JP2016169665A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒に吸蔵されている硫黄成分を離脱させる機会を増加させる。【解決手段】複数の気筒を有する内燃機関の排気浄化装置は、排気浄化触媒２０と、下流側空燃比センサ４１と、排気浄化触媒に流入する排気ガスの平均空燃比及び各気筒において燃焼が行われるときの燃焼空燃比を制御する制御装置とを具備する。制御装置は、平均空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に制御する平均空燃比制御を実行し、且つ、複数の気筒のうち少なくとも一つの気筒では燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように、各気筒の燃焼空燃比を制御する気筒間空燃比制御を実行する。平均空燃比制御では、排気浄化触媒の温度が低いときには、リーンシフト量がリッチシフト量よりも小さくなるように平均空燃比が制御され、且つ、温度が高いときには、リーンシフト量がリッチシフト量よりも大きくなるように、平均空燃比が制御される。【選択図】図１０

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来から、排気流れ方向において排気浄化触媒の上流側及び下流側それぞれに空燃比センサ又は酸素センサを配置した内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１、２）。斯かる排気浄化装置では、上流側センサの出力に基づいて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に一致するように燃料噴射量のメインフィードバック制御が行われる。加えて、下流側センサの出力に基づいてメインフィードバック制御の目標空燃比が補正される。

加えて、特許文献１に記載の排気浄化装置では、機関冷間始動時等、排気浄化触媒の温度が低いときに、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を一定時間間隔毎にリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変化させるようにしている。特許文献１によれば、これにより、排気浄化触媒を迅速に昇温することができるとされている。

特開２００８−２２３６４４号公報 国際公開第２０１４／１１８８８９号

ところで、燃焼室から排出される排気ガス中には硫黄成分が含まれている。斯かる硫黄成分は、一定の条件下で、排気浄化触媒の担体上に担持されている触媒貴金属の表面に吸着又は吸蔵され、触媒貴金属の表面を被覆する。この結果、触媒貴金属の活性が低下し、酸素の吸放出がされにくくなり、これによって排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下する。また、排気浄化触媒に流入した排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯやＮＯｘ等の浄化能力の低下を招く。

これに対して、出願人は、平均空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に制御する平均空燃比制御と、平均空燃比制御によって平均空燃比がリーン空燃比に制御されているときにおいても、複数の気筒のうち少なくとも一つの気筒では燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように、各気筒の燃焼空燃比を制御する気筒間空燃比制御とを実行することを提案している。加えて、平均空燃比制御において、平均空燃比をリーン空燃比に制御したときの平均空燃比と理論空燃比との差であるリーンシフト量が、平均空燃比をリッチ空燃比に制御したときの平均空燃比と理論空燃比との差であるリッチシフト量よりも小さくなるように、平均空燃比を制御することを提案している。

このような平均空燃比制御を行った場合、平均空燃比をリーン空燃比に制御している時間を長くすることができ、よって硫黄成分による触媒貴金属の活性低下を抑制することができる。加えて、気筒間空燃比制御を実行することにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制することができる。

一方、排気浄化触媒に吸蔵されている硫黄成分を離脱させるには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの平均空燃比をリッチ空燃比にする必要がある。しかしながら、上述したような制御を行った場合には、平均空燃比がリーン空燃比になっている時間が長くなり、結果的に排気浄化触媒に吸蔵されている硫黄成分を離脱させる機会が少なくなってしまう。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、硫黄成分による触媒貴金属の活性低下を抑制すると共に排気浄化触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制しつつ、排気浄化触媒に吸蔵されている硫黄成分を離脱させる機会を増加させることにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、複数の気筒を有する内燃機関の排気浄化装置において、機関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た下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの平均空燃比及び各気筒において燃焼が行われるときの燃焼空燃比を制御する制御装置とを具備し、前記制御装置は、前記平均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制御する平均空燃比制御を実行し、且つ、前記排気浄化触媒の温度が所定の第１切替温度よりも低い場合には、前記平均空燃比制御によって前記平均空燃比がリーン空燃比に制御されているときにおいても、前記複数の気筒のうち少なくとも一つの気筒では燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように、各気筒の燃焼空燃比を制御する気筒間空燃比制御を更に実行し、前記平均空燃比制御では、前記排気浄化触媒の温度が所定の第２切替温度よりも低いときには、前記平均空燃比をリーン空燃比に制御したときの該平均空燃比と理論空燃比との差であるリーンシフト量が、前記平均空燃比をリッチ空燃比に制御したときの該平均空燃比と理論空燃比との差であるリッチシフト量よりも小さくなるように前記平均空燃比が制御され、且つ、前記排気浄化触媒の温度が前記第２切替温度以上であるときには、前記リーンシフト量が前記リッチシフト量よりも大きくなるように、前記平均空燃比が制御される、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

第２の発明では、第１の発明において、前記制御装置は、前記排気浄化触媒の温度が前記第１切替温度以上である場合にも、前記気筒間空燃比制御を実行する。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記制御装置は、前記排気浄化触媒の温度が所定の上限温度よりも高い場合には、前記気筒間空燃比制御を実行せずに、全ての気筒において燃焼空燃比が等しくなるように各気筒の燃焼空燃比を制御し、前記上限温度は前記第１切替温度よりも高い温度とされる。

第４の発明では、第１の発明において、前記制御装置は、前記排気浄化触媒の温度が前記第１切替温度以上であるときには、前記気筒間空燃比制御を実行せずに、全ての気筒において燃焼空燃比が等しくなるように各気筒の燃焼空燃比を制御する。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記気筒間空燃比制御では、前記平均空燃比制御によって前記平均空燃比がリッチ空燃比に制御されているときにおいても、前記複数の気筒のうち少なくとも一つの気筒では燃焼空燃比がリーン空燃比になるように、各気筒の燃焼空燃比が制御される。

第６の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記制御装置は、前記平均空燃比がリッチ空燃比に制御されているときには、前記気筒間空燃比制御を実行せずに、前記複数の気筒の全てにおいて燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように、各気筒の燃焼空燃比を制御する。

第７の発明では、第１〜第６のいずれか一つの発明において、前記制御装置は、前記平均空燃比制御において、前記平均空燃比をリッチ空燃比に制御しているとき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平均空燃比をリーン空燃比に切り替えると共に、前記平均空燃比をリーン空燃比に制御しているとき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ーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記平均空燃比をリッチ空燃比に切り替える。

第８の発明では、第１〜第６のいずれか一つの発明において、前記制御装置は、前記平均空燃比制御において、前記平均空燃比をリッチ空燃比に制御しているとき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平均空燃比をリーン空燃比に切り替えると共に、前記平均空燃比をリーン空燃比に制御し始めてからの前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が該排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量よりも少ない予め定められた切替基準吸蔵量に達したときに前記平均空燃比をリッチ空燃比に切り替える。

本発明によれば、硫黄成分による触媒貴金属の活性低下を抑制すると共に排気浄化触媒の酸素吸蔵能力の低下を抑制しつつ、排気浄化触媒に吸蔵されている硫黄成分を離脱させる機会を増加させることができる。

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、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図３は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。 図４は、本実施形態に係る排気浄化装置による空燃比制御を行った場合の、平均空燃比補正量等のタイムチャートである。 図５は、空燃比補正量及び燃焼空燃比のタイムチャートである。 図６は、排気浄化触媒の担体表面を模式的に表した図である。 図７は、上流側排気浄化触媒の前端面からの距離と単位体積あたりにおけるＳＯｘの吸蔵量との関係を示す図である。 図８は、制御装置の機能ブロック図である。 図９は、第一実施形態における空燃比補正量の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、平均空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１１は、平均空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１２は、平均空燃比制御の制御状態を決定する決定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１３は、気筒間空燃比制御の実行判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１４は、平均空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１５は、空燃比補正量の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１６は、平均空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１７は、平均空燃比制御の実行判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１８は、平均空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１９は、制御装置の機能ブロック図である。 図２０は、平均空燃比補正量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、本発明の排気浄化装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１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。本実施形態の内燃機関は、直列４気筒内燃機関であり、よって機関本体１は４つの燃焼室５を有する。しかしながら、複数の気筒を有する内燃機関であれば、６気筒内燃機関やＶ型内燃機関等、他の形式の内燃機関にも適用可能である。

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。さらに、上流側排気浄化触媒２０には上流側排気浄化触媒２０の温度を検出するための温度センサ４６が配置され、この温度センサ４６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、内燃機関及び排気浄化装置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担体上に、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）。以下、「酸素吸蔵物質」ともいう）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が酸素吸蔵能力を有している場合には、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ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘとが同時に浄化される。

すなわち、斯かる三元触媒は、酸素吸蔵能力を有しているため、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な空燃比（以下、単に「リーン空燃比」という）になったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素を吸蔵する。これにより、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持され、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化される。このとき、排気浄化触媒２０、２４から排出される排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。ただし、三元触媒は、その酸素吸蔵量が、吸蔵可能な酸素量の最大値である最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに達すると、それ以上酸素を吸蔵することができなくなる。したがって、三元触媒の酸素吸蔵量がほぼ最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに達した状態で排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になると、排気浄化触媒２０、２４ではもはやその表面上を理論空燃比に維持することができなくなる。このため、この場合、排気浄化触媒２０、２４から排出される排気ガスの空燃比はリーン空燃比になる。

一方、斯かる三元触媒では、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ッチな空燃比（以下、単に「リッチ空燃比」という）になったときには、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯ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、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化される。このとき、排気浄化触媒２０、２４から排出される排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。ただし、三元触媒は、その酸素吸蔵量がゼロに達すると、それ以上、酸素を放出することができなくなる。したがって、三元触媒の酸素吸蔵量がほぼゼロに達した状態で排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になると、排気浄化触媒２０、２４ではもはやその表面上を理論空燃比に維持することができなくなる。このため、この場合、排気浄化触媒２０、２４から排出される排気ガスの空燃比はリッチ空燃比になる。

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未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化特性が変化する。

＜空燃比センサの出力特性＞
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。

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。

図３は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図３からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに（比例するように）変化する。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。

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。加えて、下流側空燃比センサ４１としては、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はないセンサが用いられてもよい。具体的には、下流側空燃比センサ４１として、例えば、理論空燃比近傍で出力値が大きく変化する酸素センサ等を用いることもできる。

＜空燃比制御の概要＞
次に、本実施形態の排気浄化装置における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の出力空燃比に基づいて、上流側空燃比センサ４０出力空燃比が目標空燃比に一致す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。

ここで、後述するように、本実施形態では、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を気筒間で異なる量にさせる場合がある。この場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は１サイクル中に多少変動する。このような場合でも、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比の平均値（以下、「平均出力空燃比」という）が、気筒間で異なる目標空燃比の平均値である目標平均空燃比に一致するように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するようにしている。

加えて、本実施形態の空燃比制御では、平均空燃比制御と気筒間空燃比制御（ディザ制御）とが行われる。平均空燃比制御は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づいて目標平均空燃比を設定する制御である。したがって、平均空燃比制御は、各気筒において燃焼が行われるときの混合気の空燃比（以下、「燃焼空燃比」という。各気筒に供給される混合気の空燃比に相当する。）の全気筒における平均値（１サイクル中の各気筒の燃焼空燃比を合計したものを気筒数で割った値）である平均燃焼空燃比を制御しているといえる。換言すると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの平均排気空燃比を制御しているといえる。一方、気筒間空燃比制御は、各気筒毎に異なる目標空燃比を設定する制御であり、換言すると、各気筒における燃焼空燃比を制御するものである。

＜平均空燃比制御＞
最初に、平均空燃比制御について説明する。平均空燃比制御では、まず、目標平均空燃比を後述するリッチ設定空燃比に設定している状態で、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と、目標平均空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。これにより、平均燃焼空燃比及び平均排気空燃比（以下、これらをまとめて「平均空燃比」と称する）がリーン設定空燃比に変化する。ここで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比（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。したがって、平均空燃比制御では、平均空燃比をリッチ空燃比に制御しているときに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平均空燃比がリーン空燃比に切り替えられる。また、リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも僅かにリーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．７程度とされる。

一方、平均空燃比制御では、目標平均空燃比をリーン設定空燃比に設定している状態で、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と、目標平均空燃比がリッチ設定空燃比に切り替えられる。これにより、平均空燃比がリッチ設定空燃比に変化する。ここで、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）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。したがって、平均空燃比制御では、平均空燃比をリーン空燃比に制御しているときに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以上になったときに平均空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。また、リッチ設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．４程度とされる。なお、リーン設定空燃比と理論空燃比との差（以下、「リーンシフト量」ともいう）は、リッチ設定空燃比と理論空燃比との差（以下、「リッチシフト量」ともいう）よりも小さい。

この結果、平均空燃比制御では、目標平均空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に設定され、これにより上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの平均空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比に交互に制御されることになる。

なお、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比は、理論空燃比の１％以内、好ましくは０．５％以内、より好ましくは０．３５％以内の空燃比とされる。したがって、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比の理論空燃比からの差は、理論空燃比が１４．６の場合には、０．１５以下、好ましくは０．０７３以下、より好ましくは０．０５１以下とされる。また、目標平均空燃比における設定空燃比（例えば、リッチ設定空燃比やリーン設定空燃比）は、理論空燃比からの差が上述した差よりも大きくなるように設定される。

図４を参照して、平均空燃比制御について具体的に説明する。図４は、本実施形態に係る排気浄化装置による空燃比制御を行った場合の、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ、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、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。

なお、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標平均空燃比に対応する補正量である。平均空燃比補正量ＡＦＣａｖが０のときには、目標平均空燃比が制御中心となる空燃比（以下、「制御中心空燃比」という）に等しい空燃比（本実施形態では、基本的に理論空燃比）であることを意味する。また、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖが正の値であるときには目標平均空燃比が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）であることを意味する。また、このときの平均空燃比補正量ＡＦＣａｖの絶対値は、目標平均空燃比と制御中心空燃比との差或いは平均空燃比と制御中心空燃比との差であるリーンシフト量に相当する。なお、「制御中心空燃比」は、機関運転状態に応じて平均空燃比補正量ＡＦＣａｖを加算する対象となる空燃比、すなわち平均空燃比補正量ＡＦＣａｖに応じて目標平均空燃比を変動させる際に基準となる空燃比を意味する。

同様に、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖが負の値であるときには目標平均空燃比が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）であることを意味する。また、このときの平均空燃比補正量ＡＦＣａｖの絶対値は、目標平均空燃比と制御中心空燃比との差或いは平均空燃比と制御中心空燃比との差であるリッチシフト量に相当する。

図４に示した例では、時刻ｔ₁以前の状態では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）に設定されている。すなわち、目標平均空燃比はリーン空燃比とされており、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、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ーン空燃比となっている。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過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵され、これに伴って上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に増加していく。一方、上流側排気浄化触媒２０において酸素が吸蔵されること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酸素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の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に増大すると、やがて酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づき、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した酸素の一部は上流側排気浄化触媒２０で吸蔵されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に上昇し、時刻ｔ₁においてリーン判定空燃比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を減少させるべく、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）に切り替えられる。したがって、目標平均空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。

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が理論空燃比からリッチ空燃比に変化してすぐではなく、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達してから、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ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ＯＳＡ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僅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ＯＳＡ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通常は到達することのないような空燃比とされる。なお、上述したリーン判定空燃比についても同じことがいえる。

時刻ｔ₁において、目標平均空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、すなわち平均空燃比が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含まれている過剰な未燃ＨＣ、ＣＯは、上流側排気浄化触媒２０で浄化され、これに伴って上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。一方、上流側排気浄化触媒２０において未燃ＨＣ、ＣＯが浄化されることから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ＨＣ、ＣＯ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の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、やがて酸素吸蔵量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ＨＣ、ＣＯ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ｔ₂においてリッチ判定空燃比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、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。したがって、目標空燃比がリーン空燃比へと切り替えられる。その後は、時刻ｔ₃以降において、上述した操作と同様な操作が繰り返される。

また、図４に示した平均空燃比制御では、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値は、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値よりも小さい値とされる。したがって、平均空燃比をリーン空燃比に制御したときの平均空燃比と制御中心空燃比（理論空燃比）との差であるリーンシフト量が、平均空燃比をリッチ空燃比に制御したときの平均空燃比と制御中心空燃比との差であるリッチシフト量よりも小さくされる。これにより、目標平均空燃比がリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されている期間（例えば、時刻ｔ₂〜ｔ₃）は、目標空燃比がリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されている期間（例えば、時刻ｔ₁〜ｔ₂）よりも長くなる。

＜気筒間空燃比制御＞
次に、気筒間空燃比制御について説明する。気筒間空燃比制御では、気筒間で少なくとも部分的に燃焼空燃比が異なる空燃比となるように各燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が制御される。特に、本実施形態では、一部の気筒では燃焼空燃比が目標平均空燃比よりもリッチとされ、残りの気筒では燃焼空燃比が目標空燃比よりもリーンとされる。

図５は、各気筒の空燃比補正量ＡＦＣ及び燃焼空燃比のタイムチャートである。本実施形態では、内燃機関が直列４気筒の内燃機関であるため、燃焼室５での混合気の燃焼は、１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順に行われる。図５に示した例では、１サイクルにおいて最初に燃焼が行われる１番気筒において、各気筒の空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖよりも減量される。すなわち、１番気筒では、燃焼室５に供給される混合気の空燃比が平均目標空燃比よりもリッチとされる。したがって、１番気筒では、平均空燃比よりもリッチな空燃比となる。

そして、次に燃料が行われる３番気筒では、各気筒の空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖよりも増量される。この結果、３番気筒では、燃焼空燃比が平均空燃比よりもリーンな空燃比とされる。そして、次に燃焼が行われる４番気筒では燃焼空燃比が平均空燃比よりもリッチな空燃比とされ、その次に燃焼が行われる２番気筒では燃焼空燃比が平均空燃比よりもリーンな空燃比とされる。

また、本実施形態では、気筒間空燃比制御における平均空燃比補正量ＡＦＣａｖからの変更量は、平均空燃比よりもリッチとされる気筒（図中の１番気筒及び４番気筒。以下、「リッチ側の気筒」ともいう）同士で同一とされる。図５に示した例では、１番気筒及び４番気筒における空燃比補正量の変更量はいずれもαとなっている。この結果、これら気筒における燃焼空燃比は平均空燃比からΔＡＦα（変更量αに相当）だけリッチな空燃比とされる。同様に、本実施形態では、気筒間空燃比制御における平均空燃比補正量ＡＦＣａｖからの変更量は、平均空燃比よりもリーンとされる気筒（図中の２番気筒及び３番気筒。以下、「リーン側の気筒」ともいう）同士で同一とされる。図５に示した例では、２番気筒及び３番気筒における空燃比補正量の変更量はいずれもαとなっている。この結果、これら気筒における燃焼空燃比は平均空燃比からΔＡＦα（変更量αに相当）だけリーンな空燃比とされる。

さらに、本実施形態では、リッチ側の気筒とリーン側の気筒との間でも、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖからの変更量がαで同一とされる。この結果、平均空燃比よりもリッチとされる気筒の燃焼空燃比と平均空燃比との差は、平均空燃比よりもリーンとされる気筒の燃焼空燃比と平均空燃比との差に等しくなる。

図４中のＸは、気筒間空燃比制御における燃焼空燃比の平均空燃比補正量ＡＦＣａｖからの変更量を表している。図４からわかるように、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されている時刻ｔ₁〜ｔ₂においては、リッチ側の気筒（１番気筒、４番気筒）では、各気筒の空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈから変更量αを減算した値になる（ＡＦＣｒｉｃｈ−α）。この結果、リッチ側の気筒では、燃焼空燃比が平均空燃比からΔＡＦα（変更量αに相当）だけリッチな空燃比とされる。また、時刻ｔ₁〜ｔ₂においては、リーン側の気筒では、各気筒の空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに変更量αを加算した値になる（ＡＦＣｒｉｃｈ＋α）。この結果、リーン側の気筒では、燃焼空燃比が平均空燃比からΔＡＦα（変更量αに相当）だけリーンな空燃比とされる。加えて、変更量αは、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値よりも大きな値とされる。このため、リーン側の気筒では燃焼空燃比がリーン空燃比になるように燃焼空燃比が制御されることになる。

同様に、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦｌｅａｎに設定されている時刻ｔ₂〜ｔ₃においては、リーン側の気筒（２番気筒、３番気筒）では、各気筒の空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに変更量αを加算した値になる（ＡＦＣｌｅａｎ＋α）。この結果、リーン側の気筒では、燃焼空燃比が平均空燃比からΔＡＦα（変更量αに相当）だけリーンな空燃比とされる。また、時刻ｔ₂〜ｔ₃においては、リッチ側の気筒では、各気筒の空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎから変更量αを減算した値になる（ＡＦＣｌｅａｎ−α）。この結果、リッチ側の気筒では、燃焼空燃比が平均空燃比からΔＡＦα（変更量αに相当）だけリッチな空燃比とされる。加えて、変更量αは、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値よりも大きな値とされる。このため、リッチ側の気筒では燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように燃焼空燃比が制御されることになる。

なお、変更量αは、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ及びリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値よりも大きい。このため、気筒間空燃比制御において平均空燃比よりもリッチにされる気筒の燃焼空燃比と平均空燃比よりもリーンにされる気筒の燃焼空燃比との差（すなわち、気筒間空燃比制御における振幅）は、平均空燃比制御におけるリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比との差（すなわち、平均空燃比制御における空燃比の振幅）よりも大きい。

＜平均空燃比制御及び気筒間空燃比制御の効果＞
次に、図６及び図７を参照して、平均空燃比制御及び気筒間空燃比制御による効果について説明する。まず、図６を参照して、上述したような平均空燃比制御を行うことの効果について説明する。図６は、排気浄化触媒２０、２４の担体表面を模式的に表した図である。図６に示した例では、排気浄化触媒２０、２４の担体には、触媒作用を有する貴金属として白金（Ｐｔ）が、酸素吸蔵能力を有する物質としてセリア（ＣｅＯ₂）が担持されている。

ところで、内燃機関に供給される燃料中には微量ながら硫黄分が含まれているため、燃焼室５から排出される排気ガス中には微量の硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれている。排気浄化触媒２０、２４の温度がそれほど高くないとき（例えば、６００℃以下）には、排気ガス中に含まれるＳＯｘは、排気浄化触媒２０、２４に流入すると、排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比であっても、担体上のセリアにファンデルワールス力により物理吸着する。しかしながら、排気ガス中に含まれるＳＯｘは、排気ガスの空燃比がリーン空燃比であると担体上のセリアにより強固に吸蔵される。

図６（Ａ）は、排気浄化触媒２０、２４の温度がそれほど高くないとき（例えば、６００℃以下）に、排気浄化触媒２０、２４にリーン空燃比の排気ガスが流入している状態を示している。したがって、図６（Ａ）に示した状態では、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガス中には多量の過剰な酸素が含まれている。このように排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガス中に過剰な酸素が含まれていると、排気ガス中に含まれるＳＯｘはＳＯ₃としてセリアに化学吸着される。このような化学吸着によれば、ＳＯｘは上述した物理吸着よりも強固にセリアに吸着されることになる。また、排気ガス中に含まれる過剰な酸素がさらに多くなると、すなわち排気ガスの空燃比のリーン度合いが大きくなると、排気ガス中に含まれるＳＯｘはセリアと反応してＣｅ₂（ＳＯ₄）₃となって吸収される。このような吸収によれば、ＳＯｘは上述した化学吸着よりも強固にセリアに吸収されることになる。なお、以下の説明では、ＳＯｘがセリアに「吸着」されること及び「吸収」されることをまとめて、ＳＯｘがセリアに「吸蔵」されると表現する。

このような状態で、排気浄化触媒２０、２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、セリアに吸蔵されているＳＯｘの硫黄分が白金上に移動する。この様子を、図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）に示したように、排気浄化触媒２０、２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、排気ガス中には多量の過剰な未燃ＨＣ、ＣＯが含まれている。このため、これら未燃ＨＣ、ＣＯによりセリアに吸蔵されているＳＯｘは分解されて、水（Ｈ₂Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）が生じる。加えて、ＳＯｘの分解によって生じた硫黄成分は、白金の表面上に吸着する。このように白金の表面上に吸着した硫黄成分が増大して白金の表面を被覆すると、白金が周囲の気体と接する面積が減少し、白金の触媒活性の低下を招く。

なお、セリアに吸蔵されている硫黄の分解は、ＳＯｘのセリアへの吸蔵が強固であるほど起こりにくい。したがって、ＳＯｘがセリアに化学吸着されている場合に比べて、ＳＯｘがセリアにＣｅ₂（ＳＯ₄）₃として吸収されている場合の方が、セリアに吸蔵されている硫黄の分解が起こりにくく、よってセリアから白金への硫黄成分の移動が起こりにくい。このため、ＳＯｘがセリアに吸収されている場合における硫黄成分の移動は、ＳＯｘがセリアに化学吸着されている場合に比べて、排気ガスの空燃比のリッチ度合いが大きくないと、または、排気浄化触媒２０、２４の温度が高くないと発生しない。

このように白金の表面上に硫黄成分が吸着している状態で、排気浄化触媒２０、２４が高温（例えば、６００℃以上）になり、排気浄化触媒２０、２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、白金の表面上に吸着している硫黄成分が離脱せしめられる。この様子を、図６（Ｃ）に示す。図６（Ｃ）に示したように、排気浄化触媒２０、２４にリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、流入する排気ガス中には多量の過剰な未燃ＨＣ、ＣＯが含まれていることになる。また、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であっても、排気ガス中には僅かながら酸素が含まれている。このため、排気浄化触媒２０、２４が高温であると、白金表面上に吸着している硫黄成分は、排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ及び酸素と反応して、ＳＯｘ、Ｈ₂Ｓとなって、白金表面から離脱せしめられる。なお、このときには、セリアに吸蔵されているＳＯｘも、白金表面に吸着されることなく離脱せしめられる。

ここで、内燃機関の運転中には、排気浄化触媒２０、２４の温度は常に高温（例えば、７２０℃以上）に維持されるわけではなく、機関運転状態によっては或る程度低い温度（例えば、７２０℃未満）に維持されることもある。このように排気浄化触媒２０、２４が或る程度低い温度に維持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リッチ空燃比になると、図６（Ｂ）に示したように硫黄成分がセリアから白金表面上に移動し、白金の触媒活性の低下を招いてしまう。

これに対して、図４に示した平均空燃比制御では、リーンシフト量がリッチシフト量よりも小さくされる。これにより、平均空燃比がリーンである期間は、平均空燃比がリッチである期間よりも長くなる。このように図４に示した平均空燃比制御では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの平均排気空燃比がリーンである期間が長くなり、また平均排気空燃比がリッチである期間が短くなる。このため、硫黄成分がセリアから白金表面上に移動しにくくなり、よって白金の触媒活性の低下を抑制することができる。

なお、平均排気空燃比がリーンである期間を長くし、平均排気空燃比がリッチである期間を短くするという観点からは、リーンシフト量ができるだけ小さく且つリッチシフト量ができるだけ大きいことが好ましい。すなわち、リーンシフト量とリッチシフト量の差はできるだけ大きいことが好ましい。

次に、図７を参照して、気筒間空燃比制御を行うことの効果について説明する。図７は、上流側排気浄化触媒の排気流れ方向上流側端面（前端面）からの距離と、排気浄化触媒単位体積あたりにおけるＳＯｘの貴金属及び担体への吸蔵量との関係を示しており、硫黄成分濃度が高い燃料を用いて内燃機関の運転を一定時間行った際の実験結果を示している。

図７（Ａ）は、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの平均排気空燃比をリーン空燃比に維持すると共に、上述した気筒間空燃比制御を行っていない場合の結果を示している。したがって、図７（Ａ）は、全ての気筒において燃焼空燃比がリーン空燃比に維持された場合の結果を示している。図７（Ａ）からわかるように、気筒間空燃比制御を行っていない場合には、上流側排気浄化触媒の排気流れ方向全域に亘ってＳＯｘが吸蔵されると共に、特に後方に多くのＳＯｘが吸蔵される。

一方、図７（Ｂ）は、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの平均排気空燃比をリーン空燃比に維持すると共に、上述した気筒間空燃比制御を行った場合の結果を示している。したがって、図７（Ｂ）は、リーン空燃比を中心に気筒毎に燃焼空燃比をリッチ側及びリーン側にシフトさせた場合の結果を示している。図７（Ｂ）からわかるように、気筒間空燃比制御を行った場合には、上流側排気浄化触媒の排気流れ方向前方に多くのＳＯｘが吸蔵されていると共に、後方にはほとんどＳＯｘが吸蔵されていない。

このように、気筒間空燃比制御を行った場合にＳＯｘが上流側排気浄化触媒の前方に吸蔵される理由としては、ＳＯｘの吸蔵と酸素の吸放出とに関連性が存在することが考えられる。気筒間空燃比制御を行った場合には、燃焼空燃比がリッチ空燃比の気筒からは過剰な未燃ＨＣ、ＣＯを含んだ排気ガスが排出される。一方、燃焼空燃比がリーン空燃比の気筒からは過剰な酸素を含んだ排気ガスが排出される。この結果、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスには、その平均排気空燃比が理論空燃比であっても、未燃ＨＣ、ＣＯ及び酸素が多量に含まれる。

この結果、気筒間空燃比制御を行った場合（図７（Ｂ））には、上流側排気浄化触媒の前方において酸素の吸放出が活発に行われる。ここで、上流側排気浄化触媒の担体へのＳＯｘの吸蔵は酸素の吸放出が活発な上流側排気浄化触媒の領域において起こりやすいと考えられる。このため、気筒間空燃比制御を行った場合には酸素の吸放出が活発に行われている上流側排気浄化触媒の前方においてＳＯｘが多く吸蔵され、この結果、後方においてはＳＯｘが吸蔵されなくなる。

一方、気筒間空燃比制御を行わなかった場合（図７（Ａ））には、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯ及び酸素はそれほど多くない。このため、上流側排気浄化触媒の前方側ではそれほど活発な反応が生じず、よって前方側では活発な酸素の吸放出が行われない。この結果、上流側排気浄化触媒の中程から後方において酸素の吸放出が活発に行われる。このため、気筒間空燃比制御を行わなかった場合には、排気流れ方向全域に亘ってＳＯｘが吸蔵されると共に、特に上流側排気浄化触媒の中程から後方においてＳＯｘが多く吸蔵されると考えられる。なお、図７に示した例では、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの平均排気空燃比を理論空燃比に維持した場合を示したが、上流側排気浄化触媒に流入する排気ガスの平均排気空燃比をリーン空燃比に維持した場合にも同様な傾向となる。

ここで、上流側排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量ＣｍａｘはそのＳＯｘ吸蔵状態に応じて変化する。具体的には、上流側排気浄化触媒の或る領域においてＳＯｘが吸蔵されるとその領域における吸蔵可能酸素量が減少する。すなわち、ＳＯｘが吸蔵された領域では、その硫黄成分の一部が貴金属表面上に吸着している。このように、貴金属表面上に硫黄成分が吸着すると貴金属における触媒活性が低下するため、この貴金属周りの担体に酸素が吸蔵されている状態で未燃ＨＣやＣＯを含んだ排気ガスが上流側排気浄化触媒に流入しても、吸蔵されている酸素と未燃ＨＣ、ＣＯとを反応させることができなくなる。よって、上流側排気浄化触媒に吸蔵されている酸素を放出することができなくなり、結果的に最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの減少を招くことになる。

したがって、気筒間空燃比制御を行わなかった場合（図７（Ａ））には、上流側排気浄化触媒の排気流れ方向全域に亘ってＳＯｘが吸蔵されるため、上流側排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘは少なくなる。これに対して、気筒間空燃比制御を行った場合（図７（Ｂ））には、上流側排気浄化触媒の後方においてＳＯｘがほとんど吸蔵されていない領域が残る。この結果、この場合には、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの低下を抑制することができる。

また、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎであるとき（例えば、図４の時刻ｔ₂〜ｔ₃）に、気筒間空燃比制御を実行すると、リーン側の気筒では空燃比補正量ＡＦＣはリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに変更量αを加算した値となる。この結果、リーン側の気筒の燃焼空燃比はリーン度合いの大きいリーンとなる。

ここで、図６（Ａ）を参照して説明したように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比のリーン度合いが大きくなるほど、ＳＯｘがセリアに強固に吸蔵されることになる。したがって、平均空燃比制御に加えて気筒間空燃比制御を行うことにより、ＳＯｘをセリアに強固に吸蔵させることができ、よってセリアから白金表面上への硫黄成分の移動を抑制することができる。

以上より、図４に示した空燃比制御によれば、上述したような平均空燃比制御を行うことにより、担体（セリア等）に吸着された硫黄成分が貴金属（白金等）上に移動するのを抑制することができ、これにより貴金属の触媒活性低下を抑制することができる。加えて、上述したような気筒間空燃比制御を行うことにより、上流側排気浄化触媒２０の後方において担体へのＳＯｘの吸蔵を抑制することができ、これにより最大吸蔵可能酸素量の低下を抑制することができる。さらに、上述した気筒間空燃比制御を行うことによっても担体に吸着された硫黄成分が貴金属上に移動するのを抑制することができる。

なお、上記実施形態では、気筒間空燃比制御において、リッチ側の気筒全てにおいて変更量αが同一となっており、よって燃焼空燃比が同一となっている。しかしながら、リッチ側の気筒全てにおいて変更量αを一定にする必要はなく、リッチ側の気筒間でも変更量を異なる値にしてもよい。この場合、リッチ側の気筒間で燃焼空燃比が異なるものとなる。また、同じ事が、リーン側の気筒についてもいえる。

また、上記実施形態では、気筒間空燃比制御において、全ての気筒において燃焼空燃比が平均空燃比に対してリッチ側及びリーン側のいずれかにシフトせしめられる。しかしながら、気筒間空燃比制御において、一部の気筒については変更量をゼロにして、燃焼空燃比を平均空燃比に一致させるようにしてもよい。

加えて、上記実施形態では、気筒間空燃比制御においてリッチ側の気筒の数とリーン側の気筒の数とが同一となっている。しかしながら、リッチ側の気筒の数とリーン側の気筒の数とは必ずしも同一でなくてもよい。したがって、例えば、４気筒内燃機関の場合、１つの気筒のみをリッチ側にシフトさせる気筒とし、残りのみ３つの気筒、或いは残り３つのうち２つの気筒をリーン側にシフトさせる気筒としてもよい。

ただし、いずれに場合においても、平均空燃比制御によって平均空燃比がリーン空燃比に制御されているときに、複数の気筒のうち少なくとも一つの気筒では燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように気筒間空燃比制御が行われることが必要である。また、平均空燃比制御によって平均空燃比がリッチ空燃比に制御されているときにおいても、複数の気筒のうち少なくとも一つの気筒では燃焼空燃比がリーン空燃比になるように気筒間空燃比制御が行われることが好ましい。また、気筒間空燃比制御では、複数の気筒のうち一部の気筒では平均空燃比よりもリッチになるように且つ複数の気筒のうち残りの気筒では平均空燃比よりもリーンになるように各気筒の燃焼空燃比が制御されるのが好ましい。

＜具体的な制御の説明＞
次に、図８及び図９を参照して、上記実施形態における排気浄化装置の制御装置について具体的に説明する。本実施形態における制御装置は、機能ブロック図である図８に示したように、Ａ１〜Ａ８の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図８を参照しながら各機能ブロックについて説明する。これら各機能ブロックＡ１〜Ａ８における操作は、基本的にＥＣＵ３１において実行される。

＜燃料噴射量の算出＞
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、筒内吸入空気量算出手段Ａ１、基本燃料噴射量算出手段Ａ２、及び燃料噴射量算出手段Ａ３が用いられる。

筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、吸入空気流量Ｇａと、機関回転数ＮＥと、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたマップ又は計算式とに基づいて、各気筒への吸入空気量Ｍｃを算出する。吸入空気流量Ｇａはエアフロメータ３９によって計測され、機関回転数ＮＥはクランク角センサ４４の出力に基づいて算出される。

基本燃料噴射量算出手段Ａ２は、筒内吸入空気量算出手段Ａ１によって算出された筒内吸入空気量Ｍｃを、気筒毎に目標空燃比ＡＦＴで除算することにより、基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅを算出する（Ｑｂａｓｅ＝Ｍｃ／ＡＦＴ）。目標空燃比ＡＦＴは、後述する目標空燃比設定手段Ａ６によって算出される。

燃料噴射量算出手段Ａ３は、基本燃料噴射量算出手段Ａ２によって算出された基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅに、後述するＦ／Ｂ補正量ＤＦｉを加えることで燃料噴射量Ｑｉを算出する（Ｑｉ＝Ｑｂａｓｅ＋ＤＦｉ）。このようにして算出された燃料噴射量Ｑｉの燃料が燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１に対して噴射指示が行われる。

＜目標空燃比の算出＞
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、空燃比補正量算出手段Ａ５及び目標空燃比設定手段Ａ６が用いられる。

空燃比補正量算出手段Ａ５では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ及び各気筒の空燃比補正量ＡＦＣが算出される。具体的には、図９に示したフローチャートに基づいて平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ及び各気筒の空燃比補正量ＡＦＣが算出される。

目標空燃比設定手段Ａ６は、制御中心空燃比（本実施形態では理論空燃比）ＡＦＲに、空燃比補正量算出手段Ａ５で算出された平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ及び各気筒の空燃比補正量ＡＦＣを加算することで、目標平均空燃比ＡＦＴａｖ及び各気筒の目標空燃比ＡＦＴをそれぞれ算出する。このようにして算出された目標空燃比ＡＦＴは、基本燃料噴射量算出手段Ａ２に入力され、目標平均空燃比ＡＦＴａｖは後述する空燃比偏差算出手段Ａ７に入力される。

＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
次に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいたＦ／Ｂ補正量の算出について説明する。Ｆ／Ｂ補正量の算出に当たっては、空燃比偏差算出手段Ａ７、Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ８が用いられる。

空燃比偏差算出手段Ａ７は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐから目標空燃比設定手段Ａ６によって算出された目標平均空燃比ＡＦＴａｖを減算することによって空燃比偏差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ−ＡＦＴａｖ）。この空燃比偏差ＤＡＦは、目標平均空燃比ＡＦＴａｖに対する燃料供給量の過不足を表す値である。

Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ８は、空燃比偏差算出手段Ａ７によって算出された空燃比偏差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（１）に基づいて燃料供給量の過不足を補償するためのＦ／Ｂ補正量ＤＦｉを算出する。このようにして算出されたＦ／Ｂ補正量ＤＦｉは、燃料噴射量算出手段Ａ３に入力される。
ＤＦｉ＝Ｋｐ・ＤＡＦ＋Ｋｉ・ＳＤＡＦ＋Ｋｄ・ＤＤＡＦ …（１）

なお、上記式（１）において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン（比例定数）、Ｋｉは予め設定された積分ゲイン（積分定数）、Ｋｄは予め設定された微分ゲイン（微分定数）である。また、ＤＤＡＦは、空燃比偏差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比偏差ＤＡＦと前回更新されていた空燃比偏差ＤＡＦとの偏差を更新間隔に対応する時間で除算することで算出される。また、ＳＤＡＦは、空燃比偏差ＤＡＦの時間積分値であり、この時間積分値ＤＤＡＦは前回更新された時間積分値ＤＤＡＦに今回更新された空燃比偏差ＤＡＦを加算することで算出される（ＳＤＡＦ＝ＤＤＡＦ＋ＤＡＦ）。

＜フローチャート＞
図９は、本実施形態における空燃比補正量の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップＳ１１において、平均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。平均空燃比制御の実行条件については後述する。平均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、平均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Ｓ１２へと進む。ステップＳ１２では、リッチフラグＦｒが１であるか否かが判定される。リッチフラグＦｒは、平均空燃比制御において平均空燃比がリッチ空燃比に制御されているときに１とされ、リーン空燃比に制御されているときに０とされるフラグである。

平均空燃比制御において、平均空燃比がリッチ空燃比に制御されていると、ステップＳ１２においてリッチフラグＦｒが１であると判定され、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。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ほぼ理論空燃比となっていると、ステップＳ１３において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定され、ステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定される。これにより、平均空燃比がリッチ空燃比に維持される。

次いで、ステップＳ２５では、気筒間空燃比制御（ディザ制御）の実行条件が成立しているか否かが判定される。気筒間空燃比制御の実行条件については後述する。気筒間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、気筒間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Ｓ２６へと進む。ステップＳ２６では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖから予め定められた所定の変更量αを減算した値がリッチ側の気筒の空燃比補正量ＡＦＣ（Ｒ）とされる。次いで、ステップＳ２７では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖに予め定められた所定の変更量αを加算した値がリーン側の気筒の空燃比補正量ＡＦＣ（Ｌ）とされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

その後、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リッチ空燃比になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１３において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定され、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、次に燃焼が行われる気筒がリーン気筒であるか否かが判定され、リッチ気筒である場合には、ステップＳ１６がスキップされる。一方、ステップＳ１５において、次に燃焼が行われる気筒がリーン気筒であると判定されると、ステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、リッチ側の気筒とリーン側の気筒とが入れ替えられる。したがって、これまで気筒間空燃比制御においてリッチ側の気筒とされていた気筒がリーン側の気筒へ入れ替えられる。次いで、ステップＳ１７では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定される。次いで、ステップＳ１８では、リッチフラグＦｒが１にセットされて、ステップＳ２５へと進む。

リッチフラグＦｒが１にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１２からステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であるか否かが判定される。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ほぼ理論空燃比になっていると、ステップＳ１９において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さいと判定され、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定される。これにより、平均空燃比がリーン空燃比に維持され、ステップＳ２５へと進む。

その後、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リーン空燃比になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１９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Ｓ２１へと進む。ステップＳ２１では、次に燃焼が行われる気筒がリッチ気筒であるか否かが判定され、リーン気筒である場合には、ステップＳ２２がスキップされる。一方、ステップＳ２１において、次に燃焼が行われる気筒がリッチ気筒であると判定されると、ステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、リッチ側の気筒とリーン側の気筒とが入れ替えられる。次いで、ステップＳ２３では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定される。次いで、ステップＳ２４では、リッチフラグＦｒが０にリセットされて、ステップＳ２５へと進む。

＜触媒温度と空燃比制御＞
本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度に基づいて、平均空燃比制御及び気筒間空燃比制御における制御態様を変更するようにしている。以下では、上流側排気浄化触媒２０の温度に基づいた平均空燃比制御及び気筒間空燃比制御の制御態様について説明する。

本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が所定の切替温度未満であるときには、図４に示したように、平均空燃比制御においてリーンシフト量がリッチシフト量よりも小さくなるように平均空燃比が制御される。一方、上流側排気浄化触媒２０の温度が所定の切替温度以上であるときには、平均空燃比制御においてリーンシフト量がリッチシフト量よりも大きくなるように、平均空燃比が制御される。

加えて、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が所定の切替温度未満である場合には上述した気筒間空燃比制御が実行されると共に、切替温度以上であっても上述した気筒間空燃比制御が実行される。ただし、上流側排気浄化触媒２０の温度が上限温度（例えば、８００℃）よりも高い場合には、上述した気筒間空燃比制御は実行されず、全ての気筒において燃焼空燃比が等しくなるように各気筒の燃焼空燃比が制御される。なお、上限温度は、切替温度よりも高い温度とされる。

図１０及び図１１を参照して、本実施形態における平均空燃比制御及び気筒間空燃比制御について具体的に説明する。図１０は、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ等の図４と同様なタイムチャートである。図１０に示した例では、基本的に図４に示した例と同様な空燃比制御が行われている。

図１０からわかるように、時刻ｔ₄以前においては、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔは、その活性温度Ｔａｃｔｃ以上であって切替温度Ｔｓｗ未満となっている。このときは、平均空燃比制御におけるリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは予め定められた所定の第一リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁に設定され、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは予め定められた所定の第一リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁に設定される。図４に示した例と同様に、第一リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁の絶対値は、第一リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁の絶対値よりも小さい値とされる。

したがって、時刻ｔ₄以前においては、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの平均空燃比をリーン空燃比に制御したときの平均空燃比と制御中心空燃比（理論空燃比）との差であるリーンシフト量が、平均空燃比をリッチ空燃比に制御したときの平均空燃比と制御中心空燃比との差であるリッチシフト量よりも小さくされる。これにより、時刻ｔ₄以前においては、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されている期間（例えば、時刻ｔ₂〜ｔ₃）は、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されている期間（例えば、時刻ｔ₁〜ｔ₂）よりも長くなる。すなわち、平均空燃比がリーン空燃比になっている期間は、リッチ空燃比になっている期間よりも長くなる。

加えて、図１０からわかるように、時刻ｔ₄以前においては、図４に示した例と同様に、気筒間空燃比制御が実行される。気筒間空燃比制御において、リッチ側の気筒では空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖから変更量αを減算した値とされ、リーン側の気筒では空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖに変更量αを加算した値とされる。変更量αは、図４に示した例と同様に、第一リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁の絶対値及び第一リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁の絶対値よりも大きい。

一方、図１０からわかるように、時刻ｔ₄以降においては、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔは切替温度Ｔｓｗ以上となっている。本実施形態では、このときには、平均空燃比制御におけるリッチ設定補正量がＡＦＣｒｉｃｈは予め定められた所定の第二リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂に設定され、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは予め定められた所定の第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂に設定される。第二リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂の絶対値は、第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂の絶対値よりも大きい値とされる。また、第二リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂の絶対値は第一リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁の絶対値よりも小さい値とされる。一方、第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂の絶対値は第一リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁の絶対値よりも大きい値とされる。

したがって、時刻ｔ₄以降においては、平均空燃比制御におけるリッチシフト量がリーンシフト量よりも小さくされる。これにより、時刻ｔ₄以降においては、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されている期間（例えば、時刻ｔ₆〜ｔ₇）は、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されている期間（例えば、時刻ｔ₅〜ｔ₆）よりも長くなる。すなわち、平均空燃比がリッチ空燃比になっている期間は、リーン空燃比になっている期間よりも長くなる。

また、図１０からわかるように、時刻ｔ₄以降においても、気筒間空燃比制御が実行される。気筒間空燃比制御において、リッチ側の気筒では空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖから変更量αを減算した値とされ、リーン側の気筒では空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖに変更量αを加算した値とされる。変更量αは、第二リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂の絶対値及び第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂の絶対値よりも大きい。

図１１は、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ等の図４と同様なタイムチャートである。図１１の時刻ｔ₄以前は、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが、その切替温度Ｔｓｗ以上であって上限温度Ｔｌｉｍ以下となっている。このときは、図１０の時刻ｔ₄以降と同様な制御が行われる。したがって、平均空燃比制御では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖが第二リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂と第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂とに交互に設定される。また、気筒間空燃比制御では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖからの変更量がαとなるように各気筒の空燃比補正量ＡＦＣが設定される。

一方、図１１に示した例では、時刻ｔ₄以降においては、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｌｉｍ以上となっている。本実施形態では、このときには、平均空燃比制御では、時刻ｔ₄以前と同様な制御が行われる。したがって、平均空燃比制御におけるリッチ設定補正量がＡＦＣｒｉｃｈは所定の第二リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂に設定され、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは所定の第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂に設定される。したがって、平均空燃比制御におけるリッチシフト量がリーンシフト量よりも小さくされる。

加えて、時刻ｔ₄以降においては、気筒間空燃比制御が停止される。換言すると、気筒間空燃比制御における変更量がゼロとされる。この結果、全ての気筒において各気筒の空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖに一致し、よって全ての気筒において燃焼空燃比が等しくなるように各気筒の燃焼空燃比が制御される。

なお、切替温度は、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度がそれ以上に高温になると、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている硫黄成分が離脱し始めるような温度（例えば、６００℃）とされる。また、上限温度は、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度がそれ以上に高温になると、上流側排気浄化触媒２０上に担持された貴金属が焼結して貴金属の活性が低下し始めるような温度（例えば、８００℃）とされる。

＜触媒温度に基づく空燃比制御の効果＞
ところで、図６（Ｃ）に示したように、上流側排気浄化触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入している状態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が高温（例えば、６００℃以上）になると、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている硫黄成分が離脱し始める。したがって、上流側排気浄化触媒２０から硫黄成分を離脱させるためには、或いは上流側排気浄化触媒２０に硫黄成分が吸蔵されないようにするためには、上流側排気浄化触媒２０の温度が高温の状態で、上流側排気浄化触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入することが必要になる。

これに対して、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が切替温度以上である時刻ｔ₄以降において、平均空燃比制御におけるリッチシフト量がリーンシフト量よりも小さくされる。このため、平均空燃比がリッチ空燃比になっている期間は、リーン空燃比になっている期間よりも長くなる。この結果、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている硫黄成分が離脱し易くなる。

また、上流側排気浄化触媒２０からのＳＯｘや硫黄成分の単位時間当たりの離脱量は、上流側排気浄化触媒２０の温度が高くなるほど多くなる。加えて、上流側排気浄化触媒２０の温度が高くなるほど、上流側排気浄化触媒２０にはＳＯｘや硫黄成分が吸蔵されにくくなる。これに関して、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度が切替温度以上になっても気筒間空燃比制御が継続される。気筒間空燃比制御を実行すると、上流側排気浄化触媒２０には未燃ＨＣ、ＣＯ及び酸素を含んだ排気ガスが流入することになる。このため、上流側排気浄化触媒２０ではこれら未燃ＨＣ、ＣＯと酸素が反応して発熱し、これによって上流側排気浄化触媒２０の温度が高められる。この結果、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されているＳＯｘや硫黄成分の単位時間当たりの離脱量を増大させることができ、また、上流側排気浄化触媒２０へのＳＯｘや硫黄成分の吸蔵を抑制することができる。

加えて、上流側排気浄化触媒２０の温度が上限温度よりも高くなると、その温度が高くなるほど上流側排気浄化触媒２０上に担持された貴金属が焼結し、よって触媒活性が低下する。上述したように、気筒間空燃比制御を実行すると、上流側排気浄化触媒２０の温度が上昇する。したがって、上流側排気浄化触媒２０の温度が上限温度以上になっても気筒間空燃比制御を続けていると、上流側排気浄化触媒２０の触媒活性の低下を招く。これに対して本実施形態では、上述したように、上流側排気浄化触媒２０の温度が上限温度よりも高くなると、気筒間空燃比制御が停止せしめられる。このため、上流側排気浄化触媒２０が過昇温してしまうことが抑制される。

また、上記実施形態では、気筒間空燃比制御における変更量αは、上流側排気浄化触媒２０の温度が上限温度Ｔｌｉｍ以下である限り、一定に維持されている。しかしながら、変更量αは一定に維持されていなくてもよく、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度等に基づいて変化するものであってもよい。この場合、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度が切替温度Ｔｓｗから上限温度Ｔｌｉｍに向かって上昇するにつれて、変更量αが低下せしめられる。

＜フローチャート＞
図１２は、平均空燃比制御の制御状態を決定する決定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップＳ３１において、空燃比センサ４０、４１の温度Ｔｓｅｎが活性温度Ｔａｃｔｓ以上であるか否かが判定される。空燃比センサ４０、４１の温度はそのインピーダンスを検出すると共に検出されたインピーダンスに基づいて算出される。また、ステップＳ３２では、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔがその活性温度Ｔａｃｔｃ以上であるか否かが判定される。上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔは、温度センサ４６によって検出されるか、又は他のパラメータに基づいて算出される。加えて、ステップＳ３３では、これら温度以外の他の実行条件が成立しているか否かが判定される。他の実行条件としては、例えば上流側排気浄化触媒２０から排出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるような制御、例えば機関負荷の急激な増大に伴う燃料噴射量の増量制御の実行中でないこと等が挙げられる。

ステップＳ３１〜Ｓ３３の判定の少なくともいずれか一つでも成立していないと判定された場合には、ステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４では、平均空燃比制御実行フラグＦａが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。平均空燃比制御実行フラグＦａは、平均空燃比制御の実行条件が成立しているときに１にセットされ、成立していないときには０にされるフラグである。したがって、平均空燃比制御実行フラグＦａが１にセットされると、図１１のステップＳ１１では、平均空燃比制御の実行条件が成立していると判定されることになる。

一方、ステップＳ３１〜Ｓ３３において、空燃比センサ４０、４１の温度Ｔｓｅｎが活性温度Ｔａｃｔｓ以上であり、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが活性温度Ｔａｃｔｃ以上であり、且つその他の実行条件も成立している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、平均空燃比制御実行フラグＦａが１にセットされる。

次いで、ステップＳ３６では、検出又は算出された上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが予め定められた切替温度Ｔｓｗ以上であるか否かが判定される。ステップＳ３６において、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ未満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、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈが第一リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁に設定され、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが第一リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

その後、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが上昇すると、その後の制御ルーチンでは、ステップＳ３６において、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ以上であると判定され、ステップＳ３８へと進む。ステップＳ３８では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈが第二リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂に設定され、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

図１３は、気筒間空燃比制御の実行条件が成立しているか否かについての判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

ステップＳ４１、Ｓ４２、Ｓ４４は、それぞれ図１２のステップＳ３１〜Ｓ３３と同様であるため、説明を省略する。本制御ルーチンでは、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔがその上限温度Ｔｌｉｍ以下であるか否かが判定される。そして、ステップＳ４３において、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｌｉｍよりも高いと判定された場合には、ステップＳ４５へと進む。ステップＳ４５では、気筒間空燃比制御実行フラグＦｄが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。気筒間空燃比制御実行フラグＦｄは、気筒間空燃比制御の実行条件が成立しているときに１にセットされ、成立していないときには０にされるフラグである。

一方、ステップＳ４３において、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｌｉｍ以下であると判定された場合には、ステップＳ４１、Ｓ４２及びＳ４４における判定も全て成立していれば、ステップＳ４６へと進む。ステップＳ４６では、気筒間空燃比制御実行フラグＦｄが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第一実施形態の変更例＞
次に、図１４及び図１５を参照して、本発明の第一実施形態の排気浄化装置の変更例について説明する。上述した第一実施形態の気筒間空燃比制御では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されているときにもリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されているときにも、気筒間での燃焼空燃比が変化せしめられている。

しかしながら、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されているときに気筒間で燃焼空燃比を変化させると、リッチ側の気筒の空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈから変更量αを減少させた値となる。このため、リッチ側の気筒における燃焼空燃比は、リッチ度合いの大きなリッチ空燃比となる。このように、リッチ度合いが高くなると、上述したようにＳＯｘが酸素吸蔵物質に強固に吸蔵されていたとしてもＳＯｘの離脱を招き、よって貴金属表面への硫黄成分の移動が生じてしまう。

そこで、本変更例では、図１４に示したように、平均空燃比がリーン空燃比とされているときには気筒間空燃比制御が実行される。加えて、平均空燃比がリッチ空燃比とされているときには、気筒間空燃比制御が実行されずに、全ての気筒において燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように各気筒の燃焼空燃比が制御される。これにより、平均空燃比がリッチ空燃比にされているときであっても、各気筒の燃焼空燃比がリッチ度合いの大きなリッチになることが抑制され、よって酸素吸蔵物質から貴金属表面への硫黄成分の移動を抑制することができる。

図１５は、本変更例における空燃比補正量の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１５に示した制御ルーチンは、図９のステップＳ２６が削除されている点を除いて、図９に示した制御ルーチンと同様である。

＜第二実施形態＞
次に、図１６及び図１７を参照して、本発明の第二実施形態の排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。

上記第一実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ以上であって上限温度以下であるときには、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔを高く維持するために、気筒間空燃比制御を行っている。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔを高く維持するための方法は他にも存在する。そこで、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ以上であるときには、気筒間空燃比制御を実行せずに、全ての気筒において燃焼空燃比が等しくなるように各気筒の燃焼空燃比を制御するようにしている。加えて、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ以上であって上限温度Ｔｌｉｍ以下であるときには、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔを高温に維持するための、気筒間空燃比制御とは異なる制御（以下、「高温維持制御」という）を行うようにしている。

なお、本実施形態では、気筒間空燃比制御の実行及び停止を切り替える切替温度と、平均空燃比制御におけるリッチシフト量とリーンシフト量との大小を反転させる切替温度とが同一とされている。しかしながら、気筒間空燃比制御の実行及び停止を切り替える切替温度（第１切替温度）と、平均空燃比制御におけるリッチシフト量とリーンシフト量との大小を反転させる切替温度（第２切替温度）とを異なる温度としてもよい。

図１６を参照して、本実施形態における平均空燃比制御及び気筒間空燃比制御について具体的に説明する。図１６は、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ等の図１０と同様なタイムチャートである。

図１０に示した例では、時刻ｔ₄以前においては、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔは、その活性温度Ｔａｃｔｃ以上であって切替温度Ｔｓｗ未満となっている。このときには、図１０の時刻ｔ₄以前と同様な制御が行われている。なお、このとき高温維持制御は実行されていない。なお、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔを高温に維持するための高温維持制御としては、点火プラグ１０による点火時期を遅角させる点火遅角制御が挙げられる。これにより、機関本体１から排出される排気ガスの温度が上昇し、これに伴って上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが高温に維持される。或いは、機関本体１から排出された排気ガスの一部を吸気通路内に戻す排気再循環（ＥＧＲ）機構（図示せず）を備えた内燃機関において、吸気通路内に戻す排気ガス量を減らすことが挙げられる。これによっても機関本体１から排出される排気ガスの温度が上昇するため、上流側排気浄化触媒２０の温度を高温い維持することができる。なお、高温維持制御は上述した制御に限られず、上流側排気浄化触媒２０を切替温度Ｔｓｗ以上の高温に維持し得る制御であれば、如何なる制御を行うことも可能である。

一方、図１６に示した例では、時刻ｔ₄以降においては、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ以上となっている。本実施形態では、このときには、上記第一実施形態と同様に、平均空燃比制御におけるリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは所定の第二リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂に設定され、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは所定の第二リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂に設定される。したがって、このとき平均空燃比制御におけるリッチシフト量がリーンシフト量よりも小さくされる。

加えて、図１６からわかるように、本実施形態では、時刻ｔ₄以降は、気筒間空燃比制御が停止せしめられる。換言すると、気筒間空燃比制御における変更量がゼロとされる。この結果、全ての気筒において各気筒の空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖに一致し、よって全ての気筒において燃焼空燃比が等しくなるように各気筒の燃焼空燃比が制御される。

さらに、本実施形態では、時刻ｔ₄以降には、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔを高温に維持するための高温維持制御が実行される。具体的には、例えば、時刻ｔ₄以降には点火プラグ１０による点火時期が時刻ｔ₄以前に比べて遅角せしめられる。本実施形態では、時刻ｔ₄以降、一定の高温維持制御が行われる。したがって、例えば、高温維持制御として点火時期の遅角を行った場合、時刻ｔ₄以降、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔ等に関わらず、常にほぼ一定の遅角量だけ点火時期が遅角せしめられる。

本実施形態においても、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ以上であるときには、平均空燃比制御におけるリッチシフト量がリーンシフト量よりも小さくされる。このため、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている硫黄成分が離脱し易くなる。また、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔは高温維持制御により高められる。この結果、本実施形態においても、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されているＳＯｘや硫黄成分の単位時間当たりの離脱量を増大させることができ、また、上流側排気浄化触媒２０へのＳＯｘや硫黄成分の吸蔵を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、時刻ｔ₄以降、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔにかかわらず、一定の高温維持制御が行われる。しかしながら、高温維持制御による上流側排気浄化触媒２０の加熱量は、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔに応じて変化させてもよい。具体的には、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが高くなるほど、高温維持制御による加熱量を減少させてもよい。したがって、例えば、高温維持制御として点火時期の遅角を行った場合、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが高くなるほど点火時期が進角側にシフトされる。

図１７は、気筒間空燃比制御の実行条件が成立しているか否かについての判定処理及び高温維持制御の実行判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

ステップＳ５１、Ｓ５２、Ｓ５４は、図１３のステップＳ４１、Ｓ４２、Ｓ４４と同様であるため、説明を省略する。本制御ルーチンでは、ステップＳ５３において、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ未満であるか否かが判定される。そして、ステップＳ５３において、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ以上であると判定された場合には、ステップＳ５５へと進む。ステップＳ５５では、気筒間空燃比制御実行フラグＦｄが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、ステップＳ５３において、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが切替温度Ｔｓｗ未満であると判定された場合には、ステップＳ５１、Ｓ５２及びＳ５４における判定も全て成立していれば、ステップＳ５６へと進む。ステップＳ５６では、気筒間空燃比制御実行フラグＦｄが１にセットされる。次いで、ステップＳ５７では、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｌｉｍ未満であるか否かが判定される。上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｌｉｍ以上であると判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、上流側排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔが上限温度Ｔｌｉｍ未満であると判定された場合には、ステップＳ５８へと進む。ステップＳ５８では高温維持制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第三実施形態＞
次に、図１８〜図２０を参照して、本発明の第三実施形態の排気浄化装置について説明する。第三実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態及び第二実施形態に係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。

本実施形態の平均空燃比制御では、まず、目標平均空燃比をリッチ設定空燃比に設定している状態で、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と、目標平均空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。これにより、平均空燃比がリーン空燃比に変化する。

目標平均空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられると、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、目標平均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ＯＥＤは、例えば、下記式（２）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ） …（２）
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。

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平均空燃比が、リッチ設定空燃比に切り替えられる。すなわち、平均空燃比をリーン空燃比に制御し始めてからの上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに達した時に平均空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。

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、目標平均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においても、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標平均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。

図１８を参照して、本実施形態の平均空燃比制御について具体的に説明する。図１８は、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ等の、図４と同様なタイムチャートである。図１８に示した例では、時刻ｔ₁〜ｔ₂において、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されている。すなわち、目標平均空燃比はリッチ空燃比とされており、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比となっている。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ＨＣ、ＣＯ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が徐々に減少していく。一方、上流側排気浄化触媒２０における未燃ＨＣ、ＣＯの浄化により、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。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少してゼロに近づくと、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ＨＣ、ＣＯの一部が上流側排気浄化触媒２０から流出し始める。このため、図示した例では、時刻ｔ₂において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。

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、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。したがって、目標平均空燃比がリーン空燃比へと切り替えられる。このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤはゼロにリセットされる。

時刻ｔ₂において、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ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。加えて、時刻ｔ₂以降、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も徐々に増大する。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比に収束する。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増加すると、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。このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、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、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標平均空燃比はリッチ空燃比とされる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがゼロにリセットされる。その後、平均空燃比制御では、時刻ｔ₁〜ｔ₃の制御が繰り返される。

なお、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よりも十分に低く設定される。このため、実際の排気ガスの空燃比が意図せずに目標平均空燃比から瞬間的に大きくずれたりしたときであっても、酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しない。逆に言うと、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上述したような意図しない空燃比のずれが生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上流側排気浄化触媒２０が未使用であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの３／４以下、好ましくは１／２以下、より好ましくは１／５以下とされる。

本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０から酸素やＮＯｘが流出する前に目標平均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ことになる。このため、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。

なお、本実施形態では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されている期間（例えば、時刻ｔ₁〜ｔ₂）においても、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されている期間（例えば、時刻ｔ₂〜ｔ₃）においても、気筒間空燃比制御が実行される。特に、図１８に示した例では、リッチ側の気筒では空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖから変更量αを減算した値に設定される。一方、リーン側の気筒では、空燃比補正量ＡＦＣが平均空燃比補正量ＡＦＣａｖに変更量αを加算した値に設定される。ただし、上述した第一実施形態の変更例と同様に、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖがリッチ設定補正量に設定されている期間中は気筒間空燃比制御を実行しないようにしてもよい。

＜具体的な制御の説明及びフローチャート＞
次に、図１９を参照して、上記実施形態における排気浄化装置の制御装置について具体的に説明する。図１９は、図８と同様な機能ブロック図であり、図８に示した機能ブロック図に対して酸素過不足量算出手段Ａ４が加えられている。

酸素過不足量算出手段Ａ４は、燃料噴射量算出手段Ａ３によって算出された燃料噴射量Ｑｉ及び上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する。酸素過不足量算出手段Ａ４は、例えば、上記式（２）により上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と制御中心空燃比との差分に燃料噴射量Ｑｉを乗算すると共に、求めた値を積算することによって積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する。また、本実施形態においては、空燃比補正量算出手段Ａ５では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに加えて、酸素過不足量算出手段Ａ４によって算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖ及び各気筒の空燃比補正量ＡＦＣが算出される。

図２０は、第二実施形態における空燃比補正量の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。図２０のステップＳ６１〜Ｓ６８及びステップＳ７０〜Ｓ７７は、図９のステップＳ１１〜Ｓ１８及びステップＳ２０〜Ｓ２７と同様であるため説明を省略する。

図２０に示した制御ルーチンでは、ステップＳ６２においてリッチフラグＦｒが１でないと判定された場合には、ステップＳ６９へと進む。ステップＳ６９では、平均空燃比補正量ＡＦＣａｖが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以上である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よりも少ない場合にはステップＳ７０へと進む。一方、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ７１へと進む。

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
４６ 温度センサ

Claims (8)

1. 複数の気筒を有する内燃機関の排気浄化装置において、
   機関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た下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの平均空燃比及び各気筒において燃焼が行われるときの燃焼空燃比を制御する制御装置とを具備し、
   前記制御装置は、前記平均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制御する平均空燃比制御を実行し、且つ、前記排気浄化触媒の温度が所定の第１切替温度よりも低い場合には、前記平均空燃比制御によって前記平均空燃比がリーン空燃比に制御されているときにおいても、前記複数の気筒のうち少なくとも一つの気筒では燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように、各気筒の燃焼空燃比を制御する気筒間空燃比制御を実行し、
   前記平均空燃比制御では、前記排気浄化触媒の温度が所定の第２切替温度よりも低いときには、前記平均空燃比をリーン空燃比に制御したときの該平均空燃比と理論空燃比との差であるリーンシフト量が、前記平均空燃比をリッチ空燃比に制御したときの該平均空燃比と理論空燃比との差であるリッチシフト量よりも小さくなるように前記平均空燃比が制御され、且つ、前記排気浄化触媒の温度が前記第２切替温度以上であるときには、前記リーンシフト量が前記リッチシフト量よりも大きくなるように、前記平均空燃比が制御される、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御装置は、前記排気浄化触媒の温度が前記第１切替温度以上である場合にも、前記気筒間空燃比制御を実行する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記制御装置は、前記排気浄化触媒の温度が所定の上限温度よりも高い場合には、前記気筒間空燃比制御を実行せずに、全ての気筒において燃焼空燃比が等しくなるように各気筒の燃焼空燃比を制御し、前記上限温度は前記第１切替温度よりも高い温度とされる、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記制御装置は、前記排気浄化触媒の温度が前記第１切替温度以上であるときには、前記気筒間空燃比制御を実行せずに、全ての気筒において燃焼空燃比が等しくなるように各気筒の燃焼空燃比を制御する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記気筒間空燃比制御では、前記平均空燃比制御によって前記平均空燃比がリッチ空燃比に制御されているときにおいても、前記複数の気筒のうち少なくとも一つの気筒では燃焼空燃比がリーン空燃比になるように、各気筒の燃焼空燃比が制御される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記制御装置は、前記平均空燃比がリッチ空燃比に制御されているときには、前記気筒間空燃比制御を実行せずに、前記複数の気筒の全てにおいて燃焼空燃比がリッチ空燃比になるように、各気筒の燃焼空燃比を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記制御装置は、前記平均空燃比制御において、前記平均空燃比をリッチ空燃比に制御しているとき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平均空燃比をリーン空燃比に切り替えると共に、前記平均空燃比をリーン空燃比に制御しているとき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ーンなリーン判定空燃比以上になったときに前記平均空燃比をリッチ空燃比に切り替える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記制御装置は、前記平均空燃比制御において、前記平均空燃比をリッチ空燃比に制御しているとき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平均空燃比をリーン空燃比に切り替えると共に、前記平均空燃比をリーン空燃比に制御し始めてからの前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が該排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量よりも少ない予め定められた切替基準吸蔵量に達したときに前記平均空燃比をリッチ空燃比に切り替える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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