JP5691942B2

JP5691942B2 - 液体性状検出装置及び液体性状検出プログラム

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Publication number: JP5691942B2
Application number: JP2011187749A
Authority: JP
Inventors: 千明片岡; 赤木　正紀; 正紀赤木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: JP2013050355A

Description

本発明は、液体性状検出装置及び液体性状検出プログラムにかかり、特に、アルコールの濃度などの液体性状を検出する液体性状検出装置及び液体性状検出プログラムに関する。

アルコールが混合された燃料のアルコール濃度を検出する技術として、特許文献１に記載の技術が提案されている。

特許文献１に記載の技術では、２つの異なる周波数にて検出された検出電圧の差分をとることにより、電極間のリーク抵抗の影響を排除した静電容量を出力電圧の差分として測定することによりアルコール濃度を検出する際に、エタノール濃度検出信号である電圧が小さくなるに連れて、増幅回路のゲインを増大させることが提案されている。これにより、エタノール濃度変化に対応する電圧の変化が小さい領域において、ゲインを増大させて分解能を大きくして高精度なエタノール濃度測定を行うことができる。

特開２０１０−１３３９３０号公報

ところで、静電容量を測定してアルコール濃度を検出する場合には、静電容量とアルコール濃度の対応関係が周波数によって異なるため、静電容量から一意にアルコール濃度を求めることが可能な周波数を用いて測定する必要がある。

しかしながら、静電容量から一意にアルコール濃度を求めることが可能な周波数を用いた場合には検出感度が低く、測定誤差による濃度誤差が大きくなるため改善の余地がある。

特許文献１に記載の技術では、２つの異なる周波数による検出電圧の差分を算出して電極間のリーク抵抗による影響を除外しているものの、周波数による静電容量とアルコール濃度の対応関係の特性変化については考慮してないため、改善の余地がある。

本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、静電容量とアルコール濃度の対応関係の周波数特性を利用して高精度なアルコール濃度検出を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の液体性状検出装置は、タンクに貯留されたアルコール混合燃料に含まれるアルコール濃度を測定するためのコンデンサの静電容量を予め定めた第１周波数の交流を前記コンデンサに供給して測定することによりアルコール濃度を測定する第１測定手段と、前記第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が所定濃度域の場合に、前記第１周波数とは異なる第２周波数の交流を前記コンデンサに供給して前記コンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定し、前記第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が前記所定濃度域以外の場合は前記第１測定手段の測定結果をアルコール濃度の測定結果として採用する第２測定手段と、を備えることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、タンクに貯留されたアルコール混合燃料に含まれるアルコール濃度がコンデンサの静電容量を測定することによって測定される。

ここで、コンデンサの静電容量とアルコール濃度の対応関係は、図４に示すように、周波数によって異なる特性を有している。そこで、第１測定手段では、予め定めた周波数（例えば、濃度全域にわたって静電容量から一意にアルコール濃度を特定できる周波数）の交流をコンデンサに供給してコンデンサの静電容量を測定することによってアルコール濃度が測定される。

そして、第２測定手段では、第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が所定濃度域の場合に、第１周波数とは異なる第２周波数の交流をコンデンサに供給してコンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度が測定され、第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が所定濃度域以外の場合は第１測定手段によって測定されたアルコール濃度の測定結果が採用される。これによって、アルコールの濃度域に応じて異なる周波数で測定することが可能となるので、静電容量とアルコール濃度の対応関係の周波数特性を利用して高精度なアルコール濃度検出を行うことができる。

例えば、第２測定手段は、請求項２に記載の発明のように、所定濃度域において、第１周波数よりもアルコール濃度の検出感度が高い周波数の交流を第２周波数としてコンデンサに供給してコンデンサの静電容量を測定することにより、所定濃度域において第１測定手段よりも高い検出感度でアルコール濃度を測定することができる。

また、第２測定手段は、請求項３に記載の発明のように、所定濃度域において、静電容量とアルコール濃度の対応関係における（静電容量／アルコール濃度）の値が第１周波数における値よりも大きい値となる周波数の交流を第２周波数としてコンデンサに供給してコンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定するようにしてもよい。

また、第１測定手段は、請求項４に記載の発明のように、第１周波数として、静電容量とアルコール濃度の対応関係が、全濃度域わたって（静電容量／アルコール濃度）＞０を満たす周波数の交流をコンデンサに供給してコンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定するようにしてもよい。これによって、検出された静電容量から一意のアルコール濃度を全濃度域にわたって得ることができる。

また、第２測定手段は、請求項５に記載の発明のように、第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が予め定めた第１濃度域より低い第２濃度域の場合に、第１周波数より低い第２周波数の交流をコンデンサに供給してコンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定するようにしてもよい。この場合には、請求項６に記載の発明のように、第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が第２濃度域より低い第３濃度域の場合に、第２周波数より低い第３周波数の交流をコンデンサに供給してコンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定する第３測定手段を更に備えるようにしてもよい。

請求項７に記載の液体性状検出プログラムは、コンピュータを、請求項１〜６の何れか１項に記載の液体性状検出装置を構成する各手段として機能させることを特徴としている。

請求項７に記載の発明によれば、コンピュータを第１測定手段及び第２測定手段として機能させることにより、上述したように、アルコールの濃度域に応じて異なる周波数で測定することが可能となるので、静電容量とアルコール濃度の対応関係の周波数特性を利用して高精度なアルコール濃度検出を行うことができる。

以上説明したように本発明によれば、予め定めた第１周波数で静電容量を測定することにより測定したアルコール濃度が所定濃度域の場合に、第１周波数とは異なる第２周波数でアルコール濃度を測定することにより、静電容量とアルコール濃度の対応関係の周波数特性を利用して高精度なアルコール濃度検出を行うことができる、という効果がある。

本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置の検出対象となる燃料を貯留する燃料タンクの概略構成を示す図である。本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置で用いる液状態検知センサの概略構成を示す図である。本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置の概略構成を示す図である。周波数毎の静電容量とアルコール濃度の対応関係を示す図である。本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置において液体性状検出プログラムを実行することにより行われる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置の検出対象となる燃料を貯留する燃料タンクの概略構成を示す図である。

燃料タンク１０には、ＦＦＶ（flexible-fuel vehicle）車等のエタノール混合燃料で走行する自動車等で使用する液状の燃料が貯留される。燃料タンク１０に貯留する燃料は、燃料タンク１０に接続された給油パイプ１２から給油される。また、燃料タンク１０に貯留された燃料は、燃料タンク１０内に設けられた燃料ポンプ１４から吸い上げられて、自動車のエンジン等の内燃機関に供給される。

燃料ポンプ１４には、フィルタ１６が設けられており、フィルタ１６を介して燃料が吸い上げられることによって、燃料ポンプ１４の詰まり等が抑制されるようになっている。

また、燃料タンク１０内には、液状態検知センサ１８が設けられている。本実施形態では、液状態検知センサ１８は、燃料タンク１０内に貯留される燃料の残量及び燃料に含まれるエタノール等のアルコール濃度を検知する。

図２は、本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置で用いる液状態検知センサの概略構成を示す図であり、図３は、本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置２０の概略構成を示す図である。

図２に示すように、液状態検知センサ１８は、端子Ａ〜Ｃの３つの端子を有すると共に、燃料の状態を検知するために２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備えており、各端子Ａ〜Ｃがセンサ駆動ドライバ２２に接続されている。

各コンデンサＣ１、Ｃ２は、それぞれ櫛歯状の一対の電極で構成されており、一対の電極間に電荷の充電と放電が可能とされている。

詳細には、コンデンサＣ１は端子Ｂ−Ｃ間に設けられ、コンデンサＣ２は端子Ａ−Ｃ間に設けられている。

そして、各コンデンサＣ１、Ｃ２は、それぞれ互いに静電容量測定エリアに干渉しない位置に設けられている。具体的には、コンデンサＣ１は、燃料タンク１０の燃料残量に応じて一部または全部が燃料内に浸る液位検知部とされ、コンデンサＣ２は、燃料タンク１０の底付近に位置して燃料性状（アルコール濃度）を測定するための燃料リファレンス部とされている。

すなわち、液状態検知センサ１８は、図２の点線で折り曲げられて燃料タンク１０内に設けられ、コンデンサＣ１には燃料の残量（液位）に応じた電荷が充電され、コンデンサＣ２には燃料の特性（アルコール濃度）に応じた電荷が充電されるようになっている。

なお、本実施の形態では、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備えて、燃料の状態として２つの状態（燃料の残量及びアルコール濃度）を検知するセンサを例に挙げて説明するが、これに限るものではなく、例えば、コンデンサＣ２のみを備えてアルコール濃度のみを測定するようにしてもよいし、３つ以上のコンデンサを備えて、燃料の残量及びアルコール濃度以外の他の燃料の状態を更に検知可能なセンサを適用するようにしてもよい。

一方、センサ駆動ドライバ２２は、図３に示すように、液体性状検出装置２０に接続されており、液体性状検出装置２０がセンサ駆動ドライバ２２を介して液状態検知センサ１８の駆動を制御することにより、燃料の残量及びエタノール濃度を検知するようになっている。

また、センサ駆動ドライバ２２は周波数発信器を含んで構成されており、エタノール濃度を検知する際には、異なる周波数の交流を供給して液状態検知センサ１８の静電容量を測定することが可能とされている。

液体性状検出装置２０は、ＣＰＵ２０Ａ、ＲＡＭ２０Ｂ、ＲＯＭ２０Ｃ、及びインプットアウトプットインターフェース（Ｉ／Ｏ）がそれぞれバス２０Ｅに接続されたマイクロコンピュータからなり、Ｉ／Ｏ２０Ｄに、センサ駆動ドライバ２２が接続されている。

ＲＯＭ２０Ｃには、液体性状を検出するための液体性状検出プログラムが記憶されている。すなわち、ＲＯＭ２０Ｃに記憶された液体性状検出プログラムをＲＡＭ２０Ｂ等に展開してＣＰＵ２０Ａがプログラムを実行することにより、液体性状としてのエタノール濃度を検出するための処理が行われる。

なお、Ｉ／Ｏ２０Ｄには、コンビネーションメータ等に設けられたメータ表示部を駆動するメータドライバ等を更に接続するようにしてもよい。例えば、液体性状検出装置２０によって検出された燃料の残量表示や、エタノール濃度に応じた燃費の表示、航続距離の表示等を行うようにしてもよい。

ここで、本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置２０による液体性状としてのエタノール濃度の具体的な測定方法について説明する。

本実施の形態の液体性状検出装置２０では、液状態検知センサ１８のＡ〜Ｃ間に設けられたコンデンサＣ２の静電容量を測定し、静電容量とアルコール濃度の予め定めた対応関係から測定した静電容量に対応するアルコール濃度を求めることによりアルコール濃度を検出するようになっている。

コンデンサＣ２の静電容量の測定は、具体的には、予め定めた基準周波数ｆ（例えば、濃度全域にわたって静電容量から一意にアルコール濃度を特定できる周波数）の交流（所定の大きさの交流電流または交流電圧）を供給したときのリアクタンスＸを測定することにより求める（Ｃ２＝１／２πｆＸ）。

そして、求めた静電容量に対応するアルコール濃度を上述の予め定めた対応関係から求めるようになっている。

ところで、静電容量とアルコール濃度の対応関係は、図４に示すように、コンデンサＣ２に供給する交流の周波数によって異なる特性を有しており、図４の点線で示す領域のように、他の部分に比べて、静電容量に対するエタノール濃度の検出感度が高感度な領域を有する特性となっている。

詳細には、静電容量とアルコール濃度の対応関係は、図４に示すように、５００ｋＨｚや１０００ｋＨｚの高周波帯域では、全濃度域にわたって、（静電容量／エタノール濃度）＞０となっており、エタノール濃度全域にわたって静電容量から一意にエタノール濃度を特定することができるが、他の周波帯域に比べて（静電容量／エタノール濃度）の値が小さいためエタノール濃度の検出感度が低い特性となっている。

これに対して、１０ｋＨｚや１００ｋＨｚの中周波帯域では、エタノール濃度が約８５％付近までは高周波帯域よりも高感度で静電容量からエタノール濃度を一意に特定することができるが、８５％を超える高濃度域では特性が変化するため、静電容量から一意のエタノール濃度を特定することができなくなってしまう。

また、５００Ｈｚや１ｋＨｚの低周波帯域では、エタノール濃度が２０％付近までは最も高感度で静電容量からエタノール濃度を一意に特定することができるが、２０％を超えると特性が変化するため、静電容量から一意のエタノール濃度を特定することができなくなってしまう。

そこで、本実施の形態では、図４の周波数による特性を利用して、濃度全域にわたって静電容量から一意にアルコール濃度を特定可能な予め定めた基準周波数（例えば、５００ｋＨｚや１０００ｋＨｚ）でエタノール濃度を一旦測定し、測定結果の濃度域に応じて周波数を変化させて再度測定するようになっている。

具体的には、基準周波数での測定結果が予め定めた高濃度域（例えば、約８５〜１００％）の場合には、図４から分かるように基準周波数による測定が他の周波数に比べて高いので、基準周波数で測定したエタノール濃度を採用する。

また、基準周波数の測定結果が中濃度域（例えば、約２０〜８５％）の場合には、中周波帯域（例えば、１０ｋＨｚや１００ｋＨｚ等）の周波数の方が、他の周波数帯域よりも濃度検出感度が高い（（静電容量／エタノール濃度）の値が大きい）ので、当該中周波帯域で静電容量を再度測定してエタノール濃度を特定する。

そして、基準周波数の測定結果が低濃度域（例えば、約０〜２０％）の場合には、低周波域（例えば、５００Ｈｚや１ｋＨｚ等）の周波数の方が、他の周波数帯域よりも濃度検出感度が高いので、当該低周波帯域で静電容量を再度測定してエタノール濃度を求める。

すなわち、本実施の形態に係わる液体性状検出装置２０では、エタノール濃度全域にわたって静電容量から一意にエタノール濃度を特定できる基準周波数の交流を供給して静電容量を一旦測定して、測定結果に対応するエタノール濃度域に応じて周波数を変化させて静電容量を再度測定してエタノール濃度を求めることにより、正確なエタノール濃度を得るようにしている。

なお、本実施の形態では、エタノール濃度が０〜２０％程度の範囲を低濃度域、２０〜８５％程度の範囲を中濃度域、８５〜１００％の範囲を高濃度域として説明するが、境界値２０％や８５％は、これに限定されるものではなく、例えば、２０％の値は２０％以下の値を採用し、８５％の値は８５％以上の値を採用して、測定マージンを持たせるようにしてもよい。また、同様に、周波数帯域についても、本実施の形態では、５００Ｈｚや１ｋＨｚを低周波帯域、１０ｋＨｚや１００ｋＨｚを中周波帯域、５００ｋＨｚや１０００ｋＨｚを高周波帯域として説明するが、各帯域の境界値は上記値に限るものではなく、図４に示す変曲点（低周波帯域の２０％付近の変曲点や中周波帯域の８５％付近の変曲点）が発生する周波数を境界値に採用すればよい。また、本実施の形態では、濃度域や周波帯域を３つに分けたが、これに限るものではなく、２つに分けるようにしてもよいし、４つ以上に分けるようにしてもよい。

続いて、上述のように構成された本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置２０で行われる具体的な処理の流れについて説明する。図５は、本発明の実施の形態に係わる液体性状検出装置２０において液体性状検出プログラムを実行することにより行われる処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、図５の処理は、例えば、イグニッションスイッチオン時または所定のタイミング毎に開始する。

ステップ１００では、燃料性状電極Ａ〜Ｃ間の静電容量Ｃ２が第１周波数で測定されてステップ１０２へ移行する。すなわち、センサ駆動ドライバ２２を制御して、予め定めた基準周波数の第１周波数ｆ（例えば、５００ｋＨｚや１０００ｋＨｚ）の交流を液状態検知センサ１８のＡ〜Ｃ間に供給してリアクタンスＸを測定することにより、静電容量Ｃ２をＣ２＝１／２πｆＸにより検出する。

ステップ１０２では、エタノール濃度が算出されてステップ１０４へ移行する。すなわち、図４に示す対応関係から基準周波数で測定した静電容量に対応するエタノール濃度を算出する。

ステップ１０４では、算出されたエタノール濃度が予め定めた低濃度域か否か判定される。該判定は、算出されたエタノール濃度が、０〜２０％等の予め定めた低濃度域か否かを判定し、該判定が肯定された場合にはステップ１０６へ移行し、否定された場合にはステップ１０８へ移行する。

ステップ１０６では、燃料性状電極の静電容量が第２周波数で測定されてステップ１１４へ移行する。すなわち、センサ駆動ドライバ２２を制御して、予め定めた低周波数の第２周波数ｆ（例えば、５００Ｈｚや１ｋＨｚ等）の交流を液状態検知センサ１８のＡ〜Ｃ間に供給してリアクタンスＸを測定することにより、静電容量Ｃ２をＣ２＝１／２πｆｘにより検出する。

一方、ステップ１０８では、ステップ１０２で算出されたエタノール濃度が予め定めた中濃度域か否か判定される。該判定は、算出されたエタノール濃度が、２０〜８５％等の予め定めた中濃度域か否かを判定し、該判定が否定された場合にはステップ１１０へ移行し、肯定された場合にはステップ１１２へ移行する。

ステップ１１０では、ステップ１０２で算出されたエタノール濃度が採用されて一連の処理を終了する。

また、ステップ１１２では、燃料性状電極の静電容量が第３周波数で測定されてステップ１１４へ移行する。すなわち、センサ駆動ドライバ２２を制御して、予め定めた中周波数の第３周波数ｆ（例えば、１０ｋＨｚや１００ｋＨｚ等）の交流を液状態検知センサ１８のＡ〜Ｃ間に供給してリアクタンスＸを測定することにより、静電容量Ｃ２をＣ２＝１／２πｆｘにより検出する。

そして、ステップ１１４では、ステップ１０６またはステップ１１２で測定された静電容量に基づいてエタノール濃度が算出されて一連の処理を終了する。すなわち、図４に示す静電容量とエタノールの対応関係からステップ１０６またはステップ１１２で測定した静電容量に対応するエタノール濃度を算出する。

このように本実施の形態に係わる液体性状検出装置２０では、静電容量とエタノール濃度の対応関係が周波数によって特性が異なるため、全濃度域を測定可能な予め定めた基準周波数で静電容量を測定することによりエタノール濃度を求める。そして、求めたエタノール濃度が予め定めた低濃度域や予め定めた中濃度域の場合には、周波数を変更して再度測定することにより高感度な測定が可能であるため、基準周波数の測定結果の濃度域に応じて予め定めた周波数に変更して静電容量を再測定することによって、正確なエタノール濃度を検出することができる。

なお、上記の実施の形態では、エタノールを混合した混合燃料の場合を一例として説明したが、エタノールに限るものではなく、静電容量と濃度の対応関係が周波数によって異なる他のアルコールを適用するようにしてもよいし、他の燃料を混合する混合燃料を使用する場合に適用してもよい。

１０燃料タンク
１８液状態検知センサ
２０液体性状検出装置
２２センサ駆動ドライバ

Claims

タンクに貯留されたアルコール混合燃料に含まれるアルコール濃度を測定するためのコンデンサの静電容量を予め定めた第１周波数の交流を前記コンデンサに供給して測定することによりアルコール濃度を測定する第１測定手段と、
前記第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が所定濃度域の場合に、前記第１周波数とは異なる第２周波数の交流を前記コンデンサに供給して前記コンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定し、前記第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が前記所定濃度域以外の場合は前記第１測定手段の測定結果をアルコール濃度の測定結果として採用する第２測定手段と、
を備えた液体性状検出装置。
前記第２測定手段は、前記所定濃度域において、前記第１周波数よりもアルコール濃度の検出感度が高い周波数の交流を前記第２周波数として前記コンデンサに供給して前記コンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定する請求項１に記載の液体性状検出装置。
前記第２測定手段は、前記所定濃度域において、静電容量とアルコール濃度の対応関係における（静電容量／アルコール濃度）の値が前記第１周波数における前記値よりも大きい値となる周波数の交流を前記第２周波数の交流として前記コンデンサに供給して前記コンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定する請求項１に記載の液体性状検出装置。
前記第１測定手段は、前記第１周波数として、静電容量とアルコール濃度の対応関係が、全濃度域わたって（静電容量／アルコール濃度）＞０を満たす周波数の交流を前記コンデンサに供給して前記コンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定する請求項１〜３の何れか１項に記載の液体性状検出装置。
前記第２測定手段は、前記第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が予め定めた第１濃度域より低い第２濃度域の場合に、前記第１周波数より低い第２周波数の交流を前記コンデンサに供給して前記コンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定する請求項１〜４の何れか１項に記載の液体性状検出装置。
前記第１測定手段によって測定されたアルコール濃度が前記第２濃度域より低い第３濃度域の場合に、前記第２周波数より低い第３周波数の交流を前記コンデンサに供給して前記コンデンサの静電容量を測定することによりアルコール濃度を測定する第３測定手段を更に備えた請求項５に記載の液体性状検出装置。
コンピュータを、請求項１〜６の何れか１項に記載の液体性状検出装置を構成する各手段として機能させるための液体性状検出プログラム。