JP2008215845A - 車両用燃料性状検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ式センサでありながら、小型かつ構造が簡素で、しかも燃料中のアルコール含有濃度を精度よく測定することができる車両用燃料性状検出装置を得る。
【解決手段】コアとクラッドとファイバジャケットより成り、上記コアにグレーティングが施されているとともに、該グレーティングが施されている箇所の上記ファイバジャケットが除去されていることで、上記クラッドが車両のインジェクタに供給される燃料に接触するように構成された光ファイバと、上記グレーティングのクラッドモードの波長帯域の光を上記光ファイバに入射する光源と、上記グレーティングが施された領域を透過した上記光の強度を検出する受光部とを備え、これら光ファイバと光源と受光部は、上記燃料の供給経路となる上記車両の燃料タンク内もしくは燃料ポンプと上記インジェクタとの間に配設された管路に保持されるように構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車、自動二輪車などに搭載される、車両用燃料性状検出装置に関し、特に光ファイバセンサを用いた車両用燃料性状検出装置に関するものである。

近年、ガソリンに替わる燃料として、バイオエタノールを混合したアルコール混合燃料の普及が加速している。しかしながら、このアルコール混合燃料においては、含有するエタノール濃度に応じて、その最適な点火時期あるいは空熱比などが異なるため、適正なエンジン制御コンピュータ、すなわちＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、）制御のためには、燃料中のアルコール含有濃度を精度よく検知する必要がある。

そこで、一端に発光素子を、他端に受光素子を設けた大口径のガラス系光ファイバを逆方向に折り返し、この折り返し部を検出部として露出、ならびに接液させた、いわゆる光学式液体センサにより、アルコール／ガソリン混合比の測定を行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、周囲から中心に向かって屈折率が変化する複数の細長光導体に燃料屈折率検知面を形成し、この光導体の端面に投光体を、他端面に受光体をそれぞれ設けて、燃料中のアルコール含有率を検知する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平２−２３６１４４号公報（第３頁左上欄第３行〜第１５行、図１） 特公平６−１０６５４号公報（第３頁左欄第４行〜第３５行、図１〜図３）

従来の「光ファイバ式センサ」を活用した車両用燃料性状検出装置では、光ファイバに屈曲部分を施すことから、この屈曲部分での伝播光強度の曲げ損失を抑えるために、一定以上の曲げＲを確保せねばならず、センサ自体の更なる小型化の足かせとなっていた。また、言うまでもないが、光導体（光ファイバ）を複数使用することは、その製造コストの低減、あるいは、その装置自体の構造の複雑化による生産性の向上の阻害要因となることが考えられる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであるが、この課題解決に先立ち、発明者たちは、以下に記述する技術的知見を得た。すなわち、一般に、光通信システムにおいて、光ファイバ伝送路を伝播する、ある特定の波長の光信号を取り出すために、ある信号のみを反射させることができるグレーティングが用いられることは周知のとおりであるが、このグレーティングの透過特性には、コア内を伝播する光がグレーティングで反射あるいは透過するときに生じるクラッドモードが存在することも、また周知のとおりである。

このクラッドモードは損失リップルとなるため、前述した光通信システムでは不要なものとして取り扱われていたが、ここで、発明者たちは、研究・試験・評価を重ね、このクラッドモードによる光の強度が、クラッドの外側に接する材質の屈折率によって異なることを発見した（詳細は特願２００５−３２８６２２を参照されたい）。
そこで、この発明の目的とするところは、光ファイバ式センサでありながら、小型かつ構造が簡素で、しかも燃料中のアルコール含有濃度を精度よく測定することができる車両用燃料性状検出装置を実現するものである。

この発明に係る車両用燃料性状検出装置は、コアとクラッドとファイバジャケットより成り、上記コアにグレーティングが施されているとともに、該グレーティングが施されている箇所の上記ファイバジャケットが除去されていることで、上記クラッドが車両のインジェクタに供給される燃料に接触するように構成された光ファイバと、上記グレーティングのクラッドモードの波長帯域の光を上記光ファイバに入射する光源と、上記グレーティングが施された領域を透過した上記光の強度を検出する受光部とを備え、これら光ファイバと光源と受光部は、上記燃料の供給経路となる上記車両の燃料タンク内もしくは燃料ポンプと上記インジェクタとの間に配設された管路に保持されているものである。

この発明は、上記グレーティングを施した光ファイバを車両用燃料性状検出装置に活用することにより、光ファイバ式センサでありながら、小型かつ構造が簡素で、しかも燃料中のアルコール含有濃度を精度よく測定することができる車両用燃料性状検出装置を得ることができるものである。また、自動車、自動二輪車などへの搭載にあたり、その搭載箇所の制約を極力抑えた、安価な車両用燃料性状検出装置を提供することができる。

実施の形態１．
図７は燃料性状検出装置１００を備えた一般的な車両用燃料制御系を示す構成図であり、先ずこの燃料制御系全体の構成ならびに動作を説明する。図７において、１０１は自動車等のエンジン、１０２は燃料噴射弁、１０３は燃料タンク、１０４は燃料ポンプ、１０６は上記ポンプ１０４から燃料供給パイプ１０５を介して吸上げた燃料をろ過する高圧フィルタ、１０７は燃料分配管、１０８は熱圧レギュレータ、１０９は燃料リターンパイプである。１１０は空燃比センサ、１１１は点火プラグ、１１２はエンジン回転センサ、１１３は吸気圧センサ、１１４はスロットル弁、１１５はエアクリーナ、１１６は上記ＥＣＵ等からなる制御装置で、燃料性状検出装置１００の信号、空燃比センサ１１０の信号、エンジン回転センサ１１２および吸気圧センサ１１３等の信号が入力され、入力に応じた制御量で燃料噴射弁１０２、点火プラグ１１１等を駆動する。

いま、燃料タンク１０３にアルコール混合燃料が給油されると、エンジン１０１の始動と共に、アルコール混合燃料は燃料ポンプ１０４で加圧され、燃料供給パイプ１０５、高圧フィルタ１０６を通して燃料性状検出装置１００に導かれて、アルコール含有率が測定される。燃料は、次に燃料分配管１０７に流入し、一部が燃料噴射弁１０２よりエンジン１０１に供給され、他は熱圧レギュレータ１０８、燃料リターンパイプ１０９を通って燃料タンク１０３に戻される。熱圧レギュレータ１０８は、燃料噴射弁１１１の燃料噴射量に関わらず、燃料分配管１０７までの圧力を常に一定値に保持する。燃料性状検出装置１００で測定されたアルコール含有率が制御装置１１６に入力されると、制御装置１１６はエンジン回転センサ１１２および吸気圧センサ１１３等の信号によりエンジン状態を判定し、燃料噴射弁１０２の開弁時間を制御してエンジンに供給する燃料量を変化させ、空燃比センサ１１０により空燃比を検出して、上記エンジン状態に応じた目標値となるよう空燃比をフィードバック制御し、またエンジン状態に応じて点火プラグ１１１の点火時期を制御している。

次に、本発明の実施の形態１に係わる車両用燃料性状検出装置１００について説明する。図１は、上記車両用燃料性状検出装置１００の構成を示す模式図である。図において、１は光ファイバ、２は上記光ファイバ１の一方の端部に配置された発光素子からなる光源、３は他方の端部に配置された受光部である。電源１は発光ダイオードやレーザダイオード等の発光素子を、受光部はスペクトルアナライザーやフォトダイオード等の受光素子を用いることができる。光源２および受光部３は、それぞれホルダー４、５を介して管路６へ取り付けられている。光ファイバ１は管路６に設けた開口部７ａおよび７ｂを貫通させる形で設置される。なお、管路６は、矢印Ｆ_０、Ｆ_１、Ｆ_２に示すように、燃料タンク８から燃料流入口２１、燃料流出口２２を介してインジェクタ９に至るまでの燃料の配管（燃料経路）に直結しても良いし、あるいは矢印Ｆ_３、Ｆ_４に示すように、上記燃料経路をバイパスさせてこれと独立に設置されてもよい。

図２は、上記光ファイバ１の周囲の屈折率の違いによる、「クラッドモード」と呼ばれる伝播光による燃料の性状を検出する原理の説明図である。光ファイバ１は、光源２から出射される光が伝播するコア１０と、この光をコア１０に閉じ込めるためにこのコア１０を覆っているクラッド１１と、これらコア１０、クラッド１１を覆って保護するファイバジャケット１２とを備えており、周囲の燃料の性状を検出するために、クラッド１１が直接燃料１３と接するようにファイバジャケット１２の一部が除去されている。コア１０およびクラッド１１には石英ガラスなどの無機ガラスあるいはポリメチルメタアクリレートなどのプラスチック系の材料を用いることができ、またファイバジャケット１２にはフッ素系、ナイロン系、フェノール系、エポキシ系、メラミン系などの樹脂を用いることができる。

性状を検出する原理は、コア１０内を伝播する光のうち、グレーティング１４で反射あるいは透過するときに生じる「クラッドモード」と呼ばれる光の強度が、クラッド１１の外側に接する燃料の屈折率によって異なることを利用するものである。すなわち、コア１０内を伝播する光は、グレーティング１４の形成されていない部分では、コア１０とクラッド１１との境界面で反射を繰り返しながらコア１０内のみを伝播するが、この光がグレーティング１４に到達すると、グレーティング１４を透過してコア１０内を伝播していく光１５と、グレーティング１４でブラック反射されてコア１０内を反対方向に伝播していく光１６と、コア１０から飛び出してクラッド１１内を伝播するクラッドモードの光１７とに分かれる。そして、光ファイバ１の光が伝播していく先に備えられた受光部３により、グレーティング１４を通過してコア１０内を伝播していく光１５と、コア１０から飛び出してクラッド１１内を伝播するクラッドモードの光１７の強度を検出することができる。

ここで、クラッドモードの透過光強度の波長特性は、周期的な損失のピークを持っているが、この損失のピークは、光ファイバ１が燃料１３に浸漬されていることから、この燃料１３の屈折率に依存して大きさが変化することになる。また、アルコール燃料においては、燃料内のエタノール含有濃度に応じて燃料の屈折率が異なることが既に分かっている。そこで、クラッドモードによる透過スペクトル中の損失のピークが、燃料の屈折率の違いによって異なることを検出することで、液体の屈折率を検出して燃料中のアルコール含有濃度を推定することが可能となるわけである。

以上、検出原理を説明したが、この車両用燃料性状検出装置１００の車両への取付け形態を図３に基づいて説明する。管路６は、燃料タンク内に、すなわち矢印Ｆ_０、Ｆ_１、Ｆ_２に示す燃料タンク８から燃料流入口２１、燃料流出口２２を介してインジェクタ９に至る燃料配管（燃料経路）に直結するものについて説明する。
ここで、管路６は、樹脂成形、鋳造、あるいは板金からなる取付ブラケット２６を介して図示しない車両の任意の箇所に取り付けられることになるが、このとき、管路６に設けた燃料流入口２１および燃料流出口２２は、光源２あるいは受光部３が、例えば図示しないリード線によって接続される駆動回路基板２７とは反対側の同一方向に設けることが好ましい。つまり、燃料流入口２１および燃料流出口２２を同一方向に設けることで、駆動回路基板２７および取付ブラケット２６の設計自由度の向上が図れ、さらには、光源２、受光部３、あるいは燃料流入口２１、燃料流出口２２に対し、互いの組付け作業の妨げになることなく取り付けが可能となるものである。

また、光源２あるいは受光部３を、図示しない、例えば外部電源、さらにはＥＣＵへ接続するため、駆動回路基板２７にコネクタ２８を備えるが、この場合も、燃料流入口２１および燃料流出口２２を駆動回路基板２７とは反対側の同一方向に設けたので、コネクタ２８からの信号線（例えば、図示しない嵌合された相手側コネクタ）が管路６に対し直角方向に引き出されることで、やはり、組付け作業を効率良く行うことができる。
このように、センサ部であるグレーティング領域は数ｍｍ程度の長さがあれば、充分に燃料の性状の検出が可能であり、前述したセンサ部の取付方法と相俟って、光ファイバを利用した場合においても、管路あるいは装置自体の小型化が期待できる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係わる車両用燃料性状検出装置１００の模式断面図であり、実施の形態１の図１に対応する。実施の形態１では、図３の燃料流入口２１および燃料流出口２２に示すように、燃料は垂直方向に流入・流出する管路形状であったが、この実施の形態２では、燃料流入口２１および燃料流出口２２を光ファイバ１に対して勾配をつけて設置した。すなわち、燃料流入口２１から管路６に入った燃料は、任意の角度θ１をもって光ファイバ１に到達する。その後、光ファイバ１に到達した燃料は、さらに任意の角度θ２の勾配で燃料流出口２２より排出される。つまり、実施の形態１と比較して、始動時、あるいは燃料フローの脈動時における光ファイバ１にかかる燃料の抗力を緩和することが可能となる。

実施の形態３．
前出の図４に基づき、開口部７ｂに対する改良を実施の形態３として説明する。前述したように、光ファイバ１は管路６に設けた開口部７ｂを貫通させる形で設置させるわけであるが、この際、この開口部７ｂが、例えば、開口部７ａのように、管路６の内径とほぼ同等に開口していた場合、光ファイバ１の貫通作業はいたって容易になるものの、車両用燃料性状検出装置１００自体の気密性、あるいは受光部３との整合性（わかり易くは位置合わせ）を鑑みれば、言うまでもなく得策とは言い難い。一方、図１に示すように、光ファイバ１の外径が密接するよう開口部７ｂを設定した場合、気密性や整合性は向上するが、逆に貫通作業は困難が予想される。

そこで、実施の形態３では、図４に示すように開口部７ｂにテーパー１８を設けた。すなわち、開口部７ａより挿入された光ファイバ１は、管路６を通ってテーパー１８に到達し、その際、光ファイバ１はこのテーパー１８にガイドされ、さらに開口部７ｂに容易に到達することができる。更にこの際、テーパー１８によってガイドされた光ファイバ１は、管路６に備えられた光ファイバ１の外形に応じた径のストレート領域１９を通過して受光部３の受光素子２０のほぼ中心に到達するようガイドされるようになっている。
従ってこの実施形態によれば、気密性や整合性はもとより貫通作業性も向上する特徴がある。特に、この貫通作業について詳述すると、受光部３の光ファイバ１に対する位置調整が不要となり、また容易に再現性よく組立が可能となることから組付けによる性能のバラツキを極力抑えることが期待できる。

実施の形態４．
上記実施の形態３にて気密性について触れたが、貫通作業との両立を図るには、光ファイバ１はストレート領域１９（図４参照）においてある程度のクリアランスを持たせることになる。そこで、このストレート領域を通過した光ファイバ１に対して何らかの封止が必要となる。実施の形態４はこの封止を施すための実施例を図５、図６により詳細説明する。図５に示した例は、管路６に設けられた開口部７ｂを、光ファイバ１を貫通させた後に、管内の気密を保持するために低融点ガラスによって封止するものである。この低融点ガラスは、開口部７ｂを通った光ファイバ１に、リング状あるいは鞍形の低融点ガラスプリフォーム２３を貫通させる形で設置される。そして、管路６に備えられた開口部７ｂには、封止に使用する低融点ガラスプリフォーム２３の外形よりも小さな径のザグリ形状２４を備える。これにより、低融点ガラスプリフォーム２３の溶融の際に、ザグリ２４により溶融したガラスが孔内部（ストレート領域１９）へ流入し易くなり、広いシール領域を確保できることから良好なシール性能を実現できる。
また、図６に示した例は、このザグリ形状２３に代えて低融点ガラスプリフォーム２３の外形よりも小さな孔径からなるテーパー形状２５としたものである。このような形状とすれば溶融したガラスの孔内部への流入がより促進されることが期待できる。

この発明の実施の形態１における車両用燃料性状検出装置１００の模式断面図である。 図１における光ファイバ内の光の伝播、およびクラッドモードの説明図である。 図１における車両用燃料性状検出装置１００の車両への取付け形態を示す図である。 この発明の実施の形態２及び３における車両用燃料性状検出装置１００の模式断面図である。 この発明の実施の形態４における車両用燃料性状検出装置１００の開口部の封止形態の一例を示す詳細図である。 同じく車両用燃料性状検出装置１００の開口部の他の封止形態を示す詳細図である。 燃料性状検出装置１００を備えた一般的な車両用燃料制御系を示す構成図である。

符号の説明

１ 光ファイバ、 ２ 光源、 ３ 受光部、
４ ホルダー、 ５ ホルダー、 ６ 管路、
７ 管路開口部、 ８ 燃料タンク、 ９ インジェクタ、
１０ コア、 １１ クラッド、 １２ ファイバジャケット、
１３ 燃料、 １４ グレーティング、
１８ テーパー、 １９ ストレート領域、
２０ 受光素子、 ２１ 燃料流入口、 ２２ 燃料流出口、
２３ 低融点ガラスプリフォーム、 ２４ ザグリ、
２５ テーパー、 ２６ 取り付けブラケット、
２７ 駆動回路基板、２８ コネクタ。

Claims (6)

1. コアとクラッドとファイバジャケットより成り、上記コアにグレーティングが施されているとともに、該グレーティングが施されている箇所の上記ファイバジャケットが除去されていることで、上記クラッドが車両のインジェクタに供給される燃料に接触するように構成された光ファイバと、上記グレーティングのクラッドモードの波長帯域の光を上記光ファイバに入射する光源と、上記グレーティングが施された領域を透過した上記光の強度を検出する受光部とを備え、これら光ファイバと光源と受光部は、上記燃料の供給経路となる上記車両の燃料タンク内、もしくは燃料ポンプと上記インジェクタとの間に配設された管路に保持されていることを特徴とする車両用燃料性状検出装置。
2. 管路には燃料タンクからの燃料流入口とインジェクタへの燃料流出口が設けられており、これら燃料流入口と燃料流出口は同一方向に向けて開口せしめることを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料性状検出装置。
3. 燃料流入口および燃料流出口は、光ファイバに対し傾斜を有するように開口せしめることを特徴とする請求項２に記載の車両用燃料性状検出装置。
4. 光源および受光部からの信号線の引き出し方向が、燃料流入口および燃料流出口に対し、直角方向であることを特徴とする請求項２または３に記載の車両用燃料性状検出装置。
5. 管路の一端および他端に、それぞれ光源および受光部が保持され、上記他端には、光ファイバを貫通せしめる貫通孔が設けられているとともに、この貫通孔と上記管路の内径との間にテーパを有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用燃料性状検出装置。
6. 貫通孔を貫通せしめた光ファイバが、管路の外面において、低融点ガラスにて封止されていることを特徴とする請求項５に記載の車両用燃料性状検出装置。

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