JP2519116B2 - 静電容量式アルコ―ル濃度測定装置 - Google Patents

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。

純正アルコール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T_iについてみると、 T_i＝T_P×α×α′×C_oef＋T_S …（１） だだし、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′：基本空燃比A/F学習補正係数 C_oef:各種補正係数 T_S: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αを補
正すると共に、基本噴射量T_P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T_i′を T_i′＝M_K×T_P×α×α′×C_oef＋T_S …（２） ただし、M_K: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
化を利用した数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
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。

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12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C_Sを、 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C_Sに基づいて、発振周波数ｆを、 ただし、L:インダクタンス C₀: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16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、「ｆ−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C_S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Ｖ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V₀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V₀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、該感温センサ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と噴射量演算装置22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
C_S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V₀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をソフトウエ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18からの出力
電圧V₀を感温センサ19による検出温度に基づいて温度補
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21Aを備えている。なお、温度補正マップ21A
には検出温度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。

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_P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T_i′を演算
し、この燃料噴射量T_i′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C_S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
Ｖを出力し、反転増幅回路18では反転増幅後の出力電圧
V₀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14か
らの出力電圧V₀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_i′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16
の発振周波数ｆとして低周波数（100KHz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T_i′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された
もので、発振回路の発振周波数を高周波数であって、所
定の周波数範囲を利用すると共に、回路中に発生する雑
音等を除去することにより、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、本発明は、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関する。

そして、本発明が採用する構成の特徴は、前記アルコ
ール濃度が０〜100％の範囲にあるとき前記発振回路の
発振周波数を10〜60MHzの範囲内に設定すると共に、前
記発振回路と周波数−電圧変換回路との間には該発振回
路による発振周波数を分周した後に該周波数−電圧変換
回路に出力する分周回路を設けたことにある。

〔作用〕

静電容量検出器がアルコール混合液体中に存在するこ
とにより、アルコール濃度に対応した電極間の静電容量
を検出する。発振回路はこの検出した静電容量に基づい
た周波数を発振する。そして、周波数−電圧変換回路は
この発振周波数を電圧に変換し、この電圧信号は演算装
置等に入力され、燃料噴射制御等に用いられる。

この際、発振回路の発振周波数を10〜60MHzとしたこ
とにより、静電容量検出器の電極損失が温度による影響
を受けることなく、該発振回路による発振周波数を安定
して出力することができる。

また、発振回路と周波数−電圧変換回路との間に分周
回路を設けたことにより、アルコール濃度測定装置を構
成する発振回路や周波数−電圧変換回路中にリンギング
等に発生したリンギング等の雑音による影響を除去する
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_Sと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C_Sとから生じる電
極損失をＤとし、この電極損失Ｄ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Ｄ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Ｄ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、
M85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Ｄ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10MHz以下の
領域のときには、電極損失Ｄ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100KHz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100KHz以下の周波数領域での微小変化により電極損
失Ｄ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−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。

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Ｄが変化する。このため、従来、使用されていた10
0KHz以下の周波数においては、発振周波数ｆ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Ｄ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
−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10KHz以下の周波数
領域では燃料温度により電極損失Ｄが大きく影響される
ことが分かる。

これらの結果により、発振回路の構成を燃料温度によ
り電極損失Ｄが大きく影響を受けない高周波領域（10MH
z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40〜60MHzとす
ることにより電極損失Ｄ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Ｄが若干上昇し、その影響により高周波側で
は電極損失Ｄが少し大きくなるが、第４図に示されるよ
うに50MHz近傍では電極損失Ｄ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C_S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、例えば10〜60MHzの範囲内の周波
数を発振するようになっている。

33は発振回路32の発振周波数を分周する分周回路を示
し、該分周回路33は、前記発振回路32とｆ−Ｖ変換回路
17との間に設けられ、該発振回路32による発振周波数を
分周した後にｆ−Ｖ変換回路17に出力することにより、
これら発振回路32やｆ−Ｖ変換回路17中に発生するリン
ギング等の雑音を除去し、当該雑音の影響をなくして、
正確なアルコール濃度検出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の殆ど差異はな
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10MHz以上の範囲、例えば10
〜60MHzの範囲で発振するようにしたから、燃料温度の
変化に対する電極損失Ｄ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し、安定した周波数を得
ることができる。

さらに、発振回路32とｆ−Ｖ変換回路17との間に分周
回路33を設け、該発振回路32の発振周波数ｆを分周した
後にｆ−Ｖ変換回路17に出力することにより、発振回路
32,f−Ｖ変換回路17中に発生するリンギング等の雑音を
除去し、当該雑音の影響をなくして、正確なアルコール
濃度を検出することができる。

従って、燃料噴射量演算装置22では、（２）式による
燃料噴射量T_i′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
０〜100％の範囲で1321MHz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、極めて高精度の燃料噴射
量T_i′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、アルコール濃度が
０〜100％の範囲にあるとき発振回路の発振周波数を10
〜60MHzの範囲内に設定する構成としたことによって、
アルコール混合液体中に金属イオン等が溶解していて
も、電極損失を安定させて正確な発振周波数を得ること
ができると共に、前記発振回路と周波数−電圧変換回路
との間には該発振回路による発振周波数を分周した後に
該周波数−電圧変換回路に出力する分周回路を設ける構
成としたことにより、回路中に発生するリンギング等の
雑音を除去し、正確なアルコール濃度の測定が可能とな
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
静電容量検出器の等価回路図、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島村 政彦 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本 電子機器株式会社内 (72)発明者 竹内 潔 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社内 (56)参考文献 実開 平２−17650（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルコールの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路
   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が０〜100％の範囲にあるとき前記
   発振回路の発振周波数を10〜60MHzの範囲内に設定する
   と共に、前記発振回路と周波数−電圧変換回路との間に
   は該発振回路による発振周波数を分周した後に該周波数
   −電圧変換回路に出力する分周回路を設けたことを特徴
   とする静電容量式アルコール濃度測定装置。