CN111156111A - 一种提高热效率的甲醇发动机 - Google Patents

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范礼
丁万龙
李后良
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Abstract

本发明提供一种应用于新能源汽车技术领域的提高热效率的甲醇发动机，所述的提高热效率的甲醇发动机的发动机本体(1)的缸体(2)位置设置燃料喷嘴(3)，燃料喷嘴(3)通过甲醇供应管路(4)与甲醇存储箱体(5)连通，发动机本体(1)的节气门(10)通过氢气供应管路(6)与缓冲罐(7)连通，所述的缓冲罐(7)与制氢部件(8)连通，制氢部件(8)同时通过尾气供应管路(9)与发动机本体(1)的排气管连通，本发明所述的提高热效率的甲醇发动机，结构简单，在有效解决发动机冷启动困难问题同时，在发动机温度上升后，使得重整气体在节气门前于空气混合进入发动机掺烧，提高甲醇燃料热效率，提高发动机整体性能。

Description

一种提高热效率的甲醇发动机
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，更具体地说，是涉及一种提高热效率的甲醇发动机。
背景技术
当前，甲醇发动机是系能源汽车领域的研发热点。汽车制造企业纷纷推出甲醇汽车。甲醇汽车具有节能减排的优点，并且在经济性方面也具有优势。甲醇为可再生的资源，使汽车的能源不再单纯的依赖化石燃料。但是，甲醇汽车有一个缺点：冷启动困难。究其原因为以下几点：甲醇的热值比汽油低，燃烧时需要更多的甲醇蒸汽；甲醇的汽化潜热高，蒸发时需要更多的热量；甲醇的燃点要比汽油高；甲醇燃烧的空燃比要比汽油的空燃比高，所以完全燃烧时需要更高蒸汽压；甲醇是一种单组分燃料，沸点是固定的。不像汽油一样包含易挥发性成分，故与汽油相比冷启动更加困难；在甲醇液体没有完全挥发的情况下，由于其导电性，可能导致火花塞短路，不利于点火。
目前，为了解决冷启动的问题，甲醇发动机采用两套燃料供给系统：汽油与甲醇系统。发动机工作时，汽油供油系统只在低温冷启动条件下工作，等发动机温度上升后，甲醇燃料供给系统工作。目前的技术方案的缺点：此技术方案拥有两套燃料供给系统，造成发动机成本显著增加；因为甲醇的辛烷值要远高于汽油的辛烷值，所以甲醇发动机应该有比汽油发动机更高的压缩比。但是考虑到此发动机需要汽油做冷启动，所以在使用甲醇燃料的过程中，发动机压缩比并不高，不利于进一步提高发动机的热效率；并没有完全利用甲醇可以重整的优势进一步提高燃料的热值，并且同时解决甲醇燃料冷启动的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单，在有效解决发动机冷启动困难问题同时，在发动机温度上升后，使得重整气体在节气门前于空气混合进入发动机掺烧，提高甲醇燃料的热效率，提高发动机整体性能的提高热效率的甲醇发动机。
要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明为一种提高热效率的甲醇发动机，包括发动机本体，所述的发动机本体的缸体位置设置燃料喷嘴，燃料喷嘴通过甲醇供应管路与甲醇存储箱体连通，发动机本体的节气门通过氢气供应管路与缓冲罐连通，所述的缓冲罐与制氢部件连通，制氢部件同时通过尾气供应管路与发动机本体的排气管连通。
所述的燃料喷嘴与控制部件连接，缓冲罐上设置控制阀，控制阀与能够控制控制阀通断及流量调节的控制部件连接，所述的制氢部件与能够控制制氢部件启停的控制部件连接。
所述的提高热效率的甲醇发动机还包括混合器、减压器，所述的缓冲罐与减压器连通，减压器与混合器连通，混合器与节气门连通。
所述的提高热效率的甲醇发动机冷启动时，控制部件设置为控制阀打开，使得氢气和空气一道通过进气歧管进入缸体的结构。
所述的提高热效率的甲醇发动机启动后，当缓冲罐内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值低于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制控制阀关闭，同时控制燃料喷嘴打开，喷射甲醇存储箱体的甲醇进入缸体的结构。
所述的提高热效率的甲醇发动机启动后，当缓冲罐内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值高于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制控制阀和燃料喷嘴同时打开，从而实现甲醇和氢气同时进入缸体的结构。
所述的提高热效率的甲醇发动机启动后，当缓冲罐7内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值高于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制甲醇喷嘴启动，喷射甲醇箱体的甲醇进入缸体的结构，控制部件同时设置为能够控制缓冲罐的氢气进入节气门与通过节气门进入发动机的空气混合，再进入缸体与进入的甲醇混合燃烧的结构。
所述的提高热效率的甲醇发动机的制氢部件包括余热回收装置、甲醇水蒸气重整制氢反应器，甲醇存储箱体与甲醇水蒸气重整制氢反应器的制氢腔体连通，余热回收装置通过尾气供应管路与发动机本体的排气管连通，余热回收装置与甲醇水蒸气重整制氢反应器的加热腔体连通，储氢罐与甲醇水蒸气重整制氢反应器的制氢腔体连通，甲醇水蒸气重整制氢反应器的制氢腔体内设置制氧催化剂。
所述的甲醇燃料发动机的制氢部件还包括重整辅助装置，重整辅助装置内设置甲醇泵，甲醇存储箱体与重整辅助装置内的甲醇泵连通，甲醇泵同时与制氢部件的甲醇水蒸气重整制氢反应器的制氢腔体连通。
所述的制氢部件的甲醇水蒸气重整制氢反应器的加热腔体设置进气口和排气口，加热腔体的进气口与余热回收装置连通。
采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果：
本发明所述的提高热效率的甲醇发动机，对发动机工作时的燃料配备方案进行改进。发动机工作时，将发动机本体(发动机)排气管排出的部分尾气引入制氢部件对甲醇进行加热，而甲醇存储箱体5同时供应甲醇到制氢部件，制氢部件内的制氢催化剂在高温环境下与甲醇反应，制备氢气，输送储存到缓冲罐内。这样，在发动机低温启动(冷启动)时，利用缓冲罐中的重整气体(氢气)供应发动机，进行冷启动，此时甲醇供应停止，从而利用氢气易点燃的特性，有效解决低温情况下甲醇液体因为汽化潜热高而蒸发量少造成的冷启动困难问题，方便可靠实现汽车启动。而发动机启动后，发动机温度上升后，此时，缓冲罐停止供应氢气，而是直接从甲醇存储箱体中抽取甲醇，采用液体甲醇通过燃料喷嘴喷射燃烧，此时的燃料为甲醇。而在缓冲罐低压时(低于设定的缓冲罐压力标准数值)，此时，制氢部件重整的青提首先补充缓冲罐内的气体，保证下次冷启动需要。而在缓冲罐高压时(高于设定的缓冲罐压力标准数值)，重整后的气体此时也供应到发动机，氢气与空气一道进入燃烧室，与甲醇存储箱体供应的甲醇混合，氢气与甲醇实现掺烧，提高甲醇燃料的热效率。这样，在发动机处于不同工况下，能够实现发动机燃料的更改，使得发动机在各工况下都处于最佳的工作状态，提高发动机的整体性能。本发明所述的提高热效率的甲醇发动机，结构简单，在有效解决发动机冷启动困难问题同时，在发动机温度上升后，使得重整气体在节气门前于空气混合进入发动机掺烧，提高甲醇燃料热效率，提高发动机整体性能。
附图说明
下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：
图1为本发明所述的提高热效率的甲醇发动机低温启动时的燃料流动示意图；
图2为本发明所述的提高热效率的甲醇发动机的缓冲罐欠压时的燃料流动示意图；
图3为本发明所述的提高热效率的甲醇发动机的缓冲罐高压时的燃料流动示意图；
附图中标记分别为：1、发动机本体；2、缸体；3、燃料喷嘴；4、甲醇供应管路；5、甲醇存储箱体；6、氢气供应管路；7、缓冲罐；8、制氢部件；9、尾气供应管路；10、节气门；11、混合器；12、减压器；13、余热回收装置；14、甲醇水蒸气重整制氢反应器；15、重整辅助装置；16、甲醇泵；17、控制部件。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：
如附图1-附图3所示，本发明为一种提高热效率的甲醇发动机，包括发动机本体1，所述的发动机本体1的缸体2位置设置燃料喷嘴3，燃料喷嘴3通过甲醇供应管路4与甲醇存储箱体5连通，发动机本体1的节气门10通过氢气供应管路6与缓冲罐7连通，所述的缓冲罐7与制氢部件8连通，制氢部件8同时通过尾气供应管路9与发动机本体1的排气管连通。上述结构,对发动机工作时的燃料配备方案进行改进。发动机工作时，将发动机本体(发动机)排气管排出的部分尾气引入制氢部件对甲醇进行加热，而甲醇存储箱体5同时供应甲醇到制氢部件，制氢部件内的制氢催化剂在高温环境下与甲醇反应，制备氢气，输送储存到缓冲罐内。这样，在发动机低温启动(冷启动)时，利用缓冲罐中的重整气体(氢气)供应发动机，进行冷启动，此时甲醇供应停止，从而利用氢气易点燃的特性，有效解决低温情况下甲醇液体因为汽化潜热高而蒸发量少造成的冷启动困难问题，方便可靠实现汽车启动。而发动机启动后，发动机温度上升后，此时，缓冲罐停止供应氢气，而是直接从甲醇存储箱体中抽取甲醇，采用液体甲醇通过燃料喷嘴喷射燃烧，此时的燃料为甲醇。而在缓冲罐低压时(低于设定的缓冲罐压力标准数值)，此时，制氢部件重整的青提首先补充缓冲罐内的气体，保证下次冷启动需要。而在缓冲罐高压时(高于设定的缓冲罐压力标准数值)，重整后的气体(氢气)此时也供应到发动机，氢气与空气一道进入燃烧室，与甲醇存储箱体供应的甲醇混合，氢气与甲醇实现掺烧，提高甲醇燃料的热效率。这样，在发动机处于不同工况下，能够实现发动机燃料的更改，使得发动机在各工况下都处于最佳的工作状态，提高发动机的整体性能。本发明所述的提高热效率的甲醇发动机，结构简单，在有效解决发动机冷启动困难问题同时，在发动机温度上升后，使得重整气体在节气门前于空气混合进入发动机掺烧，提高甲醇燃料热效率，提高发动机整体性能。
所述的燃料喷嘴3与控制部件连接，缓冲罐7上设置控制阀，控制阀与能够控制控制阀通断及流量调节的控制部件连接，所述的制氢部件8与能够控制制氢部件8启停的控制部件连接。上述结构，缓冲罐用于存储制氢部件制备的混合气体(实际上是二氧化碳和氢气的混合气体)，而在发动机冷启动时，控制部件控制控制阀打开，氢气输出，进入进气通道，通过燃料喷嘴喷射进入燃烧室，此时，以氢气供应发动机，氢气燃烧容易，有效解决冷启动困难问题。而在发动机启动后，部分尾气引入制氢部件，而发动机温度超过设定的温度数值后，制氢部件开始制备氢气，并且将制备的氢气储存到缓冲罐内，一方面，用于发动机冷启动时作为燃料供应，另一方面，在发动机工作中，与甲醇同时供应，形成混合气体，有助于甲醇的充分燃烧，提高热效率。而制氢部件的启停，也通过控制部件控制，以与其他部件相互配合。
所述的提高热效率的甲醇发动机还包括混合器11、减压器12，所述的缓冲罐7与减压器12连通，减压器12与混合器11连通，混合器11与节气门10连通。上述结构，缓冲罐(储氢罐)中的重整气体(实际上是二氧化碳和氢气的混合气体)通过减压器减压，氢气供应时，氢气进入节气门，与空气滤清器供应的经过节气门的空气混合，形成混合气体，氢气和空气的混合气体通过进气歧管进入燃烧室，与甲醇存储箱体5供应的通过燃料喷嘴喷射到燃烧室的甲醇混合燃烧。
所述的提高热效率的甲醇发动机冷启动时，控制部件设置为控制阀打开，使得氢气和空气一道通过进气歧管进入缸体的结构。上述结构，发动机冷启动时，缓冲罐的氢气进入节气门，与空气滤清器供应的经过节气门的空气混合，形成混合气体，氢气和空气的混合气体通过进气歧管进入燃烧室，此时燃料是氢气，不供应甲醇，便于冷启动。
所述的提高热效率的甲醇发动机启动后，当缓冲罐7内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值低于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制控制阀关闭，同时控制燃料喷嘴3打开，喷射甲醇存储箱体5的甲醇进入缸体2的结构。上述结构，在缓冲罐低压时(低于设定的缓冲罐压力标准数值)，此时，制氢部件重整的青提首先补充缓冲罐内的气体，保证下次冷启动需要。此时，喷射甲醇存储箱体5供应甲醇，发动机依靠甲醇工作，氢气进行制备。
所述的提高热效率的甲醇发动机启动后，当缓冲罐7内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值高于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制控制阀和燃料喷嘴3同时打开，从而实现甲醇和氢气同时进入缸体2的结构。而在缓冲罐高压时(高于设定的缓冲罐压力标准数值)，重整后的气体(氢气)此时也供应到发动机，与甲醇存储箱体5供应的甲醇混合燃烧，氢气与甲醇掺烧。与此同时，当缓冲罐的压力超过设定的缓冲罐高压压力标准数值时，控制部件可以控制制氢部件停止制氢。当缓冲罐的实际压力数值低于缓冲罐低压压力标准数值时，再次进行制氢。缓冲罐高压压力标准数值大于缓冲罐低压压力标准数值，缓冲罐低压压力标准数值大于缓冲罐压力标准数值。当缓冲罐的实际压力数值低于缓冲罐低压压力标准数值时，控制部件再次控制制氢部件进行制氢。而缓冲罐上安装压力传感器，压力传感器与控制部件连接，便于实时监控反馈缓冲罐实际压力数值。从而能够根据缓冲罐的实际压力数值，控制其他部件动作。
所述的提高热效率的甲醇发动机启动后，当缓冲罐7内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值高于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制甲醇喷嘴3启动，喷射甲醇箱体6的甲醇进入缸体2的结构，控制部件同时设置为能够控制缓冲罐7的氢气进入节气门10与通过节气门10进入发动机的空气混合，再进入缸体2与进入的甲醇混合燃烧的结构。上述结构，在缓冲罐高压时(高于设定的缓冲罐高压压力标准数值)，氢气先进入节气门，与空气混合，然后从进气歧管供应进入燃烧室，与供应的甲醇燃料进行掺烧。
所述的提高热效率的甲醇发动机的制氢部件2包括余热回收装置13、甲醇水蒸气重整制氢反应器14，甲醇存储箱体5与甲醇水蒸气重整制氢反应器14的制氢腔体连通，余热回收装置13通过尾气供应管路9与发动机本体1的排气管连通，余热回收装置13与甲醇水蒸气重整制氢反应器14的加热腔体连通，储氢罐7与甲醇水蒸气重整制氢反应器14的制氢腔体连通，甲醇水蒸气重整制氢反应器14的制氢腔体内设置制氧催化剂。上述结构，在制氢部件制备氢气时，将发动机排出的部分尾气引入制氢部件的余热回收装置13，余热回收装置13对尾气温度进行调整，使得此后通过甲醇水蒸气重整制氢反应器14的加热腔体的尾气的温度满足甲醇与制氢催化剂的反应温度条件。与此同时，甲醇存储箱体5输送甲醇水溶液到甲醇水蒸气重整制氢反应器14的制氢腔体内，甲醇水溶液在余热回收装置13的高温作用下被汽化，形成CH30H与H2O的混合气体，而后上述混合气体与甲醇水蒸气重整制氢反应器14的制氢腔体内的制氢催化剂发生反应，在制氢催化剂的作用下，吸收热量转化为CO2与H2的混合气体(具体化学反应方程式如下：CH3OH+H2O＝CO2+3H2)。制备的CO2与H2的混合气体被输送到储氢罐中存储。这样，可靠完成氢气在线制备，供应发动机。
所述的甲醇燃料发动机的制氢部件8还包括重整辅助装置15，重整辅助装置15内设置甲醇泵16，甲醇存储箱体5与重整辅助装置15内的甲醇泵16连通，甲醇泵16同时与制氢部件8的甲醇水蒸气重整制氢反应器14的制氢腔体连通。上述结构，通过重整辅助装置，甲醇泵泵送甲醇水溶液进入甲醇水蒸气重整制氢反应器14的制氢腔体，参与制氢。而在发动机工作时，甲醇存储箱体5同时通过甲醇供应管路与燃料喷嘴(甲醇喷嘴)，向发动机的缸体内输送甲醇燃料。
所述的制氢部件8的甲醇水蒸气重整制氢反应器14的加热腔体设置进气口和排气口，加热腔体的进气口与余热回收装置13连通。上述结构，余热回收装置输送经过甲醇水蒸气重整制氢反应器14的加热腔体的尾气，在加热腔体释放热量后，从加热腔体的排气口排出。
本发明中,甲醇重整制氢反应的方程式为：CH3OH+H2O＝CO2+3H2，水箱中的水需要蒸发变成蒸汽，与甲醇蒸汽一起参与反应。
本发明所述的提高热效率的甲醇发动机，附图1-附图3中的“→”代表重整气体或甲醇供应走向，而“×”则代表氢气不供应。
本发明所述的提高热效率的甲醇发动机，对发动机工作时的燃料配备方案进行改进。发动机工作时，将发动机本体(发动机)排气管排出的部分尾气引入制氢部件对甲醇进行加热，而甲醇存储箱体5同时供应甲醇到制氢部件，制氢部件内的制氢催化剂在高温环境下与甲醇反应，制备氢气，输送储存到缓冲罐内。这样，在发动机低温启动(冷启动)时，利用缓冲罐中的重整气体(氢气)供应发动机，进行冷启动，此时甲醇供应停止，从而利用氢气易点燃的特性，有效解决低温情况下甲醇液体因为汽化潜热高而蒸发量少造成的冷启动困难问题，方便可靠实现汽车启动。而发动机启动后，发动机温度上升后，此时，缓冲罐停止供应氢气，而是直接从甲醇存储箱体中抽取甲醇，采用液体甲醇通过燃料喷嘴喷射燃烧，此时的燃料为甲醇。而在缓冲罐低压时(低于设定的缓冲罐压力标准数值)，此时，制氢部件重整的青提首先补充缓冲罐内的气体，保证下次冷启动需要。而在缓冲罐高压时(高于设定的缓冲罐压力标准数值)，重整后的气体此时也供应到发动机，氢气与空气一道进入燃烧室，与甲醇存储箱体供应的甲醇混合，氢气与甲醇实现掺烧，提高甲醇燃料的热效率。这样，在发动机处于不同工况下，能够实现发动机燃料的更改，使得发动机在各工况下都处于最佳的工作状态，提高发动机的整体性能。本发明所述的提高热效率的甲醇发动机，结构简单，在有效解决发动机冷启动困难问题同时，在发动机温度上升后，使得重整气体在节气门前于空气混合进入发动机掺烧，提高甲醇燃料热效率，提高发动机整体性能。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：包括发动机本体(1)，所述的发动机本体(1)的缸体(2)位置设置燃料喷嘴(3)，燃料喷嘴(3)通过甲醇供应管路(4)与甲醇存储箱体(5)连通，发动机本体(1)的节气门(10)通过氢气供应管路(6)与缓冲罐(7)连通，所述的缓冲罐(7)与制氢部件(8)连通，制氢部件(8)同时通过尾气供应管路(9)与发动机本体(1)的排气管连通。
2.根据权利要求1所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：所述的燃料喷嘴(3)与控制部件连接，缓冲罐(7)上设置控制阀，控制阀与能够控制控制阀通断及流量调节的控制部件连接，所述的制氢部件(8)与能够控制制氢部件(8)启停的控制部件连接。
3.根据权利要求1所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：所述的提高热效率的甲醇发动机还包括混合器(11)、减压器(12)，所述的缓冲罐(7)与减压器(12)连通，减压器(12)与混合器(11)连通，混合器(11)与节气门(10)连通。
4.根据权利要求1所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：所述的提高热效率的甲醇发动机冷启动时，控制部件设置为控制阀打开，使得氢气和空气一道通过进气歧管进入缸体(2)的结构。
5.根据权利要求1所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：所述的提高热效率的甲醇发动机冷启动后，当缓冲罐(7)内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值低于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制控制阀关闭，同时控制燃料喷嘴(3)打开，喷射甲醇存储箱体(5)的甲醇进入缸体(2)的结构。
6.根据权利要求1所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：所述的提高热效率的甲醇发动机启动后，当缓冲罐(7)内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值高于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制控制阀和燃料喷嘴(3)同时打开，从而实现甲醇和氢气同时进入缸体(2)的结构。
7.根据权利要求5所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：所述的提高热效率的甲醇发动机启动后，当缓冲罐(7)内的氢气压力的缓冲罐实际压力数值高于控制部件内存储的缓冲罐压力标准数值时，控制部件设置为能够控制甲醇喷嘴(3)启动，喷射甲醇箱体(6)的甲醇进入缸体(2)的结构，控制部件同时设置为能够控制缓冲罐(7)的氢气进入节气门(10)与通过节气门(10)进入发动机的空气混合，再进入缸体(2)与进入的甲醇混合燃烧的结构。
8.根据权利要求1所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：所述的提高热效率的甲醇发动机的制氢部件(2)包括余热回收装置(13)、甲醇水蒸气重整制氢反应器(14)，甲醇存储箱体(5)与甲醇水蒸气重整制氢反应器(14)的制氢腔体连通，余热回收装置(13)通过尾气供应管路(9)与发动机本体(1)的排气管连通，余热回收装置(13)与甲醇水蒸气重整制氢反应器(14)的加热腔体连通，储氢罐(7)与甲醇水蒸气重整制氢反应器(14)的制氢腔体连通，甲醇水蒸气重整制氢反应器(14)的制氢腔体内设置制氧催化剂。
9.根据权利要求1所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：所述的甲醇燃料发动机的制氢部件(8)还包括重整辅助装置(15)，重整辅助装置(15)内设置甲醇泵(16)，甲醇存储箱体(5)与重整辅助装置(15)内的甲醇泵(16)连通，甲醇泵(16)同时与制氢部件(8)的甲醇水蒸气重整制氢反应器(14)的制氢腔体连通。
10.根据权利要求1所述的提高热效率的甲醇发动机，其特征在于：制氢部件(8)的甲醇水蒸气重整制氢反应器(14)的加热腔体设置进气口和排气口，加热腔体的进气口与余热回收装置(13)连通。
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