JP6296019B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は内燃機関に関する。
従来から、排気通路に空燃比センサが設けられ、この空燃比センサの出力に基づいて、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（例えば理論空燃比（１４．６））となるように内燃機関の燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御するように構成された内燃機関が知られている。
特許文献１に記載の内燃機関では、排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に上流側空燃比センサが配置され、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に下流側空燃比センサが配置されている。斯かる内燃機関では、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比との間で交互に切り替えられる。例えば、目標空燃比は、下流側空燃比センサよって検出された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ったときにリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。また、目標空燃比は、下流側空燃比センサよって検出された空燃比がリッチ判定空燃比よりも高くなり且つ排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が所定の切替基準吸蔵量以上になったときに、リーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
国際公開第２０１４／１１８８９２号 特開２０００−８９２０号公報
ところで、燃焼室に供給される混合気の空燃比がリッチであるほど、排気ガス中の一酸化炭素が多くなる。一酸化炭素を含む排気ガスが排気浄化触媒に到達すると、排気浄化触媒において排気ガス中の水分と一酸化炭素とが反応し、水素及び二酸化炭素が発生する。したがって、燃焼室に供給される混合気の空燃比がリッチであるほど、排気浄化触媒から流出する排気ガス中の水素濃度が高くなる。
また、水素は空燃比センサの拡散律速層の通過速度が速い。このため、排気ガス中の水素濃度が高いと、下流側空燃比センサの出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりも低い側（すなわち、リッチ側）にずれてしまう。排気ガス中の水素濃度が高い状態で目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられると、目標空燃比が切り替えられた後も排気ガス中の水素濃度が高い状態が所定時間維持される。このため、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられ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よりも高くなるまでの時間が長くなる。この結果、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定している間に排気浄化触媒に吸蔵される酸素吸蔵量が増大し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ側にずれることによる排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）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、前記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、前記排気浄化触媒から流出する流出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流入する流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、該流入排気ガスの空燃比が該目標空燃比に一致するように燃焼室に供給する燃料量を制御する空燃比制御装置とを備え、前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、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に達したときに前記目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に設定した後、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定し且つ前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない切替基準吸蔵量以上になったときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替え、前記リッチ設定空燃比は理論空燃比よりもリッチな空燃比であり、前記リッチ判定空燃比は理論空燃比よりもリッチであり且つ前記リッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比であり、前記リーン設定空燃比は理論空燃比よりもリーンな空燃比である、内燃機関において、前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に設定した後、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定する前に前記酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になった場合には、前記酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になったときから前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定するときまで、前記目標空燃比の平均値が理論空燃比以上であって前記リーン設定空燃比未満となるように前記目標空燃比を制御することを特徴とする、内燃機関。
（２）前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に設定した後、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定する前に前記酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になった場合には、前記酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になったときから前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定するときまで、前記目標空燃比を理論空燃比に設定する、上記（１）に記載の内燃機関。
（３）前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に、前記流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサを更に備え、前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御し、前記酸素吸蔵量の推定値は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出される、上記（１）又は上記（２）に記載の内燃機関。
本発明によれば、下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ側にずれることによる排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関が提供される。
図１は、本発明の実施形態におけ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、基本的な空燃比制御を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図６は、燃料カット制御を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図７は、燃料カット制御を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図８は、空燃比補正量算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の実施形態における内燃機関を概略的に示す図である。本実施形態における内燃機関は、例えば車両に搭載される。図１を参照すると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。
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及び吸気管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、すなわち上流側排気浄化触媒２０の排気流れ方向上流側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、すなわち上流側排気浄化触媒２０の排気流れ方向下流側には排気管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、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担体に、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））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、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に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ガス及びＮＯｘが同時に浄化される。
すなわち、排気浄化触媒２０、２４が酸素を吸蔵することができる状態にあると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと、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若干リーンになったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵される。このため、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ガス及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
一方、排気浄化触媒２０、２４が酸素を放出することができる状態にあると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量がゼロよりも多いと、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若干リッチになったときには、排気ガス中に含まれている未燃ガスを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出される。このため、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ガス及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。
このように、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、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に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ガス及びＮＯｘが同時に浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。この場合、過剰な酸素を排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵し得なくなると、或いは不足している酸素を排気浄化触媒２０、２４から放出し得えなくなると、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比はリーン或いはリッチとなり、排気浄化触媒２０、２４からＮＯｘ或いはＨＣ、ＣＯが流出することになる。このことについて図２Ａおよび２Ｂを参照して説明する。
図２Ａ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濃度との関係を示しており、図２Ｂ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ＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示している。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であるときには、排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が多くなると排気ガス中に含まれる過剰な酸素を排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵し得なくなり、その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上は酸素過剰な状態となる。このように酸素過剰な状態になるとＨＣ、ＣＯは酸化されるがＮＯｘは還元されなくなる。したがって、図２Ａに示されるように、酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を越えると、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中の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であるときには、排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が少なくなると排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵されている酸素を十分に放出し得なくなり、その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上はＨＣ、ＣＯが過剰な状態となる。このようにＨＣ、ＣＯが過剰な状態になるとＮＯｘは還元されるがＨＣ、ＣＯは酸化されなくなる。したがって、図２Ｂに示されるように、酸素吸蔵量がゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）よりも少なくなると、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中のＨＣ、ＣＯの濃度が急激に上昇する。
すなわち、酸素吸蔵量が、図２ＢのＣｌｏｗｌｉｍと図２ＡのＣｕｐｌｉｍとの間に維持されていれば、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に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化されることになる。
＜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。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がゼロになるように構成される。したがって、空燃比センサ４０、４１は排気空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。なお、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における基本的な空燃比制御について説明する。本実施形態の内燃機関は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス（以下、単に「流入排気ガス」という）の空燃比を制御する空燃比制御装置を備える。なお、本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御装置として機能する。
空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量を制御する。具体的には、空燃比制御装置は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量をフィードバック制御する。なお、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、燃焼室５に供給する燃料量が制御されてもよい。この場合、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と、目標空燃比とから算出された燃料量が燃焼室５に供給される。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。
空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比との間で交互に切り替える。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。一方、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１４．６５〜１６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。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。
より具体的には、空燃比制御装置は、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められたリッチ判定空燃比に達したときに目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替える。リッチ判定空燃比は、理論空燃比よりもリッチであり且つリッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比であり、例えば１４．５５とされる。空燃比制御装置は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定された後、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に達したときに、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス（以下、単に「流出排気ガス」という）の空燃比が理論空燃比よりもリッチになったと判定する。
また、空燃比制御装置は、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定し且つ上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない切替基準吸蔵量以上になったとき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に切り替える。
例えば、空燃比制御装置は、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、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よりも高くなったときに、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定する。また、空燃比制御装置は、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比（１４．６）に達したときに、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定してもよい。
また、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値は、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を積算することによって算出される。流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量とは、流入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を意味する。目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているリーン制御では、流入排気ガス中の酸素が過剰となり、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、リーン制御における酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、リーン制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量に相当する。
酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ）×Ｑｉ …（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（１４．６））をそれぞれ表している。
なお、酸素過不足量ＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力を用いることなく、流入排気ガスの目標空燃比ＴＡＦに基づいて算出されてもよい。この場合、酸素過不足量ＯＥＤは、下記式（２）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＴＡＦ−ＡＦＲ）×Ｑｉ …（２）
＜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、基本的な空燃比制御を行う際の、空燃比補正量ＡＦＣ、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及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。
図５に示された積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（１）によって算出される酸素過不足量ＯＥＤの積算値を示す。積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比がリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比との間で切り替えられるときにリセットされてゼロにされる。
なお、空燃比補正量ＡＦＣは、流入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がゼロのときには目標空燃比は制御中心となる空燃比（以下、「制御中心空燃比」という）に等しい空燃比（本実施形態では、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制御中心空燃比よりもリーンな空燃比（本実施形態では、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制御中心空燃比よりもリッチな空燃比（本実施形態では、リッチ空燃比）となる。また、「制御中心空燃比」は、機関運転状態に応じて空燃比補正量ＡＦＣを加算する対象となる空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに応じて目標空燃比を変動させる際に基準となる空燃比を意味する。
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とされている。すなわち、目標空燃比はリッチ空燃比とされており、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。流入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流出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。流入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、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）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からリーン空燃比へと切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤはゼロにリセットされる。
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、空燃比補正量ＡＦＣ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、流出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ＡＦｒｉｃｈ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流出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、流入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流入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において流入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、流出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、流入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、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ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。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがゼロにリセットされる。
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、流入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が新品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、実際の流入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が新品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。
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、流入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流入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）。流入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、流入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の排出はほぼゼロとなる。
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、空燃比補正量ＡＦＣ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。
また、本実施形態では、上述した時刻ｔ1〜ｔ5のサイクルが繰り返される間、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比となるように燃焼室５に供給する燃料量がフィードバック制御される。例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比よりも低い（リッチである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が少なくされる。一方、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比に相当する値よりも高い（リーンである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が多くされる。
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。
＜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して燃焼室５内への燃料供給を停止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。例えば、燃料カット制御は、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未満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、流入排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比よりもリッチな強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の影響＞
ところで、燃焼室５に供給される混合気の空燃比がリッチであるほど、排気ガス中の一酸化炭素が多くなる。一酸化炭素を含む排気ガスが上流側排気浄化触媒２０に到達すると、上流側排気浄化触媒２０において排気ガス中の水分と一酸化炭素とが反応し、水素及び二酸化炭素が発生する。したがって、燃焼室５に供給される混合気の空燃比がリッチであるほど、流出排気ガス中の水素濃度が高くなる。
また、水素は空燃比センサの拡散律速層の通過速度が速い。このため、復帰後リッチ制御等によって流出排気ガス中の水素濃度が高くなると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりもリッチ側にずれてしまう。排気ガス中の水素濃度が高い状態で目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられると、目標空燃比が切り替えられた後も排気ガス中の水素濃度が高い状態が所定時間維持される。このため目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられてから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よりも高くなるまでの時間が長くなる。この結果、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定している間に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量が増大し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
図６を参照して、上述した問題について具体的に説明する。図６は、燃料カット制御を行う際の、空燃比補正量ＡＦＣ、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及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。
図示した例では、時刻ｔ1以前に燃料カット制御が実施されている。燃料カット制御によって上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは最大となり、流入排気ガス及び流出排気ガスはほぼ空気となっている。このため、時刻ｔ1以前には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは非常に大きな値を示している。
その後、時刻ｔ1において、燃料カット制御が終了されると、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された多量の酸素を放出するために、復帰後リッチ制御が行われる。復帰後リッチ制御では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈよりもリッチな強リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに設定される。すなわち、目標空燃比はリッチ設定空燃比よりもリッチな強リッチ設定空燃比に設定される。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは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流入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）。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比に向かってリッチ側に変化する。
時刻ｔ1において復帰後リッチ制御が開始されると、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの計算が開始される。復帰後リッチ制御では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは徐々に減少していく。時刻ｔ2において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが制御終了基準値ＯＥＤｅｎｄに到達すると、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤはゼロにリセットされる。
制御終了基準値ＯＥＤｅｎｄの絶対値は上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも小さく設定される。このため、通常、復帰後リッチ制御の終了時には、上流側排気浄化触媒２０に酸素が残っている。この場合、流入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、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比となる。
時刻ｔ2において、通常制御、すなわち図５に示したような基本的な空燃比制御が再開される。このとき、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に達していないため、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされる。したがって、目標空燃比が強リッチ設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
時刻ｔ2の後、時刻ｔ3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以下になると、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。したがって、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。
目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられるとき、復帰後リッチ制御の影響で上流側排気浄化触媒２０には多くの水素が残っている。このため、流出排気ガスの水素濃度が高くなり、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ側にずれる。この結果、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられてから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よりも高くなるまでの時間（図６における時刻ｔ3〜時刻ｔ5）が長くなる。
図６の例では、時刻ｔ4において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。しかしながら、時刻ｔ4において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達していない。この場合、上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも大幅に少ない可能性がある。この原因としては、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力がリーン側にずれていることが挙げられる。このため、図６の例では、時刻ｔ4において目標空燃比の切替が実施されない。その後、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よりも高くなると、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
図６の例では、リーン制御が実施される時間（時刻ｔ3〜時刻ｔ5）が長くなった結果、時刻ｔ5において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に近い値となっている。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側にずれた場合、リーン制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量が増大し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
＜本実施形態における空燃比制御＞
そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ側にずれることによる排気エミッションの悪化を抑制すべく、基本的な空燃比制御の一部が以下のように変更される。本実施形態では、空燃比制御装置は、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定する前に上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量以上になった場合には、酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量以上になったときから流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定するときまで、目標空燃比の平均値が理論空燃比以上であってリーン設定空燃比未満となるように目標空燃比を制御する。
以下、図７を参照して、上述したような制御について具体的に説明する。図７は、燃料カット制御を行う際の、空燃比補正量ＡＦＣ、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及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。図７のタイムチャートは基本的に図６のタイムチャートと同様であるため、以下の説明では、図６のタイムチャートと異なる部分を中心に説明する。
図７の例では、図６の例と同様に、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よりも高くなる前に、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達している。しかしながら、図７の例では、図６の例と異なり、時刻ｔ4において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達したときに、空燃比補正量ＡＦＣがゼロに切り替えられる。したがって、目標空燃比がリーン設定空燃比から理論空燃比に切り替えられる。その後、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よりも高くなると、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標空燃比が理論空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
したがって、図７の例では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達したときから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よりも高くなるまで、目標空燃比が理論空燃比に維持される。この結果、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達した後、切替基準値ＯＥＤｒｅｆに維持される。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ側にずれた場合であっても、リーン制御中に吸蔵される酸素吸蔵量ＯＳＡはほぼ切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆとなる。したがって、リーン制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量が増大することによる排気エミッションの悪化を抑制することができる。
なお、図７の例では、時刻ｔ4から時刻ｔ5まで目標空燃比が理論空燃比に設定されている。しかしながら、この期間の目標空燃比は、目標空燃比の平均値が理論空燃比以上リーン設定空燃比未満であれば、理論空燃比以外の空燃比とされてもよい。例えば、この期間の目標空燃比は、理論空燃比よりもリーンであり且つリーン設定空燃比よりもリッチな弱リーン設定空燃比とされてもよい。また、この期間の目標空燃比は、一時的に理論空燃比よりもリッチな空燃比とされてもよい。
また、燃料カット制御の直後以外であっても、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定される前に上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量以上になった場合には、酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量以上になったときから流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定されるときまで、目標空燃比の平均値が理論空燃比以上であってリーン設定空燃比未満となるように目標空燃比が制御される。
＜空燃比補正量算出処理の制御ルーチン＞
次に、図８のフローチャートを参照して、本実施形態における空燃比制御を実施するための制御ルーチンについて説明する。図８は、空燃比補正量算出処理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では、空燃比補正量ＡＦＣの算出、すなわち流入排気ガスの目標空燃比の設定が行われる。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実行される。
最初にステップＳ１０１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。例えば、空燃比センサ４０、４１が活性中であり且つ燃料カット制御が実施されていない場合に、空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立していると判定される。なお、空燃比センサ４０、４１が活性中である場合とは、空燃比センサ４０、４１のセンサ素子の温度が所定値以上である場合、例えば、空燃比センサ４０、４１のセンサ素子のインピーダンスが所定値以内である場合である。
ステップＳ１０１において、空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において、空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立していると判定された場合、ステップＳ１０２へと進む。ステップＳ１０２では、燃料噴射量Ｑｉ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが取得される。
次いで、ステップＳ１０３では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤに酸素過不足量ＯＥＤが加算された値が、新たな積算酸素過不足量ΣＯＥＤとされる。酸素過不足量ＯＥＤは、ステップＳ１０２において取得された燃料噴射量Ｑｉ及び上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐを用いて上記式（１）によって算出される。なお、酸素過不足量ＯＥＤは、ステップＳ１０２において取得された燃料噴射量Ｑｉと、現在の目標空燃比ＴＡＦとを用いて上記式（２）によって算出されてもよい。
次いで、ステップＳ１０４では、リーン設定フラグＦｒが１に設定されているか否かが判定される。なお、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、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されるとゼロとされるフラグである。言い換えれば、リーン設定フラグＦｒは、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されると１とされ、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されるとゼロとされるフラグである。
ステップＳ１０４において、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定されていると判定された場合、すなわち目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されている場合、ステップＳ１０５へと進む。ステップＳ１０５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以下であるか否かが判定される。リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ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空燃比（例えば、１４．５５）である。
ステップＳ１０５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よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比はリッチ設定空燃比に維持される。
一方、ステップＳ１０５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以下であると判定された場合、すなわち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に達した場合、ステップＳ１０６へと進む。ステップＳ１０６では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定される。したがって、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。次いで、ステップＳ１０７では、リーン設定フラグＦｒが１に設定される。次いで、ステップＳ１０８では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１０４において、リーン設定フラグＦｒが１に設定されていると判定された場合、すなわち目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されている場合、ステップＳ１０９へと進む。ステップＳ１０９では、上流側排気浄化触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが予め定められた切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であるか否かが判定される。
ステップＳ１０９において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも小さいと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比は、リーン設定空燃比に維持される。一方、ステップＳ１０９において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定された場合、すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量以上になった場合、ステップＳ１１０へと進む。
ステップＳ１１０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よりも高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よりも高いと判定された場合、すなわち流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定された場合、ステップＳ１１１へと進む。ステップＳ１１１では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定される。したがって、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。次いで、ステップＳ１１２では、リーン設定フラグＦｒがゼロに設定される。次いで、ステップＳ１０８では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１１０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以下であると判定された場合、すなわち流出排気ガスの空燃比が理論空燃比に達していないと判定された場合、ステップＳ１１３へと進む。ステップＳ１１３では、空燃比補正量ＡＦＣがゼロに設定される。したがって、目標空燃比がリーン設定空燃比から理論空燃比に切り替えられる。ステップＳ１１３の後、本制御ルーチンは終了する。
目標空燃比が理論空燃比に切り替えられた後、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よりも高くなると、ステップＳ１１０の判定が肯定される。この結果、ステップＳ１１１において空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定される。したがって、目標空燃比が理論空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
なお、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに達してから目標空燃比がリッチ設定空燃比に切り替えられるまでの間の目標空燃比の平均値が理論空燃比以上リーン設定空燃比未満にされれば、ステップＳ１１３において空燃比補正量ＡＦＣがゼロ以外の値に設定されてもよい。
また、本実施形態の内燃機関では、空燃比補正量算出処理の制御ルーチンとは別の制御ルーチンにおいて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比となるように燃焼室５に供給する燃料量がフィードバック制御される。なお、上述した全ての制御は内燃機関のＥＣＵ３１によって制御される。
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
１ 機関本体
５ 燃焼室
７ 吸気ポート
９ 排気ポート
１３ 吸気枝管
１４ サージタンク
１８ スロットル弁
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 (3)

  1. 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、
    前記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、前記排気浄化触媒から流出する流出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流入する流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、該流入排気ガスの空燃比が該目標空燃比に一致するように燃焼室に供給する燃料量を制御する空燃比制御装置とを備え、
    前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、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に達したときに前記目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に設定した後、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定し且つ前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない切替基準吸蔵量以上になったときに前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比に切り替え、
    前記リッチ設定空燃比は理論空燃比よりもリッチな空燃比であり、前記リッチ判定空燃比は理論空燃比よりもリッチであり且つ前記リッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比であり、前記リーン設定空燃比は理論空燃比よりもリーンな空燃比である、内燃機関において、
    前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に設定した後、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定する前に前記酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になった場合には、前記酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になったときから前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定するときまで、前記目標空燃比の平均値が理論空燃比以上であって前記リーン設定空燃比未満となるように前記目標空燃比を制御することを特徴とする、内燃機関。
  2. 前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に設定した後、前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定する前に前記酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になった場合には、前記酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になったときから前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定するときまで、前記目標空燃比を理論空燃比に設定する、請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に、前記流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサを更に備え、前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御し、前記酸素吸蔵量の推定値は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて算出される、請求項１又は２に記載の内燃機関。
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