JPH04343062A - 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】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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。

【０００３】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も変ってくるから、エンジ
ンについての燃料噴射量、点火時期等も異なってくる。

【０００４】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Ｔｉを次の数１のように
演算している。

【０００５】

【数１】Ｔｉ　＝ＴＰ　×α×α′×Ｃｏｅｆ　＋ＴＳ
ただし、ＴＰ　　：基本噴射量 α　　　：空燃比Ａ／Ｆフィードバック補正係数α′　
：基本空燃比Ａ／Ｆ学習補正係数Ｃｏｅｆ：各種補正係
数 ＴＳ　　：バッテリ電圧補正係数

【０００６】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αを補正
すると共に、基本噴射量ＴＰ　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。

【０００７】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。

【０００８】従って、アルコール混合ガソリンを使用す
る場合には、数１から燃料噴射量Ｔｉ０を、次の数２の
ように演算している。

【０００９】

【数２】Ｔｉ０＝Ｍｋ　×ＴＰ　×α×α′×Ｃｏｅｆ
　＋ＴＳただし、Ｍｋ　　：アルコール濃度によって定
まる定数

【００１０】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
いて数２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が、ここでは、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、従来図
３ないし図９に示すものが知られている。

【００１１】まず、図３において、１は自動車のエンジ
ンを示し、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
気するインテイクマニホールド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５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。

【００１２】７はアルコール混合ガソリン８を貯える燃
料タンクを示し、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が設けられる。

【００１３】１０は燃料配管を示し、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１
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。

【００１４】１４は例えば流路としての燃料配管１０の
途中に設けられた静電容量式アルコール濃度測定装置と
してのアルコールセンサを示し、該アルコールセンサ１
４は後述する静電容量検出器１５、発振回路３０、ｆ−
Ｖ変換回路３１および反転増幅回路３２とから大略構成
されている。

【００１５】１５は同軸円筒状の静電容量検出器を示し
、該静電容量検出器１５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Ｍを静電容量
ＣＳとして検出するものである。ここで、該静電容量検
出器１５は図４に示す如く、円筒状のパイプ部材１６，
１７を略Ｌ字形状または略Ｔ字形状に接合することによ
り形成され、パイプ部材１６の一端側が絶縁性の栓体１
８によって閉塞された筒状のケーシング１９と、後述の
濃度検出器２０および感温センサ２８等とからなり、ケ
ーシング１９のパイプ部材１６，１７は、例えばニッケ
ル等のメッキ処理を施した導電性の鉄管によって形成さ
れている。また、パイプ部材１６の他端側はアルコール
混合ガソリン８の流入口１６Ａとなり、パイプ部材１７
の先端側は流出口１７Ａとなり、該流入口１６Ａ、流出
口１７Ａは燃料配管１０の途中に接続され、ケーシング
１９内をアルコール混合ガソリン８が矢示Ａ方向に流通
するようになっている。

【００１６】２０はケーシング１９に設けられ、該ケー
シング１９内を流通するアルコール混合ガソリン８のア
ルコール濃度Ｍを検出する濃度検出器を示し、該濃度検
出器２０は、パイプ部材１６の一端側から栓体１８を介
してパイプ部材１６内に軸方向に突出し、該パイプ部材
１６と共に同軸円筒形の対向電極を構成する細長棒状の
中心電極２１と、該中心電極２１の一端側を栓体１８と
共に支持すべく、パイプ部材１６の一端側に導電性の筒
体２２を介して嵌着された絶縁性の嵌着部材２３と、該
嵌着部材２３の外側端面から径方向外向きに突出し、中
心電極２１の一端側にナット２４を螺着することにより
ワッシャ２５を介して嵌着部材２３に締着された中心電
極２１側の端子２６と、前記筒体２２と嵌着部材２３と
の間に挟持され、径方向外向きに突出したアース側の端
子２７とから構成され、該端子２７は導電性の筒体２２
を介してパイプ部材１６に接続されている。

【００１７】ここで、該濃度検出器２０の中心電極２１
はパイプ部材１６内を軸方向に伸長し、パイプ部材１６
と共に同軸円筒形の対向電極を構成しているから、濃度
検出器２０は端子２６，２７を介して中心電極２１とパ
イプ部材１６との間に外部から電圧を印加することによ
り、該中心電極２１とパイプ部材１６との間を矢示Ａ方
向に流通するアルコール混合ガソリン８のアルコール濃
度Ｍを次の数３により静電容量ＣＳ　として検出するよ
うになる。

【００１８】

【数３】 Ｒ１　：中心電極の半径 Ｒ２　：パイプ部材の半径 ｄ　　：流入管の中心軸に対する中心電極のずれＫ　　
：同軸円筒形の電極定数 ε　　：アルコール混合ガソリンの誘電率εｒ　：比誘
電率 Ｃ１　：検出器の持つ固有容量

【００１９】そして、該濃度検出器２０は端子２６，２
７間に外部から接続される後述の発振回路３０、周波数
−電圧変換回路３１等を介して前記静電容量ＣＳ　を図
９に示す如き出力電圧Ｖ０　に変換し、これを後述のコ
ントロールユニット３３へと出力するようになっている
。

【００２０】２８はパイプ部材１６の流入口１６Ａとパ
イプ部材１７との間に位置してパイプ部材１６の外周側
に接着剤２９等により固着された感温センサで、該感温
センサ２８はサーミスタまたはポジスタ等の感温抵抗素
子によって構成され、ケーシング１９内を流通するアル
コール混合ガソリン８の燃料温度（以下、「燃温ｔ」と
いう）をパイプ部材１６を介して検出するようになって
いる。即ち、該感温センサ２８はアルコール混合ガソリ
ン８の燃温ｔをパイプ部材１６に伝わった温度として検
出し、この検出信号をコントロールユニット３３内のア
ルコール濃度温度補正装置３４に入力され、アルコール
濃度Ｍが温度補正される。

【００２１】３０は発振回路を示し、該発振回路３０は
前記静電容量検出器１５の検出静電容量ＣＳ　に基づい
て、ＬＣ型の発振回路として構成され、発振周波数ｆを
次の数４のように計算する。

【００２２】

【数４】 ただし、Ｌ　　　：インダクタンス Ｃ０　　：回路の容量

【００２３】３１は前記発振回路３０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−電圧変換回路と
してのｆ−Ｖ変換回路を示し、３２は該ｆ−Ｖ変換回路
３１からの検出電圧Ｖを反転増幅し、出力電圧Ｖ０　と
して出力する反転増幅回路を示す。

【００２４】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との関係が図６の特性になるか
ら、静電容量検出器１５による電極間静電容量ＣＳ　と
アルコール濃度Ｍとは図７の関係にあり、発振回路３０
を経てｆ−Ｖ変換回路３１による検出電圧Ｖは図８のよ
うな特性となり、これを反転増幅回路３２で反転増幅す
ることにより、図９に示すような出力電圧Ｖ０　をもっ
た特性となる。かくして、静電容量検出器１５からは、
アルコール濃度Ｍに対して図９に示す特性の出力電圧Ｖ
０　を得ることができる。

【００２５】３３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３３は電子式噴射制御を行なうものであ
り、アルコール濃度温度補正装置３４と噴射量演算装置
３５とを含んで構成されている。

【００２６】ここで、アルコールセンサ１４は、先に図
６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ＣＳ　
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、アルコールセンサ１４による出力電圧
Ｖ０　は温度依存性を有しているから、前記アルコール
センサ１４の出力電圧Ｖ０　は、同一のアルコール濃度
Ｍに対し、低温時ほど大きな出力電圧Ｖ０として発生す
る。

【００２７】このため、コントロールユニット３３内に
はアルコール濃度温度補正装置３４をソフトウエア等に
よって実現し、該アルコール濃度温度補正装置３４の入
力側はアルコールセンサ１４，感温センサ２８と接続さ
れ、出力側は噴射量演算装置３５と接続され、反転増幅
回路３２からの出力電圧Ｖ０　を感温センサ２８による
燃温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ップ３４Ａを備え
ている。なお、温度補正マップ３４Ａには燃温ｔ毎にア
ルコール濃度Ｍと出力電圧Ｖ０　との関係をマップとし
て格納し、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。

【００２８】さらに、コントロールユニット３３内の噴
射量演算装置３５は、その入力側がアルコール濃度温度
補正装置３４，クランク角センサ３６，エアフローメー
タ５，酸素センサ，水温センサ（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３５はクラン
ク角センサ３６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ＴＰ　
を演算すると共に、アルコール濃度温度補正装置３４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、数２によって燃料
噴射量Ｔｉ０を演算し、この燃料噴射量Ｔｉ０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。

【００２９】従来技術によるアルコールセンサ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
応して数３による静電容量ＣＳ　を検出し、発振回路３
０ではアルコール濃度Ｍに対応して数４による周波数ｆ
を発振し、ｆ−Ｖ変換回路３１で周波数ｆに対応する検
出電圧Ｖを出力し、反転増幅回路３２では反転増幅後の
出力電圧Ｖ０　を出力する。

【００３０】一方、コントロールユニット３３側ではア
ルコール濃度温度補正装置３４によって、アルコールセ
ンサ１４からの出力電圧Ｖ０　と感温センサ２８からの
燃温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３５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３５は温度の影
響のない標準アルコール濃度に基づいて、数２による燃
料噴射量Ｔｉ０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。

【００３１】

【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３０の静電容量検出器１
５は前述した数３により静電容量ＣＳ　を検出するもの
であるが、その電極定数Ｋおよび固有容量Ｃ１　はそれ
ぞれの静電容量検出器１５の形状により設定されるもの
である。このため、ＬＣ型の発振回路３０により発振さ
れる発振周波数ｆは、この電極定数Ｋによるアルコール
混合ガソリン８の比誘電率εｒ　に対応した静電容量と
固有容量Ｃ１　からなる静電容量ＣＳ　、発振回路３０
のリアクタンス容量により高周波数（１０ＭＨＺ以上）
を発生させるようになっているから、前記静電容量検出
器１５の形状により静電容量ＣＳ　に対して発振周波数
ｆの変化が著しく急峻する部分と、緩やかになる部分と
が発生し、これらの部分でアルコール濃度Ｍの検出を行
なうと検出電圧Ｖ０　が正確に検出できないという問題
がある。

【００３２】また、このために噴射量演算装置３５の燃
料噴射量Ｔｉ０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がある。

【００３３】本発明はこのような従来技術の問題に鑑み
なされたもので、発振回路の発振周波数を高周波数とな
るようにして、静電容量検出器の電極定数および固有容
量を設定することにより、高精度の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。

【００３４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の採用する構成の特徴は、静電容量検出器は
、その電極定数Ｋを１３〜２６（ｃｍ）の範囲内に設定
し、かつその固有容量Ｃ１　を４〜１１（ｐＦ）の範囲
内に設定したことにある。

【００３５】

【作用】上記構成により、静電容量検出器の静電容量に
対する発振回路の発振周波数をリニアな範囲で変化させ
ることができる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１および図２に基
づき説明する。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。

【００３７】本発明者達は、前述した従来技術の問題で
ある静電容量式アルコール濃度測定装置の検出精度を向
上させるために、鋭意調査・研究した結果、従来技術で
述べた静電容量検出器１５の形状寸法において、次のよ
うなことが解った。

【００３８】図１において、４１，４２，４３は数４か
ら計算して求めた静電容量ＣＳ　に対する発振周波数ｆ
を示す特性線で、各特性線４１，４２，４３は、それぞ
れ発振回路３０のリアクタンス容量を変えて求めたもの
である。ここで、各特性線４１，４２，４３から、静電
容量ＣＳ　が９〜１３（ｐＦ）以下の領域（Ｉ）におい
ては、発振周波数ｆの変化が急峻になり、微妙な静電容
量ＣＳ　の変化により発振周波数ｆが大きく変化してし
まい、発振周波数ｆにバラツキが発生し易いことが解る
。また、静電容量ＣＳ　が４９〜７９（ｐＦ）以上の領
域（ＩＩ）においては、発振周波数ｆの変化が緩やかに
なり、微妙な静電容量ＣＳ　の変化を発振周波数ｆの変
化に変えることができず、静電容量ＣＳ　の微妙な変化
を検出することができないということが解る。

【００３９】そして、残りの領域（ＩＩＩ）である９〜
１３（ｐＦ），４９〜７９（ｐＦ）の範囲内において、
静電容量ＣＳ　の変化に対して発振周波数ｆが線形に近
い変化を得られ、かつ安定した高周波の発振周波数ｆを
発生することができることが解る。そして、本発明者達
は、図１の領域（ＩＩＩ）の範囲内で数３の電極定数Ｋ
および固有容量Ｃ１　の取り得る範囲を算定することに
よって、この範囲内で静電容量検出器を形成することに
より、発生周波数ｆの安定させる同軸円筒状の静電容量
検出器の形状を設定することができることに着目した。

【００４０】次に、ガソリンに対するメタノールの混合
比率が０〜１００％の範囲内では、アルコール混合ガソ
リン８の誘電率εは２〜３２の範囲内で変化することが
解っているから、横軸にこの誘電率εを、縦軸に前述し
た領域（ＩＩＩ）の静電容量ＣＳをとって、電極定数Ｋ
および固有容量Ｃ１　の設定でき得る範囲を考える。

【００４１】図２において、４４，４５は図１中の領域
（ＩＩＩ）を満足するために電極定数Ｋおよび固有容量
Ｃ１　が取り得る範囲を示す特性線で、該各特性線４４
，４５は次に示すような数５，数６により表すことがで
きる。

【００４２】

【数５】ＣＳ＝Ｋｍｉｎ×ε×εｒ＋Ｃ１ｍａｘ

【００
４３】

【数６】ＣＳ＝Ｋｍａｘ×ε×εｒ＋Ｃ１ｍｉｍただし
、ｍｉｎ：最小値 ｍａｘ：最大値

【００４４】この各数５，数６に対して、前記領域（Ｉ
ＩＩ）の範囲内の静電容量ＣＳ　および誘電率εを代入
し、次の数７のような連立方程式が成り立つ。

【００４５】

【数７】 ただし、εｒ　　：８．８５４×１０−１４　　（Ｆ／
ｃｍ）ここで、前述した数７を解くと、 となり、それぞれ、電極定数Ｋおよび固有容量Ｃ１　の
範囲は、次の数８に示すような結果を得ることができる
。

【００４６】

【数８】１３　　≦　　Ｋ　　　　≦　　２６４　　≦
　　Ｃ１　　　≦　　１１

【００４７】このように、本実施例においては、数８の
範囲を満足する静電容量検出器を用いた場合のアルコー
ル濃度の測定動作においては、前述した従来技術と同様
である。

【００４８】かくして、本実施例の設定範囲（数８）を
満足する静電容量検出器を従来技術のアルコールセンサ
１４に用いた場合には、アルコール混合ガソリン８の濃
度Ｍが０〜１００％のどの濃度であっても、発振回路３
０からの発振周波数ｆは高周波を発生されることができ
るだけでなく、アルコール濃度Ｍに対して発振周波数ｆ
の変化を顕著に検出でき、アルコール濃度Ｍに対する検
出精度を著しく向上させることができる。

【００４９】そして、燃料噴射量演算装置３５で数２に
よる燃料噴射量Ｔｉ　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。

【００５０】また、本発明者達は既に実施品として、静
電容量検出器の各形状寸法を、数３ る。そして、この寸法から求められる電極定数Ｋは１６
．９、固有容量Ｃ１　は約７（ｐＦ）となり、図２中で
は点線で示した特性線４６となる。そして、この実施品
の各設定値は本発明の範囲内にあるから、前記発振回路
３０により発振される発振周波数ｆは図１中の領域（Ｉ
ＩＩ）内の範囲内で発振され、従来技術におけるアルコ
ールセンサ１４の検出動作により高精度のアルコール濃
度Ｍの検出を行なうことができる。

【００５１】また、本実施例により数８の条件を満足で
きる場合の静電容量検出器の各寸法は、数９のようにな
る。

【００５２】

【数９】 ただし、単位はｍｍである。

【００５３】このような範囲内であれば、燃料配管１０
，取付位置等の条件に合った静電容量検出器を形成する
ことができ、高精度のアルコール濃度Ｍの検出を行なう
ことができる。

【００５４】

【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同軸円筒状の静電容量検出器と
、アルコール濃度を０〜１００％の範囲内で該静電容量
検出器からの静電容量に基づいて１０ＭＨＺ以上の周波
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−電圧変換回路とから構成した
静電容量式アルコール濃度測定装置において、前記静電
容量検出器の電極定数を１３〜２６（ｃｍ）の範囲内か
つ固有容量を４〜１１（ｐＦ）の範囲内に設定すること
により、静電容量検出器により検出される静電容量に基
づく発振周波数のバラツキを防止し、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
射制御に用いることにより、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による静電容量検出器の静電容
量に対する発振周波数を示す特性線図である。

【図２】比誘電率に対する静電容量を示す特性線図であ
る。

【図３】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で
ある。

【図４】同軸円筒状の静電容量検出器の縦断面図である
。

【図５】従来技術の回路構成を示すブロック図である。

【図６】アルコール濃度と誘電率の関係を示す線図であ
る。

【図７】アルコール濃度と検出された静電容量の関係を
示す線図である。

【図８】アルコール濃度とｆーＶ変換回路からの検出電
圧の関係を示す線図である。

【図９】アルコール濃度と反転増幅回路からの出力電圧
の関係を示す線図である。

【符号の説明】

１４　　アルコールセンサ（静電容量式アルコール濃度
測定装置） １５　　静電容量検出器 ３０　　発振回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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同軸円筒状
   の静電容量検出器と、アルコール濃度を０〜１００％の
   範囲内で該静電容量検出器からの静電容量に基づいて１
   ０ＭＨＺ以上の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、前記静電容量検出器は、電極定数を１３〜２
   ６（ｃｍ）の範囲内に設定し、かつ固有容量を４〜１１
   （ｐＦ）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。