CN102449832B - 燃料电池车辆 - Google Patents
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Abstract
在构成燃料电池系统的燃料电池堆的阴极出口中设置的调压阀具有根据阀开度的调节来调节燃料电池堆中的氧化气体压力的功能。当排气管浸水时,排气管内部的压力从大气压力开始变化,并且调压阀的开度改变。当作为调压阀的开度与对应于运行指示压力的预设开度之间的差的开度差等于或大于预设阈值开度差时,控制单元的浸水估计信号输出处理单元输出指示排气管浸水的浸水估计信号。基于该信号来执行禁止流动的处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池车辆,并且更具体而言,涉及设置有排气管的燃料电池车辆,排气管将废气从燃料电池系统排放到外部。
背景技术
因为燃料电池对环境产生的影响小,所以将燃料电池安装在车辆中。在燃料电池中,例如,将诸如氢的燃料气体供应给燃料电池堆的阳极侧,将例如空气的、包括氧的气体作为氧化气体供应给燃料电池堆的阴极侧,以及根据需要,经由电解质膜、通过反应产生电力。
如上所述,在燃料电池中执行燃料气体与氧化气体的反应。因此,在反应中用过的燃料气体和用过的氧化气体作为废气与作为反应产物的水一起经由排气管排放到外部。在车辆中,将排气管配置为在车体下方具有向后的开口,类似于传统汽油发动机的排气管。
因此,当车辆行驶在雨或雪中,或者通过深雪或水池时,水会浸入排气管,从而防止废气排放到外部。在一些情形中,从外部渗入的水会与排气管内部的废气一起流回到燃料电池。因此,必须防止排气管中的回流。
例如,日本专利申请公布No.2008-103276(JP-A-2008-103276)描述了一种包括排气管的构造,排气管具有第一排气通道和第二排气通道,在第一排气通道中,从燃料电池排放的用过的燃料气体以及电力产生反应之后的阴极排出气体互相独立地流动,所述第二排气通道连接第一排气通道,并在与排气通道相垂直的方向上具有排气口。这种构造不涉及水从外部渗入,但是用于防止排气管中的回流。在这种构造中,将挡板构件设置在排气管内部,以防止风从排气口直接进入排气管内部。
日本专利申请公布No.2008-112679(JP-A-2008-112679)公开了一种构造,其中从燃料电池排放的阴极排出气体中包含的水蒸气当在燃料电池的排气管中流动时被冷却并部分地冷凝,但是当车辆以恒速或加速行驶时,通过废气的流动和惯性力,导致冷凝水在排气管中从车辆的前侧向后侧流动。
但是,指出的是当车辆减速时,冷凝水向后流动并从燃料电池的排气口进入燃料电池内部。因此,在JP-A-2008-112679中,描述了一种包括第一管道部分和第二管道部分的阶梯结构,所述第一管道部分在一端处关闭,在另一端处打开作为排气口,并在离关闭端预定距离处设置有开口,所述第二管道部分在一端处连接到开口,在另一端处连接到燃料电池堆。此外,提及的是因为冷凝水被第一管道部分的关闭端阻挡,所以防止了回流。
通过提供JP-A-2008-103276中所述的挡板,可以在一定程度上防止气体从外部回流,以及通过提供JP-A-2008-112679所述的阶梯结构,可以在一定程度上防止位于排气管内部的冷凝水的回流。但是,因为燃料电池系统产生水作为反应产物,如上所述,所以排气管也具有排出作为反应产物的水的功能。在这种情况下,设置具有诸如JP-A-2008-103276和JP-A-2008-112679中所述结构的排气管将劣化排水性能。
发明内容
本发明提供一种禁止水从外部浸入的燃料电池车辆,同时保证作为反应产物的水在排放燃料电池的废气的排气管中的排出,以及此外提供一种用于控制这种燃料电池车辆的方法。
本发明的第一方面涉及燃料电池车辆。该燃料电池车辆包括:燃料电池堆,其通过利用氧化气体和燃料气体来产生电力;排气管,其将所述氧化气体和所述燃料气体从所述燃料电池堆排放到外部;调压阀,其设置在所述燃料电池堆的阴极出口与所述排气管之间,并且对应于开度的调节,来调节所述燃料电池堆内部的氧化气体压力;调压阀开度控制单元,其执行所述调压阀的开度的反馈控制,以便将所述燃料电池堆内部的所述氧化气体压力保持在指示到所述燃料电池堆的运行指示压力处;以及浸水估计信号输出单元,当作为所述调压阀的开度与对应于所述运行指示压力的预设开度之间的差的开度差等于或大于预设阈值开度差时,输出指示所述排气管浸水的浸水估计信号。
通过这种构造,当执行调压阀的开度的反馈控制以便将燃料电池堆内部的氧化气体压力保持在指示到燃料电池堆的运行指示压力处时,在作为调压阀的开度与对应于运行指示压力的预设开度之间的差的开度差等于或大于预设阈值开度差时,输出指示排气管浸水的浸水估计信号。因此,因为不需要特殊传感器就能建立排气管浸水的可能性,所以在水到达燃料电池堆之前可以执行充分的处理。此外,因为不是通过任何特殊挡板或阶梯结构来禁止浸水,所以不妨碍排放作为燃料电池堆中的反应产物的水的能力。
上述构造可以进一步包括显示装置,其基于浸水估计信号来显示要求移动车辆的警告输出。
通过这种构造,基于浸水估计信号来显示要求移动车辆的警告输出。如果驾驶员看见警告输出显示,则驾驶员移动车辆,从而给车辆一定的速度。如果车辆速度大于排气管中的浸水速度,就能防止排气管浸水。
上述构造可以进一步包括流量修正单元,在已经输出浸水估计信号的状态下,当排气管中的氧化气体流量等于或小于预设阈值流量时,将氧化气体流量增加到预设浸水防止流量。
通过这种构造,在已经输出浸水估计信号的状态下,当排气管中的氧化气体流量等于或小于预设阈值流量时,将氧化气体流量增加到预设浸水防止流量。如果排气管中的氧化气体流量增加,假设浸入排气管的水被推回到外部,从而防止排气管浸水。
上述构造可以进一步包括间歇运行限制单元,其基于浸水估计信号来执行禁止燃料电池的间歇运行的控制。
通过这种构造,基于浸水估计信号来执行禁止燃料电池的间歇运行的控制。当间歇运行燃料电池时,废气流动也变得不连续。因此,浸水能够容易出现。例如,冷却剂温度异常的条件是禁止燃料电池的间歇运行的条件。通过将浸水估计信号的输出添加到该禁止条件,能够降低浸水的可能性。
上述构造可以进一步包括压力检测单元,其检测燃料电池堆内部的氧化气体压力,其中如果调压阀的开度的反馈控制是不可能的,则浸水估计信号输出单元基于压力检测单元的检测压力来输出浸水估计信号。
通过这种构造,设置了检测燃料电池堆内部的氧化气体压力的压力检测单元。此外,如果调压阀的开度的反馈控制是不可能的,则基于压力检测单元的检测压力来输出浸水估计信号。调压阀的开度的反馈控制是不可能的,例如当由于反馈所引起的阀开关噪声成为问题以及当调压阀失效时禁止反馈。在这种情况下,当压力检测单元的检测压力与运行指示压力之间的差等于或大于预设阈值压力差时,输出指示排气管浸水的浸水估计信号。
本发明还涉及一种用于燃料电池车辆的控制方法,所述燃料电池车辆设置有:燃料电池堆,其通过利用氧化气体和燃料气体来产生电力;排气管,其将所述氧化气体和所述燃料气体从所述燃料电池堆排放到外部;调压阀,其设置在所述燃料电池堆的阴极出口与所述排气管之间,并且对应于开度的调节,来调节所述燃料电池堆内部的氧化气体压力。所述控制方法包括步骤:执行所述调压阀的开度的反馈控制,以便将所述燃料电池堆内部的所述氧化气体压力保持在指示到所述燃料电池堆的运行指示压力处;以及当作为所述调压阀的开度与对应于所述运行指示压力的预设开度之间的差的开度差等于或大于预设阈值开度差时,输出指示所述排气管浸水的浸水估计信号。
附图说明
下面参照附图,在本发明的示例性实施例的详细描述中将描述本发明的特征、优点以及技术和工业重要性,在附图中类似的附图标记表示类似的元件,并且其中:
图1示出本发明实施例的燃料电池车辆中的排气管;
图2示出本发明实施例的燃料电池系统的构造;以及
图3是示出本发明实施例中禁止排气管的浸水的顺序的流程图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的实施例。在下文所述的燃料电池系统中,将氢源和排气阀设置在阳极侧,将氧化气体源、压力传感器以及调压阀设置在阴极侧,并设置稀释单元,所述稀释单元收集上述组件的用过的气体和稀释收集的用过的燃料气体,但是这组组件只是为了说明所需的最少量。例如,在阳极侧可以设置调节器、氢泵以及气-液分离器,在阴极侧可以设置过滤器、空气压缩机、进口截止阀、出口截止阀以及各种旁通阀,还可以设置冷却剂系统。
在所有附图中,用类似的附图标记表示类似的组件,并将省略冗余的说明。在描述的文本中,如果必要的话,将使用上述的附图标记。
图1示出燃料电池车辆10的全部构造。该构造涉及这样的状态,其中行驶在道路6上的燃料电池车辆10到达有水池8的地点,排气管12浸入到水池8中,并且水浸入排气管12。
燃料电池系统20设置在燃料电池车辆10的底板下。图1所示的燃料电池主单元30、燃料电池控制单元50以及显示单元46是燃料电池系统20的代表性组成组件。
燃料电池主单元30包括燃料电池堆,其通过用作燃料气体的氢与用作氧化气体的空气的电化学反应来产生电力。燃料电池控制单元50具有控制燃料电池主单元30的运行的功能,并还具有禁止排气管12浸水的控制功能。显示单元46具有当通过燃料电池控制单元50的功能输出浸水估计信号作为水会浸入排气管12的指示时显示要求移动车辆的警告输出的功能,如下所述。在图1所示的示例中,示出这样的状态,其中输出浸水估计信号并且点亮显示单元46作为其指示。
如图1所示,燃料电池主单元30设置在车辆10的底板下。燃料电池主单元30不仅可以设置在车辆10的底板下,而且可以例如代替用于设置发动机的发动机室中的发动机。在这种情况下,虽然用燃料电池系统代替发动机作为车辆的驱动源,但是显然不能减小发动机室的体积。就这一点而言,将燃料电池主单元30设置在车辆10的底板下,使得可以基本减小发动机室的体积。
在燃料电池主单元30设置在车辆10的底板下的情况下,所以排气管12与燃料电池主单元30之间在重力方向上没有显著的高度差,并且水从排气管12渗入的可能性增加。显然可以将排气管12配置为保证在重力方向上的高度差,但是这种构造减少了作为燃料电池的反应产物的水的排放。这是本发明必须解决的问题之一。
排气管12具有将燃料电池主单元30中的电化学反应中已经用过的燃料气体和氧化气体排放到外部的功能,并且排气管12用作燃料电池车辆10从燃料电池主单元30向后延伸的管道部分。为了禁止浸水,将排气管12配置为在重力方向上提供高度差。因此,将管道向上弯曲到比与燃料电池主单元30相连接的部分稍微更高的位置,然后再下降到车辆底板下方的位置。因此,排气口设置在下降部分的端部。
有时候将排气管12在重力方向上的这种高度差称为“上扬”。在上扬高度太大的情况下,车辆10的底板上的乘客厢的体积不期望地减小。当上扬不存在时,水浸入排气管12,因此水到达燃料电池主单元30,燃料电池堆会被损坏。考虑到上述事实,因此将上扬设定为特定高度,但是在一些情况中,上扬不足以防止排气管12浸水。
图2示出燃料电池系统20的构造。如上所述,燃料电池系统20包括燃料电池主单元30和控制单元50,所述控制单元50基于来自车辆运行指令单元(附图中未示出)的运行指令44来控制燃料电池主单元30的每个组成组件的全部运行。
燃料电池主单元30包括燃料电池堆32,其中堆叠多个单元燃料电池;用于氢气供应的组件设置在燃料电池堆32的阳极侧,用于空气供应的组件设置在阴极侧。
燃料电池堆32是通过连接被称为单元电池的多个单元燃料电池构成的蓄电池,以便得到期望的端子电压和输出电流。单元电池具有这样的结构,其中将催化剂层、扩散层、多孔电极层以及分离器设置在阴极侧和阳极侧,以便将电解质膜夹在中间。在单元电池中,将诸如氢的燃料气体供应给阳极侧,将例如空气、含有氧的氧化气体供应给阴极侧,并因此经由电解质膜,通过电化学反应来产生电力。通过这种方式,单元电池具有产生必要电力的功能。
阳极侧的氢气源22是供应氢作为燃料气体的罐子。来自氢气源22的燃料气体被供应给燃料电池堆32的阳极进口,用过的燃料气体从出口排放。在燃料电池堆32的阳极出口中设置的排气阀34是开关阀,其具有在预定条件下打开并将用过的燃料气体排放到稀释单元38中的功能。
阴极侧的氧供应源(AIR)24是氧化气体源,但是其中实际上能够使用空气。来自氧气供应源24的氧化气体被供应给燃料电池堆32的阴极进口,并且用过的氧化气体从出口排放。
在燃料电池堆32的阴极出口的下游直接设置的调压阀36又称为回压阀。该阀具有调节燃料电池堆32内部的氧化气体压力的功能,对应于阀的开度。例如,可将蝴蝶阀用作其中调节流动通道的有效打开的阀。
通过利用诸如小电动机和活塞的驱动机构,可以电控制调压阀36的开度。因此,执行调压阀36的开度的反馈控制,使得对应于运行指令,将燃料电池堆32内部的氧化气体压力保持在氧化气体的运行指示压力处。
例如,反馈控制使用开度映射图,其中调压阀36的开度与燃料电池堆32内部的氧化气体压力相关联。在开度映射图中,如果驱动阀的电动机是步进电动机,则调压阀36的开度、调压阀36的打开区域或者步进数目与燃料电池堆32内部的氧化气体压力相关联。映射图存储在适当的存储装置中,必要时读取。可以使用其中将调压阀36的开度与燃料电池堆32内部的氧化气体压力相关联的装置,例如以查找表和计算公式的形式,代替映射图。
当这样正常执行反馈控制时,调压阀36的开度自动改变,从而对应于运行指令,将燃料电池堆32内部的氧化气体压力保持在氧化气体的运行指示压力处。调压阀36的进口是燃料电池堆32的阴极出口,且调压阀36的出口是经由稀释单元38连接的排气管12。因此,如果排气管12中的压力改变,则调压阀36的开度相应地改变。
例如,如果水浸入排气管12,因此排气管12的排气表面区域减小,则排气管12内部的压力从大气压力开始变化,且调压阀36的开度相应地改变。因此,如果排气管12浸水,则在调压阀36的开度与对应于运行指示压力的预设开度之间出现差异。如下所述,控制单元50通过利用这种差异,来确定排气管12是否浸水。
在燃料电池堆32的阴极出口与调压阀36之间设置的压力传感器40是压力检测装置,其检测通过调压阀调节的燃料电池堆32内部的氧化气体压力。压力传感器的位置可以在燃料电池堆32的阴极入口中。在图2中,用虚线示出压力传感器42的替选位置。
稀释单元38是缓冲容器,在阳极侧收集来自排气阀34的阳极废气以及通过调压阀36的阴极废气,并以适当的氢气浓度将气体排放到外部。稀释单元38的出口连接排气管12的入口。
与控制单元50相连接的显示单元46是输出警告信号的显示装置,其通知驾驶员在排气管12中出现浸水。可以将灯、显示器或蜂鸣器用作显示单元46。在车辆10中,显示车辆的异常状态的警告灯设置在驾驶员座位处,并且该警告灯也能够用作显示器46。
如上所述,控制单元50控制作为整个系统的燃料电池主单元30的组成组件,并且可以是所谓的燃料电池中央处理单元(CPU)。可以用适合于在车辆上安装的计算机来构成控制单元50。
控制单元50包括运行控制处理单元52,所述运行控制处理单元52从运行指令单元(附图中未示出)来获得运行指令44,并根据该指令来控制燃料电池堆32的运行。该运行控制处理包括执行调压阀36的开度的反馈控制的处理,使得将燃料电池堆32内部的氧化气体压力保持在指示到燃料电池堆32的运行指示压力处。
此外,控制单元50具有执行控制从而禁止排气管12从外部浸水的特定功能。为此,控制单元包括:浸水估计信号输出处理单元54,其当作为调压阀36的开度与对应于运行指示压力的预设开度之间的差的开度差等于或大于预设阈值开度差时,输出指示排气管12会浸水的浸水估计信号;警告输出显示处理单元56,其基于浸水估计信号在显示单元46处执行显示要求移动车辆10的警告输出的处理;气体流量修正处理单元58,其在已经输出浸水估计信号的状态下,当排气管12中的氧化气体流量等于或小于预设阈值流量时,将氧化气体流量增加到预设浸水防止流量;以及间歇运行限制处理单元60,其基于浸水估计信号来执行禁止燃料电池的间歇运行的控制。
这些功能可以用软件实现。更具体地,这些功能可以通过执行燃料电池车辆运行控制程序来实现。这些功能中的一些功能也可以用硬件实现。
图3是从控制单元50的各种功能中,示出执行以禁止排气管的浸水的处理的流程图。在这种情况下,确定调压阀36的反馈控制是否可能(S10)。例如当由于反馈所引起的阀开关噪声成为问题以及当调压阀失效时禁止反馈的情况下,调压阀36的开度的反馈控制是不可能的。
如果S10中的确定为是,则确定开度差Δθ是否等于或大于预设阈值开度差Δθ0(S12),开度差Δθ是调压阀36的开度与对应于运行指示压力的预设开度之间的差。此外,如果S10的确定为否,则确定压力差ΔP是否等于或大于预设阈值压力差ΔP0(S14),压力差ΔP是压力传感器40的检测值与运行指示压力之间的差。
如果步骤S12和S14中任一个的确定为是,就可以确定燃料电池堆32内部的氧化气体压力没有保持在指示到燃料电池堆32的运行指示压力处。在这种情况下,假设排气管12会浸水,并因此,输出浸水估计信号(S16)。如果步骤S12和S14这两者中的确定都为否,就可以确定燃料电池堆32内部的氧化气体压力保持在指示到燃料电池堆32的运行指示压力处。因此,不输出浸水估计信号。步骤S12、S14和S16的处理通过控制单元50的浸水估计信号输出处理单元54的功能来执行。
当输出浸水估计信号时,控制单元50对应于车辆10的其他状态,例如车辆10的运行状态和燃料电池系统20的运行状态,执行若干相应的处理运行。这些运行的其中一个是基于浸水估计信号在显示单元46上显示要求移动车辆的警告输出(S18)。该处理通过控制单元50的警告输出显示处理单元56的功能来执行。当驾驶员看见警告输出显示时,移动车辆,从而给车辆特定速度。如果车辆速度大于排气管中的浸水速度,就能防止排气管浸水。具体地,在车辆10停在水池8中的情况下,警告输出显示是有效的。
在已经输出浸水估计信号的状态下关于燃料电池系统20的运行状态,确定排气管12中的氧化气体流量Q是否等于或小于预设阈值流量Q0(S20),并且当确定为是时,执行将该流量增加到预设浸水防止流量的处理(S22)。这些处理通过控制单元50的气体流量修正处理单元58的功能来执行。当排气管12中的氧化气体流量增加时,假设浸入排气管12的水被推回到外部,从而防止排气管12浸水。阈值流量Q0和浸水防止流量可以基于车辆10的结构等来预先设置。
此外,可以基于浸水估计信号执行禁止燃料电池系统20的间歇运行的控制(S24)。该处理通过控制单元50的间歇运行控制处理单元60的功能来执行。当燃料电池系统20间歇运行时,废气流量也变得不连续。因此,浸水容易出现。例如,冷却剂温度异常的条件是禁止燃料电池的间歇运行的条件。通过将浸水估计信号的输出添加到该禁止条件,能够降低浸水的可能性。
因此,通过调压阀36的开度或压力传感器40来监控关于燃料电池堆32内部的氧化气体压力与基于运行指令的压力之间是否出现差异,并基于监控结果来输出浸水估计信号。结果,可以对应于车辆10的运行状态和燃料电池系统20的运行状态执行充分的处理。因此,可以减少排气管12的上扬量,并有效地禁止排气管12的浸水,同时保证作为反应产物的水的排出。
本发明可以用于设置有排气管的燃料电池车辆,所述排气管将废气从燃料电池系统排放到外部。
Claims (12)
1.一种燃料电池车辆,其特征在于包括:
燃料电池堆(32),所述燃料电池堆通过利用氧化气体和燃料气体产生电力;
排气管(12),所述排气管将所述氧化气体和所述燃料气体从所述燃料电池堆排放到外部;
调压阀(36),所述调压阀设置在所述燃料电池堆的阴极出口与所述排气管之间,并且与所述调压阀的开度的调节相对应地调节所述燃料电池堆的内部的氧化气体压力;
调压阀开度控制单元(50),所述调压阀开度控制单元执行所述调压阀的开度的反馈控制,以便将所述燃料电池堆的内部的氧化气体压力保持在被指示给所述燃料电池堆的运行指示压力处;以及
浸水估计信号输出单元(54),当作为在所述调压阀的开度与对应于所述运行指示压力的预设开度之间的差的开度差等于或大于预设的阈值开度差时,所述浸水估计信号输出单元输出指示所述排气管浸水的浸水估计信号。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆,进一步包括:
显示装置(46),所述显示装置基于所述浸水估计信号来显示要求移动车辆的警告输出。
3.根据权利要求1所述的燃料电池车辆,进一步包括:
流量修正单元(58),在已经输出所述浸水估计信号的状态下,当所述排气管中的氧化气体流量等于或小于预设的阈值流量时,所述流量修正单元将所述氧化气体流量增加到预设的浸水防止流量。
4.根据权利要求1所述的燃料电池车辆,进一步包括:
间歇运行限制单元(60),所述间歇运行限制单元基于所述浸水估计信号来执行禁止所述燃料电池的间歇运行的控制。
5.根据权利要求1所述的燃料电池车辆,进一步包括:
压力检测单元(40),所述压力检测单元检测所述燃料电池堆的内部的氧化气体压力,其中,
如果所述调压阀的开度的反馈控制是不可能的,则所述浸水估计信号输出单元基于所述压力检测单元的检测压力来输出所述浸水估计信号。
6.根据权利要求5所述的燃料电池车辆,其中,
当作为在所述压力检测单元的检测压力与所述运行指示压力之间的差的压力差等于或大于预设的阈值压力差时,所述浸水估计信号输出单元输出指示所述排气管浸水的浸水估计信号。
7.一种用于燃料电池车辆的控制方法,所述燃料电池车辆设置有:燃料电池堆(32),所述燃料电池堆通过利用氧化气体和燃料气体来产生电力;排气管(12),所述排气管将所述氧化气体和所述燃料气体从所述燃料电池堆排放到外部;以及调压阀(36),所述调压阀设置在所述燃料电池堆的阴极出口与所述排气管之间,并且与所述调压阀的开度的调节相对应地调节所述燃料电池堆的内部的氧化气体压力,所述方法特征在于包括:
执行所述调压阀的开度的反馈控制,以便将所述燃料电池堆的内部的氧化气体压力保持在被指示给所述燃料电池堆的运行指示压力处;并且
当作为在所述调压阀的开度与对应于所述运行指示压力的预设开度之间的差的开度差等于或大于预设的阈值开度差时,输出指示所述排气管浸水的浸水估计信号。
8.根据权利要求7所述的用于燃料电池车辆的控制方法,进一步包括:
基于所述浸水估计信号来显示要求移动车辆的警告输出。
9.根据权利要求7所述的用于燃料电池车辆的控制方法,进一步包括:
在已经输出所述浸水估计信号的状态下,当所述排气管中的氧化气体流量等于或小于预设的阈值流量时,将所述氧化气体流量增加到预设的浸水防止流量。
10.根据权利要求7所述的用于燃料电池车辆的控制方法,进一步包括:
基于所述浸水估计信号来执行禁止所述燃料电池的间歇运行的控制。
11.根据权利要求7所述的用于燃料电池车辆的控制方法,进一步包括:
检测所述燃料电池堆的内部的氧化气体压力;并且
如果所述调压阀的开度的反馈控制是不可能的,则基于检测压力来输出所述浸水估计信号。
12.根据权利要求11所述的用于燃料电池车辆的控制方法,其中,当作为所述检测压力与所述运行指示压力之间的差的压力差等于或大于预设的阈值压力差时,输出指示所述排气管浸水的浸水估计信号。
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