JPH02504674A - ラムダ値検出方法 - Google Patents
ラムダ値検出方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
ラムダ値検出方法、その適用法お:び装置本発明は、例えば内燃機関の排気ガス
流中に配置されたラムダゾンデから送出されるラムダ値の検出方法に関する。本
発明はさらに、そのような方法の適用法および方法を実施するための装置に関す
る。
技術背景
ラムダゾンデから送出される電圧の値は、ゾンデの箇所のラムダ値に依存するの
みならず、その温度にも依存する。特に濃厚特性域では当該依存性が強い。温度
特性によって測定結果は大きく誤シを生じ、所定の温度以下ではゾンデから送出
される電圧を制御に使用することができない程である。当該閾値から値が使用さ
れるようになる投入閾値を識別するため、例えばゾンデの内部抵抗が測定される
。内部抵抗は温度の上昇と共に減少する。
内部抵抗測定のための方法は、本出顧の優先日以降に公開された特許出願EPO
258543A2号明細書に記載されている。ゾンデ電圧は一度無負荷状態で、
次に所定の抵抗値を有する負荷抵抗による負荷下で測定される。2つの電圧と既
知の抵抗値から瞬時の内部抵抗が算出される。これが閾値と比較され、瞬時値が
閾値以下にあれば電圧値がラムダ制御に使用される。
しかし内部抵抗の温度依存性を利用する簡便法では、内部抵抗を具体的に算出す
る必要がない。これF′1DE3319432A1号明細書(US4,528.
957)から公知である。この公知の方法は次の事実を利用している。すなわち
、ゾンデと直列に接続された負荷抵抗にて取出される電圧は、ゾンデ電圧がラム
ダ値変動によシ変化するときに変化するのみではなく、内部抵抗が変化した場合
にも変化するという事実を利用している。従って負荷抵抗によって内部抵抗を算
出する必要はまったくなく、負荷抵抗にて取出される電圧を電圧閾値と比較して
ゾンデの動作率備状態を識別するだけで十分である。冥際には2つの閾値が必要
でおる。
というのは同じ内部抵抗の下でも2つの異なる電圧が送出され得るからである。
すなわち、ゾンデにちょうど供給される排気ガスが濃厚混合気から由来したもの
か希薄混合気から由来したものかに依存して2つの異なる電圧が送出され得る。
ゾンデの動作準備性(スタンバイ)を識別するための公知の方法では次のように
閾値が設定される。すなわち、内部抵抗が僅かにしか変化せず″従って測定結果
を誤るようなことが殆どないようなときに初めて、ゾンデの制御スタンバイを識
別するように設定される。
本発明の課題は、従来よりも低い温度でも確実に動作するラムダ値測定方法を提
供することである。本発を実施するための装置を挙げることを課題とするもので
ある。
発明のオU点
発明は、方法に対しては請求項】の%徴部分によシ、適用法に対しては請求項8
tたは9の4’!’像部分によシ、装置に対しては請求項11の特徴部分により
記載されている。方法の有利な発展形態および実施例は下位請求項2〜7の対象
でちる。適用法の有利な発展形態は請求項10の特徴部分により記載されている
。
本発明の方法は次のことを要点とする。すなわち、ゾンデの内部抵抗を測定し、
ゾンデ電圧からラムダ値が検出される時、内部抵抗を考慮するものでちる。その
ために、測定さ九たゾンデ電圧を内部抵抗を用いて補正し、ラムダ値を補正した
電圧から検出するか、または測定したゾンデ電圧からラムダ値を検出し、この値
を内部抵抗を用いて補正することができる。特に有利なのはラムダ値を次のよう
にして検出する。すなわち、ラムダ値をラムダ値−ゾンデ電圧−内部抵抗−特性
フイールドから検出するのである。その際ゾンデ電圧は無負荷状態のゾンデの電
圧とする。
内部抵抗は簡単な構成上の手段により負荷抵抗を用いて測定される。特に迅速な
測定が、所定の外部電圧をゾンデに印加し、内部抵抗をこの電圧と流れる電流と
から算出することにより可能である。
本発明の方法は、2ムダ制御適用の際に比較的に良好な制御結果と、測定装置に
適用した際に比較的に信頼性のある測定結果を、従来の方法に比較してもたらす
ものである。適用に対しては、別の温度領域で動作させ得ると有利である。これ
を可能にするためにラムダ値測定のための有牙すな発展形態では、負荷抵抗によ
る負荷を、異なる抵抗値の抵抗を用い、ゾンデのそれぞれ存在する内部抵抗に依
存して、すなわちそれぞれ存在する温度領域に依存して行うのである。負荷抵抗
の値はゾンデが損傷しないようにするため、それぞれゾンデを過度に負荷しない
ように選択する。特に制御の適用例に対しては次のような発展形態が重要である
。
すなわち、再び無負荷とされたゾンデの電圧が次の走査検出までに十分回復する
ように負荷抵抗の値を選択するような発展形態が重要である。
本発明による方法はゾンデの全動作領域において、すなわち希薄領域から濃厚領
域まで適用可能である。
しかし希薄領域およびほぼラムダ=1の領域の温度依存性は比較的小さなもので
あるから、適用法の有利な発展形態では、この領域での電圧値のラムダ値への変
換計算を線形に、温度依存性を考慮せずに行う。
ラムダ値を検出するための本発明の装置は、無負荷ゾンデの電圧を検出する手段
、ゾンデの内部抵抗を検出する手段、その他に測定した電圧値に所属するラムダ
値を読出すための特性フィールドを有する。
図面
本発明を以下、図により示された実施例に基づき詳細に説明する。
第1図1儂本発明による装置のブロック回路図、第2図は全ラムダ領域に対して
模式的に示した特性フィールド、第3図および第4図は比較的低いゾンデ温度領
域および比較的高いゾンデ温度領域でのそれぞれ濃厚領域に対する特性フィール
ド、第5図はラムダ値に対する種々異なる検出領域を説明するための線図、第6
図はラムダゾンデの内部抵抗を考慮してラムダ値を検出することが重要な役割を
果たす適用例説明のためのブロック回路図である。
実施例の説明
提案された方法、その適用法およびそれを実施するための装置は、ラムダゾンデ
、例えばネルンスト型(加熱なしおよび加熱性)のラムダゾンデの強く温度に依
存する濃厚特性域および比較的にはそれ程でもなく温度に依存する希薄特性域を
僅かなコストで利用可能とする。本発明は、一義的に再現可能な関係がゾンデ電
圧U6、ゾンデ温度Tsおよびラムダ間に存在することを基礎とする。従ってU
6およびTsからのラムダ測定が次のようにして可能である。すなわち、これら
2つの量を介して展開される、相応の2ムダゾンデの特性フィールドから、それ
ぞれ動作点におけるラムダ値を補間することにより可能である。酸素ゾンデの内
部抵抗Ri は同じ酸素ゾンデの温度Tsの関数でもちるから、酸素ゾンデのU
6とRiを介して展開された特性フィールドをラムダ値の測定に代用して使用す
ることも可能である。この方法では第1のステップで、ゾンデ電圧USを無視し
得る負荷の下でアイドル電圧として測定し、第2ステツプで、測定抵抗RLによ
シ負荷した酸素ゾンデのゾンデ電圧ULを測定し、そこから簡単な計算ルーチン
を用いて内部抵抗Ri を検出するのでちる。
次に第1図のブロック回路図に基づき、装置および該装置によシ実施される方法
について詳細に説明する。
10によシラムダゾンデが示されている。ゾンデはゾンデ電源(US)10a、
ゾンデの温度に依存する内部抵抗(J)1ob、並びにラムダゾンデを加熱すべ
き場合には電気的加熱素子を有する。加熱素子によりゾンデを必要な場合、60
0℃〜800℃の通常動作温度に高温加熱することができる。ゾンデの出力端子
AとBは、非常に高い内部抵抗を有する差動増幅器1602つの入力端子に接続
されている。この増幅器の2つの入力端子の一方(ここでは端子18)は有利に
は車両アースと接続されている。出力端子AとBの間には電気制御可能なスイッ
チ12が接続されており、その一方の切換区間13は抵抗値RLの負荷抵抗11
を介して出力端子Aと接続されている。スイッチの他方の切換区間14は増幅器
16の入力側および車両アースと接続されている。増幅器16の出力側は、マイ
クロプロセッサ22の入出力(Ilo)インターフェース21のアナログ/ディ
ジタル(A/D )入力チャネル20に接続される。増幅器16は有利には強い
帰還結合によシ低いしかしほぼ一定の増幅度を有する。大きなI10インターフ
ェース21は通常さらに別のA/D入力側23を有する。マイクロプロセッサ2
2の出力チャネル24は電気的スイッチ12の制御電極15と接続されている。
別の出力チャネル26は電気的スイッチ27の相応の制御電極28と接続されて
おシ、スイッチの切換区間29と30は加熱素子10Cと直列に接続されておシ
、供給電圧31に接続される。加熱素子がない場合には、他の上に述べた回路部
も省略される。マイクロプロセッサ22のI10インターフェース21は通常さ
らに、使用者による制御のだめの別の接続部25を有する。
ゾンデ電圧U5は通常短時間の連続で、実際はほぼ10m5毎に走査検出される
。すなわち、A/D入力チャネル20を介してフィクロプロセッサ22に読込ま
れ、そこでさらに処理されて評価される。そこから発生する例えば100&オー
ダのサンプリング周波数は、ラムダゾンデの信号の十分な時間的解像度を保証す
ると共に、ゾンデ信号を排気ガス制御に用いる場合に、相応に構成された排気ガ
ス制御回路の十分な限界周波数をも保証する。そこに含まれる制御器のダイナミ
ック特性を著しく悪化させないために、負荷抵抗RLによるラムダゾンデの“試
験負荷“が、前述の、順次連続する規則的な2つのサンプリング時点間の時間間
隔中に行われる。すなわち、10m5以下の接続時間中、例えばsmsで行われ
る。使用するラムダゾンデの記憶効果(ゾンデ特性を、先行する高い電流負荷に
よって温度に依存して誤ること)が障害となる程には作用しないようにするため
に、ラムダゾンデの個々の試験負荷間の時間的間隔を非常に大きく、例えば1秒
のオーダに選択する。それによシ前記試鋏負荷の、l/2E!の回復周波数が得
られる。従って例えば1/200以上の負荷比が調整されれば、ゾンデから取出
される電流の平均値が所望のように比較的に低くなp、その結果ゾンデの電流老
化は僅かに留まる。
温度で変化するラムダゾンデの内部抵抗Riの測定は次のようにして行われる。
すなわち、2つの規則的なサンプリング時間の間隔、すなわち例えばlQmsの
間隔で測定された2つの電圧しLとU、を、以下の式に従い計算プログラムによ
って結合するのである。
Ri =RL (Us −LIL ) /UL (1)その際、負荷下の
ゾンデ電圧UL とそれに直接続いて測定されたアイドル電圧U8とは近似的に
“同時“と見なされる。これはラムダゾンデの熱時定数が規則的なサンプリング
持続期間に対して著しく大きなものであるから許容される。
算出したゾンデ内部抵抗Riはパラメータとして特性フィールドに用いる。特性
フィールドにはラムダ値;’>i Ilj定した無負荷電圧USに依存してファ
イルされている・このようなラムダ特性フィールド(1第2図に模式的に示され
ている。測定された内部抵抗が、記憶されている2つの特性曲線間にあるならば
補間が行われる。これは周期的に各サンプリング期間中に、最後に検出されたそ
の都度の内部抵抗値によって実行される。
サンプリング期間は無負荷ゾンデ電圧USの規則的な2つの検出間隔にあたる。
前記最後に検出された内部抵抗値は特性フィールドに入力される補正量として、
その都度法の、例えば遅くとも1秒後に新たに行われる検出まで有効である。新
たな検出が行われるとその瞬時のゾンデ内部抵抗が新たな特性フィールド入力補
正髪とされる。この手段により、マイクロプロセ・ソサひいてはゾンデ電圧の補
正が僅しか負荷されない。マイクロプロセッサは相応の排気ガス制御回路の重要
な構成部材でらシ、内部抵抗実現化のだめの支点検出を行9゜そしてラムダゾン
デの熱時定数に適合した、十分に高速なゾンデ特性の実現化が、排気ガスの制御
すべきラムダ値に関して行われる。
第2図は全ラムダ領域に対する模式的特性フィールドを示し、第3図および第4
図1は濃厚ラムダ領域に対する具体的な特性フィールド線図を2つの異なる温度
領域に対して示す。第3図かられかるように温度の低い場合、すなわち図示の例
では500℃と550℃の間の温度の場合、内部抵抗に依存するラムダ値の変化
は僅かである。第4図の線図によれば温度の高い場合、すなわち図示例では65
0℃と900℃の間の温度の場合、前とは異なり変動は著しい。無負荷ゾンデで
測定した900℃でのs6omVの電圧が約0.75のラムダ値に相応すれば、
ゾンデ温度650℃での電圧は約0.95のラムダ値に相応する。このこと力・
ら、開示された方法は既に従来よシも低い温度でラムダ値の確実な検出を°可能
にするのみならず、従来の構成でもゾンデが動作準備していた温度領域において
、従来よシも正確な測定結果を提出することができるのである。
従って本方法は濃厚領域においても常時制御を実行することができ、例えば暖機
運転制御または全負荷制御にも使用することができる。その他前述のラムダ検出
は有利にはラムダ測定装置に使用することができる。
第3図と第4図には種々異なる内部抵抗に対してそれぞれ3つの特性曲線のみが
プロットされていることを述べておく。実際上は、特に高温領域では変動が太き
いから、補間エラーが過度に大きくならないXうにするためより多数の特性曲線
を使用する。多数の支点を横軸に沿って使用することも可能である。支点の数と
特性フィールド毎の特性曲線の数は使用する特性フィールドメモリの容量によジ
定められる。
第5図には種々のゾンデ温度に対するゾンデ特性曲線が示されている。図ではラ
ムダ値が横軸、無負荷ゾンデの電圧値が縦軸に示されている。すなわち、第2図
〜第4図に対しては正確に取換えられている。特性曲線は3つの領域に分割され
ている。すなわち、濃厚ラムダ値に対する約65omV以上の上側電圧領域と、
希薄ラムダ値に対する約100mV以下の下側領域と、その間にあるラムダ=1
に制御する領域である。下側領域および中央領域では、特性曲線の温度依存性は
僅かである。従ってこれらの曲線1ζそれぞれの領域の唯一つの特性曲線によυ
代夛される。これに対し上側領域では、前述のような、種々の温度領域に対する
特性フィールドが使用される。
ラムダ値検査装置に対する機能回路図が第6図に示されてお)以下に説明する。
この装置は第5図による特性曲線分割を使用する。
第6図に含まれるゾンデ10は選択的に3つの負荷抵抗110.l1mまたはI
IUによシ、内部抵抗Riが上側温度領域に対する値R1oをとるか、中央温度
領域に対する値Rimをとるか、下側温度領域に対する値Riuをとるかに依存
して負荷可能である。実施例における負荷抵抗は500オーム、2000オーム
、ないし5000オームの抵抗値をそれぞれ上側、中央、ないし下側温度領域1
(対して有する。しかしこれらの抵抗は、ゾンデ電圧が第5図の特性曲線の上側
領域にあるとき、すなわち650mV以上のときにのみシンr10に接続される
。この条件は第6図に、AND素子32での入力祭件として示されている。AN
D素子の他方の入力側へはクロック電圧が供給される。クロック電圧はsms間
ハイレベルであり、次に1秒間ローレベルとなる信号によシ定められる。従って
負荷抵抗を接続するためのスイッチ12は、ゾンデ電圧が650mV以上である
とき1秒毎にsmsの間、スイッチ制御部33によシ閉成される。既に第1図に
基づき説明したように、スイッチ制御部はマイクロプロセッサ22の一部である
。
ゾンデ10にて取出される電圧は増幅器16にょシ増幅され、電圧スイッチ34
を介して計算手段35に送出される。電圧スイッチ34は負荷抵抗スイッチ12
と共に接続される。従って負荷が接続された際、計算手段3!:は、負荷下で検
出された電圧ULを受取シ、それ以外では無負荷のゾンデの電圧U8を受取る。
これらの値から上に述べた式(1)に従いゾンデの内部抵抗Riが算出される。
内部抵抗の値に依存して、上述のように、ゾンデ10の負荷抵抗110.l1m
またはIIUのうちの1つが接続される。同様にこの値に依存して3つの特性フ
ィールドのうちの1つが濃厚スイッチ37に接続される。3つの特性フィールド
36o、36m。
36uもまた上側、中央、下側温度領域に相応する。従って特性フィールド36
Llは第3図の特性フィールドに相応し、特性フィールド360は第4図の特性
フィールドに相応する。
無負荷ゾンデの電圧U6は計算手段35および特性フィールド361に供給され
るだけでなく、ラムダ=1に対する線形化テーブル38および希薄−線形化テー
ブル39にも供給される。これらのテーブルは第5図に基づき説明した線形化を
行う。それらの出力値は約ラムダ=1の値に対するスイッチ40と希薄スイッチ
41に送出される。濃厚スイッチ37、ラムダが約1の値に対するスイッチ40
および希薄スイッチ41は、第6図によるラムダ値検出装置の出力側42と接続
されている。3つのスイッチのうちのどれが閉成されるかは、無負荷ゾンデの電
圧値USに依存している。650mV以上の電圧でLIi濃厚スイッチ37が、
100mV以下の電圧では希薄スイッチ41が、その間の電圧ではラムダニ約1
の値に対するスイッチ40が閉成される。
従って装置は100mV以下の電圧の場合、希薄線形化テーブル39からラムダ
値を送出する。これに対して100mVと650mVの間の電圧の場合、ラムダ
=1に対する線形化テーブル38からラムダ値を送出し、650mV以上の電圧
に対しては特性フィールド361から送出する。つ−45、どの温度領域、すな
わちどの内部抵抗領域にちょうどあるかに依存して送出する。
第6図の装置の機能ブロックは可能な限り第1図のマイクロプロセッサ22に集
積化する。
上述のようにゾンデは全1秒毎にのみそれぞれ5msの間負荷される。これに対
して無負荷ゾンデは全10m5毎に走査される。このことは、無負荷ゾンデの電
圧の次の走査に対して、測定された値が先行する負荷によって誤まらないように
、ゾンデ電圧は負荷後比較的急速に回復しなければならないことを意味する。急
速な回復に対する要求は次のようにして可能とされる。
すなわち、種々異なる内部抵抗領域に対して種々異なる負荷抵抗を選択する。す
なわち負荷抵抗が高ければ高い程、内部抵抗も高い。従って適用される負荷抵抗
領域の数はゾンデの回復速度およびサンプリング速度に依存する。従って実施例
よシも多いまたは少ない領域、すなわち3つ以上または以下の領域を使用するこ
ともできる。
内部抵抗算出は必ずしも前述の式(1)に従って行う必要はなく、これはゾンデ
の回路に依存している。従って内部抵抗測定を任意の負荷回路網によって、例え
ばEPO258543A2に記載されているよりな負荷回路網によって行うこと
ができる。
実施例では、ゾンデ内部抵抗を考慮してのラムダ値検出は濃厚ラムダ値領域に対
してのみ実行される。これは使用されるゾンデ型式に関連するものである。この
ゾンデは希薄領域では僅かな温度依存性しか有しない。しかし既に述べたように
本方法はすべての測定領域に使用することができる。
前述の実施例での大きな利]点は、内部抵抗を測定するために、既に備わってい
るマイクロプロセッサの他に単に負荷抵抗11およびスイッチ12を必要とする
だけである。問題となるのは、ゾンデが負荷から完全に回復していない際にゾン
デを測定すると無負荷ゾンデの電圧が不正確に測定されることでちる。無負荷状
態の電圧Usと負荷状態の電圧ULとは同時に測定されるのではなく、順次連続
して測定されるものを同時に測定するとみなしていることにも注意すべきである
。
この処理過程は希薄ラムダ値領域および濃厚ラムダ値領域では殆ど問題ではない
。というのは、これらの領域内においてゾンデ電圧は時間的測定間隔内では′著
しくは変化しないからである。しかしラムダニ約1の領域では2つの測定間の僅
かな時間的ずれの間に、顕著な跳躍特性を有するゾンデを使用している場合に激
しい電圧跳躍が発生し得る。
このような時間的問題は次のようにして解消される。
すなわち、ゾンデの内部抵抗を同じゾンデの負荷によって測定するのではなく別
個に、ゾンデに所定の電圧を印加し、このゾンデを流れる電流を測定し、所定の
電圧と測定した電流とからゾンデの内部抵抗を算出するようにして解消される。
有乳には電圧として例えば2000B、の交流電圧を用いる。流れる交流は容易
に、ゾンデEMににより惹起される電流から分離され、評価することができる。
この本性による内部抵抗検出は数秒、例えば2秒の間隔を置いて行りことができ
る。
これはゾンデ内部抵抗が比較的緩慢にしか変化しないからである。これに対し無
負荷ゾンデのゾンデ電圧はこれよシも非常に頻繁に、例えば10m5毎に走査検
出される。測定されたゾンデ電圧は決して先行する負荷によって誤ることがない
。
このことは、既知の実効値を有する交流をゾンデに流し、実効電圧をゾンデまた
は補助抵抗にて測定し、電流および電圧からゾンデの内部抵抗を計算する場合に
もあてはまる。
実施例ではラムダ値を特性フィールドから読出すことを前提としている。この手
段は計算コストが僅かであるという利点を有する。しかし理論的には、測定した
ゾンデ電圧を内部抵抗を考慮し数学的関数を用いて補正することもまた可能であ
る。その場合数学的関数は内部抵抗とゾンデ電圧の関係を表わす。相応して、ゾ
ンデの無負荷状態で測定したゾンデ電圧からますラムダ値を検出し、この値を数
学的関数によって補正することも可能である。この場合、関数はラムダ値と内部
抵抗との間の関係を云わず。
国際調査報告
国際調査報告
DE 6800504
S^ 23769
Claims (11)
- 1.ラムダゾンデを用いて、 −無負荷状態のゾンデの電圧Usを測定する、下記のステップによつてラムダ値 を検出する方法において、 −ゾンデの内部抵抗Riを測定し、 −無負荷状態ゾンデの電圧Usから内部抵抗Riを考慮してラムダ値を検出する 、 ことを特徴とするラムダ値検出方法。
- 2.ラムダ値Us−Ri特性フィールドを無負荷状態ゾンデの電圧および内部抵 抗のそれぞれの値によりアドレシングし、所属するラムダ値を直接、または補間 法によつて読出すようにしてラムダ値検出を行う請求項1記載の方法。
- 3.内部抵抗を検出するために所定の電圧をゾンデに印加し、ゾンデを流れる電 流を測定し、所定の電圧とこの電流から内部抵抗を算出するか、または既知の電 流をゾンデに印加し、抵抗、有利にはゾンデ自体にて取出された電圧値からゾン デの内部抵抗を検出する請求項1または2記載の方法。
- 4.内部抵抗を検出するためにゾンデを間隔を置いて負荷抵抗により負荷し、負 荷の加えられたゾンデの電圧ULを測定し、無負荷状態ないし負荷状態ゾンデの 電圧USおよびULと負荷抵抗値とから内部抵抗を算出する請求項1または2記 載の方法。
- 5.減少する内部抵抗Riと共に負荷抵抗の値は低減される請求項4記載の方法 。
- 6.負荷抵抗の低減は、それぞれ所定の抵抗値を有する種々異なる抵抗の付加接 続によつて行う請求項5記載の方法。
- 7.負荷抵抗のそれぞれの値を、再び無負荷となつたゾンデの電圧が次回の走査 検出までに十分回復するように選定する請求項4から6いずれか1項記載の方法 。
- 8.ラムダ制御、例えば濃厚ラムダ領域におけるラムダ制御のためのラムダ値検 出に用いる、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法の適用法。
- 9.ラムダ表示装置向け、例えば濃厚領域における表示向けのラムダ値検出に用 いる、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法の適用法。
- 10.約1の周りのうムダ領域および/または希薄ラムダ領域においてはうムダ 値検出を、それぞれ測定したゾンデ電圧Usの線形変換によつて、いずれかのラ ムダ値への負荷なして行う請求項8または9記載の適用法。
- 11.無負荷状態のゾンデの電圧Usを測定するための手段を有するラムダ値検 出装置において、−ゾンデの内部抵抗Riを測定するための手段と、−無負荷状 態ゾンデの測定電圧Usと所定の内部抵抗Riとからラムダ値を検出するための ラムダ値−Us−Ri−特性フイールドとを備えているラムダ値検出装置。
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