CN106194513A - 一种无节气门控制的汽油发动机，其用途及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无节气门控制的汽油发动机，其用途及其控制方法，采用无EGR阀的外部中冷EGR，该无EGR阀的外部中冷EGR的入口位置布置在进气管与空滤之间，发动机进气歧管直接与空气滤清器连接，发动机凸轮轴型线包角采用1mm升程下凸轮轴型线包角250°CA。利用外部中冷EGR和可变气门相位正时来代替汽油机节气门控制负荷的方法，利用控制气门相位正时，起到调节进入发动机缸内新鲜空气的目的，从而改变发动机负荷和转速，使发动机工作在最佳的热效率经济区，同时满足增程器运行工况需求。
Description
技术领域
本发明属于电动车及内燃机领域，涉及一种增程式车用发动机的设计和运行控制，具体涉及一种带有外部冷却EGR、无节气门的汽油机设计，以及应用可变进排气相位正时取代节气门控制发动机工况切换和运行，并与发电机运行工况相匹配的一种方法。
背景技术
城市环境污染和大气层温室效应问题促使传统的汽车向新能源汽车发展转变，新能源汽车相对传统汽车由于节油率显著，排放污染物大幅降低，因此近两年来新能源汽车越来越受到各国的重视，在市场上的占有率不断提高。新能源汽车包括纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCV)，其中混合动力汽车又分为普通混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)和增程式混合动力汽车(REEV)。现阶段下，燃料电池技术应用还不成熟，并且存在液态氢存放安全问题，因此发展还比较缓慢。纯电动汽车虽然可以做到零排放，但由于车用电池能量密度小、充电时间长、续航里程短，加之配套基础设施还不完善等原因，纯电动汽车也只占新能源汽车的一部分。发动机和电机动力互相结合分配的混联式混合动力汽车结构复杂，制造精度要求高，产业基础薄弱，目前国内发展这种技术还存在困难。
增程式混合动力汽车(REEV)是一种相对比较简单的发动机和驱动电机串联式结构，发动机并不直接驱动车轮，仅仅作为动力来源通过发电机向电池充电，驱动电机从电池获得电能驱动车辆。当电池电量比较充足时，发动机停止工作，车辆依靠电机驱动行驶，当电池电量下降到一定程度时，发动机开始工作，驱动发电机进行发电，一部分为电池充电，一部分为电机提供能量，直至电池充满电时，发动机才停止工作。这样由于蓄电池对能量“吸纳”和“缓冲”作用，可以使发动机工况简单，并可在最佳经济区运行，避免小负荷下汽油机热效率较低的弊端。此外这种增程式混合动力汽车，蓄电池电量不足时，还可以利用普通电网进行充电。增程式混合动力汽车，相对纯电动汽车来说，一方面可避免纯电动汽车续航里程短、充电时间长等不足，另一方面也可避免混联式混合动力***结构复杂，成本高，短期内自主企业难以工程化等现状，是比较符合市场的一种混合动力模式，也是未来向清洁能源纯电动或燃料电池过渡期间的重要替代产品。
当前的增程式混动力汽车采用发动机一般都是传统发动机，虽然可以实现增程功能，但是在效率以及经济性方面仍存在不少缺点：
一、能量损耗大。增程式混合动力相对动力混联式的混合动力来说，在高速大负荷运行工况下节油效果表现还不如后者，这主要是因为增程式混合动力的发动机、发电机、电池组、电动机串联的这种结构，在每一级能量转化和传递过程中都会有所损耗，由于发电机的发电效率及电池的充放电效率很难提高，因此提高发动机的热效率就成为增程式混合动力的关键路径。
二、热效率较低。传统的车用发动机，由于要平衡动力性和经济性，以及复杂的运行工况，各设计参数很难做到最佳化。增程式发动机由于工况较为简单，一般只需要城市工况、高速工况两个特定工况即可，因此相对传统的内燃机来说，在技术和设计参数上，完全可以进行最优化设计，最大化的提高热效率。目前丰田已经发表相关研究报告，通过相关技术应用和设计优化，可使汽油机最高热效率可达到40％，但这种汽油机还是具有节气门控制的，最大热效率工况下节气门并没有全开，依然存在节流损失，此外在大负荷工况引入外部中冷EGR率有限，限制热效率进一步提升。
中冷EGR技术是柴油机降低排放物NOx的一种常用技术，应用较为成熟。近来汽油机由于节能需要，也开始利用外部EGR技术来降低油耗，这主要是利用外部中冷EGR可降低节流泵气损失，同时由于中冷EGR的“稀释”作用，可降低缸内温度并改善燃烧相位，达到降低部分负荷油耗的目的。可变气门相位技术在发动机上应用已经较为普及，利用可变气门相位功能，可实现阿特金森和米勒循环，提高汽油机热效率。但以上两者技术应用主要目的都是提高部分负荷下的热效率，起不到控制发动机负荷的目的。增程式发动机由于运行工况简单，对发动机加速响应要求较低，结合这两种技术应用，不仅可以提高热效率，还可以控制发动机负荷，起到节气门的效果。目前关于这方面的相关技术和产品专利还是空白，本发明即是结合这两种技术发明了一种高效低成本的增程式混合用发动机及运行工况控制方法。
综上所述，现有技术中存在如下技术问题：增程式混合动力在车辆高速运行工况下节油效果不佳，主要因为增程式混合动力的发动机、发电机、电池组、电动机串联的这种结构，在每一级能量转化和传递过程中都会有所损耗，由于发电机的发电效率及电池的充放电效率很难提高，因此提高发动机的热效率就成为增程式混合动力的关键路径。目前的增程式发动机技术还都是采用原车用通过改装或优化，热效率提高有限。
发明内容
针对以上现有技术问题，本发明的目的在于提供一种无节气门控制的汽油发动机，其用途及其控制方法，带有外部冷却EGR、无节气门、高压缩比的汽油机，由可变进排气相位正时取代节气门控制发动机工况切换和运行，该高效汽油机利用外部中冷EGR和可变进排气气门相位正时技术，配合燃烧***优化和较高的压缩比，可使热效率超过40％。
一种无节气门控制的汽油发动机，采用无EGR阀的外部中冷EGR，该无EGR阀的外部中冷EGR的入口位置布置在进气管与空滤之间，发动机进气歧管直接与空气滤清器连接，发动机凸轮轴型线包角采用1mm升程下凸轮轴型线包角250°CA。
进一步地，所述进气歧管通过软管直接与空气滤清器连接。
进一步地，所述无EGR阀的外部中冷EGR的EGR管路采用一根通管。
进一步地，还包括发动机电控***以及空燃比传感器，所述发动机电控***设有ECU，该ECU内置预设值进行发动机的喷油计算，所述空燃比传感器通信连接至所述发动机电控***，并可进行信号反馈进行当量空燃比控制。
进一步地，所述发动机电控***不设置进气温度和压力传感器，所述预设值根据发动机转速和发电机负荷决定。
上述无节气门控制的汽油发动机的用途，用于增程式混合动力汽车。
上述无节气门控制的汽油发动机的控制方法，包括如下步骤：
(1)将发动机运行工况划分为热机工况(小负荷)、城市工况(中等负荷)、高速工况(大负荷)；
(2)在步骤(1)中所述工况变换点由可变气门相位正时对发动机进行负荷调节；
(3)确定发电机负载情况；
(4)根据步骤(3)控制发电机励磁大小从而对发动机转速进行控制。
进一步地，步骤(2)中所述可变气门相位正时为控制进排气相位正时，步骤(4)中结合控制进排气相位正时来进行发动机转速进行控制。
进一步地，应用至增程式混合动力汽车包括如下控制步骤：
A.增程式混合动力整车控制单元检测电池电量SOC，判断是否需要起动发动机：
B.整车控制***发出起动指令后，发动机依靠起动机进行拖动；
C.发动机起动成功后，进入转速和负荷不同的热机工况，热机工况下，发动机转速在1200-1500r/min运行；
D.热机工况下，排气相位正时保持初始位置不变，同起动时刻相位正时；
E.当电池电量降低到给定的下限值，通过调节发动机进气正时相位使发动机从热机运行工况进入城市运行工况；
F.当电池电量降低到给定的下限值，发动机进入高速运行工况。
进一步地，步骤A中，如果电池电量小于给定的下限值，控制***发出起动指令，发动机起动后进入热机工况，并判断发动机是否进入城市工况或者进入高速工况；发动机运行后，带动发电机给蓄电池进行充电，当整车控制单元检测到电池电量高于给定的上限值后，控制***发出停机指令，发动机熄火，车辆利用蓄电池电量，由电机进行纯电动模式驱动；当蓄电池电量下降到下限值，控制***再次发出指令起动发动机；步骤C中，热机时间长短由发动机冷却液和润滑油温度所确定，当冷却液温度或润滑油温度达到要求后，根据车辆需求的负荷判断发动机进入城市工况或者进入高速工况；热机过程通过发电机对蓄电池进行小负荷充电，负荷的大小通过进气VVT来进行调节；通过VVT调节发动机进气正时相位从最大负荷位置向最小负荷位置偏移，IVO为上止点后60°CA开启，IVC为下止点后130°CA关闭，以减小进气量，降低负荷；发动机热机负荷大小控制根据调节进气VVT来进行微调控制，实际负荷高于目标负荷，调节进气正时相位关闭时刻向后推迟，减小缸内实际充量；实际负荷低于目标负荷，调节进气正时相位关闭时刻向前，增大缸内实际充量；发动机的转速大小由发电机励磁电流大小进行控制，实际转速高于目标转速，增大发电机励磁电流，增加负载以降低发动机转速，实际转速低于目标转速，减小发电机励磁电流，降低负载以提高发动机转速。
与目前现有技术相比，本发明提供了一种无节气门的高效发动机和工况调节控制方法，发动机运行工况由调节气门正时进行控制，利用外部中冷EGR和可变气门相位正时来代替汽油机节气门控制负荷的方法，利用控制气门相位正时，起到调节进入发动机缸内新鲜空气的目的，从而改变发动机负荷和转速，使发动机工作在最佳的热效率经济区，同时满足增程器运行工况需求。利用外部中冷EGR和可变气门相位正时来代替汽油机节气门控制负荷的方法，利用控制气门相位正时，起到调节进入发动机缸内新鲜空气的目的，从而改变发动机负荷和转速，使发动机工作在最佳的热效率经济区，同时满足增程器运行工况需求。
附图说明
图1为无节气门高效汽油机技术应用图
图2为运行工况流程图
图3为可变正时调节工况图
图中：1、节气门 2、EGR管路 3、EGR中冷器 4、进气歧管 5、排气歧管 6、EGR喉管及分配器 7、进气温度压力传感器 8、小负荷进气相位 9、大负荷进气相位 10、高EGR率排气相位 11、低EGR率排气相位
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
在一个优选实施例中，一种无节气门控制的高效汽油机，该发动机带有外部中冷EGR，中冷EGR***可不带EGR阀。该发动机配有较高的压缩比和特殊设计的燃烧***，从而最大化的提高发动机在特定运行工况点的热效率。该汽油机利用特定设计的凸轮轴型线，通过控制气门相位正时起到调节发动机负荷的目的。由于该发动机无节气门布置，因此进气节流损失小，同时利用无EGR阀的外部中冷EGR，大大降低EGR***压降，达到较高的EGR率以最大化的提升发动机热效率。本发明还涉及到一种发动机在不同工况运行的控制方法，该运行工况主要包括起动工况、热机工况(小负荷)、城市工况(中等负荷)、高速工况(大负荷)四种工况。该控制方法结合发电机励磁和转速控制，通过调节进排气门相位正时对各工况点进行控制和工况切换。
在另一个优选实施例中，可以采用如下方案：一种无节气门控制的汽油发动机，主要用于增程式混合动力汽车，该汽油机无节气门，带有外部中冷EGR，中冷EGR***无控制调节阀，发动机进气管没有布置节气门，进气歧通过软管直接与空气滤清器向连接，发动机电控***可以不布置进气温度和压力传感器，发动机的喷油计算是由电控***的ECU预设值提供，预设值根据发动机转速和发电机负荷决定。并经过空燃比传感器信号反馈进行当量空燃比控制，外部中冷EGR***无控制阀，EGR管路是一根通管，EGR入口位置布置在进气管与空滤之间，凸轮轴型线包角较大，1mm升程下凸轮轴型线包角达到250°CA。
一种无节气门汽油机的运行工况控制方法，该控制方法主要依靠控制进排气相位正时进行负荷和转速控制，满足增程式发动机特定工况运行需要。发动机负荷和转速调节不是依靠传统的节气门来进行，而是通过控制进排气相位正时来完成。发动机运行工况主要有四个工况，包括热机工况(小负荷)，城市工况(中负荷)，高速工况(大负荷)，四个工况过程的控制和流程方法。
在另一个优选实施例中，可以采用如下方案：一种利用外部中冷EGR和可变气门相位正时来代替汽油机节气门控制负荷的方法，利用控制气门相位正时，起到调节进入发动机缸内新鲜空气的目的，从而改变发动机负荷和转速，使发动机工作在最佳的热效率经济区，同时满足增程器运行工况需求。
一种发动机电控***不带进气温度和进气压力传感器的电控控制方法。发动机的负荷计算是根据发动机转速和发电机的发电电流进行计算，从而进行喷油量的计算，并通过排气***空燃比传感器进行修正，达到当量空燃比控制方法。在不同的环境温度和大气压下，发动机负荷计算是根据氧传感器和喷油量进行模型标定。
一种发动机的起动控制方法，由于发动机取消节气门，对进气没有节流，发动机起动后进气量较高，同时EGR率较大，易燃烧不稳定，本发明的起动控制方法可以避免燃烧不稳定，同时满足排放要求。该起动控制方法主要是依靠大凸轮轴型线包角下，通过控制进排气相位正时，降低内部残留EGR，同时又保证外部EGR不至于过大。
一种无节气门控制的发动机运行工况及控制方法。运行工况包括热机工况(小负荷)、城市工况(中等负荷)、高速工况(大负荷)。发动机在各工况点的运行控制，主要是由可变气门相位正时对发动机进行负荷调节，结合发电机负载情况，通过控制发电机励磁大小对发动机转速进行控制。三种运行工况下，结合发动机有效热效率、发电机发电效率以及蓄电池充电时间和效率，达到一个最佳的工况匹配。
一种EGR率控制装置和方法。由于取消节气门，发动机进气歧管真空度降低，EGR进出口压差相对较小，不能保证较高的EGR率。本发明的EGR率控制装置取消一般的EGR控制阀，并利用进气管缩口来加快进气速度，提高真空度。EGR率大小在一定范围内可由排气正时相位来进行控制，由于排气正时相位可在一定范围内调节排气背压，并由于多缸机排气脉冲效应，因此可以通过排气相位来调节EGR压差大小，从而控制调节EGR率。
在另一个优选实施例中，参照如下附图：
图1给出本发明的无节气门高效汽油机技术应用图，该发动机最显著的特点是进气管没有布置节气门(1)，发动机运行工况依靠进排气正时相位和EGR率进行调节控制。
图2给出了本发明的无节气门高效汽油机各工况运行流程和控制图。
图3给出了本发明的无节气门高效汽油机利用可变正时调节工况图。
首先增程式混合动力整车控制单元通过检测电池电量(SOC)，用来判断是否需要起动发动机。如果电池电量小于给定的下限值，控制***发出起动指令，发动机起动后进入热机工况，然后再结合车辆需求的负荷和车速等信息判断发动机进入城市工况或者进入高速工况。发动机起到运行后，带动发电机给蓄电池进行充电，当整车控制单元检测到电池电量高于给定的上限值后，控制***发出停机指令，发动机熄火，车辆利用蓄电池电量，由电机进行纯电动模式驱动，直到蓄电池电量下降到下限值，控制***再次发出指令起动发动机。
整车控制***发出起动指令后，发动机依靠起动机进行拖动。发动机初始状态的进气正时相位处在大负荷位置(9)，该凸轮轴正时位置进气门关闭较为提前，IVC(进气门1mm升程下至点迟闭角)为60°CA，IVO(进气门1mm升程上止点早开角)为10°CA，这种相位正时可减少进入缸内的混合气又倒流回进气管，提高进气充量，增加缸内混合气压缩压力和混合气温度。排气正时相位处在外部低EGR率位置(11)，该凸轮轴正时位置排气门关闭时刻较为提前，EVO(排气门1mm升程下至点早开角)为40°CA，EVC(排气门1mm升程下止点晚关角)为-20°CA，以减小内部EGR率，提高燃烧稳定性。由于进气管上无节气门，进气歧管压力较高，缸内压缩压力可很快建立。在起动机拖动发动机的前1-5循环，混合气在缸内还没有燃烧，排出到排气***内，部分未燃混合气在缸内压缩后，通过EGR管路再次进入缸内，因此可提高发动机起动性。
发动机起动成功后，根据环境温度随即进入转速和负荷不同的热机工况，热机工况下，发动机转速有所升高，一般在1200-1500r/min运行。此时通过VVT调节发动机进气正时相位从最大负荷位置向最小负荷位置偏移，IVO为上止点后60°CA开启，IVC为下止点后130°CA关闭，以减小进气量，降低负荷。发动机热机负荷大小控制是根据调节进气VVT来进行微调控制的，实际负荷高于目标负荷，调节进气正时相位关闭时刻向后推迟，减小缸内实际充量；实际负荷低于目标负荷，调节进气正时相位关闭时刻向前，增大缸内实际充量，以提高负荷，从而达到通过进气VVT来控制负荷的目的。发动机的转速大小是由发电机励磁电流大小进行控制，实际转速高于目标转速，增大发电机励磁电流，增加负载以降低发动机转速，实际转速低于目标转速，减小发电机励磁电流，降低负载以提高发动机转速。
热机工况下，由于EGR管路没有EGR阀，节流损失较小，易造成EGR率较高而影响燃烧稳定性，排气相位正时保持初始位置不变，同起动时刻相位正时。一方面是减小内部EGR率，另一方面排气VVT提前关闭可减小进气管和排气管的的压差，降低外部EGR率，避免热机过程的燃烧不稳定。
热机时间长短主要由发动机冷却液和润滑油温度所确定，当冷却液温度或润滑油温度达到要求后，根据车辆需求的负荷判断发动机进入城市工况或者进入高速工况。热机过程也可以通过发电机对蓄电池进行小负荷充电，负荷的大小，同样通过进气VVT来进行调节，进气门提前关闭，可增加缸内充量，提高负荷。
当电池电量降低到给定的下限值，结合车辆车速等信息，发动机进入城市运行工况。由热机运行工况进入城市运行工况的这一过程，是进一步通过调节发动机进气正时相位来完成的。进气正时相位(IVC)从热机的晚关位置向前偏移，可减少压缩冲程进气量回流到进气管，增加缸内充量，从而增加负荷，城市工况的发动机负荷，由整车控制***进行预设，一般是选取发动机、发电机相匹配的最佳效率工况。该负荷工况下发动机进气正时相位仍然处在一个较为滞后的相位，IVO为上止点后0°CA左右开启，IVC为下止点后70°CA左右关闭，EVO为上止点后0°CA左右开启，EVO为下止点后20°CA左右关闭，该相位组合下泵气损失较小，同时利用米勒循环效应来提高热效率。在城市工况下，由于排气背压还不是很高，进气压力较小，EGR管路两端压差较小，发动机外部EGR率还不是较大，根据电控标定模型实时控制排气正时相位可向后移动，适当增加缸内EGR率，以进一步提高发动机热效率。
当电池电量降低到给定的下限值，结合车辆车速等信息，发动机进入高速运行工况。高速运行工况下，进气正时相位(IVC)从晚关位置向前偏移，IVO为上止点后-20°CA左右开启，IVC为下止点后50°CA左右关闭，以进一步减少压缩冲程进气量回流到进气管，增加缸内充量，增加负荷，结合发动机电控***预设的最佳相位值，使发动机处在一个高效的工况运行。排气相位可以向前移动，EVO为上止点前10°CA左右开启，EVO为下止点后10°CA左右关闭。以降低泵气损失，减少内部EGR率，提高负荷，利用外部冷却的EGR来提高燃烧等容度。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体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，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无节气门控制的汽油发动机，其特征在于，采用无EGR阀的外部中冷EGR，该无EGR阀的外部中冷EGR的入口位置布置在进气管与空滤之间，发动机进气歧管直接与空气滤清器连接，发动机凸轮轴型线包角采用1mm升程下凸轮轴型线包角250℃A。
2.如权利要求1所述的无节气门控制的汽油发动机，其特征在于，所述进气歧管通过软管直接与空气滤清器连接。
3.如权利要求1和2所述的无节气门控制的汽油发动机，其特征在于，所述无EGR阀的外部中冷EGR的EGR管路采用一根通管。
4.如权利要求1-3所述的无节气门控制的汽油发动机，其特征在于，还包括发动机电控***以及空燃比传感器，所述发动机电控***设有ECU，该ECU内置预设值进行发动机的喷油计算，所述空燃比传感器通信连接至所述发动机电控***，并可进行信号反馈进行当量空燃比控制。
5.如权利要求4所述的无节气门控制的汽油发动机，其特征在于，所述发动机电控***不设置进气温度和压力传感器，所述预设值根据发动机转速和发电机负荷决定。
6.如权利要求1-5所述无节气门控制的汽油发动机的用途，其特征在于，用于增程式混合动力汽车。
7.如权利要求1-5所述无节气门控制的汽油发动机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将发动机运行工况划分为热机工况(小负荷)、城市工况(中等负荷)、高速工况(大负荷)；
(2)在步骤(1)中所述工况变换点由可变气门相位正时对发动机进行负荷调节；
(3)确定发电机负载情况；
(4)根据步骤(3)控制发电机励磁大小从而对发动机转速进行控制。
8.如权利要求7所述无节气门控制的汽油发动机的控制方法，其特征在于，步骤(2)中所述可变气门相位正时为控制进排气相位正时，步骤(4)中结合控制进排气相位正时
来进行发动机转速进行控制。
9.如权利要求7和8所述无节气门控制的汽油发动机的控制方法，其特征在于，应用至增
程式混合动力汽车包括如下控制步骤：
A.增程式混合动力整车控制单元检测电池电量SOC，判断是否需要起动发动机：
B.整车控制***发出起动指令后，发动机依靠起动机进行拖动；
C.发动机起动成功后，进入转速和负荷不同的热机工况，热机工况下，发动机转速在1200-1500r/min运行；
D.热机工况下，排气相位正时保持初始位置不变，同起动时刻相位正时；
E.当电池电量降低到给定的下限值，通过调节发动机进气正时相位使发动机从热机运行工况进入城市运行工况；
F.当电池电量降低到给定的下限值，发动机进入高速运行工况。
10.如权利要求9所述无节气门控制的汽油发动机的控制方法，其特征在于，步骤A中，如
果电池电量小于给定的下限值，控制***发出起动指令，发动机起动后进入热机工况，
并判断发动机是否进入城市工况或者进入高速工况；发动机运行后，带动发电机给蓄电
池进行充电，当整车控制单元检测到电池电量高于给定的上限值后，控制***发出停机
指令，发动机熄火，车辆利用蓄电池电量，由电机进行纯电动模式驱动；当蓄电池电量
下降到下限值，控制***再次发出指令起动发动机；步骤C中，热机时间长短由发动机
冷却液和润滑油温度所确定，当冷却液温度或润滑油温度达到要求后，根据车辆需求的
负荷判断发动机进入城市工况或者进入高速工况；热机过程通过发电机对蓄电池进行小
负荷充电，负荷的大小通过进气VVT来进行调节；通过VVT调节发动机进气正时相位从
最大负荷位置向最小负荷位置偏移，IVO为上止点后60℃A开启，IVC为下止点后130
℃A关闭，以减小进气量，降低负荷；发动机热机负荷大小控制根据调节进气VVT来
进行微调控制，实际负荷高于目标负荷，调节进气正时相位关闭时刻向后推迟，减小缸
内实际充量；实际负荷低于目标负荷，调节进气正时相位关闭时刻向前，增大缸内实际充量；发动机的转速大小由发电机励磁电流大小进行控制，实际转速高于目标转速，增大发电机励磁电流，增加负载以降低发动机转速，实际转速低于目标转速，减小发电机励磁电流，降低负载以提高发动机转速。
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