JP2023161338A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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。【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、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４２と、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装置３１とを備える。空燃比制御装置は、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、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。【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、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、触媒において常に水素が発生することが想定されており、触媒の状態に応じた空燃比制御が実施されていない。このため、内燃機関の運転状態に応じて触媒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、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側切替空燃比以下に低下したときに、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前記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、内燃機関の排気浄化装置。

（２）前記空燃比制御装置は、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以上に維持されるように前記流入排気ガスの空燃比を制御している間に、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前記リッチ側切替空燃比以下に低下したときに前記微リッチ制御を開始する、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に維持されるように前記流入排気ガスの空燃比を制御する理論空燃比制御を実行し、該理論空燃比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リッチ側切替空燃比以下に低下したときに前記微リッチ制御を開始する、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（４）前記空燃比制御装置は、前記微リッチ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以上のリーン側切替空燃比以上に上昇したときに該微リッチ制御を終了させる、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）前記空燃比制御装置は、前記微リッチ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リーン側切替空燃比以上に上昇したときに、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理論空燃比に維持されるように前記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、上記（４）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（６）前記空燃比制御装置は、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前記リッチ側切替空燃比以下に低下したときの最小空燃比に基づいて、前記微リッチ設定空燃比のリッチ度合を決定する、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）前記空燃比制御装置は、前記流出排気ガス中の水素濃度を推定し、該水素濃度に基づいて前記微リッチ設定空燃比のリッチ度合を決定する、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。

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。

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８は、下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ側切替空燃比以下に低下したときの最小空燃比を示す図である。 図９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、最小空燃比に基づいて、微リッチ設定空燃比、第１上側判定空燃比及び第１下側判定空燃比の値を決定するためのマップの一例を示す図である。 図１１は、本発明の第三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の一部を概略的に示す図である。 図１２は、第三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。

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７Ｃ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）の空燃比を制御する。本実施形態では、空燃比制御装置は上流側空燃比センサ４１及び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空燃比を制御する。具体的には、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。

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。

特に、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以上に維持されるように流入排気ガスの空燃比を制御している間、例えば流入排気ガスの空燃比を理論空燃比以上の値に制御している間に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たときに微リッチ制御を開始する。このことによって、意図せず触媒２０から水素が流出したときに排気エミッションが悪化することを抑制することができる。

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。すなわち、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の出力空燃比がリッチ側切替空燃比以下に低下したときに微リッチ制御を開始し、微リッチ制御において下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリーン側切替空燃比以上に上昇したときに理論空燃比制御を開始する。

＜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。

＜空燃比制御のフローチャート＞
以下、図７Ａ～図７Ｃ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。本制御ルーチンは、空燃比制御装置として機能するＥＣＵ３１によって所定の実行間隔で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。ステップＳ１１１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Ｓ１１２に進む。ステップＳ１１２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Ｓ１１３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Ｓ１１３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Ｓ１１４に進む。

ステップＳ１１４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Ｓ１１４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Ｓ１１５に進み、理論空燃比制御が継続される。

ステップＳ１１５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Ｓ１１５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Ｓ１１６に進む。ステップＳ１１６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。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Ｓ１１５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Ｓ１１７に進む。ステップＳ１１７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Ｓ１１７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Ｓ１１７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Ｓ１１８に進む。

ステップＳ１１８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。ステップＳ１１８の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１１４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Ｓ１１９に進む。ステップＳ１１９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Ｓ１２０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Ｓ１２０の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ１０８及びＳ１１５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Ｓ１１７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。

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。

上述したように、微リッチ制御では、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に設定され、第一実施形態では、微リッチ設定空燃比の値として、予め定められた固定値が用いられる。しかしながら、流入排気ガスの空燃比及び触媒２０の状態に応じて、触媒２０において生成される水素の量が変動するおそれがある。基本的に、触媒２０から流出する水素の量が多いほど、下流側空燃比センサ４２の出力ずれが大きくなり、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチになる。

そこで、第二実施形態では、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たときの最小空燃比に基づいて、微リッチ設定空燃比のリッチ度合を決定する。このことによって、微リッチ制御における下流側空燃比センサ４２の目標出力値を、触媒２０から流出する水素の量に適した値に設定することができ、ひいては排気エミッションの悪化をより効果的に抑制することができる。なお、微リッチ設定空燃比のリッチ度合とは、理論空燃比よりもリッチな値として設定される微リッチ設定空燃比と理論空燃比との差を意味する。微リッチ設定空燃比のリッチ度合が大きいほど、微リッチ設定空燃比はリッチになる。

図８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たときの最小空燃比を示す図である。図８には下流側空燃比センサ４２の出力空燃比のタイムチャートが示されており、時刻ｔ１におい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まで低下している。下流側空燃比センサ４２の出力空燃比は、時刻ｔ１の後も低下し続け、時刻ｔ２において最小となる。時刻ｔ２における下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が、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以下に低下したときの最小空燃比（ＡＦｍｉｎ）に相当する。

第一実施形態では、空燃比制御の制御ルーチンとして図７Ａ～図７Ｃのフローチャートが用いられたが、第二実施形態では、空燃比制御の制御ルーチンとして、図７Ａ、図７Ｂ及び図９のフローチャートが用いられる。すなわち、第二実施形態では、ステップＳ１１４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に、ステップＳ１１９の前にステップＳ２０１が実行される。

ステップＳ２０１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以下に低下したときの最小空燃比（以下、単に「最小空燃比」という）に基づいて、微リッチ制御における微リッチ設定空燃比のリッチ度合を決定する。具体的には、空燃比制御装置は、最小空燃比が小さい（リッチである）ほど、微リッチ設定空燃比のリッチ度合を大きくする。また、空燃比制御装置は、微リッチ設定空燃比の設定値に応じて第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値を変更する。微リッチ設定空燃比がリッチであるほど、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値もリッチにされる。

例えば、空燃比制御装置は、マップ又は計算式を用いて、最小空燃比に基づいて、微リッチ設定空燃比、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値を決定する。図１０は、最小空燃比に基づいて、微リッチ設定空燃比、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値を決定するためのマップの一例を示す図である。図１０のマップでは、最小空燃比がリッチであるほど、微リッチ設定空燃比がリッチにされる。また、最小空燃比がリッチであるほど、微リッチ設定空燃比と第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１との差及び微リッチ設定空燃比と第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１との差が大きくされる。

ステップＳ２０１の後、ステップＳ１１９において微リッチ制御が開始され、図７ＢのステップＳ１０８の第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１の値及び図７ＢのＳ１１０の第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値として、ステップＳ２０１において決定された値が用いられる。

＜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。

図１１は、本発明の第三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の一部を概略的に示す図である。第三実施形態では、触媒２０の下流側の排気通路（具体的には排気管２２）に下流側空燃比センサ４２に加えて水素センサ５０が配置される。水素センサ５０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中の水素濃度を検出する。水素センサ５０はＥＣＵ３１（図１参照）に電気的に接続され、水素センサ５０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。

第二実施形態に関して上述したように、基本的に、触媒２０から流出する水素の量が多いほど、下流側空燃比センサ４２の出力ずれが大きくなり、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比がリッチになる。そこで、第三実施形態では、空燃比制御装置は、水素センサ５０の出力に基づいて流出排気ガス中の水素濃度を推定し、水素濃度に基づいて微リッチ設定空燃比のリッチ度合を決定する。このことによって、微リッチ制御における下流側空燃比センサ４２の目標出力値を、触媒２０から流出する水素の量に適した値に設定することができ、ひいては排気エミッションの悪化をより効果的に抑制することができる。

第一実施形態では、空燃比制御の制御ルーチンとして図７Ａ～図７Ｃのフローチャートが用いられたが、第三実施形態では、空燃比制御の制御ルーチンとして、図１２、図７Ｂ及び図７Ｃのフローチャートが用いられる。すなわち、第三実施形態では、ステップＳ１０２においてリッチフラグＦｒが１であると判定された場合に、図７ＢのステップＳ１０７の前にステップＳ３０１及びＳ３０２が実行される。

ステップＳ３０１では、空燃比制御装置は水素センサ５０の出力に基づいて流出排気ガス中の水素濃度を推定する。

次いで、ステップＳ３０２において、空燃比制御装置は、流出排気ガス中の水素濃度に基づいて、微リッチ制御における微リッチ設定空燃比のリッチ度合を決定する。具体的には、空燃比制御装置は、流出排気ガス中の水素濃度が高いほど、微リッチ設定空燃比のリッチ度合を大きくする。また、空燃比制御装置は、微リッチ設定空燃比の設定値に応じて第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値を変更する。微リッチ設定空燃比がリッチであるほど、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値もリッチにされる。例えば、空燃比制御装置は、マップ又は計算式を用いて、流出排気ガス中の水素濃度に基づいて、微リッチ設定空燃比、第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１及び第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値を決定する。

ステップＳ３０２の後、第一実施形態と同様に図７ＢのステップＳ１０７～Ｓ１１１が実行され、ステップＳ１０８の第１上側判定空燃比ＪＡＦｕｐ１の値及びＳ１１０の第１下側判定空燃比ＪＡＦｄｗｎ１の値として、ステップＳ３０２において決定された値が用いられる。

なお、空燃比制御装置は、水素センサ５０を用いる代わりに、マップ又は計算式を用いて内燃機関の所定の状態量に基づいて流出排気ガス中の水素濃度を推定してもよい。所定の状態量は、例えば、機関回転数、吸入空気量、流入排気ガスの空燃比、流入排気ガスの温度、触媒２０の酸素吸蔵能、ＥＧＲ率（ＥＧＲガスを還流させるための構成が内燃機関に設けられている場合）等を含む。これら所定の状態量は、各種センサ（クランク角センサ４５、エアフロメータ４０、上流側空燃比センサ４１、排気温センサ（図示せず）等）の出力等に基づいて公知の手法によって算出される。

また、空燃比制御装置は、内燃機関の所定の状態量から流出排気ガス中の水素濃度を出力するように予め学習された回帰モデルを用いて流出排気ガス中の水素濃度を推定してもよい。斯かる回帰モデルの一例として、ニューラルネットワーク、サポートベクターマシン、ランダムフォレスト等の機械学習モデルが挙げられる。

また、上記の制御ルーチンでは、ステップＳ１０２とステップＳ１０７との間にステップＳ３０１及びＳ３０２が実行されたが、ステップＳ１０２及びＳ１０６とステップＳ１０７との間にステップＳ３０１及びＳ３０２が実行されてもよい。

＜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、微リッチ制御において、流入排気ガスの目標空燃比をリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比との間で切り替える代わりに、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に一致するように、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フィードバック制御してもよい。同様に、空燃比制御装置は、理論空燃比制御において、流入排気ガスの目標空燃比をリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比との間で切り替える代わりに、下流側空燃比センサ４２の出力空燃比が理論空燃比に一致するように、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フィードバック制御してもよい。また、空燃比制御装置は微リッチ制御を実行しないときに理論空燃比制御以外の他の空燃比制御を実行してもよい。

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側切替空燃比以下に低下したときに、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前記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、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記空燃比制御装置は、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以上に維持されるように前記流入排気ガスの空燃比を制御している間に、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前記リッチ側切替空燃比以下に低下したときに前記微リッチ制御を開始する、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に維持されるように前記流入排気ガスの空燃比を制御する理論空燃比制御を実行し、該理論空燃比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リッチ側切替空燃比以下に低下したときに前記微リッチ制御を開始する、請求項１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、前記微リッチ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以上のリーン側切替空燃比以上に上昇したときに該微リッチ制御を終了させる、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記空燃比制御装置は、前記微リッチ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リーン側切替空燃比以上に上昇したときに、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理論空燃比に維持されるように前記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、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記空燃比制御装置は、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前記リッチ側切替空燃比以下に低下したときの最小空燃比に基づいて、前記微リッチ設定空燃比のリッチ度合を決定する、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. 前記空燃比制御装置は、前記流出排気ガス中の水素濃度を推定し、該水素濃度に基づいて前記微リッチ設定空燃比のリッチ度合を決定する、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。

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