JP6256240B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
従来から、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を設けると共に、この排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に空燃比センサを、この排気浄化触媒の下流側に起電力式の酸素センサを設けた内燃機関が広く知られている。斯かる内燃機関の制御装置では、これら空燃比センサ及び酸素センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量が制御される。
しかしながら、起電力式の酸素センサでは、酸素センサ周りの排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）から理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）に変化したときと、リーン空燃比からリッチ空燃比に変化したときとでは、同一空燃比に対する出力が変わる。このため、排気浄化触媒の下流側に限界電流式の空燃比センサを用いる事が提案されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、斯かる下流側空燃比センサを用いた場合であっても、経時劣化や初期のばらつき等によりその出力にずれが生じる場合がある。そこで、特許文献１に記載の制御装置では、下流側空燃比センサにおけるずれを補正するようにしている。具体的には、特許文献１に記載の制御装置では、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とリーン空燃比との間で交互に切り替えるようにアクティブ空燃比制御を行っている。加えて、斯かるアクティブ空燃比制御中において、下流側空燃比センサの出力が平衡化する所定の期間における下流側空燃比センサの出力と理論空燃比に相当する基準出力との差異に応じて空燃比センサの出力を補正するようにしている。特許文献１によれば、これにより下流側空燃比センサの劣化等によるずれを補正することができるとされている。
国際公開第２０１２／１５７１１１号 特開２００４−１７６６３２号公報 特開２０１２−２４１６５２号公報 特開２０１２−１４５０５４号公報 特開２００９−０１９５５８号公報 特開２０１２−０５７５７６号公報
ところで、上述したアクティブ空燃比制御では、具体的には、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が以下のように制御される。すなわち、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されているときに、下流側空燃比センサの出力値に相当する空燃比（以下、「出力空燃比」ともいう）が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられる。その後、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているときに下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときに目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。
このようなアクティブ空燃比制御を行っている場合、下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になる場合が存在する。このとき、排気浄化触媒からは酸素に加えてＮＯｘが流出する。したがって、アクティブ空燃比制御を行うと排気浄化触媒からはＮＯｘが流出してしまうことになる。したがって、斯かるアクティブ空燃比制御は、例えば、排気浄化触媒の劣化度合いを検出する排気浄化触媒の異常診断時にのみ実行される。したがって、アクティブ空燃比制御の実行頻度はそれほど多くない。このため、アクティブ空燃比制御の実行時に下流側空燃比センサのずれを補正する場合、下流側空燃比センサのずれを補正する機会も少なくなってしまう。逆に、下流側空燃比センサのずれを補正する頻度を多くするために、アクティブ空燃比制御の実行頻度を多くすると、排気浄化触媒からのＮＯｘの流出量が増大してしまうことになる。
また、排気浄化触媒はその使用に伴って、排気浄化触媒に担持されている貴金属に炭化水素（ＨＣ）や硫黄成分が吸蔵されるＨＣ被毒や硫黄被毒が生じる。このように排気浄化触媒のＨＣ被毒や硫黄被毒が生じると、貴金属の活性が低下すると共に排気浄化触媒に吸蔵可能な酸素量の最大値（以下、「最大吸蔵可能酸素量」という）が減少する。
ここで、貴金属の活性が高い場合には、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やリーン空燃比であっても、排気浄化触媒には或る程度酸素が吸蔵されている限り、排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比となる。しかしながら、上述したようにＨＣ被毒や硫黄被毒により排気浄化触媒に担持されている貴金属の活性が低下すると、排気上触媒から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比からずれてしまう場合がある。加えて、排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量が低下すると、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの期間が短くなる。同様に、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比以上になるまでの期間も短くなる。この結果、下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比近傍で安定している期間が短くなり、下流側空燃比センサの出力空燃比におけるずれを検出しうる期間が短くなってしまう。
加えて、上述したアクティブ空燃比制御を行っている場合、目標空燃比を切り替える前の排気浄化触媒の状態は必ずしも一定ではない。例えば、上流側空燃比センサの出力空燃比にずれが生じているような場合には、目標空燃比を切り替える前に排気浄化触媒に流入している排気ガスの空燃比は目標空燃比とは異なる空燃比となっており、この結果、目標空燃比を切り替える直前の排気浄化触媒における空燃比雰囲気も目標空燃比とは異なる雰囲気となっている。このように、目標空燃比を切り替える前の排気浄化触媒の状態が一定でないと、目標空燃比を切り替えた後に排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比が影響を受ける場合があることが確認されている。したがって、アクティブ空燃比制御中に目標空燃比を切り替えた後の下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいてそのずれを補正するような場合には、適切に出力空燃比のずれを補正することができない場合がある。
以上より、アクティブ空燃比制御実行中における下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて下流側空燃比センサの出力空燃比におけるずれを補正する場合には、出力空燃比におけるずれを適切に補正することができない場合がある。
そこで、上記課題に鑑みて本発明の目的は、下流側空燃比センサの出力空燃比におけるずれを適切に補正す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。
上記課題を解決するために、第１の発明では、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排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該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を具備する内燃機関の制御装置において、内燃機関の作動中に内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、且つ燃料カット制御の終了後には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もリッチなリッチ空燃比にする復帰後リッチ制御を実行し、前記燃料カット制御の終了後であって下流側空燃比センサの出力に相当する空燃比である出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になる前の期間のうち該下流側空燃比センサの出力空燃比の単位時間当たりの変化量が所定値以下であるか又は所定値以下であると予想される期間である出力安定期間における前記出力空燃比と理論空燃比との差に基づいて、前記下流側空燃比センサの出力空燃比又は該出力空燃比に関連するパラメータを補正する、内燃機関の制御装置が提供される。
第２の発明では、第１の発明において、前記出力安定期間は、燃料カット制御の終了後の経過時間が所定の基準時間以上となった時以降の期間である。
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記出力安定期間は、前記燃料カット制御の終了後の積算酸素過不足量が所定の基準量以上となった時以降の期間である。
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記出力安定期間は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比における時間微分値が所定の基準値以下になった時以降の時間である。
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、当該制御装置は、前記燃料カット制御及び前記復帰後リッチ制御を行っていないときには通常制御を実行可能であり、前記通常制御では、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われ、前記目標空燃比は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替えられると共に、前記目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられてからの前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準吸蔵量以上になったと推定されるときに理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替えられる。
第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、前記復帰後リッチ制御では、前記燃料カット制御の終了後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になる前の所定の時期に、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いが低下せしめられる。
第７の発明では、第１〜第６のいずれか一つの発明において、前記出力安定期間における前記下流側空燃比センサの出力空燃比として、前記出力安定期間の間に複数回検出された前記下流側空燃比センサの出力空燃比の平均値が用いられる。
本発明によれば、下流側空燃比センサの出力空燃比におけるずれを適切に補正することができる内燃機関の制御装置が提供される。
図１は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、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濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。 図３は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。 図５は、空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図６は、空燃比制御を行った際の目標空燃比等のタイムチャートである。 図７は、下流側空燃比センサにおける出力空燃比のずれと、単位運転時間当たりの未燃ＨＣやＮＯｘの流出量との関係を示す図である。 図８は、燃料カット制御を実行した際の、目標空燃比等のタイムチャートである。 図９は、燃料カット制御を実行した際の、目標空燃比等のタイムチャートである。 図１０は、復帰後リッチ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、下流側空燃比センサの出力空燃比の補正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。
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。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、本実施形態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、排気通路を形成する。
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６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、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒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。これら空燃比センサ４０、４１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。
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。なお、ＥＣＵ３１は、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。
なお、本実施形態に係る内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、本発明に係る内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。例えば、本発明に係る内燃機関は、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、及び過給態様等が、上記内燃機関と異なるものであってもよい。
＜排気浄化触媒の説明＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒２０、２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ2））を担持させたものである。排気浄化触媒２０、２４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。
排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０、２４は、排気浄化触媒２０、２４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、排気浄化触媒２０、２４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、排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。
排気浄化触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、排気浄化触媒２０、２４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、図２（Ａ）に示したように、酸素吸蔵量が少ないときには排気浄化触媒２０、２４により排気ガス中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。一方、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。
一方、排気浄化触媒２０、２４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、図２（Ｂ）に示したように、酸素吸蔵量が多いときには排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。一方、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０、２４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。
＜空燃比センサの出力特性＞
次に、図３及び図４を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の出力特性について説明する。図３は、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図であり、図４は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）と出力電流Ｉとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ４０、４１として同一構成の空燃比センサが用いられる。
図３からわかるように、本実施形態の空燃比センサ４０、４１では、出力電流Ｉは、排気空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。したがって、空燃比センサ４０、４１は限界電流式の空燃比センサであるということができる。
図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに（比例するように）変化する。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。また、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
なお、上記例では、空燃比センサ４０、４１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、空燃比センサ４０、４１として、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、両空燃比センサ４０、４１は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。
＜基本的な空燃比制御＞
次に、本実施形態の内燃機関の制御装置における基本的な空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の空燃比制御では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
一方、本実施形態の空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて目標空燃比を設定する目標空燃比の設定制御が行われる。目標空燃比の設定制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比とされ、その後、その空燃比に維持される。また、リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）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。また、リーン設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）にリーン補正量を加算した空燃比として表すこともできる。また、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。
目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ガス等の量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値であるといえる。
なお、酸素過不足量の算出は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、及びエアフロメータ３９の出力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又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３・Ｑｉ／（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ） …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）をそれぞれ表している。
このようにして算出された酸素過不足量を積算した積算酸素過不足量が、予め定められた切替基準値（予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当）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、その後、その空燃比に維持される。リッチ設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１２〜１４．５８、好ましくは１３〜１４．５７、より好ましくは１４〜１４．５５程度とされる。また、リッチ設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）からリッチ補正量を減算した空燃比として表すこともできる。なお、本実施形態では、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差（リッチ度合い）は、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差（リーン度合い）以下とされる。
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下となったときに、目標空燃比が再び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。このように本実施形態では、上流側排気浄化触媒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リッチ設定空燃比とに交互に設定される。
ただし、上述したような制御を行った場合であっても、積算酸素過不足量が切替基準値に到達する前に上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達する場合がある。その原因としては、例えば、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量が低下したり、一時的に上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が急激に変化したりすることが挙げられる。このように酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達すると、上流側排気浄化触媒２０からはリーン空燃比の排気ガスが流出することになる。そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比となったときには、目標空燃比はリッチ設定空燃比に切り替えられる。特に、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンであるリーン判定空燃比（例えば、１４．６５）以上になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になったと判断される。
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図５を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図５は、本実施形態の空燃比制御を行った場合における、目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び上流側排気浄化触媒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。
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈとされている。これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となる。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガスは、上流側排気浄化触媒２０で浄化され、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。したがって、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒２０における浄化により上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは時刻ｔ1においてゼロに近づき、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻ｔ1以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下する。その結果、時刻ｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは０にリセットされる。
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達してから、目標空燃比ＡＦＴの切替を行っている。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であっても、上流側排気浄化触媒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。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側排気浄化触媒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ると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。時刻ｔ2において上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大する。また、これに伴って、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大していく。
これにより、上流側排気浄化触媒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の出力空燃比ＡＦｄｗｎも理論空燃比に収束する。このとき、上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出はほぼゼロとなる。
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大すると、時刻ｔ3において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当する切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、上流側排気浄化触媒２０への酸素の吸蔵を中止すべく、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされる。
ここで、図５に示した例では、時刻ｔ3において目標空燃比を切り替えると同時に酸素吸蔵量ＯＳＡが低下しているが、実際には目標空燃比を切り替えてから酸素吸蔵量ＯＳＡが低下するまでには遅れが発生する。また、内燃機関を搭載した車両の加速により機関負荷が高くなって吸入空気量が瞬間的に大きくずれた場合等、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が意図せずに瞬間的に目標空燃比から大きくずれる場合がある。
これに対して、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは上流側排気浄化触媒２０が未使用であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも十分に低く設定される。このため、上述したような遅れが生じたり実際の排気ガスの空燃比が意図せずに目標空燃比から瞬間的に大きくずれたりしたときであっても、酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しない。逆に言うと、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上述したような遅れや意図しない空燃比のずれが生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上流側排気浄化触媒２０が未使用であるときの最大吸蔵可能酸素量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。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達する前に目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられることになる。
時刻ｔ3において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していき、時刻ｔ4において、時刻ｔ1と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが低下し始める。このときも、上流側排気浄化触媒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、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出はほぼゼロされる。
次いで、時刻ｔ5において、時刻ｔ2と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比に相当する値ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ5のサイクルが繰り返される。
以上の説明から分かるように本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒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、基本的には上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量をほぼゼロとすることができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出誤差によりＮＯｘが排出されてしまうことが抑制される。
また、一般に、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。すなわち、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が変動することが必要になる。これに対して、本実施形態によれば、図５に示したように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ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〜ｔ3において、目標空燃比ＡＦＴはリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに維持される。しかしながら、斯かる期間において、目標空燃比ＡＦＴ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。或いは、時刻ｔ2〜ｔ3の期間中において、一時的に目標空燃比ＡＦＴを理論空燃比よりも小さな値（例えば、リッチ設定空燃比等）としてもよい。
同様に、上記実施形態では、時刻ｔ3〜ｔ5において、目標空燃比ＡＦＴはリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、目標空燃比ＡＦＴは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に増大させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、図６に示したように、時刻ｔ3〜ｔ5の期間中において、一時的に目標空燃比ＡＦＴを理論空燃比よりも大きな値（例えば、リーン設定空燃比等）としてもよい（図６の時刻ｔ6、ｔ7等）。
ただし、この場合であっても、時刻ｔ2〜ｔ3における目標空燃比ＡＦＴ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ｔ3〜ｔ5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される。
なお、このような本実施形態における目標空燃比ＡＦＴの設定は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったと推定されるまで、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比を継続的又は断続的にリーン空燃比にすると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったと推定されたときに、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに達することなく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るまで、目標空燃比を継続的又は断続的にリッチ空燃比にしているといえる。
より簡単に言えば、本実施形態では、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になったときに目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えているといえる。
また、上記実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ及び燃焼室５内への吸入空気量の推定値等に基づいて算出されている。しかしながら、酸素吸蔵量ＯＳＡ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、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比から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や積算吸入空気量等、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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素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リッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。
＜燃料カット制御＞
また、本実施形態の内燃機関では、内燃機関を搭載した車両の減速時等に、内燃機関の動作中に燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止又は大幅に減量して燃焼室５内への燃料供給を停止又は大幅に低減する燃料カット制御が実施される。斯かる燃料カット制御は、所定の燃料カット開始条件が成立したときに開始される。具体的には、燃料カット制御は、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに実施される。
燃料カット制御が行われたときは、内燃機関から空気又は空気と同様な排気ガスが排出されることになるため、上流側排気浄化触媒２０には空燃比の極めて高い（すなわち、リーン度合いの極めて高い）ガスが流入することになる。この結果、燃料カット制御中には、上流側排気浄化触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量に達する。
また、燃料カット制御は、所定の燃料カット終了条件が成立すると終了せしめられる。燃料カット終了条件としては、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量が所定値以上になること（すなわち、機関負荷が或る程度の値になること）、或いは機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以下になること等が挙げられる。また、本実施形態の内燃機関では、燃料カット制御の終了直後には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比よりもリッチな復帰後リッチ設定空燃比にする復帰後リッチ制御が行われる。これにより、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素を迅速に放出させることができる。
＜下流側空燃比センサにおけるずれ＞
ところで、空燃比センサ４０、４１では、経時劣化や初期の製造バラツキ等によりその出力空燃比にずれが生じる場合がある。したがって、例えば、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であるときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比となる場合がある。この場合、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比であるときには、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比とは異なる空燃比となっている。上述したような空燃比制御を行っているときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにこのようなずれが生じると、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスやＮＯｘの流出量が増大する。
図７は、下流側空燃比センサ４１における出力空燃比のずれと、単位運転時間当たりの未燃ＨＣやＮＯｘの流出量との関係を示す図である。図７の出力空燃比のずれは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの実際の空燃比から全体的にシフトするようにずれている場合のずれ量を示している。したがって、図７において出力空燃比のずれが０となっている場合は、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの実際の空燃比が理論空燃比となっている場合に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比も理論空燃比となっている場合を示している。一方、出力空燃比のずれが−０．１０となっている場合は、周囲の実際の空燃比が理論空燃比となっているときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも０．１０低い値（理論空燃比が１４．６０の場合には、１４．５０）となっている場合を示している。すなわち、出力空燃比がリッチ側にずれている場合を示している。逆に、出力空燃比のずれが０．１０となっている場合は、周囲の実際の空燃比が理論空燃比となっているときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも０．１０高い値（理論空燃比が１４．６０の場合には、１４．７０）となっている場合を示している。すなわち、出力空燃比がリーン側にずれている場合を示している。
図７（Ａ）からわかるように、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ＨＣの流出量は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比におけるずれ量が０であるときに最も少ない。そして、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ側及びリーン側のいずれにずれている場合であってもずれ量が大きくなるにつれて、未燃ＨＣの流出量が増大する。また、図７（Ｂ）からわかるように、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出量は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比におけるずれ量が０であるか或いはリーン側にずれている場合には少ない。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が或る一定値以上リッチ側にずれている場合には、ずれ量が大きくなるにつれてＮＯｘの流出量が急激に増大する。
このように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比にずれが生じた場合には、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスやＮＯｘの流出量が増大する。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比におけるずれを適切に検出すると共に検出されたずれに基づいて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比におけるずれを補償することが必要である。
＜空燃比センサにおけるずれの補正＞
そこで、本実施形態では、内燃機関の作動中に燃焼室５への燃料の供給を停止する燃料カット制御の終了後に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が一定の値に収束したときにその収束値に基づいて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比におけるずれを補償することとしている。
図８は、燃料カット制御を実行した際の、目標空燃比ＡＦＴ等のタイムチャートである。図８に示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始されると共に（ＦＣフラグオン）、時刻ｔ2において燃料カット制御が終了せしめられる。また、燃料カット制御が終了した時刻ｔ2において復帰後リッチ制御が開始されると共に、時刻ｔ3において復帰後リッチ制御が終了され、上述した通常の空燃比制御が開始される。
図８に示した例では、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始されると、内燃機関の燃焼室５からは空気が流出するため、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは急激に上昇する。また、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡも急激に増大する。
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに達すると、上流側排気浄化触媒２０に流入した酸素はそのまま上流側排気浄化触媒２０から流出することになる。このため、燃料カット制御の開始から多少の遅れを伴って、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも急激に上昇する。
その後、時刻ｔ2において、燃料カット制御が終了せしめられると、復帰後リッチ制御が開始される。復帰後リッチ制御では、目標空燃比ＡＦＴが復帰後リッチ設定空燃比ＡＦＴｆｒｉｃｈとされる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ空燃比（復帰後リッチ設定空燃比に相当）となる。また、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリッチ度合いの大きいリッチ空燃比となっているため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが急激に減少せしめられる。
また、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の未燃ガスは上流側排気浄化触媒２０において浄化される。このため、燃料カット制御の終了後、多少の遅れを伴って、上流側排気浄化触媒２０からはほぼ理論空燃比の排気ガスが流出するようになる。その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになるまで、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比に維持される。
このように、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比に収束して維持されると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも一定の値に収束して維持される。図８に示した例では、時刻ｔ3において、下流側空燃比センサ４１の出力が一定の値に収束し、時刻ｔ3以降その値に維持される。
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになると、時刻ｔ5において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると復帰後リッチ制御が終了せしめられて、通常の空燃比制御が開始される。通常の空燃比制御が開始されると、時刻ｔ5において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になっているため、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。
ここで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにずれが生じていなければ、時刻ｔ3以降において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比に収束する。これに対して、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにずれが生じている場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比とは異なる値に収束する。特に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側にずれている場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比よりもリッチ側の値に収束する。逆に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側にずれている場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比よりもリーン側の値に収束する。
図８に示した例では、時刻ｔ3以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比よりもリーン側の値に収束し、維持されている。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側にずれていることがわかる。
そこで、本実施形態では、燃料カット制御の終了後であって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでの期間のうち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが安定している出力安定期間Ｔｓｔにおける出力空燃比ＡＦｄｗｎが検出される。そして、出力安定期間Ｔｓｔにおける出力空燃比ＡＦｄｗｎの平均値ＡＦｄｗｎａｖと理論空燃比との空燃比差ΔＡＦが算出される（ΔＡＦ＝１４．６−ＡＦｄｗｎａｖ）。
本実施形態では、このようにして算出された空燃比差ΔＡＦに補正係数Ｋ1を乗算して補正量ΔＡＦｄｗｎが算出される（下記式（２））。
ΔＡＦｄｗｎ＝Ｋ1×ΔＡＦ …（２）
なお、補正係数Ｋ1は０よりも大きく１以下の係数であり（０＜Ｋ1≦１）、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが過剰に補正されてしまうのを抑制するために用いられる。その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比を用いる場合（例えば、出力空燃比がリッチ判定空燃比以下であるか否かを判定する場合）には、下記式（３）のように下流側空燃比センサ４１の実際の出力空燃比ＡＦｄｗｎａｃｔに補正量ΔＡＦｄｗｎを加算した値が用いられる。
ＡＦｄｗｎ＝ＡＦｄｗｎａｃｔ＋ΔＡＦｄｗｎ …（３）
なお、本実施形態では、出力安定期間は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの単位時間当たりの変化量が予め定められた所定値（一般的に、出力が安定したと判断しうるような値）以下になっている期間とされる。したがって、図８に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの単位時間当たりの変化量が所定値以下になった時刻ｔ3から、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの単位時間当たりの変化量が所定値以上になった時刻ｔ4までの間の時間とされる。また、出力安定期間Ｔｓｔにおける出力空燃比の平均値ＡＦｄｗｎａｖは、出力安定期間Ｔｓｔ全体における出力空燃比の平均値でなく、出力安定期間Ｔｓｔのうち一部の期間（１回の検出のみを含む）における出力空燃比の平均値であってもよい。
＜本実施形態の効果＞
上述したように、燃料カット制御の終了後、復帰後リッチ制御中には、上流側排気浄化触媒２０からはほぼ理論空燃比の排気ガスが流出するようになる。本実施形態によれば、上述したように燃料カット制御の終了後に下流側空燃比センサ４１の出力が安定している出力安定期間、すなわち上流側排気浄化触媒２０からほぼ理論空燃比の排気ガスが流出していると予想される期間において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが検出される。そして、このときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比となっていない場合には、このときの出力空燃比ＡＦｄｗｎに応じて出力空燃比ＡＦｄｗｎの補正が行われる。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにおけるずれを補償することができる。
また、燃料カット制御及び復帰後リッチ制御を行っているときには、基本的に、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘは流出しない。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの補償を行うにあたって上流側排気浄化触媒２０から排出される排気ガスにおける排気エミッションの悪化を抑制することができる。また、燃料カット制御は、上述したように内燃機関を搭載した車両の減速時等に行われるため、実行頻度が比較的高い。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにおけるずれの補償も比較的高い頻度で行うことができる。
また、燃料カット制御を実行した場合には、上流側排気浄化触媒２０に担持されている貴金属に吸蔵されているＨＣや硫黄成分を除去することができる。すなわち、燃料カット制御を実行すると、上流側排気浄化触媒２０のＨＣ被毒や硫黄被毒を少なくとも部分的に解消させることができる。
このため、復帰後リッチ制御の実行中には、貴金属の活性は比較的高い状態となっている。したがって、図８の時刻ｔ2以降において上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になっても、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の未燃ガスを十分に浄化することができる。この結果、図８の時刻ｔ3以降において、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比からずれてしまうことが抑制される。加えて、上流側排気浄化触媒２０のＨＣ被毒や硫黄被毒が解消されることにより最大吸蔵可能酸素量が多くなるため、時刻ｔ3〜時刻ｔ4の出力安定期間が長くなる。このため、本実施形態によれば、より長い期間についての平均値を得ることができ、よって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのずれ量をより正確に検出することができる。
なお、燃料カット制御時に上流側排気浄化触媒２０に担持されている貴金属に吸蔵されているＨＣや硫黄成分を十分に除去するためには、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０の温度が或る一定の除去可能温度以上になっていることが必要となる。したがって、上述したような下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにおけるずれの補償は、燃料カット制御中の上流側排気浄化触媒２０の温度が除去可能温度以上になっている場合のみに行うようにすることも可能である。
さらに、本実施形態では、時刻ｔ2において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替える前には燃料カット制御が行われている。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのずれ量を検出する前の上流側排気浄化触媒２０の状態は常に一定となっている。これにより、上流側排気浄化触媒２０の状態が異なることによって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが変化してしまうことが抑制される。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにずれは生じていないにもかかわらず、上流側排気浄化触媒２０の状態によって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが変化してしまい、その結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比を誤って補正してしまうことが抑制される。
＜上記実施形態の変更例＞
なお、上記実施形態では、空燃比差ΔＡＦに基づいて、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎを補正している。しかしながら、補正対象は必ずしも下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎでなくてもよく、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に関連するパラメータであってもよい。斯かるパラメータとしては、例えば、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈやリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎであってもよい。この場合、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側にずれている場合には、これらリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈやリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎはリッチ側に補正される。逆に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン側にずれている場合には、これらリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈやリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎはリーン側に補正される。
また、上記実施形態では、出力安定期間Ｔｓｔは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの単位時間当たりの変化量が予め定められた所定値以下になっている期間とされる。したがって、単位時間を短くして、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの単位時間当たりの変化量として、出力空燃比ＡＦｄｗｎの時間微分値を用いてもよい。
或いは、出力安定期間Ｔｓｔは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの単位時間当たりの変化量が予め定められた所定値以下になると予想される期間であってもよい。ここで、燃料カット制御の終了から下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが安定するまでの時間は、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量等から、或る程度予想することができる。そこで、出力安定期間Ｔｓｔは、燃料カット制御の終了後の経過時間が予め定められた所定の基準時間以上となった時以降の期間としてもよい。
同様に燃料カット制御の終了から下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが安定するまでの間の積算吸入空気量又は積算酸素過不足量も、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量等から、或る程度予想することができる。そこで、出力安定期間Ｔｓｔは、燃料カット制御の終了後の積算吸入空気量又は積算酸素過不足量が予め定められた所定の基準量以上となった時以降の期間としてもよい。
また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎには或る程度のノイズが存在することから、出力空燃比ＡＦｄｗｎを正確に検出するためには出力安定期間Ｔｓｔは或る程度長い時間であることが必要である。そこで、出力安定期間Ｔｓｔが、予め定められた時間よりも短い場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの補正を行わないようにしてもよい。
加えて、上記実施形態では、復帰後リッチ制御において、目標空燃比は、復帰後リッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈにて一定とされる。しかしながら、図９に示したように、復帰後リッチ制御中にリッチ度合いが低くなるように目標空燃比を変更してもよい。図９に示した例では、燃料カット制御終了後、復帰後リッチ制御中に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなった時刻ｔ3において、目標空燃比ＡＦＴが復帰後リッチ設定空燃比ＡＦＴｆｒｉｃｈからリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈへ変更される。これにより、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度が遅くなり、よって出力安定期間Ｔｓｔが長くなる。このように出力安定期間Ｔｓｔが長くなることにより、出力安定期間Ｔｓｔ中に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの検出回数を増やすことができ、よって出力空燃比ＡＦｄｗｎが収束した値をより正確に検出することができる。
なお、図９に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなった時に目標空燃比ＡＦＴのリッチ度合いを低下させている。しかしながら、目標空燃比ＡＦＴのリッチ度合いは他のタイミングで低下せしめられてもよい。例えば、燃料カット制御が終了してからの経過時間が所定時間になった時、または燃料カット制御が終了してからの積算吸入空気量又は積算酸素過不足量が所定量になった時に目標空燃比ＡＦＴのリッチ度合いを低下させるようにしてもよい。したがって、これらをまとめて表現すると、目標空燃比のリッチ度合いは、燃料カット制御の終了後であって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる前の所定の時期に低下せしめられるといえる。
いずれにせよ、本発明の制御装置は、内燃機関の作動中に内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、且つ燃料カット制御の終了後には上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比に設定する復帰後リッチ制御を実行する。そして、本発明の制御装置は、燃料カット制御の終了後であって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる前の期間のうち下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの単位時間当たりの変化量が所定値以下であるか又は所定値以下であると予想される期間である出力安定期間Ｔｓｔにおける出力空燃比ＡＦｄｗｎと理論空燃比との差に基づいて、下流側空燃比センサの出力空燃比ＡＦｄｗｎ又は出力空燃比ＡＦｄｗｎに関連するパラメータ（例えば、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈやリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ）を補正する。下流側空燃比センサの出力空燃比ＡＦｄｗｎを補正する場合には、出力安定期間Ｔｓｔにおける出力空燃比ＡＦｄｗｎと理論空燃比との差が小さくなるように出力空燃比ＡＦｄｗｎが補正される。一方、出力空燃比ＡＦｄｗｎに関連するパラメータを補正する場合には、出力安定期間Ｔｓｔにおける出力空燃比ＡＦｄｗｎと理論空燃比との差が小さくなるように出力空燃比ＡＦｄｗｎを補正したのと同様な効果が得られるように出力空燃比ＡＦｄｗｎに関連するパラメータが補正される。
＜フローチャート＞
図１０は、復帰後リッチ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では、復帰後リッチフラグがオフであるか否かが判定される。復帰後リッチフラグは、復帰後リッチ制御の実行中にはオンにされ、それ以外のときにはオフとされるフラグである。ステップＳ１１において復帰後リッチフラグがオフであ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ででは燃料カット制御（ＦＣ制御）が終了したか否かが判定される。燃料カット制御が未だ開始されていないときや燃料カット制御が開始されても未だに実行中であるときには、燃料カット制御が終了していないと判定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、燃料カット制御が終了せしめられると、次の制御ルーチンではステップＳ１２において燃料カット制御が終了したと判定され、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、復帰後リッチフラグがオンにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
復帰後リッチフラグがオンにされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１１からステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、図５に示したような通常の空燃比制御が停止せしめられる。次いで、ステップＳ１６では目標空燃比ＡＦＴが復帰後リッチ設定空燃比ＡＦＴｆｒｉｃｈに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、次の制御ルーチンではステップＳ１４からステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、図５に示したような通常の空燃比制御が開始される。次いで、ステップＳ１８では、復帰後リッチフラグがオフにリセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。
図１１は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの補正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。
まず、ステップＳ２１では、出力空燃比ＡＦｄｗｎの補正制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。補正制御の実行条件は、例えば、下流側空燃比センサ４１の温度が活性温度以上であるとき、及び前回補正制御を実行してから一定時間以上が経過しているときに成立する。ステップＳ２１において、出力空燃比ＡＦｄｗｎの補正制御の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ２２へと進む。
ステップＳ２２では、図１０の制御ルーチンで用いられている復帰後リッチフラグがオンにセットされているか否かが判定される。すなわち、ステップＳ２２では、燃料カット制御の終了後であって下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる前であるか否かが判定される。ステップＳ２２において、復帰後リッチフラグがオンにセットされていると判定された場合には、ステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、単位時間当たりの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの変化量が予め定められた所定値以下であるか否か、すなわち出力空燃比ＡＦｄｗｎが安定しているか否かが判定される。ステップＳ２３において、単位時間当たりの出力空燃比ＡＦｄｗｎの変化量が所定値よりも大きいと判定された場合、すなわち出力空燃比ＡＦｄｗｎが未だに安定していな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。
その後、出力空燃比ＡＦｄｗｎが安定して、単位時間当たりの出力空燃比ＡＦｄｗｎの変化量が所定値以下になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２３からステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎを積算した出力空燃比積算値ΣＡＦｄｗｎに現在の出力空燃比ＡＦｄｗｎを加算したものが新たな出力空燃比積算値ΣＡＦｄｗｎとされる。次いで、ステップＳ２５では、積算回数Ｎに１を加算したものが新たな積算回数Ｎとされる。
その後、ステップＳ２６では、積算回数Ｎが所定の基準回数Ｎｒｅｆ以上であるか否かが判定される。基準回数Ｎｒｅｆは、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎにノイズが生じていてもその収束値を適切に算出ことができるような回数以上とされる。ステップＳ２６において、積算回数Ｎが基準回数Ｎｒｅｆよりも少な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、積算回数Ｎが増大して基準回数Ｎｒｅｆ以上になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２６からステップＳ２７へと進む。ステップＳ２７では、ステップＳ２４で算出された出力空燃比積算値ΣＡＦｄｗｎが積算回数Ｎで除算されると共に、理論空燃比ＡＦｓｔからこのようにして求められた値を減算した値が空燃比差ΔＡＦとされる。次いで、ステップＳ２８では、上述した式（２）に基づいて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の補正量ΔＡＦｄｗｎが算出される。このようにして算出された補正量ΔＡＦｄｗｎは、上記式（３）に基づいて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎを算出する際に用いられる。その後、ステップＳ２９では、出力空燃比積算値ΣＡＦｄｗｎ及び積算回数Ｎがリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
一方、ステップＳ２１において出力空燃比ＡＦｄｗｎの補正制御の実行条件が成立していないと判定された場合、及びステップＳ２２において復帰後リッチフラグがオフにセットされていると判定された場合には、ステップＳ３０へと進む。ステップＳ３０では、出力空燃比積算値ΣＡＦｄｗｎ及び積算回数Ｎがリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
１ 機関本体
５ 燃焼室
７ 吸気ポート
９ 排気ポート
１９ 排気マニホルド
２０ 上流側排気浄化触媒
２４ 下流側排気浄化触媒
３１ ＥＣＵ
４０ 上流側空燃比センサ
４１ 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排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該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を具備する内燃機関の制御装置において、
    内燃機関の作動中に内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、且つ燃料カット制御の終了後には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もリッチなリッチ空燃比にする復帰後リッチ制御を実行し、
    前記燃料カット制御の終了後であって下流側空燃比センサの出力に相当する空燃比である出力空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になる前の期間のうち該下流側空燃比センサの出力空燃比の単位時間当たりの変化量が所定値以下であるか又は所定値以下であると予想される期間である出力安定期間における前記出力空燃比と理論空燃比との差に基づいて、該差が小さくなるように前記下流側空燃比センサの出力空燃比又は該出力空燃比に関連するパラメータを補正する、内燃機関の制御装置。
  2. 前記出力安定期間は、燃料カット制御の終了後の経過時間が所定の基準時間以上となった時以降の期間である、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記出力安定期間は、前記燃料カット制御の終了後の積算酸素過不足量が所定の基準量以上となった時以降の期間である、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記出力安定期間は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比における時間微分値が所定の基準値以下になった時以降の時間である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 当該制御装置は、前記燃料カット制御及び前記復帰後リッチ制御を行っていないときには通常制御を実行可能であり、
    前記通常制御では、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われ、
    前記目標空燃比は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替えられると共に、前記目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられてからの前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準吸蔵量以上になったと推定されるときに理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替えられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記復帰後リッチ制御では、前記燃料カット制御の終了後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になる前の所定の時期に、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比のリッチ度合いが低下せしめられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記出力安定期間における前記下流側空燃比センサの出力空燃比として、前記出力安定期間の間に複数回検出された前記下流側空燃比センサの出力空燃比の平均値が用いられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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