JP2015101992A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロに達したことを正確に検出し且つ検出に誤差が生じてもそれに伴う排気エミッションの悪化を抑制する。【解決手段】排気浄化触媒２０と下流側空燃比センサ４１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が目標空燃比となるように内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、目標空燃比の設定を行う目標空燃比設定手段と、排気浄化触媒の劣化度合いを検出する劣化度合い検出手段とを具備する。目標空燃比設定手段は、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている場合に下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になった時には、目標空燃比をリーン空燃比に切り替える。リッチ判定空燃比は、劣化度合い検出手段によって検出された劣化度合いが高くなるほど理論空燃比からの差が小さくなるように設定される。【選択図】図１０

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御する内燃機関の制御装置が広く知られている（例えば、特許文献１〜４を参照）。

斯かる制御装置が用いられる内燃機関では、排気通路内に設けられた酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒が用いられる。酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量（上限吸蔵量）とゼロ（下限吸蔵量）との間の適当な量であるときには、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）やＮＯｘ等を浄化することができる。すなわち、排気浄化触媒に理論空燃比よりもリッチ側の空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素により排気ガス中の未燃ガスが酸化浄化される。逆に、排気浄化触媒に理論空燃比よりもリーン側の空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気ガス中の酸素が排気浄化触媒に吸蔵される。これにより、排気浄化触媒表面上で酸素不足状態となり、これに伴って排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。その結果、排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が適当な量である限り、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比にかかわらず、排気ガスを浄化することができる。

そこで、斯かる制御装置では、排気浄化触媒における酸素吸蔵量を適切な量に維持すべく、排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に空燃比センサを設け、排気流れ方向下流側に酸素センサを設けるようにしている。これらセンサを用いて、制御装置は、上流側の空燃比センサの出力に基づいてこの空燃比センサの出力が目標空燃比に相当する目標値となるようにフィードバック制御を行う(例えば、特許文献１〜４）。加えて、下流側の酸素センサの出力に基づいて上流側の空燃比センサの目標値を補正する。なお、以下の説明では、排気流れ方向上流側を単に「上流側」と称し、排気流れ方向下流側を単に「下流側」と称する場合もある。

例えば、特許文献１に記載の制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上であって、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態であるときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下であって、排気浄化触媒の状態が酸素過剰状態であるときには、目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、酸素不足状態又は酸素過剰状態にあるときに、排気浄化触媒の状態を速やかにこれら両状態の中間の状態（すなわち、排気浄化触媒に適当な量の酸素が吸蔵されている状態）に戻すことができるとされている。

加えて、上記制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値と低側閾値との間にある場合、酸素センサの出力電圧が増大傾向にあるときには目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、酸素センサの出力電圧が減少傾向にあるときには目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態又は酸素過剰状態となることを未然に防止することができるとされている。

また、特許文献２に記載の制御装置では、エアフロメータ及び排気浄化触媒の上流側の空燃比センサ等の出力に基づいて、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を算出している。その上で、算出された酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量よりも多いときには排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比とし、算出された酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量よりも少ないときには目標空燃比をリーン空燃比としている。特許文献２によれば、これにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を目標酸素吸蔵量に一定に維持することができるとされている。

特開２０１１−０６９３３７号公報 特開２００１−２３４７８７号公報 特開平８−２３２７２３号公報 特開２００９−１６２１３９号公報

ところで、特許文献１に記載の制御では、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下になったときに、目標空燃比がリッチ空燃比とされる。このため、特許文献１に記載の制御では、排気浄化触媒から一時的に酸素及びＮＯｘが流出しているといえる。また、特許文献２に記載の制御を行っている場合、排気浄化触媒の酸素吸蔵量に関する推定誤差により、酸素吸蔵量が目標吸蔵量からずれ、結果的に排気浄化触媒から酸素及びＮＯｘが流出してしまうことがある。

そこで、本願の発明者らは、以下の内燃機関の制御装置を提案している。この制御装置では、排気浄化触媒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内燃機関の燃焼室に供給される燃料噴射量がフィードバック制御される。目標空燃比は、下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比になった時、すなわち排気浄化触媒の酸素吸蔵量がほぼゼロになって排気浄化触媒から未燃ガス等が流出し始めた時にリーン空燃比に切り替えられる。その後、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が所定の切替基準吸蔵量以上になったときに、目標空燃比は、リッチ空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比を制御することにより、排気浄化触媒からのＮＯｘ及び酸素の流出を抑制することができる。

上述した制御を行う際には、下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ空燃比になったことの判定（以下、「空燃比リッチ判定」という）は、具体的には、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リッチなリッチ判定空燃比以下になったときに行われる。このように理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比になったときに空燃比リッチ判定を行うようにしているのは、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がほぼゼロになっていなくても、下流側空燃比センサにおけるノイズ等の影響によりその出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチやリーンになる場合があるためである。

ところで、排気浄化触媒に流入する排気ガス中に水蒸気や未燃ガス等を含んでいる。白金等の貴金属を担持した排気浄化触媒では、水性シフト反応や水蒸気改質反応によりこれら水蒸気や未燃ガスから水素が生成される。一般に、排気ガス中の水素濃度が高いと、空燃比センサの出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりもリッチ側にずれてしまう。このため、排気浄化触媒で生成された水素が排気浄化触媒から流出すると、下流側空燃比センサの出力空燃比にずれが生じやすい。よって、リッチ判定空燃比を理論空燃比に近づけると、実際には排気浄化触媒の酸素吸蔵量はゼロになっておらず排気浄化触媒には未燃ガスの浄化能力があるにもかかわらず、排気ガス中の水素の存在により下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になってしまい、酸素吸蔵量がほぼゼロになったと判断してしまうことになる。したがって、斯かる観点からは、空燃比リッチ判定を行うにあたり、リッチ判定空燃比を理論空燃比からの差が大きくなるように設定することが好ましい。

一方、リッチ判定空燃比を理論空燃比からの差が大きくなるように設定すると、実際に排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロになって排気浄化触媒から流出する排気ガス中の未燃ガスの量が増えてきても、すぐにはそれを検出することができなくなる。すなわち、空燃比リッチ判定に遅れが生じ、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がほぼゼロになったことの検知に遅れが生じる。この結果、排気浄化触媒からの未燃ガス等の流出量が増大し、排気エミッションの悪化を招く可能性がある。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロに達したことをできるだけ正確に検出すると共に、検出に誤差が生じた場合であってもその誤差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の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサとを具備する内燃機関の制御装置において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、前記目標空燃比の設定を行う目標空燃比設定手段と、前記排気浄化触媒の劣化度合いを検出する劣化度合い検出手段とを具備し、前記目標空燃比設定手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に設定されている場合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ッチなリッチ判定空燃比以下になった時には、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、前記リッチ判定空燃比は、前記劣化度合い検出手段によって検出された劣化度合いが高くなるほど前記リッチ判定空燃比の理論空燃比からの差が小さくなるように設定される。

第２の発明では、第１の発明において、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該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、該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排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段とを更に具備し、前記目標空燃比設定手段は、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、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量が前記排気浄化触媒の新触時における最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の吸蔵量となった時には、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替える。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記劣化度合い検出手段は、前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量に基づいて劣化度合いを検出し、前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量は、前記目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で変化させるアクティブ制御を行うと共に、該アクティブ制御実行中に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下から理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になるまでの空燃比反転期間に前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素量、及び前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上から前記リッチ判定空燃比以下になるまでの空燃比反転期間に前記排気浄化触媒から放出された酸素量のうちの少なくとも一方に基づいて算出される。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記目標空燃比設定手段は、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以下になった時には、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替え、前記リーン判定空燃比は、前記劣化度合い検出手段によって検出された劣化度合いが変化しても変更されない。

第５の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記目標空燃比設定手段は、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以下になった時には、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替え、前記リーン判定空燃比は、前記劣化度合い検出手段によって検出された劣化度合いが高くなるほど前記リーン判定空燃比の理論空燃比からの差が小さくなるように設定される。

本発明によれば、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロに達したことをできるだけ正確に検出すると共に、検出に誤差が生じた場合であってもその誤差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の制御装置が提供される。

図１は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図２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３は、空燃比センサの概略的な断面図である。 図４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５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６は、内燃機関の通常運転時における、目標空燃比等のタイムチャートである。 図７は、内燃機関の通常運転時における、目標空燃比等のタイムチャートである。 図８は、上流側排気浄化触媒の劣化度合いに応じた下流側空燃比センサの出力空燃比の相違を示すタイムチャートである。 図９は、最大吸蔵可能酸素量とリッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比との関係を示す図である。 図１０は、上流側排気浄化触媒の劣化度合いに応じて判定空燃比を変更したときの、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。 図１１は、アクティブ空燃比制御を実行した際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図１２は、目標空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１３は、判定空燃比の設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の内燃機関の制御装置について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。図１は、本発明の第一実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。

＜内燃機関全体の説明＞
図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の内燃機関は他の燃料を用いても良い。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は吸気通路を形成する。また、吸気管１５内にはスロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は上流側排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側排気浄化触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これら空燃比センサ４０、４１の構成については後述する。

また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。

なお、本実施形態に係る内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、本発明に係る内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。例えば、本発明に係る内燃機関は、気筒数、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無、及び過給態様等が、上記内燃機関と異なるものであってもよい。

＜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基材に、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。

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。

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、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、図２（Ａ）に実線で示したように、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の濃度が上昇する。

一方、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、図２（Ｂ）に実線で示したように、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。

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。

＜空燃比センサの構成＞
次に、図３を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態における空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。

図３に示したように、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極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。

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には排気側電極５２が配置され、拡散律速層５４を介して排気ガスが導入せしめられる。固体電解質層５１の他方の側面上には、ヒータ５９を備えたヒータ部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（例えば、大気ガス）が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置される。

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。

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。

このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図４に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図４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４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。

図５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５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変化する。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。また、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。

なお、上記例では、空燃比センサ４０、４１として図３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、上流側空燃比センサ４０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。

＜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。本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比（上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に相当）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に相当する値となるようにフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力に相当する空燃比を意味する。

一方、本実施形態では、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。リーン設定空燃比は、理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６８〜１８、より好ましくは１４．７〜１６程度とされる。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ッチであるリッチ判定空燃比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。

目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ガス等の量）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上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを表しているといえる。

なお、酸素過不足量の算出は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、及びエアフロメータ３９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。
ＯＤＥ＝０．２３・Ｑｉ／（ＡＦｕｐ−１４．６） …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側排気浄化触媒２０の出力空燃比をそれぞれ表している。

このようにして算出された酸素過不足量が、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。なお、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。その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下となったときに、目標空燃比が再びリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。

このように本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比とリッチ設定空燃比とに交互に設定される。特に、本実施形態では、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差以上とされる。したがって、本実施形態では、目標空燃比は、短期間のリーン設定空燃比と、長期間のリッチ設定空燃比とに交互に設定されることになる。

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、一時的に上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が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、仮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。

＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図６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６は、本実施形態の空燃比制御を行った場合における、目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び積算酸素過不足量ΣＯＥＤのタイムチャートである。

図示した例では、時刻ｔ₁以前の状態では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとされている。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。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は含まれていないため、下流側空燃比センサの出力空燃比はほぼ理論空燃比となる。また、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比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。

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。

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、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ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。

時刻ｔ₂において、目標空燃比ＡＦＴをリーン設定空燃比ＡＦｌｅａｎ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。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上流側排気浄化触媒２０に流入する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。

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。

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、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。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。

ここで、図６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。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、このような遅れが生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡは基本的に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、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が実際に変化するまで遅延が生じても、酸素吸蔵量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。

時刻ｔ₃において目標空燃比ＡＦＴをリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ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。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上流側排気浄化触媒２０に流入する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）。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、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の排出はほぼゼロされる。

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、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ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。

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。

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６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。

なお、上記実施形態では、時刻ｔ₂〜ｔ₃において、目標空燃比ＡＦＴはリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに維持される。しかしながら、斯かる期間において、目標空燃比ＡＦＴ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、一時的に目標空燃比ＡＦＴをリッチ空燃比としてもよい。

同様に、上記実施形態では、時刻ｔ₃〜ｔ₅において、目標空燃比ＡＦＴはリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、目標空燃比ＡＦＴ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、一時的に目標空燃比ＡＦＴをリーン空燃比としてもよい。

ただし、この場合であっても、時刻ｔ₂〜ｔ₃における目標空燃比ＡＦＴ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。

なお、このような本実施形態における目標空燃比の設定は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆとなるまで、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的にリーン空燃比にすると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上となったときに、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しているといえる。

より簡単に言えば、本実施形態では、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比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をリッチ空燃比に切り替えているといえる。

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及び燃焼室５内への吸入空気量の推定値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。

次に、図７を参照して、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが低下している場合等における操作について具体的に説明する。図７は、最大吸蔵可能酸素量が切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以下のＣｍａｘ’に低下している場合における目標空燃比ＡＦＴ等のタイムチャートである。

図７に示した例でも、図６に示した例と同様に、時刻ｔ₁以前の状態では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとされている。加えて、図７に示した例でも、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に到達し、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。

時刻ｔ₂において、目標空燃比ＡＦＴをリーン設定空燃比ＡＦｌｅａｎ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。これに伴って、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に増大し、また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大していく。

図７に示した例では、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ’が切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりｍの少ない量にまで低下している。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する前に、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。よって、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に増大すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは時刻ｔ₃において最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ’近傍となり、これに伴って上流側排気浄化触媒２０に流入したＮＯｘ及び酸素の一部は上流側排気浄化触媒２０で吸蔵又は除去されずに流出し始める。これにより、時刻ｔ₃以降、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、時刻ｔ₄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に到達する。

本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを低減させるべく、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ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。

時刻ｔ₄において、目標空燃比ＡＦＴをリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈ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に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少する。その後、時刻ｔ₅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、時刻ｔ₆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、目標空燃比ＡＦＴをリッチ設定がリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ₁〜ｔ₆のサイクルが繰り返される。

なお、上述した例では、最大吸蔵可能酸素量が低下した場合を示している。しかしながら、それ以外にも一時的に上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスが変化して、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到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に到達する場合も存在する。このような場合においても、図７に示した制御と同様な制御を行うことができる。

＜触媒劣化に応じた出力空燃比の変化＞
ところで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにおける挙動は、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いに応じて変化する。以下、これについて、図２及び図８を参照して説明する。

図２を参照して説明したように、上流側排気浄化触媒２０の浄化作用は、その酸素吸蔵量に応じて変化する。この浄化作用は、劣化度合いの低い場合と、劣化度合いの高い場合とで異なるものとなる。図２中の実線は上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合を示しているのに対して、破線は劣化度合いが高い場合を示している。なお、図２では、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合の最大酸素吸蔵量をＣｍａｘで表しており、一方、劣化度合いが高い場合の最大酸素吸蔵量をＣｍａｘ’で表している。

上述したように、図２（Ａ）は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合を示している。この場合、劣化度合いにかかわらず、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ、Ｃｍａｘ’に近づくと、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの中の酸素及びＮＯｘの濃度が上昇する。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合（実線）には、酸素吸蔵量の増大に伴って排気ガス中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度が徐々に上昇している。これに対して、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合（破線）には、酸素吸蔵量の増大に伴って排気ガス中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度が急激に上昇する。

一方、図２（Ｂ）は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合を示している。この場合、劣化度合いに関わらず、酸素吸蔵量がゼロに近づくと、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の未燃ガス濃度が上昇する。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合（実線）には、酸素吸蔵量の減少に伴って排気ガス中の未燃ガス濃度が徐々に上昇している。これに対して、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合（破線）には、酸素吸蔵量の減少に伴って排気ガス中の未燃ガス濃度が急激に上昇する。

このように、酸素吸蔵量に対するＮＯｘや未燃ガスの浄化率は、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いに応じて変化する。この結果、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いに応じて、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量近傍又はゼロ近傍であるときにおける下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの挙動も変化する。

図８は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロに到達する前後における両センサ４０、４１の出力空燃比等のタイムチャートである。図示した例では、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ＡＦｒｉｃｈに到達し、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられた場合を示している。

図８からわかるように、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に到達して、目標空燃比がリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられても、すぐには出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比に収束しない。これは、目標空燃比を切り替えて燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が変更されても、その排気ガスが上流側排気浄化触媒２０に到達するまでには時間がかかることによるものである。

ここで、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合（図中の触媒劣化無し）には、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの低下に伴って、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。このため、出力空燃比ＡＦｄｗｎは時刻ｔ₁以降も急激には低下しない。これは、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出量が急激に増大してはいないことを意味している。これに対して、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合（図中の触媒劣化有り）には、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの低下に伴って、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが急激に低下する。特に、出力空燃比ＡＦｄｗｎは時刻ｔ₁以降に急激に低下する。これは、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出量が急激に増大することを意味している。

上記説明では、酸素吸蔵量ＯＳＡが減少した場合について説明しているが、酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍にまで増大した場合にもいえる。したがって、特に、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合を考慮すると、上流側排気浄化触媒２０から流出した排気ガスの空燃比がリッチ空燃比及びリーン空燃比になったことの検出はできるだけ早く行うことが必要である。換言すると、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、できるだけ理論空燃比からの差が小さくなるように設定されることが必要である。

一方、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスは水蒸気及び未燃ガスを含んでいる。このため、白金等の貴金属を担持した上流側排気浄化触媒２０では、水性シフト反応や水蒸気改質反応によりこれら水蒸気や未燃ガスから水素が生成される。水素は、空燃比センサの拡散律速層５４の通過速度が速いため、排気ガス中の水素濃度が高いと、空燃比センサの出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりもリッチ側にずれてしまう。このため、上流側排気浄化触媒２０で生成された水素が上流側排気浄化触媒２０から流出すると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにずれが生じやすい。

特に、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低いときには、白金の触媒作用が低下していないことから、水素の生成量が多くなる。この結果、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低いときには、図８に破線で示したように、排気ガスの実際の空燃比が理論空燃比であるにもかかわらず下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比から大きくずれてしまう場合がある。この場合、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈの設定によっては、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下となり、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であると誤判定されてしまう。

ただし、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高いときには、白金の触媒作用が低下しているため、水素の生成量は少ない。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにずれが生じた場合であっても、図８に破線で示したように理論空燃比からのずれは比較的小さいものとなる。

＜判定空燃比の設定＞
そこで、本発明の実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いに応じて、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比を設定するようにしている。具体的には、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高くなるほど、理論空燃比からの差が小さくなるように設定される。

特に、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いを示す指標として、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを用いている。最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが多いほど上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いは低いということができる。このため、本実施形態では、図９に示したように、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが多いときには、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは理論空燃比からの差が大きいものとされる。一方、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが減少するにつれて、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、理論空燃比からの差が小さくされる。

特に、本実施形態では、各最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘにおいて、理論空燃比からリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまでの差と、理論空燃比からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまでの差とは等しいものとされる。しかしながら、両者の差は必ずしも等しくなくてもよい。例えば、理論空燃比からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまでの差は、最大吸蔵可能酸素量が如何なる量であっても、或いは最大吸蔵可能量が多い領域において、理論空燃比からリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまでの差よりも小さくてもよい。

図１０は、上述したようにリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎを設定した場合における目標空燃比等のタイムチャートである。図の中央の波線よりも左側は、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合、すなわち最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが多い場合を示している。一方、波線よりも右側は、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合、すなわち最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが少ない場合を示している。

上述したように、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合、すなわち最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが多い場合には、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、理論空燃比からの差が大きく設定される。このため、図１０に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにずれが生じていても、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロ近傍にならない限りは、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になることはない。同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにずれが生じていても、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍にならない限りは、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になることはない。この結果、排気ガスの実際の空燃比が理論空燃比であるにもかかわらず排気ガスの空燃比をリッチ空燃比又はリーン空燃比であると誤判定してしまうことが抑制される。

一方、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが低い場合には、上述したように酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロ近傍に低下しても下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが急激に低下することはない。したがって、図１０に示したように、時刻ｔ₂において、目標空燃比ＡＦＴをリーン設定空燃比ＡＦＴに切り替えた後も、出力空燃比ＡＦｄｗｎは徐々に低下する。このため、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎを理論空燃比からの差が大きく設定しても、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出量は比較的少なく抑えられる。

一方、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合、すなわち最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘが少ない場合には、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、理論空燃比からの差が小さくなるように設定される。ここで、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合には、上述したように酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロ近傍に低下すると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが急激に低下する。これに対して、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは、図１０のｔ₆において低下し始めてからすぐにリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達することになる。このため、目標空燃比のリーン設定空燃比ＡＦＴへの切替を早いタイミングで行うことができる。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはそれほど低下する前に上昇し始める。したがって、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出量を比較的少なく抑えることができる。

一方、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが高い場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに生じるずれは小さい。このため、図１０に示したように、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈを理論空燃比からの差が小さくなるように設定しても、排気ガスの実際の空燃比がほぼ理論空燃比であるときには下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈには到達しない。このため、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈを理論空燃比からの差が小さくなるように設定しても、誤判定してしまうことが抑制される。

したがって、本発明の実施形態によれば、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎを上述したように設定することにより、誤判定を抑制しつつ、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出量を少なく抑えることができる。

なお、上記実施形態では、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比の両方を最大吸蔵可能酸素量に応じて変化させている。しかしながら、リッチ判定空燃比のみを最大吸蔵可能酸素量に応じて変化させて、リーン判定空燃比は最大吸蔵可能酸素量にかかわらず一定としてもよい。これは、リーン判定空燃比は、排気ガス中の水素の影響を受けにくいためである。この場合、図９に破線で示したように、リーン判定空燃比の理論空燃比からの差は、リッチ空燃比の理論空燃比からの最も小さい差と同程度とされるのが好ましい。

＜最大吸蔵可能酸素量の推定＞
次に、図１１を参照して、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの推定方法について説明する。本実施形態では、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの推定を行うにあたって、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えるアクティブ空燃比制御が行われる。特に、アクティブ空燃比制御では、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になるまでリーン空燃比とされると共に、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈになるまでリッチ空燃比とされる。

そして、このようなアクティブ空燃比制御を行った結果、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以下からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上に変化するまでの空燃比反転期間における積算酸素過不足量（すなわち、当該空燃比反転期間中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素量）が最大吸蔵可能酸素量として算出される。或いは、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以上からリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に変化するまで空燃比反転期間における積算酸素過不足量（すなわち、当該空燃比反転期間中に上流側排気浄化触媒２０から放出された酸素量）が最大吸蔵可能酸素量として算出される。

図１１は、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを推定するにあたってアクティブ空燃比制御を実行した際の、目標空燃比等のタイムチャートである。図１１に示した例では、時刻ｔ₁においてアクティブ空燃比制御が開始される。本実施形態のアクティブ空燃比制御では、目標空燃比ＡＦＴが、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりもリッチなアクティブ時リッチ設定空燃比ＡＦＴｇｒｉｃｈと、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとに交互に設定される。

図示した例では、まず、目標空燃比ＡＦＴがアクティブ時リッチ設定空燃比ＡＦＴｇｒｉｃｈに設定される。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のリッチ度合いが高くなると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度が増加する。なお、アクティブ時リッチ設定空燃比ＡＦＴｇｒｉｃｈは、リッチ設定空燃比とほぼ同一又はこれよりもリーンな空燃比とされてもよい。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少していき、酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロ近傍になると、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始める。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に達する。そこで、本実施形態では、時刻ｔ₂において、目標空燃比ＡＦｔがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。また、時刻ｔ₂において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは０にリセットされる。なお、アクティブ空燃比制御中におけるリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎは、アクティブ空燃比制御を実行していないときのリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとは異なる空燃比であってもよい。

時刻ｔ₂において、目標空燃比が切り替えられると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に増加する。また、これに伴って、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増加していく。その後、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍になると、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘ及び酸素が流出し始める。その結果、時刻ｔ₃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に達する。そこで、本実施形態では、時刻ｔ₃において、目標空燃比がアクティブ時リッチ設定空燃比ＡＦＴｇｒｉｃｈへと切り替えられる。また、このときにも、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは０にリセットされる。

時刻ｔ₃において目標空燃比が切り替えられると、その後は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量等は、時刻ｔ₁〜ｔ₂と同様に推移し、時刻ｔ₄において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが再びリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達する。本実施形態では、これによりアクティブ空燃比制御が終了せしめられ、通常運転が再開され、図６及び図７に示した目標空燃比の制御が再開される。

ここで、時刻ｔ₃における積算酸素過不足量ΣＯＥＤ及び時刻ｔ₄における積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（より正確には、その絶対値）は、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを表している。そこで、本実施形態では、これら時刻ｔ₃、ｔ₄における積算酸素過不足量ΣＯＥＤの平均値を最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの推定値として算出する。このようにして算出された最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに基づいて、上述したようにリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎが設定される。

なお、上記実施形態では、アクティブ空燃比制御中の積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて最大吸蔵可能酸素量が算出されている。しかしながら、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、これとは異なる方法によって算出されてもよい。また、上記実施形態では、積算酸素過不足量に基づいて上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いが判定されている。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の劣化度合いの判定はこれとは異なる方法で行われてもよい。

＜フローチャート＞
図１２は、目標空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図１２に示したように、まず、ステップＳ１１において目標空燃比ＡＦＴの設定条件が成立しているか否かが判定される。目標空燃比ＡＦＴの設定条件が成立している場合とは、通常制御中であること、例えば燃料カット制御中やアクティブ空燃比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設定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。ステップＳ１２では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び燃料噴射量Ｑｉに基づいて積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。

次いでステップＳ１３において、リーン設定フラグＦｌが０に設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定されたときには１とされ、それ以外のときには０とされるフラグである。ステップＳ１３においてリーン設定フラグＦｌが０に設定されている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、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、次の制御ルーチンではステップＳ１４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、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとされる。次いで、ステップＳ１６では、リーン設定フラグＦｌが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

次の制御ルーチンにおいては、ステップＳ１３において、リーン設定フラグＦｌが０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、ステップＳ１２で算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが判定基準値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が判定基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないと判定された場合にはステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８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、すなわち酸素吸蔵量ＯＳＣが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に到達しているか否かが判定される。ステップＳ１８において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、目標空燃比ＡＦＴが引き続きリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとされる。

一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増大すると、やがてステップＳ１７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが判定基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定され、ステップＳ２０へと進む。或いは、酸素吸蔵量ＯＳＣが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に到達すると、ステップＳ１８において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であると判定され、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとされ、次いで、ステップＳ２０では、リーン設定フラグＦｌが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

図１３は、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比の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に示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図１３に示したように、まず、ステップＳ３１において、アクティブフラグＦａが０であるか否かが判定される。アクティブフラグＦａはアクティブ空燃比制御が実行されているときに１とされ、それ以外のときに０とされるフラグである。ステップＳ３１において、アクティブフラグＦａが０に設定されていると判定されたときにはステップＳ３２へと進む。

ステップＳ３２では、アクティブ空燃比制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。アクティブ空燃比制御の実行条件が成立しているときとは、例えば、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされてから未だアクティブ空燃比制御が実行されておらず、且つ燃料カット制御等が実行されていないときである。ステップＳ３２においてアクティブ空燃比制御の実行条件が成立していないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３２においてアクティブ空燃比制御の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ３３において、図１２に示した目標空燃比設定制御が停止せしめられると共に目標空燃比がアクティブ時リッチ設定空燃比ＡＦＴｇｒｉｃｈとされる。次いで、ステップＳ３４においてアクティブフラグＦａが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

次の制御ルーチンでは、アクティブフラグＦａが１にセットされているため、ステップＳ３１からステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５ではリーンフラグＦｌが０であるか否かが判定される。リーンフラグＦｌは図１２のリーン設定フラグと同様に目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定されているときに１とされ、それ以外のときには０とされるフラグである。ステップＳ３５において、リーンフラグＦｌが０に設定されていると判定された場合には、ステップＳ３６へと進む。ステップＳ３６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、すなわち上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がゼロ近傍に達したか否かが判定される。出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ３６において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定された場合には、ステップＳ３７へと進む。ステップＳ３７では、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとされ、次いで、ステップＳ３８ではリーンフラグＦｌが１にセットされる。

次の制御ルーチンでは、リーンフラグＦｌが０に設定されていないため、ステップＳ３５からステップＳ３９へと進む。ステップＳ３９では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ以上であるか否か、すなわち上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に達したか否かが判定される。出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ４０へと進む。ステップＳ４０では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに現在の酸素過不足量ＯＥＤを加算したものが、新たな積算酸素過不足量ΣＯＥＤとされる。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に達して、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ以上になると、次の制御ルーチンではステップＳ３９からステップＳ４１へと進む。ステップＳ４１では、前回の制御ルーチンにおいてステップＳ４０で算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを表している）に基づいて図８に示したようなマップを用いてリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎが設定される。次いで、ステップＳ４２において、アクティブフラグＦａ及びリーンフラグＦｌが０にリセットされ、次いで、ステップＳ４３において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。

なお、図１３に示した制御ルーチンは、図１１の時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までの積算酸素過不足量ΣＯＥＤのみに基づいて最大吸蔵可能酸素量ＯＥＤを推定した例を示している。

１ 機関本体
５ 燃焼室
７ 吸気ポート
９ 排気ポート
１９ 排気マニホルド
２０ 上流側排気浄化触媒
２４ 下流側排気浄化触媒
３１ ＥＣＵ
４０ 上流側空燃比センサ
４１ 下流側空燃比センサ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサとを具備する内燃機関の制御装置において、
   前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、前記目標空燃比の設定を行う目標空燃比設定手段と、前記排気浄化触媒の劣化度合いを検出する劣化度合い検出手段とを具備し、
   前記目標空燃比設定手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に設定されている場合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ッチなリッチ判定空燃比以下になった時には、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替え、
   前記リッチ判定空燃比は、前記劣化度合い検出手段によって検出された劣化度合いが高くなるほど前記リッチ判定空燃比の理論空燃比からの差が小さくなるように設定される、内燃機関の制御装置。
2. 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該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、該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排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段とを更に具備し、
   前記目標空燃比設定手段は、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、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定される酸素吸蔵量が前記排気浄化触媒の新触時における最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の吸蔵量となった時には、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記劣化度合い検出手段は、前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量に基づいて劣化度合いを検出し、
   前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量は、前記目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で変化させるアクティブ制御を行うと共に、該アクティブ制御実行中に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下から理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になるまでの空燃比反転期間に前記排気浄化触媒に吸蔵された酸素量、及び前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上から前記リッチ判定空燃比以下になるまでの空燃比反転期間に前記排気浄化触媒から放出された酸素量のうちの少なくとも一方に基づいて算出される、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記目標空燃比設定手段は、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以下になった時には、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替え、
   前記リーン判定空燃比は、前記劣化度合い検出手段によって検出された劣化度合いが変化しても変更されない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記目標空燃比設定手段は、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以下になった時には、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替え、
   前記リーン判定空燃比は、前記劣化度合い検出手段によって検出された劣化度合いが高くなるほど前記リーン判定空燃比の理論空燃比からの差が小さくなるように設定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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