(第1の実施形態)
以下、本発明の内容量推定システムの第1の実施形態である車両燃料システムを、図1〜図4を参照して説明する。
以下に説明する車両燃料システムは、車両に搭載されて、液化石油ガス(LPG)を当該車両の燃料Fとして収容する燃料タンクを備えるとともに、当該燃料タンク内の燃料Fの液量(内容量)を推定するシステムである。この車両燃料システムでは、液量を推定する際に燃料タンク内の気相部に気体を押し込むことで燃料タンク内の圧力を上昇させ、燃料タンク内の上昇前後の圧力及び押し込まれた気体量に基づいて、燃料Fの液量を推定する。
LPGなどの液化ガスを燃料Fとして収容した燃料タンク内では、周囲温度により圧力が0.1MPa〜3MPa程度まで変化するので、上述した従来の燃料残量検出装置などにおいてはこのような非常に高い圧力に対抗して気体を押し込むための駆動力確保が困難であり、また、可動部が多いため信頼性が低く、そのため、液化ガスを燃料とした車両に用いるには不適当であった。そして、以下に説明する本発明の車両燃料システムは、液化ガスを燃料とした車両に適したものである。
図1に示すように、車両燃料システム(図中、符号1で示す)は、容器としての燃料タンク10と、燃料タンク10内の燃料Fの液量を推定する内容量推定装置としての液量推定装置6と、を有している。
燃料タンク10は、例えば、車両の床下などに配置されて、当該車両の燃料Fを収容する周知の車両部品であり、本実施形態においては、直方体の箱形状で容積100Lとなるように形成されている。燃料タンク10には、図示しない車両の燃料充填口に接続されて、燃料供給スタンドなどから供給される燃料Fを燃料タンク10内に流入させるための流入管11と、この流入管11を開放及び閉塞する、電磁弁で構成された流入弁12と、が設けられている。また、流入管11には、安全上取付が必要となる図示しない遮断バルブが設けられている。また、燃料タンク10には、図示しない内燃機関に燃料Fを供給するためのインジェクション装置等に接続されて、燃料タンク10内の燃料Fを当該インジェクション装置等に向けて流出させる流出管13と、この流出管13を開放及び閉塞する、電磁弁で構成された流出弁14と、が設けられている。なお、図1に示した燃料タンク10等の構成は一例であって、例えば、流入管11及び流出管13の燃料タンク10への接続箇所はシステム構成等に応じて適宜定められる。燃料タンク10内には、気化した燃料F等が収容される気相部17と、液体状の燃料Fが収容される液相部18と、が存在する。燃料タンク10内には、燃料Fが空の場合は気相部17のみ存在し、また、燃料Fが満量の場合でも若干の空間が設けられ、即ち、気相部17が存在する。
この気相部17の容積は、当該気相部に押し込まれた気体量と、気体が押し込まれることによる気相部17の圧力変化量との間に相関関係があり、一定の気体量を気相部17に押し込んだとき、気相部17の容積が大きいほど気相部の圧力変化量が小さく、気相部17の容積が小さいほど気相部17の圧力変化量が大きくなる。
液量推定装置6は、気密タンク20と、配管30と、加熱手段としてのヒータ41と、開閉弁42と、気相部圧力測定手段としての気相部圧力センサ51と、気密タンク温度測定手段としての気密タンク温度センサ53と、制御部60と、を有している。
気密タンク20は、燃料タンク10と別体で設けられ、当該燃料タンク10に近接して配置されており、本実施形態においては、直方体の箱形形状で容積3.44Lとなるように形成されている。気密タンク20は、配管30によって燃料タンク10に接続されている。この配管30は、その一端30aが、燃料タンク10の側壁10bの上端に接続され、他端30bが、気密タンク20の下壁20cに接続されている。つまり、気密タンク20は、燃料タンク10と別体で設けられるとともに、燃料タンク10の上部、即ち、燃料タンク10内の気相部17(以下、単に気相部17という)に接続されている。これにより、気密タンク20には、気相部17と同じ気体が充填される。
燃料タンク10及び気密タンク20は、気相部17の最小容積(燃料Fが満量のときの容積)が、気密タンク20の容積よりはるかに大きくなるように、それぞれが形成されている。具体的には、後述する内容量推定処理において、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれたときに、気相部17の温度が変化せずに気体が押し込まれる前の温度と同一になるように、または、気体が気相部17に押し込まれたときに、気相部17の温度が一時的に変化するものの温度の変化のない定常状態となった後は気体が押し込まれる前と同一の温度に復帰するように、気相部17の最小容積及び気密タンク20の容積が設定されている。「温度が同一」とは、厳密に同一の場合と、液量の推定に支障が無い程度の小さい差異がある場合とを含む。また、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれると気相部17の圧力が変化するが、この圧力の変化量が、後述する気相部17に押し込まれた気体量ΔVmの算出に影響がない程度の小さい量となるように、気相部17の最小容積及び気密タンク20の容積が設定されている。
ヒータ41は、例えば、電熱線やハロゲンヒータ、カーボンヒータなどの電気エネルギーから熱を生成して放出することにより対象物を加熱するための周知の加熱器である。勿論、電気以外にも各種燃料の燃焼などにより熱を放出するものであってもよい。ヒータ41は、気密タンク20の4つの側壁20bに密着して設けられており、各側壁20bを介して気密タンク20内の気体を加熱してその温度を上昇(即ち、昇温)させる。
また、ヒータ41によって、気密タンク20内の気体を効率よく加熱するとともに、配管30や燃料タンク10がヒータ41の熱の影響を受けないようにするために、図示しないグラスウールなどからなる断熱材などによってヒータ41を覆う等の断熱処理が施されている。気密タンク20及び気相部17の圧力及び温度は、ヒータ41による加熱及び気相部17への気体の押し込みが無い状態では安定している。「圧力及び温度が安定」とは、値の変動が全くない場合と、液量の推定に支障が無い程度の小さい変動幅がある場合とを含む。ヒータ41は、後述する制御部60に電気的に接続されており、当該制御部60からの制御信号によって制御される。
本実施形態において、気密タンク20は直方体の箱形形状に形成され、ヒータ41は、気密タンク20の4つの側壁20bに密着して設けられているものであったが、これに限定されるものではなく、例えば、気密タンク20が長尺の管状に形成されており、その外周面に、ヒータ41としての電熱線が巻き付けられている構成など、気密タンク20内の気体を加熱可能なものであれば、これらの構成は任意である。
開閉弁42は、例えば、電磁弁などで構成されており、配管30に設けられて、開閉制御されることによって配管30を開放又は閉塞するように動作する。つまり、開閉弁42は、その開閉により、気密タンク20と気相部17との接続を開いたり閉じたりするように設けられている。開閉弁42は、後述する制御部60に電気的に接続されており、当該制御部60からの制御信号によって制御される。
気相部圧力センサ51は、例えば、半導体式の圧力センサなどで構成されて、燃料タンク10の上壁10aに設けられており、気相部17の圧力を測定する。本実施形態において、気相部圧力センサ51は、気相部17の圧力範囲である0.1MPa〜3MPaを50Pa単位で計測可能な分解能を有するものを用いている。勿論、気相部圧力センサ51は、このようなものに限定されるものではなく、後述する内容量推定処理において気密タンク20から気相部17に気体が押し込まれる前後のそれぞれにおける相対的な圧力を測定できるものであればよい。気相部圧力センサ51は、後述する制御部60に電気的に接続されており、測定した気相部17の圧力に応じた電気信号を制御部60に出力する。
気密タンク温度センサ53は、例えば、サーミスタや熱電対などで構成されて、気密タンク20の上壁20aに設けられており、気密タンク20内の温度を測定する。気密タンク温度センサ53は、後述する制御部60(即ち、CPU62)に電気的に接続されており、測定した気密タンク20内の温度に応じた電気信号を制御部60に出力する。
制御部60は、図2に示すように、周知の組み込み機器用のマイクロコンピュータ61などで構成されている、このマイクロコンピュータ61は、中央演算処理装置(CPU)62と、ROM(Read Only Memory)63と、RAM(Random Access Memory)64と、メモリ65と、を備えている。
CPU62は、車両燃料システム1における各種制御を司り、ROM63に記憶されている各種制御プログラムにしたがって本実施形態に係る制御を含む各種の処理を実行する。ROM63は、前記制御プログラムやこの制御プログラムに参照されるパラメータなどの各種情報を記憶している。特に、ROM63は、CPU62を、内容量推定手段、開閉弁制御手段、気体量算出手段、などの各種手段として機能させるための制御プログラムを記憶している。そして、CPU62は、この制御プログラムを実行することで前述した各種手段として機能する。RAM64は、CPU62が各種の処理を実行する上において必要なデータ、プログラム等が適宜記憶される。メモリ65は、例えば、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)やフラッシュメモリなどの電源断となってもデータを保持できる不揮発性のメモリで構成されている。このメモリ65には、後述する内容量推定処理で用いられる数式やパラメータ(後述する状態安定時間や目標温度、気相部温度復帰時間tkなど)等の各種情報が記憶されている。
また、マイクロコンピュータ61は、図示しないインタフェース部を備えている。このインタフェース部は、ヒータ41、開閉弁42、気相部圧力センサ51、及び、気密タンク温度センサ53と、CPU62と、を接続しており、これら間での各種信号の送受を可能としている。また、図示していないが、インタフェース部は、上述した流入弁12及び流出弁14と、CPU62と、をさらに接続しており、CPU62は、例えば、後述する内容量推定処理実行中は、液量の変動を抑えるために、流入管11及び流出管13を閉塞するように流入弁12及び流出弁14を制御して、燃料タンク10内の圧力が漏出しないようにするなど、必要に応じて、流入弁12及び流出弁14を制御して、流入管11及び流出管13を開放及び閉塞する。本実施形態においては、開閉弁42を備えているので、開閉弁42を閉じて気密タンク20の気体を加熱している間は流入管11及び流出管13を閉塞する必要が無く、流入管11及び流出管13を閉塞する時間を短くできる。また、インタフェース部は、図示しない燃料計と、CPU62と、をさらに接続しており、CPU62は、推定した燃料Fの液量を当該燃料計に表示させる。
次に、上述したCPU62が実行する本発明に係る処理(内容量推定処理1)の一例を、図3に示すフローチャートを参照して説明する。
車両のイグニッションスイッチがオンされると、車両燃料システム1に電源が供給されて制御部60のCPU62が動作を開始し、CPU62は、所定の初期化処理を実行する。そして、CPU62は、初期化処理が終了した後に、例えば、一定周期などの所定のタイミングで、図3のフローチャートに示すステップS100に進む。
ステップS100では、開閉弁42を開くための制御信号を開閉弁42に送出する。開閉弁42が開かれることにより、配管30を開放して気密タンク20と気相部17との接続が開かれて、これらが連通される。そして、ステップS105に進む。
ステップS105では、所定の状態安定時間の経過を待つ。気相部17と気密タンク20とのそれぞれの気体は、ステップS100において、気相部17と気密タンク20とが連通されると互いの気体が混じり合って気相部17と気密タンク20とのそれぞれの圧力が同一になるように状態を変化させ、且つ、この時点で未だヒータ41が駆動されておらず(即ち、ヒータOFF状態)気相部17と気密タンク20とのそれぞれが同一周囲温度下に置かれて気相部17と気密タンク20とのそれぞれの温度が同一になるように状態を変化させる。そして、この状態安定時間とは、気密タンク20内の圧力と気相部17の圧力とが同一となり、また、気密タンク20内の温度と気相部17の温度とが同一になり、これら圧力及び温度が安定した状態となるまでの待ち時間である。この状態安定時間は、予備計測やシミュレーションなどによって予め取得してあり、メモリ65に記憶されている。そして、状態安定時間が経過したのち、ステップS110に進む。
または、このような処理に代えて、気相部17と気密タンク20とにそれぞれ圧力センサ及び温度センサを設けて、これらセンサによって測定された圧力及び温度が同一になるまで待つようにしてもよく、つまり、気相部17及び気密タンク20のそれぞれにおける圧力及び温度がそれぞれ同一になるように開閉弁を制御する処理を行うものであればよい。
ステップS110では、開閉弁42が開かれているとともに気相部17と気密タンク20との圧力及び温度がそれぞれ同一の状態において、気相部圧力センサ51から出力された電気信号に基づいて、気相部圧力センサ51によって測定された気相部17の圧力Pm1を検出し、気密タンク温度センサ53から出力された電気信号に基づいて、気密タンク温度センサ53によって測定された気密タンク20内の温度Ts1を検出する。このとき、気相部17の圧力Pm1は、気密タンク20内の圧力でもあり、また、気密タンク20内の温度Ts1は、気相部17の温度でもある。そして、ステップS120に進む。
ステップS120では、開閉弁42を閉じるための制御信号を開閉弁42に送出する。開閉弁42が閉じられることにより、配管30を閉塞して気密タンク20と気相部17との接続が閉じられて、気密タンク20が密閉状態となる。そして、ステップS130に進む。
ステップS130では、気密タンク20内の気体を所定の目標温度になるまで加熱するようにヒータ41を駆動するための制御信号を、当該ヒータ41に送出する。これにより、ヒータ41は、気密タンク20内の気体を加熱してその温度を目標温度まで上昇させる。本実施形態において、目標温度は、ステップS110で測定した気密タンク20内の温度Ts1より50K高い温度としている。勿論、これ以外の目標温度を設定してもよい。そして、ヒータ41による加熱により、気密タンク20内の気体が膨張しようとするものの密閉状態であるため、気密タンク20内の圧力が高まる。なお、これに限らず、例えば、バイメタル等の感温部材を利用して、上記目標温度以上でオフ状態になり、上記目標温度より低い所定の通電温度でオン状態となるように設定された温度スイッチを、ヒータ41の給電線に直列に接続するとともに気密タンク20内に配置して、気密タンク20内の気体を加熱しつづけるようにヒータ41を駆動するための制御信号を、当該ヒータ41に送出するようにしてもよく、気密タンク20内の気体を加熱するためのヒータ41の制御方法は任意である。そして、ステップS140に進む。
ステップS140では、気密タンク温度センサ53から出力された電気信号に基づいて、気密タンク温度センサ53によって測定された気密タンク20内の温度Ts2を検出する。そして、ステップS150に進む。
ステップS150では、ステップS140で検出した気密タンク20内の温度Ts2が、目標温度に達しているか否かを判定する。そして、目標温度に達していないときはステップS140に戻り(S150でN)、目標温度に達していたときステップS160に進む(S150でY)。
ステップS160では、気密タンク20内の温度が目標温度になるまで加熱した後に、開閉弁42を開くための制御信号を開閉弁42に送出する。開閉弁42が開かれることにより、配管30を開放して気密タンク20と気相部17との接続が開かれて、これらが互いに連通され、気密タンク20内の気体が膨張して、気相部17に押し込まれる。なお、CPU62によって、インジェクタ開度や燃料の流量などを示す各種電気信号などに基づいて燃料消費量を検出するとともに、燃料消費量が所定の基準値を超えるときなど、燃料Fの液量の変動が大きいときに上記ステップS100〜S150を予め実行しておき、燃料消費量が所定の基準値以下のときなど、燃料Fの残量の変動が小さいときに、本ステップを実行して上記制御信号を開閉弁42に送出するようにしてもよい。
また、ステップS160では、開閉弁42を開いた後も気密タンク20内の温度が上記目標温度を維持するようにヒータ41を駆動するための制御信号を、ヒータ41に送出する。または、これに代えて、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれた後に、開閉弁42を閉じるための制御信号を開閉弁42に送出するとともに、ヒータ41を駆動停止するための制御信号をヒータ41に送出するようにしてもよい。このように制御することで、気密タンク20を気相部17から切り離して、気相部17の圧力測定への影響を回避できるとともに、ヒータ41の駆動を停止して、消費電力を低減することができる。そして、ステップS170に進む。
ステップS170では、気相部温度復帰時間tkが経過するまで待つ。この気相部温度復帰時間tkは、気相部17の温度が、気相部17に気体が押し込まれる前に当該気相部17の圧力Pm1を検出したときの温度に戻るための待ち時間である。
気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれる前は、気相部17の圧力は安定状態にあり、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれた後は、気相部17では、加熱された気体の流入や圧力の上昇等に伴って一時的に温度が上昇して、この温度が上昇前の温度に復帰するために徐々に変化することにより圧力不安定状態になる。そのため、このステップS170では、気相部17の温度が、気相部17に気体が押し込まれたことによる温度変化前の圧力安定状態(定常状態)の温度に戻るまで待つ。この気相部温度復帰時間tkは、燃料タンク10の材質、形状、液化ガスの種類など、車両燃料システム1の構成等に応じて適宜設定される。そして、気相部温度復帰時間tkが経過した後、ステップS180に進む。
本実施形態においては、気相部温度復帰時間tkの経過を待つものであったが、これに限定されるものではなく、気相部17に気体が押し込まれた後の気相部17の温度上昇が無く、または、燃料Fの液量の推定に支障がない程度に小さいものであれば、気相部温度復帰時間tkを0、即ち、待ち時間なしとして、ステップS170を省略してもよい。
ステップS180では、気相部圧力センサ51から出力された電気信号に基づいて、気相部圧力センサ51によって測定された気相部17の圧力Pm2を検出する。そして、ステップS190に進む。
ステップS190では、上記各ステップで検出した気密タンク20内の温度Ts1、Ts2に基づいて、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmを算出する。この気体量ΔVmは、気相部17の気体の増加量であるとともに、気密タンク20内の気体の減少量でもある。
ここで、気密タンク20の容積をVs、気密タンク20内の気体の分子数をn、気体定数をR、気密タンク20内の気体が加熱される前の気密タンク20内の圧力をPs1(即ち、圧力Pm1)、目標温度になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前の気密タンク20内の圧力をPs2、気密タンク20内の気体が加熱される前の気密タンク20内の温度をTs1、目標温度になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前の気密タンク20内の温度をTs2、とすると、気密タンク20では、以下に示す気体の状態方程式が成立する。
気体が加熱される前: Ps1×Vs=n×R×Ts1・・・(1.1)
気体が目標温度になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前:
Ps2×Vs=n×R×Ts2・・・(1.2)
そして、これら(1.1)、(1.2)式から、
Ps2/Ps1=Ts2/Ts1・・・(1.3)
が導かれる。つまり、気密タンク20の容積Vs、気体の分子数n、気体定数Rは変化しないので、気密タンク20内の圧力の変化の比は、温度の変化の比と同一になる。
そして、この(1.3)式から、加熱によって気密タンク20内の圧力が(Ts2/Ts1)倍に変化していることになる。そして、圧力Ps1(即ち、圧力Pm1)下における、気密タンク20内の気体が加熱される前の気密タンク20内の気体の体積をWs1(即ち、気密タンク20内の容積Vs)、目標温度になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前の気密タンク20内の気体の体積をWs2、として、気体の状態方程式より換算すると、
Ws2=(Ts2/Ts1)×Ws1=(Ts2/Ts1)×Vs・・・(1.4)
となる。この(1.4)式は、加熱による膨張後の気体の体積を示している。
そして、開閉弁42を開くと、気密タンク20の圧力と気相部17の圧力とが平衡するまで、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれる。つまり、上記(1.4)式に示される膨張後の体積Ws2から膨張前の体積Ws1(即ち、Vs)を差し引くことで、気密タンク20から気相部17に押し込まれた気体量ΔVm’を、
ΔVm’=((Ts2/Ts1)−1)×Vs・・・(1.5)
として求めることができる。
なお、本実施形態では、気相部17の容積が、気密タンク20の気体が気相部17に押し込まれた場合においても圧力安定後の気相部17の温度が気体押込前と同一になる程度に、且つ、気相部17の圧力の変化量が気相部17に押し込まれた気体量ΔVmの算出に影響のない小さい量となる程度に、気密タンク20の容積よりはるかに大きくなるように設定されており、これにより、気体の押し込みによる気相部17の圧力及び温度の変化が気体量ΔVm(即ち、ΔVm’)に与える影響は考慮不要としている。
そして、気密タンク20から気相部17に押し込まれた気体は、気相部17の気体に混じることにより気相部17の温度、つまり、ステップS110で検出した気密タンク20内の温度Ts1に戻る。そのため、このことを考慮すると、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmは、
ΔVm=ΔVm’/(Ts2/Ts1)
=(1−(Ts1/Ts2))×Vs・・・(1.6)
として表すことができる。この(1.6)式を用いて、気密タンク20から気相部17に押し込まれた気体量ΔVmを算出する。そして、ステップS200に進む。
なお、気相部17に気相部温度センサを設け、気密タンク20の温度Ts1の検出と同タイミングで気相部温度センサにより気相部17の温度Tm1を検出して、この温度Tm1を上記(1.6)式のTs1に代えて用いるようにしてもよい。このようにすることで、気相部17の温度を実測でき気体量ΔVmの算出精度を高めることができるとともに、上記ステップS105において、気相部17と気密タンク20とのそれぞれの圧力のみ同一になるのを待ち、温度が同一になるのを待たずに処理を進めることができ、処理時間を短縮できる。
ステップS200では、ステップS190で算出された気体量ΔVmと、ステップS110で検出された気相部17の圧力Pm1と、ステップS180で検出された気相部17の圧力Pm2と、に基づいて、燃料タンク10の容積VTのうち気相部17に対応する部分の容積VA(以下、気相部容積VAという)を算出する。
具体的には、ボイルの法則から次の式が成立し、
Pm1×(VA+ΔVm)=Pm2×VA
VA=(−Pm1×ΔVm)/(Pm1−Pm2)・・・(1.7)
この(1.7)式を用いて、気相部容積VAを算出する。そして、ステップS210に進む。
ステップS210では、燃料タンク10内の容積VTからステップS200で算出した気相部容積VAを差し引くことにより、当該燃料タンク10の容積VTのうち液相部18に対応する部分の容積VL(以下、液相部容積VLという)を算出し、この液相部容積VLを燃料タンク10内の燃料Fの液量VLとする。そして、車両に搭載された図示しない燃料計に、液量VLを表示するための信号を送出する。そして、本フローチャートの処理を終了する。
上述したステップS100、S120、S160が、請求項中の開閉弁制御手段に相当し、ステップS190が、請求項中の気体量算出手段に相当し、ステップS130、S200、S210が、請求項中の内容量推定手段に相当する。
次に、上述した車両燃料システム1における本発明に係る動作例について説明する。
車両のイグニッションスイッチがオンされると、車両燃料システム1は動作を開始して、周期的(例えば、1分毎)に燃料タンク10内の燃料Fの液量の推定を行う。この液量の推定において、まず、開閉弁42によって気密タンク20と気相部17との接続を開き(S100)、気相部17及び気密タンク20内の圧力及び温度が同一且つ安定する状態安定時間の経過を待ち(S105)、その後気相部17の圧力Pm1と気密タンク20内の温度Ts1とを検出する(S110)。そして、開閉弁42によって気密タンク20と気相部17との接続を閉じて気密タンク20を密閉状態とする(S120)。そして、ヒータ41によって気密タンク20内の気体を加熱しながら、気密タンク20内の温度Ts2を検出して、この温度Ts2が所定の目標温度になるまで加熱したのちに(S130〜S150)、開閉弁42を開くことにより気密タンク20と気相部17との接続を開く(S160)。これにより、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれる。そして、気相部温度復帰時間tkが経過した後(S170)、気相部17の圧力Pm2を検出する(S180)。
そして、気相部17及び気密タンク20内の圧力及び温度が同一のときの気密タンク20内の温度Ts1、及び、気密タンク20内の気体を目標温度になるまで加熱した後で且つ開閉弁42を開く前の気密タンク20内の温度Ts2を用いて、気相部17に押し込んだ気体量ΔVmを算出する(S190)。そして、気相部17に押し込んだ気体量ΔVmと、気相部17に気体を押し込む前の圧力Pm1と、気相部17の気体を押し込んだ時点から気相部温度復帰時間tkを経過した後の圧力Pm2と、を用いて、燃料タンク10の気相部容積VAを算出し(S200)、この気相部容積VAを燃料タンク10の容積VTから差し引くことで液相部容積VLを算出して、この液相部容積VLを、燃料タンク10内の燃料Fの液量VLとして求めて、燃料計に表示する(S210)。
次に、車両燃料システム1における燃料タンク10内の燃料Fの液量VLの推定例を示す。
燃料タンク10の容積VTが100L、気密タンク20の容積Vsが3.44L、であり、上述した内容量推定処理において、気相部17に気体が押し込まれる前の気密タンク20内の圧力Ps1が0.10MPa、気相部17に気体が押し込まれた後の時点から気相部温度復帰時間tkを経過した後の当該気相部17の圧力Pm2が0.12MPaとなり、また、気相部17及び気密タンク20内の圧力及び温度が同一のときの気密タンク内の温度Ts1が293K、気密タンク20内の気体を目標温度になるまで加熱した後で且つ開閉弁42を開く前の気密タンク20内の温度Ts2が343K、となったものとする。
このとき、上記(1.6)式から、気相部17に押し込んだ気体量ΔVmは、
ΔVm=(1−(293/343))×3.44
=0.50L
となり、上記(1.7)式から、気相部容積VAは、
VA=(−0.10×0.50)/(0.10−0.12)
=2.50L
となり、この気相部容積VAを燃料タンク10の容積VTから差し引くと、液相部容積VL、即ち、燃料タンク10内の燃料Fの液量VLは、
VL=100−2.50=97.50L
となる。このようにして、燃料タンク10内の燃料Fの液量VLを推定する。
以上より、本実施形態によれば、気密タンク20が、燃料タンク10と別体で設けられるとともに配管30によって燃料タンク10内の気相部17に接続されているので、気密タンク20と気相部17とが連通されて、そのため、気密タンク20内の圧力と気相部17の圧力との圧力が等しくなるように、気相部17と気密タンク20との間で気体が移動する。そして、ヒータ41が、気密タンク20内の気体を加熱可能に設けられており、このヒータ41によって気密タンク20内の気体を加熱することにより当該気体が膨張して、気相部17と気密タンク20との圧力が等しくなるように気密タンク20内の気体が当該気相部17に押し込まれる。これにより、前記気相部に気体を押し込むために必要な力を小さくでき、また、ヒータ41として、例えば、電熱線やハロゲンヒータなどを用いることにより、可動部を有する駆動機構等を用いることなく気相部17に気体を押し込むことができ、そのため、可動部の数を少なくして信頼性を向上させることができる。また、燃料タンク10内の気相部17の圧力が高い場合等においても、気相部17に気体を押し込むための非常に大きな力を必要とせず、そのため、小型化することができる。
また、配管30を開放又は閉塞するように開閉制御される、当該配管30に設けられた開閉弁42を備え、CPU62によって、ヒータ41により気密タンク20内の気体が加熱される前に開閉弁42を閉じるように制御したのち、気密タンク20内の気体が加熱された後に前記開閉弁42を開くように制御する。つまり、気密タンク20と気相部17との接続を閉じて、気密タンク20を密閉した状態として、当該気密タンク20内の気体を加熱して圧力を高め、その後、気密タンク20と気相部17との接続を開いて、気密タンク20内の気体を膨張させて一時に気相部17に押し込む。これにより、燃料Fの流入や流出により燃料タンク10内の液量が変動している場合など当該液量の推定に適さない状態において、気密タンク20と気相部17との接続を閉じて、気密タンク20内の気体を加熱して圧力を高めておき、そして、液量の変動が収まった場合など当該液量の推定に適した状態において、気密タンク20と気相部17との接続を開いて、気密タンク20内の気体を膨張させて一時に気相部17に押し込むことにより、比較的時間を要する気密タンク20内の気体の加熱処理を、液量の推定に適さない状態のときに予め実行しておくことで、効率よく液量の推定をすることができる。
また、CPU62によって、開閉弁42が開かれる前、及び、当該開閉弁が開かれた後の時点から所定の気相部温度復帰時間tkを経過した後、のそれぞれにおいて気相部圧力センサ51によって測定された気相部の圧力Pm1、Pm2、並びに、気相部17に押し込まれた気体量ΔVm、に基づいて液量を測定する。この気相部温度復帰時間tkは、気相部17の温度が、開閉弁42が開かれる前の温度に復帰するための待ち時間である。即ち、開閉弁42が開かれて気相部17に気密タンク20内の気体が押し込まれたとき、気相部17の圧力が上昇するとともに気相部17の温度も一時的に上昇して圧力不安定状態になるが、当該開閉弁42が開かれた後の時点、つまり、気相部17に気密タンク20内の気体が押し込まれた後の時点から所定の気相部温度復帰時間tkを経過した後は、気相部17の温度が低下して温度上昇前と同一の温度に復帰して圧力安定状態(定常状態)となり、この状態において気相部圧力センサ51によって測定された気相部17の圧力を燃料タンク内の液量の推定に用いる。これにより、気相部17の温度などによる圧力Pm2の補正が不要となり、簡易且つ安価に構成することができる。
また、CPU62によって、気相部17及び気密タンク20のそれぞれにおける圧力及び温度がそれぞれ同一のとき、及び、気密タンク20内の気体が目標温度になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前、のそれぞれにおいて気密タンク温度センサ53によって測定された気密タンク20内の温度Ts1、Ts2に基づいて、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmを算出するので、気体流量計などを用いる構成などに比べて、容易且つ正確に気相部17に押し込まれた気体量ΔVmを算出することができる。
本実施形態においては、燃料タンク10が直方体の箱形状に形成されたものであったが、これに限定されるものではなく、例えば、図4に示すように、上述した燃料タンク10に代えて、第1タンク部分101、第2タンク部分102からなる燃料タンク10Aを用いてもよい。第1タンク部分101と第2タンク部分102とには、それぞれ気相部17と液相部18があり、管路103によって気相部17同士が接続され、管路104によって液相部18同士が接続されている。本発明によれば、この燃料タンク10Aのように、複数のタンク部分に分割され、それぞれ気相部同士、液相部同士が接続された、複雑な形状の燃料タンクを用いた場合においても、当該燃料タンク内の燃料Fの液量VLを正確に推定することができる。
また、本実施形態においては、開閉弁42を備え、CPU62によって、ヒータ41により気密タンク20内の気体が加熱される前に開閉弁42を閉じるように制御したのち、気密タンク20内の気体が加熱された後に前記開閉弁42を開くように制御するものであったが、これに限定されるものではなく、開閉弁42を設けず、気相部17と気密タンク20とを連通したまま、ヒータ41により気密タンク20内の気体を加熱するようにしてもよい。このようにすることで、内容量推定処理がより簡易になる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の内容量推定システムの第2の実施形態である車両燃料システムを、図5〜図7を参照して説明する。
図5、図6に示すように、車両燃料システム(図中、符号2で示す)は、容器としての燃料タンク10と、燃料タンク10内の燃料Fの液量を推定する内容量推定装置としての液量推定装置7と、を有している。なお、第2の実施形態において、上述した第1の実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、説明を省略する。
液量推定装置7は、気密タンク20と、配管30と、加熱手段としてのヒータ41と、開閉弁42と、気相部圧力測定手段及び気密タンク圧力測定手段としての共通圧力センサ55、制御部60と、を有している。
共通圧力センサ55は、例えば、半導体式の圧力センサなどで構成されて、気密タンク20の上壁20aに設けられており、気密タンク20内の圧力を測定する。また、共通圧力センサ55は、CPU62が、ヒータ41により気密タンク20内の気体が加熱される前に開閉弁42を閉じるように制御する前、及び、気密タンク20内の気体が加熱された後に前記開閉弁42を開くように制御した後、即ち、開閉弁42が開かれて気密タンク20と気相部17との接続が開かれているとき、気密タンク20内の圧力を気相部17の圧力としても測定する。本実施形態において、共通圧力センサ55は、気密タンク20内(即ち、気相部17)の圧力範囲である0.1MPa〜3MPaを50Pa単位で計測可能な分解能を有するものを用いている。また、共通圧力センサ55は、気密タンク20内の絶対圧力(真空を基準とした圧力)を測定できるものを用いる。または、液量の推定中の大気圧の変動が当該推定に影響ない程度に小さければ、ゲージ圧力(大気圧を基準とした圧力)を測定できる圧力センサを用いてもよい。共通圧力センサ55は、後述する制御部60(即ち、CPU62)に電気的に接続されており、測定した圧力に応じた電気信号を制御部60に出力する。
制御部60のマイクロコンピュータ61が備えるメモリ65には、図7に一例を示すように、気相部17の所定の圧力(押込前圧力)のときに所定の気体量(押込気体量)が気相部17に押し込まれた後の燃料タンク10内の気相部17の圧力(気相部圧力)と、そのときの燃料タンク10内のうち気相部17に対応する部分の容積(気相部容積)と、の関係を示す気相部容積関係情報Jが格納されている。この気相部容積関係情報Jは、例えば、予備計測やシミュレーションなどによって得られたグラフを示す関数やデータテーブルなどであり、気相部17に気体が押し込まれる前の圧力毎及び押し込まれた気体量毎に、複数個設けられている。本実施形態では、図8に模式的に示すように、気相部17に気体が押し込まれる前の圧力(押込前圧力)が0.10MPaから3.00MPaまで0.01MPa毎に、且つ、押し込まれた気体量(押込気体量)が0.1Lから1.0Lまで0.1L毎に、複数個の気相部容積関係情報Jが格納されている。
次に、上述したCPU62が実行する本発明に係る処理(内容量推定処理2)の一例を、図9に示すフローチャートを参照して説明する。
車両のイグニッションスイッチがオンされると、車両燃料システム2に電源が供給されて制御部60のCPU62が動作を開始し、CPU62は、所定の初期化処理を実行する。そして、CPU62は、初期化処理が終了した後に、例えば、一定周期などの所定のタイミングで、図9のフローチャートに示すステップT100に進む。
ステップT100では、開閉弁42を開くための制御信号を開閉弁42に送出する。開閉弁42が開かれることにより、配管30を開放して気密タンク20と気相部17との接続が開かれて、これらが連通される。そして、ステップT105に進む。
ステップT105では、第1の実施形態のステップS105と同様に、所定の状態安定時間の経過を待つ。そして、状態安定時間が経過したのち、ステップT110に進む。
ステップT110では、開閉弁42が開かれているとともに気相部17と気密タンク20との圧力及び温度がそれぞれ同一の状態において、共通圧力センサ55から出力された電気信号に基づいて、共通圧力センサ55によって測定された気密タンク20内の圧力Ps1を検出し、また、この気密タンク20内の圧力Ps1を気相部17の圧力Pm1としても検出する。そして、ステップT120に進む。
ステップT120では、開閉弁42を閉じるための制御信号を開閉弁42に送出する。開閉弁42が閉じられることにより、配管30を閉塞して気密タンク20と気相部17との接続が閉じられて、気密タンク20が密閉状態となる。そして、ステップT130に進む。
ステップT130では、気密タンク20内の気体を所定の目標圧力になるまで加熱するようにヒータ41を駆動するための制御信号を、当該ヒータ41に送出する。これにより、ヒータ41は気密タンク20内の気体を加熱して、この加熱された気密タンク20内の気体は、膨張しようとするものの密閉状態であるため、気密タンク20内の圧力が上昇して目標圧力に近づく。本実施形態において、目標圧力は、ステップT110で測定した気密タンク20内の圧力Ps1の1.17倍の圧力としている。勿論、これ以外の目標圧力を設定してもよい。なお、これに限らず、例えば、気密タンク20内の気体を所定の加熱時間にわたり加熱するようにヒータ41を駆動するための制御信号を、当該ヒータ41に送出するなど、気密タンク20内の気体を加熱するためのヒータ41の制御方法は任意である。そして、ステップT140に進む。
ステップT140では、共通圧力センサ55から出力された電気信号に基づいて、共通圧力センサ55よって測定された密閉状態における気密タンク20内の圧力Ps2を検出する。そして、ステップT150に進む。
ステップT150では、ステップT140で検出した気密タンク20内の圧力Ps2が、目標圧力に達しているか否かを判定する。そして、目標圧力に達していないときはステップT140に戻り(T150でN)、目標圧力に達していたときステップT160に進む(T150でY)。
ステップT160では、気密タンク20内の圧力が目標圧力になるまで加熱した後に、開閉弁42を開くための制御信号を開閉弁42に送出する。開閉弁42が開かれることにより、配管30を開放して気密タンク20と気相部17との接続が開かれて、これらが互いに連通され、気密タンク20内の気体が膨張して、気相部17に押し込まれる。なお、CPU62によって、インジェクタ開度や燃料の流量などを示す各種電気信号などに基づいて燃料消費量を検出するとともに、燃料消費量が所定の基準値を超えるときなど、燃料Fの液量の変動が大きいときに上記ステップT100〜T150を予め実行しておき、燃料消費量が所定の基準値以下のときなど、燃料Fの液量の燃料残量の変動が小さいときに、本ステップを実行して上記制御信号を開閉弁42に送出するようにしてもよい。
また、ステップT160では、開閉弁42を開いた後も気密タンク20内の温度が上記目標圧力に達したときの温度を維持するようにヒータ41を駆動制御するための制御信号を、ヒータ41に送出する。そして、ステップT170に進む。
ステップT170では、気相部温度復帰時間tkが経過するまで待つ。この気相部温度復帰時間tkは、気相部17の温度が、気相部17に気体が押し込まれる前に当該気相部17の圧力Pm1を検出したときの温度に戻るための待ち時間である。
気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれる前は、気相部17の圧力は安定状態にあり、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれた後は、気相部17では、加熱された気体の流入や圧力の上昇等に伴って一時的に温度が上昇して、この温度が上昇前の温度に復帰するために徐々に変化することにより圧力不安定状態になる。そのため、このステップT170では、気相部17の温度が、気相部17に気体が押し込まれたことによる温度変化前の圧力安定状態(定常状態)の温度に戻るまで待つ。この気相部温度復帰時間tkは、燃料タンク10の材質、形状、液化ガスの種類など、車両燃料システム1の構成等に応じて適宜設定される。そして、気相部温度復帰時間tkが経過した後、ステップT180に進む。
本実施形態においては、気相部温度復帰時間tkの経過を待つものであったが、これに限定されるものではなく、気相部17に気体が押し込まれた後の気相部17の温度上昇が無く、又は、燃料Fの液量の推定に支障がない程度に小さいものであれば、気相部温度復帰時間tkを0、即ち、待ち時間なしとして、ステップT170を省略してもよい。
ステップT180では、共通圧力センサ55から出力された電気信号に基づいて、共通圧力センサ55によって測定された気密タンク20内の圧力を気相部17の圧力Pm2として検出する。そして、ステップT190に進む。
ステップT190では、上記各ステップで検出した気密タンク20内の圧力Ps1、Ps2に基づいて、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmを算出する。この気体量ΔVmは、気相部17の気体の増加量であるとともに、気密タンク20内の気体の減少量でもある。
ここで、気密タンク20の容積をVs、気密タンク20内の気体の分子数をn、気体定数をR、気密タンク20内の気体が加熱される前の気密タンク20内の圧力をPs1(即ち、圧力Pm1)、目標圧力になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前の気密タンク20内の圧力をPs2、気密タンク20内の気体が加熱される前の気密タンク20内の温度をTs1、目標圧力になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前の気密タンク20内の温度をTs2、とすると、気密タンク20では、以下に示す気体の状態方程式が成立する。
気体が加熱される前: Ps1×Vs=n×R×Ts1・・・(2.1)
気体が目標圧力になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前:
Ps2×Vs=n×R×Ts2・・・(2.2)
そして、これら(2.1)、(2.2)式から、
Ps2/Ps1=Ts2/Ts1・・・(2.3)
が導かれる。つまり、気密タンク20の容積Vs、気体の分子数n、気体定数Rは変化しないので、気密タンク20内の圧力の変化の比は、温度の変化の比と同一になる。
また、気密タンク20内の気体が加熱されることにより、気密タンク20内の圧力Ps1が圧力Ps2に変化し、つまり、気密タンク20内の圧力が(Ps2/Ps1)倍に変化していることになる。そして、圧力Ps1(即ち、圧力Pm1)下における、気密タンク20内の気体が加熱される前の気密タンク20内の気体の体積をWs1(即ち、気密タンク20内の容積Vs)、目標圧力になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前の気密タンク20内の気体の体積をWs2、として、気体の状態方程式より換算すると、
Ws2=(Ps2/Ps1)×Ws1=(Ps2/Ps1)×Vs・・・(2.4)
となる。この(2.4)式は、加熱による膨張後の気体の体積を示している。
そして、開閉弁42を開くと、気密タンク20の圧力と気相部17の圧力とが平衡するまで、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれる。つまり、上記(2.4)式に示される膨張後の体積Ws2から膨張前の体積Ws1(即ち、Vs)を差し引くことで、気密タンク20から気相部17に押し込まれた気体量ΔVm’を、
ΔVm’=((Ps2/Ps1)−1)×Vs・・・(2.5)
として求めることができる。
なお、本実施形態では、第1の実施形態と同様に、気相部17の容積が、気密タンク20の気体が気相部17に押し込まれた場合においても圧力安定後の気相部17の温度が気体押込前の温度と同一になる程度に、且つ、気相部17の圧力の変化量が気相部17に押し込まれた気体量ΔVmの算出に影響のない小さい量となる程度に、気密タンク20の容積よりはるかに大きくなるように設定されており、これにより、気体の押し込みによる気相部17の圧力及び温度の変化が気体量ΔVm(即ち、ΔVm’)に与える影響は考慮不要としている。
そして、気密タンク20から気相部17に押し込まれた気体は、気相部17の気体に混じることにより気相部17の温度、つまり、ステップT110で気密タンク20内の圧力Ps1を検出したときの温度Ts1に戻る。そして、上記(2.1)、(2.2)式から、気密タンク20内の圧力の変化の比は、温度の変化の比と同一である。そのため、これらのことを考慮すると、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmは、
ΔVm=ΔVm’/(Ts2/Ts1)=ΔVm’/(Ps2/Ps1)
=(1−(Ps1/Ps2))×Vs・・・(2.6)
として表すことができる。この(2.6)式を用いて、気密タンク20から気相部17に押し込まれた気体量ΔVmを算出する。そして、ステップT200に進む。
ステップT200では、ステップT190で算出された気体量ΔVmと、ステップT110で検出された気相部17の圧力Pm1と、ステップT180で検出された気相部17の圧力Pm2と、に基づいて、燃料タンク10の容積VTのうち気相部17に対応する部分の容積VA(以下、気相部容積VAという)を算出する。
具体的には、気相部17に気体が押し込まれる前の当該気相部17の圧力Pm1と、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmと、によって特定される気相部容積関係情報Jに、上記気体が押し込まれた後の当該気相部17の圧力Pm2を当てはめることにより、この気相部容積関係情報Jから気相部容積VAを取得する。
気相部容積VAの取得の一例を示すと、気相部17に気体が押し込まれる前の圧力Pm1が0.1MPaで、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmが0.5Lのとき、気相部容積関係情報Jとして、図7のグラフが特定され、そして、気相部17に気体が押し込まれた後の気相部17の圧力Pm2(定常状態の圧力)が0.10100MPaとなったとすると、上記グラフから、気相部容積VAを48Lとして取得する。そして、ステップT210に進む。
ステップT210では、燃料タンク10内の容積VTからステップT200で算出した気相部容積VAを差し引くことにより、当該燃料タンク10の容積VTのうち液相部18に対応する部分の容積VL(以下、液相部容積VLという)を算出し、この液相部容積VLを燃料タンク10内の燃料Fの液量VLとする。そして、車両に搭載された図示しない燃料計に、液量VLを表示するための信号を送出する。そして、本フローチャートの処理を終了する。
上述したステップT100、T120、T160が、請求項中の開閉弁制御手段に相当し、ステップT190が、請求項中の気体量算出手段に相当し、ステップT130、T200、T210が、請求項中の内容量推定手段に相当する。
また、上述した内容量推定処理2では、気相部容積関係情報Jを用いて気相部容積VAを取得するものであったが、これに限定されるものではなく、第1の実施形態の内容量推定処理1と同様に、(1.7)式を用いて気相部容積VAを算出するようにしてもよい。但し、本実施形態のように、気相部容積関係情報Jを用いることで、算出式より得られる計算値には含まれない誤差も考慮することができる。
次に、上述した車両燃料システム2における本発明に係る動作例について説明する。
車両のイグニッションスイッチがオンされると、車両燃料システム2は動作を開始して、周期的(例えば、1分毎)に燃料タンク10内の燃料Fの液量の推定を行う。この液量の推定において、まず、開閉弁42を開いて気密タンク20と気相部17との接続を開いたのち(T100)、気相部17及び気密タンク20内の圧力及び温度が同一且つ安定する状態安定時間の経過を待ち、(T105)、その後に共通圧力センサ55によって測定された気相部17の圧力Pm1と気密タンク20内の圧力Ps1とを検出する(T110)。そして、開閉弁42によって気密タンク20と気相部17との接続を閉じて気密タンク20を密閉状態とする(T120)。そして、ヒータ41によって気密タンク20内の気体を加熱しながら、気密タンク20内の圧力Ps2を検出して、この圧力Ps2が所定の目標圧力になるまで加熱したのちに(T130〜T150)、気密タンク20と気相部17との接続を開く(T160)。これにより、気密タンク20内の気体が気相部17に押し込まれる。そして、気相部温度復帰時間tkが経過した後(T170)、気相部17の圧力Pm2を検出する(T180)。
そして、気相部17及び気密タンク20内の圧力及び温度が同一のときの気密タンク20内の圧力Ps1、及び、気密タンク20内の気体を目標圧力になるまで加熱した後で且つ開閉弁42を開く前の気密タンク20内の圧力Ps2を用いて、気相部17に押し込んだ気体量ΔVmを算出する(T190)。そして、気相部17に押し込んだ気体量ΔVmと、気相部17に気体を押し込む前の圧力Pm1と、により特定される気相部容積関係情報Jに、気相部17の気体を押し込んだ時点から気相部温度復帰時間tkを経過した後の圧力Pm2を当てはめて、燃料タンク10の気相部容積VAを取得し(T200)、この気相部容積VAを燃料タンク10の容積VTから差し引くことで液相部容積VLを算出して、この液相部容積VLを、燃料タンク10内の燃料Fの液量VLとして求めて、燃料計に表示する(T210)。
次に、車両燃料システム2における燃料タンク10内の燃料Fの液量VLの推定例を示す。
燃料タンク10の容積VTが100L、気密タンク20の容積Vsが3.44L、であり、上述した内容量推定処理において、気相部17に気体が押し込まれる前で且つ気相部17及び気密タンク20内の圧力及び温度がそれぞれ同一となったときの気密タンク20内の圧力Ps1が0.10MPa、気相部17に気体が押し込まれた後の時点から気相部温度復帰時間tkを経過した後の当該気相部17の圧力Pm2が0.10250MPaとなり、また、気密タンク20内の圧力を目標圧力になるまで加熱した後で且つ気密タンク20と気相部17との接続を開く前の気密タンク20内の圧力Ps2が0.117MPa、となったものとする。
気相部17に気体が押し込まれる前の当該気相部17の圧力Pm1が、0.10MPaであり、また、上記(2.6)式から、気相部17に押し込んだ気体量ΔVmは、
ΔVm=(1−(0.10/0.117))×3.44
=0.50L
となるので、気相部容積関係情報Jとして、図7に示すグラフが特定される。そして、このグラフに、気相部17に気体が押し込まれた後の当該気相部17の圧力Pm2である0.10250MPaを当てはめると、気相部容積VAが20Lとして取得される。そして、この気相部容積VAを燃料タンク10の容積VTから差し引くと、液相部容積VL、即ち、燃料タンク10内の燃料Fの液量VLは、
VL=100−20=80L
となる。このようにして、燃料タンク10内の燃料Fの液量VLを推定する。
以上より、本実施形態によれば、気密タンク20が、燃料タンク10と別体で設けられるとともに配管30によって燃料タンク10内の気相部17に接続されているので、気密タンク20と気相部17とが連通されて、そのため、気密タンク20内の圧力と気相部17の圧力が等しくなるように、気相部17と気密タンク20との間で気体が移動する。そして、ヒータ41が、気密タンク20内の気体を加熱可能に設けられており、このヒータ41によって気密タンク20内の気体を加熱することにより当該気体が膨張して、気相部17と気密タンク20との圧力が等しくなるように気密タンク20内の気体が当該気相部17に押し込まれる。これにより、前記気相部に気体を押し込むために必要な力を小さくでき、また、ヒータ41として、例えば、電熱線やハロゲンヒータなどを用いることにより、可動部を有する駆動機構等を用いることなく気相部17に気体を押し込むことができ、そのため、可動部の数を少なくして信頼性を向上させることができる。また、燃料タンク10内の気相部17の圧力が高い場合等においても、気相部17に気体を押し込むための非常に大きな力を必要せず、そのため、小型化することができる。
また、配管30を開放又は閉塞するように開閉制御される、当該配管30に設けられた開閉弁42を備え、CPU62によって、ヒータ41により気密タンク20内の気体が加熱される前に開閉弁42を閉じるように制御するとともに、気密タンク20内の気体が加熱された後に開閉弁42を開くように制御する。つまり、気密タンク20と気相部17との接続を閉じて、気密タンク20を密閉した状態として、当該気密タンク20内の気体を加熱して圧力を高め、その後、気密タンク20と気相部17との接続を開いて、気密タンク20内の気体を膨張させて一時に前記気相部に押し込む。これにより、燃料Fの流入や流出により燃料タンク10内の液量が変動している場合など当該液量の推定に適さない状態において、気密タンク20と気相部17との接続を閉じて、気密タンク20内の気体を加熱して圧力を高めておき、そして、液量の変動が収まった場合など当該液量の推定に適した状態において、気密タンク20と気相部17との接続を開いて、気密タンク20内の気体を膨張させて一時に気相部17に押し込むことにより、比較的時間を要する気密タンク20内の気体の加熱処理を、液量の推定に適さない状態のときに予め実行しておくことで、効率よく液量の推定をすることができる。
また、CPU62によって、開閉弁42が開かれる前、及び、当該開閉弁が開かれた後の時点から所定の気相部温度復帰時間tkを経過した後、のそれぞれにおいて共通圧力センサ55によって測定された気相部の圧力Pm1、Pm2、並びに、気相部17に押し込まれた気体量ΔVm、に基づいて液量を測定する。この気相部温度復帰時間tkは、気相部17の温度が、開閉弁42が開かれる前の温度に復帰するための待ち時間である。即ち、開閉弁42が開かれて気相部17に気密タンク20内の気体が押し込まれたとき、気相部17の圧力が上昇するとともに気相部17の温度も一時的に上昇して圧力不安定状態になるが、当該開閉弁42が開かれた後の時点、つまり、気相部17に気密タンク20内の気体が押し込まれた後の時点から所定の気相部温度復帰時間tkを経過した後は、気相部17の温度が低下して温度上昇前と同一の温度に復帰して圧力安定状態(定常状態)となり、この状態において共通圧力センサ55によって測定された気相部17の圧力を燃料タンク内の液量の推定に用いる。これにより、気相部17の温度などによる圧力Pm2の補正が不要となり、簡易且つ安価に構成することができる。
また、CPU62によって、気相部17及び気密タンク20のそれぞれにおける圧力及び温度がそれぞれ同一のとき、及び、気密タンク20内の気体が目標圧力になるまで加熱された後で且つ開閉弁42が開かれる前、のそれぞれにおいて共通圧力センサ55によって測定された気密タンク20内の圧力Ps1、Ps2に基づいて、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmを算出するので、気体流量計などを用いる構成などに比べて、容易且つ正確に気体量ΔVmを算出することができる。
また、共通圧力センサ55が、気密タンク20に取り付けられ、気密タンク20内の圧力を測定するとともに、開閉弁42が開かれているときの気密タンク20内の圧力を、気相部17の圧力として測定するように設けられている。つまり、共通圧力センサ55が、気密タンク20に取り付けられているとともに、気密タンク20内の圧力及び気相部17の圧力の測定で兼用される。これにより、気密タンク20内の圧力を測定する圧力センサと、気相部17の圧力を測定する圧力センサと、をそれぞれ別体で設ける必要が無く、そのため、構成部品を少なくして製造コストを下げることができる。また、このような共通圧力センサ55を気密タンク20に取り付けることで、気密タンク20側に構成部品をまとめることができ、組立作業性を向上できる。
上述した各実施形態では、気相部17に押し込まれた気体量ΔVmを計算式を用いて算出していたが、これに限定されるものではない。例えば、予備計測やシミュレーションなどによって得られた、温度や圧力と気体量ΔVmとの関係を示すデータテーブルなどを用いて気体量ΔVmを用いてもよく、または、周囲温度が一定の環境下であってヒータによる気密タンクの加熱制御を高精度で行うことができる場合などにおいては、簡易的に気体量ΔVmを固定値としてもよい。
上述した各実施形態は、車両に搭載され、液化ガスを収容するとともにその液量を推定する車両燃料システムを説明するものであったが、これに限定されるものではない。例えば、工場や家庭などに設置され、灯油やガソリン、各種薬液などを収容するとともにその液量を推定する液量推定システムなどであってもよく、本発明の目的に反しない限り、本発明を適用する装置及びシステムは任意である。また、液量の推定対象となる液体についても、液化石油ガスに限らず、例えば、窒素、酸素、アンモニアのなどの工業用途の液化ガス、又は、常温常圧で液状となる燃料(灯油、ガソリン等)、各種薬液等、本発明の目的に反しない限り、その種類は任意である。
また、容器としてのタンク内の液量(内容量)の推定に限らず、例えば、ホッパーなどの容器内にある樹脂ペレット、木質ペレット、又は、粉砕ガラスなど粒状物や粉体等(以下、粒状物等という)の固体の内容量を測定するようにしても良い。この場合も、上述した本実施形態と同様に、容器内の気相部容積を算出して、容器の容積から気相部容積を差し引くことにより内容量を推定する。但し、粒状物等の固体はそれら間に空間が存在するため、当該空間が気相部容積に含まれることを考慮するとともに当該空間が粒状物等と共に占める体積を考慮して上述した各実施形態で示した内容量推定処理を適用することで、液量と同様に容器内の内容量を推定することができる。具体的には、所定空間内に粒状物等を満量充填したときに粒状物等のみが上記所定空間内で占める体積割合がX%で且つ粒状物等を除く空間が上記所定空間内で占める体積割合が(100−X)%となる場合に、この粒状物等が収容される容器の容積をV、気相部容積をVAとすると、粒状物等及びそれら間の空間が上記容器内で占める内容量VSは、次式により求めることができる。
VS=(V−VA)/(X/100)
例えば、1.0m3の単位収容空間内に粒状物を満量充填したときに、当該粒状物が占める体積が0.8m3(80%)で且つ粒状物間の空間が占める体積が0.2m3(20%)となる場合に、この粒状物が収容される容器の容積を10.0m3とすると、上述した内容量推定処理を適用して気相部容積VAを求めたときに、気相部容積VAが9.2m3であれば、粒状物の内容量VSが容器の10分の1((10.0−9.2)/(80/100)=1.0m3)となり、気相部容積VAが6.0m3であれば、粒状物の内容量VSが容器の半量((10.0−6.0)/(80/100)=5.0m3)となり、気相部容積VAが2.0m3であれば、粒状物の内容量VSが容器の満量((10.0−2.0)/(80/100)=10.0m3)となる。また、このような粒状物や粉体に限らず、例えば、容器としての倉庫内の貨物量(内容量)を推定するなど、本発明の目的に反しない限り、本発明を適用する装置及びシステムは任意であり、また、容器内の内容量の推定対象となる固体の種類、形状等は任意である。
なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。