WO2009101736A1 - 燃料改質器の制御装置 - Google Patents

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WO2009101736A1
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catalyst
reforming catalyst
cat
fuel reformer
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PCT/JP2008/070698
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Jun Iwamoto
Hitoshi Mikami
Go Motohashi
Yuji Yasui
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Honda Motor Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a control device for a fuel reformer, and more particularly to a control device for a fuel reformer that can be controlled in consideration of deterioration of a reforming catalyst.
  • Hydrogen energy is clean energy that is attracting attention as a future alternative to oil, and has recently been used as an energy source for fuel cells and internal combustion engines.
  • Research on internal combustion engines using hydrogen includes, for example, a hydrogen engine, a hydrogen addition engine, a reducing agent for a NOx purification device, and an auxiliary power source using a fuel cell. Under such circumstances, many studies have been made on hydrogen production.
  • a partial oxidation reaction of hydrocarbon fuel (hereinafter simply referred to as “fuel”) as shown in the following formula (1) is known.
  • fuel hydrocarbon fuel
  • This partial oxidation reaction is an exothermic reaction using hydrocarbon and oxygen, and the reaction proceeds spontaneously. Therefore, once the reaction starts, it is possible to continue producing hydrogen without supplying heat from the outside.
  • a steam reforming reaction as shown in the following formula (2) is also known.
  • This steam reforming reaction is an endothermic reaction using hydrocarbons and steam, and is not a reaction that proceeds spontaneously. For this reason, the steam reforming reaction is easy to control with respect to the partial oxidation reaction.
  • a combustion reaction as shown in the following formula (3) also proceeds in the catalyst.
  • the optimum reaction temperature is limited to a relatively high temperature range. More specifically, when the fuel is reformed by a partial oxidation reaction with a reforming catalyst supporting rhodium and platinum, the optimum reaction temperature is limited to a range of about 800 ° C to about 1000 ° C.
  • the reaction is carried out at a temperature lower than the optimum reaction temperature, the catalytic activity is low, so that the supplied fuel is discharged unreacted or adhered to the reforming catalyst as an organic solvent soluble (SOF) component. Thus, the activity is further reduced by carbonization.
  • SOF organic solvent soluble
  • the catalyst is sintered and the activity is lowered, or the solid phase reaction occurs due to the reaction heat, and the constituent phase of the catalyst is changed and deactivated. To do.
  • diesel oil contains hydrocarbons with a large number of carbon atoms and is difficult to decompose compared to gasoline, and the composition ratio of hydrocarbon molecules covers a wide range, making it difficult to react uniformly. Tends to precipitate. For this reason, light oil needs to be reacted at a higher temperature than gasoline. Therefore, it is conceivable to suppress the precipitation of carbonaceous matter in the reforming reaction by supplying an excessive amount of oxidizer such as steam or oxygen to the fuel reformer. However, if water vapor is supplied excessively, the thermal efficiency is lowered, so that a large amount of external energy is required to produce hydrogen. In addition, if oxygen is supplied in excess, the yield of hydrogen may be reduced due to overcombustion, the activity of the catalyst may be reduced due to excessive temperature rise, and in some cases, the catalyst may be deactivated.
  • oxidizer such as steam or oxygen
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing the configuration of the control device 103 of the fuel reformer 101 as the first technique.
  • the control device 103 modifies the temperature sensor 121 based on the temperature sensor 121 that detects the temperature of the reforming catalyst 111 of the fuel reformer 101 and the detected temperature T CAT SNS of the temperature sensor 121.
  • the fuel reformer 101 supplies air and fuel according to the command values G AIR CMD and G FUEL CMD from the controller 130 to the reforming catalyst 111 to produce reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide.
  • the temperature of the reforming catalyst 111 can also be controlled by adjusting the air supply amount G AIR CMD and the fuel supply amount G FUEL CMD .
  • FIG. 16 is a time chart showing a control example of the fuel reformer according to the first technique.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents temperature and fuel supply amount G FUEL CMD .
  • the solid line 16a shows the change over time of the actual temperature T CAT of the reforming catalyst
  • the alternate long and short dash line 16b shows the detected temperature T CAT SNS of the temperature sensor
  • the judgment temperature is the optimum reforming for starting fuel injection. Indicates the temperature of the catalyst.
  • the detected temperature T CAT SNS of the temperature sensor is delayed with respect to the actual temperature T CAT . Therefore, the actual fuel injection start time t 2, the optimum fuel injection start time t 1, i.e.
  • the actual catalyst temperature T CAT is delayed with respect to time t 1, which exceeds the determination temperature.
  • time t 1 which exceeds the determination temperature.
  • the time required for activation of the reforming catalyst may increase, or the amount of unreacted hydrocarbons discharged may increase.
  • the detection part of a temperature sensor is exposed to high temperature water vapor
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing the configuration of the control device 203 of the fuel reformer 201 as the second technique.
  • the temperature of the reforming catalyst 211 is estimated based on the thermal model of the catalyst, and the temperature of the fuel reformer 201 is controlled based on the estimated temperature.
  • the control device 203 receives, as an input, the temperature T PRE of the heater 215 that heats the reforming catalyst 211 of the fuel reformer 201, and the estimated temperature of the reforming catalyst 211 based on a predetermined catalyst thermal model.
  • a catalyst temperature estimation unit 232 that calculates T CAT HAT, and an optimal air supply amount G AIR CMD and fuel supply amount that are supplied to the reforming catalyst 211 based on the estimated temperature T CAT HAT of the catalyst temperature estimation unit 232
  • a controller 230 that calculates G FUEL CMD and outputs the command values G AIR CMD and G FUEL CMD to the fuel reformer 201.
  • FIGS. 18 and 19 are time charts showing examples of control of the fuel reformer according to the second technique, respectively. More specifically, FIG. 18 shows a control example in a state before the reforming catalyst deteriorates, and FIG. 19 shows a control example in a state after the reforming catalyst deteriorates.
  • solid lines 18a and 19a indicate temporal changes in the actual temperature T CAT of the reforming catalyst, and alternate long and short dash lines 18b and 19b indicate the estimated temperature T CAT HAT for estimating the catalyst temperature.
  • the estimated temperature T CAT HAT of the catalyst temperature estimation unit matches the actual temperature T CAT of the reforming catalyst. This allows starting the injection of fuel at the optimum fuel injection time t 3.
  • the estimated temperature T CAT HAT of the catalyst temperature estimating unit is shifted from the actual temperature T CAT of the reforming catalyst. That is, when the reforming catalyst deteriorates, the rate of temperature increase becomes slow. Therefore, the temperature T CAT HAT estimated based on the catalyst thermal model before deterioration deteriorates with respect to the actual temperature T CAT of the reforming catalyst. .
  • the actual fuel injection start time t 4 the optimum fuel injection start time t 5, i.e. the actual temperature T CAT will proceed with respect to time t 5 that exceeds the determination temperature.
  • the time required for activation of the reforming catalyst may increase, or the amount of unreacted hydrocarbons discharged may increase.
  • Patent Document 1 estimates the temperature of a catalyst based on a thermal model as in the first technique described above, and compares this estimated temperature with the detected temperature of a temperature sensor that detects the temperature of the catalyst.
  • a control device for detecting the deterioration of the catalyst is shown. Further, in the control device of Patent Document 1, when the detected temperature of the temperature sensor is equal to or lower than the light-off temperature of the catalyst, the estimated temperature of the catalyst based on the thermal model is corrected according to the detected temperature of the temperature sensor. Thereby, temperature control in consideration of catalyst deterioration becomes possible.
  • Patent Document 2 discloses a control device that estimates the temperature of a catalyst based on a thermal model and adjusts parameters related to engine control such as ignition timing and target air-fuel ratio based on the estimated temperature. Yes.
  • the model coefficient of the thermal model is corrected based on the deviation between the estimated temperature of the catalyst based on the thermal model and the detected temperature of the temperature sensor that detects the temperature of the catalyst. Thereby, temperature control in consideration of catalyst deterioration becomes possible.
  • control device of Patent Document 1 since the control device of Patent Document 1 only corrects constants included in the thermal model, the catalyst after deterioration cannot be reproduced with sufficient accuracy. Also, the correction time of the thermal model is limited to the time until the catalyst reaches the light-off temperature. For this reason, when the control device of Patent Document 1 is applied to temperature control of a fuel reformer, the amount of unreacted hydrocarbons increases, fuel consumption deteriorates, and the temperature of the reforming catalyst rises excessively. There is a risk of deterioration.
  • the thermal model is corrected by a sequential least square method that can correct only the constants included in the linear model.
  • the heat generation characteristics and the like of the reforming catalyst are described by a nonlinear function. Therefore, the control device of Patent Document 2 cannot reproduce the deteriorated catalyst with sufficient accuracy. For this reason, when the control device of Patent Document 2 is applied to the temperature control of the fuel reformer, when the temperature of the catalyst changes abruptly, such as when performing rapid warm-up control or performing catalyst regeneration control immediately after startup. There is a possibility that the amount of unreacted hydrocarbons increases, the fuel consumption deteriorates, and the temperature of the reforming catalyst rises excessively and deteriorates.
  • the present invention has been made in consideration of the above-described points, and an object thereof is to provide a control device for a fuel reformer that can be controlled in consideration of the nonlinearity of the thermal model of the reforming catalyst.
  • the present invention provides a fuel reformer control device (3) for controlling the temperature of the reforming catalyst (11) of the fuel reformer (1).
  • the control device sets two of the temperature detection means (21) for detecting the temperature of the reforming catalyst as a catalyst temperature and a plurality of parameters characterizing the reforming reaction in the reforming catalyst.
  • the catalyst temperature is estimated based on the correlation model that associates these parameters, and the temperature of the reforming catalyst is controlled based on the estimated temperature. .
  • the temperature of the reforming catalyst is controlled based on the estimated temperature without delay with respect to the actual reforming catalyst temperature.
  • it is possible to control the target temperature without causing overshoot.
  • the reforming catalyst since the reforming catalyst is used in a high temperature range close to the heat resistance limit, it may be deactivated when overshooting occurs. Therefore, it is preferable to avoid temperature overshooting as much as possible.
  • a plurality of correction weight functions having a first parameter as a domain are defined, and a plurality of local correction coefficients multiplied by the correction weight function are calculated based on the estimated temperature of the reforming catalyst, and the plurality of correction weight functions are calculated.
  • Model correction means for correcting the correlation model based on the weight function and the local correction coefficient is provided.
  • the correlation model by introducing a plurality of correction weight functions as described above and correcting the correlation model, for example, even when the reforming catalyst deterioration exhibits a non-linear characteristic, the correlation is matched to this deterioration.
  • the model can be modified. Therefore, the temperature of the reforming catalyst can be controlled with higher accuracy.
  • the first parameter is a catalyst temperature (T CAT , T CAT HAT ), and the second parameter is a catalytic reaction heat coefficient (C CAT ) indicating an exothermic state of the reforming reaction in the reforming catalyst. is there.
  • the first parameter was the catalyst temperature
  • the second parameter was the catalytic reaction heat coefficient.
  • the control device is configured to detect an output value of the temperature detection unit according to an estimated temperature (T CAT HAT ) of the temperature estimation unit based on a model of the temperature detection unit.
  • the model correcting means includes the plurality of local correction coefficients so that a deviation (em) between a detected temperature (T CAT SNS ) of the temperature detecting means and an estimated temperature (T CSNS HAT ) of the detected value estimating means converges. Is calculated.
  • the output value of the temperature detection unit is estimated based on the model of the temperature detection unit, and the local correction coefficient is adjusted so that the deviation between the estimated temperature and the detection temperature of the temperature detection unit converges. Is calculated.
  • the deviation between the estimated temperature and the detected temperature is caused by deterioration of the reforming catalyst.
  • the correlation model can be appropriately corrected in accordance with the deterioration of the reforming catalyst.
  • the model correction means calculates the plurality of local correction coefficients based on response designation control.
  • a plurality of local correction coefficients are calculated based on response designation control. For example, when such a plurality of local correction coefficients are calculated at the same time, they may interfere with each other and behave periodically and diverge. However, by calculating a plurality of local correction coefficients based on response designation control, it is possible to stably calculate without causing such interference.
  • the correlation model when the first parameter is a definition area, the second parameter is a value area, and an area where the second parameter changes among the first parameters is a change area, the plurality of correction weights
  • the functions are functions that change in the change area, and are set so as to intersect with each other in the change area.
  • an area where the second parameter changes is assumed to be a change area, and a plurality of correction weight functions are assumed to change within such a change area, and are further set to intersect with each other within this change area. did.
  • the correlation model can be corrected with high accuracy without applying an excessive calculation load by correcting only the region where the second parameter changes.
  • the temperature detecting unit detects a catalyst temperature of a portion of the reforming catalyst having the highest reforming reaction temperature
  • the temperature control unit detects that the estimated temperature of the temperature estimating unit is a predetermined value of the reforming catalyst.
  • the temperature of the reforming catalyst is controlled to be lower than the deactivation temperature (T CAT H ).
  • the temperature detection means detects the catalyst temperature of the portion of the reforming catalyst having the highest reforming reaction temperature, and further, the estimated temperature of the reforming catalyst becomes smaller than the predetermined deactivation temperature. Control the temperature of the reforming catalyst. This can prevent the reforming catalyst from exceeding the deactivation temperature and deteriorating.
  • the fuel reformer is mounted on a vehicle including an internal combustion engine, and the reforming reaction in the reforming catalyst is an exothermic reaction.
  • the temperature of the reforming catalyst can be controlled with higher accuracy by housing the fuel reformer in the hood provided with the internal combustion engine. In other words, the temperature inside the bonnet is small because it is not greatly affected by wind and rain. For this reason, the estimation accuracy of the temperature of the reforming catalyst can be further improved.
  • the temperature control means controls the temperature of the reforming catalyst by sliding mode control based on a predetermined switching function setting parameter (V POLE ).
  • V POLE a predetermined switching function setting parameter
  • the temperature of the reforming catalyst is controlled by the sliding mode control based on the predetermined switching function setting parameter.
  • control is performed so that the temperature of the reforming catalyst falls within a predetermined range, and the fuel reformer can be operated stably.
  • the switching function setting parameter when the operating state of the fuel reformer is in a steady state, is set to a value closer to ⁇ 1 than 0 in the range of ⁇ 1 to 0.
  • the switching function setting parameter when the operating state of the fuel reformer is in a steady state, is set to a value closer to ⁇ 1 than 0 in the range of ⁇ 1 to 0.
  • the temperature T CAT of the reforming catalyst before degradation of the reforming catalyst according to the above embodiment, the fuel supply amount G FUEL CMD is a time chart showing the time change of the correction coefficient K C.
  • the temperature T CAT of the reforming catalyst after degradation of the reforming catalyst according to the above embodiment, the fuel supply amount G FUEL CMD is a time chart showing the time change of the correction coefficient K C. It is a schematic diagram which shows the structure of the control apparatus of the fuel reformer as a 1st technique. It is a time chart which shows the example of control of the fuel reformer by the 1st technique. It is a schematic diagram which shows the structure of the control apparatus of the fuel reformer as a 2nd technique. It is a time chart which shows the control example (before catalyst deterioration) of the fuel reformer by a 2nd technique. It is a time chart which shows the control example (after catalyst degradation) of the fuel reformer by a 2nd technique.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel reformer 1 according to an embodiment of the present invention and an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 3 as a control device thereof.
  • ECU electronice control unit
  • the fuel reformer 1 includes a cylindrical gas passage 12 in which a reforming catalyst 11 is provided, an air supply device 13 for supplying air and fuel from one end of the gas passage 12, and a fuel supply device 14. , Including. That is, the fuel reformer 1 is a straight flow type in which the gas flow on the inlet side of the reforming catalyst 11 and the gas flow on the outlet side of the reforming catalyst 11 are in the same direction.
  • the air supply device 13 includes a compressor and a valve (not shown), and supplies air into the gas passage 12 according to a control signal (G AIR CMD ) output from the ECU 3.
  • the fuel supply device 14 includes a fuel tank, a valve, and an injector (not shown), and supplies fuel into the gas passage 12 according to a control signal (G FUEL CMD ) output from the ECU 3.
  • the air and fuel supplied by the air supply device 13 and the fuel supply device 14 are mixed in the gas passage 12 and supplied to the reforming catalyst 11 as fuel gas.
  • the reforming catalyst 11 reforms the fuel gas supplied from the air supply device 13 and the fuel supply device 14 to produce a reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons. More specifically, the reforming catalyst 11 produces the reformed gas by a partial oxidation reaction between the hydrocarbon fuel constituting the fuel gas and air, that is, an exothermic reaction.
  • ceria and rhodium powder as the reforming catalyst 11 are weighed so that the mass ratio of rhodium to ceria is 1%, and this powder is put into a ball mill together with an aqueous medium and stirred and mixed.
  • a slurry is prepared by coating the slurry on a support made of Fe—Cr—Al alloy, and then dried and fired at 600 ° C. for 2 hours.
  • the fuel reformer 1 is provided with a heater 15 that preheats the reforming catalyst 11 together with the fuel gas in the gas passage 12 and promotes the activity of the reforming catalyst 11.
  • the fuel reformer 1 detects the temperature of the reforming catalyst 11 and outputs the detected temperature to the ECU 3 as the detected temperature T CAT SNS , and the temperature of the heater 15. detects a heater temperature sensor for outputting a ECU3 the detected temperature as a detected temperature T PRE (not shown) is provided.
  • the catalyst temperature sensor 21 is preferably provided in the fuel reformer 1 so as to detect the temperature of the highest temperature portion of the reforming catalyst 11.
  • the fuel reformer 1 configured as described above is mounted on a vehicle (not shown) including an internal combustion engine, for example.
  • the reformed gas produced by the fuel reformer 1 is preferably introduced into an exhaust system of an internal combustion engine that includes a catalyst and a filter for purifying the exhaust.
  • the ECU 3 shapes input signal waveforms from various sensors, corrects a voltage level to a predetermined level, converts an analog signal value into a digital signal value, and a central processing unit (hereinafter referred to as “ CPU ”).
  • the ECU 3 includes various arithmetic programs executed by the CPU, maps and tables referred to by the programs, a storage circuit that stores the arithmetic results of the programs, and an output that outputs a control signal to the fuel reformer 1. Circuit.
  • FIG. 1 shows only functional blocks related to control of the fuel reformer 1 in the ECU 3 as described above. More specifically, the functional block of the ECU 3 includes a controller 30 as catalyst temperature control means for controlling the fuel reformer 1 and a catalyst temperature estimation unit 32 as catalyst temperature estimation means for estimating the temperature of the reforming catalyst 11. A model correcting unit 34 as a model correcting unit, and a parameter setting unit 36 for setting various parameters.
  • the catalyst temperature estimation unit 32 estimates the temperature of the reforming catalyst 11 based on a thermal difference equation described in detail later, and outputs the estimated temperature to the controller 30 and the model correction unit 34 as an estimated temperature T CAT HAT .
  • the model correction unit 34 corrects the correlation model included in the thermal difference equation of the catalyst temperature estimation unit 32 based on the detected temperature T CAT SNS and the estimated temperature T CAT HAT .
  • the controller 30 will be described in detail later so that the deviation between the estimated temperature T CAT HAT input from the catalyst temperature estimation unit 32 and the target temperature T CAT TARGET of the reforming catalyst 11 input from the parameter setting unit 36 converges.
  • the air supply amount G AIR CMD and the fuel supply amount G FUEL CMD of the fuel reformer 1 are calculated, and the calculated air supply amount G AIR CMD and the fuel supply amount G FUEL CMD are fuel reformed.
  • the parameter setting unit 36 sets the target temperature T CAT TARGET of the reforming catalyst 11 and the hydrogen production amount (fuel reformer load) G CYL by the reforming catalyst 11 according to the operating state of the fuel reformer 1. Then, the target temperature T CAT TARGET and the hydrogen production amount G CYL are output to the controller 30 and the catalyst temperature estimation unit 32.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the controller 30.
  • Controller 30, the estimated temperature T CAT HAT is a sliding mode controller 31 for calculating the control input U SL so as to converge to the target temperature T CAT TARGET, fuel supply amount G in accordance with the hydrogen production amount G CYL and the control input U SL
  • a fuel supply amount map 311 for calculating the FUEL CMD and the air supply amount G AIR CMD , an air supply amount map 312, and a correction amount map 315 are included.
  • Sliding mode control is a development of so-called response command type control that can specify the convergence speed of the controlled variable.
  • This control can be specified individually.
  • the reforming catalyst of the fuel reformer is used at a high temperature when producing reformed gas, and its temperature range is also limited. For example, since it deactivates when it exceeds such a temperature range, it is preferable to avoid the overshoot of the temperature of the reforming catalyst as much as possible. In addition, when the temperature falls below the temperature range, the speed of the reforming reaction may decrease, which may hinder autonomous operation.
  • the symbol (k) is a symbol indicating the discretized time and indicates data detected or calculated for each predetermined control cycle. That is, when the symbol (k) is data detected or calculated at the current control timing, the symbol (k ⁇ 1) indicates that the data is detected or calculated at the previous control timing.
  • the adder 301 calculates the deviation between the estimated temperature T CAT HAT (k) of the reforming catalyst and the target temperature T CAT TARGET (k) of the reforming catalyst, This is defined as a temperature deviation amount e (k).
  • V POLE setting unit 302 searches for V POLE corresponding to the estimated temperature T CAT HAT , and the searched V POLE and the temperature deviation amount e (k ⁇ Calculate the product with 1).
  • V POLE is a switching function setting parameter set to a value larger than ⁇ 1 and smaller than 0, and is set based on a V POLE table described in detail later with reference to FIG.
  • the sum of the temperature deviation amount e (k) and the product V POLE ⁇ e (k ⁇ 1) is calculated by the adder 305, and this is calculated as the switching function ⁇ (k ).
  • FIG. 3 is a diagram showing a phase plane in which the horizontal axis is the temperature deviation amount e (k ⁇ 1) at the previous control and the vertical axis is the temperature deviation amount e (k) at the current control.
  • this straight line is called a switching straight line.
  • the sliding mode control is control that focuses on the behavior of the deviation amount e (k) on the switching straight line. That is, by controlling so that the combination of the temperature deviation amount e (k) at the time of the current control and the temperature deviation amount e (k ⁇ 1) at the time of the previous control is on this switching line, disturbance or modeling is performed. Robust control with respect to the error can be realized, and the temperature of the reforming catalyst can be converged without overshooting the target value.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the switching function setting parameter V POLE and the convergence time of the temperature deviation amount. More specifically, the horizontal axis indicates the convergence time of the temperature deviation amount with respect to the target value, and the vertical axis indicates the slope of the switching line ( ⁇ V POLE ). As shown in FIG. 4, the convergence time becomes longer as ⁇ V POLE approaches 1 from 0.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the V POLE table stored in the V POLE setting unit 302 described above. More specifically, the horizontal axis represents the estimated temperature T CAT HAT , and the vertical axis represents the switching function setting parameter V POLE . Further, the upper limit temperature T CAT H and the lower limit temperature T CAT L are an upper limit temperature and a lower limit temperature of the reforming catalyst set in advance in order to efficiently perform the reforming reaction. More specifically, the upper limit temperature TCATH is a deactivation temperature, that is, a temperature at which the reforming catalyst may be deactivated or deteriorated when the temperature exceeds this temperature.
  • the lower limit temperature T CAT L is a temperature at which the rate of the reforming reaction may decrease if the reforming catalyst falls below this temperature. Therefore, it is preferable that the temperature of the reforming catalyst is operated steadily within the range from the lower limit temperature T CAT L to the upper limit temperature T CAT H. Therefore, the target temperature T CAT TARGET for the reforming catalyst is usually set between the lower limit temperature T CAT L and the upper limit temperature T CAT H.
  • V POLE is set to a value larger than ⁇ 1 and smaller than 0, the convergence speed of the temperature deviation amount increases as V POLE approaches 0, and the temperature deviation amount increases as V POLE approaches ⁇ 1.
  • the temperature of the reforming catalyst is gradually set to the target temperature. converges to T CAT tARGET, when the estimated temperature T CAT HAT is not between the minimum temperature T CAT L and the upper limit temperature T CAT H may be converged temperature of the reforming catalyst to rapidly target temperature T CAT tARGET it can. As a result, the temperature of the reforming catalyst is controlled to drift between the lower limit temperature T CAT L and the upper limit temperature T CAT H.
  • the reaching law input U RCH (k) and the adaptive law input U ADP (k) are calculated based on the switching function ⁇ (k) calculated as described above. Further, the following equation (7) As shown, the sum of these reaching law inputs U RCH (k) and adaptive law inputs U ADP (k) is calculated by an adder 309 and defined as a control input U SL (k).
  • the reaching law input U RCH (k) is an input for placing the temperature deviation amount on the switching line.
  • the reaching function control gain K is applied to the switching function ⁇ (k) by the amplifier 306. Calculated by multiplying by RCH .
  • the adaptive law input U ADP (k) is an input for suppressing the influence of modeling error and disturbance, and placing the temperature deviation amount on the switching line, and is switched by the integrator 307 as shown in the following equation (9).
  • the integral of the function ⁇ (k) is calculated, and further, the amplifier 308 multiplies the integrated value by the adaptive law control gain K ADP .
  • ⁇ T is a control cycle.
  • the reaching law control gain K RCH and the adaptive law control gain K ADP are optimal based on experiments so that the temperature deviation amount is stably placed on the switching line under the above-described temperature control policy of the reforming catalyst. Set to the correct value.
  • the fuel supply amount map 311 and the air supply amount map 312 are respectively a map value G FUEL MAP of the fuel supply amount and the air supply amount according to the hydrogen production amount G CYL based on a predetermined control map for determining the supply amount. Calculate G AIR MAP .
  • Correction amount map 315 calculates a correction amount G FUEL FB and G AIR FB of the fuel supply amount and air supply amount corresponding to the control input U SL of the sliding mode controller 31 .
  • the setting policy of the correction amount determination control map will be described.
  • the temperature of the reforming catalyst can be increased by increasing the air supply amount or decreasing the fuel supply amount.
  • the temperature of the reforming catalyst can be lowered by reducing the air supply amount or increasing the fuel supply amount.
  • the correction amount determination control map is set together with the above-described supply amount determination control map.
  • the fuel correction amount G FUEL FB and the air correction amount G AIR FB calculated as described above are added to the fuel supply amount map value G FUEL MAP and the air supply amount map value G AIR MAP by the adders 313 and 314, respectively. Then, these added values are defined as the fuel supply amount G FUEL CMD and the air supply amount G AIR CMD and output to the fuel reformer.
  • the catalyst temperature estimation unit 32 calculates the estimated temperature T CAT HAT (k) of the reforming catalyst 11 based on the thermal difference equation as shown in the following formula (10).
  • the first term on the right side is a convection term, which is a term indicating the contribution due to heat transfer between the reforming catalyst 11 and the atmosphere.
  • the second term on the right side is a heat transfer term, which is a term indicating the contribution due to heat transfer between the reforming catalyst 11 and the heater 15.
  • the third term on the right side is an exothermic term and is a term indicating the contribution of heat generated by the reforming reaction in the reforming catalyst 11.
  • the exothermic term is a term relating to the exothermic reaction of the reforming catalyst 11 and changes as the reforming catalyst 11 deteriorates.
  • C CAT represents a thermal coefficient of catalytic reaction, and is calculated based on a correlation model shown in FIG.
  • K C represents a correction coefficient of the catalytic reaction heat coefficient C CAT and is calculated by the model correction unit 34.
  • L CAT is the length along the stacking direction of the reforming catalyst, and uses a preset value.
  • T A is the ambient temperature, using the detection temperature of the atmospheric temperature sensor (not shown).
  • G CYL MAX is the maximum hydrogen production amount of the fuel reformer 1, and uses a preset value.
  • a CAT and B CAT are parameters of the advection term and the heat transfer term, respectively, and are set to optimum values based on experiments.
  • these parameters A CAT and B CAT are set based on the reforming catalyst 11 before deterioration, but are not limited thereto.
  • these parameters and constants may be set based on those that have been used and deteriorated for a predetermined time.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a correlation model between the temperature T CAT of the reforming catalyst as the first parameter and the catalytic reaction heat coefficient C CAT as the second parameter.
  • the catalytic reaction heat coefficient C CAT is a coefficient indicating the heat generation state of the reforming reaction in the reforming catalyst, and is represented as a nonlinear function of the catalyst temperature T CAT . Further, the correlation between the catalytic reaction heat coefficient C CAT and the catalyst temperature T CAT changes as the reforming catalyst deteriorates.
  • the solid line 6a shows the correlation between the catalytic reaction heat coefficient C CAT and the catalyst temperature T CAT in the reformed catalyst before deterioration
  • the broken line 6b shows the catalytic reaction heat coefficient in the reformed catalyst after deterioration.
  • the correlation between CCAT and catalyst temperature TCAT is shown.
  • the catalytic reaction heat coefficient C CAT is 0. A value close to. From the catalyst temperature T CAT exceeds the first temperature T L to reach a predetermined second temperature T H, also increases the catalytic reaction thermal coefficient C CAT with increasing catalyst temperature T CAT.
  • the catalytic reaction heat coefficient C CAT rapidly increases as the catalyst temperature T CAT increases, compared to the reformed catalyst after deterioration.
  • catalytic reaction thermal coefficient C CAT is substantially constant at a predetermined upper limit value.
  • the catalyst temperature estimation unit 32 calculates a catalytic reaction heat coefficient C CAT corresponding to the estimated temperature T CAT HAT based on such a correlation model of the reforming catalyst.
  • the first parameter is the catalyst temperature T CAT of the reforming catalyst 11, but in actual control, the catalyst temperature T CAT is replaced with the estimated temperature T CAT HAT and then the catalytic reaction heat coefficient C CAT is calculated.
  • the catalytic reaction heat coefficient C CAT is calculated based on the correlation model of the reforming catalyst before deterioration indicated by the solid line 6a. In this case, the correlation model of the reforming catalyst after degradation, as indicated by the broken line 6b is reproduced by multiplying the correction coefficient K C is calculated by the model correction unit 34 described later in the catalytic reaction heat coefficient C CAT.
  • the catalyst temperature estimation unit 32 calculates the catalytic reaction heat coefficient C CAT corresponding to the estimated temperature T CAT HAT based on the correlation model as described above, and further, the thermal difference shown in the equation (10).
  • the temperature of the reforming catalyst 11 is estimated from the equation. That is, the estimated temperature T CAT HAT is calculated by the following equation (11) derived by modifying the above equation (10).
  • the model correction unit 34 calculates a temperature sensor model 341 as detection value estimation means for estimating the output value of the catalyst temperature sensor 21 and a correction coefficient K C of the correlation model of the catalyst temperature estimation unit 32 based on a correction algorithm described later. And a correction coefficient calculation unit 342.
  • the temperature sensor model 341 estimates the detected temperature of the catalyst temperature sensor 21 according to the estimated temperature T CAT HAT output from the catalyst temperature estimation unit 32 based on the sensor model that reproduces the output of the catalyst temperature sensor 21. More specifically, the temperature sensor model 341 calculates the estimated output temperature T CSNS HAT based on the sensor model shown in the following formula (12) in consideration of the response delay of the catalyst temperature sensor 21.
  • K S represents a sensor delay coefficient, and is set to an optimum value by experiment or system identification when ⁇ 1 ⁇ K S ⁇ 0.
  • the correction coefficient calculation unit 342 sets the correction coefficient K C so that the deviation between the detected temperature T CAT SNS output from the catalyst temperature sensor 21 and the output estimated temperature T CSNS HAT output from the temperature sensor model 341 converges. calculate.
  • the correction coefficient calculation unit 342 determines that the deviation between the detected temperature T CAT SNS and the output estimated temperature T CSNS HAT is mainly due to deterioration of the reforming catalyst, and thereby calculates the correction coefficient K C. calculate.
  • the catalytic reaction heat coefficient C CAT exhibits a nonlinear characteristic with respect to the catalyst temperature T CAT and also exhibits a nonlinear characteristic with respect to the progress of deterioration. Therefore, when calculating the correction coefficient K C, and the recursive least squares method conventionally known, for the case of applying a control algorithm such as a fixed gain method, etc., can only identify constants in the model, the catalytic reaction heat coefficient it is difficult to reproduce the non-linear characteristics of the C CAT.
  • neural network control that learns the characteristics of tables and maps has been known as a method for reproducing non-linearity, but this method lacks stability and can be applied to temperature control of fuel reformers. It is difficult.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the correction weight functions W 0 to W 4 .
  • each of the correction weighting functions W i is a function in which the temperature T CAT (estimated temperature T CAT HAT ) of the reforming catalyst is a domain and 0 to 1 is a range.
  • These correction weighting functions W i respectively, the region of temperatures where the catalytic reaction heat coefficient C CAT is changed, i.e. as a change region from a first temperature T L to a second temperature T H, during this change area, As the value changes, it is set so as to intersect each other in this change region.
  • each of the correction weighting function W i is less It is set like this.
  • the correction weight function W 0 is 1 from 0 to T L , decreases from 1 to 0 from T L to T 1 , and is 0 at T 1 or more.
  • the correction weighting function W 1 has a temperature from 0 to T L , increases from 0 to 1 from T L to T 1 , decreases from 1 to 0 from T 1 to T 2 , and is 0 at T 2 and higher. is there.
  • the correction weighting function W 2 is a temperature from 0 to T 1 , increases from 0 to 1 from T 1 to T 2 , decreases from 1 to 0 from T 2 to T 3 , and is 0 at T 3 and above. is there.
  • the correction weighting function W 3 has a temperature of 0 from 0 to T 2 , increases from 0 to 1 from T 2 to T 3 , decreases from 1 to 0 from T 3 to T H , and is 0 above T H. is there.
  • the correction weighting function W 4 has a temperature from 0 to T 3 , increases from 0 to 1 from T 3 to T H , and is 1 above T H.
  • the sum of the functions W i is 1 at all temperatures.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of the correction coefficient calculation unit 342.
  • the adder 343 calculates the deviation between the detected temperature T CAT SNS output from the catalyst temperature sensor and the estimated output temperature T CSNS HAT output from the temperature sensor model. This is defined as a sensor temperature deviation amount em (k).
  • correction weight functions W 0 , W 1 , W 2 , W 3 , and W 4 corresponding to the estimated temperature T CAT HAT are calculated.
  • the products of the respective correction weight functions W 0 to W 4 and the sensor temperature deviation amount em (k) are calculated by multipliers 345a, 345b, 345c, 345d, 345e, This is defined as weighted errors ew 0 , ew 1 , ew 2 , ew 3 , ew 4 .
  • controller 346a, 346b, 346c, 346d, by 346e calculates a local correction factor K CL 0, K CL 1, K CL 2, K CL 3, K CL 4.
  • controllers 346a to 346e perform local correction coefficient K CL 0 as shown in the following equations (15) to (19) by response designation type control, more specifically, sliding mode control based on a predetermined switching function setting parameter. ⁇ K CL 4 is calculated.
  • K CL NLi is an input for constraining the weighted error ew i on the switching line.
  • K CL RCHi is an input for placing the weighted error ew i on the switching line.
  • K CL ADPi is an input for suppressing the influence of modeling errors and disturbances and constraining the weighted error ew i on the switching line.
  • K NL L is a nonlinear input control gain
  • K RCH L is a reaching law control gain
  • K ADP L is an adaptive law control gain so that the weighted error ew i can be stably placed on the switching line.
  • the optimal value is set based on the experiment.
  • ⁇ Li is a switching function for the weighted error ew i .
  • Sl is a switching function setting parameter, and is set to a value larger than -1 and smaller than 0.
  • local correction coefficients K CL 0 to K CL 4 and local correction coefficients W 0 to W 4 are obtained by the multipliers 347a, 347b, 347c, 347d, 347e and the adder 348. calculates a product, by summing these products to calculate the correction coefficient K C.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a procedure of main control of the fuel reformer by the ECU. In this flowchart, only the procedure related to the temperature control of the fuel reformer is shown, and procedures such as warm-up control and termination control of the fuel reformer are omitted. Each step is executed with a control period of, for example, 5 msec.
  • step S1 a catalyst temperature estimation process, which will be described in detail later with reference to FIG. 10, is executed, and the process proceeds to step S2.
  • step S2 air supply control is executed.
  • step S3 the air supply amount G AIR CMD is calculated based on the above equations (4) to (9), and is output to the air supply device of the fuel reformer.
  • step S3 fuel supply control is executed.
  • the fuel supply amount G FUEL CMD is calculated based on the above equations (4) to (9), and is output to the fuel supply device of the fuel reformer.
  • FIG. 10 is a flowchart showing the procedure of the catalyst temperature estimation process.
  • step S11 model correction processing is executed.
  • the correction coefficient K C of the catalytic reaction heat coefficient C CAT of the reforming catalyst is calculated based on the above equations (13) to (19).
  • step S12 a temperature estimation process is executed.
  • the estimated temperature T CAT HAT of the reforming catalyst is calculated based on the above equation (11).
  • step S13 a detected temperature estimation process is executed.
  • the estimated output temperature T CSNS HAT of the catalyst temperature sensor is calculated based on the above equation (12).
  • FIG. 11 and FIG. 12 are time charts showing time changes of the temperature T CAT and the switching function setting parameter V POLE of the reforming catalyst of the comparative example and this embodiment, respectively.
  • the comparative example of the present embodiment shows an example in which the detected temperature T CAT SNS of the catalyst temperature sensor 21 is used as the input of the controller 30 instead of the estimated temperature T CAT HAT of the catalyst temperature estimating unit 32 ( (See FIG. 1).
  • a time chart of the comparative example will be described with reference to FIG.
  • the switching function setting parameter V POLE are set to be close to zero, the target temperature the temperature of the reforming catalyst Control to quickly approach T CAT TARGET is performed.
  • the switching function setting parameter V POLE is set to a value close to ⁇ 1, so that the temperature of the reforming catalyst is gradually reduced to T Control close to CAT TARGET is performed.
  • the temperature T CAT of the reforming catalyst exceeds the target temperature T CAT TARGET , the reforming reaction in the reforming catalyst becomes active, the amount of hydrogen production increases, and the temperature of the catalyst rapidly increases.
  • the switching function setting parameter V POLE is set to a value near 0, so that the temperature of the reforming catalyst is quickly set to the target temperature again. Control close to T CAT TARGET is performed.
  • the detected temperature T CAT SNS of the temperature sensor is delayed compared to the actual catalyst temperature T CAT . Therefore, even when performing the sliding mode control as described above, the actual catalyst temperature T CAT is cause by increasing overshoots the maximum temperature T H, there is a possibility that the reforming catalyst is degraded.
  • the temperature of the reforming catalyst is set to the target temperature by setting the switching function setting parameter V POLE to a value near 0. Control to quickly approach T CAT TARGET is performed.
  • the switching function setting parameter V POLE is set to a value close to ⁇ 1, so that the temperature of the reforming catalyst is gradually reduced to T Control close to CAT TARGET is performed.
  • the temperature T CAT of the reforming catalyst exceeds the target temperature T CAT TARGET , the reforming reaction in the reforming catalyst becomes active, the amount of hydrogen production increases, and the temperature of the catalyst rapidly increases.
  • the switching function setting parameter V POLE is set to a value near 0, so that the temperature of the reforming catalyst is quickly set to the target temperature again. Control close to T CAT TARGET is performed.
  • the actual catalyst temperature T CAT without overshooting the upper limit temperature T H, begin to converge toward again the target temperature T CAT TARGET.
  • the temperature of the reforming catalyst is set to the upper limit temperature T L and the upper limit temperature by controlling the fuel reformer based on the estimated temperature T CAT HAT without delay with respect to the actual catalyst temperature T CAT . It is controlled between the temperature T H.
  • FIG. 13 and FIG. 14 are time charts showing time changes of the reforming catalyst temperature T CAT , the fuel supply amount G FUEL CMD, and the correction coefficient K C before and after the deterioration of the reforming catalyst, respectively.
  • T CAT HAT can be calculated. This allows starting the supply of fuel at the optimum fuel start time t 9.
  • T CAT HAT can be calculated. This allows starting the supply of fuel at the optimum fuel start time t 10.
  • the catalyst temperature is estimated based on the correlation model that associates these parameters with the temperature of the reforming catalyst 11 and the catalytic reaction heat coefficient C CAT characterizing the reforming reaction, and the estimated temperature T CAT is estimated.
  • the temperature of the reforming catalyst 11 is controlled based on HAT .
  • the target temperature T CAT TARGET is controlled without causing overshoot. can do.
  • the reforming catalyst 11 since the reforming catalyst 11 is used in a high temperature range close to the heat resistance limit, it may be deactivated when overshooting occurs.
  • a plurality of correction weighting functions W i having the reforming catalyst temperature as a domain are defined, and a plurality of local correction coefficients K CL i multiplied by the correction weighting function are obtained as estimated reforming catalyst temperatures T CAT HAT.
  • the temperature close to the temperature T CAT of the reforming catalyst 11 can be estimated, and the reforming catalyst 11 can be controlled to the target temperature T CAT TARGET with high accuracy.
  • the correlation model by modifying the correlation model by introducing a plurality of correction weighting functions W i, as described above, for example, even when the deterioration of the reforming catalyst 11 exhibits a nonlinear characteristic, this degradation Together, the correlation model can be modified. Therefore, the temperature of the reforming catalyst can be controlled with higher accuracy.
  • the first parameter is the catalyst temperature TCAT
  • the second parameter is the catalyst reaction heat coefficient CCAT .
  • the output value of the catalyst temperature sensor 21 is estimated based on the model of the catalyst temperature sensor 21, and the estimated temperature T CSNS HAT and the detected temperature T CAT SNS of the catalyst temperature sensor 21 are
  • the local correction coefficient K CL i is calculated so that the deviation em of Incidentally, the deviation em between the estimated temperature T CSNS HAT and the detected temperature T CAT SNS is caused by deterioration of the reforming catalyst.
  • a plurality of local correction coefficients K CL i are calculated based on response designation control. For example, when such a plurality of local correction coefficients KCL i are calculated at the same time, they may interfere with each other and behave periodically and diverge. However, by calculating a plurality of local correction coefficients K CL i based on response assignment control, it is possible to calculate stably without causing such interference.
  • an area where the catalytic reaction thermal coefficient C CAT is changed as a change region a plurality of correction weighting functions W i, assumed to vary in such a change in the area, further, the change region Were set to cross each other. That is, the correlation model can be corrected with high accuracy without applying an excessive calculation load by correcting only the region where the catalytic reaction heat coefficient CCAT changes.
  • the catalyst temperature sensor 21 detects the catalyst temperature of the reforming catalyst 11 at the highest reforming reaction temperature, and the estimated temperature T CAT HAT of the reforming catalyst 11 is a predetermined value. controlling the temperature of the reforming catalyst 11 to be less than the deactivation temperature T H. This allows the reforming catalyst 11 will exceed the deactivation temperature T H, to prevent the deterioration.
  • the temperature of the reforming catalyst 11 can be controlled with higher accuracy by housing the fuel reformer 1 in the hood provided with the internal combustion engine.
  • the temperature inside the bonnet is small because it is not greatly affected by wind and rain. For this reason, the estimation accuracy of the temperature of the reforming catalyst 11 can be further improved.
  • the temperature of the reforming catalyst 11 is controlled by the sliding mode control based on the predetermined switching function setting parameter V POLE . Thereby, for example, control is performed so that the temperature of the reforming catalyst 11 falls within a predetermined range, and the fuel reformer 1 can be operated stably.
  • the switching function setting parameter V POLE is set to a value closer to ⁇ 1 than 0 in the range of ⁇ 1 to 0. Set.
  • the ECU 3 constitutes temperature estimation means, temperature control means, model correction means, and detection value estimation means.
  • the catalyst temperature estimation unit 32 in FIG. 1 corresponds to the temperature estimation unit
  • the controller 30 corresponds to the temperature control unit
  • the model correction unit 34 corresponds to the model correction unit
  • the temperature sensor model 341 detects the detected value. This corresponds to the estimation means.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made.
  • the temperature sensor for detecting the temperature of the heater 15 is provided, and the estimated temperature T CAT HAT of the reforming catalyst is calculated using the detected temperature T PRE of the temperature sensor.
  • the present invention is not limited to this.
  • the estimated temperature T CAT HAT of the reforming catalyst may be calculated using the temperature T PRE HAT estimated by the map instead of the detected temperature T PRE of the heater temperature sensor.
  • the correlation model is defined with the first parameter as the reforming catalyst temperature T CAT and the second parameter as the catalytic reaction heat coefficient C CAT , but the present invention is not limited to this.
  • the correlation model may be defined using the amount related to the exothermic reaction in the reforming catalyst, such as the hydrogen production amount of the reforming catalyst and the inlet temperature of the reforming catalyst, as the second parameter.
  • the controllers 346a to 346e calculate the local correction coefficients K CL 0 to K CL 4 based on the sliding mode control.
  • the present invention is not limited to this.
  • the local correction coefficients K CL 0 to K CL 4 may be calculated based on conventionally known methods such as PID control, optimization control, backstepping control, and H ⁇ control.
  • sliding mode control and backstepping control that can prevent interference between the local correction coefficients K CL 0 to K CL 4 by causing the weighted error ew i to converge exponentially are preferable.

Abstract

　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。 　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ＴＣＡＴ　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Ｗ０～Ｗ４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ＫＣＬ　０～ＫＣＬ　４を、触媒温度センサ２１の検出温度ＴＣＡＴ　ＳＮＳ及び触媒温度推定部３２の推定温度ＴＣＡＴ　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。

Description

燃料改質器の制御装置
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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ＴＣＡＴ　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ＧＡＩＲ　ＣＭＤ及び燃料の供給量ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤを算出し、これら指令値ＧＡＩＲ　ＣＭＤ及びＧＦＵＥＬ　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ＧＡＩＲ　ＣＭＤ及びＧＦＵＥＬ　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ＧＡＩＲ　ＣＭＤ及び燃料の供給量ＧＦＵＥＬ　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ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤを示す。また、実線１６ａは改質触媒の実際の温度ＴＣＡＴの時間変化を示し、一点鎖線１６ｂは温度センサの検出温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　ＳＮＳは、実際の温度ＴＣＡＴ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ｔ２は、最適な燃料噴射開始時刻ｔ１、すなわち実際の触媒温度ＴＣＡＴが判定温度を上回った時刻ｔ１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ＴＰＲＥ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　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ＧＡＩＲ　ＣＭＤ及び燃料の供給量ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤを算出し、これら指令値ＧＡＩＲ　ＣＭＤ及びＧＦＵＥＬ　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ＴＣＡＴ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　ＨＡＴは、改質触媒の実際の温度ＴＣＡＴに一致する。これにより、最適な燃料噴射時刻ｔ３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ＴＣＡＴ　ＨＡＴは、改質触媒の実際の温度ＴＣＡＴ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴは、改質触媒の実際の温度ＴＣＡＴ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ｔ４は、最適な燃料噴射開始時刻ｔ５、すなわち実際の温度ＴＣＡＴが判定温度を上回った時刻ｔ５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。
国際公開第２００２／７０８７３号パンフレット 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本発明は、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）を提供する。前記制御装置は、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（ＴＣＡＴ，ＴＣＡＴ　ＨＡＴ）及び第２パラメータ（ＣＣＡＴ）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（ＴＣＡＴ　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（Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）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（ＫＣＬ　０，ＫＣＬ　１，ＫＣＬ　２，ＫＣＬ　３，ＫＣＬ　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（ＴＣＡＴ　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。
　この構成によれば、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。
　好ましくは、前記第１パラメータは、触媒温度（ＴＣＡＴ，ＴＣＡＴ　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（ＣＣＡＴ）である。
　この構成によれば、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。
　好ましくは、前記制御装置は、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（ＴＣＡＴ　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）をさらに備える。前記モデル修正手段は、前記温度検出手段の検出温度（ＴＣＡＴ　ＳＮＳ）と前記検出値推定手段の推定温度（ＴＣＳＮＳ　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。
　この構成によれば、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。
　好ましくは、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。
　この構成によれば、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。
　好ましくは、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。
　この構成によれば、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。
　好ましくは、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（ＴＣＡＴ　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。
　この構成によれば、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。
　好ましくは、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。
　この構成によれば、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。
　好ましくは、前記温度制御手段は、所定の切換関数設定パラメータ（ＶＰＯＬＥ）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。
　この構成によれば、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。
　好ましくは、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。
　この構成によれば、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。
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。 上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。 上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。 上記実施形態に係る切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥと、温度偏差量の収束時間との関係を示す図である。 上記実施形態に係るＶＰＯＬＥ設定部に格納されたＶＰＯＬＥテーブルの構成を示す図である。 上記実施形態に係る触媒反応熱係数ＣＣＡＴと触媒温度ＴＣＡＴとの相関モデルの構成を示す図である。 上記実施形態に係る補正重み関数Ｗ０～Ｗ４の構成を示す図である。 上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。 上記実施形態に係る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。 上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。 上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。 上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。 上記実施形態に係る改質触媒の劣化前の改質触媒の温度ＴＣＡＴと、燃料供給量ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤと、修正係数ＫＣの時間変化を示すタイムチャートである。 上記実施形態に係る改質触媒の劣化後の改質触媒の温度ＴＣＡＴと、燃料供給量ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤと、修正係数ＫＣ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
発明を実施するための形態
　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（ＧＡＩＲ　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（ＧＦＵＥＬ　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ＴＣＡＴ　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ＴＰＲＥ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　ＳＮＳと推定温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　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ＧＡＩＲ　ＣＭＤ及び燃料供給量ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤを算出し、これら算出した空気供給量ＧＡＩＲ　ＣＭＤ及び燃料供給量ＧＦＵＥＬ　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ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴ、及び改質触媒１１による水素製造量（燃料改質器の負荷）ＧＣＹＬ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ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴ、及び水素製造量ＧＣＹＬ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴが目標温度ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴに収束するように制御入力ＵＳＬ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ＧＣＹＬ及び制御入力ＵＳＬに応じて燃料供給量ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤ及び空気供給量ＧＡＩＲ　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ＴＣＡＴ　ＨＡＴ（ｋ）と、改質触媒の目標温度ＴＣＡＴ　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　次に、ＶＰＯＬＥ設定部３０２により推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴに応じたＶＰＯＬＥを検索し、この検索されたＶＰＯＬＥ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。ＶＰＯＬＥ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ＶＰＯＬＥ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ＶＰＯＬＥ×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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ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－ＶＰＯＬＥ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、－ＶＰＯＬＥ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ＶＰＯＬＥ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（－ＶＰＯＬＥ）を示す。図４に示すように、収束時間は、－ＶＰＯＬＥが０から１に近づくに従い長くなる。
　図５は、上述のＶＰＯＬＥ設定部３０２に格納されたＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴを示し、縦軸は切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥを示す。また、上限温度ＴＣＡＴ　Ｈ及び下限温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　Ｌから上限温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴは、通常、これら下限温度ＴＣＡＴ　Ｌと上限温度ＴＣＡＴ　Ｈとの間に設定される。
　上述のように、ＶＰＯＬＥは－１より大きく０より小さな値に設定されるとともに、ＶＰＯＬＥが０に近づくに従い温度偏差量の収束速度は速くなり、ＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴに応じて切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥを設定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　このように切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥを設定することで、推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴが下限温度ＴＣＡＴ　Ｌと上限温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴに収束させ、推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴが下限温度ＴＣＡＴ　Ｌと上限温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　Ｌと上限温度ＴＣＡＴ　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ＵＲＣＨ（ｋ）及び適応則入力ＵＡＤＰ（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ＵＲＣＨ（ｋ）及び適応則入力ＵＡＤＰ（ｋ）の和を加算器３０９により算出し、これを制御入力ＵＳＬ（ｋ）として定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　到達則入力ＵＲＣＨ（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ＫＲＣＨを乗算することで算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　適応則入力ＵＡＤＰ（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ＫＡＤＰ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　なお、これら到達則制御ゲインＫＲＣＨ及び適応則制御ゲインＫＡＤＰ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ＧＣＹＬに応じた燃料供給量及び空気供給量のマップ値ＧＦＵＥＬ　ＭＡＰ及びＧＡＩＲ　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ＵＳＬに応じた燃料供給量及び空気供給量の補正量ＧＦＵＥＬ　ＦＢ及びＧＡＩＲ　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ＴＣＡＴ　ＨＡＴが目標温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　ＨＡＴが目標温度ＴＣＡＴ　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ＧＦＵＥＬ　ＦＢ及び空気補正量ＧＡＩＲ　ＦＢは、それぞれ、燃料供給量マップ値ＧＦＵＥＬ　ＭＡＰ及び空気供給量マップ値ＧＡＩＲ　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ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤ及び空気供給量ＧＡＩＲ　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ＴＣＡＴ　ＨＡＴ（ｋ）を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　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。
　ＣＣＡＴ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。
　ＫＣは触媒反応熱係数ＣＣＡＴの修正係数を示し、モデル修正部３４により算出される。
　ＬＣＡＴ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。
　ＴＡ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。
　ＧＣＹＬ　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、ＡＣＡＴ及びＢＣＡＴ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ＡＣＡＴ及びＢＣＡＴ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ＴＣＡＴと、第２パラメータとしての触媒反応熱係数ＣＣＡＴとの相関モデルの構成を示す図である。
　触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＴＣＡＴ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ＣＣＡＴと触媒温度ＴＣＡＴ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ＣＣＡＴと触媒温度ＴＣＡＴ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ＣＣＡＴと触媒温度ＴＣＡＴの相関を示す。このように、触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＴＣＡＴが所定の第１温度ＴＬ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ＣＣＡＴは０に近い値となる。
　触媒温度ＴＣＡＴが第１温度ＴＬを超えてから所定の第２温度ＴＨに達するまでは、触媒温度ＴＣＡＴの上昇とともに触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＣＣＡＴは触媒温度ＴＣＡＴの上昇とともに速やかに増加する。
　また、触媒温度ＴＣＡＴが第２温度ＴＨを超えると、触媒温度ＴＣＡＴにかかわらず、触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴに応じた触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＴＣＡＴとしたが、実際の制御では、触媒温度ＴＣＡＴを推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴに置き換えた上で、触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＣＣＡＴ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ＫＣを触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴに応じた触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　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ＫＣ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＳＮＳ　ＨＡＴを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　この式（１２）において、ＫＳはセンサ遅れ係数を示し、－１＜ＫＳ＜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ＴＣＡＴ　ＳＮＳと、温度センサモデル３４１から出力された出力推定温度ＴＣＳＮＳ　ＨＡＴとの偏差が収束するように、修正係数ＫＣを算出する。つまり、この修正係数算出部３４２は、検出温度ＴＣＡＴ　ＳＮＳと出力推定温度ＴＣＳＮＳ　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ＫＣを算出する。
　上述のように、触媒反応熱係数ＣＣＡＴは、触媒温度ＴＣＡＴ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ＫＣ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ＣＣＡＴ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Ｗｉ（ｉ＝０，１，２，３，４）を定義し、制御対象となる修正係数ＫＣを、下記式（１３）に示すように、これら補正重み関数Ｗｉを乗算して重み付けされた局所修正係数ＫＣＬ　ｉ（ｉ＝０，１，２，３，４）の和として分解する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　図７は、補正重み関数Ｗ０～Ｗ４の構成を示す図である。
　図７に示すように、補正重み関数Ｗｉは、それぞれ、改質触媒の温度ＴＣＡＴ（推定温度ＴＣＡＴ　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Ｗｉは、それぞれ、触媒反応熱係数ＣＣＡＴが変化する温度の領域、すなわち第１温度ＴＬから第２温度ＴＨ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Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３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Ｗｉは以下のように設定される。
　補正重み関数Ｗ０は、温度が０からＴＬまで１であり、ＴＬからＴ１にかけて１から０まで減少し、Ｔ１以上は０である。
　補正重み関数Ｗ１は、温度が０からＴＬまで０であり、ＴＬからＴ１にかけて０から１まで上昇し、Ｔ１からＴ２にかけて１から０まで減少し、Ｔ２以上は０である。
　補正重み関数Ｗ２は、温度が０からＴ１まで０であり、Ｔ１からＴ２にかけて０から１まで上昇し、Ｔ２からＴ３にかけて１から０まで減少し、Ｔ３以上は０である。
　補正重み関数Ｗ３は、温度が０からＴ２まで０であり、Ｔ２からＴ３にかけて０から１まで上昇し、Ｔ３からＴＨにかけて１から０まで減少し、ＴＨ以上は０である。
　補正重み関数Ｗ４は、温度が０からＴ３まで０であり、Ｔ３からＴＨにかけて０から１まで上昇し、ＴＨ以上は１である。
　またここで、各関数Ｗｉ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Ｗｉ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ＴＣＡＴ　ＳＮＳと、温度センサモデルから出力された出力推定温度ＴＣＳＮＳ　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　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ＴＣＡＴ　ＨＡＴに応じた補正重み関数Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を算出する。
　次に、下記式（１５）に示すように、各補正重み関数Ｗ０～Ｗ４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ｅｗ０，ｅｗ１，ｅｗ２，ｅｗ３，ｅｗ４として定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　次に、コントローラ３４６ａ，３４６ｂ，３４６ｃ，３４６ｄ，３４６ｅにより、局所修正係数ＫＣＬ　０，ＫＣＬ　１，ＫＣＬ　２，ＫＣＬ　３，ＫＣＬ　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ＫＣＬ　０～ＫＣＬ　４を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　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。
　ＫＣＬ　ＮＬｉは、重み付き誤差ｅｗｉを、切換直線上に拘束するための入力である。
　ＫＣＬ　ＲＣＨｉは、重み付き誤差ｅｗｉを、切換直線上に載せるための入力である。
　ＫＣＬ　ＡＤＰｉは、モデル化誤差や外乱の影響を抑制し、重み付き誤差ｅｗｉを、切換直線上に拘束するための入力である。
　ＫＮＬ　Ｌは非線形入力制御ゲインであり、ＫＲＣＨ　Ｌは到達則制御ゲインであり、ＫＡＤＰ　Ｌは適応則制御ゲインであり、それぞれ、重み付き誤差ｅｗｉ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。
　σＬｉは、重み付き誤差ｅｗｉ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ＫＣＬ　０～ＫＣＬ　４と局所修正係数Ｗ０～Ｗ４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ＫＣ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ＧＡＩＲ　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ＧＦＵＥＬ　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ＣＣＡＴの修正係数ＫＣ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＳＮＳ　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ＴＣＡＴと切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴの代わりに、触媒温度センサ２１の検出温度ＴＣＡＴ　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ｔ５までの間は、検出温度ＴＣＡＴ　ＳＮＳは下限温度ＴＬより小さいため、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴに速やかに近づける制御を行う。
　時刻ｔ５において、検出温度ＴＣＡＴ　ＳＮＳが下限温度ＴＬを上回ったことに応じて、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴに近づける制御を行う。
　その後、改質触媒の温度ＴＣＡＴが目標温度ＴＣＡＴ　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ｔ６において検出温度ＴＣＡＴ　ＳＮＳが上限温度ＴＨを上回ったことに応じて、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　ＳＮＳは、実際の触媒温度ＴＣＡＴ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ＴＣＡＴは、上限温度ＴＨ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ｔ７までの間は、推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴは下限温度ＴＬより小さいため、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴに速やかに近づける制御を行う。
　時刻ｔ７において、推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴが下限温度ＴＬを上回ったことに応じて、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　ＴＡＲＧＥＴに近づける制御を行う。
　その後、改質触媒の温度ＴＣＡＴが目標温度ＴＣＡＴ　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ｔ８において推定温度ＴＣＡＴ　ＳＮＳが上限温度ＴＨを上回ったことに応じて、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴは、上限温度ＴＨをオーバーシュートすることなく、再び目標温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴに対して遅れの無い推定温度ＴＣＡＴ　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ＴＬと上限温度ＴＨ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ＴＣＡＴと、燃料供給量ＧＦＵＥＬ　ＣＭＤと、修正係数ＫＣ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ＫＣを１から変化させることなく、実際の触媒温度ＴＣＡＴに近い推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴを算出できる。これにより、最適な燃料開始時刻ｔ９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ＫＣ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ＴＣＡＴに近い推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴを算出できる。これにより、最適な燃料開始時刻ｔ１０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ＣＣＡＴ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴに対し遅れの無い推定温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴ　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Ｗｉ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ＫＣＬ　ｉを、改質触媒の推定温度ＴＣＡＴ　ＨＡＴに基づいて算出し、これら複数の補正重み関数Ｗｉ及び局所修正係数ＫＣＬ　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ＴＣＡＴに近い温度を推定し、改質触媒１１を目標温度ＴＣＡＴ　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Ｗｉ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ＴＣＡＴとし、第２パラメータを触媒反応熱係数ＣＣＡＴとした。これにより、改質触媒１１が劣化し、触媒反応熱係数ＣＣＡＴの触媒温度ＴＣＡＴ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ＴＣＡＴ　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ＴＣＳＮＳ　ＨＡＴと触媒温度センサ２１の検出温度ＴＣＡＴ　ＳＮＳとの偏差ｅｍが収束するように、局所修正係数ＫＣＬ　ｉを算出する。ところで、これら推定温度ＴＣＳＮＳ　ＨＡＴと検出温度ＴＣＡＴ　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ＫＣＬ　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ＫＣＬ　ｉを算出する。例えば、このような複数の局所修正係数ＫＣＬ　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ＫＣＬ　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ＣＣＡＴが変化する領域を変化領域として、複数の補正重み関数Ｗｉ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ＣＣＡＴ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ＴＣＡＴ　ＨＡＴが所定の失活温度ＴＨ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ＴＨ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ＶＰＯＬＥ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ＶＰＯＬＥ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ＴＰＲＥを用いて、改質触媒の推定温度ＴＣＡＴ　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ＴＰＲＥに代わり、マップにより推定した温度ＴＰＲＥ　ＨＡＴを用いて、改質触媒の推定温度ＴＣＡＴ　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ＴＣＡＴとし、第２パラメータを触媒反応熱係数ＣＣＡＴ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ＫＣＬ　０～ＫＣＬ　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ＫＣＬ　０～ＫＣＬ　４を算出してもよい。中でも、重み付き誤差ｅｗｉを指数関数的に収束させることで、各局所修正係数ＫＣＬ　０～ＫＣＬ　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。

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。
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