(57)【要約】【課題】下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じているときにも排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、排気浄化触媒２０、上流側空燃比センサ４０、下流側空燃比センサ４１、空燃比制御手段、学習手段及び異常判定手段を備え、学習手段は、空燃比制御手段によって目標空燃比がリッチ側又はリーン側である第１の側に設定されているときに、流出排気ガスの空燃比が所定の空燃比維持判定時間以上に亘って第１の側とは反対側の第２の側に維持されていると判定された場合には、流入排気ガスの空燃比が第１の側に変化するようにフィードバック制御に関するパラメータを補正する張付き学習を行い、下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の張付き学習におけるパラメータの補正量が下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合よりも小さい。【選択図】図１３
2017002843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、
前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記排気浄化触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御する空燃比制御手段と、
前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて、前記フィードバック制御中における前記目標空燃比と前記流入排気ガスの実際の空燃比とのずれが小さくなるように前記フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習手段と、
前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じているか否かを判定する異常判定手段と
を備え、
前記学習手段は、前記空燃比制御手段によって前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側及びリーン側のうちいずれか一方である第１の側に設定されているときに、前記流出排気ガスの空燃比が所定の空燃比維持判定時間以上に亘って理論空燃比に対して前記第１の側とは反対側の第２の側に維持されていると判定された場合には、前記流入排気ガスの実際の空燃比が前記第１の側に変化するように前記パラメータを補正する張付き学習を行い、
前記異常判定手段によって前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の前記張付き学習における前記パラメータの補正量が前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合の前記張付き学習における前記パラメータの補正量よりも小さい、内燃機関。
【請求項２】
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、
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流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、
前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記排気浄化触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御する空燃比制御手段と、
前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて、前記フィードバック制御中における前記目標空燃比と前記流入排気ガスの実際の空燃比とのずれが小さくなるように前記フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習手段と、
前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じているか否かを判定する異常判定手段と
を備え、
前記学習手段は、前記空燃比制御手段によって前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側及びリーン側のうちのいずれか一方である第１の側に設定されているときに、前記流出排気ガスの空燃比が所定の空燃比維持判定時間以上に亘って理論空燃比に対して前記第１の側とは反対側の第２の側に維持されていると判定された場合には、前記流入排気ガスの実際の空燃比が前記第１の側に変化するように前記パラメータを補正する張付き学習を行い、
前記異常判定手段によって前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の前記空燃比維持判定時間が前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合の前記空燃比維持判定時間よりも長い、内燃機関。
【請求項３】
前記空燃比制御手段は、燃焼室への燃料供給が停止される燃料カット制御の終了時に前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定し、
前記異常判定手段は、前記目標空燃比が前記リッチな空燃比に設定されてから前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定されるまでの時間が予め定められた基準時間以上である場合に、前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていると判定する、請求項１又は２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、排気通路に空燃比センサが設けられ、この空燃比センサの出力に基づいて、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比（１４．６））となるように内燃機関の燃焼室に供給する燃料量をフィードバック制御するように構成された内燃機関が知られている。
【０００３】
特許文献１に記載の内燃機関では、排気浄化触媒の排気流れ方向上流側に上流側空燃比センサが配置され、排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に下流側空燃比センサが配置されている。斯かる内燃機関では、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ッチなリッチ設定空燃比と、理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比との間で交互に切り替えられる。具体的には、目標空燃比は、下流側空燃比センサよって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になったときにリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられ、その後、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が所定の切替基準吸蔵量以上になったときに、リーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１１８８９２号
【特許文献２】特開昭６３−３０２１６１号公報
【特許文献３】特開昭６３−３０６２４８号公報
【特許文献４】特開２００６−７７６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、空燃比センサは、使用に伴って徐々に劣化し、そのゲイン特性が変化することがある。例えば、上流側空燃比センサ４０のゲイン特性が変化すると、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と排気ガスの実際の空燃比との間にずれが生じる場合がある。この場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は排気ガスの実際の空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。
【０００６】
また、未燃ガスのうち水素は空燃比センサの拡散律速層の通過速度が速い。このため、排気ガス中の水素濃度が高いと、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりも低い側（すなわち、リッチ側）にずれてしまう。
【０００７】
上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリーン側に大きくずれていると、ずれた出力空燃比に基づくフィードバック制御によって、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されていても、実際の排気空燃比が理論空燃比よりもリッチな値となる場合がある。一方、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ側に大きくずれていると、ずれた出力空燃比に基づくフィードバック制御によって、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されていても、実際の排気空燃比が理論空燃比よりもリーンな値となる場合がある。これらの場合、目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比との間で切替えられず、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチ又はリーンな値に維持され、排気エミッションが悪化する。
【０００８】
そこで、本願の発明者らは、以下の張付き学習制御を提案している。斯かる制御では、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときに、下流側空燃比センサによって検出された空燃比が所定時間以上に亘ってリッチ判定空燃比よりもリッチな空燃比に維持されている場合には、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン側に変化するようにフィードバック制御に関するパラメータを補正するリッチ張付き学習が行われる。また、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されているときに、下流側空燃比センサによって検出された空燃比が所定時間以上に亘ってリーン判定空燃比よりもリーンな空燃比に維持されている場合には、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するようにフィードバック制御に関するパラメータを補正するリーン張付き学習が行われる。このことによって、上流側空燃比センサの出力空燃比にずれが生じた場合にも、目標空燃比をリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比との間で交互に切り替えることができる。なお、リッチ判定空燃比とは理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比であり、リーン判定空燃比とは理論空燃比よりも僅かにリーンな空燃比である。
【０００９】
しかしながら、上流側空燃比センサの出力空燃比にずれが生じていない場合でも、下流側空燃比センサの応答遅れの異常によって張付き学習が誤って実行されることがある。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定されているときに、下流側空燃比センサの応答遅れの異常によって、下流側空燃比センサによって検出された空燃比が所定時間以上に亘ってリッチ判定空燃比よりもリッチな空燃比に維持される場合がある。この場合には、張付き学習が誤って実行されることになる。同様に、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されているときに、下流側空燃比センサによって検出された空燃比が所定時間以上に亘ってリーン判定空燃比よりもリーンな空燃比に維持される場合がある。この場合にも、同様に、張付き学習が誤って実行されることになる。張付き学習が誤って実行されると、排気空燃比が目標空燃比からずれるため、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【００１０】
このような張付き学習の誤った実行を抑制するためには、下流側空燃比センサの応答遅れが異常であると判定された場合に、張付き学習を禁止することが考えられる。しかしながら、張付き学習を禁止すると、上流側空燃比センサの出力空燃比にずれが生じている場合に、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチ又はリーンな値に維持され、排気エミッションが悪化する。
【００１１】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じているときにも排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、第１の発明では、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、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流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記排気浄化触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御する空燃比制御手段と、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて、前記フィードバック制御中における前記目標空燃比と前記流入排気ガスの実際の空燃比とのずれが小さくなるように前記フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習手段と、前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じているか否かを判定する異常判定手段とを備え、前記学習手段は、前記空燃比制御手段によって前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側及びリーン側のうちいずれか一方である第１の側に設定されているときに、前記流出排気ガスの空燃比が所定の空燃比維持判定時間以上に亘って理論空燃比に対して前記第１の側とは反対側の第２の側に維持されていると判定された場合には、前記流入排気ガスの実際の空燃比が前記第１の側に変化するように前記パラメータを補正する張付き学習を行い、前記異常判定手段によって前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の前記張付き学習における前記パラメータの補正量が前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合の前記張付き学習における前記パラメータの補正量よりも小さい、内燃機関が提供される。
【００１３】
第２の発明では、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、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流入排気ガスの空燃比を検出する上流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に、前記排気浄化触媒から流出する流出排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記上流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記目標空燃比に一致するように燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御する空燃比制御手段と、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて、前記フィードバック制御中における前記目標空燃比と前記流入排気ガスの実際の空燃比とのずれが小さくなるように前記フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習手段と、前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じているか否かを判定する異常判定手段とを備え、前記学習手段は、前記空燃比制御手段によって前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側及びリーン側のうちのいずれか一方である第１の側に設定されているときに、前記流出排気ガスの空燃比が所定の空燃比維持判定時間以上に亘って理論空燃比に対して前記第１の側とは反対側の第２の側に維持されていると判定された場合には、前記流入排気ガスの実際の空燃比が前記第１の側に変化するように前記パラメータを補正する張付き学習を行い、前記異常判定手段によって前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の前記空燃比維持判定時間が前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合の前記空燃比維持判定時間よりも長い、内燃機関が提供される。
【００１４】
第３の発明では、第１の発明又は第２の発明において、前記空燃比制御手段は、燃焼室への燃料供給が停止される燃料カット制御の終了時に前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定し、前記異常判定手段は、前記目標空燃比が前記リッチな空燃比に設定されてから前記流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定されるまでの時間が予め定められた基準時間以上である場合に、前記下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じていると判定する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、下流側空燃比センサに応答遅れの異常が生じているときにも排気エミッションの悪化を抑制することができる内燃機関が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態におけ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排気浄化触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図３】図３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４】図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図５】図５は、基本的な空燃比制御を行う際の目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図６】図６は、上流側空燃比センサの出力値に大きなずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図７】図７は、上流側空燃比センサの出力値に大きなずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図８】図８は、理論空燃比張付き学習を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図９】図９は、リーン張付き学習等を行う際の空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１０】図１０は、燃料カット制御を行う際の目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１１】図１１は、下流側空燃比センサの応答遅れに異常が生じている場合に燃料カット制御を行う際の目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１２】図１２は、下流側空燃比センサの応答遅れに異常が生じている場合に基本的な空燃比制御を行う際の目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１３】図１３は、学習更新量補正処理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、下流側空燃比センサの応答遅れに異常が生じている場合に基本的な空燃比制御を行う際の目標空燃比に関する空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図１５】図１５は、空燃比維持判定時間補正処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１８】
＜第１実施形態＞
最初に、図１〜図１３を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
【００１９】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第１実施形態における内燃機関を概略的に示す図である。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。
【００２０】
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本発明の内燃機関は他の燃料を用いても良い。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、すなわち上流側排気浄化触媒２０の排気流れ方向上流側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、すなわち上流側排気浄化触媒２０の排気流れ方向下流側には排気管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。
【００２４】
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、内燃機関の制御を行う制御装置として機能する。
【００２５】
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。
【００２６】
＜排気浄化触媒の説明＞
排気通路に配置された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基材に、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、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、図２（Ａ）に示したように、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る。また、これに伴って、排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に排気浄化触媒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。
【００２９】
一方、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、図２（Ｂ）に示したように、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、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中の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。
【００３０】
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。
【００３１】
＜空燃比センサの出力特性＞
次に、図３及び図４を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の出力特性について説明する。図３は、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図であり、図４は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）と出力電流Ｉとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ４０、４１として同一構成の空燃比センサが用いられる。
【００３２】
図３からわかるように、本実施形態の空燃比センサ４０、４１では、出力電流Ｉは、排気空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。したがって、空燃比センサ４０、４１は限界電流式の空燃比センサであるということができる。
【００３３】
図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなるように、排気空燃比に対して出力電流がリニアに（比例するように）変化する。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。また、排気空燃比が一定以上に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
【００３４】
なお、上記例では、空燃比センサ４０、４１として限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、排気空燃比に対して出力電流がリニアに変化するものであれば、空燃比センサ４０、４１として、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。また、両空燃比センサ４０、４１は互いに異なる構造の空燃比センサであってもよい。
【００３５】
＜基本的な空燃比制御＞
次に、本実施形態の内燃機関における基本的な空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の内燃機関は空燃比制御手段を備える。空燃比制御手段は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射弁１１から燃焼室５に供給される燃料供給量をフィードバック制御する。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
【００３６】
また、空燃比制御手段は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス（以下、単に「流入排気ガス」と称する。）の目標空燃比を設定する。目標空燃比の設定制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比とされ、その後、その空燃比に維持される。また、リーン設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リーンである予め定められた空燃比であり、例えば、１４．６５〜２０、好ましくは１４．６５〜１８、より好ましくは１４．６５〜１６程度とされる。また、リーン設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）にリーン補正量を加算した空燃比として表すこともできる。また、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチであるリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ空燃比になったと判断される。換言すると、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比よりも大きいときには、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比であると判断される。
【００３７】
目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、流入排気ガスの酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ガス等の量）を意味する。特に、目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには流入排気ガス中の酸素は過剰となり、この過剰な酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される。したがって、酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量の推定値を表しているといえる。
【００３８】
酸素過不足量ＯＥＤは、例えば、下記式（１）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＡＦｕｐ−ＡＦＲ）×Ｑｉ      …（１）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料噴射量、ＡＦｕｐは上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、ＡＦＲは制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比（１４．６））をそれぞれ表している。
【００３９】
このようにして算出された酸素過不足量を積算した積算酸素過不足量が、予め定められた切替基準値（予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当）以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比が、リッチ設定空燃比とされ、その後、その空燃比に維持される。リッチ設定空燃比は、理論空燃比（制御中心となる空燃比）よりも或る程度リッチである予め定められた空燃比であり、例えば、１２〜１４．５８、好ましくは１３〜１４．５７、より好ましくは１４〜１４．５５程度とされる。また、リッチ設定空燃比は、制御中心となる空燃比（本実施形態では、理論空燃比）からリッチ補正量を減算した空燃比として表すこともできる。なお、本実施形態では、リッチ設定空燃比の理論空燃比からの差（リッチ度合い）は、リーン設定空燃比の理論空燃比からの差（リーン度合い）以下とされる。
【００４０】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が再びリッチ判定空燃比以下となったときに、目標空燃比が再びリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。このように本実施形態では、流入排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比とリッチ設定空燃比とに交互に設定される。
【００４１】
ただし、上述したような制御を行った場合であっても、積算酸素過不足量が切替基準値に到達する前に上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達する場合がある。その原因としては、例えば、上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量が低下したり、一時的に流入排気ガスの空燃比が急激に変化したりすることが挙げられる。このように酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に到達すると、上流側排気浄化触媒２０からはリーン空燃比の排気ガスが流出することになる。そこで、本実施形態では、積算酸素過不足量が切替基準値に到達する前に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比となったときには、目標空燃比は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比となったときにリッチ設定空燃比に切り替えられる。特に、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリーンであるリーン判定空燃比（例えば、１４．６５）以上になったときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比になったと判断される。換言すると、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比よりも小さいときには、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比はほぼ理論空燃比であると判断される。したがって、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比よりも小さく且つリッチ判定空燃比よりも大きいときには、流出排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比であると判断される。
【００４２】
また、上述したような制御を行った場合であっても、積算酸素過不足量が切替基準値に到達したときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比に到達していない場合がある。その原因としては、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力がリーン側にずれていることが挙げられる。この場合、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リッチであると考えられる。このため、本実施形態では、積算酸素過不足量が切替基準値に到達したときに下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下に維持されている場合には、目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えることなくリーン設定空燃比に維持するようにしている。すなわち、本実施形態では、積算酸素過不足量が切替基準値に到達した後に下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比よりも大きくなったときには、目標空燃比は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比よりも大きくなったときにリッチ設定空燃比に切り替えられる。
【００４３】
＜タイムチャートを用いた空燃比制御の説明＞
図５を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図５は、基本的な空燃比制御を行う際の、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガス（以下、単に「流出排気ガス」と称する。）中のＮＯｘ濃度のタイムチャートである。
【００４４】
図５に示された積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上記式（１）によって算出される酸素過不足量ＯＥＤの積算値を示す。積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎとの間で切り替えられるときにリセットされてゼロにされる。
【００４５】
なお、空燃比補正量ＡＦＣは、流入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がゼロのときには目標空燃比は制御中心となる空燃比（以下、「制御中心空燃比」という）に等しい空燃比（本実施形態では、理論空燃比）とされ、空燃比補正量ＡＦＣが正の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリーンな空燃比（本実施形態では、リーン空燃比）となり、空燃比補正量ＡＦＣが負の値であるときには目標空燃比は制御中心空燃比よりもリッチな空燃比（本実施形態では、リッチ空燃比）となる。また、「制御中心空燃比」は、機関運転状態に応じて空燃比補正量ＡＦＣを加算する対象となる空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに応じて目標空燃比を変動させる際に基準となる空燃比を意味する。
【００４６】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とされている。すなわち、目標空燃比はリッチ空燃比とされており、これに伴って上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ空燃比となる。流入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、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。したがって、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に減少していく。上流側排気浄化触媒２０における浄化により流出排気ガス中には未燃ガスは含まれていないため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比となる。流入排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量はほぼゼロとなる。
【００４７】
上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少すると、酸素吸蔵量ＯＳＡは時刻ｔ1においてゼロに近づき、これに伴って、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。これにより、時刻ｔ1以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に低下する。その結果、時刻ｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。
【００４８】
本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎ（リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比へと切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤはゼロにリセットされる。
【００４９】
なお、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達してから、空燃比補正量ＡＦＣの切替を行っている。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であっても、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比から極わずかにずれてしまう場合があるためである。逆に言うと、リッチ判定空燃比は、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が十分であるときには流出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。
【００５０】
時刻ｔ2において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、流入排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。また、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから流入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）。時刻ｔ2において流入排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大する。また、これに伴って、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大していく。
【００５１】
これにより、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比へと変化し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎも理論空燃比に収束する。このとき、流入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、流入排気ガス中の酸素は上流側排気浄化触媒２０に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。このため、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘの排出はほぼゼロとなる。
【００５２】
その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大すると、時刻ｔ3において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当する切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、上流側排気浄化触媒２０への酸素の吸蔵を中止すべく、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがゼロにリセットされる。
【００５３】
ここで、図５に示した例では、時刻ｔ3において目標空燃比を切り替えると同時に酸素吸蔵量ＯＳＡが低下しているが、実際には目標空燃比を切り替えてから酸素吸蔵量ＯＳＡが低下するまでには遅れが発生する。また、内燃機関を搭載した車両の加速により機関負荷が高くなって吸入空気量が瞬間的に大きくずれた場合等、流入排気ガスの空燃比が意図せずに瞬間的に目標空燃比から大きくずれる場合がある。
【００５４】
これに対して、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは上流側排気浄化触媒２０が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも十分に低く設定される。このため、上述したような遅れが生じたり、実際の流入排気ガスの空燃比が意図せずに目標空燃比から瞬間的に大きくずれたりしたときであっても、酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しない。逆に言うと、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上述したような遅れや意図しない空燃比のずれが生じても、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘには到達しないように十分少ない量とされる。例えば、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆは、上流側排気浄化触媒２０が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘの３／４以下、好ましくは１／２以下、より好ましくは１／５以下とされる。
【００５５】
時刻ｔ3において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、流入排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから流入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）。流入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ＯＳＡは徐々に減少していき、時刻ｔ4において、時刻ｔ1と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが低下し始める。このときも、流入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の排出はほぼゼロとなる。
【００５６】
次いで、時刻ｔ5において、時刻ｔ2と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する。これにより、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定空燃比に相当する値ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ5のサイクルが繰り返される。
【００５７】
また、本実施形態では、上述した時刻ｔ1〜ｔ5のサイクルが繰り返される間、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比となるように燃焼室５に供給する燃料量がフィードバック制御される。例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比よりも低い（リッチである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が少なくされる。一方、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが目標空燃比に相当する値よりも高い（リーンである）場合、燃焼室５に供給する燃料量が多くされる。
【００５８】
以上の説明から分かるように、本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量を常に抑制することができる。すなわち、上述した制御を行っている限り、基本的には上流側排気浄化触媒２０からのＮＯｘ排出量をほぼゼロとすることができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤを算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出誤差によりＮＯｘが排出されてしまうことが抑制される。
【００５９】
また、一般に、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が一定に維持されると、その排気浄化触媒の酸素吸蔵能力が低下する。すなわち、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を高く維持するためには、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が変動することが必要になる。これに対して、本実施形態によれば、図５に示したように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは常に上下に変動しているため、酸素吸蔵能力が低下することが抑制される。
【００６０】
なお、上記実施形態では、時刻ｔ2〜ｔ3において、空燃比補正量ＡＦＣはリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に減少させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、時刻ｔ2〜ｔ3の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをゼロよりも小さな値（例えば、リッチ設定補正量等）としてもよい。すなわち、時刻ｔ2〜ｔ3の期間中において、一時的に目標空燃比をリッチ空燃比としてもよい。
【００６１】
同様に、上記実施形態では、時刻ｔ3〜ｔ5において、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持される。しかしながら、斯かる期間において、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されている必要はなく、徐々に増大させる等、変動するように設定されてもよい。或いは、時刻ｔ3〜ｔ5の期間中において、一時的に空燃比補正量ＡＦＣをゼロよりも大きな値（例えば、リーン設定補正量等）としてもよい。すなわち、時刻ｔ3〜ｔ5の期間中において、一時的に目標空燃比をリーン空燃比としてもよい。
【００６２】
ただし、この場合であっても、時刻ｔ2〜ｔ3における空燃比補正量ＡＦＣは、当該期間における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差が、時刻ｔ3〜ｔ5における目標空燃比の平均値と理論空燃比との差よりも大きくなるように設定される。
【００６３】
また、上記実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ等に基づいて算出されている。しかしながら、酸素吸蔵量ＯＳＡはこれらパラメータに加えて他のパラメータに基づいて算出されてもよいし、これらパラメータとは異なるパラメータに基づいて推定されてもよい。また、上記実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えられる。しかしながら、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えるタイミングは、例えば目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へ切り替えてからの機関運転時間や積算吸入空気量等、他のパラメータを基準としてもよい。ただし、この場合であっても、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量よりも少ないと推定される間に、目標空燃比をリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えることが必要となる。
【００６４】
＜上流側空燃比センサにおけるずれ＞
ところで、機関本体１が複数の気筒を有する場合、各気筒から排出される排気ガスの空燃比には気筒間でずれが生じる場合がある。一方、上流側空燃比センサ４０は排気マニホルド１９の集合部に配置されるが、その配置位置に応じて各気筒から排出された排気ガスが上流側空燃比センサ４０に曝される程度が気筒間で異なる。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は、或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比の影響を強く受けることになる。このため、この或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比が全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比とは異なる空燃比となっている場合、平均空燃比と上流側空燃比センサ４０の出力空燃比との間にはずれが生じる。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は実際の排気ガスの平均空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。
【００６５】
また、空燃比センサは、使用に伴って徐々に劣化し、そのゲイン特性が変化することがある。例えば、上流側空燃比センサ４０のゲイン特性が変化すると、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比と排気ガスの実際の空燃比との間にずれが生じる場合がある。この場合、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は排気ガスの実際の空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。
【００６６】
また、未燃ガスのうち水素は空燃比センサの拡散律速層の通過速度が速い。このため、排気ガス中の水素濃度が高いと、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が排気ガスの実際の空燃比よりも低い側（すなわち、リッチ側）にずれてしまう。
【００６７】
上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれが大きくなると、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されていても、実際の排気ガスの空燃比が理論空燃比になってしまう場合がある。この様子を、図６に示す。図６は、上流側空燃比センサの出力値に大きなずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は、上流側空燃比センサ４０によって検出された出力に相当する空燃比を示している。また、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける破線は、上流側空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスの実際の空燃比、すなわち流入排気ガスの実際の空燃比を示している。
【００６８】
図６では、時刻ｔ1以前において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリーン設定空燃比となる。ただし、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、流入排気ガスの実際の空燃比（図中の破線）はリーン設定空燃比よりもリーンな空燃比となっている。
【００６９】
その後、時刻ｔ1において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐに基づいて算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリッチ設定空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、流入排気ガスの実際の空燃比（図中の破線）は理論空燃比となっている。
【００７０】
この結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは変化せずに一定の値に維持される。このため、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから長時間が経過しても、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが排出されることはなく、したがって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはほぼ理論空燃比のまま維持される。上述したように、空燃比補正量ＡＦＣのリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達した時に行われる。しかしながら、図６に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比のまま維持されることから、空燃比補正量ＡＦＣは長時間に亘ってリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに維持されることになる。したがって、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が大きくずれている場合には、空燃比補正量ＡＦＣの切替が行われない。
【００７１】
図７は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が極めて大きくリッチ側にずれている場合を示す図６と同様な図である。図７に示した例では、図６に示した例と同様に、時刻ｔ1において、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。すなわち、時刻ｔ1において目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれにより、実際の流入排気ガスの空燃比（図中の破線）がリーン空燃比になっている。
【００７２】
この結果、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されているにもかかわらず、上流側排気浄化触媒２０にはリーン空燃比の排気ガスが流入する。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に増大していき、ついには時刻ｔ2において最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達する。このように、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達すると、上流側排気浄化触媒２０はもはやこれ以上排気ガス中の酸素を吸蔵することができない。このため、流入排気ガス中に含まれていた酸素及びＮＯｘが上流側排気浄化触媒２０からそのまま流出し、結果的に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが上昇する。しかしながら、空燃比補正量ＡＦＣのリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎへの切替は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達した時に行われる。このため、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が極めて大きくずれている場合にも、空燃比補正量ＡＦＣの切替が行われない。
【００７３】
＜張付き学習制御＞
そこで、本実施形態の内燃機関は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づくフィードバック制御中における流入排気ガスの目標空燃比と流入排気ガスの実際の空燃比とのずれが小さくなるように、フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習手段を備える。学習手段は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれが大きな場合であってもそのずれを補償すべく、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比に基づいて、理論空燃比張付き学習制御、リーン張付き学習制御及びリッチ張付き学習制御を行う。
【００７４】
＜理論空燃比張付き学習＞
まず、理論空燃比張付き学習制御について説明する。理論空燃比張付き学習制御は、図６に示した例のように、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比が理論空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。
【００７５】
ここで、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈとリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎとの間の領域を中間領域Ｍと称する。この中間領域Ｍは、リッチ判定空燃比とリーン判定空燃比との間の理論空燃比近傍空燃比領域に相当する。理論空燃比張付き学習制御では、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから、すなわち目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められた理論空燃比維持判定時間以上に亘って中間領域Ｍ内に維持されているか否かを判断する。そして、理論空燃比維持判定時間以上に亘って中間領域Ｍ内に維持されている場合には、流入排気ガスの実際の空燃比がリッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが減少せしめられる。学習値ｓｆｂｇは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比（出力電流）のずれに応じて変化する値であり、本実施形態では制御中心空燃比ＡＦＲを補正するのに用いられる。
【００７６】
図８を参照して、上述したような制御について具体的に説明する。図８は、理論空燃比張付き学習を行う際の制御中心空燃比ＡＦＲ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び学習値ｓｆｂｇのタイムチャートである。図８は、図６と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが低い側（リッチ側）に大きくずれている場合を示している。なお、図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は、上流側空燃比センサ４０によって検出された出力に相当する空燃比を示している。また、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける破線は、上流側空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスの実際の空燃比、すなわち流入排気ガスの実際の空燃比を示している。加えて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける一点鎖線は、目標空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに相当する空燃比を示している。
【００７７】
図示した例では、図６と同様に、時刻ｔ1以前において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとされている。その後、時刻ｔ1において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達し、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、図６に示した例と同様に、流入排気ガスの実際の空燃比はほぼ理論空燃比となっている。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ＯＳＡは一定の値に維持される。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは長期間に亘って理論空燃比近傍に維持され、よって中間領域Ｍ内に維持される。
【００７８】
そこで、本実施形態では、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから予め定められた理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏ以上に亘って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが中間領域Ｍ内に維持されている場合には、制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。特に、本実施形態では、流入排気ガスの実際の空燃比がリッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが更新される。
【００７９】
具体的には、本実施形態では、下記式（２）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、下記式（３）により制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ1×ＡＦＣｒｉｃｈ      …（２）
ＡＦＲ＝ＡＦＲｂａｓｅ＋ｓｆｂｇ（ｎ）      …（３）
なお、上記式（２）において、ｋ1は、制御中心空燃比ＡＦＲを補正する程度を表すゲインである（０＜ｋ1≦１）。ゲインｋ1の値が大きいほど、制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が大きくなる。また、上記式（３）において、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅは、基本となる制御中心空燃比であり、本実施形態では理論空燃比である。
【００８０】
ここで、上述したように、空燃比補正量ＡＦＣの切替後に長期間に亘って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが中間領域Ｍ内に維持されている場合には、流入排気ガスの実際の空燃比はほぼ理論空燃比近傍の値となっている。このため、上流側空燃比センサ４０におけるずれは、制御中心空燃比（理論空燃比）と目標空燃比（この場合は、リッチ設定空燃比）との差と同程度になっている。本実施形態では、上記式（２）に示したように制御中心空燃比と目標空燃比との差に相当する空燃比補正量ＡＦＣに基づいて学習値ｓｆｂｇを更新しており、これにより、より適切に上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償することができる。
【００８１】
図８に示した例では、時刻ｔ1から理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏが経過した時刻ｔ2まで、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされる。このため、式（２）を用いると、時刻ｔ2において学習値ｓｆｂｇは減少せしめられる。この結果、流入排気ガスの実際の空燃比はリッチ側に変化することになる。これにより、時刻ｔ2以降、流入排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻ｔ2以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻ｔ2以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻ｔ2以前における差よりも小さくなっている。
【００８２】
図８に示した例では、ゲインｋ1を比較的小さい値にした例を示している。このため、時刻ｔ2において学習値ｓｆｂｇの更新が行われてもなお、流入排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれが残っている。このため、流入排気ガスの実際の空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリッチ度合いの小さい空燃比となる（図８の破線参照）。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅い。
【００８３】
この結果、時刻ｔ2から理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏが経過した時刻ｔ3まで、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比近傍に維持され、よって中間領域Ｍ内に維持される。このため、図８に示した例では、時刻ｔ3においても、式（２）を用いて、学習値ｓｆｂｇの更新が行われる。
【００８４】
図８に示した例では、その後、時刻ｔ4において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下となる。このように、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下になった後には、上述したように空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎとリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとに交互に設定される。
【００８５】
理論空燃比張付き学習制御によりこのように学習値ｓｆｂｇの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐのずれが大きい場合であっても、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償することができる。この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐのずれが大きい場合であっても、目標空燃比の切替が可能となる
【００８６】
なお、上記実施形態では、理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏは予め定められた時間とされている。この場合、理論空燃比維持判定時間は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が新品時の上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでに通常かかる時間以上とされる。具体的には、その２倍〜４倍程度の時間とするのが好ましい。
【００８７】
或いは、理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤ等、他のパラメータに応じて変化させてもよい。具体的には、例えば、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが多くなるほど、理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏが短くされる。これにより、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤが所定の量（例えば、図８のＯＥＤｓｗ）になったときに上述したような学習値ｓｆｂｇの更新を行うようにすることもできる。また、この場合、積算酸素過不足量ΣＯＥＤにおける上記所定の量を新品時の上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量以上とすることが必要である。具体的には、最大吸蔵可能酸素量の２倍〜４倍程度の量とするのが好ましい。
【００８８】
なお、理論空燃比張付き学習制御は、上述した基本的な空燃比制御とは異なる別の空燃比制御にも適用することができる。別の空燃比制御とは、例えば、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になったときに目標空燃比をリッチ空燃比に切り替え、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比をリーン空燃比に切り替える制御である。この場合、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏ以上に亘って理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合には、流入排気ガスの実際の空燃比がリーン側に変化するように学習値ｓｆｂｇが増大せしめられる。また、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏ以上に亘って理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合には、流入排気ガスの実際の空燃比がリッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが減少せしめられる。
【００８９】
また、上記実施形態では、学習値ｓｆｂｇに基づいて、制御中心空燃比ＡＦＲを補正することとしている。しかしながら、学習値ｓｆｂｇに基づいて補正するのは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づくフィードバック制御に関する他のパラメータであってもよい。他のパラメータとしては、例えば、燃焼室５内への燃料供給量や、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、空燃比補正量ＡＦＣ等が挙げられる。
【００９０】
したがって、これらをまとめて表現すると、本実施形態では、学習手段は、空燃比制御手段によって目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側及びリーン側のうちいずれか一方である第１の側に設定されているときに、流出排気ガスの空燃比が所定の空燃比維持判定時間以上に亘って理論空燃比に維持されていると判定された場合には、流入排気ガスの実際の空燃比が第１の側に変化するように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づくフィードバック制御に関するパラメータを補正する理論空燃比張付き学習を行う。
【００９１】
＜リッチ・リーン張付き学習＞
次に、リーン張付き学習制御について説明する。リーン張付き学習制御は、図７に示した例のように、目標空燃比をリッチ空燃比にしているにもかかわらず、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比がリーン空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。リーン張付き学習制御では、空燃比補正量ＡＦＣをリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えてから、すなわち目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されているかを判断する。そして、リーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されている場合には、流入排気ガスの実際の空燃比がリッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが減少せしめられる。
【００９２】
図９を参照して、上述したような制御について具体的に説明する。図９は、リーン張付き学習等を行う際の制御中心空燃比ＡＦＲ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び学習値ｓｆｂｇのタイムチャートである。図９は、図７と同様に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが低い側（リッチ側）に極めて大きくずれている場合を示している。なお、図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は、上流側空燃比センサ４０によって検出された出力に相当する空燃比を示している。また、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける破線は、上流側空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスの実際の空燃比、すなわち流入排気ガスの実際の空燃比を示している。加えて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける一点鎖線は、目標空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに相当する空燃比を示している。
【００９３】
図示した例では、時刻ｔ0において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎからリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は極めて大きくリッチ側にずれているため、図７に示した例と同様に、流入排気ガスの実際の空燃比はリーン空燃比となっている。このため、時刻ｔ0以降、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン空燃比に維持される。
【００９４】
そこで、本実施形態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されてから、予め定められたリーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎ以上に亘って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比に維持されている場合には、制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。特に、本実施形態では、流入排気ガスの実際の空燃比がリッチ側に変化するように学習値ｓｆｂｇが補正される。
【００９５】
具体的には、本実施形態では、下記式（４）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、上記式（３）により学習値ｓｆｂｇに基づいて制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ2×（ＡＦＣｒｉｃｈ−（ＡＦｄｗｎ−１４．６））      …（４）
なお、上記式（４）において、ｋ2は、制御中心空燃比ＡＦＲを補正する程度を表すゲインである（０＜ｋ2≦１）。ゲインｋ2の値が大きいほど、制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が大きくなる。
【００９６】
ここで、図９に示した例では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定されているときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比に維持されている。この場合、上流側空燃比センサ４０におけるずれは、目標空燃比と下流側空燃比センサ４１の出力空燃比との差に相当する。これを分解すると、上流側空燃比センサ４０におけるずれは、目標空燃比と理論空燃比との差（リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに相当）と、理論空燃比と下流側空燃比センサ４１の出力空燃比との差とを加算した量と同程度となっているといえる。そこで、本実施形態では、上記式（４）に示したように、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに下流側空燃比センサ４１の出力空燃比と理論空燃比との差を加算した値に基づいて学習値ｓｆｂｇを更新している。特に、上述した理論空燃比張付き学習では、リッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ相当分だけ学習値を補正しているのに対して、リーン張付き学習ではこれに加えて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ相当分だけ学習値を補正している。また、ゲインｋ2はゲインｋ1と同程度とされる。このため、リーン張付き学習における補正量は、理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい。なお、リーン張付き学習における補正量は、リーン空燃比に維持されたときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに関わらず一定とされてもよい。
【００９７】
図９に示した例では、式（４）を用いると、時刻ｔ1において、学習値ｓｆｂｇは減少せしめられる。この結果、流入排気ガスの実際の空燃比はリッチ側に変化することになる。これにより、時刻ｔ1以降、流入排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれは時刻ｔ1以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻ｔ1以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻ｔ1以前における差よりも小さくなっている。
【００９８】
図９では、ゲインｋ2を比較的小さい値にした例を示している。このため、時刻ｔ1において学習値ｓｆｂｇの更新が行われてもなお、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれが残っている。特に、図示した例では、時刻ｔ1以降も、流入排気ガスの実際の空燃比はリーン空燃比のままとなっている。この結果、時刻ｔ1からリーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎに亘って下流側空燃比センサの出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン空燃比に維持される。このため、図示した例では、時刻ｔ2においても、リーン張付き学習により、上記式（４）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。
【００９９】
時刻ｔ2において学習値ｓｆｂｇの補正が行われると、流入排気ガスの実際の空燃比の目標空燃比に対するずれが小さくなる。これにより、図示した例では、時刻ｔ2以降には、流入排気ガスの実際の空燃比は理論空燃比よりも僅かにリッチとなり、これに伴って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリーン空燃比からほぼ理論空燃比に変化する。特に、図９に示した例では、時刻ｔ2から時刻ｔ3まで理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏに亘って下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比、すなわち中間領域Ｍ内に維持される。このため、時刻ｔ3において、理論空燃比張付き学習により、上記式（２）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。
【０１００】
リーン張付き学習制御及び理論空燃比張付き学習制御によってこのように学習値ｓｆｂｇの更新を行うことにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐのずれが極めて大きい場合であっても、目標空燃比の切替を行うことができる。
【０１０１】
なお、上記実施形態では、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは予め定められた時間とされている。この場合、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからそれに応じて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が変化するまでに通常かかる下流側空燃比センサの応答遅れ時間以上とされる。具体的には、その２倍〜４倍程度の時間とするのが好ましい。また、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値が新品時の上流側排気浄化触媒２０の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでに通常かかる時間よりも短い。したがって、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは、上述した理論空燃比維持判定時間Ｔｓｔｏよりも短いものとされる。
【０１０２】
或いは、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎは、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから積算された排気ガス流量等、他のパラメータに応じて変化させてもよい。具体的には、例えば、積算排気ガス流量ΣＧｅが多くなるほど、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎが短くされる。これにより、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算排気ガス流量が所定の量（例えば、図９のΣＧｅｓｗ）になったときに、上述したような学習値ｓｆｂｇの更新を行うようにすることもできる。また、この場合、所定の量は、目標空燃比を切り替えてからそれに応じて下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が変化するまでに必要な排気ガスの総流量以上とすることが必要である。具体的には、斯かる総流量の２倍〜４倍程度の量とすることが好ましい。
【０１０３】
次に、リッチ張付き学習制御について説明する。リッチ張付き学習制御は、リーン張付き学習制御と同様な制御であり、目標空燃比をリーン空燃比にしているにもかかわらず、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比がリッチ空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。リッチ張付き学習制御では、空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えてから、すなわち目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリッチ空燃比維持判定時間（リーン空燃比維持判定時間と同様）以上に亘ってリッチ空燃比に維持されているかを判断する。そして、リッチ空燃比維持判定時間以上に亘ってリッチ空燃比に維持されている場合には、流入排気ガスの実際の空燃比がリーン側に変化するように学習値ｓｆｂｇが増大せしめられる。すなわち、リッチ張付き学習制御では、上述したリーン張付き学習制御とはリッチ及びリーンが逆にした制御が行われる。
【０１０４】
なお、リッチ張付き学習制御では、下記式（５）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、上記式（３）により学習値ｓｆｂｇに基づいて制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ3×（ＡＦＣｌｅａｎ−（ＡＦｄｗｎ−１４．６））      …（５）
なお、上記式（５）において、ｋ3は、制御中心空燃比ＡＦＲを補正する程度を表すゲインである（０＜ｋ3≦１）。ゲインｋ3の値が大きいほど、制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が大きくなる。なお、リッチ張付き学習における補正量は、リッチ空燃比に維持されたときの下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに関わらず一定とされてもよい。
【０１０５】
また、リーン張付き学習制御及びリッチ張付き学習制御は、上述した基本的な空燃比制御とは異なる別の空燃比制御にも適用することができる。別の空燃比制御とは、例えば、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になったときに目標空燃比をリッチ空燃比に切り替え、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になったときに目標空燃比をリーン空燃比に切り替える制御である。
【０１０６】
また、上記実施形態では、学習値ｓｆｂｇに基づいて、制御中心空燃比ＡＦＲを補正することとしている。しかしながら、学習値ｓｆｂｇに基づいて補正するのは、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づくフィードバック制御に関する他のパラメータであってもよい。他のパラメータとしては、例えば、燃焼室５内への燃料供給量や、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比、空燃比補正量ＡＦＣ等が挙げられる。
【０１０７】
したがって、これらをまとめて表現すると、本実施形態では、学習手段は、空燃比制御手段によって目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側及びリーン側のうちいずれか一方である第１の側に設定されているときに、流出排気ガスの空燃比が所定の空燃比維持判定時間以上に亘って理論空燃比に対して第１の側とは反対側の第２の側に維持されていると判定された場合には、流入排気ガスの実際の空燃比が第１の側に変化するように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比に基づくフィードバック制御に関するパラメータを補正する張付き学習を行う。
【０１０８】
＜燃料カット制御＞
また、本実施形態の内燃機関では、内燃機関を搭載した車両の減速時等に、内燃機関の動作中に燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止して燃焼室５内への燃料供給を停止する燃料カット制御が実施される。斯かる燃料カット制御は、所定の燃料カット開始条件が成立したときに開始される。例えば、燃料カット制御は、アクセルペダル４２の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに実施される。
【０１０９】
燃料カット制御が行われたときは、内燃機関から空気又は空気と同様な排気ガスが排出されることになるため、上流側排気浄化触媒２０には空燃比の極めて高い（すなわち、リーン度合いの極めて高い）ガスが流入することになる。この結果、燃料カット制御中には、上流側排気浄化触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量に達する。
【０１１０】
また、燃料カット制御は、所定の燃料カット終了条件が成立すると終了せしめられる。燃料カット終了条件としては、例えば、アクセルペダル４２の踏込み量が所定値以上になること（すなわち、機関負荷が或る程度の値になること）、或いは機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以下になること等が挙げられる。また、本実施形態の内燃機関では、燃料カット制御の終了直後には、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比よりもリッチな復帰後リッチ空燃比にする復帰後リッチ制御が行われる。これにより、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された酸素を迅速に放出させることができる。
【０１１１】
図１０は、燃料カット制御を行う際の空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び積算酸素過不足量ΣＯＥＤのタイムチャートである。
【０１１２】
図示した例では、時刻ｔ1以前に燃料カット制御が実施されている。燃料カット制御によって上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は最大となり、流入排気ガス及び流出排気ガスはほぼ空気となっている。このため、時刻ｔ1以前には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは非常に大きな値を示している。
【０１１３】
その後、時刻ｔ1において、燃料カット制御が終了されると、燃料カット制御中に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵された多量の酸素を放出するために、復帰後リッチ制御が行われる。復帰後リッチ制御では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈよりもリッチな強リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに設定される。すなわち、目標空燃比はリッチ設定空燃比よりもリッチな強リッチ設定空燃比に設定される。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリーン空燃比となる（実際には、目標空燃比を切り替えてから流入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）。また、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比に向かってリッチ側に変化する。
【０１１４】
下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは復帰後リッチ制御中の時刻ｔ2においてリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなる。上述したように、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さく且つリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きいときには、流出排気ガスの空燃比はほぼ理論空燃比であると判定される。したがって、時刻ｔ2では、流出排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比になったと判定される。なお、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが実際に理論空燃比になったときに、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定してもよい。
【０１１５】
時刻ｔ1において復帰後リッチ制御が開始されると、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの計算が開始される。復帰後リッチ制御では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは徐々に減少していく。時刻ｔ3において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが制御終了基準値ＯＥＤｅｎｄに到達すると、復帰後リッチ制御が終了せしめられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤはゼロにリセットされる。
【０１１６】
制御終了基準値ＯＥＤｅｎｄの絶対値は上流側排気浄化触媒２０が新品であるときの最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも十分に低く設定される。このため、通常、復帰後リッチ制御の終了時には、上流側排気浄化触媒２０に酸素が残っているため、流入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、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎは理論空燃比となる。
【０１１７】
時刻ｔ3において、図５に示したような通常制御が再開される。このとき、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達していないため、空燃比補正量ＡＦＣはリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされる。したがって、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。時刻ｔ3以降の通常制御では、図５に示した制御と同様に、目標空燃比がリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比との間で交互に切り替えられる。
【０１１８】
なお、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐのずれ、上流側排気浄化触媒２０の劣化等によって、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが制御終了基準値ＯＥＤｅｎｄに到達する前に、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する場合がある。この場合、復帰後リッチ制御は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達したときに終了せしめられる。復帰後リッチ制御が終了すると、通常制御が再開され、再開時には目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される。その後、目標空燃比はリーン設定空燃比とリッチ設定空燃比との間で交互に切り替えられる。
【０１１９】
＜下流側空燃比センサの応答遅れの異常＞
ところで、空燃比センサ４０、４１は、使用に伴って徐々に劣化し、その応答特性が変化することがある。以下、図１１を参照して、下流側空燃比センサ４１の応答遅れに異常が生じた場合について説明する。図１１は、下流側空燃比センサ４１の応答遅れに異常が生じている場合に燃料カット制御を行う際の空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ及び積算酸素過不足量ΣＯＥＤのタイムチャートである。
【０１２０】
図１１は図１０と同様な図であり、図示した例では、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ及び積算酸素過不足量ΣＯＥＤは時刻ｔ2まで図１０の例と同様に推移する。一方、図１１の例では、図１０の例と異なり、復帰後リッチ制御が終了するまでに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎに到達していない。
【０１２１】
図１１の例では、時刻ｔ3において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達すると、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。その後、時刻ｔ4において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切換基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。しかしながら、このとき、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎはリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりもリッチな値を示している。したがって、時刻ｔ4では、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであると考えられるため、目標空燃比はリッチ設定空燃比に切り替えられることなくリーン設定空燃比に維持される。
【０１２２】
その後、時刻ｔ5において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなる。したがって、時刻ｔ5において、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定され、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
【０１２３】
＜異常判定手段＞
本実施形態の内燃機関は、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じているか否かを判定する異常判定手段を備える。異常判定手段は、燃料カット制御の終了時に目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比に設定されてから、流出排気ガスの空燃比が理論空燃比になったと判定されるまでの時間が予め定められた基準時間Ｔｒｅｆ以上である場合に、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定する。
【０１２４】
基準時間Ｔｒｅｆは、例えば復帰後リッチ制御の実行時間、すなわち目標空燃比が強リッチ設定空燃比に設定されてから積算酸素過不足量ΣＯＥＤが制御終了基準値ＯＥＤｅｎｄに到達するまでに通常かかる時間とされる。したがって、図１０の例では、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていないと判定され、図１１の例では、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定される。
【０１２５】
＜下流側空燃比センサの応答遅れの異常による問題点＞
上述したように、目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されている場合には、フィードバック制御に関するパラメータを補正するリーン張付き学習が実施される。また、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが予め定められたリッチ空燃比維持判定時間以上に亘ってリッチ空燃比に維持されている場合には、フィードバック制御に関するパラメータを補正するリッチ張付き学習が実施される。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じていない場合でも、下流側空燃比センサ４１の応答遅れの異常によってリーン張付き学習又はリッチ張付き学習が誤って実行されることがある。
【０１２６】
以下、図１２を参照して、斯かる現象について具体的に説明する。図１２は、下流側空燃比センサの応答遅れに異常が生じている場合に基本的な空燃比制御を行う際の制御中心空燃比ＡＦＲ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎ、積算酸素過不足量ΣＯＥＤ及び学習値ｓｆｂｇのタイムチャートである。
【０１２７】
図示した例では、時刻ｔ0〜時刻t1の間には、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈ（リッチ設定空燃比に相当）とされている。したがって、目標空燃比はリッチ設定空燃比とされている。時刻ｔ1において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達すると、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えられる。
【０１２８】
図１２の例では、時刻ｔ1の後、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切換基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。しかしながら、このとき、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達していないため、目標空燃比がリッチ設定空燃比に切り替えられることなくリーン設定空燃比に維持される。
【０１２９】
その後、時刻ｔ2において、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてからの経過時間がリッチ空燃比維持判定時間Ｔｒｉｃｈとなる。このとき、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達していない。このため、時刻ｔ2において、流出排気ガスの空燃比がリッチ空燃比維持判定時間Ｔｒｉｃｈ以上に亘って理論空燃比よりもリッチ側に維持されていると判定され、リッチ張付き学習が行われる。リッチ張付き学習では、流入排気ガスの空燃比がリーン側に変化するように学習値ｓｆｂｇが補正される。具体的には、上記式（４）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、上記式（３）により学習値ｓｆｂｇに基づいて制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。なお、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは時刻ｔ2においてゼロにリセットされる。
【０１３０】
図１２の例では、時刻ｔ2において、学習値ｓｆｂｇは増加せしめられる。この結果、流入排気ガスの空燃比は目標空燃比よりもリーン側にずれる。したがって、下流側空燃比センサ４１の応答遅れの異常によって、学習値ｓｆｂｇが誤った値に更新される。
【０１３１】
図１２の例では、時刻ｔ2の後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなる。その後、時刻ｔ3において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切換基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。
【０１３２】
＜下流側空燃比センサの応答遅れに異常が生じた際の張付き学習＞
本実施形態では、誤った張付き学習による排気エミッションの悪化を抑制すべく、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の張付き学習におけるパラメータの補正量が下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合の張付き学習におけるパラメータの補正量よりも小さくされる。
【０１３３】
例えば、上記式（４）におけるゲインｋ2及び上記式（５）におけるゲインｋ3が、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定されている場合には、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合に比べて小さくされる。例えば、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定されている場合には、ゲインｋ2及びゲインｋ3が０．０１とされ、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合には、ゲインｋ2及びゲインｋ3が０．１とされる。この結果、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定されている場合には、学習値ｓｆｂｇの更新量が相対的に小さくされ、ひいては制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が相対的に小さくされる。
【０１３４】
この結果、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じていない場合に下流側空燃比センサ４１の応答遅れの異常によって学習値ｓｆｂｇが誤った値に更新されたとしても、目標空燃比に対する流入排気ガスの実際の空燃比のずれを小さくすることができる。一方、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれによって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比よりもリッチ側又はリーン側に維持されている場合には、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれを少しずつ補償することができる。したがって、本実施形態の内燃機関によれば、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じているときにも排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０１３５】
＜学習更新量補正処理の制御ルーチン＞
次に、図１３のフローチャートを参照して、斯かる制御を実施するための制御ルーチンについて説明する。図１３は、学習更新量補正処理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実行される。
【０１３６】
最初にステップＳ１０１において、応答遅れ異常判定フラグＦｄが１であるか否かが判定される。応答遅れ異常判定フラグＦｄは、異常判定手段によって下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定された場合に１とされるフラグである。
【０１３７】
下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じているか否かの判定は、例えば上述したような方法で燃料カット制御後に行われる。なお、この判定は他の方法で行われてもよい。例えば、目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えた後、理論空燃比よりもリッチ側から理論空燃比に向かって変化する下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎの傾きの最大値が所定値以下である場合に、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定してもよい。また、応答遅れ異常判定フラグＦｄが１にされるとき、異常をユーザに知らせるために警告灯を点灯させてもよい。
【０１３８】
ステップＳ１０１において、応答遅れ異常判定フラグＦｄがゼロであると判定された場合、ステップＳ１０２へと進む。ステップＳ１０２では、上記式（４）におけるゲインｋ2が所定値Ｇｌｂとされ、上記式（５）におけるゲインｋ3が所定値Ｇｒｂとされる。所定値Ｇｌｂ及び所定値Ｇｒｂは例えば０．１である。なお、所定値Ｇｌｂと所定値Ｇｒｂとは異なる値とされてもよい。ステップＳ１０２の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１３９】
一方、ステップＳ１０１において、応答遅れ異常判定フラグＦｄが１であると判定された場合、ステップＳ１０３へと進む。ステップＳ１０３では、上記式（４）におけるゲインｋ2が所定値Ｇｌｓとされ、上記式（５）におけるゲインｋ3が所定値Ｇｒｓとされる。所定値Ｇｌｓ及び所定値Ｇｒｓは、所定値Ｇｌｂ及び所定値Ｇｒｂよりも小さい値であり、例えば０．０１である。なお、所定値Ｇｌｓと所定値Ｇｒｓとは異なる値とされてもよい。ステップＳ１０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１４０】
＜第２実施形態＞
次に、図１４及び図１５を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の内燃機関の構成及び制御は基本的に第１実施形態の内燃機関と同様であるため、以下の説明では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１４１】
第２実施形態では、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の空燃比維持判定時間が下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合の空燃比維持判定時間よりも長くされる。このことによって、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じていない場合に下流側空燃比センサ４１の応答遅れの異常によって学習値ｓｆｂｇが誤った値に更新されることを抑制することができる。
【０１４２】
以下、図１４のタイムチャートを参照して、斯かる制御について具体的に説明する。図１４は、制御中心空燃比ＡＦＲ等のタイムチャートを示す図１２と同様な図である。
【０１４３】
図示した例では、制御中心空燃比ＡＦＲ等は時刻ｔ1まで図１２の例と同様に推移する。一方、図１４の例では、リッチ空燃比維持判定時間Ｔｒｉｃｈが図１２の例よりも長くされている。図１４におけるリッチ空燃比維持判定時間Ｔｒｉｃｈは、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから、応答遅れに異常が生じている下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達するまでにかかる時間以上とされる。
【０１４４】
図１４の例では、時刻ｔ1の後、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切換基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。しかしながら、このとき、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達していないため、目標空燃比がリッチ設定空燃比に切り替えられることなくリーン設定空燃比に維持される。
【０１４５】
その後、時刻ｔ2において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。したがって、目標空燃比は、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてからの経過時間がリッチ空燃比維持判定時間Ｔｒｉｃｈに達する前に、リーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。この結果、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていても、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じていない場合には、学習値ｓｆｂｇの更新が行われない。
【０１４６】
一方、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれによって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ空燃比維持判定時間Ｔｒｉｃｈ以上に亘って理論空燃比よりもリッチ側に維持されている場合には、学習値ｓｆｂｇが更新され、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれを補償することができる。したがって、第２実施形態の内燃機関によれば、下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じているときにも排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０１４７】
＜空燃比維持判定時間補正処理の制御ルーチン＞
次に、図１５のフローチャートを参照して、斯かる制御を実施するための制御ルーチンについて説明する。図１５は、空燃比維持判定時間補正処理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実行される。
【０１４８】
最初にステップＳ２０１において、応答遅れ異常判定フラグＦｄが１であるか否かが判定される。ステップＳ２０１は、図１３におけるステップＳ１０１と同様であることから説明を省略する。
【０１４９】
ステップＳ２０１において、応答遅れ異常判定フラグＦｄがゼロであると判定された場合、ステップＳ２０２へと進む。ステップＳ２０２では、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎが所定値Ｔｌｓとされ、リッチ空燃比維持判定時間Ｔｒｉｃｈが所定値Ｔｒｓとされる。所定値Ｔｌｓ及び所定値Ｔｒｓは例えば１０秒である。なお、所定値Ｔｌｓと所定値Ｔｒｓとは異なる値とされてもよい。ステップＳ２０２の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１５０】
一方、ステップＳ２０１において、応答遅れ異常判定フラグＦｄが１であると判定された場合、ステップＳ２０３へと進む。ステップＳ２０３では、リーン空燃比維持判定時間Ｔｌｅａｎが所定値Ｔｌｌとされ、リッチ空燃比維持判定時間Ｔｒｉｃｈが所定値Ｔｒｌとされる。所定値Ｔｌｌ及び所定値Ｔｒｌは、所定値Ｔｌｓ及び所定値Ｔｒｓよりも長く、例えば１００秒である。なお、所定値Ｔｌｌと所定値Ｔｒｌとは異なる値とされてもよい。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１５１】
なお、上述した全ての制御は内燃機関１００のＥＣＵ３１によって制御される。
【０１５２】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、本発明の第１実施形態及び第２実施形態は組み合わせて実施可能である。具体的には、異常判定手段によって下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の張付き学習におけるパラメータの補正量が下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合の張付き学習におけるパラメータの補正量よりも小さくされると共に、異常判定手段によって下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていると判定されている場合の空燃比維持判定時間が下流側空燃比センサ４１に応答遅れの異常が生じていないと判定されている場合の空燃比維持判定時間よりも長くされてもよい。
【符号の説明】
【０１５３】
１    機関本体
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１３    吸気枝管
１４    サージタンク
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
２４    下流側排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【図１】
2017002843.tif 000003
【図２】
2017002843.tif 000004
【図３】
2017002843.tif 000005
【図４】
2017002843.tif 000006
【図５】
2017002843.tif 000007
【図６】
2017002843.tif 000008
【図７】
2017002843.tif 000009
【図８】
2017002843.tif 000010
【図９】
2017002843.tif 000011
【図１０】
2017002843.tif 000012
【図１１】
2017002843.tif 000013
【図１２】
2017002843.tif 000014
【図１３】
2017002843.tif 000015
【図１４】
2017002843.tif 000016
【図１５】
2017002843.tif 000017