(57)【要約】【課題】測定したガス濃度を適切な出力範囲および分解能にて出力することができる超音波式ガス濃度センサを提供する。【解決手段】エンジン１２への燃料供給系は、燃料タンク８内に発生する蒸発燃料をキャニスタ７で一時的に吸着し、このキャニスタ７に溜まった燃料をパージバルブ９を開くことによって、被測定ガスの通過経路６を通して吸気管１０に向けてパージして、このパージされたガスをスロットルバルブ１１から流れ込む空気と混合してエンジン１２に送り込む第２の供給系を有し、超音波式ガス濃度センサ５は、キャニスタ７とパージバルブ９間の通過経路６に配置されている。センサ５の内部には、被測定ガスと接触するよう感温素子４が配置され、センサ５は、感温素子４によって測定された被測定ガスの温度に基づき、センサ５の濃度出力範囲を変更する変更手段５ａ（図６参照）を具備している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中における音波の伝播時間に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するための超音波式ガス濃度センサであって、
前記被測定ガスの温度に基づき、前記ガス濃度センサの濃度出力範囲を変更することを特徴とする超音波式ガス濃度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波式ガス濃度センサであって、前記被測定ガスの温度を測定する手段として、前記ガス濃度センサ及び前記被測定ガスの通過経路のうちの少なくとも一方に配置されている感温素子を用いることを特徴とする超音波式ガス濃度センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波式ガス濃度センサであって、前記被測定ガスが蒸発燃料ガスを含んだキャニスタパージガスであることを特徴とする超音波式ガス濃度センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波式ガス濃度センサであって、内燃機関に供給される燃料が蒸発した蒸発燃料ガスの濃度を測定するために適用され、前記被測定ガスの温度を測定する手段として、前記ガス濃度センサ、前記内燃機関に燃料を供給する燃料ポンプを含む燃料タンクモジュール、該燃料タンクモジュールから前記内燃機関に前記蒸発燃料ガスを送る蒸発燃料ガス通路のうちの少なくとも一に配置されている感温素子を用いることを特徴とする超音波式ガス濃度センサ。
【請求項５】
被測定ガス中における音波の伝播時間に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するための超音波式ガス濃度センサであって、
前記被測定ガス中の前記特定ガスの平均分子量の変化に応じて前記ガス濃度センサの濃度出力範囲を変更する手段を具備することを特徴とする超音波式ガス濃度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定ガス中における音波の伝播時間に基づいて被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するガス濃度センサ、特に、超音波式ガス濃度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン（内燃機関）への燃料の供給系としては、燃料タンクからポンプで汲み上げた燃料を燃料配管を介してインジェクタに送る第１の供給系がある。また、これとは別に、燃料タンク内に発生する蒸発燃料ガスをキャニスタで一時的に吸着し、このキャニスタに溜まった蒸発燃料ガスをパージして、そのパージガスを吸気管に送る第２の供給系がある。
【０００３】
前記第１及び第２の供給系を有するエンジンでは、インジェクタからの噴射燃料とは別に蒸発燃料ガス等のパージガスをシリンダに供給し、燃焼を行なっている。この燃焼においては、実際の空燃比と理論空燃比とのズレに伴う燃焼排出ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の有害ガスの発生を抑制するため、空燃比の制御が極めて重要である。空燃比の制御は、蒸発燃料ガスの濃度を高精度で測定し、その測定値に基づいて蒸発燃料ガス及びインジェクタからの噴射燃料の供給量を制御することによって行なわれる。蒸発燃料ガスの濃度を検出する手段としてガス濃度センサを用いる方法が検討されており、その一例として、超音波の送信時から受信時までの伝播時間に基づいて蒸発燃料ガスの濃度を検出することができる超音波式ガス濃度センサの開発が進められている。
【０００４】
このような超音波式ガス濃度センサについて、センサの出力範囲は、想定される蒸発燃料ガスの成分に合わせて設定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような設定方法を用いた場合、センサ出力が真値を示さないといった問題が発生することがある。
【０００６】
本発明の目的は、測定したガス濃度を適切な出力範囲および分解能にて出力することができる超音波式ガス濃度センサを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の視点において、被測定ガス中における音波の伝播時間に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するための超音波式ガス濃度センサであって、前記被測定ガスの温度に基づき、前記ガス濃度センサの濃度出力範囲を変更するガス濃度センサを提供する。
【０００８】
本発明は、第１の視点に基づく第２の視点において、前記被測定ガスの温度を測定する手段として、前記ガス濃度センサ及び前記被測定ガスの通過経路のうちの少なくとも一方に配置されている感温素子を用いるガス濃度センサを提供する。
【０００９】
本発明は、第１または第２の視点に基づく第３の視点において、前記被測定ガスが蒸発燃料ガスを含んだキャニスタパージガスであるガス濃度センサを提供する。
【００１０】
本発明は、第１の視点に基づく第４の視点において、内燃機関に供給される燃料が蒸発した蒸発燃料ガスの濃度を測定するために適用され、前記被測定ガスの温度を測定する手段として、前記ガス濃度センサ、前記内燃機関に燃料を供給する燃料ポンプを含む燃料タンクモジュール、該燃料タンクモジュールから前記内燃機関に前記蒸発燃料ガスを送る蒸発燃料ガス通路のうちの少なくとも一に配置されている感温素子を用いるガス濃度センサを提供する。
【００１１】
本発明は、第５の視点において、被測定ガス中における音波の伝播時間に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するための超音波式ガス濃度センサであって、前記被測定ガス中の前記特定ガスの平均分子量の変化に応じて前記ガス濃度センサの濃度出力範囲を変更する手段を具備するガス濃度センサを提供する。
【００１２】
本発明によれば、被測定ガス中の特定ガスの温度に基づき、ガス濃度センサの濃度出力範囲を変更することにより、被測定ガスの成分変動に対応した出力レンジおよび分解能を確保することが可能となる。本発明によれば、特に、被測定ガスの温度に応じて、出力範囲および分解能を最大限確保することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の原理を説明する。
【００１４】
超音波式ガス濃度センサにおいて、センサの出力範囲は、想定される蒸発燃料ガスの成分に合わせて設定される。しかしながら、超音波の伝播時間は蒸発燃料ガスの平均分子量に左右されるため、蒸発燃料ガスの平均分子量が想定されたものより高くなってしまった場合、センサ出力が最大値で張り付いてしまうといった問題が発生することがある。このような状態は、特に、温度上昇によって蒸発燃料ガスの平均分子量が増加した場合が考えられる。
【００１５】
図１は、上記問題点を説明するための図であって、このような状態の一例を示したグラフである。図１に示すように、センサの出力範囲を、ブタン（Ｃ４Ｈ１０：分子量５８）相当１で０％から１００％までに設定していると、蒸発燃料ガスの平均分子量がペンタン（Ｃ５Ｈ１２：分子量７２）相当２であった場合、蒸発燃料ガス濃度が約６８％以上の領域ではブタン濃度換算１００％にセンサ出力が張り付いてしまうという問題が発生する。
【００１６】
図２は、上記図１を参照して説明した不具合を避けるために出力上限値を上げた場合の一例を示したグラフである。図２に示すように、センサの出力上限値をブタン換算濃度で１５０％に設定することにより、蒸発燃料ガスの平均分子量がペンタン相当２であっても、出力が最大値に張り付くことなくリニアな出力が得られるようになる。しかし、センサの出力範囲に相当する濃度の幅を過剰に大きくすると、単位出力あたりの相当濃度が大きくなってしまい、センサの分解能が落ちるといった問題が発生する。
【００１７】
このような状態は、特に温度低下によって蒸発燃料ガスの平均分子量が減少した場合でも同様である。図３は，このような状態の一例を示したグラフである。図３に示すように、センサの出力範囲を、ブタン（Ｃ４Ｈ１０：分子量５８）相当１で０％から１００％までに設定していると、蒸発燃料ガスの平均分子量がプロパン（Ｃ３Ｈ８：分子量４４）相当３であった場合、ブタン濃度換算のセンサ出力で約５２％以上の領域は使用しないこととなる。
【００１８】
そこで、本発明によれば、被測定ガスの温度に基づき、ガス濃度センサの濃度出力範囲を変更することにより、被測定ガスの成分変動に対応した出力レンジおよび分解能を確保することが可能となる。
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明のガス濃度センサは、被測定ガスが蒸発燃料ガスを含んだキャニスタパージガスである場合に好適に適用される。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態において、被測定ガスの温度を測定する手段としては、ガス濃度センサ、内燃機関に燃料を供給する燃料ポンプを含む燃料タンクモジュール、燃料タンクモジュールから内燃機関に蒸発燃料ガスを送る蒸発燃料ガス通路のうちの少なくとも一に配置されている感温素子を用いる。
【００２２】
本発明においては、例えば、基本的に下記の構成を有する超音波式ガス濃度センサを用いることができる。
【００２３】
すなわち、センサにおいて、そのセンサケースには、被測定ガスを、例えば内燃機関のパージラインより導入するガス流入孔と、被測定ガスが導入され超音波を伝播させるための測定室と、測定室から被測定ガスをセンサ外に排出するためのガス流出孔が形成されている。超音波送波器及び超音波受波器はそれぞれ、それらの外殻を構成する素子ケースと、それらの内部に封止された超音波素子等により構成される。超音波送波器は超音波受波器に向かって超音波を送波する。加えて、センサケースには、超音波受波器が受信したパルスを電気的信号として受け取り、超音波伝播時間の計算と超音波伝播時間を濃度に換算する機能を備えた回路基板が設置されている。
【００２４】
なお、上記センサは、超音波送波器と超音波受波器を両方具備しているが、超音波の送波及び受波を単一の素子アセンブリを用いて行い、受波した反射波に基づいてガス濃度を検出することもできる。
【００２５】
また、本明細書における被測定ガスの通過経路には、通過経路に連通し、通過経路を流れるガス温度を測定する温度測定室等の空間部も含まれる。
【００２６】
更に、本明細書における蒸発燃料ガス通路には、燃料タンクモジュールから内燃機関の吸気管に蒸発燃料ガスを送る通過経路（上記空間部を含む）及び内燃機関の吸気管も含まれる。
【００２７】
【実施例】
以上説明した本発明の好ましい実施の形態をさらに明確化するために、以下図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。
【００２８】
［実施例１］
本発明の実施例１について図面を用いて説明する。
【００２９】
図４は、本発明の実施例１として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための図である。
【００３０】
図４を参照すると、燃料供給系は、燃料タンク８からポンプで汲み上げた燃料を燃料配管を介してインジェクタに送る不図示の第１の供給系と、燃料タンク８内に発生する蒸発燃料ガスをキャニスタ７で一時的に吸着し、このキャニスタ７に溜まった燃料をパージバルブ９を開くことによって、被測定ガスの通過経路（パージライン）６を通して吸気管１０に向けてパージして、このパージされたガスをスロットルバルブ１１から流れ込む空気と混合してエンジン１２に送り込む第２の供給系と、を有している。図４中、太矢印は被測定ガス（蒸発燃料ガス）の流れを示している。
【００３１】
本発明による超音波式ガス濃度センサ５は、キャニスタ７とパージバルブ９間の通過経路６に配置されている。センサ５の内部に、被測定ガスと接触するよう感温素子４が配置されることによって、センサ５の内部における被測定ガスの温度を正確に測定する。センサ５は、感温素子４によって測定された被測定ガスの温度に基づき、センサ５の濃度出力範囲を変更する変更手段５ａを具備している。
【００３２】
変更手段５ａは、感温素子４が出力する温度検出信号の大きさに基づいて、センサ５が出力するガス濃度検出信号、すなわち、被測定ガス中の超音波伝播時間に基づく信号の大きさの範囲（レンジ）を変更する。
【００３３】
本発明による超音波式ガス濃度センサの機能を説明する。
【００３４】
図５は、蒸発したガソリンの平均分子量の温度に対する変化を表したグラフである。
【００３５】
図５より、温度によって、ガソリンが蒸発したガスの平均分子量が変化することが分かる。ガスの平均分子量が変化すると、ガス中を伝播する超音波の伝播時間が変化する。そこで、本実施例においては、図４に示した変更手段５ａにより、最大出力時のブタン換算濃度の被測定ガス温度に対する設定を、図６に示すように設定した。
【００３６】
図６は、実施例１におけるガス濃度センサの、最大出力時のブタン換算濃度の被測定ガス温度に対する設定を表したグラフの一例である。なお、最小出力時は蒸発燃料ガス０％と設定した。
【００３７】
図６に示すように、最高出力時のブタン換算濃度を、被測定ガス温度によって、図５に示す蒸発成分変化に合わせて変化させることにより、被測定ガス中の蒸発ガス成分の濃度を確実に測定することができる。また、出力範囲を過剰に広く取る必要がなくなるため、センサの分解能を必要以上に落とすこともなくなる。
【００３８】
本実施例においては、ガス濃度センサ内部に配置された感温素子を用いることによって、ガス濃度センサの出力範囲を適切に設定することができる。
【００３９】
［実施例２］
本発明の実施例２について図面を用いて説明する。
【００４０】
図７は、本発明の実施例２として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための図である。
【００４１】
図７を参照して、本実施例は、被測定ガス温度を測定するための手段として、感温素子４が、センサ５を通る被測定ガスの通過経路（パージライン）６に配置されていること以外は、前記実施例１と同様の構成を有する。
【００４２】
本実施例においては、他のシステムにおいて既に用いられている感温素子４を用いることによって、新たに感温素子４を設置することなく、出力範囲を適切に設定することが可能となる。また、センサ５の内部に感温素子４を配置することが困難な場合でも被測定ガス温度を測定することが可能となる。さらに、感温素子４の取付位置の自由度が増すため、設計時の負担および製造コストを低減することができる。
【００４３】
なお、ここでは被測定ガス温度の測定にセンサの上流側（燃料タンクの側）に配置されている感温素子を用いたが、センサの下流側に配置されている感温素子を用いてもよい。
【００４４】
［実施例３］
本発明の実施例３について図面を用いて説明する。
【００４５】
図８は、本発明の実施例３として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための図である。
【００４６】
図８を参照して、本実施例は、被測定ガス温度を測定するための手段として、感温素子４が、センサ５を通る被測定ガスの通過経路（パージライン）６に連通した空間部６’に配置されていること以外は前記実施例１と同様の構成を有する。
【００４７】
これらの場合、他のシステムにおいてすでに用いられている感温素子４を用いることによって、新たに感温素子４を設置することなく、出力範囲を適切に設定することが可能となる。また、センサ５の内部に感温素子４を配置することが困難な場合でも被測定ガス温度を測定することが可能となる。さらに、感温素子４の取付位置の自由度が増すため、設計時の負担および製造コストを低減することができる。
【００４８】
なお、ここでも被測定ガス温度の測定にセンサの上流側に配置されている感温素子を用いたが、センサの下流側に配置されている感温素子を用いてもよい。
【００４９】
［実施例４］
本発明の実施例４について図面を用いて説明する。
【００５０】
図９は、本発明の実施例４として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための図である。
【００５１】
図９を参照すると、本実施例は、被測定ガス温度を測定するための手段として、第一の感温素子４がセンサ５の内部に配置され、かつ、第二の感温素子４’が被測定ガスの通過経路（パージライン）６にも配置されていること以外は前記実施例１と同様の構成を有する。これにより、被測定ガスの通過経路中の温度分布を測定し、出力範囲をより適切に設定することが可能となる。
【００５２】
なお、ここでは被測定ガス温度の測定に、被測定ガスの通過経路に配置された第二の感温素子を用いているが、通過経路に連通した空間部に配置された感温素子を用いてもよい。また、センサの上流側に配置されている第二の感温素子を用いたが，センサの下流側に配置されている感温素子を用いてもよい。また、ここではセンサ内部に配置されている第一の感温素子を用いているが、被測定ガスの通過経路に配置されている感温素子を用いてもよい。更に、ここでは被測定ガス温度の測定に二個の感温素子を用いているが、さらに多くの感温素子を用いて被測定ガス温度の測定を行ってもよい。
【００５３】
［実施例５］
本発明の実施例５について図面を用いて説明する。
【００５４】
図１０は、本発明の実施例５として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための図である。
【００５５】
図１０を参照すると、本実施例は、被測定ガス温度を測定するための手段として、感温素子４が燃料ポンプ１３を含む燃料タンクモジュ−ル１４に配置されていること以外は、前記実施例１と同様の構成を有する。
【００５６】
［実施例６］
本発明の実施例６について図面を用いて説明する。
【００５７】
図１１を参照すると、本実施例は、被測定ガス温度を測定するための手段として，感温素子４が内燃機関の吸気管１０に配置されていること以外は、前記実施例１と同様の構成を有する。
【００５８】
実施例５あるいは実施例６においては、被測定ガス温度の測定にすでに燃料タンクモジュールあるいは吸気管に配置されている感温素子を用いることにより、新たに感温素子を設ける必要がなく、また、製造コストを低減することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被測定ガスの温度に基づいてガス濃度センサの濃度出力範囲を変更することにより、適切な出力範囲および分解能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のセンサ出力範囲の設定方法の問題点を説明するための図であって、センサ出力の一例を示したグラフである。
【図２】従来のセンサ出力範囲の設定方法の問題点を説明するための図であって、センサ出力の別の一例を示したグラフである。
【図３】従来のセンサ出力範囲の設定方法の問題点を説明するための図であって、センサ出力のさらに別の一例を示したグラフである。
【図４】本発明の実施例１として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための図である。
【図５】蒸発ガソリンの平均分子量の、温度に対する変化を示したグラフである。
【図６】本発明の実施例１における最大出力時のブタン換算濃度の、温度に対する設定を示したグラフである。
【図７】本発明の実施例２として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための模式図である。
【図８】本発明の実施例３として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための模式図である。
【図９】本発明の実施例４として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための模式図である。
【図１０】本発明の実施例５として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の実施例６として、本発明による超音波式ガス濃度センサを、エンジン（内燃機関）の燃料供給系に適用した例を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１　平均分子量がブタン相当のガスにおけるセンサ出力のプロット
２　平均分子量がペンタン相当のガスにおけるセンサ出力のプロット
３　平均分子量がプロパン相当のガスにおけるセンサ出力のプロット
４，４’　感温素子
５　ガス濃度センサ
５ａ　変更手段
６　被測定ガスの通過経路
６’　被測定ガスの通過経路に連通した空間部
７　キャニスタ
８　燃料タンク
９　パージバルブ
１０　吸気管
１１　スロットルバルブ
１２　エンジン
１３　燃料ポンプ
１４　燃料タンクモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004012277.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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