(57)【要約】【課題】排気ガス中の未燃ガスを浄化する。【解決手段】内燃機関は、可変バルブタイミング機構Ｂ、Ｃと、排気浄化触媒２０と、排気浄化触媒の上流側に配置された空燃比センサ４０とを具備する。内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する制御部を具備し、制御部は、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に設定すると共に、空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように排気ガスの空燃比を制御する。制御部は、スカベンジが発生したときには、スカベンジの発生により空燃比センサの出力空燃比に生じると予想されるずれ量よりも大きく排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように、空燃比センサの出力空燃比を補正する。また、制御部は、スカベンジが発生したときには、スカベンジが発生していないときに比べて、目標空燃比をリーン空燃比に設定しているときの目標空燃比のリーン度合いを大きくする。【選択図】図１１
2017057760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、を具備する内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、
前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する制御部を具備し、
前記制御部は、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とに交互に設定すると共に、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が前記目標空燃比となるように前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御し、
前記制御部は、バルブオーバーラップの発生によって空気が吸気通路から筒内を通って排気通路へ吹き抜けるスカベンジが発生したときには、該スカベンジの発生により前記上流側空燃比センサの出力空燃比に生じると予想されるずれ量よりも大きく前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関連するパラメータを補正し、
前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、前記スカベンジが発生していないときに比べて、前記目標空燃比をリーン空燃比に設定しているときの前記目標空燃比のリーン度合いを大きくする、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、吸入空気量に対するスカベンジ量の比率であるスカベンジ率が高くなるほど、前記目標空燃比をリーン空燃比に設定しているときの前記目標空燃比のリーン度合いを大きくする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定し、
前記制御部は、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている場合に、該酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない切替基準吸蔵量以上になったときには、前記目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替え、
前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、前記スカベンジが発生していないときに比べて、前記切替基準吸蔵量を増大させる、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、吸入空気量に対するスカベンジ量の比率であるスカベンジ率が高くなるほど、前記切替基準吸蔵量を増大させる、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、吸入空気量に対するスカベンジ量の比率であるスカベンジ率が高くなるほど、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がより大きくリッチ側に変化するように、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関連するパラメータを補正する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関連するパラメータは、前記上流側空燃比センサの出力空燃比、制御中心空燃比、前記目標空燃比又は内燃機関の燃焼室に燃料を供給する燃料噴射弁からの燃料供給量である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、この排気浄化触媒よりも排気流れ方向上流側に設けられた上流側空燃比センサとを具備する内燃機関の制御装置であって、排気ガスの空燃比を制御する制御部を具備する制御装置が知られている。斯かる内燃機関の制御装置では、例えば、制御部により、上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がフィードバック制御される。加えて、目標空燃比が、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）と、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）とに交互に設定される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、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吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが発生すると、吸気ポートから気筒内を通って排気ポートへ空気が吹き抜けるスカベンジが発生する。このようにスカベンジが発生すると、上流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ側にずれる。そこで、吸入空気量に対するスカベンジ量の比率（以下、「スカベンジ率」という）を推定すると共に、推定されたスカベンジ率に基づいて上流側空燃比センサの出力空燃比におけるずれ量の分だけ目標空燃比を補正することが提案されている（例えば、特許文献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】特開２０１４−０２５３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、スカベンジ率を推定する方法としては様々な手法が考案されている。例えば、特許文献２では、上流側空燃比センサの出力空燃比に基づいてスカベンジ率を推定している。しかしながら、このようなスカベンジ率の推定方法によってはスカベンジ率を正確に推定することはできず、スカベンジ率の推定値には或る程度の誤差が生じてしまう。
【０００６】
一方、上流側空燃比センサの出力空燃比におけるずれ量は、スカベンジ率に応じて変化する。このため、このずれ量をスカベンジ率の推定値に基づいて算出すると共に、スカベンジ率の推定値に基づいて上流側空燃比センサの出力空燃比等を補正することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、上述したようにスカベンジ率の推定値に誤差が生じると、上流側空燃比センサの出力空燃比におけるずれ量の推定にも誤差が生じる。このため、スカベンジ率の推定値に基づいて、上流側空燃比センサの出力空燃比等を補正していると、上流側空燃比センサの出力空燃比を実際のずれ量よりも過剰に補正してしまったり、実際のずれ量よりも小さく補正してしまったりすることになる。具体的には、スカベンジ率の推定値が実際のスカベンジ率よりも小さい場合には、上流側空燃比センサの出力空燃比のリーン側への補正量が適切な値よりも小さくなり、その結果、補正された出力空燃比は実際の排気ガスの空燃比よりもリッチになる。逆に、スカベンジ率の推定値が実際のスカベンジ率よりも大きい場合には、上流側空燃比センサの出力空燃比のリーン側への補正量が適切な値よりも大きくなり、その結果、補正された出力空燃比は実際の排気ガスの空燃比よりもリーンになる。
【０００８】
ここで、上述したように、上流側空燃比センサの出力空燃比における実際のずれ量よりも小さく出力空燃比を補正した場合、補正された出力空燃比は実際の排気ガスの空燃比よりもリッチになる。このため、この場合、上述したように上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御を行うと、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比は目標空燃比よりもリーンな空燃比となる。したがって、この場合、目標空燃比がリーン空燃比である場合には、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘが多くなる。このため、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘを少なく抑えるという観点からは、上流側空燃比センサの出力空燃比における実際のずれ量と同じか又はそれよりも大きく上流側空燃比センサの出力空燃比をリーン側に補正することが必要である。このためには、スカベンジが発生しているときには、上流側空燃比センサの出力空燃比をできるだけ大きくリーン側に補正することが考えられる。
【０００９】
ところが、このように上流側空燃比センサの出力空燃比を大きくリーン側に補正すると、スカベンジ率の推定値にそれほど誤差が生じていない場合には、出力空燃比を過剰にリーン側に補正してしまうことになる。このように出力空燃比を過剰にリーン側に補正すると、上述したように制御部により目標空燃比をリーン空燃比に設定しているにもかかわらず、排気浄化触媒に流入する排気ガスの実際の空燃比がリッチ空燃比になってしまう場合がある。この場合、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に設定しても、排気浄化触媒に流入する排気ガスの実際の空燃比は常にリッチ空燃比になってしまい、排気浄化触媒によって排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）を浄化することができなくなる。
【００１０】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、スカベンジが発生した際に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を過剰にリッチ側に変化させた場合であっても、排気ガス中の未燃ガスを浄化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】
【００１１】
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。
【００１２】
（１）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排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、を具備する内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する制御部を具備し、前記制御部は、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とに交互に設定すると共に、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が前記目標空燃比となるように前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御し、前記制御部は、バルブオーバーラップの発生によって空気が吸気通路から筒内を通って排気通路へ吹き抜けるスカベンジが発生したときには、該スカベンジの発生により前記上流側空燃比センサの出力空燃比に生じると予想されるずれ量よりも大きく前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関連するパラメータを補正し、前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、前記スカベンジが発生していないときに比べて、前記目標空燃比をリーン空燃比に設定しているときの前記目標空燃比のリーン度合いを大きくする、内燃機関の制御装置。
【００１３】
（２）前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、吸入空気量に対するスカベンジ量の比率であるスカベンジ率が高くなるほど、前記目標空燃比をリーン空燃比に設定しているときの前記目標空燃比のリーン度合いを大きくする、上記（１）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１４】
（３）前記制御部は、前記上流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定し、前記制御部は、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている場合に、該酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない切替基準吸蔵量以上になったときには、前記目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替え、前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、前記スカベンジが発生していないときに比べて、前記切替基準吸蔵量を増大させる、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１５】
（４）前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、吸入空気量に対するスカベンジ量の比率であるスカベンジ率が高くなるほど、前記切替基準吸蔵量を増大させる、上記（３）に記載の内燃機関の制御装置。
【００１６】
（５）前記制御部は、前記スカベンジが発生したときには、吸入空気量に対するスカベンジ量の比率であるスカベンジ率が高くなるほど、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がより大きくリッチ側に変化するように、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関連するパラメータを補正する、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
【００１７】
（６）前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関連するパラメータは、前記上流側空燃比センサの出力空燃比、制御中心空燃比、前記目標空燃比又は内燃機関の燃焼室に燃料を供給する燃料噴射弁からの燃料供給量である、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スカベンジが発生した際に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を過剰にリッチ側に変化させた場合であっても、排気ガス中の未燃ガスを浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る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Ａ／Ｆにおける印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す図である。
【図３】図３は、印加電圧Ｖを一定にしたときの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。
【図４】図４は、基本的な空燃比制御を行っている際の、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の変化を示すタイムチャートである。
【図５】図５は、クランク角に対する吸気弁及び排気弁のリフト量の変化を示す図である。
【図６】図６は、スカベンジの発生によって上流側空燃比センサの出力空燃比にずれが生じた場合における、スカベンジ率の推定値等のタイムチャートである。
【図７】図７は、スカベンジ率又はその推定値と出力ずれ量又は出力補正値との関係を示す図である。
【図８】図８は、スカベンジ率の推定値に大きな誤差が生じている場合における、スカベンジ率の推定値等のタイムチャートである。
【図９】図９は、スカベンジ率の推定値にそれほど大きくない誤差が生じている場合における、スカベンジ率の推定値等のタイムチャートである。
【図１０】図１０は、出力補正値と、リーン設定補正量のリーン側への補正値又は切替基準吸蔵量に加算される補正量との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、スカベンジ発生時における、スカベンジ率の推定値等のタイムチャートである。
【図１２】図１２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１３】図１３は、リーン設定補正量及び切替基準値の補正制御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一つの実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関１００を概略的に示す図である。図１に示したように、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を具備する。本実施形態では、内燃機関１００は火花点火式内燃機関である。シリンダブロック２の内部には、シリンダブロック２に形成されたシリンダ内を往復運動するピストン３が配置されている。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成されている。
【００２２】
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。これら吸気ポート７及び排気ポート９は燃焼室５に接続されている。吸気ポート７の端部に吸気弁６が配置されて、この吸気弁６が吸気ポート７を開閉する。同様に、排気ポート９の端部に排気弁８が配置され、この排気弁８が排気ポート９を開閉する。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。
【００２３】
また、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において混合気に点火するための点火プラグ１０とを備える。点火プラグ１０は各シリンダの中央付近においてシリンダヘッド４に配置されている。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。したがって、本実施形態における内燃機関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。
【００２４】
また、本実施形態に係る内燃機関１００は、排気ターボチャージャ１０１を備える。排気ターボチャージャ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具備する。排気ガスによってタービン１０２が回転させられると、これに伴ってコンプレッサ１０３が回転し、これにより吸入空気の圧力を高める。したがって、排気ターボチャージャ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。
【００２５】
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を介して排気ターボチャージャ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、排気ターボチャージャ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。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１６に連結されている。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。
【００２６】
一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホルド１９に連結されている。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の集合部は排気ターボチャージャ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２３を介して下流側ケーシング２５に連結されている。下流側ケーシング２５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、２３、ケーシング２１、２５等は、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形成する。
【００２７】
タービン１０２よりも排気流れ方向上流側（以下、単に「上流側」という）の排気マニホルド１９とタービン１０２よりも排気流れ方向下流側（以下、単に「下流側」という）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。
【００２８】
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（ＥＣＵ）３１を具備する。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。
【００２９】
また、エアクリーナ１６とコンプレッサ１０３との間の吸気管１５内には、吸入空気流量を検出する空気流量検出装置（例えば、エアフロメータ）４８が配置されている。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。なお、空燃比センサ４０はタービン１０２の上流側に配置されてもよい。加えて、上流側排気浄化触媒２０と下流側排気浄化触媒２４との間の排気管２３内には、排気管２３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。加えて、スロットル弁１８よりも吸気流れ方向下流側の吸気通路内には、吸気通路内の圧力、特に過給圧を検出する圧力センサ５０が配置されている。
【００３０】
上流側空燃比センサ４０、下流側空燃比センサ４１、空気流量検出装置４８、圧力センサ５０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。また、内燃機関１００はアクセルペダル４２を具備し、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。
【００３１】
加えて、内燃機関１００はクランク角センサ４４を具備する。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の出力パルスに基づいて機関回転数が計算される。
【００３２】
一方、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。なお、ＥＣＵ３１は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を制御する制御部として機能する。
【００３３】
＜排気浄化触媒の説明＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ガス及びＮＯｘとが同時に浄化される。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
＜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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
＜基本的な空燃比制御＞
次に、本実施形態に係る内燃機関の制御装置によって行われる空燃比制御について説明する。本実施形態の空燃比制御は、ＥＣＵ３１によって行われる。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。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。
【００４２】
また、本実施形態の基本的な空燃比制御では、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。本実施形態の基本的な空燃比制御では、具体的には以下のような制御が行われる。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、制御中心となる空燃比（本実施形態では、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一定値の空燃比であり、例えば、１４．７５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（以下、「制御中心空燃比」という）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。
【００４３】
加えて、本実施形態の空燃比制御では、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリッチ設定空燃比になる。ここで、リッチ設定空燃比は、制御中心空燃比（本実施形態では、理論空燃比）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、１４．５０とされる。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。
【００４４】
なお、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの酸素過不足量の積算値に基づいて推定される。ここで、酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ガスの量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されている期間中には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、この期間中における酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値であるといえる。
【００４５】
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、及び空気流量検出装置４８の出力等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝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は制御中心空燃比（本実施形態では、理論空燃比）をそれぞれ表している。
【００４６】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下になると、目標空燃比が再びリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。このように本実施形態では、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、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比）がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えられる。
【００４７】
＜タイムチャートを用いた通常空燃比制御の説明＞
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、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中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。
【００４８】
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空燃比に等しい空燃比（本実施形態では、理論空燃比）とされる。一方、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリーンな空燃比（本実施形態では、リーン空燃比）となり、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリッチな空燃比（本実施形態では、リッチ空燃比）となる。また、「制御中心空燃比」は、機関運転状態に応じて空燃比補正量ＡＦＣを加算する対象となる空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに応じて目標空燃比を変動させる際に基準となる空燃比を意味する。
【００４９】
図示した例では、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）とリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とに交互に設定される。リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは、正の値の補正量であり、例えば、０．２〜２．０、好ましくは０．４〜１．５程度とされる。したがって、制御中心空燃比が理論空燃比であれば、このときの目標空燃比であるリーン設定空燃比は、例えば１４．６２〜１６．６０、好ましくは、１４．６４〜１６．１０程度とされる。一方、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは、負の補正量であり、例えば、−０．２〜−２．０、好ましくは−０．４〜−１．５程度とされる。したがって、制御中心空燃比が理論空燃比であれば、このときの目標空燃比であるリッチ設定空燃比は、例えば１４．５８〜１２．６０、好ましくは、１４．５６〜１３．１０程度とされる。
【００５０】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とされている。すなわち、目標空燃比はリッチ空燃比とされており、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となる。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側排気浄化触媒２０で浄化され、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒２０における浄化により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中には未燃ガス等は含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。
【００５１】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはゼロに近づき、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガス等の一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下し、時刻ｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。
【００５２】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは０にリセットされる。
【００５３】
時刻ｔ1において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。時刻ｔ1において上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大する。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。
【００５４】
これにより、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へと変化し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも理論空燃比に収束する。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比となっているが、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。このため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出はほぼゼロとなる。
【００５５】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大すると、時刻ｔ2において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。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０にリセットされる。
【００５６】
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。理論空燃比からの偏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。
【００５７】
時刻ｔ2において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。このときの上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出はほぼゼロとなる。
【００５８】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していくと、時刻ｔ4において、時刻ｔ1と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ4のサイクルが繰り返される。
【００５９】
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、積算酸素過不足量を算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量の算出誤差によりＮＯｘが排出されてしまうことが抑制される。
【００６０】
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、制御装置として機能するＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、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ＯＳＡ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設定すると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったと推定されたときに、酸素吸蔵量ＯＳＡ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設定しているといえる。
【００６１】
より簡単に言えば、本実施形態では、ＥＣＵ３１の空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比）をリーン空燃比に切り替えると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったときに目標空燃比（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比）をリッチ空燃比に切り替えているといえる。
【００６２】
＜スカベンジの発生＞
ところで、上述したように、本実施形態の内燃機関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。このため、吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とを部分的に重ならせることができ、すなわちこれら吸気弁６と排気弁８とのバルブオーバーラップを発生させることができる。
【００６３】
図５は、クランク角に対する吸気弁６及び排気弁８のリフト量の変化を示す。図５（Ａ）に示した例では、排気弁８の閉弁時期と吸気弁６の開弁時期とが共に排気上死点において一致している。このため、吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とは重なっておらず、よってバルブオーバーラップは発生していない。一方、図５（Ｂ）に示した例では、排気弁８の閉弁時期よりも吸気弁６の開弁時期の方が早い。このため、吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とは部分的に重なっており、よってバルブオーバーラップが発生している。
【００６４】
なお、図５に示した例では、吸気弁６の可変バルブタイミング機構Ｂにより吸気弁６の開弁時期又は吸気弁６の開弁期間を制御することによって、バルブオーバーラップの有無やバルブオーバーラップ量を変更させた場合を示している。しかしながら、バルブオーバーラップの有無やバルブオーバーラップ量は、吸気弁６の開弁時期又は吸気弁６の開弁期間ではなく又はこれに加えて、排気弁８の可変バルブタイミング機構Ｃにより排気弁８の閉弁時期又は排気弁８の開弁期間を制御することによって変更されてもよい。
【００６５】
このように、バルブオーバーラップが発生しているときには、吸気ポート７内の圧力（吸気圧）が排気ポート９内の圧力（排気圧）よりも高いと、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。斯かるスカベンジは、例えば、要求トルクに対して吸入空気量が不足している場合に用いられる。スカベンジを強制的に発生させると、排気ガスの流量を増大させることができ、この結果、排気ターボチャージャ１０１のタービン１０２の回転数が増大せしめられる。これにより、吸入空気の圧力（過給圧）が高められて、吸入空気量が増大せしめられ、この結果、吸入空気量における不足を解消することができる。
【００６６】
＜スカベンジ発生時における出力空燃比＞
本実施形態では、スカベンジが発生している場合であっても、上述した空燃比制御が行われる。したがって、スカベンジが発生している場合であっても、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。ここで、スカベンジの発生中には空気の一部が吸気通路から排気通路へと吹き抜けることから、燃焼室５内で燃焼が行われる際の混合気の空燃比（以下、「燃焼空燃比」という）は目標空燃比よりもリッチな空燃比とされる。このとき燃焼空燃比は、燃焼後に燃焼室５から排出された排気ガスとスカベンジにより吹き抜けた排気ガス（空気）とを合わせた全排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように設定される。
【００６７】
上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は、基本的に、燃焼後に燃焼室５から排出された排気ガスとスカベンジにより吹き抜けた排気ガス（空気）とを合わせた全排気ガスの平均空燃比を表している。このため、基本的には、スカベンジが発生している場合であっても、空燃比制御においては、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量がフィードバック制御されることになる。
【００６８】
ところが、スカベンジが発生している際には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が実際の空燃比よりもリッチ側にずれることが確認されている。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るのは以下の理由であると考えられる。
【００６９】
すなわち、スカベンジが発生している際には、燃焼空燃比は目標空燃比よりもリッチな空燃比とされる。このため、基本的には燃焼空燃比は理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比となり、よって燃焼後に燃焼室５から排出された排気ガス中には未燃ガスが多く含まれる。一方、スカベンジにより吸気通路から排気通路へと吹き抜けた排気ガスは基本的に空気であるため、多量の酸素を含んでいる。したがって、機関本体１から排出された排気ガスは、たとえその空燃比が理論空燃比であっても、多量の未燃ガス及び多量の酸素を含んでいる。
【００７０】
ここで、未燃ガス中には水素が含まれている。水素は、未燃ＨＣや酸素等の他の排気ガス中の成分に比べて、空燃比センサに設けられる拡散律速層を通り抜け易い。このため、例えば、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯと酸素との当量比が１：１である場合には、これら成分の拡散速度にそれほど大きな違いがないため、空燃比センサの出力空燃比はほぼ理論空燃比となる。これに対して、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯ及び水素と酸素との当量比が１：１である場合には、このうち水素のみ拡散速度が速いため、空燃比センサの排気側電極周りには水素が多く存在することになる。この結果、排気ガス中に多量の水素が含まれていると、空燃比センサの出力空燃比がリッチ側にずれてしまう。上述したように、スカベンジが発生しているときには、機関本体１から排出された排気ガス中には多量の未燃ガスが含まれており、よって多量の水素が含まれている。このため、スカベンジが発生しているときには上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が実際の空燃比よりもリッチ側にずれてしまう。
【００７１】
図６は、スカベンジの発生によって上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じた場合における、スカベンジ率の推定値Ｓｃ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、及び上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比のタイムチャートである。スカベンジ率は、吸入空気量に対するスカベンジ量の比率を表しており、バルブオーバーラップ量、吸気通路内の圧力、機関回転数等から推定される。
【００７２】
図６に示した例では、時刻ｔ1以前においてはスカベンジが発生していない。したがって、スカベンジ率の推定値Ｓｃは０となっている。このとき、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは目標空燃比ＡＦｔに一致している。このとき上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにずれは生じていないため、上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガス、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も目標空燃比ＡＦｔに一致している。
【００７３】
その後、図６に示した例では、時刻ｔ1において、吸気弁６の開弁時期や排気弁８の閉弁時期を制御することにより、スカベンジが発生せしめられる。特に、図６は、説明を分かりやすくするために、時刻ｔ1においてスカベンジ率がステップ的に上昇せしめられた場合を示している。一方、時刻ｔ1においては、空燃比補正量ＡＦＣは変化せずに維持され、よって目標空燃比は時刻ｔ1前後で変化することなく一定のまま維持されている。
【００７４】
このように、時刻ｔ1においてスカベンジ率をステップ的に上昇させると、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがステップ的にリッチ側にずれる。一方、時刻ｔ1においては上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにずれが生じただけであるため、排気ガスの実際の空燃比は変動せずに一定のまま維持される。
【００７５】
ところが、上述したように、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ＡＦｕｐが目標空燃比ＡＦｔ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。上述したように、時刻ｔ1において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは目標空燃比ＡＦｔよりもリッチ側の空燃比になっているため、このフィードバック制御により燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が減量せしめられる。この結果、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が徐々にリーン側に変化し、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が徐々に目標空燃比に近づいていく。ただし、このとき、図６からわかるように、上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比は徐々に目標空燃比ＡＦｔからリーン側に離れていくことになる。
【００７６】
図６に示した例では、フィードバック制御の結果、時刻ｔ2において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比に到達する。このとき、上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおけるずれ量分だけリーン側にずれることになる。
【００７７】
＜空燃比センサのずれへの対策＞
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ＡＦｕｐをスカベンジ率に応じて補正するようにしている。以下、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける補正値（以下、「出力補正値」ともいう）について説明する。
【００７８】
ここで、図７（Ａ）は、スカベンジ率と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じるリッチ側へのずれ量との関係を示す図である。図７（Ａ）からわかるように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じるずれ量は、スカベンジ率が大きくなるほど大きくなる。このようなずれ量とスカベンジ率との関係により、スカベンジ率に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じると予想されるずれ量を求めることができる。
【００７９】
ところで、スカベンジ率は、上述したように、例えば、バルブオーバーラップ量、排気通路内の圧力、機関回転数等に基づいて推定される。しかしながら、排気通路から吸気通路へと吹き抜ける空気の量を直接検出しているわけではないため、スカベンジ率の推定値には或る程度の誤差が生じてしまう。この様子を、図７（Ｂ）に示す。
【００８０】
図７（Ｂ）は、スカベンジ率の推定値と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるリッチ側へのずれ量との関係を示す図である。図７（Ｂ）中の実線Ｓｃはスカベンジ率の推定値に誤差がない場合におけるスカベンジ率の推定値とずれ量との関係を示している（図７（Ａ）と同一）。したがって、図７（Ｂ）の実線Ｓｃにおける出力空燃比のずれ量は、スカベンジの発生により上流側空燃比センサ４０に生じると予想されるずれ量ということができる。
【００８１】
一方、Ｓｃｍａｘは、スカベンジ率の推定値に、実際のスカベンジ率に対して少なくなる方向に最大限の誤差（以下、「減少方向への最大誤差」という）が生じている場合におけるスカベンジ率の推定値とずれ量との関係を示している。すなわち、スカベンジ率の推定値に生じ得る誤差は予め実験的に又は計算により或る程度求めることができるが、Ｓｃｍａｘはそのうち最もスカベンジ率が少なくなる方向に誤差が生じた場合における関係を示している。一方、Ｓｃｍｉｎはスカベンジ率の推定値に、実際のスカベンジ率に対して多くなる方向に最大限の誤差（以下、「増大方向への最大誤差」という）が生じている場合におけるスカベンジ率の推定値とずれ量との関係を示している。すなわち、スカベンジ率の推定値に生じ得る誤差は予め実験的に又は計算により或る程度求めることができるが、Ｓｃｍａｘはそのうち最もスカベンジ率が多くなる方向に誤差が生じた場合における関係を示している。したがって、スカベンジ率の推定値が図７（Ｂ）中のＳｃであるときには、推定値における誤差を考慮すると、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれ量はＳｃｍａｘとＳｃｍｉｎの範囲内の値になっているといえる。
【００８２】
図７（Ｃ）は、スカベンジ率の推定値と、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおけるリーン側への補正値（出力補正値）との関係を示す図である。図７（Ｃ）中の破線は、スカベンジ率の推定値に誤差が生じていない場合に、出力空燃比ＡＦｕｐにおけるずれを除去することができるような補正値を示している。したがって、図７（Ｃ）の破線における出力補正値の絶対値は、図７（Ａ）における出力ずれ量の絶対値と等しい値となっている。換言すると、図７（Ｃ）の破線は、スカベンジの発生により上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じると予想されるずれ量と等しい分だけ上流側空燃比センサ４０の出力空燃比をリーン側に補正する場合の出力補正値を示している。
【００８３】
一方、図７（Ｃ）における実線は、本実施形態における、スカベンジ率の推定値と出力補正値との関係を示している。図７（Ｃ）の実線では、スカベンジ率の推定値が同一である場合に、出力補正値が破線における出力補正値よりも大きくなるように設定されている。したがって、本実施形態では、スカベンジの発生により上流側空燃比センサの出力空燃比に生じると予想されるずれ量よりも大きく上流側空燃比センサ４０の出力空燃比をリーン側に補正するようにしている。
【００８４】
特に、本実施形態では、図７（Ｃ）の実線における出力補正値の絶対値は、図７（Ｂ）の破線Ｓｃｍａｘにおける出力ずれ量の絶対値と等しい値となっている。したがって、本実施形態では、出力補正値は、スカベンジ率の推定値に減少方向の最大誤差が生じている場合に上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じているずれを過不足なく除去するような補正値に設定されているといえる。
【００８５】
図８は、スカベンジ率の推定値Ｓｃ、空燃比補正量ＡＦＣ、出力補正値、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、及び上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比のタイムチャートである。図８は、スカベンジ率の推定値Ｓｃに大きな誤差（減少方向の最大誤差）が生じている場合における各パラメータの推移を示している。なお、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける破線は出力空燃比の補正を行っていない場合の値を、出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は出力補正値を加算することによって補正された後の値をそれぞれ示している。また、スカベンジ率の推定値Ｓｃにおける破線は実際のスカベンジ率を示している。
【００８６】
図８に示した例では、時刻ｔ1以前においてはスカベンジが発生していない。したがって、このときには上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにずれは生じていないため、上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比はその出力空燃比に一致している。図８に示した例では、時刻ｔ1以前において、上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比及び上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はいずれも目標空燃比に一致している。
【００８７】
その後、時刻ｔ1において、スカベンジが発生せしめられる。図８に示した例でも、説明を分かりやすくするために、時刻ｔ1においてスカベンジ率がステップ的に上昇せしめられている。なお、図８に示した例では、スカベンジ率の推定値Ｓｃには大きな誤差が生じており、実際のスカベンジ率はその推定値Ｓｃよりも大きな値となっている。
【００８８】
一方、本実施形態では、上述したようにスカベンジ率の推定値Ｓｃに基づいて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリーン側に補正される。このため、スカベンジ率の推定値Ｓｃが増大した時刻ｔ1には、これに伴って出力補正値が増大せしめられる。
【００８９】
また、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、スカベンジ率の上昇に伴って低下する（図中の破線）。しかしながら、上述したように、時刻ｔ1において出力補正値が増大せしめられる。特に、出力補正値は、スカベンジ率の推定値Ｓｃに減少方向の最大誤差が生じている場合に、出力空燃比ＡＦｕｐが実際の空燃比に一致するように設定されている。一方、図８に示した例では、スカベンジ率の推定値Ｓｃに実際のスカベンジ率に対して少なくなる方向に大きな誤差が生じている。このため、図８に示した例では、出力補正値の分だけリーン方向に補正された後の出力空燃比ＡＦｕｐは実際の空燃比に一致する。
【００９０】
図９も、スカベンジ率の推定値Ｓｃ等を示す、図８と同様なタイムチャートである。図９は、スカベンジ率の推定値Ｓｃにそれほど大きくない誤差が生じている場合における各パラメータの推移を示している。図９においても、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける破線は出力空燃比ＡＦｕｐの補正を行っていない場合の値を、出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は出力補正値を加算することによって補正された後の値をそれぞれ示している。また、スカベンジ率の推定値Ｓｃにおける破線は実際のスカベンジ率を示している。
【００９１】
図９に示した例でも、時刻ｔ1以前においてはスカベンジが発生しておらず、時刻ｔ1においてスカベンジが発生せしめられる。このときのスカベンジ率の推定値Ｓｃには減少方向の誤差が生じているが、その誤差は図８に示した例よりも小さい。また、スカベンジ率の推定値Ｓｃが増大した時刻ｔ1には、これに伴って出力補正値が増大せしめられる。
【００９２】
ここで、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、時刻ｔ1において、スカベンジ率の上昇に伴って低下する（図中の破線）。一方で、時刻ｔ1において出力補正値が増大せしめられ、その分だけ上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン側へ補正される。ここで、図９に示した例では、スカベンジ率の推定値Ｓｃには減少方向に僅かな誤差が生じている。これに対して、出力補正値は、スカベンジ率の推定値Ｓｃに減少方向の最大誤差が生じている場合を想定して設定されている。このため、スカベンジ率の推定値Ｓｃに僅かにしか誤差が生じていない場合には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐを過剰にリーン側へ補正してしまうことになる。この結果、図９に示した例では、時刻ｔ1において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン側に変化している。
【００９３】
上述したように、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。図９に示した例では、時刻ｔ1において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比よりもリーン側の空燃比になっているため、このフィードバック制御により燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が増量せしめられる。この結果、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が徐々にリッチ側に変化し、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが徐々に目標空燃比に近づいていく。ただし、このとき、図９からわかるように、上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比は徐々に目標空燃比ＡＦｔからリッチ側に離れていくことになる。
【００９４】
図９に示した例では、フィードバック制御の結果、時刻ｔ2において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比に到達する。このとき、上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐの過剰な補正分だけリッチ側にずれることになる。
【００９５】
このように、本実施形態によれば、スカベンジが発生したときには、スカベンジの発生により上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じると予想されるずれ量よりも大きく上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐをリーン側に補正するようにしている。特に、上記実施形態では、出力補正値は、スカベンジ率の推定値Ｓｃに減少方向の最大誤差が生じている場合に、出力空燃比が実際の空燃比に一致するように設定されている。このため、スカベンジ率の推定値Ｓｃに如何なる誤差があっても、実際の空燃比は目標空燃比に一致するか又は目標空燃比よりもリッチ側の空燃比となる。換言すると、実際の空燃比が目標空燃比よりもリーン側の空燃比になることはない。
【００９６】
ここで、実際の空燃比が目標空燃比よりもリーン側の空燃比になると、排気ガス中に過剰なＮＯｘが含まれる場合が多くなり、排気エミッションの悪化を招く。これに対して、本実施形態では上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに誤差がある場合であっても、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中に過剰なＮＯｘが含まれる場合がなくなり、よって排気エミッションの悪化を抑制することができる。なお、本実施形態では、排気ガス中に過剰なＮＯｘが含まれることがなくなる代わりに排気ガス中に過剰な未燃ガスが含まれる場合が多くなる。しかしながら、排気ガス中の過剰な未燃ガスは、過剰なＮＯｘに比べて下流側排気浄化触媒２４で浄化されやすいため、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ていてもＮＯｘに比べて大きな問題にはならない。
【００９７】
なお、上記実施形態では、出力補正値は、スカベンジ率の推定値Ｓｃに減少方向の最大誤差が生じている場合に、出力空燃比が実際の空燃比に一致するように設定されている。しかしながら、出力補正値は、必ずしもスカベンジ率の推定値Ｓｃに減少方向の最大誤差が生じている場合に合わせて設定されなくてもよい。したがって、出力補正値は、スカベンジ率の推定値Ｓｃに誤差生じていない場合に合わせた値よりも大きく且つスカベンジ率の推定値Ｓｃに減少方向の最大誤差が生じている場合に合わせた値以下であれば如何なる値であってもよい。この場合であっても、出力補正値をスカベンジ率の推定値Ｓｃに誤差生じていない場合に合わせた値よりも大きい値に設定している限り、実際の空燃比が目標空燃比よりもリーン側の空燃比になる可能性を低下させることができ、よって排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【００９８】
また、上記実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐを補正するようにしている。しかしながら、補正対象は必ずしも上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐでなくてもよい。ここで、上記実施形態では、スカベンジが発生したときには、スカベンジの発生により上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じると予想されるずれ量よりも大きく上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐをリーン側に補正するようにしている。出力空燃比ＡＦｕｐをリーン側に補正すると、その結果、上述したフィードバック制御により、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ッチ側に変化する。したがって、上記実施形態では、スカベンジが発生したときには、スカベンジの発生により上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じると予想されるずれ量よりも大きく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側に変化させているということができる。
【００９９】
したがって、補正対象は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に関連するパラメータであって、スカベンジの発生により上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに生じると予想されるずれ量よりも大きく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側に変化させることができるパラメータであれば、如何なるパラメータを補正対象としてもよい。この場合、図７（Ｃ）を考慮すると、スカベンジ率が高くなるほど、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がより大きくリッチ側に変化するように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に関連するパラメータを補正することになる。なお、具体的には、補正対象のパラメータとしては、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比の代わりに、制御中心空燃比、空燃比補正量、目標空燃比、燃料噴射弁１１からの燃料供給量等が挙げられる。
【０１００】
＜出力空燃比の補正に伴う問題点＞
図９に示したように、スカベンジ率の推定値Ｓｃにおける誤差がそれほど大きくない場合には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが過剰に補正され、その結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比が目標空燃比よりもリッチ側の空燃比になる。
【０１０１】
ここで、図４を参照して説明したように、本実施形態では、目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に繰り返し設定される。これに対して、実際の空燃比が目標空燃比よりもリッチ側の空燃比になると、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているにも関わらず、実際の空燃比が理論空燃比やリッチ空燃比になってしまう場合がある。
【０１０２】
また、図４に示した空燃比制御を行った場合、時刻ｔ1近傍や時刻ｔ3近傍において、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する。このとき、時刻ｔ1以前や時刻ｔ3以前において上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比が目標空燃比よりもリッチな空燃比であると、時刻ｔ1近傍や時刻ｔ3近傍において上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスの量が多くなる。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスの量も少ない方が好ましい。
【０１０３】
＜スカベンジ発生時の空燃比制御＞
そこで、本実施形態では、スカベンジが発生したときには、スカベンジが発生していないときに比べて、目標空燃比をリーン空燃比に設定しているときの目標空燃比のリーン度合いを大きくするようにしている。加えて、スカベンジが発生したときには、スカベンジが発生していないときに比べて、上述した切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆを増大させるようにしている。
【０１０４】
具体的には、本実施形態では、出力補正値に応じてリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎをリーン側に補正する補正値を変更するようにしている。図１０（Ａ）は、出力補正値と、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎのリーン側への補正値との関係を示している。図１０（Ａ）からわかるように、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎのリーン側への補正量は、出力補正値が大きくなるほど大きくなる。この結果、出力補正値が大きくなるほど、すなわち、スカベンジ率が高くなるほど、リーン設定空燃比のリーン度合いが大きくされる。
【０１０５】
また、本実施形態では、出力補正量に応じて切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆを変更するようにしている。図１０（Ｂ）は、出力補正値と切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに加算される補正量との関係を示している。図１０（Ｂ）からわかるように、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに加算される補正量は、出力補正値が大きくなるほど大きくなる。この結果、出力補正値が大きくなるほど、すなわちスカベンジ率が高くなるほど、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが増大せしめられる。
【０１０６】
図１１は、スカベンジ率の推定値Ｓｃ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のリーン側への補正値（出力補正値）、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側排気浄化触媒２０の出力空燃比ＡＦｕｐ、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。特に、図１１は、スカベンジ発生時における各パラメータの推移を示している。なお、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける破線は、上流側空燃比センサ４０周りを流れる排気ガスの実際の空燃比を示している。
【０１０７】
図１１に示したように、時刻ｔ3以前においては、スカベンジ率の推定値Ｓｃはゼロとなっており、スカベンジが発生していない。このため、時刻ｔ3以前においては、図４に示した制御と同様な制御が行われている。具体的には、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以下になると、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。このときのリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは第一リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1に設定されている。一方、時刻ｔ2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、すなわち上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値が切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達すると、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。このときの切替基準値ＯＥＤｒｅｆは第一切替基準値ＯＥＤｒｅｆ1に設定されており、よって切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが第一切替基準吸蔵量に設定されている。
【０１０８】
図１１に示した例では、時刻ｔ3以降、スカベンジが発生するように吸気弁６の開弁時期や排気弁８の閉弁時期等が制御される。これにより、時刻ｔ3以降、スカベンジ率の推定値Ｓｃが徐々に増大していく。また、これに伴って、図７（Ｃ）に示した関係に基づいて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに対する出力補正値が徐々に増大せしめられる。ここで、図１１に示した例では、スカベンジ率の推定値Ｓｃにそれほど大きな誤差は生じていない。このため、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは過剰にリーン側に補正されることになる。この結果、図１１に破線で示したように、出力補正値の増大に伴って、実際の空燃比が徐々にリッチ側に変化する。このため、時刻ｔ3以降、実際の排気ガスの空燃比は目標空燃比よりもリッチ側の空燃比となる。
【０１０９】
加えて、本実施形態では、時刻ｔ3以降、出力補正値の上昇に伴って、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが増大せしめられる。また、出力補正値の上昇に伴って、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが増大せしめられ、よって切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが増大せしめられる。
【０１１０】
その後、図１１に示した例では、時刻ｔ4において、スカベンジ率の推定値Ｓｃの上昇が止まり、時刻ｔ4以降、スカベンジ率の推定値Ｓｃは一定の値に維持される。これに伴って出力補正値も時刻ｔ4以降は一定に維持される。加えて、時刻ｔ4以降、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎも一定の第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2に維持される。さらに、切替基準値ＯＥＤｒｅｆも一定の第二切替基準値ＯＥＤｒｅｆ2に維持され、よって切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆも一定の第二切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2に維持される。第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ2は第一リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ1よりも大きい。また、第二切替基準値ＯＥＤｒｅｆ2は第一切替基準値ＯＥＤｒｅｆ1よりも多く、よって第二切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2は第一切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ1よりも多い。
【０１１１】
図１１からわかるように、時刻ｔ3以降も、図４に示した基本的な空燃比制御は継続される。したがって、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以下になったときには、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へと切り替えられる。このとき、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは、時刻ｔ3以前の値（ＡＦＣｌｅａｎ1）よりも大きな値（ＡＦＣｌｅａｎ2）とされる。この結果、時刻ｔ5以降の目標空燃比は時刻ｔ1〜ｔ2における目標空燃比よりもリーン度合いの大きい空燃比とされる。
【０１１２】
また、時刻ｔ5からの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達した時刻ｔ6には、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へと切り替えられる。このとき、切替基準値ＯＥＤｒｅｆは、時刻ｔ3以前の値（ＯＥＤｒｅｆ1）よりも大きな値（ＯＥＤｒｅｆ2）とされる。ここで、上述したように、図１１に示した例では、時刻ｔ3以降、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは実際の空燃比よりもリーン側の空燃比となっている。このため、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は上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡよりも多い。本実施形態では、時刻ｔ3以降の切替基準値ＯＥＤｒｅｆを時刻ｔ3以前の切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも大きくすることにより、スカベンジが発生しているときであっても上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡが本来の（補正前の）切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達するまで上流側排気浄化触媒２０へ酸素を吸蔵させることができるようになる。したがって、本実施形態では、スカベンジ率が変動しても、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの変動幅を一定に維持することができる。
【０１１３】
＜空燃比補正量設定制御のフローチャート＞
図１２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。
【０１１４】
図１２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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
図１３は、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ及び切替基準値ＯＥＤｒｅｆの補正制御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。
【０１１９】
図１３に示したように、まず、ステップＳ３１においてスカベンジの発生中であるか否かが判定される。スカベンジの発生中であるか否かは、例えば、オーバーラップ量や吸気通路内の圧力等に基づいて推定される。オーバーラップ量は吸気弁６の開弁時期及び排気弁８の閉弁時期に基づいて算出され、吸気通路内の圧力は圧力センサ５０によって検出される。ステップＳ３１において、スカベンジの発生中であると判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２では、例えば、オーバーラップ量等に基づいてスカベンジ率が推定される。次いで、ステップＳ３３では、ステップＳ３２で算出されたスカベンジ率の推定値Ｓｃに基づいて、図７（Ｃ）に示したようなマップを用いて、出力補正値が算出される。
【０１２０】
次いで、ステップＳ３４では、ステップＳ３３において算出された出力補正値に基づいて、図１０（Ａ）に示したようなマップを用いて、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの補正量ＫＡＦＣが算出される。加えて、ステップＳ３４では、ステップＳ３３において算出された出力補正値に基づいて、図１０（Ｂ）に示したようなマップを用いて、切替基準値ＯＥＤｒｅｆの補正量ＫＯＥＤが算出される。次いで、ステップＳ３５では、予め定められた基準リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎｂａｓｅにステップＳ３４で算出された補正量ＫＡＦＣを加算したものが、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。なお、基準リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎｂａｓｅは、スカベンジ率がゼロであるときに設定されるリーン設定補正量である。次いで、ステップＳ３６では、予め定められた基準切替基準値ＯＥＤｒｅｆｂａｓｅにステップＳ３４で算出された補正量ＫＯＥＤｒｅｆを加算したものが、切替基準値ＯＥＤｒｅｆとされ、制御ルーチンが終了せしめられる。なお、基準切替基準値ＯＥＤｒｅｆｂａｓｅはスカベンジ率がゼロであるときに設定される切替基準値である。
【０１２１】
一方、ステップＳ３１において、スカベンジの発生中ではない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、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが基準リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定される。加えて、ステップＳ３８では、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが基準切替基準値ＯＥＤｒｅｆｂａｓｅに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。このようにしてステップＳ３５及びＳ３７で算出されたリーン設定空燃比ＡＦＣｌｅａｎは図１２のステップＳ１５及びＳ１８において用いられる。また、ステップＳ３６及びＳ３８で算出された切替基準値ＯＥＤｒｅｆは、図１２のステップＳ１７において用いられる。
【０１２２】
＜変更例＞
ところで、上記実施形態では、図１０（Ａ）に示したように、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに対するリーン側への補正値を、出力補正値に基づいて、すなわちスカベンジ率の推定値Ｓｃに基づいて変更している。換言すると、上記実施形態では、出力補正値が一定である限り、すなわちスカベンジ率の推定値Ｓｃが一定である限り、リーン側への補正値は一定とされる。
【０１２３】
しかしながら、リーン側への補正値は出力補正値が一定であっても変更されるように設定されてもよい。例えば、図１１の時刻ｔ5において目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えた後に、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以下に維持される場合には、リーン側への補正値を段階的に一回又は複数回に亘って増大させるようにしてもよいし、連続的に増大させるようにしてもよい。
【０１２４】
具体的には、例えば、図１１の時刻ｔ5において目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えてからの経過時間や積算吸入空気量等が予め定められた値に到達するとリーン側への補正値が所定量だけ増大せしめられる。または、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えてから予め定められた時間が経過する毎に或いは積算吸入空気量が予め定められた量に到達する毎に、リーン側への補正値が所定量だけ増大せしめられる。或いは、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えてからの経過時間が長くなるほど或いは積算吸入空気量が多くなるほど、リーン側への補正値が増大せしめられる。したがって、本変更例では、リーン側への補正量は、出力補正値に加えて目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えてからの経過時間に基づいて変更せしめられる。
【０１２５】
このように目標空燃比を切り替えてからの経過時間に基づいてリーン側への補正量を変更することにより、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えた直後にリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが必要以上に急激にリーン側に補正されることが抑制される。一方、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えた後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以下に維持される場合には、目標空燃比をリーン空燃比に設定しているにも関わらず、実際の空燃比が理論空燃比以下となっていることが考えられる。このため、リーン側への補正値を徐々に増大させることにより、実際の空燃比が理論空燃比以下に維持されることが抑制される。
【符号の説明】
【０１２６】
１    機関本体
５    燃焼室
６    吸気弁
８    排気弁
１１    燃料噴射弁
１８    スロットル弁
２０    排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    空燃比センサ
１００    内燃機関
Ｂ、Ｃ    可変バルブタイミング機構
【図１】
2017057760.tif 000003
【図２】
2017057760.tif 000004
【図３】
2017057760.tif 000005
【図４】
2017057760.tif 000006
【図５】
2017057760.tif 000007
【図６】
2017057760.tif 000008
【図７】
2017057760.tif 000009
【図８】
2017057760.tif 000010
【図９】
2017057760.tif 000011
【図１０】
2017057760.tif 000012
【図１１】
2017057760.tif 000013
【図１２】
2017057760.tif 000014
【図１３】
2017057760.tif 000015