基于波形分析的汽车电控发动机示教系统开发蒋延莲.docx
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基于波形分析的汽车电控发动机示教系统开发蒋延莲
目录
1.绪论2
1.1电控发动机的应用前景2
1.2课题的提出及研究的意义3
1.3本论文的研究内容3
2.波形分析方法在电控发动机故障中应用的必要性4
2.1汽车故障诊断常用的诊断方法[1]4
2.2波形分析方法在电控发动机故障中应用的必要性6
2.3本章小结6
3.基于波形分析的汽车电控发动机示教系统开发7
3.1系统开发的思想和原则7
3.2系统硬件配置8
3.3系统软件开发9
3.3.1LabVIEW软件开发平台9
3.3.2系统开发的整体设计9
3.4系统软件开发验证15
3.5本章小结15
4.示教系统在卡罗拉1ZR-FE发动机上的试验及分析16
4.1卡罗拉1ZR-FE电控发动机简介16
4.2空气流量计16
4.2.1结构原理分析16
4.2.2波形测试方法17
4.2.3标准波形测试及分析18
4.3氧传感器波形分析19
4.3.1结构原理分析19
4.3.2波形测试方法21
4.3.3标准波形测试及分析22
4.4曲轴位置传感器波形分析22
4.4.1结构原理分析22
4.4.2波形测试方法23
4.4.3标准波形测试及分析24
4.5凸轮轴位置传感器波形分析24
4.5.1结构原理分析25
4.5.2波形测试方法26
4.5.3标准波形测试及分析27
4.6温度传感器波形分析28
4.6.1结构原理分析28
4.6.2波形测试方法30
4.6.3标准波形测试及分析31
4.7爆震传感器波形分析32
4.7.1结构原理分析32
4.7.2波形测试方法33
4.7.3标准波形测试及分析34
4.8节气门传感器波形分析35
4.8.1结构原理分析35
4.8.2波形测试方法35
4.8.3标准波形测试及分析36
4.9喷油器波形分析37
4.9.1结构原理分析37
4.9.2波形测试方法37
4.9.3标准波形测试及分析38
5.示教系统在1ZR-FE电控发动机上进行故障波形检测与分析39
5.139
5.239
5.3本章小结39
6.总结与展望39
致谢39
参考文献40
攻读学位期间发表的论文、参编的教材40
基于波形分析的汽车电控发动机示教系统开发
1.绪论
1.1电控发动机的应用前景
伴随着汽车工业的发展,节能、环保和安全已成为当今汽车行业所要解决的三大问题。
汽车尾气排放中的C0、HC和NOx加剧了对环境的污染,对人们的身体健康造成了很大的危害,即使是燃料完全燃烧产生的无害气体CO2也导致了地球温室效应的加剧。
目前中国大部分城市都出现了煤烟与机动车尾气混合型污染,汽车排放的污染物已成为中国许多大中城市主要的污染源。
汽车排放的废气已经成为空气质量下降的罪魁祸首。
在世界范围,电控汽油喷射发动机就是随着尾气排放法规的日趋严格和汽车石油能源形势的日益严峻而得到迅猛发展的。
电控汽油喷射发动机是装有电脑、传感器、执行元件的智能控制发动机。
它可以精确控制空燃比,使燃烧充分,显著减少排气污染。
同时,由于发动机工作稳定性得到加强,从而降低了噪音。
其传感器可以控制精确的的空气进气量、发动机负荷、水温、进气温度等信号输入电脑,由电脑计算出适时的、恰当的汽油量和最佳点火提前角,并输出控制信号给喷油阀和点火器,使得发动机在各工况下得到最佳性能。
1.2课题的提出及研究的意义
我国汽车工业在过去的十年里实现了又好、又快的发展,无论是数量的增加、品质的提升,还是技术的进步,都无一例外地实现了前所未有的突破,得到了国内国际市场的首肯。
汽车故障诊断技术是随着汽车的发展从无到有逐渐发展起来的一门技术,故障诊断与排除是汽车维修工作的基本部分,而随着汽车系统的日益复杂,越来越多先进、电子技术在汽车上的应用,对汽车维修人员诊断技能的要求也越来越高,对汽车故障诊断设备的诊断的快速性、准确性也提出了更好的要求,要求现代的汽车故障诊断设备能够有针对性地排除故障症结,使汽车恢复良好的运行状态。
汽车计算机控制基础的出现是汽车最重要的技术变革,它不仅给汽车控制技术带来了根本性的变化,同时也改变了汽车故障诊断的方式。
电控发动机集机械、油路和电控部分于一身,系统变得复杂了,故障也随之变多,当出现故障后,对故障部位及故障原因的分析和寻找需要较高的技术水平,原来简单、直观的传统检测方法已不能完全适应电控发动机的诊断,必须借助于专用的汽车故障诊断仪等先进的诊断设备来进行。
目前在汽车维修行业使用较多的先进诊断仪有“电眼睛”、“修车王”、“车博士”等,另有一些专门针对进口车系的专用诊断仪,如针对德国车系的“博世诊断中心”、美国欧瓦顿勒工具公司的OTC监测器、克莱斯勒公司的DRB测试仪、福特公司的STAR测试仪等一些汽车专用测试仪。
专用诊断仪在汽车故障诊断与排除过程中,发挥着举足轻重的作用。
1.3本论文的研究内容
本文以电控发动机控制系统结构原理为理论依据,以丰田卡罗拉配置的1ZR-FE电控发动机为研究对象,通过对发动机状态波形的测试和分析,研究和探讨电控发动机波形和故障之间的关联,并依托Labview8.20为平台,开发基于波形分析的电控发动机故障诊断系统。
本文围绕电控发动机波形分析问题及诊断系统的开发问题,主要开展以下几个方便的研究工作。
(1)深入了解现代汽车故障诊断技术,尤其是波形分析在汽车故障诊断技术方面的应用,归纳整理出汽车发动机故障症状和故障诊断方法与流程,为系统开发提供指导方向。
(2)深入研究和分析发动机的基本结构和工作原理,熟悉其控制线路和电控单元工作机理,掌握发动机各传感器、执行器和电控单元的控制关系、信号特征,并结合故障调研和理论分析,进行故障设置模块和模拟模块内容的确立。
分析总结汽车电控发动机各传感器的信号波形的特点及变化规律,以及故障波形与标准波形之间的关系。
(3)深入研究Labview8.20软件的应用,包括系统的开发、信号的采集、波形测试、虚拟仪表、等软件模块的实现,使得系统达到操作简便、实用,辅助故障排除的要求。
(4)对诊断系统进行调试及试验论证,并检验系统的性能,使其满足设计和使用要求。
2.波形分析方法在电控发动机故障中应用的必要性
2.1汽车故障诊断常用的诊断方法[1]
针对电控发动机的故障,目前通常采用的诊断方法有:
(1)人工经验诊断法
人工经验诊断法是诊断人员凭借丰富的实践经验和理论知识,在汽车不解体或局部解体的情况下,借助简单的检查工具,主要采用眼看、耳听、手摸、鼻闻等手段,进行检查、试验、分析并确定汽车故障原因和部位的诊断方法。
人工经验诊断法既是汽车故障诊断的传统方法,也是基本方法,即使现代仪器诊断技术飞速发展,也不可能取消人工经验诊断方法,就像医学临床诊断中的体格检查(一般检查)一样,这是不可能被取代的环节,人工经验诊断是汽车故障诊断的基础,它对汽车故障作出初步的判断和定性的分析,因而具有十分重要的实用价值,所以不可忽视人工经验诊断法在汽车故障诊断中的地位。
(2)仪器设备诊断法
仪器设备诊断法是诊断人员在汽车不解体或局部解体的情况下,采用现代检测诊断仪器设备,对汽车各种诊断参数进行检测、试验、分析,最终确定汽车故障原因和部位的诊断方法。
如今人们对汽车安全性、环保性、经济性的要求越来越高,汽车故障诊断参数的精确度也越来越高,因而,汽车故障诊断必然要从传统的定性分析向现代的定量分析发展,仪器设备诊断法正是在这样的前提下发展而来的,它可以对汽车故障作出精确判断和定量分析,利用仪器设备对汽车进行多参数的动态分析,可以迅速准确地诊断出汽车复杂的综合性故障,为汽车故障诊断技术从传统的经验体系向现代的科学体系发展,奠定了坚实的基础。
(3)故障码诊断分析法(自诊断法)
故障码诊断分析法又称电脑自诊断分析法,它采用汽车电脑故障诊断仪调取故障码,再按照维修手册中提供的故障码诊断流程图表进行故障诊断分析。
故障码诊断分析法是仪器设备诊断法的一种特殊形式,它以汽车电脑故障诊断仪调出的电控系统故障码为切人点,进行汽车故障诊断分析。
汽车电脑故障诊断仪在自诊断分析中最重要的是故障码和数据流这两种显示方式,故障码可以定性地描述故障点,数据流可以定量地显示数据参数,这些参数不仅能对计算机输入输出信息进行多通路地即时显示,还可以对计算机控制过程的参数进行动态变化地显示。
(4)其他诊断方法
在对汽车故障诊断时,不能够完全依靠汽车的自诊断功能,如一些无故障码的发动机故障,可借助于其他堵住诊断法。
如废气分析法、波形分析法等。
废气分析法:
通过废气分析仪检测汽车排放控制污染物成分浓度,根据所测数据来评价发动机的技术状况。
但是,废气分析只能检测废气的相关数据,对其数据的分析还得通过人工来进行。
波形分析法:
汽车故障诊断仪通过与OBD诊断座进行通讯连接后可以进行波形分析,但由于数据在输出方面的局限性,会导致诊断仪所显示的不是理想的连续波形。
我们借助于波形进行分析,为判断故障部位与原因提供了依据。
波形分析法主要用于测试单个电信号的变化过程一气捕捉间歇的故障电信号,对维修技术人员的理论知识储备要求较高[2]。
2.2波形分析方法在电控发动机故障中应用的必要性
电控技术的迅速发展与广泛应用对汽车的故障诊断工作提出了越来越严峻的挑战。
借助于汽车诊断仪中的故障码与数据流分析等工具可以帮助我们解决与电控系统相关的绝大部分故障。
但由于故障码、数据流的分析判断主要是基于控制系统电信号的数值、时域、功能、逻辑等方面的判定,在直观显示、全过程监控方面存在着相当大的缺陷,此时在故障诊断中如能合理运用汽车示波器的波形分析,必将能大大加快诊断进程。
汽车示波器波形是电压(或电流)信号随时间变化的曲线图。
借助于汽车示波器,我们可以观察、记录甚至回放被检测的电信号大小及波动变化的全过程。
汽车示波器波形被用于点火系统、传感器、执行器、电气、CAN等五个方面的故障诊断,成为现代汽车故障诊断不可或缺的利器。
在汽车示波器诸多波形分析中,氧传感器的信号波形分析在发动机运行及故障诊断工作中又有着独特而重要的作用。
由于发动机运转过程中排气的变化对应着气缸内混合气的燃烧状况,作为即时监测排气中氧浓度高低及波动的氧传感器信号就成为判断与评价发动机工作状况的一个重要窗口[3]。
对于电控发动机的很多传感器和执行元件,利用检测波形的方法可以较容易地测试出波形的阵列,同时,故障波形和正常波形之间的关联较大,且特征明显,它不仅能够测试电信号的变化过程,还可以快速捕捉间歇的故障电信号,并且以存储的方式记录波形进行分析。
电控汽车大量使用传感器,其信号都可以用电压波形的形式反映出来[4]。
维修人员在具备一定专业知识基础的前提下,利用波形分析法进行电动发动机的故障诊断直观,且故障诊断效果好。
2.3本章小结
本章主要从汽车发动机的常见故障诊断方法入手,整理了常见的故障诊断方法,并重点从分析波形分析故障诊断法入手,探讨波形分析法在汽车故障诊断过程中的优势。
从整体上引入课题将利用波形分析法开发进行故障诊断的思路,为课题的进一步研究奠定基础。
3.基于波形分析的汽车电控发动机示教系统开发
3.1系统开发的思想和原则
电控发动机波形测试系统开发平台要完成系统登陆、数据采集、显示、记录和简单分析等功能。
针对系统的要求,软件程序采用传统的先由底层VI开始编写图形代码,再逐步向上集成,直到顶层程序的设计方法。
软件的主界面采用菜单与按钮相结合的结构,各个模块要实现的功能尽量放在同一个菜单选项下,这样既便于软件的开发、源程序的保护,又可使系统结构清晰、界面友好,便于用户的使用。
系统的开发秉承“软件就是仪器”的理念,依托软件设计开发实现虚拟仪器的功能。
在系统的设计思路方面,使系统具有模拟示波和波形实测等功能,并能够具有基本的故障诊断思路的提示,能够帮助初学者辅助学习,帮助老师辅助学生教学,实现真正意义上的虚拟诊断仪器的功能。
在设计的思想方面,体现界面功能简洁、界面清晰等功能,易于操作和实现等思想,而非专门做成复杂、需要专业人士才能使用的专业仪器。
所设计的电控发动机波形测试系统分为系统的硬件和软件两大组成部分。
3.2系统硬件配置
在系统的硬件保障方面,体现够用、实用的原则,确保资源的整合利用,如使用我校正用于科研项目的采集卡、电脑及目前用于专业教学的卡罗拉教学设车1ZR-FE电控发动机,不再单独采购其他的设备资源。
硬件的使用情况如下:
(1)微机
用来收集采集卡所采集的数据,对数据进行处理、分析,并将处理结果输出显示。
本系统对于计算机系统软件和硬件要求不高,介于资源利用,可使用现成的办公笔记本电脑。
提供典型配置标准如下:
【陈宁.基于虚拟仪器的电控发动机教学系统设计[硕士学位论文].浙江工业大学,2008】
oSWindowsXPSP2
CPUAMDAthlon64X23800+AM2处理器
内存512MDDR
硬盘80G
主板至少2条PCI插槽,一条用于安装数据采集卡,一条用于安装串口扩展卡
以笔记本电脑为最佳配备,可提现测试系统的便携性和方便性。
(2)数据采集卡
采集卡为计算机外接,它是本系统的核心部件之一,负责信号采集部分的信号放大、A/D转换和反馈控制部分的D/A转换。
【陈宁.基于虚拟仪器的电控发动机教学系统设计[硕士学位论文].浙江工业大学,2008】
本系统采用NIUSB-6218数据采集卡(美国NI公司产品),用来对发动机的波形进行采集。
采集卡的采样率为250KS/s,32Single-Ended,16Differential模拟输入,分辨率为16bits,2路模拟输出通道,16个数字输入/输出口,总线供电式设计,方便便携,可用于Windows、MacOSX、Linux和PocketPC的驱动软件。
(3)教学实车(以卡罗拉教学设车1ZR-FE电控发动机为例)
辅助波形的测试和波形实验验证。
(4)其他
如果需要打印测试结果还需配备打印机;可以配置投影仪将屏幕内容投影,扩展教学受众范围。
测试系统硬件运用情况如图3-1所示。
图3-1系统硬件连接
3.3系统软件开发
3.3.1LabVIEW软件开发平台
根据实现技术不同,可以把电子测量仪器分为传统仪器、智能仪器、虚拟仪器三类。
传统电子测量仪器以电子线路作为信号测试手段;智能电子测量仪器采用嵌入式微处理器作为测试信号的核心,既能进行自动测试,又有比较强的数据处理能力;近年来出现的虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术而发展起来的一种新型仪器,是在美国国家仪器公司(NationalInstru-mentsCorp.简称NI)于1986年提出的“软件就是仪器”这一口号的基础上发展起来的。
虚拟仪器具有仿真的用户面板,学生通过操作虚拟面板就可以学习和掌握仪器原理、功能与操作,完全利用计算机软件进行数据分析处理和显示。
虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破,标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向[7]。
LabVIEW是一种标准化的数据采集和虚拟仪器控制软件,该软件不仅提供了遵从GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡,而且还内置了支持TCP/IP、ActiveX等软件标准的函数库,是一种功能全面的变成工具[8]。
LabVIEW已经被广泛运用于虚拟仪器设计与开发、数据采集与处理、自动测量与测试、工业过程控制与自动化等各个领域[9],因此该系统的开发用此软件平台。
3.3.2系统开发的整体设计
软件系统设计的目标是开发一套用于汽车发动机运行参数检测和显示的应用软件。
它可实现对发动机主要传感器主要参数的实时采集与动态显示。
该系统根据功能划分为系统登录、模拟测试、实时测试、功能介绍4个模块。
系统工作流程图如图3-2所示。
图3-2系统工作流程图
(1)登陆模块
登陆模块须进行用户登录口令识别功能。
它是成熟软件产品所必备的一个模块,用以维护使用者和开发者的合法权利。
该模块的设计色调明亮、功能清晰,易于被使用者接受。
登录界面:
登录界面分为登录前和登录后,在登录前界面显示“请输入登录口令”功能,在正确输入用户口令后,进入登录后界面,在登录界面如图3-3所示,显示三项功能选择键,分别是:
波形模拟测试、波形实时测试、系统功能介绍,按下“进入”功能键后,即可选择使用相应的系统功能,登录界面程序图如图3-4所示。
。
在登录界面设置用户和密码登录功能,对系统的持有人和系统使用人进行了权限的有效限制,确保系统开发的权益得到保护。
图3-3登录界面前面板图
图3-4登录界面程序图
(2)模拟测试模块
模拟测试模块采用可调整仿真信号模拟测试信号运行参数。
模拟测试模块的界面如图3-5所示。
界面设有波形选择对话框,可以选择不同类型的波形。
如正弦波、余弦波、方波、三角波等,可对信号进行频率、幅度的调整。
在设计上考虑可以以不同形式的波形输出,更加直观,且易于分析比较。
程序设计框图如图3-6所示。
图3-5模拟测试前面板图
图3-6模拟测试程序框图
(3)实时测试模块
实时测试模块设置了通用示波器和专用示波器部分。
该部分的设计思路如图3-8所示。
图3-8示波器程序设计思路
专用示波器部分涵盖空气流量计、氧传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、温度传感器、爆震传感器、节气门位置传感器、喷油器的功能介绍,标准波形的显示和故障波形的实时测试功能。
前面板如图3-9所示,控制程序框图如图3-10所示。
图3-9实时测试前面板图
图3-10实时测试程序框图
(4)系统功能介绍模块
介绍该系统所能实现的基本功能,该系统的具备的功能有:
可实现输出不同类型的模拟波形,同时可调频、调幅;可实现通用示波器的示波功能;系统可实现专用示波器的示波功能;提供电控发动机各传感器标准波形,供使用者分析对比;可辅助对汽车发动机故障波形的分析。
系统功能介绍的界面如图3-11所示。
图3-11系统功能介绍前面板
3.4系统软件开发验证
3.5本章小结
传统示波器可以测量各种波形的电压幅值、测量脉冲及各种非正弦波电压的幅度,而这些功能都可以在利用虚拟软件设计虚拟示波器时通过程序编写的方法实现。
虚拟示波器测量值的获得通过声卡的左右声道读取进来,将测量数值显现得更加直观,真正体现了虚拟示波器的便捷功能,亦可比便不必要的认为读数的差错。
【戴志超.基于LabVIEW的虚拟示波器仿真实验设计[J]电脑知识与技术,2010(6):
3781-3782】
本系统的开发,结构思路合理,逻辑关系处理恰当,功能较为完备,基本实现了汽车示波器的功能,其对波形的模拟、实时测试,将分别进行验证。
4.示教系统在卡罗拉1ZR-FE发动机上的试验及分析
4.1卡罗拉1ZR-FE电控发动机简介
图4-1各传感器在发动机的位置分布
1-凸轮轴正时机油控制阀总成(进气凸轮轴)2-凸轮轴正时机油控制阀总成(排气凸轮轴)
3-带点火器的点火线圈4-凸轮轴位置传感器(进气凸轮轴)
5-凸轮轴位置传感器(排气凸轮轴)6-占空比控制型真空开关阀
7-加热型氧传感器(S1)8-发动机冷却液温度传感器
9-曲轴位置传感器10-节气门体(带电动机)
11-爆震传感器12-喷油器
4.2空气流量计
4.2.1结构原理分析
空气流量计用于测量流经节气门的空气流量,ECM利用此信息确定喷射时间并提供相应的占空比。
空气流量计在实车上的位置如图4-2所示。
空气流量计内部有一个暴露于进气流的加热铂丝,ECM向铂丝施加一个特定的电流,以将其加热到给定的温度。
进气流冷却铂丝和内部热敏电阻,从而影响它们的电阻。
ECM改变施加于空气流量计中的这些零部件的电压来保持电流值恒定。
电压大小与通过传感器的空气流量成比例,ECM再利用它计算进气体积,该电路的结构使得铂热丝和温度传感器构成一个桥接电路,并且控制功率晶体管,使得A和B(如图4-3所示)的电压保持相等,以维持一定的温度。
空气流量计发生故障时,ECM进入失效保护模式,在失效保护模式下,ECM根据发动机转速和节气门位置来计算点火正时。
失效保护模式一直延续至检测到通过条件。
图4-2空气流量计在实车上的位置
图4-3空气流量计结构与工作原理图
4.2.2波形测试方法
空气流量计的电路图如图4-4所示。
波形测试方法为:
(1)断开空气流量计连接器;
(2)向端子+B和E2G之间施加蓄电池电压;
(3)将虚拟检测仪正极(+)探针连接至端子VG,检测仪负极(-)探针连接至端子E2G,检测端子如图4-5所示。
图4-4空气流量计电路图
图4-5空气流量计检测端子指示图
4.2.3标准波形测试及分析
(1)标准波形
标准波形电压在0.2V-4.9V之间,根据不同的进气量电压值有所区别,均呈现直线状态。
其标准波形如图4-6所示。
图4-6空气流量计标准波形图
(2)实测波形
图4-7空气流量计实测波形图
4.3氧传感器波形分析
4.3.1结构原理分析
为了提高废气中一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的净化率,采用了三元催化净化器。
为了有效地利用三元催化净化器,必须精确控制空燃比,使其务必接近理论空燃比。
为了帮助ECM实现精确的空燃比控制,就采用了加热型氧传感器。
卡罗拉1ZR-FE发动机安装有S1、S2两个加热型氧传感器,S1指安装在三元催化净化器前面、靠近发动机总成的传感器;S2是指安装在三元催化器后且远离发动机总成的传感器,在实车上的位置如图4-8所示,均用来检测废气中的氧浓度。
空燃比变稀时,废气中的氧浓度变浓,加热型氧传感器就会通知ECM,空燃比过稀(低电压,即低于4.5V的低电压)。
相反,当空燃比比理论空燃比浓时,废气中氧浓度变稀,加热型氧传感器就会通知ECM,空燃比过浓(高电压,即高于4.5V的低电压)。
当空燃比接近理论空燃比时,加热型氧传感器的输出电压会急剧变化。
ECM利用来自加热型氧传感器的补充信息,来判断空燃比是浓还是稀,并相应地调整燃油喷射时间。
因此,如果加热型氧传感器由于内部故障工作不正常,ECM就不能补偿主空燃比控制中出现的偏差。
图4-8加热氧传感器在是车上的位图
加热型氧传感器是平面型的,与用来加热固体电解质(氧化锆原件)的加热器合为一体,此加热器由ECM控制。
当进气量偏小(废气温度偏低)时,电流流向加热器以加热以加热传感器,从而便于准确检测空燃比。
与传统类型氧传感器相比,此传感器和加热部分较窄,加热器产生的热量通过氧化铝传导至固体电解质,从而加速了传感器的激活。
其结构与工作原理如图4-9所示。
图4-9加热氧传感器结构与工作原理图
4.3.2波形测试方法
加热氧传感器的电路图如图4-10所示。
S1及S2波形测试方法为:
(1)将虚拟检测仪连接至氧传感器端子3号脚、4号脚(如图4-11所示);
(2)将点火开关置于ON位置;
(3)打开检测仪,起动发动机;
(4)使发动机暖机直至发动机冷却液温度超过40℃;
(5)用油门踏板将发动机转速快速增大至2500rpm,保持2分钟;
(6)读取测试系统显示的波形。
图4-10加热氧传感器电路图
图4-11加热氧传感器检测端子指示图
4.3.3标准波形测试及分析
(1)标准波形
加热型氧传感器根据喷油量的增加和减少作出响应,当喷油量呈现+25%上升时,为浓输出,电压高于0.5V;当喷油量呈现-12.5%下降时,为稀输出,电压低于0.4V。
其标准波形如图4-12所示。
图4-12加热型氧
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