Giải thích thuật ngữ swirl và tumble – dòng chảy xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc trong buồng đốt

Giải thích thuật ngữ Swirl và Tumble – Dịng chảy xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc trong
buồng đốt
(News.oto-hui.com) – Tối ưu dịng chảy xốy lốc ngang và xốy lốc dọc trong buồng đốt sẽ
giúp cải thiện quá trình chuyển động của hỗn hợp nhiên liệu. Góp phần cải thiện sự hồ trộn
hỗn hợp nhằm nâng cao đặc tính động cơ. Vậy thuật ngữ Swirl và Tumble là gì? Việc cải tiến
dịng 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 Dịng chảy xốy. Sự hịa trộn hỗn loạn có thể được định nghĩa là chuyển
động ngẫu nhiên của các phần tử chất lỏng bên trong dịng chảy. Thế nhưng, sự tạo xốy 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 dịng chảy trong các góc và các kẽ hở nhỏ của buồng đốt, nơi
gần thành xylanh sẽ làm giảm sự nhiễu loạn.

Swirl và
Tumble – Dịng chảy xốy lốc ngang và xoáy lốc dọc trong buồng đốt
Sự rối loạn dịng chảy trong xi lanh sẽ cao trong q 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 dịng 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 dịng chảy trong động cơ chủ yếu là kiểu Xoáy ngang (Swirl), xoáy dọc
(Tumble) và xoáy rối (Squish).


Squish (vùng màu vàng)
Squish – Chuyển động xuyên tâm hoặc hướng tâm của dịng 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 (khơng gian).
Nếu dịng khí bên trong buồng đốt là dịng rối (Squish) do thiết kế sai góc vào của cổ nạp khí
sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ thơng qua các hệ số xốy dọc hoặc xốy ngang.

Dải squish rất nhỏ trong khi khơng gian phía trên dải squish lớn, do sự sắp xếp này các phân
tử khơng khí sẽ chuyển động nhanh khi nó thốt ra khỏi dải squish.
Khi các phân tử khơng khí thốt ra, nó sẽ bắt đầu quay quanh trục vng 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 thơng qua xupap nạp. Dịng chảy
xốy lốc được xác định bởi vị trí của xupap nạp so với trục đường kính xylanh và hình dạng
buồng đốt. Độ xốy lốc của dòng chảy phụ thuộc vào thiết kế của đầu nêm (khu vực đóng
mở xupap).
Dịng chảy xốy lốc dọc: Khơng 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.


Một thiết kế dẫn khí thí
nghiệm ở kiểu Swirl
Dịng 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, dịng chảy xốy lốc ngang (Swirl Flow) giống như việc dội nước bồn cầu:
Xốy phải ln theo một hướng.
Việc xốy ln 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 cơng
suất, và có thể chạm đến giới hạn kích nổ.
Mặc dù lưu lượng khơng 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 khơng đều trong hình trụ, ít xốy gần thành hơn do lực cản nhớt.

Mơ phịng lưu lượng dịng chảy xốy lốc ngang – Swirl Flow
Tại sao lại tạo ra loại dịng chảy xốy lốc ngang này?
Xoáy lốc ngang sẽ tăng cường trộn hỗn hợp khơng 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 tốn với mục đích khác: Lượng khí thải ít hơn.

Swirl Flows
2. Tumble Flow (Dịng chảy xoáy lốc dọc):


Tumble Flow là chuyển động quay dọc của hỗn hợp khơng 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 “dịng chuyển động dọc”.
Thay vì xốy ngang hình xoắn ốc như dịng chảy xốy 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 q trình đốt cháy thơng 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 xốy q nhiều, có thể làm giảm
hiệu suất của thể tích cơng tác (Ve) và cơng suất của động cơ.

Tumble Flow
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 q trình đốt cháy tốt hơn đã được
giảm thiểu với chi phí hiệu suất.
B. Mối liên hệ giữa dịng chảy xốy lốc dọc (Tumble Flow) và ngang (Swirl Flow):

Tốc độ chuyển độ dịng 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 xốy 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 xốy 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.