燃料特性检测装置的制作方法

专利名称：燃料特性检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料特性检测装置。
背景技术：
近年来，实现了使用并促进从甘蔗、玉米、木材等提取生物燃料。作 为其中一个环节，将从油菜籽等生产的生物燃料(甲酯)混合在轻油中而 得到的燃料使用为柴油发动机用燃料的研究正在进行。
在使用上述混合燃料的情况下，为了确保点火性等需要进行与生物燃 料的浓度相对照的燃料喷射控制等。因此，精度高地检测出提供给柴油发 动机的燃料中的生物燃料浓度是很重要的。
但是，在日本专利文献特开平5-133886号公报中公开了以下装置利 用酒精和汽油的介电常数的不同，通过测量一对电极板间的静电容量来检 测酒精浓度，根据该酒精浓度来修正重质度和折射率的相关关系并求出重 质度。
专利文献1:日本专利文献特开平5-133886号公报； 专利文献2:日本专利文献特开平10-19775号公报； 专利文献3:日本专利文献特开平5-223026号公报。

发明内容
但是，上述现有的装置并不是检测油菜籽甲酯等的浓度。并且，在上 述现有的装置所使用的基于静电容量的生物燃料浓度(酒精浓度)的检测 方法中，需要将电极浸入在燃料中。生物燃料容易包含水分。因此，在该 现有装置中，存在电极由于燃料中的水分而容易腐蚀的问题。另外，由于 燃料中的杂质粘附在电极上，因此也存在测量精度下降、或者不能测量的 情况。本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种小型且简单地 构成并能够精度高地检测出碳氢燃料和生物燃料的混合燃料中的生物燃料 浓度、并且耐久性和可靠性也优良的燃料特性检测装置。
为了实现上述目的，第一发明是一种燃料特性检测装置，用于检测碳 氢燃料和生物燃料的混合燃料中的生物燃料浓度，所述燃料性能检测装置 的特征在于，包括
光透过率检测单元，检测出所述混合燃料对640nm 680nm的波长区 域中的光的光透过率；以及
浓度计算单元，基于由所述光透过率单元检测出的光透过率来计算所 述混合燃料中的生物燃料浓度。
另外，第二发明是在第一发明中具有以下特征，
所述光透过率检测单元包括
发光元件，发出用于检测光透过率的光；以及
修正用受光元件，为了修正所述发光元件的发光量变化的影响而检测 所述发光元件的发光量。
另外，第三发明是在第一或第二发明中具有以下特性， 还包括
折射率检测单元，用于检测所述混合燃料的折射率；以及 十六垸值计算单元，基于由所述折射率检测单元检测出的折射率计算 出所述混合燃料的十六烷值。
另外，第四发明是在第三发明中具有以下特征， 包括导光部件，
用于检测光透过率的光和用于检测折射率的光通过共用的所述导光部 件被导入到所述混合燃料中。
另外，第五发明实在第四发明中具有以下特征，
用于检测光透过率的光和用于检测折射率的光通过形成在所述导光部 件和所述混合燃料之间的共用的界面。
另外，第六发明是在第一至第五发明的任一个中具有以下特征， 所述生物燃料是以甲酯为主要成分的燃料。根据第一发明，在检测碳氢燃料和生物燃料的混合燃料中的生物燃料
浓度时，能够检测出对640nm 680nm的波长区域中的光的光透过率，并 基于该光透过率来计算出生物燃料浓度。光透过率根据生物燃料浓度而变 化，该变化在640nm 680nm的波长区域显著地表现。根据第一发明，由 于能够使用该波长区域中的光的透过率，因此能够高精度地检测出生物燃 料浓度。
根据第二发明，通过用修正用受光元件检测发光元件的发光量，能够 修正发光元件的发光量变化的影响。因此，不管发光元件的发光量变化如 何，均能以高精度检测出生物燃料浓度。
根据第三发明，能够检测出混合燃料的折射率，并根据该折射率计算 出混合燃料的十六烷值。因此，能够更准确地把握燃料性能，并能够更可 靠地控制内燃机。
根据第四发明，能够共用将用于检测光透过率的光导入到混合燃料的 导光部件以及将用于检测折射率的光导入到混合燃料的导光部件。因此， 由于能够减少部件个数、简化结构，因此实现小型化和制造成本的降低。
根据第五发明，用于检测光透过率的光和用于检测折射率的光通过形 成在所述导光部件和混合燃料之间的共用的界面。因此，能够实现导光部 件的小型化并降低导光部件的表面加工等所需要的成本。
根据第六发明，在所述生物燃料是以甲酯为主要成分的燃料的情况 下，能够高精度地检测出混合燃料中的甲酯浓度。


图1是用于说明本发明实施方式1的系统结构的图； 图2是表示燃料性能传感器的内部结构的图； 图3是用于说明在界面的光的动作的图4是表示各种RME浓度的燃料的光透过率的波长特性的图5是表示使用波长670nm的光时的光透过率和RME浓度的关系的
图6是表示十六垸值和折射率之间关系的图。标号说明 10柴油发动机 12燃料罐 14燃料管
16补给泵
18共轨
20喷射器
22燃烧性能传感器
24棱镜
26燃料通路
28发光元件
30 ECU
32受光元件
34修正用受光元件
36发光元件
38位置检测元件
40界面
42支架
具体实施方式
实施方式1 [系统结构的说明]
图1是表示本发明实施方式1的系统结构的图。如图1所示，本实施 方式的系统包括安装在汽车上的柴油发动机10。柴油发动机10的燃料被 存积在燃料罐12中。假设在燃料罐12中提供100%轻油的燃料、或者轻 油和菜籽油甲酯(Rape Methyl Esther)的混合燃料。
燃料罐12中的燃料经由燃料管14而被输送给柴油发动机10侧。在燃 料管14的途中设置有补给泵16。被补给泵16加压的高压燃料存积在共轨 (common-rail) 18中，并从该共轨18分配给各个气缸的喷射器20。燃料管12的途中还设置有燃料性能传感器22。燃料性能传感器22是 能够检测出通过燃料管12中的燃料的光透过率和折射率的传感器。
本系统还具有ECU (Electronic Control Unit,电子控制单元)30。在 ECU 30上除了喷射器20和燃料性能传感器22之外，还电连接有用于控制 柴油发动机10的各种传感器和致动器。如后所述，ECU 30基于燃料性能 传感器22的输出分别求出提供给柴油发动机10的燃料中的菜籽油甲酯 (下面简称为"RME")的浓度和该燃料的十六烷值。
图2是表示燃料性能传感器22的内部结构的图。下面，参考该图对燃 料性能传感器22进行详细的说明。图2是从与燃料管14平行的方向看的 图。即，燃料管14在垂直于图2的纸面的方向延伸。
燃料性能传感器22包括六棱柱形状的棱镜24。在棱镜24上形成有长 方形状的通孔构成的燃料通路26。燃料通路26中由从燃料管14流入的燃 料填满。
在棱镜24的一个侧面的附近设置有发出用于检测燃料的光透过率的光 的发光元件28。在棱镜24的、与上述侧面平行的相反侧的侧面的附近设 置有受光元件32。从发光元件28发出的光入射到棱镜24，透过燃料通路 26中的燃料被受光元件32接受。受光元件32将所接受的光进行光电转 换，并产生与其光量相对应的输出。由于燃料通路26中的燃料的光透过 率越高入射到受光元件32的光量越多，因此受光元件32的输出变大。因 此，能够基于受光元件32的输出检测出燃料的光透过率(或者吸光 度)。
另外，在发光元件28的附近设置有用于检测发光元件28的发光量的 修正用受光元件34。发光元件28的发光量一般具有随着环境温度的上升 而变化(减少)的特性。因此，即使燃料的光透过率相同，受光元件28 的输出也会随着温度而变化。因此，为了解除了基于该温度而产生的对发 光元件28的发光量变化的影响，而基于由修正用受光元件34检测出的发 光量而进行修正。
在棱镜24的另一个侧面的附近，设置有发出用于检测燃料的折射率的 光的发光元件36。在相对于该侧面而倾斜的另一侧面的附近设置有位置检测元件(PSD: Position Sensitive Device,位置敏感器件)38。
从发光元件36发出的光入射到棱镜24中，从倾斜的方向到达燃料通 路26的内壁和燃料的界面40。图3是用于说明在界面40的光的动作的 图。如图3所示，到达了界面40的光中，相对于界面40的法线的入射角 度比临界角e大的光在界面40发生全反射，相对于界面40的法线的入射 角度比临界角0小的光在界面40发生折射而入射到燃料中。当将棱镜24 的折射率设为N,、将燃料的折射率设为N2时，临界角e由下式表示。 NfNjXsine …(1)
如图2所示，在界面40反射的光射出棱镜24并入射到位置检测元件 38的受光面。位置检测元件38产生表示在该入射光的受光面上的重心位 置的输出。
根据上式(1)，燃料的折射率N2越大临界角e越大。如上所述，从 发光元件36发出的光中，相对于界面40的法线的入射角度比临界角e小 的光由于在界面40不反射，因此不能到达位置检测元件38。并且，由于 临界角e越大在界面40没有反射的入射角度的范围也扩大，因此在位置 检测元件38的受光面中，日射的范围的面积变窄。其结果是，在位置检 测元件38检测出的光的重心位置发生变化。由于这样，燃料的折射率和 在位置检测元件38检测出的光的重心位置相关。因此，能够根据位置检 测元件38的输出检测出燃料的折射率。
作为发光元件28、 36例如能够使用LED (Light-Emitting Diode，发光 二极管)。另外，作为受光元件32、修正用受光元件34例如能够使用PD (Photodiode，光敏二极管)。各个受光元件28、 32、 34、 36以及位置检 测元件38被支架42定位而保持。并且，支架42被容纳在框架44中。 (RME浓度检测方法)
混合有RME的燃料的RME浓度与光透过率相关。因此，ECU 30能 够基于由燃料性能传感器22检测出的光透过率计算出提供给柴油发动机 IO的燃料的RME浓度。
图4是表示各种RME浓度的燃料的光透过率的波长特性的图。艮口， 在图4中示出了 100%轻油的燃料、混合10%的RME的燃料(RME10)、混合20%的RME的燃料(RME20)、混合30%的RME的 燃料(RME40)、混合50。/。的RME的燃料(RME50) 、 100%的RME的
燃料的各个的波长特性的曲线图。
如图4所示，RME浓度越高光透过率越小。并且基于RME浓度的不 同而产生的光透过率的差别在640nm 680nm的波长区域中特别显著地表 现出来。因此，在本发明中，使用该640nm 680nm的波长区域中的光 (红色光)来检测燃料的光透过率。由此，能够高精度地检测出燃料的 RME浓度。
由于选择性地使用上述波长区域中的光来检测光透过率，因此作为发 光元件28只要使用具有上述波长区域中的某一发光波长的元件即可。或 者，可以使用具有宽度宽的发光波长的元件并使用滤光器来选择上述波长 中的关。
图5是表示使用波长670nm的光时的光透过率和RME浓度的关系的 图。在本实施方式中，设与使用的波长相应与图5相同的映射被预先存储 在ECU30中。并且，按照该映射，根据由燃料性能传感器22检测出的光 透过率能够计算出燃料的RME浓度。 (十六烷值检测方法)
燃料的十六垸值或者十六垸指数(在本说明书中将两者总称为"十六 烷值")与折射率有关。因此，ECU30能够基于由燃料性能传感器22检 测出的折射率计算出提供给柴油发动机10的燃料的十六烷值。
图6是表示十六垸值和折射率的关系的图。另外，图6中的X的标记 表示100%轻油的燃料的情况，三角形的标记表示RME混合燃料的情况。 另外，四角形的标记表示GTL (Gas To Liquid,天然气合成油)混合燃料 的情况(参考)。
如图6所示，在任一种燃料的情况下，如图6所示的直线关系、即折 射率越小十六烷值越高的关系成立。在本实施方式中，假设图6的直线所 示的关系作为映射而预先存储在ECU 30中。并且，按照该映射，能够根 据由燃料性能传感器22检测出的折射率计算出燃料的十六烷值。
在用于检测折射率的光、即从发光元件36发出的光中优选使用640nm 680nm的波长区域以外的光。如果是那样的光，由于RME混合燃 料的吸收变少，因此能够更准确地检测出折射率。
如上所述，根据本实施方式，分别能够精度好地检测出燃料的RME 浓度和十六烷值。并且，基于该被检测出的RME浓度和十六烷值能够控 制来自喷射器20的燃料喷射量、燃料喷射时刻、预喷射的有无或者次数 等。因此，不论提供给柴油发动机10的燃料的RME浓度和十六烷值如 何，都能充分地确保点火性等，并能够良好地使柴油发动机10运行。
另外，如前所述，燃料性能传感器22被构成为能够光学地检测出用于 求出燃料的RME浓度的指标(光透过率)和用于求出十六烷值的指标 (折射率)的两者中的任一个。由此，存在以下优点。第一优点是在燃料 性能传感器22中不需要使例如电极部件与燃料接触。由于在生物燃料中 容易包含水分，因此当接触电极等金属部件时容易产生腐蚀等问题，但是 根据燃料性能传感器22能够避免该问题。因此，能够得到优良的耐久 性。第二优点是通过使用光学的检测而难以受到燃料中的杂质的影响。因 此，总是能够进行高精度的检测，从而得到较高的可靠性。第三优点是燃 料性能传感器22的小型化变得容易，能够縮小其尺寸。因此，能够提高 燃料性能传感器22的设置位置的自由度。
另外，在本实施方式的燃料性能传感器22中，用于检测光透过率的 光、即从发光元件28发出的光和用于检测折射率的光、即从发光元件36 发出的光通过共用的棱镜24而导入到燃料中。由此，由于能够减少部件 个数而使结构简单化，因此能够实现进一步小型化和降低制造成本。
并且，在本实施例中，用于检测光透过率的光和用于检测折射率的光 通过共用的界面40来构成。因此，能够实现棱镜24的小型化并且也能够 降低在棱镜24的表面加工等所需要的成本。
在本实施例中，对于使用从油菜籽生产的油菜籽甲酯作为生物燃料的 情况进行了说明，但是甲酯不限于从油菜籽生产，也可以由任一种生物质 (biomass)生产。并且，作为生物燃料不限于甲酯，也可以是其他种类的 燃料。对于被混合的碳氢燃料(化石燃料)也可以不限于轻油，而是其他 种类的燃料。
权利要求
1.一种燃料特性检测装置，用于检测碳氢燃料和生物燃料的混合燃料中的生物燃料浓度，所述燃料特性检测装置的特征在于，包括光透过率检测单元，检测所述混合燃料对于640nm～680nm的波长区域中的光的光透过率；以及浓度计算单元，基于由所述光透过率检测单元检测出的光透过率来计算所述混合燃料中的生物燃料浓度。
2. 如权利要求1所述的燃料特性检测装置，其特征在于，所述光透过率检测单元包括-发光元件，发出用于检测光透过率的光；以及修正用受光元件，为了修正所述发光元件的发光量变化的影响而检测所述发光元件的发光量。
3. 如权利要求1或2所述的燃料特性检测装置，其特征在于，还包括折射率检测单元，检测所述混合燃料的折射率；以及十六垸值计算单元，基于由所述折射率检测单元检测出的折射率而计算出所述混合燃料的十六垸值。
4. 如权利要求3所述的燃料特性检测装置，其特征在于，包括导光部件，用于检测光透过率的光和用于检测折射率的光通过共用的所述导光部件被导向所述混合燃料。
5. 如权利要求4所述的燃料特性检测装置，其特征在于，用于检测光透过率的光和用于检测折射率的光经过形成在所述导光部件和所述混合燃料之间的共用的界面。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的燃料特性检测装置，其特征在于，所述生物燃料是以甲酯为主要成分的燃料。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种小型且简单地构成并能够精度高地检测出碳氢燃料和生物燃料的混合燃料中的生物燃料浓度、并且耐久性和可靠性也优良的燃料性能检测装置。燃料性能传感器22包括用于检测燃料通路26中的燃料的光透过率的发光元件28和受光元件32，以及用于检测燃料的折射率的发光元件36和位置检测元件38。光透过率由于与燃料的RME浓度相关，因此能够根据被检测出的光透过率计算出RME浓度。折射率由于与燃料的十六烷值相关，因此能够根据被检测出的折射率计算出十六烷值。光透过率使用640nm～680nm的波长区域中的光来进行检测。
文档编号G01N21/41GK101680836SQ20088001620
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月14日 优先权日2007年5月15日
发明者加藤直也, 吉田香织, 塚崎之弘, 大崎理江, 天野典保, 谷口聪 申请人:株式会社日本自动车部品综合研究所;丰田自动车株式会社