JP2593747B2

JP2593747B2 - 静電容量式アルコール濃度測定装置

Info

Publication number: JP2593747B2
Application number: JP14399191A
Authority: JP
Inventors: 秀樹上岡; 政彦島村; 一光小林
Original assignee: 株式会社ユニシアジェックス
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1991-05-20
Publication date: 1997-03-26
Anticipated expiration: 2012-03-26
Also published as: JPH04343063A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばメタノール等の
アルコールとガソリンとを混合したアルコール混合燃料
を使用する自動車等に搭載され、燃料中のアルコール濃
度を検出するのに用いて好適な静電容量式アルコール濃
度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境保護や省エネルギー等の要請
から、自動車用燃料としてメタノール等のアルコールを
ガソリンに混合したアルコール混合燃料が注目されてい
る。しかし、このアルコール混合燃料はアルコール濃度
によって理論空燃比が異なるため、燃料配管中にアルコ
ール濃度測定装置を設けて燃料中のアルコール濃度を測
定し、これにより燃料噴射量を調節している。そして、
この種のアルコール濃度測定装置としては、静電容量
式、光学式のものが知られている。

【０００３】そこで、図５ないし図７に従来技術による
静電容量式アルコール濃度測定装置として、同軸円筒型
の対向電極を用いたアルコールセンサを自動車用エンジ
ンの燃料噴射制御装置に用いた場合を例に挙げて示す。

【０００４】図において、１は静電容量式アルコール濃
度測定装置としてのアルコールセンサを示し、該アルコ
ールセンサ１は後述のセンサ本体２、発振回路１６、補
正回路１９等とから構成され、エンジンの燃料配管（図
示せず）の途中に設けられている。

【０００５】２は静電容量検出部としてのセンサ本体、
３は該センサ本体２を後述の中心電極７等と共に構成す
るケーシングをそれぞれ示し、該ケーシング３は、流入
口４Ａが燃料ポンプ（図示せず）側に向けて燃料配管の
途中に設けられ、アルコール混合燃料が流入する流入管
４と、該流入管４の途中に約９０°程度の角度をもって
設けられ、流出口５Ａが噴射弁（図示せず）側に向けて
燃料配管に取付けられた流出管５とから略Ｌ字状または
略Ｔ字状に形成されている。また、該各流入管４，流出
管５はニッケル等のメッキが施された鉄管等から形成さ
れ、流入管４は中心電極７と同軸に対向する筒状の外側
電極となっている。

【０００６】６は流入管４内に固定された絶縁性材料か
らなる栓体、７は該栓体６を介して流入管４の中心軸方
向に伸長して設けられた棒状の中心電極を示し、該中心
電極７は流入管４と共に同軸円筒型の対向電極を構成し
ている。そして、該中心電極７と外側電極としての流入
管４とは、発振回路１６から後述する発振周波数ｆを有
する電圧が印加されることにより、該流入管４内を流通
するアルコール混合燃料中のアルコール濃度を、下記数
１に示す如く検出静電容量Ｃｓとして検出するものであ
る。

【０００７】ここで、前記検出静電容量Ｃｓは、

【０００８】

【数１】但し、１：中心電極７の長さ寸法 ε：アルコール混合燃料の誘電率Ｒａ：中心電極７の半径Ｒｂ：流入管４の半径ｂ：流入管４の中心軸に対する中心電極７のずれとして求められる。

【０００９】８は流入管４の一端側に嵌着され、導電性
材料から筒状に形成された導電性筒体、９は該導電性筒
体８を介して流入管４の一端側に設けられ、絶縁性材料
から段付筒状に形成された蓋体をそれぞれ示し、該蓋体
９は流入管４の一端側を施蓋している。

【００１０】１０は蓋体９の一端側に設けられ、中心電
極７と接続された中心側端子を示し、該中心側端子１０
は中心電極７の一端側に螺着されたナット１１によりワ
ッシャ１２を介して固定されている。１３は導電性筒体
８と蓋体９との間に挟持され、流入管４と導電性筒体８
を介して接続された外側端子を示し、該外側端子１３は
中心側端子１０と共に発振回路１６とリード線（図示せ
ず）を介して接続されている。

【００１１】１４は流入管４の外周側に接着剤１５等に
よって固着された温度検出部としての温度センサを示
し、該温度センサ１４は例えばサーミスタ、ポジスタ等
の半導体式感温素子から構成されている。そして、該温
度センサ１４は流入管４内を流れるアルコール混合燃料
の温度（燃温）を該流入管４を介して検出し、これを検
出燃温ｔとして補正回路１９に出力するものである。

【００１２】図６において、１６はセンサ本体２に設け
られたケース（図示せず）内に収容されたＬＣ型の発振
回路を示し、該発振回路１６は中心側電極７等から各端
子１０，１３を介して出力された検出静電容量Ｃｓに基
づき、下記数２に示す発振周波数ｆを出力するものであ
る。

【００１３】ここで、前記発振周波数ｆは、

【００１４】

【数２】但し、Ｌ：発振回路１６のインダクタンスＣ：発振回路１６の静電容量として求められ、例えば１２〜２４ＭＨｚの範囲の高周
波数で発振するように設定されている。

【００１５】１７はケース内に設けられた周波数−電圧
変換回路としてのｆ−Ｖ変換回路を示し、該ｆ−Ｖ変換
回路１７は発振回路１６からの発振周波数ｆを電圧に変
換するものである。

【００１６】１８はｆ−Ｖ変換回路１７から出力された
電圧を反転増幅し、検出電圧Ｖとして出力する反転増幅
回路、１９は該反転増幅回路１８の近傍に位置してケー
ス内に収容された補正回路を示し、該補正回路１９は直
流アンプ等を含むマイクロコンピュータとして構成され
ている。また、該補正回路１９の入力側には反転増幅回
路１８、温度センサ１４が接続され、該補正回路１９の
記憶エリア１９Ａ内には、温度補正マップ（図示せず）
が記憶されている。ここで、該温度補正マップは、燃温
ｔ毎に燃料中のアルコール濃度と検出電圧Ｖとの関係が
マップとして格納されたものである。そして、該補正回
路１９は、温度センサ１４からの検出燃温ｔに基づいて
温度補正マップを読出し、該温度補正マップにより反転
増幅回路１８からの検出電圧Ｖを温度補正して後述のコ
ントロールユニット２０に出力するものである。

【００１７】さらに、２０は自動車に搭載され、マイク
ロコンピュータ等から構成されたコントロールユニット
を示し、該コントロールユニット２０の入力側には、吸
気マニホールド（図示せず）内に流入した吸入空気量Ｑ
を検出するエアフローメータ２１と、エンジン回転数Ｎ
を検出するクランク角センサ２２等と、アルコールセン
サ１等とが接続され、出力側にはエンジンの燃焼室内に
アルコール混合燃料を噴射する噴射弁２３、燃料ポンプ
（いずれも図示せず）等が接続されている。また、該コ
ントロールユニット２０の記憶エリア２０Ａ内には、燃
料噴射量を演算するプログラムや各種の補正係数が記憶
されている。そして、該コントロールユニット２０は、
吸入空気量Ｑとエンジン回転数Ｎとから基本噴射量Ｔｐ
を求めると共に、この基本噴射量Ｔｐと、予め記憶エリ
ア２０Ａ内に記憶された空燃比フィードバック補正係数
α等の各種補正係数と、補正回路１９から出力された検
出電圧Ｖ等とから燃料噴射量を求め、これにより噴射弁
２３から燃焼室内に噴射する燃料の噴射量を制御するも
のである。

【００１８】従来技術によるアルコールセンサは上述の
如き構成を有するもので、燃料ポンプから吐出されたア
ルコール混合燃料が流入管４内に流入すると、中心電極
７と流入管４との間に、燃料中のアルコール濃度に応じ
て前記数１に示す検出静電容量Ｃｓが生じ、この検出静
電容量Ｃｓは各端子１０，１３等を介して発振回路１６
に出力される。そして、該発振回路１６は、検出静電容
量Ｃｓに基づいて前記数２に示す発振周波数ｆを発振
し、この発振周波数ｆはｆ−Ｖ変換回路１７により電圧
に変換されて反転増幅回路１８に出力される。次に、反
転増幅回路１８はｆ−Ｖ変換回路１７からの出力電圧を
反転増幅して検出電圧Ｖを出力し、補正回路１９はこの
検出電圧Ｖを直流アンプによって直流化した後、温度セ
ンサ１４からの検出燃温ｔと温度補正マップとに基づい
て温度補正し、コントロールユニット２０に出力する。

【００１９】そして、コントロールユニット２０は、補
正回路１９から出力された温度補正済みの検出電圧Ｖ
と、エアフローメータ２１からの吸入空気量Ｑと、クラ
ンク角センサ２２からのエンジン回転数Ｎ等とから燃料
噴射量を求め、この燃料噴射量に応じた噴射信号を噴射
弁２３に出力することにより、燃料中のアルコール濃度
に応じた燃料噴射制御を行なう。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術によるものでは、発振回路１６の発振周波数ｆを
１２〜２４ＭＨｚ程度の高周波に設定しているから、燃
料中の金属イオン等による電極損失の急激な変化によっ
て発振周波数ｆが変動するのを防止し、高い応答性をも
ってアルコール濃度を検出することができる。しかし、
発振周波数ｆが高いため、補正回路１９等の回路中にリ
ンギング等のノイズが発生し易く、これにより検出電圧
Ｖが不安定になってアルコール濃度の検出精度が低下す
るという問題がある。

【００２１】また、上述した従来技術によるものでは、
検出電圧Ｖが燃料温度の変化に伴って変動するのを防止
すべく、流入管４の外周側に温度センサ１４を設け、該
温度センサ１４からの検出燃温ｔと補正回路１９の温度
補正マップとによって検出電圧Ｖを温度補正している。
しかし、一般に、サーミスタ，ポジスタ等の半導体式温
度センサ１４は、温度変化を検出するときの応答性が低
い（例えば１０ｍｓ程度）から、温度センサ１４とｆ−
Ｖ変換回路１７との時定数の整合性が低い。このため、
図７に示す特性線２４の如く燃温ｔが急激に変化（低
下）すると、特性線２５に示す如くこの温度変化に対す
る温度補正によって、補正回路１９から出力される検出
電圧Ｖにオーバーシュートが生じ、検出精度が大幅に低
下して、コントロールユニット２０が正確に燃料噴射量
を制御できなくなるという問題がある。

【００２２】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、周波数−電圧変換回路と温度検出部との
時定数の整合性を向上し、補正回路による温度補正後の
出力電圧を安定化できるようにした静電容量式アルコー
ル濃度測定装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明が採用する構成の特徴は、周波数−電圧
変換回路は時定数を５０μｓ〜１．６ｍｓの範囲内に設
定したことにある。

【００２４】また、発振回路と前記周波数−電圧変換回
路との間に、該発振回路から発振された周波数を１／１
６〜１／５１２の範囲内で分周する分周回路を設けるの
が好ましい。

【００２５】

【作用】上記構成により、周波数−電圧変換回路は、発
振回路から発振された発振周波数を５０μｓ〜１．６ｍ
ｓの範囲内の時定数を有する電圧に変換でき、温度検出
部の時定数に近づけることができる。

【００２６】また、前記発振回路と周波数−電圧変換回
路との間に、発振回路からの発振周波数を１／１６〜１
／５１２の範囲内で分周する分周回路を設ければ、分周
回路によって発振回路に生じたリンギングノイズを除去
しつつ、該発振回路からの発振周波数を低下させること
ができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図４に基
づいて説明する。なお、実施例では前述した図５ないし
図７に示す従来技術と同一の構成要素に同一の符号を付
し、その説明を省略するものとする。

【００２８】まず、図１ないし図３は本発明の第１の実
施例を示している。

【００２９】図中、３１は燃料配管の途中に設けられた
本実施例によるアルコールセンサを示し、該アルコール
センサ３１は従来技術で述べたアルコールセンサ１とほ
ぼ同様に、中心電極７等からなり、前記数１に基づき燃
料中のアルコール濃度を検出静電容量Ｃｓとして検出す
るセンサ本体２と、該センサ本体２からの検出静電容量
Ｃｓに基づき、前記数２で決定される発振周波数ｆを発
振する発振回路１６と、温度センサ１４が接続された補
正回路１９等とから構成されているものの、該アルコー
ルセンサ３１には後述する分周回路３２とｆ−Ｖ変換回
路３３とが設けられている。

【００３０】即ち、３２は発振回路１６とｆ−Ｖ変換回
路３３との間に設けられた分周回路を示し、該分周回路
３２は、発振回路１６から発振された発振周波数ｆを後
述の分周比Ｄで分周し、この分周した発振周波数ｆ´を
ｆ−Ｖ変換回路３３に出力するものである。

【００３１】ここで、発振回路１６から発振される発振
周波数ｆは１２〜２４ＭＨｚ程度の高い周波数であるか
ら、前記分周比Ｄを１／１６未満に設定しても、発振周
波数ｆ´を実質的に低下させることができない。また、
分周比Ｄを１／５１２よりも大きく設定した場合には、
発振周波数ｆ´が低くなり過ぎて、アルコール濃度の変
化に対するアルコールセンサ３１全体の応答性が低下
し、実用性に欠ける。そこで、本実施例では、分周比Ｄ
をアルコールセンサ３１としての実用的な範囲である１
／１６〜１／５１２の範囲内に設定している。

【００３２】３３は分周回路３２と反転増幅回路１８と
の間に設けられた本実施例によるｆ−Ｖ変換回路を示
し、該ｆ−Ｖ変換回路３３は従来技術で述べたｆ−Ｖ変
換回路１７とほぼ同様に、入力された周波数を電圧に変
換する構成となっているが、該ｆ−Ｖ変換回路３３の時
定数τは、後述の理由により５０μｓ〜１．６ｍｓの範
囲内に設定されている。そして、該ｆ−Ｖ変換回路３３
は、分周回路３２からの発振周波数ｆ´を電圧に変換
し、この電圧を反転増幅回路１８に出力するものであ
る。

【００３３】ここで、前記時定数τを５０μｓ未満に設
定した場合には、応答性が高くなり過ぎるから、検出電
圧Ｖを補正回路１９内で完全に直流化することができ
ず、図２中に二点鎖線で示す如く、鋸状のリンギング波
形となってしまう。また、時定数τを１．６ｍｓよりも
大きく設定した場合には、温度センサ１４の時定数に近
づくから、図２中に実線で示す如く検出電圧Ｖをほぼ完
全に直流化できるものの、この場合には、アルコール濃
度が変化した時等のアルコールセンサ３１の応答性が大
幅に低下し、実用性に欠ける。即ち、例えば６気筒型エ
ンジンを有する自動車に用いた場合に、エンジン回転数
Ｎが６０００ｒｐｍに達すると、このエンジン回転数Ｎ
は１００Ｈｚ（６０００ｒｐｍ／６０ｓ＝１００Ｈｚ）
に相当し、その周期は１０ｍｓ（１０００ｍｓ／１００
Ｈｚ＝１０ｍｓ）となるから、エンジン１気筒あたりに
求められる時定数τは約１．６ｍｓとなる。そこで、本
実施例では、ｆ−Ｖ変換回路３３の時定数τを５０μｓ
〜１．６ｍｓの範囲内に設定している。

【００３４】本実施例によるアルコールセンサは上述の
如き構成を有するもので、その基本的動作については従
来技術によるものと格別差異はない。

【００３５】然るに本実施例では、発振回路１６とｆ−
Ｖ変換回路３３との間に、発振回路１６から発振された
発振周波数を１／１６〜１／５１２の範囲内で分周する
分周回路３２を設け、ｆ−Ｖ変換回路３３の時定数τを
５０μｓ〜１．６ｍｓの範囲内に設定したから、分周回
路３２は発振周波数ｆを１／１６〜１／５１２の範囲内
で分周して発振周波数ｆ´を出力でき、ｆ−Ｖ変換回路
３３はこの分周された発振周波数ｆ´を５０μｓ〜１．
６ｍｓの範囲内の時定数τを有する電圧に変換して補正
回路１９に出力できる。

【００３６】この結果、ｆ−Ｖ変換回路３３の時定数τ
と温度センサ１４の時定数との整合性を確実に向上で
き、図３に示す特性線３４の如く急激に燃温が変化した
時でも、特性線３５に示す如く検出電圧Ｖに過大なオー
バーシュート等が生じるのを効果的に防止できた。これ
により、検出信号Ｖの出力を安定化でき、分周回路３２
によって回路中に発生するリンギング等のノイズを効果
的に除去できるから、アルコール濃度の検出精度を大幅
に向上することができる。また、アルコールセンサ３１
の応答性を実用範囲にすることができ、アルコール濃度
を正確に安定して検出できるから、コントロールユニッ
ト２０は、アルコールセンサ３１からの検出電圧Ｖに基
づいて噴射弁２３の燃料噴射量を精度よく制御すること
ができ、当該アルコールセンサ３１の信頼性等を大幅に
向上することができる。

【００３７】次に、図４は本発明の第２の実施例を示
し、本実施例の特徴は、アルコールセンサの補正回路を
燃料噴射量の制御を行なうコントロールユニット側に設
けたことにある。なお、本実施例では、前述した第１の
実施例と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明
を省略するものとする。

【００３８】図において、４１は本実施例によるアルコ
ールセンサを示し、該アルコールセンサ４１は前記第１
の実施例で述べたアルコールセンサ３１とほぼ同様に、
センサ本体２、発振回路１６、分周回路３２、ｆ−Ｖ変
換回路３３、反転増幅回路１８とから構成されているも
のの、該アルコールセンサ４１の補正回路４２は、後述
のコントロールユニット４３側に設けられている。

【００３９】４２は本実施例による補正回路で、該補正
回路４２は従来技術で述べた補正回路１９とほぼ同様
に、燃温ｔ毎に検出電圧Ｖとアルコール濃度との関係が
マップとして格納された温度補正マップが記憶エリア４
２Ａ内に記憶され、温度センサ１４が接続されているも
のの、該補正回路４２はコントロールユニット４３側に
設けられている。そして、該補正回路４２は反転増幅回
路１８から出力された検出電圧Ｖを、温度センサ１４か
らの検出燃温ｔに基づいて温度補正するものである。

【００４０】４３は本実施例によるコントロールユニッ
トを示し、該コントロールユニット４３は従来技術で述
べたコントロールユニット２０とほぼ同様に、マイクロ
コンピュータとして構成され、エアフローメータ２１、
クランク角センサ２２等が接続されているものの、該コ
ントロールユニット４３は補正回路４２と共に、図中に
二点鎖線で示す燃料噴射量制御装置４４を構成してい
る。そして、該コントロールユニット４３は、補正回路
４２から出力された検出電圧Ｖに応じて燃料の噴射量を
制御するものである。

【００４１】かくして、このように構成される本実施例
でも、前記第１の実施例とほぼ同様の作用効果を得るこ
とができるが、特に、本実施例では、アルコールセンサ
４１の補正回路４２をコントロールユニット４３側に設
ける構成としたから、アルコールセンサ４１を小型化で
きる。

【００４２】なお、前記各実施例では、ｆ−Ｖ変換回路
３３と補正回路１９（４２）との間に、ｆ−Ｖ変換回路
３３からの出力電圧を反転増幅する前処理回路としての
反転増幅回路１８を設けるものとして述べたが、これに
替えて、反転増幅回路１８を廃止し、補正回路１９（４
２）内でｆ−Ｖ変換回路３３からの出力電圧を反転増幅
する構成としてもよい。

【００４３】また、前記各実施例では、流出管５は流入
管４に対して約９０°程度の角度をもって設けられるも
のとして述べたが、これに替えて、例えば流出管５を流
入管４に対して９０°以上の角度を有するように設けて
もよい。

【００４４】また、前記各実施例では、静電容量式アル
コール濃度測定装置として同軸円筒型の対向電極を用い
たアルコールセンサ３１（４１）を例に挙げて説明した
が、本発明はこれに限らず、平行平板電極型のアルコー
ルセンサ等にも適用することができる。

【００４５】さらに、前記各実施例では、アルコールセ
ンサ３１（４１）を自動車用エンジンに用いた場合を例
に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば工
業用アルコール、食品用アルコール等の各種アルコール
混合液体のアルコール濃度の測定にも広く適用すること
ができる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、周
波数−電圧変換回路は時定数を５０μｓ〜１．６ｍｓの
範囲内に設定したから、発振回路から発振された発振周
波数を５０μｓ〜１．６ｍｓの範囲内の時定数を有する
電圧に変換でき、温度検出部の時定数に近づけることが
できる。この結果、周波数−電圧変換回路の時定数と温
度検出部の時定数との整合性を確実に向上でき、燃温が
変化した時でも出力電圧に過大なオーバーシュート等が
生じるのを防止し、出力電圧を効果的に温度補正して安
定化でき、アルコール濃度の検出精度、信頼性を向上で
きる。

【００４７】また、発振回路と周波数−電圧変換回路と
の間に、発振回路から発振された周波数を１／１６〜１
／５１２の範囲内で分周する分周回路を設けたから、該
分周回路によって、発振回路に生じたリンギングノイズ
を除去しつつ、発振回路が発振する発振周波数を低下さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるアルコールセンサ
の回路構成を示すブロック図である。

【図２】補正回路内での検出電圧の直流化状態を示す波
形図である。

【図３】燃温が変化したときの検出電圧の変化を示す特
性線図である。

【図４】本発明の第２の実施例によるアルコールセンサ
の回路構成を示すブロック図である。

【図５】従来技術によるアルコールセンサのセンサ本体
を示す縦断面図である。

【図６】アルコールセンサの回路構成を示すブロック図
である。

【図７】燃温が変化したときの検出電圧の変化を示す図
３と同様の特性線図である。

【符号の説明】

２センサ本体（静電容量検出部）１４温度センサ（温度検出部）１６発振回路１９，４２補正回路３２分周回路３３ｆ−Ｖ変換回路（周波数−電圧変換回路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭50−50095（ＪＰ，Ａ) 特開平４−32756（ＪＰ，Ａ) 特開平２−32241（ＪＰ，Ａ) 実開昭56−66857（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルコールが混合された液体中のアルコ
ール濃度を電極間の静電容量として検出する静電容量検
出部と、該静電容量検出部の近傍に設けられ、前記液体
の温度を検出する温度検出部と、前記静電容量検出部に
よって検出された静電容量に基づいた周波数を発振する
発振回路と、該発振回路から発振された周波数を電圧に
変換する周波数−電圧変換回路と、該周波数−電圧変換
回路からの電圧を前記温度検出部からの検出温度に基づ
いて補正する補正回路とを備えてなる静電容量式アルコ
ール濃度測定装置において、前記周波数−電圧変換回路
は時定数を５０μｓ〜１．６ｍｓの範囲内に設定したこ
とを特徴とする静電容量式アルコール濃度測定装置。
【請求項２】前記発振回路と前記周波数−電圧変換回
路との間には、該発振回路から発振された周波数を１／
１６〜１／５１２の範囲内で分周する分周回路を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式アルコー
ル濃度測定装置。