廢氣再循環(huán)對(duì)燃用生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

樓狄明, 徐　寧, 譚丕強(qiáng), 胡志遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院, 上海 201804)

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廢氣再循環(huán)對(duì)燃用生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

樓狄明, 徐寧, 譚丕強(qiáng), 胡志遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院, 上海 201804)

基于一臺(tái)匹配冷卻廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)的輕型高壓共軌柴油機(jī)，試驗(yàn)研究了EGR與主噴正時(shí)對(duì)燃用生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響.結(jié)果表明：外特性下，燃用生物柴油后，發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化合物(NOx)排放明顯增加，而總碳?xì)浠衔?THC)排放和超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度都明顯降低.在轉(zhuǎn)速為2 200 r·min-1的25%負(fù)荷下，隨著EGR率的增加，NOx排放、超細(xì)顆?？倲?shù)量濃度都明顯減少，THC排放以及燃油消耗率都降低，而隨著主噴的滯后，NOx排放和超細(xì)顆?？倲?shù)量濃度也明顯減少，但燃油消耗率和THC排放卻增加；在50%負(fù)荷，隨著EGR率的增大和主噴的滯后，NOx排放和超細(xì)顆?？倲?shù)量濃度也明顯減少，但THC排放和燃油消耗率都增加；主噴正時(shí)對(duì)超細(xì)顆粒數(shù)量的影響相對(duì)較小.綜合考慮排放和燃油經(jīng)濟(jì)性，在25%負(fù)荷時(shí)采用較大EGR率(26%)和較早主噴(提前7.7°曲軸轉(zhuǎn)角)方案，而在50%負(fù)荷時(shí)采用中等EGR率(18%)和較早主噴 (提前6.3°曲軸轉(zhuǎn)角)方案.

生物柴油; 廢氣再循環(huán); 主噴正時(shí); 排放特性

生物柴油作為一種替代燃料，與石化柴油相比，生命周期中CO2凈釋放量少[1]，對(duì)解決日益嚴(yán)重的化石燃料短缺和溫室氣體的控制等問(wèn)題意義重大[2].近年來(lái)國(guó)內(nèi)外也開(kāi)展了大量生物柴油在柴油機(jī)上應(yīng)用的研究[3-6]，證明了生物柴油作為替代燃料的可行性.生物柴油在中國(guó)也慢慢從研究探索階段走向推廣應(yīng)用階段，按照2015年5月發(fā)布的《加快成品油質(zhì)量升級(jí)工作方案》，2016年1月1日起，符合國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油(含B5生物柴油)也將在中國(guó)東部地區(qū)11個(gè)省市全面供應(yīng)，生物柴油被正式納入中國(guó)油品目錄.

但國(guó)內(nèi)外研究也發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)燃用生物柴油后，NOx排放會(huì)有所增加[4-6]，需要通過(guò)其他手段來(lái)加以控制[7].而廢氣再循環(huán)(EGR)是目前降低輕型柴油機(jī)NOx排放的最有效的技術(shù)手段之一，且其成本相對(duì)選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)較低.研究發(fā)現(xiàn)EGR率的增加可以很好地抑制NOx的排放，但同時(shí)也會(huì)使HC(碳?xì)浠衔?、CO排放以及碳煙的排放增加[7-8]，其中碳煙中的吸附有多種具有不同程度的誘變和致癌作用有機(jī)物質(zhì)的超細(xì)顆粒可以通過(guò)人體的呼吸直達(dá)肺部并沉積下來(lái)，對(duì)人體健康極為不利，且微粒尺寸相對(duì)微粒質(zhì)量危害更嚴(yán)重[9-10]，需要對(duì)超細(xì)顆粒排放的數(shù)量加以控制.

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究通過(guò)協(xié)調(diào)噴油策略和EGR來(lái)控制燃用石化柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放[7,9-12]，在生物柴油方面，Qi等[13]研究了主噴正時(shí)和EGR率對(duì)燃用大豆油制生物柴油燃燒和排放的影響，發(fā)現(xiàn)隨著EGR率的增大，燃油消耗率和煙度排放都略有增加，NOx排放則明顯降低，隨著主噴的滯后，燃油消耗率略微增加，NOx排放則明顯降低，煙度排放則基本不變.Qi等[14]的研究則發(fā)現(xiàn)主噴正時(shí)對(duì)CO,HC排放的影響不明顯，而NOx排放則隨著主噴的滯后明顯減小，而隨著EGR率的增大，CO和HC排放明顯增加，NOx排放則明顯減少，超細(xì)顆粒數(shù)量濃度也因?yàn)閺U氣回流導(dǎo)致聚并作用增加而明顯增加.這都證明在合理的EGR率和噴油策略組合下能同時(shí)實(shí)現(xiàn)在保證動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，降低相關(guān)排放，但這些研究多針對(duì)較低噴油壓力的重型柴油機(jī).而對(duì)燃用生物柴油的輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，也需針對(duì)性地探究EGR及噴油參數(shù)對(duì)其NOx排放和顆粒排放的影響，這對(duì)于更好控制燃用生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放很有意義[7].

1　試驗(yàn)裝置及方案

試驗(yàn)燃料包括生物柴油(B100)以及國(guó)Ⅴ柴油(D100)，其理化特性對(duì)比如表1所示.可見(jiàn)生物柴油具有密度較小，運(yùn)動(dòng)黏度較大、冷濾點(diǎn)高、十六烷值略高、熱值較低、含氧量較高等特點(diǎn).

試驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)排量為2.5 L的渦輪增壓直列四缸高壓共軌柴油機(jī).最大轉(zhuǎn)矩330 N·m，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為2 200 r·min-1，額定功率為100 kW.使用Horiba OBS 2000車載排放分析儀進(jìn)行NOx及THC等氣態(tài)排放測(cè)試，使用TSI 3090 EEPS發(fā)動(dòng)機(jī)排氣粒徑分析儀進(jìn)行超細(xì)顆粒粒徑分布特性進(jìn)行測(cè)試，其檢測(cè)粒徑范圍是5.6～560.0 nm，包含兩種形態(tài)的顆粒：核態(tài)顆粒(粒徑范圍5～50 nm)，主要為在尾氣稀釋和冷卻過(guò)程中，揮發(fā)性有機(jī)化合物和硫酸鹽因冷凝成核作用形成的顆粒；聚積態(tài)顆粒(粒徑范圍50～1 000 nm)[9-10]，主要包括在燃燒過(guò)程中形成的碳黑顆粒，也包括其表面吸附的一些揮發(fā)性物質(zhì)[12].試驗(yàn)系統(tǒng)具體布置如圖1所示.

表1　試驗(yàn)用油理化特性Tab.1　Properties and characteristics of fuels

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖Fig.1　Layout of experiment system

首先進(jìn)行了輕型柴油機(jī)燃用生物柴油和國(guó)V柴油的排放對(duì)比試驗(yàn).研究表明，一般在中低負(fù)荷時(shí)使用較大EGR率，而在高負(fù)荷時(shí)為保證動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性不受太大影響，一般不使用EGR[15-16].因此研究只圍繞常用的最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速2 200 r·min-1的25%和50%負(fù)荷兩個(gè)工況，以原機(jī)標(biāo)定參數(shù)為基礎(chǔ)，分別設(shè)計(jì)了針對(duì)EGR率和主噴正時(shí)兩個(gè)因素的多水平全因子試驗(yàn)，重點(diǎn)研究EGR耦合主噴正時(shí)對(duì)燃用生物柴油輕型柴油機(jī)排放特性的影響，試驗(yàn)工況點(diǎn)具體參數(shù)如表2所示，主噴正時(shí)單位為提前上止點(diǎn)(BTDC)的曲軸轉(zhuǎn)角(CA)度數(shù).

表2　試驗(yàn)工況點(diǎn)分布及特性Tab.2　Distribution and characteristics of test operating point

1) 代表原機(jī).

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1燃用生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

圖2為燃用生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放和THC排放的影響.從圖中可以看出，燃用生物柴油后相對(duì)燃用國(guó)Ⅴ柴油，外特性下，NOx排放平均增加了16.5%，而THC排放則平均降低了21.6%.這主要是因?yàn)樯锊裼头肿觾?nèi)含氧，導(dǎo)致燃燒比較充分[5].

圖3為燃用純生物柴油對(duì)包括核態(tài)和聚積態(tài)的超細(xì)顆粒排放總數(shù)量濃度和核態(tài)顆粒數(shù)量濃度所占總數(shù)量濃度比例的影響.從圖3可見(jiàn)，外特性下，燃用純生物柴油后，超細(xì)顆粒排放總數(shù)量濃度降低，平均下降了43%；核態(tài)顆粒和聚積態(tài)顆粒數(shù)量濃度也都降低，平均降幅分別為45.6%和40.9%；核態(tài)顆粒數(shù)量濃度所占比例在轉(zhuǎn)速小于2 200 r·min-1的中低轉(zhuǎn)速時(shí)低于國(guó)Ⅴ柴油，而在轉(zhuǎn)速高于2 200 r·min-1時(shí)卻高于國(guó)Ⅴ柴油.

a NOx排放

b THC排放圖2　外特性下燃用生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和THC排放的影響Fig.2　Effects of biodiesel on NOx and THC emissions at WOT

圖3　外特性下生物柴油對(duì)超細(xì)顆粒排放總數(shù)量濃度的影響Fig.3　Effects of biodiesel on ultra-particulate concentration at WOT

2.2EGR與主噴正時(shí)對(duì)NOx排放的影響

圖4為EGR與主噴正時(shí)對(duì)燃用生物柴油輕型柴油機(jī)NOx排放的影響.

從圖中可以看出，各負(fù)荷下，隨著EGR率的增大和主噴正時(shí)的滯后，NOx排放都明顯降低.其中，在25%負(fù)荷下，EGR率為33%時(shí)相對(duì)為8%時(shí)，NOx排放平均降低了60.9%；50%負(fù)荷下，EGR率為28%時(shí)相對(duì)為12%時(shí)，平均分別降低了85.5%.這主要是因?yàn)閺U氣回流后，缸內(nèi)氧氣濃度減少且NOx生成反應(yīng)過(guò)程中生成物濃度增加，導(dǎo)致反應(yīng)向減少NOx方向進(jìn)行.在25%負(fù)荷下，主噴提前角為4.7° 曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)相對(duì)8.7° 曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，NOx排放平均分別降低了28.0%；50%負(fù)荷下，主噴提前角為3.3° 曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)相對(duì)為7.3°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，NOx排放平均分別降低了30.9%.這主要是因?yàn)橹鲊姕笫沟脺计诳s短，預(yù)混合燃燒比例降低，燃燒重心后移，擴(kuò)散燃燒相對(duì)緩和，擴(kuò)散燃燒火焰面處溫度降低.可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整EGR率和調(diào)整主噴正時(shí)降低NOx排放的效果都比較明顯，但調(diào)整前者相對(duì)更加明顯.

2.3EGR與主噴正時(shí)對(duì)超細(xì)顆粒排放數(shù)量特性的影響

圖5和圖6分別為EGR與主噴正時(shí)對(duì)燃用生物柴油輕型柴油機(jī)超細(xì)顆粒排放總數(shù)量濃度及超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度粒徑分布的影響.從圖5中可以看出，各負(fù)荷下，超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度，隨著EGR率的增大，都明顯降低，而隨著主噴的滯后，只是略有降低.其中25%負(fù)荷下，EGR率為33%時(shí)相對(duì)為8%時(shí)的顆粒排放數(shù)量濃度平均減少了62.7%，而主噴提前4.7° 曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)相對(duì)提前8.7° 曲軸轉(zhuǎn)角減少了13.3%;50%負(fù)荷下，對(duì)應(yīng)EGR率為28%時(shí)相對(duì)為12%時(shí)，減少了87.3%，而主噴提前角為3.3°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)相對(duì)為7.3°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，減少了17.6%.可見(jiàn)，噴油正時(shí)對(duì)超細(xì)顆粒排放數(shù)量的影響相對(duì)較小.各負(fù)荷下，隨著EGR率增大和主噴滯后，超細(xì)顆?？倲?shù)量的減少都主要是由核態(tài)顆粒數(shù)量的減少引起的，如圖6所示.

a 25%負(fù)荷

b 50%負(fù)荷圖4　EGR與主噴正時(shí)對(duì)NOx排放的影響Fig.4　Effects of EGR and main injection time on NOx emission

a 25%負(fù)荷

b 50%負(fù)荷圖5　EGR與主噴正時(shí)對(duì)超細(xì)顆粒排放總數(shù)量的影響Fig.5　Effects of EGR and main injection time on total ultra-particulate

a 25%負(fù)荷下EGR的影響

b 25%負(fù)荷下主噴正時(shí)的影響

c 50%負(fù)荷下EGR的影響

d 50%負(fù)荷下主噴正時(shí)的影響

圖6EGR與主噴正時(shí)對(duì)超細(xì)顆粒數(shù)量濃度粒徑分布的影響

Fig.6Effects of EGR and main injection time on distribution of ultra-particulate concentration

從圖6中還可以看出，各負(fù)荷下，聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度所占比例很小，而核態(tài)顆粒數(shù)量濃度所占總顆粒數(shù)量濃度比例很高，其中在25%負(fù)荷時(shí)高達(dá)95%～98%，50%負(fù)荷時(shí)達(dá)76%～99%，這主要是因?yàn)橹械拓?fù)荷時(shí)，空燃比較大，高溫缺氧生成的碳煙少，聚并成聚集態(tài)顆粒較少.隨著EGR率的增大，在25%負(fù)荷時(shí)，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度在對(duì)應(yīng)粒徑范圍內(nèi)都較明顯增大，而聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度也呈增大趨勢(shì)，但不明顯;而在50%負(fù)荷時(shí)，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度對(duì)應(yīng)粒徑范圍內(nèi)都明顯減小，聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度也明顯增大.核態(tài)顆粒數(shù)量濃度減小主要是因?yàn)镋GR率增大后，排氣溫度升高，如圖7所示.核態(tài)顆粒形成過(guò)程中冷凝成核作用減弱而氧化作用加強(qiáng)，同時(shí)進(jìn)氣溫度也升高，滯燃期變短，使柴油霧化更好，燃燒過(guò)程揮發(fā)性高分子有機(jī)物生成減少.而聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度略有增大,主要是因?yàn)镋GR率增大后，缸內(nèi)氧氣濃度下降，高溫缺氧區(qū)域擴(kuò)大，碳煙顆粒增多，聚并而成的聚集態(tài)顆粒也增多，且在中負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)含氧量本身較低，所以由氧濃度下降引起聚集態(tài)顆粒數(shù)量增多的趨勢(shì)就更明顯.而隨著噴油正時(shí)的滯后，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度也有所減少，聚集態(tài)顆粒也呈增多趨勢(shì)，這主要是因?yàn)橹鲊娬龝r(shí)滯后，滯燃期變短，擴(kuò)散燃燒比例提高，油滴霧化時(shí)間變短，生成的高分子有機(jī)物減少，而高溫缺氧形成的碳煙顆粒反而增加.但主噴正時(shí)滯后相對(duì)EGR率對(duì)超細(xì)顆粒排放數(shù)量的影響不明顯，這主要是因?yàn)閲娪驼龝r(shí)對(duì)排氣溫度影響不大，顆粒后續(xù)氧化作用沒(méi)有加強(qiáng).

a 25%負(fù)荷

b 50%負(fù)荷圖7　EGR與主噴正時(shí)對(duì)排氣溫度的影響Fig.7　Effects of EGR and main injection time on exhaust temperature

2.4EGR與主噴正時(shí)對(duì)THC排放的影響

圖8為EGR與主噴正時(shí)對(duì)燃用生物柴油輕型柴油機(jī)THC排放的影響.從圖8可以看出，EGR率對(duì)THC排放的影響在中低負(fù)荷時(shí)表現(xiàn)不同，在25%負(fù)荷時(shí)，隨著EGR率的增大，THC排放呈減少趨勢(shì)；而在50%負(fù)荷時(shí)，卻呈增加趨勢(shì).這主要是因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)，缸內(nèi)富氧，EGR率增大對(duì)空燃比影響較小，而使其進(jìn)氣溫度增加進(jìn)而導(dǎo)致著火極限范圍擴(kuò)大的趨勢(shì)較明顯；但在中負(fù)荷時(shí)，EGR率增大引起氧氣濃度下降惡化燃燒的趨勢(shì)突顯.而隨著噴油正時(shí)的滯后，THC排放在25%和50%負(fù)荷下都增加，這主要是因?yàn)橹鲊姕?，滯燃期變短，擴(kuò)散燃燒比例降低.

a 25%負(fù)荷

b 50%負(fù)荷圖8　EGR與主噴正時(shí)對(duì)THC排放的影響Fig.8　Effects of EGR and main injection time on THC emission

2.5EGR與主噴正時(shí)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

圖9為EGR與主噴正時(shí)對(duì)燃用生物柴油輕型柴油機(jī)燃油消耗率的影響.從圖9可以看出，EGR率對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響在中低負(fù)荷時(shí)表現(xiàn)也不同，在25%負(fù)荷時(shí)，隨著EGR率的增大，燃油消耗率減小；而在50%負(fù)荷時(shí)卻增加.這主要是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)，廢氣回流量增大后，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度增加，進(jìn)而使得燃油霧化效果變好，燃燒更充分，而中負(fù)荷缸內(nèi)空燃比本身就較小，廢氣回流使缸內(nèi)氧氣含量進(jìn)一步減少，燃燒不充分，熱效率降低.而隨著噴油正時(shí)的滯后，燃油消耗率在25%和50%負(fù)荷下都增加.

a 25%負(fù)荷

b 50%負(fù)荷圖9　EGR與主噴正時(shí)對(duì)燃油消耗率的影響Fig.9　Effects of EGR and main injection time on BSFC

2.6以發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能為目標(biāo)的EGR率和主噴正時(shí)參數(shù)優(yōu)化

建立了綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化方程，如下式：

(1)

式中:Zi(i=1，2，3，4)和ηi分別代表各EGR率和主噴正時(shí)組合策略下相對(duì)原機(jī)策略下，燃油消耗率、NOx排放、超細(xì)顆粒排放總數(shù)量和THC排放降低百分比經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果以及其加權(quán)系數(shù).因?yàn)門(mén)HC排放本身很低，所以加權(quán)系數(shù)為0，其他加權(quán)系數(shù)都取1.優(yōu)化結(jié)果如圖10所示.在25%負(fù)荷時(shí)，選用較大EGR率(26%)和較早主噴(7.7°曲軸轉(zhuǎn)角)，可以使燃油消耗率、NOx排放、超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度和THC排放都降低；在50%負(fù)荷時(shí)，選擇中等EGR率(18%)和較早主噴 (6.3°曲軸轉(zhuǎn)角)，盡管NOx排放和超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度增加，但燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)大大改善.

a 25%負(fù)荷

b 50%負(fù)荷

圖10優(yōu)化結(jié)果

Fig.10Optimization results

3　結(jié)論

(1) 燃用生物柴油后，外特性下，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放平均增加了16.5%，而THC排放平均降低了21.6%，核態(tài)顆粒、聚積態(tài)顆粒排放數(shù)量濃度以及超細(xì)顆粒排放總數(shù)量濃度都明顯降低，平均分別降低了45.6%，40.9%和43%.

(2) 在2 200 r·min-1的25%和50%負(fù)荷下，隨著EGR率的增加和主噴正時(shí)的滯后，NOx排放都明顯減少，超細(xì)顆粒排放總數(shù)量也都明顯減少，但主噴滯后對(duì)超細(xì)顆?？倲?shù)量濃度變化的影響相對(duì)較小.

(3) 隨著EGR率的增大，在25%負(fù)荷時(shí)， THC排放和燃油消耗率都降低，但在50%負(fù)荷時(shí)都增加；而隨著主噴正時(shí)的滯后，THC排放和燃油消耗率在25%和50%兩個(gè)負(fù)荷下都增加.

(4) 綜合考慮排放和燃油經(jīng)濟(jì)性，在25%負(fù)荷時(shí)采用較大EGR率(26%)和較早主噴提前(7.7°曲軸轉(zhuǎn)角)方案，而在50%負(fù)荷時(shí)采用中等EGR率(18%)和較早主噴(6.3°曲軸轉(zhuǎn)角)方案.

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Effects of EGR on Emission Characteristics of Low-Duty Engine Fueled with Biodiesel

LOU Diming, XU Ning, TAN Piqiang, HU Zhiyuan

(School of Automotive Studies， Tongji University, Shanghai 201804, China)

Based on a common rail diesel engine with cooling EGR and fueled with biodiesel, an experiment about the coupled effects of EGR and main injection time on engine emissions characteristics was conducted. The results show that at full load, the NOxemission increases, but THC emission and ultra particulate concentration decrease when the engine is fueled with biodiesel. At a load of 25% and a speed of 2 200 r·min-1, when the EGR rate increases, NOxemission, ultra-particulate concentration, THC emission and BSFC (brake specific fuel consumption) decrease. However, with the main injection time retarded, NOxemission and ultra-particulate concentration also decrease, but THC emission and BSFC increase. At a load of 25%, with the EGR rate increasing and main injection time retarded, NOxemission, ultra-particulate concentration decrease, but THC emission and BSFC increase. The effect of main injection time on ultra-particulate concentration is not so significant. Considering both emission and BSFC, at a load of 25%, a 26% of EGR and a main injection time of 7.7° CA BTDC are chosen. At a load of 50%, a 18% of EGR and a main injection time of 6.3° CA BTDC are chosen.

biodiesel; exhaust gas recirculation (EGR); main inject time; emission characteristics

2015-03-18

國(guó)家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA111720)

樓狄明(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化．

E-mail: loudiming@#edu.cn

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