发动机微机控制系统结构与工作原理

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《内燃机电控技术》合肥工业大学机械与汽车工程学院滕勤2010年11月 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理【内容】2.1发动机电控系统的控制内容及功能2.2发动机控制系统的基本组成2.2.1信号输入装置及输入信号2.2.2电子控制单元（ECU）的功能与组成2.2.3执行器 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1发动机电控系统的控制内容及功能2.1.1电控燃油喷射EFI喷油量控制喷油定时控制减速断油和限速断油控制(1)减速断油控制(2)限速断油控制燃油泵控制 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1发动机电控系统的控制内容及功能2.1.2电控点火装置（ESA)点火装置必须满足三个要求：在不同负荷和转速条件下，能为发动机提供最佳的点火时间。特别是在小负荷时应能提供较大的提前角。能在整个转速范围内提供稀混合气发动机所需要的定值能量。能把点火提前到发动机刚好不至于发生爆震的范围。【控制内容】点火提前角控制通电时间（闭合角）控制与恒流控制爆震控制 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1.3怠速控制（ISC）怠速控制内容包括：起动后控制，暖机过程控制，负荷变化控制，减速时的控制等。2.1.4排放控制排气再循环（EGR）控制开环与闭环控制二次空气喷射控制活性碳罐排泄电磁阀控制2.1.5进气控制动力阀控制涡流阀控制 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1.6增压控制【调节原理】采用点火延时调节和降低增压压力相结合的办法当ECU鉴别出爆震之后，立即推迟点火，同时平行地降低增压压力。当点火提前角改变已经生效时，增压压力可以慢慢地下降。随着增压压力的降低，通过爆震调节器又将点火提前角调到最佳值。2.1.7自诊断及显示系统自诊断及显示系统用来监测发动机控制系统的工作状况和诊断工作中出现的故障，向驾驶员或维修人员提供故障情报。2.1.8安全保险（故障保险，失效保护）功能ECU监测出故障后，采取的一种保险措施，也称为“故障模式效能管理”。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1.9后备系统也称后备功能。当ECU出现故障时，后备系统会把燃油喷射和点火正时控制在预定水平上，作为一种备用功能使发动机转入强制运转状态。该系统只能维持基本功能，而不能保持正常的运行性能。2.1.10发电机输出电压控制【基本原理】ECU根据发电机输出电压、发动机转速、蓄电池温度及有关信息，通过控制磁场电流的方法来调节电压。2.1.11电控变速器电子控制变速器通常采用一个专用ECU单独控制，有时也由发动机ECU控制。在电子控制器的存储器中，存储有按汽车行驶要求选取的换挡特性曲线，包括许多换档程序。当变速器换档时，发动机的扭矩要减小，这时，可通过点火系统将点火提前角推迟。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1.12电控加速踏板（电控节气门）电控加速踏板代替了从加速踏板到节气门的机械连接，这便是所谓的Drive-by-wire。加速踏板位置传感器将踏板位置信息传送给ECU，ECU同时还采集反映发动机工况的其他传感器输出信号，计算出节气门位置的理论值，这个理论位置与发动机运行参数、加速踏板位置都有关。随后，ECU通过一个外部控制装置把节气门位置调到计算的理论值处。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1.12电控加速踏板（电控节气门） 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1.13停车起动控制停车起动控制是降低怠速燃油消耗量的另一种方法，它比怠速转速调整装置的效果更显著。它使发动机在需要输出功率时才运转，汽车不需要驱动功率时，关闭发动机。【工作方式】当离合器脱开，汽车停车或车速约为2km/h时，发动机就停机。如再次起动，将离合器踏板踩到底，踩下加速踏板，只要加速踏板踩到总行程的1/3，发动机仍由起动机起动。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1.14巡航控制巡航控制也叫恒速控制。在汽车行驶中，驾驶员按一下设定开关，电子控制器锁定的车速就成了保持的目标，此时电子控制器将根据行驶阻力的变化情况，自动增减节气门开度，使行驶速度保持一定。巡航控制装置根据控制节气门的方式不同，可分为真空控制式和电机控制式两种。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.1.15断缸控制当发动机处于部分负荷下运行时，控制系统将切断几个气缸的燃油供应和点火，则剩下各缸的工作效率得以提高，从而提高整个发动机的效率，并降低了燃油消耗。而当功率不能满足要求时，再恢复一个或几个气缸工作。电子控制器根据负荷信号，可以判定何时需要断缸。电控系统在部分负荷下的断缸控制，是把点火与供油同时切断，而且只在点火的气缸内充入混合气。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2发动机控制系统的基本组成发动机控制系统主要由信号输入装置、电子控制单元（ECU）、执行器三部分组成。传感器执行器ECU信号输入装置（各种传感器）电子控制单元(ECU)执行元件 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理图2.1BoschM7电控系统零部件位置图 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理质量流量型电控系统 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理图2.2发动机控制系统组成 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1信号输入装置及输入信号发动机控制系统中，ECU的输入信号由各种传感器和其它控制装置产生。控制系统所采用的传感器和输入信号有以下类型。2.2.1.1空气流量计空气流量计用于将发动机吸入的空气量转换成电信号送至ECU，作为燃油喷射和点火控制的主控信号。按其结构型式可分为以下四种：翼片式空气流量计——体积流量型，六、七年代较为流行。卡门旋涡式空气流量计——体积流量计，多见于三菱和丰田汽车。热线式空气流量计——质量流量计，80年代初开发，现今使用较少。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.1空气流量计热膜式空气流量计——质量流量型，通用汽车公司研制，大多用在通用、大众和日本五十铃公司生产的汽车上。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.2进气岐管绝对压力（MAP）传感器在进气量采用岐管压力计量方式的电控汽油喷射系统中，进气岐管压力传感器是最重要的传感器，相当于采用直接测量空气流量的电控汽油喷射系统中的空气流量计。它能依据发动机的负荷状态测出进气岐管内绝对压力的变化，并转换成电压信号，与转速信号一起输送到ECU，作为决定喷油器基本喷油量的依据。进气压力传感器种类较多，根据信号产生原理可分为半导体压敏电阻式、电容式、膜盒传动的可变电感式和表面弹性波式等。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.3转速和曲轴位置传感器曲轴位置传感器是发动机控制系统中最主要的传感器，是控制点火时刻（点火提前角）和燃油喷射确认曲轴位置不可缺少的信号源。检测并输入ECU的信号包括：活塞上止点和曲轴转角信号（转速信号）两种。曲轴位置传感器可分为磁电式、光电式和霍尔式三大类。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.4凸轮轴位置传感器凸轮轴位置传感器向ECU输入凸轮轴位置信号，是点火控制的主控制信号，常用于缸序判断。传感器类型有磁电、光电、霍尔式。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.5缸序判别传感器无分点器点火系统中缸序判别传感器向ECU提供气缸工作顺序信号，作为点火控制所需的信号，一般该项由凸轮轴位置传感器产生。2.2.1.6温度传感器主要包括：冷却水温度、进气温度和排气温度传感器。根据温度传感器的输出信号，可以判定发动机的热状态，计算进气空气的质量流量，便于实现排气净化处理。冷却水温度信号和进气温度信号，可作为燃油喷射和点火正时的修正信号。温度传感器类型主要有：绕线电阻式、热敏电阻式、扩散电阻式、半导体晶体管式、金属芯式和热电偶式。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.6温度传感器水温传感器作用：将冷却水温度变成电信号传给ECU。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.6温度传感器进气温度传感器作用：用于感应进气温度，将此信号传给ECU，修正喷油量和点火正时。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.7节气门位置传感器节气门位置传感器装在节流阀体上，用于检测节气门的开度状态，节气门位置传感器有线性输出和开关量输出两种型式。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.7节气门位置传感器开关量输出型节气门位置传感器，由全开触点和全闭（怠速）触点组成。节气门位置传感器怠速触点（IDL）信号主要用于断油控制和点火提前角的修正。当发动机在较高转速或大负荷时，节气门开度大于34℃，节气门开关的全开触点与活动触点接通。这时节气门开关输送给ECU正常供油信号，则ECU控制喷油器按正常油量喷油。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.8废气氧（EGO）传感器氧传感器根据排气中的氧浓度测定空燃比，向ECU发出反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。目前已实际应用的氧传感器有氧化锆和氧化钛式两种。氧化锆传感器以氧化锆为固体电解质，内外表面为铂电极，输出与氧分压差（排气中的氧分压-大气中的氧分压）成比例的电势。氧化钛常温下是高电阻的半导体，当氧气不足时，晶格出现缺陷，电阻降低。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.9爆震传感器【作用】向ECU输入爆震信号，经ECU处理后，控制点火提前角，抑制爆震产生。发动机爆震检测方法有三种：（1）检测气缸压力：精度最高，但存在着传感器耐久性差和难以安装的问题。（2）检测燃烧噪声：由于采用非接触式传感器，耐久性好，但精度和灵敏度偏低。（3）检测发动机机体振动 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理1#爆震传感器安装位置。2#爆震传感器安装在三、四缸之间的相同位置。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.10大气压力传感器用于检测大气压力，向ECU输入大气压力信号，修正喷油和点火控制。分为电容式、压敏电阻式。2.2.1.11车速传感器用来测量汽车的行驶速度，主要用于发动机怠速和汽车加减速期间的空燃比控制及超速断油控制。车速传感器主要有舌簧开关型和光电耦合型两种。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.12起动信号（STA）起动信号（STA）用来判断发动机是否处在起动状态，由起动系提供给ECU，作为喷油量、点火提前角的修正信号。当ECU检测STA信号，确认发动机处于起动状态时，将自动增加喷油量。STA信号一般和起动机电源连在一起，由空档起动开关控制。2.2.1.13发电机负荷信号当电器设备用电量较大而使发动机负荷增大时，ECU将根据该信号修正喷油量和点火提前角。起动开关位置及外型 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.14空调作用信号（A/C)A/C信号用来反映空调压缩机是否工作，空调信号与空调压缩机电磁离合器的电源接在一起，空调压缩机工作时，ECU将收到空调作用信号（高电平），并据此控制发动机怠速时的点火提前角、怠速转速和断油转速等。2.2.1.15档位开关信号和空档位置开关信号在装有自动变速器（A/T）的汽车中，ECU将根据档位开关信号区别变速器是否处于“P”或“N”档（停止或空档），还是处于“L”、“Z”、“D”或“R”状态（行驶状态）。当自动变速器由P/N档挂入其它档位时，发动机负荷将有所增加，档位开关向ECU输入信号，作为喷油量和点火提前角的修正信号，当挂入P或N档时，空挡位置开关提供P/N档位置信号，防止不在P/N档位时发动机起动。空调设置面板中空调开关打开时信号将输入ECU。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.16蓄电池电压信号当ECU检测到蓄电池和电源系的电压过低时，将对喷油量进行修正，以补偿由于电压过低，造成喷油压力过低所带来的影响。2.2.1.17离合器开关信号在离合器接合和分离过程中，由离合器开关向ECU输入离合器工作状态信号，作为喷油量和点火提前角控制的修正信号。2.2.1.18刹车开关信号在制动时，由刹车开关向ECU提供制动信号，作为对喷油量、点火提前角、自动变速器等的控制信号。离合器踏板开关制动踏板开关 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.1.19动力转向开关信号采用动力转向装置的汽车，当方向盘由中间位置向左右转动时，由于动力转向油缸工作而使发动机负荷加大，此时动力转向开关向ECU输入修正信号，调整喷油量及点火提前角。2.2.1.20EGR阀位置传感器EGR阀位置传感器装在EGR阀上部，其作用是检测EGR阀的开度，作为排气再循环闭环控制系统的反馈信号。EGR阀位置传感器采用电位计式变换器。2.2.1.21巡航（定速）控制开关信号当进入巡航控制状态时，巡航控制开关向ECU提供巡航控制状态信号，由ECU对车速进行自动控制。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2电子控制单元（ECU）的功能与组成ECU是一种电子综合控制装置，称为电控单元（ElectronicControlUnit）。对于发动机控制系统，不同的生产厂家采用不同的名称。例如：通用汽车公司称发动机电子控制器为ECM（电子控制模块，ElectronicControlModule）福特汽车公司称为MCU(微型计算机控制单元，MicrocomputerControlUnit)，后来又称为EEC（发动机电子控制器，EngineElectronicController）。发动机与变速器综合控制系统称为PCM（动力总成控制模块，PowertrainControlModule）。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2电子控制单元（ECU）的功能与组成【作用】根据内部存储的程序，对发动机传感器输入的各种信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，控制有关执行器动作。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2电子控制单元（ECU）的功能与组成BoschECUDelphiECU 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2电子控制单元（ECU）的功能与组成ECU主要由输入回路、A/D转换器、微控制器和输出回路4部分组成。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2电子控制单元（ECU）的功能与组成 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理ECU的安装位置 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.1输入回路对输入信号进行预处理：去除杂波（滤波）、放大、整形、电平转换等。从传感器来的信号，首先进入输入回路。在输入回路中，对输入信号进行预处理：①去除杂波（滤波）②把正弦波转换成矩形波（放大、整形）③电平转换，例如，12V→5V，变换成单片机可接受的电平信号。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.1输入回路有些传感器，如霍尔传感器送出的信号已是脉冲信号，这些信号经输入回路处理后即可直接进入微机，经内部计数器对输入脉冲进行计数，转换成数字量。2.2.2.2A/D转换器从传感器送出的信号相当一部分都是模拟信号，如空气流量计、水温传感器、节气门开度传感器等输出的都是缓变的连续信号。但这些电压信号单片机不能直接处理，必须经过A/D转换器转换成与输入模拟电压相对应的数字量。信号输入处理 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.3单片微型计算机主要由CPU、存储器、输入/输出（I/O）接口电路等组成。单片机是发动机电子控制系统的神经中枢，功用是根据发动机工作的需要，把各种传感器送来的信号，用内存程序（按照一定的处理顺序）和数据进行运算处理，并把处理结果（如燃油喷射控制信号、点火正时信号等）送入输出回路。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.3单片微型计算机单片机主要由中央处理器（CPU）、存储器（ROM，RAM）和接口电路等部分组成，各部分之间通过总线（传递信息通路）（数据总线、控制总线）相连，协调工作。（1）中央处理器（CPU）它是整个控制系统的核心，是计算机的大脑。CPU主要由运算器（进行算术、逻辑运算）、寄存器（暂时存储数据）、控制器（按照程序进行各装置之间信号传送，执行控制任务）等组成。CPU的工作是在时钟脉冲发生器的操作下进行的，通电后，脉冲发生器立即产生一连串的具有一定频率的脉宽的电压脉冲，使计算机各部分同步工作，按照统一的节拍操作，保证同一时间内完成一定的操作，实现控制系统各部分的协调工作。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.3单片微型计算机（2）存储器【主要功能】存储信息资料和程序，存储器一般分为两种：数据存储器和程序存储器。①RAMRAM主要用来存储计算机操作时的可变数据，例如，用来存储计算机输入、输出数据和计算过程中产生的中间数据等，根据需要，可随时调出或更新其内容。当电源切断时，存储的数据就会丢失，所以RAM只适合于暂时保留发动机工作时的各种处理数据。②EEPROM电擦除可编程只读存储器，可以在线擦除和重新编程。通常存储使用过程中需要时常修改的重要数据（如汽车里程表的数据），或需要较长时间保存的数据（如故障代码、空燃比学习修正值等）。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.3单片微型计算机（2）存储器③FLash存储器用来存储程序或固定数据，如控制软件、喷油特性脉谱、点火特性脉谱和其它一些特性参数数据等。汽车生产厂家可根据不同发动机、传动系、车身型式或选用附件的差异，将信息资料存入Flash存储器，如车身VIN码、发动机代码、变速器代码、ECU标识码和喷油器IQA码等。当汽车制造厂对发动机和底盘进行重新组合或更换时，只需改写信息代码，使得同一ECU适用于不同车型的发动机成为可能。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.3单片微型计算机（3）输入/输出接口输入/输出接口是CPU与输入装置（传感器）、输出装置（执行器）之间进行信息交流的控制电路。根据CPU的命令，输入信号以所需要的频率由I/O接口接收，输出信号则按控制信号的形成和要求由I/O接口以最佳速度送出。输入、输出装置一般都需要通过I/O接口才能与CPU连接，因此，I/O接口是CPU与外界进行信息交换的纽带，起着数据缓冲、电平匹配、时序匹配等多种功能。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.4输出回路【功能】建立起CPU与执行器之间的联系，将单片机发出的决策指令，转变成相应的控制信号来驱动执行器工作。输出回路一般起着控制信号生成和放大（电流放大、功率放大）的作用。回路元件多采用大功率三极管或专用驱动芯片。单片机输出的是数字信号，而且输出电流很小，不能驱动执行器工作。需要通过I/O接口和输出电路将其转换成可以驱动执行器工作的控制信号（如喷油器驱动信号、点火控制信号、燃油泵控制信号等）。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.2.5电源电路ECU一般带有电池和内置电源电路，以保证微控制器及其接口电路工作在+5V的电压下。即使在发动机启动工况等使汽车蓄电池电压有较大波动时，也能提供+5V的稳定电压，从而保证系统的正常工作。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.3执行器执行器是受ECU控制、具体执行某项控制功能的装置。在发动机控制系统中，执行器的种类主要有以下形式：1.电动燃油泵【主要任务】供给燃油系统足够的、具有规定压力的汽油。燃油泵工作与否由燃油泵继电器控制。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.电磁喷油器电磁喷油器是发动机电控汽油喷射系统的一个关键的执行器，它接受ECU送来的喷油脉冲信号，精确地计量燃油喷射量，它主要有轴针式、球阀式和片阀式等结构形式。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理3.点火控制器（点火模块）在ECU的控制下提供一定能量的点火脉冲，点火控制器由功放电路、点火线圈和分电器组成。它根据ECU输出的点火控制信号，控制点火线圈初级电路的通断，产生次级高压。同时，向ECU反馈点火信号。点火线圈安装位置 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理4.怠速控制机构【功能】用来调节空气旁通通路截面积，控制空气流量以维持发动机怠速稳定运转。5.EGR阀排气再循环(EGR)阀的开度决定了再循环的废气量，EGR阀的开启或关闭是由其上方真空室的真空度控制，而真空度则是由受ECU控制的真空电磁阀控制。6.进气控制阀ECU控制进气的执行元件，进气控制阀用于改变进气管空气通道的大小，从而改变气流量来改善发动机的动力性能。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理7.二次空气喷射阀用于调整进入排气歧管内的空气流量，供给合适的空气，利用燃烧后的高温，使废气中残留的HC和CO更充分的燃烧，净化排气。8.活性碳罐排泄电磁阀ECU控制活性碳罐电磁阀的开闭，调整排放控制阀上部的真空度，从而控制排放控制阀的开度，使燃油蒸汽被吸入进气岐管。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理8.活性碳罐排泄电磁阀活性碳罐电磁阀安装位置 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.3执行器9.车速控制电磁阀控制真空调节器工作，使之能够控制节气门开度，使车辆按预定速度等速行驶。10.汽油泵继电器接通汽油泵电路，保证汽油泵的正常工作，并使ECU能够对燃油系统进行有效地控制。11.冷却风扇继电器控制电动冷却风扇电路（辅助风扇）工作或停止工作。当冷却水温度达到103℃或空调压缩机工作时，ECU将使散热器风扇继电器接地，使冷却风扇电机工作。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.3执行器12.空调压缩机继电器控制空调压缩机工作与停止。13.自动变速器档位电磁阀实现换挡控制，通过电磁阀接通或断开，控制电磁离合器励磁线圈的励磁电流。14.增压器释压电磁阀装在涡轮增压器出口与驱动气室之间的管路上，控制进入驱动气室的气体压力，从而控制废气流动路线的旁通阀，进而控制增压器工作与停止。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.3执行器15.自诊断显示与报警装置以红、绿发光二极管或LED显示器，指示或进行故障报警。16.故障备用程序起动当监视电路监测到微机系统出现异常情况，而满足启用后备系统条件时，自动启动备用电路工作。17.仪表显示器显示车速、里程、时间、发动机转速、水温、瞬时油耗、平均油耗、耗油量、蓄电池电压、灯光指示等。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.4汽油机电控系统的控制方式汽油机电子控制的控制方式主要有两种：开环控制和闭环控制。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.4汽油机电控系统的控制方式开环控制方式---ECU根据各传感器送入的信号，确定发动机的工作状态，对应ECU中固有的参数控制发动机的运转，不考虑执行结果。例如，按最佳发动机性能、排放等要求所需的事先已实验确定好的数据（编写在程序中）调整喷油量、点火提前角等。如果发动机在使用中由于机械磨损发生了变化，或生产出的发动机由于制造精度的差异而不同，则无法保证发动机的性能等指标最优。 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理2.2.4汽油机电控系统的控制方式闭环控制方式----电控单元（ECU）根据各传感器反馈的控制结果信息控制被控量。即使用能测出发动机被控目标变化的传感器（如氧传感器），测出混合气成分的变化趋势（对最佳混合气成分而言，属于偏浓或偏稀），不断修正喷油量，使其在发动机运转的大部分时间内控制在±0.05左右，此时，三元催化转化效率最佳（排放中有害成分最少），发动机燃油经济性也最佳。反馈控制主要是为了有效的控制排放、降低污染、提高燃烧效率。开环—闭环控制：前馈+反馈控制 第二章发动机微机控制系统结构与工作原理思考题：1．汽油发动机微机控制系统的主要控制内容有哪些？2．汽油发动机电控系统的主控信号是什么？辅控信号有那些？3.汽油发动机电控系统中有哪些执行器？ 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