缸內殘余廢氣系數(shù)對汽油機性能的影響及測試方法研究

趙智超，王書千，劉敬平，付建勤，關盡歡，劉琦

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缸內殘余廢氣系數(shù)對汽油機性能的影響及測試方法研究

趙智超1，王書千2, 3，劉敬平2, 3，付建勤2, 3，關盡歡2, 3，劉琦2, 3

(1. 中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶，401122； 2. 湖南大學 先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙，410082 3. 湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點試驗室，湖南 長沙，410082)

為研究缸內殘余廢氣對汽油機性能及排放的影響，在1臺單缸機上進行排氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)掃描試驗。為降低殘余廢氣系數(shù)、測試成本并簡化計算流程，提出1種兩穩(wěn)態(tài)傳感器測量方法并推導簡化數(shù)模。采用2個穩(wěn)態(tài)壓力傳感器測取進氣和排氣壓力，與氣門開閉時刻、轉速、預存的氣門升程、氣道流量系數(shù)聯(lián)立求解得到殘余廢氣系數(shù)。在1臺先進乘用車汽油機上進行試驗驗證。研究結果表明：殘余廢氣的熱容及充量稀釋作用降低了燃燒溫度，減緩了燃燒速率，使10%~90%燃燒持續(xù)期和點火至50%燃燒位置點持續(xù)期明顯延長；殘余廢氣加熱效應促進燃油霧化混合，熱容作用降低了燃燒溫度從而減少了散熱損失，因此，高壓循環(huán)指示熱效率先略微增加，隨后由于燃燒燃燒性能下降而迅速降低；殘余廢氣可有效抑制NO生成，但廢氣過多會導致HC和CO排放增加；本方法具有較高的預測精度，與三動態(tài)傳感器方法相比，此方法可大大降低傳感器成本，具有工程應用價值。

汽油機；殘余廢氣系數(shù)；燃燒；排放

動機殘余廢氣主要由混合氣燃燒產物構成，其高溫對于下一循環(huán)吸入的新鮮充量具有加熱作用，同時廢氣組分多為不可燃燒成分，與新鮮混合氣混合后對燃燒反應速度產生影響，進而對發(fā)動機熱功轉換過程和排放產生影響。為了研究不同殘余廢氣量下發(fā)動機性能的變化規(guī)律，當前研究者主要通過廢氣再循環(huán)(EGR)技術調節(jié)缸內殘余廢氣量，進而研究不同殘余廢氣量下發(fā)動機性能的變化規(guī)律和影響因素[1?5]。張翔宇等[6?7]控制系統(tǒng)控制排氣門開閉時刻調節(jié)內部EGR率，對柴油機小負荷工況下低溫燃燒的燃燒和排放特性進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)提高EGR率可以提高排放和熱效率。趙洋等[8]針對不同EGR廢氣組分條件下產生的顆粒，采用熱重分析的方法，分析了EGR廢氣組分對顆粒中主要物質含量的影響，發(fā)現(xiàn)EGR廢氣中的CO2可以顯著改善顆粒的氧化燃燒性能。朱贊等[9]對柴油?天然氣雙燃料發(fā)動機進行試驗，研究了EGR率隨噴油提前角變化對雙燃料發(fā)動機影響，發(fā)現(xiàn)采用EGR時，應適當增大噴油提前角，以達到同時降低NO，HC和CO排放以及降低碳煙排放的目的。JAMSRAN等[10]研究了EGR和增壓對均質充量壓燃天然氣發(fā)動機著火特性的影響，發(fā)現(xiàn)合理調整EGR和增壓壓力可以擴大著火極限，同時避免爆震?，F(xiàn)有研究多以EGR率作為研究指標，以指標缸內廢氣對發(fā)動機性能的影響，但沒有對缸內總殘余廢氣量進行精準測量和評價，尤其無法估計無EGR條件下不同工況下缸內的殘余廢氣量，從而不能對發(fā)動機性能進行相關優(yōu)化。隨著可變氣門正時技術(variable valve timing, VVT)的逐漸普及，通過調節(jié)氣門開閉時刻控制缸內殘余廢氣量可實現(xiàn)發(fā)動機性能和排放的優(yōu)化控制，但換氣過程中壓力波動導致的復雜氣體流動使得缸內殘余廢氣量的準確估計成為當前一大難題。FOX等[11]提出一種半經驗模型，將缸內殘余廢氣分為氣門重疊期內排氣倒流至缸內和氣門關閉時刻余隙容積的殘余廢氣，但需要通過試驗標定經驗方程系數(shù)后才能用于預測。SHAYLER等[12]開發(fā)了一種RGF模型，雖然沒有經驗系數(shù)，但該模型對容積效率的預測精度要求較高。LARIMORE等[13]基于實測動態(tài)缸壓提出一種RGF計算方法，同時基于實測燃燒相位結合自適應參數(shù)估計方法實現(xiàn)RGF的預測修正。KAKO等[14]提出一種基于物理模型的瞬態(tài)殘余廢氣預測手段，并研究了RGF對瞬時空燃比的影響。付建勤等[15]基于動態(tài)壓力實測與數(shù)值計算相結合的方法，對汽油機瞬變工況下RGF進行計算，并分析其變化范圍、變化規(guī)律和影響因素。雖然目前發(fā)動機缸內殘余廢氣的預測精度已經達到實機應用的要求，但由于其大多依靠于1個或多個動態(tài)壓力傳感器的精確測量作為模型輸入，成本較高，容易損壞，并且算法復雜，因而不宜用于整車實際道路循環(huán)的測量。為此，本文作者首先基于1臺自然吸氣單缸機進行臺架試驗，探究RGF對汽油機熱功轉換性能和排放的影響，然后提出一種簡化的殘余廢氣測試方法和計算模型，并對1臺增壓直噴四缸汽油機進行試驗驗證。

1 試驗

1.1 臺架試驗

為了探究缸內殘余廢氣對汽油機性能的影響，基于1臺自然吸氣單缸機展開穩(wěn)態(tài)臺架試驗研究。試驗發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示。圖1所示為單缸機臺架試驗示意圖。測試設備和裝置如表2所示。從圖1可以看出：缸壓傳感器安裝于發(fā)動機缸蓋上，實時測量缸壓信號并傳遞給燃燒分析儀，以用于分析殘余廢氣系數(shù)對燃燒性能的影響；此外，臺架配備排放分析儀對發(fā)動機排氣成分進行取樣分析，為研究缸內殘余廢氣系數(shù)對排放的影響提供數(shù)據支撐。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1—油箱；2—油耗儀；3—燃油溫度控制箱；4—PUMA控制系統(tǒng)；5—測功機；6—進氣空調；7—空濾器；8—缸壓傳感器；9—氧傳感器；10—催化轉化器；11—排氣消聲器；12—過量空氣系數(shù)分析儀；13—排氣分析儀；14—電荷放大器；15—燃燒分析儀；16—冷卻液溫度控制系統(tǒng)；17—轉速傳感器。

表2 測試設備和裝置型號

1.2 試驗工況

單缸機通過調節(jié)EGR閥改變缸內殘余廢氣系數(shù)。臺架測試試驗工況選取以下工況：轉速為1 600 r/min，平均指示壓力(indicated mean effective pressure, IMEP)為0.35 MPa；轉速為2 000 r/min，IMEP為0.33 MPa；滾流控制閥開啟和關閉狀態(tài)分別測量，EGR率從0開始以間隔為5%依次增加直至燃燒不穩(wěn)定。本次試驗RGF率基于劉敬平等[16?17]提出的三動態(tài)壓力傳感器法進行測量。

2 殘余廢氣對汽油機性能的影響分析

2.1 殘余廢氣對缸內熱功轉換過程的影響

圖2所示為10%~90%燃燒持續(xù)期隨殘余廢氣系數(shù)變化規(guī)律。由圖2可以看出：隨著殘余廢氣系數(shù)增加，10%~90%燃燒持續(xù)期單調增加，且上升速度越快。這是因為殘余廢氣中含有大量上一個循環(huán)產生的燃燒產物如CO2等，對缸內燃燒過程的化學反應動力學具有抑制作用，降低燃燒速度。缸內燃燒溫度變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可見：由于缸內殘余廢氣對新鮮混合氣起稀釋作用，且缸內殘余廢氣的熱容較高，致使缸內燃燒溫度隨殘余廢氣系數(shù)增加而降低，進而降低了燃燒速率；隨著殘余廢氣系數(shù)增加，殘余廢氣對燃燒速率的影響越明顯，導致燃燒持續(xù)期上升速率變快；此外，當滾流控制閥開啟時，10%~90%燃燒持續(xù)期明顯縮短。這是由于滾流控制閥開啟時，缸內氣流運動增強，促進了缸內燃燒，即削弱了殘余廢氣系數(shù)對缸內燃燒的不利影響，提升了缸內燃燒溫度，從而使燃燒持續(xù)期明顯縮短。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關；

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

圖4所示為50%燃燒位置點隨殘余廢氣系數(shù)的變化趨勢圖。從圖4可知：當殘余廢氣在一定范圍內增加時，50%燃燒位置點通過點火提前角的相應提前而基本上保持不變，維持在壓縮上止點后8°左右，即工程上認可的最佳50%燃燒位置點；隨著殘余廢氣系數(shù)進一步增加，除轉速為2 000 r/min，IMEP為0.33 MPa，滾流控制閥開啟的工況外，其他工況均出現(xiàn)50%燃燒位置點推遲的趨勢。這主要是由于缸內殘余廢氣過多，導致缸內燃燒過于緩慢，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定甚至失火現(xiàn)象，進而導致無法保持最佳50%燃燒位置。其中，在轉速為1 600 r/min，IMEP為0.35 MPa，滾流控制閥關閉工況下，50%燃燒位置隨殘余廢氣系數(shù)進一步增加而提前。這主要是由于缸內殘余廢氣過多導致燃燒不穩(wěn)定，循環(huán)變動系數(shù)達到30.8%，從而導致50%燃燒位置波動，造成測量誤差。此外，通過對比滾流控制閥開啟和關閉這2種工況可以發(fā)現(xiàn)：滾流控制閥開啟的工況可以承受更多的殘余廢氣，并保持50%燃燒位置點保持在最佳燃燒點。這主要是由于滾流控制閥開啟對缸內氣流運動起到促進作用，提高了缸內燃燒速度。圖5所示為點火時刻至50%燃燒位置點隨殘余廢氣系數(shù)變化規(guī)律。從圖5可以看出：隨著殘余廢氣系數(shù)增加，點火時刻至50%燃燒位置點呈單調遞增趨勢，這說明汽油機燃燒初期燃燒速率隨著缸內殘余廢氣系數(shù)增加而降低，這是殘余廢氣中不可燃成分對化學反應的抑制作用以及比熱容降低缸內燃燒溫度所致；隨著滾流控制閥打開，缸內滾流運動加強，促進了缸內燃燒，有效縮短了點火時刻至50%燃燒位置點所需的時間；此外，隨著轉速增加，點火時刻至50%燃燒位置點所對應的曲軸轉角增加；而滾流控制閥的開啟有效降低了不同轉速之間的點火時刻至50%燃燒位置點的差異，這是缸內氣流運動加快了燃燒 所致。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

圖6所示為高壓循環(huán)指示熱效率隨缸內殘余廢氣系數(shù)的變化規(guī)律。從圖6可以看出：隨著殘余廢氣系數(shù)增加，高壓循環(huán)指示熱效率首先呈略微增加趨勢。這主要是由于此時殘余廢氣對50%燃燒位置點和10%~90%燃燒位置點影響較小，而缸內燃燒溫度隨殘余廢氣系數(shù)的升高而降低；而隨著缸內殘余廢氣系數(shù)進一步增加，高壓循環(huán)指示熱效率急劇下降，從圖2和圖4可知此時10%~90%燃燒持續(xù)期明顯增加，同時50%燃燒位置點明顯推遲，說明此時燃燒狀況十分惡劣。這主要是由于缸內殘余廢氣過多導致燃燒速率降低，燃燒不穩(wěn)定。同時，燃燒持續(xù)期過長，導致發(fā)動機有效膨脹比降低[18]，缸內工質不能完全膨脹作功。此外，由圖6還可以看出：當滾流控制閥打開時，缸內燃燒加速，使得發(fā)動機可以承受更多的殘余廢氣而仍保持較高的高壓循環(huán)指示熱效率。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

2.2 殘余廢氣對排放的影響

缸內殘余廢氣在影響燃燒的同時，也對發(fā)動機的排放產生了一定的影響。圖7所示為NO排放量(體積分數(shù))隨殘余廢氣系數(shù)的變化規(guī)律。從圖7可見：隨著殘余廢氣系數(shù)增加，NO排放量呈單調下降趨勢。這主要是由于殘余廢氣中多數(shù)組分化學分子式由三原子構成，比熱容較高，稀釋了缸內混合氣，降低了燃燒速率，進而降低缸內燃燒溫度。而NO排放主要產生于高溫富氧狀態(tài)，因此，殘余廢氣對NO排放的生成有良好的抑制作用。此外，當滾流閥開啟時，相同轉速和負荷工況下的NO排放量明顯升高，這主要是由于滾流閥開啟在缸內形成了良好的氣流運動，使燃燒速率增快，最大缸內燃燒溫度升高(如圖2和圖3 所示)。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

圖8所示為未燃HC體積分數(shù)隨殘余廢氣系數(shù)變化。從圖8可知：當缸內殘余廢氣系數(shù)增加時，在一定范圍內，HC體積分數(shù)變化趨勢不明顯。這是由于此時缸內燃燒仍然穩(wěn)定，缸內混合氣仍能實現(xiàn)充分燃燒；而當殘余廢氣系數(shù)進一步增加時，由于殘余廢氣對缸內新鮮充量過于稀釋，燃燒速率降低，燃燒不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)失火，導致燃料燃燒不完全，從而產生了大量未燃HC。此外，由圖6還可以看出：滾流控制閥開啟可以有效擴展殘余廢氣系數(shù)極限，改善了氣流運動。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關；

圖9所示為CO體積分數(shù)隨缸內殘余廢氣系數(shù)變化規(guī)律。由圖9可知：除轉速為2 000 r/min，IMEP為0.33 MPa，滾流控制閥關閉工況，CO體積分數(shù)排放隨著殘余廢氣系數(shù)的增加先降低后增加。由于殘余廢氣加熱了缸內新鮮充量，汽油霧化蒸發(fā)更完全，進而燃燒更加充分，從而CO體積分數(shù)降低；而隨著殘余廢氣進一步增加，在廢氣稀釋作用和熱容作用的雙重影響下，燃燒效率下降，進而導致CO體積分數(shù)急劇上升；此外，滾流控制閥的開啟促進了良好的缸內氣流運動，加快了混合氣燃燒速率，同時缸內燃燒溫度升高，加速了CO氧化過程，進而導致CO排放量降低。

綜上所述，缸內殘余廢氣對于汽油機的熱功轉換性能和排放性能均有著顯著的影響，因此，缸內殘余廢氣的精準測量對于進一步研究和控制具有重要意義。然而，上述測量結果均是基于三動態(tài)壓力傳感器測量方法進行測量的，雖然有較高精度，但由于動態(tài)傳感器成本很高，且容易損壞，無法在工程上廣泛使用。為此，本文基于原測試方法，提出一種新的缸內殘余廢氣系數(shù)測量方法，并推導簡化后的計算模型。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

3 殘余廢氣系數(shù)測試方法及計算模型

3.1 殘余廢氣測試方法和參數(shù)分析

本文提出一種基于兩穩(wěn)態(tài)壓力傳感器的殘余廢氣測試方法。圖10所示為殘余廢氣在線測試方法的傳感器布置方案。原三動態(tài)壓力傳感器各缸需要3個動態(tài)高頻壓力傳感器才能對殘余廢氣進行測量，為此，本方法取消缸內動態(tài)壓力傳感器，同時將2個動態(tài)高頻壓力傳感器改用為常規(guī)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器。分別在發(fā)動機進氣歧管和排氣歧管與氣缸蓋交接面處埋設壓力和溫度傳感器，測量進氣和排氣的溫度和壓力。轉速傳感器和凸輪相位傳感器均為發(fā)動機自帶傳感器，可通過本團隊開發(fā)的ECU信號破解讀取方法進行測試，獲取發(fā)動機轉速、進氣與排氣門開閉時刻[15, 18]。

圖10 殘余廢氣在線測試方法中的傳感器布置方案

通過實測得到的進氣和排氣壓力、溫度、曲軸轉角信號以及凸輪軸轉角信號實時傳遞到計算機中的殘余廢氣系數(shù)計算數(shù)模中，與預存的氣門升程、氣道流量系數(shù)聯(lián)立求解得到通過氣門的瞬時氣體流量。根據氣體狀態(tài)方程得到氣門關閉時期缸內殘余廢氣量。本方法結合現(xiàn)代傳感器與數(shù)值模擬技術，與整機數(shù)模相比，計算網格數(shù)及計算時間大大減少，使得在發(fā)動機臺架上進行在線診斷成為可能。

3.2 殘余廢氣計算數(shù)模

發(fā)動機缸內殘余廢氣主要包括2部分：一部分為氣門重疊期從排氣道倒流回氣缸的殘余廢氣，另一部分為排氣門關閉時仍未排出氣缸的殘余廢氣。

上述計算缸內殘余廢氣量及殘余廢氣系數(shù)的各公式中，進氣和排氣壓力由壓力傳感器實測得到；進氣和排氣門開啟、關閉時刻對應的氣缸容積由實測的進氣和排氣閥開閉時刻計算得到；而進氣和排氣閥開閉時刻的實時測量可通過檢測ECU的控制信號得到。

3.3 計算模型驗證

為驗證本測試方法和計算數(shù)模的精度和適用性，將在單缸機試驗基礎上導出的模型移植到多缸機上。以某臺先進4缸增壓缸內直噴乘用車汽油機為驗證對象，主要參數(shù)如表3所示。本試驗所用試驗設備與表2所示的相同，測試轉速為1 500，2 000，3 000和 4 000 r/min，在不同負荷工況下進行測試。采用兩穩(wěn)態(tài)傳感器法與三動態(tài)壓力傳感器法測試殘余廢氣系數(shù)，所得對比結果如圖11所示。從圖11可以看出：采用兩穩(wěn)態(tài)壓力傳感器方法對汽油機殘余廢氣的檢測結果與三動態(tài)壓力傳感器測試所得殘余廢氣系數(shù)基本接近；在轉速1 500，2 000，3 000和4 000 r/min和不同負荷工況下，2種殘余廢氣方法測試所得殘余廢氣系數(shù)絕對誤差最大值分別為1.30，1.08，1.21和1.90，平均值分別為0.80，0.60，0.73和0.80，具有足夠高的精度，滿足試驗研究要求。

表3 乘用車發(fā)動機基本參數(shù)

轉速/(r·min?1)：(a) 1 500；(b) 2 000；(c) 3 000；(d) 4 000

4 結論

1)缸內殘余廢氣系數(shù)對汽油機熱功轉換過程有顯著影響。隨著缸內殘余廢氣系數(shù)增加，10%~90%燃燒持續(xù)期變長，且增長速度變快。50%燃燒位置點開始仍保持最佳位置點不變，隨著殘余廢氣進一步增加而迅速推遲。高壓循環(huán)指示熱效率隨殘余廢氣系數(shù)增加呈現(xiàn)先增加后急劇降低趨勢。

2) 增加缸內殘余廢氣系數(shù)可以有效降低NO排放，但是當殘余廢氣過多時，會導致未燃HC和CO體積分數(shù)急劇增大。

3) 滾流控制閥開啟可以增強缸內氣流運動，對于加速燃燒過程具有顯著作用，可以使汽油機在較高的殘余廢氣系數(shù)下仍具有良好的工作性能。

4)提出一種基于兩穩(wěn)態(tài)壓力傳感器的缸內殘余廢氣的簡化測試方法。該兩穩(wěn)態(tài)傳感器法具有較高的測試精度，并且價格低廉，方法簡便，可以實現(xiàn)整車在線測試應用。

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(編輯 陳燦華)

Effects of residual gas on gasoline engine performance and research on test method for residual gas

ZHAO Zhichao1, WANG Shuqian2, 3, LIU Jingping2, 3, FU Jianqin2, 3, GUAN Jinhuan2, 3, LIU Qi2, 3

(1. China Automotive Engineering Research Institute Co. Ltd., Chongqing 401122, China; 2. Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan University, Changsha 410082, China; 3. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)

The sweeping test of EGR(exhaust gas recirculation) rate was conducted in a single cylinder engine to research the effects of residual gas fraction(RGF) on engine performance and emission. In order to reduce the cost of RGF measurement and simplify mathematical model, a method by two steady-state sensors was introduced and simplified mathematical model was deduced. Two steady-state pressure sensors were adopted for the measurement of intake and exhaust pressure which was used to solve RGF based on the measured valve timing, engine speed, valve lift and flow coefficient. The test method was verified experimentally on an advanced gasoline engine of passenger car. The results show that the combined effects of thermal capacity and dilution of residual gas decrease combustion temperature and velocity, which obviously prolongs the 10%—90% combustion duration and the period from spark timing to 50% combustion location. The heating effect of residual gas promotes the fuel atomization and the effect of thermal capacity lowers combustion temperature and decreases heat loss, which slightly increases indicated thermal efficiency in high-pressure cycle. With the increase of RGF, the indicated thermal efficiency in high-pressure cycle decreases rapidly due to combustion deterioration. Moreover, residual gas reduces NOemission but too much residual gas increases HC and CO emissions. The test method has good precision and can lower the cost greatly for engineering application compared with the method by three dynamic pressure sensors.

gasoline engine; exhaust gas recirculation; combustion; emission

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.012

U467.2+1；U467.2+2；TK417+.4

A

1672?7207(2018)11?2723?08

2018?03?10；

2018?05?11

國家重點研發(fā)規(guī)劃專項(2017YFB0103503)；中國科協(xié)青年人才托舉工程項目(2017QNRC001) (Project(2017YFB0103503) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(2017QNRC001) supported by the Young Talents Sponsorship Program of China Association for Science and Technology)

王書千，博士研究生，工程師，從事動力總成性能開發(fā)研究；E-mail: 1350800863@qq.com