JP2015229995A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】下流側触媒の酸素吸蔵量がゼロまで減少してしまうことを効果的に抑制することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関は、上流側触媒２０と、下流側触媒２４と、これらの間に配置された下流側空燃比センサ４１とを具備する。制御装置は、上流側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フィードバック制御し、下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比をリーン空燃比に切り替え且つ上流側触媒の酸素吸蔵量が切替基準吸蔵量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る空燃比制御を行う。下流側触媒の酸素吸蔵量が下限吸蔵量以下になったときには、下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になる頻度が少なくなるように空燃比制御におけるパラメータが設定される。【選択図】図８

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上流側排気浄化触媒を設けると共に、この上流側排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において排気通路に下流側排気浄化触媒を設けた内燃機関が広く知られている（例えば、特許文献１）。斯かる内燃機関では、上流側排気浄化触媒によって浄化されなかった未燃ガス（未燃ＨＣやＣＯ等）やＮＯｘ等が下流側排気浄化触媒にて浄化され、その結果、内燃機関から排出される排気ガス中の未燃ガス及びＮＯｘを適切に浄化することができるようになる。

例えば、特許文献１に記載された装置では、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、上流側排気浄化触媒の状態が酸素不足状態であるときには、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）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、上流側排気浄化触媒の状態が酸素過剰状態であるときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）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、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、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。

そして、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上である場合には、上流側排気浄化触媒からはリーン空燃比の排気ガスが流出している。したがって、この場合、上流側排気浄化触媒からはＮＯｘを含む排気ガスが流出する。一方、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下である場合には、上流側排気浄化触媒からはリッチ空燃比の排気ガスが流出している。したがって、この場合、上流側排気浄化触媒からは未燃ガスを含む排気ガスが流出する。このように上流側排気浄化触媒からＮＯｘ又は未燃ガスを含む排気ガスが流出した場合には、排気ガス中のこれら成分は下流側排気浄化触媒において浄化されることになる。

特開２０１１−０６９３３７号公報 特開２００５−２９９４３０号公報

ところで、本願の発明者らによれば、上流側排気浄化触媒の排気下流側に下流側空燃比センサを設けると共に、この下流側空燃比センサの出力に基づいて上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比を以下のように制御することが提案されている。すなわち、下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられる。加えて、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量がその最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準吸蔵量以上になったときに、目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。このような制御を行うことにより、下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン空燃比になることがほとんどなくなる。すなわち、上流側排気浄化触媒からのＮＯｘ流出量が減少せしめられる。

このような制御を行った場合、上流側排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比、すなわち下流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比は、基本的にほぼ理論空燃比となり、一時的にリッチ空燃比となる。しかしながら、下流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になることはほとんどない。このように、下流側排気浄化触媒にリーン空燃比の排気ガスが流入しないと、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量は徐々に低下する。特に、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量は燃料カット制御が行われると最大吸蔵可能酸素量まで回復するが、この燃料カット制御が長期間に亘って実行されないと下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量はやがてほぼゼロに到達する。この場合、上流側排気浄化触媒から一時的にリッチ空燃比の排気ガスが流出しても、もはや下流側排気浄化触媒において排気ガス中の未燃ガスを十分に浄化することができない。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロまで減少してしまうことを効果的に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設けられると共に酸素を吸蔵可能な上流側排気浄化触媒と、該上流側排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒と、前記上流側排気浄化触媒の排気流れ方向下流側であって前記下流側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上流側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、前記下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段とを具備する内燃機関の制御装置において、前記上流側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と共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記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且つ前記上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量がその最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準吸蔵量以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える空燃比制御を行い、前記吸蔵量推定手段によって推定された吸蔵量が所定の下限吸蔵量以下になったときには、該下限吸蔵量よりも多いときに比べて、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になる頻度が少なくなるように前記空燃比制御におけるパラメータが設定される、内燃機関の制御装置が提供される。

本発明によれば、下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量がゼロまで減少してしまうことを効果的に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、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４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５は、空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図６は、空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図７は、空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図８は、本発明の空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図９は、本発明の空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図１０は、本発明の空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図１１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１２は、切替基準値、リッチ設定空燃比及びリーン設定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、吸蔵量回復制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。

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。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１において、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、本実施形態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（上流側空燃比検出装置）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（下流側空燃比検出装置）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。

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。一方、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。

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。一方、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。

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。

＜空燃比センサの出力特性＞
次に、図３及び図４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３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４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。

図３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３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ₁₈、Ｉ₁₈で示している。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。

図４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４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに（比例するように）変化する。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。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。

＜基本的な空燃比制御＞
次に、本実施形態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。

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に設定され、その後、その空燃比に維持される。ここで、リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、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。

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ＯＳＡｓｃ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、及び上流側排気浄化触媒２０を流通する排気ガスの流量又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスにおける酸素過不足量ＯＥＤｓｃは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤｓｃ＝０．２３・Ｑｉ／（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ） …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）をそれぞれ表している。なお、上流側排気浄化触媒２０を流通する排気ガスの流量は、例えば、エアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量に基づいて算出される。このため、酸素過不足量ＯＥＤｓｃの算出は、燃焼室５内への吸入空気量に基づいて行われるということもできる。

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に設定されていた目標空燃比が、リッチ設定空燃比に設定され、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。

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。

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、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（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。なお、リーン判定空燃比は、その理論空燃比との差がリッチ判定空燃比と理論空燃比との差に等しくなるように設定される。

＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図５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５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ＯＳＡｓｃ、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ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。

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ＡＦｕｐ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ＯＳＡｓｃは徐々に減少していく。したがって、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃ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４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。

上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは時刻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ＯＳＡｓｃ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ΣＯＥＤｓｃは０にリセットされる。

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、目標空燃比ＡＦＴ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ＯＳＡｓｃが十分であっても、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比から極わずかにずれてしまう場合があるためである。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが十分であるときには上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。

時刻ｔ₂において、目標空燃比ＡＦＴをリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ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ＯＳＡｓｃは増大する。また、これに伴って、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃも徐々に増大していく。

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。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増大すると、時刻ｔ₃において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃが、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当する切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、上流側排気浄化触媒２０への酸素の吸蔵を中止すべく、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ΣＯＥＤｓｃが０にリセットされる。

ここで、図５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ＯＳＡｓｃ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ＯＳＡｓｃ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、上流側排気浄化触媒２０に流入する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。

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が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘや、ＮＯｘ等が急激に流出し易くなる流出増大吸蔵量（図２（Ａ）のＣｕｐｌｉｍ）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ＯＳＡｓｃは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘや流出増大吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍ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ＯＳＡｓｃが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘや流出増大吸蔵量Ｃｌｕｐｌｉｍ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が新品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ＯＳＡｓｃ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ΣＯＥＤｓｃを算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤｓｃの算出誤差によりＮＯｘが排出されてしまうことが抑制される。

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５に示したように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは常に上下に変動しているため、酸素吸蔵能力が低下することが抑制される。

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０よりも小さな値（例えば、リッチ設定補正量等）としてもよい。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。

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、図６に示したように、時刻ｔ₃〜ｔ₅の期間中において、一時的に目標空燃比ＡＦＴを０よりも大きな値（例えば、リーン設定補正量等）としてもよい（図６の時刻ｔ₆、ｔ₇等）。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。

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の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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いえる。加えて、ＥＣＵ３１は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上となったときに、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに達することなく、また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比に達することなく、下流側排気浄化触媒２４の出力空燃比が下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下となるまで、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の出力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ＯＳＡｓｃ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ΣＯＥＤｓｃ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ＯＳＡｓｃ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ΣＯＥＤｓｃ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ＯＳＡｓｃ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。

＜下流側排気浄化触媒を考慮した制御の説明＞
また、本実施形態では、上述したように、上流側排気浄化触媒２０に加えて下流側排気浄化触媒２４も設けられている。下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは或る程度の期間毎に行われる燃料カット制御によって最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の値とされる。このため、例えば、図５の時刻ｔ₂や時刻ｔ₄において、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスを含んだ排気ガスが流出したとしても、これら流出した未燃ガスは下流側排気浄化触媒２４において酸化浄化される。

なお、燃料カット制御とは、内燃機関を搭載する車両の減速時等において、クランクシャフトやピストン３が運動している状態（すなわち内燃機関の作動中）であっても、燃料噴射弁１１から燃料の噴射を行わない制御である。この制御を行うと、両排気浄化触媒２０、２４には多量の空気が流入することになる。

図７に示した例では、時刻ｔ₁以前において、燃料カット制御が行われている。このため、時刻ｔ₁以前において、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の値となっている。また、時刻ｔ₁以前においては、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比に保たれる。このため、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは一定に維持される。

図７に示した例では、その後、時刻ｔ₁〜ｔ₃において、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっている。このため、下流側排気浄化触媒２４には、未燃ガスを含む排気ガスが流入する。

上述したように、下流側排気浄化触媒２４には時刻ｔ₁以前において多量の酸素が吸蔵されているため、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に未燃ガスが含まれていると、吸蔵されている酸素により未燃ガスが酸化浄化される。また、これに伴って、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは減少する。ただし、時刻ｔ₁〜ｔ₃において上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスはそれほど多くないため、この間の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの減少量はわずかである。このため、時刻ｔ₁〜ｔ₃において上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスは全て下流側排気浄化触媒２４において還元浄化される。

時刻ｔ₄以降についても、或る程度の時間間隔毎に時刻ｔ₁〜ｔ₃における場合と同様に、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出する。このようにして流出した未燃ガスは基本的に下流側排気浄化触媒２４に吸蔵されている酸素により還元浄化される。この結果、図７に示したように、上流側排気浄化触媒２０から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度は常にほぼゼロとされると共に、下流側排気浄化触媒２４から排出される排気ガス中の未燃ガス濃度は常にほぼゼロとされる。この結果、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度及び未燃ガス濃度は基本的に常にほぼゼロとされる。

＜燃料カット制御と酸素吸蔵量＞
ところで、上述した燃料カット制御は、内燃機関を搭載した車両の減速時等に行われ、具体的には所定の実行条件を満たすときに実行される。斯かる実行条件としては、例えば、以下の二つがあげられる。一つは、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロであること、すなわち負荷センサ４３によって検出される機関負荷Ｌがゼロであることである。もう一つは、クランク角センサ４４の出力に基づいて算出される機関回転数が所定の最低基準回転数（例えば、２０００ｒｐｍ）以上であることである。

したがって、燃料カット制御は必ずしも一定時間間隔等で行われるわけではない。このため、場合によっては、長期間に亘って燃料カット制御が行われないこともある。このような場合、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出が繰り返し行われると、ついには下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロに達する。下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロに達すると、下流側排気浄化触媒２４によってはそれ以上未燃ガスを浄化することができなくなり、下流側排気浄化触媒２４から未燃ガスが流出することになる。

＜空燃比制御における各種パラメータの変更＞
そこで、本発明の実施形態では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃに基づいて、上述した空燃比制御におけるパラメータを変更するようにしている。特に、本実施形態では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが少なくなると、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以下になる頻度が少なくなるように、空燃比制御におけるパラメータが設定される。

なお、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃも、上流側排気浄化触媒２０と同様に、下流側排気浄化触媒２４へ流入する排気ガスの積算酸素過不足量に基づいて算出される。また、酸素過不足量の算出は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ、及び下流側排気浄化触媒２４を流通する排気ガスの流量等に基づいて行われる。

図８は、本実施形態の空燃比制御を行う際における目標空燃比等の、図５と同様なタイムチャートである。図８に示した例では、時刻ｔ₄まで、図５に示した例と同様な制御が行われている。したがって、時刻ｔ₁、ｔ₃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、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₁からリーン設定空燃比ＡＦＴｌ₁（以下、「通常時リーン設定空燃比」という）に切り替えられる。一方、時刻ｔ₂において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₁（以下、「通常時切替基準吸蔵量」という）に到達す（以下、という）ると、すなわち時刻ｔ₁からの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁（以下、「通常時切替基準値」という）に到達すると、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₁（以下、「通常時リッチ設定空燃比」という）に切り替えられる。

燃料カット制御等を行うことなくこのような制御が継続されると、上述したように下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが徐々に減少していく。この結果、図８に示した例では、時刻ｔ₄において、予め定められた下限吸蔵量Ｃｌｏｗに到達する。この下限吸蔵量Ｃｌｏｗは、例えば、上流側排気浄化触媒２０が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの４／５以下且つ１／１０以上、好ましくは２／３以下且つ１／５以上、より好ましくは１／２以下且つ１／３以上とされる。

このように、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下限吸蔵量Ｃｌｏｗ以下になった時刻ｔ₄では、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ及び切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが変更せしめられる。具体的には、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈは、通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₁からこれよりもリッチ度合いの低い（空燃比の高い）遅延時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₂へと切り替えられる。また、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎは、通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₁からこれよりもリーン度合いの低い（空燃比の低い）遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂へと切り替えられる。さらに、本実施形態では、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが、時刻ｔ₄以前の通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₁から遅延時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₂へと切り替えられる。したがって、切替基準値ＯＥＤｒｅｆも、通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₁に相当する通常時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁から、遅延時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₂に相当する遅延時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂へと切り替えられる。

このようにリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ及び切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが変更せしめられた結果、まず時刻ｔ₄においては、目標空燃比が通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₁から遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂へと切り替えられる。遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂のリーン度合いは通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₁のリーン度合いよりも低いため、時刻ｔ₄以降は上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵ＯＳＡｓｃの増加速度が減少せしめられる。その後、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが通常時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁に到達しても、目標空燃比は遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂のまま維持される。

そして、時刻ｔ₅において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが通常時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁よりも多い遅延時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂に到達すると、目標空燃比が遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂から遅延時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₂へと切り替えられる。ここで、本実施形態では、時刻ｔ₄以降では切替基準値が遅延時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂に設定され且つリーン設定空燃比が遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂に設定されることから、目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられるタイミング（時刻ｔ₅）が遅くなる。

その後、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に到達するまで、目標空燃比は遅延時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₂に維持される。その後、時刻ｔ₆において、目標空燃比は、遅延時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₂から遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂に切り替えられる。このときにも切替基準値が遅延時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂に設定され且つリッチ設定空燃比が遅延時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₂に設定されることから、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられるタイミング(時刻ｔ₆）が遅くなる。その後、燃料カット制御等が実行されることにより下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが回復するまで、斯かる制御が繰り返される。

このように、本実施形態によれば、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが増大すると、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎの理論空燃比からの偏差が小さくされると共に、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが増大せしめられる。この結果、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時間間隔、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以下になる時間間隔が長くなる。図８に示した例では、時刻ｔ₁から時刻ｔ₃までの時間間隔よりも、時刻ｔ₃から時刻ｔ₆までの時間間隔又は時刻ｔ₆から時刻ｔ₈までの時間間隔の方が長くなる。よって、本実施形態では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが増大すると、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以下になる頻度が少なくされる。

このように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる頻度が少なくなると、下流側排気浄化触媒２４に流入する未燃ガスの量が少なくなり、その結果、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの減少速度が低下する。このため、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロに到達するのが遅くなり、よって酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロに到達する前に燃料カット制御等により酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが増大され易くなる。したがって、本実施形態によれば、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロまで減少してしまうことを抑制することができる。

なお、上記実施形態では、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ及び切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが二段階に切り替えられている。しかしながら、これらパラメータは必ずしも二段階に切り替えられる必要はなく、三段階以上の複数回にわたって徐々に切り替えられてもよいし、時間経過と共に連続的に変化させられてもよい。この場合、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎは、時間の経過に伴って理論空燃比からの偏差が徐々に小さくされ、また、切替基準吸蔵量は、時間の経過に伴って徐々に増大せしめられる。

また、上記実施形態では、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ及び切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆの全てを時刻ｔ₄において切り替えている。しかしながら、必ずしもこれらパラメータの全てを切り替える必要はなく、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ及び切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆのうちの少なくともいずれか一つを切り替えればよい。

図９は、時刻ｔ₄において、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆのみを切り替えた場合を示している。図９に示した例では、時刻ｔ₄において、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが通常時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁から遅延時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂へと切り替えられている。しかしながら、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎは時刻ｔ₄において切り替えられず、それぞれ通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₁及び通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₁のまま維持される。

図１０は、時刻ｔ₄において、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎのみを切り替えた場合を示している。図１０に示した例では、時刻ｔ₄において、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎが通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₁から遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂へと切り替えられている。しかしながら、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及び切替基準値ＯＥＤｒｅｆは時刻ｔ₄において切り替えられず、それぞれリッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₁及び切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁のまま維持される。

＜フローチャート＞
図１１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１１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ＯＳＡ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ＯＳＡ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Ｓ２１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１２は、切替基準値、リッチ設定空燃比及びリーン設定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。

まず、ステップＳ３１において、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下限吸蔵量Ｃｌｏｗ以上であるか否かが判定される。下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下限吸蔵量Ｃｌｏｗ以上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、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが通常時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁に設定される。したがって、図１１に示したフローチャートのステップＳ１７において、切替基準値ＯＥＤｒｅｆとして通常時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁が用いられる。

次いで、ステップＳ３３ではリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈが通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₁とさる。したがって、図１１に示したフローチャートのステップＳ２０において、目標空燃比は、通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₁とさる。次いで、ステップＳ３４においてリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎが通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₁とされる。したがって、図１１に示したフローチャートのステップＳ１５、１９において、目標空燃比は、通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₁とされる。

一方、ステップＳ３１において、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下限吸蔵量Ｃｌｏｗよりも少ないと判定された場合には、ステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが遅延時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂に設定される。したがって、図１１に示したフローチャートのステップＳ１７において、切替基準値ＯＥＤｒｅｆとして遅延時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂が用いられる。

次いで、ステップＳ３６では、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈが遅延時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₂とさる。したがって、図１１に示したフローチャートのステップＳ２０において、目標空燃比は、遅延時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₂とされる。次いで、ステップＳ３７においてリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎが遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂とされる。したがって、図１１に示したフローチャートのステップＳ１５、１９において、目標空燃比は、遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂とされる。

＜第二実施形態＞
次に、図１３を参照して、本発明の第二実施形態に係る制御装置について説明する。第二実施形態の制御装置における構成及び制御は、基本的に第一実施形態の制御装置における構成及び制御と同様である。しかしながら、第二実施形態の制御装置では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが下限吸蔵量Ｃｌｏｗよりも少ない最下限吸蔵量Ｃｍｉｎに到達すると、目標空燃比をリーン空燃比に維持するようにしている。

ところで、上述したように上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスの量を減少させることにより、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの減少を遅らせることができる。しかしながら、燃料カット制御が長期間に亘って行われない場合、上述したような制御を行っても、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロに到達してしまう場合がある。

そこで、本実施形態では、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ（の推定値）が下限吸蔵量Ｃｌｏｗよりも少ない最下限吸蔵量Ｃｍｉｎ以下になると、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを増大させるべく、目標空燃比をリーン空燃比に維持する吸蔵量回復制御が行われる。このときの目標空燃比は、遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂とされてもよいし、これとは異なるリーン空燃比であってもよい。

図１３に示した例では、時刻ｔ₁以前において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる頻度が少なくなるような制御（図８の時刻ｔ₄以降の制御）が行われている。したがって、図示した例では、時刻ｔ₁以前においては、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ及び切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが、それぞれ遅延時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₂、遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂及び遅延時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₂に設定されている。

時刻ｔ₂において、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最下限吸蔵量Ｃｍｉｎ以下になると、通常制御が停止されて、吸蔵量回復制御が開始せしめられる。時刻ｔ₂において、吸蔵量回復制御が開始せしめられると、目標空燃比が遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂に設定される。図１３に示した例では、吸蔵量回復制御の開始前から目標空燃比が遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂とされているため、時刻ｔ₂以降もそのまま維持されることになる。

目標空燃比を遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂に維持し続けると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増大し、ついには時刻ｔ₃において最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達する。その後も目標空燃比をリーン空燃比に維持すると、上流側排気浄化触媒２０はそれ以上酸素を吸蔵することができなくなり、上流側排気浄化触媒２０から酸素が流出する。この酸素は、下流側排気浄化触媒２４に流入する。下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは低下していることから、下流側排気浄化触媒２４には酸素が吸蔵され、これにより下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが増大する。

その後も、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遅延時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ₂に維持し続けると、時刻ｔ₄において下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが予め定められた上限吸蔵量Ｃｈｉ以上となる。このように、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが上限吸蔵量Ｃｈｉに到達したときには、下流側排気浄化触媒２４に十分な酸素が吸蔵されている。また、これ以上、上流側排気浄化触媒２０から酸素及びＮＯｘが流出すると、やがて下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達して、ＮＯｘを浄化することができなくなってしまう。

そこで、本実施形態では、時刻ｔ₄において酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ（の推定値）が上限吸蔵量Ｃｈｉ以上になると、吸蔵量回復制御が終了せしめられ、図５に示した通常制御が再開される。具体的には、時刻ｔ₅において、目標空燃比が通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ₁に設定される。これにより、上流側排気浄化触媒２０には未燃ガスを含んだ排気ガスが流入し、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少していく。

以上の説明から分かるように本実施形態によれば、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少しても、その酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを回復させることができる。これにより、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを常に十分な量に維持することができ、よって通常制御を行っても上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスを常に下流側排気浄化触媒２４にて確実に浄化することができるようになる。

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 (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられると共に酸素を吸蔵可能な上流側排気浄化触媒と、該上流側排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒と、前記上流側排気浄化触媒の排気流れ方向下流側であって前記下流側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上流側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、前記下流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段とを具備する内燃機関の制御装置において、
   前記上流側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と共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに前記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且つ前記上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量がその最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準吸蔵量以上になったときに前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える空燃比制御を行い、
   前記吸蔵量推定手段によって推定された吸蔵量が所定の下限吸蔵量以下になったときには、該下限吸蔵量よりも多いときに比べて、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になる頻度が少なくなるように前記空燃比制御におけるパラメータが設定される、内燃機関の制御装置。

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