(57)【要約】  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２０を備えた内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置された下流側空燃比検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段とを具備する。流入空燃比制御手段は、下流側空燃比検出手段によって検出された流出空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が所定の吸蔵量となるまで、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする。また、流入空燃比制御手段は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が所定の吸蔵量以上になったときに、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする。
2014118892.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検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段とを具備し、
前記流入空燃比制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記酸素吸蔵量増加手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差は、前記酸素吸蔵量減少手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにされている期間における前記目標空燃比の平均値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制御装置。
【請求項３】
前記酸素吸蔵量増加手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに維持する、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリッチに維持する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を断続的に理論空燃比よりもリッチにすると共に、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチになっていない期間のうち少なくとも一部の期間は前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出又は推定する上流側空燃比検出・推定手段を更に具備し、
前記流入空燃比制御手段は、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定される排気ガスの空燃比が前記目標空燃比になるように前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料の量を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定された排気ガスの空燃比に基づいて該排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、
前記酸素吸蔵量増加手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量となるまで、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記下流側空燃比検出手段よりも排気流れ方向下流側において排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒を更に具備する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記下流側空燃比検出手段は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記リッチ判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧が印加され、
前記酸素吸蔵量増加手段は、前記出力電流が零以下になったときに排気空燃比がリッチ判定空燃比以下になったと判断する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記下流側空燃比検出手段は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記理論空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧が印加され、
前記酸素吸蔵量増加手段は、前記出力電流が前記リッチ判定空燃比に対応する出力電流以下になったときに排気空燃比がリッチ判定空燃比以下になったと判断する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記空燃比センサは、拡散律速層を介して空燃比の検出対象である排気ガスに曝される第一電極と、基準雰囲気に曝される第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に配置された固体電解質層と、前記第一電極と前記第二電極との間に電圧を印加する電圧印加装置と、前記第一電極と前記第二電極との間に流れる電流を検出する電流検出装置とを具備し、前記印加電圧は電圧印加装置によって印加された電圧であり、前記出力電流は前記電流検出装置によって検出された電流である、請求項９又は１０に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記空燃比センサは、空燃比の検出対象である排気ガスが流入せしめられる被測ガス室と、ポンプ電流に応じて該被測ガス室内の排気ガスに対して酸素の汲み入れ及び汲み出しを行うポンプセルと、前記被測ガス室内の空燃比に応じて、検出される基準電流が変化する基準セルとを具備し、
前記基準セルは、前記被測ガス室内の排気ガスに直接的に又は拡散律速層を介して曝される第一電極と、基準雰囲気に曝される第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に配置された固体電解質層とを具備し、
前記空燃比センサは、前記基準セルの第一電極と第二電極との間に電圧を印加する基準電圧印加装置と、前記基準セルの第一電極と第二電極との間に流れる電流を前記基準電流として検出する基準電流検出装置と、前記基準電流検出装置によって検出された基準電流が零になるようにポンプセルへ供給されるポンプ電流を制御するポンプ電流制御装置と、該ポンプ電流を検出するポンプ電流検出装置とを具備し、
前記印加電圧は前記基準電圧印加装置によって印加された基準電圧であり、前記出力電流は前記ポンプ電流検出装置によって検出されたポンプ電流である、請求項９又は１０に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空燃比センサの出力に応じて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御する内燃機関の制御装置が広く知られている（例えば、特許文献１〜４を参照）。【０００３】
斯かる制御装置では、排気通路内に設けられた酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒が用いられる。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中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）やＮＯｘ等を浄化できる。すなわち、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。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。その結果、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。【０００４】
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。なお、以下の説明では、排気流れ方向上流側を単に「上流側」と称し、排気流れ方向下流側を単に「下流側」と称する場合もある。【０００５】
例えば、特許文献１に記載の制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上であって、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。特許文献１によれば、これにより、酸素不足状態又は酸素過剰状態にあるときに、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。【０００６】
加えて、上記制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値と低側閾値との間にある場合、酸素センサの出力電圧が増大傾向にあるときには目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、酸素センサの出力電圧が減少傾向にあるときには目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態又は酸素過剰状態となることを未然に防止することができるとされている。【０００７】
また、特許文献２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。特許文献２によれば、これにより、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】
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。【００１０】
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。【００１１】
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）からわかるように、酸素吸蔵量が或る上限吸蔵量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。【００１２】
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）からわかるように、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。【００１３】
しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少なくなると、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。【００１４】
排気浄化触媒の酸素吸蔵量と流出排気ガス中のＮＯｘ濃度とは上述したような関係を有する。このため、特許文献１に記載された制御を行った場合、すなわち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。この様子を、図２０に示す。【００１５】
図２０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。【００１６】
図示した例では、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。【００１７】
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、図２に示したように、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。【００１８】
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。【００１９】
このように、特許文献１に記載の制御を行っていたとしても、目標空燃比を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、図２０中の「流出ガス中のＮＯｘ濃度」からわかるように、排気浄化触媒からは一時的にＮＯｘが流出してしまっていた。【００２０】
また、特許文献２に記載された制御装置のように、エアフロメータ及び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の推定値を算出する場合、推定値には誤差が生じる。このような誤差は、短期的であれば僅かなものであっても、これを長期間に亘って積算して酸素吸蔵量の推定値を算出しているような場合には大きなものとなってしまう。この結果、実際の酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量となるように排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御したとしても、最終的には、排気浄化触媒の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量又は零に達してしまう。【００２１】
特許文献２に記載された制御装置では、斯かる事態を想定して、下流側の酸素センサによって理論空燃比以外の空燃比が検出された場合には、酸素吸蔵量の推定値を補正して、実際の酸素吸蔵量を適切な量に戻すようにしている。しかしながら、この場合にも、酸素吸蔵量の推定値を補正してからそれが排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に反映されるまでには遅れが生じる。この結果、特許文献１に記載された制御装置と同様に、排気浄化触媒からは一次的にＮＯｘが流出することになる。【００２２】
そこで、上記課題に鑑みて本発明の目的は、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、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達して排気浄化触媒から流出する排気ガス中にＮＯｘが残存してしまうことを抑制する、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】
【００２３】
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検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段とを具備し、前記流入空燃比制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、内燃機関の制御装置が提供される。【００２４】
第２の発明では、第１の発明において、前記酸素吸蔵量増加手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差は、前記酸素吸蔵量減少手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きい。【００２５】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記酸素吸蔵量増加手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに維持する。【００２６】
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリッチに維持する。【００２７】
第５の発明では、第１又は２の発明において、前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を断続的に理論空燃比よりもリッチにすると共に、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチになっていない期間のうち少なくとも一部の期間は前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。【００２８】
第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出又は推定する上流側空燃比検出・推定手段を更に具備し、前記流入空燃比制御手段は、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定される排気ガスの空燃比が前記目標空燃比になるように前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料の量を制御する。【００２９】
第７の発明では、第６の発明において、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定された排気ガスの空燃比に基づいて該排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、前記酸素吸蔵量増加手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量となるまで、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。【００３０】
第８の発明では、第１〜第７のいずれか一つの発明において、前記下流側空燃比検出手段よりも排気流れ方向下流側において排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒を更に具備する。【００３１】
第９の発明では、第１〜第８のいずれか一つの発明において、前記下流側空燃比検出手段は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記リッチ判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧が印加され、前記酸素吸蔵量増加手段は、前記出力電流が零以下になったときに排気空燃比がリッチ判定空燃比以下になったと判断する。【００３２】
第１０の発明では、第１〜第８のいずれか一つの発明において、前記下流側空燃比検出手段は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記理論空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧が印加され、前記酸素吸蔵量増加手段は、前記出力電流が前記リッチ判定空燃比に対応する出力電流以下になったときに排気空燃比がリッチ判定空燃比以下になったと判断する。【００３３】
第１１の発明では、第９又は第１０の発明において、前記空燃比センサは、拡散律速層を介して空燃比の検出対象である排気ガスに曝される第一電極と、基準雰囲気に曝される第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に配置された固体電解質層と、前記第一電極と前記第二電極との間に電圧を印加する電圧印加装置と、前記第一電極と前記第二電極との間に流れる電流を検出する電流検出装置とを具備し、前記印加電圧は電圧印加装置によって印加された電圧であり、前記出力電流は前記電流検出装置によって検出された電流である。【００３４】
第１２の発明では、第９又は第１０の発明において、前記空燃比センサは、空燃比の検出対象である排気ガスが流入せしめられる被測ガス室と、ポンプ電流に応じて該被測ガス室内の排気ガスに対して酸素の汲み入れ及び汲み出しを行うポンプセルと、前記被測ガス室内の空燃比に応じて、検出される基準電流が変化する基準セルとを具備し、前記基準セルは、前記被測ガス室内の排気ガスに直接的に又は拡散律速層を介して曝される第一電極と、基準雰囲気に曝される第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に配置された固体電解質層とを具備し、前記空燃比センサは、前記基準セルの第一電極と第二電極との間に電圧を印加する基準電圧印加装置と、前記基準セルの第一電極と第二電極との間に流れる電流を前記基準電流として検出する基準電流検出装置と、前記基準電流検出装置によって検出された基準電流が零になるようにポンプセルへ供給されるポンプ電流を制御するポンプ電流制御装置と、該ポンプ電流を検出するポンプ電流検出装置とを具備し、前記印加電圧は前記基準電圧印加装置によって印加された基準電圧であり、前記出力電流は前記ポンプ電流検出装置によって検出されたポンプ電流である。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、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、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達して排気浄化触媒から流出する排気ガス中にＮＯｘが残存してしまうことが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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及び未燃ガスの濃度との関係を示す図である。
【図３】図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図４】図４は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
【図５】図５は、空燃比センサ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】図６は、電圧印加装置及び電流検出装置を構成する具体的な回路の一例を示す図である。
【図７】図７は、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】図８は、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】図９は、制御装置の機能ブロック図である。
【図１０】図１０は、空燃比補正量の算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、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１２】図１２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１３】図１３は、各センサ印加電圧における排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、図１２にＸ−Ｘで示した領域を拡大して示した図である。
【図１５】図１５は、図１３にＹで示した領域を拡大して示した図である。
【図１６】図１６は、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１７】図１７は、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１８】図１８は、第三実施形態の空燃比センサの概略的な断面図である。
【図１９】図１９は、第三実施形態の空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
【図２０】図２０は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の内燃機関の制御装置について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。図１は、本発明の第一実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【００３８】
＜内燃機関全体の説明＞
図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。
【００３９】
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、燃料として排気浄化触媒における理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の内燃機関は他の燃料を用いても良い。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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（上流側空燃比検出手段）４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒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（下流側空燃比検出手段）４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これら空燃比センサ４０、４１の構成については後述する。
【００４３】
また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、各種センサ等の出力に基づいて内燃機関を制御する制御手段として機能する。
【００４４】
＜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。以下では、上流側排気浄化触媒２０についてのみ説明するが、下流側排気浄化触媒２４も同様な構成及び作用を有する。
【００４５】
上流側排気浄化触媒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））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。
【００４６】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、上流側排気浄化触媒２０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。
【００４７】
上流側排気浄化触媒２０は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、図２（Ａ）に示したように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、酸素吸蔵量が少ないときには上流側排気浄化触媒２０により排気ガス中の酸素が吸蔵され、ＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、上限吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍを境に上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。
【００４８】
一方、図２（Ｂ）に示したように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、酸素吸蔵量が多いときには上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍを境に上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。
【００４９】
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。
【００５０】
＜空燃比センサの構成＞
次に、図３を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態における空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
【００５１】
図３に示したように、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極（第一電極）５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極（第二電極）５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００５２】
固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して空燃比センサ４０、４１による検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝されることになる。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように構成されてもよい。
【００５３】
固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝される。本実施形態では、基準ガスとして大気が用いられているため、大気側電極５３は大気に曝されることになる。
【００５４】
ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、これらヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。
【００５５】
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。
【００５６】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、電圧印加装置６０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層５１を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流を検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流である。
【００５７】
＜空燃比センサの動作＞
次に、図４を参照して、このように構成された空燃比センサ４０、４１の動作の基本的な概念について説明する。図４は、空燃比センサ４０、４１の動作を概略的に示した図である。使用時において、空燃比センサ４０、４１は、保護層５５及び拡散律速層５４の外周面が排気ガスに曝されるように配置される。また、空燃比センサ４０、４１の基準ガス室５８には大気が導入される。
【００５８】
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。
【００５９】
逆に、固体電解質層５１は、両側面間に電位差が与えられると、この電位差に応じて固体電解質層の両側面間で酸素濃度比が生じるように、酸素イオンの移動を引き起こそうとする特性（酸素ポンプ特性）を有する。具体的には、両側面間に電位差が与えられた場合には、正極性を与えられた側面における酸素濃度が、負極性を与えられた側面における酸素濃度に対して、電位差に応じた比率で高くなるように、酸素イオンの移動が引き起こされる。また、図３及び図４に示したように、空燃比センサ４０、４１では、大気側電極５３が正極性、排気側電極５２が負極性となるように、これら電極５２、５３間に一定のセンサ印加電圧Ｖｒが印加されている。なお、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１におけるセンサ印加電圧Ｖｒは同一の電圧となっている。
【００６０】
空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには、固体電解質層５１の両側面間での酸素濃度の比はそれほど大きくない。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が小さくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比に向けて大きくなるように、図４（Ａ）に示した如く、排気側電極５２から大気側電極５３に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０の正極から、大気側電極５３、固体電解質層５１、及び排気側電極５２を介して電圧印加装置６０の負極へと電流が流れる。
【００６１】
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。
【００６２】
一方、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、排気中から拡散律速層５４を通って未燃ガスが被測ガス室５７内に流入するため、排気側電極５２上に酸素が存在しても、未燃ガスと反応して除去される。このため、被測ガス室５７内では酸素濃度が極めて低くなり、その結果、固体電解質層５１の両側面間での酸素濃度の比は大きなものとなる。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が大きくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比に向けて小さくなるように、図４（Ｂ）に示した如く、大気側電極５３から排気側電極５２に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、大気側電極５３から、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０を通って排気側電極５２へと電流が流れる。
【００６３】
このとき流れる電流（出力電流）Ｉｒの大きさは、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１中を大気側電極５３から排気側電極５２へと移動せしめられる酸素イオンの流量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散律速層５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する未燃ガスと排気側電極５２上で反応（燃焼）する。よって、酸素イオンの移動流量は被測ガス室５７内に流入した排気ガス中の未燃ガスの濃度に対応する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを電流検出装置６１によって検出することで、未燃ガス濃度を知ることができ、ひいてはリッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００６４】
また、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比のときには、被測ガス室５７へ流入する酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっている。このため、排気側電極５２の触媒作用によって両者は完全に燃焼し、被測ガス室５７内の酸素及び未燃ガスの濃度に変動は生じない。この結果、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、変動せずに、センサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比のまま維持される。このため、図４（Ｃ）に示したように、酸素ポンプ特性による酸素イオンの移動は起こらず、その結果、回路を流れる電流は生じない。
【００６５】
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図５に示した出力特性を有する。すなわち、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が大きくなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｒが大きくなる。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉｒが零になるように構成される。
【００６６】
＜電圧印加装置及び電流検出装置の回路＞
図６に、電圧印加装置６０及び電流検出装置６１を構成する具体的な回路の一例を示す。図示した例では、酸素電池特性により生じる起電力をＥ、固体電解質層５１の内部抵抗をＲｉ、両電極５２、５３間の電位差をＶｓと表している。
【００６７】
図６からわかるように、電圧印加装置６０は、基本的に、酸素電池特性により生じる起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するように、負帰還制御を行っている。換言すると、電圧印加装置６０は、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比の変化によって両電極５２、５３間の電位差Ｖｓが変化した際にも、この電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒとなるように負帰還制御を行っている。
【００６８】
したがって、排気空燃比が理論空燃比となっていて、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じない場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比となっている。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに一致し、両電極５２、５３間の電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒとなっており、その結果、電流Ｉｒは流れない。
【００６９】
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、両電極５２、５３間に電位差Ｖｓが付与される。そして、このときの酸素イオンの移動に伴って電流Ｉｒが流れる。この結果、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに収束し、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに収束すると、やがて、電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒに収束することになる。
【００７０】
したがって、電圧印加装置６０は、実質的に、両電極５２、５３間にセンサ印加電圧Ｖｒを印加しているということができる。なお、電圧印加装置６０の電気回路は必ずしも図６に示したようなものである必要はなく、両電極５２、５３間にセンサ印加電圧Ｖｒを実質的に印加することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。
【００７１】
また、電流検出装置６１は、実際に電流を検出するのではなく、電圧Ｅ0を検出してこの電圧Ｅ0から電流を算出している。ここで、Ｅ0は、下記式（１）のように表せる。
Ｅ0＝Ｖｒ＋Ｖ0＋ＩｒＲ      …（１）
ここで、Ｖ0はオフセット電圧（Ｅ0が負値とならないように印加しておく電圧であり例えば３Ｖ）、Ｒは図６に示した抵抗の値である。
【００７２】
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。
【００７３】
したがって、電流検出装置６１は、実質的に、両電極５２、５３間に流れる電流Ｉｒを検出しているということができる。なお、電流検出装置６１の電気回路は必ずしも図６に示したようなものである必要はなく、両電極５２、５３間を流れる電流Ｉｒを検出することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。
【００７４】
＜空燃比制御の概要＞
次に、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいて上流側空燃比センサ４０の出力電流（すなわち、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。
【００７５】
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）に相当する値である。また、リーン設定空燃比は、理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６８〜１８、より好ましくは１４．７〜１６程度とされる。
【００７６】
目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、上流側排気浄化触媒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又は燃料噴射弁１１からの燃料噴射量等に基づいて行われる。そして、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、弱リッチ設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。弱リッチ設定空燃比は、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１３．５〜１４．５８、好ましくは１４〜１４．５７、より好ましくは１４．３〜１４．５５程度とされる。その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが再びリッチ判定基準値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。
【００７７】
このように本実施形態では、上流側排気浄化触媒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、本実施形態では、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、弱リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差よりも大きい。したがって、本実施形態では、目標空燃比は、短期間のリーン設定空燃比と、長期間の弱リッチ設定空燃比とに交互に設定されることになる。
【００７８】
＜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。
【００７９】
なお、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ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。
【００８０】
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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８１】
上流側排気浄化触媒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する。このため、時刻ｔ1以降、上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８２】
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。
【００８３】
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆに到達してから、すなわち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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であっても、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、本実施形態では、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。
【００８４】
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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８５】
時刻ｔ3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ＯＳＡｓｃは増大する。また、これに伴って、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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８６】
その後、上流側排気浄化触媒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。
【００８７】
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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大していく。
【００８８】
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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００８９】
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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。
【００９０】
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値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。
【００９１】
なお、このような空燃比補正量ＡＦＣの制御は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側排気浄化触媒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Ｃｍａｘｎ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。
【００９２】
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。
【００９３】
また、一般に、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び吸入空気量の推定値等に基づいて酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定した場合には誤差が生じる可能性がある。本実施形態においても、時刻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。
【００９４】
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。
【００９５】
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ＡＦｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。
【００９６】
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される。
【００９７】
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。
【００９８】
＜下流側触媒も用いた制御の説明＞
また、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に加えて下流側排気浄化触媒２４も設けられている。下流側排気浄化触媒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制御によって最大吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値とされる。このため、たとえ上流側排気浄化触媒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排気浄化触媒２４において酸化浄化される。
【００９９】
なお、燃料カット制御とは、内燃機関を搭載する車両の減速時等において、クランクシャフトやピストン３が運動している状態であっても、燃料噴射弁１１から燃料の噴射を行わない制御である。この制御を行うと、両排気浄化触媒２０、２４には多量の空気が流入することになる。
【０１００】
以下、図８を参照して、下流側排気浄化触媒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、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ及び下流側排気浄化触媒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。
【０１０１】
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、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは一定に維持される。
【０１０２】
その後、時刻ｔ1〜ｔ4において、上流側排気浄化触媒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。
【０１０３】
上述したように、下流側排気浄化触媒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において上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスは全て下流側排気浄化触媒２４において還元浄化される。
【０１０４】
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、本実施形態によれば、下流側排気浄化触媒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。
【０１０５】
＜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。
【０１０６】
＜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。
【０１０７】
筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、エアフロメータ３９によって計測される吸入空気流量Ｇａと、クランク角センサ４４の出力に基づいて算出される機関回転数ＮＥと、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたマップ又は計算式とに基づいて、各気筒への吸入空気量Ｍｃを算出する。
【０１０８】
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）。
【０１０９】
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。
【０１１０】
＜目標空燃比の算出＞
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、酸素吸蔵量算出手段Ａ４、目標空燃比補正量算出手段Ａ５、及び目標空燃比設定手段Ａ６が用いられる。
【０１１１】
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。なお、酸素吸蔵量算出手段Ａ４による上流側排気浄化触媒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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
目標空燃比設定手段Ａ６は、基準となる空燃比、本実施形態では理論空燃比ＡＦＲに、目標空燃比補正量算出手段Ａ５で算出された空燃比補正量ＡＦＣを加算することで、目標空燃比ＡＦＴを算出する。したがって、目標空燃比ＡＦＴは、弱リッチ設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの場合）か、又はリーン設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの場合）のいずれかとされる。このようにして算出された目標空燃比ＡＦＴは、基本燃料噴射量算出手段Ａ２及び後述する空燃比差算出手段Ａ８に入力される。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが減少して、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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
＜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。
【０１２０】
数値変換手段Ａ７は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと、空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと空燃比との関係を規定したマップ又は計算式（例えば、図５に示したようなマップ）とに基づいて、出力電流Ｉｒｕｐに相当する上流側排気空燃比ＡＦｕｐを算出する。したがって、上流側排気空燃比ＡＦｕｐは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に相当する。
【０１２１】
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。
【０１２２】
Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ９は、空燃比差算出手段Ａ８によって算出された空燃比差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（１）に基づいて燃料供給量の過不足を補償するためのＦ／Ｂ補正量ＤＦｉを算出する。このようにして算出されたＦ／Ｂ補正量ＤＦｉは、燃料噴射量算出手段Ａ３に入力される。
ＤＦｉ＝Ｋｐ・ＤＡＦ＋Ｋｉ・ＳＤＡＦ＋Ｋｄ・ＤＤＡＦ      …（１）
【０１２３】
なお、上記式（１）において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン（比例定数）、Ｋｉは予め設定された積分ゲイン（積分定数）、Ｋｄは予め設定された微分ゲイン（微分定数）である。また、ＤＤＡＦは、空燃比差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比差ＤＡＦと前回更新されていた空燃比差ＤＡＦとの差を更新間隔に対応する時間で除算することで算出される。また、ＳＤＡＦは、空燃比差ＤＡＦの時間積分値であり、この時間積分値ＤＤＡＦは前回更新された時間積分値ＤＤＡＦに今回更新された空燃比差ＤＡＦを加算することで算出される（ＳＤＡＦ＝ＤＤＡＦ＋ＤＡＦ）。
【０１２４】
なお、上記実施形態では、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。
【０１２５】
＜第二実施形態＞
次に、図１１を参照して、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第二実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、本実施形態の制御装置では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間においても、或る程度の時間間隔毎に、空燃比補正量ＡＦＣが短い時間に亘って一時的にリーン空燃比に相当する値（例えば、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ）とされる。すなわち、本実施形態の制御装置では、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比とされている間においても、或る程度の時間間隔毎に、目標空燃比が短い時間に亘って一時的にリーン空燃比とされる。
【０１２６】
図１１は、図７と同様な図であり、図１１における時刻ｔ1〜ｔ7は図７における時刻ｔ1〜ｔ7と同様な制御タイミングを示している。したがって、図１１に示した制御においても、時刻ｔ1〜ｔ7の各タイミングにおいては、図７に示した制御と同様な制御が行われている。加えて、図１１に示した制御では、時刻ｔ4〜ｔ7の間、すなわち、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間に、複数回に亘って一時的に空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている。
【０１２７】
図１１に示した例では、時刻ｔ8から短い時間に亘って空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。上述したように空燃比の変化には遅れが生じることから、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は時刻ｔ9から短い時間に亘ってリーン空燃比とされる。このように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になると、その間は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが一時的に増大する。
【０１２８】
図１１に示した例では、同様に、時刻ｔ10においても短い時間に亘って空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は時刻ｔ11から短い時間に亘ってリーン空燃比とされ、この間は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが一時的に増大する。
【０１２９】
このように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を一時的に増大させることによって、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを一時的に増大させるか或いは酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少を一時的に低減することができる。このため、本実施形態によれば、時刻ｔ4において空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから、時刻ｔ7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に到達するまでの時間を長くすることができる。すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが零近傍となって上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出するタイミングを遅らせることができる。これにより、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出量を減少させることができる。
【０１３０】
なお、上記実施形態では、空燃比補正量ＡＦＣが基本的に弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間（時刻ｔ4〜ｔ7）において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとしている。このように一時的に空燃比補正量ＡＦＣを変更する場合には、必ずしも空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに変更する必要はなく、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈよりもリーンであれば如何なる空燃比に変更してもよい。
【０１３１】
また、空燃比補正量ＡＦＣが基本的にリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている間（時刻ｔ2〜ｔ4）においても、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとしてもよい。この場合も同様に、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを変更する場合には、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎよりもリッチであれば如何なる空燃比に空燃比補正量ＡＦＣを変更してもよい。
【０１３２】
ただし、本実施形態においても、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される。
【０１３３】
いずれにせよ、第一実施形態及び第二実施形態をまとめて表現すると、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側排気浄化触媒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又は断続的にリーン設定空燃比にする酸素吸蔵量増加手段と、上流側排気浄化触媒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又は断続的に弱リッチ設定空燃比にする酸素吸蔵量減少手段とを具備するといえる。
【０１３４】
＜第三実施形態＞
次に、図１２〜図１７を参照して、本発明の第三実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第二実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、上記実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、上記実施形態では、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサのいずれも同一のセンサ印加電圧であったのに対して、本実施形態では、これら空燃比センサの間で異なるセンサ印加電圧となっている。
【０１３５】
＜空燃比センサの出力特性＞
本実施形態の上流側空燃比センサ７０及び下流側空燃比センサ７１は、第一実施形態の空燃比センサ４０、４１と同様に、図３及び図４を用いて説明したよう構成され且つ動作する。これら空燃比センサ７０、７１は、図１２に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図１２からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０以下及び０近傍の領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒを負の値から徐々に増加していくと、これに伴って出力電流Ｉｒが増加していく。
【０１３６】
すなわち、この電圧領域では、センサ印加電圧Ｖｒが低いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が少ない。このため、拡散律速層５４を介した排気ガスの流入速度よりも固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が少なくなり、よって、出力電流Ｉｒは固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量に応じて変化する。固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量はセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化するため、結果的にセンサ印加電圧Ｖｒの増加に伴って出力電流が増加する。なお、このようにセンサ印加電圧Ｖｒに比例して出力電流Ｉｒが変化する電圧領域は比例領域と称される。また、センサ印加電圧Ｖｒが０のときに出力電流Ｉｒが負値をとるのは、酸素電池特性により固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じた起電力Ｅが生じるためである。
【０１３７】
その後、排気空燃比を一定としたまま、センサ印加電圧Ｖｒを徐々に増加していくと、これに対する出力電流の増加の割合は次第に小さくなり、ついにはほぼ飽和状態となる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを増加しても出力電流はほとんど変化しなくなる。このほぼ飽和した電流は限界電流と称され、以下では、この限界電流が発生する電圧領域を限界電流領域と称する。
【０１３８】
すなわち、この限界電流領域では、センサ印加電圧Ｖｒが或る程度高いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が多い。このため、拡散律速層５４を介した排気ガスの流入速度よりも固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量の方が多くなる。したがって、出力電流Ｉｒは拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度に応じて変化する。排気空燃比を一定としてセンサ印加電圧Ｖｒを変化させても、基本的には拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度は変化しないことから、出力電圧Ｉｒは変化しない。
【０１３９】
ただし、排気空燃比が異なれば、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度も異なることから、出力電流Ｉｒは排気空燃比に応じて変化する。図１２からわかるように、リーン空燃比とリッチ空燃比とでは限界電流の流れる向きが逆になっており、リーン空燃比であるときには空燃比が大きくなるほど、リッチ空燃比であるときには空燃比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。
【０１４０】
その後、排気空燃比を一定としたまま、センサ印加電圧Ｖｒをさらに増加していくと、これに伴って再び出力電流Ｉｒが増加し始める。このように高いセンサ印加電圧Ｖｒを印加すると、排気側電極５２上では排気ガス中に含まれる水分の分解が発生し、これに伴って電流が流れる。また、センサ印加電圧Ｖｒをさらに増加していくと、水の分解だけでは電流をまかなえなくなり、今度は固体電解質層５１の分解が発生する。以下では、このように水や固体電解質層５１の分解が生じる電圧領域を水分解領域と称する。
【０１４１】
図１３は、各センサ印加電圧Ｖｒにおける排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係を示す図である。図１３からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．１Ｖから０．９Ｖ程度であれば、少なくとも理論空燃比の近傍においては、排気空燃比に応じて出力電流Ｉｒが変化する。また、図１３からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．１Ｖから０．９Ｖ程度であれば、理論空燃比の近傍においては、排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係はセンサ印加電圧Ｖｒに無関係にほぼ同一である。
【０１４２】
一方、図１３からわかるように、或る一定の排気空燃比以下に排気空燃比が低くなると、排気空燃比が変化しても出力電流Ｉｒがほとんど変化しなくなる。この一定の排気空燃比はセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが高いほど高い。このため、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値以上に増大させると、図中に一点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても出力電流Ｉｒが０にならなくなる。
【０１４３】
一方、或る一定の排気空燃比以上に排気空燃比が高くなると、排気空燃比が変化しても出力電流Ｉｒがほとんど変化しなくなる。この一定の排気空燃比もセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが低いほど低い。このため、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値以下に低下させると、図中に二点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても出力電流Ｉｒが０にならなくなる（例えば、センサ印加電圧Ｖｒを０Ｖとした場合には排気空燃比に関わらず出力電流Ｉｒは０にならない）。
【０１４４】
＜理論空燃比近傍における微視的特性＞
ところで、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、センサ印加電圧Ｖｒと出力電流Ｉｒとの関係（図１２）や排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係（図１３）を巨視的に見ると上述したような傾向になるが、これら関係を理論空燃比近傍で微視的に見るとこれとは異なる傾向になることを見出した。以下、これについて説明する。
【０１４５】
図１４は、図１２の電圧−電流線図について、出力電流Ｉｒが０近傍となる領域（図１２においてＸ−Ｘで示した領域）を拡大して示した図である。図１４からわかるように、限界電流領域においても、排気空燃比を一定としたときに、センサ印加電圧Ｖｒが増大するのに伴って出力電流Ｉｒもごく僅かながら増大する。例えば、排気空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合を例にとってみると、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖ程度のときには出力電流Ｉｒは０となる。これに対して、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも或る程度低く（例えば、０．２Ｖ）すると、出力電流は０よりも低い値となる。一方、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも或る程度高く（例えば、０．７Ｖ）すると、出力電流は０よりも高い値となる。
【０１４６】
図１５は、図１３の空燃比−電流線図について、排気空燃比が理論空燃比近傍であって且つ出力電流Ｉｒが０近傍である領域（図１３においてＹで示した領域）を拡大して示した図である。図１５からは、理論空燃比近傍の領域においては、同一の排気空燃比に対する出力電流Ｉｒがセンサ印加電圧Ｖｒ毎に僅かに異なることがわかる。例えば、図示した例では、排気空燃比が理論空燃比である場合、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖとしたときに出力電流Ｉｒが０になる。そして、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも大きくすると出力電流Ｉｒも大きくなり、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも小さくすると出力電流Ｉｒも小さくなる。
【０１４７】
加えて、図１５からは、センサ印加電圧Ｖｒ毎に、出力電流Ｉｒが０となるときの排気空燃比（以下、「電流零時の排気空燃比」という）が異なることがわかる。図示した例では、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖである場合には排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉｒが０になる。これに対して、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも大きい場合には、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときに出力電流Ｉｒが０になり、センサ印加電圧Ｖｒが大きくなるほど電流零時の排気空燃比は小さくなる。逆に、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも小さい場合には、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに出力電流Ｉｒが０になり、センサ印加電圧Ｖｒが小さくなるほど電流零時の排気空燃比は大きくなる。すなわち、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。
【０１４８】
ここで、図５における傾き、すなわち排気空燃比の増加量に対する出力電流の増加量の比率（以下、「出力電流変化率」という）は、同様な生産工程を経ても必ずしも同一にはならず、同一型式の空燃比センサであっても個体間でバラツキが生じてしまう。加えて、同一の空燃比センサにおいても、経年劣化等により出力電流変化率は変化する。この結果、たとえ図１６に実線Ａで示した出力特性を有するように構成されている同一型式のセンサを用いても、使用したセンサや使用期間等によって、図１６に破線Ｂで示したように出力電流変化率が小さくなったり、一点鎖線Ｃで示したように出力電流変化率が大きくなったりする。
【０１４９】
このため、同一型式の空燃比センサを用いて同一の空燃比の排気ガスの計測を行っても、使用したセンサや使用期間等によって、空燃比センサの出力電流は異なるものとなってしまう。例えば、空燃比センサが実線Ａで示したような出力特性を有する場合には、空燃比がａｆ1である排気ガスの計測を行ったときの出力電流は、Ｉ2になる。しかしながら、空燃比センサが破線Ｂや一点鎖線Ｃで示したような出力特性を有する場合には、空燃比がａｆ1である排気ガスの計測を行ったときの出力電流は、それぞれＩ1及びＩ3となり、上述したＩ2とは異なる出力電流となってしまう。
【０１５０】
しかしながら、図１６からも分かるように、空燃比センサの個体間でバラツキが生じたり、同一の空燃比センサにおいて経年劣化等によってバラツキが生じたりしたとしても、電流零時の排気空燃比（図１６の例では理論空燃比）はほとんど変化しない。すなわち、出力電流Ｉｒが零以外の値をとるときには、排気空燃比の絶対値を正確に検出することは困難であるのに対して、出力電流Ｉｒが零となるときには、排気空燃比の絶対値（図１６の例では理論空燃比）を正確に検出することができる。
【０１５１】
そして、図１５を用いて説明したように、空燃比センサ７０、７１では、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。すなわち、センサ印加電圧Ｖｒを適切に設定すれば、理論空燃比以外の排気空燃比の絶対値を正確に検出することができる。特に、センサ印加電圧Ｖｒを後述する「特定電圧領域」内で変化させた場合には、電流零時の排気空燃比を理論空燃比（１４．６）に対して僅かにのみ（例えば、±１％の範囲（約１４．４５〜約１４．７５）内）調整することができる。したがって、センサ印加電圧Ｖｒを適切に設定することにより、理論空燃比とは僅かに異なる空燃比の絶対値を正確に検出することができるようになる。
【０１５２】
なお、上述したように、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。しかしながら、センサ印加電圧Ｖｒを或る上限電圧よりも大きくするか又は或る下限電圧よりも小さくすると、センサ印加電圧Ｖｒの変化量に対する電流零時の排気空燃比の変化量が大きくなる。したがって、斯かる電圧領域では、センサ印加電圧Ｖｒが僅かにずれると、電流零時の排気空燃比が大きく変化してしまう。したがって、斯かる電圧領域では、排気空燃比の絶対値を正確に検出するためには、センサ印加電圧Ｖｒを精密に制御することが必要になり、あまり実用的ではない。このため、排気空燃比の絶対値を正確に検出する観点からは、センサ印加電圧Ｖｒは或る上限電圧と或る下限電圧との間の「特定電圧領域」内の値とすることが必要になる。
【０１５３】
ここで、図１４に示したように、空燃比センサ７０、７１は、各排気空燃比毎に、出力電流Ｉｒが限界電流となる電圧領域である限界電流領域を有する。本実施形態では、排気空燃比が理論空燃比であるときの限界電流領域が「特定電圧領域」とされる。
【０１５４】
なお、図１３を用いて説明したように、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値（最大電圧）以上に増大させると、図中に一点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても出力電流Ｉｒが０にならなくなる。一方、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値（最小電圧）以下に低下させると、図中に二点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても出力電流Ｉｒが０にならなくなる。
【０１５５】
したがって、センサ印加電圧Ｖｒが最大電圧と最小電圧との間の電圧であれば、出力電流が零となる排気空燃比が存在する。逆に、センサ印加電圧Ｖｒが最大電圧よりも高い電圧或いは最小電圧よりも低い電圧であれば、出力電流が零となる排気空燃比が存在しない。したがって、センサ印加電圧Ｖｒは、少なくとも、排気空燃比がいずれかの空燃比であるときに出力電流が零となる電圧であること、すなわち、最大電圧と最小電圧との間の電圧であることが必要になる。上述した「特定電圧領域」は、最大電圧と最小電圧との間の電圧領域である。
【０１５６】
＜各空燃比センサにおける印加電圧＞
本実施形態では、上述した微視的特性に鑑みて、上流側空燃比センサ７０によって排気ガスの空燃比を検出するときには、上流側空燃比センサ７０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐは、排気空燃比が理論空燃比（本実施形態では１４．６）であるときに出力電流が零となるような電圧（例えば、０．４５Ｖ）に固定される。換言すると、上流側空燃比センサ７０では電流零時の排気空燃比が理論空燃比となるようにセンサ印加電圧Ｖｒｕｐが設定される。一方、下流側空燃比センサ４１によって排気ガスの空燃比を検出するときには、下流側空燃比センサ７１におけるセンサ印加電圧Ｖｒは、排気空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）であるときに出力電流が零となるような一定電圧（例えば、０．７Ｖ）に固定される。換言すると、下流側空燃比センサ７１では、電流零時の排気空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比となるようにセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが設定される。このように、本実施形態では、下流側空燃比センサ７１におけるセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが上流側空燃比センサ７０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐよりも高い電圧とされる。
【０１５７】
したがって、両空燃比センサ７０、７１に接続されたＥＣＵ３１は、上流側空燃比センサ７０の出力電流Ｉｒｕｐが零になったときに上流側空燃比センサ７０周りの排気空燃比は理論空燃比であると判断する。一方、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ７１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零になったときには下流側空燃比センサ７１周りの排気空燃比はリッチ判定空燃比、すなわち、理論空燃比とは異なる予め定められた空燃比であると判断する。
【０１５８】
＜第三実施形態における空燃比制御＞
第三実施形態における空燃比制御は、基本的に上記実施形態における空燃比制御と同様である。しかしながら、第一実施形態では、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以下となったときに目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えている。これに対して、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零以下となったときに目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えている。
【０１５９】
図１７は、図７と同様な図であり、本実施形態における制御を行った場合の上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ等のタイムチャートである。以下では、図７における制御と異なる部分についてのみ説明する。
【０１６０】
図１７から分かるように、時刻ｔ1以前、すなわち、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である場合、下流側空燃比センサ７１の出力電流Ｉｒｄｗｎは零よりも大きな値となっている。その後、時刻ｔ1から上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガス中の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。これに伴って、下流側空燃比センサ７１の出力電流Ｉｒｄｗｎは零に向かって小さくなり、時刻ｔ2において零となる。本実施形態では、下流側空燃比センサ７１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零以下になると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少を抑制すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比に相当する値ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後の制御は、基本的に、図７に示した例と同様である。
【０１６１】
本実施形態によれば、上述したように、下流側空燃比センサ４１によってリッチ判定空燃比における絶対値を正確に検出することができる。図１６を用いて説明したように、従来の空燃比センサでは、理論空燃比以外の空燃比についてその絶対値を正確に検出することは困難であった。このため、従来の空燃比センサにおいて経年劣化や個体差等によりその出力電流に誤差が生じると、排気ガスの実際の空燃比はリッチ判定空燃比とは異なる場合でも、空燃比センサの出力電流がリッチ判定空燃比に相当する値となってしまう。この結果、空燃比補正量ＡＦＣの弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替タイミングが遅れたり、或いは切替不要なタイミングで斯かる切替が行われたりする。これに対して、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１によってリッチ判定空燃比における絶対値を正確に検出することができる。このため、空燃比補正量ＡＦＣの弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替タイミングにおける遅れや、切替不要なタイミングでの切替を抑制することができる。
【０１６２】
＜第四実施形態＞
次に、図１８及び図１９を参照して、本発明の第四実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第四実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、上記実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、上記実施形態では、空燃比センサとして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を用いているのに対して、第四実施形態では、空燃比センサとして斯かるセルが２つである２セル型の空燃比センサを用いている。
【０１６３】
＜空燃比センサの構成＞
図１８を参照して、本実施形態における空燃比センサ７０、７１の構成について説明する。図１８は、空燃比センサ７０、７１の概略的な断面図である。図１８から分かるように、本実施形態における空燃比センサ７０、７１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが２つである２セル型の空燃比センサである。
【０１６４】
図１８に示したように、空燃比センサ７０、７１は、被測ガス室８１と、基準ガス室８２と、被測ガス室８１の両側に配置された二つの固体電解質層８３、８４とを具備する。基準ガス室８２は、第二固体電解質層８４を挟んで被測ガス室８１の反対側に設けられる。第一固体電解質層８３の被測ガス室８１側の側面上にはガス室側電極（第三電極）８５が配置され、第一固体電解質層８３の排気ガス側の側面上には排気側電極（第四電極）８６が配置される。これら第一固体電解質層８３、ガス室側電極８５及び排気側電極８６は、ポンプセル９０を構成する。
【０１６５】
一方、第二固体電解質層８４の被測ガス室８１側の側面上にはガス室側電極（第一電極）８７が配置され、第二固体電解質層８４の基準ガス室８２側の側面上には基準側電極（第二電極）８８が配置される。これら第二固体電解質層８４、ガス室側電極８７及び基準側電極８８は、基準セル９１を構成する。
【０１６６】
二つの固体電解質層８３、８４の間には、ポンプセル９０のガス室側電極８５及び基準セル９１のガス室側電極８７を囲うように拡散律速層９３が設けられる。したがって、被測ガス室８１は、第一固体電解質層８３、第二固体電解質層８４及び拡散律速層９３によって画成される。被測ガス室８１には、拡散律速層９３を介して排気ガスが流入せしめられる。よって、被測ガス室８１内に配置された電極、すなわちポンプセル９０のガス室側電極８５及び基準セル９１のガス室側電極８７は、拡散律速層９３を介して排気ガスに曝されることになる。なお、拡散律速層９３は、必ずしも被測ガス室８１に流入する排気ガスが通過するように設けられる必要はない。基準セル９１のガス室側電極８７に到達する排気ガスが拡散律速層を通過した排気ガスになれば、拡散律速層は如何なる態様で配置されてもよい。
【０１６７】
また、第二固体電解質層８４の基準ガス室８２側の側面上には、基準ガス室８２を囲うようにヒータ部９４が設けられる。したがって、基準ガス室８２は、第二固体電解質層８４及びヒータ部９４によって画成される。この基準ガス室８２内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室８２は大気に開放されており、よって基準ガス室８２内には基準ガスとして大気が導入される。
【０１６８】
また、ヒータ部９４には複数のヒータ９５が設けられており、これらヒータ９５によって空燃比センサ７０、７１の温度、特に固体電解質層８３、８４の温度を制御することができる。ヒータ部９４は、固体電解質層８３、８４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。加えて、第一固体電解質層８３の排気ガス側の側面上には、保護層９６が設けられる。保護層９６は、排気ガス中の液体等が排気側電極８６に直接付着するのを防止しつつ排気ガスが排気側電極８６に到達するように多孔質材料で形成される。
【０１６９】
固体電解質層８３、８４は、第一実施形態の固体電解質層５１と同様な材料により形成されている。また、拡散律速層９３も、第一実施形態の拡散律速層５４と同様な材料により形成されている。さらに、電極８５〜８８も、第一実施形態の電極５２、５３と同様な材料により形成されている。
【０１７０】
基準セル９１のガス室側電極８７と基準側電極８８との間には、ＥＣＵ３１に搭載された基準電圧印加装置１００により基準電圧（第一実施形態のセンサ印加電圧に相当）Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、基準電圧印加装置１００によって基準電圧Ｖｒを印加したときに第二固体電解質層８４を介してこれら電極８７、８８間に流れる基準電流Ｉｒを検出する基準電流検出装置１０１が設けられる。
【０１７１】
また、ポンプセル９０のガス室側電極８５と排気側電極８６との間には、ＥＣＵ３１に搭載されたポンプ電圧印加装置１０２によりポンプ電圧Ｖｐが印加される。ポンプ電圧印加装置１０２によって印加されるポンプ電圧Ｖｐは、基準電流検出装置１０１によって検出された基準電流Ｉｒに応じて設定される。具体的には、基準電流検出装置１０１によって検出された基準電流Ｉｒと予め設定されたその目標電流（本実施形態では、零）との差に応じて、ポンプ電圧Ｖｐが設定される。加えて、ＥＣＵ３１には、ポンプ電圧印加装置１０２によってポンプ電圧Ｖｐを印加したときに第一固体電解質層８３を介してこれら電極８５、８６間に流れるポンプ電流Ｉｐを検出するポンプ電流検出装置１０３が設けられる。
【０１７２】
なお、ポンプ電圧印加装置１０２によってポンプ電圧Ｖｐを変化させると、電極８５、８６間に流れるポンプ電流Ｉｐが変化する。換言すると、ポンプ電圧印加装置１０２はポンプ電流Ｉｐを制御していると言える。したがって、ポンプ電圧印加装置１０２は、ポンプ電流Ｉｐを制御するポンプ電流制御装置として作用する。なお、ポンプ電流Ｉｐは例えばポンプ電圧印加装置１０２と直列に可変抵抗を配置し、この可変抵抗を変更することによっても変化する。したがって、ポンプ電流制御装置としては可変抵抗等、ポンプ電圧印加装置１０２以外の手段を用いることも可能である。
【０１７３】
＜空燃比センサの動作＞
次に、図１９を参照して、このように構成された空燃比センサ７０、７１の動作の基本的な概念について説明する。図１９は、空燃比センサ７０、７１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７０、７１は、保護層９６及び拡散律速層９３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７０、７１の基準ガス室８２には大気が導入される。
【０１７４】
上述したように、固体電解質層８３、８４は、酸素イオン伝導性酸化物の焼結体で形成される。このため、高温により活性化した状態で固体電解質層８３、８４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。
【０１７５】
逆に、固体電解質層８３、８４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。
【０１７６】
したがって、ポンプセル９０では、ポンプ電圧印加装置１０２によってガス室側電極８５と排気側電極８６との間にポンプ電圧Ｖｐが印加されると、これに応じて酸素イオンの移動が生じる。このような酸素イオンの移動に伴って、排気ガス中から被測ガス室８１内に酸素が汲み入れられたり汲み出されたりする。
【０１７７】
一方、本実施形態の基準セル９１は、第一実施形態における固体電解質層５１、排気側電極５２及び大気側電極５３から構成されるセルと同様に機能する。したがって、基準セル９１では、被測ガス室８１内の排気空燃比が、基準電圧印加装置１００により電極８７、８８間に印加された基準電圧Ｖｒに対応する空燃比（すなわち、基準電圧Ｖｒを印加したときの電流零時の排気空燃比）に一致するときには電極８７、８８間に流れる基準電流が零になる。一方、被測ガス室８１内の排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比よりもリッチであるときには電極８７、８８間に流れる基準電流が負電流となり、その大きさは基準電圧Ｖｒに対応する空燃比からの差に比例する。逆に、被測ガス室８１内の排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比よりもリーンであるときには電極８７、８８間に流れる基準電流が正電流となり、その大きさは基準電圧Ｖｒに対応する空燃比からの差に比例する。
【０１７８】
空燃比センサ７０、７１周りにおける排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比よりもリーンのときには、図１９（Ａ）に示したように、被測ガス室８１内には拡散律速層９３を介して基準電圧Ｖｒに対応する空燃比よりもリーンの排気ガスが流入する。このように多量の酸素を含むリーン空燃比の排気ガスが流入すると、基準セル９１の電極８７、８８間には基準電圧Ｖｒに対応する空燃比からの差に比例して正の基準電流が流れ、かかる基準電流は、基準電流検出装置１０１によって検出される。
【０１７９】
基準電流検出装置１０１によって基準電流が検出されると、これに基づいてポンプ電圧印加装置１０２によりポンプセル９０の電極８５、８６にポンプ電圧が印加される。特に、基準電流検出装置１０１によって正の基準電流が検出されると、排気側電極８６を正電極、ガス室側電極８５を負電極として、ポンプ電圧が印加される。このようにポンプセル９０の電極８５、８６にポンプ電圧を印加することにより、ポンプセル９０の第一固体電解質層８３では負電極から正電極に向かって、すなわちガス室側電極８５から排気側電極８６に向かって酸素イオンの移動が生じる。このため、被測ガス室８１内の酸素が空燃比センサ７０、７１周りの排気ガス中に汲み出される。
【０１８０】
被測ガス室８１内から空燃比センサ７０、７１周りの排気ガス中へ汲み出される酸素の流量は、ポンプ電圧に比例し、また、ポンプ電圧は基準電流検出装置１０１によって検出された正の基準電流の大きさに比例する。したがって、被測ガス室８１内の排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比からリーンに大きくずれるほど、すなわち、被測ガス室８１内の酸素濃度が高いほど、被測ガス室８１内から空燃比センサ７０、７１周りの排気ガス中へ汲み出される酸素の流量が多くなる。この結果、拡散律速層９３を介して被測ガス室８１に流入する酸素流量と、ポンプセル９０によって汲み出される酸素流量とは基本的に一致し、被測ガス室８１内は基本的にほぼ基準電圧Ｖｒに対応する空燃比に保たれることになる。
【０１８１】
ポンプセル９０によって汲み出される酸素流量は、ポンプセル９０の第一固体電解質層８３内を移動した酸素イオンの流量に等しい。そして、この酸素イオンの流量は、ポンプセル９０の電極８５、８６間で流れた電流に等しい。よって電極８５、８６間で流れた電流をポンプ電流検出装置１０３により検出することで、拡散律速層９３を介して被測ガス室８１に流入する酸素流量を、したがって、被測ガス室８１周りの排気ガスのリーン空燃比を検出することができる。
【０１８２】
一方、空燃比センサ７０、７１周りにおける排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比よりもリッチのときには、図１９（Ｂ）に示したように、被測ガス室８１内には拡散律速層９３を介して基準電圧Ｖｒに対応する空燃比よりもリッチの排気ガスが流入する。このように多量の未燃ガスを含むリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、基準セル９１の電極８７、８８間には基準電圧Ｖｒに対応する空燃比からの差に比例して負の基準電流が流れ、かかる基準電流は、基準電流検出装置１０１によって検出される。
【０１８３】
基準電流検出装置１０１によって基準電流が検出されると、これに基づいてポンプ電圧印加装置１０２によりポンプセル９０の電極８５、８６間にポンプ電圧が印加される。特に、基準電流検出装置１０１によって負の基準電流が検出されると、ガス室側電極８５を正電極、排気側電極８６を負電極として、ポンプ電圧が印加される。このようにポンプ電圧を印加することにより、ポンプセル９０の第一固体電解質層８３では負電極から正電極に向かって、すなわち排気側電極８６からガス室側電極８５に向かって酸素イオンの移動が生じる。このため、空燃比センサ７０、７１周りの排気ガス中の酸素が被測ガス室８１内に汲み入れられる。
【０１８４】
空燃比センサ７０、７１周りの排気ガス中から被測ガス室８１内へ汲み入れられる酸素の流量は、ポンプ電圧に比例し、また、ポンプ電圧は基準電流検出装置１０１によって検出された負の基準電流の大きさに比例する。したがって、被測ガス室８１内の排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比からリッチ大きくずれるほど、すなわち、被測ガス室８１内の未燃ガス濃度が高いほど、空燃比センサ７０、７１周りの排気ガス中から被測ガス室８１内へ汲み入れられる酸素の流量が多くなる。この結果、拡散律速層９３を介して被測ガス室８１に流入する未燃ガスの流量と、ポンプセル９０によって汲み入れられる酸素流量とは化学当量比となり、よって被測ガス室８１内は基本的に基準電圧Ｖｒに対応する空燃比に保たれることになる。
【０１８５】
ポンプセル９０によって汲み入れられる酸素流量は、ポンプセル９０内の第一固体電解質層８３内を移動した酸素イオンの流量に等しい。そして、この酸素イオンの流量は、ポンプセル９０の電極８５、８６間で流れた電流に等しい。よって電極８５、８６間で流れた電流をポンプ電流検出装置１０３により検出することで、拡散律速層９３を介して被測ガス室８１に流入する未燃ガスの流量を、したがって、被測ガス室８１周りの排気ガスのリッチ空燃比を検出することができる。
【０１８６】
また、空燃比センサ７０、７１周りにおける排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比のときには、図１９（Ｃ）に示したように、被測ガス室８１内に拡散律速層９３を介して基準電圧Ｖｒに対応する空燃比の排気ガスが流入する。このように基準電圧Ｖｒに対応する空燃比の排気ガスが流入すると、基準セル９１の電極８７、８８間に流れる基準電流は零となり、かかる基準電流は、基準電流検出装置１０１によって検出される。
【０１８７】
基準電流検出装置１０１によって検出された基準電流が零であると、これに伴ってポンプ電圧印加装置１０２により印加されるポンプ電圧も零とされる。このためポンプセル９０の第一固体電解質層８３では酸素イオンの移動は生じず、よって被測ガス室８１内は基本的に基準電圧Ｖｒに対応する空燃比に保たれることになる。そして、ポンプセル９０の第一固体電解質層８３において酸素イオンの移動が生じていないため、ポンプ電流検出装置１０３によって検出されるポンプ電流も零となる。したがって、ポンプ電流検出装置１０３によって検出されるポンプ電流が零であるときには、被測ガス室８１周りの排気ガスの空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比であることがわかる。
【０１８８】
このように、本実施形態の空燃比センサ７０、７１によれば、空燃比センサ７０、７１周りにおける排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比に一致するときには出力電流であるポンプ電流が零となる。また、空燃比センサ７０、７１周りにおける排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比よりもリーンのときには出力電流であるポンプ電流が正となり、そのリーンの程度に応じてポンプ電流の絶対値が大きくなる。逆に、空燃比センサ７０、７１周りにおける排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比よりもリッチのときには出力電流であるポンプ電流が負となり、そのリッチの程度に応じてポンプ電流の絶対値が大きくなる。
【０１８９】
加えて、基準電圧Ｖｒに対応する空燃比は、すなわち、基準電圧Ｖｒを印加したときの電流零時の排気空燃比は、上記第一実施形態の空燃比センサ４０、４１に関連して説明したように、基準電圧Ｖｒが増大するにつれて小さくなる。例えば、基準電圧Ｖｒが０．４５Ｖであるときには電流零時の排気空燃比は理論空燃比となる。そして、基準電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも大きい場合には電流零時の排気空燃比はリッチ空燃比となり、基準電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも小さい場合には電流零時の排気空燃比はリーン空燃比となる。
【０１９０】
＜各空燃比センサにおける印加電圧＞
本実施形態では、上流側空燃比センサ４０における基準電圧Ｖｒｕｐは、排気空燃比が理論空燃比（本実施形態では１４．６）であるときに出力電流が零となるような電圧（例えば、０．４５Ｖ）とされる。換言すると、上流側空燃比センサ４０では電流零時の排気空燃比が理論空燃比となるように基準電圧Ｖｒｕｐが設定される。一方、下流側空燃比センサ４１における基準電圧Ｖｒｄｗｎは、排気空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）であるときに出力電流が零となるような電圧（例えば、０．７Ｖ）とされる。換言すると、下流側空燃比センサ４１では、電流零時の排気空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比となるように基準電圧Ｖｒｄｗｎが設定される。このように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１における基準電圧Ｖｒｄｗｎが上流側空燃比センサ４０における基準電圧Ｖｒｕｐよりも高い電圧とされる。
【０１９１】
したがって、両空燃比センサ７０、７１に接続されたＥＣＵ３１は、上流側空燃比センサ４０の出力電流であるポンプ電流Ｉｐｕｐが零になったときに上流側空燃比センサ４０周りの排気空燃比は理論空燃比であると判断する。一方、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１の出力電流であるポンプ電流Ｉｐｄｗｎが零になったときには下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比はリッチ判定空燃比、すなわち、理論空燃比とは異なる予め定められた空燃比であると判断する。
【０１９２】
なお、上記第三実施形態では、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサのいずれもが１セル型の空燃比センサであり、上記第第四施形態では、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサのいずれもが２セル型の空燃比センサである。しかしながら、上流側空燃比センサを２セル型の空燃比センサとし、下流側空燃比センサを１セル型の空燃比センサとしてもよい。逆に、上流側空燃比センサを１セル型の空燃比センサとし、下流側空燃比センサを２セル型の空燃比センサとしてもよい。この場合であっても、下流側空燃比センサ４１におけるセンサ印加電圧（基準電圧）Ｖｒｕｐが上流側空燃比センサ４０におけるセンサ印加電圧（基準電圧）Ｖｒｄｗｎよりも高い電圧とされる。
【０１９３】
加えて、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサ共に２セル型の空燃比センサを用いつつ、上記第一実施形態と同様に、両空燃比センサにおける基準電圧Ｖｒを同一としてもよい。この場合には、下流側空燃比センサのポンプ電流Ｉｐが零以外の所定の値となったときに、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リッチ判定空燃比となったと判断する。
【０１９４】
なお、本明細書において、排気浄化触媒の酸素吸蔵量は、最大酸素吸蔵量と零との間で変化するものとして説明している。このことは、排気浄化触媒によって更に吸蔵可能な酸素の量が、零（酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量である場合）と最大値（酸素吸蔵量が零である場合）の間で変化することを意味するものである。
【符号の説明】
【０１９５】
５    燃焼室
６    吸気弁
８    排気弁
１０    点火プラグ
１１    燃料噴射弁
１３    吸気枝管
１５    吸気管
１８    スロットル弁
１９    排気マニホルド
２０    上流側排気浄化触媒
２１    上流側ケーシング
２２    排気管
２３    下流側ケーシング
２４    下流側排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
３９    エアフロメータ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【図１】
2014118892.tif 000003
【図２】
2014118892.tif 000004
【図３】
2014118892.tif 000005
【図４】
2014118892.tif 000006
【図５】
2014118892.tif 000007
【図６】
2014118892.tif 000008
【図７】
2014118892.tif 000009
【図８】
2014118892.tif 000010
【図９】
2014118892.tif 000011
【図１０】
2014118892.tif 000012
【図１１】
2014118892.tif 000013
【図１２】
2014118892.tif 000014
【図１３】
2014118892.tif 000015
【図１４】
2014118892.tif 000016
【図１５】
2014118892.tif 000017
【図１６】
2014118892.tif 000018
【図１７】
2014118892.tif 000019
【図１８】
2014118892.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
2014118892.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月25日(2014.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段とを具備し、
前記流入空燃比制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が、該排気浄化触媒から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度の上昇率がそれまでよりも高くなり始める上限吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
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検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出又は推定する上流側空燃比検出・推定手段と、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定された排気ガスの空燃比に基づいて前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段とを具備し、
前記流入空燃比制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記酸素吸蔵量増加手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差は、前記酸素吸蔵量減少手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きい、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記酸素吸蔵量増加手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに維持する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリッチに維持する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を断続的に理論空燃比よりもリッチにすると共に、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチになっていない期間のうち少なくとも一部の期間は前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出又は推定する上流側空燃比検出・推定手段を更に具備し、
前記流入空燃比制御手段は、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定される排気ガスの空燃比が前記目標空燃比になるように前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料の量を制御する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定された排気ガスの空燃比に基づいて該排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、
前記酸素吸蔵量増加手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量となるまで、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記下流側空燃比検出手段よりも排気流れ方向下流側において排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒を更に具備する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記吸蔵量増加手段による操作と前記吸蔵量減少手段による操作とは交互に繰り返し実行される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
値を算出する場合、推定値には誤差が生じる。このような誤差は、短期的であれば僅かなものであっても、これを長期間に亘って積算して酸素吸蔵量の推定値を算出しているような場合には大きなものとなってしまう。この結果、実際の酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量となるように排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御したとしても、最終的には、排気浄化触媒の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量又は零に達してしまう。
［００２１］
特許文献２に記載された制御装置では、斯かる事態を想定して、下流側の酸素センサによって理論空燃比以外の空燃比が検出された場合には、酸素吸蔵量の推定値を補正して、実際の酸素吸蔵量を適切な量に戻すようにしている。しかしながら、この場合にも、酸素吸蔵量の推定値を補正してからそれが排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に反映されるまでには遅れが生じる。この結果、特許文献１に記載された制御装置と同様に、排気浄化触媒からは一次的にＮＯｘが流出することになる。
［００２２］
そこで、上記課題に鑑みて本発明の目的は、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、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達して排気浄化触媒から流出する排気ガス中にＮＯｘが残存してしまうことを抑制する、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
［００２３］
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検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段とを具備し、前記流入空燃比制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が、該排気浄化触媒から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度の上昇率がそれまでよりも高くなり始める上限吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記排気浄化触媒の酸
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、内燃機関の制御装置が提供される。
［００２４］
上記課題を解決するために、第２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検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出又は推定する上流側空燃比検出・推定手段と、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定された排気ガスの空燃比に基づいて前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段とを具備し、前記流入空燃比制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、内燃機関の制御装置が提供される。
［００２５］
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記酸素吸蔵量増加手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差は、前記酸素吸蔵量減少手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きい。
［００２６］
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記酸素吸蔵量増加手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに維持する。
［００２７］
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリッチに維持する。
［００２８］
第６の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を断続的に理論空燃比よりもリッチにすると共に、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチになっていない期間のうち少なくとも一部の期間は前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。
［００２９］
第７の発明では、第１〜第６のいずれか一つの発明において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出又は推定する上流側空燃比検出・推定手段を更に具備し、前記流入空燃比制御手段は、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定される排気ガスの空燃比が前記目標空燃比になるように前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料の量を制御する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
［００３０］
第８の発明では、第７の発明において、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定された排気ガスの空燃比に基づいて該排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、前記酸素吸蔵量増加手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量となるまで、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。
［００３１］
第９の発明では、第１〜第８のいずれか一つの発明において、前記下流側空燃比検出手段よりも排気流れ方向下流側において排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒を更に具備する。
［００３２］
第１０の発明では、第１〜第９のいずれか一つの発明において、前記吸蔵量増加手段による操作と前記吸蔵量減少手段による操作とは交互に繰り返し実行される。
［００３３］
［００３４］
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
発明の効果
［００３５］
本発明によれば、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、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達して排気浄化触媒から流出する排気ガス中にＮＯｘが残存してしまうことが抑制される。
図面の簡単な説明
［００３６］
［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及び未燃ガスの濃度との関係を示す図である。
［図３］図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。
［図４］図４は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
［図５］図５は、空燃比センサ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］図６は、電圧印加装置及び電流検出装置を構成する具体的な回路の一例を示す図である。
［図７］図７は、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］図８は、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］図９は、制御装置の機能ブロック図である。
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月22日(2015.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、上流側排気浄化触媒２０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燃料の質量に対する空気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内に供給された燃料の質量に対する空気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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
なお、このような空燃比補正量ＡＦＣの制御は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側排気浄化触媒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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９５】
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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０３】
上述したように、下流側排気浄化触媒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において上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスは全て下流側排気浄化触媒２４において酸化浄化される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０４】
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排気浄化触媒２４に吸蔵されている酸素により酸化浄化される。したがって、下流側排気浄化触媒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、本実施形態によれば、下流側排気浄化触媒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。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３４】
＜第三実施形態＞
次に、図１２〜図１７を参照して、本発明の第三実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第三実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、上記実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、上記実施形態では、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサのいずれも同一のセンサ印加電圧であったのに対して、本実施形態では、これら空燃比センサの間で異なるセンサ印加電圧となっている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４６】
図１５は、図１３の空燃比−電流線図について、排気空燃比が理論空燃比近傍であって且つ出力電流Ｉｒが０近傍である領域（図１３においてＹで示した領域）を拡大して示した図である。図１５からは、理論空燃比近傍の領域においては、同一の排気空燃比に対する出力電流Ｉｒがセンサ印加電圧Ｖｒ毎に僅かに異なることがわかる。例えば、図示した例では、排気空燃比が理論空燃比である場合、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖとしたときに出力電流Ｉｒが０になる。そして、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも大きくすると出力電流Ｉｒも０より大きくなり、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも小さくすると出力電流Ｉｒも０より小さくなる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５６】
＜各空燃比センサにおける印加電圧＞
本実施形態では、上述した微視的特性に鑑みて、上流側空燃比センサ７０によって排気ガスの空燃比を検出するときには、上流側空燃比センサ７０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐは、排気空燃比が理論空燃比（本実施形態では１４．６）であるときに出力電流が零となるような電圧（例えば、０．４５Ｖ）に固定される。換言すると、上流側空燃比センサ７０では電流零時の排気空燃比が理論空燃比となるようにセンサ印加電圧Ｖｒｕｐが設定される。一方、下流側空燃比センサ７１によって排気ガスの空燃比を検出するときには、下流側空燃比センサ７１におけるセンサ印加電圧Ｖｒは、排気空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）であるときに出力電流が零となるような一定電圧（例えば、０．７Ｖ）に固定される。換言すると、下流側空燃比センサ７１では、電流零時の排気空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比となるようにセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが設定される。このように、本実施形態では、下流側空燃比センサ７１におけるセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが上流側空燃比センサ７０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐよりも高い電圧とされる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６１】
本実施形態によれば、上述したように、下流側空燃比センサ４１によってリッチ判定空燃比における絶対値を正確に検出することができる。図１６を用いて説明したように、従来の空燃比センサでは、理論空燃比以外の空燃比についてその絶対値を正確に検出することは困難であった。このため、従来の空燃比センサにおいて経年劣化や個体差等によりその出力電流に誤差が生じると、排気ガスの実際の空燃比はリッチ判定空燃比とは異なる場合でも、空燃比センサの出力電流がリッチ判定空燃比に相当する値となってしまう。この結果、空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替タイミングが遅れたり、或いは切替不要なタイミングで斯かる切替が行われたりする。これに対して、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１によってリッチ判定空燃比における絶対値を正確に検出することができる。このため、空燃比補正量ＡＦＣの弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替タイミングにおける遅れや、切替不要なタイミングでの切替を抑制することができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８４】
空燃比センサ７０、７１周りの排気ガス中から被測ガス室８１内へ汲み入れられる酸素の流量は、ポンプ電圧に比例し、また、ポンプ電圧は基準電流検出装置１０１によって検出された負の基準電流の大きさに比例する。したがって、被測ガス室８１内の排気空燃比が基準電圧Ｖｒに対応する空燃比からリッチに大きくずれるほど、すなわち、被測ガス室８１内の未燃ガス濃度が高いほど、空燃比センサ７０、７１周りの排気ガス中から被測ガス室８１内へ汲み入れられる酸素の流量が多くなる。この結果、拡散律速層９３を介して被測ガス室８１に流入する未燃ガスの流量と、ポンプセル９０によって汲み入れられる酸素流量とは化学当量比となり、よって被測ガス室８１内は基本的に基準電圧Ｖｒに対応する空燃比に保たれることになる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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を具備する内燃機関に用いられる内燃機関の制御装置であって、
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検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段とを具備し、
前記流入空燃比制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が、該排気浄化触媒から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度の上昇率がそれまでよりも高くなり始める上限吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
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を具備する内燃機関に用いられる内燃機関の制御装置であって、
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検出手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する流入空燃比制御手段と、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出又は推定する上流側空燃比検出・推定手段と、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定された排気ガスの空燃比に基づいて前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段とを具備し、
前記流入空燃比制御手段は、前記下流側空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであるリッチ判定空燃比以下になったときに、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記酸素吸蔵量増加手段によって前記目標空燃比が継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差は、前記酸素吸蔵量減少手段によって前記目標空燃比が継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きい、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記酸素吸蔵量増加手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリーンに維持する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を継続的に理論空燃比よりもリッチに維持する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記酸素吸蔵量減少手段は、前記目標空燃比を断続的に理論空燃比よりもリッチにすると共に、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチになっていない期間のうち少なくとも一部の期間は前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出又は推定する上流側空燃比検出・推定手段を更に具備し、前記流入空燃比制御手段は、前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定される排気ガスの空燃比が前記目標空燃比になるように前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料の量を制御する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記上流側空燃比検出・推定手段によって検出又は推定された排気ガスの空燃比に基づいて該排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、
前記酸素吸蔵量増加手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量となるまで、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンにする、請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記内燃機関は、前記下流側空燃比検出手段よりも排気流れ方向下流側において排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒を更に具備する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記吸蔵量増加手段による操作と前記吸蔵量減少手段による操作とは交互に繰り返し実行される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
2014118892.tif 000023
【国際調査報告】
2014118892.tif 000024
2014118892.tif 000025
2014118892.tif 000026
2014118892.tif 000027