JP2010223734A - アルコール濃度検出センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料流路内に配置しても、大きな流路抵抗となることを防止する。
【解決手段】本発明のアルコール濃度検出センサ240は、光源248と、光源から入射される光を伝搬するコアを有する光ファイバー244と、光ファイバー244によって伝搬された光を受光する受光部246を備えている。光ファイバー244のコアの少なくとも一部分が表面に露出しており、その露出した部分に表面プラズモン現象を発生する金属膜が形成されており、その光ファイバー244が燃料流路241内に配置されている。
【選択図】図14
【解決手段】本発明のアルコール濃度検出センサ240は、光源248と、光源から入射される光を伝搬するコアを有する光ファイバー244と、光ファイバー244によって伝搬された光を受光する受光部246を備えている。光ファイバー244のコアの少なくとも一部分が表面に露出しており、その露出した部分に表面プラズモン現象を発生する金属膜が形成されており、その光ファイバー244が燃料流路241内に配置されている。
【選択図】図14
Description
本発明は、内燃機関(例えば、自動車用エンジン)に供給される燃料に含まれるアルコールの濃度を検出するセンサに関する。
近年、アルコール(例えば、バイオエタノール等)を含有する燃料を内燃機関の燃料として使用することが検討されている。ガソリンとアルコールとでは理論空燃比が異なることから、アルコール含有燃料を適切な空燃比で燃焼させるためには、燃料中のアルコール濃度を検出する必要がある。このため、燃料中のアルコール濃度を検出するためのセンサが開発されている。
特許文献1には、液体中の分子、イオン、有機物(すなわち、アルコール)の濃度変化を検出するセンサが開示されている。特許文献1のセンサは、光源からの光が入射するコアと、そのコアの外周面に接着されたプラスティックロッドを備えている。プラスティックロッドの周囲には、感知用光ファイバーが巻き付けられている。感知用光ファイバーは、コアと、コアの外周に設けられたクラディング層と、クラディング層の外周に設けられた化学的感知性被覆を有している。コアとプラスティックロッドと感知用光ファイバーは多孔性のコンテナに収容され、コンテナはこれらの部材を機械的に保護している。このセンサでは、コアに入射した光がプラスティックロッドで放散される。液体中の監視対象物の濃度が変化すると、感知用光ファイバーの化学的感知性被覆の色が変化する。化学的感知性被覆の色の変化は、感知用光ファイバーのコアを介して光検出器で検出される。これによって、液体中の監視対象物の濃度変化を検出するようにしている。
特許文献1には、液体中の分子、イオン、有機物(すなわち、アルコール)の濃度変化を検出するセンサが開示されている。特許文献1のセンサは、光源からの光が入射するコアと、そのコアの外周面に接着されたプラスティックロッドを備えている。プラスティックロッドの周囲には、感知用光ファイバーが巻き付けられている。感知用光ファイバーは、コアと、コアの外周に設けられたクラディング層と、クラディング層の外周に設けられた化学的感知性被覆を有している。コアとプラスティックロッドと感知用光ファイバーは多孔性のコンテナに収容され、コンテナはこれらの部材を機械的に保護している。このセンサでは、コアに入射した光がプラスティックロッドで放散される。液体中の監視対象物の濃度が変化すると、感知用光ファイバーの化学的感知性被覆の色が変化する。化学的感知性被覆の色の変化は、感知用光ファイバーのコアを介して光検出器で検出される。これによって、液体中の監視対象物の濃度変化を検出するようにしている。
上述したように特許文献1のセンサは、光源からの光が入射するコアの外周にプラスティックロッドを接着し、そのプラスティックロッドの外周に感知用光ファイバーを巻き付け、これらをさらにコンテナで保護する構造を有している。このため、特許文献1のセンサを燃料ポンプと内燃機関を接続する燃料流路中に配置すると、その流路抵抗が大きく、大きな圧力損失を生じるという問題がある。なお、特許文献1のセンサを燃料タンク等に設置することも考えられるが、この場合には燃料流路を流れる燃料の変化を時間遅れなく検出することができなくなる。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料ポンプと内燃機関を接続する燃料流路中に配置しても、大きな圧力損失が生じることを防止することができるアルコール濃度検出センサを提供することを目的とする。
本願のアルコール濃度検出センサは、内燃機関に燃料を供給する燃料流路内を流れる燃料に含まれるアルコールの濃度を検出する。このセンサは、光源と、光源から入射される光を伝搬するコアを有する光ファイバーと、光ファイバーによって伝搬された光を受光する受光部を備えている。そして、光ファイバーのコアの少なくとも一部分が表面に露出しており、その露出した部分に表面プラズモン現象を発生する金属膜が形成されており、その光ファイバーが燃料流路内に配置されている。
このアルコール濃度検出センサは、コアを伝搬する光の一部が、コアの表面に形成された金属膜の表面プラズモン共鳴によって吸収される。表面プラズモン共鳴によって吸収される光の強度は燃料の屈折率によって変化する。このため、受光部で受光した光の強度により燃料の屈折率を検出でき、この屈折率よりアルコール濃度を求めることができる。このアルコール濃度検出センサでは、光ファイバーのコアに金属膜を形成するだけでよいため、光ファイバーをコンパクトに形成することができる。このため、光ファイバーを燃料通路内に配置しても、大きな流路抵抗となることはなく、その圧力損失を小さくすることができる。また、光ファイバーを燃料通路内に配置するため、燃料通路内を流れる燃料の変化を応答性良く検出することができる。
このアルコール濃度検出センサは、コアを伝搬する光の一部が、コアの表面に形成された金属膜の表面プラズモン共鳴によって吸収される。表面プラズモン共鳴によって吸収される光の強度は燃料の屈折率によって変化する。このため、受光部で受光した光の強度により燃料の屈折率を検出でき、この屈折率よりアルコール濃度を求めることができる。このアルコール濃度検出センサでは、光ファイバーのコアに金属膜を形成するだけでよいため、光ファイバーをコンパクトに形成することができる。このため、光ファイバーを燃料通路内に配置しても、大きな流路抵抗となることはなく、その圧力損失を小さくすることができる。また、光ファイバーを燃料通路内に配置するため、燃料通路内を流れる燃料の変化を応答性良く検出することができる。
上記のアルコール濃度検出センサにおいては、光ファイバーが、燃料流路内の壁面近傍に配置されていることが好ましい。このような構成によると、光ファイバーが流路抵抗となることをより防止することができる。
また、上記のアルコール濃度検出センサでは、燃料流路には閉鎖用盲栓が取付けられており、その閉鎖用盲栓が取付けられている部位に光ファイバーが配置されていることが好ましい。このような構成によると、燃料の流れを阻害しない位置に光ファイバーが配置されるため、光ファイバーが流路抵抗となることを防止することができる。また、燃料流路への光ファイバーの取付け・取外しを容易に行うことができる。
上記のアルコール濃度検出センサでは、光ファイバーが巻回された状態で燃料流路内に配置されていることが好ましい。光ファイバーを巻回した状態とすることで、金属膜を形成する部位を長くすることができ、センサ感度を向上することができる。また、光ファイバーが巻回されているため、アルコール濃度検出センサが小型化することができる。
上記のアルコール濃度検出センサでは、光ファイバーの外周が燃料透過性部材で覆われていてもよい。光ファイバーを燃料透過性部材で覆うことで、光ファイバーが損傷することを防止することができる。また、異物や燃料脈動や流体力の影響を低減することができる。
上記のアルコール濃度検出センサでは、燃料流路内に設けられ、燃料が流れる方向に開口する空間を備えている取付部材をさらに有することができる。かかる場合、その取付部材に光ファイバーが固定されていることが好ましい。光ファイバーを取付部材に固定することで、光ファイバーを燃料流路内で安定した状態で保持することができる。また、取付部材は、燃料が流れる方向に開口する空間を有するため、取付部材が大きな流路抵抗となることを防止することができる。
下記に詳細に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
(形態1)光源と受光部は燃料流路外に配置されている。
(形態2)光ファイバーは、燃料流路の内壁面に倣う形状に巻回されている。
(形態3)光ファイバーの一端(光を入射する入射端)と他端(光を出射する出射端)が同一方向となるように、光ファイバーが巻回されている。
(形態1)光源と受光部は燃料流路外に配置されている。
(形態2)光ファイバーは、燃料流路の内壁面に倣う形状に巻回されている。
(形態3)光ファイバーの一端(光を入射する入射端)と他端(光を出射する出射端)が同一方向となるように、光ファイバーが巻回されている。
(第1実施例) 本発明を具現化した一実施例について、図面を参照して説明する。まず、本実施例のアルコール濃度検出センサが装備される内燃機関の燃料供給系の構成について説明する。図1に示すように、本実施例の燃料供給系は、燃料を貯留する燃料タンク26を備えている。燃料タンク26に貯留されている燃料には、アルコール(本実施例ではエタノール)が含まれている。燃料タンク26内には燃料供給装置28が収容されている。燃料供給装置28は、燃料タンク26内の燃料を昇圧し、昇圧した燃料を燃料タンク26外に吐出する。燃料供給装置28には、燃料供給路(38a,38b)の一端が接続されている。燃料供給路(38a,38b)の他端は、インジェクタ12に接続されている。燃料供給装置28から吐出された燃料は、燃料供給路(38a,38b)を通ってインジェクタ12に供給される。
インジェクタ12は、燃料供給装置28から供給された燃料を噴射する。インジェクタ12は、インテークマニホールド14に取付けられている。インテークマニホールド14は、エンジン10の吸気側に取付けられている。インテークマニホールド14には、スロットルバルブ16が配設されている。スロットルバルブ16は、インテークマニホールド14を流れる空気流量を調節する。スロットルバルブ16を制御することで、エンジン10に供給される空気量が制御される。スロットルバルブ16の上流側には吸気温センサ18が配置され、スロットルバルブ16の下流側には流量センサ20が配置されている。吸気温センサ18は、インテークマニホールド14内を流れる空気の温度を検出する。流量センサ20は、インテークマニホールド14内を流れる空気の流量を検出する。また、エンジン10には、ノッキングの発生の有無を検出するノックセンサ22が取付けられている。各センサ18,20,22は、ECU24に電気的に接続されている。
ECU24には、上記した各センサ18,20,22及び後で詳述するアルコール濃度検出センサ40からの出力が入力される。ECU24は、アルコール濃度検出センサ40の出力から、燃料に含まれるアルコール濃度を算出する。また、ECU24は、算出したアルコール濃度と、各センサ18,20,22の出力に基づいて、インジェクタ12から噴射する燃料流量や、インジェクタ12から燃料を噴射するタイミング等を制御する。ECU24によるアルコール濃度を算出する手順については、後で詳述する。
次に、燃料タンク26内に収容される燃料供給装置28について説明する。図2に示すように、燃料供給装置28は、リザーブタンク30と、リザーブタンク30内に収容される燃料ポンプ32を有している。リザーブタンク30は、燃料タンク26内の燃料を一時的に貯留する。燃料ポンプ32は配線32cによりECU24に接続されている。ECU24から配線32cを介して燃料ポンプ32に電力が供給されると、燃料ポンプ32は、リザーブタンク30内の燃料を吸引し、その吸引した燃料を昇圧し、その昇圧した燃料を吐出する。燃料ポンプ32の吸入ポート32aにはサクションフィルタ34が取付けられている。燃料ポンプ32の吐出ポート32bには高圧フィルタ36が取付けられている。このため、燃料ポンプ32には、サクションフィルタ34によって異物が除去された燃料が吸引され、また、燃料ポンプ32から吐出される燃料は高圧フィルタ36でさらに異物が除去されることとなる。高圧フィルタ32には燃料供給路38aの一端が接続されている。燃料供給路38aの他端はアルコール濃度検出センサ40に接続されている。アルコール濃度検出センサ40には燃料供給路38bの一端が接続され、燃料供給路38bの他端はインジェクタ12に接続されている(図1参照)。したがって、高圧フィルタ36で異物が除去された燃料は、燃料供給路38aを通ってアルコール濃度検出センサ40に流れ、アルコール濃度検出センサ40から燃料供給路38bを通ってインジェクタ12に流れる。なお、アルコール濃度検出センサ40には高圧フィルタ36によって異物が取り除かれた燃料が供給されるため、燃料中のアルコール濃度を精度良く検出することができる。また、アルコール濃度検出センサ40を燃料タンク26内に配置することで、外気温の影響を低減することができる。
図3,4に示すように、アルコール濃度検出センサ40は、LED42と光ファイバー44とフォトダイオード46を備えている。図4に示すように、LED42と光ファイバー44とフォトダイオード46は、燃料流路を形成するハウジング41内に配置されている。このため、燃料ポンプ32から燃料が吐出されている状態では、LED42と光ファイバー44とフォトダイオード46が燃料中に浸漬された状態となる。
LED42は、配線44aによりECU24に接続されている。ECU24は、LED42のオン/オフを制御する。LED42がオンすると、LED42から光が出射される。LED42は、光ファイバー44の一方の端面に近接した位置に配置されている。このため、LED42から出射される光は、光ファイバー44の一端面に入射される。なお、本実施例では、光伝送部として光ファイバー44を用いたが、ガラス棒を用いることができる。また、光源としてLED42を用いたが、その他の光源(例えば、レーザー光源等)を用いることができる。
光ファイバー44は、一端面に入射された光を他端面に伝搬する。図5に示すように、光ファイバー44は、コア52とクラッド54を有している。コア52とクラッド54はともに、光に対して透過率が高い石英ガラス又はプラスチックで形成されている。コア52の屈折率は、クラッド54の屈折率よりも大きくされている。これによって、光ファイバー44に入射された光の多くがコア52を伝搬する。クラッド54は、コア52の外周面に設けられている。クラッド54は、その一部が除去されている。クラッド54が除去された部分では、コア52が表面に露出している。コア52が表面に露出した部分においては、コア52の表面(本実施例では片側半面(図5の上側の面))に金の薄膜50(以下、金薄膜50という)が形成されている。金薄膜50は、真空蒸着法によって形成することができる。金薄膜50の厚みは1〜200nmとされ、表面プラズモン共鳴現象が起こり易い厚みに形成されている。
なお、本実施例では、表面プラズモン共鳴現象を生じさせるために金を用いたが、コア52の表面に形成する薄膜の材料には他の金属(例えば、銀、銅、アルミニウム等)を用いることができる。また、金と、これらの金属を積層した薄膜を用いることもできる。
なお、本実施例では、表面プラズモン共鳴現象を生じさせるために金を用いたが、コア52の表面に形成する薄膜の材料には他の金属(例えば、銀、銅、アルミニウム等)を用いることができる。また、金と、これらの金属を積層した薄膜を用いることもできる。
フォトダイオード46は、光ファイバー44を伝搬した光を受光し、その受光した光を電流に変換する。フォトダイオード46で変換される電流は、受光した光の強度に比例している。この電流は、抵抗Rにより電圧に変換される。抵抗Rによって変換された電圧は、電圧計48で計測される。電圧計48で計測された電圧値は、配線44bを介してECU24に入力される。
ECU24は、電圧計48で計測された電圧値から燃料の屈折率を決定し、その屈折率から燃料中のアルコール濃度を決定する。すなわち、光ファイバー44(コア52)は燃料に浸漬されているため、コア52の金薄膜50は燃料に接している。このため、光ファイバー44(コア52)に光を入射すると、金薄膜50によって表面プラズモン共鳴現象が発生し、入射した光の一部が吸収される。表面プラズモン共鳴現象によって吸収される光の強度は、金薄膜50に接する燃料の屈折率によって異なる。このため、ECU24は、電圧計48で計測された電圧値(即ち、フォトダイオード46で受光した光の強度)から、燃料の屈折率を決定する。燃料の屈折率と燃料中のアルコール濃度の間には図6に示す関係が成立する(アルコール濃度が高くなると、屈折率が低くなる。)。このため、ECU24は、決定した屈折率から燃料中のアルコール濃度を決定する。
上述した説明から明らかなように、本実施例のアルコール濃度検出センサでは、光ファイバー44のコア52の表面に金薄膜50を形成し、コア52を伝搬する光の一部が表面プラズモン共鳴現象によって吸収されるようになっている。このため、燃料の屈折率の変化に対してフォトダイオード46で受光する光の強度が大きく変化し、燃料の屈折率を精度良く決定することができる。これによって、燃料中のアルコール濃度も精度良く検出することができる。
(第2実施例) 次に、本発明の第2実施例に係るアルコール濃度検出センサを説明する。第2実施例のアルコール濃度検出センサは、第1実施例とは異なり、内燃機関の燃料として種類の異なる燃料(例えば、重軽質が異なる燃料)が使用され、使用される燃料の種類(例えば、重軽質)が異なってもアルコール濃度が検出可能となっている点で相違する。なお、アルコール濃度検出センサのハード構成については、第1実施例と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
第2実施例では、重軽質が異なる3種類の燃料A,B,Cが用いられる。図6から明らかなように、燃料A,B,Cの「屈折率−アルコール濃度」の特性(関係)は略同一の特性を有している。すなわち、燃料の重軽質が異なっていても、燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係は略同一となる。
そこで、ECUには、燃料の種類A,B,Cのそれぞれの「屈折率−アルコール濃度」の関係のうちの一つが記憶される。具体的には、種類Bの燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係が予め記憶される。種類Bの燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係は、種類Aの燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係と種類Bの燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係の略中間の特性を示すためである。
ECUは、アルコール濃度検出センサのフォトダイオードから出力される電圧値から燃料の屈折率を決定すると、まず、記憶している「屈折率−アルコール濃度」の関係を読出す。そして、その読出した「屈折率−アルコール濃度」の関係と決定した屈折率から、燃料のアルコール濃度を決定する。これによって、燃料の種類A,B,C(燃料の重軽質)が異なっても、燃料中に含有するアルコールの濃度を精度良く検出することができる。
そこで、ECUには、燃料の種類A,B,Cのそれぞれの「屈折率−アルコール濃度」の関係のうちの一つが記憶される。具体的には、種類Bの燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係が予め記憶される。種類Bの燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係は、種類Aの燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係と種類Bの燃料の「屈折率−アルコール濃度」の関係の略中間の特性を示すためである。
ECUは、アルコール濃度検出センサのフォトダイオードから出力される電圧値から燃料の屈折率を決定すると、まず、記憶している「屈折率−アルコール濃度」の関係を読出す。そして、その読出した「屈折率−アルコール濃度」の関係と決定した屈折率から、燃料のアルコール濃度を決定する。これによって、燃料の種類A,B,C(燃料の重軽質)が異なっても、燃料中に含有するアルコールの濃度を精度良く検出することができる。
(第3実施例) 次に、本発明の第3実施例に係るアルコール濃度検出センサを説明する。第3実施例のアルコール濃度検出センサは、第1実施例と異なり、金薄膜が形成された光ファイバーとは別に補償用の光ファイバーを有する点で相違する。その他の点は、第1実施例と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
図7に示すように、本実施例のアルコール濃度検出センサは、LED(図示しない)からの光が入射される第1光ファイバー44と、LED(図示しない)からの光が入射される第2光ファイバー47を備えている。第1光ファイバー44は、第1実施例と同様に、コア52の一部が表面に露出しており、その部分に金薄膜50が形成されている。第2光ファイバー47は、第1光ファイバー44と異なり、コア53の一部が表面に露出しているが、コア53には金薄膜が形成されていない。第1光ファイバー44を伝搬した光はフォトダイオード(図示しない)で受光され、第2光ファイバー47を伝搬した光はフォトダイオード(図示しない)で受光される。これら第1光ファイバー44と第2光ファイバー47は取付プレート56に固定されている。
本実施例のECUは、第1光ファイバー44で伝搬された光を受光したフォトダイオードの出力(すなわち、第1光ファイバー44で伝搬された光の強度)と第2光ファイバー47で伝搬された光を受光したフォトダイオードの出力(すなわち、第2光ファイバー47で伝搬された光の強度)の両者を用いて、燃料の屈折率を決定する。具体的には、第1光ファイバー44で伝搬された光の強度から第2光ファイバー47で伝搬された光の強度を減算し、その減算値から燃料の屈折率を決定する。第1光ファイバー44と第2光ファイバー47は同一の取付プレート56に固定されているため、第1光ファイバー44と第2光ファイバー47は同じ様に変形している。このため、第1光ファイバー44と第2光ファイバー47の出力の差を採ることで、第1光ファイバー44が変形することによる光強度の変化を補償することができる。これによって、燃料の屈折率(アルコール濃度)を精度良く検出することができる。
なお、第1光ファイバー44に光を入射するLEDと、第2光ファイバー47に光を入射するLEDを、同一のLEDとすることができる。このような構成とすれば、LEDの経時変化や電圧変化等によってフォトダイオードで受光される光の強度が変化しても、第1光ファイバー44に入射される光の強度と第2光ファイバー47に入射される光の強度が同様に変化するため、その影響をキャンセルすることができる。これによって、燃料の屈折率(アルコール濃度)を精度良く求めることができる。この場合は、入射光学系に切替えミラーを配置すること等によって、第1光ファイバー44に光が入射される状態と、第2光ファイバー47に光が入射される状態とに切り替えるようにすることができる。
また、第1光ファイバー44を伝搬した光を受光するフォトダイオードと、第2光ファイバー47を伝搬した光を受光するフォトダイオードを、同一のフォトダイオードとすることもできる。このような構成とすると、フォトダイオードの経時変化による影響がキャンセルされ、燃料の屈折率(アルコール濃度)を精度良く求めることができる。
この場合、受光光学系に切り替えミラーを配置すること等によって、第1光ファイバー44を伝搬する光をフォトダイオードに導く状態と、第2光ファイバー47を伝搬する光をフォトダイオードに導く状態とに切換え可能とすることができる。あるいは、入射光学系に切り替えミラーを配置すること等によって、第1光ファイバー44に光が入射される状態と、第2光ファイバー47に光が入射される状態とに切り替えるようにしてもよい。
この場合、受光光学系に切り替えミラーを配置すること等によって、第1光ファイバー44を伝搬する光をフォトダイオードに導く状態と、第2光ファイバー47を伝搬する光をフォトダイオードに導く状態とに切換え可能とすることができる。あるいは、入射光学系に切り替えミラーを配置すること等によって、第1光ファイバー44に光が入射される状態と、第2光ファイバー47に光が入射される状態とに切り替えるようにしてもよい。
(第4実施例) 次に、本発明の第4実施例に係る燃料性状判定装置を説明する。第4実施例の燃料性状判定装置は、第1実施例と異なり、燃料の蒸気圧を検出する蒸気圧センサをさらに備え、アルコール濃度検出センサで検出されたアルコール濃度と蒸気圧センサで検出された燃料蒸気圧から燃料性状を判定している点で相違する。その他の点は、第1実施例と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
図8,9に示すように、第4実施例の燃料性状判定装置は、燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出センサ140と、燃料の蒸気圧を検出する蒸気圧センサ150を備えている。アルコール濃度検出センサ140は、第1実施例と同様に構成されている。蒸気圧センサ150は、燃料のリード蒸気圧を検出するセンサである。蒸気圧センサ150には、従来公知の構造(例えば、特開平5−223723号公報)を利用することができる。これらアルコール濃度検出センサ140と蒸気圧センサ150は、ECU124に接続されている。
ECU124には、アルコール濃度検出センサ140と蒸気圧センサ150からの出力が入力される。ECU124は、アルコール濃度検出センサ140の出力と蒸気圧センサ150の出力から燃料性状を判定する。以下、図10〜13を参照して、ECU124について詳細に説明する。
図11に示すように、ECU124は、アルコール濃度判定部124aと燃料性状判定部124bとメモリ124cを備えている。アルコール濃度判定部124aは、第1実施例と同様、アルコール濃度検出センサ140の出力からアルコール濃度を決定する。すなわち、アルコール濃度検出センサ140の出力から燃料の屈折率を特定し、その屈折率から燃料に含まれるアルコール濃度を決定する。
メモリ124cは、重軽質の異なる複数の燃料(例えば、燃料A,B,C)の各アルコール濃度における蒸気圧を記憶している。図10は、重軽質が異なる燃料A,B,Cの蒸気圧とアルコール濃度の関係を示している。燃料Aは重軽質の高い燃料(いわゆる、重質燃料)であり、燃料Bは重軽質が中程度の燃料(いわゆる、中質燃料)であり、燃料Cは重軽質が低い燃料(いわゆる、軽質燃料)である。図10から明らかなように、燃料の蒸気圧は、アルコール濃度(エタノール濃度)が高くなると低くなり、また、重軽質が高く(重質燃料の比率が高く)なると小さくなる。また、アルコール濃度が低い領域では燃料の蒸気圧の変化は小さく、アルコール濃度が高い領域では燃料の蒸気圧の変化は大きい。特に、燃料Aでは、アルコール濃度が低い領域では、アルコール濃度が変化しても燃料の蒸気圧が殆ど変化しない。このため、蒸気圧センサ150の出力のみからアルコール濃度を精度良く決定することは難しい。
図12はメモリ124cに格納されているデータの一例を示している。図12に示すように、燃料A(重軽質a%)の各アルコール濃度(0%,10%,・・,100%)のときの蒸気圧(a0,a10,・・,a100)と、燃料B(重軽質b%)の各アルコール濃度(0%,10%,・・,100%)のときの蒸気圧(b0,b10,・・,b100)と、燃料C(重軽質c%)の各アルコール濃度(0%,10%,・・,100%)のときの蒸気圧(c0,c10,・・,c100)が記憶されている。なお、メモリ124cに格納するデータは、燃料A,B,Cの3種類のデータに限られず、それ以上の種類の燃料(重軽質が異なる燃料)のデータを格納するようにしてもよい。メモリ124cに格納する燃料の種類を多くすれば、燃料の重軽質を精度良く決定することができる。
図12はメモリ124cに格納されているデータの一例を示している。図12に示すように、燃料A(重軽質a%)の各アルコール濃度(0%,10%,・・,100%)のときの蒸気圧(a0,a10,・・,a100)と、燃料B(重軽質b%)の各アルコール濃度(0%,10%,・・,100%)のときの蒸気圧(b0,b10,・・,b100)と、燃料C(重軽質c%)の各アルコール濃度(0%,10%,・・,100%)のときの蒸気圧(c0,c10,・・,c100)が記憶されている。なお、メモリ124cに格納するデータは、燃料A,B,Cの3種類のデータに限られず、それ以上の種類の燃料(重軽質が異なる燃料)のデータを格納するようにしてもよい。メモリ124cに格納する燃料の種類を多くすれば、燃料の重軽質を精度良く決定することができる。
燃料性状判定部124bは、アルコール濃度判定部124aで決定したアルコール濃度と、メモリ124cに記憶されているデータから、燃料の重軽質を決定する。すなわち、アルコール濃度が決定されると、メモリ124cに記憶されているデータから、そのアルコール濃度における各燃料A,B,Cの蒸気圧a,b,cを算出する。例えば、アルコール濃度が25%のときの燃料Aの蒸気圧は、燃料Aのアルコール濃度20%の蒸気圧a20とアルコール濃度30%の蒸気圧a30から(a20+a30)/2と算出することができる。燃料Bの蒸気圧も燃料Cの蒸気圧も、同様にして算出することができる。
燃料A,B,Cの蒸気圧が算出されると、それら算出された燃料A,B,Cの蒸気圧と、蒸気圧センサ150で検出された蒸気圧から燃料の重軽質を算出する。例えば、蒸気圧センサ150で検出された蒸気圧がpであり、この蒸気圧pが燃料A(重軽質a%)の蒸気圧apより大きく、燃料B(重軽質a%)の蒸気圧bpより小さいとする(すなわち、ap<p<bp)。この場合、燃料の重軽質は、a%+[(p−ap)/(bp−ap)]×(b%−a%)と算出することができる。すなわち、算出された燃料A,B,Cの蒸気圧のデータを内挿又は外挿することで、燃料の重軽質を算出する。なお、重軽質の程度を求めることなく、蒸気圧値そのものから燃料性状を判定してエンジンを制御してもよい。
燃料A,B,Cの蒸気圧が算出されると、それら算出された燃料A,B,Cの蒸気圧と、蒸気圧センサ150で検出された蒸気圧から燃料の重軽質を算出する。例えば、蒸気圧センサ150で検出された蒸気圧がpであり、この蒸気圧pが燃料A(重軽質a%)の蒸気圧apより大きく、燃料B(重軽質a%)の蒸気圧bpより小さいとする(すなわち、ap<p<bp)。この場合、燃料の重軽質は、a%+[(p−ap)/(bp−ap)]×(b%−a%)と算出することができる。すなわち、算出された燃料A,B,Cの蒸気圧のデータを内挿又は外挿することで、燃料の重軽質を算出する。なお、重軽質の程度を求めることなく、蒸気圧値そのものから燃料性状を判定してエンジンを制御してもよい。
次に、ECU124によって燃料性状を判定する手順について説明する。図13に示すように、まず、ECU124は、アルコール濃度検出センサ140の出力を読み込む(S10)。すなわち、フォトダイオードで受光した光(すなわち、光ファイバーのコアを伝搬した光)の強度を検出する。
次に、ECU124は、ステップS10で読み込んだアルコール濃度検出センサ140の出力から燃料の屈折率を算出し(S12)、その屈折率から燃料のアルコール濃度を決定する(S14)。すなわち、ECU124は、アルコール濃度検出センサ140の出力から特定された屈折率と、メモリ124cに格納されている「屈折率−アルコール濃度」の関係(図6)から、アルコール濃度を特定する。図6から明らかなように、燃料A,B,Cの「屈折率−アルコール濃度」の特性はわずかに異なるが、大きくは異ならない(特に、図6では燃料A,B,Cの差を強調して表示している。)。このため、燃料の重軽質が異なっていても、アルコール濃度検出センサ140の出力から算出した屈折率から燃料のアルコール濃度を精度良く決定することができる。
次に、ECU124は、蒸気圧センサ150からの出力を読み込み(S16)、その蒸気圧センサ150の出力と、ステップS14で決定したアルコール濃度と、メモリ124cに格納されている「重軽質−蒸気圧」の関係から、燃料の重軽質を算出する(S18)。すなわち、まず、メモリ124cに格納されているデータからステップS14で決定したアルコール濃度における各燃料A,B,Cの蒸気圧を算出する。次いで、算出した燃料A,B,Cの蒸気圧と蒸気圧センサ150で検出された蒸気圧から、燃料の重軽質を算出する。
上述した手順で燃料のアルコール濃度と重軽質が決定されると(すなわち、燃料性状が決定されると)、ECU124は決定された燃料性状に基づいてエンジン110への燃料噴射量及び燃料噴射タイミング等を決定する。
次に、ECU124は、ステップS10で読み込んだアルコール濃度検出センサ140の出力から燃料の屈折率を算出し(S12)、その屈折率から燃料のアルコール濃度を決定する(S14)。すなわち、ECU124は、アルコール濃度検出センサ140の出力から特定された屈折率と、メモリ124cに格納されている「屈折率−アルコール濃度」の関係(図6)から、アルコール濃度を特定する。図6から明らかなように、燃料A,B,Cの「屈折率−アルコール濃度」の特性はわずかに異なるが、大きくは異ならない(特に、図6では燃料A,B,Cの差を強調して表示している。)。このため、燃料の重軽質が異なっていても、アルコール濃度検出センサ140の出力から算出した屈折率から燃料のアルコール濃度を精度良く決定することができる。
次に、ECU124は、蒸気圧センサ150からの出力を読み込み(S16)、その蒸気圧センサ150の出力と、ステップS14で決定したアルコール濃度と、メモリ124cに格納されている「重軽質−蒸気圧」の関係から、燃料の重軽質を算出する(S18)。すなわち、まず、メモリ124cに格納されているデータからステップS14で決定したアルコール濃度における各燃料A,B,Cの蒸気圧を算出する。次いで、算出した燃料A,B,Cの蒸気圧と蒸気圧センサ150で検出された蒸気圧から、燃料の重軽質を算出する。
上述した手順で燃料のアルコール濃度と重軽質が決定されると(すなわち、燃料性状が決定されると)、ECU124は決定された燃料性状に基づいてエンジン110への燃料噴射量及び燃料噴射タイミング等を決定する。
上述した説明から明らかなように、本実施例では、まず、アルコール濃度検出センサ140の出力からアルコール濃度を決定し、次いで、そのアルコール濃度における「重軽質−蒸気圧」の関係を特定し、その後に、蒸気圧センサ150の出力から燃料の重軽質を決定する。既に説明したように、燃料のアルコール濃度は重軽質に大きな影響を受けることなく検出することができる。また、アルコール濃度検出センサ140の感度はよく、また、その出力(屈折率)とアルコール濃度の関係はリニアである。このため、アルコール濃度検出センサ140によって燃料のアルコール濃度を精度良く検出することができる。また、精度良く検出したアルコール濃度に基づいて「重軽質−蒸気圧」の関係を特定し、それと蒸気圧センサ150の出力から燃料の重軽質を特定するため、精度良く燃料の重軽質を算出することができる。燃料のアルコール濃度と重軽質を精度良く特定することができるため、燃料の性状を精度良く判定することができる。
(第5実施例) 次に、本発明の第5実施例に係るアルコール濃度検出センサを説明する。第5実施例のアルコール濃度検出センサは、第1実施例とは異なり、燃料の屈折率を測定する光ファイバーが巻回された状態とされている点で相違する。なお、その他の点は、第1実施例と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
図14に示すように、第5実施例のアルコール濃度検出センサ240では、光ファイバー244が螺旋状に巻回された状態でハウジング241内に配置されている。光ファイバー244の螺旋状に巻回された部位では、クラッドが除去されてコアの表面が露出し、その露出した部分に金薄膜が形成されている。光ファイバー244の一端にはLED248が配置され、光ファイバー244の他端にはフォトダイオード246が配置されている。
第5実施例のアルコール濃度検出センサ240では、光ファイバー244を螺旋状に巻回し、その部分に金薄膜を形成している。このため、アルコール濃度検出センサ240の大型化を抑制しつつ、金薄膜を形成する部分を長くすることができる。これによって、センサの感度を向上し、また、センサのダイナミックレンジを大きくすることができる。また、光ファイバー244が燃料流路内に配置されるため、燃料流路を流れる燃料の変化に素早く応答することができる。なお、光ファイバー244が長くなっても、光ファイバー244を螺旋状に巻回することで、アルコール濃度検出センサ240が大型化することが抑制される。
また、光ファイバー244を螺旋状に巻回することで、燃料の流れを阻害しないように、ハウジング241内に光ファイバー244、LED248及びフォトダイオード246が配置される。すなわち、光ファイバー244、LED248及びフォトダイオード246は、ハウジング241の壁面近傍に配置されている。これによって、アルコール濃度検出センサ240が大きな流路抵抗となることが防止され、その結果、大きな圧力損失が生じることが防止される。
また、光ファイバー244を螺旋状に巻回することで、燃料の流れを阻害しないように、ハウジング241内に光ファイバー244、LED248及びフォトダイオード246が配置される。すなわち、光ファイバー244、LED248及びフォトダイオード246は、ハウジング241の壁面近傍に配置されている。これによって、アルコール濃度検出センサ240が大きな流路抵抗となることが防止され、その結果、大きな圧力損失が生じることが防止される。
なお、光ファイバーを巻回する態様としては、種々の態様を採ることができる。例えば、図15の(a),(b)では、光ファイバーの両端(入射側、出射側)が略同一位置となるように巻回されている。このような態様では、LEDとフォトダイオードを近接した位置に配置することができる。また、図15の(c),(d)でも、光ファイバーの両端(入射側、出射側)が同一方向に取出されるように巻回されている。ただし、図15の(c),(d)では、光ファイバーの一端が外周側から取り出され、他端が中央から取り出されている。図15の(e),(f)では、光ファイバーが二重に巻回されている。光ファイバーを二重に巻回することで、センサの感度やダイナミックレンジをより向上することができる。また、図15の(g),(h)では、光ファイバーが同一平面内で渦巻状に巻回されている。この態様では、燃料流路の中央にも光ファイバーが配置されるため、燃料のアルコール濃度の変化に迅速に反応することができる。すなわち、センサの応答性を向上することができる。
また、光ファイバーを巻回することで、アルコール濃度検出センサを小型化することができると、アルコール濃度検出センサを様々な部位に配置することができる。例えば、図16は、アルコール濃度検出センサ240をデリバリパイプ250(燃料供給路の一部)に配した例を示している。デリバリパイプ250内を流れる燃料の流速は遅いため、デリバリパイプ250内にアルコール濃度センサを配置しても、アルコール濃度検出センサが大きな流路抵抗となることはない。図16に示す例では、アルコール濃度検出センサ240がデリバリパイプ250の閉鎖用盲栓が取付けられる部位に配されている。このような位置にアルコール濃度検出センサ240を配することで、アルコール濃度センサ240の取付け及び取外しを容易に行うことができる。また、アルコール濃度検出センサ240が燃料の流れの妨げとなることも防止されている(すなわち、大きな流路抵抗となることも防止されている。)。なお、アルコール濃度検出センサをデリバリパイプ250に配置する場合、図22に示すように、デリバリパイプ250内の燃料流路の壁面近傍に配置することもできる。この例では、アルコール濃度検出センサが燃料流路の壁面近傍に沿って配置されているため、アルコール濃度検出センサが流路抵抗となることが抑制されている。
なお、図17に示すように、光ファイバー254は取付プレート252に保持することができる。この場合、取付プレート252に光ファイバー254の外形状に応じた溝を形成し、その溝に光ファイバー254を嵌め込み、接着することが好ましい。光ファイバー254を取付プレート252に保持することで、光ファイバー254を燃料の流れ中に配置しても安定して保持することができる。これによって、組付け時の曲げや搭載後の振動によって、光ファイバー254が曲がってしまうことが防止され、光ファイバー254が曲がることによる光量変化を無くすことができる。このため、アルコール濃度を精度良く検出することができる。また、光ファイバー254を取付プレート252に保持することで、製造時のハンドリングが容易となり、また、製造過程や搭載後における金薄膜の剥がれを防止することができる。
光ファイバーを取付プレートに保持する場合、光ファイバーの取付プレートへの取付構造は種々の態様を採ることができる。例えば、図21に示すように、取付プレート266を断面U字状(その内部に空間を有する形状)に形成し、その内側の面に光ファイバー264,262を接着することができる。このように断面U字状の取付プレート266を用いることで、光ファイバー262,264に燃料中を流れる異物が衝突することを防止することができる。また、取付プレート266は燃料流路の壁面に沿って配置することができるため、取付プレート266によって流路抵抗が大きくなることを抑制することもできる。なお、図21において、光ファイバー264は金薄膜が形成された屈折率測定用の光ファイバーであり、光ファイバー262は金薄膜が形成されていない補償用光ファイバーである。
さらには、図18に示すように、1枚の平坦な取付プレート252の表面上を蛇行するように、光ファイバー254を取付プレート252に取付けてもよい。光ファイバー254を蛇行させることで、センサを大型化することなくセンサの感度を向上することができる。また、図19に示すように、取付プレートを円筒状に曲げ、その取付プレートの表面(外側の面又は内側の面)を蛇行するように取り付けてもよい。このように取付プレートを円筒状に曲げることで、取付プレートの中央部分に燃料を流すことができ、流路抵抗が増大することを防止することができる。さらに、図20に示すように、取付プレートを何重にも折り畳んで、その取付プレートの表面を蛇行するように光ファイバーを取付けるようにしてもよい。このようにすることで、センサを大型化することなく光ファイバーの全長を長くすることができ、センサの感度を向上することができる。
なお、取付プレートに光ファイバーを屈曲させた状態で取付ける場合(図18〜20に示すような場合)は、光ファイバーの屈曲部にたるみ(緩み)を持たせるようにしてもよい。光ファイバーをたるんだ状態で取付プレートに取付けると、燃料の圧力(流体力)が作用したときに、光ファイバーが容易に変形することができ、光ファイバーに過大な力が作用することを防止することができる。これによって、光ファイバーの破損等を防止することができる。
なお、上述した各実施例のアルコール濃度検出センサでは、光ファイバーの外周が燃料透過性部材(例えば、メッシュ状の覆い)で覆われていてもよい。光ファイバーを燃料透過性部材で覆うことで、燃料中の異物等によって光ファイバーが損傷することを防止することができる。また、燃料脈動や流体力の影響を低減することができる。
また、上述した各実施例では、燃料の温度を検出する温度センサをさらに備えることができる。そして、ECUは、温度センサで検出した燃料温度に基づいてアルコール濃度(及び/又は燃料の蒸気圧)を補正することができる。燃料の密度は燃料の温度によって変化し、燃料の密度が変化すると燃料の屈折率が変化する。燃料の温度によってセンサで検出されるアルコール濃度を補正することで、燃料中のアルコール濃度を精度良く検出することができる。また、燃料の飽和蒸気圧は温度によって変化する。燃料の温度によってセンサで検出される蒸気圧を補正することで、燃料の蒸気圧を精度良く検出することができる。
また、上述した各実施例では、光ファイバーのコアの金薄膜が形成された部分が水分分離膜で覆われているようにしてもよい。金薄膜が水分分離膜で覆われることで、燃料中の水分の影響が低減され、燃料中のアルコール濃度を精度良く決定することができる。なお、水分分離膜としては、例えばゼオライト膜等を用いることができる。
さらに、上述した実施例の燃料性状判定装置では、LEDとフォトダイオードが燃料流路内に配置されていたが、これらを燃料流路外に配置するようにしてもよい。このような構成によると、LED及びフォトダイオードが燃料中に浸漬しなくなるため、これらに耐燃料性が不要となり、装置の信頼性が向上する。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
10,110:エンジン
12,112:インジェクタ
14,114:インテークマニホールド
16,116:スロットル
18,118:センサ
20,120:センサ
22,122:上死点センサ
24,124:ECU(制御装置)
26,126:燃料タンク
28,128:燃料供給装置
30,130:リザーブカップ
32,132:燃料ポンプ
34,134:サクションフィルタ
36,136:高圧フィルタ
38a,38b:燃料供給路
40,140:アルコール濃度検出センサ
41:ハウジング
42:LED
44:光ファイバー
46:フォトダイオード
47:補償用光ファイバー
48:電圧計
50:金薄膜
52:コア
54:クラッド
56:取付プレート
150:蒸気圧センサ
12,112:インジェクタ
14,114:インテークマニホールド
16,116:スロットル
18,118:センサ
20,120:センサ
22,122:上死点センサ
24,124:ECU(制御装置)
26,126:燃料タンク
28,128:燃料供給装置
30,130:リザーブカップ
32,132:燃料ポンプ
34,134:サクションフィルタ
36,136:高圧フィルタ
38a,38b:燃料供給路
40,140:アルコール濃度検出センサ
41:ハウジング
42:LED
44:光ファイバー
46:フォトダイオード
47:補償用光ファイバー
48:電圧計
50:金薄膜
52:コア
54:クラッド
56:取付プレート
150:蒸気圧センサ
Claims (6)
- 内燃機関に燃料を供給する燃料流路内を流れる燃料に含まれるアルコールの濃度を検出するセンサであり、
光源と、
光源から入射される光を伝搬するコアを有する光ファイバーと、
光ファイバーによって伝搬された光を受光する受光部と、を備えており、
光ファイバーのコアの少なくとも一部分が表面に露出しており、その露出した部分に表面プラズモン現象を発生する金属膜が形成されており、その光ファイバーが燃料流路内に配置されていることを特徴とするアルコール濃度検出センサ。 - 光ファイバーが、燃料流路内の壁面近傍に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のアルコール濃度検出センサ。
- 燃料流路には閉鎖用盲栓が取付けられており、その閉鎖用盲栓が取付けられている部位に光ファイバーが配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のアルコール濃度検出センサ。
- 光ファイバーが巻回された状態で燃料流路内に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のアルコール濃度検出センサ。
- 光ファイバーの外周が燃料透過性部材で覆われ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アルコール濃度検出センサ。
- 燃料流路内に設けられ、燃料が流れる方向に開口する空間を備えている取付部材をさらに有しており、その取付部材に光ファイバーが固定されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のアルコール濃度検出センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009070929A JP2010223734A (ja) | 2009-03-23 | 2009-03-23 | アルコール濃度検出センサ |
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015232522A (ja) * | 2014-06-10 | 2015-12-24 | 学校法人 創価大学 | 光ファイバセンサ装置 |
JP2019168278A (ja) * | 2018-03-22 | 2019-10-03 | 株式会社日立製作所 | 光センサおよびそれを用いた分析装置 |
-
2009
- 2009-03-23 JP JP2009070929A patent/JP2010223734A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015232522A (ja) * | 2014-06-10 | 2015-12-24 | 学校法人 創価大学 | 光ファイバセンサ装置 |
JP2019168278A (ja) * | 2018-03-22 | 2019-10-03 | 株式会社日立製作所 | 光センサおよびそれを用いた分析装置 |
JP7117869B2 (ja) | 2018-03-22 | 2022-08-15 | 株式会社日立製作所 | 分析装置 |
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