(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に供給する空気の圧力を変更可能な過給機と、
吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップ量を変更可能な可変バルブタイミング機構と、
排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、
前記触媒の上流側に配置されると共に、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比センサと、
前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出可能な下流側空燃比センサと、
前記流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御装置と
を備えた内燃機関において、
前記空燃比制御装置は、バルブオーバーラップの発生によって吸入通路から筒内を通って前記排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量が基準吹き抜け量以下のときには、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように前記燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御し、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記フィードバック制御を実施することなく、前記目標空燃比から算出された燃料量を前記燃焼室に供給し、
前記空燃比制御装置は、前記触媒の酸素吸蔵量と、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比とに基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を更新し、前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記流入排気ガスの目標空燃比に基づいて算出される、内燃機関。
【請求項２】
前記基準吹き抜け量はゼロである、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比とに交互に設定され、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定されたリーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない基準酸素吸蔵量に達したと推定されたときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替え、
前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記目標空燃比に基づいて算出される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記空燃比制御装置は、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替える、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリッチであり且つ前記リッチ設定空燃比よりも理論空燃比に近い弱リッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンであり且つ前記リーン設定空燃比よりも理論空燃比に近い弱リーン設定空燃比とのうちのいずれか一つに設定され、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において、前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第１基準酸素吸蔵量に達した推定されたときに前記目標空燃比を前記弱リッチ設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記弱リッチ設定空燃比に設定された弱リッチ制御において、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定されたリーン制御において、前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第２基準酸素吸蔵量に達したと推定されたときに前記目標空燃比を前記弱リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記弱リーン設定空燃比に設定された弱リーン制御において、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替え、
前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記目標空燃比に基づいて算出される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記空燃比制御装置は、前記リッチ制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記第１基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記第２基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替える、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記弱リーン設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記弱リーン設定空燃比よりも大きく、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記弱リッチ設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記弱リッチ設定空燃比よりも小さい、請求項５又は６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記リーン設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記リーン設定空燃比よりも大きく、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記リッチ設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記リッチ設定空燃比よりも小さい、請求項３〜７のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替えてから前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替えるまでの期間に前記触媒に吸蔵される酸素の量である第１酸素量と、前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替えてから前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替えるまでの期間に前記触媒から放出される酸素の量である第２酸素量とを算出し、
前記空燃比制御装置は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記第１酸素量と前記第２酸素量との差に基づいて学習値を更新し、該更新された学習値に基づいて、前記第１酸素量と前記第２酸素量との差が小さくなるように空燃比に関するパラメータを補正し、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記学習値を更新することなく現在の学習値に基づいて前記パラメータを補正する、請求項３〜８のいずれか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、吸気ポート内の圧力が排気ポート内の圧力よりも高いときにバルブオーバーラップが発生すると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。ターボチャージャのような過給機を備えた内燃機関において、トルク要求に対して吸入空気量が不足している場合、スカベンジが用いられる。スカベンジを発生させることで、排気ガスの掃気量が増加して、過給機のタービンの回転数が高められる。この結果、吸入空気の圧力が高められ、吸入空気量が増大せしめられる。
【０００３】
従来、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力が目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））に一致するように内燃機関の燃焼室に供給する燃料量を制御するように構成された内燃機関が知られている（例えば特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１１８８９２号
【特許文献２】国際公開第２０１４／１１８８８９号
【特許文献３】特開２００８−１５７０５７号公報
【特許文献４】特開２００３−０８３１３４号公報
【特許文献５】特開昭６４−０６６４４８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のスカベンジが発生すると、筒内の空気が減少するため、筒内の燃焼空燃比はリッチとなる。スカベンジ量が多く、燃焼空燃比のリッチ度合いが高くなると、排気ガス中の水素濃度が高くなる。排気ガスに水素が含まれる場合、拡散速度の速い水素とその他の排気成分との間のガス拡散差によって水素が空燃比センサの電極表面に先に到達する。この結果、空燃比センサの電極表面がリッチ雰囲気になり、空燃比センサの出力がリッチ側にずれる。リッチ側にずれた空燃比に基づいて空燃比の制御が行われると、筒内の実際の燃焼空燃比は目標空燃比よりもリーンとなる。この結果、排気浄化触媒での未燃ガス等の浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【０００６】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明では、燃焼室に供給する空気の圧力を変更可能な過給機と、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップ量を変更可能な可変バルブタイミング機構と、排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、前記触媒の上流側に配置されると共に、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比センサと、前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出可能な下流側空燃比センサと、前記流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御装置とを備えた内燃機関において、前記空燃比制御装置は、バルブオーバーラップの発生によって吸入通路から筒内を通って前記排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量が基準吹き抜け量以下のときには、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように前記燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御し、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記フィードバック制御を実施することなく、前記目標空燃比から算出された燃料量を前記燃焼室に供給し、前記空燃比制御装置は、前記触媒の酸素吸蔵量と、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比とに基づいて前記流入排気ガスの目標空燃比を更新し、前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記流入排気ガスの目標空燃比に基づいて算出される、内燃機関が提供される。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において、前記基準吹き抜け量はゼロである。
【００１０】
第３の発明では、第１の発明において、前記目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比とに交互に設定され、前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定されたリーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない基準酸素吸蔵量に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替え、前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記目標空燃比に基づいて算出される。
【００１１】
第４の発明では、第３の発明において、前記空燃比制御装置は、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替える。
【００１３】
第５の発明では、第１の発明において、前記目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリッチであり且つ前記リッチ設定空燃比よりも理論空燃比に近い弱リッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンであり且つ前記リーン設定空燃比よりも理論空燃比に近い弱リーン設定空燃比とのうちのいずれか一つに設定され、前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において、前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第１基準酸素吸蔵量に達した推定されたときに前記目標空燃比を前記弱リッチ設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記弱リッチ設定空燃比に設定された弱リッチ制御において、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定されたリーン制御において、前記触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第２基準酸素吸蔵量に達したと推定されたときに前記目標空燃比を前記弱リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記弱リーン設定空燃比に設定された弱リーン制御において、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替え、前記触媒の酸素吸蔵量は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出され、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記現在の目標空燃比に基づいて算出される。
【００１４】
第６の発明では、第５の発明において、前記空燃比制御装置は、前記リッチ制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記第１基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記リーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量が前記第２基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達した場合、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リーン判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替える。
【００１５】
第７の発明では、第５又は第６の発明において、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記弱リーン設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記弱リーン設定空燃比よりも大きく、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記弱リッチ設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記弱リッチ設定空燃比よりも小さい。
【００１６】
第８の発明では、第３〜第７のいずれか一つの発明において、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記リーン設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記リーン設定空燃比よりも大きく、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときにおける前記リッチ設定空燃比が、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときにおける前記リッチ設定空燃比よりも小さい。
【００１７】
第９の発明では、第３〜第８のいずれか一つの発明において、前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替えてから前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替えるまでの期間に前記触媒に吸蔵される酸素の量である第１酸素量と、前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替えてから前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替えるまでの期間に前記触媒から放出される酸素の量である第２酸素量とを算出し、前記空燃比制御装置は、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量以下のときには、前記第１酸素量と前記第２酸素量との差に基づいて学習値を更新し、該更新された学習値に基づいて、前記第１酸素量と前記第２酸素量との差が小さくなるように空燃比に関するパラメータを補正し、前記吹き抜け量が前記基準吹き抜け量よりも多いときには、前記学習値を更新することなく現在の学習値に基づいて前記パラメータを補正する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における内燃機関の概略図である。
【図２】図２は、可変バルブタイミング機構を示す図である。
【図３】図３は、吸気弁及び排気弁のリフト量を示す図である。
【図４】図４は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図５】図５は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図６】図６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７】図７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８】図８は、目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図９】図９は、上流側空燃比センサの出力空燃比にずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１０】図１０は、学習制御を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の第１実施形態における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１２】図１２は、本発明の第１実施形態における目標空燃比設定処理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、本発明の第１実施形態におけるスカベンジ判定処理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、目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１５】図１５は、本発明の第２実施形態における目標空燃比設定処理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、本発明の第２実施形態におけるリッチ補正時目標空燃比設定処理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、本発明の第２実施形態におけるリーン補正時目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１９】図１９は、本発明の第３実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２０】図２０は、本発明の第４実施形態における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。
【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】
＜第１実施形態＞
最初に、図１〜図１３を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
【００２２】
＜内燃機関全体の説明＞
【００２３】
図１は、本発明の第１実施形態における内燃機関１００の概略図である。内燃機関１００は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む機関本体１を備える。シリンダブロック２の内部には、シリンダブロック２の内部で往復運動するピストン３が配置されている。内燃機関１００は複数の気筒を有する。
【００２４】
燃焼室５が、それぞれの気筒ごとに、ピストン３とシリンダヘッド４との間に形成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７及び排気ポート９が形成されている。吸気ポート７及び排気ポート９は燃焼室５に接続されている。吸気弁６が、吸気ポート７の端部に配置され、吸気ポート７を開閉可能に形成されている。排気弁８が、排気ポート９の端部に配置され、排気ポート９を開閉可能に形成されている。また、内燃機関１００は、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｂと、排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｃとを備える。
【００２５】
内燃機関１００は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１と、燃焼室５において混合気を点火するための点火プラグ１０とを備える。点火プラグ１０はシリンダヘッド４に固定されている。燃料噴射弁１１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置されている。すなわち、内燃機関１００は筒内噴射式内燃機関である。また、内燃機関１００は、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンを用いる。しかしながら、内燃機関１００では、他の燃料を用いてもよい。
【００２６】
内燃機関１００は、過給機であるターボチャージャ１０１を備える。ターボチャージャ１０１は、排気通路に配置されたタービン１０２と、吸気通路に配置されたコンプレッサ１０３と、タービン１０２とコンプレッサ１０３とを接続する軸とを含む。排気の流れによってタービン１０２が回転すると、コンプレッサ１０３も回転して吸入空気の圧力を高める。したがって、ターボチャージャ１０１は、排気ガスのエネルギーを用いて、吸入空気を圧縮して吸入空気量を増大させることができる。
【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に連結されている。サージタンク１４は、吸気管１５を介してターボチャージャ１０１のコンプレッサ１０３の出口部に連結されている。サージタンク１４とコンプレッサ１０３とを接続する吸気管１５の内部には、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が配置されている。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。また、コンプレッサ１０３とスロットル弁１８との間の吸気管１５には、ターボチャージャ１０１によって圧縮された吸入空気を冷却する冷却器（インタークーラ）１０６が配置されている。
【００２８】
コンプレッサ１０３の入口部は、吸気管１５を介してエアクリーナ４８に連結されている。エアクリーナ４８とコンプレッサ１０３との間の吸気管１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ポート７、吸気枝管１３、吸気管１５等が、空気を燃焼室５に導く吸気通路を画成する。
【００２９】
一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホルド１９に連結されている。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の集合部は及びターボチャージャ１０１のタービン１０２の入口部に連結されている。タービン１０２の出口部は排気管２２を介して上流側ケーシング２１に連結されている。上流側ケーシング２１は上流側排気浄化触媒２０を内蔵する。上流側ケーシング２１は排気管２２を介して下流側ケーシング２３に連結されている。下流側ケーシング２３は下流側排気浄化触媒２４を内蔵する。排気ポート９、排気マニホルド１９、排気管２２等が、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを燃焼室５から排出する排気通路を画成する。
【００３０】
また、タービン１０２と上流側ケーシング２１との間の排気管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が配置されている。さらに、上流側ケーシング２１と下流側ケーシング２３との間の排気管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が配置されている。
【００３１】
タービン１０２の上流の排気マニホルド１９とタービン１０２の下流の排気管２２との間には、タービン１０２をバイパスするバイパス通路１０４が配置されている。バイパス通路１０４には、バイパス通路１０４を開閉するバイパス弁であるウエストゲートバルブ１０５が配置されている。ウエストゲートバルブ１０５の開度を調整することによって、タービン１０２を通過する排気ガスの量を調整することができる。したがって、ウエストゲートバルブ１０５を制御することによって吸入空気の圧力（過給圧）を制御することができる。なお、過給圧を制御可能な過給圧制御手段は、ウエストゲートバルブ１０５以外の任意の機構であってもよい。
【００３２】
内燃機関１００は、過給圧を取得する圧力取得手段を備える。圧力取得手段は例えば過給圧センサ５０である。過給圧センサ５０は吸気通路においてスロットル弁１８よりも下流側に配置されている。なお、過給圧は、内燃機関１００の運転状態等から推定されてもよい。
【００３３】
内燃機関１００は、デジタルコンピュータから成る電子制御ユニット３１（ＥＣＵ）を備える。ＥＣＵ３１は、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を含む。
【００３４】
エアフローメータ１６の出力信号は、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。内燃機関１００はアクセルペダル４２を備え、アクセルペダル４２には、負荷センサ４３が接続されている。負荷センサ４３は、アクセルペダル４２の踏込量に比例した出力電圧を発生する。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。
【００３５】
内燃機関１００はクランク角センサ４４を備える。クランク角センサ４４は、クランクシャフトが例えば所定の角度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート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。また、クランク角センサ４４の出力により、クランク角度を検出することができる。過給圧センサ５０及び空燃比センサ４０、４１の出力は、それぞれ、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。
【００３６】
ＥＣＵ３１の出力ポート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、スロットル弁駆動アクチュエータ１７、ウエストゲートバルブ１０５及び可変バルブタイミング機構Ｂ、Ｃに接続されている。ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁１１の燃料噴射時期及び燃料噴射量、スロットル弁１８の開度、ウエストゲートバルブ１０５の開度、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期、並びに排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御することができる。
【００３７】
＜可変バルブタイミング機構の説明＞
図２は、図１において吸気弁６を駆動するためのカムシャフト７０ａに対して設けられている可変バルブタイミング機構Ｂを示している。図２に示したように可変バルブタイミング機構Ｂはカムシャフト７０ａの一端に取付けられてカムシャフト７０ａのカムの位相を変更するためのカム位相変更部Ｂ１と、カムシャフト７０ａと吸気弁６のバルブリフタ２６との間に配置されてカムシャフト７０ａのカムの作用角を異なる作用角に変更して吸気弁６に伝達するカム作用角変更部Ｂ２とから構成されている。なお、カム作用角変更部Ｂ２については図２に側面断面図と平面図とが示されている。
【００３８】
まず初めに可変バルブタイミング機構Ｂのカム位相変更部Ｂ１について説明すると、このカム位相変更部Ｂ１は機関のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ７１と、タイミングプーリ７１と一緒に回転する円筒状ハウジング７２と、カムシャフト７０ａと一緒に回転し且つ円筒状ハウジング７２に対して相対回転可能な回転軸７３と、円筒状ハウジング７２の内周面から回転軸７３の外周面まで延びる複数の仕切壁７４と、各仕切壁７４の間で回転軸７３の外周面から円筒状ハウジング７２の内周面まで延びるベーン７５とを具備しており、各ベーン７５の両側にはそれぞれ進角用油圧室７６と遅角用油圧室７７とが形成されている。
【００３９】
各油圧室７６、７７への作動油の供給制御は作動油供給制御弁７８によって行われる。この作動油供給制御弁７８は各油圧室７６、７７にそれぞれ連結された油圧ポート７９、８０と、油圧ポンプ８１から吐出された作動油の供給ポート８２と、一対のドレインポート８３、８４と、各ポート７９、８０、８２、８３、８４間の連通遮断制御を行うスプール弁８５とを具備している。
【００４０】
カムシャフト７０ａのカムの位相を進角すべきときは図２においてスプール弁８５が下方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート７９を介して進角用油圧室７６に供給されると共に遅角用油圧室７７内の作動油がドレインポート８４から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印Ｘ方向に相対回転せしめられる。
【００４１】
これに対し、カムシャフト７０ａのカムの位相を遅角すべきときは図２においてスプール弁８５が上方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート８０を介して遅角用油圧室７７に供給されると共に進角用油圧室７６内の作動油がドレインポート８３から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印Ｘと反対方向に相対回転せしめられる。
【００４２】
回転軸７３が円筒状ハウジング７２に対して相対回転せしめられているときにスプール弁８５が図２に示した中立位置に戻されると回転軸７３の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸７３はそのときの相対回転位置に保持される。したがって、カム位相変更部Ｂ１によってカムシャフト７０ａのカムの位相を所望の量だけ進角又は遅角させることができる。すなわち、図３（Ａ）に破線で示したように、カム位相変更部Ｂ１によって吸気弁６の位相角を任意に進角又は遅角させることができることになる。なお、カムの位相のみを変更した場合、図３（Ａ）に示したように、作用角は変化しない。なお、本明細書において、位相角とは作用角の中心の角度を意味する。
【００４３】
次に可変バルブタイミング機構Ｂのカム作用角変更部Ｂ２について説明すると、このカム作用角変更部Ｂ２は、カムシャフト７０ａと平行に並列配置され且つアクチュエータ９１によって軸線方向に移動せしめられる制御ロッド９０と、カムシャフト７０ａのカム９２と係合し且つ制御ロッド９０上に形成された軸線方向に延びるスプライン９３に摺動可能に嵌合せしめられている中間カム９４と、吸気弁６を駆動するためにバルブリフタ２６と係合し且つ制御ロッド９０上に形成された螺旋状に延びるスプライン９５に摺動可能に嵌合する揺動カム９６とを具備しており、揺動カム９６上にはカム９７が形成されている。
【００４４】
カムシャフト７０ａが回転するとカム９２によって中間カム９４が常に一定の角度だけ揺動せしめられ、このとき揺動カム９６も一定の角度だけ揺動せしめられる。一方、中間カム９４及び揺動カム９６は制御ロッド９０の軸線方向には移動不能に支持されており、したがって制御ロッド９０がアクチュエータ９１によって軸線方向に移動せしめられたときに揺動カム９６は中間カム９４に対して相対回転せしめられることになる。
【００４５】
中間カム９４と揺動カム９６との相対回転位置関係によりカムシャフト７０ａのカム９２が中間カム９４と係合し始めたときに揺動カム９６のカム９７がバルブリフタ２６と係合し始める場合には図３（Ｂ）においてａで示したように吸気弁６の作用角及びリフト量は最も大きくなる。これに対し、アクチュエータ９１によって揺動カム９６が中間カム９４に対して図２の矢印Ｙ方向に相対回転せしめられると、カムシャフト７０ａのカム９２が中間カム９４に係合した後、暫らくしてから揺動カム９６のカム９７がバルブリフタ２６と係合する。この場合には図３（Ｂ）においてｂで示したように吸気弁６の作用角及びリフト量はａに比べて小さくなる。
【００４６】
揺動カム９６が中間カム９４に対して図２の矢印Ｙ方向にさらに相対回転せしめられると図３（Ｂ）においてｃで示したように吸気弁６の作用角及びリフト量はさらに小さくなる。すなわち、アクチュエータ９１により中間カム９４と揺動カム９６の相対回転位置を変更することによって吸気弁６の作用角を任意に変えることができる。ただし、この場合、吸気弁６のリフト量は吸気弁６の作用角が短くなるほど小さくなる。
【００４７】
このようにカム位相変更部Ｂ１によって吸気弁６の位相角を任意に変更することができ、カム作用角変更部Ｂ２によって吸気弁６の作用角を任意に変更することができる。したがって、カム位相変更部Ｂ１とカム作用角変更部Ｂ２とを有する可変バルブタイミング機構Ｂによって、吸気弁６の位相角及び作用角、すなわち吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期を任意に変更することができることになる。
【００４８】
なお、図１及び図２に示した可変バルブタイミング機構Ｂは一例を示すものであって、図１及び図２に示した例以外の種々の形式の可変バルブタイミング機構を用いることができる。また、排気弁８の可変バルブタイミング機構Ｃも、吸気弁６の可変バルブタイミング機構Ｂと同様な構成を有し、排気弁８の位相角及び作用角、すなわち排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を任意に変更することができる。したがって、内燃機関１００では、可変バルブタイミング機構Ｂ、Ｃの少なくともいずれか一方を制御することによって吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とが部分的に重なるバルブオーバーラップの量を任意に変更することができる。
【００４９】
＜排気浄化触媒の説明＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒２０、２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させたものである。排気浄化触媒２０、２４は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
【００５０】
排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０、２４は、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン（リーン空燃比）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、排気浄化触媒２０、２４は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ（リッチ空燃比）であるときには、排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。
【００５１】
排気浄化触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、図４（Ａ）に示したように、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、酸素吸蔵量が少ないときには排気浄化触媒２０、２４により排気ガス中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。
【００５２】
一方、図４（Ｂ）に示したように、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、酸素吸蔵量が多いときには排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。
【００５３】
以上のように、本実施形態において用いられる排気浄化触媒２０、２４によれば、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒２０、２４は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。
【００５４】
＜空燃比センサの構成＞
次に、図５を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図５は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図５から分かるように、本実施形態における空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
【００５５】
図５に示したように、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極（第一電極）５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極（第二電極）５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００５６】
固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して空燃比センサ４０、４１による検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝されることになる。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように構成されてもよい。
【００５７】
固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝される。
【００５８】
ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、これらヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。
【００５９】
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。
【００６０】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、電圧印加装置６０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層５１を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流を検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流である。
【００６１】
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図６に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図６からわかるように、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６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。
【００６２】
図７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７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。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。したがって、空燃比センサ４０、４１は排気空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。なお、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
【００６３】
上記例では、空燃比センサ４０、４１として図５に示した構造の限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、空燃比センサ４０、４１としては例えばコップ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や、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。
【００６４】
＜基本的な空燃比制御＞
次に、本発明の内燃機関の制御装置におけ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からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
【００６５】
一方、本実施形態の空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて目標空燃比を設定する目標空燃比の設定制御が行われる。目標空燃比の設定制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比とされ、その後、その空燃比に維持される。また、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空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。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）にリーン補正量を加算した空燃比として表すこともできる。また、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。
【００６６】
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（以下、単に「流入排気ガス」と称する。）の酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、流入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（過剰な未燃ガス等の量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには流入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の酸素吸蔵量の推定値を表しているといえる。
【００６７】
酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ）×Ｑｉ      …（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、理論空燃比（１４．６））をそれぞれ表している。
【００６８】
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、リッチ設定空燃比とされ、その後、その空燃比に維持される。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、１２〜１４．５８、好ましくは１３〜１４．５７、より好ましくは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）からリッチ補正量を減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。
【００６９】
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、流入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設定される。
【００７０】
ただし、上述したような制御を行った場合であっても、積算酸素過不足量が切替基準値に到達する前に上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達する場合がある。その原因としては、例えば、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量が低下したり、一時的に流入排気ガスの空燃比が急激に変化したりすることが挙げられる。このように酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達すると、上流側排気浄化触媒２０からはリーン空燃比の排気ガスが流出することになる。そこで、本実施形態では、積算酸素過不足量が切替基準値に到達する前に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は、目標空燃比は、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リッチ設定空燃比に切り替えられる。特に、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、１４．６５）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。
【００７１】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図８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８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ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス（以下、単に「流出排気ガス」と称する。）中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。
【００７２】
図８に示された積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（１）によって算出される酸素過不足量ＯＥＤの積算値を示す。積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎとの間で切り替えられるときにリセットされてゼロにされる。
【００７３】
なお、空燃比補正量ＡＦＣは、流入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ゼロ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。
【００７４】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量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。流入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。したがって、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも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流出排気ガス中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。流入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排出量はほぼゼロとなる。
【００７５】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは時刻ｔ1においてゼロに近づき、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の一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻ｔ1以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下する。その結果、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。
【００７６】
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。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤはゼロにリセットされる。
【００７７】
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、流出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流出排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。
【００７８】
時刻ｔ2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、流入排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから流入排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。時刻ｔ2において流入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。また、これに伴って、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大していく。
【００７９】
これにより、流出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、流入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。
【００８０】
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ｔ3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。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ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ΣＯＥＤ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ΣＯＥＤがゼロにリセットされる。
【００８１】
ここで、図８に示した例では、時刻ｔ3において目標空燃比を切り替えると同時に酸素吸蔵量ＯＳＡが低下しているが、実際には目標空燃比を切り替えてから酸素吸蔵量ＯＳＡが低下するまでには遅れが発生する。また、内燃機関を搭載した車両の加速により機関負荷が高くなって吸入空気量が瞬間的に大きくずれた場合等、流入排気ガスの空燃比が意図せずに瞬間的に目標空燃比から大きくずれる場合がある。
【００８２】
これに対して、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは上流側排気浄化触媒２０が新触であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも十分に低く設定される。このため、上述したような遅れが生じたり、実際の排気ガスの空燃比が意図せずに目標空燃比から瞬間的に大きくずれたりしたときであっても、酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しない。逆に言うと、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上述したような遅れや意図しない空燃比のずれが生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡ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が新触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。
【００８３】
時刻ｔ3において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、流入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。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから流入排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。流入排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していき、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が低下し始める。このときも、流入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の排出はほぼゼロとなる。
【００８４】
次いで、時刻ｔ5において、時刻ｔ2と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比に相当する値ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ5のサイクルが繰り返される。
【００８５】
また、本実施形態では、上述した時刻ｔ1〜ｔ5のサイクルが繰り返される間、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比となるように燃焼室５に供給する燃料量がフィードバック制御される。例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比よりも低い（リッチである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が少なくされる。一方、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比に相当する値よりも高い（リーンである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が多くされる。
【００８６】
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排出量をほぼゼロとすることができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ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ΣＯＥＤ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。
【００８７】
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８に示したように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ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。
【００８８】
なお、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ｔ2〜ｔ3の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをゼロよりも小さな値（例えば、リッチ設定補正量等）としてもよい。すなわち、時刻ｔ2〜ｔ3の期間中において、一時的に目標空燃比をリッチ空燃比としてもよい。
【００８９】
同様に、上記実施形態では、時刻ｔ3〜ｔ5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ｔ3〜ｔ5の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをゼロよりも大きな値（例えば、リーン設定補正量等）としてもよい。すなわち、時刻ｔ3〜ｔ5の期間中において、一時的に目標空燃比をリーン空燃比としてもよい。
【００９０】
ただし、この場合であっても、時刻ｔ2〜ｔ3における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差が、時刻ｔ3〜ｔ5における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きくなるように設定される。
【００９１】
また、上記実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ等に基づいて算出されている。しかしながら、酸素吸蔵量ＯＳＡはこれらパラメータに加えて他のパラメータに基づいて算出されてもよいし、これらパラメータとは異なるパラメータに基づいて推定されてもよい。また、上記実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えられる。しかしながら、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えるタイミングは、例えば目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へ切り替えてからの機関運転時間や積算吸入空気量等、他のパラメータを基準としてもよい。ただし、この場合であっても、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと推定される間に、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。
【００９２】
＜上流側空燃比センサにおけるずれ＞
ところで、空燃比センサは、使用に伴って徐々に劣化し、そのゲイン特性が変化することがある。例えば、上流側空燃比センサ４０のゲイン特性が変化すると、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と排気ガスの実際の空燃比との間にずれが生じる場合がある。この場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は排気ガスの実際の空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。
【００９３】
また、未燃ガスのうち水素は空燃比センサの拡散律速層の通過速度が速い。このため、排気ガス中の水素濃度が高いと、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりも低い側（すなわち、リッチ側）にずれてしまう。
【００９４】
このように上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じていると、上述したような制御を行っていても、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘ及び酸素が流出したり、未燃ガスの流出頻度が高くなったりしてしまう場合がある。以下では、図９を参照して斯かる現象について説明する。
【００９５】
図９は、図８と同様な、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ等のタイムチャートである。図９は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ側にずれている場合を示している。図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は実際の出力空燃比を示している。一方、破線は、流入排気ガスの実際の空燃比を示している。
【００９６】
図９に示した例においても、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とされており、よって目標空燃比がリッチ設定空燃比とされている。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリッチ設定空燃比と等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーン側の空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、実際の空燃比（図中の破線）よりも低い（リッチ側）ものとなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅いものとなる。
【００９７】
また、図９に示した例では、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。このため、上述したように、時刻ｔ2において、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。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。
【００９８】
これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリーン設定空燃比に等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリーン設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、実際の空燃比（図中の破線）よりも低い（リッチ側）ものとなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は速いものとなる。
【００９９】
加えて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれが大きいと、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は極端に速くなる。したがって、この場合、図９に示したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する前に、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達することになる。この結果、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘ及び酸素が流出することになる。
【０１００】
一方、上述した例とは逆に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリーン側にずれていると、酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度が遅くなると共に減少速度が速くなる。この場合、時刻ｔ2から時刻ｔ5までのサイクルが速くなり、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出頻度が高くなる。
【０１０１】
以上より、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを検出することが必要になると共に、検出されたずれに基づいて出力空燃比等の補正を行うことが必要である。
【０１０２】
＜学習制御＞
そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中（すなわち、上述したような目標空燃比に基づいてフィードバック制御を行っているとき）に学習制御が行われる。
【０１０３】
ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になるまでの期間を酸素増大期間（第１期間）とする。同様に、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えて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期間を酸素減少期間（第２期間）とする。本実施形態の学習制御では、酸素増大期間における積算酸素過不足量ΣＯＤＥの絶対値としてリーン酸素量積算値（第１酸素量積算値）を算出する。加えて、酸素減少期間における積算酸素過不足量の絶対値としてリッチ酸素量積算値（第２酸素量積算値）を算出する。そして、これらリーン酸素量積算値とリッチ酸素量積算値との差が小さくなるように制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
【０１０４】
なお、リーン酸素量積算値は、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量の推定値に相当する。一方、リッチ酸素量積算値は、目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒２０から放出される酸素放出量の推定値に相当する。
【０１０５】
以下、図１０を参照して第１実施形態における学習制御について説明する。図１０は、制御中心空燃比ＡＦＲ、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、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び学習値ｓｆｂｇのタイムチャートである。図１０は、図９と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが低い側（リッチ側）にずれている場合を示している。なお、学習値ｓｆｂｇは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比（出力電流）のずれに応じて変化する値であり、本実施形態では制御中心空燃比ＡＦＲを補正するのに用いられる。また、図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は、上流側空燃比センサ４０によって検出された出力に相当する空燃比を、破線は、流入排気ガスの実際の空燃比をそれぞれ示している。加えて、一点鎖線は、目標空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに相当する空燃比を示している。
【０１０６】
図示した例では、図８及び図９と同様に、時刻ｔ1以前の状態では、制御中心空燃比が理論空燃比とされ、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。このとき、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは実線で示したように、リッチ設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にはずれが生じているため、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている（図１０の破線）。ただし、図１０に示した例では、図１０の破線から分かるように、時刻ｔ1以前の実際の排気ガスの空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンながらも、リッチ空燃比となっている。したがって、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に減少していく。
【０１０７】
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。これにより、上述したように、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。時刻ｔ1以降は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリーン設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれにより、排気ガスの実際の空燃比は、リーン設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリーン度合いの大きい空燃比となる（図１０の破線を参照）。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは急速に増大する。
【０１０８】
一方、酸素過不足量は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ（より正確には、出力空燃比ＡＦｕｐと制御中心空燃比ＡＦＲとの差）に基づいて算出される。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。したがって、算出された酸素過不足量は、実際の酸素過不足量よりも少ない（すなわち、酸素量が少ない）値となる。その結果、算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、実際の値よりも少なくなる。
【０１０９】
時刻ｔ2では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。このため、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。このとき、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡは図１０に示したように切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも多くなっている。
【０１１０】
時刻ｔ2以降は、時刻ｔ1以前の状態と同様に、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされ、よって目標空燃比はリッチ空燃比とされる。このときも、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている。この結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅くなる。加えて、上述したように、時刻ｔ2において、上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡは切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも多くなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロに到達するまでには時間がかかる。
【０１１１】
時刻ｔ3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に到達する。これにより、上述したように、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。したがって、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へと切り替えられる。
【０１１２】
ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えた時（時刻ｔ1）から積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する時（時刻ｔ2）までの期間を酸素増大期間Ｔｉｎｃと称すると、本実施形態では酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1が算出される。
【０１１３】
この酸素増大期間Ｔｉｎｃの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1は、時刻ｔ2における酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値に相当する。しかしながら、上述したように、酸素過不足量の推定には上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが用いられ、この出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。このため、図１０に示した例では、時刻ｔ1〜時刻ｔ2の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1は、時刻ｔ2における実際の酸素吸蔵量ＯＳＡに相当する値よりも少ないものとなっている。
【０１１４】
また、本実施形態では、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えた時（時刻ｔ2）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に到達する時（時刻ｔ3）までの期間を酸素減少期間Ｔｄｅｃと称すると、本実施形態では酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1が算出される。
【０１１５】
この酸素減少期間Ｔｄｅｃの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1は、時刻ｔ2から時刻ｔ3までに上流側排気浄化触媒２０から放出された酸素放出量の推定値に相当する。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。このため、図１０に示した例では、時刻ｔ2〜時刻ｔ3の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1は、時刻ｔ2から時刻ｔ3までに上流側排気浄化触媒２０から実際に放出された酸素放出量に相当する値よりも少ないものとなっている。
【０１１６】
ここで、酸素増大期間Ｔｉｎｃでは上流側排気浄化触媒２０に酸素が吸蔵されると共に、酸素減少期間Ｔｄｅｃでは吸蔵されていた酸素が全て放出される。したがって、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1と、酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1とは基本的に同一の値になるのが理想的である。ところが、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにずれが生じている場合、このずれに応じてこれら積算値の値も変化する。上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が低い側（リッチ側）にずれている場合、絶対値Ｒ1に対して絶対値Ｆ1の方が多くなる。逆に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が高い側（リーン側）にずれている場合、絶対値Ｒ1に対して絶対値Ｆ1の方が少なくなる。加えて、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1と酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1の差ΔΣＯＥＤ（＝Ｒ1−Ｆ1。以下、「過不足量誤差」という）は上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれの程度を表している。これら絶対値Ｒ1、Ｆ1の差が大きくなるほど、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれが大きいといえる。
【０１１７】
そこで、本実施形態では、過不足量誤差ΔΣＯＥＤに基づいて、制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。特に、本実施形態では、過不足量誤差ΔΣＯＥＤが小さくなるように制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。
【０１１８】
具体的には、本実施形態では、下記式（２）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、下記式（３）により制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ1×ΔΣＯＥＤ      …（２）
ＡＦＲ＝ＡＦＲｂａｓｅ＋ｓｆｂｇ（ｎ）      …（３）
なお、上記式（２）において、ｎは計算回数又は時間を表している。したがって、ｓｆｂｇ（ｎ）は今回の計算又は現在の学習値である。加えて、上記式（２）におけるｋ1は、過不足量誤差ΔΣＯＥＤを制御中心空燃比ＡＦＲに反映させる程度を表すゲインである。ゲインｋ1の値が大きいほど制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が大きくなる。さらに、上記式（３）において、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅは、基本となる制御中心空燃比であり、本実施形態では理論空燃比である。
【０１１９】
図１０の時刻ｔ3においては、上述したように、絶対値Ｒ1、Ｆ1に基づいて学習値ｓｆｂｇが算出される。特に、図１０に示した例では、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1よりも酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1の方が大きいことから、時刻ｔ3において学習値ｓｆｂｇは減少せしめられる。
【０１２０】
ここで、制御中心空燃比ＡＦＲは、上記式（３）を用いて学習値ｓｆｂｇに基づいて補正される。図１０に示した例では、学習値ｓｆｂｇは負の値となっているため、制御中心空燃比ＡＦＲは、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅよりも小さな値、すなわちリッチ側の値となっている。これにより、流入排気ガスの実際の空燃比がリッチ側に補正されることになる。
【０１２１】
この結果、時刻ｔ3以降、流入排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻ｔ3以前と比べて小さなものとなる。したがって、図１０に示されるように、時刻ｔ3以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻ｔ3以前における差よりも小さくなっている。
【０１２２】
また、時刻ｔ3以降も、時刻ｔ1〜時刻ｔ3における操作と同様な操作が行われる。したがって、時刻ｔ4において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えられる。その後、時刻ｔ5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に到達すると、再度、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。
【０１２３】
時刻ｔ3〜時刻ｔ4は、上述したように酸素増大期間Ｔｉｎｃに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値は図１０のＲ2で表せる。また、時刻ｔ4〜時刻ｔ5は、上述したように酸素減少期間Ｔｄｅｃに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値は図１０のＦ2で表せる。そして、これら絶対値Ｒ2、Ｆ2の差ΔΣＯＥＤ（＝Ｒ2−Ｆ2）に基づいて、上記式（２）を用いて学習値ｓｆｂｇが更新される。本実施形態では、時刻ｔ5以降も同様な制御が繰り返され、これにより学習値ｓｆｂｇの更新が繰り返される。
【０１２４】
学習制御によりこのように学習値ｓｆｂｇの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは徐々に目標空燃比から離れていくが、流入排気ガスの実際の空燃比は徐々に目標空燃比に近づいていく。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償することができる。
【０１２５】
また、上記実施形態では、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に到達する前に、目標空燃比の切替を行っている。このため、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量に到達してから、すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になってから目標空燃比を切り替える場合に比べて、学習値の更新頻度を増大させることができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、その算出期間が長くなるほど誤差が生じやすい。本実施形態によれば、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達する前に目標空燃比の切替が行われることから、その算出期間を短くすることができる。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出における誤差を小さくすることができる。
【０１２６】
なお、上述したように、学習値ｓｆｂｇの更新は、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤと、この酸素増大期間Ｔｉｎｃの直後に続く酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤとに基づいて行われるのが好ましい。これは、上述したように、酸素増大期間Ｔｉｎｃに上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される総酸素量とこの直後に続く酸素減少期間Ｔｄｅｃに上流側排気浄化触媒２０から放出される総酸素量が等しくなるためである。
【０１２７】
加えて、上記実施形態では、１回の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤと、１回の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤとに基づいて学習値ｓｆｂｇの更新が行われている。しかしながら、複数回の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの合計値又は平均値と、複数回の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの合計値又は平均値とに基づいて学習値ｓｆｂｇの更新を行ってもよい。
【０１２８】
また、上記実施形態では、学習値ｓｆｂｇに基づいて、制御中心空燃比ＡＦＲを補正することとしている。しかしながら、学習値ｓｆｂｇに基づいて補正するのは、空燃比に関する他のパラメータであってもよい。他のパラメータとしては、例えば、燃焼室５内への燃料供給量や、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、空燃比補正量等が挙げられる。
【０１２９】
＜スカベンジの発生＞
ところで、吸気ポート７内の圧力が排気ポート９内の圧力よりも高いときにバルブオーバーラップが発生すると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。なお、バルブオーバーラップとは、吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とが部分的に重なることを意味する。ＥＣＵ３１によって吸気弁６の可変バルブタイミング機構Ｂ及び排気弁８の可変バルブタイミング機構Ｃの少なくともいずれか一方を制御することによってバルブオーバーラップを発生させることができる。具体的には、バルブオーバーラップは、吸気弁６の開弁時期を進角させること及び排気弁８の閉弁時期を遅角させることの少なくともいずれか一方によって発生せしめられる。
【０１３０】
トルク要求に対して吸入空気量が不足している場合、スカベンジが用いられる。スカベンジを発生させることで、排気ガスの掃気量が増加して、ターボチャージャ１０１のタービン１０２の回転数が高められる。この結果、吸入空気の圧力が高められ、吸入空気量が増大せしめられる。
【０１３１】
＜スカベンジ発生中の空燃比制御の問題点＞
上述したように、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比となるように燃焼室５に供給する燃料量がフィードバック制御される。また、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ΣＯＥＤが算出され、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて目標空燃比が設定される。なお、スカベンジ発生中には、吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜ける空気を含めて流入排気ガスの平均空燃比が目標空燃比となるように燃焼室５に供給する燃料量がフィードバック制御される。
【０１３２】
しかしながら、スカベンジが発生すると、筒内の空気が減少するため、筒内の燃焼空燃比はリッチとなる。スカベンジ量が多く、燃焼空燃比のリッチ度合いが高くなると、排気ガス中の水素濃度が高くなる。排気ガスに水素が含まれる場合、拡散速度の速い水素とその他の排気成分との間のガス拡散差によって水素が上流側空燃比センサ４０の拡散律速層５４を介して電極表面に先に到達する。この結果、上流側空燃比センサ４０の電極表面がリッチ雰囲気になり、上流側空燃比センサ４０の出力がリッチ側にずれる。上流側空燃比センサ４０によって検出されたリッチ側にずれた空燃比に基づいて空燃比の制御が行われると、筒内の実際の燃焼空燃比は目標空燃比よりもリーンとなる。この結果、排気浄化触媒２０、２４での未燃ガス等の浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【０１３３】
一方、スカベンジ発生中に多く発生する排気ガス中の水素は上流側排気浄化触媒２０において酸化浄化されるため、下流側空燃比センサ４１は水素の影響をほとんど受けない。そこで、本実施形態では、内燃機関１００の空燃比制御装置が、吸入通路から筒内を通って排気通路に吹き抜ける空気の吹き抜け量、すなわちスカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときには、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比に基づいて流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量をフィードバック制御し、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときには、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比に基づいて流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、フィードバック制御を実施することなく、目標空燃比から算出された燃料量を燃焼室５に供給する。
【０１３４】
本実施形態では、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときに、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比に基づく上記フィードバック制御を停止することによって、スカベンジ発生中に流入排気ガスの実際の空燃比が目標空燃比よりもリーンになることを抑制することができる。また、下流側空燃比センサ４１は、上流側空燃比センサ４０と同様に、図７から分かるように、空燃比を連続的に（リニアに）精度良く検出することができる。このため、本実施形態では、スカベンジ発生中においても、水素の影響を受けにくい下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比に基づいて流入排気ガスの目標空燃比を適切に設定することができる。したがって、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０１３５】
また、上述した学習制御では、上流側空燃比センサ４０の劣化等によって生じる、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と、流入排気ガスの実際の空燃比との定常的なずれを補償することを目的としている。このため、図１０に示されるように、学習制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比の突発的なずれによって空燃比制御が乱されないように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれは学習値の更新によって徐々に小さくされる。また、スカベンジ発生中に学習値を更新すると、スカベンジの発生が終了した後の流入排気ガスの空燃比が目標空燃比から大きくずれる場合がある。
【０１３６】
そこで、本実施形態では、空燃比制御装置は、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比に基づいて、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素の量である第１酸素量と、目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒２０から放出される酸素の量である第２酸素量とを算出し、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下のときには、上記第１酸素量と、上記第２酸素量との差に基づいて学習値を更新し、更新された学習値に基づいて、上記第１酸素量と上記第２酸素量との差が小さくなるように空燃比に関するパラメータを補正し、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときには、学習値を更新することなく現在の学習値に基づいて空燃比に関するパラメータを補正する。本実施形態では、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときに学習値の更新を禁止することによって、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０１３７】
＜空燃比制御の制御ルーチン＞
図１１は、本発明の第１実施形態における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実行される。
【０１３８】
最初に、ステップＳ１０１において流入排気ガスの目標空燃比が取得される。なお、目標空燃比は、後述する目標空燃比設定処理において設定される。次いで、ステップＳ１０２では、吸入空気量ＩＡが算出される。吸入空気量ＩＡは例えばエアフローメータ１６の出力から算出される。次いで、ステップＳ１０３では、基本燃料噴射量が算出される。基本燃料噴射量ＢＦＩは例えば目標空燃比ＴＡＦ及び吸入空気量ＩＡに基づいて下記式（４）により算出される。
ＢＦＩ＝ＩＡ／ＴＡＦ      …（４）
【０１３９】
次いで、ステップＳ１０４においてスカベンジ判定フラグＦｓがゼロに設定されているか否かが判定される。スカベンジ判定フラグＦｓは、後述するスカベンジ判定処理において設定されるフラグであり、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合にはゼロに設定され、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合には１に設定される。スカベンジ判定フラグＦｓがゼロに設定されていると判定された場合、ステップＳ１０５へと進む。
【０１４０】
ステップＳ１０５では、メインフィードバック制御が許可される。具体的には、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量をフィードバック制御することが許可される。フィードバック制御によって、ステップＳ１０３において算出された基本燃料噴射量が補正される。このことによって、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合に、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に近付けることができる。
【０１４１】
次いで、ステップＳ１０６では、学習値の更新が許可される。具体的には、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比に基づいて、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素の量である第１酸素量と、目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒２０から放出される酸素の量である第２酸素量とを算出し、上記第１酸素量と、上記第２酸素量との差に基づいて学習値が更新されることが許可され、更新された学習値に基づいて、上記第１酸素量と上記第２酸素量との差が小さくなるように空燃比に関するパラメータが補正される。このことによって、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比と、流入排気ガスの実際の空燃比との間にずれが生じたとしても、このずれを低減することができ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に近付けることができる。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１４２】
一方、ステップＳ１０４において、スカベンジ判定フラグＦｓが１に設定されていると判定された場合、ステップＳ１０７へと進む。ステップＳ１０７では、メインフィードバック制御が禁止される。具体的には、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量をフィードバック制御することが禁止され、ステップＳ１０３において算出された基本燃料噴射量の燃料が燃焼室５に供給される。このことによって、スカベンジ発生中に流入排気ガスの実際の空燃比が目標空燃比よりもリーンになることを抑制することができる。この結果、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０１４３】
次いで、ステップＳ１０８では、学習値の更新が禁止される。具体的には、上記第１酸素量と、上記第２酸素量との差に基づいて学習値を更新することが禁止され、現在の学習値に基づいて空燃比に関するパラメータが補正される。このことによって、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制することができる。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１４４】
＜目標空燃比設定処理＞
第１実施形態では、空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈと、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎとに交互に設定する。
【０１４５】
また、空燃比制御装置は、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されたリッチ制御において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替え、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されたリーン制御において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない基準酸素吸蔵量に達したと推定されたときに目標空燃比をリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替える。この場合、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下のときには、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比に基づいて算出され、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときには、現在の目標空燃比に基づいて算出される。
【０１４６】
なお、空燃比制御装置は、リーン制御において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比に達した場合、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときに目標空燃比をリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替える。
【０１４７】
図１２は、本発明の第１実施形態における目標空燃比設定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実行される。
【０１４８】
最初に、ステップＳ２０１において燃料噴射量Ｑｉが取得される。次いで、ステップＳ２０２では、スカベンジ判定フラグＦｓがゼロに設定されているか否かが判定される。スカベンジ判定フラグＦｓは、後述するスカベンジ判定処理において設定されるフラグであり、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合にはゼロに設定され、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合には１に設定される。スカベンジ判定フラグＦｓがゼロに設定されていると判定された場合、ステップＳ２０３へと進む。
【０１４９】
ステップＳ２０３では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが取得される。次いで、ステップＳ２０４では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤに現在の酸素過不足量ＯＥＤが加算される。現在の酸素過不足量ＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ等に基づいて上記式（１）により算出される。ステップＳ２０４の後、本制御ルーチンはステップＳ２０７へと進む。
【０１５０】
一方、ステップＳ２０２においてスカベンジ判定フラグＦｓが１に設定されていると判定された場合、ステップＳ２０５へと進む。ステップＳ２０５では、流入排気ガスの現在の目標空燃比ＴＡＦが取得される。次いで、ステップＳ２０６では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤに現在の酸素過不足量ＯＥＤが加算される。現在の酸素過不足量ＯＥＤは流入排気ガスの現在の目標空燃比ＴＡＦ等に基づいて下記式（６）によりが算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＴＡＦ−ＡＦＲ）×Ｑｉ      …（６）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比（１４．６））をそれぞれ表している。
ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンはステップＳ２０７へと進む。
【０１５１】
ステップＳ２０７では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｏｗｎが取得される。次いで、ステップＳ２０８では、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定されているか否かが判定される。なお、リーン設定フラグＦｒは、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されると１とされ、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されるとゼロとされるフラグである。ステップＳ２０７において、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定されていると判定された場合、すなわち目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されている場合、ステップＳ２０９へと進む。
【０１５２】
ステップＳ２０９では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。リッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈは、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められた空燃比（例えば、１４．５５）である。
【０１５３】
ステップＳ２０９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、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦは、リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに維持される。
【０１５４】
一方、ステップＳ２０９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以下であると判定された場合、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達した場合、ステップＳ２１０へと進む。ステップＳ２１０では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦはリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎは、理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６８〜１８、より好ましくは１４．７〜１６程度とされる。
【０１５５】
ステップＳ２１０の後、ステップＳ２１１では、リーン設定フラグＦｒが１に設定される。次いで、ステップＳ２１２では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
【０１５６】
一方、ステップＳ２０８において、リーン設定フラグＦｒが１に設定されていると判定された場合、すなわち目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されている場合、ステップＳ２１３へと進む。
【０１５７】
ステップＳ２１３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否かが判定される。リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められた空燃比（例えば、１４．６５）である。
【０１５８】
ステップＳ２１３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、ステップＳ２１４へと進む。ステップＳ２１４では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが予め定められた切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ステップＳ２１４において、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦは、リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに維持される。
【０１５９】
一方、ステップＳ２１４において、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定された場合、すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない基準酸素吸蔵量に達したと推定された場合、ステップＳ２１５へと進む。ステップＳ２１５では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。次いで、ステップＳ２１６では、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定される。次いで、ステップＳ２１２では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
【０１６０】
一方、ステップＳ２１３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た場合、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達した場合、ステップＳ２１５へと進む。ステップＳ２１５では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。
【０１６１】
なお、通常の空燃比制御では、目標空燃比ＴＡＦは、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに達したときにリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤから推定される上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量との間にずれが生じると、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに達する前に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達する場合がある。この場合、目標空燃比ＴＡＦ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に達したときにリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。このことによって、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤから推定される上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量との間にずれが生じた場合にも、排気エミッションの悪化、特にスカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化をより確実に抑制することができる。
【０１６２】
＜スカベンジ判定処理＞
図１３は、本発明の第１実施形態におけるスカベンジ判定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実行される。
【０１６３】
最初に、ステップＳ３０１において、スカベンジ量ＳＢＡが算出される。スカベンジ量ＳＢＡは、例えば、吸気弁６と排気弁８とのバルブオーバーラップ量と、吸気圧と排気圧との差圧とに基づいて算出される。バルブオーバーラップ量は、例えば、可変バルブタイミング機構Ｃを制御することによって変更される排気弁８の閉弁時期と、可変バルブタイミング機構Ｂを制御することによって変更される吸気弁６の開弁時期とに基づいて算出される。
【０１６４】
吸気圧は、例えば、過給圧センサ５０によって直接検出され、又はスロットル弁１８下流側の吸気通路に設けられた吸気温センサの出力、エアフローメータ１６の出力、スロットル弁１８の開度等に基づく公知のモデル計算によって算出される。排気圧は、例えば、排気マニホルド１９に設けられた排気圧センサによって直接検出され、又は機関回転数及び吸気圧の関数として示されたマップに基づいて算出されてもよい。具体的には、上記マップでは、排気圧は、機関回転数が高いほど高くなるものとして示され、吸気圧が高いほど高くなるものとして示される。
【０１６５】
また、スカベンジ量ＳＢＡは、バルブオーバーラップ量及び吸気圧と排気圧との差圧の関数として示されたマップに基づいて算出されてもよい。具体的には、上記マップでは、スカベンジ量ＳＢＡは、バルブオーバーラップ量が大きいほど多くなるものとして示され、吸気圧と排気圧との差圧が大きいほど多くなるものとして示される。
【０１６６】
次いで、ステップＳ３０２では、ステップＳ３０１において算出されたスカベンジ量ＳＢＡが予め定められた基準吹き抜け量ＢＡｒｅｆ以下であるか否かが判定される。スカベンジ量ＳＢＡが基準吹き抜け量ＢＡｒｅｆ以下であると判定された場合には、ステップＳ３０３へと進む。ステップＳ３０３では、スカベンジ判定フラグＦｓがゼロに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。基準吹き抜け量ＢＡｒｅｆは、スカベンジの発生によって上流側空燃比センサ４０の出力がリッチ側にずれない量の上限値とされる。なお、基準吹き抜け量ＢＡｒｅｆはゼロであってもよい。基準吹き抜け量ＢＡｒｅｆをゼロにすることで、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化をより確実に抑制することができる。
【０１６７】
一方、ステップＳ３０２において、スカベンジ量ＳＢＡが基準吹き抜け量ＢＡｒｅｆよりも多いと判定された場合には、ステップＳ３０４へと進む。ステップＳ３０４では、スカベンジ判定フラグＦｓが１に設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。
【０１６８】
＜第２実施形態＞
次に、図１４〜図１７を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第１実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１６９】
第２実施形態では、空燃比制御装置は、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリッチであり且つリッチ設定空燃比よりも理論空燃比に近い弱リッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンであり且つリーン設定空燃比よりも理論空燃比に近い弱リーン設定空燃比とのうちのいずれか一つに流入排気ガスの目標空燃比を設定する。
【０１７０】
また、空燃比制御装置は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第１基準酸素吸蔵量に達したと推定されたときに目標空燃比を弱リッチ設定空燃比に切り替え、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に設定された弱リッチ制御において、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に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替え、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されたリーン制御において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第２基準酸素吸蔵量に達したと推定されたときに目標空燃比を弱リーン設定空燃比に切り替え、目標空燃比が弱リーン設定空燃比に設定された弱リーン制御において、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときに目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替える。
【０１７１】
この場合、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下のときには、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比に基づいて算出され、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときには、現在の目標空燃比に基づいて算出される。
【０１７２】
なお、空燃比制御装置は、リッチ制御において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が第１基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に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に達した場合、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に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替え、リーン制御において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が第２基準酸素吸蔵量に達したと推定される前に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達した場合、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達したときに目標空燃比をリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替える。
【０１７３】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図１４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１４は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の空燃比制御装置による基本的な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ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。
【０１７４】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ（弱リッチ設定空燃比に相当）に設定されている。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ＡＦｕｐがリッチ空燃比となっている。流入排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側排気浄化触媒２０で浄化され、これに伴って上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。一方、上流側排気浄化触媒２０における浄化により流出排気ガス中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。
【０１７５】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは時刻ｔ1においてゼロに近づき、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の一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻ｔ1以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下する。その結果、図示した例では、時刻ｔ2において、酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになると共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。
【０１７６】
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。したがって、目標空燃比は、リッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。
【０１７７】
時刻ｔ2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、流入排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン空燃比となる。時刻ｔ2において流入排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大していく。
【０１７８】
このように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大していくと、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。図１４に示した例では、時刻ｔ3において、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リーン切替基準値ＯＥＤｌｅａｎよりも多くなる。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが或る程度多くなっていることを意味する。
【０１７９】
そこで、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リーン切替基準値ＯＥＤｌｅａｎよりも多くなったとき、すなわち上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが予め定められた弱リーン切替基準吸蔵量Ｃｌｅａｎよりも多くなったと推定されたときには、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎ（弱リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。したがって、時刻ｔ3では目標空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。以下では、時刻ｔ3をリーン度合い変更時期と称する。
【０１８０】
リーン度合い変更時期である時刻ｔ3において、空燃比補正量ＡＦＣを弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスのリーン度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは小さくなると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度が低下する。
【０１８１】
時刻ｔ3以降においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、その増加速度が遅いながらも、徐々に増加していく。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に増加すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づく。時刻ｔ4において酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づくと、上流側排気浄化触媒２０に流入した酸素の一部は上流側排気浄化触媒２０で吸蔵されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に上昇する。その結果、図示した例では、時刻ｔ5において、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達すると共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達する。
【０１８２】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを減少させるべく、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、リーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。
【０１８３】
時刻ｔ5において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、流入排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比となる。時刻ｔ5において流入排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは減少していく。
【０１８４】
このように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少していくと、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。図５に示した例では、時刻ｔ6において、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リッチ切替基準値ＯＥＤｒｉｃｈよりも少なくなる。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが或る程度少なくなっていることを意味する。
【０１８５】
そこで、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リッチ切替基準値ＯＥＤｒｉｃｈよりも少なくなったとき、すなわち上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが弱リッチ切替基準吸蔵量Ｃｒｉｃｈよりも少なくなったと推定されたときには、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量から弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ（弱リッチ設定空燃比に相当）に切り替えられる。
【０１８６】
時刻ｔ6において、空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは増大すると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度が低下する。
【０１８７】
時刻ｔ6以降においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、その減少速度が遅いながらも、徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて時刻ｔ7において、時刻ｔ1と同様に、ゼロに近づき、図４のＣｄｗｎｌｉｍまで減少する。その後、時刻ｔ8において、時刻ｔ2と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。その後は、時刻ｔ1〜ｔ5の操作と同様な操作が繰り返される。
【０１８８】
また、本実施形態では、上述した時刻ｔ1〜ｔ5のサイクルが繰り返される間、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比となるように燃焼室５に供給する燃料量がフィードバック制御される。例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比よりも低い（リッチである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が少なくされる。一方、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比よりも高い（リーンである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が多くされる。
【０１８９】
第１実施形態において説明したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と流入排気ガスの実際の空燃比との間にずれが生じると、上記のような空燃比制御を実行していても排気エミッションが悪化するおそれがある。そこで、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中に学習制御が行われる。第２実施形態における学習制御では、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値（例えば図１４中のＲ1）と、酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値（例えば図１４中のＦ1）との差ΔΣＯＥＤ（例えばＲ1−Ｆ1）に基づいて、上記式（２）を用いて学習値ｓｆｂｇが更新される。第２実施形態における学習制御は、第１実施形態における学習制御と同様であることから説明を省略する。
【０１９０】
ところで、第１実施形態において説明したように、スカベンジを発生させると、排気エミッションが悪化するおそれがある。そこで、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制すべく、図１１に示される空燃比制御の制御ルーチンが実行される。また、第１実施形態と同様に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下であるか否かを判定すべく、図１３に示されるスカベンジ判定処理の制御ルーチンが実行される。
【０１９１】
＜目標空燃比設定処理＞
図１５は、本発明の第２実施形態における目標空燃比設定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実行される。図１５におけるステップＳ４０１〜ステップＳ４０７は、図１２におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０７と同様であることから説明を省略する。
【０１９２】
ステップＳ４０７の後、ステップＳ４０８において、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定されているか否かが判定される。なお、リーン設定フラグＦｒは、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されると１とされ、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されるとゼロとされるフラグである。
【０１９３】
ステップＳ４０８において、リーン設定フラグＦｒが１に設定されていると判定された場合、すなわち目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ又は弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎに設定されている場合、ステップＳ４１０へと進む。ステップＳ４１０では、後述するリーン補正時目標空燃比設定処理が実行される。一方、ステップＳ４０８において、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定されていると判定された場合、すなわち目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ又は弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに設定されている場合、ステップＳ４１０へと進む。ステップＳ４１０では、後述するリッチ補正時目標空燃比設定処理が実行される。
【０１９４】
図１６は、本発明の第２実施形態におけるリッチ補正時目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【０１９５】
最初にステップＳ５０１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈは、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められた空燃比（例えば、１４．５５）である。
【０１９６】
ステップＳ５０１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、ステップＳ５０２へと進む。ステップＳ５０２では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが予め定められた弱リッチ切替基準値ＯＥＤｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。ステップＳ５０２において、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リッチ切替基準値ＯＥＤｒｉｃｈよりも多いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。したがって、目標空燃比ＴＡＦは、リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに維持される。
【０１９７】
一方、ステップＳ５０２において、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リッチ切替基準値ＯＥＤｒｉｃｈ以下であると判定された場合、すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第１基準酸素吸蔵量に達したと推定された場合、ステップＳ５０３へと進む。ステップＳ５０３では、目標空燃比ＴＡＦが弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦはリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに切り替えられ又は弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈに維持される。弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈは、リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈよりもリッチ度合いの小さい（理論空燃比からの差が小さい）リッチ空燃比であり、例えば、１３．５〜１４．５８、好ましくは１４〜１４．５７、より好ましくは１４．３〜１４．５５程度とされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
【０１９８】
一方、ステップＳ５０１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以下であると判定された場合、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達した場合、ステップＳ５０４へと進む。ステップＳ５０４では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦは弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈ又はリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ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空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。
【０１９９】
なお、通常の空燃比制御では、目標空燃比ＴＡＦはリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈを介してリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤから推定される上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量との間にずれが生じると、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リッチ切替基準値ＯＥＤｒｉｃｈに達する前に、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に達する場合がある。この場合、目標空燃比ＴＡＦはリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに直接切り替えられる。このことによって、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤから推定される上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量との間にずれが生じた場合にも、排気エミッションの悪化、特にスカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化をより確実に抑制することができる。
【０２００】
ステップＳ５０４の後、ステップＳ５０５では、リーン設定フラグＦｒが１に設定される。次いで、ステップＳ５０６では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
【０２０１】
図１７は、本発明の第２実施形態におけるリーン補正時目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【０２０２】
最初にステップＳ６０１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否かが判定される。リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められた空燃比（例えば、１４．６５）である。
【０２０３】
ステップＳ６０１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、ステップＳ６０２へと進む。ステップＳ６０２では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが予め定められた弱リーン切替基準値ＯＥＤｌｅａｎ以上であるか否かが判定される。ステップＳ６０２において、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リーン切替基準値ＯＥＤｌｅａｎよりも少ないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。したがって、目標空燃比ＴＡＦは、リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに維持される。
【０２０４】
一方、ステップＳ６０２において、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リーン切替基準値ＯＥＤｌｅａｎ以上であると判定された場合、すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない第２基準酸素吸蔵量に達したと推定された場合、ステップＳ６０３へと進む。ステップＳ６０３では、目標空燃比ＴＡＦが弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎに切り替えられ又は弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎに維持される。弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎは、リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎよりもリーン度合いの小さい（理論空燃比からの差が小さい）リーン空燃比であり、例えば、１４．６２〜１５．７、好ましくは１４．６３〜１５．２、より好ましくは１４．６５〜１４．９程度とされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
【０２０５】
一方、ステップＳ６０１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た場合、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達した場合、ステップＳ６０４へと進む。ステップＳ６０４では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦは弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎ又はリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ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、１０〜１４．５５、好ましくは１２〜１４．５２、より好ましくは１３〜１４．５程度とされる。
【０２０６】
なお、通常の空燃比制御では、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎを介してリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤから推定される上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量との間にずれが生じると、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが弱リーン切替基準値ＯＥＤｌｅａｎに達する前に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達する場合がある。この場合、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに直接切り替えられる。このことによって、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤから推定される上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量との間にずれが生じた場合にも、排気エミッションの悪化、特にスカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化をより確実に抑制することができる。
【０２０７】
ステップＳ６０４の後、ステップＳ６０５では、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定される。次いで、ステップＳ６０６では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
【０２０８】
＜第３実施形態＞
次に、図１８及び図１９を参照して本発明の第３実施形態について説明する。なお、第３実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第１実施形態及び第２実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態及び第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０２０９】
第３実施形態では、空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比とに交互に設定する。
【０２１０】
また、空燃比制御装置は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替え、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されたリーン制御において下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比に達したときに目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替える。
【０２１１】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
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、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の空燃比制御装置による基本的な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ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。
【０２１２】
図１８に示された積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（１）によって算出される酸素過不足量ＯＥＤの積算値を示す。積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比がリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比との間で切り替えられるときにリセットされてゼロにされる。
【０２１３】
なお、空燃比補正量ＡＦＣは、流入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、基本的に理論空燃比）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。
【０２１４】
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ＡＦＣｓｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）に設定されている。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ＡＦｕｐがリッチ空燃比となっている。流入排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側排気浄化触媒２０で浄化され、これに伴って上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。一方、上流側排気浄化触媒２０における浄化により流出排気ガス中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。
【０２１５】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは時刻ｔ1においてゼロに近づき、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の一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻ｔ1以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下する。その結果、図示した例では、時刻ｔ2において、酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになると共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。
【０２１６】
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。したがって、目標空燃比は、リッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。
【０２１７】
時刻ｔ2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、流入排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン空燃比となる。時刻ｔ2において流入排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大していく。
【０２１８】
このように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大していくと、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。また、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に増加すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づく。時刻ｔ3において酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づくと、上流側排気浄化触媒２０に流入した酸素の一部は上流側排気浄化触媒２０で吸蔵されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に上昇する。その結果、図示した例では、時刻ｔ4において、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達すると共に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達する。
【０２１９】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを減少させるべく、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、リーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。
【０２２０】
時刻ｔ4において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比となる。時刻ｔ4において流入排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは減少していく。
【０２２１】
このように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少していくと、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へ向かって変化する。また、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて時刻ｔ5において時刻ｔ1と同様にゼロに近づく。その後、時刻ｔ6において、時刻ｔ2と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。その後は、時刻ｔ1〜ｔ6の操作と同様な操作が繰り返される。
【０２２２】
また、本実施形態では、上述した時刻ｔ1〜ｔ6のサイクルが繰り返される間、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比となるように燃焼室５に供給する燃料量がフィードバック制御される。例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比よりも低い（リッチである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が少なくされる。一方、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比よりも高い（リーンである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が多くされる。
【０２２３】
第１実施形態において説明したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と流入排気ガスの実際の空燃比との間にずれが生じると、上記のような空燃比制御を実行していても排気エミッションが悪化するおそれがある。そこで、第３実施形態においても、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中に学習制御が行われる。第３実施形態における学習制御では、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値（例えば図１８中のＲ1）と、酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値（例えば図１８中のＦ1）との差ΔΣＯＥＤ（例えばＲ1−Ｆ1）に基づいて、上記式（２）を用いて学習値ｓｆｂｇが更新される。第３実施形態における学習制御は、第１実施形態及び第２実施形態における学習制御と同様であることから説明を省略する。
【０２２４】
ところで、第１実施形態において説明したように、スカベンジを発生させると、排気エミッションが悪化するおそれがある。そこで、第３実施形態においても、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制すべく、図１１に示される空燃比制御の制御ルーチンが実行される。また、第１実施形態と同様に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下であるか否かを判定すべく、図１３に示されるスカベンジ判定処理の制御ルーチンが実行される。
【０２２５】
＜目標空燃比設定処理＞
図１９は、本発明の第３実施形態における目標空燃比設定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実行される。
【０２２６】
最初に、ステップＳ７０１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが取得される。次いで、ステップＳ７０２において、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定されているか否かが判定される。なお、リーン設定フラグＦｒは、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されると１とされ、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されるとゼロとされるフラグである。
【０２２７】
ステップＳ７０２において、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定されていると判定された場合、すなわち目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されている場合、ステップＳ７０３へと進む。ステップＳ７０３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈは、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められた空燃比（例えば、１４．５５）である。
【０２２８】
ステップＳ７０３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、本制御ルーチンは終了する。したがって、目標空燃比ＴＡＦは、リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに維持される。
【０２２９】
一方、ステップＳ７０３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以下であると判定された場合、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達した場合、ステップＳ７０４へと進む。ステップＳ７０４では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦはリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ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空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。
【０２３０】
ステップＳ７０４の後、ステップＳ７０５では、リーン設定フラグＦｒが１に設定される。次いで、ステップＳ７０６では、上流側排気浄化触媒２０積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。その後、本制御ルーチンは終了する。なお、第３実施形態において、上流側排気浄化触媒２０積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、スカベンジ量が基準吹き抜き量以下である場合に、学習制御において用いられる。
【０２３１】
一方、ステップＳ７０２において、リーン設定フラグＦｒが１に設定されていると判定された場合、すなわち目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されている場合、ステップＳ７０７へと進む。ステップＳ７０７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。リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められた空燃比（例えば、１４．６５）である。
【０２３２】
ステップＳ７０７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、本制御ルーチンは終了する。したがって、目標空燃比ＴＡＦは、リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに維持される。一方、ステップＳ７０８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た場合、すなわち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達した場合、ステップＳ７０８へと進む。ステップＳ７０８では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定される。したがって、目標空燃比ＴＡＦはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ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、１０〜１４．５５、好ましくは１２〜１４．５２、より好ましくは１３〜１４．５程度とされる。
【０２３３】
ステップＳ７０８の後、ステップＳ７０９では、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定される。次いで、ステップＳ７０６では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
【０２３４】
＜第４実施形態＞
次に、図２０を参照して本発明の第４実施形態について説明する。なお、第４実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第１実施形態〜第３実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態〜第３実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０２３５】
上述したように、第１実施形態〜第３実施形態では、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合には、メインフィードバック制御及び学習値の更新が禁止される。このため、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合（メインフィードバック制御及び学習値の更新が許可される場合）と比べて流入排気ガスの実際の空燃比と目標空燃比との差が大きくなる場合がある。
【０２３６】
流入排気ガスの実際の空燃比と目標空燃比との差が大きいと、目標空燃比をリッチ設定空燃比にしていても排気ガスの実際の空燃比がリーン設定空燃比となる場合がある。また、流入排気ガスの実際の空燃比と目標空燃比との差が大きいと、目標空燃比をリーン設定空燃比にしていても排気ガスの実際の空燃比がリッチ設定空燃比となる場合もある。この場合、上記の第１実施形態〜第３実施形態における空燃比制御では、目標空燃比を適切なタイミングで切替えることができず、排気エミッションが悪化するおそれがある。したがって、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合に、第１実施形態〜第３実施形態における空燃比制御を行っていても、排気エミッションが悪化する場合がある。
【０２３７】
そこで、第４実施形態では、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときにおけるリーン設定空燃比が、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下のときにおけるリーン設定空燃比よりも大きくされ、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときにおけるリッチ設定空燃比が、吹き抜け量が基準吹き抜け量以下のときにおけるリッチ設定空燃比よりも小さくされる。このことによって、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多いときにおけるリーン設定空燃比と理論空燃比との差の絶対値及びリッチ設定空燃比と理論空燃比との差の絶対値が、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下のときにおけるリーン設定空燃比と理論空燃比との差の絶対値及びリッチ設定空燃比と理論空燃比との差の絶対値よりも大きくなる。この結果、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合においても、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されたリーン制御において、流入排気ガスの実際の空燃比を確実にリーンとすることができ、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において、流入排気ガスの実際の空燃比を確実にリッチとすることができる。したがって、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化をより確実に抑制することができる。
【０２３８】
＜空燃比制御の制御ルーチン＞
図２０は、本発明の第４実施形態における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実行される。図２０におけるステップＳ８０１〜ステップＳ８０８は、図１１におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０８と同様であることから説明を省略する。
【０２３９】
ステップＳ８０８の後、ステップＳ８０９において、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比の少なくともいずれか一方が初期値から変更される。また、ステップＳ８０６の後、ステップＳ８１０において、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比が初期値に戻される。
【０２４０】
具体的には、第４実施形態では、第１実施形態及び第３実施形態におけるリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎが、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合に比べて大きくされ、第１実施形態及び第３実施形態におけるリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈが、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合に比べて小さくされる。なお、第１実施形態におけるリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎと理論空燃比との差の絶対値は第１実施形態におけるリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈと理論空燃比との差の絶対値よりも大きい。このため、第１実施形態におけるリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎをスカベンジ量に関わらず一定とし、第１実施形態におけるリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈを、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合に比べて小さくしてもよい。
【０２４１】
或いは、第２実施形態における弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎが、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合に比べて大きくされ、第２実施形態における弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈが、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合に比べて小さくされる。なお、第２実施形態における弱リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎ及びリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎが、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合に比べて大きくされ、第２実施形態における弱リッチ設定空燃比ＴＡＦｓｒｉｃｈ及びリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈが、スカベンジ量が基準吹き抜け量よりも多い場合に、スカベンジ量が基準吹き抜け量以下である場合に比べて小さくされてもよい。
【０２４２】
なお、上述した全ての制御は内燃機関１００のＥＣＵ３１によって制御される。
【０２４３】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
【符号の説明】
【０２４４】
１    機関本体
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１３    吸気枝管
１４    サージタンク
１８    スロットル弁
１９    排気マニホルド
２０    上流側排気浄化触媒
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
１０１    ターボチャージャ（過給機）
１００    内燃機関
Ｂ、Ｃ    可変バルブタイミング機構
【図１】
0006337819.tif 000002
【図２】
0006337819.tif 000003
【図３】
0006337819.tif 000004
【図４】
0006337819.tif 000005
【図５】
0006337819.tif 000006
【図６】
0006337819.tif 000007
【図７】
0006337819.tif 000008
【図８】
0006337819.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0006337819.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0006337819.tif 000013
【図１３】
0006337819.tif 000014
【図１４】
0006337819.tif 000015
【図１５】
0006337819.tif 000016
【図１６】
0006337819.tif 000017
【図１７】
0006337819.tif 000018
【図１８】
0006337819.tif 000019
【図１９】
0006337819.tif 000020
【図２０】
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