JP2017008853A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気エミッションの悪化を抑制する。
【解決手段】内燃機関１００の制御装置２００は、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが無いと判定されていれば、片側破綻制御が実施されるように上流側空燃比センサ２１３の目標空燃比を設定し、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが有ると判定されていれば、両側破綻制御が実施されるように上流側空燃比センサ２１３の目標空燃比を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、機関本体と、機関本体の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒と、当該排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を検出するための上流側空燃比センサと、当該排気浄化触媒から流出する排気の空燃比を検出するための下流側空燃比センサと、を備えた内燃機関が開示されている。

また特許文献１には、当該内燃機関の制御装置が、上流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて排気浄化触媒に流入する排気中の酸素過不足量を推定し、上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように機関本体の燃焼室に供給される燃料供給量を制御することが開示されている。また、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、目標空燃比がリーン空燃比とされている期間における酸素過不足量の積算値の絶対値である第１酸素量積算値が排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の切替基準値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目標空燃比を設定することが開示されている。さらに、第１酸素量積算値と、目標空燃比がリッチ空燃比とされている期間における前記酸素過不足量の積算値の絶対値である第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、目標空燃比を補正することが開示されている。これにより、上流側空燃比センサの出力空燃比と、排気浄化触媒に流入する排気の実際の空燃比と、の間にずれが生じていたとしても、目標空燃比の補正によって排気エミッションの悪化を抑制できるとされている。

特開２０１５−７１９６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関の制御装置では、下流側空燃比センサに時間的な応答遅れが生じると、上流側空燃比センサの出力空燃比と、排気浄化触媒に流入する排気の実際の空燃比と、の間にずれが生じていなかったとしても、目標空燃比に対する補正が実施され、結果として排気エミッションが悪化するおそれがあった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、下流側空燃比センサに時間的な応答遅れが生じたときに、目標空燃比に対して不要な補正が実施されることによる排気エミッションの悪化を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒と、排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置され、当該排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を検出するための上流側空燃比センサと、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置され、当該排気浄化触媒から流出する排気の空燃比を検出するための下流側空燃比センサと、を備える内燃機関を制御する制御装置が、上流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて、排気浄化触媒に流入する排気中の酸素過不足量を推定する過不足量推定部と、上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように、機関本体の燃焼室に供給される燃料供給量を制御する燃料供給量制御部と、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、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替えると共に、目標空燃比がリーン空燃比とされている期間における前記酸素過不足量の積算値の絶対値である第１酸素量積算値が前記排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の切替基準値以上になったときに、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える片側破綻制御と、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、当該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両側破綻制御と、を選択的に実施することができるように目標空燃比を設定する目標空燃比設定部と、第１酸素量積算値と、目標空燃比がリッチな空燃比とされている期間における酸素過不足量の積算値の絶対値である第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、目標空燃比を補正する目標空燃比補正部と、下流側空燃比センサの応答に遅れが有るか否かを判定する応答遅れ判定部と、を備える。目標空燃比設定部は、下流側空燃比センサの応答に遅れが無いと判定されていれば、片側破綻制御が実施されるように目標空燃比を設定し、下流側空燃比センサの応答に遅れが有ると判定されていれば、両側破綻制御が実施されるように前記目標空燃比を設定する。

本発明のこの態様によれば、下流側空燃比センサに時間的な応答遅れが生じたときに、目標空燃比に対して不要な補正が実施されることによる排気エミッションの悪化を抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 図２は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。 図３は、空燃比センサのセンサ素子部の概略断面図である。 図４は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図５は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。 図６は、本発明の一実施形態による片側破綻制御の動作について説明するタイムチャートである。 図７は、本発明の他の実施形態による片側破綻制御の動作について説明するタイムチャートである。 図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、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１０は、通常学習制御を実施する際の空燃比補正量等のタイムチャートである。 図１１は、片側破綻制御を実施しつつ通常学習制御を実施している場合に、下流側空燃比センサに応答遅れが生じたときの様子を示すタイムチャートである。 図１２は、燃料カット後リッチ制御を実施したときの下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比を、下流側空燃比センサに応答遅れが生じていない場合と生じている場合とで比較して示したタイムチャートである。 図１３は、本発明の一実施形態による両側破綻制御の動作について説明するタイムチャートである。 図１４は、下流側空燃比センサに応答遅れが生じている場合に両側破綻制御を実施したときの様子を示すタイムチャートである。 図１５は、本発明の一実施形態による下流側空燃比センサの応答遅れ判定制御について説明するフローチャートである。 図１６は、片側破綻制御又は両側破綻制御を実施するための本発明の一実施形態による目標空燃比の設定制御について説明するフローチャートである。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

エアクリーナ２１は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。

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

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

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

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

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

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

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

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

第１触媒コンバータ３３ａ及び第２触媒コンバータ３３ｂには、排気浄化触媒として、それぞれ酸素吸蔵能力を有する三元触媒３４、３５が内蔵されている。三元触媒３４、３５は、それぞれセラミックから成る担体に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させたものである。三元触媒３４、３５は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。なお本実施形態では、吸収及び吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を使用している。

三元触媒３４、３５の酸素吸蔵能力によれば、三元触媒３４、３５は、三元触媒３４、３５に流入する排気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中の酸素を吸蔵する。一方、三元触媒３４、３５は、流入する排気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、三元触媒３４に吸蔵されている酸素を放出する。また三元触媒３４、３５では、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに、排気中の窒素と水素、又はＨＣとＮＯｘが反応することによりアンモニアが生成される。

三元触媒３４、３５は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、三元触媒３４、３５に流入する排気の空燃比がリーン空燃比である場合、図２（Ａ）に示したように、酸素吸蔵量が少ないときには三元触媒３４、３５により排気中の酸素が吸蔵される。また、これに伴って、排気中のＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に三元触媒３４、３５から流出する排気中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。

一方、三元触媒３４、３５に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比である場合、図２（Ｂ）に示したように、酸素吸蔵量が多いときには三元触媒３４、３５に吸蔵されている酸素が放出され、排気中の未燃ガスは酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に三元触媒３４、３５から流出する排気中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。

以上のように、本実施形態において用いられる三元触媒３４、３５によれば、三元触媒３４、３５に流入する排気の空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒は三元触媒３４、３５とは異なる触媒であってもよい。

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

下流側空燃比センサ２１４は、第１触媒コンバータ３３ａと第２触媒コンバータ３３ｂとの間の排気管３２に設けられ、第１触媒コンバータ３３ａから流出して第２触媒コンバータ３３ｂに流入する排気の空燃比を検出する。なお、本実施形態では、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４として、同一構成の空燃比センサを用いている。

図３は、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４のセンサ素子部５０の概略断面図である。

図３に示すように、センサ素子部５０は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極５３と、通過する排気の拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、センサ素子部５０の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。

固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して各空燃比センサ２１３、２１４による検出対象であるガス、すなわち排気が導入させられる。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気に曝されることになる。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように構成されてもよい。

固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝される。

ヒータ部５６には複数のヒータ５９が設けられており、これらヒータ５９によって各空燃比センサ２１３、２１４の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。

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

また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、電子制御ユニット２００に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、電子制御ユニット２００には、電圧印加装置６０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層５１を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流を検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が各空燃比センサ２１３、２１４の出力電流である。

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

図４からわかるように、本実施形態の上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４では、出力電流Ｉは、排気の空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図４では、排気の空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ₁₈、Ｉ₁₈で示している。したがって、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４は限界電流式の空燃比センサであるということができる。

図５は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気の空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図５からわかるように、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４では、排気の空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気の空燃比に対して出力電流がリニアに（比例するように）変化する。加えて、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４は、排気の空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉがゼロになるように構成される。また、排気の空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気の空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。

なお、上記例では、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４として限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、排気の空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４として、例えばコップ型の限界電流式空燃比センサ等の他の構造の限界電流式の空燃比センサや、限界電流式ではない空燃比センサなど、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。

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

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

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

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する内燃機関１００の空燃比制御について説明する。
＜空燃比制御の概要＞
電子制御ユニット２００は、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比が目標空燃比となるように、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比に基づいて燃料噴射弁１３からの燃料噴射量をフィードバック制御する。なお、「出力空燃比」は、各空燃比センサ２１３，２１４の出力値に相当する空燃比を意味する。そして電子制御ユニット２００は、基本的に以下で説明する片側破綻制御が実施されるように、目標空燃比を設定する。

＜片側破綻制御＞
片側破綻制御の実施中は、電子制御ユニット２００は下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替え、その後、その空燃比に維持する。なお本実施形態では、下流側空燃比センサ２１４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２１４の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。

リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。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。

目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられると、電子制御ユニット２００は、三元触媒３４に流入する排気の酸素過不足量を積算する。酸素過不足量は、三元触媒３４に流入する排気の空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ガス等の量）を意味する。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三元触媒３４に流入する排気中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は三元触媒３４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、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡを表しているといえる。

酸素過不足量ＯＥＤの算出は、下記式（１）に示す通り、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて行われる。より具体的には、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐ、制御中心となる空燃比（本実施形態では理論空燃比）ＡＦＲ、及び、エアフローメータ２１１の出力等に基づいて算出される燃焼室６内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１３からの燃料供給量等に基づいて行われる。
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２１３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に設定されていた目標空燃比が、リッチ設定空燃比に切り替えられ、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。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２１４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に切り替えられ、その後、同様な操作が繰り返される。

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三元触媒３４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、三元触媒３４の最大吸蔵可能酸素量が低下したり、一時的に三元触媒３４に流入する排気の空燃比が急激に変化したりすることが挙げられる。このように酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達すると、三元触媒３４からはリーン空燃比の排気が流出することになる。そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリーン空燃比となったときには、目標空燃比が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２１４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２１４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片側破綻制御の説明＞
図６を参照して、片側破綻制御の動作について説明する。図６は、片側破綻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２１３の出力空燃比ＡＦｕｐ、三元触媒３４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２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び三元触媒３４から流出する排気中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。

なお、空燃比補正量ＡＦＣは、三元触媒３４に流入する排気の目標空燃比に関する補正量である。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２１３の出力空燃比がリッチ空燃比となる。三元触媒３４に流入する排気中に含まれている未燃ガスは、三元触媒３４で浄化され、これに伴って、三元触媒３４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。三元触媒３４における浄化により三元触媒３４から流出する排気中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。三元触媒３４に流入する排気の空燃比はリッチ空燃比となっているため、三元触媒３４からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。

三元触媒３４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、三元触媒３４に流入した未燃ガスの一部は三元触媒３４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２１４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２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。

片側破綻制御では、下流側空燃比センサ２１４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２１４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、三元触媒３４の酸素吸蔵量が十分であっても、三元触媒３４から流出する排気の空燃比が理論空燃比から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、三元触媒３４の酸素吸蔵量が十分であるときには三元触媒３４から流出する排気の空燃比が到達することのないような空燃比とされる。

時刻ｔ２において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、三元触媒３４に流入する排気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２１３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三元触媒３４に流入する排気の空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。時刻ｔ２において三元触媒３４に流入する排気の空燃比がリーン空燃比に変化すると、三元触媒３４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、三元触媒３４から流出する排気の空燃比が理論空燃比へと変化し、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎも理論空燃比に収束する。このとき、三元触媒３４に流入する排気の空燃比はリーン空燃比となっているが、三元触媒３４の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気中の酸素は三元触媒３４に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。このため、三元触媒３４からのＮＯｘの排出はほぼゼロとなる。

その後、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大すると、時刻ｔ３において、三元触媒３４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、三元触媒３４への酸素の吸蔵を中止すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量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６に示した例では、時刻ｔ３において目標空燃比を切り替えると同時に酸素吸蔵量ＯＳＡが低下しているが、実際には目標空燃比を切り替えてから酸素吸蔵量ＯＳＡが低下するまでには遅れが発生する。また、内燃機関１００を搭載した車両の加速により機関負荷が高くなって吸入空気量が瞬間的に大きくずれた場合等、三元触媒３４に流入する排気の空燃比が意図せずに瞬間的に目標空燃比から大きくずれる場合がある。

これに対して、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは三元触媒３４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、三元触媒３４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、三元触媒３４に流入する排気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２１３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三元触媒３４に流入する排気の空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。三元触媒３４に流入する排気中には未燃ガスが含まれることになるため、三元触媒３４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２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎが低下し始める。このときも、三元触媒３４に流入する排気の空燃比はリッチ空燃比となっているため、三元触媒３４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２１４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、片側破綻制御を行っている限り、三元触媒３４からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができ、基本的には三元触媒３４からのＮＯｘ排出量をほぼゼロとすることができる。また、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、三元触媒３４の酸素吸蔵量が一定に維持されると、その三元触媒３４の酸素吸蔵能力が低下する。すなわち、三元触媒３４の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、三元触媒３４の酸素吸蔵量が変動することが必要になる。これに対して、本実施形態によれば、図６に示したように、三元触媒３４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７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、電子制御ユニット２００によって行われる。したがって、電子制御ユニット２００は、片側破綻制御中は、下流側空燃比センサ２１４によって検出された排気の空燃比がリッチ判定空燃比以下となったときに、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆとなるまで、三元触媒３４に流入する排気の目標空燃比を継続的又は断続的にリーン空燃比にすると共に、三元触媒３４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２１４によって検出された排気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、電子制御ユニット２００は、片側破綻制御中は、下流側空燃比センサ２１４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、三元触媒３４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２１３の出力空燃比ＡＦｕｐ及び燃焼室６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、三元触媒３４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２１３は排気マニホールド３１の集合管３１ｂ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が上流側空燃比センサ２１３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２１３の出力空燃比は、或る特定の気筒から排出された排気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の空燃比が全気筒から排出される排気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２１３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２１３の出力空燃比は実際の排気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、排気中の水素濃度が高いと、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比が排気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２１３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、三元触媒３４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８及び図９を参照して斯かる現象について説明する。

図８は、図６と同様な、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡ等のタイムチャートである。図８は、上流側空燃比センサ２１３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２１３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２１３周りを流通する排気の実際の空燃比を示している。

図８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２１３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２１３の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気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２１３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、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅いものとなる。

また、図８に示した例では、時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ２１４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２１３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２１３の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気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２１３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、三元触媒３４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２１３の出力空燃比のずれが大きいと、三元触媒３４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９に示したように、上流側空燃比センサ２１３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、三元触媒３４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２１３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、三元触媒３４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２１３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、本実施形態では、上流側空燃比センサ２１３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）に通常学習制御が行われる。

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（換言すれば目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてからリッチ空燃比に切り替えるまでの期間）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２１４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（換言すれば目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからリーン空燃比に切り替えるまでの期間）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１０にこの様子を示す。

図１０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２１３の出力空燃比ＡＦｕｐ、三元触媒３４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２１４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１０は、図８と同様に、上流側空燃比センサ２１３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２１３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２１３の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は、上流側空燃比センサ２１３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２１３周りを流通する排気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６及び図８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２１３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２１３の出力空燃比にはずれが生じているため、排気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１０の破線）。ただし、図１０に示した例では、図１０の破線から分かるように、時刻ｔ１以前の実際の排気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、三元触媒３４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２１４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２１３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２１３の出力空燃比のずれにより、排気の実際の空燃比は、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１０の破線を参照）。このため、三元触媒３４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２１３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２１３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１０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、三元触媒３４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、三元触媒３４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、三元触媒３４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２１４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）から三元触媒３４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１０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２１３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１０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２１４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１０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までに三元触媒３４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２１３の出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。このため、図１０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までに三元触媒３４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では三元触媒３４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２１３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２１３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２１３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２１３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２１３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１０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１０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は減少させられる。

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１０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、三元触媒３４に流入する排気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、三元触媒３４に流入する排気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２１４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１０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１０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２１３の出力空燃比ＡＦｕｐは徐々に目標空燃比から離れていくが、三元触媒３４に流入する排気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２１３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、三元触媒３４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、例えば酸素吸蔵量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２１４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に三元触媒３４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に三元触媒３４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６内への燃料供給量や、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比等が挙げられる。

したがって、以上をまとめると、片側破綻制御では、目標空燃比は、下流側空燃比センサ２１４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、三元触媒３４の酸素吸蔵量（第１酸素量積算値）が所定の切替基準量以上になったときに、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、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２１４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目標空燃比（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。

＜下流側空燃比センサの時間的な応答遅れ＞
図３を参照して前述したように、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４のセンサ素子部５０では、多孔質焼結体により形成された拡散律速層５４を通過して被測ガス室５７に導入された排気が排気側電極５２に曝されると、固体電解質層５１を介して排気側電極５２と大気側電極５３との間で酸素イオンの移動が生じる。このとき電極５２、５３間を流れる電流が上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比となる。

したがって、例えば内燃機関１００の運転中に、多孔質焼結体により形成された拡散律速層５４の一部がスス等によって塞がれると、排気管３２を流れる排気が、拡散律速層５４で撹拌されて被測ガス室５７に導入されるまでの間に時間的な遅れが生じる場合がある。すなわち、排気管３２を流れる排気の空燃比と、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比と、が一致するまでに、時間的な遅れが生じる場合がある。

また、センサ素子部５０を、複数の孔が形成された保護ケースによって覆っている場合には、当該複数の孔の一部がスス等によって塞がれる場合もある。このような場合も、排気管３２を流れる排気の空燃比と、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比と、が一致するまでに、時間的な遅れが生じることがある。

このように、上流側空燃比センサ２１３及び下流側空燃比センサ２１４には応答遅れが生じる場合がある。そして、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じると、片側破綻制御を実施しつつ通常学習制御を実施する場合に、不要な学習をしてしまうおそれがあることがわかった。以下、この点について、図１１を参照して説明する。

図１１は、片側破綻制御を実施しつつ通常学習制御を実施している場合に、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じたときの様子を示すタイムチャートである。なお図１１では、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐにはズレが生じていないものとする。また図１１（Ｆ）の実線は、下流側空燃比センサ２１４によって検出された出力に相当する空燃比を示し、破線は、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比を示している。

図１１（Ｆ）に破線で示すように、時刻ｔ１で、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下となっている。しかしながら、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じるようになると、図１１（Ｆ）に実線で示すように、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるのが、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れに応じた時間分だけ遅れ、時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ２となる。

したがって、時刻ｔ２で空燃比補正量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、目標空燃比リッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。これにより、時刻ｔ２以降は、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大していく。

そして、時刻ｔ３で、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、三元触媒３４への酸素の吸蔵を中止すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられ、目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。これにより、時刻ｔ３以降は、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大していく。

ここで酸素過不足量ＯＥＤは、前述した（１）式に示すように、上流側空燃比センサ２１３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ている。すなわち、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値であるリーン酸素量積算値（換言すれば酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける酸素吸蔵量）は、目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられてからの上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて算出されている。そのため、リーン酸素量積算値は、下流側空燃比センサ２１４の応答遅れの影響を受けず、当該期間Ｔｉｎｃのリーン酸素量積算値と、実際に当該期間Ｔｉｎｃにおいて三元触媒３４に吸蔵された酸素量とはほぼ一致する。

時刻ｔ４で、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下となる。しかしながら、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じているので、図１１（Ｆ）に実線で示すように、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるのが、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れに応じた時間分だけ遅れ、時刻ｔ４よりも遅い時刻ｔ５となる。

そのため、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、目標空燃比がリッチ空燃比のまま維持され、時刻ｔ５で目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えられることになる。すなわち、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、図１１（Ｃ）に示すように、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比のまま維持されることになる。

このとき図１１（Ｄ）に示すように、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡは、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下となった時刻ｔ４の時点で、ほぼゼロとなる。

しかしながら、酸素過不足量は、前述した（１）式に示すように、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて算出されている。そのため、時刻ｔ４で三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになり、時刻ｔ４以降は三元触媒３４から酸素がほとんど放出されなくなるにもかかわらず、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比のまま維持されているので、図１１（Ｅ）に示すように、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値（すなわち三元触媒３４からの酸素放出量）が増加することになる。

したがって、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じるようになると、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値であるリッチ酸素量積算値（換言すれば酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける酸素放出量）が、実際に当該期間Ｔｄｅｃにおいて三元触媒３４から放出された酸素量よりも大きくなってしまう。

一方で、前述したように時刻ｔ２から時刻ｔ３までの酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値であるリーン酸素量積算値（換言すれば酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける酸素吸蔵量）は、下流側空燃比センサ２１４の応答遅れの影響を受けず、当該期間Ｔｉｎｃのリーン酸素量積算値と、実際に当該期間Ｔｉｎｃにおいて三元触媒３４に吸蔵された酸素量とはほぼ一致している。

そのため、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じるようになると、リーン酸素量積算値よりもリッチ酸素量積算値が大きくなり、図１１（Ｇ）に示すように、時刻ｔ５で学習値ｓｆｂｇが減少させられることになる。

したがって図示した例では、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐにズレが生じていないにもかかわらず、図１１（Ａ）に示すように、制御中心空燃比ＡＦＲがリッチ側に補正されることになる。その結果、時刻ｔ５以降は、時刻ｔ１以降と比較して酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度が遅くなると共に減少速度が速くなり、時刻ｔ３から時刻５までのサイクルが早くなる。そのため、三元触媒３４からの未燃ガスの流出頻度が高くなる。さらに、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じているため、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になってから、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になるまでの間に時間的な遅れが生じ、かつ、この間は目標空燃比がリッチ空燃比に設定されたままとなるので、三元触媒３４からの未燃ガスの流出量も多くなる。

このように、片側破綻制御を実施しつつ通常学習制御を実施しているときに、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じるようになると、不要な学習（すなわち目標空燃比に対する不要な補正）が行われ、結果として排気エミッションが悪化するおそれがある。

そこで本実施形態による電子制御ユニット２００は、下流側空燃比センサ２１４に時間的な応答遅れがあるか否かを判定し、下流側空燃比センサ２１４に時間的な応答遅れがあると判定した場合には、片側破綻制御に替えて両側破綻制御が実施されるように、目標空燃比を設定する。以下、下流側空燃比センサ２１４に時間的な応答遅れがあるか否かの判定方法について説明した後、両側破綻制御について説明する。

＜下流側空燃比センサの時間的な応答遅れの判定＞
本実施形態による電子制御ユニット２００は、例えば内燃機関１００が搭載される車両の減速時など、内燃機関１００の運転中に所定の燃料カット制御の実行条件が成立したときに、機関本体１の燃焼室６への燃料供給を停止する燃料カット制御を実施している。

燃料カット制御が実施されると、機関本体１の燃焼室６への燃料供給が停止されるため、三元触媒３４に多量の空気、すなわち酸素過剰の気体が流入することになる。そのため、燃料カット制御の実施中は、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡが急増することになる。

そこで本実施形態による電子制御ユニット２００は、燃料カット制御の終了後は、三元触媒３４に吸蔵されている酸素を三元触媒３４から放出させて三元触媒３４の酸素吸蔵能力を回復させるために、燃料カット制御に続けて、燃料カット後リッチ制御を実施するようにしている。この燃料カット後リッチ制御は、目標空燃比を、片側破綻制御中に設定されるリッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの高い所定のハイリッチ空燃比（例えば１３．５）に設定することで、三元触媒３４に吸蔵されている酸素を三元触媒３４から速やかに放出し、三元触媒３４の酸素吸蔵能力を回復させる制御である。

図１２は、燃料カット後リッチ制御を実施したときの下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比を、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じていない場合と生じている場合とで比較して示したタイムチャートである。

燃料カット制御の終了後、時刻ｔ１で当該燃料カット制御に続けて燃料カット後リッチ制御が実施されると、目標空燃比が、ハイリッチ空燃比（本実施形態では１３．５）に設定される。これにより、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐが１３．５となる。その結果、時刻ｔ１以降は、三元触媒３４から流出する排気の空燃比は、燃料カット制御中のリーンな空燃比から急速に減少していき、理論空燃比に収束する。

このとき、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じていなければ、図１２（Ｂ）に示すように、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎも、同様に急速に低下していき、理論空燃比に収束する。

一方で、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じていれば、図１２（Ｄ）に示すように、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎは、燃料カット制御中のリーン空燃比から急速に減少することなく、緩やかに減少していく。そのため、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じていない場合と比較して、理論空燃比に収束するまでに時間がかかる。

そこで本実施形態では、燃料カット後リッチ制御を予め定められた所定時間実施しても、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎが所定のストイキ判定空燃比とならない場合は、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じていると判定することにした。ストイキ判定空燃比は、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比相当になっていると判定できる任意の空燃比である。本実施形態では、ストイキ判定空燃比を理論空燃比としているが、理論空燃比以外にも、例えばリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎや、理論空燃比からリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまでの間の任意の空燃比をストイキ判定空燃比としても良い。

なお、本実施形態では、燃料カット後リッチ制御中に下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがストイキ判定空燃比（本実施形態では理論空燃比）以下になれば、燃料カット後リッチ制御を終了するようにしている。そのため、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じていない場合は、時刻ｔ２以降は片側破綻制御が実施されることになる。

一方で、燃料カット後リッチ制御中に下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎに理論空燃比になることなく所定時間が経過したときも、燃料カット後リッチ制御を終了するようにしている。そのため、図１２（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じている場合は、時刻ｔ３以降は両側破綻制御が実施されることになる。以下、この両側破綻制御について説明する。

＜両側破綻制御＞
両側破綻制御の実施中は、電子制御ユニット２００は、片側破綻制御のときと同様に、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替え、その後、その空燃比に維持する。なお本実施形態では、片側破綻制御のときと同様に、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。

そして両側破綻制御の実施中は、電子制御ユニット２００は、片側破綻制御のときと異なり、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えた後は、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比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）以上になったときに、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリーン空燃比になったと判断する。このとき電子制御ユニット２００は、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替え、その後、その空燃比に維持する。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一定値である空燃比であり、例えば、１０〜１４．５５、好ましくは１２〜１４．５２、より好ましくは１３〜１４．５程度とされる。

この結果、両側破綻制御の実施中は、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になると、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されることになる。一方、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になると、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されることになる。その後、同様な制御が繰り返される。

＜タイムチャートを用いた両側破綻制御の説明＞
図１３を参照して、両側破綻制御の動作について説明する。図１３は、両側破綻制御を行った場合の、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐ、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡ及び下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。なお、図１３では、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐにはズレが生じておらず、また、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れも生じていないものとする。

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）に設定されている。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２１３の出力空燃比がリッチ空燃比となっている。三元触媒３４に流入する排気中に含まれている未燃ガスが三元触媒３４で浄化され、これに伴って三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。一方、三元触媒３４における浄化により、三元触媒３４から流出する排気中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。

三元触媒３４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く（例えば、図２のＣｌｏｗｌｉｍ）。これに伴って、三元触媒３４に流入した未燃ガスの一部は三元触媒３４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２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下する。その結果、図示した例では、時刻ｔ２において、酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになると共に、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。

両側破綻制御では、下流側空燃比センサ２１４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。

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、三元触媒３４に流入する排気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２１３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三元触媒３４に流入する排気の空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。時刻ｔ２において三元触媒３４に流入する排気の空燃比がリーン空燃比に変化すると、排気中の酸素が三元触媒３４に吸蔵される。このため、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大していくと共に、三元触媒３４から流出する排気の空燃比が理論空燃比に収束する。この結果、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比となる。

時刻ｔ２以降においては、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡは、徐々に増加していく。三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に増加すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づく（例えば、図２のＣｕｐｌｉｍ）。時刻ｔ３において酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づくと、三元触媒３４に流入した酸素の一部は三元触媒３４で吸蔵されずに流出し始める。これにより、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に上昇する。その結果、図示した例では、時刻ｔ４において、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達すると共に、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達する。

両側破綻制御では、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを減少させるべく、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、リーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。

時刻ｔ４において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、三元触媒３４に流入する排気の空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比となる。時刻ｔ４において三元触媒３４に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比に変化すると、排気中の未燃ガスが三元触媒３４に吸蔵されている酸素によって浄化される。このため、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡは減少していくと共に、三元触媒３４から流出する排気中の空燃比が理論空燃比に収束する。この結果、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比となる。

時刻ｔ４以降においては、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡは、徐々に減少していく。三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて時刻ｔ５において、時刻ｔ１と同様に、ゼロに近づき、図２のＣｄｗｎｌｉｍまで減少する。その後、時刻ｔ６において、時刻ｔ２と同様に、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。その後は、時刻ｔ１〜ｔ４の操作と同様な操作が繰り返される。

本実施形態による下流側空燃比センサ２１４は、酸素センサと異なり、ヒステリシスを有さない。このため、下流側空燃比センサ２１４は、実際の排気の空燃比に対して応答性良く、三元触媒３４からの未燃ガス及び酸素（及びＮＯｘ）の流出を迅速に検出することができる。したがって、両側破綻制御を実施しても、三元触媒３４からの未燃ガス及びＮＯｘ（及び酸素）の流出を抑制することができる。

＜下流側空燃比センサに応答遅れが生じている場合の両側破綻制御＞
図１４は、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じている場合に両側破綻制御を実施したときの様子を示すタイムチャートである。なお図１４では、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐにはズレが生じていないものとする。また図１４（Ｆ）の実線は、下流側空燃比センサ２１４によって検出された出力に相当する空燃比を示し、破線は、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比を示している。

下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じている場合は、図１４（Ｆ）に示すように、時刻ｔ１で、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になってから所定時間経過した時刻ｔ２で、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になる。

時刻ｔ２で、下流側空燃比センサ２１４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。これにより、三元触媒３４から流出する排気の空燃比が理論空燃比へと変化し、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎも理論空燃比に収束する。

そして時刻ｔ２で、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられたことにより、時刻ｔ２以降は、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡが増加していく。

このとき片側破綻制御の場合は、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になったときに、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替え、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えていた。これに対して両側破綻制御の場合は、時刻ｔ４で、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまで目標空燃比がリーン空燃比のまま維持される。

ここで、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じている場合は、図１４（Ｆ）に破線で示すように、時刻ｔ４よりも前の時刻ｔ３の時点で、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比はリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になっている。

そして図１４（Ｄ）に示すように、三元触媒３４の酸素吸蔵量ＯＳＡは、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上となった時刻ｔ３の時点で、ほぼ最大可能酸素量Ｃｍａｘに達している。したがって、時刻ｔ３以降は三元触媒３４が酸素をほとんど吸蔵しなくなる。

しかしながら、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン空燃比のまま維持されているので、図１４（Ｅ）で示すように、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値（すなわち三元触媒３４の酸素吸蔵量）が増加することになる。

このように、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じている場合に両側破綻制御を実施すると、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値であるリーン酸素量積算値（換言すれば酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける酸素吸蔵量）も、実際に当該期間Ｔｉｎｃにおいて三元触媒３４に吸蔵された酸素量よりも大きくなる。

一方、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの酸素減少期間Ｔｄｅｃにおいては、片側破綻制御と同様の制御が実施されるので、片側破綻制御を実施したときと同様の現象が生じる。すなわち、時刻ｔ５以降は三元触媒３４から酸素がほとんど放出されなくなるにもかかわらず、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比のまま維持されているので、図１４（Ｅ）で示すように、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値（すなわち三元触媒３４からの酸素放出量）が増加することになる。したがって、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値であるリッチ酸素量積算値も、実際に当該期間Ｔｄｅｃにおいて三元触媒３４から放出された酸素量よりも大きくなる。

したがって、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じている場合に両側破綻制御を実施すると、リーン酸素量積算値及びリッチ酸素量積算値の双方が、それぞれ下流側空燃比センサ２１４の応答遅れに起因して、実際の酸素吸蔵量及び酸素放出量よりも大きくなる。そして、リーン酸素量積算値と実際の酸素吸蔵量との差分量（図１４（Ｅ）の時刻ｔ３から時刻４までの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの増加分）と、リッチ酸素量積算値と実際の酸素放出量との差分量（図１４（Ｅ）の時刻ｔ５から時刻６までの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの増加分）とは、それぞれ下流側空燃比センサ２１４の応答遅れに起因して生じるものであるためほぼ等しくなる。

そのため、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じている場合に両側破綻制御を実施するようにすれば、リーン酸素量積算値及びリッチ酸素量積算値の双方が実際の酸素吸蔵量及び酸素放出量よりも大きくなるものの、リーン酸素量積算値とリッチ酸素量積算値とを一致させることができる。したがって、図１４（Ｇ）に示すように、時刻ｔ６で学習値ｓｆｂｇはゼロのままとなる。その結果、図１４（Ａ）に示すように、制御中心空燃比ＡＦＲがリッチ側に補正されることもないので、三元触媒３４からの未燃ガスの流出頻度が高くなるのを抑制することができる。

＜下流側空燃比センサの応答遅れ判定制御＞
図１５は、本実施形態による下流側空燃比センサ２１４の応答遅れ判定制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを機関運転中に所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１が０に設定されているか否かを判定する。フラグＦ１は、燃料カット後リッチ制御の実施中に１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定されている。電子制御ユニット２００は、フラグＦ１が０に設定されていればステップＳ２の処理に進み、フラグＦ１が１に設定されていればステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２が０に設定されているか否かを判定する。フラグＦ２は、燃料カット制御の実施中に１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定されている。電子制御ユニット２００は、フラグＦ２が０に設定されていればステップＳ３の処理に進み、フラグＦ２が１に設定されていればステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、燃料カット制御の実行条件が成立しているか否かを判定する。具体的には電子制御ユニット２００は、アクセル踏込量がゼロであり、機関回転速度が予め定められた所定の回転速度以上であれば、燃料カット制御の実行条件が成立していると判定する。電子制御ユニット２００は、燃料カット制御の実行条件が成立していなければ今回の処理を終了し、燃料カット制御の実行条件が成立していればステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、燃料カット制御を実施する。具体的には電子制御ユニット２００は、機関本体１の燃焼室６への燃料供給を停止する。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２を１に設定する。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、燃料カット制御の終了条件が成立しているか否かを判定する。具体的には電子制御ユニット２００は、アクセル踏込量がゼロよりも大きければ、燃料カット制御の終了条件が成立していると判定する。電子制御ユニット２００は、燃料カット制御の終了条件が成立していなければ、今回の処理を終了して燃料カット制御を継続して実施する。一方で電子制御ユニット２００は、燃料カット制御の終了条件が成立していれば、ステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、燃料カット制御を終了させる。

ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２を０に戻す。

ステップＳ９において、電子制御ユニット２００は、燃料カット後リッチ制御を実施する。具体的には電子制御ユニット２００は、目標空燃比を、リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの高い所定のハイリッチ空燃比に設定する。

ステップＳ１０において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１を１に設定する。

ステップＳ１１において、電子制御ユニット２００は、燃料カット後リッチ制御の実施中に、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがストイキ判定空燃比以下になったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがストイキ判定空燃比まで低下していなければ、燃料カット後リッチ制御が実施されてから所定時間が経過したか否かを判定するためにステップＳ１２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、燃料カット後リッチ制御の実施中に下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比ＡＦｄｗｎがストイキ判定空燃比以下になっていれば、ステップＳ１７の処理に進む。

ステップＳ１２において、電子制御ユニット２００は、燃料カット後リッチ制御が実施されてから所定時間が経過したか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、燃料カット後リッチ制御が実施されてから所定時間が経過していなければ、今回の処理を終了して燃料カット後リッチ制御を継続する。一方で電子制御ユニット２００は、燃料カット後リッチ制御が実施されてから所定時間が経過していればステップＳ１３の処理に進む。

ステップＳ１３において、電子制御ユニット２００は、下流側空燃比センサ２１４に時間的な応答遅れが生じていると判定する。すなわち、電子制御ユニット２００は、燃料カット後リッチ制御が実施されてから所定時間が経過したにもかかわらず、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比が理論空燃比以下になっていなければ、下流側空燃比センサ２１４に時間的な応答遅れが生じていると判定する。

ステップＳ１４において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ３を１に設定する。フラグＦ３は、片側破綻制御が実施されるように目標空燃比を設定する場合に０に設定され、両側破綻制御が実施されるように目標空燃比を設定する場合に１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定される。

ステップＳ１５において、電子制御ユニット２００は、燃料カット制御を終了させる。

ステップＳ１６において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１を０に戻す。

ステップＳ１７において、電子制御ユニット２００は、下流側空燃比センサ２１４に時間的な応答遅れは生じていないと判定する。すなわち電子制御ユニット２００は、燃料カット後リッチ制御が実施されてから所定時間が経過する前に、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比が理論空燃比以下になっていれば、下流側空燃比センサ２１４に時間的な応答遅れは生じていないと判定する。

ステップＳ１８において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ３を０に戻す。

＜片側破綻制御又は両側破綻制御を実施するための目標空燃比の設定制御＞
図１６は、片側破綻制御又は両側破綻制御を実施するための本実施形態による目標空燃比の設定制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを、図１５を参照して前述した下流側空燃比センサ２１４の応答遅れ判定制御とは別途に機関運転中に所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ２１において、電子制御ユニット２００は、片側破綻制御及び両側破綻制御の実施許可があるか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、例えば前述した燃料カット制御や燃料カット後リッチ制御などの、片側破綻制御及び両側破綻制御よりも優先的に実施すべき制御の実行条件が１つでも成立している場合は、片側破綻制御及び両側破綻制御の実施を不許可として今回の処理を終了する。一方で電子制御ユニット２００は、片側破綻制御及び両側破綻制御よりも優先的に実施すべき制御の実行条件が全て不成立である場合は、片側破綻制御又は両側破綻制御のいずれかを実施すべくステップＳ２２の処理に進む。

ステップＳ２２において、電子制御ユニット２００は、図１５を参照して前述した下流側空燃比センサ２１４の応答遅れ判定制御において０又は１に設定されるフラグＦ３の値を読み込む。電子制御ユニット２００は、フラグＦ３が０に設定されていればステップＳ２３の処理に進む、フラグＦ３が１に設定されていればステップＳ２４の処理に進む。

ステップＳ２３において、電子制御ユニット２００は、片側破綻制御が実施されるように目標空燃比を設定する。具体的には電子制御ユニット２００は、下流側空燃比センサ２１４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設定空燃比に切り替えると共に、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（リーン酸素量積算値）が三元触媒３４の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない吸蔵量に相当する所定の切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になったときに目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替える。

ステップＳ２４において、電子制御ユニット２００は、両側破綻制御が実施されるように目標空燃比を設定する。具体的には電子制御ユニット２００は、下流側空燃比センサ２１４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設定空燃比に切り替えると共に、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリーン判定空燃比以下になったときに目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替える。

以上説明した本実施形態によれば、機関本体１と、機関本体１の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する三元触媒３４（排気浄化触媒）と、三元触媒３４の排気流れ方向上流側に配置され、当該三元触媒３４に流入する排気の空燃比を検出するための上流側空燃比センサ２１３と、三元触媒３４の排気流れ方向下流側に配置され、当該三元触媒３４から流出する排気の空燃比を検出するための下流側空燃比センサ２１４と、を備える内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００（制御装置）が、過不足量推定部と、燃料供給量制御部と、目標空燃比設定部と、目標空燃比補正部と、応答遅れ判定部と、を備えるように構成されている。

過不足量推定部は、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比に基づいて、三元触媒３４に流入する排気中の酸素過不足量を推定する。

燃料供給量制御部は、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比が目標空燃比となるように、機関本体１の燃焼室６に供給される燃料供給量を制御する。

目標空燃比設定部は、下流側空燃比センサ２１４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、目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替えると共に、目標空燃比がリーン空燃比とされている期間における酸素過不足量の積算値の絶対値であるリーン酸素量積算値（第１酸素量積算値）が三元触媒３４の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ（最大酸素吸蔵量）よりも少ない所定の切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になったときに、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える片側破綻制御と、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、当該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両側破綻制御と、を選択的に実施することができるように目標空燃比を設定する。

目標空燃比補正部は、リーン酸素量積算値と、目標空燃比がリッチな空燃比とされている期間における酸素過不足量の積算値の絶対値であるリッチ酸素量積算値（第２酸素量積算値）とに基づいて、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、目標空燃比を補正する。

応答遅れ判定部は、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが有るか否かを判定する。応答遅れ判定部は、例えば燃料カット後リッチ制御を所定時間実施しても、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がストイキ判定空燃比以下にならなければ、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが有ると判定する。

そして前述した目標空燃比設定部は、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが無いと判定されていれば、片側破綻制御が実施されるように目標空燃比を設定し、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが有ると判定されていれば、両側破綻制御が実施されるように目標空燃比を設定している。

このように、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが生じていないときは、片側制御制御を実施されるので、三元触媒３４からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができる。また通常学習制御によって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目標空燃比が補正されるので、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比にずれが生じたとしても、三元触媒３４からのＮＯｘ排出量を抑制することができ、また、三元触媒３４からの未燃ガスの流出頻度が高くなるのを抑制することができる。

一方で、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが生じているときは、片側破綻制御に替えて両側制御制御が実施される。

片側破綻制御では、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は、下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて実施されるが、目標空燃比のリーン空燃比からリッチ空燃比への切り替えは、リーン酸素量積算値（換言すれば酸素吸蔵量）が三元触媒３４の最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない所定の切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になったときに行われる。リーン酸素量積算値は、上流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて推定されている酸素過不足量から算出されるものである。したがって片側破綻制御では、目標空燃比のリーン空燃比からリッチ空燃比への切り替えは、上流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて実施されているということができる。

このように片側破綻制御では、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のみが下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比に基づいて実施されるため、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが生じると、下流側空燃比センサ２１４周りを流通する排気の実際の空燃比がリッチ判定空燃比以下となって三元触媒３４の酸素吸蔵量がほぼゼロになった後も、上流側空燃比センサ２１３の出力空燃比がリッチ空燃比のまま維持されてしまい、リッチ酸素量積算値（換言すれば酸素放出量）のみが、実際の酸素放出量よりも大きくなってしまう。そのため、通常学習制御によって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目標空燃比を補正していると、目標空燃比に対して不要な補正が行われ、結果として排気エミッションが悪化することになる。

これに対し、両側破綻制御では、目標空燃比のリッチ空燃比からリーン空燃比からの切り替えと、リーン空燃比からリッチ空燃比への切り替えとが、いずれも下流側センサの出力空燃比に基づいて実施されることになる。したがって、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れが生じていたとしても、リーン酸素量積算値及びリッチ酸素量積算値の双方が、下流側空燃比センサ２１４の応答に遅れに起因して実際の酸素吸蔵量及び酸素放出量よりも大きくなり、リッチ酸素量積算値のみが実際の酸素放出量よりも大きくなってしまうのを抑制することができる。そのため、目標空燃比に対して不要な補正が行われるのを抑制できるので、排気エミッションの悪化を抑制できる。

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

上記の実施形態では、燃料カット後リッチ制御を所定時間実施しても、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がストイキ判定空燃比以下にならなければ、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じていると判定していた。しかしながら、下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じているか否かの判定は、このような方法に限られるものではない。例えば、下流側空燃比センサ２１４の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になってから、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりもリーンな任意の空燃比になるまでの時間を計測し、その計測時間が所定の閾値以上となったときに下流側空燃比センサ２１４に応答遅れが生じていると判定しても良い。

上記の実施形態では、内燃機関１００の一例として、無過給ガソリンエンジンを例示して説明したが、上記の構成に限られるものではなく、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、過給態様等が、上記の構成と異なるものであっても良い。

１ 機関本体
６ 燃焼室
３４ 三元触媒（排気浄化触媒）
１００ 内燃機関
２００ 電子制御ユニット（制御装置）
２１３ 上流側空燃比センサ
２１４ 下流側空燃比センサ

Claims (1)

1. 機関本体と、
   前記機関本体の排気通路に配置された酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置され、当該排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を検出するための上流側空燃比センサと、
   前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置され、当該排気浄化触媒から流出する排気の空燃比を検出するための下流側空燃比センサと、
   を備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記上流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて、前記排気浄化触媒に流入する排気中の酸素過不足量を推定する過不足量推定部と、
   前記上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように、前記機関本体の燃焼室に供給される燃料供給量を制御する燃料供給量制御部と、
   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、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替えると共に、前記目標空燃比がリーン空燃比とされている期間における前記酸素過不足量の積算値の絶対値である第１酸素量積算値が前記排気浄化触媒の最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の切替基準値以上になったときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える片側破綻制御と、
   前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときに、前記目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると共に、当該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以上になったときに、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替える両側破綻制御と、
   を選択的に実施することができるように前記目標空燃比を設定する目標空燃比設定部と、
   前記第１酸素量積算値と、前記目標空燃比がリッチな空燃比とされている期間における前記酸素過不足量の積算値の絶対値である第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、前記目標空燃比を補正する目標空燃比補正部と、
   前記下流側空燃比センサの応答に遅れが有るか否かを判定する応答遅れ判定部と、
   を備え、
   前記目標空燃比設定部は、
   前記下流側空燃比センサの応答に遅れが無いと判定されていれば、前記片側破綻制御が実施されるように前記目標空燃比を設定し、
   前記下流側空燃比センサの応答に遅れが有ると判定されていれば、前記両側破綻制御が実施されるように前記目標空燃比を設定する、
   内燃機関の制御装置。

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