岳巍強(qiáng)，王朔，劉炳均，劉峰運(yùn)

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高原高寒地域中重型車輛進(jìn)氣預(yù)熱 起動輔助裝置研究

岳巍強(qiáng)1，王朔1，劉炳均1，劉峰運(yùn)2

（1.軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161；2.北京京威汽車設(shè)備有限公司，北京 100022）

解決高海拔地域中重型越野車輛的起動困難問題。從進(jìn)氣溫度對車輛起動的影響因素入手，系統(tǒng)地研究幾種典型進(jìn)氣預(yù)熱型式的優(yōu)缺點(diǎn)。針對中型和重型兩臺越野車的具體情況，設(shè)計選型集中加熱的電阻型格柵式進(jìn)氣預(yù)熱器。經(jīng)設(shè)計計算和反復(fù)測試，確定兩型加熱器的尺寸和功率等主要參數(shù)和控制策略，計算分析與車載蓄電池的匹配關(guān)系。對兩型進(jìn)氣預(yù)熱器進(jìn)行實(shí)車安裝后，分別經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和野外現(xiàn)場驗(yàn)證，在－30 ℃實(shí)驗(yàn)室常壓環(huán)境和－27 ℃的高原環(huán)境條件下，兩型車輛均能在3 min內(nèi)順利起動。在高原高寒地域，格柵式電阻進(jìn)氣預(yù)熱器可有效解決－30 ℃以上溫度范圍的起動困難問題。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、可靠性高，便于中重型車輛加裝使用，為該類問題提供了有效的技術(shù)解決途徑。

高原高寒；進(jìn)氣溫度；集中預(yù)熱；電阻格柵

高原氣候環(huán)境具有大氣壓力低、氣溫低和晝夜溫差大等特點(diǎn)。在高原環(huán)境下，海拔每升高1000 m，大氣壓力下降9%，同時溫度下降6.5 ℃。海拔越高，年低溫期也越長，海拔4000 m以上的地區(qū)為常年固定冷區(qū)，年平均氣溫在－4 ℃以下，冷期大于5個月，極端最低氣溫低達(dá)－27~－45 ℃[1]。青藏線兩個節(jié)點(diǎn)地域近10年的溫度統(tǒng)計情況見表1。

特殊的地理環(huán)境和氣候特點(diǎn)導(dǎo)致高原地域車輛起動困難成為普遍性問題，給車輛裝備的使用帶來極大不便。低溫起動性能作為越野車輛的重要指標(biāo)，受進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、機(jī)油溫度、燃油特性、噴霧特性、蓄電池低溫放電性能等多種因素影響，一直是業(yè)內(nèi)的難題[2-3]。歸結(jié)起來，越野車柴油機(jī)冷起動困難的根本原因?yàn)椋喊l(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的阻力參數(shù)和燃燒動力參數(shù)不相匹配，也就是當(dāng)活塞達(dá)到上止點(diǎn)附近時，燃燒室內(nèi)沒有形成足夠數(shù)量的可燃混合氣對外做功，并克服外界阻力[4]。文中針對高原高寒地域車輛起動困難問題，以中型和重型兩臺越野車輛為主要研究載體，分別從進(jìn)氣預(yù)熱、發(fā)動機(jī)預(yù)熱和蓄電池加熱等方面著手研究，探索相關(guān)措施對車輛起動的輔助作用，為該問題的解決提供技術(shù)途徑。

表1 青藏線五道梁和沱沱河地區(qū)近10年氣溫情況 ℃

柴油機(jī)的著火條件是壓縮終點(diǎn)壓力達(dá)到3 MPa，并且溫度達(dá)到200 ℃[5]。在高原高寒地域，由于多數(shù)時間氣溫低，進(jìn)入氣缸的空氣溫度偏低，導(dǎo)致混合氣溫度過低，并且發(fā)動機(jī)機(jī)體過冷，燃燒室周邊機(jī)件散熱快，導(dǎo)致柴油霧化質(zhì)量差，混合氣著火滯后期延長，缸內(nèi)環(huán)境不容易達(dá)到柴油著火溫度條件，造成起動困難。當(dāng)進(jìn)入柴油機(jī)的空氣溫度低到一定程度，就會因壓縮終點(diǎn)溫度過低而使柴油機(jī)不具備著火條件，從而致使起動失敗[6]。柴油機(jī)進(jìn)氣溫度和壓縮溫度的關(guān)系可用式（1）表示：

式中：1為進(jìn)氣溫度，K；2為壓縮空氣溫度，K；1為壓縮前燃燒室容積，L；2為壓縮后燃燒室容積，L；為壓縮過程多變指數(shù)。

由式（1）可知，燃燒室容積一定則壓縮比不變，因此若要提高發(fā)動機(jī)的壓縮混合空氣溫度，必須提高進(jìn)氣溫度。

1 車用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱研究現(xiàn)狀

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱是從柴油機(jī)低溫起動困難的源頭著手，用輔助發(fā)熱裝置對進(jìn)氣進(jìn)行加熱以提高混合氣溫度，使發(fā)動機(jī)能在較低環(huán)境溫度條件下順利起動。多年來，國內(nèi)外同行業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究[7-8]，如文獻(xiàn)[7]開展了柴油機(jī)冷起動現(xiàn)狀的研究，文獻(xiàn)[8]為研究柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性的專著。通過不斷的發(fā)展和實(shí)踐，相繼開發(fā)了多種進(jìn)氣預(yù)熱裝置[9-11]，從發(fā)熱原理到結(jié)構(gòu)形式都各有不同。

1.1 常用進(jìn)氣預(yù)熱方式

以進(jìn)氣預(yù)熱方式分，一般有集中式加熱和分缸式加熱兩種。前者一般利用加熱裝置在進(jìn)氣總管部位對進(jìn)氣進(jìn)行加熱，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單，易于控制并加熱效率高；缺點(diǎn)是加熱部位距離氣缸相對較遠(yuǎn)，空氣經(jīng)過溫度較低的進(jìn)氣歧管后會有部分熱量損失。后者一般是將多個加熱裝置并聯(lián)布置到進(jìn)氣口附近，分別對每個氣缸的進(jìn)氣進(jìn)行加熱，優(yōu)點(diǎn)是加熱效果更好，同時也不可避免存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，故障點(diǎn)較多等缺點(diǎn)。

1.2 常用進(jìn)氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)

從進(jìn)氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)型式上分，一般有點(diǎn)熱式加熱器和通過式加熱器兩種。前者一般采用預(yù)熱塞式結(jié)構(gòu)，利用一個或幾個預(yù)熱塞加熱進(jìn)氣口周邊空氣。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單，易于安裝且布置靈活；缺點(diǎn)是靠熱輻射方式傳導(dǎo)熱量，加熱面積小，加熱效果相對較差。通過式加熱裝置一般采用在進(jìn)氣道上設(shè)置的柵格式結(jié)構(gòu)，使通過的冷空氣邊流動邊加熱，優(yōu)點(diǎn)是與空氣接觸表面大，加熱效率更高，預(yù)熱效果更好；缺點(diǎn)是安裝相對復(fù)雜，并且由于柵格作用，對進(jìn)氣量可能產(chǎn)生一定影響。

1.3 常用進(jìn)氣預(yù)熱器材質(zhì)

從材質(zhì)角度分，目前常用且技術(shù)相對成熟的進(jìn)氣預(yù)熱裝置有三種：電阻式進(jìn)氣預(yù)熱器、火焰式預(yù)熱器及熱敏陶瓷進(jìn)氣預(yù)熱器（常稱PTC進(jìn)氣預(yù)熱器）。

1）電阻式進(jìn)氣預(yù)熱器。電阻式進(jìn)氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)簡單，主要是依靠車載蓄電池使電阻元件發(fā)熱，對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行加熱。主要由電阻元件、殼體、絕緣體和接線端子等組成。電阻元件一般采用鎳鉻合金材料制成，以保證在高溫情況下的安全可靠。其優(yōu)點(diǎn)是壽命長，不易斷裂，不易脫皮，短路時收熔性好，不會發(fā)生因短路或疲勞所產(chǎn)生的大塊脫落物被吸進(jìn)氣缸造成發(fā)動機(jī)損壞的現(xiàn)象。缺點(diǎn)是需要消耗一部分蓄電池的電能，對于低溫條件下本就電量供應(yīng)相對吃緊的情況來說，有一定的影響。

2）火焰式進(jìn)氣預(yù)熱器?；鹧媸竭M(jìn)氣預(yù)熱器是通過預(yù)熱塞使柴油在進(jìn)氣管內(nèi)燃燒，從而加熱進(jìn)氣的輔助裝置。一般形式為在進(jìn)氣管中設(shè)置絲狀電阻，工作時使電阻絲加熱燃油形成火焰，利用火焰直接加熱發(fā)動機(jī)進(jìn)氣。它的優(yōu)點(diǎn)是消耗的電能相對少，通常所需功率約250 W左右，起動一次耗電量不足0.5 Ah，并且對進(jìn)氣的加熱溫度較高；缺點(diǎn)是需要消耗進(jìn)氣道中的一部分氧氣并且產(chǎn)生部分廢氣，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率損失。

3）PTC進(jìn)氣預(yù)熱器。PTC進(jìn)氣預(yù)熱器是采用正溫度系數(shù)的熱敏陶瓷作為加熱體的裝置。以儲熱熱交換方式工作，結(jié)構(gòu)一般為同心分布多級串聯(lián)散熱片形式。正溫度系數(shù)的PTC電熱陶瓷材料屬鐵鈦酸鋇類半導(dǎo)體，其電阻值可隨溫度變化而改變。當(dāng)外界溫度為20 ℃時，其電阻僅為0.2~0.4 Ω。電路接通后瞬時加熱電流很大，其表面溫度迅速升高，1 min即可達(dá)到60~80 ℃，3 min內(nèi)即可達(dá)到200 ℃左右。此后電阻值趨向無窮大，電流趨于0，加熱體溫度不再升高，電路幾乎切斷，從而達(dá)到自動控溫的效果[12-13]。

相比前兩種預(yù)熱器，PTC預(yù)熱器具有熱效率高、自動恒溫等項優(yōu)點(diǎn)，但是由于目前PTC陶瓷進(jìn)氣預(yù)熱器均為一體式，安裝于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定它的外形較大，對于發(fā)動機(jī)艙室布置相對緊湊的車輛無法安裝。另外由PTC陶瓷材料的性質(zhì)所決定，在低溫起動過程中，高速低溫進(jìn)氣與PTC材料進(jìn)行熱交換后PTC材料溫度迅速下降，為了保持溫度需迅速恢復(fù)加熱工作，PTC材料消耗功率會急劇上升，對蓄電池低溫放電能力要求高，對后續(xù)的發(fā)動機(jī)起動造成不利影響。

表2是電阻式進(jìn)氣預(yù)熱器、火焰式進(jìn)氣預(yù)熱器和PTC進(jìn)氣預(yù)熱器相關(guān)性能的比較，通過對比可見，三種進(jìn)氣預(yù)熱器各有所長，適合的對象和使用環(huán)境也不盡相同。

2 高原高寒地域中重型車輛進(jìn)氣預(yù)熱器設(shè)計選型

根據(jù)上述分析，結(jié)合本研究主要內(nèi)容即中型和重型越野車輛在高原高寒地域起動困難的問題，下面以重型越野車為主探討采用進(jìn)氣預(yù)熱技術(shù)型式的設(shè)計選型。

2.1 結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

兩型越野車輛均使用六缸直列水冷發(fā)動機(jī)，具體參數(shù)見表3。由表3可見，兩車發(fā)動機(jī)均較大，起動所需進(jìn)氣量大，對于冷起動所需加熱的要求更高。經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其進(jìn)氣歧管為外置結(jié)構(gòu)且腔體較大，額外加裝進(jìn)氣預(yù)熱裝置較為容易。

表3 兩型越野車發(fā)動機(jī)主要參數(shù)表

經(jīng)拆解該重型越野車發(fā)動機(jī)后，發(fā)現(xiàn)原機(jī)裝配了2只火焰預(yù)熱裝置，分別位于進(jìn)氣管入口附近和中部位置。實(shí)驗(yàn)室起動效果表明，該預(yù)熱裝置輔助效果并不理想，分析其原因歸結(jié)于加熱功率不足所致。另外，考慮火焰預(yù)熱方式需要消耗部分氧氣，高原地域空氣相對稀薄，該方式對起動不利因素較多，為此項目組認(rèn)為火焰預(yù)熱方式不適合本研究需要。考慮該越野車與發(fā)動機(jī)的布置結(jié)構(gòu)和較大的進(jìn)氣預(yù)熱需求，PTC預(yù)熱器體積較大，不容易進(jìn)行改裝布置。同時，PTC進(jìn)氣預(yù)熱器受材質(zhì)本身加熱原理制約，存在對蓄電池放電能力的較高要求和本身最高溫度受限制等問題，也不適合本研究對象使用需要。

根據(jù)進(jìn)氣量大、進(jìn)氣歧管腔體大、散熱快等特點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)論證和實(shí)驗(yàn)比對，確定兩型越野車輛進(jìn)氣預(yù)熱裝置選用大功率電阻式進(jìn)氣預(yù)熱器，安裝位置在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣總管口，采用柵格式結(jié)構(gòu)進(jìn)行通過型進(jìn)氣加熱，容易獲得最好的預(yù)熱效果。設(shè)計產(chǎn)品時，在滿足加熱功率的前提下，充分考慮了安裝位置和空間，對產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行了合理設(shè)計。該集中加熱式電阻型格柵進(jìn)氣預(yù)熱器外形及安裝如圖1所示，其長度和寬度依據(jù)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管口部尺寸進(jìn)行設(shè)計，厚度依據(jù)進(jìn)氣導(dǎo)流管與進(jìn)氣總管口部之間可附加的尺寸和加熱器本身結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)兩型車實(shí)際情況，設(shè)計選型的進(jìn)氣加熱器尺寸（長×寬×厚）如下：重型為120 mm×120 mm×40 mm，中型為85 mm×85 mm×25 mm。

圖1 集中加熱式電阻型格柵進(jìn)氣預(yù)熱器外形及安裝

2.2 加熱功率設(shè)計選型

柴油機(jī)順利起動所需進(jìn)氣加熱量計算過程為：

式中：1為壓縮多變指數(shù)；ca為氣缸進(jìn)氣壓力，ca=（0.8~0.9）d，MPa；d為進(jìn)氣管進(jìn)氣壓力，MPa；cc為氣缸壓縮終點(diǎn)壓力，MPa；cc為有效壓縮比，cc=（0.8~0.9）c；c為壓縮比；ca為壓縮起點(diǎn)溫度，K；cc為壓縮終點(diǎn)溫度，K；d為柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)溫度，K；為熱利用系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取1.5~2；s2為柴油機(jī)進(jìn)氣量，kg；為充氣系數(shù)，取0.75；s為氣缸工作容積，L；為汽缸數(shù)；為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；為空氣氣體常數(shù)，=0.287 kN·m/(kg·K)；s為柴油機(jī)掃氣系數(shù)，取s=1；為起動時間，s；1為進(jìn)氣所需加熱量，kJ；p為空氣質(zhì)量定壓熱容，－21~－50 ℃時；p=1.013 kJ/(kg·K)；a為環(huán)境溫度，K。

由于進(jìn)氣管無保溫隔熱材料，因此進(jìn)氣預(yù)熱器產(chǎn)生的熱量除了加熱進(jìn)氣管內(nèi)的空氣外，還通過管壁以自由流動換熱方式向周圍散熱。假設(shè)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣經(jīng)預(yù)熱后，進(jìn)氣管內(nèi)溫度和各缸溫度平均升高了Δ，則電阻式進(jìn)氣預(yù)熱器所需提供的總熱量為：

式中：為進(jìn)氣管導(dǎo)熱率，材料為鑄鐵，取=39.2 W/(m·K)；為進(jìn)氣管內(nèi)表面積，m2；為進(jìn)氣管壁厚，取0.01 m；Δ為缸內(nèi)、管內(nèi)平均升高溫度，K；為起動時間，取30 s。

根據(jù)公式（2）—（8），同時考慮一定的設(shè)計裕量，確定兩臺發(fā)動機(jī)用進(jìn)氣預(yù)熱器功率為（重型）2.2 kW和（中型）1.0 kW。

2.3 控制參數(shù)設(shè)計

蓄電池電量是電預(yù)熱低溫起動的關(guān)鍵因素，因此在設(shè)計時需考慮加熱過程中造成的蓄電池壓降因素。以該重型越野車為例：其車載蓄電池為兩塊195Ah蓄電池。經(jīng)查在常溫下單塊蓄電池內(nèi)阻為3 mΩ，兩塊蓄電池內(nèi)阻共6 mΩ。低溫狀態(tài)0 ℃以下，溫度每下降10 ℃，內(nèi)阻約增大15%，則在－30 ℃時，內(nèi)阻約增大45%，即－30 ℃時蓄電池內(nèi)阻為8.7 mΩ。2.2 kW的電加熱器額定電流為92 A，則當(dāng)－30 ℃環(huán)境使用該電預(yù)熱器時，蓄電池壓降為0.8 V。即環(huán)境溫度－30 ℃時，該蓄電池壓降0.8 V，約為3%，能滿足該加熱器工作需求。

上述設(shè)計計算完成后，需確定預(yù)熱控制關(guān)鍵控制參數(shù)。電阻式進(jìn)氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)相對簡單，其重要的控制參數(shù)為加熱時間和起動時機(jī)的確定。經(jīng)核算蓄電池電量、預(yù)熱器加熱能力和發(fā)動機(jī)起動需求并反復(fù)實(shí)驗(yàn)測試后，確定了控制參數(shù)和控制過程如下：當(dāng)進(jìn)氣預(yù)熱器接通電源后，由控制器控制預(yù)熱器工作，加熱時間確定為60 s，然后對駕駛員進(jìn)行起動發(fā)動機(jī)的操作指示，同時為對補(bǔ)充進(jìn)氣進(jìn)行加熱，加熱器繼續(xù)工作30 s。

3 進(jìn)氣預(yù)熱器實(shí)車安裝測試

完成以上設(shè)計后，分別進(jìn)行了兩型進(jìn)氣預(yù)熱器的選型和安裝，其中重型越野車進(jìn)氣預(yù)熱器實(shí)車安裝如圖2所示。

3.1 進(jìn)氣預(yù)熱器實(shí)車實(shí)驗(yàn)室測試

實(shí)車安裝調(diào)試完成后，首先進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試，測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 重型越野車實(shí)驗(yàn)室測試現(xiàn)場

1）測試方案。測試車輛更換低溫用燃油、潤滑油和齒輪油，使用兩塊低溫型蓄電池，在發(fā)動機(jī)底殼和變速箱內(nèi)分別安裝了溫度傳感器，測試潤滑油和齒輪油溫度。試驗(yàn)車輛置于低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度和發(fā)動機(jī)潤滑油溫度均達(dá)到測試溫度點(diǎn)后進(jìn)行實(shí)車發(fā)動機(jī)起動試驗(yàn)，分別在－25 ℃和－30 ℃兩個溫度點(diǎn)進(jìn)行了測試。

2）測試結(jié)果。在－25 ℃環(huán)境溫度條件下，重型越野車輛在進(jìn)氣預(yù)熱器加熱30 s后進(jìn)行起動試驗(yàn)，兩次測試均能順利起動成功；在－30 ℃環(huán)境溫度條件下，該重型越野車輛在進(jìn)氣預(yù)熱器加熱60 s后進(jìn)行起動試驗(yàn)，兩次測試均起動成功。

3.2 進(jìn)氣預(yù)熱器實(shí)車實(shí)地測試

經(jīng)實(shí)車實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后，項目組進(jìn)行了3900 m高海拔寒冷地域的實(shí)地測試。

1）測試方案。測試車輛保持良好狀態(tài)，更換符合當(dāng)?shù)厥褂铆h(huán)境的油、液和蓄電池，在野外環(huán)境靜置一夜。測試時間選擇為凌晨6:00左右當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁貢r間，現(xiàn)場記錄試驗(yàn)時環(huán)境溫度為－27 ℃，分別對兩臺樣車進(jìn)行了起動測試。

2）測試結(jié)果。中型車輛一次起動成功，從開始預(yù)熱到起動成功共歷時130 s；重型車輛兩次起動成功，從開始預(yù)熱到起動成功共歷時160 s。

4 結(jié)語

文中針對中型和重型兩臺越野汽車在高原高寒地域起動困難問題，從進(jìn)氣溫度角度考慮，綜合參考了不同進(jìn)氣預(yù)熱裝置的型式、材質(zhì)，結(jié)合車輛實(shí)際情況，兼顧安裝和電源等因素，設(shè)計選型了合適的進(jìn)氣預(yù)熱器，經(jīng)理論計算和實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證，確定了預(yù)熱時間和起動時機(jī)等控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)室測試和高原地域?qū)嵻嚋y試結(jié)果表明，在環(huán)境溫度接近－30 ℃的情況下，該輔助裝置能夠滿足對車輛起動有明顯的輔助效果。該方式結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，便于中重型車輛的加裝使用。該研究為高原高寒地域一定范圍內(nèi)車輛起動困難問題提供了有效的解決辦法，同時為此類問題提出了較為系統(tǒng)的分析思路和解決方案。

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Engine Starting Auxiliary Device for Air Intake Preheating of Medium & Heavy Duty Vehicles in Plateau and Cold Area

YUE Wei-qiang1, WANG Shuo1, LIU Bing-jun1, LIU Feng-yun2

(1.Military Traffic Institute, Tianjin 300161, China; 2.Beijing Jingwei Vehicle Equipment Co., Ltd, Beijing 100022, China)

To overcome the engine starting difficulty of medium and heavy duty off-road vehicles at plateau and cold area.Influences of intake air temperature on engine starting was proceeded to study advantages and disadvantages of several typical air intake preheating methods. Based on the real substance of two off-road vehicles, the gridiron centralized resistance preheater was designed. Main parameters such as the power the size and the control strategy by calculate and testing were confirmed and the matching relationship of the cell and the preheater was also analyzed.Preheater was installed on the vehicles to make some test in the natural pressure lab and the real plateau condition. Vehicles can be started in 3 minutes with the assistance of the preheaters at -30 ℃ in lab and -27 ℃ in real plateau environment.The method can effectively settle the problem of the engine starting at plateau zone where the temperature is above -30 ℃. The equipment is easy to install and has high reliability, is applicable to the off-road vehicles, and also gives an effective way to solve such problems.

plateau and cold zone; intake air temperature; centralized preheating; gridiron resistance

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.008

TJ07；TK427

A

1672-9242(2017)10-0041-06

2017-08-07；

2017-08-30

岳巍強(qiáng)（1976—），男，河北人，博士，主要研究方向?yàn)槠嚬こ獭?/p>