摘" 要:越野車?yán)淦饎有阅苁呛饬吭揭败嚟h(huán)境適應(yīng)性要求的關(guān)鍵指標(biāo),也是越野車重點考核的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之一。隨著自動變速箱在越野車的應(yīng)用趨勢,其在低溫下的較大負(fù)載大大增加了越野車?yán)淦饎拥碾y度。本文基于實際項目工作經(jīng)驗與教訓(xùn),重點研究梳理出了影響搭載AT越野車?yán)淦饎拥母黜椧蛩丶捌溆绊懗潭?,并就其中的關(guān)鍵輔助系統(tǒng)包括液體加熱器、起動機、蓄電池提出了詳細(xì)的選型匹配設(shè)計方法,具備一定的學(xué)術(shù)價值和較強的應(yīng)用價值,為越野車特別是搭載自動變速箱的越野車進(jìn)行冷起動設(shè)計和冷起動失敗分析提供了技術(shù)指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:越野車;冷啟動;自動變速箱
中圖分類號:U464" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " " "文章編號:1005-2550(2023)01-0057-08
Research on the influencing factors of cold starting of off-road vehicles equipped with automatic transmission and matching design of key systems
MENG Xiao , YAO Ben-rong, CHEN Shou-tao, LIU Wei, XIE Guo-fa
( Dong Feng Off-Road Vehicle Co.,Ltd, Wuhan 430056, China)
Abstract:The cold starting performance of off-road vehicles is a key indicator to measure the environmental adaptability of off-road vehicles, and it is also one of the key technical and tactical indicators for off-road vehicles. With the application trend of automatic transmission in off-road vehicles, its heavy load at low temperature greatly increases the difficulty of cold starting of off-road vehicles. Based on the experience and lessons learned from the actual project work, this paper focuses on studying and sorting out the various factors that affect the cold start of off-road vehicles equipped with AT and their degree of influence, and proposes a detailed selection and matching design method for the key auxiliary systems, including liquid heaters, starters, and batteries, which has certain academic value and strong application value. It provides technical guidance for cold start design and cold start failure analysis of off-road vehicles, especially those equipped with automatic transmission.
Key Words: off-road vehicle; Cold start; Automatic gearbox
孟" " 宵
畢業(yè)于四川大學(xué),碩士研究生學(xué)歷,現(xiàn)就職于東風(fēng)越野車有限公司,任責(zé)任工程師。主要從事發(fā)動機電控功能和策略開發(fā)工作,對于發(fā)動機電控開發(fā)和應(yīng)用有較好的認(rèn)識和積累。
1" " 概述
越野車?yán)淦饎有阅苁呛饬吭揭败嚟h(huán)境適應(yīng)性要求的關(guān)鍵指標(biāo),也是越野車重點考核的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之一。GJB-2953規(guī)定軍用汽車發(fā)動機在-41~46℃之間的任一溫度下,從吸合點火開關(guān)開始,發(fā)動機應(yīng)能5分鐘內(nèi)起動,起動后應(yīng)能正常運轉(zhuǎn)。在越野車項目中冷起動一般分為兩個溫度環(huán)境:環(huán)境溫度-30 ℃時,不采取整車?yán)淦饎虞o助措施可在10分鐘內(nèi)起動;環(huán)境溫度-41℃時,采取整車?yán)淦饎虞o助措施可在20分鐘內(nèi)起動。
相較于民品車型,越野車?yán)淦饎迎h(huán)境溫度更低,要求更嚴(yán)苛,稍有不慎就會導(dǎo)致起動失敗,所以往往冷起動也成為越野車項目的生死大考。特別是近年來隨著自主自動變速箱(AT)的發(fā)展,AT在越野車上的搭載應(yīng)用已成為必然趨勢,以輕型戰(zhàn)術(shù)車輛為例,基本均搭載AT。雖然AT較手動變速箱(MT)帶來了駕乘感受的提升,但對越野車?yán)淦饎觼碚f,AT因其液力變矩器的存在,且沒有動力中斷裝置,在冷起動中成了一個大的新增負(fù)載,且溫度越低,油液粘性越大,其阻力矩越大,所以搭載AT的越野車?yán)淦饎与y度較傳統(tǒng)MT車輛大大增加,需要在充分掌握各總成相關(guān)性能數(shù)據(jù)的情況下對相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的匹配設(shè)計,才能夠達(dá)成冷起動。但目前的實際情況是,該項工作涉及發(fā)動機、變速箱、發(fā)動機系統(tǒng)、電器等多個系統(tǒng),再細(xì)化到影響冷起動的具體因素又錯綜復(fù)雜,存在因為缺乏對冷起動影響因素的認(rèn)識以及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計參考方法,從而各系統(tǒng)未科學(xué)協(xié)同配置的情況,表現(xiàn)在市場上輕/中/重型搭載AT的某些戰(zhàn)術(shù)車輛,在開發(fā)過程中的冷起動試驗均失敗過。一次冷起動試驗的費用非常昂貴,重復(fù)性的以試驗來驗證和改善設(shè)計代價非常高昂。因此研究搭載AT的越野車?yán)淦饎拥挠绊懸蛩匾约瓣P(guān)鍵系統(tǒng)的匹配設(shè)計方法就顯得非常必要。
2" " 影響因素分析
搭載AT的越野車的冷起動歸根結(jié)底還是柴油機要成功起動,影響柴油機冷起動成功的因素多且復(fù)雜,因此在研究冷起動時首先必須梳理清楚各項影響因素及其影響程度。根據(jù)理論分析,柴油機冷起動有兩大條件:一是混合氣壓縮終了溫度(設(shè)為T終)滿足要求;二是混合氣濃度滿足要求。據(jù)此再進(jìn)一步細(xì)化分析兩大條件各自直接的影響因素,見圖1:
2.1" "壓縮終了溫度T終滿足要求
為實現(xiàn)冷起動T終滿足要求,有提高進(jìn)氣/燃油溫度、減小壓縮過程中的熱量損失、提高壓縮溫升等三大措施。對三大措施依次進(jìn)行分析。
2.1.1 提高進(jìn)氣/燃油溫度
對于提高進(jìn)氣溫度,目前普遍采用的是格柵進(jìn)氣預(yù)熱[1],集成于發(fā)動機進(jìn)氣管內(nèi)。格柵進(jìn)氣預(yù)熱能有效提高進(jìn)氣溫度,但是耗電量也大。因此選擇合適功率的進(jìn)氣預(yù)熱器以及加熱時間的標(biāo)定就顯得很重要,功率大了或加熱時間長了,雖然能將進(jìn)氣溫度提的很高,但也消耗了巨大的電量,這對后續(xù)的起動機工作不利。關(guān)于加熱時間的標(biāo)定策略存在多種形式:基于進(jìn)氣溫度與水溫的加權(quán)確定加熱時間,或是基于水溫、機油溫度和進(jìn)氣溫度的最小值作為參考溫度確定加熱時間。當(dāng)前主流使用的預(yù)熱器一般都在1.8-2.5kW左右,-41℃下的工作時間一般都在40-50s,歧管內(nèi)氣體溫度一般能夠提高至0到十幾攝氏度,-30℃下的工作時間差異較大,從15s到30s左右不定,歧管內(nèi)溫度也從-10℃到10℃左右不等。
進(jìn)氣預(yù)熱對冷起動的改善效果較明顯,需重點關(guān)注,當(dāng)預(yù)熱效果不佳時,需提高預(yù)熱器功率或工作時間。如圖2,為某型柴油機,在-41℃環(huán)境下進(jìn)氣預(yù)熱工作40s后,進(jìn)氣溫度達(dá)到了15℃,溫升超過55℃。
對于提高燃油溫度,目前可在燃油濾清器上加裝電加熱器,燃油電加熱器的功率較小,一般幾百瓦。由于冷起動都會采用-50#燃油,本身不會存在結(jié)蠟等情況,從以往試驗的情況看,燃油加熱對冷起動的改善效果很有限。
2.1.2 減小壓縮過程中的熱量損失
對于減小壓縮過程中的熱量損失,有減小氣缸傳熱損失和減少漏氣損失兩種途徑。
2.1.2.1 減小氣缸傳熱損失
如表1,對某款柴油機T終的仿真數(shù)據(jù)分析,A是漏氣損失,B是傳熱損失。以傳熱損失B的數(shù)據(jù)為例,-30℃情況下傳熱導(dǎo)致的溫度損失達(dá)32%,-40℃情況下傳熱導(dǎo)致的溫度損失達(dá)37%,氣溫越低,T終越低,傳熱導(dǎo)致的溫度損失比例越大。由此可見,減小氣缸傳熱損失對提高T終的意義巨大,而最直接減小氣缸傳熱損失的方式就是在冷起動前提高氣缸溫度。
目前越野車上均配置液體加熱器,經(jīng)液體加熱器給發(fā)動機冷卻液加熱,加熱水流經(jīng)發(fā)動機水套,通過熱傳遞提高氣缸體溫度。液體加熱器能夠有效提高氣缸體溫度,減少混合氣壓縮過程中的熱量傳出。
2.1.2.2 減小壓縮漏氣損失
發(fā)動機在開發(fā)過程中,都會對活塞漏氣量有嚴(yán)格的要求,但隨著環(huán)境溫度降低,缸內(nèi)混合氣通過活塞環(huán)間隙的漏氣率會急劇增大,如圖3,主要原因是在于活塞環(huán)的間隙隨著溫度的降低而增大。
雖然漏氣量會隨溫度降低而增大,但是漏氣量對T終的影響遠(yuǎn)小于熱量傳遞帶來的影響。從上文中表1即可看出,漏氣量損失占比僅占10%左右,對T終影響不大。
同時上文提到的氣缸加熱也能大大減小活塞間隙,減小漏氣量。
2.1.3 提高壓縮溫升
對于提高壓縮溫升,具體有提高起動轉(zhuǎn)速和提高壓縮比兩種措施。
2.1.3.1 提高起動轉(zhuǎn)速
圖4為分別某柴油機在0℃、-10℃、-20℃溫度下不同轉(zhuǎn)速對T終的影響,橫坐標(biāo)為曲軸轉(zhuǎn)角,縱坐標(biāo)為缸內(nèi)溫度,不同的曲線線型代表不同的轉(zhuǎn)速。
對圖4分析可知:
①同一環(huán)境溫度下,隨著轉(zhuǎn)速的增加,T終增加,且增益明顯;
②同轉(zhuǎn)速下,環(huán)境溫度越低,T終越低;
③在三種溫度條件下,為達(dá)到同樣的T終,溫度越低所需的轉(zhuǎn)速越高。
綜上,起動速度會對T終產(chǎn)生積極影響,轉(zhuǎn)速越高,T終越高,同時環(huán)境溫度越低,為達(dá)到最低壓燃溫度,對起動轉(zhuǎn)速要求越高。因此在冷起動中,提高起動轉(zhuǎn)速就是個很關(guān)鍵的變量,直接關(guān)系到T終。而起動轉(zhuǎn)速又與起動阻轉(zhuǎn)矩、起動機性能、蓄電池低溫放電特性與容量密切相關(guān)。
2.1.3.1.1起動阻轉(zhuǎn)矩
起動阻轉(zhuǎn)矩包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩、壓縮空氣阻轉(zhuǎn)矩、運動件慣性阻轉(zhuǎn)矩。
摩擦阻轉(zhuǎn)矩包括發(fā)動機阻轉(zhuǎn)矩和AT阻轉(zhuǎn)矩,對于AT而言,其既不可更換油液,也沒有加熱水循環(huán),與外系統(tǒng)無任何交互,因此AT在冷起動中的阻力矩?zé)o法改善。AT在低溫下摩擦阻轉(zhuǎn)矩很大,以越野車某6AT為例,在-41℃下,約94Nm。
對于發(fā)動機而言,在低溫環(huán)境下,其摩擦阻轉(zhuǎn)矩主要來自于機油粘度引起的摩擦力矩,而且溫度越低,機油粘度越大,其摩擦力矩將快速增加。在試驗前必須更換0W的低溫機油,同時鍋爐加熱能夠有效提高機油溫度,大幅降低摩擦阻力矩,我們對某型柴油機做過相應(yīng)測試,如表2所示,在-41℃條件下有鍋爐加熱后,其阻力矩可以降低至與-15℃同等水平。
壓縮空氣阻轉(zhuǎn)矩是指活塞在壓縮空氣過程中所產(chǎn)生的阻力矩,我們同樣對某型柴油機做過摸底,其壓縮空氣阻力矩最大可達(dá)190Nm。雖然該阻力矩相對較大,但降低該阻力矩,就意味著必須降低壓縮比,反而不利于冷起動,而且活塞屬于往復(fù)做功,阻力矩在壓縮沖程中是做負(fù)功,但其形成的能量在做功沖程中又是做正功,兩者幾乎可以相互抵消。表現(xiàn)在其力矩呈正弦波形式(參照起動機電流,冷起動階段的起動機電流與發(fā)動機阻力矩是正比例關(guān)系),如圖5。因此該阻力矩僅參考了解即可。
運動件慣性阻轉(zhuǎn)矩是指各運動件在速度變化過程中所產(chǎn)生慣性轉(zhuǎn)矩。運動件包括曲軸、柔性連接盤、各齒輪軸等。慣性阻轉(zhuǎn)矩是在起動機開始拖動的瞬間最大,以上述某型柴油機搭載某6AT為例,拖動瞬態(tài)最大慣性阻轉(zhuǎn)矩大約為40Nm,在總阻轉(zhuǎn)矩中占比很小,且隨著拖動速度趨于平穩(wěn)后,該值將進(jìn)一步大幅縮小,因此該阻轉(zhuǎn)矩可忽略。
2.1.3.1.2 起動機性能
現(xiàn)在常用的直流起動機,有幾點特性,如圖6所示:
①起動機自身輸出性能特性曲線與溫度不相關(guān),只與輸入的電流電壓相關(guān)。也就是說常溫下測取的起動機特性曲線完全可以適用于低溫環(huán)境。簡單舉例就是將起動機置于-41℃環(huán)境下,外接常溫電池,其輸出特性與常溫下是一致的。
②起動機的輸出扭矩與輸入電流呈正比例線性關(guān)系,M=CmφI+b,M—輸出扭矩,Cm—電機結(jié)構(gòu)常數(shù);φ—磁極磁通量;I—輸入電流;b—常數(shù)。
③起動機輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓相關(guān),電壓越高,轉(zhuǎn)速越高。
簡言之,起動機完全受控于輸入的電壓電流。
起動機直接驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn),其所具有的性能必須與冷起動所需的能力相匹配[2],基于相關(guān)數(shù)據(jù),選型或開發(fā)一款性能合適的起動機非常重要。對于起動機功率,選擇合適的覆蓋起動需求功率的即可,不需要貪大,因為冷起動中起動機性能完全受制于蓄電池提供的電壓電流,大功率起動機發(fā)揮不出其性能。下文有具體選型方法。
2.1.3.1.3 蓄電池低溫放電特性與容量
蓄電池的選型設(shè)計是越野車?yán)淦饎拥年P(guān)鍵。目前越野車常用蓄電池為鉛酸電池,其放電過程是正極PbO2、負(fù)極Pb與電解液H2SO4發(fā)生反應(yīng),最終形成難溶物質(zhì)PbSO4和水[3],但在低溫環(huán)境下蓄電池內(nèi)離子運動速度變慢,化學(xué)反應(yīng)活性降低,表征現(xiàn)象是低溫下的內(nèi)阻比常溫下內(nèi)阻大,進(jìn)而影響到放電容量,以某越野車使用的鉛酸電池為例,標(biāo)稱容量180Ah,在低溫-40℃放電容量僅有約70Ah,不足其標(biāo)稱容量的40%。
在冷起動中,對于蓄電池歸根結(jié)底都是要看電池在低溫下的電壓電流輸出,蓄電池的低溫放電特性越好、容量越大,就能提供更大的功率輸出,從而起動機輸出性能更強,冷起動成功的概率越大。但同時,基于車載空間和重量的要求,蓄電池的容量也不可能無限大,因此根據(jù)冷起動的用電需求以及蓄電池自身的放電特性選擇合適的電池容量就成了冷起動的關(guān)鍵。
2.1.3.2 提高壓縮比
提高壓縮溫升的措施就是提高壓縮比,其優(yōu)點是更高壓縮比可以提高T終,更容易達(dá)到燃點。缺點是發(fā)動機壓縮比提高,最大爆壓增大,需要增強缸體缸蓋等基礎(chǔ)機零件,改動較大,不建議。
2.2" "混合氣濃度滿足要求
上文對柴油機冷起動的條件之一:壓縮終了溫度滿足要求進(jìn)行了分析,因為一般到了整車集成階段,選型的柴油機均已是市場成熟的機型,機體機構(gòu)已經(jīng)成熟,在整車集成階段輕易不進(jìn)行改動。但在軟件層面可以進(jìn)行一些優(yōu)化,如在低溫起動時,能在正確的供油時刻加濃噴射,適當(dāng)提高噴油量,一般啟動油量為標(biāo)定油量的1.5-2倍。另外,由于發(fā)動機啟動轉(zhuǎn)速比較低,只能在壓縮上止點附近才能達(dá)到著火溫度,所以啟動時最佳供油提前角較正常工況時小,如果噴油過早,溫度達(dá)不到著火溫度,噴霧不能自行著火,待蒸發(fā)氣化后又會因為蒸發(fā)吸熱進(jìn)一步降低壓縮溫度,更無法自引著火,故而當(dāng)冷起動困難時,適當(dāng)減小供油提前角,也是解決的一種方法[4]。
3" " 關(guān)鍵系統(tǒng)匹配設(shè)計
根據(jù)上文的分析,除發(fā)動機自身特性外,氣缸加熱、起動機的選型、蓄電池的選型對冷起動有著關(guān)鍵的影響作用,因此對這三個系統(tǒng)的選型設(shè)計就顯得非常重要。
要進(jìn)行一系列選型設(shè)計,前提是必須先掌握發(fā)動機和AT在低溫下的阻轉(zhuǎn)矩,柴油發(fā)動機冷起動的最低起動轉(zhuǎn)速通常在100rpm左右,根據(jù)上文,環(huán)境溫度越低,轉(zhuǎn)速需求越大,設(shè)-41℃最低起動轉(zhuǎn)速為n-41,-30℃最低起動轉(zhuǎn)速為n-30,一般在發(fā)動機自身進(jìn)行冷起動時已掌握該數(shù)據(jù)。已知氣缸加熱能夠有效減小發(fā)動機摩擦阻轉(zhuǎn)矩,因此我們首先需要掌握鍋爐加熱的情況,然后在同等加熱水溫的情況下測取-41℃下發(fā)動機+AT在n-41下的總阻轉(zhuǎn)矩T-41,再測取在-30℃無鍋爐在n-30下的總阻轉(zhuǎn)矩T-30。
3.1" "液體加熱器選型設(shè)計
液體加熱器是按照發(fā)動機本體濕重來選型的,有經(jīng)驗推薦值:1h內(nèi)發(fā)動機從-40℃升高至30℃,溫升70℃,發(fā)動機每千克所需功率為10.2W。通常越野車中對液體加熱器的目標(biāo)要求為:-41℃溫度下,在20min內(nèi)完成冷卻液70℃溫升。則按照經(jīng)驗公式,液體加熱器功率為:
P液—液體加熱器功率,kW;
m—除去發(fā)電機等附件后的發(fā)動機濕重,kg。
3.2" "起動機選型設(shè)計
在冷起動中,由于負(fù)載的巨大增加,對起動機功率的需求遠(yuǎn)高于常溫條件下,因此起動機所具有的功率應(yīng)和發(fā)動機冷起動所需的功率相匹配。由上文,-41℃在使用鍋爐的情況下,其阻轉(zhuǎn)矩是大幅小于-30℃的,而最低起動轉(zhuǎn)速差異并不大,因此-30℃是需求功率最大的工況,則對起動機功率需求有如下計算式:
P起—起動機功率,kW;
P需—-30℃起動所需的功率,kW;
n—最低起動轉(zhuǎn)速,rpm;
μ—傳動效率,經(jīng)驗值0.95。
以某越野車為例,其發(fā)動機+AT的T-30約為490Nm,n-30為90rpm,帶入上述公式,則P起≥5kW ,也就是說至少需要選擇額定功率在5kW以上的起動機,為保證一定設(shè)計裕度,功率可適當(dāng)選大。
在確定了起動機功率需求,我們優(yōu)先選型廠家現(xiàn)有成熟產(chǎn)品,在保證結(jié)構(gòu)適配的情況下,選型出滿足功率要求的幾款起動機,再進(jìn)行進(jìn)一步的校核。校核可采用最大允許負(fù)載校核法:已知發(fā)動機的n-30和發(fā)動機齒圈與起動機的傳動比ε,則在要求起動機的工作轉(zhuǎn)速為εn-30;在n-I曲線上找到εn-30轉(zhuǎn)速點,豎直方向上作紅虛線,則左側(cè)區(qū)域即為能夠起動的起動機工作區(qū)域(右側(cè)區(qū)域轉(zhuǎn)速不達(dá)標(biāo)),與T-I曲線的交點對應(yīng)的起動機轉(zhuǎn)矩乘以ε即為最大允許外負(fù)載M'。如圖7示意:
如果該M'大于實測的T-30,則說明該起動機滿足冷起動使用要求。然后再根據(jù)輕量化、尺寸、成本等方面進(jìn)行權(quán)衡選擇。
3.3" "蓄電池選型設(shè)計
蓄電池的容量應(yīng)與起動機的功率成正比,推薦經(jīng)驗公式:
C—蓄電池容量,Ah;
U—起動機額定電壓,越野車為24V;
但該經(jīng)驗公式系數(shù)范圍跨度較大,而蓄電池容量越大,體積與重量越大,這對整車布置和輕量化不利。因此需要在經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化具體的容量選型方法。
由相關(guān)研究可知:
①隨著持續(xù)放電,蓄電池電量降低,其內(nèi)阻會增大,電壓被內(nèi)阻分壓,施加在負(fù)載上的電壓就會隨之持續(xù)降低;
②放電電流越大,電壓下降越快[5];
③蓄電池容量越大,同樣的放電電流下,電壓下降越緩慢。
蓄電池的電壓與放電量、蓄電池容量沒有特定公式關(guān)系,但可通過試驗測量出蓄電池的放電特性曲線:
①根據(jù)推薦公式,取上限、下限和中間值容量蓄電池三組;
②將前期已測取的總阻轉(zhuǎn)矩T-41、T-30,代入起動機M-I正比例線,得出起動機電流I-41和I-30;
③將三組蓄電池置于-30℃和-41℃下,分別按I-30和I-41進(jìn)行放電測試,測出三組放電電壓特性曲線,如圖8示意;
④由起動機特性表,可知n-41、n-30對應(yīng)的電壓需求,再考慮起動機內(nèi)阻及蓄電池到起動機的線阻所產(chǎn)生的壓差,兩者相加即是對蓄電池電壓的需求U-30需和U-41需;
特別說明下,在冷起動拖動階段時,起動機電流非常大,往往都在500-800A之間,這時候線阻哪怕只有0.002Ω,最終都會產(chǎn)生1-2V的壓差,因此從蓄電池到起動機的線束需要通過增大線徑、縮短長度等方式盡可能減小電壓損失。
⑤與測得的三組蓄電池放電特性曲線進(jìn)行比較,因為一次冷起動起動機連續(xù)工作時間一般不超過30s,因此蓄電池最優(yōu)解需保證30s內(nèi)的電壓均在U-30需和U-41需之上。據(jù)此完成蓄電池容量的擇優(yōu)選擇。
4" " 結(jié)論
綜上,對自動變速箱越野車?yán)淦饎佑绊懸蛩氐膮R總?cè)绫?:
同時提出的針對液體加熱器、起動機和蓄電池的選型設(shè)計方法,是基于工程中思考而來的,具有較強的應(yīng)用指導(dǎo)意義。
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專家推薦語
王必璠
東風(fēng)商用車技術(shù)中心平臺總師
研究員級高級工程師
整車?yán)鋯邮且粋€比較重要的整車特性。文章對整車?yán)鋯拥挠绊懸蛩亟o予了比較全面的綜合分析,對冷啟動問題正向設(shè)計給予了很好的指導(dǎo)。文章整體,理論上沒有問題,邏輯性強,語句比較通順,對其它類似的工作有較好的借鑒作用。