2.8 空燃比閉環(huán)控制

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1、n故凡閉環(huán)控制，必有一個控制對象，即控制參數(shù)；還有一個控制目標，即控制參數(shù)的設(shè)定值。n閉環(huán)控制的控制參數(shù)就是燃油與空氣溫合氣的過量空氣系數(shù)，n控制目標是=1附近的一個小范圍。nMotronic在怠速和部分負荷時可實行環(huán)控制，其他工況皆為開環(huán)控制。1、閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)范圍和激活的閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)范圍和激活的必要條件必要條件n汽油機排放的有害污染物主要是HC、CO和NOx。目前汽油機排放污染物治理手段中最重要的是利用三效催化轉(zhuǎn)化器凈化。n凈化后的廢氣有害物質(zhì)的濃度與過量空氣系數(shù)密切相關(guān)。隨著的增大，凈化后殘余的HC和CO濃度降低，但NOx濃度上升。n只是在為0.991.00 的一個小區(qū)域內(nèi)才能使三種有

2、害物質(zhì)同時得到最大限度的凈化。這就是環(huán)控制的調(diào)節(jié)范圍。n只有在怠速和部分負荷工況范圍，而且結(jié)束暖機以后，才能激活閉環(huán)控制。2、氧傳感器、氧傳感器n氧傳感器用于測定廢氣中的過量空氣系數(shù)。n定義為燃油和空氣的混合氣中實際空氣里和由所含燃油量決定的理論當量空氣量之比。=1意味著充分燃燒后燃油與空氣均無過剩；1則氧過剩，混合氣過??；1則氧不足，混合氣過濃。n由混合氣中各種原子數(shù)量的比例決定。燃燒過程不改變這個比例，故從廢氣中測定的，不論燃燒是否完全，都與未燃時在混合氣中測定的一樣。n目前普遍使用的氧傳感器只能判斷是1，還是1，卻無法測定的具體數(shù)值。n不過已開始生產(chǎn)能測定具體數(shù)值的氧傳感器，用于稀薄燃燒

3、發(fā)動機。1）管式氧傳感器原理）管式氧傳感器原理n氧傳感器按帶固態(tài)電解質(zhì)的氧濃度原電池的原理工作（Nernst原理）。n其核心元件是用二氧化鋯制成的傳感陶瓷管1。n傳感陶瓷管不透氣，用氧化銥作過穩(wěn)定化處理。n傳感陶瓷管的內(nèi)外表內(nèi)部涂有一薄層透氣的多孔鉑，它一方面因其催化作用而影響著傳感給輸出特性，另一方面由于電接觸，構(gòu)成兩個電極2。n傳感陶瓷管突入排氣氣流中，所以在它外表面的鉑涂層上再涂一層高孔隙度的陶瓷保護層6。n這層加固層防止了鉑催化層遭受廢氣中沉積物的腐蝕和侵蝕，確保了傳感器的長期穩(wěn)定性。n傳感陶瓷管的內(nèi)表面與新鮮空氣相通，外表面被廢所包圍，兩邊的氧濃度度相差懸殊。n但汽油機廢氣中總是存在

4、殘余氧的，即使在燃油過剩的情況下也不例外。例如=0.95時殘余氧達到約0.1 0.3的體積百分比。n多孔鉑電極的催化作用使得廢氣中的CO、HC和H2在電極表面上同殘余氧發(fā)生化學反應，使之趨向理論當量的平衡，以致殘余氧的最終濃度跟燃燒完全與否無關(guān)。而僅僅取決于。n傳感陶瓷管內(nèi)外表面上的氧濃度差別促使內(nèi)表面上的氧原子放下2個正電荷變成帶2個負電荷的氧離子，通過擴散穿越多孔的、由二氧化鋯制成的傳感陶瓷管（故稱固態(tài)電解質(zhì)）到達外表面，將2個負電荷留在外表面，成為氧原子進入廢氣中。n所以：內(nèi)表面帶正電，成為正極；外表面帶負電，成為負極。n兩極之間的電位差使是氧傳感器的信號電壓。n信號電壓的高低取決于傳感

5、陶瓷管內(nèi)外表面之間氧濃度之差，即取決于外表面上廢氣經(jīng)完全催化處理之后殘余氧的濃度，而殘余氧濃度又是廢氣值的函數(shù)。n從1的稀混合氣（高殘余氧）過渡到1的濃混合氣（極低殘余氧），則殘余氧濃度突變達10的幾次方冪倍。所以在=1附近信號電壓突變，1時為8001000mV,1時小于100mV=1時為450500mV。n氧傳感器應裝在任何工況下都能達到其工作溫度的地方，因為氧傳感器的工作特性與溫度密切相關(guān)。溫度強烈地影響著傳感陶瓷管對氧離子的導通能力。n一方面當溫度低于600時，輸出電壓低于上述數(shù)據(jù)和曲線，而低于350時幾乎沒有信號；n另一方面，輸出電壓對于過量空氣系數(shù)變化的響應時間也與溫度有關(guān)。例如：當

6、傳感陶瓷管溫度為350時，響應時間為幾秒鐘；而當傳感陶瓷管溫度為600時，響應時間小于50ms。n所以在發(fā)動機起動后直到大約350的最低運行溫度的一段時間內(nèi)，閉環(huán)控制是截止的。n氧傳感器的內(nèi)阻也與溫度有關(guān)。2）不加熱的管式氧傳感器）不加熱的管式氧傳感器n如圖所示，傳感陶瓷管7借助于“指狀”的陶瓷支承管3和碟形彈簧2固定在傳感器殼體6上并密封。n在支承管和傳感陶瓷管之間的接觸元件5用于提供內(nèi)電極和連接電纜1之間的接觸。n外電極通過金屬密封環(huán)與傳感器殼體連接。傳感器內(nèi)的各種零件都由金屬護套4 固定和對中。n護套除了支承碟形彈簧以外，還保護傳感器內(nèi)部不被污染。n連接電纜夾緊在伸出傳感器的連接元件的末

7、端，并用耐高溫的PTFE帽蓋密封以防潮氣和機械損傷。n為了防止廢氣中的燃燒沉積物落在傳感陶瓷管上,在凸入股氣氣流中的傳感器殼體的末端裝有護管8，護管上開有孔隙，可讓廢氣通過，同時卻有效地防止了廢氣中固態(tài)物質(zhì)的機械撞擊和變工況時的熱沖擊。n傳感器殼體上有螺紋供安裝用。3）加熱的管式氧傳感器）加熱的管式氧傳感器n如圖所示，加熱的管式氧傳感器的構(gòu)造和原理與不加熱的管式氧傳感器基本相同。n主要差別在于，加熱的管式氧傳感器的傳感陶瓷管，內(nèi)部出一根陶瓷加熱元件6加熱，通電后30s便達工作溫度。n因此傳感陶瓷管即使在負荷低、廢氣溫度較低時也有超過350的溫度，可以照常發(fā)揮功能。負荷高時由廢氣溫度決定陶瓷管溫

8、度。陶瓷加熱元件系正溫度系數(shù)（PTC）電阻，溫度較低時電阻很小，功率很大，加熱很快。加熱后電阻升高，功率不大。n加熱的管式氧傳感器的護管10上的廢氣流通孔比較細小，因此減少了傳感陶瓷管在廢氣溫度較低時所遭受的冷卻作用。n管式氧傳感器的加熱，將發(fā)動機從起動直到閉環(huán)控制投入運行所經(jīng)歷的時間縮短到2030s，確保了廢氣溫度較低（如怠速）時的閉環(huán)控制運行。n加熱的管式氧傳感器對變動的響應時間較短，因此有利于提高閉環(huán)控制速度。n加熱的管式氧傳感器可以安裝在離發(fā)動機相對較遠的地點，因而長期全負荷運行時氧傳感器也不會因過熱而出問題。n加熱的管式氧傳感器始終具有最佳的工作溫度，可實現(xiàn)較低的和穩(wěn)定的廢氣排放。4

9、）片式氧傳感器）片式氧傳感器n前述的兩種氧傳感器的傳感元件都是管狀的（傳感陶瓷管）。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了加熱元件集成于片狀傳感元件的氧傳感器。n從功能上說，這種傳感器的電壓特性也在=1發(fā)生階躍，與加熱的管式氧傳感器沒有區(qū)別。n但它同時提供了下一代陶瓷傳感器的基本工藝。n這種傳感器的特點在于：采用片狀傳感元件3代替管狀傳感元件；傳感元件借助于陶瓷密封填料6固定在傳感器殼體5上；雙壁式護管7高度有效地保護傳感元件免受過度的熱應力和機械應力。n片狀傳感元件采用陶瓷傳感薄膜3作為固態(tài)電解質(zhì)（圖2-70 a)。采用篩網(wǎng)-印刷技術(shù)形成各個功能層（內(nèi)、外電極4和2，多孔保護層1）印刷薄膜一層接一層疊在一起，利

10、用這種辦法使加熱元件集成于傳感元件內(nèi)。n片式氧傳感器尺寸小、重量輕、耗熱功率小、加熱速度快，建立閉環(huán)控制所需時間短，控制特性穩(wěn)定。片式氧傳感器采用單獨的接地。5）片式寬帶氧傳感器（線性氧傳感）片式寬帶氧傳感器（線性氧傳感器）器）n片式寬帶氧傳感器是一種片式雙電池限電流傳感器。如圖所示，它的模塊式結(jié)構(gòu)與成片技術(shù)相結(jié)合，使得有可能集多種功能于一體。n該傳感器的輸出電流在=1處改變方向，且與幾乎成線性關(guān)系，故又稱線性氧傳感器，但其斜率以=1為界取不同數(shù)值。n片式寬帶氧傳感器是Nerst濃度電池（傳感電池）和用于氧離子輸送的泵電池的一種結(jié)合,所以它不僅能判定大于1還是小于1，而且能在稀的和濃的區(qū)域測定

11、的具體數(shù)值。每個傳感器要單獨進行標定。n這種傳感器要求專門的電子控制裝置，不僅要求用于產(chǎn)生傳感器信號的泵電池和傳感電池的電子控制裝置，還要求控制傳感器溫度的電子控制裝置。n這種傳感器有一些十分可貴的用途，除了上述的可實現(xiàn)從1到1連續(xù)控制以外，還能用于稀薄燃燒汽油機、燃氣發(fā)動機和柴油機。3、閉環(huán)控制原理1）閉環(huán)控制回路n閉環(huán)控制的目的是提高三效催化轉(zhuǎn)化器對廢氣的凈化效率。n在三效催化轉(zhuǎn)化器4的前后各裝一個氧傳感器，n其中裝在前面的3a是必不可少的，裝在后面的3b 只在在某些系統(tǒng)中出現(xiàn)。n電子控制單元6從空氣流量傳感器1接受負荷信息，從其他傳感器接收轉(zhuǎn)運等信息，算出基本噴油量，并根據(jù)氧傳感器關(guān)于的

12、信息確定修正系數(shù)，去乘基本噴油量，使保持在=0.991.00一個很窄的范圍內(nèi)波動。n程序中設(shè)有一個電壓門檻值，通常在450mV左右。氧傳感器電壓高于此值，則混合氣過濃，應減小修正系數(shù)以減少噴油量；低于此值，則混合氣過稀，應增大修正系數(shù)以增加噴油量。2）信號的時間滯后(死時間)n而從噴油器噴油生成混合氣開始，到氧傳感器測得這部分混合氣的為止，存在一定的反應時間，這個時間影響著閉環(huán)控制的振蕩周期。n這段時間稱為死時間，由以下四部分組成：混合氣從噴油器到氣缸的流動時間；發(fā)動機一個工作循環(huán)從進氣到排氣所經(jīng)歷的時間；燃燒過的氣體從氣缸到氧傳感器的流動時間；氧傳感器的響應時間。1.其中主要是混合氣和燃燒氣

13、體的流動時間。n死時間的長短取決于發(fā)動機的負荷與轉(zhuǎn)速。n例如怠速時根據(jù)氧傳感器與發(fā)動機的距離長短，死時間可達1s以上不等的數(shù)值。而大負荷高轉(zhuǎn)速時死時間減為幾百毫秒。3）閉環(huán)控制時的變化過程n當氧傳感器輸出電壓越過450mV左右的門檻值躍升或躍降時，ECU確認混合氣成分發(fā)生了越過=1的改變。此時應通過修正系數(shù)調(diào)整噴油量，使混合氣成分回頭往=1方向發(fā)展。當然，最好是一步調(diào)整到混合氣=1并保持下去。n但是由于以下四個原因而無法做到這一點：無法知道當時與=1有多大偏差；如果變動太快，汽車會突然加速或減速，使乘員感到不舒適；發(fā)動機不可避免地有制造公差，使用過程中有磨損、漏氣，燃油成分會有波動，以及諸如此

14、類會影響混合氣成分的未知因素；1.由于死時間的存在，即使噴油量調(diào)整到了使混合氣=1，ECU也無法立即知道。實際采取的控制策略當氧傳感器輸出電壓出現(xiàn)階躍時，修正系數(shù)n先是立即突然改變一個確定的數(shù)值，以便盡可能快地發(fā)揮修正混合氣成分的作用，n接著按照程序內(nèi)編制的匹配函數(shù)以一定的斜率繼續(xù)往同一方向慢慢地改變，直到混合氣成分回復到=1并超越之，氧傳感器輸出電壓再次發(fā)生階躍，修正系數(shù)跟著朝相反方向再次突然改變一個確定的值。n氧傳感器輸出電壓的躍升或躍降都是由于混合氣成分發(fā)生越過=1的改變而引起的。這種改變發(fā)生在氧傳感器輸出電壓出現(xiàn)階躍之前一段時間，即死時間。n當ECU發(fā)現(xiàn)氧傳感器輸出電壓出現(xiàn)階躍時已經(jīng)為

15、時過晚，混合氣成分已經(jīng)越過了=1并繼續(xù)發(fā)展。此時ECU只能令修正系數(shù)立即朝相反方向改變，使混合氣成分回頭往=1方向發(fā)展。n所以，由于死時間的緣故，修正系數(shù)總是波動著向前發(fā)展的。這導致即使在穩(wěn)定工況下，噴油脈沖的寬度也是波動著的，混合氣成分也只是在=1附近的一個小范圍內(nèi)波動，永遠不可能停留在=1的狀況。氧傳感器輸出電壓和修正系數(shù)曲線的特點和聯(lián)系n氧傳感器輸出電壓曲線由一系列階躍組成，而且相鄰兩次階躍的方向相反；n在氧傳感器輸出電壓階躍的時刻發(fā)生修正系數(shù)的突變。但是氧傳感器輸出電壓階躍的方向和修正系數(shù)突變的方向正好相反；n氧傳感器輸出電壓曲線相鄰兩次階躍之間所經(jīng)歷的時間：只有一部分用于將混合氣成分

16、改變到=1，這部分時間大體上固定；另一部分時間用于讓混合氣從生成地點(噴油地點)流動到氧傳感器安裝地點和氧傳感器作出響應等，等于死時間，由發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速決定。n如前所述，在死時間內(nèi)混合氣成分將越過=1繼續(xù)發(fā)展。所以，修正系數(shù)的波動周期取決于死時間的長短，即取決于發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速；n如果修正系數(shù)曲線相鄰兩次突變之間的匹配函數(shù)始終保持相同的斜率，則：當因發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速改變而使修正系數(shù)曲線的波動周期發(fā)生變化時，便會使這種波動的幅度也跟著變化。這將導致混合氣成分在某些工況下越出=1附近的一個小范圍，使三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率下降，排放惡化；同時行駛性能也會惡化。n所以，當發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速變化而使修

17、正系數(shù)的波動周期增大時，匹配函數(shù)的斜率必須調(diào)小，使修正系數(shù)波動的幅度從總體上保持恒定，以便得到最佳的排放和行駛性能。4）的不對稱調(diào)節(jié)n閉環(huán)控制的最佳調(diào)節(jié)范圍其實并非對稱分布于氧傳感器電壓階躍點的兩側(cè)。因為的最佳調(diào)節(jié)范圍在0.991.00，而氧傳感器電壓階躍點在=1。如果調(diào)節(jié)使其對稱分布于=1的兩側(cè)，那么廢氣就不能在三效催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)得到最佳的轉(zhuǎn)化。n所以要將實際達到的調(diào)節(jié)范圍的中心從氧傳感器電壓階躍點朝低的方向推移一點。這稱之為的不對稱調(diào)節(jié) 有兩種方法可實現(xiàn)的不對稱調(diào)節(jié)：n當從稀混合氣轉(zhuǎn)入濃混合氣即從1轉(zhuǎn)入1、氧傳感器電壓躍升時，修正系數(shù)推遲一些時間調(diào)低，這就是說，噴油量推遲一些時間減少；1.修

18、正系數(shù)不對稱階躍，即從稀到濃和從濃到稀時階躍高度不同。5）雙氧傳感器閉環(huán)控制n閉環(huán)控制系統(tǒng)中可在三效催化轉(zhuǎn)化器前面和后面各設(shè)一個氧傳感器。設(shè)在后面的氧傳感器3b受廢氣污垢的影響較小。來自3b的信號疊加于設(shè)在前面的氧傳感器3a的信號，從而改變閉環(huán)控制回路中修正系數(shù)波動曲線的不對稱性，對調(diào)節(jié)范圍的漂移進行補償。這樣可保證混合氣成分長時間穩(wěn)定。n但是，單用設(shè)在三效催化轉(zhuǎn)化器后面的氧傳感器3b來實行閉環(huán)控制則惰性太大，因為氣體從噴油器到氧傳感器的流動時間太長。所以，兩者兼用最佳。4、特性場數(shù)據(jù)的自適應(自學習)n在某些情況下，ECU內(nèi)保留的MAP標定數(shù)據(jù)可能會產(chǎn)生一些偏差，以下方面會使應有的基本噴油時

19、間發(fā)生漂移：發(fā)動機和噴油器制造過程中的尺寸公差、使用過程中零件狀態(tài)的改變、燃油成分的波動、在使用體積空氣流量傳感器的場合還有空氣密度的改變等n就是說，貯存在ROM中的基本噴油時間特性場數(shù)據(jù)會與當時涉及的發(fā)動機不盡適配，從而給燃油定量帶來系統(tǒng)誤差。n比如以下實例：n在節(jié)氣門開度10%，轉(zhuǎn)速為2000RPM時的利用標定的MAP計算的開環(huán)噴油時間為10ms，而實際需要的噴油時間為12ms，那么1.MAP的這個工況點的數(shù)據(jù)可否通過閉環(huán)控制進行修正？2.控制系統(tǒng)能否迅速得到正確的噴油時間？1）閉環(huán)的噴油時間自適應功能n閉環(huán)控制電路根據(jù)氧傳感器測到的數(shù)據(jù)修正后續(xù)噴油的持續(xù)時間，使混合氣成分趨于=1。這一過

20、程中，ECU首先從貯存在ROM中的特性場調(diào)出數(shù)據(jù)匹配過程中確定的基本噴油時間，并根據(jù)進氣溫度、發(fā)動機溫度等參數(shù)加以修正，然后通過不斷調(diào)整修正系數(shù)，并用修正系數(shù)乘噴油時間，實現(xiàn)閉環(huán)控制。即：噴油時間=計算的開環(huán)噴油時間 修正系數(shù)n對前述問題1，由于噴油時間=計算的開環(huán)噴油時間 修正系數(shù)n而計算的開環(huán)噴油時間=10ms，實際需要的噴油時間=12ms，故修正系數(shù)應在1.2左右波動。n故在基本噴油時間即MAP數(shù)據(jù)與實際需求出現(xiàn)偏差時閉環(huán)控制可使修正這個偏差。n但這樣做存在一個問題：n在這個特性場的基礎(chǔ)上同樣能通過常規(guī)的閉環(huán)控制將混合氣成分最終調(diào)整到=1，但如果完全依靠匹配函數(shù)修正系統(tǒng)誤差并將混合氣成分

21、調(diào)整到=1，則勢必花費相對較長的時間，影響三效催化轉(zhuǎn)化器對廢氣中成分的轉(zhuǎn)化效率。n那么，應如何加快這個過程呢？2）基本噴油特性場的自適應功能為了解決這個問題nECU通過閉環(huán)控制過程確定若干個能描述這些系統(tǒng)誤差的變量，或用于與噴油時間相乘，或用于與噴油時間相加，使混合氣成分迅速地趨近=1。這些變量稱為自適應變量。n其數(shù)值與負荷和轉(zhuǎn)速有關(guān)。n在某一負荷和轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)形成的自適應變量數(shù)據(jù)被貯存在RAM中，以后進入同一負荷和轉(zhuǎn)速區(qū)域時就被從RAM中調(diào)出用于修正噴油時間。這就是特性場數(shù)據(jù)的自適應功能。n汽車發(fā)動機關(guān)閉時，ECU并不掉電，所以自適應變量的數(shù)據(jù)不會從RAM中丟失。但是，如果切斷ECU的電源，則

22、RAM中自適應變量的數(shù)據(jù)丟失，重新接通電源時必須從頭開始自適應過程。n自適應功能使得燃油定量控制能夠迅速地、獨立地、各個地對涉及的發(fā)動機自動進行精細的匹配和補償。（1）自適應變量主要是下列四種參數(shù)在自適應過程中得到補償：n由于海拔高度改變引起的空氣密度變化。其后果是將空氣質(zhì)量流量乘一個系數(shù)。n由于負荷傳感器下游產(chǎn)生漏縫及隨后又被沉積物堵封引起的空氣泄漏量變動。其后果是使空氣流量增加或減少一定數(shù)量。n由于電磁噴油器開啟和關(guān)閉時響應滯后時間的隨機制造偏差引起的實際噴油時間的系統(tǒng)誤差。其后果是使每循環(huán)噴油時間增加或減少一定數(shù)量。1.由于燃油成分不同引起的理論當量空燃比偏離14.7。其后果相當于在按R

23、OM中的特性場數(shù)據(jù)計算噴油時間時使過量空氣系數(shù)乘上一個系數(shù)。上述這些因素分別在特性場的不同區(qū)域發(fā)揮很強的作用，所以特性場被分成三個自適應區(qū)域，相應地形成三個自適應變量：n空氣密度和燃油成分的改變均勻地作用于整個特性場，由此形成一個自適應變量，與空氣質(zhì)量流量相乘，其自適應區(qū)域覆蓋整個特性場。但當采用進氣歧管絕對壓力傳感器或空氣質(zhì)量流量傳感器傳感負荷信息時，空氣密度的改變不帶來噴油時間的系統(tǒng)誤差；n在空氣流量較小時，例如怠速工況附近，空氣泄漏量的變化帶來較大的影響。所以，在第二個區(qū)域內(nèi)形成一個與空氣流量相加的自適應變量；1.在噴油時間很短時，噴油器每循環(huán)噴油量的差異的影響特別強烈。所以，在第三個區(qū)

24、域內(nèi)形成另一個與噴油時間相加的自適應變量。（2）自適應變量的計算n以空氣密度和燃油成分的改變形成一個自適應變量為例來說明自適應變量（為表述方便暫且定義變量名為A）的計算：噴油時間=計算的開環(huán)噴油時間 A修正系數(shù)n自適應變量A實際上是對基本噴油MAP的一種修正。n假定自適應變量A首先等于1。那么 噴油時間=計算的開環(huán)噴油時間 1修正系數(shù)n下圖左側(cè)說明修正系數(shù)大于1，那么此時計算的開環(huán)噴油時間實際上是偏小的。此時通過調(diào)整自適應變量A使其加大，如圖向右，則會使修正系數(shù)向等于1的方向變化。n而修正系數(shù)接近1則說明計算的開環(huán)噴油時間 自適應變量A越來越接近實際需求的噴油時間。n反之在計算的開環(huán)噴油時間偏大時的修正也可以通過對自適應變量的減小實現(xiàn)。如下圖的右側(cè)。n修正系數(shù)與中性值1.0的差值就是混合氣成分有效修正值。每次氧傳感器輸出電壓發(fā)生階躍后就將有效修正值用一個加權(quán)因子加權(quán)后加到該工況的自適應變量上去將其刷新。自適應變量每次刷新的增量都與當時的混合氣成分有效修正值成正比。每次刷新都使修正系數(shù)朝著取值1.0的方向跨進一小步。當修正值達到1.0(有效修正值為0)時，自適應變量的增量為0。刷新的步長在1和100毫秒之間。57 結(jié)束語結(jié)束語