图7-25 二冲程发动机换气过程2.端口流动特性二冲程发动机没有进气门、排气门，仅在气缸壁上设置有进气口、排气口和扫气口，端口根据活塞的位置打开和关闭。图7-26 气缸端口的几何学形状二冲程发动机端口的通道面积随活塞的上下运动（位置）发生变化，因而定义动态流量系数进行相关计算。通过排气口的压力比变化很大，此值在排气减压排放期间大，但在扫气过程期间几乎为1。......
2023-06-28
短路扫气流动模型及影响因素分析
【摘要】：后者称为短路扫气流动。因此，通过模型试验或实际发动机的试验检测这些因素对扫气效率的影响。
实际扫气过程很复杂，很难对实际的扫气效率进行计算。因此，二冲程发动机的理想扫气过程假设为完全分层扫气模型和完全混合扫气模型进行计算，并与试验结果进行比较，逆向追踪扫气状态。理想扫气过程的模型如图7-29所示。
扫气过程的分析首先要假设气缸内燃烧气体和向气缸内进入的空气（或混合气）温度和压力相同，并在扫气过程中温度和压力也没有变化。此外，假设扫气结束时的气缸内全容积与工作容积相同，因mt=mh，nm=nd，nr=1，以此可以推导出
1.完全分层扫气模型
如图7-29a所示，完全分层扫气模型是假设进入气缸内的新气与燃烧气体不混合，新气以完全分离的状态驱赶排放燃烧气体的状态。
图7-29 扫气模型化
在供气比为1以下ηd≤1的状态（或修正供气比ηm≤1时），表示所有排放气体没有被交换的状态，进入的新气全部留在气缸内，即ms=mn，供气效率为ηtr=1。因此，通过式（7.43）可以获得
ηc=ηd=ηsηtr；ηs=ηm （7.46）
在供气比为1以上ηd>1的状态（或修正供气比ηm>1时），即ms>mh时，燃烧气体全部被交换，扫气效率为
ηs=1 （7.47）
但是，如果在进入的新气ms中部分新气被排出，扫气后在气缸内存在的新气质量mn会小于ms，供气效率ηtr会小于1。式（7.47）有ηtr=ηm-1的关系。
2.完全混合扫气模型
如图7-29b所示，完全混合扫气模型是假设在气缸内进入的新气与气缸内残留燃烧废气瞬间完全均匀混合，并通过排气口排出的状态。此假设如下：
①气缸内瞬间发生均匀混合。
②扫气过程是在静态和定压状态发生。
③系统（气缸内）为等温状态，没有通过气缸壁的热传递。
④新气、燃烧气体、外气的密度相同，在此过程中保持不变。
如，在t时间的dt时间期间，从扫气口（孔）进入微量新气质量为dms，从排气口排出微量气体质量为dme时，在质量dme内包含的新气量为ηsdme。由此，可知气缸内新气的微量排气质量为
dmn=dms-ηsdme
另外，气缸内全部气体的质量变化dmt为dmt=dms-dme。因而上式可以表示为
dmn=（1-ηs）dms+ηsdmt
可以推导出
dmn=（1-ηs）mhdηd+ηsmhdηr （7.48）
用mh除等式的两边，并从式（7.42）使用dηc=dmn/mh，
dηc=（1-ηs）dηd+ηsdηr （7.49）
另外从式（7.43）可知
dηc=（1-ηs）dηd+ηsdηr （7.50）
从式（7.49）和式（7.50），可知
式中，Z为积分常数。在扫气过程的初期，因ηs=0、ηd=0，代入上式中可得Z=ηrln1=0，因此可知
完全分层扫气模型和完全混合扫气模型随供气比ηd变化的扫气效率ηs和供气效率ηtr如图7-30所示。在式（7.51）中，完全分层扫气是没有新气被排放的理想排气条件，完全混合扫气是气缸内残留废气和新气以50%比例混合的状态。完全分层扫气的供气效率是在供气比ηd=1为止为100%，此时如果供气量继续增加，部分空气会与燃烧气体一起被排放，供气效率就会降低。另外，完全混合扫气中的供气效率随供气比的增加而降低。
实际发动机表现为这两种性能的中和，有时根据条件表现为比完全混合扫气的性能更差的性能。实际发动机如果忽略动态效果，供气比会小于1。由图可以看出，虽然供气效率良好，但扫气效率不好。对汽油机来说，为了不使混合气（燃料）直接从排气口被排放，需要高的供气效率。
从另一个角度来看，因扫气效率低会使残留废气量较多，为了确保良好的燃烧，需要提供浓混合气。
配备增压器（压缩器）的发动机，供气比可能会大于1。这虽能改善扫气效率，但会恶化供气效率。如果采取气缸内的燃料喷射，则二冲程柴油机的燃料消耗率和未燃碳氢化合物的排放量会达到适当的水平。
恶化扫气效率和供气效率有两种情况：一是存在稀释或没有被排放的已燃气体团，扫气效率和供气效率均下降的情况；二是从进气口直接向排气口流动的情况。后者称为短路扫气流动。短路扫气流动不是混合或驱赶排放已燃气体的过程，因此扫气效率和排气效率都要下降。
图7-30 供气比与扫气效率、供气效率之间的关系
3.扫气效率的测量
扫气效率会受到扫气口和排气口的形状、温度、压力等的影响。因此，通过模型试验或实际发动机的试验检测这些因素对扫气效率的影响。
（1）排气分析法 在浓混合气的燃烧气体中，理论上不应存在氧气。但是，总会有在扫气过程中从排气口直接排放的空气（或混合气），即使浓混合气有燃烧，但在排气中仍存在氧气（O2）。因此，通过检测排气中氧气（O2）的质量分数，可以求出供气效率ηtr的近似值。
式中，O2为氧气质量分数（%）。
（2）气缸内气体取样法 这是在气缸内气体扫气前（排气口开启前）和扫气后（排气口关闭后），通过气体取样法对各过程气缸内的气体进行采样，并检测容积比（%）二氧化碳（CO2）或氧气（O2）的含量，以计算扫气效率ηs的方法。
扫气效率ηs近似地可以用下式进行计算：
式中，下标1、2分别表示扫气前燃烧气体和扫气后混合气体。根据气体分析法，有必要对这些质量分数分析值进行修正。测量气体以O2代替CO2也可以。
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