JP2016194289A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】下流側空燃比センサに素子割れの異常が生じた場合にこの異常を診断することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置は、排気浄化触媒と、下流側空燃比センサと、排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御及び下流側空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御を行う制御装置とを具備する。制御装置は、空燃比制御において排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に繰り返し切り替える。また、制御装置は、異常診断制御において、空燃比制御によって排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比にされているときに、下流側空燃比センサの出力空燃比が所定のリーン判定空燃比よりもリッチな空燃比からリーンな空燃比に変化したときには、下流側空燃比センサに異常が生じていると判定する。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の排気流れ方向上流側及び排気流れ方向下流側に空燃比センサを設けた排気浄化装置が知られている。斯かる内燃機関では、上流側の空燃比センサの出力に基づいて排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御を行っている。加えて、目標空燃比は、理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、単に「リッチ空燃比」という）と理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、単に「リーン空燃比」という）とに交互に設定される（例えば、特許文献１）。

特に、特許文献１に記載の内燃機関では、下流側空燃比センサの出力に相当する空燃比（以下、「出力空燃比」ともいう）が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると共に、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準吸蔵量以上になったときに目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えるようにしている。特許文献１によれば、これにより、排気浄化触媒からＮＯｘが流出するのを抑制することができるとされている。

国際公開第２０１４／１１８８９２号 特開２００６−３４３２８１号公報

ところで、空燃比センサを構成する素子に割れが生じた場合、空燃比センサ周りの排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比又はリーン空燃比であるときには、空燃比センサの出力空燃比は実際の排気ガスの空燃比とほぼ等しいものとなる。ところが、空燃比センサ周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときには、空燃比センサの出力空燃比が実際の排気ガスの空燃比とは異なる空燃比、特にリーン空燃比となる場合がある。

このように、空燃比センサに素子割れが生じている場合には、空燃比センサ周りの排気ガスの空燃比を正確に検出することができない場合がある。このように素子割れが生じて誤った出力を発生させる空燃比センサを用いて上述したような目標空燃比の制御を行うと、排気浄化触媒からのＮＯｘ等の流出を抑制することができなくなる場合がある。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、下流側空燃比センサに素子割れの異常が生じた場合にこの異常を診断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。

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設けられた排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御及び前記下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて該下流側空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御を行う制御装置とを具備し、前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とに交互に繰り返し切り替え、前記制御装置は、前記異常診断制御において、前記空燃比制御によって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空燃比にされているときに、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな所定のリーン判定空燃比よりもリッチな空燃比から該リーン判定空燃比よりもリーンな空燃比に変化したときには、前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

第２の発明では、第１の発明において、前記制御装置は、前記空燃比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と共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて空燃比に関するパラメータを補正する学習制御を更に行い、前記制御装置は、前記空燃比制御において前記目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えると共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切り替えを行い、前記制御装置は、前記学習制御において、前記目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから再びリッチ空燃比に切り替えるまでの酸素増大期間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の積算値である積算酸素過剰量と、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから再びリーン空燃比に切り替えるまでの酸素減少期間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を理論空燃比にしようとしたときに不足する酸素の量の積算値である積算酸素不足量とに基づいて、これら積算酸素過剰量と積算酸素不足量との差が小さくなるように前記空燃比に関するパラメータを補正し、前記制御装置は、前記目標空燃比が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センサに異常が生じていると判定した場合には、その後に前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になって前記目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられても、このときの積算酸素不足量に基づく前記空燃比に関するパラメータの補正を中止する。

第３の発明では、第２の発明において、前記制御装置は、前記目標空燃比が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センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比よりもリッチな空燃比から該リーン判定空燃比よりもリーンな空燃比に変化したことにより前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定した場合には、前記目標空燃比を前回リッチ空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比よりもリッチな空燃比からリーンな空燃比に変化したときまでの期間における積算酸素不足量を算出し、該積算酸素不足量と前記積算酸素過剰量との差が小さくなるように前記空燃比に関するパラメータを補正する。

第４の発明では、第２又は第３の発明において、前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな一定のリッチ設定空燃比と理論空燃比よりもリーンな一定のリーン設定空燃比とに交互に切り替え、前記制御装置は、前記異常診断制御により前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定した場合には、前記リッチ設定空燃比のリッチ度合いを小さくする。

第５の発明では、第４の発明において、前記制御装置は、前記空燃比制御において前記目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに１回ずつ設定する期間を１サイクルとすると、該サイクルの回数に対する前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定される回数の割合が予め定められた割合以上である場合には、前記リッチ設定空燃比のリッチ度合いを小さくする。

第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替え、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準酸素量以上になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替える。

本発明によれば、下流側空燃比センサに素子割れの異常が生じた場合にこの異常を診断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、本発明の異常診断装置が用いられている内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、空燃比センサの概略的な断面図である。 図３は、各排気空燃比Ａ／Ｆにおける印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す図である。 図４は、印加電圧Ｖを一定にしたときの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。 図５は、内燃機関の通常運転時における、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の変化を示すタイムチャートである。 図６は、素子割れが生じている空燃比センサの概略的な断面図である。 図７は、空燃比補正量等のタイムチャートである。 図８は、制御装置の機能ブロック図である。 図９は、空燃比補正量設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、下流側空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１２は、図５と同様な、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の変化を示すタイムチャートである。 図１３は、制御中心空燃比等のタイムチャートである。 図１４は、下流側空燃比センサ周りを流通する排気ガスの流量と、下流側空燃比センサの出力空燃比との関係を示した図である。 図１５は、下流側空燃比センサに素子割れが発生しているときの、空燃比補正量等の変化を示すタイムチャートである。 図１６は、空燃比補正量等の変化を示す図１５と同様なタイムチャートである。 図１７は、制御装置の機能ブロック図である。 図１８は、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実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気浄化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、本発明の排気浄化装置が用いられる内燃機関では、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。

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及び出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これら空燃比センサ４０、４１の構成については後述する。

また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に基づいて下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う異常診断制御を行う制御装置として機能する。

上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させた三元触媒である。三元触媒は、三元触媒に流入する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ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化する機能を有する。加えて、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、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に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化される。

すなわち、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有していると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと、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若干リーンになったときには、排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵される。このため、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

一方、排気浄化触媒２０、２４が酸素を放出することができる状態にあると、すなわち排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵量が０よりも多いと、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若干リッチになったときには、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣ、ＣＯを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出される。このため、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

このように、排気浄化触媒２０、２４に或る程度の酸素が吸蔵されている場合には、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に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘとが同時に浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、空燃比センサ４０、４１として、コップ型の限界電流式空燃比センサが用いられる。図２を用いて、空燃比センサ４０、４１の構造について簡単に説明する。空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、その一方の側面上に配置された排気側電極５２と、その他方の側面上に配置された大気側電極５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、基準ガス室５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱、特に固体電解質層５１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。

特に、本実施形態のコップ型の空燃比センサ４０、４１では、固体電解質層５１は一端が閉じられた円筒状に形成される。固体電解質層５１の内部に画成された基準ガス室５５には、大気ガス（空気）が導入されると共に、ヒータ部５６が配置される。固体電解質層５１の内面上に大気側電極５３が配置され、固体電解質層５１の外面上に排気側電極５２が配置される。固体電解質層５１及び排気側電極５２の外面上にはこれらを覆うように拡散律速層５４が配置される。なお、拡散律速層５４の外側には、拡散律速層５４の表面上に液体等が付着するのを防止するための保護層（図示せず）が設けられてもよい。

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

また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された印加電圧制御装置６０によりセンサ印加電圧Ｖが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、センサ印加電圧Ｖ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Ｉを検出する電流検出部６１が設けられる。この電流検出部６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉである。

このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図３に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図３からわかるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは、排気ガスの空燃比、すなわち排気空燃比Ａ／Ｆ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Ａ／ＦにおけるＶ−Ｉ線には、センサ印加電圧Ｖ軸に平行な領域、すなわちセンサ印加電圧Ｖが変化しても出力電流Ｉ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。

図４は、印加電圧Ｖを０．４５Ｖ程度（図３）で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示している。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。

なお、空燃比センサ４０、４１としては、図２に示した構造の限界電流式空燃比センサに代えて、例えば積層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を用いてもよい。

＜基本的な制御＞
次に、本実施形態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。すなわち、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排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が行われる。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。

また、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が設定される。具体的には、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、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。この結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリーン設定空燃比になる。ここで、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一定値の空燃比であり、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）に正の空燃比補正量を加算した空燃比として表すこともできる。加えて、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ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）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の推定値であるといえる。

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。
ＯＥＤ＝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、基本的には理論空燃比）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、リッチ設定空燃比に設定される。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）に負の空燃比補正量を加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繰り返し設定される。換言すると、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空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えられるといえる。

＜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、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等は、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。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等は含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。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等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、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下し、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。

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。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ｔ₁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。時刻ｔ₁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ｔ₂において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量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。

なお、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、車両の急加速による意図しない空燃比のずれ等が生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上流側排気浄化触媒２０が未使用であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの３／４以下、好ましくは１／２以下、より好ましくは１／５以下とされる。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりも僅かにリーンなリーン判定空燃比（例えば、１４．６５。理論空燃比からの偏差がリッチ判定空燃比と理論空燃比との差と同程度のリーン空燃比）に到達する前に空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられることになる。

時刻ｔ₂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。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等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く。このときの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。

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と、時刻ｔ₃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がリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ₁〜ｔ₃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ｔ₁〜ｔ₂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ｔ₁〜ｔ₂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。

同様に、上記実施形態では、時刻ｔ₂〜ｔ₃において、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に増大させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、時刻ｔ₂〜ｔ₃の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを０よりも大きな値（例えば、リーン設定補正量等）としてもよい。

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以上になったと推定されるまで、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以上になったと推定されたときに、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（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（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）をリッチ空燃比に切り替えているといえる。

＜空燃比センサの素子割れ＞
ところで、上述したような空燃比センサ４０、４１に生じる異常として、空燃比センサ４０、４１を構成する素子に割れが生じる素子割れという現象が挙げられる。具体的には、固体電解質層５１及び拡散律速層５４を貫通する割れ（図６のＣ１）や、固体電解質層５１及び拡散律速層５４に加えて両電極５２、５３を貫通する割れ（図６のＣ２）が発生する。このような素子割れが発生すると、図６に示したように割れた部分を介して排気ガスが基準ガス室５５内に進入する。

この結果、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合には、リッチ空燃比の排気ガスが基準ガス室５５内に進入する。これにより、基準ガス室５５内にリッチ空燃比の排気ガスが拡散し、大気側電極５３周りにおける酸素濃度が低下する。一方、この場合でも、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝されることになる。このため、大気側電極５３周りと排気側電極５２周りとの間における酸素濃度差が低下し、結果的に、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比がリーン空燃比となる。すなわち、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生すると、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であっても、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比はリーン空燃比となってしまう。

一方、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、このような出力空燃比の逆転現象は発生しない。これは、排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合には、空燃比センサ４０、４１の出力電流は固体電解質層５１の両側の空燃比の差よりも拡散律速層５４を介して排気側電極５２表面上に到達する酸素の量に依存するためである。

このように、空燃比センサ４０、４１に素子割れが生じると、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに誤った出力を発生させてしまう。このため、例えば、下流側空燃比センサ４１に素子割れが生じると、上述したような空燃比制御を行っているときには、空燃比制御を適切に行うことができなくなる。このため、下流側空燃比センサ４１に素子割れが生じたことを迅速に診断することが必要となる。

＜異常診断＞
そこで、本実施形態では、上述したような下流側空燃比センサ４１の素子割れ異常の性質を利用して、下流側空燃比センサ４１の素子割れに基づく異常診断を行うようにしている。具体的には、異常診断制御において、上述した空燃比制御によっ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空燃比にされているときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比よりもリッチな空燃比からリーンな空燃比に変化したときには、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定するようにしている。

加えて、本実施形態では、異常診断制御により下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定された場合には、リッチ設定補正量の絶対値を小さくするように、すなわちリッチ設定空燃比のリッチ度合いを小さくするようにしている。加えて、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定された場合には、リーン設定補正量の絶対値を小さく、すなわちリーン設定空燃比のリーン度合いを小さくするようにしている。図７を参照してこの様子を説明する。

図７は、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及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。図中の破線は下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していないときの推移を、図中の実線は下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生しているときの推移をそれぞれ示している。

図７に示した例では、時刻ｔ₁以前において、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されており、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリッチ空燃比となっている。特に、このときのリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁とされている。これに伴って、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少してゼロに近づき、これにより上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガス等の一部が上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。

上流側排気浄化触媒２０から未燃ガス等が流出し始めると、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していないときには、図中に破線で示したように時刻ｔ₁において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ空燃比となる。ところが、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生しているときには、図中に実線で示したように時刻ｔ₁において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比からリーン空燃比へと変化する。

すなわち、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生している場合には、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、すなわち空燃比補正量ＡＦＣが負の値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がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ未満からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上へと変化する。本実施形態では、このような下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの変化が起きた時刻ｔ₁において、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定する。これにより、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の素子割れの異常を正確に診断することができる。

図７に示した例では、時刻ｔ₁において、下流側空燃比センサ４１に異常が発生したときにＯＮにされる異常診断フラグがＯＮにされる。加えて、本実施形態では、このように下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定されたときには、例えば、内燃機関を搭載した車両の警告灯が点灯せしめられる。

また、時刻ｔ₁において、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定されたときには、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値及びリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値が減少せしめられる。図７に示した例では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈが第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁から第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁よりも絶対値の小さい第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂へと変更される（｜ＡＦＣｒｉｃｈ₁｜＞｜ＡＦＣｒｉｃｈ₂｜）。また、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁から第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁よりも絶対値の小さい第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂へと変更される（｜ＡＦＣｌｅａｎ₁｜＞｜ＡＦＣｌｅａｎ₂｜）。したがって、リッチ設定空燃比のリッチ度合い及びリーン設定空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。

これにより、時刻ｔ₁以降、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスのリッチ度合いが低下し、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のリッチ度合いが低下する。このため、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の未燃ガス等の濃度が低下し、よって排気エミッションの悪化を抑制することができる。なお、本実施形態では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値及びリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値の両方を減少させている。しかしながら、必ずしも両方を減少させなくてもよく、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値のみを減少させてもよい。

図７に実線で示した例では、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定された後も、そのまま上述した空燃比制御が続行される。このため、上述したように、空燃比補正量ＡＦＣ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以下になったときに、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへと切り替えられる。このため、時刻ｔ₁では、空燃比補正量ＡＦＣはリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられず、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈのまま維持される。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡはほぼゼロのまま維持されることになる。

なお、上述した実施形態では、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると１回判定されると、車両の警告灯が点灯せしめられる。しかしながら、判定精度を高めるために、一定時間内に下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定された回数が所定回数以上であるときに車両の警告灯を点灯させるようにしてもよい。或いは、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ及びリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに１回ずつ設定する期間を１サイクルとすると、このサイクルの回数に対する下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定された回数の割合が予め定められた割合Ｒａ（０＜Ｒａ＜１）以上であるときに車両の警告灯を点灯させるようにしてもよい。

同様に、上述した実施形態では、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると１回判定されると、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値及びリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値が減少せしめられる。しかしながら、これら設定補正量の不用意な変更を避けるために、一定時間内に下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定された回数が所定回数以上であるときにこれら設定補正量の絶対値を減少させるようにしてもよい。或いは、上記サイクルの回数に対する下流側空燃比センサに異常が生じていると判定される回数の割合が予め定められた割合Ｒａ（０＜Ｒａ＜１）以上である場合には、これら設定補正量の絶対値を減少させるようにしてもよい。

なお、上記実施形態では、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、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。このような制御を行った場合でも、同様に下流側空燃比センサ４１の素子割れの異常を診断することができる。

＜具体的な制御の説明＞
次に、図８〜図１１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８に示したように、Ａ１〜Ａ８の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図８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〜Ａ８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Ａ６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ＤＦｉを加えることで燃料噴射量Ｑｉを算出する（Ｑｉ＝Ｑｂａｓｅ＋ＤＦｉ）。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及び目標空燃比設定手段Ａ６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９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。

目標空燃比設定手段Ａ６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Ａ７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Ａ７及びＦ／Ｂ補正量算出手段Ａ８が用いられる。

空燃比偏差算出手段Ａ７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Ａ６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Ａ８は、空燃比偏差算出手段Ａ７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（２）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 …（２）

なお、上記式（２）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ＳＤＡＦは前回更新された時間積分値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（ＳＤＡＦ＝ＳＤＡＦ＋ＤＡＦ）。

＜空燃比補正量設定制御のフローチャート＞
図９は、空燃比補正量設定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９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、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されるとＯＮとされ、それ以外の場合にはＯＦＦとされる。ステップＳ１２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されている場合には、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３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ステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されたまま維持され、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Ｓ１３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に切り替えられる。次いで、ステップＳ１６では、リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定されると、次の制御ルーチンにおいては、ステップＳ１２において、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦ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、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値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が切替基準値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に設定されたまま維持され、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が切替基準値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に切り替えられる。次いで、ステップＳ２０では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜異常診断制御のフローチャート＞
図１０は、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う異常診断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１０に示したように、まず、ステップＳ３１において、異常診断の実行条件が成立しているか否かが判定される。異常診断の実行条件が成立している場合とは、例えば、上述した空燃比制御が実行されていること等が挙げられる。ステップＳ３１において、異常診断の実行条件が成立していると判定された場合にはステップＳ３２へと進む。

ステップＳ３２では、上述した空燃比補正量の設定制御において、空燃比補正量ＡＦＣが０未満に設定されているか否か、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Ｓ３２において、空燃比補正量ＡＦＣが０未満に設定されていると判定された場合、すなわち目標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Ｓ３３へと進む。

ステップＳ３３では、ストイキフラグＦｓがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。ストイキフラグＦｓ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がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくて理論空燃比近傍の空燃比となっているときにＯＮとされ、それ以外の場合にＯＦＦにされるフラグである。ステップＳ３３においてストイキフラグＦｓがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、ステップＳ３４へと進む。

ステップＳ３４では、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未満であるか否かが判定される。空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられた直後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はほぼ理論空燃比となっているため、ステップＳ３４において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ未満であると判定され、ステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、ストイキフラグＦｓがＯＮにされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

ストイキフラグＦｓがＯＮにされると、次の制御ルーチンではステップＳ３３からステップＳ３６へと進む。ステップＳ３６では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になったか否か、すなわち出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも低い空燃比からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上に変化した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がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になっていな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、ステップＳ３６において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になっていると判定された場合には、ステップＳ３７へと進む。ステップＳ３７では、下流側空燃比センサ４１に異常があると判定され、ステップＳ３８へと進む。ステップＳ３８では、ストイキフラグＦｓがＯＦＦにされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、ステップＳ３２において、空燃比補正量ＡＦＣが０以上に設定されていると判定された場合、すなわち目標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Ｓ３９へと進む。ステップＳ３９では、ストイキフラグＦｓがＯＮになっているか否かが判定される。目標空燃比がリーン空燃比に設定される前にリッチ空燃比に設定されていたときに、ステップＳ３５においてストイキフラグＦｓがＯＮにされていた場合には、ステップＳ４０へと進む。この場合、目標空燃比がリッチ空燃比に前回設定されていたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上にはならなかったことを意味している。このため、ステップＳ４０において下流側空燃比センサ４１は正常であると判定される。次いで、ステップＳ４１では、ストイキフラグＦｓがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。ストイキフラグＦｓがＯＦＦにリセットされると、次回の制御ルーチンでは、ステップＳ３９においてストイキフラグＦｓがＯＮになっていないと判定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜設定空燃比変更制御のフローチャート＞
図１１は、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比の設定制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップＳ５１において、図１０のステップＳ３７にて下流側空燃比センサ４１に異常があると判定されているか否かが判定される。ステップＳ３７において、下流側空燃比センサ４１の異常判定がなされていないと判定された場合には、ステップＳ５２へと進む。ステップＳ５２では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈが第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁に設定される。したがって、図９に示したフローチャートのステップＳ１４、Ｓ１９において、空燃比補正量ＡＦＣは第１リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₁に設定される。

次いで、ステップＳ５３では、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁に設定される。したがって、図９に示したフローチャートのステップＳ１５、Ｓ１８において、空燃比補正量ＡＦＣは第１リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₁に設定される。

一方、ステップＳ５１において、下流側空燃比センサ４１の異常判定がなされてい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、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈが第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂（｜ＡＦＣｒｉｃｈ₂｜＜｜ＡＦＣｒｉｃｈ₁｜）に設定される。したがって、図９に示したフローチャートのステップＳ１４、Ｓ１９において、空燃比補正量ＡＦＣは第２リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ₂に設定される。

次いで、ステップＳ５５では、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎが第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂（｜ＡＦＣｌｅａｎ₂｜＜｜ＡＦＣｌｅａｎ₁｜）に設定される。したがって、図９に示したフローチャートのステップＳ１５、Ｓ１８において、空燃比補正量ＡＦＣは第２リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ₂に設定される。

＜第二実施形態＞
次に、図１２〜図１８を参照して、本発明の第二実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る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係る排気浄化装置の構成及び制御と同様である。

＜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、未燃ガス等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、未燃ガス等の流出頻度が高くなったりしてしまう可能性が高くなる。以下では、図１２を参照して斯かる現象について説明する。

図１２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１２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、上流側空燃比センサ４０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１２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１２に示した例では、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。このため、上述したように、時刻ｔ₁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の増加速度は速くなると共に、目標空燃比をリーン設定空燃比としている間に上流側排気浄化触媒２０に供給される実際の酸素量は切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも多くなる。

このように、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と、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されているときに上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比のリーン度合いが大きくなる。このため、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に達していなくても、上流側排気浄化触媒２０に流入したＮＯｘや酸素を全て吸蔵することができずに、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘや酸素が流出してしまう場合がある。また、時刻ｔ₂において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になっており、時刻ｔ₂近傍において上述したような意図しない空燃比のずれ等が生じると上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘや酸素が流出する可能性がある。

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。

＜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。以下では、この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、すなわち目標空燃比を再びリッチ空燃比に切り替えるまでの期間を酸素増大期間とする。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、すなわち目標空燃比を再びリーン空燃比に切り替えるまでの期間を酸素減少期間とする。本実施形態の学習制御では、酸素増大期間における積算酸素過不足量ΣＯＤＥの絶対値として積算酸素過剰量を算出する。なお、積算酸素過剰量は、酸素増大期間において、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の積算値を表す。加えて、酸素減少期間における積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値として積算酸素不足量を算出する。なお、積算酸素不足量は、酸素減少期間において、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに不足する酸素の量の積算値を表す。そして、これら積算酸素過剰量と積算酸素不足量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１３にこの様子を示す。

図１３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１３は、図１２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、すなわち理論空燃比に空燃比補正量ＡＦＣ及び学習値ｓｆｂｇを加算した空燃比を示している。

図１３に示した例では、図５及び図１２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ＡＦｕｐ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１３の破線）。ただし、図１３に示した例では、図１３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１３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ＯＥＤは、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ＯＥＤは、実際の酸素過不足量ＯＥＤ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１３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ＯＳＡ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１３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（積算酸素過剰量）をＲ₁で示している。

この積算酸素過剰量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ＯＥＤ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１３に示した例では、時刻ｔ₁〜時刻ｔ₂の積算酸素過剰量Ｒ₁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１３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（積算酸素不足量）をＦ₁で示している。

この積算酸素不足量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１３に示した例では、時刻ｔ₂〜時刻ｔ₃の積算酸素不足量Ｆ₁は、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までに上流側排気浄化触媒２０から実際に放出された総酸素量に相当する値よりも多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、積算酸素過剰量Ｒ₁と、積算酸素不足量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、積算酸素過剰量Ｒ₁に対して積算酸素不足量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、積算酸素過剰量Ｒ₁に対して積算酸素不足量Ｆ₁の方が少なくなる。加えて、積算酸素過剰量Ｒ₁と積算酸素不足量Ｆ₁との差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。この過不足量誤差ΔΣＯＥＤ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、積算酸素過剰量Ｒ₁と積算酸素不足量Ｆ₁との差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（３）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、下記式（４）により制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ₁・ΔΣＯＥＤ …（３）
ＡＦＲ＝ＡＦＲｂａｓｅ＋ｓｆｂｇ（ｎ） …（４）
なお、上記式（３）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（３）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（４）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１３の時刻ｔ₃においては、上述したように、積算酸素過剰量Ｒ₁及び積算酸素不足量Ｆ₁に基づいて学習値ｓｆｂｇが算出される。特に、図１３に示した例では、積算酸素過剰量Ｒ₁よりも積算酸素不足量Ｆ₁の方が多いことから、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（４）を用いて学習値ｓｆｂｇに基づいて補正される。図１３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１３の積算酸素過剰量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１３の積算酸素不足量Ｆ₂で表せる。そして、これら積算酸素過剰量Ｒ₂と積算酸素不足量Ｆ₂との差ΔΣＯＥＤ（＝Ｒ₂−Ｆ₂）に基づいて、上記式（３）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。

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。

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、制御中心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、本実施形態においても、空燃比制御として上述した別の制御を行うことができる。具体的には、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積算酸素不足量が算出される。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積算酸素過剰量が算出される。そして、これら積算酸素過剰量と積算酸素不足量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、学習制御において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから再びリッチ空燃比に切り替えるまでの酸素増大期間における積算酸素過剰量と、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから再びリーン空燃比に切り替えるまでの酸素減少期間における積算酸素不足量とに基づいて、これら積算酸素過剰量と積算酸素不足量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といえる。

＜素子割れ発生時の挙動＞
上述したように、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生すると、基本的には、下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比となる。しかしながら、このような現象は、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量に応じて発生しない場合がある。

図１４は、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量と、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎとの関係を示した図である。図１４は、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ空燃比となっている場合を示している。また、図中の丸印は素子割れの生じていない正常なセンサを用いた場合を、図中の三角印は素子割れが生じているセンサを用いた場合をそれぞれ示している。

図１４からわかるように、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が多いときには、下流側空燃比センサ４１に素子割れが生じていなければ、その出力空燃比ＡＦｄｗｎは排気ガスの実際の空燃比に一致する。したがって、図１４に示した例では、出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比になっている。一方、このとき、下流側空燃比センサ４１に素子割れが生じていると、上述したように出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン空燃比となる。これに対して、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が少ないときには、下流側空燃比センサ４１の素子割れの有無にかかわらず、出力空燃比ＡＦｄｗｎは排気ガスの実際の空燃比に一致し、理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比になっている。

このように、下流側空燃比センサ４１に上述した素子割れが生じている場合であっても、排気ガスの流量が少ないときには上述したような現象が生じないのは、以下の理由であると考えられる。すなわち、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が少ないと、割れが生じている部分を介して基準ガス室５５内に侵入してくる排気ガスの流量が少なくなる。このため、割れを介して排気ガスが基準ガス室５５内に侵入しても、大気側電極５３周りにおける酸素濃度はほとんど変化しない。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも変化せず、正しい空燃比を出力することになる。

＜素子割れによる誤学習＞
下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生したときにその出力空燃比が上述したような挙動を示すため、上述したような学習制御を行っていると、誤って学習値を更新してしまうことがある。このような誤った学習値の更新について図１５を参照して説明する。

図１５は、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生しているときの、吸入空気量Ｍｃ、制御中心空燃比ＡＦＲ、空燃比補正量ＡＦＣ、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１５に示した例では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに誤差は生じていない。

図１５に示した例では、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に設定されている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していき、時刻ｔ₁近傍で上流側排気浄化触媒２０から未燃ガス等が流出し始める。このとき、内燃機関の燃焼室５への吸入空気量Ｍｃは比較的少なく、よって下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量も比較的少ない。このため、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になると、これに伴って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎもリッチ空燃比になる。この結果、図示した例では、時刻ｔ₁において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる。このため、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。

時刻ｔ₁において空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に増加する。また、これに伴って積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大し、時刻ｔ₂において切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。このため、時刻ｔ₂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。

空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少し、時刻ｔ₃近傍で上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロに到達する。このため、時刻ｔ₃近傍で上流側排気浄化触媒２０から未燃ガス等が流出し始める。

このとき、図１５に示した例では、内燃機関の燃焼室５への吸入空気量Ｍｃが比較的多くなっており、よって下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量も比較的多い。このため、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン空燃比となる。したがって、時刻ｔ₃において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上となり、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定する。

しかしながら、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になっているわけではないため、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量に維持され続ける。このため、上流側排気浄化触媒２０からは未燃ガス等が流出し、また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも大きな空燃比に維持される。

その後、図１５に示した例では、時刻ｔ₄において吸入空気量Ｍｃが減少し、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が比較的少なくなる。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは排気ガスの実際の空燃比に相当する正しい空燃比に向かって変化する。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ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下となる。このため、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定空燃比ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＡＦＣｌｅａｎへと切り替えられる。

ここで、上述したように、学習値ｓｆｂｇを算出する際に用いられる酸素減少期間は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えた時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（または、目標空燃比をリーン空燃比に切り替える時）までの期間とされる。このため、酸素減少期間をこのように算出すると、酸素減少期間が極めて長くなってしまう。この結果、時刻ｔ₂〜時刻ｔ₅の積算酸素不足量Ｆ₁は、時刻ｔ₁〜時刻ｔ₂の積算酸素過剰量Ｒ₁よりも多くなり、図１５に示したように学習値ｓｆｂｇが大きく減少せしめられることになる。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比には誤差が生じていないにもかかわらず、学習値ｓｆｂｇが変更され、誤った学習値の更新が行われてしまう。この結果、図１５に示したように、制御中心空燃比ＡＦＲが誤って変更されてしまう。

＜素子割れ異常時の学習値更新＞
そこで、本実施形態では、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４１に異常が生じていると判定された場合には、その後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以下になって目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられても、このときの積算酸素不足量に基づく学習値ｓｆｂｇの補正を中止するようにしている。

加えて、本実施形態では、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４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりもリッチな空燃比からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりもリーンな空燃比に変化したことにより下流側空燃比センサ４１に異常が生じていると判定された場合には、目標空燃比を前回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ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりもリッチな空燃比からリーンな空燃比に変化したときまでの期間における積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値を積算酸素不足量Ｆとして算出し、このように算出された積算酸素不足量Ｆと積算酸素過剰量Ｒとの差が小さくなるように学習値ｓｆｂｇを補正するようにしている。以下、図１６を参照して、本実施形態における学習値の更新方法について説明する。

図１６は、空燃比補正量ＡＦＣ等を示す図１５と同様なタイムチャートである。図１６は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに僅かな誤差が生じている場合を示している。図１６に示した例においても、時刻ｔ₃までは図１５に示した例と同様に各パラメータが推移する。

また、図１６に示した例においても、時刻ｔ₃において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達し、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定される。このとき、図１６からわかるように酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになっており、よって実際には上流側排気浄化触媒２０からはリッチ空燃比の排気ガスが流出している。したがって、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃における積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃の間に上流側排気浄化触媒２０から放出された酸素量を表しており、時刻ｔ₂における上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量に相当する。すなわち、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃は図１３における酸素減少期間Ｔｄｅｃに相当すると共に、時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までの積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、図１３に示した積算酸素不足量Ｆに相当する。

このため、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにずれが生じていなければ、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までの酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過剰量Ｒ₁と時刻ｔ₂から時刻ｔ₃までの酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素不足量Ｆ₁とは同一の値となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０にずれが生じている場合には、これら積算酸素過剰量Ｒ₁と積算酸素不足量Ｆ₁とが異なる値となる。

そこで、本実施形態では、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までの酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過剰量Ｒ₁と、時刻ｔ₂から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以上になった時刻ｔ₃までの酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素不足量Ｆ₁との差である過不足量誤差ΔΣＯＥＤ（＝Ｒ₁−Ｆ₁）に基づいて、上記式（３）により学習値ｓｆｂｇを算出するようにしている。また、算出された学習値ｓｆｂｇに基づいて上記式（４）により制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。

この結果、図１６に示した例では、積算酸素過剰量Ｒ₁よりも積算酸素不足量Ｆ₁の方が多いため、時刻ｔ₃において学習値ｓｆｂｇが減少せしめられる。また、この結果、制御中心空燃比ＡＦＲが減少せしめられる。これにより、本実施形態によれば、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生しているときであっても、適切に学習値ｓｆｂｇの更新を行うことができ、よって上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを適切に補償することができる。

また、図１６に示した例では、図１５に示した例と同様に、時刻ｔ₄において吸入空気量Ｍｃが減少し、下流側空燃比センサ４１周りを流通する排気ガスの流量が比較的少なくなる。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは、時刻ｔ₄以降、リッチ空燃比に向かって変化し、時刻ｔ₅において、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下となる。このため、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定空燃比ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＡＦＣｌｅａｎへと切り替えられる。

このとき、本実施形態では、時刻ｔ₅において、学習値ｓｆｂｇの更新が中止せしめられ、よって制御中心空燃比ＡＦＲの補正が中止せしめられる。図１５を参照して説明したように、時刻ｔ₂から時刻ｔ₅における積算酸素不足量に基づいて学習値ｓｆｂｇの更新を行うと学習値ｓｆｂｇが誤って更新されてしまう。本実施形態では、時刻ｔ₅において、時刻ｔ₂から時刻ｔ₅における積算酸素不足量に基づく学習値ｓｆｂｇの更新が行われないため、学習値ｓｆｂｇを誤って更新することが防止せしめられる。

なお、上記実施形態では、時刻ｔ₃において学習値ｓｆｂｇの更新を行っているが、このときの学習値ｓｆｂｇの更新は必ずしも行わなくてもよい。すなわち、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生したこと以外の理由によって、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がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になる場合がある。このような場合としては、例えば、機関負荷が急激に変化し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急激に変化した場合等が考えられる。時刻ｔ₃において学習値ｓｆｂｇを更新しないことにより、このような場合に学習値を誤って更新することが抑制される。

＜第二実施形態における制御の説明＞
次に、図１７及び図１８を参照して、本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、図１７に示したように、Ａ１〜Ａ１０の各機能ブロックを含んで構成されている。このうち、機能ブロックＡ１〜Ａ８は、第一実施形態における機能ブロックＡ１〜Ａ８と同様であるので、基本的に説明を省略する。

学習値算出手段Ａ９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１８に示した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Ａ１０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Ａ９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（４）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Ａ６は、制御中心空燃比算出手段Ａ１０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。

＜学習制御のフローチャート＞
図１８は、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１８に示したように、まず、ステップＳ６１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Ｓ６１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Ｓ６２へと進む。ステップＳ６２では、リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、図９に示した空燃比補正量設定制御の制御ルーチンにおいて設定されるフラグである。ステップＳ６２において、リーン設定フラグＦｌがＯＮに設定されていると判定された場合、すなわち空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定されている場合には、ステップＳ６３へと進む。

ステップＳ６３では、空燃比補正量ＡＦＣの切替タイミングであったか否かが判定される。具体的には、本制御ルーチンが前回終了してから今回開始されるまでの間に空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられたか否かが判定される。ステップＳ６３において、空燃比補正量ＡＦＣの切替タイミングでなかったと判定された場合には、ステップＳ６４へと進む。ステップＳ６４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Ｓ６２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていると判定され、ステップＳ６５へと進む。ステップＳ６５では、空燃比補正量ＡＦＣの切替タイミングであったか否かが判定される。具体的には、本制御ルーチンが前回終了してから今回開始されるまでの間に空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎからリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられたか否かが判定される。ステップＳ６５において、空燃比補正量ＡＦＣの切替タイミングであったと判定された場合には、ステップＳ６６へと進む。ステップＳ６６では積算酸素過剰量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Ｓ６７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。

次の制御ルーチンでは、通常、ステップＳ６２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていると判定され、ステップＳ６５において空燃比補正量ＡＦＣの切替タイミングでなかったと判定される。この場合、本制御ルーチンはステップＳ６８へと進む。ステップＳ６８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Ｓ６２においてリーン設定フラグＦｌがＯＮに設定されていると判定され、ステップＳ６３において空燃比補正量ＡＦＣの切替タイミングであったと判定される。この場合、本制御ルーチンはステップＳ６９へと進む。ステップＳ６９では、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されていた間に下流側空燃比センサ４１に異常判定がなされているか否かが判定される。ステップＳ６９において、下流側空燃比センサ４１に異常判定がなされていないと判定された場合には、ステップＳ７０へと進む。

ステップＳ７０では、積算酸素不足量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Ｓ７１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Ｓ７２では、ステップＳ６６で算出された積算酸素過剰量ＲｎとステップＳ７０で算出された積算酸素不足量Ｆｎとに基づいて学習値ｓｆｂｇが更新され、制御ルーチンが終了せしめられる。このようにして更新された学習値ｓｆｂｇは、上記式（４）にて制御中心空燃比ＡＦＲを補正するのに用いられる。

一方、ステップＳ６９において、下流側空燃比センサ４１に異常判定がなされていると判定された場合には、ステップＳ７３へと進む。ステップＳ７３では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられてから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまでの期間に積算された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが積算酸素不足量Ｆｎとして算出される。次いで、ステップＳ７１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Ｓ７２では、ステップＳ６６で算出された積算酸素過剰量ＲｎとステップＳ７３で算出された積算酸素不足量Ｆｎとに基づいて学習値ｓｆｂｇが更新され、制御ルーチンが終了せしめられる。このようにして更新された学習値ｓｆｂｇは、上記式（４）にて制御中心空燃比ＡＦＲを補正するのに用いられる。なお、学習値を誤って更新することを抑制するために、ステップＳ６９において下流側空燃比センサ４１に異常判定がなされていると判定された場合に、ステップＳ７２において学習値ｓｆｂｇを更新しなくてもよい。

なお、上記第一実施形態及び第二実施形態では、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定されたときには、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値及びリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値を減少させるようにしている。この結果、制御中心空燃比にリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈを加算したリッチ設定空燃比のリッチ度合いが低下せしめられる。加えて、制御中心空燃比にリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎを加算したリーン設定空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。

しかしながら、下流側空燃比センサ４１に素子割れの異常が発生していると判定されたときには、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの絶対値及びリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの絶対値ではなく、リッチ設定空燃比及びリーン設定空燃比を直接補正するようにしてもよい。この場合、素子割れの異常が発生していると判定されたときには、リッチ設定空燃比のリッチ度合い及びリーン設定空燃比のリーン度合いが低下せしめられることになる。

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 (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも排気流れ方向下流側において前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御及び前記下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて該下流側空燃比センサの異常診断を行う異常診断制御を行う制御装置とを具備し、
   前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を、理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比と理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比とに交互に繰り返し切り替え、
   前記制御装置は、前記異常診断制御において、前記空燃比制御によって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空燃比にされているときに、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな所定のリーン判定空燃比よりもリッチな空燃比から該リーン判定空燃比よりもリーンな空燃比に変化したときには、前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定する、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御装置は、前記空燃比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と共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて空燃比に関するパラメータを補正する学習制御を更に行い、
   前記制御装置は、前記空燃比制御において前記目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えると共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比への切り替えを行い、
   前記制御装置は、前記学習制御において、前記目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから再びリッチ空燃比に切り替えるまでの酸素増大期間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の積算値である積算酸素過剰量と、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから再びリーン空燃比に切り替えるまでの酸素減少期間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を理論空燃比にしようとしたときに不足する酸素の量の積算値である積算酸素不足量とに基づいて、これら積算酸素過剰量と積算酸素不足量との差が小さくなるように前記空燃比に関するパラメータを補正し、
   前記制御装置は、前記目標空燃比が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センサに異常が生じていると判定した場合には、その後に前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になって前記目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられても、このときの積算酸素不足量に基づく前記空燃比に関するパラメータの補正を中止する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記制御装置は、前記目標空燃比が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センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比よりもリッチな空燃比から該リーン判定空燃比よりもリーンな空燃比に変化したことにより前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定した場合には、前記目標空燃比を前回リッチ空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比よりもリッチな空燃比からリーンな空燃比に変化したときまでの期間における積算酸素不足量を算出し、該積算酸素不足量と前記積算酸素過剰量との差が小さくなるように前記空燃比に関するパラメータを補正する、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな一定のリッチ設定空燃比と理論空燃比よりもリーンな一定のリーン設定空燃比とに交互に切り替え、
   前記制御装置は、前記異常診断制御により前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定した場合には、前記リッチ設定空燃比のリッチ度合いを小さくする、請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記制御装置は、前記空燃比制御において前記目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに１回ずつ設定する期間を１サイクルとすると、該サイクルの回数に対する前記下流側空燃比センサに異常が生じていると判定される回数の割合が予め定められた割合以上である場合には、前記リッチ設定空燃比のリッチ度合いを小さくする、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定のリッチ判定空燃比以下になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替え、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準酸素量以上になったときに前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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