JP6107674B2 - 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空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御する内燃機関の制御装置が広く知られている。特に、斯かる制御装置としては、機関排気通路に設けられた排気浄化触媒の上流側に空燃比センサを設けると共に、下流側に酸素センサを設けたものが知られている（例えば、特許文献１〜２）。
特に、特許文献１に記載された制御装置では、上流側の空燃比センサによって検出された空燃比に応じて、この空燃比が目標空燃比となるように内燃機関に供給する燃料量を制御するようにしている。加えて、下流側の酸素センサによって検出された酸素濃度に応じて、目標空燃比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、上流側の空燃比センサ等に経年劣化や固体バラツキが存在しても、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を目標値に合致させることができるようになるとされている。
特開平８−２３２７２３号公報 特開２００４−２８５９４８号公報 特開２００４−２５１１２３号公報 特開２０１２−１２７３０５号公報
ところで、本願の発明者らによれば、上述した特許文献１に記載された制御装置とは異なる制御を行う制御装置が提案されている。この制御装置では、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（理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比）以下になったときには、目標空燃比が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）に設定される。一方、目標空燃比がリーン空燃比とされている間に排気浄化触媒の酸素吸蔵量が切替基準吸蔵量以上となったときには、目標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）に設定される。ここで、切替基準吸蔵量は、新品状態における最大吸蔵可能酸素量よりも少ない量とされる。
斯かる制御装置による制御が行われていると、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達する前に目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられる。したがって、斯かる制御によれば、排気浄化触媒からはリーン空燃比の排気ガスが流出することはほとんどなく、その結果、排気浄化触媒からのＮＯｘの流出を抑制することができる。
ところで、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力は、酸素の吸放出を繰り返すことにより維持される。したがって、排気浄化触媒が酸素を吸蔵した状態に長時間に亘って維持されたり、酸素を放出した状態に長時間に亘って維持されたりすると、その酸素吸蔵能力が低下し、排気浄化触媒の浄化性能の低下を招く。具体的には、例えば、排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量が低下することになる。
また、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、排気浄化触媒が酸素の吸放出を行うことができるように、上述したように排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比とに交互に設定することが有効である。ここで、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力は、目標空燃比がリーン空燃比であるときのリーン度合い（理論空燃比からの差）及び目標空燃比がリッチ空燃比であるときのリッチ度合い（理論空燃比からの差）が大きいほど、高く維持される。
一方、目標空燃比のリッチ度合い及びリーン度合いを大きくすると、仮に排気浄化触媒で未燃ガスやＮＯｘ等を含む排気ガスが流出したときに、その排気ガス中に含まれる未燃ガスやＮＯｘ等が多くなってしまう。
上記課題に鑑みて本発明の目的は、排気浄化触媒から流出する未燃ガスやＮＯｘを少なく抑えつつ、排気浄化触媒の浄化性能を高く維持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、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を行うと共に、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前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えると共に、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きに前記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に切り替える目標空燃比の設定制御を行う内燃機関の制御装置において、機関運転状態が定常運転状態であるときには、定常運転状態でないときに比べて、前記リッチ設定空燃比のリッチ度合い又は前記リーン設定空燃比のリーン度合いのうちの少なくともいずれか一方が増大せしめられ、前記フィードバック制御及び前記目標空燃比の設定制御の実行中に、基準吸蔵量の増大条件が成立したときには、前記切替基準吸蔵量をそれまでの量よりも増大させる、内燃機関の制御装置が提供される。
上記課題を解決するために、第２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、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を行うと共に、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前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えると共に、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きに前記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に切り替える目標空燃比の設定制御を行う内燃機関の制御装置において、前記フィードバック制御及び前記目標空燃比の設定制御の実行中に、基準吸蔵量の増大条件が成立したときには、前記切替基準吸蔵量をそれまでの量よりも増大させる、内燃機関の制御装置が提供される。
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、最後に行われた燃料カット制御が終了してから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比に到達するまでの間の一時点から積算された積算排気ガス量が予め定められた基準積算排気ガス量以上になったときである。
第４の発明では、第１又は第２の発明において、前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、最後に行われた燃料カット制御が終了してから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの間の一時点からの経過時間が予め定められた経過時間以上になったときである。
第５の発明では、第１又は第２の発明において、前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が最後に理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上に達した後に該リーン判定空燃比よりも小さくなった時から積算された積算排気ガス量が予め定められた基準積算排気ガス量以上になったときである。
第６の発明では、第１又は第２の発明において、前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、最後に行われた燃料カット制御が終了してから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの間の一時点から積算された積算排気ガス量が予め定められた基準積算排気ガス量以上であって、且つ前記排気浄化触媒に流入する排気ガス流量が上限流量以下であるときである。
第７の発明では、第１又は第２の発明において、前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、最後に行われた燃料カット制御が終了してから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの間の一時点からの経過時間が予め定められた経過時間以上であって、且つ前記排気浄化触媒に流入する排気ガス流量が上限流量以下であるときである。
本発明によれば、排気浄化触媒から流出する未燃ガスやＮＯｘを少なく抑えつつ、排気浄化触媒の浄化性能を高く維持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、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、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、目標空燃比の設定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８は、目標空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、上流側排気浄化触媒における酸素の吸蔵状態を示す概念的な図である。 図１１は、切替基準吸蔵量の変更制御を行う際における目標空燃比等のタイムチャートである。 図１２は、図１１の時刻ｔ3近傍における目標空燃比等のタイムチャートである。 図１３は、上流側排気浄化触媒における酸素の吸蔵状態を示す概念的な図である。 図１４は、切替基準値の変更制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１５は、第二実施形態の切替基準吸蔵量の変更制御を行う際における目標空燃比等の、図１１と同様なタイムチャートである。 図１６は、第二実施形態における切替基準値の変更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、本発明の第一実施形態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。なお、これら空燃比センサ４０、４１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。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、気筒数、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）に実線で示したように、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）に実線で示したように、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Ｃｄｗｎｌｉｍ）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。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には排気側電極５２が配置され、拡散律速層５４を介して排気ガスが導入せしめられる。固体電解質層５１の他方の側面上には、ヒータ５９を備えたヒータ部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（例えば、大気ガス）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が大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化する。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、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。また、両空燃比センサ４０、４１は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。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（上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に相当）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。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。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１４．６８〜１８、より好ましくは１４．７〜１６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を表しているといえる。
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。
ＯＤＥ＝０．２３・Ｑｉ／（ＡＦｕｐ−１４．６） …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側排気浄化触媒２０の出力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、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。特に、本実施形態では、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以上とされる。したがって、本実施形態では、目標空燃比は、短期間のリーン設定空燃比と、長期間のリッチ設定空燃比とに交互に設定されることになる。
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、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ＡＦＴｒ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の出力空燃比はほぼ理論空燃比となる。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ＡＦＴｌ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。
時刻ｔ2において、目標空燃比ＡＦＴをリーン設定空燃比ＡＦＴｌ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ＡＦＴｒ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、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が新触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は基本的に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が新触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ＡＦＴをリッチ設定空燃比ＡＦＴｒ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の排出はほぼゼロとされる。
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ＡＦＴｌ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或る程度抑制される。
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ＡＦＴｌ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、目標空燃比ＡＦＴはリッチ設定空燃比ＡＦＴｒ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、時刻ｔ3〜ｔ5の期間中において、一時的に目標空燃比ＡＦＴ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となるまで、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以上となったときに、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。
＜空燃比制御における問題点１＞
ところで、上述した空燃比制御においては、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交互に切り替えられる。そして、リッチ設定空燃比のリッチ度合い（理論空燃比からの差）は、比較的小さく抑えられる。これは、内燃機関を搭載した車両の急加速等により上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が一時的に乱れた場合や、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになって上流側排気浄化触媒２０からリッチ空燃比の排気ガスが流出した場合に、排気ガス中の未燃ガスの濃度をできるだけ低く抑えるためである。
同様に、リーン設定空燃比のリーン度合い（理論空燃比からの差）も、比較的小さく抑えられる。これは、内燃機関を搭載した車両の急減速等により上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が一時的に乱れた場合や、何らかの要因で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に到達して上流側排気浄化触媒２０からリーン空燃比の排気ガスが流出した場合に、排気ガス中のＮＯｘの濃度をできるだけ低く抑えるためである。
一方、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力は、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及びリーン度合いに応じて変化する。具体的には、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及びリーン度合いが大きい方が、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を高く維持することができる。ところが、上述したように、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の未燃ガス濃度やＮＯｘ濃度という観点から、リッチ設定空燃比のリッチ度合い及びリーン設定空燃比のリーン度合いは比較的小さく抑えられる。このため、このような制御を行うと、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力を十分に高く維持することができない。
ここで、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの一時的な乱れ（外乱）が生じるのは、機関運転状態が定常運転状態でないときである。逆に言うと、機関運転状態が定常運転状態となっているときには、外乱が生じにくい。このため、機関運転状態が定常運転状態となっているときには、リッチ設定空燃比のリッチ度合いやリーン設定空燃比のリーン度合いを大きくしても、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘや未燃ガスが流出する可能性は低く、また、仮に上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘや未燃ガスが流出してもその量を低く抑えることができる。なお、機関運転状態が定常運転状態にあるときとは、例えば、内燃機関の機関負荷の単位時間当たりの変化量が予め定められた変化量以下であるとき、或いは内燃機関の吸入空気量の単位時間当たりの変化量が予め定められた変化量以下であるときである。
＜リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比の設定制御＞
そこで、本実施形態では、機関運転状態が定常運転状態にあるときには、機関運転状態が定常運転状態にないときに比べて、目標空燃比をリッチ空燃比としているときのリッチ度合い及び目標空燃比をリーン空燃比としているときのリーン度合いを大きくするようにしている。
図７は、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比の設定制御を行う際における目標空燃比等の、図６と同様なタイムチャートである。図７に示した例では、時刻ｔ5まで、図６に示した例と同様な制御が行われている。したがって、時刻ｔ1、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以下になったときに、目標空燃比ＡＦＴが理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン設定空燃比ＡＦＴｌ1（以下、「通常時リーン設定空燃比」という）に切り替えられる。一方、時刻ｔ2、ｔ4において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ1以上になったとき、具体的には積算酸素過不足量が通常時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ1以上になったときに、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒ1（以下、「通常時リッチ判定空燃比」という）に切り替えられる。なお、時刻ｔ5までは、機関運転状態は定常運転状態にはなっていない。このため、機関運転状態が定常運転状態になっているときにオンにされる定常フラグは、オフとされている。
一方、時刻ｔ5において、機関運転状態が定常運転状態になると、したがって定常フラグがオンにされると、目標空燃比ＡＦＴが通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ1よりも低い（リッチ度合いが大きい）増大時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ2へ変更せしめられる。したがって、時刻ｔ5以降、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度が速くなる。
その後、時刻ｔ6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、目標空燃比ＡＦＴが通常時リーン設定空燃比よりも高い（リーン度合いが大きい）増大時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ2へ切り替えられる。したがって、時刻ｔ6以降の上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は、時刻ｔ1〜ｔ2、ｔ3〜ｔ4における増加速度よりも速くなる。
時刻ｔ7では、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、具体的には積算酸素過不足量が切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になったときに、目標空燃比ＡＦＴが増大時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ2に切り替えられる。その後、機関運転状態が定常運転状態にある限り、同様な制御が繰り返し行われる。一方、その後、機関運転状態が定常運転状態から過渡運転状態（すなわち、定常運転状態ではない運転状態）に切り替わると、リッチ設定空燃比は増大時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ2から通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ1へと切り替えられる。加えて、リーン設定空燃比も増大時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ2から通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ1へと切り替えられる。
本実施形態によれば、機関運転状態が定常運転状態にあるときに、リッチ設定空燃比のリッチ度合い及びリーン設定空燃比のリーン度合いが大きくされる。このため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘや未燃ガスの流出をできるだけ少なく抑えつつ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力をより高く維持することができる。
なお、上記実施形態では、機関運転状態が定常運転状態にあるときには、リッチ設定空燃比のリッチ度合い及びリーン設定空燃比のリーン度合いが共に大きくされている。しかしながら、必ずしもリッチ度合い及びリーン度合いの両方を大きくする必要はなく、リッチ設定空燃比のリッチ度合い及びリーン空燃比のリーン度合いのうちのいずれか一方のみを増大してもよい。この場合には、上流が排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘをできるだけ少なくするという観点から、リーン空燃比のリーン度合いを増大させずにリッチ設定空燃比のリッチ度合いのみを増大させるのが好ましい。
＜フローチャート＞
図８は、目標空燃比の設定制御における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８に示したように、まず、ステップＳ１１において目標空燃比ＡＦＴの設定条件が成立しているか否かが判定される。目標空燃比ＡＦＴの設定条件が成立している場合とは、通常制御中であること、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設定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及び燃料噴射量Ｑｉに基づいて積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。
次いでステップＳ１３において、リーン設定フラグＦｌ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Ｆｌは、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌに設定されたときには１とされ、それ以外のときには０とされるフラグである。ステップＳ１３においてリーン設定フラグＦｌが０に設定されていると判定された場合には、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制御ルーチンが終了せしめられる。
一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少して、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低下すると、次の制御ルーチンではステップＳ１４に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る。この場合には、ステップＳ１５へと進み、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌとされる。次いで、ステップＳ１６では、リーン設定フラグＦｌが１にセットされ、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Ｓ１３において、リーン設定フラグＦｌが０に設定されていないと判定されて、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、ステップＳ１２で算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが判定基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないか否かが判定される。積算酸素過不足量ΣＯＥＤが判定基準値ＯＥＤｒｅｆよりも少ないと判定された場合にはステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８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、すなわち酸素吸蔵量ＯＳＣが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に到達しているか否かが判定される。ステップＳ１８において、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には、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、目標空燃比ＡＦＴが引き続きリーン設定空燃比ＡＦＴｌとされる。
一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が増大すると、やがてステップＳ１７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが判定基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定され、ステップＳ２０へと進む。或いは、酸素吸蔵量ＯＳＣが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍に到達すると、ステップＳ１８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、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒとされ、次いで、ステップＳ２１では、リーン設定フラグＦｌが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。
図９は、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比の設定制御における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Ｓ３１において、機関運転状態が定常運転状態にあるか否かが判定される。具体的には、例えば、負荷センサ４３によって検出された内燃機関の機関負荷の単位時間当たりの変化量が予め定められた変化量以下であるとき、或いはエアフロメータ３９によって検出された内燃機関の吸入空気量の単位時間当たりの変化量が予め定められた変化量以下であるときに機関運転状態が定常運転状態にあると判定され、それ以外のときには機関運転状態は過渡運転状態にある（定常運転状態にない）と判定される。
ステップＳ３１において、機関運転状態が定常運転状態にないと判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２ではリッチ設定空燃比ＡＦＴｒが通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ1とさる。したがって、図８に示したフローチャートのステップＳ２０において、目標空燃比は、通常時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ1とさる。次いで、ステップＳ３３においてリーン設定空燃比ＡＦＴｌが通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ1とされる。したがって、図８に示したフローチャートのステップＳ１５、１９において、目標空燃比は、通常時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ1とされる。
一方、ステップＳ３１において、機関運転状態が定常運転状態にあると判定された場合には、ステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４では、リッチ設定空燃比ＡＦＴｒが増大時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ2とさる。したがって、図８に示したフローチャートのステップＳ２０において、目標空燃比は、増大時リッチ設定空燃比ＡＦＴｒ2とさる。次いで、ステップＳ３５においてリーン設定空燃比ＡＦＴｌが増大時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ2とされる。したがって、図８に示したフローチャートのステップＳ１５、１９において、目標空燃比は、増大時リーン設定空燃比ＡＦＴｌ2とされる。
＜第二実施形態＞
次に、図１０〜図１４を参照して、本発明の第二実施形態に係る制御装置について説明する。第二実施形態の制御装置における構成及び制御は、基本的に第一実施形態の制御装置における構成及び制御と同様である。ただし、第二実施形態では、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比ではなく、切替基準吸蔵量が変更せしめられる。
＜空燃比制御における問題点２＞
ところで、上述した空燃比制御においては、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に到達したときに目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌからリッチ設定空燃比ＡＦＴｒに切り替えられる。このため、上流側排気浄化触媒２０の上流側の部分については酸素の吸放出が繰り返されることになるが、下流側の部分については酸素の吸放出がほとんど行われないことになる。このとについて、図１０を参照して説明する。
図１０は、上流側排気浄化触媒２０における酸素の吸蔵状態を示す概念的な図である。図中の上流側排気浄化触媒２０のうち、斜線が付された部分は酸素が吸蔵されている領域（すなわち、リーン雰囲気となっている領域）を示し、斜線が付されていない部分は酸素が吸蔵されていない領域（すなわち、リッチ雰囲気となっている領域）を示している。
まず、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌとされている場合には、図１０（Ａ）に示したように、排気ガス中に含まれる酸素が上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。このとき、排気ガス中の酸素は、上流側排気浄化触媒２０の上流側から順に吸蔵されていく。図１０（Ｂ）は、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（図示した例では、新触時の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの１／３程度）となったときの上流側排気浄化触媒２０の状態を示している。このとき、図１０（Ｂ）からわかるように、上流側排気浄化触媒２０にはその上流側の部分のみに酸素が吸蔵されている。
その後、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒに切り替えられると、図１０（Ｃ）に示したように、排気ガス中に含まれる未燃ガスを酸化すべく、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されていた酸素が徐々に放出されていく。このとき、酸素の放出は、上流側排気浄化触媒２０の上流側から順に行われていく。その後、目標空燃比ＡＦＴをリッチ設定空燃比ＡＦＴｒに切り替えてから或る程度の時間が経過すると、図１０（Ｄ）に示したように上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになり、目標空燃比ＡＦＴが再びリーン設定空燃比ＡＦＴｌに切り替えられる。
図１０（Ａ）〜（Ｄ）からわかるように、上述したような空燃比制御を行った場合には、基本的には、上流側排気浄化触媒２０の上流側の部分（図１０（Ｂ）において「吸放出有り」として示した部分）においてのみ酸素の吸放出が行われる。したがって、上流側排気浄化触媒２０の下流側の部分（図１０（Ｂ）において「吸放出無し」として示した部分）においては酸素の吸放出は行われない。
ここで、上述したように、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。逆に言えば、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力は、酸素の吸放出を繰り返すことによって維持される。上述した空燃比制御を行った場合には、上流側排気浄化触媒２０の上流側の部分については酸素の吸放出が繰り返されるため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力は高く維持される。ところが、上流側排気浄化触媒２０の下流側の部分については、酸素の吸放出はほとんど行われない。このため、上流側排気浄化触媒２０の下流側の部分についてはその酸素吸蔵能力が低下し、結果的に上流側排気浄化触媒２０の浄化性能の低下を招くことになる。
ところで、一般に、車両に搭載された内燃機関では、内燃機関の運転中に燃焼室５内への燃料の供給を停止する燃料カット制御が車両の減速時等に行われる。斯かる燃料カット制御中には、燃料の供給がなされないため、燃焼室５からは大気ガス、すなわち酸素を大量に含んだガスが流出せしめられる。その結果、上流側排気浄化触媒２０には大気ガスが導入され、図１０（Ｅ）に示したように、上流側排気浄化触媒２０にはその全体に酸素が吸蔵されることになる。一方、燃料カット制御の終了後には、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に到達するまで、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒ（或いは、それよりもリッチな空燃比）とされる。このため、図１０（Ｄ）に示したように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。
したがって、燃料カット制御が或る程度の間隔で行われていれば、上流側排気浄化触媒２０の上流側の部分のみならず下流側の部分についても酸素の吸放出が行われることになる。よって、上流側排気浄化触媒２０の下流側の部分についてもその酸素吸蔵能力を高く維持することができる。ところが、燃料カット制御は内燃機関を搭載した車両の運転状態等に応じて行われるものであるため、燃料カット制御を実行するタイミングを制御することは困難である。このため、車両の運転状態によっては長期間に亘って燃料カット制御が行われない場合もあり得る。このような場合には、上述した空燃比制御が継続的に行われることになるため、上流側排気浄化触媒２０の下流側の部分について酸素吸蔵能力の低下を招くことになる。
＜切替基準吸蔵量の変更制御＞
そこで、本実施形態では、上述した空燃比制御の実行中に、上流側排気浄化触媒２０における浄化性能を維持させるために、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆをそれまでの量よりも増大させることとしている。ただし、増大せしめられた切替基準吸蔵量も新触時における最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない量とされる。
特に、本実施形態では、燃料カット制御等により下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が最後にリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になった後にリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなった時から、上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガスの流量の積算値（以下、「積算排気ガス量」という）が算出される。そして、このようにして算出された積算排気ガス量が予め定められた上限積算量に到達すると、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが増大せしめられる。
なお、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流量は、エアフロメータ３９の出力に基づいて算出される。しかしながら、排気ガスの流量は、エアフロメータ３９の出力以外の他のパラメータに基づいて算出されてもよいし、エアフロメータ３９によって検出された流量を排気ガスの流量として用いてもよい。また、上流側排気浄化触媒２０への積算排気ガス量は、このようにして算出された上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量を積算することによって算出される。
図１１は、切替基準吸蔵量の変更制御を行う際における目標空燃比等のタイムチャートである。また、図１２は、図１１の時刻ｔ3近傍における目標空燃比等のタイムチャートである。図１１に示した例では、ＦＣフラグがＯＮとなっているときに燃料カット制御が行われており、ＦＣフラグがＯＦＦとなっているときに上述した空燃比制御が行われている。
図１１に示した例では、時刻ｔ1以前においては、上述した空燃比制御が行われている。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になったときに目標空燃比ＡＦＴ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る制御が行われている。
その後、時刻ｔ1において、内燃機関を搭載した車両が減速運転を行うこと等により、燃料カット制御が開始される。燃料カット制御が開始されると、燃焼室５への燃料供給が停止せしめられるため、上述した空燃比制御は停止せしめられる。すなわち、フィードバック制御及び目標空燃比の設定制御は停止せしめられる。また、燃料カット制御が開始されると、燃焼室５からは大気ガスが流出せしめられる。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡはすぐに最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達し、その後、上流側排気浄化触媒２０からも大気ガスが流出せしめられる。この結果、時刻ｔ1のすぐ後に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を超えて急激に増大する。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がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、積算排気ガス量ΣＧａがゼロにリセットされる。
その後、図１１に示した例では、時刻ｔ2において、燃料カット制御が終了せしめられる。燃料カット制御が終了せしめられると、上述した空燃比制御が再開される。特に、時刻ｔ2の時点で上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに達していることから、燃料カット制御の終了直後には目標空燃比ＡＦＴはリッチ設定空燃比ＡＦＴｒとされる。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、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌに切り替えられ、その後、リーン設定空燃比ＡＦＴｌとリッチ設定空燃比ＡＦＴｒとの間で交互に切り替えられる。
加えて、時刻ｔ2において燃料カット制御が終了せしめられて、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よりも小さくなると、排気ガス流量の積算が開始される。したがって、時刻ｔ2以降に出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になることなく空燃比制御が継続的に行われると、それに伴って積算排気ガス量ΣＧａも徐々に増大する。
図１１に示した例では、時刻ｔ3において、積算排気ガス量ΣＧａが、基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆに到達する。本実施形態では、積算排気ガス量ΣＧａが基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆ以上になると、増大フラグがＯＮにされる。増大フラグがＯＮになると、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆがそれまでの量よりも増大せしめられる。この様子を図１２に示す。
図１２に示した例においても、時刻ｔ3において、増大フラグがＯＮとされている。したがって、時刻ｔ3以前には、図５に示した空燃比制御が行われている。よって、時刻ｔ1’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以下になったときに、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌに切り替えられる。その後、時刻ｔ2’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Ｃｒｅｆ1（以下、「通常時切替基準吸蔵量」という）以上になったときに、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒに切り替えられる。
時刻ｔ3において、増大フラグがＯＮになると、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆがそれまでの量Ｃｒｅｆ1よりも多い量Ｃｒｅｆ2（以下、「増大時切替基準吸蔵量」という）へと増大せしめられる。その後、時刻ｔ4’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以下になったときに、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌに切り替えられる。その後、時刻ｔ5’において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2に到達するまで目標空燃比ＡＦＴはリーン設定空燃比ＡＦＴｌに維持される。
時刻ｔ5’において上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2に到達すると、目標空燃比ＡＦＴはリーン設定空燃比ＡＦＴｌからリッチ設定空燃比ＡＦＴｒへと切り替えられる。その後、時刻ｔ6’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以下になるまで目標空燃比ＡＦＴはリッチ設定空燃比ＡＦＴｒに維持される。その後、時刻ｔ4’〜ｔ6’の操作が繰り返される。
図１１に戻ると、時刻ｔ3以降において切替基準吸蔵量が増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2に増大せしめられた状態で空燃比制御が継続せしめられると、やがて車両が減速運転を行うこと等により、時刻ｔ4において、再度、燃料カット制御が開始される。燃料カット制御が開始され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を超えると、空燃比制御は停止せしめられ、また、増大フラグもＯＦＦにされる。加えて、このときには、積算排気ガス量ΣＧａがゼロにリセットされる。このため、その後燃料カット制御が終了しても、積算排気ガス量ΣＧａが基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆに達するまでは、切替基準吸蔵量は通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ1とされる。
本実施形態では、上述したように燃料カット制御間の間隔があいて、上流側排気浄化触媒２０の下流側の部分において長期に亘って酸素の吸放出が行われていないと、切替基準吸蔵量が増大せしめられる。切替基準吸蔵量を通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ1から増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2に増大させる前には、上流側排気浄化触媒２０では、図１３（Ａ）に示した状態（図１０（Ｂ）と同一の状態）と、図１３（Ｂ）に示した状態（図１０（Ｄ）と同一の状態）とが交互に繰り返される。これに対して、切替基準吸蔵量を増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2に増大させた後には、上流側排気浄化触媒２０では、図１３（Ｃ）に示した状態と図１３（Ｄ）に示した状態とが交互に繰り返される。したがって、切替基準吸蔵量を増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2に増大させた後には、上流側排気浄化触媒２０のうち酸素の吸放出が行われる領域が増大せしめられる。この結果、上流側排気浄化触媒２０の下流側部分について酸素吸蔵能力の低下、すなわち浄化性能の低下を抑制し、酸素吸蔵能力を高く維持することができる。
なお、上記実施形態では、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以上になるときの例として、燃料カット制御を行った場合を挙げている。しかしながら、燃料カット制御を行った場合以外にも下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上流側排気浄化触媒２０の劣化等により意図せずにリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になる場合がある。本実施形態では、このような場合についても、燃料カット制御を行った場合と同様に扱われ、例えば、積算排気ガス量はゼロにリセットされる。
また、上記実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比よりも少なくなった時から排気ガス流量の積算を開始している。しかしながら、排気ガス流量の積算は、出力空燃比がリーン判定空燃比よりも少なくなったとき近傍に開始されれば、必ずしもこのときに開始されなくてもよい。したがって、排気ガス流量の積算は、例えば、燃料カット制御が終了した時、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に収束した時、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後に初めてリッチ判定空燃比に到達した時等に開始されてもよい。したがって、これらをまとめて表現すると、排気ガス流量の積算は、最後に行われた燃料カット制御が終了して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ＡＦｒｉｃｈに到達するまでの間の一時点に開始される。或いは、排気ガス流量の積算は、最後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以上からそれ未満に変化してからリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達するまでの間の一時点に開始される。
加えて、上記実施形態では、積算排気ガス流量が予め定められた所定の基準積算排気ガス量に到達した時に切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆを増大させている。しかしながら、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆの増大は、上流側排気浄化触媒２０の下流側部分における酸素吸蔵能力に関連するパラメータであれば、他のパラメータに基づいて行ってもよい。例えば、上述した一時点から、予め定められた所定の基準時間が経過した時、図６の時刻ｔ2〜時刻ｔ5のサイクルが繰り返された回数が予め定められた所定の回数以上となった時等に、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆを増大させるようにしてもよい。
以上をまとめて表現すると、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の浄化性能の低下を抑制すべきとき、すなわち所定の切替基準量増大条件が成立したときには、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆをそれまでの量よりも増大させているといえる。そして、上流側排気浄化触媒２０の浄化性能の低下を抑制すべきとき、すなわち所定の切替基準量増大条件が成立するときとは、上述した一時点から、積算排気ガス流量が基準積算排気ガス量以上になったとき、経過時間が基準時間以上になったとき、上記サイクルの繰り返された回数が所定の回数となったときを意味する。より本質的には、本実施形態では、空燃比制御の実行中に上流側排気浄化触媒２０の浄化性能の低下を抑制するために、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆをそれまでの量よりも増大させることに特徴があるといえる。
また、上記実施形態では、図１１及び図１２の時刻ｔ3以降、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは一定の増大時切替基準量Ｃｒｅｆ2に維持されている。しかしながら、増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは時刻ｔ3以降、徐々に増大する等、変化するように設定されてもよい。
＜フローチャート＞
図１４は、切替基準値の変更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１４に示したように、まず、ステップＳ４１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よりも小さいか否かが判定される。ステップＳ４１において、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には、ステップＳ４２へと進む。ステップＳ４２では、積算排気ガス量ΣＧａに現在の排気ガス流量Ｇａを加算したものが新たな積算排気ガス量ΣＧａとされる。
次いで、ステップＳ４３では、積算排気ガス量ΣＧａが基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆよりも少ないか否かが判定される。ステップＳ４３において、積算排気ガス量ΣＧａが基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆよりも少ないと判定された場合にはステップＳ４４へと進む。ステップＳ４４では、増大フラグがＯＦＦとされると共に、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが通常時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ1（図１２の通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ1に対応）とされ、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ４３において、積算排気ガス量ΣＧａが基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ４５へと進む。ステップＳ４５では、増大フラグがＯＮとされると共に、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが増大時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ2（図１２の増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2に対応）とされ（ＯＥＤｒｅｆ2＞ＯＥＤｒｅｆ1）、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ４１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には、ステップＳ４６へと進む。ステップＳ４６では、積算排気ガス量ΣＧａがゼロにリセットされて制御ルーチンが終了せしめられる。
＜第三実施形態＞
次に、図１５及び図１６を参照して、本発明の第三実施形態に係る制御装置について説明する。第三実施形態の制御装置における構成及び制御は、基本的に第二実施形態の制御装置における構成及び制御と同様である。ただし、第三実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量に基づいて、切替基準吸蔵量が変更せしめられる。
ところで、図１３（Ｃ）に示したように、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆを増大させると、すなわち切替基準値ＯＥＤｒｅｆを増大させると、空燃比制御中における上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの最大値が増大する。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出等に誤差があった場合等に、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に到達し易くなる。特に、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量が多い場合にはその傾向が強くなる。加えて、仮に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Ｃｍａｘに到達してしまった場合、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量が多いほど上流側排気浄化触媒２０から流出するＮＯｘの流量が多くなる。
そこで、本実施形態の制御装置では、積算排気ガス量ΣＧａが基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆ以上になっているときであっても、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量が予め定められた上限流量よりも多いときには、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆを増大させないこととしている。
図１５は、切替基準吸蔵量の変更制御を行う際における目標空燃比等の、図１１と同様なタイムチャートである。図１５に示した例においても、図１１に示した例と同様に、ＦＣフラグがＯＮとなっているときに燃料カット制御が行われており、ＦＣフラグがＯＦＦとなっているときに上述した空燃比制御が行われている。
図１５に示した例では、時刻ｔ3まで、図１１に示した例と同様な制御が行われている。したがって、時刻ｔ1において燃料カット制御が開始されると共に、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、時刻ｔ2において燃料カット制御が終了せしめられて、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よりも小さくなると、排気ガス流量の積算が開始される。その後、時刻ｔ3において、積算排気ガス量ΣＧａが基準排気ガス量ΣＧａｒｅｆに到達し、増大フラグがＯＮとされる。このため、時刻ｔ3においては、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ1から増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2へと増大せしめられる。特に、図１５に示した例では、時刻ｔ3において、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量Ｇａは、上限流量Ｇａｌｉｍ以下の流量となっている。
その後、図１５に示した例では、排気ガス流量Ｇａが増大し、時刻ｔ4において上限流量Ｇａｌｉｍに到達する。そこで、本実施形態では、時刻ｔ4において、増大フラグがＯＦＦとされ、これに伴って切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2から通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ1へと減少せしめられる。その後、排気ガス流量Ｇａが上限流量Ｇａｌｉｍよりも多い量となっている間は、増大フラグがＯＦＦのまま維持される。
図１５に示した例では、その後、排気ガス流量Ｇａが減少し、時刻ｔ5において上限流量Ｇａｌｉｍに到達する。そこで、本実施形態では、時刻ｔ5において、増大フラグがＯＮとされ、これに伴って切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆが再び通常時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ1から増大時切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ2へと増大せしめられる。
図１５に示した例では、その後、車両が減速運転を行うこと等により、時刻ｔ6において、図１１の時刻ｔ4と同様に、再度、燃料カット制御が開始される。燃料カット制御が開始され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を超えると、空燃比制御が停止せしめられ、増大フラグもＯＦＦにされる。
本実施形態によれば、積算排気ガス量ΣＧａが基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆ以上になっていて且つ上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの流量Ｇａが上限流量Ｇａｌｉｍよりも多いときに、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆを増大させるようにしている。このため、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出するのを抑制することができる。
図１６は、本実施形態における切替基準値の変更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おこなわれる。なお、図１６のステップＳ５１〜５３、Ｓ５５〜Ｓ５７は、それぞれ図１４のステップＳ４１〜Ｓ４６と同様であるため説明を省略する。
ステップＳ５３において、積算排気ガス量ΣＧａが基準積算排気ガス量ΣＧａｒｅｆ以上であると判定された場合にはステップＳ５４へと進む。ステップＳ５４では、現在の排気ガス流量Ｇａが予め定められた上限流量Ｇａｌｉｍ以下であるか否かが判定される。ステップＳ５４において、現在の排気ガス流量Ｇａが上限流量Ｇａｌｉｍ以下であると判定された場合には、ステップＳ５６へと進み、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが増大時切替基準値ＯＥＤｒｅｆ2とされる。一方、ステップＳ５４において、現在の排気ガス流量Ｇａが上限流量Ｇａｌｉｍよりも多いと判定された場合には、ステップＳ５５へと進み、切替基準値ＯＥＤｒｅｆが通常値切替基準値ＯＥＤｒｅｆ1とされる。
なお、上記第一実施形態の制御装置と上記第二実施形態又は第三実施形態の制御装置とを組み合わせて用いることも可能である。例えば、第一実施形態の制御装置と第二実施形態の制御装置とを組み合わせた場合、機関運転状態が定常運転状態にあるときには、定常運転状態にないときに比べてリッチ設定空燃比のリッチ度合い又はリーン設定空燃比のリーン度合いのうちの少なくともいずれか一方が増大せしめられると共に、基準吸蔵量増大条件が成立したときには、切替基準量吸蔵量がそれまでの量よりも増大せしめられる。
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、
    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を行うと共に、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前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えると共に、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きに前記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に切り替える目標空燃比の設定制御を行う内燃機関の制御装置において、
    機関運転状態が定常運転状態であるときには、定常運転状態でないときに比べて、前記リッチ設定空燃比のリッチ度合い又は前記リーン設定空燃比のリーン度合いのうちの少なくともいずれか一方が増大せしめられ、
    前記フィードバック制御及び前記目標空燃比の設定制御の実行中に、基準吸蔵量の増大条件が成立したときには、前記切替基準吸蔵量をそれまでの量よりも増大させる、内燃機関の制御装置。
  2. 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、
    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を行うと共に、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前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えると共に、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きに前記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に切り替える目標空燃比の設定制御を行う内燃機関の制御装置において、
    前記フィードバック制御及び前記目標空燃比の設定制御の実行中に、基準吸蔵量の増大条件が成立したときには、前記切替基準吸蔵量をそれまでの量よりも増大させる、内燃機関の制御装置。
  3. 前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、最後に行われた燃料カット制御が終了してから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比に到達するまでの間の一時点から積算された積算排気ガス量が予め定められた基準積算排気ガス量以上になったときである、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、最後に行われた燃料カット制御が終了してから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの間の一時点からの経過時間が予め定められた経過時間以上になったときである、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が最後に理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上に達した後に該リーン判定空燃比よりも小さくなった時から積算された積算排気ガス量が予め定められた基準積算排気ガス量以上になったときである、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、最後に行われた燃料カット制御が終了してから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの間の一時点から積算された積算排気ガス量が予め定められた基準積算排気ガス量以上であって、且つ前記排気浄化触媒に流入する排気ガス流量が上限流量以下であるときである、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記基準吸蔵量の増大条件が成立したときとは、最後に行われた燃料カット制御が終了してから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比に到達するまでの間の一時点からの経過時間が予め定められた経過時間以上であって、且つ前記排気浄化触媒に流入する排気ガス流量が上限流量以下であるときである、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
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