(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤が供給されることによりＮＯＸを還元するＮＯＸ吸蔵触媒と、
内燃機関の燃焼室に燃料を供給することにより、前記ＮＯＸ吸蔵触媒に還元剤を供給する燃料噴射弁と、
前記排気通路における前記ＮＯＸ吸蔵触媒よりも上流側の部分に燃料を噴射して排気に燃料を添加することにより前記ＮＯＸ吸蔵触媒に還元剤を供給する燃料添加弁と、
吸入空気の湿度を検出する湿度検出機構とを備え、
前記湿度検出機構によって検出される吸入空気の湿度が高いときであって、前記ＮＯＸ吸蔵触媒におけるＮＯＸの吸蔵量が所定量未満であるという条件、及び前記ＮＯＸ吸蔵触媒の温度が所定温度以上であるとい条件のいずれか一方でも成立していないときには、前記燃焼室における燃焼温度を上昇させるとともに前記燃焼室内の酸素濃度を上昇させる燃焼促進処理を実行し、
前記湿度検出機構によって検出される吸入空気の湿度が高いときであって、２つの前記条件の双方が成立しており、かつ、単位時間あたりに前記ＮＯＸ吸蔵触媒に流入するＮＯＸの量が基準量以上であるときには、前記湿度検出機構によって検出される吸入空気の湿度が低いときよりも、前記燃料噴射弁において前記ＮＯＸ吸蔵触媒に還元剤を供給するために噴射する燃料の量を少なくするとともに、前記燃料添加弁が噴射する燃料の量を多くすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示される排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯＸ吸蔵触媒を備えている。この触媒は、排気の酸素濃度が高いときにはＮＯＸを吸蔵する一方、排気の酸素濃度が低いときには、吸蔵したＮＯＸを放出してＨＣやＣＯによりＮＯＸを還元浄化する。この排気浄化装置は、リーン空燃比での運転が継続されることによって触媒に吸蔵されたＮＯＸを還元浄化するために、一時的に空燃比をリッチ化するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１７０５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃焼室に供給される燃料の量を増大させて空燃比をリッチ化させるようにしても、吸入空気の湿度が高い場合には、燃焼室内における燃焼が進行しにくく、還元剤のうちの還元能力が高いＣＯが生成されにくくなり、還元能力の低いＨＣが残存しやすくなる。また、吸入空気の湿度が高いときに、ＮＯＸを浄化するために燃焼室に供給される燃料として、吸入空気の湿度が低いときと同じ量の燃料を供給した場合には、吸入空気の湿度が低いときよりもＨＣの残存量が増加するため、燃焼室や排気ポートにデポジットが付着してしまう。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸入空気の湿度が高い場合であっても、燃焼室及び排気ポートにおけるデポジット付着を抑制しつつ、排気に含まれるＮＯＸを浄化することができる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤が供給されることによりＮＯＸを還元するＮＯＸ吸蔵触媒と、内燃機関の燃焼室に燃料を供給することにより、前記ＮＯＸ吸蔵触媒に還元剤を供給する燃料噴射弁と、前記排気通路における前記ＮＯＸ吸蔵触媒よりも上流側の部分に燃料を噴射して排気に燃料を添加することにより前記ＮＯＸ吸蔵触媒に還元剤を供給する燃料添加弁と、吸入空気の湿度を検出する湿度検出機構とを備え、前記湿度検出機構によって検出される吸入空気の湿度が高いときには、低いときよりも、前記燃料噴射弁において前記ＮＯＸ吸蔵触媒に還元剤を供給するために噴射する燃料の量を少なくするとともに、前記燃料添加弁が噴射する燃料の量を多くするようにしている。
【０００７】
上記構成によれば、燃焼室に燃料を供給しても、吸入空気の湿度が高いことによって還元剤のうち還元能力が高いＣＯが生成されにくくＨＣが残存しやすい状況では、還元剤を供給するために燃焼室に供給する燃料の量が少なくされる。したがって、吸入空気の湿度が高い状況で、還元剤を供給するための燃料として、吸入空気の湿度が低いときと同量の燃料が燃焼室に供給されることに起因した燃焼室及び排気ポートへのデポジット付着を抑制することができる。また、吸入空気の湿度が高い場合には、このように燃焼室に供給する燃料の量を少なくするものの、この減量分は、排気通路に噴射される燃料の量が多くされることにより補われる。そのため、ＮＯＸ吸蔵触媒においてＮＯＸを浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態の内燃機関の排気浄化装置が適用されるディーゼルエンジン及びその周辺機構を示す模式図。
【図２】実験により得られた燃焼室内の温度変化を示すタイミングチャート。
【図３】実験により得られた吸入空気の湿度とポスト噴射後の排気中のＨＣ濃度との関係を示すグラフ。
【図４】実験により得られた吸入空気の湿度とポスト噴射後の排気中のＣＯ濃度との関係を示すグラフ。
【図５】同実施形態におけるポスト噴射と排気燃料添加によるＮＯＸ浄化制御の切り替え処理の実行手順を示すフローチャート。
【図６】同実施形態におけるＮＯＸ浄化制御の実行手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、内燃機関の排気浄化装置を具体化した一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態にかかる排気浄化装置が適用される内燃機関はディーゼルエンジンであり、以下においては、単に「エンジン」という。
【００１０】
図１に示すように、エンジン１には、シリンダブロックの長手方向に向かって順番に、第１気筒＃１、第２気筒＃２、第３気筒＃３、及び第４気筒＃４が並んで設けられている。シリンダヘッド２には複数の燃料噴射弁４ａ〜４ｄが取り付けられている。これら燃料噴射弁４ａ〜４ｄは各気筒＃１〜＃４の燃焼室に燃料をそれぞれ噴射する。また、シリンダヘッド２には新気を気筒内に導入するための吸気ポートと、燃焼ガスを気筒外へ排出するための排気ポート６ａ〜６ｄとが各気筒＃１〜＃４に対応して設けられている。
【００１１】
燃料噴射弁４ａ〜４ｄは、高圧燃料を蓄圧するコモンレール９に接続されている。コモンレール９はサプライポンプ１０に接続されている。サプライポンプ１０は燃料タンク内の燃料を吸入するとともにコモンレール９に高圧燃料を供給する。コモンレール９に供給された高圧燃料は、各燃料噴射弁４ａ〜４ｄの開弁時に同燃料噴射弁４ａ〜４ｄから気筒内に噴射される。
【００１２】
吸気ポートには、エンジン１の出力軸であるクランク軸の回転に同期して開閉動作する吸気バルブが設けられている。また、吸気ポートには、インテークマニホールド７が接続されている。インテークマニホールド７は吸気通路３に接続されている。この吸気通路３内には吸入空気量を調整するための吸気絞り弁１６が設けられている。
【００１３】
排気ポート６ａ〜６ｄには、エンジン１の出力軸であるクランク軸の回転に同期して開閉動作する排気バルブが設けられている。また、排気ポート６ａ〜６ｄには、エキゾーストマニホールド８が接続されている。エキゾーストマニホールド８は排気通路２６に接続されている。
【００１４】
排気通路２６の途中には、排気圧を利用して気筒に導入される吸入空気を過給するターボチャージャ１１が設けられている。同ターボチャージャ１１の吸入空気側コンプレッサと吸気絞り弁１６との間の吸気通路３にはインタークーラ１８が設けられている。このインタークーラ１８によって、ターボチャージャ１１の過給により温度上昇した吸入空気の冷却が図られる。
【００１５】
また、排気通路２６の途中にあって、ターボチャージャ１１の排気側タービンの下流には、排気を浄化するＮＯＸ吸蔵触媒３０が設けられている。
ＮＯＸ吸蔵触媒３０は、例えばアルミナからなる触媒担体上に貴金属触媒が担持されるとともに、貴金属触媒の周りの部分に塩基性層が形成されている。貴金属触媒は、白金Ｐｔと、ロジウムＲｈ及びパラジウムＰｄの少なくとも一方とにより構成される。また、塩基性層は、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金属、ランタノイドのような希土類および銀Ａｇ、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、イリジウムＩｒのようなＮＯＸに電子を供与しうる金属のうちの少なくとも一つを含んでいる。
【００１６】
ＮＯＸ吸蔵触媒３０では、以下のようにしてＮＯＸが還元浄化される。すなわち、エンジン１において、リーン空燃比での燃焼が行われると、排気の酸素濃度が高い状況となる。そのため、ＮＯＸ吸蔵触媒３０では、排気に含まれるＮＯが白金において酸化されてＮＯ２となり、さらにＮＯ２が白金から電子を供与されてＮＯ２−となる。そして、酸素濃度が高い状況がさらに一定時間以上継続すると、ＮＯ２−が酸化されて硝酸イオン（ＮＯ３−）となり、硝酸塩として塩基性層に吸収される。すなわち、ＮＯＸ吸蔵触媒３０にＮＯＸが吸蔵される。
【００１７】
こうしてＮＯＸ吸蔵触媒３０にＮＯＸが吸蔵されている状況で、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチにされると、排気中の酸素濃度が低下するために、塩基性層内に吸収されている硝酸塩がＮＯ２として塩基性層から放出される。そして、放出されたＮＯ２は排気中に含まれるＨＣ及びＣＯによって還元される。
【００１８】
ここでＮＯＸ吸蔵触媒３０では、酸素濃度が高い状況が上記一定時間経過する前、すなわちＮＯ２−が酸化されて硝酸イオンとなる前に、ＮＯ２−周りのＨＣ濃度を高くすると、触媒において炭素数が少なくラジカル状となったＨＣと反応し、イソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯおよびアミン化合物Ｒ−ＮＨ２等の還元性中間体が生成される。このとき、還元性中間体は塩基性層の表面上に付着又は吸着されるとともに、還元性中間体の周りをＨＣが取り囲んだ状態となる。この状態で、空燃比をリーンとして、ＨＣ濃度を低下させて排気の酸素濃度を高くすると、還元性中間体周りのＨＣが酸化され、還元性中間体とＮＯ２−とが反応してＮ２，ＣＯ２，Ｈ２Ｏとなり、ＮＯＸが浄化される。すなわち、ＮＯＸ吸蔵触媒３０では、酸素濃度が高い状態を、ＮＯＸが硝酸塩の形で塩基性層内に吸収されるための期間よりも短い期間とし、同触媒３０に流入するＨＣの濃度を、上記還元性中間体が生成され得る十分高い濃度まで高くすることにより還元性中間体が生成される。そして、生成された還元性中間体がＮＯ２−と反応可能な程度にＨＣの濃度を低くして酸素濃度を高くすることによりＮＯＸが浄化される。したがって、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に流入するＨＣの濃度を予め定められた範囲内の振幅で、予め定められた範囲内の所定周期で振動させることにより、ＮＯＸ吸蔵触媒３０にＮＯＸを吸蔵することなく、還元性中間体を生成してＮＯＸが浄化されることになる。なお、予め定められた範囲内の周期よりも長い周期でＨＣの濃度を変化させた場合には、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸがＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵され、同触媒３０におけるＮＯＸ吸蔵量が増大する。
【００１９】
以上のようにして、ＮＯＸ吸蔵触媒３０では、吸蔵されたＮＯＸを、一時的に空燃比を理論空燃比またはリッチ化することにより還元可能であるとともに、ＮＯＸ吸蔵触媒に供給されるＨＣの濃度を予め定められた範囲内の振幅で、所定周期で振動させることによってＮＯＸ吸蔵触媒３０にＮＯＸが吸蔵される前に、ＮＯＸを浄化可能に構成されている。
【００２０】
また、排気通路２６において、ＮＯＸ吸蔵触媒３０の上流には、排気に燃料を添加するための燃料添加弁５が設けられている。この燃料添加弁５は、燃料供給管２７を介して前記サプライポンプ１０に接続されている。なお、燃料添加弁５の配設位置は、排気系にあってＮＯＸ吸蔵触媒３０の上流側であれば適宜変更することも可能である。
【００２１】
この他、エンジン１には排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という）が設けられている。このＥＧＲ装置は、排気の一部を吸気通路３に戻すことで気筒内での混合気の燃焼温度を低下させ、これによりエンジン１から発生するＮＯＸの量を低減させる装置である。このＥＧＲ装置は、吸気通路３の一部を構成するインテークマニホールド７とエキゾーストマニホールド８とを連通するＥＧＲ通路１３、ＥＧＲ通路１３に設けられたＥＧＲ弁１５、及びＥＧＲ通路１３の途中に設けられたＥＧＲクーラ１４等により構成されている。そして、機関運転状態に応じてＥＧＲ弁１５の開度が調整されることにより、排気通路２６から吸気通路３に戻される排気の量であるＥＧＲ量が調整される。また、ＥＧＲクーラ１４によってＥＧＲ通路１３内を流れる排気の温度が低下される。
【００２２】
エンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサやスイッチが取り付けられている。例えば、エアフロメータ１９は吸気通路３内の吸入空気量ＧＡを検出する。湿度センサ２０は、湿度検出機構として、吸入空気の湿度を検出する。絞り弁開度センサ２１は吸気絞り弁１６の開度を検出する。吸気温度センサ２２は、吸入空気の温度を検出する。クランク角センサ２３はクランク軸の回転速度、すなわち機関回転速度ＮＥを検出する。アクセル操作量センサ２４はアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル操作量ＡＣＣＰを検出する。第１排気温度センサ２８は、排気通路２６におけるＮＯＸ吸蔵触媒３０の上流を流れる排気の温度を検出する。第２排気温度センサ２９は、排気通路２６におけるＮＯＸ吸蔵触媒３０の下流を流れる排気の温度を検出する。
【００２３】
これら各種センサ等の出力は制御装置４０に入力される。この制御装置４０は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、記憶した数値を電気的に書き換えることができる不揮発性メモリ（例えばＥＥＰＲＯＭ等）、各種インターフェース等を備えている。
【００２４】
そして、制御装置４０により、例えば燃料噴射弁４ａ〜４ｄや燃料添加弁５の燃料噴射量制御・燃料噴射時期制御、サプライポンプ１０の吐出圧力制御、吸気絞り弁１６を開閉するアクチュエータ１７の駆動量制御、ＥＧＲ弁１５の開度制御及び排気浄化制御等、エンジン１の各種制御が行われる。
【００２５】
制御装置４０は、ＥＧＲ弁１５の開度制御として、吸入空気量ＧＡと機関回転速度ＮＥ等の機関運転状態に基づいてＥＧＲ弁１５の開度を調整することにより、ＥＧＲ量を機関運転状態に応じた量に調整する。詳細には、制御装置４０は、予め機関運転状態とＥＧＲ弁１５の開度との関係を示すマップを記憶しており、このマップに基づいてＥＧＲ弁１５の開度を制御する。なお、以下においては、こうしたマップに基づいたＥＧＲ弁１５の開度制御を通じて調整されるＥＧＲの量を、機関運転状態に基づくＥＧＲ量といい、後記するポスト噴射の燃焼状態を加味しないＥＧＲ量を意味する。
【００２６】
また、制御装置４０は、排気浄化制御の１つとして、排気に含まれるＮＯＸを浄化するＮＯＸ浄化制御を行う。詳細には、エンジン１は、基本的にはリーン空燃比での燃焼が行われ、これにより、ＮＯＸ吸蔵触媒３０のＮＯＸの吸蔵量が所定量以上となったときに、一時的に、燃料噴射弁４ａ〜４ｄから燃焼室へメイン噴射を行った後に規定量の燃料を噴射するポスト噴射を行うことで、空燃比をリッチ化する。これにより、排気の酸素濃度を低い状態にして、還元剤としてのＣＯやＨＣをＮＯＸ吸蔵触媒３０に供給することで、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸが放出されて還元浄化される。
【００２７】
ここで、図２は、所定の運転条件における燃焼室内の温度を、本願発明者らが実験により測定した結果を示しており、線Ｌ１は、湿度２８％における測定結果を示し、線Ｌ２は、湿度が４７％における測定結果を示している。この実験では、圧縮上死点（図２のＴＤＣ）の前にパイロット噴射を実行し、圧縮上死点直後にメイン噴射を実行する。そして、圧縮上死点から所定のクランク角後の規定クランク角Ｃにポスト噴射を行っている。ポスト噴射を実行する規定クランク角Ｃは、メイン噴射による燃焼後において燃焼室内の温度がさほど低下しない時期に設定されている。これにより、ポスト噴射によって噴射された燃料を燃焼させて、還元剤のうち還元能力の高いＣＯを生成するようにしている。ここで、この図２に示すように、線Ｌ２の湿度４７％における測定結果は、湿度がより低い線Ｌ１の湿度２８％の測定結果よりも、メイン噴射の燃焼後に燃焼室内の温度が上昇しにくく、ポスト噴射実行後の燃焼室内の温度も上昇しにくくなっている。このような測定結果が得られた理由としては、吸入空気の湿度が高い場合には、吸入空気の熱容量が大きくなるためであると考えられる。すなわち、吸入空気の湿度が高い場合には、低い場合よりも、燃焼反応に必要な活性化エネルギーの壁を越えにくくなるため、ポスト噴射での燃焼が進行しにくくなる。そのため、ポスト噴射を行って生成される還元剤のうち還元能力が高いＣＯが生成されにくくなり、還元能力がＣＯよりも低いＨＣが残存しやすくなる。そのため、湿度が高い場合には、低い場合よりもポスト噴射によって生成される還元剤全体としての還元能力が低下してしまう。
【００２８】
なお、図３は、所定の運転条件においてポスト噴射を行って空燃比をリッチにした場合の吸入空気の湿度と排気中のＨＣの濃度を、本願発明者らが実験により測定した結果を示している。また、図４は、所定の運転条件においてポスト噴射を行って空燃比をリッチにした場合の吸入空気の湿度と排気中のＣＯの濃度を、本願発明者らが実験により測定した結果を示している。これら図３及び図４からも、吸入空気の湿度が高いほど、還元能力が高いＣＯが生成されにくく、還元能力がＣＯに比べて低いＨＣが残存しやすいという実験結果が得られた。
【００２９】
このように吸入空気の湿度が高い場合は、ポスト噴射を行っても還元能力の高いＣＯが生成されにくく、還元能力の低いＨＣが残存しやすい。そのため、吸入空気の湿度が高いときに、ＮＯＸを浄化するために燃焼室に供給される燃料として、吸入空気の湿度が低いときと同じ量の燃料を供給した場合には、吸入空気の湿度が低いときよりもＨＣの残存量が増加し燃焼室及び排気ポート６ａ〜６ｄにデポジットが付着してしまうとともに、生成される還元剤全体の還元能力が低下する。また、吸入空気の湿度が低い場合には、ポスト噴射によるＨＣの残存量が増加するため、残存したＨＣが排気とともに排気通路２６を流れ、排気通路２６の内壁やＥＧＲ通路１３の内壁、さらにはターボチャージャ１１のタービンホイールに付着してデポジット化することもある。また、ポスト噴射を行っても吸入空気の湿度が高い場合には、ポスト噴射で噴射された燃料が燃焼せず失火する場合もある。
【００３０】
そこで、本実施形態では、制御装置４０が、吸入空気の湿度が高いときには、低いときよりも、燃料噴射弁４ａ〜４ｄによってＮＯＸ吸蔵触媒３０に還元剤を供給するために噴射する燃料の量、すなわちポスト噴射により噴射される燃料の量を少なくするとともに、燃料添加弁５が噴射する燃料の量を多くするようにしている。すなわち、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、制御装置４０、燃料噴射弁４ａ〜４ｄ、燃料添加弁５及び湿度センサ２０を備えて構成されている。
【００３１】
詳細には、本実施形態では、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が所定値未満であるときには、ポスト噴射を実行することによりＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸを還元浄化する。
【００３２】
一方、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が所定値以上であるときには、基本的には、ポスト噴射を停止して燃料添加弁５により排気通路２６に燃料を添加することによりＮＯＸを浄化する。なお、本実施形態では、燃料添加弁５から排気に燃料を添加する場合には、上記還元性中間体を生成することにより、ＮＯＸがＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵される前にＮＯＸを還元浄化する。すなわち、燃料添加弁５から排気に燃料を添加する場合には、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に流入するＨＣの濃度を予め設定した所定範囲内の振幅で予め設定した所定範囲内の所定周期で振動させるように、燃料添加弁５から噴射される燃料の量が制御されるとともに、その燃料噴射時期が上記周期に対応するように制御される。なお、以下では、燃料添加弁５から燃料を噴射して、ＨＣの濃度を予め設定した所定範囲内の振幅で予め設定した所定範囲内の所定周期で振動させることを、単に排気燃料添加という。
【００３３】
ここで、この排気燃料添加は、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵される前のＮＯＸを還元浄化する処理であり、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸを浄化する処理ではない。また、この排気燃料添加は、ＮＯＸ吸蔵触媒３０の温度が所定温度未満である場合には、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵される前のＮＯＸを還元浄化することができない。そこで、吸入空気の湿度が所定値以上である場合であっても、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸの吸蔵量が所定量以上であったり、ＮＯＸ吸蔵触媒３０の温度が所定温度未満であったりすることにより、排気燃料添加によるＮＯＸ浄化が適さない状況では、ポスト噴射によるＮＯＸ浄化制御を行うようにしている。
【００３４】
こうしたポスト噴射によるＮＯＸ浄化制御と排気燃料添加によるＮＯＸ浄化制御との切り替えは、図５のフローチャートに基づく処理を通じて、ポスト噴射実行フラグを「ＯＮ」と「ＯＦＦ」とに切り換えることにより実行される。すなわち、このポスト噴射実行フラグは「ＯＮ」に設定されることにより、ポスト噴射によるＮＯＸ浄化制御が行われ、「ＯＦＦ」に設定されることにより、排気燃料添加によるＮＯＸ浄化制御を行うためのフラグである。図５に示す処理は、機関運転中に制御装置４０により所定周期毎に繰り返し実行される。
【００３５】
図５に示すように、ＮＯＸ浄化制御の切り替え処理がスタートすると、まずステップＳ１１において、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が所定値未満であるか否かが判定される。この所定値は、吸入空気の湿度が所定値未満である状況で、機関運転状態に基づくＥＧＲ量で且つ上記規定クランク角Ｃで規定量の燃料をポスト噴射で噴射した場合に、生成される還元剤のうちのＣＯの生成量が所定量以上であることにより、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸを還元するために適した所望の還元能力が得られる値に設定されている。この所定値は、図４に示した湿度とＣＯの生成量との関係等の実験データや、シミュレーション等により予め設定されている。すなわち、ステップＳ１１では、吸入空気の湿度が所定値未満であると判定されることにより、機関運転状態に基づくＥＧＲ量で且つ上記規定クランク角Ｃでポスト噴射を実行した場合に、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸを適切に還元浄化することができることを判定するための処理である。
【００３６】
ステップＳ１１において、肯定判定がなされた場合には（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、ステップＳ１２に移り、ポスト噴射実行フラグが「ＯＮ」に設定される。そして、ステップＳ１２の後に、ステップＳ１３に移り、燃焼促進処理実行フラグを「ＯＦＦ」に設定し、本処理を一旦終了する。すなわち、ステップＳ１１で吸入空気の湿度が所定値未満であると判定された場合には、後記するポスト噴射による燃焼を促進する処理を行うことなく、機関運転状態に基づくＥＧＲ量で且つ上記規定クランク角Ｃでポスト噴射を行うことで、生成される還元剤が所望の還元能力を有していると推定される。したがって、ポスト噴射実行フラグが「ＯＮ」に設定されるとともに、燃焼促進処理実行フラグが「ＯＦＦ」に設定される。
【００３７】
一方、ステップＳ１１において、検出された吸入空気の湿度が所定値以上であることにより、ステップＳ１１において否定判定がなされた場合には（ステップＳ１１：ＮＯ）、ステップＳ１４に移る。ステップＳ１４では、排気燃料添加の許可条件が成立しているか否かが判定される。ここで、上記の通り、排気燃料添加は、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸを還元浄化するための処理ではない。また、排気燃料添加では、ＮＯＸ吸蔵触媒３０の温度が所定温度未満である場合にも排気中のＮＯＸを適切に浄化することができない。そこで、排気燃料添加の許可条件は、排気燃料添加の実行に適した状況であることを判定するための条件として設定されている。具体的には、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸの吸蔵量が所定量未満であること、及びＮＯＸ吸蔵触媒３０の温度が所定温度以上であることの２つの条件が共に成立することが、排気燃料添加の許可条件とされている。
【００３８】
ステップＳ１４の処理では、制御装置４０が、まず、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸ吸蔵量を検出する。詳細には、制御装置４０は、この処理とは別の処理において、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸ吸蔵量を所定周期毎に検出している。この検出処理では、まず、予め記憶した機関運転状態とＮＯＸの発生量との関係に基づいて、単位時間あたりのＮＯＸの発生量を導出する。そして、排気燃料添加の実行されている状況では、単位時間あたりのＮＯＸの発生量を積算せず、排気燃料添加が実行されていない状況では、導出された単位時間あたりのＮＯＸの発生量を積算してＮＯＸ吸蔵触媒３０の吸蔵量とする。また、ポスト噴射が実行されると、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸの吸蔵量を「０」とする。こうした演算によりＮＯＸ吸蔵量を検出し、検出されるＮＯＸ吸蔵量が所定量未満であるときには、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸの吸蔵量が所定量未満であると判定される。なお、この所定量は、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸ吸蔵量の上限値よりも小さく且つ上限値近傍の値に設定され、ＮＯＸ吸蔵触媒３０の吸蔵量が所定量以上であることにより、ＮＯＸ吸蔵触媒３０が吸蔵可能なＮＯＸの量が少なく、吸蔵されたＮＯＸを放出して還元する必要がある状況であることを推定することができる値に設定されている。また、制御装置４０は、第１排気温度センサ２８の検出値及び第２排気温度センサ２９の検出値の平均値をＮＯＸ吸蔵触媒３０の温度として検出し、検出されるＮＯＸ吸蔵触媒３０の温度が、排気燃料添加によりＮＯＸ浄化が適切に行われる所定値以上であるか否かの判定を行う。
【００３９】
ステップＳ１４において、排気燃料添加の許可条件が成立していると判定されるときには（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１５に移り、ポスト噴射実行フラグが「ＯＦＦ」に設定された後に、ステップＳ１６に移り、燃焼促進処理実行フラグが「ＯＦＦ」に設定され、本処理が一旦終了される。すなわち、吸入空気の湿度が所定値以上であって且つ排気燃料添加の許可条件が成立しているときには、ポスト噴射によるＮＯＸ浄化制御に代わって排気燃料添加によるＮＯＸ浄化制御を実行すべく、ポスト噴射実行フラグが「ＯＦＦ」に設定される。また、ポスト噴射を実行しないため、ポスト噴射の燃焼状態を促進するための燃焼促進処理実行フラグも「ＯＦＦ」に設定される。
【００４０】
一方、ステップＳ１４において、排気燃料添加の許可条件が成立していないと判定されるときには（ステップＳ１４：ＮＯ）、ステップＳ１７に移り、ポスト噴射実行フラグが「ＯＮ」に設定された後に、ステップＳ１８に移り、燃焼促進処理実行フラグが「ＯＮ」に設定される。すなわち、吸入空気の湿度が所定値以上である場合であって、排気燃料添加の許可条件が成立していない場合には、機関運転状態に基づくＥＧＲ量で且つ上記規定クランク角Ｃでポスト噴射を行っても所望の還元能力の還元剤が得られないと推定されるものの、排気燃料添加によりＮＯＸを還元浄化することもできない。そのため、ポスト噴射によるＮＯＸ浄化制御を実行しつつ、ポスト噴射による燃料の燃焼状態を促進する処理を実行して、ポスト噴射により生成される還元剤の還元能力の低下を抑制するために、燃焼促進処理実行フラグが「ＯＮ」に設定される。そして、ステップＳ１８の処理の後、本処理を一旦終了する。
【００４１】
制御装置４０は、図６のフローチャートに示す処理手順に従い、上記態様で設定されたフラグに応じたＮＯＸ浄化制御を実行する。図６に示す処理は、機関運転中に所定周期毎に繰り返し実行される。
【００４２】
図６に示すように、ＮＯＸ浄化制御が開始されると、ステップＳ２１において、ポスト噴射実行フラグが「ＯＮ」に設定されているか否かが判定される。ステップＳ２１において、ポスト噴射実行フラグが「ＯＮ」に設定されていると判定されると（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２２に移り、排気燃料添加を停止する。ステップＳ２２では、排気燃料添加が実行されている場合には、排気燃料添加を停止し、排気燃料添加が実行されていない場合には、そのまま排気燃料添加を停止した状態を維持する。
【００４３】
次に、ステップＳ２３において、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸ吸蔵量が所定量以上であるか否かが判定される。この所定量は、例えば、図５のステップＳ１４において、排気燃料添加の許可条件の１つとして、ＮＯＸ吸蔵量が所定量未満であるか否かを判定したのと、同様の態様でＮＯＸ吸蔵量が検出されるとともに、同様の態様で設定される所定量に基づいて判定がなされる。すなわち、ステップＳ２３における、ＮＯＸ吸蔵量の所定量は、ＮＯＸ吸蔵量が所定量以上であることによって、ＮＯＸ吸蔵触媒３０が吸蔵可能なＮＯＸの量が少ないことにより、吸蔵されたＮＯＸを放出して還元する必要がある状況であることを示す値に設定される。したがって、ステップＳ２３の処理は、ポスト噴射を実行してＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸを還元すべき時期であるか否かを判定するための処理である。
【００４４】
ステップＳ２３においてＮＯＸの吸蔵量が所定量以上ではないと判定されると（ステップＳ２３：ＮＯ）、本処理が一旦終了される。すなわち、ポスト噴射実行フラグは「ＯＮ」に設定されていても、ＮＯＸ吸蔵触媒３０のＮＯＸ吸蔵量が所定量未満である場合には、未だＮＯＸ吸蔵触媒３０にＮＯＸを吸蔵可能な状態であることから、ポスト噴射を実行することなく本処理を終了する。
【００４５】
一方、ステップＳ２３においてＮＯＸの吸蔵量が所定量以上であると判定された場合には（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、ステップＳ２４において、燃焼促進処理実行フラグが「ＯＮ」に設定されているか否かが判定される。ステップＳ２４において、燃焼促進処理実行フラグが「ＯＮ」に設定されていない場合は（ステップＳ２４：ＮＯ）、ステップＳ２５に移り、ポスト噴射が実行されて、本処理が一旦終了される。すなわち、燃焼促進処理実行フラグが「ＯＮ」に設定されていない場合は、機関運転状態に基づくＥＧＲ量で規定クランク角Ｃにポスト噴射を実行した場合に、生成される還元剤全体として所望の還元能力が得られると推定されるため、燃焼促進処理を実行することなく、ポスト噴射を実行する。これにより、エンジン運転中において一時的に、ポスト噴射が継続して実行される。なお、ポスト噴射が継続して実行される期間は、ポスト噴射により供給された燃料により、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸの吸蔵量が予め設定した量以下となり「０」とみなせる程度にまで減少させることができる期間に設定される。
【００４６】
一方、ステップＳ２４において、燃焼促進処理実行フラグが「ＯＮ」に設定されている（ステップＳ２４：ＹＥＳ）と判定される場合には、ステップＳ２６において、燃焼室内のガス温度の推移を推定する。ステップＳ２６では、制御装置４０は、エアフロメータ１９によって検出される吸入空気量、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度、機関運転状態に基づくＥＧＲ量等に基づいて燃焼室内におけるガスの熱容量を算出する。そして、算出された熱容量が大きいほど、また吸気温度センサ２２によって検出される吸入空気の温度が高いほど、またメイン噴射による燃料噴射量が多いほど、燃焼室内の燃焼ガス温度が高い温度で変化すると推定する。
【００４７】
次に、ステップＳ２７に移り、燃焼促進処理が実行される。この処理では、ステップＳ２６において推定された燃焼ガス温度の推移が低いほど、機関運転状態に基づくＥＧＲ量よりも少ないＥＧＲ量となるように、ＥＧＲ弁１５の開度を機関運転状態に基づいて設定される開度よりも小さい開度に制御する。これにより、メイン噴射における燃焼温度を上昇させるとともに、燃焼室内の酸素濃度を上昇させることにより、ポスト噴射により噴射された燃料が失火せず、燃焼が進みやすくする処理を行う。また、ステップＳ２６において推定された燃焼ガス温度の推移が低いほど、ポスト噴射時期を規定クランク角Ｃよりも進角させるようにポスト噴射時期を設定する。これにより、メイン噴射による燃焼後の早期にポスト噴射を実行することにより、ポスト噴射により噴射された燃料が失火せず、燃焼が進みやすくなるようにする。
【００４８】
そして、ステップＳ２５において、機関運転状態に基づくＥＧＲ量よりも低減されたＥＧＲ量において、ステップＳ２７において規定クランク角Ｃよりも進角されるように設定された噴射時期でポスト噴射が実行され、本処理が一旦終了される。これにより、吸入空気の湿度が高い場合でも、ポスト噴射による燃料が失火することを抑制して、ポスト噴射によって噴射された燃料から生成される還元剤の還元能力が低下することが抑制される。
【００４９】
一方、ステップＳ２１において、ポスト噴射実行フラグが「ＯＮ」ではないと判定された場合には（ステップＳ２１：ＮＯ）、ステップＳ３１に移り、排気燃料添加の実行条件が成立しているか否かが判定される。ステップＳ３１では、制御装置４０は、予め記憶した機関運転状態とＮＯＸの発生量との関係に基づいて、単位時間あたりのＮＯＸの発生量を導出する。そして、単位時間あたりのＮＯＸの発生量が基準量以上である場合には、排気燃料添加の実行条件が成立する。ここで、単位時間あたりのＮＯＸの発生量が多い場合には、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に流入するＮＯＸの量が多くなり、ＮＯＸ吸蔵触媒３０へのＮＯＸの吸蔵量の増加度合いも大きくなる。一方、排気燃料添加では、エンジン１の出力に寄与しない燃料が排気中に添加されるため、燃費の低下を抑制するという点においては、単位時間あたりにＮＯＸ吸蔵触媒３０に流入するＮＯＸの量がさほど多くない場合には、排気燃料添加を行うことなく、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に流入するＮＯＸを同触媒３０に吸蔵させておくことが適している状況もある。そこで、ステップＳ３１では、単位時間あたりにＮＯＸ吸蔵触媒３０に流入するＮＯＸの量が、基準量以上である場合に、排気燃料添加の実行条件が成立したとの判定がなされる。すなわち、この判定に用いる基準量は、ＮＯＸの発生量が基準量以上であることを条件に排気燃料添加を実行することで、ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸの吸蔵量の増加を抑制しつつ、燃費の低下を抑制することができるような値が適宜設定されている。ステップＳ３１において、排気燃料添加の実行条件が成立していると判定されると（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、ステップＳ３２に移り、排気燃料添加を実行する。排気燃料添加は、ステップＳ３２の処理がなされた後に、先のステップＳ２２における排気燃料添加停止処理がなされるまで、又は後述するステップＳ３３において排気燃料添加停止処理がなされるまで、継続される。また、ステップＳ３２において、排気燃料添加が既に実行されている場合には、排気燃料添加を継続して実行する。そして、ステップＳ３２の後に、本処理が一旦終了される。
【００５０】
一方、ステップＳ３１において、排気燃料添加の実行条件が成立していないと判定される場合には（ステップＳ３１：ＮＯ）、ステップＳ３３において排気燃料添加を停止し、本処理が一旦終了される。すなわち、排気燃料添加が実行されている場合には、排気燃料添加を停止し、排気燃料添加が実行されていない場合には、そのまま排気燃料添加が停止される。
【００５１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態では、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が所定値未満である場合には、ポスト噴射を実行することにより、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸを還元する。そして、本実施形態では、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が所定値以上である場合には、排気燃料添加の許可条件が成立するときに、ポスト噴射を禁止して、燃料添加弁５により排気通路２６中の排気に燃料を添加する排気燃料添加を実行する。すなわち、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が高いときであって、排気燃料添加の許可条件が成立するときには、湿度が低いときよりも、燃料噴射弁４ａ〜４ｄにおいてＮＯＸ吸蔵触媒３０に還元剤を供給するために噴射する燃料の量を少なくして、ポスト噴射量を「０」にするとともに、燃料添加弁５が噴射する燃料の量を多くする。これにより、燃焼室に燃料を噴射しても、吸入空気の湿度が高いことによって還元剤のうち還元能力が高いＣＯが生成されにくくＨＣが残存しやすい状況では、還元剤を供給するために燃焼室に噴射する燃料の量が少なくされる。したがって、吸入空気の湿度が高い状況で、還元剤を供給するためのポスト噴射を、吸入空気の湿度が低いときと同様に実行することに起因した燃焼室及び排気ポート６ａ〜６ｄへのデポジット付着を抑制することができる。また、吸入空気の湿度が高い場合には、このように燃焼室に噴射する燃料の量を少なくするものの、この減量分は、燃料添加弁５による排気燃料添加により補われる。したがって、ＮＯＸ吸蔵触媒３０においてＮＯＸを浄化することができる。
【００５２】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）本実施形態の排気浄化装置は、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が所定値未満のときには、ポスト噴射が実行されて排気燃料添加が停止される。一方、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が所定値以上のときであって、排気燃料添加の許可条件が成立するときには、ポスト噴射が停止されて排気燃料添加が実行される。したがって、ポスト噴射によるＨＣが残存しやすい状況で、ポスト噴射を実行することに起因した燃焼室及び排気ポート６ａ〜６ｄへのデポジット付着を抑制することができる。また、排気通路２６の内壁やＥＧＲ通路１３の内壁、さらにはターボチャージャ１１のタービンホイールにおけるＨＣ由来のデポジット付着も抑制することができる。また、吸入空気の湿度が高い場合には、このように燃焼室に噴射する燃料の量を少なくするものの、この減量分は、燃料添加弁５による排気燃料添加により補われるため、ＮＯＸ吸蔵触媒３０においてＮＯＸを浄化することができる。
【００５３】
（２）本実施形態の排気浄化装置では、湿度センサ２０によって検出される吸入空気の湿度が所定値以上である場合であっても、排気燃料添加の許可条件が成立していないときには、ポスト噴射が実行されるとともに、ポスト噴射による燃焼を促進させる処理が実行される。これにより、吸入空気の湿度が所定値以上である場合であることにより、機関運転状態に基づくＥＧＲ量で規定クランク角Ｃでのポスト噴射を行った場合に、ポスト噴射により噴射された燃料の燃焼が進みにくい状況では、ポスト噴射による燃料の燃焼を促進する処理が行われる。したがって、ポスト噴射で噴射された燃料により生成される還元剤の還元能力が低下することを抑制することができる。
【００５４】
なお、内燃機関の排気浄化装置は、上記実施形態に例示した態様に限定されず、以下のように変形して実施するようにしてもよい。また、以下の変形例において組み合わせ可能なものは、適宜組み合わせて上記実施形態に適用することもできる。
【００５５】
・上記実施形態では、燃焼室に燃料を噴射することによりＮＯＸ吸蔵触媒３０に還元剤を供給するにあたって、燃料噴射弁４ａ〜４ｄからメイン噴射後の燃料噴射であるポスト噴射を実行するようにしている。しかしながら、燃焼室に燃料を噴射することによりＮＯＸ吸蔵触媒に還元剤を供給する際には、メイン噴射による噴射量を還元剤の供給を行わない燃料噴射時よりも増量することにより、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に還元剤を供給するようにしてもよい。また、燃料噴射弁４ａ〜４ｄから燃焼室に燃料を噴射することによりＮＯＸ吸蔵触媒に還元剤を供給する際には、空燃比をリッチ化するだけでなく、理論空燃比とするようにしてもよい。
【００５６】
・上記実施形態における燃焼促進処理では、ＥＧＲ弁１５の開度を機関運転状態に基づく開度よりも小さくするとともに、ポスト噴射の噴射時期を規定クランク角Ｃよりも進角させるようにしている。しかしながら、燃焼促進処理では、ＥＧＲ弁１５の開度制御とポスト噴射の噴射時期制御とのうちのいずれか一方のみを行うようにしてもよい。また、そのほかの制御により、燃焼状態を促進させるようにしてもよい。
【００５７】
・上記実施形態において、図５のステップＳ１４の処理を省略してもよい。すなわち、吸入空気の湿度が所定値以上である場合には、常にステップＳ１５に移り、ポスト噴射実行フラグが「ＯＦＦ」に設定されて、排気燃料添加が実行されるようにしてもよい。なおこの場合は、燃焼促進処理を行わないポスト噴射と排気燃料添加との切り換えが行われることになる。
【００５８】
・上記実施形態において、図６のステップＳ３１の処理は省略してもよい。すなわち、ポスト噴射実行フラグが「ＯＦＦ」になっているときには、単位時間あたりのＮＯＸの発生量に依らず、排気燃料添加を行うようにしてもよい。
【００５９】
・上記実施形態では、燃料添加弁５により排気燃料添加を行う場合には、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に流入するＨＣの濃度を予め定められた範囲内の振幅で、予め定められた範囲内所定周期で振動させるように、燃料添加弁５の噴射時期及び噴射量を制御するようにしている。しかしながら、燃料添加弁５により燃料を噴射してＮＯＸ吸蔵触媒３０においてＮＯＸを浄化するにあたっては、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵される前のＮＯＸを浄化する場合に限らず、排気に燃料を添加して還元剤をＮＯＸ吸蔵触媒３０に供給することで、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵されたＮＯＸを浄化するようにしてもよい。
【００６０】
・上記実施形態では、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に還元剤を供給するために、燃料噴射弁４ａ〜４ｄによる燃料噴射及び燃料添加弁５による燃料噴射のうちの何れか一方を実行するようにしている。しかしながら、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に還元剤を供給するための燃料噴射を燃料噴射弁４ａ〜４ｄと燃料添加弁５との双方により実行しつつ、吸入空気の湿度が高いほど、燃料噴射弁４ａ〜４ｄにより供給される燃料の量を減量するとともに、燃料添加弁５により添加される燃料の量を増量するようにしてもよい。なお、この場合において、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に吸蔵される前のＮＯＸを浄化する場合には、燃料噴射弁４ａ〜４ｄと燃料添加弁５との双方により供給される燃料によって、ＮＯＸ吸蔵触媒３０に供給されるＨＣの濃度を予め設定した所定範囲内の振幅で予め設定した所定範囲内の所定周期で振動させる必要がある。
【００６１】
・ＮＯＸ吸蔵触媒３０におけるＮＯＸの吸蔵量の導出態様、ＮＯＸ吸蔵触媒３０の温度検出態様、燃焼室内における燃焼ガスの温度推移の推定態様、各判定に用いた値等は、上記実施形態に例示した態様に限定されない。例えば、燃焼室内の燃焼ガスの温度推移を推定するにあたっては、大気圧等も考慮してもよい。ＮＯＸ吸蔵触媒３０の温度は、第１排気温度センサ２８及び第２排気温度センサ２９の検出温度の一方のみから推定してもよいし、外気温度が高いほど、機関始動からの経過時間が長いほど高いと推定することにより導出するようにしてもよい。
【００６２】
・排気浄化装置が適用される内燃機関は、上記実施形態で限定した構成に限定されない。例えば、内燃機関は直列４気筒以外の内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジンであってもよい。また、ガソリンエンジンに適用する場合には、ガソリンエンジンは、内燃機関の燃焼室に燃料を供給する燃料噴射弁として、筒内噴射弁とポート噴射弁との少なくとも一方を備えるものであればよい。排気通路２６にＮＯＸ吸蔵触媒３０以外の触媒や排気中の粒子状物質を捕集するフィルタが設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１…ディーゼルエンジン、＃１〜＃４…気筒、２…シリンダヘッド、３…吸気通路、４ａ〜４ｄ…燃料噴射弁、５…燃料添加弁、６ａ〜６ｄ…排気ポート、７…インテークマニホールド、８…エキゾーストマニホールド、９…コモンレール、１０…サプライポンプ、１１…ターボチャージャ、１３…ＥＧＲ通路、１４…ＥＧＲクーラ、１５…ＥＧＲ弁、１６…吸気絞り弁、１７…アクチュエータ、１８…インタークーラ、１９…エアフロメータ、２０…湿度センサ、２１…絞り弁開度センサ、２２…吸気温度センサ、２３…クランク角センサ、２４…アクセル操作量センサ、２６…排気通路、２７…燃料供給管、２８…第１排気温度センサ、２９…第２排気温度センサ、３０…ＮＯＸ吸蔵触媒、４０…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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