(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出装置と、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該排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御装置とを具備する、内燃機関の制御装置において、
前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比がリッチ空燃比になったときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンのリーン設定空燃比まで変化させる空燃比リーン切替手段と、
該空燃比リーン切替手段によって空燃比を変化させた後であって前記下流側空燃比検出装置によって検出される排気空燃比がリーン空燃比になる前に前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリーン空燃比に変化させるリーン度合い低下手段と、
前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比がリーン空燃比になったときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチのリッチ設定空燃比まで変化させる空燃比リッチ切替手段と、
該空燃比リッチ切替手段によって空燃比を変化させた後であって前記下流側空燃比検出装置によって検出される排気空燃比がリッチ空燃比になる前に前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリッチ空燃比に変化させるリッチ度合い低下手段とを具備する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記リーン度合い低下手段は、前記目標空燃比を変化させるときには、該目標空燃比を前記リーン設定空燃比から、該リーン設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さい所定のリーン空燃比へ、ステップ状に切り替える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記リッチ度合い低下手段は、前記目標空燃比を変化させるときには、該目標空燃比を前記リッチ設定空燃比から、該リッチ設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さい所定のリッチ空燃比へ、ステップ状に切り替える、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記リーン度合い低下手段は、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比が理論空燃比に収束した後に前記目標空燃比を変化させる、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】
前記リッチ度合い低下手段は、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比が理論空燃比に収束した後に前記目標空燃比を変化させる、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】
前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、
前記リーン度合い低下手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない予め定められた吸蔵量以上となったときに前記目標空燃比を変化させる、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７】
前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、
前記リッチ度合い低下手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が零よりも多い予め定められた吸蔵量以下となったときに前記目標空燃比を変化させる、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】
前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を検出する上流側空燃比検出装置を更に具備し、
前記酸素吸蔵量推定手段は、前記上流側空燃比検出装置によって検出された空燃比及び前記内燃機関の吸入空気量に基づいて、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比である場合に対して過剰となる未燃ガス又は不足する未燃ガスの流量を算出する流入未燃ガス過不足流量算出手段と、
前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比及び前記内燃機関の吸入空気量に基づいて、前記排気浄化触媒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に対して過剰となる未燃ガス又は不足する未燃ガスの流量を算出する流出未燃ガス過不足流量算出手段と、
前記流入未燃ガス過不足流量算出手段によって算出された過不足な未燃ガスの流量と前記流出未燃ガス過不足流量算出手段によって算出された過不足な未燃ガスの流量と基づいて前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を算出する吸蔵量算出手段とを具備する、請求項６又は７に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記空燃比リーン切替手段によって目標空燃比をリーン設定空燃比に変化させてから前記空燃比リッチ切替手段によって目標空燃比を最大リッチ空燃比に変化させるまでの間に前記吸蔵量算出手段において算出された前記酸素吸蔵量と、前記空燃比リッチ切替手段によって目標空燃比をリッチ設定空燃比に変化させてから前記空燃比リーン切替手段によって目標空燃比をリーン設定空燃比に変化させるまでの間に前記吸蔵量算出手段において算出された前記酸素吸蔵量とに基づいて、前記目標空燃比に対して実際に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比のずれを補正するための空燃比ずれ量学習値を算出する学習値算出手段を更に具備し、
前記空燃比制御装置は、前記学習値算出手段によって算出された空燃比ずれ量学習値に基づいて、前記空燃比リーン切替手段、前記リーン度合い低下手段、前記空燃比リッチ切替手段及び前記リッチ度合い低下手段によって設定された目標空燃比を補正する、請求項８に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記空燃比リーン切替手段は、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比となったときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比がリッチ空燃比になったと判断し、
前記空燃比リッチ切替手段は、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比となったときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比がリーン空燃比になったと判断する、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。
【請求項１１】
前記下流側空燃比検出装置は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記リッチ判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧が印加され、
前記空燃比リーン切替手段は、前記出力電流が零以下となったときに排気空燃比がリッチ空燃比になったと判断する、請求項１０に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記下流側空燃比検出装置は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記リーン判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧が印加され、 前記空燃比リッチ切替手段は、前記出力電流が零以上となったときに排気空燃比がリーン空燃比になったと判断する、請求項１０に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記下流側空燃比検出装置は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記リッチ判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧と排気空燃比が前記リーン判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧とが交互に印加される、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１４】
前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を検出する上流側空燃比検出装置を更に具備し、
前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記目標空燃比になるように前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料又は空気の量を制御する、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。
【請求項１５】
前記上流側空燃比検出装置及び下流側空燃比検出装置は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、前記上流側空燃比検出装置における印加電圧と前記下流側空燃比検出装置における印加電圧とは異なる値とされる、請求項１４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１６】
前記下流側空燃比検出装置よりも排気流れ方向下流側において排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒を更に具備する、請求項１〜１５のいずれか１項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（例えば、特許文献１〜９を参照）。【０００３】
このうち、特許文献１〜４に記載の内燃機関では、排気通路内に設けられた酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒が用いられる。酸素吸蔵能力を有する排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が上限吸蔵量と下限吸蔵量との間の適当な量であるときには、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）やＮＯｘ等を浄化できる。すなわち、排気浄化触媒に理論空燃比よりもリッチ側の空燃比（以下、「リッチ空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素により排気ガス中の未燃ガスが酸化浄化される。逆に、排気浄化触媒に理論空燃比よりもリーン側の空燃比（以下、「リーン空燃比」ともいう）の排気ガスが流入すると、排気ガス中の酸素が排気浄化触媒に吸蔵される。これにより、排気浄化触媒表面上で酸素不足状態となり、これに伴って排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。その結果、排気浄化触媒は、酸素吸蔵量が適当な量である限り、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比に関わらず、排気ガスを浄化することができる。【０００４】
そこで、特許文献１〜４に記載の制御装置では、排気浄化触媒における酸素吸蔵量を適切な量に維持すべく、排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に空燃比センサを設け、排気流れ方向下流側に酸素センサを設けるようにしている。これらセンサを用いて、制御装置は、上流側の空燃比センサの出力に基づいてこの空燃比センサの出力が目標空燃比に相当する目標値となるようにフィードバック制御を行う。加えて、下流側の酸素センサの出力に基づいて上流側の空燃比センサの目標値を補正する。なお、以下の説明では、排気流れ方向上流側を単に「上流側」と称し、排気流れ方向下流側を単に「下流側」と称する場合もある。【０００５】
例えば、特許文献１に記載の制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上であって、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態であるときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下であって、排気浄化触媒の状態が酸素過剰状態であるときには、目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、酸素不足状態又は酸素過剰状態にあるときに、排気浄化触媒の状態を速やかにこれら両状態の中間の状態（すなわち、排気浄化触媒に適当な量の酸素が吸蔵されている状態）に戻すことができるとされている。【０００６】
加えて、上記制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値と低側閾値との間にある場合、酸素センサの出力電圧が増大傾向にあるときには目標空燃比がリーン空燃比とされる。逆に、酸素センサの出力電圧が減少傾向にあるときには目標空燃比がリッチ空燃比とされる。特許文献１によれば、これにより、排気浄化触媒の状態が酸素不足状態又は酸素過剰状態となることを未然に防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−０６９３３７号公報
【特許文献２】特開平８−２３２７２３号公報
【特許文献３】特開２００９−１６２１３９号公報
【特許文献４】特開２００１−２３４７８７号公報
【特許文献５】特開平８−３１２４０８号公報
【特許文献６】特開平６−１２９２８３号公報
【特許文献７】特開２００５−１４００００号公報
【特許文献８】特開２００３−０４９６８１号公報
【特許文献９】特開２０００−３５６６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図２に、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２（Ａ）は、排気浄化触媒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、酸素吸蔵量と排気浄化触媒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２（Ｂ）は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときの、酸素吸蔵量と排気浄化触媒から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度との関係を示す。【０００９】
図２（Ａ）からわかるように、排気浄化触媒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、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比（すなわち、排気浄化触媒に流入する排気ガスが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、排気浄化触媒から流出する排気ガス中にはほとんどＮＯｘは含まれない。【００１０】
しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が多くなると、排気浄化触媒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、排気浄化触媒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２（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排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度が急激に上昇する。【００１１】
一方、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が多いときには、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比（すなわち、排気ガスがＨＣやＣＯ等の未燃ガスを含む）であると、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素が放出される。このため、排気浄化触媒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２（Ｂ）からわかるように、排気浄化触媒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。【００１２】
しかしながら、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が少なくなると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、排気浄化触媒から放出される酸素が少なくなり、これに伴って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２（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排気浄化触媒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。【００１３】
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未燃ガス濃度及びＮＯｘ濃度とは上述したような関係を有する。ここで、特許文献１に記載された制御装置では、下流側の酸素センサの出力電圧が高側閾値以上である場合、すなわち下流側酸素センサによって検出された排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）が高側閾値に対応する下限空燃比以下となったときには、目標空燃比が所定のリーン空燃比（以下、「設定リーン空燃比」という）に切り替えられて、その後その空燃比に固定される。一方、下流側の酸素センサの出力電圧が低側閾値以下である場合、すなわち下流側酸素センサによって検出された排気空燃比が低側閾値に対応する上限空燃比以上となったときには、目標空燃比が所定のリッチ空燃比（以下、「設定リッチ空燃比」という）に切り替えられて、その後その空燃比に固定される。【００１４】
ここで、下流側酸素センサによって検出された排気空燃比が高側閾値に対応する下限空燃比以下となったときには、排気浄化触媒から或る程度の未燃ガスが流出している。このため、設定リーン空燃比の理論空燃比からの差、すなわちリーン度合いを大きく設定すると、排気浄化触媒からの未燃ガスの流出を迅速に抑制することができる。しかしながら、設定リーン空燃比のリーン度合いを大きく設定すると、その後、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が急激に増大して排気浄化触媒からＮＯｘが流出するまでの期間が短くなる上、排気浄化触媒からＮＯｘが流出するときのＮＯｘの流出量が多くなってしまう。【００１５】
一方、設定リーン空燃比のリーン度合いを小さく設定すると、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を緩やかに増加させることができ、よって排気浄化触媒からＮＯｘが流出するまでの時間を長くすることができる。加えて、排気浄化触媒からＮＯｘが流出するときのＮＯｘの流出量を少量にすることができる。しかしながら、設定リーン空燃比のリーン度合いを小さく設定した場合には、下流側酸素センサによって検出された排気空燃比が下限空燃比以下となって目標空燃比を設定リッチ空燃比から設定リーン空燃比に切り替えた際に、排気浄化触媒からの未燃ガスの流出を迅速に抑制することができなくなる。【００１６】
また、下流側酸素センサによって検出された排気空燃比が低側閾値に対応する上限空燃比以上となったときには、排気浄化触媒からある程度のＮＯｘが流出している。このため、設定リッチ空燃比の理論空燃比からの差、すなわちリッチ度合いを大きく設定すると、排気浄化触媒からのＮＯｘの流出を迅速に抑制することができる。しかしながら、設定リッチ空燃比のリッチ度合いを大きく設定すると、その後、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が急激に減少して排気浄化触媒から未燃ガスが流出するまでの期間が短くなる上、排気浄化触媒から未燃ガスが流出するときの未燃ガスの流出量が多くなってしまう。【００１７】
一方、設定リッチ空燃比のリッチ度合いを小さく設定すると、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を緩やかに減少させることができ、よって排気浄化触媒から未燃ガスが流出するまでの時間を長くすることができる。加えて、排気浄化触媒から未燃ガスが流出するときの未燃ガスの流出量を少量にすることができる。しかしながら、設定リッチ空燃比のリッチ度合いを小さく設定した場合には、下流側酸素センサによって検出された排気空燃比が上限空燃比以上となって目標空燃比を設定リーン空燃比から設定リッチ空燃比に切り替えた際に、排気浄化触媒からのＮＯｘの流出を迅速に抑制することができなくなる。【００１８】
加えて、特許文献１に記載の制御装置では、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に酸素センサを用いている。酸素センサにおける排気空燃比と出力電圧との関係は、基本的に、図３に破線で示したような関係となる。すなわち、起電力は、理論空燃比近傍で大きく変化し、排気空燃比がリッチ空燃比になると起電力が高くなり、逆に、排気空燃比がリーン空燃比になると起電力が低くなる。【００１９】
ところが、酸素センサでは、センサの電極上において未燃ガスや酸素等の反応性が低いことにより、実際の排気空燃比が同一であっても空燃比の変化の方向に応じて起電力が異なる値となる。換言すると、酸素センサは、排気空燃比の変化の方向に応じてヒステリシスを有する。図３はその様子を示しており、実線Ａは空燃比をリッチ側からリーン側へと変化させたときの関係、実線Ｂは空燃比をリーン側からリッチ側へと変化させたときの関係をそれぞれ示している。【００２０】
このため、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に酸素センサを配置した場合には、実際の排気空燃比が或る程度理論空燃比からリッチ側へ変化してから初めて酸素センサによってリッチ空燃比が検出される。同様に、実際の排気空燃比がある程度理論空燃比からリーン側へ変化してから初めて酸素センサによってリーン空燃比が検出される。すなわち、下流側に酸素センサを配置した場合には、実際の排気空燃比に対して応答性が低い。このように、下流側の酸素センサの応答性が低いと、排気浄化触媒から或る程度ＮＯｘが流出してから目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えることになり、また、排気浄化触媒から或る程度未燃ガスが流出してから目標空燃比をリーン空燃比に切り替えることになる。【００２１】
このように、特許文献１に記載の制御装置によれば、排気浄化触媒から流出する未燃ガスやＮＯｘを十分に低減することはできていなかった。【００２２】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、排気浄化触媒から流出する未燃ガスやＮＯｘを十分に低減することができる、内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に前記排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出装置と、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該排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御装置とを具備する、内燃機関の制御装置において、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比がリッチ空燃比になったときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンのリーン設定空燃比まで変化させる空燃比リーン切替手段と、該空燃比リーン切替手段によって空燃比を変化させた後であって前記下流側空燃比検出装置によって検出される排気空燃比がリーン空燃比になる前に前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリーン空燃比に変化させるリーン度合い低下手段と、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比がリーン空燃比になったときに、前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチのリッチ設定空燃比まで変化させる空燃比リッチ切替手段と、該空燃比リッチ切替手段によって空燃比を変化させた後であって前記下流側空燃比検出装置によって検出される排気空燃比がリッチ空燃比になる前に前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリッチ空燃比に変化させるリッチ度合い低下手段とを具備する、内燃機関の制御装置が提供される。【００２４】
第２の発明では、第１の発明において、前記リーン度合い低下手段は、前記目標空燃比を変化させるときには、該目標空燃比を前記リーン設定空燃比から、該リーン設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さい所定のリーン空燃比へ、ステップ状に切り替える。【００２５】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記リッチ度合い低下手段は、前記目標空燃比を変化させるときには、該目標空燃比を前記リッチ設定空燃比から、該リッチ設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さい所定のリッチ空燃比へ、ステップ状に切り替える。【００２６】
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、前記リーン度合い低下手段は、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比が理論空燃比に収束した後に前記目標空燃比を変化させる。【００２７】
第５の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、前記リッチ度合い低下手段は、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比が理論空燃比に収束した後に前記目標空燃比を変化させる。【００２８】
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、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、前記リーン度合い低下手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が最大酸素吸蔵量よりも少ない予め定められた吸蔵量以上となったときに前記目標空燃比を変化させる。【００２９】
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、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を推定する酸素吸蔵量推定手段を更に具備し、前記リッチ度合い低下手段は、前記酸素吸蔵量推定手段によって推定された酸素吸蔵量が零よりも多い予め定められた吸蔵量以下となったときに前記目標空燃比を変化させる。【００３０】
第８の発明では、第６又は第７の発明において、前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を検出する上流側空燃比検出装置を更に具備し、前記酸素吸蔵量推定手段は、前記上流側空燃比検出装置によって検出された空燃比及び前記内燃機関の吸入空気量に基づいて、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比である場合に対して過剰となる未燃ガス又は不足する未燃ガスの流量を算出する流入未燃ガス過不足流量算出手段と、前記下流側空燃比検出装置によって検出された空燃比及び前記内燃機関の吸入空気量に基づいて、前記排気浄化触媒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に対して過剰となる未燃ガス又は不足する未燃ガスの流量を算出する流出未燃ガス過不足流量算出手段と、前記流入未燃ガス過不足流量算出手段によって算出された過不足な未燃ガスの流量と前記流出未燃ガス過不足流量算出手段によって算出された過不足な未燃ガスの流量と基づいて前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量を算出する吸蔵量算出手段とを具備する。【００３１】
第９の発明では、第８の発明において、前記空燃比リーン切替手段によって目標空燃比をリーン設定空燃比に変化させてから前記空燃比リッチ切替手段によって目標空燃比を最大リッチ空燃比に変化させるまでの間に前記吸蔵量算出手段において算出された前記積算値と、前記空燃比リッチ切替手段によって目標空燃比をリッチ設定空燃比に変化させてから前記空燃比リーン切替手段によって目標空燃比をリーン設定空燃比に変化させるまでの間に前記吸蔵量算出手段において算出された前記積算値とに基づいて、前記目標空燃比に対して実際に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比のずれを補正するための空燃比ずれ量学習値を算出する学習値算出手段を更に具備し、前記空燃比制御装置は、前記学習値算出手段によって算出された空燃比ずれ量学習値に基づいて、前記空燃比リーン切替手段、前記リーン度合い低下手段、前記空燃比リッチ切替手段及び前記リッチ度合い低下手段によって設定された目標空燃比を補正する。【００３２】
第１０の発明では、第１〜第９のいずれか一つの発明において、前記空燃比リーン切替手段は、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比となったときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比がリッチ空燃比になったと判断し、前記空燃比リッチ切替手段は、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比となったときに、前記下流側空燃比検出装置によって検出された排気空燃比がリーン空燃比になったと判断する。【００３３】
第１１の発明では、第１０の発明において、前記下流側空燃比検出装置は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記リッチ判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧が印加され、前記空燃比リーン切替手段は、前記出力電流が零以下となったときに排気空燃比がリッチ空燃比になったと判断する。【００３４】
第１２の発明では、第１０の発明において、前記下流側空燃比検出装置は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記リーン判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧が印加され、前記空燃比リッチ切替手段は、前記出力電流が零以下となったときに排気空燃比がリーン空燃比になったと判断する。【００３５】
第１３の発明では、第１０〜第１２のいずれか一つの発明において、前記下流側空燃比検出装置は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、該空燃比センサには、排気空燃比が前記リッチ判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧と排気空燃比が前記リーン判定空燃比であるときに出力電流が零となる印加電圧とが交互に印加される。【００３６】
第１４の発明では、第１〜第１０のいずれか一つの発明において、前記排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に配置されると共に前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を検出する上流側空燃比検出装置を更に具備し、前記空燃比制御装置は、前記上流側空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記目標空燃比になるように前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料又は空気の量を制御する。【００３７】
第１５の発明では、第１４の発明において、前記上流側空燃比検出装置及び下流側空燃比検出装置は、排気空燃比に応じて出力電流が零となる印加電圧が変化する空燃比センサであり、前記上流側空燃比検出装置における印加電圧と前記下流側空燃比検出装置における印加電圧とは異なる値とされる。【００３８】
第１６の発明では、第１〜第１５のいずれか一つの発明において、前記下流側空燃比検出装置よりも排気流れ方向下流側において排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な下流側排気浄化触媒を更に具備する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、排気浄化触媒から流出する未燃ガスやＮＯｘを十分に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】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】図２は、排気浄化触媒の酸素吸蔵量とＮＯｘ又は未燃ガスの流出量との関係を示す図である。
【図３】図３は、酸素センサにおける排気空燃比と出力電圧との関係を示した図である。
【図４】図４は、下流側空燃比センサの概略的な断面図である。
【図５】図５は、下流側空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
【図６】図６は、下流側空燃比センサにおけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示した図である。
【図７】図７は、電圧印加装置及び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８】図８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９】図９は、制御装置の機能ブロック図である。
【図１０】図１０は、酸素吸蔵量推定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】図１１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１２】図１２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１３】図１３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１４】図１４は、各センサ印加電圧における排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、図１３にＸ−Ｘで示した領域を拡大して示した図である。
【図１６】図１６は、図１４にＹで示した領域を拡大して示した図である。
【図１７】図１７は、空燃比センサの空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図１８】図１８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。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
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。
【００４２】
＜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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ（上流側空燃比検出装置）４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ（下流側空燃比検出装置）４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。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。
【００４７】
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。
【００４８】
なお、本実施形態に係る内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、本発明に係る内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。例えば、本発明に係る内燃機関は、気筒数、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無、及び過給態様等が、上記内燃機関と異なるものであってもよい。
【００４９】
＜排気浄化触媒の説明＞
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒２０、２４は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒２０、２４は、セラミックから成る担体に、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。排気浄化触媒２０、２４は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
【００５０】
排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０、２４は、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン（リーン空燃比）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、排気浄化触媒２０、２４は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ（リッチ空燃比）であるときには、排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。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。
【００５１】
排気浄化触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。すなわち、図２（Ａ）に示したように、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、酸素吸蔵量が少ないときには排気浄化触媒２０、２４により排気ガス中の酸素が吸蔵され、ＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、上限吸蔵量Ｃｕｐｌｉｍを境に排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。
【００５２】
一方、図２（Ｂ）に示したように、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、酸素吸蔵量が多いときには排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスは酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、下限吸蔵量Ｃｌｏｗｌｉｍを境に排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。
【００５３】
以上のように、本実施形態において用いられる排気浄化触媒２０、２４によれば、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比及び酸素吸蔵量に応じて排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒２０、２４は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。
【００５４】
＜空燃比センサの構成＞
次に、図４を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図４は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図４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１つである１セル型の空燃比センサである。
【００５５】
図４に示したように、空燃比センサ４０、４１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（第一電極）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（第二電極）５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、排気ガス中の酸素及び未燃ガスを反応させる触媒層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００５６】
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触媒層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を介して空燃比センサ４０、４１による検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。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を介して排気ガス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。
【００５７】
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。本実施形態では、基準ガスとして大気が用いられているため、大気側電極５３は大気に曝されることになる。
【００５８】
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によって空燃比センサ４０、４１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。
【００５９】
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、電極５２、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。
【００６０】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵ３１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（出力電流）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空燃比センサ４０、４１の出力電流である。
【００６１】
＜空燃比センサの動作＞
次に、図５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５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、触媒層５５及び拡散律速層５４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５８には大気が導入される。
【００６２】
上述したように、固体電解質層５１は、酸素イオン伝導性酸化物の焼結体で形成される。したがって、高温により活性化した状態で固体電解質層５１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。
【００６３】
逆に、固体電解質層５１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。また、図４及び図５に示したように、空燃比センサ４０、４１では、大気側電極５３が正極性、排気側電極５２が負極性となるように、これら電極５２、５３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、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。
【００６４】
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、固体電解質層５１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、固体電解質層５１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、固体電解質層５１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５（Ａ）に示した如く、排気側電極５２から大気側電極５３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を印加する電圧印加装置６０の正極から、大気側電極５３、固体電解質層５１、及び排気側電極５２を介して電圧印加装置６０の負極へと電流が流れる。
【００６５】
このとき流れる電流（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５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する酸素量に比例する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを電流検出装置６１によって検出することにより、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。
【００６６】
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、排気中から拡散律速層５４を通って未燃ガスが被測ガス室５７内に流入するため、排気側電極５２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５７内では酸素濃度が極めて低くなり、その結果、固体電解質層５１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、固体電解質層５１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、固体電解質層５１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５（Ｂ）に示した如く、大気側電極５３から排気側電極５２に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、大気側電極５３から、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０を通って排気側電極５２へと電流が流れる。
【００６７】
このとき流れる電流（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、固体電解質層５１中を大気側電極５３から排気側電極５２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５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する未燃ガスと排気側電極５２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５７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の大きさを電流検出装置６１によって検出することで、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。
【００６８】
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、被測ガス室５７へ流入する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、排気側電極５２の触媒作用によって両者は完全に燃焼し、被測ガス室５７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、固体電解質層５１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５（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。
【００６９】
このように構成され且つ動作する空燃比センサ４０、４１は、図６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）、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉｒが大きくなる。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉｒが零になるように構成される。
【００７０】
＜電圧印加装置及び電流検出装置の回路＞
図７に、電圧印加装置６０及び電流検出装置６１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、固体電解質層５１の内部抵抗をＲｉ、両電極５２、５３間の電位差をＶｓと表している。
【００７１】
図７からわかるように、電圧印加装置６０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、電圧印加装置６０は、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比の変化によって両電極５２、５３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。
【００７２】
したがって、排気空燃比が理論空燃比となっていて、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じない場合には、固体電解質層５１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５２、５３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。
【００７３】
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、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じる場合には、固体電解質層５１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と一致するように固体電解質層５１の両側面間で酸素イオンの移動をさせるべく、両電極５２、５３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。
【００７４】
したがって、電圧印加装置６０は、実質的に、両電極５２、５３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、電圧印加装置６０の電気回路は必ずしも図７に示したようなものである必要はなく、両電極５２、５３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。
【００７５】
また、電流検出装置６１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７に示した抵抗の値である。
【００７６】
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。
【００７７】
したがって、電流検出装置６１は、実質的に、両電極５２、５３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、電流検出装置６１の電気回路は必ずしも図７に示したようなものである必要はなく、両電極５２、５３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。
【００７８】
＜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の出力電流Ｉｒｕｐに基づいて上流側空燃比センサ４０の出力電流（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に相当）Ｉｒｕｐ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。
【００７９】
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は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ及び上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃ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の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈ以下となったときに、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空燃比になったと判断される。この場合、リーン切替手段により、目標空燃比が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Ｉｒｒｉｃｈ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。
【００８０】
その後、目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した状態で上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが零よりも多い所定の吸蔵量に到達すると、リーン度合い低下手段により、目標空燃比が弱リーン設定空燃比に切り替えられる（なお、このときの酸素吸蔵量を「リーン度合い変更基準吸蔵量」という）。弱リーン設定空燃比は、リーン設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリーン空燃比であり、例えば、１４．６２〜１５．７、好ましくは１４．６３〜１５．２、より好ましくは１４．６５〜１４．９程度とされる。また、リーン度合い変更基準吸蔵量は、零からの差が所定の変更基準差αである吸蔵量とされる。
【００８１】
一方、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎ以上となったときに、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ーン空燃比になったと判断される。この場合、リッチ切替手段により、目標空燃比がリッチ設定空燃比とされ、その空燃比に維持される。ここで、リーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎは、理論空燃比よりも僅かにリーンである予め定められたリーン判定空燃比（例えば、１４．６５）に相当する値である。また、リッチ設定空燃比は、理論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、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。
【００８２】
その後、目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した状態で上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが最大吸蔵量よりも少ない所定の吸蔵量に到達すると、リッチ度合い低下手段により、目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に切り替えられる（なお、このときの酸素吸蔵量を「リッチ度合い変更基準吸蔵量」という）。弱リッチ設定空燃比は、リッチ設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリッチ空燃比であり、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。また、リッチ度合い変更基準吸蔵量は、最大酸素吸蔵量からの差が上記所定の変更基準差αである吸蔵量とされる。
【００８３】
この結果、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈ以下になると、まず、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定され、その後、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃがある程度多くなると弱リーン設定空燃比に設定される。その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎ以上になると、まず、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定され、その後、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが或る程度少なくなると弱リッチ設定空燃比に設定され、同様な操作が繰り返される。
【００８４】
なお、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比は、理論空燃比の１％以内、好ましくは０．５％以内、より好ましくは０．３５％以内の空燃比とされる。したがって、リッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比の理論空燃比からの差は、理論空燃比が１４．６の場合には、０．１５以下、好ましくは０．０７３以下、より好ましくは０．０５１以下とされる。また、目標空燃比（例えば、弱リッチ設定空燃比やリーン設定空燃比）の理論空燃比からの差は、基準差よりも大きくなるように設定される。
【００８５】
また、本実施形態では、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの推定は、酸素吸蔵量推定手段によって行われる。酸素吸蔵量推定手段は、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比及びエアフロメータ３９の出力値等に基づいて算出された内燃機関の吸入空気量に基づいて、流入未燃ガス過不足流量算出手段により、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる未燃ガス又は不足する未燃ガスの流量（以下、「流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒ」という）を算出する。
【００８６】
すなわち、流入未燃ガス過不足流量算出手段は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素及び未燃ガス等が完全に反応したと仮定したときに、この排気ガス中に含まれる未燃ガスの流量又はこの排気ガス中に含まれる酸素を燃焼させるのに必要な未燃ガスの流量を算出する。具体的には、流入未燃ガス過不足流量算出手段は、エアフロメータ３９等に基づいて算出された内燃機関の吸入空気量と、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比の理論空燃比に対する差とに基づいて、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒを算出している。
【００８７】
同様に、酸素吸蔵量推定手段は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比及びエアフロメータ３９の出力等に基づいて算出された内燃機関の吸入空気量に基づいて、流出未燃ガス過不足流量算出手段により、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる未燃ガス又は不足する未燃ガスの流量（以下、「流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃ」という）を算出する。
【００８８】
すなわち、流出未燃ガス過不足流量算出手段は、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の酸素及び未燃ガス等が完全に反応していると仮定したときに、この排気ガス中に含まれる未燃ガスの流量又はこの排気ガス中に含まれる酸素を燃焼させるのに必要な未燃ガスの流量を算出する。具体的には、流出未燃ガス過不足流量算出手段は、エアフロメータ３９等に基づいて算出された内燃機関の吸入空気量と、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比の理論空燃比に対する差とに基づいて、流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃを算出している。
【００８９】
加えて、酸素吸蔵量推定手段は、吸蔵量算出手段により、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒから流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃを減算した流量差（ΔＱｃｏｒ−ΔＱｓｃ）を積算した流量差積算値ΣＱｓｃ（＝Σ（ΔＱｃｏｒ−ΔＱｓｃ））に基づいて、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを算出している。ここで、上記流量差は、上流側排気浄化触媒２０で燃焼除去された未燃ガスの流量又は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素の流量に相当する。したがって、流量差積算値ΣＱｓｃは上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃに比例するため、この流量差積算値ΣＱｓｃに基づいて酸素吸蔵量を正確に推定することができる。
【００９０】
なお、上述した酸素吸蔵量推定手段は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス又は上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスにおける未燃ガスの過不足流量に基づいて上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定している。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又は上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスにおける酸素の過不足流量に基づいて上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃを推定してもよい。この場合、酸素過不足流量は、燃料噴射弁１１から燃焼室５内に供給された燃料量に空燃比センサ４０、４１によって検出された空燃比の理論空燃比に対する差を乗算することによって算出される。
【００９１】
なお、上述した目標空燃比の設定や酸素吸蔵量の推定は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、空燃比リーン切替手段、リーン度合い低下手段、空燃比リッチ切替手段、リッチ度合い低下手段、流入未燃ガス過不足流量算出手段、流出未燃ガス過不足流量算出手段及び吸蔵量算出手段を有しているといえる。
【００９２】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
図８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８は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置における空燃比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、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒ、流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃ、流量差積算値ΣＱｓｃ及び空燃比ずれ量学習値ｇｋのタイムチャートである。
【００９３】
なお、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ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の出力電流Ｉｒｕｐの絶対値が大きくなる。
【００９４】
下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ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の出力電流Ｉｒｕｐと同様に変化する。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。
【００９５】
また、空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋ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対して、実際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ずれた場合に、このずれを補正するために用いられる。具体的には、目標空燃比に対して実際の排気空燃比がずれた場合には、このずれ量に応じて空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋが更新され、次回以降の目標空燃比は更新された空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋを考慮して設定される。
【００９６】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、目標空燃比の空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈとされている。弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ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、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の出力電流Ｉｒｕｐ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出力電流Ｉｒｄｗｎはほぼ０（理論空燃比に相当）となる。また、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中には僅かながら未燃ガスが含まれているため、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒは正の値、すなわち未燃ガス過剰となっている。
【００９７】
一方、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上流側排気浄化触媒２０に吸蔵されている酸素により酸化、浄化される。このため、上流側排気浄化触媒２０からの酸素（及びＮＯｘ）排出量のみならず未燃ガス排出量も抑制される。したがって、流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃはほぼ零となっている。この結果、流量差積算値ΣＱｓｃは徐々に増大し、これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少していることを表している。
【００９８】
加えて、図示した例では、時刻ｔ1以前において、空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋが正の値となっている。したがって、図示した例では、時刻ｔ1以前において、空燃比補正量ＡＦＣをリーンにずらした値（ＡＦＣ＋ＡＦｇｋ）が目標空燃比として設定される。
【００９９】
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は下限吸蔵量（図２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、図８の時刻ｔ1直前においては、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の出力電流Ｉｒｄｗｎが徐々に低下する。なお、上流側排気浄化触媒２０から流出した排気ガス中に含まれる未燃ガスは、下流側排気浄化触媒２４によって酸化、浄化される。
【０１００】
この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未燃ガスが含まれていて、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが徐々に低下すると、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎに基づいて算出される流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃが増加する。ただし、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流量は少量であるため、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒよりも流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃの方がその絶対値が小さく、よってこのときも流量差積算値ΣＱｓｃは徐々に増大する。これは、このときも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ることを表している。
【０１０１】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎは徐々に低下して、時刻ｔ1においてリッチ判定空燃比に相当するリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈに到達する。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈ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がリーン設定補正量ＡＦＣｇｌｅａｎに切り替えられる。リーン設定補正量ＡＦＣｇｌｅａｎは、リーン設定空燃比に相当する値であり、０よりも大きい値である。
【０１０２】
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈ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、仮に出力電流Ｉｒｄｗｎが理論空燃比に相当する値（すなわち、零）から僅かにずれた場合にも上流側排気浄化触媒２０の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ＯＳＡｓｃ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ほとんど到達することのないような空燃比とされる。なお、後述するリーン判定空燃比についても同じことがいえる。
【０１０３】
時刻ｔ1において、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する（実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。
【０１０４】
時刻ｔ1において上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐは正の値になると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは増大し始める。また、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中には多量の酸素が含まれているため、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒは負の値、すなわち未燃ガス不足となっている。
【０１０５】
なお、図示した例では、目標空燃比を切り替えた直後は、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが低下している。これは、目標空燃比を切り替えてからその排気ガスが上流側排気浄化触媒２０に到達するまでに遅れが生じ、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出したままとなるためである。したがって、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎに基づいて算出される流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃは正の値となっている。ただし、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流量は少量であるため、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒの絶対値よりも流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃの絶対値の方が少なく、よって時刻ｔ2以降には流量差積算値ΣＱｓｃは徐々に減少している。これは、このときには上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に増大していることを表している。
【０１０６】
また、流量差積算値ΣＱｓｃは、時刻ｔ1において零にリセットされている。これは、本実施形態において、流量差積算値ΣＱｓｃは、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に切り替えたとき、またはリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えたときを基準に積算を行っているためである。同時に、時刻ｔ1においては、空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋの更新が行われる。このとき、空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋの更新は、下記式（２）に基づいて、時刻ｔ1直前における流量差積算値ΣＱｓｃに所定の係数Ｃを乗算したものを、それまでの値に加算することによって行われる（なお、式（２）におけるｉは更新回数を表す）。
ＡＦｇｋ（ｉ）＝ＡＦｇｋ（ｉ−１）＋Ｃ・ΣＱｓｃ      …（２）
【０１０７】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの増大に伴って、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の出力電流Ｉｒｄｗｎも０に収束する。このため、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎは、時刻ｔ2以降においてリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈ以上になる。この間も、目標空燃比の空燃比補正量ＡＦＣは、リーン設定補正量ＡＦＣｇｌｅａｎに維持され、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐは正の値に維持される。
【０１０８】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの増大が続くと、時刻ｔ3においてリーン度合い変更基準吸蔵量Ｃｌｅａｎに到達し、このとき、流量差積算値ΣＱｓｃがリーン度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｌｅａｎに到達する。本実施形態では、流量差積算値ΣＱｓｃがリーン度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｌｅａｎ以下になると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの増加速度を遅くすべく、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに切り替えられる。弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎは、弱リーン設定空燃比に相当する値であって、ＡＦＣｇｌｅａｎよりも小さく且つ０よりも大きな値である。
【０１０９】
時刻ｔ3において、目標空燃比を弱リーン設定空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の理論空燃比に対する差も小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐの値は小さくなると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの増加速度が低下する。加えて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に含まれる酸素の量が減少するため、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒの絶対値は低下する。
【０１１０】
一方、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中の酸素は、上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。このため、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガス排出量のみならず酸素排出量も抑制される。したがって、流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃはほぼ零となっている。この結果、流量差積算値ΣＱｓｃは徐々に減少し、これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に増加していることを表している。なお、このときには、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中のＮＯｘも上流側排気浄化触媒２０において還元、浄化されるため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量も抑制される。
【０１１１】
時刻ｔ3以降においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは、その増加速度が遅いながらも徐々に増加していく。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に増加すると、酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは上限吸蔵量（図２のＣｕｐｌｉｍ参照）を超えて増加する。酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが上限吸蔵量よりも増大すると、上流側排気浄化触媒２０に流入した酸素の一部は、上流側排気浄化触媒２０で吸蔵されずに流出する。このため、図８の時刻ｔ4直前においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増加するのに伴って、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが徐々に上昇する。なお、上流側排気浄化触媒２０において酸素の一部が吸蔵されなくなるのに伴ってＮＯｘも還元、浄化されなくなるが、このＮＯｘは下流側排気浄化触媒２４によって還元、浄化される。
【０１１２】
この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酸素が含まれていて、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが徐々に上昇すると、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎに基づいて算出される流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃが減少する。ただし、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中の酸素流量は少量であるため、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒよりも流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃの方がその絶対値が小さく、よってこのときも流量差積算値ΣＱｓｃは徐々に減少する。これは、このときも上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に増加していることを表している。
【０１１３】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎは徐々に上昇して、時刻ｔ4においてリーン判定空燃比に相当するリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎに到達する。本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力電流がリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎ以上になると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの増大を抑制すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｇｒｉｃｈに切り替えられる。リッチ設定補正量ＡＦＣｇｒｉｃｈは、リッチ設定空燃比に相当する値であり、０よりも小さい値である。
【０１１４】
時刻ｔ4において、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リッチ設定空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比もリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する（実際には、目標空燃比を切り替えてから上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が変化するまでには遅れが生じるが、図示した例では便宜上同時に変化するものとしている）。
【０１１５】
時刻ｔ4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ッチ空燃比に変化すると、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐは負の値になると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは減少し始める。また、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中には多量の未燃ガスが含まれているため、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒは正の値、すなわち未燃ガス過剰となっている。
【０１１６】
なお、時刻ｔ4において流量差積算値ΣＱｓｃは零にリセットされ、同時に、空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋの更新が行われる。このとき、空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋの更新は、上記式（２）に基づいて、時刻ｔ4直前における流量差積算値ΣＱｓｃに所定の係数Ｃを乗算したものを、それまでの値に加算することによって行われる。
【０１１７】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少に伴って、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の出力電流Ｉｒｄｗｎも０に収束する。このため、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎは、時刻ｔ5以降においてリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎ以下になる。この間も、目標空燃比の空燃比補正量ＡＦＣは、リッチ設定補正量ＡＦＣｇｒｉｃｈに維持され、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐは負の値に維持される。
【０１１８】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少が続くと、時刻ｔ6においてリッチ度合い変更基準吸蔵量Ｃｒｉｃｈに到達し、このとき、流量差積算値ΣＱｓｃがリッチ度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｒｉｃｈに到達する。本実施形態では、流量差積算値ΣＱｓｃがリッチ度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｒｉｃｈ以上になると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少速度を遅くすべく、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに切り替えられる。弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈは、弱リッチ設定空燃比に相当する値であり、ＡＦＣｇｒｉｃｈよりも大きく且つ０よりも小さな値である。
【０１１９】
時刻ｔ6において、目標空燃比を弱リッチ設定空燃比に切り替えると、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の理論空燃比に対する差も小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐの値は大きくなると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少速度が低下する。加えて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス中に含まれる未燃ガスの量が減少するため、流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒの絶対値は低下する。
【０１２０】
一方、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、上流側排気浄化触媒２０において酸化、浄化される。このため、上流側排気浄化触媒２０からの酸素及びＮＯｘ排出量のみならず未燃ガス排出量も抑制される。したがって、流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃはほぼ零となっている。この結果、流量差積算値ΣＱｓｃは徐々に増加し、これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが徐々に減少していることを表している。
【０１２１】
時刻ｔ5以降においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは、その減少速度が遅いながらも徐々に減少していき、その結果、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始め、その結果、時刻ｔ1と同様に下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈに到達する。その後は、時刻ｔ1〜ｔ6の操作と同様な操作が繰り返される。
【０１２２】
＜本実施形態の制御における作用効果＞
上述した本実施形態の空燃比制御によれば、時刻ｔ1において目標空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変更された直後、及び時刻ｔ4において目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変更された直後には、目標空燃比の理論空燃比からの差が大きなものとされる（すなわち、リッチ度合い又はリーン度合いが大きいものとされる）。このため、時刻ｔ1において上流側排気浄化触媒２０から流出していた未燃ガス及び時刻ｔ4において上流側排気浄化触媒２０から流出していたＮＯｘを迅速に減少させることができる。したがって、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガス及びＮＯｘの流出を抑制することができる。
【０１２３】
また、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻ｔ1において目標空燃比をリーン設定空燃比に設定した後、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出が止まり且つ上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃがある程度回復してから、時刻ｔ３において目標空燃比が弱リーン設定空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比の理論空燃比からの差を小さくすることにより、時刻ｔ3から時刻ｔ4において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの増加速度を遅くすることができる。これにより、時刻ｔ3から時刻ｔ4までの時間間隔を長くすることができる。この結果、単位時間当たりにおける上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘや未燃ガスの流出量を減少させることができる。さらに、上記空燃比制御によれば、時刻ｔ4において、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出するときにもその流出量を少なく抑えることができる。したがって、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの流出を抑制することができる。
【０１２４】
加えて、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻ｔ4において目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定した後、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ（酸素）の流出が止まり且つ上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃがある程度減少してから、時刻ｔ6において目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に切り替えられる。このように目標空燃比の理論空燃比からの差を小さくすることにより、時刻ｔ6から時刻ｔ7（時刻ｔ1に相当する制御を行う時刻）において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃの減少速度を遅くすることができる。これにより、時刻ｔ6から時刻ｔ7までの時間間隔を長くすることができる。この結果、単位時間当たりにおける上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘや未燃ガスの流出量を減少させることができる。さらに、上記空燃比制御によれば、時刻ｔ7において、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出するときにもその流出量を少なく抑えることができる。したがって、上流側排気浄化触媒２０からの未燃ガスの流出を抑制することができる。
【０１２５】
さらに、本実施形態では、下流側において排気ガスの空燃比を検出するセンサとして、図４に示した構成を有する空燃比センサ４１を用いている。この空燃比センサ４１では、酸素センサと異なり、図３に示したような排気空燃比の変化の方向に応じたヒステリシスを有しない。このため、空燃比センサ４１によれば実際の排気空燃比に対して応答性が高く、上流側排気浄化触媒２０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、このことによっても、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０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。
【０１２６】
また、酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒では、その酸素吸蔵量をほぼ一定に維持すると、その酸素吸蔵能力の低下を招く。したがって、酸素吸蔵能力を可能な限り維持するためには、排気浄化触媒の使用時にその酸素吸蔵量を上下に変化させることが必要になる。本実施形態に係る空燃比制御によれば、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃは、零近傍と最大酸素吸蔵量近傍との間で上下に繰り返し変化する。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力をできるだけ高く維持することができる。
【０１２７】
＜具体的な制御の説明＞
次に、図９〜図１１を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。本実施形態における制御装置は、機能ブロック図である図９に示したように、Ａ１〜Ａ１１の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図９を参照しながら各機能ブロックについて説明する。
【０１２８】
＜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。
【０１２９】
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に記憶されている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。
【０１３０】
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）。
【０１３１】
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。
【０１３２】
＜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、学習値推定手段Ａ５、基本目標空燃比算出手段Ａ６、目標空燃比補正量算出手段Ａ７、及び目標空燃比設定手段Ａ８が用いられる。
【０１３３】
酸素吸蔵量算出手段Ａ４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、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎに基づいて、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を表す値として流量差積算値ΣＱｓｃを算出する。また、学習値算出手段Ａ５は、酸素吸蔵量算出手段Ａ４において算出された流量差積算値ΣＱｓｃに基づいて空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋを算出する。具体的には、酸素吸蔵量算出手段Ａ４及び学習値算出手段Ａ５は、図１０に示したフローチャートに基づいて流量差積算値ΣＱｓｃ及び空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋを算出する。
【０１３４】
図１０は、流量差積算値ΣＱｓｃ及び空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋ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。
【０１３５】
まず、ステップＳ１１では、後述する目標空燃比補正量算出手段Ａ７において、空燃比補正量ＡＦＣが正から負又は負から正に変更されたか否かが判定される。すなわち、ステップＳ１１では、目標空燃比がリッチからリーンへ又はリーンからリッチへ切り替えられたか否かが判定される。
【０１３６】
ステップＳ１１において、空燃比補正量ＡＦＣの正負が変更されていないと判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、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、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが取得される。なお、筒内吸入空気量Ｍｃは現在の筒内吸入空気量Ｍｃのみならず、過去の複数サイクルにおける筒内吸入空気量Ｍｃも取得される。
【０１３７】
次いで、ステップＳ１３では、燃焼室５内に吸気ガスが吸気されてから上流側空燃比センサ４０にそのガスが到達するまでの遅れに相当するサイクル数分前の筒内吸入空気量Ｍｃ及び上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐに基づいて流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒが算出される。具体的には、所定サイクル数分前の筒内吸入空気量Ｍｃに上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ及び所定の係数Ｋを乗算することによって算出される（ΔＱｃｏｒ＝Ｋ・Ｍｃ・Ｉｒｕｐ）。
【０１３８】
ステップＳ１４では、燃焼室５内に吸気ガスが吸気されてから下流側空燃比センサ４１にそのガスが到達するまでの遅れに相当するサイクル数分前の筒内吸入空気量Ｍｃ及び下流側空燃比センサの出力電流Ｉｒｄｗｎに基づいて流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃが算出される。具体的には、所定サイクル数分前の筒内吸入空気量Ｍｃに下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ及び所定の係数Ｋを乗算することによって算出される（ΔＱｓｃ＝Ｋ・Ｍｃ・Ｉｒｄｗｎ）。
【０１３９】
次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１３において算出された流入未燃ガス過不足流量ΔＱｃｏｒ及びステップＳ１４において算出された流出未燃ガス過不足流量ΔＱｓｃに基づいて、下記式（３）により流量差積算値ΣＱｓｃが算出される。なお、下記式（３）において、ｋは計算回数を表す。
ΣＱｓｃ（ｋ）＝ΣＱｓｃ（ｋ−１）＋ΔＱｃｏｒ−ΔＱｓｃ      …（３）
【０１４０】
一方、ステップＳ１１において、空燃比補正量ＡＦＣの正負が変更されたと判定された場合、すなわち、目標空燃比がリッチからリーンへ又はリーンからリッチへ切り替えられたと判定された場合には、ステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、上記式（２）により、空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋの更新が行われる。次いで、ステップＳ１７では、流量差積算値ΣＱｓｃが０にリセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１４１】
再び図９に戻ると、基本目標空燃比算出手段Ａ６では、空燃比制御の中心となるベース空燃比（本実施形態では理論空燃比）ＡＦＢに、空燃比ずれ量学習値ＡＦｇｋを加えた値が基本目標空燃比ＡＦＲとして算出される。基本目標空燃比ＡＦＢは、目標空燃比と実際に上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比とが常に一致している場合には、ベース空燃比と同一の値となる。
【０１４２】
目標空燃比補正量算出手段Ａ７では、酸素吸蔵量算出手段Ａ４によって算出された流量差積算値ΣＱｓｃ及び下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎ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、図１１に示したフローチャートに基づいて設定される。
【０１４３】
図１１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。
【０１４４】
図１１に示したように、まず、ステップＳ２１において、リッチフラグＦｒが１にセットされているか否かが判定される。リッチフラグＦｒは、目標空燃比がリッチ空燃比（すなわち、弱リッチ設定空燃比又はリッチ設定空燃比）に設定されているときには１、リーン空燃比（すなわち、弱リーン設定空燃比又はリーン設定空燃比）に設定されているときには０とされるフラグである。ステップＳ２１において、リッチフラグＦｒが０にセットされている場合、すなわち目標空燃比がリーン空燃比に設定されていると判定された場合には、ステップＳ２２へと進む。
【０１４５】
ステップＳ２２では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎよりも小さいか否かが判定される。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが少なくて、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中に酸素がほとんど含まれていない場合には、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎはリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎよりも小さいと判定されてステップＳ２３へと進む。
【０１４６】
ステップＳ２３では、流量差積算値ΣＱｓｃがリーン度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｌｅａｎよりも大きいか否かが判定される。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが少なくて、流量差積算値ΣＱｓｃがリーン度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｌｅａｎよりも大きい場合（すなわち、図８の時刻ｔ1〜ｔ3）には、ステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｇｌｅａｎに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１４７】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが増大して、流量差積算値ΣＱｓｃが減少すると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２３において、流量差積算値ΣＱｓｃがリーン度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｌｅａｎ以下であると判定されてステップＳ２５へと進む（図８における時刻ｔ3に相当）。ステップＳ２５では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１４８】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが更に増大して、上流側排気浄化触媒２０から酸素が流出し始めると、次の制御ルーチンではステップＳ２２において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎはリーン判定基準値Ｉｒｌｅａｎ以上であると判定されて、ステップＳ２６へと進む（図８における時刻ｔ4に相当）。ステップＳ２６では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｇｒｉｃｈに設定される。次いで、ステップＳ２７では、リッチフラグＦｒが１にセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１４９】
リッチフラグＦｒが１にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２１からステップＳ２８へと進む。ステップＳ２８では、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈよりも大きいか否かが判定される。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが多くて、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス中に未燃ガスがほとんど含まれていない場合には、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎはリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈよりも大きいと判定されてステップＳ２９へと進む。
【０１５０】
ステップＳ２９では、流量差積算値ΣＱｓｃがリッチ度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｒｉｃｈよりも小さいか否かが判定される。上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが多くて、流量差積算値ΣＱｓｃがリッチ度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｒｉｃｈよりも小さい場合（すなわち、図８の時刻ｔ4〜ｔ6）には、ステップＳ３０へと進む。ステップＳ３０では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｇｒｉｃｈに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５１】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが減少して、流量差積算値ΣＱｓｃが増加すると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２９において、流量差積算値ΣＱｓｃがリッチ度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｒｉｃｈ以上であると判定されて、ステップＳ３１へと進む（図８における時刻ｔ6に相当）。ステップＳ３１では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５２】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡｓｃが更に減少して、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出し始めると、次の制御ルーチンではステップＳ２８において、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈ以下であると判定されて、ステップＳ３２へと進む（図８における時刻ｔ1に相当）。ステップＳ３２では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｇｌｅａｎに設定される。次いで、ステップＳ３３では、リッチフラグＦｒが０にセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。
【０１５３】
目標空燃比設定手段Ａ８は、基本目標空燃比算出手段Ａ６において算出された基本目標空燃比ＡＦＲに、目標空燃比補正量算出手段Ａ７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ＡＦＣｓｒｉｃｈの場合）、理論空燃比よりもかなりリッチであるリッチ設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｇｒｉｃｈの場合）、理論空燃比よりも僅かにリーンである弱リーン設定空燃比（空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎの場合）、理論空燃比よりもかな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ＡＦＣｇｌｅａｎ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。
【０１５４】
＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
次に、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ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Ａ９、空燃比差算出手段Ａ１０、Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ１１が用いられる。
【０１５５】
数値変換手段Ａ９は、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐと、空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ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６に示したようなマップ）とに基づいて、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。
【０１５６】
空燃比差算出手段Ａ１０は、数値変換手段Ａ９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Ａ８によって算出された目標空燃比ＡＦＴを減算することによって空燃比差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。
【０１５７】
Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ１１は、空燃比差算出手段Ａ１０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（４）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      …（４）
【０１５８】
なお、上記式（４）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）。
【０１５９】
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の出力に基づいて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を推定するようにしてもよい。
【０１６０】
また、上記実施形態では、流量差積算値ΣＱｓｃがリーン度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｌｅａｎ以下となったときに、目標空燃比を理論空燃比からの差を小さくなるように変化させている。しかしながら、目標空燃比を理論空燃比からの差を小さくなるように変化させるタイミングは、時刻ｔ1〜ｔ4の間のいつでもよい。例えば、図１２に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリーン判定基準値Ｉｒｒｉｃｈ以上になったときに、目標空燃比を理論空燃比からの差を小さくなるように変化させてもよい。
【０１６１】
同様に、上記実施形態では、流量差積算値ΣＱｓｃがリッチ度合い変更基準積算値ΣＱｓｃｒｉｃｈ以上となったときに、目標空燃比を理論空燃比からの差を小さくなるように変化させている。しかしながら、目標空燃比を理論空燃比からの差を小さくなるように変化させるタイミングは、時刻ｔ4〜ｔ7（ｔ1）の間のいつでもよい。例えば、図１２に示したように、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがリッチ判定基準値Ｉｒｒｉｃｈ以下になったときに、目標空燃比を理論空燃比からの差を小さくなるように変化させてもよい。
【０１６２】
さらに、上記実施形態では、時刻ｔ3〜ｔ4の間、及び時刻ｔ6〜ｔ7（ｔ1）の間、目標空燃比は弱リーン設定空燃比又は弱リッチ設定空燃比に固定されている。しかしながら、これら期間において、目標空燃比は、その差が段階的に小さくなるように設定されてもよいし、その差が連続的に小さくなるように設定されてもよい。
【０１６３】
これらをまとめて表現すると、本発明によれば、ＥＣＵ３１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気空燃比がリッチ空燃比になったときに、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リーン設定空燃比まで変化させる空燃比リーン切替手段と、空燃比リーン切替手段によって目標空燃比を変化させた後であって下流側空燃比センサ４１によって検出される排気空燃比がリーン空燃比になる前に目標空燃比をリーン設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリーン空燃比に変化させるリーン度合い低下手段と、下流側空燃比センサ４１によって検出された排気空燃比がリーン空燃比になったときに、目標空燃比をリッチ設定空燃比まで変化させる空燃比リッチ切替手段と、空燃比リッチ切替手段によって空燃比を変化させた後であって下流側空燃比センサ４１によって検出される排気空燃比がリッチ空燃比になる前に目標空燃比をリッチ設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリッチ空燃比に変化させるリッチ度合い低下手段とを具備すると言える。
【０１６４】
＜第二実施形態＞
次に、図１３〜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、下流側空燃比センサのセンサ印加電圧は一定であったのに対して、本実施形態では、状況に応じてセンサ印加電圧を変化させることとしている。
＜空燃比センサの出力特性＞
本実施形態の上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１は、第一実施形態の空燃比センサ４０、４１と同様に、図４及び図５を用いて説明したよう構成され且つ動作する。これら空燃比センサ４０、４１は、図１３に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図１３からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０以下及び０近傍の領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒを負の値から徐々に増加していくと、これに伴って出力電流Ｉｒが増加していく。
【０１６５】
すなわち、この電圧領域では、センサ印加電圧Ｖｒが低いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が少ない。このため、拡散律速層５４を介した排気ガスの流入速度よりも固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が少なくなり、よって、出力電流Ｉｒは固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量に応じて変化する。固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量はセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化するため、結果的にセンサ印加電圧Ｖｒの増加に伴って出力電流が増加する。なお、このようにセンサ印加電圧Ｖｒに比例して出力電流Ｉｒが変化する電圧領域は比例領域と称される。また、センサ印加電圧Ｖｒが０のときに出力電流Ｉｒが負値をとるのは、酸素電池特性により固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じた起電力Ｅが生じるためである。
【０１６６】
その後、排気空燃比を一定としたまま、センサ印加電圧Ｖｒを徐々に増加していくと、これに対する出力電流の増加の割合は次第に小さくなり、ついにはほぼ飽和状態となる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを増加しても出力電流はほとんど変化しなくなる。このほぼ飽和した電流は限界電流と称され、以下では、この限界電流が発生する電圧領域を限界電流領域と称する。
【０１６７】
すなわち、この限界電流領域では、センサ印加電圧Ｖｒが或る程度高いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が多い。このため、拡散律速層５４を介した排気ガスの流入速度よりも固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量の方が多くなる。したがって、出力電流Ｉｒは拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度に応じて変化する。排気空燃比を一定としてセンサ印加電圧Ｖｒを変化させても、基本的には拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度は変化しないことから、出力電圧Ｉｒは変化しない。
【０１６８】
ただし、排気空燃比が異なれば、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度も異なることから、出力電流Ｉｒは排気空燃比に応じて変化する。図１３からわかるように、リーン空燃比とリッチ空燃比とでは限界電流の流れる向きが逆になっており、リーン空燃比であるときには空燃比が大きくなるほど、リッチ空燃比であるときには空燃比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。
【０１６９】
その後、排気空燃比を一定としたまま、センサ印加電圧Ｖｒをさらに増加していくと、これに伴って再び出力電流Ｉｒが増加し始める。このように高いセンサ印加電圧Ｖｒを印加すると、排気側電極５２上では排気ガス中に含まれる水分の分解が発生し、これに伴って電流が流れる。また、センサ印加電圧Ｖｒをさらに増加していくと、水の分解だけでは電流をまかなえなくなり、今度は固体電解質層５１の分解が発生する。以下では、このように水や固体電解質層５１の分解が生じる電圧領域を水分解領域と称する。
【０１７０】
図１４は、各センサ印加電圧Ｖｒにおける排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係を示す図である。図１４からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．１Ｖから０．９Ｖ程度であれば、少なくとも理論空燃比の近傍においては、排気空燃比に応じて出力電流Ｉｒが変化する。また、図１４からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．１Ｖから０．９Ｖ程度であれば、理論空燃比の近傍においては、排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係はセンサ印加電圧Ｖｒに無関係にほぼ同一である。
【０１７１】
一方、図１４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出力電流Ｉｒが０にならなくなる。
【０１７２】
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出力電流Ｉｒは０にならない）。
【０１７３】
＜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、センサ印加電圧Ｖｒと出力電流Ｉｒとの関係（図１３）や排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係（図１４）を巨視的に見ると上述したような傾向になるが、これら関係を理論空燃比近傍で微視的に見るとこれとは異なる傾向になることを見出した。以下、これについて説明する。
【０１７４】
図１５は、図１３の電圧−電流線図について、出力電流Ｉｒが０近傍となる領域（図１３においてＸ−Ｘで示した領域）を拡大して示した図である。図１５からわかるように、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、出力電流は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、出力電流は０よりも高い値となる。
【０１７５】
図１６は、図１４の空燃比−電流線図について、排気空燃比が理論空燃比近傍であって且つ出力電流Ｉｒが０近傍である領域（図１４においてＹで示した領域）を拡大して示した図である。図１６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出力電流Ｉｒも０より小さくなる。
【０１７６】
加えて、図１６からは、センサ印加電圧Ｖｒ毎に、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。
【０１７７】
ここで、図６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、たとえ図１７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１７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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
しかしながら、図１７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１７の例では理論空燃比）はほとんど変化しない。すなわち、出力電流Ｉｒが零以外の値をとるときには、排気空燃比の絶対値を正確に検出することは困難であるのに対して、出力電流Ｉｒが零となるときには、排気空燃比の絶対値（図１７の例では理論空燃比）を正確に検出することができる。
【０１８０】
そして、図１６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。すなわち、センサ印加電圧Ｖｒを適切に設定すれば、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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
ここで、図１５に示したように、空燃比センサ４０、４１は、各排気空燃比毎に、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。
【０１８３】
なお、図１４を用いて説明したように、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出力電流Ｉｒが０にならなくなる。一方、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出力電流Ｉｒが０にならなくなる。
【０１８４】
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、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、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。
【０１８５】
＜各空燃比センサにおける印加電圧＞
本実施形態では、上述した理論空燃比近傍での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）であるときに出力電流が零となるような電圧（例えば、０．４５Ｖ）にされる。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。
【０１８６】
一方、下流側空燃比センサ４１におけるセンサ印加電圧Ｖｒは、図１８に示したように、目標空燃比がリッチ空燃比（すなわち、リッチ設定空燃比又は弱リッチ設定空燃比）であるときには、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所定空燃比（リッチ判定空燃比）であるときに出力電流が零となるような電圧（例えば、０．７Ｖ）とされる。換言すると、目標空燃比がリッチ空燃比であるときには、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。
【０１８７】
一方、図１８に示したように、目標空燃比がリーン空燃比（すなわち、リーン設定空燃比又は弱リーン設定空燃比）であるときには、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ーンである予め定められた所定空燃比（リーン判定空燃比）であるときに出力電流が零となるような電圧（例えば、０．２Ｖ）とされる。換言すると、目標空燃比がリーン空燃比であるときには、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ーンであるリーン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。
【０１８８】
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は、上流側空燃比センサ４０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐとは異なる電圧とされると共に、上流側空燃比センサ４０におけるセンサ印加電圧Ｖｒｕｐよりも高い電圧と低い電圧に交互に設定される。
【０１８９】
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の出力電流Ｉｒｕｐ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の出力電流Ｉｒｄｗｎ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又はリーン判定空燃比、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。これにより、下流側空燃比センサ４１によってリッチ判定空燃比及びリーン判定空燃比を正確に検出することができる。
【０１９０】
なお、図１８に示したように、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１のセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎを０．７Ｖとしている場合に、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零以下となったときに、下流側空燃比センサ４１のセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが０．２Ｖに変更される。また、下流側空燃比センサ４１のセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎを０．２Ｖとしている場合に、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが零以上となったときに、下流側空燃比センサ４１のセンサ印加電圧Ｖｒｄｗｎが０．７Ｖに変更される。
【０１９１】
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】
【０１９２】
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】
0005949957.tif 000002
【図２】
0005949957.tif 000003
【図３】
0005949957.tif 000004
【図４】
0005949957.tif 000005
【図５】
0005949957.tif 000006
【図６】
0005949957.tif 000007
【図７】
0005949957.tif 000008
【図８】
0005949957.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005949957.tif 000011
【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】
0005949957.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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