CN107781009A - 用于评估选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器中累积的烟灰量的设备和方法 - Google Patents

用于评估选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器中累积的烟灰量的设备和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于评估在废气处理***的选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器(SCRF)中累积的烟灰量的方法，其包括在SCRF附近注入还原剂，确定一个或多个映射值，使用将一个或多个映射值相关联的图计算烟灰量的校正值，检测表观烟灰燃烧操作温度，以及使用校正值来校正烟灰量的估计值，以获得烟灰量的估计值。一个或多个映射值可以包括还原剂注入量值、NOx量值、温度值和废气的质量流量值。表观烟灰燃烧操作温度可以包括整个SCRF的ΔP不适当地意味着实际烟灰燃烧的温度。进一步提供了用于执行所公开的方法的设备。

Description

用于评估选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器中累积的烟 灰量的设备和方法
背景技术
在内燃机(ICE)的燃烧循环期间，向ICE的气缸提供空气/燃料混合物。空气/燃料混合物被压缩和/或点燃和燃烧以提供输出扭矩。在燃烧后，ICE的活塞将气缸中的废气通过废气阀开口排出并进入废气***。从ICE(特别是柴油发动机)排放的废气是一种含有例如一氧化碳(CO)、未燃烧的碳氢化合物和氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOX)的气体排放物，以及构成颗粒物质(例如烟灰)的凝聚相材料(液体和固体)的多相混合物。废气处理***通常用于减少废气流中的NOX排放。废气处理***可以使用一个或多个组件，其被配置成用于完成后处理过程，例如在将其排放到环境中前减少和/或去除废气中的污染物。
通常，处理***可以包括用于将烃(HC)和一氧化碳(CO)氧化成二氧化碳(CO2)和水(H2O)的氧化催化剂，例如柴油氧化催化剂，以及用于从废气中除去柴油微粒物或烟灰的位于DOC下游的废气管中的柴油微粒过滤器(DPF)。为了减少NOx排放，大多数处理***进一步包括位于DPF下游和/或上游的废气管中的选择性还原催化剂(SCR)装置。
SCR是一种催化装置，其中废气中包含的氮氧化物(NOx)通过吸收在催化剂内的气态还原剂(通常为氨(NH3))被还原成双原子氮(N2)和水(H2O)。通过热水解通过位于DPF与SCR之间的专用注射器注入到废气管中的柴油机废气流(DEF)(通常为尿素(CO(NH2)2)来获得氨。
最近，将选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器(也称为SCRF)引入处理***架构中。SCRF是一种涂覆在多孔DPF上的SCR催化剂。在DPF和SCRF的操作期间，烟灰会累积并损害设备操作。监控在各种处理装置中累积的烟灰仍然是一个挑战。
发明内容
根据一个示例性实施例的一个方面，提供了一种用于评估在废气处理***的选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器(SCRF)中累积的烟灰量的方法。该方法可以包括通过还原剂注射器在SCRF附近注入还原剂，确定一个或多个映射值，使用与一个或多个映射值相关联的映射计算烟灰量的校正值，检测表观烟灰燃烧操作温度以及利用校正值校正烟灰量的估计值以得到烟灰量的评估值。一个或多个映射值可以包括由还原剂注射器注入的还原剂注射量值、选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器入口处的NOx量值、选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器入口处的温度值和废气的质量流量值。表观烟灰燃烧操作温度可以包括整个SCRF的ΔP不适当地意味着实际的烟灰燃烧的温度。
根据一个示例性实施例的一个方面，用于评估在选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器(SCRF)中累积的烟灰量的设备包括废气处理***，其包括SCRF和被配置成在SCRF附近注入还原剂的还原剂注射器，以及用于控制还原剂注射器的电子控制单元。电子控制单元可以被配置成确定一个或多个映射值，使用一个或多个映射值确定烟灰量的校正值，检测表观烟灰燃烧操作温度；并使用校正值来校正烟灰量的估计值以获得烟灰量的评估值。一个或多个映射值可以包括由还原剂注射器注入的还原剂注射量值、选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器入口处的NOx量值、选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器入口处的温度值和废气的质量流量值。表观烟灰燃烧操作温度可以包括整个SCRF的ΔP不适当地意味着实际的烟灰燃烧的温度。该设备可以进一步包括用于向废气处理***提供废气流的内燃机。
上述方法和设备的废气可以包括NOx物质。上述方法和设备的废气处理***可用于处理内燃机(ICE)的废气。ICE可以包括柴油发动机。还原剂可以包括尿素。可以使用SCRF的入口与出口之间的压力差来确定烟灰量的估计值。
虽然本文中的许多实施例就利用SCRF的ICE废气处理来描述，但是本文的实施例通常适用于处理来自包括NOx物质的所有来源的废气。
从示例性实施例和附图的以下详细描述中，示例性实施例的其它目的、优点和新颖特征将变得更加明显。
附图说明
图1说明了根据一个或多个实施例的汽车***；
图2说明了根据一个或多个实施例的属于图1的汽车***的内燃机的截面；
图3说明了根据一个或多个实施例的用于内燃机的处理***的一部分的示意图；
图4说明了根据一个或多个实施例的描述用于评估烟灰累积的方法的流程图；以及
图5说明了根据一个或多个实施例的描述用于评估烟灰累积的方法的流程图。
具体实施方式
文中描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是实例，并且其它实施例可以采取各种和替代形式。附图并不一定是成比例的；一些特征可能被放大或缩小以显示特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员各种应用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考附图中任一个说明和描述的各种特征可以与一个或多个其它附图中所说明的特征组合以产生未明确说明或描述的实施例。所说明特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实施，可能期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。
一些实施例可以包括如图1和2所示的汽车***100，其包括内燃机(ICE)110，该内燃机(ICE)110具有限定至少一个气缸125的发动机缸体120，该气缸125具有连接以旋转曲轴145的活塞140。气缸盖130与活塞140配合以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未显示)被设置在燃烧室150中并点燃，导致热膨胀的废气，引起活塞140的往复运动。燃料由至少一个燃料注射器160提供，空气通过至少一个进气口210提供。燃料从与高压燃料泵180流体连通的燃料轨170在高压下被提供到燃料注射器160中，该高压燃料泵180增加从燃料源190接收的燃料的压力。每个气缸125具有至少两个阀215，其由此时与曲轴145一起旋转的凸轮轴135致动。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150，并且交替地允许废气通过端口220离开。在一些实例中，凸轮相位器155可以选择性地改变凸轮轴135与曲轴145之间的定时。
空气可以通过吸入歧管200被分配到空气吸入端口210。空气吸入管道205可以将来自周围环境的空气提供到吸入歧管200中。在其它实施例中，可以提供节流阀体330以调节进入歧管200中的空气流。在又其它实施例中，可以提供具有旋转地连接到涡轮机250的压缩机240的例如涡轮增压器230的强制空气***。压缩机240的旋转增加了管道205和歧管200中的空气的压力和温度。被布置在管道205中的中间冷却器260可以降低空气的温度。涡轮机250通过接收来自废气歧管225的废气而旋转，该废气歧管225在通过涡轮机250膨胀前引导来自废气端口220的废气并通过一系列叶片。废气离开涡轮机250并被引导到废气***270中。该实例显示了具有VGT致动器290的可变几何形状的涡轮机(VGT)，该VGT致动器290被布置成移动叶片以改变通过涡轮机250的废气流。在其它实施例中，涡轮增压器230可以是固定几何形状和/或包括废物门。应当理解，本文中的所有实施例不受如图1所示的特定发动机特征的限制，而是通常适用于所有ICE。
废气处理***270可以包括具有一个或多个废气处理装置280的排气管275。处理装置可以是被配置成改变废气的组成的任何装置。例如，改变废气组成可以包括化学改性一些或所有废气物质(例如，NOx物质)，以及去除废气物质(例如烟灰)。废气可以包括NOx物质。如本文所用，“NOx”是指一种或多种氮氧化物。NOx物质可以包括NyOx物质，其中y>0以及x>0。氮氧化物的非限制性实例可以包括NO、NO2、N2O、N2O2、N2O3、N2O4和N2O5。
处理装置280的一些实例包括但不限于催化转化器(两向和三向)、氧化催化剂、贫NOx捕集器、烃吸附器、选择性催化还原(SCR)***、微粒过滤器和/或选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器(SCRF)。其它实施例可以包括连接在废气歧管225与吸入歧管200之间的废气再循环(EGR)***300。EGR***300可以包括EGR冷却器310以降低EGR***300中的废气的温度。EGR阀320调节EGR***300中的废气流。
汽车***100可以进一步包括与ICE 110相关联的一个或多个传感器和/或装置通信的电子控制单元(ECU)450。ECU 450可以接收来自各种传感器的输入信号，该传感器被配置为与ICE 110相关联的各种物理参数成比例地生成信号。传感器可以包括但不限于空气流量和温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却剂和油温度和液位传感器380、燃料轨压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲柄位置传感器420、废气压力和温度传感器430、EGR温度传感器440和加速器踏板位置传感器445中的一个或多个。此外，ECU 450可以向被布置成控制ICE 110的操作的各种控制装置产生输出信号，包括但不限于燃料注射器160、节流阀体330、EGR阀320、VGT致动器290和凸轮相位器155。例如，在废气处理***270中，可以使用NOx传感器来测量废气中的一个或多个NOx浓度值。可以将所测量的NOx值发送到ECU 450，以计算用于在SCRF的SCR部分内实现充分的NOx还原的将注入在废气管中的还原剂的量。
现在转向ECU 450，该设备可以包括与存储器***或数据载体460以及接口总线通信的数字中央处理单元(CPU)。CPU被配置成执行作为程序存储在存储器***中的指令，并向/从接口总线发送和接收信号。存储器***可以包括各种存储类型，包括光存储、磁存储、固态存储和其它非易失性存储器。接口总线可以被配置成向/从各种传感器和控制装置发送、接收和调制模拟和/或数字信号。该程序可以体现本文公开的方法，允许CPU执行这种方法的步骤并控制ICE 110。在图1-3中，虚线用于指示ECU 450与各种传感器和装置之间的通信，但是为了清楚起见，省略了一些。
存储在存储器***中的程序通过电缆或以无线方式从外部发送。在汽车***100外部，其通常作为计算机程序产品可见，该计算机程序产品在本领域中也称为计算机可读介质或机器可读介质，并且应被理解为驻留在载体上的计算机程序代码，所述载体本质上是暂时的或非暂时的，其结果是计算机程序产品本质上可被视为暂时性或非暂时的。
暂时性计算机程序产品的一个实例是信号，例如，诸如光信号的电磁信号，其是用于计算机程序代码的暂时性载体。可以通过诸如用于数字数据的QPSK的常规调制技术调制信号来承载这种计算机程序代码，使得表示所述计算机程序代码的二进制数据被印在暂时性电磁信号上。这样的信号是例如当以无线方式通过Wi-Fi连接到笔记本电脑传送计算机程序代码时使用。
在非暂时性计算机程序产品的情况下，计算机程序代码具体表现为有形的存储介质。存储介质则是上述的非暂时性载体，使得计算机程序代码以可检索的方式永久地或非永久地存储在该存储介质中或其上。存储介质可以是计算机技术中已知的常规类型，例如闪存、Asic、CD等。
代替ECU 450，汽车***100可以具有不同类型的处理器以提供电子逻辑，例如，嵌入式控制器、机载计算机或可能部署在机动车辆中的任何处理模块。
图3说明了用于ICE 110的废气处理***270的一部分的示意图。在图3所示的实施例中，废气处理***270包括SCRF 520。通常，SCRF 520包括经选择性催化还原(SCR)元件基面涂覆的的DPF过滤器。SCR元件通常是多孔和高表面积的材料，其可以在还原剂存在下有效地转化(即还原)废气中的NOx成分。例如，催化剂组合物可以含有陶瓷、沸石、一种或多种碱金属组分例如铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)或钒(V)、钠(Na)、钡(Ba)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)和铂族金属中的一个或多个。在一些实施例中，陶瓷可以包括挤出的堇青石、α-氧化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锆、莫来石、锂辉石、氧化铝-二氧化硅-氧化镁、硅酸锆、硅线石和透锂长石。在一些实施例中，沸石可以包括β-型沸石、Y-型沸石、ZM5沸石或任何其它结晶沸石结构例如菱沸石或USY(超稳定Y-型)沸石。合适的铂族金属包括Pt、Pd、Rh、Ru、Os或Ir、或其组合，包括其合金。
SCRF 520中的SCR部分将废气中包含的氮氧化物(NOx)还原为双原子氮(N2)和水(H2O)。SCRF 520与还原剂注射器510相关联，该还原剂注射器510位于SCRF 520上游的废气管275中以用于将还原剂注入废气流中。因为在废气管275内发生热水解反应，所以还原剂被转化为气态还原剂，通常是氨(NH3)，其被吸收在SCRF 520的SCR部分内，以促进NOx还原反应。
在一些实施例中，还原剂可以包含氨(NH3)，例如无水氨或氨水。在一些实施例中，还原剂可以包含能够在废气存在下分解成NH3的任何组合物。例如，可以由富含氮和氢的物质例如尿素(CO(NH2)2)产生还原剂。根据需要，非氨还原剂可用作氨的全部或部分替代物。在一些实施例中，还原剂可以用水稀释。在一些实施例中，还原剂可以包括柴油机废气流体(DEF)。DEF的特定制剂可以包含利用32.5％尿素和67.5％去离子水制成的尿素水溶液。
还原剂包含在还原剂罐500中并通过还原剂管505到达还原剂注射器510。还原剂的注入由ECU 450根据发动机的操作条件或其它参数来指示。SCRF 520的上游例如在废气管275中设置有NOx量传感器530和温度传感器540。此外，废气管275中还设置有废气质量流量传感器435。
在使用SCRF 520期间，烟灰累积在DPF部分内部。累积在SCRF 520的DPF部分内的烟灰量可以被估计为整个SCRF 520的压降(ΔP)的函数。因此，可以利用DPF的入口与出口之间的压差以及DPF的DPF部分的物理特征来产生物理烟灰模型。如图3所示，以使得由压力传感器550和560读取的压力值可以传递到ECU 450来计算整个SCRF 520的压差的方式，上游压力传感器550被设置在SCRF 520的上游，并且下游压力传感器560被设置在其下游。基于这样的差压，ECU 450可以使用物理烟灰模型来计算累积在SCRF中的烟灰量的估计值(例如质量)。
物理烟灰模型假定通过SCRF 520的压降与累积的烟灰之间存在严格的相关性。然而，这种相关性被CRT(连续再生捕获器)效应改变，其是指在烟灰存在下NO2的还原，如等式(1)所示。
NO2+C→CO+NO(1)
随着NO2:NOx比率降低，发生再生(即烟灰燃烧)，导致整个SCRF的压降。这种现象的发生取决于例如局部温度、NO2:NOx比率和SCRF内的烟灰负荷程度的因素。
在机动车辆使用期间，使用已知的物理模型来估计累积到SCRF 520中的烟灰量。图4说明了描绘用于在靠近SCRF 520的还原剂注入期间校正SCRF 520中的烟灰累积估计模型的CRT效应校正方法700的流程图。靠近SCRF 520的还原剂注入可包括将还原剂注入到SCRF中，和/或在SCRF 520上游注入还原剂。特别地，在已知的物理模型中，例如通过使用上游压力传感器550(SCRF 520的上游)和下游压力传感器560(SCRF 520的下游)来测量整个SCRF 520的压差670。该压差670被ECU 450用作物理模型680的输入，以计算被捕获到SCRF520中的烟灰量的估计烟灰值(SQest)690。
在机动车辆的使用期间，ECU 450监控都在SCRF 520上游执行还原剂注入600的必要性。在不执行还原剂注入600的情况下，可以将SQest值690作为对SCRF 520中累积的烟灰量的正确估计。或者，在不执行还原剂注入600的相同情况下，可以采用已知的另一个模型来通过第一已知物理模型校正SQest值690。
然而，根据本公开的一个实施例，如果执行还原剂注入600，则计算烟灰量的校正值(SQcorr)660，还考虑通过还原剂注射器510要注入的还原剂量(R_inj)的值610。R_inj值610可以包括先前的还原剂注入的还原剂量，当前还原剂注入的还原剂量或所计划的(即将来的)还原剂注入的确定的还原剂量。特别地，ECU 450确定R_inj值610，并将该值存储在数据载体460中，在该方法的各种实施例中可以从其中使用该值。
此外，例如通过读取SCRF 520上游的NOx量传感器530的测量来确定SCRF 520入口处的NOx量值(Inlet_NOX)620。此外，例如通过读取SCRF 520上游的温度传感器540的测量值来确定SCRF入口处的温度值(Inlet_temp)630。此外，例如通过读取质量流量传感器435的测量值来确定废气管线275中的废气的废气质量流量值(EMF)640。对于确定R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630或EMF值640不强加要求。在一些实施例中，方法700包括仅确定R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630或EMF值640中的一个。在一些实施例中，方法700包括确定R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630或EMF值640中的至少一个。在一些实施例中，方法700包括确定多个R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630和EMF值640。在一些实施例中，方法700包括确定R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630和EMF值640中的每一个。在确定多个R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630和EMF值640的方法中，对确定R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630和EMF值640不强加要求。R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630和EMF值640可以各自或统称为映射值。
然后校正图650将R_inj值610、Inlet_NOx值620、Inlet_temp值630和EMF值640相关联，以便计算烟灰量的SQcorr值660。例如，校正图650可以被预先校准并存储在数据载体460中。最后，使用SQuare值660校正烟灰量的SQest值690，以获得烟灰量的评估值(SQeval)700。通常，SQeval值700低于SQest值690，以反映由于CRT效应而减少的烟灰负荷。
根据本公开的另一个实施例，图被细分为两个子图，其中在第一子图中将R_inj值610和Inlet_NOx值620与烟灰量的中间值SQint相关联，第二子图将中间值SQint、Inlet_temp值630和EMF值640与烟灰量的校正值SQcorr相关联。例如，两个子图可以被预先校准并存储在数据载体460中。
图的上述细分不是唯一可能的细分，因为可以设想许多其他可能性来组织所需数据以确定烟灰量的SQcorr值660，从R_inj值610、Inlet_NOx值620和SCRF 520的入口处的Inlet_temp值630，以及EMF值640开始，这取决于硬件和/或软件要求。
将R_inj值610、Inlet_NOx值620和Inlet_temp值630以及EMF值640与SQcorr值660相关联的图可以通过实验活动来确定，然后存储在与ECU 450相关联的数据载体460中。
然而，对于还原剂注入期间的某些温度范围(Apparent_Temp)，整个SCRF 520的ΔP不正确地意味着实际的烟灰燃烧，其中实际上没有发生烟灰燃烧或或发生最小的烟灰燃烧。在这样的温度范围内，方法700因此将不正确地估计SCRF 520的烟灰累积。特别地，在一些实施例中，方法700将低估在特定温度范围内的SCRF 520的烟灰累积。
图5说明了描绘用于估计SCRF 520中的烟灰累积的方法701的流程图，其校正在还原剂注入期间的表观烟灰燃烧。方法701包括方法700，并且还包括确定在Apparent_Temp605下是否发生还原剂注入。如果在Apparent_Temp 605下发生还原剂注入，则SQest值690未被校正，以产生SQeval值700。如果在Apparent_Temp 605下不发生还原剂注入，则校正SQest值690以产生SQeval值700。虽然图4说明了流程图中特定位置的Apparent_Temp 605，但是可以在还原剂注入600后以及确定SQeval值700前的任何点处确定Apparent_Temp605。
Apparent_Temp 605可以是温度上限、温度下限或温度范围。例如，SCRF 520可以在-25℃(例如，在寒冷的环境条件和/或在ICE110启动时)至800℃的温度下操作，有时更高，并且还原剂注入可以在约180℃至最大SCRF 520操作温度下进行。在一些实施例中，整个SCRF 520的ΔP可能不恰当地意味着在超过约275℃、超过约295℃或超过约300℃的Apparent_Temp下的实际烟灰燃烧。在一些实施例中，整个SCRF 520的ΔP可能不适当地意味着在约525℃、超过约505℃或超过约500℃的Apparent_Temp下的实际烟灰燃烧。在一些实施例中，整个SCRF 520的ΔP可能不适当地意味着约275℃至约525℃、约295℃至约505℃、或约300℃至约500℃的Apparent_Temp范围的实际烟灰燃烧。
虽然在前面的具体实施方式中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，示例性实施例仅是实例，并不用以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前面的具体实施方式将为本领域技术人员提供用于实施示例性实施例的方便的路线图，应当理解，在不脱离随附权利要求和其合法同等项所述的本发明范围的情况下，可以对在示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种评估在废气处理***的选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器(SCRF)中累积的烟灰量的方法，所述方法包括：
通过还原剂注射器在所述SCRF附近注入还原剂；
确定通过所述还原剂注射器注入的还原剂注入量值、所述选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器的入口处的NOx量值、所述选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器的所述入口处的温度值，以及废气的质量流量值中的一个或多个；
使用将一个或多个确定的所述还原剂量值、所述NOx量值、所述温度值与所述质量流量值相关联的图来计算烟灰量的校正值；
检测表观烟灰燃烧操作温度；以及
使用所述校正值来校正所述烟灰量的估计值，以获得所述烟灰量的评估值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述表观烟灰燃烧操作温度包括整个SCRF的ΔP不适当地意味着实际烟灰燃烧的温度。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述表观烟灰燃烧操作温度包括至少约275℃。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述表观烟灰燃烧操作温度包括小于约525℃。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述表观烟灰燃烧操作温度包括约275℃至约525℃。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述SCRF包括选择性催化还原元件。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述还原剂包含尿素。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，进一步包括确定通过所述还原剂注射器注入的所述还原剂注入量值、所述选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器的入口处的所述NOx量值、所述选择性催化还原基面涂覆的微粒过滤器的所述入口处的所述温度值和所述处理***中废气的所述质量流量值中的每一个。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，进一步包括将所述图细分为将所述还原剂量值和所述NOx量值与中间值相关联的第一子图，以及将所述中间值、所述温度值和所述质量流量值与所述校正值相关联的第二子图。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，进一步包括使用所述SCRF的所述入口与出口之间的压差来确定所述估计值。
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