CN104956058A - 内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

内燃机的控制装置具备：空燃比传感器(41)，其设置于内燃机的排气通路；和内燃机控制装置，其基于空燃比传感器的传感器输出电流来控制内燃机。空燃比传感器具备：供排气流入的被测气体室(51)；基准元件(61)，其基准元件输出电流根据被测气体室内的排气的空燃比而变化；以及泵元件(60)，其根据泵电流，对被测气体室内的排气进行氧的泵入和泵出。基准元件构成为：基准元件输出电流成为零的施加电压根据所述被测气体室内的排气的空燃比而变化。基准元件的施加电压固定为一定电压，该一定电压设为与在所述被测气体室内的排气的空燃比为理论空燃比时基准元件输出电流成为零的电压不同的电压。

Description

内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及根据空燃比传感器的输出来控制内燃机的内燃机的控制装置。
背景技术
以往以来，在内燃机的排气通路设置空燃比传感器并基于该空燃比传感器的输出来控制向内燃机供给的燃料量的内燃机的控制装置广为人知(例如，参照专利文献1～6)。另外，在该控制装置中所使用的空燃比传感器也广为人知。
该空燃比传感器大体分为1元件型空燃比传感器(例如，专利文献2、4)和2元件型空燃比传感器(例如，专利文献1、3、5)。在1元件型空燃比传感器中，仅设置有一个元件，该元件包括氧离子能够通过的固体电解质层和在其两侧面上设置的两个电极。其中一方的电极暴露于大气，另一方的电极经由扩散限速层暴露于排气。在这样构成的1元件型空燃比传感器中，对配置在固体电解质层的两侧面上的两个电极间施加电压，并且与此相伴，在固体电解质层的两侧面间，根据这些侧面间的氧浓度比而产生氧离子的移动。通过检测因该氧离子的移动而产生的电流来检测排气的空燃比(以下，也称作“排气空燃比”)(例如，专利文献2)。
另一方面，在2元件型空燃比传感器中，设置有两个元件，该元件包括氧离子能够通过的固体电解质层和在其两侧面上设置的两个电极。其中一方的元件(基准元件)构成为检测电压(电动势)根据被测气体室内的排气中的氧浓度而变化。另外，另一方的元件(泵元件)根据泵电流而对被测气体室内的排气进行氧的泵入和泵出。特别是，泵元件的泵电流被设定成为了使在基准元件中检测到的检测电压与目标电压值一致而进行氧的泵入和泵出，通过检测该泵电流来检测排气空燃比。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2002-357589号公报
专利文献2：日本特开2005-351096号公报
专利文献3：日本特开2004-258043号公报
专利文献4：日本特开2000-356618号公报
专利文献5：日本特开2003-329637号公报
专利文献6：日本特开平8-232723号公报
专利文献7：日本特开2009-162139号公报
专利文献8：日本特开2001-234787号公报
发明内容
如专利文献1～5所记载的空燃比传感器通常构成为具有图2中实线A所示的输出特性。即，在这样的空燃比传感器中，排气空燃比越大(即越稀)，则来自空燃比传感器的输出电流越大。另外，这样的空燃比传感器还构成为在排气空燃比为理论空燃比时输出电流成为零。
但是，图2中的斜率、即输出电流的增加量相对于排气空燃比的增加量的比率(以下，称为“输出电流变化率”)即使经过同样的生产工序也未必相同，即使是同一型式的空燃比传感器也会在个体间产生不均。另外，即使在同一空燃比传感器中，输出电流变化率也会因历时劣化等而变化。其结果，即使使用同一型式的传感器，根据所使用的传感器、使用期间等，输出电流变化率也会如图2中虚线B所示那样变小，或者如单点划线C所示那样变大。
因此，即使使用同一型式的空燃比传感器进行同一空燃比的排气的计测，空燃比传感器的输出电流也会根据所使用的传感器、使用期间等而不同。例如，在空燃比传感器具有如实线A所示的输出特性的情况下，进行了空燃比为af1的排气的计测时的输出电流成为I2。但是，在空燃比传感器具有如虚线B或单点划线C所示的输出特性的情况下，进行了空燃比为af1的排气的计测时的输出电流分别成为I1和I3，成为与上述I2不同的输出电流。
因此，在这样的空燃比传感器中，虽然能够准确地检测理论空燃比和相对于理论空燃比是浓还是稀，但在排气的空燃比不是理论空燃比时，则无法准确地检测其绝对值(即浓程度、稀程度)
因此，鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种内燃机的控制装置，该内燃机的控制装置使用了即使在排气的空燃比不是理论空燃比时也能检测排气的空燃比的绝对值的空燃比传感器。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，在第1发明中，提供一种内燃机的控制装置，具备：空燃比传感器，其设置于内燃机的排气通路；和内燃机控制装置，其基于该空燃比传感器的传感器输出电流来控制内燃机，其中，所述空燃比传感器具备：被测气体室，其供作为空燃比检测对象的排气流入；基准元件，其基准元件输出电流根据该被测气体室内的排气的空燃比而变化；以及泵元件，其根据泵电流，对所述被测气体室内的排气进行氧的泵入和泵出，所述基准元件构成为：基准元件输出电流成为零的施加电压根据所述被测气体室内的排气的空燃比而变化，并且，若在所述被测气体室内的排气的空燃比为理论空燃比时使该基准元件的施加电压增大，则基准元件输出电流随之而增大，在通过所述空燃比传感器检测排气空燃比时，所述基准元件的施加电压固定为一定电压，该一定电压是与在所述被测气体室内的排气的空燃比为理论空燃比时基准元件输出电流成为零的电压不同的电压，且是在所述被测气体室内的排气的空燃比为不同于理论空燃比的空燃比时基准元件输出电流成为零的电压，所述空燃比传感器还具备：泵电流控制装置，其控制泵电流以使得所述基准元件输出电流成为零；和泵电流检测装置，其检测该泵电流将其作为所述传感器输出电流。
第2发明根据第1发明，所述基准元件具备：第一电极，其暴露于所述被测气体室内的排气；第二电极，其暴露于基准气氛；以及固体电解质层，其配置在所述第一电极与所述第二电极之间，所述空燃比传感器还具备扩散限速层，该扩散限速层被配置成使得排气经由该扩散限速层而到达所述第一电极。
第3发明根据第2发明，所述扩散限速层被配置成使得所述被测气体室内的排气经由该扩散限速层而到达所述第一电极。
第4发明根据第1～第3发明的任一发明，所述基准元件构成为按各排气空燃比具有界限电流区域，所述界限电流区域是所述基准元件输出电流成为界限电流的电压区域，所述一定电压是排气空燃比为理论空燃比时的所述界限电流区域内的电压。
第5发明根据第1～第3发明的任一发明，所述基准元件构成为：按各排气空燃比，关于所述施加电压与基准元件输出电流的关系具有比例区域、水分解区域以及中间区域，所述比例区域是基准元件输出电流与施加电压的增大成比例地增大的电压区域，所述水分解区域是由于产生了水的分解因而基准元件输出电流根据施加电压的变化而变化的电压区域，所述中间区域是所述比例区域与水分解区域之间的电压区域，所述一定电压是排气空燃比为理论空燃比时的所述中间区域内的电压。
第6发明根据第1～第3发明的任一发明，所述一定电压设为在排气空燃比比理论空燃比高1％时基准元件输出电流成为零的电压与在所述被测气体室内的排气的空燃比比理论空燃比低1％时基准元件输出电流成为零的电压之间的电压。
第7发明根据第1～第3发明的任一发明，所述基准元件构成为：按各排气空燃比，关于所述施加电压与基准元件输出电流的关系，直到第一屈曲点为止，基准元件输出电流随着施加电压的增大而增大，从第一屈曲点到第二屈曲点，基准元件输出电流随着施加电压的增大而增大，从第二屈曲点起，基准元件输出电流随着施加电压的增大而增大，并且，在第一屈曲点与第二屈曲点之间的电压区域中，相对于施加电压的增加量的基准元件输出电流的增加量比其他电压区域小，所述一定电压设为排气空燃比为理论空燃比时的所述第一屈曲点与第二屈曲点之间的电压。
第8发明根据第2或第3发明，所述基准元件按各排气空燃比具有电流增大区域和电流微增区域，所述电流增大区域是基准元件输出电流随着施加电压的增大而增大的电压区域，所述电流微增区域是由于设置了所述扩散限速层因而相对于施加电压的增加量的基准元件输出电流的增加量比所述电流增大区域小的电压区域，所述一定电压是排气空燃比为理论空燃比时的所述电流微增区域内的电压。
第9发明根据第2或第3发明，所述扩散限速层由氧化铝形成，所述一定电压设为0.1V以上且0.9V以下。
第10发明根据第1～第9发明的任一发明，所述内燃机控制装置，在所述空燃比传感器的传感器输出电流成为了零时，判断为排气空燃比是不同于理论空燃比的预先设定的空燃比。
第11发明根据第1～第10发明的任一发明，所述内燃机具备能够吸藏氧的排气净化催化剂，该排气净化催化剂在所述空燃比传感器的排气流动方向上游侧设置于所述排气通路，所述一定电压设为在排气空燃比是比理论空燃比浓的预定的浓判定空燃比时所述基准元件输出电流成为零的电压。
第12发明根据第11发明，所述内燃机控制装置能够对流入所述排气净化催化剂的排气的空燃比进行控制，在所述空燃比传感器的传感器输出电流成为了零以下时，使流入所述排气净化催化剂的排气的目标空燃比比理论空燃比稀。
第13发明根据第12发明，所述内燃机控制装置具备：氧吸藏量增加单元，其在所述空燃比传感器的传感器输出电流成为了零以下时，将流入所述排气净化催化剂的排气的目标空燃比持续地或断续地设为比理论空燃比稀，直到所述排气净化催化剂的氧吸藏量成为比最大氧吸藏量少的预定的吸藏量；和氧吸藏量减少单元，其在所述排气净化催化剂的氧吸藏量成为了所述预定的吸藏量以上时，将所述目标空燃比持续地或断续地设为比理论空燃比浓，以使得该氧吸藏量不会达到最大氧吸藏量而朝向零减少。
第14发明根据第13发明，由所述氧吸藏量增加单元持续地或断续地设为比理论空燃比稀的期间内的所述目标空燃比的平均值与理论空燃比之差，比由所述氧吸藏量减少单元持续地或断续地设为比理论空燃比浓的期间内的所述目标空燃比与理论空燃比之差大。
第15发明根据第11～第14发明的任一发明，该内燃机的控制装置具备上游侧空燃比传感器，该上游侧空燃比传感器在所述排气净化催化剂的排气流动方向上游侧设置于内燃机排气通路，所述内燃机控制装置基于上游侧空燃比传感器的输出来控制排气空燃比，以使得流入所述排气净化催化剂的排气的空燃比成为目标空燃比。
第16发明根据第15发明，所述上游侧空燃比传感器构成为：传感器输出电流成为零的施加电压根据排气空燃比而变化，并且，若在排气空燃比为理论空燃比时使该上游侧空燃比传感器的施加电压增大，则传感器输出电流随之而增大，所述上游侧空燃比传感器的施加电压比所述空燃比传感器的施加电压低。
第17发明根据第16发明，在通过所述上游侧空燃比传感器检测排气空燃比时，所述上游侧空燃比传感器的施加电压固定为一定电压，该一定电压设为在所述被测气体室内的排气的空燃比为理论空燃比时传感器输出电流成为零的电压。
发明效果
根据本发明，能够提供一种内燃机的控制装置，该内燃机的控制装置使用了即使在排气的空燃比不是理论空燃比时也能检测排气的空燃比的绝对值的空燃比传感器。
附图说明
图1是概略示出使用本发明的第一实施方式的控制装置的内燃机的图。
图2是示出空燃比传感器的输出特性的图。
图3是空燃比传感器的概略剖视图。
图4是概略示出空燃比传感器的动作的图。
图5是示出空燃比传感器的输出特性的图。
图6是概略示出基准元件的动作的图。
图7是示出各排气空燃比下的传感器施加电压与基准元件输出电流的关系的图。
图8是示出各传感器施加电压下的排气空燃比与基准元件输出电流的关系的图。
图9是示出空燃比传感器中的传感器施加电压与基准元件输出电流的关系的图。
图10是示出空燃比传感器中的排气空燃比与基准元件输出电流的关系的图。
图11是示出传感器施加电压与基准元件输出电流的关系的图。
图12是示出各传感器施加电压下的排气空燃比与基准元件输出电流的关系的与图8同样的图，示出比图8更广的范围。
图13是示出构成电压施加装置和基准元件输出电流检测装置的具体电路的一例的图。
图14示出排气净化催化剂的氧吸藏量与从排气净化催化剂流出的排气中的NOx和未燃气体的浓度的关系。
图15是排气净化催化剂的氧吸藏量等的时间图。
图16是排气净化催化剂的氧吸藏量等的时间图。
图17是控制装置的功能框图。
图18是示出空燃比修正量的算出控制的控制例程的流程图。
图19是排气净化催化剂的氧吸藏量等的时间图。
图20是概略示出第三实施方式的空燃比传感器的结构的与图3同样的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的内燃机的控制装置进行详细说明。此外，在以下的说明中，对同样的构成要素附上同一附图标记。图1是概略示出使用本发明的第一实施方式的控制装置的内燃机的图。
<内燃机整体的说明>
参照图1，1表示内燃机主体，2表示汽缸体，3表示在汽缸体2内进行往复运动的活塞，4表示固定在汽缸体2上的汽缸盖，5表示在活塞3与汽缸盖4之间形成的燃烧室，6表示进气门，7表示进气口，8表示排气门，9表示排气口。进气门6对进气口7进行开闭，排气门8对排气口9进行开闭。
如图1所示，在汽缸盖4的内壁面的中央部配置有火花塞10，在汽缸盖4的内壁面周边部配置有燃料喷射阀11。火花塞10构成为根据点火信号产生火花。另外，燃料喷射阀11根据喷射信号向燃烧室5内喷射预定量的燃料。此外，燃料喷射阀11也可以被配置成向进气口7内喷射燃料。另外，在本实施方式中，使用排气净化催化剂中的理论空燃比为14.6的汽油作为燃料。但是，本发明的内燃机也可以使用其他燃料。
各汽缸的进气口7分别经由对应的进气支管13与缓冲罐(surge tank)14连结，缓冲罐14经由进气管15与空气滤清器16连结。进气口7、进气支管13、缓冲罐14、进气管15形成进气通路。另外，在进气管15内配置有由节气门驱动致动器17驱动的节气门18。通过利用节气门驱动致动器17使节气门18转动，节气门18能够变更进气通路的开口面积。
另一方面，各汽缸的排气口9与排气歧管19连结。排气歧管19具有与各排气口9连结的多个支部和集合了这些支部的集合部。排气歧管19的集合部与内置有上游侧排气净化催化剂20的上游侧壳体21连结。上游侧壳体21经由排气管22与内置有下游侧排气净化催化剂24的下游侧壳体23连结。排气口9、排气歧管19、上游侧壳体21、排气管22以及下游侧壳体23形成排气通路。
电子控制单元(ECU)31包括数字计算机，具备经由双向性总线32相互连接的RAM(随机存取存储器)33、ROM(只读存储器)34、CPU(微处理器)35、输入端口36以及输出端口37。在进气管15配置有用于检测在进气管15内流动的空气流量的空气流量计39，该空气流量计39的输出经由对应的AD转换器38被输入到输入端口36。另外，在排气歧管19的集合部配置有用于检测在排气歧管19内流动的排气(即流入上游侧排气净化催化剂20的排气)的空燃比的上游侧空燃比传感器40。另外，在排气管22内配置有检测在排气管22内流动的排气(即从上游侧排气净化催化剂20流出并流入下游侧排气净化催化剂24的排气)的空燃比的下游侧空燃比传感器41。这些空燃比传感器40、41的输出也经由对应的AD转换器38被输入到输入端口36。此外，关于这些空燃比传感器40、41的结构将在后面叙述。
另外，加速踏板42连接有产生与加速踏板42的踩踏量成比例的输出电压的负荷传感器43，负荷传感器43的输出电压经由对应的AD转换器38被输入到输入端口36。曲轴转角传感器44例如在曲轴每旋转15°时产生输出脉冲，该输出脉冲被输入到输入端口36。在CPU35中，根据该曲轴转角传感器44的输出脉冲计算内燃机转速。另一方面，输出端口37经由对应的驱动电路45与火花塞10、燃料喷射阀11以及节气门驱动致动器17连接。此外，ECU31作为基于各种传感器等的输出来控制内燃机的内燃机控制装置发挥作用。
<空燃比传感器的结构>
接着，参照图3对本实施方式中的空燃比传感器40、41的结构进行说明。图3是空燃比传感器40、41的概略剖视图。从图3可知，本实施方式中的空燃比传感器40、41是具有2个包括固体电解质层和一对电极的元件(cell)的2元件型的空燃比传感器。
如图3所示，空燃比传感器40、41具备被测气体室51、基准气体室52、以及在被测气体室51的两侧配置的两个固体电解质层53、54。基准气体室52隔着第二固体电解质层54设置在被测气体室51的相反侧。在第一固体电解质层53的被测气体室51侧的侧面上配置有气体室侧电极(第三电极)55，在第一固体电解质层53的排气侧的侧面上配置有排气侧电极(第四电极)56。这些第一固体电解质层53、气体室侧电极55以及排气侧电极56构成泵元件60。
另一方面，在第二固体电解质层54的被测气体室51侧的侧面上配置有气体室侧电极(第一电极)57，在第二固体电解质层54的基准气体室52侧的侧面上配置有基准侧电极(第二电极)58。这些第二固体电解质层54、气体室侧电极57以及基准侧电极58构成基准元件61。
在两个固体电解质层53、54之间，以包围泵元件60的气体室侧电极55和基准元件61的气体室侧电极57的方式设置有扩散限速层63。因此，被测气体室51由第一固体电解质层53、第二固体电解质层54以及扩散限速层63区划而成。排气经由扩散限速层63流入被测气体室51。因而，配置在被测气体室51内的电极、即泵元件60的气体室侧电极55和基准元件61的气体室侧电极57经由扩散限速层63而暴露于排气。此外，扩散限速层63不一定必须设置成流入被测气体室51的排气通过该扩散限速层63。只要到达基准元件61的气体室侧电极57的排气成为通过了扩散限速层的排气即可，扩散限速层可以以任意形态来配置。
另外，在第二固体电解质层54的基准气体室52侧的侧面上，以包围基准气体室52的方式设置有加热器部64。因此，基准气体室52由第二固体电解质层54和加热器部64区划而成。向该基准气体室52内导入基准气体。在本实施方式中，基准气体室52开放于大气，因而，向基准气体室52内导入大气作为基准气体。
另外，在加热器部64设置有多个加热器65，能够通过这些加热器65来控制空燃比传感器40、41的温度、特别是固体电解质层53、54的温度。加热器65具有足以将固体电解质层53、54加热至活化的发热容量。另外，在第一固体电解质层53的排气侧的侧面上设置有保护层66。保护层66由多孔质材料形成，以防止排气中的液体等直接附着于排气侧电极56，并且使得排气到达排气侧电极56。
固体电解质层53、54由将CaO、MgO、Y2O3、Yb2O3等作为稳定剂加入到ZrO2(氧化锆)、HfO2、ThO2、Bi2O3等而得到的氧离子传导性氧化物的烧结体形成。另外，扩散限速层63由氧化铝、氧化镁、硅质、尖晶石、莫来石等耐热性无机物质的多孔质烧结体形成。进而，电极55～58由铂等催化剂活性高的贵金属形成。
在基准元件61的气体室侧电极57与基准侧电极58之间，由搭载于ECU31的基准元件电压施加装置70施加传感器施加电压Vr。另外，在ECU31设置有基准元件输出电流检测装置71，该基准元件输出电流检测装置71检测在由基准元件电压施加装置70施加了传感器施加电压Vr时经由第二固体电解质层54而在这些电极57、58间流动的基准元件输出电流Ir。
另外，在泵元件60的气体室侧电极55与排气侧电极56之间，由搭载于ECU31的泵电压施加装置72施加泵电压Vp。由泵电压施加装置72施加的泵电压Vp根据由基准元件输出电流检测装置71检测到的基准元件输出电流Ir来设定。具体而言，根据由基准元件输出电流检测装置71检测到的基准元件输出电流Ir与预先设定的目标电流(例如，零)之差来设定泵电压Vp。另外，在ECU31设置有泵电流检测装置73，该泵电流检测装置73检测在由泵电压施加装置72施加了泵电压Vp时经由第一固体电解质层53而在该电极55、56间流动的泵电流Ip。
此外，若通过泵电压施加装置72使泵电压Vp变化，则在电极85、86间流动的泵电流Ip变化。换言之，可以说泵电压施加装置72控制着泵电流Ip。因此，泵电压施加装置72作为控制泵电流Ip的泵电流控制装置发挥作用。此外，例如通过与泵电压施加装置72串联地配置可变电阻并变更该可变电阻，泵电流Ip也会变化。因此，作为泵电流控制装置，也可以使用可变电阻等泵电压施加装置72以外的单元。
<空燃比传感器的动作>
接着，参照图4，对这样构成的空燃比传感器40、41的动作的基本概念进行说明。图4是概略示出空燃比传感器40、41的动作的图。在使用时，空燃比传感器40、41被配置成保护层66和扩散限速层63的外周面暴露于排气。另外，向空燃比传感器40、41的基准气体室52导入大气。
如上所述，固体电解质层53、54由氧离子传导性氧化物的烧结体形成。因而，具有如下性质(氧电池特性)：当在因高温而活化的状态下在固体电解质层53、54的两侧面间产生了氧浓度之差时，会产生欲使氧离子从浓度高的侧面侧向浓度低的侧面侧移动的电动势E。
相反，固体电解质层53、54具有如下特性(氧泵特性)：当对两侧面间施加电位差时，欲引起氧离子的移动，以使得根据该电位差而在固体电解质层的两侧面间产生氧浓度比。具体而言，在对两侧面间施加了电位差的情况下，会引起氧离子的移动，以使得赋予了正极性的侧面的氧浓度相对于赋予了负极性的侧面的氧浓度以与电位差相应的比率变高。
因此，在泵元件60中，当由泵电压施加装置72在气体室侧电极55与排气侧电极56之间施加泵电压Vp时，与此相应地产生氧离子的移动。伴随于这样的氧离子的移动，从排气中向被测气体室51内泵入氧，或者从被测气体室51内向排气中泵出氧。
另一方面，本实施方式的基准元件61，根据后述的机理，在被测气体室51内的排气的空燃比为浓判定空燃比(比理论空燃比稍浓的预先设定的空燃比，例如14.55)时，在电极57、58间流动的基准元件输出电流成为零。另一方面，在被测气体室51内的排气的空燃比比浓判定空燃比浓时，在电极57、58间流动的基准元件输出电流成为负电流，其大小与排气的空燃比与浓判定空燃比之差成比例。相反，在被测气体室内的排气空燃比比浓判定空燃比稀时，在电极57、58间流动的基准元件输出电流成为正电流，其大小与排气的空燃比与浓判定空燃比之差成比例。
在空燃比传感器40、41周围的排气空燃比比浓判定空燃比稀时，如图4(A)所示，稀空燃比的排气经由扩散限速层63而流入到被测气体室51内。当这样流入包含大量氧的稀空燃比的排气时，根据后述的机理，在基准元件61的电极57、58间与排气的空燃比与浓判定空燃比之差成比例地流动正的基准元件输出电流，该基准元件输出电流由基准元件输出电流检测装置71检测。
当由基准元件输出电流检测装置71检测到基准元件输出电流时，泵电压施加装置72基于该基准元件输出电流对泵元件60的电极55、56施加泵电压。特别是，当由基准元件输出电流检测装置71检测到正的基准元件输出电流时，将排气侧电极56作为正电极、将气体室侧电极55作为负电极来施加泵电压。通过这样对泵元件60的电极55、56施加泵电压，在泵元件60的第一固体电解质层53中，从负电极朝向正电极、即从气体室侧电极55朝向排气侧电极56产生氧离子的移动。因而，被测气体室51内的氧被泵出到空燃比传感器40、41周围的排气中。
从被测气体室51内向空燃比传感器40、41周围的排气中泵出的氧的流量与泵电压成比例，另外，泵电压与由基准元件输出电流检测装置71检测到的正的基准元件输出电流的大小成比例。因此，被测气体室51内的排气空燃比的稀程度越大，即被测气体室51内的氧浓度越高，则从被测气体室51内向空燃比传感器40、41周围的排气中泵出的氧的流量越多。其结果，经由扩散限速层63而流入被测气体室51的氧流量和由泵元件60泵出的氧流量基本上一致，被测气体室51内基本上大致保持为浓判定空燃比。
由泵元件60泵出的氧流量与在泵元件60的第一固体电解质层53内移动的氧离子的流量相等。并且，该氧离子的流量与在泵元件60的电极55、56间流动的电流相等。因而，通过利用泵电流检测装置73检测在电极55、56间流动的泵电流作为空燃比传感器40、41的输出电流(以下，称作“传感器输出电流”)，能够检测经由扩散限速层63而流入被测气体室51的氧流量，因此能够检测被测气体室51周围的排气的稀空燃比。
另一方面，在空燃比传感器40、41周围的排气空燃比比浓判定空燃比浓时，如图4(B)所示，浓空燃比的排气经由扩散限速层63而流入到被测气体室51内。当这样流入包含大量未燃气体(HC、CO等)的浓空燃比的排气时，根据后述的机理，在基准元件61的电极57、58间与排气的空燃比与浓判定空燃比之差成比例地流动负的基准元件输出电流，该基准元件输出电流由基准元件输出电流检测装置71检测。
当由基准元件输出电流检测装置71检测到基准元件输出电流时，泵电压施加装置72基于该基准元件输出电流对泵元件60的电极55、56间施加泵电压。特别是，当由基准元件输出电流检测装置71检测到负的基准元件输出电流时，将气体室侧电极55作为正电极、将排气侧电极56作为负电极来施加泵电压。通过这样施加泵电压，在泵元件60的第一固体电解质层53中，从负电极朝向正电极、即从排气侧电极56朝向气体室侧电极55产生氧离子的移动。因而，空燃比传感器40、41周围的排气中的氧被泵入到被测气体室51内。
从空燃比传感器40、41周围的排气中向被测气体室51内泵入的氧的流量与泵电压成比例，另外，泵电压与由基准元件输出电流检测装置71检测到的负的基准元件输出电流的大小成比例。因此，被测气体室51内的排气空燃比的浓程度越大，即被测气体室51内的未燃气体的浓度越高，则从空燃比传感器40、41周围的排气中向被测气体室51内泵入的氧的流量越多。其结果，经由扩散限速层63而流入被测气体室51的未燃气体的流量和由泵元件60泵入的氧流量成为化学当量比，由此，被测气体室51内基本上大致保持为浓判定空燃比。
由泵元件60泵入的氧流量与在泵元件60内的第一固体电解质层53内移动的氧离子的流量相等。并且，该氧离子的流量与在泵元件60的电极55、56间流动的电流相等。因而，通过利用泵电流检测装置73检测在电极55、56间流动的泵电流作为传感器输出电流，能够检测经由扩散限速层63而流入被测气体室51的未燃气体的流量，因此，能够检测被测气体室51周围的排气的浓空燃比。
另外，在空燃比传感器40、41周围的排气空燃比为浓判定空燃比时，如图4(C)所示，浓判定空燃比的排气经由扩散限速层63而流入到被测气体室51内。当这样流入浓判定空燃比的排气时，根据后述的机理，在基准元件61的电极57、58间流动的基准元件输出电流成为零，该基准元件输出电流由基准元件输出电流检测装置71检测。
在由基准元件输出电流检测装置71检测到的基准元件输出电流为零时，由泵电压施加装置72施加的泵电压也随之被设为零。因而，在泵元件60的第一固体电解质层53中不产生氧离子的移动，因而，被测气体室51内基本上大致维持为浓判定空燃比。并且，由于在泵元件60的第一固体电解质层53中不产生氧离子的移动，所以由泵电流检测装置73检测的泵电流(即，传感器输出电流)也成为零。因此，可知：在由泵电流检测装置73检测的泵电流为零时，被测气体室51周围的排气的空燃比与浓判定空燃比相等。
这样构成的空燃比传感器40、41具有图5所示的输出特性。即，在空燃比传感器40、41中，排气空燃比越大(即，越稀)，则泵电流(传感器输出电流)Ip越大。另外，在本实施方式中，空燃比传感器40、41构成为在排气空燃比与浓判定空燃比一致时泵电流(传感器输出电流)Ip成为零。
<基准元件的动作>
如上所述，在基准元件61中，在被测气体室51内的排气空燃比为浓判定空燃比时，在电极57、58间流动的基准元件输出电流成为零，在被测气体室51内的排气空燃比成为了与浓判定空燃比不同的空燃比时，基准元件输出电流根据该排气空燃比而变化。以下，参照图6，对基准元件61的动作的基本概念进行说明。图6是概略示出基准元件61的动作的图。在使用时，如上所述，经由扩散限速层63而向被测气体室51导入排气，向基准气体室52导入大气。另外，如图3和图6所示，在空燃比传感器40、41中，以基准侧电极58成为正极性、气体室侧电极57成为负极性的方式在该电极57、58间施加有一定的传感器施加电压Vr。
在被测气体室51内的排气空燃比比浓判定空燃比稀时，第二固体电解质层54的两侧面间的氧浓度之比不是很大。因而，若将传感器施加电压Vr设定为合适的值，则在第二固体电解质层54的两侧面间，实际的氧浓度比小于与传感器施加电压Vr对应的氧浓度比。因而，如图6(A)所示，从气体室侧电极57朝向基准侧电极58引起氧离子的移动，以使得第二固体电解质层54的两侧面间的氧浓度比朝向与传感器施加电压Vr对应的氧浓度比变大。其结果，从施加传感器施加电压Vr的基准元件电压施加装置70的正极经由基准侧电极58、第二固体电解质层54以及气体室侧电极57而向基准元件电压施加装置70的负极流动电流。
若将传感器施加电压Vr设定为合适的值，则此时流动的电流(基准元件输出电流)Ir的大小与因扩散而从排气中通过扩散限速层63而流入被测气体室51的氧流量成比例。因此，通过利用基准元件输出电流检测装置71检测该电流Ir的大小，能够得知被测气体室51内的氧浓度，进而能够得知稀区域中的空燃比。
另一方面，在被测气体室51内的排气空燃比比浓判定空燃比浓时，由于未燃气体从排气中通过扩散限速层63而流入到被测气体室51内，所以即使在气体室侧电极57上存在氧，该氧也会与未燃气体反应而被除去。因而，在被测气体室51内，氧浓度变得极低，其结果，第二固体电解质层54的两侧面间的氧浓度之比变大。因而，若将传感器施加电压Vr设定为合适的值，则在第二固体电解质层54的两侧面间，实际的氧浓度比大于与传感器施加电压Vr对应的氧浓度比。因而，如图6(B)所示，从基准侧电极58朝向气体室侧电极57引起氧离子的移动，以使得第二固体电解质层54的两侧面间的氧浓度比朝向与传感器施加电压Vr对应的氧浓度比变小。其结果，从基准侧电极58通过施加传感器施加电压Vr的基准元件电压施加装置70而向气体室侧电极57流动电流。
若将传感器施加电压Vr设定为合适的值，则此时流动的电流(基准元件输出电流)Ir的大小由在第二固体电解质层54中从基准侧电极58向气体室侧电极57移动的氧离子的流量决定。该氧离子与因扩散而从排气中通过扩散限速层63而向被测气体室51内流入的未燃气体在气体室侧电极57上反应(燃烧)。因而，氧离子的移动流量与流入到被测气体室51内的排气中的未燃气体的浓度对应。因此，通过利用基准元件输出电流检测装置71检测该电流Ir的大小，能够得知被测气体室51内的未燃气体浓度，进而能够得知浓区域中的空燃比。
另外，在被测气体室51内的排气空燃比与浓判定空燃比一致时，被测气体室51内的氧和未燃气体的量成为化学当量比。因而，两者通过气体室侧电极57的催化剂作用完全燃烧，被测气体室51内的氧和未燃气体的浓度不产生变动。其结果，第二固体电解质层54的两侧面间的氧浓度比不发生变动而维持为与传感器施加电压Vr对应的氧浓度比。因而，如图6(C)所示，不会引起基于氧泵特性的氧离子的移动，其结果，不会产生在电路中流动的电流。
<基准元件的理论空燃比附近的微观特性>
另外，本发明人在进行了锐意研究之后发现，若在理论空燃比附近微观地观察基准元件61中的传感器施加电压Vr与基准元件输出电流Ir的关系和排气空燃比与基准元件输出电流Ir的关系，则成为图7和图8那样。
图7是示出基准元件中的传感器施加电压Vr与基准元件输出电流Ir的关系的图。从图7可知，基准元件具有即使增大传感器施加电压Vr、基准元件输出电流Ir也几乎不增加的界限电流区域。但是，即使在该界限电流区域中，在将排气空燃比设为一定时，随着传感器施加电压Vr增大，基准元件输出电流Ir也会增加，虽然该增加极其微小。例如，以排气空燃比为理论空燃比(14.6)的情况为例，在传感器施加电压Vr为0.45V左右时，基准元件输出电流Ir成为0。与此相对，在将传感器施加电压Vr设为比0.45V低某种程度(例如，0.2V)时，基准元件输出电流Ir成为比0低的值。另一方面，在将传感器施加电压Vr设为比0.45V高某种程度(例如，0.7V)时，基准元件输出电流Ir成为比0高的值。
图8是示出排气空燃比与基准元件输出电流Ir的关系的图。从图8可知，在理论空燃比附近的区域中，相对于同一排气空燃比的基准元件输出电流Ir按传感器施加电压Vr稍有不同。例如，在图示的例子中，在排气空燃比为理论空燃比的情况下，在将传感器施加电压Vr设为0.45V时基准元件输出电流Ir成为0。并且，若将传感器施加电压Vr设为比0.45V大，则基准元件输出电流Ir也变大，若将传感器施加电压Vr设为比0.45V小，则基准元件输出电流Ir也变小。
另外，从图8还可知，基准元件输出电流Ir成为0时的排气空燃比(以下，称作“电流零时的排气空燃比”)按传感器施加电压Vr而不同。在图示的例子中，在传感器施加电压Vr为0.45V的情况下，在排气空燃比为理论空燃比时基准元件输出电流Ir成为0。与此相对，在传感器施加电压Vr比0.45V大的情况下，在排气空燃比比理论空燃比浓时基准元件输出电流Ir成为0，传感器施加电压Vr越大，则电流零时的排气空燃比越小。相反，在传感器施加电压Vr比0.45V小的情况下，在排气空燃比比理论空燃比稀时基准元件输出电流Ir成为0，传感器施加电压Vr越小，则电流零时的排气空燃比越大。即，通过使传感器施加电压Vr变化，能够使电流零时的排气空燃比变化。
在此，如使用图2所说明，输出电流变化率在空燃比传感器的个体间会产生不均，并且即使在同一空燃比传感器中也会因历时劣化等而产生不均。并且，这样的倾向也适用于基准元件61。
因此，在基准元件61中，基准元件输出电流的增加量相对于排气空燃比的增加量的比率(以下，称作“基准元件输出电流变化率”)即使经过同样的生产工序也未必相同，即使是同一型式的空燃比传感器也会在个体间产生不均。另外，即使在同一空燃比传感器中，基准元件输出电流变化率也会因历时劣化等而变化。
但是，从图2也可知，即使在空燃比传感器的个体间产生了不均、或者在同一空燃比传感器中因历时劣化等而产生了不均，电流零时的排气空燃比(在图2的例子中为理论空燃比)也几乎不变。即，在基准元件输出电流Ir取零以外的值时，此时的排气空燃比的绝对值未必一定，但在基准元件输出电流Ir成为零时，此时的排气空燃比的绝对值(在图17的例子中为理论空燃比)则是一定的。
并且，如使用图8所说明，在空燃比传感器40、41中，通过使传感器施加电压Vr变化，能够使电流零时的排气空燃比变化。并且，在由基准元件输出电流检测装置71检测的基准元件输出电流为零时，由泵电压施加装置72施加的泵电压也被设为零，泵电流(传感器输出电流)Ip也成为零。因此，根据空燃比传感器40、41，通过使传感器施加电压Vr变化，能够准确地检测理论空燃比以外的排气空燃比的绝对值。
特别是，在使传感器施加电压Vr在后述的“特定电压区域”内发生了变化的情况下，能够相对于理论空燃比(14.6)仅细微地(例如，±1％的范围(约14.45～约14.75)内)调整电流零时的排气空燃比。因此，通过适当设定传感器施加电压Vr，能够准确地检测与理论空燃比稍微不同的空燃比的绝对值。
<特定电压区域的说明>
如上所述，通过使传感器施加电压Vr变化，能够使电流零时的排气空燃比变化。但是，在将传感器施加电压Vr设为比某上限电压大或者比某下限电压小时，相对于传感器施加电压Vr的变化量的电流零时的排气空燃比的变化量变大。因此，在该电压区域中，若传感器施加电压Vr稍微偏移，则电流零时的排气空燃比会大幅变化。因此，在该电压区域中，为了准确地检测排气空燃比的绝对值，需要精密地控制传感器施加电压Vr，不太实用。因而，从准确地检测排气空燃比的绝对值的观点来看，需要将传感器施加电压Vr设为某上限电压与某下限电压之间的“特定电压区域”内的值。
该特定电压区域可以利用各种各样的方法来定义。以下，使用图9～图12，对一些定义的例子进行说明。
首先，说明第一个例子。如图9(A)的电压-电流线图所示，基准元件61按各排气空燃比具有电流增大区域和电流微增区域，所述电流增大区域是基准元件输出电流Ir随着传感器施加电压Vr的增大而增大的电压区域，所述电流微增区域是由于设置了扩散限速层因而相对于传感器施加电压Vr的增加量的基准元件输出电流Ir的增加量比电流增大区域小的电压区域(在图9(A)中，仅示出了排气空燃比为理论空燃比时的电流增大区域和电流微增区域)。在第一个例子中，将排气空燃比为理论空燃比时的电流微增区域设为“特定电压区域”。
接着，说明第二个例子。如图9(B)的电压-电流线图所示，基准元件61按各排气空燃比具有界限电流区域，所述界限电流区域是基准元件输出电流Ir成为界限电流的电压区域(在图9(B)中，仅示出了排气空燃比为理论空燃比时的界限电流区域)。在第二个例子中，将排气空燃比为理论空燃比时的界限电流区域设为“特定电压区域”。
接着，说明第三个例子。如图9(C)的电压-电流线图所示，基准元件61按各排气空燃比具有比例区域、水分解区域以及中间区域，所述比例区域是基准元件输出电流Ir与施加电压的增大成比例地增大的电压区域，所述水分解区域是由于产生了水和/或固体电解质层53、54的分解因而基准元件输出电流Ir根据施加电压的变化而变化的电压区域，所述中间区域是比例区域与水分解区域之间的电压区域(在图9(C)中，仅示出了排气空燃比为理论空燃比时的比例区域、水分解区域以及中间区域)。在第三个例子中，将排气空燃比为理论空燃比时的中间区域设为“特定电压区域”。
接着，说明第四个例子。如图8所示，电流零时的排气空燃比根据传感器施加电压Vr而变化，传感器施加电压Vr越高，则电流零时的排气空燃比越低。如图10所示，在本实施方式的基准元件61中，在将传感器施加电压Vr设为上限电压值时，电流零时的排气空燃比成为比理论空燃比Afst低例如0.5～2％左右(优选，1％左右)的空燃比。另一方面，在将传感器施加电压Vr设为下限电压值时，电流零时的排气空燃比成为比理论空燃比Afst高例如0.5～2％左右(优选，1％左右)的空燃比。在第四个例子中，将上述上限电压值(电流零时的排气空燃比成为比理论空燃比Afst低例如1％的空燃比的电压值)与上述下限电压值(电流零时的排气空燃比成为比理论空燃比Afst高例如1％的空燃比的电压值)之间的电压区域设为“特定电压区域”。
接着，参照图11，说明第五个例子。图11示出了电流相对于电压的变化。如图11所示，在基准元件61中，按各排气空燃比，直到第一屈曲点B1为止，基准元件输出电流Ir随着传感器施加电压Vr从负的状态起增大而增大，从第一屈曲点B1到第二屈曲点B2，基准元件输出电流Ir随着传感器施加电压Vr增大而增大，从第二屈曲点起，基准元件输出电流Ir随着传感器施加电压Vr增大而增大。在第一屈曲点B1与第二屈曲点B2之间的电压区域中，相对于传感器施加电压Vr的增加量的施加电流Ir的增加量比其他电压区域小。在第五个例子中，将排气空燃比为理论空燃比时的所述第一屈曲点与第二屈曲点之间的电压设为“特定电压区域”。
接着，说明第六个例子。在第六个例子中，“特定电压区域”的上限电压值和下限电压值由具体的数值来确定。具体而言，“特定电压区域”设为0.05V以上且0.95V以下，优选为0.1V以上且0.9V以下，更优选为0.15V以上且0.8V以下。
图12是与图8同样地示出各传感器施加电压Vr下的排气空燃比与基准元件输出电流Ir的关系的图。相对于图8仅微观地示出了理论空燃比附近的关系，图12宏观地示出了关于更大范围的空燃比的关系。
从图12可知，当排气空燃比变低到某一定的排气空燃比以下时，即使排气空燃比变化，基准元件输出电流Ir也几乎不变。该一定的排气空燃比根据传感器施加电压Vr而变化，传感器施加电压Vr越高则越高。因而，当使传感器施加电压Vr增大到某特定的值(最大电压)以上时，如图中单点划线所示，不管排气空燃比是何值，基准元件输出电流Ir都不成为0。
另一方面，当排气空燃比变高到某一定的排气空燃比以上时，即使排气空燃比变化，基准元件输出电流Ir也几乎不变。该一定的排气空燃比也根据传感器施加电压Vr而变化，传感器施加电压Vr越低则越低。因而，当使传感器施加电压Vr下降到某特定的值(最小电压)以下时，如图中双点划线所示，不管排气空燃比是何值，基准元件输出电流Ir都不成为0(例如，在将传感器施加电压Vr设为0V的情况下，与排气空燃比无关，基准元件输出电流Ir不成为0)。
因此，若传感器施加电压Vr是最大电压与最小电压之间的电压，则存在基准元件输出电流成为零的排气空燃比。相反，若传感器施加电压Vr是比最大电压高的电压或者比最小电压低的电压，则不存在基准元件输出电流成为零的排气空燃比。因此，传感器施加电压Vr至少需要是在排气空燃比为某一空燃比时基准元件输出电流成为零的电压、即最大电压与最小电压之间的电压。上述“特定电压区域”是最大电压与最小电压之间的电压区域。
<各空燃比传感器中的传感器施加电压>
在本实施方式中，鉴于上述微观特性，在利用上游侧空燃比传感器40检测排气的空燃比时，将上游侧空燃比传感器40中的传感器施加电压Vrup固定为在排气空燃比为理论空燃比(在本实施方式中为14.6)时基准元件输出电流(以及传感器输出电流)成为零的一定电压(例如，0.45V)。换言之，在上游侧空燃比传感器40中，设定传感器施加电压Vrup以使得电流零时的排气空燃比成为理论空燃比。
另一方面，在利用下游侧空燃比传感器41检测排气的空燃比时，将下游侧空燃比传感器41中的传感器施加电压Vr固定为在排气空燃比为比理论空燃比稍浓的预先设定的浓判定空燃比(例如，14.55)时基准元件输出电流(以及传感器输出电流)成为零的一定电压(例如，0.7V)。换言之，在下游侧空燃比传感器41中，设定传感器施加电压Vrdwn以使得电流零时的排气空燃比成为比理论空燃比稍浓的浓判定空燃比。这样，在本实施方式中，下游侧空燃比传感器41的传感器施加电压Vrdwn被设为比上游侧空燃比传感器40的传感器施加电压Vrup高的电压。
因此，连接于两空燃比传感器40、41的ECU31在上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup成为了零时判断为上游侧空燃比传感器40周围的排气空燃比是理论空燃比。另一方面，ECU31在下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn成为了零时判断为下游侧空燃比传感器41周围的排气空燃比是浓判定空燃比、即与理论空燃比不同的预先设定的空燃比。
此外，所谓利用空燃比传感器检测排气的空燃比时，例如可以举出未执行后述的燃料切断控制时、由空燃比传感器检测的空燃比未成为18以上的高的值时等。
<电压施加装置和电流检测装置的电路>
图13示出构成基准元件电压施加装置70和基准元件输出电流检测装置71的具体电路的一例。在图示的例子中，将因氧电池特性而产生的电动势设为E，将第二固体电解质层54的内部电阻设为Ri，将两电极57、58间的电位差设为Vs。
从图13可知，基准元件电压施加装置70基本上进行负反馈控制，以使得因氧电池特性而产生的电动势E与传感器施加电压Vr一致。换言之，基准元件电压施加装置70进行反馈控制，以使得在两电极57、58间的电位差Vs因第二固体电解质层54的两侧面间的氧浓度比的变化而发生了变化时，该电位差Vs也成为传感器施加电压Vr。
因此，在被测气体室51内的排气空燃比成为了理论空燃比、第二固体电解质层54的两侧面间不产生氧浓度比的变化的情况下，第二固体电解质层54的两侧面间的氧浓度比成为了与传感器施加电压Vr对应的氧浓度比。在该情况下，电动势E与传感器施加电压Vr一致，两电极57、58间的电位差Vs也成为了传感器施加电压Vr，其结果，不流动电流Ir。
另一方面，在排气空燃比成为了与理论空燃比不同的空燃比、第二固体电解质层54的两侧面间会产生氧浓度比的变化的情况下，第二固体电解质层54的两侧面间的氧浓度比未成为与传感器施加电压Vr对应的氧浓度比。在该情况下，电动势E成为与传感器施加电压Vr不同的值。因而，通过负反馈控制，为了在第二固体电解质层54的两侧面间使氧离子移动以使得电动势E与传感器施加电压Vr一致，而对两电极57、58间赋予电位差Vs。并且，随着此时的氧离子的移动而流动电流Ir。其结果，电动势E会收敛于传感器施加电压Vr，当电动势E收敛于传感器施加电压Vr后，电位差Vs不久也会收敛于传感器施加电压Vr。
因此，可以说基准元件电压施加装置70实质上在两电极57、58间施加了传感器施加电压Vr。此外，基准元件电压施加装置70的电路不一定必须是如图13所示的电路，只要能够在两电极57、58间实质上施加传感器施加电压Vr即可，可以是任何形态的装置。
另外，基准元件输出电流检测装置71不是实际检测电流，而是检测电压E0并根据该电压E0算出电流。在此，E0可以如下述式(1)那样表示。
E0＝Vr+V0+IrR…(1)
在此，V0是偏置电压(以使得E0不会成为负值的方式预先施加的电压，例如3V)，R是图13所示的电阻的值。
在式(1)中，由于传感器施加电压Vr、偏置电压V0以及电阻值R一定，所以电压E0根据电流Ir而变化。因而，只要检测电压E0，就能根据该电压E0算出电流Ir。
因此，可以说基准元件输出电流检测装置71实质上检测在两电极57、58间流动的电流Ir。此外，基准元件输出电流检测装置71的电路不一定必须是如图13所示的电路，只要能够检测在两电极57、58间流动的电流Ir即可，可以是任何形态的装置。
<排气净化催化剂的说明>
接着，对本实施方式中使用的排气净化催化剂20、24进行说明。上游侧排气净化催化剂20和下游侧排气净化催化剂24都具有同样的结构。以下，虽然仅对上游侧排气净化催化剂20进行说明，但下游侧排气净化催化剂24也具有同样的结构和作用。
上游侧排气净化催化剂20是具有氧吸藏能力的三元催化剂。具体而言，上游侧排气净化催化剂20是在由陶瓷构成的载体上担载具有催化作用的贵金属(例如铂(Pt))和具有氧吸藏能力的物质(例如氧化铈(CeO2))而成的催化剂。上游侧排气净化催化剂20在达到预定的活性温度时，除了同时净化未燃气体(HC、CO等)和氮氧化物(NOx)的催化作用之外，还发挥氧吸藏能力。
根据上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏能力，上游侧排气净化催化剂20在流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比比理论空燃比稀(为稀空燃比)时吸藏排气中的氧。另一方面，上游侧排气净化催化剂20在流入的排气的空燃比比理论空燃比浓(为浓空燃比)时放出吸藏于上游侧排气净化催化剂20的氧。此外，“排气的空燃比”是指在生成该排气之前所供给的燃料的质量相对于空气的质量的比率，通常是指在生成该排气时向燃烧室5内供给的燃料的质量相对于空气的质量的比率。
上游侧排气净化催化剂20具有催化作用和氧吸藏能力，从而根据氧吸藏量而具有NOx和未燃气体的净化作用。图14示出上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量与从上游侧排气净化催化剂20流出的排气中的NOx和未燃气体(HC、CO等)的浓度的关系。图14(A)示出在流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比为稀空燃比时的、氧吸藏量与从上游侧排气净化催化剂20流出的排气中的NOx浓度的关系。另一方面，图14(B)示出在流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比为浓空燃比时的、氧吸藏量与从上游侧排气净化催化剂20流出的排气中的未燃气体的浓度的关系。
从图14(A)可知，在上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量少时，距离最大氧吸藏量存在余裕。因而，即使流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比为稀空燃比(即，该排气包含NOx和氧)，排气中的氧也会被排气净化催化剂吸藏，NOx也随之被还原净化。其结果，在从上游侧排气净化催化剂20流出的排气中几乎不含NOx。
但是，若上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量变多，则在流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比为稀空燃比的情况下，在上游侧排气净化催化剂20中变得难以吸藏排气中的氧，排气中的NOx也随之变得难以被还原净化。因而，从图14(A)可知，若氧吸藏量增大至超过某上限吸藏量Cuplim，则从上游侧排气净化催化剂20流出的排气中的NOx浓度急剧上升。
另一方面，在上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量多时，若流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比为浓空燃比(即，该排气包含未燃气体)，则吸藏于上游侧排气净化催化剂20的氧会被放出。因而，流入上游侧排气净化催化剂20的排气中的未燃气体被氧化净化。其结果，从图14(B)可知，从上游侧排气净化催化剂20流出的排气中几乎不含未燃气体。
但是，若上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量变少，则在流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比为浓空燃比的情况下，从上游侧排气净化催化剂20放出的氧变少，流入上游侧排气净化催化剂20的排气中的未燃气体也随之变得难以被氧化净化。因而，从图14(B)可知，若氧吸藏量减少至低于某下限吸藏量Clowlim，从上游侧排气净化催化剂20流出的排气中的未燃气体的浓度急剧上升。
这样，根据在本实施方式中使用的排气净化催化剂20、24，流入排气净化催化剂20、24的排气中的NOx和未燃气体的净化特性根据排气的空燃比和氧吸藏量而变化。此外，若具有催化作用和氧吸藏能力，则排气净化催化剂20、24也可以是与三元催化剂不同的催化剂。
<空燃比控制的概要>
接着，对本发明的内燃机的控制装置中的空燃比控制的概要进行说明。在本实施方式中，基于上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup进行反馈控制，以使得上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流(即，流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比)Ipup成为与目标空燃比相当的值。
流入上游侧排气净化催化剂20的排气的目标空燃比基于下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn来设定。具体而言，在下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn成为了零以下时，目标空燃比被设为稀设定空燃比，并维持为该空燃比。所谓传感器输出电流Ipdwn成为零以下时，是指从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比成为了比理论空燃比稍浓的预先设定的浓判定空燃比(例如14.55)以下。另外，稀设定空燃比是比理论空燃比稀某种程度的预先设定的空燃比，例如设为14.65～20，优选为14.68～18，更优选为14.7～16左右。
当目标空燃比被变更为稀设定空燃比后，推定上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc。氧吸藏量OSAsc的推定根据上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup、以及基于空气流量计39等算出的向燃烧室5内的吸入空气量的推定值或来自燃料喷射阀11的燃料喷射量等来进行。然后，若氧吸藏量OSAsc的推定值成为预先设定的判定基准吸藏量Cref以上，则此前为稀设定空燃比的目标空燃比被设为弱浓设定空燃比，并维持为该空燃比。弱浓设定空燃比是比理论空燃比稍浓的预先设定的空燃比，例如设为13.5～14.58，优选为14～14.57，更优选为14.3～14.55左右。之后，在下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn再次成为了零以下时，再次将目标空燃比设为稀设定空燃比，之后反复进行同样的操作。
这样，在本实施方式中，流入上游侧排气净化催化剂20的排气的目标空燃比被交替地设定为稀设定空燃比和弱浓设定空燃比。特别是，在本实施方式中，稀设定空燃比与理论空燃比之差比弱浓设定空燃比与理论空燃比之差大。因此，在本实施方式中，目标空燃比会被交替地设定为短期的稀设定空燃比和长期的弱浓设定空燃比。
<使用了时间图的控制的说明>
参照图15，对如上所述的操作进行具体说明。图15是进行了本发明的内燃机的控制装置中的空燃比控制的情况下的、上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc、下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn、空燃比修正量AFC、上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup以及从上游侧排气净化催化剂20流出的排气中的NOx浓度的时间图。
此外，如上所述，上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup在流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比为理论空燃比时成为零，在该排气的空燃比为浓空燃比时成为负值，在该排气的空燃比为稀空燃比时成为正值。另外，在流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比为浓空燃比或稀空燃比时，与理论空燃比之差越大，则上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup的绝对值越大。
另一方面，下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn在从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比为浓判定空燃比(比理论空燃比稍浓)时成为零，在该排气的空燃比比浓判定空燃比浓时成为负值，在该排气的空燃比比浓判定空燃比稀时成为正值。另外，在从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比比浓判定空燃比浓或稀时，与浓判定空燃比之差越大，则下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn的绝对值越大。
另外，空燃比修正量AFC是与目标空燃比相关的修正量。在空燃比修正量AFC为0时，目标空燃比被设为理论空燃比，在空燃比修正量AFC为正值时，目标空燃比成为稀空燃比，在空燃比修正量AFC为负值时，目标空燃比成为浓空燃比。
在图示的例子中，在时刻t1以前的状态下，空燃比修正量AFC被设为弱浓设定修正量AFCrich。弱浓设定修正量AFCrich是与弱浓设定空燃比相当的值，是小于0的值。因此，目标空燃比被设为浓空燃比，上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup随之而成为负值。由于在流入上游侧排气净化催化剂20的排气中会包含未燃气体，所以上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc逐渐减少。但是，排气中所包含的未燃气体会被上游侧排气净化催化剂20净化，从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比大致成为理论空燃比。因而，下游侧空燃比传感器的传感器输出电流Ipdwn成为正值(与理论空燃比相当)。此时，由于流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比成为了浓空燃比，所以可抑制来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量。
若上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc逐渐减少，则氧吸藏量OSAsc在时刻t1减少至低于下限吸藏量(参照图14的Clowlim)。若氧吸藏量OSAsc减少至低于下限吸藏量，则流入到上游侧排气净化催化剂20中的未燃气体的一部分不被上游侧排气净化催化剂20净化而流出。因而，时刻t1以后，随着上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc减少，下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn逐渐降低。此时，由于流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比也成为了浓空燃比，所以可抑制来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量。
之后，在时刻t2，下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn达到与浓判定空燃比相当的零。在本实施方式中，若下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn成为零，则为了抑制上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc的减少而将空燃比修正量AFC切换为稀设定修正量AFClean。稀设定修正量AFClean是与稀设定空燃比相当的值，是大于0的值。因此，目标空燃比被设为稀空燃比。
此外，在本实施方式中，在下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn达到零之后，即，在从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比达到浓判定空燃比之后，进行空燃比修正量AFC的切换。这是因为，即使上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量充足，从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比有时也会稍微偏离理论空燃比。即，若假设即使在传感器输出电流Ipdwn稍微偏离了与理论空燃比相当的值的情况下也判断为氧吸藏量减少至低于下限吸藏量，则有可能即使实际上是充足的氧吸藏量也会判断为氧吸藏量减少至低于下限吸藏量。因此，在本实施方式中，在从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比达到浓判定空燃比时才判断为氧吸藏量减少至低于下限吸藏量。反过来说，浓判定空燃比被设为在上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量充足时从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比不会达到的空燃比。
即使在时刻t2将目标空燃比切换为稀空燃比，流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比也不会立即成为稀空燃比，而会产生某种程度的延迟。其结果，流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比在时刻t3从浓空燃比变化为稀空燃比。此外，在时刻t2～t3的期间内，由于从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比成为了浓空燃比，所以在该排气中会包含未燃气体。但是，可抑制来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量。
当在时刻t3流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比变化为稀空燃比后，上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc增大。另外，与此相伴，从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比向理论空燃比变化，下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn也向与理论空燃比相当的正值收敛。此时，虽然流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比成为了稀空燃比，但由于上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏能力具有充足的余裕，所以流入的排气中的氧被吸藏于上游侧排气净化催化剂20，NOx被还原净化。因而，可抑制来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量。
之后，当上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc增大后，在时刻t4氧吸藏量OSAsc达到判定基准吸藏量Cref。在本实施方式中，若氧吸藏量OSAsc成为判定基准吸藏量Cref，则为了中止氧向上游侧排气净化催化剂20的吸藏而将空燃比修正量AFC切换为弱浓设定修正量AFCrich(小于0的值)。因此，目标空燃比被设为浓空燃比。
但是，如上所述，在切换目标空燃比之后，在流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比实际变化之前会产生延迟。因而，即使在时刻t4进行切换，流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比也会在经过了某种程度的时间后的时刻t5从稀空燃比变化为浓空燃比。在时刻t4～t5的期间内，由于流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比是稀空燃比，所以上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc逐渐增大。
但是，由于判定基准吸藏量Cref被设定为与最大氧吸藏量Cmax、上限吸藏量(参照图14的Cuplim)相比足够低，所以在时刻t5氧吸藏量OSAsc不会达到最大氧吸藏量Cmax和/或上限吸藏量。反过来说，判定基准吸藏量Cref被设为充分少的量，以使得即使从切换目标空燃比到流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比实际变化为止产生了延迟，氧吸藏量OSAsc也不会达到最大氧吸藏量Cmax和/或上限吸藏量。例如，判定基准吸藏量Cref设为最大氧吸藏量Cmax的3/4以下，优选为最大氧吸藏量Cmax的1/2以下，更优选为最大氧吸藏量Cmax的1/5以下。因此，在时刻t4～t5的期间内也可抑制来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量。
在时刻t5以后，空燃比修正量AFC被设为弱浓设定修正量AFCrich。因此，目标空燃比被设为浓空燃比，上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup随之而成为负值。由于在流入上游侧排气净化催化剂20的排气中会包含未燃气体，所以上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc逐渐减少，在时刻t6，与时刻t1同样，氧吸藏量OSAsc减少至低于下限吸藏量。此时，由于流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比也成为了浓空燃比，所以可抑制来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量。
接着，在时刻t7，与时刻t2同样，下游侧空燃比传感器41的输出电流Ipdwn达到与浓判定空燃比相当的零。由此，空燃比修正量AFC被切换为与稀设定空燃比相当的值AFClean。之后，反复进行上述时刻t1～t6的循环。
此外，这样的空燃比修正量AFC的控制由ECU31进行。因此，ECU31可以说具备：氧吸藏量增加单元，其在由下游侧空燃比传感器41检测到的排气的空燃比成为了浓判定空燃比以下时，将流入上游侧排气净化催化剂20的排气的目标空燃比持续地设为稀设定空燃比，直到上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc成为判定基准吸藏量Cref；和氧吸藏量减少单元，其在上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc成为了判定基准吸藏量Cref以上时，将目标空燃比持续地设为弱浓设定空燃比，以使得氧吸藏量OSAsc不会超过最大氧吸藏量Cmax而朝向零减少。
从以上说明可知，根据上述实施方式，能够始终抑制来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量。即，只要进行着上述控制，基本上就能使来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量少。
另外，通常，在基于上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup和吸入空气量的推定值等推定了氧吸藏量OSAsc的情况下，有可能产生误差。在本实施方式中，由于在时刻t3～t4的期间内推定氧吸藏量OSAsc，所以氧吸藏量OSAsc的推定值也多少含有误差。但是，即使包含这样的误差，只要将判定基准吸藏量Cref设定为与最大氧吸藏量Cmax和/或上限吸藏量相比足够低，实际的氧吸藏量OSAsc就几乎不会到达最大氧吸藏量Cmax和/或上限吸藏量。因此，从该观点来看也能够抑制来自上游侧排气净化催化剂20的NOx排出量。
另外，若排气净化催化剂的氧吸藏量维持为一定，则该排气净化催化剂的氧吸藏能力会降低。与此相对，根据本实施方式，由于氧吸藏量OSAsc始终上下变动，所以能够抑制氧吸藏能力降低。
进而，在本实施方式中，如上所述，能够通过下游侧空燃比传感器41准确地检测浓判定空燃比的绝对值。如使用图2所说明，在以往的空燃比传感器中，关于理论空燃比以外的空燃比，难以准确地检测其绝对值。因而，在以往的空燃比传感器中，若其传感器输出电流因历时劣化、个体差异等而产生误差，则即使在排气的实际的空燃比与浓判定空燃比不同的情况下，空燃比传感器的传感器输出电流也会成为与浓判定空燃比相当的值。其结果，空燃比修正量AFC从弱浓设定修正量AFCrich向稀设定修正量AFClean切换的定时会延迟，或者会在无需切换的定时进行该切换。与此相对，在本实施方式中，能够通过下游侧空燃比传感器41准确地检测浓判定空燃比的绝对值。因而，能够抑制空燃比修正量AFC从弱浓设定修正量AFCrich向稀设定修正量AFClean切换的定时的延迟和在无需切换的定时的切换。
此外，在上述实施方式中，在时刻t2～t4的期间内，空燃比修正量AFC维持为稀设定修正量AFClean。但是，在该期间内，空燃比修正量AFC不一定必须维持为一定，也可以设定成变动，例如使其逐渐减少等。同样，在时刻t4～t7的期间内，空燃比修正量AFC维持为弱浓设定修正量AFrich。但是，在该期间内，空燃比修正量AFC不一定必须维持为一定，也可以设定成变动，例如使其逐渐减少等。
但是，即使在该情况下，时刻t2～t4的空燃比修正量AFC也被设定成该期间内的目标空燃比的平均值与理论空燃比之差比时刻t4～t7的目标空燃比的平均值与理论空燃比之差大。
另外，在上述实施方式中，基于上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup以及向燃烧室5内的吸入空气量的推定值等，推定上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc。但是，氧吸藏量OSAsc也可以除了这些参数之外还基于其他参数来算出，还可以基于与这些参数不同的参数来推定。另外，在上述实施方式中，在氧吸藏量OSAsc的推定值成为判定基准吸藏量Cref以上时，将目标空燃比从稀设定空燃比向弱浓设定空燃比切换。但是，将目标空燃比从稀设定空燃比向弱浓设定空燃比切换的定时，例如也可以将其他参数作为基准，该其他参数例如是将目标空燃比从弱浓设定空燃比向稀设定空燃比切换之后的内燃机运转时间等。但是，即使在该情况下，也需要在推定为上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc比最大氧吸藏量少的期间，将目标空燃比从稀设定空燃比向弱浓设定空燃比切换。
<也使用了下游侧催化剂的控制的说明>
另外，在本实施方式中，除了上游侧排气净化催化剂20之外，还设置有下游侧排气净化催化剂24。下游侧排气净化催化剂24的氧吸藏量OSAufc通过每某种程度的期间进行的燃料切断控制而被设为最大吸藏量Cmax附近的值。因而，即使从上游侧排气净化催化剂20流出了包含未燃气体的排气，这些未燃气体也会在下游侧排气净化催化剂24中被氧化净化。
此外，燃料切断控制是指如下控制：在搭载内燃机的车辆的减速时等，即使曲轴和/或活塞3处于运动状态，也不从燃料喷射阀11进行燃料喷射。若进行该控制，则会向两排气净化催化剂20、24流入大量空气。
以下，参照图16，对下游侧排气净化催化剂24中的氧吸藏量OSAufc的推移进行说明。图16是与图15同样的图，取代图15的NOx浓度的推移而示出了下游侧排气净化催化剂24的氧吸藏量OSAufc以及从下游侧排气净化催化剂24流出的排气中的未燃气体(HC、CO等)的浓度的推移。另外，在图16所示的例子中，进行与图15所示的例子相同的控制。
在图16所示的例子中，在时刻t1以前进行燃料切断控制。因而，在时刻t1以前，下游侧排气净化催化剂24的氧吸藏量OSAufc成为了最大氧吸藏量Cmax附近的值。另外，在时刻t1以前，从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比大致保持为理论空燃比。因而，下游侧排气净化催化剂24的氧吸藏量OSAufc维持为一定。
之后，在时刻t1～t4的期间内，从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比成为了浓空燃比。因而，会向下游侧排气净化催化剂24流入包含未燃气体的排气。
如上所述，由于在下游侧排气净化催化剂24中吸藏有大量的氧，所以在流入下游侧排气净化催化剂24的排气中包含未燃气体时，由吸藏的氧对未燃气体进行氧化净化。另外，下游侧排气净化催化剂24的氧吸藏量OSAufc随之而减少。但是，由于在时刻t1～t4的期间内从上游侧排气净化催化剂20流出的未燃气体不是很多，所以该期间的氧吸藏量OSAufc的减少量很少。因而，在时刻t1～t4的期间内从上游侧排气净化催化剂20流出的未燃气体全部在下游侧排气净化催化剂24中被还原净化。
在时刻t6以后，也按某种程度的时间间隔而与时刻t1～t4的情况同样地从上游侧排气净化催化剂20流出未燃气体。这样流出的未燃气体基本上被吸藏于下游侧排气净化催化剂24的氧还原净化。因此，几乎不会从下游侧排气净化催化剂24流出未燃气体。如上所述，考虑到可抑制从上游侧排气净化催化剂20流出NOx，根据本实施方式，来自下游侧排气净化催化剂24的未燃气体以及NOx的排出量始终较少。
<具体控制的说明>
接着，参照图17和图18，对上述实施方式中的控制装置进行具体说明。如作为功能框图的图17所示，本实施方式中的控制装置构成为包含A1～A9的各功能框。以下，一边参照图17一边对各功能框进行说明。
<燃料喷射量的算出>
首先，对燃料喷射量的算出进行说明。在算出燃料喷射量时，使用缸内吸入空气量算出单元A1、基本燃料喷射量算出单元A2、以及燃料喷射量算出单元A3。
缸内吸入空气量算出单元A1基于由空气流量计39计测的吸入空气流量Ga、根据曲轴转角传感器44的输出算出的内燃机转速NE、以及存储在ECU31的ROM34中的映射或计算式，算出向各汽缸的吸入空气量Mc。
基本燃料喷射量算出单元A2将由缸内吸入空气量算出单元A1算出的缸内吸入空气量Mc除以由后述的目标空燃比设定单元A6算出的目标空燃比AFT，从而算出基本燃料喷射量Qbase(Qbase＝Mc/AFT)。
燃料喷射量算出单元A3对由基本燃料喷射量算出单元A2算出的基本燃料喷射量Qbase加上后述的F/B修正量DQi，从而算出燃料喷射量Qi(Qi＝Qbase+DQi)。对燃料喷射阀11进行喷射指示，以使得从燃料喷射阀11喷射这样算出的燃料喷射量Qi的燃料。
<目标空燃比的算出>
接着，对目标空燃比的算出进行说明。在算出目标空燃比时，使用氧吸藏量算出单元A4、目标空燃比修正量算出单元A5、以及目标空燃比设定单元A6。
氧吸藏量算出单元A4基于由燃料喷射量算出单元A3算出的燃料喷射量Qi和上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup，算出上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量的推定值OSAest。例如，氧吸藏量算出单元A4通过将对应于上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup的空燃比与理论空燃比的差量乘以燃料喷射量Qi并且对所求出的值进行累计来算出氧吸藏量的推定值OSAest。此外，氧吸藏量算出单元A4对上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量的推定也可以不是始终进行。例如，可以仅在从目标空燃比实际从浓空燃比向稀空燃比切换时(图15中的时刻t3)到氧吸藏量的推定值OSAest达到判定基准吸藏量Cref(图15中的时刻t4)的期间内推定氧吸藏量。
在目标空燃比修正量算出单元A5中，基于由氧吸藏量算出单元A4算出的氧吸藏量的推定值OSAest和下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn，算出目标空燃比的空燃比修正量AFC。具体而言，空燃比修正量AFC在下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn成为了零(与浓判定空燃比相当的值)以下时被设为稀设定修正量AFClean。之后，空燃比修正量AFC维持为稀设定修正量AFClian，直到氧吸藏量的推定值OSAset达到判定基准吸藏量Cref。当氧吸藏量的推定值OSAest达到判定基准吸藏量Cref后，空燃比修正量AFC被设为弱浓设定修正量AFCrich。之后，空燃比修正量AFC维持为弱浓设定修正量AFCrich，直到下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn成为零以下。
目标空燃比设定单元A6对成为基准的空燃比、即本实施方式中的理论空燃比AFR加上由目标空燃比修正量算出单元A5算出的空燃比修正量AFC，从而算出目标空燃比AFT。因此，目标空燃比AFT被设为比理论空燃比AFR稍浓的弱浓设定空燃比(在空燃比修正量AFC为弱浓设定修正量AFCrich的情况下)和比理论空燃比AFR稀某种程度的稀设定空燃比(在空燃比修正量AFC为稀设定修正量AFClean的情况下)的任一方。这样算出的目标空燃比AFT被输入到基本燃料喷射量算出单元A2和后述的空燃比差算出单元A8。
图18是示出空燃比修正量AFC的算出控制的控制例程的流程图。图示的控制例程通过一定时间间隔的中断(interruption)来进行。
如图18所示，首先，在步骤S11中判定空燃比修正量AFC的算出条件是否成立。所谓空燃比修正量的算出条件成立的情况，例如可举出不处于燃料切断控制期间等。在步骤S11中判定为目标空燃比的算出条件成立的情况下，进入步骤S12。在S12中，取得上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup、下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn、燃料喷射量Qi。接着，在步骤S13中，基于在步骤S12中取得的上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup和燃料喷射量Qi，算出氧吸藏量的推定值OSAest。
接着，在步骤S14中判定稀设定标志Fr是否被设定在0。稀设定标志Fr在空燃比修正量AFC被设定为稀设定修正量AFClean时被设为1，在其他情况下被设为0。在步骤S14中判定为稀设定标志Fr被设定在0的情况下，进入步骤S15。在步骤S15中，判定下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn是否为零以下。在判定为下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn大于零的情况下，控制例程结束。
另一方面，若上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc减少而从上游侧排气净化催化剂20流出的排气的空燃比降低，则在步骤S15中判定为下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn为零以下。在该情况下，进入步骤S16，空燃比修正量AFC被设为稀设定修正量AFClean。接着，在步骤S17中，稀设定标志Fr被设定为1，控制例程结束。
在下次的控制程序中，在步骤S14中判定为稀设定标志Fr未被设定在0而进入步骤S18。在步骤S18中，判定在步骤S13中算出的氧吸藏量的推定值OSAest是否少于判定基准吸藏量Cref。在判定为氧吸藏量的推定值OSAest少于判定基准吸藏量Cref的情况下，进入步骤S19，空燃比修正量AFC继续被设为稀设定修正量AFClean。另一方面，若上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量增大，则不久之后在步骤S18中判定为氧吸藏量的推定值OSAest为判定基准吸藏量Cref以上而进入步骤S20。在步骤S20中，空燃比修正量AFC被设为弱浓设定修正量AFCrich，接着，在步骤S21中，稀设定标志Fr被复位为0，控制例程结束。
<F/B修正量的算出>
再次返回图17，对基于上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup进行的F/B修正量的算出进行说明。在算出F/B修正量时，使用数值变换单元A7、空燃比差算出单元A8、F/B修正量算出单元A9。
数值变换单元A7基于上游侧空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup和规定了空燃比传感器40的传感器输出电流Ipup与空燃比的关系的映射或计算式，算出与传感器输出电流Ipup相当的上游侧排气空燃比AFup。因此，上游侧排气空燃比AFup相当于流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比。
空燃比差算出单元A8从由数值变换单元A7求出的上游侧排气空燃比AFup减去由目标空燃比设定单元A6算出的目标空燃比AFT，算出空燃比差DAF(DAF＝AFup-AFT)。该空燃比差DAF是表示燃料供给量相对于目标空燃比AFT的过量或不足的值。
F/B修正量算出单元A9对由空燃比差算出单元A8算出的空燃比差DAF进行比例·积分·微分处理(PID处理)，从而基于下述式(1)算出用于补偿燃料供给量过量或不足的F/B修正量DFi。这样算出的F/B修正量DFi被输入到燃料喷射量算出单元A3。
DFi＝Kp×DAF+Ki×SDAF+Kd×DDAF…(1)
此外，在上述式(1)中，Kp是预先设定的比例增益(比例常数)，Ki是预先设定的积分增益(积分常数)，Kd是预先设定的微分增益(微分常数)。另外，DDAF是空燃比差DAF的时间微分值，通过将本次更新的空燃比差DAF与上次更新的空燃比差DAF之差除以与更新间隔对应的时间来算出。另外，SDAF是空燃比差DAF的时间积分值，该时间积分值DDAF通过对本次更新的空燃比差DAF加上上次更新的时间积分值DDAF来算出(SDAF＝DDAF+DAF)。
此外，在上述实施方式中，由上游侧空燃比传感器40检测出向上游侧排气净化催化剂20流入的排气的空燃比。但是，由于流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比的检测精度未必需要很高，所以例如也可以基于来自燃料喷射阀11的燃料喷射量和空气流量计39的输出来推定。
<第二实施方式>
接着，参照图19，对本发明的第二实施方式的内燃机的控制装置进行说明。第二实施方式的内燃机的控制装置的结构和控制基本上与第一实施方式的内燃机的控制装置的结构和控制是同样的。但是，在本实施方式的控制装置中，即使在空燃比修正量AFC被设为弱浓设定修正量AFCrich的期间，也按某种程度的时间间隔而在短时间内暂时将空燃比修正量AFC设为与稀空燃比相当的值(例如，稀设定修正量AFClean)。即，在本实施方式的控制装置中，即使在目标空燃比被设为弱浓设定空燃比的期间，也按某种程度的时间间隔而在短时间内暂时将目标空燃比设为稀空燃比。
图19是与图15同样的图，图19的时刻t1～t7示出了与图15的时刻t1～t7同样的控制定时。因此，在图19所示的控制中，在时刻t1～t7的各定时也进行与图15所示的控制同样的控制。除此之外，在图19所示的控制中，在时刻t4～t7的期间，即，在空燃比修正量AFC被设为弱浓设定修正量AFCrich的期间，多次将空燃比修正量AFC暂时设为稀设定修正量AFClean。
在图19所示的例子中，从时刻t8起，在短时间内将空燃比修正量AFC设为稀设定修正量AFClean。如上所述，由于空燃比的变化会产生延迟，所以流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比从时刻t9起在短时间内被设为稀空燃比。这样，若流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比成为稀空燃比，则在该期间内，上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc暂时增大。
在图19所示的例子中，同样，在时刻t10也在短时间内将空燃比修正量AFC设为稀设定修正量AFClean。与此相伴，流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比从时刻t11起在短时间内被设为稀空燃比，在该期间内，上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc暂时增大。
这样，通过使流入上游侧排气净化催化剂20的排气的空燃比暂时增大，能够使上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc暂时增大或者暂时降低氧吸藏量OSAsc的减少。因而，根据本实施方式，能够延长从在时刻t4将空燃比修正量AFC切换为弱浓设定修正量AFCrich起、直到在时刻t7下游侧空燃比传感器41的传感器输出电流Ipdwn到达零(与浓判定空燃比相当的值)为止的时间。即，能够使上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc成为零附近而从上游侧排气净化催化剂20流出未燃气体的定时延迟。由此，能够使来自上游侧排气净化催化剂20的未燃气体的流出量减少。
此外，在上述实施方式中，在空燃比修正量AFC基本上被设为弱浓设定修正量AFCrich的期间内(时刻t4～t7)，暂时将空燃比修正量AFC设为稀设定修正量AFClean。在这样暂时变更空燃比修正量AFC的情况下，不一定必须将空燃比修正量AFC变更为稀设定修正量AFClean，只要比弱浓设定修正量AFCrich稀即可，可以变更为任意空燃比。
另外，在空燃比修正量AFC基本上被设为稀设定修正量AFClean的期间内(时刻t2～t4)，也可以暂时将空燃比修正量AFC设为弱浓设定修正量AFCrich。在该情况下，同样，在暂时变更空燃比修正量AFC的情况下，只要比稀设定修正量AFClean浓即可，可以将空燃比修正量AFC变更为任意空燃比。
但是，在本实施方式中，时刻t2～t4的空燃比修正量AFC也被设定成该期间内的目标空燃比的平均值与理论空燃比之差比时刻t4～t7的目标空燃比的平均值与理论空燃比之差大。
总之，若综合第一实施方式和第二实施方式来进行表述，则可以说ECU31具备：氧吸藏量增加单元，其在由下游侧空燃比传感器41检测到的排气的空燃比成为了浓判定空燃比以下时，将流入上游侧排气净化催化剂20的排气的目标空燃比持续地或者断续地设为稀设定空燃比，直到上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc成为判定基准吸藏量Cref；和氧吸藏量减少单元，其在上游侧排气净化催化剂20的氧吸藏量OSAsc成为了判定基准吸藏量Cref以上时，将目标空燃比持续地或者断续地设为弱浓设定空燃比，以使得氧吸藏量OSAsc不会达到最大氧吸藏量Cmax而朝向零减少。
<第三实施方式>
接着，参照图20，对本发明的第三实施方式的内燃机的控制装置进行说明。第三实施方式的内燃机的控制装置的结构基本上与上述实施方式的内燃机的控制装置的结构和控制是同样的。但是，在本实施方式的控制装置中，在空燃比传感器的基准元件的气体室侧电极周围设置有扩散限速层。
图20是概略示出第三实施方式的上游空燃比传感器80和下游侧传感器81的结构的与图3同样的剖视图。从图20可知，空燃比传感器80、81具有设置在被测气体室51内的基准元件用扩散限速层82。基准元件用扩散限速层82被配置成包围基准元件61的气体室侧电极57。因此，气体室侧电极57经由基准元件用扩散限速层82而暴露于被测气体室51。
这样，通过在气体室侧电极57的周围设置基准元件用扩散限速层82，能够对流入气体室侧电极57周围的排气进行扩散限速。在此，若不充分地对流入气体室侧电极57周围的排气进行扩散限速，则排气空燃比、传感器施加电压Vr以及基准元件输出电流Ir的关系不容易成为图7和图8所示的倾向，其结果，有时无法适当检测与理论空燃比不同的空燃比的绝对值。在本实施方式中，通过利用基准元件用扩散限速层82充分地对流入气体室侧电极57周围的排气进行扩散限速，能够更可靠地检测与理论空燃比不同的空燃比的绝对值。
此外，在这样在气体室侧电极57的周围设置有基准元件用扩散限速层82的情况下，也可以不必设置区划被测气体室51的扩散限速层63。因此，也可以取代扩散限速层63而设置限制排气向被测气体室51内流入的层、小孔等。总之，扩散限速层只要被配置成使得排气经由该扩散限速层到达气体室侧电极57即可，可以配置于任意位置。
此外，在本说明书中，设为排气净化催化剂的氧吸藏量在最大氧吸藏量与零之间变化而进行了说明。这意味着，可由排气净化催化剂进一步吸藏的氧的量在零(氧吸藏量为最大氧吸藏量的情况)与最大值(氧吸藏量为零的情况)之间变化。
标号说明
5  燃烧室
6  进气门
8  排气门
10 火花塞
11 燃料喷射阀
13 进气支管
15 进气管
18 节气门
19 排气歧管
20 上游侧排气净化催化剂
21 上游侧壳体
22 排气管
23 下游侧壳体
24 下游侧排气净化催化剂
31 ECU
39 气流计
40 上游侧空燃比传感器
41 下游侧空燃比传感器

Claims (17)

1.一种内燃机的控制装置，具备：空燃比传感器，其设置于内燃机的排气通路；和内燃机控制装置，其基于该空燃比传感器的传感器输出电流来控制内燃机，其中，
所述空燃比传感器具备：被测气体室，其供作为空燃比检测对象的排气流入；基准元件，其基准元件输出电流根据该被测气体室内的排气的空燃比而变化；以及泵元件，其根据泵电流，对所述被测气体室内的排气进行氧的泵入和泵出，
所述基准元件构成为：基准元件输出电流成为零的施加电压根据所述被测气体室内的排气的空燃比而变化，并且，若在所述被测气体室内的排气的空燃比为理论空燃比时使该基准元件的施加电压增大，则基准元件输出电流随之而增大，
在通过所述空燃比传感器检测排气空燃比时，所述基准元件的施加电压固定为一定电压，该一定电压是与在所述被测气体室内的排气的空燃比为理论空燃比时基准元件输出电流成为零的电压不同的电压，且是在所述被测气体室内的排气的空燃比为不同于理论空燃比的空燃比时基准元件输出电流成为零的电压，
所述空燃比传感器还具备：泵电流控制装置，其控制泵电流以使得所述基准元件输出电流成为零；和泵电流检测装置，其检测该泵电流将其作为所述传感器输出电流。
2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，
所述基准元件具备：第一电极，其暴露于所述被测气体室内的排气；第二电极，其暴露于基准气氛；以及固体电解质层，其配置在所述第一电极与所述第二电极之间，
所述空燃比传感器还具备扩散限速层，该扩散限速层被配置成使得排气经由该扩散限速层而到达所述第一电极。
3.根据权利要求2所述的内燃机的控制装置，
所述扩散限速层被配置成使得所述被测气体室内的排气经由该扩散限速层到达所述第一电极。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的控制装置，
所述基准元件构成为按各排气空燃比具有界限电流区域，所述界限电流区域是所述基准元件输出电流成为界限电流的电压区域，
所述一定电压是排气空燃比为理论空燃比时的所述界限电流区域内的电压。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的控制装置，
所述基准元件构成为：按各排气空燃比，关于所述施加电压与基准元件输出电流的关系具有比例区域、水分解区域以及中间区域，所述比例区域是基准元件输出电流与施加电压的增大成比例地增大的电压区域，所述水分解区域是由于产生了水的分解因而基准元件输出电流根据施加电压的变化而变化的电压区域，所述中间区域是所述比例区域与水分解区域之间的电压区域，
所述一定电压是排气空燃比为理论空燃比时的所述中间区域内的电压。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的控制装置，
所述一定电压设为在排气空燃比比理论空燃比高1％时基准元件输出电流成为零的电压与在所述被测气体室内的排气的空燃比比理论空燃比低1％时基准元件输出电流成为零的电压之间的电压。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的控制装置，
所述基准元件构成为：按各排气空燃比，关于所述施加电压与基准元件输出电流的关系，直到第一屈曲点为止，基准元件输出电流随着施加电压的增大而增大，从第一屈曲点到第二屈曲点，基准元件输出电流随着施加电压的增大而增大，从第二屈曲点起，基准元件输出电流随着施加电压的增大而增大，并且，在第一屈曲点与第二屈曲点之间的电压区域中，相对于施加电压的增加量的基准元件输出电流的增加量比其他电压区域小，
所述一定电压设为排气空燃比为理论空燃比时的所述第一屈曲点与第二屈曲点之间的电压。
8.根据权利要求2或3所述的内燃机的控制装置，
所述基准元件，按各排气空燃比具有电流增大区域和电流微增区域，所述电流增大区域是基准元件输出电流随着施加电压的增大而增大的电压区域，所述电流微增区域是由于设置了所述扩散限速层因而相对于施加电压的增加量的基准元件输出电流的增加量比所述电流增大区域小的电压区域，
所述一定电压是排气空燃比为理论空燃比时的所述电流微增区域内的电压。
9.根据权利要求2或3所述的内燃机的控制装置，
所述扩散限速层由氧化铝形成，
所述一定电压设为0.1V以上且0.9V以下。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的内燃机的控制装置，
所述内燃机控制装置，在所述空燃比传感器的传感器输出电流成为了零时，判断为排气空燃比是不同于理论空燃比的预先设定的空燃比。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的内燃机的控制装置，
所述内燃机具备能够吸藏氧的排气净化催化剂，该排气净化催化剂在所述空燃比传感器的排气流动方向上游侧设置于所述排气通路，
所述一定电压设为在排气空燃比是比理论空燃比浓的预定的浓判定空燃比时所述基准元件输出电流成为零的电压。
12.根据权利要求11所述的内燃机的控制装置，
所述内燃机控制装置能够对流入所述排气净化催化剂的排气的空燃比进行控制，在所述空燃比传感器的传感器输出电流成为了零以下时，使流入所述排气净化催化剂的排气的目标空燃比比理论空燃比稀。
13.根据权利要求12所述的内燃机的控制装置，
所述内燃机控制装置具备：
氧吸藏量增加单元，其在所述空燃比传感器的传感器输出电流成为了零以下时，将流入所述排气净化催化剂的排气的目标空燃比持续地或断续地设为比理论空燃比稀，直到所述排气净化催化剂的氧吸藏量成为比最大氧吸藏量少的预定的吸藏量；和
氧吸藏量减少单元，其在所述排气净化催化剂的氧吸藏量成为了所述预定的吸藏量以上时，将所述目标空燃比持续地或断续地设为比理论空燃比浓，以使得该氧吸藏量不会达到最大氧吸藏量而朝向零减少。
14.根据权利要求13所述的内燃机的控制装置，
由所述氧吸藏量增加单元持续地或断续地设为比理论空燃比稀的期间内的所述目标空燃比的平均值与理论空燃比之差，比由所述氧吸藏量减少单元持续地或断续地设为比理论空燃比浓的期间内的所述目标空燃比与理论空燃比之差大。
15.根据权利要求11～14中任一项所述的内燃机的控制装置，
该内燃机的控制装置具备上游侧空燃比传感器，该上游侧空燃比传感器在所述排气净化催化剂的排气流动方向上游侧设置于内燃机排气通路，
所述内燃机控制装置基于上游侧空燃比传感器的输出来控制排气空燃比，以使得流入所述排气净化催化剂的排气的空燃比成为目标空燃比。
16.根据权利要求15所述的内燃机的控制装置，
所述上游侧空燃比传感器构成为：传感器输出电流成为零的施加电压根据排气空燃比而变化，并且，若在排气空燃比为理论空燃比时使该上游侧空燃比传感器的施加电压增大，则传感器输出电流随之而增大，
所述上游侧空燃比传感器的施加电压比所述空燃比传感器的施加电压低。
17.根据权利要求16所述的内燃机的控制装置，
在通过所述上游侧空燃比传感器检测排气空燃比时，所述上游侧空燃比传感器的施加电压固定为一定电压，该一定电压设为在所述被测气体室内的排气的空燃比为理论空燃比时传感器输出电流成为零的电压。
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