JP2018062891A - Urea water detection device - Google Patents

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Tadashi Uchiyama
正 内山
藤井 謙治
Kenji Fujii
謙治 藤井
直人 村澤
Naoto Murasawa
直人 村澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an urea water detection device capable of more accurately detecting urea water amount injected by an urea water injection device.SOLUTION: An urea water detection device 30 is applied to an SCR system 1 including: an SCR device 11 disposed in an exhaust passage 10 of an internal combustion engine; and an urea water injection device 12 for injecting urea water to the exhaust passage 10 upstream of the SCR device 11. The urea water detection device includes: a sensor section 31 disposed in the exhaust passage 10 downstream of an injection position of the urea water injection device 12 and having at least one pair of electrode members 31a opposing to each other while sandwiching a hollow region of the exhaust passage 10 in which exhaust gas flows; and a calculation section 32 for calculated urea water amount in exhaust gas on the basis of electrostatic capacitance detected by the sensor section 31.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、尿素水検出装置に関する。   The present invention relates to a urea water detection device.

トラックやバス等の車両等に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のNOxを浄化するための排気ガス浄化システムとして、アンモニア等を還元剤として用いてNOxを窒素と水に還元する選択触媒還元(Selective Catalytic Reduction:以下、「SCR」と称する)システムが知られている。   As an exhaust gas purification system for purifying NOx in exhaust gas of diesel engines mounted on vehicles such as trucks and buses, selective catalytic reduction (reducing NOx to nitrogen and water using ammonia as a reducing agent) Selective Catalytic Reduction (hereinafter referred to as “SCR”) system is known.

SCRシステムは、一般に、尿素水タンクに貯留された尿素水をSCR装置の上流の排気通路に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによってSCR装置内のSCR触媒でNOxを還元するものである。排気通路への尿素水の供給は、一般に、内部にドージングバルブを備えた尿素水噴射装置により行われる。   In general, an SCR system supplies urea water stored in a urea water tank to an exhaust passage upstream of the SCR device, and hydrolyzes urea with the heat of exhaust gas to generate ammonia, which is used in the SCR device. NOx is reduced by the SCR catalyst. The supply of urea water to the exhaust passage is generally performed by a urea water injection device having a dosing valve inside.

ところで、尿素水噴射装置の内部には、尿素水中の成分が結晶化して固着してしまうことが知られている。例えば、尿素水噴射装置が高温になると、尿素水中の成分が結晶化してしまう。そして、結晶化した物体がドージングバルブの弁体等に固着して、排気通路に正常に尿素水を供給することができなくなったり、あるいは結晶化した物体が当該ドージングバルブの弁体とシリンダとの間に挟まり、尿素水の噴射を停止できなくなったりする。このようなことから、尿素水噴射装置の内部には、尿素水噴射装置の状態を検出するためのセンサが配設されたりする(例えば、特許文献1を参照)。   By the way, it is known that components in urea water are crystallized and fixed inside the urea water injection device. For example, when the urea water injection device reaches a high temperature, the components in the urea water are crystallized. Then, the crystallized object adheres to the valve body of the dosing valve and the urea water cannot be normally supplied to the exhaust passage, or the crystallized object does not contact the valve body and the cylinder of the dosing valve. It may be sandwiched between them, and the urea water injection cannot be stopped. For this reason, a sensor for detecting the state of the urea water injection device is disposed inside the urea water injection device (see, for example, Patent Document 1).

特開2006−132442号公報JP 2006-132442 A

しかしながら、特許文献1のような従来技術では、尿素水噴射装置の内部の状態を圧力センサ等により部分的に監視するものであるため、尿素水噴射装置が実際に噴射した尿素水量を検出することができないという問題点があった。   However, in the conventional technology such as Patent Document 1, since the internal state of the urea water injection device is partially monitored by a pressure sensor or the like, the urea water injection device actually detects the amount of urea water injected. There was a problem that could not.

又、尿素水噴射装置が実際に噴射した尿素水量を正確に検出することができれば、当該尿素水噴射装置の故障診断以外にも、当該尿素水噴射装置の状態に応じたキャリブレーションを行うことも可能である。   If the urea water amount actually injected by the urea water injection device can be accurately detected, calibration according to the state of the urea water injection device may be performed in addition to the diagnosis of the urea water injection device. Is possible.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、尿素水噴射装置が噴射した尿素水量をより高精度に検出可能な尿素水検出装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a urea water detection device capable of detecting the amount of urea water injected by the urea water injection device with higher accuracy.

前述した課題を解決する主たる本発明は、内燃機関の排気通路に配設されたSCR装置と、当該SCR装置の上流の前記排気通路に尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、を有するSCRシステムに適用可能な尿素水検出装置であって、前記尿素水噴射装置の噴射位置よりも下流側の排気通路に配設され、当該排気通路の排気ガスが通流する中空領域を挟んで対向する少なくとも一対の電極部材を有するセンサ部と、前記センサ部で検出される静電容量に基づいて、排気ガス中の尿素水量を導出する演算部と、を備える尿素水検出装置である。   The main present invention that solves the above-described problems is an SCR system having an SCR device disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and a urea water injection device that injects urea water into the exhaust passage upstream of the SCR device. A urea water detection device applicable to the above, and is disposed in an exhaust passage downstream of the injection position of the urea water injection device, and at least facing a hollow region through which exhaust gas flows in the exhaust passage. A urea water detection device comprising: a sensor unit having a pair of electrode members; and a calculation unit for deriving an amount of urea water in the exhaust gas based on a capacitance detected by the sensor unit.

本発明に係る尿素水検出装置によれば、より高精度に尿素水噴射装置が噴射した尿素水量を検出することができる。   The urea water detection device according to the present invention can detect the amount of urea water injected by the urea water injection device with higher accuracy.

実施形態に係るSCRシステムの構成の一例を示す図The figure which shows an example of a structure of the SCR system which concerns on embodiment 実施形態に係る尿素水検出装置の構成の一例を示す図The figure which shows an example of a structure of the urea water detection apparatus which concerns on embodiment 実施形態に係る尿素水検出装置のセンサ部の構成を示す分解図The exploded view which shows the structure of the sensor part of the urea water detection apparatus which concerns on embodiment 実施形態に係る尿素水検出装置の動作フローの一例を示す図The figure which shows an example of the operation | movement flow of the urea water detection apparatus which concerns on embodiment センサ部で水分占有率を検出する動作を模式的に示す図The figure which shows typically the operation | movement which detects a moisture occupation rate in a sensor part. 変形例1に係る尿素水検出装置のセンサ部の構成の一例を示す図The figure which shows an example of a structure of the sensor part of the urea water detection apparatus which concerns on the modification 1.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係るSCRシステム1の全体構成の一例を示す図である。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of an SCR system 1 according to the present embodiment.

本実施形態に係るSCRシステム1は、SCR装置11、尿素水噴射装置12、圧送ライン13、サプライポンプ14、尿素水タンク15、DCU(Dosing Control Unit)20、及び尿素水検出装置30を含んで構成される。   The SCR system 1 according to the present embodiment includes an SCR device 11, a urea water injection device 12, a pumping line 13, a supply pump 14, a urea water tank 15, a DCU (Dosing Control Unit) 20, and a urea water detection device 30. Composed.

本実施形態に係るSCRシステム1は、例えば、ディーゼルエンジンに適用され、当該ディーゼルエンジンの排気通路10の酸化触媒とPMフィルタの後段側に設けられる。尚、ディーゼルエンジンに代えて、ガソリンエンジン等にも適用し得るのは勿論である。   The SCR system 1 according to the present embodiment is applied to, for example, a diesel engine, and is provided on the downstream side of the oxidation catalyst and the PM filter of the exhaust passage 10 of the diesel engine. Of course, it can be applied to a gasoline engine or the like instead of the diesel engine.

SCR装置11は、排気通路10の上流側で尿素水噴射装置12に噴射される尿素水を用いて、NOxを窒素と水に還元する。SCR装置11は、SCR触媒として、例えば、Feゼオライト、Cuゼオライト、バナジウム等を内蔵する。尚、SCR触媒として、触媒上で尿素水をアンモニアに変換するとともにNOxを還元する尿素水吸着タイプのものを用いてもよい。   The SCR device 11 reduces NOx to nitrogen and water using urea water injected into the urea water injection device 12 on the upstream side of the exhaust passage 10. The SCR device 11 incorporates, for example, Fe zeolite, Cu zeolite, vanadium, or the like as the SCR catalyst. As the SCR catalyst, a urea water adsorption type catalyst that converts urea water to ammonia and reduces NOx on the catalyst may be used.

尿素水噴射装置12から噴射された尿素水は、排気ガスの高温により加水分解され、アンモニアに変換されてSCR装置11に供給される。そして、アンモニアは、SCR触媒に吸着して、SCR触媒の作用でNOxと反応して、NOxを還元浄化する。   The urea water injected from the urea water injection device 12 is hydrolyzed by the high temperature of the exhaust gas, converted into ammonia, and supplied to the SCR device 11. Ammonia is adsorbed on the SCR catalyst and reacts with NOx by the action of the SCR catalyst to reduce and purify NOx.

尚、尿素水がNOxを還元浄化する化学反応は、典型的には、以下の化学反応式(1)〜(4)のように表される。
CO(NH+HO → 2NH+CO …式(1)
4NO+4NH+O → 4N+6HO …式(2)
6NO+8NH → 7N+12HO …式(3)
NO+NO+2NH→ 2N+3HO …式(4)
The chemical reaction in which urea water reduces and purifies NOx is typically represented by the following chemical reaction formulas (1) to (4).
CO (NH 2 ) 2 + H 2 O → 2NH 3 + CO 2 Formula (1)
4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O Formula (2)
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O Formula (3)
NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O Formula (4)

尿素水噴射装置12は、内蔵するドージングバルブの開度の調整により、排気通路10に所定量の尿素水を噴射する。尚、ドージングバルブの開度の制御は、例えば、DCU20から出力される制御信号によって行われる。   The urea water injection device 12 injects a predetermined amount of urea water into the exhaust passage 10 by adjusting the opening of a built-in dosing valve. The opening degree of the dosing valve is controlled by a control signal output from the DCU 20, for example.

尿素水噴射装置12から噴射される尿素水は、尿素水タンク15に貯留されている。尿素水タンク15に貯留された尿素水は、サプライポンプ14に吸引され圧送ライン13にて尿素水噴射装置12に圧送される。尚、尿素水は、例えば、30%程度の所定の濃度で尿素水タンク15に貯留されている。   The urea water injected from the urea water injection device 12 is stored in the urea water tank 15. The urea water stored in the urea water tank 15 is sucked into the supply pump 14 and pumped to the urea water injector 12 through the pumping line 13. The urea water is stored in the urea water tank 15 at a predetermined concentration of about 30%, for example.

DCU20は、SCRシステム1全体を統括制御する。DCU20は、燃料噴射制御を行う車輌ECU(図示せず)、尿素水検出装置30とデータ通信する。又、DCU20には、排気通路10に配設されたNOxセンサ、流量センサ、温度センサ等の各種センサからの検出信号も入力されている。   The DCU 20 performs overall control of the entire SCR system 1. The DCU 20 performs data communication with a vehicle ECU (not shown) that performs fuel injection control and the urea water detection device 30. The DCU 20 also receives detection signals from various sensors such as a NOx sensor, a flow rate sensor, and a temperature sensor disposed in the exhaust passage 10.

DCU20は、例えば、NOxセンサ、流量センサ、温度センサ等が示す検出値に基づいて、尿素水噴射装置12から噴射するべき尿素水量やタイミングを算出する。そして、DCU20は、サプライポンプ14を駆動させて圧送ライン13における尿素水を規定圧まで高めるとともに、尿素水噴射装置12のドージングバルブを駆動させて算出したタイミングで算出した量の尿素水を噴射させる。   For example, the DCU 20 calculates the amount and timing of urea water to be injected from the urea water injection device 12 based on detection values indicated by a NOx sensor, a flow sensor, a temperature sensor, and the like. Then, the DCU 20 drives the supply pump 14 to increase the urea water in the pumping line 13 to the specified pressure, and also drives the dosing valve of the urea water injection device 12 to inject the amount of urea water calculated at the calculated timing. .

尿素水検出装置30は、尿素水噴射装置12が噴射した尿素水量を検出するべく配設された静電容量式のセンサである。   The urea water detection device 30 is a capacitance type sensor arranged to detect the amount of urea water injected by the urea water injection device 12.

図2は、尿素水検出装置30の構成の一例を示す図である。又、図3は、尿素水検出装置30のセンサ部31の構成を示す分解図である。尚、図2、図3中の矢印は、排気ガスの流通方向を表している。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the urea water detection device 30. FIG. 3 is an exploded view showing the configuration of the sensor unit 31 of the urea water detection device 30. In addition, the arrow in FIG. 2, FIG. 3 represents the distribution direction of exhaust gas.

尿素水検出装置30は、センサ部31と演算ユニット32(演算部に相当)とを備えている。   The urea water detection device 30 includes a sensor unit 31 and a calculation unit 32 (corresponding to a calculation unit).

センサ部31は、中空領域を挟んで対向する少なくとも一対の電極部材31aと、当該電極部材31aを収容するケース31bを含んで構成される。センサ部31は、一対の電極部材31aの中空領域を誘電体とするコンデンサを構成する。一対の電極部材31aの中空領域には排気通路10の排気ガスが通流し、センサ部31は、これにより排気ガスに含まれる尿素水量に応じた静電容量の変化を検出する。   The sensor unit 31 includes at least a pair of electrode members 31a that face each other across a hollow region, and a case 31b that houses the electrode members 31a. The sensor unit 31 constitutes a capacitor having a dielectric in the hollow region of the pair of electrode members 31a. The exhaust gas of the exhaust passage 10 flows through the hollow regions of the pair of electrode members 31a, and the sensor unit 31 thereby detects a change in capacitance according to the amount of urea water contained in the exhaust gas.

センサ部31は、尿素水噴射装置12が尿素水を噴射する位置(以下、「噴射位置」と略称する)よりも下流側で、且つ、SCR装置11の上流側の排気通路10に配設され、排気通路10を構成する排気管の管壁にボルト等により取り付けられている。   The sensor unit 31 is disposed in the exhaust passage 10 on the downstream side of the position where the urea water injection device 12 injects urea water (hereinafter abbreviated as “injection position”) and on the upstream side of the SCR device 11. The exhaust passage 10 is attached to the exhaust pipe wall by bolts or the like.

本実施形態に係る各電極部材31aは、平板形状を呈し、隣接する他の電極部材31aと板面を平行にしてケース31b内に収容されている。又、電極部材31aは、エンジン背圧の増加を回避するため、排気ガスの流通方向に沿って、隣接する他の電極部材31aと対向するように配設されている。   Each electrode member 31a according to the present embodiment has a flat plate shape, and is housed in the case 31b with the other electrode member 31a adjacent to the plate surface parallel to the plate surface. Further, the electrode member 31a is arranged so as to face another adjacent electrode member 31a along the exhaust gas flow direction in order to avoid an increase in engine back pressure.

隣接する電極部材31a同士は、静電容量の検出精度を向上させるべく近接して配設されている。そして、3以上の電極部材31a(図3中では、4つの電極部材31aを示す)が平行に配列されることによって、排気通路10内で広い検出範囲を確保する構成となっている。尚、各電極部材31aは、上記したように、隣接する他の電極部材31aと中空領域を挟んで対向するようにコンデンサを形成しており、それぞれの中空領域にも排気ガスが通流する。このように、センサ部31は、複数のコンデンサをケース31b内に構成する。   Adjacent electrode members 31a are arranged close to each other in order to improve capacitance detection accuracy. Then, three or more electrode members 31a (four electrode members 31a are shown in FIG. 3) are arranged in parallel, thereby ensuring a wide detection range in the exhaust passage 10. As described above, each electrode member 31a forms a capacitor so as to face the other adjacent electrode member 31a across the hollow region, and the exhaust gas flows through each hollow region. Thus, the sensor part 31 comprises a plurality of capacitors in the case 31b.

ケース31bは、排気通路10の上流側と下流側に開口31c、31dを有している。そして、排気ガスは、上流側の開口31cを介してケース31b内に流入し、電極部材31a同士が対向する領域を通過して、下流側の開口31dを介してケース31bから流出する。   The case 31 b has openings 31 c and 31 d on the upstream side and the downstream side of the exhaust passage 10. The exhaust gas flows into the case 31b through the upstream opening 31c, passes through the region where the electrode members 31a face each other, and flows out of the case 31b through the downstream opening 31d.

各電極部材31aは、導電線を介して静電容量検出回路(図示せず)に接続され、これにより隣接する電極部材31aと中空領域により形成されるコンデンサの静電容量(以下、「センサ部31で検出される静電容量」と称する)が検出される。そして、演算ユニット32によって、静電容量から排気ガス中に含まれる水分量が導出され、尿素水噴射装置12が実際に噴射した尿素水量に換算される(詳細は後述)。   Each electrode member 31a is connected to a capacitance detection circuit (not shown) via a conductive wire, and thereby a capacitance of a capacitor formed by the adjacent electrode member 31a and a hollow region (hereinafter referred to as “sensor portion”). Is detected). Then, the arithmetic unit 32 derives the amount of water contained in the exhaust gas from the capacitance, and converts it into the amount of urea water actually injected by the urea water injection device 12 (details will be described later).

演算ユニット32は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、入力ポート、出力ポート等を含んで構成されるマイコンである。又、本実施形態に係る演算ユニット32は、センサ部31の静電容量を検出する静電容量検出回路も内蔵している。   The arithmetic unit 32 is, for example, a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), an input port, an output port, and the like. In addition, the arithmetic unit 32 according to this embodiment also includes a capacitance detection circuit that detects the capacitance of the sensor unit 31.

演算ユニット32は、尿素水量導出部32aと診断部32bとを備えている。   The arithmetic unit 32 includes a urea water amount deriving unit 32a and a diagnosis unit 32b.

尿素水量導出部32aは、センサ部31で検出された静電容量に基づいて、排気ガス中の尿素水量を導出する。そして、尿素水量導出部32aは、センサ部31で検出された静電容量と排気通路10を通流する排気ガスの体積流量に基づいて、尿素水噴射装置12から実際に噴射された尿素水の量を導出する(詳細は後述)。   The urea water amount deriving unit 32 a derives the urea water amount in the exhaust gas based on the capacitance detected by the sensor unit 31. Then, the urea water amount deriving unit 32 a is based on the capacitance detected by the sensor unit 31 and the volume flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 10, and the urea water actually injected from the urea water injection device 12. The quantity is derived (details will be described later).

診断部32bは、尿素水量導出部32aが導出した尿素水量に基づいて、尿素水噴射装置12が故障していないか否かを診断する。診断部32bは、例えば、DCU20が尿素水噴射装置12に対して噴射指示した尿素水量(以下、「噴射量の指令値」と称する)と尿素水噴射装置12が実際に噴射した尿素水量(以下、「噴射量の実際値」と称する)とを比較して、尿素水噴射装置12の故障診断を行う。   The diagnosis unit 32b diagnoses whether or not the urea water injection device 12 has failed based on the urea water amount derived by the urea water amount deriving unit 32a. The diagnosis unit 32b, for example, includes a urea water amount (hereinafter referred to as “injection amount command value”) instructed by the DCU 20 to the urea water injector 12 and a urea water amount actually injected by the urea water injector 12 (hereinafter referred to as “injection amount command value”). , Referred to as “actual value of injection amount”), a failure diagnosis of the urea water injection device 12 is performed.

尿素水量導出部32a、診断部32bは、例えば、CPUがROM、RAM等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。   The urea water amount deriving unit 32a and the diagnosis unit 32b are realized, for example, when the CPU refers to a control program or various data stored in a ROM, a RAM, or the like. However, the function is not limited to processing by software, and can of course be realized by a dedicated hardware circuit.

[尿素水検出装置の動作フロー]
次に、図4〜図5を参照して、本実施形態に係る尿素水検出装置30が、尿素水噴射装置12の故障を診断するための動作フローについて説明する。
[Operation flow of urea water detector]
Next, with reference to FIGS. 4-5, the operation | movement flow for the urea water detection apparatus 30 which concerns on this embodiment to diagnose the failure of the urea water injection apparatus 12 is demonstrated.

図4は、本実施形態に係る尿素水検出装置30の動作フローの一例を示す図である。尚、図4に示す動作フローは、例えば、演算ユニット32がコンピュータプログラムに従って実行するものである。この動作フローは、例えば、尿素水噴射装置12が動作している際、所定間隔(例えば、1秒間隔)で繰り返し実行される。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an operation flow of the urea water detection device 30 according to the present embodiment. Note that the operation flow shown in FIG. 4 is executed by the arithmetic unit 32 according to a computer program, for example. This operation flow is repeatedly executed at a predetermined interval (for example, every one second) when the urea water injection device 12 is operating, for example.

まず、演算ユニット32の尿素水量導出部32aは、例えば、センサ部31で検出された静電容量と排気ガスの体積流量(m3/s)に基づいて、尿素水噴射装置12から実際に噴射された尿素水の量(噴射量の実際値)を導出する(ステップS1)。 First, the urea water amount deriving unit 32a of the arithmetic unit 32 actually injects from the urea water injection device 12 based on the capacitance detected by the sensor unit 31 and the volume flow rate (m 3 / s) of the exhaust gas, for example. The amount of the urea aqueous solution (actual value of the injection amount) is derived (step S1).

図5は、センサ部31で水分占有率を検出する動作を模式的に示す図である。上記したように、センサ部31の各電極部材31a間には、水分(図5中ではWで示す)を含む排気ガスが通流しており、排気ガス中の水分占有率に応じてセンサ部31で検出される静電容量は変化する。この際、内燃機関の燃焼室から排出される水分は、既に水蒸気化しているため、センサ部31で検出される水分は、ほぼ尿素水噴射装置12が噴射した尿素水によるものと想定することができる。又、内燃機関の燃焼室から排出されるPMについても、SCRシステム1の上流側のPMフィルタで除去されるため、静電容量に対して影響を及ぼさない。   FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the operation of detecting the moisture occupancy rate by the sensor unit 31. As described above, the exhaust gas containing moisture (indicated by W in FIG. 5) flows between the electrode members 31a of the sensor unit 31, and the sensor unit 31 corresponds to the moisture occupancy in the exhaust gas. The capacitance detected by changes. At this time, since the water discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine has already been steamed, it can be assumed that the water detected by the sensor unit 31 is substantially due to urea water injected by the urea water injection device 12. it can. Further, the PM discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine is also removed by the PM filter on the upstream side of the SCR system 1, and therefore does not affect the capacitance.

従って、センサ部31で検出された静電容量は、略尿素水噴射装置12が噴射した尿素水成分と略空気の排気ガス成分に基づく。かかる観点から、排気ガス中の尿素水の占有率は、例えば、次式(5)の方程式を演算することで導出することができる。尚、ここでは、排気ガスの比誘電率は空気と同等と仮定して比誘電率εを略1としている。又、水の比誘電率(ε=略80)と尿素の比誘電率(ε=略5)とは大きく異なるため、尿素水の比誘電率は、水と同等と仮定して比誘電率εを略80としている。
80×A+1×(1-A)=B …式(5)
(但し、A: 尿素水占有率(%)、B: センサ部31で検出された静電容量)
Therefore, the capacitance detected by the sensor unit 31 is based on the urea water component injected by the approximately urea water injection device 12 and the exhaust gas component of substantially air. From this point of view, the occupation ratio of urea water in the exhaust gas can be derived, for example, by calculating the equation (5) below. Here, it is assumed that the relative dielectric constant of the exhaust gas is equivalent to that of air, and the relative dielectric constant ε r is approximately 1. Further, since the relative dielectric constant of water (ε r = approximately 80) and the relative dielectric constant of urea (ε r = approximately 5) are significantly different, the relative dielectric constant of urea water is assumed to be equivalent to that of water. The rate ε r is approximately 80.
80 × A + 1 × (1-A) = B (5)
(However, A: urea water occupancy (%), B: capacitance detected by sensor unit 31)

他方、尿素水噴射装置12から実際に噴射された尿素水は、排気通路10内における排気ガスの体積流量(m3/s)に応じて分散する。 On the other hand, the urea water actually injected from the urea water injection device 12 is dispersed according to the volume flow rate (m 3 / s) of the exhaust gas in the exhaust passage 10.

従って、尿素水量導出部32aは、式(5)で求めた尿素水の占有率(%)と排気ガスの体積流量(m3/s)の関係から尿素水量を求めることができる。尿素水量導出部32aは、例えば、吸気通路に配設された流量センサ(図示せず)の検出値に燃料流量を加算することで、排気ガスの体積流量(m3/s)を求める。又、この際、尿素水量導出部32aは、排気通路10に配設された流量センサ(図示せず)の検出値から排気ガスの体積流量(m3/s)を求めてもよい。尚、尿素水量導出部32aは、実際には、予め設定された静電容量と体積流量(m3/s)を変数とし尿素水量を導出値とする演算マップを参照して尿素水量を導出する。 Therefore, the urea water amount deriving unit 32a can obtain the urea water amount from the relationship between the occupation ratio (%) of urea water obtained by the equation (5) and the volume flow rate (m 3 / s) of the exhaust gas. The urea water amount deriving unit 32a obtains the volume flow rate (m 3 / s) of the exhaust gas by adding the fuel flow rate to the detection value of a flow rate sensor (not shown) disposed in the intake passage, for example. At this time, the urea water amount deriving unit 32a may obtain the volume flow rate (m 3 / s) of the exhaust gas from the detection value of a flow rate sensor (not shown) disposed in the exhaust passage 10. Note that the urea water amount deriving unit 32a actually derives the urea water amount with reference to a calculation map using a preset capacitance and volume flow rate (m 3 / s) as variables and the urea water amount as a derived value. .

尚、尿素水量導出部32aは、より詳細な演算方法により、尿素水噴射装置12が噴射した尿素水量を導出してもよい。例えば、上記式(5)において、尿素水量の誘電率は、尿素水の濃度に応じて変更してもよい。又、3以上の電極部材31aを用いる場合、それらの間で検出される静電容量の平均値を用いてもよいし、加算値を用いてもよい。他方、上記で導出した尿素水量に加えて、尿素水噴射装置12の噴射位置からセンサ部31で検出されるまでの間において蒸発した尿素水量を考慮してもよい(変形例2で後述)。   The urea water amount deriving unit 32a may derive the urea water amount injected by the urea water injection device 12 by a more detailed calculation method. For example, in the above formula (5), the dielectric constant of the amount of urea water may be changed according to the concentration of urea water. When three or more electrode members 31a are used, an average value of capacitance detected between them may be used, or an added value may be used. On the other hand, in addition to the urea water amount derived above, the urea water amount evaporated from the injection position of the urea water injection device 12 until it is detected by the sensor unit 31 may be considered (described later in Modification 2).

続く、ステップS2〜S10は、演算ユニット32の診断部32bの処理である。   The subsequent steps S <b> 2 to S <b> 10 are processes of the diagnosis unit 32 b of the arithmetic unit 32.

診断部32bは、まず、DCU20から噴射量の指令値を取得する(ステップS2)。   The diagnosis unit 32b first acquires a command value for the injection amount from the DCU 20 (step S2).

次に、診断部32bは、噴射量の指令値と噴射量の実際値とを比較して、尿素水噴射装置12の噴射量の実際値が指令値よりも相当量下回っていないかを判定する(ステップS3)。換言すると、尿素水噴射装置12の内部のドージングバルブに詰まり等が生じていないかを判定する。   Next, the diagnosis unit 32b compares the command value of the injection amount with the actual value of the injection amount, and determines whether or not the actual value of the injection amount of the urea water injector 12 is considerably less than the command value. (Step S3). In other words, it is determined whether or not the dosing valve inside the urea water injection device 12 is clogged.

ステップS3においては、診断部32bは、噴射量の指令値に対して1未満の所定の減算係数α(例えば、0.8)を積算した値を設定して、噴射量の実際値が当該値を超えたか否かを判定する。そして、診断部32bは、噴射量の実際値が当該値を超えていない場合には(ステップS3:NO)、噴射量の実際値が少な過ぎるため、エラーとしてエラー回数を積算する(ステップS5)。一方、噴射量の実際値が当該値を超えている場合には(ステップS3:YES)、続くステップS4の判定処理を行う。   In step S3, the diagnosis unit 32b sets a value obtained by integrating a predetermined subtraction coefficient α (for example, 0.8) less than 1 with respect to the command value of the injection amount, and the actual value of the injection amount is the value. It is determined whether or not the number is exceeded. When the actual value of the injection amount does not exceed the value (step S3: NO), the diagnosis unit 32b accumulates the number of errors as an error because the actual value of the injection amount is too small (step S5). . On the other hand, when the actual value of the injection amount exceeds the value (step S3: YES), the subsequent determination process of step S4 is performed.

診断部32bは、噴射量の指令値と噴射量の実際値とを比較して、尿素水噴射装置12の噴射量の実際値が指令値よりも相当量上回っていないかを判定する(ステップS4)。換言すると、尿素水噴射装置12の内部のドージングバルブに漏れ等が生じていないかを判定する。   The diagnosis unit 32b compares the command value of the injection amount with the actual value of the injection amount, and determines whether or not the actual value of the injection amount of the urea water injector 12 is considerably higher than the command value (step S4). ). In other words, it is determined whether a leak or the like has occurred in the dosing valve inside the urea water injector 12.

ステップS4においては、診断部32bは、噴射量の指令値に対して1以上の所定の加算係数β(例えば、1.2)を積算した値を設定して、噴射量の実際値が当該値を超えたか否かを判定する。そして、診断部32bは、噴射量の実際値が当該値を超えている場合には(ステップS4:NO)、噴射量の実際値が多過るため、エラーとしてエラー回数を積算する(ステップS8)。一方、噴射量の実際値が当該値を超えていない場合には(ステップS4:YES)、尿素水噴射装置12の故障はないものと判定できるため、一連の処理を終了する。   In step S4, the diagnosis unit 32b sets a value obtained by integrating a predetermined addition coefficient β (for example, 1.2) of 1 or more with respect to the command value of the injection amount, and the actual value of the injection amount is the value. It is determined whether or not the number is exceeded. When the actual value of the injection amount exceeds the value (step S4: NO), the diagnosis unit 32b accumulates the number of errors as an error because the actual value of the injection amount is excessive (step S8). ). On the other hand, when the actual value of the injection amount does not exceed the value (step S4: YES), it can be determined that there is no failure in the urea water injection device 12, and thus the series of processes is terminated.

上記において、噴射量の実際値が少な過ぎるとしてエラー判定がなされた場合(ステップS3:NO、ステップS5)、診断部32bは、エラー回数の積算値が設定値を超えたか否かを判定する(ステップS6)。そして、診断部32bは、エラー回数の積算値が設定値を超えてない場合(ステップS6:NO)、エラー回数を保持した状態で判定処理を繰り返し実行する。又、同様に、上記において、噴射量の実際値が多過ぎるとしてエラー判定がなされた場合(ステップS4:NO、ステップS8)、診断部32bは、エラー回数の積算値が設定値を超えたか否かを判定し(ステップS9)、エラー回数の積算値が設定値を超えてない場合(ステップS9:NO)、エラー回数を保持した状態で判定処理を繰り返し実行する。他方、連続でエラーが検出されない場合には、上記したように一連の処理を終了することになる。尚、ここで、診断部32bがエラー回数を積算して最終的な故障判定を行うのは、排気通路10中を通流する異物等のノイズ成分による誤判定を防止するためである。   In the above, when the error determination is made because the actual value of the injection amount is too small (step S3: NO, step S5), the diagnosis unit 32b determines whether the integrated value of the number of errors exceeds the set value ( Step S6). Then, when the integrated value of the number of errors does not exceed the set value (step S6: NO), the diagnosis unit 32b repeatedly executes the determination process with the number of errors held. Similarly, in the above, when the error determination is made because the actual value of the injection amount is too large (step S4: NO, step S8), the diagnosis unit 32b determines whether the integrated value of the number of errors exceeds the set value. If the accumulated value of the number of errors does not exceed the set value (step S9: NO), the determination process is repeatedly executed with the number of errors held. On the other hand, if no error is detected continuously, the series of processing ends as described above. Here, the reason why the diagnosis unit 32b performs the final failure determination by accumulating the number of errors is to prevent erroneous determination due to noise components such as foreign matters flowing through the exhaust passage 10.

そして、診断部32bは、エラー回数の積算値が設定値を超えた場合(ステップS6:YES、ステップS9:YES)、それぞれ、尿素水噴射装置12の実際の噴射量が少な過ぎる故障状態と判定を確定し(ステップS7)、尿素水噴射装置12の実際の噴射量が多過ぎる故障状態と判定を確定する(ステップS10)。尚、この際、診断部32bは、例えば、DCU20に対して尿素水噴射装置12の停止指令を出力したり、運転者に対して故障状態を知らせるべく報知音声を出力したりしてもよい。   Then, when the integrated value of the number of errors exceeds the set value (step S6: YES, step S9: YES), the diagnosis unit 32b determines that the actual injection amount of the urea water injection device 12 is too small. Is determined (step S7), and the determination is made that the failure state is that the actual injection amount of the urea water injection device 12 is too large (step S10). At this time, for example, the diagnosis unit 32b may output a stop command for the urea water injection device 12 to the DCU 20, or may output a notification sound to notify the driver of the failure state.

以上、本実施形態に係る尿素水検出装置30によれば、排気ガス中に含まれる尿素水量をリアルタイムに検出することができる。特に、この尿素水検出装置30は、センサ部31で検出される静電容量に基づいて尿素水量を導出することから、比較的広範囲に分散する噴射後の尿素水を高精度に検出することができる。   As described above, according to the urea water detection device 30 according to this embodiment, the amount of urea water contained in the exhaust gas can be detected in real time. In particular, since the urea water detection device 30 derives the urea water amount based on the capacitance detected by the sensor unit 31, it can detect the urea water after injection dispersed in a relatively wide range with high accuracy. it can.

これによって、尿素水噴射装置12から実際に噴射された尿素水量を監視することが可能となり、当該尿素水噴射装置12内における尿素成分の固着や尿素水の漏れ等の故障判定を行うことができる。又、これによって、尿素水噴射装置12のキャリブレーションを行うことも可能である。   As a result, the amount of urea water actually injected from the urea water injection device 12 can be monitored, and it is possible to make a failure determination such as sticking of urea components or leakage of urea water in the urea water injection device 12. . This also makes it possible to calibrate the urea water injection device 12.

(変形例1)
変形例1に係る尿素水検出装置30は、センサ部31の構成の点で、上記実施形態と相違する。
(Modification 1)
The urea water detection device 30 according to Modification 1 is different from the above embodiment in the configuration of the sensor unit 31.

図6は、変形例1に係る尿素水検出装置30のセンサ部31の構成の一例を示す図である。尚、図6中の矢印は、排気ガスの流通経路を表している。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of the sensor unit 31 of the urea water detection device 30 according to the first modification. In addition, the arrow in FIG. 6 represents the distribution route of exhaust gas.

変形例1に係る尿素水検出装置30のケース31bは、排気ガスを取り入れる開口31cを排気通路10における排気ガスの流通方向に向けつつ、排気ガスを排出する開口31dを当該流通方向に対して直交する方向に向けるように構成される。   The case 31b of the urea water detection device 30 according to the modified example 1 has the opening 31c for taking in the exhaust gas in the exhaust gas flow direction in the exhaust passage 10 and the opening 31d for discharging the exhaust gas orthogonal to the flow direction. Configured to face in the direction of

又、変形例1に係る尿素水検出装置30のケース31bは、排気ガスを取り入れる開口31cに案内部31eを有している。   Further, the case 31b of the urea water detection device 30 according to the modified example 1 has a guide portion 31e in the opening 31c for taking in the exhaust gas.

ケース31bは、案内部31eによって、排気通路10を流通する排気ガスを流通方向に対して直交する方向に方向転換させ、減速させた排気ガスを内部に取り入れる。又、各電極部材31aは、ケース31b内に取り入れられた排気ガスの流通方向に沿って延在するように配設される。換言すると、各電極部材31aは、排気通路10に通流する排気ガスの流通方向に直交する方向に沿って延在する。   The case 31b changes the direction of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 10 in a direction perpendicular to the flow direction by the guide portion 31e, and takes in the exhaust gas decelerated. Each electrode member 31a is disposed so as to extend along the flow direction of the exhaust gas taken into the case 31b. In other words, each electrode member 31 a extends along a direction orthogonal to the flow direction of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 10.

このような構成にすることによって、センサ部31は、排気ガスを減速させた状態で、静電容量を検出することができるため、静電容量の検出精度を向上させることが可能である。これによって、尿素水検出装置30は、尿素水噴射装置12から噴射された尿素水量をより高精度に検出することができる。   By adopting such a configuration, the sensor unit 31 can detect the capacitance in a state where the exhaust gas is decelerated, so that the detection accuracy of the capacitance can be improved. Thereby, the urea water detection device 30 can detect the amount of urea water injected from the urea water injection device 12 with higher accuracy.

(変形例2)
変形例2に係る尿素水検出装置30は、尿素水量導出部32aによる尿素水量の導出方法の点で、上記実施形態と相違する。
(Modification 2)
The urea water detection device 30 according to the modified example 2 is different from the above-described embodiment in the method of deriving the urea water amount by the urea water amount deriving unit 32a.

変形例2に係る尿素水量導出部32aは、更に、尿素水噴射装置12の噴射位置からセンサ部31で検出されるまでの間において蒸発した尿素水量を加算して、尿素水噴射装置12が噴射した尿素水量を導出する。   The urea water amount deriving unit 32a according to the modification 2 further adds the amount of urea water evaporated from the injection position of the urea water injection device 12 until it is detected by the sensor unit 31, and the urea water injection device 12 injects the urea water amount. The amount of urea water obtained is derived.

尿素水噴射装置12の噴射位置から尿素水検出装置30の検出位置までの間に蒸発した尿素水量は、尿素水噴射装置12の噴射位置から尿素水検出装置30の検出位置までの間に喪失した熱量により求めることができる。   The amount of urea water evaporated between the injection position of the urea water injection device 12 and the detection position of the urea water detection device 30 is lost between the injection position of the urea water injection device 12 and the detection position of the urea water detection device 30. It can be determined by the amount of heat.

より詳細には、尿素水量導出部32aは、尿素水噴射装置12の噴射位置における排気ガスの温度を検出する温度センサ(図示せず)の検出値と、尿素水検出装置30の検出位置における排気ガスの温度を検出する温度センサ(図示せず)の検出値から、上記の喪失した熱量を算出し、尿素水1gが蒸発するために必要な熱エネルギーで除算することによって、尿素水の蒸発量を導出する。   More specifically, the urea water amount deriving unit 32 a detects the detected value of a temperature sensor (not shown) that detects the temperature of the exhaust gas at the injection position of the urea water injection device 12 and the exhaust gas at the detection position of the urea water detection device 30. The amount of urea water evaporated by calculating the lost heat amount from the detection value of a temperature sensor (not shown) that detects the temperature of the gas and dividing by the heat energy required for 1 g of urea water to evaporate. Is derived.

尿素水量導出部32aは、例えば、以下の式(6)を用いて、尿素水の蒸発量を導出する。
Y=(尿素水噴射装置12の噴射位置の熱量A(J)−センサ部31の位置の熱量B(J))
/尿素水1gを蒸発させるために必要なエネルギーX(J) …式(6)
(但し、Y(g):尿素水の蒸発量
A(J):排ガス流量(kg/s)×排ガス比熱(J/Kg/K)×排気ガス温度Ta(K)、
B(J):排ガス流量(kg/s)×排ガス比熱(J/Kg/K)×排気ガス温度Tb(K)、
X(J/g):顕熱(373-T1(K))×4.19J/g/K+蒸発潜熱3257(J/g))
The urea water amount deriving unit 32a derives the evaporation amount of urea water using, for example, the following equation (6).
Y = (amount of heat A (J) at the injection position of the urea water injection device 12−amount of heat B (J) at the position of the sensor unit 31)
/ Energy required to evaporate 1g of urea water X (J) ... Formula (6)
(However, Y (g): Amount of urea water evaporation
A (J): exhaust gas flow rate (kg / s) x exhaust gas specific heat (J / Kg / K) x exhaust gas temperature Ta (K),
B (J): exhaust gas flow rate (kg / s) x exhaust gas specific heat (J / Kg / K) x exhaust gas temperature Tb (K),
X (J / g): Sensible heat (373-T1 (K)) x 4.19 J / g / K + latent heat of vaporization 3257 (J / g))

これによって、尿素水検出装置30は、尿素水噴射装置12から噴射された尿素水量をより高精度に検出することができる。   Thereby, the urea water detection device 30 can detect the amount of urea water injected from the urea water injection device 12 with higher accuracy.

尚、上記では、尿素水量導出部32aが蒸発した尿素水量を導出する際、尿素水噴射装置12の噴射位置における排気ガスの温度を検出する温度センサの検出値と、尿素水検出装置30の検出位置における排気ガスの温度を検出する温度センサの検出値を用いる態様を示した。但し、これらの位置における温度を検出できれば、当該温度センサは、不要である。例えば、尿素水噴射装置12の噴射位置における排気ガスの温度、及び尿素水検出装置30の検出位置における排気ガスの温度は、エンジン回転数やエンジン負荷と密接に関連し、当該エンジン回転数やエンジン負荷から予測することも可能である。そのため、予めこれらの関係を求めておき、尿素水量導出部32aは、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいてこれらの温度を特定してもよい。   In the above description, when the urea water amount deriving unit 32 a derives the evaporated urea water amount, the detection value of the temperature sensor that detects the temperature of the exhaust gas at the injection position of the urea water injection device 12 and the detection of the urea water detection device 30. The aspect using the detected value of the temperature sensor which detects the temperature of the exhaust gas in the position was shown. However, if the temperature at these positions can be detected, the temperature sensor is unnecessary. For example, the temperature of the exhaust gas at the injection position of the urea water injection device 12 and the temperature of the exhaust gas at the detection position of the urea water detection device 30 are closely related to the engine speed and the engine load. It is also possible to predict from the load. Therefore, these relationships may be obtained in advance, and the urea water amount deriving unit 32a may identify these temperatures based on the engine speed and the engine load.

(その他の実施形態)
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be considered.

上記実施形態では、尿素水検出装置30の演算ユニット32の一例として、尿素水量導出部32aと診断部32bの機能が一のコンピュータによって実現されるものとして記載したが、複数のコンピュータによって実現されてもよいのは勿論である。例えば、診断部32の機能は、DCU20の機能として実現されてもよい。他方、尿素水量導出部32aと診断部32bの機能の全部がDCU20に内蔵されてもよい。   In the above embodiment, as an example of the arithmetic unit 32 of the urea water detection device 30, the functions of the urea water amount deriving unit 32 a and the diagnosis unit 32 b are described as being realized by a single computer, but are realized by a plurality of computers. Of course, it is good. For example, the function of the diagnosis unit 32 may be realized as a function of the DCU 20. On the other hand, all of the functions of the urea water amount deriving unit 32a and the diagnosis unit 32b may be incorporated in the DCU 20.

又、上記実施形態では、尿素水検出装置30の構成の一例として、尿素水量導出部32aと診断部32bの処理を一連のフローの中で実行されるものとして示したが、これらの処理の一部が並列で実行されるものとしてもよい。   In the above embodiment, the urea water amount deriving unit 32a and the diagnosis unit 32b are shown as being executed in a series of flows as an example of the configuration of the urea water detection device 30. The units may be executed in parallel.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

本発明に係る尿素水検出装置は、SCRシステムに有用である。   The urea water detection device according to the present invention is useful for an SCR system.

1 SCRシステム
10 排気通路
11 SCR装置
12 尿素水噴射装置
13 圧送ライン
14 サプライポンプ
15 尿素水タンク
20 DCU
30 尿素水検出装置
31 センサ部
32 演算ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 SCR system 10 Exhaust passage 11 SCR apparatus 12 Urea water injection apparatus 13 Pumping line 14 Supply pump 15 Urea water tank 20 DCU
30 Urea water detector 31 Sensor unit 32 Arithmetic unit

Claims (6)

内燃機関の排気通路に配設されたSCR装置と、当該SCR装置の上流の前記排気通路に尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、を有するSCRシステムに適用可能な尿素水検出装置であって、
前記尿素水噴射装置の噴射位置よりも下流側の排気通路に配設され、当該排気通路の排気ガスが通流する中空領域を挟んで対向する少なくとも一対の電極部材を有するセンサ部と、
前記センサ部で検出される静電容量に基づいて、排気ガス中の尿素水量を導出する演算部と、
を備える尿素水検出装置。
A urea water detection device applicable to an SCR system comprising: an SCR device disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine; and a urea water injection device that injects urea water into the exhaust passage upstream of the SCR device. ,
A sensor unit that is disposed in an exhaust passage downstream of the injection position of the urea water injection device and has at least a pair of electrode members facing each other across a hollow region through which exhaust gas flows in the exhaust passage;
Based on the capacitance detected by the sensor unit, a calculation unit for deriving the amount of urea water in the exhaust gas,
A urea water detection device comprising:
前記演算部は、前記センサ部で検出される静電容量と前記排気通路を通流する排気ガスの体積流量とに基づいて、前記尿素水噴射装置が前記排気通路に噴射した尿素水量を導出する、
請求項1に記載の尿素水検出装置。
The calculation unit derives the urea water amount injected into the exhaust passage by the urea water injection device based on the capacitance detected by the sensor unit and the volume flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust passage. ,
The urea water detection device according to claim 1.
前記演算部は、前記尿素水噴射装置が噴射した尿素水量と前記尿素水噴射装置に噴射指令した尿素水量とに基づいて、前記尿素水噴射装置の正常又は異常を診断する、
請求項2に記載の尿素水検出装置。
The arithmetic unit diagnoses the normality or abnormality of the urea water injection device based on the urea water amount injected by the urea water injection device and the urea water amount commanded to be injected to the urea water injection device.
The urea water detection device according to claim 2.
前記センサ部は、前記尿素水噴射装置の噴射位置の下流側、且つ、前記SCR装置の上流側の前記排気通路に配設される、
請求項1乃至3いずれか一項に記載の尿素水検出装置。
The sensor unit is disposed in the exhaust passage on the downstream side of the injection position of the urea water injection device and on the upstream side of the SCR device,
The urea water detection device according to any one of claims 1 to 3.
前記センサ部は、平行に配列した3以上の板状の前記電極部材を有する、
請求項1乃至4いずれか一項に記載の尿素水検出装置。
The sensor unit has three or more plate-like electrode members arranged in parallel.
The urea water detection apparatus as described in any one of Claims 1 thru | or 4.
前記センサ部は、前記電極部材を収容し、前記排気通路を流通する排気ガスを減速して前記電極部材同士が対向する領域に案内するケースを更に有する、
請求項1乃至5いずれか一項に記載の尿素水検出装置。
The sensor unit further includes a case that houses the electrode member, decelerates the exhaust gas flowing through the exhaust passage, and guides it to a region where the electrode members face each other.
The urea water detection device according to any one of claims 1 to 5.
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