JP6332149B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は内燃機関に関する。
内燃機関において、吸気ポート内の圧力が排気ポート内の圧力よりも高いときにバルブオーバーラップが発生すると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。ターボチャージャのような過給機を備えた内燃機関において、要求トルクに対して吸入空気量が不足している場合、スカベンジが用いられる。スカベンジを発生させることで、排気ガスの掃気量が増加して、過給機のタービンの回転数が高められる。この結果、吸入空気の圧力が高められ、吸入空気量が増大せしめられる。
従来、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が目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））に一致するように内燃機関の燃焼室に供給する燃料量を制御するように構成された内燃機関が知られている（例えば特許文献１）。斯かる制御では、スカベンジ発生中には、吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜ける空気を含めて排気ガスの平均空燃比が目標空燃比となるように、燃焼室に供給する燃料量が制御される。
国際公開第２０１４／１１８８９２号 特開２００６−３２２３３５号公報 特開２０１４−２５３５５号公報
しかしながら、スカベンジが発生すると、空気の吹き抜けによって筒内の空気が減少するため、筒内の燃焼空燃比はリッチとなる。スカベンジ量が多く、燃焼空燃比のリッチ度合いが高くなると、排気ガス中の水素濃度が高くなる。水素は、空燃比センサの拡散律速層において、排気ガス中の他の成分に比べて拡散速度が速いため、これら他の成分よりも空燃比センサの電極表面に速く到達する。この結果、空燃比センサの電極表面がリッチ雰囲気になり、空燃比センサの出力がリッチ側にずれる。リッチ側にずれた空燃比に基づいて空燃比の制御が行われると、実際の排気空燃比は目標空燃比よりもリーンとなる。この結果、排気浄化触媒での未燃ガス等の浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。
また、空燃比センサの出力に基づいて燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御する代わりに、燃焼室に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））に一致するように、燃焼室に供給する燃料量を制御する場合がある。しかしながら、斯かる制御が行われていたとしても、スカベンジ発生中に、排気通路に吹き抜けてきた空気と、未燃燃料とが排気浄化触媒に交互に到達することにより、排気浄化触媒において排気ガスを効果的に浄化することができず、排気エミッションが悪化するおそれがある。
また、スカベンジ量が多いほど、排気エミッションが悪化する可能性が高くなるので、スカベンジ量の上限値を設定することでスカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制することが考えられる。しかしながら、排気浄化触媒は時間の経過と共に劣化し、排気浄化触媒の浄化効率は排気浄化触媒の劣化に伴い徐々に減少する傾向にある。このため、劣化した排気浄化触媒の浄化効率を考慮してスカベンジ量の上限値を設定すると、上限値は非常に少ない量となる。この結果、排気浄化触媒が劣化する前の期間においても、要求トルクに応じた十分な量のスカベンジ量を発生させることができない。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、スカベンジ量を過度に制限することなく、スカベンジの発生に伴う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。
上記課題を解決するために、第１の発明では、燃焼室に供給する空気の圧力を変更可能な過給機と、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップ量を変更可能な可変バルブタイミング機構と、排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、前記触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出可能な下流側空燃比センサと、前記可変バルブタイミング機構でバルブオーバーラップ量を制御することによりスカベンジ量を制御可能なスカベンジ量制御装置とを備えた内燃機関において、前記スカベンジ量制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がスカベンジ発生中に理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比未満から該リーン判定空燃比以上に変化したときに、バルブオーバーラップ量を小さくすることを特徴とする、内燃機関が提供される。
第２の発明では、第１の発明において、前記触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比センサと、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように前記燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御する空燃比制御装置とをさらに備える。
第３の発明では、第２の発明において、前記目標空燃比は、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に交互に設定され、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において前記下流側空燃比センサに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前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定されたリーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量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推定され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る。
第４の発明では、第１から第３のいずれか一つの発明において、前記スカベンジ量制御装置は、スカベンジ量が上限値以下になるようにバルブオーバーラップ量を制御すると共に、スカベンジ発生中に前記リーン判定空燃比以上の空燃比が前記下流側空燃比センサによって検出された場合には前記上限値を減少させ、スカベンジ発生中に前記リーン判定空燃比以上の空燃比が前記下流側空燃比センサによって検出されなかった場合には前記上限値を維持し又は増大させる。
第５の発明では、第４の発明において、前記スカベンジ量制御装置は、スカベンジ量が前記上限値になるように前記バルブオーバーラップ量を制御したにも拘わらず、前記リーン判定空燃比以上の空燃比が前記下流側空燃比センサによって検出されなかった場合には前記上限値を増大させる。
本発明によれば、スカベンジ量を過度に制限することなく、スカベンジの発生に伴う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の概略図である。 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、空燃比センサの概略的な断面図である。 図４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５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６は、目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。 図７は、排気弁及び吸気弁の開弁期間の例を概略的に示す図である。 図８は、スカベンジ発生中の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図９は、本実施形態のスカベンジ量制御を行った場合における、要求スカベンジ量等のタイムチャートである。 図１０は、本発明の実施形態におけるスカベンジ量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。
＜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１００の概略図である。内燃機関１００は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む機関本体１を備える。シリンダブロック２の内部には、シリンダブロック２の内部で往復運動するピストン３が配置されている。内燃機関１００は複数の気筒を有する。
燃焼室５が、それぞれの気筒ごとに、ピストン３とシリンダヘッド４との間に形成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７及び排気ポート９が形成されている。吸気ポート７及び排気ポート９は燃焼室５に接続されている。吸気弁６が、吸気ポート７の端部に配置され、吸気ポート７を開閉可能に形成されている。排気弁８が、排気ポート９の端部に配置され、排気ポート９を開閉可能に形成されている。また、内燃機関１００は、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｂと、排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｃとを備える。
内燃機関１００は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１と、燃焼室５において混合気を点火するための点火プラグ１０とを備える。点火プラグ１０はシリンダヘッド４に固定されている。燃料噴射弁１１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置されている。すなわち、内燃機関１００は筒内噴射式内燃機関である。また、内燃機関１００は、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンを用いる。しかしながら、内燃機関１００では、他の燃料を用いてもよい。
内燃機関１００は、過給機であるターボチャージャ１０１を備える。ターボチャージャ１０１は、排気通路に配置されたタービン１０２と、吸気通路に配置されたコンプレッサ１０３と、タービン１０２とコンプレッサ１０３とを接続する軸とを含む。排気の流れによってタービン１０２が回転すると、コンプレッサ１０３も回転して吸入空気の圧力を高める。したがって、ターボチャージャ１０１は、排気ガスのエネルギーを用いて、吸入空気を圧縮して吸入空気量を増大させることができる。
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に連結されている。サージタンク１４は、吸気管１５を介してターボチャージャ１０１のコンプレッサ１０３の出口部に連結されている。サージタンク１４とコンプレッサ１０３とを接続する吸気管１５の内部には、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が配置されている。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。また、コンプレッサ１０３とスロットル弁１８との間の吸気管１５には、ターボチャージャ１０１によって圧縮された吸入空気を冷却する冷却器（インタークーラ）１０６が配置されている。
コンプレッサ１０３の入口部は、吸気管１５を介してエアクリーナ４８に連結されている。エアクリーナ４８とコンプレッサ１０３との間の吸気管１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ポート７、吸気枝管１３、吸気管１５等が、空気を燃焼室５に導く吸気通路を画成する。
一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホルド１９に連結されている。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の集合部は及びターボチャージャ１０１のタービン１０２の入口部に連結されている。タービン１０２の出口部は排気管２２を介して上流側ケーシング２１に連結されている。上流側ケーシング２１は上流側排気浄化触媒２０を内蔵する。上流側ケーシング２１は排気管２２を介して下流側ケーシング２３に連結されている。下流側ケーシング２３は下流側排気浄化触媒２４を内蔵する。排気ポート９、排気マニホルド１９、排気管２２等が、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを燃焼室５から排出する排気通路を画成する。
また、タービン１０２と上流側ケーシング２１との間の排気管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が配置されている。さらに、上流側ケーシング２１と下流側ケーシング２３との間の排気管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が配置されている。
タービン１０２の上流の排気マニホルド１９とタービン１０２の下流の排気管２２との間には、タービン１０２をバイパスするバイパス通路１０４が配置されている。バイパス通路１０４には、バイパス通路１０４を開閉するバイパス弁であるウエストゲートバルブ１０５が配置されている。ウエストゲートバルブ１０５の開度を調整することによって、タービン１０２を通過する排気ガスの量を調整することができる。したがって、ウエストゲートバルブ１０５を制御することによって吸入空気の圧力（過給圧）を制御することができる。なお、過給圧を制御可能な過給圧制御手段は、ウエストゲートバルブ１０５以外の任意の機構であってもよい。
内燃機関１００は、過給圧を取得する圧力取得手段を備える。圧力取得手段は例えば過給圧センサ５０である。過給圧センサ５０は吸気通路においてスロットル弁１８よりも下流側に配置されている。なお、過給圧は、内燃機関１００の運転状態等から推定されてもよい。
内燃機関１００は、デジタルコンピュータから成る電子制御ユニット３１（ＥＣＵ）を備える。ＥＣＵ３１は、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を含む。
エアフローメータ１６の出力信号は、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。内燃機関１００はアクセルペダル４２を備え、アクセルペダル４２には、負荷センサ４３が接続されている。負荷センサ４３は、アクセルペダル４２の踏込量に比例した出力電圧を発生する。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。
内燃機関１００はクランク角センサ４４を備える。クランク角センサ４４は、クランクシャフトが例えば所定の角度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート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。また、クランク角センサ４４の出力により、クランク角度を検出することができる。過給圧センサ５０及び空燃比センサ４０、４１の出力は、それぞれ、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
ＥＣＵ３１の出力ポート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、スロットル弁駆動アクチュエータ１７、ウエストゲートバルブ１０５及び可変バルブタイミング機構Ｂ、Ｃに接続されている。ＥＣＵ３１は、点火プラグ１０の点火時期、燃料噴射弁１１の燃料噴射時期及び燃料噴射量、スロットル弁１８の開度、ウエストゲートバルブ１０５の開度、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期、並びに排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御することができる。
＜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、図２（Ａ）に示したように、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、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。また、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、図２（Ｂ）に示したように、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、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。また、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。
＜空燃比センサの構成＞
次に、図３を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態における空燃比センサ４０、４１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。
図３に示したように、空燃比センサ４０、４１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４０、４１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４０、４１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。
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４０、４１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、ＥＣＵ３１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、ＥＣＵ３１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を介してこれら電極５２、５３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４０、４１の出力電流である。
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図４に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図４からわかるように、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４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。
図５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５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が零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。
上記例では、空燃比センサ４０、４１として図３に示した構造の限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、空燃比センサ４０、４１としては例えばコップ型の限界電流式空燃比センサ等の他の構造の限界電流式の空燃比センサや、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。
＜基本的な空燃比制御＞
次に、本発明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。内燃機関１００は空燃比制御装置をさらに備える。空燃比制御装置は、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、燃焼室５に供給する燃料量、すなわち燃料噴射弁１１からの燃料噴射量をフィードバック制御する。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（以下、単に「流入排気ガス」と称する。）の酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、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（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流入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の酸素吸蔵量の推定値を表しているといえる。
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×（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。
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、流入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。具体的には、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リッチ制御において下流側空燃比センサ４１に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目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替え、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されたリーン制御において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量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推定されたときに目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替える。
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図６を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図６は、本実施形態の空燃比制御を行った場合における、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、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（以下、単に「流出排気ガス」と称する。）中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。
図６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ＴＡＦｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ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６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。
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６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、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。或いは、時刻ｔ2〜ｔ3の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをゼロよりも小さな値（例えば、リッチ設定補正量等）としてもよい。すなわち、時刻ｔ2〜ｔ3の期間中において、一時的に目標空燃比をリッチ空燃比としてもよい。
同様に、上記実施形態では、時刻ｔ3〜ｔ5において、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量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、徐々に増大させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、時刻ｔ3〜ｔ5の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをゼロよりも大きな値（例えば、リーン設定補正量等）としてもよい。すなわち、時刻ｔ3〜ｔ5の期間中において、一時的に目標空燃比をリーン空燃比としてもよい。
ただし、この場合であっても、時刻ｔ2〜ｔ3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。
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。
＜スカベンジの発生＞
ところで、吸気ポート７内の圧力（吸気圧）が排気ポート９内の圧力（排気圧）よりも高いときにバルブオーバーラップが発生すると、空気が吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜けるスカベンジが発生する。なお、バルブオーバーラップとは、吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とが部分的に重なることを意味する。ＥＣＵ３１によって吸気弁６の可変バルブタイミング機構Ｂ及び排気弁８の可変バルブタイミング機構Ｃの少なくともいずれか一方を制御することによってバルブオーバーラップを発生させると共にバルブオーバーラップ量（すなわち、吸気弁６と排気弁８とが共に開弁されている期間）を変更することができる。具体的には、バルブオーバーラップ量は、吸気弁６の開弁時期を変更すること及び排気弁８の閉弁時期を変更することの少なくともいずれか一方によって変更される。
図７は、排気弁８及び吸気弁６の開弁期間の例を概略的に示す図である。図７（Ａ）に示した例では、排気弁８の閉弁時期と吸気弁６の開弁時期とが排気上死点において一致しており、バルブオーバーラップが発生していない。図７（Ｂ）に示した例では、排気弁８の開弁期間と吸気弁６の開弁期間とが重なっており、バルブオーバーラップが発生している。
要求トルクに対して吸入空気量が不足している場合、スカベンジが用いられる。スカベンジを発生させることで、排気ガスの掃気量が増加して、ターボチャージャ１０１のタービン１０２の回転数が高められる。この結果、吸入空気の圧力（過給圧）が高められ、吸入空気量が増大せしめられる。
＜スカベンジ発生中の空燃比制御の問題点＞
上述したように、本実施形態では、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。また、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出され、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに基づいて目標空燃比が設定される。なお、スカベンジ発生中には、吸気通路から筒内を通って排気通路に吹き抜ける空気を含めて流入排気ガスの平均空燃比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。
しかしながら、スカベンジが発生すると、空気の吹き抜けによって筒内の空気が減少するため、筒内の燃焼空燃比はリッチとなる。スカベンジ量が多く、燃焼空燃比のリッチ度合いが高くなると、排気ガス中の水素濃度が高くなる。水素は、空燃比センサの拡散律速層において、排気ガス中の他の成分に比べて拡散速度が速いため、これら他の成分よりも空燃比センサの電極表面に速く到達する。この結果、上流側空燃比センサ４０の電極表面がリッチ雰囲気になり、上流側空燃比センサ４０の出力がリッチ側にずれる。上流側空燃比センサ４０によって検出されたリッチ側にずれた空燃比に基づいて空燃比の制御が行われると、実際の排気空燃比は目標空燃比よりもリーンとなる。この結果、排気浄化触媒２０、２４での未燃ガス等の浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化するおそれがある。以下では、図８を参照して斯かる現象について説明する。
図８は、スカベンジ発生中における、図６と同様な、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ等のタイムチャートである。図８の例では、スカベンジの発生によって上流側空燃比センサ４０の出力がリッチ側にずれている。図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は出力空燃比を示している。一方、破線は、流入排気ガスの実際の空燃比を示している。
図８に示した例においても、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とされており、よって目標空燃比がリッチ設定空燃比とされている。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリッチ設定空燃比と等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーン側の空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、実際の空燃比（図中の破線）よりも低い（リッチ側）ものとなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅いものとなる。
また、図８に示した例では、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。このため、上述したように、時刻ｔ2において、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。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。
これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリーン設定空燃比に等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリーン設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、実際の空燃比（図中の破線）よりも低い（リッチ側）ものとなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は速いものとなる。
加えて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれが大きいと、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は極端に速くなる。したがって、この場合、図８に示したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する前に、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達することになる。この結果、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘ及び酸素が流出し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比よりも高く（リーンに）なる。
＜スカベンジ量制御＞
本実施形態では、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制すべく、スカベンジ発生中にスカベンジ量を制御する。最初に、本実施形態におけるスカベンジ量制御の概要を説明する。
内燃機関１００はスカベンジ量制御装置をさらに備える。スカベンジ量制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がスカベンジ発生中に理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比（例えば、１４．６５）未満からリーン判定空燃比以上に変化したときに、このときよりもスカベンジ量が少なくなるようにバルブオーバーラップ量を小さくする。なぜならば、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がスカベンジ発生中にリーン判定空燃比以上になった場合、多量のスカベンジが発生したことによって上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出したと考えられるからである。なお、バルブオーバーラップ量は、可変バルブタイミング機構Ｃで排気弁８の閉弁時期を進角させること及び可変バルブタイミング機構Ｂで吸気弁６の開弁時期を遅角させることの少なくともいずれか一方によって小さくされる。例えば、バルブオーバーラップ量は、可変バルブタイミング機構Ｃで排気弁８の位相角を進角させると共に、可変バルブタイミング機構Ｂで吸気弁６の位相角を遅角させることによって小さくされる。なお、本明細書において、位相角とは作用角の中心の角度を意味する。
スカベンジ量を少なくすると、燃焼空燃比のリッチ度合いが低くなり、排気ガス中の水素濃度が低くなる。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力のリッチ側へのずれ量が小さくされ、実際の排気空燃比は目標空燃比に近づく。したがって、上流側排気浄化触媒２０での未燃ガス等の浄化効率の悪化が抑制され、ひいては排気エミッションの悪化が抑制される。
ところで、上流側排気浄化触媒２０は時間の経過と共に劣化する。上流側排気浄化触媒２０の劣化に伴い、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘは徐々に少なくなる。この場合、許容されるスカベンジ量も少なくなる。したがって、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出を確実に阻止すべく、劣化した上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘを考慮してスカベンジ量の上限値を設定すると、上限値は非常に少ない量となる。この結果、排気浄化触媒が劣化する前の期間においても、要求トルクに応じた十分な量のスカベンジ量を発生させることができない。
しかしながら、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１によって上流側排気浄化触媒２０からの酸素の流出を精度良く検出することができ、ひいては上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出を迅速に推定することができる。なぜならば、スカベンジ発生中に多く発生する排気ガス中の水素は上流側排気浄化触媒２０において酸化浄化されるため、下流側空燃比センサ４１は水素の影響をほとんど受けないからである。したがって、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の劣化状態に応じた適切な量のスカベンジ量を発生させることができる。
また、スカベンジ量制御装置は、スカベンジ量が上限値以下になるようにバルブオーバーラップ量を制御すると共に、スカベンジ発生中にリーン判定空燃比以上の空燃比が下流側空燃比センサ４１によって検出された場合には上限値を減少させ、スカベンジ発生中にリーン判定空燃比以上の空燃比が下流側空燃比センサ４１によって検出されなかった場合には上限値を維持し又は増大させる。上限値の初期値は、上流側排気浄化触媒２０が未使用であるときにスカベンジの発生によって上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出しないような値とされる。なお、バルブオーバーラップ量は、前述したように、ＥＣＵ３１によって可燃バルブタイミング機構Ｂ、Ｃの少なくともいずれか一方を制御することによって制御可能である。
スカベンジ発生中にリーン判定空燃比以上の空燃比が下流側空燃比センサ４１によって検出された場合に上限値を減少させることによって、その後の空燃比制御において、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出を抑制することができる。また、上流側排気浄化触媒２０の劣化状態に応じた上限値を設定することができる。
また、何らかの制御エラーによってスカベンジ量の上限値が過度に低く設定されるおそれがある。この場合、その後の内燃機関の運転において、要求トルクに応じた十分な量のスカベンジを発生させることができない。そこで、スカベンジ量制御装置は、スカベンジ量が上限値になるようにバルブオーバーラップ量を制御したにも拘わらず、リーン判定空燃比以上の空燃比が下流側空燃比センサ４１によって検出されなかった場合には上限値を増加させる。このことによって、上限値が過度に低く設定されたような場合にも、上限値を適切な値に修正することができる。なお、スカベンジ量制御装置は、スカベンジ量が上限値未満になるようにバルブオーバーラップ量を制御した場合には、リーン判定空燃比以上の空燃比が下流側空燃比センサ４１によって検出されなかったとしても上限値を維持する。
＜タイムチャートを用いたスカベンジ量制御の説明＞
図９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９は、本実施形態のスカベンジ量制御を行った場合における、要求スカベンジ量ＲＳＢＡ、設定スカベンジ量ＳＳＢＡ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。図中、要求スカベンジ量ＲＳＢＡ及び設定スカベンジ量ＳＳＢＡのタイムチャートにおける破線はスカベンジ量の上限値Ｌを示している。要求スカベンジ量ＲＳＢＡは要求トルクに基づいて算出され、設定スカベンジ量ＳＳＢＡは要求スカベンジ量ＲＳＢＡ及び上限値Ｌに基づいて設定される。スカベンジの発生中、スカベンジ量が設定スカベンジ量ＳＳＢＡになるようにバルブオーバーラップ量が制御される。図９に示した例では、時刻ｔ1〜時刻ｔ2、時刻ｔ3〜時刻ｔ4、時刻ｔ5〜時刻ｔ6、時刻ｔ7〜時刻ｔ9、時刻ｔ10〜時刻ｔ12、時刻ｔ13〜時刻ｔ14においてスカベンジが発生せしめられる。なお、図９の要求スカベンジ量ＲＳＢＡ及び設定スカベンジ量ＳＳＢＡのタイムチャートにおいて実線のみで示される部分は実線及び破線が重なっていることに留意されたい。
時刻ｔ1において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡは上限値Ｌよりも少ない。このため、時刻ｔ1において、設定スカベンジ量ＳＳＢＡは要求スカベンジ量ＲＳＢＡに設定される。また、時刻ｔ1〜ｔ2のスカベンジ発生時間にリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ（例えば、１４．６５）が下流側空燃比センサ４１によって検出されなかったが、設定スカベンジ量ＳＳＢＡが上限値Ｌよりも少なかったため、上限値Ｌは維持される。
時刻ｔ3において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡは上限値Ｌよりも大きい。このため、時刻ｔ3において、設定スカベンジ量ＳＳＢＡは上限値Ｌに設定される。また、時刻ｔ3〜ｔ4のスカベンジ発生時間において、スカベンジ量が上限値Ｌになるようにバルブオーバーラップ量を制御したにも拘わらず、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎが下流側空燃比センサ４１によって検出されなかったため、スカベンジの発生の終了後の時刻ｔ4において上限値Ｌが増大される。
時刻ｔ5において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡは、増大された上限値Ｌよりも少ない。このため、時刻ｔ5において、設定スカベンジ量ＳＳＢＡは要求スカベンジ量ＲＳＢＡに設定される。また、時刻ｔ5〜ｔ6のスカベンジ発生時間において、スカベンジ発生中にリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎが下流側空燃比センサ４１によって検出されなかったが、設定スカベンジ量ＳＳＢＡが上限値Ｌよりも少なかったため、上限値Ｌは維持される。
時刻ｔ7において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡは上限値Ｌよりも多い。このため、時刻ｔ7において、設定スカベンジ量ＳＳＢＡは上限値Ｌに設定される。図９に示した例では、スカベンジ発生中の時刻ｔ8において下流側センサ出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上に変化している。このため、時刻ｔ8において、設定スカベンジ量ＳＳＢＡを大きく減少させ、これに伴ってスカベンジ量が少なくなるようにバルブオーバーラップが制御される。また、時刻ｔ8において、上限値Ｌが減少される。なお、次にスカベンジを発生させる前であれば、スカベンジの発生の終了後、すなわち時刻ｔ9以降に上限値Ｌが減少されてもよい。
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がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上に変化してから、設定スカベンジ量ＳＳＢＡを減少させている。これは、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出しなくても、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、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出しない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ｔ10において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡは、減少された上限値Ｌよりも多い。このため、時刻ｔ10において、設定スカベンジ量ＳＳＢＡは上限値Ｌに設定される。図９に示した例では、スカベンジ発生中の時刻ｔ11において下流側センサ出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上に変化している。このため、時刻ｔ11において、設定スカベンジ量ＳＳＢＡを大きく減少させ、これに伴ってスカベンジ量が少なくなるようにバルブオーバーラップが制御される。また、時刻ｔ11において、上限値Ｌが減少される。
時刻ｔ13において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡは上限値Ｌよりも多い。このため、時刻ｔ13において、設定スカベンジ量ＳＳＢＡは上限値Ｌに設定される。また、時刻ｔ13〜ｔ14のスカベンジ発生時間において、スカベンジ量が上限値Ｌになるようにバルブオーバーラップ量を制御したにも拘わらず、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎが下流側空燃比センサ４１によって検出されなかったため、スカベンジの発生の終了後の時刻ｔ14において上限値Ｌが増大される。その後も、時刻ｔ1〜時刻ｔ14と同様の制御が行われる。
また、本実施形態では、スカベンジ発生中においても、上述したような基本的な空燃比制御が行われる。スカベンジ発生中には、スカベンジ量を含めて流入排気ガスの平均空燃比が目標空燃比となるように、燃焼室に供給する燃料量が制御される。この場合、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替えられるときには、リッチ空燃比が下流側空燃比センサ４１によって検出される。しかしながら、図９では、分かりやすくするために、下流側出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートにおいて、理論空燃比よりもリッチな空燃比は示されていないことに留意されたい。
＜スカベンジ量制御の制御ルーチン＞
次に、図１０のフローチャートを参照して、スカベンジ量制御について詳細に説明する。図１０は、本発明の実施形態におけるスカベンジ量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、スカベンジを発生させるときに実行される。
最初に、ステップＳ１において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡがスカベンジ量の上限値Ｌ以上であるか否かが判定される。上限値Ｌの初期値は、上流側排気浄化触媒２０が未使用であるときにスカベンジの発生によって上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出しないような値とされる。
要求スカベンジ量ＲＳＢＡは、例えば、機関回転数及び要求トルクの関数として示されたマップに基づいて算出される。具体的には、上記マップでは、要求スカベンジ量ＲＳＢＡは、機関回転数が低いほど多くなるものとして示され、要求トルクが高いほど多くなるものとして示される。なお、機関回転数は、クランク角センサ４４の出力に基づいて算出される。また、要求トルクは、アクセルペダル４２に接続された負荷センサ４３の出力に基づいて算出される。
ステップＳ１において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡが上限値Ｌよりも小さいと判定された場合、ステップＳ２へと進む。ステップＳ２では、設定スカベンジ量ＳＳＢＡが要求スカベンジ量ＲＳＢＡに設定される。ステップＳ２の後、ステップＳ４へと進む。一方、ステップＳ１において、要求スカベンジ量ＲＳＢＡが上限値Ｌ以上であると判定された場合、ステップＳ３へと進む。ステップＳ３では、設定スカベンジ量ＳＳＢＡが上限値Ｌに設定される。ステップＳ３の後、ステップＳ４へと進む。
ステップＳ４では、スカベンジが発生せしめられ、スカベンジ量が、ステップＳ２又はステップＳ３において設定された設定スカベンジ量ＳＳＢＡになるようにバルブオーバーラップ量が制御される。
次いで、ステップＳ５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以上であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは下流側空燃比センサ４１から取得される。また、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎは、理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められた空燃比（例えば、１４．６５）である。
ステップＳ５において、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以上であると判定された場合、すなわちスカベンジ発生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以上に変化した場合、ステップＳ６へと進む。
ステップＳ６では、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出を抑制すべく、設定スカベンジ量ＳＳＢＡが大幅に減少される。したがって、減少された設定スカベンジ量ＳＳＢＡに基づいて、スカベンジ量が少なくなるようにバルブオーバーラップ量が小さくされる。例えば、ステップＳ６において、ステップＳ２又はステップＳ３において設定された設定スカベンジ量ＳＳＢＡから所定の値ａが減算された値が新たな設定スカベンジ量ＳＳＢＡとされる。所定の値ａは予め定められた正の数である。また、ステップＳ６において、ステップＳ２又はステップＳ３において設定された設定スカベンジ量ＳＳＢＡに係数ｂが掛け算された値が新たな設定スカベンジ量ＳＳＢＡとされてもよい。係数ｂは予め定められた１未満の正の数である。減少された設定スカベンジ量ＳＳＢＡは、ＮＯｘの流出を迅速に抑制すべく、上限値Ｌ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。
次いで、ステップＳ７では、次回以降のスカベンジの発生において上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出を抑制すべく、上限値Ｌが減少される。例えば、ステップＳ７において、現在の上限値Ｌから所定の値ｃが減算された値が新たな上限値Ｌとされる。所定の値ｃは予め定められた正の数である。また、ステップＳ７において、現在の上限値Ｌに係数ｄが掛け算された値が新たな上限値Ｌとされてもよい。係数ｄは予め定められた１未満の正の数（例えば０．９）である。ステップＳ７において上限値Ｌが更新された後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ５において、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よりも小さいと判定された場合、ステップＳ８へと進む。ステップＳ８では、スカベンジの発生が終了したか否かが判定される。
ステップＳ８においてスカベンジの発生が終了していないと判定された場合、ステップＳ５へと戻り、ステップＳ５が繰り返される。なお、実際には、スカベンジが発生してから上流側空燃比センサ４０及び上流側排気浄化触媒２０に吹き抜け空気が到達するまでには遅れが生じる。このため、スカベンジの発生の終了時刻に遅れ時間を加算した時刻までステップＳ５が繰り返されてもよい。
一方、ステップＳ８においてスカベンジの発生が終了したと判定された場合、すなわちスカベンジの発生によってリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎが下流側空燃比センサ４１によって検出されなかった場合、ステップＳ９へと進む。ステップＳ９では、スカベンジ発生中の設定スカベンジ量ＳＳＢＡが上限値Ｌであったか否かが判定される。スカベンジ発生中の設定スカベンジ量ＳＳＢＡが上限値Ｌでなかったと判定された場合、ステップＳ１０へと進む。ステップＳ１０では、上限値Ｌが現在の値に維持される。ステップＳ１０の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ９において、スカベンジ発生中の設定スカベンジ量ＳＳＢＡが上限値Ｌであったと判定された場合、ステップＳ１１へと進む。
ステップＳ１１では、スカベンジ量が上限値Ｌになるようにバルブオーバーラップ量を制御したにも拘わらず、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎが下流側空燃比センサ４１によって検出されなかったため、上限値Ｌが増大される。例えば、ステップＳ１１において、現在の上限値Ｌに所定の値ｅが加算された値が新たな上限値Ｌとされる。所定の値ｅは予め定められた正の数である。また、ステップＳ１１において、現在の上限値Ｌに係数ｆが掛け算された値が新たな上限値Ｌとされてもよい。係数ｆは予め定められた１よりも大きな正の数（例えば１．１）である。なお、スカベンジ発生中の目標空燃比がリッチ設定空燃比のみに設定されていた場合には、上限値Ｌが維持され、スカベンジ発生中の目標空燃比がリーン設定空燃比にも設定されていた場合にのみ、上限値Ｌが増大されてもよい。すなわち、スカベンジ量制御装置は、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されている間にスカベンジ量が上限値Ｌになるようにバルブオーバーラップ量を制御したにも拘わらず、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎが下流側空燃比センサ４１によって検出されなかった場合に上限値を増加させてもよい。ステップＳ１１において上限値Ｌが更新された後、本制御ルーチンは終了する。
なお、上述した全ての制御は内燃機関１００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。
例えば、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、下流側空燃比センサ４１の出力のみに基づいて空燃比制御が行われてもよい。この場合、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて燃焼室５に供給する燃料量をフィードバック制御する代わりに、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、燃焼室５に供給する燃料量が制御される。具体的には、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、上流側空燃比センサ４０が用いられない場合、目標空燃比の設定に用いられる酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（２）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＴＡＦ−ＡＦＲ）×Ｑｉ …（２）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＴＡＦは目標空燃比、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。
スカベンジ発生中には、スカベンジ量を含めて流入排気ガスの平均空燃比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制御される。しかしながら、斯かる制御が行われていたとしても、スカベンジ発生中に、排気通路に吹き抜けてきた空気と、未燃燃料とが排気浄化触媒に交互に到達することにより、排気浄化触媒において排気ガスを効果的に浄化することができず、排気エミッションが悪化するおそれがある。しかしながら、この場合にも、本実施形態におけるスカベンジ量制御を行うことによって、スカベンジ量を過度に制限することなく、スカベンジの発生に伴う排気エミッションの悪化を抑制することができる。
また、上述した空燃比制御では、目標空燃比は、リッチ設定空燃比とリーン設定空燃比とに交互に設定されたが、例えば理論空燃比に維持されてもよい。
１ 機関本体
５ 燃焼室
６ 吸気弁
８ 排気弁
１８ スロットル弁
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
１００ 内燃機関
１０１ ターボチャージャ（過給機）
Ｂ、Ｃ 可変バルブタイミング機構

Claims (4)

  1. 燃焼室に供給する空気の圧力を変更可能な過給機と、
    吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップ量を変更可能な可変バルブタイミング機構と、
    排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、
    前記触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出可能な下流側空燃比センサと、
    前記可変バルブタイミング機構でバルブオーバーラップ量を制御することによりスカベンジ量を制御可能なスカベンジ量制御装置と
    を備えた内燃機関において、
    前記スカベンジ量制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比がスカベンジ発生中に理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比未満から該リーン判定空燃比以上に変化したときに、バルブオーバーラップ量を小さくし、
    前記スカベンジ量制御装置は、スカベンジ量が上限値以下になるようにバルブオーバーラップ量を制御すると共に、スカベンジ発生中に前記リーン判定空燃比以上の空燃比が前記下流側空燃比センサによって検出された場合には前記上限値を減少させ、スカベンジ発生中に前記リーン判定空燃比以上の空燃比が前記下流側空燃比センサによって検出されなかった場合には前記上限値を維持し又は増大させることを特徴とする、内燃機関。
  2. 前記触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比センサと、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように前記燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御する空燃比制御装置とをさらに備える、請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記目標空燃比は、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に交互に設定され、
    前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定されたリッチ制御において前記下流側空燃比センサに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前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定されたリーン制御において前記触媒の酸素吸蔵量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推定され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る、請求項２に記載の内燃機関。
  4. 前記スカベンジ量制御装置は、スカベンジ量が前記上限値になるように前記バルブオーバーラップ量を制御したにも拘わらず、前記リーン判定空燃比以上の空燃比が前記下流側空燃比センサによって検出されなかった場合には前記上限値を増大させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
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