二甲醚在低到中温的着火延迟特性

张红光，石智成，高翔，李佳政，支淑梅



二甲醚在低到中温的着火延迟特性

张红光1,2，石智成1,2，高翔1,2，李佳政1,2，支淑梅1,2

（1北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124；2北京电动车辆协同创新中心，北京100124）

在上止点温度656～814 K，上止点压力1.2～3.5 MPa，当量比（）0.83～1.25实验条件下，利用快速压缩机（RCM）研究了上止点压力和燃料浓度对二甲醚着火延迟期的影响及二甲醚三阶段燃烧现象。利用CHEMKIN-PRO软件在更宽广温度范围内对混合气着火延迟进行了同等条件下的模拟计算及反应动力学分析。结果表明：随着上止点压力及燃料浓度的增加，第1阶段着火延迟期均略有缩短，总着火延迟期明显缩短；二甲醚总着火延迟期存在明显的负温度系数（NTC）现象，且在较低上止点压力和燃料浓度下NTC现象更加明显；在稀燃条件下（0.83）二甲醚混合气出现低温放热和高温两阶段放热的三阶段放热现象，其高温第1阶段放热主要由CH2O生成大量CO引起，高温第2阶段放热主要由生成燃烧最终产物CO2和H2O引起。

压缩机；燃料；着火延迟期；反应动力学

引 言

日益严重的能源危机和环境污染促使人们寻找新的洁净替代燃料和发动机燃烧技术。作为柴油机的理想清洁代用燃料，二甲醚由于其较高的十六烷值和汽化潜热等特点受到人们的广泛关注。已有相关学者在二甲醚发动机上开展了大量实验与模拟研究[1-5]。在基础燃烧方面，Wang等[6]对二甲醚的火焰结构进行了研究，Huang等[7]对二甲醚火焰传播速度进行了测量，Moshammer等[8]在射流搅拌反应器里研究了二甲醚的低温氧化过程。

着火延迟期是描述燃料着火特性的基础参数，同时对于燃料燃烧模型的研究和化学反应机理的构建、验证和优化也非常关键。Pan等[9-11]利用激波管对二甲醚在高温下的着火延迟特性进行了研究。但是针对更贴近发动机真实运行工况的低到中温、高压实验条件下的着火延迟特性的研究非常少。Curran等[12]利用快速压缩机（RCM）研究了甲烷掺混比对二甲醚着火延迟特性的影响。Mittal等[13]利用快速压缩机在较低上止点温度615～735 K实验条件下研究了二甲醚的着火延迟特性。Hu等[14]在模拟研究掺氢对二甲醚HCCI机燃烧特性影响时发现纯二甲醚在稀燃时出现三阶段燃烧现象，但未给出进一步解释。

快速压缩机能够模拟低到中温环境，且便于控制压缩过程中的各项热力学参数。因此，为了拓宽基础燃烧实验数据到更宽广的温度、压力和燃料浓度范围，对机理进行验证、优化及进一步理解二甲醚稀燃时三阶段燃烧现象，本文利用快速压缩机和CHEMKIN-PRO软件进行二甲醚着火延迟期研究，讨论了上止点压力和燃料浓度对二甲醚着火延迟期的影响并阐明了二甲醚在稀燃条件下出现三阶段燃烧现象的机理。该研究获得的实验数据既可以丰富二甲醚基础燃烧数据，同时也对发展二甲醚化学动力学模型起到重要作用。

1 实验系统与实验方案

1.1 快速压缩机

本文使用的RCM在之前的文献中已有介绍[15]，主要由气压驱动系统、液压控制系统、燃烧系统、配气系统、数据采集系统组成（图1）。其燃烧缸直径50 mm，压缩比在8.42～16.9范围内调节。本文RCM的燃烧活塞采用文献[16-22]中的“creviced piston”，这种活塞设计可有效减小活塞运动过程中引起的涡流对燃烧室的影响，保证“绝热核心假设”的成立，从而精确的计算上止点温度c。c通过式（1）来计算

式中，0、c分别为二甲醚混合气的初始压力与上止点压力，MPa；0、c分别为二甲醚混合气的初始温度与上止点温度，K；为二甲醚混合气的比热容比，是混合物组分和温度的函数。

图1 RCM实验台架系统

Fig.1 System diagram of rapid compression machine test bench

1.2 着火延迟期定义及二甲醚混合气的配制

本文采用压力升高率对着火延迟期进行定义。如图2所示，活塞压缩上止点定义为时间0点，从压缩上止点到燃烧压力变化率的第1个峰值定义为第1阶段着火延迟期，从燃烧压力变化率的第1个峰值到第2个峰值定义为第2阶段着火延迟期。通常，二甲醚低温燃烧具有明显的两阶段放热和两阶段着火延迟，总着火延迟期。

图2 着火延迟期定义

实验中所用气体的纯度分别为DME 99.5%；氧气99.999%；氮气99.999%。将实验气体按所需摩尔比预先充入预混罐中并充分搅拌（约20～30 min），然后静置12 h，以保证二甲醚混合气的充分均质化。

1.3 实验参数

本文中通过改变初始温度和压缩比控制上止点温度在658～814 K之间，通过调节初始压力和压缩比的方式，控制上止点压力分别为1.2、1.5、2.5和3.5 MPa。涉及到的当量比为0.83、1和1.25，燃料浓度（体积比）为2.56%和4.17%。

相同实验工况条件下，根据情况重复3～5次，以保证实验结果的准确性。

2 数值模拟

选用CHEMKIN-PRO软件中的0-D均质定容绝热反应模型模拟二甲醚混合气在快速压缩机内的燃烧过程。同时采用两种模型进行模拟。（1）散热模拟：利用Mittal等[23]的“体积膨胀法”考虑压缩过程和压缩后的热损失，更好地模拟二甲醚混合气在燃烧室内的压缩和燃烧过程，从而与实验结果进行对比，具体方法见文献[24-25]。（2）绝热模拟：假定二甲醚为定容绝热燃烧，理解其着火延迟特性和燃烧过程。

采用Curran等[12]于2015年发布的CH4/DME机理进行模拟，该机理包含113种物种和710种基元反应，在激波管、快速压缩机等装置的燃烧实验中得到广泛验证[26-28]。

3 结果与讨论

3.1 上止点压力对二甲醚混合气着火延迟期的影响

图3为当量比1，燃料浓度2.56%条件下，上止点压力对二甲醚混合气着火延迟期的影响，图3(a)为一阶段着火延迟期，图3(b)为总着火延迟期。绝热模拟和散热模拟均能定性预测上止点压力对着火延迟期的影响，从定量上分析，散热模拟值与实验值吻合度更好，尤其在低温区间。而在负温度系数（NTC）区间，机理未能很好地定量预测着火延迟期的变化。从图中还可以看出，在着火延迟期小于10 ms时，散热模拟和绝热模拟值相差较小，这主要是由于在着火延迟期较短时通过燃烧室缸壁散热量较小导致的。此外，从模拟结果看，在上止点压力1.2 MPa时，一阶段着火延迟期出现NTC现象，而实验中未出现。

如图3所示，随着上止点温度的增加，第1阶段着火延迟期逐渐减小，而总着火延迟期呈现明显的NTC现象。随着上止点压力的增加，第1阶段着火延迟期略有缩短，但变化不大。低温区间，总着火延迟期同样缩短幅度较小，这是由于在低温区间温度起到主导作用，浓度增加不足以打破低温活化能障碍的限制[29]。而在NTC区间，随上止点压力增加，分子浓度增加使得有效碰撞次数增加，反应速率加快，因此，总着火延迟期出现明显缩短。从图3中还可以看出，在较低上止点压力下，NTC现象更加明显：NTC区间起始温度向低温方向移动；NTC温度区间延长；NTC区间着火延迟期曲线“上扬”幅度增大（升高相同的温度，着火延迟期延长得更多）。

图3 上止点压力对着火延迟期的影响

图4所示为二甲醚消耗20%、温度850 K时的反应路径，为了减少计算时间采用绝热模拟。从图中可以看出，二甲醚主要由OH、H、HO2脱氢形成CH3OCH2。CH3OCH2主要有3个反应路径：①CH3OCH2CH3+HCHO；②CH3OCH2+O2HCHO+HCHO+OH；③CH3OCH2+O2CH3OCH2O2，而CH3OCH2加氧形成CH3OCH2O2起到主导作用，其进一步异构化形成CH2OCH2O2H。CH2OCH2O2主要有两个去向：第一，继续链分支反应加氧形成O2CH2OCH2O2H，而O2CH2OCH2O2H继续通过裂解反应产生的OH是整个DME低温氧化反应链传播的载体[30]；第二，进行裂解产生一分子OH和两分子甲醛（CH2O），此反应虽然生成一分子OH，但同时产生两分子活性很低的CH2O，抑制了链的传播，导致系统反应速率下降，是形成NTC区间的主要原因。从图中可以看出，CH2OCH2O2H的裂解反应起到主导作用，且在较低上止点压力下，裂解反应比例更大。同时，在较低上止点压力下，CH3OCH2和CH3OCH2O2也更多地通过裂解反应形成CH2O，抑制了系统活性。因此，在较低上止点压力下，NTC现象更加明显。

图4 反应路径分析

3.2 燃料浓度对二甲醚混合气着火延迟期的影响

图5所示为上止点压力1.5 MPa、当量比1条件下，燃料浓度对二甲醚混合气着火延迟期的影响，图5(a)为一阶段着火延迟期，图5(b)为总着火延迟期。绝热模拟和散热模拟均能定性预测燃料浓度对着火延迟期的影响。在低温区间，机理预测值与实验值吻合度较好，而在高温区间，第一阶段着火延迟期实验值明显小于模拟值，这主要是由两点原因造成的：①实验中采用加热方式控制混合气初始温度，同时较高的上止点温度使得压缩过程中可能发生化学反应；②较高的上止点温度下，第1阶段着火延迟期很短（小于1 ms），此时采用快速压缩机测量所得实验数据误差较大。

如图5所示，随燃料浓度增加，第1阶段着火延迟期略有缩短，而总着火延迟期明显缩短。不同于高温条件下O2量决定反应速率，在二甲醚低温氧化过程中二甲醚及其中间产物起主导作用[12]。因此，随着燃料浓度增加，反应速率加快，从而总着火延迟期缩短。从图中还可以看出，总着火延迟期出现明显的NTC现象，且在较低的燃料浓度下NTC现象更明显。由前文分析可知，二甲醚氧化过程中两次加氧反应和相应裂解反应的比例决定NTC现象。随燃料浓度降低，O2浓度相应降低，从而裂解产生CH2O等稳定分子的比例增加。因此，在较低的燃料浓度下NTC现象更加明显。

图5 燃料浓度对着火延迟期的影响

3.3 二甲醚混合气三阶段燃烧及当量比对着火延迟期的影响

图6所示为上止点温度675 K、上止点压力1.5 MPa，不同当量比下二甲醚混合气压力-时间曲线。从图中可以看出，在稀燃（0.83）时，二甲醚混合气出现“低温放热”、“高温第1阶段放热”、“高温第2阶段放热”的三阶段放热现象。而在化学当量比和富燃条件下，燃烧只有低温放热和高温放热两个阶段。值得注意的是，活塞压缩到上止点时的振动可以引起压力升高率曲线的小幅振动，但是不会引起燃烧缸内温度和压力的明显变化，即高温两阶段放热曲线不是由振动引起的。

图6 不同当量比下二甲醚混合气压力-时间曲线

随着当量比的增加，第1阶段着火延迟期略有缩短，但低温反应阶段后的放热量（由压力升高代表）明显增加。第2阶段着火延迟期与低温反应阶段放热量耦合，随着放热量增加，低温反应阶段累积的自由基数量增加，反应速率加快，第2阶段着火延迟期缩短，从而总着火延迟期缩短。

为进一步解释二甲醚混合气在稀燃条件下的三阶段燃烧现象，模拟了计算温度、放热率和重要反应物摩尔分数随时间的变化。压缩过程和压缩后的热损失影响着火延迟的计算，但是并不影响其控制着火的化学反应，因此本文采用绝热模拟来缩短计算时间。从图7可以看出，在低温反应阶段，二甲醚部分消耗，伴随大量CH2O产生。CH2O在高温第1阶段放热过程中快速消耗生成CO，生成的CO在高温第2阶段放热过程中快速消耗生成CO2。因此，CH2O反应生成CO是高温第1阶段放热出现的重要原因，而CO氧化生成CO2是高温第2阶段放热出现的重要原因。

图7 温度、放热率和摩尔分数随时间变化的模拟结果

为进一步研究该条件下的化学反应过程，图8给出了放热率、重要反应物和重要基元反应放热率随温度的变化。机理中包含710步基元反应，此处只给出了对放热率贡献最大的6个基元反应。从图中可以看出，放热率出现3个峰值，分别对应于二甲醚混合气的低温反应放热、高温第1阶段放热和高温第2阶段放热。从基元反应放热率曲线可以看出，对高温第一阶段放热贡献最大的反应是R9：H+O2(+M)HO2(+M)、R19：H2O2(+M)OH+OH(+M)、R31：HCO+O2CO+HO2和R72：CH2O+OHHCO+H2O。R19虽然是吸热反应，但是H2O2分解产生的OH参与反应R72。整体来看，高温第一阶段反应过程中CH2O消耗，产生CO并伴随放热。

反应R9：H+O2(+M)HO2(+M)、R15：HO2+OHH2O+O2和R27：CO+OHCO2+H为高温第2阶段反应放热做出了主要贡献。这些反应生成燃烧最终产物CO2和H2O，这从图8中CO2和H2O在高温第2反应阶段大量生成也得到验证。因此，高温第2阶段放热主要由CO和HO2分别生成燃烧最终产物CO2和H2O引起。

从图8中还可以看出，高温第1阶段放热主要出现在1150～1250 K，高温第2阶段放热主要出现在1550～1650 K。在稀燃条件下，燃烧和放热缓慢，高温第1阶段反应后温度未能上升到高温第2阶段反应所需的温度，同时，CH2O消耗殆尽，放热进一步放缓。因此，二甲醚混合气出现高温两阶段放热。而在化学当量比和富燃条件下，燃烧迅速，放热量增加，高温第1阶段反应后即达到第2阶段反应所需温度，此时，高温第一阶段和高温第2阶段放热时间重叠，因此呈现出高温单阶段放热。

图8 放热率和摩尔分数随温度变化的模拟结果

4 结 论

（1）随着上止点压力和燃料浓度的增加，二甲醚混合气第1阶段着火延迟期略有缩短。在低温区间，总着火延迟期同样缩短幅度较小，而在NTC区间，总着火延迟期出现明显缩短，且在较低上止点压力和燃料浓度下，NTC现象更加明显。

（2）低温区间，机理预测值与实验值吻合度较好，而在NTC区间，机理未能很好地定量预测着火延迟期的变化，即机理需要进一步优化。

（3）稀燃条件下，二甲醚混合气出现低温放热、高温第1阶段放热和高温第2阶段放热的三阶段放热现象，其原因在于稀燃条件下燃烧和放热缓慢，高温第1阶段反应放热后温度未能上升到第2阶段反应所需温度。随着当量比增加，在化学当量比和富燃条件下，高温反应呈现单阶段放热现象。

（4）低温反应放热主要由二甲醚生成CH2O引起，高温第1阶段放热主要由CH2O生成大量CO引起，高温第2阶段放热主要由生成燃烧最终产物CO2和H2O引起。

符 号 说 明

p——压力，MPa T——温度，K γ——比热容比 φ——当量比 下角标 c——上止点 0——初始状态 1——第1阶段 2——第2阶段

References

[1] 郑尊清, 尧命发, 汪洋, 等. 二甲醚均质压燃燃烧过程的试验研究 [J]. 燃烧科学与技术，2003，9 (6): 561-565. ZHENG Z Q, YAO M F, WANG Y,. Experimental study of HCCI combustion process fueled with DME [J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2003, 9 (6): 561-565.

[2] 罗马吉, 黄震, 彭小圣, 等. 二甲醚HCCI燃烧高温反应动力学分析 [J]. 工程热物理学报, 2006, 27 (1): 155-158. LUO M J, HUANG Z, PENG X S,. Analysis of chemical kinetics mechanism at high temperature in HCCI combustion with dimethyl ether [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2006, 27 (1): 155-158.

[3] JANG J, LEE Y, CHO C,. Improvement of DME HCCI engine combustion by direct injection and EGR [J]. Fuel, 2013, 113: 617-624.

[4] ZHAO Y W, WANG Y, LI D C,.Combustion and emission characteristics of a DME (dimethyl ether)-diesel dual fuel premixed charge compression ignition engine with EGR (exhaust gas recirculation) [J]. Energy, 2014, 72: 608-617.

[5] KIM H J, PARK S W, LEE C S. Numerical and experimental study on the combustion and emission characteristics of a dimethyl ether (DME) fueled compression ignition engine [J]. Oil & Gas Science and Technology-Rev. IFP Energies nouvelles, 2012, 67 (3): 479-489.

[6] WANG J, STRUCKMEIER U, YANG B,. Isomer-specific influences on the composition of reaction intermediates in dimethyl ether/propene and ethanol/propene flame [J]. The Journal of Physical Chemistry A, 2008, 112 (39): 9255-9265.

[7] HUANG Z H, WANG Q, YU J R,. Measurement of laminar burning velocity of dimethyl ether-air premixed mixtures [J]. Fuel, 2007, 86 (15): 2360-2366.

[8] MOSHAMMER K, JASPER A W, POPOLAN-VAIDA D M,. Detection and identification of the keto-hydroperoxide (HOOCH2OCHO) and other intermediates during low-temperature oxidation of dimethyl ether [J]. Journal of Physical Chemistry A, 2015, 119 (28): 7361-7374.

[9] PAN L, HU E J, TIAN Z M,. Experimental and kinetic study on ignition delay times of dimethyl ether at high temperatures [J]. Energy & Fuels, 2015, 29 (3): 3495-3506.

[10] PAN L, HU E J, ZHANG J X,. Experimental and kinetic study on ignition delay times of DME/H2/O2/Ar mixtures [J]. Combustion and Flame, 2014, 161 (3): 735-747.

[11] LI Z H, WANG W J, HUANG Z,. Dimethyl ether autoignition at engine-relevant conditions [J]. Energy & Fuels, 2013, 27 (5): 2811-2817.

[12] BURKE U, SOMERS K P, CURRAN H J,. An ignition delay and kinetic modeling study of methane, dimethyl ether, and their mixtures at high pressure [J]. Combustion and Flame, 2015, 162 (2): 315-330.

[13] MITTAL G, CHAOS M, SUNG C-J,. Dimethyl ether autoignition in a rapid compression machine: experiments and chemical kinetic modeling [J]. Fuel Processing Technology, 2008, 89 (12): 1244-1254.

[14] HU E J, CHEN Y Z, CHENG Y,. Study on the effect of hydrogen addition to dimethyl ether homogeneous charge compression ignition combustion engine [J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy,2015, 7 (6): 063121(1-10).

[15] 张红光, 刘昊, 李嘉辰, 等. 快速压缩机试验台架设计与性能试验 [J]. 农业机械学报, 2015, 46 (4): 289-295.ZHANG H G, LIU H, LI J C,. Development and performance of rapid compression machine test bench [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46 (4): 289-295.

[16] SANTE R D. Measurements of the auto-ignition of-heptane/toluene mixture using a rapid compression machine [J]. Combustion and Flame, 2012, 159 (1): 55-63.

[17] ALLEN C, MITTAL G, SUNG C-J,. An aerosol rapid compression machine for studying energetic-nanoparticle-enhanced combustion of liquid fuels [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33 (2): 3367-3374.

[18] WERLER M, CANCINO L R, SCHIESSL R,. Ignition delay times of diethyl ether measured in a high-pressure shock tube and a rapid compression machine [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35 (1): 259-266.

[19] LEE D, HOCHGREB S. Rapid compression machines: heat transfer and suppression of corner vortex [J]. Combustion and Flame, 1998, 114 (3/4): 531-545.

[20] SUNG C-J, CURRAN H J. Using rapid compression machines for chemical kinetic studies [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2014, 44: 1-18.

[21] YU Y, VANHOVE G, GRIFFITHS J F,. Influence of EGR and syngas components on the autoignition of natural gas in a rapid compression machine: a detailed experimental study [J]. Energy & Fuels, 2013, 27 (7): 3988-3996.

[22] AN H, CHUNG J, LEE S,. The effects of hydrogen addition on the auto-ignition delay of homogeneous primary reference fuel/air mixtures in a rapid compression machine [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40 (40): 13994-14005.

[23] MITTAL G, SUNG C-J. A rapid compression machine for chemical kinetics studies at elevated pressures and temperatures [J]. Combustion Science and Technology, 2007, 179 (3): 497-530.

[24] SHI Z C, ZHANG H G, LIU H,. Effects of buffer gas composition on autoignition of dimethyl ether [J]. Energies, 2015, 8 (9): 10198-10218.

[25] 张红光, 石智成, 卢海涛, 等. 基于快速压缩机的甲烷着火延迟期的研究 [J]. 北京工业大学学报, 2016, 42 (4): 577-584. ZHANG H G, SHI Z C, LU H T,. Study of ignition delay time of methane based on a rapid compression machine [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2016, 42 (4): 577-584.

[26] JIANG X, ZHANG Y J, MAN X J,. Shock tube measurements and kinetic study on ignition delay times of lean DME/-butane blends at elevated pressures [J]. Energy & Fuels, 2013, 27 (10): 6238-6246.

[27] COOK R D, DAVIDSON D F, HANSON R K. Shock tube measurements of ignition delay times and OH time-histories in dimethyl ether oxidation [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32 (1): 189-196.

[28] PFAHL U, FIEWEGER K, ADOMEIT G. Self-ignition of diesel relevant hydrocarbon-air mixtures under engine conditions [J]. Symposium (International) on Combustion, 1996, 26 (1): 781-789.

[29] YANG Z, QIAN Y, YANG X,. Autoignition of-butanol/-heptane blend fuels in a rapid compression machine under low-to-medium temperature ranges [J]. Energy & Fuels, 2013, 27 (11): 7800-7808.

[30] 梁霞, 尧命发. 二甲基醚均质压燃化学动力学简化模型的研究 [J]. 内燃机学报, 2005, 23 (4): 329-335. LIANG X, YAO M F. Study on reduced chemical kinetic model for DME HCCI combustion [J]. Transactions of CSICE, 2005, 23 (4): 329-335.

Ignition delay characteristics of dimethyl ether under low-to-medium temperature ranges

ZHANG Hongguang1,2, SHI Zhicheng1,2, GAO Xiang1,2, LI Jiazheng1,2, ZHI Shumei1,2

(1College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100124, China)

Effects of the compressed pressure and fuel concentration on ignition delay of DME mixture were investigated using a rapid compressor at compressed temperature of 656—814 K, compressed pressure of 1.2—3.5 MPa and equivalence ratio () of 0.83—1.25. Kinetics model was built to predict the ignition delay and simulate the combustion process using CHEMKIN-PRO software, meanwhile, reaction kinetics analysis was conducted. The results show that with increasing compressed pressure and fuel concentration, the first-stage ignition delay decreases slightly, while a significant decrease in the total ignition delay is observed. The ignition delay of DME presents well known negative temperature coefficient (NTC) and which is noted to become more prominent at lower compressed pressure and fuel concentration. DME mixture presents three-stage heat release at lean-fuel（0.83）, which includes low-temperature heat release and a two-stage high temperature heat release. Kinetics analysis indicates that the first-stage high temperature heat release is mainly caused by the production of CO from CH2O, and the reactions produce CO2and H2O contribute to the second-stage high temperature heat release.

compressor; fuel; ignition delay; reaction kinetics

10.11949/j.issn.0438-1157.20161513

TK 401

A

0438—1157（2017）05—2140—08

张红光（1970—），男，教授。

国家自然科学基金项目（51376011）；北京市自然科学基金项目（3152005）；北京市教育委员会科技计划重点项目（KZ201410005003）.

2016-10-26收到初稿，2016-12-02收到修改稿。

2016-10-26.

Prof. ZHANG Hongguang, zhanghongguang@ bjut.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376011), the Natural Science Foundation of Beijing (3152005) and the Scientific Research Key Program of Beijing Municipal Commission of Education (KZ201410005003).