VNT与EGR耦合对不同气压下燃用含氧燃料柴油机性能的影响

毕玉华，唐成章，申立中，文万斌，王 俊，宋国富



VNT与EGR耦合对不同气压下燃用含氧燃料柴油机性能的影响

毕玉华1，唐成章1，申立中1，文万斌1，王 俊1，宋国富2

（1. 昆明理工大学云南省内燃机重点试验室，昆明 650500； 2. 昆明云内动力股份有限公司，昆明 650500）

将废气再循环（exhaust gas recirculation, EGR）、可变喷嘴涡轮增压器（variable nozzle turbocharger, VNT）与含氧燃料掺烧技术结合，可拓宽EGR的适用工况，提高空燃比，既有助于解决氮氧化物（nitrogen oxides, NOx）与微粒（particulate matter, PM）排放的矛盾，也有利于减小海拔上升导致的柴油机性能恶化的程度。选择EGR与VNT耦合的高压共轨柴油机作为研究机型，将生物柴油和生物乙醇按一定比例与柴油混合成生物乙醇柴油（biodiesel-ethanol-diesel, BED）燃料，利用大气模拟系统，在100和80 kPa的环境下，试验研究VNT与EGR对含氧燃料柴油机动力性、经济性、排放特性的影响规律。结果表明：含氧燃料柴油机的动力性和经济性随着VNT开度和EGR率的增大以及大气压力的降低而变差，在大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min工况下，VNT开度从22%增大到28%扭矩平均降低3.8 N·m，比油耗平均增加4.2 g/(kW·h)，EGR率每增大5%扭矩平均降低0.8 N·m，比油耗平均增加1.5 g/(kW·h)，大气压力从100降低至80 kPa时扭矩平均降低3.4 N·m，比油耗平均增加4.9 g/(kW·h)；VNT开度从22%增大到28%时NOx平均减小15%，EGR率每增大5%时NOx排放平均降低12%，大气压力从80增大到100 kPa时NOx排放平均增加11%；VNT开度从22%增大到28%烟度的平均增幅为175.3%，EGR率每增大5%烟度的平均增幅为331.9%，大气压力从100降低至80 kPa时烟度的平均增幅为96.6%。

柴油机；燃烧；排放控制；不同大气压力；可变喷嘴涡轮增压器；废气再循环；含氧燃料

0 引 言

随着全球范围内石油资源的日益枯竭和日趋严格的排放法规带来的挑战，人类逐渐意识到节约资源和发展代替能源的重要性，而生物柴油以其低排放、可再生、可生物降解等优势引起人们的广泛关注[1-3]。

柴油机排放控制的重点是氮氧化物（NOx）和PM排放，但是NOx和PM存在生成机理的矛盾性，使柴油机的排放控制技术较汽油机更加复杂[4-6]。废气再循环技术是目前降低柴油机NOx排放最有效的技术之一，已成为现代柴油机满足欧6排放法规的重要技术措施[7-8]。轻型车或轿车用柴油机在中小负荷时过量空气系数Φ较大，可以采用较大的EGR率来改善NOx排放，而在大负荷时过量空气系数Φ较小，使用EGR改善NOx排放的幅度较小，同时还会使柴油机出现动力性下降、经济性恶化以及颗粒物排放增加等现象[9-11]。此外，增压中冷柴油机在低速与高负荷工况存在进排气逆差，难以实现和提高EGR率。可变喷嘴涡轮增压器是解决普通涡轮增压器与柴油机在低速时扭矩不足、响应迟滞，海拔上升时柴油机性能恶化的有效技术手段[12-16]。Wijetugne等[17]对柴油机进行可变喷嘴涡轮增压器（variable nozzle turbocharger, VNT）和EGR的联合控制研究，通过调节VNT增压器喷嘴位置改变排气背压，改变进气量和EGR率，降低了NOx排放。王浒等[18-20]研究了VNT或VGT与EGR耦合控制对柴油机性能和排放的影响，研究表明：采用VNT或VGT可在各个工况实现理想的EGR率，显著降低NOx排放，并且能够在一定的EGR率范围内保持较高的空燃比；通过控制VNT或VGT的开度，提高空燃比，限制柴油机的PM排放，同时可以改善柴油机动力性与燃油经济性。

柴油机在高海拔地区运行时，随着海拔的升高，大气压力和空气密度随之降低，导致柴油机的动力性、经济性、可靠性和排放指标都不同程度地下降。董素荣等[21]通过可调二级增压柴油机高海拔燃烧与性能模拟试验,研究了不同海拔条件下VGT开度对柴油机性能的影响，结果表明海拔高度越高柴油机的燃烧越差，动力性恶化。申立中等[22]采用微机控制的大气模拟综合测控系统深入研究了柴油机运行在不同海拔地区的排放特性，根据实验结果分析得出了不同海拔地区之间柴油机碳烟的排放规律。Chaffin等[23]利用自己研发的大气模拟系统模拟3个不同海拔大气压力环境，研究了不同大气压力环境对柴油机动力性和排放性的影响规律，结果表明柴油机的扭矩和微粒排放都随海拔的升高而变差。杨永忠等[24]在海拔高度约为1 960 m的高原地区系统研究了可变喷嘴涡轮增压器对运行在高原地区的车用柴油机动力性、经济性以及排放性能的影响关系,结果表明在高原地区，通过减小VNT喷嘴环开度可以降低涡前温度，进而降低柴油机的热负荷，提高其可靠性，合理调节VNT喷嘴环开度可以获得较为满意的NOx比排放与烟度排放。

多组分含氧燃料来源广泛，含氧有利于改善燃烧过程，提高燃烧效率，其作为替代能源既可以缓解能源危机，又有利于柴油机降低排放[25-29]。Felipe等[30]运用发动机台架试验和热学分析研究了发动机分别燃用4种生物燃料（纯柴油、B100、B20和B50，其中B100、B20和B50是指由生物柴油的掺混比分别为100%、20%和50%与纯柴油掺混而成的混合燃料）对柴油机性能和排放的影响，结果表明B20燃料相比纯柴油功率、扭矩和热效率都有所增加，碳烟排放降低。刘少华等[31]运用发动机台架试验研究了不同类别的含氧生物质燃料（柴油、乙醇柴油E10以及生物柴油-乙醇-柴油B10E10）在高原缺氧环境下对发动机性能和排放的影响，结果表明与E10燃料相比，B10E10混合燃料在柴油机的一氧化碳和碳氢化合物（HC）以及碳烟排放方面具有更好的改善效果；但是动力性下降幅度较大，NOx排放增加。国内外学者针对VNT与EGR对柴油机性能影响规律进行了相关研究，然而针对不同大气压力地区VNT与EGR对燃用多组分含氧燃料柴油机性能影响规律的研究极少。

选择燃用纯柴油和多组分含氧燃料的高压共轨柴油机作为研究对象，利用大气模拟系统、常规试验台架以及排放测试装置，在80和100 kPa的大气环境下，研究了VNT与EGR系统对含氧燃料柴油机的动力性、经济性以及排放特性的影响规律，以期为高原柴油机实现高效低污染燃烧提供参考。

1 试验设备及台架

研究对象为一台带EGR回路和VNT涡轮增压器的直列四缸高压共轨柴油机。其主要技术参数如表1所示。台架设备主要为WE31水涡流测功机（杭州奕科机电技术有限公司，精度为±2%·满量程）、TOCEIL-LFE300 进气流量计（上海同圆发动机测试设备有限公司，精度为±1%·测量值）、FCM04瞬态油耗仪（杭州奕科机电技术有限公司，精度为＜±0.05%·满量程）、AVL415SG002烟度计（奥地利·AVL李斯特有限公司）等，试验台架布置如图1所示。

表1 发动机基本设计参数

1.稳压罐 2.中冷器 3.EGR阀 4.数据采集器 5.EGR冷却器 6.测功机 7.INCA V7.1 8.接口硬件 9. 带ETK的ECU 10. 415S G002烟度计 11. AVL SESAM i60 FTIR 12.VNT涡轮增压器 13.层流流量计

2 试验方案

2.1 试验所用燃料

研究中所选燃料为纯柴油与B15E5含氧燃料，2种燃料的理化特性如表2所示。B15E5含氧燃料由0#柴油、99.5%浓度无水乙醇和用地沟油提炼成的生物柴油混合而成，体积比例分别为80%柴油、15%生物柴油、5%乙醇。前期进行了柴油、乙醇、生物柴油的互溶性和稳定性试验，获得了不同配比生物乙醇柴油（biodiesel- ethanol-diesel, BED）燃料混合的三相互溶区。

表2 柴油、B15E5燃料的理化特性

注：B15E5燃料代表由体积比例分别为80%柴油、15%生物柴油和5%乙醇混合而成的含氧燃料。

Note: B15E5 fuel represents an oxygenated fuel made up of a mixture of 80% diesel, 15% biodiesel and 5% ethanol.

生物柴油的十六烷值比柴油高，而乙醇的十六烷值则比柴油低得多，因此BED燃料十六烷值比柴油低。BED燃料十六烷值可以通过柴油、生物柴油和乙醇的比例以及各自的十六烷值计算得到，计算公式如式（1）[32-33]。

CNBED= CNb·V+ CNe·V+ CNd·V（1）

式中CNBED，CNb，CNe，CNd分别表示多组分燃料，生物柴油，乙醇以及柴油的十六烷值；V，V与V分别指BED多组分燃料中生物柴油，乙醇和柴油体积百分比。

2.2 方案设计

试验通过大气模拟系统，研究不同大气压力环境下VNT与EGR系统对柴油机分别燃用柴油燃料和B15E5性能的影响规律。论文主要进行VNT与EGR系统对柴油机性能和排放特性影响的基础试验研究，为保证能实现较大的EGR率且不严重影响发动机性能，故试验选择工况为发动机最大扭矩转速（2 200 r/min）、定油量为40 mg以及额定功率转速（4 000 r/min）、定油量为36 mg。试验方案如下表3所示。

二是参与主体的多元化。这是我们最为熟悉的养老服务社会化的内容，也是大部分学者讨论最多的一点。所谓养老服务主体的“社会化”主要是指相对于“家庭”和“国家”而言的。充分动员、组织社会各方面的力量，参与到社会养老服务中来，这些主体包括企业、社会组织、慈善机构等等。通过大力培育和扶持非营利社会组织，让尽可能多的养老服务的事务由社会组织去承担；通过积极的产业化政策创造良好的产业环境，使得企业能够在养老服务市场中立足并做大做强，提供多维度、高质量的养老服务。

表3 试验研究方案

3 试验结果与分析

3.1 动力性对比分析

VNT开度和EGR率的变化都会直接导致柴油机空燃比发生变化，从而对柴油机的动力性、经济性和排放性产生影响。论文研究是基于定循环喷油量下VNT开度和EGR率的变化对柴油机性能和排放特性的影响，而试验用柴油机的冒烟极限值为固定空燃比17.5，故所有研究均在空燃比＞17.5的条件下进行。图2为不同大气压力下VNT开度和EGR率对含氧燃料柴油机动力性的影响。

图2 VNT与EGR耦合对不同气压下柴油机动力性的影响

Fig.2 Effect of VNT and EGR coupling on diesel engine power performance at different atmospheric pressures

试验结果表明在不同大气压力下，B15E5的动力性差于纯柴油，柴油机的动力性随着VNT开度和EGR率的增大以及大气压力的降低而下降。如在转速为2 200 r/min工况下，大气压力为80 kPa时，VNT开度从22%增大至28%扭矩平均降低3.8 N·m，EGR率每增大5%扭矩平均降低0.8 N·m，大气压力从100减小到80 kPa时扭矩平均降低3.4 N·m。在4 000 r/min转速下，VNT开度从50%增加至70%扭矩平均降低4.8 N·m，EGR率每增大5%扭矩平均降低1.8 N·m，大气压力从100减小到80 kPa时扭矩平均降低5 N·m。

B15E5的低热值低于纯柴油燃料是导致其动力性变差的主要原因。随着VNT开度的增大，涡轮机的流通面积增大导致涡轮机做功效率降低，使发动机进气量降低且随着大气压力的降低，进气量降低程度更为剧烈，从而导致发动机动力性下降；当EGR率增大时，驱动涡轮机的排气量降低导致涡轮机做功能力下降，使发动机的进气量下降，同时也降低了混合气中的氧气浓度，造成发动机燃烧情况恶化，燃烧压力和温度降低，进而造成动力性下降。在VNT开度和EGR率保持不变的情况下，随着大气压力的降低空气密度和含氧量下降，空燃比降低在循环喷油量不变的情况下，柴油机燃烧过程变差，因此导致柴油机动力性变差。

3.2 经济性对比

图3表示为不同大气压力下VNT开度和EGR率对含氧燃料柴油机经济性的影响。试验结果表明在不同大气压力下B15E5的经济性差于纯柴油，随着VNT开度和EGR率的增大以及大气压力的下降柴油机的经济性随之变差。

大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min、VNT开度为22%时，B15E5的比油耗相对于纯柴油平均增幅为4.89%，这主要是由于混合燃料中的生物柴油和乙醇热值低于纯柴油，未对喷油量进行调整的情况下，与纯柴油相同量的混合燃料所释放出的热量低于纯柴油从而导致比油耗增加。

在大气压力为80 kPa，转速为2 200 r/min工况下，随着VNT开度的增加，柴油机的比油耗升高，VNT开度从22%增加至28%比油耗平均增加4.2 g/(kW·h)；转速为4 000 r/min时，VNT开度从50%增加至70%比油耗平均增加7.6 g/(kW·h)。这是因为在80 kPa下，空气密度和氧含量相对较低，随着VNT喷嘴环开度的增大，进气流量降低，空燃比的降低导致燃烧不充分，因而有效燃油消耗率升高。

在大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min、VNT开度为28%时，比油耗随着EGR率增大呈上升趋势，EGR率每增大5%比油耗平均增加1.5 g/(kW·h)；在转速为4 000 r/min、VNT开度为70%时，EGR率每增大5%比油耗平均增大1.4 g/(kW·h)。这是因为随着EGR率的增大，混合气中氧浓度降低，空燃比降低，燃烧过程恶化，因而有效燃油消耗率升高。随着大气压力的下降，发动机进气量变小导致燃烧过程恶化，进而导致了发动机的经济性表差。

注：比油耗指有效燃油消耗率。

3.3 排放性对比分析

3.3.1 氮氧化物（NOx）排放

图4表示为不同大气压力下VNT开度和EGR率对含氧燃料柴油机氮氧化物排放的影响。试验结果表明在不同大气压力下B15E5燃料NOx排放略高于纯柴油燃料，EGR有效降低了柴油机的氮氧化物的排放且随着EGR率的增大柴油机的NOx排放随之减小，随着大气压力的升高NOx排放随之增大，而VNT对NOx的影响则因发动机转速不同而出现不同影响规律。

NOx的生成主要取决于燃烧过程中的氧浓度、燃烧温度以及反应时间。大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min、VNT开度为22%时，EGR率每增大5%时柴油机的NOx排放平均降低12%；而在大气压力为80 kPa、转速为4 000 r/min、VNT开度为70%时，EGR率每增大5%时柴油机的NOx排放平均降低17.5%。这是因为随着EGR率的增大氧浓度和最高燃烧温度降低从而使NOx排放降低。

图4 VNT与EGR耦合对不同气压下NOx排放的影响

在大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min、EGR率为10%时，柴油机的NOx排放随VNT开度的增大而减小，VNT开度从22%增大至28%时柴油机的NOx平均减小15%；而在4 000 r/min时NOx随VNT开度的增大而增大，VNT开度从22%增大至28%时柴油机的NOx平均增加4.5%。这是因为VNT喷嘴环开度增大，增压压力和进气流量均降低，一方面，滞燃期延长，预混燃烧比例增加，使得缸内的初期放热量增加，有利于燃烧温度的提高，促进NOx的生成；另一方面，缸内的氧含量减少，又抑制了NOx的生成。在发动机转速为2 200 r/min时，氧含量的减少对NOx生成占主导地位，而在4 000 r/min时，则是燃烧温度对NOx生成起主导作用。

在转速为2 200 r/min、VNT开度为28%工况时，大气压力从80增加到100 kPa时NOx排放平均增加了11%；而在转速为4 000 r/min、VNT开度为70%工况时，大气压力从80减小到100 kPa时NOx排放平均增加了7.9%。这是因为在EGR率相同时，随着大气压力的升高，空燃比增大，缸内的氧浓度增大，同时缸内的最高燃烧温度也降低，而此时缸内的氧浓度的增大对NOx生成的促进作用占主导地位，所以NOx排放增加。

3.3.2 碳烟排放

图5表示不同大气压力下VNT开度和EGR率对含氧燃料柴油机的碳烟排放影响。试验结果表明在不同大气压力下B15E5燃料的碳烟排放均低于柴油燃料，在大气压力100 kPa、VNT开度22%、转速为2 200 r/min时，B15E5的碳烟排放比柴油平均降低43%；在VNT开度50%，转速为4 000 r/min下B15E5的碳烟排放比柴油平均降低21%。一般认为碳烟是不完全燃烧的产物，是碳氢化合物在高温缺氧的情况下燃烧或者裂解释放出并聚合而成的，BED混合燃料能够降低碳烟排放的主要原因是其自供氧特性。在80 kPa高原环境下，大气压力和密度都较低，进气量不足，BED燃料的含氧特性能够有效增加较浓混合气区域的含氧量，改善燃烧过程。另外，混合燃料的分子结构也有一定的影响，混合燃料分子结构中不含C－C键或含量较低，使得在燃烧过程中产生的聚合成碳烟核基本单元PAH先驱物的小分子不饱和碳氢较少，从而能够降低碳烟排放。

VNT开度从22%增大到28%烟度的平均增幅为175.3%。大气压力和VNT开度相同时，碳烟排放随着EGR率增大而上升。在转速为2 200 r/min，VNT开度22%，EGR率每增大5%烟度的平均增幅为331.9%；转速为4 000 r/min，VNT开度50%，EGR率每增大5%烟度的平均增幅为91.6%。随着EGR率的增大，空燃比降低，缸内的氧含量减少，降低了燃料完全燃烧的比例，同时EGR率增大使得最高燃烧温度下降也阻碍了碳烟的进一步的氧化，因而烟度升高。

在大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min时，VNT开度从22%增大至28%时烟度的平均增幅为162.8%；在转速为4 000 r/min时，VNT开度从50%增大70%烟度的平均增幅为54.5%。随着VNT喷嘴环开度的增大，进气流量降低，混合气质量变差，燃烧恶化，同时缸内氧含量的降低使得碳烟后期的氧化受到抑制，因而排气烟度上升。

在转速为2 200 r/min、VNT开度为28%工况时，大气压力从100降低到80 kPa时烟度的平均增幅为96.6%；而在转速为4 000 r/min、VNT开度为70%工况时，大气压力从100降低到80 kPa时烟度的平均增幅为20.9%。这是因为随着大气压力的降低，空气密度降低，混合气中含氧量减少，导致燃烧恶化进而使碳烟排放增大。

图5 VNT与EGR耦合对不同气压下碳烟排放的影响

4 结 论

1）在不同大气压力下柴油机的动力性随着可变喷嘴涡轮增压器（variable nozzle turbocharger, VNT）开度、废气再循环（exhaust gas recirculation, EGR）率的增大以及大气压力的降低而下降，在大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min工况下，VNT开度从22%增大至28%扭矩平均降低3.8 N·m，EGR率每增大5%扭矩降低0.8 N·m，大气压力从100降低至80 kPa扭矩平均降低3.4 N·m。

2）随着VNT开度和EGR率的增大以及大气压力的下降，柴油机的燃烧恶化，其经济性也随之变差。在大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min工况下，VNT开度从22%增大至28%比油耗平均增加4.2 g/(kW·h)，EGR率每增大5%比油耗平均增加1.5 g/(kW·h)，大气压力从100降低至80 kPa比油耗平均增加4.9 g/(kW·h)。

3）使用EGR后NOx排放得到明显改善，NOx排放随着VNT开度和EGR率的增大而减小，而随着大气压力的升高而增大。在大气压力为80 kPa、转速为2 200 r/min工况下，VNT开度从22%增大到28%时NOx平均减小15%，EGR率每增大5%时NOx排放平均降低12%，大气压力从80增大到100 kPa时NOx排放平均增加11%。碳烟排放则随着VNT开度和EGR率的增大以及大气压力的降低而增大。VNT开度从22%增大到28%烟度的平均增幅为175.3%，EGR率每增大5%烟度的平均增幅为331.9%，大气压力从100降低至80 kPa时烟度的平均增幅为96.6%。

[1] 于超，肖建华，王建昕，等. EGR率对燃用生物柴油的重型柴油机排放特性影响[J]. 汽车工程，2008，30(10)：871－874.

Yu Chao, Xiao Jianhua, Wang Jianxin et al. The influence of EGR Rate on the emission characteristics of heavy-duty diesel engine fueled with biodiesel[J]. Automotive Engineering, 2008, 30(10): 871－874. (in Chinese with English abstract)

[2] 环境保护部机动车排污监控中心. 环境保护部发布《2013年中国机动车污染防治年报》[J]. 环境与可持续发展，2014，39(1)：9－10.

[3] Liu Shaohua, Shen Lizhong, Bi Yuhua, et al. Effects of altitude and fuel oxygen content on the performance of a high pressure common rail diesel engine[J]. Fuel, 2014, 118(1): 243－249.

[4] 王建昕，帅石金. 汽车发动机原理[M]. 北京：清华大学出版社，2011.

[5] 王一江，董尧清. 国-Ⅳ中重型电控共轨柴油机EGR技术路线探讨[J]. 内燃机工程，2011，32(2)：6－11.

Wang Yijiang, Dong Xiaoqing, Investigation of EGR system in MD&HD CR diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2011, 32(2): 6－11. (in Chinese with English abstract)

[6] 贾和坤，刘胜吉，尹必峰，等. EGR对轻型柴油机缸内燃烧及排放性能影响的可视化[J]. 农业工程学报，2012，28(5)：44－49.

Jia Hekun, Liu Shengji, Yin Bifeng, et al. Visualization of influence of ERG on combustion process and emission performance for light-duty diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 44－49. (in Chinese with English abstract)

[7] Khalef M S, Soba A, Korsgren J. Study of EGR and turbocharger combinations and their influence on diesel engine’s efficiency and emissions[C]// SAE 2016 World Congress and Exhibition, 2016. https://doi.org/10.4271/2016-01-0676.

[8] Rolf Egnell. The influence of EGR on heat release rate and NO formation in a DI diesel engine[C]//SAE Technical Paper 2000-01-1807. https://doi.org/10.4271/2000-01-1807.

[9] 张韦，吴伟，朱明，等. 高原环境下EGR中的各组分对柴油机性能的影响[J]. 燃烧科学与技术，2015，21(3)：209－216.

Zhang Wei, Wu Wei, Zhu Ming, et al. Effects of different components of EGR on performance of diesel under high altitude conditions[J]. Journal of Combustion Science & Technology, 2015, 21(3): 209－216. (in Chinese with English abstract)

[10] 朱瑞军，王锡斌，冉帆，等. EGR和冷EGR对柴油机燃烧和排放的影响[J]. 西安交通大学学报，2009，43(9)：23－26.

Zhu Ruijun, Wang Xibin, Ran Fan, et al. Effects of EGR and cooled EGR on combustion and emission of a diesel engine[J]. Journal of Xian Jiaotong University, 2009, 43(9): 23－26. (in Chinese with English abstract)

[11] 颜文胜，申立中，郑伟，等. 文丘利管在增压中冷柴油机EGR系统中的应用[J]. 农业机械学报，2006，37(6)：5－8.

Yan Wensheng, Shen Lizhong, Zhen Wei, et al. Study on venturi pipe used in EGR system of turbocharger inter-cooled diesel[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(6): 5－8. (in Chinese with English abstract)

[12] 郭林福，马朝臣，施新，等. VGT对柴油机经济性和动力性影响的试验研究[J]. 内燃机学报，2004，22(2)：116－121.

Guo Linfu, Ma Chaochen, Shi Xin, et al. Experimental study of VGT on fuel economy and power of diesel engine[J]. Transactions of Csice, 2004, 22(2): 116－121. (in Chinese with English abstract)

[13] Arnold S, Groskreutz M, Shahed S M, et al. Advanced variable geometry turbocharger for diesel engine applications[C]// SAE 2002 World Congress & Exhibition, 2002.

[14] 倪计民，刘越，石秀勇，等. 可变喷嘴涡轮增压及废气再循环系统改善柴油机排放性能[J]. 农业工程学报，2016，32(16)：82－88.

Ni Jiming, Liu Yu, Shi Xiuyong, et al. Variable nozzle turbine combined with Venturi exhaust gas recirculation system improving emission performance of diesel engines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 82－88. (in Chinese with English abstract)

[15] 唐蛟，李国祥，王志坚，等. 基于欧Ⅵ柴油机EGR阀与VGT阀解耦控制策略研究[J]. 内燃机工程，2015，36(3)：63－67. Tang Jiao, Li Guoxiang, Wang Zhijian, et al. Study of EGR/VGT decoupling control strategy based on euro VI diesel engines[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2015, 36(3): 63－67. (in Chinese with English abstract)

[16] 郭鹏江，王天灵，李德刚，等. 利用文丘里管和VNT提高柴油机EGR率的研究[J]. 内燃机学报，2009，27(2)：140－145.

Guo Pengjiang, Wang Tianlin, Li Degang, et al. Study on increasing EGR rate of diesel engine with venturi pipe and VNT[J]. Transactions of Csice, 2009, 27(2): 140－145. (in Chinese with English abstract)

[17] Wijetunge R S, Hawley J G, Vaughan N D. Application of alternative EGR and VGT strategies to a diesel engine[J]. SAE World Congress & Exhibition, 2004. https://doi.org/10.4271/2004-01-0899.

[18] 王浒，尧命发，郑尊清，等. 基于VGT的EGR对电控柴油机影响的试验研究[J]. 内燃机学报，2009，27(2)：109－115.

Wang Hu, Yao Mingfa, Zhen Zunqing, et al. Experiment study of EGR based on VGT on performance and emission of a common rail diesel engine[J]. Transactions of Csice, 2009, 27(2): 109－115. (in Chinese with English abstract)

[19] 田径，刘忠长，葛思非，等. 可变几何截面增压器/废气再循环对重型柴油机性能和排放的影响[J]. 吉林大学学报：工学版，2009，39(4)：864－868.

Tian Jing, Liu Zhongchang, Ge Sifei, et al. Effect of VGT/EGR system on performances and emissions of heavy-duty diesel engine[J]. Journal of Jilin University, 2009, 39(3): 864－868. (in Chinese with English abstract)

[20] 王天灵，李骏，吴君华，等. EGR和VNT的匹配对增压柴油机排放的影响[J]. 吉林大学学报，2006，36(4)：493－496.

Wang Tianlin, Li Jun, Wu Junhua, et al. Synergic effects of EGR and VNT on exhaust emissions from turbocharged diesel engine[J]. Journal of Jilin University, 2006, 36(4): 493－496. (in Chinese with English abstract)

[21] 董素荣，熊春友，刘瑞林，等. 高原环境下柴油机增压技术研究与应用[J]. 军事交通学院学报，2015，17(5)：44－48.

Dong Surong, Xiong Chunyou, Liu Ruilin, et al. Study and application of turbocharging technologies for diesel engine in plateau environment[J]. Journal of Military Transportation University, 2015,17(5)：44－48. (in Chinese with English abstract)

[22] 申立中，杨永忠，雷基林，等. 不同海拔下增压中冷柴油机性能和排放的研究[J]. 内燃机学报，2006，24(3)：250－255.

Shen Lizhong, Yang Yongzhong, Lei Jilin, et al. Study of performance and emissions of a turbocharged inter-cooling diesel engine at different altitudes[J]. Transactions of Csice, 2006, 24(3):250－255. (in Chinese with English abstract)

[23] Chaffin C A, Ullman T L. Effects of increased altitude on heavy-duty diesel engine emissions[C]// International Congress & Exposition. 1994. https://doi.org/10.4271/940669.

[24] 杨永忠，申立中，毕玉华，等. 可变喷嘴涡轮增压器（VNT）对高原地区车用柴油机性能与排放的影响研究[J]. 装备环境工程，2017，14(10)：12－18. Yang Yongzhong, Shen Lizhong, Bi Yuhua, et al. Influences of variable nozzle turbocharger (VNT) on performance and emission of vehicle diesel engine operating at high altitude[J].Equipment Environmental Engineering, 2017, 14(10): 12－18. (in Chinese with English abstract)

[25] 沈颖刚，李伟东，陈贵升，等. 高原环境下生物柴油对压燃式发动机性能与排放特性的影响[J]. 内燃机工程，2015，36(4)：150－156.

Shen Yinggang, Li Weidong, Chen Guisheng, et al. Effects of biodiesel on the performance and emission characteristics of CI engine running at high altitude region[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2015, 36(4): 150－156. (in Chinese with English abstract)

[26] Kuti O A, Zhu J, Nishida K, et al. Characterization of spray and combustion processes of biodiesel fuel injected by diesel engine common rail system[J]. Fuel, 2013, 104(2): 838－846.

[27] 李铭迪，王忠，许广举，等. 乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28(2)：29－34.

Li Mingdi, Wang Zhong, Xu Guangju, et al. Experimental investigation on combustion and emission characteristics of diesel engine fueled with ethanol/diesel blends[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 29－34. (in Chinese with English abstract)

[28] 马志豪，张小玉，马凡华，等. 生物柴油混合比对柴油机排放颗粒特性的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(18)：64－68.

Ma Zhihao, Zhang Xiaoyu, Ma Fanhua, et al. Effects of proportions of biodiesel/diesel blends on structures of diesel engine particulates[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(18): 64－68. (in Chinese with English abstract)

[29] Palash S M, Kalam MA, Masjuki H H, et al. Impacts of biodiesel combustion on NOxemissions and their reduction approaches[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2013, 23(4): 473－490.

[30] Felipe Sotoa, Márcio Alvesb ,Juan Carlos Valdésc, et al. The determination of the activation energy of diesel and biodiesel fuels and the analysis of engine performance and soot emissions[J]. Fuel Processing Technology, 2018, 174: 69－77.

[31] 刘少华，申立中，毕玉华，等. 高原缺氧环境下生物质燃料对柴油机性能和排放的影响[J]. 农业工程学报，2014，30(13)：53－59.

Liu Shaohua, Shen Lizhong, Bi Yuahua, et al. Effects of biofuels on performance and emissions of diesel engine under high-altitude hypoxic condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(13): 53－59. (in Chinese with English abstract)

[32] 刘少华，申立中，张生斌，等. BED混合燃料稳定性及对高原地区发动机性能影响的研究[J]. 汽车工程，2012，

34(9)：816－820.

Liu Shaohua, Shen Lizhong, Zhang Shengbin, et al. A research on the stability of BED blend fuel and its effects on the engine performance in plateau area[J]. Automotive Engineering, 2012, 34(9): 816－820. (in Chinese with English abstract)

[33] 李浔，谢丹，王艳宜，等. 柴油-生物柴油-乙醇溶解性及其调和燃料特性的研究[J]. 应用化工，2011，40(3)：376－380.

Li Xun, Xie Dan, Wang Yanyi, et al. Solubility and fuel properties of a diesel-biodiesel-ethanol blend fuel[J]. Applied Chemical Industry, 2011, 40(3): 376－380. (in Chinese with English abstract)

Effect of VNT and EGR coupling on performance of diesel engine fueled with oxygenated fuel under different atmospheric pressures

Bi Yuhua1, Tang Chengzhang1, Shen Lizhong1, Wen Wanbin1, Wang Jun1, Song Guofu2

(1.,,650500,; 2..,.,650500,)

Due to the advantages of good economy, lighter specific mass and good mobility, the internal combustion engine has become the thermal energy machinery used most widely. With the increasing exhaustion of oil resources in the world and the challenge of increasingly stringent emission regulations, the advantages of biodiesel, such as low emission, renewable and biodegradable property, have aroused widespread concern, and meanwhile, engine manufacturers around the world have adopted a wide array of VNT (variable nozzle turbocharger) and EGR (exhaust gas recirculation) technologies in order to maintain performance when downsizing their engines. The focus of diesel engine emission control is NOx(nitric oxide) and PM (particulate matter) emissions. The terrain changes in China are complex; when the diesel engine runs in the plateau areas, due to that the air pressure is reduced, the air is thin and the oxygen content of the intake charge is reduced, the combustion of the engine is deteriorated, the engine power and economy are reduced, the NOxemission is reduced, and the PM emission is increased. EGR and VNT combined with the technology of mixing fuel containing oxygen can broaden the applicable conditions of EGR, and improve the air-fuel ratio, which could resolve the conflicts between NOxand PM emissions, but also reduce the degree of deterioration of diesel engine caused by rising altitude. A high pressure common rail diesel engine coupled with EGR and VNT is selected as the research type, and biodiesel and bio-ethanol are mixed into diesel fuel to form multi-component oxygenated fuel (biodiesel-ethanol-diesel, BED) at a certain proportion. Under the atmospheric pressure environment of 100 and 80 kPa (VNT opening and EGR valve opening (control EGR rate) are adjusted by ECU(electronic control unit), ES590 and INCA calibration software), the influence of VNT and EGR on the power, economy and emission characteristics of oxygenated fuel diesel is studied by atmospheric simulation system. The results show that the power and economy of the oxygenated fuel diesel engine become worse with the increase of the VNT opening and the EGR rate and the decrease of the atmospheric pressure. Under the condition of the atmospheric pressure of 80 kPa and the speed of 2 200 r/min, the opening of VNT increases from 22% to 28%, the torque is reduced by 3.8 N·m, and the average increase of oil consumption is 4.2 g/(kW·h). When the EGR rate increases by 5%, the torque is reduced by 0.8 N·m, and the average increase of oil consumption is 1.5 g/(kW·h). When the atmospheric pressure is reduced from 100 to 80 kPa, the torque is reduced by an average of 3.4 N·m, and the average increase of oil consumption is 4.9 g/(kW·h). When the VNT opening increases from 22% to 28%, the average NOxdecreases by 15%. When the EGR rate increases by 5%, the average NOxemission decreases by 12%. When the atmospheric pressure increases from 80 to 100 kPa, the average increase of NOxemissions is 11%. When the VNT opening increases from 22% to 28%, the average increase of smoke is 477%. When the EGR rate increases by 5%, the average increase of smoke is 331.9%. When atmospheric pressure decreases from 100 to 80 kPa, the average increase of smoke is 96.6%.

diesel engines; combustion; emission control; different atmospheric pressure; variable nozzle turbocharger; exhaust gas recirculation; oxygenated fuel

2018-03-12

2018-06-30

国家自然科学基金项目（51466003，51666005）；云南省基础研究重点项目（2018FA030）

毕玉华，教授，博士生导师，主要从事内燃机现代设计。Email：yuhuabi97@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.006

TK46+4

A

1002-6819(2018)-17-0038-08

毕玉华，唐成章，申立中，文万斌，王 俊，宋国富.VNT与EGR耦合对不同气压下燃用含氧燃料柴油机性能的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：38－45. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.006 http://www.tcsae.org

Bi Yuhua, Tang Chengzhang, Shen Lizhong, Wen Wanbin, Wang Jun, Song Guofu. Effect of VNT and EGR coupling on performance of diesel engine fueled with oxygenated fuel under different atmospheric pressures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 38－45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.006 http://www.tcsae.org