พอร์ตอินเจกชันหรือดิเรกต์? ทำไมการเลือกระบบจ่ายเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จึงสำคัญ

การฉีดแบบพอร์ตพ่นเชื้อเพลิงเข้าไปในแมนิโฟลด์ดูดอากาศ ส่วนการฉีดแบบตรงพ่นเชื้อเพลิงเข้าไปในห้องเผาไหม้โดยตรง การฉีดแบบพอร์ตให้การตอบสนองคันเร่งที่นุ่มนวลกว่าและการปล่อยอนุภาคต่ำกว่า ส่วนการฉีดแบบตรงให้ประสิทธิภาพสูงกว่าและปล่อย CO2 ต่ำกว่า ด้วยเหตุนี้ผู้ผลิตที่ต้องการจับสมดุลระหว่างกำลัง ประสิทธิภาพ และการปล่อยมลพิษไปพร้อมกัน จึงใช้ทั้งสองระบบร่วมกันในเครื่องยนต์เดียวกัน

การฉีดแบบพอร์ตคืออะไร และแตกต่างจากการฉีดแบบตรงอย่างไร?

น้ำมันเบนซินในสถานะของเหลวไม่สามารถลุกไหม้ด้วยตัวเองได้ ในการเผาไหม้ มันต้องถูกแยกเป็นหยดเล็กๆ ก่อน นั่นคือการทำให้เป็นละออง แล้วจึงระเหิด ความแตกต่างทั้งหมดระหว่างการฉีดทั้งสองแบบเกิดจากข้อกำหนดทางฟิสิกส์ที่ง่ายดายนี้: ตำแหน่งที่เชื้อเพลิงถูกพ่นและด้วยแรงดันเท่าใด ก็เป็นตัวกำหนดบุคลิกของเครื่องยนต์

ในการฉีดแบบพอร์ต (PI หรือที่เรียกว่า multi-point/MPFI เพราะมีหัวฉีดประจำแต่ละกระบอกสูบ) หัวฉีดจะติดตั้งอยู่บนแมนิโฟลด์ดูดอากาศ และพ่นเชื้อเพลิงไปที่ด้านหลังวาล์วดูด ก่อนถึงวาล์วดูดเสียอีกเล็กน้อย เชื้อเพลิงจะเดินทางไกลในท่อดูดก่อนเข้ากระบอกสูบ และมีเวลามากพอสำหรับการระเหิด การวางตำแหน่งหัวฉีดให้ห่างจากวาล์วและหัวเทียน ในตำแหน่งด้านบนของวาล์ว ก็ทำได้ง่ายในเชิงกล เนื่องจากระบบทำงานที่แรงดันต่ำ จึงทั้งถูกและทนทาน

ส่วนในการฉีดแบบตรง (GDI/DI) หัวฉีดจะเปิดเข้าสู่ห้องเผาไหม้โดยตรง ผ่านจุดเข้าถึงแยกต่างหากบนหัวเครื่องยนต์ แรงดันเพิ่มขึ้นเป็นชั้นๆ: เท่ากับ 50-100 เท่า ของแรงดันในระบบพอร์ต มาตราส่วนแสดงให้เห็นว่าความแตกต่างน่าทึ่งเพียงใด - เชื้อเพลิงที่อัดแรงดันถึง 1000 psi เมื่อพ่นผ่านรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.006-0.011 นิ้ว จะสร้างหมอกที่มีความเร็วถึง 135 mph โดยมีขนาดหยดเพียง 0.000003 นิ้ว เนื่องจากการเปลี่ยนสถานะอย่างรวดเร็วนี้เกิดขึ้นภายในกระบอกสูบ ผลของมันจึงรู้สึกได้ตรงนั้นด้วย

การฉีดแบบพอร์ต: เพราะเหตุใดจึงยังเป็นเทคโนโลยีที่มีความเกี่ยวข้อง?

ข้อดีที่ถูกมองข้ามที่สุดอย่างหนึ่งของการฉีดแบบพอร์ต คือวิธีใช้ประโยชน์จากความร้อนที่เชื้อเพลิงดูดซับขณะระเหิด ในระบบ PI ผลการระบายความร้อนนี้เกิดขึ้นในแมนิโฟลด์ดูดอากาศ เชื้อเพลิงที่ทำให้อากาศที่เข้ามาเย็นลง จะเพิ่มความหนาแน่นของอากาศ และดันศักยภาพกำลังของเครื่องยนต์ดูดอากาศธรรมชาติให้สูงขึ้น กล่าวคือ การฉีดแบบพอร์ตให้ข้อได้เปรียบด้านการเติมเต็มขนาดเล็กในตัวเองแก่เครื่องยนต์ธรรมชาติ

ข้อดีที่สองอยู่ที่ด้านการปล่อยมลพิษ เชื้อเพลิงสัมผัสกับพื้นผิวด้านหลังวาล์วและระเหิดในช่วงเวลาที่ยาวนานขึ้น ทำให้เกิดส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งช่วยลดปริมาณเชื้อเพลิงที่หลุดรอดจากการเผาไหม้ และลดการปล่อยฝุ่นละออง (PM) การตอบสนองคันเร่งก็นุ่มนวลด้วยเหตุผลเดียวกัน: ส่วนผสมพร้อมใช้ในทุกสภาวะ ระบบเรียบง่ายและคาดเดาได้ ความรู้สึกของคนขับจำนวนมากที่ว่า "เครื่องยนต์รุ่นเก่ามีเอกลักษณ์กว่า" ในแง่เทคนิคนั้น มาจากความคาดเดาได้นี้บางส่วน

จุดอ่อนของมันก็ชัดเจนเช่นกัน ส่วนผสมไม่สามารถละเอียดกระจายตัวได้เท่ากับการฉีดตรง เชื้อเพลิงที่พ่นออกไปบางส่วนเกาะติดกับผนังทาาเข้าของท่อรองไอดี ทำให้อัตราส่วนอากาศ-เชื้อเพลิงที่ตั้งเป้าไว้เพี้ยนไป เนื่องจากส่วนผสมที่เข้าสู่กระบอกสูบไม่เผาไหม้อย่างสมบูรณ์แบบในสภาวะอุดมคติทั้งหมด เครื่องยนต์ PI จึงตามหลัง DI ในแง่ประสิทธิภาพทางความร้อน

การฉีดตรงให้อะไรได้และเสียอะไร?

สิ่งที่ได้: อัตราการอัด ประสิทธิภาพ และ CO2

พลังที่แท้จริงของการฉีดตรงคือการนำการระบายความร้อนจากการระเหยเข้าไปไว้ภายในห้องเผาไหม้ การเปลี่ยนสถานะนี้ที่เกิดขึ้นระหว่างจังหวะอัด ช่วยลดโอกาสการจุดระเบิดก่อนเวลาและควบคุมไม่ได้ของส่วนผสม นั่นคือการเดทอเนชัน เนื่องจากอุณหภูมิผิวห้องเผาไหม้ลดลง วิศวกรจึงสามารถเพิ่มอัตราการอัดที่สูงขึ้นได้ทั้งในเครื่องยนต์ธรรมดาและแบบเทอร์โบ และอัตราการอัดที่สูงก็หมายถึงประสิทธิภาพโดยตรง การเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น หมายถึงใช้เชื้อเพลิงน้อยลงสำหรับงานเท่าเดิมและปล่อย CO2 ต่ำลง นี่คือก้าวเทคโนโลยีพื้นฐานที่ทำให้เราสามารถเปรียบเทียบอัตราการอัดของรถเบนซินสมัยใหม่ส่วนใหญ่กับเครื่องยนต์ยุคต้นปี 2000 ได้

สิ่งที่เสีย: ต้นทุน เสียงรบกวน และอนุภาค

เทคโนโลยีเดียวกันนี้ก็มีราคาที่ต้องจ่ายเช่นกัน ความดันที่สูงกว่า 50-100 เท่า หมายถึงหัวฉีดที่แพงกว่าและปั๊มแรงดันสูง การที่ปั๊มต้องผลิตแรงดันสูงอย่างต่อเนื่องยังสร้างเสียงรบกวนอีกด้วย และเครื่องยนต์ DI ส่วนใหญ่จึงทำงานด้วยปั๊มเชื้อเพลิงสองตัว หัวฉีดตรงมีเสียงดังในตัวเองและเพิ่มเสียงติ๊กแท็กที่เป็นเอกลักษณ์ให้กับเครื่องยนต์

สมดุลด้านการปล่อยมลพิษก็เป็นสองด้านเช่นกัน ขณะที่ DI ลด CO2 ลง มันกลับผลิตสารแขวนลอยอนุภาคมากขึ้น: เนื่องจากเชื้อเพลิงมีเวลาระเหยน้อยลงสำหรับการฉีด บางส่วนจึงหลุดออกจากห้องเผาไหม้และคอนเวอร์เตอร์เร่งปฏิกิริยาในรูปของเขม่าอนุภาค อนุภาคเหล่านี้คล้ายกับที่เครื่องยนต์ดีเซลปล่อยออกมา แต่มีขนาดเล็กกว่า นอกจากนี้ คาร์บอนที่สะสมด้านหลังวาล์วไอดีก็เป็นปัญหาการซ่อมบำรุงจริงสำหรับผู้ใช้ DI บางราย เพราะเชื้อเพลิงไม่ได้ชะล้างวาล์วอีกต่อไป ตะกอนจึงสะสมขึ้น ยกตัวอย่างที่พบไม่บ่อยแต่ร้ายแรง: คนขับบางคนต้องทำความสะอาดวาล์วไอดีด้วยการพ่นทรายเปลือกวอลนัท (walnut blasting) หลังวิ่งมาหลายหมื่นกิโลเมตร เรื่องการสะสมของคาร์บอนเป็นหัวข้อของบทความแยกต่างหาก คำถามหลักที่นี่คือ สมดุลของสองระบบนี้ถูกจัดการอย่างไรโดยผู้ผลิต

ตารางเปรียบเทียบ: PI และ DI เคียงข้างกัน

เมื่อดูตารางแล้ว การเลือกดูเหมือนจะง่าย: อยากได้ประสิทธิภาพเลือก DI อยากได้ความเรียบง่ายเลือก PI แต่ความต่างด้านประสิทธิภาพนั้นไม่ได้ใหญ่โตเท่าที่คุณคิด แม้ในบทวิจารณ์ทางเทคนิคระดับฟอรัม ก็มีการกล่าวกันว่า ความต่างด้านกำลังโดยตรงระหว่างสองระบบนี้อยู่ในระดับไม่กี่เปอร์เซ็นต์ และส่วนที่ DI ให้ผลจริงคือการอนุญาตให้ใช้อัตราส่วนกำลังอัดที่สูงขึ้น นั่นคือเรื่องราวที่แท้จริงไม่ใช่เทคโนโลยีหนึ่งเอาชนะอีกเทคโนโลยีหนึ่ง แต่เป็นการแบ่งงานกันทำในเครื่องยนต์เดียวกัน

ทำไมผู้ผลิตจึงใช้ระบบหัวฉีดทั้งสองแบบร่วมกัน?

ระบบหัวฉีดคู่ (dual injection) มีทั้งหัวฉีดทางท่อรอบไอดีและหัวฉีดแบบตรงในเครื่องยนต์เดียวกัน ECU จะเปิดใช้งานแบบใดแบบหนึ่ง ทั้งสองแบบ หรือส่วนผสมตามที่ตั้งโปรแกรมไว้ ขึ้นอยู่กับรอบและภาระของเครื่องยนต์ ตรรกะนั้นง่าย: นำข้อดีด้านประหยัดเชื้อเพลิงและการต้านการระเบิดของ DI มารวมกับข้อดีด้านการปล่อยมลพิษต่ำและการทำความสะอาดวาล์วของ PI จะเลือกวิธีจ่ายเชื้อเพลิงที่เหมาะสมที่สุดในทุกจุดของช่วงการทำงานของเครื่องยนต์

Toyota คือผู้ใช้งานระบบนี้ที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด บริษัทได้เปิดตัวระบบชื่อ D-4S บนเครื่องยนต์ V-6 เมื่อกว่าสิบปีก่อน ปัจจุบันใช้ในเครื่องยนต์สี่สูบเรียง 2.0 ลิตร (ผลิตโดย Subaru) 3.5 ลิตร V-6 และ 5.0 ลิตร V-8 ที่ภาระและรอบต่ำถึงปานกลางซึ่งตรงกับการขับขี่ปกติ ระบบจะจ่ายน้ำมันพร้อมกันทั้งสองหัวฉีด ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของอากาศเข้าเครื่องแบบดูดอากาศธรรมชาติ ในขณะที่การฉีดแบบท่อรอบไอดียังคงล้างวาล์วอยู่ กล่าวคือช่วยขจัดการตกค้างของเขม่าได้อย่างแท้จริง ส่วนที่ภาระและรอบสูงซึ่งความเสี่ยงต่อการระเบิดสูงนั้น DI จะเข้ารับหน้าที่จ่ายเชื้อเพลิงทั้งหมด

แนวทางของ Ford แตกต่างออกไป: DI ความดันสูงจะมี PI ความดันต่ำคอยช่วยเสริม และการฉีดแบบท่อรอบไอดีจะไม่ถูกปิดการใช้งานจนหมดสิ้นเลย ขอบเขตการใช้งานกว้างขวาง - เครื่องยนต์ turbo และแบบดูดอากาศธรรมชาติ V-6/V-8 ตั้งแต่ 2.7 ถึง 5.0 ลิตร F-150 ที่ใช้เครื่อง 3.3 V-6 F-150 Raptor ปี 2017 และเครื่อง 3.5 ลิตร EcoBoost V-6 ของ GT รวมถึงเครื่อง 5.0 V-8 ของ Mustang GT ปี 2018 ที่รอบเดินเบาและรอบต่ำ ระบบ PI เพียงอย่างเดียวทำงานได้เงียบและประหยัด เมื่อรอบและภาระเพิ่มขึ้น ทั้งสองระบบจะจ่ายเชื้อเพลิงผสมกัน โดย PI จะจ่ายเชื้อเพลิงอย่างน้อย 5-10% ของเชื้อเพลิงเสมอ Ford รวมระบบหัวฉีดคู่เข้ากับแรงบูสต์ที่สูงขึ้นในเครื่องยนต์ 3.5 ลิตร V-6 รุ่นใหม่ ทำให้แรงบิดสูงสุดเพิ่มขึ้น 30 lb-ft Audi ก็นำแนวคิดเดียวกันไปใช้ในเครื่องยนต์ 3.0 ลิตร V-6 และ 5.2 ลิตร V-10 เช่นกัน

เมื่อมอบบทบาทขับเคลื่อนที่มากขึ้นให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า ภารกิจของเราคือการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ทุกโอกาสที่ทำได้ เทคโนโลยีหัวฉีดคู่ของ Ford พิสูจน์แล้วว่าเป็นกลยุทธ์ที่มีคุณค่าและคุ้มค่าด้านต้นทุนในความพยายามนี้

วรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ก็สนับสนุนแนวโน้มนี้เช่นกัน: ระบบหัวฉีดคู่ มีข้อดีที่ถูกระบุไว้ เช่น ความยืดหยุ่นในการควบคุมที่มากขึ้น ผลการระบายความร้อนที่เพิ่มขึ้น การลดการระเบิด ความเหมาะสมกับการย่อขนาดเครื่องยนต์ (downsizing) และการทำงานแบบส่วนผสมบาง (lean-burn) ที่ขยายขอบเขตออกไป ในทางปฏิบัติ ผลที่ได้อาจไม่มากนักแต่เป็นจริง: โดยเฉพาะที่รอบเดินเบาและการขับขี่ความเร็วต่ำในเมือง เศรษฐภาพเชื้อเพลิงจะดีขึ้น ในการเร่งความเร็วระดับกลาง หัวฉีดทั้งสองจะทำงานร่วมกันเพื่อปรับสมดุลการพ่นหัวเป็นละอองฝอย ความสะอาดวาล์ว และการตอบสนองของคันเร่ง

มีประเด็นเล็กน้อยที่ควรกล่าวถึง: ระบบฉีดคู่ไม่ได้ช่วยแก้ปัญหาคาร์บอนสะสมได้ทุกกรณี ในเครื่องยนต์สมรรถนะสูงบางรุ่น หัวฉีดแบบพอร์ตจะทำงานเฉพาะในช่วงรอบสูงและเทอร์โบเพื่อเติมเชื้อเพลิงเพิ่มเติมเท่านั้น ในการขับขี่ปกติส่วนใหญ่ วาล์วยังคงสัมผัสกับ DI เพียงอย่างเดียว จึงอาจเกิดการสะสมตะกอนได้ สิ่งที่กำหนดว่าระบบจะมีประโยชน์หรือไม่ คือช่วงการทำงานใดที่หัวฉีดแบบพอร์ตทำงาน

ความสัมพันธ์กับวัฏจักร Atkinson และระบบไฮบริด

วัฏจักร Atkinson เป็นกลยุทธ์การทำงานที่ยอมสละความหนาแน่นของกำลังโดยเจตนาเพื่อแสวงหาประสิทธิภาพ ผลิตกำลังได้น้อยกว่าวัฏจักร Otto แบบดั้งเดิม แต่ปรับปรุงเศรษฐภาพเชื้อเพลิง ด้วยเหตุนี้บ้านตามธรรมชาติของมันจึงเป็นรถยนต์ไฮบริด: มอเตอร์ไฟฟ้าชดเชยกำลังที่ขาดหาย ส่วนเครื่องยนต์ทำงานที่จุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ Toyota Prius และรถอย่าง Ford C-Max, Fusion Hybrid เป็นตัวอย่างที่รู้จักดีของวัฏจักร Atkinson สมัยใหม่ โดย Toyota เป็นแบรนด์นำด้านการเผยแพร่เทคโนโลยีนี้สู่การผลิต

จุดเชื่อมโยงกับด้านระบบฉีดเชื้อเพลิงอยู่ที่นี่: ในเครื่องยนต์ที่ใช้วัฏจักร Atkinson ก็สามารถมีวิธีจ่ายเชื้อเพลิงสองแบบ - ฉีดตรงและฉีดแบบพอร์ต - อยู่ร่วมกันได้ โดยจะใช้แบบใดแบบหนึ่งหรือทั้งสองแบบตามความต้องการ เนื่องจากในวัฏจักรที่เน้นประสิทธิภาพ ทุกเปอร์เซ็นต์ล้วนมีความศักดิ์สิทธิ์ ส่วนเสริมด้านเศรษฐภาพที่เล็กแต่แท้จริงของระบบฉีดคู่จึงมีความหมายเป็นพิเศษบนแพลตฟอร์มเหล่านี้

สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรสำหรับผู้ซื้อ?

ระบบนี้ส่งผลต่อการตัดสินใจซื้อและใช้งาน นอกเหนือจากความอยากรู้ทางเทคนิค การหาเครื่องยนต์ที่มีเพียงระบบฉีดแบบพอร์ตในปัจจุบันเริ่มยากขึ้นเรื่อยๆ เครื่องยนต์เบนซินใหม่ส่วนใหญ่เป็นแบบ GDI เพียงอย่างเดียว หรือไม่ก็ระบบฉีดคู่ หากคุณซื้อรถที่ใช้ DI เพียงอย่างเดียว ควรคำนึงถึงการสะสมคาร์บอนที่วาล์วไอดีในระยะยาวในฐานะรายการบำรุงรักษา ส่วนเครื่องยนต์ระบบฉีดคู่ที่หัวฉีดแบบพอร์ตทำงานในรอบสูงด้วยจะช่วยลดความเสี่ยงนี้ได้อย่างมีนัยสำคัญ หากสไตล์การขับขี่ของคุณต้องการน้ำหนักบรรทุกมากและรอบเครื่องสูง ความทนทานต่อการชนของ DI และความทนแรงเทอร์โบ หากคุณใช้งานในเมืองที่เน้นรอบเดินเบา ข้อดีด้านการปล่อยไอเสียและความนุ่มนวลของ PI จะโดดเด่น การตัดสินใจไม่ใช่การเลือกผู้ชนะเพียงหนึ่งเดียว แต่คือการรู้ว่าระบบใดทำงานในช่วงการทำงานใดของเครื่องยนต์

แหล่งอ้างอิง

• อธิบาย: ทำไมบางเครื่องยนต์จึงมีทั้งระบบฉีดแบบพอร์ตและฉีดตรง
• ระบบฉีดคู่: เทคโนโลยีที่มีประสิทธิผลและประสิทธิภาพสำหรับการใช้เครื่องยนต์
• เปรียบเทียบระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบตรงกับแบบพอร์ต
• เครื่องยนต์ฉีดเชื้อเพลิงตรงทำงานอย่างไร
• วัฏจักร Atkinson
• เครื่องยนต์วัฏจักร Atkinson ประหยัดน้ำมันได้อย่างไร
• ระบบฉีดแบบพอร์ตกับแบบตรง: ต่างกันอย่างไร?