WO2014118893A1

WO2014118893A1 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: WO2014118893A1
Application number: PCT/JP2013/051912
Authority: WO
Inventors: 剛林下; 圭一郎青木
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2014-08-07
Also published as: AU2013376227A1; US10001076B2; BR112015017838B1; US20150369156A1; EP2952721B1; CN104956058A; RU2015131027A; BR112015017838A2; AU2013376227B2; CN104956058B; JPWO2014118893A1; EP2952721A1; EP2952721A4; KR20150063555A; JP5949959B2; RU2617423C2

Abstract

　内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサ（４１）と、空燃比センサのセンサ出力電流に基づいて内燃機関を制御する機関制御装置とを具備する。空燃比センサは、排気ガスが流入せしめられる被測ガス室（５１）と、被測ガス室内の排気ガスの空燃比に応じて基準セル出力電流が変化する基準セル（６１）と、ポンプ電流に応じて被測ガス室内の排気ガスに対して酸素の汲み入れ及び汲み出しを行うポンプセル（６０）とを具備する。基準セルは、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比に応じて基準セル出力電流が零となる印加電圧が変化するように構成される。基準セルにおける印加電圧は一定電圧に固定され、該一定電圧は、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに基準セル出力電流が零となる電圧とは異なる電圧とされる。

Description

内燃機関の制御装置

　本発明は、空燃比センサの出力に応じて内燃機関を制御する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（例えば、特許文献１～６を参照）。また、斯かる制御装置で用いられる空燃比センサも広く知られている。

　斯かる空燃比センサは、大別すると、１セル型の空燃比センサ（例えば、特許文献２、４）と２セル型の空燃比センサ（例えば、特許文献１、３、５）とに分けられる。１セル型の空燃比センサでは、酸素イオンを通すことができる固体電解質層とその両側面上に設けられた二つの電極からなるセルが一つのみ設けられている。このうち一方の電極が大気に曝され、他方の電極が拡散律速層を介して排気ガスに曝される。このように構成された１セル型の空燃比センサでは、固体電解質層の両側面上に配置された二つ電極間に電圧が印加されると共に、これに伴って固体電解質層の両側面間ではこれら側面間の酸素濃度比に応じて酸素イオンの移動が生じる。この酸素イオンの移動によって生じる電流を検出することによって、排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」ともいう）が検出される（例えば、特許文献２）。

　一方、２セル型の空燃比センサでは、酸素イオンを通すことができる固体電解質層とその両側面上に設けられた二つの電極からなるセルが二つ設けられている。このうち一方のセル（基準セル）は、被測ガス室内の排気ガス中の酸素濃度に応じて検出電圧（起電力）が変化するように構成される。また、他方のセル（ポンプセル）は、ポンプ電流に応じて被測ガス室内の排気ガスに対して酸素の汲み入れ及び汲み出しを行う。特に、ポンプセルのポンプ電流は、基準セルにおいて検出された検出電圧を目標電圧値に一致させるべく酸素の汲み入れ及び汲み出しが行われるように設定され、このポンプ電流を検出することによって排気空燃比が検出される。

特開２００２－３５７５８９号公報特開２００５－３５１０９６号公報特開２００４－２５８０４３号公報特開２０００－３５６６１８号公報特開２００３－３２９６３７号公報特開平８－２３２７２３号公報特開２００９－１６２１３９号公報特開２００１－２３４７８７号公報

　ところで、特許文献１～５に記載されたような空燃比センサは、一般に、図２に実線Ａで示した出力特性を有するように構成されている。すなわち、斯かる空燃比センサでは、排気空燃比が大きくなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサからの出力電流が大きくなる。加えて、斯かる空燃比センサは、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流が零になるように構成される。

　ところが、図２における傾き、すなわち排気空燃比の増加量に対する出力電流の増加量の比率（以下、「出力電流変化率」という）は、同様な生産工程を経ても必ずしも同一にはならず、同一型式の空燃比センサであっても個体間でバラツキが生じてしまう。加えて、同一の空燃比センサにおいても、経年劣化等により出力電流変化率は変化する。この結果、たとえ同一型式のセンサを用いても、使用したセンサや使用期間等によって、図２に破線Ｂで示したように出力電流変化率が小さくなったり、一点鎖線Ｃで示したように出力電流変化率が大きくなったりする。

　このため、同一型式の空燃比センサを用いて同一の空燃比の排気ガスの計測を行っても、使用したセンサや使用期間等によって、空燃比センサの出力電流は異なるものとなってしまう。例えば、空燃比センサが実線Ａで示したような出力特性を有する場合には、空燃比がａｆ₁である排気ガスの計測を行ったときの出力電流は、Ｉ₂になる。しかしながら、空燃比センサが破線Ｂや一点鎖線Ｃで示したような出力特性を有する場合には、空燃比がａｆ₁である排気ガスの計測を行ったときの出力電流は、それぞれＩ₁及びＩ₃となり、上述したＩ₂とは異なる出力電流となってしまう。

　したがって、斯かる空燃比センサでは、理論空燃比及び理論空燃比に対してリッチ及びリーンであることについては正確に検出することができるが、排気ガスの空燃比が理論空燃比でないときにその絶対値（すなわち、リッチ度合いやリーン度合い）を正確に検出することはできなかった。

　そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、排気ガスの空燃比が理論空燃比でないときであっても排気ガスの空燃比の絶対値を検出することができる空燃比センサを用いた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設けられた空燃比センサと、該空燃比センサのセンサ出力電流に基づいて内燃機関を制御する機関制御装置とを具備する、内燃機関の制御装置において、前記空燃比センサは、空燃比の検出対象である排気ガスが流入せしめられる被測ガス室と、該被測ガス室内の排気ガスの空燃比に応じて基準セル出力電流が変化する基準セルと、ポンプ電流に応じて前記被測ガス室内の排気ガスに対して酸素の汲み入れ及び汲み出しを行うポンプセルとを具備し、前記基準セルは、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比に応じて基準セル出力電流が零となる印加電圧が変化すると共に、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに当該基準セルにおける印加電圧を増大させるとこれに伴って基準セル出力電流が増大するように構成されており、前記空燃比センサによって排気空燃比を検出するときには、前記基準セルにおける印加電圧は一定電圧に固定され、該一定電圧は、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに基準セル出力電流が零となる電圧とは異なる電圧であって且つ前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であるときに基準セル出力電流が零となる電圧であり、前記空燃比センサは、前記基準セル出力電流が零になるようにポンプ電流を制御するポンプ電流制御装置と、該ポンプ電流を前記センサ出力電流として検出するポンプ電流検出装置とを更に具備する、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、前記基準セルは、前記被測ガス室内の排気ガスに曝される第一電極と、基準雰囲気に曝される第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に配置された固体電解質層とを具備し、前記空燃比センサは、拡散律速層を更に具備し、該拡散律速層は排気ガスが当該拡散律速層を介して前記第一電極に到達するように配置される。

　第３の発明では、第２の発明において、前記拡散律速層は、前記被測ガス室内の排気ガスが当該拡散律速層を介して前記第一電極に到達するように配置される。

　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、前記基準セルは、各排気空燃比毎に前記基準セル出力電流が限界電流となる電圧領域である限界電流領域を有するように構成されており、前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記限界電流領域内の電圧である。

　第５の発明では、第１～第３のいずれか一つの発明において、前記基準セルは、各排気空燃比毎に、前記印加電圧と基準セル出力電流との関係について、印加電圧の増大に比例して基準セル出力電流が増大する電圧領域である比例領域と、水の分解が発生したことによって印加電圧の変化に応じて基準セル出力電流が変化する電圧領域である水分解領域と、これら比例領域と水分解領域との間の電圧領域である中間領域とを有するように構成されており、前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記中間領域内の電圧である。

　第６の発明では、第１～第３のいずれか一つの発明において、前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比よりも１％高いときに基準セル出力電流が零となる電圧と、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも１％低いときに基準セル出力電流が零となる電圧との間の電圧とされる。

　第７の発明では、第１～第３のいずれか一つの発明において、前記基準セルは、各排気空燃比毎に、前記印加電圧と基準セル出力電流との関係について、印加電圧が増大するにつれて第一の屈曲点まで基準セル出力電流が増大し、第一の屈曲点から印加電圧が増大するにつれて第二の屈曲点まで基準セル出力電流が増大し、第二の屈曲点から印加電圧が増大するにつれて基準セル出力電流が増大すると共に、第一の屈曲点と第二の屈曲点の間における電圧領域においては他の電圧領域よりも印加電圧の増加量に対する基準セル出力電流の増加量が小さくなるように構成されており、前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記第一の屈曲点及び第二の屈曲点との間の電圧とされる。

　第８の発明では、第２又は第３の発明において、前記基準セルは、各排気空燃比毎に、印加電圧の増大に伴って基準セル出力電流が増大する電圧領域である電流増大領域と、前記拡散律速層を設けたことにより印加電圧の増加量に対する基準セル出力電流の増加量が前記電流増大領域よりも小さくなる電圧領域である電流微増領域とを有し、前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記電流微増領域内の電圧である。

　第９の発明では、第２又は第３の発明において、前記拡散律速層はアルミナで形成され、前記一定電圧が、０．１Ｖ以上０．９Ｖ以下とされる。

　第１０の発明では、第１～第９のいずれか一つ発明において、前記機関制御装置は、前記空燃比センサのセンサ出力電流が零になったときに排気空燃比が理論空燃比とは異なる予め定められた空燃比であると判断する。

　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、前記内燃機関は、前記空燃比センサよりも排気流れ方向上流側において前記排気通路に設けられた酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒を具備し、前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチである所定のリッチ判定空燃比であるときに前記基準セル出力電流が零になるような電圧とされる。

　第１２の発明では、第１１の発明において、前記機関制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御可能であり、前記空燃比センサのセンサ出力電流が零以下になったときには前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンとされる。

　第１３の発明では、第１２の発明において、前記機関制御装置は、前記空燃比センサのセンサ出力電流が零以下となったときに、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒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理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する。

　第１４の発明では、第１３の発明において、前記酸素吸蔵量増加手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差は、前記酸素吸蔵量減少手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにされている期間における前記目標空燃比と理論空燃比との差よりも大きい。

　第１５の発明では、第１１～第１４のいずれか一つの発明において、当該内燃機関の制御装置は、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向上流側において機関排気通路に設けられた上流側空燃比センサを具備し、前記機関制御装置は上流側空燃比センサの出力に基づ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排気空燃比を制御する。

　第１６の発明では、第１５の発明において、前記上流側空燃比センサは、排気空燃比に応じてセンサ出力電流が零となる印加電圧が変化すると共に、排気空燃比が理論空燃比であるときに当該上流側空燃比センサにおける印加電圧を増大させるとこれに伴ってセンサ出力電流が増大するように構成されており、前記上流側空燃比センサにおける印加電圧は、前記空燃比センサの印加電圧よりも低い。

　第１７の発明では、第１６の発明において、前記上流側空燃比センサによって排気空燃比を検出するときには、前記上流側空燃比センサにおける印加電圧は一定電圧に固定され、該一定電圧は、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときにセンサ出力電流が零となる電圧とされる。

　本発明によれば、排気ガスの空燃比が理論空燃比でないときであっても排気ガスの空燃比の絶対値を検出することができる空燃比センサを用いた内燃機関の制御装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態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２は、空燃比センサの出力特性を示す図である。図３は、空燃比センサの概略的な断面図である。図４は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。図５は、空燃比センサの出力特性を示す図である。図６は、基準セルの動作を概略的に示した図である。図７は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と基準セル出力電流との関係を示す図である。図８は、各センサ印加電圧における排気空燃比と基準セル出力電流との関係を示す図である。図９は、空燃比センサにおけるセンサ印加電圧と基準セル出力電流との関係を示す図である。図１０は、空燃比センサにおける排気空燃比と基準セル出力電流との関係を示す図である。図１１は、センサ印加電圧と基準セル出力電流との関係を示す図である。図１２は、各センサ印加電圧における排気空燃比と基準セル出力電流との関係を示す、図８と同様な図であり、図８よりも広い範囲を示している。図１３は、電圧印加装置及び基準セル出力電流検出装置を構成する具体的な回路の一例を示す図である。図１４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及び未燃ガスの濃度との関係を示す。図１５は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。図１６は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の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、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１９は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量等のタイムチャートである。図２０は、第三実施形態の空燃比センサの構成を概略的に示す、図３と同様な断面図である。

　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。図１は、本発明の第一実施形態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。

＜内燃機関全体の説明＞
　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、燃料として排気浄化触媒における理論空燃比が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、各種センサ等の出力に基づいて内燃機関を制御する機関制御装置として機能する。

＜空燃比センサの構成＞
　次に、図３を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図３から分かるように、本実施形態における空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが２つである２セル型の空燃比センサである。

　図３に示したように、空燃比センサ４０、４１は、被測ガス室５１と、基準ガス室５２と、被測ガス室５１の両側に配置された二つの固体電解質層５３、５４とを具備する。基準ガス室５２は、第二固体電解質層５４を挟んで被測ガス室５１の反対側に設けられる。第一固体電解質層５３の被測ガス室５１側の側面上にはガス室側電極（第三電極）５５が配置され、第一固体電解質層５３の排気ガス側の側面上には排気側電極（第四電極）５６が配置される。これら第一固体電解質層５３、ガス室側電極５５及び排気側電極５６は、ポンプセル６０を構成する。

　一方、第二固体電解質層５４の被測ガス室５１側の側面上にはガス室側電極（第一電極）５７が配置され、第二固体電解質層５４の基準ガス室５２側の側面上には基準側電極（第二電極）５８が配置される。これら第二固体電解質層５４、ガス室側電極５７及び基準側電極５８は、基準セル６１を構成する。

　二つの固体電解質層５３、５４の間には、ポンプセル６０のガス室側電極５５及び基準セル６１のガス室側電極５７を囲うように拡散律速層６３が設けられる。したがって、被測ガス室５１は、第一固体電解質層５３、第二固体電解質層５４及び拡散律速層６３によって画成される。被測ガス室５１には、拡散律速層６３を介して排気ガスが流入せしめられる。よって、被測ガス室５１内に配置された電極、すなわちポンプセル６０のガス室側電極５５及び基準セル６１のガス室側電極５７は、拡散律速層６３を介して排気ガスに曝されることになる。なお、拡散律速層６３は、必ずしも被測ガス室５１に流入する排気ガスが通過するように設けられる必要はない。基準セル６１のガス室側電極５７に到達する排気ガスが拡散律速層を通過した排気ガスになれば、拡散律速層は如何なる態様で配置されてもよい。

　また、第二固体電解質層５４の基準ガス室５２側の側面上には、基準ガス室５２を囲うようにヒータ部６４が設けられる。したがって、基準ガス室５２は、第二固体電解質層５４及びヒータ部６４によって画成される。この基準ガス室５２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５２は大気に開放されており、よって基準ガス室５２内には基準ガスとして大気が導入される。

　また、ヒータ部６４には複数のヒータ６５が設けられており、これらヒータ６５によって空燃比センサ４０、４１の温度、特に固体電解質層５３、５４の温度を制御することができる。ヒータ６５は、固体電解質層５３、５４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。加えて、第一固体電解質層５３の排気ガス側の側面上には、保護層６６が設けられる。保護層６６は、排気ガス中の液体等が排気側電極５６に直接付着するのを防止しつつ排気ガスが排気側電極５６に到達するように多孔質材料で形成される。

　固体電解質層５３、５４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６３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、電極５５～５８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。

　基準セル６１のガス室側電極５７と基準側電極５８との間には、ＥＣＵ３１に搭載された基準セル電圧印加装置７０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、基準セル電圧印加装置７０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに第二固体電解質層５４を介してこれら電極５７、５８間に流れる基準セル出力電流Ｉｒを検出する基準セル出力電流検出装置７１が設けられる。

　また、ポンプセル６０のガス室側電極５５と排気側電極５６との間には、ＥＣＵ３１に搭載されたポンプ電圧印加装置７２によりポンプ電圧Ｖｐが印加される。ポンプ電圧印加装置７２によって印加されるポンプ電圧Ｖｐは、基準セル出力電流検出装置７１によって検出された基準セル出力電流Ｉｒに応じて設定される。具体的には、基準セル出力電流検出装置７１によって検出された基準セル出力電流Ｉｒと予め設定されたその目標電流（例えば、零）との差に応じて、ポンプ電圧Ｖｐが設定される。加えて、ＥＣＵ３１には、ポンプ電圧印加装置７２によってポンプ電圧Ｖｐを印加したときに第一固体電解質層５３を介してこれら電極５５、５６間に流れるポンプ電流Ｉｐを検出するポンプ電流検出装置７３が設けられる。

　なお、ポンプ電圧印加装置７２によってポンプ電圧Ｖｐを変化させると、電極８５、８６間に流れるポンプ電流Ｉｐが変化する。換言すると、ポンプ電圧印加装置７２はポンプ電流Ｉｐを制御していると言える。したがって、ポンプ電圧印加装置７２は、ポンプ電流Ｉｐを制御するポンプ電流制御装置として作用する。なお、ポンプ電流Ｉｐは例えばポンプ電圧印加装置７２と直列に可変抵抗を配置し、この可変抵抗を変更することによっても変化する。したがって、ポンプ電流制御装置としては可変抵抗等、ポンプ電圧印加装置７２以外の手段を用いることも可能である。

＜空燃比センサの動作＞
　次に、図４を参照して、このように構成された空燃比センサ４０、４１の動作の基本的な概念について説明する。図４は、空燃比センサ４０、４１の動作を概略的に示した図である。使用時において、空燃比センサ４０、４１は、保護層６６及び拡散律速層６３の外周面が排気ガスに曝されるように配置される。また、空燃比センサ４０、４１の基準ガス室５２には大気が導入される。

　上述したように、固体電解質層５３、５４は、酸素イオン伝導性酸化物の焼結体で形成される。このため、高温により活性化した状態で固体電解質層５３、５４の両側面間に酸素濃度の差が生じると、濃度の高い側面側から濃度の低い側面側へと酸素イオンを移動させようとする起電力Ｅが発生する性質（酸素電池特性）を有している。

　逆に、固体電解質層５３、５４は、両側面間に電位差が与えられると、この電位差に応じて固体電解質層の両側面間で酸素濃度比が生じるように、酸素イオンの移動を引き起こそうとする特性（酸素ポンプ特性）を有する。具体的には、両側面間に電位差が与えられた場合には、正極性を与えられた側面における酸素濃度が、負極性を与えられた側面における酸素濃度に対して、電位差に応じた比率で高くなるように、酸素イオンの移動が引き起こされる。

　したがって、ポンプセル６０では、ポンプ電圧印加装置７２によってガス室側電極５５と排気側電極５６との間にポンプ電圧Ｖｐが印加されると、これに応じて酸素イオンの移動が生じる。このような酸素イオンの移動に伴って、排気ガス中から被測ガス室５１内に酸素が汲み入れられたり汲み出されたりする。

　一方、本実施形態の基準セル６１は、後述するメカニズムにより、被測ガス室５１内の排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比（理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められた空燃比。例えば、１４．５５）であるときに電極５７、５８間に流れる基準セル出力電流が零になる。一方、被測ガス室５１内の排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比よりもリッチであるときには電極５７、５８間に流れる基準セル出力電流が負電流となり、その大きさはリッチ判定空燃比からの差に比例する。逆に、被測ガス室内の排気空燃比がリッチ判定空燃比よりもリーンであるときには電極５７、５８間に流れる基準セル出力電流が正電流となり、その大きさはリッチ判定空燃比からの差に比例する。

　空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比がリッチ判定空燃比よりもリーンのときには、図４（Ａ）に示したように、被測ガス室５１内には拡散律速層６３を介してリーン空燃比の排気ガスが流入する。このように多量の酸素を含むリーン空燃比の排気ガスが流入すると、後述するメカニズムにより、基準セル６１の電極５７、５８間にはリッチ判定空燃比からの差に比例して正の基準セル出力電流が流れ、斯かる基準セル出力電流は、基準セル出力電流検出装置７１によって検出される。

　基準セル出力電流検出装置７１によって基準セル出力電流が検出されると、これに基づいてポンプ電圧印加装置７２によりポンプセル６０の電極５５、５６にポンプ電圧が印加される。特に、基準セル出力電流検出装置７１によって正の基準セル出力電流が検出されると、排気側電極５６を正電極、ガス室側電極５５を負電極として、ポンプ電圧が印加される。このようにポンプセル６０の電極５５、５６にポンプ電圧を印加することにより、ポンプセル６０の第一固体電解質層５３では負電極から正電極に向かって、すなわちガス室側電極５５から排気側電極５６に向かって酸素イオンの移動が生じる。このため、被測ガス室５１内の酸素が空燃比センサ４０、４１周りの排気ガス中に汲み出される。

　被測ガス室５１内から空燃比センサ４０、４１周りの排気ガス中へ汲み出される酸素の流量は、ポンプ電圧に比例し、また、ポンプ電圧は基準セル出力電流検出装置７１によって検出された正の基準セル出力電流の大きさに比例する。したがって、被測ガス室５１内の排気空燃比のリーン度合いが大きいほど、すなわち、被測ガス室５１内の酸素濃度が高いほど、被測ガス室５１内から空燃比センサ４０、４１周りの排気ガス中へ汲み出される酸素の流量が多くなる。この結果、拡散律速層６３を介して被測ガス室５１に流入する酸素流量と、ポンプセル６０によって汲み出される酸素流量とは基本的に一致し、被測ガス室５１内は基本的にほぼリッチ判定空燃比に保たれることになる。

　ポンプセル６０によって汲み出される酸素流量は、ポンプセル６０の第一固体電解質層５３内を移動した酸素イオンの流量に等しい。そして、この酸素イオンの流量は、ポンプセル６０の電極５５、５６間で流れた電流に等しい。よって電極５５、５６間で流れたポンプ電流を空燃比センサ４０、４１の出力電流（以下、「センサ出力電流」という）としてポンプ電流検出装置７３により検出することで、拡散律速層６３を介して被測ガス室５１に流入する酸素流量を、したがって、被測ガス室５１周りの排気ガスのリーン空燃比を検出することができる。

　一方、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比がリッチ判定空燃比よりもリッチのときには、図４（Ｂ）に示したように、被測ガス室５１内には拡散律速層６３を介してリッチ空燃比の排気ガスが流入する。このように多量の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）を含むリッチ空燃比の排気ガスが流入すると、後述するメカニズムにより、基準セル６１の電極５７、５８間にはリッチ判定空燃比からの差に比例して負の基準セル出力電流が流れ、斯かる基準セル出力電流は、基準セル出力電流検出装置７１によって検出される。

　基準セル出力電流検出装置７１によって基準セル出力電流が検出されると、これに基づいてポンプ電圧印加装置７２によりポンプセル６０の電極５５、５６間にポンプ電圧が印加される。特に、基準セル出力電流検出装置７１によって負の基準セル出力電流が検出されると、ガス室側電極５５を正電極、排気側電極５６を負電極として、ポンプ電圧が印加される。このようにポンプ電圧を印加することにより、ポンプセル６０の第一固体電解質層５３では負電極から正電極に向かって、すなわち排気側電極５６からガス室側電極５５に向かって酸素イオンの移動が生じる。このため、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガス中の酸素が被測ガス室５１内に汲み入れられる。

　空燃比センサ４０、４１周りの排気ガス中から被測ガス室５１内へ汲み入れられる酸素の流量は、ポンプ電圧に比例し、また、ポンプ電圧は基準セル出力電流検出装置７１によって検出された負の基準セル出力電流の大きさに比例する。したがって、被測ガス室５１内の排気空燃比のリッチ度合いが大きいほど、すなわち、被測ガス室５１内の未燃ガスの濃度が高いほど、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガス中から被測ガス室５１内へ汲み入れられる酸素の流量が多くなる。この結果、拡散律速層６３を介して被測ガス室５１に流入する未燃ガスの流量と、ポンプセル６０によって汲み入れられる酸素流量とは化学当量比となり、よって被測ガス室５１内は基本的にほぼリッチ判定空燃比に保たれることになる。

　ポンプセル６０によって汲み入れられる酸素流量は、ポンプセル６０内の第一固体電解質層５３内を移動した酸素イオンの流量に等しい。そして、この酸素イオンの流量は、ポンプセル６０の電極５５、５６間で流れた電流に等しい。よって電極５５、５６間で流れたポンプ電流をセンサ出力電流としてポンプ電流検出装置７３により検出することで、拡散律速層６３を介して被測ガス室５１に流入する未燃ガスの流量を、したがって、被測ガス室５１周りの排気ガスのリッチ空燃比を検出することができる。

　また、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比がリッチ判定空燃比のときには、図４（Ｃ）に示したように、被測ガス室５１内に拡散律速層６３を介してリッチ判定空燃比の排気ガスが流入する。このようにリッチ判定空燃比の排気ガスが流入すると、後述するメカニズムにより、基準セル６１の電極５７、５８間に流れる基準セル出力電流は零となり、斯かる基準セル出力電流は、基準セル出力電流検出装置７１によって検出される。

　基準セル出力電流検出装置７１によって検出された基準セル出力電流が零であると、これに伴ってポンプ電圧印加装置７２により印加されるポンプ電圧も零とされる。このためポンプセル６０の第一固体電解質層５３では酸素イオンの移動は生じず、よって被測ガス室５１内は基本的にほぼリッチ判定空燃比に保たれることになる。そして、ポンプセル６０の第一固体電解質層５３において酸素イオンの移動が生じていないため、ポンプ電流検出装置７３によって検出されるポンプ電流（すなわち、センサ出力電流）も零となる。したがって、ポンプ電流検出装置７３によって検出されるポンプ電流が零であるときには、被測ガス室５１周りの排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比に等しいことがわかる。

　このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図５に示した出力特性を有する。すなわち、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が大きくなるほど（すなわち、リーンになるほど）、ポンプ電流（センサ出力電流）Ｉｐが大きくなる。加えて、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比がリッチ判定空燃比に一致するときにポンプ電流（センサ出力電流）Ｉｐが零になるように構成される。

＜基準セルの動作＞
　上述したように、基準セル６１では、被測ガス室５１内の排気空燃比がリッチ判定空燃比であるときには電極５７、５８間に流れる基準セル出力電流が零になり、被測ガス室５１内の排気空燃比がリッチ判定空燃比とは異なる空燃比となったときにはその排気空燃比に応じて基準セル出力電流が変化する。以下では、図６を参照して基準セル６１の動作の基本的な概念について説明する。図６は、基準セル６１の動作を概略的に示した図である。使用時においては、上述したように、被測ガス室５１には拡散律速層６３を介して排気ガスが導入され、基準ガス室５２には大気が導入される。また、図３及び図６に示したように、空燃比センサ４０、４１では、基準側電極５８が正極性、ガス室側電極５７が負極性となるように、これら電極５７、５８間に一定のセンサ印加電圧Ｖｒが印加されている。

　被測ガス室５１内の排気空燃比がリッチ判定空燃比よりもリーンのときには、第二固体電解質層５４の両側面間での酸素濃度の比はそれほど大きくない。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、第二固体電解質層５４の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が小さくなる。このため、第二固体電解質層５４の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比に向けて大きくなるように、図６（Ａ）に示した如く、ガス室側電極５７から基準側電極５８に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを印加する基準セル電圧印加装置７０の正極から、基準側電極５８、第二固体電解質層５４、及びガス室側電極５７を介して基準セル電圧印加装置７０の負極へと電流が流れる。

　このとき流れる電流（基準セル出力電流）Ｉｒの大きさは、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、排気中から拡散律速層６３を通って被測ガス室５１へと拡散によって流入する酸素流量に比例する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを基準セル出力電流検出装置７１によって検出することにより、被測ガス室５１内の酸素濃度を知ることができ、ひいてはリーン領域における空燃比を知ることができる。

　一方、被測ガス室５１内の排気空燃比がリッチ判定空燃比よりもリッチのときには、排気中から拡散律速層６３を通って未燃ガスが被測ガス室５１内に流入するため、ガス室側電極５７上に酸素が存在しても、未燃ガスと反応して除去される。このため、被測ガス室５１内では酸素濃度が極めて低くなり、その結果、第二固体電解質層５４の両側面間での酸素濃度の比は大きなものとなる。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、第二固体電解質層５４の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒ対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が大きくなる。このため、第二固体電解質層５４の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比に向けて小さくなるように、図６（Ｂ）に示した如く、基準側電極５８からガス室側電極５７に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、基準側電極５８から、センサ印加電圧Ｖｒを印加する基準セル電圧印加装置７０を通ってガス室側電極５７へと電流が流れる。

　このとき流れる電流（基準セル出力電流）Ｉｒの大きさは、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、第二固体電解質層５４中を基準側電極５８からガス室側電極５７へと移動せしめられる酸素イオンの流量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散律速層６３を通って被測ガス室５１内へと拡散によって流入する未燃ガスとガス室側電極５７上で反応（燃焼）する。よって、酸素イオンの移動流量は被測ガス室５１内に流入した排気ガス中の未燃ガスの濃度に対応する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを基準セル出力電流検出装置７１によって検出することにより、被測ガス室５１内の未燃ガス濃度を知ることができ、ひいてはリッチ領域における空燃比を知ることができる。

　また、被測ガス室５１内の排気空燃比がリッチ判定空燃比に一致するときには、被測ガス室５１内の酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっている。このため、ガス室側電極５７の触媒作用によって両者は完全に燃焼し、被測ガス室５１内の酸素及び未燃ガスの濃度に変動は生じない。この結果、第二固体電解質層５４の両側面間の酸素濃度比は、変動せずに、センサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比のまま維持される。このため、図６（Ｃ）に示したように、酸素ポンプ特性による酸素イオンの移動は起こらず、その結果、回路を流れる電流は生じない。

＜基準セルの理論空燃比近傍における微視的特性＞
　ところで、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、基準セル６１におけるセンサ印加電圧Ｖｒと基準セル出力電流Ｉｒとの関係や、排気空燃比と基準セル出力電流Ｉｒとの関係を理論空燃比近傍で微視的に見ると図７及び図８のようになることを見出した。

　図７は、基準セルにおけるセンサ印加電圧Ｖｒと基準セル出力電流Ｉｒとの関係を示した図である。図７からわかるように、基準セルは、センサ印可電圧Ｖｒを増大させても基準セル出力電流Ｉｒがほとんど増加しない限界電流領域を有する。しかしながら、この限界電流領域においても、排気空燃比を一定としたときに、センサ印加電圧Ｖｒが増大するのに伴って基準セル出力電流Ｉｒもごく僅かながら増大する。例えば、排気空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合を例にとってみると、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖ程度のときには基準セル出力電流Ｉｒは０となる。これに対して、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも或る程度低く（例えば、０．２Ｖ）すると、基準セル出力電流Ｉｒは０よりも低い値となる。一方、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも或る程度高く（例えば、０．７Ｖ）すると、基準セル出力電流Ｉｒは０よりも高い値となる。

　図８は、排気空燃比と基準セル出力電流Ｉｒとの関係を示した図である。図８からは、理論空燃比近傍の領域においては、同一の排気空燃比に対する基準セル出力電流Ｉｒがセンサ印加電圧Ｖｒ毎に僅かに異なることがわかる。例えば、図示した例では、排気空燃比が理論空燃比である場合、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖとしたときに基準セル出力電流Ｉｒが０になる。そして、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも大きくすると基準セル出力電流Ｉｒも大きくなり、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも小さくすると基準セル出力電流Ｉｒも小さくなる。

　加えて、図８からは、センサ印加電圧Ｖｒ毎に、基準セル出力電流Ｉｒが０となるときの排気空燃比（以下、「電流零時の排気空燃比」という）が異なることがわかる。図示した例では、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖである場合には排気空燃比が理論空燃比であるときに基準セル出力電流Ｉｒが０になる。これに対して、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも大きい場合には、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときに基準セル出力電流Ｉｒが０になり、センサ印加電圧Ｖｒが大きくなるほど電流零時の排気空燃比は小さくなる。逆に、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも小さい場合には、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに基準セル出力電流Ｉｒが０になり、センサ印加電圧Ｖｒが小さくなるほど電流零時の排気空燃比は大きくなる。すなわち、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。

　ここで、図２を用いて説明したように、出力電流変化率には空燃比センサの個体間でバラツキが生じたり、同一の空燃比センサにおいても経年劣化等によってバラツキが生じたりする。そして、このような傾向は、基準セル６１にも当てはまる。

　したがって、基準セル６１において、排気空燃比の増加量に対する基準セル出力電流の増加量の比率（以下、「基準セル出力電流変化率」という）は、同様な生産工程を経ても必ずしも同一にはならず、同一型式の空燃比センサであっても個体間でバラツキが生じてしまう。加えて、同一の空燃比センサにおいても、経年劣化等により基準セル出力電流変化率は変化する。

　しかしながら、図２からも分かるように、空燃比センサの個体間でバラツキが生じたり、同一の空燃比センサにおいて経年劣化等によってバラツキが生じたりしたとしても、電流零時の排気空燃比（図２の例では理論空燃比）はほとんど変化しない。すなわち、基準セル出力電流Ｉｒが零以外の値をとるときには、そのときの排気空燃比の絶対値は必ずしも一定ではないが、基準セル出力電流Ｉｒが零となるときには、そのときの排気空燃比の絶対値（図１７の例では理論空燃比）は一定である。

　そして、図８を用いて説明したように、空燃比センサ４０、４１では、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。そして、基準セル出力電流検出装置７１によって検出された基準セル出力電流が零であると、ポンプ電圧印加装置７２により印加されるポンプ電圧も零とされ、ポンプ電流（センサ出力電流）Ｉｐも零となる。したがって、空燃比センサ４０、４１によれば、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、理論空燃比以外の排気空燃比の絶対値を正確に検出することができる。

　特に、センサ印加電圧Ｖｒを後述する「特定電圧領域」内で変化させた場合には、電流零時の排気空燃比を理論空燃比（１４．６）に対して僅かにのみ（例えば、±１％の範囲（約１４．４５～約１４．７５）内）調整することができる。したがって、センサ印加電圧Ｖｒを適切に設定することにより、理論空燃比とは僅かに異なる空燃比の絶対値を正確に検出することができるようになる。

＜特定電圧領域の説明＞
　ところで、上述したように、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流零時の排気空燃比を変化させることができる。しかしながら、センサ印加電圧Ｖｒを或る上限電圧よりも大きくするか又は或る下限電圧よりも小さくすると、センサ印加電圧Ｖｒの変化量に対する電流零時の排気空燃比の変化量が大きくなる。したがって、斯かる電圧領域では、センサ印加電圧Ｖｒが僅かにずれると、電流零時の排気空燃比が大きく変化してしまう。したがって、斯かる電圧領域では、排気空燃比の絶対値を正確に検出するためには、センサ印加電圧Ｖｒを精密に制御することが必要になり、あまり実用的ではない。このため、排気空燃比の絶対値を正確に検出する観点からは、センサ印加電圧Ｖｒは或る上限電圧と或る下限電圧との間の「特定電圧領域」内の値とすることが必要になる。

　斯かる特定電圧領域は、様々な方法で定義することができる。以下では、図９～図１２を用いて、幾つかの定義の例について説明する。

　まず、一つ目の例について説明する。図９（Ａ）の電圧－電流線図に示したように、基準セル６１は、各排気空燃比毎に、センサ印加電圧Ｖｒの増大に伴って基準セル出力電流Ｉｒが増大する電圧領域である電流増大領域と、拡散律速層を設けたことによりセンサ印加電圧Ｖｒの増加量に対する基準セル出力電流Ｉｒの増加量が電流増大領域よりも小さくなる電圧領域である電流微増領域とを有する（図９（Ａ）では排気空燃比が理論空燃比であるときについてのみ電流増大領域及び電流微増領域を示している）。一つ目の例では、排気空燃比が理論空燃比であるときの電流微増領域が「特定電圧領域」とされる。

　次に、二つ目の例について説明する。図９（Ｂ）の電圧－電流線図に示したように、基準セル６１は、各排気空燃比毎に、基準セル出力電流Ｉｒが限界電流となる電圧領域である限界電流領域を有する（図９（Ｂ）では排気空燃比が理論空燃比であるときについてのみ限界電流領域を示している）。二つ目の例では、排気空燃比が理論空燃比であるときの限界電流領域が「特定電圧領域」とされる。

　次に、三つ目の例について説明する。図９（Ｃ）の電圧－電流線図に示したように、基準セル６１は、各排気空燃比毎に、印加電圧の増大に比例して基準セル出力電流Ｉｒが増大する電圧領域である比例領域と、水や固体電解質層５３、５４の分解が発生したことによって印加電圧の変化に応じて基準セル出力電流Ｉｒが変化する電圧領域である水分解領域と、これら比例領域と水分解領域との間の電圧領域である中間領域とを有する（図９（Ｃ）では排気空燃比が理論空燃比であるときについてのみ比例領域、水分解領域及び中間領域を示している）。三つ目の例では、排気空燃比が理論空燃比であるときの中間領域が「特定電圧領域」とされる。

　次に、四つ目の例について説明する。図８に示したように、電流零時の排気空燃比は、センサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが高いほど電流零時の排気空燃比が低くなる。図１０に示したように、本実施形態の基準セル６１では、センサ印加電圧Ｖｒを上限電圧値としたときに電流零時の排気空燃比が理論空燃比ＡＦｓｔよりも例えば０．５～２％程度（好ましくは、１％程度）低い空燃比となる。一方、センサ印加電圧Ｖｒを下限電圧値としたときに電流零時の排気空燃比が理論空燃比ＡＦｓｔよりも例えば０．５～２％程度（好ましくは、１％程度）高い空燃比となる。四つ目の例では、上記上限電圧値（電流零時の排気空燃比が理論空燃比ＡＦｓｔよりも例えば１％低い空燃比となる電圧値）と上記下限電圧値（電流零時の排気空燃比が理論空燃比ＡＦｓｔよりも例えば１％高い空燃比となる電圧値）との間の電圧領域が、「特定電圧領域」とされる。

　次に、図１１を参照して、五つ目の例について説明する。図１１は、電圧に対する電流の変化を示している。図１１に示したように、基準セル６１では、各排気空燃比毎に、センサ印加電圧Ｖｒが負である状態から増大するにつれて第一の屈曲点Ｂ₁まで基準セル出力電流Ｉｒが増大し、第一の屈曲点Ｂ₁からセンサ印加電圧Ｖｒが増大するにつれて第二の屈曲点Ｂ₂まで基準セル出力電流Ｉｒが増大し、第二の屈曲点からセンサ印加電圧Ｖｒが増大するにつれて基準セル出力電流Ｉｒが増大する。第一の屈曲点Ｂ₁と第二の屈曲点Ｂ₂の間における電圧領域においては他の電圧領域よりもセンサ印加電圧Ｖｒの増加量に対する印加電流Ｉｒの増加量が小さい。五つ目の例では、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記第一の屈曲点及び第二の屈曲点との間の電圧が、「特定電圧領域」とされる。

　次に、六つ目の例について説明する。六つ目の例では、「特定電圧領域」の上限電圧値と下限電圧値は具体的な数値で特定される。具体的には、「特定電圧領域」は、０．０５Ｖ以上、０．９５Ｖ以下、好ましくは０．１Ｖ以上、０．９Ｖ以下、より好ましくは０．１５Ｖ以上、０．８Ｖ以下とされる。

　図１２は、図８と同様に、各センサ印加電圧Ｖｒにおける排気空燃比と基準セル出力電流Ｉｒとの関係を示す図である。図８は理論空燃比近傍のみの関係を微視的に示しているのに対して、図１２は、より広範囲の空燃比についての関係を巨視的に示している。

　図１２からわかるように、或る一定の排気空燃比以下に排気空燃比が低くなると、排気空燃比が変化しても基準セル出力電流Ｉｒがほとんど変化しなくなる。この一定の排気空燃比はセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが高いほど高い。このため、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値（最大電圧）以上に増大させると、図中に一点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても基準セル出力電流Ｉｒが０にならなくなる。

　一方、或る一定の排気空燃比以上に排気空燃比が高くなると、排気空燃比が変化しても基準セル出力電流Ｉｒがほとんど変化しなくなる。この一定の排気空燃比もセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが低いほど低い。このため、センサ印加電圧Ｖｒを或る特定の値（最小電圧）以下に低下させると、図中に二点鎖線で示したように、排気空燃比が如何なる値であっても基準セル出力電流Ｉｒが０にならなくなる（例えば、センサ印加電圧Ｖｒを０Ｖとした場合には排気空燃比に関わらず基準セル出力電流Ｉｒは０にならない）。

　したがって、センサ印加電圧Ｖｒが最大電圧と最小電圧との間の電圧であれば、基準セル出力電流が零となる排気空燃比が存在する。逆に、センサ印加電圧Ｖｒが最大電圧よりも高い電圧或いは最小電圧よりも低い電圧であれば、基準セル出力電流が零となる排気空燃比が存在しない。したがって、センサ印加電圧Ｖｒは、少なくとも、排気空燃比がいずれかの空燃比であるときに基準セル出力電流が零となる電圧であること、すなわち、最大電圧と最小電圧との間の電圧であることが必要になる。上述した「特定電圧領域」は、最大電圧と最小電圧との間の電圧領域である。

＜各空燃比センサにおけるセンサ印加電圧＞
　本実施形態では、上述した微視的特性に鑑みて、上流側空燃比センサ４０によって排気ガスの空燃比を検出するときには、上流側空燃比センサ４０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐは、排気空燃比が理論空燃比（本実施形態では１４．６）であるときに基準セル出力電流（及びセンサ出力電流）が零となるような一定電圧（例えば、０．４５Ｖ）に固定される。換言すると、上流側空燃比センサ４０では電流零時の排気空燃比が理論空燃比となるようにセンサ印加電圧Ｖｒｕｐが設定される。

　一方、下流側空燃比センサ４１によって排気ガスの空燃比を検出するときには、下流側空燃比センサ４１におけるセンサ印加電圧Ｖｒは、排気空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）であるときに基準セル出力電流（及びセンサ出力電流）が零となるような一定電圧（例えば、０．７Ｖ）に固定される。換言すると、下流側空燃比センサ４１では、電流零時の排気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となるようにセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが設定される。このように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１におけるセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが上流側空燃比センサ４０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐよりも高い電圧とされる。

　したがって、両空燃比センサ４０、４１に接続されたＥＣＵ３１は、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐが零になったときに上流側空燃比センサ４０周りの排気空燃比は理論空燃比であると判断する。一方、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零になったときには下流側空燃比センサ４１周りの排気空燃比はリッチ判定空燃比、すなわち、理論空燃比とは異なる予め定められた空燃比であると判断する。

　なお、空燃比センサによって排気ガスの空燃比を検出するときとは、たとえば、後述する燃料カット制御を実行していないときや、空燃比センサによって検出される空燃比が１８以上の高い値となっていないとき等が挙げられる。

＜電圧印加装置及び電流検出装置の回路＞
　図１３に、基準セル電圧印加装置７０及び基準セル出力電流検出装置７１を構成する具体的な回路の一例を示す。図示した例では、酸素電池特性により生じる起電力をＥ、第二固体電解質層５４の内部抵抗をＲｉ、両電極５７、５８間の電位差をＶｓと表している。

　図１３からわかるように、基準セル電圧印加装置７０は、基本的に、酸素電池特性により生じる起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するように、負帰還制御を行っている。換言すると、基準セル電圧印加装置７０は、第二固体電解質層５４の両側面間の酸素濃度比の変化によって両電極５７、５８間の電位差Ｖｓが変化した際にも、この電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒとなるように負帰還制御を行っている。

　したがって、被測ガス室５１内の排気空燃比が理論空燃比となっていて、第二固体電解質層５４の両側面間に酸素濃度比の変化が生じない場合には、第二固体電解質層５４の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比となっている。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに一致し、両電極５７、５８間の電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒとなっており、その結果、電流Ｉｒは流れない。

　一方、排気空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比となっていて、第二固体電解質層５４の両側面間に酸素濃度比の変化が生じる場合には、第二固体電解質層５４の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比とはなっていない。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒとは異なる値となる。このため、負帰還制御により、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒと一致するように第二固体電解質層５４の両側面間で酸素イオンの移動をさせるべく、両電極５７、５８間に電位差Ｖｓが付与される。そして、このときの酸素イオンの移動に伴って電流Ｉｒが流れる。この結果、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに収束し、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに収束すると、やがて電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒに収束することになる。

　したがって、基準セル電圧印加装置７０は、実質的に、両電極５７、５８間にセンサ印加電圧Ｖｒを印加しているということができる。なお、基準セル電圧印加装置７０の電気回路は必ずしも図１３に示したようなものである必要はなく、両電極５７、５８間にセンサ印加電圧Ｖｒを実質的に印加することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。

　また、基準セル出力電流検出装置７１は、実際に電流を検出するのではなく、電圧Ｅ₀を検出してこの電圧Ｅ₀から電流を算出している。ここで、Ｅ₀は、下記式（１）のように表せる。
　　Ｅ₀＝Ｖｒ＋Ｖ₀＋ＩｒＲ　　　…（１）
　ここで、Ｖ₀はオフセット電圧（Ｅ₀が負値とならないように印加しておく電圧であり、例えば３Ｖ）、Ｒは図１３に示した抵抗の値である。

　式（１）において、センサ印加電圧Ｖｒ、オフセット電圧Ｖ₀及び抵抗値Ｒは一定であるから、電圧Ｅ₀は電流Ｉｒに応じて変化する。このため、電圧Ｅ₀を検出すれば、その電圧Ｅ₀から電流Ｉｒを算出することが可能である。

　したがって、基準セル出力電流検出装置７１は、実質的に、両電極５７、５８間に流れる電流Ｉｒを検出しているということができる。なお、基準セル出力電流検出装置７１の電気回路は必ずしも図１３に示したようなものである必要はなく、両電極５７、５８間を流れる電流Ｉｒを検出することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。

＜排気浄化触媒の説明＞
　次に、本実施形態で用いられる排気浄化触媒２０、２４について説明する。上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、いずれも同様な構成を有する。以下では、上流側排気浄化触媒２０についてのみ説明するが、下流側排気浄化触媒２４も同様な構成及び作用を有する。

　上流側排気浄化触媒２０は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、上流側排気浄化触媒２０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））を担持させたものである。上流側排気浄化触媒２０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。

　上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力によれば、上流側排気浄化触媒２０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、上流側排気浄化触媒２０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、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素を放出する。なお、「排気ガスの空燃比」は、その排気ガスが生成されるまでに供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味するものであり、通常はその排気ガスが生成されるにあたって燃焼室５内に供給された空気の質量に対する燃料の質量の比率を意味する。

　上流側排気浄化触媒２０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。図１４に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量と上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）の濃度との関係を示す。図１４（Ａ）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空燃比であるときの、酸素吸蔵量と上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す。一方、図１４（Ｂ）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であるときの、酸素吸蔵量と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の濃度との関係を示す。

　図１４（Ａ）からわかるように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が少ないときには、最大酸素吸蔵量まで余裕がある。このため、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（すなわち、この排気ガスがＮＯｘ及び酸素を含む）であっても、排気ガス中の酸素は排気浄化触媒に吸蔵され、これに伴ってＮＯｘも還元浄化される。この結果、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中にはほとんどＮＯｘは含まれない。

　しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が多くなると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、上流側排気浄化触媒２０において排気ガス中の酸素を吸蔵しにくくなり、これに伴って排気ガス中のＮＯｘも還元浄化されにくくなる。このため、図１４（Ａ）からわかるように、酸素吸蔵量が或る上限吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍを超えて増大すると上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度が急激に上昇する。

　一方、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が多いときには、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空燃比（すなわち、この排気ガスが未燃ガスを含む）であると、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素が放出される。このため、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。この結果、図１４（Ｂ）からわかるように、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中にはほとんど未燃ガスは含まれない。

　しかしながら、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が少なくなると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、上流側排気浄化触媒２０から放出される酸素が少なくなり、これに伴って上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の未燃ガスも酸化浄化されにくくなる。このため、図１４（Ｂ）からわかるように、酸素吸蔵量が或る下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍを超えて減少すると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の濃度が急激に上昇する。

　このように、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。

＜空燃比制御の概要＞
　次に、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。本実施形態では、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐに基づいて上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流（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）Ｉｐｕｐが目標空燃比に相当する値となるようにフィードバック制御が行われる。

　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は、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎに基づいて設定される。具体的には、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零以下となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。センサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零以下になるときとは、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理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められたリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下となったことを意味する。また、リーン設定空燃比は、理論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１４．６８～１８、より好ましくは１４．７～１６程度とされる。

　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の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが推定される。酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定は、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐ及びエアフロメータ３９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からの燃料噴射量等に基づいて行われる。そして、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が予め定められた判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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、弱リッチ設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。弱リッチ設定空燃比は、理論空燃比よりも僅かにリッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１３．５～１４．５８、好ましくは１４～１４．５７、より好ましくは１４．３～１４．５５程度とされる。その後、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが再び零以下となったときに再び目標空燃比が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弱リッチ設定空燃比とに交互に設定される。特に、本実施形態では、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差は、弱リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差よりも大きい。したがって、本実施形態では、目標空燃比は、短期間のリーン設定空燃比と、長期間の弱リッチ設定空燃比とに交互に設定されることになる。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
　図１５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１５は、本発明の内燃機関の制御装置における空燃比制御を行った場合における、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐ、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、上述したように、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐ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理論空燃比であるときに零になり、当該排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに負の値となり、当該排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに正の値となる。また、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又はリーン空燃比であるときには、理論空燃比からの差が大きくなるほど、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐの絶対値が大きくなる。

　一方、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎ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リッチ判定空燃比（理論空燃比よりも僅かにリッチ）であるときに零になり、この排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比よりもリッチであるときに負の値となり、この排気ガスの空燃比がリッチ判定空燃比よりもリーンであるときに正の値となる。また、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リッチ判定空燃比よりもリッチ又はリーンであるときには、リッチ判定空燃比からの差が大きくなるほど、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎの絶対値が大きくなる。

　また、空燃比補正量ＡＦＣは、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リッチ空燃比となる。

　図示した例では、時刻ｔ₁以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈは、弱リッチ設定空燃比に相当する値であり、０よりも小さな値である。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐが負の値となる。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ＯＳＡｓｃは徐々に減少していく。しかしながら、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、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る。このため、下流側空燃比センサのセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎは正の値（理論空燃比に相当）となる。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排出量は抑制される。

　上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは時刻ｔ₁において下限吸蔵量（図１４のＣｌｏｗｌｉｍ参照）を超えて減少する。酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが下限吸蔵量よりも減少すると、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する。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ＯＳＡｓｃが減少するのに伴って、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが徐々に低下する。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排出量は抑制される。

　その後、時刻ｔ₂において、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎがリッチ判定空燃比に相当する零に到達する。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零になると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少を抑制すべく、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。リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎは、リーン設定空燃比に相当する値であり、０よりも大きな値である。したがって、目標空燃比はリーン空燃比とされる。

　なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零に到達してから、すなわち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リッチ判定空燃比に到達してから、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。すなわち、仮にセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが理論空燃比に相当する値から僅かにずれた場合にも酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少していると判断してしまうと、実際には十分な酸素吸蔵量があっても酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少したと判断される可能性がある。そこで、本実施形態では、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リッチ判定空燃比に到達して始めて酸素吸蔵量が下限吸蔵量を超えて減少したと判断することとしている。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ても、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はすぐにはリーン空燃比にならず、或る程度の遅れが生じる。その結果、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は時刻ｔ₃においてリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。なお、時刻ｔ₂～ｔ₃においては、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リッチ空燃比となっているため、この排気ガス中には未燃ガスが含まれることになる。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。

　時刻ｔ₃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ＯＳＡｓｃは増大する。また、これに伴って、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理論空燃比へと変化し、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎも理論空燃比に相当する正の値に収束する。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排出量は抑制される。

　その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増大すると、時刻ｔ₄において酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。本実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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が弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（０よりも小さな値）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。

　ただし、上述したように、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実際に変化するまでには遅れが生じる。このため、時刻ｔ₄にて切替を行っても、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は或る程度時間が経過した時刻ｔ₅においてリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。時刻ｔ₄～ｔ₅においては、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であるため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大していく。

　しかしながら、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量（図１４のＣｕｐｌｉｍ参照）よりも十分に低く設定されているため、時刻ｔ₅においても酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量には到達しない。逆に言うと、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ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実際に変化するまで遅延が生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量に到達しないように十分少ない量とされる。例えば、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、最大酸素吸蔵量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。したがって、時刻ｔ₄～ｔ₅においても、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量は抑制される。

　時刻ｔ₅以降においては、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされ、これに伴って上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐが負の値となる。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ＯＳＡｓｃは徐々に減少していき、時刻ｔ₆において、時刻ｔ₁と同様に、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが下限吸蔵量を超えて減少する。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排出量は抑制される。

　次いで、時刻ｔ₇において、時刻ｔ₂と同様に、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎがリッチ判定空燃比に相当する零に到達する。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～ｔ₆のサイクルが繰り返される。

　なお、このような空燃比補正量ＡＦＣの制御は、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ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量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にリーン設定空燃比にする酸素吸蔵量増加手段と、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上となったときに、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを超えることなく零に向けて減少するように、目標空燃比を継続的に弱リッチ設定空燃比にする酸素吸蔵量減少手段とを具備するといえる。

　以上の説明から分かるように上記実施形態によれば、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排出量を少ないものとすることができる。

　また、一般に、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐ及び吸入空気量の推定値等に基づいて酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定した場合には誤差が生じる可能性がある。本実施形態においても、時刻ｔ₃～ｔ₄に亘って酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定しているため、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値には多少の誤差が含まれる。しかしながら、このような誤差が含まれていたとしても、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆを最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量よりも十分に低く設定しておけば、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘや上限吸蔵量にまで到達することはほとんどない。したがって、斯かる観点からも上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を抑制することができる。

　また、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。これに対して、本実施形態によれば、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ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。

　さらに、本実施形態では、上述したように、下流側空燃比センサ４１によってリッチ判定空燃比における絶対値を正確に検出することができる。図２を用いて説明したように、従来の空燃比センサでは、理論空燃比以外の空燃比についてその絶対値を正確に検出することは困難であった。このため、従来の空燃比センサにおいて経年劣化や個体差等によりそのセンサ出力電流に誤差が生じると、排気ガスの実際の空燃比はリッチ判定空燃比とは異なる場合でも、空燃比センサのセンサ出力電流がリッチ判定空燃比に相当する値となってしまう。この結果、空燃比補正量ＡＦＣの弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替タイミングが遅れたり、或いは切替不要なタイミングで斯かる切替が行われたりする。これに対して、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１によってリッチ判定空燃比における絶対値を正確に検出することができる。このため、空燃比補正量ＡＦＣの弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替タイミングにおける遅れや、切替不要なタイミングでの切替を抑制することができる。

　なお、上記実施形態では、時刻ｔ₂～ｔ₄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。同様に、時刻ｔ₄～ｔ₇において、空燃比補正量ＡＦＣは弱リッチ設定補正量ＡＦｒｉｃｈ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。

　ただし、この場合であっても、時刻ｔ₂～ｔ₄における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差が、時刻ｔ₄～ｔ₇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。

　また、上記実施形態では、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐ及び燃焼室５内への吸入空気量の推定値等に基づいて、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが推定されている。しかしながら、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ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、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定値が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比から弱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弱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弱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ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵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弱リッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。

＜下流側触媒も用いた制御の説明＞
　また、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に加えて下流側排気浄化触媒２４も設けられている。下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは或る程度の期間毎に行われる燃料カット制御によって最大吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値とされる。このため、たとえ上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスを含んだ排気ガスが流出したとしても、これら未燃ガスは下流側排気浄化触媒２４において酸化浄化される。

　なお、燃料カット制御とは、内燃機関を搭載する車両の減速時等において、クランクシャフトやピストン３が運動している状態であっても、燃料噴射弁１１から燃料の噴射を行わない制御である。この制御を行うと、両排気浄化触媒２０、２４には多量の空気が流入することになる。

　以下、図１６を参照して、下流側排気浄化触媒２４における酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの推移について説明する。図１６は、図１５と同様な図であり、図１５のＮＯｘ濃度の推移に換えて、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃ及び下流側排気浄化触媒２４から流出する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）の濃度の推移を示している。また、図１６に示した例では、図１５に示した例と同一の制御を行っている。

　図１６に示した例では、時刻ｔ₁以前に燃料カット制御が行われている。このため、時刻ｔ₁以前において、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘ近傍の値となっている。また、時刻ｔ₁以前においては、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に保たれる。このため、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは一定に維持される。

　その後、時刻ｔ₁～ｔ₄において、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっている。このため、下流側排気浄化触媒２４には、未燃ガスを含む排気ガスが流入する。

　上述したように、下流側排気浄化触媒２４には多量の酸素が吸蔵されているため、下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス中に未燃ガスが含まれていると、吸蔵されている酸素により未燃ガスが酸化浄化される。また、これに伴って、下流側排気浄化触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃは減少する。ただし、時刻ｔ₁～ｔ₄において上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスはそれほど多くないため、この間の酸素吸蔵量ＯＳＡｕｆｃの減少量はわずかである。このため、時刻ｔ₁～ｔ₄において上流側排気浄化触媒２０から流出する未燃ガスは全て下流側排気浄化触媒２４において還元浄化される。

　時刻ｔ₆以降についても、或る程度の時間間隔毎に時刻ｔ₁～ｔ₄における場合と同様に、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出する。このようにして流出した未燃ガスは基本的に下流側排気浄化触媒２４に吸蔵されている酸素により還元浄化される。したがって、下流側排気浄化触媒２４からは未燃ガスが流出することはほとんどない。上述したように、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することが抑制されることを考えると、本実施形態によれば、下流側排気浄化触媒２４からの未燃ガス及びＮＯｘの排出量が常に少ないものとされる。

＜具体的な制御の説明＞
　次に、図１７及び図１８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１７に示したように、Ａ１～Ａ９の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図１７を参照しながら各機能ブロックについて説明する。

＜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、エアフロメータ３９によって計測される吸入空気流量Ｇａと、クランク角センサ４４の出力に基づいて算出される機関回転数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。

　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、後述する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）。

　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、酸素吸蔵量算出手段Ａ４、目標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。

　酸素吸蔵量算出手段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のセンサ出力電流Ｉｐｕｐに基づいて上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔを算出する。例えば、酸素吸蔵量算出手段Ａ４は、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐに対応する空燃比と理論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酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔを算出する。なお、酸素吸蔵量算出手段Ａ４による上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定は、常時行われていなくてもよい。例えば、目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ実際に切り替えられたとき（図１５における時刻ｔ₃）から、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する（図１５における時刻ｔ₄）までの間のみ酸素吸蔵量を推定してもよい。

　目標空燃比補正量算出手段Ａ５では、酸素吸蔵量算出手段Ａ４によって算出された酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔと、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎ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、空燃比補正量ＡＦＣは、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零（リッチ判定空燃比に相当する値）以下となったときに、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。その後、空燃比補正量ＡＦＣは、酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達するまで、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持される。酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達すると、空燃比補正量ＡＦＣは弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされる。その後、空燃比補正量ＡＦＣは、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零以下となるまで、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。

　目標空燃比設定手段Ａ６は、基準となる空燃比、本実施形態では理論空燃比ＡＦＲに、目標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。したがって、目標空燃比ＡＦＴは、理論空燃比ＡＦＲよりも僅かにリッチである弱リッチ設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈの場合）か、又は理論空燃比ＡＦＲよりある程度りリーンであるリーン設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎの場合）のいずれかとされる。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差算出手段Ａ８に入力される。

　図１８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１８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。空燃比補正量の算出条件が成立している場合とは、例えば燃料カット制御中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。Ｓ１２では、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐ、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎ、燃料噴射量Ｑｉが取得せしめられる。次いでステップＳ１３では、ステップＳ１２で取得された上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐ及び燃料噴射量Ｑｉに基づいて酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが算出される。

　次いでステップＳ１４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Ｓ１４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Ｓ１５へと進む。ステップＳ１５では、下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零以下であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零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ＯＳＡｓｃ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Ｓ１５にて下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零以下であると判定される。この場合には、ステップＳ１６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Ｓ１７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Ｓ１４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Ｓ１８へと進む。ステップＳ１８では、ステップＳ１３で算出された酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも少ないか否かが判定される。酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも少ないと判定された場合にはステップＳ１９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Ｓ１８において酸素吸蔵量の推定値ＯＳＡｅｓｔが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上であると判定されてステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされ、次いで、ステップＳ２１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。

＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
　再び図１７に戻って、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐ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、数値変換手段Ａ７、空燃比差算出手段Ａ８、Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ９が用いられる。

　数値変換手段Ａ７は、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐと、空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐと空燃比との関係を規定したマップ又は計算式とに基づいて、センサ出力電流Ｉｐｕｐに相当する上流側排気空燃比ＡＦｕｐを算出する。したがって、上流側排気空燃比ＡＦｕｐは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比に相当する。

　空燃比差算出手段Ａ８は、数値変換手段Ａ７によって求められた上流側排気空燃比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差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ－ＡＦＴ）。この空燃比差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Ａ９は、空燃比差算出手段Ａ８によって算出された空燃比差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（１）に基づいて燃料供給量の過不足を補償するためのＦ／Ｂ補正量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　　　…（１）

　なお、上記式（１）において、Ｋｐは予め設定された比例ゲイン（比例定数）、Ｋｉは予め設定された積分ゲイン（積分定数）、Ｋｄは予め設定された微分ゲイン（微分定数）である。また、ＤＤＡＦは、空燃比差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比差ＤＡＦと前回更新されていた空燃比差ＤＡＦとの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差ＤＡＦを加算することで算出される（ＳＤＡＦ＝ＤＤＡＦ＋ＤＡＦ）。

　なお、上記実施形態では、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を上流側空燃比センサ４０によって検出している。しかしながら、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の検出精度は必ずしも高い必要はないことから、例えば、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量及びエアフロメータ３９の出力に基づいてこの排気ガスの空燃比を推定するようにしてもよい。

　＜第二実施形態＞
　次に、図１９を参照して、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第二実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、基本的に、第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。しかしながら、本実施形態の制御装置では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間においても、或る程度の時間間隔毎に、空燃比補正量ＡＦＣが短い時間に亘って一時的にリーン空燃比に相当する値（例えば、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ）とされる。すなわち、本実施形態の制御装置では、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比とされている間においても、或る程度の時間間隔毎に、目標空燃比が短い時間に亘って一時的にリーン空燃比とされる。

　図１９は、図１５と同様な図であり、図１９における時刻ｔ₁～ｔ₇は図１５における時刻ｔ₁～ｔ₇と同様な制御タイミングを示している。したがって、図１９に示した制御においても、時刻ｔ₁～ｔ₇の各タイミングにおいては、図１５に示した制御と同様な制御が行われている。加えて、図１９に示した制御では、時刻ｔ₄～ｔ₇の間、すなわち、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間に、複数回に亘って一時的に空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている。

　図１９に示した例では、時刻ｔ₈から短い時間に亘って空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。上述したように空燃比の変化には遅れが生じることから、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は時刻ｔ₉から短い時間に亘ってリーン空燃比とされる。このように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比になると、その間は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが一時的に増大する。

　図１９に示した例では、同様に、時刻ｔ₁₀においても短い時間に亘って空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされる。これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は時刻ｔ₁₁から短い時間に亘ってリーン空燃比とされ、この間は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが一時的に増大する。

　このように、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を一時的に増大させることによって、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを一時的に増大させるか或いは酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少を一時的に低減することができる。このため、本実施形態によれば、時刻ｔ₄において空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから、時刻ｔ₇において下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零（リッチ判定空燃比に相当する値）に到達するまでの時間を長くすることができる。すなわち、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが零近傍となって上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出するタイミングを遅らせることができる。これにより、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出量を減少させることができる。

　なお、上記実施形態では、空燃比補正量ＡＦＣが基本的に弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている間（時刻ｔ₄～ｔ₇）において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとしている。このように一時的に空燃比補正量ＡＦＣを変更する場合には、必ずしも空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに変更する必要はなく、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈよりもリーンであれば如何なる空燃比に変更してもよい。

　また、空燃比補正量ＡＦＣが基本的にリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている間（時刻ｔ₂～ｔ₄）においても、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとしてもよい。この場合も同様に、一時的に空燃比補正量ＡＦＣを変更する場合には、リーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎよりもリッチであれば如何なる空燃比に空燃比補正量ＡＦＣを変更してもよい。

　ただし、本実施形態においても、時刻ｔ₂～ｔ₄における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差が、時刻ｔ₄～ｔ₇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。

　いずれにせよ、第一実施形態及び第二実施形態をまとめて表現すると、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ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量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設定空燃比にする酸素吸蔵量増加手段と、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ以上となったときに、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘに達することなく零に向けて減少するように、目標空燃比を継続的又は断続的に弱リッチ設定空燃比にする酸素吸蔵量減少手段とを具備するといえる。

　＜第三実施形態＞
　次に、図２０を参照して、本発明の第三実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。第三実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成は、基本的に、上記実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。ただし、本実施形態の制御装置では、空燃比センサの基準セルのガス室側電極周りに拡散律速層が設けられる。

　図２０は、第三実施形態の上流空燃比センサ８０及び下流側センサ８１の構成を概略的に示す、図３と同様な断面図である。図２０から分かるように、空燃比センサ８０、８１は、被測ガス室５１内に設けられた基準セル用拡散律速層８２を有する。基準セル用拡散律速層８２は、基準セル６１のガス室側電極５７を囲うように配置される。したがって、ガス室側電極５７は基準セル用拡散律速層８２を介して被測ガス室５１に曝される。

　このように、ガス室側電極５７の周りに基準セル用拡散律速層８２を設けることにより、ガス室側電極５７周りに流入する排気ガスを拡散律速させることができる。ここで、ガス室側電極５７周りに流入する排気ガスを十分に拡散律速させていないと、排気空燃比、センサ印加電圧Ｖｒ及び基準セル出力電流Ｉｒの関係が図７及び図８に示したような傾向になりにくく、その結果、理論空燃比とは異なる空燃比の絶対値を適切に検出することができない場合がある。本実施形態では、基準セル用拡散律速層８２ガス室側電極５７周りに流入する排気ガスを十分に拡散律速させることで、より確実に、理論空燃比とは異なる空燃比の絶対値を検出することができる。

　なお、このように、ガス室側電極５７の周りに基準セル用拡散律速層８２を設けた場合には、被測ガス室５１を画成する拡散律速層６３を必ずしも設けなくてもよい。したがって、拡散律速層６３の替わりに、被測ガス室５１内への排気ガスの流入を制限する層や小孔等を設けてもよい。いずれにせよ、拡散律速層は、排気ガスがその拡散律速層を介してガス室側電極５７に到達するように配置されれば如何なる位置に配置されてもよい。

　なお、本明細書において、排気浄化触媒の酸素吸蔵量は、最大酸素吸蔵量と零との間で変化するものとして説明している。このことは、排気浄化触媒によって更に吸蔵可能な酸素の量が、零（酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量である場合）と最大値（酸素吸蔵量が零である場合）の間で変化することを意味するものである。

　５　　燃焼室
　６　　吸気弁
　８　　排気弁
　１０　　点火プラグ
　１１　　燃料噴射弁
　１３　　吸気枝管
　１５　　吸気管
　１８　　スロットル弁
　１９　　排気マニホルド
　２０　　上流側排気浄化触媒
　２１　　上流側ケーシング
　２２　　排気管
　２３　　下流側ケーシング
　２４　　下流側排気浄化触媒
　３１　　ＥＣＵ
　３９　　エアフロメータ
　４０　　上流側空燃比センサ
　４１　　下流側空燃比センサ

Claims

　内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサのセンサ出力電流に基づいて内燃機関を制御する機関制御装置とを具備する、内燃機関の制御装置において、
　前記空燃比センサは、空燃比の検出対象である排気ガスが流入せしめられる被測ガス室と、該被測ガス室内の排気ガスの空燃比に応じて基準セル出力電流が変化する基準セルと、ポンプ電流に応じて前記被測ガス室内の排気ガスに対して酸素の汲み入れ及び汲み出しを行うポンプセルとを具備し、
　前記基準セルは、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比に応じて基準セル出力電流が零となる印加電圧が変化すると共に、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに当該基準セルにおける印加電圧を増大させるとこれに伴って基準セル出力電流が増大するように構成されており、
　前記空燃比センサによって排気空燃比を検出するときには、前記基準セルにおける印加電圧は一定電圧に固定され、該一定電圧は、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに基準セル出力電流が零となる電圧とは異なる電圧であって且つ前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比であるときに基準セル出力電流が零となる電圧であり、
　前記空燃比センサは、前記基準セル出力電流が零になるようにポンプ電流を制御するポンプ電流制御装置と、該ポンプ電流を前記センサ出力電流として検出するポンプ電流検出装置とを更に具備する、内燃機関の制御装置。
　前記基準セルは、前記被測ガス室内の排気ガスに曝される第一電極と、基準雰囲気に曝される第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に配置された固体電解質層とを具備し、
　前記空燃比センサは、拡散律速層を更に具備し、該拡散律速層は排気ガスが当該拡散律速層を介して前記第一電極に到達するように配置される、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
　前記拡散律速層は、前記被測ガス室内の排気ガスが当該拡散律速層を介して前記第一電極に到達するように配置される、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
　前記基準セルは、各排気空燃比毎に前記基準セル出力電流が限界電流となる電圧領域である限界電流領域を有するように構成されており、
　前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記限界電流領域内の電圧である、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。
　前記基準セルは、各排気空燃比毎に、前記印加電圧と基準セル出力電流との関係について、印加電圧の増大に比例して基準セル出力電流が増大する電圧領域である比例領域と、水の分解が発生したことによって印加電圧の変化に応じて基準セル出力電流が変化する電圧領域である水分解領域と、これら比例領域と水分解領域との間の電圧領域である中間領域とを有するように構成されており、
　前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記中間領域内の電圧である、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。
　前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比よりも１％高いときに基準セル出力電流が零となる電圧と、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも１％低いときに基準セル出力電流が零となる電圧との間の電圧とされる、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。
　前記基準セルは、各排気空燃比毎に、前記印加電圧と基準セル出力電流との関係について、印加電圧が増大するにつれて第一の屈曲点まで基準セル出力電流が増大し、第一の屈曲点から印加電圧が増大するにつれて第二の屈曲点まで基準セル出力電流が増大し、第二の屈曲点から印加電圧が増大するにつれて基準セル出力電流が増大すると共に、第一の屈曲点と第二の屈曲点の間における電圧領域においては他の電圧領域よりも印加電圧の増加量に対する基準セル出力電流の増加量が小さくなるように構成されており、
　前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記第一の屈曲点及び第二の屈曲点との間の電圧とされる、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。
　前記基準セルは、各排気空燃比毎に、印加電圧の増大に伴って基準セル出力電流が増大する電圧領域である電流増大領域と、前記拡散律速層を設けたことにより印加電圧の増加量に対する基準セル出力電流の増加量が前記電流増大領域よりも小さくなる電圧領域である電流微増領域とを有し、
　前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比であるときの前記電流微増領域内の電圧である、請求項２又は３に記載の内燃機関の制御装置。
　前記拡散律速層はアルミナで形成され、
　前記一定電圧が、０．１Ｖ以上０．９Ｖ以下とされる、請求項２又は３に記載の内燃機関の制御装置。
　前記機関制御装置は、前記空燃比センサのセンサ出力電流が零になったときに排気空燃比が理論空燃比とは異なる予め定められた空燃比であると判断する、請求項１～９のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
　前記内燃機関は、前記空燃比センサよりも排気流れ方向上流側において前記排気通路に設けられた酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒を具備し、
　前記一定電圧は、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチである所定のリッチ判定空燃比であるときに前記基準セル出力電流が零になるような電圧とされる、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。
　前記機関制御装置は、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御可能であり、前記空燃比センサのセンサ出力電流が零以下になったときには前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比が理論空燃比よりもリーンとされる、請求項１１に記載の内燃機関の制御装置。
　前記機関制御装置は、前記空燃比センサのセンサ出力電流が零以下となったときに、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量となるまで、前記排気浄化触媒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理論空燃比よりもリーンにする酸素吸蔵量増加手段と、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量が前記所定の吸蔵量以上になったときに、該酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量に達することなく零に向けて減少するように、前記目標空燃比を継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにする酸素吸蔵量減少手段とを具備する、請求項１２に記載の内燃機関の制御装置。
　前記酸素吸蔵量増加手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリーンにされている期間における前記目標空燃比の平均値と理論空燃比との差は、前記酸素吸蔵量減少手段によって継続的又は断続的に理論空燃比よりもリッチにされている期間における前記目標空燃比と理論空燃比との差よりも大きい、請求項１３に記載の内燃機関の制御装置。
　当該内燃機関の制御装置は、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向上流側において機関排気通路に設けられた上流側空燃比センサを具備し、
　前記機関制御装置は上流側空燃比センサの出力に基づ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排気空燃比を制御する、請求項１１～１４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
　前記上流側空燃比センサは、排気空燃比に応じてセンサ出力電流が零となる印加電圧が変化すると共に、排気空燃比が理論空燃比であるときに当該上流側空燃比センサにおける印加電圧を増大させるとこれに伴ってセンサ出力電流が増大するように構成されており、
　前記上流側空燃比センサにおける印加電圧は、前記空燃比センサの印加電圧よりも低い、請求項１５に記載の内燃機関の制御装置。
　前記上流側空燃比センサによって排気空燃比を検出するときには、前記上流側空燃比センサにおける印加電圧は一定電圧に固定され、該一定電圧は、前記被測ガス室内の排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときにセンサ出力電流が零となる電圧とされる、請求項１６に記載の内燃機関の制御装置。