JP2016211401A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒からＮＯｘが流出するのを抑制しつつ排気浄化触媒の温度を上昇させる。
【解決手段】排気浄化触媒２０を具備する内燃機関において用いられる空燃比制御装置は、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空燃比を制御する空燃比制御部とを具備する。空燃比制御部は、下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに排気ガスの空燃比をリーン設定空燃比に切り替えると共に、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が切替基準吸蔵量になったときに排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比に切り替える。排気浄化触媒の温度を上昇させるときには、排気浄化触媒の温度を上昇させないときに比べて、切替基準吸蔵量が少なく設定されるように、又はリッチ設定空燃比と理論空燃比との差及びリーン設定空燃比と理論空燃比との差が小さくされるように切替基準吸蔵量、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比が設定される。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。

従来から、内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒を具備する内燃機関において用いられる空燃比制御装置が知られている（例えば、特許文献１）。斯かる空燃比制御装置は、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、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部とを具備する。

特に、特許文献１に記載の空燃比制御装置では、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であるリッチ判定空燃比以下になったときに、排気浄化触媒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、「リーン空燃比」という）に制御される。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になったときに、排気浄化触媒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、「リッチ空燃比」という）に制御される。これにより、排気浄化触媒からリーン空燃比の排気ガスが流出するのが抑制され、よって排気浄化触媒からＮＯｘが流出するのが抑制される。

国際公開第２０１４／１１８８９２号 特開２００８−０９５５４２号公報 特開２００６−１８３６３７号公報

ところで、排気浄化触媒の温度が低下すると、排気浄化触媒における未燃ガス（未燃ＨＣ、ＣＯ等）やＮＯｘの浄化能力の低下を招く。また、排気浄化触媒の温度が低下すると、排気ガス中の硫黄成分が排気浄化触媒に吸蔵されやすくなる。排気浄化触媒に硫黄成分が吸蔵されると、排気浄化触媒による浄化能力の低下や酸素吸蔵能力の低下を招く。

このため、排気浄化触媒の温度が低下したときには、排気浄化触媒を昇温するための制御を行うことが提案されている。このような昇温制御としては、例えば、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を短い時間間隔でリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替える制御が挙げられる（例えば、特許文献２）。或いは、複数の気筒を有する内燃機関において、一部の気筒では燃焼時における混合気の空燃比をリッチ空燃比とし、残りの気筒では燃焼時における混合気の空燃比をリーン空燃比とする制御が提案されている（例えば、特許文献３）。これにより、排気浄化触媒には多量の未燃ガス及び酸素が供給されることになるため、排気浄化触媒において未燃ガスの燃焼が生じ、この結果、排気浄化触媒が昇温される。

このような昇温制御は、基本的に、排気浄化触媒からほぼ理論空燃比の排気ガスが流出するように行われる。すなわち、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量近傍やゼロ近傍に到達することのないように、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えられる。しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量近傍やゼロ近傍に到達することのないように空燃比制御を行った場合であっても、排気浄化触媒からリーン空燃比の排気ガスが流出することになる。例えば、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定するのに排気浄化触媒よりも排気上流側に設けられた空燃比センサを用いている場合、この上流側空燃比センサにズレが生じていると、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量近傍に到達することがある。このとき、排気浄化触媒からリーン空燃比の排気ガスが流出することになり、よって、排気浄化触媒からＮＯｘが流出することになる。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、排気浄化触媒からＮＯｘが流出するのを抑制しつつ排気浄化触媒の温度を上昇させることができる内燃機関の空燃比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を具備する内燃機関において用いられる空燃比制御装置であって、前記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前記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、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部とを具備し、前記空燃比制御部は、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であるリッチ判定空燃比以下になったときから、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が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になるまで前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に制御すると共に、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記切替基準吸蔵量になったときから前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまで前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に制御し、前記排気浄化触媒の温度を上昇させるときには、該排気浄化触媒の温度を上昇させないときに比べて、前記切替基準吸蔵量が少なく設定されるように若しくは前記リッチ設定空燃比と理論空燃比との差及び前記リーン設定空燃比と理論空燃比との差が大きくされるように又は前記切替基準吸蔵量が少なく設定され且つ前記リッチ設定空燃比と理論空燃比との差及び前記リーン設定空燃比と理論空燃比との差が大きくされるように、前記切替基準吸蔵量、前記リッチ設定空燃比及び前記リーン設定空燃比が設定される、内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

本発明によれば、排気浄化触媒からＮＯｘが流出するのを抑制しつつ排気浄化触媒の温度を上昇させることができるようになる。

図１は、本発明の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、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、目標空燃比の設定処理における制御ルーチンを示すフローチャートである。 図７は、昇温処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８は、吸入空気流量と切替基準吸蔵量、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比との関係を示す図である。 図９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。

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、本発明の第一実施形態に係る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、本発明の排気浄化装置が用いられる内燃機関では、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。

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及び出力ポート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。

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、各種制御を行う制御装置として機能する。

＜排気浄化触媒の説明＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ガス及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ガス及びＮＯｘとが同時に浄化される。

すなわち、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有していると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リーンになったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵される。このため、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ガス及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

一方、排気浄化触媒２０、２４が酸素を放出することができる状態にあると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が０よりも多いと、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも若干リッチになったときには、排気ガス中に含まれている未燃ガスを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出される。このため、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ガス及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

このように、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ガス及びＮＯｘとが動じに浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

＜空燃比センサの説明＞
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の出力特性について説明する。図２は、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図であり、図３は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）と出力電流Ｉとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ４０、４１として同一構成の空燃比センサが用いられる。

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。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。

加えて、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が設定される。具体的には、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。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン設定空燃比に等しい空燃比となる。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、１４．７０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ＯＳＡの推定値であるといえる。

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の出力等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ） …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（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。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ設定空燃比に等しい空燃比となる。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、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、好ましくはリーン設定空燃比の理論空燃比からの差よりも小さい値とされる。

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。

＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図４を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図４は、本実施形態の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、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。

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。

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設定空燃比からリーン設定空燃比に等しい空燃比に変化する。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がゼロにリセットされる。

ここで、図４に示した例では、時刻ｔ₃において目標空燃比を切り替えると同時に酸素吸蔵量ＯＳＡが低下しているが、実際には目標空燃比を切り替えてから酸素吸蔵量ＯＳＡが低下するまでには遅れが発生する。また、内燃機関を搭載した車両の加速により機関負荷が高くなって吸入空気量が瞬間的に大きくずれた場合等、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、上述したような遅れが生じたり実際の排気ガスの空燃比が意図せずに目標空燃比から瞬間的に大きくずれたりしたときであっても、酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しない。逆に言うと、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上述したような遅れや意図しない空燃比のずれが生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上流側排気浄化触媒２０が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。この結果、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に到達する前に目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられることになる。

時刻ｔ₃において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、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の排出はほぼゼロとされる。

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４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、このような本実施形態における目標空燃比ＡＦＴ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から、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以上になるまで、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よりもリーンなリーン設定空燃比に制御すると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったときから、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になるまで、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よりもリッチな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。

＜排気浄化触媒の昇温要求＞
ところで、排気浄化触媒２０、２４では、その温度が或る温度（例えば、活性温度）以下に低下すると、排気浄化触媒２０、２４における未燃ガス（未燃ＨＣ、ＣＯ等）及びＮＯｘに対する浄化能力の低下を招く。したがって、排気浄化触媒２０、２４の温度が活性温度以下に低下するような場合には排気浄化触媒２０、２４を昇温することが必要になる。

また、排気浄化触媒２０、２４では、その温度が所定の硫黄離脱温度（例えば、６００℃）未満であると、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比にかかわらず、排気浄化触媒２０、２４に排気ガス中の硫黄成分が吸蔵せしめられる。このように排気浄化触媒２０、２４に吸蔵された硫黄成分が増大すると、これに伴って排気浄化触媒２０、２４による未燃ガスやＮＯｘに対する浄化能力が低下する。一方、排気浄化触媒２０、２４の温度が上記硫黄離脱温度以上であって排気浄化触媒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に吸蔵されていた硫黄成分が離脱せしめられる。したがって、排気浄化触媒２０、２４における硫黄成分の吸蔵量が或る一定以上に多くなると、排気浄化触媒２０、２４から硫黄成分を離脱させるべく排気浄化触媒２０、２４の温度を上記硫黄離脱温度以上に昇温させることが必要になる。

＜排気浄化触媒の昇温制御＞
そこで、本実施形態では、このように上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる必要があるときには、以下のような昇温制御を行う。すなわち、上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させるときには、上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させないときに比べて、切替基準吸蔵量が少なく設定されるように若しくはリッチ設定空燃比と理論空燃比との差及びリーン設定空燃比と理論空燃比との差が大きくされるように、又は切替基準吸蔵量が少なく設定され且つリッチ設定空燃比と理論空燃比との差及びリーン設定空燃比と理論空燃比との差が大きくされるように、切替基準吸蔵量、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比が設定される。斯かる昇温制御について、図５を参照して説明する。

図５は、本実施形態の昇温制御を行った場合における、アイドルフラグＦａ、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、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。アイドルフラグＦａは、内燃機関においてアイドル運転が行われているときにＯＮとされ、それ以外のときにＯＦＦとされるフラグである。

ここで、内燃機関においてアイドル運転が行われると機関本体１から排出される排気ガスの温度が低下する。このため、上流側排気浄化触媒２０の温度が、例えば活性温度未満に低下する可能性がある。そこで、図５に示した例では、内燃機関においてアイドル運転が行われたときに、上流側排気浄化触媒２０を昇温させる昇温制御を行うようにしている。

図５に示した例では、時刻ｔ₅以前において、アイドルフラグＦａがＯＦＦとされている。したがって、内燃機関ではアイドル運転が行われておらず、よって上流側排気浄化触媒２０を意図的に昇温させる必要はない。このとき、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎは図４を参照して説明したような値に設定される。図５に示した例では、このときのリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎをそれぞれ第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₁（例えば、１６．５５）及び第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₁（例えば、１６．７０）で表している。したがって、第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈのリッチ度合いは比較的小さく、また第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎのリーン度合いも比較的小さい。加えて、図５に示した例では、第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈのリッチ度合いは、第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎのリッチ度合いよりも小さい。

加えて、図５に示した例では、時刻ｔ₅以前においては、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ及び切替基準値ＯＥＤｒｅｆが図４を参照して説明したような値に設定される。図５に示した例では、このときの切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ及び切替基準値ＯＥＤｒｅｆをそれぞれ第一切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₁及び第一切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁で表している。したがって、第一切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₁及び第一切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁は比較的大きい値である。

したがって、図５に示した例では、時刻ｔ₃において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、目標空燃比ＡＦＴが第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₁から第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₁へと切り替えられる。これにより、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大し、これに伴って時刻ｔ₃からの積算酸素過不足量ΣＯＥＤも増大する。

その後、時刻ｔ₃からの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが第一切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁に到達した時刻ｔ₄において、目標空燃比ＡＦＴが第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₁から第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₁へと切り替えられる。これにより、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少していく。

図５に示した例では、時刻ｔ₅において、アイドルフラグＦａがＯＦＦからＯＮに切り替わる。このため、内燃機関ではアイドル運転が行われており、よって上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの温度が低下する。したがって、上流側排気浄化触媒２０の温度が活性温度未満に低下する可能性がある。そこで、本実施形態では、時刻ｔ₅以降、上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる昇温制御が行われる。

このため、時刻ｔ₅では、リッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈが第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₁から第二リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₂に切り替えられる。第二リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₂は、第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₁よりも小さい（ＡＦＴｒｉｃｈ₂＜ＡＦＴｒｉｃｈ₁）。第二リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₂のリッチ度合いは第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₁のリッチ度合いよりも大きいため、時刻ｔ₅以降、酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度が時刻ｔ₅以前の減少速度よりも速くなる。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになると、上流側排気浄化触媒２０からリッチ空燃比の排気ガスが流出する。このため、図５に示した例では、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。

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以下になると、目標空燃比が第二リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₂から第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₂へと切り替えられる。第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₂は、第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₁よりも大きい（ＡＦＴｌｅａｎ₂＞ＡＦＴｌｅａｎ₁）。特に、本実施形態では、第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₂のリーン度合いは第二リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈのリッチ度合いと同一とされるが、これらリーン度合いとリッチ度合いは必ずしも同一にされなくてもよい。

第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₂のリーン度合いは第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₁のリーン度合いよりも大きいため、時刻ｔ₆以降における酸素吸蔵量ＯＳＡの増大速度が時刻ｔ₅以前の増大速度よりも速くなる。また、第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₂のリーン度合いが大きいため、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になっていた下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが時刻ｔ₆以降、迅速に理論空燃比近傍に戻る。

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ｔ₇において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが第一切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₁よりも少ない第二切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₂に到達する。したがって、時刻ｔ₇では、時刻ｔ₆からの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが、第一切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁よりも小さい第二切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂に到達する。このため、時刻ｔ₇では、目標空燃比ＡＦＴが、第二リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₂に切り替えられる。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。

時刻ｔ₇において目標空燃比ＡＦＴを第二リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₂に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少していき、時刻ｔ₈においてほぼゼロとなる。このため、図５に示した例では、時刻ｔ₈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が再び第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₂に切り替えられる。その後、アイドルフラグＦａがＯＮになっている限り、時刻ｔ₆〜時刻ｔ₈のサイクルが繰り返される。また、アイドルフラグＦａがＯＦＦになると、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎがそれぞれ第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₁及び第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₁へ戻される。加えて、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが第一切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₁に戻され、よって切替基準値ＯＥＤｒｅｆが第一基準値ＯＥＤｒｅｆ₁に戻される。

＜昇温制御の作用・効果＞
図５に示したように、上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる必要があるときには、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが低下せしめられる。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は短いサイクルでリッチ空燃比とリーン空燃比とを繰り返すことになる。リッチ空燃比の排気ガス中には過剰な未燃ガスが含まれており、また、リーン空燃比の排気ガス中には過剰な空気が含まれている。このため、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が短いサイクルでリッチ空燃比とリーン空燃比とを繰り返すと、排気マニホルド１９及び上流側排気浄化触媒２０には短いサイクルで過剰な未燃ガスと過剰な酸素とが交互に流入する。この結果、これら過剰な未燃ガスと過剰な酸素とは排気マニホルド１９及び上流側排気浄化触媒２０において反応し、その反応熱により上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させることができる。

また、図５に示したように、上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる必要があるときには、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈのリッチ度合い及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎのリーン度合いが増大せしめられる。この結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増大速度及び減少速度が速くなり、このことによっても上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とを繰り返すサイクルが短くなる。このため、上述したように、過剰な未燃ガスと過剰な酸素との反応熱により上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させることができる。

また、本実施形態では、昇温制御の実行中において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロと第二切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ₂とに交互に変化せしめられる。特に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになっていることは、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以下になることで確認される。したがって、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにずれがあるような場合であって上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを正確に推定することができない場合であっても、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘまで到達して、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出してしまうことを抑制することができる。

＜目標空燃比の設定処理のフローチャート＞
図６は、目標空燃比の設定処理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６に示したように、まず、ステップＳ１１において目標空燃比ＡＦＴの算出条件が成立しているか否かが判定される。目標空燃比ＡＦＴの算出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ＡＦＴの算出条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。

ステップＳ１２では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているとき、すなわち目標空燃比がリーン空燃比に設定されているときには、ＯＮとされ、それ以外のときにはＯＦＦとされるフラグである。ステップＳ１２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。

ステップＳ１３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であるか否かが判定される。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た場合には、ステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ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の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになっ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以下になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１３からステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定される。次いで、ステップＳ１６では、リーン設定フラグＦｌがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

リーン設定フラグＦｌがＯＮ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Ｓ１７及びステップＳ１８へと進む。ステップＳ１７では、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに設定さ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。また、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以上であるか否かが判定される。

ステップＳ１７において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが少なく、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Ｓ１９へと進む。或いは、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未満である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の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大して積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１７からステップＳ２０へと進む。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以上になったと判定された場合には、ステップＳ１８からステップ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に設定される。次いで、ステップＳ２１では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜昇温処理のフローチャート＞
図７は、昇温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７に示したように、まず、ステップＳ３１では、アイドルフラグＦａがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。アイドルフラグＦａは、上述したように、内燃機関においてアイドル運転が行われているときにＯＮとされ、それ以外のときにＯＦＦとされるフラグである。したがって、アイドルフラグＦａは、例えば、機関回転数が所定回転数（例えば、８００ｒｐｍ）以下であって機関負荷がゼロである場合に、ＯＮにされる。

ステップＳ３１において、アイドルフラグＦａがＯＦＦに設定されていると判定された場合、すなわち上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる必要がない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、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈが第一リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₁に設定され、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎが第一リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₁に設定される。これら値は、図６のステップＳ１４、Ｓ１５、Ｓ１９、Ｓ２０において用いられる。

次いで、ステップＳ３３では、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが第一切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁に設定される。したがって、図６のステップＳ１７では、切替基準値ＯＥＤｒｅｆとして第一切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₁が用いられる。その後、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、ステップＳ３１において、アイドルフラグＦａがＯＮに設定されていると判定された場合、すなわち上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる必要がある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、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈが第二リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ₂（ＡＦＴｒｉｃｈ₂＜ＡＦＴｒｉｃｈ₁）に設定され、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎが第二リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ₂（ＡＦＴｌｅａｎ₂＞ＡＦＴｌｅａｎ₁）に設定される。これら値は、図６のステップＳ１４、Ｓ１５、Ｓ１９、Ｓ２０において用いられる。

次いで、ステップＳ３５では、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが第二切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂（ＯＥＤｒｅｆ₂＜ＯＥＤｒｅｆ₁）に設定される。したがって、図６のステップＳ１７では、切替基準値ＯＥＤｒｅｆとして第二切替基準値ＯＥＤｒｅｆ₂が用いられる。その後、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第二実施形態＞
次に、図８及び図９を参照して本発明の第二実施形態に係る空燃比制御装置について説明する。第二実施形態に係る空燃比制御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空燃比制御装置の構成及び制御と同様である。

ここで、上記第一実施形態では、内燃機関の運転状態がアイドル運転状態であるときに、上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる必要があるものとして昇温制御を行うようにしている。これに対して、本実施形態では、内燃機関の吸気通路内を流れる空気ガスの流量（吸入空気流量）に応じて、昇温制御の実行・停止を制御するようにしている。具体的には、吸気通路内の吸入空気流量が基準流量以下であるときに昇温制御を実行し、吸気通路内の吸入空気流量が基準流量よりも多いときには昇温制御を実行しないようにしている。

図８は、吸入空気流量Ｇａと切替基準吸蔵量ＯＳＡｒｅｆとの関係、並びに吸入空気流量Ｇａとリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎとの関係を示す図である。

図８（Ａ）に示したように、切替基準吸蔵量ＯＳＡｒｅｆは、吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆ以下であるときには比較的少ない量とされる。これに対して、切替基準吸蔵量ＯＳＡｒｅｆは、吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆよりも多いときには、基準流量Ｇａｒｅｆ以下であるときに比べて多くされる。このときの切替基準吸蔵量ＯＳＡｒｅｆは、図４を参照して説明したような値に設定される。

また、図８（Ａ）に示した例では、吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆ以下であるときには、吸入空気流量Ｇａが少なくなるほど切替基準吸蔵量ＯＳＡｒｅｆが減少せしめられる。ここで、吸入空気流量Ｇａが少なくなるほど酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度及び減少速度が遅くなるため、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変化させるサイクルの時間間隔が長くなる。これに対して、吸入空気流量Ｇａが少なくなるほど切替基準吸蔵量ＯＳＡｒｅｆを減少させることで、吸入空気流量Ｇａが少なくなっても１サイクルの時間間隔を一定に維持することができるようになる。

また、図８（Ｂ）に示したように、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎは、吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆ以下であるときには大きな値とされる。同様にリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈは、吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆ以下であるときには小さな値とされる。

一方、リーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎは、吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆよりも多いときには、基準流量Ｇａｒｅｆ以下であるときに比べて小さな値とされる（リーン度合いが小さくされる）。同様に、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈは、吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆよりも多いときには、基準流量Ｇａｒｅｆ以下であるときに比べて大きな値とされる（リッチ度合いが小さくされる）。このときのリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎ及びリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈは、図４を参照して説明したような値に設定される。

図９は、本実施形態の昇温制御を行った場合における、吸入空気流量Ｇａ、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、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。

図９に示した例では、時刻ｔ₅以前において、エアフロメータ３９によって検出される吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆよりも多い。このため、上流側排気浄化触媒２０の温度はそれほど低下せず、よって上流側排気浄化触媒２０を意図的に昇温させる必要はない。このため、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈ及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎは図４を参照して説明したような値（図５の時刻ｔ₅以前と同様な値）に設定される。また、時刻ｔ₅以前においては、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ及び切替基準値ＯＥＤｒｅｆが図４を参照して説明したような値（図５の時刻ｔ₅以前と同様な値）に設定される。

その後、時刻ｔ₅において、吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆ以下になると、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈのリッチ度合い及びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎのリーン度合いが増大せしめられる。加えて、時刻ｔ₅において、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ及び切替基準値ＯＥＤｒｅｆが減少せしめられる。また、本実施形態では、時刻ｔ₅以降、吸入空気流量Ｇａが徐々に減少しており、これに伴って時刻ｔ₅以降、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ及び切替基準値ＯＥＤｒｅｆも徐々に減少せしめられる。

なお、上記第一実施形態及び第二実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる必要があるときとして、アイドルフラグＦａがＯＮとされているとき及び吸入空気流量Ｇａが基準流量Ｇａｒｅｆ以下であるときが挙げられている。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の温度を上昇させる必要があるときは、必ずしもこれらのみに限られるわけではない。

したがって、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度が活性温度以下になったような場合に昇温制御が行われる。具体的には、例えば、上流側排気浄化触媒２０の温度を検出する温度センサ（図示せず）によって検出された温度が活性温度以下である場合に、昇温制御が行われる。或いは、そのままの運転状態を続けていると上流側排気浄化触媒２０の温度が活性温度以下になり得る場合に昇温制御が行われる。具体的には、例えば、上記第一実施形態及び第二実施形態で示したような条件で昇温制御が行われる。

或いは、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている硫黄成分を上流側排気浄化触媒２０から離脱させるために上流側排気浄化触媒２０の温度を硫黄離脱温度以上まで上昇させる必要がある場合に昇温制御が行われる。この場合、例えば、積算燃料噴射量等に基づいて上流側排気浄化触媒２０の硫黄成分吸蔵量を算出し、算出された硫黄成分吸蔵量が所定の基準吸蔵量以上になったときに、昇温制御が行われる。

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配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒を具備する内燃機関において用いられる空燃比制御装置であって、
   前記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前記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、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部とを具備し、
   前記空燃比制御部は、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であるリッチ判定空燃比以下になったときから、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が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になるまで前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に制御すると共に、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記切替基準吸蔵量になったときから前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまで前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に制御し、
   前記排気浄化触媒の温度を上昇させるときには、該排気浄化触媒の温度を上昇させないときに比べて、前記切替基準吸蔵量が少なく設定されるように若しくは前記リッチ設定空燃比と理論空燃比との差及び前記リーン設定空燃比と理論空燃比との差が大きくされるように又は前記切替基準吸蔵量が少なく設定され且つ前記リッチ設定空燃比と理論空燃比との差及び前記リーン設定空燃比と理論空燃比との差が大きくされるように、前記切替基準吸蔵量、前記リッチ設定空燃比及び前記リーン設定空燃比が設定される、内燃機関の空燃比制御装置。

Images