JP6015629B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

燃焼室から排出される排気ガスには、未燃ガスやＮＯｘ等が含まれており、排気ガスの成分を浄化するために機関排気通路には排気浄化触媒が配置される。未燃ガスやＮＯｘ等の成分を同時に浄化できる排気浄化触媒としては三元触媒が知られている。三元触媒は、排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍の場合に、未燃ガスやＮＯｘ等を高い浄化率で浄化することができる。このために、従来から内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力値に基づいて内燃機関に供給する燃料の量を制御する制御装置が知られている。

排気浄化触媒としては、酸素吸蔵能力を有するものを用いることができる。酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が上限吸蔵量と下限吸蔵量との間の適当な量であるときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチであっても未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）やＮＯｘ等を浄化できる。排気浄化触媒に理論空燃比よりもリッチ側の空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素により排気ガス中の未燃ガスが酸化浄化される。

逆に、排気浄化触媒に理論空燃比よりもリーン側の空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気ガス中の酸素が排気浄化触媒に吸蔵される。これにより、排気浄化触媒表面上で酸素不足状態となり、これに伴って排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。このように、排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が適当な量である限り、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関わらず、排気ガスを浄化することができる。

そこで、斯かる制御装置では、排気浄化触媒における酸素吸蔵量を適切な量に維持すべく、排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に空燃比センサを設け、排気流れ方向下流側に酸素センサを設けるようにしている。これらセンサを用いて、制御装置は、上流側の空燃比センサの出力に基づいてこの空燃比センサの出力が目標空燃比に相当する目標値となるようにフィードバック制御を行う。加えて、下流側の酸素センサの出力に基づいて上流側の空燃比センサの目標値を補正する。

例えば、特開２０１１−０６９３３７号公報に記載の制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上であって、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態であるときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下であって、排気浄化触媒の状態が酸素過剰状態であるときには、目標空燃比がリッチ空燃比とされる。この制御により、酸素不足状態又は酸素過剰状態にあるときに、排気浄化触媒の状態を速やかにこれら両状態の中間の状態、すなわち、排気浄化触媒に適当な量の酸素が吸蔵されている状態に戻すことができるとされている。

また、特開２００１−２３４７８７号公報に記載の制御装置では、エアフロメータ及び排気浄化触媒の上流側の空燃比センサ等の出力に基づいて、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を算出している。その上で、算出された酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量よりも多いときには排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比とし、算出された酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量よりも少ないときには目標空燃比をリーン空燃比としている。この制御により、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を目標酸素吸蔵量に一定に維持することができるとされている。

特開２０１１−０６９３３７号公報 特開２００１−２３４７８７号公報 特開平８−２３２７２３号公報 特開２００９−１６２１３９号公報

酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合に、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の近傍になると、排気ガス中の酸素を吸蔵しにくくなる。排気浄化触媒の内部では酸素過剰な状態になり、排気ガスに含まれるＮＯｘが還元浄化されにくくなる。このため、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の近傍になると、排気浄化触媒から流出する排気ガスのＮＯｘ濃度が急激に上昇する。

このために、上記の特開２０１１−０６９３３７号公報に開示されているように、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下になったときに目標空燃比をリッチ空燃比に設定する制御を行った場合には排気浄化触媒からは或る程度のＮＯｘが流出するという問題がある。

図１７に、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比と排気浄化触媒から流出するＮＯｘ濃度との関係を説明するタイムチャートを示す。図１７は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量、下流側の酸素センサによって検出される排気ガスの空燃比、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比、上流側の空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比、及び排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。

時刻ｔ₁以前の状態では、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン空燃比とされている。このため、排気浄化触媒の酸素吸蔵量は徐々に増加している。一方、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の酸素は全て排気浄化触媒において吸蔵されるため、排気浄化触媒から流出する排気ガス中には酸素はほとんど含まれていない。このため、下流側の酸素センサによって検出される排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。同様に、排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯｘは全て排気浄化触媒において還元浄化されるため、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはＮＯｘもほとんど含まれていない。

排気浄化触媒の酸素吸蔵量が徐々に増加して最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに近づくと、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の酸素の一部が排気浄化触媒に吸蔵されなくなり、その結果、時刻ｔ₁から、排気浄化触媒から流出する排気ガス中に酸素が含まれるようになる。このため、下流側酸素センサによって検出される排気ガスの空燃比はリーン空燃比となる。その後、排気浄化触媒の酸素吸蔵量がさらに増加すると、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が、予め定められた上限空燃比ＡＦｈｉｇｈｒｅｆ（低側閾値に相当）に達し、目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。

目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられると、切り替えられた目標空燃比に合わせて内燃機関における燃料噴射量が増大せしめられる。このように燃料噴射量が増大されても、内燃機関本体から排気浄化触媒までは或る程度の距離があるため、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比は直ぐにはリッチ空燃比に変更されずに遅れが生じる。このため、目標空燃比が時刻ｔ₂でリッチ空燃比に切り替えられてもなお、時刻ｔ₃まで排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比のままになる。このため、時刻ｔ₂からｔ₃の間においては、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達するか、又は最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値となり、その結果、排気浄化触媒からは酸素及びＮＯｘが流出することになる。その後、時刻ｔ₃において排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となり、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比に収束していく。

このように、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えてから排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になるまでには遅れが生じる。その結果、時刻ｔ₁からｔ₄までの期間に、排気浄化触媒からＮＯｘが流出してしまっていた。

本発明の目的は、酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒を具備する内燃機関において、ＮＯｘの流出を抑制する内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の第１の内燃機関の制御装置は、機関排気通路において酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒を備える内燃機関の制御装置であって、排気浄化触媒の上流に配置され、排気浄化触媒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と、排気浄化触媒の下流に配置され、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、排気浄化触媒に吸蔵される酸素の吸蔵量を取得する酸素吸蔵量取得手段とを備える。排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以下である判定基準吸蔵量以上になるまで、断続的または連続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンなリーン設定空燃比にするリーン制御と、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であるリッチ判定空燃比以下になるまで、連続的または断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ設定空燃比にするリッチ制御とを含む通常運転制御を実施するように形成されている。通常運転制御は、リーン制御の期間中に酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量以上になった場合にリッチ制御に切り替えて、リッチ制御の期間中に下流側空燃比センサの出力がリッチ判定空燃比以下になった場合にリーン制御に切り替える制御を含む。排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比の領域においてリーン判定空燃比が予め定められている。通常運転制御は、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合に、リーン制御における判定基準吸蔵量を減少させる判定基準減少制御を含む。判定基準吸蔵量が予め定められた劣化判定値未満になった場合に、排気浄化触媒が異常であると判別する。

上記発明においては、リーン制御の実施回数および排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数を検出し、リーン制御の実施回数に対する排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数の割合が予め定められた判定値よりも大きくなった場合に判定基準減少制御を実施することができる。

上記発明においては、通常運転制御は、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満に維持されている場合に、判定基準吸蔵量を維持する制御を含むことができる。

本発明の第２の内燃機関の制御装置は、機関排気通路において酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒を備える内燃機関の制御装置であって、排気浄化触媒の上流に配置され、排気浄化触媒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と、排気浄化触媒の下流に配置され、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、排気浄化触媒に吸蔵される酸素の吸蔵量を取得する酸素吸蔵量取得手段とを備える。排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以下である判定基準吸蔵量以上になるまで、断続的または連続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンなリーン設定空燃比にするリーン制御と、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であるリッチ判定空燃比以下になるまで、連続的または断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ設定空燃比にするリッチ制御とを含む通常運転制御を実施するように形成されている。通常運転制御は、リーン制御の期間中に酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量以上になった場合にリッチ制御に切り替えて、リッチ制御の期間中に下流側空燃比センサの出力がリッチ判定空燃比以下になった場合にリーン制御に切り替える制御を含む。排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比の領域においてリーン判定空燃比が予め定められており、リーン制御の実施回数および排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数を検出し、リーン制御の実施回数に対する排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数の割合が予め定められた割合判定値よりも大きくなった場合に排気浄化触媒が異常であると判別する。

本発明によれば、ＮＯｘの流出を抑制する内燃機関の制御装置を提供することができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。 排気浄化触媒の酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの濃度との関係を示す図である。 空燃比センサの概略的な断面図である。 空燃比センサの動作を概略的に示した図である。 空燃比センサにおける排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。 電圧印加装置及び電流検出装置を構成する具体的な回路の一例を示す図である。 上流側の排気浄化触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。 下流側の排気浄化触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。 制御装置の機能ブロック図である。 実施の形態における第１の通常運転制御における空燃比補正量を算出する制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施の形態におけるリーン検出時の制御のタイムチャートである。 実施の形態における第２の通常運転制御のタイムチャートである。 実施の形態における第２の通常運転制御のフローチャートである。 実施の形態の第２の通常運転制御において排気浄化触媒の劣化を判定する制御のフローチャートである。 実施の形態における第３の通常運転制御のタイムチャートである。 実施の形態の第３の通常運転制御において排気浄化触媒の劣化を判定する制御のフローチャートである。 従来の技術の制御のタイムチャートである。

図１から図１６を参照して、実施の形態における内燃機関の制御装置について説明する。本実施の形態における内燃機関は、回転力を出力する機関本体と、燃焼室から流出する排気を浄化する排気処理装置とを備える。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本実施の形態における内燃機関を概略的に示す図である。内燃機関は、機関本体１を備え、機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に固定されたシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２には穴部が形成され、この穴部の内部を往復移動するピストン３が配置されている。燃焼室５は、シリンダブロック２の穴部、ピストン３、およびシリンダヘッド４に囲まれる空間により構成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。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を開閉するように形成されている。

シリンダヘッド４の内壁面において、燃焼室５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の内壁面の周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施の形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の内燃機関は他の燃料を用いても良い。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は機関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の集合部は上流側の排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側の排気浄化触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、機関排気通路を形成する。

本実施の形態の内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１を含む。本実施の形態における電子制御ユニット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および出力ポート３７を具備する。

吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側の排気浄化触媒２０から流出して下流側の排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これらの空燃比センサの出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これらの空燃比センサの構成については後述する。

また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。

＜排気浄化触媒の説明＞
本実施の形態の内燃機関の排気処理装置は、複数の排気浄化触媒を備える。本実施の形態の排気処理装置は、上流側の排気浄化触媒２０と、排気浄化触媒２０よりも下流に配置されている下流側の排気浄化触媒２４とを含む。上流側の排気浄化触媒２０及び下流側の排気浄化触媒２４は、同様の構成を有する。以下では、上流側の排気浄化触媒２０についてのみ説明するが、下流側の排気浄化触媒２４も同様な構成及び作用を有する。

上流側の排気浄化触媒２０は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、上流側の排気浄化触媒２０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）、パラジウム（Ｐｄ）、およびロジウム（Ｒｈ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させたものである。上流側の排気浄化触媒２０は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。

上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、上流側の排気浄化触媒２０は、上流側の排気浄化触媒２０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（リーン空燃比）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、上流側の排気浄化触媒２０は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ（リッチ空燃比）であるときには、上流側の排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素を放出する。なお、「排気ガスの空燃比」は、その排気ガスが生成されるまでに供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味するものであり、通常はその排気ガスが生成されるにあたって燃焼室５内に供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味する。本明細書では、排気ガスの空燃比を「排気空燃比」という場合もある。次に、本実施の形態における排気浄化触媒の酸素吸蔵量と浄化能力との関係について説明する。

図２に、排気浄化触媒の酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）の濃度との関係を示す。図２（Ａ）は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときの、酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す。一方、図２（Ｂ）は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの、酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度との関係を示す。

図２（Ａ）からわかるように、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少ないときには、最大酸素吸蔵量まで余裕がある。このため、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比（すなわち、この排気ガスがＮＯｘ及び酸素を含む）であっても、排気ガス中の酸素は排気浄化触媒に吸蔵され、これに伴ってＮＯｘも還元浄化される。この結果、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはほとんどＮＯｘは含まれない。

しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が多くなると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、排気浄化触媒において排気ガス中の酸素を吸蔵しにくくなり、これに伴って排気ガス中のＮＯｘも還元浄化されにくくなる。このため、図２（Ａ）から分かるように、酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の上限吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍを超えて増大すると排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度が急激に上昇する。

一方、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が多いときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比（すなわち、この排気ガスがＨＣやＣＯ等の未燃ガスを含む）であると、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素が放出される。このため、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。この結果、図２（Ｂ）から分かるように、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはほとんど未燃ガスは含まれない。

しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少なくなり、０の近傍になると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、排気浄化触媒から放出される酸素が少なくなり、これに伴って排気ガス中の未燃ガスも酸化浄化されにくくなる。このため、図２（Ｂ）からわかるように、酸素吸蔵量が或る下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍを超えて減少すると排気浄化触媒から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。

以上のように、本実施の形態において用いられる排気浄化触媒２０，２４によれば、排気浄化触媒２０，２４に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒２０，２４は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。

＜空燃比センサの構成＞
次に、図３を参照して、本実施の形態における上流側空燃比センサ４０および下流側空燃比センサ４１の構造について説明する。図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。本実施の形態における空燃比センサは、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。空燃比センサとしては、この形態に限られず、排気ガスの空燃比に応じて出力が連続的に変化する他の形態のセンサを採用しても構わない。たとえば、２セル型の空燃比センサを採用しても構わない。

本実施の形態における空燃比センサは、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（第一電極）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（第二電極）５３と、通過する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、空燃比センサの加熱を行うヒータ部５６とを具備する。

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。本実施の形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して空燃比センサによる検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、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ことになる。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、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施の形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝される。本実施の形態では、基準ガスとして大気が用いられているため、大気側電極５３は大気に曝されることになる。

ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、これらヒータ５９によって空燃比センサの温度、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、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。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と大気側電極５３との間には、電子制御ユニット３１に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、電子制御ユニット３１には、電圧印加装置６０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層５１を介して排気側電極５２と大気側電極５３との間に流れる電流を検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサの出力電流である。

＜空燃比センサの動作＞
次に、図４を参照して、このように構成された空燃比センサの動作の基本的な概念について説明する。図４は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。使用時において、空燃比センサは、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配置される。また、空燃比センサの基準ガス室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、酸素イオン伝導性酸化物の焼結体で形成される。したがって、高温により活性化した状態で固体電解質層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素イオンを移動させようとする起電力Ｅが発生する性質（酸素電池特性）を有している。

逆に、固体電解質層５１は、両側面間に電位差が与えられると、この電位差に応じて固体電解質層の両側面間で酸素濃度比が生じるように、酸素イオンの移動を引き起こそうとする特性（酸素ポンプ特性）を有する。具体的には、両側面間に電位差が与えられた場合には、正極性を与えられた側面における酸素濃度が、負極性を与えられた側面における酸素濃度に対して、電位差に応じた比率で高くなるように、酸素イオンの移動が引き起こされる。また、図３及び図４に示したように、空燃比センサでは、大気側電極５３が正極性、排気側電極５２が負極性となるように、排気側電極５２と大気側電極５３との間に一定のセンサ印加電圧Ｖｒが印加されている。なお、本実施の形態では、空燃比センサにおけるセンサ印加電圧Ｖｒは同一の電圧となっている。

空燃比センサの周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには、固体電解質層５１の両側面間での酸素濃度の比はそれほど大きくない。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の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が小さくなる。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に対応した酸素濃度比に向けて大きくなるように、図４（Ａ）に示した如く、排気側電極５２から大気側電極５３に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０の正極から、大気側電極５３、固体電解質層５１、及び排気側電極５２を介して電圧印加装置６０の負極へと電流が流れる。

このとき流れる電流（出力電流）Ｉｒの大きさは、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、排気中から拡散律速層５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する酸素量に比例する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを電流検出装置６１によって検出することにより、酸素濃度を知ることができ、ひいてはリーン領域における空燃比を知ることができる。

一方、空燃比センサの周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、排気中から拡散律速層５４を通って未燃ガスが被測ガス室５７内に流入するため、排気側電極５２上に酸素が存在しても、未燃ガスと反応して除去される。このため、被測ガス室５７内では酸素濃度が極めて低くなり、その結果、固体電解質層５１の両側面間での酸素濃度の比は大きなものとなる。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の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が大きくなる。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に対応した酸素濃度比に向けて小さくなるように、図４（Ｂ）に示した如く、大気側電極５３から排気側電極５２に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、大気側電極５３から、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０を通って排気側電極５２へと電流が流れる。

このとき流れる電流は出力電流Ｉｒとなる。出力電流の大きさは、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中を大気側電極５３から排気側電極５２へと移動せしめられる酸素イオンの流量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散律速層５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する未燃ガスと排気側電極５２上で反応（燃焼）する。よって、酸素イオンの移動流量は被測ガス室５７内に流入した排気ガス中の未燃ガスの濃度に対応する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを電流検出装置６１によって検出することで、未燃ガス濃度を知ることができ、ひいてはリッチ領域における空燃比を知ることができる。

また、空燃比センサの周りにおける排気空燃比が理論空燃比のときには、被測ガス室５７へ流入する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、被測ガス室５７内の酸素及び未燃ガスの濃度に変動は生じない。この結果、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、変動せずに、センサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比のまま維持される。このため、図４（Ｃ）に示したように、酸素ポンプ特性による酸素イオンの移動は起こらず、その結果、回路を流れる電流は生じない。

このように構成された空燃比センサは、図５に示した出力特性を有する。すなわち、空燃比センサでは、排気空燃比が大きくなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサの出力電流Ｉｒが大きくなる。加えて、空燃比センサは、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉｒが零になるように構成される。

＜電圧印加装置及び電流検出装置の回路＞
図６に、電圧印加装置６０及び電流検出装置６１を構成する具体的な回路の一例を示す。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、排気側電極５２と大気側電極５３との間の電位差をＶｓと表している。

図６からわかるように、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、負帰還制御を行っている。換言すると、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排気側電極５２と大気側電極５３との間の電位差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っている。

したがって、排気空燃比が理論空燃比となっていて、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じない場合には、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に対応した酸素濃度比となっている。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに一致し、排気側電極５２と大気側電極５３との間の電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒとなっており、その結果、電流Ｉｒは流れない。

一方、排気空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比となっていて、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じる場合には、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に対応した酸素濃度比とはなっていない。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。このため、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の両側面間で酸素イオンの移動をさせるべく、排気側電極５２と大気側電極５３との間に電位差Ｖｓが付与される。そして、このときの酸素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はセンサ印加電圧Ｖｒに収束し、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに収束すると、やがて、電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒに収束することになる。

したがって、電圧印加装置６０は、実質的に、排気側電極５２と大気側電極５３との間にセンサ印加電圧Ｖｒを印加しているということができる。なお、電圧印加装置６０の電気回路は必ずしも図６に示したようなものである必要はなく、排気側電極５２と大気側電極５３との間にセンサ印加電圧Ｖｒを実質的に印加することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。

また、電流検出装置６１は、実際に電流を検出するのではなく、電圧Ｅ₀を検出してこの電圧Ｅ₀から電流を算出している。ここで、Ｅ₀は、下記式（１）のように表せる。

Ｅ₀＝Ｖｒ＋Ｖ₀＋ＩｒＲ …（１）

ここで、Ｖ₀はオフセット電圧（Ｅ₀が負値とならないように印加しておく電圧であり例えば３Ｖ）、Ｒは図６に示した抵抗の値である。

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は一定であるから、電圧Ｅ₀は電流Ｉｒに応じて変化する。このため、電圧Ｅ₀を検出すれば、その電圧Ｅ₀から電流Ｉｒを算出することが可能である。

したがって、電流検出装置６１は、実質的に、排気側電極５２と大気側電極５３との間に流れる電流Ｉｒを検出しているということができる。なお、電流検出装置６１の電気回路は必ずしも図６に示したようなものである必要はなく、排気側電極５２と大気側電極５３との間を流れる電流Ｉｒを検出することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。

＜通常運転制御の概要＞
次に、本実施の形態の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。始めに、内燃機関において目標空燃比にガス空燃比を一致させるように燃料噴射量を決定する通常運転制御について説明する。内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整する流入空燃比制御手段を備える。本実施の形態の流入空燃比制御手段は、燃焼室に供給する燃料の量を調整することにより、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整する。流入空燃比制御手段としては、この形態に限られず、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を調整可能な任意の装置を採用することができる。たとえば、流入空燃比制御手段は、排気ガスを機関吸気通路に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置を備えており、還流ガスの量を調整するように形成されていても構わない。

本実施の形態の内燃機関は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいて上流側空燃比センサ４０の出力電流（すなわち、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比）Ｉｒｕｐが目標空燃比に相当する値となるようにフィードバック制御が行われる。

目標空燃比は、下流側空燃比センサ４１の出力電流に基づいて設定される。具体的には、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ以下となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。ここで、リッチ判定基準値Ｉｒｅｆは、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）に相当する値を採用することができる。また、リーン設定空燃比は、理論空燃比よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。

本実施の形態の内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒に吸蔵される酸素の吸蔵量を取得する酸素吸蔵量取得手段を備える。目標空燃比がリーン設定空燃比の場合に、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが推定される。また、本実施の形態では目標空燃比がリッチ設定空燃比の場合にも上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが推定される。酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ、及びエアフロメータ３９等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値および燃料噴射弁１１からの燃料噴射量等に基づいて行われる。そして、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される制御を実施している期間中に、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が予め定められた判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比が、リッチ設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。本実施の形態においては、弱リッチ設定空燃比が採用されている。弱リッチ設定空燃比は、理論空燃比よりも僅かにリッチであり、例えば、１３．５〜１４．５８、好ましくは１４〜１４．５７、より好ましくは１４．３〜１４．５５程度とされる。その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが再びリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ以下となったときに再び目標空燃比がリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。

このように本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比と弱リッチ設定空燃比とに交互に設定される。特に、本実施の形態では、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、弱リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差よりも大きい。したがって、本実施の形態では、目標空燃比は、短期間のリーン設定空燃比と、長期間の弱リッチ設定空燃比とに交互に設定されることになる。

なお、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差とほぼ同じであっても構わない。すなわち、リッチ設定空燃比の深さとリーン設定空燃比の深さとがほぼ等しくなっていても構わない。このような場合には、リーン設定空燃比の期間と、リッチ設定空燃比の期間とがほぼ同じ長さになる。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
図７に、本実施の形態における第１の通常運転制御のタイムチャートを示す。図７は、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御を行った場合における、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ、及び上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。

なお、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐは、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに零になり、当該排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに負の値となり、当該排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに正の値となる。また、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比又はリーン空燃比であるときには、理論空燃比からの差が大きくなるほど、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐの絶対値が大きくなる。下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎも、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比に応じて、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと同様に変化する。また、空燃比補正量ＡＦＣは、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比に関する補正量である。空燃比補正量ＡＦＣが０のときには目標空燃比は理論空燃比とされ、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるときには目標空燃比はリーン空燃比となり、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であるときには目標空燃比はリッチ空燃比となる。

図示した例では、時刻ｔ₁以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは、弱リッチ設定空燃比に相当する値であり、０よりも小さな値である。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐが負の値となる。上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは徐々に減少していく。しかしながら、排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側の排気浄化触媒２０で浄化されるため、下流側空燃比センサの出力電流Ｉｒｄｗｎはほぼ０（理論空燃比に相当）となる。このとき、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。

上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは時刻ｔ₁において下限吸蔵量（図２のＣｌｏｗｌｉｍ参照）を超えて減少する。酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが下限吸蔵量よりも減少すると、上流側の排気浄化触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側の排気浄化触媒２０で浄化されずに流出する。このため、時刻ｔ₁以降、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが減少するのに伴って、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが徐々に低下する。このときも、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。

その後、時刻ｔ₂において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定空燃比に相当するリッチ判定基準値Ｉｒｅｆに到達する。本実施の形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆになると、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少を抑制すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは、リーン設定空燃比に相当する値であり、０よりも大きな値である。したがって、目標空燃比はリーン空燃比とされる。

なお、本実施の形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆに到達してから、すなわち上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比に到達してから、空燃比補正量ＡＦＣの切替を行っている。これは、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であっても、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比から極わずかにずれてしまう場合があるためである。すなわち、仮に出力電流Ｉｒｄｗｎが零（理論空燃比に相当）から僅かにずれた場合にも酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少していると判断してしまうと、実際には十分な酸素吸蔵量があっても酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少したと判断される可能性がある。そこで、本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比に到達して始めて酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少したと判断することとしている。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であるときには上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。

時刻ｔ₂において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えても、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はすぐにはリーン空燃比にならず、或る程度の遅れが生じる。その結果、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は時刻ｔ₃においてリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。なお、時刻ｔ₂〜ｔ₃においては、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となっているため、この排気ガス中には未燃ガスが含まれることになる。しかしながら、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。

時刻ｔ₃において上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大する。また、これに伴って、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比へと変化し、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎも０に収束する。このとき、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比となっているが、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気ガス中の酸素は上流側の排気浄化触媒２０に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。このため、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。

その後、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増大すると、時刻ｔ₄において酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ以下に設定されている。本実施の形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆになると、上流側の排気浄化触媒２０への酸素の吸蔵を中止すべく、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（０よりも小さな値）に切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。

ただし、上述したように、目標空燃比を切り替えてから上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が実際に変化するまでには遅れが生じる。このため、時刻ｔ₄にて切替を行っても、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は或る程度時間が経過した時刻ｔ₅においてリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。時刻ｔ₄〜ｔ₅においては、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比であるため、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大していく。

しかしながら、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量（図２のＣｕｐｌｉｍ参照）よりも十分に低く設定されているため、時刻ｔ₅においても酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量には到達しない。逆に言うと、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、目標空燃比を切り替えてから上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が実際に変化するまで遅延が生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量に到達しないように十分少ない量とされる。例えば、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの３／４以下、好ましくは１／２以下、より好ましくは１／５以下とされる。したがって、時刻ｔ₄〜ｔ₅においても、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。

時刻ｔ₅以降においては、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐが負の値となる。上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中には未燃ガスが含まれることになるため、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは徐々に減少していき、時刻ｔ₆において、時刻ｔ₁と同様に、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが下限吸蔵量を超えて減少する。このときも、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。

次いで、時刻ｔ₇において、時刻ｔ₂と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定空燃比に相当するリッチ判定基準値Ｉｒｅｆに到達する。これにより、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比に相当するリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ₁〜ｔ₆のサイクルが繰り返される。

なお、このような空燃比補正量ＡＦＣの制御は、電子制御ユニット３１によって行われる。したがって、電子制御ユニット３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆとなるまで、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的にリーン設定空燃比にする酸素吸蔵量増加手段と、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上となったときに、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達することなく零に向けて減少するように、目標空燃比を継続的に弱リッチ設定空燃比にする酸素吸蔵量減少手段とを具備するといえる。

以上の説明から分かるように上記実施形態によれば、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができる。すなわち、上述した制御を行っている限り、基本的には上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を少ないものとすることができる。

また、一般に、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び吸入空気量の推定値等に基づいて酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定した場合には誤差が生じる可能性がある。本実施の形態においても、時刻ｔ₃〜ｔ₄に亘って酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定しているため、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値には多少の誤差が含まれる。しかしながら、このような誤差が含まれていたとしても、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量よりも十分に低く設定しておけば、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量にまで到達することはほとんどない。したがって、斯かる観点からも上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。

また、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されると、その排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下する。これに対して、本実施の形態によれば、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは常に上下に変動しているため、酸素吸蔵能力が低下することが抑制される。

なお、上記実施形態では、時刻ｔ₂〜ｔ₄において、空燃比補正量ＡＦＣはリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。同様に、時刻ｔ₄〜ｔ₇において、空燃比補正量ＡＦＣは弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。

ただし、この場合であっても、時刻ｔ₂〜ｔ₄における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差が、時刻ｔ₄〜ｔ₇における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きくなるように設定することができる。

また、上記実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び燃焼室５内への吸入空気量の推定値等に基づいて、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが推定されている。しかしながら、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃはこれらパラメータに加えて他のパラメータに基づいて算出されてもよいし、これらパラメータとは異なるパラメータに基づいて推定されてもよい。また、上記実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えられる。しかしながら、目標空燃比をリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えるタイミングは、例えば目標空燃比を弱リッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へ切り替えてからの機関運転時間等、他のパラメータを基準としてもよい。ただし、この場合であっても、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量よりも少ないと推定される間に、目標空燃比をリーン設定空燃比から弱リッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。

＜下流側触媒も用いた制御の説明＞
また、本実施の形態では、上流側の排気浄化触媒２０に加えて下流側の排気浄化触媒２４も設けられている。下流側の排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは或る程度の期間毎に行われる燃料カット（Ｆ／Ｃ）制御によって最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値とされる。このため、たとえ上流側の排気浄化触媒２０から未燃ガスを含んだ排気ガスが流出したとしても、これら未燃ガスは下流側の排気浄化触媒２４において酸化浄化される。

ここで、燃料カット制御とは、内燃機関を搭載する車両の減速時等において、クランクシャフトやピストン３が運動している状態であっても、燃料噴射弁１１から燃料の噴射を停止する制御である。この制御を行うと、排気浄化触媒２０および排気浄化触媒２４には多量の空気が流入することになる。

以下、図８を参照して、下流側の排気浄化触媒２４における酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推移について説明する。図８は、図７と同様な図であり、図７のＮＯｘ濃度の推移に換えて、下流側の排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ及び下流側の排気浄化触媒２４から流出する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）の濃度の推移を示している。また、図８に示した例では、図７に示した例と同一の制御を行っている。

図８に示した例では、時刻ｔ₁以前に燃料カット制御が行われている。このため、時刻ｔ₁以前において、下流側の排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値となっている。また、時刻ｔ₁以前においては、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比に保たれる。このため、下流側の排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは一定に維持される。

その後、時刻ｔ₁〜ｔ₄において、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっている。このため、下流側の排気浄化触媒２４には、未燃ガスを含む排気ガスが流入する。

上述したように、下流側の排気浄化触媒２４には多量の酸素が吸蔵されているため、下流側の排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中に未燃ガスが含まれていると、吸蔵されている酸素により未燃ガスが酸化浄化される。また、これに伴って、下流側の排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは減少する。ただし、時刻ｔ₁〜ｔ₄において上流側の排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスはそれほど多くないため、この間の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの減少量はわずかである。このため、時刻ｔ₁〜ｔ₄において上流側の排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスは全て下流側の排気浄化触媒２４において還元浄化される。

時刻ｔ₆以降についても、或る程度の時間間隔毎に時刻ｔ₁〜ｔ₄における場合と同様に、上流側の排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出する。このようにして流出した未燃ガスは基本的に下流側の排気浄化触媒２４に吸蔵されている酸素により還元浄化される。したがって、下流側の排気浄化触媒２４からは未燃ガスが流出することはほとんどない。上述したように、上流側の排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量が少ないものとされることを考えると、本実施の形態によれば、下流側の排気浄化触媒２４からの未燃ガス及びＮＯｘの排出量は常に少ないものとされる。

＜具体的な制御の説明＞
次に、図９及び図１０を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。本実施の形態における制御装置は、機能ブロック図である図９に示したように、Ａ１〜Ａ９の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図９を参照しながら各機能ブロックについて説明する。

＜燃料噴射量の算出＞
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、筒内吸入空気量算出手段Ａ１、基本燃料噴射量算出手段Ａ２、及び燃料噴射量算出手段Ａ３が用いられる。

筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、エアフロメータ３９によって計測される吸入空気流量Ｇａと、クランク角センサ４４の出力に基づいて算出される機関回転数ＮＥと、電子制御ユニット３１のＲＯＭ３４に記憶されたマップ又は計算式とに基づいて、各気筒への吸入空気量Ｍｃを算出する。

基本燃料噴射量算出手段Ａ２は、筒内吸入空気量算出手段Ａ１によって算出された筒内吸入空気量Ｍｃを、後述する目標空燃比設定手段Ａ６によって算出された目標空燃比ＡＦＴで除算することにより、基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅを算出する（Ｑｂａｓｅ＝Ｍｃ／ＡＦＴ）。

燃料噴射量算出手段Ａ３は、基本燃料噴射量算出手段Ａ２によって算出された基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅに、後述するＦ／Ｂ補正量ＤＱｉを加えることで燃料噴射量Ｑｉを算出する（Ｑｉ＝Ｑｂａｓｅ＋ＤＱｉ）。このようにして算出された燃料噴射量Ｑｉの燃料が燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１に対して噴射指示が行われる。

＜目標空燃比の算出＞
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、酸素吸蔵量取得手段として機能する酸素吸蔵量算出手段Ａ４、目標空燃比補正量算出手段Ａ５、及び目標空燃比設定手段Ａ６が用いられる。

酸素吸蔵量算出手段Ａ４は、燃料噴射量算出手段Ａ３によって算出された燃料噴射量Ｑｉ及び上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいて上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔを算出する。例えば、酸素吸蔵量算出手段Ａ４は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに対応する空燃比と理論空燃比との差分に燃料噴射量Ｑｉを乗算すると共に、求めた値を積算することによって酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔを算出する。なお、酸素吸蔵量算出手段Ａ４による上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定は、常時行われていなくてもよい。例えば、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ実際に切り替えられたとき（図７における時刻ｔ₃）から、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する（図７における時刻ｔ₄）までの間のみ酸素吸蔵量を推定してもよい。

目標空燃比補正量算出手段Ａ５では、酸素吸蔵量算出手段Ａ４によって算出された酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔと、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎとに基づいて、目標空燃比の空燃比補正量ＡＦＣが算出される。具体的には、空燃比補正量ＡＦＣは、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ（リッチ判定空燃比に相当する値）以下となったときに、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。その後、空燃比補正量ＡＦＣは、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達するまで、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持される。酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達すると、空燃比補正量ＡＦＣは弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされる。その後、空燃比補正量ＡＦＣは、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ（リッチ判定空燃比に相当する値）となるまで、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。

目標空燃比設定手段Ａ６は、基準となる空燃比、本実施の形態では理論空燃比ＡＦＲに、目標空燃比補正量算出手段Ａ５で算出された空燃比補正量ＡＦＣを加算することで、目標空燃比ＡＦＴを算出する。したがって、目標空燃比ＡＦＴは、弱リッチ設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの場合）か、又はリーン設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの場合）のいずれかとされる。このようにして算出された目標空燃比ＡＦＴは、基本燃料噴射量算出手段Ａ２及び後述する空燃比差算出手段Ａ８に入力される。

図１０は、空燃比補正量ＡＦＣの算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図１０に示したように、まず、ステップＳ１１において空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立しているか否かが判定される。空燃比補正量の算出条件が成立している場合とは、例えば燃料カット制御中ではないこと等が挙げられる。ステップＳ１１において目標空燃比の算出条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ、燃料噴射量Ｑｉが取得せしめられる。次いでステップＳ１３では、ステップＳ１２で取得された上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び燃料噴射量Ｑｉに基づいて酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが算出される。

次いでステップＳ１４において、リーン設定フラグＦｒが０に設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｒは、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されると１とされ、それ以外の場合には０とされる。ステップＳ１４においてリーン設定フラグＦｒが０に設定されている場合には、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆよりも大きいと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが減少して、上流側の排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が低下すると、ステップＳ１５にて下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ以下であると判定される。この場合には、ステップＳ１６へと進み、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。次いで、ステップＳ１７では、リーン設定フラグＦｒが１に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

次の制御ルーチンにおいては、ステップＳ１４において、リーン設定フラグＦｒが０に設定されていないと判定されて、ステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８では、ステップＳ１３で算出された酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも少ないか否かが判定される。酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも少ないと判定された場合にはステップＳ１９へと進み、空燃比補正量ＡＦＣが引き続きリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。一方、上流側の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増大すると、やがてステップＳ１８において酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上であると判定されてステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされ、次いで、ステップＳ２１では、リーン設定フラグＦｒが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
再び図９に戻って、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいたＦ／Ｂ補正量の算出について説明する。Ｆ／Ｂ補正量の算出に当たっては、数値変換手段Ａ７、空燃比差算出手段Ａ８、Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ９が用いられる。

数値変換手段Ａ７は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと空燃比との関係を規定したマップ又は計算式（例えば、図５に示したようなマップ）とに基づいて、出力電流Ｉｒｕｐに相当する上流側排気空燃比ＡＦｕｐを算出する。したがって、上流側排気空燃比ＡＦｕｐは、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に相当する。

空燃比差算出手段Ａ８は、数値変換手段Ａ７によって求められた上流側排気空燃比ＡＦｕｐから目標空燃比設定手段Ａ６によって算出された目標空燃比ＡＦＴを減算することによって空燃比差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ−ＡＦＴ）。この空燃比差ＤＡＦは、目標空燃比ＡＦＴに対する燃料供給量の過不足を表す値である。

Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ９は、空燃比差算出手段Ａ８によって算出された空燃比差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（２）に基づいて燃料供給量の過不足を補償するためのＦ／Ｂ補正量ＤＦｉを算出する。このようにして算出されたＦ／Ｂ補正量ＤＦｉは、燃料噴射量算出手段Ａ３に入力される。

ＤＦｉ＝Ｋｐ・ＤＡＦ＋Ｋｉ・ＳＤＡＦ＋Ｋｄ・ＤＤＡＦ …（２）

なお、上記式（２）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、ＤＤＡＦは、空燃比差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比差ＤＡＦと前回更新されていた空燃比差ＤＡＦとの差を更新間隔に対応する時間で除算することで算出される。また、ＳＤＡＦは、空燃比差ＤＡＦの時間積分値であり、この時間積分値ＤＤＡＦは前回更新された時間積分値ＤＤＡＦに今回更新された空燃比差ＤＡＦを加算することで算出される（ＳＤＡＦ＝ＤＤＡＦ＋ＤＡＦ）。

なお、上記実施形態では、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を上流側空燃比センサ４０によって検出している。しかしながら、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の検出精度は必ずしも高い必要はないことから、例えば、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量及びエアフロメータ３９の出力に基づいてこの排気ガスの空燃比を推定するようにしてもよい。

このように、通常運転制御においては、上流側の排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比の状態とリーン空燃比の状態とを繰り返し、更に酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量の近傍に到達することを回避する制御を行うことにより、ＮＯｘの流出を抑制することができる。本実施の形態では、通常運転制御において、上流側の排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする制御をリッチ制御と称し、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比にする制御をリーン制御と称する。すなわち、通常運転制御では、リッチ制御とリーン制御とを繰り返して行う。

＜リーン検出時の制御の説明＞
ところで、通常運転制御を行っている期間中に、排気浄化触媒に経年劣化が生じたり、排気ガスに含まれる炭化水素の付着や硫黄成分による被毒が生じたりすることにより、酸素吸蔵能力が低下する場合がある。酸素吸蔵能力が低下すると、排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気になる場合がある。たとえば、リーン空燃比の排気ガスが排気浄化触媒に流入した時に酸素を十分に吸蔵できずに排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気になる場合がある。その結果、ＮＯｘを十分に浄化できない虞がある。排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下すると、ＮＯｘの浄化能力が恒常的に低下する。

一方で、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が十分であっても、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が所望の空燃比よりも一時的に高くなる場合がある。たとえば、要求負荷の変化に伴って加速または減速する場合には、燃焼室における燃焼時の空燃比を変化させる場合がある。燃焼時の空燃比の変動時には、燃焼時の空燃比の乱れにより所望の空燃比よりもリーンになる場合がある。燃焼時の空燃比が所望の空燃比よりもリーンになると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比も所望の空燃比よりもリーンになる。この結果、排気浄化触媒の内部がリーン雰囲気になり、ＮＯｘを十分に浄化できなくなる虞がある。

排気浄化触媒２０の内部がリーン雰囲気になると、排気浄化触媒２０からの流出する排気ガスの空燃比もリーン空燃比になる。そこで、本実施の形態の内燃機関の制御装置においては、通常運転制御の実施期間中に排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことを検出すると共に、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ空燃比にする制御を行う。本実施の形態においては、この制御をリーン検出時の制御と称し、リーン検出時の制御では排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を補助リッチ設定空燃比に制御する。

本実施の形態では、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が、予め定められたリーン判定空燃比以上になった場合に排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判別する。本実施の形態では、リーン判定空燃比が予め定められている。リーン判定空燃比は、リッチ判定空燃比と同様に、運転期間中における理論空燃比からの微小変動分を考慮して、理論空燃比から僅かにリーンの値を採用することができる。このようなリーン判定空燃比は、たとえば１４．６５を採用することができる。本実施の形態においては、リーン判定空燃比に対応する下流側空燃比センサ４１の出力電流のリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘが予め設定されている。

図１１に、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった場合のリーン検出時の制御のタイムチャートを示す。図１１には、電子制御ユニット３１により推定される排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値および酸素放出量の推定値のグラフが示されている。酸素放出量は負の値にて示されており、絶対値が大きくなるほど酸素放出量が多いことを示している。酸素吸蔵量は、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切替えられる時に零にされている。更に、酸素放出量は、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切替えられる時に零にされている。

時刻ｔ₃までは、第１の通常運転制御と同様の制御を行っている（図７参照）。すなわち、時刻ｔ₂において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆに到達している。時刻ｔ₂において、空燃比補正量が弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられている。時刻ｔ₃において排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに対応するリーン空燃比になる。時刻ｔ₃以降には、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増加し、下流側空燃比センサ４１の出力電流は、零に向かって上昇する。

この時に、排気浄化触媒２０の劣化や燃焼時の空燃比の乱れ等に起因して、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ未満であるにも関わらず、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零よりも大きくなっている。時刻ｔ₁₁において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘに到達している。

本実施の形態の制御装置は、時刻ｔ₁₁において、下流側空燃比センサ４１の出力電流がリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘに到達したことを検出し、リーン検出時の制御を実施する。排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が補助リッチ設定空燃比になるように空燃比補正量を変更する。空燃比補正量をリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎから補助リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈｘに切り替える。補助リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈｘは予め設定されている。図１１に示す制御例では、補助リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈｘは、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈよりも絶対値が大きくなるように設定されている。

時刻ｔ₁₂において、上流側空燃比センサ４０の出力がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替わっている。時刻ｔ₁₂以降には下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが減少する。このように排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする制御を行うことによって、下流側空燃比センサ４１の出力電流を、速やかに零に戻すことができる。つまり、排気浄化触媒２０の内部および排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比を理論空燃比にすることができる。

図１１に示す例では、下流側空燃比センサ４１の出力電流が零に戻るまで、リーン検出時の制御を継続している。制御装置は、時刻ｔ₁₃において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零になったことを検出し、リーン検出時の制御を終了している。時刻ｔ₁₃において、空燃比補正量を通常運転制御のリッチ制御の空燃比に対応する弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに戻している。時刻ｔ₁₄において、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が弱リッチ空燃比に戻っている。時刻ｔ₁₃以降は、前述の通常運転制御を実施している。

図１１の酸素吸蔵量および酸素放出量のグラフには、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比にならなかった場合が一点鎖線で示されている。リーン検出時の制御を行った場合には、通常運転制御のリーン制御において吸蔵される酸素量よりも少ない状態でリーン空燃比からリッチ空燃比に切替えられる。

この様に、通常運転制御の期間中にリーン検出時の制御を実施することにより、排気浄化触媒２０の内部がリーン雰囲気になった場合に速やかに理論空燃比に戻して、排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出を抑制することができる。

上記のリーン検出時の制御では、リーン検出時の制御の補助リッチ設定空燃比を通常運転制御のリッチ制御のリッチ設定空燃比よりもリッチにしているが、この形態に限られず、補助リッチ設定空燃比をリッチ設定空燃比と同一にしても構わない。すなわち、リーン検出時の制御として、通常運転制御のリーン制御からリッチ制御に切り替える制御を実施しても構わない。以下の説明では、リーン検出時の制御として、通常運転制御のリーン制御からリッチ制御に切り替える制御を例に取り上げて説明する。

＜判定基準減少制御および触媒異常判定制御の説明＞
リーン検出時の制御では、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切替えてＮＯｘの流出を抑制する。ところが、排気浄化触媒２０の経年劣化等により排気浄化触媒２０の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが低下している場合には、リーン制御を実施する度に排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になる場合がある。そこで、制御装置は、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったことを検出した場合には、排気浄化触媒の判定基準吸蔵量を減少させる判定基準減少制御を実施することができる。判定基準減少制御では、リーン制御により排気浄化触媒２０に供給する酸素量（酸素吸蔵量）を低減する。

制御装置は、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が、予め定められたリーン判定空燃比以上になった場合に、排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判別することができる。このようなリーン判定空燃比は、リーン検出時の制御のためのリーン判定空燃比と同様の判定値を採用することができる。本実施の形態においては、リーン判定空燃比に対応する下流側空燃比センサ４１の出力電流のリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘが予め設定されている。なお、判定基準減少制御のための排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判定する判定値と、リーン検出時の制御のための排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判定する判定値とが互いに異なっていても構わない。

本実施の形態における判定基準減少制御では、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったリーン制御の回数に基づいて判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを減少する。

図１２に、本実施の形態における第２の通常運転制御のタイムチャートを示す。判定基準減少制御を実施する前の初期の判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ１は、予め設定されている。また、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であることが検出された場合には、リーン検出時の制御を実施している。ここでのリーン検出時の制御としては、一時的に深いリッチ空燃比を設定する制御を行わずに、通常運転制御のリーン制御からリッチ制御に切り替えている。

制御装置は、リーン制御の実施回数である頻度Ｎｔを検出する。また、制御装置は、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった回数であるリーン検出回数Ｎｘを検出する。本実施の形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが、リーン判定基準値Ｉｒｅｆｘ以上になった回数を検出する。

そして、制御装置は、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔに到達する前に、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘに到達した場合に判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを減少させる判定基準減少制御を実施する。すなわち、リーン制御の実施回数のうち所定の割合以上で排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になる回数が検出された場合には、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを減少させる制御を行う。

時刻ｔ₂₁までは、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比にならずに、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ１が一定に維持されている。時刻ｔ₂₂において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘに到達し、リーン検出時の制御を行っている。空燃比補正量は、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎから弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに変更されている。

次に、時刻ｔ₂₃において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｅｆに到達して、リッチ制御からリーン制御に切り替えられている。このときのリーン制御では、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比は、リーン空燃比に到達せずに、ほぼ理論空燃比以下に維持されている。時刻ｔ₂₄において、酸素吸蔵量の推定値が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ１に到達して、リーン制御からリッチ制御に切り替えられている。リーン検出時の制御を実施せずに１回のリーン制御を終了している。

複数回のリーン制御には、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になる場合と、理論空燃比以下に維持される場合とが混在する。制御装置は、１回のリーン制御を行うと頻度Ｎｔを１ずつ増加する。また、制御装置は、１回のリーン制御の期間中にリーン空燃比が検出されるとリーン検出回数Ｎｘを１ずつ増加する。図１２に示す制御例では、時刻ｔ₂₁から開始するリーン制御により、頻度Ｎｔが０から１になる。また、リーン検出回数Ｎｘが０から１になる。時刻ｔ₂₃から開始するリーン制御により、頻度Ｎｔが１から２になる。一方で、リーン検出回数Ｎｘは１のままで維持される。

本実施の形態における通常運転制御では、頻度Ｎｔおよびリーン検出回数Ｎｘを検出しながらリッチ制御とリーン制御を繰り返している。時刻ｔ₂₅、時刻ｔ₂₆および時刻ｔ₂₇から開始するリーン制御では、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている。それぞれのリーン制御において、頻度Ｎｔとリーン検出回数Ｎｘとが増加している。

本実施の形態においては、リーン制御を行う頻度Ｎｔに関する頻度判定値ＣＮｔが予め定められている。さらに、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になったと判別されるリーン検出回数Ｎｘに関するリーン検出回数判定値ＣＮｘが予め定められている。

時刻ｔ₂₇から開始するリーン制御では、時刻ｔ₂₈において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘに到達し、リーン検出時の制御が行われている。リーン検出回数Ｎｘは、１が加算されて、リーン検出回数判定値ＣＮｘに到達している。これに対して、頻度Ｎｔは、１が加算されるが、頻度判定値ＣＮｔ未満である。

制御装置は、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔに到達する前に、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘに到達したことを検出する。そして、制御装置は、時刻ｔ₂₉において判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを減少させる制御を行っている。本実施の形態においては、１回の減少量ＤＣＬが予め設定されている。判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ１から判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ２に変更されている。

なお、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔに到達した場合、またはリーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘに到達した場合には、頻度Ｎｔおよびリーン検出回数Ｎｘを零にする制御を行うことができる。すなわち、頻度Ｎｔおよびリーン検出回数Ｎｘをリセットする制御を行うことができる。

判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが減少することにより、１回のリーン制御において排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素量が減少する。このために、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になるリーン制御の回数を減少させることができる。

時刻ｔ₂₉以降において、時刻ｔ₃₁から開始するリーン制御および時刻ｔ₃₂から開始するリーン制御では、いずれのリーン制御においても排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比は、ほぼ理論空燃比以下に維持されている。

通常運転制御を継続すると、排気浄化触媒２０の劣化により最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが徐々に低下する。そして、判定基準減少制御により、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを徐々に減少させることができる。通常運転制御を継続した後の時刻ｔ₃₃においては、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ３まで減少している。また、時刻ｔ₃₃において開始するリーン制御では、時刻ｔ₃₄において排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている。

時刻ｔ₃₅から開始するリーン制御では、時刻ｔ₃₆において排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になり、リーン検出回数Ｎｘを１増加し、頻度Ｎｔを１増加する。この結果、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘに到達している。制御装置は、時刻ｔ₃₇において判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを減少量ＤＣＬにて減少させる制御を行っている。判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ３から判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ４に変更されている。

時刻ｔ₃₇以降の通常運転制御も同様の制御を繰り返している。時刻ｔ₄₁から開始するリーン制御および時刻ｔ₄₂から開始するリーン制御では、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ４に到達し、リーン制御からリッチ制御に切替えられている。

このように、第２の通常運転制御においては、複数回のリーン制御を行ったときに、予め定められた割合以上でリーン空燃比が検出された場合に判定基準吸蔵量を減少させる制御を実施している。換言すると、判定基準減少制御では、リーン制御の実施回数に対する排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数の割合が予め定められた判定値よりも大きくなった場合に判定基準吸蔵量を減少している。

また本実施の形態では、複数回のリーン制御を行ったときに、リーン空燃比が検出された割合が予め定められた割合の判定値未満の場合には、判定基準吸蔵量を維持している。リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘに到達する前に頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔに到達した場合には、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを変更せずに維持している。

判定基準減少制御を実施することにより、リーン制御からリッチ制御に切り替える時の排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を少なくすることができる。すなわち、リーン制御において、排気浄化触媒２０に供給する酸素量を、排気浄化触媒２０の劣化等により低下した最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘよりも少ない量にすることができる。排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘの変化に応じて判定基準吸蔵量を設定することができる。この結果、排気浄化触媒２０に酸素が吸蔵されずに排気浄化触媒２０の内部がリーン雰囲気になることを抑制することができる。排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することを抑制できる。

ところで、排気浄化触媒２０が所定の酸素吸蔵能力未満になった場合には、排気浄化触媒２０が劣化して異常であると判別することができる。本実施の形態の制御装置は、排気浄化触媒２０が異常であると判別する触媒異常判定制御を実施する。判定基準減少制御を繰り返すと判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが徐々に低下する。第２の通常運転制御では、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが予め定められた劣化判定値ＣＣｒｅｆ未満になった場合に、排気浄化触媒が異常であると判別する。

図１２に示す制御例では、時刻ｔ₃₇において、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが減少して劣化判定値ＣＣｒｅｆ未満になっている。制御装置は、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが劣化判定値ＣＣｒｅｆ未満であることを検出し、排気浄化触媒２０が異常であると判別している。たとえば、制御装置は、運転席前のインストルメントパネルに配置された排気浄化触媒の異常を通知する警告灯を点灯させる。使用者は、排気浄化触媒の異常を通知する警告灯が点灯したことを確認し、排気浄化触媒の修理を依頼することができる。

図１３に、本実施の形態の第２の通常運転制御のフローチャートを示す。ステップＳ１１からステップＳ１４は、第１の通常運転制御と同様である（図１０参照）。

ステップＳ１４において、リーン設定フラグＦｒが０でない場合には、ステップＳ４１に移行する。すなわち、空燃比補正量がリーン設定補正量に設定され、リーン制御を実施している場合には、ステップＳ４１に移行する。ステップＳ４１においては、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘに到達しているか否かが判別される。すなわち、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が、予め定められたリーン判定空燃比未満であるか否かが判別される。

ステップＳ４１において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘ以上の場合には、ステップＳ４２に移行する。この場合には、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比は、リーン空燃比であると判別することができる。ステップＳ４２においては、リーン検出回数Ｎｘに１を加える制御を行う。

次に、ステップＳ２０においては、空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに変更する。すなわち、リーン制御からリッチ制御に切り替える。ステップＳ２１においては、リーン設定フラグＦｒを１から０に変更する。次に、ステップＳ４３においては、頻度Ｎｔに１が加算される。

一方で、ステップＳ４１において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘ未満である場合には、ステップＳ１８に移行する。ステップＳ１８においては、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達しているか否かを判別する。ステップＳ１８において、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ未満である場合には、ステップＳ１９に移行する。ステップＳ１９において、空燃比補正量ＡＦＣにリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが設定されてリーン制御が継続される。

ステップＳ１８において、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上の場合には、ステップＳ２０に移行する。この場合には、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比に到達することなく、判定基準吸蔵量まで酸素が吸蔵されている。この場合には、ステップＳ２０およびステップＳ２１において、リーン制御からリッチ制御に切り替えられる。そして、ステップＳ４３において、頻度Ｎｔに１が加算される。ステップＳ１４において、リーン設定フラグＦｒが０である場合は、図１０に示す第１の通常運転制御と同様である。

このように、第２の通常運転制御では、リーン制御の実施回数である頻度Ｎｔおよび排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった回数であるリーン検出回数Ｎｘが検出される。

図１４に、第２の通常運転制御において、判定基準吸蔵量を設定する制御および排気浄化触媒の異常を判別する制御のフローチャートを示す。図１４に示す制御は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに実施することができる。または、１回のリーン制御が終了するごとに実施することができる。

ステップＳ５１においては、現在のリーン検出回数Ｎｘを読み込む。ステップＳ５２においては、現在の頻度Ｎｔを読み込む。ステップＳ５３においては、現在の判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを読み込む。

ステップＳ５４においては、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘ以上であるか否かを判別する。すなわち、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘに到達しているか否かを判別する。リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘ以上の場合には、ステップＳ５５に移行する。ステップＳ５５においては、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを減少させる制御を行う。本実施の形態においては、予め設定された減少量ＤＣＬにて判定基準吸蔵量を減少させている。

ここで、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを減少する制御を繰り返すと、判定基準吸蔵量が零以下になる虞がある。たとえば、判定基準吸蔵量が負の値になる虞がある。ところが、酸素吸蔵量が零未満になることは生じ得ない。または、本実施の形態の制御装置では、判定基準吸蔵量が予め定められた劣化判定値まで減少すると、制御装置は、使用者に排気浄化触媒の異常を通知する制御を行う。使用者に排気浄化触媒の異常を通知した場合には、使用者に対して排気浄化触媒の交換等が要求されるために、判定基準吸蔵量を更に減少させて管理を行う意義は小さくなる。

このために、本実施の形態においては、判定基準吸蔵量の下限のガード値として、吸蔵量下限ガード値が予め設定されている。吸蔵量下限ガード値は、判定基準吸蔵量が吸蔵量下限ガード値未満にならないように設定する値である。または、判定基準吸蔵量を設定する必要がある範囲の最小値が吸蔵量下限ガード値である。

ステップＳ５６においては、ステップＳ５５において算出した判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが予め設定された吸蔵量下限ガード値未満であるか否かを判別する。ステップＳ５６において、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが、吸蔵量下限ガード値未満である場合には、ステップＳ５７に移行する。ステップＳ５７においては、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆとして、吸蔵量下限ガード値を採用する。ステップＳ５６において、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが吸蔵量下限ガード値以上の場合には、ステップＳ５５にて設定された判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを採用する。

次に、ステップＳ６０においては、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが劣化判定値ＣＣｒｅｆ未満であるか否かを判別する。ステップＳ６０において、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが劣化判定値ＣＣｒｅｆ未満である場合には、ステップＳ６１に移行する。ステップＳ６１においては、排気浄化触媒２０が異常であると判定することができる。そして、制御装置は、排気浄化触媒２０が異常である警告灯を点灯させる。

ステップＳ６０において、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆが劣化判定値ＣＣｒｅｆ以上である場合には、排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力が許容範囲内であると判別することができる。排気浄化触媒２０は正常であると判別することができる。この場合には、ステップＳ６２に移行する。

ステップＳ６２においては、リーン検出回数Ｎｘを零にする。また、ステップＳ６３においては、頻度Ｎｔを零にする。このように、判定基準吸蔵量を減少する判定基準減少制御および排気浄化触媒が劣化しているか否かを判別する触媒異常判定制御を実施することができる。

一方で、ステップＳ５４において、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘ未満である場合には、ステップＳ５８に移行する。ステップＳ５８においては、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔ以上であるか否かを判別する。すなわち、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔに到達しているか否かを判別する。ステップＳ５８において、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔ未満である場合には、この制御を終了する。

ステップＳ５８において、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔ以上である場合には、ステップＳ６２に移行する。この場合には、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘに到達する前に、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔに到達している。判定基準吸蔵量を現在の値に維持して、リーン検出回数Ｎｘおよび頻度Ｎｔをリセットする。ステップＳ６２においては、リーン検出回数Ｎｘを零にする。また、ステップＳ６３において、頻度Ｎｔを零にする。

このように、本実施の形態の制御装置は、排気浄化触媒２０の劣化の進行とともに判定基準吸蔵量を減少させることができる。更に、制御装置は、排気浄化触媒２０が異常であるか否かを判定することができる。

判定基準減少制御としては、上記の形態に限られず、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった場合に実施することができる。たとえば、判定基準減少制御は、リーン制御の頻度を検出せずに、リーン検出回数が予め定められた回数の判定値に到達した場合に判定基準吸蔵量を減少させる制御を実施しても構わない。または、１回のリーン検出時の制御を実施する度に判定基準吸蔵量を減少させても構わない。更には、至近の予め定められた実施回数のリーン制御において、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に到達した回数が予め定められた回数の判定値に到達した場合に判定基準吸蔵量を減少させる制御を実施しても構わない。

なお、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になった場合には、リーン制御におけるリーン設定空燃比を小さくする制御を実施しても構わない。すなわち、リーン制御における排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ側に変更しても構わない。排気浄化触媒２０が劣化等した場合には、単位時間あたりに排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素量が減少する。すなわち、酸素の吸蔵速度が低下する。リーン設定空燃比をリッチ側に変更することにより、単位時間に流入する酸素量を低減することができて、排気浄化触媒２０の内部がリーン雰囲気になることを抑制することができる。この結果、排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することを抑制できる。

また、排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比の判定において、燃焼時の空燃比の変動等に起因して誤った判定を行う場合がある。または、炭化水素または硫黄の吸着等により一時的に最大酸素吸蔵量が減少している場合には、最大酸素吸蔵量が回復する場合がある。または、判定基準減少制御における判定基準吸蔵量の減少量が大きすぎる場合がある。このために、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満に維持されている場合には、判定基準吸蔵量を増加させる制御を実施しても構わない。更には、リーン制御の実施期間中に排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満に維持されている場合には、リーン制御におけるリーン設定空燃比をリーン側に変更する制御を実施しても構わない。

図１５に、本実施の形態における第３の通常運転制御のタイムチャートを示す。第３の通常運転制御においては、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを変更せずに、リーン制御の実施回数およびリーン検出時の制御の実施回数に基づいて、排気浄化触媒２０の異常の有無を判別する。

時刻ｔ₂₁から時刻ｔ₂₈までの制御は、第２の通常運転制御と同様である（図１２参照）。時刻ｔ₂₇から開始するリーン制御では、時刻ｔ₂₈において下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｅｆｘに到達し、リーン検出時の制御が行われている。リーン検出回数Ｎｘは、１が加算されて、リーン検出回数判定値ＣＮｘに到達している。これに対して、頻度Ｎｔは、頻度判定値ＣＮｔ未満である。

制御装置は、時刻ｔ₂₉において、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔに到達する前に、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘに到達したことを検出する。制御装置は、排気浄化触媒２０が劣化して異常であると判別することができる。時刻ｔ₂₉では、頻度Ｎｔおよびリーン検出回数Ｎｘが零にリセットされている。時刻ｔ₅₁以降では、通常運転制御を継続している。

このように第３の通常運転制御では、リーン制御の実施回数に対するリーン検出時の制御の実施回数の割合に基づいて、排気浄化触媒の異常を判別している。より具体的には、リーン制御の実施回数に対する排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数の割合が予め定められた割合判定値よりも大きくなった場合に排気浄化触媒が異常であると判別している。

図１６に、本実施の形態の第３の通常運転制御において、排気浄化触媒が異常か否かを判別する触媒異常判定制御のフローチャートを示す。図１６に示す制御は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに実施することができる。または、１回のリーン制御が終了するごとに実施することができる。

ステップＳ５１からステップＳ５４までは、第２の通常運転制御と同様である（図１４参照）。ステップＳ５４において、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘ以上である場合には、ステップＳ６１に移行する。ステップＳ６１においては、排気浄化触媒２０が劣化して異常であると判別する。そして、ステップＳ６２において、リーン検出回数Ｎｘを零にする。また、ステップＳ６３において、頻度Ｎｔを零にする。

一方で、ステップＳ５４において、リーン検出回数Ｎｘがリーン検出回数判定値ＣＮｘ未満である場合には、ステップＳ５８に移行する。ステップＳ５８においては、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔ以上であるか否かを判別する。ステップＳ５８において、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔ未満である場合には、この制御を終了する。

ステップＳ５８において、頻度Ｎｔが頻度判定値ＣＮｔ以上である場合には、ステップＳ６２に移行する。この場合には、排気浄化触媒２０は正常であると判別することができる。そして、ステップＳ６２およびステップＳ６３において、リーン検出回数Ｎｘおよび頻度Ｎｔを零にリセットする。

このように、第３の通常運転制御では、判定基準吸蔵量を変化させずに排気浄化触媒が異常か否かを判別することができる。なお、上記の制御では、リーン制御の実施回数が予め定められた回数の判定値に到達した場合には零にしているが、この形態に限られず、至近の予め定められた実施回数のリーン制御に基づいて判定しても構わない。すなわち、至近の予め定められた実施回数のリーン制御において、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に到達した回数が予め定められた回数の判定値に到達した場合に排気浄化触媒が異常であると判別しても構わない。

本実施の形態のリーン制御においては、連続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンにしているが、この形態に限られず、断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンにしても構わない。また、同様に、リッチ制御においても、連続的または断続的に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチにすることができる。

上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。更に、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される形態の変更が含まれている。

５ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁
１９ 排気マニホルド
２０ 排気浄化触媒
３１ 電子制御ユニット
４０ 上流側空燃比センサ
４１ 下流側空燃比センサ

Claims (4)

1. 機関排気通路において酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記排気浄化触媒の上流に配置され、前記排気浄化触媒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と、
   前記排気浄化触媒の下流に配置され、前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
   前記排気浄化触媒に吸蔵される酸素の吸蔵量を取得する酸素吸蔵量取得手段とを備え、
   前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以下である判定基準吸蔵量以上になるまで、断続的または連続的に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンなリーン設定空燃比にするリーン制御と、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であるリッチ判定空燃比以下になるまで、連続的または断続的に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ設定空燃比にするリッチ制御とを含む通常運転制御を実施するように形成されており、
   通常運転制御は、リーン制御の期間中に酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量以上になった場合にリッチ制御に切り替えて、リッチ制御の期間中に下流側空燃比センサの出力がリッチ判定空燃比以下になった場合にリーン制御に切り替える制御を含み、
   前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比の領域においてリーン判定空燃比が予め定められており、
   通常運転制御は、リーン制御の実施期間中に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった場合に、リーン制御における判定基準吸蔵量を減少させる判定基準減少制御を含み、
   判定基準吸蔵量が予め定められた劣化判定値未満になった場合に、前記排気浄化触媒が異常であると判別することを特徴とする、内燃機関の制御装置。
2. リーン制御の実施回数および前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数を検出し、
   リーン制御の実施回数に対する前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数の割合が予め定められた判定値よりも大きくなった場合に判定基準減少制御を実施する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 通常運転制御は、リーン制御の実施期間中に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比未満に維持されている場合に、判定基準吸蔵量を維持する制御を含む、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 機関排気通路において酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記排気浄化触媒の上流に配置され、前記排気浄化触媒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と、
   前記排気浄化触媒の下流に配置され、前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
   前記排気浄化触媒に吸蔵される酸素の吸蔵量を取得する酸素吸蔵量取得手段とを備え、
   前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量以下である判定基準吸蔵量以上になるまで、断続的または連続的に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリーンなリーン設定空燃比にするリーン制御と、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であるリッチ判定空燃比以下になるまで、連続的または断続的に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチなリッチ設定空燃比にするリッチ制御とを含む通常運転制御を実施するように形成されており、
   通常運転制御は、リーン制御の期間中に酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量以上になった場合にリッチ制御に切り替えて、リッチ制御の期間中に下流側空燃比センサの出力がリッチ判定空燃比以下になった場合にリーン制御に切り替える制御を含み、
   前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比の領域においてリーン判定空燃比が予め定められており、
   リーン制御の実施回数および前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数を検出し、
   リーン制御の実施回数に対する前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比がリーン判定空燃比以上になった回数の割合が予め定められた割合判定値よりも大きくなった場合に前記排気浄化触媒が異常であると判別することを特徴とする、内燃機関の制御装置。

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