(57)【要約】      （修正有）【課題】下流側触媒にて排気ガス中のＮＯｘを適切に浄化することができる排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置は、上流側触媒と、下流側触媒と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比を制御する制御装置とを備える。制御装置は、下流側触媒に流入する排気ガスの時間平均空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比になるように制御する通常空燃比制御と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に制御するリーンスパイク制御とを実行可能である。リーンスパイク制御の実行条件が成立した時にＳ２２、上流側触媒が現在吸蔵可能な酸素量である上流側吸蔵可能酸素量の推定値に基づいてリーンスパイク制御の実行期間を算出しＳ２５、その後、算出された実行期間に亘ってＳ２８前記リーンスパイク制御を実行する。【選択図】図８
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【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た上流側触媒と、該上流側触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側触媒と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比を制御する制御装置とを備える、内燃機関の排気浄化装置であって、
前記制御装置は、前記下流側触媒に流入する排気ガスの時間平均空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比になるように制御する通常空燃比制御と、前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に制御するリーンスパイク制御とを実行可能であり、
前記リーンスパイク制御の実行条件が成立した時に前記上流側触媒が現在吸蔵可能な酸素量である上流側吸蔵可能酸素量の推定値に基づいて前記リーンスパイク制御の実行期間を算出し、その後、算出された実行期間に亘って前記リーンスパイク制御を実行する、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサを更に備え、
前記制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて前記上流側吸蔵可能酸素量を推定する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて推定された上流側触媒の現在の酸素吸蔵量の推定値と、前記上流側触媒が吸蔵可能な酸素量の最大値である最大吸蔵可能酸素量との差として、前記上流側吸蔵可能酸素量を算出する、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記下流側触媒が吸蔵可能な酸素量の最大値である前記下流側触媒の最大吸蔵可能酸素量を前記上流側触媒の最大吸蔵可能酸素量に基づいて算出する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記上流側吸蔵可能酸素量と、前記下流側触媒が吸蔵可能な酸素量の最大値である前記下流側触媒の最大吸蔵可能酸素量に基づいて算出された前記リーンスパイク制御の開始時における下流側吸蔵可能酸素量とを合計した合計値に相当する酸素が前記リーンスパイク制御の実行中に前記上流側触媒に流入するように前記実行期間を算出する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記リーンスパイク制御の実行中には、前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比が、少なくとも一時的に、前記通常空燃比制御の実行中に前記上流側触媒に流入する排気ガスが到達する最もリーンな空燃比よりもリーンになるように前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記内燃機関は複数の気筒を有し、
前記リーンスパイク制御の実行中には、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒に対して前記内燃機関の作動中に燃料の供給が停止される燃料カット制御が行われる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記リーンスパイク制御は、前記上流側触媒の酸素吸蔵量の推定値が予め定められた吸蔵量に到達してから実行される、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記リーンスパイク制御の開始時における前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いが前記リーンスパイク制御の終了時における前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いよりも小さくなるように、前記リーンスパイク制御の実行中に前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比を変更する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記リーンスパイク制御の開始から前記上流側吸蔵可能酸素量に相当する量の酸素が前記上流側触媒に流入するまでにおける前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いが、前記上流側吸蔵可能酸素量に相当する量の酸素が前記上流側触媒に流入してから前記リーンスパイク制御の終了までにおける前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いよりも小さくなるように、前記リーンスパイク制御の実行中に前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比を変更する、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記上流側触媒から流出して前記下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサを更に備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記リーンスパイク制御の実行期間を算出する際に、前記リーンスパイク制御の実行期間中における前記下流側空燃比センサの出力を利用しない、請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
前記制御装置は、前記下流側空燃比センサによって排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことが検出される前に前記リーンスパイク制御が終了せしめられるように、前記リーンスパイク制御の実行中に前記機関本体から排出される排気ガスの目標空燃比が設定される、請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に上流側触媒と下流側触媒との二つの排気浄化触媒を設け、下流側触媒の酸素吸蔵量が少なくなったときには、下流側触媒に酸素を供給する内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
特に、特許文献１に記載された制御装置では、上流側触媒と下流側触媒との間に上流側触媒から流出して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサが設けられる。この下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて下流側触媒の酸素吸蔵量が推定され、推定された酸素吸蔵量が一定量以下になると下流側触媒に酸素を供給する吸蔵量回復制御が行われる。
【０００４】
この吸蔵量回復制御では、下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて下流側触媒の酸素吸蔵量が推定され、推定された酸素吸蔵量が予め定められた基準量に達すると、吸蔵量回復制御が終了される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１１８８９０号
【特許文献２】特開２０１３−２１７２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、機関本体から下流側触媒までには或る程度の距離があるため、機関本体から排出される排気ガスの空燃比を変化させた場合に、下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比がそれに伴って変化するまでには或る程度の時間がかかる。したがって、特許文献１に記載されたように下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて吸蔵量回復制御の終了時期を決定しても、吸蔵量回復制御の終了後に下流側触媒に多量の酸素（及びＮＯｘ）が流入することになる。この結果、下流側触媒には、酸素吸蔵量がその最大吸蔵可能酸素量（下流側触媒が吸蔵可能な酸素量の最大値）を超えるような酸素が流入し、酸素と共に流入するＮＯｘを下流側触媒で十分に浄化することができなくなってしまう。
【０００７】
したがって、吸蔵量回復制御の終了時期近傍において下流側触媒にて排気ガス中のＮＯｘを十分に浄化するためには、特許文献１に記載された制御装置とは異なる制御思想にて制御される制御装置が必要になる。
【０００８】
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、下流側触媒にて排気ガス中のＮＯｘを適切に浄化することができるような、従来とは異なる態様の内燃機関の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】
【０００９】
本開示の要旨は以下のとおりである。
【００１０】
（１）内燃機関の排気通路に設けられた上流側触媒と、該上流側触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側触媒と、機関本体から排出される排気ガスの空燃比を制御する制御装置とを備える、内燃機関の排気浄化装置であって、前記制御装置は、前記下流側触媒に流入する排気ガスの時間平均空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比になるように制御する通常空燃比制御と、前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に制御するリーンスパイク制御とを実行可能であり、前記リーンスパイク制御の実行条件が成立した時に前記上流側触媒が現在吸蔵可能な酸素量である上流側吸蔵可能酸素量の推定値に基づいて前記リーンスパイク制御の実行期間を算出し、その後、算出された実行期間に亘って前記リーンスパイク制御を実行する、内燃機関の排気浄化装置。
【００１１】
（２）前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサを更に備え、前記制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて前記上流側吸蔵可能酸素量を推定する、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１２】
（３）前記制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて推定された上流側触媒の現在の酸素吸蔵量の推定値と、前記上流側触媒が吸蔵可能な酸素量の最大値である最大吸蔵可能酸素量との差として、前記上流側吸蔵可能酸素量を算出する、上記（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１３】
（４）前記制御装置は、前記下流側触媒が吸蔵可能な酸素量の最大値である前記下流側触媒の最大吸蔵可能酸素量を前記上流側触媒の最大吸蔵可能酸素量に基づいて算出する、上記（３）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１４】
（５）前記制御装置は、前記上流側吸蔵可能酸素量と、前記下流側触媒が吸蔵可能な酸素量の最大値である前記下流側触媒の最大吸蔵可能酸素量に基づいて算出された前記リーンスパイク制御の開始時における下流側吸蔵可能酸素量とを合計した合計値に相当する酸素が前記リーンスパイク制御の実行中に前記上流側触媒に流入するように前記実行期間を算出する、上記（２）〜（４）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１５】
（６）前記制御装置は、前記リーンスパイク制御の実行中には、前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比が、少なくとも一時的に、前記通常空燃比制御の実行中に前記上流側触媒に流入する排気ガスが到達する最もリーンな空燃比よりもリーンになるように前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比を制御する、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１６】
（７）前記内燃機関は複数の気筒を有し、
前記リーンスパイク制御の実行中には、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒に対して前記内燃機関の作動中に燃料の供給が停止される燃料カット制御が行われる、上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１７】
（８）前記リーンスパイク制御は、前記上流側触媒の酸素吸蔵量の推定値が予め定められた吸蔵量に到達してから実行される、上記（７）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１８】
（９）前記制御装置は、前記リーンスパイク制御の開始時における前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いが前記リーンスパイク制御の終了時における前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いよりも小さくなるように、前記リーンスパイク制御の実行中に前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比を変更する、上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１９】
（１０）前記制御装置は、前記リーンスパイク制御の開始から前記上流側吸蔵可能酸素量に相当する量の酸素が前記上流側触媒に流入するまでにおける前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いが、前記上流側吸蔵可能酸素量に相当する量の酸素が前記上流側触媒に流入してから前記リーンスパイク制御の終了までにおける前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いよりも小さくなるように、前記リーンスパイク制御の実行中に前記機関本体から排出される排気ガスの空燃比を変更する、上記（５）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００２０】
（１１）前記上流側触媒から流出して前記下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサを更に備える、上記（１）〜（１０）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００２１】
（１２）前記制御装置は、前記リーンスパイク制御の実行期間を算出する際に、前記リーンスパイク制御の実行期間中における前記下流側空燃比センサの出力を利用しない、上記（１１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００２２】
（１３）前記制御装置は、前記下流側空燃比センサによって排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことが検出される前に前記リーンスパイク制御が終了せしめられるように、前記リーンスパイク制御の実行中に前記機関本体から排出される排気ガスの目標空燃比が設定される、上記（１２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の効果】
【００２３】
本開示によれば、下流側触媒にて排気ガス中のＮＯｘを適切に浄化することができるような、従来とは異なる態様の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、一つの実施形態に係る排気浄化装置が用いられている内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、空燃比センサ周りの排気ガスの空燃比と空燃比センサの出力電流との関係を示す図である。
【図３】図３は、通常空燃比制御を行った場合における、目標空燃比等のタイムチャートである。
【図４】図４は、通常空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図５は、一つの変形例に係る通常空燃比制御における、目標空燃比等のタイムチャートである。
【図６】図６は、上流側触媒の最大吸蔵可能酸素量と下流側触媒の最大吸蔵可能酸素量との関係を表す図である。
【図７】図７は、リーンスパイク制御を行った場合における、目標空燃比等のタイムチャートである。
【図８】図８は、リーンスパイク制御に関する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は、リーンスパイク制御に関する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第三実施形態に係るリーンスパイク制御を行った場合における目標空燃比等の、図７と同様なタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００２６】
＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
図１は、第一実施形態に係る排気浄化装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。本実施形態では、シリンダブロック２には複数の気筒が形成され、各気筒内で一つのピストン３が往復動する。
【００２７】
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、内燃機関は、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。
【００２８】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は吸気通路を形成する。また、吸気管１５内にはスロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。
【００２９】
一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は上流側排気浄化触媒（以下、「上流側触媒」という）２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側排気浄化触媒（以下、「下流側触媒」という）２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。
【００３０】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出して下流側触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００３１】
本実施形態では、空燃比センサ４０、４１として、限界電流式の空燃比センサが用いられる。したがって、空燃比センサ４０、４１は、図２に示したように、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比が高くなるほど（すなわちリーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流が大きくなるように構成される。特に、本実施形態の空燃比センサ４０、４１は、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比に対して出力電流がリニアに（比例して）変化するように構成される。なお、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１として限界電流式の空燃比センサを用いているが、排気ガスの空燃比に応じて出力が変化するセンサであれば限界電流式の空燃比センサ以外の空燃比センサを用いてもよい。斯かる空燃比センサとしては、例えば、センサを構成する電極間に電圧が印加されずに理論空燃比近傍で急激に出力が変化する酸素センサ等が挙げられる。
【００３２】
また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比を制御する制御装置として機能する。
【００３３】
上流側触媒２０及び下流側触媒２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する触媒貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化される。
【００３４】
すなわち、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有していると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リーンになったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵される。このため、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３５】
一方、排気浄化触媒２０、２４が酸素を放出することができる状態にあると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が０よりも多いと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リッチになったときには、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣ、ＣＯを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出される。このため、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３６】
このように、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３７】
≪通常空燃比制御≫
次に、本実施形態に係る内燃機関の制御装置において通常行われる通常空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の通常空燃比制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。すなわち、本実施形態の通常空燃比制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
【００３８】
また、本実施形態の通常空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて目標空燃比が設定される。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）となったときに、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。この結果、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比もリーン設定空燃比になる。ここで、リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リーンである予め定められた一定値の空燃比であり、例えば、１４．６５〜１６程度とされる。加えて、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。
【００３９】
目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、排気ガスの酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）の量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには上流側触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側触媒２０に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値であるといえる。
【００４０】
なお、酸素過不足量の算出は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、及びエアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ）      …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（本実施形態では、基本的には理論空燃比）をそれぞれ表している。
【００４１】
このようにして算出された酸素過不足量を積算した積算酸素過不足量が、予め定められた切替基準値（予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当）以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比が、リッチ設定空燃比に設定される。リッチ設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１４〜１４．５５程度とされる。
【００４２】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下となったときに、目標空燃比が再びリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。このように本実施形態では、機関本体１から排出される排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比とリッチ設定空燃比とに交互に繰り返し設定される。換言すると、本実施形態における通常空燃比制御では、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比と、理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）とに交互に切り替えられるといえる。
【００４３】
また、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。したがって、この目標空燃比の切替の際には、上流側触媒２０からは一時的にリッチ空燃比の排気ガスが流出する。一方、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になる前に目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。したがって、この目標空燃比の切替の際には、上流側触媒２０からはリーン空燃比の排気ガスは流出しない。したがって、上流側触媒２０からは定期的にリッチ空燃比の排気ガスは流出するが、リーン空燃比の排気ガスは流出しない。このため、本実施形態では、上流側触媒２０から流出して下流側触媒２４に流入する排気ガスの時間平均空燃比はリッチ空燃比となる。
【００４４】
≪タイムチャートを用いた通常空燃比制御の説明≫
図３を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図３は、本実施形態に係る通常空燃比制御を行った場合における、目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐ、上流側触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎのタイムチャートである。
【００４５】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに設定されている。上流側触媒２０に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガス等は、上流側触媒２０に吸蔵されている酸素と反応して上流側触媒２０で浄化され、これに伴って、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐは徐々に減少していく。上流側触媒２０における未燃ガス等の浄化により、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。
【００４６】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが徐々に減少してゼロに近づくと、上流側触媒２０に流入した未燃ガス等の一部は上流側触媒２０で浄化されずに流出し始める。この結果、下流側触媒２４には未燃ガスを含んだリッチ空燃比の排気ガスが流入し、この未燃ガスは下流側触媒２４に吸蔵されている酸素と反応して浄化される。これに伴って、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが減少する。
【００４７】
下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下して時刻ｔ1においてリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達すると、本実施形態では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐを増大させるべく、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは０にリセットされる。
【００４８】
時刻ｔ1において、目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられると、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。この結果、時刻ｔ1以降、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐは増大する。同様に、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大していく。
【００４９】
このとき、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比となっているが、上流側触媒２０の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気ガス中の酸素は上流側触媒２０に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。この結果、上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へと変化する。
【００５０】
その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐは、増大し、やがて時刻ｔ2において切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当する切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、上流側触媒２０への酸素の吸蔵を中止すべく、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされる。
【００５１】
時刻ｔ2において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。機関本体１から排出される排気ガス中には未燃ガス等が含まれることになるため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。
【００５２】
その後、時刻ｔ3において、時刻ｔ1と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ3のサイクルが繰り返される。
【００５３】
≪通常空燃比制御のフローチャート≫
図４は、通常空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは制御装置にて一定時間間隔（例えば、数ｍｓｅｃ）で実行される。
【００５４】
図４に示したように、まず、ステップＳ１１において通常空燃比制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。通常空燃比制御の実行条件は、例えば、燃料カット制御等、特殊な制御の実行中でないこと等が挙げられる。ステップＳ１１において通常空燃比制御の実行条件が成立していると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ１２へと進む。
【００５５】
ステップＳ１２では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、目標空燃比ＡＦＴがリーン空燃比に設定されるとＯＮとされ、それ以外の場合にはＯＦＦとされる。ステップＳ１２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定された場合にはステップＳ１４にて目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに設定されたまま維持され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００５６】
一方、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少して、上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が低下すると、ステップＳ１３にて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定される。この場合には、制御ルーチンはステップＳ１５へと進み、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。次いで、ステップＳ１６ではリーン設定フラグＦｌがＯＮに設定され、その後、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００５７】
リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定されると、次の制御ルーチンは、ステップＳ１２からステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であるか否かが判定される。積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないと判定された場合には制御ルーチンはステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８では目標空燃比ＡＦＴが引き続きリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定されたまま維持され、その後制御ルーチンが終了せしめられる。一方、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が増大すると、やがてステップＳ１７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定され、制御ルーチンはステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。ステップＳ２０ではリーン設定フラグＦｌがＯＦＦにリセットされ、その後制御ルーチンが終了せしめられる。
【００５８】
≪通常空燃比制御の変形例≫
なお、燃料カット制御や、一時的に燃料供給量を増量する燃料増量制御等が行われていないときに行われる通常空燃比制御として、必ずしも上述したような制御を行う必要はない。下流側触媒２４に流入する排気ガスの時間平均空燃比がリッチ空燃比になるように制御されていれば、通常空燃比制御として様々な制御を行うことができる。
【００５９】
上記実施形態に係る通常空燃比制御では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準量ＯＥＤｒｅｆに到達したときに、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り換えられていた。これに対して、本変形例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になったとき（具体的には、リーン判定空燃比以上になったとき）に目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り換えられる。
【００６０】
図５を参照して、上述した操作について具体的に説明する。図５は、一つの変形例に係る通常空燃比制御における、目標空燃比ＡＦＴ等の図３と同様なタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ1において目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り換えられる。時刻ｔ1以降、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐは徐々に増大していき、ついには時刻ｔ2において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達する。
【００６１】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達すると、酸素吸蔵量ＯＳＡｆｒを減少させるべく、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｒｉｃｈに切り換えられる。このとき、上流側触媒２０からは一時的にリーン空燃比の排気ガスが流出し、このリーン空燃比の排気ガスは下流側触媒２４に流入する。この結果、時刻ｔ2近傍においては、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが増大せしめられる。その後、上述したｔ1〜ｔ2のサイクルが繰り返される。
【００６２】
なお、本変形例では、目標空燃比ＡＦＴは、時刻ｔ1近傍において下流側触媒２４に流入する未燃ガスの総量（酸素の総不足量）が、時刻ｔ２近傍において下流側触媒２４に流入する酸素の総量（酸素の総過剰量）よりも多くなるように制御される。具体的には、例えば、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎと理論空燃比との差がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈと理論空燃比との差よりも大きくなるように、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ及びリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈが設定される。或いは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比に達してから目標空燃比をリーン空燃比に切り替えるまでの時間が、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比に達してから目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えるまでの時間よりも長くなるように設定されてもよい。いずれにせよ、本変形例においても、下流側触媒２４に流入する排気ガスの空燃比は、その時間平均空燃比がリッチ空燃比になるように制御される。この結果、通常空燃比制御の実行中には、下流側触媒２４にＮＯｘを含んだリーン空燃比の排気ガスが流入することが抑制され、よって下流側触媒２４からＮＯｘが流出することが抑制される。
【００６３】
≪リーンスパイク制御≫
ところで、本実施形態に係る内燃機関では、内燃機関を搭載した車両の減速中等に燃料カット制御が行われる。燃料カット制御は、クランクシャフトやピストン３が運動している状態であっても燃料噴射弁１１からの燃料の噴射を停止する制御である。斯かる燃料カット制御が行われると、機関本体１からは空気が排出されるため、両排気浄化触媒２０、２４には多量の空気が流入する。この結果、両排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量は共に最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘになる。
【００６４】
したがって、下流側触媒２４に流入する排気ガスの空燃比の時間平均空燃比がリッチ空燃比になるように空燃比制御が行われていても、燃料カット制御が定期的に行われていれば、下流側触媒２４の酸素吸蔵量がゼロ近傍になってしまうことはない。ところが、燃料カット制御は車両の減速中等に行われるため、必ずしも一定時間間隔で行われるわけではない。このため、場合によっては、下流側触媒２４の酸素吸蔵量がゼロ近傍に到達してしまうこともある。
【００６５】
そこで、本実施形態では、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が少なくなると、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比をリーン空燃比に制御するリーンスパイク制御が実行される。
【００６６】
特に、本実施形態に係るリーンスパイク制御では、リーンスパイク制御の開始時点において、リーンスパイク制御によって両排気浄化触媒２０、２４に供給すべき酸素の量が算出される。そして、算出された酸素の量がこれら排気浄化触媒２０、２４に供給されるように、リーンスパイク制御の開始時点で、リーンスパイク制御の実行期間が算出される。リーンスパイク制御は、このとき算出された実行期間に亘って実行された後に終了せしめられる。したがって、本実施形態に係るリーンスパイク制御は、フィードフォワード制御として行われる。以下では、このリーンスパイク制御について具体的に説明する。
【００６７】
（１）リーンスパイク制御の実行条件
まず、リーンスパイク制御は、所定の実行条件が成立すると実行される。リーンスパイク制御の実行条件は、下流側触媒２４の酸素吸蔵量がゼロ近傍まで少なくなったとき或いはほぼゼロになったときに成立するような条件とされる。
【００６８】
具体的には、１番目の例では、上述した上流側触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤと同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて下流側触媒２４の酸素過不足量が算出される。このようにして算出された下流側触媒２４の酸素過不足量に基づいて下流側触媒２４の酸素吸蔵量が推定される。リーンスパイク制御の実行条件は、推定された酸素吸蔵量が予め定められた下限量よりも少なくなったときに成立する。
【００６９】
２番目の例では、リーンスパイク制御の実行条件は、リーンスパイク制御又は燃料カット制御が前回行われてから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比になっている時間が予め定められた時間以上になったときに成立する。
【００７０】
３番目の例では、リーンスパイク制御の実行条件は、リーンスパイク制御又は燃料カット制御が前回行われてからの通常空燃比制御の総実行時間又は内燃機関の総運転時間が予め定められた時間以上になったときに成立する。
【００７１】
（２）目標酸素供給量の算出
リーンスパイク制御の実行条件が成立すると、リーンスパイク制御によって両排気浄化触媒２０、２４に供給すべき酸素の量（以下、「目標酸素供給量」ともいう）が算出される。本実施形態では、目標酸素供給量Ｏ２ｓｐは下記式（２）によって算出される。
O2sp=(Cmaxupes-OSAupes)+(Cmaxdwnes・K）      …（２）
ここで、式（２）において、Ｃｍａｘｕｐｅｓは上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量の推定値、ＯＳＡｕｐｅｓは上流側触媒２０の現在の酸素吸蔵量の推定値、Ｃｍａｘｄｗｎは下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量の推定値、Ｋは０以上１以下の係数（例えば、０．７）をそれぞれ表す。
【００７２】
式（２）において、第１項は上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量と上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値との差、すなわち上流側触媒２０の現在吸蔵可能な酸素量（以下、「上流側吸蔵可能酸素量」ともいう）の推定値を表している。
【００７３】
一方、式（２）において、第２項は下流側触媒２４の最大可能酸素吸蔵量に所定の係数を乗算した値となっている。ここで、上述したように、リーンスパイク制御は、下流側触媒２４の酸素吸蔵量がゼロ近傍の所定の量まで少なくなったときに実行される。したがって、リーンスパイク制御の開始時には、上流側触媒２０に常に同程度の酸素が吸蔵されている。すなわち、リーンスパイク制御の開始時には、毎回、下流側触媒２４の吸蔵可能な酸素量（以下、「下流側吸蔵可能酸素量」ともいう）は、最大吸蔵可能酸素量に対して同程度の割合となっている。このため、式（２）の第２項は、リーンスパイク制御の開始時における下流側吸蔵可能酸素量の推定値を表している。
【００７４】
したがって、本実施形態では、リーンスパイク制御における目標酸素供給量は、リーンスパイク制御の開始時における上流側吸蔵可能酸素量の推定値と下流側吸蔵可能酸素量の推定値とを合計した合計値として、これらパラメータに基づいて算出される。そして、本実施形態では、上流側吸蔵可能酸素量は、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量と、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比に基づいて推定された上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値との差として算出される。換言すると、上流側吸蔵可能酸素量は、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比に基づいて推定される。
【００７５】
ここで、式（２）における上流側触媒２０の現在の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｐｅｓは、上述した積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて推定される。なお、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は任意の公知な他の方法によって推定されてもよい。
【００７６】
また、式（２）における上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量の推定値Ｃｍａｘｕｐｅｓは、例えば、図５に示したような空燃比制御を少なくとも一時的に行うことによって推定される。ここで、図５に示した空燃比制御では、時刻ｔ1において上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐがゼロとなっており、時刻ｔ2において上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達している。したがって、時刻ｔ1から時刻ｔ2までの間に上流側触媒２０に流入した酸素の総量、すなわち時刻ｔ2における積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（図５中のＱ１）は、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを表している。同様に、時刻ｔ3における積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（図５中のＱ２）も上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを表している。したがって、図５に示したような空燃比制御を行ったときの時刻ｔ2及び時刻ｔ3における積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量が推定される。なお、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量は任意の公知な他の方法によって推定されてもよい。
【００７７】
加えて、式（２）における下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量の推定値Ｃｍａｘｄｗｎは、例えば、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量の推定値に基づいて推定される。ここで、上流側触媒２０及び下流側触媒２４の酸素吸蔵量は、これら触媒２０、２４の経年劣化に伴って減少する。そして、下流側触媒２４の劣化度合いは、上流側触媒２０の劣化度合いに比例して変化する。そこで、本実施形態では、例えば、図６に示したようなマップを用いて、下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量は上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量の推定値に基づいて推定される。なお、下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量は任意の公知な他の方法によって推定されてもよい。
【００７８】
なお、上記式（２）の第１項が表す上流側吸蔵可能酸素量は、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量の推定値Ｃｍａｘｕｐｅｓ及び上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｐｅｓを用いずに、積算酸素過不足量ΣＯＥＤから直接推定されてもよい。また、上記式（２）の第２項が表す下流側吸蔵可能酸素量は、下流側空燃比センサ４１に基づいて下流側触媒２４における積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出すると共に、算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤを用いて上流側吸蔵可能酸素量と同様にして算出されてもよい。
【００７９】
（３）実行時間の算出
リーンスパイク制御における目標酸素供給量が算出されると、リーンスパイク制御の実行時間が算出される。リーンスパイク制御の実行時間Ｔｓｐは下記式（３）によって算出される。
Tsp=O2sp・AFTslean/(AFTslean-AFST)/(Ga・0.23)      …（３）
式（３）において、Ｏ２ｓｐは上記式（２）において算出された目標酸素供給量、ＡＦＴｓｌｅａｎはリーンスパイク制御の実行中に目標空燃比として設定される強リーン設定空燃比、ＡＦＳＴは理論空燃比、Ｇａは吸入空気流量（ｇ／ｓｅｃ）をそれぞれ表す。本実施形態では、強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎは、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎよりもリーンとされる。また、吸入空気流量は、例えば、エアフロメータ３９によって検出される。
【００８０】
すなわち、本実施形態では、リーンスパイク制御の実行時間は、リーンスパイク制御における目標酸素供給量、強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎ、吸入空気流量に基づいて算出される。リーンスパイク制御における目標酸素供給量が上流側吸蔵可能酸素量の推定値及び下流側吸蔵可能酸素量の推定値に基づいて算出されることを考慮すると、本実施形態ではリーンスパイク制御の実行時間は、上流側吸蔵可能酸素量の推定値及び下流側吸蔵可能酸素量の推定値に基づいて算出されるということもできる。特に、本実施形態では、リーンスパイク制御の実行時間は、上流側吸蔵可能酸素量の推定値と下流側吸蔵可能酸素量の推定値とを合計した合計値に相当する酸素がリーンスパイク制御の実行中に上流側触媒２０に流入するように算出される。また、本実施形態では、以上からわかるように、リーンスパイク制御の実行期間は、リーンスパイク制御の実行期間中における下流側空燃比センサ４１の出力を利用せずに、算出される。
【００８１】
リーンスパイク制御の実行時間が算出されると、通常空燃比制御が停止されて、リーンスパイク制御が開始される。リーンスパイク制御が開始されると、目標空燃比が強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに設定され、よって機関本体１から強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎの排気ガスが排出されることになる。
【００８２】
リーンスパイク制御は上述したように算出された実行時間に亘って実行され、その後、終了せしめられる。リーンスパイク制御が終了されると通常空燃比制御が再開される。このとき、目標空燃比は、強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられることになる。
【００８３】
≪タイムチャートを用いたリーンスパイク制御の説明≫
図７は、リーンスパイク制御を行った場合における目標空燃比ＡＦＴ等のタイムチャートである。図７中の積算酸素供給量は、リーンスパイク制御の実行中に上流側触媒２０に供給された酸素の積算値を示している。
【００８４】
図７に示した例では、上流側触媒２０から流出した排気ガスが下流側触媒２４に流入するまでも或る程度の遅れが生じることが考慮されている。一方、説明を分かりやすくするために、目標空燃比ＡＦＴを切り替えてから、切り替え後の空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に到達するまでに生じる遅れは考慮されていない。
【００８５】
図示した例では、時刻ｔ1以前には、図３に示した通常空燃比制御が行われており、また、時刻ｔ1以前から下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが比較的減少している。
【００８６】
図７に示した例では、時刻ｔ1において、リーンスパイク制御の実行条件が成立する。したがって、時刻ｔ1において、リーンスパイク制御の実行時間Ｔｓｐが算出されると共に、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈから強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに切り替えられる。
【００８７】
時刻ｔ1において目標空燃比が強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに切り替えられると、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン空燃比に変化し、上流側触媒２０への積算酸素供給量が増大していく。この結果、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが徐々に増大し、時刻ｔ2において最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達する。したがって、時刻ｔ2以降は、上流側触媒２０からは酸素を含んだリーン空燃比の排気ガスが流出する。しかしながら、上流側触媒２０と下流側触媒２４との間には距離があるため、時刻ｔ2以降直ぐには下流側触媒２４にはリーン空燃比の排気ガスが到達しない。このため、時刻ｔ2以降も下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比のまま維持される。
【００８８】
その後、時刻ｔ3になると、時刻ｔ1からの経過時間が実行時間Ｔｓｐに到達する。このとき、リーンスパイク制御の実行中における上流側触媒２０への積算酸素供給量は目標酸素供給量Ｏ２ｓｐに相当する量となっている。経過時間が実行時間Ｔｓｐに到達した時刻ｔ3ではリーンスパイク制御が終了され、通常空燃比制御が再開される。このため、時刻ｔ3では目標空燃比が強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、時刻ｔ3においては、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比に変化し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少してく。
【００８９】
図７に示した例では、その後、時刻ｔ4において、時刻ｔ2以降に上流側触媒２０から流出したリーン空燃比の排気ガスが下流側触媒２４に到達する。したがって、時刻ｔ4以降においては、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になると共に、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが徐々に増加していく。その後、時刻ｔ5において、時刻ｔ3にて目標空燃比ＡＦＴをリッチ設定空燃比に切り替えたことに伴って、下流側触媒２４に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比に戻る。本実施形態では、時刻ｔ5において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎがその最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの近傍の量になっており、よって下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが回復せしめられる。
【００９０】
≪フローチャート≫
図８は、リーンスパイク制御に関する制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは制御装置にて一定時間間隔で実行される。
【００９１】
まず、ステップＳ２１において、リーンスパイク制御の実行フラグがＯＦＦになっているか否かが判定される。実行フラグは、リーンスパイク制御の実行中にはＯＮにされ、それ以外のときにはＯＦＦにされるフラグである。ステップＳ２１において、実行フラグがＯＦＦであると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ２２へと進む。
【００９２】
ステップＳ２２では、リーンスパイク制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。実行条件は、例えば、上述したしたように下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎの推定値が下限量よりも少なくなったときに成立する。実行条件が成立していないと判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、通常空燃比制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９３】
一方、ステップＳ２２において、リーンスパイク制御の実行条件が成立していると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、上記式（２）に基づいて目標酸素供給量Ｏ２ｓｐが算出される。次いで、ステップＳ２５では、ステップＳ２４で算出された目標酸素供給量Ｏ２ｓｐに基づいて上記式（３）を用いて実行時間Ｔｓｐが算出される。次いで、ステップＳ２６では、リーンスパイク制御が開始され、よって目標空燃比が強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに設定される。次いで、ステップＳ２７では、リーンスパイク制御の実行フラグがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９４】
リーンスパイク制御の実行フラグがＯＮに設定されると、次の制御ルーチンは、ステップＳ２１からステップＳ２８へと進む。ステップＳ２８では、リーンスパイク制御を開始してからの経過時間Ｔが、リーンスパイク制御の開始前にステップＳ２５で算出された実行時間Ｔｓｐ以上になったか否かが判定される。ステップＳ２８において、経過時間Ｔが実行時間Ｔｓｐ未満であると判定された場合には、リーンスパイク制御が継続され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９５】
一方、ステップＳ２８において、経過時間Ｔが実行時間Ｔｓｐ以上になったと判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ２９へと進む。ステップＳ２９では、リーンスパイク制御が終了される。次いで、ステップＳ３０においてリーンスパイク制御の実行フラグがＯＦＦにリセットされる。次いで、ステップＳ２３において通常空燃比制御が実行され、よって目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに設定される。
【００９６】
≪作用・効果≫
ところで、リーンスパイク制御の実行中における目標空燃比のリーン度合いが小さいと、下流側触媒２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度に対する酸素濃度が低い。このためリーン空燃比の排気ガスが流入しても下流側触媒２４の酸素吸蔵量が増大しにくい。これに対して、本実施形態ではリーンスパイク制御の実行中には目標空燃比が比較的リーン度合いの大きいリーン空燃比に設定される。したがって、下流側触媒２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度に対する酸素濃度は高く、よってリーンスパイク制御の実行中には下流側触媒２４の酸素吸蔵量が増大し易い。
【００９７】
一方、上述したように、目標空燃比を切り替えてから、切り替え後の空燃比の排気ガスが下流側触媒２４に流入するまでには遅れが発生する。特に、リーンスパイク制御の実行中の目標空燃比をリーン度合いの大きいリーン空燃比に設定すると、図７に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になった時点で既に下流側触媒２４の酸素吸蔵量を回復させるには十分な量の酸素が機関本体１からは排出されていることがある。
【００９８】
このように下流側触媒２４に流入するまでに遅れが生じるため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比に変化してからリーンスパイク制御を終了すると、下流側触媒２４には必要以上に酸素が流入する。そして、場合によっては下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎがその最大吸蔵可能酸素量に到達して下流側触媒２４から酸素及びＮＯｘが流出する虞がある。
【００９９】
これに対して、本実施形態では、リーンスパイク制御の開始時に、リーンスパイク制御の実行時間が設定され、その実行時間の経過後にリーンスパイク制御が終了される。すなわち、本実施形態では、リーンスパイク制御の実行中における下流側空燃比センサ４１の出力空燃比とは無関係にリーンスパイク制御の終了タイミングが設定される。このため、下流側触媒２４に必要以上に酸素が流入して、下流側触媒２４からＮＯｘが流出するのを抑制することができる。
【０１００】
特に、本実施形態では、図７に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比に変化する前にリーンスパイク制御が終了せしめられる。したがって、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１によって排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことが検出される前にリーンスパイク制御が終了せしめられるように、リーンスパイク制御の実行中に機関本体１から排出される排気ガスの目標空燃比が設定されているといえる。
【０１０１】
≪変形例≫
なお、本実施形態では、リーンスパイク制御の実行中の目標空燃比は、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎよりもリーンな強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに設定される。しかしながら、リーンスパイク制御の実行中の目標空燃比は、必ずしもリーンスパイク制御の実行期間全体に亘ってリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎよりもリーンでなくてもよい。すなわち、リーンスパイク制御の実行中の目標空燃比は、少なくとも一時的に通常空燃比制御の実行中における最もリーンな空燃比よりもリーンであることが好ましい。換言すると、リーンスパイク制御の実行中には機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が、少なくとも一時的に、通常空燃比制御の実行中に機関本体１から排出される排気ガスが到達する最もリーンな空燃比よりもリーンになるように排気ガスの空燃比が制御されるのが好ましい。
【０１０２】
また、上記実施形態では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて推定される。しかしながら、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づかずに、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気流量や燃料噴射弁１１からの燃料供給量に基づいて推定されてもよい。
【０１０３】
加えて、上記実施形態では、下流側吸蔵可能酸素量を下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量に基づいて推定している（上記式（２）の第２項）。しかしながら、下流側吸蔵可能酸素量は、上流側吸蔵可能酸素量と同様に、下流側触媒２４の最大吸蔵可能酸素量と下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値とに基づいて算出されてもよい。この場合、下流側触媒２４の酸素吸蔵量は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づいて推定される。
【０１０４】
さらに、上記実施形態では、リーンスパイク制御の実行時間が最初に算出され、この実行時間に亘ってリーンスパイク制御が実行される。しかしながら、実行時間の代わりに、実行時間に応じて変化する他のパラメータが用いられてもよい。したがって、例えば、リーンスパイク制御の実行時間の代わりに、リーンスパイク制御が実行されるサイクル数が最初に算出され、このサイクル数に亘ってリーンスパイク制御が実行されてもよい。以上を考慮すると、制御装置は、リーンスパイク制御の実行期間を最初に算出し、この実行期間に亘ってリーンスパイク制御を実行しているといえる。
【０１０５】
＜第二実施形態＞
次に、第二実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御は基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。したがって、以下では、第一実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
【０１０６】
上記第一実施形態では、リーンスパイク制御において、目標空燃比が通常空燃比制御におけるリーン設定空燃比よりもリーンになるように制御されていた。これに対して、本実施形態では、リーンスパイク制御において、内燃機関の複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒において内燃機関の作動中に燃料噴射弁１１からの燃料の噴射を停止する燃料カット制御が行われる。
【０１０７】
本実施形態では、上記第一実施形態と同様にリーンスパイク制御における目標酸素供給量が算出され、その後、リーンスパイク制御の実行時間が算出される。このとき、リーンスパイク制御の実行中に機関本体１から排出される排気ガスの平均空燃比ＡＦＴａｖは下記式（４）によって算出される。そして、リーンスパイク制御の実行時間Ｔｓｐは、下記式（５）によって算出される。
AFTav=AFTco・Nall/(Nall-Nfc)      …（４）
Tsp=O2sp・AFTav/(AFTav-AFST)/(Ga・0.23)      …（５）
式（４）において、ＡＦＴａｖはリーンスパイク制御中に燃焼が行われている気筒から排出される排気ガスの目標空燃比（例えば、理論空燃比）、Ｎａｌｌは内燃機関の全ての気筒の数、Ｎｆｃは燃料カット制御が行われている気筒の数をそれぞれ表している。
【０１０８】
すなわち、本実施形態では、リーンスパイク制御の実行時間は、リーンスパイク制御における目標酸素供給量、燃焼が行われている気筒から排出される排気ガスの目標空燃比ＡＦＴｃｏ、燃料カット制御が行われる気筒の数Ｎｆｃ、吸入空気流量に基づいて算出される。リーンスパイク制御の実行時間の算出にもリーンスパイク制御における目標酸素供給量が用いられていることから、本実施形態でもリーンスパイク制御の実行時間は、上流側吸蔵可能酸素量の推定値及び下流側吸蔵可能酸素量の推定値に基づいて算出されるということができる。
【０１０９】
本実施形態によれば、リーンスパイク制御において燃料カット制御が行われる。燃料カット制御が行われている気筒からは空気が排出されることから、この気筒からの排気ガス中にはＮＯｘが含まれない。したがって、リーンスパイク制御の実行中には下流側触媒２４にはＮＯｘ濃度の低い排気ガスが流入することになり、下流側触媒２４からＮＯｘが流出することが抑制される。
【０１１０】
なお、一部の気筒において燃料カット制御が行われる場合には、例えば燃料カット制御が行われない気筒において一時的に燃焼室５に供給される空気及び燃料を増量し、燃料カット制御の開始や終了に伴う内燃機関の出力変動を抑制するようにしてもよい。
【０１１１】
≪変形例≫
次に、図９を参照して、第二実施形態の変形例に係る排気浄化装置について説明する。ところで、一つの気筒で燃料カット制御を一回（１サイクル）行うと、比較的多くの酸素が機関本体１から流出することになる。このため、燃料カット制御のみでは、リーンスパイク制御中に機関本体１からの酸素の排気系への供給量を微調整することができない。そこで、本変形例では、リーンスパイク制御の実行条件が成立しても、直ぐにはリーンスパイク制御を開始せず、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が適切な量になってからリーンスパイク制御を開始するようにしている。
【０１１２】
具体的には、本実施形態では、上記第一実施形態と同様にリーンスパイク制御における目標酸素供給量Ｏ２ｓｐが算出される。その後、燃料カット制御が一つの気筒で一回行われることによって機関本体１から流出する酸素量Ｏ２ｏｎｅが、例えば下記式（６）によって算出される。
O2one=Ga・0.23/(Nall/Nfc・RE/60)      …（６）
式（６）において、ＲＥは機関回転速度（ｒｐｍ）を表している。
【０１１３】
その後、リーンスパイク制御における目標酸素供給量Ｏ２ｓｐを一回の燃料カット制御で流出する酸素量Ｏ２ｏｎｅで除算し、この結果得られた整商をＱ、剰余をＲとする。ここで、剰余Ｒは燃料カット制御をＱ回行った際に、リーンスパイク制御における目標酸素供給量Ｏ２ｓｐに対して足りない酸素量を示している。
【０１１４】
そこで、本実施形態では、リーンスパイク制御の実行条件が成立したときには、目標空燃比がリーン設定空燃比（通常空燃比制御において設定される空燃比）に設定される。そして、リーンスパイク制御の実行条件が成立したときから剰余Ｒに相当する酸素量が上流側触媒２０に流入するまで目標空燃比がリーン設定空燃比のまま維持される。換言すると、本実施形態では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値がリーンスパイク制御の実行条件が成立したときの値から剰余Ｒ分だけ増えた量に到達してからリーンスパイク制御が開始される。
【０１１５】
図９は、本変形例に係るリーンスパイク制御に関する制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは制御装置にて一定時間間隔で実行される。なお、ステップＳ４１〜Ｓ４４及びＳ５２〜Ｓ５３はそれぞれ図８のステップＳ２１〜Ｓ２４及びＳ２９〜Ｓ３０と同様であるため、説明を省略する。
【０１１６】
ステップＳ４５では、ステップＳ４４で算出された目標酸素供給量Ｏ２ｓｐに基づいてリーンスパイク制御の実行時間Ｔｓｐが算出される。具体的には、上記式（６）を用いて燃料カット制御が一つの気筒で一回行われることによって機関本体１から流出する酸素量Ｏ２ｏｎｅが算出され、目標酸素供給量Ｏ２ｓｐをこの酸素量Ｏ２ｏｎｅで除算して、整商Ｑ及び剰余Ｒが算出される。このようにして算出された整商Ｑに、燃料カット制御が行われる時間間隔を乗算した値が実行時間Ｔｓｐとして算出される。
【０１１７】
次いで、ステップＳ４６では、剰余Ｒに基づいて遅延時間Ｔｄが算出される。具体的には、目標空燃比をリーン設定空燃比にしたときに単位時間に上流側触媒２０に流入する酸素量で剰余Ｒを除算することによって算出される。次いで、ステップＳ４８では、リーンスパイク制御の実行フラグがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１１８】
リーンスパイク制御の実行フラグがＯＮに設定されると、次の制御ルーチンは、ステップＳ４１からステップＳ４９へと進む。ステップＳ４１では、リーンスパイク制御の実行条件が成立してからの経過時間Ｔが、ステップＳ４６で算出された遅延時間Ｔｄ以上になったか否かが判定される。ステップＳ４９において、経過時間Ｔが遅延時間Ｔｄ未満であると判定された場合には、リーンスパイク制御が開始されることなく制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１１９】
一方、ステップＳ４９において、経過時間Ｔが遅延時間Ｔｄ以上になったと判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ５０へと進む。ステップＳ５０ではリーンスパイク制御が実行される。次いでステップＳ５１では、経過時間Ｔが遅延時間Ｔｄと実行時間Ｔｓｐとの和以上であるか否かが判定される。経過時間Ｔが遅延時間Ｔｄと実行時間Ｔｓｐとの和未満であると判定された場合には、リーンスパイク制御が継続され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ５１において、経過時間Ｔが遅延時間Ｔｄと実行時間Ｔｓｐとの和以上であると判定された場合にはステップＳ５２へと進む。
【０１２０】
本実施形態によれば、比較的リーン度合いの小さいリーン設定空燃比や、比較的リッチ度合いの小さいリッチ設定空燃比に目標空燃比を設定して、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐを適切に調整してからリーンスパイク制御が開始される。このため、下流側触媒２４に流入する酸素量を適切に調整することができる。
【０１２１】
なお、本変形例では、リーンスパイク制御の実行条件が成立したときに目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。しかしながら、リーンスパイク制御の実行条件が成立したときの目標空燃比がリッチ空燃比である場合には、目標空燃比をリッチ空燃比に維持したままリーンスパイク制御の開始を遅延させてもよい。その場合、一回の燃料カット制御で流出する酸素量Ｏ２ｏｎｅから剰余Ｒを減算した量をＲ’とすると、リーンスパイク制御の実行条件が成立したときから上記Ｒ’に相当する量の酸素を還元できる未燃ガスが流入するまでリーンスパイク制御の実行が遅延せしめられる。換言すると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が、リーンスパイク制御の実行条件が成立したときの値からＲ’分だけ減った量に到達してからリーンスパイク制御が開始される。
【０１２２】
＜第三実施形態＞
次に、図１０を参照して、第三実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第三実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御は基本的に第一実施形態及び第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。したがって、以下では、第一実施形態及び第二実施形態に係る排気浄化装置とは異なる部分を中心に説明する。
【０１２３】
上記第一実施形態及び第二実施形態では、リーンスパイク制御の実行中にはサイクル当たりの平均空燃比は一定に維持されている。例えば、第一実施形態では、リーンスパイク制御の実行中には目標空燃比は強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに維持されている。これに対して本実施形態では、リーンスパイク制御の開始時における機関本体１から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いが、リーンスパイク制御の終了時における機関本体１から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いよりも小さくなるように、リーンスパイク制御の実行中に機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が変更される。特に、本実施形態では、リーンスパイク制御の開始時における目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定されると共に、リーンスパイク制御の終了時における目標空燃比が強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに設定される。
【０１２４】
具体的には、本実施形態では、リーンスパイク制御の実行条件が成立すると、上述したような方法で上流側吸蔵可能酸素量の推定値Ｏ２ｓｐ１ｅｓ及び下流側吸蔵可能酸素量の推定値Ｏ２ｓｐ２ｅｓが算出される。そして、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定している第１実行時間Ｔｓｐ１が下記式（７）によって算出され、目標空燃比を強リーン設定空燃比に設定している第２実行時間Ｔｓｐ２が下記式（８）によって算出される。
Tsp1= O2sp1es・AFTlean/(AFTlean-AFST)/(Ga・0.23)      …（７）
Tsp2= O2sp2es・AFTslean/(AFTslean-AFST)/(Ga・0.23)      …（８）
【０１２５】
すなわち、本実施形態では、第１実行時間Ｔｓｐ１が上流側吸蔵可能酸素量の推定値Ｏ２ｓｐ１ｅｓに基づいて算出される。加えて、第２実行時間Ｔｓｐ２が下流側吸蔵可能酸素量の推定値Ｏ２ｓｐ２ｅｓに基づいて算出される。そして、これら実行時間Ｔｓｐ１及びＴｓｐ２は、リーンスパイク制御の実行期間中における下流側空燃比センサ４１の出力を利用せずに、算出される。
【０１２６】
第１実行時間及び第２実行時間が算出されると、通常空燃比制御が停止されて、リーンスパイク制御が開始される。リーンスパイク制御が開始されると、まず目標空燃比がリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定され、よって上流側触媒２０にリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎの排気ガスが流入することになる。目標空燃比がリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定された状態は、第１実行時間Ｔｓｐ１に亘って維持される。
【０１２７】
その後、リーンスパイク制御が開始されてから第１実行時間が経過すると、目標空燃比が強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに変更され、よって上流側触媒２０に強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎの排気ガスが流入することになる。目標空燃比が強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに設定された状態は、第２実行時間Ｔｓｐ２に亘って維持される。
【０１２８】
したがって、本実施形態では、リーンスパイク制御の開始から上流側吸蔵可能酸素量に相当する量の酸素が上流側触媒２０に流入するまでにおける機関本体１から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いが、上流側吸蔵可能酸素量に相当する量の酸素が上流側触媒２０に流入してからリーンスパイク制御の終了までにおける機関本体１から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合いよりも小さくなるように、リーンスパイク制御の実行中に機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が変更される。
【０１２９】
図１０は、本実施形態に係るリーンスパイク制御を行った場合における目標空燃比ＡＦＴ等の、図７と同様なタイムチャートである。図１０においても、図７と同様に、上流側触媒２０から流出した排気ガスが下流側触媒２４に流入するまでも或る程度の遅れが生じることが考慮されている。
【０１３０】
図示した例では、時刻ｔ1において、リーンスパイク制御の実行条件が成立し、リーンスパイク制御が開始される。本実施形態では、リーンスパイク制御の開始直後は、目標空燃比ＡＦＴが通常空燃比制御と同様なリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定される。この結果、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが徐々に増大し、時刻ｔ1から第１実行時間Ｔｓｐ１が経過した時刻ｔ2において最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達する。
【０１３１】
時刻ｔ2では、目標空燃比ＡＦＴが強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに変更される。また、時刻ｔ2以降は上流側触媒２０からリーン空燃比の排気ガスが流出するが、直ぐには下流側触媒２４に到達しない。
【０１３２】
その後、時刻ｔ3になると、時刻ｔ2からの経過時間が第２実行時間Ｔｓｐ２に到達する。したがって、時刻ｔ3において、リーンスパイク制御が終了され、通常空燃比制御が再開され、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。
【０１３３】
その後、時刻ｔ4において、時刻ｔ2以降に上流側触媒２０から流出したリーン空燃比の排気ガスが下流側触媒２４に到達し、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎが徐々に増加していく。そして、時刻ｔ5において、時刻ｔ3にて目標空燃比ＡＦＴをリッチ設定空燃比に切り替えたことに伴って下流側触媒２４に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比に戻る。本実施形態では、時刻ｔ5において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｄｗｎがその最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの近傍の量になっている。
【０１３４】
≪作用・効果≫
ところで、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値に誤差が生じていた場合、上流側触媒の２０の実際の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達しているのに、その推定値は最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達しないことがある。リーンスパイク制御の開始時から目標空燃比をリーン度合いの大きいリーン空燃比に設定していると、このような誤差が生じていることに気付かずにリーンスパイク制御が最後まで実行されることになるため、両排気浄化触媒２０、２４への目標酸素供給量が過剰になる可能性がある。
【０１３５】
これに対して、本実施形態によれば、リーンスパイク制御の開始後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｐが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達するまでは、目標空燃比がリーン度合いの低いリーン空燃比に設定される。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値に上述したような誤差が生じていた場合、上流側触媒の２０の実際の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達した後にリーン空燃比の排気ガスが下流側空燃比センサ４１に到達する。この結果、下流側触媒２４の酸素吸蔵量を回復させるべく、目標空燃比を強リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌｅａｎに切り替える前に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比に変化する。
【０１３６】
したがって、本実施形態によれば、リーンスパイク制御を最後まで実行する前に上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値に誤差が生じていることを検出することができる。リーンスパイク制御の実行中に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比に変化したことが検出された時点でリーンスパイク制御を中止したりリーンスパイク制御の実行時間を修正したりすることで、両排気浄化触媒２０、２４への酸素供給量が過剰になることを抑制することができる。
【０１３７】
なお、本実施形態では、上流側吸蔵可能酸素量に相当する量の酸素が上流側触媒２０に流入したタイミングで、目標空燃比が切り替えられている。しかしながら、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値に誤差が生じていた場合にリーンスパイク制御を最後まで実行する前にその誤差を検知することができれば、目標空燃比を切り替えるタイミングは斯かるタイミングとは異なるタイミングであってもよい。
【０１３８】
以上、本開示に係る好適な実施形態を説明したが、本開示はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
【符号の説明】
【０１３９】
１    機関本体
１１    燃料噴射弁
２０    上流側触媒
２４    下流側触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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