JP6361699B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、機関本体の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する第１触媒と、第１触媒よりも下流側の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する第２触媒と、第１触媒の上流側に配置された第１排気センサ（空燃比センサ）と、第１触媒と第２触媒との間に配置された第２排気センサ（酸素センサ）と、第２触媒の下流側に配置された第３排気センサ（酸素センサ）と、を備えた内燃機関が開示されている。

また特許文献１には、この内燃機関の制御装置が、第１排気センサによって検出される排気の空燃比が目標空燃比となるように機関本体を制御すると共に、第２排気センサの検出値に基づいて第１触媒からリーン空燃比の排気が流出していると判定したときには目標空燃比をリッチ空燃比に切り替え、逆にリッチ空燃比の排気が流出していると判定したときには目標空燃比をリーン空燃比に切り替える制御を実施することが開示されている。そして、第３排気センサの検出値に基づいて第２触媒からリッチ空燃比の排気が流出していると判定したときには、第２触媒の酸素吸蔵量がゼロ近傍であると判定し、第２触媒吸蔵量を回復させるために、目標空燃比が通常時よりも大きくなるように目標空燃比を補正することが開示されている。

特開２００５−２９９４３０号公報

このように特許文献１に記載の内燃機関の制御装置は、第２排気センサの検出値に基づいて目標空燃比をリーン空燃比又はリッチ空燃比に切り替えていた。そのため、第３排気センサの検出値に基づいて目標空燃比が通常時よりも大きくなるように補正しても、第２排気センサの検出値に基づいて第１触媒からリーン空燃比の排気が流出していると判定された場合には、目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。その結果、第２触媒の酸素吸蔵量が十分に回復する前に目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられることになるため、第１触媒からリッチ空燃比の排気が流出したときに、当該排気中に含まれる未燃ガスを第２触媒によって酸化浄化できず、排気エミッションが悪化するおそれがある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、第２触媒の酸素吸蔵量が十分でない場合に生じる排気エミッションの悪化を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する第１触媒と、第１触媒よりも排気流れ方向下流側の前記排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する第２触媒と、第１触媒よりも排気流れ方向上流側の排気通路に配置され、第１触媒に流入する排気の空燃比を検出するための第１空燃比センサと、第１触媒と第２触媒との間の排気通路に配置され、第１触媒から流出する排気の空燃比を検出するための第２空燃比センサと、第２触媒よりも排気流れ方向下流側の排気通路に配置され、第２触媒から流出する排気の空燃比を検出するための第３空燃比センサと、を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置が、第１空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように、機関本体から排出される排気の空燃比を制御する空燃比制御部と、目標空燃比を設定する目標空燃比設定部と、を備える。目標空燃比設定部は、目標空燃比を理論空燃比よりも大きい所定の第１リーン空燃比と、理論空燃比よりも小さい所定の第１リッチ空燃比と、に交互に切り替える通常制御を実施する第１設定制御部と、第３空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比よりも小さくかつ第１リッチ空燃比よりも大きい所定のリッチ判定空燃比以下になったときに、通常制御を停止して、第２触媒の酸素吸蔵量を増大させる吸蔵量回復制御を実施する第２設定制御部と、を備える。そして第２設定制御部は、吸蔵量回復制御の開始時に目標空燃比を前記第１リーン空燃比よりも大きい所定の第２リーン空燃比に設定すると共に、目標空燃比を第２リーン空燃比に設定している期間において、第１触媒から理論空燃比よりも空燃比の大きい排気が流出してから目標空燃比を第２リーン空燃比よりも小さい所定の第３リーン空燃比に設定するように構成される。

本発明のこの態様によれば、第２触媒の酸素吸蔵量を適切に回復させることができるので、第２触媒の酸素吸蔵量が十分でない場合に生じる排気エミッションの悪化を抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態による内燃機関及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 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、各空燃比センサのセンサ素子部の概略断面図である。 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、リッチ破綻制御の動作について説明するタイムチャートである。 図７は、本発明の第１実施形態による吸蔵量回復制御の動作について説明するタイムチャートである。 図８は、本発明の第１実施形態による目標空燃比設定制御について説明するフローチャートである。 図９は、通常制御としてのリッチ破綻制御の詳細な処理内容について説明するフローチャートである。 図１０は、本発明の第１実施形態による吸蔵量回復制御の詳細な処理内容について説明するフローチャートである。 図１１は、本発明の第２実施形態による吸蔵量回復制御の動作について説明するタイムチャートである。 図１２は、本発明の第２実施形態による吸蔵量回復制御の詳細な処理内容について説明する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。

（第１実施形態）
＜内燃機関全体の説明＞
まず図１から図５を参照して、本発明の第１実施形態による内燃機関１００及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００について説明する。図１は、本発明の一実施形態による内燃機関１００及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

図１に示すように、内燃機関１００は、機関本体１と、吸気装置２０と、排気装置３０と、を備える。

機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に固定されたシリンダヘッド３と、を備える。

シリンダブロック２には、複数のシリンダ４が形成される。シリンダ４の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ４の内部を往復運動するピストン５が収められる。ピストン５は、コンロッドを介してクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトによってピストン５の往復運動が回転運動に変換される。シリンダヘッド３の内壁面、シリンダ４の内壁面及びピストン冠面によって区画された空間が燃焼室６となる。

シリンダヘッド３には、シリンダヘッド３の一方の側面に開口すると共に燃焼室６に開口する吸気ポート７と、シリンダヘッド３の他方の側面に開口すると共に燃焼室６に開口する排気ポート８と、が形成される。

またシリンダヘッド３には、燃焼室６と吸気ポート７との開口を開閉するための吸気弁９と、燃焼室６と排気ポート８との開口を開閉するための排気弁１０と、吸気弁９を開閉駆動する吸気カムシャフト１１と、排気弁１０を開閉駆動する排気カムシャフト１２と、が取り付けられる。

さらにシリンダヘッド３には、燃焼室６内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１３と、燃料噴射弁１３から噴射された燃料と空気との混合気を燃焼室６内で点火するための点火プラグ１４と、が取り付けられる。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンを用いているが、他の燃料を用いることもできる。なお、燃料噴射弁１３は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように取り付けてもよい。

吸気装置２０は、吸気ポート７を介してシリンダ４内に空気を導くための装置であって、エアクリーナ２１と、吸気管２２と、吸気マニホールド２３と、電子制御式のスロットル弁２４と、エアフローメータ２１１と、を備える。

エアクリーナ２１は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。

吸気管２２は、一端がエアクリーナ２１に連結され、他端が吸気マニホールド２３のサージタンク２３ａに連結される。吸気管２２によって、エアクリーナ２１を介して吸気管２２内に流入してきた空気（吸気）が吸気マニホールド２３のサージタンク２３ａに導かれる。

吸気マニホールド２３は、サージタンク２３ａと、サージタンク２３ａから分岐してシリンダヘッド側面に形成されている各吸気ポート７の開口に連結される複数の吸気枝管２３ｂと、を備える。サージタンク２３ａに導かれた空気は、吸気枝管２３ｂを介して各シリンダ４内に均等に分配される。このように、吸気管２２、吸気マニホールド２３及び吸気ポート７が、各シリンダ４内に空気を導くための吸気通路を形成する。

スロットル弁２４は、吸気管２２内に設けられる。スロットル弁２４は、スロットルアクチュエータ２５によって駆動され、吸気管２２の通路断面積を連続的又は段階的に変化させる。スロットルアクチュエータ２５によってスロットル弁２４の開度（以下「スロットル開度」という。）の調整することで、各シリンダ４内に吸入される吸気量が調整される。スロットル開度は、スロットルセンサ２１２によって検出される。

エアフローメータ２１１は、スロットル弁２４よりも上流側の吸気管２２内に設けられる。エアフローメータ２１１は、吸気管２２内を流れる空気の流量（以下「吸気量」という。）を検出する。

排気装置３０は、燃焼室６内で生じた燃焼ガス（排気）を浄化して外気に排出するための装置であって、排気マニホールド３１と、排気管３２と、排気後処理装置３３と、第１空燃比センサ２１３と、第２空燃比センサ２１４と、第３空燃比センサ２１５と、を備える。

排気マニホールド３１は、シリンダヘッド側面に形成されている各排気ポート８の開口と連結される複数の排気枝管３１ａと、排気枝管３１ａを集合させて１本にまとめた集合管３１ｂと、を備える。

排気管３２は、一端が排気マニホールド３１の集合管３１ｂに連結され、他端が外気に開口している。各シリンダ４から排気ポート８を介して排気マニホールド３１に排出された排気は、排気管３２を流れて外気に排出される。

排気後処理装置３３は、それぞれ排気浄化触媒が内蔵された第１触媒コンバータ３３ａと、第２触媒コンバータ３３ｂと、を備える。各触媒コンバータは、排気流れ方向上流側から第１触媒コンバータ３３ａ、第２触媒コンバータ３３ｂの順で排気管３２に連結されている。このように、排気ポート８、排気マニホールド３１、排気管３２、第１触媒コンバータ３３ａ、及び第２触媒コンバータ３３ｂが、各シリンダ４から排出された排気が流れる排気通路を形成する。

第１触媒コンバータ３３ａ及び第２触媒コンバータ３３ｂには、排気浄化触媒として、それぞれ酸素吸蔵能力を有する三元触媒が内蔵されている。なお、以下の説明では、第１触媒コンバータ３３ａ及び第２触媒コンバータ３３ｂのそれぞれに内蔵された三元触媒のことを特に区別する必要があるときは、第１触媒コンバータ３３ａに内蔵された三元触媒のことを「第１三元触媒３４」といい、第２触媒コンバータ３３ｂに内蔵された三元触媒のことを「第２三元触媒３５」という。

三元触媒は、それぞれ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。三元触媒は、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。なお本実施形態では、吸収及び吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を使用している。

酸素吸蔵能力を有する三元触媒は、三元触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりも大きいとき、すなわち三元触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比であるときには、排気中の酸素を吸蔵する。一方で、三元触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりも小さいとき、すなわち三元触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比であるときには、三元触媒に吸蔵されている酸素を放出する。また三元触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときには、三元触媒において排気中の窒素と水素、又はＨＣとＮＯｘが反応することによりアンモニアが生成される。

三元触媒は、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、三元触媒に流入する排気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三元触媒により排気中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気中のＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に三元触媒から流出する排気中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。

一方、三元触媒に流入する排気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三元触媒に吸蔵されている酸素が放出され、排気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）を境に三元触媒から流出する排気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三元触媒によれば、三元触媒に流入する排気の空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気中の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、排気浄化触媒は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。

第１空燃比センサ２１３は、排気マニホールド３１の集合管３１ｂに設けられ、第１触媒コンバータ３３ａに流入する排気の空燃比を検出する。

第２空燃比センサ２１４は、第１触媒コンバータ３３ａと第２触媒コンバータ３３ｂとの間の排気管３２に設けられ、第１触媒コンバータ３３ａから流出して第２触媒コンバータ３３ｂに流入する排気の空燃比を検出する。

第３空燃比センサ２１５は、第２触媒コンバータ３３ｂよりも排気流れ方向下流側の排気管３２に設けられ、第２触媒コンバータ３３ｂから流出する排気の空燃比を検出する。本実施形態では、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５として、同一構成の空燃比センサを用いている。

図３は、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５のセンサ素子部５０の概略断面図である。

図３に示すように、センサ素子部５０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、センサ素子部５０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を介して各空燃比センサ２１３、２１４、２１５による検出対象であるガス、すなわち排気が導入させられる。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によって各空燃比センサ２１３、２１４、２１５の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。

固体電解質層５１は、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。

また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、電子制御ユニット２００に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、電子制御ユニット２００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各空燃比センサ２１３、２１４、２１５の出力電流である。

次に図４及び図５を参照して、本実施形態における第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５の出力特性について説明する。図４は、本実施形態における第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図であり、図５は、印加電圧を一定に維持したときの、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５の周りを流通する排気の空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。

図４からわかるように、本実施形態の第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５では、出力電流Ｉは、排気の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、排気の空燃比が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、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５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５は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気の空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図５からわかるように、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５では、排気の空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気の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、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５は、排気の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。また、排気の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、排気の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、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５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、排気の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、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５として、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など、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、及び第３空燃比センサ２１５はそれぞれ異なる構造の空燃比センサであってもよい。

図１に戻り、電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述したエアフローメータ２１１やスロットルセンサ２１２、第１空燃比センサ２１３、第２空燃比センサ２１４、第３空燃比センサ２１５などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、アクセルペダル２２０の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１７の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度等を算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１８の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して燃料噴射弁１３や点火プラグ１４、スロットルアクチュエータ２５などの各制御部品が電気的に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する内燃機関１００の空燃比制御について説明する。
＜空燃比制御の概要＞
電子制御ユニット２００は、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比が目標空燃比となるように、機関本体１の燃焼室６から排出される排気の空燃比を制御する。具体的には電子制御ユニット２００は、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比が目標空燃比となるように、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比に基づいて燃料噴射弁１３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、各空燃比センサ２１３，２１４，２１５の出力値に相当する空燃比を意味する。そして電子制御ユニット２００は、目標空燃比を設定するための目標空燃比設定制御として、目標空燃比を理論空燃比よりも大きい所定の第１リーン空燃比ＡＦＬ１と、理論空燃比よりも小さい所定の第１リッチ空燃比ＡＦＲ１と、に交互に切り替える通常制御を実施する。

＜通常制御としてのリッチ破綻制御＞
本実施形態では通常制御として、第１三元触媒３４の酸素吸蔵量（以下「第１酸素吸蔵量」という。）ＯＳＡｓｃを周期的にゼロにして、第１三元触媒３４をリッチ破綻させるリッチ破綻制御を実施する。

電子制御ユニット２００は、リッチ破綻制御の実施中は第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ空燃比になったときに、目標空燃比を所定の第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替え、その後、第１リーン空燃比ＡＦＬ１に維持する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが理論空燃比よりも僅かに小さいリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ（例えば、１４．５５）以下になったときに、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ空燃比になったと判断し、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えている。

第１リーン空燃比ＡＦＬ１は、理論空燃比よりも或る程度大きな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。第１リーン空燃比ＡＦＬ１は、制御中心となる空燃比（以下「制御中心空燃比」という。本実施形態では理論空燃比。）ＡＦｃｅｎ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。

また電子制御ユニット２００は、目標空燃比設定制御と並行して第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定するための第１酸素吸蔵量推定制御を実施している。具体的には電子制御ユニット２００は、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて、第１三元触媒３４に流入する排気の酸素過不足量ＯＥＤを随時算出しており、この酸素過不足量ＯＥＤを積算することで第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定している。なお酸素過不足量ＯＥＤは、第１三元触媒３４に流入する排気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。本実施形態では電子制御ユニット２００は、下記の式（１）に示す通り、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐ、制御中心空燃比ＡＦｃｅｎ、及び燃料噴射弁１３からの燃料供給量Ｑｉ（又はエアフローメータ２１１の出力等に基づいて算出される燃焼室６内への吸入空気量の推定値）に基づいて、酸素過不足量ＯＥＤを随時算出している。なお式（１）において、０．２３は空気中の酸素濃度を表す。
ＯＤＥ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｕｐ−ＡＦｃｅｎ） …（１）

そして電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に設定している期間に第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が予め定められた第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１以上になると、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１からリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉよりも小さい所定の第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替え、その後、第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に維持する。

第１リッチ空燃比ＡＦＲ１は、理論空燃比よりも或る程度小さな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。第１リッチ空燃比ＡＦＲ１は、制御中心空燃比（本実施形態では理論空燃比。）ＡＦｃｅｎ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、第１リッチ空燃比ＡＦＲ１の理論空燃比からの差（リッチ度合い）は、第１リーン空燃比ＡＦＬ１の理論空燃比からの差（リーン度合い）以下とされる。

そして電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に設定している期間に第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが再びリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になると、目標空燃比を再び第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替え、その後、同様の操作を繰り返す。

ただし、リッチ破綻制御を行った場合であっても、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１に到達する前に第１三元触媒３４の実際の酸素吸蔵量が最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐに到達する場合がある。その原因としては、例えば、第１三元触媒３４の最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐが低下したり、一時的に第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比が急激に変化したりすることが挙げられる。このように第１三元触媒３４の実際の酸素吸蔵量が最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐに到達すると、第１三元触媒３４からは、リーン空燃比の排気が流出することになる。そこで本実施形態では、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン空燃比となったときには、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えるようにしている。

なお本実施形態では電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが理論空燃比よりも僅かに大きいリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ（例えば、１４．６５）以上になったときに、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン空燃比になったと判断している。

＜タイムチャートを用いたリッチ破綻制御の説明＞
図６を参照して、リッチ破綻制御の動作について説明する。図６は、リッチ破綻制御を行った場合における、空燃比補正量ＡＦＣ、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐ、第１三元触媒３４の酸素吸蔵量（第１酸素吸蔵量）ＯＳＡｓｃ、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄ、第２三元触媒３５の酸素吸蔵量（以下「第２酸素吸蔵量」という。）ＯＳＡｕｆｃ、及び第３空燃比センサの出力空燃比ＡＦｄｗｎをそれぞれ示したタイムチャートである。

なお図６に示すタイムチャートは、燃料カット制御後にリッチ破綻制御をしばらく実施した後のリッチ破綻制御中の動作を示している。すなわち図６において、時刻ｔ０以前に燃料カット制御が実施されており、図６には、その燃料カット制御後にリッチ破綻制御をしばらく実施した後のリッチ破綻制御中の動作が示されている。燃料カット制御とは、内燃機関１００が搭載された車両の減速時など、内燃機関１００の運転中に所定の燃料カット実行条件が成立したときに、機関本体１の燃焼室６への燃料供給を停止する制御である。燃料カット制御が実施されると、機関本体１の燃焼室６への燃料供給が停止され、第１三元触媒３４及び第２三元触媒３５に多量の空気が流入することになる。そのため、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ及び第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃのそれぞれが急増することになる。したがって図６では、時刻ｔ１以前において、第１三元触媒３４及び第２三元触媒３５のそれぞれに或る程度の酸素が吸蔵された状態になっている。

また図６において、空燃比補正量ＡＦＣは、第１三元触媒３４に流入する排気の目標空燃比に関する補正量を表している。空燃比補正量ＡＦＣが０のときには目標空燃比は制御中心空燃比（本実施形態では理論空燃比。）ＡＦｃｅｎとなる。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ＡＦｃｅｎよりも大きい空燃比となる。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ＡＦｃｅｎよりも小さい空燃比となる。なお制御中心空燃比ＡＦｃｅｎは、機関運転状態に応じて空燃比補正量ＡＦＣを加算又は減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６に示すタイムチャートでは、時刻ｔ１以前において、空燃比補正量ＡＦＣが所定の第１リッチ補正量ＡＦＣＲ１とされ、これにより目標空燃比が理論空燃比よりも小さい第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に設定されている。そのため、時刻ｔ１以前において、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐは第１リッチ空燃比ＡＦＲ１となっており、第１三元触媒３４に流入する排気には未燃ガスが含まれている。この第１三元触媒３４に流入する排気中に含まれている未燃ガスは、第１三元触媒３４で酸化浄化され、これに伴って、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少していく。第１三元触媒３４における浄化により第１三元触媒３４から流出する排気中には未燃ガスは含まれていないため、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄはほぼ理論空燃比となる。また、第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比は、理論空燃比よりも小さい第１リッチ空燃比ＡＦＲ１となっているため、第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。

第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少すると、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは時刻ｔ１においてゼロに近づき、これに伴って、第１三元触媒３４に流入した未燃ガスの一部は第１三元触媒３４で酸化浄化されずに流出し始め、第１三元触媒３４と第２三元触媒３５との間の排気管３２を流れて２三元触媒３５に流入することになる。

これにより、時刻ｔ１以降は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが徐々に低下する。その結果、時刻ｔ２において、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉに到達する。また時刻ｔ１以降は、第１三元触媒３４から流出して第２三元触媒３５に流入する排気中に含まれる未燃ガスが、第２三元触媒３５で酸化浄化されることになるため、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが徐々に減少していく。第２三元触媒３５における浄化により第２三元触媒３５から流出する排気中には未燃ガスは含まれていないため、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。

時刻ｔ２で、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になると、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを増大させるべく、空燃比補正量ＡＦＣが第１リーン補正量ＡＦＣＬ１に切り替えられ、目標空燃比が第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられる。

なお本実施形態では、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉに到達してから、目標空燃比の切り替えを行っている。これは、第１三元触媒３４の酸素吸蔵量が十分であっても、第１三元触媒３４から流出する排気の空燃比が理論空燃比から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ＡＦｒｅｆｒｉは、第１三元触媒３４の酸素吸蔵量が十分であるときには第１三元触媒３４から流出する排気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で、目標空燃比が第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられると、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐが第１リーン空燃比ＡＦＬ１となる。なお実際には、目標空燃比を切り替えてから第１三元触媒３４に流入する排気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。

そして、時刻ｔ２で第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐが第１リーン空燃比ＡＦＬ１となり、第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化すると、それ以降は第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に増大していく。

これにより、第１三元触媒３４から流出する排気の空燃比が理論空燃比へと変化し、時刻ｔ３で、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが理論空燃比に収束する。そのため時刻ｔ３以降は、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは減少せずに一定に維持される。なお時刻ｔ２以降は、第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比が第１リーン空燃比ＡＦＬ１となっているが、第１三元触媒３４の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気中の酸素は第１三元触媒３４に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。このため、第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。

時刻ｔ４で第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１に到達すると、第１三元触媒３４への酸素の吸蔵を中止すべく、空燃比補正量ＡＦＣが第１リッチ補正量ＡＦＣＲ１に切り替えられ、目標空燃比が第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えられる。

ここで図６に示した例では、時刻ｔ４において目標空燃比を切り替えると同時に第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ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第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが低下するまでには遅れが発生する。また、内燃機関１００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、第１三元触媒３４に流入する排気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、第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１は第１三元触媒３４が新品（未使用）であるときの最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐ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、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐには到達しない。逆に言うと、第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１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、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１は、第１三元触媒３４の最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐ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ｔ４で、目標空燃比が第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えられると、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐが第１リッチ空燃比ＡＦＲ１となる。第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐが第１リッチ空燃比ＡＦＲ１となり、第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化すると、第１三元触媒３４に未燃ガスを含む排気が流入する。そのため、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少していき、時刻ｔ５において、時刻ｔ１と同様に、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが低下し始めると共に、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少し始める。このときも、第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比は理論空燃比よりも小さい第１リッチ空燃比ＡＦＲ１となっているため、第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。

次いで、時刻ｔ６において、時刻ｔ２と同様に、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉに到達する。これにより、空燃比補正量ＡＦＣが第１リーン補正量ＡＦＣＬ１に切り替えられて目標空燃比が第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられ、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、リッチ破綻制御を行っている限り、第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができ、基本的には第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量をほぼゼロとすることができる。また一般に三元触媒は、その酸素吸蔵量が一定に維持されると、酸素吸蔵能力が低下する。すなわち、三元触媒の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、三元触媒の酸素吸蔵量を変動させ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、第１吸蔵量ＯＳＡｓｃ及び第２吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは常に変動しているため、第１三元触媒３４及び第２三元触媒３５の酸素吸蔵能力の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では、時刻ｔ２〜ｔ４において、空燃比補正量ＡＦＣを第１リーン補正量ＡＦＣＬ１に維持している。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣを必ずしも一定に維持する必要はなく、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〜ｔ４の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを０よりも小さな値（例えば、第１リッチ補正量ＡＦＣＲ１）としてもよい。すなわち、時刻ｔ２〜ｔ４の期間中において、一時的に目標空燃比をリッチ空燃比（例えば、第１リッチ空燃比ＡＦＲ１）としてもよい。

同様に、本実施形態では、時刻ｔ４〜ｔ６において、空燃比補正量ＡＦＣを第１リッチ補正量ＡＦＣＲ１に維持している。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣを必ずしも一定に維持する必要はなく、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ｔ４〜ｔ６の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを０よりも大きな値（例えば、第１リーン補正量ＡＦＣＬ１）としてもよい。すなわち、時刻ｔ４〜ｔ６の期間中において、一時的に目標空燃比をリーン空燃比（例えば、第１リーン空燃比ＡＦＬ１）としてもよい。

ただし、この場合であっても、時刻ｔ２〜ｔ４における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差が、時刻ｔ４〜ｔ６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空燃比補正量ＡＦＣの設定、すなわち目標空燃比の設定は、電子制御ユニット２００によって行われている。したがって、電子制御ユニット２００は、リッチ破綻制御中は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になったときに、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１となるまで、第１三元触媒３４に流入する排気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、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１以上になったときに、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐに達することなく第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ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な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、電子制御ユニット２００は、リッチ破綻制御中は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ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、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１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。

また本実施形態では、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第１切替基準値Ｃｒｅｆｕｐ１以上になったときに、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１から第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えている。しかしながら、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１から第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えるタイミングは、例えば目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１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、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘよりも少ないと推定される間に、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１から第１リッチ空燃比ＡＦＲ１へと切り替えることが必要となる。

＜リッチ破綻制御の実施中に生じる問題点＞
このように目標空燃比設定制御として、リッチ破綻制御を実施した場合は、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えた後、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐよりも少ない第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１以上になったときに、目標空燃比が第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えられる。そのため、第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができ、基本的には第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量をほぼゼロとすることができる。

一方で目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えた後は、第１三元触媒３４から未燃ガスが流出し始めて第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になったときに、目標空燃比が第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられる。そのため、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替える前後の期間（図６のタイムチャートでは、例えば時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間）に、第１三元触媒３４から未燃ガスが流出することになる。

この目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替える前後の期間に第１三元触媒３４から流出する未燃ガスは、第２三元触媒３５に酸素が吸蔵されていれば、第２三元触媒３５に吸蔵された酸素によって酸化浄化される。

したがって、目標空燃比切替制御としてリッチ破綻制御を実施しているときは、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えるたびに、第１三元触媒３４から少ないながらも一時的に未燃ガスが流出し、その未燃ガスを酸化浄化するために第２三元触媒３５に吸蔵された酸素が消費されるので、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少することになる。

第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは、前述したように燃料カット制御が実施されると増大するが、燃料カット制御は必ずしも一定の間隔で実施されるものではない。そのため、長期間に亘って燃料カット制御が実施されない場合もある。このような場合には、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えるたびに、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少し続けることになるため、最終的には第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロとなり、第２三元触媒３５によって未燃ガスを酸化浄化することができなくなる。

そこで本実施形態では、リッチ破綻制御の実施中に第２三元触媒３５から未燃ガスが流出し始めて第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になったときは、リッチ破綻制御（通常制御）を停止すると共に、目標空燃比設定制御として第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを増大させるための吸蔵量回復制御を実施することとした。

＜第１実施形態による吸蔵量回復制御＞
図７は、本実施形態による吸蔵量回復制御の動作について説明するタイムチャートである。

図７のタイムチャートにおいて、時刻ｔ３以前は、図６を参照して前述した通りにリッチ破綻制御が実施されており、時刻ｔ１で第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃがゼロに近づくと、第１三元触媒３４に流入した未燃ガスの一部が第１三元触媒３４から流出し始める。

これにより、時刻ｔ１以降において、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが低下し始め、時刻ｔ２でリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉに到達すると、電子制御ユニット２００は、空燃比補正量ＡＦＣを第１リッチ補正量ＡＦＣＲ１から第１リーン補正量ＡＦＣＬ１に切り替える。すなわち目標空燃比が、第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられる。

また、第１三元触媒３４から流出した未燃ガスを浄化するために第２三元触媒３５に吸蔵された酸素が消費されるので、時刻ｔ１以降において、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが減少していく。

時刻ｔ２で目標空燃比が第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられるものの、実際にリーン空燃比の排気が排気管３２に流れてくるまでには時間遅れがあるため、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄは未だ理論空燃比よりも小さくなっている。そのため、時刻ｔ２以降も第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは減少していく。そして、時刻ｔ２付近で第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロに近づくと、第２三元触媒３５で未燃ガスを完全に浄化することができなくなり、第２三元触媒３５に流入した未燃ガスの一部が第２三元触媒３５から流出し始める。これにより、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが低下し始め、時刻ｔ３で第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉに到達する。

時刻ｔ３で、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になると、電子制御ユニット２００は、リッチ破綻制御（通常制御）を停止し、目標空燃比設定制御として吸蔵量回復制御を開始する。

電子制御ユニット２００は、吸蔵量回復制御の開始時には、空燃比補正量ＡＦＣを、リッチ破綻制御の実施中に設定される第１リーン補正量ＡＦＣＬ１よりも大きい所定の第２リーン補正量ＡＦＣＬ２に切り替える。すなわち目標空燃比が、リッチ破綻制御の実施中に設定される第１リーン空燃比ＡＦＬ１よりも大きい所定の第２リーン空燃比ＡＦＬ２に切り替えられる。

ここで、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを増大させるためには、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐまで増大させて、第１三元触媒３４を酸素が吸蔵できない状態とし、第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気を流出させる必要がある。

このとき、本実施形態による吸蔵量回復制御のように、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１よりも大きい第２リーン空燃比ＡＦＬ２に切り替えることで、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に設定した場合と比較して、第１三元触媒３４に多量の酸素を供給することができるので、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを素早く増大させることができる。すなわち、短い期間で第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐまで増大させることができるので、第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気を流出させて、第２三元触媒３５に素早く酸素を供給することができる。

また、目標空燃比を第２リーン空燃比ＡＦＬ２に切り替えると、リッチ破綻制御の実施中よりもリーンな空燃比の排気が第１三元触媒３４に流入することになるため、排気中のＮＯｘの一部が第１三元触媒３４によって還元浄化されずに第１三元触媒３４から流出するおそれがある。しかしながら、吸蔵量回復制御の実施中は第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎよりも十分に少ない状態となっているため、仮に排気中のＮＯｘの一部が第１三元触媒３４から流出したとしても、そのＮＯｘを第２三元触媒３５によって還元浄化することができる。したがって、第２三元触媒３５からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。

時刻ｔ４で、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐに近づくと、第１三元触媒３４に流入した酸素の一部が第１三元触媒３４から流出し始める。これにより、時刻ｔ４以降において、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが増加し始め、時刻ｔ５で第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐまで増加すると、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅに到達する。

時刻ｔ５で、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になると、電子制御ユニット２００は空燃比補正量ＡＦＣを、第２リーン補正量ＡＦＣＬ２からその第２リーン補正量ＡＣＬ２よりも小さい所定のリーン補正量に切り替える。本実施形態では電子制御ユニット２００は、空燃比補正量ＡＦＣを第１リーン補正量ＡＦＣＬ１よりも小さい所定の第３リーン補正量ＡＦＣＬ３に切り替える。これにより本実施形態では、目標空燃比が、第２リーン空燃比ＡＦＬ２から第１リーン空燃比ＡＦＬ１よりも小さい所定の第３リーン空燃比ＡＦＬ３に切り替えられる。このように、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になったときに目標空燃比をリーン度合いの小さい空燃比にする理由については後述する。

また時刻ｔ５で、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になると、電子制御ユニット２００は、吸蔵量回復制御と並行して第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを推定するための第２酸素吸蔵量推定制御を開始する。具体的には電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄに基づいて、第２三元触媒３５に流入する排気の酸素過不足量ＯＥＤｕｆｃを随時算出し、この酸素過不足量ＯＥＤｕｆｃを積算することで第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを推定する。酸素過不足量ＯＥＤｕｆｃは、第２三元触媒３５に流入する排気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。本実施形態では電子制御ユニット２００は、下記の式（２）に示す通り、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄ、制御中心空燃比（本実施形態では理論空燃比）ＡＦｃｅｎ、及び燃料噴射弁１３からの燃料供給量Ｑｉ（又はエアフローメータ２１１の出力等に基づいて算出される燃焼室６内への吸入空気量の推定値）に基づいて、酸素過不足量ＯＥＤｕｆｃを随時算出している。なお式（２）において、０．２３は空気中の酸素濃度を表す。
ＯＤＥｕｆｃ＝０．２３×Ｑｉ×（ＡＦｍｉｄ−ＡＦｃｅｎ） …（２）

ここで本実施形態による内燃機関１００は第３空燃比センサ２１５を備えているため、第２酸素吸蔵量推定制御を実施するにあたって、時刻ｔ３で第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉに到達したことをもって、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロであると推定できる。そのため、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉに到達したときに、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを一旦ゼロに戻すようにすることで、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを精度良く推定することができる。

時刻ｔ６で、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが所定の再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎ以上になると、電子制御ユニット２００は、吸蔵量回復制御を終了して通常制御を再開する。

電子制御ユニット２００は、通常制御の再開時には、空燃比補正量ＡＦＣを、第３リーン補正量ＡＦＣＬ３から第１リッチ補正量ＡＦＣＲ１に切り替える。すなわち目標空燃比を、第３リーン空燃比ＡＦＬ３から第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替える。これは、吸蔵量回復制御後は、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐとなっているため、第１三元触媒３４に流入する排気をリッチ空燃比として第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを減少させる必要があるためである。

なお第２三元触媒３５には、時刻ｔ６で目標空燃比が第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えられた後も、しばらくの間（時刻ｔ７までの間）は第２三元触媒３５よりも上流側の排気通路内に存在するリーン空燃比の排気が流入することになる。そのため、再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎは、このような排気通路内に存在するリーン空燃比の排気が全て第２三元触媒３５流入しても、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎに達しない値とされる。

なお、吸蔵量回復制御を終了するタイミングは、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが所定の再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎ以上になったときに限られるものではなく、例えば本実施形態の変形例では、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃをある程度まで回復させた後、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎに達するまでの間に吸蔵量回復制御を終了するようにしている。すなわち本実施形態の変形例では、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比となって、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがある程度まで回復した状態になってから、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になるまでの間に、吸蔵量回復制御を終了するようにしている。

また本実施形態の別の変形例では、電子制御ユニット２００によって、第２三元触媒３５よりも上流側の排気通路内に存在するリーン空燃比の排気中の酸素量が、例えば機関運転状態に基づいて随時推定されており、この推定した酸素量と、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推定値との和が、最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎになるまでの間に、吸蔵量回復制御を終了して通常制御を再開するようにしている。

時刻ｔ６以降は、電子制御ユニット２００は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが再びリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になるまで目標空燃比設定制御としてリッチ破綻制御を実施する。

ところで、時刻ｔ５で第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になった後は、第１三元触媒３４に流入した排気中のＮＯｘが第１三元触媒３４で還元浄化されることなく第１三元触媒３４から流出し、そのまま第２三元触媒３５に流入することになる。

そのため、時刻ｔ５以降も目標空燃比をリーン度合いの大きい第２リーン空燃比ＡＦＬ２に維持したままにすると、時刻ｔ５以降は比較的多量のＮＯｘが第２三元触媒３５に流入することになる。時刻ｔ５の時点では、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃはゼロであるため、基本的に第２三元触媒３５に流入したＮＯｘは第２三元触媒３５によって還元浄化されることになる。しかしながら、多量のＮＯｘが第２三元触媒３５に流入すると、ＮＯｘの一部が第２三元触媒３５によって還元浄化されずに第２三元触媒３５から流出するおそれがある。

このとき、本実施形態による吸蔵量回復制御のように、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になった後は、目標空燃比をリーン度合いの小さい第３リーン空燃比ＡＦＬ３に切り替えることで、多量のＮＯｘが第２三元触媒３５に流入するのを抑制することができる。そのため、第２三元触媒３５に流入したＮＯｘの一部が第２三元触媒３５によって還元浄化されずに第２三元触媒３５から流出するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推定値が再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎ以上になったときに、吸蔵量回復制御を終了するようにしている。そのため、例えば第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推定値と実際値とがずれてしまった場合など、第１三元触媒３４からＮＯｘを含むリーン空燃比の排気が流出しているときに、何らかの要因によって第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎに到達してリーン破綻してしまうと、一時的に多量のＮＯｘが第２三元触媒３５から流出するおそれがある。

このような場合も、本実施形態による吸蔵量回復制御のように、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になった後は、目標空燃比をリーン度合いの小さい第３リーン空燃比ＡＦＬ３に切り替えることで、一時的に第２三元触媒３５から流出するＮＯｘの排出量を抑制することができる。

＜目標空燃比設定制御のフローチャート＞
図８は、本実施形態による目標空燃比設定制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを機関運転中に所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１が１に設定されているか否かを判定する。フラグＦ１は、吸蔵量回復制御を実施するときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。電子制御ユニット２００は、フラグＦ１が０に設定されていればステップＳ２の処理に進む。一方で電子制御ユニットは、フラグＦ１が１に設定されていればステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、第２三元触媒３５からリッチ空燃比の排気（未燃ガス）が流出しているか否かを判定する。具体的には電子制御ユニット２００は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下か否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉより大きければ、ステップＳ３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下であれば、ステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、目標空燃比設定制御として通常制御を実施する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、リッチ破綻制御を実施する。リッチ破綻制御の詳細な処理内容については図９を参照して後述する。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１を１に設定する。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、目標空燃比設定制御として吸蔵量回復制御を実施する。吸蔵量回復制御の詳細な処理内容については図１０を参照して後述する。

＜通常制御のフローチャート＞
図９は、通常制御としてのリッチ破綻制御の詳細な処理内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ１１において、電子制御ユニット２００は、吸蔵量回復制御を実施した後の通常制御の再開時か否かを判定する。具体的には電子制御ユニット２００は、前回処理時のフラグＦ１が１であったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、通常制御の再開時であればステップＳ１２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、通常制御の再開時でなければステップＳ１３の処理に進む。

ステップＳ１２において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２及びフラグＦ３を０に戻す。なおフラグＦ２は、通常制御中に目標空燃比が第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えられたときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。またフラグＦ３は、通常制御中に目標空燃比が第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられたときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。

ステップＳ１３において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２が１に設定されているか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、フラグＦ２が０に設定されていればステップＳ１４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、フラグＦ２が１に設定されていればステップＳ１７の処理に進む。

ステップＳ１４において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ３が１に設定されているか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、フラグＦ３が０に設定されていればステップＳ１５の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、フラグＦ３が１に設定されていればステップＳ２１の処理に進む。

ステップＳ１５において、電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に設定する。

ステップＳ１６において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２を１に設定する。

ステップＳ１７において、電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下か否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉよりも大きければ今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下であればステップＳ１８の処理に進む。

ステップＳ１８において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２を０に戻す。

ステップＳ１９において、電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に設定する。

ステップＳ２０において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ３を１に設定する。

ステップＳ２１において、電子制御ユニット２００は、第１酸素吸蔵量推定制御によって推定されている第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを読み込み、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１以上か否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１未満であれば今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット２００は、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１以上であればステップＳ２２の処理に進む。

ステップＳ２２において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ３を０に戻す。

＜第１実施形態による吸蔵量回復制御のフローチャート＞
図１０は、本実施形態による吸蔵量回復制御の詳細な処理内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１において、電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上か否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ未満であれば、ステップＳ３２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上であれば、ステップＳ３３の処理に進む。

ステップＳ３２において、電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第２リーン空燃比ＡＦＬ２に設定する。

ステップＳ３３において、電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第３リーン空燃比ＡＦＬ３に設定する。

ステップＳ３４において、電子制御ユニット２００は、第２酸素吸蔵量推定制御によって推定されている第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを読み込み、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎ以上になったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが再開基準値Ｃｒｅｆｄｗｎ未満であれば、今回の処理を終了する。この場合、吸蔵量回復制御が引き続き実施されることになる。一方で電子制御ユニット２００は、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが再開基準値Ｃｒｅｆｄｗｎ以上であれば、ステップＳ３５の処理に進む。

ステップＳ３５において、電子制御ユニット２００は、吸蔵量回復制御を終了させて通常制御を再開させるべく、フラグＦ１を０に戻す。

＜作用効果＞
以上説明した本実施形態によれば、機関本体１と、機関本体１の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する第１三元触媒３４（第１触媒）と、第１三元触媒３４よりも排気流れ方向下流側の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する第２三元触媒３５（第２触媒）と、第１三元触媒３４よりも排気流れ方向上流側の排気通路に配置され、第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比を検出するための第１空燃比センサ２１３と、第１三元触媒３４と第２三元触媒３５との間の排気通路に配置され、第１三元触媒３４から流出する排気の空燃比を検出するための第２空燃比センサ２１４と、第２三元触媒３５よりも排気流れ方向下流側の排気通路に配置され、第２三元触媒３５から流出する排気の空燃比を検出するための第３空燃比センサ２１５と、を備える内燃機関１００を制御するための電子制御ユニット２００（制御装置）が、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比となるように、機関本体１から排出される排気の空燃比を制御する空燃比制御部と、目標空燃比を設定する目標空燃比設定部と、を備える。

目標空燃比設定部は、目標空燃比を、理論空燃比よりも大きい所定の第１リーン空燃比ＡＦＬ１と、理論空燃比よりも小さい所定の第１リッチ空燃比ＡＦＲ１と、に交互に切り替える通常制御を実施する第１設定制御部と、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりも小さくかつ第１リッチ空燃比ＡＦＲ１よりも大きい所定のリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になったときに、通常制御を停止して、第２三元触媒３５の酸素吸蔵量を増大させるための吸蔵量回復制御を実施する第２設定制御部と、を備える。

そして第２設定制御部は、吸蔵量回復制御の開始時に目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１よりも大きい所定の第２リーン空燃比ＡＦＬ２に設定すると共に、目標空燃比を第２リーン空燃比ＡＦＬ２に設定している期間において、第１三元触媒３４から理論空燃比よりも空燃比の大きい排気が流出してから目標空燃比を第２リーン空燃比ＡＦＬ２よりも小さい所定の第３リーン空燃比ＡＦＬ３に設定するように構成されている。

そのため吸蔵量回復制御時には、少なくとも第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が流出するまでは、目標空燃比が通常制御時に設定される第１リーン空燃比ＡＦＬ１よりも大きい第２リーン空燃比ＡＦＬ２に設定される。したがって、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に設定した場合と比較して、第１三元触媒３４に多量の酸素を供給することができるので、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを素早く増大させることができる。これにより、短い期間で第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐまで増大させて第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が流出する状態にすることができるので、第２三元触媒３５に素早く酸素を供給することができる。

ここで、第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が流出するようになった後も、目標空燃比をリーン度合いの大きい第２リーン空燃比ＡＦＬ２に維持したままにすると、比較的多量のＮＯｘが第２三元触媒３５に流入することになる。そのため、ＮＯｘの一部が第２三元触媒３５によって還元浄化されずに第２三元触媒３５から流出するおそれがある。また、例えば第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推定値と実際値とがずれてしまった場合など、第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が流出しているときに、何らかの要因によって第２三元触媒３５がリーン破綻してしまうと、一時的に多量のＮＯｘが第２三元触媒３５から流出するおそれがある。

これに対して本実施形態による第２設定制御部によれば、第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が流出した後は、目標空燃比が第２リーン空燃比ＡＦＬ２よりも小さい第３リーン空燃比ＡＦＬ３に設定される。そのため、第２三元触媒３５に流入するＮＯｘ量を抑えることができるので、第２三元触媒からＮＯｘが流出するのを抑制することができる。特に本実施形態では、第３リーン空燃比ＡＦＬ３は第１リーン空燃比ＡＦＬ１よりも小さい空燃比とされる。そのため、ＮＯｘが第２三元触媒３５から流出するのを一層抑制することができ、また、仮に第２三元触媒３５がリーン破綻したとしても、一時的に第２三元触媒３５から流出するＮＯｘの排出量を抑えることができる。

また本実施形態による第２設定制御部は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比になってから、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりも大きくかつ第３リーン空燃比ＡＦＬ３よりも小さい所定のリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になるまでの間に、吸蔵量回復制御を終了させて通常制御を再開させるように、さらに構成されている。

特に本実施形態では、電子制御ユニット２００が、第２三元触媒３５の酸素吸蔵量である第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを推定する第２酸素吸蔵量推定部をさらに備えており、第２設定制御部は、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが第２三元触媒３５の最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎよりも少ない所定の再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎになったときに、吸蔵量回復制御を終了させて通常制御を再開させるように構成されている。

これにより、第１三元触媒３４から流出したリーン空燃比の排気が第２三元触媒３５に流入するようになった後、少なくとも第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比となって、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがある程度まで回復した状態になるまでは、吸蔵量回復制御を実施することができる。そのため、通常制御が再開された後に、第２三元触媒３５に未燃ガスを含むリッチ空燃比の排気が流入したとしても、第２三元触媒３５によって確実に未燃ガスを酸化浄化することができる。そのため、第２三元触媒３５から未燃ガスを含むリッチ空燃比の排気が流出するのを抑制して排気エミッションの悪化を抑制することができる。

また本実施形態の変形例では、電子制御ユニット２００が、第２三元触媒３５の酸素吸蔵量である第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを推定する第２酸素吸蔵量推定部と、第２三元触媒３５の前端面よりも排気流れ方向上流側の排気通路内に存在する酸素量を推定する酸素量推定部と、をさらに備えており、第２設定制御部は、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃと前記酸素量との和が、第２三元触媒３５の最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎになるまでの間に、吸蔵量回復制御を終了させて通常制御を再開させるように構成されている。

これにより、吸蔵量回復制御後に第２三元触媒３５よりも上流側の排気通路内に存在するリーン空燃比の排気が第２三元触媒３５に流入しても、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎに到達することはない。そのため、第２三元触媒３５からＮＯｘを含むリーン空燃比の排気が流出するのを抑制できる。

また本実施形態による電子制御ユニット２００は、第１三元触媒３４の酸素吸蔵量である第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定する第１酸素吸蔵量推定部をさらに備えており、第１設定制御部は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になったときに、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に設定すると共に、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に設定している期間に第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第１三元触媒３４の最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐよりも少ない所定の第１切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ１以上になったときに、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＬ１に設定するように、さらに構成されている。すなわち第１設定制御部は、通常制御としてリッチ破綻制御を実施するように構成されている。

このように、通常制御としてリッチ破綻制御を実施することで、第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができ、第１三元触媒３４からのＮＯｘ排出量をほぼゼロとすることができる。結果として、第２三元触媒３５からのＮＯｘ排出量もほぼゼロとすることができる。

また本実施形態による第１設定制御部は、通常制御を再開するときは、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に設定するように、さらに構成される。

これにより、吸蔵量回復制御後は第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐとなっているが、通常制御の開始時には第１三元触媒３４に流入する排気をリッチ空燃比にすることができるので、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを減少させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、吸蔵量回復制御の内容が第１実施形態と相違する。具体的には、吸蔵量回復制御中にリーン破綻制御を実施して第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを段階的に増大させていく点で、第１実施形態と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。

前述した第１実施形態では、目標空燃比を第３リーン空燃比ＡＦＬ３に切り替えた後は、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎ以上になるまで、目標空燃比を第３リーン空燃比ＡＦＬ３に維持していた。すなわち前述した第１実施形態では、第２三元触媒３５の酸素吸蔵量を回復させるために、ＮＯｘを含むリーン空燃比の排気を継続的に第２三元触媒３５に流入させていた。目標空燃比を第３リーン空燃比ＡＦＬ３に維持している期間は、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎよりも十分に少ない状態なので、第２三元触媒３５にリーン空燃比の排気が流入しても、基本的には第２三元触媒３５でＮＯｘが還元浄化され、第２三元触媒３５からＮＯｘが流出することはない。しかしながら、ＮＯｘを含むリーン空燃比の排気を継続的に第２三元触媒３５に流入させると、ＮＯｘが第２三元触媒３５において還元浄化されずに吹き抜けていく可能性もゼロではない。

そこで本実施形態では、第２三元触媒３５の酸素吸蔵量を回復させるにあたって、リーン空燃比の排気を断続的に第２三元触媒３５に流入させることとした。具体的には、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比となった後は、リーン空燃比の排気が断続的に第２三元触媒３５に流入するように、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを周期的に最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐにして、第１三元触媒３４をリーン破綻させるリーン破綻制御を実施することとした。以下、この本実施形態による吸蔵量回復制御について説明する。

＜第２実施形態による吸蔵量回復制御＞
図１１は、本実施形態による吸蔵量回復制御の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの吸蔵量回復制御の動作は、前述した第１実施形態の吸蔵量回復制御と同様である。

時刻ｔ２で、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比となると、電子制御ユニット２００は、第２三元触媒３５から未燃ガスが流出しなくなったと判定し、吸蔵量回復制御としてのリーン破綻制御を実施する。具体的には電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第３リーン空燃比ＡＦＬ３から第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替える。これにより、時刻ｔ２以降は第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となるので、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは減少していく。

一方、時刻ｔ２で目標空燃比が第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えられるものの、実際にリッチ空燃比の排気が第１三元触媒３４の下流に流れてくるまでには時間遅れがあるため、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄは未だ理論空燃比よりも大きくなっている。そのため、時刻ｔ２以降も第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは増加していく。そして時刻ｔ３で、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが理論空燃比に収束すると、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは増加しなくなり、一定に維持される。

時刻ｔ４で、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが所定の第２切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ２まで低下すると、電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替える。これにより、時刻ｔ４以降は第１三元触媒３４に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となるので、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増加していく。なお本実施形態では、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが所定の第２切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ２まで低下したときに、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えているが、このときの目標空燃比は第１リーン空燃比ＡＦＬ１に限られるものではなく、例えば第３リーン空燃比ＡＦＬ３としても良い。

そして時刻ｔ５で、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐに近づき、これに伴って第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が徐々に流出し始める。これにより、時刻ｔ５以降は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが徐々に増加する。

そして時刻ｔ６で、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅまで増加すると、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを減少させるために、電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１から再び第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替える。これにより、時刻ｔ７で、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが理論空燃比に収束する。

このとき、時刻５から時刻ｔ７までの期間は、第２空燃比センサの出力空燃比ＡＦｍｉｄが理論空燃比よりも大きくなっており、第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が流出している。換言すれば、リーン空燃比の排気が第２三元触媒３５に流入している。そのため、時刻５から時刻ｔ７までの期間において、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが徐々に増加していき、時刻ｔ５で、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄが理論空燃比に収束すると第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは増加しなくなり、一定に維持される。

このようにリーン破綻制御を実施すると、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１から第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替える前後の期間において、一時的に第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が流出することになる。そのため、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎ以上になるまで、断続的に第２三元触媒３５にリーン空燃比の排気を流入させて、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを少しずつ増加させることができる。

時刻ｔ８で第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが所定の第２切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ２まで低下すると、目標空燃比が再び第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられ、時刻ｔ９で第２空燃比センサの出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になると、目標空燃比が再び第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えられる。

そして時刻ｔ１０で、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎ以上になると、電子制御ユニット２００は、吸蔵量回復制御を終了して通常制御を再開する。なお本実施形態においても、吸蔵量回復制御を終了するタイミングは、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが所定の再開基準量Ｃｒｅｆｄｗｎ以上になったときに限られるものではなく、前述したように第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃをある程度まで回復させた後、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃが最大吸蔵量Ｃｍａｘｄｗｎに達するまでの間に吸蔵量回復制御を終了すれば良い。

また図１１のタイムチャートでは、便宜上、リーン破綻制御中の目標空燃比を、通常制御中と同じ目標空燃比（第１リッチ空燃比ＡＦＲ１及び第１リーン空燃比ＡＦＬ１）に設定していたが、通常制御中とは異なる目標空燃比（すなわち任意のリッチ空燃比とリーン空燃比）に設定しても良い。

＜第２実施形態による吸蔵量回復制御のフローチャート＞
図１２は、本実施形態による吸蔵量回復制御の詳細な処理内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１からステップＳ３３までの処理は、第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。

ステップＳ４１において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ４が１に設定されているか否かを判定する。フラグＦ４は、吸蔵量回復制御としてリーン破綻制御を実施している場合において、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えたときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。電子制御ユニット２００は、フラグＦ４が０に設定されていればステップＳ４２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、フラグＦ４が１に設定されていればステップＳ４６の処理に進む。

ステップＳ４２において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ５が１に設定されているか否かを判定する。フラグＦ５は、吸蔵量回復制御としてリーン破綻制御を実施している場合において、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えたときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。電子制御ユニット２００は、フラグＦ５が０に設定されていればステップＳ３１の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、フラグＦ５が１に設定されていればステップＳ５０の処理に進む。

ステップＳ４３において、電子制御ユニット２００は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比になったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比になっていなければ、今回の処理を終了する。この場合、第２三元触媒３５から未燃ガス含むリッチ空燃比の排気が流出しなくなるまで、目標空燃比は第３リーン空燃比ＡＦＬ３に維持される。一方で電子制御ユニット２００は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比になったときは、第２三元触媒３５から未燃ガス含むリッチ空燃比の排気が流出しなくなったと判定してステップＳ４４の処理に進む。

ステップＳ４４において、電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に設定し、吸蔵量回復制御としてのリーン破綻制御を開始する。

ステップＳ４５において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ４を１に設定する。

ステップＳ４６において、電子制御ユニット２００は、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第２切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ２以下になったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第２切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ２よりも多ければ今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット２００は、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第２切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ２以下であればステップＳ４７の処理に進む。

ステップＳ４７において、電子制御ユニット２００は、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に設定する。

ステップＳ４８において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ４を０に戻すと共に、フラグＦ５を１に設定する。

ステップＳ４９において、電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ未満であれば今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット２００は、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上であれば、ステップＳ５０の処理に進む。

ステップＳ５０において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ５及びフラグＦ１をそれぞれ０に戻す。

＜作用効果＞
以上説明した本実施形態によれば、電子制御ユニット２００の第２設定制御部は、目標空燃比を前記第３リーン空燃比に設定している期間に第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比になったときに、目標空燃比を任意のリッチ空燃比（本実施形態では第１リッチ空燃比ＡＦＲ１）に設定するように構成される。

また第２設定制御部は、目標空燃比を前記任意のリッチ空燃比に設定している期間に第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃがゼロよりも多い所定の第２切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ２以下になったときに、目標空燃比を任意のリーン空燃比（本実施形態では第１リーン空燃比ＡＦＬ１）に設定し、目標空燃比を前記任意のリーン空燃比に設定している期間に第２空燃比センサの出力空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になったときに、目標空燃比を前記任意のリッチ空燃比に設定するように構成される。すなわち本実施形態による第２設定制御部は、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比になった後は、吸蔵量回復制御としてリーン破綻制御を実施するように構成されている。

これにより、ＮＯｘを含むリーン空燃比の排気を断続的に少しずつ第２三元触媒３５に流入させて、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを段階的に少しずつ回復させることができる。そのため、リーン空燃比の排気中に含まれるＮＯｘを第２三元触媒３５によって確実に還元浄化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の各実施形態では、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１と第１リッチ空燃比ＡＦＲ１とに交互に切り替える通常制御として、リッチ破綻制御を実施する例を説明した。しかしながら、このような通常制御はリッチ破綻制御に限られるものではなく、例えば通常制御として、前述したリーン破綻制御（第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを周期的に最大吸蔵量Ｃｍａｘｕｐにして、第１三元触媒３４をリーン破綻させる制御）を実施した上で、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になったときに吸蔵量回復制御を実施するようにしても良い。

なお通常制御としてリーン破綻制御を実施した場合は、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替えた後、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが第２切替基準量Ｃｒｅｆｕｐ以下になったときに、目標空燃比が第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替えられる。そのため、第１三元触媒３４からの未燃ガスの流出を常に抑制することができ、基本的には第１三元触媒３４からの未燃ガスの排出量をほぼゼロとすることができる。したがって、基本的には第２三元触媒３５から未燃ガスが流出することはないが、何らかの要因によって第２三元触媒３５から未燃ガスが流出することも考えられる。このような場合に吸蔵量回復制御を実施することで、第２三元触媒３５からの未燃ガスの排出量を抑制することができる。

また通常制御として、第１三元触媒３４をリーン破綻させると共にリッチ破綻させる両破綻制御を実施した上で、第３空燃比センサ２１５の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になったときに吸蔵量回復制御を実施するようにしても良い。両破綻制御は、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に設定している期間に、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリッチ判定空燃比ＡＦｒｅｆｒｉ以下になったときに目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替え、目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１に設定している期間に、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄがリリーン判定空燃比ＡＦｒｅｆｌｅ以上になったときに目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替える制御である。

通常制御として両破綻制御を実施した場合は、目標空燃比を第１リッチ空燃比ＡＦＲ１から第１リーン空燃比ＡＦＬ１に切り替える前後の期間に、第１三元触媒３４からリッチ空燃比の排気が流出する。また目標空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１から第１リッチ空燃比ＡＦＲ１に切り替える前後の期間に、第１三元触媒３４からリーン空燃比の排気が流出する。そのため、第２三元触媒３５には周期的にリッチ空燃比の排気とリーン空燃比の排気とが流入することになるため、基本的には第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは一定に保たれ、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃがゼロとなって第２三元触媒３５から未燃ガスが流出することはない。しかしながら、何らかの要因によって第２三元触媒３５から未燃ガスが流出することも考えられる。このような場合に吸蔵量回復制御を実施することで、第２三元触媒３５からの未燃ガスの排出量を抑制することができる。

また上記の各実施形態では、第１空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐ等に基づいて、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定し、第２空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｍｉｄ等に基づいて、第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃを推定していた。しかしながら、しかしながら、第１酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ及び第２酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ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。

１ 機関本体
３４ 第１三元触媒（第１触媒）
３５ 第２三元触媒（第２触媒）
１００ 内燃機関
２００ 電子制御ユニット（制御装置）
２１３ 第１空燃比センサ
２１４ 第２空燃比センサ
２１５ 第３空燃比センサ

Claims (9)

1. 機関本体と、
   前記機関本体の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する第１触媒と、
   前記第１触媒よりも排気流れ方向下流側の前記排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する第２触媒と、
   前記第１触媒よりも排気流れ方向上流側の前記排気通路に配置され、前記第１触媒に流入する排気の空燃比を検出するための第１空燃比センサと、
   前記第１触媒と前記第２触媒との間の前記排気通路に配置され、前記第１触媒から流出する排気の空燃比を検出するための第２空燃比センサと、
   前記第２触媒よりも排気流れ方向下流側の前記排気通路に配置され、前記第２触媒から流出する排気の空燃比を検出するための第３空燃比センサと、
   を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
   前記第１空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように、前記機関本体から排出される排気の空燃比を制御する空燃比制御部と、
   前記目標空燃比を設定する目標空燃比設定部と、
   を備え、
   前記目標空燃比設定部は、
   前記目標空燃比を理論空燃比よりも大きい所定の第１リーン空燃比と、理論空燃比よりも小さい所定の第１リッチ空燃比と、に交互に切り替える通常制御を実施する第１設定制御部と、
   前記第３空燃比センサの出力空燃比が、理論空燃比よりも小さくかつ前記第１リッチ空燃比よりも大きい所定のリッチ判定空燃比以下になったときに、前記通常制御を停止して、前記第２触媒の酸素吸蔵量を増大させる吸蔵量回復制御を実施する第２設定制御部と、
   を備え、
   前記第２設定制御部は、
   前記吸蔵量回復制御の開始時に前記目標空燃比を前記第１リーン空燃比よりも大きい所定の第２リーン空燃比に設定すると共に、
   前記目標空燃比を前記第２リーン空燃比に設定している期間において、前記第１触媒から理論空燃比よりも空燃比の大きい排気が流出してから、前記目標空燃比を前記第２リーン空燃比よりも小さい所定の第３リーン空燃比に設定する、
   内燃機関の制御装置。
2. 前記第３リーン空燃比は、前記第１リーン空燃比よりも小さい、
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記第２設定制御部は、
   前記第３空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比になってから、前記第３空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりも大きくかつ前記第３リーン空燃比よりも小さい所定のリーン判定空燃比以上になるまでの間に、前記吸蔵量回復制御を終了させて前記通常制御を再開させる、
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記第２触媒の酸素吸蔵量である第２酸素吸蔵量を推定する第２酸素吸蔵量推定部をさらに備え、
   前記第２設定制御部は、
   前記第２酸素吸蔵量が前記第２触媒の最大吸蔵量よりも少ない所定の再開基準量になったときに、前記吸蔵量回復制御を終了させて前記通常制御を再開させる、
   請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記第２触媒の酸素吸蔵量である第２酸素吸蔵量を推定する第２酸素吸蔵量推定部と、
   前記第２触媒の前端面よりも排気流れ方向上流側の前記排気通路内に存在する酸素量を推定する酸素量推定部と、
   をさらに備え、
   第２設定制御部は、
   前記第２酸素吸蔵量と前記酸素量との和が、前記第２触媒の最大吸蔵量になるまでの間に、前記吸蔵量回復設定制御を終了させて前記通常制御を再開させる、
   請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記第１触媒の酸素吸蔵量である第１酸素吸蔵量を推定する第１酸素吸蔵量推定部をさらに備え、
   前記第１設定制御部は、
   前記第２空燃比センサの出力空燃比が前記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第１リーン空燃比に設定すると共に、
   前記第１酸素吸蔵量が前記第１触媒の最大吸蔵量よりも少ない所定の切替基準量以上になったときに、前記目標空燃比を前記第１リッチ空燃比に設定する、
   請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記第１触媒の酸素吸蔵量である第１酸素吸蔵量を推定する第１酸素吸蔵量推定部をさらに備え、
   前記第２設定制御部は、
   目標空燃比を前記第３リーン空燃比に設定している期間に前記第３空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比になったときに、前記目標空燃比を任意のリッチ空燃比に設定し、
   前記目標空燃比を前記任意のリッチ空燃比に設定している期間に前記第１酸素吸蔵量がゼロよりも多い所定の第２切替基準量以下になったときに、前記目標空燃比を任意のリーン空燃比に設定すると共に、前記目標空燃比を前記任意のリーン空燃比に設定している期間に前記第２空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりも大きくかつ前記第３リーン空燃比よりも小さい所定のリーン判定空燃比以上になったときに、前記目標空燃比を前記任意のリッチ空燃比に設定する、
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記第１設定制御部は、
   前記第２空燃比センサの出力空燃比が前記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第１リーン空燃比に設定すると共に、
   前記第１酸素吸蔵量が前記第１触媒の最大吸蔵量よりも少ない所定の切替基準量以上になったときに、前記目標空燃比を前記第１リッチ空燃比に設定する、
   請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記第１設定制御部は、
   前記通常制御を再開するときは、前記目標空燃比を前記第１リッチ空燃比に設定する、
   請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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