(57)【要約】【課題】ポート燃料噴射弁及び筒内燃料噴射弁を備えた内燃機関において、筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を低減するための制御を実行することによる排気エミッションの悪化を抑制する。【解決手段】内燃機関１００は、ポート燃料噴射弁１１、筒内燃料噴射弁１２、排気浄化触媒２０、下流側空燃比センサ４１と、噴射比制御部及び空燃比制御部を備える。噴射比制御部は、筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が基準値以上であり且つ内燃機関がアイドル状態にあるときに、筒内噴射比をゼロからゼロよりも高い値に増大させる燃料圧力低減制御を実行する。空燃比制御部は、目標空燃比を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に交互に設定し、燃料圧力低減制御が終了したときには、目標空燃比をリーン設定空燃比よりもリーンな強リーン設定空燃比に一時的に設定する。【選択図】図１３
2017172331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関であって、
吸気ポート内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁と、
筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
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、
前記排気通路において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、
前記ポート燃料噴射弁及び前記筒内燃料噴射弁から燃焼室に供給される燃料供給量に対する前記筒内燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量の比率である筒内噴射比を制御する噴射比制御部と、
前記排気浄化触媒に流入する流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記流入排気ガスの空燃比が前記目標空燃比になるように前記燃料供給量を制御する空燃比制御部とを備え、
前記噴射比制御部は、前記筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力から当該内燃機関の運転状態に応じて設定される目標燃料圧力を減算した値が基準値以上であり且つ当該内燃機関がアイドル状態にあるときに、前記筒内噴射比をゼロからゼロよりも高い値に増大させる燃料圧力低減制御を実行し、
前記空燃比制御部は、前記目標空燃比を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に交互に設定し、前記燃料圧力低減制御が終了したときには、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりもリーンな強リーン設定空燃比に一時的に設定する、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、吸気ポート内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁と、筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁との二つの燃料噴射弁を備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
斯かる内燃機関では、内燃機関の運転状態に応じて、各燃料噴射弁から噴射される燃料量の比率が設定される。例えば、内燃機関の機関負荷が低いときには、ポート燃料噴射弁のみによって燃焼室に燃料が供給される。この状態が長く続くと、筒内燃料噴射弁に接続された燃料配管に燃料が滞留し、滞留した燃料に機関本体等から熱が加えられる。このため、筒内燃料噴射弁又は燃料配管にリリーフ弁のような圧力開放手段が設けられていない場合には、燃料配管内の燃料が膨張し、筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力が上昇する。
【０００４】
ところで、筒内燃料噴射弁には、制御可能な最小噴射時間が定められている。筒内燃料噴射弁から最小噴射時間だけ噴射される最小燃料噴射量は、筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力に比例して多くなる。このため、筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力が高くなると、筒内燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量が目標噴射量よりも多くなる場合がある。したがって、筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力が高い状態で筒内燃料噴射弁から燃料が噴射されると、燃焼室に供給する燃料量を制御できないおそれがある。
【０００５】
そこで、特許文献１、２に記載の内燃機関では、燃料圧力の増大によって筒内燃料噴射弁の最小燃料噴射量が目標噴射量よりも多くなった場合には、燃料圧力を低減するための燃料圧力低減制御が実行される。燃料圧力低減制御では、燃料配管内の高温の燃料を迅速に排出すべく、筒内燃料噴射弁からの燃料噴射量が相対的に増大せしめられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０３８５２４号
【特許文献２】特開２０１３−１１９８１０号公報
【特許文献３】特開２０１５−１１３８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、燃料圧力低減制御が実行されると、燃焼室に供給される燃料量が目標供給量よりも多くなる。このため、内燃機関の排気通路に排出される未燃ガスの量が多くなり、排気エミッションが悪化するおそれがある。
【０００８】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、ポート燃料噴射弁及び筒内燃料噴射弁を備えた内燃機関において、筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を低減するための制御を実行することによる排気エミッションの悪化を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関であって、吸気ポート内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁と、筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、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、前記排気通路において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、前記ポート燃料噴射弁及び前記筒内燃料噴射弁から燃焼室に供給される燃料供給量に対する前記筒内燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量の比率である筒内噴射比を制御する噴射比制御部と、前記排気浄化触媒に流入する流入排気ガスの目標空燃比を設定すると共に、前記流入排気ガスの空燃比が前記目標空燃比になるように前記燃料供給量を制御する空燃比制御部とを備え、前記噴射比制御部は、前記筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力から当該内燃機関の運転状態に応じて設定される目標燃料圧力を減算した値が基準値以上であり且つ当該内燃機関がアイドル状態にあるときに、前記筒内噴射比をゼロからゼロよりも高い値に増大させる燃料圧力低減制御を実行し、前記空燃比制御部は、前記目標空燃比を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に交互に設定し、前記燃料圧力低減制御が終了したときには、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりもリーンな強リーン設定空燃比に一時的に設定する、内燃機関が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ポート燃料噴射弁及び筒内燃料噴射弁を備えた内燃機関において、筒内燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を低減するための制御を実行することによる排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の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、通常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空燃比にずれが生じている際の空燃比補正量等のタイムチャートである。
【図７】図７は、学習制御を行う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、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９】図９は、上流側空燃比センサの出力値に極めて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１０】図１０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１１】図１１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１２】図１２は、噴射比制御に用いられるマップを示す図である。
【図１３】図１３は、燃料圧力低減制御を実行する際の機関負荷率等のタイムチャートである。
【図１４】図１４は、本実施形態における噴射比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、本実施形態における空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、本実施形態における学習制御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】
【００１２】
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。
【００１３】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の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、内燃機関１００は、機関本体１と、シリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４と、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５と、吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とを備える。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。
【００１４】
吸気ポート７には、吸気ポート７内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁１１が配置される。また、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には、筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁１２が配置される。ポート燃料噴射弁１１には、燃料ポンプ２５によって燃料タンク２６から第１燃料配管２７を介して燃料が供給される。また、燃料ポンプ２５によって圧送された燃料の一部が、高圧ポンプ２８によって加圧され、第２燃料配管２９を介して筒内燃料噴射弁１２に供給される。このため、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力は、ポート燃料噴射弁１１に供給される燃料の圧力よりも高くなる。ポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２は、それぞれ、噴射信号に応じて所定量の燃料を噴射する。この結果、燃焼室５には、ポート燃料噴射弁１１から噴射される燃料と、筒内燃料噴射弁１２から噴射される燃料とが供給される。
【００１５】
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。なお、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、内燃機関１００では、他の燃料が用いられてもよい。
【００１６】
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及び吸気管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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
また、第２燃料配管２９には、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力を検出する燃圧センサ４６が配置される。燃圧センサ４６は第２燃料配管２９において高圧ポンプ２８と筒内燃料噴射弁１２との間に配置される。燃圧センサ４６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。
【００２０】
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、ポート燃料噴射弁１１、筒内燃料噴射弁１２、燃料ポンプ２５、高圧ポンプ２８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１００の制御を行う制御装置として機能する。
【００２１】
なお、本実施形態に係る内燃機関１００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、上述した内燃機関１００と異なるものであってもよい。
【００２２】
＜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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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排気浄化触媒２０、２４の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。
【００２７】
＜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」ともいう）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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
＜通常空燃比制御＞
次に、本実施形態の内燃機関１００における通常空燃比制御の概要を説明する。内燃機関１００は、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」という）の空燃比が目標空燃比になるように、ポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２から燃焼室５に供給される燃料供給量を制御する空燃比制御部を備える。具体的には、空燃比制御部は、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、本実施形態では、ＥＣＵ３１が空燃比制御部として機能する。また、「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。
【００３２】
また、空燃比制御部は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて、流入排気ガス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。
【００３３】
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。
【００３４】
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は燃料供給量、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、空燃比制御部は、流入排気ガスの目標空燃比をリーン設定空燃比とリッチ設定空燃比とに交互に設定する通常空燃比制御を実行する。
【００３７】
＜タイムチャートを用いた通常空燃比制御の説明＞
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、通常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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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１００を搭載した車両の加速により機関負荷が高くなって吸入空気量が瞬間的に大きくずれた場合等、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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に供給される燃料供給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に供給される燃料供給量が少なくされる。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に供給される燃料供給量が多くされる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
また、上述した通常空燃比制御は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、下流側空燃比センサ４１の出力のみに基づいて行われてもよい。この場合、空燃比制御部は、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて燃焼室５に供給される燃料供給量をフィードバック制御する代わりに、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料供給量を制御する。具体的には、吸入空気量と目標空燃比とから算出された燃料量が燃焼室５に供給される。吸入空気量は、例えば、エアフロメータ３９によって検出された空気流量と、クランク角センサ４４によって検出された機関回転数とに基づいて算出される。
【００５６】
なお、上流側空燃比センサ４０が用いられない場合、目標空燃比の設定に用いられる酸素過不足量ＯＥＤは、下記式（２）により算出される。
ＯＥＤ＝０．２３×（ＴＡＦ−ＡＦＲ）×Ｑｉ      …（２）
ここで、０．２３は空気中の酸素濃度、Ｑｉは燃料供給量、ＴＡＦは目標空燃比、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。
【００５７】
＜上流側空燃比センサにおけるずれ＞
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。
【００５８】
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。
【００５９】
このように上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じていると、上述したような制御を行っていても、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘ及び酸素が流出したり、未燃ガスの流出頻度が高くなったりしてしまう場合がある。以下では、図６を参照して斯かる現象について説明する。
【００６０】
図６は、図５と同様な、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ等のタイムチャートである。図６は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ側にずれている場合を示している。図中、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにおける実線は実際の出力空燃比を示している。一方、破線は、流入排気ガスの実際の空燃比を示している。
【００６１】
図６に示した例においても、時刻ｔ1以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされており、よって目標空燃比がリッチ設定空燃比とされている。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリッチ設定空燃比と等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ側にずれているため、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側の空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、実際の空燃比（図中の破線）よりも低い（リッチ側）ものとなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅いものとなる。
【００６２】
また、図６に示した例では、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。このため、上述したように、時刻ｔ2において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。
【００６３】
これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐはリーン設定空燃比に等しい空燃比となる。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比はリーン設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている。すなわち、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは、実際の空燃比（図中の破線）よりも低い（リッチ側）ものとなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は速いものとなる。
【００６４】
加えて、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれが大きいと、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの増加速度は極端に速くなる。したがって、この場合、図６に示したように、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に到達する前に、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達することになる。この結果、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘ及び酸素が流出することになる。
【００６５】
以上より、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを検出することが必要になると共に、検出されたずれに基づいて出力空燃比等の補正を行うことが必要である。
【００６６】
＜通常学習制御＞
そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中（すなわち、通常空燃比制御が実行されているとき）に通常学習制御が行われる。
【００６７】
ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になるまでの期間を酸素増大期間（第１期間）とする。同様に、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比以下になるまでの期間を酸素減少期間（第２期間）とする。本実施形態の通常学習制御では、酸素増大期間における積算酸素過不足量ΣＯＤＥの絶対値としてリーン酸素量積算値（第１酸素量積算値）を算出する。加えて、酸素減少期間における積算酸素過不足量の絶対値としてリッチ酸素量積算値（第２酸素量積算値）を算出する。そして、これらリーン酸素量積算値とリッチ酸素量積算値との差が小さくなるように制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
【００６８】
なお、リーン酸素量積算値は、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される酸素吸蔵量の推定値に相当する。一方、リッチ酸素量積算値は、目標空燃比をリッチ設定空燃比に切り替えてから目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えるまでの期間に上流側排気浄化触媒２０から放出される酸素放出量の推定値に相当する。
【００６９】
以下、図７を参照して通常学習制御について説明する。図７は、制御中心空燃比ＡＦＲ、空燃比補正量ＡＦＣ、上流側空燃比センサ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７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）にずれている場合を示している。なお、学習値ｓｆｂｇは、上流側空燃比センサ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。また、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、破線は、流入排気ガスの実際の空燃比をそれぞれ示している。加えて、一点鎖線は、目標空燃比、すなわち空燃比補正量ＡＦＣに相当する空燃比を示している。
【００７０】
図示した例では、図５及び図６と同様に、時刻ｔ1以前の状態では、制御中心空燃比が理論空燃比とされ、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされている。このとき、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは実線で示したように、リッチ設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にはずれが生じているため、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の空燃比となっている（図７の破線）。ただし、図７に示した例では、図７の破線から分かるように、時刻ｔ1以前の実際の排気ガスの空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンながらも、リッチ空燃比となっている。したがって、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に減少していく。
【００７１】
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。これにより、上述したように、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。時刻ｔ1以降は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリーン設定空燃比に相当する空燃比となる。しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比のずれにより、排気ガスの実際の空燃比は、リーン設定空燃比よりもリーンな空燃比、すなわちリーン度合いの大きい空燃比となる（図７の破線を参照）。このため、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは急速に増大する。
【００７２】
一方、酸素過不足量は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ（より正確には、出力空燃比ＡＦｕｐと制御中心空燃比ＡＦＲとの差）に基づいて算出される。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。したがって、算出された酸素過不足量は、実際の酸素過不足量よりも少ない（すなわち、酸素量が少ない）値となる。その結果、算出された積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、実際の値よりも少なくなる。
【００７３】
時刻ｔ2では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。このため、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。したがって、目標空燃比はリッチ空燃比とされる。このとき、実際の酸素吸蔵量ＯＳＡは図７に示したように切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも多くなっている。
【００７４】
時刻ｔ2以降は、時刻ｔ1以前の状態と同様に、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈとされ、よって目標空燃比はリッチ空燃比とされる。このときも、排気ガスの実際の空燃比はリッチ設定空燃比よりもリーンの空燃比となっている。この結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度は遅くなる。加えて、上述したように、時刻ｔ2において、上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡは切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも多くなっている。このため、上流側排気浄化触媒２０の実際の酸素吸蔵量ＯＳＡがゼロに到達するまでには時間がかかる。
【００７５】
時刻ｔ3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に到達する。これにより、上述したように、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。したがって、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比へと切り替えられる。
【００７６】
ここで、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えた時（時刻ｔ1）から積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する時（時刻ｔ2）までの期間を酸素増大期間Ｔｉｎｃと称すると、本実施形態では酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1が算出される。
【００７７】
この酸素増大期間Ｔｉｎｃの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1は、時刻ｔ2における酸素吸蔵量ＯＳＡの推定値に相当する。しかしながら、上述したように、酸素過不足量の推定には上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐが用いられ、この出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。このため、図７に示した例では、時刻ｔ1〜時刻ｔ2の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1は、時刻ｔ2における実際の酸素吸蔵量ＯＳＡに相当する値よりも少ないものとなっている。
【００７８】
また、本実施形態では、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えた時（時刻ｔ2）から下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達する時（時刻ｔ3）までの期間を酸素減少期間Ｔｄｅｃと称すると、本実施形態では酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1が算出される。
【００７９】
この酸素減少期間Ｔｄｅｃの積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1は、時刻ｔ2から時刻ｔ3までに上流側排気浄化触媒２０から放出された酸素放出量の推定値に相当する。しかしながら、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにはずれが生じている。このため、図７に示した例では、時刻ｔ2〜時刻ｔ3の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1は、時刻ｔ2から時刻ｔ3までに上流側排気浄化触媒２０から実際に放出された酸素放出量に相当する値よりも多いものとなっている。
【００８０】
ここで、酸素増大期間Ｔｉｎｃでは上流側排気浄化触媒２０に酸素が吸蔵されると共に、酸素減少期間Ｔｄｅｃでは吸蔵されていた酸素が全て放出される。したがって、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1と、酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1とは基本的に同一の値になるのが理想的である。ところが、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐにずれが生じている場合、このずれに応じてこれら積算値の値も変化する。上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が低い側（リッチ側）にずれている場合、絶対値Ｒ1に対して絶対値Ｆ1の方が多くなる。逆に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比が高い側（リーン側）にずれている場合、絶対値Ｒ1に対して絶対値Ｆ1の方が少なくなる。加えて、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1と酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1との差ΔΣＯＥＤ（＝Ｒ1−Ｆ1。以下、「過不足量誤差」という）は上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれの程度を表している。これら絶対値Ｒ1、Ｆ1の差が大きくなるほど、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれが大きいといえる。
【００８１】
そこで、本実施形態では、過不足量誤差ΔΣＯＥＤに基づいて、制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。特に、本実施形態では、過不足量誤差ΔΣＯＥＤが小さくなるように制御中心空燃比ＡＦＲを補正するようにしている。
【００８２】
具体的には、本実施形態では、下記式（３）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、下記式（４）により制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ1×ΔΣＯＥＤ      …（３）
ＡＦＲ＝ＡＦＲｂａｓｅ＋ｓｆｂｇ（ｎ）      …（４）
なお、上記式（３）において、ｎは計算回数又は時間を表している。したがって、ｓｆｂｇ（ｎ）は今回の計算又は現在の学習値である。加えて、上記式（３）におけるｋ1は、過不足量誤差ΔΣＯＥＤを制御中心空燃比ＡＦＲに反映させる程度を表すゲインである。ゲインｋ1の値が大きいほど制御中心空燃比ＡＦＲの補正量が大きくなる。さらに、上記式（４）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。
【００８３】
図７の時刻ｔ3においては、上述したように、絶対値Ｒ1、Ｆ1に基づいて学習値ｓｆｂｇが算出される。特に、図７に示した例では、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｒ1よりも酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値Ｆ1の方が大きいことから、時刻ｔ3において学習値ｓｆｂｇは減少せしめられる。
【００８４】
ここで、制御中心空燃比ＡＦＲは、上記式（４）を用いて学習値ｓｆｂｇに基づいて補正される。図７に示した例では、学習値ｓｆｂｇは負の値となっているため、制御中心空燃比ＡＦＲは、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅよりも小さな値、すなわちリッチ側の値となっている。これにより、流入排気ガスの実際の空燃比がリッチ側に補正されることになる。
【００８５】
この結果、時刻ｔ3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ｔ3以前と比べて小さなものとなる。したがって、図７に示されるように、時刻ｔ3以降、実際の空燃比を表す破線と目標空燃比を表す一点鎖線との間の差は、時刻ｔ3以前における差よりも小さくなっている。
【００８６】
また、時刻ｔ3以降も、時刻ｔ1〜時刻ｔ3における操作と同様な操作が行われる。したがって、時刻ｔ4において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達すると、目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比へと切り替えられる。その後、時刻ｔ5において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに到達すると、再度、目標空燃比がリーン設定空燃比に切り替えられる。
【００８７】
時刻ｔ3〜時刻ｔ4は、上述したように酸素増大期間Ｔｉｎｃに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値は図７のＲ2で表せる。また、時刻ｔ4〜時刻ｔ5は、上述したように酸素減少期間Ｔｄｅｃに該当し、よってこの間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値は図７のＦ2で表せる。そして、これら絶対値Ｒ2、Ｆ2の差ΔΣＯＥＤ（＝Ｒ2−Ｆ2）に基づいて、上記式（３）を用いて学習値ｓｆｂｇが更新される。本実施形態では、時刻ｔ5以降も同様な制御が繰り返され、これにより学習値ｓｆｂｇの更新が繰り返される。
【００８８】
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は徐々に目標空燃比から離れていくが、流入排気ガスの実際の空燃比は徐々に目標空燃比に近づいていく。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを補償することができる。
【００８９】
また、上記実施形態では、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Ｃｍａｘに到達する前に、目標空燃比の切替を行っている。このため、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量に到達してから、すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になってから目標空燃比を切り替える場合に比べて、学習値の更新頻度を増大させることができる。また、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、その算出期間が長くなるほど誤差が生じやすい。本実施形態によれば、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達する前に目標空燃比の切替が行われることから、その算出期間を短くすることができる。このため、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出における誤差を小さくすることができる。
【００９０】
なお、上述したように、学習値ｓｆｂｇの更新は、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤと、この酸素増大期間Ｔｉｎｃの直後に続く酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤとに基づいて行われるのが好ましい。これは、上述したように、酸素増大期間Ｔｉｎｃに上流側排気浄化触媒２０に吸蔵される総酸素量とこの直後に続く酸素減少期間Ｔｄｅｃに上流側排気浄化触媒２０から放出される総酸素量が等しくなるためである。
【００９１】
加えて、上記実施形態では、１回の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤと、１回の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤとに基づいて学習値ｓｆｂｇの更新が行われている。しかしながら、複数回の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの合計値又は平均値と、複数回の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの合計値又は平均値とに基づいて学習値ｓｆｂｇの更新を行ってもよい。
【００９２】
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、空燃比に関する他のパラメータであってもよい。他のパラメータとしては、例えば、燃焼室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、空燃比補正量等が挙げられる。
【００９３】
＜上流側空燃比センサにおける大きなずれ＞
ところで、図６に示した例では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比にずれが生じているが、その程度はそれほど大きくない場合を示している。したがって、図６の破線からもわかるように、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されている場合において、実際の排気ガスの空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリーンながらも、リッチ空燃比となっている。
【００９４】
これに対して、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８に示す。図８は、上流側空燃比センサ４０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。
【００９５】
図８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。
【００９６】
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。
【００９７】
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８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。
【００９８】
図９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８と同様な図である。図９に示した例では、図８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。
【００９９】
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。
【０１００】
＜張付き学習制御＞
そこで、本実施形態では、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、上述した通常学習制御に加えて、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が行われる。
【０１０１】
＜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８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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
図１０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１０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１０は、図８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。
【０１０４】
図示した例では、図８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８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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
具体的には、本実施形態では、下記式（５）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、上記式（４）により制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ2・ＡＦＣｒｉｃｈ      …（５）
なお、上記式（５）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。
【０１０７】
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、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（５）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。
【０１０８】
図１０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（５）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。
【０１０９】
図１０に示した例では、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、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１０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。
【０１１０】
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１０に示した例では、時刻ｔ3においても、式（５）を用いて、学習値ｓｆｂｇの更新が行われる。
【０１１１】
図１０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。これに伴って、上述した通常学習制御が行われるようになる。
【０１１２】
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、学習値の更新を行うことができる。これにより、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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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１０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。
【０１１５】
なお、上記理論空燃比張付き学習制御では、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の出力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学習値の更新を行っている。しかしながら、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてからの吸入空気量や後述する積算排気ガス流量等、時間以外のパラメータに基づいて理論空燃比張付き学習を行うようにしてもよい。
【０１１６】
＜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９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の出力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。図１１にこの様子を示す。
【０１１７】
図１１は、空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートを示す図９と同様な図である。図１１は、図９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。
【０１１８】
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９に示した例と同様に、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。
【０１１９】
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、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側に変化するように学習値ｓｆｂｇが補正される。
【０１２０】
具体的には、本実施形態では、下記式（６）により学習値ｓｆｂｇを算出すると共に、上記式（４）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・（ＡＦＣｒｉｃｈ−（ＡＦｄｗｎ−１４．６））      …（６）
なお、上記式（６）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。
【０１２１】
ここで、図１１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）に、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（６）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ｋ3はゲインｋ2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。
【０１２２】
図１１に示した例では、式（６）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。
【０１２３】
図１１では、ゲインｋ3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、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４１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（６）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。
【０１２４】
時刻ｔ2において学習値ｓｆｂｇの補正が行われると、上流側排気浄化触媒２０に流入する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、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１１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（５）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。
【０１２５】
リーン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、学習値の更新を行うことができる。これにより、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれを小さくすることができる。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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１１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。
【０１２８】
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の出力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。
【０１２９】
なお、本実施形態では、通常学習制御に加えて、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が行われている。これらをまとめると、下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて学習値を更新すると共に、学習値に応じて流入排気ガスの空燃比を変化させるように空燃比に関するパラメータを制御する学習制御と称することができる。
【０１３０】
＜噴射比制御＞
次に、本実施形態の内燃機関１００における噴射比制御について説明する。上述したように、内燃機関１００はポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２を備える。このため、内燃機関１００では、ポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２から噴射される燃料の噴射比率を制御する必要がある。
【０１３１】
そこで、内燃機関１００は、燃料の噴射比率を制御する噴射比制御部を備える。噴射比制御部は、ポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２から燃焼室５に供給される燃料供給量に対する筒内燃料噴射弁１２から噴射される燃料噴射量の比率である筒内噴射比を制御する。この結果、ポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２から燃焼室５に供給される燃料供給量に対するポート燃料噴射弁１１から噴射される燃料噴射量の比率であるポート噴射比も噴射比制御部によって制御されることになる。なお、本実施形態では、ＥＣＵ３１が噴射比制御部として機能する。
【０１３２】
噴射比制御部は、内燃機関１００の運転状態に応じて、筒内噴射比及びポート噴射比を制御する。例えば、噴射比制御部は内燃機関１００の機関負荷及び機関回転数に基づいて筒内噴射比及びポート噴射比を制御する。この場合、噴射比制御部は、図１２に示したようなマップを用いて筒内噴射比及びポート噴射比を制御する。
【０１３３】
図１２に示したマップは、ポート噴射領域ＰＡと、筒内噴射領域ＣＡと、両噴射領域ＢＡとを有する。ポート噴射領域ＰＡでは、筒内噴射領域ＣＡ及び両噴射領域ＢＡに比べて機関回転数及び機関負荷が全体的に低い。一方、筒内噴射領域ＣＡでは、ポート噴射領域ＰＡ及び両噴射領域ＢＡに比べて機関回転数及び機関負荷が全体的に高い。また、両噴射領域ＢＡはポート噴射領域ＰＡと筒内噴射領域ＣＡとの間の領域である。
【０１３４】
ポート噴射領域ＰＡでは、ピストン３の移動速度が比較的遅いため、筒内において空気と燃料とが混合しにくい。このため、空気と燃料とを吸気ポート７内で予め混合すべく、ポート燃料噴射弁１１から燃料を供給することが好ましい。そこで、噴射比制御部は、内燃機関１００の運転状態がポート噴射領域ＰＡにあるとき、筒内噴射比をゼロにし且つポート噴射比を１にする。したがって、ポート噴射領域ＰＡでは、ポート燃料噴射弁１１のみによって燃焼室５に燃料が供給される。
【０１３５】
一方、筒内噴射領域ＣＡでは、筒内の温度が高温になりやすい。このため、筒内燃料噴射弁１２から噴射される燃料の気化潜熱によって筒内を冷却すべく、筒内燃料噴射弁１２から燃料を供給することが好ましい。そこで、噴射比制御部は、内燃機関１００の運転状態が筒内噴射領域ＣＡにあるとき、筒内噴射比を１にし且つポート噴射比をゼロにする。したがって、筒内噴射領域ＣＡでは、筒内燃料噴射弁１２のみによって燃焼室５に燃料が供給される。
【０１３６】
また、両噴射領域ＢＡはポート噴射領域ＰＡ及び筒内噴射領域ＣＡの両方の特性を有する。このため、ポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２の両方から燃料を噴射することが好ましい。そこで、噴射比制御部は、内燃機関１００の運転状態が両噴射領域ＢＡにあるとき、筒内噴射比及びポート噴射比をそれぞれゼロと１との間の所定値に設定する。したがって、両噴射領域ＢＡでは、ポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２の両方の燃料噴射弁によって燃焼室５に燃料が供給される。なお、筒内噴射比及びポート噴射比は、例えば、筒内燃料噴射弁１２及びポート燃料噴射弁１１の開弁時間（噴射時間）を変化させることによって制御される。また、図１２に示したマップは一つの例であり、噴射比制御部は、このマップとは異なるマップを用いて筒内噴射比及びポート噴射比を制御してもよい。
【０１３７】
＜噴射比制御の問題点＞
上述したように、内燃機関１００の運転状態がポート噴射領域ＰＡにある状態では、燃焼室５への燃料の供給がポート燃料噴射弁１１からのみ行われる。この状態が長く続くと、筒内燃料噴射弁１２に接続された第２燃料配管２９に燃料が滞留し。滞留した燃料に機関本体１等から熱が加えられる。このため、筒内燃料噴射弁１２又は第２燃料配管２９にリリーフ弁のような圧力開放手段が設けられていない場合には、第２燃料配管２９内の燃料が膨張し、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力が上昇する。
【０１３８】
ところで、筒内燃料噴射弁１２には、制御可能な最小噴射時間が定められている。筒内燃料噴射弁１２から最小噴射時間だけ噴射される最小燃料噴射量は、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力に比例して多くなる。このため、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力が高くなると、筒内燃料噴射弁１２から噴射される燃料噴射量が目標噴射量よりも多くなる場合がある。したがって、この状態で筒内燃料噴射弁１２から燃料が噴射されると、燃焼室５に供給する燃料量を制御できないおそれがある。
【０１３９】
＜燃料圧力低減制御＞
そこで、本実施形態では、噴射比制御部は、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力を低減すべく、燃料圧力低減制御を実行する。具体的には、噴射比制御部は、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であり且つ内燃機関１００がアイドル状態にあるときに、筒内噴射比をゼロからゼロよりも高い値に増大させる。
【０１４０】
筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力は、例えば、第２燃料配管２９に配置された燃圧センサ４６によって検出される。目標燃料圧力は、内燃機関１００の運転状態に応じて設定され、例えば内燃機関１００の機関負荷率に基づいて設定される。また、第一基準値は、例えば、筒内燃料噴射弁１２から燃料を噴射することによって排気エミッションが悪化する値の下限値とされる。第一基準値は、実験又は計算によって予め定められる。なお、アイドル状態とは、アクセル開度がゼロであり、燃焼室５における混合気の燃焼によって機関回転数が所定の低回転数（例えば４００〜８００ｒｐｍ）に維持されている状態を意味する。
【０１４１】
また、噴射比制御部は、内燃機関１００の運転状態がアイドル状態でなくなったとき又は筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第二基準値未満となったときに燃料圧力低減制御を終了させる。第二基準値は第一基準値よりも小さい予め定められた値である。このことによって、燃料圧力低減制御が連続して実行されることが抑制される。
【０１４２】
燃料圧力低減制御によって、第２燃料配管２９内に滞留していた燃料が筒内燃料噴射弁１２から排出されるため、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力を低減することができる。しかしながら、燃料圧力低減制御では、筒内燃料噴射弁１２から燃料を噴射する必要があるため、燃料圧力低減制御中に燃焼室５に供給される燃料量が目標供給量よりも多くなり、排気エミッションが悪化する。また、燃料圧力低減制御の実行によって燃焼室５に供給される燃料量が急に多くなると、混合気の燃焼によって得られるトルクが変動する。これに対して、本実施形態では、内燃機関１００がアイドル状態にあるときに燃料圧力低減制御が実行されるため、内燃機関１００が搭載された車両等の挙動にトルク変動が与える影響が少ない。また、本実施形態では、以下に説明する空燃比制御によって、燃料圧力低減制御の実行による排気エミッションの悪化を抑制する。
【０１４３】
＜本実施形態における空燃比制御＞
本実施形態では、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御の実行による排気エミッションの悪化を抑制すべく、燃料圧力低減制御が終了したときに強リーン制御を実行する。具体的には、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御が終了したときに目標空燃比を強リーン設定空燃比に一時的に設定する。強リーン設定空燃比は、通常空燃比制御におけるリーン設定空燃比よりもリーンな予め定められた空燃比である。強リーン制御によって、燃料圧力低減制御によって減少し又はゼロになった上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を迅速に増加させることができる。したがって、上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出することによる排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【０１４４】
また、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御の開始が予測されるとき、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を予め増加させるべく、事前リーン制御を実行する。具体的には、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御の開始が予測されるとき、目標空燃比をリーン設定空燃比よりもリーンな空燃比に設定する。このときの目標空燃比は強リーン設定空燃比と同じ値であっても異なる値であってもよい。また、空燃比制御部は、事前リーン制御において、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が準備吸蔵量に達したと推定された場合には、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を準備吸蔵量に維持すべく、目標空燃比を理論空燃比に設定する。準備吸蔵量は、通常空燃比制御における切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆよりも多く且つ最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘよりも少ない予め定められた量である。事前リーン制御によって、燃料圧力低減制御を開始するときの上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量を増加させることができるため、燃料圧力低減制御の実行による排気エミッションの悪化をより一層抑制することができる。
【０１４５】
なお、燃料圧力低減制御の開始が予測されるときとは、例えば、燃料圧力低減制御の複数の開始条件のうち一部（例えば一つ）の開始条件だけが成立していないときである。上述したように、燃料圧力低減制御の開始条件は、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であることと、内燃機関１００がアイドル状態にあることとを含む。この場合、例えば、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であり且つ内燃機関１００がアイドル状態にないときに、燃料圧力低減制御の開始が予測される。
【０１４６】
また、燃料圧力低減制御の開始条件は、さらに、内燃機関１００の水温が所定値以上であること、内燃機関１００を搭載した車両の速度が所定値以上であること、筒内燃料噴射弁１２の最小燃料噴射量と目標燃料噴射量との差が所定値以内であること、内燃機関１００がアイドル状態となってからの経過時間が所定時間以内であること等を含んでいてもよい。この場合、例えば、内燃機関１００がアイドル状態にあること及び内燃機関１００がアイドル状態となってからの経過時間が所定時間以内であること以外の実行条件が成立しているときに、燃料圧力低減制御の開始が予測される。
【０１４７】
また、燃料圧力低減制御中には、上流側空燃比センサ４０の出力等に異常がない場合であっても、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４１の出力空燃比が所定時間以上リッチ空燃比に維持される場合がある。このときに、上述したリッチ張付き学習制御が実行されると、学習値が誤った値に更新される。このため、空燃比制御部は、燃料圧力低減制御が実行されている間、上述したリッチ張付き学習制御を停止する。
【０１４８】
また、事前リーン制御、燃料圧力低減制御及び強リーン制御が実行されているときには、流入排気ガスの空燃比をリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比とに交互に切り替える通常空燃比制御が実行されない。このため、空燃比制御部は、事前リーン制御、燃料圧力低減制御及び強リーン制御が実行されている間、上述した通常学習制御を停止する。
【０１４９】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図１３のタイムチャートを参照して、本実施形態における空燃比制御について具体的に説明する。図１３は、燃料圧力低減制御を実行する際の、機関負荷率、アイドル状態、筒内噴射比、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力（燃料圧力）、筒内燃料噴射弁１２の燃料噴射量（筒内噴射量）、空燃比補正量ＡＦＣ、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及び下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎのタイムチャートである。燃料圧力のグラフでは、機関負荷率等に基づいて算出される目標燃料圧力が破線で示される。また、筒内噴射量のグラフでは、燃料圧力等に基づいて算出される筒内燃料噴射弁１２の最小噴射量が破線で示され、機関負荷率等に基づいて算出される筒内燃料噴射弁１２の目標噴射量が一点鎖線で示される。
【０１５０】
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とされている。すなわち、目標空燃比が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に到達し、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈからリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられる。すなわち、目標空燃比がリ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。
【０１５１】
図示した例では、時刻ｔ2において、機関負荷率が３０％以下となり、筒内噴射比がゼロにされる。すなわち、燃焼室５に燃料を供給する燃料供給源がポート燃料噴射弁１１及び筒内燃料噴射弁１２からポート燃料噴射弁１１のみに切り替えられる。この結果、時刻ｔ2の後、第２燃料配管２９内の燃料の熱膨張によって燃料圧力が徐々に増大する。
【０１５２】
時刻ｔ2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。すなわち、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。
【０１５３】
時刻ｔ3において、目標空燃比がリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に再び切り替えられる。その後、時刻ｔ4において、燃料圧力から目標圧力を減算した値が第一基準値Ｐ１以上となる。このとき、内燃機関１００はアイドル状態にない。この状態において、内燃機関１００がアイドル状態になると燃料圧力低減制御が開始されるため、時刻ｔ4において、燃料圧力低減制御の開始が予測される。この結果、事前リーン制御が実行され、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎから強リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに切り替えられる。すなわち、目標空燃比がリーン設定空燃比から強リーン設定空燃比に切り替えられる。また、酸素吸蔵量ＯＳＡの目標吸蔵量が準備吸蔵量Ｃｐｒｅにされる。
【０１５４】
時刻ｔ5において、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが、準備吸蔵量Ｃｐｒｅに相当する準備値ＯＥＤｐｒｅに到達する。この結果、酸素吸蔵量ＯＳＡを準備吸蔵量Ｃｐｒｅに維持すべく、空燃比補正量ＡＦＣが強リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎからゼロに切り替えられる。すなわち、目標空燃比が強リーン設定空燃比から理論空燃比に切り替えられる。
【０１５５】
時刻ｔ6において、内燃機関１００がアイドル状態となる。このとき、燃料圧力から目標圧力を減算した値は第一基準値Ｐ１以上である。このため、燃料圧力低減制御の開始条件が成立し、燃料圧力低減制御が開始される。燃料圧力低減制御では、筒内噴射比がゼロから１に切り替えられる。また、空燃比補正量ＡＦＣが強リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに設定される。しかしながら、筒内燃料噴射弁１２からの最小燃料噴射量が目標噴射量よりも多いため、燃料圧力低減制御中の流入排気ガスの実際の空燃比は理論空燃比よりもリッチとなる。この結果、時刻ｔ6の後、酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比から徐々に低下する。なお、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは燃料圧力低減制御の開始時にリセットされてゼロにされ、燃料圧力低減制御が実行されている間、積算酸素過不足量ΣＯＥＤの算出は停止される。
【０１５６】
時刻ｔ7において、燃料圧力から目標圧力を減算した値が第二基準値Ｐ２未満となる。このため、燃料圧力低減制御の終了条件が成立し、燃料圧力低減制御が終了する。時刻ｔ7の後、筒内噴射比は内燃機関１００の運転状態に応じた値に設定される。図示した例では、筒内噴射比が１からゼロに切り替えられる。
【０１５７】
時刻ｔ7において、目標空燃比は強リーン設定空燃比に設定されたままであり、燃料圧力低減制御の実行による排気エミッションの悪化を抑制すべく、強リーン制御が開始される。時刻ｔ7の後、強リーン制御によって、燃料圧力低減制御によってゼロになった酸素吸蔵量ＯＳＡが迅速に増加する。
【０１５８】
時刻ｔ8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が強リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎからリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに切り替えられる。すなわち、目標空燃比が強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。時刻ｔ8の後、目標空燃比がリッチ設定空燃比とリーン設定空燃比とに交互に設定される通常空燃比制御が再び実行される。
【０１５９】
なお、燃料圧力低減制御において設定される筒内噴射比の値は、ゼロよりも高い値であれば、１以外の値であってもよい。また、燃料圧力低減制御の開始が予測されたときに目標空燃比がリッチ設定空燃比である場合には、事前リーン制御によって目標空燃比がリッチ設定空燃比から強リーン設定空燃比に切り替えられる。
【０１６０】
＜噴射比制御の制御ルーチン＞
以下、図１４のフローチャートを参照して、本実施形態における噴射比制御について説明する。図１４は、本実施形態における噴射比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、噴射比制御部（ＥＣＵ３１）によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンでは、筒内噴射比及びポート噴射比が設定される。
【０１６１】
最初に、ステップＳ１０１において、燃料圧力低減制御の開始条件が成立しているか否かが判定される。燃料圧力低減制御の開始条件は、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であることと、内燃機関１００がアイドル状態にあることとを含む。筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力は例えば燃圧センサ４６によって検出される。目標燃料圧力は、内燃機関１００の運転状態に応じて設定され、例えば内燃機関１００の機関負荷率に基づいて設定される。
【０１６２】
ステップＳ１０１において燃料圧力低減制御の開始条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、燃料圧力低減制御が実行される。具体的には、筒内噴射比がゼロからゼロよりも高い値に増大せしめられる。例えば、筒内噴射比がゼロから１に増大せしめられる。
【０１６３】
次いで、ステップＳ１０３において、制御開始フラグＦｃｓが１に設定される。なお、制御開始フラグＦｃｓは、内燃機関１００を搭載した車両のイグニッションキーがオフにされたときにゼロに設定される。ステップＳ１０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１６４】
一方、ステップＳ１０１において燃料圧力低減制御の開始条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、制御開始フラグＦｃｓが１であるか否かが判定される。制御開始フラグＦｃｓが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。
【０１６５】
ステップＳ１０５では、燃料圧力低減制御の終了条件が成立しているか否かが判定される。例えば、内燃機関１００がアイドル状態でなくなったとき又は内燃機関１００がアイドル状態となってからの経過時間が所定時間以上となったときに、燃料圧力低減制御の終了条件が成立したと判定される。また、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第二基準値未満となったときにも、燃料圧力低減制御の終了条件が成立したと判定される。第二基準値は第一基準値よりも小さい予め定められた値である。
【０１６６】
ステップＳ１０５において燃料圧力低減制御の終了条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、ステップＳ１０２において実行された燃料圧力低減制御が続行される。一方、ステップＳ１０５において燃料圧力低減制御の終了条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、燃料圧力低減制御が終了せしめられ、通常噴射比制御が実行される。通常噴射比制御では、内燃機関１００の運転状態に応じて筒内噴射比及びポート噴射比が制御される。通常噴射比制御では、例えば、図１２に示したようなマップを用いて筒内噴射比及びポート噴射比が制御される。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１６７】
また、ステップＳ１０４において制御開始フラグＦｃｓがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。例えば、内燃機関１００の始動後に燃料圧力低減制御が実行されていない場合には、制御開始フラグＦｃｓはゼロに設定されている。ステップＳ１０６では通常噴射比制御が実行され、ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１６８】
＜空燃比制御の制御ルーチン＞
以下、図１５のフローチャートを参照して、本実施形態における空燃比制御について説明する。図１５は、本実施形態における空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、空燃比制御部（ＥＣＵ３１）によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンでは、流入排気ガスの目標空燃比が設定される。
【０１６９】
最初に、ステップＳ２０１において、燃料圧力低減制御が実行中であるか否かが判定される。燃料圧力低減制御が実行中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤがリセットされてゼロにされる。次いで、ステップＳ２０３では、目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎに設定される。強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎはリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎよりもリーンな空燃比である。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１７０】
一方、ステップＳ２０１において燃料圧力低減制御が実行中でないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、燃料圧力低減制御の実行が予測されるか否かが判定される。例えば、燃料圧力低減制御の複数の開始条件のうち一つの開始条件だけが成立していないときには、燃料圧力低減制御の実行が予測される。例えば、筒内燃料噴射弁１２に供給される燃料の圧力から目標燃料圧力を減算した値が第一基準値以上であり且つ内燃機関１００がアイドル状態にないときには、燃料圧力低減制御の開始が予測される。
【０１７１】
ステップＳ２０４において燃料圧力低減制御の実行が予測された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎであるか否かが判定される。目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎでないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、事前リーン制御によって、目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎに設定される。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１７２】
一方、ステップＳ２０５において目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが準備値ＯＥＤｐｒｅ以上であるか否かが判定される。積算酸素過不足量ΣＯＥＤは酸素過不足量ＯＥＤの積算値であり、酸素過不足量ＯＥＤは上記式（１）又は（２）によって算出される。準備値ＯＥＤｐｒｅは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの準備吸蔵量ＯＳＡｐｒｅに相当する値であり、通常噴射比制御において用いられる切替基準値ＯＥＤｒｅｆよりも大きな値である。
【０１７３】
ステップＳ２０７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが準備値ＯＥＤｐｒｅ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。この場合、事前リーン制御が続行され、ステップＳ２０６において目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎに維持される。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１７４】
一方、ステップＳ２０７において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが準備値ＯＥＤｐｒｅ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８では、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを準備吸蔵量ＯＳＡｐｒｅに維持すべく、目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎから理論空燃比ＴＡＦｓｔｏｉｃに切り替えられる。ステップＳ２０８の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１７５】
また、ステップＳ２０４において燃料圧力低減制御の実行が予測されなかった場合、本制御ルーチンはステップＳ２０９に進む。ステップＳ２０９では、制御開始フラグＦｃｓが１であるか否かが判定される。制御開始フラグＦｃｓが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２１０に進む。
【０１７６】
ステップＳ２１０では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であるか否かが判定される。積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３において、燃料圧力低減制御後に強リーン制御を実行すべく、目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎに維持される。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１７７】
一方、ステップＳ２１０において積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２１１に進む。ステップＳ２１１では、制御開始フラグＦｃｓがゼロに設定される。次いで、ステップＳ２１２では、強リーン制御が終了せしめられ、通常空燃比制御が実行される。具体的には、目標空燃比ＴＡＦが強リーン設定空燃比ＴＡＦｓｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比等に基づいて、目標空燃比ＴＡＦがリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈとリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎとに交互に設定される。ステップＳ２１２の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１７８】
＜学習制御の制御ルーチン＞
以下、図１６のフローチャートを参照して、本実施形態における学習制御について説明する。図１６は、本実施形態における学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、空燃比制御部（ＥＣＵ３１）によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。本制御ルーチンでは、上述した学習制御（通常学習制御、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）の実行の可否が制御される。
【０１７９】
最初に、ステップＳ３０１において、燃料圧力低減制御が実行中であるか否かが判定される。燃料圧力低減制御が実行中でないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。ステップＳ３０２では、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が実行される。
【０１８０】
次いで、ステップＳ３０３では、事前リーン制御又は強リーン制御が実行中であるか否かが判定される。事前リーン制御又は強リーン制御が実行中でないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、通常学習制御が実行される。ステップＳ３０４の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１８１】
一方、ステップＳ３０３において事前リーン制御又は強リーン制御が実行中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、通常学習制御が停止せしめられる。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１８２】
また、ステップＳ３０１において燃料圧力低減制御が実行中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、通常学習制御及びリッチ張付き学習制御が停止せしめられる。ステップＳ３０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１８３】
なお、ステップＳ３０２において、全ての学習制御（通常学習制御、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）が停止せしめられてもよい。
【０１８４】
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。
【符号の説明】
【０１８５】
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１１    ポート燃料噴射弁
１２    筒内燃料噴射弁
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
１００    内燃機関
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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