液壓自由活塞發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展方向

任好玲　林添良　謝海波　楊華勇

1.華僑大學(xué)，廈門，3610212.浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州，310027

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液壓自由活塞發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展方向

任好玲1,2林添良1謝海波2楊華勇2

1.華僑大學(xué)，廈門，3610212.浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州，310027

摘要：介紹了液壓自由活塞發(fā)動機的三種基本結(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)點，重點分析了液壓自由活塞發(fā)動機由于其獨特的結(jié)構(gòu)所具有的特性、研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)、研究難點，以及相應(yīng)的研究現(xiàn)狀，討論了制約液壓自由活塞發(fā)動機走向產(chǎn)業(yè)化的瓶頸技術(shù)，以及為解決這些技術(shù)所進行的探索和嘗試。推動液壓自由活塞發(fā)動機的發(fā)展可從結(jié)構(gòu)改進、燃料及燃燒技術(shù)突破及多學(xué)科融合技術(shù)等方面進行。

關(guān)鍵詞：液壓自由活塞發(fā)動機；振動；流量脈動；壓縮比

0引言

為維持全球經(jīng)濟的綠色可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能和環(huán)保成為當(dāng)今不可回避的兩大課題。內(nèi)燃機作為動力界的主力軍，在為國民生產(chǎn)做出重大貢獻的同時，也消耗了大部分的能源，成為溫室氣體產(chǎn)生和空氣污染最主要的黑手。在這種大背景下，一部分學(xué)者和研究機構(gòu)致力于提高和優(yōu)化曲軸式內(nèi)燃機(crank-shaft engine，CSE)的性能，另一部分學(xué)者則著眼于新型發(fā)動機的研制和開發(fā)。液壓自由活塞發(fā)動機(hydraulic free piston engine, HFPE)就是這些新型發(fā)動機的一種。HFPE將傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動液壓泵過程中的“直線-旋轉(zhuǎn)-直線”運動簡化成簡單的直線運動，取消中間的連接元件和運動轉(zhuǎn)換，減少了零件數(shù)目，縮小了發(fā)動機的體積，降低了生產(chǎn)成本，且活塞運動過程中不再承受由曲軸旋轉(zhuǎn)引起的活塞側(cè)向力，而只承受活塞直線運動方向的摩擦力，因此能減小活塞磨損，降低維修成本，延長壽命?；钊闹本€運動不受機械結(jié)構(gòu)的限制，具有可變的止點位置和壓縮比。可變壓縮比可以優(yōu)化內(nèi)燃機的燃燒效果，使發(fā)動機在不同負(fù)載情況下都能處于最佳燃油消耗狀態(tài)或最低污染排放狀態(tài)。相關(guān)研究表明，與傳統(tǒng)CSE驅(qū)動液壓泵相比，HFPE的指示效率超過50%，零件數(shù)目減少60%，重量至少減少55%[1]。

雖然HFPE具有獨特的優(yōu)勢，但是經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，仍沒有獲得大規(guī)模的應(yīng)用，這主要是由于HFPE發(fā)展過程中存在一些技術(shù)難題沒有攻克。針對HFPE的研究現(xiàn)狀，本文首先介紹HFPE的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后對HFPE研制過程中的關(guān)鍵問題和研究難點進行詳細(xì)分析，最后結(jié)合當(dāng)前的一些嘗試性研究，指出今后HFPE可能的研究方向和相關(guān)技術(shù)。

1基本結(jié)構(gòu)和工作原理

HFPE有3種基本的結(jié)構(gòu)形式：單活塞式、雙活塞式和對置活塞式。如圖1所示，3種結(jié)構(gòu)都包括燃燒腔和液壓泵腔，單活塞式和對置活塞式還含有壓縮腔。它們的工作原理基本相同，現(xiàn)以單活塞式HFPE為例簡單介紹。

(a)單活塞式

(b)對置活塞式

(c)雙活塞式1.燃燒腔　2.液壓泵腔　3.壓縮腔圖1　液壓自由活塞發(fā)動機的三種基本結(jié)構(gòu)形式

1.噴油器　2.燃燒腔　3.排氣孔　4.活塞組件5.壓縮腔　6.液壓泵腔　7.泵油單向閥　8.負(fù)載蓄能器9.負(fù)載　10.“缺火”復(fù)位閥　11.吸油單向閥12.供油蓄能器　13.頻率控制閥　14.壓縮蓄能器15.壓縮單向閥　16.油箱　17.吸氣孔圖2　單活塞式液壓自由活塞發(fā)動機結(jié)構(gòu)原理示意圖

單活塞式HFPE的工作原理如圖2所示?；钊M件4初始處于下止點。發(fā)動機開始工作時，電控單元發(fā)出控制信號給頻率控制閥13，使其左位工作。此時，壓縮蓄能器14中的高壓油經(jīng)過頻率控制閥13進入壓縮腔5，推動活塞組件4向上止點運動。同時，液壓泵腔6從供油蓄能器12中汲取低壓油，活塞組件4壓縮燃燒腔2中的新鮮空氣，上述過程即為壓縮沖程。當(dāng)活塞組件4運動到上止點附近時，噴油器1向燃燒腔2內(nèi)噴入適量燃油，燃油燃燒、釋放能量推動活塞組件4向下止點運動。此時，壓縮腔5內(nèi)的液壓油經(jīng)過壓縮單向閥15回到壓縮蓄能器14，而液壓泵腔6中的液壓油經(jīng)泵油單向閥7進入負(fù)載蓄能器8，推動負(fù)載9工作，上述過程即為膨脹沖程。活塞組件4回到下止點后，液壓自由活塞發(fā)動機完成一個工作循環(huán)。

發(fā)動機的一個工作循環(huán)中，各工作腔的工作循環(huán)分別為：①液壓泵腔在壓縮沖程中吸油，在膨脹沖程中對外泵油；②壓縮腔在壓縮沖程中從壓縮蓄能器吸收壓力油，在膨脹沖程中將壓縮腔的液壓油重新儲存到壓縮蓄能器中；③燃燒腔完成“吸氣-壓縮-膨脹-排氣”的工作循環(huán)。燃油的化學(xué)能經(jīng)過活塞組件的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗茌敵?。?dāng)壓縮蓄能器的壓力水平不同或噴入燃燒腔的燃油量發(fā)生變化時，發(fā)動機的上下止點位置均會發(fā)生相應(yīng)變化，即活塞位置是自由的，此即為自由活塞發(fā)動機的由來。其他兩種結(jié)構(gòu)形式HFPE的工作過程基本與此相同。

2特性及關(guān)鍵技術(shù)

液壓自由活塞發(fā)動機由于其獨特的結(jié)構(gòu)，具有與其結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的一些特性。

2.1振動問題

如圖1a所示，單活塞式HFPE只具有1個燃燒腔、1個液壓泵腔，其結(jié)構(gòu)是不平衡的；如圖1c所示，雙活塞式HFPE雖然具有2個燃燒腔、2個液壓泵腔，但只具有1個活塞組件，因此機構(gòu)本身也是不平衡的。這兩種結(jié)構(gòu)形式的活塞組件在運動過程中均沒有其他部件來平衡其運動，故其運動是不平衡的，即活塞組件受到不平衡力的作用?；钊\動所受的不平衡作用力也反作用在發(fā)動機機體和安裝底座上[2]，引起機體和底座的振動。李振信[3]研究了橡膠的剛-柔緩沖模型，分析了隔振結(jié)構(gòu)的振動傳遞過程，研究結(jié)果表明，緩沖結(jié)構(gòu)能有效降低機體振動，但會使活塞運動周期延長。這種措施只能在一定程度上減小振動，要從根本上消除發(fā)動機的振動，一要使其具有對稱的結(jié)構(gòu)，二應(yīng)使其活塞運動對稱。這樣在活塞運動過程中，反作用于機體上的力才會相平衡，才能避免機體的振動。

圖1b所示的對置活塞式HFPE中，2個活塞組件對稱安裝，運動過程保持鏡像。Hibi等[4]的試驗結(jié)果表明，在保證活塞組件運動同步的前提下，基本上可以消除發(fā)動機的振動。因此將2個或多個液壓自由活塞發(fā)動機單元對稱安裝，并使其運動也對稱，這樣活塞組件在運動時，作用在機體和底座上的作用力可以相互抵消，從而達到減小或消除振動的目的[5]，但必須嚴(yán)格保證活塞組件運動同步，否則會引起機體更大的振動。圖3中，“·”表示垂直紙面向里運動，“×”表示垂直紙面向外運動，按箭頭方向運動。

(a)平行布局(b)圓周布局圖3　對稱布局的發(fā)動機單元示意圖[5]

2.2流量脈動

單活塞式和對置活塞式HFPE的液壓泵屬于單柱塞式柱塞泵，活塞在運動過程中的速度不斷地變化，因此輸出的流量也相應(yīng)地發(fā)生變化，產(chǎn)生脈動。當(dāng)發(fā)動機處于脈沖間歇調(diào)制(pulse pause modulation，PPM)工作方式時，發(fā)動機有一段時間對外不輸出任何液壓油，這在一定程度上加劇了液壓泵輸出的流量脈動。脈動的流量經(jīng)過系統(tǒng)中的控制閥和阻尼時，極易引起壓力脈動，產(chǎn)生液壓噪聲，影響負(fù)載的穩(wěn)定工作[6]。對傳統(tǒng)柱塞泵的流量脈動和噪聲現(xiàn)象的研究很多，但對HFPE流量脈動現(xiàn)象的研究還是一個較新的課題。雙活塞式HFPE具有2個液壓泵腔，活塞組件往復(fù)運動時，每一沖程都會對外輸出高壓油，這在一定程度上降低了泵的流量脈動。這一特性也被Innas BV公司應(yīng)用在其第五代樣機Chiron上[1]，其原理如圖4所示。

圖4　Innas BV公司的第五代樣機Chiron的原理示意圖[1]

圖4中，泵活塞的兩側(cè)腔體都與負(fù)載蓄能器相連，壓縮沖程中，左側(cè)液壓泵腔的液壓油在液壓泵活塞的作用下流入到負(fù)載蓄能器；膨脹沖程中，液壓泵右腔的液壓油一部分流入到負(fù)載蓄能器，另一部分流入到液壓泵左腔。圖 2所示結(jié)構(gòu)中，液壓泵腔只有在膨脹沖程中才對外輸出液壓油。在液壓泵腔面積和活塞沖程相同即液壓泵排量相同的情況下，圖4所示結(jié)構(gòu)的輸出流量脈動明顯減小。無論上述那種情況，液壓泵的輸出直接與負(fù)載相連時，輸出流量的脈動幅值較大，會造成負(fù)載運動極度不穩(wěn)定。因此，HFPE必須在泵的出口連接蓄能器，圖2和圖4中的負(fù)載蓄能器即用來吸收泵的流量脈動。

采用圖 3所示的多個HFPE單元分時協(xié)同工作，可以進一步降低流量脈動，運動單元越多或單位時間內(nèi)參與流量輸出的單元越多，輸出的流量脈動越小。

2.3壓縮比控制及影響因素

壓縮比可變是HFPE的獨特優(yōu)勢，可以根據(jù)負(fù)載工況選擇合適的壓縮比，使發(fā)動機工作在最佳燃油消耗點或最低排放點。但特定工況需要一個恒定的壓縮比來保證發(fā)動機穩(wěn)定運行，因此需要對壓縮比進行精確控制。Innas BV公司研究表明，壓縮比隨著壓縮蓄能器壓力水平的升高而增大[1,7]。Hibi等[8]的研究表明，頻率控制閥的開啟時間會對壓縮比產(chǎn)生影響，開啟時間越長，壓縮比越大，但當(dāng)活塞基本到達上止點時，繼續(xù)增大閥的開啟時間不對壓縮比基本沒有影響。苑士華等[9]研究了高低壓負(fù)載情況下的系統(tǒng)壓縮過程。低壓負(fù)載下，隨著外界壓縮壓力的提高，壓縮比增大；高壓負(fù)載下，壓縮比存在一個極限值，沒有隨著外界壓力的提高而一直增大。其他參數(shù)不變的情況下，頻率控制閥的最大流量越大，壓縮比越大；控制閥的響應(yīng)頻率對壓縮沖程的時間影響較大，但對壓縮比的影響較小[10]，因此選擇大通徑高頻響的控制閥對于提高發(fā)動機壓縮比和運行頻率具有重要的意義。

Li等[11]提出圖5所示的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)操作手柄可以使活塞的有效沖程長度在L(L為沖程長度)、0.75L及0.5L三種尺寸下選擇。這種方法能對沖程進行準(zhǔn)確調(diào)整，但不能連續(xù)改變沖程。

1.操作手柄　2.外殼　3.外環(huán)　4.泵腔　5.活塞　6.接低壓管路圖5　外套筒控制的沖程比例調(diào)節(jié)裝置[11]

2.4燃燒問題

內(nèi)燃機的燃燒問題一直是內(nèi)燃機研究的一個重要方向，準(zhǔn)確模擬內(nèi)燃機的燃燒過程，對于改進內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)，提高燃燒效率具有重要意義。雖然對燃燒過程的認(rèn)識已經(jīng)從半經(jīng)驗的零維模型發(fā)展到綜合考慮氣體流動、質(zhì)量、動量和能量的傳遞與交換的多維模型[12]，但這些模型都是針對CSE進行的。與CSE相比，HFPE在上止點附近具有更高的加速度，且其膨脹沖程更為迅速，如圖6所示，這必然會對燃燒過程產(chǎn)生影響，因此建立與HFPE特點相符合的燃燒模型，是對HFPE，乃至所有的自由活塞發(fā)動機進行準(zhǔn)確建模的必要前提。

(a)位移曲線

(b)速度曲線

(c)加速度曲線圖6　HFPE與CSE運動特性比較

2.5活塞受熱不均問題

如圖6所示，相對傳統(tǒng)內(nèi)燃機而言，HFPE在上止點附近的加速度更大，速度更快，空氣與燃油的混合更加迅速，燃燒時間更短，放熱更快，這對活塞來說是一個更大的考驗。傳統(tǒng)內(nèi)燃機的活塞受曲柄連桿機構(gòu)的限制，活塞與進氣門、排氣門的位置是固定的，排氣門附近長期處于高溫狀態(tài)，而進氣門處由于有新鮮空氣的冷卻作用，溫度較低，這導(dǎo)致了活塞的局部受熱不均，容易造成活塞變形。由于HFPE的活塞組件不受任何機械機構(gòu)的約束，上下止點位置可變，亦可繞軸線旋轉(zhuǎn)，因此，基于HFPE的這個特點，Caterpillar公司提出圖7所示的可繞軸線旋轉(zhuǎn)的活塞結(jié)構(gòu)。壓縮沖程中，高壓油流過葉片表面，使葉片帶動活塞旋轉(zhuǎn)一定角度；膨脹沖程中，葉片位置保持不變，這樣可以避免活塞表面受熱不均，從而減少活塞磨損，延長活塞壽命[13]。

圖7　液壓泵活塞剖視圖[13]

2.6掃氣效率

HFPE不論結(jié)構(gòu)形式如何，一般都包括吸油沖程和泵油沖程，與此對應(yīng)，一般選擇二沖程內(nèi)燃機作為動力驅(qū)動裝置。通常，二沖程內(nèi)燃機的換氣過程持續(xù)角度為120°~150°CA(crankshaft angle)，換氣時間短，換氣質(zhì)量差；另外，二沖程內(nèi)燃機的氣門重疊角度占整個內(nèi)燃機換氣角度的比例高達70%~80%[14]，從而導(dǎo)致二沖程內(nèi)燃機燃油消耗多、熱負(fù)荷大和污染物排放嚴(yán)重等問題，不符合目前節(jié)能環(huán)保的要求。針對兩沖程內(nèi)燃機存在的問題，學(xué)者們提出了一些提高掃氣效率的方法和措施，并在試驗樣機上進行了測試和應(yīng)用。Innas BV公司利用發(fā)動機輸出的部分能量來驅(qū)動掃氣泵，為單活塞式HFPE提供具有較高壓力的新鮮空氣，從而提高掃氣效率[15]。Zhao等[16]采用直流掃氣式二沖程內(nèi)燃機來提高發(fā)動機的掃氣效率。這些方法都在一定程度上提高了二沖程內(nèi)燃機的掃氣效率，但并沒有徹底解決其掃氣效率低、燃油消耗多的問題。四沖程結(jié)構(gòu)內(nèi)燃機具有單獨的排氣沖程和吸氣沖程，掃氣效果好，研究結(jié)果表明，四沖程HFPE的掃氣效率比二沖程發(fā)動機的效率高15%[17]，如圖8所示。

(a)四沖程內(nèi)燃機氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(b)兩沖程內(nèi)燃機氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖8　燃燒腔中氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3HFPE的研究方向

與CSE相比，HFPE雖具有獨特的優(yōu)勢，但經(jīng)過近四十年的發(fā)展，仍沒有獲得大規(guī)模的工程應(yīng)用。目前可見的報道僅限于20世紀(jì)90年代Innas BV公司在液壓叉車上進行的驗證性應(yīng)用[6]；將HFPE應(yīng)用到城市公交系統(tǒng)、工程機械、裝甲車等領(lǐng)域，也僅限于理論上的論證，并無應(yīng)用實例。因此在HFPE通向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的道路上還有很多難題需要攻克，也呼喚著新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的運用。

3.1HCCI技術(shù)

均質(zhì)充量壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)技術(shù)是融合了柴油機壓燃(高壓縮比)及汽油機點燃(低壓縮比)的一種新型燃燒模式。采用HCCI技術(shù)的內(nèi)燃機在正常工作時具有較高壓縮比，此時油氣混合物以壓燃方式燃燒；在極端工況，如大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速或冷機狀態(tài)下，HCCI發(fā)動機則要求較小的壓縮比，油氣混合物依靠傳統(tǒng)的火花塞點火燃燒，這就要求HCCI發(fā)動機的壓縮比能夠根據(jù)工況進行改變，這正符合HFPE的特點。

將HCCI技術(shù)與自由活塞發(fā)動機技術(shù)相結(jié)合，國內(nèi)外學(xué)者也進行了有益的探索和研究。李慶峰等[18]研究了HCCI在自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機上的應(yīng)用，研究表明，HCCI能夠拓寬內(nèi)燃機的實際運行范圍，同時能夠協(xié)調(diào)效率和輸出功率。Goldsborough等[19]將HCCI燃燒模式應(yīng)用到自由活塞發(fā)電機上來優(yōu)化掃氣系統(tǒng)，以提高效率，降低排放。

3.2新結(jié)構(gòu)

HFPE的突出優(yōu)點是具有可變的壓縮比，但其最大的挑戰(zhàn)是在特定工況下對壓縮比進行精確控制。這對HFPE的控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)提出更高的要求。尹凱等[20]提出一種液壓約束活塞發(fā)動機結(jié)構(gòu)，它融和了HFPE和傳統(tǒng)內(nèi)燃機的優(yōu)點，即HFPE能通過直線往復(fù)運動將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成流體壓力能，簡化傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機用來保證對壓縮比的精確控制。這從側(cè)面反映，在保持HFPE優(yōu)勢的前提下，避開其難以攻克的難題，開創(chuàng)性地融和新結(jié)構(gòu)是推動HFPE走出實驗室、走向產(chǎn)業(yè)化的出路之一。

3.3新燃料

如上所述，壓縮比的精確控制成為制約HFPE產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，除在結(jié)構(gòu)上加以克服外，改變其燃燒方式也是一種大膽的嘗試。Raade等[21]利用過氧化氫催化分解產(chǎn)生的高溫蒸汽推動液壓泵工作。推動活塞運動的高溫蒸汽只與過氧化氫的分解過程有關(guān)，而與活塞組件所處位置無關(guān)，即與壓縮比無關(guān)，從而規(guī)避了發(fā)動機的工作和性能必須精確控制壓縮比的問題。夏必忠等[22]提出一種使用雙組元燃料來驅(qū)動HFPE的方案，其本質(zhì)也是避免對壓縮比的精確控制，而將側(cè)重點放到燃料配比和燃燒上。

3.4多學(xué)科領(lǐng)域的有機交融

HFPE將液壓技術(shù)、內(nèi)燃機技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、控制技術(shù)等有機地聯(lián)系在一起，各技術(shù)互為依托，共同為自由活塞發(fā)動機的發(fā)展提供有力的保障。HFPE的發(fā)展離不開各技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，同樣，HFPE的發(fā)展進步也會推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)革新。只有各技術(shù)共同的進步才能為HFPE實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化奠定堅實的基礎(chǔ)。

4結(jié)語

液壓自由活塞發(fā)動機從產(chǎn)生伊始就被譽為動力界的“璀璨新星”，是一種具有鮮活生命力的新型動力裝置，其不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的獨特優(yōu)勢使眾多研究機構(gòu)和學(xué)者為之奮斗。在其研制和產(chǎn)業(yè)化道路上，存在許多不同于傳統(tǒng)曲軸式內(nèi)燃機的關(guān)鍵技術(shù)和難題，因此不能簡單借用傳統(tǒng)曲軸式內(nèi)燃機的相關(guān)技術(shù)，而需要研究機構(gòu)和學(xué)者作出創(chuàng)造性的工作。另外，新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新型燃料的采用，大大拓寬了液壓自由活塞發(fā)動機的應(yīng)用范圍，為其走向產(chǎn)業(yè)化提供了更多途徑。

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(編輯張洋)

Key Technologies and Future Development of Hydraulic Free Piston Engine Ren Haoling1,2Lin Tianliang1Xie Haibo2Yang Huayong2

1.Huaqiao University，Xiamen，F(xiàn)ujian，361021 2.The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,

Zhejiang University,Hangzhou,310027

Abstract：Three basic configurations of HFPE, their working principles and merits were introduced. Special characteristics of HFPE due to the unique structure, key technologies and challenges in developing, and research situation of HFPE were discussed in detail. The bottleneck techniques which restricted the industrialization of HFPE were pointed out. The exploration and tries to solve these bottleneck techniques were introduced. Development of HFPE might be carried out through the improved structure, the breakthrough of combustion and fuel technology, and the multidisciplinary integration.

Key words：hydraulic free piston engine (HFPE); vibration; flow pulsation; compression ratio

作者簡介：任好玲，女，1978年生。華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院講師。主要研究方向為液壓自由活塞發(fā)動機、工程機械節(jié)能技術(shù)。發(fā)表論文10余篇。林添良，男，1983年生。華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院副教授。謝海波，男，1975年生。浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室副教授。楊華勇，男，1961年生。浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室教授，中國工程院院士。

中圖分類號：TH137.7；TK402

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.023

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51505160，51275451，51205140)；高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項目(2013H6015)；福建省自然科學(xué)基金資助項目(2015J01206)

收稿日期：2015-04-02