(57)【要約】【課題】この発明は、炭化水素燃料とバイオ燃料との混合燃料中のバイオ燃料濃度を、小型かつ簡単な構成で、精度良く検出することができるとともに、耐久性・信頼性にも優れた燃料性状検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】燃料性状センサ２２は、燃料通路２６内の燃料の光透過率を検出するための発光素子２８および受光素子３２と、燃料の屈折率を検出するための発光素子３６および位置検出素子３８とを備える。光透過率は、燃料のＲＭＥ濃度と相関するので、検出された光透過率からＲＭＥ濃度を算出することができる。屈折率は、燃料のセタン価と相関するので、検出された屈折率からセタン価を算出することができる。光透過率は、６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域内の光を利用して検出される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料とバイオ燃料との混合燃料中のバイオ燃料濃度を検出する燃料性状検出装置であって、
６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域内の光に対する前記混合燃料の光透過率を検出する光透過率検出手段と、
前記光透過率検出手段により検出された光透過率に基づいて、前記混合燃料中のバイオ燃料濃度を算出する濃度算出手段と、
を備えることを特徴とする燃料性状検出装置。
【請求項２】
前記光透過率検出手段は、
光透過率を検出するための光を発する発光素子と、
前記発光素子の発光量変化の影響を補正するべく、前記発光素子の発光量を検出する補正用受光素子と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料性状検出装置。
【請求項３】
前記混合燃料の屈折率を検出する屈折率検出手段と、
前記屈折率検出手段により検出された屈折率に基づいて、前記混合燃料のセタン価を算出するセタン価算出手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料性状検出装置。
【請求項４】
導光部材を備え、
光透過率を検出するための光と、屈折率を検出するための光とが、共通の前記導光部材により前記混合燃料へ導光されることを特徴とする請求項３記載の燃料性状検出装置。
【請求項５】
光透過率を検出するための光と、屈折率を検出するための光とは、前記導光部材と前記混合燃料との間に形成される共通の界面を通ることを特徴とする請求項４記載の燃料性状検出装置。
【請求項６】
前記バイオ燃料は、メチルエステルを主成分とする燃料であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の燃料性状検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料性状検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サトウキビ、トウモロコシ、木材などから抽出されるバイオ燃料の利用促進が図られている。その一環として、菜種などから生産されるバイオ燃料（メチルエステル）を軽油に混合した燃料をディーゼルエンジン用燃料として利用する研究が進められている。
【０００３】
上記混合燃料を使用する場合には、着火性などを確保するため、バイオ燃料の濃度に合わせた燃料噴射制御などを行う必要がある。このため、ディーゼルエンジンに供給される燃料中のバイオ燃料濃度を精度良く検出することが重要となる。
【０００４】
ところで、特開平５−１３３８８６号公報には、アルコールとガソリンとの誘電率が異なることを利用して、一対の電極板間の静電容量を測定することでアルコール濃度を検出し、そのアルコール濃度によって重質度と屈折率との相関関係を補正して重質度を求める装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１３３８８６号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７７５号公報
【特許文献３】特開平５−２２３０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の装置は、菜種メチルエステルなどの濃度を検出するものではない。更に、上記従来の装置で用いている静電容量によるバイオ燃料濃度（アルコール濃度）の検出方法では、電極を燃料中に浸漬させる必要がある。バイオ燃料は、水分を含み易い。このため、この従来の装置では、電極が燃料中の水分によって腐食し易いという問題がある。また、燃料中の不純物が電極に付着することによって、測定精度が低下したり、測定不能になったりする場合もある。
【０００７】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、炭化水素燃料とバイオ燃料との混合燃料中のバイオ燃料濃度を、小型かつ簡単な構成で、精度良く検出することができるとともに、耐久性・信頼性にも優れた燃料性状検出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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料性状検出装置であって、
炭化水素燃料とバイオ燃料との混合燃料中のバイオ燃料濃度を検出する燃料性状検出装置であって、
６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域内の光に対する前記混合燃料の光透過率を検出する光透過率検出手段と、
前記光透過率検出手段により検出された光透過率に基づいて、前記混合燃料中のバイオ燃料濃度を算出する濃度算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記光透過率検出手段は、
光透過率を検出するための光を発する発光素子と、
前記発光素子の発光量変化の影響を補正するべく、前記発光素子の発光量を検出する補正用受光素子と、
を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記混合燃料の屈折率を検出する屈折率検出手段と、
前記屈折率検出手段により検出された屈折率に基づいて、前記混合燃料のセタン価を算出するセタン価算出手段と、
を更に備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第３の発明において、
導光部材を備え、
光透過率を検出するための光と、屈折率を検出するための光とが、共通の前記導光部材により前記混合燃料へ導光されることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第４の発明において、
光透過率を検出するための光と、屈折率を検出するための光とは、前記導光部材と前記混合燃料との間に形成される共通の界面を通ることを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記バイオ燃料は、メチルエステルを主成分とする燃料であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、炭化水素燃料とバイオ燃料との混合燃料中のバイオ燃料濃度を検出するに際し、６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域内の光に対する光透過率を検出し、その光透過率に基づいて、バイオ燃料濃度を算出することができる。バイオ燃料濃度に応じて光透過率は変化するが、その変化は、６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域において顕著に現れる。第１の発明によれば、その波長域内の光の透過率を利用することができるので、バイオ燃料濃度を高い精度で検出することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、発光素子の発光量を補正用受光素子で検出することにより、発光素子の発光量変化の影響を補正することができる。このため、発光素子の発光量変化にかかわらず、バイオ燃料濃度を高い精度で検出することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、混合燃料の屈折率を検出し、その屈折率に基づいて、混合燃料のセタン価を算出することができる。このため、燃料性状をより正確に把握することができ、内燃機関をより適切に制御することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、光透過率を検出するための光を混合燃料へ導光する導光部材と、屈折率を検出するための光を混合燃料へ導光する導光部材とを共通化することができる。このため、部品点数を少なくでき、構造を簡素化することができるので、小型化と製造コストの低減が図れる。
【００１８】
第５の発明によれば、光透過率を検出するための光と、屈折率を検出するための光とは、上記導光部材と混合燃料との間に形成される共通の界面を通る。このため、導光部材の小型化が図れるとともに、導光部材の表面加工などに要するコストも低減することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、上記バイオ燃料がメチルエステルを主成分とする燃料である場合について、混合燃料のメチルエステル濃度を高精度に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、自動車に搭載されたディーゼルエンジン１０を備えている。ディーゼルエンジン１０の燃料は、燃料タンク１２に貯留されている。燃料タンク１２には、軽油１００％の燃料、あるいは軽油と菜種メチルエステル（Rape Methyl Esther）との混合燃料が給油されるものとする。
【００２１】
燃料タンク１２内の燃料は、燃料パイプ１４を通ってディーゼルエンジン１０側へ移送される。燃料パイプ１４の途中には、サプライポンプ１６が設置されている。サプライポンプ１６によって加圧された高圧の燃料は、コモンレール１８内に貯留され、このコモンレール１８から、各気筒のインジェクタ２０へ分配される。
【００２２】
燃料パイプ１２の途中には、更に、燃料性状センサ２２が設置されている。燃料性状センサ２２は、燃料パイプ１２内を通る燃料の光透過率および屈折率を検出可能なセンサである。
【００２３】
本システムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を更に備えている。ＥＣＵ３０には、インジェクタ２０や燃料性状センサ２２のほか、ディーゼルエンジン１０を制御するための各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。後述するように、ＥＣＵ３０は、燃料性状センサ２２の出力に基づいて、ディーゼルエンジン１０に供給される燃料中の菜種メチルエステル（以下「ＲＭＥ」と略称する）の濃度と、その燃料のセタン価とをそれぞれ求めることができる。
【００２４】
図２は、燃料性状センサ２２の内部構造を示す図である。以下、同図を参照して、燃料性状センサ２２のについて詳細に説明する。なお、図２は、燃料パイプ１４に平行な方向から見た図である。つまり、燃料パイプ１４は、図２の紙面に垂直な方向に延在している。
【００２５】
燃料性状センサ２２は、６角柱形状のプリズム２４を備えている。プリズム２４には、長方形状の貫通孔で構成される燃料通路２６が形成されている。燃料通路２６内は、燃料パイプ１４から流れてくる燃料で満たされている。
【００２６】
プリズム２４の一つの側面の近傍には、燃料の光透過率を検出するための光を発する発光素子２８が設置されている。プリズム２４の、上記側面と平行な反対側の側面の近傍には、受光素子３２が設置されている。発光素子２８から発せられた光は、プリズム２４に入射し、燃料通路２６内の燃料を透過して、受光素子３２に受光される。受光素子３２は、受光した光を光電変換し、その光量に応じた出力を発する。燃料通路２６内の燃料の光透過率が高いほど、受光素子３２に入射する光量が多くなるので、受光素子３２の出力が大きくなる。よって、受光素子３２の出力に基づいて、燃料の光透過率（あるいは吸光度）を検出することができる。
【００２７】
また、発光素子２８の近傍には、発光素子２８の発光量を検出する補正用受光素子３４が設置されている。発光素子２８の発光量は、一般に、環境温度の上昇に伴って変化（減少）するという特性を有している。このため、燃料の光透過率が同じでも、温度によって、受光素子３２の出力が変化する。そこで、この温度による発光素子２８の発光量変化の影響をキャンセルするため、補正用受光素子３４によって検出される発光量に基づいて補正を行うようにしている。
【００２８】
プリズム２４の他の一つの側面の近傍には、燃料の屈折率を検出するための光を発する発光素子３６が設置されている。その側面に対し傾斜した別の側面の近傍には、位置検出素子（ＰＳＤ：Position Sensitive Device）３８が設置されている。
【００２９】
発光素子３６から発せられた光は、プリズム２４内に入射し、燃料通路２６の内壁と燃料との界面４０に斜め方向から到達する。図３は、界面４０での光の挙動を説明するための図である。図３に示すように、界面４０に到達した光のうち、界面４０の法線に対する入射角度が臨界角θより大きい光は界面４０で全反射し、界面４０の法線に対する入射角度が臨界角θより小さい光は界面４０で屈折して燃料中に入射する。臨界角θは、プリズム２４の屈折率をＮ１、燃料の屈折率をＮ２としたとき、下記式で表される。
Ｎ２＝Ｎ１×sinθ      ・・・（１）
【００３０】
図２に示すように、界面４０で反射した光は、プリズム２４を出て、位置検出素子３８の受光面に入射する。位置検出素子３８は、その入射光の受光面上での重心位置を表す出力を発する。
【００３１】
上記（１）式より、燃料の屈折率Ｎ２が大きいほど、臨界角θが大きくなる。上述したように、発光素子３６から発せられた光のうち、界面４０の法線に対する入射角度が臨界角θより小さい光は、界面４０で反射しないので、位置検出素子３８に到達しない。そして、臨界角θが大きくなるほど、界面４０で反射しない入射角度の範囲が広がっていくので、位置検出素子３８の受光面のうちで光が入射する範囲の面積が狭くなっていく。その結果、位置検出素子３８で検出される光の重心位置が変化する。このようなことから、燃料の屈折率と、位置検出素子３８で検出される光の重心位置とは相関する。よって、位置検出素子３８の出力から、燃料の屈折率を検出することができる。
【００３２】
発光素子２８，３６としては、例えばＬＥＤ（Light-Emitting Diode）を用いることができる。また、受光素子３２、補正用受光素子３４としては、例えばＰＤ（Photodiode）を用いることができる。各受発光素子２８，３２，３４，３６および位置検出素子３８は、ホルダ４２によって位置決めされ、保持されている。そして、ホルダ４２は、ハウジング４４に収納されている。
【００３３】
（ＲＭＥ濃度検出方法）
ＲＭＥが混合された燃料のＲＭＥ濃度は、光透過率と相関する。このため、ＥＣＵ３０は、燃料性状センサ２２により検出される光透過率に基づいて、ディーゼルエンジン１０に供給される燃料のＲＭＥ濃度を算出することができる。
【００３４】
図４は、各種のＲＭＥ濃度の燃料の光透過率の波長特性を示す図である。すなわち、図４には、軽油１００％の燃料、ＲＭＥが１０％混合された燃料（ＲＭＥ１０）、ＲＭＥが２０％混合された燃料（ＲＭＥ２０）、ＲＭＥが３０％混合された燃料（ＲＭＥ４０）、ＲＭＥが５０％混合された燃料（ＲＭＥ５０）、ＲＭＥ１００％燃料、のそれぞれの波長特性のグラフが示されている。
【００３５】
図４に示すように、ＲＭＥ濃度が高いほど、光透過率は小さくなる。そして、ＲＭＥ濃度の違いによる光透過率の差は、６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域において、特に顕著に現れる。そこで、本発明では、この６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域内の光（赤色光）を用いて、燃料の光透過率を検出することとした。これにより、燃料のＲＭＥ濃度を高い精度で検出することができる。
【００３６】
上記波長域内の光を選択的に用いて光透過率を検出するためには、発光素子２８として、上記波長域内の何れかの発光波長を有する素子を用いればよい。あるいは、幅広い発光波長を有する素子を使用し、光学フィルタを用いて、上記波長域内の光を選択するようにしてもよい。
【００３７】
図５は、波長６７０ｎｍの光を用いた場合の光透過率とＲＭＥ濃度との関係を示す図である。本実施形態では、利用する波長に応じて、図５と同様のマップがＥＣＵ３０に予め記憶されているものとする。そして、そのマップに従い、燃料性状センサ２２で検出される光透過率に応じて、燃料のＲＭＥ濃度を算出することができる。
【００３８】
（セタン価検出方法）
燃料のセタン価あるいはセタン指数（本明細書では、両者を総称して「セタン価」という）は、屈折率と相関する。このため、ＥＣＵ３０は、燃料性状センサ２２により検出される屈折率に基づいて、ディーゼルエンジン１０に供給される燃料のセタン価を算出することができる。
【００３９】
図６は、セタン価と屈折率との関係を示す図である。なお、図６中の×印は軽油１００％の燃料の場合を示し、三角形の印はＲＭＥ混合燃料の場合を示す。また、四角形の印は、ＧＴＬ（Gas To Liquid）混合燃料の場合（参考）を示す。
【００４０】
図６に示すように、何れの燃料の場合にも、図６中の直線で示すような関係、つまり屈折率が小さいほどセタン価が高いという関係が成立する。本実施形態では、図６中の直線で示すような関係がマップとしてＥＣＵ３０に予め記憶されているものとする。そして、そのマップに従い、燃料性状センサ２２で検出される屈折率に応じて、燃料のセタン価を算出することができる。
【００４１】
なお、屈折率を検出するための光、つまり発光素子３６から発せられる光には、６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域以外の光を利用することが好ましい。そのような光であれば、ＲＭＥ混合燃料による吸収が少ないので、屈折率をより正確に検出することができる。
【００４２】
本実施形態によれば、以上のようにして、燃料のＲＭＥ濃度とセタン価とをそれぞれ精度良く検出することができる。そして、その検出されたＲＭＥ濃度およびセタン価に基づいて、インジェクタ２０からの燃料噴射量、燃料噴射タイミング、パイロット噴射の有無または回数などを制御することができる。このため、ディーゼルエンジン１０に供給される燃料のＲＭＥ濃度やセタン価にかかわらず、着火性等を十分に確保することができ、ディーゼルエンジン１０を良好に運転することができる。
【００４３】
また、前述したように、燃料性状センサ２２は、燃料のＲＭＥ濃度を求めるための指標（光透過率）と、セタン価を求めるための指標（屈折率）との双方を、何れも光学的に検出するように構成されている。これにより、次のような利点がある。第１の利点は、燃料性状センサ２２において例えば電極のような部品を燃料と接触させる必要がない点である。バイオ燃料中には水分が含まれ易いので、電極等の金属部品が接触していると、腐食等の問題が発生し易いが、燃料性状センサ２２によれば、この問題を回避することができる。よって、優れた耐久性が得られる。第２の利点は、光学的検出を利用することにより、燃料中の不純物の影響を受けにくい点である。このため、常に高精度な検出を行うことができ、高い信頼性が得られる。第３の利点は、燃料性状センサ２２の小型化が容易であり、そのサイズを小さくすることができる点である。このため、燃料性状センサ２２の設置箇所の自由度を高くすることができる。
【００４４】
また、本実施形態の燃料性状センサ２２では、光透過率を検出するための光、つまり発光素子２８から発せられた光と、屈折率を検出するための光、つまり発光素子３６から発せられた光とが、共通のプリズム２４により燃料まで導光される。これにより、部品点数を少なくでき、構造を簡素化することができるので、更なる小型化と製造コストの低減が図れる。
【００４５】
更に、本実施形態では、光透過率を検出するための光と、屈折率を検出するための光とが、共通の界面４０を通るように構成されている。このため、プリズム２４の小型化が図れるとともに、プリズム２４の表面加工などに要するコストも低減することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、バイオ燃料として、菜種から生産される菜種メチルエステルを使用する場合について説明したが、メチルエステルは菜種から生産されるものに限らず、いかなるバイオマスから生産されるものでもよい。更に、バイオ燃料としては、メチルエステルに限らず、他の種類の燃料でもよい。混合される炭化水素燃料（化石燃料）についても、軽油に限らず、他の種類の燃料でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】燃料性状センサの内部構造を示す図である。
【図３】界面での光の挙動を説明するための図である。
【図４】各種のＲＭＥ濃度の燃料の光透過率の波長特性を示す図である。
【図５】波長６７０ｎｍの光を用いた場合の光透過率とＲＭＥ濃度との関係を示す図である。
【図６】セタン価と屈折率との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  ディーゼルエンジン
１２  燃料タンク
１４  燃料パイプ
１６  サプライポンプ
１８  コモンレール
２０  インジェクタ
２２  燃料性状センサ
２４  プリズム
２６  燃料通路
２８  発光素子
３０  ＥＣＵ
３２  受光素子
３４  補正用受光素子
３６  発光素子
３８  位置検出素子
４０  界面
４２  ホルダ
【図１】
2008286531.tif 000003
【図２】
2008286531.tif 000004
【図３】
2008286531.tif 000005
【図４】
2008286531.tif 000006
【図５】
2008286531.tif 000007
【図６】
2008286531.tif 000008