CN108474285A - 用于控制将冷却剂输送至车辆中的热交换器的冷却系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于控制将冷却剂输送至车辆(1)中的热交换器(18)的冷却系统的方法。在当冷却系统中的恒温器(6)处于部分打开位置时的操作条件期间,该方法包括以下步骤:‑估算热交换器(18)中的介质的期望冷却温度(T),‑计算通过散热器(7b)的冷却剂流率和通过散热器旁路管线(9)的冷却剂流率‑计算热交换器(18)中的介质被冷却到期望温度(T)10处的冷却剂流率和冷却剂温度(t3)组合,‑调节流量调整机构(23),使得冷却剂在选定流率和温度(t3)组合下被引导至热交换器(18)。
Description
技术领域
本发明涉及用于控制将冷却剂输送至车辆中的热交换器的冷却系统的方法。
背景技术
冷却车辆中的燃式发动机的冷却系统通常用于冷却不同系统的各种介质。冷却剂系统的冷却剂可用于冷却冷凝器中的AC系统的工作介质、增压空气冷却器中的增压空气、排气冷却器中的再循环的排气以及冷凝器中的WHR系统的工作介质。
为了实现WHR系统的高的热效率,工作介质将在冷凝器中通过冷却剂冷却到尽可能低的冷凝温度并且基本上没有过冷。因此,工作介质将利用特定值的冷却效果冷却。然而,WHR系统的蒸发器中的工作介质的加热在不同操作条件期间并且特别是当WHR系统吸收来自燃式发动机的排气热能时变化。冷凝器中工作介质的所需冷却以相应的方式变化。难以控制冷却系统,使得其提供冷凝器中的工作介质的快速可调节冷却并且特别是在冷凝器中保持基本上连续的冷凝温度的工作介质的快速可调节冷却,WHR系统在该冷凝器处获得高的热效率。
US2013/0118423示出了具有将电机冷却的循环冷却剂的冷却回路。冷却回路包括冷却管线和旁路管线,冷却剂在该冷却管线中冷却WHR系统的冷凝器中的工作介质,该旁路管线使介质绕过冷凝器。通过旁路管线的冷却剂流量由在特定压力下打开的泄放阀控制。
发明内容
本发明的目的是提供用于控制冷却系统的方法,使得其将处于可调节流率和温度的冷却剂输送至热交换器,以便将热交换器中的介质基本连续地冷却到期望温度。
上述目的通过在权利要求1的特征部分中限定的方法来实现。该方法包括初始步骤:估算热交换器中介质的期望冷却温度和用于将介质冷却到期望温度的所需冷却效果。当恒温器部分打开时,其将第一冷却剂流率引导至散热器管线,并将第二冷却剂流率引导至散热器旁路管线。第一冷却剂流率在其离开散热器时处于第一温度,并且第二冷却剂流率处于第二温度。当恒温器部分打开时,可以将处于第一温度的第一冷却剂流率以及处于第二温度的第二冷却剂流率的适当混合物引导至热交换器,以将介质冷却至期望温度。冷却剂的第一温度和第二温度可以由温度传感器测量。但是,安装以高精度测量第一冷却剂流率和第二冷却剂流率的流量计是复杂且昂贵的。为了避免安装流量计,估算散热器中的冷却效果,从而计算通过散热器的第一冷却剂流率。在这种情况下,可以以高精度、以简单的方式并且低成本地估算通过散热器的第一冷却剂流率。第二冷却剂流率可以被计算为总冷却剂流率与第一冷却剂流率之间的差异。冷却系统中的总冷却剂流率可以借助于与提供冷却系统中的总冷却剂流率的泵的性能数据有关的信息来估算。
当第一冷却剂流率、第二冷却剂流率和冷却剂流率的温度已被估算时,可以计算将热交换器中的介质冷却到期望温度的冷却剂流率和温度组合。最后的步骤包括调节流量调整机构,使得处于该流率和温度组合的冷却剂被引导至热交换器。之后,该方法在上述初始步骤处再次开始。该方法可以以相对处较高的频率执行,使得处于适当的流率和温度组合的冷却剂总是被输送至热交换器,导致热交换器中的介质基本上连续冷却到期望温度。将热交换器中的介质冷却的冷却系统可以是将车辆中的燃式发动机冷却的冷却系统。
根据本发明的一实施方式,该方法包括以下步骤:计算使热交换器中的介质冷却到期望温度的多个冷却剂流率和温度组合,并选择所述组合中的一个。通常可以计算使热交换器中的介质冷却到期望温度的多个冷却剂流率和温度组合。在这种情况下,可以选择最有利的组合。但是,到热交换器的冷却剂流率不能太小。
根据本发明的一实施方式,该方法包括以下步骤:借助于与通过散热器的冷却气流以及散热器在变化的气流下的性能数据有关的信息来估算散热器中的冷却效果。散热器的冷却能力在不同的操作条件期间通常有据可查。考虑到该信息、通过散热器的实际气流以及空气温度,可以估算散热器中的冷却效果。通过散热器的实际气流借助于车辆的速度以及强制空气通过散热器的散热器风扇的速度来估算。
根据本发明的一实施方式,该方法包括以下步骤:借助于与散热器中的冷却剂的冷却效果、散热器中的冷却剂的温度下降以及冷却剂的比热容来计算通过散热器管线的冷却剂流率。冷却剂流率可以根据公式 计算,其中冷却剂流率是唯一未知参数。
根据本发明的一实施方式,在当恒温器处于关闭位置时的操作条件期间,该方法包括以下步骤:估算热交换器中的介质的期望冷却温度,计算要被引导至的热交换器的处于冷却剂温度的所需的冷却剂流量,介质在该热交换器处接收期望温度,以及调节流量调整机构,使得计算出的冷却剂流率被引导至热交换器。在这种情况下,恒温器将整个冷却剂流率引导至散热器旁路管线。整个冷却剂流率和冷却剂温度是已知的。在这种情况下,相对较不复杂的是计算将被引导至热交换器以将介质冷却至期望温度的整个冷却剂流率的比例。
根据本发明的一实施方式,在当恒温器处于完全打开位置时的操作条件期间,该方法包括以下步骤:估算热交换器中的介质的期望冷却温度;计算要被引导至的热交换器的处于冷却剂温度的所需的冷却剂流,介质在该热交换器处接收期望温度,调节流量调整机构,使得计算出的冷却剂流率被引导至热交换器。在这种情况下,恒温器将整个冷却剂流率引导至散热器管线。整个冷却剂流率和冷却剂温度是已知的。在这种情况下,相对较不复杂的是计算将被引导至热交换器以将介质冷却至期望温度的整个冷却剂流率的比例。
根据本发明的一实施方式,该方法包括以下步骤:接收热交换器中的介质的实际温度的信息,将实际温度与期望温度比较并且对阀进行调节以便消除热交换器中的介质的期望温度与实际温度之间的可能差异。借助于这种反馈,可以调节到热交换器的冷却剂流率,以消除热交换器中的介质的实际冷却温度与期望冷却温度之间的可能差异。
根据本发明的一实施方式,该方法包括以下步骤:以无级方式通过阀调节到热交换器管线的冷却剂流量。在这种情况下,可以高精度地调整被引导至热交换器的冷却剂流率。
根据本发明的一实施方式,该方法包括以下步骤:将处于可变流率和温度的冷却剂输送至冷凝器,其在该冷凝器中将WHR系统的工作介质冷却到特定的冷凝温度。为了在WHR系统中持续保持高的热效率,有必要在不同的操作条件期间调节冷凝器中的工作介质的冷却效果。替代地,冷却剂用于冷却AC系统的冷凝器中的工作介质、增压空气冷却器中的增压空气或排气冷却器中的再循环排气。
根据本发明的一实施方式,该方法包括以下步骤:通过调节热交换器旁路管线和/或热交换器管线中的流动阻力的流量调整机构来调节到热交换器的冷却剂流率。在这种情况下,流量调整机构可以包括布置在热交换器旁路管线和/或热交换器管线中的一个或多个可调节节流阀。
附图说明
下面参照附图作为实施例描述本发明的优选实施方式,其中:
图1示出了冷却WHR系统的冷凝器中的工作介质的冷却系统,以及
图2示出了描述根据本发明的方法的实施方式的流程图。
具体实施方式
图1示出了为示意性公开的车辆1提供动力的燃式发动机2。燃式发动机2可以是柴油发动机。车辆1可以是重型车辆。车辆1包括冷却系统,该冷却系统包括发动机入口管线3,该发动机入口管线配置有使冷却剂在冷却系统中循环的泵4。泵4提供通过燃式发动机2的冷却剂流率当冷却剂已经循环通过燃式发动机2时,其被接收在发动机出口管线5中。恒温器6布置在发动机出口管线5的端部处。恒温器6接收处于温度t2的冷却剂流率冷却系统包括引导冷却剂通过散热器8的散热器管线7。散热器管线7包括散热器入口管线7a和散热器出口管线7b。冷却系统包括引导冷却剂绕过散热器8的散热器旁路管线9。散热器旁路管线9和散热器出口管线7b经由连接管线10彼此连接。连接管线10经由第一连接点9a连接至散热器旁路管线9并经由第二连接点7c连接至散热器出口管线7b。
当冷却剂温度t2低于恒温器6的调整温度时,恒温器6关闭。在关闭位置,恒温器6将整个冷却剂流率引导至散热器旁路管线9。当冷却剂温度t2处于在比调整温度稍高的温度范围内时,恒温器6部分打开。在部分打开位置,恒温器6将冷却剂流率的第一部分引导至散热器管线7,并将冷却剂流率的第二部分引导至散热器旁路管线9。在冷却剂的温度高于恒温器6部分打开的所述温度范围的最高温度的情况下,恒温器6完全打开。在完全打开位置,恒温器6将整个冷却剂流率引导至散热器管线7。冲压空气和散热器风扇11提供通过散热器8的冷却气流。冷却剂在散热器8中被冷却至温度t1。
车辆配置有WHR系统(废热回收系统)。WHR系统包括泵12,其将工作介质加压并在闭合回路13中循环。在这种情况下,工作介质是乙醇。但是,可以使用其它种类的工作介质,例如R245fa。泵12将工作介质加压并循环到蒸发器14。工作介质在蒸发器14中例如通过来自燃式发动机的排气来加热。工作介质在蒸发器14中被加热到其蒸发的温度。工作介质从蒸发器14循环到膨胀器15。
加压且加热的工作介质在膨胀器15中膨胀。膨胀器15产生旋转运动,该旋转运动可以经由适当的机械传动装置16传递到车辆1的动力系的轴杆17。替代地,膨胀器15可连接至将机械能转换成电能的发电机。电能可以被存储在电池中。在工作介质已经经过膨胀器15之后,其被引导至冷凝器18。工作介质在冷凝器18中通过来自冷却系统的冷却剂冷却至其冷凝的温度。工作介质从冷凝器18被引导至接收器19。泵12从接收器19的底部吸入工作介质,确保只有处于液态的工作介质被供应至泵12。第一控制单元20控制WHR系统的操作。第一控制单元20控制泵12和膨胀器15的操作。WHR系统使得可以将来自排气的热能转换成机械能或电能。
排气的温度以及因此蒸发器14中工作介质的加热效果在不同的操作条件期间变化。为了在WHR系统中保持基本上连续的高的热效率,冷凝器18中的工作介质将利用可调节冷却效果冷却。在不同的操作条件下建立尽可能低的冷凝压力是有利的。但是,由于实际原因,适当的是避免WHR系统中的负压。鉴于这些事实,适当的是提供冷凝器18中的工作介质的冷却至刚好高于1bar的冷凝压力。因此,为了保持高的热效率,有必要鉴于来自排气所供应的热能来调节冷凝器18中的工作介质的冷却效果,使得冷凝压力将会刚好在1 bar以上。工作介质乙醇在1 bar时的冷凝温度为78℃。在这种情况下,适当的是在冷凝器18中实现恰好高于78℃的冷凝温度。
冷却系统包括引导冷却剂通过冷凝器18的冷凝器管线22。冷凝器管线22包括将冷却剂引导至冷凝器18的冷凝器入口管线22a。冷凝器入口管线22a接收来自散热器出口管线7b的冷却剂和/或经由第二连接点7c接收来自连接件线10的冷却剂。冷凝器管线22包括将来自冷凝器18的冷却剂引导至与发动机入口管线3连接的第三连接点22c的冷凝器出口管线22b。第三连接点布置在阀23的下游位置、布置在发动机入口管线3中并位于泵4的上游。发动机入口管线3的布置在第一连接点9a与第三连接点22c之间的部分限定了冷凝器旁路管线3a。阀23为冷凝器旁路管线3a中的冷却剂以无级方式提供可调节流动阻力。冷凝器管线22为冷却剂提供恒定流动阻力。借助于可以是节流阀的阀23,可以相对于冷凝器管线22中的恒定流动阻力来调节冷凝器旁路管线3a中的流动阻力,并且因此可以相对于通过冷凝器管线22的冷却剂流率来调节通过冷凝器旁路管线3a的可调节冷却剂流率
第二控制单元24控制阀23。第一温度传感器25测量环境温度。第二温度传感器26测量发动机出口管线5中的冷却剂的温度t2。第三温度传感器27测量散热器出口管线7b中的冷却剂的温度t1。第二控制单元24基本上连续地接收来自所述温度传感器25-27的与实际温度有关的信息。第二控制单元24还接收来自第一控制单元20的与WHR系统的操作条件有关的信息。
此外,第二控制单元24接收与车辆的操作参数28(诸如车辆速度和散热器风扇11的速度)有关的信息。第二控制单元24访问所存储的与散热器8的在变化的气流下的性能数据有关的信息。膨胀罐29经由静态管线30在阀23的下游和泵4的上游位置连接至发动机入口管线3。温度传感器21或压力传感器测量冷凝器中18的冷凝温度或冷凝压力。
图2示出了描述用于将处于可变流率和可变温度t3的冷却剂引导至冷凝器18的方法的流程图。该方法在步骤31开始。在步骤32,控制单元24接收与车辆1的相关操作参数有关的信息。操作参数包括车辆1的速度和散热器风扇10的速度。操作参数可以包括发动机负载和排气温度。控制单元24还接收与WHR系统的相关操作参数有关的信息。控制单元24例如接收来自温度传感器21的与冷凝器18中的实际冷凝温度Ta有关的信息。在步骤33,控制单元24估算冷凝器18中的工作介质的期望冷凝温度。当乙醇用作工作介质时,在大多数操作条件期间,期望约80℃的冷凝温度。控制单元24在步骤34估算冷凝器18中的工作介质的所需冷却效果Qc,工作介质在该冷凝器处接收期望冷凝温度T。
在步骤35,控制单元24接收与发动机出口管线5中的冷却剂温度t2有关的信息。在当发动机出口管线5中的冷却剂温度t2低于恒温器6的调整温度时的操作条件下,该方法在步骤36继续。控制单元24注意到恒温器6处于关闭位置并且其将处于温度t2的整个冷却剂流率引导至散热器旁路管线9。在这种情况下,控制单元24具有与被引导至冷凝器18的冷却剂的温度t2以及冷凝器中的所需冷却效果Qc有关的信息。此外,控制单元24可以访问必要的参数,例如冷却剂和工作介质的热容量以及冷凝器18的性能数据。鉴于这个事实,控制单元24可以在步骤37计算将被引导至冷凝器18的处于温度t2的所需冷却剂流率以便利用估算出的冷却效果Qc冷却冷凝器18中的工作介质,工作介质在该冷凝器处在期望冷凝温度T下冷凝。
在步骤38,控制单元24对阀23进行调整,使得其提供热交换器旁路管线3a中的流动阻力,散热器旁路管线9中的冷却剂流率在该旁路管线处被分成通过热交换器管线22的冷却剂流率和通过热交换器旁路管线3a的剩余冷却剂流率剩余冷却剂流率可以计算为在步骤39,控制单元24接收来自温度传感器21的与实际冷凝温度Ta有关的信息。控制单元24在步骤39将实际冷凝温度Ta与期望冷凝温度T比较。在实际冷凝温度Ta和期望冷凝温度T之间存在差异的情况下,控制单元24在步骤39提供进一步阀调节,以便消除这种可能的差异。此后,该方法在步骤31重新开始。
取而代之的是,如果在步骤35,发动机出口管线5中的冷却剂温度t2处于恒温器6部分打开的温度范围内,则该方法在步骤41继续。在这种情况下,恒温器6将第一冷却剂流率引导至散热器管线7并且将第二冷却剂流率引导至散热器旁路管线9的。第一冷却剂流率在散热器8中被冷却到温度t1。在步骤42,控制单元24借助于散热器8在变化的空气流率和空气温度下的的性能数据估算散热器8中的冷却效果Qr。通过散热器8的气流借助于车辆1的速度以及散热器风扇10的速度的信息来估算。控制单元24接收来自温度传感器25的与环境空气的温度有关的信息。在步骤43,控制单元42根据公式计算通过散热器8的冷却剂流率以上估算了散热器中的冷却效果Qr,cp是冷却剂的热容量,t2从温度传感器27接收并且t1从温度传感器27接收。因此,通过散热器8的冷却剂流率是可计算的,因为其是公式中唯一未知的参数。通过散热器旁路管线9的冷却剂流率可以被计算为其中是冷却系统中由泵4限定的总冷却剂流率。
控制单元24现在具有与散热器管线7中的冷却剂流率和冷却剂温度t1有关的信息以及与散热器旁路管线9中的冷却剂流率和冷却剂温度t2有关的信息。在这种情况下,来自散热器管线7的处于温度t1的整个冷却剂流率被引导至热交换器管线22和冷凝器18。然而,可以借助于阀23将处于温度t2的可变量的冷却剂流率引入热交换器管线22。在步骤44,控制单元24计算在冷凝器中提供所需冷却效果Qc的可能的冷却剂流率和温度t3组合,工作介质在该冷凝器处在期望冷凝温度T下冷凝。在一些操作条件期间,这种组合的数量可能相对较大。可以排除具有到冷凝器18的过小冷却剂流率的组合。控制单元24在步骤45选择将被引导至冷凝器18的冷却剂流率和冷却剂温度t3的最佳组合。控制单元24在步骤46执行阀23以及热交换器旁路管线3a中的流动阻力的调节,以便将具有所选择的流率和温度t3的组合的冷却剂引导至热交换器管线22和冷凝器18。
控制单元24接收来自温度传感器21的与冷凝器18中的实际冷凝温度有关的信息。在步骤39,控制单元24将实际冷凝温度Ta与期望冷凝温度T比较。如果在实际冷凝温度Ta与期望冷凝温度T之间存在差异,则控制单元24在步骤40执行阀23的进一步调节,以便消除这种可能的差异。此后,该方法在步骤31重新开始。
取而代之的是,如果在步骤35,发动机出口管线5中的冷却剂温度t2高于恒温器6部分打开的所述温度范围中的最高温度,则该方法在步骤47继续。恒温器6完全打开并且其将来自发动机出口管线5的整个冷却剂流率引导至散热器管线7和散热器8。在步骤48,控制单元24计算将要被引导至冷凝器18的处于温度t1下的所需的冷却剂流率以便利用所估算的冷却效果Qc冷却冷凝器18中的工作介质,工作介质在该冷凝器处在期望冷凝温度T下冷凝。在这种情况下,控制单元24接收来自温度传感器27的与冷却剂温度t1有关的信息。此外,控制单元24可以访问必要的参数,例如冷却剂和工作介质的热容量cp以及冷凝器18的性能数据。考虑到这个事实,控制单元24可以计算将要被引导至冷凝器18的处于温度t1下的所需的冷却剂流率
在步骤49,控制单元24对阀23进行调整,使得其提供热交换器旁路管线3a中的流动阻力,散热器管线7中的冷却剂流率在所述热交换器旁路管线处被分成通过热交换器管线22的冷却剂流率以及通过热交换器旁路管线3a的剩余冷却剂流率在步骤39,控制单元24接收来自温度传感器21的与实际冷凝温度Ta有关的信息。控制单元24在步骤39将实际冷凝温度Ta与期望冷凝温度T比较。在期望冷凝温度T与实际冷凝温度Ta之间存在差异的情况下,控制单元24在步骤39提供进一步阀调整,以便消除这种可能的差异。此后,该方法在步骤31重新开始。
本发明不限于所描述的实施方式,而是可以在权利要求的范围内自由地变化。例如,可以使用除了布置在散热器旁路管线3a中的单个可调节阀23以外的其它类型的流量调整机构。此外,可以冷却除了冷凝器18中的工作介质之外的热交换器中的其它介质。例如,可以冷却增压空气冷却器中的增压空气、排气冷却器中的再循环的排气、冷凝器中的AC系统的工作介质。
Claims (8)
1.用于控制将冷却剂输送至车辆(1)中的热交换器(18)的冷却系统的方法,其中所述冷却系统包括:
-散热器管线(7),其将冷却剂引导至散热器(8),冷却剂在所述散热器中被冷却至第一温度(t1),
-散热器旁路管线(9),其引导冷却剂绕过散热器(8),
-热交换器管线(22),其接收来自散热器管线(7)和散热器旁路管线(9)的冷却剂并将冷却剂引导至热交换器(18),
-热交换器旁路管线(3a),其接收来自散热器管线(7)和散热器旁路管线(9)的冷却剂并引导冷却剂绕过热交换器(18),
-恒温器(6),其接收处于第二温度(t2)的冷却剂流量范围其中恒温器(6)在关闭位置将整个冷却剂流量范围引导至散热器旁路管线(7),在部分打开位置将第一冷却剂流量范围引导至散热器管线(7)并且将第二冷却剂流量范围引导至散热器旁路管线(9),并且在完全打开位置将整个冷却剂流率引导至散热器管线(7),和
-流量调整机构,其将来自散热器管线(7)和散热器旁路管线(9)的冷却剂引导至热交换器管线(22)和/或热交换器旁路管线(3a),其中,在当恒温器(6)处于部分打开位置时的操作条件期间,所述方法包括以下步骤:
-估算热交换器(18)中的介质的期望冷却温度(T),
-借助于与通过散热器(8)的冷却气流以及散热器(8)在变化的气流下的性能数据有关的信息估算散热器(8)中的冷却剂的冷却效果Qr,
-借助于散热器(8)中的冷却剂的冷却效果(Qr)的信息、散热器(7b)中的冷却剂的温度下降(t1-t2)的信息以及冷却剂的比热容(cp)的信息计算通过散热器管线(7)的冷却剂流率
-计算通过散热器旁路管线(9)的冷却剂流率
-计算使热交换器(18)中的介质冷却到期望温度(T)的冷却剂流率和冷却剂温度(t3)组合,
-调节流量调整机构(23),使得冷却剂在选定的流率和温度(t3)组合下被引导至热交换器管线(22)和热交换器(18)。
2.根据权利要求1所述的方法,包括以下步骤:
-计算使热交换器(18)中的介质冷却到期望温度(T)的多个冷却剂流率和冷却剂温度(t3)组合,以及
-选择所述组合中的一个。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中在当恒温器(6)处于关闭位置时的操作条件期间,所述方法包括以下步骤:
-估算热交换器(18)中的介质的期望冷却温度(T),
-计算要被引导至的热交换器(18)的处于第二温度(t2)的所需的冷却剂流率所述介质在所述热交换器处接收期望温度(T),
-调节流量调整机构(23),使得计算出的冷却剂流量被引导至热交换器(18)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中在当恒温器(6)处于完全打开位置时的操作条件期间,所述方法包括以下步骤:
-估算热交换器(18)中的介质的期望冷却温度(T),
-计算要被引导至热交换器(18)的处于第一温度(t1)的所需的冷却剂流量所述介质在所述热交换器处接收期望温度(T),
-调节流量调整机构(23),使得计算出的冷却剂流量被引导至热交换器(18)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括以下步骤
-接收热交换器中的介质的实际冷却温度(Ta)的信息,
-将实际温度(Ta)与期望温度(T)比较,以及
-调节流量调整机构(23),以便消除热交换器(18)中的介质的期望温度(T)与实际温度(Ta)之间的可能差异。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括以下步骤
-以无级方式调节到热交换器管线(22)的冷却剂流量
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括以下步骤:
-通过由流量调整机构(23)调节热交换器旁路管线(3a)中的流动阻力来调整到热交换器(18)的冷却剂流率
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括以下步骤:
-将处于可变流率和可变温度(t3)的冷却剂输送至冷凝器(18),所述冷却剂在所述冷凝器中将WHR系统的工作介质冷却到特定冷凝温度。
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