JP2019035355A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気エミッションの悪化を抑制することができる、内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、触媒２０と、触媒の下流側に配置される空燃比センサ４１と、電流検出装置６１と、電圧印加装置６０と、電圧制御部７１と、空燃比制御部７２とを備える。空燃比制御部は、空燃比センサの出力電流が目標値になるように流入排気ガスの空燃比を制御する。電圧制御部は、流出排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比よりも高くなったときに印加電圧を基準電圧よりも低い第一電圧に設定する減圧制御と、空燃比センサによって検出された流出排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比よりも低くなったときに印加電圧を基準電圧よりも高い第二電圧に設定する昇圧制御との少なくとも一方を実行し、基準電圧は、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに空燃比センサの出力電流がゼロになる電圧である。【選択図】図１２

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関の排気通路に触媒及び空燃比センサを配置し、排気エミッションの悪化を抑制すべく、空燃比センサの出力に基づいて、触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御することが知られている。

例えば、特許文献１に記載の内燃機関では、触媒の下流側に配置された下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比に達すると、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定される。一方、触媒の酸素吸蔵量の推定値が判定基準吸蔵量に達すると、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に設定される。触媒の酸素吸蔵量の推定値は、触媒の上流側に配置された上流側空燃比センサの出力に基づいて算出される。

また、特許文献１に記載の内燃機関では、触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を精度良く検出するために下流側空燃比センサへの印加電圧が制御される。具体的には、下流側空燃比センサへの印加電圧が、流入排気ガスの目標空燃比が基準空燃比よりもリッチであるときには、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに出力電流がゼロとなる電圧よりも高い電圧とされ、一方、流入排気ガスの目標空燃比が基準空燃比よりもリーンであるときには、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに出力電流がゼロとなる電圧よりも低い電圧とされる。

特開２０１４−１４５３０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関では、上述したように、触媒の酸素吸蔵量の推定値が判定基準吸蔵量に達した後、流出排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比に達するまで流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。このため、触媒中の酸素が枯渇することによって触媒から多くの未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）が流出し、排気エミッションが悪化するおそれがある。

そこで、本発明の目的は、排気エミッションの悪化を抑制することができる、内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（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触媒と、前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサの出力電流を検出する電流検出装置と、前記空燃比センサに電圧を印加する電圧印加装置と、前記空燃比センサへの印加電圧を制御する電圧制御部と、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部とを備え、前記空燃比制御部は、前記空燃比センサの出力電流が予め定められた目標値になるように前記流入排気ガスの空燃比を制御し、前記電圧制御部は、前記空燃比センサによって検出された前記流出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よりも高くなったときに前記印加電圧を基準電圧よりも低い第一電圧に設定する減圧制御と、前記空燃比センサによって検出された前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比よりも低くなったときに前記印加電圧を前記基準電圧よりも高い第二電圧に設定する昇圧制御との少なくとも一方を実行し、前記基準電圧は、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに前記空燃比センサの出力電流がゼロになる電圧である、内燃機関の排気浄化装置。

（２）前記目標値はゼロである、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（３）前記電圧制御部は前記減圧制御を実行し、前記第一電圧は０．１５Ｖ以上０．４４Ｖ以下である、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（４）前記電圧制御部は前記昇圧制御を実行し、前記第二電圧は０．４６Ｖ以上０．７Ｖ以下である、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（５）吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置又は吸入空気量を推定する吸入空気量推定部を更に備え、前記電圧制御部は、前記減圧制御を実行し、吸入空気量が多いほど前記第一電圧を低くする、上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（６）前記触媒の劣化度合を判定する触媒判定部を更に備え、前記電圧制御部は、前記減圧制御を実行し、前記触媒の劣化度合が大きいほど前記第一電圧を低くする、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（７）吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置又は吸入空気量を推定する吸入空気量推定部を更に備え、前記電圧制御部は、前記昇圧制御を実行し、吸入空気量が多いほど前記第二電圧を高くする、上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（８）前記触媒の劣化度合を判定する触媒判定部を更に備え、前記電圧制御部は、前記昇圧制御を実行し、前記触媒の劣化度合が大きいほど前記第二電圧を高くする、上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

本発明によれば、排気エミッションの悪化を抑制することができる、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、三元触媒の浄化特性を示す。 図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。 図４は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。 図５は、電気回路の具体例を示す。 図６は、空燃比センサの電圧−電流特性を有する。 図７は、図６のＸ−Ｘ領域における電圧−電流特性を示す図である。 図８は、排気ガスの空燃比と出力電流との関係を示すグラフである。 図９は、出力電流がゼロのときのセンサ印加電圧と排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。 図１０は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の一部を示すブロック図である。 図１１は、減圧制御及び昇圧制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。 図１２は、本発明の第一実施形態における電圧切替制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１３は、本発明の第一実施形態における空燃比制御を示すフローチャートである。 図１４は、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の一部を示すブロック図である。 図１５は、本発明の第二実施形態における電圧設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１６は、吸入空気量及び上流側触媒の劣化度合に基づいて第一電圧を設定するためのマップである。 図１７は、吸入空気量及び上流側触媒の劣化度合に基づいて第二電圧を設定するためのマップである。

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。

＜第一実施形態＞
最初に図１〜図１３を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜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内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、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。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。

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等は、空気を燃焼室５に導く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、下流側ケーシング２３等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。

内燃機関の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。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を備える。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、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、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向上流側には、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。上流側空燃比センサ４０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、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０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４１が配置される。下流側空燃比センサ４１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、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、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、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、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、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。

＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２４は同様な構成を有する。触媒２０、２４は、酸素吸蔵能力を有する触媒であり、例えば三元触媒である。具体的には、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助触媒（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させたものである。

図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、触媒２０、２４による未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率は、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０、２４は、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を効果的に浄化することができる。

また、触媒２０、２４は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０、２４の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０、２４において未燃ガス及び窒素酸化物が効果的に浄化される。

なお、触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、三元触媒以外の触媒であってもよい。

＜空燃比センサの構成＞
上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１は同様な構成を有する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。

図３に示したように、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極５３と、排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを備える。

固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間に被測ガス室５７が形成される。排気通路を流れる排気ガスの一部は拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置される。したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝される。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように空燃比センサ４０、４１が構成されてもよい。

固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、基準ガスとして大気が基準ガス室５８に導入される。大気側電極５３は基準ガス室５８内に配置される。したがって、大気側電極５３は基準ガス（大気）に曝される。

ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、ヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。

固体電解質層５１は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層５１は、例えば、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として添加した焼結体である。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。

また、排気側電極５２及び大気側電極５３には、電気回路７０が接続されている。電気回路７０は電圧印加装置６０及び電流検出装置６１を含む。電圧印加装置６０は、大気側電極５３の電位が排気側電極５２の電位よりも高くなるように空燃比センサ４０、４１に電圧を印加する。したがって、排気側電極５２は負極として機能し、大気側電極５３は正極として機能する。ＥＣＵ３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路４５を介して電圧印加装置６０に接続されている。したがって、ＥＣＵ３１は電圧印加装置６０を介して空燃比センサ４０への印加電圧を制御することができる。

また、電流検出装置６１は、排気側電極５２と大気側電極５３との間を流れる電流、すなわち空燃比センサ４０、４１の出力電流を検出する。電流検出装置６１の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介してＥＣＵ３１の入力ポート３６に入力される。したがって、ＥＣＵ３１は、電流検出装置６１によって検出された空燃比センサ４０、４１の出力電流を電流検出装置６１から取得することができる。

＜空燃比センサの動作＞
次に、図４を参照して、空燃比センサ４０、４１の基本的な動作について説明する。図４は、空燃比センサ４０、４１の動作を概略的に示した図である。空燃比センサ４０、４１は、保護層５５及び拡散律速層５４の外周面が排気ガスに曝されるように排気通路に配置される。また、空燃比センサ４０、４１の基準ガス室５８には大気が導入される。

上述したように、固体電解質層５１は酸化物イオン伝導性を有する。このため、活性化された固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度の差が生じると、濃度の高い側面側から濃度の低い側面側へと酸化物イオンを移動させようとする起電力Ｅが発生する。斯かる特性は酸素電池特性と称される。

一方、固体電解質層５１の両側面間に電位差が与えられると、固体電解質層の両側面間に電位差に応じた酸素濃度比が生じるように、酸化物イオンが移動する。斯かる特性は酸素ポンピング特性と称される。

空燃比センサ４０、４１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のときには、排気ガス中の酸素濃度が高いため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はそれほど大きくない。このため、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、センサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比よりも小さくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比に近付くように、図４（Ａ）に示されたように、排気側電極５２から大気側電極５３に向かって酸化物イオンが移動する。この結果、電圧印加装置６０の正極から電圧印加装置６０の負極へ電流Ｉｒが流れる。このとき、電流検出装置６１によって正の電流が検出される。また、電流Ｉｒの値は、被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比が高いほど大きくなる。

一方、空燃比センサ４０、４１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のときには、排気側電極５２上の酸素が排気ガス中の未燃ガスと反応して除去される。このため、排気側電極５２における酸素濃度が極めて低くなり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が大きくなる。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、センサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比よりも大きくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比に近付くように、図４（Ｂ）に示されたように、大気側電極５３から排気側電極５２に向かって酸化物イオンが移動する。この結果、電圧印加装置６０の負極から電圧印加装置６０の正極へ電流Ｉｒが流れる。このとき、電流検出装置６１によって負の電流が検出される。また、電流Ｉｒの絶対値は、被測ガス室５７に流入する排気ガス中の未燃ガス濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比が低いほど大きくなる。

また、空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比のときには、排気ガス中の酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっている。このため、排気側電極５２の触媒作用によって両者は完全に燃焼し、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比に維持される。このため、図４（Ｃ）に示されるように、酸素ポンピング特性による酸化物イオンの移動は起こらず、電流検出装置６１によって検出される電流はゼロになる。

したがって、空燃比センサ４０、４１の出力電流の値は、空燃比センサ４０、４１に流入する排気ガスの空燃比に応じて変動する。このため、ＥＣＵ３１は、電流検出装置６１によって検出された電流に基づいて排気ガスの空燃比を推定することができる。なお、排気ガスの空燃比とは、その排気ガスが生成されるまでに供給された燃料の質量に対する空気の質量の比率（空気の質量／燃料の質量）を意味し、排気ガスの成分から推定される。

＜電気回路の具体例＞
図５は、電気回路７０の具体例を示す。図示した例では、酸素電池特性により生じる起電力をＥ、固体電解質層５１の内部抵抗をＲｉ、電極５２、５３間の電位差をＶｓ、電圧印加装置６０によって空燃比センサ４０、４１に印加されるセンサ印加電圧をＶｒと表している。

図５から分かるように、電圧印加装置６０は、基本的に、酸素電池特性により生じる起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するように負帰還制御を行う。電圧印加装置６０は、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比の変化によって両電極５２、５３間の電位差Ｖｓが変化した際にも、この電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒとなるように負帰還制御を行う。

排気ガスの空燃比が理論空燃比であり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が変化しない場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比となる。この場合、起電力Ｅ及び電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するため、電流Ｉｒは流れない。

一方、排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であり、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比が変化する場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Ｖｒに対応する酸素濃度比とは異なる。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒとは異なる値となる。この結果、負帰還制御により、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒと一致するように固体電解質層５１の両側面間で酸化物イオンの移動をさせるべく、電極５２、５３間に電位差Ｖｓが付与される。また、酸化物イオンの移動に伴って電流Ｉｒが流れる。この結果、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに収束し、電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒに収束する。

また、電流検出装置６１は電流Ｉｒを検出するために電圧Ｅ₀を検出する。ここで、Ｅ₀は下記式（１）のように表される。
Ｅ₀＝Ｖｒ＋Ｖ₀＋ＩｒＲ …（１）
ここで、Ｖ₀は、Ｅ₀が負の値とならないように印加されるオフセット電圧（例えば３Ｖ）であり、Ｒは、図５に示される抵抗の値である。

式（１）において、センサ印加電圧Ｖｒ、オフセット電圧Ｖ₀及び抵抗値Ｒは一定であるため、電圧Ｅ₀は電流Ｉｒに応じて変化する。したがって、電流検出装置６１は電圧Ｅ₀に基づいて電流Ｉｒを算出することができる。

なお、電気回路７０は、空燃比センサ４０、４１に電圧を印加し且つ空燃比センサ４０、４１の出力電流を検出できれば、図５に示される構成と異なっていてもよい。

＜空燃比センサの出力特性＞
上述した原理の結果、空燃比センサ４０、４１は、図６に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが０以下及び０近傍の領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが大きくなる。なお、センサ印加電圧Ｖｒに比例して出力電流Ｉｒが変化する電圧領域は比例領域と称される。

比例領域では、センサ印加電圧Ｖｒが低いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が少ない。この場合、電圧印加に伴って固体電解質層５１内を移動する酸化物イオンの移動速度が、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される排気ガスの導入速度よりも遅くなる。このため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量がセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒの増加に伴って出力電流Ｉｒが増加する。なお、センサ印加電圧Ｖｒが０のときに出力電流Ｉｒが負の値になるのは、酸素電池特性により固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じた起電力が生じるためである。

図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが所定値以上になると、出力電流Ｉｒはセンサ印加電圧Ｖｒの値に関わらずほぼ一定の値に維持される。この飽和した電流は限界電流と称され、限界電流が発生する電圧領域は限界電流領域と称される。限界電流領域では、センサ印加電圧Ｖｒが比例領域よりも高いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が比例領域よりも多くなる。この場合、電圧印加に伴って固体電解質層５１内を移動する酸化物イオンの移動速度が、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に導入される排気ガスの導入速度よりも早くなる。このため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量がセンサ印加電圧Ｖｒに応じてほとんど変化しないため、出力電流Ｉｒはセンサ印加電圧Ｖｒの値に関わらずほぼ一定の値に維持される。一方、固体電解質層５１を介して移動可能な酸化物イオンの流量が固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じて変化するため、出力電流Ｉｒは排気ガスの空燃比に応じて変化する。

図６に示されるように、センサ印加電圧Ｖｒが非常に高い領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが大きくなる。センサ印加電圧Ｖｒが非常に高くなると、排気側電極５２において排気ガス中の水が分解される。水の分解によって生じた酸化物イオンは固体電解質層５１内を排気側電極５２から大気側電極５３へ移動する。この結果、水の分解による電流も出力電流Ｉｒとして検出されるため、出力電流Ｉｒが限界電流よりも大きくなる。斯かる電圧領域は水分解領域と称される。

図７は、図６のＸ−Ｘ領域における電圧−電流特性を示す図である。図７から分かるように、限界電流領域においても、排気ガスの空燃比が一定であるときに、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒが僅かに大きくなる。このため、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値が排気ガスの空燃比に応じて変化する。

例えば、排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖである。排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも低い（リッチである）場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖよりも高い。一方、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも高い（リーンである）場合、出力電流Ｉｒがゼロとなるときのセンサ印加電圧Ｖｒの値は０．４５Ｖよりも低い。

図８は、排気ガスの空燃比と出力電流Ｉｒとの関係を示すグラフである。図８では、理論空燃比近傍の領域が拡大されている。図８には、センサ印加電圧Ｖｒが、０．３Ｖ、０．４５Ｖ及び０．６Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流Ｉｒとの関係が示される。図９は、出力電流がゼロのときのセンサ印加電圧Ｖｒと排気側電極上の酸素濃度との関係を示すグラフである。図９では、ｙ軸（排気側電極上の酸素濃度）が対数表示されている。排気ガスの空燃比がリッチであるほど、排気側電極上の酸素濃度は低くなる。図８及び図９から分かるように、センサ印加電圧Ｖｒが高くなるにつれて、出力電流Ｉｒがゼロとなるときの排気ガスの空燃比は低くなる（リッチになる）。

ところで、排気ガスの空燃比が一定であっても、回路誤差によって空燃比センサの個体間で空燃比センサの出力電流の値にバラツキが生じる。また、同一の空燃比センサであっても、経年劣化等によって、排気ガスの所定の空燃比に対する出力電流の値にバラツキが生じる。このため、空燃比センサの出力電流から算出される排気ガスの空燃比には誤差が生じる。

一方、空燃比センサの出力電流がゼロであるときには、電気回路に電流が流れないので、回路誤差が非常に小さくなる。また、内燃機関の始動時等における空燃比センサの非活性状態において、出力電流がゼロのときの回路誤差を学習することによって、回路誤差を更に小さくすることができる。このため、空燃比センサは、ゼロの出力電流に対応する空燃比を精度良く検出することができる。例えば、センサ印加電圧を０．４５Ｖに設定した場合、空燃比センサは、排気ガスの空燃比が理論空燃比であることを精度良く検出することができる。

＜内燃機関の排気浄化装置＞
以下、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」という）について説明する。排気浄化装置は、上流側触媒２０、下流側触媒２４、上流側空燃比センサ４０、下流側空燃比センサ４１、電流検出装置６１、電圧印加装置６０、電圧制御部７１及び空燃比制御部７２を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が電圧制御部７１及び空燃比制御部７２として機能する。

図１０は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の一部を示すブロック図である。電圧制御部７１は電圧印加装置６０を介して下流側空燃比センサ４１への印加電圧を制御する。空燃比制御部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力電流が目標値になるように、上流側触媒２０に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比を制御する。空燃比制御部７２は、燃焼室５に供給される燃料の量を変更することによって流入排気ガスの空燃比を制御する。

目標値は、予め定められ、本実施形態ではゼロである。上述したように、出力電流がゼロのときには、回路誤差が小さい。このため、上述した制御によって、上流側触媒２０から流出する排気ガス（以下、「流出排気ガス」という）の空燃比を、ゼロの出力電流に対応する空燃比に精度良く制御することができる。

ところで、内燃機関では、流入排気ガスの空燃比を目標空燃比（例えば理論空燃比）に近付ける制御が行われていても、外乱等によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比から大きくずれる場合がある。例えば、車両の加速時等に機関負荷が急激に上昇した場合、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の量が増加される。このため、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比からリッチ側に大きくずれ、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロになることがある。この場合、上流側触媒２０から多くの未燃ガスが流出し、下流側空燃比センサ４１によって検出される流出排気ガスの空燃比のリッチ度合が大きくなる。なお、空燃比のリッチ度合とは、理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比との差を意味する。

また、空燃比制御部７２は、所定の実行条件が成立すると、内燃機関の運転中に燃焼室５への燃料供給を停止する燃料カット制御を実行する。空燃比制御部７２は、燃料カット制御において、燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止することで燃焼室５への燃料供給を停止する。所定の実行条件は、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに成立する。

燃料カット制御が実行されると、空気又は空気と同様なガスが排気通路に排出されるため、上流側触媒２０には空燃比の極めて高いガスが流入する。このため、流入排気ガスの空燃比が目標値からリーン側に大きくずれ、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大になることがある。この場合、上流側触媒２０から多くの酸素が流出し、下流側空燃比センサ４１によって検出される流出排気ガスの空燃比のリーン度合が大きくなる。なお、空燃比のリーン度合とは、理論空燃比よりもリーンな空燃比と理論空燃比との差を意味する。

外乱等によって流出排気ガスの空燃比のリッチ度合が大きくなった場合、未燃ガスの流出を抑制するためには、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにし、流出排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍に近付ける必要がある。しかしながら、流出排気ガスの目標空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリーンに設定されると、制御誤差によって流出排気ガスの空燃比のリーン度合が大きくなり、上流側触媒２０から多くのＮＯｘが流出するおそれがある。この問題は、特に経年劣化等によって上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量が低下している場合に顕著である。

また、燃料カット制御等によって流出排気ガスの空燃比のリーン度合が大きくなった場合、ＮＯｘの流出を抑制するためには、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにし、流出排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍に近付ける必要がある。しかしながら、流出排気ガスの目標空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチに設定されると、制御誤差によって流出排気ガスの空燃比のリッチ度合が大きくなり、上流側触媒２０から多くの未燃ガスが流出するおそれがある。この問題は、特に経年劣化等によって上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量が低下している場合に顕著である。

そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出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よりも高くなったときに、流出排気ガスの目標空燃比を微リーン空燃比に設定する。微リーン空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりも僅かにリーンな値に設定される。微リーン空燃比のリーン度合が極めて低いため、流出排気ガスの空燃比が微リーン空燃比であるときには上流側触媒２０からＮＯｘはほとんど流出しない。リーン判定空燃比は、予め定められ、本実施形態では微リーン空燃比と等しい。なお、リーン判定空燃比は、微リーン空燃比よりもリーンな空燃比であってもよい。

また、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比よりも低くなったときに、流出排気ガスの目標空燃比を微リッチ空燃比に設定する。微リッチ空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりも僅かに低い値に設定される。微リッチ空燃比のリッチ度合が極めて低いため、流出排気ガスの空燃比が微リッチ空燃比であるときには上流側触媒２０から未燃ガスはほとんど流出しない。リッチ判定空燃比は、予め定められ、本実施形態では微リッチ空燃比と等しい。なお、リッチ判定空燃比は、微リッチ空燃比よりもリッチな空燃比であってもよい。

上述したように、空燃比制御部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように流入排気ガスの空燃比を制御する。このため、流出排気ガスの空燃比はゼロの出力電流に対応する空燃比に近付く。また、ゼロの出力電流に対応する空燃比は下流側空燃比センサ４１への印加電圧に応じて変動する。具体的には、図７及び図８から分かるように、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を低くすると、ゼロの出力電流に対応する空燃比がリーンになり、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を高くすると、ゼロの出力電流に対する空燃比がリッチになる。このため、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を変更することによって、流出排気ガスの目標空燃比を変更する。

具体的には、電圧制御部７１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比よりも高くなったときに下流側空燃比センサ４１への印加電圧を基準電圧よりも低い第一電圧に設定する減圧制御を実行する。基準電圧は、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになる電圧であり、本実施形態では０．４５Ｖである。第一電圧は、流出排気ガスの空燃比が微リーン空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになる電圧である。第一電圧は例えば０．１５Ｖ以上０．４４Ｖ以下に設定される。この電圧領域は限界電流領域内にあり、第一電圧を限界電流領域内の値に設定することによって、出力電流がゼロになるときの空燃比のバラツキを抑制することができる。本実施形態では、第一電圧は０．３Ｖに設定される。このことによって、微リーン空燃比のリーン度合が過度に高くなることを抑制することができる。

上述した減圧制御によれば、流出排気ガスの空燃比をリーン側から理論空燃比に近付けるときに制御誤差によって流出排気ガスの空燃比のリッチ度合が大きくなることを抑制することができる。したがって、減圧制御によって、上流側触媒２０から多くの未燃ガスが流出することを抑制することができ、ひいては排気エミッションの悪化を抑制することができる。

また、電圧制御部７１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比よりも低くなったときに下流側空燃比センサ４１への印加電圧を基準電圧よりも高い第二電圧に設定する昇圧制御を実行する。第二電圧は、流出排気ガスの空燃比が微リッチ空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになる電圧である。第二電圧は例えば０．４６Ｖ以上０．７Ｖ以下に設定される。この電圧領域は限界電流領域内にあり、第二電圧を限界電流領域内の値に設定することによって、出力電流がゼロになるときの空燃比のバラツキを抑制することができる。本実施形態では、第二電圧は０．６Ｖに設定される。このことによって、微リッチ空燃比のリッチ度合が過度に高くなることを抑制することができる。また、本実施形態では、第一電圧と基準電圧との差は第二電圧と基準電圧との差と等しい。言い換えれば、微リーン空燃比のリーン度合は微リッチ空燃比のリッチ度合と等しい。

上述した昇圧制御によれば、流出排気ガスの空燃比をリッチ側から理論空燃比に近付けるときに制御誤差によって流出排気ガスの空燃比のリーン度合が大きくなることを抑制することができる。したがって、昇圧制御によって、上流側触媒２０から多くのＮＯｘが流出することを抑制することができ、ひいては排気エミッションの悪化を抑制することができる。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図１１を参照して減圧制御及び昇圧制御について具体的に説明する。図１１は、減圧制御及び昇圧制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比、下流側空燃比センサ４１への印加電圧、下流側空燃比センサ４１の出力電流及び下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比のタイムチャートである。

上述したように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになるように流入排気ガスの空燃比を制御する。このため、図１１のタイムチャートでは、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロよりも大きいときには、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリッチにされ、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロよりも小さいときには、流入排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンにされている。

図１１の例では、内燃機関の始動後の時刻ｔ１では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が０．４５Ｖ（基準電圧Ｖｒｅｆ）に設定されている。したがって、流出排気ガスの目標空燃比が理論空燃比（１４．６）に設定されている。

その後、時刻ｔ２において、外乱等による制御不能によって下流側空燃比センサ４１の出力電流がリッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈ＿Ｖｒｅｆよりも小さくなる。図８から分かるように、リッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈ＿Ｖｒｅｆは、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が基準電圧Ｖｒｅｆであるときに、リッチ判定空燃比ＡＦｊｒｉｃｈに対応する出力電流の値である。したがって、時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｊｒｉｃｈよりも低くなっている。

時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧（０．６Ｖ）に設定される。すなわち、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が基準電圧から第二電圧に切り替えられる。したがって、流出排気ガスの目標空燃比が理論空燃比から微リッチ空燃比ＡＦｓｒｉｃｈに切り替えられる。

下流側空燃比センサ４１への印加電圧が基準電圧から第二電圧に切り替えられると、流出排気ガスの空燃比が微リッチ空燃比ＡＦｓｒｉｃｈに向かって変化する。流出排気ガスの空燃比がオーバーシュートによって一時的に微リッチ空燃比ＡＦｓｒｉｃｈよりもリーンになる。しかしながら、流出排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリーンにならない。

その後、時刻ｔ３において、外乱等による制御不能によって下流側空燃比センサ４１の出力電流がリーン側切替判定値Ｉｌｅａｎ＿Ｖ２よりも大きくなる。図８から分かるように、リーン側切替判定値Ｉｌｅａｎ＿Ｖ２は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧Ｖ２であるときに、リーン判定空燃比ＡＦｊｌｅａｎに対応する出力電流の値である。したがって、時刻ｔ３において、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｊｌｅａｎよりも高くなっている。

時刻ｔ３において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧（０．３Ｖ）に設定される。すなわち、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧から第一電圧に切り替えられる。したがって、流出排気ガスの目標空燃比が微リッチ空燃比ＡＦｓｒｉｃｈから微リーン空燃比ＡＦｓｌｅａｎに切り替えられる。

下流側空燃比センサ４１への印加電圧が基準電圧から第二電圧から第一電圧に切り替えられると、流出排気ガスの空燃比が微リーン空燃比ＡＦｓｌｅａｎに向かって変化する。流出排気ガスの空燃比がオーバーシュートによって一時的に微リーン空燃比ＡＦｓｒｉｃｈよりもリッチになる。しかしながら、流出排気ガスの空燃比は理論空燃比よりもリッチにならない。

その後、時刻ｔ４において、外乱等による制御不能によって下流側空燃比センサ４１の出力電流がリッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈ＿Ｖ１よりも小さくなる。図８から分かるように、リッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈ＿Ｖ１は、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧Ｖ１であるときに、リッチ判定空燃比ＡＦｊｒｉｃｈに対応する出力電流の値である。したがって、時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比リッチ判定空燃比ＡＦｊｒｉｃｈよりも低くなっている。

時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第二電圧（０．６Ｖ）に設定される。すなわち、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧から第二電圧に切り替えられる。したがって、流出排気ガスの目標空燃比が微リーン空燃比ＡＦｓｌｅａｎから微リッチ空燃比ＡＦｓｒｉｃｈに切り替えられる。

図１１の例では、時刻ｔ２の後に流出排気ガスの空燃比をリッチ側から理論空燃比に近付けるとき、流出排気ガスの空燃比は理論空燃比に達しない。しかしながら、流出排気ガスの空燃比のリーン度合が大きくなることを抑制できれば、流出排気ガスの空燃比が一時的に理論空燃比よりもリーンになってもよい。また、図１１の例では、時刻ｔ３の後に流出排気ガスの空燃比をリーン側から理論空燃比に近付けるとき、流出排気ガスの空燃比は理論空燃比に達しない。しかしながら、流出排気ガスの空燃比のリッチ度合が大きくなることを抑制できれば、流出排気ガスの空燃比が一時的に理論空燃比よりもリッチになってもよい。

＜電圧切替制御＞
以下、図１２のフローチャートを参照して、本実施形態において下流側空燃比センサ４１への印加電圧を切り替えるための電圧切替制御について説明する。図１２は、本発明の第一実施形態における電圧切替制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、電圧制御部７１は、切替実行フラグＦｓが１であるか否かを判定する。切替実行フラグＦｓは、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧Ｖ１又は第二電圧Ｖ２に設定されたときに１に設定され、内燃機関の停止時にリセットされてゼロにされる。また、切替実行フラグＦｓの初期値はゼロである。

ステップＳ１０１において、切替実行フラグＦｓがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、電圧制御部７１は下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｄｗｎを基準電圧Ｖｒｅｆに設定する。基準電圧Ｖｒｅｆは、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロになる電圧であり、例えば０．４５Ｖである。

次いで、ステップＳ１０３では、電圧制御部７１は、内燃機関の暖機が完了したか否かを判定する。電圧制御部７１は、例えば、機関水温が所定温度以上である場合に内燃機関の暖機が完了したと判定し、機関水温が所定温度未満である場合に内燃機関の暖機が完了していないと判定する。ステップＳ１０３において内燃機関の暖機が完了していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０３において内燃機関の暖機が完了したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、電圧制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがリッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈよりも低いか否かを判定する。出力電流Ｉｄｗｎは電流検出装置６１によって検出される。リッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈは、リッチ判定空燃比に対応する出力電流の値である。したがって、ステップＳ１０４において、電圧制御部７１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比よりも低いか否かを判定している。

なお、リッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈは現在の印加電圧Ｖｄｗｎに基づいて決定される。図８に示されるように、印加電圧Ｖｄｗｎが基準電圧Ｖｒｅｆ（０．４５Ｖ）であるときのリッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈ＿Ｖｒｅｆは、印加電圧Ｖｄｗｎが第一電圧（０．３Ｖ）であるときのリッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈ＿Ｖ１よりも高い。

ステップＳ１０４において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがリッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、電圧制御部７１は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがリーン側切替判定値Ｉｌｅａｎよりも高いか否かを判定する。リーン側切替判定値Ｉｌｅａｎは、リーン判定空燃比に対応する出力電流の値である。したがって、ステップＳ１０５において、電圧制御部７１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された流出排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比よりも高くなったか否かを判定している。

なお、リーン側切替判定値Ｉｌｅａｎは現在の印加電圧Ｖｄｗｎに基づいて決定される。図８に示されるように、印加電圧Ｖｄｗｎが基準電圧Ｖｒｅｆ（０．４５Ｖ）であるときのリーン側切替判定値Ｉｌｅａｎ＿Ｖｒｅｆは、印加電圧Ｖｄｗｎが第二電圧（０．６Ｖ）であるときのリーン側切替判定値Ｉｌｅａｎ＿Ｖ２よりも低い。

ステップＳ１０５において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがリーン側切替判定値Ｉｌｅａｎ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０４において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがリッチ側切替判定値Ｉｒｉｃｈよりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、電圧制御部７１は印加電圧Ｖｄｗｎを第二電圧Ｖ２に設定する。すなわち、流出排気ガスの目標空燃比が微リッチ空燃比に設定される。第二電圧Ｖ２は、基準電圧よりも高く、例えば０．６Ｖである。

また、ステップＳ１０５において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがリーン側切替判定値Ｉｌｅａｎよりも高いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、電圧制御部７１は印加電圧Ｖｄｗｎを第一電圧Ｖ１に設定する。すなわち、流出排気ガスの目標空燃比が微リーン空燃比に設定される。第一電圧Ｖ１は、基準電圧よりも低く、例えば０．３Ｖである。

ステップＳ１０８又はステップＳ１０６の後、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、電圧制御部７１は切替実行フラグＦｓを１に設定する。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

また、ステップＳ１０１において切替実行フラグＦｓが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２及びステップＳ１０３をスキップしてステップＳ１０２に進む。

なお、燃料カット制御によって下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがリーン側切替判定値Ｉｌｅａｎよりも高くなっている場合には、燃料カット制御の終了時に印加電圧Ｖｄｗｎを第一電圧Ｖ１に設定してもよい。また、ステップＳ１０４及びステップＳ１０８又はステップＳ１０５及びステップＳ１０６は省略されてもよい。すなわち、昇圧制御及び減圧制御のいずれか一方のみが実行されてもよい。また、下流側空燃比センサ４１への印加電圧が第一電圧Ｖ１又は第二電圧Ｖ２に設定された後であっても、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖｄｗｎが一時的に基準電圧Ｖｒｅｆに設定されてもよい。

＜空燃比制御＞
以下、図１３のフローチャートを参照して、本実施形態における空燃比制御について説明する。図１３は、本発明の第一実施形態における空燃比制御を示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で実行される。空燃比制御部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがゼロになるように流入排気ガスの空燃比を制御する。

最初に、ステップＳ２０１において、空燃比制御部７２は、図１２のステップＳ１０３と同様に、内燃機関の暖機が完了したか否かを判定する。内燃機関の暖機が完了していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、内燃機関の暖機が完了したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、空燃比制御部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがゼロよりも大きいか否かを判定する。出力電流Ｉｄｗｎは電流検出装置６１によって検出される。ステップＳ２０２において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがゼロ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、空燃比制御部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがゼロよりも小さいか否かを判定する。下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがゼロ以上であると判定された場合、すなわち出力電流Ｉｄｗｎがゼロである場合、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０２において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがゼロよりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、空燃比制御部７２は流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦを理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定する。具体的には、空燃比制御部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎとゼロとの差に基づいてリッチ空燃比ＴＡＦｒｉｃｈを設定し、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の量を補正する。ステップＳ２０５の後、本制御ルーチンは終了する。

また、ステップＳ２０３において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎがゼロよりも小さいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、空燃比制御部７２は流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦを理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定する。具体的には、空燃比制御部７２は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｄｗｎとゼロとの差に基づいてリーン空燃比ＴＡＦｌｅａｎを設定し、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の量を補正する。ステップＳ２０４の後、本制御ルーチンは終了する。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、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内燃機関の排気浄化装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図１４は、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の一部を示すブロック図である。排気浄化装置は、吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置８０を更に備える。吸入空気量検出装置８０は例えばエアフロメータ３９である。

吸入空気量が多いと、排気ガスの量も多くなり、上流側触媒２０におけるガス反応時間が減少する。このため、流出排気ガスの空燃比がリーン側から理論空燃比に達する前に、多くの未燃ガスが流出するおそれがある。また、流出排気ガスの空燃比がリッチ側から理論空燃比に達する前に、多くのＮＯｘが流出するおそれがある。

このため、第二実施形態では、流出排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比よりも高くなったときに設定される流出排気ガスの目標空燃比、すなわち微リーン空燃比を、吸入空気量が多いほどリーンにする。図７及び図８から分かるように、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を低くすると、ゼロの出力電流に対応する空燃比がリーンになる。このため、電圧制御部７１は、吸入空気量が多いほど第一電圧を低くする。このことによって、吸入空気量に応じた目標空燃比の設定が可能となり、吸入空気量が多い場合であっても、上流側触媒２０から多くの未燃ガスが流出することを抑制することができる。したがって、排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。なお、第二実施形態では、第一電圧は、吸入空気量に応じて、０．１５Ｖ以上０．４４Ｖ以下の範囲内で変更される。

また、第二実施形態では、流出排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比よりも低くなったときに設定される流出排気ガスの目標空燃比、すなわち微リッチ空燃比を、吸入空気量が多いほどリッチにする。図７及び図８から分かるように、下流側空燃比センサ４１への印加電圧を高くすると、ゼロの出力電流に対応する空燃比がリッチになる。このため、電圧制御部７１は、吸入空気量が多いほど第二電圧を高くする。このことによって、吸入空気量に応じた目標空燃比の設定が可能となり、吸入空気量が多い場合であっても、上流側触媒２０から多くのＮＯｘが流出することを抑制することができる。したがって、排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。なお、第二実施形態では、第二電圧は、吸入空気量に応じて、０．４６Ｖ以上０．７Ｖ以下の範囲内で変更される。

図１４に示されるように、排気浄化装置は、上流側触媒２０の劣化度合を判定する触媒判定部７３を更に備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が触媒判定部７３として機能する。触媒判定部７３は公知の手法によって上流側触媒２０の劣化度合を判定する。例えば、触媒判定部７３は、特開２０１６−１６９６６４号公報等に記載されるように、上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１を用いて上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量を算出し、最大酸素吸蔵量が少ないほど上流側触媒２０の劣化度合が大きいと判定する。

上流側触媒２０の劣化度合が大きいと、上流側触媒２０におけるガス反応性が低下する。このため、流出排気ガスの空燃比がリーン側から理論空燃比に達する前に、多くの未燃ガスが流出するおそれがある。また、流出排気ガスの空燃比がリッチ側から理論空燃比に達する前に、多くのＮＯｘが流出するおそれがある。

このため、第二実施形態では、流出排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比よりも高くなったときに設定される流出排気ガスの目標空燃比、すなわち微リーン空燃比を、上流側触媒２０の劣化度合が大きいほどリーンにする。したがって、電圧制御部７１は、上流側触媒２０の劣化度合が大きいほど第一電圧を低くする。このことによって、上流側触媒２０の劣化度合に応じた目標空燃比の設定が可能となり、上流側触媒２０の劣化度合が大きい場合であっても、上流側触媒２０から多くの未燃ガスが流出することを抑制することができる。したがって、排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。なお、第二実施形態では、第一電圧は、上流側触媒２０の劣化度合に応じて、０．１５Ｖ以上０．４４Ｖ以下の範囲内で変更される。

また、第二実施形態では、流出排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比よりも低くなったときに設定される流出排気ガスの目標空燃比、すなわち微リッチ空燃比を、上流側触媒２０の劣化度合が大きいほどリッチにする。したがって、電圧制御部７１は、上流側触媒２０の劣化度合が大きいほど第二電圧を高くする。このことによって、上流側触媒２０の劣化度合に応じた目標空燃比の設定が可能となり、上流側触媒２０の劣化度合が大きい場合であっても、上流側触媒２０から多くのＮＯｘが流出することを抑制することができる。したがって、排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。なお、第二実施形態では、第二電圧は、上流側触媒２０の劣化度合に応じて、０．４６Ｖ以上０．７Ｖ以下の範囲内で変更される。

＜電圧設定制御＞
以下、図１５のフローチャートを参照して、本実施形態において第一電圧及び第二電圧を設定するための電圧設定制御について説明する。第二実施形態では、図１２の電圧切替制御及び図１３の空燃比制御に加えて図１５の電圧設定制御が実行される。図１５は、本発明の第二実施形態における電圧設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で実行される。

最初に、ステップＳ３０１において、電圧制御部７１は吸入空気量を取得する。吸入空気量は吸入空気量検出装置８０によって検出される。次いで、ステップＳ３０２において、電圧制御部７１は上流側触媒２０の劣化度合を取得する。上流側触媒２０の劣化度合は触媒判定部７３によって判定される。

次いで、ステップＳ３０３において、電圧制御部７１は吸入空気量及び上流側触媒２０の劣化度合に基づいて第一電圧Ｖ１を設定する。具体的には、電圧制御部７１は、図１６に示されたようなマップを用いて第一電圧Ｖ１を設定する。図１６のマップでは、第一電圧Ｖ１が吸入空気量Ｇａ及び上流側触媒２０の劣化度合Ｃｄｄの関数として示される。このマップは、劣化度合Ｃｄｄが一定である場合、吸入空気量Ｇａが多いほど第一電圧Ｖ１が低くなるように作成される。また、このマップは、吸入空気量Ｇａが一定である場合、劣化度合Ｃｄｄが大きいほど第一電圧Ｖ１が低くなるように作成される。

次いで、ステップＳ３０４において、電圧制御部７１は吸入空気量及び上流側触媒２０の劣化度合に基づいて第二電圧Ｖ２を設定する。具体的には、電圧制御部７１は、図１７に示されたようなマップを用いて第二電圧Ｖ２を設定する。図１７のマップでは、第二電圧Ｖ２が吸入空気量Ｇａ及び上流側触媒２０の劣化度合Ｃｄｄの関数として示される。このマップは、劣化度合Ｃｄｄが一定である場合、吸入空気量Ｇａが多いほど第二電圧Ｖ１が高くなるように作成される。また、このマップは、吸入空気量Ｇａが一定である場合、劣化度合Ｃｄｄが大きいほど第二電圧Ｖ２が高くなるように作成される。

ステップＳ３０４の後、本制御ルーチンは終了する。ステップＳ３０３において設定された第一電圧Ｖ１は図１２のステップＳ１０６において用いられ、ステップＳ３０４において設定された第二電圧Ｖ２は図１２のステップＳ１０８において用いられる。

なお、ステップＳ３０１又はステップＳ３０２は省略されてもよい。ステップＳ３０１が省略される場合、電圧制御部７１は、上流側触媒２０の劣化度合に基づいて第一電圧Ｖ１及び第二電圧Ｖ２を設定し、劣化度合が大きいほど第一電圧を低くし且つ第二電圧を高くする。ステップＳ３０２が省略される場合、電圧制御部７１は、吸入空気量に基づいて第一電圧Ｖ１及び第二電圧Ｖ２を設定し、吸入空気量が多いほど第一電圧を低くし且つ第二電圧を高くする。

また、排気浄化装置は、吸入空気量検出装置８０の代わりに、吸入空気を推定する吸入空気量推定部を備えてもよい。この場合、ＥＣＵ３１が吸入空気量推定部として機能する。吸入空気量推定部は、例えば、特開２０１３−１３３７９３号公報に記載されるようなモデル計算を用いて吸入空気量を推定する。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。上記の実施形態では、空燃比制御は基本的に下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて行われる。また、排気ガス中の有害物質は基本的に上流側触媒２０において浄化される。このため、排気浄化装置は上流側空燃比センサ４０及び下流側触媒２４を備えていなくてもよい。

また、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロのときであっても下流側空燃比センサ４１及び電気回路７０に微小な誤差が生じる場合があるため、これら誤差を考慮して、下流側空燃比センサ４１の出力電流の目標値をゼロよりも僅かに高い値又はゼロよりも僅かに低い値に設定してもよい。

２０ 上流側触媒
２２ 排気管
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１ 下流側空燃比センサ
６０ 電圧印加装置
６１ 電流検出装置
７１ 電圧制御部
７２ 空燃比制御部

Claims (8)

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触媒と、
   前記触媒の下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記空燃比センサの出力電流を検出する電流検出装置と、
   前記空燃比センサに電圧を印加する電圧印加装置と、
   前記空燃比センサへの印加電圧を制御する電圧制御部と、
   前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と
   を備え、
   前記空燃比制御部は、前記空燃比センサの出力電流が予め定められた目標値になるように前記流入排気ガスの空燃比を制御し、
   前記電圧制御部は、前記空燃比センサによって検出された前記流出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よりも高くなったときに前記印加電圧を基準電圧よりも低い第一電圧に設定する減圧制御と、前記空燃比センサによって検出された前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比よりも低くなったときに前記印加電圧を前記基準電圧よりも高い第二電圧に設定する昇圧制御との少なくとも一方を実行し、前記基準電圧は、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに前記空燃比センサの出力電流がゼロになる電圧である、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記目標値はゼロである、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記電圧制御部は前記減圧制御を実行し、前記第一電圧は０．１５Ｖ以上０．４４Ｖ以下である、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記電圧制御部は前記昇圧制御を実行し、前記第二電圧は０．４６Ｖ以上０．７Ｖ以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置又は吸入空気量を推定する吸入空気量推定部を更に備え、
   前記電圧制御部は、前記減圧制御を実行し、吸入空気量が多いほど前記第一電圧を低くする、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記触媒の劣化度合を判定する触媒判定部を更に備え、
   前記電圧制御部は、前記減圧制御を実行し、前記触媒の劣化度合が大きいほど前記第一電圧を低くする、請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置又は吸入空気量を推定する吸入空気量推定部を更に備え、
   前記電圧制御部は、前記昇圧制御を実行し、吸入空気量が多いほど前記第二電圧を高くする、請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記触媒の劣化度合を判定する触媒判定部を更に備え、
   前記電圧制御部は、前記昇圧制御を実行し、前記触媒の劣化度合が大きいほど前記第二電圧を高くする、請求項１から７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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