(57)【要約】【課題】排気浄化触媒の硫黄成分吸蔵量を低く維持する。【解決手段】内燃機関は、排気浄化触媒２０と、その下流側に配置されると下流側空燃比センサ４１と、排気浄化触媒の温度を検出する温度検出手段４６とを具備する。制御装置は、排気浄化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フィードバック制御を行う。目標空燃比は、リッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に設定されると共に、リッチ空燃比及びリーン空燃比に設定されている間にそれぞれそのリッチ度合い及びリーン度合いが低下せしめられる。温度検出手段によって検出された排気浄化触媒の温度が予め定められた上限温度以下のときには、上限温度よりも高いときに比べて、リーン度合い変更時期以降のリーン空燃比と理論空燃比との差から、リッチ度合い変更時期以降のリッチ空燃比と理論空燃比との差を減算した変動差が大きくされる。【選択図】図６
2015222052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒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と、前記排気浄化触媒の温度を検出又は推定する温度検出手段とを具備する内燃機関の制御装置において、
前記排気浄化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フィードバック制御を行い、
前記下流側空燃比センサによって検出された排気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、前記目標空燃比は理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えられ、
前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサによって検出される排気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る前のリーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサによって検出された排気空燃比がリーン判定空燃比以上になるまで、前記目標空燃比は前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定され、
前記下流側空燃比センサによって検出された排気空燃比がリーン判定空燃比以上になったときに、前記目標空燃比は理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に切り替えられ、
前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサによって検出される排気空燃比がリッチ判定空燃比以下になる前のリッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサよって検出された排気空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比は前記リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定され、
前記温度検出手段によって検出又は推定された前記排気浄化触媒の温度が予め定められた上限温度以下のときには、該上限温度よりも高いときに比べて、前記リーン度合い変更時期以降のリーン空燃比の平均値と理論空燃比との差から、前記リッチ度合い変更時期以降のリッチ空燃比の平均値と理論空燃比との差を減算した変動差を大きくするようにした、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、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。斯かる制御装置としては、機関排気通路に設けられた排気浄化触媒の上流側に空燃比センサを設けると共に、下流側に酸素センサを設けたものが知られている（例えば、特許文献１〜４）。
【０００３】
特に、特許文献１に記載された制御装置では、上流側の空燃比センサによって検出された空燃比に応じて、この空燃比が目標空燃比となるように内燃機関に供給する燃料量を制御するようにしている。加えて、下流側の酸素センサによって検出された酸素濃度に応じて、目標空燃比を補正するようにしている。特許文献１によれば、これにより、上流側の空燃比センサ等に経年劣化や固体バラツキが存在しても、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を目標値に合致させることができるようになるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２３２７２３号公報
【特許文献２】特開２００５−１６３６１４号公報
【特許文献３】特開２００６−１８３６３６号公報
【特許文献４】特開平６−３０７２７１号公報
【特許文献５】特開昭６２−１２６２３４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、本願の発明者らによれば、上述した特許文献１に記載された制御装置とは異なる制御を行う制御装置が提案されている。この制御装置では、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（理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比）以下になったときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）に設定される。加えて、目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間に一度そのリーン度合いが小さくされる。一方、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（理論空燃比よりも僅かにリーンな空燃比）以上になったときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）に設定される。加えて、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間に一度そのリッチ度合いが小さくされる。すなわち、この制御装置では、目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えられる。
【０００６】
このように、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替える制御を行っている場合、排気浄化触媒では酸素の吸放出が行われる。ここで、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に達すると、排気浄化触媒はそれ以上酸素を吸蔵することができなくなる。このため、排気浄化触媒からは酸素及びＮＯｘが流出することになる。また、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロに達すると排気浄化触媒ではそれ以上未燃ガスを浄化することができなくなる。このため、排気浄化触媒からは未燃ガスが流出することになる。したがって、排気浄化触媒からＮＯｘや未燃ガスの流出を抑制するためには、排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量を多く維持して、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量やゼロに達する頻度を低減させることが必要である。
【０００７】
ところで、機関本体から排出される排気ガス中にはＳＯｘ等の硫黄成分が含まれている。排気浄化触媒に斯かる硫黄成分が吸蔵されると、その分だけ排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量が減少する。したがって、排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量を高く維持するという観点からは、排気浄化触媒の硫黄成分吸蔵量を低く維持することが必要となる。
【０００８】
したがって、上記問題に鑑みて、本発明の目的は、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替える制御を行っている内燃機関の制御装置において、排気浄化触媒の硫黄成分吸蔵量を低く維持することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒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と、前記排気浄化触媒の温度を検出又は推定する温度検出手段とを具備する内燃機関の制御装置において、前記排気浄化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フィードバック制御を行い、前記下流側空燃比センサによって検出された排気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、前記目標空燃比は理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えられ、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサによって検出される排気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る前のリーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサによって検出された排気空燃比がリーン判定空燃比以上になるまで、前記目標空燃比は前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定され、前記下流側空燃比センサによって検出された排気空燃比がリーン判定空燃比以上になったときに、前記目標空燃比は理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に切り替えられ、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサによって検出される排気空燃比がリッチ判定空燃比以下になる前のリッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサよって検出された排気空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比は前記リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定され、前記温度検出手段によって検出又は推定された前記排気浄化触媒の温度が予め定められた上限温度以下のときには、該上限温度よりも高いときに比べて、前記リーン度合い変更時期以降のリーン空燃比の平均値と理論空燃比との差から、前記リッチ度合い変更時期以降のリッチ空燃比の平均値と理論空燃比との差を減算した変動差を大きくするようにした、内燃機関の制御装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、排気浄化触媒の硫黄成分吸蔵量を低く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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、排気浄化触媒の酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。
【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、本実施形態に係る内燃機関の制御装置による基本的な空燃比制御を行った場合の、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弱リーン設定空燃比の変更制御を行った際における、目標空燃比等のタイムチャートである。
【図７】図７は、目標空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】図８は、弱リッチ設定空燃比の変更制御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、１サイクルにおけるリッチ時間の比率に対するＣｍａｘ比率を表すグラフである。
【図１０】図１０は、リーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比の変更制御を行った際における、目標空燃比等のタイムチャートである。
【図１１】図１１は、弱リッチ設定空燃比及び弱リーン設定空燃比の変更制御を行った際における、目標空燃比等のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
＜内燃機関全体の説明＞
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１において、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。
【００１４】
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本実施形態の内燃機関は他の燃料を用いても良い。
【００１５】
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。
【００１６】
一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は上流側排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側排気浄化触媒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。
【００１７】
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、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。さらに、上流側排気浄化触媒２０には、上流側排気浄化触媒２０の温度を検出する上流側温度センサ４６が配置され、下流側排気浄化触媒２４には、下流側排気浄化触媒２４の温度を検出する下流側温度センサ４７が配置される。これら温度センサ４６、４７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。
【００１８】
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、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。
【００１９】
なお、本実施形態に係る内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、本発明に係る内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。例えば、本発明に係る内燃機関は、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、及び過給態様等が、上記内燃機関と異なるものであってもよい。
【００２０】
＜排気浄化触媒の説明＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒２０、２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る基材に、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。排気浄化触媒２０、２４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。
【００２１】
排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０、２４は、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン（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、排気浄化触媒２０、２４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、排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。
【００２２】
排気浄化触媒２０、２４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、排気浄化触媒２０、２４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、図２（Ａ）に示したように、酸素吸蔵量が少ないときには排気浄化触媒２０、２４により排気ガス中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。一方、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量（上限吸蔵量）Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０、２４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。
【００２３】
一方、排気浄化触媒２０、２４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、図２（Ｂ）に示したように、酸素吸蔵量が多いときには排気浄化触媒２０、２４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。一方、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ（下限吸蔵量）近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０、２４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。
【００２４】
以上のように、本実施形態において用いられる排気浄化触媒２０、２４によれば、排気浄化触媒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、排気浄化触媒２０、２４は三元触媒とは異なる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ということができる。
【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が大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに（比例するように）変化する。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が零になるように構成される。また、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】
＜基本的な空燃比制御の概要＞
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の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
【００３０】
また、本実施形態の空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて目標空燃比を設定する目標空燃比の設定制御が行われる。目標空燃比の設定制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下となったときに、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空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比はリーン設定空燃比に設定される。ここで、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１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。
【００３１】
その後、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した状態で、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リーンな空燃比（リッチ判定空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比）になると、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ほぼ理論空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比は、弱リーン設定空燃比に設定される。ここで、弱リーン設定空燃比は、リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さい（理論空燃比からの差が小さい）リーン空燃比であり、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。
【００３２】
一方、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定空燃比（例えば、１４．６５）以上になったときに、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空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比はリッチ設定空燃比に設定される。ここで、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。
【００３３】
その後、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した状態で、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よりもリッチな空燃比（リーン判定空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比）になると、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ほぼ理論空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比は、弱リッチ設定空燃比に設定される。ここで、弱リッチ設定空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さい（理論空燃比からの差が小さい）リッチ空燃比であり、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。
【００３４】
この結果、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になると、まず、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。その後、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よりも大きくなると目標空燃比が弱リーン設定空燃比に設定される。一方、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と、まず、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。その後、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よりも小さくなると目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に設定される。その後、同様な制御が繰り返される。
【００３５】
なお、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比は、理論空燃比の１％以内、好ましくは０．５％以内、より好ましくは０．３５％以内の空燃比とされる。したがって、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比の理論空燃比からの差は、理論空燃比が１４．６の場合には、０．１５以下、好ましくは０．０７３以下、より好ましくは０．０５１以下とされる。また、目標空燃比（例えば、弱リッチ設定空燃比やリーン設定空燃比）の理論空燃比からの差は、上述した差よりも大きくなるように設定される。
【００３６】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
図５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５は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置による基本的な空燃比制御を行った場合の、目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。
【００３７】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、目標空燃比ＡＦＴが弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒに設定されている。これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となっている。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側排気浄化触媒２０で浄化され、これに伴って上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。一方、上流側排気浄化触媒２０における浄化により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。
【００３８】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは時刻ｔ1においてゼロに近づく（例えば、図２のＣｌｏｗｌｉｍ）。これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻ｔ1以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下する。その結果、図示した例では、時刻ｔ2において、酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになると共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。
【００３９】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌに切り替えられる。したがって、目標空燃比は、リッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。
【００４０】
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比からリッチ空燃比に変化してすぐではなく、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達してから、目標空燃比ＡＦＴの切替を行っている。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが十分であっても、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比から極僅かにずれてしまう場合があるためである。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であるときには、上流側排気浄化触媒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。なお、上述したリーン判定空燃比についても同じことがいえる。
【００４１】
時刻ｔ2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒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）。時刻ｔ2において上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大していく。
【００４２】
このように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大していくと、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。図５に示した例では、時刻ｔ3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よりも大きな値となる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比となる。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが或る程度多くなっていることを意味する。
【００４３】
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きな値に変化したときには、目標空燃比ＡＦＴが弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌに切り替えられる。したがって、時刻ｔ3では目標空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。以下では、時刻ｔ3をリーン度合い変更時期と称する。
【００４４】
リーン度合い変更時期である時刻ｔ3において、目標空燃比ＡＦＴを弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌに切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスのリーン度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは小さくなると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度が低下する。
【００４５】
時刻ｔ3以降においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、その増加速度が遅いながらも、徐々に増加していく。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に増加すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づく（例えば、図２のＣｕｐｌｉｍ）。時刻ｔ4において酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づくと、上流側排気浄化触媒２０に流入した酸素の一部は上流側排気浄化触媒２０で吸蔵されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に上昇する。その結果、図示した例では、時刻ｔ5において、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達すると共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達する。
【００４６】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを減少させるべく、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒに切り替えられる。したがって、目標空燃比は、リーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。
【００４７】
時刻ｔ5において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒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）。時刻ｔ5において上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは減少していく。
【００４８】
このように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少していくと、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。図５に示した例では、時刻ｔ6において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さな値となる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比となる。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが或る程度少なくなっていることを意味する。
【００４９】
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さな値に変化したときには、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比から弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒに切り替えられる。
【００５０】
時刻ｔ6において、目標空燃比ＡＦＴを弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒに切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは増大すると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度が低下する。
【００５１】
時刻ｔ6以降においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、その減少速度が遅いながらも、徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて時刻ｔ7において、時刻ｔ1と同様に、ゼロに近づき、図２のＣｄｗｎｌｉｍまで減少する。その後、時刻ｔ8において、時刻ｔ2と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。その後は、時刻ｔ1〜ｔ6の操作と同様な操作が繰り返される。
【００５２】
＜基本的な制御における利点＞
上述した基本的な空燃比制御によれば、時刻ｔ2において目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変更された直後、及び時刻ｔ5において目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変更された直後には、目標空燃比の理論空燃比からの差が大きなものとされる（すなわち、リッチ度合い又はリーン度合いが大きいものとされる）。このため、時刻ｔ2において上流側排気浄化触媒２０から流出していた未燃ガス及び時刻ｔ5において上流側排気浄化触媒２０から流出していたＮＯｘを迅速に減少させることができる。したがって、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガス及びＮＯｘの流出を抑制することができる。
【００５３】
また、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻ｔ2において目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出が止まり且つその酸素吸蔵量ＯＳＡがある程度回復してから、時刻ｔ3において目標空燃比が弱リーン設定空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比のリッチ度合い（理論空燃比からの差）を小さくすることにより、仮に上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出したとしても、その単位時間当たりの流出量を減少させることができる。特に、上記空燃比制御によれば、時刻ｔ5において上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することになるが、このときの流出量を少なく抑えることができる。
【００５４】
加えて、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻ｔ5において目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ（酸素）の流出が止まり且つその酸素吸蔵量ＯＳＡがある程度減少してから、時刻ｔ6において目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比のリッチ度合い（理論空燃比からの差）を小さくすることにより、仮に上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出したとしても、その単位時間当たりの流出量を減少させることができる。特に、上記空燃比制御によれば、時刻ｔ2、ｔ8において、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出することになるが、このときにもその流出量を少なく抑えることができる。
【００５５】
さらに、本実施形態では、下流側にて排気ガスの空燃比を検出するセンサとして、空燃比センサ４１を用いている。この空燃比センサ４１は、酸素センサと異なり、ヒステリシスを有さない。このため、空燃比センサ４１によれば実際の排気空燃比に対して応答性が高く、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガス及び酸素（及びＮＯｘ）の流出を迅速に検出することができる。したがって、このことによっても、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガス及びＮＯｘ（及び酸素）の流出を抑制することができる。
【００５６】
また、酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒では、その酸素吸蔵量をほぼ一定に維持すると、その酸素吸蔵能力の低下を招く。したがって、酸素吸蔵能力を可能な限り維持するためには、排気浄化触媒の使用時にその酸素吸蔵量を上下に変化させることが必要になる。本実施形態に係る空燃比制御によれば、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、ゼロ近傍と最大吸蔵可能酸素量近傍との間で上下に繰り返し変化する。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡをできるだけ高く維持することができる。
【００５７】
なお、上記実施形態では、時刻ｔ3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よりも大きな値になったときに、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌから弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌに切り替えられる。また、上記実施形態では、時刻ｔ6において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さな値になったときに、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒから弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒに切り替えられる。しかしながら、これら目標空燃比ＡＦＴを切り替えるタイミングは、必ずしも下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて設定されなくてもよく、他のパラメータに基づいて決定されてもよい。
【００５８】
例えば、これら目標空燃比ＡＦＴを切り替えるタイミングは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡに基づいて決定されてもよい。例えば、図５に示したように、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から上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが予め定められた量αに達したときに、目標空燃比ＡＦＴが弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌに切り替えられる。また、時刻ｔ5において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが予め定められた量αだけ減少したときに、目標空燃比ＡＦＴが弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒに切り替えられる。
【００５９】
この場合、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの積算酸素過不足量に基づいて推定される。酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素又は不足する酸素（過剰な未燃ガス等の量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを表しているといえる。図５に示したように、本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比が理論空燃比を越えて変化した時にゼロにリセットされる。
【００６０】
なお、酸素過不足量は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、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からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３・Ｑｉ／（ＡＦｕｐ−１４．６）      …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比をそれぞれ表している。
【００６１】
或いは、目標空燃比ＡＦＴを弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌに切り替える時期（リーン度合い変更時期）は、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから（時刻ｔ2）の経過時間や吸入空気量の積算値等に基づいて決定されてもよい。同様に、目標空燃比ＡＦＴを弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒに切り替える時期（リッチ度合い変更時期）は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから（時刻ｔ5）の経過時間や吸入空気量の積算値等に基づいて決定されてもよい。
【００６２】
このように、リッチ度合い変更時期やリーン度合い変更時期は、様々なパラメータに基づいて決定される。いずれにせよ、リーン度合い変更時期は、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定された後であっ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以上になる前の時期とされる。同様に、リッチ度合い変更時期は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定された後であっ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以下になる前の時期とされる。
【００６３】
また、上記実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3において、目標空燃比ＡＦＴはリーン設定空燃比ＡＦＴｌに一定に維持される。しかしながら、斯かる期間中、目標空燃比ＡＦＴは必ずしも一定に維持されなくてもよく、徐々に低下（理論空燃比に近づく）するように変化してもよい。同様に、上記実施形態では、時刻ｔ3〜ｔ5において、目標空燃比ＡＦＴは弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌに一定に維持される。しかしながら、斯かる期間中、目標空燃比ＡＦＴは必ずしも一定に維持されていなくてもよく、例えば、徐々に低下（理論空燃比に近づく）するように変化してもよい。また、時刻ｔ5〜ｔ6、時刻ｔ6〜ｔ8についても、同じ事がいえる。
【００６４】
＜硫黄成分の吸蔵に関する特性＞
ところで、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘは常に一定ではなく、上流側排気浄化触媒２０の劣化等により低下する。このように最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを低下させる一因として、上流側排気浄化触媒２０への硫黄成分の吸蔵が挙げられる。
【００６５】
一般に、燃焼室５から排出される排気ガス中にはＳＯｘ等の少量の硫黄成分が含まれており、よって上流側排気浄化触媒２０には斯かる硫黄成分を含んだ排気ガスが流入することになる。上流側排気浄化触媒２０では、流入する排気ガス中に硫黄成分が含まれていると、上流側排気浄化触媒２０の温度等の条件によっては硫黄成分が吸蔵される。このように、上流側排気浄化触媒２０に硫黄成分が吸蔵されると、その分だけ上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが減少する。したがって、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを高く維持するためには、上流側排気浄化触媒２０の硫黄成分吸蔵量を低く維持することが必要となる。
【００６６】
ここで、上流側排気浄化触媒２０による硫黄成分の吸蔵の有無は、上流側排気浄化触媒２０の温度に応じて大きく変化する。上流側排気浄化触媒２０の温度が或る一定の硫黄吸蔵上限温度（例えば、６００℃）以下であるときには、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であると、流入する排気ガス中の硫黄成分が上流側排気浄化触媒２０に吸蔵せしめられる。他方、このときでも、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であると、流入する排気ガス中に硫黄成分が含まれていても、上流側排気浄化触媒２０には硫黄成分はほとんど吸蔵されない。一方、上流側排気浄化触媒２０の温度が硫黄吸蔵上限温度以上であるときには、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比にかかわらず、上流側排気浄化触媒２０に硫黄成分は吸蔵されない。
【００６７】
＜弱リーン設定空燃比の制御＞
そこで、本発明の実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度に応じて、弱リーン設定空燃比の理論空燃比からの差（リーン度合い）を変更するようにしている。
【００６８】
図６は、本実施形態におけるリーン設定空燃比の変更制御を行った際における、目標空燃比ＡＦＴ等のタイムチャートである。図６に示した例においても、基本的に、図５と同様な空燃比制御が行われている。
【００６９】
図６に示した例では、時刻ｔ7以前には、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍよりも高い温度となっている。このときの弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒ及び弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌは、それぞれ第一弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒ1及び第一弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ1に設定されている。ここで、第一弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒ1の理論空燃比からの差は、第一リッチ度合いΔＡＦＴｓｒ1となっている。また、第一弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ1の理論空燃比からの差は、第一リーン度合いΔＡＦＴｓｌ1となっている。
【００７０】
したがって、時刻ｔ2等において、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以下からリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きい空燃比に変化すると、目標空燃比ＡＦＴが第一弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ1に切り替えられる。また、時刻ｔ4等において、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以上からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さい空燃比に変化すると、目標空燃比ＡＦＴが第一弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒ1に切り替えられる。その後、時刻ｔ7までは、斯かるサイクルが繰り返される。
【００７１】
その後、時刻ｔ7において、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下になると、弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌの値が変更される。図６に示した例では、時刻ｔ7において、弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌが、第一弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ1から第二弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ2へと変更される。第二弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ2の理論空燃比からの差は、第一リーン度合いΔＡＦＴｓｌ1よりも大きい第二リーン度合いΔＡＦＴｓｌ2となっている。したがって、第二弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ2は、第一リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ1よりも大きい（リーン側の）空燃比となっている。
【００７２】
ここで、時刻ｔ7以前の第一リーン度合いΔＡＦＴｓｌ1から第一リッチ度合いΔＡＦＴｓｒ1を減算した値を第一変動差ΔＬＲ1とする（ΔＬＲ1＝ΔＡＦＴｓｌ1−ΔＡＦＴｓｒ1）。同様に、時刻ｔ7以降の第二リーン度合いΔＡＦＴｓｌ2から第一リッチ度合いΔＡＦＴｓｒ1を減算した値を第二変動差ΔＬＲ2とする（ΔＬＲ2＝ΔＡＦＴｓｌ2−ΔＡＦＴｓｒ1）。この場合、本発明の実施形態では、第二変動差ΔＬＲ2は、第一変動差ΔＬＲ1以上の値とされる（ΔＬＲ2≧ΔＬＲ1）。
【００７３】
その後、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下になっている間は、弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌは第二弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ2に維持される。そして、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが再び硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍよりも高い温度に変化すると、弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌは第一弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ1に変更される。
【００７４】
なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以上になってリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなるまでの間（例えば、時刻ｔ1〜ｔ2、ｔ8〜ｔ9）、目標空燃比ＡＦＴは一定に維持されている。すなわち、リーン設定空燃比は一定に維持されている。しかしながら、リーン設定空燃比は必ずしも一定でなくてもよく、或る程度変動してもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなってからリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまでの間（例えば、時刻ｔ2〜ｔ3、ｔ9〜ｔ10）、目標空燃比ＡＦＴは一定に維持されている。すなわち、弱リーン設定空燃比は一定に維持されている。しかしながら、弱リーン設定空燃比は必ずしも一定でなくてもよく、或る程度変動してもよい。ただし、この場合であっても、時刻ｔ9〜ｔ10における弱リーン設定空燃比の平均値のリーン度合いは、時刻ｔ2〜ｔ3における弱リーン設定空燃比の平均値のリーン度合いよりも大きいものとされる。
【００７６】
同様に、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になってからリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなるまでの間（例えば、時刻ｔ3〜ｔ4、ｔ10〜ｔ11）、目標空燃比ＡＦＴは一定に維持されている。すなわち、リッチ設定空燃比は一定に維持されている。しかしながら、リッチ設定空燃比も必ずしも一定でなくてもよく、或る程度変動してもよい。
【００７７】
また、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなってからリッチ判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以下になるまでの間（例えば、時刻ｔ4〜ｔ5、ｔ11〜ｔ12）、目標空燃比ＡＦＴは一定に維持されている。すなわち、弱リッチ設定空燃比は一定に維持されている。しかしながら、弱リッチ設定空燃比は必ずしも一定でなくてもよく、或る程度変動してもよい。
【００７８】
また、上記実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍを越えたことを境に、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比を変更している。しかしながら、設定空燃比を切り替えるための温度は、必ずしも硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍでなくてもよく、これよりも低い温度であってもよい。また、上流側排気浄化触媒２０の温度は、必ずしも上流側温度センサ４６を設けて実際に検出せずに、上流側排気浄化触媒２０の温度に関連する他のパラメータ（例えば、機関運転状態や吸入空気量等）に基づいて推定してもよい。この場合、例えば、機関運転状態がアイドル運転状態である場合や、吸入空気量が予め定められた空気量以下である場合に、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下であると判定される。
【００７９】
＜フローチャート＞
図７は、目標空燃比の算出制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
【００８０】
図７に示したように、まず、ステップＳ１１において目標空燃比ＡＦＴの算出条件が成立しているか否かが判定される。目標空燃比ＡＦＴの算出条件が成立している場合とは、通常制御中であること、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ＡＦＴ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。
【００８１】
ステップＳ１２では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているときにはＯＮとされ、それ以外のときにはＯＦＦとされるフラグである。ステップＳ１２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。
【００８２】
ステップＳ１３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よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４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よりも小さいか否かが判定される。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には、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８３】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比に近づき、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１４からステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、目標空燃比ＡＦＴが弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８４】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになっ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以下になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１３からステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌに設定される。次いで、ステップＳ１８では、リーン設定フラグＦｌがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８５】
リーン設定フラグＦｌがＯＮにセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１２からステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９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。
【００８６】
ステップＳ１９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よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいか否かが判定される。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には、ステップＳ２１へと進む。ステップＳ２１では、目標空燃比ＡＦＴが引き続きリーン設定空燃比ＡＦＴｌに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８７】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比に近づき、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２０からステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、目標空燃比ＡＦＴが弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８８】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼ最大吸蔵可能酸素量になっ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以上になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１９からステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒに設定される。次いで、ステップＳ２４では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８９】
図８は、弱リーン設定空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
【００９０】
まず、ステップＳ３１において、上流側温度センサ４６によって検出された上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下であるか否かが判定される。温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍよりも高いと判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２では、弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌが第一弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ1に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３１において、温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下であると判定された場合には、ステップＳ３３へと進む。ステップＳ３３では、弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌが第二弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌ2に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００９１】
＜設定空燃比制御の効果＞
このように、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下のときには、硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍよりも高いときに比べて、弱リーン設定空燃比のリーン度合いから弱リッチ設定空燃比のリッチ度合いを減算した変動差ΔＬＲが大きくされる（特に、弱リーン設定空燃比や弱リッチ設定空燃比が変動することを考慮すると、本実施形態では、リーン度合い変更時期以降のリーン空燃比の平均値のリーン度合いから、リッチ度合い変更時期以降のリッチ空燃比の平均値のリッチ度合いを減算した変動差が大きくされるといえる）。以下では、弱リッチ設定空燃比及び弱リーン設定空燃比をこのように制御することの効果について説明する。
【００９２】
図６に示したように、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍよりも高いときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になってからリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまでの時間をＴ1とする（例えば、時刻ｔ1〜ｔ3）。同様に、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以上になってからリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでの時間をＴ2とする（例えば、時刻ｔ3〜ｔ5）。したがって、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に達してから再度リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達するまでの１サイクルにかかる時間はＴ1＋Ｔ2で表せる（例えば、時刻ｔ1〜ｔ5）。
【００９３】
一方、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下のときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になってからリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまでの時間をＴ3とする（例えば、時刻ｔ8〜ｔ10）。同様に、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以上になってからリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでの時間をＴ4とする（例えば、時刻ｔ10〜ｔ12）。したがって、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に達してから再度リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達するまでの１サイクルにかかる時間はＴ3＋Ｔ4で表せる（例えば、時刻ｔ8〜ｔ12）。
【００９４】
図６からわかるように、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が高いとき（図中の時刻ｔ7以前）には、１サイクルの時間（Ｔ1＋Ｔ2）における時間Ｔ1の比率はそれほど低くない。すなわち、１サイクルの時間のうち上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である時間（以下、「リーン時間」という）はそれほど短くない。これに対して、上流側排気浄化触媒２０の温度が低いとき（図中の時刻ｔ7以降）には、１サイクルの時間（Ｔ3＋Ｔ4）における時間Ｔ3の比率は低くなる。すなわち、１サイクルの時間のうちリーン時間が短くなる。これは、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが低いときに変動差ΔＬＲが大きくされるためである。
【００９５】
ここで、上述したように、上流側排気浄化触媒２０では、その温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下になると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比のときに硫黄成分が吸蔵される。本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が低いときには、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である時間が短くなるため、上流側排気浄化触媒２０に硫黄成分が吸蔵されるのが抑制される。
【００９６】
一方、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が高いときには、１サイクルの時間のうちリーン時間はそれほど短くない。しかしながら、上述したように、上流側排気浄化触媒２０では、その温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍよりも高い場合には、排気ガスの空燃比がリーン空燃比であっても上流側排気浄化触媒２０には硫黄成分はほとんど吸蔵されない。したがって、排気ガスの空燃比がリーン空燃比である時間がそれほど短くなくても、上流側排気浄化触媒２０には硫黄成分はほとんど吸蔵されない。以上より、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０への硫黄成分の吸蔵を抑制することができ、よって上流側排気浄化触媒２０の硫黄成分吸蔵量を低く維持することができる。
【００９７】
これに関する実験結果を、図９に示す。図９は、１サイクルの時間におけるリッチ時間の比率（例えば、Ｔ2／（Ｔ1＋Ｔ2）、Ｔ4／（Ｔ3＋Ｔ4））とＣｍａｘ比率との関係を表すグラフである。図９に示したグラフは、新触の排気浄化触媒を用いて１サイクルにおけるリッチ時間の比率を一定に維持して内燃機関の運転を行い、その結果、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘがどのように変化したかを表している。図中のＣｍａｘ比率は、排気浄化触媒が新品である場合の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを１としたときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの比率を表している。
【００９８】
図９からわかるように、排気浄化触媒の温度が低いとき（４００℃）には、リッチ時間の比率が大きくなると、すなわちリーン時間の比率が小さくなるとＣｍａｘ比率が増大する。これは、リーン時間の比率が小さくなるほど、排気浄化触媒に硫黄成分が吸蔵されにくくなっていることを裏付けるものである。一方、排気浄化触媒の温度が高いとき（７００℃）には、Ｃｍａｘ比率は、排気浄化触媒の温度が低いときに比べて高いと共に、リッチ時間の比率に無関係にほぼ一定となっている。したがって、図９に示したグラフからも、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０への硫黄成分の吸蔵を抑制することができることが裏付けられる。
【００９９】
また、図６に示した実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が低いときには、実質的に弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌのみを変更している。したがって、排気浄化触媒の温度が低くても、リーン設定空燃比ＡＦＴｌ及びリッチ設定空燃比ＡＦＴｒは変更していない。
【０１００】
ここで、上述したように、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒやリーン設定空燃比ＡＦＴｌは、弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒや弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌに比べて、そのリッチ度合いやリーン度合いが比較的大きなものとされる。これは上述したように、図６の時刻ｔ1及び時刻ｔ3において上流側排気浄化触媒２０から流出していた未燃ガス及びＮＯｘを迅速に減少させるためである。このため、仮に上流側排気浄化触媒２０の温度が低下したときにリッチ設定空燃比ＡＦＴｒのリッチ度合い及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌのリーン度合いを小さくすると、上流側排気浄化触媒２０から流出していた未燃ガス及びＮＯｘを迅速に減少させることができなくなってしまう。
【０１０１】
これに対して、上記実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０の温度が低いときであっても、リーン設定空燃比ＡＦＴｌ及びリッチ設定空燃比ＡＦＴｒは変更されない。このため、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０から流出していた未燃ガス及びＮＯｘを迅速に減少させることができる。
【０１０２】
なお、上流側排気浄化触媒２０の温度が低いときには、リーン設定空燃比ＡＦＴｌ及びリッチ設定空燃比ＡＦＴｒを変更するようにしてもよい。この場合、例えば、図１０に示したように、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍよりも高いときには、リーン設定空燃比ＡＦＴｌが第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌ1に設定される。加えて、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下のときには、リーン設定空燃比ＡＦＴｌは第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌ2に設定される。ここで、第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌ2の理論空燃比からの差（リッチ度合い）は、第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌ1の理論空燃比からの差（リッチ度合い）よりも大きなものとなっている。
【０１０３】
したがって、図１０に示した例では、リーン設定空燃比ＡＦＴｌと理論空燃比との差からリッチ設定空燃比ＡＦＴｒと理論空燃比との差を減算したものを変動差とすると、時刻ｔ7以前に比べて時刻ｔ7以降の方が変動差が大きくされているといえる。上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下であるときには、これよりも高いときに比べて、斯かる変動差を大きくすることができれば、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌはどのように変更してもよい。
【０１０４】
さらに、図６に示した実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が低いときには、温度が高いときに比べて、弱リーン設定空燃比ＡＦＴｓｌのリーン度合いを大きくしている。しかしながら、弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒのリッチ度合いは、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍを越えて変化しても、そのまま維持される。
【０１０５】
ここで、上述したように、第二変動差ΔＬＲ2を第一変動差ΔＬＲ1以上の値にするという観点からは、上流側排気浄化触媒２０の温度が低いときには、温度が高いときに比べて、弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒのリッチ度合いを小さくすることが考えられる。しかしながら、例えば上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に僅かながら誤差がある場合、弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒのリッチ度合いを必要以上に小さくすると、目標空燃比がリッチ空燃比であるのに実際に上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比やリーン空燃比になってしまう可能性がある。そこで、上記実施形態では、弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒのリッチ度合いは、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍを越えて変化しても、そのまま維持される。
【０１０６】
なお、図１１に示したように、上流側排気浄化触媒２０の温度が高いときの弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒ1のリッチ度合いが比較的大きいような場合、上流側排気浄化触媒２０の温度ＣＴが硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍ以下であるときには、硫黄吸蔵上限温度ＣＴｌｉｍよりも高いときに比べて、弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒのリッチ度合いを小さくしてもよい（図１１中の弱リッチ設定空燃比ＡＦＴｓｒ2）。
【符号の説明】
【０１０７】
１    機関本体
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１９    排気マニホルド
２０    上流側排気浄化触媒
２４    下流側排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
４６    温度センサ
４７    温度センサ
【図１】
2015222052.tif 000003
【図２】
2015222052.tif 000004
【図３】
2015222052.tif 000005
【図４】
2015222052.tif 000006
【図５】
2015222052.tif 000007
【図６】
2015222052.tif 000008
【図７】
2015222052.tif 000009
【図８】
2015222052.tif 000010
【図９】
2015222052.tif 000011
【図１０】
2015222052.tif 000012
【図１１】
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