Giải thích thuật ngữ Swirl và Tumble – Dòng chảy xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc trong buồng đốt
(News.oto-hui.com) – Tối ưu dòng chảy xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc trong buồng đốt sẽ giúp cải thiện quá trình chuyển động của hỗn hợp nhiên liệu. Góp phần cải thiện sự hoà trộn hỗn hợp nhằm nâng cao đặc tính động cơ. Vậy thuật ngữ Swirl và Tumble là gì? Việc cải tiến dòng chảy hỗn hợp nhiên liệu có ích lợi như thế nào?
Do có liên quan đến vận tốc lớn, tất cả các dòng chảy của hỗn hợp nhiên liệu vào, ra và bên trong hình trụ đều là Dòng chảy xoáy. Sự hòa trộn hỗn loạn có thể được định nghĩa là chuyển động ngẫu nhiên của các phần tử chất lỏng bên trong dòng chảy. Thế nhưng, sự tạo xoáy lốc bên trong buồng đốt là chuyển động quay sẽ hữu ích trong việc cung cấp, trộn lẫn không khí và nhiên liệu thích hợp hơn với các kiểu chuyển động thẳng hoặc kiểu hỗn loạn khác. Ngoại lệ đối với điều này là những dòng chảy trong các góc và các kẽ hở nhỏ của buồng đốt, nơi gần thành xylanh sẽ làm giảm sự nhiễu loạn.
- Sự rối loạn dòng chảy trong xi lanh sẽ cao trong quá trình nạp và giảm khi ở tốc độ thấp, chậm lại dần khi đến gần điểm chết dưới (BDC).
- Nếu độ hỗn loạn cao khi ở piston gần điểm chết trên (TDC) khi quá trình đánh lửa xảy ra rất nguy hiểm cho quá trình cháy. Các liên kết dòng chảy sẽ vỡ ra và lan truyền ngọn lửa nhanh hơn nhiều lần, có thể xảy ra hiện tượng cháy kích nổ.
Sự nhiễu loạn dòng chảy trong động cơ chủ yếu là kiểu Xoáy ngang (Swirl), xoáy dọc (Tumble) và xoáy rối (Squish).
Squish – Chuyển động xuyên tâm hoặc hướng tâm của dòng chảy hỗn hợp nhiên liệu/khí xảy ra ở cuối hành trình nén khi phần của mặt piston và đầu xi lanh tiếp cận gần nhau được gọi là Squish. Nó biểu hiện ở việc đưa khí vào buồng đốt (không gian).
- Nếu dòng khí bên trong buồng đốt là dòng rối (Squish) do thiết kế sai góc vào của cổ nạp khí sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ thông qua các hệ số xoáy dọc hoặc xoáy ngang.
Dải squish rất nhỏ trong khi không gian phía trên dải squish lớn, do sự sắp xếp này các phân tử không khí sẽ chuyển động nhanh khi nó thoát ra khỏi dải squish.
- Khi các phân tử không khí thoát ra, nó sẽ bắt đầu quay quanh trục vuông góc với trục của xi lanh. Sự quay này được gọi là hiệu ứng nhào lộn, dẫn đến sự trộn lẫn không khí và nhiên liệu. Điều này ảnh hưởng đến Tumble Flow.
A. Thuật ngữ Swirl Flow và Tumble Flow:
1. Swirl Flow (Dòng chảy xoáy lốc ngang):
Swirl Flow là chuyển động quay ngang hình xoắn ốc của hỗn hợp nhiên liệu/khí, quay song song xung quanh trục của xi lanh khi nó đi vào buồng đốt thông qua xupap nạp. Dòng chảy xoáy lốc được xác định bởi vị trí của xupap nạp so với trục đường kính xylanh và hình dạng buồng đốt. Độ xoáy lốc của dòng chảy phụ thuộc vào thiết kế của đầu nêm (khu vực đóng mở xupap).
Dòng chảy xoáy lốc dọc: Không khí đi vào xylanh theo hướng lệch trục từ một phía và dần hình thành theo đường xoắn ốc bắt đầu di chuyển dọc xuống xung quanh đường kính xylanh, đối diện với cổng nạp vào.
Dòng chảy xoáy lốc ngang này được tạo ra như thế nào?
- Bằng cách sửa đổi thiết kế cổng nạp (xoắn ốc) và đường ống nạp để tạo thành phần tiếp tuyến với dòng nạp.
Nghĩ đơn giản, dòng chảy xoáy lốc ngang (Swirl Flow) giống như việc dội nước bồn cầu:
- Xoáy phải luôn theo một hướng.
- Việc xoáy luôn thay đổi hướng ở các mức độ, thời điểm nâng xupap khác nhau dẫn đến quá trình đốt cháy sẽ không ổn định, yêu cầu nhiều nhiên liệu để đánh lửa tốt hơn, giảm công suất, và có thể chạm đến giới hạn kích nổ.
- Mặc dù lưu lượng không khí đầu vào ít hơn, nhưng việc cải tiến thiết kế các đầu cổng xoáy sẽ mang lại mức tăng công suất khi động cơ đang vận hành.
- Chuyển động theo góc không đều trong hình trụ, ít xoáy gần thành hơn do lực cản nhớt.
Tại sao lại tạo ra loại dòng chảy xoáy lốc ngang này?
- Xoáy lốc ngang sẽ tăng cường trộn hỗn hợp không khí và nhiên liệu để tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong thời gian ngắn. Đốt cháy nhiên liệu tốt hơn tạo ra nhiều năng lượng hơn
- Ngọn lửa lan nhanh phía trước.
- Thiết kế và tính toán với mục đích khác: Lượng khí thải ít hơn.
2. Tumble Flow (Dòng chảy xoáy lốc dọc):
Tumble Flow là chuyển động quay dọc của hỗn hợp không khí/nhiên liệu khi đi vào trong một mặt phẳng (mặt phẳng gần như bình thường). Khi piston đạt đến điểm chết trên TDC, chuyển động squish tạo ra một dòng chảy thứ cấp gọi là “nhào lộn”. Trong đó chuyển động quay xảy ra theo một trục chu vi gần mép ngoài của khoang hoặc ngay trong lòng piston. Với kiểu Tumble Flow chủ yếu tạo ra “dòng chuyển động dọc”.
- Thay vì xoáy ngang hình xoắn ốc như dòng chảy xoáy Swirl, sự hòa trộn lẫn lộn giữa nhiều dòng chảy theo nhiều hướng dọc khác nhau sẽ tăng tỷ lệ đốt cháy. Qua đó, cải thiện độ ổn định của quá trình đốt cháy thông qua việc trộn “điện tích” tốt hơn.
- Sự lộn xộn của các dòng chảy làm giảm xu hướng phát tia lửa điện trên động cơ giới hạn chỉ số octan. Tuy nhiên, nếu để xảy ra hiện tượng hòa trộn và xoáy quá nhiều, có thể làm giảm hiệu suất của thể tích công tác (Ve) và công suất của động cơ.
Ở Tumble Flow, nhiều khoảng buồng nhỏ trên đỉnh piston tạo ra tiếng kêu và xẹp lép giúp tăng cường quá trình đốt cháy, do đặc tính phát thải của quá trình đốt cháy tốt hơn đã được giảm thiểu với chi phí hiệu suất.
B. Mối liên hệ giữa dòng chảy xoáy lốc dọc (Tumble Flow) và ngang (Swirl Flow):
Tốc độ chuyển độ dòng khí càng cao càng tạo ra nhiệt lượng toả ra của quá trình cháy càng nhanh. Vì vậy tốc độ cháy càng nhanh dẫn đến công suất đầu ra đáp ứng kịp thời đặc biệt ở chế độ tải nhỏ.
Đối với các trường hợp xoáy lốc dọc và ngang giảm đáng kể nồng độ HC trong khí thải, ảnh hưởng của xoáy lốc có thể giảm đến 10% nồng độ HC so với động cơ “nguyên thuỷ” ở chế độ hoạt động lạnh.
- Đồng thời, xoáy lốc dọc và ngang ảnh hưởng đến sự bay hơi, hoà trộn nhiên liệu.
- Đặc biệt ảnh hưởng có lợi của xoáy lốc đến thời điểm đánh lửa sớm qua đó nâng cao tốc độ cháy cải thiện đáng kể đặc tính động cơ, ngăn ngừa cháy kích nổ ở động cơ có chỉ số octan bị giới hạn.
Bài viết liên quan:
- Các kiểu thiết kế đỉnh piston
- 4 kỳ của động cơ đốt trong theo chu trình Otto
- Phân tích cơ cấu phân phối khí xupap đặt và xupap treo
- Xupap động cơ ô tô – Những điều phải biết
