Thuật ngữ Swirl Flow và Tumble Flow – Xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc

Cùng trung tâm VATC tìm hiểu thuật ngữ Swirl Flow và Tumble Flow là gì? Việc cải tiến dòng chảy hỗn hợp nhiên liệu mang lại những lợi ích gì?.

Việc tối ưu dòng chảy xoáy lốc ngang và lốc dọc trong buồng đốt sẽ cải thiện đáng kể quá trình chuyển động của hỗn hợp nhiên liệu, đồng thời giúp cải thiện sự hòa trỗn hỗn hợp nhằm nâng cao đặc tính của động cơ.

I. Dòng chảy xoáy lốc trong xilanh động cơ ô tô

Do có liên quan tới 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 này có thể được định nghĩa là chuyển động ngẫu nhiên của các phần tử chất lỏng bên trong dòng chảy.

Tuy nhiên, sự tạo xoáy lốc bên trong buồng đốt là chuyển động quay sẽ hữu ích hơn trong việc cung cấp, trộn lẫn giữa không khí và nguyên liệu, hơn là các kiểu chuyển động hỗn loạn hay chuyển động thẳng. Ngoại lệ 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 bên trong xylanh sẽ cao hơn trong quá trình nạp và giảm đi khi ở tốc độ thấp, chậm lại dần khi tới gần điểm chết dưới.
• Nếu sự hỗn loạn cao khi ở pittong gần điểm chết trên trong quá trình đánh lửa xảy ra, sẽ rất nguy hiểm cho quá trình cháy. Các liên kết dòng chảy sẽ vỡ ra làm lan truyền tới ngọn lửa nhanh hơn nhiều lần và có thể dẫn tới hiện tượng cháy kích nổ.

Sự nhiễu loạn dòng chảy bên trong động cơ chủ yếu là kiểu Swirl (xoáy ngang) – Tumble (xoáy dọc) – Squish (xoáy rối).

#Xoáy rối trong xilanh Squish

Squish – Chuyển động hướng tâm hoặc xuyên tâm của dòng chảy hỗn hợp nhiên liệu/không khí xảy ra ở cuối hành trình nén, khi phần của mặt pittong và đầu xylanh tiếp cận gần nhau thì được gọi là Squish. Nó biểu hiện ở việc đưa khí vào buồng đốt.

• Nếu dòng khí bên trong buồng đốt là dòng xoáy rối (Squish) do thiết kế sai gốc vào của cổ nạp khí, thì nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất của động cơ thông qua các hệ số xoáy ngang và xoáy dọc.

Dải Squish rất nhỏ trong khi không gian bên trên dải Squish là rất lớn, do sự sắp xếp này mà các phần 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 quanh quanh trục vuông góc với trục của xylanh. Sự quay này thường được gọi là hiệu ứng nhào lộn và dẫn tới sự trộn lẫn không khí và nhiên liệu. Điều này sẽ làm ảnh hưởng tới Tumble Flow.

Sau bài viết, bạn cũng có thể tìm hiểu thêm: Kiến thức về động cơ tăng áp trên ô tô

II. Thuật ngữ Swirl Flow và Tumble Flow là gì?

1. Swirl Flow – Dòng chảy xoáy lốc ngang

Swirl Flow là chuyển động quay theo chiều ngang hình xoắn ốc của hỗn hợp giữa nhiên liệu và khí, nó quay song song xung quanh trục của xylanh 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 của xilanh và hình dạng của buồng đốt. Độ xoáy của lốc phụ thuộc vào thiết kế của đầu nêm (khu vực đóng/mở xupap).

#Dòng chảy xoáy lốc ngang được hình thành như thế nào

Bằng cách chỉnh sửa thiết kế của cổng nạp (xoắn ốc) và đường ống nạp để tạo thành phần tiếp tuyến với dòng nạp. Ví dụ dễ hiểu thì dòng chảy xoáy lốc ngang Swirl Flow cũng tương tự như nước dội trong bồn cầu:

• Vòng xoáy phải luôn đi theo một chiều.
• Việc xoáy luôn thay đổi hướng ở các thời điểm, mức độ nâng xupap khác nhau dẫn tới quá trình đốt cháy sẽ không ổn định và yêu cầu nhiều nhiên liệu hơn để có thể đánh lửa tốt hơn, đồng thời sẽ làm giảm công suất và có thể chạm tới giới hạn kích nổ.
• Mặc dù lưu lượng không khí đầu vào ít hơn, nhưng việc cải tiến thiết kế ở các đầu cổng xoáy sẽ làm gia 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 của nhớt.

#Vì sao phải tạo ra dòng chảy xoáy lốc ngang

Xoáy lốc ngang sẽ giúp gia tăng khả năng trộn lẫn hỗn hợp không khí và nhiên liệu để tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong khoảng thời gian ngắn nhất. Đồng thời cũng giúp đốt cháy nhiên liệu tốt hơn, tạo ra nhiều năng lượng hơn.

• Ngọn lửa lan nhanh phía trước.
• Lượng khí thải ít hơn.

2. Tumble Flow – Dòng chảy xoáy lốc dọc

Tumble Flow là chuyển động quay dọc của hỗn hợp nhiên liệu/không khí khi đi vào trong một mặt phẳng (mặt phẳng gần như bình thường). Khi pittong đạt tới điểm chết trên, chuyển động Squish sẽ 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 pittong.

• Thay vì xoáy ngang hình xoắn ốc như kiểu Swirl Flow, sự hòa trộn lẫn lộn giữa nhiều dòng chảy theo chiều hướng dọc khác nhau sẽ tăng tỉ lệ đốt cháy. Từ đó, cải thiện tính ổn định cho quá trình đốt cháy thông qua việc trộn “điện tích” tốt hơn.
• Sự lộn xộn của các dòng chảy làm giảm xu hướng phát ra tia lửa điện trên động cơ giới hạn chỉ số octan. Thế nhưng, nếu để hiện tượng hòa trộn và xoáy xảy ra quá nhiều thì có thể làm giảm hiệu suốt của thể tích công tác (Ve) và công suất của động cơ.

Đối với kiểu Tumble Flow, nhiều khoảng buồng nhỏ trên đỉnh pittong sẽ tạo ra tiếng kêu và xẹp lép giúp tăng cường quá trình đốt cháy nhiên liệu, do đặc tính phát thải của quá trình đốt cháy tốt hơn đã được giảm thiểu với chi phí hiệu suất.

III. Mối liên hệ giữa dòng chảy xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang

Tốc độ chuyển động của dòng khí càng cao thì nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cháy càng nhanh. Vậy nên, tốc độ cháy càng nhanh sẽ làm công suất đầu ra đáp ứng kịp thời, đặc biệt là ở chế độ tải nhỏ.

Đối với những trường hợp lốc xoáy dọc và ngang giảm đáng kể, nồng độ HC trong khí thải, ảnh hưởng của lốc xoáy có thể làm giảm tới 10% nồng độ HC so với động cơ nguyên thủy ở chế độ hoạt động lạnh.

• Đồng thời, xoáy lốc dọc và ngang ảnh hưởng đến sự bay hơi, hòa 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.

Tìm hiểu ngay thuật ngữ quan trọng trong sửa chữa ô tô: Short Term Fuel Trim và Long Term Fuel Trim

Trên là những thông tin về thuật ngữ Swirl Flow và Tumble Flow (dòng chảy xoáy lốc ngang và lốc dọc trong buồng đốt). Chúc các bạn có những kiến thức thú vị với bài viết này.

Theo: oto-hui.com