(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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応じ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、ポンプ電流に応じて該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、前記被測ガス室内の空燃比に応じて、検出される基準セル出力電流が変化する基準セルとを具備し、
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、前記基準セルの第一電極と第二電極との間にセンサ印加電圧を印加する基準セル電圧印加装置と、前記基準セルの第一電極と第二電極との間に流れる電流を前記基準セル出力電流として検出する基準セル出力電流検出装置と、前記基準セル出力電流検出装置によって検出された基準セル出力電流が目標電流値になるようにポンプセルで流れる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具備し、
前記ポンプ電流制御装置における目標電流は零である、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
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、前記基準セルの第一電極が当該拡散律速層を介して被測ガス室内の排気ガスに曝され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。
【請求項３】
前記空燃比センサは前記第二電極が曝された大気室を更に具備し、前記基準雰囲気は大気であり、該大気室は大気を導入できるように構成される、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記ポンプセルは、前記被測ガス室内の排気ガスに曝される第三電極と、前記空燃比センサ周りの排気ガスに曝される第四電極と、前記第三電極と前記第四電極との間に配置された固体電解質層とを具備し、前記ポンプ電流制御装置は、前記ポンプセルの固体電解質層を介して前記第三電極と第四電極との間で流れるポンプ電流を制御する、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。
【請求項５】
前記基準セルは、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ようなセンサ印加電圧が変化すると共に、該排気ガスが理論空燃比であるときに当該基準セルにおけるセンサ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、
前記基準セルにおけるセンサ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である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
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、
前記機関制御装置は、前記空燃比センサのセンサ出力電流が理論空燃比よりも低いリッチ判定空燃比に対応するリッチ判定基準値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５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記基準セルは、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ようなセンサ印加電圧が変化すると共に、該排気ガスが理論空燃比であるときに当該基準セルにおけるセンサ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、
前記基準セルにおけるセンサ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る、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
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７に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
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７又は８に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
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９に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。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（例えば、特許文献１〜６を参照）。【０００３】
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の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）。【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５７５８９号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１０９６号公報
【特許文献３】特開２００４−２５８０４３号公報
【特許文献４】特開２０００−３５６６１８号公報
【特許文献５】特開平４−２０４３７０号公報
【特許文献６】特開昭５８−１５３１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、１セル型の空燃比センサと２セル型の空燃比センサとを比較する。いずれの空燃比センサにおいても、固体電解質層は直接的に又は間接的に排気ガスに曝されることから、経年劣化により固体電解質層の内部抵抗は変化する。また、固体電解質層の内部抵抗はその温度によって変動することから、固体電解質層の温度制御が正確に行われない場合にも固体電解質層の内部抵抗は変化する。【０００７】
１セル型の空燃比センサでは、排気空燃比が同一であっても固体電解質層の内部抵抗が変化するとその出力電流が変化する。このため、温度制御を高精度で行わないと空燃比の検出精度が低下してしまううえ、温度制御を高精度で行っても経年劣化により空燃比の検出精度が低下する。これに対して、２セル型の空燃比センサのポンプセルでは、ポンプ電流と被測ガス室内への酸素の汲み入れ流量及び汲み出し流量との関係は内部抵抗が変化しても一定である。このため、ポンプセルについては、内部抵抗が変化しても出力に影響はない。また、基準セルについては、内部抵抗によって変化しない起電力のみを検出しているため、内部抵抗が変化しても出力に影響はない。したがって、２セル型の空燃比センサでは、１セル型の空燃比センサと比べて、経年劣化や温度の制御不良によって内部抵抗が変化しても高い精度で空燃比の検出を行うことができる。【０００８】
図２は、２セル型の空燃比センサ及び１セル型の空燃比センサにおける出力特性を示す図である。図２（Ｂ）は、１セル型の空燃比センサにおいて、セルを構成する電極間に印加する電圧Ｖｒと出力電流Ｉｒとの関係を示す。図２（Ｂ）からわかるように、排気空燃比に応じて限界電流（印加電圧を変化させても出力電流がほとんど変化しないときの出力電流）が生じる電圧領域は変化する。このため、印加電圧を一定（例えば、図中の一点鎖線）にしていると、検出可能な空燃比の範囲は限られてしまう。一方、広範囲に亘って空燃比を検出するためには出力電流に応じて印加電圧を変更する必要があるが（例えば、図中の二点鎖線）、このような制御は複雑であり、また、事前にセンサ毎に限界電流の生じる電圧領域を測定しなければならない。【０００９】
一方、図２（Ａ）は、２セル型の空燃比センサにおいて、ポンプ電流を設定する際の目標電圧値Ｖｔと、ポンプ電流（出力電流）Ｉｐとの関係を示す。図２（Ａ）からわかるように、排気空燃比に関わらずに限界電流が生じる電圧領域はほぼ一定である。このため、目標電圧値を一定にしておけば、広い範囲で空燃比の検出を行うことができる。このように、２セル型の空燃比センサによれば、１セル型の空燃比センサに比べて、広範囲で空燃比の検出を行うことができる。
【００１０】
一方、２セル型の空燃比センサでは、被測ガス室内の排気ガス中の酸素濃度と大気中の酸素濃度との比に応じて起電力が生じる基準セルを用いている。この基準セルでは、排気空燃比がリッチからリーンに変化したときと、リーンからリッチに変化したときとで空燃比と出力電圧との関係が変化する。【００１１】
図３は、基準セルにおける空燃比と検出電圧（起電力）との関係を示した図である。図３に実線「リッチ→リーン」で示したように、空燃比を理論空燃比よりもリッチ（以下、「リッチ空燃比」ともいう）から理論空燃比よりもリーン（以下、「リーン空燃比」ともいう）に変化させたときには、実際の空燃比がリーン空燃比になった場合でも暫くは起電力は高い状態を維持する。一方、図３に実線「リーン→リッチ」で示したように、空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に変化させたときには、実際の空燃比がリッチ空燃比になった場合でも暫くは起電力は低い状態を維持する。このように、基準セルは、空燃比の変化の方向に応じてヒステリシスを有する。このように基準セルがヒステリシスを有するのは、電極上での未燃ガスや酸素の反応性が低いことによるものであり、実際には空燃比に対して起電力が遅れて追従することによるものである。【００１２】
このように基準セルにヒステリシスがある結果、図４に示したように、２セル型空燃比センサの出力電流（ポンプ電流）は、同一の空燃比に対して、空燃比がリッチ方向に変化したとき（すなわち、相対的にリーンな状態からリッチな状態に変化したとき）と、空燃比がリーン方向に変化したとき（すなわち、相対的にリッチな状態からリーンな状態に変化したとき）とで異なるものとなってしまう。【００１３】
また、図３中の実線は、排気ガス中に含まれる成分をＣＯ、ＮＯとした場合、破線は、排気ガス中に含まれる成分をＣＯ、Ｏ2とした場合をそれぞれ示している。図３からわかるように、実線と破線との間でずれが生じており、基準セルにおいては排気ガス中の成分に応じて空燃比と起電力との関係が変わってしまうといえる。このように、排気ガス中に含まれる成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2等）の組成に応じて空燃比と起電力との関係が変化するのは、排気ガス中の成分毎に基準セルの電極上での反応性が異なり、その結果、排気ガス中の成分毎に応答性が異なることによるものである。この結果、２セル型の空燃比センサでは、排気空燃比が同一であっても、排気ガス中の成分の組成に応じて出力電流（ポンプ電流）が変化する場合がある。【００１４】
したがって、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、従来の１セル型空燃比センサ及び２セル型空燃比センサのいずれの欠点も克服した空燃比センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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応じ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、ポンプ電流に応じて該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、前記被測ガス室内の空燃比に応じて、検出される基準セル出力電流が変化する基準セルとを具備し、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、前記基準セルの第一電極と第二電極との間にセンサ印加電圧を印加する基準セル電圧印加装置と、前記基準セルの第一電極と第二電極との間に流れる電流を前記基準セル出力電流として検出する基準セル出力電流検出装置と、前記基準セル出力電流検出装置によって検出された基準セル出力電流が目標電流値になるようにポンプセルで流れる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具備し、前記ポンプ電流制御装置における目標電流は零である、内燃機関の制御装置が提供される。【００１６】
第２の発明では、第１の発明において、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、前記基準セルの第一電極が当該拡散律速層を介して被測ガス室内の排気ガスに曝されるように配置される。【００１７】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記空燃比センサは前記第二電極が曝された大気室を更に具備し、前記基準雰囲気は大気であり、該大気室は大気を導入できるように構成される。【００１８】
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、前記ポンプセルは、前記被測ガス室内の排気ガスに曝される第三電極と、前記空燃比センサ周りの排気ガスに曝される第四電極と、前記第三電極と前記第四電極との間に配置された固体電解質層とを具備し、前記ポンプ電流制御装置は、前記ポンプセルの固体電解質層を介して前記第三電極と第四電極との間で流れるポンプ電流を制御する。【００１９】
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記基準セルは、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ようなセンサ印加電圧が変化すると共に、該排気ガスが理論空燃比であるときに当該基準セルにおけるセンサ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、前記基準セルにおけるセンサ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である。【００２０】
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、前記機関制御装置は、前記空燃比センサのセンサ出力電流が理論空燃比よりも低いリッチ判定空燃比に対応するリッチ判定基準値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。【００２１】
第７の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記基準セルは、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ようなセンサ印加電圧が変化すると共に、該排気ガスが理論空燃比であるときに当該基準セルにおけるセンサ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、前記基準セルにおけるセンサ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る。【００２２】
第８の発明では、第７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。【００２３】
第９の発明では、第７又は第８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。【００２４】
第１０の発明では、第９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。【００２５】
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、従来の１セル型空燃比センサ及び２セル型空燃比センサのいずれの欠点も克服した空燃比センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、２セル型の空燃比センサ及び１セル型の空燃比センサにおける出力特性を示す図である。
【図３】図３は、従来の基準セルにおける空燃比と検出電圧（起電力）との関係を示した図である。
【図４】図４は、従来の２セル型の空燃比センサにおける空燃比とセンサ出力電流との関係を示す図である。
【図５】図５は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図６】図６は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
【図７】図７は、空燃比センサの出力特性を示す図である。
【図８】図８は、基準セルの動作を概略的に示した図である。
【図９】図９は、基準セルの出力特性を示す図である。
【図１０】図１０は、基準セル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１１】図１１は、上流側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１２】図１２は、本発明の制御装置における機能ブロック図を示す図である。
【図１３】図１３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１４】図１４は、基準セル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した図である。
【図１５】図１５は、排気空燃比と基準セル出力電流との関係を示した図である。
【図１６】図１６は、空燃比センサの基準セル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１７】図１７は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ等のタイムチャートを示す、図１１と同様な図である。
【図１８】図１８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５と同様な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
＜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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
＜空燃比センサの構成＞
次に、図５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５は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図５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。
【００３６】
図５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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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５５、５６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。
【００４５】
＜空燃比センサの動作＞
次に、図６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６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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
一方、本実施形態の基準セル６１は、上述したような第二固体電解質層５４の性質により、後述するメカニズムに基づいて、被測ガス室５１内の排気空燃比が理論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る。一方、被測ガス室５１内の排気空燃比がリッチ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負電流となり、その大きさは理論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ーン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正電流となり、その大きさは理論空燃比からの差に比例する。
【００５０】
空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには、図６（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間には理論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。
【００５１】
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。
【００５２】
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内は基本的にほぼ理論空燃比に保たれることになる。
【００５３】
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。
【００５４】
一方、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、図６（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間には理論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。
【００５５】
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。
【００５６】
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内は基本的にほぼ理論空燃比に保たれることになる。
【００５７】
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。
【００５８】
また、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比のときには、図６（Ｃ）に示したように、被測ガス室５１内に拡散律速層６３を介して理論空燃比の排気ガスが流入する。このように理論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。
【００５９】
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内は基本的にほぼ理論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理論空燃比であることがわかる。
【００６０】
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図７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、排気空燃比が理論空燃比であ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。
【００６１】
＜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内の排気空燃比が理論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内の排気空燃比が理論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８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８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５及び図８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。なお、本実施形態では、両空燃比センサ４０、４１におけるセンサ印加電圧Ｖｒは同一の電圧となっている。
【００６２】
被測ガス室５１内の排気空燃比が理論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８（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。
【００６３】
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。
【００６４】
一方、被測ガス室５１内の排気空燃比が理論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に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８（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。
【００６５】
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。
【００６６】
また、被測ガス室５１内の排気空燃比が理論空燃比のときには、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８（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。
【００６７】
＜空燃比センサの作用効果＞
このように構成された基準セル６１は、図９に示した出力特性を有する。すなわち、基準セル６１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）、基準セル出力電流Ｉｒが大きくなる。加えて、基準セル６１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が零になるように構成される。
【００６８】
また、基準セル６１では、電極５７、５８間にセンサ印加電圧Ｖｒを印加しているため、ガス室側電極５７及び基準側電極５８上で酸化反応や還元反応が強制的に行われる。このため、被測ガス室５１内に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化するときであっても、リーン空燃比からリッチ空燃比に変化するときであっても、被測ガス室５１内の排気ガスが同一であれば電極５７、５８間に流れる基準セル出力電流Ｉｒは同一となる。この結果、従来の２セル型空燃比センサにおいて生じていたヒステリシスの問題が生じない。
【００６９】
加えて、基準セル６１では、電極５７、５８間にセンサ印加電圧Ｖｒを印加しているため、ガス室側電極５７での反応が促進され、よって排気ガス中の各成分はその反応性にかかわらず強制的に酸化又は還元せしめられる。このため、ガス室側電極５７上での酸化反応及び還元反応が、排気ガス中に含まれる成分の組成の影響を受けにくくなり、排気ガス中の異なる成分であってもほぼ同一の応答性で反応する。この結果、従来の２セル型空燃比センサにおいて生じていた排気ガス中の成分の組成に応じた反応性に関する問題が生じない。
【００７０】
すなわち、本実施形態の空燃比センサ４０、４１によれば、従来の２セル型空燃比センサにおいて生じていた問題を解決することができる。加えて、本実施形態の空燃比センサ４０、４１は、２セル側の空燃比センサであるため、従来の１セル型の空燃比センサで生じていた問題が生じない。すなわち、空燃比センサ４０、４１では、経年劣化に伴う内部抵抗の変化により出力電流が変化することはなく、また広い範囲で空燃比の検出を行うことができる。したがって、本実施形態の空燃比センサ４０、４１によれば、従来の１セル型の空燃比センサ及び２セル型の空燃比センサに生じていた欠点を全て克服することができる。
【００７１】
＜電圧印加装置及び電流検出装置の回路＞
図１０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。
【００７２】
図１０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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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１０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。
【００７６】
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１０に示した抵抗の値である。
【００７７】
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。
【００７８】
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１０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。
【００７９】
＜空燃比制御の概要＞
次に、上述したような空燃比センサ４０、４１を用いて本発明の内燃機関の制御装置によって行われ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。
【００８０】
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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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。ここで、リッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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リッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）に相当する値である。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。
【００８１】
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が再びリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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。
【００８２】
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。
【００８３】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
図１１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１１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。
【００８４】
なお、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。下流側空燃比センサ４１のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎ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に応じて、上流側空燃比センサ４０のセンサ出力電流Ｉｐｕｐと同様に変化する。また、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。
【００８５】
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で浄化されるため、下流側空燃比センサのセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎはほぼ０（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。
【００８６】
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。
【００８７】
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リッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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。
【００８８】
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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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理論空燃比よりも僅かにリッチな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が零（理論空燃比に相当）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。
【００８９】
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。
【００９０】
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０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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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リッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
なお、上記実施形態では、時刻ｔ4〜ｔ7において空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに固定しているが、この間においても一時的に空燃比補正量ＡＦＣを理論空燃比又はリーン空燃比としてもよい。同様に、上記実施形態では、時刻ｔ1〜ｔ4において空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに固定しているが、この間においても一時的に空燃比補正量ＡＦＣを理論空燃比又はリッチ空燃比としてもよい。
【０１０４】
＜具体的な制御の説明＞
次に、図１２及び図１３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１２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１２を参照しながら各機能ブロックについて説明する。
【０１０５】
＜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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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）。
【０１０８】
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。
【０１０９】
＜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。
【０１１０】
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１０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１０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。
【０１１１】
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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ（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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ（リッチ判定空燃比に相当する値）となるまで、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。
【０１１２】
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よりもある程度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。
【０１１３】
図１３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。
【０１１４】
図１３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。
【０１１５】
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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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。
【０１１６】
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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
再び図１２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。
【０１１９】
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（例えば、図５に示したようなマップ）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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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）
【０１２２】
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）。
【０１２３】
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。
【０１２４】
＜第二実施形態＞
次に、図１４〜図１７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、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。しかしながら、上記実施形態では、上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサでは同一のセンサ印加電圧が印加されていたのに対して、本実施形態では、これら空燃比センサ７５、７６の間で異なるセンサ印加電圧が印加される。
【０１２５】
＜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、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１４及び図１５のようになる。
【０１２６】
図１４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１４からわかるように、限界電流領域（印加電圧を変化させても基準セル出力電流がほとんど変化しない電圧領域）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。
【０１２７】
図１５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１５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０より大きくなり、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０より小さくなる。
【０１２８】
加えて、図１５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。
【０１２９】
ここで、図９における傾き、すなわち、基準セルにおける、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。
【０１３０】
この様子を図１６に示す。図１６は、空燃比センサの基準セル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。例えば図１６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同一型式の基準セルを用いても、使用したセンサや使用期間等によって、図１６に破線Ｂで示したように基準セル出力電流変化率が小さくなったり、一点鎖線Ｃで示したように基準セル出力電流変化率が大きくなったりする。
【０１３１】
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、基準セルの基準セル出力電流は異なるものとなってしまう。例えば、基準セルが実線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基準セル出力電流は、Ｉ2になる。しかしながら、基準セルが破線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基準セル出力電流は、それぞれＩ1及びＩ3となり、上述したＩ2とは異なる基準セル出力電流となってしまう。
【０１３２】
しかしながら、図１６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１６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１６の例では理論空燃比）は一定である。
【０１３３】
そして、図１５を用いて説明したように、空燃比センサ７５、７６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７５、７６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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
なお、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。
【０１３６】
ここで、図１４に示したように、空燃比センサ７５、７６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。本実施形態では、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。
【０１３７】
＜各空燃比センサにおける印加電圧＞
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７５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７５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が零となるような電圧（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７５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。
【０１３８】
一方、下流側空燃比センサ７６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７１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７６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７６におけるセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが上流側空燃比センサ７５におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐよりも高い電圧とされる。
【０１３９】
したがって、両空燃比センサ７５、７６に接続されたＥＣＵ３１は、上流側空燃比センサ７５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７５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７６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７６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。
【０１４０】
＜第二実施形態における空燃比制御＞
第二実施形態における空燃比制御は、基本的に上記実施形態における空燃比制御と同様である。しかしながら、第一実施形態では、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がリッチ判定基準値Ｉｒｅｆ以下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ている。これに対して、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が零以下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ている。
【０１４１】
図１７は、図１１と同様な図であり、本実施形態における制御を行った場合の上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ等のタイムチャートである。以下では、図１１における制御と異なる部分についてのみ説明する。
【０１４２】
図１７から分かるように、時刻ｔ1以前、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理論空燃比である場合、下流側空燃比センサ７６のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎは零よりも大きな値となっている。その後、時刻ｔ1から上流側排気浄化触媒２０に流入した排気ガス中の未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これに伴って、下流側空燃比センサ７６のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎは零に向かって小さくなり、時刻ｔ2において零となる。本実施形態では、下流側空燃比センサ７６のセンサ出力電流Ｉｐｄｗｎが零以下になると、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がリーン設定空燃比に相当する値ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後の制御は、基本的に、図１１に示した例と同様である。
【０１４３】
本実施形態によれば、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１６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出力電流に誤差が生じると、上流側排気浄化触媒２０から流出する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。
【０１４４】
＜第三実施形態＞
次に、図１８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。
【０１４５】
図１８は、第三実施形態の上流側空燃比センサ８０及び下流側空燃比センサ８１の構成を概略的に示す、図５と同様な断面図である。図１８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。
【０１４６】
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１４及び図１５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によりガス室側電極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。
【０１４７】
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。
【符号の説明】
【０１４８】
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
【図１】
0005958561.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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