CN1080359A - 排气回流再循环装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过排气气体再循环减少发动机排放的氧 化氮的方法,本发明通过选择至少一个燃烧室以四冲 程排气回流方式进行工作来提供一排气气体再循环 装置,而其余未被选择的燃烧室则以通常的四冲程方 式工作。在所述的四冲程排气回流工作方式中,排气 气体被送入被选择的部分燃烧室内。排气气体然后 在燃烧室中被压缩和膨胀。排气气体的冷却是在压 缩和膨胀冲程过程中获得的。经冷却的排气气体再 从燃烧室排出与新鲜空气混合。

Description

本发明一般地涉及发动机工作循环的受控操作,特别涉及一种预先建立的逻辑模式和对预先建立的逻辑模式的修正以顺序地和可调节地控制气阀定时使排气气体进行再循环从而减少氧化氮(NOx)排放物。
未来的柴油发动机需要符合氧化氮(NOx)排放标准,而该标准正在逐步减小许可的排放量。该排放标准旨在减少排出气体对空气的污染,以符合环境保护方面的公共利益。一般地说,有两种减少氧化氮(NOx)排放量的技术。一种技术是通过降低燃烧温度来改善燃烧状况,而另一种技术是对排气气体的后处理。在传统的发动机中,主要技术是采用催化转换器来进行排气气体的后处理以减少NOx的排放。然而,这种技术在转换器或空燃比的控制系统特别是氧气传感器的使用寿命和成本方面有不足之处。对大型发动机来说,这些缺点就成为比较严重的问题。就发动机的耐用性和热效率方面而言,通过燃烧的改善来降低NOx的技术是具有它的优点的。
业已证明,排气气体再循环(EGR)可减少NOx,同时具有制动比油耗和排气烟气罚款损失较小较小的优点。排气气体再循环是用排气气体来稀释新鲜空气进气以降低NOx,这里由于排气气体降低了最高燃烧温度因而减少了NOx的生成。
排气气体再循环(EGR)过去常用的一种方法是在与进入空气混合前使排气气体先冷却。先前的提供冷却的排气气体再循环的方法是使用发动机的外部管道、泵和冷却排气气体的热交换器,把排气系统的排出气体传送到空气进气系统。排出气体在废气涡轮增压器的涡轮的前面或后面的排气系统传送到在废气涡轮增压器的压缩机的前面或后面的空气进气系统。但其结果是由于增加了零部件的数量和复杂程度而增加了用户的成本和增加了附件故障的可能性。
因此,就需要一种不用外部附件依靠发动机内部的能力就能获得冷却的排气气体再循环的装置,发动机内则带有控制进、排气门和喷油嘴的电子控制装置。
本发明的目的就是要克服上述的一个或几个方面的问题。
本发明的一方面是提供一种装置,它适用于包含数个燃烧室和每个燃烧室有一个进气口和一个排气口的发动机。在各个燃烧室内活塞可以往复移动以形成进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。所述装置包括气流控制装置,该气流控制装置包括:进气装置,用于有选择地阻止或许可气流进入和离开各燃烧室;和排气装置,用于有选择地阻止或许可气流进入和离开各燃烧室。该装置还包括:根据控制信号,独立地驱动所述的每个进气装置和排气装置的装置;和响应于测得的发动机的工作参数的电子控制装置。所述的电子控制装置响应于测得的发动机的工作参数,使被选择的部分燃烧室的排气装置启动,把排气气体从排气传送装置引入燃烧室内,然后在燃烧室内压缩排气气体,使燃烧室内的排气气体膨胀和通过所述进气装置的启动而把排气气体排入进气传导装置内。
在本发明的另一方面是提供一种使一发动机工作(运行)的方法,该发动机包含有数个燃烧室。每个燃烧室有一进气口和一排气口和一个在每个燃烧室内可往复移动的活塞。这个方法包括以下步骤:监控发动机的工作情况、把控制信号送向进气装置和排气装置、根据一控制信号独立地驱动每个进气装置和排气装置、把排气气体从排气传送装置引入燃烧室内、在燃烧室内压缩排气气体、使在燃烧室内的排气气体膨胀以及通过进气装置的启动把排气气体排入进气传送装置内。
图1是使用本发明的一台发动机的部分剖视的侧面示意图;
图2是图1的发动机的一部分的剖视图;
图3是图1的发动机的部分剖视的平面示意图;以及
图4是本发明的另一实施例的一台发动机的部分剖视的平面示意图;
请参见图1、2和3。图中所示为一个直列型、四缸、压燃式内燃增压发动机10。发动机10包含有一个获得冷却的排气气体再循环(EGR)的装置11。在这个特例中,发动机10是以一依次具有进气、压缩、膨胀和排气冲程的传统的四冲程方式工作的。虽然本发明是以一个直列型四缸发动机10这例来进行说明和揭示的,但应予理解的是,该系统同样可用于,例如一增压的多缸的V型的具有不同工作方式的发动机。
发动机10包括一缸体12,其内有数个缸孔14和一个缸体顶部的安装表面16。发动机10还包括一气缸盖18,它有一底部安装表面20、一顶部表面22、一第一安装侧表面24,和一第二安装侧表面26。所述缸盖的底部安装表面20置于缸体顶部安装表面16上并由数个图中未画出的紧固件以通常方式刚性地连结成一体。缸体12和缸盖18也可以是本来就形成一体的一个整体。
在这个实施例中,一个可置换的、其内形成有一缸套活塞孔32的缸套30,被置于每个缸体孔14内。这些缸套活塞孔32形成数个缸筒:1、2、3和4。每个活塞孔32内设有一个可在其中滑动的活塞,用于以传统方式驱动曲轴36。曲轴36可转动地支承在缸体12内。活塞34在其各自的缸套孔32内,可在上止点(TDC)位置和下止点(BDC)位置之间作往复运动。燃烧室44由所述的缸盖18、缸套孔32和活塞34构成。
如图2所示,气缸盖18为所述缸筒1、2、3和4的每个燃烧室44形成一个进气口50和一排气口52。各个进气口50从所述的缸盖第一安装侧面24延伸到缸盖底部安装面20。各个排气口52从所述的缸盖第二安装侧面26延伸到缸盖底部安装面20。
在此具体实例中,发动机10是以标准的四冲程方式工作的。这种四冲程方式有一个预定的第一逻辑工作模式,在这个逻辑工作模式中,活塞34在各燃烧室44内的上止点和下止点位置之间作往复移动以形成一进气冲程,在此进气冲程内,新鲜空气从进气口50被引入到燃烧室44内。该活塞34进一步在下止点位置和上止点位置之间移动以形成一压缩冲程,在该压缩冲程内,在燃烧室44内的新鲜空气被压缩到预先确定的温度范围,燃油在上止点时或在上止点前被喷入,在此压缩冲程过程中,在燃烧室44内的燃油和空气的混和物燃烧之前有一个所要求的延燃期。在活塞34运动至上止点附近时,燃油和空气混合物的燃烧发生。作为燃烧结果,通过膨胀的排气气体的驱动,活塞34在燃烧室44内的上止点位置和下止点位置之间运动以形成一个膨胀冲程。接着,活塞34在下止点位置和上止点位置之间移动以形成一个排气冲程,在此排气冲程内,排气气体从燃烧室44排入到排气口52中。
从图2和3中可以清楚地看出,一个进气传送装置53与燃烧室44相连以把气流导入或引离燃烧室。所述的进气传送装置53包括一个进气歧管54,它是用数个紧固件55以通常方式刚性地连接于缸盖的第一侧表面24。该进气歧管54提供一进气歧管通道56和数个互连的进气歧管分支通路57。这些进气管分支通路以传统方式与进气口50相通。
所述发动机10还包括一个废气涡轮增压器58,它有一输入空气的压缩机59和一由排气气体驱动的涡轮60。该压缩机59由一进气管61以传统方式连结于进气歧管通道56,把经增压的空气供向燃烧室44。一冷却器62置于进气导管61管路中所述压缩机59和进气歧管通道56之间。
排气导管63连结于燃烧室44,以把气体导入或引离燃烧室。该排气导管装置63包括一个排气歧管64,由数个紧固件65以通常方式刚性地连结于气缸盖的第二安装表面26。该排气歧管64提供一排气歧管通道66和数个互连的排气歧管分支通路68。这些排气歧管分支通路68以传统方式与排气口52相通。
废气涡轮增压器58的由排气气体驱动的涡轮60由一排气气体导管69连结于排气歧管通道66。离开燃烧室44的排气气体驱动涡轮60,涡轮60再以传统方式驱动压缩机59。
该发动机10还包括气流控制装置70,用于选择地使进气歧管54和排气歧管62与燃烧室44连通。所述的气流控制装置70包括各燃烧室44的进气装置72、排气装置74和根据一控制信号独立地驱动每个进气装置和排气装置的装置76。
该进气装置72在此具体实例中,包括一安装在每一个进气口50内的进气门82和用于气缸盖18内支承往复运动的进气门的进气门支承机构84。但要认识到,所述的进气装置72可以包括多个进气门82和进气门支承装置84。
所述进气门82包括一进气门杆88、一设置在进气门杆一端上的进气门头部90和设置在另一端上的扩大的进气门保持圈92。所述的进气门头部90有一个环状进气门密封面94,该密封面具有一足够的尺寸,以密封地座落在进气口50的周围的一环状进气口座面96上。
所述的进气支承装置84包括一进气门导管98。进气门导管98安装在气缸盖18内并包含所述的进气门杆88。一进气门弹簧100围绕进气门杆88,并延伸在缸盖顶面22和进气门保持圈92之间。该进气门弹簧100把进气门密封面94压紧在进气口座面96上直到该进气门密封面94移离进气口座面。
参看图1和2。在此具体实例中,排气装置74包括:一安装在每一排气口52内的排气门112,和用于支承在气缸盖18内的往复移动的排气门112的一排气门支承装置114。但要认识到所述的排气装置可以包含多个排气门112和排气门支承装置154。
所述的排气门112包括一排气门杆118、一设置在所述排气门杆的一端的排气门头部120、和设备在另一端上的一个排气门保持圈122。该排气门头部120具有一个环状的排气门密封面126,它有一个足够的尺寸,以密封地座落在排气口52周围的一环状排气口座面128上。
该排气门支承装置114包括一排气门导管130。排气门导管130安装在气缸盖18内并包含排气门杆118。一排气门弹簧132围绕所述的排气门杆118设置并延伸在缸盖顶面22和排气门保持圈122之间。该排气门弹簧把排气门密封面126紧压在排气口的座面168上,直到排气门密封面移离排气口座面128。
在这个较佳实施例中,如图2所示,用于驱动每一个进气装置72和排气装置74的装置76包括相同数目的压电式马达136(图中只画出1个)。但要认识到,也可使用螺线管、音频线圈或可作线性位移的电磁式组件来取代该电压式马达136。每个压电式马达136置于组合式阀门驱动装置138内。该组合式阀门驱动装置138包括一个阀门驱动组件140,它分别与相应进气门和排气门端保持圈92和122相邻的进、排气门82和112啮合以通过电子方式操纵进、排气门。该气门驱动组件140包括:一气门驱动机构壳体144,所述壳体144设有一阶梯式的内腔146,在内腔146内设置有一驱动机构的气门驱动活塞148;一驱动机构的阀门放大器活塞150和一个在其间的驱动机构的阀流室152。
在技术中,熟知的这种压电式马达136,响应于具有预定数量的能量的电激励而作线性地伸长而在电激励终止时收缩。电激励数量的变化将使该电压式马达136根据电激励量的大小而产生不同的线性伸长。该压电式马达在直线方向上产生很大的力,但是其线性伸长量却小于使进、排气门的密封表面94和126移离进、排气口座面96和128的所要求的量。因此,设置执行机构气门驱动活塞148、执行机构阀门放大器活塞150执行机构阀流室152以便以下列方式转换和放大压电式马达136的线性位移。由于所述的执行机构的气门驱动活塞148的线性位移与执行机构阀门放大器活塞150的线性位移的液力放大比是与执行机构气门驱动器活塞148与执行机构阀放大器活塞150的表面面积比成反比例,因此该执行机构阀门放大器活塞150的尺寸远小于执行机构气门驱动活塞148。这样,压电式马达136的较小的线性位移就被放大从而使该执行机构阀门放大器活塞150产生大得多的线性位移量。
发动机10还包括各个燃烧室44的燃油喷射器装置186。该燃油器喷射装置186包括一个电子控制的喷油器工作机构188。从图1和2可以清楚地看出,该电子控制喷油器工作机构188包括:一由电子控制的单个喷油器190,它具有传统的设计并安置在气缸盖18上的一个阶梯的喷油器孔192内;和通过电子方式独立地控制每一单个燃油喷油器190的装置76。该装置76与每个喷油器190相啮合。由于用于单个喷油器190的装置76,其设计和功能与用于进、排气装置72和74的设计和功能基本上是相同的,因此它们在此不作详述。而且任何传统燃油系统都可以在这里使用。
如图1所示,电子控制系统208与驱动装置76相连,把那里的合适的控制信号传送到所述驱动装置,以用工作于通常的四冲程方式的第一预定逻辑工作模式对发动机10进行功能控制。
该装置11适用于发动机10通过转换排气流的方向进行排气气体的再循环。该装置11包括一电子控制装置212,它以不同于所述第一预定逻辑工作模式的第二预定逻辑工作模式把控制信号输出到驱动装置76。该电子控制装置212包括电子控制系统208、若干控制信号、多个传感器216(图中画出了其中的一个)、和一个微处理机218。所述的传感器216把发动机10的有关工作参数例如,喷油泵齿条的位置、氧化氮(NOx)、发动机转速(转/分)、负荷、增压度、温度、与每分钟转数有关的参数(rpms)和空气燃油混合物的信息传递到微处理机218。
在所述第二预定逻辑工作模式中,所述的电子控制装置212响应于检测到的发动机10的工作参数,使选出的一小组燃烧室44以一四冲程排气回流工作方式进行工作,而其他的燃烧室则保持通常的四冲程工作方式。在该四冲程排气回流方式中,一部分的被冷却的排气气体进行再循环并与新鲜空气相混合。应该理解所述的选出的组合可以是一个单个的燃烧室44也可以是两个以上燃烧室,这并不背离本发明的本质。
所述的四冲程回流工作方式依次具有回流进气、压缩、膨胀和排气冲程。在所述的回流进气冲程内,被选出的燃烧室的活塞34在燃烧室44内上止点位置和下止点位置之间往复地移动,在此过程中,排气气体通过活塞的下行程从排气歧管的分支通道59返回进入燃烧室44内。在所述的回流进气冲程中,该进气门82保持密封地座落在进气口贴合面96上,防止新鲜空气从进气歧管分支通道56吸入。
在所述的回流压缩冲程内,活塞34在下止点位置和上止点位置之间运动,在此过程中,排气气体通过活塞的上行程在燃烧室44内受压缩。在所述的回流动压缩冲程内,进气门82和排气门112分别保持密封地贴合在其进气口贴合面96和排气口贴合面128上。在所述的回流动压缩冲程内,用于选出的燃烧室44的该燃油喷油器执行机构组件196未被驱动因而没有燃油喷射到燃烧室44内。
在所述的回流膨胀冲程内,活塞34在燃烧室44内上止点位置和下止点位置之间作下行程运动,在此过程中,排气气体在燃烧室44内膨胀。在该回流膨胀冲程内,该进气门82和排气门112分别密封地座落在其进气口座面96和排气口座面128上。
在所述的回流排气冲程内,活塞34在下止点位置和上止点位置之间运动,在此过程中,排气气体通过活塞34的向上行程被从燃烧室44泵入进气歧管分支通道内。在回流排气冲程内,进气装置72被启动,打开进气门82,而排气门112保持密封地贴合在排气口贴合面128上。
现请参阅图4。下面描述本发明的另一个实施例。在此实施例中,一输送导管230连接在进气导管61和一个进气歧管分支通道56之间。该导管230与导管61的连接点位于废气涡轮增压器58的压缩机59和冷却器62之间。一个第一电子控制阀232设置在所述的导管230内,它响应于来自微处理机218的信号而有选择地阻止或许可排气气体从一个所选定的燃烧室44通向进气导管61。一个第二电子控制阀234设置在一个进气分支通道56内,它响应于来自微处理机218的信号通过一进气分支通道56而有选择地阻止或许可新鲜空气流入所选定的一个燃烧室44内。
在使用中,发动机10利用装置76驱动进气和排气气门装置72和74。所述的微处理机218通过一个程序逻辑来处理由传感器216提供的信息并根据分析的结果把一电流送向所选定的压电式马达136以驱动进气门组件的执行机构86、排气门组件的执行机构156、和燃油喷射器组件的执行机构194。所述的进、排气门工作装置72和74和燃油喷射器装置186是彼此独立地被驱动的,因此,所述的进气门182、排气门152和燃油喷油器190都被独立控制,以获得发动机10的气门开、闭和燃油喷射的最佳时刻而不论曲轴36的旋转位置如何。
所述的电子控制装置212包括所述的电子控制系统208、若干控制信号、传感器216,而所述的微处理机218连接于驱动装置76,以所述的第一和第二预定逻辑工作模式对发动机10进行功能控制。在该第一预定逻辑工作模式中,发动机是以通常的四冲程方式工作的。在第二预定逻辑工作模式中,一个或多个被选定的所述燃烧室44以使排气回流再循环的四冲程工作方式进行工作。
在所述的回流进气冲程中,在活塞34的向下行程中通过排气门112的开启使排气气体从排气歧管分支通道68返回到燃烧室44内。在所述的回流压缩冲程中,排气气体通过活塞34的上行程被压缩。在所述的回流膨胀冲程中,排气气体在活塞34下行程中膨胀。在回流排气冲程中排气气体由活塞34的上行程而从燃烧室44排过进气阀82,至此,排气气体加入进气歧管分支通道57内的新鲜进气实现再循环。排气气体的冷却是在回流压缩和膨胀冲程过程中通过把热量传向较冷的缸套30而获得的。通过用经过冷却的排气气体稀释新鲜空气的排气气体再循环可减少NOx,这种稀释降低了最高燃烧温度因而减少了NOx的产生。
如图4所示,如果要求排气气体在进入燃烧室44之前进行冷却,则排气气体在进入冷却器62之前先从进气歧管分支通道57进入进气导管61。
所述的电子控制装置212是根据所检测到的发动机10的工作参数进行工作的,这些工作参数包括:喷油泵齿条位置、氧化氮(NOx)含量、发动机转速(转/分)、负荷、增压度、温度、与转速有关的参数以及空燃混合物,它根据这些参数,输出控制信号到驱动装置76,使发动机10以第一或第二预定逻辑工作式进行运行。
所述的装置11是通过利用发动机10的内在能力而不是利用诸如管道和泵等的外部附件来获得冷却的排气气体再循环(EGR)的。
本发明的其他的方面、目的和优点可从研究附图、所揭示的内容和所附的权利要求书中获得。

Claims (14)

1、一种适于与发动机结合使用的排气气体再循环装置,所述的发动机包括:数个燃烧室、用于每个燃烧室的一进气口和一排气口,和一个活塞,所述的活塞在每个燃烧室内上止点位置和下止点位置之间往复移动以形成一进气冲程、在下止点位置和上止点位置之间移动以形成一压缩冲程、在上止点位置和下止点位置之间移动以形成一膨胀冲程、和在下止点位置和上止点位置之间移动以形成一排气冲程,所述的装置包括:
气流控制装置,它包括:进气装置,用以有选择地阻止和许可气流进入和离开每个燃烧室;和排气装置,用以有选择地阻止许可气流进入和离开每个燃烧室;
响应于一控制信号独立地驱动每个进气装置和排气装置的装置;和
进气传送装置,它连接到所述的进气装置用于使气流送入或离开燃烧室;
排气传送装置,它连接到所述的排气装置用于使气流进入或离开燃烧室;
电子控制装置,它响应于被检测到的发动机的工作参数,使所选定的燃烧室的排气装置启动,把排气气体从所述的排气传送装置送入到燃烧室内,压缩在燃烧室内的排气气体、使在燃烧室内的排气气体膨胀,以及通过启动进气装置把排气气体排入所述的进气传送装置内。
2、如权利要求1所述的一种装置,其特征在于,所述的进气装置包括:多个进气门,每个进气门安装在一个进气口内;和进气门支承装置,用于往复地支承进气门。
3、如权利要求2所述的一种装置,其特征在于,所述的进气门包括:一个进气门杆、设置在所述进气门杆一端的一个进气门头部和设置在另一端上的一个进气门保持圈;和进气门支承装置,它包括:包含所述进气门的一进气门导管和在所述的进气门杆周围设置的一进气门弹簧。
4、如权利要求3所述的一种装置,其特征在于所述的排气装置包括:多个排气门,其中每一个都安装在一个排气口内;和用于往复地支承排气门的排气门支承装置。
5、如权利要求4所述的一种装置,其特征在于,所述的排气门包括:一排气门杆、设置在排气门杆的一端的一排气门头部和设置在另一端上的排气门保持圈;和排气门支承装置,它包括:包含所述排气门杆的一排气门导管和一设置排气门杆周围的一排气门弹簧。
6、如权利要求1所述的一种装置,其特征在于,用于驱动的装置包含一个压电式马达。
7、如权利要求1所述的一种装置,其特征在于所述的电子控制装置包括一个电子控制系统、一控制信号、一传感器和一微处理机。
8、一种适用于四冲程发动机的装置,所述的发动机包括:多个燃烧室、用于每个燃烧室的一进气口和一排气口;一废气涡轮增压器,它包含一个连接于所述进气口的压缩机和一个连接于所述排气口的涡轮;和一活塞,它在每一燃烧室内上止点位置和下止点位置之间往复地移动以形成一进气冲程、在下止点位置和上止点位置之间移动以成一个压缩冲程、在上止点位置和下止点位置之间移动以形成一个膨胀冲程、和在下止点位置和上止点位置之间移动以形成一排气冲程;所述的装置包括:
气流控制装置,它包括:用于有选择地阻止和许可气流进入和离开各燃烧室的一进气门;一排气装置,它包括一排气门,它用于有选择地阻止和许可气流进入和离开每个燃烧室;
根据一控制信号独立地驱动每个进气门和排气门的装置;和
进气传送装置,它连接于进气装置,用以把气流送入和引离燃烧室;
排气传送装置,它连接于排气装置,用于把气流送入和引离燃烧室;
电子控制装置,用于使所选定的燃烧室的排气门启动,把排气气体从所述的排气传送装置送入燃烧室内、压缩在燃烧室内的排气气体、膨胀在燃烧室内的排气气体和通过进气阀的开启将排气气体排入所述的进气传送装置。
9、如权利要求8所述的装置,其特征在于,所述的发动机包括:一气缸盖,它有一缸盖顶面;而气流控制装置还包括:进气门支承装置,用于往复地支承在气缸盖内的进气门,以及所述的排气门支承装置,用于往复地支承在气缸内的排气门。
10、如权利要求9所述的装置,其特征在于,该进气门包括:一进气门杆、设置在所述进气门杆一端上的一进气门头部和设置在另一端上的一进气门保持圈;所述的进气门支承装置包括:安装在气缸盖内的和包含所述进气门杆的一进气门导管;和一进气门弹簧,它围绕所述进气门杆设置并延伸在缸盖顶面和进气门保持圈之间。
11、如权利要求11所述的装置,其特征在于,所述的排气门包括:一排气门杆、设置在排气门杆一端上的一排气门头部和设置在另一端上的一排气门保持圈,和所述的排气门支承装置包括:安装在气缸盖内和包含进气门杆的一排气门导管和一排气门弹簧,它围绕排气门杆设置和延伸在缸盖顶面和排气门保持圈之间。
12、如权利要求8所述的装置,其特征在于,所述驱动装置包括一压电式电动机。
13、如权利要求8所述的装置,其特征在于,所述的电子控制装置包括:一电子控制系统、一控制信号、一传感器和一微处理机。
14、一种使一发动机工作的方法,所述的发动机设有多个燃烧室、用于每个燃烧室的一进气口和一排气口,和一活塞,它在每个燃烧室内上止点位置和下止点位置之间往复移动以形成一进气冲程、在下止点位置和上止点位置之间移动以形成一压缩冲程、在上止点位置和下止点位置之间移动以形成一膨胀冲程以及在下止点位置和上止点位置之间移动以形成一排气冲程;所述的方法包括以下步骤:
(a)监控发动机的工况;
(b)把一控制信号输出到进气装置和排气装置;
(c)响应于一个控制信号独立地驱动每个进气装置和排气装置;
(d)使排气气体从排气传送装置进入燃烧室内;
(e)压缩在燃烧室内的排气气体;
(f)使在燃烧室内的排气气体膨胀;和
(g)通过启动所述的进气装置把排气气体送入进气传送装置。
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