JP4893711B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に微粒子捕集フィルタと三元触媒とを備えた内燃機関の制御装置（空燃比制御装置）に関する。

従来より、ディーゼル機関から排出される微粒子（パティキュレート・マター（ＰＭ）、即ち、ＳＯＦ及びＳｏｏｔ等のナノ微粒子）を、排気通路に配設した微粒子捕集フィルタ（パティキュレート・フィルタ）により捕集するとともに、所定の条件が成立したときに微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子を燃焼させることにより微粒子捕集フィルタを再生させる内燃機関の制御装置が知られている。このような従来の制御装置の一つは、微粒子捕集フィルタの上流側空燃比と下流側空燃比とを検出し、それらの検出された空燃比により微粒子捕集フィルタが再生されている最中であるか否か（捕集された微粒子が燃焼している状態にあるか否か）を判定し、その判定結果に基づいてエンジンの運転モードを切り換えるようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００５−２４０７１９号公報

ところで、微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子を燃焼させるためには、微粒子捕集フィルタが高温であること、及び、微粒子捕集フィルタに酸素が供給されること、が必要である。上記従来の制御装置は、供給される混合気の空燃比が非常にリーン（希薄）であるディーゼル機関に適用される。従って、微粒子捕集フィルタには微粒子を燃焼させるための酸素が十分に供給されている。そこで、上記従来の制御装置は、燃料噴射時期の遅角、燃料噴射量の増大及び吸気絞り弁による吸気量の減少等を実行することによって微粒子捕集フィルタの温度を上昇させ、以って、捕集した微粒子を燃焼させている。

一方、近年においては、ガソリン機関から排出される微粒子の量を低減するため、ガソリン機関の排気通路にも微粒子捕集フィルタを配設することが検討されている。他方、一般のガソリン機関においては、未燃物（ＨＣ及びＣＯ等）の大気中への排出量及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の大気中への排出量を低減することを目的として排気通路に三元触媒が備えられ、機関に供給される混合気の空燃比（以下、「機関の空燃比」とも称呼する。）が理論空燃比近傍の空燃比となるように燃料量が制御されている。

前述したように、微粒子捕集フィルタを再生させる（微粒子を燃焼させる）ためには、微粒子捕集フィルタに酸素が供給されなければならない。ところが、機関の空燃比が理論空燃比近傍の空燃比に制御されていると、微粒子捕集フィルタに酸素が殆ど供給されない。

特に、微粒子捕集フィルタの上流に三元触媒（第１三元触媒）が備えられている場合、第１三元触媒により酸素が消費及び吸蔵されるから、微粒子捕集フィルタに流入する酸素量は極めて少なくなる。従って、このようなガソリン機関において微粒子捕集フィルタを再生させるためには、機関の空燃比を理論空燃比よりもリーン側の空燃比（以下、「強制リーン空燃比」とも称呼する。）に制御することにより、微粒子捕集フィルタに酸素を供給しなければならない。

ところが、機関の空燃比を三元触媒の状態に関わらず強制リーン空燃比に設定し続けると、機関の空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比であるときに機関から多く排出される窒素酸化物を三元触媒によって浄化できない場合（例えば、三元触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に到達して窒素酸化物を還元できない場合等）が生じ、窒素酸化物が大気中へ多く排出されてしまうという問題が発生する。

そこで、微粒子捕集フィルタの下流に配設された下流側空燃比センサの出力を監視し、その下流側空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリーンな空燃比に対応した出力となったとき、一時的に機関の空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比（強制リッチ空燃比）に設定し、その後、下流側空燃比センサの出力が理論空燃比よりもリッチな空燃比に対応した出力となったとき、機関の空燃比を再び強制リーン空燃比に設定する「フィルタ再生制御」を行うことが有効であると考えられる。このような空燃比制御は、本明細書において「アクティブ空燃比制御」とも称呼される。

しかしながら、微粒子捕集フィルタを再生するために機関の空燃比を強制リーン空燃比に設定した際、微粒子捕集フィルタ内には微粒子が存在しているにも拘らず、微粒子捕集フィルタに流入した酸素が微粒子捕集フィルタ内において消費されずに微粒子捕集フィルタから漏洩する場合がある。この場合、機関の空燃比は直ちに強制リッチ空燃比に変更される。従って、一時に多量の酸素を微粒子捕集フィルタに流入させられないから、微粒子捕集フィルタの再生が十分に行われないか、又は、「エミッションの観点からは最適であるとは言えないアクティブ空燃比制御」を行っている期間が長くなるという問題が生じる。

従って、本発明の目的は、排気通路に微粒子捕集フィルタと三元触媒とを備えた内燃機関（ガソリン機関）の制御装置であって、窒素酸化物の排出量を増大させることなく微粒子捕集フィルタを効率的に再生させる（微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子を効率的に燃焼させる）ことができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による制御装置は、フィルタ収容触媒装置と、下流側空燃比センサと、フィルタ再生要求発生判定手段と、フィルタ再生手段と、を備える。

前記フィルタ収容触媒装置は、前記内燃機関の排気通路に配設される。フィルタ収容触媒装置は、排ガスの上流側から下流側に向かう順に配列された「第１三元触媒、微粒子捕集フィルタ及び第２三元触媒」を備える。第１三元触媒、微粒子捕集フィルタ及び第２三元触媒は、一つのケーシング（筐体）内に収容されている。ここで、「排ガスの上流側から下流側に向かう順」とは、「排気通路内の排ガスの流れの上流側から下流側に向かって順番に」の意味である。

前記下流側空燃比センサは、前記排気通路であって前記フィルタ収容触媒装置よりも下流側に配設されている。従って、下流側空燃比センサは、「第２三元触媒から流出した排ガスであって下流側空燃比センサが配設された位置に到達する排ガス」の空燃比に応じた値を出力する。

前記フィルタ再生要求発生判定手段は、フィルタ再生要求が発生したか否かを判定する。フィルタ再生要求は、「微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子を、その微粒子捕集フィルタ内において燃焼させる」ことにより、「その微粒子捕集フィルタを再生させる要求」である。フィルタ再生要求は、例えば、前回のフィルタ再生制御の終了後からの吸入空気流量の積算値が閾値以上となったとき発生する。

前記フィルタ再生手段は、前記フィルタ再生要求が発生したと判定された場合、アクティブ空燃比制御（フィルタ再生制御）を所定期間実行する。
アクティブ空燃比制御は、
（１）前記機関に供給される混合気の空燃比を「理論空燃比よりもリッチ側の空燃比である強制リッチ空燃比」及び「理論空燃比よりもリーン側の空燃比である強制リーン空燃比」のうちの何れか一方の「第１空燃比」に設定し、
（２）前記下流側空燃比センサの出力が、「同強制リッチ空燃比及び同強制リーン空燃比のうちの何れか他方」の「第２空燃比」に応じた値から「同第１空燃比」に応じた値に変化したとき、同機関に供給される混合気の空燃比を「同第２空燃比」に設定し、
（３）その後、前記下流側空燃比センサの出力が、「同第１空燃比に応じた値」から「同第２空燃比に応じた値」に変化したとき、同機関に供給される混合気の空燃比を「同第１空燃比」に設定する、
空燃比制御である。

これによれば、第２三元触媒が微粒子捕集フィルタの下流に配設されている。従って、機関の空燃比が強制リーン空燃比に設定されている場合において、微粒子捕集フィルタに流入した酸素が微粒子捕集フィルタにて完全に消費されることなくその下流に漏洩したとしても、その酸素は第２三元触媒により消費又は貯蔵される。従って、下流側空燃比センサの出力が強制リーン空燃比に応じた値に変化するまでの時間が遅れる。この結果、機関の空燃比が「強制リーン空燃比に設定されている時間」が長くなるので、微粒子捕集フィルタに十分な量の酸素を流入させることができる。従って、微粒子捕集フィルタを効率よく再生させることができる。

更に、第１三元触媒が微粒子捕集フィルタの上流に配設されている。従って、第１三元触媒は機関の冷間始動後において早期に暖機され活性化する。この結果、機関の冷間始動後におけるエミッションを良好にすることができる。

ところで、前記微粒子捕集フィルタとして、ウォールフロータイプの微粒子捕集フィルタが採用され得る。ウォールフロータイプの微粒子捕集フィルタは、微粒子捕集フィルタに流入する排ガスの流れの方向に沿うように伸びる通路を複数形成する壁部を備える。壁部は例えば多孔質の薄板からなり、排ガスが通過（透過）し得るように構成されている。この複数の通路のうちの幾つかは、その最上流端において閉鎖（目封じ）されている。更に、その複数の通路のうちの最上流端において閉鎖されていない残りの通路は、最下流端において閉鎖（目封じ）されている。排ガスは最上流端において閉鎖されていない通路に流入し、壁部を通過し、その後、最下流端において閉鎖されていない通路から流出する。排ガス中の微粒子は、排ガスが壁部を通過する際に捕集される。

このように、前記微粒子捕集フィルタとして「ウォールフロータイプの微粒子捕集フィルタ」が採用された場合、前記フィルタ収容触媒装置は、前記第１三元触媒と前記微粒子捕集フィルタとの間に第１空間を備えるとともに、前記微粒子捕集フィルタと前記第２三元触媒との間に第２空間を備えるように形成されることが好ましい。

これにより、第１三元触媒から流出した排ガスは第１空間へと一旦流出し、その後、第１空間から「微粒子捕集フィルタの複数の通路のうち最上流端において閉鎖されていない通路」へと効率よく流入する。更に、「微粒子捕集フィルタの複数の通路のうち最下流端において閉鎖されていない通路」から流出した排ガスは第２空間へと一旦流出し、その後、第２空間から第２三元触媒へと効率よく流入する。従って、微粒子捕集フィルタ及び第２三元触媒に効率よく且つ満遍なく（均一）に排ガスを流入させることができる。

本発明の制御装置が用いるフィルタ収容触媒装置において、前記第１三元触媒のパラジウムの担持率は、前記第２三元触媒のパラジウムの担持率よりも大きいことが好適である。

未燃物（ＨＣ及びＣＯ等）を酸化するために触媒に担持される貴金属の代表例は、白金（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）である。白金は、パラジウムに比べ、高温であり且つ理論空燃比よりもリーンな空燃比のガスが流入したとき（以下、「高温・リーンガス雰囲気」とも言う）、シンタリングによって劣化し易い。一方、白金は、パラジウムに比べ、高温であり且つ理論空燃比よりもリッチでありリッチの程度が大きい強リッチ空燃比のガスが流入したとき、劣化し難い。

他方、フィルタ再生制御（アクティブ空燃比制御）においては、排ガスの空燃比は比較的リーンの程度が小さい強制リーン空燃比と、比較的リッチの程度が小さい強制リッチ空燃比と、に変化する。従って、「高温の排ガスが最初に流入することによって高温になり易い第１三元触媒」が白金を多く担持していると、機関の空燃比が強制リーン空燃比に設定されたとき、第１三元触媒は「高温・リーンガス雰囲気」に曝されるから、容易に劣化する。そこで、上記構成のように、第１三元触媒は、第２三元触媒よりも、パラジウムの担持率が大きくなるように構成されていることが好ましい。この結果、第１三元触媒のフィルタ再生制御中における劣化の進行を抑制することができる。

更に、本発明の制御装置が用いるフィルタ収容触媒装置において、第１三元触媒及び第２三元触媒の活性化程度（温度）が同じであったとしても、前記第２三元触媒は第１三元触媒よりも最大酸素吸蔵量が大きくなる（酸素吸蔵能力が大きい）ように構成されていることが好適である。

これによれば、第１三元触媒の最大酸素吸蔵量が小さいので、機関の空燃比が強制リーン空燃比に切り換えてから短時間のうちに微粒子捕集フィルタに酸素が供給され始める。従って、微粒子捕集フィルタの再生開始時期が早くなる。更に、第２三元触媒の最大酸素吸蔵量が大きいので、機関の空燃比が強制リーン空燃比に切り換えられてから第２三元触媒の下流に酸素が流出するまでの時間が長くなる。

即ち、「機関の空燃比を強制リーン空燃比に設定した時点」から「下流側空燃比センサが強制リッチ空燃比に応じた値から強制リーン空燃比に応じた値に変化するまでの時間」が長くなる。従って、機関の空燃比を強制リーン空燃比に設定している時間が長くなるから、微粒子捕集フィルタに多量の酸素を流入させることができる。その結果、微粒子捕集フィルタを効率よく再生することができる。

加えて、本発明の制御装置が用いるフィルタ収容触媒装置において、前記第２三元触媒は、上流側の部分が下流側の部分よりもパラジウムの担持率が大きくなるように形成されたゾーンコート三元触媒であることが好適である。

前述したように、パラジウムは「高温・リーンガス雰囲気」に対して白金よりも劣化し難い。また、第２三元触媒において、その上流側の部分は下流側の部分よりも高温になる。更に、前述したように、フィルタ再生制御において、排ガスの空燃比は比較的リーンの程度が小さい強制リーン空燃比と、比較的リッチの程度が小さい強制リッチ空燃比と、に変化する。従って、高温になり易い第２三元触媒の上流側の部分が白金を多く担持していると、機関の空燃比が強制リーン空燃比に設定された際、その上流側の部分が劣化する可能性が高まる。そこで、上記構成のように、第２三元触媒としてゾーンコート触媒を採用し、且つ、第２三元触媒の上流側の部分のパラジウム担持率を下流側の部分のパラジウム担持率よりも大きくする。これにより、フィルタ再生制御中における第２三元触媒の劣化（上流側の部分の劣化）の進行を抑制することができる。

以下、本発明による内燃機関の制御装置の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る制御装置（以下、「第１制御装置」とも称呼する。）を内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。機関１０は、火花点火式・多気筒（本例では４気筒）・ガソリン燃料機関である。なお、図１は、特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０にガソリン混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排気ガスを外部に放出するための排気系統５０と、を含んでいる。

シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２の上面は、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を駆動するインテークカムシャフトを含むとともにインテークカムシャフトの位相角を連続的に変更する可変吸気タイミング装置３３、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８及び燃料を吸気ポート３１内に噴射する燃料噴射弁３９を備えている。燃料噴射手段としての燃料噴射弁３９は、噴射指示信号に応答して同噴射指示信号に含まれる指示噴射量の燃料を噴射するようになっている。

吸気系統４０は、インテークマニホールド４１、吸気管（吸気ダクト）４２、エアフィルタ４３、スロットル弁４４及びスロットル弁アクチュエータ４４ａを備えている。

インテークマニホールド４１は、各気筒の燃焼室２５の吸気ポート３１に接続されている。より詳細には、図２に示したように、インテークマニホールド４１は各吸気ポートに接続された複数の枝部４１ａと、それらの枝部４１ａが集合したサージタンク部４１ｂと、を備えている。図１及び図２に示したように、吸気管４２はサージタンク部４１ｂに接続されている。インテークマニホールド４１及び吸気管４２は吸気通路を構成している。図１に示したエアフィルタ４３は吸気管４２の端部に設けられている。スロットル弁４４は吸気管４２に回動可能設けられ、回動することにより吸気管４２が形成する吸気通路の開口断面積を変更するようになっている。スロットル弁アクチュエータ（スロットル弁駆動手段）４４ａは、ＤＣモータからなり、指示信号に応答してスロットル弁４４を回転駆動するようになっている。

排気系統５０は、エキゾーストマニホールド５１、排気管（エキゾーストパイプ）５２、第１三元触媒５３と微粒子捕集フィルタ５４と第２三元触媒５５とを含むフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ、及び、第３三元触媒５６を備えている。

エキゾーストマニホールド５１は、図１に示したように、各気筒の燃焼室２５の排気ポート３４に接続されている。より詳細には、図２に示したように、エキゾーストマニホールド５１は各排気ポートに接続された複数の枝部５１ａと、それらの枝部５１ａが集合した集合部５１ｂと、を備えている。排気管５２は、エキゾーストマニホールド５１の集合部５１ｂに接続されている。エキゾーストマニホールド５１及び排気管５２は排気経路を構成している。なお、本明細書において、エキゾーストマニホールド５１の集合部５１ｂと排気管５２とが形成する「排ガスを通過させるための経路」を、便宜上「排気通路」と称呼する。

前述したように、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦは、第１三元触媒５３と微粒子捕集フィルタ５４と第２三元触媒５５とを含んでいる。フィルタ収容触媒装置ＣｗＦは、一つのケーシング（筐体、ケース）Ｃ内にこれらを収容している。フィルタ収容触媒装置ＣｗＦは排気通路（排気管５２）に配設される。即ち、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦは集合部５１ｂよりも下流側に配設される。フィルタ収容触媒装置ＣｗＦが排気通路に配設されたとき、第１三元触媒５３は最も上流側に位置し、微粒子捕集フィルタ５４は第１三元触媒５３の下流側に位置し、第２三元触媒５５は微粒子捕集フィルタ５４の下流側に位置するようになっている。

第１三元触媒５３は、セラミックからなる担持体に「触媒物質である貴金属（パラジウムＰｄ及び白金Ｐｔ、ロジウムＲｄ）」及び「セリア（ＣｅＯ_２）」を担持している。これらの物質により、第１三元触媒５３は、触媒機能と、酸素吸蔵・放出機能（単に「酸素吸蔵機能」又は「Ｏ２ストレージ機能」とも称呼する。）と、を有する。第１三元触媒５３は、フロントスタートキャタリティックコンバータ（ＦｒＳＣ）とも称呼される。

微粒子捕集フィルタ５４は多孔質セラミック（例えば、コージェライト等）からなる周知の微粒子フィルタである。微粒子捕集フィルタ５４は、機関１０から排出される微粒子を捕集するようになっている。微粒子捕集フィルタ５４はパティキュレート・マター・フィルタ（ＰＭＦ）とも称呼される（例えば、特開２００５−８３３４６号公報を参照。）。

第２三元触媒５５は、第１三元触媒５３と同様、セラミックからなる担持体に貴金属（触媒物質）及びセリアを担持していて、触媒機能及び酸素吸蔵機能を有する三元触媒である。第２三元触媒５５は、リアスタートキャタリティックコンバータ（ＲｒＳＣ）とも称呼される。

第３三元触媒５６は、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦよりも下流の位置において排気通路（排気管５２）に配設（介装）されている。第３三元触媒５６は、第１三元触媒５３と同様、セラミックからなる担持体に貴金属（触媒物質）及びセリアを担持していて、触媒機能及び酸素吸蔵機能を有する三元触媒である。第３三元触媒５６は、機関１０が搭載された車両のフロア下方に配設されているため、アンダフロア・キャタリティック・コンバータ（ＵＦＣ）とも称呼される。

第１三元触媒５３、第２三元触媒５５及び第３三元触媒５６等の三元触媒は、三元触媒に流入するガスの空燃比が所謂「ウインドウＷ」（理論空燃比を含む所定の空燃比範囲）内にあるとき、未燃物（ＨＣ，ＣＯ等）を酸化するとともに窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。これにより、三元触媒は、これらの有害成分を高い効率で浄化する特性（触媒機能）を有する。

また、三元触媒は、酸素吸蔵機能により、空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化することができる。即ち、機関の空燃比が理論空燃比よりもリーン側の空燃比となって三元触媒に流入するガスに過剰の酸素及びＮＯｘが含まれると、触媒はそれらの酸素を奪い（ＮＯｘを還元し）、その奪った酸素を吸蔵する。更に、機関の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側の空燃比になって三元触媒に流入するガスにＨＣ,ＣＯ等の未燃物（還元成分）が多量に含まれると、三元触媒は吸蔵している酸素をこれらの未燃物に対して与え、これらの成分を酸化する。

更に、このシステムは、図１に示したように、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、水温センサ６５、上流側空燃比センサ６６、下流側空燃比センサ６７及びアクセル開度センサ６８を備えている。

熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４２内を流れる吸入空気の質量流量を検出し、その質量流量（機関１０の単位時間あたりの吸入空気量）Ｇａを表す信号を出力するようになっている。
スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４４の開度を検出し、スロットル弁開度ＴＡを表す信号を出力するようになっている。

カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが所定角度から９０度、次いで９０度、更に１８０度回転する毎に一つのパルスを出力するようになっている。
クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともにクランク軸２４が３６０°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。クランクポジションセンサ６４から出力されるパルスは後述する電気制御装置７０により機関回転速度ＮＥを表す信号に変換されるようになっている。更に、電気制御装置７０は、カムポジションセンサ６３及びクランクポジションセンサ６４からの信号に基いて、機関１０のクランク角度（絶対クランク角）を取得するようになっている。
水温センサ６５は、内燃機関１０の冷却水の温度を検出し、冷却水温ＴＨＷを表す信号を出力するようになっている。

上流側空燃比センサ６６は、図２に示したように、エキゾーストマニホールド５１の集合部５１ｂと第１三元触媒５３（従って、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ）との間の位置においてエキゾーストマニホールド５１及び排気管５２の何れか（即ち、排気通路）に配設されている。上流側空燃比センサ６６は、上流側空燃比センサ６６が配設された排気通路内の部位を流れる排ガス（被検出ガス）の空燃比に応じた値（電流値及び電圧値等）を出力するようになっている。

より具体的に述べると、上流側空燃比センサ６６は限界電流式の酸素濃度センサである。上流側空燃比センサ６６は、被検出ガスの空燃比Ａ／Ｆ（従って、機関に供給される混合気の空燃比）に応じた電圧である出力値Vabyfsを出力するようになっている。この出力値Vabyfsは、被検出ガスの空燃比が理論空燃比であるときに値Vstoichに一致する。出力値Vabyfsは、被検出ガスの空燃比が大きくなる（リーンとなる）ほど増大する。即ち、上流側空燃比センサ６６は、被検出ガスの空燃比の変化に対して出力が連続的に変化する広域空燃比センサである。

後述する電気制御装置７０は、空燃比変換テーブル（マップ）Mapabyfsを記憶していて、そのテーブルに実際の出力値Vabyfsを適用することによって空燃比を検出する（検出空燃比abyfsを取得する）ようになっている。

下流側空燃比センサ６７は、図１及び図２に示したように、第２三元触媒５５（従って、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ）と第３三元触媒５６との間の位置において排気管５２（排気通路）に配設されている。下流側空燃比センサ６７は、下流側空燃比センサ６７が配設された排気通路内の部位を流れる排ガス（被検出ガス、第３三元触媒５６に流入するガス）の空燃比に応じた出力値Voxsを出力するようになっている。

より具体的に述べると、下流側空燃比センサ６７は起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサである。従って、下流側空燃比センサ６７は、酸素濃度センサ６７とも称呼される。下流側空燃比センサ６７は、理論空燃比近傍において急変する電圧である出力値Voxsを出力する。即ち、出力値Voxsは、被検出ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きくリーン側の空燃比であるときに略０．１（Ｖ）、被検出ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きくリッチ側の空燃比であるときに略０．９（Ｖ）、空燃比が理論空燃比のときは０．５（Ｖ）となる。

更に、出力値Voxsは、被検出ガスの空燃比が理論空燃比近傍の空燃比（前述した、三元触媒のウインドウＷに実質的に対応する空燃比）であるとき、被検出ガスの空燃比がリッチからリーンに変化するに従って急激に減少する（略０．９（Ｖ）から略０．１（Ｖ）に向けて変化する。）。出力値Voxsは、被検出ガスの空燃比が理論空燃比近傍の空燃比であるとき、被検出ガスの空燃比がリーンからリッチに変化するに従って急激に増大する（略０．１（Ｖ）から略０．９（Ｖ）に向けて変化する。）。下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsに基づいて得られる第２三元触媒５５の下流側空燃比afdownは、その出力値Voxsと下流側空燃比afdownとの関係を表す関数をｆとするとき、afdown＝ｆ(Voxs)により求められる。

このように、機関１０の排気通路には、その上流側から下流側に向けて、上流側空燃比センサ６６、第１三元触媒５３、微粒子捕集フィルタ５４、第２三元触媒５５、下流側空燃比センサ６７及び第３三元触媒５６が順に直列に配設されている。

再び、図１を参照すると、アクセル開度センサ６８は、運転者によって操作されるアクセルペダルＡＰの操作量を検出し、アクセルペダルＡＰの操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。

電気制御装置７０は、互いにバスで接続された「ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３、バックアップＲＡＭ７４、並びに、ＡＤコンバータを含むインターフェース７５」等からなるマイクロコンピュータである。

インターフェース７５は、前記センサ６１〜６８と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６８からの信号を供給するようになっている。更に、インターフェース７５は、ＣＰＵ７１の指示に応じて、可変吸気タイミング装置３３のアクチュエータ３３ａ、各気筒のイグナイタ３８、各気筒の燃料噴射弁３９及びスロットル弁アクチュエータ４４ａ等に駆動信号（指示信号）を送出するようになっている。

次に、第１制御装置による空燃比制御の概要について述べる。
＜メインフィードバック制御の概要＞
第１制御装置は、メインフィードバック制御条件が成立したとき、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsに基づいて取得された上流側空燃比abyfsが上流側目標空燃比abyfr（メインフィードバック目標値）に一致するように機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御（メインフィードバック制御）する。本例において、メインフィードバック制御条件は、上流側空燃比センサ６６が活性化しているときに成立し、その他の場合に不成立となる。なお、メインフィードバック制御条件には、他の条件が加えられてもよい。

後述するように、メインフィードバック制御においては、上流側目標空燃比abyfrと筒内吸入空気量Mcとに基づいて基本燃料噴射量（フィードフォワード燃料噴射量）Fbaseが決定される。その基本燃料噴射量Fbaseは、メインフィードバック補正値KFmainにより補正される。メインフィードバック補正値KFmainは、「出力値Vabyfsに基づいて取得された上流側空燃比abyfs」を「上流側目標空燃比abyfr」に一致させるように算出されるフィードバック量である。

（通常空燃比フィードバック制御）
上流側目標空燃比abyfrは、微粒子捕集フィルタ５４を再生する要求が発生していないとき（フィルタ再生要求非発生時）に実行される「通常空燃比フィードバック制御時」において、理論空燃比stoichである第１上流側目標空燃比に設定される。

（フィルタ再生制御）
ところで、微粒子捕集フィルタ５４は微粒子を捕集するほと微粒子の捕集能力が低下する。逆に、微粒子捕集フィルタ５４に捕集された微粒子を微粒子捕集フィルタ５４内において燃焼させれば、微粒子捕集フィルタ５４の微粒子捕集能力は復帰する。即ち、微粒子捕集フィルタ５４を再生させることができる。微粒子捕集フィルタ５４内に捕集された微粒子を燃焼させるためには、
（１）微粒子捕集フィルタ５４内が高温であること、及び、
（２）微粒子捕集フィルタ５４に酸素が供給されること、
が必要である。

一般に、理論空燃比近傍の空燃比にて運転されるガソリン機関が通常の運転状態（始動直後等を除く運転状態）にあるとき、微粒子捕集フィルタ５４内の温度は捕集された微粒子を燃焼させるのに十分な程度の高い温度になる。一方、所定の減速運転状態となってフューエルカット（燃料供給停止）制御が行われると、機関１０から多量の酸素を含む空気が排出される。従って、フューエルカット制御が所定時間以上継続して実行されると、第１三元触媒５３の酸素吸蔵量ＯＳＡ１は第１三元触媒５３の最大酸素吸蔵量Ｃmax１に到達し、酸素が第１三元触媒５３から流出し始める。第１三元触媒５３から流出した酸素は微粒子捕集フィルタ５４内に流入する。

この結果、微粒子捕集フィルタ５４内は高温であり且つ微粒子捕集フィルタ５４に酸素が供給されるので、微粒子捕集フィルタ５４に捕集されていた微粒子が微粒子捕集フィルタ５４内において燃焼し、微粒子捕集フィルタ５４は再生される。しかしながら、フューエルカット制御がどのような頻度にて実行されるか、及び、フューエルカット制御時間がどの程度に及ぶか、は機関１０の運転がどのように行われるかに依存する。従って、フューエルカット制御のみによって微粒子捕集フィルタ５４を再生させることを常に期待することは適当ではない。

そこで、第１制御装置は、微粒子捕集フィルタ５４を再生する要求が発生したとき（フィルタ再生要求発生時）、「フィルタ再生制御（アクティブ空燃比制御）」を実行する。このフィルタ再生制御において、上流側目標空燃比abyfrは、強制リーン空燃比afenLと強制リッチ空燃比afenRとの何れかに所定のタイミングにて交互に変化させられる。

より詳細に述べると、図３に示したように、フィルタ再生制御中において「上流側目標空燃比abyfrが強制リーン空燃比afenL」に設定されている場合、上流側目標空燃比abyfrは、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが理論空燃比よりもリッチな空燃比を表す値から理論空燃比よりもリーンな空燃比を表す値へと変化した時点（リーン反転時）にて強制リッチ空燃比afenRに変更させられる（図３の時刻ｔ２及び時刻ｔ４を参照。）。更に、フィルタ再生制御中において「上流側目標空燃比abyfrが強制リッチ空燃比afenR」に設定されている場合、上流側目標空燃比abyfrは、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが理論空燃比よりもリーンな空燃比を表す値から理論空燃比よりもリッチな空燃比を表す値へと変化した時点（リッチ反転時）にて強制リーン空燃比afenLに変更させられる（図３の時刻ｔ３を参照。）。

強制リーン空燃比afenLは、前記理論空燃比を含む所定の空燃比範囲（三元触媒のウインドウＷ）外であって理論空燃比よりも空燃比ΔafL（ΔafL＞０）だけリーン側の空燃比である。即ち、強制リーン空燃比afenL＝理論空燃比stoich＋ΔafLである。
強制リッチ空燃比afenRは、前記理論空燃比を含む所定の空燃比範囲（三元触媒のウインドウＷ）外であって理論空燃比よりも空燃比ΔafR（ΔafR＞０）だけリッチ側の空燃比である。即ち、強制リッチ空燃比afenR＝理論空燃比stoich−ΔafRである。
この結果、上流側目標空燃比abyfrは、幅ＡＣ１（＝ΔafL＋ΔafR）を有しながら矩形波状に変化する。
なお、本例において、空燃比ΔafLと空燃比ΔafRとは等しいが、空燃比ΔafLは空燃比ΔafR以上に設定されることが好ましい。

＜サブフィードバック制御の概要＞
第１制御装置は、サブフィードバック制御条件が成立したとき、上記メインフィードバック制御に加えてサブフィードバック制御を実行する。このサブフィードバック制御は、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsを用いて行われる。

本例において、サブフィードバック制御条件は、メインフィードバック制御実行中であり、且つ、下流側空燃比センサ６７が活性化しているときに成立し、その他の場合に不成立となる。サブフィードバック制御は、通常空燃比フィードバック制御中及びフィルタ再生制御中の何れの場合にも実行される。なお、サブフィードバック制御条件には、他の条件が加えられてもよい。

第１制御装置は、サブフィードバック制御において、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが、下流側目標空燃比に相当する値である下流側目標値Voxsrefに一致するように、機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する。

換言すると、サブフィードバック制御は、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsにより表される下流側空燃比afdownが、下流側目標値Voxsrefにより表される下流側目標空燃比に一致するように、機関に供給される混合気の空燃比（燃料量）を調整するフィードバック制御である。サブフィードバック制御は、「下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsと下流側目標値Voxsrefとの偏差（出力偏差量DVoxs）に基づく値」を、ＰＩ（比例・積分）制御又はＰＩＤ（比例・積分、微分）制御によって「０」に一致させようとする制御である。

下流側目標値Voxsrefは、理論空燃比相当値（Voxsst＝０．５Ｖ）に設定されている。これにより、機関１０に供給される混合気の空燃比（より正確には、第３三元触媒５６に流入するガスの空燃比）の平均（中心、中央値）が理論空燃比に一致させられる。

＜作動＞
次に、第１制御装置の作動について説明する。第１制御装置のＣＰＵ７１は、図４の概略フローチャートに示した手順を所定時間の経過毎に繰り返すことにより、上述した各種の制御を行うようになっている。なお、以下の説明において、上流側空燃比センサ６６及び下流側空燃比センサ６７は総て活性化していると仮定する。

ＣＰＵ７１は、所定のタイミングにてステップ４００から処理を開始し、ステップ４１０に進んでフィルタ再生要求フラグＸＰＭの値が「１」であるか否かを判定する。フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値は、微粒子捕集フィルタ５４を再生する要求（フィルタ再生要求）が発生しているときに「１」に設定され、微粒子捕集フィルタ５４を再生する必要がないとき「０」に設定される。フィルタ再生要求フラグＸＰＭの操作については後述する（図５を参照。）。

いま、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値が「０」であると仮定する。この場合、ＣＰＵ７１はステップ４１０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ４３０に進んで上述した「通常空燃比フィードバック制御」を実行する。

より具体的に述べると、ＣＰＵ７１は、ステップ４３０において、メインフィードバック制御及びサブフィードバック制御の両方を実行する。この場合、メインフィードバック制御の上流側目標空燃比abyfrは理論空燃比stoichに設定され、サブフィードバック制御の下流側目標値Voxsref（下流側目標空燃比に対応する値）は理論空燃比に相当する理論空燃比相当値Voxsstに設定される。

上述したように、メインフィードバック制御は、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsに基づいて得られる上流側空燃比abyfsを上流側目標空燃比abyfrに一致させるフィードバック制御である。更に、サブフィードバック制御は、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsを下流側目標値Voxsref（理論空燃比相当値Voxsst）に一致させるフィードバック制御である。その後、ＣＰＵ７１はステップ４９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。この結果、機関の空燃比の平均は実質的に理論空燃比に一致する。つまり、上流側空燃比abyfs及び下流側空燃比afdownに基づいて、機関の空燃比が理論空燃比（理論空燃比を含む所定の空燃比範囲内の空燃比）となるようにフィードバック制御される。

ところで、ＣＰＵ７１は図５にフローチャートにより示した「フィルタ再生要求判定ルーチン」を所定時間の経過毎に実行するようになっている。従って、ＣＰＵ７１は所定のタイミングにてステップ５００から処理を開始し、ステップ５１０に進んで「前回のフィルタ再生制御」を終了してからの吸入空気量Ｇａの積算値ＳＧａが所定の閾値（フィルタ再生制御実行閾値）ＳＧａｔｈ以上となっているか否かを判定する。

この積算値ＳＧａは所定時間Δｔｓの経過毎に実行される図示しない吸入空気量積算ルーチンにより更新されている。即ち、ＣＰＵ７１は、所定時間Δｔｓの経過毎に、「その時点の積算値ＳＧａ」に「その時点にてエアフローメータ６１により検出されている吸入空気量Ｇａ」を加えることにより、積算値ＳＧａを更新する。積算値ＳＧａはバックアップＲＡＭ７４内に格納される。機関１０の運転によって発生する微粒子の量は吸入空気量Ｇａが大きくなるほど大きくなるので、積算値ＳＧａは微粒子捕集フィルタ５４に捕集された微粒子の量を表す量となる。なお、積算値ＳＧａはフィルタ再生制御（フィルタ再生制御）の実行が完了したとき（及び、フューエルカット制御が実行されたとき）、吸入空気量積算ルーチンによって「０」に設定（クリア）されるようになっている。

この時点において、積算値ＳＧａが閾値ＳＧａｔｈより小さいと、ＣＰＵ７１はステップ５１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ５３０に直接進み、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値が最後に「０」から「１」へと変化した後に所定時間（フィルタ再生制御実行時間）が経過したか否かを判定する。このフィルタ再生要求フラグＸＰＭの値は、後述するように、積算値ＳＧａが閾値ＳＧａｔｈ以上となったとき（即ち、フィルタ再生制御が開始されたとき）、「１」に設定される（図５のステップ５２０を参照。）。

現時点においては、積算値ＳＧａが閾値ＳＧａｔｈより小さいため、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値は「０」に維持されている。従って、ＣＰＵ７１は、ステップ５３０にて「Ｎｏ」と判定してステップ５９５に直接進み、本ルーチンを一旦終了する。この結果、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値は「０」に維持されるので、通常空燃比フィードバック制御が続行され、フィルタ再生制御は開始されない（図４のステップ４１０及びステップ４３０を参照。）。

これに対し、図５のステップ５１０の処理時において、積算値ＳＧａが閾値ＳＧａｔｈ以上になっていると、ＣＰＵ７１はステップ５１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ５２０に進み、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値を「１」に設定する。この時点においては、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値が「０」から「１」に変化した後、所定時間（フィルタ再生制御実行時間）が経過していない。従って、ＣＰＵ７１は、ステップ５３０からステップ５９５に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。このとき、ＣＰＵ７１が図４のステップ４１０の処理を実行すると、ＣＰＵ７１はそのステップ４１０にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ４２０に進んで上述した「フィルタ再生制御」を実行する。

より具体的に述べると、ＣＰＵ７１は、ステップ４２０において、メインフィードバック制御を実行する。この場合、メインフィードバック制御の上流側目標空燃比abyfrは図３に示したように、強制リーン空燃比afenLと強制リッチ空燃比afenRとを時間の経過とともに交互に繰り返す空燃比に設定される。

即ち、ＣＰＵ７１は、図３の時刻ｔ１に示したように、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが理論空燃比相当値Voxsstよりも小さい値から大きい値へと変化したとき、上流側目標空燃比abyfrを強制リーン空燃比afenLに設定する。このタイミングは、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsにより表される空燃比afdownが、理論空燃比よりリーン側の空燃比からリッチ側の空燃比へと反転する時点である。即ち、このタイミングは、出力値Voxsが強制リーン空燃比afenLに応じた値から強制リッチ空燃比afenRに応じた値に変化する「出力値Voxsのリッチ反転時」とも称呼される。

その後、ＣＰＵ７１は、図３の時刻ｔ２に示したように、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが理論空燃比相当値Voxsstよりも大きい値から小さい値へと変化したとき、上流側目標空燃比abyfrを強制リッチ空燃比afenRに設定する。このタイミングは、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsにより表される空燃比afdownが理論空燃比よりリッチ側の空燃比からリーン側の空燃比へと反転する時点である。即ち、このタイミングは、出力値Voxsが強制リッチ空燃比afenRに応じた値から強制リーン空燃比afenLに応じた値に変化する「出力値Voxsのリーン反転時」とも称呼される。

更に、ＣＰＵ７１は、図３の時刻ｔ３に示したように、次の「出力値Voxsのリッチ反転時」に上流側目標空燃比abyfrを強制リーン空燃比afenLに設定し、図３時刻ｔ４に示したように、次の「出力値Voxsのリーン反転時」に上流側目標空燃比abyfrを強制リッチ空燃比afenRに設定する。以降、ＣＰＵ７１はこのような動作を繰り返す。

そして、ＣＰＵ７１は、このように設定される上流側目標空燃比abyfrに対してメインフィードバック制御を実行する。更に、ＣＰＵ７１は、サブフィードバック制御を実行する。この場合、サブフィードバック制御の下流側目標値Voxsrefは理論空燃比に相当する理論空燃比相当値Voxsstに設定される。これにより、上述した「フィルタ再生制御」が実行されるので、微粒子捕集フィルタ５４内に酸素が多量に供給される。この結果、微粒子が燃焼し、微粒子捕集フィルタ５４の再生が開始する。その後、ＣＰＵ７１はステップ７９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

この状態が継続すると、微粒子捕集フィルタ５４の再生が進行する。そして、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値が「０」から「１」へと変化した後に所定時間（フィルタ再生制御実行時間）が経過した直後において、ＣＰＵ７１が図５のステップ５３０に進むと、ＣＰＵ７１はそのステップ５３０にて「Ｙｅｓ」と判定する。そして、ＣＰＵ７１は、ステップ５４０に進み、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値を「０」に設定する。その後、ＣＰＵ７１はステップ５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

この結果、ＣＰＵ７１は図４のステップ４１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４３０に進むようになる。従って、フィルタ再生制御が中止され、且つ、通常空燃比フィードバック制御が再開される。

（作動の詳細）
図６はＣＰＵ７１が実行する燃料噴射制御ルーチンの詳細を示している。以下、このルーチンによる処理について簡単に説明する。

ＣＰＵ７１は、この図６に示したルーチンを、各気筒のクランク角が各気筒の吸気上死点前の所定クランク角度（例えば、ＢＴＤＣ９０°ＣＡ）となる毎に、繰り返し実行するようになっている。従って、任意の気筒のクランク角度が上記所定クランク角度になると、ＣＰＵ７１はステップ６００から処理を開始してステップ６１０に進み、機関回転速度ＮＥ、吸入空気量Ｇａ及びテーブルMapMc(ＮＥ,Ｇａ)に基づいて「今回の吸気行程を迎える気筒（以下、「燃料噴射気筒」と云うこともある。）に吸入される今回の筒内吸入空気量Mc」を推定・決定する。

次に、ＣＰＵ７１はステップ６２０に進み、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値が「０」であるか否かを判定する。そして、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値が「０」であれば、ＣＰＵ７１は以下に述べるステップ６３０乃至ステップ６８０の処理を順に行い、ステップ６９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ステップ６３０：ＣＰＵ７１は、上流側目標空燃比abyfrに理論空燃比stoichを設定する。
ステップ６４０：ＣＰＵ７１は、筒内吸入空気量Mcを上記上流側目標空燃比abyfrで除することにより、基本燃料噴射量Fbaseを算出する。
ステップ６５０：ＣＰＵ７１は、図示しないルーチンにより別途求められているメインフィードバック補正値KFmainを読み込む。
ステップ６６０：ＣＰＵ７１は、図示しないルーチンにより別途求められているサブフィードバック補正値Fisubを読み込む。
ステップ６７０：ＣＰＵ７１は、下記の（１）式に従って最終燃料噴射量Fiを求める。
Fi＝Fbase・KFmain＋Fisub …（１）
ステップ６８０：ＣＰＵ７１は、最終燃料噴射量Fiの燃料が燃料噴射気筒に対する燃料噴射弁３９から噴射されるように、その燃料噴射弁３９に対して噴射指示を行う。

上記ステップ６５０において読み込まれるメインフィードバック補正値KFmainの算出方法は、例えば、特開２００５−２７３５２４等に記載されているように周知である。

簡単に述べると、ＣＰＵ７１は、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsと、予め記憶されているテーブルMapabyfsと、に基づいて、上流側空燃比センサ６６が検出している現時点の検出空燃比abyfsを求める。
ＣＰＵ７１は、上流側目標空燃比abyfrから検出空燃比abyfsを減じることにより、空燃比偏差Dafを求める。
ＣＰＵ７１は、空燃比偏差Dafに対してハイパスフィルタ処理を施し、メインフィードバック制御用偏差DafHiを求める。このハイパスフィルタ処理の結果、メインフィードバック制御用偏差DafHiは、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦの下流に現れない空燃比変動を表す値となる。
ＣＰＵ７１は、メインフィードバック制御用偏差DafHiに比例ゲインGpHiを乗じることにより、メインフィードバック補正値KFmainを求める。

更に、上記ステップ６６０において読み込まれるサブフィードバック補正値Fisubの算出方法も、例えば、特開２００５−２７３５２４等に記載されているように周知である。

簡単に述べると、ＣＰＵ７１は、「理論空燃比に相当する値（例えば、０．５（Ｖ））に設定されている下流側目標値Voxsref」から「現時点の下流側空燃比センサの出力値Voxs」を減じることにより、出力偏差量DVoxs（DVoxs＝Voxsref−Voxs）を求める。なお、下流側目標値Voxsrefは、理論空燃比よりも僅かにリッチ側であって前述したウインドウＷの範囲内の空燃比（弱リッチ空燃比ＡＦＲ）に対応する値Vrich（例えば、０．５５（Ｖ））に設定されてもよい。

ＣＰＵ７１は、出力偏差量DVoxsに対してローパスフィルタ処理を施すことにより、ローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowを取得する。
ＣＰＵ７１は、ローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowを下記（２）式に基づいて比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）し、サブフィードバック補正値Fisubを求める。
Fisub＝Kp・DVoxslow＋Ki・SDVoxslow＋Kd・DDVoxslow …（２）

上記（２）式において、Kpは予め設定された比例ゲイン（比例定数）、Kiは予め設定された積分ゲイン（積分定数）、Kdは予め設定された微分ゲイン（微分定数）である。また、SDVoxslowはローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowの時間積分値であり、DDVoxslowはローパスフィルタ通過後出力偏差量DVoxslowの時間微分値である。

一方、図６のステップ６２０の処理を実行する時点において、フィルタ再生要求フラグＸＰＭの値が「１」であると、ＣＰＵ７１はそのステップ６２０に「Ｎｏ」と判定する。そして、ＣＰＵ７１はステップ６９０に進み、上流側目標空燃比abyfrを図３に示したように「強制リーン空燃比afenL」又は「強制リッチ空燃比afenR」に設定する（図４のステップ４２０を参照。）。以降、ＣＰＵ７１は、ステップ６４０乃至ステップ６８０の処理を実行する。

この場合、ＣＰＵ７１は、図３の時刻ｔ１に示したように、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが理論空燃比相当値Voxsstよりも小さい値から大きい値へと変化したとき、上流側目標空燃比abyfrを強制リーン空燃比afenLに設定する。これにより、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦの第１三元触媒５３に過剰な酸素が流入し、その後、第１三元触媒５３から酸素が流出する。この酸素はフィルタ収容触媒装置ＣｗＦの微粒子捕集フィルタ５４に流入する。これにより、微粒子捕集フィルタ５４に捕集されている微粒子が燃焼し、微粒子捕集フィルタ５４が再生される。

このとき、微粒子の総てが燃焼される前の時点において酸素が微粒子捕集フィルタ５４から漏れ出したとしても、その酸素はフィルタ収容触媒装置ＣｗＦの第２三元触媒５５によって吸蔵又は消費されるので、下流側空燃比センサ６７に到達しない。従って、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが理論空燃比相当値Voxsstよりも大きい値から小さい値へと変化する時点（出力値Voxsのリーン反転時）が遅れるから、上流側目標空燃比abyfrが強制リーン空燃比afenLに設定されている時間が長くなる。この結果、微粒子捕集フィルタ５４に多量の酸素を流入させることができる（酸素を継続的に流入させることができる）ので、微粒子捕集フィルタ５４を効率的に再生することができる。

以上、説明したように、第１制御装置は、フィルタ再生要求が発生したと判定された場合（図５のステップ５２０にてＸＰＭ＝１となった場合）、「機関１０に供給される混合気の空燃比」を「強制リッチ空燃比afenR及び強制リーン空燃比afenLのうちの何れか一方」の「第１空燃比」に設定するとともに、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが「強制リッチ空燃比afenR及び強制リーン空燃比afenLのうちの何れか他方」の「第２空燃比」に応じた値から「第１空燃比」に応じた値に変化したとき、機関１０に供給される混合気の空燃比を「第２空燃比」に設定し、その後、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが「第１空燃比」に応じた値から「第２空燃比」に応じた値に変化したとき、機関１０に供給される混合気の空燃比を「第１空燃比」に設定するアクティブ空燃比制御を所定期間実行する「フィルタ再生手段」を備える（図４のステップ４２０、図５のステップ５３０及びステップ５４０を参照。）。

更に、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦは、上流から下流に向けて、第１三元触媒５３と微粒子捕集フィルタ５４と第２三元触媒５５とを備えている。即ち、第２三元触媒５５が微粒子捕集フィルタ５４の下流に配設されている。従って、機関の空燃比が強制リーン空燃比afenLに設定されている場合において、微粒子捕集フィルタ５４に流入した酸素が微粒子捕集フィルタ５４にて完全に消費されることなくその下流に漏洩したとしても、その酸素は第２三元触媒５５により消費又は貯蔵される。従って、下流側空燃比センサ６７の出力Voxsが強制リーン空燃比afenLに応じた値に変化するまでの時間が遅れる。この結果、機関の空燃比が「強制リーン空燃比afenLに設定されている時間」が長くなるので、微粒子捕集フィルタ５４に十分な量の酸素を流入させることができる。従って、微粒子捕集フィルタ５４を効率よく再生させることができる。

更に、第１三元触媒５３が微粒子捕集フィルタ５４の上流に配設されている。従って、第１三元触媒５３は機関の冷間始動後において早期に暖機され活性化する。この結果、機関の冷間始動後におけるエミッションを良好にすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、「第２制御装置」とも称呼する。）について説明する。第２制御装置は、フィルタ収容触媒装置の構造が第１制御装置のフィルタ収容触媒装置ＣｗＦと相違している。以下、第２制御装置が採用したフィルタ収容触媒装置ＣｗＦをフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ２と表記する。

フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ２は、図７に示したように、第１三元触媒５３と、微粒子捕集フィルタ５４ａと、第２三元触媒５５と、を含む。

第１三元触媒５３及び第２三元触媒５５は、第１制御装置のフィルタ収容触媒装置ＣｗＦが備える第１三元触媒５３及び第２三元触媒５５とそれぞれ同一である。

微粒子捕集フィルタ５４ａは、周知の「ウォールフロータイプの微粒子捕集フィルタ」である。図８は、微粒子捕集フィルタ５４ａの概略断面図である。図９は、微粒子捕集フィルタ５４ａの下流側から微粒子捕集フィルタ５４ａを見た概略正面図である。図８及び図９に示したように、微粒子捕集フィルタ５４ａは、複数の壁部５４ａ１と、複数の上流側閉鎖部５４ａ２と、複数の下流側閉鎖部５４ａ３と、外枠体５４ａ４と、を含んでいる。

複数の壁部５４ａ１は、微粒子捕集フィルタ５４ａに流入する排ガスの流れの方向に沿うように伸びる「第１通路Ｐ１及び第２通路Ｐ２」を複数形成している。壁部５４ａ１は多孔質の薄板（例えば、コージェライト等の多孔質セラミック）からなり、排ガスが通過し得るように構成されている。

「第１通路Ｐ１及び第２通路Ｐ２」の各断面形状は略正方形である。第１通路Ｐ１及び第２通路Ｐ２は、断面視における正方形の一つの辺を共有しながら隣り合うように配列されている。
上流側閉鎖部５４ａ２は、第２通路Ｐ２の上流側端部（最上流端）にて第２通路Ｐ２を閉鎖するように配置されている。
下流側閉鎖部５４ａ３は、第１通路Ｐ２の下流側端部（最下流端）にて第１通路Ｐ１を閉鎖するように配置されている。

このように、微粒子捕集フィルタ５４ａは、微粒子捕集フィルタ５４ａに流入する排ガスの流れの方向に沿うように伸びる通路（Ｐ１及びＰ２）を複数形成するとともに排ガスが通過し得る「壁部５４ａ１」を備え、その複数の通路（Ｐ１及びＰ２）のうちの幾つか（本例において約半数）がその最上流端において閉鎖され、且つ、同複数の通路（Ｐ２）のうちの最上流端において閉鎖されていない残りの通路が最下流端において閉鎖されている。

このように構成された微粒子捕集フィルタ５４ａには、排ガスが第１通路Ｐ１に流入する。そして、その流入した排ガスは図８に矢印により示したように、壁部５４ａ１を通過して第２通路Ｐ２に流入し、その後、第２通路Ｐ２から外部に排出される。排ガス中の微粒子は、排ガスが、第１通路Ｐ１から壁部５４ａ１を通って第２通路Ｐ２に流入する際に壁部５４ａ１にて捕集される。

再び、図７を参照すると、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ２において、第１三元触媒５３と微粒子捕集フィルタ５４ａとの間には空間（空隙、第１空間）ＳＰ１が形成されている。更に、微粒子捕集フィルタ５４ａと第２三元触媒５５との間にも空間（空隙、第２空間）ＳＰ２が形成されている。

従って、第１三元触媒５３から流出した排ガスは第１空間ＳＰ１へと一旦流出し、その後、第１空間ＳＰ１から「微粒子捕集フィルタの複数の通路のうち最上流端において閉鎖されていない第１通路Ｐ１」へと流入する。従って、微粒子捕集フィルタ５４ａに効率よく且つ満遍なく（均一）に排ガスを流入させることができる。更に、「微粒子捕集フィルタ５４ａの複数の通路のうち最下流端において閉鎖されていない第２通路Ｐ２」から流出した排ガスは第２空間ＳＰ２へと一旦流出し、その後、第２空間ＳＰ２から第２三元触媒５５へと流入する。従って、第２三元触媒５５に効率よく且つ満遍なく（均一）に排ガスを流入させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、「第３制御装置」とも称呼する。）について説明する。第３制御装置は、フィルタ収容触媒装置の第１三元触媒及び第２三元触媒が、第２制御装置のフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ２のそれらと相違している。以下、第３制御装置が採用したフィルタ収容触媒装置をフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ３と表記する。

フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ３は、図１０に示したように、第１三元触媒５３ａと、微粒子捕集フィルタ５４ａと、第２三元触媒５５ａと、を含む。微粒子捕集フィルタ５４ａは、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ２が備えるウォールフロータイプの微粒子捕集フィルタ５４ａと同一のフィルタである。第１三元触媒５３ａ及び第２三元触媒５５ａは、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ及びＣｗＦ２が備える「第１三元触媒５３及び第２三元触媒５５」と同様な三元触媒である。

但し、第１三元触媒５３ａは、第２三元触媒５５ａよりも「パラジウム（Ｐｄ）」の担持率が大きくなっている。

未燃物（ＨＣ及びＣＯ等）を酸化するために触媒に担持される貴金属の代表例は、白金（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）である。白金は、パラジウムに比べ、高温であり且つ理論空燃比よりもリーンな空燃比のガスが流入したとき（「高温・リーンガス雰囲気」とも言う）、シンタリングによって劣化し易い。一方、白金は、パラジウムに比べ、高温であり且つ理論空燃比よりもリッチでありリッチの程度が大きい強リッチ空燃比のガスが流入したとき、劣化し難い。

他方、上述したフィルタ再生制御（アクティブ空燃比制御）において、排ガスの空燃比は「比較的リーンの程度が小さい強制リーン空燃比afenL」と、「比較的リッチの程度が小さい強制リッチ空燃比afenR」と、に変化する。従って、上流側に配置されることによって高温になり易い第１三元触媒５３ａが白金を多く担持していると、第１三元触媒５３ａは「高温・リーンガス雰囲気」に曝され容易に劣化する。そこで、上記構成のように、第１三元触媒５３ａは、第２三元触媒５５ａよりも、パラジウムの担持率が大きくなるように構成される。また、第１三元触媒５３ａは、第２三元触媒５５ａよりも、白金の担持率が小さくなるように構成される。この結果、第３制御装置は、フィルタ再生制御中における第１三元触媒５３ａの劣化の進行を抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、「第４制御装置」とも称呼する。）について説明する。第４制御装置は、フィルタ収容触媒装置の第１三元触媒及び第２三元触媒が、第２制御装置のフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ２のそれらと相違している。以下、第４制御装置が採用したフィルタ収容触媒装置をフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ４と表記する。

フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ４は、図１１に示したように、第１三元触媒５３ｂと、微粒子捕集フィルタ５４ａと、第２三元触媒５５ｂと、を含む。微粒子捕集フィルタ５４ａは、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ２が備えるウォールフロータイプの微粒子捕集フィルタ５４ａと同一のフィルタである。第１三元触媒５３ｂ及び第２三元触媒５５ｂは、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ及びＣｗＦ２が備える「第１三元触媒５３及び第２三元触媒５５」と同様な三元触媒である。

但し、第２三元触媒５５ｂは、その最大酸素吸蔵量が、第１三元触媒５３ｂの最大酸素吸蔵量よりも大きくなるように構成されている。つまり、仮に、第１三元触媒５３ｂの温度と第２三元触媒５５ｂの温度とが同一である場合、第２三元触媒５５ｂは第１三元触媒５３ｂよりも多くの酸素を吸蔵することができるように構成されている。より具体的には、第２三元触媒５５ｂの酸素吸蔵物質であるセリア（ＣｅＯ_２）の担持量は、第１三元触媒５３ｂのセリアの担持量よりも多くなっている。

この場合、第２三元触媒５５ｂの「触媒単位体積あたりのセリアの担持量（セリアの担持率）」が第１三元触媒５３ｂのセリアの担持率より大きく且つ第２三元触媒５５ｂの容量が第１三元触媒５３ｂの容量以上であることが望ましい。但し、第２三元触媒５５ｂのセリアの担持率は第１三元触媒５３ｂの担持率以下であるが、第２三元触媒５５ｂの容量が第１三元触媒５３ｂの容量よりも大きいために、結果的に第２三元触媒５５ｂのセリアの担持量が第１三元触媒５３ｂのセリアの担持量よりも多くなっていてもよい。即ち、セリアの担持率と三元触媒の容量とで決まるセリアの総担持量（即ち、最大酸素吸蔵量、酸素吸蔵能力）が、第２三元触媒５５ｂの方が第１三元触媒５３ｂよりも大きければよい。

これによれば、第１三元触媒５３ｂの最大酸素吸蔵量が小さいので、機関の空燃比が強制リーン空燃比afenLに切り換えてから短時間のうちに微粒子捕集フィルタ５４ａに酸素が供給され始める。従って、微粒子捕集フィルタ５４ａの再生開示時期が早くなる。

更に、第２三元触媒５５ｂの最大酸素吸蔵量が大きいので、機関の空燃比が強制リーン空燃比afenLに切り換えてから第２三元触媒５５ｂの下流に酸素が流出するまでの時間が長くなる。即ち、「機関の空燃比を強制リーン空燃比afenLに設定した時点」から「下流側空燃比センサが強制リッチ空燃比afenRに応じた値から強制リーン空燃比afenLに応じた値に変化するまでの時間」が長くなる。従って、機関の空燃比を強制リーン空燃比afenLに設定している時間が長くなるから、微粒子捕集フィルタ５４ａに多量の酸素を流入させることができる。その結果、微粒子捕集フィルタ５４ａを効率よく再生することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、「第５制御装置」とも称呼する。）について説明する。第５制御装置は、フィルタ収容触媒装置の第２三元触媒が、第３制御装置のフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ３の第２三元触媒５５ａと相違している。以下、第５制御装置が採用したフィルタ収容触媒装置をフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ５と表記する。

フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ５は、図１２に示したように、第１三元触媒５３ａと、微粒子捕集フィルタ５４ａと、第２三元触媒５５ｃと、を含む。微粒子捕集フィルタ５４ａは、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ３が備えるウォールフロータイプの微粒子捕集フィルタ５４ａと同一のフィルタである。第１三元触媒５３ａ及び第２三元触媒５５ｃは、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ３が備える「第１三元触媒５３ａ及び第２三元触媒５５ａ」と同様な三元触媒である。

但し、第２三元触媒５５ｃは、各貴金属の担持率を領域（ゾーン）別に設定することができるゾーンコート三元触媒である。第２三元触媒５５ｃは、上流側の部分５５ｃ１が下流側の部分５５ｃ２よりもパラジウムの担持率が大きく（且つ、白金の担持率が小さく）なるように形成されている。下流側の部分５５ｃ２は、第２三元触媒５５ｃの軸線方向（排ガス通過方向）において、上流側の部分５５ｃ１よりも下流に位置する部分である。

前述したように、パラジウムは「高温・リーンガス雰囲気」に対して白金よりも劣化し難い。また、第２三元触媒５５ｃにおいて、その上流側の部分５５ｃ１は下流側の部分５５ｃ２よりも高温になる。更に、前述したように、フィルタ再生制御において、排ガスの空燃比は比較的リーンの程度が小さい強制リーン空燃比afenLと、比較的リッチの程度が小さい強制リッチ空燃比afenRと、に変化する。従って、高温になり易い第２三元触媒５５ｃの上流側の部分５５ｃ１が白金を多く担持しているとその部分が劣化する可能性が高まる。しかしながら、第５制御装置の第２三元触媒５５ｃは、その上流側の部分５５ｃ１が下流側の部分５５ｃ２よりもパラジウムの担持率が大きく白金の担持率が小さいので、フィルタ再生制御中における第２三元触媒５５ｃの劣化の進行を抑制することができる。

以上、説明したように、本発明による内燃機関の制御装置の各実施形態は、微粒子捕集フィルタの下流に第２三元触媒を備え、且つ、フィルタ再生制御における空燃比の強制リッチ空燃比afenRへの切換えを第２三元触媒よりも下流に配置された下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsに基づいて行っている。従って、フィルタ再生制御中に機関の空燃比を強制リーン空燃比afenLに設定している時間を長くすることができるので、微粒子捕集フィルタを効率よく再生することができる。

なお、上記各制御装置は、フィルタ再生要求が発生してないと判定されているとき（ＸＰＭ＝０）、上流側空燃比センサ６６の出力値Vabyfsに基づいて定められる空燃比が「理論空燃比を含む所定の空燃比範囲内の上流側目標空燃比abyfr」に一致するとともに、下流側空燃比センサの出力値Voxsにより表される空燃比が「理論空燃比を含む所定の空燃比範囲内の下流側目標空燃比」に一致するように、「機関に供給される混合気の空燃比を制御する通常空燃比フィードバック制御」を行なう装置でもある。

本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、メイン及びサブフィードバック制御は、例えば、特開２００７−２７８１８６号公報に開示されているように下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsが下流側目標値に一致するように、上流側空燃比センサ６６によって検出される空燃比を見かけ上補正するような態様であってもよい。また、特開平０６−０１０７３８号公報に開示されているように、下流側空燃比センサ６７の出力値Voxsに基づいて、上流側空燃比センサ６６の出力値に基づいて作成される空燃比補正係数を変更する態様であってもよい。

また、第５制御装置において、第１三元触媒５３ａ、第２三元触媒５５ｃの上流側の部分５５ｃ１、第２三元触媒５５ｃの下流側の部分５５ｃ２、第３三元触媒５６の順に、パラジウムの担持率が低下するように構成されてもよい。同時に、第３三元触媒５６、第２三元触媒５５ｃの下流側の部分５５ｃ２、第２三元触媒５５ｃの上流側の部分５５ｃ１、第１三元触媒５３ａの順に、白金の担持率が低下するように構成されてもよい。更に、各実施形態は、相互に矛盾のない範囲において、組み合わされ得る。例えば、第３制御装置のフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ３の特徴と、第４制御装置のフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ４の特徴と、を組み合わせてもよい。また、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ３、フィルタ収容触媒装置ＣｗＦ４及びフィルタ収容触媒装置ＣｗＦ５において、第１空間ＳＰ１及び第２空間ＳＰ２は適宜省略されてもよく、更に、それらの微粒子捕集フィルタ５４ａはウォールフロータイプ以外の微粒子捕集フィルタであってもよい。

本発明の第１実施形態に係る制御装置（第１制御装置）を適用した内燃機関の概略図である。 図１に示した内燃機関の概略構成図である。 第１制御装置のフィルタ再生制御における作動を説明するためのタイムチャートである。 第１制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 第１制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 第１制御装置のＣＰＵが実行する燃料噴射制御ルーチンの詳細を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る制御装置（第２制御装置）を適用した内燃機関の概略構成図である。 図７に示した微粒子捕集フィルタの部分断面図である。 図７に示した微粒子捕集フィルタの正面図である。 本発明の第３実施形態に係る制御装置（第３制御装置）が採用したフィルタ収容触媒装置の概略図である。 本発明の第４実施形態に係る制御装置（第４制御装置）が採用したフィルタ収容触媒装置の概略図である。 本発明の第５実施形態に係る制御装置（第５制御装置）が採用したフィルタ収容触媒装置の概略図である。

符号の説明

１０…内燃機関、２０…シリンダブロック部、２５…燃焼室、３０…シリンダヘッド部、３４…排気ポート、４０…吸気系統、５０…排気系統、５１…エキゾーストマニホールド、５２…排気管、５３，５３ａ，５３ｂ…第１三元触媒、５４，５４ａ…微粒子捕集フィルタ、５４ａ１…壁部、５４ａ２…上流側閉鎖部、５４ａ３…下流側閉鎖部、５４ａ４…外枠体、５５，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ…第１三元触媒、５６…第３三元触媒、６６…上流側空燃比センサ、６７…下流側空燃比センサ、７０…電気制御装置。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配設されるとともに上流側から下流側に向かう順に配列された第１三元触媒、微粒子捕集フィルタ及び第２三元触媒を一つのケーシング内に収容したフィルタ収容触媒装置と、
   前記排気通路であって前記フィルタ収容触媒装置よりも下流側に配設された下流側空燃比センサと、
   前記微粒子捕集フィルタに捕集された微粒子を同微粒子捕集フィルタ内において燃焼させることにより同微粒子捕集フィルタを再生させる要求であるフィルタ再生要求が発生したか否かを判定するフィルタ再生要求発生判定手段と、
   前記フィルタ再生要求が発生したと判定された場合、前記機関に供給される混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の空燃比である強制リッチ空燃比及び理論空燃比よりもリーン側の空燃比である強制リーン空燃比のうちの何れか一方の第１空燃比に設定するとともに前記下流側空燃比センサの出力が同強制リッチ空燃比及び同強制リーン空燃比のうちの何れか他方の第２空燃比に応じた値から同第１空燃比に応じた値に変化したとき、同機関に供給される混合気の空燃比を同第２空燃比に設定し、その後、前記下流側空燃比センサの出力が同第１空燃比に応じた値から同第２空燃比に応じた値に変化したとき、同機関に供給される混合気の空燃比を同第１空燃比に設定するアクティブ空燃比制御を所定期間実行するフィルタ再生手段と、
   を備えた内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記微粒子捕集フィルタは、同微粒子捕集フィルタに流入する排ガスの流れの方向に沿うように伸びる通路を複数形成するとともに排ガスが通過し得る壁部を備え、同複数の通路のうちの幾つかがその最上流端において閉鎖され、且つ、同複数の通路のうちの同最上流端において閉鎖されていない残りの通路が最下流端において閉鎖されたウォールフロータイプの微粒子捕集フィルタであり、
   前記フィルタ収容触媒装置は、前記第１三元触媒と前記微粒子捕集フィルタとの間に第１空間を備えるとともに、前記微粒子捕集フィルタと前記第２三元触媒との間に第２空間を備えるように形成されている内燃機関の制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記第１三元触媒は、前記第２三元触媒よりもパラジウムの担持率が大きいことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記第２三元触媒は、前記第１三元触媒よりも最大酸素吸蔵量が大きくなるように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記第２三元触媒は、上流側の部分が下流側の部分よりもパラジウムの担持率が大きくなるように形成されたゾーンコート三元触媒であることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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