液体濃度検出装置
【課題】濃度検出誤差を低減する液体濃度検出装置を提供する。
【解決手段】静電容量検出手段８は燃料の静電容量を検出し、温度検出手段９は燃料温度を検出する。濃度検出手段６７は、静電容量検出手段８の検出した検出静電容量と温度検出手段９の検出した検出温度とにより燃料に含まれるエタノール濃度を検出する。また、静電容量補正手段６５、温度補正手段６６の少なくとも一方は、濃度検出手段６７による濃度検出に先立って、検出静電容量または検出温度を補正する。これにより、燃料温度変化時の実際の温度変化に対する検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性によって生ずる濃度検出誤差を低減することができる。
【解決手段】静電容量検出手段８は燃料の静電容量を検出し、温度検出手段９は燃料温度を検出する。濃度検出手段６７は、静電容量検出手段８の検出した検出静電容量と温度検出手段９の検出した検出温度とにより燃料に含まれるエタノール濃度を検出する。また、静電容量補正手段６５、温度補正手段６６の少なくとも一方は、濃度検出手段６７による濃度検出に先立って、検出静電容量または検出温度を補正する。これにより、燃料温度変化時の実際の温度変化に対する検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性によって生ずる濃度検出誤差を低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量と温度に基づいて被検出液の濃度を検出する液体濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料にエタノール混合ガソリンを使用するエンジンでは、Ａ／Ｆのズレから、燃料中のエタノール濃度を推定し、このエタノール濃度に応じて燃料噴射量および点火時期等を制御することで、排ガスの悪化を抑制するとともに運転性を向上している。しかし、将来的に、厳しくなる排気ガス規制に対応していくために、エタノール濃度を検出する装置が必要になる。
エタノール濃度を検出する装置として、燃料に浸漬させた２つの電極間の静電容量及び燃料温度をパラメータとして検出することで燃料中のエタノール濃度を検出する装置が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−０９３７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のエタノール濃度を検出する装置では、燃料タンクに燃料を給油すると燃料温度が瞬時に変化する場合がある。例えば、夏季に燃料タンク内の燃料温度が４０℃であり、給油する燃料温度が２０℃であるという場合、静電容量の変化については、実際の変化とほぼ同時に検出可能であり、他方、温度変化については、実際の変化に対し検出温度に通常数秒から十数秒の応答遅れが生じる。これは、燃料と温度センサを隔てている部材の板厚を伝熱する時間差、および、温度センサ自体の応答性によるものである。
この応答遅れの間、濃度検出装置は、誤った検出温度に基づきエタノール濃度を検出するため、濃度検出に誤差が生じ、燃料噴射量および点火時期等の制御に影響を及ぼすおそれがある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出温度の応答遅れに起因する濃度検出誤差を低減する液体濃度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、静電容量検手段は被検出液の静電容量を検出静電容量として検出し、温度検出手段は被検出液の温度を検出温度として検出する。濃度検出部は、検出静電容量と検出温度とにより被検出液の濃度を繰り返し検出する。補正手段は、被検出液の実際の温度変化に対する検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性による影響を除去するように、濃度検出手段による濃度の算出に先立って、検出静電容量と検出温度の少なくとも一方を補正する。これにより、検出温度の応答遅れ特性による影響が除去されるため、それに起因する濃度検出誤差を低減することができる。
【０００６】
請求項２に記載の発明によると、静電容量補正手段によって、検出静電容量は、検出温度の応答遅れ特性と同様の応答遅れ特性を有するように補正される。
【０００７】
請求項３に記載の発明によると、静電容量補正手段によって、検出静電容量は、所定期間前から現在までの検出静電容量の平均値に補正される。なお、平均値は、変化時からの時間に対し直線的に変化するため、補正された静電容量を実際の静電容量に早く収束させるのに有効な手段である。
【０００８】
請求項４に記載の発明によると、静電容量補正手段によって、検出静電容量は、検出静電容量と時定数とによって規定される一次遅れ曲線に基づいて算出された値に補正される。なお、一次遅れ曲線は、制御において一般的に使用される方法の一つであり、変化時直後には急激に、時間経過につれて徐々に緩やかに変化するもので、検出温度遅れ特性に近似しているため、それと同様の応答遅れ特性を有するものとして有効な手段である。また、時定数は静電容量検出部の電極の大きさ、構造、材質等の属性によって決定される。
【０００９】
請求項５に記載の発明によると、温度補正手段によって、検出温度は、応答遅れ特性によって生ずる誤差を打ち消すように補正される。
【００１０】
請求項６に記載の発明によると、温度補正手段によって、検出温度は、検出温度と時定数とによって規定される一次遅れの逆特性の曲線に基づいて算出された値に補正される。
なお、一次遅れの逆特性の曲線による補正は、制御において一般的に使用される方法の一つであり、変化時直後にきわめて急激に収束値近傍まで、ほぼステップ状に変化するもので、応答遅れ特性によって生ずる誤差を打ち消すのに有効な手段である。また、時定数は温度検出部の構造、材質等の属性によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の各実施形態による液体濃度検出装置が適用される燃料供給系統を示す構成図である。
【図２】本発明の各実施形態による液体濃度検出装置の断面図である。
【図３】本発明の各実施形態による液体濃度検出装置の回路の構成図である。
【図４】温度、静電容量、エタノール濃度の相関関係を示す特性図である。
【図５】本発明の第１実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す特性図である。
【図６】本発明の第２実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す特性図である。
【図７】本発明の第３実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す特性図である。
【図８】比較例としての液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明による実施形態を図面に基づいて説明する。第１実施形態は請求項３に記載の発明を、第２実施形態は請求項４に記載の発明を、第３実施形態は請求項６に記載の発明の特徴を具現化したものである。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による液体濃度検出装置は、被検出液として燃料に含まれるエタノール濃度を検出するエタノール濃度センサであって、図１に示すように、自動車用エンジンの燃料供給系統に設けられる。エタノール濃度センサ１は、燃料タンク２とデリバリパイプ５とを接続する燃料配管４に設けられている。燃料タンク２内の燃料は、燃料ポンプ３によって燃料配管４を通りデリバリパイプ５へ圧送され、インジェクタ６から図示しない吸気管またはシリンダ内へ噴射される。エタノール濃度センサ１の検出したエタノール濃度は、エンジンのＥＣＵ（電子制御ユニット）７に伝送される。ＥＣＵ７は、エタノール濃度に応じ、インジェクタ６から噴射される燃料噴射量及び点火時期等を制御し、エンジンのトルク特性を適正にすることで、運転性を良好にするとともに排出ガス中の有害成分を低減している。
【００１３】
エタノール濃度センサ１は、図２に示すように、第１ハウジング１０、連結パイプ２０、２１、第１、第２電極３１、３２、サーミスタ４０、第２ハウジング５０、及び回路６０等から構成されている。
第１ハウジング１０は、例えばステンレス等の金属から略筒状に形成され、内部に燃料室１１を有している。第１ハウジング１０の軸方向の両端に、シール部材１２、１３を挟んで連結パイプ２０、２１がねじ結合している。連結パイプ２０、２１は、例えばステンレス等の金属から筒状に形成され、内部に通路２２、２３を有している。連結パイプ２０、２１の軸方向の途中には径外方向に突出する爪２４、２５が設けられている。連結パイプ２０、２１は、この爪２４、２５に接続する図示しないコネクタを経由し、燃料配管４と連結する。これにより、連結パイプ２０、２１の通路２２、２３、及び第１ハウジング１０の燃料室１１に燃料が供給される。
【００１４】
第１電極３１は、例えばステンレス等の金属から略円筒状に形成され、第１ハウジング１０の径方向に形成された開口１４から、第１ハウジング１０の燃料室１１に挿入されている。第２電極３２は、例えばステンレス等の金属から有底筒状に形成され、第１電極３１の径内側の空間３５に収容されている。第１電極３１の径内方向の内壁と、第２電極３２の径外方向の外壁とは、ガラスシール３６によって固定されている。ガラスシール３６は、第１電極３１と第２電極３２とを電気的に絶縁している。
第１電極３１は、径方向に通じる燃料孔３３、３４を有している。このため、第１ハウジング１０の燃料室１１から燃料孔３３、３４を経由し、第１電極３１と第２電極３２との間の空間３５に燃料が流入する。これにより、第１電極３１及び第２電極３２は、燃料を誘電体としたコンデンサとして機能する。
【００１５】
温度検出手段としてのサーミスタ４０は、温度変化によって電気抵抗を変える温度検出素子である。サーミスタ４０は、第２電極３２の径内側に収容され、第２電極３２の底部の内壁に当接している。このため、第１電極３１と第２電極３２との間の空間３５の燃料の温度は、第２電極３２の板厚を経由し、サーミスタ４０に熱伝導する。なお、第２電極３２の底部の内壁とサーミスタ４０との間に放熱グリス等の熱伝導部材を充填してもよい。
【００１６】
第２ハウジング５０は、例えば樹脂等から有底筒状に形成され、底部５１が第１ハウジング１０の径外方向の外壁に固定され、第１ハウジング１０の開口１４を塞いでいる。
第２ハウジング５０と第１ハウジング１０との間には、環状のパッキン５２及び板状の弾性部材５３が挟まれている。パッキン５２は、第２ハウジング５０と第１ハウジング１０との間に外部から水等が浸入することを防止している。弾性部材５３は、第１電極３１を第１ハウジング１０へ押し付けている。
第２ハウジング５０の開口部には、板状の蓋５４が設けられ、第２ハウジング５０の内側へ外部から水等が浸入することを防止している。蓋５４は、第２ハウジング５０の径外方向に突出する係止部５５に係止された板状のスプリング５６によって固定されている。
第２ハウジング５０の底部５１には収容孔５７が設けられ、第２電極３２の端部を収容している。
【００１７】
回路６０は、プリント配線板に設けられた複数の電子部品から構成され、第２ハウジング５０の内側に収容されている。回路６０と第１電極３１とを第１導電体３７が接続し、回路６０と第２電極３２とを第２導電体３８が接続している。また、回路６０とサーミスタ４０とを第３、第４導電体４１、４２が接続している。
【００１８】
回路６０は、図３に示すように、静電容量検出回路６１、温度検出回路６２、マイクロコンピュータ６３、出力回路６４等から構成されている。
静電容量検出回路６１は、第１電極３１と第２電極３２との間の充放電により、静電容量を検出する。温度検出回路６２は、サーミスタ４０への通電により、第１電極３１と第２電極３２との間の燃料温度を検出する。
ここで、第１、第２電極３１、３２、静電容量検出回路６１及び第１、第２導電体３７、３８により、静電容量検出手段８が構成される。また、サーミスタ４０、温度検出回路６２及び第３、第４導電体４１、４２により温度検出手段９が構成される。
【００１９】
マイクロコンピュータ６３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成され、ＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することで、静電容量補正手段６５、濃度検出手段６７として機能する。
濃度検出手段６７は、静電容量検出手段８の検出した静電容量と、温度検出手段９の検出した燃料温度とにより燃料に含まれるエタノール濃度を検出する。これは、図４に示すように、一定のエタノール濃度において燃料の温度と静電容量とが相関関係を有し、また、一定の温度において燃料のエタノール濃度と静電容量とが相関関係を有することに基づく。具体的には、燃料温度として想定するのに十分な−２０℃から８０℃の領域で、一定のエタノール濃度において燃料温度が高くなるに従い静電容量は小さくなり、また、一定の温度においてエタノール濃度が高くなるに従い静電容量は大きくなる。
【００２０】
静電容量補正手段６５は、濃度検出手段６７による濃度の検出に先立って、それぞれ、静電容量検出手段８の検出した静電容量、温度検出手段９の検出した燃料温度を補正する。このような補正手段は、一般にフィルタ処理と呼ばれる。補正の目的、具体的な補正値算出方法については以下に詳しく説明する。
また、出力回路６４は、濃度検出部の検出したエタノール濃度をＥＣＵ７に伝送する。
【００２１】
ところで、燃料温度が瞬時に変化する場合がある。例えば、燃料タンク２内の燃料より温度が高く、エタノール濃度が同等である燃料を燃料タンク２に給油する場合を想定する。給油された燃料は、燃料タンク２から燃料配管４を通ってエタノール濃度センサ１の燃料室１１に拡散され、燃料室１１内の燃料温度が上昇し、静電容量が減少する。この場合、静電容量の変化については、実際の変化とほぼ同時に検出可能である。もっとも、厳密には０．１秒以下の遅れは生ずると考えられるが、実質的に無視してかまわない。それに対し、温度変化については、実際の変化に対し検出温度に通常数秒から十数秒の応答遅れが生じる。これは、燃料とサーミスタ４０を隔てている第２電極３２の板厚を伝熱する時間差、および、サーミスタ４０自体の応答性によるものである。
【００２２】
ここで、本発明の第１実施形態の説明についての理解を容易にするため、比較例を挙げて説明する。
図８は、比較例としての液体濃度検出装置、すなわち補正手段を用いない場合の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す。
横軸は時間軸であり、ｔ０は変化が生じた時刻である。
縦軸において、Ｔ０は変化前の温度、Ｔ１は変化後の温度である。Ｑ０は変化前の静電容量、Ｑ１は変化後の静電容量である。このとき、エタノール濃度Ｃ０は変化していないものとする。また、温度Ｔ１と温度Ｔ０の差を温度差ΔＴ、静電容量Ｑ１と静電容量Ｑ０の差を静電容量差ΔＱとする。
実際の温度Ｔｒ、実際の静電容量Ｑｒ、実際のエタノール濃度Ｃｒの変化を実線で示す。なお、燃料の拡散による微少の遅れは無視し、ステップ状に変化するものとして扱う。
【００２３】
温度検出手段９の検出した検出温度Ｔｄを破線で示す。温度Ｔ０から温度Ｔ１への変化について、検出温度Ｔｄは実際の温度Ｔｒに対し応答遅れ特性を持つ。検出温度Ｔｄが温度Ｔ１に一致する時刻、言い換えれば、検出温度Ｔｄが実際の温度Ｔｒに収束する時刻をｔ１とする。ここで「一致する」とは、温度検出手段９の最小検出能力によって実現される温度範囲に基づき、±２℃、±１℃、±０．５℃などの温度範囲に入ることを意味する。
また、検出温度Ｔｄは、時刻ｔ０以前及び時刻ｔ１以後は定常状態、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間では過渡状態であるということができる。過渡状態の初期の任意の時刻をｔａ、過渡状態の中期の任意の時刻をｔｂ、過渡状態の終期の任意の時刻をｔｃとする。
【００２４】
一方、静電容量検出手段８の検出した検出静電容量Ｑｄは、実際の静電容量Ｑｒに対し遅れを生じないため、検出静電容量Ｑｄを示す線は実際の静電容量Ｑｒを示す実線に一致する。
濃度検出手段６７は、静電容量検出手段８の検出した検出静電容量Ｑｄと、温度検出手段９の検出した検出温度Ｔｄとにより燃料に含まれるエタノール濃度を検出濃度Ｃｄ０として検出する。検出濃度Ｃｄ０は、破線に示すように、検出温度Ｔｄの応答遅れ特性を反映して同様の遅れ特性を持つことになる。すなわち、検出温度Ｔｄが実際の温度Ｔｒに対して低温側に誤差を有するため、検出濃度Ｃｄ０は実際の濃度Ｃｒに対して低濃度側に誤差を伴って検出される。
過渡状態の段階に応じてさらに詳しく説明すると、時刻ｔ０から時刻ｔａでは、検出温度Ｔｄと実際の温度Ｔｒの差が大きく、検出濃度Ｃｄ０と実際の濃度Ｃｒの差も大きい。次に時刻ｔｂ付近では、検出温度Ｔｄと実際の温度Ｔｒの差は小さくなり、検出濃度Ｃｄ０と実際の濃度Ｃｒの差も小さくなる。時刻ｔｃ付近では、検出温度Ｔｄが実際の温度Ｔｒに漸近し、検出濃度Ｃｄ０も実際の濃度Ｃｒに漸近する。そして時刻ｔ１において、検出温度Ｔｄが実際の温度Ｔｒに一致し、検出濃度Ｃｄ０も実際の濃度Ｃｒに一致する。
【００２５】
次に、図５は、本発明の第１実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す。
静電容量補正手段６５は、濃度検出手段６７による濃度の検出に先立って、静電容量検出手段８の検出した静電容量Ｑｄを補正し、補正静電容量Ｑｆ１として繰り返し算出する。補正静電容量Ｑｆ１は、所定時間ｍ遡った時刻から現在までの検出静電容量Ｑｄの平均値である。
補正静電容量Ｑｆ１を一点鎖線で示す。時刻ｔ０以前、検出静電容量Ｑｄは定常状態であり、常に静電容量Ｑ０であるので、補正静電容量Ｑｆ１は静電容量Ｑ０に等しい。つまり、理論上は補正ゼロの値が補正静電容量Ｑｆ１として算出されるため、みかけ上、補正動作が行われない。
時刻ｔ０から時刻（ｔ０＋ｍ）までの期間では、
Ｑｆ１＝｛（時間ｍ遡った時刻から時刻ｔ０までの時間）×Ｑ０＋（時刻ｔ０から現在までの時間）×Ｑ１｝／ｍ ・・・（式１）
により、検出静電容量Ｑｄの平均値が補正静電容量Ｑｆ１として算出される。すなわち、補正静電容量Ｑｆ１は時間につれて静電容量Ｑ０から静電容量Ｑ１まで直線的に減少する。これにより、温度の応答遅れ特性に対応して、静電容量にも応答遅れ特性を与えることができる。
時刻（ｔ０＋ｍ）以後は、時間ｍ遡った時刻から現在までの検出静電容量Ｑｄは常に静電容量Ｑ１であるので、補正静電容量Ｑｆ１は静電容量Ｑ１に等しい。よって、再び、みかけ上、補正動作が行われない状態となる。
【００２６】
ここで所定時間ｍは任意に設定することが可能だが、図５に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの６０〜７０％程度の時間に設定する場合を例にとり説明する。
濃度検出手段６７は、補正静電容量Ｑｆ１と検出温度Ｔｄとにより、エタノール濃度を検出濃度Ｃｄ１として繰り返し検出する。検出濃度Ｃｄ１を一点鎖線で示す。
時刻ｔ０から時刻ｔａでは、検出温度Ｔｄの遅れ特性よりも、補正静電容量Ｑｆ１に与えられた遅れ特性の方が大きくなる傾向がある。そのため、温度上昇による濃度増加効果が、静電容量減少による濃度減少効果を上回り、検出濃度Ｃｄ１は実際の濃度Ｃｒの高濃度側に誤差を生ずる。しかし、その絶対値は、補正手段を用いない場合の検出濃度Ｃｄ０の誤差に比べて小さい。
続いて時刻ｔｂ付近では、検出温度Ｔｄの遅れ特性と、補正静電容量Ｑｆ１に与えられた遅れ特性が同程度になるため、検出濃度Ｃｄ１は実際の濃度Ｃｒとほぼ等しくなる。
さらに時刻ｔｃから時刻ｔ１では、補正静電容量Ｑｆ１が実際の静電容量Ｑｒに収束した後、みかけ上の補正動作は行われないため、図８と同様、検出濃度Ｃｄ１は実際の濃度Ｃｒの低濃度側で実際の濃度Ｃｒに漸近し、一致する。
【００２７】
このように、第１実施形態の液体濃度検出装置を用いることにより、検出濃度誤差を低減することができる。また、第１実施形態による補正では、時刻ｔ０から所定時間ｍ後に確実に補正静電容量Ｑｆ１が実際の静電容量Ｑｒに収束し、みかけの補正動作が終了することが特徴である。したがって、制御において、動作の終了を確実に認知できるという効果がある。
【００２８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による液体濃度検出装置は、第１実施形態による液体濃度検出装置に対し、補正値の算出方法が異なる。図６は、本発明の第２実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す。
静電容量補正手段６５は、濃度検出手段６７による濃度の検出に先立って、静電容量検出手段８の検出した静電容量Ｑｄを補正し、補正静電容量Ｑｆ２として繰り返し算出する。補正静電容量Ｑｆ２は、静電容量Ｑｄの変化である静電容量差ΔＱと時定数τＱとによって規定される一次遅れ曲線に基づいて算出された値である。
参考までに時刻ｔの関数としての計算式を示す。なお、式中ｅは自然体数の底である。
Ｑｆ２（ｔ）＝Ｑ０−ΔＱ｛１−ｅ-t/τQ｝ ・・・（式２）
【００２９】
補正静電容量Ｑｆ２を一点鎖線で示す。時刻ｔ０以前、検出静電容量Ｑｄは定常状態であり、静電容量差ΔＱが０であるので、一次遅れ曲線はゼロ一定の直線にほかならない。つまり、理論上は補正ゼロの値が補正静電容量Ｑｆ２として算出されるため、みかけ上、補正動作が行われない。
時刻ｔ０の瞬間、より正確には検出静電容量Ｑｄを微少時間検出後、静電容量補正手段６５は、静電容量Ｑ０と静電容量Ｑ１とにより静電容量差ΔＱを認知する。そして、静電容量差ΔＱと時定数τＱから一次遅れ曲線を算出し補正静電容量Ｑｆ２を算出する。一次遅れ曲線は、制御において一般的に使用される方法の一つであるが、時刻ｔ０直後には急激に、時間経過につれて徐々に緩やかに変化するものである。これにより、温度の応答遅れ特性に対応して、静電容量に同様の応答遅れ特性を与えることができる。なお、時定数τＱは静電容量検出部の電極の大きさ、構造、材質等の属性によって決定される。
【００３０】
濃度検出手段６７は、補正静電容量Ｑｆ２と検出温度Ｔｄとにより、エタノール濃度を検出濃度Ｃｄ２として繰り返し検出する。検出濃度Ｃｄ２を一点鎖線で示す。
検出温度Ｔｄの応答遅れ特性は一次遅れ系の現象であると解析されるため、補正静電容量Ｑｆ２に検出温度Ｔｄと同様の一次遅れ特性を与えることにより、理論上、検出濃度Ｃｄ２の誤差は解消されるはずである。しかし実際には、温度伝達や検出手段の測定誤差などにより、検出温度Ｔｄが理想的な一次遅れ曲線からはずれる場合があり、その誤差が検出濃度Ｃｄ２の誤差として残る可能性が考えられる。
図６には、便宜上、検出濃度Ｃｄ２を実際の濃度Ｃｒの低濃度側にわずかな誤差を生ずるよう図示したが、高濃度側に誤差を生ずる場合もありえる。いずれにせよ、図６は検出濃度Ｃｄ２の誤差が非常に小さいことを表現するものである。
【００３１】
このように、第２実施形態の液体濃度検出装置を用いることによっても、検出濃度誤差を低減することができる。また、第２実施形態による補正では、検出温度Ｔｄが理想的な一次遅れ特性を有するならば、検出濃度Ｃｄ２は、よい精度で誤差を低減することができるという効果を奏する。
【００３２】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による液体濃度検出装置は、検出静電容量ではなく、検出温度を補正する。図７は、本発明の第３実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す。
図３に破線で示す温度補正手段６６は、第１、第２実施形態の静電容量補正手段６５に代わり、濃度検出手段６７による濃度の検出に先立って、温度検出手段９の検出した検出温度Ｔｄを補正し、補正温度Ｔｆ３として繰り返し算出する。補正温度Ｔｆ３は、検出温度Ｔｄの変化から推定される温度差ΔＴと時定数τＴとによって規定される一次遅れの逆特性の曲線に基づいて算出された値である。なお、逆特性とは、ある入力に対する出力が一次遅れ曲線として与えられた場合の、元の入力の曲線のことである。
【００３３】
補正温度Ｔｆ３を一点鎖線で示す。時刻ｔ０以前、検出温度Ｔｄは定常状態であり、温度差ΔＴが０であるので、一次遅れ曲線はゼロ一定の直線にほかならない。よって、一次遅れの逆特性の曲線もまた、ゼロ一定の直線である。つまり、理論上は補正ゼロの値が補正温度Ｔｆ３として算出されるため、みかけ上、補正動作が行われない。
時刻ｔ０の瞬間、より正確には検出温度Ｔｄを微少時間検出後、温度補正手段６６は、検出温度Ｔｄの変化を認知し、温度差ΔＴを推定する。そして、温度差ΔＴと時定数τＴから一次遅れの逆特性の曲線を算出する。一次遅れの逆特性の曲線による補正は、制御において一般的に使用される方法の一つであるが、時刻ｔ０直後にきわめて急激に温度Ｔ１の近傍まで、ほぼステップ状に変化するものである。これにより、温度の応答遅れ特性によって生ずる誤差を有効に打ち消すことができる。なお、時定数τＴは温度検出部の構造、材質等の属性によって決定される。
【００３４】
濃度検出手段６７は、検出静電容量Ｑｄと補正温度Ｔｆ３とにより、エタノール濃度を検出濃度Ｃｄ３として繰り返し検出する。検出濃度Ｃｄ３を一点鎖線で示す。
検出温度Ｔｄの応答遅れ特性は一次遅れ系の現象であると解析されるため、その逆特性である補正温度Ｔｆ３は、理論上、ステップ状に変化する実際の温度Ｔｒに一致するはずである。しかし実際には、検出温度Ｔｄの初期変化の検出能力、検出誤差などに基づき、補正温度Ｔｆ３に誤差が生じる。特に、初期変化に対しては小さな誤差が大きく変換され、ノイズによる影響も受けやすい。そのため、検出濃度Ｃｄ３は過渡状態初期には誤差が生じやすい。ただし、その後は、検出濃度Ｃｄ３の誤差はきわめて小さいことが期待される。
【００３５】
このように、第３実施形態の液体濃度検出装置を用いることによっても、検出濃度誤差を低減することができる。また、第３実施形態による補正では、検出温度Ｔｄが理想的な一次遅れ特性を有し、かつ、検出温度Ｔｄの初期変化に対する検出能力が十分高ければ、検出濃度Ｃｄ３は、きわめてよい精度で誤差を低減することができるという効果を奏する。
【００３６】
（他の実施形態）
上述した複数の実施形態では、自動車用エンジンの燃料供給系統に適用され、燃料に含まれるエタノール濃度を検出する液体濃度検出装置について説明した。これに対し、本発明の液体濃度検出装置は、同様に、温度、静電容量、濃度の相関関係を有する液体であれば、エタノール以外の被検出液の濃度を検出するものであってもよく、自動車用エンジンの燃料供給系統以外に適用されるものであってもよい。
上述した複数の実施形態では、燃料温度の変化と同時にエタノール濃度は変化しない場合について説明したが、エタノール濃度が同時に変化する場合であってもよい。また、変化後の温度Ｔ１が変化前の温度Ｔ０より高温の場合について説明したが、変化後の温度Ｔ１が変化前の温度Ｔ０より低温の場合であってもよい。
【００３７】
上述した複数の実施形態では、静電容量補正手段あるいは温度補正手段のいずれか一方を用いることにより、濃度検出誤差を低減するものであったが、これらの両方を用いるものであってもよい。
静電容量補正手段によって検出静電容量を補正する場合、実施形態１及び実施形態２の算出方法に限定されず、検出温度の応答遅れ特性と同様の応答遅れ特性を検出静電容量に与えるようにする他の算出方法であってもよい。
温度補正手段によって検出温度を補正する場合、実施形態３の算出方法に限定されず、検出温度の応答遅れ特性によって生ずる誤差を打ち消すようにする他の算出方法であってもよい。
【００３８】
上述した複数の実施形態では、静電容量補正手段または温度補正手段は、定常状態でもゼロ補正の値を繰り返し算出するものとして説明した。しかし、定常状態では補正動作を停止し、何らかの信号をトリガーとして入力した時のみ、補正動作を行うものであってもよい。
以上説明したように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１：エタノール濃度センサ（液体濃度検出装置）
８：静電容量検出手段、９：温度検出手段、６３：マイクロコンピュータ
６５：静電容量補正手段、６６：温度補正手段、６７：濃度検出手段
Ｑｄ：検出静電容量、Ｑｆ１、Ｑｆ２：補正静電容量
Ｔｄ：検出温度、Ｔｆ３：補正温度
Ｃｄ０、Ｃｄ１、Ｃｄ２、Ｃｄ３：検出濃度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量と温度に基づいて被検出液の濃度を検出する液体濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料にエタノール混合ガソリンを使用するエンジンでは、Ａ／Ｆのズレから、燃料中のエタノール濃度を推定し、このエタノール濃度に応じて燃料噴射量および点火時期等を制御することで、排ガスの悪化を抑制するとともに運転性を向上している。しかし、将来的に、厳しくなる排気ガス規制に対応していくために、エタノール濃度を検出する装置が必要になる。
エタノール濃度を検出する装置として、燃料に浸漬させた２つの電極間の静電容量及び燃料温度をパラメータとして検出することで燃料中のエタノール濃度を検出する装置が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−０９３７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のエタノール濃度を検出する装置では、燃料タンクに燃料を給油すると燃料温度が瞬時に変化する場合がある。例えば、夏季に燃料タンク内の燃料温度が４０℃であり、給油する燃料温度が２０℃であるという場合、静電容量の変化については、実際の変化とほぼ同時に検出可能であり、他方、温度変化については、実際の変化に対し検出温度に通常数秒から十数秒の応答遅れが生じる。これは、燃料と温度センサを隔てている部材の板厚を伝熱する時間差、および、温度センサ自体の応答性によるものである。
この応答遅れの間、濃度検出装置は、誤った検出温度に基づきエタノール濃度を検出するため、濃度検出に誤差が生じ、燃料噴射量および点火時期等の制御に影響を及ぼすおそれがある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出温度の応答遅れに起因する濃度検出誤差を低減する液体濃度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、静電容量検手段は被検出液の静電容量を検出静電容量として検出し、温度検出手段は被検出液の温度を検出温度として検出する。濃度検出部は、検出静電容量と検出温度とにより被検出液の濃度を繰り返し検出する。補正手段は、被検出液の実際の温度変化に対する検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性による影響を除去するように、濃度検出手段による濃度の算出に先立って、検出静電容量と検出温度の少なくとも一方を補正する。これにより、検出温度の応答遅れ特性による影響が除去されるため、それに起因する濃度検出誤差を低減することができる。
【０００６】
請求項２に記載の発明によると、静電容量補正手段によって、検出静電容量は、検出温度の応答遅れ特性と同様の応答遅れ特性を有するように補正される。
【０００７】
請求項３に記載の発明によると、静電容量補正手段によって、検出静電容量は、所定期間前から現在までの検出静電容量の平均値に補正される。なお、平均値は、変化時からの時間に対し直線的に変化するため、補正された静電容量を実際の静電容量に早く収束させるのに有効な手段である。
【０００８】
請求項４に記載の発明によると、静電容量補正手段によって、検出静電容量は、検出静電容量と時定数とによって規定される一次遅れ曲線に基づいて算出された値に補正される。なお、一次遅れ曲線は、制御において一般的に使用される方法の一つであり、変化時直後には急激に、時間経過につれて徐々に緩やかに変化するもので、検出温度遅れ特性に近似しているため、それと同様の応答遅れ特性を有するものとして有効な手段である。また、時定数は静電容量検出部の電極の大きさ、構造、材質等の属性によって決定される。
【０００９】
請求項５に記載の発明によると、温度補正手段によって、検出温度は、応答遅れ特性によって生ずる誤差を打ち消すように補正される。
【００１０】
請求項６に記載の発明によると、温度補正手段によって、検出温度は、検出温度と時定数とによって規定される一次遅れの逆特性の曲線に基づいて算出された値に補正される。
なお、一次遅れの逆特性の曲線による補正は、制御において一般的に使用される方法の一つであり、変化時直後にきわめて急激に収束値近傍まで、ほぼステップ状に変化するもので、応答遅れ特性によって生ずる誤差を打ち消すのに有効な手段である。また、時定数は温度検出部の構造、材質等の属性によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の各実施形態による液体濃度検出装置が適用される燃料供給系統を示す構成図である。
【図２】本発明の各実施形態による液体濃度検出装置の断面図である。
【図３】本発明の各実施形態による液体濃度検出装置の回路の構成図である。
【図４】温度、静電容量、エタノール濃度の相関関係を示す特性図である。
【図５】本発明の第１実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す特性図である。
【図６】本発明の第２実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す特性図である。
【図７】本発明の第３実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す特性図である。
【図８】比較例としての液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明による実施形態を図面に基づいて説明する。第１実施形態は請求項３に記載の発明を、第２実施形態は請求項４に記載の発明を、第３実施形態は請求項６に記載の発明の特徴を具現化したものである。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による液体濃度検出装置は、被検出液として燃料に含まれるエタノール濃度を検出するエタノール濃度センサであって、図１に示すように、自動車用エンジンの燃料供給系統に設けられる。エタノール濃度センサ１は、燃料タンク２とデリバリパイプ５とを接続する燃料配管４に設けられている。燃料タンク２内の燃料は、燃料ポンプ３によって燃料配管４を通りデリバリパイプ５へ圧送され、インジェクタ６から図示しない吸気管またはシリンダ内へ噴射される。エタノール濃度センサ１の検出したエタノール濃度は、エンジンのＥＣＵ（電子制御ユニット）７に伝送される。ＥＣＵ７は、エタノール濃度に応じ、インジェクタ６から噴射される燃料噴射量及び点火時期等を制御し、エンジンのトルク特性を適正にすることで、運転性を良好にするとともに排出ガス中の有害成分を低減している。
【００１３】
エタノール濃度センサ１は、図２に示すように、第１ハウジング１０、連結パイプ２０、２１、第１、第２電極３１、３２、サーミスタ４０、第２ハウジング５０、及び回路６０等から構成されている。
第１ハウジング１０は、例えばステンレス等の金属から略筒状に形成され、内部に燃料室１１を有している。第１ハウジング１０の軸方向の両端に、シール部材１２、１３を挟んで連結パイプ２０、２１がねじ結合している。連結パイプ２０、２１は、例えばステンレス等の金属から筒状に形成され、内部に通路２２、２３を有している。連結パイプ２０、２１の軸方向の途中には径外方向に突出する爪２４、２５が設けられている。連結パイプ２０、２１は、この爪２４、２５に接続する図示しないコネクタを経由し、燃料配管４と連結する。これにより、連結パイプ２０、２１の通路２２、２３、及び第１ハウジング１０の燃料室１１に燃料が供給される。
【００１４】
第１電極３１は、例えばステンレス等の金属から略円筒状に形成され、第１ハウジング１０の径方向に形成された開口１４から、第１ハウジング１０の燃料室１１に挿入されている。第２電極３２は、例えばステンレス等の金属から有底筒状に形成され、第１電極３１の径内側の空間３５に収容されている。第１電極３１の径内方向の内壁と、第２電極３２の径外方向の外壁とは、ガラスシール３６によって固定されている。ガラスシール３６は、第１電極３１と第２電極３２とを電気的に絶縁している。
第１電極３１は、径方向に通じる燃料孔３３、３４を有している。このため、第１ハウジング１０の燃料室１１から燃料孔３３、３４を経由し、第１電極３１と第２電極３２との間の空間３５に燃料が流入する。これにより、第１電極３１及び第２電極３２は、燃料を誘電体としたコンデンサとして機能する。
【００１５】
温度検出手段としてのサーミスタ４０は、温度変化によって電気抵抗を変える温度検出素子である。サーミスタ４０は、第２電極３２の径内側に収容され、第２電極３２の底部の内壁に当接している。このため、第１電極３１と第２電極３２との間の空間３５の燃料の温度は、第２電極３２の板厚を経由し、サーミスタ４０に熱伝導する。なお、第２電極３２の底部の内壁とサーミスタ４０との間に放熱グリス等の熱伝導部材を充填してもよい。
【００１６】
第２ハウジング５０は、例えば樹脂等から有底筒状に形成され、底部５１が第１ハウジング１０の径外方向の外壁に固定され、第１ハウジング１０の開口１４を塞いでいる。
第２ハウジング５０と第１ハウジング１０との間には、環状のパッキン５２及び板状の弾性部材５３が挟まれている。パッキン５２は、第２ハウジング５０と第１ハウジング１０との間に外部から水等が浸入することを防止している。弾性部材５３は、第１電極３１を第１ハウジング１０へ押し付けている。
第２ハウジング５０の開口部には、板状の蓋５４が設けられ、第２ハウジング５０の内側へ外部から水等が浸入することを防止している。蓋５４は、第２ハウジング５０の径外方向に突出する係止部５５に係止された板状のスプリング５６によって固定されている。
第２ハウジング５０の底部５１には収容孔５７が設けられ、第２電極３２の端部を収容している。
【００１７】
回路６０は、プリント配線板に設けられた複数の電子部品から構成され、第２ハウジング５０の内側に収容されている。回路６０と第１電極３１とを第１導電体３７が接続し、回路６０と第２電極３２とを第２導電体３８が接続している。また、回路６０とサーミスタ４０とを第３、第４導電体４１、４２が接続している。
【００１８】
回路６０は、図３に示すように、静電容量検出回路６１、温度検出回路６２、マイクロコンピュータ６３、出力回路６４等から構成されている。
静電容量検出回路６１は、第１電極３１と第２電極３２との間の充放電により、静電容量を検出する。温度検出回路６２は、サーミスタ４０への通電により、第１電極３１と第２電極３２との間の燃料温度を検出する。
ここで、第１、第２電極３１、３２、静電容量検出回路６１及び第１、第２導電体３７、３８により、静電容量検出手段８が構成される。また、サーミスタ４０、温度検出回路６２及び第３、第４導電体４１、４２により温度検出手段９が構成される。
【００１９】
マイクロコンピュータ６３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成され、ＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することで、静電容量補正手段６５、濃度検出手段６７として機能する。
濃度検出手段６７は、静電容量検出手段８の検出した静電容量と、温度検出手段９の検出した燃料温度とにより燃料に含まれるエタノール濃度を検出する。これは、図４に示すように、一定のエタノール濃度において燃料の温度と静電容量とが相関関係を有し、また、一定の温度において燃料のエタノール濃度と静電容量とが相関関係を有することに基づく。具体的には、燃料温度として想定するのに十分な−２０℃から８０℃の領域で、一定のエタノール濃度において燃料温度が高くなるに従い静電容量は小さくなり、また、一定の温度においてエタノール濃度が高くなるに従い静電容量は大きくなる。
【００２０】
静電容量補正手段６５は、濃度検出手段６７による濃度の検出に先立って、それぞれ、静電容量検出手段８の検出した静電容量、温度検出手段９の検出した燃料温度を補正する。このような補正手段は、一般にフィルタ処理と呼ばれる。補正の目的、具体的な補正値算出方法については以下に詳しく説明する。
また、出力回路６４は、濃度検出部の検出したエタノール濃度をＥＣＵ７に伝送する。
【００２１】
ところで、燃料温度が瞬時に変化する場合がある。例えば、燃料タンク２内の燃料より温度が高く、エタノール濃度が同等である燃料を燃料タンク２に給油する場合を想定する。給油された燃料は、燃料タンク２から燃料配管４を通ってエタノール濃度センサ１の燃料室１１に拡散され、燃料室１１内の燃料温度が上昇し、静電容量が減少する。この場合、静電容量の変化については、実際の変化とほぼ同時に検出可能である。もっとも、厳密には０．１秒以下の遅れは生ずると考えられるが、実質的に無視してかまわない。それに対し、温度変化については、実際の変化に対し検出温度に通常数秒から十数秒の応答遅れが生じる。これは、燃料とサーミスタ４０を隔てている第２電極３２の板厚を伝熱する時間差、および、サーミスタ４０自体の応答性によるものである。
【００２２】
ここで、本発明の第１実施形態の説明についての理解を容易にするため、比較例を挙げて説明する。
図８は、比較例としての液体濃度検出装置、すなわち補正手段を用いない場合の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す。
横軸は時間軸であり、ｔ０は変化が生じた時刻である。
縦軸において、Ｔ０は変化前の温度、Ｔ１は変化後の温度である。Ｑ０は変化前の静電容量、Ｑ１は変化後の静電容量である。このとき、エタノール濃度Ｃ０は変化していないものとする。また、温度Ｔ１と温度Ｔ０の差を温度差ΔＴ、静電容量Ｑ１と静電容量Ｑ０の差を静電容量差ΔＱとする。
実際の温度Ｔｒ、実際の静電容量Ｑｒ、実際のエタノール濃度Ｃｒの変化を実線で示す。なお、燃料の拡散による微少の遅れは無視し、ステップ状に変化するものとして扱う。
【００２３】
温度検出手段９の検出した検出温度Ｔｄを破線で示す。温度Ｔ０から温度Ｔ１への変化について、検出温度Ｔｄは実際の温度Ｔｒに対し応答遅れ特性を持つ。検出温度Ｔｄが温度Ｔ１に一致する時刻、言い換えれば、検出温度Ｔｄが実際の温度Ｔｒに収束する時刻をｔ１とする。ここで「一致する」とは、温度検出手段９の最小検出能力によって実現される温度範囲に基づき、±２℃、±１℃、±０．５℃などの温度範囲に入ることを意味する。
また、検出温度Ｔｄは、時刻ｔ０以前及び時刻ｔ１以後は定常状態、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間では過渡状態であるということができる。過渡状態の初期の任意の時刻をｔａ、過渡状態の中期の任意の時刻をｔｂ、過渡状態の終期の任意の時刻をｔｃとする。
【００２４】
一方、静電容量検出手段８の検出した検出静電容量Ｑｄは、実際の静電容量Ｑｒに対し遅れを生じないため、検出静電容量Ｑｄを示す線は実際の静電容量Ｑｒを示す実線に一致する。
濃度検出手段６７は、静電容量検出手段８の検出した検出静電容量Ｑｄと、温度検出手段９の検出した検出温度Ｔｄとにより燃料に含まれるエタノール濃度を検出濃度Ｃｄ０として検出する。検出濃度Ｃｄ０は、破線に示すように、検出温度Ｔｄの応答遅れ特性を反映して同様の遅れ特性を持つことになる。すなわち、検出温度Ｔｄが実際の温度Ｔｒに対して低温側に誤差を有するため、検出濃度Ｃｄ０は実際の濃度Ｃｒに対して低濃度側に誤差を伴って検出される。
過渡状態の段階に応じてさらに詳しく説明すると、時刻ｔ０から時刻ｔａでは、検出温度Ｔｄと実際の温度Ｔｒの差が大きく、検出濃度Ｃｄ０と実際の濃度Ｃｒの差も大きい。次に時刻ｔｂ付近では、検出温度Ｔｄと実際の温度Ｔｒの差は小さくなり、検出濃度Ｃｄ０と実際の濃度Ｃｒの差も小さくなる。時刻ｔｃ付近では、検出温度Ｔｄが実際の温度Ｔｒに漸近し、検出濃度Ｃｄ０も実際の濃度Ｃｒに漸近する。そして時刻ｔ１において、検出温度Ｔｄが実際の温度Ｔｒに一致し、検出濃度Ｃｄ０も実際の濃度Ｃｒに一致する。
【００２５】
次に、図５は、本発明の第１実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す。
静電容量補正手段６５は、濃度検出手段６７による濃度の検出に先立って、静電容量検出手段８の検出した静電容量Ｑｄを補正し、補正静電容量Ｑｆ１として繰り返し算出する。補正静電容量Ｑｆ１は、所定時間ｍ遡った時刻から現在までの検出静電容量Ｑｄの平均値である。
補正静電容量Ｑｆ１を一点鎖線で示す。時刻ｔ０以前、検出静電容量Ｑｄは定常状態であり、常に静電容量Ｑ０であるので、補正静電容量Ｑｆ１は静電容量Ｑ０に等しい。つまり、理論上は補正ゼロの値が補正静電容量Ｑｆ１として算出されるため、みかけ上、補正動作が行われない。
時刻ｔ０から時刻（ｔ０＋ｍ）までの期間では、
Ｑｆ１＝｛（時間ｍ遡った時刻から時刻ｔ０までの時間）×Ｑ０＋（時刻ｔ０から現在までの時間）×Ｑ１｝／ｍ ・・・（式１）
により、検出静電容量Ｑｄの平均値が補正静電容量Ｑｆ１として算出される。すなわち、補正静電容量Ｑｆ１は時間につれて静電容量Ｑ０から静電容量Ｑ１まで直線的に減少する。これにより、温度の応答遅れ特性に対応して、静電容量にも応答遅れ特性を与えることができる。
時刻（ｔ０＋ｍ）以後は、時間ｍ遡った時刻から現在までの検出静電容量Ｑｄは常に静電容量Ｑ１であるので、補正静電容量Ｑｆ１は静電容量Ｑ１に等しい。よって、再び、みかけ上、補正動作が行われない状態となる。
【００２６】
ここで所定時間ｍは任意に設定することが可能だが、図５に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの６０〜７０％程度の時間に設定する場合を例にとり説明する。
濃度検出手段６７は、補正静電容量Ｑｆ１と検出温度Ｔｄとにより、エタノール濃度を検出濃度Ｃｄ１として繰り返し検出する。検出濃度Ｃｄ１を一点鎖線で示す。
時刻ｔ０から時刻ｔａでは、検出温度Ｔｄの遅れ特性よりも、補正静電容量Ｑｆ１に与えられた遅れ特性の方が大きくなる傾向がある。そのため、温度上昇による濃度増加効果が、静電容量減少による濃度減少効果を上回り、検出濃度Ｃｄ１は実際の濃度Ｃｒの高濃度側に誤差を生ずる。しかし、その絶対値は、補正手段を用いない場合の検出濃度Ｃｄ０の誤差に比べて小さい。
続いて時刻ｔｂ付近では、検出温度Ｔｄの遅れ特性と、補正静電容量Ｑｆ１に与えられた遅れ特性が同程度になるため、検出濃度Ｃｄ１は実際の濃度Ｃｒとほぼ等しくなる。
さらに時刻ｔｃから時刻ｔ１では、補正静電容量Ｑｆ１が実際の静電容量Ｑｒに収束した後、みかけ上の補正動作は行われないため、図８と同様、検出濃度Ｃｄ１は実際の濃度Ｃｒの低濃度側で実際の濃度Ｃｒに漸近し、一致する。
【００２７】
このように、第１実施形態の液体濃度検出装置を用いることにより、検出濃度誤差を低減することができる。また、第１実施形態による補正では、時刻ｔ０から所定時間ｍ後に確実に補正静電容量Ｑｆ１が実際の静電容量Ｑｒに収束し、みかけの補正動作が終了することが特徴である。したがって、制御において、動作の終了を確実に認知できるという効果がある。
【００２８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による液体濃度検出装置は、第１実施形態による液体濃度検出装置に対し、補正値の算出方法が異なる。図６は、本発明の第２実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す。
静電容量補正手段６５は、濃度検出手段６７による濃度の検出に先立って、静電容量検出手段８の検出した静電容量Ｑｄを補正し、補正静電容量Ｑｆ２として繰り返し算出する。補正静電容量Ｑｆ２は、静電容量Ｑｄの変化である静電容量差ΔＱと時定数τＱとによって規定される一次遅れ曲線に基づいて算出された値である。
参考までに時刻ｔの関数としての計算式を示す。なお、式中ｅは自然体数の底である。
Ｑｆ２（ｔ）＝Ｑ０−ΔＱ｛１−ｅ-t/τQ｝ ・・・（式２）
【００２９】
補正静電容量Ｑｆ２を一点鎖線で示す。時刻ｔ０以前、検出静電容量Ｑｄは定常状態であり、静電容量差ΔＱが０であるので、一次遅れ曲線はゼロ一定の直線にほかならない。つまり、理論上は補正ゼロの値が補正静電容量Ｑｆ２として算出されるため、みかけ上、補正動作が行われない。
時刻ｔ０の瞬間、より正確には検出静電容量Ｑｄを微少時間検出後、静電容量補正手段６５は、静電容量Ｑ０と静電容量Ｑ１とにより静電容量差ΔＱを認知する。そして、静電容量差ΔＱと時定数τＱから一次遅れ曲線を算出し補正静電容量Ｑｆ２を算出する。一次遅れ曲線は、制御において一般的に使用される方法の一つであるが、時刻ｔ０直後には急激に、時間経過につれて徐々に緩やかに変化するものである。これにより、温度の応答遅れ特性に対応して、静電容量に同様の応答遅れ特性を与えることができる。なお、時定数τＱは静電容量検出部の電極の大きさ、構造、材質等の属性によって決定される。
【００３０】
濃度検出手段６７は、補正静電容量Ｑｆ２と検出温度Ｔｄとにより、エタノール濃度を検出濃度Ｃｄ２として繰り返し検出する。検出濃度Ｃｄ２を一点鎖線で示す。
検出温度Ｔｄの応答遅れ特性は一次遅れ系の現象であると解析されるため、補正静電容量Ｑｆ２に検出温度Ｔｄと同様の一次遅れ特性を与えることにより、理論上、検出濃度Ｃｄ２の誤差は解消されるはずである。しかし実際には、温度伝達や検出手段の測定誤差などにより、検出温度Ｔｄが理想的な一次遅れ曲線からはずれる場合があり、その誤差が検出濃度Ｃｄ２の誤差として残る可能性が考えられる。
図６には、便宜上、検出濃度Ｃｄ２を実際の濃度Ｃｒの低濃度側にわずかな誤差を生ずるよう図示したが、高濃度側に誤差を生ずる場合もありえる。いずれにせよ、図６は検出濃度Ｃｄ２の誤差が非常に小さいことを表現するものである。
【００３１】
このように、第２実施形態の液体濃度検出装置を用いることによっても、検出濃度誤差を低減することができる。また、第２実施形態による補正では、検出温度Ｔｄが理想的な一次遅れ特性を有するならば、検出濃度Ｃｄ２は、よい精度で誤差を低減することができるという効果を奏する。
【００３２】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による液体濃度検出装置は、検出静電容量ではなく、検出温度を補正する。図７は、本発明の第３実施形態による液体濃度検出装置の燃料温度変化時の温度、静電容量、エタノール濃度の変化を示す。
図３に破線で示す温度補正手段６６は、第１、第２実施形態の静電容量補正手段６５に代わり、濃度検出手段６７による濃度の検出に先立って、温度検出手段９の検出した検出温度Ｔｄを補正し、補正温度Ｔｆ３として繰り返し算出する。補正温度Ｔｆ３は、検出温度Ｔｄの変化から推定される温度差ΔＴと時定数τＴとによって規定される一次遅れの逆特性の曲線に基づいて算出された値である。なお、逆特性とは、ある入力に対する出力が一次遅れ曲線として与えられた場合の、元の入力の曲線のことである。
【００３３】
補正温度Ｔｆ３を一点鎖線で示す。時刻ｔ０以前、検出温度Ｔｄは定常状態であり、温度差ΔＴが０であるので、一次遅れ曲線はゼロ一定の直線にほかならない。よって、一次遅れの逆特性の曲線もまた、ゼロ一定の直線である。つまり、理論上は補正ゼロの値が補正温度Ｔｆ３として算出されるため、みかけ上、補正動作が行われない。
時刻ｔ０の瞬間、より正確には検出温度Ｔｄを微少時間検出後、温度補正手段６６は、検出温度Ｔｄの変化を認知し、温度差ΔＴを推定する。そして、温度差ΔＴと時定数τＴから一次遅れの逆特性の曲線を算出する。一次遅れの逆特性の曲線による補正は、制御において一般的に使用される方法の一つであるが、時刻ｔ０直後にきわめて急激に温度Ｔ１の近傍まで、ほぼステップ状に変化するものである。これにより、温度の応答遅れ特性によって生ずる誤差を有効に打ち消すことができる。なお、時定数τＴは温度検出部の構造、材質等の属性によって決定される。
【００３４】
濃度検出手段６７は、検出静電容量Ｑｄと補正温度Ｔｆ３とにより、エタノール濃度を検出濃度Ｃｄ３として繰り返し検出する。検出濃度Ｃｄ３を一点鎖線で示す。
検出温度Ｔｄの応答遅れ特性は一次遅れ系の現象であると解析されるため、その逆特性である補正温度Ｔｆ３は、理論上、ステップ状に変化する実際の温度Ｔｒに一致するはずである。しかし実際には、検出温度Ｔｄの初期変化の検出能力、検出誤差などに基づき、補正温度Ｔｆ３に誤差が生じる。特に、初期変化に対しては小さな誤差が大きく変換され、ノイズによる影響も受けやすい。そのため、検出濃度Ｃｄ３は過渡状態初期には誤差が生じやすい。ただし、その後は、検出濃度Ｃｄ３の誤差はきわめて小さいことが期待される。
【００３５】
このように、第３実施形態の液体濃度検出装置を用いることによっても、検出濃度誤差を低減することができる。また、第３実施形態による補正では、検出温度Ｔｄが理想的な一次遅れ特性を有し、かつ、検出温度Ｔｄの初期変化に対する検出能力が十分高ければ、検出濃度Ｃｄ３は、きわめてよい精度で誤差を低減することができるという効果を奏する。
【００３６】
（他の実施形態）
上述した複数の実施形態では、自動車用エンジンの燃料供給系統に適用され、燃料に含まれるエタノール濃度を検出する液体濃度検出装置について説明した。これに対し、本発明の液体濃度検出装置は、同様に、温度、静電容量、濃度の相関関係を有する液体であれば、エタノール以外の被検出液の濃度を検出するものであってもよく、自動車用エンジンの燃料供給系統以外に適用されるものであってもよい。
上述した複数の実施形態では、燃料温度の変化と同時にエタノール濃度は変化しない場合について説明したが、エタノール濃度が同時に変化する場合であってもよい。また、変化後の温度Ｔ１が変化前の温度Ｔ０より高温の場合について説明したが、変化後の温度Ｔ１が変化前の温度Ｔ０より低温の場合であってもよい。
【００３７】
上述した複数の実施形態では、静電容量補正手段あるいは温度補正手段のいずれか一方を用いることにより、濃度検出誤差を低減するものであったが、これらの両方を用いるものであってもよい。
静電容量補正手段によって検出静電容量を補正する場合、実施形態１及び実施形態２の算出方法に限定されず、検出温度の応答遅れ特性と同様の応答遅れ特性を検出静電容量に与えるようにする他の算出方法であってもよい。
温度補正手段によって検出温度を補正する場合、実施形態３の算出方法に限定されず、検出温度の応答遅れ特性によって生ずる誤差を打ち消すようにする他の算出方法であってもよい。
【００３８】
上述した複数の実施形態では、静電容量補正手段または温度補正手段は、定常状態でもゼロ補正の値を繰り返し算出するものとして説明した。しかし、定常状態では補正動作を停止し、何らかの信号をトリガーとして入力した時のみ、補正動作を行うものであってもよい。
以上説明したように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１：エタノール濃度センサ（液体濃度検出装置）
８：静電容量検出手段、９：温度検出手段、６３：マイクロコンピュータ
６５：静電容量補正手段、６６：温度補正手段、６７：濃度検出手段
Ｑｄ：検出静電容量、Ｑｆ１、Ｑｆ２：補正静電容量
Ｔｄ：検出温度、Ｔｆ３：補正温度
Ｃｄ０、Ｃｄ１、Ｃｄ２、Ｃｄ３：検出濃度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
濃度の検出対象となる被検出液の静電容量を検出静電容量として検出する静電容量検出手段と、
前記被検出液の温度を検出温度として検出する温度検出手段と、
前記検出静電容量及び前記検出温度に基づき、前記被検出液の濃度を繰り返し検出する濃度検出手段と、
前記被検出液の実際の温度変化に対する前記検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性による影響を除去するように、前記濃度検出手段による濃度の検出に先立って、前記検出静電容量及び前記検出温度の少なくとも一方を補正可能な補正手段と、
を備えていることを特徴とする液体濃度検出装置。
【請求項２】
濃度の検出対象となる被検出液の静電容量を検出静電容量として検出する静電容量検出手段と、
前記被検出液の温度を検出温度として検出する温度検出手段と、
前記検出静電容量及び前記検出温度に基づき、前記被検出液の濃度を繰り返し検出する濃度検出手段と、
前記被検出液の実際の温度変化に対する前記検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性と同様の応答遅れ特性を与えるように、前記濃度検出手段による濃度の検出に先立って、前記検出静電容量を補正可能な静電容量補正手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液体濃度検出装置。
【請求項３】
前記静電容量補正手段によって補正された前記検出静電容量は、所定期間前から現在までの前記検出静電容量の平均値であることを特徴とする請求項２に記載の液体濃度検出装置。
【請求項４】
前記静電容量補正手段によって補正された前記検出静電容量は、前記検出静電容量と時定数とによって規定される一次遅れ曲線に基づいて算出された値であることを特徴とする請求項２に記載の液体濃度検出装置。
【請求項５】
濃度の検出対象となる被検出液の静電容量を検出静電容量として検出する静電容量検出手段と、
前記被検出液の温度を検出温度として検出する温度検出手段と、
前記検出静電容量及び前記検出温度に基づき、前記被検出液の濃度を繰り返し検出する濃度検出手段と、
前記被検出液の実際の温度変化に対する前記検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性によって生ずる誤差を打ち消すように、前記濃度検出手段による濃度の検出に先立って、前記検出温度を補正可能な温度補正手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液体濃度検出装置。
【請求項６】
前記温度補正手段によって補正された前記検出温度は、前記検出温度と時定数とによって規定される一次遅れの逆特性の曲線に基づいて算出された値であることを特徴とする請求項５に記載の液体濃度検出装置。
【請求項１】
濃度の検出対象となる被検出液の静電容量を検出静電容量として検出する静電容量検出手段と、
前記被検出液の温度を検出温度として検出する温度検出手段と、
前記検出静電容量及び前記検出温度に基づき、前記被検出液の濃度を繰り返し検出する濃度検出手段と、
前記被検出液の実際の温度変化に対する前記検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性による影響を除去するように、前記濃度検出手段による濃度の検出に先立って、前記検出静電容量及び前記検出温度の少なくとも一方を補正可能な補正手段と、
を備えていることを特徴とする液体濃度検出装置。
【請求項２】
濃度の検出対象となる被検出液の静電容量を検出静電容量として検出する静電容量検出手段と、
前記被検出液の温度を検出温度として検出する温度検出手段と、
前記検出静電容量及び前記検出温度に基づき、前記被検出液の濃度を繰り返し検出する濃度検出手段と、
前記被検出液の実際の温度変化に対する前記検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性と同様の応答遅れ特性を与えるように、前記濃度検出手段による濃度の検出に先立って、前記検出静電容量を補正可能な静電容量補正手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液体濃度検出装置。
【請求項３】
前記静電容量補正手段によって補正された前記検出静電容量は、所定期間前から現在までの前記検出静電容量の平均値であることを特徴とする請求項２に記載の液体濃度検出装置。
【請求項４】
前記静電容量補正手段によって補正された前記検出静電容量は、前記検出静電容量と時定数とによって規定される一次遅れ曲線に基づいて算出された値であることを特徴とする請求項２に記載の液体濃度検出装置。
【請求項５】
濃度の検出対象となる被検出液の静電容量を検出静電容量として検出する静電容量検出手段と、
前記被検出液の温度を検出温度として検出する温度検出手段と、
前記検出静電容量及び前記検出温度に基づき、前記被検出液の濃度を繰り返し検出する濃度検出手段と、
前記被検出液の実際の温度変化に対する前記検出温度の変化の遅れである応答遅れ特性によって生ずる誤差を打ち消すように、前記濃度検出手段による濃度の検出に先立って、前記検出温度を補正可能な温度補正手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液体濃度検出装置。
【請求項６】
前記温度補正手段によって補正された前記検出温度は、前記検出温度と時定数とによって規定される一次遅れの逆特性の曲線に基づいて算出された値であることを特徴とする請求項５に記載の液体濃度検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−５８９７１（Ｐ２０１１−５８９７１Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０９４７５（Ｐ２００９−２０９４７５）
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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