JP6269367B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御する内燃機関の制御装置が広く知られている。斯かる制御装置としては、機関排気通路に設けられた排気浄化触媒の上流側に空燃比センサを設け、下流側に酸素センサを設けることが提案されている（例えば、特許文献１）。

特に、特許文献１に記載の制御装置では、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が一定の目標値となるように、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が制御される。具体的には、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が目標値よりも多いときには、上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）となるようにフィードバック制御が行われる。逆に、排気浄化触媒の酸素吸蔵量が目標値よりも少ないときには、上流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）となるようにフィードバック制御が行われる。

加えて、特許文献１に記載の制御装置では、下流側酸素センサの出力が所定期間に亘ってリッチ空燃比又はリーン空燃比を示すときには、上流側空燃比センサの出力を補正するようにしている。これにより、上流側空燃比センサの出力に誤差があっても、排気浄化触媒の酸素吸蔵量を目標値に一致させることができるとされている。

特開２００３−４１９９０号公報

ところで、本願の発明者らによれば、上述した特許文献１に記載された制御装置とは異なる制御を行う制御装置が提案されている。この制御装置では、下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比（理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比）以下になったときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）に設定される。加えて、目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間に一度そのリーン度合いが小さくされる。一方、下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリーン判定空燃比（理論空燃比よりも僅かにリーンな空燃比）以上になったときには、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）に設定される。加えて、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間に一度そのリッチ度合いが小さくされる。すなわち、この制御装置では、目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に切り替えられる。

このように、目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に切り替える制御を行っている場合には、特許文献１に記載の手法と同様な手法で上流側空燃比センサの出力等の補正を行うことはできない。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、上述したように目標空燃比の制御を行う制御装置において、上流側の空燃比センサ等の出力値にずれが生じた場合であっても、そのずれを適切に補償することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路に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該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センサとを具備する内燃機関の制御装置において、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように内燃機関の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と共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて該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制御を行い、前記目標空燃比は、前記下流側空燃比センサの出力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理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比から理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替えられ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときにリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられ、前記学習制御では、前記目標空燃比がリッチ空燃比及びリーン空燃比のいずれか一方の空燃比に設定されているときに、理論空燃比判定時間以上に亘って又は積算酸素過不足量が予め定められた所定値以上になるまでの期間に亘って前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比と前記リーン判定空燃比との間の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、前記フィードバック制御において前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が前記一方側に変化す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理論空燃比張付き学習が行われる、内燃機関の制御装置が提供される。

第２の発明では、第１の発明において、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときに、前記目標空燃比はリッチ空燃比から理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えられ、前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になる前のリーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまで、前記目標空燃比は前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定され、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときに、前記目標空燃比はリーン空燃比から理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に切り替えられ、前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になる前のリッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比は前記リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定される。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記理論空燃比判定時間は、前記目標空燃比を理論空燃比よりも前記一方側にずれた空燃比に切り替えてから積算された酸素過不足量の絶対値が、未使用時の前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでの時間以上である。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記学習制御では、前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ・リーン空燃比判定時間以上に亘って前記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、前記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リーン張付き学習が行われる。

第５の発明では、第４の発明において、前記リーン張付き学習における補正量は前記理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい。

第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、前記学習制御では、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ・リーン空燃比判定時間以上に亘って前記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、前記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リッチ張付き学習を行う。

第７の発明では、第６の発明において、前記リッチ張付き学習における補正量は前記理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい。

第８の発明では、第４〜第７のいずれか一つの発明において、前記リッチ・リーン空燃比判定時間は前記理論空燃比判定時間よりも短い。

第９の発明では、第４〜第８のいずれか一つの発明において、前記リッチ・リーン空燃比判定時間は、前記目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で切り替えてから積算された排気ガス流量に応じて変更される。

第１０の発明では、第４〜第９のいずれか一つの発明において、前記リッチ・リーン空燃比判定時間は、前記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の出力空燃比が変化するまでにかかる下流側空燃比センサの応答遅れ時間以上である。

第１１の発明では、第１〜第１０のいずれか一つの発明において、前記学習制御では、前記目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでの第１期間における積算酸素過不足量の絶対値である第１酸素量積算値と、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下にまるまでの第２期間における積算酸素過不足量の絶対値である第２酸素量積算値とに基づいて、これら第１酸素量積算値と第２酸素量積算値との差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が補正される通常学習制御が行われる。

第１２の発明では、第１〜第１１のいずれか一つの発明において、前記フィードバック制御に関するパラメータは、前記目標空燃比、燃料供給量及び制御中心となる空燃比のいずれかである。

第１３の発明では、第１〜第１１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該排気浄化触媒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を更に具備し、前記上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御し、前記フィードバック制御に関するパラメータは、前記上流側空燃比センサの出力値である。

本発明によれば、上流側の空燃比センサ等の出力値にずれが生じた場合であっても、そのずれを適切に補償することのできる内燃機関の制御装置が提供される。

図１は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図２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は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置による基本的な空燃比制御を行った場合の、空燃比補正量等のタイムチャートである。 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は、通常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は、上流側空燃比センサの出力空燃比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は、上流側空燃比センサの出力空燃比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は、制御装置の機能ブロック図である。 図１３は、空燃比補正量の算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１４は、通常学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１５は、張付き学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。 図１６は、張付き学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。

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。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。

図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、本実施形態の内燃機関は他の燃料を用いても良い。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は吸気通路を形成する。また、吸気管１５内にはスロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は上流側排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側排気浄化触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

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。

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。

＜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。

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。

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。一方、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量（上限吸蔵量）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。

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。一方、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ（下限吸蔵量）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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

＜基本的な空燃比制御の概要＞
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となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。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。

一方、本実施形態の空燃比制御では、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を設定する目標空燃比の設定制御が行われる。目標空燃比の設定制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定空燃比（例えば、１４．５５）以下となったときに、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。このとき、目標空燃比はリーン設定空燃比に設定される。ここで、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。

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、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リーンな空燃比（リッチ判定空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比）になると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がほぼ理論空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比は、弱リーン設定空燃比に設定される。ここで、弱リーン設定空燃比は、リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さい（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。

一方、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なリーン判定空燃比（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。このとき、目標空燃比はリッチ設定空燃比に設定される。ここで、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、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。

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、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リッチな空燃比（リーン判定空燃比よりも理論空燃比に近い空燃比）になると、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がほぼ理論空燃比になったと判断される。このとき、目標空燃比は、弱リッチ設定空燃比に設定される。ここで、弱リッチ設定空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さい（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。

この結果、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る。その後、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ると目標空燃比が弱リーン設定空燃比に設定される。一方、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ると、まず、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定される。その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比よりも小さくなると目標空燃比が弱リッチ設定空燃比に設定される。その後、同様な制御が繰り返される。

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、上述した差よりも大きくなるように設定される。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
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、本実施形態に係る内燃機関の制御装置による基本的な空燃比制御を行った場合の、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、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスにおける積算酸素過不足量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。

なお、空燃比補正量ＡＦＣは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの目標空燃比に関する補正量である。空燃比補正量ＡＦＣが０のときには目標空燃比は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、基本的に理論空燃比）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。

図示した例では、時刻ｔ₁以前の状態では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ（弱リッチ設定空燃比に相当）に設定されている。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っている。上流側排気浄化触媒２０に流入する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。一方、上流側排気浄化触媒２０における浄化により上流側排気浄化触媒２０から流出する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。

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（例えば、図２のＣｌｏｗｌｉｍ）、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、図示した例では、時刻ｔ₂において、酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになると共に、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。

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。

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が理論空燃比からリッチ空燃比に変化してすぐではなく、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ＯＳＡ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僅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、上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比が到達することのないような空燃比とされる。なお、上述したリーン判定空燃比についても同じことがいえる。

時刻ｔ₂において、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えると、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）。時刻ｔ₂において上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比に変化すると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大していく。

このように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大していくと、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向かって変化する。図５に示した例では、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よりも大きな値となる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比となる。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが或る程度多くなっていることを意味する。

そこで、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よりも大きな値に変化したときには、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎ（弱リーン設定空燃比に相当）に切り替えられる。したがって、時刻ｔ₃では目標空燃比のリーン度合いが低下せしめられる。以下では、時刻ｔ₃をリーン度合い変更時期と称する。

リーン度合い変更時期である時刻ｔ₃において、空燃比補正量ＡＦＣを弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎ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リーン度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ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ＯＳＡの増加速度が低下する。

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ＯＳＡ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ＯＳＡが徐々に増加すると、酸素吸蔵量ＯＳＡはやがて最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づく（例えば、図２のＣｕｐｌｉｍ）。時刻ｔ₄において酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近づくと、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し始める。これにより、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが徐々に上昇する。その結果、図示した例では、時刻ｔ₅において、酸素吸蔵量ＯＳＡが最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達すると共に、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に到達する。

本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、酸素吸蔵量ＯＳＡを減少させるべく、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、リーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。

時刻ｔ₅において、目標空燃比をリッチ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はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。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）。時刻ｔ₅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、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは減少していく。

このように、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが減少していくと、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向かって変化する。図５に示した例では、時刻ｔ₆において、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よりも小さな値となる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがほぼ理論空燃比となる。これは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが或る程度少なくなっていることを意味する。

そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さな値に変化したときには、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量から弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ（弱リッチ設定空燃比に相当）に切り替えられる。

時刻ｔ₆において、空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ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リッチ度合いも小さくなる。これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは増大すると共に、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡの減少速度が低下する。

時刻ｔ₆以降においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、その減少速度が遅いながらも、徐々に減少していく。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はやがて時刻ｔ₇において、時刻ｔ₁と同様に、ゼロに近づき、図２のＣｄｗｎｌｉｍまで減少する。その後、時刻ｔ₈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。その後は、時刻ｔ₁〜ｔ₆の操作と同様な操作が繰り返される。

＜基本的な制御における利点＞
上述した基本的な空燃比制御によれば、時刻ｔ₂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ｔ₅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、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ｔ₂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ｔ₅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。

また、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻ｔ₂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ＯＳＡ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リッチ度合い（理論空燃比からの差）を小さくすることにより、仮に上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出したとしても、その単位時間当たりの流出量を減少させることができる。特に、上記空燃比制御によれば、時刻ｔ₅において上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出することになるが、このときの流出量を少なく抑えることができる。

加えて、本実施形態の空燃比制御によれば、時刻ｔ₅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ＯＳＡ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リッチ度合い（理論空燃比からの差）を小さくすることにより、仮に上流側排気浄化触媒２０から未燃ガスが流出したとしても、その単位時間当たりの流出量を減少させることができる。特に、上記空燃比制御によれば、時刻ｔ₂、ｔ₈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ことになるが、このときにもその流出量を少なく抑えることができる。

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、空燃比センサ４１を用いている。この空燃比センサ４１は、酸素センサと異なり、ヒステリシスを有さない。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。

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ＯＳＡは、ゼロ近傍と最大吸蔵可能酸素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。

なお、上記実施形態では、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よりも大きな値になったときに、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦｌｅａｎから弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに切り替えられる。また、上記実施形態では、時刻ｔ₆において、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よりも小さな値になったときに、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈから弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに切り替えられる。しかしながら、これら空燃比補正量ＡＦＣを切り替えるタイミングは、必ずしも下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて設定されなくてもよく、他のパラメータに基づいて決定されてもよい。

例えば、これら空燃比補正量ＡＦＣを切り替えるタイミングは、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡに基づいて決定されてもよい。例えば、図５に示したように、時刻ｔ₂において目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが予め定められた量αに達したときに、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。また、時刻ｔ₅において、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが予め定められた量αだけ減少したときに、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量に切り替えられる。

この場合、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの積算酸素過不足量に基づいて推定される。酸素過不足量は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素又は不足する酸素（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上流側排気浄化触媒２０に流入する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ＯＳＡを表しているといえる。図５に示したように、本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、目標空燃比が理論空燃比を越えて変化した時にゼロにリセットされる。

なお、酸素過不足量は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ、及びエアフロメータ３９等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。具体的には、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・Ｑｉ・（ＡＦｕｐ−１４．６） …（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の出力空燃比をそれぞれ表している。

或いは、空燃比補正量ＡＦＣを弱リーン設定補正量ＡＦＣｓｌｅａｎに切り替える時期（リーン度合い変更時期）は、目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから（時刻ｔ₂）の経過時間や吸入空気量の積算値等に基づいて決定されてもよい。同様に、空燃比補正量ＡＦＣを弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに切り替える時期（リッチ度合い変更時期）は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから（時刻ｔ₅）の経過時間や吸入空気量の積算値等に基づいて決定されてもよい。

このように、リッチ度合い変更時期やリーン度合い変更時期は、様々なパラメータに基づいて決定される。いずれにせよ、リーン度合い変更時期は、目標空燃比がリーン設定空燃比に設定された後であって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以上になる前の時期とされる。同様に、リッチ度合い変更時期は、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定された後であっ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以下になる前の時期とされる。

また、上記実施形態では、時刻ｔ₂〜ｔ₃において、空燃比補正量ＡＦＣはリーン設定空燃比ＡＦＣｌｅａｎに一定に維持される。しかしながら、斯かる期間中、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されなくてもよく、徐々に低下する（理論空燃比に近づく）ように変化してもよい。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は弱リーン設定空燃比ＡＦＣｌｅａｎに一定に維持される。しかしながら、斯かる期間中、空燃比補正量ＡＦＣは必ずしも一定に維持されていなくてもよく、例えば、徐々に低下する（理論空燃比に近づく）ように変化してもよい。また、時刻ｔ₅〜ｔ₆、時刻ｔ₆〜ｔ₈についても、同じ事がいえる。

＜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。

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。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適切に行うことができなくなる。以下では、図６を参照して斯かる現象について説明する。

図６は、図５と同様な、空燃比補正量ＡＦＣ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、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比を示している。一方、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を示している。

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が弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈとされており、よって目標空燃比が弱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は弱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弱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。

また、図６に示した例では、時刻ｔ₁において、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられと、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。

このように、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比がリッチ側にずれが生じていると、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は常に目標空燃比よりもリーンな空燃比になる。このため、例えば、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比におけるずれが図６に示した例よりも大きいような場合には、時刻ｔ₄〜ｔ₅において、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が理論空燃比又はリーン空燃比になる。

時刻ｔ₄〜ｔ₅において、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が理論空燃比になると、その後、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やリーン判定空燃比以上になることがなくなり、また、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡも一定のまま維持される。また、時刻ｔ₄〜ｔ₅において、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がリーン空燃比になると、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが増大してしまう。この結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘとゼロとの間で変化させることができなくなり、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵能力の低下を招く。

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。

＜通常学習制御＞
そこで、本発明の実施形態では、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、上述したような目標空燃比に基づいてフィードバック制御を行っているとき）に学習制御が行われる。このうち、まず、通常学習制御について説明する。

ここで、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の出力空燃比がリーン判定空燃比以上になるまで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ΣＯＥＤ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。図７にこの様子を示す。

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の出力空燃比を、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。

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が弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ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弱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ＡＦｕｐにはずれが生じているため、排気ガスの実際の空燃比は弱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。

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。また、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よりも大きくなる時刻ｔ₂において、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。このときも、排気ガスの実際の空燃比は、弱リーン設定空燃比よりもリーンな空燃比となる。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが多くなって時刻ｔ₃において下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、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。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の減少速度は遅い。また、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よりもよりも小さくなる時刻ｔ₄において、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。このときも、排気ガスの実際の空燃比は弱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。

ところで、本実施形態では、上述したように、時刻ｔ₁から時刻ｔ₃までにおいて、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。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以上になった時（時刻ｔ₃）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に積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。図７では、時刻ｔ₁〜時刻ｔ₃の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値をＲ₁で示している。

この酸素増大期間Ｔｉｎｃの積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（Ｒ₁）は、時刻ｔ₃における酸素吸蔵量ＯＳＡ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ｔ₃の酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、時刻ｔ₃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。

また、本実施形態では、時刻ｔ₃から時刻ｔ₅までにおいても、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。ここで、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えた時（時刻ｔ₃）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以下になった時（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に積算酸素過不足量ΣＯＥＤが算出される。図７では、時刻ｔ₃〜時刻ｔ₅の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値をＦ₁で示している。

この酸素減少期間Ｔｄｅｃの積算酸素過不足量ΣＯＥＤ（Ｆ₁）は、時刻ｔ₃から時刻ｔ₅までに上流側排気浄化触媒２０から放出された総酸素量に相当する。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ｔ₃〜時刻ｔ₅の酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、時刻ｔ₃から時刻ｔ₅までに上流側排気浄化触媒２０から実際に放出された総酸素量に相当する値よりも多いものとなっている。

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の絶対値Ｆ₁とは基本的に同一の値になるはずある。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の絶対値Ｆ₁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。

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、酸素増大期間Ｔｉｎｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｒ₁と酸素減少期間Ｔｄｅｃにおける積算酸素過不足量の絶対値Ｆ₁の差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。

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・ΔΣＯＥＤ …（２）
ＡＦＲ＝ＡＦＲｂａｓｅ＋ｓｆｂｇ（ｎ） …（３）
なお、上記式（２）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（２）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（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。

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。

ここで、制御中心空燃比ＡＦＲは、上記式（３）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、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補正されることになる。

この結果、時刻ｔ₅以降、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は時刻ｔ₅以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻ｔ₅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ｔ₅以前における差よりも小さくなっている（時刻ｔ₅以前においては、目標空燃比は下流側空燃比センサ４１の出力空燃比に一致しているため実線と重なっている）。

また、時刻ｔ₅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ｔ₇において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以上になると、目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へと切り替えられる。その後、時刻ｔ₉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以下になると、再度、目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられる。

時刻ｔ₅〜時刻ｔ₇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ｔ₇〜時刻ｔ₉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（２）を用いて学習値ｓｆｂｇが更新される。本実施形態では、時刻ｔ₉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。

通常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、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。

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。

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。

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、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、空燃比補正量等が挙げられる。

なお、上記実施形態では、基本的な空燃比制御において、リッチ設定空燃比、弱リッチ設定空燃比、リーン設定空燃比及び弱リーン設定空燃比は一定とされる。しかしながら、上述したように、これらは必ずしも一定に維持されている必要はない。

以上をまとめると、本実施形態では、学習手段は、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ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になるまでの第１期間における積算酸素過不足量の絶対値である第１酸素量積算値と、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ＡＦｒｉｃｈ以下にまるまでの第２期間における積算酸素過不足量の絶対値である第２酸素量積算値とに基づいて、これら第１酸素量積算値と第２酸素量積算値との差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通常学習制御を行うといえる。

＜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、上流側排気浄化触媒２０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。

これに対して、上流側排気浄化触媒２０に生じているずれが大きくなると、上述したように、目標空燃比が弱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に示した例では、時刻ｔ₂において上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上になると、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。その後、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐがリッチ判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなると、時刻ｔ₃において空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに設定される。これに伴い、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐは弱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の出力空燃比は大きくリッチ側にずれているため、排気ガスの実際の空燃比は理論空燃比となっている（図中の破線）。

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を弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ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い。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の弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ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は長時間に亘って弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに維持されることになる。ここで、上述した通常学習制御は、目標空燃比がリッチ空燃比とリーン空燃比との間で交互に切り替えられることを前提としている。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、上述した通常学習制御を行うことはできない。

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ｔ₂において、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定される。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、実際の排気ガスの空燃比がリーン空燃比になっている（図中の破線）。

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。このとき、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに到達していることから、上流側排気浄化触媒２０に流入したリーン空燃比の排気ガスはそのまま流出せしめられる。このため、時刻ｔ ₂ 以降は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以上に維持される。したがって、空燃比補正量ＡＦＣも弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈやリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えられることなく、そのまま維持される。この結果、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の切替が行われず、よって上述した通常制御を行うことはできない。加えて、この場合には、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘを含んだ排気ガスが流出し続けることになる。

＜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。

＜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の出力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。

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空燃比領域である理論空燃比近傍領域に相当する。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に切り替えた後に、すなわち目標空燃比をリッチ空燃比に設定した状態で、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。或いは、空燃比補正量ＡＦＣをリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに切り替えた後に、すなわち目標空燃比をリーン空燃比に設定した状態で、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、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ように学習値ｓｆｂｇが変更せしめられる。このとき、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されていた場合には上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側へ変化するように学習値ｓｆｂｇが減少せしめられる。一方、目標空燃比がリーン空燃比に設定されていた場合には上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーン側へ変化するように学習値ｓｆｂｇが増大せしめられる。図１０にこの様子を示す。

図１０は、空燃比補正量ＡＦＣ等のタイムチャートを示す図７と同様な図である。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。

図示した例では、図８と同様に、時刻ｔ₃において、空燃比補正量ＡＦＣが弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈ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、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ｔ₃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。

そこで、本実施形態では、目標空燃比がリッチ空燃比とされているときに、予め定められた理論空燃比判定時間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、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が更新される。

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）により制御中心空燃比ＡＦＲが補正される。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ₂・ＡＦＣ …（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。また、式（４）におけるＡＦＣには、現在の空燃比補正量ＡＦＣが代入され、図１０の時刻ｔ₄の場合には、弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈとされる。

ここで、上述したように、目標空燃比がリッチ空燃比とされているときに、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（４）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。

図１０に示した例では、時刻ｔ₄において、空燃比補正量ＡＦＣは弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈとされている。このため、式（４）を用いると、時刻ｔ₄において学習値ｓｆｂｇは減少せしめられる。この結果、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はリッチ側に変化することになる。これにより、時刻ｔ₄以降、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は時刻ｔ₄以前と比べて小さなものとなる。したがって、時刻ｔ₄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ｔ₄以前における差よりも小さくなっている。

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ｔ₄において学習値ｓｆｂｇの更新が行われてもなお、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残っている。このため、排気ガスの実際の空燃比は、弱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。

この結果、時刻ｔ₄から理論空燃比判定時間Ｔｓｔｏが経過した時刻ｔ₅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ｔ₅においても、式（４）を用いて、学習値ｓｆｂｇの更新が行われる。

図１０に示した例では、その後、時刻ｔ₆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、上述したように目標空燃比がリーン空燃比とリッチ空燃比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。

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。

＜理論空燃比張付き学習の変形例＞
なお、上記実施形態では、理論空燃比判定時間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の絶対値が未使用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。

或いは、理論空燃比判定時間Ｔｓｔｏは、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間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、理論空燃比判定時間Ｔｓｔｏが短くされる。これにより、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間の積算酸素過不足量ΣＯＥＤが所定の量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。

また、上記理論空燃比張付き学習制御では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比判定時間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、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。

例えば、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比に張り付いてしまっている場合には、目標空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比との間で切り替えてからの積算酸素過不足量が多くなる。そこで、目標空燃比を切り替えてからの積算酸素過不足量の絶対値、または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間の積算酸素過不足量の絶対値が予め定められた所定値以上大きくなった場合に、上述したような学習値の更新を行ってもよい。

さらに、図１０に示した例では、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ＡＦｄｗｎが理論空燃比判定時間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を示している。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下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比判定時間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ついても同様な制御が可能である。

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、目標空燃比が理論空燃比よりも一方側にずれた空燃比（すなわち、リッチ空燃比又はリーン空燃比）に設定されているときに、理論空燃比判定時間Ｔｓｔｏ以上に亘って又は積算酸素過不足量が予め定められた所定値以上になるまでの期間にわたって、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比近傍空燃比領域内に維持されている場合、フィードバック制御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前記一方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理論空燃比張付き学習を行うといえる。

＜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に切り替えた後に、すなわち目標空燃比をリッチ空燃比に設定した状態で、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、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が減少せしめられる。図１１にこの様子を示す。

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。

図示した例では、時刻ｔ₀において、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設定補正量ＡＦＣｌｓｅａｎ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。

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に設定された後に、予め定められたリーン空燃比判定時間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。

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（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・（ＡＦＣｒｉｃｈ−（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。

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）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（５）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。

図１１に示した例では、式（５）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、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、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。

図１１に示した例では、時刻ｔ₁において学習値ｓｆｂｇの更新が行われると、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がリッチ空燃比となる。この結果、時刻ｔ₂において上流側排気浄化触媒２０から流出する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比となり、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よりも小さくなる。このため、時刻ｔ₂において空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈから弱リッチ設定補正量ＡＦＣｓｒｉｃｈに切り替えられる。

しかしながら、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比は未だに大きく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空燃比となっている。この結果、図示した例では、時刻ｔ₂以降において、リーン空燃比判定時間Ｔｌｅａｎに亘って下流側空燃比の出力空燃比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、リーン空燃比判定時間Ｔｌｅａｎが経過した時刻ｔ₃においても、リーン張付き学習により、上記式（５）と同様な下記式（６）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。
ｓｆｂｇ（ｎ）＝ｓｆｂｇ（ｎ−１）＋ｋ₃・（ＡＦＣｓｒｉｃｈ−（ＡＦｄｗｎ−１４．６）） …（６）

時刻ｔ₃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ｔ₃以降には、排気ガスの実際の空燃比はほぼ理論空燃比となる。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ｔ₄から時刻ｔ₅まで理論空燃比判定時間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ｔ₅において、理論空燃比張付き学習により、上記式（４）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

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。

なお、上記実施形態では、リーン空燃比判定時間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の絶対値が未使用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、リーン空燃比判定時間Ｔｌｅａｎは、上述した理論空燃比判定時間Ｔｓｔｏよりも短いものとされる。

或いは、リーン空燃比判定時間Ｔｌｅａｎ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以上である間に積算された排気ガス流量、積算酸素過不足量等、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、或いは、積算酸素過不足量が多くなるほど、リーン空燃比判定時間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になったとき又は積算酸素過不足量が所定の量になったときに、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。

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、目標空燃比がリーン空燃比に設定されている状態で、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判定時間（リーン空燃比判定時間と同様）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、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。

＜具体的な制御の説明＞
次に、図１２〜図１６を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。本実施形態における制御装置は、機能ブロック図である図１２に示したように、Ａ１〜Ａ９の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図１２を参照しながら各機能ブロックについて説明する。これら各機能ブロックＡ１〜Ａ９における操作は、基本的にＥＣＵ３１において実行される。

＜燃料噴射量の算出＞
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、筒内吸入空気量算出手段Ａ１、基本燃料噴射量算出手段Ａ２、及び燃料噴射量算出手段Ａ３が用いられる。

筒内吸入空気量算出手段Ａ１は、吸入空気流量Ｇａと、機関回転数ＮＥと、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたマップ又は計算式とに基づいて、各気筒への吸入空気量Ｍｃを算出する。吸入空気流量Ｇａはエアフロメータ３９によって計測され、機関回転数ＮＥはクランク角センサ４４の出力に基づいて算出される。

基本燃料噴射量算出手段Ａ２は、筒内吸入空気量算出手段Ａ１によって算出された筒内吸入空気量Ｍｃを、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）。目標空燃比ＡＦＴは、後述する目標空燃比設定手段Ａ７によって算出される。

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ＤＦｉを加えることで燃料噴射量Ｑｉを算出する（Ｑｉ＝Ｑｂａｓｅ＋ＤＦｉ）。このようにして算出された燃料噴射量Ｑｉの燃料が燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１に対して噴射指示が行われる。

＜目標空燃比の算出＞
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、空燃比補正量算出手段Ａ４、学習値算出手段Ａ５、制御中心空燃比算出手段Ａ６及び目標空燃比設定手段Ａ７が用いられる。

空燃比補正量算出手段Ａ４は、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎに基づいて、目標空燃比の空燃比補正量ＡＦＣを算出する。具体的には、図１３に示したフローチャートに基づいて空燃比補正量ＡＦＣが算出される。

学習値算出手段Ａ５は、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、吸入空気流量Ｇａ（排気ガス流量Ｇｅを算出）等に基づいて、学習値ｓｆｂｇを算出する。具体的には、図１４〜図１６に示したフローチャートに基づいて学習値ｓｆｂｇが算出される。

制御中心空燃比算出手段Ａ６は、基本制御中心空燃比ＡＦＲｂａｓｅ及び学習値算出手段Ａ５において算出された学習値に基づいて上述した式（３）により制御中心空燃比ＡＦＲを算出する。

目標空燃比設定手段Ａ７は、制御中心空燃比ＡＦＲに、空燃比補正量算出手段Ａ４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。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偏差算出手段Ａ８に入力される。

＜Ｆ／Ｂ補正量の算出＞
次に、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐ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、空燃比偏差算出手段Ａ８、Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ９が用いられる。

空燃比偏差算出手段Ａ８は、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比ＡＦｕｐから目標空燃比設定手段Ａ７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偏差ＤＡＦを算出する（ＤＡＦ＝ＡＦｕｐ−ＡＦＴ）。この空燃比偏差ＤＡＦは、目標空燃比ＡＦＴに対する燃料供給量の過不足を表す値である。

Ｆ／Ｂ補正量算出手段Ａ９は、空燃比偏差算出手段Ａ８によって算出された空燃比偏差ＤＡＦを、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）することで、下記式（７）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 …（７）

なお、上記式（７）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、空燃比偏差ＤＡＦの時間微分値であり、今回更新された空燃比偏差ＤＡＦと前回更新されていた空燃比偏差ＤＡＦとの偏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、空燃比偏差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偏差ＤＡＦを加算することで算出される（ＳＤＡＦ＝ＤＤＡＦ＋ＤＡＦ）。

＜空燃比補正量算出制御のフローチャート＞
図１３は、空燃比補正量の算出制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図１３に示したように、まず、ステップＳ１１において空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立しているか否かが判定される。空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立している場合とは、通常制御中であること、例えば燃料カット制御中ではないこと等が挙げられる。ステップＳ１１において空燃比補正量ＡＦＣの算出条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。

ステップＳ１２では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。リーン設定フラグＦｌは、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているとき、すなわち空燃比補正量ＡＦＣが０以上に設定されているときには、ＯＮとされ、それ以外のときにはＯＦＦとされるフラグである。ステップＳ１２においてリーン設定フラグＦｌがＯＦＦに設定されていると判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３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以下であるか否かが判定される。

ステップＳ１３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よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、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よりも小さいか否かが判定される。出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎ以上であると判定された場合には、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比に近づき、リーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも小さくなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１４からステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６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。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼゼロになっ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以下になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１３からステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、空燃比補正量ＡＦＣがリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定される。次いで、ステップＳ１８では、リーン設定フラグＦｌがＯＮにセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

リーン設定フラグＦｌがＯＮにセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１２からステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、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以上であるか否かが判定される。

ステップＳ１９において、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よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０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よりも大きいか否かが判定される。出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈ以下であると判定された場合には、ステップＳ２１へと進む。ステップＳ２１では、空燃比補正量ＡＦＣが引き続きリーン設定補正量ＡＦＣｌｅａｎに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

その後、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比ＡＦｄｗｎが理論空燃比に近づき、リッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも大きくなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ２０からステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、空燃比補正量ＡＦＣが弱リーン設空燃比ＡＦＣｓｌｅａｎに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡがほぼ最大吸蔵可能酸素量になって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以上になると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１９からステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、空燃比補正量ＡＦＣがリッチ設定補正量ＡＦＣｒｉｃｈに設定される。次いで、ステップＳ２４では、リーン設定フラグＦｌがＯＦＦにリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜通常学習制御のフローチャート＞
図１４は、通常学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図１４に示したように、まず、ステップＳ３１において、学習値ｓｆｂｇの更新条件が成立しているか否かが判定される。更新条件が成立している場合とは、例えば、通常制御中であること等が挙げられる。ステップＳ３１において、学習値ｓｆｂｇの更新条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２では、リーンフラグＦｌが０に設定されているか否かが判定される。ステップＳ３２において、リーンフラグＦｌが０に設定されていると判定された場合には、ステップＳ３３へと進む。

ステップＳ３３では、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも大きいか否か、すなわち目標空燃比がリーン空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ３３において、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに現在の酸素過不足量ＯＥＤが加算される。

その後、目標空燃比がリッチ空燃比へと切り替えられると、次の制御ルーチンではステップＳ３３において空燃比補正量ＡＦＣが０以下であると判定され、ステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、リーンフラグＦｌが１にセットされ、次いで、ステップＳ３６ではＲｎが現在の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値とされる。次いで、ステップＳ３７では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、リーンフラグＦｌが１にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ３２からステップＳ３８へと進む。ステップＳ３８では、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも小さいか否か、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ３８において、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも小さいと判定された場合にはステップＳ３９へと進む。ステップＳ３９では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤに現在の酸素過不足量ＯＥＤが加算される。

その後、目標空燃比がリーン空燃比へと切り替えられると、次の制御ルーチンではステップＳ３８において空燃比補正量ＡＦＣが０以上であると判定され、ステップＳ４０へと進む。ステップＳ４０では、リーンフラグＦｌが０にセットされ、次いで、ステップＳ４１では、Ｆｎが現在の積算酸素過不足量ΣＯＥＤの絶対値とされる。次いで、ステップＳ４２では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが０にリセットされる。次いで、ステップＳ４３では、ステップＳ３６で算出されたＲｎとステップＳ４１で算出されたＦｎに基づいて学習値ｓｆｂｇが更新され、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜張付き学習制御のフローチャート＞
図１５及び図１６は、張付き学習制御（理論空燃比張付き制御、リッチ張付き制御及びリーン張付き制御）の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図１５及び図１６に示したように、まず、ステップＳ５１において、リーンフラグＦｌが０に設定されているか否かが判定される。ステップＳ５１において、リーンフラグＦｌが０に設定されていると判定された場合には、ステップＳ５２へと進む。ステップＳ５２では、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも大きいか否か、すなわち目標空燃比がリーン空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ５２において、空燃比補正量ＡＦＣが０以下であると判定された場合には、ステップＳ５３へと進む。

ステップＳ５３では、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よりも大きいか否かが判定され、ステップＳ５４では、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈとリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎとの間の値であるか否かが判定される。ステップＳ５３、Ｓ５４において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも小さいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリッチ空燃比であると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ５３、Ｓ５４において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも大きいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリーン空燃比であると判定された場合には、ステップＳ５５へと進む。

ステップＳ５５では、リーン維持時間ΣＴｌｅａｎに時間ΔＴを加算したものが新たなリーン維持時間ΣＴｌｅａｎとされる。なお、リーン維持時間ΣＴｌｅａｎは、出力空燃比がリーン空燃比に維持されている時間を表す。次いで、ステップＳ５６では、ステップＳ５５で算出されたリーン維持時間ΣＴｌｅａｎがリーン空燃比判定時間Ｔｌｅａｎ以上であるか否かが判定される。ステップＳ５６において、ΣＴｌｅａｎがＴｌｅａｎよりも小さいと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、リーン維持時間ΣＴｌｅａｎが増大して、ステップＳ５６において、ΣＴｌｅａｎがＴｌｅａｎ以上であると判定された場合には、ステップＳ５７へと進む。ステップＳ５７では、上述した式（５）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

一方、ステップＳ５３、Ｓ５４において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈとリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎとの間の値であると判定された場合には、ステップＳ５８へと進む。ステップＳ５８では、理論空燃比維持時間ΣＴｓｔｏに時間ΔＴを加算したものが新たな理論空燃比維持時間ΣＴｓｔｏとされる。次いで、ステップＳ５９では、ステップＳ５８で算出された理論空燃比維持時間ΣＴｓｔｏが理論空燃比判定時間Ｔｓｔｏ以上であるか否かが判定される。ステップＳ５９において、ΣＴｓｔｏがＴｓｔｏよりも小さいと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、理論空燃比維持時間ΣＴｓｔｏが増大して、ステップＳ５９において、ΣＴｓｔｏがＴｓｔｏ以上であると判定された場合には、ステップＳ６０へと進む。ステップＳ６０では、上述した式（４）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

その後、目標空燃比が切り替えられて、ステップＳ５２において、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ６１へと進む。ステップＳ６１では、リーン空燃比維持時間ΣＴｌｅａｎ及び理論空燃比維持時間ΣＴｓｔｏが０にリセットされる。次いで、ステップＳ６２では、リーンフラグＦｌが１にセットされる。

リーンフラグＦｌが１にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ５１からステップＳ６３へと進む。ステップＳ６３では、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも小さいか否か、すなわち目標空燃比がリッチ空燃比であるか否かが判定される。ステップＳ６３において、空燃比補正量ＡＦＣが０以上であると判定された場合には、ステップＳ６４へと進む。

ステップＳ６４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よりも小さいか否かが判定され、ステップＳ６５では、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈとリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎとの間の値であるか否かが判定される。ステップＳ６４、６５において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｌｅａｎよりも大きい判定された場合、すなわち出力空燃比がリーン空燃比であると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ６４、Ｓ６５において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈよりも小さいと判定された場合、すなわち出力空燃比がリッチ空燃比であると判定された場合には、ステップＳ６６へと進む。

ステップＳ６６では、リッチ維持時間ΣＴｒｉｃｈに時間ΔＴを加算したものが新たなリッチ維持時間ΣＴｒｉｃｈとされる。なお、リッチ維持時間ΣＴｒｉｃｈは、出力空燃比がリッチ空燃比に維持されている時間を表す。次いで、ステップＳ６７では、ステップＳ６６で算出されたリッチ維持時間ΣＴｒｉｃｈがリッチ空燃比判定時間Ｔｒｉｃｈ以上であるか否かが判定される。ステップＳ６７において、ΣＴｒｉｃｈがＴｒｉｃｈよりも小さいと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、リッチ維持時間ΣＴｒｉｃｈが増大して、ステップＳ６７において、ΣＴｒｉｃｈがＴｒｉｃｈ以上であると判定された場合には、ステップＳ６８へと進む。ステップＳ６８では、上述した式（５）を用いて学習値ｓｆｂｇの補正が行われる。

一方、ステップＳ６４、Ｓ６５において、出力空燃比ＡＦｄｗｎがリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈとリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎとの間の値であると判定された場合には、ステップＳ６９へと進む。ステップＳ６９〜Ｓ７１では、ステップＳ５８〜Ｓ６０と同様な制御が行われる。

その後、目標空燃比が切り替えられて、ステップＳ６３において、空燃比補正量ＡＦＣが０よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ７２へと進む。ステップＳ７２では、リッチ空燃比維持時間ΣＴｒｉｃｈ及び理論空燃比維持時間ΣＴｓｔｏが０にリセットされる。次いで、ステップＳ７３では、リーンフラグＦｌが０にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

なお、上記実施形態では、基本的な空燃比制御として、目標空燃比がリッチ空燃比に設定されているときにその途中でリッチ度合いを低下させ、目標空燃比がリーン空燃比に設定されているときにその途中でリーン度合いを低下させる制御を行っている。しかしながら、基本的な空燃比制御として、必ずしも斯かる空燃比制御を採用する必要はなく、目標空燃比をリッチ空燃比に設定するときには目標空燃比を或る一定のリッチ空燃比に維持し、目標空燃比をリーン空燃比に設定するときには目標空燃比を或る一定のリーン空燃比に維持するような制御を行ってもよい。

１ 機関本体
５ 燃焼室
７ 吸気ポート
９ 排気ポート
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

Claims (13)

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該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センサとを具備する内燃機関の制御装置において、
   前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように内燃機関の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と共に、前記下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて該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制御を行い、
   前記目標空燃比は、前記下流側空燃比センサの出力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理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比から理論空燃比よりもリーンなリーン空燃比に切り替えられ、前記下流側空燃比センサの出力空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比以上になったときにリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えられ、
   前記学習制御では、前記目標空燃比がリッチ空燃比及びリーン空燃比のいずれか一方の空燃比に設定されているときに、理論空燃比判定時間以上に亘って又は積算酸素過不足量が予め定められた所定値以上になるまでの期間に亘って前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比と前記リーン判定空燃比との間の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、前記フィードバック制御において前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が前記一方側に変化す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理論空燃比張付き学習が行われる、内燃機関の制御装置。
2. 前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になったときに、前記目標空燃比はリッチ空燃比から理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替えられ、
   前記目標空燃比が前記リーン設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になる前のリーン度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまで、前記目標空燃比は前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いの小さいリーン空燃比に設定され、
   前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になったときに、前記目標空燃比はリーン空燃比から理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に切り替えられ、
   前記目標空燃比が前記リッチ設定空燃比に設定された後であって前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になる前のリッチ度合い変更時期から前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比は前記リッチ設定空燃比よりもリッチ度合いの小さいリッチ空燃比に設定される、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記理論空燃比判定時間は、前記目標空燃比を理論空燃比よりも前記一方側にずれた空燃比に切り替えてから積算された酸素過不足量の絶対値が、未使用時の前記排気浄化触媒の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでの時間以上である、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記学習制御では、前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ・リーン空燃比判定時間以上に亘って前記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、前記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リーン張付き学習が行われる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記リーン張付き学習における補正量は前記理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記学習制御では、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されているときに、前記下流側空燃比センサの出力空燃比がリッチ・リーン空燃比判定時間以上に亘って前記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、前記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リッチ張付き学習を行う、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記リッチ張付き学習における補正量は前記理論空燃比張付き学習における補正量よりも大きい、請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記リッチ・リーン空燃比判定時間は前記理論空燃比判定時間よりも短い、請求項４〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記リッチ・リーン空燃比判定時間は、前記目標空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で切り替えてから積算された排気ガス流量に応じて変更される、請求項４〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記リッチ・リーン空燃比判定時間は、前記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の出力空燃比が変化するまでにかかる下流側空燃比センサの応答遅れ時間以上である、請求項４〜９のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
11. 前記学習制御では、前記目標空燃比をリーン空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リーン判定空燃比以上になるまでの第１期間における積算酸素過不足量の絶対値である第１酸素量積算値と、前記目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてから前記下流側空燃比センサの出力空燃比が前記リッチ判定空燃比以下にまるまでの第２期間における積算酸素過不足量の絶対値である第２酸素量積算値とに基づいて、これら第１酸素量積算値と第２酸素量積算値との差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が補正される通常学習制御が行われる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
12. 前記フィードバック制御に関するパラメータは、前記目標空燃比、燃料供給量及び制御中心となる空燃比のいずれかである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
13. 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該排気浄化触媒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を更に具備し、
    前記上流側空燃比センサの出力空燃比が目標空燃比となるように内燃機関の燃焼室に供給される燃料供給量をフィードバック制御し、
    前記フィードバック制御に関するパラメータは、前記上流側空燃比センサの出力値である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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