(57)【要約】【課題】内燃機関において、触媒の酸素吸蔵量を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、触媒２０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装置を備える。空燃比制御装置は、目標空燃比が第１設定空燃比に維持されているときの触媒の酸素吸蔵量の推定変化量が第１基準量以上であるという第１判定条件と、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比と理論空燃比との差が第２判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第２判定条件とが成立した場合には、第１判定条件及び第２判定条件が成立したときに目標空燃比を第１設定空燃比から第２設定空燃比に切り替える。第１設定空燃比及び第２判定空燃比は理論空燃比よりもリッチ又はリーンな第１領域内の空燃比であり、第２設定空燃比は第１領域とは理論空燃比を挟んで反対側の第２領域内の空燃比である。【選択図】図５
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【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上流側に配置されると共に、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、
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装置と
を備え、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を第１設定空燃比に設定した後、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第１判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記第１設定空燃比から第２設定空燃比に切り替え、
前記第１設定空燃比及び前記第１判定空燃比は理論空燃比よりもリッチ又はリーンな第１領域内の空燃比であり、該第１設定空燃比と理論空燃比との差が該第１判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きく、前記第２設定空燃比は前記第１領域とは理論空燃比を挟んで反対側の第２領域内の空燃比である、内燃機関の排気浄化装置において、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記第１設定空燃比に維持されているときの前記触媒の酸素吸蔵量の推定変化量が第１基準量以上であるという第１判定条件と、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比と理論空燃比との差が第２判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第２判定条件とが成立した場合には、該第１判定条件及び第２判定条件が成立したときに前記目標空燃比を前記第１設定空燃比から前記第２設定空燃比に切り替え、
前記第１基準量は前記触媒の最大酸素吸蔵量よりも少なく、前記第２判定空燃比は前記第１領域内の空燃比であり、該第２判定空燃比と理論空燃比との差が前記第１設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きいことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第３判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替え、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記第２設定空燃比に維持されているときの前記触媒の酸素吸蔵量の推定変化量が第２基準量以上であるという第３判定条件と、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比と理論空燃比との差が第４判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第４判定条件とが成立した場合には、該第３判定条件及び第４判定条件が成立したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から第１設定空燃比に切り替え、
前記第２基準量は前記触媒の最大酸素吸蔵量よりも少なく、前記第４判定空燃比は前記第２領域内の空燃比であり、該第４判定空燃比と理論空燃比との差が前記第２設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記第２設定空燃比に維持されているときの前記触媒の酸素吸蔵量の推定変化量が切替吸蔵量に達したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替え、前記切替吸蔵量は前記触媒の最大酸素吸蔵量よりも少なく且つ前記第１基準量よりも多い、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御し、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触媒の酸素吸蔵量の推定変化量を算出する、請求項１から３のいずれか１項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。
【０００４】
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】
【０００５】
【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】
【０００６】
ところで、内燃機関を搭載した車両の加速又は減速時等に、触媒に流入する排気ガスの空燃比が外乱によって一時的に目標空燃比からずれる場合がある。触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、触媒に流入する未燃ガスが多くなる。このため、触媒の酸素吸蔵量がゼロに近いときに、触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、触媒から多量の未燃ガスが流出するおそれがある。
【０００７】
一方、触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、触媒に流入する酸素及びＮＯｘの量が多くなる。このため、触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近いときに、触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、触媒から多量のＮＯｘが流出するおそれがある。
【０００８】
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】
【０００９】
本開示の要旨は以下のとおりである。
【００１０】
（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上流側に配置されると共に、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、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装置とを備え、前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を第１設定空燃比に設定した後、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第１判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記第１設定空燃比から第２設定空燃比に切り替え、前記第１設定空燃比及び前記第１判定空燃比は理論空燃比よりもリッチ又はリーンな第１領域内の空燃比であり、該第１設定空燃比と理論空燃比との差が該第１判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きく、前記第２設定空燃比は前記第１領域とは理論空燃比を挟んで反対側の第２領域内の空燃比である、内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記第１設定空燃比に維持されているときの前記触媒の酸素吸蔵量の推定変化量が第１基準量以上であるという第１判定条件と、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比と理論空燃比との差が第２判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第２判定条件とが成立した場合には、該第１判定条件及び第２判定条件が成立したときに前記目標空燃比を前記第１設定空燃比から前記第２設定空燃比に切り替え、前記第１基準量は前記触媒の最大酸素吸蔵量よりも少なく、前記第２判定空燃比は前記第１領域内の空燃比であり、該第２判定空燃比と理論空燃比との差が前記第１設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きいことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【００１１】
（２）前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第３判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替え、前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記第２設定空燃比に維持されているときの前記触媒の酸素吸蔵量の推定変化量が第２基準量以上であるという第３判定条件と、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比と理論空燃比との差が第４判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第４判定条件とが成立した場合には、該第３判定条件及び第４判定条件が成立したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から第１設定空燃比に切り替え、前記第２基準量は前記触媒の最大酸素吸蔵量よりも少なく、前記第４判定空燃比は前記第２領域内の空燃比であり、該第４判定空燃比と理論空燃比との差が前記第２設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１２】
（３）前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記第２設定空燃比に維持されているときの前記触媒の酸素吸蔵量の推定変化量が切替吸蔵量に達したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替え、前記切替吸蔵量は前記触媒の最大酸素吸蔵量よりも少なく且つ前記第１基準量よりも多い、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１３】
（４）前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御し、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触媒の酸素吸蔵量の推定変化量を算出する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、内燃機関において、触媒の酸素吸蔵量を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】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第一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、第一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、第一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７】図７は、空燃比制御の制御ブロック図である。
【図８】図８は、第一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。
【図９】図９は、第二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１０】図１０は、第二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。
【図１１】図１１は、第三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１２】図１２は、第三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】
【００１６】
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。
【００１７】
＜第一実施形態＞
最初に図１〜図８を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
【００１８】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
＜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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
＜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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
＜内燃機関の排気浄化装置＞
以下、本発明の第一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及び空燃比制御装置を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御装置として機能する。
【００３７】
空燃比制御装置は、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、空燃比制御装置は、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、空燃比制御装置は、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。
【００３８】
また、空燃比制御装置は、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、空燃比制御装置は、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。
【００３９】
空燃比制御装置は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を変動させることによって上流側触媒２０の酸素吸蔵能力の低下を抑制すべく、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空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比とに交互に切り替える。具体的には、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１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の出力空燃比が第１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。このことによって、本実施形態では、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ことができる。
【００４０】
リッチ設定空燃比及び第１リッチ判定空燃比は、予め定められ、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る。また、リッチ設定空燃比は第１リッチ判定空燃比よりもリッチである。すなわち、リッチ設定空燃比のリッチ度合は第１リッチ判定空燃比のリッチ度合よりも大きい。なお、リッチ度合とは、理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比との差を意味する。
【００４１】
リーン設定空燃比及び第１リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、リーン設定空燃比は第１リーン判定空燃比よりもリーンである。すなわち、リーン設定空燃比のリーン度合は第１リーン判定空燃比のリーン度合よりも大きい。なお、リーン度合とは、理論空燃比よりもリーンな空燃比と理論空燃比との差を意味する。
【００４２】
第１リッチ判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が減少して上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリッチに変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。一方、第１リーン判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が増加して上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリーンに変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比と第１リーン判定空燃比との間にあるときには、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比であると判定される。
【００４３】
ところで、内燃機関を搭載した車両の加速又は減速時等に、流入排気ガスの空燃比が外乱によって一時的に目標空燃比からずれる場合がある。流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、上流側触媒２０に流入する未燃ガスが多くなる。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近いときに、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、上流側触媒２０から多量の未燃ガスが流出するおそれがある。
【００４４】
一方、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロよりも十分多いときには、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれたとしても、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達する可能性が低い。また、外乱によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比からリッチ側にずれた場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も目標空燃比からリッチ側にずれる。
【００４５】
このため、本実施形態では、空燃比制御装置は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量がリッチ側基準量以上であるという第１条件と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と理論空燃比との差が第２リッチ判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第２条件とが成立した場合には、第１条件及び第２条件が成立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る。なお、第２条件は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比以下であるときに成立する。
【００４６】
第２リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、第２リッチ判定空燃比はリッチ設定空燃比よりもリッチである。すなわち、第２リッチ判定空燃比のリッチ度合はリッチ設定空燃比のリッチ度合よりも大きい。リッチ側基準量は、予め定められ、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値に設定される。
【００４７】
また、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、上流側触媒２０に流入する酸素及びＮＯｘの量が多くなる。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近いときに、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出するおそれがある。
【００４８】
一方、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも十分少ないときには、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれたとしても、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する可能性が低い。また、外乱によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比からリーン側にずれた場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も目標空燃比からリーン側にずれる。
【００４９】
このため、本実施形態では、空燃比制御装置は、目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量がリーン側基準量以上であるという第３条件と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と理論空燃比との差が第２リーン判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第４条件とが成立した場合には、第３条件及び第４条件が成立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。なお、第４条件は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が第２リーン判定空燃比以上であるときに成立する。
【００５０】
第２リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、第２リーン判定空燃比はリーン設定空燃比よりもリーンである。すなわち、第２リーン判定空燃比のリーン度合はリーン設定空燃比のリーン度合よりも大きい。リーン側基準量は、予め定められ、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値に設定される。なお、リーン側基準量はリッチ側基準量と同じ値であっても異なる値であってもよい。
【００５１】
空燃比制御装置は、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の酸素吸蔵量の推定変化量を算出する。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。流入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、上流側触媒２０に酸素が吸蔵されるため、酸素過不足量の値は正となる。一方、流入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、上流側触媒２０から酸素が放出されるため、酸素過不足量の値は負となる。
【００５２】
このため、空燃比制御装置は、流入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、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として、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量を算出する。また、空燃比制御装置は、流入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、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の絶対値として、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量を算出する。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図５及び図６を参照して、本実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。最初に、図５を参照して、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近いときに外乱によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比からリッチ側にずれる場合について説明する。
【００５７】
図５は、第一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、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、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（積算酸素過不足量）、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量、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。積算酸素過不足量は、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。
【００５８】
図示した例では、時刻ｔ０において、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する。なお、空燃比の乱れが生じていない場合には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は基本的に目標空燃比に近似する。
【００５９】
時刻ｔ０において、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は十分であり、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）中の未燃ガス及びＮＯｘは上流側触媒２０によって浄化される。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比（本実施形態では、１４．６）となる。
【００６０】
時刻ｔ０の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、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において第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する。時刻ｔ１では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロであると考えられる。時刻ｔ１の後、上流側触媒２０から微量の未燃ガスが流出する。
【００６１】
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。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに向かって変化する。また、時刻ｔ１において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。
【００６２】
時刻ｔ１の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の増加に伴い、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。その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近付くと、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において第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。時刻ｔ２では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼ最大酸素吸蔵量であると考えられる。時刻ｔ２の後、上流側触媒２０から微量のＮＯｘが流出する。
【００６３】
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。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに向かって変化する。また、時刻ｔ２において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。
【００６４】
時刻ｔ２の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の減少に伴い、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。その後、時刻ｔ３において積算酸素過不足量の絶対値がリッチ側基準量Ｃｒｉｃｈに達する。このため、時刻ｔ３において第１条件が成立する。
【００６５】
また、外乱の影響によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比（リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ）よりもリッチ側にずれた結果、時刻ｔ４において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達する。このため、時刻ｔ４において第２条件が成立する。また、このとき、積算酸素過不足量の絶対値はリッチ側基準量Ｃｒｉｃｈよりも多く、第１条件は成立したままである。
【００６６】
したがって、時刻ｔ４において、第１条件及び第２条件が成立し、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。その後、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する。
【００６７】
一方、一点鎖線で示される比較例では、時刻ｔ５において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達したときに、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。この場合、リッチ度合が大きい流入排気ガスが上流側触媒２０に流入する時間が長くなり、上流側触媒２０から多量の未燃ガスが流出する。
【００６８】
一方、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する前に第１条件及び第２条件が成立したときに目標空燃比の切替が行われるため、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量が抑制される。したがって、本実施形態における空燃比制御によれば、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を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。なお、上流側触媒２０から流出する微量な未燃ガス及びＮＯｘは下流側触媒２４において浄化される。
【００６９】
その後、本実施形態では、時刻ｔ６において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達し、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。一方、比較例では、時刻ｔ７において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達し、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。
【００７０】
次に、図６を参照して、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近いときに外乱によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比からリーン側にずれる場合について説明する。
【００７１】
図６は、第一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、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、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（積算酸素過不足量）、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量、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。図６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。
【００７２】
図示した例では、時刻ｔ０において、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ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ーンになっている。時刻ｔ０において、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量よりも十分に少なく、流出排気ガス中の未燃ガス及びＮＯｘは上流側触媒２０によって浄化される。このため、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る。
【００７３】
時刻ｔ０の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近付くと、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ｔ１において第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。時刻ｔ１では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼ最大酸素吸蔵量であると考えられる。時刻ｔ１の後、上流側触媒２０から微量のＮＯｘが流出する。
【００７４】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ１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。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに向かって変化する。また、時刻ｔ１において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。
【００７５】
時刻ｔ１の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の減少に伴い、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。その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、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ｔ２において第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する。時刻ｔ２では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロであると考えられる。時刻ｔ２の後、上流側触媒２０から微量の未燃ガスが流出する。
【００７６】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ２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。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに向かって変化する。また、時刻ｔ２において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。
【００７７】
時刻ｔ２の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の増加に伴い、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。その後、時刻ｔ３において積算酸素過不足量がリーン側基準量Ｃｌｅａｎに達する。このため、時刻ｔ３において第３条件が成立する。
【００７８】
また、外乱の影響によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比（リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ）よりもリーン側にずれた結果、時刻ｔ４において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達する。このため、時刻ｔ４において第４条件が成立する。また、このとき、積算酸素過不足量はリーン側基準量Ｃｌｅａｎよりも多く、第３条件は成立したままである。
【００７９】
したがって、時刻ｔ４において、第３条件及び第４条件が成立し、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。その後、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。
【００８０】
一方、一点鎖線で示される比較例では、時刻ｔ５において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達したときに、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。この場合、リーン度合が大きい流入排気ガスが上流側触媒２０に流入する時間が長くなり、上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出する。
【００８１】
一方、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する前に第３条件及び第４条件が成立したときに目標空燃比の切替が行われるため、上流側触媒２０から流出するＮＯｘの量が抑制される。したがって、本実施形態における空燃比制御によれば、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を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。なお、上流側触媒２０から流出する微量な未燃ガス及びＮＯｘは下流側触媒２４において浄化される。
【００８２】
その後、本実施形態では、時刻ｔ６において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達し、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。一方、比較例では、時刻ｔ７において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達し、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。
【００８３】
＜制御ブロック図＞
以下、図７及び図８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７は、空燃比制御の制御ブロック図である。空燃比制御装置はＡ１〜Ａ８の機能ブロックを含む。以下、各機能ブロックについて説明する。
【００８４】
最初に、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量を算出するために、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。
【００８５】
筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたマップ又は計算式を用いて、吸入空気量Ｇａ及び機関回転数ＮＥに基づいて各気筒への吸入空気量Ｍｃを算出する。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ３９によって検出され、機関回転数ＮＥはクランク角センサ４４の出力に基づいて算出される。
【００８６】
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を目標空燃比ＴＡＦで除算することによって基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅを算出する（Ｑｂａｓｅ＝Ｍｃ／ＴＡＦ）。目標空燃比ＴＡＦは、後述する目標空燃比設定手段Ａ５によって算出される。
【００８７】
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を加えることによって燃料噴射量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。
【００８８】
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比を算出するために、空燃比補正量算出手段Ａ４、目標空燃比設定手段Ａ５及び酸素吸蔵量算出手段Ａ８が用いられる。
【００８９】
酸素吸蔵量算出手段Ａ８は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐと、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又は吸入空気量Ｇａとに基づいて上記式（１）又は（２）により酸素過不足量を算出する。また、酸素吸蔵量算出手段Ａ８は、酸素過不足量を積算することによって積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する。
【００９０】
空燃比補正量算出手段Ａ４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎと、酸素吸蔵量算出手段Ａ８によって算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤと、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ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。目標空燃比設定手段Ａ５は、制御中心空燃比ＡＦＲ（本実施形態では理論空燃比）に、空燃比補正量算出手段Ａ４によって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ＴＡＦを算出する。このようにして算出された目標空燃比ＴＡＦは、基本燃料噴射量算出手段Ａ２及び後述する空燃比偏差算出手段Ａ６に入力される。
【００９１】
次に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいたＦ／Ｂ補正量の算出について説明する。Ｆ／Ｂ補正量を算出するために、空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７が用いられる。
【００９２】
空燃比偏差算出手段Ａ６は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐから目標空燃比設定手段Ａ５によって算出された目標空燃比ＴＡＦを減算することによって空燃比偏差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ−ＴＡＦ）。この空燃比偏差ＤＡＦは、目標空燃比ＴＡＦに対する燃料供給量の過不足を表す値である。
【００９３】
Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ７は、空燃比偏差算出手段Ａ６によって算出された空燃比偏差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（３）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ＤＱｉを算出する。このようにして算出されたＦ／Ｂ補正量ＤＱｉは、燃料噴射量算出手段Ａ３に入力される。
ＤＱｉ＝Ｋｐ・ＤＡＦ＋Ｋｉ・ＳＤＡＦ＋Ｋｄ・ＤＤＡＦ      …（３）
【００９４】
上記式（３）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、空燃比偏差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比偏差ＤＡＦと前回の空燃比偏差ＤＡＦとの偏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、空燃比偏差ＤＡＦの時間積分値であり、前回の時間積分値ＳＤＡＦに今回更新された空燃比偏差ＤＡＦを加算することで算出される。
【００９５】
なお、上流側空燃比センサ４０の出力に基づくフィードバック制御が行われない場合には、空燃比制御のために空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７は用いられない。この場合、図７に示した制御ブロック図から空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７が省略される。また、酸素過不足量が上流側空燃比センサ４０の出力の代わりに流入排気ガスの目標空燃比に基づいて算出される場合には、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ＴＡＦが酸素吸蔵量算出手段Ａ８に入力される。
【００９６】
＜目標空燃比設定処理＞
図８は、第一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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００９７】
最初に、ステップＳ１０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈが１であるか否かが判定される。リッチフラグＦｒｉｃｈは、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されるときに１に設定され、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されるときにゼロに設定される。なお、リッチフラグＦｒｉｃｈの初期値はゼロ又は１に設定される。
【００９８】
ステップＳ１０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。この場合、目標空燃比ＴＡＦはリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されている。ステップＳ１０２では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１以下であるか否かが判定される。
【００９９】
ステップＳ１０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１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Ｓ１０５に進む。ステップＳ１０５では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈがゼロに設定される。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１００】
一方、ステップＳ１０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１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Ｓ１０３に進む。ステップＳ１０３では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値がリッチ側基準量Ｃｒｉｃｈ以上であるか否かが判定される。すなわち、第１条件が成立しているか否かが判定される。
【０１０１】
積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（１）又は（２）により算出される酸素過不足量ＯＥＤを積算することによって算出される。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられるときと、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に切り替えられるときとにゼロにリセットされる。
【０１０２】
また、リッチ側基準量Ｃｒｉｃｈは、例えば未使用状態の上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値（例えば最大酸素吸蔵量の０．５〜０．８倍の値）に設定される。なお、リッチ側基準量Ｃｒｉｃｈは、公知の手法によって算出された上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値（例えば最大酸素吸蔵量の０．５〜０．８倍の値）に設定されてもよい。
【０１０３】
ステップＳ１０３において積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値がリッチ側基準量Ｃｒｉｃｈ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Ｓ１０４に進む。ステップＳ１０４では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２以下であるか否かが判定される。すなわち、第２条件が成立しているか否かが判定される。
【０１０４】
ステップＳ１０４において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２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Ｓ１０５に進む。ステップＳ１０５では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈがゼロに設定される。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１０５】
一方、ステップＳ１０３において積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値がリッチ側基準量Ｃｒｉｃｈ未満であると判定された場合、又はステップＳ１０４において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２よりも高いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦは現在の値に維持される。
【０１０６】
また、ステップＳ１０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。この場合、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されている。ステップＳ１０６では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１以上であるか否かが判定される。
【０１０７】
ステップＳ１０６において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１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Ｓ１０９に進む。ステップＳ１０９では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈが１に設定される。ステップＳ１０９の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１０８】
一方、ステップＳ１０６において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１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Ｓ１０７に進む。ステップＳ１０７では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリーン側基準量Ｃｌｅａｎ以上であるか否かが判定される。すなわち、第３条件が成立しているか否かが判定される。
【０１０９】
リーン側基準量Ｃｌｅａｎは、例えば未使用状態の上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値（例えば最大酸素吸蔵量の０．５〜０．８倍の値）に設定される。なお、リーン側基準量Ｃｌｅａｎは、公知の手法によって算出された上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値（例えば最大酸素吸蔵量の０．５〜０．８倍の値）に設定されてもよい。
【０１１０】
ステップＳ１０７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリーン側基準量Ｃｌｅａｎ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Ｓ１０８に進む。ステップＳ１０８では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２以上であるか否かが判定される。すなわち、第４条件が成立しているか否かが判定される。
【０１１１】
ステップＳ１０８において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２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Ｓ１０９に進む。ステップＳ１０９では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈが１に設定される。ステップＳ１０９の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１１２】
一方、ステップＳ１０７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリーン側基準量Ｃｌｅａｎ未満であると判定された場合、又はステップＳ１０８において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりも低いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦは現在の値に維持される。
【０１１３】
＜第二実施形態＞
第二実施形態における内燃機関の排気浄化装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態における内燃機関の排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１１４】
第二実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１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る。また、空燃比制御装置は、目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量が切替吸蔵量に達したと判定したときに、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。このことによって、本実施形態では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量をゼロと切替吸蔵量との間で変動させることができる。
【０１１５】
リッチ設定空燃比及び第１リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、リッチ設定空燃比は第１リッチ判定空燃比よりもリッチである。すなわち、リッチ設定空燃比のリッチ度合は第１リッチ判定空燃比のリッチ度合よりも大きい。また、第１リッチ判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が減少して上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリッチに変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。
【０１１６】
リーン設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、切替吸蔵量は、予め定められ、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値に設定される。なお、空燃比制御装置は第一実施形態と同様の方法で上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量を算出する。
【０１１７】
上述したように、内燃機関を搭載した車両の加速又は減速時等に、流入排気ガスの空燃比が外乱によって一時的に目標空燃比からずれる場合がある。流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、上流側触媒２０に流入する未燃ガスが多くなる。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近いときに、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、上流側触媒２０から多量の未燃ガスが流出するおそれがある。
【０１１８】
一方、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロよりも十分多いときには、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれたとしても、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに達する可能性が低い。また、外乱によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比からリッチ側にずれた場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も目標空燃比からリッチ側にずれる。
【０１１９】
このため、第二実施形態では、空燃比制御装置は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量が第１基準量以上であるという第５条件と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と理論空燃比との差が第２リッチ判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第６条件とが成立した場合には、第５条件及び第６条件が成立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る。なお、第６条件は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比以下であるときに成立する。
【０１２０】
第２リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、第２リッチ判定空燃比はリッチ設定空燃比よりもリッチである。すなわち、第２リッチ判定空燃比のリッチ度合はリッチ設定空燃比のリッチ度合よりも大きい。第１基準量は、予め定められ、切替吸蔵量よりも少ない値に設定される。言い換えれば、切替吸蔵量は第１基準量よりも多い値に設定される。
【０１２１】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図９を参照して、第二実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。図９は、第二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、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、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（積算酸素過不足量）、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量、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。積算酸素過不足量は、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９において、実線は第二実施形態におけるタイムチャートを示し、一点鎖線は第二実施形態の比較例におけるタイムチャートを示す。
【０１２２】
図示した例では、時刻ｔ０において、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する。なお、空燃比の乱れが生じていない場合には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は基本的に目標空燃比に近似する。
【０１２３】
時刻ｔ０において、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は十分であり、流出排気ガス中の未燃ガス及びＮＯｘは上流側触媒２０によって浄化される。このため、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る。
【０１２４】
時刻ｔ０の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、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において第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する。時刻ｔ１では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロであると考えられる。時刻ｔ１の後、上流側触媒２０から微量の未燃ガスが流出する。
【０１２５】
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。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに向かって変化する。また、時刻ｔ１において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。
【０１２６】
時刻ｔ１の後、積算酸素過不足量が、徐々に増加し、時刻ｔ２において切替吸蔵量Ｃｓｗに達する。このため、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、時刻ｔ２において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。なお、時刻ｔ２において上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量に達しないため、上流側触媒２０からＮＯｘはほとんど流出しない。
【０１２７】
時刻ｔ２の後、時刻ｔ３において積算酸素過不足量の絶対値が第１基準量Ｃｒｅｆ１に達する。このため、時刻ｔ３において第５条件が成立する。
【０１２８】
また、外乱の影響によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比（リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ）よりもリッチ側にずれた結果、時刻ｔ４において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達する。このため、時刻ｔ４において第６条件が成立する。また、このとき、積算酸素過不足量の絶対値は第１基準量Ｃｒｅｆ１よりも多く、第５条件は成立したままである。
【０１２９】
したがって、時刻ｔ４において、第５条件及び第６条件が成立し、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。その後、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する。
【０１３０】
一方、一点鎖線で示される比較例では、時刻ｔ５において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達したときに、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。この場合、リッチ度合が大きい流入排気ガスが上流側触媒２０に流入する時間が長くなり、上流側触媒２０から多量の未燃ガスが流出する。
【０１３１】
一方、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する前に第５条件及び第６条件が成立したときに目標空燃比の切替が行われるため、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量が抑制される。したがって、本実施形態における空燃比制御によれば、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を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。なお、上流側触媒２０から流出する微量な未燃ガスは下流側触媒２４において浄化される。
【０１３２】
その後、本実施形態では、時刻ｔ６において積算酸素過不足量が切替吸蔵量Ｃｓｗに達し、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。一方、比較例では、時刻ｔ７において積算酸素過不足量が切替吸蔵量Ｃｓｗに達し、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。
【０１３３】
＜目標空燃比設定処理＞
以下、第二実施形態における空燃比制御について詳細に説明する。なお、第二実施形態では、第一実施形態と同様に、図７に示した空燃比制御の制御ブロック図が用いられる。
【０１３４】
図１０は、第二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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【０１３５】
最初に、ステップＳ２０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈが１であるか否かが判定される。リッチフラグＦｒｉｃｈは、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されるときに１に設定され、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されるときにゼロに設定される。なお、リッチフラグＦｒｉｃｈの初期値はゼロ又は１に設定される。
【０１３６】
ステップＳ２０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。この場合、目標空燃比ＴＡＦはリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されている。ステップＳ２０２では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１以下であるか否かが判定される。
【０１３７】
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が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１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に設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈがゼロに設定される。ステップＳ２０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１３８】
一方、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が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１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Ｓ２０３に進む。ステップＳ２０３では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が第１基準量Ｃｒｅｆ１以上であるか否かが判定される。すなわち、第５条件が成立しているか否かが判定される。
【０１３９】
積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（１）又は（２）により算出される酸素過不足量ＯＥＤを積算することによって算出される。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられるときと、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に切り替えられるときとにゼロにリセットされる。また、第１基準量Ｃｒｅｆ１は例えば切替吸蔵量Ｃｓｗの０．５〜０．８倍の値に設定される。
【０１４０】
ステップＳ２０３において積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が第１基準量Ｃｒｅｆ１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Ｓ２０４に進む。ステップＳ２０４では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２以下であるか否かが判定される。すなわち、第６条件が成立しているか否かが判定される。
【０１４１】
ステップＳ２０４において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２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に設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈがゼロに設定される。ステップＳ２０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１４２】
一方、ステップＳ２０３において積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が第１基準量Ｃｒｅｆ１未満であると判定された場合、又はステップＳ２０４において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２よりも高いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦは現在の値に維持される。
【０１４３】
また、ステップＳ２０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。この場合、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されている。ステップＳ２０６では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替吸蔵量Ｃｓｗ以上であるか否かが判定される。
【０１４４】
切替吸蔵量Ｃｓｗは、例えば未使用状態の上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値（例えば最大酸素吸蔵量の０．２〜０．８倍の値）に設定される。なお、切替吸蔵量Ｃｓｗは、公知の手法によって算出された上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値（例えば最大酸素吸蔵量の０．２〜０．８倍の値）に設定されてもよい。
【０１４５】
ステップＳ２０６において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替吸蔵量Ｃｓｗ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Ｓ２０７に進む。ステップＳ２０７では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈが１に設定される。ステップＳ２０７の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１４６】
一方、ステップＳ２０６において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替吸蔵量Ｃｓｗ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は現在の値に維持される。
【０１４７】
＜第三実施形態＞
第三実施形態における内燃機関の排気浄化装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態における内燃機関の排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１４８】
第三実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１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。また、空燃比制御装置は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量が切替吸蔵量に達したと判定したときに、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る。このことによって、本実施形態では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量から切替吸蔵量を減算した値と最大酸素吸蔵量との間で変動させることができる。
【０１４９】
リーン設定空燃比及び第１リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、リーン設定空燃比は第１リーン判定空燃比よりもリーンである。すなわち、リーン設定空燃比のリーン度合は第１リーン判定空燃比のリーン度合よりも大きい。また、第１リーン判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が増加して上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリーンに変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。
【０１５０】
リッチ設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、切替吸蔵量は、予め定められ、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値に設定される。なお、空燃比制御装置は第一実施形態と同様の方法で上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量を算出する。
【０１５１】
上述したように、内燃機関を搭載した車両の加速又は減速時等に、流入排気ガスの空燃比が外乱によって一時的に目標空燃比からずれる場合がある。流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、上流側触媒２０に流入する酸素及びＮＯｘの量が多くなる。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近いときに、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出するおそれがある。
【０１５２】
一方、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも十分少ないときには、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれたとしても、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達する可能性が低い。また、外乱によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比からリーン側にずれた場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も目標空燃比からリーン側にずれる。
【０１５３】
このため、第三実施形態では、空燃比制御装置は、目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量が第１基準量以上であるという第７条件と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と理論空燃比との差が第２リーン判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第８条件とが成立した場合には、第７条件及び第８条件が成立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。なお、第８条件は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が第２リーン判定空燃比以上であるときに成立する。
【０１５４】
第２リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、第２リーン判定空燃比はリーン設定空燃比よりもリーンである。すなわち、第２リーン判定空燃比のリーン度合はリーン設定空燃比のリーン度合よりも大きい。第１基準量は、予め定められ、切替吸蔵量よりも少ない値に設定される。言い換えれば、切替吸蔵量は第１基準量よりも多い値に設定される。
【０１５５】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図１１を参照して、第三実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。図１１は、第三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、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、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（積算酸素過不足量）、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量、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。積算酸素過不足量は、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１１において、実線は第三実施形態におけるタイムチャートを示し、一点鎖線は第三実施形態の比較例におけるタイムチャートを示す。
【０１５６】
図示した例では、時刻ｔ０において、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ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ーンになっている。このため、上流側触媒２０は流入排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。なお、空燃比の乱れが生じていない場合には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は基本的に目標空燃比に近似する。
【０１５７】
時刻ｔ０において上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量よりも十分に少なく、流出排気ガス中の未燃ガス及びＮＯｘは上流側触媒２０によって浄化される。このため、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る。
【０１５８】
時刻ｔ０の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近付くと、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ｔ１において第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。時刻ｔ１では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がほぼ最大酸素吸蔵量であると考えられる。時刻ｔ１の後、上流側触媒２０から微量のＮＯｘが流出する。
【０１５９】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ１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。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに向かって変化する。また、時刻ｔ１において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。
【０１６０】
時刻ｔ１の後、積算酸素過不足量の絶対値が、徐々に増加し、時刻ｔ２において切替吸蔵量Ｃｓｗに達する。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ２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、時刻ｔ２において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。なお、時刻ｔ２において上流側触媒２０の酸素吸蔵量はゼロに達しないため、上流側触媒２０から未燃ガスはほとんど流出しない。
【０１６１】
時刻ｔ２の後、時刻ｔ３において積算酸素過不足量が第１基準量Ｃｒｅｆ１に達する。このため、時刻ｔ３において第７条件が成立する。
【０１６２】
また、外乱の影響によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比（リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ）よりもリーン側にずれた結果、時刻ｔ４において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達する。このため、時刻ｔ４において第８条件が成立する。また、このとき、積算酸素過不足量は第１基準量Ｃｒｅｆ１よりも多く、第７条件は成立したままである。
【０１６３】
したがって、時刻ｔ４において、第７条件及び第８条件が成立し、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。その後、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。
【０１６４】
一方、一点鎖線で示される比較例では、時刻ｔ５において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達したときに、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。この場合、リーン度合が大きい流入排気ガスが上流側触媒２０に流入する時間が長くなり、上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出する。
【０１６５】
一方、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する前に第７条件及び第８条件が成立したときに目標空燃比の切替が行われるため、上流側触媒２０から流出するＮＯｘの量が抑制される。したがって、本実施形態における空燃比制御によれば、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を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。なお、上流側触媒２０から流出する微量なＮＯｘは下流側触媒２４において浄化される。
【０１６６】
その後、本実施形態では、時刻ｔ６において積算酸素過不足量の絶対値が切替吸蔵量Ｃｓｗに達し、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。一方、比較例では、時刻ｔ７において積算酸素過不足量の絶対値が切替吸蔵量Ｃｓｗに達し、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。
【０１６７】
＜目標空燃比設定処理＞
以下、第三実施形態における空燃比制御について詳細に説明する。なお、第三実施形態では、第一実施形態と同様に、図７に示した空燃比制御の制御ブロック図が用いられる。
【０１６８】
図１２は、第三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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【０１６９】
最初に、ステップＳ３０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈがゼロであるか否かが判定される。リッチフラグＦｒｉｃｈは、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されるときに１に設定され、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されるときにゼロに設定される。なお、リッチフラグＦｒｉｃｈの初期値はゼロ又は１に設定される。
【０１７０】
ステップＳ３０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。この場合、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されている。ステップＳ３０２では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１以上であるか否かが判定される。
【０１７１】
ステップＳ３０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１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Ｓ３０５に進む。ステップＳ３０５では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈが１に設定される。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１７２】
一方、ステップＳ３０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが第１基準量Ｃｒｅｆ１以上であるか否かが判定される。すなわち、第７条件が成立しているか否かが判定される。
【０１７３】
積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（１）又は（２）により算出される酸素過不足量ＯＥＤを積算することによって算出される。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられるときと、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に切り替えられるときとにゼロにリセットされる。また、第１基準量Ｃｒｅｆ１は例えば切替吸蔵量Ｃｓｗの０．５〜０．８倍の値に設定される。
【０１７４】
ステップＳ３０３において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが第１基準量Ｃｒｅｆ１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Ｓ３０４に進む。ステップＳ３０４では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２以上であるか否かが判定される。すなわち、第８条件が成立しているか否かが判定される。
【０１７５】
ステップＳ３０４において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２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Ｓ３０５に進む。ステップＳ３０５では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈが１に設定される。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１７６】
一方、ステップＳ３０３において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが第１基準量Ｃｒｅｆ１未満であると判定された場合、又はステップＳ３０４において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２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は現在の値に維持される。
【０１７７】
また、ステップＳ３０１においてリッチフラグＦｒｉｃｈが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。この場合、目標空燃比ＴＡＦはリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されている。ステップＳ３０６では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が切替吸蔵量Ｃｓｗ以上であるか否かが判定される。
【０１７８】
切替吸蔵量Ｃｓｗは、例えば未使用状態の上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値（例えば最大酸素吸蔵量の０．２〜０．８倍の値）に設定される。なお、切替吸蔵量Ｃｓｗは、公知の手法によって算出された上流側触媒２０よりも少ない値（例えば最大酸素吸蔵量の０．２〜０．８倍の値）に設定されてもよい。
【０１７９】
ステップＳ３０６において積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が切替吸蔵量Ｃｓｗ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Ｓ３０７に進む。ステップＳ３０７では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定され、リッチフラグＦｒｉｃｈがゼロに設定される。ステップＳ３０７の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１８０】
一方、ステップＳ３０６において積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が切替吸蔵量Ｃｓｗ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は現在の値に維持される。
【０１８１】
上記の説明から明らかなように、第一実施形態、第二実施形態及び第三実施形態では、以下のような空燃比制御が行われている。
【０１８２】
空燃比制御装置は、目標空燃比を第１設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１判定空燃比に達したときに目標空燃比を第１設定空燃比から第２設定空燃比に切り替える。第１設定空燃比及び第１判定空燃比は理論空燃比よりもリッチ又はリーンな第１領域内の空燃比である。また、第１設定空燃比と理論空燃比との差が第１判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい。また、第２設定空燃比は第１領域とは理論空燃比を挟んで反対側の第２領域内の空燃比である。
【０１８３】
また、空燃比制御装置は、目標空燃比が第１設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量が第１基準量以上であるという第１判定条件と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と理論空燃比との差が第２判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第２判定条件とが成立した場合には、第１判定条件及び第２判定条件が成立したときに目標空燃比を第１設定空燃比から第２設定空燃比に切り替える。
【０１８４】
また、第一実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第３判定空燃比に達したときに目標空燃比を第２設定空燃比から第１設定空燃比に切り替える。さらに、空燃比制御装置は、目標空燃比が第２設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量が第２基準量以上であるという第３判定条件と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と理論空燃比との差が第４判定空燃比と理論空燃比との差以上であるという第４判定条件とが成立した場合には、第３判定条件及び第４判定条件が成立したときに目標空燃比を第２設定空燃比から第１設定空燃比に切り替える。
【０１８５】
第２基準量は上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少なく、第４判定空燃比は第２領域内の空燃比であり、第４判定空燃比と理論空燃比との差が第２設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい。
【０１８６】
第１領域内の空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比である場合、第１設定空燃比及び第２設定空燃比が、それぞれ、第一実施形態におけるリッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比に相当する。また、第１判定空燃比、第２判定空燃比、第３判定空燃比及び第４判定空燃比が、それぞれ、第一実施形態における第１リッチ判定空燃比、第２リッチ判定空燃比、第１リーン判定空燃比及び第２リーン判定空燃比に相当する。また、第１基準量及び第２基準量が第１実施形態におけるリッチ側基準量及びリーン側基準量に相当する。また、第１判定条件、第２判定条件、第３判定条件及び第４判定条件が、それぞれ、第一実施形態における第１条件、第２条件、第３条件及び第４条件に相当する。
【０１８７】
また、第１領域内の空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比である場合、第１設定空燃比及び第２設定空燃比が、それぞれ、第一実施形態におけるリーン設定空燃比及びリッチ設定空燃比に相当する。また、第１判定空燃比、第２判定空燃比、第３判定空燃比及び第４判定空燃比が、それぞれ、第一実施形態における第１リーン判定空燃比、第２リーン判定空燃比、第１リッチ判定空燃比及び第２リッチ判定空燃比に相当する。また、第１基準量及び第２基準量が第１実施形態におけるリーン側基準量及びリッチ側基準量に相当する。また、第１判定条件、第２判定条件、第３判定条件及び第４判定条件が、それぞれ、第一実施形態における第３条件、第４条件、第１条件及び第２条件に相当する。
【０１８８】
また、第二実施形態及び第三実施形態では、空燃比制御装置は、目標空燃比が第２設定空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定変化量が切替吸蔵量に達したときに目標空燃比を第２設定空燃比から第１設定空燃比に切り替える。切替吸蔵量は上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少なく且つ第１基準量よりも多い。
【０１８９】
第二実施形態では、第１領域内の空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比である。第１設定空燃比及び第２設定空燃比が、それぞれ、第二実施形態におけるリッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比に相当する。また、第１判定空燃比及び第２判定空燃比が、それぞれ、第二実施形態における第１リッチ判定空燃比及び第２リッチ判定空燃比に相当する。また、第１判定条件及び第２判定条件が、それぞれ、第二実施形態における第５条件及び第６条件に相当する。
【０１９０】
第三実施形態では、第１領域内の空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比である。第１設定空燃比及び第２設定空燃比が、それぞれ、第三実施形態におけるリーン設定空燃比及びリッチ設定空燃比に相当する。また、第１判定空燃比及び第２判定空燃比が、それぞれ、第三実施形態における第１リーン判定空燃比及び第２リーン判定空燃比に相当する。また、第１判定条件及び第２判定条件が、それぞれ、第三実施形態における第７条件及び第８条件に相当する。
【０１９１】
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。例えば、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ため、下流側触媒２４は排気浄化装置から省略されてもよい。
【符号の説明】
【０１９２】
２０    上流側触媒
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】
2019085944.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019085944.tif 000007
【図６】
2019085944.tif 000008
【図７】
2019085944.tif 000009
【図８】
2019085944.tif 000010
【図９】
2019085944.tif 000011
【図１０】
2019085944.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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