JP2008281546A - 液体燃料性状検出方法およびそれに用いられる液体燃料性状検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水分の影響を除いて高精度にアルコール濃度を検出可能な液体燃料性状検出方法、およびこの液体燃料性状検出方法に用いられる液体燃料性状検出装置を提供する。もう一つの目的は、高精度な検出機能を永続的に維持可能な液体燃料性状検出装置を提供する。
【解決手段】ガソリン、エタノールおよび水の３成分からなる燃料に、ガソリンに対する透過率と残りの２成分に対する透過率との差が大きい第１波長光である１７００ｎｍ波長光と、水に対する透過率と残りの２成分に対する透過率との差が大きい第２波長光である１４００ｎｍ波長光とを照射し、各波長光の燃料中の透過光をフォトトランジスタ１３、１４で受光して算出された各波長光の透過率に基づき、水分を含まないエタノールのみの濃度を検出することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、液体の透過光量に基づいて同液体の性状を検出する液体燃料性状検出方法およびそれに用いられる液体燃料性状検出装置に関するものである。

従来の液体燃料性状検出方法としては、たとえば、アルコールとガソリンの混合液体を燃料とするエンジンに搭載されてアルコール濃度を測定するものがある。これは、比誘電率５以下の絶縁基板と該絶縁基板の表面において静電容量を形成するように配置された一対の薄膜電極を備えたアルコール濃度センサを用いて、ガソリン中のアルコール濃度に対応した静電容量を発振回路の発振周波数の変化として検出し、それに基づいてアルコール濃度を算出するものである（特許文献１参照）。
特開２００５−２０１６７０号公報

アルコールは水分を含み易いため、アルコールとガソリンの混合液体には、通常水分が含まれている。従来の液体燃料性状検出方法においては、この水分がアルコール濃度センサの薄膜電極に付着するとその影響を受けてアルコール濃度検出の精度が低下する可能性がある。つまり、燃料中のアルコール分と水分とを合わせたものをアルコール濃度として検出するため、検出されたアルコール濃度は実際のアルコール濃度よりも高い値となる。したがて、検出されたアルコール濃度に基づいてエンジン制御を実施すると、エンジン性能、たとえば発生トルク、燃焼生成物量が変動する可能性がある。

また、従来の液体燃料性状検出方法に用いられるアルコール濃度センサは、燃料中に含まれる水分が付着することにより薄膜電極が劣化あるいは腐食して、正常な検出が困難になる可能性がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、検出方法に工夫を凝らして、高精度でアルコール濃度検出が可能な液体燃料性状検出方法、およびこの液体燃料性状検出方法に用いられる液体燃料性状検出装置を提供することである。もう一つの目的は、高精度な検出機能を永続的に維持可能な液体燃料性状検出装置を提供することである。

上記目的を達成するための手段およびその作用効果について以下に説明する。

本発明の請求項１に記載の液体燃料性状検出方法は、化石燃料（ガソリン、軽油）に対する透過率とアルコールに対する透過率および水に対する透過率との差が大きい光である第１波長光を発する第１発光部から化石燃料（ガソリン、軽油）、エタノールおよび水の三成分が混合されてなる液体に光を照射して該液体を透過した透過光量を第１受光部で計測し、水に対する透過率と化石燃料に対する透過率およびアルコールに対する透過率との差が大きい光である第２波長光を発する第２発光部から液体に光を照射して液体を透過した透過光量を第２受光部で計測し、第２受光部により計測された透過光量に基づいて液体の水濃度を検出し、第１受光部により計測された透過光量および水濃度に基づいて液体のアルコール濃度を検出することを特徴としている。

上記構成の検出方法による、液体燃料性状検出の考え方について説明する。

上記構成の検出方法では、第１受光部で計測された透過光量に基づいて、燃料中の化石燃料（ガソリン、軽油）濃度と、アルコールおよび水を合わせた混合液体の濃度が検出される。一方、第２受光部で計測された透過光量に基づいて、燃料中の水濃度と、化石燃料（ガソリン、軽油）およびアルコールを合わせた混合液体の濃度が検出される。したがって、第１受光部で計測された透過光量に基づいて検出されたアルコールおよび水を合わせた混合液体の濃度および第２受光部で計測された透過光量に基づいて検出された水濃度に基づいて、燃料中に含まれるアルコールの真の濃度を検出することができる。すなわちアルコールおよび水を合わせた混合液体の濃度から水濃度を減じれば、燃料中に含まれるアルコールの真の濃度を検出することができる。これにより、高精度でアルコール濃度検出が可能な液体燃料性状検出方法を提供することができる。

本発明の請求項２に記載の液体燃料性状検出方法は、第１波長光は中心波長が１６００から１８００ｎｍである光であり、第２波長光は中心波長が１４００から１５００ｎｍである光であることを特徴としている。

図４に、化石燃料としてのガソリン、アルコールとであるエタノールおよび水の３種類の液体中における光の透過率と、当該光の波長との関係を表すグラフを示す。図４に示すように、光の波長が１２００ｎｍ程度までは、各液体中の透過率はほとんど同じである。光の波長が１２００ｎｍよりも大きい領域では、図４に示すように、各液体中の透過率に大きい差が生じている。たとえば、波長が１４００ｎｍの光の場合、ガソリン中の透過率とエタノール中の透過率とは大きな差は無いが、水中の透過率は、ガソリン中の透過率およびエタノールの透過率と大きく異なっている。したがって、ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体を混合してなる燃料中に１４００ｎｍの光を照射し、その透過光量を測定すれば、燃料中の水濃度を検出することができる。たとえば、ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体を混合してなる燃料中の水濃度と波長が１４００ｎｍの光の透過率との関係を予め測定し、そのデータを記憶装置内に保持しておき、第２受光部で計測された透過光量と上述のデータとを参照して、燃料中の水濃度を検出することができる。

また、波長が１７００ｎｍの光の場合、エタノール中の透過率と水中の透過率とは大きな差は無いが、ガソリン中の透過率は、エタノール中の透過率および水中の透過率とは大きく異なっている。したがって、ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体を混合してなる燃料中に１７００ｎｍの光を照射し、その透過光量を測定すれば、燃料中のガソリン濃度を検出することができる。たとえば、ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体を混合してなる燃料中のガソリン濃度と波長が１７００ｎｍの光の透過率との関係を予め測定し、そのデータを記憶装置内に保持しておき、第１受光部で計測された透過光量と上述のデータとを参照して、燃料中のガソリン濃度を検出することができる。すなわち、１からガソリン濃度を減じれば、エタノールと水の混合液の濃度が検出できる。この場合、０＜各濃度＜１である。したがって、第１受光部で計測された透過光量に基づいて検出されたエタノールと水の混合液濃度から第２受光部で計測された透過光量に基づいて検出された水濃度を減じることにより、エタノール濃度を検出することができる。

以上から、第１波長光として中心波長が１７００ｎｍの光を、第２波長光として中心波長が１４００ｎｍの光をそれぞれ照射することにより、高精度でアルコール濃度検出が可能な液体燃料性状検出方法を提供することができる。

本発明の請求項３に記載の液体燃料性状検出装置は、請求項１に記載の液体燃料性状検出方法の実施に用いられる液体燃料性状検出装置であって、化石燃料（ガソリン、軽油）、アルコールおよび水の三成分が混合されてなる液体が通過する通路と、通路内の液体に向けて光を照射可能に配置され第１波長光を出射する第１発光部と、液体を透過した第１波長光を選択的に受光可能に配置された第１受光部と、通路内の液体に向けて光を照射可能に配置され第２波長光を出射する第２発光部と、液体を透過した第２波長光を選択的に受光可能に配置された第２受光部とを備え、第１波長光の化石燃料（ガソリン、軽油）に対する透過率とアルコールに対する透過率および水に対する透過率との差が大きく、第２波長光の水に対する透過率と化石燃料（ガソリン、軽油）に対する透過率およびアルコールに対する透過率との差が大きいことを特徴としている。

上記構成の液体燃料性状検出装置を用いることにより、第１受光部で計測された透過光量に基づいて検出されたアルコールと水の混合液濃度から第２受光部で計測された透過光量に基づいて検出された水濃度を減じることにより、アルコール濃度を検出することができる。したがって、高精度でアルコール濃度検出が可能な液体燃料性状検出装置を提供することができる。

また、上記構成の液体燃料性状検出装置では、各発光部から液体に光を照射し、液体中を透過した光を各受光部で計測している。したがって、各発光部の液体が通過する通路に光を照射する部分および各受光部の透過光を受光する部分、つまり各発光部および各受光部の液体に直接触れる部分は、透光性材質から形成されている。ここに用いられる透光性材質は、たとえば無色透明の樹脂材料あるいはガラス等である。これらの材質は、化石燃料、アルコールおよび水の３種類の液体に対して安定している。したがって、各発光部および各受光部の液体に直接触れる部分が燃料に含まれる成分により腐食したり劣化したりすることがない。これにより、高精度な液体燃料性状検出機能を永続的に維持可能な液体燃料性状検出装置を提供することができる。

本発明の請求項４に記載の液体燃料性状検出装置は、第１波長光は中心波長が１７００ｎｍである光であり、第２波長光は中心波長が１４００ｎｍである光であることを特徴としている。

図４に、化石燃料としてのガソリン、アルコールとであるエタノールおよび水の３種類の液体中における光の透過率と、当該光の波長との関係を表すグラフを示す。図４に示すように、光の波長が１２００ｎｍ程度までは、各液体中の透過率はほとんど同じである。光の波長が１２００ｎｍよりも大きい領域では、図４に示すように、各液体中の透過率に大きい差が生じている。たとえば、波長が１４００ｎｍの光の場合、ガソリン中の透過率とエタノール中の透過率とは大きな差は無いが、水中の透過率は、ガソリン中の透過率およびエタノールの透過率と大きく異なっている。したがって、ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体を混合してなる燃料中に１４００ｎｍの光を照射し、その透過光量を測定すれば、燃料中の水濃度を検出することができる。たとえば、ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体を混合してなる燃料中の水濃度と波長が１４００ｎｍの光の透過率との関係を予め測定し、そのデータを記憶装置内に保持しておき、第２受光部で計測された透過光量と上述のデータとを参照して、燃料中の水濃度を検出することができる。

また、波長が１７００ｎｍの光の場合、エタノール中の透過率と水中の透過率とは大きな差は無いが、ガソリン中の透過率は、エタノール中の透過率および水中の透過率とは大きく異なっている。したがって、ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体を混合してなる燃料中に１７００ｎｍの光を照射し、その透過光量を測定すれば、燃料中のガソリン濃度を検出することができる。たとえば、ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体を混合してなる燃料中のガソリン濃度と波長が１７００ｎｍの光の透過率との関係を予め測定し、そのデータを記憶装置内に保持しておき、第１受光部で計測された透過光量と上述のデータとを参照して、燃料中のガソリン濃度を検出することができる。すなわち、１からガソリン濃度を減じれば、エタノールと水の混合液の濃度が検出できる。この場合、０＜各濃度＜１である。したがって、第１受光部で計測された透過光量に基づいて検出されたエタノールと水の混合液濃度から第２受光部で計測された透過光量に基づいて検出された水濃度を減じることにより、エタノール濃度を検出することができる。

以上から、第１波長光として中心波長が１７００ｎｍの光を、第２波長光として中心波長が１４００ｎｍの光をそれぞれ照射することにより、高精度でアルコール濃度検出が可能な液体燃料性状検出装置を提供することができる。

本発明の請求項５に記載の液体燃料性状検出装置は、第１発光部および第２発光部は一体的に樹脂成型された第３発光部として形成され、第１受光部および第２受光部は第１波長光および第２波長光を計測可能な第３受光部として一体的に樹脂成型により形成されたことを特徴としている。

上述の構成によれば、第３発光部が第１波長光を発射したときには第３受光部により第１波長光の透過光量が計測され、第３発光部が第２波長光を発射したときには第３受光部により第２波長光の透過光量が計測される。すなわち、１個の発光部および１個の受光部を用いて、２種類の波長光の透過光量を計測することができる。これにより、構成部品点数を減らすことができ、液体燃料性状検出装置の体格を小型化することができる。

本発明の請求項６に記載の液体燃料性状検出装置は、第３発光部は、第１波長光および第２波長光を交互に発光するように駆動制御されることを特徴としている。

上述の構成によれば、１個の第３発光部から２種類の波長光、つまり第１波長光および第２波長光をそれぞれ単独で出射させて、２種類の波長光の透過光量を確実に計測することができる。

以下、この発明に係る液体燃料性状検出方法を具体化した実施形態について、各図に基づき説明する。

本実施形態は、この発明に係る燃料性状検出装置を、自動車のエンジンを制御するエンジン制御システムにおいてエンジンに供給される燃料中のアルコールであるエタノール濃度検出に用いられるエタノール濃度センサに適用したものである。

エンジン制御システム１は、エンジン１００への燃料供給量および吸入空気量を運転条件に対応して最適に制御する、すなわち所望のトルクを発生しつつ燃費を良好にし且つ排気中の有害排出物量をできるだけ少なくするように制御するものである。燃料噴射システム１は、図１に示すように、エンジン１００の燃焼室に臨んで配置され燃焼室に燃料を供給するインジェクタ２、インジェクタ２に燃料を供給するデリバリパイプ３、燃料タンク５からデリバリパイプ３へ燃料を供給するための燃料配管７、燃焼室内に配置された点火プラグ６、エンジン１００の吸気管１０１途中に設けられたスロットルバルブ８および制御装置4等から構成されている。制御装置４は、マイクロコンピュータ等から構成され、インジェクタ２による燃料噴射量および噴射時期制御、点火プラグ６の点火時期制御、スロットルバルブ８開度調節による吸入空気量制御等を行っている。

エンジン１００の燃料としては、化石燃料としてのガソリン、アルコールとしてのエタノール、およびその混合液体である液体燃料が用いられている。すなわち、エンジン１００は、ガソリン、エタノール、およびその混合液体のいずれによっても運転可能である。当該自動車の運転者は、燃料補給時にガソリンおよびエタノールのどちらかを自由に選択して給油できる。このため、当該自動車の燃料タンク５内には、ガソリンとエタノールの混合液体が常時存在する。そして、燃料タンク５内の混合液体、つまり燃料中におけるエタノール濃度は、当該自動車の燃料補給前後で変化する。たとえば、燃料タンク５内燃料のエタノール濃度が或る値のときに、ガソリンが補給されると補給後の燃料中のエタノール濃度は低下する。一方、エタノールが補給されると補給後の燃料中のエタノール濃度は上昇する。

ガソリンとエタノールとでは、揮発性、発熱量等が異なっている。また、両者の混合液体では、その揮発性や発熱量は、エタノール濃度に応じて変化する。燃料中のエタノール濃度がいかなる値のときにおいてもエンジン１００を最適状態で運転する、つまり低燃費且つ燃焼排出物量が最小限度であるような状態で運転するためには、燃料中のエタノール濃度を検出して、検出されたエタノール濃度に基づいて、燃料噴射量および噴射時期、点火時期、吸入空気量制御を最適に制御する必要がある。本発明の一実施形態によるエタノール濃度センサ１０は、上述した要求を満足させるべく、エンジン制御システム１において、燃料中のエタノール濃度検出のために用いられている。

ここで、当該自動車の燃料補給時には、ガソリンまたはエタノールのどちらかが補給される。エタノールは水分を含み易いため、給油施設のタンク中において既に幾らかの水分を含んでいる。したがって、当該自動車の燃料タンク内に貯蔵される燃料にも水分が含まれている。つまり、当該自動車の燃料は、ガソリン、エタノールおよび水の三種類の液体の混合液体である。

本発明の一実施形態による燃料性状検出装置としてのエタノール濃度センサ１０は、図１に示すように、燃料配管７の途中のディバリパイプ３側端部近傍、つまり、デリバリパイプ３の入口近くに配置されている。インジェクタ２を複数個備えるエンジンの場合、各インジェクタ２は１個の共通のデリバリパイプ３に個別に接続されている
以下に、エタノール濃度センサ１０の構成について説明する。

エタノール濃度センサ１０は、大きくは、図２に示すように、その内部に燃料が通過する通路１８ａを備えたボディ１８内に、通路１８ａ内の燃料へ向けて光を照射可能に配置された発光ダイオード１１および発光ダイオード１２、通路１８ａ内の燃料中を透過した各発光ダイオード１１、１２からの光を受光可能に配置されたフォトトランジスタ１３およびフォトトランジスタ１４を収容保持して形成されている。

ボディ１８は、非透光性材質、たとえば金属材料あるいは樹脂材料から形成されている。ボディ１８の中央部には、図２に示すように、燃料が流れる通路１８ａが貫通孔状に形成されている。ボディ１８における通路１８ａの両端部分には、図２に示すように、燃料配管７がそれぞれ接続されている。液体である燃料は、図２中において白抜き矢印で示す方向に流れている。つまり、図２において、通路１８ａの左側が燃料タンク５に接続され、通路１８ａの右側がデリバリパイプ３に接続されている。ボディ１８には、通路１８ａに連通する窓孔１８ｂが４個設けられている。すなわち、一対の窓孔１８ｂが、図２に示すように、通路１８ａを挟んで対向し且つ同軸上の位置関係で形成されている。そして、このような２個の窓孔１８ｂからなる窓孔１８ｂ対が、図２に示すように、通路１８ａの軸方向に２対並んで形成されている。

各窓孔１８ｂには、図２示すように、窓部材１５が嵌合固定されている。窓部材１５は透光性材質、たとえば無色透明のガラスあるいは樹脂材料から形成されている。窓部材１５は、ボディ１８に対して、通路１８ａ内の燃料に対して十分な気密性を確保できるように取り付けられている。

２対の窓孔１８ｂ対のうち、通路１７の上流側（図２中において左側）の窓孔１８ｂ対の一方の窓孔１８ｂには、図２に示すように、第１発光部である発光ダイオード１１がその発光面を窓孔１８ｂに密着させて配置されている。これにより、発光ダイオード１１から発せられた光は、窓部材１５を透過して通路１８ａ内へ、つまり燃料中へ出射される。発光ダイオード１１からは、第１波長光としての波長が１７００ｎｍの光が発せられる。発光ダイオード１１から発せられる光は、波長が１７００ｎｍ前後である光の成分も含むが、最も発光輝度が高い波長である中心波長は１７００ｎｍである。

通路１７の上流側（図２中において左側）の窓孔１８ｂ対の他方の窓孔１８ｂには、図２に示すように、第１受光部であるフォトトランジスタ１３がその受光面を窓孔１８ｂに密着させて配置されている。これにより、発光ダイオード１１から発せられ燃料中を透過してきた光は、図２中の矢印で示すように進行して、窓部材１５を透過してフォトトランジスタ１３に入射する。フォトトランジスタ１３としては、第１波長光である波長が１７００ｎｍの光を選択的に受光するもの、つまり１７００ｎｍの光に対する感度が突出して高いものが用いられている。フォトトランジスタ１３は、発光ダイオード１１の発する波長が１７００ｎｍの光を受光してその受光量に応じた大きさの検出信号を出力する。

２対の窓孔１８ｂ対のうち、通路１７の下流側（図２中において右側）の窓孔１８ｂ対の一方の窓孔１８ｂには、図２に示すように、第２発光部である発光ダイオード１２がその発光面を窓孔１８ｂに密着させて配置されている。これにより、発光ダイオード１２から発せられた光は、窓部材１５を透過して通路１８ａ内へ、つまり燃料中へ出射される。発光ダイオード１２からは、第２波長光としての波長が１４００ｎｍの光が発せられる。発光ダイオード１２から発せられる光は、波長が１４００ｎｍ前後である光の成分も含むが、最も発光輝度が高い波長である中心波長は１４００ｎｍである。

通路１７の下流側（図２中において左側）の窓孔１８ｂ対の他方の窓孔１８ｂには、図２に示すように、第２受光部であるフォトトランジスタ１４がその受光面を窓孔１８ｂに密着させて配置されている。これにより、発光ダイオード１２から発せられ燃料中を透過してきた光は、図２中の矢印で示すように進行して、窓部材１５を透過してフォトトランジスタ１４に入射する。フォトトランジスタ１３としては、第２波長光である波長が１４００ｎｍの光を選択的に受光するもの、つまり１４００ｎｍの光に対する感度が突出して高いものが用いられている。フォトトランジスタ１４は、発光ダイオード１２の発する波長が１４００ｎｍの光を受光してその受光量に応じた大きさの検出信号を出力する。

これらの発光ダイオード１１、１２およびフォトトランジスタ１３、１４は、チップタイプのものが用いられている。発光ダイオード１１、１２は、図２に示すように、共通の回路基板１６に実装されている。一方、フォトトランジスタ１３、１４も、図２に示すように、共通の回路基板１７に実装されている。両回路基板１６、１７は、図示しない電気コネクタを介して外部の図示しない電気配線に接続され、この電気配線を介して制御装置４に電気的に接続されている。すなわち、エタノール濃度センサ１０は、その発光ダイオード１１、１２が制御装置４により点灯駆動されるとともに、フォトトランジスタ１３、１４の出力信号が制御装置４に入力されている。

ボディ１８には、図２に示すように、カバー１９が取り付けられている。カバー１９は、金属あるいは樹脂等から形成され、ボディ１８に収容されている発光ダイオード１１、１２およびフォトトランジスタ１３、１４を気密的に保護している。

次に、本発明の一実施形態による燃料性状検出装置であるエタノール濃度センサ１０を用いたエタノール濃度検出方法について説明する。このエタノール濃度検出動作は、制御装置４内において実行されている。

運転者によりイグニッションスイッチがＯＮされると、制御装置４が作動を開始し、エンジン制御システム１が作動状態となる。制御装置４はエンジンに係る複数の制御を同時に処理するが、ここでは、エタノール濃度検出動作について説明する。

エタノール濃度検出動作が開始されると、制御装置４は、先ずステップＳ１の初期化処理を実行する。

続いて、制御装置４は、ステップＳ２の処理として、各発光ダイオード１１、１２を点灯駆動する。

続いて、制御装置４は、ステップＳ３の処理として、フォトトランジスタ１３の検出信号に基づいて計測された受光量に基づいて、１７００ｎｍ波長光の測定対象である燃料中の透過率を算出する。

続いて、制御装置４は、ステップＳ４の処理として、ステップＳ３で算出された１７００ｎｍ波長光の透過率に基づいてガソリンの濃度を算出する。

ここで、ステップＳ４におけるガソリン濃度の算出について説明する。フォトトランジスタ１３は、発光ダイオード１１の発する１７００ｎｍ波長光を受光してその受光量に応じた大きさの検出信号を出力する。この１７００ｎｍ波長光のエタノール中の透過率と水中の透過率とは大差無いが、図４に示すように、ガソリン中の透過率は、エタノール中の透過率および水中の透過率と比べて高くなっている。すなわち、１７００ｎｍ波長光に対しては、ガソリン、エタノールおよび水の３成分の混合液体は、ガソリンと、エタノールおよび水との２成分の混合液体と見做すことができる。本発明の一実施形態によるエタノール濃度検出方法においては、ガソリン、エタノールおよび水の３成分の混合液体について、そのガソリン濃度と１７００ｎｍ波長光の透過率との関係を予め測定し、両者の関係をマップとして制御装置４内の記憶手段に記憶させている。したがって、フォトトランジスタ１３により測定された透過率と上述のマップとから、燃料中のガソリン濃度を算出することができる。

続いて、制御装置４は、ステップＳ５の処理として、算出されたガソリン濃度に基づいて、燃料中のエタノールと水の混合液体の濃度を算出する。これは、１からガソリン濃度を減じる演算により求められる。ここで、０＜各濃度＜１である。

続いて、制御装置４は、ステップＳ６の処理として、フォトトランジスタ１４の検出信号に基づいて計測された受光量に基づいて、１４００ｎｍ波長光の測定対象である燃料中の透過率を算出する。

続いて、制御装置４は、ステップＳ７の処理として、ステップＳ６で算出された１４００ｎｍ波長光の透過率に基づいて、燃料中の水濃度を算出する。

ここで、ステップＳ７における水濃度の算出について説明する。フォトトランジスタ１４は、発光ダイオード１２の発する１４００ｎｍ波長光を受光してその受光量に応じた大きさの検出信号を出力する。この１４００ｎｍ波長光のガソリン中の透過率とエタノールの透過率とは大差無いが、図４に示すように、水中の透過率は、ガソリン中の透過率およびエタノール中の透過率と比べて低くなっている。すなわち、１４００ｎｍ波長光に対しては、ガソリン、エタノールおよび水の３成分の混合液体は、水と、ガソリンおよびエタノールとの２成分の混合液体と見做すことができる。本発明の一実施形態によるエタノール濃度検出方法においては、ガソリン、エタノールおよび水の３成分の混合液体について、その水濃度と１４００ｎｍ波長光の透過率との関係を予め測定し、両者の関係をマップとして制御装置４内の記憶手段に記憶させている。したがって、フォトトランジスタ１４により測定された透過率と上述のマップとから、燃料中の水濃度を算出することができる。

続いて、制御装置４は、ステップＳ８の処理として、ステップＳ５で算出した燃料中のエタノールと水の混合液体の濃度と、ステップＳ７で算出したが燃料中の水濃度とに基づいて、燃料中のエタノール濃度を算出する。これは、エタノールと水の混合液体の濃度から水濃度を減じる演算により求められる。

以上説明した手順により、燃料中のエタノール濃度が検出される。

上記構成のエタノール濃度検出方法によれば、ガソリン、エタノールおよび水の３成分の混合液体である燃料に、波長が異なる２種類の光、すなわちガソリンに対する透過率と残りの２成分に対する透過率との差が大きい第１波長光である１７００ｎｍ波長光と、水に対する透過率と残りの２成分に対する透過率との差が大きい第２波長光である１４００ｎｍ波長光とを照射し、各波長光の燃料中の透過光量を第１、第２受光素子であるフォトトランジスタ１３、１４でそれぞれ受光することにより、計測された各透過率に基づき、水分を含まないエタノールのみの濃度を検出することができる。従来のアルコール濃度センサを用いたアルコール濃度検出方法により検出されたアルコール濃度は、実際にはアルコールおよび水の混合液体の濃度となっている。したがって、従来のアルコール濃度検出方法により検出されたアルコール濃度に基づいてエンジン制御を実施した場合、エンジンを最適状態で運転する、つまり低燃費且つ燃焼排出物量が最小限度であるような状態で運転することが困難になる可能性がある。たとえば、燃費率、燃焼生成物量等が最適状態から外れる可能性がある。

これに対して、本発明の一実施形態によるエタノール濃度センサ１０を用いたエタノール濃度検出方法によれば、ガソリン、エタノールおよび水の３成分の混合液体である燃料中のエタノール濃度を高精度で検出することができる。すなわち、水を含まない純粋にエタノールのみの濃度を検出できる。したがって、本発明の実施形態によるエタノール濃度検出方法により検出されたエタノール濃度に基づいてエンジン制御を実施すれば、エンジンを容易に最適状態で運転する、つまり低燃費且つ燃焼排出物量が最小限度であるような状態で運転することが可能となる。

また、従来のアルコール濃度センサは、絶縁基板上に静電容量を形成するように一対の薄膜電極を配置してなるものである。この薄膜電極を燃料中に浸漬して、アルコール濃度変化を静電容量変化として検出している。アルコールが水分を含む場合は、アルコールと水の混合液体の濃度が検出されてしまい、アルコール濃度を高精度で検出することが困難であった。さらに、燃料中の水分が薄膜電極に付着して薄膜電極が劣化あるいは腐食して、正常な検出が困難になる可能性があった。

これに対して、本発明の一実施形態によるエタノール濃度センサ１０は、燃料に光を照射し、この光の燃料中の透過光量を計測する構成となっている。したがって、エタノール濃度センサ１０において直接燃料に接触する部分は窓部材１５である。窓部材１５は、透光性部材、たとえばガラス、樹脂等であり、これらの材質は、ガソリン、エタノールおよび水の３成分からなる燃料に対して安定性が高く、腐食されることはない。これにより高精度な検出機能を永続的に維持可能なエタノール濃度センサ１０を実現することができる。

次に、本発明の一実施形態の変形例によるエタノール濃度センサ３０について説明する。

エタノール濃度センサ３０は、図５示すように、第３発光部としての発光ダイオード３１、第３受光部としてのフォトトランジスタ３２、その内部に燃料が通過する通路３３ａを備えたボディ３３内等から構成されている。発光ダイオード３１とフォトトランジスタ３２とは、発光ダイオード３１から発せられた光が燃料を透過してフォトトランジスタ３２に入射可能に通路３３ａを挟んで対向して配置されている。

発光ダイオード３１は、中心波長が１６００から１８００ｎｍである第１波長光としての中心波長が１７００ｎｍの光を発する第１発光部である発光ダイオード部３１ａと、中心波長が１４００から１５００ｎｍである第２波長光としての中心波長が１４００ｎｍの光を発する第２発光部である発光ダイオード部３１ｂと、を一体的に形成したものである。発光ダイオード３１は、図６に示すように、発光ダイオード部３１ａおよび発光ダイオード部３１ｂを透光性樹脂３１ｃによりモールド成型して、１個の素子部品として形成されている。発光ダイオード部３１ａは、その２つの電極３１ａａ、３１ａｂに電圧を印加すると１７００ｎｍの光を発し、発光ダイオード部３１ｂは、その２つの電極３１ｂａ、３１ｂｂに電圧を印加すると１４００ｎｍの光を発する。つまり、発光ダイオード３１は、２つの電極３１ａａ、３１ａｂに電圧を印加すると、本発明の一実施形態によるエタノール濃度センサ１０における発光ダイオード１１として機能し、２つの電極３１ｂａ、３１ｂｂに電圧を印加すると、本発明の一実施形態によるエタノール濃度センサ１０における発光ダイオード１２として機能する。

フォトトランジスタ３２としては、１４００から１７００ｎｍの光を受光したときの出力信号レベルが突出して高いような特性を有するものが用いられている。これにより、発光ダイオード３１の発光ダイオード部３１ａが発光駆動されたとき、および発光ダイオード３１の発光ダイオード部３１ｂが発光駆動されたときのいずれの場合においても、フォトトランジスタ３２は、受光量に応じた出力信号を出力する。

次に、本発明の一実施形態の変形例によるエタノール濃度センサ３０を用いたエタノール濃度検出方法について説明する。このエタノール濃度検出動作は、発明の一実施形態によるエタノール濃度センサ１０の場合と同様に、制御装置４内において実行されている。濃度センサ３０を用いたエタノール濃度検出方法は、本発明の一実施形態によるエタノール濃度センサ１０を用いたエタノール濃度検出方法と基本的には同じである。すなわち、１７００ｎｍ波長光の受光量から１７００ｎｍ波長光の透過率を算出し、１４００ｎｍ波長光の受光量から１４００ｎｍ波長光の透過率を算出し、両透過率に基づいてエタノール濃度を判定している。以下に、濃度センサ３０を用いたエタノール濃度検出方法の特徴である、発光ダイオード３１の駆動方法について説明する。

制御装置４は、図７（ａ）、図７（ｂ）のタイミングチャートに示すように、発光ダイオード３１の発光ダイオード部３１ａおよび発光ダイオード部３１ｂを交互に点灯駆動している。つまり、発光ダイオード部３１ａに電圧が印加されて点灯しているときに、発光ダイオード部３１ｂには電圧が印加されず消灯している。反対に、発光ダイオード部３１ｂに電圧が印加されて点灯しているときに、発光ダイオード部３１ａには電圧が印加されず消灯している。フォトトランジスタ３２からは、これに対応して、図７（ｃ）のタイミングチャートに示すように、出力信号が出力される。すなわち、発光ダイオード部３１ａが点灯しているときには、図７（ｃ）に示すように、フォトトランジスタ３２の出力電圧は電圧Ｅ１であり、発光ダイオード部３１ｂが点灯しているときには、図７（ｃ）に示すように、フォトトランジスタ３２の出力電圧は電圧Ｅ２である。各発光ダイオード部３１ａ、３１ｂへの電圧印加切替え時においては、図７に示すように、どちらにも電圧印加されないデッドタイムＴｄが設けられている。制御装置４は、発光ダイオード部３１ａへ電圧印加中におけるフォトトランジスタ３２の出力電圧を１７００ｎｍ波長光の受光量として処理し、発光ダイオード部３１ｂへ電圧印加中におけるフォトトランジスタ３２の出力電圧を１４００ｎｍ波長光の受光量として処理する。

以上説明したように、本発明の一実施形態の変形例によるエタノール濃度センサ３０は、本発明の一実施形態によるエタノール濃度センサ１０と同様に、高精度な検出機能を永続的に維持可能なエタノール濃度センサ１０を実現することができる。さらに、測定光の透過率検出を２つの電子素子、つまり発光ダイオード３１およびフォトトランジスタ３２で行えるので、透過率検出に用いる電子素子の個数を減らしてエタノール濃度センサのコストを低減できると同時に、エタノール濃度センサの体格を小型化することができる。

図８に、本発明の一実施形態の他の変形例によるエタノール濃度センサ４０の断面図を示す。本発明の一実施形態の他の変形例によるエタノール濃度センサ４０では、第１発光部としての発光ダイオード１１、第２発光部としての発光ダイオード１２、第３受光部としてのフォトトランジスタ３２、その内部に燃料が通過する通路４１ａを備えたボディ４１等から構成されている。発光ダイオード１１は、中心波長が１６００から１８００ｎｍである第１波長光としての中心波長が１７００ｎｍの光を発するものである。発光ダイオード１２は、中心波長が１４００から１５００ｎｍである第２波長光としての中心波長が１４００ｎｍの光を発するものである。フォトトランジスタ３２としては、１４００から１７００ｎｍの光を受光したときの出力信号レベルが突出して高いような特性を有するものが用いられている。

発光ダイオード１１は、図８に示すように、その発光面をプリズム４２に密着させ且つプリズム４２および通路４１ａを挟んでフォトトランジスタ３２と対向して配置されている。すなわち、発光ダイオード１１から発せられた光は、図８中において矢印で示すように、プリズム４２内に入射するとそのまま直進し、通路４１ｂで燃料を透過してフォトトランジスタ３２に入射する。発光ダイオード１２は、その発光面をプリズム４２に密着させ且つ出射方向を発光ダイオード１１の出射方向と直交するようにして配置されている。すなわち、発光ダイオード１２から発せられた光は、図８中において矢印で示すように、プリズム４２内に入射するとプリズム４２が備える反射面４２ａで反射し、通路４１ｂで燃料を透過してフォトトランジスタ３２に入射する。

このように、本発明の一実施形態の他の変形例によるエタノール濃度センサ４０では、２つの発光部および共通の１個の受光部を備えているので、エタノール濃度センサ４０を用いたエタノール濃度検出方法は、先に説明した、本発明の一実施形態の変形例によるエタノール濃度センサ３０を用いたエタノール濃度検出方法と同様の方法が採用されている。すなわち、発光ダイオード１１および発光ダイオード１２は交互に点灯駆動され、それに対応して、フォトトランジスタ３２からは、発光ダイオード１１からの光の受光量に係る信号および発光ダイオード１２からの光の受光量に係る信号が交互に出力される。

本発明の一実施形態の他の変形例によるエタノール濃度センサ４０によっても、透過率検出に用いる電子素子の個数を減らしてエタノール濃度センサのコストを低減できると同時に、エタノール濃度センサの体格を小型化することができる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更して実施することもできる。

本発明の一実施形態の変形例によるエタノール濃度センサ３０、および本発明の一実施形態の他の変形例によるエタノール濃度センサ４０において、フォトトランジスタ３２として１４００から１７００ｎｍの光を受光したときの出力信号レベルが突出して高いような特性を有するものを用いているが、中心波長が１６００から１８００ｎｍである第１波長光を受光したときの出力信号レベルが突出して高いような特性を有する第１フォトトランジスタ部と、中心波長が１４００から１５００ｎｍである第２波長光を受光したときの出力信号レベルが突出して高いような特性を有する第２フォトトランジスタ部と、を一体的に透光性樹脂によりモールド成型して１個の素子部品として形成されたものを用いてもよい。

上記実施形態において、受光素子としてフォトトランジスタ１３、１４、３２を用いているが、他の種類の受光素子を用いても良い。たとえば、フォトダイオードをもちいても良い。

上記実施形態では、化石燃料としてガソリンを、アルコールとしてエタノールをそれぞれ用いているが、この組合せに限る必要はなく、化石燃料として軽油を、あるいはアルコールとして他の種類のアルコール、たとえばメタノールを用いてもよい。その場合、第１発光部および第２発光部としては、液体燃料の成分である化石燃料およびアルコールに対する透過率が異なり且つその差が大きいような波長光を発する発光部の組合わせとすれば、上記実施形態の場合と同様にアルコール濃度を高精度で検出することができる。

本発明に係る燃料性状検出装置であるエタノール濃度センサ１０が用いられているエンジン制御システム１の構成を示す概略図である。 エタノール濃度センサ１０の断面図である。 エタノール濃度検出処理の手順を示すフローチャートである。 ガソリン、エタノールおよび水の３種類の液体中における光の透過率と、当該光の波長との関係を表すグラフである。 エタノール濃度センサ３０の断面図である。 発光ダイオード３１の構造を説明する模式図である。 （ａ）は、発光ダイオード部３１ａへの印加電圧の時間推移を、（ｂ）は、発光ダイオード部３１ｂへの印加電圧の時間推移を、（ｃ）は、フォトトランジスタ３２の出力電圧の時間推移を、それぞれ示すタイミングチャートである。 エタノール濃度センサ４０の断面図である。

符号の説明

１ エンジン制御システム
２ インジェクタ
３ デリバリパイプ
４ 制御装置
５ 燃料タンク
６ 点火プラグ
７ 燃料配管
８ スロットルバルブ
１０ エタノール濃度センサ（燃料性状検出装置）
１１ 発光ダイオード（第１発光部）
１２ 発光ダイオード（第２発光部）
１３ フォトトランジスタ（第１受光部）
１４ フォトトランジスタ（第２受光部）
１５ 窓部材
１６、１７ 回路基板
１８ ボディ
１８ａ 通路
１８ｂ 窓孔
１９ カバー
２０ａ 反射面
３０ エタノール濃度センサ（燃料性状検出装置）
３１ 発光ダイオード（第３発光部）
３１ａ 発光ダイオード部（第１発光部）
３１ａａ、３１ａｂ 電極
３１ｂａ、３１ｂｂ 電極
３１ｂ 発光ダイオード部（第２発光部）
３１ｃ 透光性樹脂
３２ フォトトランジスタ（第３受光部）
３３ ボディ
３３ａ 通路
３３ｂ 窓孔
４０ エタノール濃度センサ（燃料性状検出装置）
４１ボディ
４１ａ 通路
４１ｂ 窓孔
４２ プリズム
４２ａ 反射面
１００ エンジン
１０１ 吸気管
Ｔｄ デッドタイム

Claims (6)

1. 化石燃料（ガソリン、軽油）に対する透過率とアルコールに対する透過率および水に対する透過率との差が大きい光である第１波長光を発する第１発光部から化石燃料（ガソリン、軽油）、エタノールおよび水の三成分が混合されてなる液体に光を照射して該液体を透過した透過光量を第１受光部で計測し、
   水に対する透過率と化石燃料に対する透過率およびアルコールに対する透過率との差が大きい光である第２波長光を発する第２発光部から前記液体に光を照射して前記液体を透過した透過光量を第２受光部で計測し、
   前記第２受光部により計測された透過光量に基づいて前記液体の水濃度を検出し、
   前記第１受光部により計測された透過光量および前記水濃度に基づいて前記液体のエタノール濃度を検出することを特徴とする液体燃料性状検出方法。
2. 前記第１波長光は中心波長が１６００から１８００ｎｍである光であり、
   前記第２波長光は中心波長が１４００から１５００ｎｍである光であることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料性状検出方法。
3. 請求項１に記載の液体燃料性状検出方法の実施に用いられる液体燃料性状検出装置であって、
   化石燃料、アルコールおよび水の三成分が混合されてなる液体が通過する通路と、
   前記通路内の液体に向けて光を照射可能に配置され第１波長光を出射する第１発光部と、
   前記液体を透過した前記第１波長光を選択的に受光可能に配置された第１受光部と、
   前記通路内の液体に向けて光を照射可能に配置され第２波長光を出射する第２発光部と、
   前記液体を透過した前記第２波長光を選択的に受光可能に配置された第２受光部とを備え、
   前記第１波長光の化石燃料に対する透過率とアルコールに対する透過率および水に対する透過率との差が大きく、
   前記第２波長光の水に対する透過率と化石燃料に対する透過率およびアルコールに対する透過率との差が大きいことを特徴とする液体燃料性状検出装置。
4. 前記第１波長光は中心波長が１６００から１８００ｎｍである光であり、
   前記第２波長光は中心波長が１４００から１５００ｎｍである光であることを特徴とする請求項３に記載の液体燃料性状検出装置。
5. 前記第１発光部および前記第２発光部は一体的に樹脂成型された第３発光部として形成され、
   前記第１受光部および前記第２受光部は前記第１波長光および前記第２波長光を計測可能な第３受光部として一体的に樹脂成型により形成されたことを特徴とする請求項３または請求項４のどちらか一つに記載の液体燃料性状検出装置。
6. 前記第３発光部は、前記第１波長光および前記第２波長光を交互に発光するように駆動制御されることを特徴とする請求項５に記載の液体燃料性状検出装置。

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