JPH0432756A - 静電容量式アルコール濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばメタノール混合燃料を用いたエンジン
の燃料噴射制御装置等に適用される静電容量式アルコー
ル濃度測定装置に関する。

［従来の技術］ 近時、自動車用エンジンの燃料として、純正ガソリンに
代えてメタノールを含んだアルコール混合ガソリンが使
用されるようになってきた。

純正ガソリンとアルコール混合ガソリンとでは当然に理
論空燃比Ａ／Ｆも変って（るから、エンジンについての
燃料噴射量、点火時期等も異なって（ることになる。

ここで、アルコール濃度が０％の純正ガソリンを用いた
場合の燃料噴射量Ｔ１についてみると、Ｔ＋　＝Ｔｐ　
ＸａＸ（Ｚ’　ＸＣａ５ｒ　＋Ｔｓ−（１）ただし、Ｔ
Ｐ　：基本噴射量 α　　：空燃比Ａ／Ｆフィードバック補正係数 α′　二基本字燃比Ａ／Ｆ学習補正係数Ｃｏａｒ：各種
補正係数 ＴＳ　：バッテリ電圧補正係数 として演算する。この際、酸素センサからの酸素濃度信
号に基づき、空燃比Ａ／Ｆフィードバック補正係数ａを
補正すると共に、基本噴射量Ｔ、とエンジン回転数Ｎと
から基本空燃比Ａ／Ｆ学習補正係数α′を学習補正する
ことにより、理論空燃比Ａ／Ｆが１４．７となるように
制御している。

このように、純正ガソリンの空燃比Ａ／Ｆは１４．７で
あるが、アルコール濃度が１００％のメタノールを用い
た場合には空燃比Ａ／Ｆが６．５となるように制御する
必要があり、アルコール濃度が０〜１００％の範囲では
理論空燃比Ａ／Ｆは約２倍異なることになる。

従って、アルコール混合ガソリンを使用する場合には、
（１）式から燃料噴射量ＴＩ′をＴ　＋　：　Ｍ　Ｍ　
Ｘ　Ｔｐ　Ｘ　ａＸ　α’　Ｘ　Ｃｏｓ　ｆ　十Ｔ　ｓ
・・・（２） ただし、ＭＫ　：アルコール濃度によって定まる定数 として演算する必要がある。

このため、アルコール混合ガソリンを使用するエンジン
にあっては、アルコールセンサと呼ばれるアルコール濃
度測定装置を備え、アルコール濃度に対応した出力電圧
を発生し、当該出力電圧値に基づいて（２）式の演算を
行なうようになっている。そして、この種のアルコール
濃度測定装置としては、ガソリンとアルコールが有する
導電率からアルコール濃度を検出する抵抗式アルコール
濃度測定装置、アルコール混合ガソリンの誘電率の変化
を利用した静電容量式アルコール濃度測定装置、屈折率
の変化を利用した光学式アルコール濃度測定装置等が知
られている。

ここで、前述した各アルコール濃度測定装置のうち、静
電容量式アルコール濃度測定装置を用いた燃料噴射制御
装置として、従来第７図ないし第１３図に示すものが知
られている。

まず、第７図において、１は自動車のエンジンで、該エ
ンジン１には燃焼室にアルコール混合ガソリンを噴射す
る噴射弁２が設けられると共に外気を吸気するインティ
クマニホールド３が設けられ、吸気フィルタ４との間に
は吸入空気量を計測するエアフローメータＳが設けられ
ている。また、エンジン１には排気マニホールド６が設
けられ、該排気マニホールド６には酸素センサ（図示せ
ず）が設けられている。

７はアルコール混合ガソリン８を貯える燃料タンクで、
該燃料タンク７内には当該アルコール混合ガソリン８を
吐出する燃料ポンプ９が設けられている。

１０は燃料配管で、該燃料配管１０の一端は燃料フィル
タ１１を介して燃料ポンプ９の吐出側と接続され、その
他端は噴射弁２、圧力レギュレータ】２の流入側と接続
され、該圧力レギュレータ１２の流出側はリターン配管
１３を介して燃料タンク７と接続されている。

１４は例えば燃料配管１０の途中に設けられた静電容量
式のアルコール濃度測定装置で、該アルコール濃度測定
装置１４は燃料配管１０内を流れるアルコール混合ガソ
リン８中のアルコール濃度を検出するものである。ここ
で、前記アルコール濃度測定装置１４は第８図に示す如
く、燃料配管１０内に設けられた一対の平行平板形また
は同軸円筒形の電極板からなり、平行平板形の電極の場
合には静電容量Ｃ３を、 Ｃｓ　−ε ・・・（３） ただし、ε：誘電率 Ｓ：電極面積 ｄ：電極間距離 として検出する静電容量検出器１５と、該静電容量検出
器１５による検出静電容量Ｃ８に基づいて、発振周波数
ｆを、 ただし、Ｌ　：インダクタンス Ｃｏ二回路の容量 として発振するＬＣ型の発振回路１６と、該発振回路１
６からの発振周波数ｆを、検出電圧Ｖとして変換する周
波数−電圧変換回路１７（以下、ｒｆ−Ｖ変換回路１７
」という）と、該ｆ−Ｖ変換回路１７からの検出電圧■
を反転増幅し、出力電圧■。とじて出力する反転増幅回
路１８とから大略構成されている。

即ち、アルコール混合ガソリン８は、アルコール濃度Ｍ
と誘電率εとの関係が第９図の特性にあるから、静電容
量検出器１５による電極間静電容量ＣＩ＋とアルコール
濃度Ｍとは第１０図の関係にあり、発振回路１６を経て
ｆ−Ｖ変換回路１７による検出電圧■は第１１図のよう
な特性となり、これを反転増幅回路１８で反転増幅する
ことにより、第１２図に示すような出力電圧ＶＤをもっ
た特性となる。かくして、アルコール濃度測定装置１４
からは、アルコール濃度Ｍに対して第１２図に示す特性
の出力電圧■。を得ることができる。

１９は例えば燃料配管１０の途中に設けられ、アルコー
ル混合ガソリン８の燃料温度（以下、「燃温」という）
を検出するサーミスタまたはポジスタからなる感温セン
サで、該温度センサ１９による検出温度ｔは後述のアル
コール濃度温度補正装置２１内に入力され、アルコール
濃度Ｍが温度補正されるようになっている。

２０は例えばマイクロコンピュータ等によって構成され
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２０は電子式噴射制御を行なわすためのものであり、
アルコール濃度温度補正装置２１と噴射量演算袋Ｍ２２
とを含んで構成されている。

ここで、静電容量式アルコール濃度測定装置１４は、先
に第９図により述べたように、アルコール濃度Ｍの増加
に伴なって誘電率εが高くなることに着目し、静電容量
Ｃ３の変化として検出し、電圧値として出力するもので
ある。しかし、誘電率εはアルコール濃度Ｍの増加に伴
なって変化するばかりでなく、温度によっても変化する
ものである。この結果、静電容量式アルコール濃度測定
装置１４による出力電圧Ｖ。は温度依存性を有し、燃温
ｔに対して第１３図に示すような特性を有する。即ち、
前記アルコール濃度測定装置１４の出力電圧■。は、同
一のアルコール濃度Ｍに対し、低温時はど大きな出力電
圧として発生する。

このため、コントロールユニット２０内にはアルコール
濃度温度補正装置２１をソフトウェア等によって実現し
、該アルコール濃度温度補正装置２１の入力側はアルコ
ール濃度測定装置１４．感温センサ１９と接続され、出
力側は噴射量演算装置２２と接続され、反転増幅回路１
８からの出力電圧■。を感温センサ１９による検出温度
ｔに基づいて温度補正するもので、内部にはＲＡＭ。

ＲＯＭ等の記憶素子内に温度補正マツプ２１Ａを備えて
いる。なお、温度補正マツプ２１Ａには検出温度を毎に
アルコール濃度Ｍと出力電圧■。どの関係をマツプとし
て格納し１例えば２０℃に対応する補正後の標準出力電
圧または補正後の標準アルコール濃度を出力するように
なっている。

さらに、コントロールユニット２０内の噴射量演算装置
２２は、その入力側がアルコール濃度温度補正装置２１
．クランク角センサ２３．エアフローメータ５．酸素セ
ンサ、水温センサ（いずれも図示せず）等と接続され、
出力側はエンジンに燃料を噴射する噴射弁２と接続され
ている。ここで、前記噴射量演算装置２２はクランク角
センサ２３からのエンジン回転数Ｎとエアフローメータ
５からの吸入空気量Ｑとによって基本噴射量Ｔ。

を演算すると共に、アルコール濃度温度補正装置２１か
らの補正後の標準出力電圧または標準アルコール濃度の
他、各種センサからの信号に基づき、（２）式によって
燃料噴射量Ｔ１′を演算し、この燃料噴射量Ｔ、′に対
応したパルスデューティをもった噴射パルスを噴射弁２
に出力するものである。

従来技術によるアルコール濃度測定装置１４を燃料噴射
制御装置に適用した場合には、以上の如く構成されるが
、静電容量検出器１５ではアルコール濃度Ｍに対応して
（３）式による静電容量Ｃ１ｌを検出し、発振回路１６
ではアルコール濃度Ｍに対応して（４）式による周波数
ｆを発振し、ｆ−Ｖ変換回路１７で周波数ｆに対応する
検出電圧■を出力し、反転増幅回路１８では反転増幅後
の出力電圧■。を出力する。

一方、コントロールユニット２０側ではアルコール濃度
温度補正装置２１によって、アルコール濃度測定装置１
４からの出力電圧■。と感温センサ１９からの検出温度
ｔとに基づいて、アルコール濃度の温度補正を行ない、
例えば２０℃に対応する標準出力電圧または標準アルコ
ール濃度を噴射量演算装置２２に出力するようになって
いる。これにより、噴射量演算装置２２は温度の影響の
ない標準アルコール濃度に基づいて、（２）式による燃
料噴射量Ｔ、′の演算を行なうことができ、高精度な噴
射制御が可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、前述した従来技術では、ＬＣ型の発振回路１
６の発振周波数ｆとして低周波数（１００ＫＨ，以下）
を使用しているために、燃料中に析出される導電性物質
（金属イオン等）の影響により発振周波数にバラツキが
生じ、検出電圧が不安定なものになるという問題点があ
る。このため、噴射量演算装置２２の燃料噴射量Ｔｌ′
の演算が正確に行うことができず空燃比Ａ／Ｆの正確な
制御ができなくなるという問題点がある。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みな己れたも
ので、発振回路の発振周波数を高周波数であって、所定
の範囲を利用することにより、安定した正確なアルコー
ル濃度の検出を行うことの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。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の採用する構成の特
徴は、アルコール濃度を０〜１００％の範囲内で発振回
路の発振周波数を１０ＭＨｚ以上の範囲内に設定したこ
とにある。

〔作用〕 上記構成により、静電容量式アルコール濃度測定装置の
発振回路の発振周波数の安定性を高くし、アルコール濃
度の検出を精度良く検出電圧として出力することができ
る。

〔実施例〕

本出願人は、前述した従来技術の問題点である発振周波
数ｆのバラツキの原因を調査・研究した結果、次のこと
がわかった。

静電容量検出器１５は、同軸円筒形、平行平板形を問わ
ず、第１図の等価回路として表われ、内部抵抗Ｒと、静
電容量Ｃ，どの並列回路として構成される。そして、静
電容量検出器１５の内部抵抗Ｒと静電容量Ｃ３とから生
じる電極損失をＤとし、この電極損失りと発振回路の発
振周波数ｆとの関係に着目したところ、電極損失りが大
きく変化する低周波数領域では発振周波数ｆにバラツキ
が生じていることを見出し、第２図および第３図に示す
ような実験結果を得ることができた。

なお、静電容量検出器１５の電極損失りは、ただし、Ｒ
：電極の内部抵抗 として求められる。

即ち、第２図は、例えばアルコール濃度８５％（以下、
Ｍ２Ｓという）、燃料温度２０℃の燃料に対して、金属
イオンを含まない場合と、含む場合との周波数ｆに対す
る電極損失りの特性を示したものである。図中の実線は
金属イオンを含まない場合の特性線、点線は金属イオン
を含む場合の特性線を示している。

第２図から明らかなように、周波数ｆが１０Ｍ　Ｈｚ以
下の領域のときには、電極損失りの変化は互いに急激に
変化している。特に、従来、使用していた１００ＫＨ２
以下の周波数領域では、金属イオンを含む場合と含まな
い場合とではその変化は急激なものとなり、一方、各特
性線においても１００ＫＨ２以下の周波数領域での微小
変化により電極損失りが急激に変化していることが分か
る。このために、設定される発振周波数ｆの周波数領域
により発振周波数ｆのバラツキが生じ、検出電圧が不安
定になることが明らかになった。

また、第３図は、燃料温度が異なる場合の第２図と同様
の実験結果を示し、図中の実線は燃料温度が一３０℃の
ときの特性線、点線は燃料温度が６０’Ｃのときの特性
線を示している。

この場合も、第３図によって明らかなように、どちらの
特性線も周波数ｆが１０ＭＨｚ以下の範囲では急激に電
極損失りが変化する。このため、従来、使用されていた
１００ＫＨ２以下の周波数においては、発振周波数での
バラツキを生じさせる結果となっている。さらに、発振
周波数ｆの高い領域においては、傾斜は緩やかではある
が電極損失りに変化が生じている。

さらに、第４図は金属イオンが含まれている場合の第３
図と同様の実験結果を示し、図中の実線は燃料温度が一
３０℃のときの特性線、点線は燃料温度が６０℃のとき
の特性線を示している。図によって明らかなように、ア
ルコールの金属イオンを含む場合では１０Ｍ８２以下の
周波数領域では燃料温度により電極損失りが大きく影響
されることが分かる。

これらの結果により、発振回路の構成を高周波領域（１
０Ｋ　Ｈｚ以上）で発振周波数ｆが得られるように改善
することにより、発振周波数ｆのバラツキを防止するこ
とができ、正確なアルコール濃度の検出が可能になる。

また、さらに発振周波数ｆを５０ＭＨｚ近傍、例えば４
０〜６０ＭＨｚとすることにより電極損失りは安定し、
正確な出力を得ることができる。即ち、燃料温度が低温
時にはメタノールの分子の共鳴周波数が下がるため、共
鳴（分散）に付随する電極損失りが若干上昇し、その影
響により高周波側では電極損失りが少し大きくなるが、
第４図に示されるように５０Ｍ　Ｈｚ近傍では電極損失
りは特に安定している。

ここで、第５図に本実施例のアルコール濃度測定装置の
具体例を示し説明する。なお、前述した従来技術と同一
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。

図中、３１は静電容量式のアルコール濃度測定装置を示
し、該アルコール濃度測定装置３１は前述したアルコー
ル濃度測定装置１４とほぼ同様に構成され、具体的構成
は特開平１−１９６５５７号に示すように燃料配管１０
の途中に設けられた静電容量検出器１５により、アルコ
ール混合ガソリン８中のアルコール濃度を検出するもの
である。３２は本実施例の発振回路を示し、該発振回路
３２は、前記静電容量検出器１５の静電容量Ｃ８とによ
り式（４）に示す発振周波数ｆを発振するように構成さ
れ、特に、アルコール濃度が０〜１００％の範囲で変化
するときに発振周波数ｆが１０ＭＨｚ以上の周波数を発
振するように構成されている。３３は分周回路を示し、
該分周回路３３は、前記発振回路３２とｆ−Ｖ変換回路
１７の間に設けられ、センサ回路中に発生するリンギン
グ等の雑音除去を図るようになっている。

このように構成される本実施例のアルコール濃度測定装
置３１においては、その作動は従来技術と殆ど差異はな
い。

然るに、本実施例のアルコール濃度測定装置３１は、発
振回路３２の発振周波数ｆを１０ＭＨ，以上の範囲で発
振するようにしたから、電極損失りの影響が少なくなり
、発振周波数ｆのバラツキを効果的に防止できる。さら
に、高周波を用いるために分周回路３３で、発振周波数
ｆを分周することにより、センサ回路中に発生するリン
ギング等の雑音除去を図ることができ、正確にアルコー
ル濃度を検出することができる。燃料噴射量演算装置２
２で（２）式による燃料噴射量Ｔ１′の演算を行ない、
適切な空燃比Ａ／Ｆ制御を行うことが可能になり、高精
度な噴射制御が可能となる。そして、本実施例のアルコ
ール濃度測定装置３１を車輌に実装して耐久試験を行っ
た結果、第６図に示す如く、長時間（長距離走行）に亘
り出力誤差の殆どなく安定した出力を得ることが確認で
きた。

また、前記実施例では、従来技術と同様にアルコール濃
度温度補正装置２１により、温度補正を行うようになっ
ているが、発振周波数ｆの領域を適確に限定することに
より、この温度補正を省略することも可能である。

さらに、発振回路３２の発振周波数ｆをアルコール濃度
Ｏ〜１００％の範囲で１３〜２１ＭＨｚに設定して燃料
中のアルコール濃度を測定することにより、極めて高精
度な燃料噴射量Ｔ１′の制御を行うことができる。

［発明の効果］ 以上、詳述した通り本発明によれば、アルコールを混入
した液体中に電極を挿入し、該電極間の静電容量を検出
する静電容量検出器を設け、該静電容量検出器の静電容
量により発振周波数の変化する発振回路に接続し、この
発振回路の発振周波数を電圧に変換してアルコール濃度
を検出するように構成した静電容量式アルコール濃度測
定装置において、発振回路の発振周波数をアルコール濃
度が０〜１００％の範囲で１０ＭＨｚ以上の範囲内で発
振するように構成することにより、液体中に溶解した金
属イオン等による発振周波数のバラツキを除去すること
ができ、アルコール濃度測定装置の誤検出を確実に防止
するこができ、正確なアルコール濃度検出を行うことが
できる。また、エンジンの燃料噴射制御に用いた場合に
は、適切な空燃比Ａ／Ｆ制御を可能にし、高精度な燃料
噴射制御を行うことができる。さらに、発振回路の範囲
を選定することにより、温度補正処理を省略することも
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の実施例を示し、第１図は
静電容量積土器の等価回路図、第２図はアルコール濃度
８５％時の発振周波数と電極損失の関係を示す線図、第
３図は金属イオンを含まない場合の温度−３０℃と６０
℃の時の発振周波数と電極損失の関係を示す線図、第４
図は金属イオンを含む場合の第３図と同様の発振周波数
と電極損失の関係を示す線図、第５図は静電容量式アル
コール濃度測定装置の回路構成図、第６図はアルコール
濃度測定装置の耐久試験の結果を示す線図、第７図のな
いし第１３図は従来技術を示し、第７図は従来技術によ
る静電容量式アルコール濃度測定装置を燃料噴射制御装
置に適用した場合の全体構成図、第８図は従来技術の回
路構成を示すブロック図、第９図はアルコール濃度と誘
電率の関係を示す線図、第１０図はアルコール濃度と検
出された静電容量の関係を示す線図、第１１図はアルコ
ール濃度とｆ−Ｖ変換回路からの検出電圧の関係を示す
線図、第１２図はアルコール濃度と反転増幅回路からの
出力電圧の関係を示す線図、第１３図は各燃温毎のアル
コール濃度と反転増幅回路からの出力電圧との関係を示
す線図である。 １５・・・静電容量検出器、３１・・・アルコール濃度
測定装置、３２・・・発振回路、３３・・・分周回路。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　アルコールを混合し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器と、該静電
   容量検出器によって検出した静電容量に基づいた周波数
   を発振する発振回路と、該発振回路による発振周波数を
   電圧に変換する周波数−電圧変換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、前記アルコ
   ール濃度を０〜１００％の範囲内で前記発振回路の発振
   周波数を１０ＭＨｚ以上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。