JP2009190913A - 燃料改質器の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質触媒の熱モデルの非線形性を考慮した制御が可能な燃料改質器の制御装置を提供すること。
【解決手段】ＥＣＵ３は、改質触媒１１の温度を検出する触媒温度センサ２１と、改質触媒１１における改質反応を特徴付ける複数のパラメータのうち、触媒温度及び触媒反応熱係数を関連付ける相関モデルに基づいて触媒温度を推定する触媒温度推定部３２と、この触媒温度推定部３２の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に基づいて、改質触媒１１の温度を制御するコントローラ３０と、触媒温度を定義域とする複数の補正重み関数Ｗ_０〜Ｗ_４を定義し、これら複数の補正重み関数の各々に乗算される複数の局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ０}〜Ｋ_{ＣＬ ４}を、触媒温度センサ２１の検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}及び触媒温度推定部３２の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に基づいて算出し、これら複数の補正重み関数及び局所修正係数に基づいて前記相関モデルを修正するモデル修正部３４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質器の制御装置に関し、特に改質触媒の劣化を考慮した制御が可能な燃料改質器の制御装置に関する。

水素エネルギーは、将来の石油代替エネルギーとして注目されているクリーンなエネルギーであり、近年、燃料電池や内燃機関のエネルギー源として利用されている。水素を利用した内燃機関の研究には、例えば、水素エンジン、水素添加エンジン、ＮＯｘ浄化装置の還元剤、及び燃料電池を用いた補助電源等がある。このような状況の下、水素の製造に関しても多くの研究がなされている。

水素の製造方法としては、炭化水素燃料、水、及びアルコール等の水素分子を含む原料を、触媒改質、熱分解、電気分解などにより分解し、さらに再結合することで水素を製造する方法が知られている。近年では、これらの製造方法の中でも触媒改質により水素を製造する燃料改質器の研究が盛んに行われている。

このような燃料改質器の改質触媒における改質反応としては、例えば、下記式（１）に示すような、炭化水素燃料（以下、単に「燃料」という）の部分酸化反応が知られている。この部分酸化反応は、炭化水素と酸素を用いた発熱反応であり自発的に反応が進行するため、一旦、反応が始まると、外部から熱を供給することなく水素を製造し続けることができる。
改質反応としては、この他、下記式（２）に示すような、水蒸気改質反応も知られている。この水蒸気改質反応は、炭化水素と水蒸気とを用いた吸熱反応であり、自発的に進行する反応ではない。このため、水蒸気改質反応は、部分酸化反応に対して制御しやすいものとなっている。その反面、外部からの熱供給などのエネルギーを投入する必要がある。
また、高温状態で燃料と酸素とを共存させた場合には、下記式（３）に示すような燃焼反応も触媒において進行する。

以上のような燃料改質器において水素を効率よく製造するためには、以下のような理由により燃料改質器の改質触媒を最適な温度で維持することが重要である。

例えば、軽油やガソリンを燃料として改質する場合、その最適な反応温度は比較的高温の範囲内に限定される。より具体的には、ロジウム及び白金を担持する改質触媒で部分酸化反応により上記燃料を改質した場合、その最適な反応温度は約８００℃から約１０００℃の範囲内に限定される。
この最適な反応温度より低い温度で反応させた場合には、触媒活性が低いため、供給した燃料が未反応のまま排出したり、改質触媒上に有機溶剤可溶（ＳＯＦ）成分として付着して、炭素質化することで活性がさらに低下したりする。
また、この最適な反応温度より高い温度で反応させた場合には、触媒がシンタリングを起こし活性が低下したり、反応熱により固相反応が起こり、触媒の構成相が変化し失活したりする。

特に軽油は、ガソリンと比較して、炭素数が多い炭化水素を含み分解しにくく、また、炭化水素分子の構成比が広範囲に亘っており均一に反応させることが難しいため、触媒上に炭素質が析出しやすい。このため、軽油はガソリンよりも高い温度で維持して反応させる必要がある。
そこで、水蒸気や酸素などの酸化剤を燃料改質器へ過剰に供給することにより、改質反応において炭素質の析出を抑制することが考えられる。しかしながら、水蒸気を過剰に供給すると、熱効率が低下するため、水素を製造するために多くの外部エネルギーが必要となる。また、酸素を過剰に供給すると、過燃焼により水素の収率が低下したり、過昇温により触媒の活性が低下したり、場合によっては失活したりするおそれもある。

以上のように、燃料改質器により水素を効率よく製造するためには、改質反応が行われる改質触媒の温度制御が重要となっている。そこで以下では、改質触媒の温度を制御する技術について検討する。

図１５は、第１の技術としての燃料改質器１０１の制御装置１０３の構成を示す模式図である。
図１５に示す第１の技術では、制御装置１０３は、燃料改質器１０１の改質触媒１１１の温度を検出する温度センサ１２１と、この温度センサ１２１の検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}に基づいて、改質触媒１１１に供給する最適な空気の供給量Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}及び燃料の供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を算出し、これら指令値Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}及びＧ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を燃料改質器１０１に出力するコントローラ１３０と、を含んで構成される。
燃料改質器１０１は、コントローラ１３０からの指令値Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}及びＧ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}に応じた空気及び燃料を改質触媒１１１に供給し、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを製造する。またここで、空気の供給量Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}及び燃料の供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を調整することで、改質触媒１１１の温度を制御することも可能となっている。

図１６は、第１の技術による燃料改質器の制御例を示すタイムチャートである。図１６において、横軸は時間を示し、縦軸は温度及び燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を示す。また、実線１６ａは改質触媒の実際の温度Ｔ_ＣＡＴの時間変化を示し、一点鎖線１６ｂは温度センサの検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}を示し、判定温度は燃料の噴射を開始するのに最適な改質触媒の温度を示す。
図１６に示すように、温度センサの検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}は、実際の温度Ｔ_ＣＡＴに対して遅れが生じる。このため、実際の燃料噴射開始時刻ｔ_２は、最適な燃料噴射開始時刻ｔ_１、すなわち実際の触媒温度Ｔ_ＣＡＴが判定温度を上回った時刻ｔ_１に対して遅れてしまう。この結果、改質触媒の活性化にかかる時間が増加したり、未反応の炭化水素の排出量が増加したりするおそれがある。
また、温度センサの検出部は、高温の水蒸気や還元性ガスにさらされるので、腐食や劣化を防止するために耐久性を向上する必要があるが、この場合応答性が低下してしまう。このため、温度センサを燃料改質器に用いた場合、上述のような検出遅れが顕著になる。

図１７は、第２の技術としての燃料改質器２０１の制御装置２０３の構成を示す模式図である。
図１７に示す第２の技術では、触媒の熱モデルに基づいて改質触媒２１１の温度を推定し、この推定された温度に基づいて燃料改質器２０１の温度を制御する。より具体的には、制御装置２０３は、燃料改質器２０１の改質触媒２１１を加熱するヒータ２１５の温度Ｔ_ＰＲＥ等を入力として、所定の触媒熱モデルに基づいて改質触媒２１１の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を算出する触媒温度推定部２３２と、この触媒温度推定部２３２の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に基づいて、改質触媒２１１に供給する最適な空気の供給量Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}及び燃料の供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を算出し、これら指令値Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}及びＧ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を燃料改質器２０１に出力するコントローラ２３０と、を含んで構成される。

図１８及び図１９は、それぞれ、第２の技術による燃料改質器の制御例を示すタイムチャートである。より具体的には、図１８は改質触媒が劣化する前の状態における制御例を示し、図１９は改質触媒が劣化した後の状態における制御例を示す。また、図１８及び図１９において、実線１８ａ，１９ａは改質触媒の実際の温度Ｔ_ＣＡＴの時間変化を示し、一点鎖線１８ｂ，１９ｂは触媒温度推定の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を示す。

図１８に示すように、改質触媒が劣化する前の状態では、触媒温度推定部の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}は、改質触媒の実際の温度Ｔ_ＣＡＴに一致する。これにより、最適な燃料噴射時刻ｔ_３で燃料の噴射を開始できる。
一方、図１９に示すように、改質触媒が劣化した後の状態では、触媒温度推定部の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}は、改質触媒の実際の温度Ｔ_ＣＡＴに対してずれが生じる。すなわち、改質触媒が劣化すると昇温速度が遅くなるので、劣化する前の触媒熱モデルに基づいて推定した温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}は、改質触媒の実際の温度Ｔ_ＣＡＴに対して進むこととなる。このため、実際の燃料噴射開始時刻ｔ_４は、最適な燃料噴射開始時刻ｔ_５、すなわち実際の温度Ｔ_ＣＡＴが判定温度を上回った時刻ｔ_５に対して進んでしまう。この結果、改質触媒の活性化にかかる時間が増加したり、未反応の炭化水素の排出量が増加したりするおそれがある。

以上のように、第１、第２の技術では、改質触媒の劣化に合わせた温度制御が困難である。
ところで、以上のような技術の他、従来より、内燃機関の排気系に設けられた触媒の温度の制御に関しても多くの研究がなされている。そこで次に、このような内燃機関の排気系における触媒の温度制御に関する技術を、燃料改質器の改質触媒の温度制御に応用することを検討する。

例えば、特許文献１には、上述の第１の技術と同様に熱モデルに基づいて触媒の温度を推定するとともに、この推定温度と触媒の温度を検出する温度センサの検出温度とを比較することで、触媒の劣化を検知する制御装置が示されている。また、この特許文献１の制御装置では、温度センサの検出温度が触媒のライトオフ温度以下である場合には、熱モデルに基づく触媒の推定温度を、温度センサの検出温度に応じて補正する。これにより、触媒の劣化を考慮した温度制御が可能となる。

また、特許文献２には、熱モデルに基づいて触媒の温度を推定するとともに、この推定温度に基づいて点火時期や目標空燃比などのエンジンの制御にかかるパラメータを調整する制御装置が示されている。特に、この制御装置では、熱モデルに基づく触媒の推定温度と触媒の温度を検出する温度センサの検出温度との偏差に基づいて、熱モデルのモデル係数を修正する。これにより、触媒の劣化を考慮した温度制御が可能となる。
国際公開２００２−７０８７３号公報 特開２００６−１８３６４５号公報

しかしながら、特許文献１の制御装置では、熱モデルに含まれる定数を修正するのみであるため、劣化後の触媒を十分な精度で再現できるものではない。また、熱モデルの修正時期も、触媒がライトオフ温度に達するまでの時期に限られている。このため、特許文献１の制御装置を燃料改質器の温度制御に応用した場合、未反応の炭化水素の排出量が増加したり、燃費が悪化したり、改質触媒の温度が過剰に上昇し劣化したりするおそれがある。

また、特許文献２の制御装置では、線形モデルに含まれる定数のみを修正可能な逐次型最小２乗法により熱モデルを修正する。しかしながら、改質触媒の発熱特性等は非線形な関数で記述される。したがって、特許文献２の制御装置では、劣化後の触媒を十分な精度で再現することができない。このため、特許文献２の制御装置を燃料改質器の温度制御に応用した場合、始動直後に急速暖機制御実行時や触媒の再生制御実行時など、触媒の温度が急激に変化する際において、未反応の炭化水素の排出量が増加したり、燃費が悪化したり、改質触媒の温度が過剰に上昇し劣化したりするおそれがある。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、改質触媒の熱モデルの非線形性を考慮した制御が可能な燃料改質器の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、燃料改質器（１）の改質触媒（１１）の温度を制御する燃料改質器の制御装置（３）において、前記改質触媒の温度を触媒温度として、当該触媒温度を検出する温度検出手段（２１）と、前記改質触媒における改質反応を特徴付ける複数のパラメータのうちの２つを第１パラメータ（Ｔ_ＣＡＴ，Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}）及び第２パラメータ（Ｃ_ＣＡＴ）として、これら第１パラメータ及び第２パラメータを関連付ける相関モデルに基づいて前記触媒温度を推定する温度推定手段（３２）と、前記温度推定手段の推定温度（Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}）に基づいて、前記改質触媒の温度を制御する温度制御手段（３０）と、前記第１パラメータを定義域とする複数の補正重み関数（Ｗ_０，Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３，Ｗ_４）を定義し、これら複数の補正重み関数の各々に乗算される複数の局所修正係数（Ｋ_{ＣＬ ０}，Ｋ_{ＣＬ １}，Ｋ_{ＣＬ ２}，Ｋ_{ＣＬ ３}，Ｋ_{ＣＬ ４}）を、前記温度検出手段の検出温度及び前記温度推定手段の推定温度（Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}）に基づいて算出し、これら複数の補正重み関数及び局所修正係数に基づいて前記相関モデルを修正するモデル修正手段（３４）と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料改質器の制御装置において、前記第１パラメータは、触媒温度（Ｔ_ＣＡＴ，Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}）であり、前記第２パラメータは、前記改質触媒における改質反応の発熱状態を示す触媒反応熱係数（Ｃ_ＣＡＴ）であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料改質器の制御装置において、前記温度検出手段のモデルに基づいて、前記温度推定手段の推定温度（Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}）に応じた前記温度検出手段の出力値を推定する検出値推定手段（３４１）をさらに備え、前記モデル修正手段は、前記温度検出手段の検出温度（Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}）と前記検出値推定手段の推定温度（Ｔ_{ＣＳＮＳ ＨＡＴ}）との偏差（ｅｍ）が収束するように、前記複数の局所修正係数を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料改質器の制御装置において、前記モデル修正手段は、応答指定型制御に基づいて前記複数の局所修正係数を算出することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れかに記載の燃料改質器の制御装置において、前記相関モデルにおいて、前記第１パラメータを定義域とし前記第２パラメータを値域とし、前記第１パラメータのうち前記第２パラメータが変化する領域を変化領域とした場合、前記複数の補正重み関数は、それぞれ、前記変化領域内において変化する関数であり、かつ、当該変化領域内において互いに交差するように設定されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れかに記載の燃料改質器の制御装置において、前記温度検出手段は、前記改質触媒のうち改質反応温度が最も高い部分の触媒温度を検出し、前記温度制御手段は、前記温度推定手段の推定温度が前記改質触媒の所定の失活温度（Ｔ_{ＣＡＴ Ｈ}）より小さくなるように前記改質触媒の温度を制御することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６の何れかに記載の燃料改質器の制御装置において、前記燃料改質器は、内燃機関を備える車両に搭載され、前記改質触媒における改質反応は、発熱反応であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７の何れかに記載の燃料改質器の制御装置において、前記温度制御手段は、所定の切換関数設定パラメータ（Ｖ_ＰＯＬＥ）に基づくスライディングモード制御により、前記改質触媒の温度を制御することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の燃料改質器の制御装置において、前記燃料改質器の運転状態が定常状態にある場合には、前記切換関数設定パラメータは、−１から０の範囲内において０よりも−１に近い値に設定されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、改質反応を特徴付ける第１パラメータ及び第２パラメータに対し、これらパラメータを関連付ける相関モデルに基づいて触媒温度を推定し、この推定温度に基づいて改質触媒の温度を制御する。このように、現実の改質触媒温度に対し遅れの無い推定温度に基づいて改質触媒の温度を制御することにより、オーバーシュートを起こすことなく目標温度に制御することができる。特に、改質触媒は、耐熱限界に近い高温域において使用するため、オーバーシュートを起こした場合には失活するおそれもあるため、温度のオーバーシュートは可能な限り避けることが好ましい。
また、第１パラメータを定義域とする複数の補正重み関数を定義し、この補正重み関数に乗算される複数の局所修正係数を、改質触媒の推定温度に基づいて算出し、これら複数の補正重み関数及び局所修正係数に基づいて相関モデルを修正するモデル修正手段を設けた。
これにより、例えば、改質触媒の劣化により相関モデルが現実の改質触媒の振る舞いからずれたものとなった場合であっても、モデル修正手段により相関モデルを修正することにより、現実の改質触媒の温度に近い温度を推定し、改質触媒を目標温度に高い精度で制御することができる。またここで、上述のような複数の補正重み関数を導入して相関モデルを修正することにより、例えば、改質触媒の劣化が非線形な特性を示す場合であっても、この劣化に合わせて相関モデルを修正することができる。したがって、さらに高い精度で改質触媒の温度を制御できる。

請求項２に記載の発明によれば、第１パラメータを触媒温度とし、第２パラメータを触媒反応熱係数とした。これにより、改質触媒が劣化し、触媒反応熱係数の触媒温度に対する特性が変化した場合であっても、この特性変化を考慮して相関モデルを修正できる。したがって、改質触媒の温度をさらに高い精度で目標温度に制御することができる。

請求項３に記載の発明によれば、温度検出手段のモデルに基づいて、この温度検出手段の出力値を推定し、さらに、この推定温度と温度検出手段の検出温度との偏差が収束するように、局所修正係数を算出する。ところで、これら推定温度と検出温度との偏差は、改質触媒の劣化に起因する。このような偏差が収束するように局所修正係数を算出することにより、改質触媒の劣化に合わせて適切に相関モデルを修正することができる。

請求項４に記載の発明によれば、応答指定型制御に基づいて複数の局所修正係数を算出する。例えば、このような複数の局所修正係数を同時に算出する場合、互いに干渉し、周期的に振動する挙動を示したり、発散したりする場合がある。しかしながら、応答指定型制御に基づいて複数の局所修正係数を算出することにより、このような干渉を引き起こすことなく安定して算出することができる。

請求項５に記載の発明によれば、第２パラメータが変化する領域を変化領域として、複数の補正重み関数を、このような変化領域内において変化するものとし、さらに、この変化領域内で互いに交差するように設定した。すなわち、第２パラメータが変化する領域のみ重点的に修正することで、過剰な演算負荷をかけることなく、相関モデルを精度よく修正することができる。

請求項６に記載の発明によれば、温度検出手段により、改質触媒のうち改質反応温度が最も高い部分の触媒温度を検出し、さらに、改質触媒の推定温度が所定の失活温度より小さくなるように改質触媒の温度を制御する。これにより、改質触媒が失活温度を上回ってしまい、劣化するのを防止することができる。

請求項７に記載の発明によれば、例えば、燃料改質器を内燃機関が設けられたボンネット内に収めることにより、改質触媒の温度をさらに高い精度で制御することができる。つまりボンネット内は、風雨の影響を大きく受けることも無いため温度変化が小さい。このため、改質触媒の温度の推定精度をさらに向上することができる。

請求項８に記載の発明によれば、所定の切換関数設定パラメータに基づくスライディングモード制御により、改質触媒の温度を制御する。これにより、例えば、改質触媒の温度を所定の範囲内に収めるような制御を行い、安定して燃料改質器を運転することができる。

請求項９に記載の発明によれば、燃料改質器の運転状態が定常状態にある場合には、切換関数設定パラメータを、−１から０の範囲内において０よりも−１に近い値に設定する。これにより、特に、昇温時における余分な燃料の消費を抑えることができ、また、改質触媒の温度のオーバーシュートを抑えることもできる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料改質器１とその制御装置としての電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）３の構成を示す模式図である。

燃料改質器１は、改質触媒１１がその内部に設けられた筒状のガス通路１２と、このガス通路１２の一端側から空気及び燃料を供給する空気供給装置１３及び燃料供給装置１４と、を含んで構成される。すなわち、この燃料改質器１は、改質触媒１１の入口側におけるガスの流れと、改質触媒１１の出口側におけるガスの流れとが同一方向となるストレートフロー型である。

空気供給装置１３は、図示しないコンプレッサ、及びバルブ等で構成され、ＥＣＵ３から出力される制御信号（Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}）に応じて、ガス通路１２内に空気を供給する。
燃料供給装置１４は、図示しない燃料タンク、バルブ、及びインジェクタ等で構成され、ＥＣＵ３から出力される制御信号（Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}）に応じて、ガス通路１２内に燃料を供給する。
これら空気供給装置１３及び燃料供給装置１４により供給された空気と燃料は、ガス通路１２内において混合され、燃料ガスとして改質触媒１１に供給される。

改質触媒１１は、空気供給装置１３及び燃料供給装置１４から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む改質ガスを製造する。より具体的には、この改質触媒１１は、燃料ガスを構成する炭化水素燃料と空気との部分酸化反応、すなわち発熱反応により改質ガスを製造する。
本実施形態では、改質触媒１１として、セリア及びロジウムの粉末を、セリアに対するロジウムの質量比が１％となるように秤量し、この粉末を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌・混合することでスラリーを製造し、このスラリーをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製の担体にコーティングした後、これを６００℃で２時間に亘り乾燥・焼成して調製したものを用いる。

また、燃料改質器１には、ガス通路１２内の燃料ガスとともに改質触媒１１を予熱し、改質触媒１１の活性を促進するヒータ１５が設けられる。
この他、燃料改質器１には、改質触媒１１の温度を検出し、検出した温度を検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}としてＥＣＵ３に出力する温度検出手段としての触媒温度センサ２１と、ヒータ１５の温度を検出し、検出した温度を検出温度Ｔ_ＰＲＥとしてＥＣＵ３に出力するヒータ温度センサ（図示せず）とが設けられる。またここで、触媒温度センサ２１は、改質触媒１１のうち温度が最も高い部分の温度を検出するように燃料改質器１に設けることが好ましい。

以上のように構成された燃料改質器１は、例えば、内燃機関を備える図示しない車両に搭載される。この場合、燃料改質器１により製造された改質ガスは、排気を浄化する触媒やフィルタを備える内燃機関の排気系に導入することが好ましい。

ＥＣＵ３は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ３は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム、このプログラムで参照されるマップ及びテーブル、及びプログラムの演算結果等を記憶する記憶回路と、燃料改質器１に制御信号を出力する出力回路とを備える。

図１には、以上のようなＥＣＵ３のうち、燃料改質器１の制御に係る機能ブロックのみを示す。より具体的には、ＥＣＵ３の機能ブロックは、燃料改質器１を制御する触媒温度制御手段としてのコントローラ３０と、改質触媒１１の温度を推定する触媒温度推定手段としての触媒温度推定部３２と、モデル修正手段としてのモデル修正部３４と、各種パラメータを設定するパラメータ設定部３６と、を含んで構成される。

触媒温度推定部３２は、後に詳述する熱差分方程式に基づいて改質触媒１１の温度を推定し、推定した温度を推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}としてコントローラ３０及びモデル修正部３４に出力する。
モデル修正部３４は、検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}と推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}とに基づいて、触媒温度推定部３２の熱差分方程式に含まれる相関モデルを修正する。
コントローラ３０は、触媒温度推定部３２から入力された推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}と、パラメータ設定部３６から入力された改質触媒１１の目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}との偏差が収束するように、後に詳述するスライディングモード制御に基づいて燃料改質器１の空気供給量Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}及び燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を算出し、これら算出した空気供給量Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}及び燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を燃料改質器１に出力することで、改質触媒の温度を制御する。
パラメータ設定部３６は、改質触媒１１の目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}、及び改質触媒１１による水素製造量（燃料改質器の負荷）Ｇ_ＣＹＬを、燃料改質器１の運転状態に応じて設定し、これら目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}、及び水素製造量Ｇ_ＣＹＬをコントローラ３０及び触媒温度推定部３２に出力する。

図２から図５を参照して、コントローラ３０の構成について詳細に説明する。
図２は、コントローラ３０の構成を示すブロック図である。
コントローラ３０は、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}が目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に収束するように制御入力Ｕ_ＳＬを算出するスライディングモードコントローラ３１と、水素製造量Ｇ_ＣＹＬ及び制御入力Ｕ_ＳＬに応じて燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}及び空気供給量Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}を算出する燃料供給量マップ３１１、空気供給量マップ３１２、及び補正量マップ３１５と、を含んで構成される。

ここで、スライディングモード制御について説明する。スライディングモード制御とは、制御量の収束速度を指定できる所謂応答指令型制御を発展させたものであり、制御量の目標値に対する追従速度と、外乱が印加された場合の制御量の収束速度を個別に指定できる制御である。
上述のように燃料改質器の改質触媒は、改質ガスを製造する際には高温で使用されるとともに、その温度範囲も限定されている。例えば、このような温度範囲を超えた場合には失活してしまうため、改質触媒の温度のオーバーシュートは可能な限り避けることが好ましい。また、温度範囲を下回った場合には、改質反応の速度が低下して自律運転に支障をきたす場合がある。そこで、このようなスライディングモード制御を行うことにより、オーバーシュートを起こすことなく、所定の温度範囲内に改質触媒の温度を制御することが可能となる。
また、以下の説明において、記号（ｋ）は、離散化した時間を示す記号であり、所定の制御周期ごとに検出又は算出されたデータであることを示す。すなわち、記号（ｋ）が今回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであるとした場合、記号（ｋ−１）は前回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであることを示す。

スライディングモードコントローラ３１の動作について説明する。
先ず、下記式（４）に示すように、改質触媒の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}（ｋ）と、改質触媒の目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}（ｋ）との偏差を、加算器３０１により算出し、これを温度偏差量ｅ（ｋ）として定義する。

次に、Ｖ_ＰＯＬＥ設定部３０２により推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に応じたＶ_ＰＯＬＥを検索し、この検索されたＶ_ＰＯＬＥと、遅延演算器３０３により算出された前回制御時の温度偏差量ｅ（ｋ−１）との積を算出する。Ｖ_ＰＯＬＥは−１より大きく０より小さい値に設定される切換関数設定パラメータであり、後に図５を参照して詳述するＶ_ＰＯＬＥテーブルに基づいて設定される。

次に、下記式（５）に示すように、温度偏差量ｅ（ｋ）と積Ｖ_ＰＯＬＥ×ｅ（ｋ−１）との和を、加算器３０５により算出し、これを切換関数σ（ｋ）と定義する。

ここで、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥと、温度偏差量ｅ（ｋ）の収束速度との関係について説明する。
図３は、横軸を前回制御時の温度偏差量ｅ（ｋ−１）とし、縦軸を今回制御時の温度偏差量ｅ（ｋ）と定義した位相平面を示す図である。
この位相平面において、σ（ｋ）＝０を満たす温度偏差量ｅ（ｋ）及びｅ（ｋ−１）の組み合わせは、図３に示すように、傾きが−Ｖ_ＰＯＬＥの直線となる。特にこの直線は、切換直線と呼ばれる。また、図３に示すように、−Ｖ_ＰＯＬＥが１より小さく０より大きい値に設定することにより、ｅ（ｋ−１）＞ｅ（ｋ）となるので、温度偏差量ｅ（ｋ）は０に収束することとなる。スライディングモード制御は、この切換直線上における偏差量ｅ（ｋ）の振る舞いに着目した制御となっている。
すなわち、今回制御時の温度偏差量ｅ（ｋ）と前回制御時の温度偏差量ｅ（ｋ−１）との組み合わせが、この切換直線上に載るように制御を行うことで、外乱やモデル化誤差に対してロバストな制御を実現し、改質触媒の温度をその目標値に対しオーバーシュートすることなく収束させることができる。

図４は、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥと、温度偏差量の収束時間との関係を示す図である。より具体的には、横軸は温度偏差量の目標値に対する収束時間を示し、縦軸は切換直線の傾き（−Ｖ_ＰＯＬＥ）を示す。図４に示すように、収束時間は、−Ｖ_ＰＯＬＥが０から１に近づくに従い長くなる。

図５は、上述のＶ_ＰＯＬＥ設定部３０２に格納されたＶ_ＰＯＬＥテーブルの構成を示す図である。より具体的には、横軸は推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を示し、縦軸は切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを示す。また、上限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｈ}及び下限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｌ}は、それぞれ、改質反応を効率よく行うために予め設定された改質触媒の上限温度及び下限温度である。より具体的には、上限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｈ}は、失活温度、すなわち、改質触媒がこの温度を上回ると失活したり劣化したりするおそれのある温度である。また、下限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｌ}は、改質触媒がこの温度を下回ると改質反応の速度が低下するおそれのある温度である。したがって、改質触媒の温度は、この下限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｌ}から上限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｈ}までの範囲内で定常的に運転することが好ましい。そこで、改質触媒の目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}は、通常、これら下限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｌ}と上限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｈ}との間に設定される。

上述のように、Ｖ_ＰＯＬＥは−１より大きく０より小さな値に設定されるとともに、Ｖ_ＰＯＬＥが０に近づくに従い温度偏差量の収束速度は速くなり、Ｖ_ＰＯＬＥが−１に近づくに従い温度偏差量の収束速度は遅くなる。
そこで、本実施形態では、下記式（６−１），（６−２），（６−３）に示すように、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に応じて切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを設定する。

このように切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを設定することで、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}が下限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｌ}と上限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｈ}の間にある場合には、改質触媒の温度を緩やかに目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に収束させ、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}が下限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｌ}と上限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｈ}の間にない場合には、改質触媒の温度を速やかに目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に収束させることができる。結果として、改質触媒の温度は、下限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｌ}と上限温度Ｔ_{ＣＡＴ Ｈ}との間を漂うように制御されることとなる。

図２に戻って、以上のように算出された切換関数σ（ｋ）に基づいて到達則入力Ｕ_ＲＣＨ（ｋ）及び適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（ｋ）を算出し、さらに、下記式（７）に示すように、これら到達則入力Ｕ_ＲＣＨ（ｋ）及び適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（ｋ）の和を加算器３０９により算出し、これを制御入力Ｕ_ＳＬ（ｋ）として定義する。

到達則入力Ｕ_ＲＣＨ（ｋ）は、温度偏差量を切換直線上に載せるための入力であり、下記式（８）に示すように、増幅器３０６により切換関数σ（ｋ）に到達則制御ゲインＫ_ＲＣＨを乗算することで算出される。

適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（ｋ）は、モデル化誤差や外乱の影響を抑制し、温度偏差量を切換直線に載せるための入力であり、下記式（９）に示すように、積分器３０７により切換関数σ（ｋ）の積分を算出し、さらに増幅器３０８によりこの積分値に適応則制御ゲインＫ_ＡＤＰを乗算することで算出される。また、この式（９）において、ΔＴは制御周期である。

なお、これら到達則制御ゲインＫ_ＲＣＨ及び適応則制御ゲインＫ_ＡＤＰは、上述した改質触媒の温度制御の方針の下、温度偏差量が安定して切換直線に載るように、実験に基づいて最適な値に設定される。

燃料供給量マップ３１１及び空気供給量マップ３１２は、それぞれ、所定の供給量決定用の制御マップに基づいて、水素製造量Ｇ_ＣＹＬに応じた燃料供給量及び空気供給量のマップ値Ｇ_{ＦＵＥＬ ＭＡＰ}及びＧ_{ＡＩＲ ＭＡＰ}を算出する。

補正量マップ３１５は、所定の補正量決定用制御マップに基づいて、スライディングモードコントローラ３１の制御入力Ｕ_ＳＬに応じた燃料供給量及び空気供給量の補正量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＦＢ}及びＧ_{ＡＩＲ ＦＢ}を算出する。

ここで、補正量決定用制御マップの設定方針について説明する。
例えば、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}が目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}より低い場合には、改質触媒の温度を上昇させる必要がある。この場合、空気供給量を増やすか、燃料供給量を減らすことで、改質触媒の温度を増加させることができる。ただし、燃料供給量を減らすことで水素製造量が低下するおそれがあるため、空気供給量を増やすことで改質触媒の温度を増加させることが好ましい。
また、例えば、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}が目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}より高い場合には、改質触媒の温度を低下させる必要がある。この場合、空気供給量を減らすか、燃料供給量を増やすことで、改質触媒の温度を低下させることができる。ただし、燃料供給量を増やすことで未燃の燃料の排出量が増加するおそれがあるため、空気供給量を減らすことで改質触媒の温度を低下させることが好ましい。
以上のような方針の下、補正量決定用制御マップは、上述の供給量決定用制御マップと合わせて設定される。

以上のように算出された燃料補正量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＦＢ}及び空気補正量Ｇ_{ＡＩＲ ＦＢ}は、それぞれ、燃料供給量マップ値Ｇ_{ＦＵＥＬ ＭＡＰ}及び空気供給量マップ値Ｇ_{ＡＩＲ ＭＡＰ}に、加算器３１３，３１４により加算されて、これら加算された値を燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}及び空気供給量Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}と定義して、燃料改質器に出力する。

図１に戻って、触媒温度推定部３２は、下記式（１０）に示すような熱差分方程式に基づき、改質触媒１１の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}（ｋ）を算出する。

この式（１０）において、右辺第１項は、移流項であり、改質触媒１１と大気との間の熱の移動による寄与を示す項である。右辺第２項は、伝熱項であり、改質触媒１１とヒータ１５との間の熱の移動による寄与を示す項である。また、右辺第３項は、発熱項であり、改質触媒１１における改質反応により発生する熱の寄与を示す項である。特にこの式（１０）において、発熱項は、改質触媒１１の発熱反応に関わる項であり、改質触媒１１の劣化に伴い変化する。

また、式（１０）における係数やパラメータは、以下のように定義される。
Ｃ_ＣＡＴは触媒反応熱係数を示し、後述の図６に示す相関モデルに基づいて算出される。
Ｋ_Ｃは触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴの修正係数を示し、モデル修正部３４により算出される。
Ｌ_ＣＡＴは改質触媒の積層方向に沿った長さであり、予め設定された値を用いる。
Ｔ_Ａは大気温度であり、図示しない大気温度センサの検出温度を用いる。
Ｇ_{ＣＹＬ ＭＡＸ}は燃料改質器１の最大水素製造量であり、予め設定された値を用いる。
また、Ａ_ＣＡＴ及びＢ_ＣＡＴは、それぞれ、移流項及び伝熱項のパラメータであり、実験に基づいて最適な値に設定される。本実施形態では、これらパラメータＡ_ＣＡＴ及びＢ_ＣＡＴを、劣化する前の改質触媒１１に基づいて設定するが、これに限るものではない。例えば、所定時間使用し劣化したものに基づいて、これらパラメータや定数を設定してもよい。

図６は、第１パラメータとしての改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴと、第２パラメータとしての触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴとの相関モデルの構成を示す図である。
触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴは、改質触媒における改質反応の発熱状態を示す係数であり、触媒温度Ｔ_ＣＡＴの非線形関数として表わされる。
また、この触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴと触媒温度Ｔ_ＣＡＴの相関は、改質触媒の劣化とともに変化する。より具体的には、実線６ａは、劣化する前の改質触媒における触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴと触媒温度Ｔ_ＣＡＴの相関を示し、破線６ｂは、劣化した後の改質触媒における触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴと触媒温度Ｔ_ＣＡＴの相関を示す。このように、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴの劣化に伴う特性の変化も、定率的なものではなく非線形なものとなっている。

図６に示すように、触媒温度Ｔ_ＣＡＴが所定の第１温度Ｔ_Ｌに達するまでは、改質触媒が活性化されておらず改質反応が起こらないため、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴは０に近い値となる。
触媒温度Ｔ_ＣＡＴが第１温度Ｔ_Ｌを超えてから所定の第２温度Ｔ_Ｈに達するまでは、触媒温度Ｔ_ＣＡＴの上昇とともに触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴも増加する。ここで、劣化前の改質触媒では、劣化後の改質触媒と比較して、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴは触媒温度Ｔ_ＣＡＴの上昇とともに速やかに増加する。
また、触媒温度Ｔ_ＣＡＴが第２温度Ｔ_Ｈを超えると、触媒温度Ｔ_ＣＡＴにかかわらず、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴは所定の上限値で略一定となる。

触媒温度推定部３２は、このような改質触媒の相関モデルに基づいて、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に応じた触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴを算出する。また、上述の説明では、第１パラメータを改質触媒１１の触媒温度Ｔ_ＣＡＴとしたが、実際の制御では、触媒温度Ｔ_ＣＡＴを推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に置き換えた上で、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴを算出する。
また、本実施形態では、実線６ａに示す劣化する前の改質触媒の相関モデルに基づいて、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴを算出する。この場合、破線６ｂに示すような劣化後の改質触媒の相関モデルは、後述のモデル修正部３４により算出される修正係数Ｋ_Ｃを触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴに乗算することで再現される。

図１に戻って、触媒温度推定部３２は、上述のような相関モデルに基づいて推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に応じた触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴを算出し、さらに、（１０）式に示す熱差分方程式により、改質触媒１１の温度を推定する。すなわち、上述の式（１０）を変形して導出される下記式（１１）により、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を算出する。

モデル修正部３４は、触媒温度センサ２１の出力値を推定する検出値推定手段としての温度センサモデル３４１と、後述の修正アルゴリズムに基づいて触媒温度推定部３２の相関モデルの修正係数Ｋ_Ｃを算出する修正係数算出部３４２とを含んで構成される。

温度センサモデル３４１は、触媒温度センサ２１の出力を再現するセンサモデルに基づいて、触媒温度推定部３２から出力された推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に応じて、触媒温度センサ２１の検出温度を推定する。より具体的には、温度センサモデル３４１は、触媒温度センサ２１の応答遅れを考慮した、下記式（１２）に示すセンサモデルに基づいて、出力推定温度Ｔ_{ＣＳＮＳ ＨＡＴ}を算出する。

この式（１２）において、Ｋ_Ｓはセンサ遅れ係数を示し、−１＜Ｋ_Ｓ＜０において、実験やシステム同定により最適な値に設定される。

修正係数算出部３４２は、触媒温度センサ２１から出力された検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}と、温度センサモデル３４１から出力された出力推定温度Ｔ_{ＣＳＮＳ ＨＡＴ}との偏差が収束するように、修正係数Ｋ_Ｃを算出する。つまり、この修正係数算出部３４２は、検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}と出力推定温度Ｔ_{ＣＳＮＳ ＨＡＴ}との偏差は、主に改質触媒の劣化に起因するものであるとすることにより、修正係数Ｋ_Ｃを算出する。

上述のように、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴは、触媒温度Ｔ_ＣＡＴに対して非線形な特性を示すとともに、劣化の進行に対しても非線形な特性を示す。したがって、修正係数Ｋ_Ｃを算出する際に、従来より知られている逐次型最小二乗法や、固定ゲイン法等といった制御アルゴリズムを適用した場合、モデル内の定数しか同定できないため、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴの非線形な特性を再現することは困難である。また、非線形性を再現する手法として、テーブルやマップの特性を学習するニューラルネットワーク制御が従来より知られているが、この手法は安定性に欠けるため、燃料改質器の温度制御に応用するのは困難である。

そこで、本実施形態では、複数の補正重み関数Ｗ_ｉ（ｉ＝０，１，２，３，４）を定義し、制御対象となる修正係数Ｋ_Ｃを、下記式（１３）に示すように、これら補正重み関数Ｗ_ｉを乗算して重み付けされた局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ｉ}（ｉ＝０，１，２，３，４）の和として分解する。

図７は、補正重み関数Ｗ_０〜Ｗ_４の構成を示す図である。
図７に示すように、補正重み関数Ｗ_ｉは、それぞれ、改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴ（推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}）を定義域とし、０から１を値域とした関数である。
また、これら補正重み関数Ｗ_ｉは、それぞれ、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴが変化する温度の領域、すなわち第１温度Ｔ_Ｌから第２温度Ｔ_Ｈまでを変化領域として、この変化領域の間において、その値が変化するとともに、この変化領域内において互いに交差するように設定されている。より具体的には、この変化領域内に温度Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３を略等間隔に設定し、これにより変化領域を４つの領域に分けた上で、各補正重み関数Ｗ_ｉは以下のように設定される。
補正重み関数Ｗ_０は、温度が０からＴ_Ｌまで１であり、Ｔ_ＬからＴ_１にかけて１から０まで減少し、Ｔ_１以上は０である。
補正重み関数Ｗ_１は、温度が０からＴ_Ｌまで０であり、Ｔ_ＬからＴ_１にかけて０から１まで上昇し、Ｔ_１からＴ_２にかけて１から０まで減少し、Ｔ_２以上は０である。
補正重み関数Ｗ_２は、温度が０からＴ_１まで０であり、Ｔ_１からＴ_２にかけて０から１まで上昇し、Ｔ_２からＴ_３にかけて１から０まで減少し、Ｔ_３以上は０である。
補正重み関数Ｗ_３は、温度が０からＴ_２まで０であり、Ｔ_２からＴ_３にかけて０から１まで上昇し、Ｔ_３からＴ_Ｈにかけて１から０まで減少し、Ｔ_Ｈ以上は０である。
補正重み関数Ｗ_４は、温度が０からＴ_３まで０であり、Ｔ_３からＴ_Ｈにかけて０から１まで上昇し、Ｔ_Ｈ以上は１である。
またここで、各関数Ｗ_ｉの和は、全ての温度において１となる。

次に、以上のような補正重み関数Ｗ_ｉを用いた修正係数算出部３４２の動作について説明する。
図８は、修正係数算出部３４２の構成を示すブロック図である。
先ず、下記式（１４）に示すように、触媒温度センサから出力された検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}と、温度センサモデルから出力された出力推定温度Ｔ_{ＣＳＮＳ ＨＡＴ}との偏差を、加算器３４３により算出し、これをセンサ温度偏差量ｅｍ（ｋ）として定義する。

次に、補正重み関数マップ３４４ａ，３４４ｂ，３４４ｃ，３４４ｄ，３４４ｅに基づいて、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に応じた補正重み関数Ｗ_０，Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３，Ｗ_４を算出する。
次に、下記式（１５）に示すように、各補正重み関数Ｗ_０〜Ｗ_４とセンサ温度偏差量ｅｍ（ｋ）との積を乗算器３４５ａ，３４５ｂ，３４５ｃ，３４５ｄ，３４５ｅにより算出し、これを重み付き誤差ｅｗ_０，ｅｗ_１，ｅｗ_２，ｅｗ_３，ｅｗ_４として定義する。

次に、コントローラ３４６ａ，３４６ｂ，３４６ｃ，３４６ｄ，３４６ｅにより、局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ０}，Ｋ_{ＣＬ １}，Ｋ_{ＣＬ ２}，Ｋ_{ＣＬ ３}，Ｋ_{ＣＬ ４}を算出する。このコントローラ３４６ａ〜３４６ｅは、応答指定型制御、より具体的には、所定の切換関数設定パラメータに基づくスライディングモード制御により、下記式（１５）〜（１９）に示すように局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ０}〜Ｋ_{ＣＬ ４}を算出する。

また、式（１５）〜（１９）における係数やパラメータは、以下のように定義される。
Ｋ_{ＣＬ ＮＬｉ}は、重み付き誤差ｅｗ_ｉを、切換直線上に拘束するための入力である。
Ｋ_{ＣＬ ＲＣＨｉ}は、重み付き誤差ｅｗ_ｉを、切換直線上に載せるための入力である。
Ｋ_{ＣＬ ＡＤＰｉ}は、モデル化誤差や外乱の影響を抑制し、重み付き誤差ｅｗ_ｉを、切換直線上に拘束するための入力である。
Ｋ_{ＮＬ Ｌ}は等価入力制御ゲインであり、Ｋ_{ＲＣＨ Ｌ}は到達則制御ゲインであり、Ｋ_{ＡＤＰ Ｌ}は適応則制御ゲインであり、それぞれ、重み付き誤差ｅｗ_ｉが安定して切換直線に載るように、実験に基づいて最適な値に設定される。
σ_Ｌｉは、重み付き誤差ｅｗ_ｉに対する切換関数である。
Ｓｌは、切換関数設定パラメータであり、−１より大きく０より小さな値に設定される。

次に、上記式（１３）に示すように、乗算器３４７ａ，３４７ｂ，３４７ｃ，３４７ｄ，３４７ｅ及び加算器３４８により、局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ０}〜Ｋ_{ＣＬ ４}と局所修正係数Ｗ_０〜Ｗ_４との積を算出するとともに、これら積を足し合わせて、修正係数Ｋ_Ｃを算出する。

図９及び図１０を参照して、燃料改質器の制御の手順について説明する。
図９は、ＥＣＵによる燃料改質器のメイン制御の手順を示すフローチャートである。なお、このフローチャートには、燃料改質器の温度制御に係る手順のみを示し、燃料改質器の暖機制御や終了制御などの手順は省略する。また、各ステップは、例えば５ｍｓｅｃの制御周期で実行される。
燃料改質器のメイン制御では、先ずステップＳ１において、後に図１０を参照して詳述する触媒温度推定処理を実行し、ステップＳ２に移る。
ステップＳ２では、空気供給制御を実行する。このステップでは、上記式（４）〜（９）に基づいて空気供給量Ｇ_{ＡＩＲ ＣＭＤ}を算出し、燃料改質器の空気供給装置に出力する。
ステップＳ３では、燃料供給制御を実行する。このステップでは、上記式（４）〜（９）に基づいて燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}を算出し、燃料改質器の燃料供給装置に出力する。

図１０は、触媒温度推定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１１では、モデル修正処理を実行する。このステップでは、上記式（１３）〜（１９）に基づいて、改質触媒の触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴの修正係数Ｋ_Ｃを算出する。
ステップＳ１２では、温度推定処理を実行する。このステップでは、上記式（１１）に基づいて、改質触媒の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を算出する。
ステップＳ１３では、検出温度推定処理を実行する。このステップでは、上記式（１２）に基づいて、触媒温度センサの出力推定温度Ｔ_{ＣＳＮＳ ＨＡＴ}を算出する。

図１１から図１４を参照して、燃料改質器の制御例について説明する。
図１１及び図１２は、それぞれ、比較例及び本実施形態の改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴと切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥの時間変化を示すタイムチャートである。
ここで、本実施形態の比較例とは、コントローラ３０の入力として、触媒温度推定部３２の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}の代わりに、触媒温度センサ２１の検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}を用いたものを示す（図１参照）。

図１１を参照して比較例のタイムチャートについて説明する。
開始時刻から時刻ｔ_５までの間は、検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}は下限温度Ｔ_Ｌより小さいため、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを０付近の値に設定することで、改質触媒の温度を目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に速やかに近づける制御を行う。
時刻ｔ_５において、検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}が下限温度Ｔ_Ｌを上回ったことに応じて、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを−１付近の値に設定することで、改質触媒の温度を緩やかにＴ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に近づける制御を行う。
その後、改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴが目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}を上回ると、改質触媒における改質反応が活発になり、水素製造量が増加するとともに、触媒の温度も急激に上昇する。
時刻ｔ_６において検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}が上限温度Ｔ_Ｈを上回ったことに応じて、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを０付近の値に設定することで、再び改質触媒の温度を速やかに目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に近づける制御を行う。
しかしながら、図１１に示すように、温度センサの検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}は、実際の触媒温度Ｔ_ＣＡＴと比較して遅れがある。このため、以上のようなスライディングモード制御を行った場合であっても、実際の触媒温度Ｔ_ＣＡＴは、上限温度Ｔ_Ｈを大きくオーバーシュートしてしまい、改質触媒が劣化するおそれがある。

図１２を参照して本実施形態のタイムチャートについて説明する。
開始時刻から時刻ｔ_７までの間は、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}は下限温度Ｔ_Ｌより小さいため、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを０付近の値に設定することで、改質触媒の温度を目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に速やかに近づける制御を行う。
時刻ｔ_７において、推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}が下限温度Ｔ_Ｌを上回ったことに応じて、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを−１付近の値に設定することで、改質触媒の温度を緩やかにＴ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に近づける制御を行う。
その後、改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴが目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}を上回ると、改質触媒における改質反応が活発になり、水素製造量が増加するとともに、触媒の温度も急激に上昇する。
時刻ｔ_８において推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}が上限温度Ｔ_Ｈを上回ったことに応じて、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを０付近の値に設定することで、再び改質触媒の温度を速やかに目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に近づける制御を行う。
これにより、図１１に示すように、実際の触媒温度Ｔ_ＣＡＴは、上限温度Ｔ_Ｈをオーバーシュートすることなく、再び目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に向けて収束し始める。
すなわち、本実施形態では、実際の触媒温度Ｔ_ＣＡＴに対して遅れの無い推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に基づいて、燃料改質器を制御することにより、改質触媒の温度を下限温度Ｔ_Ｌと上限温度Ｔ_Ｈとの間に制御できる。

図１３及び図１４は、それぞれ、改質触媒の劣化前及び劣化後の改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴと、燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}と、修正係数Ｋ_Ｃの時間変化を示すタイムチャートである。
図１３に示すように、改質触媒が劣化する前の状態では、相関モデルを修正することなく、すなわち、修正係数Ｋ_Ｃを１から変化させることなく、実際の触媒温度Ｔ_ＣＡＴに近い推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を算出できる。これにより、最適な燃料開始時刻ｔ_９で燃料の供給を開始できる。
また、図１４に示すように、改質触媒が劣化した後であっても、修正係数Ｋ_Ｃを１から変化させて、相関モデルを修正することで、実際の触媒温度Ｔ_ＣＡＴに近い推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を算出できる。これにより、最適な燃料開始時刻ｔ_１０で燃料の供給を開始できる。

以上、本実施形態によれば、改質反応を特徴付ける改質触媒１１の温度及び触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴに対し、これらパラメータを関連付ける相関モデルに基づいて触媒温度を推定し、この推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に基づいて改質触媒１１の温度を制御する。このように、現実の改質触媒温度Ｔ_ＣＡＴに対し遅れの無い推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に基づいて改質触媒１１の温度を制御することにより、オーバーシュートを起こすことなく目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に制御することができる。特に、改質触媒１１は、耐熱限界に近い高温域において使用するため、オーバーシュートを起こした場合には失活するおそれもあるため、温度のオーバーシュートは可能な限り避けることが好ましい。
また、改質触媒の温度を定義域とする複数の補正重み関数Ｗ_ｉを定義し、この補正重み関数に乗算される複数の局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ｉ}を、改質触媒の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}に基づいて算出し、これら複数の補正重み関数Ｗ_ｉ及び局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ｉ}に基づいて相関モデルを修正するモデル修正部３４を設けた。
これにより、例えば、改質触媒１１の劣化により相関モデルが現実の改質触媒１１の振る舞いからずれたものとなった場合であっても、モデル修正部３４により相関モデルを修正することにより、現実の改質触媒１１の温度Ｔ_ＣＡＴに近い温度を推定し、改質触媒１１を目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に高い精度で制御することができる。またここで、上述のような複数の補正重み関数Ｗ_ｉを導入して相関モデルを修正することにより、例えば、改質触媒１１の劣化が非線形な特性を示す場合であっても、この劣化に合わせて相関モデルを修正することができる。したがって、さらに高い精度で改質触媒の温度を制御できる。

また本実施形態によれば、第１パラメータを触媒温度Ｔ_ＣＡＴとし、第２パラメータを触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴとした。これにより、改質触媒１１が劣化し、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴの触媒温度Ｔ_ＣＡＴに対する特性が変化した場合であっても、この特性変化を考慮して相関モデルを修正できる。したがって、改質触媒１１の温度をさらに高い精度で目標温度Ｔ_{ＣＡＴ ＴＡＲＧＥＴ}に制御することができる。

また本実施形態によれば、触媒温度センサ２１のモデルに基づいて、この触媒温度センサ２１の出力値を推定し、さらに、この推定温度Ｔ_{ＣＳＮＳ ＨＡＴ}と触媒温度センサ２１の検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}との偏差ｅｍが収束するように、局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ｉ}を算出する。ところで、これら推定温度Ｔ_{ＣＳＮＳ ＨＡＴ}と検出温度Ｔ_{ＣＡＴ ＳＮＳ}との偏差ｅｍは、改質触媒の劣化に起因する。このような偏差ｅｍが収束するように局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ｉ}を算出することにより、改質触媒の劣化に合わせて適切に相関モデルを修正することができる。

また本実施形態によれば、応答指定型制御に基づいて複数の局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ｉ}を算出する。例えば、このような複数の局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ｉ}を同時に算出する場合、互いに干渉し、周期的に振動する挙動を示したり、発散したりする場合がある。しかしながら、応答指定型制御に基づいて複数の局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ｉ}を算出することにより、このような干渉を引き起こすことなく安定して算出することができる。

また本実施形態によれば、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴが変化する領域を変化領域として、複数の補正重み関数Ｗ_ｉを、このような変化領域内において変化するものとし、さらに、この変化領域内で互いに交差するように設定した。すなわち、触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴが変化する領域のみ重点的に修正することで、過剰な演算負荷をかけることなく、相関モデルを精度よく修正することができる。

また本実施形態によれば、触媒温度センサ２１により、改質触媒１１のうち改質反応温度が最も高い部分の触媒温度を検出し、さらに、改質触媒１１の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}が所定の失活温度Ｔ_Ｈより小さくなるように改質触媒１１の温度を制御する。これにより、改質触媒１１が失活温度Ｔ_Ｈを上回ってしまい、劣化するのを防止することができる。

また本実施形態によれば、例えば、燃料改質器１を内燃機関が設けられたボンネット内に収めることにより、改質触媒１１の温度をさらに高い精度で制御することができる。つまりボンネット内は、風雨の影響を大きく受けることも無いため温度変化が小さい。このため、改質触媒１１の温度の推定精度をさらに向上することができる。

また本実施形態によれば、所定の切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥに基づくスライディングモード制御により、改質触媒１１の温度を制御する。これにより、例えば、改質触媒１１の温度を所定の範囲内に収めるような制御を行い、安定して燃料改質器１を運転することができる。

また本実施形態によれば、燃料改質器１の運転状態が定常状態にある場合には、切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥを、−１から０の範囲内において０よりも−１に近い値に設定する。これにより、特に、昇温時における余分な燃料の消費を抑えることができ、また、改質触媒の温度のオーバーシュートを抑えることもできる。

本実施形態では、ＥＣＵ３が、温度推定手段、温度制御手段、モデル修正手段、及び検出値推定手段を構成する。具体的には、図１の触媒温度推定部３２が温度推定手段に相当し、コントローラ３０が温度制御手段に相当し、モデル修正部３４がモデル修正手段に相当し、温度センサモデル３４１が検出値推定手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上述した実施形態では、ヒータ１５の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの検出温度Ｔ_ＰＲＥを用いて、改質触媒の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を算出したが、これに限らない。例えば、ヒータの温度センサの検出温度Ｔ_ＰＲＥに代わり、マップにより推定した温度Ｔ_{ＰＲＥ ＨＡＴ}を用いて、改質触媒の推定温度Ｔ_{ＣＡＴ ＨＡＴ}を算出してもよい。

また、上述した実施形態では、第１パラメータを改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴとし、第２パラメータを触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴとして相関モデルを定義したが、これに限らない。例えば、第２パラメータとして改質触媒の水素製造量や、改質触媒の入口温度等の、改質触媒における発熱反応に係る量を用いて相関モデルを定義してもよい。

また、上述した実施形態では、コントローラ３４６ａ〜３４６ｅにおいて、スライディングモード制御に基づいて局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ０}〜Ｋ_{ＣＬ ４}を算出したが、これに限らない。例えば、ＰＩＤ制御、最適化制御、バックステッピング制御、Ｈ^∞制御等の従来より知られている手法に基づいて局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ０}〜Ｋ_{ＣＬ ４}を算出してもよい。中でも、重み付き誤差ｅｗ_ｉを指数関数的に収束させることで、各局所修正係数Ｋ_{ＣＬ ０}〜Ｋ_{ＣＬ ４}の干渉を防止できるスライディングモード制御やバックステッピング制御が好ましい。

本発明の一実施形態に係る燃料改質器とその制御装置の構成を示す模式図である。 前記実施形態に係るコントローラの構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る温度偏差量ｅ（ｋ−１）とｅ（ｋ）との位相平面を示す図である。 前記実施形態に係る切換関数設定パラメータＶ_ＰＯＬＥと、温度偏差量の収束時間との関係を示す図である。 前記実施形態に係るＶ_ＰＯＬＥ設定部に格納されたＶ_ＰＯＬＥテーブルの構成を示す図である。 前記実施形態に係る触媒反応熱係数Ｃ_ＣＡＴと触媒温度Ｔ_ＣＡＴとの相関モデルの構成を示す図である。 前記実施形態に係る補正重み関数Ｗ_０〜Ｗ_４の構成を示す図である。 前記実施形態に係る修正係数算出部の構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係るＥＣＵによる燃料改質器のメイン制御の手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る触媒温度推定処理の手順を示すフローチャートである。 前記実施形態の比較例に係る改質触媒の温度と切換関数設定パラメータの時間変化を示すタイムチャートである。 前記実施形態に係る改質触媒の温度と切換関数設定パラメータの時間変化を示すタイムチャートである。 前記実施形態に係る改質触媒の劣化前の改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴと、燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}と、修正係数Ｋ_Ｃの時間変化を示すタイムチャートである。 前記実施形態に係る改質触媒の劣化後の改質触媒の温度Ｔ_ＣＡＴと、燃料供給量Ｇ_{ＦＵＥＬ ＣＭＤ}と、修正係数Ｋ_Ｃの時間変化を示すタイムチャートである。 第１の技術としての燃料改質器の制御装置の構成を示す模式図である。 第１の技術による燃料改質器の制御例を示すタイムチャートである。 第２の技術としての燃料改質器の制御装置の構成を示す模式図である。 第２の技術による燃料改質器の制御例（触媒劣化前）を示すタイムチャートである。 第２の技術による燃料改質器の制御例（触媒劣化後）を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…燃料改質器
１１…改質触媒
２１…触媒温度センサ（温度検出手段）
３…ＥＣＵ（制御装置）
３０…コントローラ（触媒温度制御手段）
３２…触媒温度推定部（触媒温度推定手段）
３４…モデル修正部（モデル修正手段）
３４１…温度センサモデル（検出値推定手段）
３４２…修正係数算出部
３６…パラメータ設定部

Claims (9)

1. 燃料改質器の改質触媒の温度を制御する燃料改質器の制御装置において、
   前記改質触媒の温度を触媒温度として、当該触媒温度を検出する温度検出手段と、
   前記改質触媒における改質反応を特徴付ける複数のパラメータのうちの２つを第１パラメータ及び第２パラメータとして、これら第１パラメータ及び第２パラメータを関連付ける相関モデルに基づいて前記触媒温度を推定する温度推定手段と、
   前記温度推定手段の推定温度に基づいて、前記改質触媒の温度を制御する温度制御手段と、
   前記第１パラメータを定義域とする複数の補正重み関数を定義し、これら複数の補正重み関数の各々に乗算される複数の局所修正係数を、前記温度検出手段の検出温度及び前記温度推定手段の推定温度に基づいて算出し、これら複数の補正重み関数及び局所修正係数に基づいて前記相関モデルを修正するモデル修正手段と、を備えることを特徴とする燃料改質器の制御装置。
2. 前記第１パラメータは、触媒温度であり、
   前記第２パラメータは、前記改質触媒における改質反応の発熱状態を示す触媒反応熱係数であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質器の制御装置。
3. 前記温度検出手段のモデルに基づいて、前記温度推定手段の推定温度に応じた前記温度検出手段の出力値を推定する検出値推定手段をさらに備え、
   前記モデル修正手段は、前記温度検出手段の検出温度と前記検出値推定手段の推定温度との偏差が収束するように、前記複数の局所修正係数を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質器の制御装置。
4. 前記モデル修正手段は、応答指定型制御に基づいて前記複数の局所修正係数を算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料改質器の制御装置。
5. 前記相関モデルにおいて、前記第１パラメータを定義域とし前記第２パラメータを値域とし、前記第１パラメータのうち前記第２パラメータが変化する領域を変化領域とした場合、
   前記複数の補正重み関数は、それぞれ、前記変化領域内において変化する関数であり、かつ、当該変化領域内において互いに交差するように設定されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料改質器の制御装置。
6. 前記温度検出手段は、前記改質触媒のうち改質反応温度が最も高い部分の触媒温度を検出し、
   前記温度制御手段は、前記温度推定手段の推定温度が前記改質触媒の所定の失活温度より小さくなるように前記改質触媒の温度を制御することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の燃料改質器の制御装置。
7. 前記燃料改質器は、内燃機関を備える車両に搭載され、
   前記改質触媒における改質反応は、発熱反応であることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の燃料改質器の制御装置。
8. 前記温度制御手段は、所定の切換関数設定パラメータに基づくスライディングモード制御により、前記改質触媒の温度を制御することを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の燃料改質器の制御装置。
9. 前記燃料改質器の運転状態が定常状態にある場合には、前記切換関数設定パラメータは、−１から０の範囲内において０よりも−１に近い値に設定されることを特徴とする請求項８に記載の燃料改質器の制御装置。

Images