JP2015113827A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上流側の空燃比センサ等の出力値にずれが生じた場合であっても、排気浄化触媒からのＮＯｘ又は未燃ガスの流出を抑制する。【解決手段】排気浄化触媒２０と下流側空燃比センサ４１とを具備する内燃機関の制御装置は、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するフィードバック制御手段と、下流側空燃比センサによって検出された排気ガスの空燃比に基づいて目標空燃比等を補正する学習手段とを具備する。目標空燃比は、理論空燃比とは異なる複数の空燃比間で切り替えられる。学習手段は、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されているときに、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維持判定時間以上に亘って理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合には、フィードバック制御において排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように目標空燃比等を補正する理論空燃比張付き学習を行う。【選択図】図１３

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。

斯かる制御装置が用いられる内燃機関では、排気通路内に設けられた酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒が用いられる。酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量（上限吸蔵量）とゼロ（下限吸蔵量）との間の適当な量であるときには、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）やＮＯｘ等を浄化できる。すなわち、排気浄化触媒に理論空燃比よりもリッチ側の空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素により排気ガス中の未燃ガスが酸化浄化される。逆に、排気浄化触媒に理論空燃比よりもリーン側の空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気ガス中の酸素が排気浄化触媒に吸蔵される。これにより、排気浄化触媒表面上で酸素不足状態となり、これに伴って排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。その結果、排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が適当な量である限り、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関わらず、排気ガスを浄化することができる。

そこで、斯かる制御装置では、排気浄化触媒における酸素吸蔵量を適切な量に維持すべく、排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に空燃比センサを設け、排気流れ方向下流側に酸素センサを設けるようにしている。これらセンサを用いて、制御装置は、例えば、上流側の空燃比センサの出力に基づいてこの空燃比センサの出力が目標空燃比に相当する目標値となるようにフィードバック制御を行う（例えば、特許文献１〜４）。加えて、下流側の酸素センサの出力に基づいて上流側の空燃比センサの目標値を補正する。なお、以下の説明では、排気流れ方向上流側を単に「上流側」と称し、排気流れ方向下流側を単に「下流側」と称する場合もある。

例えば、特許文献１に記載の制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上であって、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態であるときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下であって、排気浄化触媒の状態が酸素過剰状態であるときには、目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、酸素不足状態又は酸素過剰状態にあるときに、排気浄化触媒の状態を速やかにこれら両状態の中間の状態（すなわち、排気浄化触媒に適当な量の酸素が吸蔵されている状態）に戻すことができるとされている。

加えて、上記制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値と低側閾値との間にある場合、酸素センサの出力電圧が増大傾向にあるときには目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、酸素センサの出力電圧が減少傾向にあるときには目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態又は酸素過剰状態となることを未然に防止することができるとされている。

また、特許文献２に記載の制御装置では、エアフロメータ及び排気浄化触媒の上流側の空燃比センサ等の出力に基づいて、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を算出している。その上で、算出された酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量よりも多いときには排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比をリッチ空燃比とし、算出された酸素吸蔵量が目標酸素吸蔵量よりも少ないときには目標空燃比をリーン空燃比としている。特許文献２によれば、これにより、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を目標酸素吸蔵量に一定に維持することができるとされている。

特開２０１１−０６９３３７号公報 特開２００１−２３４７８７号公報 特開平８−２３２７２３号公報 特開２００９−１６２１３９号公報

ところで、特許文献１に記載の制御では、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下になったときに、目標空燃比がリッチ空燃比とされる。このため、特許文献１に記載の制御では、排気浄化触媒から一時的に酸素及びＮＯｘが流出しているといえる。また、特許文献２に記載の制御を行っている場合、排気浄化触媒の酸素吸蔵量に関する推定誤差により、酸素吸蔵量が目標吸蔵量からずれ、結果的に排気浄化触媒から酸素及びＮＯｘが流出してしまうことがある。

そこで、本願の発明者らは、以下の内燃機関の制御装置を提案している。この制御装置では、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内燃機関の燃焼室に供給される燃料噴射量がフィードバック制御される。目標空燃比は、下流側空燃比センサよって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときにリーン空燃比に切り替えられる。その後、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が所定の切替基準吸蔵量以上になったときに、目標空燃比は、リッチ空燃比に切り替えられ、これにより、排気浄化触媒からのＮＯｘ及び酸素の流出を抑制することができる。

ところが、内燃機関が複数の気筒を有する場合、各気筒から排出される排気ガスの空燃比には気筒間でずれが生じる場合がある。このような場合、上流側の空燃比センサの設置位置に応じて、全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比と上流側の空燃比センサによって検出された空燃比との間にはずれが生じる。この結果、上流側の空燃比センサによって検出される空燃比は実際の排気ガスの平均空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。このように上流側の空燃比センサの出力値にずれが生じていると、目標空燃比をリーン空燃比にしたときに、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して、排気浄化触媒からＮＯｘ及び酸素が流出してしまう場合がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑みて、上流側の空燃比センサ等の出力値にずれが生じた場合であっても、排気浄化触媒からのＮＯｘ又は未燃ガスの流出を抑制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、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に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検出装置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内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、上記下流側空燃比検出装置によって検出された排気ガスの空燃比に基づいて該フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習手段とを具備し、前記目標空燃比は、理論空燃比とは異なる複数の空燃比間で切り替えられ、前記学習手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側又はリーン側のいずれか一方側にずれた空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比維持判定時間以上に亘って理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比との間の理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合には、前記フィードバック制御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前記一方側に変化するように空燃比に関するパラメータを補正する理論空燃比張付き学習を行う、内燃機関の制御装置が提供される。

第２の発明では、第１の発明において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を推定する過不足量推定手段を更に具備し、前記理論空燃比維持判定時間は、前記目標空燃比を理論空燃比よりも前記一方側にずれた空燃比に切り替えてから積算された酸素過不足量に応じて変化する。

第３の発明では、第２の発明において、前記理論空燃比維持判定時間は、前記目標空燃比を理論空燃比よりも前記一方側にずれた空燃比に切り替えてから積算された酸素過不足量の絶対値が新触時の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでの時間以上である。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記学習手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比がリーン空燃比維持判定時間以上に亘って前記リーン判定空燃比よりもリーンな空燃比に維持されている場合には、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように空燃比に関するパラメータを補正するリーン張付き学習を行う。

第５の発明では、第４の発明において、前記リーン空燃比維持判定時間は前記理論空燃比維持判定時間よりも短い。

第６の発明では、第４又は第５の発明において、前記リーン張付き学習における補正量は前記理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい。

第７の発明では、第４〜第６のいずれか１つの発明において、前記リーン空燃比維持判定時間は、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから積算された排気ガス流量に応じて変化する。

第８の発明では、第４〜第７のいずれか一つの発明において、前記リーン空燃比維持判定時間は、前記目標空燃比を切り替えてからそれに応じて下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が変化するまでにかかる下流側空燃比検出装置の応答遅れ時間以上である。

第９の発明では、第１〜第８のいずれか一つの発明において、前記学習手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比がリッチ空燃比維持判定時間以上に亘って前記リッチ判定空燃比よりもリッチな空燃比に維持されている場合には、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン側に変化するように空燃比に関するパラメータを補正するリッチ張付き学習を行う。

第１０の発明では、第９の発明において、前記前記リッチ空燃比維持判定時間は前記理論空燃比維持判定時間よりも短い。

第１１の発明では、第１〜第１０のいずれか一つの発明において、前記目標空燃比は、前記下流側空燃比検出装置よって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチ側又はリーン側のいずれか一方側にずれた判定空燃比に達したときに理論空燃比よりも前記一方側とは反対側の他方側にずれた空燃比に切り替えられると共に、当該目標空燃比が切り替えられた後の前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の変化量が所定の切替基準量以上になったときに理論空燃比よりも一方側にずれた空燃比に切り替えられる。

第１２の発明では、第１１の発明において、前記学習手段は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側又はリーン側のいずれか一方側にずれた空燃比に切り替えてから、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記理論空燃比維持判定時間以内に前記一方側にずれた判定空燃比に達するときには、通常学習を行い、前記通常学習では、前記目標空燃比を理論空燃比よりも他方側にずれた空燃比に切り替えてから前記酸素吸蔵量の変化量が前記切替基準量以上になるまでの第１期間における積算酸素過不足量の絶対値である第１酸素量積算値と、前記目標空燃比を理論空燃比よりも一方側にずれた空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記判定空燃比以下になるまでの第２期間における積算酸素過不足量の絶対値である第２酸素量積算値とに基づいて、これら第１酸素量積算値と第２酸素量積算値との差が小さくなるように空燃比に関するパラメータを補正する。

第１３の発明では、第１〜第１２のいずれか一つの発明において、前記一方側はリッチ側である。

第１４の発明では、第１〜第１３のいずれか一つの発明において、前記空燃比に関するパラメータは、前記目標空燃比、燃料供給量及び制御中心となる空燃比のいずれかである。

第１５の発明では、第１〜第１３のいずれか一つの発明において、前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に該排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出装置を更に具備し、前記フィードバック制御手段は、前記上流側空燃比検出装置によって検出される空燃比が目標空燃比となるように内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御し、前記空燃比に関するパラメータは、前記上流側空燃比検出装置の出力値である。

本発明によれば、上流側の空燃比センサ等の出力値にずれが生じた場合であっても、排気浄化触媒からのＮＯｘ又は未燃ガスの流出を抑制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、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。 図５は、基本的な空燃比制御を行った際の目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。 図６は、基本的な空燃比制御を行った際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図７は、上流側空燃比センサの出力値にずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図８は、上流側空燃比センサの出力値にずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図９は、通常学習を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１０は、上流側空燃比センサの出力値に大きなずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１１は、上流側空燃比センサの出力値にずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１２は、理論空燃比張付き学習を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１３は、リーン張付き学習等を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１４は、制御装置の機能ブロック図である。 図１５は、基本空燃比補正量の算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１６は、通常学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１７は、張付き学習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内燃機関の制御装置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を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。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（上流側空燃比検出装置）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（下流側空燃比検出装置）４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。

なお、本実施形態に係る内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、本発明に係る内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。例えば、本発明に係る内燃機関は、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無、及び過給態様等が、上記内燃機関と異なるものであってもよい。

＜排気浄化触媒の説明＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、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。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。

一方、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。また、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。

以上のように、本実施形態において用いられる排気浄化触媒２０、２４によれば、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒２０、２４は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。

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

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

図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気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、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として限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、空燃比センサ４０、４１として、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、両空燃比センサ４０、４１は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。

＜基本的な空燃比制御＞
次に、本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の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御する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。また、リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。また、リーン設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）にリーン補正量を加算した空燃比として表すこともできる。また、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。

目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス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の出力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−ＡＦＲ） …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）をそれぞれ表している。

このようにして算出された酸素過不足量を積算した積算酸素過不足量が、予め定められた切替基準値（予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当）以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比が、リッチ設定空燃比とされ、その後、その空燃比に維持される。リッチ設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１２〜１４．５８、好ましくは１３〜１４．５７、より好ましくは１４〜１４．５５程度とされる。また、リッチ設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）からリッチ補正量を減算した空燃比として表すこともできる。なお、本実施形態では、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差（リッチ度合い）は、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差（リーン度合い）以下とされる。

その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下となったときに、目標空燃比が再びリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。このように本実施形態では、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。

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急激に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（例えば、１４．６５）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５を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図５は、本実施形態の空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。

なお、空燃比補正量ＡＦＣ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に関する補正量である。空燃比補正量ＡＦＣが０のときには目標空燃比は制御中心となる空燃比（以下、「制御中心空燃比」という）に等しい空燃比（本実施形態では、理論空燃比）とされ、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリーンな空燃比（本実施形態では、リーン空燃比）となり、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリッチな空燃比（本実施形態では、リッチ空燃比）となる。また、「制御中心空燃比」は、機関運転状態に応じて空燃比補正量ＡＦＣを加算する対象となる空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに応じて目標空燃比を変動させる際に基準となる空燃比を意味する。

図示した例では、時刻ｔ₁以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とされている。すなわち、目標空燃比はリッチ空燃比とされており、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となる。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ＡＦｄｗｎはほぼ０理論空燃比となる。上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。

上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは時刻ｔ₁においてゼロに近づき、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻ｔ₁以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下する。その結果、時刻ｔ₂において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。

本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは０にリセットされる。

なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達してから、空燃比補正量ＡＦＣの切替を行っている。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であっても、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から極わずかにずれてしまう場合があるためである。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であるときには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到達することのないような空燃比とされる。

時刻ｔ₂において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、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ＡＦｄｗｎ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、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされる。

ここで、図５に示した例では、時刻ｔ₃において目標空燃比を切り替えると同時に酸素吸蔵量ＯＳＡが低下しているが、実際には目標空燃比を切り替えてから酸素吸蔵量ＯＳＡが低下するまでには遅れが発生する。また、内燃機関を搭載した車両の加速により機関負荷が高くなって吸入空気量が瞬間的に大きくずれた場合等、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をリッチ空燃比に切り替えると、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、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比に相当する値ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ₁〜ｔ₅のサイクルが繰り返される。

以上の説明から分かるように本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができる。すなわち、上述した制御を行っている限り、基本的には上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量をほぼゼロとすることができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出誤差によりＮＯｘが排出されてしまうことが抑制される。

また、一般に、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されると、その排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下する。すなわち、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が変動することが必要になる。これに対して、本実施形態によれば、図５に示したように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは常に上下に変動しているため、酸素吸蔵能力が低下することが抑制される。

なお、上記実施形態では、時刻ｔ₂〜ｔ₃において、空燃比補正量ＡＦＣはリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、時刻ｔ₂〜ｔ₃の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを０よりも小さな値（例えば、リッチ設定補正量等）としてもよい。すなわち、時刻ｔ₂〜ｔ₃の期間中において、一時的に目標空燃比をリッチ空燃比としてもよい。

同様に、上記実施形態では、時刻ｔ₃〜ｔ₅において、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に増大させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、図６に示したように、時刻ｔ₃〜ｔ₅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、リーン設定補正量等）としてもよい（図６の時刻ｔ₆、ｔ₇等）。すなわち、時刻ｔ₃〜ｔ₅の期間中において、一時的に目標空燃比をリーン空燃比としてもよい。

ただし、この場合であっても、時刻ｔ₂〜ｔ₃における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差が、時刻ｔ₃〜ｔ₅における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きくなるように設定される。

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、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。また、上記実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えられる。しかしながら、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えるタイミングは、例えば目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へ切り替えてからの機関運転時間や積算吸入空気量等、他のパラメータを基準としてもよい。ただし、この場合であっても、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと推定される間に、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。

＜上流側空燃比センサにおけるずれ＞
ところで、機関本体１が複数の気筒を有する場合、各気筒から排出される排気ガスの空燃比には気筒間でずれが生じる場合がある。一方、上流側空燃比センサ４０は排気マニホルド１９の集合部に配置されるが、その配置位置に応じて各気筒から排出された排気ガスが上流側空燃比センサ４０に曝される程度が気筒間で異なる。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は、或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比の影響を強く受けることになる。このため、この或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比が全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比とは異なる空燃比となっている場合、平均空燃比と上流側空燃比センサ４０の出力空燃比との間にはずれが生じる。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は実際の排気ガスの平均空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。

また、未燃ガスのうち水素は空燃比センサの拡散律速層の通過速度が速い。このため、排気ガス中の水素濃度が高いと、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりも低い側（すなわち、リッチ側）にずれてしまう。

このように上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じていると、上述したような制御を行っていても、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘ及び酸素が流出したり、未燃ガスの流出頻度が高くなったりしてしまう場合がある。以下では、図７及び図８を参照して斯かる現象について説明する。

図７は、図５と同様な、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ等のタイムチャートである。図７は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ側にずれている場合を示している。図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は実際の出力空燃比を示している。一方、破線は、上流側空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスの実際の空燃比を示している。

図７に示した例においても、時刻ｔ₁以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされており、よって目標空燃比がリッチ設定空燃比とされている。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリッチ設定空燃比と等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーン側の空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、実際の空燃比（図中の破線）よりも低い（リッチ側）ものとなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅いものとなる。

また、図７に示した例では、時刻ｔ₂において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。このため、上述したように、時刻ｔ₂において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。

これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリーン設定空燃比に等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリーン設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、実際の空燃比（図中の破線）よりも低い（リッチ側）ものとなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は速いものとなる。

加えて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれが大きいと、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は極端に速くなる。したがって、この場合、図８に示したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する前に、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達することになる。この結果、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘ及び酸素が流出することになる。

一方、上述した例とは逆に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリーン側にずれていると、酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度が遅くなると共に減少速度が速くなる。この場合、時刻ｔ₂から時刻ｔ₅までのサイクルが速くなり、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出頻度が高くなる。

以上より、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを検出することが必要になると共に、検出されたずれに基づいて出力空燃比等の補正を行うことが必要である。

＜通常学習制御＞
そこで、本発明の実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中（すなわち、上述したような目標空燃比に基づいてフィードバック制御を行っているとき）に学習制御が行われる。このうち、まず、通常学習制御について説明する。

ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になるまでの期間を酸素増大期間（第１期間）とする。同様に、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの期間を酸素減少期間（第２期間）とする。本実施形態の通常学習制御では、酸素増大期間における積算酸素過不足量ΣＯＤＥの絶対値としてリーン酸素量積算値（第１酸素量積算値）を算出する。加えて、酸素減少期間における積算酸素過不足量の絶対値としてリッチ酸素量積算値（第２酸素量積算値）を算出する。そして、これらリーン酸素量積算値とリッチ酸素量積算値との差が小さくなるように制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。図９にこの様子を示す。

図９は、制御中心空燃比ＡＦＲ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び学習値ｓｆｂｇのタイムチャートである。図９は、図７と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが低い側（リッチ側）にずれている場合を示している。なお、学習値ｓｆｂｇは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比（出力電流）のずれに応じて変化する値であり、本実施形態では制御中心空燃比ＡＦＲを補正するのに用いられる。また、図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は、上流側空燃比センサ４０によって検出された出力に相当する空燃比を、破線は、上流側空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスの実際の空燃比をそれぞれ示している。加えて、一点鎖線は、目標空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに相当する空燃比を示している。

図示した例では、図５及び図７と同様に、時刻ｔ₁以前の状態では、制御中心空燃比が理論空燃比とされ、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。このとき、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは実線で示したように、リッチ設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にはずれが生じているため、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている（図９の破線）。ただし、図９に示した例では、図９の破線から分かるように、時刻ｔ₁以前の実際の排気ガスの空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンながらも、リッチ空燃比となっている。したがって、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に減少していく。

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に到達する。これにより、上述したように、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。時刻ｔ₁以降は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリーン設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれにより、排気ガスの実際の空燃比は、リーン設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリーン度合いの大きい空燃比となる（図９の破線を参照）。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは急速に増大する。

一方、酸素過不足量は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ（より正確には、出力空燃比ＡＦｕｐと制御中心空燃比ＡＦＲとの差）に基づいて算出される。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。したがって、算出された酸素過不足量は、実際の酸素過不足量よりも少ない（すなわち、酸素量が少ない）値となる。その結果、算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、実際の値よりも少なくなる。

時刻ｔ₂では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。このため、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。このとき、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡは図９に示したように切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも多くなっている。

時刻ｔ₂以降は、時刻ｔ₁以前の状態と同様に、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされ、よって目標空燃比はリッチ空燃比とされる。このときも、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている。この結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅くなる。加えて、上述したように、時刻ｔ₂において、上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量は切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも多くなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量がゼロに到達するまでには時間がかかる。

時刻ｔ₃では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、上述したように、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。したがって、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へと切り替えられる。

ところで、本実施形態では、上述したように、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までにおいて、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えた時（時刻ｔ₁）から上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値が切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になった時（時刻ｔ₂）までの期間を酸素増大期間Ｔｉｎｃと称すると、本実施形態では酸素増大期間Ｔｉｎｃに積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。図９では、時刻ｔ₁〜時刻ｔ₂の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値をＲ₁で示している。

この酸素増大期間Ｔｉｎｃの積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（Ｒ₁）は、時刻ｔ₂における酸素吸蔵量ＯＳＡに相当する。しかしながら、上述したように、酸素過不足量の推定には上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが用いられ、この出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。このため、図９に示した例では、時刻ｔ₁〜時刻ｔ₂の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、時刻ｔ₂における実際の酸素吸蔵量ＯＳＡに相当する値よりも少ないものとなっている。

また、本実施形態では、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までにおいても、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。ここで、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えた時（時刻ｔ₂）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に到達する時（時刻ｔ₃）までの期間を酸素減少期間Ｔｄｅｃと称すると、本実施形態では酸素減少期間Ｔｄｅｃに積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。図９では、時刻ｔ₂〜時刻ｔ₃の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値をＦ₁で示している。

この酸素減少期間Ｔｄｅｃの積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（Ｆ₁）は、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までに上流側排気浄化触媒２０から放出された総酸素量に相当する。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。このため、図９に示した例では、時刻ｔ₂〜時刻ｔ₃の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までに上流側排気浄化触媒２０から実際に放出された総酸素量に相当する値よりも少ないものとなっている。

ここで、酸素増大期間Ｔｉｎｃでは上流側排気浄化触媒２０に酸素が吸蔵されると共に、酸素減少期間Ｔｄｅｃでは吸蔵されていた酸素が全て放出される。したがって、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｒ₁と、酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｆ₁とは基本的に同一の値になるのが理想的である。ところが、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにずれが生じている場合、このずれに応じてこれら積算値の値も変化する。上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が低い側（リッチ側）にずれている場合、絶対値Ｒ₁に対して絶対値Ｆ₁の方が多くなる。逆に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が高い側（リーン側）にずれている場合、絶対値Ｒ₁に対して絶対値Ｆ₁の方が少なくなる。加えて、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｒ₁と酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｆ₁の差ΔΣＯＥＤ（＝Ｒ₁−Ｆ₁。以下、「過不足量誤差」という）は上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれの程度を表している。これら絶対値Ｒ₁、Ｆ₁の差が大きくなるほど、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれが大きいといえる。

そこで、本実施形態では、過不足量誤差ΔΣＯＥＤに基づいて、制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。特に、本実施形態では、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｒ₁と酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｆ₁の差ΔΣＯＥＤが小さくなるように制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。

具体的には、本実施形態では、下記式（２）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、下記式（３）により制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ₁・ΔΣＯＥＤ …（２）
ＡＦＲ＝ＡＦＲｂａｓｅ＋ｓｆｂｇ（ｎ） …（３）
なお、上記式（２）において、ｎは計算回数又は時間を表している。したがって、ｓｆｂｇ（ｎ）は今回の計算又は現在の学習値である。加えて、上記式（２）におけるｋ₁は、過不足量誤差ΔΣＯＥＤを制御中心空燃比ＡＦＲに反映させる程度を表すゲインである。ゲインｋ₁の値が大きいほど制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が大きくなる。さらに、上記式（３）において、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅは、基本となる制御中心空燃比であり、本実施形態では理論空燃比である。

図９の時刻ｔ₃においては、上述したように、絶対値Ｒ₁、Ｆ₁に基づいて学習値ｓｆｂｇが算出される。特に、図９に示した例では、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｒ₁よりも酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｆ₁の方が大きいことから、時刻ｔ₃において学習値ｓｆｂｇは減少せしめられる。

ここで、制御中心空燃比ＡＦＲは、上記式（３）を用いて学習値ｓｆｂｇに基づいて補正される。図９に示した例では、学習値ｓｆｂｇは負の値となっているため、制御中心空燃比ＡＦＲは、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅよりも小さな値、すなわちリッチ側の値となっている。これにより、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に補正されることになる。

この結果、時刻ｔ₃以降、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻ｔ₃以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻ｔ₃以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻ｔ₃以前における差よりも小さくなっている。

また、時刻ｔ₃以降も、時刻ｔ₁〜時刻ｔ₂における操作と同様な操作が行われる。したがって、時刻ｔ₄において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えられる。その後、時刻ｔ₅において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達すると、再度、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。

時刻ｔ₃〜時刻ｔ₄は、上述したように酸素増大期間Ｔｉｎｃに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値は図９のＲ₂で表せる。また、時刻ｔ₄〜時刻ｔ₅は、上述したように酸素減少期間Ｔｄｅｃに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値は図９のＦ₂で表せる。そして、これら絶対値Ｒ₂、Ｆ₂の差ΔΣＯＥＤ（＝Ｒ₂−Ｆ₂）に基づいて、上記式（２）を用いて学習値ｓｆｂｇが更新される。本実施形態では、時刻ｔ₅以降も同様な制御が繰り返され、これにより学習値ｓｆｂｇの更新が繰り返される。

通常学習制御によりこのように学習値ｓｆｂｇの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは徐々に目標空燃比から離れていくが、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比は徐々に目標空燃比に近づいていく。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償することができる。

また、上記実施形態では、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に到達する前に、目標空燃比の切替を行っている。このため、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量に到達してから、すなわち、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以上になってから目標空燃比を切り替える場合に比べて、学習値の更新頻度を増大させることができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、その算出期間が長くなるほど誤差が生じやすい。本実施形態によれば、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量に到達する前に目標空燃比の切替が行われることから、その算出期間を短くすることができる。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出における誤差を小さくすることができる。

なお、上述したように、学習値ｓｆｂｇの更新は、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤと、この酸素増大期間Ｔｉｎｃの直後に続く酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤとに基づいて行われるのが好ましい。これは、上述したように、酸素増大期間Ｔｉｎｃに上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される総酸素量とこの直後に続く酸素減少期間Ｔｄｅｃに上流側排気浄化触媒２０から放出される総酸素量が等しくなるためである。

加えて、上記実施形態では、１回の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤと、１回の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤとに基づいて学習値ｓｆｂｇの更新が行われている。しかしながら、複数回の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの合計値又は平均値と、複数回の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの合計値又は平均値とに基づいて学習値ｓｆｂｇの更新を行ってもよい。

また、上記実施形態では、学習値ｓｆｂｇに基づいて、空燃比補正量ＡＦＣ（すなわち、目標空燃比）を補正することとしている。しかしながら、学習値ｓｆｂｇに基づいて補正するのは、空燃比に関する他のパラメータであってもよい。他のパラメータとしては、例えば、燃焼室５内への燃料供給量や、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、空燃比補正量等が挙げられる。

なお、上記実施形態では、基本的な空燃比制御において、下流側空燃比センサ４１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がリーン空燃比に切り替えられる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが所定の切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になったときに目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられる。しかしながら、基本的な空燃比制御として、別の制御を用いてもよい。斯かる別の制御としては、例えば、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、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制御が考えられる。

この場合、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの酸素減少期間における積算酸素過不足量の絶対値としてリッチ酸素量積算値が算出される。加えて、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから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以上になるまでの酸素増大期間における積算酸素過不足量の絶対値としてリーン酸素量積算値が算出される。そして、これらリッチ酸素量積算値とリーン酸素量積算値との差が小さくなるように制御中心空燃比等が補正されることになる。

したがって、以上をまとめると、本実施形態では、目標空燃比は、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に達したときにリーン空燃比に切り替えられる。加えて、目標空燃比は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が所定の切替基準量以上になったとき、或い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に達したときに、リッチ空燃比に切り替えられる。換言すると、本実施形態では、目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチ側及びリーン側の異なる複数の空燃比間で切り替えられる。そして、学習手段は、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから酸素吸蔵量の変化量が切替基準量以上になるまで又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に達するまでの第１期間における積算酸素過不足量の絶対値である第１酸素量積算値と、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの第２期間における積算酸素過不足量の絶対値である第２酸素量積算値とに基づいて、これら第１酸素量積算値と第２酸素量積算値との差が小さくなるように空燃比に関するパラメータが補正される通常学習制御を行うといえる。

＜上流側空燃比センサにおける大きなずれ＞
ところで、図７及び図８に示した例では、上流側排気浄化触媒２０の出力空燃比にずれが生じているが、その程度はそれほど大きくない場合を示している。したがって、図７及び図８の破線からもわかるように、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されている場合において、実際の排気ガスの空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリーンながらも、リッチ空燃比となっている。

これに対して、上流側排気浄化触媒２０に生じているずれが大きくなると、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されていても、実際の排気ガスの空燃比が理論空燃比になってしまう場合がある。この様子を、図１０に示す。

図１０では、時刻ｔ₁以前において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリーン設定空燃比となる。ただし、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリーン設定空燃比よりもリーンな空燃比となっている（図中の破線）。

その後、時刻ｔ₁において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリッチ設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比は理論空燃比となっている（図中の破線）。

この結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは変化せずに一定の値に維持される。このため、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから長時間が経過しても、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが排出されることはなく、したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比のまま維持される。上述したように、空燃比補正量ＡＦＣのリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達した時に行われる。しかしながら、図１０に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比のまま維持されることから、空燃比補正量ＡＦＣは長時間に亘ってリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持されることになる。ここで、上述した通常学習制御は、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとの間で交互に切り替えられることを前提としている。したがって、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が大きくずれている場合には、空燃比補正量ＡＦＣの切替が行われず、よって上述した通常学習制御を行うことはできない。

図１１は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が極めて大きくリッチ側にずれている場合を示す図１０と同様な図である。図１１に示した例では、図１０に示した例と同様に、時刻ｔ₁において、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。すなわち、時刻ｔ₁において目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれにより、実際の排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている（図中の破線）。

この結果、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されているにもかかわらず、上流側排気浄化触媒２０にはリーン空燃比の排気ガスが流入する。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に増大していき、ついには時刻ｔ₂において最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達する。このように、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達すると、上流側排気浄化触媒２０はもはやこれ以上排気ガス中の酸素を吸蔵することができない。このため、上流側排気浄化触媒２０からは流入する排気ガス中に含まれていた酸素及びＮＯｘがそのまま流出し、結果的に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上昇する。しかしながら、空燃比補正量ＡＦＣのリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達した時に行われる。このため、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が極めて大きくずれている場合にも、空燃比補正量ＡＦＣの切替が行われず、よって上述した通常学習制御を行うことはできない。

＜張付き学習制御＞
そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれが大きな場合であってもそのずれを補償すべく、上述した通常学習制御に加えて、理論空燃比張付き学習制御、リーン張付き学習制御及びリッチ張付き学習制御が行われる。

＜理論空燃比張付き学習＞
まず、理論空燃比張付き学習制御について説明する。理論空燃比張付き学習制御は、図１０に示した例のように、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比が理論空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。

ここで、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈとリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎとの間の領域を中間領域Ｍと称する。この中間領域Ｍは、リッチ判定空燃比とリーン判定空燃比との間の空燃比領域を理論空燃比近傍領域に相当する。理論空燃比張付き学習制御では、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから、すなわち目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められた理論空燃比維持判定時間以上に亘って中間領域Ｍ内に維持されているか否かを判断する。そして、理論空燃比維持判定時間以上に亘って中間領域Ｍ内に維持されている場合には、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ッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが減少せしめられる。図１２にこの様子を示す。

図１２は、空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートを示す図９と同様な図である。図１２は、図１０と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが低い側（リッチ側）に大きくずれている場合を示している。

図示した例では、図１０と同様に、時刻ｔ₁以前において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている。その後、時刻ｔ₁において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達し、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、図１０に示した例と同様に、排気ガスの実際の空燃比はほぼ理論空燃比となっている。このため、時刻ｔ₁以降、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは一定の値に維持される。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは長期間に亘って理論空燃比近傍に維持され、よって中間領域Ｍ内に維持される。

そこで、本実施形態では、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから予め定められた理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏ以上に亘って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが中間領域Ｍ内に維持されている場合には、制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。特に、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空燃比がリッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが更新される。

具体的には、本実施形態では、下記式（４）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、上記式（３）により制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ₂・ＡＦＣｒｉｃｈ …（４）
なお、上記式（３）において、ｋ₂は、制御中心空燃比ＡＦＲを補正する程度を表すゲインである（０＜ｋ₂≦１）。ゲインｋ₂の値が大きいほど、制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が大きくなる。

ここで、上述したように、空燃比補正量ＡＦＣの切替後に長期間に亘って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが中間領域Ｍ内に維持されている場合には、排気ガスの実際の空燃比はほぼ理論空燃比近傍の値となっている。このため、上流側空燃比センサ４０におけるずれは、制御中心空燃比（理論空燃比）と目標空燃比（この場合は、リッチ設定空燃比）との差と同程度になっている。本実施形態では、上記式（４）に示したように制御中心空燃比と目標空燃比との差に相当する空燃比補正量ＡＦＣに基づいて学習値ｓｆｂｇを更新しており、これにより、より適切に上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償することができる。

図１２に示した例では、時刻ｔ₁から理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏが経過した時刻ｔ₂まで、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされる。このため、式（４）を用いると、時刻ｔ₂において学習値ｓｆｂｇは減少せしめられる。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比はリッチ側に変化することになる。これにより、時刻ｔ₂以降、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻ｔ₂以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻ｔ₂以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻ｔ₂以前における差よりも小さくなっている。

図１２に示した例では、ゲインｋ₂を比較的小さい値にした例を示している。このため、時刻ｔ₂において学習値ｓｆｂｇの更新が行われてもなお、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれが残っている。このため、排気ガスの実際の空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリッチ度合いの小さい空燃比となる（図１２の破線参照）。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅い。

この結果、時刻ｔ₂から理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏが経過した時刻ｔ₃まで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比近傍に維持され、よって中間領域Ｍ内に維持される。このため、図１２に示した例では、時刻ｔ₃においても、式（４）を用いて、学習値ｓｆｂｇの更新が行われる。

図１２に示した例では、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以下となる。このように、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になった後には、上述したように空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとに交互に設定される。これに伴って、上述した通常学習制御が行われるようになる。

理論空燃比張付き学習制御によりこのように学習値ｓｆｂｇの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐのずれが大きい場合であっても、学習値の更新を行うことができる。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償することができる。

なお、上記実施形態では、理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏは予め定められた時間とされている。この場合、理論空燃比維持判定時間は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が新品時の上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでに通常かかる時間以上とされる。具体的には、その２倍〜４倍程度の時間とするのが好ましい。

或いは、理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤ等、他のパラメータに応じて変化させてもよい。具体的には、例えば、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが多くなるほど、理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏが短くされる。これにより、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが所定の量（例えば、図１２のＯＥＤｓｗ）になったときに上述したような学習値ｓｆｂｇの更新を行うようにすることもできる。また、この場合、積算酸素過不足量ΣＯＥＤにおける上記所定の量を新品時の上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量以上とすることが必要である。具体的には、最大吸蔵可能酸素量の２倍〜４倍程度の量とするのが好ましい。

なお、理論空燃比張付き学習制御に関しても、上述した通常学習制御の場合と同様に、基本的な空燃比制御として、上述した別の制御を用いた場合にも適用することができる。この場合、理論空燃比張付き学習制御では、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏ以上に亘って理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合には、そのときの目標空燃比に応じ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ッチ側又はリーン側に変化するように学習値ｓｆｂｇが増大又は減少せしめられることになる。

したがって、これらをまとめて表現すると、本実施形態では、学習手段は、目標空燃比を理論空燃比よりも一方側（図９に示した例におけるリッチ側に相当）にずれた空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏ以上に亘って理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合には、フィードバック制御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前記一方側に変化するように空燃比に関するパラメータを補正する理論空燃比張付き学習を行うといえる。

＜リッチ・リーン張付き学習＞
次に、リーン張付き学習制御について説明する。リーン張付き学習制御は、図１１に示した例のように、目標空燃比をリッチ空燃比にしているにもかかわらず、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比がリーン空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。リーン張付き学習制御では、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから、すなわち目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されているかを判断する。そして、リーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されている場合には、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ッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが減少せしめられる。図１３にこの様子を示す。

図１３は、空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートを示す図９と同様な図である。図１３は、図１１と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが低い側（リッチ側）に極めて大きくずれている場合を示している。

図示した例では、時刻ｔ₀において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎからリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は極めて大きくリッチ側にずれているため、図１１に示した例と同様に、排気ガスの実際の空燃比はリーン空燃比となっている。このため、時刻ｔ₀以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン空燃比に維持される。

そこで、本実施形態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されてから、予め定められたリーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎ以上に亘って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比に維持されている場合には、空燃比補正量ＡＦＣを補正するようにしている。特に、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空燃比がリッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが補正される。

具体的には、本実施形態では、下記式（５）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、上記式（３）により学習値ｓｆｂｇに基づいて制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ₃・（ＡＦＣｒｉｃｈ−（ＡＦｄｗｎ−１４．６）） …（５）
なお、上記式（５）において、ｋ₃は、制御中心空燃比ＡＦＲを補正する程度を表すゲインである（０＜ｋ₃≦１）。ゲインＫ₃の値が大きいほど、制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が大きくなる。

ここで、図１３に示した例では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されているときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比に維持されている。この場合、上流側空燃比センサ４０におけるずれは、目標空燃比と下流側空燃比センサ４１の出力空燃比との差に相当する。これを分解すると、上流側空燃比センサ４０におけるずれは、目標空燃比と理論空燃比との差（リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに相当）と、理論空燃比と下流側空燃比センサ４１の出力空燃比との差とを加算した量と同程度となっているといえる。そこで、本実施形態では、上記式（５）に示したように、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに下流側空燃比センサ４１の出力空燃比と理論空燃比との差を加算した値に基づいて学習値ｓｆｂｇを更新している。特に、上述した理論空燃比張付き学習では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ相当分だけ学習値を補正しているのに対して、リーン張付き学習ではこれに加えて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ相当分だけ学習値を補正している。また、ゲインｋ₃はゲインｋ₃と同程度とされる。このため、リーン張付き学習における補正量は、理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい。

図１３に示した例では、式（５）を用いると、時刻ｔ₁において、学習値ｓｆｂｇは減少せしめられる。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比はリッチ側に変化することになる。これにより、時刻ｔ₁以降、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻ｔ₁以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻ｔ₁以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻ｔ₁以前における差よりも小さくなっている。

図１３では、ゲインｋ₃を比較的小さい値にした例を示している。このため、時刻ｔ₁において学習値ｓｆｂｇの更新が行われてもなお、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれが残っている。特に、図示した例では、時刻ｔ₁以降も、排気ガスの実際の空燃比はリーン空燃比のままとなっている。この結果、時刻ｔ₁からリーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎに亘って下流側空燃比センサの出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比に維持される。このため、図示した例では、時刻ｔ₂においても、リーン張付き学習により、上記式（５）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

時刻ｔ₂において学習値ｓｆｂｇの補正が行われると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれが小さくなる。これにより、図示した例では、時刻ｔ₂以降には、排気ガスの実際の空燃比は理論空燃比よりも僅かにリッチとなり、これに伴って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン空燃比からほぼ理論空燃比に変化する。特に、図１３に示した例では、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃まで理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏに亘って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比、すなわち中間領域Ｍ内に維持される。このため、時刻ｔ₃において、理論空燃比張付き学習により、上記式（４）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

リーン張付き学習制御によってこのように学習値ｓｆｂｇの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐのずれが極めて大きい場合であっても、学習値の更新を行うことができる。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを小さくすることができる。

なお、上記実施形態では、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは予め定められた時間とされている。この場合、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからそれに応じて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が変化するまでに通常かかる下流側空燃比センサの応答遅れ時間以上とされる。具体的には、その２倍〜４倍程度の時間とするのが好ましい。また、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が新触時の上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでに通常かかる時間よりも短い。したがって、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは、上述した理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏよりも短いものとされる。

或いは、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから積算された排気ガス流量等、他のパラメータに応じて変化させてもよい。具体的には、例えば、積算排気ガス流量ΣＧｅが多くなるほど、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎが短くされる。これにより、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算排気ガス流量が所定の量（例えば、図１３のΣＧｅｓｗ）になったときに、上述したような学習値ｓｆｂｇの更新を行うようにすることもできる。また、この場合、所定の量は、目標空燃比を切り替えてからそれに応じて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が変化するまでに必要な排気ガスの総流量以上とすることが必要である。具体的には、斯かる総流量の２倍〜４倍程度の量とすることが好ましい。

次に、リッチ張付き学習制御について説明する。リッチ張付き学習制御は、リーン張付き学習制御と同様な制御であり、目標空燃比をリーン空燃比にしているにもかかわらず、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比がリッチ空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。リッチ張付き学習制御では、空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えてから、すなわち目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリッチ空燃比維持判定時間（リーン空燃比維持判定時間と同様）以上に亘ってリッチ空燃比に維持されているかを判断する。そして、リッチ空燃比維持判定時間以上に亘ってリッチ空燃比に維持されている場合には、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側に変化するように学習値ｓｆｂｇが増大せしめられる。すなわち、リッチ張付き学習制御では、上述したリーン張付き学習制御とはリッチ及びリーンが逆にした制御が行われる。

＜具体的な制御の説明＞
次に、図１４〜図１７を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。本実施形態における制御装置は、機能ブロック図である図１４に示したように、Ａ１〜Ａ１１の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図１４を参照しながら各機能ブロックについて説明する。これら各機能ブロックＡ１〜Ａ１１における操作は、基本的にＥＣＵ３１において実行される。

＜燃料噴射量の算出＞
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、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、吸入空気流量Ｇａと、機関回転数ＮＥと、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたマップ又は計算式とに基づいて、各気筒への吸入空気量Ｍｃを算出する。吸入空気流量Ｇａはエアフロメータ３９によって計測され、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ＡＦＴで除算することにより、基本燃料噴射量Ｑｂａｓｅを算出する（Ｑｂａｓｅ＝Ｍｃ／ＡＦＴ）。目標空燃比ＡＦＴは、後述する目標空燃比設定手段Ａ８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を加えることで燃料噴射量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。

＜目標空燃比の算出＞
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、酸素過不足量算出手段Ａ４、空燃比補正量算出手段Ａ５、学習値算出手段Ａ６、制御中心空燃比算出手段Ａ７、目標空燃比設定手段Ａ８が用いられる。

酸素過不足量算出手段Ａ４は、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及び上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する。酸素過不足量算出手段Ａ４は、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と制御中心空燃比との差分に燃料噴射量Ｑｉを乗算すると共に、求めた値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Ａ５では、酸素過不足量算出手段Ａ４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。具体的には、図１５に示したフローチャートに基づいて空燃比補正量ＡＦＣが算出される。

学習値算出手段Ａ６では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ、酸素過不足量算出手段Ａ４によって算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤ等に基づいて学習値ｓｆｂｇが算出される。具体的には、図１６に示した通常学習制御のフローチャート及び図１７に示した張付き学習制御のフローチャートに基づいて学習値ｓｆｂｇが算出される。このようにして算出された学習値ｓｆｂｇは、ＥＣＵ３１のＲＡＭ３３のうち、内燃機関を搭載した車両のイグニッションキーがオフにされても消去されない記憶媒体に保存される。

制御中心空燃比算出手段Ａ７では、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅ（例えば、理論空燃比）と、学習値算出手段Ａ６によって算出された学習値ｓｆｂｇとに基づいて制御中心空燃比ＡＦＲが算出される。具体的には、上述した式（３）に示したように、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅに学習値ｓｆｂｇを加算することによって制御中心空燃比ＡＦＲが算出される。

目標空燃比設定手段Ａ８は、制御中心空燃比算出手段Ａ７によって算出された制御中心空燃比ＡＦＲに、空燃比補正量算出手段Ａ５で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ＡＦＴを算出する。このようにして算出された目標空燃比ＡＦＴ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Ａ９に入力される。

＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
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補正量の算出に当たっては、空燃比偏差算出手段Ａ９、Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ１０が用いられる。

空燃比偏差算出手段Ａ９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Ａ８によって算出された目標空燃比ＡＦＴを減算することによって空燃比偏差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ−ＡＦＴ）。この空燃比偏差ＤＡＦは、目標空燃比ＡＦＴ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Ａ１０は、空燃比偏差算出手段Ａ９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（６）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ＤＦｉを算出する。このようにして算出されたＦ／Ｂ補正量ＤＦｉは、燃料噴射量算出手段Ａ３に入力される。
ＤＦｉ＝Ｋｐ・ＤＡＦ＋Ｋｉ・ＳＤＡＦ＋Ｋｄ・ＤＤＡＦ …（６）

なお、上記式（６）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と前回更新されていた空燃比偏差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、この時間積分値ＤＤＡＦは前回更新された時間積分値ＤＤＡＦ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（ＳＤＡＦ＝ＤＤＡＦ＋ＤＡＦ）。

＜空燃比補正量算出制御のフローチャート＞
図１５は、空燃比補正量ＡＦＣの算出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１５に示したように、まず、ステップＳ１１において空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立しているか否かが判定される。空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立している場合とは、フィードバック制御が行われる通常制御中であること、例えば燃料カット制御中等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算出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の出力空燃比ＡＦｕｐ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Ｆｒ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Ｆｒは、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されると１とされ、それ以外の場合には０とされる。ステップＳ１３においてリーン設定フラグＦｒが０に設定されている場合には、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、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、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。次いで、ステップＳ１６では、リーン設定フラグＦｒが１に設定され、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Ｆｒ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へと進み、空燃比補正量ＡＦＣが引き続きリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ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Ｓ１９へと進む。ステップＳ１９では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされ、次いで、ステップＳ２０では、リーン設定フラグＦｒが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜通常学習制御のフローチャート＞
図１６は、通常学習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１６に示したように、まず、ステップＳ２１において、学習値ｓｆｂｇの更新条件が成立しているか否かが判定される。更新条件が成立している場合とは、例えば、通常制御中であること等が挙げられる。ステップＳ２１において、学習値ｓｆｂｇの更新条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、リーンフラグＦｌが０に設定されているか否かが判定される。ステップＳ２２において、リーンフラグ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Ｓ２３へと進む。

ステップＳ２３では、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも大きいか否か、すなわち目標空燃比がリーン空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ２３において、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに現在の酸素過不足量ＯＥＤが加算される。

その後、目標空燃比がリッチ空燃比へと切り替えられると、次の制御ルーチンではステップＳ２３において空燃比補正量ＡＦＣが０以下であると判定され、ステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では、リーンフラグＦｌが１にセットされ、次いで、ステップＳ２６ではＲｎが現在の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値とされる。次いで、ステップＳ２７では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、リーンフラグＦｌが１にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２２からステップＳ２８へと進む。ステップＳ２８では、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも小さいか否か、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ２８において、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも小さいと判定された場合にはステップＳ２９へと進む。ステップＳ２９では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに現在の酸素過不足量ＯＥＤが加算される。

その後、目標空燃比がリーン空燃比へと切り替えられると、次の制御ルーチンではステップＳ２８において空燃比補正量ＡＦＣが０以上であると判定され、ステップＳ３０へと進む。ステップＳ３０では、リーンフラグＦｌが０にセットされ、次いで、ステップＳ３１では、Ｆｎが現在の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値とされる。次いで、ステップＳ３２では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされる。次いで、ステップＳ３３では、ステップＳ２６で算出されたＲｎとステップＳ３１で算出されたＦｎに基づいて学習値ｓｆｂｇが更新され、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜張付き学習制御のフローチャート＞
図１７は、張付き学習制御（理論空燃比張付き制御、リッチ張付き制御及びリーン張付き制御）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１７に示したように、まず、ステップＳ４１において、リーンフラグＦｌが０に設定されているか否かが判定される。ステップＳ４１において、リーンフラグ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Ｓ４２へと進む。ステップＳ４２では、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも大きいか否か、すなわち目標空燃比がリーン空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ４２において、空燃比補正量ＡＦＣが０以下であると判定された場合には、ステップＳ４３へと進む。

ステップＳ４３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よりも大きいか否かが判定され、ステップＳ４４では、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈとリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎとの間の値であるか否かが判定される。ステップＳ４３、Ｓ４４において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも小さいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリッチ空燃比である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、ステップＳ４３、Ｓ４４において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも大きいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリーン空燃比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、積算排気ガス流量ΣＧｅに現在の排気ガス流量Ｇｅを加算したものが新たな積算排気ガス流量ΣＧｅとされる。なお、排気ガス流量Ｇｅは、例えば、エアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される。次いで、ステップＳ４６では、ステップＳ４５で算出された積算排気ガス流量ΣＧｅが予め定められた所定量ΣＧｅｓｗ以上であるか否かが判定される。ステップＳ４６において、ΣＧｅがΣＧｅｓｗよりも小さ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、積算排気ガス流量ΣＧｅが増大して、ステップＳ４６において、ΣＧｅがΣＧｅｓｗ以上であると判定された場合には、ステップＳ４７へと進む。ステップＳ４７では、上述した式（５）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

一方、ステップＳ４３、Ｓ４４において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈとリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎとの間の値であると判定された場合には、ステップＳ４８へと進む。ステップＳ４８では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに現在の酸素過不足量ＯＥＤを加算したものが新たな積算酸素過不足量ΣＯＥＤとされる。次いで、ステップＳ４９では、ステップＳ４８で算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが予め定められた所定量ＯＥＤｓｗ以上であるか否かが判定される。ステップＳ４９において、ΣＯＥＤがＯＥＤｓｗよりも小さ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、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが増大して、ステップＳ４９において、ΣＯＥＤがＯＥＤｓｗ以上であると判定された場合には、ステップＳ５０へと進む。ステップＳ５０では、上述した式（４）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

その後、目標空燃比が切り替えられて、ステップＳ４２において、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ５１へと進む。ステップＳ５１では、積算排気ガス流量ΣＧｅ及び積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされる。次いで、ステップＳ５２では、リーンフラグＦｌが１にセットされる。

リーンフラグＦｌが１にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ４１からステップＳ５３へと進む。ステップＳ５３では、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも小さいか否か、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ５３において、空燃比補正量ＡＦＣが０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、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よりも小さいか否かが判定される。ステップＳ５４において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以上であると判定された場合、すなわち出力空燃比がリーン空燃比である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、ステップＳ５４において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも小さいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリッチ空燃比であると判定された場合には、ステップＳ５５へと進む。

ステップＳ５５では、積算排気ガス流量ΣＧｅに現在の排気ガス流量Ｇｅを加算したものが新たな積算排気ガス流量ΣＧｅとされる。次いで、ステップＳ５６では、ステップＳ５５で算出された積算排気ガス流量ΣＧｅが予め定められた所定量ΣＧｅｓｗ以上であるか否かが判定される。ステップＳ５６において、ΣＧｅがΣＧｅｓｗよりも小さ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、積算排気ガス流量ΣＧｅが増大して、ステップＳ５６において、ΣＧｅがΣＧｅｓｗ以上であると判定された場合には、ステップＳ５７へと進む。ステップＳ５７では、上述した式（５）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

その後、目標空燃比が切り替えられて、ステップＳ５３において、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ５８へと進む。ステップＳ５８では、積算排気ガス流量ΣＧｅ及び積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされる。次いで、ステップＳ５９では、リーンフラグＦｌが０にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

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 (15)

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、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に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検出装置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内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、上記下流側空燃比検出装置によって検出された排気ガスの空燃比に基づいて該フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習手段とを具備し、
   前記目標空燃比は、理論空燃比とは異なる複数の空燃比間で切り替えられ、
   前記学習手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側又はリーン側のいずれか一方側にずれた空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比維持判定時間以上に亘って理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比との間の理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合には、前記フィードバック制御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前記一方側に変化するように空燃比に関するパラメータを補正する理論空燃比張付き学習を行う、内燃機関の制御装置。
2. 前記排気浄化触媒に流入する排気ガス中の酸素過不足量を推定する過不足量推定手段を更に具備し、
   前記理論空燃比維持判定時間は、前記目標空燃比を理論空燃比よりも前記一方側にずれた空燃比に切り替えてから積算された酸素過不足量に応じて変化する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記理論空燃比維持判定時間は、前記目標空燃比を理論空燃比よりも前記一方側にずれた空燃比に切り替えてから積算された酸素過不足量の絶対値が新触時の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでの時間以上である、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記学習手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比がリーン空燃比維持判定時間以上に亘って前記リーン判定空燃比よりもリーンな空燃比に維持されている場合には、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように空燃比に関するパラメータを補正するリーン張付き学習を行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記リーン空燃比維持判定時間は前記理論空燃比維持判定時間よりも短い、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記リーン張付き学習における補正量は前記理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい、請求項４又は５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記リーン空燃比維持判定時間は、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから積算された排気ガス流量に応じて変化する、請求項４〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記リーン空燃比維持判定時間は、前記目標空燃比を切り替えてからそれに応じて下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が変化するまでにかかる下流側空燃比検出装置の応答遅れ時間以上である、請求項４〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記学習手段は、前記目標空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比がリッチ空燃比維持判定時間以上に亘って前記リッチ判定空燃比よりもリッチな空燃比に維持されている場合には、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン側に変化するように空燃比に関するパラメータを補正するリッチ張付き学習を行う、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記前記リッチ空燃比維持判定時間は前記理論空燃比維持判定時間よりも短い、請求項９に記載の制御装置。
11. 前記目標空燃比は、前記下流側空燃比検出装置よって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチ側又はリーン側のいずれか一方側にずれた判定空燃比に達したときに理論空燃比よりも前記一方側とは反対側の他方側にずれた空燃比に切り替えられると共に、当該目標空燃比が切り替えられた後の前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の変化量が所定の切替基準量以上になったときに理論空燃比よりも一方側にずれた空燃比に切り替えられる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
12. 前記学習手段は、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチ側又はリーン側のいずれか一方側にずれた空燃比に切り替えてから、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記理論空燃比維持判定時間以内に前記一方側にずれた判定空燃比に達するときには、通常学習を行い、
    前記通常学習では、前記目標空燃比を理論空燃比よりも他方側にずれた空燃比に切り替えてから前記酸素吸蔵量の変化量が前記切替基準量以上になるまでの第１期間における積算酸素過不足量の絶対値である第１酸素量積算値と、前記目標空燃比を理論空燃比よりも一方側にずれた空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記判定空燃比以下になるまでの第２期間における積算酸素過不足量の絶対値である第２酸素量積算値とに基づいて、これら第１酸素量積算値と第２酸素量積算値との差が小さくなるように空燃比に関するパラメータを補正する、請求項１１に記載の内燃機関の制御装置。
13. 前記一方側はリッチ側である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
14. 前記空燃比に関するパラメータは、前記目標空燃比、燃料供給量及び制御中心となる空燃比のいずれかである、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
15. 前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に該排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出装置を更に具備し、
    前記フィードバック制御手段は、前記上流側空燃比検出装置によって検出される空燃比が目標空燃比となるように内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御し、
    前記空燃比に関するパラメータは、前記上流側空燃比検出装置の出力値である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

Images