(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、前記上流側触媒と前記下流側触媒との間において前記排気通路に設けられた下流側空燃比検出手段と、前記下流側触媒の酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように該排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御装置とを具備する、内燃機関の制御装置において、
前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記上流側触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の上流側判定基準吸蔵量となるまで、前記上流側触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定する通常時リーン制御手段と、
前記上流側触媒の酸素吸蔵量が前記上流側判定基準吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチに設定する通常時リッチ制御手段と、
前記吸蔵量推定手段によって推定された前記下流側触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵量よりも少ない所定の下流側下限吸蔵量以下となったときには、前記通常時リッチ制御手段及び通常時リーン制御手段により目標空燃比の設定を行わずに、前記上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになることなく継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンになるように前記目標空燃比を断続的又は継続的に理論空燃比よりもリーンに設定する吸蔵量回復制御手段とを具備する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記吸蔵量回復制御手段は、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記下流側下限吸蔵量よりも多く且つ最大酸素吸蔵量以下の所定の下流側上限吸蔵量となるまで前記目標空燃比の設定を継続する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記吸蔵量回復制御手段は、前記上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比が断続的に理論空燃比よりもリーンになるように前記目標空燃比を断続的に理論空燃比よりもリーンに設定する、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記吸蔵量回復制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンであるリーン判定空燃比以上となったときに、前記上流側触媒の酸素吸蔵量が零よりも多い所定の上流側下限吸蔵量となるまで、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチに設定する回復時リッチ制御手段と、前記上流側触媒の酸素吸蔵量が前記上流側下限吸蔵量以下となったときに該酸素吸蔵量が零に達することなく最大酸素吸蔵量に向けて増加するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的にリーンに設定する回復時リーン制御手段とを有する、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記回復時リッチ制御手段により前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、前記回復時リーン制御手段により前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差よりも大きい、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記回復時リッチ制御手段は前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリッチに設定する、請求項４又は５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記回復時リーン制御手段は前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに設定する、請求項４〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記吸蔵量回復制御手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに設定する、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記吸蔵量回復制御手段により前記目標空燃比を継続的にリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、前記通常時リーン制御手段により前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差以上である、請求項８に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記吸蔵量回復制御手段により前記目標空燃比を継続的にリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、前記通常時リーン制御手段により前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差よりも小さい、請求項８に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記吸蔵量回復制御手段は、当該吸蔵量回復制御手段によって前記目標空燃比を設定している期間に亘って、前記目標空燃比を一定の空燃比に固定する、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記吸蔵量回復制御手段は、当該吸蔵量回復制御手段によって前記目標空燃比を設定している期間において、前記目標空燃比を連続的に又は段階的に低下させる、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空燃比センサの出力に応じて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御する内燃機関の制御装置が広く知られている（例えば、特許文献１〜４を参照）。【０００３】
斯かる制御装置では、排気通路内に設けられた酸素吸蔵能力を有する上流側触媒及び下流側触媒が用いられる。酸素吸蔵能力を有する触媒は、酸素吸蔵量が上限吸蔵量と下限吸蔵量との間の適当な量であるときには、触媒に流入する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）やＮＯｘ等を浄化できる。すなわち、触媒に理論空燃比よりもリッチ側の空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、触媒に吸蔵されている酸素により排気ガス中の未燃ガスが酸化浄化される。逆に、触媒に理論空燃比よりもリーン側の空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気ガス中の酸素が触媒に吸蔵される。これにより、触媒表面上で酸素不足状態となり、これに伴って排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。その結果、触媒は、酸素吸蔵量が適当な量である限り、触媒に流入する排気ガスの空燃比に関わらず、排気ガスを浄化することができる。【０００４】
そこで、斯かる制御装置では、上流側触媒における酸素吸蔵量を適切な量に維持すべく、上流側触媒の排気流れ方向上流側に空燃比センサを設け、上流側触媒の排気流れ方向下流側であって下流側触媒の排気流れ方向上流側に酸素センサを設けるようにしている。これらセンサを用いて、制御装置は、上流側の空燃比センサの出力に基づいてこの空燃比センサの出力電流が目標空燃比に相当する目標値となるようにフィードバック制御を行う。加えて、下流側の酸素センサの出力に基づいて上流側の空燃比センサの目標値を補正する。【０００５】
例えば、特許文献１に記載の制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上であって、上流側触媒の状態が酸素不足状態であるときには、上流側触媒に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下であって、上流側触媒の状態が酸素過剰状態であるときには、目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、酸素不足状態又は酸素過剰状態にあるときに、触媒の状態を速やかにこれら両状態の中間の状態（すなわち、触媒に適当な量の酸素が吸蔵されている状態）に戻すことができるとされている。【０００６】
加えて、上記制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値と低側閾値との間にある場合、酸素センサの出力電圧が増大傾向にあるときには目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、酸素センサの出力電圧が減少傾向にあるときには目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、上流側触媒の状態が酸素不足状態又は酸素過剰状態となることを未然に防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−０６９３３７号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１０９６号公報
【特許文献３】特開２０００−３５６６１８号公報
【特許文献４】特開平８−２３２７２３号公報
【特許文献５】特開２００９−１６２１３９号公報
【特許文献６】特開２００１−２３４７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１に記載の制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上であって、上流側触媒の状態が酸素不足状態であるときには、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン空燃比とされる。すなわち、この制御装置では、触媒の状態が酸素不足状態であって、上流側触媒から未燃ガスが流出したときに、目標空燃比をリーン空燃比としている。したがって、上流側触媒からは多少の未燃ガスが流出することがある。【０００９】
また、特許文献１に記載の制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下であって、触媒の状態が酸素過剰状態であるときには、目標空燃比がリッチ空燃比とされる。すなわち、この制御装置では、触媒の状態が酸素過剰状態であって、上流側触媒から酸素及びＮＯｘが流出したときに、目標空燃比をリッチ空燃比としている。したがって、上流側触媒からは多少のＮＯｘが流出することがある。【００１０】
よって、上流側触媒からは未燃ガスとＮＯｘとの両方が流出する場合がある。このように、上流側触媒から未燃ガスとＮＯｘとの両方が流出すると、下流側触媒ではこれら両方の成分を浄化することが必要になる。【００１１】
そこで、本発明者らは、上流側触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を、理論空燃比よりも或る程度リーンであるリーン設定空燃比と、理論空燃比よりも僅かにリッチな弱リッチ設定空燃比とに交互に設定する空燃比制御を行うことを提案している。具体的には、斯かる空燃比制御では、上流側触媒の下流側に配置された下流側空燃比センサによって検出された排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、目標空燃比がリーン設定空燃比とされる。一方、上流側触媒の酸素吸蔵量が所定の吸蔵量以上となったときに、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比とされる。【００１２】
このような制御を行うことにより、目標空燃比を弱リッチ設定空燃比としていると、上流側触媒の酸素吸蔵量が徐々に少なくなり、最終的には上流側触媒から僅かながら未燃ガスが流出する。このように僅かに未燃ガスが流出すると、下流側空燃比センサによって基準空燃比以下の空燃比が検出され、その結果、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。【００１３】
目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられると、上流側触媒の酸素吸蔵量は急激に増大する。上流側触媒の酸素吸蔵量が急激に増大すると、酸素吸蔵量は短期間で所定の吸蔵量に到達し、その後、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に切り替えられる。【００１４】
このような制御を行った場合、上流側触媒からは未燃ガスが流出することはあるがＮＯｘが流出することはほとんどない。このため、基本的に、下流側触媒にはＮＯｘが流入することははく、未燃ガスのみが流入することになる。特に、燃料噴射弁からの燃料噴射を一時的に停止させる燃料カット制御を行う内燃機関では、燃料カット制御の実行時に下流側触媒の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量にまで達する。このため、斯かる内燃機関では、下流側触媒に未燃ガスが流入しても下流側触媒に吸蔵されている酸素を放出することで、未燃ガスを浄化することができる。【００１５】
ところが、内燃機難を搭載した車両の運転状況によっては、長期間に亘って燃料カット制御が実行されない場合がある。この場合、下流側触媒の酸素吸蔵量が低下して、ついには上流側触媒から僅かに流出した未燃ガスを十分に浄化できなくなってしまうことがありうる。【００１６】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、上述したように上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御した場合であって、下流側触媒から未燃ガスが流出するのを確実に抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、第１の発明では、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、前記上流側触媒と前記下流側触媒との間において前記排気通路に設けられた下流側空燃比検出手段と、前記下流側触媒の酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように該排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御装置とを具備する、内燃機関の制御装置において、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記上流側触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の上流側判定基準吸蔵量となるまで、前記上流側触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定する通常時リーン制御手段と、前記上流側触媒の酸素吸蔵量が前記上流側判定基準吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチに設定する通常時リッチ制御手段と、前記吸蔵量推定手段によって推定された前記下流側触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵量よりも少ない所定の下流側下限吸蔵量以下となったときには、前記通常時リッチ制御手段及び通常時リーン制御手段により目標空燃比の設定を行わずに、前記上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになることなく継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンになるように前記目標空燃比を断続的又は継続的に理論空燃比よりもリーンに設定する吸蔵量回復制御手段とを具備する。【００１８】
第２の発明では、第１の発明において、前記吸蔵量回復制御手段は、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記下流側下限吸蔵量よりも多く且つ最大酸素吸蔵量以下の所定の下流側上限吸蔵量となるまで前記目標空燃比の設定を継続する。【００１９】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記吸蔵量回復制御手段は、前記上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比が断続的に理論空燃比よりもリーンになるように前記目標空燃比を断続的に理論空燃比よりもリーンに設定する。【００２０】
第４の発明では、第３の発明において、前記吸蔵量回復制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンであるリーン判定空燃比以上となったときに、前記上流側触媒の酸素吸蔵量が零よりも多い所定の上流側下限吸蔵量となるまで、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチに設定する回復時リッチ制御手段と、前記上流側触媒の酸素吸蔵量が前記上流側下限吸蔵量以下となったときに該酸素吸蔵量が零に達することなく最大酸素吸蔵量に向けて増加するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的にリーンに設定する回復時リーン制御手段とを有する。【００２１】
第５の発明では、第４の発明において、前記回復時リッチ制御手段により前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、前記回復時リーン制御手段により前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差よりも大きい。【００２２】
第６の発明では、第４又は第５の発明において、前記回復時リッチ制御手段は前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリッチに設定する。【００２３】
第７の発明では、第４〜第６のいずれか一つの発明において、前記回復時リーン制御手段は前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに設定する。【００２４】
第８の発明では、第１又は第２の発明において、前記吸蔵量回復制御手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに設定する。【００２５】
第９の発明では、第８の発明において、前記吸蔵量回復制御手段により前記目標空燃比を継続的にリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、前記通常時リーン制御手段により前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差以上である。
【００２６】
第１０の発明では、第８の発明において、前記吸蔵量回復制御手段により前記目標空燃比を継続的にリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、前記通常時リーン制御手段により前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの該目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差よりも小さい。【００２７】
第１１の発明では、第８〜第１０のいずれか一つの発明において、前記吸蔵量回復制御手段は、当該吸蔵量回復制御手段によって前記目標空燃比を設定している期間に亘って、前記目標空燃比を一定の空燃比に固定する。【００２８】
第１２の発明では、第８〜第１０のいずれか一つの発明において、前記吸蔵量回復制御手段は、当該吸蔵量回復制御手段によって前記目標空燃比を設定している期間において、前記目標空燃比を連続的に又は段階的に低下させる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、下流側触媒から未燃ガスが流出するのを確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、触媒の酸素吸蔵量と触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ又は未燃ガスの濃度との関係を示す図である。
【図３】図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図４】図４は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
【図５】図５は、空燃比センサの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図６】図６は、電圧印加装置及び電流検出装置を構成する具体的な回路の一例を示す図である。
【図７】図７は、触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図８】図８は、触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図９】図９は、触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図１０】図１０は、制御装置の機能ブロック図である。
【図１１】図１１は、空燃比補正量の算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、吸蔵量回復制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図１４】図１４は、触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図１５】図１５は、触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図１６】図１６は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、各センサ印加電圧における排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図１８】図１８は、図１６にＸ−Ｘで示した領域を拡大して示した図である。
【図１９】図１９は、図１７にＹで示した領域を拡大して示した図である。
【図２０】図２０は、空燃比センサの空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の内燃機関の制御装置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。図１は、本発明の第一実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【００３２】
＜内燃機関全体の説明＞
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。
【００３３】
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、燃料として触媒における理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の内燃機関は他の燃料を用いても良い。
【００３４】
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。
【００３５】
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の集合部は上流側触媒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を介して下流側触媒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。
【００３６】
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および出力ポート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（上流側空燃比検出手段）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（下流側空燃比検出手段）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。なお、これら空燃比センサ４０、４１の構成については後述する。
【００３７】
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、各種センサ等の出力に基づいて内燃機関を制御する制御手段として機能する。
【００３８】
＜触媒の説明＞
上流側触媒２０及び下流側触媒２４は、いずれも同様な構成を有する。以下では、上流側触媒２０についてのみ説明するが、下流側触媒２４も同様な構成及び作用を有する。
【００３９】
上流側触媒２０は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、上流側触媒２０は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（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））を担持させたものである。上流側触媒２０は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
【００４０】
上流側触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、上流側触媒２０は、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン（リーン空燃比）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、上流側触媒２０は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ（リッチ空燃比）であるときには、上流側触媒２０に吸蔵されている酸素を放出する。なお、「排気ガスの空燃比」は、その排気ガスが生成されるまでに供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味するものであり、通常はその排気ガスが生成されるにあたって燃焼室５内に供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味する。本明細書では、排気ガスの空燃比を「排気空燃比」という場合もある。
【００４１】
上流側触媒２０は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、図２（Ａ）に示したように、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、酸素吸蔵量が少ないときには上流側触媒２０により排気ガス中の酸素が吸蔵され、ＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、上限吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍを境に上流側触媒２０から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。
【００４２】
一方、図２（Ｂ）に示したように、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、酸素吸蔵量が多いときには上流側触媒２０に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍを境に上流側触媒２０から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。
【００４３】
以上のように、本実施形態において用いられる触媒２０、２４によれば、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、触媒２０、２４は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。
【００４４】
＜空燃比センサの構成＞
次に、図３を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態における空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
【００４５】
図３に示したように、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極（第一電極）５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極（第二電極）５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００４６】
固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して空燃比センサ４０、４１による検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝されることになる。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように構成されてもよい。
【００４７】
固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝される。本実施形態では、基準ガスとして大気が用いられているため、大気側電極５３は大気に曝されることになる。
【００４８】
ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、これらヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。
【００４９】
固体電解質層５１は、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。
【００５０】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、電圧印加装置６０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層５１を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流（出力電流）を検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流である。
【００５１】
＜空燃比センサの動作＞
次に、図４を参照して、このように構成された空燃比センサ４０、４１の動作の基本的な概念について説明する。図４は、空燃比センサ４０、４１の動作を概略的に示した図である。使用時において、空燃比センサ４０、４１は、保護層５５及び拡散律速層５４の外周面が排気ガスに曝されるように配置される。また、空燃比センサ４０、４１の基準ガス室５８には大気が導入される。
【００５２】
上述したように、固体電解質層５１は、酸素イオン伝導性酸化物の焼結体で形成される。したがって、高温により活性化した状態で固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度の差が生じると、濃度の高い側面側から濃度の低い側面側へと酸素イオンを移動させようとする起電力Ｅが発生する性質（酸素電池特性）を有している。
【００５３】
逆に、固体電解質層５１は、両側面間に電位差が与えられると、この電位差に応じて固体電解質層の両側面間で酸素濃度比が生じるように、酸素イオンの移動を引き起こそうとする特性（酸素ポンプ特性）を有する。具体的には、両側面間に電位差が与えられた場合には、正極性を与えられた側面における酸素濃度が、負極性を与えられた側面における酸素濃度に対して、電位差に応じた比率で高くなるように、酸素イオンの移動が引き起こされる。また、図３及び図４に示したように、空燃比センサ４０、４１では、大気側電極５３が正極性、排気側電極５２が負極性となるように、これら電極５２、５３間に一定のセンサ印加電圧Ｖｒが印加されている。なお、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１におけるセンサ印加電圧Ｖｒは同一の電圧となっている。
【００５４】
空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには、固体電解質層５１の両側面間での酸素濃度の比はそれほど大きくない。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が小さくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比に向けて大きくなるように、図４（Ａ）に示した如く、排気側電極５２から大気側電極５３に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０の正極から、大気側電極５３、固体電解質層５１、及び排気側電極５２を介して電圧印加装置６０の負極へと電流が流れる。
【００５５】
このとき流れる電流（出力電流）Ｉｒの大きさは、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、排気中から拡散律速層５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する酸素量に比例する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを電流検出装置６１によって検出することにより、酸素濃度を知ることができ、ひいてはリーン領域における空燃比を知ることができる。
【００５６】
一方、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、排気中から拡散律速層５４を通って未燃ガスが被測ガス室５７内に流入するため、排気側電極５２上に酸素が存在しても、未燃ガスと反応して除去される。このため、被測ガス室５７内では酸素濃度が極めて低くなり、その結果、固体電解質層５１の両側面間での酸素濃度の比は大きなものとなる。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が大きくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比に向けて小さくなるように、図４（Ｂ）に示した如く、大気側電極５３から排気側電極５２に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、大気側電極５３から、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０を通って排気側電極５２へと電流が流れる。
【００５７】
このとき流れる電流（出力電流）Ｉｒの大きさは、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１中を大気側電極５３から排気側電極５２へと移動せしめられる酸素イオンの流量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散律速層５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する未燃ガスと排気側電極５２上で反応（燃焼）する。よって、酸素イオンの移動流量は被測ガス室５７内に流入した排気ガス中の未燃ガスの濃度に対応する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを電流検出装置６１によって検出することで、未燃ガス濃度を知ることができ、ひいてはリッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００５８】
また、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比のときには、被測ガス室５７へ流入する酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっている。このため、排気側電極５２の触媒作用によって両者は完全に燃焼し、被測ガス室５７内の酸素及び未燃ガスの濃度に変動は生じない。この結果、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、変動せずに、センサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比のまま維持される。このため、図４（Ｃ）に示したように、酸素ポンプ特性による酸素イオンの移動は起こらず、その結果、回路を流れる電流は生じない。
【００５９】
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図５に示した出力特性を有する。すなわち、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が大きくなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｒが大きくなる。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉｒが零になるように構成される。
【００６０】
＜電圧印加装置及び電流検出装置の回路＞
図６に、電圧印加装置６０及び電流検出装置６１を構成する具体的な回路の一例を示す。図示した例では、酸素電池特性により生じる起電力をＥ、固体電解質層５１の内部抵抗をＲｉ、両電極５２、５３間の電位差をＶｓと表している。
【００６１】
図６からわかるように、電圧印加装置６０は、基本的に、酸素電池特性により生じる起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するように、負帰還制御を行っている。換言すると、電圧印加装置６０は、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比の変化によって両電極５２、５３間の電位差Ｖｓが変化した際にも、この電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒとなるように負帰還制御を行っている。
【００６２】
したがって、排気空燃比が理論空燃比となっていて、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じない場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比となっている。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに一致し、両電極５２、５３間の電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒとなっており、その結果、電流Ｉｒは流れない。
【００６３】
一方、排気空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比となっていて、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じる場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比とはなっていない。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒとは異なる値となる。その結果、負帰還制御により、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒと一致するように固体電解質層５１の両側面間で酸素イオンの移動をさせるべく、両電極５２、５３間に電位差Ｖｓが付与される。そして、このときの酸素イオンの移動に伴って電流Ｉｒが流れる。この結果、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに収束し、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに収束すると、やがて、電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒに収束することになる。
【００６４】
したがって、電圧印加装置６０は、実質的に、両電極５２、５３間にセンサ印加電圧Ｖｒを印加しているということができる。なお、電圧印加装置６０の電気回路は必ずしも図６に示したようなものである必要はなく、両電極５２、５３間にセンサ印加電圧Ｖｒを実質的に印加することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。
【００６５】
また、電流検出装置６１は、実際に電流を検出するのではなく、電圧Ｅ0を検出してこの電圧Ｅ0から電流を算出している。ここで、Ｅ0は、下記式（１）のように表せる。
Ｅ0＝Ｖｒ＋Ｖ0＋ＩｒＲ      …（１）
ここで、Ｖ0はオフセット電圧（Ｅ0が負値とならないように印加しておく電圧であり例えば３Ｖ）、Ｒは図６に示した抵抗の値である。
【００６６】
式（１）において、センサ印加電圧Ｖｒ、オフセット電圧Ｖ0及び抵抗値Ｒは一定であるから、電圧Ｅ0は電流Ｉｒに応じて変化する。このため、電圧Ｅ0を検出すれば、その電圧Ｅ0から電流Ｉｒを算出することが可能である。
【００６７】
したがって、電流検出装置６１は、実質的に、両電極５２、５３間に流れる電流Ｉｒを検出しているということができる。なお、電流検出装置６１の電気回路は必ずしも図６に示したようなものである必要はなく、両電極５２、５３間を流れる電流Ｉｒを検出することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。
【００６８】
＜空燃比制御の概要＞
次に、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいて上流側空燃比センサ４０の出力電流（すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比）Ｉｒｕｐが目標空燃比に相当する値となるようにフィードバック制御が行われる。目標空燃比の設定制御は、大別すると、下流側触媒２４に十分な酸素吸蔵量がある場合における通常制御と、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が低下した場合における吸蔵量回復制御との２つの制御に分けられる。以下では、まず、通常制御について説明する。
【００６９】
＜通常制御の概要＞
通常制御の実行時においては、目標空燃比は、下流側空燃比センサ４１の出力電流に基づいて設定される。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉ以下となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。ここで、リッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉは、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）に相当する値である。また、リーン設定空燃比は、理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６８〜１８、より好ましくは１４．７〜１６程度とされる。
【００７０】
目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが推定される。酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ、及びエアフロメータ３９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からの燃料噴射量等に基づいて行われる。そして、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が予め定められた上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐ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、弱リッチ設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。弱リッチ設定空燃比は、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１３．５〜１４．５８、好ましくは１４〜１４．５７、より好ましくは１４．３〜１４．５５程度とされる。その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが再びリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉ以下となったときに再び上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比が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。
【００７１】
このように本実施形態では、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比と弱リッチ設定空燃比とに交互に設定される。特に、本実施形態では、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、弱リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差よりも大きい。したがって、本実施形態では、目標空燃比は、短期間のリーン設定空燃比と、長期間の弱リッチ設定空燃比とに交互に設定されることになる。
【００７２】
＜タイムチャートを用いた通常制御の説明＞
図７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７は、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御を行った場合における、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ、上流側触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度、及び下流側触媒２４から流出した未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）のタイムチャートである。
【００７３】
なお、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐは、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに零になり、当該排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに負の値となり、当該排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに正の値となる。また、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比又はリーン空燃比であるときには、理論空燃比からの差が大きくなるほど、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐの絶対値が大きくなる。
【００７４】
下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎも、上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比に応じて、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと同様に変化する。また、空燃比補正量ＡＦＣは、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比に関する補正量である。空燃比補正量ＡＦＣが０のときには目標空燃比は理論空燃比とされ、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるときには目標空燃比はリーン空燃比となり、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であるときには目標空燃比はリッチ空燃比となる。
【００７５】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは、弱リッチ設定空燃比に相当する値であり、０よりも小さな値である。したがって、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比はリッチ空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐが負の値となる。上流側触媒２０に流入する排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは徐々に減少していく。しかしながら、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は、上流側触媒２０で浄化されるため、下流側空燃比センサの出力電流Ｉｒｄｗｎはほぼ０（理論空燃比に相当）となる。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ッチ空燃比となっているため、上流側触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００７６】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは時刻ｔ1において下限吸蔵量（図２のＣｌｏｗｌｉｍ参照）を超えて減少する。酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが下限吸蔵量よりも減少すると、上流側触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側触媒２０で浄化されずに流出する。このため、時刻ｔ1以降、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが減少するのに伴って、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが徐々に低下する。このときも、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００７７】
その後、時刻ｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定空燃比に相当するリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉに到達する。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉになると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少を抑制すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは、リーン設定空燃比に相当する値であり、０よりも大きな値である。したがって、目標空燃比はリーン空燃比とされる。
【００７８】
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉに到達してから、すなわち上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比に到達してから、空燃比補正量ＡＦＣの切替を行っている。これは、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が十分であっても、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から極わずかにずれてしまう場合があるためである。すなわち、仮に出力電流Ｉｒｄｗｎが零（理論空燃比に相当）から僅かにずれた場合にも上流側触媒２０の酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少していると判断してしまうと、実際には十分な酸素吸蔵量があっても、酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少したと判断される可能性がある。そこで、本実施形態では、上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比に到達して始めて酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少したと判断することとしている。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が十分であるときには上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。
【００７９】
時刻ｔ2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えても、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する（実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。
【００８０】
時刻ｔ2において上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大する。また、これに伴って、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し、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎも０に収束する。なお、図示した例では、目標空燃比を切り替えた直後は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが低下している。これは、目標空燃比を切り替えてからその排気ガスが下流側空燃比センサ４１に到達するまでに遅れが生じるためである。
【００８１】
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、上流側触媒２０に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。このため、上流側触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８２】
その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増大すると、時刻ｔ3において酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐに到達する。本実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐになると、上流側触媒２０への酸素の吸蔵を中止すべく、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（０よりも小さな値）に切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。
【００８３】
なお、上述したように、図示した例では、目標空燃比を切り替えるのと同時に上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比も変化しているが、実際には遅れが生じる。このため、時刻ｔ3にて切替を行っても、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は或る程度時間が経過してからリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。したがって、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化するまでは、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大していく。
【００８４】
しかしながら、上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量（図２のＣｕｐｌｉｍ参照）よりも十分に低く設定されているため、時刻ｔ3においても酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍには到達しない。逆に言うと、上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐは、目標空燃比を切り替えてから上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が実際に変化するまで遅延が生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量に到達しないように十分少ない量とされる。例えば、上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐは、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの３／４以下、好ましくは１／２以下、より好ましくは１／５以下とされる。
【００８５】
時刻ｔ3以降においては、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐが負の値となる。上流側触媒２０に流入する排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは徐々に減少していき、時刻ｔ4において、時刻ｔ1と同様に、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが下限吸蔵量を超えて減少する。このときも、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８６】
次いで、時刻ｔ5において、時刻ｔ2と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定空燃比に相当するリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉに到達する。これにより、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比に相当する値ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ4のサイクルが繰り返される。
【００８７】
なお、このような空燃比補正量ＡＦＣの制御は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐとなるまで、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的にリーン設定空燃比に設定する通常時リーン制御手段と、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐ以上となったときに、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達することなく零に向けて減少するように、目標空燃比を継続的に弱リッチ設定空燃比に設定する通常時リッチ制御手段とを具備するといえる。
【００８８】
以上の説明から分かるように上記実施形態によれば、上流側触媒２０からのＮＯｘ排出量を常に少ないものとすることができる。すなわち、上述した制御を行っている限り、基本的には上流側触媒２０からのＮＯｘ排出量を少ないものとすることができる。
【００８９】
また、一般に、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び吸入空気量の推定値等に基づいて酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定した場合には誤差が生じる可能性がある。本実施形態においても、時刻ｔ2〜ｔ3に亘って酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定しているため、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値には多少の誤差が含まれる。しかしながら、このような誤差が含まれていたとしても、上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐを最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量よりも十分に低く設定しておけば、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍにまで到達することはほとんどない。したがって、斯かる観点からも上流側触媒２０からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。
【００９０】
また、触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されると、その触媒の酸素吸蔵能力が低下する。これに対して、本実施形態によれば、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは常に上下に変動しているため、酸素吸蔵能力が低下することが抑制される。
【００９１】
なお、上記実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び燃焼室５内への吸入空気量の推定値等に基づいて、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが推定されている。しかしながら、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃはこれらパラメータに加えて他のパラメータに基づいて算出されてもよいし、これらパラメータとは異なるパラメータに基づいて推定されてもよい。
【００９２】
また、上記実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐ以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えられる。しかしながら、目標空燃比をリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えるタイミングは、例えば目標空燃比を弱リッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へ切り替えてからの機関運転時間等、他のパラメータを基準としてもよい。ただし、この場合であっても、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量よりも少ないと推定される間に、目標空燃比をリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。
【００９３】
加えて、上記実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3において、空燃比補正量ＡＦＣはリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。同様に、時刻ｔ3〜ｔ5において、空燃比補正量ＡＦＣは弱リッチ設定補正量ＡＦｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。
【００９４】
ただし、この場合であっても、時刻ｔ2〜ｔ3における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の時間平均値（すなわち、時刻ｔ2〜ｔ3における空燃比の平均値）と理論空燃比との差が、時刻ｔ3〜ｔ5における目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差よりも大きくなるように設定される。
【００９５】
加えて、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間においても、或る程度の時間間隔毎に、空燃比補正量ＡＦＣを短い時間に亘って一時的にリーン空燃比に相当する値（例えば、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ）に設定してもよい。すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比が弱リッチ設定空燃比とされている間においても、或る程度の時間間隔毎に、目標空燃比が短い時間に亘って一時的にリーン空燃比とされてもよい。この様子を図８に示す。
【００９６】
図８は、図７と同様な図であり、図８における時刻ｔ1〜ｔ5は図７における時刻ｔ1〜ｔ5と同様な制御タイミングを示している。したがって、図８に示した制御においても、時刻ｔ1〜ｔ5の各タイミングにおいては、図７に示した制御と同様な制御が行われている。加えて、図８に示した制御では、時刻ｔ3〜ｔ5の間、すなわち、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間に、複数回（時刻ｔ6、ｔ7）に亘って一時的に空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている。
【００９７】
このように、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を一時的に増大させることによって、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを一時的に増大させるか或いは酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少を一時的に低減することができる。これにより、時刻ｔ3において空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから、時刻ｔ5において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉに到達するまでの時間を長くすることができる。すなわち、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが零近傍となって上流側触媒２０から未燃ガスが流出するタイミングを遅らせることができる。これにより、上流側触媒２０からの未燃ガスの流出量を減少させることができる。
【００９８】
なお、図８に示した例では、空燃比補正量ＡＦＣが基本的に弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間（時刻ｔ3〜ｔ5）において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとしている。このように一時的に空燃比補正量ＡＦＣを変更する場合には、必ずしも空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに変更する必要はなく、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈよりもリーンであれば如何なる空燃比に変更してもよい。
【００９９】
また、空燃比補正量ＡＦＣが基本的にリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている間（時刻ｔ2〜ｔ3）においても、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとしてもよい。この場合も同様に、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを変更する場合には、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎよりもリッチであれば如何なる空燃比に空燃比補正量ＡＦＣを変更してもよい。
【０１００】
ただし、本実施形態においても、時刻ｔ2〜ｔ3における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の時間平均値（すなわち、時刻ｔ2〜ｔ3の平均値）と理論空燃比との差が、時刻ｔ3〜ｔ5における目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差よりも大きくなるように設定される。
【０１０１】
いずれにせよ、図７及び図８の例をまとめて表現すると、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐとなるまで、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を継続的又は断続的にリーン設定空燃比にする酸素吸蔵量増加手段と、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐ以上となったときに、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達することなく零に向けて減少するように、目標空燃比を継続的又は断続的に弱リッチ設定空燃比にする酸素吸蔵量減少手段とを具備するといえる。
【０１０２】
＜下流側触媒も用いた通常制御の説明＞
また、本実施形態では、上流側触媒２０に加えて下流側触媒２４も設けられている。下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは或る程度の期間毎に行われる燃料カット制御によって最大吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値とされる。このため、たとえ上流側触媒２０から未燃ガスを含んだ排気ガスが流出したとしても、これら未燃ガスは下流側触媒２４において酸化浄化される。
【０１０３】
なお、燃料カット制御とは、内燃機関を搭載する車両の減速時等において、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から燃料の噴射を行わない制御である。この制御を行うと、両触媒２０、２４には多量の空気が流入することになる。
【０１０４】
図７に示した例では、時刻ｔ1以前に燃料カット制御が行われている。このため、時刻ｔ1以前において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値となっている。また、時刻ｔ1以前においては、上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比に保たれる。このため、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは一定に維持される。
【０１０５】
その後、時刻ｔ1〜ｔ3において、上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっている。このため、下流側触媒２４には、未燃ガスを含む排気ガスが流入する。
【０１０６】
上述したように、下流側触媒２４には多量の酸素が吸蔵されているため、上流側触媒２０に流入する排気ガス中に未燃ガスが含まれていると、吸蔵されている酸素により未燃ガスが酸化浄化される。また、これに伴って、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは減少する。ただし、時刻ｔ1〜ｔ3において上流側触媒２０から流出する未燃ガスはそれほど多くないため、この間の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの減少量はわずかである。このため、時刻ｔ1〜ｔ3において上流側触媒２０から流出する未燃ガスは全て下流側触媒２４において酸化浄化される。
【０１０７】
時刻ｔ4以降についても、或る程度の時間間隔毎に時刻ｔ1〜ｔ3における場合と同様に、上流側触媒２０から未燃ガスが流出する。このようにして流出した未燃ガスは基本的に下流側触媒２４に吸蔵されている酸素により還元浄化される。
【０１０８】
＜吸蔵量回復制御の概要＞
ところで、燃料カット制御は内燃機関を搭載した車両の減速時等に行われることから、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、長期間に亘って燃料カット制御が行われない場合もある。このような場合、上流側触媒２０からの未燃ガスの流出が繰り返し行われると、ついには下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＣｕｆｃが零に達する。下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＣｕｆｃが零に達すると、それ以上、下流側触媒２４によっては未燃ガスを浄化することができなくなり、下流側触媒２４から未燃ガスが流出することになる。
【０１０９】
そこで、本実施形態では、エアフロメータ３９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からの燃料噴射量及び下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ等に基づいて、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが推定される。そして、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推定値が予め定められた下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎ以下になると、通常制御を停止して、吸蔵量回復制御が開始される。吸蔵量回復制御が開始されると、通常制御における目標空燃比の設定を停止して、目標空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンである予め定められた空燃比とされる。本実施形態では、この空燃比は、通常制御におけるリーン設定空燃比と同一の空燃比とされる。
【０１１０】
なお、この空燃比は通常制御におけるリーン設定空燃比と必ずしも同一である必要はなく、理論空燃比よりも或る程度リーン（例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６８〜１８、より好ましくは１４．７〜１６程度）であればよい。特に、この空燃比は、通常制御におけるリーン設定空燃比以上であるのが好ましい。したがって、吸蔵量回復制御により目標空燃比を継続的にリーンに設定するときの目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、通常時リーン制御手段により目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差以上であるのが好ましい。
【０１１１】
また、本実施形態では、下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎは、仮に下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推定値に多少誤差が生じても、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが零に到達することにないような値とされる。例えば、下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎは、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの１／４以上、好ましくは１／２以上、より好ましくは４／５以上とされる。
【０１１２】
目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は増大し、遂には、最大酸素吸蔵量に到達する。その後も目標空燃比をリーン設定空燃比に維持すると、上流側触媒２０によってはもはや酸素を吸蔵することができなくなり、上流側触媒２０から酸素が流出する。この酸素は、下流側触媒２４に流入する。下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは低下していることから、下流側触媒２４には酸素が吸蔵され、これにより下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが増大する。
【０１１３】
その後も上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比をリーン設定空燃比に設定し続けると、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推定値が予め定められた下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎ以上となる。本実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎ以上になると、吸蔵量回復制御が終了せしめられ、通常制御が再開される。
【０１１４】
＜タイムチャートを用いた吸蔵量回復制御の説明＞
図９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９は、吸蔵量回復制御を行った場合における上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ等のタイムチャートである。
【０１１５】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態は、基本的に、図７におけるｔ1以前の状態と同様であり、通常制御が行われている。ただし、図９に示した例では、ｔ1以前において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが比較的低下している。
【０１１６】
図９に示した例では、図７に示した例と同様に、時刻ｔ1において上流側触媒２０に流入した排気ガスの一部が上流側触媒２０で浄化されずに流出し始める。そして、時刻ｔ2において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定空燃比に相当するリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉに到達する。その結果、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。しかしながら、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられても、上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比の変化の遅れにより、上流側触媒２０からは未燃ガスが流出する（これにより、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが低下している）。
【０１１７】
時刻ｔ2〜ｔ3において、上流側触媒２０から流出した未燃ガスが下流側触媒２４に流入すると、下流側触媒２４において吸蔵されていた酸素と未燃ガスが反応し、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が低下する。この結果、時刻ｔ3において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎに達し、通常制御が停止されて、吸蔵量回復制御が開始せしめられる。
【０１１８】
時刻ｔ3において、吸蔵量回復制御が開始されると、目標空燃比がリーン設定空燃比とされる。すなわち、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比に相当するリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定される。本実施形態では、吸蔵量回復制御の開始前から空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされているため、時刻ｔ3以降も空燃比補正量ＡＦＣがそのまま維持されることになる。
【０１１９】
空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持し続けると、上流側触媒２０には多量の酸素が流入し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増大し、遂には、時刻ｔ4において、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達する。上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達すると、上流側触媒２０はそれ以上酸素を吸蔵することができなくなり、上流側触媒２０から酸素が流出する。また、これに伴って、上流側触媒２０では、ＮＯｘを浄化することができなくなることから、上流側触媒２０からはＮＯｘも流出することになる。
【０１２０】
上流側触媒２０から流出した酸素は、下流側触媒２４によって吸蔵されることから、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が増大する。また、上流側触媒２０から流出したＮＯｘは下流側触媒２４によって浄化される。したがって、下流側触媒２４からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【０１２１】
そのまま空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持し続けると、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは徐々に増大し、遂には、時刻ｔ5において、酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎに到達する。このように、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎに到達したときには、下流側触媒２４には十分な酸素が吸蔵されている。また、これ以上、上流側触媒２０から酸素に加えてＮＯｘが流出すると、やがて下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達すると共にＮＯｘを浄化することができなくなってしまう。
【０１２２】
そこで、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ＯＳＡｕｆｃが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎに到達すると、吸蔵量回復制御を終了して、通常制御が再開される。具体的には、時刻ｔ5において、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に設定され、よって空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされる。これにより、上流側触媒２０には未燃ガスを含んだ排気ガスが流入し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少していく。
【０１２３】
以上の説明から分かるように本実施形態によれば、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少しても、その酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを回復させることができる。これにより、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを常に十分な量に維持することができ、よって通常制御を行っても上流側触媒２０から流出する未燃ガスを常に下流側触媒２４にて確実に浄化することができるようになる。
【０１２４】
特に、本実施形態では、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少したときに、目標空燃比を理論空燃比よりも比較的高いリーンに継続的に固定している。このため、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを短時間で増大させることができる。ここで、上流側触媒２０に流入する排気ガスが長期間に亘ってリーン空燃比になると、上流側触媒２０が排気ガス中の硫黄成分を吸蔵し易い。本実施形態によれば、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを短時間で増大させることができるため、上流側触媒２０に流入する排気ガスがリーン空燃比とされる期間が短くなり、その結果、上流側触媒２０への硫黄の吸蔵を抑制することができる。
【０１２５】
＜具体的な制御の説明＞
次に、図１０〜図１２を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。本実施形態における制御装置は、機能ブロック図である図１０に示したように、Ａ１〜Ａ９の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図１０を参照しながら各機能ブロックについて説明する。
【０１２６】
＜燃料噴射量の算出＞
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、筒内吸入空気量算出手段Ａ１、基本燃料噴射量算出手段Ａ２、及び燃料噴射量算出手段Ａ３が用いられる。
【０１２７】
筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、エアフロメータ３９によって計測される吸入空気流量Ｇａと、クランク角センサ４４の出力に基づいて算出される機関回転数ＮＥと、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたマップ又は計算式とに基づいて、各気筒への吸入空気量Ｍｃを算出する。
【０１２８】
基本燃料噴射量算出手段Ａ２は、筒内吸入空気量算出手段Ａ１によって算出された筒内吸入空気量Ｍｃを、後述する目標空燃比設定手段Ａ６によって算出された目標空燃比ＡＦＴで除算することにより、基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅを算出する（Ｑｂａｓｅ＝Ｍｃ／ＡＦＴ）。
【０１２９】
燃料噴射量算出手段Ａ３は、基本燃料噴射量算出手段Ａ２によって算出された基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅに、後述するＦ／Ｂ補正量ＤＱｉを加えることで燃料噴射量Ｑｉを算出する（Ｑｉ＝Ｑｂａｓｅ＋ＤＱｉ）。このようにして算出された燃料噴射量Ｑｉの燃料が燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１に対して噴射指示が行われる。
【０１３０】
＜目標空燃比の算出＞
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、酸素吸蔵量算出手段Ａ４、目標空燃比補正量算出手段Ａ５、及び目標空燃比設定手段Ａ６が用いられる。
【０１３１】
酸素吸蔵量算出手段Ａ４は、燃料噴射量算出手段Ａ３によって算出された燃料噴射量Ｑｉ（又は筒内吸入空気量算出手段Ａ１によって算出された筒内吸入空気量Ｍｃ）、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎに基づいて上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｓｃｅｓｔ及び下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｆｃｅｓｔを算出する。
【０１３２】
例えば、酸素吸蔵量算出手段Ａ４は、下記式（２）、（３）により酸素吸蔵量の推定を行っている。
OSAscest(k)=0.23×(AFIrup(k)-AFst)×Qi(k)+OSAscest(k-1)      …（２）
OSAufcest(k)=0.23×(AFIrdwn(k)-AFst)×Qi(k)+OSAufcest(k-1)      …（３）
上記式（２）、（３）において、ＡＦＩｒｕｐは、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに対応する空燃比、ＡＦＩｒｄｗｎは、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎに対応する空燃比、ＡＦｓｔは理論空燃比、０．２３は大気中の酸素の質量割合、ｋは計算回数をそれぞれ示している。よって、ｋ−１は前回の計算時における値を意味している。また、燃料カット制御が行われたときには、両触媒の酸素吸蔵量の推定値は、最大酸素吸蔵量とされる。
【０１３３】
なお、酸素吸蔵量算出手段Ａ４による上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定は、常時行われていなくてもよい。例えば目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ実際に切り替えられたとき（図７における時刻ｔ3）から、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐに到達する（図７における時刻ｔ4）までの間のみ酸素吸蔵量を推定してもよい。
【０１３４】
目標空燃比補正量算出手段Ａ５では、酸素吸蔵量算出手段Ａ４によって算出された酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｓｃｅｓｔ、ＯＳＡｕｆｃｅｓｔと、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎとに基づいて、目標空燃比の空燃比補正量ＡＦＣが算出される。具体的には、空燃比補正量ＡＦＣは、図１１及び図１２を用いて以下で説明するように設定される。
【０１３５】
目標空燃比設定手段Ａ６は、基準となる空燃比、本実施形態では理論空燃比ＡＦＲに、目標空燃比補正量算出手段Ａ５で算出された空燃比補正量ＡＦＣを加算することで、目標空燃比ＡＦＴを算出する。したがって、目標空燃比ＡＦＴは、弱リッチ設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの場合）か、又はリーン設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの場合）のいずれかとされる。このようにして算出された目標空燃比ＡＦＴは、基本燃料噴射量算出手段Ａ２及び後述する空燃比差算出手段Ａ８に入力される。
【０１３６】
図１１は、空燃比補正量ＡＦＣの算出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一定時間間隔の割り込みによって行われる。
【０１３７】
図１１に示したように、まず、ステップＳ１１において空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立しているか否かが判定される。空燃比補正量の算出条件が成立している場合とは、例えば燃料カット制御中ではないこと等が挙げられる。ステップＳ１１において目標空燃比の算出条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。Ｓ１２では、酸素吸蔵量推定手段Ａ４によって算出された上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｓｃｅｓｔ及び下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｆｃｅｓｔ、並びに下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが取得せしめられる。
【０１３８】
次いで、ステップＳ１３では、回復制御実行フラグＲｅｃＦｒが０に設定されているか否かが判定される。回復制御実行フラグＲｅｃＦｒは、吸蔵量回復制御の実行中には１とされ、それ以外の場合には０とされるフラグである。吸蔵量回復制御が実行されていないときには、回復制御実行フラグＲｅｃが０に設定されており、ステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｆｃｅｓｔが下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎよりも多いか否かが判定される。酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｆｃｅｓｔが下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎよりも多い場合にはステップＳ１５へと進む。
【０１３９】
ステップＳ１５では、リーン設定フラグＬｅａｎＦｒが０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ＬｅａｎＦｒは、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されると１とされ、それ以外の場合には０とされる。ステップＳ１５においてリーン設定フラグＦｒが０に設定されている場合には、ステップＳ１６へと進む。
【０１４０】
ステップＳ１６では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉ以下であるか否かが判定される。上流側触媒２０に十分な酸素が吸蔵されており、上流側触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比である場合には、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉよりも大きいと判定され、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされ、次いで、ステップＳ１８では、リーン設定フラグＦｒが０に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１４１】
一方、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ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Ｓ１６において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆｒｉ以下であると判定され、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされ、次いで、ステップＳ２０では、リーン設定フラグＬｅａｎＦｒが１に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１４２】
次の制御ルーチンにおいては、ステップＳ１５において、リーン設定フラグＬｅａｎＦｒが０に設定されていないと判定されて、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、ステップＳ１２で取得された上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｓｃｅｓｔが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐよりも少ないか否かが判定される。推定値ＯＳＡｓｃｅｓｔが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐよりも少ないと判定された場合にはステップＳ２１へと進み、空燃比補正量ＡＦＣが引き続きリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。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Ｓ２０において上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｓｃｅｓｔが上流側判定基準吸蔵量Ｃｈｉｕｐ以上であると判定されてステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされ、次いで、ステップＳ１８では、リーン設定フラグＬｅａｎＦｒが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１４３】
一方、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が減少すると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１４において下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｆｃｅｓｔが下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎ以下であると判定されて、ステップＳ２２へと進み、吸蔵量回復制御が実行される。
【０１４４】
図１２は、吸蔵量回復制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１２に示したように、まず、ステップＳ３１において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｆｃｅｓｔが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎよりも少ないか否かが判定される。下流側触媒２４の酸素吸蔵量が十分に回復しておらず、よって下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｆｃｅｓｔが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎよりも少ないときには、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定され、次いで、ステップＳ３３では、回復制御実行フラグＲｅｃＦｒが１のままとされる。
【０１４５】
一方、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が増大すると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ３１において下流側触媒２４の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｕｆｃｅｓｔが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎ以上であると判定され、ステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４では、回復制御実行フラグＲｅｃＦｒが０に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１４６】
＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
再び図１０に戻って、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいたＦ／Ｂ補正量の算出について説明する。Ｆ／Ｂ補正量の算出に当たっては、数値変換手段Ａ７、空燃比差算出手段Ａ８、Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ９が用いられる。
【０１４７】
数値変換手段Ａ７は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと、空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと空燃比との関係を規定したマップ又は計算式（例えば、図５に示したようなマップ）とに基づいて、出力電流Ｉｒｕｐに相当する上流側排気空燃比ＡＦｕｐを算出する。したがって、上流側排気空燃比ＡＦｕｐは、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に相当する。
【０１４８】
空燃比差算出手段Ａ８は、数値変換手段Ａ７によって求められた上流側排気空燃比ＡＦｕｐから目標空燃比設定手段Ａ６によって算出された目標空燃比ＡＦＴを減算することによって空燃比差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ−ＡＦＴ）。この空燃比差ＤＡＦは、目標空燃比ＡＦＴに対する燃料供給量の過不足を表す値である。
【０１４９】
Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ９は、空燃比差算出手段Ａ８によって算出された空燃比差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（１）に基づいて燃料供給量の過不足を補償するためのＦ／Ｂ補正量ＤＦｉを算出する。このようにして算出されたＦ／Ｂ補正量ＤＦｉは、燃料噴射量算出手段Ａ３に入力される。
ＤＦｉ＝Ｋｐ・ＤＡＦ＋Ｋｉ・ＳＤＡＦ＋Ｋｄ・ＤＤＡＦ      …（１）
【０１５０】
なお、上記式（１）において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン（比例定数）、Ｋｉは予め設定された積分ゲイン（積分定数）、Ｋｄは予め設定された微分ゲイン（微分定数）である。また、ＤＤＡＦは、空燃比差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比差ＤＡＦと前回更新されていた空燃比差ＤＡＦとの差を更新間隔に対応する時間で除算することで算出される。また、ＳＤＡＦは、空燃比差ＤＡＦの時間積分値であり、この時間積分値ＤＤＡＦは前回更新された時間積分値ＤＤＡＦに今回更新された空燃比差ＤＡＦを加算することで算出される（ＳＤＡＦ＝ＤＤＡＦ＋ＤＡＦ）。
【０１５１】
なお、上記実施形態では、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を上流側空燃比センサ４０によって検出している。しかしながら、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の検出精度は必ずしも高い必要はないことから、例えば、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量及びエアフロメータ３９の出力に基づいてこの排気ガスの空燃比を推定するようにしてもよい。
【０１５２】
＜第二実施形態＞
次に、図１３を参照して、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第二実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、上記第一実施形態の制御装置では、吸蔵量回復制御実行時において目標空燃比が理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比とされていたのに対して、本実施形態の制御装置では、吸蔵量回復制御実行時において目標空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められた空燃比（弱リーン設定空燃比）とされる。
【０１５３】
本実施形態では、この空燃比は通常制御におけるリーン設定空燃比よりも低い空燃比とされる。例えば、この空燃比は１４．６２〜１５．７、好ましくは１４．６３〜１５．２、より好ましくは１４．６５〜１４．９程度とされる。したがって、本実施形態では、吸蔵量回復制御により目標空燃比を継続的にリーンに設定するときの目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、通常時リーン制御手段により目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差よりも小さいのが好ましい。
【０１５４】
図１３は、本実施形態における吸蔵量回復制御を行った場合における上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ等のタイムチャートである。時刻ｔ3以前においては、図９に示した例と同様に、通常制御が行われている。時刻ｔ3において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎに達して、吸蔵量回復制御が開始せしめられると、目標空燃比がリーン設定空燃比から弱リーン設定空燃比に切り替えられる。すなわち、時刻ｔ3において、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設定空燃比に相当する弱リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎｓに設定される。
【０１５５】
空燃比補正量ＡＦＣを弱リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎｓに設定したまま維持すると、時刻ｔ4において、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達し、上流側触媒２０から酸素が流出し始める。これにより、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が増大し、時刻ｔ5において下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎに到達する。
【０１５６】
このように本実施形態では、吸蔵量回復制御中における目標空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンな弱リーン設定空燃比とされる。このため、吸蔵量回復制御中に何らかの要因で下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大酸素吸蔵量に到達しても、下流側触媒２４からは理論空燃比よりも僅かにリーンな排気ガスしか流出しない。したがって、本実施形態によれば、下流側触媒２４からＮＯｘが流出したとしても、その流出量を最小限に抑制することができる。
＜第三実施形態＞
次に、図１４を参照して、本発明の第三実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第三実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、上記実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、上記実施形態の制御装置では、吸蔵量回復制御実行時において目標空燃比が一定に維持されていたのに対して、本実施形態の制御装置では、吸蔵量回復制御実行時において目標空燃比が徐々に低下せしめられる。
【０１５７】
図１４は、本実施形態における吸蔵量回復制御を行った場合における上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ等のタイムチャートである。時刻ｔ3以前においては、図９に示した例と同様に、通常制御が行われている。時刻ｔ3において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎに達して、吸蔵量回復制御が開始せしめられると、まず、図９に示した例と同様に、空燃比補正量ＡＦＣが、理論空燃比よりも或る程度リーンなリーン設定空燃比に相当するリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定したまま維持される。
【０１５８】
その後、時刻ｔ4において、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達し、上流側触媒２０から酸素が流出し始める。これにより、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が増大し始める。本実施形態では、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増大し始めて、下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎと下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎとの間の予め定められた中間吸蔵量Ｃｍｉｄｗｎに達すると、空燃比補正量ＡＦＣが、弱リーン設定空燃比に切り替えられる。これにより、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの増加速度が低下する。その後、時刻ｔ5において下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下流側上限吸蔵量Ｃｈｉｄｗｎに到達する。
【０１５９】
このように本実施形態では、吸蔵量回復制御の開始時には目標空燃比が理論空燃比よりも或る程度リーンに設定されるため、最初に、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを比較的短時間で増大させることができる。加えて、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが或る程度増大すると目標空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンに設定されため、吸蔵量回復制御中に何らかの要因で下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大酸素吸蔵量に到達しても、下流側触媒２４からは理論空燃比よりも僅かにリーンな排気ガスしか流出しない。したがって、本実施形態によれば、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを比較的短時間で増大させつつ、下流側触媒２４からのＮＯｘの流出を抑制することができる。
【０１６０】
＜第四実施形態＞
次に、図１５を参照して、本発明の第四実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第四実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、上記実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、上記実施形態の制御装置では、吸蔵量回復制御実行時において目標空燃比が常にリーンに維持されていたのに対して、本実施形態の制御装置では、吸蔵量回復制御実行時において目標空燃比は断続的にリーンに設定される。
【０１６１】
本実施形態においては、吸蔵量回復制御において、目標空燃比は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎに基づいて設定される。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｌｅ以上となったときに、目標空燃比はリッチ設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。ここで、リーン判定基準値Ｉｒｅｆｌｅは、理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められたリーン判定空燃比（例えば、１４．６５）に相当する値である。また、リッチ設定空燃比は、理論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、１０〜１４．５５、好ましくは１２〜１４．５２、より好ましくは１３〜１４．５程度とされる。このとき、上流側触媒２０から流出する排気ガスは僅かにリーンになるため、これにより下流側触媒２４に酸素が流入し、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが増大せしめられる。
【０１６２】
目標空燃比がリッチ設定空燃比に変更されると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が推定される。そして、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が予め定められた上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐ以下になると、それまでリッチ設定空燃比だった目標空燃比が、弱リーン設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。弱リーン設定空燃比は、理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６２〜１５．７、好ましくは１４．６３〜１５．２、より好ましくは１４．６５〜１４．９程度とされる。その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが再びリーン判定基準値Ｉｒｅｆｌｅ以上となったときに再び上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比とされ、その後、吸蔵量回復制御中において同様な操作が繰り返される。
【０１６３】
このように本実施形態では、吸蔵量回復制御中において、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ設定空燃比と弱リーン設定空燃比とに交互に設定される。特に、本実施形態では、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差は、弱リーン設定空燃比の理論空燃比からの差よりも大きい。したがって、本実施形態では、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は、短期間のリッチ設定空燃比と、長期間の弱リーン設定空燃比とが交互に設定されることになる。なお、斯かる制御は、通常制御のリッチとリーンとを反転させた制御であるといえる。
【０１６４】
図１５は、本実施形態における吸蔵量回復制御を行った場合における上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ等のタイムチャートである。図１５に示した例では、時刻ｔ2以前においては通常制御が行われており、時刻ｔ1において上流側触媒２０に流入した排気ガスの一部が上流側触媒２０で浄化されずに流出し始めている。そして、時刻ｔ2において、下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｄｗｎに達し、通常制御が停止されて、吸蔵量回復制御が開始せしめられる。
【０１６５】
時刻ｔ2において、吸蔵量回復制御が開始せしめられると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが予め定められた上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐ以下であるため、目標空燃比が弱リーン設定空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐが正の値となる。上流側触媒２０に流入する排気ガス中には酸素が含まれることになるため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは徐々に増大していく。しかしながら、上流側触媒２０に流入する排気ガス中に含まれている酸素は、上流側触媒２０で吸蔵されるため、下流側空燃比センサの出力電流Ｉｒｄｗｎはほぼ０（理論空燃比に相当）となる。このとき、上流側触媒２０からの未燃ガス及びＮＯｘ排出量は抑制される。
【０１６６】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に増大すると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは時刻ｔ3において、上限吸蔵量（図２のＣｕｐｌｉｍ参照）を越えて増大する。これにより、上流側触媒２０に流入した酸素の一部は上流側触媒２０で吸蔵されずに流出する。このため、時刻ｔ3以降、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増加するのに伴って、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが徐々に増加する。このとき、上流側触媒２０からは酸素及びＮＯｘが流出する。これにより、下流側触媒２４の酸素吸蔵量が増大し、また、上流側触媒２０から流出したＮＯｘは下流側触媒２４で浄化される。
【０１６７】
その後、時刻ｔ4において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｌｅに到達する。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｌｅになると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの増大を抑制すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定空燃比に相当するリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。
【０１６８】
時刻ｔ4において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する（実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。
【０１６９】
時刻ｔ4において、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化すると、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは減少する。また、これに伴って、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し、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎも０に収束する。なお、図示した例では、目標空燃比を切り替えた直後は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが上昇している。これは、目標空燃比を切り替えてからその排気ガスが下流側空燃比センサ４１に到達するまでに遅れが生じるためである。
【０１７０】
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ッチ空燃比となっているが、上流側触媒２０には多量の酸素が吸蔵されているため、排気ガス中の未燃ガスは上流側触媒２０において浄化される。このため、上流側触媒２０からのＮＯｘ及び未燃ガスの排出量は抑制される。
【０１７１】
その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが減少すると、時刻ｔ5において酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐに到達する。本実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐに達すると、上流側触媒２０からの酸素の放出を中止すべく、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎｓに切り替えられる。したがって、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比はリーン空燃比とされる。
【０１７２】
なお、上述したように、図示した例では、目標空燃比を切り替えるのと同時に上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比も変化しているが、実際には遅れが生じる。このため、時刻ｔ5にて切替を行っても、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は或る程度時間が経過してからリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。したがって、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化するまでは、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大していく。
【０１７３】
しかしながら、上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐは零や下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍよりも十分に高く設定されているため、時刻ｔ5においても酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは零や下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍには到達しない。逆に言うと、上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐは、目標空燃比を切り替えてから上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が実際に変化するまで遅延が生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが零や下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍに到達しないような量とされる。例えば、上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐは、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの１／４以上、好ましくは１／２以上、より好ましくは４／５以上とされる。
【０１７４】
時刻ｔ5以降においては、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎｓとされている。したがって、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比はリーン空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐが正の値となる。上流側触媒２０に流入する排気ガス中には酸素が含まれることになるため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは徐々に増大していき、時刻ｔ6において、時刻ｔ3と同様に、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上限吸蔵量を超えて増大する。
【０１７５】
次いで、時刻ｔ7において、時刻ｔ4と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｌｅに到達し、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定空燃比に相当する値ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ3〜ｔ6のサイクルが繰り返される。
【０１７６】
なお、このような空燃比補正量ＡＦＣの制御は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上となったときに、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐとなるまで、上流側触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的にリッチ空燃比に設定する回復時リッチ制御手段と、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上流側下限吸蔵量Ｃｌｏｗｕｐ以下となったときに、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが零に達することなく最大酸素吸蔵量に向けて増加するように、目標空燃比を継続的に又は断続的に弱リッチ空燃比に設定する回復時リッチ制御手段とを具備するといえる。
【０１７７】
また、本実施形態では、回復時リッチ制御手段により目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチに設定するときの目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差は、回復時リーン制御手段により目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンに設定するときの目標空燃比の時間平均値と理論空燃比との差よりも大きいものとされる。
【０１７８】
本実施形態では、吸蔵量回復制御中における目標空燃比が上述したように設定されるため、下流側触媒２４の酸素吸蔵量を徐々に増大させている。このため、吸蔵量回復制御中に何らかの要因で下流側触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大酸素吸蔵量に到達してしまう可能性を低く抑えることができる。
【０１７９】
＜第五実施形態＞
次に、図１６〜図２０を参照して、本発明の第五実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第五実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、上記実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、上記実施形態では、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサのいずれも同一のセンサ印加電圧であったのに対して、本実施形態では、これら空燃比センサの間で異なるセンサ印加電圧となっている。
＜空燃比センサの出力特性＞
本実施形態の上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１は、第一実施形態の空燃比センサ４０、４１と同様に、図３及び図４を用いて説明したよう構成され且つ動作する。これら空燃比センサ４０、４１は、図１６に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図１６からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０以下及び０近傍の領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒを負の値から徐々に増加していくと、これに伴って出力電流Ｉｒが増加していく。
【０１８０】
すなわち、この電圧領域では、センサ印加電圧Ｖｒが低いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が少ない。このため、拡散律速層５４を介した排気ガスの流入速度よりも固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が少なくなり、よって、出力電流Ｉｒは固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量に応じて変化する。固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量はセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化するため、結果的にセンサ印加電圧Ｖｒの増加に伴って出力電流が増加する。なお、このようにセンサ印加電圧Ｖｒに比例して出力電流Ｉｒが変化する電圧領域は比例領域と称される。また、センサ印加電圧Ｖｒが０のときに出力電流Ｉｒが負値をとるのは、酸素電池特性により固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じた起電力Ｅが生じるためである。
【０１８１】
その後、排気空燃比を一定としたまま、センサ印加電圧Ｖｒを徐々に増加していくと、これに対する出力電流の増加の割合は次第に小さくなり、ついにはほぼ飽和状態となる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを増加しても出力電流はほとんど変化しなくなる。このほぼ飽和した電流は限界電流と称され、以下では、この限界電流が発生する電圧領域を限界電流領域と称する。
【０１８２】
すなわち、この限界電流領域では、センサ印加電圧Ｖｒが或る程度高いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が多い。このため、拡散律速層５４を介した排気ガスの流入速度よりも固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量の方が多くなる。したがって、出力電流Ｉｒは拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度に応じて変化する。排気空燃比を一定としてセンサ印加電圧Ｖｒを変化させても、基本的には拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度は変化しないことから、出力電圧Ｉｒは変化しない。
【０１８３】
ただし、排気空燃比が異なれば、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度も異なることから、出力電流Ｉｒは排気空燃比に応じて変化する。図１６からわかるように、リーン空燃比とリッチ空燃比とでは限界電流の流れる向きが逆になっており、リーン空燃比であるときには空燃比が大きくなるほど、リッチ空燃比であるときには空燃比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。
【０１８４】
その後、排気空燃比を一定としたまま、センサ印加電圧Ｖｒをさらに増加していくと、これに伴って再び出力電流Ｉｒが増加し始める。このように高いセンサ印加電圧Ｖｒを印加すると、排気側電極５２上では排気ガス中に含まれる水分の分解が発生し、これに伴って電流が流れる。また、センサ印加電圧Ｖｒをさらに増加していくと、水の分解だけでは電流をまかなえなくなり、今度は固体電解質層５１の分解が発生する。以下では、このように水や固体電解質層５１の分解が生じる電圧領域を水分解領域と称する。
【０１８５】
図１７は、各センサ印加電圧Ｖｒにおける排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係を示す図である。図１７からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．１Ｖから０．９Ｖ程度であれば、少なくとも理論空燃比の近傍においては、排気空燃比に応じて出力電流Ｉｒが変化する。また、図１７からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．１Ｖから０．９Ｖ程度であれば、理論空燃比の近傍においては、排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係はセンサ印加電圧Ｖｒに無関係にほぼ同一である。
【０１８６】
一方、図１７からわかるように、或る一定の排気空燃比以下に排気空燃比が低くなると、排気空燃比が変化しても出力電流Ｉｒがほとんど変化しなくなる。この一定の排気空燃比はセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが高いほど高い。このため、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値以上に増大させると、図中に一点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても出力電流Ｉｒが０にならなくなる。
【０１８７】
一方、或る一定の排気空燃比以上に排気空燃比が高くなると、排気空燃比が変化しても出力電流Ｉｒがほとんど変化しなくなる。この一定の排気空燃比もセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが低いほど低い。このため、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値以下に低下させると、図中に二点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても出力電流Ｉｒが０にならなくなる（例えば、センサ印加電圧Ｖｒを０Ｖとした場合には排気空燃比に関わらず出力電流Ｉｒは０にならない）。
【０１８８】
＜理論空燃比近傍における微視的特性＞
ところで、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、センサ印加電圧Ｖｒと出力電流Ｉｒとの関係（図１６）や排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係（図１７）を巨視的に見ると上述したような傾向になるが、これら関係を理論空燃比近傍で微視的に見るとこれとは異なる傾向になることを見出した。以下、これについて説明する。
【０１８９】
図１８は、図１６の電圧−電流線図について、出力電流Ｉｒが０近傍となる領域（図１６においてＸ−Ｘで示した領域）を拡大して示した図である。図１８からわかるように、限界電流領域においても、排気空燃比を一定としたときに、センサ印加電圧Ｖｒが増大するのに伴って出力電流Ｉｒもごく僅かながら増大する。例えば、排気空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合を例にとってみると、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖ程度のときには出力電流Ｉｒは０となる。これに対して、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも或る程度低く（例えば、０．２Ｖ）すると、出力電流は０よりも低い値となる。一方、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも或る程度高く（例えば、０．７Ｖ）すると、出力電流は０よりも高い値となる。
【０１９０】
図１９は、図１７の空燃比−電流線図について、排気空燃比が理論空燃比近傍であって且つ出力電流Ｉｒが０近傍である領域（図１７においてＹで示した領域）を拡大して示した図である。図１９からは、理論空燃比近傍の領域においては、同一の排気空燃比に対する出力電流Ｉｒがセンサ印加電圧Ｖｒ毎に僅かに異なることがわかる。例えば、図示した例では、排気空燃比が理論空燃比である場合、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖとしたときに出力電流Ｉｒが０になる。そして、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも大きくすると出力電流Ｉｒも０より大きくなり、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも小さくすると出力電流Ｉｒも０より小さくなる。
【０１９１】
加えて、図１９からは、センサ印加電圧Ｖｒ毎に、出力電流Ｉｒが０となるときの排気空燃比（以下、「電流零時の排気空燃比」という）が異なることがわかる。図示した例では、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖである場合には排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉｒが０になる。これに対して、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも大きい場合には、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときに出力電流Ｉｒが０になり、センサ印加電圧Ｖｒが大きくなるほど電流零時の排気空燃比は小さくなる。逆に、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも小さい場合には、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに出力電流Ｉｒが０になり、センサ印加電圧Ｖｒが小さくなるほど電流零時の排気空燃比は大きくなる。すなわち、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。
【０１９２】
ここで、図５における傾き、すなわち排気空燃比の増加量に対する出力電流の増加量の比率（以下、「出力電流変化率」という）は、同様な生産工程を経ても必ずしも同一にはならず、同一型式の空燃比センサであっても個体間でバラツキが生じてしまう。加えて、同一の空燃比センサにおいても、経年劣化等により出力電流変化率は変化する。この結果、たとえ図２０に実線Ａで示した出力特性を有するように構成されている同一型式のセンサを用いても、使用したセンサや使用期間等によって、図２０に破線Ｂで示したように出力電流変化率が小さくなったり、一点鎖線Ｃで示したように出力電流変化率が大きくなったりする。
【０１９３】
このため、同一型式の空燃比センサを用いて同一の空燃比の排気ガスの計測を行っても、使用したセンサや使用期間等によって、空燃比センサの出力電流は異なるものとなってしまう。例えば、空燃比センサが実線Ａで示したような出力特性を有する場合には、空燃比がａｆ1である排気ガスの計測を行ったときの出力電流は、Ｉ2になる。しかしながら、空燃比センサが破線Ｂや一点鎖線Ｃで示したような出力特性を有する場合には、空燃比がａｆ1である排気ガスの計測を行ったときの出力電流は、それぞれＩ1及びＩ3となり、上述したＩ2とは異なる出力電流となってしまう。
【０１９４】
しかしながら、図２０からも分かるように、空燃比センサの個体間でバラツキが生じたり、同一の空燃比センサにおいても経年劣化等によってバラツキが生じたりしたとしても、電流零時の排気空燃比（図２０の例では理論空燃比）はほとんど変化しない。すなわち、出力電流Ｉｒが零以外の値をとるときには、排気空燃比の絶対値を正確に検出することは困難であるのに対して、出力電流Ｉｒが零となるときには、排気空燃比の絶対値（図２０の例では理論空燃比）を正確に検出することができる。
【０１９５】
そして、図１９を用いて説明したように、空燃比センサ４０、４１では、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。すなわち、センサ印加電圧Ｖｒを適切に設定すれば、理論空燃比以外の排気空燃比の絶対値を正確に検出することができる。特に、センサ印加電圧Ｖｒを後述する「特定電圧領域」内で変化させた場合には、電流零時の排気空燃比を理論空燃比（１４．６）に対して僅かにのみ（例えば、±１％の範囲（約１４．４５〜約１４．７５）内）調整することができる。したがって、センサ印加電圧Ｖｒを適切に設定することにより、理論空燃比とは僅かに異なる空燃比の絶対値を正確に検出することができるようになる。
【０１９６】
なお、上述したように、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。しかしながら、センサ印加電圧Ｖｒを或る上限電圧よりも大きくするか又は或る下限電圧よりも小さくすると、センサ印加電圧Ｖｒの変化量に対する電流零時の排気空燃比の変化量が大きくなる。したがって、斯かる電圧領域では、センサ印加電圧Ｖｒが僅かにずれると、電流零時の排気空燃比が大きく変化してしまう。したがって、斯かる電圧領域では、排気空燃比の絶対値を正確に検出するためには、センサ印加電圧Ｖｒを精密に制御することが必要になり、あまり実用的ではない。このため、排気空燃比の絶対値を正確に検出する観点からは、センサ印加電圧Ｖｒは或る上限電圧と或る下限電圧との間の「特定電圧領域」内の値とすることが必要になる。
【０１９７】
ここで、図１９に示したように、空燃比センサ４０、４１は、各排気空燃比毎に、出力電流Ｉｒが限界電流となる電圧領域である限界電流領域を有する。本実施形態では、排気空燃比が理論空燃比であるときの限界電流領域が「特定電圧領域」とされる。
【０１９８】
なお、図１７を用いて説明したように、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値（最大電圧）以上に増大させると、図中に一点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても出力電流Ｉｒが０にならなくなる。一方、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値（最小電圧）以下に低下させると、図中に二点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても出力電流Ｉｒが０にならなくなる。
【０１９９】
したがって、センサ印加電圧Ｖｒが最大電圧と最小電圧との間の電圧であれば、出力電流が零となる排気空燃比が存在する。逆に、センサ印加電圧Ｖｒが最大電圧よりも高い電圧或いは最小電圧よりも低い電圧であれば、出力電流が零となる排気空燃比が存在しない。したがって、センサ印加電圧Ｖｒは、少なくとも、排気空燃比がいずれかの空燃比であるときに出力電流が零となる電圧であること、すなわち、最大電圧と最小電圧との間の電圧であることが必要になる。上述した「特定電圧領域」は、最大電圧と最小電圧との間の電圧領域である。
【０２００】
＜各空燃比センサにおける印加電圧＞
本実施形態では、上述した微視的特性に鑑みて、上流側空燃比センサ４０によって排気ガスの空燃比を検出するときには、上流側空燃比センサ４０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐは、排気空燃比が理論空燃比（本実施形態では１４．６）であるときに出力電流が零となるような電圧（例えば、０．４５Ｖ）に固定される。換言すると、上流側空燃比センサ４０では電流零時の排気空燃比が理論空燃比となるようにセンサ印加電圧Ｖｒｕｐが設定される。一方、下流側空燃比センサ４１によって排気ガスの空燃比を検出するときには、下流側空燃比センサ４１におけるセンサ印加電圧Ｖｒは、排気空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）であるときに出力電流が零となるような一定電圧（例えば、０．７Ｖ）に固定される。換言すると、下流側空燃比センサ４１では、電流零時の排気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となるようにセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが設定される。このように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１におけるセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが上流側空燃比センサ４０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐよりも高い電圧とされる。
【０２０１】
したがって、両空燃比センサ４０、４１に接続されたＥＣＵ３１は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐが零になったときに上流側空燃比センサ４０周りの排気空燃比は理論空燃比であると判断する。一方、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零になったときには下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比はリッチ判定空燃比、すなわち、理論空燃比とは異なる予め定められた空燃比であると判断する。これにより、下流側空燃比センサ４１によってリッチ判定空燃比を正確に検出することができる。
【符号の説明】
【０２０２】
５    燃焼室
６    吸気弁
８    排気弁
１０    点火プラグ
１１    燃料噴射弁
１３    吸気枝管
１５    吸気管
１８    スロットル弁
１９    排気マニホルド
２０    上流側触媒
２１    上流側ケーシング
２２    排気管
２３    下流側ケーシング
２４    下流側触媒
３１    ＥＣＵ
３９    エアフロメータ
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】
0006036853.tif 000006
【図６】
0006036853.tif 000007
【図７】
0006036853.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0006036853.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
0006036853.tif 000020
【図２０】
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