专利名称：基于荧光测量的生物燃料劣化传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料特性传感器和燃料特性检测装置。更具体地，本发明涉及有利地适于检测生物燃料和碳氢化合物燃料的混合燃料的状态的燃料特性传感器和燃料特性检测装置。
背景技术：
近年来，在生物燃料的使用增加之后，已经研究和开发既能够使用生物燃料又能够使用通过将生物燃料和碳氢化合物燃料混合所获得的混合燃料的车辆用内燃机。然而，生物燃料的状态极易随时间而劣化。因此，期望的是，当使用生物燃料时，检测生物燃料的劣化状态。例如，日本专利申请公布第2009-293437号(JP-A-2009-293437)公开了一种用 于判定生物燃料的劣化的方法。更具体地，通过JP-A-2009-293437中公开的方法，温度计和运动粘度计布置在内燃机的进气管中，并且测量生物燃料的温度和运动粘度。根据JP-A-2009-293437的描述，生物燃料的运动粘度随着其劣化状态而变化，因此，通过利用该原理，可以基于温度和运动粘度来判定燃料的劣化。在使用生物燃料和碳氢化合物燃料的混合燃料或生物燃料作为发动机燃料的内燃机中，劣化燃料的持续使用会导致例如燃料喷射阀的劣化以及沉积物的积聚。因此，期望检测出燃料劣化状态。然而，当如JP-A-2009-293437中所述的技术基于燃料的运动粘度来判定燃料的劣化时，不得不仅为了判定燃料劣化而设置运动粘度计和温度计。结果，燃料劣化判定的成本增加。
发明内容
本发明提供了能够在抑制额外部件数量增加的同时检测燃料特性的燃料特性传感器和燃料特性检测装置。本发明的第一方案涉及一种检测生物燃料和碳氢化合物燃料的混合燃料的燃料特性的传感器。所述传感器设有光发射装置，其布置为将波长为250nm至400nm的光发射到所述混合燃料上；以及光接收装置，其接收由所述混合燃料发射的光并且生成对应于接收到的所述光的输出。具有这种光发射装置和光接收装置的所述传感器能够检测所述混合燃料的所述燃料特性。所述传感器可以进一步包括检测单元，其使所述混合燃料流动；以及一对导光装置，其布置为彼此面对，所述检测单元介于所述一对导光装置之间。所述光发射装置可以布置为与所述一对导光装置中的一个的第一面相接触，并且经由所述一对导光装置中的所述一个将光发射到所述检测单元上，所述第一面位于所述一对导光装置中的所述一个的第二面的反面，并且所述第二面暴露于所述检测单元。所述光接收装置可以布置为与所述一对导光装置中的另一个的第一面相接触，并且布置在来自所述混合燃料的光经由所述一对导光装置中的所述另一个接收到的位置处，所述第一面位于所述一对导光装置中的所述另一个的第二面的反面，并且所述第二面暴露于所述检测单元。所述传感器可以进一步包括检测单元，其使所述混合燃料流动；以及导光装置，其布置为使其部分暴露于所述检测单元。所述光发射装置和所述光接收装置均可以布置在所述导光装置的第一面上，所述第一面位于所述导光装置的第二面的相反侧，并且所述第二面暴露于所述检测单元。所述光发射装置可以布置在经由所述导光装置将光发射到所述检测单元上的位置处；并且所述光接收装置可以布置在经由所述导光装置接收来自所述混合燃料的光的位置处。发射的光和接收到的光能够由所述导光装置可靠地引导。因此，这种构造使得可以更好的精度来检测所述燃料特性。所述光发射装置可以包括发光二极管(LED)。所述光接收装置可以包括光电二极管(PD )。 当LED用作光发射装置或者H)用作光接收装置时，能够减小燃料特性传感器的尺寸。本发明的第二方案涉及一种检测生物燃料和碳氢化合物燃料的混合燃料的燃料特性的燃料特性检测装置。所述检测装置包括光发射装置，当电压施加时，所述光发射装置将波长为250nm至400nm的光发射到所述混合燃料上；电压施加装置，其将预定电压施加至所述光发射装置；光接收装置，其接收在来自所述光发射装置的光的影响下由所述混合燃料发射的光并且生成对应于接收到的所述光的输出；以及检测装置，其根据所述光接收装置的输出来检测所述混合燃料的燃料特性。通过使用以上述方式检测来自混合燃料的光的燃料特性检测装置，可以使用较简单的装置来可靠地检测碳氢化合物浓度或诸如混合燃料的劣化状态的燃料特性。所述检测装置可以根据所述光接收装置的所述输出来检测所述混合燃料的劣化状态。因此，能够根据所述光接收装置的输出来检测混合燃料的劣化状态。结果，能够防止由于劣化的混合燃料的持续使用造成的燃料喷射阀的劣化或沉积物的积聚。所述检测装置可以根据所述光接收装置的所述输出来检测所述混合燃料中的所述碳氢化合物燃料的浓度。所述生物燃料可以包括油酸甲酯或亚油酸甲酯。所述生物燃料可以为使用菜子油、大豆油、棕榈油、椰子油、玉米油和橄榄油中的至少一种油作为原材料的生物燃料。 所述碳氢化合物可以为轻油。所述检测装置可以进一步包括检测单元，其使所述混合燃料流动；以及一对导光装置，其布置为彼此面对，所述检测单元介于所述一对导光装置之间。所述光发射装置可以布置为与所述一对导光装置中的一个的第一面相接触，并且经由所述一对导光装置中的所述一个将光发射到所述检测单元上，所述第一面位于所述一对导光装置中的所述一个的第二面的反面，并且所述第二面暴露于所述检测单元。所述光接收装置可以布置为与所述一对导光装置中的另一个的第一面相接触，并且布置在来自所述混合燃料的光经由所述一对导光装置中的所述另一个接收到的位置处，所述第一面位于所述一对导光装置中的所述另一个的第二面的反面，并且所述第二面暴露于所述检测单元。所述检测装置可以进一步包括检测单元，其使所述混合燃料流动；以及导光装置，其布置为使其部分暴露于所述检测单元。所述光发射装置和所述光接收装置均可以布置在所述导光装置的第一面上，所述第一面位于所述导光装置的第二面的相反侧，并且所述第二面暴露于所述检测单元。所述光发射装置可以布置在经由所述导光装置将光发射到所述检测单元上的位置处；并且所述光接收装置可与布置在经由所述导光装置接收来自所述混合燃料的光的位置处。因此，发射的光和接收到的光能够由所述导光装置可靠地引导。因此，这种构造使得可以更好的精度来检测燃料特性。所述光发射装置可以包括LED。所述光接收装置可以包括H)。
LED用作所述光发射装置，或者H)用作所述光接收装置。结果，能够减小燃料特性传感器的尺寸。依照本发明，所述光发射装置将波长为250nm至400nm的光发射到混合燃料上，所述光接收装置接收由混合燃料发射的光，并且能够输出对应于接收到的光的输出。在此情况下，在接收辐照光时由混合燃料发射的光的强度随着混合燃料中的碳氢化合物的浓度或生物燃料的氧化状态而变化。
通过结合附图对示例性实施例的如下详细描述，本发明的前面的和进一步的目的、特征、优点将变得显而易见，其中相似的标记用于表示相似的元件，并且其中图I为示出根据本发明的实施例I的燃料特性检测装置的构造的示意图；图2示出了在本发明的实施例I中用多种波长的光辐照试样I时获得的每种光的波长;图3示出了在本发明的实施例I中用多种波长的光辐照试样2时获得的每种光的波长;图4示出了在本发明的实施例I中用多种波长的光辐照试样3时获得的每种光的波长;图5示出了在本发明的实施例I中用多种波长的光辐照试样4时获得的每种光的波长;图6提供了在本发明的实施例I中在用波长为250nm的光辐照试样I至试样4的情况下接收到的光的光谱的比较说明；图7提供了在本发明的实施例I中在用波长为350nm的光辐照试样I至试样4的情况下接收到的光的光谱的比较说明；图8示出了在本发明的实施例I中生物燃料的总酸值和由ro生成的输出之间的关系；以及图9是用于对本发明的实施例I中燃料特性检测装置的另一示例进行说明的示意图。
具体实施例方式在附图中，由相同的附图标记表示相同或相应的部件，并且简化或省略对它们的说明。实施例I.图I是用于示出根据本发明的实施例I的燃料特性检测装置的构造的示意图。图I所示的燃料特性检测装置检测生物燃料和碳氢化合物燃料的混合燃料的燃料状态。在实施例I中，针对使用菜子油甲酯(RME)作为生物燃料和使用轻油作为碳氢化合物燃料的混合燃料对燃料特性的检测进行说明。图I所示的燃料特性检测装置具有传感器单元2。传感器单元2具有外壳10，并且检测单元12形成在外壳10的内部。多个孔(图中未示出)形成在外壳10中。传感器单元2布置为使其至少部分暴露于诸如内燃机的进气管或排气管的通道中，作为燃料特性检测的对象的混合燃料在所述通道中流动。结果，混合燃料经由形成在外壳10中的孔流入检测单元12中。
一对导光路径(导光装置)14、16布置为彼此相对以使检测单元12介于它们之间。导光路径14、16安装为使得每个导光路径的一个面暴露于检测单元12。通过相应的密封部件18、20紧密地闭合导光路径14、16。结果，传感器单元2构造为使得混合燃料不会泄漏到检测单元12外部的部分。LED 22布置为与一个导光路径14的位于与暴露于检测单元12的一侧相反的一侧的面相接触。PD 24布置为与另一个导光路径16的位于与暴露于检测单元12的一侧相反的一侧的面相接触。光学元件驱动装置30 (电压施加装置)连接至LED 22和H) 24。光学元件驱动装置30将预定电压施加至LED 22并且检测来自H) 24的电压。信号处理装置32 (检测装置)也连接至光学元件驱动装置30。在上述燃料特性检测装置中通过光学元件驱动装置30将预定电压施加至LED 22的情况下，LED 22发射预定波长的光。发射的光经由导光路径14落到位于检测单元12中的混合燃料上。然后，所述光连同由混合燃料发射的荧光一起通过导光路径16由H) 24接收。在H) 24的端子之间产生与接收到的光强度对应的电压，并且通过光学元件驱动装置30来检测该H) 24的电压以作为ro 24的输出。信号处理装置32具有输入由光学元件驱动装置30检测到的电压值并且响应于输入的电压而检测燃料特性的功能。下面将对燃料特性检测的原理进行说明。图2至图5用于对当用多种波长的光辐照下面所述的试样I至试样4时所获得的光的波形进行说明。作为图2至图5中的检测对象的试样I至试样4如下。试样I (图2):通过混合30%的RME所获得的混合燃料；在该混合燃料中，氧化尚未进行到O. 06的总酸值。试样2 (图3):轻油。试样3 (图 4) :RME。试样4 (图5) =RME含量为30%的混合燃料，除了氧化已经进行到6. 2的总酸值之夕卜，其与图2所示的混合燃料相同。在图2至图5中，针对横坐标绘制由H)检测到的光的波长(nm);针对左侧纵坐标绘制检测到的光的强度(强度/a. u.)，并且在右侧纵坐标上绘制对应于每条波形线发射的光的波长(nmext.)。图2验证了，当用波长为250nm至400nm的光辐照氧化程度不高的试样I的混合燃料时，发射波长在300nm至500nm范围内的荧光。此外，图3验证了，当用波长为250nm至400nm的光福照时试样2的轻油也发射波长在300nm至500nm范围内的突光。图4验证了试样3的RME响应于用波长为250nm至600nm的光进行辐照而不发射波长在等于或小于650nm的波长范围内的荧光。因此，可以假设，仅包含在混合燃料中的轻油响应于用波长为250nm至400nm的光辐照混合燃料而发射荧光。此外，图5表明，在高氧化程度的混合燃料(试样4)的情况下，甚至在用波长为250nm至400nm的光的辐照下也观察到了极小量的发射。因此，在具有相同混合比率的混合燃料(试样I、试样4)中，当氧化程度不高时(图2)，发射荧光，而当氧化引发的劣化程度已经高时，发射的荧光的强度显著下降(图5)。这显然是因为由包含在混合燃料中的轻油发射 的荧光被氧化的生物燃料吸收了。从上面得知，由混合燃料发射的荧光对应于碳氢化合物燃料的量(比率)而变化，并且发射的荧光的吸收量明显随着生物燃料氧化的程度而变化。下面将通过示例的方式对当用两种不同波长的光辐照上述试样I至试样4时检测到的光的光谱进行讨论。图6示出了在用波长为250nm的光对试样I至4的辐照下获得的光的光谱。同样，图7示出了用波长为350nm的光的辐照下获得的光的光谱。在图6和图7中，针对横坐标绘制检测到的光的波长(nm)，并且针对纵坐标绘制检测到的光的强度Ca. u.)。如图6和图7所示，对于任一波长，与混合物中的燃料含有30%RME (试样I)的情况下相比，在100%轻油(试样2)的情况下，发射的荧光的强度较高，并且在含有100%RME的情况下，实际上不发射突光。在试样I的未氧化混合燃料中，在波长为300nm至500nm下检测到比较强的荧光，而当混合燃料的氧化程度已经高(试样4)时，检测到的光的强度相对于未氧化燃料(试样I)的检测到的光的强度显著下降。因此，由混合燃料发射的荧光的强度随着混合燃料中轻油的浓度而变化，并且荧光的吸收量随着生物燃料的氧化程度而变化。换言之，来自混合燃料的由ro 24检测到的光的强度与混合燃料的燃料浓度和生物燃料的氧化状态相关。图8示出了在用预定波长的光辐照具有相同浓度但是具有不同总酸值的混合燃料的情况下检测到的光强度。在图8中，针对横坐标绘制总酸值，并且针对纵坐标绘制对应于光强度的ro的输出值(V)。更具体地，在图8所示的示例中，使用如下构造发射中心波长为365nm且辐照波长为350nm至400nm的紫外线辐射的LED以及在300nm至IOOOnm的波长下灵敏的H)布置在光路长度为Imm的单元中，并且当用LED的光辐照混合燃料时，检测ro的输出。图8验证了 H)的输出随着混合燃料的总酸值的增加而减小。因此，图8确认了混合燃料的总酸值(劣化状态)和光强度之间的相关。因此，例如，在确定了初始阶段混合燃料中的轻油的浓度的情况下，可以通过用ro24检测由混合燃料发射的荧光的强度来检测由于混合燃料的氧化引起的当前劣化状态。在实施例I的信号处理装置32中，对于混合燃料的每个燃料浓度，预先存储在诸如图8所示的用预定波长(250nm至400nm)的光福照的情况下F1D 24的输出和混合燃料的总酸值之间的关系。因此，通过用预定波长的光辐照并且检测H) 24的输出，可以确定与H) 24的输出对应的总酸值。结果，能够判定出混合燃料的劣化状态。还可以考虑荧光强度和混合燃料中的轻油的浓度的相关。因此，在不吸收由生物燃料发射的荧光的状态下，也就是，在混合燃料尚未劣化的初始状态下，可以通过检测荧光的强度来检测混合燃料中的轻油的浓度。在实施例I中，对应于预定波长的ro 24的输出值和混合燃料中的轻油的浓度(或RME浓度)之间的关系被存储在信号处理装置32中。当添加混合燃料时，可以通过检测由掺和的混合燃料发射的荧光的强度来检测添加的混合燃料中的轻油的浓度。如上所述，在本发明的实施例I中，能够对应于ro 24的输出来确定混合燃料的总酸值或掺和的混合燃料中的轻油的浓度。因此，能够可靠地检测出混合燃料的劣化状态，并且能够防止由于随着氧化进行程度使用燃料而发生的沉积物的粘着和燃料喷射装置的腐蚀。此外，当进一步添加混合燃料时，能够检测出混合燃料中的轻油或RME的浓度。因此，能够防止掺和浓度在适合范围外的混合燃料。另外，由于能够用同一装 置检测出燃料的浓度和混合燃料的劣化状态，所以能够简化系统。此外，在实施例I中，对其中混合有轻油和RME的燃料用作混合燃料的情况进行了说明。然而，本发明不限于这种组成并且能够应用于混合有其它碳氢化合物燃料和生物燃料的混合燃料。例如，包含油酸甲酯或亚油酸甲酯的燃料能够用作生物燃料。更具体地，除了作为从菜子油得到的甲酯的RME外，从大豆油得到的甲酯(SME)或通过利用棕榈油、椰子油、玉米油和橄榄油作为原材料而获得的生物燃料也能够用作生物燃料。即使使用其它生物燃料或其它碳氢化合物燃料，当用预定波长的光辐照混合燃料时，混合燃料也发射对应于混合燃料中的碳氢化合物燃料的比率的荧光并且以与轻油和RME的混合燃料相同的方式对应于生物燃料的氧化程度吸收荧光。因此，以与实施例I中说明的情况相同的方式，通过预先以实验法检验对于混合燃料中的碳氢化合物燃料(或生物燃料)的每种浓度在用预定波长的光辐照燃料的情况下PD 24的输出值和总酸值之间的关系并且将该关系存储在信号处理装置32中，能够对应于PD 24的输出来判定燃料的劣化。此外，还能够通过预先检验初始阶段(非氧化状态)混合燃料中的碳氢化合物燃料的浓度和ro 24的输出值之间的关系并且将该关系存储在信号处理装置32中来检测混合燃料的浓度。此外，在实施例I中，对LED 22用作光发射装置以及H) 24用作光接收装置的情况进行了说明。然而，本发明不限于这种构造。因此，可以使用其它光发射装置，只要能够发射波长在适当范围内的光即可。此外，还可以使用除了 ro 24以外的光接收装置，只要这些光接收装置能够接收发射的荧光并且生成与其对应的输出即可。此外，在实施例I中，对LED 22和H) 24布置为彼此相对并且它们之间布置有燃料在其中流动的检测单元12的情况进行了说明。然而，本发明不限于这种构造。图9示出了本发明的实施例I的另一燃料特性检测装置。在图9所示的燃料特性检测装置中，诸如LED和H)的导光单元和传感器单元的布置不同于图I所示的传感器单元2的布置。如图9所示，该燃料特性检测装置的传感器单元50具有位于外壳52内部的检测单兀54。导光路径56布置在检测单兀54处,密封部件58介于导光路径56和检测单兀54之间。导光路径56布置为使其一个面暴露于检测单元54—侧。LED 60和H) 62布置为与位于与导光路径56的上述一个面的一侧相反的一侧的面相接触。在传感器单元50中，用从LED 60发射的光经由导光路径56来辐照位于检测单元54内部的混合燃料。包含由混合燃料发射的荧光的光由导光路径56引导且由H) 62接收。在这种构造中，也能够可靠地检测到由混合燃料发射的光，从而使得可以检测出混合燃料的每种燃料成分的浓度以及混合燃料的总酸值。此外，在本发明中，传感器不限于图I和图9所示的构造， 可以具有不同的构造，只要光能够朝向混合燃料发射并且发射的荧光能够被检测到即可。当在上述实施例中提到与元件数量、数值、定量、范围等相关的数量时,本发明不限于所提到的数量，除非是明确指出或者当原理上本发明由所述数量明确规定时。此外，所述实施例中说明的结构不一定是用于实现本发明目的所必需的，除非是明确指出或者当本发明由所述结构明确规定时。
权利要求
1.一种检测生物燃料和碳氢化合物燃料的混合燃料的燃料特性的传感器，包括 光发射装置，其布置为将波长为250nm至400nm的光发射到所述混合燃料上；以及 光接收装置，其接收由所述混合燃料发射的光并且生成对应于接收到的所述光的输出。
2.根据权利要求I所述的传感器，进一步包括 检测单元，其使所述混合燃料流动，以及 一对导光装置，其布置为彼此面对，所述检测单元介于所述一对导光装置之间，其中所述光发射装置布置为与所述一对导光装置中的一个的第一面相接触，并且经由所述一对导光装置中的所述一个将光发射到所述检测单元上，所述第一面位于所述一对导光装置中的所述一个的第二面的反面，并且所述第二面暴露于所述检测单元，并且 所述光接收装置布置为与所述一对导光装置中的另一个的第一面相接触，并且布置在来自所述混合燃料的光经由所述一对导光装置中的所述另一个接收到的位置处，所述第一面位于所述一对导光装置中的所述另一个的第二面的反面，并且所述第二面暴露于所述检测单元。
3.根据权利要求I所述的传感器，进一步包括 检测单元，其使所述混合燃料流动，以及 导光装置，其布置为使其部分暴露于所述检测单元，其中 所述光发射装置和所述光接收装置均布置在所述导光装置的第一面上，所述第一面位于所述导光装置的第二面的相反侧，并且所述第二面暴露于所述检测单元； 所述光发射装置布置在经由所述导光装置将光发射到所述检测单元上的位置处；并且 所述光接收装置布置在经由所述导光装置接收来自所述混合燃料的光的位置处。
4.根据权利要求I至3中的任一项所述的传感器，其中，所述光发射装置包括LED。
5.根据权利要求I至4中的任一项所述的传感器，其中，所述光接收装置包括H)。
6.一种检测生物燃料和碳氢化合物燃料的混合燃料的燃料特性的燃料特性检测装置，包括 光发射装置，其接收施加的电压并且将波长为250nm至400nm的光发射到所述混合燃料上； 电压施加装置，其将预定电压施加至所述光发射装置； 光接收装置，其接收由所述混合燃料发射的光并且生成对应于接收到的所述光的输出；以及 检测装置，其根据所述光接收装置的所述输出来检测所述混合燃料的燃料特性。
7.根据权利要求6所述的燃料特性检测装置，其中，所述检测装置根据所述光接收装置的所述输出来检测所述混合燃料的劣化状态。
8.根据权利要求6或7所述的燃料特性检测装置，其中，所述检测装置根据所述光接收装置的所述输出来检测所述混合燃料中的所述碳氢化合物燃料的浓度。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的燃料特性检测装置，其中 所述生物燃料包括油酸甲酯或亚油酸甲酯。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的燃料特性检测装置，其中 所述生物燃料为使用菜子油、大豆油、棕榈油、椰子油、玉米油和橄榄油中的至少一种油作为原材料的生物燃料。
11.根据权利要求6至10中的任一项所述的燃料特性检测装置，其中 所述碳氢化合物为轻油。
12.根据权利要求6至11中的任一项所述的燃料特性检测装置，进一步包括 检测单元，其使所述混合燃料流动，以及 一对导光装置，其布置为彼此面对，所述检测单元介于所述一对导光装置之间，其中所述光发射装置布置为与所述一对导光装置中的一个的第一面相接触，并且经由所述一对导光装置中的所述一个将光发射到所述检测单元上，所述第一面位于所述一对导光装置中的所述一个的第二面的反面，并且所述第二面暴露于所述检测单元，并且· 所述光接收装置布置为与所述一对导光装置中的另一个的第一面相接触，并且布置在来自所述混合燃料的光经由所述一对导光装置中的所述另一个接收到的位置处，所述第一面位于所述一对导光装置中的所述另一个的第二面的反面，并且所述第二面暴露于所述检测单元。
13.根据权利要求6至12中的任一项所述的燃料特性检测装置，进一步包括 检测单元，其使所述混合燃料流动，以及 导光装置，其布置为使其部分暴露于所述检测单元，其中 所述光发射装置和所述光接收装置均布置在所述导光装置的第一面上，所述第一面位于所述导光装置的第二面的相反侧，并且所述第二面暴露于所述检测单元； 所述光发射装置布置在经由所述导光装置将光发射到所述检测单元上的位置处；并且 所述光接收装置布置在经由所述导光装置接收来自所述混合燃料的光的位置处。
14.根据权利要求6至13中的任一项所述的燃料特性检测装置，其中，所述光发射装置包括LED。
15.根据权利要求6至14中的任一项所述的燃料特性检测装置，其中，所述光接收装置包括H)。
全文摘要
一种检测生物燃料和碳氢化合物燃料的混合燃料的燃料特性的传感器，包括光发射装置，其将波长为250nm至400nm的光发射到所述混合燃料上；以及光接收装置，其接收在来自所述光发射装置的光的影响下由所述混合燃料发射的光并且生成对应于接收到的所述光的输出。当判定燃料特性时，在混合燃料被由于向光发射装置施加电压生成的具有预定波长的光辐照的情况下，由混合燃料发射的光由光接收装置检测到。混合燃料的燃料特性是根据检测到的光检测到的。
文档编号G01N21/64GK102859353SQ201180019590
公开日2013年1月2日 申请日期2011年4月20日 优先权日2010年4月23日
发明者吉田俊太郎, 天野典保, 若尾和弘, 笹井美江, 青木圭一郎 申请人:丰田自动车株式会社, 株式会社日本自动车部品综合研究所