JP2023161331A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】触媒の下流側に配置された空燃比センサの出力に基づいて排気ガスの空燃比が制御される場合に、触媒において水素が過剰に生成されることを抑制する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路２２に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒２０と、流出排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４２と、流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置３１とを備える。空燃比制御装置は、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定する空燃比低下制御を実行し、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空燃比低下制御によってリッチ側に変化したときの最小空燃比がリッチ設定空燃比又は空燃比低下制御における流入排気ガスの検出空燃比の平均値よりもリッチである場合には、空燃比低下制御において触媒に供給される還元ガスの量が減少するように空燃比低下制御に関するパラメータを補正する。【選択図】図７Ｃ

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
従来、酸素を吸蔵可能な触媒を内燃機関の排気通路に配置し、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を触媒において浄化することが知られている。特許文献１、２に記載の内燃機関では、触媒の排気浄化性能を高めるために、触媒の下流側に配置された空燃比センサの出力に基づいて排気ガスの空燃比が制御される。
しかしながら、触媒において酸素が枯渇すると、水性ガスシフト反応及び水蒸気改質反応が生じ、これらの反応によって生成された水素が触媒から流出する。この結果、触媒の下流側に配置された空燃比センサの出力に誤差が生じる。これに対して、特許文献１には、触媒で生じた水素に起因する空燃比センサの出力誤差が算出され、出力誤差が相殺されるように目標空燃比を設定することが記載されている。
特開２００８－１２８１１０号公報 特開平０９－１２６０１２号公報
しかしながら、特許文献１に記載の手法では、触媒において生成される水素の量を低減することはできないため、出力誤差の算出精度が低下したときに排気エミッションが悪化するおそれがある。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、触媒の下流側に配置された空燃比センサの出力に基づいて排気ガスの空燃比が制御される場合に、触媒において水素が過剰に生成されることを抑制することにある。
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、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置とを備え、前記空燃比制御装置は、前記目標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設定する空燃比低下制御を実行し、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該空燃比低下制御によってリッチ側に変化したときの最小空燃比が該リッチ設定空燃比又は該空燃比低下制御における前記流入排気ガスの検出空燃比の平均値よりもリッチである場合には、該空燃比低下制御において前記触媒に供給される還元ガスの量が減少するように該空燃比低下制御に関するパラメータを補正する、内燃機関の排気浄化装置。
（２）前記空燃比制御装置は、前記最小空燃比が前記リッチ設定空燃比又は前記検出空燃比よりもリッチである場合には、前記空燃比低下制御に関するパラメータをリーン側に補正する、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（３）前記空燃比制御装置は、前記空燃比低下制御において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下側判定空燃比以下に低下したときに前記空燃比低下制御を終了し、前記空燃比低下制御に関するパラメータは前記下側判定空燃比である、上記（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（４）前記空燃比制御装置は、前記空燃比低下制御において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下側判定空燃比以下に低下したときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定する空燃比上昇制御を開始し、該空燃比上昇制御において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前記下側判定空燃比よりもリーンな上側判定空燃比以上に上昇したときに前記空燃比低下制御を開始し、前記空燃比低下制御に関するパラメータは前記下側判定空燃比及び前記上側判定空燃比である、上記（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（５）前記空燃比低下制御に関するパラメータは前記リッチ設定空燃比である、上記（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（６）前記空燃比低下制御に関するパラメータは該空燃比低下制御の実行時間である、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（７）前記空燃比制御装置は、前記空燃比低下制御において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下側判定空燃比以下に低下したときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定する空燃比上昇制御を開始し、該空燃比上昇制御において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前記下側判定空燃比よりもリーンな上側判定空燃比以上に上昇したときに前記空燃比低下制御を開始し、前記空燃比制御装置は、前記空燃比上昇制御が開始されてから所定の閾値時間が経過するまでの間に、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リーン側に変化しない場合には、前記上側判定空燃比と前記下側判定空燃比との差が小さくなるように該上側判定空燃比及び該下側判定空燃比を補正する、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。
本発明によれば、触媒の下流側に配置された空燃比センサの出力に基づいて排気ガスの空燃比が制御される場合に、触媒において水素が過剰に生成されることを抑制することができる。
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適用される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の一例を示す図である。 図３は、下流側空燃比センサの部分断面図である。 図４は、下流側空燃比センサにおける排気ガスの空燃比とセンサ素子の出力電流との関係を示す図である。 図５Ａは、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比との間で交互に切り替えられたときの各種パラメータのタイムチャートである。 図５Ｂは、図５Ａの各時刻における触媒の酸素吸蔵状態を概略的に示す図である。 図６は、本発明の第一実施形態における空燃比制御が実行されるときの各種パラメータのタイムチャートである。 図７Ａは、第一実施形態における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７Ｂは、第一実施形態における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７Ｃは、第一実施形態における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７Ｄは、第一実施形態における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８は、微リッチ制御が実行されたときの下流側空燃比センサの出力空燃比の波形の一例を示す図である。 図９Ａは、第二実施形態における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９Ｂは、第二実施形態における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９Ｃは、第二実施形態における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９Ｄは、第二実施形態における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９Ｅは、第二実施形態における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、燃料カット制御及び復帰後リッチ制御が実行されるときの各種パラメータのタイムチャートである。 図１１は、第三実施形態における空燃比制御補正処理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。
＜第一実施形態＞
最初に図１～図７Ｄ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適用される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、車両の動力源として用いられる。
内燃機関は、シリンダブロック２及びシリンダヘッド４を含む機関本体１を備える。シリンダブロック２の内部には、複数（例えば４つ）の気筒が形成される。各気筒には、気筒の軸線方向に往復運動するピストン３が配置される。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。
シリンダヘッド４には吸気ポート７及び排気ポート９が形成される。吸気ポート７及び排気ポート９はそれぞれ燃焼室５に接続される。
また、内燃機関は、シリンダヘッド４内に配置された吸気弁６及び排気弁８を備える。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。
また、内燃機関は点火プラグ１０及び燃料噴射弁１１を備える。点火プラグ１０は、シリンダヘッド４の内壁面の中央部に配置され、点火信号に応じて火花を発生させる。燃料噴射弁１１は、シリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置され、噴射信号に応じて燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料噴射弁１１に供給される燃料として、理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。
また、内燃機関は、吸気マニホルド１３、サージタンク１４、吸気管１５、エアクリーナ１６及びスロットル弁１８を備える。各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気マニホルド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、吸気マニホルド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。スロットル弁１８は、サージタンク１４とエアクリーナ１６との間の吸気管１５内に配置され、スロットル弁駆動アクチュエータ１７（例えばＤＣモータ）によって駆動される。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、その開度に応じて吸気通路の開口面積を変更することができる。
また、内燃機関は、排気マニホルド１９、触媒２０、ケーシング２１及び排気管２２を備える。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、触媒２０を内蔵したケーシング２１に連結される。ケーシング２１は排気管２２に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、ケーシング２１、排気管２２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。
また、内燃機関を搭載した車両には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１が設けられる。図１に示されるように、ＥＣＵ３１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。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。
ＥＣＵ３１は、車両又は内燃機関に設けられた各種センサの出力等に基づいて内燃機関の各種制御を実行する。このため、ＥＣＵ３１には、各種センサの出力が送信される。本実施形態では、エアフロメータ４０、上流側空燃比センサ４１、下流側空燃比センサ４２、負荷センサ４４及びクランク角センサ４５の出力がＥＣＵ３１に送信される。
エアフロメータ４０は、内燃機関の吸気通路、具体的にはスロットル弁１８よりも上流側の吸気管１５内に配置される。エアフロメータ４０は、吸気通路を流れる空気の流量を検出する。エアフロメータ４０はＥＣＵ３１に電気的に接続され、エアフロメータ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。
上流側空燃比センサ４１は、触媒２０の上流側の排気通路、具体的には排気マニホルド１９の集合部に配置される。上流側空燃比センサ４１は、排気マニホルド１９内を流れる排気ガス、すなわち内燃機関の気筒から排出されて触媒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４１はＥＣＵ３１に電気的に接続され、上流側空燃比センサ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。
下流側空燃比センサ４２は、触媒２０の下流側の排気通路、具体的には排気管２２に配置される。下流側空燃比センサ４２は、排気管２２内を流れる排気ガス、すなわち触媒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４２はＥＣＵ３１に電気的に接続され、下流側空燃比センサ４２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。
負荷センサ４４は、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル４３に接続され、アクセルペダル４３の踏み込み量を検出する。負荷センサ４４はＥＣＵ３１に電気的に接続され、負荷センサ４４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。ＥＣＵ３１は負荷センサ４４の出力に基づいて機関負荷を算出する。
クランク角センサ４５は、内燃機関のクランクシャフトが所定角度（例えば１０度）回転する毎に出力パルスを発生させる。クランク角センサ４５はＥＣＵ３１に電気的に接続され、クランク角センサ４５の出力は入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はクランク角センサ４５の出力に基づいて機関回転数を計算する。
一方、ＥＣＵ３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路３９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、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁１８の開度を制御する。
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。また、排気通路から吸気通路にＥＧＲガスを還流させるための構成が設けられていてもよい。
＜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、触媒２０、上流側空燃比センサ４１、下流側空燃比センサ４２及び空燃比制御装置を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御装置として機能する。
触媒２０は、内燃機関の排気通路に配置され、排気通路を流れる排気ガスを浄化するように構成される。本実施形態では、触媒２０は、酸素を吸蔵可能であり、例えば、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。触媒２０は、セラミック又は金属から成る担体（基材）と、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等）と、酸素吸蔵能力を有する助触媒（例えば、セリア（ＣｅＯ2）等）とを有する。貴金属及び助触媒は担体に担持される。
図２は、三元触媒の浄化特性の一例を示す図である。図２に示されるように、三元触媒によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率は、三元触媒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は、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍に維持されているときに、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。
また、触媒２０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、ＨＣ及びＣＯ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においてＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが効果的に浄化される。
上流側空燃比センサ４１及び下流側空燃比センサ４２は内燃機関の排気通路に配置され、下流側空燃比センサ４２は上流側空燃比センサ４１の下流側に配置される。上流側空燃比センサ４１及び下流側空燃比センサ４２は、それぞれ、排気通路を流れる排気ガスの空燃比を検出するように構成される。
図３は、下流側空燃比センサ４２の部分断面図である。下流側空燃比センサ４２は公知の構成を有するため、以下、その構成について簡単に説明する。なお、上流側空燃比センサ４１は下流側空燃比センサ４２と同様の構成を有する。
下流側空燃比センサ４２はセンサ素子４１１及びヒータ４２０を備える。本実施形態では、下流側空燃比センサ４２は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。図３に示されるように、センサ素子４１１は、固体電解質層４１２、拡散律速層４１３、第１不透過層４１４、第２不透過層４１５、排気側電極４１６及び大気側電極４１７を有する。固体電解質層４１２と拡散律速層４１３との間には被測ガス室４１８が形成され、固体電解質層４１２と第１不透過層４１４との間には大気室４１９が形成されている。
被測ガス室４１８には、拡散律速層４１３を介して排気ガスが被測ガスとして導入され、大気室４１９には大気が導入される。センサ素子４１１に電圧が印加されると、排気側電極４１６上の排気ガスの空燃比に応じて排気側電極４１６と大気側電極４１７との間を酸化物イオンが移動し、この結果、排気ガスの空燃比に応じてセンサ素子４１１の出力電流が変化する。
図４は、下流側空燃比センサ４２における排気ガスの空燃比とセンサ素子４１１の出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４の例では、０．４５Ｖの電圧がセンサ素子４１１に印加されている。図４からわかるように、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに、出力電流Ｉはゼロとなる。また、下流側空燃比センサ４２では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであるほど、出力電流Ｉが大きくなる。したがって、下流側空燃比センサ４２及び下流側空燃比センサ４２と同様の構成を有する上流側空燃比センサ４１は、それぞれ、排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。
なお、本実施形態では、上流側空燃比センサ４１及び下流側空燃比センサ４２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、排気ガスの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、上流側空燃比センサ４１及び下流側空燃比センサ４２として、限界電流式ではない空燃比センサが用いられてもよい。また、上流側空燃比センサ４１と下流側空燃比センサ４２とは互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。
空燃比制御装置は、触媒２０に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比を目標空燃比に制御する。具体的には、空燃比制御装置は、目標空燃比を設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５への燃料供給量を制御する。例えば、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力に基づいて流入排気ガスの目標空燃比を設定し、上流側空燃比センサ４１の出力空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５への燃料供給量をフィードバック制御する。ここで、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比、すなわち空燃比センサによって検出される空燃比を意味する。
なお、空燃比制御装置は、上流側空燃比センサ４１を用いることなく、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５への燃料供給量を制御してもよい。この場合、上流側空燃比センサ４１が排気浄化装置から省略され、空燃比制御装置は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、吸入空気量、機関回転数及び目標空燃比から燃焼室５への燃料供給量を算出する。
本実施形態では、基本的に、触媒２０を排気浄化に適した状態に維持するように、流入排気ガスの空燃比が制御される。触媒２０が排気浄化に適した状態にあるときには、排気ガスが触媒２０において浄化され、触媒２０から流出する排気ガス（以下、「流出排気ガス」という）の空燃比は理論空燃比となる。このため、触媒２０の下流側に配置された下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比になるように流入排気ガスの空燃比を制御することが考えられる。
しかしながら、触媒２０において酸素が枯渇すると、下記の水性ガスシフト反応（１）及び水蒸気改質反応（２）が生じ、触媒２０において水素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2…（１）
ＨＣ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋Ｈ2…（２）
この結果、水素を含む排気ガスが触媒２０から流出して下流側空燃比センサ４２に流入することになる。このとき、水素の分子量が酸素の分子量よりも小さいため、排気ガス中の水素が排気ガス中の酸素よりも早く拡散律速層４１３を通過して排気側電極４１６に到達する。このため、排気側電極４１６上における排気ガス中の酸素濃度が排気通路における排気ガス中の酸素濃度よりも低くなる。この結果、下流側空燃比センサ４２の出力にずれが生じ、下流側空燃比センサ４２の出力が実際の値よりもリッチ側にずれる。したがって、触媒２０から下流側空燃比センサ４２に水素が流入するときには、下流側空燃比センサ４２の出力の信頼性が低下する。
図５Ａは、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比との間で交互に切り替えられたときの各種パラメータのタイムチャートである。図５Ａには、各種パラメータとして、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比、流入排気ガスの目標空燃比、上流側空燃比センサ４１の出力空燃比、流出排気ガス中の水素濃度、流出排気ガス中のＣＯ濃度及び流出排気ガス中のＮＯｘ濃度が示されている。
図５Ｂは、図５Ａの各時刻（時刻ｔ０～ｔ５）における触媒２０の酸素吸蔵状態を概略的に示す図である。図５Ｂには、触媒２０に対して排気ガスが流れる方向と共に、触媒２０の酸素吸蔵状態が示されている。触媒２０のハッチング部分は、酸素が枯渇した酸素枯渇領域を示しており、触媒２０のその他の部分は、酸素で満たされた領域を示している。
この例では、時刻ｔ０において、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ＴＡＦｒｉｃｈに設定されている。酸素で満たされていた触媒２０にリッチな空燃比の排気ガスが流入すると、触媒２０の上流側から酸素が徐々に放出される。この結果、図５Ｂに示されるように、時刻ｔ０では、触媒２０の上流側に酸素枯渇領域が生じている。この場合、酸素枯渇領域で生成された水素が触媒２０の下流側で酸化されるため、触媒２０から水素がほとんど流出しない。また、排気ガス中のＣＯ及びＮＯｘが触媒２０において効果的に浄化されるため、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比は理論空燃比に維持されている。
その後、時刻ｔ１において、触媒２０のほとんどの領域が酸素枯渇領域となり、触媒２０から水素及びＣＯが流出し、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチ側に変化し始める。図５Ａの例では、時刻ｔ２において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達したときに、流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。時刻ｔ２では、図５Ｂに示されるように、触媒２０の全ての領域が酸素枯渇領域となっている。下流側空燃比センサ４２の出力空燃比は、時刻ｔ２の後も最小空燃比ＡＦｍｉｎまで低下し、最小空燃比ＡＦｍｉｎからリーン側に変化する。
酸素が枯渇した触媒２０にリーンな空燃比の排気ガスが流入すると、触媒２０の上流側から触媒２０が徐々に酸素で満たされる。この結果、図５Ｂに示されるように、時刻ｔ３では、触媒２０の上流側が酸素で満たされ、触媒２０の下流側に酸素枯渇領域が残されている。この場合、排気ガス中のＣＯ及びＮＯｘが触媒２０において効果的に浄化される。しかしながら、触媒２０の下流側の酸素枯渇領域において生成された水素が触媒２０から下流側空燃比センサ４２に流入するため、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな値を示している。
その後、時刻ｔ４において、触媒２０のほとんどの領域が酸素で満たされ、触媒２０からＮＯｘが流出し始める。このときも、触媒２０の下流側に僅かに残された酸素枯渇領域において生成された水素が触媒２０から流出し、下流側空燃比センサ４２の出力が水素の影響を受ける。図５Ａの例では、時刻ｔ５において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに達したときに、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。時刻ｔ５では、図５Ｂに示されるように、触媒２０の全ての領域が酸素で満たされている。このため、時刻ｔ５において、触媒２０からの水素の流出が終了する。
図５Ａからわかるように、触媒２０から水素が流出している場合には、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときに、触媒２０が排気浄化に適した状態になる。このため、触媒２０における水素の発生状況に関わらず、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比になるように流入排気ガスの空燃比が制御されると、触媒２０からのＮＯｘの流出量が増加し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
一方、触媒２０から水素が流出していない場合には、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比であるときに、触媒２０が排気浄化に適した状態になる。このため、水素の影響を考慮した空燃比制御が常に実行されると、内燃機関の運転状態に応じて触媒２０の状態が変化したときに、排気エミッションが悪化するおそれがある。
そこで、本実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ側切替空燃比以下に低下したときに、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな微リッチ設定空燃比に維持されるように流入排気ガスの空燃比を制御する微リッチ制御を開始する。このことによって、触媒２０から水素が流出している可能性が高いときに、水素の影響を考慮した空燃比制御を実施することができる。すなわち、本実施形態では、触媒２０における水素の発生状況に応じた空燃比制御を実施することで排気エミッションの悪化を抑制することができる。
空燃比制御装置は、微リッチ制御において、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比を微リッチ設定空燃比に維持すべく、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が微リッチ設定空燃比を中心とする所定範囲内で変化するように流入排気ガスの空燃比を制御する。例えば、空燃比制御装置は、微リッチ制御において、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１上側判定空燃比以上に上昇したときに、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に流入排気ガスの目標空燃比を設定し、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１下側判定空燃比以下に低下したときに、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に流入排気ガスの目標空燃比を設定する。第１上側判定空燃比及び第１下側判定空燃比は、第１上側判定空燃比と微リッチ設定空燃比との差が第１下側判定空燃比と微リッチ設定空燃比との差と等しく且つ第１上側判定空燃比が第１下側判定空燃比よりも大きくなるように（リーンになるように）予め定められる。
また、微リッチ制御中に外乱等の影響により触媒２０が酸素で満たされると、触媒２０からの水素の流出が終了する。このため、本実施形態では、空燃比制御装置は、微リッチ制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比以上のリーン側切替空燃比以上に上昇したときに微リッチ制御を終了させる。このことによって、触媒２０からの水素の流出が終了した適切なタイミングで微リッチ制御を終了させることができる。
触媒２０からの水素の流出が終了すると、下流側空燃比センサ４２の出力ずれが解消される。このため、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側切替空燃比以上に上昇したときに、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比に維持されるように流入排気ガスの空燃比を制御する理論空燃比制御を開始する。このことによって、触媒２０から水素が流出していないときの排気エミッションの悪化を効果的に抑制することができる。
空燃比制御装置は、理論空燃比制御において、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比を理論空燃比に維持すべく、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比を中心とする所定範囲内で変化するように流入排気ガスの空燃比を制御する。例えば、空燃比制御装置は、理論空燃比制御において、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第２上側判定空燃比以上に上昇したときに、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に流入排気ガスの目標空燃比を設定し、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第２下側判定空燃比以下に低下したときに、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に流入排気ガスの目標空燃比を設定する。第２上側判定空燃比及び第２下側判定空燃比は、第２上側判定空燃比と理論空燃比との差が第２下側判定空燃比と理論空燃比との差と等しく且つ第２上側判定空燃比が第２下側判定空燃比よりも大きくなるように（リーンになるように）予め定められる。
したがって、本実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチ側切替空燃比以下に低下してから下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側切替空燃比以上に上昇するまで微リッチ制御を実行する。また、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側切替空燃比以上に上昇してから下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチ側切替空燃比以下に低下するまで理論空燃比制御を実行する。
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図６を参照して、上述した空燃比制御について具体的に説明する。図６は、本発明の第一実施形態における空燃比制御が実行されるときの各種パラメータのタイムチャートである。図６には、各種パラメータとして、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比、下流側空燃比センサ４２の目標出力値、流入排気ガスの目標空燃比、流出排気ガス中の水素濃度、流出排気ガス中のＣＯ濃度及び流出排気ガス中のＮＯｘ濃度が示されている。
図６の例では、時刻ｔ０において、理論空燃比制御が実行され、下流側空燃比センサ４２の目標出力値が理論空燃比（１４．６）に設定されている。また、時刻ｔ０では、理論空燃比制御において、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ＴＡＦｒｉｃｈに設定されている。このため、時刻ｔ０以降、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比は徐々に低下する。時刻ｔ１において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第２下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ２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ＴＡＦｌｅａｎに設定される。
図６の例では、理論空燃比制御において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されているにも拘わらず、時刻ｔ２において、外乱等の影響によって下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈに達している。すなわち、理論空燃比制御において、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比以上の値からリッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈまで低下している。このため、時刻ｔ２において、理論空燃比制御が終了し、微リッチ制御が開始される。すなわち、下流側空燃比センサ４２の目標出力値が理論空燃比から理論空燃比よりもリッチな微リッチ設定空燃比ＲＡＦＴｓｒｉｃｈに切り替えられる。
また、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈに向かって低下するときに触媒２０の酸素が枯渇し、触媒２０から水素及びＣＯが流出する。この結果、水素を含む排気ガスが下流側空燃比センサ４２に流入し、下流側空燃比センサ４２の出力にずれが生じる。しかしながら、時刻ｔ２において微リッチ制御を開始することで、触媒２０を排気浄化に適した状態にすることができ、時刻ｔ２以降のＣＯ及びＮＯｘの流出を効果的に抑制することができる。
時刻ｔ２の後、時刻ｔ３において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１に達すると、微リッチ制御において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。なお、図６の例では、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１の値は第２下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ２の値と等しい。
時刻ｔ３の後、時刻ｔ４において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１に達すると、微リッチ制御において流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。その後も、微リッチ制御において流入排気ガスの目標空燃比が下流側空燃比センサ４２の出力空燃比に基づいてリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎとの間で同様に切り替えられる。
図６の例では、微リッチ制御において流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されているにも拘わらず、時刻ｔ５において、外乱等の影響によって下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎ（図６の例では１４．６）に達している。このため、時刻ｔ５において、微リッチ制御が終了し、理論空燃比制御が開始される。すなわち、下流側空燃比センサ４２の目標出力値が微リッチ設定空燃比ＲＡＦＴｓｒｉｃｈから理論空燃比に切り替えられる。
また、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎに向かって上昇するときに触媒２０が酸素で満たされ、触媒２０からＮＯｘが流出する。この結果、触媒２０からの水素の流出が終了し、下流側空燃比センサ４２の出力ずれが解消される。しかしながら、時刻ｔ５において理論空燃比制御を開始することで、触媒２０を排気浄化に適した状態にすることができ、時刻ｔ５以降のＣＯ及びＮＯｘの流出を効果的に抑制することができる。
時刻ｔ５の後、時刻ｔ６において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第２下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ２に達すると、理論空燃比制御において流入排気ガスの目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。時刻ｔ６の後、時刻ｔ７において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第２上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ２に達すると、理論空燃比制御において流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。その後も、理論空燃比制御において流入排気ガスの目標空燃比が下流側空燃比センサ４２の出力空燃比に基づいてリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎとの間で同様に切り替えられる。
＜空燃比制御の補正＞
上記のように、空燃比制御装置は、微リッチ制御及び理論空燃比制御のそれぞれにおいて、下流側空燃比センサ４２の出力に基づいて、流入排気ガスの目標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設定する空燃比低下制御と、流入排気ガスの目標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設定する空燃比上昇制御とを交互に実行する。具体的には、微リッチ制御が実行される場合、空燃比制御装置は、空燃比低下制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１下側判定空燃比以下に低下したときに空燃比上昇制御を開始し、空燃比上昇制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１上側判定空燃比以上に上昇したときに空燃比低下制御を開始する。また、理論空燃比制御が実行される場合、空燃比制御装置は、空燃比低下制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１下側判定空燃比以下に低下したときに空燃比上昇制御を開始し、空燃比上昇制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１上側判定空燃比以上に上昇したときに空燃比低下制御を開始する。
上記のように、触媒２０において水素が生成されているときには微リッチ制御を実行することによって、触媒２０から下流側空燃比センサ４２に供給される水素の影響を低減することができる。しかしながら、経年劣化、個体バラツキ等によって下流側空燃比センサ４２の出力にずれが生じ、この結果、過剰な量の還元ガス、すなわち過剰な量のＨＣ及びＣＯが触媒２０に供給されるおそれがある。この場合、触媒２０において水素が過剰に生成され、微リッチ制御によって水素の影響を効果的に低減できないおそれがある。
このため、触媒において水素が過剰に生成されている場合には、空燃比制御を補正することによって水素の生成量を低減することが望ましい。通常、下流側空燃比センサ４２の出力に大きなずれが生じていない場合には、下流側空燃比センサ４２の出力が流入排気ガスの空燃比よりもリッチな値を示すことはない。したがって、下流側空燃比センサ４２の出力が流入排気ガスの空燃比よりもリッチな値を示す場合には、例えば空燃比低下制御によって下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が空燃比低下制御における目標空燃比（リッチ設定空燃比）よりもリッチな値まで低下した場合には、触媒２０において水素が過剰に生成されている可能性が高い。
そこで、本実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が空燃比低下制御によってリッチ側に変化したときの最小空燃比がリッチ設定空燃比よりもリッチである場合には、空燃比低下制御において触媒２０に供給される還元ガスの量が減少するように、すなわち空燃比低下制御において触媒２０に供給されるＨＣの量が減少するように、空燃比低下制御に関するパラメータを補正する。このことによって、触媒２０において水素が過剰に生成されることを抑制することができる。なお、最小空燃比（ＡＦｍｉｎ）とは、図５Ａの下流側空燃比センサ４２の出力空燃比のタイムチャートに示されるように、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチ側に変化したときの最下点の値（出力ピーク値）を意味する。
空燃比制御として理論空燃比制御が実行されているときには、触媒２０において水素が過剰に生成される可能性は低い。このため、空燃比制御装置は、微リッチ制御を実行しているときに、空燃比低下制御に関するパラメータの補正を行う。例えば、空燃比制御装置は、空燃比低下制御に関するパラメータの補正として、第１下側判定空燃比及び第１上側判定空燃比をリーン側に補正する。このことによって、空燃比低下制御において触媒２０に供給される還元ガスの量を減少させることができ、ひいては触媒２０において生成される水素の量を減少させることができる。なお、第１下側判定空燃比及び第１上側判定空燃比がリーン側に補正された場合、微リッチ制御における下流側空燃比センサ４２の目標出力値もリーン側に補正されることになる。
また、一時的な外乱等の影響によって下流側空燃比センサ４２の出力が不安定であるときには、適切な補正を行うことが困難である。このため、本実施形態では、空燃比制御装置は、内燃機関の運転状態が定常状態であるときに、空燃比低下制御に関するパラメータの補正を行う。このことによって、信頼性の低いデータに基づいて不適切な補正が行われることを抑制することができる。
＜空燃比制御のフローチャート＞
以下、図７Ａ～図７Ｄのフローチャートを用いて、上述した空燃比制御について詳細に説明する。図７Ａ～図７Ｄは、第一実施形態における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。本制御ルーチンは、空燃比制御装置として機能するＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ１０１において、空燃比制御装置は、空燃比制御の実行条件が成立しているか否かを判定する。空燃比制御の実行条件は、例えば、触媒２０の温度が所定の活性温度以上であり且つ上流側空燃比センサ４１及び下流側空燃比センサ４２の素子温度が所定の活性温度以上であるときに成立する。触媒２０の温度は、例えば、触媒２０若しくは触媒２０近傍の排気通路に設けられた温度センサの出力に基づいて算出され又は内燃機関の所定の状態量（例えば、機関水温、吸入空気量、機関負荷等）に基づいて算出される。上流側空燃比センサ４１及び下流側空燃比センサ４２の素子温度は例えばセンサ素子のインピーダンスに基づいて算出される。なお、空燃比制御の実行条件は、内燃機関が始動してから所定時間が経過していること、内燃機関の所定部品（燃料噴射弁１１、触媒２０、上流側空燃比センサ４１、下流側空燃比センサ４２等）が正常であること等を含んでいてもよい。
ステップＳ１０１において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、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において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、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、空燃比制御装置は、リッチフラグＦｒが１であるか否かを判定する。リッチフラグＦｒは、微リッチ制御が開始されたときに１に設定され、微リッチ制御が終了したときにゼロに設定されるフラグである。なお、内燃機関が始動されたときのリッチフラグＦｒの初期値はゼロである。ステップＳ１０２においてリッチフラグＦｒ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Ｓ１０３に進む。
ステップＳ１０３では、空燃比制御装置は、ストイキフラグＦｓが１であるか否かを判定する。ストイキフラグＦｓは、理論空燃比制御が開始されたときに１に設定され、理論空燃比制御が終了したときにゼロに設定されるフラグである。なお、内燃機関が始動されたときのストイキフラグＦｓの初期値はゼロである。ステップＳ１０３においてストイキフラグ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Ｓ１０４に進む。
ステップＳ１０４では、空燃比制御装置は微リッチ制御を開始する。すなわち、空燃比制御装置は下流側空燃比センサ４２の目標出力値を微リッチ設定空燃比に設定する。微リッチ設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比に設定される。例えば、微リッチ設定空燃比は、１４．５０～１４．５８、好ましくは１４．５８に設定される。
次いで、ステップＳ１０５において、空燃比制御装置は流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定する。すなわち、空燃比制御装置は微リッチ制御において空燃比上昇制御を開始する。空燃比上昇制御では、空燃比制御装置は上流側空燃比センサ４１の出力に基づいて流入排気ガスの空燃比をリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎにフィードバック制御する。リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎは、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比（例えば１４．７～１５．７）に設定される。
次いで、ステップＳ１０６において、空燃比制御装置はリッチフラグＦｒを１に設定し、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。一方、制御ルーチンの開始時点において微リッチ制御が既に実行されていた場合にはステップＳ１０２においてリッチフラグＦｒが１であると判定され、本制御ルーチンはステップＳ１０３～Ｓ１０６をスキップしてステップＳ１０７に進む。
ステップＳ１０７では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎ以上であるか否かを判定する。リーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎは、予め定められ、理論空燃比以上の値に設定される。例えば、リーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎは、１４．６０～１４．６５に設定され、好ましくは理論空燃比（１４．６０）に設定される。ステップＳ１０７において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０８に進み、微リッチ制御が継続される。
ステップＳ１０８では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１以上であるか否かが判定される。第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチであり且つ微リッチ設定空燃比よりも僅かにリーンな空燃比に設定される。例えば、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１は、微リッチ設定空燃比よりも０．０１だけ大きな値に設定され、微リッチ設定空燃比が１４．５８であるときには１４．５９に設定される。
ステップＳ１０８において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１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Ｓ１０９に進む。ステップＳ１０９では、空燃比制御装置は流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定する。すなわち、空燃比制御装置は微リッチ制御において空燃比低下制御を開始する。空燃比低下制御では、空燃比制御装置は上流側空燃比センサ４１の出力に基づいて流入排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈにフィードバック制御する。リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈは、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比（例えば１３．５～１４．５）に設定される。ステップＳ１０９の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１０８において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１以下であるか否かを判定する。第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１は、予め定められ、微リッチ設定空燃比よりも僅かにリッチな空燃比に設定される。例えば、第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１は、微リッチ設定空燃比よりも０．０１だけ小さな値に設定され、微リッチ設定空燃比が１４．５８であるときには１４．５７に設定される。
ステップＳ１１０において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了し、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦが現在の設定値に維持される。一方、ステップＳ１１０において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１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Ｓ１１１に進む。
ステップＳ１１１では、空燃比制御装置は流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定する。すなわち、空燃比制御装置は微リッチ制御において空燃比低下制御を終了して空燃比上昇制御を開始する。
次いで、ステップＳ１１２において、空燃比制御装置は、内燃機関の運転状態が定常状態であるか否かを判定する。例えば、空燃比制御装置は、内燃機関の所定の運転パラメータの変化量が所定値以下である場合に、内燃機関の運転状態が定常状態であると判定する。所定の運転パラメータは、例えば、吸入空気量、機関回転数、燃料噴射量、機関負荷等である。吸入空気量はエアフロメータ４０の出力に基づいて算出され、機関回転数はクランク角センサ４５の出力に基づいて算出され、燃料噴射量はＥＣＵ３１から燃料噴射弁１１への指令値に基づいて算出され、機関負荷は負荷センサ４４の出力に基づいて算出される。ステップＳ１１２において内燃機関の運転状態が定常状態では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Ｓ１１２において内燃機関の運転状態が定常状態であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１３に進む。ステップＳ１１３では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが空燃比低下制御によって第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１以下に低下したときの最小空燃比ＡＦｍｉｎを取得する。
次いで、ステップＳ１１４において、空燃比制御装置は、ステップＳ１１３において取得された最小空燃比ＡＦｍｉｎと、空燃比低下制御における目標空燃比であるリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈとを比較して、空燃比低下制御に関するパラメータの補正の要否を判定する。具体的には、空燃比制御装置は、最小空燃比ＡＦｍｉｎがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈよりも小さいか否か、すなわち最小空燃比ＡＦｍｉｎがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈよりもリッチであるか否かを判定する。ステップＳ１１４において最小空燃比ＡＦｍｉｎがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ以上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Ｓ１１４において最小空燃比ＡＦｍｉｎがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈよりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１５に進む。ステップＳ１１５では、空燃比制御装置は第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１をリーン側に補正する。例えば、空燃比制御装置は第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の各々に所定の微小値（例えば０．００１～０．０１）を加算することによって第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１をリーン側に補正する。なお、空燃比制御装置は、所定の微小値の代わりに、リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈと最小空燃比ＡＦｍｉｎとの差に比例する値を第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の各々に加算してもよい。
また、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の上限値が予め定められ、空燃比制御装置は、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比を上限値以下の範囲で補正してもよい。このことによって、過剰な補正により空燃比制御が不安定になることを抑制することができる。
ステップＳ１１５の後、ステップＳ１１６において、空燃比制御装置は、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１がリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎ以上にならないように、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１の補正量に応じてリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎをリーン側に補正する。例えば、空燃比制御装置は、補正によって第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１に加算された値をリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎにも加算する。ステップＳ１１６の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１０７において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎ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Ｓ１１７に進む。ステップＳ１１７では、空燃比制御装置は微リッチ制御を終了して理論空燃比制御を開始する。すなわち、空燃比制御装置は下流側空燃比センサ４２の目標出力値を理論空燃比（１４．６０）に設定する。
次いで、ステップＳ１１８において、空燃比制御装置は、ストイキフラグＦｓを１に設定し、リッチフラグＦｒをゼロに設定する。ステップＳ１１８の後、本制御ルーチンは終了する。この場合、次の制御ルーチンのステップＳ１０３においてストイキフラグＦｓが１であると判定され、本制御ルーチンはステップＳ１１９に進む。
ステップＳ１１９では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈ以下であるか否かを判定する。リッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈは、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな値に設定される。例えば、リッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈは、１４．５０～１４．５８に設定され、好ましくは微リッチ設定空燃比と同一の値（例えば１４．５８）に設定される。ステップＳ１１９において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈ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Ｓ１２０に進み、理論空燃比制御が継続される。
ステップＳ１２０では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ２以上であるか否かが判定される。第２上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ２は、予め定められ、理論空燃比よりも僅かにリーンな空燃比に設定される。例えば、第２上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ２は、理論空燃比よりも０．０１だけ大きな値（１４．６１）に設定される。
ステップＳ１２０において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ２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Ｓ１２１に進む。ステップＳ１２１では、空燃比制御装置は流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定する。すなわち、空燃比制御装置は理論空燃比制御において空燃比低下制御を開始する。ステップＳ１２１の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１２０において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ２未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１２２に進む。ステップＳ１２２では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ２以下であるか否かを判定する。第２下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ２は、予め定められ、理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比に設定される。例えば、第２上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ２は、理論空燃比よりも０．０１だけ小さな値（１４．５９）に設定される。
ステップＳ１２２において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ２よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了し、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦが現在の設定値に維持される。一方、ステップＳ１２２において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ２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Ｓ１２３に進む。
ステップＳ１２３では、空燃比制御装置は流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定する。すなわち、空燃比制御装置は理論空燃比制御において空燃比低下制御を終了して空燃比上昇制御を開始する。ステップＳ１２３の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１１９において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈ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Ｓ１２４に進む。ステップＳ１２４では、空燃比制御装置は理論空燃比制御を終了して微リッチ制御を開始する。すなわち、空燃比制御装置は下流側空燃比センサ４２の目標出力値を微リッチ設定空燃比に設定する。
次いで、ステップＳ１２５において、空燃比制御装置は、リッチフラグＦｒを１に設定し、ストイキフラグＦｓをゼロに設定する。ステップＳ１２５の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、ステップＳ１１４において、空燃比制御装置は、リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈの代わりに、空燃比低下制御における流入排気ガスの検出空燃比の平均値、すなわち空燃比低下制御の実行中に上流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の平均値を用いて、空燃比低下制御に関するパラメータの補正の要否を判定してもよい。この場合、ステップＳ１１４において、空燃比制御装置は、最小空燃比ＡＦｍｉｎが空燃比低下制御における流入排気ガスの検出空燃比の平均値よりもリッチであるか否かを判定する。
また、ステップＳ１１５において、空燃比制御装置は、第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１のみをリーン側に補正してもよい。また、ステップＳ１１５において、空燃比制御装置は、空燃比低下制御における流入排気ガスの目標空燃比、すなわちリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈをリーン側に補正してもよい。この場合、空燃比制御装置は補正によってリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈのリッチ度合（理論空燃比との差）を小さくする。すなわち、空燃比制御装置は、空燃比低下制御に関するパラメータの補正として、第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１又はリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈをリーン側に補正してもよい。この場合、ステップＳ１１６は省略される。
また、ステップＳ１０８及びＳ１２０の少なくとも一方において、空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されたときからの経過時間、積算吸入空気量等が所定の閾値に達したか否かを判定してもよい。すなわち、空燃比制御装置は、微リッチ制御及び理論空燃比制御の少なくとも一方において、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されたときからの経過時間、積算吸入空気量等が所定の閾値に達したときに流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えてもよい。
また、ステップＳ１１０及びＳ１２２の少なくとも一方において、空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されたときからの経過時間、積算吸入空気量等が所定の閾値に達したか否かを判定してもよい。すなわち、空燃比制御装置は、微リッチ制御及び理論空燃比制御の少なくとも一方において、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されたときからの経過時間、積算吸入空気量等が所定の閾値に達したときに流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦをリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えてもよい。上記の制御が微リッチ制御において実行される場合、空燃比制御装置は、空燃比低下制御に関するパラメータの補正として、例えば、上記閾値を小さくし又はリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈをリーン側に補正する。
また、内燃機関が始動されるときには触媒２０の酸素吸蔵量が最大値に達していないと考えられるため、上記の制御ルーチンでは、内燃機関始動後の最初の空燃比制御として、微リッチ制御が実行されている。しかしながら、内燃機関始動後の最初の空燃比制御として、理論空燃比制御が実行されてもよい。また、空燃比制御装置は、内燃機関始動後の最初の空燃比制御として、流入排気ガスの空燃比が所定値（例えば理論空燃比）に一致するように、上流側空燃比センサ４１の出力に基づいて流入排気ガスの空燃比をフィードバック制御してもよい。この場合、この最初の空燃比制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側切替空燃比ＳＷｒｉｃｈ以下に低下したときには微リッチ制御が開始され、この最初の空燃比制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側切替空燃比ＳＷｌｅａｎ以上に上昇したときには理論空燃比制御が開始される。
＜第二実施形態＞
第二実施形態におけ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おける排気浄化装置と同様である。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。
上記のように空燃比低下制御に関するパラメータを補正することで、触媒２０に供給される還元ガスの量を適切な量に近づけることができ、触媒２０において水素が過剰に生成されることを抑制することができる。しかしながら、微リッチ制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１下側判定空燃比と第１上側判定空燃比との間の範囲で変化するように流入排気ガスの空燃比が制御された場合に、触媒２０の状態が一時的に排気浄化に最適な状態からずれるおそれがある。触媒２０のサイズ及びコストを削減しつつ厳格な排出ガス規制を満たすためには、触媒２０の状態を排気浄化に最適な状態にできるだけ維持することが要求される。
上述したように、微リッチ制御において空燃比低下制御が終了して空燃比上昇制御が開始されるときには、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比は理論空燃比よりもリッチな値になっている。通常、空燃比上昇制御の開始後に理論空燃比よりもリーンな空燃比の排気ガスが触媒２０を通過して下流側空燃比センサ４２に到達すると、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比はリーン側に変化する。このため、空燃比上昇制御の開始後に下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が適切なタイミングでリーン側に変化しない場合には、微リッチ制御における空燃比制御が最適化されていない可能性が高い。
そこで、第二実施形態では、空燃比制御装置は、空燃比上昇制御が開始されてから所定の閾値時間が経過するまでの間に下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側に変化しない場合には、第１上側判定空燃比と第１下側判定空燃比との差が小さくなるように第１上側判定空燃比及び第１下側判定空燃比を補正する。このことによって、微リッチ制御が実行されるときの触媒２０の状態を排気浄化に最適な状態に近づけることができ、ひいては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。
図８は、微リッチ制御が実行されたときの下流側空燃比センサ４２の出力空燃比の波形の一例を示す図である。図８の例では、時刻ｔ１において、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１に達して空燃比上昇制御が開始され、時刻ｔ１後の時刻ｔ２において、空燃比上昇制御により下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側に変化し始めている。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間は、気筒から排出された排気ガスが下流側空燃比センサ４２に到達するまでに要する時間に相当する閾値時間よりも長い。このため、このような場合には、第１上側判定空燃比と第１下側判定空燃比との差が小さくなるように第１上側判定空燃比及び第１下側判定空燃比が補正される。
図９Ａ～図９Ｅは、第二実施形態における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。本制御ルーチンは、空燃比制御装置として機能するＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。
Ｓ１０１～Ｓ１１１は第一実施形態と同様に実行される。上述したように、ステップＳ１１１では、微リッチ制御において空燃比低下制御が終了して空燃比上昇制御が開始される。第二実施形態では、ステップＳ１１１の後、ステップＳ２０１において、空燃比制御装置は、補正フラグＦｃがゼロであるか否かを判定する。内燃機関が始動されたときの補正フラグＦｃの初期値はゼロである。
ステップＳ２０１において補正フラグＦｃ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Ｓ１１２に進む。ステップＳ１１２～Ｓ１１６は第一実施形態と同様に実行される。一方、ステップＳ１１４において最小空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ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Ｓ２０２に進む。
この場合、微リッチ制御において適切な量の還元ガスが触媒２０に供給されていると考えられ、ステップＳ２０２において、空燃比制御装置は補正フラグＦｃを１に設定する。ステップＳ２０２の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ２０１において補正フラグＦｃ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Ｓ２０３に進む。ステップＳ２０３では、ステップＳ１１２と同様に、空燃比制御装置は、内燃機関の運転状態が定常状態であるか否かを判定する。内燃機関の運転状態が定常状態ではないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、内燃機関の運転状態が定常状態であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。
ステップＳ２０４では、空燃比制御装置は所定時間（例えば１０ｍｓ～１００ｍｓ）における下流側空燃比センサ４２の平均出力空燃比を取得する。今回取得された平均出力空燃比と、前回取得された平均出力空燃比とはＥＣＵ３１のメモリ（例えばＲＡＭ３３）に記憶される。
次いで、ステップＳ２０５において、空燃比制御装置は、空燃比上昇制御が開始されてから所定の閾値時間が経過したか否かを判定する。閾値時間は、気筒から排出された排気ガスが下流側空燃比センサ４２に到達するまでに要する時間として予め定められ、例えば２００ｍｓに設定される。ステップＳ２０５において閾値時間が経過していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に戻り、ステップＳ２０３及びＳ２０４が再び実行される。
一方、ステップＳ２０５において閾値時間が経過したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、空燃比制御装置は、ＥＣＵ３１のメモリに記憶された平均出力空燃比の二つの値を比較し、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側に変化したか否かを判定する。具体的には、空燃比制御装置は、今回取得された平均出力空燃比が前回取得された平均出力空燃比よりもリーンである場合には、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側に変化したと判定する。
ステップＳ２０６において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側に変化していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７では、空燃比制御装置は、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１と第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１との差が小さくなるように第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１を補正する。
例えば、空燃比制御装置は、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１から所定の微小値（例えば０．００１～０．０１）を減算することによって第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１をリッチ側に補正し、第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１に所定の微小値を加算することによって第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１をリーン側に補正する。なお、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１の下限値及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の上限値が予め定められ、空燃比制御装置は、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１を下限値以上の範囲で補正し、第１下側判定空燃比を上限値以下の範囲で補正してもよい。このことによって、過剰な補正により空燃比制御が不安定になることを抑制することができる。ステップＳ２０７の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ２０６において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側に変化したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８では、空燃比制御装置は補正フラグＦｃをゼロにリセットする。ステップＳ２０８の後、本制御ルーチンは終了する。
ステップＳ１１７～Ｓ１２３は第一実施形態と同様に実行される。なお、本制御ルーチンは図７Ａ～図７Ｄの制御ルーチンと同様に変形可能である。
＜第三実施形態＞
第三実施形態におけ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おける排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第一実施形態に関して上述したような空燃比制御の補正は微リッチ制御以外の空燃比制御にも適用可能である。例えば、斯かる補正を、燃料カット制御の直後に実行される復帰後リッチ制御に適用することができる。
空燃比制御装置は、所定の実行条件が成立したときに、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。例えば、燃料カット制御の実行条件は、アクセルペダル４３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、気筒から空気又は空気と同様な排気ガスが排出されるため、触媒２０には空燃比の極めて高い（すなわち、リーン度合の極めて高い）ガスが流入することになる。このため、燃料カット制御が所定時間以上継続されると、触媒２０の酸素吸蔵量が最大値に達する。触媒２０は、酸素吸蔵量が最大の状態では排気ガス中のＮＯｘを効果的に浄化することができない。このため、空燃比制御装置は、燃料カット制御の終了後に、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定する復帰後リッチ制御を実行する。
復帰後リッチ制御は、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな第１リッチ設定空燃比に設定する第１空燃比低下制御と、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな第２リッチ設定空燃比に設定する第２空燃比低下制御とから成り、第１リッチ設定空燃比のリッチ度合は第２リッチ設定空燃比のリッチ度合よりも大きい。復帰後リッチ制御では、最初に第１空燃比低下制御が実行され、その後、第２空燃比低下制御が実行される。すなわち、復帰後リッチ制御では、流入排気ガスの目標空燃比が第１リッチ設定空燃比から第２リッチ設定空燃比に切り替えられる。
図１０は、燃料カット制御及び復帰後リッチ制御が実行されるときの各種パラメータのタイムチャートである。図１０には、各種パラメータとして、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比、流入排気ガスの目標空燃比、流出排気ガス中の水素濃度及び流出排気ガス中のＣＯ濃度が示されている。
図１０の例では、時刻ｔ０～時刻ｔ１まで燃料カット制御が実行され、時刻ｔ１において復帰後リッチ制御が開始されている。復帰後リッチ制御では、最初に第１空燃比低下制御が実行され、時刻ｔ１において流入排気ガスの目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に設定される。燃料カット制御によって酸素で満たされていた触媒２０にリッチな空燃比の排気ガスが流入すると、触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。この結果、第１空燃比低下制御が実行されると、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比に向かって徐々に低下する。
第１空燃比低下制御が所定時間実行されると、時刻ｔ２において第２空燃比低下制御が開始される。すなわち、流入排気ガスの目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１から第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に切り替えられる。第２空燃比低下制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比は理論空燃比まで低下し、時刻ｔ３において、触媒２０の酸素吸蔵量がほぼゼロになる。この結果、触媒２０から水素及びＣＯが流出し、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチ側に変化し始める。
第２空燃比低下制御が所定時間実行されると、時刻ｔ４において、第２空燃比低下制御が終了し、流入排気ガスの目標空燃比が第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２から理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。図１０の例では、復帰後リッチ制御によって触媒２０に過剰な量の還元ガスが供給されており、この結果、触媒２０において水素が過剰に生成されている。このような場合、復帰後リッチ制御の制御パラメータを補正することによって水素の生成量を低減することが望ましい。
そこで、第三実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第２空燃比低下制御によってリッチ側に変化したときの最小空燃比が第２リッチ設定空燃比よりもリッチである場合には、第２空燃比低下制御において触媒２０に供給される還元ガスの量が減少するように第２空燃比低下制御に関するパラメータを補正する。このことによって、触媒２０において水素が過剰に生成されることを抑制することができる。
例えば、空燃比制御装置は、空燃比低下制御に関するパラメータの補正として、第２空燃比低下制御の実行時間を減少させる。このことによって、第２空燃比低下制御において触媒２０に供給される還元ガスの量を減少させることができ、ひいては触媒２０において生成される水素の量を減少させることができる。
図１１は、第三実施形態における空燃比制御補正処理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、空燃比制御装置として機能するＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ３０１において、空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に設定されているか否か、すなわち復帰後リッチ制御の第２空燃比低下制御が実行されているか否かを判定する。流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に設定され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Ｓ３０１において流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に設定されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。ステップＳ３０２では、図７ＣのステップＳ１１２と同様に、空燃比制御装置は、内燃機関の運転状態が定常状態であるか否かを判定する。内燃機関の運転状態が定常状態ではないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、内燃機関の運転状態が定常状態であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３に進む。
ステップＳ３０３では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が第２空燃比低下制御によってリッチ側に変化したときの最小空燃比ＡＦｍｉｎを取得する。
次いで、ステップＳ３０４において、空燃比制御装置は、ステップＳ３０３において取得された最小空燃比ＡＦｍｉｎと、第２空燃比低下制御における目標空燃比である第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２とを比較して、第２空燃比低下制御に関するパラメータの補正の要否を判定する。具体的には、空燃比制御装置は、最小空燃比ＡＦｍｉｎが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２よりも小さいか否か、すなわち最小空燃比ＡＦｍｉｎが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２よりもリッチであるか否かを判定する。ステップＳ３０４において最小空燃比ＡＦｍｉｎが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２以上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Ｓ３０４において最小空燃比ＡＦｍｉｎが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２よりもリッチであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、空燃比制御装置は第２空燃比低下制御の実行時間を補正する。例えば、空燃比制御装置は第２空燃比低下制御の実行時間から所定の微小時間を減算することによって第２空燃比低下制御の実行時間を減少させる。なお、空燃比制御装置は、所定の微小時間の代わりに、第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２と最小空燃比ＡＦｍｉｎとの差に比例する値を第２空燃比低下制御の実行時間から減算してもよい。
また、第２空燃比低下制御の実行時間の下限値が予め定められ、空燃比制御装置は第２空燃比低下制御の実行時間を下限値以上の範囲で補正してもよい。このことによって、過剰な補正により復帰後リッチ制御において触媒２０の酸素が十分に低減されなくなることを抑制することができる。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、ステップＳ３０４において、空燃比制御装置は、第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２の代わりに、第２空燃比低下制御における流入排気ガスの検出空燃比の平均値、すなわち第２空燃比低下制御の実行中に上流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の平均値を用いて、第２空燃比低下制御に関するパラメータの補正の要否を判定してもよい。この場合、ステップＳ３０４において、空燃比制御装置は、最小空燃比ＡＦｍｉｎが第２空燃比低下制御における流入排気ガスの検出空燃比の平均値よりもリッチであるか否かを判定する。
また、ステップＳ３０５において、空燃比制御装置は、第２空燃比低下制御における流入排気ガスの目標空燃比、すなわち第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２をリーン側に補正してもよい。この場合、空燃比制御装置は補正によって第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２のリッチ度合（理論空燃比との差）を小さくする。また、ステップＳ３０５において、空燃比制御装置は、第１空燃比低下制御及び第２空燃比低下制御の実行時間を減少させ、又は第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１及び第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２をリーン側に補正してもよい。
また、復帰後リッチ制御において、流入排気ガスの目標空燃比が二段階に切り替えられることなく一つの設定値に維持されてもよい。この場合、ステップＳ３０１において復帰後リッチ制御が実行されているか否かが判定され、ステップＳ３０４において復帰後リッチ制御における流入排気ガスの目標空燃比（リッチ設定空燃比）と最小空燃比ＡＦｍｉｎとが比較される。
＜その他の実施形態＞
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。例えば、内燃機関において、触媒２０の下流側の排気通路に触媒２０と同様の下流側触媒が配置されていてもよい。
また、空燃比制御装置は、微リッチ制御及び理論空燃比の代わりに、触媒２０の酸素吸蔵量がゼロと最大値との間で変化するように流入排気ガスの空燃比を制御する第１酸素吸蔵量変動制御（アクティブ制御）を実行してもよい。この場合、第１酸素吸蔵量変動制御において空燃比低下制御及び空燃比上昇制御が実行され、空燃比制御装置は、第１酸素吸蔵量変動制御における空燃比低下制御に関するパラメータを補正する。
また、空燃比制御装置は、微リッチ制御及び理論空燃比の代わりに、触媒２０の酸素吸蔵量がゼロと最大値未満の所定値との間で変化するように流入排気ガスの空燃比を制御する第２酸素吸蔵量変動制御を実行してもよい。この場合、第２酸素吸蔵量変動制御において空燃比低下制御及び空燃比上昇制御が実行され、空燃比制御装置は、第２酸素吸蔵量変動制御における空燃比低下制御に関するパラメータを補正する。
また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、第一実施形態又は第二実施形態と第三実施形態とが組み合わされる場合、図７Ａ～図７Ｄの制御ルーチン又は図９Ａ～図９Ｅの制御ルーチンと図１１の制御ルーチンとが並列的に実行される。この場合、図７Ａ及び図９ＡのステップＳ１０１における空燃比制御の実行条件は、燃料カット制御及び復帰後リッチ制御が実行されていないことを含む。
２０ 触媒
２２ 排気管
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４２ 下流側空燃比センサ

Claims (7)

  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、
    前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置と
    を備え、
    前記空燃比制御装置は、前記目標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設定する空燃比低下制御を実行し、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該空燃比低下制御によってリッチ側に変化したときの最小空燃比が該リッチ設定空燃比又は該空燃比低下制御における前記流入排気ガスの検出空燃比の平均値よりもリッチである場合には、該空燃比低下制御において前記触媒に供給される還元ガスの量が減少するように該空燃比低下制御に関するパラメータを補正する、内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記空燃比制御装置は、前記最小空燃比が前記リッチ設定空燃比又は前記検出空燃比よりもリッチである場合には、前記空燃比低下制御に関するパラメータをリーン側に補正する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記空燃比制御装置は、前記空燃比低下制御において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下側判定空燃比以下に低下したときに前記空燃比低下制御を終了し、
    前記空燃比低下制御に関するパラメータは前記下側判定空燃比である、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記空燃比制御装置は、前記空燃比低下制御において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下側判定空燃比以下に低下したときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定する空燃比上昇制御を開始し、該空燃比上昇制御において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前記下側判定空燃比よりもリーンな上側判定空燃比以上に上昇したときに前記空燃比低下制御を開始し、
    前記空燃比低下制御に関するパラメータは前記下側判定空燃比及び前記上側判定空燃比である、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記空燃比低下制御に関するパラメータは前記リッチ設定空燃比である、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記空燃比低下制御に関するパラメータは該空燃比低下制御の実行時間である、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記空燃比制御装置は、前記空燃比低下制御において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下側判定空燃比以下に低下したときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に設定する空燃比上昇制御を開始し、該空燃比上昇制御において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前記下側判定空燃比よりもリーンな上側判定空燃比以上に上昇したときに前記空燃比低下制御を開始し、
    前記空燃比制御装置は、前記空燃比上昇制御が開始されてから所定の閾値時間が経過するまでの間に、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リーン側に変化しない場合には、前記上側判定空燃比と前記下側判定空燃比との差が小さくなるように該上側判定空燃比及び該下側判定空燃比を補正する、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。
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