JP6447444B2 - 排気浄化システム及び浄化制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、機関から排出される排気ガスに含有される窒素酸化物を浄化する排気浄化システム及び浄化制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、触媒に吸着させた窒素酸化物を脱離させ、還元剤を用いて浄化する内燃機関の排気浄化システムが開示されている。この排気浄化システムでは、触媒温度、窒素酸化物の吸着量、及び触媒を通過する通過ガス流量に基づき、触媒から脱離する窒素酸化物の脱離量が推定される。

加えて、この排気浄化システムでは、窒素酸化物の脱離量の推定に、データテーブルが用いられている。排気浄化システムは、データデーブルに基づくことにより、上記した触媒温度、窒素酸化物の吸着量、及び触媒を通過する通過ガス流量に対して、一意の脱離量を推定することができる。

特開２００２−３３２８３５号公報

さて、一般に排気浄化システムに用いられる触媒の中には、複数の吸着状態を有する触媒が存在する。このような触媒では、窒素酸化物の脱離特性が、吸着状態によって異なってくる。発明者は、触媒の吸着状態に応じて変化する窒素酸化物の脱離特性の違いに、新たに着目したのである。

ここで、特許文献１では、触媒における窒素酸化物の吸着状態には何ら着目されておらず、データテーブルを用いて推定される脱離量は、触媒における窒素酸化物の吸着状態を反映した値とはなっていない。そのため、複数の吸着状態を有する触媒を備えた排気浄化システムにおいて、特許文献１に開示の方法で脱離量を推定してしまうと、推定される脱離量は、実際の脱離量と乖離した値となる虞があった。

本開示は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、窒素酸化物の脱離量を精度良く推定可能な排気浄化システム及び浄化制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、開示された第一の態様は、機関（ＩＣＥ）から排出される排気ガスに含有される窒素酸化物を複数の吸着状態で吸着し、吸着した窒素酸化物を浄化に際して脱離させる触媒（３１）と、各吸着状態に対応した方法により、触媒に吸着されている窒素酸化物の吸着量を推定する吸着量推定部（６１）と、吸着量推定部によって推定された吸着量の推定値に基づき、触媒から脱離される窒素酸化物の脱離量を推定する脱離量推定部（６２）と、を備える排気浄化システムとされる。

この態様によれば、触媒が複数の吸着状態を有していても、吸着量推定部は、触媒の吸着状態に対応した方法により、窒素酸化物の吸着量を推定する。こうして推定された吸着量の推定値に基づくことにより、脱離量推定部にて推定される窒素酸化物の脱離量は、実際の触媒の吸着状態を反映した値となり得る。したがって、窒素酸化物の脱離量を精度良く推定可能な排気浄化システムが実現される。

また開示された第二の態様は、機関（ＩＣＥ）から排出される排気ガスに含有される窒素酸化物を複数の吸着状態で吸着し、吸着した窒素酸化物を浄化に際して脱離させる触媒（３１）、を備えた排気浄化システム（１００）に適用される浄化制御装置であって、各吸着状態に対応した方法により、触媒に吸着されている窒素酸化物の吸着量を推定する吸着量推定部（６１）と、吸着量推定部によって推定された吸着量の推定値に基づき、触媒から脱離される窒素酸化物の脱離量を推定する脱離量推定部（６２）と、を備える浄化制御装置とする。

この態様によっても、触媒の吸着状態の反映により、窒素酸化物の脱離量を精度良く推定することが可能になる。

尚、上記括弧内の参照番号は、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、技術的範囲を何ら制限するものではない。

第一実施形態による排気浄化システムの全体構成を内燃機関と共に示す全体図である。 ＮＯｘ触媒の吸着状態を模式的に示す図である。 ＮＯｘ触媒の吸着状態を模式的に示す図である。 ＮＯｘ触媒の吸着状態を模式的に示す図である。 触媒温度と脱離速度との相関を、触媒金属及び担体のそれぞれについて示す図である。 ＥＣＵに構築される後処理のための機能ブロックを示す図である。 ＮＯｘ濃度から還元剤の供給量を決定するために用いられる供給量設定マップを示す図である。 還元制御部にて実施されるメイン処理を示すフローチャートである。 脱離量推定部にて実施される脱離量推定処理を示すフローチャートである。 吸着量推定部にて実施される吸着量推定処理を示すフローチャートである。 ＮＯｘ触媒に吸着されているＮＯｘの総量から、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着率を算定する吸着率算定マップを示す図である。 還元制御部にて実施される強制脱離処理を示すフローチャートである。 第二実施形態における吸着量推定処理を示すフローチャートである。 第三実施形態における吸着量推定処理を示すフローチャートである。

以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。そして、複数の実施形態及び変形例に記述された構成同士の明示されていない組み合わせも、以下の説明によって開示されているものとする。

（第一実施形態）
図１に示す第一実施形態による排気浄化システム１００は、内燃機関ＩＣＥ等と共に車両に搭載されている。内燃機関ＩＣＥは、圧縮自着火式のディーゼルエンジンであり、車両を走行させるための動力源である。内燃機関ＩＣＥは、軽油を燃焼させることにより、動力を発生させる。

内燃機関ＩＣＥの過給器１１には、吸気管１２及び排気管１３が接続されている。吸気管１２は、過給器１１のコンプレッサ部に空気を流通させる吸気通路を形成している。排気管１３は、過給器１１のタービン部から排気浄化システム１００に排気ガスを流通させる排気通路を形成している。

尚、以下の説明では、空気及び排気ガスの流れ方向に基づいて、上流側及び下流側が規定される。即ち、吸気管１２における上流側は、コンプレッサ部に近い側を示しており、排気管１３における下流側は、タービン部に近い側を示している。

排気浄化システム１００は、内燃機関ＩＣＥの排気系９０に設けられている。排気浄化システム１００は、内燃機関ＩＣＥにおける軽油の燃焼によって生じた物質を浄化する後処理システムである。排気浄化システム１００は、内燃機関ＩＣＥから排出される排気ガスに含有される物質の中で、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）に分解することによって浄化する。排気浄化システム１００は、燃料改質装置２０、ＮＯｘ浄化装置３０、及び機関制御装置（Engine Control Unit 以下、ＥＣＵ）５０を備えている。

燃料改質装置２０は、排気管１３の中間に設けられている。排気管１３において、過給器１１と燃料改質装置２０との間には、酸化触媒及びディーゼル微粒子捕集フィルタ等の後処理装置がさらに設けられている。

燃料改質装置２０は、燃料（軽油）を改質することによって改質燃料を生成する。改質燃料は、含酸素物質であり、ＮＯｘ浄化装置３０にてＮＯｘの還元に用いられる還元剤である。燃料改質装置２０にて還元剤の生成に用いられる燃料は、内燃機関ＩＣＥにて動力の発生に用いられる燃料と共有されている。燃料改質装置２０は、排気通路を通じてＮＯｘ浄化装置３０に還元剤を供給する。燃料改質装置２０は、燃料噴射弁２１、ハウジング２４、昇温器２２、及び改質触媒２３を有している。

燃料噴射弁２１は、改質触媒２３の上流側に位置し、排気管１３又はハウジング２４に取り付けられている。燃料噴射弁２１は、燃料ポンプ７２と接続されている。燃料噴射弁２１には、燃料ポンプ７２の作動により、燃料タンク７１に貯留されている燃料が供給される。燃料噴射弁２１は、電磁ソレノイドに電磁力を発生させることにより、排気通路に臨む複数の噴孔から燃料を噴射する。燃料噴射弁２１は、噴孔を通過することによって微粒化された燃料を改質触媒２３に供給する。

ハウジング２４は、金属の薄い板材によって容器状に形成されている。ハウジング２４は、昇温器２２及び改質触媒２３を収容している。ハウジング２４は、排気管１３と接続されており、排気通路の一部を形成している。

昇温器２２は、通電によって発熱する発熱体である。昇温器２２は、改質触媒２３と一体的に配置されている。昇温器２２が発生させた熱量は、改質触媒２３に伝達され、改質触媒２３を昇温させる。昇温器２２は、燃料噴射弁２１によって噴射された燃料を間接的に昇温させ、活性化し易い状態にする。

改質触媒２３は、例えばハニカム状に形成されたコージェライトに、ゼオライト又は酸化アルミニウム（Al₂O₃，以下、アルミナ）等をコーティングしたモノリス触媒である。改質触媒２３の触媒作用により、燃料の主成分である炭化水素は、部分的に酸化する。その結果、例えばアルデヒド基（ＣＨＯ）に酸化された状態の部分酸化物（例えばアルデヒド）、或いは一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ_２）等が還元剤として機能する改質燃料として、燃料改質装置２０から供給される。

ＮＯｘ浄化装置３０は、ＮＯｘ触媒３１、及びＮＯｘ触媒３１を収容する金属製のハウジング３５等によって構成されている。ＮＯｘ触媒３１は、担体３２及び触媒金属３３を有し、ハニカム状に形成されたモノリス触媒である。担体３２は、例えばアルミナ等である。担体３２は、触媒金属３３を担持する基材となる。触媒金属３３は、例えば銀（Aｇ）である。触媒金属３３は、担体３２の表面に位置し、ＮＯｘの還元反応を促進させる。

尚、担体３２には、上述のアルミナに加え、ゼオライト、シリカ、チタニア、セリア、及びジルコニアのうちの一つ又は複数を用いることが可能である。また、触媒金属３３には、上述の銀に加え、銅（Cu）、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ニッケル（Ni）、イリジウム（Ir）、ラジウム（Rh）等を用いることが可能である。さらに、コバルト（Co）、オスミウム（Os）、ルテニウム（Ru）、鉄（Fe）、レニウム（Re）、テクネチウム（Tc）、マンガン（Mn）、チタン（Ti）等が触媒金属３３に用いられてもよい。加えて上記の金属は、酸化物の状態で担体３２に担持されていてもよい。また、複数種類の上記金属が単体又は酸化物として、担体３２に担持されていてもよい。

ＮＯｘ触媒３１は、触媒温度が低温（約２００℃未満）である場合、ＮＯｘ浄化装置３０に流入する排気ガス中のＮＯｘを吸着する。ＮＯｘ触媒３１は、複数の吸着状態でＮＯｘを吸着する。ＮＯｘ触媒３１は、担体３２及び触媒金属３３に吸着されているＮＯｘの総量に応じて、吸着状態を順に遷移させる。

詳記すると、図２に示すように、ＮＯｘ触媒３１に吸着されているＮＯｘが少量である場合、新たにＮＯｘ触媒３１に流入するＮＯｘは、触媒金属３３及び担体３２のうちで、主に触媒金属３３にのみ、まず吸着される。そして、触媒金属３３へのＮＯｘの吸着量が増加すると、図３に示すように、新たなＮＯｘは、触媒金属３３及び担体３２のうちで主に担体３２に吸着され始める。この状態からＮＯｘの吸着量がさらに増加すると、図４に示すように、新たなＮＯｘは、触媒金属３３及び担体３２の両方に吸着されるようになる。

ＮＯｘ触媒３１は、触媒温度が高温（約２００℃以上）となった場合に、吸着していたＮＯｘを脱離させる。脱離されたＮＯｘは、ＮＯｘ触媒３１の触媒作用により、燃料改質装置２０から供給される改質燃料と反応する。改質燃料が還元剤として機能することにより、ＮＯｘは、窒素に還元される。排気ガス中にはＮＯｘの他に酸素（Ｏ_２）も含まれているが、改質燃料は、酸素の存在下においても、ＮＯｘと選択的に反応する。

ＮＯｘ触媒３１からのＮＯｘの脱離量は、図５の脱離特性データに示すように、触媒温度が高くなるに従って増加する。加えて、ＮＯｘの脱離特性は、担体３２と触媒金属３３とで互いに異なっている。触媒金属３３からの脱離は、担体３２からの脱離よりも低い触媒温度で開始される。さらに、触媒金属３３からの脱離速度は、担体３２からの脱離速度よりも高くなる。

ＥＣＵ５０は、内燃機関ＩＣＥに係る制御を統合的に実施する制御装置である。ＥＣＵ５０は、プロセッサ５１、ＲＡＭ５２、記憶媒体５３、並びに計測信号及び制御信号の入出力インターフェース５４を有するマイクロコンピュータを主体に構成されている。ＥＣＵ５０は、複数の車載センサ４０と接続されている。車載センサ４０には、アクセルペダル及びステアリング等へ入力された運転者の操作情報を検出するセンサ、並びに回転速度及び吸気温度等の内燃機関ＩＣＥに係る稼働情報を検出するセンサが含まれている。さらにＥＣＵ５０には、後処理に係る構成として、燃料噴射弁２１、昇温器２２、及び燃料ポンプ７２に加えて、排気ガスセンサ４１，４２、排気温度センサ４３、触媒温度センサ４４、ＮＯｘセンサ４５、及びエアフロメータ４６等が接続されている。

排気ガスセンサ４１，４２はそれぞれ、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力するＯ２センサと、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた計測信号を出力するＮＯｘセンサとを組み合わせた構成である。排気ガスセンサ４１は、改質触媒２３の上流側に配置され、改質触媒２３に流入する排気ガスの酸素濃度及びＮＯｘ濃度を検出する。排気ガスセンサ４２は、改質触媒２３の下流側に配置され、ＮＯｘ触媒３１に流入する排気ガスの酸素濃度及びＮＯｘ濃度を検出する。

排気温度センサ４３及び触媒温度センサ４４は、熱電対又はサーミスタ等である。排気温度センサ４３は、ＮＯｘ触媒３１の上流側に配置され、ＮＯｘ触媒３１に流入する排気ガスの温度に応じた計測信号を出力する。触媒温度センサ４４は、ハウジング３５に取り付けられており、ＮＯｘ触媒３１の触媒温度に応じた計測信号を出力する。ＮＯｘセンサ４５は、ＮＯｘ触媒の下流側に配置され、ＮＯｘ触媒３１を通過した排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた計測信号を出力する。

エアフロメータ４６は、吸気管１２に設けられている。エアフロメータ４６は、白金熱線等を有するセンサであり、吸気通路を流れる空気の流速に応じた計測信号を出力する。エアフロメータ４６の計測信号に基づき、内燃機関ＩＣＥに供給される吸入空気の流量がＥＣＵ５０に取得される。

ＥＣＵ５０は、プロセッサ５１による排気浄化処理プログラムの実行により、図６に示す吸着量推定部６１、脱離量推定部６２、及び還元制御部６３を、ＮＯｘの後処理に係る機能ブロックとして構築する。以下、ＥＣＵ５０に構築される各機能ブロックの詳細を、図６及び図１に基づき説明する。

吸着量推定部６１は、後述する吸着量推定処理（図１０参照）により、ＮＯｘ触媒３１の各吸着状態に対応した方法により、ＮＯｘ触媒３１に吸着されているＮＯｘの吸着量を推定する。上述したように、ＮＯｘ触媒３１は、吸着しているＮＯｘの総量に応じて、換言すれば、触媒金属３３及び担体３２それぞれに吸着されたＮＯｘの吸着量に応じて、吸着状態を切り替える。故に吸着量推定部６１は、ＮＯｘ触媒３１の触媒金属３３及び担体３２それぞれに吸着されているＮＯｘの量を個別に算定し、算定した量に応じて、想定する吸着状態を順に切り替える。

具体的に、吸着量推定部６１には、第一閾値ａ１及び第二閾値ａ２が予め設定されている。第一閾値ａ１は、新たなＮＯｘの吸着先が触媒金属３３から担体３２に切り替わる臨界点を示す閾値である。第二閾値ａ２は、新たなＮＯｘの吸着先が担体３２から触媒金属３３及び担体３２の両方に切り替わる臨界点を示す閾値である。

吸着量推定部６１は、最初、触媒金属３３に吸着されているＮＯｘの量が第一閾値ａ１未満である場合には、新たにＮＯｘ触媒３１に流入するＮＯｘが実質全て触媒金属３３に吸着される吸着状態を想定して、吸着量を推定する（図２参照）。この場合、触媒金属３３のＮＯｘ吸着量は、ＮＯｘ触媒３１におけるＮＯｘの総吸着量と実質同一の値となる。

さらに吸着量推定部６１は、触媒金属３３のＮＯｘ吸着量が第一閾値ａ１以上である場合に、新たにＮＯｘ触媒３１に流入するＮＯｘが全て担体３２に吸着される吸着状態を想定して、吸着量を推定する（図３参照）。吸着量推定部６１は、担体３２のＮＯｘ吸着量が第二閾値ａ２以上となるまで、ＮＯｘが担体３２に吸着される吸着状態の想定を継続する。

そして吸着量推定部６１は、担体３２のＮＯｘ吸着量が第二閾値ａ２以上である場合に、新たにＮＯｘ触媒３１に流入するＮＯｘが触媒金属３３及び担体３２の両方に吸着される吸着状態を想定して、吸着量を算定する（図４参照）。この場合、触媒金属３３及び担体３２のそれぞれにＮＯｘが吸着される割合（以下、吸着割合）は、吸着量推定部６１により、ＮＯｘ触媒３１の状態に応じて調整される。吸着割合の決定に用いられる検出パラメータは、ＮＯｘ触媒３１の触媒温度、ＮＯｘ触媒３１に流入する排気ガス（以下、触媒流入ガス）の流量、酸素濃度、及びＮＯｘ濃度、並びに触媒金属３３及び担体３２に既に吸着されているＮＯｘ量等である。

脱離量推定部６２は、後述する脱離量推定処理（図９参照）の実施により、ＮＯｘ触媒３１から脱離されるＮＯｘの脱離量を推定する。脱離量推定部６２による脱離量の推定は、吸着量推定部６１によって推定された触媒金属３３及び担体３２それぞれのＮＯｘ吸着量に基づいて行われる。詳記すると、ＮＯｘ触媒３１からのＮＯｘの脱離特性は、上述したように触媒金属３３と担体３２とで互いに異なっている。触媒金属３３及び担体３２のそれぞれからのＮＯｘの脱離速度は、以下の数式１，２に基づいて算出可能である。

以上の式では、αが適合パラメータであり、［ＮＯｘ］がＮＯｘの吸着量であり、Ｅが活性化エネルギーであり、Ｒが気体定数であり、Ｔが触媒温度である。［ＮＯｘ］には吸着量推定部６１によって推定された個別の推定値が用いられ、Ｔには触媒温度センサ４４によって計測された値が用いられる。そして、ＮＯｘ触媒３１からのＮＯｘの脱離量は、以下の数式３のようになる。

還元制御部６３は、後述する還元制御処理（図８参照）の実施により、脱離量推定部６２によって推定されたＮＯｘの脱離量を用いて、燃料改質装置２０からＮＯｘ触媒３１に供給される改質燃料の供給量を設定する。そのために、還元制御部６３は、触媒温度と、触媒流入ガスの情報を取得する。触媒流入ガス情報には、例えばガス流量、酸素濃度、及びＮＯｘ濃度が含まれる。尚、ガス流量には、エアフロメータ４６の計測に基づく吸気流量の値が流用される。

還元制御部６３は、記憶媒体５３に記憶された供給量設定マップ（図７参照）に基づき、改質燃料の供給量を設定する。供給量設定マップは、排気ガス中のＮＯｘ濃度と、その排気ガスに含まれるＮＯｘの還元に必要な還元剤量との相関を示す制御マップである。供給量設定マップは、触媒温度、ガス流量、及び酸素濃度毎に予め複数作成されており、記憶媒体５３に記憶されている。

還元制御部６３は、還元剤の供給量を設定するに際して、最新の触媒温度、ガス流量、及び酸素濃度に対応じた供給量設定マップを選択する。加えて還元制御部６３は、推定されたＮＯｘの脱離量と、触媒流入ガスのガス流量及びＮＯｘ濃度とを用いて、ＮＯｘ浄化装置３０内のＮＯｘ濃度を推定する。そして還元制御部６３は、選択した供給量設定マップに基づき、推定したＮＯｘ濃度に対応する還元剤量を決定する。

還元制御部６３は、決定した還元剤量がＮＯｘ触媒３１に供給されるように、燃料改質装置２０による改質燃料の供給を制御する。還元制御部６３は、燃料噴射弁２１及び燃料ポンプ７２へ向けて出力する制御信号により、排気通路に投入される燃料量を増減させる。さらに還元制御部６３は、昇温器２２へ向けて出力する制御信号により、改質触媒２３を昇温させる。こうした昇温器２２の制御により、改質触媒２３を通過した改質燃料の活性度の高さが調整される。

さらに還元制御部６３は、ＮＯｘ触媒３１の下流側に位置するＮＯｘセンサ４５により、ＮＯｘ濃度の異常値を検出した場合に、緊急の強制脱離制御を開始する。異常値は、予め設定されたＮＯｘ濃度の値であり、例えば内燃機関ＩＣＥの異常動作によって多量のＮＯｘが排出されたシーンを想定した値である。以上のように、多量のＮＯｘが排出された場合、吸着量推定部６１にて算定されるＮＯｘ吸着量の累積値に大きな狂いが生じ易い。故に、還元制御部６３は、排気ガス中のＮＯｘを還元させるだけでなく、ＮＯｘ触媒３１に吸着されたＮＯｘが実質的に全て脱離するよう、燃料改質装置２０によって供給される還元剤の供給量を増加させる。以上により、吸着量推定部６１は、ＮＯｘの吸着量の推定を一旦リセットすることができる。

次に、ここまで説明した吸着量推定部６１、脱離量推定部６２、及び還元制御部６３にて実施される各処理を整理し、図８〜図１０，図１２のフローチャートに基づき、図１及び図６を参照しつつ説明する。まず図８のフローチャートに基づいて、還元制御処理の詳細を説明する。還元制御処理は、内燃機関ＩＣＥの稼動の開始に伴い、還元制御部６３によって開始され、内燃機関ＩＣＥが停止されるまで繰り返される。

Ｓ１０１では、触媒温度及び触媒流入ガス情報を取得し、Ｓ１０２に進む。Ｓ１０２では、後述する脱離量推定処理（図９参照）によって推定されたＮＯｘ脱離量の推定値を脱離量推定部６２から取得し、Ｓ１０３に進む。Ｓ１０３では、供給量設定マップ（図７参照）を用いて必要な還元剤の供給量を決定する。そして、決定した供給量の還元剤がＮＯｘ触媒３１に供給されるような燃料噴射を燃料噴射弁２１に実行させて、Ｓ１０１に戻る。

次に、還元制御処理のＳ１０２にて取得される推定値を算出する脱離量推定処理の詳細を、図９のフローチャートに基づいて説明する。脱離量推定処理は、内燃機関ＩＣＥの稼動開始に伴って脱離量推定部６２により開始され、内燃機関ＩＣＥが停止されるまで繰り返される。

Ｓ１１１では、Ｓ１０１と同様に、触媒温度及び触媒流入ガス情報を取得し、Ｓ１１２に進む。Ｓ１１２では、後述する吸着量推定処理（図１０参照）によって推定されたＮＯｘの吸着状態及びＮＯｘ吸着量の推定値を吸着量推定部６１から取得し、Ｓ１１３に進む。Ｓ１１３では、上述の数式１〜３に基づき、ＮＯｘ触媒３１から脱離するＮＯｘの脱離量を推定し、Ｓ１１１に戻る。Ｓ１１３による脱離量の推定値が、Ｓ１０２にて脱離量推定部６２に取得される。

次に、脱離量推定処理のＳ１１２にて取得される推定値を算出する吸着量推定処理の詳細を、図１０のフローチャートに基づいて説明する。吸着量推定処理は、内燃機関ＩＣＥの稼動開始に伴って吸着量推定部６１により開始され、内燃機関ＩＣＥが停止されるまで繰り返される。

Ｓ１２１では、Ｓ１０１と同様に、触媒温度及び触媒流入ガス情報を取得し、Ｓ１２２に進む。Ｓ１２２では、前回までの吸着量推定処理によって推定されたＮＯｘの総吸着量を取得し、Ｓ１２３に進む。

Ｓ１２３では、新たに吸着されるＮＯｘの吸着量を算出し、Ｓ１２４に進む。Ｓ１２３では、図１１に示す吸着率算定マップが用いられる。吸着率算定マップには、ＮＯｘ触媒３１に吸着されているＮＯｘの総量と、そのときのＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ吸着率との相関が示されている。吸着率算定マップは、触媒流入ガスのガス流量、ＮＯｘ濃度、及び酸素濃度毎に、予め複数作成されており、記憶媒体５３に記憶されている。Ｓ１２３では、Ｓ１２１にて取得された触媒流入ガス情報に基づき、現在のＮＯｘ触媒３１の状態に対応する吸着率算定マップを選択する。そして、選択された吸着率算定マップに基づき、Ｓ１２２にて取得された総ＮＯｘ吸着量から、ＮＯｘの吸着率が決定される。さらに、Ｓ１２１にて取得された排気ガスの流量及びＮＯｘ濃度に基づき、今回分として新たにＮＯｘ触媒３１に吸着されるであろうＮＯｘの吸着量を算出する。

Ｓ１２４及びＳ１２５では、ＮＯｘ触媒３１の吸着状態が判定される。具体的に、Ｓ１２４では、触媒金属３３のＮＯｘ吸着量が第一閾値ａ１未満か否かを判定する。Ｓ１２４にて、触媒金属３３のＮＯｘ吸着量が第一閾値ａ１以上であると判定した場合、Ｓ１２５に進む。一方、Ｓ１２４にて、触媒金属３３のＮＯｘ吸着量が第一閾値ａ１未満であると判定した場合、Ｓ１２６に進む。Ｓ１２６では、触媒金属３３について推定されるＮＯｘ吸着量を、Ｓ１２３にて算出されたＮＯｘの吸着量分だけ増加させて、Ｓ１２１に戻る。

Ｓ１２５では、触媒金属３３のＮＯｘ吸着量に担体３２のＮＯｘ吸着量を加えた値が第二閾値ａ２未満か否かを判定する。Ｓ１２５にて、担体３２のＮＯｘ吸着量が第二閾値ａ２未満となるような値であった場合、Ｓ１２７に進む。Ｓ１２７では、担体３２について推定されるＮＯｘ吸着量を、Ｓ１２３にて算出されたＮＯｘの吸着量分だけ増加させて、Ｓ１２１に戻る。

一方、Ｓ１２５にて、担体３２のＮＯｘ吸着量が第二閾値ａ２以上となるような値であった場合、Ｓ１２８に進む。Ｓ１２８では、ＮＯｘ触媒３１の状態に応じて設定された吸着割合に基づき、Ｓ１２２にて算出されたＮＯｘの吸着量分を触媒金属３３及び担体３２に割り振り、これらについて推定されるＮＯｘ吸着量を増加させる。以上のＳ１２６〜Ｓ１２７の処理によれば、触媒金属３３及び担体３２それぞれのＮＯｘ吸着量が累積値として個別にカウントされる。

尚、Ｓ１２５にて用いられる第二閾値ａ２は、ＮＯｘ触媒３１の総ＮＯｘ吸着量と比較される閾値として設定されていた。しかし、第二閾値ａ２は、触媒金属３３に第一閾値ａ１相当のＮＯｘが吸着していることを前提とし、担体３２のＮＯｘ吸着量と比較される閾値として設定されてもよい。

次に、強制脱離処理の詳細を、図１２のフローチャートに基づいて説明する。この強制脱離処理は、内燃機関ＩＣＥの稼働中において、還元制御部６３により、還元制御処理（図９参照）と並行処理される。

Ｓ１４１では、ＮＯｘ触媒３１を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度を、ＮＯｘセンサ４５から取得し、Ｓ１４２に進む。Ｓ１４２では、Ｓ１４１にて取得されたＮＯｘ濃度が異常値を超えているか否かを判定する。Ｓ１４２にて、ＮＯｘ濃度が異常値を超えていないと判定した場合、Ｓ１４３〜Ｓ１４６をスキップして、Ｓ１４１に戻る。一方、Ｓ１４２にて、ＮＯｘ濃度が異常値を超えていると判定した場合、Ｓ１４３に進む。

Ｓ１４３では、強制脱離のための燃料噴射を燃料噴射弁２１に開始させ、Ｓ１４４に進む。Ｓ１４３によって供給される改質燃料は、内燃機関ＩＣＥから多量に排出されたＮＯｘを還元させると共に、ＮＯｘ触媒３１から実質全てのＮＯｘを脱離させる。Ｓ１４４では、Ｓ１４１と同様に、ＮＯｘ触媒３１から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度を、ＮＯｘセンサ４５から取得し、Ｓ１４５に進む。

Ｓ１４５では、Ｓ１４４にて取得したＮＯｘ濃度が正常値に戻っているか否かを判定する。正常値は、異常値よりも大幅に低いＮＯｘ濃度を示す値である。Ｓ１４５にて、ＮＯｘ濃度が依然として正常値以上であると判定した場合、Ｓ１４４及びＳ１４５の繰り返しによってＮＯｘ濃度の低下を待つ。そして、ＮＯｘ濃度が正常値未満となった場合に、Ｓ１４６に進み、Ｓ１４３にて開始した強制脱離のための燃料噴射を終了し、通常の後処理の制御に戻す。このとき、Ｓ１２２にて取得されるＮＯｘの総吸着量、及びＳ１２６〜Ｓ１２６にてカウントされる触媒金属３３及び担体３２の累積吸着量は、全てリセットされ、ゼロに戻される。

ここまで説明した第一実施形態では、ＮＯｘ触媒３１が複数の吸着状態を有していても、吸着量推定部６１は、ＮＯｘ触媒３１の吸着状態毎にＮＯｘの吸着量を推定できる。こうして推定された吸着量の推定値に基づくことにより、脱離量推定部６２にて推定されるＮＯｘの脱離量は、実際のＮＯｘ触媒３１の吸着状態を反映した値となる。したがって、排気浄化システム１００は、ＮＯｘの脱離量を精度良く推定できる。

加えて第一実施形態の吸着量推定部６１は、総ＮＯｘ吸着量の増加に伴って吸着状態を遷移させるＮＯｘ触媒３１の特性に合わせて、想定する吸着状態を切り替え、触媒金属３３及び担体３２それぞれのＮＯｘ吸着量をカウントできる。このように、実際のＮＯｘ触媒３１に生じている吸着現象を忠実に推定へ反映させることで、吸着量推定部６１は、さらに正確なＮＯｘ吸着量を取得可能になる。

また第一実施形態の吸着量推定部６１は、ＮＯｘの総吸着量が第一閾値ａ１を超えた場合に、新たに流入したＮＯｘの吸着先を触媒金属３３から担体３２へと切り替える。さらに吸着量推定部６１は、ＮＯｘの総吸着量が第二閾値ａ２を超えた場合に、新たに流入したＮＯｘの吸着先を触媒金属３３及び担体３２の両方に切り替える。以上のように、実際のＮＯｘ触媒３１の吸着状態を忠実に再現した推定手法を用いることで、吸着量推定部６１は、触媒金属３３及び担体３２それぞれのＮＯｘ吸着量をさらに精度良く推定できる。

さらに第一実施形態の吸着量推定部６１は、触媒金属３３及び担体３２の吸着割合を、ＮＯｘ触媒３１の温度等の条件によって変化させる。故に、吸着量推定部６１は、触媒金属３３及び担体３２の両方にＮＯｘが吸着される吸着状態においても、触媒金属３３及び担体３２それぞれのＮＯｘ吸着量を精度良く推定できる。

加えて第一実施形態では、高精度に推定されたＮＯｘの脱離量を用いて、ＮＯｘ触媒３１に供給される改質燃料の供給量が設定される。故に、ＮＯｘ触媒３１には、ハウジング３５に流入する排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適量の改質燃料が還元剤として届けられる。以上によれば、還元剤の不足によって多くのＮＯｘがＮＯｘ触媒３１を通過してしまう事態、及び余分な還元剤の供給によって燃費が悪化する事態は、共に防止される。

さらに第一実施形態では、内燃機関ＩＣＥに生じた不測の事態により、多量のＮＯｘが内燃機関ＩＣＥから排出された場合でも、還元制御部６３は、還元剤の供給量を増加させて、ＮＯｘ触媒３１を通過するＮＯｘを低減させることができる。故に、排気浄化システム１００は、不測の事態に伴う排気の悪化を最小限に抑制できる。

加えて第一実施形態では、内燃機関ＩＣＥから多量のＮＯｘが排出された場合、ＮＯｘ触媒３１に吸着されたＮＯｘを実質全て脱離させたうえで、吸着量推定部６１にて積算されていたＮＯｘ吸着量の値が全てリセットされる。以上の処理によれば、実際の値と乖離したＮＯｘ吸着量の推定値に基づき、還元剤の供給制御が継続されてしまう事態は、防がれる。したがって、排気浄化システム１００は、内燃機関ＩＣＥの異常が偶発的に生じたとしても、ＮＯｘ浄化機能を正常な状態に回復させることができる。

尚、第一実施形態において、第一閾値ａ１が「触媒金属閾値」に相当し、第二閾値ａ２が「担体閾値」に相当し、内燃機関ＩＣＥが「機関」に相当する。また、燃料改質装置２０が「還元剤供給器」に相当し、ＮＯｘ触媒３１が「触媒」に相当し、ＮＯｘセンサ４５が「検出部」に相当し、ＥＣＵ５０が「浄化制御装置」に相当し、記憶媒体５３が「記憶部」に相当する。

（第二実施形態）
第二実施形態では、図６に示すＥＣＵ５０にて実施される処理の一部が第一実施形態と異なっている。脱離量推定部６２は、脱離量推定処理のＳ１１３（図９参照）において、第一実施形態の数式１，２を用いることなく、予め作成された脱離速度マップを用いて、ＮＯｘ触媒３１（図１参照）からのＮＯｘ脱離量を推定する。

脱離速度マップは、単位ＮＯｘ吸着量あたりにおいて、触媒温度とＮＯｘ脱離速度との相関を示す脱離特性データである（図５参照）。一つの脱離速度マップには、触媒金属３３（図２参照）の脱離速度を示す相関線と、担体３２（図２参照）の脱離速度を示す相関線が個別に設定されている。脱離速度マップは、触媒流入ガスのガス流量、ＮＯｘ濃度、及び酸素濃度毎に、予め複数作成されている。ＥＣＵ５０の記憶媒体５３（図１参照）には、触媒流入ガスの状態毎に作成された複数の脱離速度マップが記憶されている。

脱離量推定部６２は、図９に示す脱離量推定処理のＳ１１３において、Ｓ１１１にて取得した触媒流入ガス情報に基づき、複数の脱離速度マップの中から、現在の触媒流入ガスの状態に対応した一つを選択する。次に脱離量推定部６２は、選択した脱離速度マップを用いて、触媒金属３３及び担体３２（図２参照）のそれぞれについて、Ｓ１１１にて取得した触媒温度に基づき、単位ＮＯｘ吸着量あたりにおけるＮＯｘ脱離速度を導出する。そして脱離量推定部６２は、導出したＮＯｘ脱離速度と、Ｓ１１２にて取得したＮＯｘ吸着量とを掛け合わせることにより、触媒金属３３及び担体３２それぞれから脱離されるＮＯｘの脱離量を算定する。

次に、第二実施形態の吸着量推定部６１による吸着量推定処理の詳細を、図１３に示すフローチャートに基づき、図４及び図６を参照しつつ説明する。尚、第二実施形態の吸着量推定処理におけるＳ２２１〜Ｓ２２７は、第一実施形態のＳ１２１〜Ｓ１２７（図１０参照）と実質同一である。

吸着量推定部６１は、吸着量推定処理のＳ２２８において、想定するＮＯｘ触媒３１の吸着状態を、担体３２のみにＮＯｘが吸着される吸着状態から、触媒金属３３及び担体３２の両方にＮＯｘが吸着される吸着状態に切り替える。このとき吸着量推定部６１は、ＮＯｘ吸着量の積算を行うことなく、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを脱離及び還元させる制御の開始を設定する。

Ｓ２２８にて、脱離及び還元制御の開始が設定されると、脱離量推定部６２は、脱離量推定処理のＳ１１３（図９参照）にて、ＮＯｘ脱離量の推定を行わない。そして還元制御部６３は、還元制御処理のＳ１０３（図８参照）にて、ＮＯｘ触媒３１に吸着されている全てのＮＯｘが脱離及び還元されるように、還元剤の供給量を設定し、燃料噴射を開始させる。還元剤の供給量は、第一実施形態の供給量設定マップとは異なる制御マップに基づいて設定される。以上の処理により、触媒金属３３及び担体３２の両方にＮＯｘを吸着させる吸着状態でのＮＯｘ触媒３１の利用が制限される。

ここまで説明した第二実施形態でも、ＮＯｘ脱離量の推定に、実際のＮＯｘ触媒３１の吸着状態が反映される。故に、推定されるＮＯｘ脱離量は、高い精度を獲得できる。

加えて第二実施形態の脱離量推定部６２は、予め記憶された脱離速度マップに基づいて、ＮＯｘ脱離量を推定する。このように、制御マップを用いた処理は、複雑な数式を用いた処理よりも、プロセッサ５１（図１参照）の演算処理の負荷軽減に寄与し得る。加えて、実際の使用条件にて不可避的に生じる誤差を鑑みて脱離速度マップを作成しておけば、吸着量推定部６１は、さらに精度良くＮＯｘ脱離量を推定可能になる。

さらに第二実施形態のＮＯｘ触媒３１は、触媒金属３３及び担体３２の両方にＮＯｘを吸着させる吸着状態での利用を制限される。触媒金属３３及び担体３２の両方にＮＯｘを吸着させる吸着状態で吸着されたＮＯｘは、ＮＯｘ触媒３１から脱離し難い傾向にある。故に、ＮＯｘを脱離させる際に、多くのエネルギーが消費されてしまう。そのため、担体３２のＮＯｘ吸着量が第二閾値ａ２を超えた場合に脱離制御を開始させることで、ＮＯｘの効率的な浄化が実現できる。

（第三実施形態）
第三実施形態は、第二実施形態の変形例である。第三実施形態では、第二実施形態とは異なる吸着量推定処理が実施される。以下、図１４に示すフローチャートに基づき、図３及び図６を参照しつつ、第三実施形態の吸着量推処理を説明する。尚、図１４のＳ３２１〜Ｓ３２５は、第二実施形態のＳ２２１〜Ｓ２２４，Ｓ２２６（図１３参照）と実質同一である。

吸着量推定部６１は、Ｓ３２６において、想定するＮＯｘ触媒３１の吸着状態を、触媒金属３３のみにＮＯｘが吸着される吸着状態から、担体３２のみにＮＯｘが吸着される吸着状態へ切り替える。このとき吸着量推定部６１は、第二実施形態のＳ２２８（図１３参照）と同様に、ＮＯｘ吸着量の積算を行うことなく、ＮＯｘ触媒３１からＮＯｘを脱離及び還元させる制御の開始を設定する。

その結果、還元制御部６３は、還元制御処理のＳ１０３（図８参照）において、燃料改質装置２０による還元剤の供給により、ＮＯｘ触媒３１に吸着されている全てのＮＯｘを脱離及び還元させる制御を開始する。以上の処理により、担体３２のみにＮＯｘを吸着させる吸着状態でのＮＯｘ触媒３１の利用が制限される。

ここまで説明した第三実施形態でも、触媒金属３３のみにＮＯｘが吸着される吸着状態を想定したＮＯｘの脱離量の推定が行われる。その結果、ＮＯｘの脱離量は、高精度に推定されるようになる。

加えて第三実施形態のＮＯｘ触媒３１は、担体３２にＮＯｘを吸着させる吸着状態での使用を制限され、触媒金属３３のみにＮＯｘを吸着させる吸着状態で主に使用される。触媒金属３３からＮＯｘを脱離させるエネルギーは、担体３２からＮＯｘを脱離させるエネルギーよりも低いため、効率的なＮＯｘの浄化が可能になる。

（他の実施形態）
以上、複数の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

上記実施形態における吸着量推定処理では、触媒金属３３及び担体３２の各ＮＯｘ吸着量を第一閾値ａ１及び第二閾値ａ２と比較することで、想定される吸着状態が切り替えられていた。しかし、第一閾値及び第二閾値は、総ＮＯｘ吸着量と比較される閾値として設定されてもよい。

上記第一実施形態では、触媒金属３３及び担体３２の各表面にＮＯｘが吸着される図２〜図４のイメージに基づき、ＮＯｘ触媒３１における吸着状態の遷移が説明されていた。しかし、図２〜図４は、吸着状態の遷移の理解を容易にするための模式図の一例であって、実際のＮＯｘ触媒がＮＯｘをトラップする現象の忠実な図示をしていない。ＮＯｘ触媒によるＮＯｘのトラップは、例えばＮＯｘ吸着量が増加するに従って、担体３２の深い位置にＮＯｘが吸着されるイメージで解釈されてもよい。

上記実施形態の燃料改質装置２０は、排気管１３の途中に設けられていた。しかし、燃料改質装置は、例えば排気管と並列に設置されており、改質燃料を供給する供給管の先端を排気管に合流させた構成であってもよい。こうした構成であれば、排気ガスの含有成分に起因した燃料噴射弁、昇温器、及び改質触媒等の性能低下は、防がれる。

また、上記実施形態の燃料改質装置２０は、還元剤として改質燃料を供給する構成であった。しかし、例えば燃料改質装置は、改質燃料と共にオゾンを供給する構成であってもよい。さらに、尿素から生成したアンモニアを還元剤として供給可能な「還元剤供給器」が排気浄化システムに設けられていてもよい。

上記第一実施形態の吸着量推定部は、触媒温度等に応じて、触媒金属３３及び担体３２に吸着されるＮＯｘの吸着割合を調整していた。しかし、吸着量推定部は、予め設定された一定の吸着割合で、触媒金属及び担体のそれぞれに吸着されるＮＯｘ吸着量を積算していってもよい。

上記実施形態では、ＮＯｘ触媒の下流側に設けたＮＯｘセンサにて検出されるＮＯｘ濃度が異常値を超えた場合に、フェールセーフとして、多量の還元剤を供給する制御が開始されていた。しかし、こうしたフェールセーフのための制御は、省略されてもよい。また上記実施形態では、ＮＯｘ触媒から全てのＮＯｘが脱離するまで、緊急用の還元剤の投入が継続された。しかし、排気浄化システムは、ＮＯｘ濃度が正常に回復した時点で、通常の浄化制御に戻すことができる。

上記実施形態において、ＥＣＵ５０のプロセッサ５１等によって提供されていた機能は、上述のものとは異なるハードウェア及びソフトウェア、或いはこれらの組み合わせによって提供可能である。例えば、内燃機関ＩＣＥの稼動を統合制御するＥＣＵ５０とは別に設けられた後処理専用の制御回路が、「浄化制御装置」として、還元制御処理、脱離量制御処理、吸着量推定処理、及び強制脱離処理の一部又は全部を実行してもよい。さらに、プロセッサ５１にて実行されるプログラム及び各制御マップ等を記憶する記憶媒体５３には、フラッシュメモリ及びハードディスク等の種々の非遷移的実体的記憶媒体が採用可能である。

上記実施形態では、車両に搭載された内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化システムに、本発明を適用した例を説明した。しかし、車載された内燃機関に限らず、船舶、鉄道車両、及び航空機等に搭載された内燃機関又は外燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化システムにも、本発明は適用可能である。さらに、発電用の内燃機関又は外燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化システムにも、本発明は適用可能である。

ａ１ 第一閾値（触媒金属閾値）、ａ２ 第二閾値（担体閾値）、ＩＣＥ 内燃機関（機関）、２０ 燃料改質装置（還元剤供給器）、３１ ＮＯｘ触媒（触媒）、３２ 担体、３３ 触媒金属、４５ ＮＯｘセンサ（検出部）、５０ ＥＣＵ（浄化制御装置）、５３ 記憶媒体（記憶部）、６１ 吸着量推定部、６２ 脱離量推定部、６３ 還元制御部、１００ 排気浄化システム

Claims (11)

1. 機関（ＩＣＥ）から排出される排気ガスに含有される窒素酸化物を複数の吸着状態で吸着し、吸着した窒素酸化物を浄化に際して脱離させる触媒（３１）と、
   各吸着状態に対応した方法により、前記触媒に吸着されている窒素酸化物の吸着量を推定する吸着量推定部（６１）と、
   前記吸着量推定部によって推定された吸着量の推定値に基づき、前記触媒から脱離される窒素酸化物の脱離量を推定する脱離量推定部（６２）と、を備える排気浄化システム。
2. 前記吸着量推定部は、前記触媒に吸着されている窒素酸化物の量に応じて、当該触媒の吸着状態を切り替える請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 前記触媒は、担体（３２）、及び前記担体に担持された触媒金属（３３）を有し、
   前記吸着量推定部は、
   当該触媒に流入する窒素酸化物が前記触媒金属に吸着される吸着状態を最初に想定して吸着量を推定し、
   前記触媒金属に吸着された窒素酸化物の量が触媒金属閾値（ａ１）を超えている場合には、当該触媒に流入する窒素酸化物が前記担体に吸着される吸着状態を想定して吸着量を推定する請求項２に記載の排気浄化システム。
4. 前記吸着量推定部は、前記担体に吸着された窒素酸化物の量が担体閾値（ａ２）を超えている場合に、当該触媒に流入する窒素酸化物が前記触媒金属及び前記担体の両方に吸着される吸着状態を想定して吸着量を推定する請求項３に記載の排気浄化システム。
5. 前記吸着量推定部は、前記担体に吸着された窒素酸化物の量が前記担体閾値を超えている場合に、前記触媒金属及び前記担体のそれぞれに窒素酸化物が吸着される吸着割合を、前記触媒の状態に応じて調整する請求項４に記載の排気浄化システム。
6. 前記触媒の温度と窒素酸化物の脱離速度との相関を示す脱離特性データであって、前記触媒に流入する排気ガスの状態毎に作成された複数の脱離特性データを記憶する記憶部（５３）、をさらに備え、
   前記脱離量推定部は、前記触媒に流入している排気ガスの状態に対応した前記脱離特性データに基づいて、窒素酸化物の脱離量を推定する請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気浄化システム。
7. 窒素酸化物の還元に用いられる還元剤を前記触媒に供給する還元剤供給器（２０）と、
   前記還元剤供給器による還元剤の供給を制御する還元制御部（６３）と、をさらに備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気浄化システム。
8. 前記還元制御部は、前記脱離量推定部によって推定された窒素酸化物の脱離量を用いて、前記還元剤供給器から前記触媒に供給される還元剤の供給量を設定する請求項７に記載の排気浄化システム。
9. 前記吸着量推定部は、前記触媒に吸着されている窒素酸化物の量に応じて、当該触媒の吸着状態を切り替え、
   前記還元制御部は、前記吸着量推定部にて想定されている前記触媒の吸着状態が切り替えられた場合に、前記還元剤供給器による還元剤の供給によって窒素酸化物を前記触媒から脱離させる制御を開始する請求項７又は８に記載の排気浄化システム。
10. 前記触媒の下流に配置され、当該触媒を通過した窒素酸化物を検出する検出部（４５）、をさらに備え、
    前記還元制御部は、予め設定された異常値を超えた量の窒素酸化物が前記検出部によって検出されたことに基づき、前記還元剤供給器によって供給される還元剤の供給量を増加させる請求項７〜９のいずれか一項に記載の排気浄化システム。
11. 機関（ＩＣＥ）から排出される排気ガスに含有される窒素酸化物を複数の吸着状態で吸着し、吸着した窒素酸化物を浄化に際して脱離させる触媒（３１）、を備えた排気浄化システム（１００）に適用される浄化制御装置であって、
    各吸着状態に対応した方法により、前記触媒に吸着されている窒素酸化物の吸着量を推定する吸着量推定部（６１）と、
    前記吸着量推定部によって推定された吸着量の推定値に基づき、前記触媒から脱離される窒素酸化物の脱離量を推定する脱離量推定部（６２）と、を備える浄化制御装置。

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