JPH01207647A - ガソリンとアルコールなどの流体混合比検出装置 - 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］ この発明は、外周側面を流体が流動する透光体に向けて
光を発し、全反射により透過する光量により透光体の流
体に対する屈折率が判定できることを適用した流体混合
比検出装置に係り、特には、この屈折率により流体の混
合比を連続的に検知するように改良したガソリンとアル
コールなどの流体混合比検出装置に関する。

［従来の技術とその課題］ 例えば、自動車の内燃機関にあっては、近年では燃料に
ガソリンとアルコールとの混合流体を用いることが考え
られている。この混合燃料で良好な機関の出力を得るに
は、混合比を連続的に検知して、この情報を自動燃焼制
御装置にフィードバックして最適の噴射層を確保する必
要がある。

このため燃料の混合比検出装置が必要になっており、こ
の検出装置は、両端に発光素子および受光素子を配置し
た透光体を備え、この透光体の外周面に混合燃料を流動
させるように構成している。

そして、発光素子により透光体に向けて光を発し、全反
射により透過する光量により受光素子から発生する出力
を検知している。この出力の何如により透光体の流体に
対する屈折率を測定し、この屈折率に基づいて燃料の混
合比を算出している。

ところが、受光素子および発光素子を透光体の両端にそ
れぞれ配置しているため、これらの素子を収納するケー
スが個別に要求され、構造の複雑化を招きコスト的に不
利になるとともに、組み立て工数が増加する不都合があ
る。したがって、全体の構造がコンパクトになり、コス
ト的に有利になるとともに、組立て工数の低減化に寄与
できる−　・ガソリンとアルコールなどの流体混合比検
出装置が登場することが望まれている。

［発明の目的］ この発明は上記の期待に応えてなされたもので、その目
的は受光素子および発光素子を単一のケースに収納する
構成とすることにより全体の構造がコンパクトになり、
コスト的に有利になるとともに、組立て工数の低減化に
寄与できるなどといったガソリンとアルコールなどの流
体混合比検出装置を提供するにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、外周側面に異種類から成る混合流体が接触
状態に流動し、一端部に光反射部材を有する柱状の透光
体と、この透光体の他端部に配置され、内部に発光素子
および受光素子を収納したケースとを有し、前記発光素
子から発し、前記透光体の端面から入って、前記光反射
部材あるいは前記透光体の外側面と前記混合流体との境
界部に至り、この境界部に臨界角よりも小さな角度で入
射した光は前記混合流体側に全て屈折し、該境界部に臨
界角よりも大きな角度で入射した光は全反射し、この反
射した光を前記透光体の端面から外部に出して前記受光
素子に受けさせて発生した出力により前記透光体の前記
混合流体に対する屈折率を連続的に算出するようにした
ものにおいて、前記透光体の前記発光素子から直径方向
に沿って前記透光体の外周に至る距離および該透光体の
高さ寸法は、前記混合流体のうち特定判定流体成分が成
る濃度のとき、前記透光体と前記混合流体とから決まる
臨界角で前記境界部に入射した光が一度だけ全反射し、
その後に前記反射部材で反射して直接前記受光素子に入
射する関係と、前記特定判定流体成分が他の特定濃度の
とき、前記境界部に臨界角で入射した光が一度だけ全反
射し、その後に前記反射部材で反射して直接前記受光素
子に入射する関係となる間に存するように設定する構成
にしている。

また、透光体の前記発光素子から直径方向に沿って前記
透光体の外周に至る距離および該透光体の高さ寸法は、
前記混合流体のうち特定判定流体成分が成る濃度のとき
、前記透光体と前記混合流体とから決まる臨界角で前記
境界部に入射する光が前記反射部材で反射し、その後に
前記境界部で全反射して直接前記受光素子に入射する関
係と、前記特定判定流体成分が他の特定濃度のとき、臨
界角で前記境界部に入射する光が前記反射部材で反射し
、その後に前記境界部で全反射して直接前記受光素子に
入射する関係となる間に存するように設定している。

さらには、前記透光体の前記発光素子から直径方向に沿
って前記透光体の外周に至る距離および該透光体の＾さ
寸法は、前記混合流体のうち特定判定流体成分が成る濃
度のとき、前記透光体と前記混合流体とから決まる臨界
角で前記境界部に入射する第１の光と、前記反射部材に
入射する第２の光があり、第１の光は光反射部材で反射
して直接前記受光素子に入射し、第２の光は前記境界部
で全反射して直接前記受光素子に入射する関係と、前記
特定判定流体成分が他の特定濃度のとぎ、臨界角で前記
境界部に入射する第１の光と、前記反射部材に入射する
第２の光があり、第１の光は光反射部材で反射して直接
前記受光素子に入射し、第２の光は前記境界部で全反射
して直接前記受光素子に入射する関係となる間に存する
ように設定している。

［作用および効果］ 上記のように構成されたこの発明によれば、受光素子お
よび発光素子を単一のケースに収納するようにしたので
、全体の構造がコンパクトになり、コスト的に有利にな
るとともに、組立工数を削減でき、これに伴い組立作業
が迅速に済み、生産性の向上に繋がる。

また、透光体の径寸法および高さ寸法は、混合流体のう
ち特定判定流体成分が成る濃度で境界部に臨界角で入射
した光が一度だけ全反射する関係と、前記特定判定流体
成分が他の特定濃度で境界部に臨界角で入射した光が一
度だけ全反射する関係との間に存するように設定したの
で、光の吸収が防がれるとともに、受光素子を発光素子
から退避させた位置に置くことかでき測定に高い精度が
得られる。また、請求項２および請求項３にあっても、
上記と同様に透光体内での光の吸収が防がれると共に発
光素子が自らの発して戻る反射光を受けない位置に退避
できて高い測定精度が得られる。

［実施例］ 以下この発明を自動車の内燃Ｉｊ１１！ｌに適用した各
実施例をそれぞれの図面を参照して説明する。

先ず、第１実施例を示す第１図および第２図において、
１は屈折率検出用のセンサで、これは段付き偏平円筒状
のケース２と該ケース２の径大部開口部に閉塞状態に設
けた蓋板３を備え、ケース２内には蓋板３と並列となる
ように基板４が配置されている。この基板４上には、中
央に位置する発光素子５とともに受光素子６が蓋板３と
は反対側に設けられている。この受光素子６の配設位置
は、発光素子５と同一面上で所定の距離を隔てている。

また、温度補償用の受光素子ＰＤｃはケース２内の基板
４上に支持部材１０７により取付けられている。この温
度補償用の受光素子ＰＤｃは発光素子５を挟んで受光素
子６と径方向に対向する関係に配置されている。７は例
えばフリントガラスから成る透光体で、これは円柱状に
形成され、その下端部はケース２における径小部開口部
２ａに液密に嵌合・されている。そして、この透光体７
の下端面と各素子との間にはエポキシ樹脂やシリコン樹
脂などによる樹脂素ＭＬを充填している。

８は片面が鏡面仕上された金属板状の光反射部材で、こ
れは透光体７の上端部に鏡面部が受光素子６および発光
素子５に対向するようにして適宜の接着剤により接着さ
れている。このようにして構成したセンサ１は後述する
第７図の電子式燃料噴射装置において燃料タンク２０と
プレッシャレギュレータ２３とを連結するパイプ２３ａ
に取り付けられている。この状態では、ケース２はパイ
プ２３ａに形成された開口部９に径大部２ｂを介して液
密に嵌合され、透光体７は全体的にパイプ２３ａ内に突
出するように位置し、外周側面が燃料としてのガソリン
とアルコールとの混合流体Ｌｑに接触している。

このとき、透光体７の寸法関係を下記のように設定して
いる。すなわち、第３図および第４図に示す如く、混合
流体ＬＱの成分がアルコールのみである場合に、発光素
子５からの光は透光体７の外周側面と混合流体ＬＱとの
境界部ＢＧで臨界角０８以上で入射した光は唯−度だけ
境界部で反射して透光体７の下端面から外に出てゆく。

また、混合流体ＩＱの成分がガソリンのみである場合に
、発光素子５からの光は透光体７の外周側面と混合流体
との境界部ＢＯで臨界角００以上で入射した光は唯−度
だけ境界部ＢＧで反射して戻り透光体７の下端面から外
に出てゆく。さらに、発光素子５の寸法は、上記の如く
境界部ＢＯで反射して戻り透光体７の下端面から外に出
た光を受けないように小さな寸法に設定している。

そして、この条件のもとに、Ｒ１およびＲ２を発光素子
５から直径方向に沿って透光体７の外周にそれぞれ至る
距離とし、Ｌを高さ寸法、Ｘをパイプ２３ａの厚み寸法
とし、ｄを発光素子５から透光体７の下端面に至る距離
とすると、幾何学関係からＲ１ｔａｎθＨ＞ｘ　＋ｄ　
　Ｌ　＞Ｒ１ｔａｎθＧ−ｄが成り立つ。この二式から
Ｒ１およびしを求めることができる。

また、Ｒ２の値については後述する如＜（２Ｌ＋ｄ　−
Ｘ）／　ｊａｎθＧ　＞Ｒ２＞　（Ｌ＋ｄ）／ｌａｎθ
Ｈの関係式が得られることから具体的なＲ２の値が決ま
る。

また、透光体７の寸法設定時には、第５図および第６図
に示すように発光素子５を透光体７の中心に位置させて
もよい。この第５図に示す場合には、発光素子５から出
て透光体７に入った光が先ず境界部ＢＯで反射した例で
あり、第６図の例は発光素子５から出て透光体７に入っ
た光が先ず光反射部材８で反射して境界部ＢＯで反射し
た場合を示す。

したがって、第５図ではＲｔａｎθ１４　＞　（ｘ　＋
ｄ）（Ｌ−１・ｄ　）　＞ＲｔａｎθＧが成り立ち、こ
れからＲ＞　（Ｘ　十ｄ）／　ｔａｎθＨＬ　＞　Ｒｔ
ａｎθＧ−ｄが得られる。

また、第６図では、（２Ｌ　＋ｄ　−ｘ　）　＞Ｒｔａ
ｎθＧ　　ＲｔａｎθＨ＞　（Ｌ−１−ｄ）が成り立ツ
コトカラ（２Ｌ＋ｄ　−ｘ　）　／ｌａｎ　ｅＧ　＞Ｒ
＞　（Ｌ＋ｄ　）　／１ａｎｅ１４の関係式が得られる
。

このように透光体７の寸法関係が設定されたセンサ１は
、第７図に示す如く電子式燃料噴射装置を有する自動重
用エンジンの作動制御システムに適用されている。この
第７図において、３７はエンジンシリンダ、５０はエン
ジンのキースイッチ、５１は制御回路、５５は電源とし
ての蓄電池、２０は燃料タンクである。２１は燃料ポン
プ、２３は燃料タンク２０からパイプ２３ａを介して接
続されたプレッシャレギュレータで、パイプ２３ａ内に
は、本発明に関わるセンサ１が設けられている。２４は
インジェクタ、２６はコールドスタートインジェクタ、
２５はイグニションコイル、３０はエアクリーナ、３１
はエアバルブ、３２はエア７０−メータ、３３はスロッ
トルバルブ、３４はスロットルバルブポジションセンサ
、３５は吸気管、３６は排気管である。また、５２は酸
素センサ、５３はエンジン冷却水温センサである。

つぎに、上記の構成をセンサ１の作動とともに説明する
。

キースイッチ５０の操作に伴いエンジンが起動し、制御
回路５１に給電される。これに伴い燃料タンク２０内の
ガソリンとアルコールとの混合燃料が燃料ポンプ２１に
より燃料配管２２を介してインジェクタ２４に供給され
る。インジェクタ２４は、制御回路５１によりエンジン
の運転条件などに最適となるように計算された量で吸気
管３５内に噴射する。

一方、センサ１においては、制御回路５１から電圧が印
加され、増幅された電圧が出力端子（図示せず）を介し
て発光素子５に与えられて発光素子５が光を発する。こ
のような発光素子５からの光のうち、第１図に示すよう
に透光体７の内周側面で全反射した光は透光体７を軸方
向に透過して光反射部材８の鏡面で反射し、透光体７を
逆方向に戻って透光体７から出て受光素子６に入射する
。

このとき、透光体７の外周面にはガソリンとアルコール
との混合燃料が接触状態に流動しており、ガソリンとア
ルコールとの混合比が変動する毎に、混合燃料の屈折率
が変化するため透光体７に対する発光素子５からの光の
臨界角が変る。そして、屈折率の変化からガソリンとア
ルコールとの混合比と受光素子６に入射する光重との関
係があらかじめ用意されて、これらのデータが制御回路
５１に入力されている。

しかして、受光素子６に入射した光は電流に変−換され
て入力部５１ａを介して制御回路５１に供給される。こ
の出力の大ぎさにより制御回路５１がインジェクタ２４
に対する最適の噴射量を則算してエンジンの出力を良好
に維持するものである。

一方、受光素子５から発した光のうち透光体７の外側面
で全反射しない光、つまり燃料の混合比の変動とは無関
係な光だけは、温度補償用の受光素子ＰＤｃに入射する
ようになっている。この温度補償用の受光素子ＰＤｃを
設けたのは下記の理由による。

すなわち、発光素子５および受光素子６はともに光変換
特性をＴＭ境湿温度よって変動させる事情にあり、また
、透光体７に対する臨界角も燃料の温度変化につれて変
動する。このため温度補償手段を講じなければ燃料の混
合比についての正確な検出精度が期待されないからであ
る。

給電制御回路により電流を制御することにより環境温度
の変動とは関係無く温度補償用の受光素子ＰＤｃの出力
レベルを略一定に維持する。これにより発光素子５およ
び受光素子６などの温度特性の影響が無くなり、燃料の
混合比に関して粘度の高い検出データが得られる。

この給電ちり御回路の一例を温度補償用の電子回路とし
て第８図に示す。まず受光素子は演算増巾器１２の正負
端子１２ａ、１２ｂ間に接続され、負端子１２ｂは抵抗
１３を介して出力端子１２ｃに接続されている。受光素
子ＰＤｃが組み込まれた第８図の電子回路において、受
光素子ＰＤＣは第１の演算増幅器７０の正負の両端子７
０ａ、７０ｂ間に接続され、負端子７０ｂと受光素子Ｐ
［）Ｃとの共通点は抵抗ｒ１を介して第１の演算増幅器
７０の出力端子７０ｃに接続されている。この出力端子
７０ｃは抵抗ｒ２を介して第２の演算増幅器７１におけ
る正端子７１ａと負端子７１ｂのうち負端子７１ｂに接
続され、この負端子７１ｂと出力端子７１ｃとの間には
ハンヂング防止用のコンデンサ７２を接続している。こ
のコンデンサ７２と出力端子７１Ｃとの共通点は発光素
子５を介して接地されている。この出力端子７１ｃと発
光素子５との共通点は抵抗ｒ３を介して第３の演算増幅
器７３の負端子７３ｂに接続され、該演算増幅器７３の
負端子７３ｂは抵抗ｒ４を介して出力端子７３ｃに接続
されている。正端子７３ａには抵抗ｒ５を介して一定電
圧■を抵抗ｒ７と抵抗ｒ８で分圧した電圧が入力されて
いる。ここで抵抗ｒ３と抵抗ｒ４の比と抵抗ｒ５と抵抗
ｒ６の比は等しく設定される。そして、この抵抗ｒ４と
出力端子７３ｃとの共通点は抵抗ｒ９を介して第４の演
算増幅器７４の負端子７４ｂに接続されている。第４の
演算増幅器７４は演算器であり、受光素子６が接続され
た演算増幅器１２の出力と第３の演算増幅器７３の出力
とを正端子７４ａおよび負端子７４１］から入力し、演
算増幅器１２の出力から第３の演算増幅器７３の出力を
引いた値を出力端子７４ｃから出力する。

さて、運転時などに周囲温度の変化に伴い受光素子６か
らの出力は、第２の演算増幅器７１の動作として受光素
子ＰＤＣの出りが一定になるように発光素子５の給Ｎ！
を制御するので、この時混合液燃料ｔ−ｑといった被測
定液体の屈折率が一定であれば受光素子６の出力は一定
となるが、周囲温度の変化により被測定液体の屈折率は
変化するので第９図において縦軸を出力電圧、横軸を温
度とする座標に実線で示すように、温度の上昇につれて
次第に増加するように変化する。

また、発光素子５は、第１０図に縦軸を電圧降下、横軸
を温度とする座標に示すように、両端に加わる電圧を周
囲温度の上野に伴い漸次降下させる。しかして、第１０
図の態様で変化する発光素子５の両端間の電圧は、第３
の演算増幅器７３で一定電圧から引算され、抵抗ｒ３と
抵抗ｒ４で決まる比率にされ、出力端子７３ｃから電圧
が第１１図に示すように出力される。この第１１図には
、縦軸を電圧、横軸を周囲温度としており、周囲温度の
上昇に伴い出力される電圧が次第に増加する様子を示し
ている。

この結果、上背温度に伴い増加する電圧を上背温度に伴
ない増加する演算増幅器１２の出力から引算することに
より、第９図に破線に示す如く周囲温度の変化に関係な
く略一定の出力電圧が得られる状態となる。

ところで、上記の構成によれば、発光素子５および受光
素子６の配設関係にあっては、これら画素子５．６とも
にケース２内に収納するようにしたので、発光素子およ
び受光素子を別々のケースに逐一収納しなければならな
いしのと相違して構造が簡素で全体的にコンパクトにな
るとともに、組み立て：［数が低減し、コスト的に有利
で組立作業が迅速に済み、ひいては生産性の向上に結び
付く。

また、透光体７の寸法Ｒおよび高さ寸法りは、混合流体
１．０の一方の成分割合が所定１大ぎいときに境界部に
臨界角で入射した光が一度だけ全反射する関係と、混合
流体ＩＱの他方の成分割合が所定量大きいときに境界部
ＢＯに臨界角で入射した光が一度だけ全反射する関係と
の間に存するように設定したので、光の吸収が防がれる
とともに、受光素子を発光素子から退避させた位置に置
くことができ測定に高い精度が得られる。

なお、透光体７の寸法Ｒおよび高さ寸法［、は、混合流
体ＬＱのアルコールの成分割合が３０％のときに境界部
に臨界角で入射した光が一度だけ全反射する関係と、ア
ルコールの成分割合が６０％のとぎに境界部ＢＯに臨界
角で入射した光が一度だけ全反射する関係との間に存す
るように設定してもよい。

また、上記実施例では、光反射部材８を金属板状に形成
したが、これのみに限定されず、金属箔や鏡面処理され
たプラスチック板を用いてもよい。

あるいは透光体７の上端面に直接金属等をスパッタリン
グ等によりコーティングを施し、これを光反射部材とし
てもよい。

その他、具体的な実施にあたっては、アルコールとガソ
リンのみでなく砂糖水や食塩水の濃度監視装置にも適用
できるなど発明の装置を逸脱しない範囲で種々変更でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はパイプとともに丞すセンリの断面図、第２図は
第１図の１−．１線に沿う横断面図、第３図ないし第６
図は本発明の詳細な説明するための模式図、第７図は自
動中１ンジンの作動制す１１システム図、第８図は補償
用電子回路の結線図、第９図ないし第１１図は温度と出
力電圧との関係を示すグラフである。 図中　　１・・・セン４）　２・・・ケース　５・・・
発光索子　６・・・受光素子　７・・・透光体　８・・
・光反口・１部材ＰＤｃ・・・温度補償用の受光素ｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）外周側面に異種類から成る混合流体が接触状態に流
   動し、一端部に光反射部材を有する柱状の透光体と、 この透光体の他端部に配置され、内部に発光素子および
   受光素子を収納したケースとを有し、前記発光素子から
   発し、前記透光体の端面から入つて、前記光反射部材あ
   るいは前記透光体の外側面と前記混合流体との境界部に
   至り、この境界部に臨界角よりも小さな角度で入射した
   光は前記混合流体側に全て屈折し、該境界部に臨界角よ
   りも大きな角度で入射した光は全反射し、この反射した
   光を前記透光体の端面から外部に出して前記受光素子に
   受けさせて発生した出力により前記透光体の前記混合流
   体に対する屈折率を連続的に算出するようにしたものに
   おいて、 前記透光体の前記発光素子から直径方向に沿って前記透
   光体の外周に至る距離および該透光体の高さ寸法は、前
   記混合流体のうち特定判定流体成分が或る濃度のとき、
   前記透光体と前記混合流体とから決まる臨界角で前記境
   界部に入射した光が一度だけ全反射し、その後に前記反
   射部材で反射して直接前記受光素子に入射する関係と、
   前記特定判定流体成分が他の特定濃度のとき、前記境界
   部に臨界角で入射した光が一度だけ全反射し、その後に
   前記反射部材で反射して直接前記受光素子に入射する関
   係となる間に存するように設定したことを特徴とするガ
   ソリンとアルコールなどの流体混合比検出装置。 ２）前記透光体の前記発光素子から直径方向に沿つて前
   記透光体の外周に至る距離および該透光体の高さ寸法は
   、前記混合流体のうち特定判定流体成分が或る濃度のと
   き、前記透光体と前記混合流体とから決まる臨界角で前
   記境界部に入射する光が前記反射部材で反射し、その後
   に前記境界部で全反射して直接前記受光素子に入射する
   関係と、前記特定判定流体成分が他の特定濃度のとき、
   臨界角で前記境界部に入射する光が前記反射部材で反射
   し、その後に前記境界部で全反射して直接前記受光素子
   に入射する関係となる間に存するように設定したことを
   特徴とする請求項１記載のガソリンとアルコールなどの
   流体混合比検出装置。 ３）前記透光体の前記発光素子から直径方向に沿って前
   記透光体の外周に至る距離および該透光体の高さ寸法は
   、前記混合流体のうち特定判定流体成分が或る濃度のと
   き、前記透光体と前記混合流体とから決まる臨界角で前
   記境界部に入射する第１の光と、前記反射部材に入射す
   る第２の光があり、第１の光は光反射部材で反射して直
   接前記受光素子に入射し、第２の光は前記境界部で全反
   射して直接前記受光素子に入射する関係と、前記特定判
   定流体成分が他の特定濃度のとき、臨界角で前記境界部
   に入射する第１の光と、前記反射部材に入射する第２の
   光があり、第１の光は光反射部材で反射して直接前記受
   光素子に入射し、第２の光は前記境界部で全反射して直
   接前記受光素子に入射する関係となる間に存するように
   設定したことを特徴とする請求項１記載のガソリンとア
   ルコールなどの流体混合比検出装置。