(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上流側触媒と、該上流側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触媒と、前記上流側触媒と前記下流側触媒との間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を実行可能な制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記空燃比制御において、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一定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記上流側触媒に流入する排気ガスの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、前記上流側触媒の酸素吸蔵量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上流側触媒に流入する排気ガスの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、
前記制御装置は、上記空燃比制御の実行中において、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の限界吸蔵量以下になったときには、前記上流側触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく該上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させるＮＯｘ増量制御を行い、
前記制御装置は、前記下流側触媒の温度が予め定められた温度未満であるときには、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記限界吸蔵量以下になっても前記ＮＯｘ増量制御を実行しない、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記制御装置は、内燃機関から排出される排気ガスの流量が予め定められた流量以上であるときには、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記限界吸蔵量以下になっても前記ＮＯｘ増量制御を実行しない、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
内燃機関の排気通路に設けられた上流側触媒と、該上流側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触媒と、前記上流側触媒と前記下流側触媒との間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を実行可能な制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記空燃比制御において、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一定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記上流側触媒に流入する排気ガスの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、前記上流側触媒の酸素吸蔵量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上流側触媒に流入する排気ガスの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、
前記制御装置は、上記空燃比制御の実行中において、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の限界吸蔵量以下になったときには、前記上流側触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく該上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させるＮＯｘ増量制御を行い、
前記制御装置は、内燃機関から排出される排気ガスの流量が予め定められた流量以上であるときには、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記限界吸蔵量以下になっても前記ＮＯｘ増量制御を実行しない、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
内燃機関の排気通路に設けられた上流側触媒と、該上流側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触媒と、前記上流側触媒と前記下流側触媒との間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を実行可能な制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記空燃比制御において、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一定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記上流側触媒に流入する排気ガスの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、前記上流側触媒の酸素吸蔵量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上流側触媒に流入する排気ガスの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、
前記制御装置は、上記空燃比制御の実行中において、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の限界吸蔵量以下になったときには、前記上流側触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく該上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させるＮＯｘ増量制御を行い、
前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記限界吸蔵量よりも少ない第二限界吸蔵量以下になったときには、前記上流側触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく該上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させるＮＯｘ増量制御を再度行う、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンな一定のリーン判定空燃比以上にならないように、前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御し、前記リーン判定空燃比は、理論空燃比からの差がリッチ判定空燃比と理論空燃比との差に等しいリーン空燃比である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記内燃機関の燃焼室内の混合気に点火する点火プラグを更に具備し、
前記制御装置は、前記ＮＯｘ増量制御において、前記点火プラグによる混合気への点火時期を進角させ、これにより前記上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記内燃機関の燃焼室から排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に供給するＥＧＲ機構を更に具備し、
前記制御装置は、前記ＮＯｘ増量制御において、前記ＥＧＲ機構によって前記燃焼室に再び供給される排気ガスの量を減少させ、これにより前記上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記内燃機関は燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、前記内燃機関の吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路用燃料噴射弁とを具備し、
前記制御装置は、前記筒内燃料噴射弁からの燃料供給量に対する前記吸気通路用燃料噴射弁からの燃料供給量の比率である吸気通路噴射比率を変更可能であり、
前記制御装置は、前記ＮＯｘ増量制御において、前記吸気通路噴射比率を増大させ、これにより前記上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
内燃機関の排気通路に設けられた上流側触媒と、該上流側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触媒と、前記上流側触媒と前記下流側触媒との間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を実行可能な制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記空燃比制御において、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一定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記上流側触媒に流入する排気ガスの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、前記上流側触媒の酸素吸蔵量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上流側触媒に流入する排気ガスの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、
前記制御装置は、上記空燃比制御の実行中において、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の限界吸蔵量以下になったときには、前記上流側触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく該上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させるＮＯｘ増量制御を行い、
前記内燃機関は燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、前記内燃機関の吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路用燃料噴射弁とを具備し、
前記制御装置は、前記筒内燃料噴射弁からの燃料供給量に対する前記吸気通路用燃料噴射弁からの燃料供給量の比率である吸気通路噴射比率を変更可能であり、
前記制御装置は、前記ＮＯｘ増量制御において、前記吸気通路噴射比率を増大させ、これにより前記上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させる、内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に設けられた上流側排気浄化触媒と、上流側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排気浄化触媒と、上流側排気浄化触媒と下流側排気浄化触媒との間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を実行可能な制御装置とを具備する内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に記載の排気浄化装置では、空燃比制御において、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ったときに、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）に切り替えている。加えて、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量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上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）に切り替えている。斯かる空燃比制御を行うことにより、上流側排気浄化触媒からＮＯｘが流出することを抑制することができるとされている。
【０００４】
上述したような空燃比制御を行った場合、上流側排気浄化触媒からはＮＯｘが流出することはないが、未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）が流出することはある。このため、下流側排気浄化触媒には定期的に未燃ガスが流入し、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が徐々に低下する。一方、多くの内燃機関では、機関運転状態に応じて、内燃機関の運転中に一時的に燃料噴射弁からの燃料供給を停止する燃料カット制御が行われる。このような燃料カット制御が実行されると、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量まで増加する。したがって、定期的に燃料カット制御が実行されれば、上述したような空燃比制御によって下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が低下しても、ゼロ近傍にまで到達することはない。
【０００５】
ところが、機関運転状態によっては、長期間に亘って燃料カット制御が実行されない場合がある。この場合、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が低下して、ついには上流側排気浄化触媒から流出した未燃ガスを下流側排気浄化触媒において十分に浄化できなくなってしまう。そこで、特許文献１に記載の排気浄化装置では、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少なくなったときには、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を継続的又は断続的にリーン空燃比にするようにしている。これにより、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達し、上流側排気浄化触媒から酸素やＮＯｘを含んだ排気ガスが流出するようになる。特許文献１によれば、この結果、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量を増大させて、上流側排気浄化触媒の未燃ガスの浄化能力を回復させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１１８８９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が或る程度以下に低下すると、下流側排気浄化触媒に担持された貴金属表面上に未燃ＨＣが物理吸着される（ＨＣ被毒）。下流側排気浄化触媒にこのようなＨＣ被毒が生じると、下流側排気浄化触媒上における反応性が低下する。したがって、下流側排気浄化触媒に多量の酸素やＮＯｘが流入しても、これら酸素やＮＯｘが排気ガスから十分に除去されずに、その一部が下流側排気浄化触媒から流出することになる。
【０００８】
特許文献１に記載の排気浄化装置では、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少なくなったときには、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達した後も、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比にしている。このため、上流側排気浄化触媒からは多量の酸素やＮＯｘが流出し、よって下流側排気浄化触媒に多量の酸素やＮＯｘが流入することになる。しかしながら、下流側排気浄化触媒がＨＣ被毒していると、流入した排気ガス中の酸素やＮＯｘを十分に除去することができなくなり、その一部が下流側排気浄化触媒から流出する可能性がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑みて、下流側排気浄化触媒からＮＯｘが流出するのを抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
（１）内燃機関の排気通路に設けられた上流側触媒と、該上流側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触媒と、前記上流側触媒と前記下流側触媒との間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を実行可能な制御装置とを具備し、前記制御装置は、前記空燃比制御において、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一定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記上流側触媒に流入する排気ガスの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、前記上流側触媒の酸素吸蔵量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上流側触媒に流入する排気ガスの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、前記制御装置は、上記空燃比制御の実行中において、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の限界吸蔵量以下になったときには、前記上流側触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく該上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させるＮＯｘ増量制御を行う、内燃機関の排気浄化装置。
【００１２】
（２）前記制御装置は、前記下流側触媒の温度が予め定められた温度未満であるときには、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記限界吸蔵量以下になっても前記ＮＯｘ増量制御を実行しない、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１３】
（３）前記制御装置は、内燃機関から排出される排気ガスの流量が予め定められた流量以上であるときには、前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記限界吸蔵量以下になっても前記ＮＯｘ増量制御を実行しない、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１４】
（４）前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記上流側触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンな一定のリーン判定空燃比以上にならないように、前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御し、前記リーン判定空燃比は、理論空燃比からの差がリッチ判定空燃比と理論空燃比との差に等しいリーン空燃比である、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１５】
（５）前記内燃機関の燃焼室内の混合気に点火する点火プラグを更に具備し、前記制御装置は、前記ＮＯｘ増量制御において、前記点火プラグによる混合気への点火時期を進角させ、これにより前記上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させる、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１６】
（６）前記内燃機関の燃焼室から排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に供給するＥＧＲ機構を更に具備し、前記制御装置は、前記ＮＯｘ増量制御において、前記ＥＧＲ機構によって前記燃焼室に再び供給される排気ガスの量を減少させ、これにより前記上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させる、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【００１７】
（７）前記内燃機関は燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、前記内燃機関の吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路用燃料噴射弁とを具備し、前記制御装置は、前記筒内燃料噴射弁からの燃料供給量に対する前記吸気通路用燃料噴射弁からの燃料供給量の比率である吸気通路噴射比率を変更可能であり、前記制御装置は、前記ＮＯｘ増量制御において、前記吸気通路噴射比率を増大させ、これにより前記上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させる、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
（８）前記下流側触媒の酸素吸蔵量が前記限界吸蔵量よりも少ない第二限界吸蔵量以下になったときには、前記上流側触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく該上流側触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させるＮＯｘ増量制御を再度行う、上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、下流側排気浄化触媒からＮＯｘが流出するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２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３】図３は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図４】図４は、空燃比制御を行った際の空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図５】図５は、空燃比補正量及び下流側排気浄化触媒の出力空燃比等のタイムチャートである。
【図６】図６は、下流側排気浄化触媒の担体表面を模式的に表した図である。
【図７】図７は、排気通路の各部位内の排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度、未燃ガス濃度並びに空燃比を概略的に示したものである。
【図８】図８は、下流側排気浄化触媒の担体表面を模式的に表した図である。
【図９】図９は、空燃比補正量及びＮＯｘ増量制御実行の有無等の、図５と同様なタイムチャートである。
【図１０】図１０は、点火時期と、機関本体から流出するＮＯｘ及びＨＣの濃度との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、ＥＧＲ量と、機関本体から流出するＮＯｘ及びＨＣの濃度との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、筒内燃料噴射弁とポート燃料噴射弁との噴分け比率と、機関本体から流出するＮＯｘ及びＨＣの濃度との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、空燃比補正量設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、ＮＯｘ増量制御の実行開始を判断する増量制御実行処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、ＮＯｘ増量処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
＜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排気浄化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。
【００２２】
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筒内に直接燃料を噴射・供給する筒内燃料噴射弁１１が配置される。加えて、シリンダヘッド４の吸気ポート７周辺には、吸気ポート７内（すなわち、吸気通路内）に燃料を噴射・供給するポート燃料噴射弁（吸気通路用燃料噴射弁）１２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、１２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、筒内燃料噴射弁１１及びポート燃料噴射弁１２のうち一方の燃料噴射弁のみを設けるようにしてもよい。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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。排気マニホルド１９とサージタンク１４とは、再循環排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」という）導管２６を介して互いに連結され、このＥＧＲガス導管２６内には、ＥＧＲ制御弁２７が配置される。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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５では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、１２及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、内燃機関及び排気浄化装置を行う制御装置として機能する。
【００２７】
＜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、未燃ガス及び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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
＜空燃比センサの説明＞
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の出力特性について説明する。図２は、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図であり、図３は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）と出力電流Ｉとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ４０、４１として同一構成の空燃比センサが用いられる。
【００３２】
図２からわかるように、本実施形態の空燃比センサ４０、４１では、出力電流Ｉは、排気空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図２では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。したがって、空燃比センサ４０、４１は限界電流式の空燃比センサであるということができる。
【００３３】
図３は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図３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がゼロになるように構成される。
【００３４】
なお、上記例では、空燃比センサ４０、４１として限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、空燃比センサ４０、４１として、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、両空燃比センサ４０、４１は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。
【００３５】
＜基本的な空燃比制御＞
次に、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置で行われる基本的な空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の空燃比制御では、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、１２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、本実施形態の空燃比制御では、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。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
【００３６】
また、本実施形態の空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて目標空燃比が設定される。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。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等しい空燃比になる。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、１４．６５〜１６程度とされる。また、リーン設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）に正の空燃比補正量を加算した空燃比として表すこともできる。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。
【００３７】
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に流入する排気ガスの酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）の量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値であるといえる。
【００３８】
なお、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、１２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ＯＥＤｓｃは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤｓｃ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ）      …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、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。
【００３９】
このようにして算出された酸素過不足量を積算した積算酸素過不足量が、予め定められた切替基準値（予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当）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。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等しい空燃比になる。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空燃比であり、例えば、１４〜１４．５５程度とされる。また、リッチ設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）に負の空燃比補正量を加算した空燃比として表すこともできる。なお、本実施形態では、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差（リッチ度合い）は、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差（リーン度合い）以下とされる。
【００４０】
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となったときに、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、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といえる。
【００４１】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図４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４は、本実施形態の空燃比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ＯＳＡｓｃ、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度及び下流側排気浄化触媒２４から流出する排気ガス中のＨＣ、ＣＯ濃度のタイムチャートである。
【００４２】
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、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。
【００４３】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣが予め定められた一定のリッチ設定補正量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等は、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ＯＳＡｓｃ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減少しているため、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。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排出量は少ない。
【００４４】
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。
【００４５】
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ＯＳＡｓｃを増大させるべく、空燃比補正量ＡＦＣが予め定められた一定のリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃは０にリセットされる。
【００４６】
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ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。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。
【００４７】
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ＯＳＡｓｃは増大する。また、これに伴って、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃも徐々に増大していく。
【００４８】
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の排出は少ない。
【００４９】
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ｔ2において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃが、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当する切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ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。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃが０にリセットされる。
【００５０】
なお、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、車両の急加速による意図しない空燃比のずれ等が生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、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が理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定空燃比（例えば、１４．６５。理論空燃比からの差がリッチ判定空燃比と理論空燃比との差と同程度のリーン空燃比）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。すなわち、本空燃比制御では、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一定のリーン判定空燃比以上にならないように、前記上流側触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御しているといえる。
【００５１】
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ＯＳＡｓｃ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。
【００５２】
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。
【００５３】
以上の説明から分かるように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排出量をゼロ近傍の量とすることができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃ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ΣＯＥＤｓｃ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。
【００５４】
また、一般に、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。すなわち、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が変動することが必要になる。これに対して、本実施形態によれば、図４に示したように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量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。
【００５５】
なお、上記実施形態では、時刻ｔ1〜ｔ2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。或いは、時刻ｔ1〜ｔ2の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを０よりも小さな値（例えば、リッチ設定補正量等）としてもよい。
【００５６】
同様に、上記実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3において、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量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、徐々に増大させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、時刻ｔ2〜ｔ3の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを０よりも大きな値（例えば、リーン設定補正量等）としてもよい。
【００５７】
なお、このような本実施形態における空燃比補正量ＡＦＣの設定、すなわち目標空燃比の設定は、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が切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったと推定されるまで、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すると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったと推定されたときに、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに達することなく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るまで、目標空燃比を継続的又は断続的にリッチ空燃比にしているといえる。
【００５８】
より簡単に言えば、本実施形態では、ＥＣＵ３１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ＯＳＡｓｃ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。
【００５９】
＜下流側排気浄化触媒も用いた空燃比制御の説明＞
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可能酸素量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。
【００６０】
なお、燃料カット制御は、内燃機関の作動中（クランクシャフトの回転中）に燃料噴射弁１１、１２からの燃料供給を一時的に停止する制御であり、内燃機関を搭載した車両の減速時等に行われる。この制御を行うと、両触媒２０、２４には多量の空気が流入することになる。
【００６１】
図４に示した例では、時刻ｔ0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はその最大吸蔵可能酸素量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。
【００６２】
その後、時刻ｔ1〜ｔ2の一部において、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、この期間中には、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。
【００６３】
しかしながら、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。このため、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〜ｔ2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〜ｔ2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。
【００６４】
時刻ｔ3以降についても、或る程度の時間間隔毎に時刻ｔ1〜ｔ2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。
【００６５】
＜下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量の減少の影響＞
ところで、燃料カット制御は内燃機関を搭載した車両の減速時等に行われることから、必ずしも一定時間間隔で行われるわけではない。このため、場合によっては、長期間に亘って燃料カット制御が行われないことがある。このような場合には、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出が繰り返し行われると、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＣｕｆｃがゼロに向かって減少していく。この様子を、図５に示す。
【００６６】
図５は、空燃比補正量ＡＦＣ及び下流側排気浄化触媒２４の出力空燃比ＡＦｄｗｎ等のタイムチャートである。図５に示した例では、時刻ｔ0〜ｔ1において、燃料カット制御（ＦＣ制御）が行われている。このため、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは非常に大きい値になっている。加えて、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ及び下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは、それぞれの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘとなっている。
【００６７】
その後、時刻ｔ1〜ｔ2において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを減少させる復帰後リッチ制御が行われる。復帰後リッチ制御では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈよりも絶対値の大きい復帰後リッチ補正量に設定される。これにより、上流側排気浄化触媒２０には多量の未燃ガスが流入し、これに伴って上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少していく。
【００６８】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃがゼロに近づくと、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始め、時刻ｔ2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。本実施形態では、復帰後リッチ制御の実行中に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、図４を用いて説明した空燃比制御が実行される。したがって、時刻ｔ2では、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。
【００６９】
図５に示した例では、時刻ｔ2以降、燃料カット制御が実行されない。したがって、上述した空燃比制御により目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比に繰り返し交互に設定される。このため、下流側排気浄化触媒２４には基本的にほぼ理論空燃比の排気ガスが流入すると共に、定期的に未燃ガスを多く含んだ排気ガスが流入する。このように、下流側排気浄化触媒２４に未燃ガスを多く含んだ排気ガスが定期的に流入すると、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが徐々に減少していくと共に、下流側排気浄化触媒２４における未燃ガスやＮＯｘの浄化能力が低下していく。以下では、図６を参照して、下流側排気浄化触媒２４の浄化能力について説明する。
【００７０】
図６は、下流側排気浄化触媒２４の担体表面を模式的に表した図である。図示した例では、下流側排気浄化触媒２４の担体には、触媒作用を有する貴金属として白金（Ｐｔ）が担持されている。また、図中の「Ｏ2非吸蔵」は担体に担持された酸素吸蔵能力を有する物質（以下、「酸素吸蔵物質」という）に酸素が吸蔵されていない領域を、「Ｏ２吸蔵」は酸素吸蔵物質に酸素が吸蔵されている領域をそれぞれ示している。また、図６に示した例では、排気ガスは担体表面上を図中の矢印で示した方向に流れる。したがって、図６の左側は、下流側排気浄化触媒２４の上流側を示している。
【００７１】
図６（Ａ）は、下流側排気浄化触媒２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入している様子を示している。図６（Ａ）に示した例では、下流側排気浄化触媒２４の上流側の一部においてみ酸素吸蔵物質から酸素が放出されている。ここで、排気ガス中には、未燃ＨＣ及びＣＯが含まれている。このため、酸素吸蔵物質に酸素が吸蔵されている領域では、酸素吸蔵物質に吸蔵されていた酸素が放出されて白金上で未燃ＨＣ及びＣＯと反応し、これにより水と二酸化炭素が生成される。この結果、排気ガス中の未燃ＨＣ及びＣＯは還元、浄化されることになる。一方、酸素吸蔵物質に酸素が吸蔵されていない領域では、白金上や担体表面上に未燃ＨＣが付着しても酸素は放出されない。この結果、酸素吸蔵物質に酸素が吸蔵されていない領域では、未燃ＨＣが白金上や担体表面上に物理吸着する。
【００７２】
一方、下流側排気浄化触媒２４への未燃ガスの流入が続くと、酸素吸蔵物質に吸蔵されていた酸素が次々に放出される。この結果、図６（Ｂ）に示したように、下流側排気浄化触媒２４の多くの部分において酸素吸蔵物質から酸素が放出された状態になり、下流側の一部においてのみ酸素吸蔵物質に酸素が吸蔵された状態となる。この結果、図６（Ｂ）に示したように下流側排気浄化触媒２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、下流側の一部の領域においてのみ排気ガス中の未燃ＨＣ及びＣＯと酸素との反応が生じる。一方、下流側排気浄化触媒２４の上流側の多くの部分では、白金上や担体表面上に未燃ＨＣが次々と物理吸着し、物理吸着した未燃ＨＣが多くの白金の表面上を覆うようになる。
【００７３】
このように、未燃ＨＣが白金の表面上を覆うと、白金は十分な触媒作用を示さなくなる。したがって、白金周りに未燃ガスやＮＯｘ、酸素が存在しても、その反応速度は遅くなる。この結果、未燃ＨＣが白金の表面上を覆っている領域では、未燃ガスやＮＯｘの浄化能力が低下する。このような現象は排気浄化触媒のＨＣ被毒と呼ばれている。そして、図６（Ｂ）から分かるように、ＨＣ被毒が生じている領域は、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少するのに伴って増大していく。したがって、図５に示したように、下流側排気浄化触媒２４の未燃ガスやＮＯｘの浄化率は、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが或る一定以上減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの減少に伴って低下する。
【００７４】
ところで、機関本体から排出された排気ガス中の未燃ガスやＮＯｘは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが適切な量であっても、上流側排気浄化触媒２０で全て浄化されるわけではない。この様子を、図７に示す。
【００７５】
図７は、排気通路の各部位内の排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度、未燃ガス（未燃ＨＣ、ＣＯ）濃度並びに空燃比を概略的に示したものである。図７は、機関本体から排出された排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合を示している。図７に示したように、機関本体から排出された排気ガスはリーン空燃比であるため、排気マニホルド１９内を流れる排気ガス中には排気ガスが理論空燃比である場合に比べて多量の酸素及びＮＯｘが含まれている。加えて、排気ガス中には、それほど多くはないが未燃ガスも含まれている。
【００７６】
このような排気ガスが上流側排気浄化触媒２０に流入すると、上流側排気浄化触媒２０では排気ガス中の酸素が吸蔵されるため、排気ガスの空燃比が理論空燃比になる。加えて、上流側排気浄化触媒２０では排気ガス中の未燃ガスとＮＯｘ及び酸素とが反応し、未燃ガス及びＮＯｘが浄化される。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０では、必ずしも排気ガス中の未燃ガス及びＮＯｘが全て浄化されるわけではなく、その一部は上流側排気浄化触媒２０から流出する。
【００７７】
この結果、図７に示したように、排気管２２内を流れる排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となっているが、この排気ガス中には、少量の未燃ガスと少量のＮＯｘ及び酸素が残っている。したがって、下流側排気浄化触媒２４には、未燃ガス及びＮＯｘを含んだ理論空燃比の排気ガスが流入することになる。
【００７８】
ここで、上述したように、下流側排気浄化触媒２４のＨＣ被毒が進行している場合、下流側排気浄化触媒２４の未燃ガスやＮＯｘの浄化能力が低下している。このため、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及びＮＯｘが多量に含まれていると、これら未燃ガス及びＮＯｘを必ずしも完全に浄化することができない場合が存在する。したがって、図６（Ｂ）に示したように、下流側排気浄化触媒２４において未燃ＨＣによるＨＣ被毒が生じている場合には、下流側排気浄化触媒２４の浄化能力を回復させるべく吸着している未燃ＨＣを除去することが必要になる。
【００７９】
＜ＮＯｘ流入によるＨＣ被毒の抑制＞
ところで、図６（Ｂ）に示したように下流側排気浄化触媒２４において未燃ＨＣが白金の表面上を部分的に覆っている場合であっても、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中に酸素やＮＯｘが含まれていると、未燃ＨＣはこれら酸素やＮＯｘと反応する。この結果、下流側排気浄化触媒２４の担体上に吸着している未燃ＨＣを除去することができる。この様子を、図８に示す。
【００８０】
図８は、下流側排気浄化触媒２４の担体表面を模式的に表した、図６と同様な図である。特に、図８に示した例では、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中にＮＯｘが含まれている場合を示している。このように排気ガス中にＮＯｘが含まれていると、排気ガス中のＮＯｘは下流側排気浄化触媒２４の白金上に吸着している未燃ＨＣと反応し、この結果、白金上の未燃ＨＣが除去されることになる。
【００８１】
ただし、上述したようにこの場合には浄化能力が低下しているため、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中に酸素及びＮＯｘが多量に含まれていると、流入したＮＯｘを十分に除去することができない。すなわち、流入した排気ガス中のＮＯｘが下流側排気浄化触媒２４で浄化されずに、流出してしまうことになる。
【００８２】
ここで、下流側排気浄化触媒２４に酸素やＮＯｘを含んだ排気ガスを流入させる方法としては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃがほぼ最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達しても、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に維持することが考えられる。これにより、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０において吸蔵されず、そのまま上流側排気浄化触媒２０から流出する。これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガス中のＮＯｘも、そのまま上流側排気浄化触媒２０から流出する。しかしながら、このような方法では、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中には多量の酸素及びＮＯｘが含まれることになる。この結果、酸素及びＮＯｘは、下流側排気浄化触媒２４では十分に除去されず、下流側排気浄化触媒２４から流出することになる。特に、ＮＯｘは、未燃ＨＣとの反応性が酸素に比べて低いため、多くのＮＯｘが下流側排気浄化触媒２４で除去されずに下流側排気浄化触媒２４から流出することになる。
【００８３】
ところで、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酸素は、流入する排気ガス中に含まれている未燃ガスによって浄化されるか、又は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。このため、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近傍に達していない限り、排気ガスの空燃比に関わらず、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に酸素が含まれていても、上流側排気浄化触媒２０からはほとんど酸素が流出しない。したがって、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近傍に達していないときに、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン側に多少変化させても、すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する酸素の量を増大させても、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中に含まれる酸素の量はほとんど変化しない。
【００８４】
一方、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ＮＯｘは、流入する排気ガス中に含まれている未燃ガスによって浄化される。しかしながら、ＮＯｘは酸素と比べると、未燃ガスとの反応性が低い。このため、排気ガス中に酸素及びＮＯｘの両方が存在するときには、未燃ガスはまず酸素と反応することになる。したがって、ＮＯｘは上流側排気浄化触媒２０で全て反応せずに、その一部が残る。また、ＮＯｘ自体は、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されない。
【００８５】
このような性質により、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときにもリッチ空燃比であるときにも、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度が高くなると、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度も高くなる。すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を高くすることにより、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を高くすることができる。また、このような現象は上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが適切な量であるときにおいて生じる。このため、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度が高くなったとしても、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近傍に到達して上流側排気浄化触媒２０で酸素やＮＯｘの除去が十分に行えないときのように多量にＮＯｘが下流側排気浄化触媒２４に流入することはない。
【００８６】
＜ＮＯｘ増量制御＞
そこで、本実施形態では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない所定の限界吸蔵量以下になったときには、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度を増大させるＮＯｘ増量制御を実行することとしている。これについて、図９を参照して説明する。
【００８７】
図９は、空燃比補正量ＡＦＣ、ＮＯｘ増量制御実行の有無等の、図５と同様なタイムチャートである。図９に示した例でも、図５に示した例と同様に、時刻ｔ0〜ｔ1において燃料カット制御が行われると共に、時刻ｔ1〜ｔ2において復帰後リッチ制御が行われる。加えて、時刻ｔ2以降、図４に示したような空燃比制御が実行される。
【００８８】
上述したように、時刻ｔ2以降、空燃比制御の実行により、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少する。図９に示した例では、時刻ｔ10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がリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへ切り替えられる。このとき、上流側排気浄化触媒２０からリッチ空燃比の排気ガスが流出しており、これに伴って下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少する。この結果、図９に示した例では、時刻ｔ11において、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量Ｃｌｉｍに到達する。
【００８９】
本実施形態では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量Ｃｌｉｍ以下になると、ＮＯｘ増量制御が開始される。ここで、限界吸蔵量Ｃｌｉｍは、燃料カット制御後にＮＯｘ増量制御を実行せずに上述した空燃比制御を続けると、下流側排気浄化触媒２４のＨＣ被毒が進み始めるような量とされる。具体的には、限界吸蔵量Ｃｌｉｍは、未使用時の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの２／３〜１／１０内の値、好ましくは１／２〜１／７内の値、より好ましくは１／３〜１／５内の値とされる。
【００９０】
なお、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは、上流側排気浄化触媒２０と同様に、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中の酸素過不足量の積算値ΣＯＥＤｕｆｃに基づいて推定される。また、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中の酸素過不足量ＯＥＤｕｆｃは、下記式（２）により算出される。
ＯＥＤｓｃ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｄｗｎ−ＡＦＳ）      …（２）
ここで、ＡＦｄｗｎは下流側空燃比センサ４１の出力空燃比を、ＡＦＳは理論空燃比をそれぞれ表している。
【００９１】
これにより、上流側排気浄化触媒２０に流入するＮＯｘの量が増大せしめられ、この結果、上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの量も増大することになる。ただし、後述するように、ＮＯｘ増量制御では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は大きく変動しない。したがって、ＮＯｘ増量制御が開始されても、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはほとんど変化しない。
【００９２】
また、ＮＯｘ増量制御の実行中であっても、上述した空燃比制御は継続して実行される。したがって、時刻ｔ12において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達したと推定されると、すなわち下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガスの積算酸素過不足量ΣＯＥＤｕｆｃが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。
【００９３】
その後、時刻ｔ11から所定の基準実行時間が経過した時刻ｔ13においてＮＯｘ増量制御が終了せしめられる。所定の基準実行時間は、下流側排気浄化触媒２４においてＨＣ被毒により未燃ＨＣが白金や担体上に吸着している場合に吸着している未燃ＨＣの多くを離脱させることができるような時間に設定される。なお、ＮＯｘ増量制御の終了タイミングは必ずしもＮＯｘ増量制御の実行時間に基づいて判断される必要はなく、例えば、ＮＯｘ増量制御を開始してから下流側排気浄化触媒２４に流入した排気ガスの総流量が所定の基準総流量に達した場合等にＮＯｘ増量制御を終了するようにしてもよい。
【００９４】
ＮＯｘ増量制御の終了後も、上述した空燃比制御は継続して実行される。したがって、時刻ｔ14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以下になると、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。その後、時刻ｔ15において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達したと推定されると、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。
【００９５】
＜ＮＯｘ増量制御の効果＞
図９からわかるように、本実施形態では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量Ｃｌｉｍ以下になったとき、すなわち下流側排気浄化触媒２４のＨＣ被毒が進み始めたときに、ＮＯｘ増量制御が開始される。ＮＯｘ増量制御が開始されると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中のＮＯｘの濃度が増大する。ここで、上述したように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中のＮＯｘの濃度が増大すると、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘの濃度も増大する。したがって、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度が増大せしめられる。このように下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中のＮＯｘ濃度が増大せしめられると、下流側排気浄化触媒２４においてＮＯｘは排気ガス中の未燃ガスのみならず、白金や担体上に吸着されている未燃ＨＣと反応する。この結果、下流側排気浄化触媒２４の白金や担体上に吸着されている未燃ＨＣを除去することができ、下流側排気浄化触媒２４のＨＣ被毒を抑制することができる。したがって、図９に実線で示したように、下流側排気浄化触媒２４の未燃ガスやＮＯｘの浄化率が低下するのを抑制することができる（なお、図中の破線は、ＮＯｘ増量制御を実行しなかった場合の浄化率の推移を表している）。
【００９６】
また、ＮＯｘ増量制御の実行中においても、上述した空燃比制御は継続して実行される。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に到達することはない。したがって、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力は維持されており、上流側排気浄化触媒２０からリーン空燃比の排気ガスが流出することはない。すなわち、上流側排気浄化触媒２０におけるＮＯｘの浄化性能な維持されたままとなる。また、ＮＯｘ増量制御の実行中においては、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度が増大するが、それほど大きくは増大しない。したがって、ＮＯｘ増量制御の実行中に、下流側排気浄化触媒２４では浄化できないほど多量のＮＯｘが下流側排気浄化触媒２４に流入することはない。このため、排気浄化装置におけるＮＯｘの浄化性能を維持することができる。
【００９７】
なお、上記実施形態では、燃料カット制御後、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量以下になったときにＮＯｘ増量制御が一回のみ行われている。しかしながら、ＮＯｘ増量制御を一回実行して下流側排気浄化触媒２４に吸着している未燃ＨＣを除去しても、その後再び未燃ＨＣが下流側排気浄化触媒２４上に吸着し始める。したがって、燃料カット制御が再び行われるまで、複数回に亘ってＮＯｘ増量制御を行うことが好ましい。
【００９８】
このように複数回に亘ってＮＯｘ増量制御を行うときには、二回目のＮＯｘ増量制御は下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量（以下、「第一限界吸蔵量」という）よりも少ない第二限界吸蔵量以下になったときに行われる。そして、三回目のＮＯｘ増量制御は、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが第二限界吸蔵量よりも少ない第三限界吸蔵量以下になったときに行われる。このように、複数回に亘ってＮＯｘ増量制御を行うときには、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが前回の限界吸蔵量よりも少ない限界吸蔵量に到達したときに行われる。また、第一限界吸蔵量と第二限界吸蔵量との差、及び第二限界吸蔵量と第三限界吸蔵量との差は、最大吸蔵可能酸素量と第一限界吸蔵量との差よりも小さくなるように設定される。
【００９９】
＜ＮＯｘ増量制御の具体例＞
次に、ＮＯｘ増量制御の具体例について説明する。ＮＯｘ増量制御の一つの例としては、点火プラグ１０による混合気への点火時期を進角させることが挙げられる。図１０は、点火プラグ１０による点火時期と、機関本体から流出するＮＯｘ及びＨＣの濃度との関係を示す図である。図１０からわかるように、点火時期を変えても機関本体から流出する排気ガス中の未燃ＨＣの濃度はそれほど変化しない。これに対して、点火時期を進角させると機関本体から流出する排気ガス中のＮＯｘの濃度が高くなる。これは、点火時期を進角するほど燃焼室５内での混合気の燃焼温度が上昇し、これにより排気ガス中のＮＯｘ量が増大するためである。
【０１００】
また、このように点火時期を変更しても、燃料噴射弁１１、１２からの燃料噴射量は変更されないため、燃焼室５内の混合気の空燃比は変化しない。したがって、機関本体から流出する排気ガス中の酸素濃度は基本的に変化しない。したがって、点火時期を進角させることにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度は増大せずに、ＮＯｘ濃度のみが増大する。
【０１０１】
以上より、一つ目のＮＯｘ増量制御では、ＮＯｘ増量制御を実行していないときに比べて、点火プラグ１０による混合気への点火時期を進角させるようにしている。これにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく、ＮＯｘ濃度のみを増大させることができる。
【０１０２】
また、ＮＯｘ増量制御の別の例としては、ＥＧＲ量を減少させることが考えられる。図１に示したように、本実施形態の内燃機関は、ＥＧＲガス導管２６及びＥＧＲ制御弁２７を有するＥＧＲ機構を具備しており、このＥＧＲ機構によって内燃機関の燃焼室５から排出された排気ガスの一部を再び燃焼室５に供給している。斯かるＥＧＲ機構では、ＥＧＲ機構によって燃焼室５に供給される排気ガスの量（ＥＧＲ量）に応じて、機関本体から流出するＮＯｘ及びＨＣの濃度が変化する。
【０１０３】
図１１は、ＥＧＲ量と、機関本体から流出するＮＯｘ及びＨＣの濃度との関係を示す図である。図１１からわかるように、ＥＧＲ量を減少させるとそれに伴って未燃ＨＣの濃度が減少し、またＮＯｘ濃度が増大する。これは、ＥＧＲ量が減少することにより燃焼室５内での混合気の燃焼温度が上昇し、これにより排気ガス中のＮＯｘ量が増大するためである。
【０１０４】
また、このようにＥＧＲ量を変更しても、燃焼室５内に流入する空気と燃料との比率は変わらないため、燃焼室５内の混合気の空燃比は変化しない。したがって、機関本体から流出する排気ガス中の酸素濃度は基本的に変化しない。このため、ＥＧＲ量を減少させることにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度は増大せずに、ＮＯｘ濃度のみが増大する。
【０１０５】
以上より、二つ目のＮＯｘ増量制御では、ＮＯｘ増量制御を実行していないときに比べて、ＥＧＲ量を減少させるようにしている。これにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく、ＮＯｘ濃度のみを増大させることができる。
【０１０６】
ＮＯｘ増量制御の更なる別の例としては、筒内燃料噴射弁１１とポート燃料噴射弁１２とからの燃料噴射量の比率を調整することが考えられる。ここで、図１に示したように、本実施形態の内燃機関は、１つの気筒に対して、燃焼室５内に直接燃料を噴射・供給する筒内燃料噴射弁１１と、吸気ポート７等の吸気通路内に燃料を噴射・供給するポート燃料噴射弁１２とを有している。斯かる内燃機関では、筒内燃料噴射弁１１とポート燃料噴射弁１２との燃料供給比率に応じて、機関本体から流出するＮＯｘ及びＨＣの濃度が変化する。
【０１０７】
図１２は、筒内燃料噴射弁１１とポート燃料噴射弁１２との燃料供給比率（噴分け比率）と、機関本体から流出するＮＯｘ及びＨＣの濃度との関係を示す図である。図１２からわかるように、筒内燃料噴射弁１１のみから燃料を噴射している状態（図中のＤＩ：１００％）からポート燃料噴射弁１２からの燃料供給比率を増大させていくと、それに伴って未燃ＨＣ濃度が減少し、ＮＯｘ濃度が増大する。このようにＮＯｘ濃度が増大する理由は以下のとおりである。すなわち、ポート燃料噴射弁１２から燃料噴射を行うと、燃料噴射してから点火が行われるまで、燃料と空気は十分に混合する。このため、燃焼室５内では混合気の良好な燃焼が行われ、この結果、混合気の燃焼温度が上昇する。このように混合気の燃焼温度が上昇すると、これに伴って排気ガス中のＮＯｘ量が増大する。
【０１０８】
また、このように噴分け比率を変更しても、燃焼時までに燃焼室５内に供給される空気と燃料との比率は変わらないため、燃焼室５内の混合気の空燃比は変化しない。したがって、機関本体から流出する排気ガス中の酸素濃度は基本的に変化しない。このため、筒内燃料噴射弁１１からの燃料噴射量に対するポート燃料噴射弁１２からの燃料噴射量の比率である吸気通路噴射比率を増大させることにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度は増大せずに、ＮＯｘ濃度のみが増大する。
【０１０９】
以上より、三つ目のＮＯｘ増量制御では、ＮＯｘ増量制御を実行していないときに比べて、吸気通路噴射比率を増大させるようにしている。これにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度を増大させることなく、ＮＯｘ濃度のみを増大させることができる。
【０１１０】
＜ＮＯｘ増量制御の実行条件＞
ところで、上述したように、下流側排気浄化触媒２４上に未燃ＨＣが吸着している場合に、下流側排気浄化触媒２４にＮＯｘを含んだ排気ガスが流入すると、未燃ＨＣとＮＯｘとが反応し、未燃ＨＣが除去される。このような未燃ＨＣとＮＯｘとの反応は、下流側排気浄化触媒２４の温度が低いと十分に起こらない。したがって、斯かる観点からは、上述したＮＯｘ増量制御を行うのは、下流側排気浄化触媒２４の温度が或る程度の高温であることが必要になる。逆に、下流側排気浄化触媒２４の温度が低いときにＮＯｘ増量制御を行うと、下流側排気浄化触媒２４に流入した排気ガス中のＮＯｘが、下流側排気浄化触媒２４で除去されずにそのまま流出してしまう可能性がある。
【０１１１】
そこで、本実施形態では、下流側排気浄化触媒２４の温度を検出する温度センサ（図示せず）によって下流側排気浄化触媒２４の温度が検出される。そして、下流側排気浄化触媒２４の温度が予め定められた下限温度未満であるときには、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量Ｃｌｉｍ以下になっても、ＮＯｘ増量制御を実行しないようにしている。ここで、下限温度は、下流側排気浄化触媒２４の温度がそれ以上低下すると、下流側排気浄化触媒２４に吸着している未燃ＨＣと排気ガス中のＮＯｘが十分に反応しないような温度であり、例えば５００℃である。
【０１１２】
このように、下流側排気浄化触媒２４の温度が低いときにはＮＯｘ増量制御を行わないようにすることにより、下流側排気浄化触媒２４に流入したＮＯｘが下流側排気浄化触媒２４で浄化されずにそのまま流出してしまうのを抑制することができる。
【０１１３】
なお、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量Ｃｌｉｍ以下になったときに、下流側排気浄化触媒２４の温度が下限温度未満である場合には、下流側排気浄化触媒２４の温度を上昇させるための昇温制御を行ってもよい。昇温制御としては、例えば、複数の気筒のうち一部の気筒では燃焼空燃比をリッチ空燃比とし、残りの気筒では燃焼空燃比をリーン空燃比とするディザ制御を行うことが考えられる。
【０１１４】
また、上述したように、ＮＯｘ増量制御の実行中には、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中にＮＯｘが含まれるが、その濃度は基本的にそれほど高くない。しかしながら、例えば、機関高負荷運転時や機関高回転時には、機関本体から排出される排気ガスの流量が多く、よって下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガスの流量が多くなる。このように、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガスの流量が多くなると、仮に排気ガス中のＮＯｘ濃度がそれほど高くなくても、単位時間当たりに下流側排気浄化触媒２４に流入するＮＯｘの量が増大する。このように、単位時間当たりに下流側排気浄化触媒２４に多量のＮＯｘが流入すると、流入したＮＯｘの一部は下流側排気浄化触媒２４上に吸着している未燃ＨＣと反応せずに下流側排気浄化触媒２４から流出してしまう。
【０１１５】
そこで、本実施形態では、機関本体から排出される排気ガスの流量が予め定められた上限流量以上であるときには、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量Ｃｌｉｍ以下になっても、ＮＯｘ増量制御を実行しないようにしている。ここで、上限流量は、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガスの流量がそれ以上になると、下流側排気浄化触媒２４上に未燃ＨＣが吸着されていても、流入した排気ガス中のＮＯｘが十分に浄化されなくなるような流量であり、例えば１０ｇ／ｓである。また、機関本体から排出される排気ガスの流量は、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算出又は推定される。エアフロメータ３９によって検出された吸入空気流量を、そのまま機関本体から排出される排気ガスの流量として用いてもよい。
【０１１６】
＜空燃比補正量設定処理のフローチャート＞
図１３は、空燃比補正量設定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。
【０１１７】
図１３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ＡＦＣの算出条件が成立している場合とは、フィードバック制御が行われる通常制御中であること、例えば燃料カット制御中等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。
【０１１８】
ステップＳ１２では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、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Ｓ１２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Ｓ１３へと進む。ステップＳ１３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定された場合にはステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、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。
【０１１９】
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Ｓ１３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Ｓ１５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。次いで、ステップＳ１６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。
【０１２０】
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Ｓ１２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Ｓ１７へと進む。ステップＳ１７では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないか否かが判定される。積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないと判定された場合にはステップＳ１８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。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Ｓ１７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定され、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９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Ｓ２０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。
【０１２１】
＜増量制御実行処理のフローチャート＞
図１４は、ＮＯｘ増量制御の実行開始を判断する増量制御実行処理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。
【０１２２】
まず、ステップＳ３１では、ＮＯｘ増量制御の実行フラグＦｄがＯＦＦになっているか否かが判定される。実行フラグＦｄは、ＮＯｘ増量制御が実行されているときにＯＮとされ、実行されていないときにＯＦＦとされるフラグである。ＮＯｘ増量制御が実行されておらず、よって実行フラグＦｄがＯＦＦになっているときには、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２では、既遂フラグＦｅがＯＮになっているか否かが判定される。既遂フラグＦｅは、燃料カット制御が前回行われた後に既にＮＯｘ増量制御が行われているときにはＯＮとされ、未だにＮＯｘ増量制御が行われていないときにはＯＦＦとされるフラグである。なお、既遂フラグＦｅは燃料カット制御が実行されるとＯＦＦにリセットされる。
【０１２３】
ステップＳ３２において既遂フラグＦｅがＯＦＦであると判定された場合、すなわち前回の燃料カット制御後にＮＯｘ増量制御が未だに行われていない場合には、ステップＳ３３へと進む。ステップＳ３３では、燃料カット制御の終了後、下流側排気浄化触媒２４への積算酸素過不足量ΣＯＥＤｕｆｃが第１基準値ＯＥＤｒｅｆ１以上になったか否かが判定される。すなわち、ステップＳ３３では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが限界吸蔵量Ｃｌｉｍ以下になったか否かが判定されるといえる。ステップＳ３３において、下流側排気浄化触媒２４への積算酸素過不足量ΣＯＥＤｕｆｃが第１基準値ＯＥＤｒｅｆ１よりも少ないと判定された場合には、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｒｅｆ１はそれほど低下しておらず、よって下流側排気浄化触媒２４のＨＣ被毒も進行していない。したがって、この場合には、ＮＯｘ増量制御は実行されずに制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３３において、下流側排気浄化触媒２４への積算酸素過不足量ΣＯＥＤｕｆｃが第１基準値ＯＥＤｒｅｆ１以上である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、実行フラグＦｄがＯＮとされ、この結果、図１５に示したＮＯｘ増量処理によりＮＯｘ増量制御が開始される。次いで、ステップＳ３５では、既遂フラグＦｅがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１２４】
その後、ＮＯｘ増量処理が終了した後の制御ルーチンでは、既遂フラグＦｅがＯＮにセットされていることから、ステップＳ３２からステップＳ３６へと進む。ステップＳ３６では、前回のＮＯｘ増量処理の終了後、下流側排気浄化触媒２４への積算酸素過不足量ΣＯＥＤｕｆｃが第２基準値ＯＥＤｒｅｆ２以上になったか否かが判定される。すなわち、ステップＳ３６では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが第二限界吸蔵量や第三限界吸蔵量以下になったか否かが判定されるといえる。なお、第２基準値ＯＥＤｒｅｆ２は第１基準値ＯＥＤｒｅｆ１よりも小さい値であり、上述した第一限界吸蔵量と第二限界吸蔵量との差等に等しい値である。
【０１２５】
ステップＳ３６において、下流側排気浄化触媒２４への積算酸素過不足量ΣＯＥＤｕｆｃが第２基準値ＯＥＤｒｅｆ２よりも少ないと判定された場合には、下流側排気浄化触媒２４のＨＣ被毒は進行していない。したがって、この場合には、ＮＯｘ増量制御は実行されずに制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３６において、下流側排気浄化触媒２４への積算酸素過不足量ΣＯＥＤｕｆｃが第２基準値ＯＥＤｒｅｆ２以上であると判定された場合には、ステップＳ３７へと進む。ステップＳ３７では、実行フラグＦｄがＯＮとされ、この結果、図１５に示したＮＯｘ増量処理によりＮＯｘ増量制御が開始される。
【０１２６】
＜ＮＯｘ増量処理のフローチャート＞
図１５は、ＮＯｘ増量処理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。
【０１２７】
まず、ステップＳ４１では、ＮＯｘ増量制御の実行フラグＦｄがＯＮになっているか否かが判定される。実行フラグＦｄがＯＦＦになってい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、図１４のステップＳ３４及びＳ３７において実行フラグＦｄがＯＮにセットされたときには、ステップＳ４１において実行フラグＦｄがＯＮになっていると判定され、ステップＳ４２へと進む。ステップＳ４２では、下流側排気浄化触媒２４の温度を検出する温度センサの出力に基づいて下流側排気浄化触媒２４の温度Ｔｃａｔが下限温度Ｔｃｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ４２において下流側排気浄化触媒２４の温度Ｔｃａｔが下限温度Ｔｃｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ４３へと進む。ステップＳ４３では、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量Ｇａが上限流量Ｇｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ４３において、吸入空気量Ｇａが上限流量Ｇｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ４４へと進む。
【０１２８】
ステップＳ４４では、ＮＯｘ増量制御の実行時間Ｔ、すなわち実行フラグＦＤがＯＮにされてからの経過時間（ＮＯｘ増量制御が停止されている時間を除いたもの）Ｔが基準時間Ｔｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ＮＯｘ増量制御が開始されてからあまり時間が経過していない場合には、実行時間Ｔが基準時間Ｔｒｅｆよりも短いと判定され、ステップＳ４５へと進む。ステップＳ４５では、ＮＯｘ増量制御が実行される。したがって、例えば、ＮＯｘ増量制御を実行していないときに比べて、点火プラグ１０による点火時期が進角せしめられる。その後、制御ルーチンは終了せしめられる。
【０１２９】
一方、ステップＳ４２において下流側排気浄化触媒２４の温度Ｔｃａｔが下限温度Ｔｃｒｅｆ未満であると判定された場合には、ＮＯｘ増量制御を行うと下流側排気浄化触媒２４からＮＯｘが流出する可能性があるため、ステップＳ４２からステップＳ４８へと進む。また、ステップＳ４３において吸入空気量Ｇａが上限流量Ｇｒｅｆ未満であると判定された場合にも、ＮＯｘ増量制御を行うと下流側排気浄化触媒２４からＮＯｘが流出する可能性があるため、ステップＳ４３からステップＳ４８へと進む。ステップＳ４８では、ＮＯｘ増量制御が停止される。したがって、例えば、ＮＯｘ増量制御を実行しているときに比べて、点火プラグ１０による点火時期が遅角せしめられる。その後、制御ルーチンは終了せしめられる。
【０１３０】
その後、ＮＯｘ増量制御の実行時間が長くなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ４４においてＮＯｘ増量制御の実行時間Ｔが基準時間Ｔｒｅｆ以上であると判定され、ステップＳ４６へと進む。ステップＳ４６では、ＮＯｘ増量制御が終了せしめられ、次いで、ステップＳ４７では、実行フラグＦｄがＯＦＦにリセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。
【符号の説明】
【０１３１】
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】
0006323403.tif 000003
【図３】
0006323403.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0006323403.tif 000007
【図７】
0006323403.tif 000008
【図８】
0006323403.tif 000009
【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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