JP2011043462A

JP2011043462A - 光ファイバセンサおよびそれを備えた燃料供給装置

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Publication number: JP2011043462A
Application number: JP2009193058A
Authority: JP
Inventors: Tateki Mitani; 干城三谷; Tomoshi Nishikawa; 智志西川; Shigeki Kanamaru; 茂樹金丸
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2011-03-03
Also published as: US8295657B2; US20110043799A1

Abstract

【課題】検出誤差を少なくした光ファイバセンサによる車両用燃料性状検出器を得る。
【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発光素子を有する光源部と、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素子を有する受光部とで構成され、このうち上記光源部および受光部は上記燃料内に液没させ、かつ、上記光源部、光ファイバ、および受光部を直線状に配置させた。
【選択図】図３

Description

この発明は、車両などの燃料タンク内に装着され、エンジンに燃料を噴射するインジェクタに燃料を加圧して供給する燃料供給装置を構成する部材のうち、該燃料の性状を検出する車両用燃料性状検出器に関し、詳しくは光ファイバセンサを用いた該検出器のその内部構造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（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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。

その一つの手段として、グレーティングの形成された領域を有するコアとクラッドとを備え、該グレーティングの形成された領域の少なくとも一部が液体に浸漬する位置に配置された光ファイバと、該グレーティングの形成された領域のクラッドモードの波長帯域の光を該光ファイバに入射する光源と、該光源から該光ファイバに入射され該グレーティングを透過した光の強度を検出する受光部とを備えた光ファイバセンサによって、該液体の性状を検出することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２００６／１２６４６８号公報（実施の形態２０）

特許文献１では、燃料タンクの内部（実施の形態２０）もしくは外部（実施の形態１９）に光センサプローグを配設することで、精度よく、その燃料タンクに貯留された燃料の性状を検出することが開示されているが、このうち、実施の形態２０のように、光センサプローグを燃料タンクの内部に配設したものでは、外部、特に車両のエンジンルーム近傍に配設したものに比べ、温度や熱の影響を受け難いという利点がある。しかしながら、一方で、この特許文献１の光センサプローグに使用される光ファイバでは、透過型あるいは反射型を問わず、Ｕ字型に屈曲されており、この屈曲による影響が性状特性に重畳して現れてしまう。このことで、誤差が増えるという課題を抱えていた。

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り、温度や熱の影響を受け難いという燃料タンク内部の配設を踏襲しつつ、検出誤差を少なくした光ファイバセンサによる車両用燃料性状検出器を得ることを目的とするものである。

この発明に係る光ファイバセンサは、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発光素子を有する光源部と、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素子を有する受光部とで構成され、このうち上記光源部および受光部は上記燃料内に液没させ、かつ、上記光源部、光ファイバ、および受光部を直線状に配置させたものである。

この発明は以上説明したように、小型かつ構造が簡素で、しかも温度や熱の影響を受けることなく、燃料中のアルコール含有濃度を精度よく測定する光ファイバセンサによる車両用燃料性状検出器を得ることができる。

この発明の実施の形態１を示す車両用燃料制御系を示す構成図である。図１におけるＡ部詳細図である。図２におけるＢ部拡大図であり、本発明の要部となる光ファイバセンサを示す図である。図３における外観斜視図である。図３におけるＣ部拡大図である。この発明の実施の形態１における光ファイバセンサの出力特性図である。燃料の屈折率を示す表である。図２における線Ｄ−Ｄに沿う断面図である。

実施の形態１．
本願の目的とするところは、背景技術の項でも述べたように、適正なＥＣＵ制御のために燃料中のアルコール含有濃度を精度よく検知することにあるが、このアルコール含有濃度を測定する仕組みを説明するにあたり、まず燃料制御系全体の構成ならびに動作を図１に基づき説明する。なお、図１は一般的な車両用燃料系を示す構成図である。

図１において、１００は本願の要部である光ファイバセンサによる燃料性状検出器（以下、光ファイバセンサと称す）、１０１は自動車などのエンジン、１０２は燃料噴射弁、１０３は燃料タンク、１０４は燃料ポンプ、１０６は燃料ポンプ１０４から燃料供給パイプ１０５を介して吸い上げた燃料１１７を濾過する高圧フィルタ、１０７は燃料分配管、１０８は燃圧レギュレータ、１０９は燃料リターンパイプである。１１０は空熱比センサ、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ＥＣＵなどからなる制御装置で、光ファイバセンサ１００の信号、空熱比センサ１１０の信号、エンジン回転センサ１１２および吸気圧センサ１１３などの信号が入力され、その入力に応じた制御量で燃料噴射弁１０２、点火プラグ１１１などを駆動する。

続いて、この燃料制御系の一連の動作を説明する。燃料タンク１０３に燃料１１７が給油されると、エンジン１０１の始動とともに、燃料１１７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、他は燃圧レギュレータ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。なお、燃圧レギュレータ１０８は、燃料噴射弁１０２の燃料噴射量に関係なく、燃料分配管１０７までの圧力を常に一定値に保持する。さてここで、燃料ポンプ１０４に装着された光ファイバセンサ１００にて、その燃料１１７のアルコール混合の有無、そして有の場合はその含有率が後述の如く測定される。この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などの信号によりエンジン状態を把握し、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、一方で空熱比センサ１１０により空熱比を検出して、その時点でのエンジン状態に応じた目標値となるよう空熱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。これにより、その車両に給油された燃料の種類に応じた最適なエンジン制御が可能となる。

次に、光ファイバセンサ１００の燃料ポンプ１０４への取り付けについて図２に基づき説明する。なお、図２は図１におけるＡ部詳細図であり、いわゆる燃料供給装置を示す図である。図２において、フィルタ５０を通して燃料１１７を吸引加圧し、その加圧された燃料を、燃料供給パイプ１０５を通して燃料噴射弁１０２（図１参照）に送り込む燃料ポンプ１０４は、一般的に、この燃料ポンプ１０４を燃料タンク１０３内に装着するにあたり燃料タンク１０３に穿設された開口孔１０３ａを閉塞させるプレート５１に固着させたスティ５２により、燃料タンク１０３内にて支承されている。ここで、スティ５２にはアーム５３が具設されており、このアーム５３に光ファイバセンサ１００が、その向きを燃料１１７の液面と直交するように設けられている。

光ファイバセンサ１００が具備する（後述する）光源部および受光部からの一対のセンシングライン５４は、制御部５５にて燃料性状を表す最適信号に変換されたのち、信号ライン５６を経由し制御装置１１６と接続されるコネクタ５７に接続される。ここで、一対のセンシングライン５４は、後述する光ファイバセンサ１００の構造上、制御部５５との間の長さを異としている。なお、この図では、制御部５５を燃料ポンプ１０４に付加、つまり燃料供給装置を構成する一部材として示したが、燃料タンク１０３またはその外部に設置してもよく、例えば、燃料タンク１０３に設置した場合では、コネクタ５７の機能も取り込めば、部品点数の削減にもつながる。また、図１で示した、高圧フィルタ１０６や燃圧レギュレータ１０８を燃料供給装置に組み込んだ、いわゆる燃料ポンプモジュールの形態であっても構わない。特に燃圧レギュレータ１０８を燃料供給装置に組み込んだ場合、燃料リターンパイプ１０９を通って燃料タンク１０３に戻されることがないため、光ファイバセンサ１００の耐温度性を緩和できるというメリットがある。

次に、光ファイバセンサ１００の内部構造を図３および図４に基づき説明する。なお、図３は図２におけるＢ部詳細図、図４は図３の外観斜視図である。図３において、１は光ファイバ、３は光ファイバ１の一方の端部に配置された発光素子２からなる光源部、５は他方の端部に配置された受光素子４からなる受光部である。発光素子２は発光ダイオードやレーザダイオードなどを、受光素子４はスペクトルアナライザーやフォトダイオードなどを、それぞれ用いることができる。光源部３および受光部５は、パイプ６のそれぞれの開口部６ａを貫通する光ファイバ１と気密状態で接続、すなわち、気密構造となっているが、これは図２からも明らかなように、光源部３および受光部５がともに燃料１１７内に液没しているからにほかならない。

この気密構造は、それぞれの開口部６ａを溶接接合や硝子を用いた融着構造によって得られるが、一例として、開口部６ａを低融点ガラスにて封止することが望ましい。なお、この封止にあたっては、パイプ６を金属で形成することが好ましく、上述した光源部３および受光部５と同様、燃料１１７内に液没することを考慮すると、特にステンレス鋼で形成するのがよい。なお、光ファイバ１は言うまでもなく、燃料１１７と接することが不可欠なため、パイプ６は、この図３、あるいは図４（ａ）でも示すように、例えば、螺旋状に燃料導入孔６ｂを設ければ、パイプ６自体の連続性（わかり易く言うと、光ファイバ１の保持）を保つことができる。この燃料導入孔６ｂは、（ｂ）や（ｃ）に示す形状でもよく、特に（ｃ）では、パイプ６を樹脂で形成することが容易となり、光ファイバセンサ１の軽量化につながる。ここで、パイプ６を樹脂で形成した場合においては、上述した低融点ガラスでの封止は光源部３および受光部５側で行い、これら光源部３および受光部５とパイプ６を、例えば螺着によって接続すればよい。なお、樹脂の場合でも同様に液没を考慮すると、その材質はポリアセタール樹脂が好ましい。

以下、燃料性状の検出原理を図５〜７に基づき説明する。なお、図５は図３におけるＣ部拡大図、図６は光ファイバセンサの出力特性図、図７は燃料の屈折率を示す表である。光ファイバ１は、光源部３（図３参照）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１１７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にはガソリン耐性の強いフッ素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１３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１３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１３に到達すると、グレーティング１３を透過してコア１０内を伝播していく第一の光１４と、グレーティング１３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第二の光１５と、コア１０から飛び出してクラッド１１内を伝播する第三の光１６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５（図３参照）により、グレーティング１３を通過してコア１０内を伝播していく第一の光１４と、コア１０から飛び出してクラッド１１内を伝播する第三の光１６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１１７に浸漬されていることから、この燃料１１７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、図７に示す通り既に分かっている。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。

つまり、グレーティング１３を透過した光の総光強度は、クラッド１１の外側に接している燃料の性状（屈折率）により変化する。従って、受光素子４の受光量により、燃料の性状（屈折率）を検知することができる。なお、制御部５５（図３参照）は、受光素子４により検出された受光量を電圧に変換して出力する。ここで、図６から、制御部５５からの出力電圧（Ｖ）は、屈折率に対し、略反比例関係にあることがわかる。すなわち、図７とあわせ、ガソリン中にアルコールが増えてくると、屈折率は小さくなり、出力電圧は上がってくることがわかる。従って、制御部５５からの出力電圧（Ｖ）の値から屈折率の推定値を計算、よりわかり易く述べると、出力電圧から屈折率が推定され、その屈折率から燃料の性状、すなわち、アルコール混合の有無や有の場合のその含有率を把握することが可能となる。言い換えると、「この燃料では、屈折率がこうなるから、こういった出力がなされるため、この出力に応じた、燃料噴射弁１０２の開弁時間や点火プラグ１１１の点火時期を制御する」ことで最適なエンジン制御が実現できるわけである

この最適なエンジン制御をもたらす光ファイバセンサ１００の形状を更に詳しく述べる。既に説明した図２や図３からも明らかなように、本願における光ファイバセンサ１００は、光ファイバ１はもとより、光源部３や受光部５も燃料１１７内に液没させている。このため、光ファイバ１を屈曲させる必要がなく、上述した燃料の性状に対して得られる出力電圧の誤差が極めて少ない。また、光源部３や受光部５は、その気密性を保つ工夫は要るが、液没ゆえに比較的温度変化が少なく、温度的に安定したセンサが得られる、という波及効果も大いに期待できる。

また、液没に際して、スティ５２に具設させたアーム５３に取り付けるようにしたので、その作業性はいたって容易である。なお、光ファイバセンサ１００の燃料ポンプ１０４への取り付けにあたり、本願では、図８に示すように、開口孔１０３ａの開口面積内に、この光ファイバセンサ１００を含めた投影面積が収まるようにした。言い換えると、光ファイバセンサ１００の断面積（Ｓ_３）を、開口孔１０３ａの開口面積（Ｓ_１）から燃料ポンプ１０４の最大形の部分断面積（Ｓ_２）を引いた面積より小さくなるようにした。こうすることで、燃料性状検出器を備えた燃料供給装置であっても、傷を付けることもなくスムーズに燃料タンク１０３へ装着することができる。

以下、他の実施例を説明する。図６にて、光ファイバセンサ１００の出力電圧と屈折率の関係を述べたが、例えば、グレーティング１３に燃料が接していなかった場合では、その出力は、この図６に加筆した破線で示す出力が得られることになる。然るに、この（５Ｖ程度の）出力電圧が制御部５５に入力されれば、燃料タンク１０３内の燃料の液面が光ファイバセンサ１００の位置よりも低い、いわゆる「残燃料小」状態を知らしめる警告灯としても活用することが可能である。

なお、本願の光ファイバセンサ１００は、燃料ポンプ１０４に取り付けた、いわゆる燃料供給装置の一部材としての位置付けで説明したが、必ずしも、この形態に限定されるわけではなく、例えば、特許文献１の図４１と同様、この光ファイバセンサ１００が、いわゆるスタンドアロンの形態であっても、これまで述べた効果は同様に得られることは言うまでもない。また、この光ファイバセンサ１００は燃料性状検出器として述べたが、センサ自体を液面と直交する方向に伸ばすことで、液面検出器として応用できることも同様に言を俟たない。

１光ファイバ、２発光素子、３光源部、４受光素子、５受光部、
６パイプ、６ａ開口部、６ｂ燃料導入孔、
１０コア、１１クラッド、１２ファイバジャケット、１３グレーティング、
１００光ファイバセンサ、１０１エンジン、１０２燃料噴射弁、
１０３燃料タンク、１０３ａ開口孔、１０４燃料ポンプ、１１７燃料。

Claims

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発光素子を有する光源部と、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素子を有する受光部とで構成され、燃料タンク内の上記燃料の性状を検出するために該燃料タンク内に配設された光ファイバセンサにおいて、
上記光源部および受光部は上記燃料内に液没しており、かつ、上記光源部、光ファイバ、および受光部が直線状に配置されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
発光部及び受光部はそれぞれ気密構造であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
光ファイバの低融点ガラスでの封止により気密構造が得られていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ。
燃料タンクの燃料を車両のインジェクタに供給する燃料ポンプからなる燃料ポンプモジュールに具備され、かつ、この具備による投影面積が、上記燃料ポンプを上記燃料タンク内に装着するために上記燃料タンクに穿設された開口孔の開口面積より小さくなるように形成された請求項１に記載の光ファイバセンサを備えたことを特徴とする燃料供給装置。