用于内燃发动机的控制设备的制作方法

本发明涉及执行内燃发动机的空气量、燃料供给量和点火正时的集成控制的控制设备，该控制设备配置成能够在至少两个目标空燃比之间切换用于运转的空燃比。

背景技术：

日本专利特开No.2002-89320公开了与能够在稀空燃比与理论空燃比之间切换内燃发动机的运转空燃比的内燃发动机中的空燃比切换控制有关的技术(以下称为“现有技术”)。根据上述现有技术，当将空燃比从稀空燃比切换为理论空燃比时，执行操作以使得空燃比在节气门的作动开始之后逐渐切换。由于空燃比的切换由此与节气门的控制对应地执行，所以抑制了燃料控制的变化并且防止了发动机输出转矩的变动。

引用清单

专利文献

[专利文献1]

日本专利特开No.2002-89320

[专利文献2]

日本专利特开No.6-264786

[专利文献3]

日本专利特开No.6-257487

技术实现要素：

技术问题

如果如上述现有技术中那样在切换空燃比时空燃比逐渐变化，则能在不执行点火延迟控制的情况下切换空燃比。然而，如果空燃比从理论空燃比逐渐变成稀空燃比，则NOx排出量的增加将变成一个问题。即，NOx排出量有在16左右的弱稀空燃比达到峰值且此后随着空燃比变成稀空燃比而减少的倾向。因此，如果空燃比从理论空燃比逐渐变成稀空燃比，则空燃比必须经过NOx排出量大的空燃比区域，并且因此排放性能的恶化变成一个问题。

因此，当切换空燃比时，可设想采取通过以分步方式将空燃比从理论空燃比变成稀空燃比来跳过NOx排出量大的空燃比区域的构型。根据此技术，在实现与稀空燃比对应的空气量之后，能将空燃比从理论空燃比切换为稀空燃比，并且能通过对点火正时的延迟控制来抑制与空气量的变化对应的转矩级差。然而，点火正时的延迟伴随着燃料消耗将下降的可能性。特别地，由于近年的稀燃发动机中的稀极限已增大，所以理论空燃比与稀空燃比之间的要求空气量之差已变得极大。因此，当上述现有技术应用于这种稀燃发动机并且试图借助于点火正时来抑制空气量之差所引起的转矩级差时，存在将需要长时间继续大幅延迟点火正时的状态的可能性，且因此存在燃料消耗性能的恶化和对催化剂的影响将属于不能忽视的程度的风险。

鉴于上述问题设想了本发明，并且本发明的一个目的在于，在构造成能够在至少两个目标空燃比之间切换用于运转的空燃比的内燃发动机中，在不产生转矩变动的情况下切换空燃比，并且还抑制切换时的燃料消耗性能的恶化和排放性能的恶化。

问题的解决方案

为了解决上述问题，本发明的第一方面是一种用于内燃发动机的控制设备，所述控制设备配置成能够选择根据第一空燃比的运转和根据比所述第一空燃比稀的第二空燃比的运转，所述控制设备包括：

第一装置，所述第一装置用于在满足将运转模式从根据所述第一空燃比的运转切换为根据所述第二空燃比的运转的条件的情况下将所述内燃发动机控制成使EGR率以连续方式增加至切换时目标EGR率；和

第二装置，所述第二装置用于在满足所述条件的情况下将所述内燃发动机控制成将空燃比维持于所述第一空燃比，直至EGR率达到所述切换时目标EGR率，并且响应于EGR率达到所述切换时目标EGR率而使空燃比以连续方式从所述第一空燃比朝所述第二空燃比改变。

本发明的第二方面是根据第一方面所述的用于内燃发动机的控制设备，其中，所述第一装置包括用于将所述内燃发动机控制成使得所述内燃发动机响应于气体-燃料比达到与所述第二空燃比的值相等的值而在将所述气体-燃料比维持于所述第二空燃比的值的同时使EGR率以连续方式从所述切换时目标EGR率减小的装置。

本发明的第三方面是根据第一方面所述的用于内燃发动机的控制设备，其中：

所述第二装置包括：

目标空燃比切换装置，其用于响应于满足所述条件而将目标空燃比从所述第一空燃比切换为所述第二空燃比，

目标空气量计算装置，其用于由目标转矩基于所述目标空燃比来反算用于实现所述目标转矩的目标空气量，

第一致动器控制装置，其用于基于所述目标空气量来确定改变吸入气缸内的空气的量的第一致动器的操作量，并按照所述操作量来操作所述第一致动器，和

第二致动器控制装置，其用于基于所述目标空燃比来确定燃料供给量，并按照所述燃料供给量操作将燃料供给到气缸内的第二致动器；并且

所述目标空燃比切换装置配置成在满足所述条件的情况下将所述目标空燃比维持于所述第一空燃比，直至EGR率达到所述切换时目标EGR率，并使所述目标空燃比响应于EGR率达到所述切换时目标EGR率而以连续方式从所述第一空燃比朝所述第二空燃比改变。

本发明的第四方面是根据第三方面所述的用于内燃发动机的控制设备，其中：

所述第一装置包括：

目标EGR率计算装置，其用于按照所述内燃发动机的运转条件来计算目标EGR率，和

第三致动器控制装置，其用于基于所述目标EGR率来确定调节EGR率的第三致动器的操作量，并按照所述操作量来操作所述第三致动器；并且

所述目标EGR率计算装置配置成响应于满足所述条件而使所述目标EGR率以连续方式增加至所述切换时目标EGR率。

本发明的第五方面是根据第四方面所述的用于内燃发动机的控制设备，其中：

所述目标EGR率计算装置配置成响应于气体-燃料比达到与所述第二空燃比相等的值而使所述目标EGR率以连续方式从所述切换时目标EGR率减小；并且

所述目标空燃比切换装置配置成响应于所述气体-燃料比达到与所述第二空燃比相等的值而在从所述第一空燃比到所述第二空燃比的范围内改变所述目标空燃比以使得所述气体-燃料比被维持于所述第二空燃比。

本发明的第六方面是根据第一至第五方面中的任一项所述的用于内燃发动机的控制设备，其中，所述切换时目标EGR率是与EGR极限对应的EGR率。

本发明的第七方面是根据第一至第六方面中的任一项所述的用于内燃发动机的控制设备，还包括用于在不满足目标转矩的变化量在预定值以下的条件的情况下限制由所述第一装置实行的控制的限制装置。

本发明的有利效果

根据第一发明，在空燃比从第一空燃比切换到比第一空燃比稀的第二空燃比之前，EGR率以连续方式增加至切换时目标EGR率。空燃比被维持于第一空燃比，直至EGR率达到切换时目标EGR率，并且然后响应于EGR率达到切换时目标EGR率而以连续方式朝第二空燃比改变。因此，由于空燃比在升高EGR率之后以连续方式从第一空燃比变成第二空燃比，所以在切换燃烧模式时可以有效地抑制NOx排出量。

根据第二发明，响应于气体-燃料比达到与第二空燃比相等的值，EGR率在将气体-燃料比维持于第二空燃比的同时减小。因此可以使空燃比从第一空燃比平滑地变成第二空燃比，而不产生转矩级差。

根据第三发明，目标空燃比被维持于第一空燃比直至目标EGR率达到切换时目标EGR率，并且响应于目标EGR率达到切换时目标EGR率而以连续方式朝第二空燃比改变。因此，由于空燃比在升高EGR率之后以连续方式从第一空燃比变成第二空燃比，所以在切换燃烧模式时可以有效地抑制NOx排出量。

根据第四发明，在目标空燃比从第一空燃比切换为第二空燃比之前，目标EGR率以连续方式增加至切换时目标EGR率。因此，由于空燃比在升高EGR率之后以连续方式从第一空燃比变成第二空燃比，所以在切换燃烧模式时可以有效地抑制NOx排出量。

根据第五发明，响应于气体-燃料比达到与第二空燃比相等的值，在将气体-燃料比维持于第二空燃比的同时EGR率减小。因此可以使空燃比从第一空燃比平滑地变成第二空燃比，而不产生转矩级差。

根据第六发明，由于空燃比在将EGR率升高至EGR极限之后以连续方式从第一空燃比变成第二空燃比，所以可以最大限度地抑制切换燃烧模式时的NOx排出量。

根据第七发明，在不满足目标转矩的变化量在预定值以下的条件的情况下，在空燃比的切换之前增加EGR率的上述控制的执行被限制。结果，在目标转矩快速变化的过渡时间，可以避免切换空燃比所需的时间延长且排放性能恶化的状况。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施方式的ECU的控制结构的框图；

图2是示出根据本发明的第一实施方式的ECU所采取的运转范围的设定的视图；

图3是示出在本发明的第一实施方式中执行的用于切换燃烧模式的处理例程的流程图；以及

图4是示出根据本发明的第一实施方式的燃烧模式从理论燃烧向稀燃烧的切换的时间图。

具体实施方式

[第一实施例]

以下将参照附图说明本发明的第一实施方式。

作为本实施方式中的控制对象的内燃发动机(以下称为“发动机”)是火花点火式四冲程往复发动机。此外，该发动机是所谓的“稀燃发动机”，其构造成能够在根据理论空燃比(第一空燃比)执行燃烧的理论配比模式与根据比理论空燃比稀的空燃比(第二空燃比)执行燃烧的稀模式之间选择发动机的燃烧模式。

装设在车辆中的ECU(电子控制单元)通过致动设置在发动机中的各种类型的致动器来控制发动机的运转。由ECU致动的致动器包括作为改变空气量的第一致动器的节气门、作为向气缸内供给燃料的第二致动器的喷射器、作为调节EGR率的第三致动器的EGR阀、和作为点燃气缸内的空燃混合物的第四致动器的点火装置。喷射器设置在进气口中。ECU致动这些致动器以控制发动机的运转。ECU对发动机的控制包括将运转模式从理论配比模式切换为稀模式，或从稀模式切换为理论配比模式。

在图1中，在框图中示出了根据本实施方式的ECU的逻辑。ECU包括发动机控制器100和动力传动系管理装置200。发动机控制器100是直接控制发动机的控制设备，并且对应于根据本发明的控制设备。动力传动系管理装置200是执行包括发动机、电子控制的自动变速器以及诸如VSC和TRC的车辆控制设备的整个驱动系统的集成控制的控制设备。发动机控制器100配置成基于从动力传动系管理装置200接收的信号来控制发动机的运转。发动机控制器100和动力传动系管理装置200各自都通过软件实现。更具体地，发动机控制器100和动力传动系管理装置200的相应功能在ECU中通过读取存储在存储器中的程序并使用处理器执行这些程序来实现。

动力传动系管理装置200计算将来转矩并且将计算出的值发送到发动机控制器100。用语“将来转矩”指的是在动力传动系管理装置200对发动机要求的转矩之中的以下类型的转矩：其要求的发动机的响应性不高并且足以在不久的将来实现且不需要立即实现。动力传动系管理装置200基于加速器踏板的开度来计算要求转矩。

动力传动系管理装置200还计算即时转矩并且将计算出的值发送到发动机控制器100。用语“即时转矩”指的是动力传动系管理装置200对发动机要求的转矩之中的以下类型的转矩：其紧急性或优先度高于将来转矩并且要求发动机的高响应性。即，即时转矩属于要求立即实现的类型。即时转矩包括从车辆控制系统要求的转矩，例如对于电控式自动变速器的变速控制所要求的转矩、对于牵引力控制所要求的转矩和对于防侧滑控制所要求的转矩。动力传动系管理装置200输出与仅在已实际发生需要这种转矩的事件的情况下希望实现的转矩的大小对应的有效值。在未发生这种事件的期间，动力传动系管理装置200输出无效值，即大于发动机能输出的最大轴转矩的值。

接下来将说明发动机控制器100的构型。发动机控制器100的构型被宽泛地分为功能部120、调停部140和实现部160。

功能部120计算并输出关于发动机的各种控制参数。控制参数包括基于从动力传动系管理装置200发送的要求值计算出的参数，和基于与发动机的运转状态有关的信息在功能部120内计算出的参数。更具体地，计算将来转矩、将来空燃比(将来A/F)、要求效率、第一即时转矩、第二即时转矩和要求空燃比(要求A/F)作为控制参数。在这些参数之中，从动力传动系管理装置200发送的将来转矩被按原样用作将来转矩，并且从动力传动系管理装置200发送的即时转矩被按原样用作第二即时转矩。要求效率是点火正时效率的要求值，并且是用于计算目标空气量的控制参数。在要求借助于MBT控制的高效率运转的情况下要求效率被设定为其最大值1，而在要求低效率运转以使催化剂升温的情况下要求效率被设定为小于1的值。使用功能部120中包括的燃烧切换要求部122计算将来空燃比、第一即时转矩和要求空燃比。

燃烧切换要求部122基于将来转矩和发动机转速(即发动机回转速度)来作出与燃烧模式的切换有关的判断。图2示出根据本实施方式的运转范围的设定。运转范围由转矩和发动机转速限定。根据图2，在低-中速和低-中负荷区域内设定选择稀模式的稀模式区域。燃烧切换要求部122基于图2所示的关系来判断燃烧模式，并按照判断结果来计算与空气量、点火正时、EGR率和燃料喷射各者有关的控制参数。将来空燃比是与空气量和EGR率有关的控制参数。第一即时转矩是与点火正时有关的控制参数。要求空燃比是与燃料喷射有关的控制参数。将来空燃比是提供空气量向转矩的变换效率的参数，并用于计算目标空气量和目标EGR率。采取这样的构型，即，在满足将燃烧模式从理论燃烧切换为稀燃烧的条件的情况下，将来空燃比从理论空燃比切换为稀空燃比。第一即时转矩是用于切换燃烧模式的即时转矩的目标值，并用于在切换燃烧模式时切换点火正时效率的计算。尽管第一即时转矩通常是无效值，但第一即时转矩在满足切换燃烧模式的条件的情况下被设定为与将来转矩相等的值。要求空燃比是与燃料喷射有关的控制参数，并且被设定为与将来空燃比相等的值。因此，在满足将燃烧模式从理论燃烧切换为稀燃烧的条件的情况下，与将来空燃比相似，要求空燃比从理论空燃比切换为稀空燃比。

此外，在燃烧切换要求部122中，于在满足将燃烧模式从理论燃烧切换为稀燃烧的条件之后正在执行用于切换燃烧模式的计算处理的期间，指示燃烧模式的切换正在进行中的第一标记信号被设定为“on”。此外，在燃烧切换要求部122中，在后述的目标转矩的变化量在预定值以下的期间，指示发动机的运转条件稳定的第二标记信号被设定为“on”。注意，关于用于与第二标记有关的判定的预定值，能使用用于判定发动机的运转条件稳定或者发动机处于逐渐加速或减速的过程中的目标转矩的变化量作为预定的阈值。在第一标记信号和第二标记信号两者都是“on”的情况下，燃烧切换要求部122执行后述的燃烧模式的特征切换。

从具有上述构型的功能部120输出的控制参数被输入到调停部140。具体地，调停部140包括将来转矩调停部142、效率调停部144和即时转矩调停部146。将来转矩调停部142执行对从功能部120输入的将来转矩和与将来转矩的类别相同的另一转矩的调停处理，并输出作为调停处理的结果获得的转矩作为关于发动机的目标转矩。基本上，目标转矩的值与将来转矩相同。在将来转矩调停部142中使用最小值选择(MIN选择)作为调停方法。

效率调停部144执行对从功能部120输入的要求效率转矩和类别与要求效率转矩相同的另一效率的调停处理，并输出作为调停处理的结果获得的效率作为关于发动机的最终要求效率。在效率调停部144中使用最小值选择作为调停方法。从燃料消耗性能的观点看，优选点火正时效率是作为其最大值的1。因此，从效率调停部144输出的要求效率的值基本上为1，并且仅在已发生某种类型的事件例如暖机要求的情况下选择小于1的值。

即时转矩调停部146执行对从功能部120输入的第一即时转矩和第二即时转矩的调停处理，并输出作为调停处理的结果获得的即时转矩作为关于发动机的最终即时转矩。在即时转矩调停部146中使用最小值选择作为调停方法。基本上，第一即时转矩和第二即时转矩各自都是无效值，并仅在已发生特定事件的情况下切换为显示希望实现的转矩的大小的有效值。因此，从即时转矩调停部146输出的即时转矩也基本上是无效值，并且仅在已发生某种类型的事件的情况下选择有效值。在已满足切换燃烧模式的条件的情况下，第一即时转矩从无效值切换为将来转矩的值，以由此使从即时转矩调停部146输出的即时转矩是与将来转矩相同的值。

作为相应调停处理的结果获得的目标转矩、要求效率和即时转矩从如上所述构成的调停部140输出。此外，从功能部120输入调停部140的将来空燃比、稀气缸的数量和要求空燃比按原样从调停部140输出。

实现部160对应于发动机的逆模型，并由通过脉谱图或函数表示的多个模型构成。用于协调操作的各致动器2、4、6和8的操作量由实现部160计算。实现部160包括多个运算单元162、164、170、172、174、180和182。在这些运算单元之中，运算单元162和164涉及空气量控制，运算单元170和172涉及点火正时控制，运算单元174涉及燃料喷射量控制，并且运算单元180和182涉及EGR控制。以下将从涉及空气量控制的运算单元开始依次详细说明各运算单元的功能。

目标转矩、要求效率和将来空燃比被输入运算单元162。运算单元162使用要求效率和将来空燃比来由目标转矩反算用于实现目标转矩的目标空气量。在该计算中，使用要求效率和将来空燃比作为提供空气量向转矩的变换效率的参数。运算单元162首先通过将目标第一转矩除以要求效率来计算用于空气量控制的目标转矩。接下来，运算单元162利用转矩-空气量变换脉谱图将用于空气量控制的目标转矩变换为目标空气量。使用发动机状态量的实际值或目标值来检索转矩-空气量变换脉谱图。关于空燃比，使用将来空燃比来检索脉谱图。因此，在运算单元162中，计算在将来空燃比下实现用于空气量控制的目标转矩所需的空气量作为目标空气量。图中，将目标空气量描述为“KLt”。

运算单元164首先由目标空气量和后述的目标EGR率反算作为进气管压力目标值的目标进气管压力(目标Pm)。使用描述经进气门吸入气缸内的空气量与进气管压力之间的关系的脉谱图来计算目标进气管压力。空气量与进气管压力之间的关系根据EGR率而变化。因此，当计算目标进气管压力时，基于当前EGR率来确定上述脉谱图的参数值。接下来，运算单元164基于目标进气管压力来计算作为节气门开度的目标值的目标节气门开度。图中将目标节气门开度描述为“TA”。使用空气模型的逆模型来计算目标节气门开度。空气模型是作为模拟进气管压力对节气门2的操作的响应特性的结果获得的物理模型。因此，能利用其逆模型由目标进气管压力反算实现目标进气管压力所需的目标节气门开度。由运算单元164计算出的目标节气门开度被变换为用于驱动节气门2的信号，并且该信号被发送到节气门2。运算单元162和164对应于根据本发明的第一致动器控制装置。

接下来将说明与点火正时控制有关的运算单元的功能。运算单元168基于通过上述空气量控制实现的实际节气门开度和气门正时来计算推定转矩。本说明书中所用的用语“推定转矩”指的是在点火正时基于当前节气门开度和气门正时以及目标空燃比而被设定为最佳点火正时的情况下能输出的转矩。运算单元168首先利用上述空气模型的正模型基于节气门开度的测定值和气门正时的测定值来计算推定空气量。推定空气量是通过当前节气门开度和气门正时实际地实现的空气量的推定值。接下来，运算单元168利用转矩-空气量变换脉谱图将推定空气量变换为推定转矩。当检索转矩-空气量变换脉谱图时使用目标空燃比作为检索关键字。

即时转矩和推定转矩被输入运算单元170。运算单元170基于即时转矩和推定转矩来计算作为点火正时效率的指示值的指示点火正时效率。指示点火正时效率被表示为即时转矩关于推定转矩的比率。然而，对指示点火正时效率限定上限，并且在即时转矩相对于推定转矩的比率超过1的情况下将指示点火正时效率的值设定为1。指示点火正时效率在图中被表示为“ηi”。

运算单元172基于指示点火正时效率来计算点火正时。更具体地，运算单元172基于发动机状态量例如发动机转速、要求转矩和空燃比来计算最佳点火正时，并基于指示点火正时效率来计算相对于最佳点火正时的延迟量。当指示点火正时效率为1时，将延迟量设定为零，并且延迟量随着指示点火正时效率从1减小而逐渐增大。运算单元172然后计算延迟量与最佳点火正时相加的结果作为最终点火正时。可使用将最佳点火正时和各种发动机状态量相关联的脉谱图来计算最佳点火正时。可使用将延迟量、点火正时效率和各种发动机状态量相关联的脉谱图来计算延迟量。使用目标空燃比作为检索这些脉谱图的检索关键字。图中将点火正时表示为“SA”。由运算单元172计算出的点火正时被变换为用于驱动点火装置8的信号，并且该信号被发送到点火装置8。

接下来将说明与燃料喷射量控制有关的运算单元的功能。对于各气缸，运算单元174基于要求空燃比和推定空气量来计算实现要求空燃比所需的燃料喷射量，即燃料供给量。推定空气量是预测在进气门关闭的时点出现的空气量，并利用上述空气模型的正模型基于节气门开度和气门正时来计算。由运算单元174计算出的用于各气缸的燃料喷射量被变换为用于驱动喷射器4的信号，并且该信号被发送到喷射器4。运算单元174对应于根据本发明的第二致动器控制装置。

接下来将说明与EGR控制有关的运算单元的功能。将来空燃比被输入运算单元180。运算单元180对应于根据本发明的目标EGR率计算装置，并利用将来空燃比计算用于使排气排放或燃料消耗等最优化的目标EGR率。注意，在本发明中，EGR率指EGR气体占从进气门吸入气缸内的空气的比例，并且表示从进气门吸入气缸内的EGR气体的量的EGR量在本发明中处于与EGR率相等的范围内。

运算单元180利用EGR率脉谱图计算EGR率。EGR率脉谱图是EGR率与作为关键字的包含发动机转速、空气量和空燃比的发动机状态量相关的脉谱图。通过各空气量、发动机转速和空燃比的适配来确定该脉谱图。使用发动机状态量的实际值或目标值来检索EGR率脉谱图。关于空燃比，使用将来空燃比来检索脉谱图。因此，在运算单元180中，计算在目标空燃比下需要的EGR率作为目标EGR率。图中，目标EGR率被表示为“EGRt”。

此外，第一标记信号和第二标记信号被输入运算单元180。运算单元180在第一标记信号和第二标记信号两者都为“on”的情况下执行计算以获得后述的目标EGR率。

运算单元182基于目标EGR率来计算作为EGR阀的开度的目标值的目标EGR阀开度。可使用作为基于流体力学等模拟EGR率对EGR阀的动作的响应的结果而获得的脉谱图或公式来计算目标EGR阀开度。注意，由于EGR率受发动机转速和空气量影响，所以这些被用作用于计算目标EGR阀开度的参数。目标EGR阀开度在图中被表示为“EGRv”。由运算单元182计算出的目标EGR阀开度被变换为用于驱动EGR阀6的信号，并且该信号被发送到EGR阀6。运算单元182对应于根据本发明的第三致动器控制装置。注意，也可采用驱动EGR阀6的电磁阀的占空比而不是EGR阀的开度作为EGR阀6的操作量。

以上是根据本实施方式的ECU的基本逻辑。接下来将利用附图说明根据本实施方式的ECU的特征逻辑。

在根据本实施方式的ECU中，当燃烧模式要从理论配比模式切换为稀模式时，空燃比逐渐变化以使得不出现转矩级差。然而，当在切换燃烧模式时空燃比逐渐变化时，NOx排出量的增加变成一个问题。即，NOx排出量有在16左右的弱稀空燃比达到峰值且此后随着空燃比朝稀侧变化而减少的倾向。因此，如果空燃比从理论空燃比逐渐变成稀空燃比，则空燃比必须经过NOx排出量大的空燃比区域，并且排放性能的恶化变成一个问题。

根据本实施方式的ECU的特征与抑制由于利用EGR的上述燃烧模式的切换而出现的NOx排出量的增加的逻辑有关。具体地，NOx排出量由于EGR所引起的燃烧温度的下降而减少。因此，在燃烧模式要从理论燃烧切换为稀燃烧的情况下，本实施方式的ECU在空燃比的切换之前执行增大EGR的处理。由此可以在抑制NOx排出量的同时切换燃烧模式。

然而，EGR控制的响应性不良。因此，当试图在目标转矩快速变化的过渡时间执行上述EGR控制时，燃烧模式的切换所需的时间延长，并且相反存在控制将引起NOx排出量的增加和点火延迟量的增加的风险。因此，希望上述EGR控制在要求转矩逐渐变化的逐渐减速时或在稳态运转期间执行。

以下将利用流程图详细说明根据本实施方式的ECU在稳态运转期间执行的用于将燃烧模式从理论配比模式切换为稀模式的动作。图3是示出根据本实施方式的ECU在稳态运转期间执行的用于将燃烧模式从理论配比模式切换为稀模式的例程的流程图。注意，假设图3所示的控制例程在发动机10的运转期间被反复执行。

根据图3所示的例程，首先，判定指示从理论配比模式向稀模式的切换正在进行中的第一标记是否被设定为“on”(步骤S100)。如果上述步骤S100中的判定结果为第一标记是“off”，则本例程立即结束。相反，如果步骤S100中的判定结果为第一标记是“on”，则处理转入下一步骤以判定指示要求转矩的变化量在预定值以下的第二标记是否为“on”(步骤S102)。如果上述步骤S102中的判定结果为第二标记是“off”，则判定为当前状态是过渡时的状态，且因此本例程立即结束。

相反，如果上述步骤S102中的判定结果为第二标记是“on”，则判定为当前运转状态是稳定状态，并且处理转入执行用于使EGR率上升的处理的下一步骤(步骤S104)。这种情况下，具体地，响应于第一标记信号和第二标记信号两者都是“on”的事实，运算单元180将目标EGR从先前值增加预定量并输出得到的目标EGR值。

接下来将节气门操作至打开侧(步骤106)。具体地，响应于第一标记信号和第二标记信号两者都是“on”的事实，燃烧切换要求部122将将来空燃比维持在其先前值。结果，运算单元162输出被维持在理论空燃比的目标空燃比。作为目标EGR率上升并且目标空气量被维持的结果，运算单元164将目标节气门开度TA向打开侧调节并输出调节值。

接下来，判定在上述步骤S104中设定的当前目标EGR率是否为基于当前运转条件而确定的EGR率的极限值(步骤S108)。极限值是事先从失火和催化剂性能的观点确定的EGR率的极限值，并且针对每个运转条件读入事先规定的值。如果因此判定为目标EGR率尚未达到极限值，则处理返回上述步骤S104，其中将目标EGR量进一步增大预定量。通过反复执行上述从步骤S104至步骤S108的处理，EGR率在实际空燃比被维持在理论空燃比的状态下以连续方式接近EGR率的极限值。

随后，当在上述步骤S108中判定为目标EGR率已达到EGR率的极限值时，处理转入下一步骤，其中增大空气量(步骤S110)。这种情况下，具体地，响应于目标EGR率达到EGR率的极限值，运算单元180将目标EGR率维持在极限值。此外，响应于目标EGR率达到EGR率的极限值，燃烧切换要求部122输出向稀空燃比侧变化预定量的将来空燃比。结果，在运算单元162中计算出的目标空气量沿空气量根据目标空燃比的变化而增大的方向变化。注意，将来空燃比的变化量是在实际空气量可以充分跟随踪目标空气量的范围内设定的。

接下来，判定气体-燃料比(G/F)是否已变成与被当作目标的稀空燃比(目标稀空燃比)的值相等的值(步骤S112)。这里提到的气体-燃料比(G/F)代表流入气缸内的气体(即新鲜空气+EGR气体)与向相关气缸内的燃料喷射量之比。结果，在判定为气体-燃料比(G/F)尚未变成与目标稀空燃比的值相等的值的情况下，处理再次转入步骤S110并且增大空气量。通过反复执行上述从步骤S110至步骤S112的处理，实际空燃比在EGR率被维持在EGR极限值的状态下以连续方式接近稀空燃比。随后，当在上述步骤S112中判定为气体-燃料比(G/F)已达到与被当作目标的稀空燃比的值相等值时，处理转入下一步骤，其中执行处理以在将气体-燃料比(G/F)维持在稀空燃比的值的同时将目标EGR率降至0％(步骤S114)。这种情况下，具体地，响应于气体-燃料比(G/F)达到与被当作目标的稀空燃比的值相等的值，燃烧切换要求部122以及运算单元180和162计算其相应输出，以使得在维持气体-燃料比(G/F)的同时EGR率在实际空气量可以充分跟随目标空气量的范围内以连续方式下降。

如以上说明的，根据第一实施方式的控制设备，在EGR率被维持在EGR率的极限值的状态下空燃比以连续方式从理论空燃比变成稀空燃比。由此可以在抑制NOx排出量的同时将燃烧模式从理论燃烧切换为稀燃烧。

图4是示出根据本实施方式的用于将燃烧模式从理论燃烧切换为稀燃烧的控制的结果的图像的时间图。在图4中，第一层级上的图示出转矩的时间变化。该图中显示了目标转矩和实际转矩。第二层级上的图示出节气门开度的时间变化。第三层级上的图示出空气量的时间变化。该图中示出了目标空气量KLt和实际空气量。第四层级上的图示出点火正时效率的时间变化。第五层级上的图示出点火正时的时间变化。第六层级上的图示出空燃比的时间变化。该图中显示了将来空燃比和实际空燃比。第七层级上的图示出EGR率的时间变化。该图中显示了目标EGR率EGRt和实际EGR率。此外，在该图中，对应于EGR极限的EGR率由双点划线表示。第八层级上的图示出气体-燃料比的时间变化。最后，第九层级上的图示出燃料喷射量的时间变化。

根据该时间图，当在时刻t1判定为第一标记和第二标记是“on”时，使目标EGR率以连续方式增大。在此期间，作为将将来转矩、目标空气量和要求空燃比维持于其在理论燃烧时的相应值的结果，使节气门开度TA逐渐增大。

当在时刻t2目标EGR率达到EGR极限时，目标EGR率被维持在EGR极限的值。在此期间，使要求空燃比以连续方式变成稀空燃比侧，并且目标空气量也增大。注意，由于在此期间的目标空气量在不偏离实际空气量的范围内增大，所以指示点火正时效率ηi实质上被维持为1，并且不执行点火正时的延迟控制。

当在时刻t3气体-燃料比(G/F)达到与在稀模式下运转时的稀空燃比相等的值时，目标EGR率以连续方式减小。在此期间，由于气体-燃料比维持在恒定值，所以目标空气量和要求空燃比以连续方式接近其在以稀模式运转时的相应值。随后，当在时刻t4目标EGR率达到0％时，目标空气量和要求空燃比各自达到其在稀模式下的运转时的相应值，并且因此从理论配比模式向稀模式的切换完成。

注意，在上述第一实施方式的控制设备中，将来空燃比对应于本发明的“目标空燃比”，燃烧切换要求部122对应于本发明的“目标空燃比切换装置”，运算单元162对应于本发明的“目标空气量计算装置”，运算单元180对应于本发明的“目标EGR率计算装置”，运算单元164对应于本发明的“第一致动器控制装置”，运算单元174对应于本发明的“第二致动器控制装置”，并且运算单元182对应于本发明的“第三致动器控制装置”。此外，在上述第一实施方式的控制设备中，本发明的“限制装置”通过ECU执行上述步骤S102中的处理来实现。此外，本发明的“第一装置”通过ECU执行上述步骤S100和S104中的处理来实现。另外，本发明的“第二装置”通过ECU执行上述步骤S100和S106中的处理来实现。此外，本发明的“第二装置”通过ECU执行上述步骤S108和S110中的处理来实现。另外，本发明的“第一装置”通过ECU执行上述步骤S112和S114中的处理来实现。

[其它实施方式]

本发明不限于上述实施方式，并且可以做出各种改型而不脱离本发明的精神和范围。例如，可采用以下说明的改型。

根据本实施方式中采用的逻辑，当在稳态运转期间从理论配比模式切换为稀模式时，EGR率在空燃比的切换之前增大至EGR率的极限值。然而，EGR率不必一定增大至极限值，并且基于与NOx排出量的关系适当地设定切换时目标EGR率即可。

实施方式中用于计算目标空气量的空燃比(假想空燃比)可使用当量比代替。当量比也是提供空气量向转矩的变换效率的参数，并且对应于与空燃比对应的参数。同样，可以使用空气过剩率作为提供空气量向转矩的变换效率的参数。

第一空燃比不限于理论空燃比。也可采取第一空燃比被设定为比理论空燃比稀的空燃比且第二空燃比被设定为比第一空燃比稀的空燃比的构型。

根据本实施方式中采用的逻辑，当气体-燃料比(G/F)达到与以稀模式运转时的稀空燃比相等的值时，使目标EGR率以连续方式降低至0％。然而，作为目标EGR率的降低目标的值不限于0％，并且使目标EGR率减小至与稀空燃比被切换时的运转条件对应的目标EGR率即可。

附图标记列表

2 节气门

4 喷射器

6 EGR阀

8 点火装置

100 发动机控制器

200 动力传动系管理装置

180 作为目标EGR率计算装置的运算单元

162 作为目标空气量计算装置的运算单元

164 作为第一致动器控制装置的运算单元

174 作为第二致动器控制装置的运算单元

182 作为第三致动器控制装置的运算单元

122 作为目标空燃比切换装置的运算单元