(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向上流側において前記排気通路に設けられた上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、前記上流側空燃比センサを加熱する上流側センサヒータと、前記下流側空燃比センサを加熱する下流側センサヒータとを具備する、自動停止可能な内燃機関に用いられる内燃機関の制御装置であって、
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空燃比制御部と、前記上流側センサヒータによる前記上流側空燃比センサの加熱及び前記下流側センサヒータによる前記下流側空燃比センサの加熱を制御する加熱制御部とを具備し、
前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記上流側空燃比センサの温度が活性温度未満になるように前記上流側センサヒータを制御すると共に前記下流側空燃比センサの温度が前記上流側空燃比センサよりも高い温度になるように前記下流側センサヒータによって前記下流側空燃比センサを加熱し、
前記空燃比制御部は、機関運転中において、前記上流側空燃比センサの出力と前記下流側空燃比センサの出力とに基づいて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両フィードバック制御を実行し、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された場合、機関運転中であっても再始動時点から一時的に、前記上流側空燃比センサの出力を利用せずに前記下流側空燃比センサの出力に基づいて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片フィードバック制御を実行する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記下流側空燃比センサの温度を活性温度未満であって所定温度以上に維持するように前記下流側センサヒータを制御し、
前記所定温度は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動されたときに前記上流側センサヒータ及び前記下流側センサヒータによって前記上流側空燃比センサ及び前記下流側空燃比センサをそれぞれ加熱した場合に、前記下流側空燃比センサの温度の方が前記上流側空燃比センサの温度よりも早く活性温度に到達する温度である、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記下流側空燃比センサの温度を活性温度以上に維持するように前記下流側センサヒータを制御する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、機関運転中に比べて、前記下流側空燃比センサの温度が低くなるように、前記下流側センサヒータを制御する、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】
前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える両破綻制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御の実行時には、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が前記目標空燃比になるように該上流側空燃比センサの出力空燃比に基づくフィードバック制御を行う、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】
前記空燃比制御部は、前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間における該目標空燃比のリッチ度合いの平均値及び前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間における該目標空燃比のリーン度合いの平均値は、前記両フィードバック制御の実行時の方が前記片フィードバック制御の実行時に比べて大きくなるように、前記目標空燃比を設定する、請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでのリーン期間中に前記目標空燃比をリーン空燃比に維持すると共に該リーン期間中に前記目標空燃比のリーン度合いを低下させ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまでのリッチ期間中に前記目標空燃比をリッチ空燃比に維持すると共に該リッチ期間中に前記目標空燃比のリッチ度合いを低下させる変動両破綻制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記リーン期間中に前記目標空燃比を一定のリーン設定空燃比に維持し、前記リッチ期間中に前記目標空燃比を一定のリッチ空燃比に維持する固定両破綻制御を実行する、請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない切替基準吸蔵量以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替えるリッチ破綻制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える両破綻制御を実行する、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９】
前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでのリーン期間中に前記目標空燃比を一定のリーン設定空燃比に維持し、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでのリッチ期間中に前記目標空燃比を一定のリッチ空燃比に維持する固定両破綻制御を実行する、請求項８に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記加熱制御部は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された後には、前記下流側空燃比センサの温度がその活性温度以上になるように前記下流側センサヒータを制御し、
前記空燃比制御部は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された場合、前記下流側空燃比センサの温度がその活性温度以上になったとき以降に、前記片フィードバック制御から両フィードバック制御に切り替えられ、
前記片フィードバック制御から前記両フィードバック制御に切り替えられたときには、まず、前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定される、請求項８又は９に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記下流側空燃比センサは排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力に基づいて酸素濃度を検出する酸素センサであり、
前記空燃比制御部は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に近づくように前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御し、且つ前記片フィードバック制御の実行時には前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記下流側空燃比センサの出力空燃比の変化量に対する前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化量が小さくなるように、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、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１２】
前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比と理論空燃比との差分に基づいて該差分が小さくなるように目標空燃比をＰＩＤ制御し、
前記片フィードバック制御の実行時には、前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記ＰＩＤ制御における比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインのうちの少なくともいずれか一つのゲインが小さくされる、請求項１１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比と理論空燃比との差分に基づいて該差分が小さくなるように目標空燃比をＰＩ制御し、
前記片フィードバック制御の実行時には、前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記ＰＩ制御における比例ゲイン及び積分ゲインのうちの少なくともいずれか一方のゲインが小さくされる、請求項１１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】
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒よりも排気流れ方向上流側において排気通路に設けられた上流側空燃比センサと、排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、上流側空燃比センサを加熱する上流側センサヒータと、下流側空燃比センサを加熱する下流側センサヒータとを具備する、自動停止可能な内燃機関で用いられる制御装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
斯かる制御装置では、例えば、内燃機関の停止中には上流側センサヒータ及び下流側センサヒータによる上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの加熱は行われない。そして、内燃機関を冷間始動するとき、或いは内燃機関が自動停止による停止後に再始動されるときには、上流側センサヒータ及び下流側センサヒータによって上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの加熱を行うようにしている。特に、特許文献１に記載された制御装置では、内燃機関の停止態様や内燃機関の停止時間等に応じて、内燃機関の始動又は再始動後の上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの加熱を制御するようにしている。特許文献１によれば、これにより排気系に残存している凝縮水による空燃比センサの故障を防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８５３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１の制御装置では、内燃機関の停止中にはセンサヒータによる空燃比センサの加熱が行われず、内燃機関の再始動後に空燃比センサの加熱が行われる。しかしながら、空燃比センサの温度が活性温度未満であるときにセンサヒータによって空燃比センサを活性温度以上にまで上昇させるには或る程度の時間がかかる。したがって、自動停止による内燃機関の停止中に空燃比センサの温度が活性温度未満に低下してしまうと、内燃機関の再始動後に空燃比センサの温度が活性温度以上にまで上昇するのには或る程度の時間がかかる。このため、内燃機関の再始動後、或る程度の時間に亘って上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの両空燃比センサにおいて排気ガスの空燃比を正確に検出することができず、よって排気ガスの空燃比を適切に制御することができなくなる。
【０００６】
一方、自動停止よる内燃機関の停止中に上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサをセンサヒータにより加熱して、内燃機関の停止中にもこれら空燃比センサの温度を活性温度以上に維持することも考えられる。しかしながら、自動停止による内燃機関の停止中に常にこれら両空燃比センサの温度を活性温度以上に維持するためには、センサヒータに大きな電力が必要になり、最終的には内燃機関の燃費の悪化につながる。
【０００７】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、センサヒータによる電力消費を小さく抑えつつ、機関再始動直後において排気ガスの空燃比を適切に制御することができ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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【０００９】
（１）内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向上流側において前記排気通路に設けられた上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、前記上流側空燃比センサを加熱する上流側センサヒータと、前記下流側空燃比センサを加熱する下流側センサヒータとを具備する、自動停止可能な内燃機関に用いられる内燃機関の制御装置であって、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空燃比制御部と、前記上流側センサヒータによる前記上流側空燃比センサの加熱及び前記下流側センサヒータによる前記下流側空燃比センサの加熱を制御する加熱制御部とを具備し、前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記上流側空燃比センサの温度が活性温度未満になるように前記上流側センサヒータを制御すると共に前記下流側空燃比センサの温度が前記上流側空燃比センサよりも高い温度になるように前記下流側センサヒータによって前記下流側空燃比センサを加熱し、前記空燃比制御部は、機関運転中において、前記上流側空燃比センサの出力と前記下流側空燃比センサの出力とに基づいて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両フィードバック制御を実行し、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された場合、機関運転中であっても再始動時点から一時的に、前記上流側空燃比センサの出力を利用せずに前記下流側空燃比センサの出力に基づいて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片フィードバック制御を実行する、内燃機関の制御装置。
【００１０】
（２）前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記下流側空燃比センサの温度を活性温度未満であって所定温度以上に維持するように前記下流側センサヒータを制御し、前記所定温度は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動されたときに前記上流側センサヒータ及び前記下流側センサヒータによって前記上流側空燃比センサ及び前記下流側空燃比センサをそれぞれ加熱した場合に、前記下流側空燃比センサの温度の方が前記上流側空燃比センサの温度よりも早く活性温度に到達する温度である、上記（１）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１１】
（３）前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、前記下流側空燃比センサの温度を活性温度以上に維持するように前記下流側センサヒータを制御する、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１２】
（４）前記加熱制御部は、自動停止による前記内燃機関の停止中には、機関運転中に比べて、前記下流側空燃比センサの温度が低くなるように、前記下流側センサヒータを制御する、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
【００１３】
（５）前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える両破綻制御を実行し、前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御の実行時には、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が前記目標空燃比になるように該上流側空燃比センサの出力空燃比に基づくフィードバック制御を行う、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
【００１４】
（６）前記空燃比制御部は、前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間における該目標空燃比のリッチ度合いの平均値及び前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間における該目標空燃比のリーン度合いの平均値は、前記両フィードバック制御の実行時の方が前記片フィードバック制御の実行時に比べて大きくなるように、前記目標空燃比を設定する、上記（５）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１５】
（７）前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでのリーン期間中に前記目標空燃比をリーン空燃比に維持すると共に該リーン期間中に前記目標空燃比のリーン度合いを低下させ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまでのリッチ期間中に前記目標空燃比をリッチ空燃比に維持すると共に該リッチ期間中に前記目標空燃比のリッチ度合いを低下させる変動両破綻制御を実行し、前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記リーン期間中に前記目標空燃比を一定のリーン設定空燃比に維持し、前記リッチ期間中に前記目標空燃比を一定のリッチ空燃比に維持する固定両破綻制御を実行する、上記（５）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１６】
（８）前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない切替基準吸蔵量以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替えるリッチ破綻制御を実行し、前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える両破綻制御を実行する、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
【００１７】
（９）前記空燃比制御部は、前記片フィードバック制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでのリーン期間中に前記目標空燃比を一定のリーン設定空燃比に維持し、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になったときから前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでのリッチ期間中に前記目標空燃比を一定のリッチ空燃比に維持する固定両破綻制御を実行する、上記（８）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１８】
（１０）前記加熱制御部は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された後には、前記下流側空燃比センサの温度がその活性温度以上になるように前記下流側センサヒータを制御し、前記空燃比制御部は、前記内燃機関が自動停止による停止後に再始動された場合、前記下流側空燃比センサの温度がその活性温度以上になったとき以降に、前記片フィードバック制御から両フィードバック制御に切り替えられ、前記片フィードバック制御から前記両フィードバック制御に切り替えられたときには、まず、前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定される、上記（８）又は（９）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１９】
（１１）前記下流側空燃比センサは排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力に基づいて酸素濃度を検出する酸素センサであり、前記空燃比制御部は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に近づくように前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御し、且つ前記片フィードバック制御の実行時には前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記下流側空燃比センサの出力空燃比の変化量に対する前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化量が小さくなるように、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、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
【００２０】
（１２）前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比と理論空燃比との差分に基づいて該差分が小さくなるように目標空燃比をＰＩＤ制御し、前記片フィードバック制御の実行時には、前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記ＰＩＤ制御における比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインのうちの少なくともいずれか一つのゲインが小さくされる、上記（１１）に記載の内燃機関の制御装置。
【００２１】
（１３）前記空燃比制御部は、前記両フィードバック制御においても前記片フィードバック制御においても、前記下流側空燃比センサの出力空燃比と理論空燃比との差分に基づいて該差分が小さくなるように目標空燃比をＰＩ制御し、前記片フィードバック制御の実行時には、前記両フィードバック制御の実行時に比べて、前記ＰＩ制御における比例ゲイン及び積分ゲインのうちの少なくともいずれか一方のゲインが小さくされる、上記（１１）に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、センサヒータによる電力消費を小さく抑えつつ、機関再始動直後において排気ガスの空燃比を適切に制御することができる内燃機関の制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の異常診断装置が用いられている内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図３】図３は、各排気空燃比Ａ／Ｆにおける印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す図である。
【図４】図４は、印加電圧Ｖを一定にしたときの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。
【図５】図５は、両ＦＢ制御を行った場合における空燃比補正量等の変化を示すタイムチャートである。
【図６】図６は、内燃機関の自動停止機構の作動状態等のタイムチャートである。
【図７】図７は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートである。
【図８】図８は、空燃比センサの電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す、図３と同様な図である。
【図９】図９は、温度制御及び空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、内燃機関の制御装置の機能ブロック図である。
【図１１】図１１は、内燃機関の制御装置の機能ブロック図である。
【図１２】図１２は、固定両破綻制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、空燃比補正量等の、図５と同様なタイムチャートである。
【図１４】図１４は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１５】図１５は、温度制御及び空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、変動両破綻制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１７】図１７は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１８】図１８は、空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートである。
【図１９】図１９は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図２０】図１０は、内燃機関の制御装置の機能ブロック図である。
【図２１】図２１は、リッチ破綻制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２２】図２２は、排気ガスの空燃比と酸素センサの出力電圧との関係を示す図である。
【図２３】図２３は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量等のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００２５】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１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。
【００２６】
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の排気浄化装置が用いられる内燃機関では、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。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。
【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＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、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））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ガス及びＮＯｘとが同時に浄化される。
【００３２】
すなわち、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有していると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リーンになったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵される。このため、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ガス及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３３】
一方、排気浄化触媒２０、２４が酸素を放出することができる状態にあると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が０よりも多いと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リッチになったときには、排気ガス中に含まれている未燃ガスを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出される。このため、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ガス及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３４】
このように、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ガス及びＮＯｘとが同時に浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
【００３５】
＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、空燃比センサ４０、４１として、コップ型の限界電流式空燃比センサが用いられる。図２を用いて、空燃比センサ４０、４１の構造について簡単に説明する。空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、その一方の側面上に配置された排気側電極５２と、その他方の側面上に配置された大気側電極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、基準ガス室５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱、特に固体電解質層５１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００３６】
特に、本実施形態のコップ型の空燃比センサ４０、４１では、固体電解質層５１は一端が閉じられた円筒状に形成される。固体電解質層５１の内部に画成された基準ガス室５５には、大気ガス（空気）が導入されると共に、ヒータ部５６が配置される。固体電解質層５１の内面上に大気側電極５３が配置され、固体電解質層５１の外面上に排気側電極５２が配置される。固体電解質層５１及び排気側電極５２の外面上にはこれらを覆うように拡散律速層５４が配置される。なお、拡散律速層５４の外側には、拡散律速層５４の表面上に液体等が付着するのを防止するための保護層（図示せず）が設けられてもよい。
【００３７】
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。
【００３８】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された印加電圧制御装置６０によりセンサ印加電圧Ｖが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、センサ印加電圧Ｖ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Ｉを検出する電流検出部６１が設けられる。この電流検出部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Ｉである。
【００３９】
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図３に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図３からわかるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは、排気ガスの空燃比、すなわち排気空燃比Ａ／Ｆが高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比Ａ／ＦにおけるＶ−Ｉ線には、センサ印加電圧Ｖ軸に平行な領域、すなわちセンサ印加電圧Ｖが変化しても出力電流Ｉがほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。
【００４０】
図４は、印加電圧Ｖを０．４５Ｖ程度（図３）で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示している。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわちリーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに（比例するように）変化する。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。
【００４１】
なお、空燃比センサ４０、４１としては、図２に示した構造の限界電流式空燃比センサに代えて、例えば積層型の限界電流式空燃比センサ等の他の構造の限界電流式の空燃比センサを用いてもよい。また、空燃比センサ４０、４１として、電極間に電圧を印加せずに酸素濃度を検出する酸素センサを用いてもよい。
【００４２】
＜両ＦＢ制御＞
次に、本実施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。本実施形態の制御装置では、基本的に、上流側空燃比センサ４０の出力及び下流側空燃比センサの出力に基づいて排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する両フィードバック制御（以下、「両ＦＢ制御」という）が実行される。したがって、まず、本実施形態における両ＦＢ制御について説明する。
【００４３】
本実施形態の両ＦＢ制御では、上流側空燃比センサ４０の出力に相当する空燃比（以下、「出力空燃比」という）に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。すなわち、本実施形態の両ＦＢ制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。
【００４４】
また、本実施形態の両ＦＢ制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて目標空燃比が設定される。特に、本実施形態の両ＦＢ制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づいて両破綻制御により目標空燃比が設定される。具体的には、両破綻制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリーン設定空燃比になる。ここで、リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リーンである予め定められた一定値の空燃比であり、例えば、１４．７５とされる。加えて、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。
【００４５】
加えて、本実施形態の両破綻制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比となったときに、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリッチ設定空燃比になる。ここで、リッチ設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リッチである予め定められた一定値の空燃比であり、例えば、１４．５０とされる。加えて、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンであるリーン判定空燃比（例えば、１４．５５）以上になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になったと判断される。
【００４６】
したがって、本実施形態の両破綻制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になるまでのリーン期間中に目標空燃比がリーン空燃比に維持される。加えて、本実施形態の両破綻制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になったときから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでのリッチ期間中に目標空燃比がリッチ空燃比に維持される。なお、本実施形態の両破綻制御では、リーン期間中に目標空燃比は一定のリーン設定空燃比に維持され、リッチ期間中に目標空燃比は一定のリッチ設定空燃比に維持される。本明細書ではこのような両破綻制御を「固定両破綻制御」と称する。
【００４７】
したがって、本実施形態の両ＦＢ制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づいて目標空燃比が両破綻制御により設定される。加えて、本実施形態の両ＦＢ制御では、設定された上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が、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がフィードバック制御される。
【００４８】
＜タイムチャートを用いた固定両破綻制御の説明＞
図５を参照して、固定両破綻制御について具体的に説明する。図５は、固定両破綻制御を行った場合における、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｄｗｎのタイムチャートである。
【００４９】
なお、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制御中心となる空燃比（以下、「制御中心空燃比」という）に等しい空燃比（本実施形態では、理論空燃比）とされる。一方、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリーンな空燃比（本実施形態では、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制御中心空燃比よりもリッチな空燃比（本実施形態では、リッチ空燃比）となる。また、「制御中心空燃比」は、機関運転状態に応じて空燃比補正量ＡＦＣを加算する対象となる空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに応じて目標空燃比を変動させる際に基準となる空燃比を意味する。
【００５０】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とされている。すなわち、目標空燃比はリッチ空燃比とされており、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となる。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側排気浄化触媒２０で浄化され、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒２０における浄化により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中には未燃ガス等は含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。
【００５１】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはゼロに近づき、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガス等の一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下し、時刻ｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。
【００５２】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。
【００５３】
時刻ｔ1において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。時刻ｔ1において上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大する。
【００５４】
これにより、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の出力空燃比ＡＦｄｗｎも理論空燃比に収束する。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の排出はほぼゼロとなる。
【００５５】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に増大すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づき、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入したＮＯｘ及び酸素の一部は上流側排気浄化触媒２０で除去されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下し、時刻ｔ2においてリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達する。
【００５６】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定区畝ぴＡＦｌｅａｎ以上になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを減少させるべく、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）に切り替えられる。
【００５７】
時刻ｔ2において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。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等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ＯＳＡは徐々に減少していく。このときの上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出はほぼゼロとなる。
【００５８】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していくと、時刻ｔ3において、時刻ｔ1と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、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。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ3のサイクルが繰り返される。
【００５９】
なお、このような本実施形態における空燃比補正量ＡＦＣの制御、すなわち目標空燃比の制御は、内燃機関の制御装置として機能するＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１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制御する空燃比制御部を具備するといえる。具体的には、空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比以上となるまで、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空燃比に設定している。加えて、空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比以上となったときから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下となるまで、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ッチ空燃比に設定している。
【００６０】
＜両ＦＢ制御時のセンサ温度制御＞
ところで、空燃比センサ４０、４１は、その温度がそれぞれの空燃比センサの活性温度（例えば、５００℃）未満であると、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比に応じた電流を出力することができない。したがって、空燃比センサ４０、４１が活性温度未満であると、空燃比センサ４１によって空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比を正確に検出することができない。このため、空燃比センサ４０、４１によって排気ガスの空燃比を検出するときには、空燃比センサ４０、４１の温度を活性温度以上に維持することが必要になる。
【００６１】
このため、上述した両ＦＢ制御を行っている際には、ヒータ部５６により空燃比センサ４０、４１が、特に空燃比センサ４０、４１の固体電解質層５１が加熱される。これにより、図５に示したように、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐも、下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｄｗｎも、活性温度Ｔａｃｔ以上に維持される。特に、本実施形態では、活性温度Ｔａｃｔよりも或る程度高い温度（例えば、７００℃）程度まで加熱され、その温度に維持される。これにより、空燃比センサ４０、４１によって空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比を正確に検出することができるようになる。
【００６２】
なお、このような空燃比センサ４０、４１の温度制御は、内燃機関の制御装置として機能するＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、上流側空燃比センサ４０のヒータ部（上流側センサヒータ）５６による上流側空燃比センサ４０の加熱及び下流側空燃比センサ４１のヒータ部（下流側センサヒータ）５６による下流側空燃比センサ４１の加熱を制御する加熱制御部を具備するといえる。加熱制御部は、内燃機関の運転中において、上流側空燃比センサ４０の温度及び下流側空燃比センサ４１の温度がいずれも活性温度以上の所定温度になるようにこれら空燃比センサ４０、４１のヒータ部５６を制御している。
【００６３】
具体的には、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の温度が、例えば、電極５２、５３間のインピーダンスに基づいて算出される。そして、算出された空燃比センサ４０、４１の温度が目標温度になるように空燃比センサ４０、４１のヒータ部５６がフィードバック制御される。上述したように、両ＦＢ制御を行っている際には、この目標温度が活性温度よりも或る程度高い温度（例えば、７００℃）に設定されることになる。
【００６４】
＜内燃機関の自動停止＞
ところで、内燃機関を搭載した車両の一部は、イグニッションキーがＯＮになった状態で内燃機関が一時的に自動停止する自動停止機能を有する。このような自動停止が行われる機構の一つの例としては、機関自動停止・再始動機構が挙げられる。機関自動停止・再始動機構では、例えば、車両が信号待ち等によって停車しているときに一時的に内燃機関が自動的に停止せしめられる。
【００６５】
具体的には、機関自動停止・再始動機構では、例えば、ドライバーによってブレーキペダル（図示せず）が踏み込まれていて且つ内燃機関を搭載した車両の速度が所定の速度以下であるときに内燃機関が自動的に停止される。一方、機関自動停止・再始動装置では、ドライバーによるブレーキペダルの踏み込み量がほぼゼロになると、内燃機関が自動的に再始動せしめられる。これにより、従来の内燃機関がアイドル運転を行うような期間に内燃機関を停止させることができ、よって内燃機関の燃費を増大させることができる。
【００６６】
また、自動停止が行われる機構の別の例としては、内燃機関とモータとによって車両を駆動するハイブリッド機構が挙げられる。ハイブリッド機構では、例えば、車両の低速走行時にはモータの動力にみによって車両が走行せしめられると共に、車両の中高速走行時にはモータに加えて内燃機関の動力によって車両が走行せしめられる。したがって、ハイブリッド機構では、停車中のみならず車両の低速走行時においても内燃機関が自動的に停止せしめられる。加えて、車両の走行速度が或る程度の速度以上になるか或いはアクセルペダル４２の踏み込み量が或る一定以上になると、内燃機関が自動的に再始動せしめられる。或いは、モータを駆動するためのバッテリの充電容量が一定以下になったとき等にも内燃機関が自動的に再始動せしめられる。
【００６７】
＜自動停止が行われたときの問題点＞
ところで、内燃機関の停止中には上述した両ＦＢ制御を行う必要がない。したがって、内燃機関の停止中には、空燃比センサ４０、４１の出力は内燃機関や車両の制御のために利用されない。一方、空燃比センサ４０、４１においてヒータ部５６により空燃比センサ４０、４１の温度を活性温度Ｔａｃｔ以上に保つには相当な電力を消費する。特に、内燃機関の停止中には空燃比センサ４０、４１の周りに高温の排気ガスが流れてこないため、空燃比センサ４０、４１の温度を活性温度Ｔａｃｔ以上に保つのに必要な電力が増大する。
【００６８】
このため、内燃機関の自動停止機能により内燃機関が自動的に停止された場合には、内燃機関の停止中に空燃比センサ４０、４１のヒータ部５６への電力供給を停止することが考えられる。これにより、空燃比センサ４０、４１における電力消費を抑制することができる。
【００６９】
しかしながら、この場合、内燃機関の停止中に、空燃比センサ４０、４１の温度はその活性温度Ｔａｃｔ未満に低下することも多い。このように空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度未満に低下してしまうと、内燃機関の再始動後に空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度Ｔａｃｔ以上にまで上昇するのに或る程度の時間がかかる。そして、内燃機関が再始動されてから空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度Ｔａｃｔ以上に上昇するまでの期間中には空燃比センサ４０、４１によって排気ガスの空燃比を正確に検出することができず、よって上述した両ＦＢ制御を行うことができない。この結果、斯かる期間中には排気エミッションが悪化する可能性がある。
【００７０】
一方、内燃機関の自動停止機能により内燃機関が自動的に停止された場合であっても、空燃比センサ４０、４１のヒータ部５６への電力供給を続けることも考えられる。これにより、内燃機関の停止中においても空燃比センサ４０、４１の温度を活性温度Ｔａｃｔ以上に維持することができるようになる。この結果、内燃機関が再始動された場合、再始動直後から空燃比センサ４０、４１を用いて空燃比制御を行うことができるため、再始動時における排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【００７１】
しかしながら、内燃機関の自動停止機能により内燃機関が自動的に停止された場合に、内燃機関の停止中には空燃比センサ４０、４１の出力は利用されない。それにも関わらず、内燃機関の停止中に空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度に維持されるため、空燃比センサ４０、４１において不必要に電力が消費されることになり、ひいては燃費の悪化を招く。
【００７２】
＜本実施形態における制御＞
そこで、本実施形態の内燃機関の制御装置では、加熱制御部は、自動停止による内燃機関の停止中には、上流側空燃比センサ４０の温度がその活性温度未満になるように上流側空燃比センサ４０のヒータ部５６を制御するようにしている。加えて、加熱制御部は、自動停止による内燃機関の停止中には、下流側空燃比センサ４１の温度がその活性温度以上になるように下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６を制御するようにしている。また、加熱制御部は、自動停止後に内燃機関が再始動された後には、下流側空燃比センサ４０のみならず下流側空燃比センサ４１の温度がその活性温度以上になるように下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６を制御するようにしている。
【００７３】
さらに、本実施形態の内燃機関の制御装置では、空燃比制御部は、機関運転中において、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力と下流側空燃比センサ４１の出力とに基づ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を制御するようにしている。加えて、空燃比制御部は、内燃機関が自動停止による停止後に再始動された後には、機関運転中であっても一時的に、上流側空燃比センサ４０の出力を利用せずに下流側空燃比センサ４１の出力に基づ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を制御するようにしている。また、空燃比制御部は、内燃機関が自動停止による停止後に再始動された場合、下流側空燃比センサ４１の温度がその活性温度以上になったとき以降には、上流側空燃比センサ４０の出力と下流側空燃比センサ４１の出力とに基づ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を制御するようにしている。
【００７４】
図６は、内燃機関の自動停止機構の作動、空燃比制御モード、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｄｗｎのタイムチャートである。図中の上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐにおける破線は上流側空燃比センサ４０の目標温度を表しており、下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｄｗｎにおける破線は下流側空燃比センサ４１の目標温度を表している。また、空燃比制御モードにおける「両ＦＢ制御」は、上流側空燃比センサ４０の出力及び下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて空燃比を制御する両ＦＢ制御が行われる制御モードである。また、空燃比制御モードにおける「片ＦＢ制御」は、下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて空燃比を制御する片フィードバック制御（以下、「片ＦＢ制御」という）が行われる制御モードである。加えて、空燃比制御モードにおける「制御停止」は、空燃比制御が行われない制御モードである。
【００７５】
図６に示した例では、時刻ｔ1以前においては、内燃機関は自動停止機能により自動停止されておらず、運転中となっている。このとき、空燃比制御モードは、両ＦＢ制御モードとなっており、よって両空燃比センサ４０、４１に基づく空燃比制御が行われる。したがって、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて、出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比になるようにフィードバック制御が行われる。加えて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて固定両破綻制御により目標空燃比が設定される。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときに空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。加えて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になったときに空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎからリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。
【００７６】
また、時刻ｔ1以前においては、上流側空燃比センサ４０の目標温度及び下流側空燃比センサ４１の目標温度は、活性温度（例えば、５００℃）以上の高い第１温度（例えば、７００℃）Ｔｃ1に設定される。これにより、空燃比センサ４０、４１のヒータ部５６はこれら空燃比センサ４０、４１の温度が第１温度Ｔｃ1になるように制御される。図示した例では、時刻ｔ1以前において、空燃比センサ４０、４１の温度は、第１温度Ｔｃ1に維持されている。
【００７７】
図６に示した例では、時刻ｔ1において、内燃機関は自動停止機能により自動停止せしめられる。これにより、燃料噴射弁１１からの燃料供給は行われなくなる。このため、空燃比制御モードが両ＦＢ制御モードから制御停止モードへと切り替えられる。この結果、燃料噴射弁１１からの燃料供給量を決める制御である空燃比制御が行われなくなる。
【００７８】
また、本実施形態では、時刻ｔ1において内燃機関が自動停止機能により自動停止せしめられると、上流側空燃比センサ４０の目標温度が低下せしめられる。上流側空燃比センサ４０の目標温度はその活性温度Ｔａｃｔ未満の第３温度（例えば、２００℃）Ｔｃ3に低下せしめられる。したがって、時刻ｔ1以降、上流側空燃比センサ４０のヒータ部５６は、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐが第３温度Ｔｃ3になるように制御される。特に、本実施形態では、第３温度Ｔｃ3は、上流側空燃比センサ４０のヒータ部５６への通電を停止しても或る程度の時間に亘って下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｄｗｎが到達しないような温度とされる。結果的に、本実施形態では、時刻ｔ1以降、下流側空燃比センサ４０のヒータ部５６への通電が停止せしめられる。
【００７９】
なお、図６に示した例では、内燃機関が自動停止機能により自動停止されている間、上流側空燃比センサ４０の目標温度を第３温度Ｔｃ3に設定するのではなく、単に下流側空燃比センサ４１への通電を停止するようにしてもよい。このように通電を停止することによっても、下流側空燃比センサ４１の温度を活性温度Ｔａｃｔ未満にすることができる。
【００８０】
一方、時刻ｔ1においては、下流側空燃比センサ４１の目標温度が、活性温度Ｔａｃｔ以上の第２温度（例えば、６００℃）Ｔｃ2まで低下せしめられる。時刻ｔ1以降、上流側空燃比センサ４０のヒータ部５６は、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐが第２温度Ｔｃ2になるように制御される。
【００８１】
その後、図６に示した例では、時刻ｔ2において、自動停止機構による内燃機関の停止が終了せしめられる。したがって、時刻ｔ2において、内燃機関が再始動せしめられる。これに伴って、時刻ｔ2では、上流側空燃比センサ４０の目標温度及び下流側空燃比センサ４１の目標温度が共に第１温度Ｔｃ1に切り替えられる。
【００８２】
ここで、時刻ｔ2において、下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｄｗｎは活性温度Ｔａｃｔ以上の第２温度Ｔｃ2になっている。一方、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐは活性温度Ｔａｃｔ未満の第３温度Ｔｃ3になっている。したがって、時刻ｔ2の時点で、下流側空燃比センサ４１の出力は正確に排気空燃比を表しているが、上流側空燃比センサ４０の出力は排気空燃比を表していない可能性がある。
【００８３】
また、時刻ｔ2において空燃比センサ４０、４１の目標温度が第１温度Ｔｃ1に切り替えられるため、これら空燃比センサ４０、４１のヒータ部５６により加熱が行われる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の温度をヒータ部５６の加熱により活性温度Ｔａｃｔ以上にまで上昇させるには或る程度時間がかかる。したがって、時刻ｔ2から或る程度の時間に亘って、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比を用いて空燃比制御を行うことができない。
【００８４】
そこで、本実施形態では、時刻ｔ2において、内燃機関が再始動せしめられると、上述した両ＦＢ制御ではなく、片ＦＢ制御が行われる。片ＦＢ制御では、後述するように、上流側空燃比センサ４０の出力を利用せずに下流側空燃比センサ４１の出力に基づ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制御される。
【００８５】
その後、図６に示した例では、時刻ｔ3において、上流側空燃比センサ４０の温度が活性温度Ｔａｃｔ以上に上昇する。したがって、時刻ｔ3以降は、上流側空燃比センサ４０の出力は正確に排気空燃比を表している。このため、本実施形態では、自動停止後に内燃機関が再始動された場合、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐがその活性温度Ｔａｃｔ以上になった時刻ｔ3以降には、上述した両ＦＢ制御が行われる。上述したように、両ＦＢ制御では、上流側空燃比センサ４０の出力と下流側空燃比センサ４１の出力とに基づ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制御される。
【００８６】
＜片ＦＢ制御＞
次に、片ＦＢ制御について説明する。本実施形態の片ＦＢ制御においては、上述した両ＦＢ制御と同様に、固定両破綻制御により、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて目標空燃比が設定される。一方、上述した両ＦＢ制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。これに対して、片ＦＢ制御では、上流側空燃比センサ４０の出力は利用されず、燃焼室５内に供給される吸入空気量と目標空燃比とに基づいて、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が、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が制御される。
【００８７】
具体的には、本実施形態では、エアフロメータ３９によって検出された空気流量に基づいて、各気筒への吸入空気量が算出される。このように算出された吸入空気量を、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて上述したように算出された目標空燃比で除算することによって、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が算出される。両ＦＢ制御によって、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づくフィードバック制御が行われているときには、このようにして算出された燃料噴射量が上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて補正される。しかしながら、片ＦＢ制御の実行中には、上述したようにして算出された燃料噴射量は補正されずにそのまま燃料噴射弁１１から燃料噴射される。したがって、片ＦＢ制御では、下流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて目標空燃比を設定するフィードバック制御が行われるが、これに加えて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードフォワード制御が行われるということができる。
【００８８】
＜片ＦＢ制御及び両ＦＢ制御における空燃比補正量＞
図７は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートである。図７に示した例では、時刻ｔ3において上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐがその活性温度Ｔａｃｔ以上になっている（図６の時刻ｔ2に相当）。したがって、時刻ｔ3以前においては片ＦＢ制御が行われていると共に、時刻ｔ3以降は両ＦＢ制御が行われている。
【００８９】
図７からわかるように、片ＦＢ制御が実行されている時刻ｔ3以前においては、空燃比補正量ＡＦＣが、固定両破綻制御により、第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2と第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2との間で交互に切り替えられる。したがって、時刻ｔ3以前においては、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときに空燃比補正量ＡＦＣが第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2に切り替えられる。加えて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になったときに空燃比補正量ＡＦＣが第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2に切り替えられる。
【００９０】
一方、両ＦＢ制御が実行されている時刻ｔ3以降においては、固定両破綻制御により、空燃比補正量ＡＦＣが第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1と第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2との間で交互に切り替えられる。したがって、時刻ｔ3以降においては、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときに空燃比補正量ＡＦＣが第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1に切り替えられる。加えて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になったときに空燃比補正量ＡＦＣが第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1に切り替えられる。
【００９１】
ここで、第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2は第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1よりもその絶対値が小さい値とされる。したがって、第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2に相当する第２リッチ設定空燃比は、第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1に相当する第１リッチ設定空燃比よりも、そのリッチ度合いが小さい。加えて、第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2は第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1よりもその絶対値が小さい値とされる。したがって、第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2に相当する第２リーン設定空燃比は、第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1に相当する第１リーン設定空燃比よりも、そのリーン度合いが小さい。
【００９２】
＜本実施形態における制御による効果等＞
上述したように、本実施形態によれば、自動停止による内燃機関の停止中に、上流側空燃比センサ４０の温度が活性温度Ｔａｃｔ未満に低下せしめられる。このため、内燃機関の停止中に上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｄｗｎを活性温度Ｔａｃｔ以上に維持するために電力が消費されるのが抑制される。その結果、本実施形態によれば、内燃機関における燃費を改善することができる。
【００９３】
また、本実施形態によれば、自動停止による停止後に内燃機関を再始動させた直後には、上流側空燃比センサ４０の出力を用いずに下流側空燃比センサ４１の出力に基づいてフィードバック制御が行われる（片ＦＢ制御）。このように下流側空燃比センサ４１の出力のみに基づいてフィードバック制御を行っても、短期間であれば、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスやＮＯｘをほとんど流出させずに維持することができる。したがって、自動停止後に内燃機関を再始動させた直後においても、排気エミッションはほとんど悪化しない。したがって、本実施形態によれば、空燃比センサ４０、４１のヒータ部５６における電力消費を小さく抑えつつ、機関再始動直後における排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【００９４】
また、本実施形態では、図６に示した時刻ｔ3において下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｄｗｎが活性温度Ｔａｃｔ以上になると、片ＦＢ制御から両ＦＢ制御に切り替えられる。したがって、排気エミッションが悪化する可能性のある片ＦＢ制御が行われる時間をできるだけ短く抑えることができる。
【００９５】
加えて、本実施形態では、両ＦＢ制御の実行中に比べて、片ＦＢ制御の実行中の方が、空燃比補正量の絶対値が小さくされる。このように空燃比補正量の絶対値を小さくすれば、たとえ上流側空燃比センサ４０に流入する排気ガスの実際の空燃比が目標空燃比からずれていたとしても、実際の空燃比が理論空燃比から大きくずれてしまうことが抑制される。これにより、両ＦＢ制御の実行中における排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【００９６】
さらに、本実施形態では、内燃機関の自動停止中において、下流側空燃比センサ４０の温度が、内燃機関の運転中に比べて低下せしめられる。以下では、下流側空燃比センサ４０の温度をこのように設定している理由について説明する。
【００９７】
図８は、空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す、図３と同様な図である。図８中の実線は空燃比センサ４０、４１の温度が高い場合（例えば、７００℃）、破線は空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度以上ながらも低い場合（例えば、６００℃）をそれぞれ示している。
【００９８】
図８に一点鎖線で示したように空燃比センサ４０、４１への印加電圧を０．４５Ｖとした場合を考える。この場合、空燃比センサ４０、４１の温度が高いと、図８の０．４５Ｖを示す一点鎖線は、様々な空燃比において限界電流領域と交わる。したがって、空燃比センサ４０、４１の温度が高いと、広い範囲の空燃比において空燃比を検出することができる。一方、空燃比センサ４０、４１の温度が低いと、図８の０．４５Ｖを示す一点鎖線は排気空燃比が理論空燃比近傍のときにのみ限界電流領域と交わる。したがって、空燃比センサ４０、４１の温度が低いと、排気空燃比を狭い範囲でのみしか検出することができない。
【００９９】
加えて、空燃比センサ４０、４１の温度が高いほど、固体電解質層５１における酸素イオンの移動速度が速くなる。このため、空燃比センサ４０、４１における応答速度が速くなる。
【０１００】
ここで、上述した両ＦＢ制御や片ＦＢ制御を実行するだけであれば、必ずしも空燃比センサ４０、４１の検出範囲は広くなくてもよく、また、空燃比センサ４０、４１における応答速度が速くなくてもよい。しかしながら、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行う際には、空燃比センサ４０、４１の検出範囲が広いことや応答速度が速いことが要求される。特に、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行う際には、空燃比センサ４０、４１周りを大気ガスが流れるときであっても限界電流が生じる必要がある。したがって、上流側空燃比センサ４０の異常診断が行われうる両ＦＢ制御や片ＦＢ制御中においては、上流側空燃比センサ４０の温度はその周りを大気ガスが流れるときであっても限界電流が生じるような限界温度（例えば、７００℃）以上とされる。
【０１０１】
一方、空燃比センサ４０、４１の異常診断は内燃機関の停止中には実行されない。したがって、内燃機関の停止中には空燃比センサ４０、４１の温度を高く維持しておく必要は無い。このため、本実施形態では、自動停止による内燃機関の停止中には、内燃機関の運転中に比べて、下流側空燃比センサ４１の温度が低下せしめられる。具体的には、下流側空燃比センサ４１の温度は、上述した限界温度未満であって活性温度以上の温度に低下せしめられる。これにより、下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６における消費電力を抑制することができる。
【０１０２】
なお、上記実施形態では、自動停止による内燃機関の停止中に、下流側空燃比センサ４１の温度がその活性温度以上になるように下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６を制御している。しかしながら、自動停止による内燃機関の停止中に、必ずしも下流側空燃比センサ４１の温度をその活性温度以上になるように制御する必要はない。したがって、例えば、自動停止による内燃機関の停止中に、下流側空燃比センサの温度が上流側空燃比センサよりも高い温度になるように下流側空燃比センサ４１をヒータ部５６により加熱を行えば、下流側空燃比センサ４１の温度が活性温度未満になるようにヒータ部５６が制御されてもよい。これにより、内燃機関の再始動時に下流側空燃比センサ４１が活性温度以上になっていなくても、再始動後に下流側空燃比センサ４１の温度を迅速に活性温度以上にまで上昇させることができる。
【０１０３】
或いは、自動停止による内燃機関の停止中には、その活性温度未満である所定の下限温度以上に維持するようにしてもよい。ここで、下限温度は、内燃機関が自動停止による停止後に再始動されたときに上流側空燃比センサ４０のヒータ部５６及び下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６によって上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１をそれぞれ加熱した場合に、下流側空燃比センサの温度の方が上流側空燃比センサの温度よりも早く活性温度に到達する温度である。これにより、内燃機関の再始動時に下流側空燃比センサ４１が活性温度以上になっていなくても、再始動後に下流側空燃比センサ４１の温度を上流側空燃比センサ４０よりも早く活性温度以上に上昇させることができる。
【０１０４】
また、上記実施形態では、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐが活性温度以上になった時刻ｔ3において片ＦＢ制御から両ＦＢ制御への切り替えが行われている。しかしながら、片ＦＢ制御から両ＦＢ制御への切替は、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐが活性温度以上になったとき以降であれば、又は下流側空燃比センサ４１の温度Ｔｄｗｎが活性温度以上になったと予想されるとき以降であれば、他のタイミングで行われてもよい。したがって、例えば、下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６への通電開始後、下流側空燃比センサ４１の温度が活性温度以上になるのに十分な時間が経過したとき等に切替が行われてもよい。
【０１０５】
＜本実施形態における制御のフローチャート＞
次に、図９〜図１２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。図９は、本実施形態における制御装置によって行われる温度制御及び空燃比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。
【０１０６】
図９に示したように、まず、ステップＳ１１では、内燃機関が自動停止機能により停止中であるか否かが判定される。内燃機関が停止中であるときには、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の目標温度Ｔｕｐｔが上述した第３温度Ｔｃ2（Ｔｃ3＜Ｔａｃｔ）に設定される。この結果、加熱制御部は、上流側空燃比センサ４０の温度が第３温度Ｔｃ3となるように上流側空燃比センサ４０のヒータ部５６を制御する。次いで、ステップＳ１３では、下流側空燃比センサ４１の目標温度Ｔｄｗｎｔが上述した第２温度Ｔｃ2（Ｔｃ2＞Ｔｃ3、Ｔｃ2＞Ｔａｃｔ）に設定される。この結果、加熱制御部は、下流側空燃比センサ４１の温度が第２温度Ｔｃ2となるように下流側空燃比センサ４１のヒータ部５６を制御する。
【０１０７】
次いで、ステップＳ１４では、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐがその活性温度Ｔａｃｔ未満であるか否かが判定される。温度Ｔｕｐが活性温度Ｔａｃｔ以上である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。一方、ステップＳ１４において、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐが活性温度Ｔａｃｔ未満であると判定された場合にはステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、復帰フラグがＯＮにセットされる。復帰フラグは、内燃機関の自動停止後、上流側空燃比センサ４１の温度が活性温度Ｔａｃｔ未満である間にＯＮにセットされ、それ以外の場合にＯＦＦにセットされるフラグである。なお、復帰フラグは初期状態ではＯＦＦにセットされている。
【０１０８】
その後、内燃機関が再始動せしめられると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１１において内燃機関が自動停止による停止中ではないと判定されて、ステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、上流側空燃比センサ４０の目標温度Ｔｕｐｔが上述した第１温度Ｔｃ1（Ｔｃ1＞Ｔｃ2）に設定される。次いで、ステップＳ１７では、下流側空燃比センサ４１の目標温度Ｔｄｗｎｔが上述した第１温度Ｔｃ1に設定される。この結果、加熱制御部は、上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１の温度が第１温度Ｔｃ1となるようにこれら空燃比センサのヒータ部５６を制御する。次いで、ステップＳ１８では、復帰フラグがＯＮにセットされているか否かが判定される。復帰フラグがＯＮにセットされていると判定されたときにはステップＳ１９へと進む。
【０１０９】
ステップＳ１９では、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐが活性温度Ｔａｃｔ未満であるか否かが判定される。ステップＳ１９において、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐが活性温度Ｔａｃｔ未満であると判定された場合には、ステップＳ２０へと進む。この場合、上流側空燃比センサ４０の出力を利用することはできないため、ステップＳ２０では上述した片ＦＢ比制御が行われる。具体的には、この場合、図１１に示したブロック図に基づいて空燃比制御が行われる。次いで、ステップＳ２１では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈが第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2に設定され、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2に設定される。
【０１１０】
その後、上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐが上昇して活性温度Ｔａｃｔ以上になると、次の制御ルーチンではステップＳ１９からステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、復帰フラグがＯＦＦにリセットされ、ステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、上流側空燃比センサ４０の出力を利用することができるため、ステップＳ２３では上述した両ＦＢ制御が行われる。具体的には、図１０に示したブロック図に基づいて空燃比制御が行われる。次いで、ステップＳ２４では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈが第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1に設定され、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1に設定される。次の制御ルーチンでは、復帰フラグがＯＦＦにセットされていることから、ステップＳ１８からステップＳ２３へと進み、両ＦＢ制御が継続される。
【０１１１】
＜機能ブロック図＞
本実施形態において空燃比制御を行う空燃比制御部は、機能ブロック図である図１０に示したように、Ａ１〜Ａ７の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図１０を参照しながら各機能ブロックについて説明する。これら各機能ブロックＡ１〜Ａ７における操作は、基本的にＥＣＵ３１において実行される。
【０１１２】
＜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。
【０１１３】
筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、吸入空気流量Ｇａと、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。吸入空気流量Ｇａはエアフロメータ３９によって計測され、機関回転数ＮＥはクランク角センサ４４の出力に基づいて算出される。
【０１１４】
基本燃料噴射量算出手段Ａ２は、筒内吸入空気量算出手段Ａ１によって算出された筒内吸入空気量Ｍｃを、目標空燃比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）。目標空燃比ＡＦＴは、後述する目標空燃比設定手段Ａ５によって算出される。
【０１１５】
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ＤＦｉを加えることで燃料噴射量Ｑｉを算出する（Ｑｉ＝Ｑｂａｓｅ＋ＤＦｉ）。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。
【０１１６】
＜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、空燃比補正量算出手段Ａ４、及び目標空燃比設定手段Ａ５が用いられる。
【０１１７】
空燃比補正量算出手段Ａ４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ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、図１２に示したフローチャートに基づいて空燃比補正量ＡＦＣが算出される。
【０１１８】
目標空燃比設定手段Ａ５は、制御中心空燃比（本実施形態では理論空燃比）ＡＦＲに、空燃比補正量算出手段Ａ４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。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偏差算出手段Ａ６に入力される。
【０１１９】
＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
次に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいたＦ／Ｂ補正量の算出について説明する。Ｆ／Ｂ補正量の算出に当たっては、空燃比偏差算出手段Ａ６、Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ７が用いられる。
【０１２０】
空燃比偏差算出手段Ａ６は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐから目標空燃比設定手段Ａ５によって算出された目標空燃比ＡＦＴを減算することによって空燃比偏差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ−ＡＦＴ）。この空燃比偏差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。
【０１２１】
Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ７は、空燃比偏差算出手段Ａ６によって算出された空燃比偏差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（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）
【０１２２】
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、空燃比偏差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比偏差ＤＡＦと前回更新されていた空燃比偏差ＤＡＦとの偏差を更新間隔に対応する時間で除算することで算出される。また、ＳＤＡＦは、空燃比偏差ＤＡＦの時間積分値であり、この時間積分値ＳＤＡＦ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偏差ＤＡＦを加算することで算出される（ＳＤＡＦ＝ＳＤＡＦ＋ＤＡＦ）。
【０１２３】
なお、上述した両ＦＢ制御が行われるときには、図１０に示した制御ブロックにおける全ての機能ブロックＡ１〜Ａ８が用いられる。しかしながら、上述した片ＦＢ制御が行われるときには、図１０に示した制御ブロックのうち空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７は用いられない。したがって、片ＦＢ制御が行われるときには、図１１に示したような機能ブロック図に従って空燃比制御が行われることになる。
【０１２４】
＜固定両破綻制御のフローチャート＞
図１２は、両ＦＢ制御及び片ＦＢ制御における固定両破綻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。
【０１２５】
図１２に示したように、まず、ステップＳ３１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ＡＦＣの算出条件が成立している場合とは、例えば両ＦＢ制御及び片ＦＢ制御の実行中であること、或いは燃料カット制御等の特殊な制御の実行中ではないこと場合が挙げられる。ステップＳ３１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Ｓ３２へと進む。
【０１２６】
ステップＳ３２では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されるとＯＮとされ、それ以外の場合にはＯＦＦとされる。ステップＳ３２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されている場合には、ステップＳ３３へと進む。ステップＳ３３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定された場合にはステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されたまま維持され、制御ルーチンが終了せしめられる。なお、このときのリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは、図９のステップＳ２１又はＳ２４で設定されている第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1又は第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2とされる。
【０１２７】
一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ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Ｓ３３にて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定される。この場合には、ステップＳ３５へと進み、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。なお、このときのリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは、図９のステップＳ２１又はＳ２４で設定されている第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1又は第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2とされる。次いで、ステップＳ３６では、リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１２８】
リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定されると、次の制御ルーチンにおいては、ステップＳ３２において、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていないと判定されて、ステップＳ３７へと進む。ステップＳ３７では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さいと判定された場合にはステップＳ３８へと進む。ステップＳ３８では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されたまま維持され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１２９】
一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大して、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上昇すると、ステップＳ３７において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であると判定され、ステップＳ３９へと進む。ステップＳ３９では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。次いで、ステップＳ４０では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１３０】
＜第二実施形態＞
次に、図１３〜図１５を参照して、本発明の第二実施形態の制御装置について説明する。第二実施形態の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態の制御装置の構成及び制御と同様である。
【０１３１】
上記第一実施形態の両破綻制御では、リーン期間中に目標空燃比は一定のリーン設定空燃比に維持され、リッチ期間中に目標空燃比は一定のリッチ設定空燃比に維持されている。これに対して、本実施形態の両破綻制御では、リーン期間中に目標空燃比がリーン空燃比に維持されつつリーン期間中に目標空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。加えて、リッチ期間中に目標空燃比がリッチ空燃比に維持されつつリッチ期間中に目標空燃比のリッチ度合いが低下せしめられる。以下では、斯かる両破綻制御を「変動両破綻制御」という。
【０１３２】
図１３を参照して、本実施形態における変動両破綻制御における操作について具体的に説明する。図１３は、本実施形態における変動両破綻制御を行った場合における、空燃比補正量ＡＦＣ等の、図５と同様なタイムチャートである。
【０１３３】
図１３に示した例では、時刻ｔ1及び時刻ｔ5等において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になり、空燃比補正量ＡＦＣが負の値から正の値に変更せしめられる。この結果、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられる。斯かる操作は、図５の時刻ｔ1及び時刻ｔ3等における操作と同様である。
【０１３４】
加えて、図１３に示した例では、時刻ｔ3及び時刻ｔ7等において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になり、空燃比補正量ＡＦＣが正の値から負の値に変更せしめられる。この結果、目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられる。斯かる操作は、図５の時刻ｔ2及び時刻ｔ4における操作と同様である。
【０１３５】
また、図１３に示した例では、時刻ｔ1において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定される。その後、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなった時刻ｔ2において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎから弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに切り替えられる。弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎはリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎよりもその絶対値が小さい。したがって、弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに相当する弱リーン設定空燃比はリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに相当するリーン設定空燃比よりもリーン度合いが小さい。したがって、図１３に示した例では、時刻ｔ2において、目標空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。
【０１３６】
また、図１３に示した例では、時刻ｔ3において、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定される。その後、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなった時刻ｔ4において、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈから弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに切り替えられる。弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈよりもその絶対値が小さい。したがって、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに相当する弱リッチ設定空燃比は、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに相当するリッチ設定空燃比おりもリッチ度合いが小さい。したがって、図１３に示した例では、時刻ｔ4において、目標空燃比のリッチ度合いが低下せしめられる。
【０１３７】
なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなった時刻ｔ2においてリーン度合いが低下せしめられる。しかしながら、リーン度合いを低下させる時期は必ずしもこの時期でなくてもよい。斯かる時期としては、例えば、空燃比補正量ＡＦＣを負の値から正の値に切り替えたときから上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素の総量が所定量αとなった時期が挙げられる。いずれにせよ、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまでのリーン期間中の時期であれば、如何なる時期に目標空燃比のリーン度合いが低下されてもよい。また、リーン度合いの低下は、複数回に亘って行われてもよく、また連続的に行われてもよい。
【０１３８】
また、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなった時刻ｔ4においてリッチ度合いが低下せしめられる。しかしながら、リッチ度合いを低下させる時期は必ずしもこの時期でなくてもよい。斯かる時期としては、例えば、空燃比補正量ＡＦＣを正の値から負の値に切り替えたときから上流側排気浄化触媒２０から放出された酸素の総量が所定量αとなった時期が挙げられる。いずれにせよ、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になったときから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでのリッチ期間中の時期であれば、如何なる時期に目標空燃比のリッチ度合いが低下させられてもよい。また、リッチ度合いの低下は、複数回に亘って行われてもよく、また連続的に行われてもよい。
【０１３９】
また、本実施形態においても、上記第一実施形態と同様に、両ＦＢ制御及び片ＦＢ制御が実行される。そして、本実施形態では、両ＦＢ制御の実行中においても片ＦＢ制御の実行中においても、変動両破綻制御により、目標空燃比が設定される。両ＦＢ制御の実行中には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が、変動両破綻制御により設定された目標空燃比となるようにフィードバック制御される。
【０１４０】
＜片ＦＢ制御及び両ＦＢ制御における空燃比補正量＞
図１４は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートである。図１４に示した例では、時刻ｔ5において上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐがその活性温度Ｔａｃｔ以上になっている（図６の時刻ｔ2に相当）。したがって、時刻ｔ5以前においては片ＦＢ制御が行われていると共に、時刻ｔ5以降は両ＦＢ制御が行われている。
【０１４１】
図１４からわかるように、片ＦＢ制御が実行されている時刻ｔ5以前においては、空燃比補正量ＡＦＣが、第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2と、第２弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ2と、第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2と、第２弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎ2との間で順番に切り替えられる。一方、両ＦＢ制御が実行されている時刻ｔ5以降においては、空燃比補正量ＡＦＣが、第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1と、第１弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ1と、第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1と、第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1との間で順番に切り替えられる。
【０１４２】
ここで、第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2は第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1よりもその絶対値が小さい値とされる。したがって、第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2に相当する第２リッチ設定空燃比は、第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1に相当する第１リッチ設定空燃比よりも、そのリッチ度合いが小さい。加えて、第２弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ2は第１弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ1よりもその絶対値が小さい値とされる。したがって、第２リッチ弱設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2に相当する第２弱リッチ設定空燃比は、第１弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1に相当する第１弱リッチ設定空燃比よりも、そのリッチ度合いが小さい。したがって、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間における目標空燃比のリッチ度合いの平均値は、両ＦＢ制御の実行時（ＡＦＣｒｉｃｈ1及び、ＡＦＣｓｒｉｃｈ1）の方が片ＦＢ制御の実行時（ＡＦＣｒｉｃｈ2及び、ＡＦＣｓｒｉｃｈ2）に比べて大きくなるように空燃比補正量が設定される。
【０１４３】
さらに、第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2は第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1よりもその絶対値が小さい値とされる。したがって、第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2に相当する第２リーン設定空燃比は、第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1に相当する第１リーン設定空燃比よりも、そのリーン度合いが小さい。加えて、第２弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎ2は第１弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎ1よりもその絶対値が小さい値とされる。したがって、第２弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎ2に相当する第２弱リーン設定空燃比は、第１弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎ1に相当する第１弱リーン設定空燃比よりも、そのリーン度合いが小さい。したがって、目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間における目標空燃比のリーン度合いの平均値は、両ＦＢ制御の実行時（ＡＦＣｌｅａｎ1及び、ＡＦＣｓｌｅａｎ1等）の方が片ＦＢ制御の実行時（ＡＦＣｌｅａｎ2及び、ＡＦＣｓｌｅａｎ2等）に比べて大きくなるように、空燃比補正量が設定される。
【０１４４】
＜本実施形態における制御による効果＞
本実施形態では、変動両破綻制御が実行される。このため、図１３の時刻ｔ1直前における排気ガスのリッチ度合いが低いため、時刻ｔ1において上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスを少なく抑えることができる。加えて、時刻ｔ1直後において、排気ガスのリーン度合いが高いため、時刻ｔ1においてリッチ空燃比だった上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比を迅速に理論空燃比に戻すことができる。この結果、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスを少なく抑えることができる。同様なことが、時刻ｔ3においても言え、よって本実施形態では上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘを少なく抑えることができる。
【０１４５】
加えて、本実施形態では、両ＦＢ制御の実行中に比べて、片ＦＢ制御の実行中の方が、空燃比補正量の絶対値の平均値が小さくされる。このように空燃比補正量の絶対値の平均値を小さくすれば、たとえ上流側空燃比センサ４０に流入する排気ガスの実際の空燃比が目標空燃比からずれていたとしても、実際の空燃比が理論空燃比から大きくずれてしまうことが抑制される。これにより、両ＦＢ制御の実行中における排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０１４６】
＜第二実施形態に関するフローチャート＞
図１５は、本実施形態における制御装置によって行われる温度制御及び空燃比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。図１５のステップＳ４１〜Ｓ５０、Ｓ５２〜Ｓ５３は、図９のステップＳ１１〜Ｓ２０、Ｓ２２〜Ｓ２３と同様であるため説明を省略する。
【０１４７】
ステップＳ５１では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ及び弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈがそれぞれ第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ2及び第２弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ2に設定される。加えて、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ及び弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎがそれぞれ第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2及び第２弱リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2に設定される。一方、ステップＳ５４では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ及び弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈがそれぞれ第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ1及び第１弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ1に設定される。加えて、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ及び弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎがそれぞれ第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1及び第１弱リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1に設定される。
【０１４８】
図１６は、両ＦＢ制御及び片ＦＢ制御における変動両破綻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。
【０１４９】
図１６に示したように、まず、ステップＳ６１において図１２のステップＳ３１と同様に空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立しているか否かが判定される。ステップＳ６１において空燃比補正量ＡＦＣ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Ｓ６２へと進む。ステップＳ６２では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。ステップＳ６２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、ステップＳ６３へと進む。ステップＳ６３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。
【０１５０】
ステップＳ６３において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ６４へと進む。ステップＳ６４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さいか否かが判定される。出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であると判定された場合には、ステップＳ６５へと進む。ステップＳ６５では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５１】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比に近づき、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ６４からステップＳ６６へと進む。ステップＳ６６では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５２】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ６３からステップＳ６７へと進む。ステップＳ６７では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定される。次いで、ステップＳ６８では、リーン設定フラグＦｌがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５３】
リーン設定フラグＦｌがＯＮにセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ６２からステップＳ６９へと進む。ステップＳ６９では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否かが判定される。
【０１５４】
ステップＳ６９において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ７０へと進む。ステップＳ７０では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいか否かが判定される。出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定された場合には、ステップＳ７１へと進む。ステップＳ７１では、空燃比補正量ＡＦＣが引き続きリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５５】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比に近づき、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ７０からステップＳ７２へと進む。ステップＳ７２では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設空燃比ＡＦＣｓｌｅａｎに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５６】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼ最大吸蔵可能酸素量になって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ６９からステップＳ７３へと進む。ステップＳ７３では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定される。次いで、ステップＳ７４では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５７】
＜第三実施形態＞
次に、図１７を参照して、本発明の第三実施形態の制御装置について説明する。第三実施形態の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態及び第二実施形態の制御装置の構成及び制御と同様である。
【０１５８】
上記第一実施形態では、両ＦＢ制御中及び片ＦＢ制御中のいずれにおいても、固定両破綻制御が行われている。一方、上記第二実施形態では、両ＦＢ制御中及び片ＦＢ制御中のいずれにおいても、変動両破綻制御が行われている。これに対して、本実施形態では、両ＦＢ制御中には変動両破綻制御が行われ、片ＦＢ制御中には固定両破綻制御が行われる。
【０１５９】
図１７は、本実施形態における、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートである。図１７に示した例では、時刻ｔ3において上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐがその活性温度Ｔａｃｔ以上になっている（図６の時刻ｔ2に相当）。したがって、時刻ｔ5以前においては片ＦＢ制御が行われており、本実施形態では片ＦＢ制御では図５に示した固定両破綻制御により目標空燃比が設定される。
【０１６０】
図１７からわかるように、時刻ｔ3以前は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃ＡＦ比ｌｅａｎ以上になるまでのリーン期間中に目標空燃比が一定の弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに維持される。よって、目標空燃比が、弱リーン設定空燃比に維持される。加えて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になったときから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでのリッチ期間中に空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに維持される。よって、目標空燃比が一定の弱リッチ設定空燃比に維持される。
【０１６１】
一方、時刻ｔ5以降においては両ＦＢ制御が行われており、本実施形態では両ＦＢ制御では図１３に示した変動両破綻制御が行われている。よって、時刻ｔ3以降は、リーン期間中において空燃比補正量ＡＦＣが正の値に維持されると共にリーン期間中に空燃比補正量ＡＦＣが減少せしめられる。よって、リーン期間中に、目標空燃比がリーン空燃比に維持されると共に該リーン期間中に目標空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。また、リッチ期間中において、空燃比補正量ＡＦＣが負の値に維持されると共にリッチ期間中に空燃比補正量ＡＦＣが増大せしめられる。よって、リッチ期間中に、目標空燃比がリッチ空燃比に維持されると共に該リッチ期間中に目標空燃比のリッチ度合いが低下せしめられる。
【０１６２】
特に、図１７に示した本実施形態では、片ＦＢ制御中、すなわち固定両破綻制御における空燃比補正量は、両ＦＢ制御中、すなわち変動両破綻制御における弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ及び弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに等しい量とされる。なお、片ＦＢ制御中における空燃比補正量の絶対値は、両ＦＢ制御中におけるリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値及びリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値よりも小さければ、必ずしも弱リッチ設定補正量及び弱リーン設定補正量に等しい量でなくてもよい。
【０１６３】
本実施形態によれば、上流側空燃比センサ４０の出力を利用することができないときには片ＦＢ制御が行われ、この片ＦＢ制御では固定両破綻制御が行われる。この結果、片ＦＢ制御においてはリッチ空燃比のリッチ度合いやリーン空燃比のリーン度合いを小さく維持することができる。この結果、たとえ上流側空燃比センサ４０に流入する排気ガスの実際の空燃比が目標空燃比からずれていたとしても、実際の空燃比が理論空燃比から大きくずれてしまうことが抑制される。
【０１６４】
なお、本実施形態においても、両ＦＢ制御と片ＦＢ制御との切替は、図９に示したようなフローチャートによって行われる。また、片ＦＢ制御が行われているときには、図１２に示したようなフローチャートにより固定両破綻制御により目標空空燃比が設定される。加えて、両ＦＢ制御が行われているときには、図１６に示したようなフローチャートにより変動両破綻制御により目標空燃比が設定される。
【０１６５】
＜第四実施形態＞
次に、図１８〜図２１を参照して、本発明の第四実施形態の制御装置について説明する。第四実施形態の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態〜第三実施形態の制御装置の構成及び制御と同様である。
【０１６６】
＜リッチ破綻制御＞
本実施形態の両ＦＢ制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいたフィードバック制御が行われると共に、リッチ破綻制御により目標空燃比が設定される。以下では、リッチ破綻制御について説明する。
【０１６７】
リッチ破綻制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて目標空燃比が設定される。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。加えて、リッチ破綻制御では、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない予め定められた切替基準吸蔵量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に設定される。
【０１６８】
なお、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの酸素過不足量の積算値に基づいて推定される。ここで、酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ガスの量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されている期間中には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、この期間中における酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値であるといえる。
【０１６９】
酸素過不足量の算出は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、及びエアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（２）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ）      …（２）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（本実施形態では、基本的には理論空燃比）をそれぞれ表している。
【０１７０】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下になると、目標空燃比が再び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。このように本実施形態のリッチ破綻制御では、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リッチ設定空燃比とに交互に繰り返し設定される。換言すると、リッチ破綻制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比（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）がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えられる。
【０１７１】
＜タイムチャートを用いたリッチ破綻制御の説明＞
図１８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１８は、本実施形態の両ＦＢ制御を行った場合における、空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とされている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。
【０１７２】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはゼロに近づく。そして、時刻ｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。本実施形態においても、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。時刻ｔ1において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化し、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大する。
【０１７３】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大すると、時刻ｔ2において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。本実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値が切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに以上になると、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がリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ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。なお、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上流側排気浄化触媒２０が未使用であるときの最大吸蔵可能酸素量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。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上述したリーン判定空燃比に到達する前に空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられることになる。
【０１７４】
時刻ｔ2において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。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等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ＯＳＡは徐々に減少していく。このときの上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出はほぼゼロとなる。
【０１７５】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していくと、時刻ｔ4において、時刻ｔ1と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、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。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ4のサイクルが繰り返される。
【０１７６】
以上より、本実施形態では、ＥＣＵ３１の空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比（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）をリーン空燃比に切り替えると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったときに目標空燃比（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）をリッチ空燃比に切り替えているといえる。
【０１７７】
本実施形態によれば、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排出量をほぼゼロとすることができる。また、積算酸素過不足量を算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量の算出誤差によりＮＯｘが排出されてしまうことが抑制される。
【０１７８】
＜片ＦＢ制御＞
ところで、本実施形態では両ＦＢ制御においてリッチ破綻制御が行われるが、リッチ破綻制御では上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を推定することが必要になる。そして、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を推定するためには、上述したように上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が必要になる。一方、片ＦＢ制御中では、上流側空燃比センサ４０の温度が基本的に活性温度以下であるため、上流側空燃比センサ４０の出力を利用することができない。したがって、片ＦＢ制御においては、リッチ破綻制御を実行することはできない。
【０１７９】
そこで、本実施形態では、片ＦＢ制御においては、両破綻制御（固定両破綻制御及び変動両破綻制御を含む）により空燃比補正量ＡＦＣを、すなわち目標空燃比を設定するようにしている。特に、上述したようにたとえ上流側空燃比センサ４０に流入する排気ガスの実際の空燃比が目標空燃比からずれていたとしても実際の空燃比が理論空燃比から大きくずれてしまうことを抑制するという観点から、片ＦＢ制御では固定両破綻制御により空燃比補正量ＡＦＣを設定するのが好ましい。加えて、片ＦＢ制御では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードフォワード制御が行われる。また、本実施形態においても、片ＦＢ制御と両ＦＢ制御との切り替えは、図６に示したように行われる。
【０１８０】
図１９は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートである。図１９に示した例では、時刻ｔ3において上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐがその活性温度Ｔａｃｔ以上になっている（図６の時刻ｔ2に相当）。したがって、時刻ｔ3以前においては片ＦＢ制御が行われていると共に、時刻ｔ5以降は両ＦＢ制御が行われている。
【０１８１】
図１９に示した例では、時刻ｔ3以前に実行されている片ＦＢ制御では、固定両破綻制御が行われている。したがって、時刻ｔ1において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。一方、時刻ｔ2において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。
【０１８２】
時刻ｔ3において、上流側空燃比センサ４０の温度がその活性温度以上になると、片ＦＢ制御から両ＦＢ制御へ切り替えられる。したがって、目標空燃比を設定する制御が、固定両破綻制御からリッチ破綻制御へ切り替えられる。本実施形態では、時刻ｔ3においてリッチ破綻制御が開始されると、空燃比補正量がまず負の値に、すなわち目標空燃比がまずリッチ空燃比に設定される。これは、片ＦＢ制御の実行中には上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを推定することができないため、リッチ破綻制御を開始したときに酸素吸蔵量ＯＳＡが分からないためである。このため、リッチ破綻制御を開始したときに目標空燃比をまずリーン空燃比に設定すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに達したことを正確に判定することができなくなる。これに対して、リッチ破綻制御において目標空燃比をリッチ空燃比に設定しているときには酸素吸蔵量ＯＳＡを推定する必要がない。このため、本実施形態では、両ＦＢ制御への切替後、目標空燃比がまずリッチ空燃比に設定される。
【０１８３】
＜第四実施形態に関するフローチャート＞
本実施形態においても、両ＦＢ制御と片ＦＢ制御との切替は、図９に示したようなフローチャートによって行われる。また、片ＦＢ制御が行われているときには、図１２に示したようなフローチャートにより固定両破綻制御によって目標空空燃比が設定される。加えて、両ＦＢ制御が行われているときには、具体的には、図２０に示したブロック図に基づいて空燃比制御が行われる。
【０１８４】
図２０は、図１０と同様な機能ブロック図である。図２０における機能ブロックＡ１〜Ａ７は図１０の機能ブロックＡ１〜Ａ７と同様であるため基本的に説明を省略する。本実施形態では、目標空燃比の算出に当たっては、空燃比補正量算出手段Ａ４及び目標空燃比設定手段Ａ５に加えて酸素吸蔵量算出手段Ａ８が用いられる。
【０１８５】
酸素吸蔵量算出手段Ａ８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の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて積算酸素過不足量を算出する。そして、算出された積算酸素過不足量に基づいて酸素吸蔵量を算出する。酸素吸蔵量算出手段Ａ８は、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と制御中心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積算酸素過不足量を算出する。
【０１８６】
空燃比補正量算出手段Ａ４では、酸素吸蔵量算出手段Ａ８によって算出された積算酸素過不足量と、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ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、図２１に示したフローチャートに基づいて空燃比補正量ＡＦＣが算出される。
【０１８７】
図２１は、両ＦＢ制御におけるリッチ破綻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。図２１におけるステップＳ８１〜Ｓ８６及びＳ８８〜Ｓ９０は、基本的に図１２におけるステップＳ３１〜Ｓ３６及びＳ３８〜Ｓ４０と同様であるため、説明を省略する。
【０１８８】
図２１に示したように、ステップＳ８２において、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていないと判定されて、ステップＳ８７へと進む。ステップＳ８７では、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値ＯＳＡｅｓｔが、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上であるか否かが判定される。切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ未満であると判定された場合にはステップＳ８８へと進み、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ８９へと進む。
【０１８９】
＜第五実施形態＞
次に、図２２及び図２３を参照して、本発明の第五実施形態の制御装置について説明する。第四実施形態の制御装置の構成は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態〜第四実施形態の制御装置の構成と同様である。
【０１９０】
ところで、上記第一実施形態から第四実施形態では、下流側空燃比センサ４１として出力電流が排気空燃比に比例して変化する空燃比センサを用いている。これに対して、本実施形態では、排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力に基づいて酸素濃度を検出する酸素センサが用いられる。酸素センサは、図２２に示したような排気空燃比（酸素濃度）と出力電圧（起電力）との関係を有する。なお、図２２は、センサ周りの排気ガスの空燃比と酸素センサの出力電圧との関係を示している。図中の制御基準電圧は、排気ガスが理論空燃比であるときに出力電流がとる値を示している。図２２からわかるように酸素センサでは、出力電圧は、理論空燃比近傍で大きく変化し、排気空燃比がリッチ空燃比になると出力電圧が高くなり、逆に、排気空燃比がリーン空燃比になると出力電圧が低くなる。
【０１９１】
また、本実施形態では、このような下流側酸素センサ４１の出力電圧に基づいて目標空燃比をフィードバック制御している。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力電圧と制御基準電圧との差をＰＩＤ処理することで空燃比補正量ＡＦＣが設定される。ここで、下流側空燃比センサ４１の出力電圧Ｖｕｐと制御基準電圧Ｖｒｅｆとの差を電圧差ΔＶ（＝Ｖｕｐ−Ｖｒｅｆ）とすると、本実施形態では、下記式（３）により目標空燃比ＡＦＴが設定される。
ＡＦＴ（ｎ）＝ＡＦＴ（ｎ−１）＋ｋｐ・ΔＶ＋ｋｉ・ＳΔＶ＋ｋｄ・ＤΔＶ      …（３）
【０１９２】
なお、上記式（１）において、ｎは計算回数、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、ＤΔＶは、電圧差ΔＶの時間微分値であり、今回更新された電圧差ΔＶと前回更新されていた電圧差ΔＶとの偏差を更新間隔に対応する時間で除算することで算出される。また、ＳΔＶは、電圧差ΔＶの時間積分値であり、この時間積分値ＳΔＶは前回更新された時間積分値ＳΔＶに今回更新された電圧差ΔＶを加算することで算出される。
【０１９３】
加えて、本実施形態では、図９に示したように、自動停止による内燃機関の停止の有無や上流側空燃比センサ４０の温度に応じて、両ＦＢ制御及び片ＦＢ制御が行われる。両ＦＢ制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。加えて、両ＦＢ制御では、下流側酸素センサ４１の出力電圧に基づいて、上述した式（３）を用いて目標空燃比が設定される。
【０１９４】
一方、本実施形態では、片ＦＢ制御においては、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードフォワード制御が行われる。加えて、片ＦＢ制御においても下流側酸素センサ４１の出力電圧に基づいて、上述した式（３）を用いて目標空燃比が設定される。
【０１９５】
したがって、本実施形態では、空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に近づく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制御している。加えて、空燃比制御部は、片ＦＢ制御の実行時には両ＦＢ制御の実行時に比べて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の変化量に対する上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの変化量が小さくなるように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を制御する。
【０１９６】
図２３は、図６の時刻ｔ2前後における空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートである。図２３に示した例では、時刻ｔ3において上流側空燃比センサ４０の温度Ｔｕｐがその活性温度Ｔａｃｔ以上になっている（図６の時刻ｔ2に相当）。したがって、時刻ｔ3以前においては片ＦＢ制御が行われていると共に、時刻ｔ3以降は両ＦＢ制御が行われている。
【０１９７】
図２３からわかるように、本実施形態では、片ＦＢ制御が行われる時刻ｔ3以前においては、比例ゲインｋｐ、積分ゲインｋｉ、微分ゲインｋｄは比較的低い値に設定される。これに対して、両ＦＢ制御が行われる時刻ｔ3以降においては、比例ゲインｋｐ、積分ゲインｋｉ、微分ゲインｋｄは時刻ｔ3以前に比べて増大せしめられる。
【０１９８】
ここで、比例ゲインｋｐ、積分ゲインｋｉ、微分ゲインｋｄを大きくすると、空燃比補正量ＡＦＣの絶対値が大きくなる。このため、目標空燃比がリッチ空燃比であるときのリッチ度合いや、目標空燃比がリーン空燃比であるときのリーン度合いが大きくなる。したがって、上流排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても、リッチ度合いやリーン度合いがそれほど大きくならない。このため、このようにずれが生じたとしても、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及びＮＯｘとを同時に浄化させることができる。
【０１９９】
なお、上記実施形態では、片ＦＢ制御の実行時には、両ＦＢ制御の実行時に比べて、ＰＩＤ制御における比例ゲインｋｐ、積分ゲインｋｉ、微分ゲインｋｄの全てが小さくされている。しかしながら、必ずしもこれら全てのゲインを大きくする必要はなく、比例ゲインｋｐ、積分ゲインｋｉ、微分ゲインｋｄのいずれか一つが小さくされればよい。
【０２００】
また、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電圧と制御基準電圧との電圧差に基づいてＰＩＤ処理することで空燃比補正量ＡＦＣが設定される。しかしながら、電圧差を用いて必ずしもＰＩＤ処理を行う必要はなく、ＰＩ処理等、他のフィードバック制御が行われてもよい。このようにＰＩ処理が行われた場合でも、片ＦＢ制御の実行時には、両ＦＢ制御の実行時に比べて、ＰＩ制御における比例ゲインｋｐ、積分ゲインｋｉうちの少なくともいずれか一方が小さくされる。
【符号の説明】
【０２０１】
１    機関本体
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１９    排気マニホルド
２０    上流側排気浄化触媒
２４    下流側排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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