなると触媒後空燃比Ａ／Ｆｒｒがリッチ側に変化し、触媒後センサ１８の出力電圧がリッチ判定値ＶＲに達した時点（ｔ２）で、目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられる。

酸素吸蔵容量ＯＳＣが大きいほど、酸素を吸収或いは放出し続けることのできる時間が長くなる。つまり、触媒が劣化していない場合は目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期（例えばｔ１からｔ２までの時間）が長くなり、触媒の劣化が進むほど目標空燃比Ａ／Ｆｔの反転周期は短くなる。

そこで、このことを利用して酸素吸蔵容量ＯＳＣが以下のようにして計測される。図４に示すように、時刻ｔ１で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替えられた直後、僅かに遅れて実際値としての触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒがリッチ空燃比Ａ／Ｆｒに切り替わる。そして触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ１１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔが反転する時点ｔ２まで、次式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで積分される。こうしてこの酸素放出サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ１即ち放出酸素量が計測される。

ここで、Ｑは燃料噴射量であり、空燃比差ΔＡ／Ｆに燃料噴射量Ｑを乗じると過剰分の空気量を算出できる。Ｋは空気に含まれる酸素割合（約０．２３）である。

基本的には、この１回で計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣ１を用い、これを所定の劣化判定値と比較し、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が劣化判定値を超えていれば正常、酸素吸蔵容量ＯＳＣ１が劣化判定値以下ならば劣化、というように触媒の劣化を判定できる。しかしながら、本実施形態では精度を向上させるため、リーン側でも同様に酸素吸蔵容量（この場合酸素吸収量）を計測し、必要に応じてリッチ側とリーン側とで複数回計測を繰り返し、その平均値を劣化判定値と比較して最終的な劣化判定を行っている。

具体的には、図４に示すように、時刻ｔ２で目標空燃比Ａ／Ｆｔがリーン空燃比Ａ／Ｆｌに切り替えられた後、前式（１）により微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが算出され、且つこの微小時間毎の酸素吸蔵容量ｄＣが、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒが理論空燃比Ａ／Ｆｓに達した時点ｔ２１から、次に目標空燃比Ａ／Ｆｔがリッチ側に反転する時点ｔ３まで積分される。こうしてこの酸素吸収サイクルにおける酸素吸蔵容量ＯＳＣ２即ち吸収酸素量が計測される。前回サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ１と今回サイクルの酸素吸蔵容量ＯＳＣ２とはほぼ等しい値となるはずである。

このようにして、アクティブ空燃比制御の開始時から複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣ１，ＯＳＣ２，ＯＳＣ３・・・ＯＳＣｎ（本実施形態ではｎ＝８）が順次計測されていく。

ところで、アクティブ空燃比制御の開始直後は触媒の状態が安定せず、その間に計測された酸素吸蔵容量計測値にも誤差が含まれる。よって検出精度低下防止の観点から、最初から所定個（本実施形態では２個）の計測値ＯＳＣ１，ＯＳＣ２が劣化判定に用いられず無効化される。劣化判定は残余の計測値ＯＳＣ３，・・・ＯＳＣｎに基づいて行われる。即ち、これら残余の計測値ＯＳＣ３，・・・ＯＳＣｎの平均値ＯＳＣａｖが算出され、この平均値ＯＳＣａｖが所定の劣化判定値ＯＳＣｓと比較される。そして、平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓを超えていれば触媒１１は正常、平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓ以下ならば触媒１１は劣化と判定される。

なお、車両の走行距離等、触媒劣化の進行に相関するパラメータに応じて、酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測回数ｎを変更してもよい。例えば、走行距離が比較的少ない場合にはｎをより少ない値とすることができる。

さて、前述したように、内燃機関の運転中には、内燃機関に供給する燃料量を通常よりも増量する燃料増量補正が実施される場合がある。この燃料増量補正が実施される場合とは、例えば加速時、機関始動後の暖機時、および触媒温度上昇に起因する触媒冷却時などである。この燃料増量補正時には、混合気の空燃比が理論空燃比から外れてよりリッチ側となり、これに伴って排気空燃比も理論空燃比よりリッチ側となる。この燃料増量補正が実施されると、排気ガス中のリッチ成分（主にＨＣ，ＣＯ）が触媒表面に付着し、触媒が一時的にリッチ被毒することがある。触媒がリッチ被毒すると、触媒の酸素吸放出作用が妨げられ、酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測されてもその計測値は真の値より少なくなり、見掛け上触媒が劣化したような状態となってしまう。一方、燃料増量補正が終了して通常の排気空燃比（即ち、理論空燃比）に戻ると、触媒に付着していたリッチ成分が徐々に消失ないしパージされ、触媒のリッチ被毒が解消する。つまりリッチ被毒による触媒の劣化は見掛け上の一時的な劣化に過ぎない。そしてこのリッチ被毒の最中に計測された酸素吸蔵容量ＯＳＣの値を用いて触媒劣化検出を行うと、当然に検出精度を落としめ、最悪誤検出につながる虞もある。

そこでこれを防止すべく、本実施形態では、アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、その燃料増量補正が無い場合に比べ、触媒劣化判定に使用しない無効計測値の数が増加させられる。本実施形態の場合、通常は最初から２個の計測値が無効計測値とされるが、アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合には、例えば最初から４個の計測値が無効計測値とされる。

このように無効計測値の数を増加させると、リッチ被毒による誤差を含む酸素吸蔵容量計測値を検出データから除くことができ、これによって検出精度の低下及び誤検出を未然に防止することができる。

アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合の触媒前センサ出力（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒ）の変化を図５に示す。この場合、本実施形態では、後述の所定条件が成立した場合に、最初から４個の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１〜ＯＳＣ４が無効計測値とされ、劣化検出に用いられない。言い換えれば、図５を参照して、リーン側（又はリッチ側）に切り替えられている最中の触媒前空燃比Ａ／Ｆｆｒの線図を理論空燃比を基準とした山とみなした場合、最初から４個の山をいわゆる捨て山とするのである。そして、これら無効計測値以外の残余の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ５〜ＯＳＣ８が劣化検出に用いられ、これら酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ５〜ＯＳＣ８の平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓと比較されて劣化判定がなされる。

図６には、劣化検出処理の一例を示す。図示する処理はＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、触媒劣化検出のための所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。例えば、吸入空気量ＧＡ及び機関回転速度ＮＥが略一定となっているなど、エンジンが定常運転状態にあり、且つ触媒温度が所定の活性温度域にあれば、前提条件成立となる。前提条件が成立していない場合には本処理が終了され、他方、前提条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２においては、以前実行された燃料増量補正の終了時ｔ０から現時点ｔ１までの経過時間Δｔが取得される（図５参照）。即ち、ＥＣＵ２０に装備されたタイマにより燃料増量補正終了時ｔ０からの時間がカウントされており、触媒劣化検出の前提条件が成立（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）した時点で、その時のタイマカウント値が経過時間Δｔとして取得される。

次に、ステップＳ１０３に進んで、取得された経過時間Δｔに基づき、無効計測値の個数ｍが決定される。この決定に際しては図７に示されるようなマップが使用される。このマップによれば、経過時間Δｔが所定時間Δｔｓ以上の場合に、通常の無効計測値個数ｍ１（＝２）が得られる。他方、経過時間Δｔが所定時間Δｔｓより短い場合には、通常の無効計測値個数ｍ１より多い個数ｍ２（＝４）が得られ、結果的に無効計測値の個数は増加させられる。

こうして無効計測値の個数ｍが決定したならば、ステップＳ１０４に進んで、前述の如き触媒劣化検出が実行される。即ち、アクティブ空燃比制御が開始、実行され、ｎ個の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１〜ＯＳＣｎが計測される。そしてそのうち最初からｍ個の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１〜ＯＳＣｍを除いた残余の酸素吸蔵容量計測値の平均値ＯＳＣａｖが算出され、この平均値ＯＳＣａｖが劣化判定値ＯＳＣｓと比較されて劣化判定がなされる。

これによれば、燃料増量補正終了時ｔ０からアクティブ空燃比制御開始時ｔ１までの経過時間Δｔが所定時間Δｔｓより短い場合にのみ、無効計測値の個数がｍ１からｍ２へと増加される。そのような場合には触媒がリッチ被毒しており、正確な酸素吸蔵容量計測値が得られないからである。逆に、経過時間Δｔが所定時間Δｔｓ以上の場合には無効計測値の個数が増加されない。そのような場合には、アクティブ空燃比制御開始時ｔ１において触媒のリッチ被毒状態が既に解消しているとみなせるからである。

図８にはマップの変形例を示す。図７のマップと比較すると、経過時間Δｔが所定時間Δｔｓ以上の場合に通常の無効計測値個数ｍ１である点は同じである。他方、経過時間Δｔが所定時間Δｔｓより短い場合、無効計測値個数ｍは、通常の個数ｍ１より多く且つ経過時間Δｔに応じて変更される。具体的には、無効計測値個数ｍは経過時間Δｔの増加につれ減少される。燃料増量補正終了時ｔ０から多くの時間が経過するほど、触媒のリッチ被毒状態が解消していくので、このように経過時間Δｔに応じて無効計測値の個数ｍを変更することで、無効計測値の個数を触媒のリッチ被毒状態に応じた適正数にすることができる。また、経過時間Δｔの増加につれ無効計測値の個数ｍを減少することで、無効計測値の個数を最小限に抑制することができる。

ここで例えば、劣化判定に用いる有効計測値の個数を例えば６などに固定した場合、無効計測値の個数が多いほど劣化検出に長時間を要することになる。また、アクティブ空燃比制御を行うと空燃比が理論空燃比から外れるため必然的にエミッションが悪化し、この観点から劣化検出時間を短縮する要請がある。こうしたことから、無効計測値の個数を最小限に抑制することはエミッション悪化防止につながる。

ところで、通常の個数ｍ１より増加された無効計測値の個数は、燃料増量補正時における実際の排気空燃比と理論空燃比との差ΔＡ／Ｆｒ（＝Ａ／Ｆｓ−Ａ／Ｆｆｒ）、及び燃料増量補正時間Δｔｒの少なくとも一方に基づき、変更するのも好ましい（図５参照）。即ち、燃料増量補正時における空燃比差ΔＡ／Ｆｒ（或いはリッチ深さ）が大きいほど、また燃料増量補正時間Δｔｒが長いほど、触媒のリッチ被毒度合いが大きく、その解消に長時間を要する。よって、空燃比差ΔＡ／Ｆｒが大きいほど、また燃料増量補正時間Δｔｒが長いほど、無効計測値の個数を多くするのが好ましい。こうすることによって触媒のリッチ被毒状態に応じた適正数だけ酸素吸蔵容量計測値を無効化することができ、検出精度と検出時間とのバランスを両立することが可能となる。

例えば図７のマップでは、空燃比差ΔＡ／Ｆｒが大きいほど、また燃料増量補正時間Δｔｒが長いほど、無効計測値の個数ｍ２を多くするのが好ましい。また、図８のマップでは、図９に示されるように、経過時間Δｔ＝０のときの無効計測値の個数ｍ０を、空燃比差ΔＡ／Ｆｒが大きいほど、また燃料増量補正時間Δｔｒが長いほど、多くするのが好ましい。なお図９において、破線がｍ０を多くした場合、一点鎖線がｍ０を少なくした場合である。経過時間Δｔに対する無効計測値個数ｍの減少率が一定とされ、その結果、無効計測値の個数ｍ０を多くした場合は少なくした場合に比べ、通常個数ｍ１に達するまでの経過時間Δｔが長くなる。

なお、上記のような経過時間Δｔに応じた無効計測値個数ｍの設定は、マップに限らず、関数などに従って行ってもよい。また、燃料増量補正時における空燃比差ΔＡ／Ｆｒが所定値以上のとき、および燃料増量補正時間Δｔｒが所定時間以上のときの少なくとも一方であるときに限り、無効計測値個数ｍの増加を行ってもよい。

図１０にはさらなる好適例を示す。ここでは無効計測値の計測中、アクティブ空燃比制御の中心空燃比Ａ／Ｆｃが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりリーン側にシフトされる。こうすることによってリーン度合いの大きな排気ガスを触媒内に流通させることができ、触媒に付着したリッチ成分のパージを促進することができる。この結果、無効計測値増加個数を減少できる可能性もある。図１０はその減少例を示し、無効計測値個数は４から３に、即ち無効計測値増加個数は２から１に、減少されている。

ところで、以上の方法は最初の排気空燃比切替時から酸素吸蔵容量を複数計測した上で、そのうちの最初から所定個の計測値を無効化ないし破棄するものであった。一方、これに代わり、最初から所定回数の排気空燃比切替時に酸素吸蔵容量ＯＳＣの計測自体を行わない方法も可能である。この場合、劣化検出開始と同時にアクティブ空燃比制御は実行されるものの、最初から所定回数の空燃比切替時には酸素吸蔵容量ＯＳＣが計測されない。そして、その後の切替時から複数の酸素吸蔵容量ＯＳＣが順次計測され、その平均値ＯＳＣａｖに基づき劣化判定がなされる。

具体例を挙げて説明すると、アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正がなされていない通常時には、最初から２回までの排気空燃比切替時にＯＳＣ１，ＯＳＣ２の２個の酸素吸蔵容量が計測されない。そして、その後の排気空燃比切替時から、ＯＳＣ３〜ＯＳＣ８の６個の酸素吸蔵容量が計測され、これら６個の計測値の平均値に基づき劣化判定がなされる。

他方、アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正がなされた場合には、酸素吸蔵容量を計測しない切替回数が増加される。例えば、最初から４回までの排気空燃比切替時にＯＳＣ１〜ＯＳＣ４の４個の酸素吸蔵容量が計測されず、その後の排気空燃比切替時から、ＯＳＣ５〜ＯＳＣ８の４個の酸素吸蔵容量が計測され、これら４個の計測値の平均値に基づき劣化判定がなされる。

このやり方においても、経過時間Δｔに応じた未計測回数の設定（図７，図８）や、燃料増量補正時における空燃比差ΔＡ／Ｆｒ及び燃料増量補正時間Δｔｒの少なくとも一方に基づく未計測回数の変更（図９）が可能である。即ち、上述の「無効計測値個数」を「未計測回数」に置き換えた変形が可能である。

次に、触媒劣化検出の別の態様について述べる。この態様では、アクティブ空燃比制御の最初の空燃比切替時から酸素吸蔵容量が計測され、且つ最初からｎ個までの酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１〜ＯＳＣｎが全て劣化判定に使用される。そして、アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合には、ｎ個の酸素吸蔵容量計測値ＯＳＣ１〜ＯＳＣｎのうち、最初からｍ個までの計測値ＯＳＣ１〜ＯＳＣｍについて各計測値が補正される。

前述したように、燃料増量補正終了直後は未だ触媒がリッチ被毒状態にあるため、酸素吸蔵容量計測値は真の値より少なくなる。よってここでは、最初からｍ個までの計測値ＯＳＣ１〜ＯＳＣｍについて、そのリッチ被毒による減少分を打ち消すように計測値が増量補正される。これにより計測値は真の値に近づき、その値を採用しても検出精度の低下等を免れることができる。そして計測値の無効化や未計測を実施しないので、その分、劣化検出時間を短縮でき、エミッション上も有利になる場合がある。

計測値の補正は、計測値に対し所定の補正量を加算、乗算等することによって行うことができる。好ましくは、燃料増量補正終了時ｔ０から各酸素吸蔵容量の計測終了時までの経過時間Δｔｋに応じて、補正量が変更される。より具体的には、経過時間Δｔｋが短いほど計測値をより大きく増量補正するように補正量が変更されるのが好ましい。経過時間Δｔｋが短いほど触媒のリッチ被毒度合いが大きく、計測値が真の値よりも少なく出る傾向にあるからである。

例えば補正量として、計測値に乗算される補正係数Ｋを用いる場合、補正係数Ｋは図１１に示すようなマップに従って設定されるのが好ましい。このマップによれば、燃料増量補正終了時ｔ０から、各計測値の計測開始時点又は計測終了時点までの経過時間Δｔｋに応じて、補正係数Ｋが設定される。経過時間Δｔｋが所定時間Δｔｋｓ以上の場合にはＫ＝１とされ、補正はなされない。他方、経過時間Δｔｋが所定時間Δｔｋｓより短い場合、Ｋ＞１とされ、計測値は増量補正される。このとき、経過時間Δｔｋが短いほど補正係数Ｋは増加される。なおこのような経過時間Δｔｋに応じた補正係数Ｋの設定は、マップに限らず、関数などに従って行ってもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば上述の内燃機関は直噴式であったが、吸気ポート（吸気通路）噴射式或いは両噴射方式を兼ね備えるデュアル噴射式の内燃機関にも本発明は適用可能である。前記実施形態では触媒後センサ１８として所謂Ｏ₂センサを用いたが、触媒前センサ１７と同様の空燃比センサを用いることも可能である。また同様に、触媒前センサ１７として所謂Ｏ₂センサを用いることも可能である。前記実施形態に用いられた各数値は単なる一例であり、任意に変更が可能である。

本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の一実施形態の構成を示す概略図である。 触媒の構成を示す概略断面図である。 アクティブ空燃比制御を説明するためのタイムチャートである。 図３と同様のタイムチャートであり、酸素吸蔵容量の計測方法を説明するための図である。 アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合の触媒前空燃比の変化を示すタイムチャートである。 本発明に係る劣化検出処理の一例を示すフローチャートである。 無効計測値の個数を決定するためのマップを示す。 無効計測値の個数を決定するためのマップの変形例を示す。 図８のマップの変形例を示す。 無効計測値の計測中にアクティブ空燃比制御の中心空燃比をリーン側にシフトした例を示すタイムチャートである。 補正係数を決定するためのマップを示す。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 排気管
１１ 触媒
１２ インジェクタ
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ｍ 無効計測値個数
ｍ１ 通常の無効計測値個数
ｔ０ 燃料増量補正終了時
ｔ１ アクティブ空燃比制御開始時
Δｔ 経過時間
Δｔｓ 所定時間
ΔＡ／Ｆｒ 燃料増量補正時の空燃比差
Δｔｒ 燃料増量補正時間
Ａ／Ｆｃ 中心空燃比
Ｋ 補正係数
Δｔｋｓ 経過時間

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
   排気空燃比を所定の中心空燃比を境にリーン側及びリッチ側に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
   該アクティブ空燃比制御手段による排気空燃比の切替毎に、触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   該計測手段によって計測された複数の酸素吸蔵容量計測値のうち、最初から所定個の計測値を除いた残余の計測値に基づき、触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、
   アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、その燃料増量補正が無い場合に比べ、触媒劣化判定に使用しない前記所定個の無効計測値の数を増加させる無効計測値増加手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
2. 前記無効計測値増加手段は、燃料増量補正終了時からアクティブ空燃比制御開始時までの経過時間が所定時間より短い場合に、前記所定個の無効計測値の数を増加させる
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
3. 前記無効計測値増加手段は、燃料増量補正終了時からアクティブ空燃比制御開始時までの経過時間に応じて、前記所定個の無効計測値の数を変更する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
4. 前記無効計測値増加手段は、燃料増量補正時における実際の排気空燃比と理論空燃比との差、及び燃料増量補正時間の少なくとも一方に基づき、前記所定個の無効計測値の数を変更する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
5. 前記アクティブ空燃比制御手段は、前記無効計測値の計測中に前記中心空燃比を前記所定の中心空燃比よりもリーン側にシフトする
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
6. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
   排気空燃比を所定の中心空燃比を境にリーン側及びリッチ側に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
   該アクティブ空燃比制御手段によって排気空燃比がリーン側及びリッチ側に切り替えられるとき、最初から所定回数の切替時を除く残余の切替時毎に、前記触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   該計測手段によって計測された切替時毎の酸素吸蔵容量計測値に基づき、触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、
   アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、その燃料増量補正が無いときに比べ、酸素吸蔵容量を計測しない前記所定回数の値を増加させる未計測回数増加手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
7. 内燃機関の排気通路に配置された触媒の劣化を検出する装置であって、
   排気空燃比を所定の中心空燃比を境にリーン側及びリッチ側に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
   該アクティブ空燃比制御手段による排気空燃比の切替毎に、触媒の酸素吸蔵容量を計測する計測手段と、
   該計測手段によって計測された複数の酸素吸蔵容量計測値に基づき、触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、
   アクティブ空燃比制御前に燃料増量補正があった場合に、前記複数の酸素吸蔵容量計測値のうち最初から所定個の計測値を補正する補正手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
8. 前記補正手段は、燃料増量補正終了時から各酸素吸蔵容量の計測開始時又は計測終了時までの経過時間に応じて、前記補正のための補正量を変更する
   ことを特徴とする請求項７記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。

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