(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関において、触媒の酸素吸蔵量をゼロと最大値との間で変動させるときに排気エミッションが悪化することを抑制する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒２０と、触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１と、触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御部と、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を算出する酸素過不足量算出部とを備える。空燃比制御部は、目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されている間に酸素過不足量算出部によって算出された酸素過不足量の積算値が、下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達する前に、触媒の最大酸素吸蔵量よりも多い切替吸蔵量に達した場合には、積算値が切替吸蔵量に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替える。【選択図】図１
2019065797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、
前記触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御部と、
前記流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を算出する酸素過不足量算出部と
を備え、
前記空燃比制御部は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比から前記リッチ設定空燃比に切り替え、
前記リッチ設定空燃比は理論空燃比よりもリッチな空燃比であり、前記リッチ判定空燃比は理論空燃比よりもリッチであり且つ前記リッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比であり、前記リーン設定空燃比は理論空燃比よりもリーンな空燃比であり、前記リーン判定空燃比は理論空燃比よりもリーンであり且つ前記リーン設定空燃比よりもリッチな空燃比である、内燃機関の排気浄化装置において、
前記空燃比制御部は、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に維持されている間に前記酸素過不足量算出部によって算出された酸素過不足量の積算値が、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達する前に、前記触媒の最大酸素吸蔵量よりも多い切替吸蔵量に達した場合には、該積算値が該切替吸蔵量に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比から前記リッチ設定空燃比に切り替え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。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸素を吸蔵可能な触媒を内燃機関の排気通路に配置し、排気ガス中の未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）及びＮＯｘを触媒において浄化することが知られている。触媒の酸素吸蔵能力が高いほど触媒に吸蔵可能な酸素の量が多くなり、触媒の排気浄化性能が向上する。
【０００３】
触媒の酸素吸蔵能力を維持するためには、触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されないように触媒の酸素吸蔵量をゼロと最大値との間で変動させることが望ましい。特許文献１に記載の内燃機関では、触媒の酸素吸蔵量を変動させるために、触媒の排気流れ方向下流側に配置された下流側空燃比センサの出力に基づいて、触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比と理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比との間で交互に切り替えられる。具体的には、下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比がリーン空燃比に設定され、下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２２２０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、触媒が硫黄やＨＣによって被毒されているとき、又はリッチ度合の大きい排気ガスが触媒に流入したときには、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられた後も触媒から水素やアンモニアが排出される。この結果、排気ガス中の酸素分圧が低下し、下流側空燃比センサによって検出される空燃比が実際の空燃比よりもリッチになる。このため、下流側空燃比センサによって検出される空燃比がリーン判定空燃比以上になるまでの時間が長くなり、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えるタイミングが遅れる。この結果、目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間に触媒から多量のＮＯｘが流出し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【０００６】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、内燃機関において、触媒の酸素吸蔵量をゼロと最大値との間で変動させるときに排気エミッションが悪化することを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、前記触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御部と、前記流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を算出する酸素過不足量算出部とを備え、前記空燃比制御部は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比から前記リッチ設定空燃比に切り替え、前記リッチ設定空燃比は理論空燃比よりもリッチな空燃比であり、前記リッチ判定空燃比は理論空燃比よりもリッチであり且つ前記リッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比であり、前記リーン設定空燃比は理論空燃比よりもリーンな空燃比であり、前記リーン判定空燃比は理論空燃比よりもリーンであり且つ前記リーン設定空燃比よりもリッチな空燃比である、内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比制御部は、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に維持されている間に前記酸素過不足量算出部によって算出された酸素過不足量の積算値が、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達する前に、前記触媒の最大酸素吸蔵量よりも多い切替吸蔵量に達した場合には、該積算値が該切替吸蔵量に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比から前記リッチ設定空燃比に切り替えることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、内燃機関において、触媒の酸素吸蔵量をゼロと最大値との間で変動させるときに排気エミッションが悪化することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、三元触媒の浄化特性を示す。
【図３】図３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４】図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。
【図６】図６は、本実施形態における切替吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】図７は、本実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の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。
【００１１】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。
【００１２】
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。
【００１３】
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。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。
【００１４】
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等は、空気を燃焼室５に導く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。
【００１５】
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、下流側ケーシング２３等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。
【００１６】
内燃機関の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。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を備える。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、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。
【００１７】
また、排気マニホルド１９の集合部、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向上流側には、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。上流側空燃比センサ４０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。
【００１８】
また、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、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。下流側空燃比センサ４１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。
【００１９】
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。
【００２０】
なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、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。
【００２１】
＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２４は同様な構成を有する。触媒２０、２４は、酸素吸蔵能力を有する触媒であり、例えば三元触媒である。具体的には、触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させたものである。
【００２２】
図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、触媒２０、２４による未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率は、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ガス及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。
【００２３】
また、触媒２０、２４は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０、２４の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０、２４において未燃ガス及び窒素酸化物が効果的に浄化される。
【００２４】
なお、触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、三元触媒以外の触媒であってもよい。
【００２５】
＜空燃比センサの出力特性＞
次に、図３及び図４を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の出力特性について説明する。図３は、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図であり、図４は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）と出力電流Ｉとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ４０、４１として同一構成の空燃比センサが用いられる。
【００２６】
図３からわかるように、本実施形態の空燃比センサ４０、４１では、出力電流Ｉは、排気空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。したがって、空燃比センサ４０、４１は限界電流式の空燃比センサである。
【００２７】
図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気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Ｉ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Ｉがゼロになるように構成される。したがって、空燃比センサ４０、４１は排気空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。なお、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
【００２８】
なお、上記例では、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。しかしながら、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、空燃比センサ４０、４１として、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、両空燃比センサ４０、４１は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。
【００２９】
＜内燃機関の排気浄化装置＞
以下、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」という）について説明する。排気浄化装置は、上流側触媒２０、下流側触媒２４、上流側空燃比センサ４０、下流側空燃比センサ４１、空燃比制御部及び酸素過不足量算出部を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御部及び酸素過不足量算出部として機能する。
【００３０】
空燃比制御部は、上流側触媒２０に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比を目標空燃比に制御する。具体的には、空燃比制御部は、流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量を制御する。本実施形態では、空燃比制御部は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量をフィードバック制御する。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、すなわち空燃比センサによって検出される空燃比を意味する。
【００３１】
また、空燃比制御部は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と目標空燃比とから算出された燃料量を燃焼室５に供給する。
【００３２】
空燃比制御部は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量をゼロと最大値との間で変動させるべく、流入排気ガスの目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比との間で交互に切り替える。具体的には、空燃比制御部は、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たときに目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替え、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たときに目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替える。
【００３３】
リッチ設定空燃比は、理論空燃比（本実施形態では１４．６）よりもリッチな空燃比であり、例えば１４〜１４．５である。リッチ判定空燃比は、理論空燃比よりもリッチであり且つリッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比であり、例えば１４．５５である。リーン設定空燃比は、理論空燃比（本実施形態では１４．６）よりもリーンな空燃比であり、例えば１４．７〜１６．５である。リーン判定空燃比は、理論空燃比よりもリーンであり且つリーン設定空燃比よりもリッチな空燃比であり、例えば１４．６５である。
【００３４】
空燃比制御部は、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、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たときに、上流側触媒２０から流出する排気ガス（以下、「流出排気ガス」という）の空燃比が理論空燃比よりもリッチになったと判定する。また、空燃比制御部は、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、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たときに、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンになったと判定する。言い換えれば、空燃比制御部は、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とリーン判定空燃比との間であるときには、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であると判定する。
【００３５】
空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１の出力によって上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロ又は最大値であることを検出できるため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量をゼロと最大値との間で変動させることができる。しかしながら、上流側触媒２０から排出される水素やアンモニアの影響によって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が実際の空燃比よりもリッチになる場合がある。このため、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以上になるまでの時間が長くなり、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えるタイミングが遅れる。この結果、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されている間に触媒から多量のＮＯｘが流出し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【００３６】
また、目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されている間に上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも多くなったときには、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大値に達している可能性が高い。酸素過不足量算出部は、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を積算することによって上流側触媒２０の酸素吸蔵量を推定する。このため、本実施形態では、空燃比制御部は、目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されている間に酸素過不足量算出部によって算出された酸素過不足量の積算値が、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する前に、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも多い切替吸蔵量に達した場合には、酸素過不足量の積算値が切替吸蔵量に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替える。
【００３７】
このことによって、上流側触媒２０から排出される水素やアンモニアの影響によって、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されている間に上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出することを抑制することができる。したがって、上流側触媒２０の酸素吸蔵量をゼロと最大値との間で変動させるときに排気エミッションが悪化することを抑制することができる。
【００３８】
なお、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量とは、流入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を意味する。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とき、上流側触媒２０の酸素吸蔵量はゼロである。また、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときには、流入排気ガス中の酸素が過剰となり、過剰な酸素が上流側触媒２０に吸蔵される。このため、目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されている間に酸素過不足量算出部によって算出される酸素過不足量の積算値は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量に相当する。
【００３９】
酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力及び燃料噴射量に基づいて下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−１４．６）×Ｑｉ      …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度であり、１４．６は理論空燃比であり、Ｑｉは燃料噴射量であり、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比である。
【００４０】
なお、酸素過不足量ＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力及び吸入空気量に基づいて下記式（２）により算出されてもよい。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−１４．６）×Ｇａ／ＡＦｕｐ      …（２）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度であり、１４．６は理論空燃比であり、Ｇａは吸入空気量であり、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比である。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ３９によって検出される。
【００４１】
また、酸素過不足量ＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力を用いることなく、流入排気ガスの目標空燃比に基づいて算出されてもよい。この場合、上記式（１）、（２）において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐの代わりに目標空燃比の値が用いられる。
【００４２】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図５を参照して、上述した制御について具体的に説明する。図５は、本実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の酸素吸蔵量、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量の積算値、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比、及び上流側触媒２０から流出するＮＯｘの量のタイムチャートである。酸素過不足量の積算値は、上記式（１）又は（２）によって算出される酸素過不足量を積算することによって算出される。図５において、実線は本実施形態におけるタイムチャートを示し、一点鎖線は本実施形態の比較例におけるタイムチャートを示す。
【００４３】
図示した例では、時刻ｔ１以前には、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されており、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになっている。このため、上流側触媒２０は、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に減少する。また、酸素過不足量の値は負となり、酸素過不足量の積算値も徐々に減少する。上流側触媒２０における浄化によって流出排気ガスには未燃ガス及びＮＯｘが含まれないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比となり、上流側触媒２０からのＮＯｘの流出量はほぼゼロになる。
【００４４】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、上流側触媒２０に流入した未燃ガスの一部が上流側触媒２０から流出し始める。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が、徐々に低下し、時刻ｔ１においてリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達する。このとき、上流側触媒２０の酸素吸蔵量はほぼゼロになる。
【００４５】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ１において、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。また、このとき、酸素過不足量の積算値はゼロにリセットされる。
【００４６】
流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンになると、上流側触媒２０は流入排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増加する。また、酸素過不足量の値は正となり、酸素過不足量の積算値も徐々に増加する。
【００４７】
時刻ｔ１の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の増加に伴い、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比から理論空燃比に変化し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束する。また、上流側触媒２０における浄化によって流出排気ガスにはＮＯｘが含まれないため、上流側触媒２０からのＮＯｘの流出量はほぼゼロになる。
【００４８】
その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに近付くと、上流側触媒２０に流入した酸素及びＮＯｘの一部が上流側触媒２０から流出し始める。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が、徐々に高くなり、時刻ｔ２においてリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達する。このとき、上流側触媒２０の酸素吸蔵量はほぼ最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘになる。
【００４９】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ２において、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。また、このとき、酸素過不足量の積算値はゼロにリセットされる。
【００５０】
時刻ｔ１と同様に時刻ｔ３において、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ＡＦｒｉｃｈに達する。このため、時刻ｔ３において、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。また、このとき、酸素過不足量の積算値はゼロにリセットされる。
【００５１】
時刻ｔ３の後、上流側触媒２０から排出される水素やアンモニアの影響によって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束するまでの時間が長くなっている。この結果、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達する時刻ｔ４においても、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ＡＦｌｅａｎ未満となる。
【００５２】
その後、時刻ｔ５において、酸素過不足量の積算値が、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘよりも多い切替吸蔵量ＯＥＤｓｗに達する。このため、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ判定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。また、このとき、酸素過不足量の積算値はゼロにリセットされる。この場合、時刻ｔ４から時刻ｔ５まで上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに維持されるため、上流側触媒２０から少量のＮｏｘが流出する。
【００５３】
一方、一点鎖線で示される比較例では、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ＡＦｌｅａｎに達したときにのみ、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ判定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。このため、時刻ｔ５よりも後の時刻ｔ６において、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ判定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。この結果、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに維持される時間が長くなり、上流側触媒２０から多量のＮｏｘが流出する。
【００５４】
その後、本実施形態では、時刻ｔ１と同様に時刻ｔ７において、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ＡＦｒｉｃｈに達する。このため、時刻ｔ７において、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。また、このとき、酸素過不足量の積算値はゼロにリセットされる。
【００５５】
＜切替吸蔵量算出処理＞
以下、図６及び図７のフローチャートを参照して、本実施形態における空燃比制御について詳細に説明する。図６は、本実施形態における切替吸蔵量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ３１によって所定の実行間隔で実行される。
【００５６】
最初にステップＳ１０１において、酸素過不足量の積算値ΣＯＥＤが算出される。積算値ΣＯＥＤは、上記式（１）又は（２）によって算出される酸素過不足量を積算することによって算出される。
【００５７】
次いで、ステップＳ１０２において、前回の制御ルーチンにおいてステップＳ１０２が実行されてから今回の制御ルーチンにおいてステップＳ１０２が実行されるまでの間に、目標空燃比の切替が行われたか否かが判定される。目標空燃比の切替が行われていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、目標空燃比の切替が行われたと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。
【００５８】
ステップＳ１０３では、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられたか否かが判定される。目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられたと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに維持されていた間に上流側触媒２０から放出された酸素放出量ＯＤＡが酸素過不足量の積算値ΣＯＥＤの値に更新される。
【００５９】
一方、ステップＳ１０３において目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられたと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに維持されていた間に上流側触媒に吸蔵された酸素吸蔵量ＯＳＡが酸素過不足量の積算値ΣＯＥＤの値に更新される。
【００６０】
ステップＳ１０４又はステップＳ１０５の後、ステップＳ１０６において、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが下記式（３）により算出される。
Ｃｍａｘ＝（ＯＳＡ＋｜ＯＤＡ｜）／２      …（３）
なお、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘは酸素放出量ＯＤＡの絶対値又は酸素吸蔵量ＯＳＡとして算出されてもよい。
【００６１】
次いで、ステップＳ１０７において切替吸蔵量ＯＥＤｓｗが下記式（４）により算出される。
ＯＥＤｓｗ＝Ｃｍａｘ×Ａ      …（４）
係数Ａは、１よりも大きな値であり、例えば１．１〜１．５、好ましくは１．２である。
【００６２】
次いで、ステップＳ１０８において酸素過不足量の積算値ΣＯＥＤがゼロにリセットされる。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６３】
＜目標空燃比設定処理＞
図７は、本実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ３１によって所定の実行間隔で実行される。
【００６４】
最初にステップＳ２０１において、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よりも高いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。
【００６５】
ステップＳ２０２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以上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がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定される。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６６】
一方、ステップＳ２０１におい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た場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定される。ステップＳ２０４の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６７】
また、ステップＳ２０２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よりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに維持されている間に算出された酸素過不足量の積算値ΣＯＥＤが切替吸蔵量ＯＥＤｓｗ以上であるか否かが判定される。積算値ΣＯＥＤは、上記式（１）又は（２）によって算出される酸素過不足量を積算することによって算出される。切替吸蔵量ＯＥＤｓｗは図６のステップＳ１０７において算出される。
【００６８】
ステップＳ２０５において酸素過不足量の積算値ΣＯＥＤが切替吸蔵量ＯＥＤｓｗ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦは、現在設定されている空燃比に維持される。
【００６９】
一方、ステップＳ２０５において酸素過不足量の積算値ΣＯＥＤが切替吸蔵量ＯＥＤｓｗ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【００７０】
本制御ルーチンでは、空燃比制御部は、目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されている間に酸素過不足量算出部によって算出された酸素過不足量の積算値が、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よりも高く且つリーン判定空燃比未満であるときに、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも多い切替吸蔵量に達した場合には、酸素過不足量の積算値が切替吸蔵量に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替える。この場合、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以下であるときに酸素過不足量の積算値が切替吸蔵量に達しても、目標空燃比の切替は行われない。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する前に目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えることを抑制することができる。
【００７１】
なお、ステップＳ２０５における切替吸蔵量ＯＥＤｓｗとして、予め定められた値が用いられてもよい。この場合、図６の切替吸蔵量算出処理の制御ルーチンは実行されなくてもよい。例えば、切替吸蔵量ＯＥＤｓｗは、未使用状態の上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量の１．１〜１．５倍の値に設定される。
【００７２】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明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。上述したように、流入排気ガスの空燃比制御及び流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量の算出は、上流側空燃比センサ４０を用いずに行われてもよい。また、排気ガス中の有害物質は基本的に上流側触媒２０において浄化される。このため、上流側空燃比センサ４０及び下流側触媒２４の少なくとも一方は排気浄化装置から省略されてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
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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