JPH0718817B2 - アルコ−ル含有率センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、２種類以下のアルコールと石油系燃料とを混
合した混合燃料中のアルコール含有率を検出するアルコ
ール含有率センサに関するものである。

（従来の技術） 近年では、省資源の見地から内燃機関の代替燃料として
ガソリンあるいは軽油等の石油系燃料にメタノールやエ
タノール等のアルコールを混合した燃料（以下混合燃料
という）が提案されており、混合燃料中のアルコール含
有率を検出して内燃機関の空燃比等を最適に制御するた
めにアルコール含有率センサが必要とされている。

従来よりこの種のアルコール含有率センサは、アルコー
ルの誘電率がガソリンや軽油等の石油系燃料の誘電率に
比して極めて大きいことに着目して混合燃料中のアルコ
ール含有率を検出しており、例えば、燃料配管中に電極
板を対設し、混合燃料の誘電率変化を両電極間の静電容
量変化として取り出すもの（特開昭56−98540）や、高
周波透過性材料からなる燃料配管を空洞共振器内に貫通
せしめ、混合燃料の誘電率変化を空洞共振器内における
マイクロ波の透過率変化として取り出すもの（特開昭59
−190641）が提案されている。

（発明が解決しようとする問題点） ここで、混合燃料の供給ルートは現在確立されておら
ず、ガソリンスタンド等の供給側の体制を考慮すると、
２種類またはそれ以上の種類の混合燃料あるいはこれら
混合燃料にアルコールの混合されていない石油系燃料を
混合して、内燃機関の燃料として使用することは不可避
であり、混合燃料中に複数種類のアルコールが混入され
かつその組成もまちまちとなることが予想される。

しかしながら、上記従来例はいずれもセンサ出力がスカ
ラ量であるため、一種類のアルコールまたは特定の混合
比の混合アルコールの含有率しか検出することができな
いので、前述のような複数種類のアルコールが混入され
た混合燃料に対しては上記従来例のセンサ出力から内燃
機関を最適制御することができないといつた問題があつ
た。

そこで本発明では、２種類以下のアルコールが混入され
た混合燃料中の各種アルコールの含有率をそれぞれ検出
することができ、上記の如き混合燃料に対しても内燃機
関の運転状態を最適に制御することを可能にするアルコ
ール含有率センサを提供する。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために本発明では、２種類以下の
アルコールと石油系燃料とを混合した混合燃料が流通せ
しめられる燃料配管を高周波透過性材料で構成するとと
もに該配管を貫通せしめた密閉空洞を有するマイクロ波
空洞共振器を設け、かつ該空洞共振器内にマイクロ波を
発信および受信するための発信手段および受信手段を設
けて、空洞共振器の共振点でのマイクロ波透過電力およ
び共振周波数を前記発信手段および受信手段を利用して
センサ回路により検出し、この２検出量から混合燃料に
混入された各アルコールの含有率をそれぞれ測定するよ
うにしたものである。

（作用） 本発明においては、空洞共振器内に混合燃料を流通せし
め、該空洞共振器の共振周波数および共振時のマイクロ
波透過電力から混合燃料に含有される２種類以下のアル
コールの各含有率を測定している。即ち、空洞共振器が
空の状態における共振周波数および共振時のマイクロ波
透過電力をそれぞれ₀およびP₀とすると、この空洞共
振器の内部にεｒ′−ｊεｒ″なる複素誘電率を有する
無極性液体にアルコールを混入せしめた混合液体が流通
せしめられる時の共振周波数および共振時の透過電力
Ｐは次のような近似式で与えられる。

ただし、ｋは誘電体と共振器との総結合度、Q₀は空の状
態での空洞共振器のＱ値である。上式からわかるように
共振周波数は複素誘電率の実部εｒ′に、共振時の透
過電力Ｐは複素誘電率の虚部εｒ″にそれぞれ密接に影
響を受けるため、共振周波数および透過電力Ｐを検出
することによりこの２検出量から前記無極性液体にアル
コールを混入せしめた混合液体における前記アルコール
の含有率を検出することが可能となる。

そして無極性液体中に混入されているアルコール総量が
同じ含有率である場合においても、混入アルコールの種
類によつて検出される共振周波数と透過電力Ｐとの関
係が相違するので、混入アルコールの種類が２種類以下
であれば、混入アルコールの総量中における種類の異つ
たアルコールの混入比を検出することができる。

内燃機関に使用されるガソリンおよび軽油等の石油系燃
料はそれ自体が無極性液体であるので、該石油系燃料に
２種類以下のアルコールを混入した混合燃料を空洞共振
器に貫通せしめた燃料配管内を流通せしめ、前記空洞共
振器内にマイクロ波を発振して該空洞共振器の共振点で
のマイクロ波透過電力Ｐおよび共振周波数とから、前
記混合燃料中に混入されている種類以下のアルコール総
量の混合燃料における含有率および前記アルコール総量
中の各アルコールの混入比を検出することができる。

（実施例） 次に図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロツク図であ
る。第１図において、１はマイクロ波発振器で、外部か
らの制御電圧によつて発振周波数を可変制御することが
できる。２は空洞共振器で、第２図に示すように金属の
密閉円筒空洞からなり、その軸中心を高周波透過性材料
からなる燃料配管21が貫通せしめられ、かつ内部側壁に
ポール型ほ発信用アンテナ22および受信用アンテナ23が
設けられており、この発信用アンテナ22にマイクロ波発
振器１の発振出力が供給されている。なお、第２図中の
24は第１図に示したセンサ回路、25は混合燃料であり、
また燃料配管21が貫通する空洞共振器２の両側面には燃
料配管21に沿つて導波管26が突出せしめてあり、該導波
管26のカツトオフ周波数は測定に使用するマイクロ波の
周波数より充分高くしてマイクロ波が外部に洩れること
のないようにしてある。３はダイオード等の整流素子を
用いた検波器で、前記空洞共振器２内に設けられた受信
用アンテナ23にその入力端が接続されて、空洞共振器２
内を透過して来るマイクロ波電力のレベルを電圧レベル
に変換する。検波器３の出力端はローパスフイルタ４の
入力端に接続されるとともにハイパスフイルタ５の入力
端に接続されており、ローパルスフイルタ４では検波出
力の直流成分のみを、ハイパスフイルタ５では検波出力
の交流成分のみを取り出す。ローパスフイルタ４の出力
端は外部へ導出され、ハイパスフイルタ５の出力端は位
相検出器６の一方の入力端に接続されている。この位相
検出器６は例えばプロダクトデテクタ等の構成を有し、
２つの入力信号間の位相差を検出するもので、他方の入
力端にはマイクロ波発振器１に供給する変調信号を発生
するための低周波発振器７の出力信号が供給されてい
る。位相検出器６の出力端はその一方の入力端に所定の
基準電圧が印加された比較器８の他方の入力端に接続さ
れ、この比較器８の出力端は積分器９を介した後に外部
に導出されるとともに加算器10の一方の入力端に接続さ
れている。加算器10は他方の入力端に低周波発振器７か
らの変調信号が供給され、その出力端がマイクロ波発振
器１の制御入力端に接続されている。

上記の構成において、マイクロ波発振器１の発振出力は
その制御電圧に低周波発振器７からの変調信号が重畳さ
れていることからわずかにFM変調されており、このFM変
調されたマイクロ波が電磁的に透明な燃料配管21が貫通
する空洞共振器２内に発信用アンテナ22から発信され、
かつ受信用アンテナ23で受信されて検波器３に供給され
る。検波器３から出力される電圧レベルの検波出力は、
ローパスフイルタ４によつて透過電力量を表わす直流成
分が取り出されて外部へ出力されるとともに、ハイパス
フイルタ５によつて後の制御に利用するFM復調波として
交流成分が取り出される。このFM復調波は空洞共振器１
の共振点の前後で位相が180°反転するため、位相検出
器６により基準となる低周波発信器７の出力信号とFM復
調波との位相差を検出することにより、この位相差から
マイクロ波発振器１の発振中心周波数を補正すべき方向
がわかる。従つて位相検出器６の出力を比較器８におい
て所定の基準電圧と比較し、この時該比較器８が例えば
マイクロ波発振器１の発振中心周波数が空洞共振器２の
共振周波数よりも低い場合にハイレベル、高い場合にロ
ーレベルを出力するように基準電圧を設定することによ
り、比較器８からマイクロ波発振器７の発振出力を補正
すべき方向に対応した出力が得られる。比較器８の出力
は積分器９で積分されてマイクロ波発振器１の発振中心
周波数を決定する制御電圧に変換され、次に加算器10で
低周波発振器７からのFM変調信号が重畳された後に制御
信号としてマイクロ波発振器１に供給される。

このような回路構成により、マイクロ波発振器１の発振
中心周波数は常に空洞共振器２の共振点を追尾し、両者
が一致するように制御される。従つて、ローパスフイル
タ４の出力電圧は空洞共振器２の共振点でのマイクロ波
の透過電力を示し、積分器９の出力電圧は空洞共振器２
の共振周波数を示す。これらの共振周波数および透過電
力を示す２つの出力は、前述したように空洞共振器２の
内部を流通する混合燃料の複素誘電率の虚部および実部
にそれぞれ対応し、燃料組成を反映したセンサ出力であ
るので、この２出力から混合燃料中の２種類以下のアル
コールの各含有率を測定することができる。

第３図は、メタノール、エタノールおよび無極性液体の
３成分よりなる液体およびその混合液について本実施例
を用いて組成検出を行なつた結果をマツプに表わしてい
る。ここでは無極性液体としてガソリンと同じ性質をも
つダイフロンを用いた。第３図において、縦軸はローパ
スフイルタ４の出力として得られる透過電圧出力を、ま
た横軸は積分器９の出力として得られる周波数出力をと
り、無極性液体のみからなる液体、メタノールおよびエ
タノールの混合アルコールを無極性液体に混合した液
体、メタノールのみからなる液体、エタノールのみから
なる液体ならびにメタノールおよびエタノールのみを混
合した液体の各種液体をそれぞれ前記燃料配管21に供給
し、透過電圧出力および周波数出力を検出した。さらに
これら液体を前記燃料配管21に供給する以前における燃
料配管21が空である場合の両出力を検出した。

第３図から明らかなように、燃料配管21が空である場合
の両出力は、図中の点11であらわされ、透過電力出力も
周波数出力も最大であつた。また各種液体を燃料配管21
に供給した場合においては、無極性液体のみからなる液
体の場合の両出力は点12であらわされるように他の液体
の場合に比し両出力は最大である。混合アルコールの総
量が重量比にして10％である液体の場合の両出力は線13
上の各点であらわされ、混合アルコール中メタノールの
混入率が大であるほど周波数出力が増大して検出され
る。またアルコールのみの液体の場合は、メタノールの
みの液体の場合、各種液体に比して透過電力出力は最小
で周波数出力は最大であり、エタノールのみの液体の場
合は、アルコールのみの液体中では透過電力出力は最大
で周波数出力は最小である。これらの検出結果によれ
ば、図から明らかなように、空洞共振器２内の燃料配管
21が空の場合が両出力ともに最大であり、また前記燃料
配管21内に前記３成分よりなる液体を流通させた場合に
は無極性液体のみの場合が透過電力出力および周波数出
力ともに最大で、アルコールの混合率の増加に伴つて両
出力ともに減少する。その際エタノールが多ければ透過
電力出力に比して周波数出力がより減少し、メタノール
が多ければ周波数出力に比して透過電力出力がより減少
する。従つて前記２出力によつて定まる点は、各単成分
組成（メタノールのみ、エタノールのみおよび無極性液
体のみ）の際の出力を頂点とする略三角形の内側に前記
三成分の混合割合に対応して位置する。このように透過
電力出力および周波数出力の２検出量から３成分混合液
の組成がわかり、該混合液中の２種類のアルコールの各
含有率を検知することができる。

即ち第３図からわかるように、無極性液体であるガソリ
ンまたは軽油等の石油系燃料に２種類以下のアルコール
を混入せしめた混合燃料を本実施例における空洞共振器
２に貫通せしめた燃料配管21に流通せしめると、混合燃
料に混入した総アルコール量の混入比と、総アルコール
量の構成比を検出することができるから、混合燃料中の
２種類以下のアルコールの各含有率を検知することがで
きる。

第４図は、本実施例のセンサ出力を利用して内燃機関の
運転状態を制御する場合の構成を示している。第４図に
おいて、30は内燃機関の燃焼室で吸気室31と排気管32が
接続されている。吸気管31には燃料噴射用のインジエク
タ33が設けられ、このインジエクタ33に燃料タンク34か
ら燃料配管35を介して混合燃料が圧送されている。燃料
配管35はその一部または全部が高周波透過性材料で構成
され、そこに第２図に示した本実施例のアルコール含有
率センサ36が設けられている。また燃焼室30には点火プ
ラグ37が設けられ点火装置38から高電圧が印加される。
39は内燃機関制御用のコンピユータで、アルコール含有
率センサ36と他の図示せぬ内燃機関の運転状態を検出す
るセンサの出力を入力としてインジエクタ33および点火
装置38に制御信号を出力する。

上記の構成において、コンピユータ39はアルコール含有
率センサ36から２つのセンサ出力が入力され、該２出力
により示唆される燃料組成における混合燃料のオクタン
価および理論空燃比等に対応して、最適燃料噴射量およ
び最適点火時期を計算もしくは、メモリ内に予め記憶さ
れたマツプを検索することにより決定し、それに従つて
インジエクタ33および点火装置38を制御して内燃機関の
運転状態を最適に制御する。例えばガソリンにメタノー
ルおよびエタノールを混入した混合燃料を用いる場合、
混合燃料を構成する各成分単体での理論空燃比およびオ
クタン価は、次表に 示すようにアルコールはガソリンに比して理論空燃比が
小さくかつオクタン価が高く、さらにアルコールの中で
もメタノールはエタノールに比して理論空燃比が小さく
かつオクタン価が高い。従つて混合燃料中に総アルコー
ル含有率（メタノール＋エタノール）が大きくかつメタ
ノールの構成比が大きい程燃料噴射量は増大させかつ点
火時期は早めるような制御となる。

なお、ここではアルコール含有率センサ36の出力に応じ
て燃料噴射量と点火時期を制御したが、その他にも該セ
ンサ出力を利用して排気ガス還流量やアイドル空気量等
を制御することも可能である。

第５図は、本発明の第２実施例の構成を示す図で、図中
のマイクロ波発振器40、空洞共振器41および検波器42は
それぞれ第１図に示した第１実施例と同一である。また
第５図において、マイクロ波発振器40の制御入力端には
掃引信号発生器43からの掃引信号が供給されている。検
波器42の出力端は微分器44および零クロスデテクタ45を
介してANDゲート46の一方の入力端に接続されるととも
に、比較器47を介してANDゲート46の他方の端子に接続
される。ANDゲート46の出力端は、検波器42の出力を入
力とする第１のサンプルホールド回路48のゲート入力端
および掃引信号発生器43の掃引信号を入力とする第２の
サンプルホールド回路49のゲート入力端にそれぞれ接続
されている。

上記の如く構成された本実施例の動作を第６図に示すタ
イミングチヤートを用いて説明する。掃引信号発生器43
は第６図ａに示すような低周波の三角波からなる掃引信
号V_Fを制御信号としてマイクロ波発振器40に出力し、該
マイクロ波発振器40は掃引信号V_Fのレベル変化に従つて
発振周波数を掃引する。ここで掃引信号V_Fは、混合燃料
の組成によつて変化する空洞共振器41の共振点が存在し
得る全ての周波数帯域を、マイクロ波発振器40の発振出
力が掃引するように決定されている。マイクロ波発振器
40の発振出力は、第１実施例と同様に空洞共振器41内で
発信および受信された後、検波器42で検波されて第６図
ｂに示すような共振波形の検波器出力V_Aとなる。検波器
出力V_Aは微分器44で微分された後、零クロスデテクタ45
において微分器出力の正負が検出される（第６図Ｃ）。
零クロスデテクタ45は入力信号である微分器出力のレベ
ルが正ならばハイレベル、負ならばローレベルを出力す
る。また検波器出力V_Aは比較器47において第６図ｂに破
線で示すような基準電圧と比較されて共振ピークの高さ
が検定される。零クロスデテクタ45および比較器47の両
出力はANDゲート46に入力され（第６図ｄ）、共振波形
最大点即ち共振点が第６図ｅに示すようにANDゲート46
の出力の立下がりとして出力される。このANDゲート46
の出力信号がゲート入力としてそれぞれ供給される第１
および第２のサンプルホールド回路48および49は、ゲー
ト入力の立下がり時点の入力電位を出力として次に同様
のトリガがかかるまで出力値を保持する。従つて、第１
のサンプルホールド回路48は空洞共振器41の共振時の透
過電力を示す値を出力し、第２のサンプルホールド回路
49は空洞共振器41の共振時の掃引信号V_F、即ち共振周波
数を示す値を出力し、前記第１実施例と同様の機能を果
たす。

（効果） 以上説明したように本発明は、２種類以下のアルコール
と石油系燃料とを混合した混合燃料が流通せしめられる
燃料配管を高周波透過材料で構成するとともに、該配管
を貫通せしめた密閉空洞を有する空洞共振器を設け、該
空洞共振器内にマイクロ波を発信および受信して空洞共
振器の共振点での透過電力および共振周波数を検出する
もので、前記２検出量は空洞共振器内を流通する混合燃
料の複素誘電率に対応し、混合燃料の組成を反映した出
力であるので、この２検出量から混合燃料中の２種類以
下のアルコールの各含有率を検出することができ、該セ
ンサ出力に基づいて複数種類のアルコールを混合した混
合燃料を使用する内燃機関の運転状態を最適に制御する
ことが可能となる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例のブロツク図、第２図は本
発明の第１実施例の要部断面図、第３図は本発明の第１
実施例の試験結果を示す図、第４図は本発明の第１実施
例を用いた内燃機関の制御機構を示す図、第５図は本発
明の第２実施例のブロツク図、第６図は本発明の第２実
施例の動作を説明するためのタイミングチヤートを示す
図である。 １…マイクロ波発振器、２…空洞共振器、３…検波器、
４…ローパスフイルタ、５…ハイパスフイルタ、６…位
相検出器、７…低周波発振器、８…比較器、９…積分
器、10…加算器、22…発信用アンテナ、23…受信用アン
テナ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２種類以下のアルコールと無極性液体とを
   混合した混合液体のアルコール含有率を検出するアルコ
   ール含有率センサにおいて、高周波透過性材料からな
   り、石油系燃料とアルコールとの混合燃料が流通せしめ
   られる燃料配管と、密閉空胴を有しかつ該空胴に前記燃
   料配管を貫通せしめたマイクロ波空胴共振器と、前記空
   胴共振器内にマイクロ波を発信する発信手段と、前記空
   胴共振器内のマイクロ波を受信する受信手段と、前記発
   信手段に供給した信号と前記受信手段で受信した信号と
   を利用して前記空胴共振器の共振点でのマイクロ波透過
   電力および共振周波数を検出するセンサ回路とを具備
   し、前記センサ回路で検出したマイクロ波透過電力およ
   び共振周波数から前記燃料配管を流通する前記混合燃料
   中の２種類以下のアルコールの各含有率を検出すること
   を特徴とするアルコール含有率センサ。
2. 【請求項２】前記センサ回路は、わずかにFM変調したマ
   イクロ波を前記発信手段に供給するマイクロ波発振手段
   と、前記受信手段の受信出力を復調する復調手段と、前
   記復調手段からの復調波の位相を検出し、その検出結果
   に基づいて前記マイクロ波発振手段をその発振周波数が
   前記空胴共振器の共振点に近づく方向に制御する手段と
   を具え、前記空胴共振器の共振点を追尾することにより
   共振時のマイクロ波透過電力および共振周波数を検出す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアルコ
   ール含有率センサ。
3. 【請求項３】前記センサ回路は、前記混合燃料の組成に
   よつて変化し得る前記空胴共振器の全ての共振点を含む
   周波数帯域を掃引するマイクロ波を前記発信手段に供給
   するマイクロ波発信手段と、前記受信手段の受信出力か
   ら前記空胴共振器の共振点として透過マイクロ波の極大
   点を検出する極大点検手段と、前記極大点検出手段で極
   大点を検出した時点の前記マイクロ波発振手段の発振周
   波数値およびマイクロ波透過電力値を保持しかつ出力す
   る手段とを具えたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のアルコール含有率センサ。