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小功率段多缸柴油机的发展和对策
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小功率段多缸柴油机的发展和对策
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第一节 发展代用燃料汽车（内燃机）的重要性 20世纪60年代后，全世界经历了三次重大的石油危机，与此同时，全球环境污染严重，它不仅影响到发达国家，也逐渐影响到发展中国家。能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶化已成为世界两大难题，中国也不例外。
第一节 发展代用燃料汽车（内燃机）的重要性
20世纪60年代后，全世界经历了三次重大的石油危机，与此同时，全球环境污染严重，它不仅影响到发达国家，也逐渐影响到发展中国家。能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶化已成为世界两大难题，中国也不例外。中国是一个富煤贫油的国家，石油资源不足，有关统计资料表明，到2001年底止，我国石油的探明可开采储量为33亿t，年产量为1.6亿t左右，储采比为20/1，而全世界石油的平均储采比也仅为40/1左右，见表6-1。自20世纪90年代以来，我国汽车工业发展很快，年均增长率为10%~13%。随着国民经济的发展和汽车保有量的增加（1994年为1000万辆，2000年发展到近1800万辆，到2010年预计为万辆左右），石油消费量急剧增加。2000年，中国净进口原油近7000万t，成品油2000多万t，支付外汇近250亿美元。进口石油已超过国内需求总量的30%以上。石油不足，大量进口，已经严重威胁到我国的外汇平衡和能源安全。预计今后十年，我国的石油缺口将会越来越大。表6-2列出了我国年石油的供需预测。
随着机动车保有量的激增，机动车尾气排放已逐渐成为城市空气的主要污染源之一，且近年来呈现出不断恶化的势头。1998年，全国140个城市（占全国城市总量的43.5%）的空气质量超过国家三级标准，属于严重污染城市。按照国家环保中心预测，2010年我国汽车尾气排放量将占空气污染物总量的64%。城市空气环境的恶化已对我国国民经济持续发展和人民身体健康产生了极大的负面影响。
为缓解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾及有利于我国长期可持续稳定的发展和环境保护，需要规划与发展内燃机燃用清洁代用燃料以替代石油基燃料即汽油和柴油。
第二节 内燃机的代用燃料
内燃机的代用燃料可以分为液体与气体两种，此外也可用电能来代替燃料，驱动汽车。
一、液体代用燃料
（一）醇类燃料
醇类燃料主要有甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）。甲醇可以从天然气、煤、生物中提取，乙醇主要是含有糖或淀粉的农作物经发酵后制成，它们都是液体燃料。
20世纪60年代为了控制内燃机的排气污染，一些国家对低污染的醇类燃料发生兴趣，1973年石油危机后，进一步认识到代用燃料的重要性。1975年瑞典成立了国家甲醇开发（SMAB），积极从事车用发动机燃用甲醇的研究工作，1976年由瑞典发起主持召开第一届国际醇类燃料的研讨会（ISAF），德国、美国、巴西等14国参加会议，醇燃料开发应用成为国际热点科研项目，甲醇燃料也逐步由低比例的掺烧（M3，M15）发展到20世纪80年代以后的高比例（M85，M100）掺烧。不少国家还进行了中等规模车队应用试验，日本是由专家管理下的车队试验移向一般的车队试验；美国和德国则由专家管理下的车队试验转向普及，并且制定了甲醇燃料标准和甲醇汽车的排放标准，在一些大中城市分别设立了甲醇汽油的加油站。由于甲醇汽车的推广必须和燃料供给设备的普及相适用，为解决推广初期燃料供给的矛盾，美国从1987年开始发展灵活燃料车辆FFV（Flexible Fuel Vehicle）。FFV车辆能灵活切换应用甲醇、汽油或甲醇和汽油的混合油。日本日产重视美国和欧洲市场，也开发了FFV车，在日本称做VFV（Variable Fuel Vehicle）。
我国从20世纪80年代初开始对甲醇燃料在内燃机中部分代用或全部代用作了相当广泛的研究，先后组织M15甲醇汽油发动机的台架试验和车队试验，组织了M85甲醇汽油和M100全甲醇发动机的开发和试验车队，取得了丰富的经验。当前我国石油资源严重短缺，醇类燃料的开发应用，有利于发挥我国的资源优势。
1.醇类燃料的物化特性和使用特性
常用的代用燃料与汽油、柴油的物理化学特性的比较见表6-3。从表6-3所列的醇类燃料的性质可以看到：
1）醇类燃料的低热值比汽油的低，甲醇仅为汽油的46%，乙醇为汽油的62%；但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量也少，甲醇为汽油的43%，乙醇为汽油的60%。因此当在汽油机上燃用甲醇、乙醇时，应增大循环供油量（化油器发动机可增大主量孔直径或调大可调量孔，电控喷射的汽油机需要增加喷油脉宽）从而使混合气的热值大体与汽油空气混合气相等或略高，这样使发动机在燃用醇类燃料时动力性能不降低甚至可以提高。
2）醇类燃料的蒸发潜热比汽油大得多，甲醇为1101kJ/kg，乙醇为862kJ/kg，甲醇为汽油的3.7倍，乙醇为汽油的2.9倍，从而使混合气在燃料蒸发时温降大（甲醇为汽油的7倍，乙醇为汽油的4.16倍）。醇类燃料较大的混合气温降有利于提高发动机的充量系数和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，造成发动机冷起动困难（尤其是在冬季）和暖机时间长。由于进入汽缸的混合气温度低，滞燃期长，应适当增大点火提前角。
3）醇类燃料的辛烷值高，甲醇为109，乙醇为110，在汽油机上使用时，可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能。醇类燃料的十六烷值低，在柴油机上使用时，需要采用助燃措施。
2.醇类燃料在汽油中的溶解度和助溶剂
汽油机可以燃用醇与汽油的混合燃料，如：15%甲醇（methanol）+85%汽油称为M15（纯甲醇为M100），15%乙醇（ethanol）+85%汽油称为E15。由于醇类燃料是极性物质，在与非极性物质的碳氢化合物掺混时，它们的亲水性高于亲油性，只要有微量的水存在，就能引起醇与汽油的“相”分离。醇类燃料在汽油中的互溶性通常与环境温度有关，如图6-1所示[2]。
图中线外是互溶区，线内是两液的分层区。当混合燃料以汽油为主或以甲醇为主时，能互溶的温度较低，而当两液接近掺半混合时，互溶要求的温度较高。为使甲醇与汽油的混合燃料在常温和低温下保持单相而不分层，必须加中高碳醇（如异丁醇）、苯、丙酮等做助溶剂。试验表明：在0oC溶解20%的甲醇仅需3.5%容积比的杂醇。乙醇与汽油的混合油在吸水或掺水后互溶的性能要比甲醇稳定，但仍需控制它的含水量。图6-2[2]所示为乙醇在汽油和重柴油中的互溶临界温度及其与含水率的关系，当乙醇含水率愈高，它能溶于汽油或柴油的临界温度越高（即愈难溶解于汽油或柴油）。由于乙醇的相对密度与汽油比较接近，它溶解于汽油的临界温度（曲线2）要比溶解与重柴油的温度（曲线1）低13~15oC。图6-3[3]所示为乙醇与重柴油、轻柴油互溶温度与乙醇容积比的关系，以乙醇为主或以柴油为主时，能互溶的温度较低，而乙醇与轻柴油的互溶温度要低于重柴油。
3.醇类燃料在发动机上的试验结果
（1）在点燃式发动机上燃用醇类燃
6-2 乙醇在汽油和重柴油中的图
6-3 乙醇与重柴油、轻柴油互溶
互溶临界温度及其含水率的关系 温度与乙醇体积百分数的关系
1―重柴油 2―汽油 1―重柴油 2―轻柴油
1）醇含量较低的混合燃料的试验结果 混合燃料中醇的质量分数不大于20%时属于醇含量较低的混合燃料。在解放牌汽车发动机CA―10B上的试验结果表明，混合燃料中醇的质量分数在20%以下时仍能保证发动机较好的起动性能，在不改变发动机结构的情况下，燃用掺醇量小于20%的混合燃料可在动力性能稍有改善的同时，降低能耗5%左右，在进一步提高压缩比后，功率提高5%~7%，能耗降低6%~10%。在东风汽车发动机EQ6100上的试验结果表明，使用M15混合燃料电动里性能与燃用纯汽油相当或略高，能耗降低3%左右；若对汽油结构参数进行调整（增大点火提前角和循环供油量），则燃用M15的功率比燃用纯汽油大，转矩增大3%，能耗降低3.6%；若进一步提高压缩比，则发动机的动力性能和经济性能还能进一步提高。排放方面，燃用混合燃料发动机的CO、HC、NOx均有不同程度下降，见表6-4。
2）醇含量较高的混合燃料的试验结果 在点燃式发动机上燃用醇含量较高或纯醇燃料时排放改善效果较为明显。它能明显降低CO排放量，HC排放量也略有下降（通常醇含量较高或纯甲醇发动机需要排气加热进气，以加快暖机过程 ，从而可使排温升高）。由于甲醇蒸发潜热高，在其他条件相同时，它能降低压缩温度和最高燃烧温度，从而在多数情况下它可以降低NOX排放，但由于甲醇火焰传播速度和放热速率快，它的滞燃期长，需要增大点火提前角，又会增大NOX排放，因此它对NOX排放的影响不明显，如图6-4所示。
点燃式发动机燃用醇类燃料时发动机有未燃醇和醛等有害排放物，见表6-7
综上所述，当 汽车燃用混合燃料或纯醇燃料时，只要优化其燃烧过程，其能耗和NOX、CO及HC排放都可以降低，醇燃料发动机排出的致癌多环芳香烃含量也比汽油低。
（2）压燃式发动机燃用醇类燃料 醇类燃料十六烷值低，自燃温度高，难于压燃，在压燃式发动机上使用时，需要采用助燃措施（火花塞、电热塞助燃）或加入着火改进剂（Ignition Improver）。
4.醇类燃料的优缺点
（1）甲醇 甲醇作为车用燃料有以下优点：
1）甲醇可从煤或天然气中提炼，它可以大规模专门产生，也可以利用现有的氮肥厂设备联产，或采用多联产（热、电、化工产品如甲醇、二甲醚、合成气等联产，简称IGCC），生产成本低。
2）甲醇是液体燃料，可以沿用石油燃料的运输储存系统，基础设施投入少。
3）燃用醇燃料可以提高发动机动力性能、经济性能，有害排放物低，是一种清洁代用燃料。
甲醇的主要缺点是：
1）有毒、不可饮入口中或溅入眼中，须对甲醇燃料加强管理并严格遵守操作规程。
2）排气中有未燃醇和醛有害气体排放物，需进行排气后处理。其中未燃醇在环境中存在的时间短，可以被带氧微生物分解。
3）甲醇对有色金属、橡胶有腐蚀作用，需对燃油系统在结构上与材料上采取措施，如采用耐溶胀的硫化橡胶、不锈钢制油箱及聚四氟乙烯燃油管道等。
（2）乙醇（酒精） 乙醇的来源有三种，即剩余粮食、能源作物和秸秆。巴西和美国分别利用本国生产的甘蔗和玉米大量生产乙醇作为车用燃料。美国政府从20世纪90年代起一直以每年7亿美元的巨额补贴来维持每年50亿升的乙醇产量（约400万t，每吨补贴约175美元左右），且产量还在逐年增加，用来作为汽油的替代燃料和辛烷值及氧的添加剂（汽油中加10%左右乙醇）。
乙醇作为内燃机代代用燃料有以下优点：
1）辛烷值高（110左右），可以代替目前正在使用的无铅抗爆添加剂甲基叔丁基醚（MTBE）。乙醇无毒，对环境无危害，而MTBE则被怀疑会污染地下水和致膀胱癌等，在美国一些州已被禁用，2004年全面禁用。
2）乙醇是含氧燃料，蒸发潜热高。发动机燃用乙醇可以实现无烟排放，并能大幅度降低CO排放，HC、NOx也可以有不同程度的降低（取决于发动机结构及其调整状态）。
火花点火发动机可以燃用纯乙醇或乙醇和汽油的混合燃料（掺烧比例大时需加助溶剂），压燃式发动机也可燃用乙醇，但需有助燃措施。
乙醇作为内燃机代用燃料的缺点是：
1）乙醇生产成本高，虽然利用阶段性过剩、存放期过长甚至霉变的粮食制取酒精可以在一定程度上缓解粮食过剩和燃料不足的矛盾。但我国可耕地面积少（为世界的7%），人口多（占全世界人口的22%），粮食来源不稳定，生产乙醇过程中耗能大（生产乙醇的耗能量接近乙醇发出的能量）、耗粮大，生产乙醇过程中有大量CO2排放，利用粮食生产乙醇，只能适度开展。此外利用乙醇作为燃料或辛烷值添加剂时，政府要考虑给予补贴，否则在市场经济条件下难以推广应用。
利用能源作物（如甜高粱的茎杆、木薯等）制乙醇也是可行的，生产成本比粮食制乙醇低1000元/t左右，秸杆制酒精是将秸杆通过酶水解成单糖，然后发酵成乙醇。由于酶成本高，秸杆收集比较困难，世界上未大规模生产。秸杆比较适宜在汽化生成沼气后，作为民用燃料。
（二）二甲醚（Dimethyl Ether，缩写DME）
DME（CH3OCH3）是目前世界上被普遍看好的压燃式发动机超清洁燃料。它可以用做民用、车用和燃汽轮机燃料替代LPG、柴油和天然气，其优点是：
1）广泛的可获得性。 可以由煤或天然气制得，从而可以利用我国丰富的煤炭资源。
2）超清洁。 研究结果表明，柴油机燃用二甲醚时可以实现高的功率输出和热效率（与柴油机相当或略高），低噪声和无烟燃烧，其排放不采用复杂后处理装置即可达欧洲III和美国ULEV标准，并有潜力达到欧洲IV排放标准，见表6-8与表6-9[11]。
表6-8 欧洲III标准与二甲醚发动机试验结果
3）生产DME的传统技术为二步法，即由合成气制成甲醇，再见甲醇脱水制成DME，生产成本较高。目前已开发成功生产DME的先进方法（一步法或整体一步法），可大幅度降低其生产成本（1100元/t左右），此外若采用多联产技术，二甲醚的成本可以更低。DME用做车用燃料由于沸点低、粘度小，需要对整个燃油系统加压或采用共轨燃油系统，此外应对柱塞偶件等进行减摩与耐磨处理或在燃油中加润滑添加剂。
（三）煤制油（又称合成汽油和合成柴油）
煤制油是将煤炭通过化工过程变成油品。煤制油分为直接液化和间接液化两种。
直接液化是将煤在高压（7MPa）下加氢液化，其技术在世界上尚不完全成熟，目前在日本、美国有中试项目。间接液化是将煤先气化成合成气（CO+H2），在中压下（3MPa左右）用Fischer-Tropsch技术催化合成液体燃料（简称为F-T合成）。用F-T技术合成的柴油（简称F-T油），其十六烷值可大于70，低硫（质量分数在10-5以下），低芳烃（小于1%），热值与柴油相当，在柴油机上使用可以降低NOX和碳烟微粒排放。它可以与柴油以任意比例互溶，一些国家（如美国的Argonne国家实验室）正在研究F-T油与柴油的混合油（50%的柴油和50%的F-T油的混合油简称FT-50）在柴油机上使用的可能性及其燃烧与排放特性。
（四）生物柴油
生物柴油是一种非化石的可再生能源，它作为柴油机的代用燃料受到越来越多的关注，目前已知的可作为内燃机使用的植物油有30多种。植物油的粘度高，约为柴油的11-17倍，低温流动性差，需要进行酯化处理，即通过酯基转移作用将植物油转化成一价酯类，降低其粘度，维持其辛烷值和热值不变。压燃式发动机可以燃用纯生物油，也可使用植物油和柴油的混合油(如20％的大豆渣油与柴油的混合油称为B20)。植物油的十六烷值较高(40左右)，能量密度较高(约为柴油的90％左右)，与石油系燃料互溶性好，不存在分层问题，含氧8％~10％，可以降低碳烟／微粒排放。目前世界上植物油产量相对石油来说还很少，今后随着其产量的增大，用植物油取代柴油会越来越可行。此外，我国餐饮业有大量的废油倒入下水道，由于粘度大，冬季时易造成堵塞，如将废油收集后经适当处理转化为生物柴油，会有较好的经济和社会效益。日本每年有近30万t餐饮废油转化为生物柴油作为柴油机的代用燃料使用，我国也正在开发生物柴油在压燃式发动机中的应用。
二、气体代用燃料
气体燃料曾是内燃机的主要燃料，煤气机是最早的内燃机。由于气体燃料的能量密度小 (单位体积热值低)且储运不便，致使液体燃料逐步取代了气体燃料。但在气体燃料资源丰富的国家和地区，它在内燃机上的使用一直没有停止过。
近20年来，随着石油资源的逐渐枯竭、气体燃料开采量的加大和远距离输送、净化脱水及储运技术的提高，气体燃料液化技术和液化气体燃料电控喷射技术等的发展，特别是随着对内燃机排放指标要求的日益严格，气体燃料在内燃机上的使用又进人了一个新的发展时期。
目前在内燃机上使用的气体燃料有天然气、液化石油气、沼气、煤气、氢气等，其中以压缩天然气(Compressed Natural Gas，缩写CNG)和液化石油气(Liquefied Petroleum Gas，缩写LPG)为主。燃气汽车以使用燃料种类不同可分为单一燃料汽车(Mono?Fuel Vehicle)，两用燃料汽车(BlFuel Vehicle)和混合燃料汽车(Dual-Fuel Vehicle)。单一燃料汽车是指使用一种气体燃料的汽车，两用燃料汽车是指可以在气体燃料和另一种液体燃料之间进行切换的汽车，混合燃料汽车是指同时使用一种气体燃料和一种(或一种以上)其他燃料的汽车，CNG及LPG发动机的最大优点是燃料费用与污染物排放低。以CNG汽车为例，与汽油车相比，NMHC(非甲烷碳氢)排放可下降70％左右，NOx排放下降40％~50％，CO排放下降20％以上。
据1997年统计，全世界30多个国家和地区共拥有CNG汽车100多万辆、液化天然气LNG汽车近万辆、LPG汽车400多万辆，加气站多个。我国是天然气资源丰富的国家，据2002年有关资料介绍，我国现已探明的石油储量仅够开采20年，而天然气可供开采50年以上。CNG、LPG汽车一是能大幅度减少汽车对大气的污染，二是适应了内燃机燃料多样化的发展趋势，三是可以降低使用成本，因此燃用气体燃料的汽车在我国将有较大的发展。截至2002年6月底，我国LPG汽车的保有量已达10.2万辆，天然气汽车达2.8万辆， CNG加气站130座，LPG站233座，预计到2005年，我国燃气汽车(CNG和LPG)将发展到50万辆。
评价内燃机用气体燃料的性能参数主要有热值、辛烷值、十六烷值、化学计量空燃比、着火温度等。由于多数气体燃料是多组分的混合气体，且组分可能在一定范围内变化，因此其性能参数也不是一个固定值。常用天然气、液化石油气与液体燃料(汽油、柴油)性质的比较见表7-3。
(一)液化石油气(LPG)
LPG的主要成分是丙烷和丁烷，发动机用的LPG一般是纯丙烷（C3H8）或丙烷与丁烷（C4H10）的混合物。它的主要技术特点如下：
1）汽化温度低。常温下，石油气在0.2~0.6MPa的压力下即可液化（随组分不同而定），因此，液化石油气的汽化较为容易，与空气混合的均匀性大大优于汽油，有利于燃料的完全燃烧，排放低，表6-10表示了LPG（不同组分）和汽油在转鼓试验台山的试验结果比较。
表6-10 LPG（不同组分）和汽油在转鼓试验台上的试验结果比较[14]
2）LPG的燃料特性与汽油相当，其热值略高于汽油。
3）LPG的辛烷值高，抗爆性能优于汽油，允许采用较高的压缩比，有利于提高发动机的热效率。
汽化的LPG对发动机的充量系数有不利影响，因此简单改装后的气体燃料发动机的功率会有所下降。
（二）天然气（NG）
NG的主要成分是甲烷，它的存储方式主要有两种，一是直接以气体方式存储，即将其压缩至特制的容器中（压力为20~30MPa），再经减压器减压后供给发动机。另一种是以液体方式存储，由于甲烷的临界温度低，通常采用低压（或略高于常压）和低温（-160oC左右）下液化后储存。因此LNG的储存要求高，相应的成本也较高。相比之下，CNC的应用要比LNG方便和广泛得多。
CNG发动机的主要技术特点如下：
1）CNG发动机的排放特性、经济性要优于LPG发动机。同时，由于天然气资源较丰富，CNG汽车具有广阔的发展前景。
2）CNG的辛烷值高，抗爆性好，有利于提高压缩比。
3）CNG的能量密度较小，其续驶里程低于LPG汽车。
目前，LPG与CNG作为内燃机的代用燃料，大多是在常规汽车上采用加装气体燃料供给系统的方法来实现。这种方法没有充分发挥LPG和CNG的潜力，但这种两用燃料汽车具有燃料灵活性的优点，排放可达欧洲I标准。由主机厂开发的单一燃料或混合燃料汽车，其动力性经济性显著高于简单改装的汽车，其排放可达欧洲II标准。表6-11为一汽集团公司生产的CA6110ZLA5N2增压中冷柴油/天然气发动机排放特性与燃用纯柴油的比较，在采用氧化催化器后，可满足欧洲II标准。
LPG及CNG的大规模使用取决于气体燃料的价格、环境保护的要求和供气网络的建立和完善。
（三）氢气
氢气被认为是最洁净的内燃机燃料之一，它没有HC、CO、CO2和碳烟排放，但用做内燃机燃料时有高的NOX排放。由于氢的制备、运输、存储等方面困难，目前尚未获得广泛推广应用，限于篇幅，本书不作详细介绍。
（一）电能汽车（Electrical Vehicle,缩写EV）
电动汽车无排气尾管，在不考虑生产电池和电能的排放时，它属于零排放车辆。发展电动汽车需要开发高能量密度、低成本、长寿命蓄电池（锂电池、镍-氢化物电池等），以扩大行驶里程（目前，一次充电运行里程仅为常规车辆一次加油走行距离到25%~30%左右），提高加速性能（目前，电动汽车加速性能比常规车辆低30%左右）。近年来欧美、日本推出的电动汽车多为行驶距离短的城市用小型车辆（如尼桑的Hypermini,采用锂电池，重量为840kg,功率为24KW）。
（二）混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle,缩写HEV）
混合动力汽车将热机、能量存储、发电机、电动机、机械驱动装置、车轮有机地结合起来，由于它有动力源，不需要在存储装置中存储大量电能，克服了电动车行驶距离短的缺点。它在高负荷时用内燃机工作以获得高的热效率；而在城市地区以低负荷运行时，用电动机工作，并在车辆减速时电动机变为发动机回收汽车动能。目前在电能汽车方面真正进入到商品阶段的主要是混合动力汽车。1997年12月日本丰田汽车公司的5座小型混合动力汽车Prius投入商业化生产，随后其他车型（Estima.Crown）也相继投入生产，年销售量已超过10万辆。美国三大汽车公司和德国奔驰汽车公司在年将HEV投入生产。本田和尼桑开发的Tino-Hybrid的试验结果表明，其单位油耗量的里程为常规车辆的近2倍，我国也正在研究开发混合动力汽车、电动汽车和燃料电池汽车。混合动力汽车的主要问题是成本与售价高，需要进行负荷驱动系统的方案及降低成本的研究。
（三）燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle, 缩写FCV）
燃料电池汽车通过氢气和空气中的氧气进行电化学反应来产生电，驱动车辆。由于它排出的是水蒸气，因而在燃料电池中能非常清洁地产生电能，其中采用质子交换膜的燃料电池最具发展前景，它在低温运行条件下具有最高的效率。氢气可以来自天然气、甲醇、生物质、太阳能以及化工厂的伴生气等。
发展燃料电池汽车的困难在于燃料（氢气）的储存、燃料电池的尺寸及其高的生产成本、高性能的质子交换膜和复杂的控制系统。它还必须有电池用于冷起动、暖机和在加速时增加功率输出，预计在2020年前可以得到一定的应用
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