JP2016217185A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒からＮＯｘがほとんど流出しないような排気浄化触媒を提供する。
【解決手段】排気浄化触媒２０を具備する内燃機関の排気浄化装置は、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装置とを具備する。空燃比制御装置は、下流側空燃比センサによって検出された空燃比の時間微分値がゼロよりも小さくなったときに排気ガスの空燃比をリーン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るまで排気ガスの空燃比をリーン空燃比に維持し、排気浄化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排気ガスの空燃比をリッチ空燃比に切り替えると共に下流側空燃比センサによって検出された空燃比の時間微分値がゼロよりも小さくなるまで排気ガスの空燃比をリッチ空燃比に維持する。
【選択図】図６

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

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の排気浄化装置が知られている。斯かる排気浄化装置としては、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサを設けたものが知られている（例えば、特許文献１）。

特に、特許文献１に記載の排気浄化装置では、下流側酸素センサの出力の時間微分値が正の所定値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をリーン空燃比に切り替えるようにしている。同様に、下流側酸素センサの出力の時間微分値が負の所定値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をリッチ空燃比に切り替えるようにしている。

加えて、特許文献１に記載の排気浄化装置では、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を前回リッチ空燃比に制御している間に排気浄化触媒から放出された総放出酸素量が算出される。そして、その後、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に制御している間に排気浄化触媒に吸蔵された総吸蔵酸素量が上述した総放出酸素量に近づくにつれて、上述した負の所定の絶対値を小さくするようにしている。特許文献１によれば、これにより、排気浄化触媒から酸素が流出したことを迅速に検出することができ、よって排気浄化触媒からのＮＯｘ放出量を低減することができるとされている。

国際公開第２０１２／０９８６４１号

しかしながら、特許文献１に記載された制御では、排気ガスの空燃比をリーン空燃比に制御している状態で、下流側酸素センサの出力の時間微分値が負の所定値になったときに、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比に切り替えている。すなわち、下流側酸素センサによって排気浄化触媒から流出した排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことが検出されたときに、排気ガスの空燃比を切り替えている。したがって、特許文献１に記載された制御を行っていると、排気浄化触媒からはリーン空燃比の排気ガスが必ず流出する。したがって、排気浄化触媒からは多少なりともＮＯｘが流出してしまうことになる。

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がほとんど流出しないような排気浄化触媒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の排気浄化装置であって、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装置とを具備し、前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比の時間微分値がゼロ以下の所定値よりも小さくなったときに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空燃比に切り替えると共に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リーン空燃比に維持し、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記切替基準吸蔵量以上になったときに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空燃比に切り替えると共に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比の時間微分値が前記所定値よりも小さく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リッチ空燃比に維持する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

本発明によれば、排気浄化触媒からＮＯｘがほとんど流出しないような排気浄化触媒が提供される。

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、通常時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５は、下流側空燃比センサに応答遅れの異常が発生している場合における目標空燃比等のタイムチャートである。 図６は、遅れ時の空燃比制御を実行している場合における目標空燃比等のタイムチャートである。 図７は、燃料カット制御を実行したときの目標空燃比等のタイムチャートである。 図８は、空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、通常時の空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、遅れ時の空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の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。

＜通常時の空燃比制御＞
次に、本実施形態の内燃機関の制御装置における通常時の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に制御される。リーン設定空燃比は、理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．７０程度とされる。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に制御される。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、１４．５５程度とされる。なお、本実施形態では、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差（リッチ度合い）は、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差（リーン度合い）以下、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。

より詳細には、本実施形態では、以下のような通常時の空燃比制御が行われる。すなわち、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、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に切り替えるようにしている。その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量になるまで、目標空燃比をリーン空燃比に維持して、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に維持するようにしている。

その後、上流側排気浄化触媒２０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、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比に切り替えるようにしている。その後、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るまで、目標空燃比をリッチ空燃比に維持して、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に維持するようにしている。

ただし、上述したような制御を行った場合、積算酸素過不足量が切替基準値に到達したときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比まで戻っておらず、リッチ判定空燃比以下に維持されている場合がある。

このような事態が発生する要因としては、例えば上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリーン側にずれていること等により、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられても、上流側排気浄化触媒２０が或る程度の期間に亘ってリッチ雰囲気に維持されてしまうことが考えられる。すなわち、このようにずれが生じていると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比は目標空燃比よりもリッチな空燃比となる。この場合、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定している場合においても、実際の空燃比はリーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比になっている。このため、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられても、上流側排気浄化触媒２０に酸素があまり流入せず、上流側排気浄化触媒２０がリッチ雰囲気に維持される。その結果、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスを含んだ排気ガス流出することが考えられる。

このように、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ある状態で目標空燃比がリッチ設定空燃比に切り替えられると、出力空燃比がリッチ判定空燃比以下であるため切り替え直後に目標空燃比が再びリーン設定空燃比に切り替えられることになる。この場合、積算酸素過不足量はゼロにリセットされるため、積算酸素過不足量が再び切替基準値に到達するまで目標空燃比はリーン設定空燃比に維持されることになる。このため、実質的に長期間に亘って目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されることになり、よって上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達して上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出してしまう可能性がある。

そこで、本実施形態では、基本的に、積算酸素過不足量が切替基準値に到達した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であるときには、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よりも大きくなるまで目標空燃比をリーン設定空燃比に維持するようにしている。これにより、必要以上に長期間に亘って目標空燃比がリーン設定空燃比に維持されることがなくなり、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出してしまうのが抑制される。

＜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、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を理論空燃比よりも小さな値（例えば、リッチ設定空燃比等）としてもよい。

同様に、上記実施形態では、時刻ｔ₃〜ｔ₅において、目標空燃比ＡＦＴはリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、目標空燃比ＡＦＴは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に増大させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、時刻ｔ₃〜ｔ₅の期間中において、一時的に目標空燃比ＡＦＴを理論空燃比よりも大きな値（例えば、リーン設定空燃比等）としてもよい。

また、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。

＜空燃比センサの応答遅れ＞
ところで、上述したような空燃比センサ４０、４１では、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比が変化してからその出力が周囲の空燃比に相当する値に到達するまでに遅れ（応答遅れ）が生じる場合がある。斯かる応答遅れは、例えば、空燃比センサ４０、４１の素子が被水することを防止するためのセンサカバーに設けられた通気孔が排気ガス中の微粒子に寄って部分的に塞がってしまうことにより生じる。また、空燃比センサ４０、４１を構成する拡散律速層に部分的に微粒子が詰まることによって生じる。

このような応答遅れが下流側空燃比センサ４１に生じた場合、上述したような空燃比制御を行っていると、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスやＮＯｘの流出量が増大してしまう可能性がある。以下では、図５を参照して、この理由について説明する。

図５は、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生している場合における、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、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、図５中の下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにおける破線は、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの実際の空燃比を示している。

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。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少し、時刻ｔ₁にほぼゼロに到達する。したがって、図５に破線で示すように、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの実際の空燃比、すなわち上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの実際の空燃比は、時刻ｔ₁近傍においてリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に低下する。

ところが、下流側空燃比センサ４１に応答遅れが生じている場合には、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの実際の空燃比がリッチ空燃比に変化しても、その出力空燃比ＡＦｄｗｎはすぐにはリッチ側に大きくは変化しない。したがって、時刻ｔ₁において実際の空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になっても、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは徐々にリッチ側に変化して、時刻ｔ₂になってようやくリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる。この結果、図５の破線からわかるように、時刻ｔ₁〜時刻ｔ₂までの間、上流側排気浄化触媒２０からはリッチ空燃比の排気ガスが流出し、よって未燃ガスを含む排気ガスが流出することになる。

一方、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以下になると、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。これにより、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に増大する。また、上流側排気浄化触媒２０からはリッチ空燃比の排気ガスが流出しなくなるため、図５に破線で示したように下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比は理論空燃比に近づいていく。しかしながら、下流側空燃比センサ４１には応答遅れが生じているため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは時刻ｔ₂以降、一旦、減少した後（リッチ側に変化した後）に、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの実際の空燃比、すなわち理論空燃比に向けて徐々に増大していく。

しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの増大速度は遅いため、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に到達しても出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に維持されている。したがって、時刻ｔ₃において、時刻ｔ₂からの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達しても、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に維持されている。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達しても、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よりも大きくなるまで目標空燃比ＡＦＴはリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎのまま維持される。

その後、図５に示した例では、時刻ｔ₄において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなる。このとき、図示した例では、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に到達しており、その結果、時刻ｔ₄付近では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せしめられる。このため、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比も、図５に破線で示したように、リーン空燃比になる。したがって、時刻ｔ₄付近では、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘを含んだ排気ガスが流出することになる。その後、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、時刻ｔ₆にほぼゼロに到達し、時刻ｔ₁以降と同様なサイクルが繰り返される。

このように、下流側空燃比センサ４１に応答遅れが生じると、図５の時刻ｔ₁〜時刻ｔ₂からわかるように、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或る程度の期間に亘って流出することになる。加えて、図５の時刻ｔ₄近傍からわかるように、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘを含んだ排気ガスが流出する場合がある。

＜応答遅れ発生時における空燃比制御＞
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生している場合には、以下のような空燃比制御を行うようにしている。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の時間微分値がゼロ以下の所定値よりも小さくなったときに、目標空燃比ＡＦＴをリーン空燃比に切り替え、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に切り替えるようにしている。その後、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ＯＳＡｒｅｆになるまで、目標空燃比ＡＦＴをリーン空燃比に維持して、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に維持するようにしている。

その後、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ＯＳＡｒｅｆ以上になったときに、目標空燃比ＡＦＴをリッチ空燃比に切り替え、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比に切り替えるようにしている。その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの時間微分値が上記所定値よりも小さくなるまで、目標空燃比ＡＦＴをリッチ空燃比に維持して、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に維持するようにしている。

図６を参照して、下流側空燃比センサ４１に応答遅れが生じている場合の空燃比制御について説明する。図６は、斯かる空燃比制御を実行している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及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’のタイムチャートである。なお、図６中の下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにおける破線は、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの実際の空燃比を示している。

図６に示した例では、時刻ｔ₁において、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。このため、時刻ｔ₁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、時刻ｔ₁からの積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大する。この結果、図６に示した例では、時刻ｔ₂において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。下流側空燃比センサ４１に応答遅れが生じているため、このとき下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｈｃ以下のままとなっている。

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以下のままであっても、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切り替え基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。この結果、時刻ｔ₂以降、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。また、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理論空燃比近傍に維持され、よって下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの実際の空燃比（図中の破線）も理論空燃比近傍に維持される。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは、変化速度が遅いながらも、実際の空燃比（理論空燃比）に向かって徐々に増大していく。

図６に示した例では、その後、時刻ｔ₃において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロに到達する。このため、図６に破線で示すように、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの実際の空燃比は、時刻ｔ₃近傍においてリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下に低下する。

しかしながら、上述したように下流側空燃比センサ４１には応答遅れが生じているため、時刻ｔ₃以降に下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの実際の空燃比がリッチ空燃比になっても、出力空燃比ＡＦｄｗｎは急激には低下せずに徐々に低下する。このため、図６に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下にはすぐには到達しない。

一方、下流側空燃比センサ４１に応答遅れが生じていても、時刻ｔ₃において下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に変化すると、これに伴って出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下していく。このため、図６に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’は、時刻ｔ₃以前にはゼロ以上だったのが時刻ｔ₁以降はゼロよりも小さい値に変化する。

本実施形態では、上述したように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’がゼロよりも小さい値になった時刻ｔ₃において、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。このため、時刻ｔ₃以降、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの実際の空燃比は一時的にリッチ空燃比になるものの、理論空燃比に収束していく。また、時刻ｔ₃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、時刻ｔ₃からの積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大する。その後、時刻ｔ₁〜時刻ｔ₃に示したサイクルが繰り返される。

＜応答遅れ発生時の空燃比制御による効果＞
図６に示した遅れ時の空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下のままであっても、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切り替え基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。これにより、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達することがなくなり、よって上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することが抑制される。

また、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以下の状態で、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられると、目標空燃比ＡＦＴの切り替え直後に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる。したがって、図４に示したように、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以下であるときには目標空燃比ＡＦＴをリーン設定空燃比ＡＦｌｅａｎに切り替える制御を行っていた場合、時刻ｔ₂において目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられた直後に再びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられることになる。

これに対して、図６に示した空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ自体ではなく、出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’に基づいて、目標空燃比ＡＦＴの切り替えを行っている。したがって、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられた直後に再びリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられることが抑制される。

加えて、下流側空燃比センサ４１に応答遅れが生じていても、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの実際の空燃比がリッチ側に変化すると、出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’も比較的迅速に負の値に変化する。したがって、下流側空燃比センサ４１に応答遅れが生じていても、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出を迅速に検出することができる。

さらに、本実施形態では、目標空燃比ＡＦＴをリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達したときに、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。このため、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍まで到達することがなく、よって上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスがリーン空燃比になることがほとんどなくなる。より正確には、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理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比（リーン判定空燃比のリーン度合いはリッチ判定空燃比にリッチ度合いに等しい）に到達することがなくなる。したがって、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することが抑制される。

加えて、空燃比制御としては、上流側排気浄化触媒２０からリーン空燃比の排気ガスが流出したときに、目標空燃比ＡＦＴをリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えることも考えられる。しかしながら、この場合、目標空燃比ＡＦＴをリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈに切り替えた直後に、上流側排気浄化触媒２０から流出した排気ガスの空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に向けて変化する。このため、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始めた時期以外にも下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’がゼロよりも小さくなってしまうことがある。したがって、この場合、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始めた時期を正確に検出することができない。

これに対して、本実施形態によれば、目標空燃比ＡＦＴをリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えた後には上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始めるまで下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’はゼロよりも小さくならない。このため、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始めたこと、すなわちリッチ空燃比の排気ガスが流出し始めたことを正確に検出することができる。

なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’がゼロよりも小さくなったときに、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始めたとして目標空燃比ＡＦＴを切り替えている。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力にもノイズ等が存在することを考えて、時間微分値ＡＦｄｗｎ’がゼロ未満の所定の閾値よりも小さくなったときに目標空燃比ＡＦＴを切り替えるようにしてもよい。したがって、これらをまとめると、目標空燃比ＡＦＴは、時間微分値ＡＦｄｗｎ’がゼロ以下の所定の閾値よりも小さくなったときに切り替えられるといえる。

＜応答遅れの異常診断＞
ところで、図６を参照して説明した下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じている場合の空燃比制御（以下、「異常時空燃比制御」という）は、下流側空燃比センサ４１の異常診断において下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定されたときに行われる。以下では、図７を参照して、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じているか否かを診断する異常診断の一つの例について簡単に説明する。

図７は、内燃機関の作動中に燃焼室５内への燃料の供給を一時的に停止する燃料カット制御を実行したときの、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、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７の下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにおける実線は下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じているときの推移、破線は応答遅れの異常が生じていないときの推移をそれぞれ示している。

図７に示した例では、時刻ｔ₁以前において、燃料カット制御が実行されている。このため、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは、極めて大きい値となっている。また、このときの上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘとなっている。

燃料カット制御が終了すると、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素を放出するために、復帰後リッチ制御が行われる。復帰後リッチ制御では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈよりも低い復帰後リッチ空燃比ＡＦＴｐｆｃに設定される。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比に変化すると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが迅速に減少せしめられる。

このように、復帰後リッチ制御が開始されると、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理論空燃比に向かって変化する。下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生していない場合（図７中の破線）には、時刻ｔ₁以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは急激に理論空燃比近傍に向かって変化する。しかしながら、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生している場合（図７中の実線）には、時刻ｔ₁以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に理論空燃比近傍に向かって変化する。しかしながら、この場合、出力空燃比ＡＦｄｗｎの低下速度は遅い。

この結果、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生してない場合には、燃料カット制御の終了後、目標空燃比ＡＦＴがリッチ空燃比に設定されてから一定時間が経過した時刻ｔ₂において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さい値となる。これに対して、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生している場合には、時刻ｔ₂において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上となっている。

そこで、本実施形態では、燃料カット制御の終了後、目標空燃比ＡＦＴをリッチ空燃比に設定したときから所定の時間が経過したときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが所定の閾値（例えば、リーン判定空燃比）以上である場合には、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生していると判定する。一方、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが所定の閾値未満である場合には、下流側空燃比センサ４１には応答遅れの異常は発生していないと判定する。

なお、図７を参照して説明した例では、目標空燃比ＡＦＴをリッチ空燃比に設定した時刻ｔ₁から所定の時間が経過したときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて異常診断を行っている。しかしながら、異常診断は、時刻ｔ₁からの積算吸入空気量や積算酸素過不足量等が所定の値に到達したときの出力空燃比ＡＦｄｗｎ等に基づいて異常診断を行ってもよい。また、下流側空燃比センサ４１の応答遅れの異常診断は、図７を参照して説明した方法以外の方法で行われてもよい。

＜フローチャート＞
次に、図８〜図１０を参照して、上述した空燃比制御の具体的な制御ルーチンについて説明する。図８は、空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図８に示したように、まず、ステップＳ１１において、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生しているか否かが判定される。応答遅れの有無は、図７を参照して説明した異常診断制御によって診断される。ステップＳ１１において、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生していない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、図９を参照して後述する通常時の空燃比制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１１において、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生し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、図１０を参照して後述する遅れ時の空燃比制御が実行され、制御ルーチンが終了せしめられる。

図９は、通常時の空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、図８のステップＳ１２が行われる毎に実行される。

図９に示したように、まず、ステップＳ２１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Ｓ２２へと進む。

ステップＳ２２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Ｓ２２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Ｓ２３へと進む。

ステップＳ２３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Ｓ２３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Ｓ２４へと進む。ステップＳ２４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Ｓ２３からステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５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Ｓ２６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Ｓ２２からステップＳ２７及びステップＳ２８へと進む。ステップＳ２７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Ｓ２８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よりも大きいか否かが判定される。

ステップＳ２７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Ｓ２９へと進む。或いは、ステップＳ２８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た場合には、ステップＳ２９へと進む。ステップＳ２９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以上になり、且つ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よりも大きくなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２７及びＳ２８からステップＳ３０へと進む。ステップＳ３０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Ｓ３１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。

図１０は、下流側空燃比センサ４１に応答遅れが生じている遅れ時の空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、図９のステップＳ１３が行われる毎に実行される。なお、図１０のステップＳ４１、Ｓ４２、Ｓ４４〜Ｓ５０は、それぞれ図９のステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２４〜Ｓ２７、Ｓ２９〜Ｓ３１と同様であるため説明を省略する。

ステップＳ４３では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の時間微分値ＡＦｄｗｎ’が予め定められた所定値Ｘ（例えば、ゼロ）以下であるか否かが判定される。時間微分値ＡＦｄｗｎ’が予め定められた所定値Ｘよりも大きい場合にはステップＳ４４へと進む。一方、ステップＳ４３において、時間微分値ＡＦｄｗｎ’が所定値Ｘ以下であると判定された場合にはステップＳ４５へと進む。

また、ステップＳ４２においてリーン設定フラグＦｌがＯＮに設定されていると判定された場合には、ステップＳ４７へと進む。ステップＳ４７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。ステップＳ４７において、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Ｓ４８へと進む。一方、ステップＳ４７において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ４９へと進む。

なお、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が発生してないときに上述した通常時の空燃比制御を行い、異常が発生しているときに異常時の空燃比制御を行うようにしている。しかしながら、下流側空燃比センサ４１における応答遅れの異常の有無にかかわらず、常に、図６に示したような空燃比制御を行ってもよい。

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の排気浄化装置であって、
   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装置とを具備し、
   前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比の時間微分値がゼロ以下の所定値よりも小さくなったときに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空燃比に切り替えると共に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リーン空燃比に維持し、
   前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記切替基準吸蔵量以上になったときに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空燃比に切り替えると共に前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比の時間微分値が前記所定値よりも小さく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リッチ空燃比に維持する、内燃機関の排気浄化装置。

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