JP6579179B2

JP6579179B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP6579179B2
Application number: JP2017212006A
Authority: JP
Inventors: 翔吾田中; 憲二井下; 中川　徳久; 徳久中川
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Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、酸素を吸蔵可能な触媒を内燃機関の排気通路に配置し、排気ガス中の未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）及びＮＯｘを触媒において浄化することが知られている。触媒の酸素吸蔵能力が高いほど触媒に吸蔵可能な酸素の量が多くなり、触媒の排気浄化性能が向上する。

触媒の酸素吸蔵能力を維持するためには、触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されないように触媒の酸素吸蔵量を変動させることが望ましい。特許文献１、２に記載の内燃機関では、触媒の酸素吸蔵量を変動させるために、触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比と理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比との間で交互に切り替えられる。

具体的には、特許文献１に記載の内燃機関では、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目標空燃比がリーン空燃比に設定され、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ーンなリーン判定空燃比以上になったときに目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。特許文献２に記載の内燃機関では、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目標空燃比がリーン空燃比に設定され、触媒の酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量以上になったときに目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。

特開２０１５−２２２０４６号公報特開２０１６−３１０３９号公報

ところで、内燃機関を搭載した車両の加速又は減速時等に、触媒に流入する排気ガスの空燃比が外乱によって一時的に目標空燃比からずれる場合がある。下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比近傍であるときには、触媒の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量に近い。このため、下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比近傍であるときに、触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、触媒から多量のＮＯｘが流出するおそれがある。

また、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近傍であるときには、触媒の酸素吸蔵量はゼロに近い。このため、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近傍であるときに、触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、触媒から多量の未燃ガスが流出するおそれがある。

これに対して、特許文献２に記載の内燃機関では、未燃ガスの流出を抑制すべく、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えた後、所定時間だけリーン空燃比のリーン度合が大きくされる。しかしながら、外乱の有無に関わらずリーン空燃比のリーン度合が大きくされると、触媒の酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量に達するまでの時間、又は下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比に達するまでの時間が常に短くなる。すなわち、目標空燃比がリーン空燃比に設定される時間が短くなる。この結果、目標空燃比がリッチ空燃比に設定される時間が、目標空燃比がリーン空燃比に設定される時間に比べて相対的に長くなる。このため、内燃機関の運転中に目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定される時間が長くなり、内燃機関の燃費が悪化する。

同様に、ＮＯｘの流出を抑制すべく、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えた後、所定時間だけリッチ空燃比のリッチ度合を大きくすることが考えられる。しかしながら、外乱の有無に関わらずリッチ空燃比のリッチ度合が大きくされると、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されるときの燃料噴射量が常に多くなり、燃費が悪化する。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、燃費の悪化を抑制しつつ、排気エミッションが悪化することを抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な触媒と、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する下流側空燃比センサと、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置とを備え、前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を第１設定空燃比に設定した後、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第１判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記第１設定空燃比から第２設定空燃比に切り替え、前記第１設定空燃比及び前記第１判定空燃比は理論空燃比よりもリッチ又はリーンな第１領域内の空燃比であり、前記第２設定空燃比は前記第１領域とは理論空燃比を挟んで反対側の第２領域内の空燃比である、内燃機関の排気浄化装置において、前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第２判定空燃比に達した場合には、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記第２判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を第３設定空燃比に設定し、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記第２判定空燃比よりも理論空燃比側の値になったときに前記目標空燃比を前記第３設定空燃比から前記第２設定空燃比に切り替え、前記第２判定空燃比は前記第１領域内の空燃比であり、該第２判定空燃比と理論空燃比との差が前記第１判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きく、前記第３設定空燃比は前記第２領域内の空燃比であり、該第３設定空燃比と理論空燃比との差が前記第２設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きいことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。

（２）前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を前記第２設定空燃比に設定した後、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第３判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替え、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第４判定空燃比に達した場合には、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記第４判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を第４設定空燃比に設定し、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記第４判定空燃比よりも理論空燃比側の値になったときに前記目標空燃比を前記第４設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替え、前記第３判定空燃比及び前記第４判定空燃比は前記第２領域内の空燃比であり、該第４判定空燃比と理論空燃比との差が該第３判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きく、前記第４設定空燃比は前記第１領域内の空燃比であり、該第４設定空燃比と理論空燃比との差が前記第１設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（３）前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記第２領域内の空燃比に維持されているときの前記触媒の酸素吸蔵量の変化量が基準量に達したと判定したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替える、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（４）前記触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に、前記流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサを更に備え、前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように、燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

本発明によれば、燃費の悪化を抑制しつつ、排気エミッションが悪化することを抑制することができる内燃機関の排気浄化装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図３は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。図５は、第一実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。図６は、空燃比制御の制御ブロック図である。図７は、第一実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図８は、第二実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。図９は、空燃比制御の制御ブロック図である。図１０は、第二実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１１は、第三実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。図１２は、第三実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に図１〜図７を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜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内燃機関の排気浄化装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

図１に示したように、シリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く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、下流側ケーシング２３等は、燃焼室５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。

内燃機関の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。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及び出力ポート３７を備える。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、エアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気マニホルド１９の集合部、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向上流側には、排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒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。上流側空燃比センサ４０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、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０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４１が配置される。下流側空燃比センサ４１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、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、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、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、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、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。

＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２４は同様な構成を有する。触媒２０、２４は、酸素吸蔵能力を有する触媒であり、例えば三元触媒である。具体的には、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助触媒（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させたものである。

図２は、三元触媒の浄化特性を示す。図２に示されるように、触媒２０、２４による未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率は、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍領域（図２における浄化ウィンドウＡ）にあるときに非常に高くなる。したがって、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ガス及びＮＯｘを効果的に浄化することができる。

また、触媒２０、２４は助触媒によって排気ガスの空燃比に応じて酸素を吸蔵し又は放出する。具体的には、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。一方、触媒２０、２４は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。この結果、排気ガスの空燃比が理論空燃比から若干ずれた場合であっても、触媒２０、２４の表面上における空燃比が理論空燃比近傍に維持され、触媒２０、２４において未燃ガス及び窒素酸化物が効果的に浄化される。

なお、触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、三元触媒以外の触媒であってもよい。

＜空燃比センサの出力特性＞
次に、図３及び図４を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の出力特性について説明する。図３は、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図であり、図４は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）と出力電流Ｉとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ４０、４１として同一構成の空燃比センサが用いられる。

図３からわかるように、本実施形態の空燃比センサ４０、４１では、出力電流Ｉは、排気空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ₁₈、Ｉ₁₈で示している。したがって、空燃比センサ４０、４１は限界電流式の空燃比センサである。

図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなる。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉがゼロになるように構成される。したがって、空燃比センサ４０、４１は排気空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。なお、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。

なお、上記例では、空燃比センサ４０、４１として限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、空燃比センサ４０、４１として、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、両空燃比センサ４０、４１は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。

＜内燃機関の排気浄化装置＞
以下、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」という）について説明する。排気浄化装置は、上流側触媒２０、下流側触媒２４、上流側空燃比センサ４０、下流側空燃比センサ４１及び空燃比制御装置を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御装置として機能する。

空燃比制御装置は、上流側触媒２０に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」という）の空燃比を目標空燃比に制御する。具体的には、空燃比制御装置は、流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量を制御する。本実施形態では、空燃比制御装置は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給する燃料量をフィードバック制御する。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比、すなわち空燃比センサによって検出される空燃比を意味する。

また、空燃比制御装置は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように燃焼室５に供給する燃料量を制御してもよい。この場合、空燃比制御装置は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９によって検出された吸入空気量と目標空燃比とから算出された燃料量を燃焼室５に供給する。

空燃比制御装置は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を変動させることによって上流側触媒２０の酸素吸蔵能力の低下を抑制すべく、流入排気ガスの目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比とに交互に切り替える。具体的には、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比に達したときに目標空燃比を第１リッチ設定空燃比から第１リーン設定空燃比に切り替え、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比に達したときに目標空燃比を第１リーン設定空燃比から第１リッチ設定空燃比に切り替える。

第１リッチ設定空燃比及び第１リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比（本実施形態では１４．６）よりもリッチな空燃比である。また、第１リッチ設定空燃比は第１リッチ判定空燃比よりもリッチである。すなわち、第１リッチ設定空燃比のリッチ度合は第１リッチ判定空燃比のリッチ度合よりも大きい。なお、リッチ度合とは、理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比との差を意味する。

第１リーン設定空燃比及び第１リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、第１リーン設定空燃比は第１リーン判定空燃比よりもリーンである。すなわち、第１リーン設定空燃比のリーン度合は第１リーン判定空燃比のリーン度合よりも大きい。なお、リーン度合とは、理論空燃比よりもリーンな空燃比と理論空燃比との差を意味する。

第１リッチ判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が減少して上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリッチに変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。一方、第１リーン判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が増加して上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリーンに変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比と第１リーン判定空燃比との間にあるときには、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比であると判定される。

ところで、内燃機関を搭載した車両の加速又は減速時等に、流入排気ガスの空燃比が外乱によって一時的に目標空燃比からずれる場合がある。下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比近傍であるときには、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量に近い。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比近傍であるときに、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出するおそれがある。この場合、ＮＯｘの流出を抑制するためには、流入排気ガスの空燃比のリッチ度合を大きくする必要がある。

このため、本実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比に達した場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比に達したときに目標空燃比を第２リッチ設定空燃比に設定し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比よりも理論空燃比側の値になったときに目標空燃比を第２リッチ設定空燃比から第１リッチ設定空燃比に切り替える。言い換えれば、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比に達した場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比に達してから第２リーン判定空燃比よりも理論空燃比側の値になるまで目標空燃比を第２リッチ設定空燃比に維持する。

第２リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、第２リーン判定空燃比は第１リーン判定空燃比よりもリーンである。すなわち、第２リーン判定空燃比のリーン度合は第１リーン判定空燃比のリーン度合よりも大きい。また、第２リーン判定空燃比は、上流側触媒２０から所定量のＮＯｘが流出するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。

第２リッチ設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、第２リッチ設定空燃比は第１リッチ設定空燃比よりもリッチである。すなわち、第２リッチ設定空燃比のリッチ度合は第１リッチ設定空燃比のリッチ度合よりも大きい。

一方、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比近傍であるときには、上流側触媒２０の酸素吸蔵量はゼロに近い。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比近傍であるときに、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、上流側触媒２０から多量の未燃ガスが流出するおそれがある。この場合、未燃ガスの流出を抑制するためには、流入排気ガスの空燃比のリーン度合を大きくする必要がある。

このため、本実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比に達した場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比に達したときに目標空燃比を第２リーン設定空燃比に設定し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比よりも理論空燃比側の値になったときに目標空燃比を第２リーン設定空燃比から第１リーン設定空燃比に切り替える。言い換えれば、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比に達した場合には、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比に達してから第２リッチ判定空燃比よりも理論空燃比側の値になるまで目標空燃比を第２リーン設定空燃比に維持する。

第２リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、第２リッチ判定空燃比は第１リッチ判定空燃比よりもリッチである。すなわち、第２リッチ判定空燃比のリッチ度合は第１リッチ判定空燃比のリッチ度合よりも大きい。また、第２リッチ判定空燃比は、上流側触媒２０から所定量の未燃ガスが流出するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。

第２リーン設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、第２リーン設定空燃比は第１リーン設定空燃比よりもリーンである。すなわち、第２リーン設定空燃比のリーン度合は第１リーン設定空燃比のリーン度合よりも大きい。

＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図５を参照して、本実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。図５は、第一実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の雰囲気、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比、上流側触媒２０から流出するＨＣの量、及び上流側触媒２０から流出するＮＯｘの量のタイムチャートである。図５において、実線は本実施形態におけるタイムチャートを示し、一点鎖線は本実施形態の比較例におけるタイムチャートを示す。

図示した例では、時刻ｔ０において、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に設定されており、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになっている。このため、上流側触媒２０は、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。時刻ｔ０において、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は十分であり、上流側触媒２０の雰囲気は理論空燃比である。この場合、上流側触媒２０における浄化によって、上流側触媒２０から流出する排気ガス（以下、「流出排気ガス」という）には未燃ガス及びＮＯｘが含まれないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比（本実施形態では、１４．６）となる。

時刻ｔ０の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリッチに変化する。この結果、時刻ｔ１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ１において、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１から第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に切り替えられる。この結果、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンになり、上流側触媒２０は流入排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。

時刻ｔ１の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の増加に伴い、上流側触媒２０の雰囲気がリッチから理論空燃比に変化する。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束する。なお、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束する前に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達していない。この場合、上流側触媒２０からＨＣはほとんど流出しない。

その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近付くと、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリーンに変化する。この結果、時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ２において、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１から第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に切り替えられる。この結果、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになり、上流側触媒２０は、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。

時刻ｔ２の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の減少に伴い、上流側触媒２０の雰囲気がリーンから理論空燃比に変化する。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束する。なお、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束する前に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達していない。この場合、上流側触媒２０からＮＯｘはほとんど流出しない。

その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリッチに変化する。この結果、時刻ｔ３において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ３において、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１から第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に切り替えられる。しかしながら、外乱の影響によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれた結果、時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達している。

ＨＣの流出を抑制すべく、時刻ｔ４において、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１から第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に切り替えられる。すなわち、目標空燃比のリーン度合が大きくされる。この結果、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２よりも理論空燃比側の値になる。すなわち、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２よりもリーンになる。

時刻ｔ５において、目標空燃比が第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２から第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に切り替えられる。すなわち、目標空燃比のリーン度合が小さくされる。時刻ｔ５の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の増加に伴い、上流側触媒２０の雰囲気がリッチから理論空燃比に変化する。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束する。

一方、一点鎖線で示される比較例では、時刻ｔ３の後、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に維持される。この場合、時刻ｔ３の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束するまでの時間が長くなり、上流側触媒２０から多量のＨＣが流出する。一方、本実施形態では、上流側触媒２０から少量のみのＨＣが流出する。したがって、本実施形態における空燃比制御によれば、流入排気ガスの空燃比が外乱によって変動した場合に、排気エミッションが悪化することを抑制することができる。

その後、本実施形態では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近付くと、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリーンに変化する。この結果、時刻ｔ６において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ６において、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１から第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に切り替えられる。しかしながら、外乱の影響によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれた結果、時刻ｔ７において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達している。

ＮＯｘの流出を抑制すべく、時刻ｔ７において、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１から第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に切り替えられる。すなわち、目標空燃比のリッチ度合が大きくされる。この結果、時刻ｔ８において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりも理論空燃比側の値になる。すなわち、時刻ｔ８において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりもリッチになる。

時刻ｔ８において、目標空燃比が第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２から第１リーン設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に切り替えられる。すなわち、目標空燃比のリッチ度合が小さくされる。時刻ｔ８の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の減少に伴い、上流側触媒２０の雰囲気がリーンから理論空燃比に変化する。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束する。

一方、一点鎖線で示される比較例では、時刻ｔ６の後、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に維持される。この場合、時刻ｔ６の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束するまでの時間が長くなり、上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出する。一方、本実施形態では、上流側触媒２０から少量のみのＮＯｘが流出する。したがって、本実施形態における空燃比制御によれば、流入排気ガスの空燃比が外乱によって変動した場合に、排気エミッションが悪化することを抑制することができる。

また、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達した場合にのみ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２よりもリーンになるまで、目標空燃比のリーン度合が大きくされる。このため、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定される時間が短くなることを抑制することができる。したがって、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定される時間が、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定される時間に比べて相対的に長くなることを抑制することができる。このため、内燃機関の運転中に目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定される時間が長くなることを抑制することができ、ひいては内燃機関の燃費が悪化することを抑制することができる。

また、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達した場合にのみ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりもリッチになるまで、目標空燃比のリッチ度合が大きくされる。このため、吸入空気量に対する燃料噴射量が非常に多くなる期間を短くすることができ、ひいては内燃機関の燃費が悪化することを抑制することができる。

また、図５の例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達したときに、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１から第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に切り替えられる。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に急速に変化した場合には、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１から第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に直接切り替えられてもよい。

同様に、図５の例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達したときに、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１から第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に切り替えられる。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に急速に変化した場合には、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１から第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に直接切り替えられてもよい。

＜制御ブロック図＞
以下、図６及び図７を参照して本実施形態における空燃比制御について詳細に説明する。図６は、空燃比制御の制御ブロック図である。空燃比制御装置はＡ１〜Ａ７の機能ブロックを含む。以下、各機能ブロックについて説明する。

最初に、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量を算出するために、筒内吸入空気量算出手段Ａ１、基本燃料噴射量算出手段Ａ２及び燃料噴射量算出手段Ａ３が用いられる。

筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたマップ又は計算式を用いて、吸入空気量Ｇａ及び機関回転数ＮＥに基づいて各気筒への吸入空気量Ｍｃを算出する。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ３９によって検出され、機関回転数ＮＥはクランク角センサ４４の出力に基づいて算出される。

基本燃料噴射量算出手段Ａ２は、筒内吸入空気量算出手段Ａ１によって算出された筒内吸入空気量Ｍｃを目標空燃比ＴＡＦで除算することによって基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅを算出する（Ｑｂａｓｅ＝Ｍｃ／ＴＡＦ）。目標空燃比ＴＡＦは、後述する目標空燃比設定手段Ａ５によって算出される。

燃料噴射量算出手段Ａ３は、基本燃料噴射量算出手段Ａ２によって算出された基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅに、後述するＦ／Ｂ補正量ＤＱｉを加えることによって燃料噴射量Ｑｉを算出する（Ｑｉ＝Ｑｂａｓｅ＋ＤＱｉ）。このようにして算出された燃料噴射量Ｑｉの燃料が燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１に対して噴射指示が行われる。

次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比を算出するために、空燃比補正量算出手段Ａ４及び目標空燃比設定手段Ａ５が用いられる。

空燃比補正量算出手段Ａ４では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて、目標空燃比の空燃比補正量ＡＦＣが算出される。目標空燃比設定手段Ａ５は、制御中心空燃比ＡＦＲ（本実施形態では理論空燃比）に、空燃比補正量算出手段Ａ４によって算出された空燃比補正量ＡＦＣを加算することで、目標空燃比ＴＡＦを算出する。このようにして算出された目標空燃比ＴＡＦは、基本燃料噴射量算出手段Ａ２及び後述する空燃比偏差算出手段Ａ６に入力される。

次に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいたＦ／Ｂ補正量の算出について説明する。Ｆ／Ｂ補正量を算出するために、空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７が用いられる。

空燃比偏差算出手段Ａ６は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐから目標空燃比設定手段Ａ５によって算出された目標空燃比ＴＡＦを減算することによって空燃比偏差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ−ＴＡＦ）。この空燃比偏差ＤＡＦは、目標空燃比ＴＡＦに対する燃料供給量の過不足を表す値である。

Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ７は、空燃比偏差算出手段Ａ６によって算出された空燃比偏差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（１）に基づいて燃料供給量の過不足を補償するためのＦ／Ｂ補正量ＤＱｉを算出する。このようにして算出されたＦ／Ｂ補正量ＤＱｉは、燃料噴射量算出手段Ａ３に入力される。
ＤＱｉ＝Ｋｐ・ＤＡＦ＋Ｋｉ・ＳＤＡＦ＋Ｋｄ・ＤＤＡＦ …（１）

上記式（１）において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン（比例定数）、Ｋｉは予め設定された積分ゲイン（積分定数）、Ｋｄは予め設定された微分ゲイン（微分定数）である。また、ＤＤＡＦは、空燃比偏差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比偏差ＤＡＦと前回の空燃比偏差ＤＡＦとの偏差を更新間隔に対応する時間で除算することで算出される。また、ＳＤＡＦは、空燃比偏差ＤＡＦの時間積分値であり、前回の時間積分値ＳＤＡＦに今回更新された空燃比偏差ＤＡＦを加算することで算出される。

なお、上流側空燃比センサ４０の出力に基づくフィードバック制御が行われない場合には、空燃比制御のために空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７は用いられない。この場合、図６に示した制御ブロック図から空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７が省略される。

＜目標空燃比設定処理＞
図７は、第一実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１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が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。この場合、上流側触媒２０の雰囲気がリッチであると判定される。

ステップＳ１０２では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２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が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２よりも高いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、目標空燃比ＴＡＦが第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦが第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１である場合には、目標空燃比ＴＡＦが第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に維持される。ステップＳ１０３の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、目標空燃比ＴＡＦが第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦが第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２である場合には、目標空燃比ＴＡＦが第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に維持される。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンは終了する。

また、ステップＳ１０１において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１よりも高いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１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が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。この場合、上流側触媒２０の雰囲気がリーンであると判定される。

ステップＳ１０６では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２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が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、目標空燃比ＴＡＦが第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦが第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１である場合には、目標空燃比ＴＡＦが第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に維持される。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０６において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２である場合には、目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に維持される。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。

また、ステップＳ１０５において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１よりも低いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比であると判定され、目標空燃比ＴＡＦが、現在設定されている値に維持される。

＜第二実施形態＞
第二実施形態における内燃機関の排気浄化装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態における内燃機関の排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第二実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比に達したときに目標空燃比をリッチ設定空燃比から第１リーン設定空燃比に切り替える。また、空燃比制御装置は、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が基準量に達したと判定したときに、目標空燃比を第１リーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替える。

リッチ設定空燃比及び第１リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比（本実施形態では１４．６）よりもリッチな空燃比である。また、リッチ設定空燃比は第１リッチ判定空燃比よりもリッチである。すなわち、リッチ設定空燃比のリッチ度合は第１リッチ判定空燃比のリッチ度合よりも大きい。また、第１リッチ判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が減少して上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリッチに変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。

第１リーン設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、基準量は、予め定められ、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも少ない値に設定される。また、空燃比制御装置は、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量を積算することによって上流側触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出する。

なお、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量とは、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量を意味する。目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に維持されているときには、上流側触媒２０に酸素が吸蔵されるため、酸素過不足量の値は正となる。このため、空燃比制御装置は、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量の積算値として上流側触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出する。

酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力及び燃料噴射量に基づいて下記式（２）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−１４．６）×Ｑｉ …（２）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度であり、１４．６は理論空燃比であり、Ｑｉは燃料噴射量であり、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比である。

なお、酸素過不足量ＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力及び吸入空気量に基づいて下記式（３）により算出されてもよい。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−１４．６）×Ｇａ／ＡＦｕｐ …（３）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度であり、１４．６は理論空燃比であり、Ｇａは吸入空気量であり、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比である。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ３９によって検出される。

また、酸素過不足量ＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力を用いることなく、流入排気ガスの目標空燃比に基づいて算出されてもよい。この場合、上記式（２）、（３）において、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐの代わりに目標空燃比の値が用いられる。

また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比近傍であるときには、上流側触媒２０の酸素吸蔵量はゼロに近い。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比近傍であるときに、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれると、上流側触媒２０から多量の未燃ガスが流出するおそれがある。この場合、未燃ガスの流出を抑制するためには、流入排気ガスの空燃比のリーン度合を大きくする必要がある。

＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図８を参照して、第二実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。図８は、第二実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の雰囲気、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量の積算値（積算酸素過不足量）、及び上流側触媒２０から流出するＨＣの量のタイムチャートである。酸素過不足量の積算値は、上記式（２）又は（３）によって算出される酸素過不足量を積算することによって算出される。図８において、実線は第二実施形態におけるタイムチャートを示し、一点鎖線は第二実施形態の比較例におけるタイムチャートを示す。

図示した例では、時刻ｔ０において、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定されており、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになっている。このため、上流側触媒２０は、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。時刻ｔ０において、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は十分であり、上流側触媒２０の雰囲気は理論空燃比である。この場合、上流側触媒２０における浄化によって流出排気ガスには未燃ガス及びＮＯｘが含まれないため、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。

時刻ｔ０の後、積算酸素過不足量が徐々に減少し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリッチに変化する。この結果、時刻ｔ１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１に達する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ１において、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に切り替えられる。この結果、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンになり、上流側触媒２０は流入排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。また、時刻ｔ１において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。

時刻ｔ１の後、積算酸素過不足量が、徐々に増加し、時刻ｔ２において基準量Ｃｒｅｆに達する。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ２において、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１からリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。この結果、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになり、上流側触媒２０は、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ３において、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に切り替えられる。しかしながら、外乱の影響によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれた結果、時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達している。

一方、一点鎖線で示される比較例では、時刻ｔ３の後、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に維持される。この場合、時刻ｔ３の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束するまでの時間が長くなり、上流側触媒２０から多量のＨＣが流出する。一方、第二実施形態では、上流側触媒２０から少量のみのＨＣが流出する。したがって、第二実施形態における空燃比制御によれば、流入排気ガスの空燃比が外乱によって変動した場合に、排気エミッションが悪化することを抑制することができる。

その後、第二実施形態では、積算酸素過不足量が、徐々に増加し、時刻ｔ６において基準量Ｃｒｅｆに達する。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ６において、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１からリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。

第二実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達した場合にのみ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２よりもリーンになるまで、目標空燃比のリーン度合が大きくされる。このため、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定される時間が短くなることを抑制することができる。したがって、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定される時間が、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に設定される時間に比べて相対的に長くなることを抑制することができる。このため、内燃機関の運転中に目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定される時間が長くなることを抑制することができ、ひいては内燃機関の燃費が悪化することを抑制することができる。

図８の例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に達したときに、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１から第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に切り替えられる。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２に急速に変化した場合には、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に直接切り替えられてもよい。

＜制御ブロック図＞
以下、図９及び図１０を参照して第二実施形態における空燃比制御について詳細に説明する。図９は、空燃比制御の制御ブロック図である。空燃比制御装置はＡ１〜Ａ８の機能ブロックを含む。図９における機能ブロックＡ１〜Ａ７は図６における機能ブロックＡ１〜Ａ７と同様である。

第二実施形態では、目標空燃比を算出するために、空燃比補正量算出手段Ａ４及び目標空燃比設定手段Ａ５に加えて、酸素吸蔵量算出手段Ａ８が用いられる。酸素吸蔵量算出手段Ａ８は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐと、燃料噴射量算出手段Ａ３によって算出された燃料噴射量Ｑｉ又は吸入空気量Ｇａとに基づいて上記式（２）又は（３）により酸素過不足量を算出する。また、酸素吸蔵量算出手段Ａ８は、酸素過不足量を積算することによって積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する。

空燃比補正量算出手段Ａ４では、酸素吸蔵量算出手段Ａ８によって算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤと、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎとに基づいて、目標空燃比の空燃比補正量ＡＦＣが算出される。

なお、上流側空燃比センサ４０の出力に基づくフィードバック制御が行われない場合には、空燃比制御のために空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７は用いられない。この場合、図９に示した制御ブロック図から空燃比偏差算出手段Ａ６及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ７が省略される。また、酸素過不足量が上流側空燃比センサ４０の出力の代わりに流入排気ガスの目標空燃比に基づいて算出される場合には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐの代わりに目標空燃比ＴＡＦが酸素吸蔵量算出手段Ａ８に入力される。

＜目標空燃比設定処理＞
図１０は、第二実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ２０１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１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が第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２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が第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２よりも高いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、目標空燃比ＴＡＦが第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦが第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１である場合には、目標空燃比ＴＡＦが第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に維持される。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ２以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、目標空燃比ＴＡＦが第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦが第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２である場合には、目標空燃比ＴＡＦが第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に維持される。ステップＳ２０４の後、本制御ルーチンは終了する。

また、ステップＳ２０１において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ１よりも高いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが基準量Ｃｒｅｆ以上であるか否かが判定される。

基準量Ｃｒｅｆは、例えば未使用状態の上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量の０．２〜０．８倍の値に設定される。なお、基準量Ｃｒｅｆは、公知の手法によって算出された上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量の０．２〜０．８倍の値に設定されてもよい。

積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（２）又は（３）により算出される酸素過不足量ＯＥＤを積算することによって算出される。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１に切り替えられるときと、目標空燃比ＴＡＦが第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１からリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられるときとにゼロにリセットされる。なお、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に直接切り替えられた場合には、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈから第２リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ２に切り替えられたときに、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがゼロにリセットされる。

ステップＳ２０５において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが基準量Ｃｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈである場合には、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに維持される。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０５において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが基準量Ｃｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦが、現在設定されている値に維持される。

＜第三実施形態＞
第三実施形態における内燃機関の排気浄化装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態における内燃機関の排気浄化装置と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第三実施形態では、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比に達したときに目標空燃比をリーン設定空燃比から第１リッチ設定空燃比に切り替える。また、空燃比制御装置は、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が基準量に達したと判定したときに、目標空燃比を第１リッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替える。

リーン設定空燃比及び第１リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比（本実施形態では１４．６）よりもリーンな空燃比である。また、リーン設定空燃比は第１リーン判定空燃比よりもリーンである。すなわち、リーン設定空燃比のリーン度合は第１リーン判定空燃比のリーン度合よりも大きい。また、第１リーン判定空燃比は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が増加して上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリーンに変化するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。

第１リッチ設定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、基準量は、予め定められ、上流側触媒２０の最大酸素吸蔵量よりも低い値に設定される。目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に維持されているときには、上流側触媒２０から酸素が放出されるため、酸素過不足量の値は負となる。このため、空燃比制御装置は、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量の積算値の絶対値として上流側触媒２０の酸素吸蔵量の変化量を算出する。

下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比近傍であるときには、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量に近い。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比近傍であるときに、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれると、上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出するおそれがある。この場合、ＮＯｘの流出を抑制するためには、流入排気ガスの空燃比のリッチ度合を大きくする必要がある。

第２リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、第２リーン判定空燃比は第１リーン判定空燃比よりもリーンである。すなわち、第２リーン判定空燃比のリーン度合は第１リーン判定空燃比のリーン度合よりも大きい。また、第２リーン判定空燃比は、上流側触媒２０から所定量のＮＯｘが流出するときの下流側空燃比センサ４１の出力に対応する空燃比に設定される。

＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図１１を参照して、第三実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。図１１は、第三実施形態における空燃比制御が実行されるときの流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の雰囲気、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比、流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量の積算値（積算酸素過不足量）、及び上流側触媒２０から流出するＮＯｘの量のタイムチャートである。酸素過不足量の積算値は、上記式（２）又は（３）によって算出される酸素過不足量を積算することによって算出される。図１１において、実線は第三実施形態におけるタイムチャートを示し、一点鎖線は第三実施形態の比較例におけるタイムチャートを示す。

図示した例では、時刻ｔ０において、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されており、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンになっている。このため、上流側触媒２０は流入排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。時刻ｔ０において、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大酸素吸蔵量よりも十分に少なく、上流側触媒２０の雰囲気は理論空燃比である。この場合、上流側触媒２０における浄化によって流出排気ガスには未燃ガス及びＮＯｘが含まれないため、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。

時刻ｔ０の後、積算酸素過不足量が徐々に増加し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近付くと、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリーンに変化する。この結果、時刻ｔ１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ１において、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に切り替えられる。この結果、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになり、上流側触媒２０は、未燃ガスを酸化させるのに不足している酸素を放出する。また、時刻ｔ１において、積算酸素過不足量がゼロにリセットされる。

時刻ｔ１の後、積算酸素過不足量が徐々に増加し、時刻ｔ２において積算酸素過不足量の絶対値が基準量Ｃｒｅｆに達する。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ２において、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１からリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。この結果、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンになり、上流側触媒２０は流入排気ガス中の過剰な酸素を吸蔵する。

その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に近付くと、上流側触媒２０の雰囲気が理論空燃比からリーンに変化する。この結果、時刻ｔ３において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１に達する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるべく、時刻ｔ３において、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に切り替えられる。しかしながら、外乱の影響によって流入排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれた結果、時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達している。

ＮＯｘの流出を抑制すべく、時刻ｔ４において、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１から第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に切り替えられる。すなわち、目標空燃比のリッチ度合が大きくされる。この結果、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりも理論空燃比側の値になる。すなわち、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりもリッチになる。

時刻ｔ５において、目標空燃比が第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２から第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に切り替えられる。すなわち、目標空燃比のリッチ度合が小さくされる。時刻ｔ５の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の減少に伴い、上流側触媒２０の雰囲気がリーンから理論空燃比に変化する。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束する。

一方、一点鎖線で示される比較例では、時刻ｔ３の後、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に維持される。この場合、時刻ｔ３の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に収束するまでの時間が長くなり、上流側触媒２０から多量のＮＯｘが流出する。一方、第三実施形態では、上流側触媒２０から少量のみのＮＯｘが流出する。したがって、第三実施形態における空燃比制御によれば、流入排気ガスの空燃比が外乱によって変動した場合に、排気エミッションが悪化することを抑制することができる。

その後、第三実施形態では、積算酸素過不足量が徐々に低下し、時刻ｔ６において積算酸素過不足量の絶対値が基準量Ｃｒｅｆに達する。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させるべく、時刻ｔ６において、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１からリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。

第三実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達した場合にのみ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりもリッチになるまで、目標空燃比のリッチ度合が大きくされる。このため、吸入空気量に対する燃料噴射量が非常に多くなる期間を短くすることができ、ひいては内燃機関の燃費が悪化することを抑制することができる。

図１１の例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に達したときに、目標空燃比が第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１から第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に切り替えられる。しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２に急速に変化した場合には、目標空燃比が第１リーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎ１から第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に直接切り替えられてもよい。

＜目標空燃比設定処理＞
以下、第三実施形態における空燃比制御について詳細に説明する。なお、第三実施形態では、第二実施形態と同様に、図９に示した空燃比制御の制御ブロック図が用いられる。

図１２は、第三実施形態における目標空燃比設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ３０１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１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が第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２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が第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２よりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３では、目標空燃比ＴＡＦが第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦが第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１である場合には、目標空燃比ＴＡＦが第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に維持される。ステップＳ３０３の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ３０２において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第２リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２である場合には、目標空燃比ＴＡＦが第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に維持される。ステップＳ３０４の後、本制御ルーチンは終了する。

また、ステップＳ３０１において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが第１リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ１よりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が基準量Ｃｒｅｆ以上であるか否かが判定される。

積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（２）又は（３）により算出される酸素過不足量を積算することによって算出される。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１に切り替えられるときと、目標空燃比ＴＡＦが第１リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ１からリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられるときとにゼロにリセットされる。なお、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に直接切り替えられた場合には、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎから第２リッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈ２に切り替えられたときに、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがゼロにリセットされる。

ステップＳ３０５において積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が基準量Ｃｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定される。なお、現在の目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎである場合には、目標空燃比ＴＡＦがリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに維持される。ステップＳ３０６の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ３０５において積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が基準量Ｃｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標空燃比ＴＡＦが、現在設定されている値に維持される。

上記の説明から明らかなように、第一実施形態、第二実施形態及び第三実施形態では、以下のような空燃比制御が行われている。

空燃比制御装置は、目標空燃比を第１設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサの出力空燃比が第１判定空燃比に達したときに目標空燃比を第１設定空燃比から第２設定空燃比に切り替える。第１設定空燃比及び第１判定空燃比は理論空燃比よりもリッチ又はリーンな第１領域内の空燃比であり、第２設定空燃比は第１領域とは理論空燃比を挟んで反対側の第２領域内の空燃比である。

また、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサの出力空燃比が第２判定空燃比に達した場合には、下流側空燃比センサの出力空燃比が第２判定空燃比に達したときに目標空燃比を第３設定空燃比に設定し、下流側空燃比センサの出力空燃比が第２判定空燃比よりも理論空燃比側の値になったときに目標空燃比を第３設定空燃比から第２設定空燃比に切り替える。第２判定空燃比は第１領域内の空燃比であり、第２判定空燃比と理論空燃比との差が第１判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい。第３設定空燃比は第２領域内の空燃比であり、第３設定空燃比と理論空燃比との差が第２設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい。

また、第一実施形態では、空燃比制御装置は、目標空燃比を第２設定空燃比に設定した後、下流側空燃比センサの出力空燃比が第３判定空燃比に達したときに目標空燃比を第２設定空燃比から第１設定空燃比に切り替える。さらに、空燃比制御装置は、下流側空燃比センサの出力空燃比が第４判定空燃比に達した場合には、下流側空燃比センサの出力空燃比が第４判定空燃比に達したときに目標空燃比を第４設定空燃比に設定し、下流側空燃比センサの出力空燃比が第４判定空燃比よりも理論空燃比側の値になったときに目標空燃比を第４設定空燃比から第１設定空燃比に切り替える。第３判定空燃比及び第４判定空燃比は第２領域内の空燃比であり、第４判定空燃比と理論空燃比との差が第３判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい。第４設定空燃比は第１領域内の空燃比であり、第４設定空燃比と理論空燃比との差が第１設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい。

第１領域内の空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比である場合、第１設定空燃比、第２設定空燃比、第３設定空燃比及び第４設定空燃比が、それぞれ、第一実施形態における第１リッチ設定空燃比、第１リーン設定空燃比、第２リーン設定空燃比及び第２リッチ設定空燃比に相当する。また、第１判定空燃比、第２判定空燃比、第３判定空燃比及び第４判定空燃比が、それぞれ、第一実施形態における第１リッチ判定空燃比、第２リッチ判定空燃比、第１リーン判定空燃比及び第２リーン判定空燃比に相当する。

また、第１領域内の空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比である場合、第１設定空燃比、第２設定空燃比、第３設定空燃比及び第４設定空燃比が、それぞれ、第一実施形態における第１リーン設定空燃比、第１リッチ設定空燃比、第２リッチ設定空燃比及び第２リーン設定空燃比に相当する。また、第１判定空燃比、第２判定空燃比、第３判定空燃比及び第４判定空燃比が、それぞれ、第一実施形態における第１リーン判定空燃比、第２リーン判定空燃比、第１リッチ判定空燃比及び第２リッチ判定空燃比に相当する。

また、第二実施形態及び第三実施形態では、空燃比制御装置は、目標空燃比が第２領域内の空燃比に維持されているときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量の変化量が基準量に達したと判定したときに目標空燃比を第２設定空燃比から第１設定空燃比に切り替える。

第二実施形態では、第１領域内の空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比である。また、第１設定空燃比、第２設定空燃比及び第３設定空燃比が、それぞれ、第二実施形態におけるリッチ設定空燃比、第１リーン設定空燃比及び第２リーン設定空燃比に相当する。また、第１判定空燃比及び第２判定空燃比が、それぞれ、第二実施形態における第１リッチ判定空燃比及び第２リッチ判定空燃比に相当する。

第三実施形態では、第１領域内の空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比である。また、第１設定空燃比、第２設定空燃比及び第３設定空燃比が、それぞれ、第二実施形態におけるリーン設定空燃比、第１リッチ設定空燃比及び第２リッチ設定空燃比に相当する。また、第１判定空燃比及び第２判定空燃比が、それぞれ、第二実施形態における第１リーン判定空燃比及び第２リーン判定空燃比に相当する。

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。上述したように、流入排気ガスの空燃比制御及び流入排気ガスの理論空燃比に対する酸素過不足量の算出は、上流側空燃比センサ４０を用いずに行われてもよい。また、排気ガス中の有害物質は基本的に上流側触媒２０において浄化される。このため、上流側空燃比センサ４０及び下流側触媒２４の少なくとも一方は排気浄化装置から省略されてもよい。

２０上流側触媒
３１ＥＣＵ
４０上流側空燃比センサ
４１下流側空燃比センサ

Claims

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する下流側空燃比センサと、
前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置と
を備え、
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を第１設定空燃比に設定した後、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第１判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記第１設定空燃比から第２設定空燃比に切り替え、
前記第１設定空燃比及び前記第１判定空燃比は理論空燃比よりもリッチ又はリーンな第１領域内の空燃比であり、前記第２設定空燃比は前記第１領域とは理論空燃比を挟んで反対側の第２領域内の空燃比である、内燃機関の排気浄化装置において、
前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第２判定空燃比に達した場合には、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記第２判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を第３設定空燃比に設定し、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記第２判定空燃比よりも理論空燃比側の値になったときに前記目標空燃比を前記第３設定空燃比から前記第２設定空燃比に切り替え、
前記第２判定空燃比は、前記第１領域内の空燃比であり、該第２判定空燃比と理論空燃比との差が前記第１判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きく、前記第３設定空燃比は、前記第２領域内の空燃比であり、該第３設定空燃比と理論空燃比との差が前記第２設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きいことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比を前記第２設定空燃比に設定した後、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第３判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替え、
前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が第４判定空燃比に達した場合には、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記第４判定空燃比に達したときに前記目標空燃比を第４設定空燃比に設定し、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記第４判定空燃比よりも理論空燃比側の値になったときに前記目標空燃比を前記第４設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替え、
前記第３判定空燃比及び前記第４判定空燃比は前記第２領域内の空燃比であり、該第４判定空燃比と理論空燃比との差が該第３判定空燃比と理論空燃比との差よりも大きく、前記第４設定空燃比は前記第１領域内の空燃比であり、該第４設定空燃比と理論空燃比との差が前記第１設定空燃比と理論空燃比との差よりも大きい、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御装置は、前記目標空燃比が前記第２領域内の空燃比に維持されているときの前記触媒の酸素吸蔵量の変化量が基準量に達したと判定したときに前記目標空燃比を前記第２設定空燃比から前記第１設定空燃比に切り替える、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に、前記流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサを更に備え、
前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように、燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。