(57)【要約】【課題】ＮＯｘの流出を抑制する内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン設定空燃比にするリーン制御および排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比にするリッチ制御を実施する。リーン制御により排気浄化触媒に吸蔵される酸素量が判定基準吸蔵量以上になった場合にリッチ制御に切り替える制御を実施し、更に、第１の吸入空気量におけるリーン設定空燃比は、第１の吸入空気量よりも小さな第２の吸入空気量におけるリーン設定空燃比よりもリッチ側に設定する制御を実施する。【選択図】図１２
2015068224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路において酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒を備える内燃機関の制御装置であって、
前記排気浄化触媒の上流に配置され、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、
前記排気浄化触媒の下流に配置され、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を備え、
前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以下である判定基準吸蔵量以上になるまで、断続的または連続的に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンなリーン設定空燃比にするリーン制御と、下流側空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であるリッチ判定空燃比以下になるまで、連続的または断続的に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ設定空燃比にするリッチ制御とを実施し、リーン制御の期間中に酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量以上になった場合にリッチ制御に切り替えて、リッチ制御の期間中に下流側空燃比センサの出力がリッチ判定空燃比以下になった場合にリーン制御に切り替える制御を実施し、更に、第１の吸入空気量および第１の吸入空気量よりも小さな第２の吸入空気量におけるリーン設定空燃比を比較したときに、第１の吸入空気量におけるリーン設定空燃比を第２の吸入空気量におけるリーン設定空燃比よりもリッチ側に設定する制御を実施することを特徴とする、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
吸入空気量が増大するほどリーン設定空燃比をリッチ側に設定する制御を実施する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
高吸入空気量の領域が予め定められており、
高吸入空気量の領域では、吸入空気量が増大するほどリーン設定空燃比をリッチ側に設定し、高吸入空気量の領域より小さな吸入空気量の領域では、リーン設定空燃比を一定に維持する、請求項１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、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室から排出される排気ガスには、未燃ガスやＮＯｘ等が含まれており、排気ガスの成分を浄化するために機関排気通路には排気浄化触媒が配置される。未燃ガスやＮＯｘ等の成分を同時に浄化できる排気浄化触媒としては三元触媒が知られている。三元触媒は、排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍の場合に、未燃ガスやＮＯｘ等を高い浄化率で浄化することができる。このために、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値に基づいて内燃機関に供給する燃料の量を制御する制御装置が知られている。
【０００３】
排気浄化触媒としては、酸素吸蔵能力を有するものを用いることができる。酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒は、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、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチであっても未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）やＮＯｘ等を浄化できる。排気浄化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、排気浄化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。
【０００４】
逆に、排気浄化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排気浄化触媒に吸蔵される。これにより、排気浄化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。このように、排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が適当な量である限り、排気浄化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。
【０００５】
そこで、斯かる制御装置では、排気浄化触媒における酸素吸蔵量を適切な量に維持すべく、排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に空燃比センサを設け、排気流れ方向下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。
【０００６】
例えば、特開２０１１−０６９３３７号公報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、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態であるときには、排気浄化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、排気浄化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。この制御により、酸素不足状態又は酸素過剰状態にあるときに、排気浄化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、排気浄化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。
【０００７】
また、特開２００１−２３４７８７号公報に記載の制御装置では、エアフロメータ及び排気浄化触媒の上流側の空燃比センサ等の出力に基づいて、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を算出している。その上で、算出された酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量よりも多いときには排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比とし、算出された酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量よりも少ないときには目標空燃比をリーン空燃比としている。この制御により、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を目標酸素吸蔵量に一定に維持することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−０６９３３７号公報
【特許文献２】特開２００１−２３４７８７号公報
【特許文献３】特開平８−２３２７２３号公報
【特許文献４】特開２００９−１６２１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒は、排気浄化触媒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に、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の近傍になると、排気ガス中の酸素を吸蔵しにくくなる。排気浄化触媒の内部では酸素過剰な状態になり、排気ガスに含まれるＮＯｘが還元浄化されにくくなる。このため、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の近傍になると、排気浄化触媒から流出する排気ガスのＮＯｘ濃度が急激に上昇する。
【００１０】
このために、上記の特開２０１１−０６９３３７号公報に開示されているように、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下になったときに目標空燃比をリッチ空燃比に設定する制御を行った場合には排気浄化触媒からは或る程度のＮＯｘが流出するという問題がある。
【００１１】
図１６に、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比と排気浄化触媒から流出するＮＯｘ濃度との関係を説明するタイムチャートを示す。図１６は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量、下流側の酸素センサによって検出される排気ガスの空燃比、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比、上流側の空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比、及び排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。
【００１２】
時刻ｔ1以前の状態では、排気浄化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ている。このため、排気浄化触媒の酸素吸蔵量は徐々に増加している。一方、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の酸素は全て排気浄化触媒において吸蔵されるため、排気浄化触媒から流出する排気ガス中には酸素はほとんど含まれていない。このため、下流側の酸素センサによって検出される排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。同様に、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘは全て排気浄化触媒において還元浄化されるため、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはＮＯｘもほとんど含まれていない。
【００１３】
排気浄化触媒の酸素吸蔵量が徐々に増加して最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに近づくと、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の酸素の一部が排気浄化触媒に吸蔵されなくなり、その結果、時刻ｔ1から、排気浄化触媒から流出する排気ガス中に酸素が含まれるようになる。このため、下流側酸素センサによって検出される排気ガスの空燃比はリーン空燃比となる。その後、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がさらに増加すると、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が、予め定められた上限空燃比ＡＦｈｉｇｈｒｅｆ（低側閾値に相当）に達し、目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。
【００１４】
目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられると、切り替えられた目標空燃比に合わせて内燃機関における燃料噴射量が増大せしめられる。このように燃料噴射量が増大されても、内燃機関本体から排気浄化触媒までは或る程度の距離があるため、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比は直ぐにはリッチ空燃比に変更されずに遅れが生じる。このため、目標空燃比が時刻ｔ2でリッチ空燃比に切り替えられてもなお、時刻ｔ3まで排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比のままになる。このため、時刻ｔ2からｔ3の間においては、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達するか、又は最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値となり、その結果、排気浄化触媒からは酸素及びＮＯｘが流出することになる。その後、時刻ｔ3において排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となり、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比に収束していく。
【００１５】
このように、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てから排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるまでには遅れが生じる。その結果、時刻ｔ1からｔ4までの期間に、排気浄化触媒からＮＯｘが流出してしまっていた。
【００１６】
本発明の目的は、酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒を具備する内燃機関において、ＮＯｘの流出を抑制す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】
本発明の内燃機関の制御装置は、機関排気通路において酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒を備える内燃機関の制御装置であって、排気浄化触媒の上流に配置され、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、排気浄化触媒の下流に配置され、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を備える。排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以下である判定基準吸蔵量以上になるまで、断続的または連続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンなリーン設定空燃比にするリーン制御と、下流側空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比であるリッチ判定空燃比以下になるまで、連続的または断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ設定空燃比にするリッチ制御とを実施し、リーン制御の期間中に酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量以上になった場合にリッチ制御に切り替え、リッチ制御の期間中に下流側空燃比センサの出力がリッチ判定空燃比以下になった場合にリーン制御に切り替える制御を実施する。更に、第１の吸入空気量および第１の吸入空気量よりも小さな第２の吸入空気量におけるリーン設定空燃比を比較したときに、第１の吸入空気量におけるリーン設定空燃比を第２の吸入空気量におけるリーン設定空燃比よりもリッチ側に設定する制御を実施する。
【００１８】
上記発明においては、吸入空気量が増大するほどリーン設定空燃比をリッチ側に設定する制御を実施することができる。
【００１９】
上記発明においては、高吸入空気量の領域が予め定められており、高吸入空気量の領域では、吸入空気量が増大するほどリーン設定空燃比をリッチ側に設定し、高吸入空気量の領域より小さな吸入空気量の領域では、リーン設定空燃比を一定に維持することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ＮＯｘの流出を抑制する内燃機関の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態における内燃機関の概略図である。
【図２】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及び未燃ガスの濃度との関係を示す図である。
【図３】空燃比センサの概略的な断面図である。
【図４】空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
【図５】空燃比センサ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６】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】実施の形態の第１の通常運転制御における上流側の排気浄化触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図８】実施の形態の第１の通常運転制御における下流側の排気浄化触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。
【図９】制御装置の機能ブロック図である。
【図１０】実施の形態の第１の通常運転制御における空燃比補正量を算出する制御ルーチンのフローチャートである。
【図１１】実施の形態の第２の通常運転制御のタイムチャートである。
【図１２】実施の形態の第２の通常運転制御における空燃比補正量を算出する制御ルーチンのフローチャートである。
【図１３】実施の形態の吸入空気量とリーン設定補正量との関係を示すグラフである。
【図１４】実施の形態の吸入空気量とリーン設定補正量との他の関係を示すグラフである。
【図１５】実施の形態の第３の通常運転制御のタイムチャートである。
【図１６】従来の技術の制御のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１から図１５を参照して、実施の形態における内燃機関の制御装置について説明する。本実施の形態における内燃機関は、回転力を出力する機関本体と、燃焼室から流出する排気を浄化する排気処理装置とを備える。
【００２３】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本実施の形態における内燃機関を概略的に示す図である。内燃機関は、機関本体１を備え、機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に固定されたシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２には穴部が形成され、この穴部の内部を往復移動するピストン３が配置されている。燃焼室５は、シリンダブロック２の穴部、ピストン３、およびシリンダヘッド４に囲まれる空間により構成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。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を開閉するように形成されている。
【００２４】
シリンダヘッド４の内壁面において、燃焼室５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の内壁面の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、本実施の形態では、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、本発明の内燃機関は他の燃料を用いても良い。
【００２５】
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は機関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。
【００２６】
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の集合部は上流側の排気浄化触媒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を介して下流側の排気浄化触媒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、機関排気通路を形成する。
【００２７】
本実施の形態の内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１を含む。本実施の形態における電子制御ユニット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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０から流出して下流側の排気浄化触媒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。これらの空燃比センサの出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これらの空燃比センサの構成については後述する。
【００３０】
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。
【００３１】
＜排気浄化触媒の説明＞
本実施の形態の内燃機関の排気処理装置は、複数の排気浄化触媒を備える。本実施の形態の排気処理装置は、上流側の排気浄化触媒２０と、排気浄化触媒２０よりも下流に配置されている下流側の排気浄化触媒２４とを含む。上流側の排気浄化触媒２０及び下流側の排気浄化触媒２４は、同様の構成を有する。以下では、上流側の排気浄化触媒２０についてのみ説明するが、下流側の排気浄化触媒２４も同様な構成及び作用を有する。
【００３２】
上流側の排気浄化触媒２０は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、上流側の排気浄化触媒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）、パラジウム（Ｐｄ）、およびロジウム（Ｒｈ））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。上流側の排気浄化触媒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。
【００３３】
上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、上流側の排気浄化触媒２０は、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒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。次に、本実施の形態における排気浄化触媒の酸素吸蔵量と浄化能力との関係について説明する。
【００３４】
図２に、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及び未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）の濃度との関係を示す。図２（Ａ）は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときの、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濃度との関係を示す。一方、図２（Ｂ）は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの、酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度との関係を示す。
【００３５】
図２（Ａ）からわかるように、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少ないときには、最大酸素吸蔵量まで余裕がある。このため、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比（すなわち、この排気ガスがＮＯｘ及び酸素を含む）であっても、排気ガス中の酸素は排気浄化触媒に吸蔵され、これに伴ってＮＯｘも還元浄化される。この結果、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはほとんどＮＯｘは含まれない。
【００３６】
しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が多くなると、排気浄化触媒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、排気浄化触媒において排気ガス中の酸素を吸蔵しにくくなり、これに伴って排気ガス中のＮＯｘも還元浄化されにくくなる。このため、図２（Ａ）から分かるように、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の上限吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍを超えて増大すると排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度が急激に上昇する。
【００３７】
一方、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が多いときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比（すなわち、この排気ガスがＨＣやＣＯ等の未燃ガスを含む）であると、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素が放出される。このため、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。この結果、図２（Ｂ）から分かるように、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはほとんど未燃ガスは含まれない。
【００３８】
しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少なくなり、０の近傍になると、排気浄化触媒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、排気浄化触媒から放出される酸素が少なくなり、これに伴って排気ガス中の未燃ガスも酸化浄化されにくくなる。このため、図２（Ｂ）からわかるように、酸素吸蔵量が或る下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍを超えて減少すると排気浄化触媒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。
【００３９】
以上のように、本実施の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。
【００４０】
＜空燃比センサの構成＞
次に、図３を参照して、本実施の形態における上流側空燃比センサ４０および下流側空燃比センサ４１の構造について説明する。図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。本実施の形態における空燃比センサは、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。空燃比センサとしては、この形態に限られず、排気ガスの空燃比に応じて出力が連続的に変化する他の形態のセンサを採用しても構わない。たとえば、２セル型の空燃比センサを採用しても構わない。
【００４１】
本実施の形態における空燃比センサは、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、空燃比センサの加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００４２】
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。本実施の形態では、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。
【００４３】
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。本実施の形態では、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。本実施の形態では、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、電子制御ユニット３１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、電子制御ユニット３１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を介して排気側電極５２と大気側電極５３との間に流れる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の出力電流である。
【００４７】
＜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、空燃比センサの基準ガス室５８には大気が導入される。
【００４８】
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。
【００４９】
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、排気側電極５２と大気側電極５３との間に一定のセンサ印加電圧Ｖｒが印加されている。なお、本実施の形態では、空燃比センサにおけるセンサ印加電圧Ｖｒは同一の電圧となっている。
【００５０】
空燃比センサの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。
【００５１】
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。
【００５２】
一方、空燃比センサの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。
【００５３】
このとき流れる電流は出力電流Ｉｒとなる。出力電流の大きさは、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。
【００５４】
また、空燃比センサの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。
【００５５】
このように構成された空燃比センサは、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）、空燃比センサの出力電流Ｉｒが大きくなる。加えて、空燃比センサは、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。
【００５６】
＜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、排気側電極５２と大気側電極５３との間の電位差をＶｓと表している。
【００５７】
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排気側電極５２と大気側電極５３との間の電位差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。
【００５８】
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、排気側電極５２と大気側電極５３との間の電位差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。
【００５９】
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。このため、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、排気側電極５２と大気側電極５３との間に電位差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。
【００６０】
したがって、電圧印加装置６０は、実質的に、排気側電極５２と大気側電極５３との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、排気側電極５２と大気側電極５３との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。
【００６１】
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。
【００６２】
Ｅ0＝Ｖｒ＋Ｖ0＋ＩｒＲ      …（１）
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
したがって、電流検出装置６１は、実質的に、排気側電極５２と大気側電極５３との間に流れる電流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、排気側電極５２と大気側電極５３との間を流れる電流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。
【００６６】
＜基本的な通常運転制御の概要＞
次に、本実施の形態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。始めに、内燃機関において目標空燃比にガス空燃比を一致させるように燃料噴射量を決定する通常運転制御について説明する。内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整する流入空燃比制御手段を備える。本実施の形態の流入空燃比制御手段は、燃焼室に供給する燃料の量を調整することにより、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整する。流入空燃比制御手段としては、この形態に限られず、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整可能な任意の装置を採用することができる。たとえば、流入空燃比制御手段は、排気ガスを機関吸気通路に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置を備えており、還流ガスの量を調整するように形成されていても構わない。
【００６７】
本実施の形態の内燃機関は、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、排気浄化触媒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。
【００６８】
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Ｉｒｅｆ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Ｉｒｅｆ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）に相当する値を採用することができる。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１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。
【００６９】
本実施の形態の内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒に吸蔵される酸素の吸蔵量を取得する酸素吸蔵量取得手段を備える。目標空燃比がリーン設定空燃比の場合に、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが推定される。また、本実施の形態では目標空燃比がリッチ設定空燃比の場合にも上流側の排気浄化触媒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および燃料噴射弁１１からの燃料噴射量等に基づいて行われる。そして、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される制御を実施している期間中に、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が予め定められた判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比が、リッチ設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。本実施の形態においては、弱リッチ設定空燃比が採用されている。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Ｉｒｅｆ以下となったときに再び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。
【００７０】
このように本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒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、本実施の形態では、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、本実施の形態では、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。
【００７１】
なお、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差とほぼ同じであっても構わない。すなわち、リッチ設定空燃比の深さとリーン設定空燃比の深さとがほぼ等しくなっていても構わない。このような場合には、リーン設定空燃比の期間と、リッチ設定空燃比の期間とがほぼ同じ長さになる。
【００７２】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
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、上流側の排気浄化触媒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、及び上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度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、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒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。下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎも、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒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。
【００７４】
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、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。上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは徐々に減少していく。しかしながら、排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００７５】
上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側の排気浄化触媒２０で浄化されずに流出する。このため、時刻ｔ1以降、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００７６】
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Ｉｒｅｆに到達する。本実施の形態では、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Ｉｒｅｆになると、上流側の排気浄化触媒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。
【００７７】
なお、本実施の形態では、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Ｉｒｅｆに到達してから、すなわち上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であっても、上流側の排気浄化触媒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、本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であるときには上流側の排気浄化触媒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。
【００７８】
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、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はすぐにはリーン空燃比にならず、或る程度の遅れが生じる。その結果、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は時刻ｔ3においてリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。なお、時刻ｔ2〜ｔ3においては、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となっているため、この排気ガス中には未燃ガスが含まれることになる。しかしながら、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００７９】
時刻ｔ3において上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大する。また、これに伴って、上流側の排気浄化触媒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。このとき、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比となっているが、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気ガス中の酸素は上流側の排気浄化触媒２０に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。このため、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８０】
その後、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増大すると、時刻ｔ4において酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。本実施の形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆになると、上流側の排気浄化触媒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。
【００８１】
ただし、上述したように、目標空燃比を切り替えてから上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が実際に変化するまでには遅れが生じる。このため、時刻ｔ4にて切替を行っても、上流側の排気浄化触媒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た時刻ｔ5においてリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。時刻ｔ4〜ｔ5においては、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比であるため、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大していく。
【００８２】
しかしながら、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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ｔ5においても酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量には到達しない。逆に言うと、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、目標空燃比を切り替えてから上流側の排気浄化触媒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、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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。したがって、時刻ｔ4〜ｔ5においても、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８３】
時刻ｔ5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。上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは徐々に減少していき、時刻ｔ6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、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８４】
次いで、時刻ｔ7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Ｉｒｅｆ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リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ6のサイクルが繰り返される。
【００８５】
なお、このような空燃比補正量ＡＦＣの制御は、電子制御ユニット３１によって行われる。したがって、電子制御ユニット３１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、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆとなるまで、上流側の排気浄化触媒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する酸素吸蔵量増加手段と、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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する酸素吸蔵量減少手段とを具備するといえる。
【００８６】
以上の説明から分かるように上記実施形態によれば、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができる。すなわち、上述した制御を行っている限り、基本的には上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を少ないものとすることができる。
【００８７】
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。本実施の形態においても、時刻ｔ3〜ｔ4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、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。
【００８８】
また、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されると、その排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下する。これに対して、本実施の形態によれば、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。
【００８９】
なお、上記実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ4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ｔ4〜ｔ7において、空燃比補正量ＡＦＣは弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ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。
【００９０】
ただし、この場合であっても、時刻ｔ2〜ｔ4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平均値と理論空燃比との差が、時刻ｔ4〜ｔ7における目標空燃比の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することができる。
【００９１】
また、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、上流側の排気浄化触媒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。また、上記実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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、上流側の排気浄化触媒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。
【００９２】
＜下流側触媒も用いた制御の説明＞
また、本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒２０に加えて下流側の排気浄化触媒２４も設けられている。下流側の排気浄化触媒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（Ｆ／Ｃ）制御によって最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値とされる。このため、たとえ上流側の排気浄化触媒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の排気浄化触媒２４において酸化浄化される。
【００９３】
ここで、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から燃料の噴射を停止する制御である。この制御を行うと、排気浄化触媒２０および排気浄化触媒２４には多量の空気が流入することになる。
【００９４】
以下、図８を参照して、下流側の排気浄化触媒２４における酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推移について説明する。図８は、図７と同様な図であり、図７のＮＯｘ濃度の推移に換えて、下流側の排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ及び下流側の排気浄化触媒２４から流出する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）の濃度の推移を示している。また、図８に示した例では、図７に示した例と同一の制御を行っている。
【００９５】
図８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、下流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒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、下流側の排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは一定に維持される。
【００９６】
その後、時刻ｔ1〜ｔ4において、上流側の排気浄化触媒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、下流側の排気浄化触媒２４には、未燃ガスを含む排気ガスが流入する。
【００９７】
上述したように、下流側の排気浄化触媒２４には多量の酸素が吸蔵されているため、下流側の排気浄化触媒２４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、下流側の排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは減少する。ただし、時刻ｔ1〜ｔ4において上流側の排気浄化触媒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〜ｔ4において上流側の排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスは全て下流側の排気浄化触媒２４において還元浄化される。
【００９８】
時刻ｔ6以降についても、或る程度の時間間隔毎に時刻ｔ1〜ｔ4における場合と同様に、上流側の排気浄化触媒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の排気浄化触媒２４に吸蔵されている酸素により還元浄化される。したがって、下流側の排気浄化触媒２４からは未燃ガスが流出することはほとんどない。上述したように、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量が少ないものとされることを考えると、本実施の形態によれば、下流側の排気浄化触媒２４からの未燃ガス及びＮＯｘの排出量は常に少ないものとされる。
【００９９】
＜具体的な制御の説明＞
次に、図９及び図１０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。本実施の形態における制御装置は、機能ブロック図である図９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９を参照しながら各機能ブロックについて説明する。
【０１００】
＜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。
【０１０１】
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、電子制御ユニット３１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。本実施の形態においては、筒内吸入空気量算出手段Ａ１が吸入空気量取得手段として機能する。吸入空気量取得手段としては、この形態に限られず、任意の装置や制御により燃焼室に流入する空気の吸入空気量を取得することができる。
【０１０２】
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）。
【０１０３】
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。
【０１０４】
＜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、酸素吸蔵量取得手段として機能する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。
【０１０５】
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及び上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいて上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔを算出する。例えば、酸素吸蔵量算出手段Ａ４は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに対応する空燃比と理論空燃比との差分に燃料噴射量Ｑｉを乗算すると共に、求めた値を積算することによって酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔを算出する。また、燃料噴射量Ｑｉ及び上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいて酸素放出量を計算しても構わない。なお、酸素吸蔵量算出手段Ａ４による上流側の排気浄化触媒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が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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。
【０１０６】
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ＯＳＡｅｓｔ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、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Ｉｒｅｆ（リッチ判定空燃比に相当する値）以下となったときに、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。その後、空燃比補正量ＡＦＣは、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達するまで、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持される。酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達すると、空燃比補正量ＡＦＣは弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされる。その後、空燃比補正量ＡＦＣ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Ｉｒｅｆ（リッチ判定空燃比に相当する値）となるまで、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。
【０１０７】
目標空燃比設定手段Ａ６は、基準となる空燃比、本実施の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。
【０１０８】
図１０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。
【０１０９】
図１０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。ステップＳ１２では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ、燃料噴射量Ｑｉが取得せしめられる。次いでステップＳ１３では、ステップＳ１２で取得された上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び燃料噴射量Ｑｉに基づいて酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが算出される。
【０１１０】
次いでステップＳ１４において、リーン設定フラグＦｒ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Ｆｒ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Ｓ１４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Ｓ１５へと進む。ステップＳ１５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Ｉｒｅｆ以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆよりも大きいと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１１１】
一方、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが減少して、上流側の排気浄化触媒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Ｓ１５に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Ｉｒｅｆ以下であると判定される。この場合には、ステップＳ１６へと進み、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。次いで、ステップＳ１７では、リーン設定フラグＦｒが１に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１１２】
次の制御ルーチンにおいては、ステップＳ１４において、リーン設定フラグＦｒが０に設定されていないと判定されて、ステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８では、ステップＳ１３で算出された酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも少ないか否かが判定される。酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも少ないと判定された場合にはステップＳ１９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、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増大すると、やがてステップＳ１８において酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上であると判定されてステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０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Ｓ２１では、リーン設定フラグＦｒが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１１３】
＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
再び図９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。
【０１１４】
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、上流側空燃比センサ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、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に相当する。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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（２）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。
【０１１７】
ＤＦｉ＝Ｋｐ・ＤＡＦ＋Ｋｉ・ＳＤＡＦ＋Ｋｄ・ＤＤＡＦ      …（２）
【０１１８】
なお、上記式（２）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）。
【０１１９】
なお、上記実施形態では、上流側の排気浄化触媒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、上流側の排気浄化触媒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。
【０１２０】
このように、通常運転制御においては、上流側の排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比の状態とリーン空燃比の状態とを繰り返し、更に酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の近傍に到達することを回避する制御を行うことにより、ＮＯｘの流出を抑制することができる。本実施の形態では、通常運転制御において、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする制御をリッチ制御と称し、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比にする制御をリーン制御と称する。すなわち、通常運転制御では、リッチ制御とリーン制御とを繰り返して行う。また、前述の基本的な通常運転制御を第１の通常運転制御と称する。
【０１２１】
＜第２の通常運転制御の説明＞
次に、本実施の形態における第２の通常運転制御について説明する。内燃機関の運転期間中には要求負荷が変化する。内燃機関の制御装置は、要求負荷に基づいて吸入空気量を調整する。すなわち、負荷が大きくなるほど吸入空気量が増大される。燃料噴射弁から噴射される燃料の量は、吸入空気量と燃焼時の空燃比に基づいて設定される。
【０１２２】
ところで、燃焼時の空燃比が同一であっても、吸入空気量が増大すると排気浄化触媒に流入する排気ガスの流量は増大する。排気ガスの空燃比がリーン空燃比の場合には、吸入空気量が増大するほど、単位時間あたりに排気浄化触媒に流入する酸素の量は増大する。このために、吸入空気量が大きくなる運転状態では、排気浄化触媒の酸素吸蔵量の変化速度が大きくなる。燃焼時の空燃比は、負荷変動等に伴って変化する時に所定の誤差が生じる。燃焼時の空燃比のずれ等に起因して、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比にもずれが生じる。この時に、排気ガスの空燃比のずれが小さくても排気ガスの流量が大きいと、酸素吸蔵量の増加速度が速くなって、酸素吸蔵量が排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに近接する虞がある。酸素吸蔵量が排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに近接するとＮＯｘを十分に浄化できない虞がある。
【０１２３】
そこで、本実施の形態の第２の通常運転制御では、吸入空気量を取得し、吸入空気量に基づいてリーン制御におけるリーン設定空燃比を変更する制御を実施する。第２の通常運転制御では、吸入空気量が増大するほどリーン設定空燃比をリッチ側に設定する制御を含む。
【０１２４】
図１１に、本実施の形態における第２の通常運転制御のタイムチャートを示す。時刻ｔ5までは、前述の第１の通常運転制御と同様の制御を行っている。すなわち、時刻ｔ2まではリッチ制御を実施し、時刻ｔ2から時刻ｔ4まではリーン制御を実施している。時刻ｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆに到達している。時刻ｔ2において、空燃比補正量が弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ１に切り替えられている。時刻ｔ3において排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になる。時刻ｔ3以降には排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増加し、時刻ｔ4において酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達している。時刻ｔ4において空燃比補正量がリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ１から弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切替えられている。時刻ｔ5以降では酸素吸蔵量が徐々に低下している。
【０１２５】
ここで、時刻ｔ11までは、要求負荷が一定であり、吸入空気量Ｍｃ１が一定である。時刻ｔ11までは比較的に低負荷であり、吸入空気量Ｍｃ１は低吸入空気量である。時刻ｔ11において要求負荷が増大して高負荷になっている。吸入空気量が低吸入空気量から高吸入空気量に変化している。図１１に示す制御例では、吸入空気量Ｍｃ１から吸入空気量Ｍｃ２に増大している。吸入空気量Ｍｃが増大すると、単位時間あたりに排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの量が増大する。
【０１２６】
時刻ｔ11の前後においても空燃比補正量は、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈにて維持されている。しかしながら、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量が増大するために、時刻ｔ11以降では酸素吸蔵量の減少速度が速くなる。時刻ｔ12において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零から下降を開始し、時刻ｔ13においてリッチ判定基準値Ｉｒｅｆに到達している。時刻ｔ13において、リッチ制御からリーン制御に切り替えられている。時刻ｔ14において、上流側空燃比センサの４０の出力値が、リッチ空燃比からリーン空燃比に変化している。
【０１２７】
時刻ｔ13以降のリーン制御では、時刻ｔ11において吸入空気量が増大しているために、リーン設定空燃比を低下させる制御を行っている。空燃比補正量はリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ２に設定されている。リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ２は、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ１よりも小さく設定されている。時刻ｔ13以降のリーン制御における上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐは、前回のリーン制御の上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐよりも小さくなる。このように時刻ｔ13から開始するリーン制御において、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスのリーン空燃比を時刻ｔ2から開始しているリーン制御のリーン空燃比よりもリッチにする。図１１に示す制御例では、空燃補正量を小さくしたものの吸入空気量が増大しているために、酸素吸蔵量の上昇速度は、時刻ｔ2から時刻ｔ4までの前回のリーン制御よりも速くなっている。
【０１２８】
時刻ｔ15において、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達し、リーン制御からリッチ制御に切替えられている。空燃比補正量がリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ２から弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切替えられている。時刻ｔ16において、上流側空燃比センサ４０の出力値が、リーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられている。酸素吸蔵量は、時刻ｔ16以降において徐々に減少する。
【０１２９】
図１１に示す制御例においては、吸入空気量が増大するほどリーン設定空燃比を低下させる制御を行っている。ここで、図１１に示す例では、リーン設定空燃比をリッチ側にしても、吸入空気量の増加量が大きいために、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量に到達するまでの時間が短くなっている。すなわち、時刻ｔ13から時刻ｔ15までのリーン制御の継続時間は、時刻ｔ2から時刻ｔ4までのリーン制御の継続時間よりも短くなっている。リーン設定空燃比を低下したときのリーン制御の継続時間は、この形態に限られず、吸入空気量の増量に応じて長くなったり、ほぼ同じになったりしても構わない。また、図１１に示す制御例では、時刻ｔ５における酸素吸蔵量よりも吸入空気量を増大したときの時刻ｔ１６における酸素吸蔵量が大きくなっているが、この形態に限られず、吸入空気量を変化した場合にも酸素吸蔵量がほぼ一定に維持されていても構わない。
【０１３０】
このように、吸入空気量が増大した時、すなわち、負荷が増大した時にリーン制御における排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を低下させる制御を行うことにより、リーン制御に切替えた時に酸素吸蔵量の増加速度が大きいために、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの近傍に到達してしまうことを抑制できる。このために、排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出を抑制することができる。
【０１３１】
図１２に、本実施の形態における第２の通常運転制御のフローチャートを示す。ステップＳ１１からステップＳ１３までの工程は、前述の第１の通常運転制御と同様である。ステップＳ１３において、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔを推定した後にステップＳ３１に移行する。ステップＳ３１においては吸入空気量Ｍｃを読み込む。
【０１３２】
次に、ステップＳ３２においては、リーン設定空燃比を設定する。すなわち、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎを設定する。なお、本実施の形態においては、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは、吸入空気量が変化しても予め定められた一定の補正量を採用している。
【０１３３】
図１３に、第２の通常運転制御におけるリーン設定補正量のグラフを示す。吸入空気量Ｍｃの全体の領域において、吸入空気量Ｍｃが増大するほど、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが減少するように設定されている。この吸入空気量とリーン設定補正量との関係は、電子制御ユニット３１に予め記憶させておくことができる。すなわち、吸入空気量Ｍｃを関数にしたリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎを予め電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。このように、吸入空気量に基づいてリーン制御における排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を設定することができる。
【０１３４】
ステップＳ１４からステップＳ２１までは、前述の第１の通常運転制御と同様である。ここで、ステップＳ１６において、リッチ制御からリーン制御に切替えるために、空燃比補正量を弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに変更する場合には、ステップＳ３２にて設定されたリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが使用される。
【０１３５】
また、リーン制御においては、ステップＳ１８において、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも小さい場合には、リーン制御が継続される。この場合に、ステップＳ１９において、空燃比補正量ＡＦＣには、ステップＳ３２で設定されたリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが採用される。リーン設定補正量は、吸入空気量に基づいて変更されるため、リーン制御を継続している期間中にも吸入空気量が変化した場合にはリーン設定補正量を変更する制御を実施している。
【０１３６】
なお、リーン制御を実施している期間中には、リッチ制御からリーン制御に切替えられた時のリーン設定補正量にて維持する制御を行っても構わない。すなわち、リーン制御の期間中にはリーン設定補正量を一定に維持する制御を実施しても構わない。
【０１３７】
本実施の形態においては、吸入空気量が増大するほどリーン設定空燃比をリッチ側に設定する（小さく設定する）制御を行っているが、この形態に限られず、任意の第１の吸入空気量および第１の吸入空気量よりも小さな第２の吸入空気量におけるリーン設定空燃比を比較したときに、第１の吸入空気量におけるリーン設定空燃比を第２の吸入空気量におけるリーン設定空燃比よりもリッチ側に設定する（小さく設定する）制御を含んでいれば構わない。たとえば、吸入空気量が大きいと判断される高吸入空気量の領域と高吸入空気量の領域よりも小さな低吸入空気量の領域が予め設定されており、それぞれの領域でリーン設定補正量が一定値に設定されていても構わない。この場合には、高吸入空気量の領域のリーン設定補正量は、低吸入空気量の領域のリーン設定補正量よりも低く設定することができる。
【０１３８】
図１４に、本実施の形態における吸入空気量に対するリーン設定補正量の他の関係を説明するグラフを示す。他のリーン設定補正量を設定する制御においては、吸入空気量が大きいと判断される高吸入空気量の領域が予め定められている。吸入空気量判定基準値Ｍｃｒｅｆ以上の領域が高吸入空気量の領域として設定されている。
【０１３９】
高吸入空気量の領域では、吸入空気量Ｍｃが増大するほどリーン設定空燃比が減少している。ところが、吸入空気量判定基準値Ｍｃｒｅｆよりも小さな領域においては、リーン設定空燃比を一定に維持している。すなわち、低吸入空気量の領域および中程度の吸入空気量の領域においては、リーン設定補正量を一定に維持し、高吸入空気量の領域のみリーン設定補正量を変化させる制御を行っている。
【０１４０】
低吸入空気量の領域および中程度の吸入空気量の領域では、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量も小さいか中程度であるために、空燃比補正量がリーン設定空燃比に切替えられたときに、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の増加速度は比較的低く抑えられる。これに対して、高吸入空気量の領域では、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の増加速度が大きくなり、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに接近しやすくなる。このために、他のリーン設定補正量を設定する制御においては、予め定められた吸入空気量判定基準値Ｍｃｒｅｆ未満の領域では、一定のリーン設定補正量を設定し、吸入空気量判定基準値Ｍｃｒｅｆ以上の領域では、吸入空気量が増大するほどリーン設定補正量を減少させている。このように、吸入空気量の一部の領域において、吸入空気量が増大するとリーン設定空燃比をリッチ側にする制御を行っても構わない。
【０１４１】
また、上記の形態においては、吸入空気量の増加に対してリーン設定空燃比を連続的に変化させているが、この形態に限られず、リーン設定空燃比は吸入空気量の増加に対して、不連続的に変化させても構わない。たとえば、吸入空気量の増加に対してステップ状にリーン設定空燃比を減少させても構わない。
【０１４２】
＜第３の通常運転制御の説明＞
図１５に、本実施の形態における第３の通常運転制御のタイムチャートを示す。第３の通常運転制御においては、吸入空気量Ｍｃが小さい場合には、リッチ設定空燃比の深さとリーン設定空燃比の深さとがほぼ同じになるように制御する。すなわち、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈｘの絶対値は、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ１の絶対値と、ほぼ同じになるように制御されている。リッチ設定空燃比の深さとリーン設定空燃比の深さとがほぼ同じであるために、リッチ制御の継続時間とリーン制御の継続時間とがほぼ同じになる。
【０１４３】
時刻ｔ2において、空燃比補正量がリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈｘからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ１に切替えられている。時刻ｔ4において、空燃比補正量がリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ１からリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈｘに切替えられている。時刻ｔ11において負荷が増大し、吸入空気量Ｍｃ１から吸入空気量Ｍｃ２に増加している。時刻ｔ13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Ｉｒｅｆに到達している。空燃比補正量がリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈｘからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ２に切り替えられている。この時に、時刻ｔ11において吸入空気量が増大しているために、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ２は、前回のリーン制御におけるリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ１よりも小さく設定されている。
【０１４４】
時刻ｔ15において、リーン制御からリッチ制御に切替えられ、時刻ｔ16においては、上流側空燃比センサの出力値がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化している。更に時刻ｔ17においては、リッチ制御からリーン制御に切替えられ、時刻ｔ18においては上流側空燃比センサの出力値がリッチ空燃比からリーン空燃比に切替えられている。時刻ｔ17におけるリッチ制御からリーン制御への切替え時にも吸入空気量が高い吸入空気量Ｍｃ２であるために、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ２が採用されている。
【０１４５】
本実施の形態の第３の通常運転制御においては、吸入空気量が大きな領域では、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ２の絶対値が、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈｘの絶対値よりも小さくなる。すなわち、高吸入空気量の領域では、リーン設定空燃比の深さがリッチ設定空燃比の深さよりも浅くなる。このように、吸入空気量が大きくなった場合に、リーン設定補正量の絶対値がリッチ設定補正量の絶対値よりも小さくなっても構わない。
【０１４６】
本実施の形態においては、吸入空気流量Ｇａと機関回転数ＮＥとに基づいて吸入空気量Ｍｃを推定しているが、この形態に限られず、吸入空気量に関連する内燃機関の運転状態が変化したときに吸入空気量が増大したと判別することができる。例えば、要求負荷が増大したときに吸入空気量が増大したと判別しても構わない。
【０１４７】
本実施の形態のリーン制御においては、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量以上になるまで、連続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンにしているが、この形態に限られず、断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンにしても構わない。また、同様に、リッチ制御においても、下流側空燃比センサの出力がリッチ判定空燃比以下になるまで、連続的または断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ設定空燃比にすることができる。
【０１４８】
上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。更に、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される形態の変更が含まれている。
【符号の説明】
【０１４９】
１１    燃料噴射弁
１８    スロットル弁
２０    排気浄化触媒
３１    電子制御ユニット
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
４２    アクセルペダル
４３    負荷センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【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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