บทความ

ไดเรคท์อินเจคชัน ใครไม่ใช้ “เชย” แล้วนะ


เชื่อว่าในวงการคนรักรถส่วนใหญ่รู้จักกับคำว่า “ไดเรคท์อินเจคชัน” (DIRECT INJECTION) โดยถือเป็นวลีที่คุ้นหูกันดี แต่เรามักได้ยินคำนี้ควบคู่ไปกับเครื่องยนต์ดีเซลในระบบ “คอมมอนเรล” (COMMONRAIL) เป็นส่วนใหญ่ ในฐานะระบบจ่ายเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเผาไหม้ที่มีความเที่ยงตรงสูง อันนำมาซึ่งประสิทธิภาพที่สูงไปด้วย

แต่ในที่นี้จะขอกล่าวถึงเครื่องยนต์เบนซินที่ใช้ระบบไดเรคท์อินเจคชัน หรือที่ฝรั่งเขาเรียกระบบนี้ว่า แกโซลีน ไดเรคท์อินเจคชัน (GASOLINE DIRECT INJECTION)

ระบบนี้มีที่มาที่ไปอย่างไร เราคงต้องย้อนกลับไปดูกันก่อนว่า ก่อนจะมาเป็นระบบไดเรคท์อินเจคชันนี้ เครื่องยนต์เบนซินใช้การจ่ายน้ำมันกันเช่นไร

แต่ก่อนแต่ไรนั้น เครื่องยนต์เบนซินใช้การจ่ายน้ำมันเข้าสู่ห้องเผาไหม้ผ่านทางอุปกรณ์ที่เรียกว่า “คาร์บูเรเตอร์” (CARBURETOR สะกดแบบอเมริกัน ถ้าแบบอังกฤษก็จะเป็น CARBURATOR) ซึ่งเชื่อได้ว่าคนส่วนใหญ่เคยได้ยินชื่อมาแล้วทั้งนั้น แต่น้อยคนนักที่จะรู้ว่า คาร์บูเรเตอร์ หรือ คาร์บิว ที่นิยมเรียกกัน ทำงานอย่างไร

คาร์บูเรเตอร์นั้นทำหน้าที่ “ผสม” น้ำมันเชื้อเพลิง กับอากาศเข้าด้วยกัน โดยเป็นการประดิษฐ์ของวิศวกรชาวอิตาลีเมื่อช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และแน่นอนว่ารถยนต์คันแรกของโลกก็ได้ใช้เครื่องยนต์ที่ติดตั้งคาร์บูเรเตอร์

คาร์บูเรเตอร์นั้นสร้างขึ้นโดยอาศัยหลักกลศาสตร์ของไหล ของ “แบร์นูลลี” (BERNOULLI’S PRINCIPLE) แต่หากจะให้อธิบายกันตรงนี้เห็นทีจะต้องไปลงทะเบียนเรียนวิชากลศาสตร์ของไหลกันเสียก่อน จึงจะเข้าใจได้ แต่สรุปง่ายๆ ให้เห็นภาพก็คือ ขวดน้ำหอมแบบโบราณที่มีหลอดเล็กๆ จุ่มอยู่ และด้วยแรงตึงผิวของของไหล ทำให้ของไหลซึ่งก็คือน้ำหอมนั้นไหลขึ้นมาอยู่ที่ปลายหลอดได้เอง แล้วเราก็เอาลูกยางมาเป่าลมใกล้ๆ หลอดเล็กๆ นั้น ละอองของน้ำหอมก็จะฟุ้งกระจายออกมา

หลักการก็ใกล้เคียงกัน ตัวของมันเป็นอุปกรณ์ผสมอากาศกับน้ำมัน โดยคาร์บูเรเตอร์จะทำหน้าที่ควบคุมปริมาณ “การไหลของอากาศ” เป็นหลัก แล้วอากาศก็จะไหลผ่านส่วนที่เราเรียกว่า “นมหนู” หรือ NOZZLE อันเป็นส่วนที่มีน้ำมันมาจ่ออยู่นั่นเอง ดังนั้นเมื่ออากาศไหลผ่านก็จะนำละอองน้ำมันเข้าไปด้วย โดยไอน้ำมันและอากาศจะไหลผ่านปากลิ้นปีกผีเสื้อ (THROTTLE) ไปยังท่อร่วมไอดี ก่อนส่งเข้าไปยังห้องสันดาปหรือห้องเผาไหม้ในที่สุด

แค่อ่านดูก็พอจะนึกออกแล้วใช่ไหมครับว่ามีตัวแปรมากมายที่จะทำให้เกิดปัญหาได้ ทั้งการควบคุมความหนาแน่นของอากาศ ปริมาณส่วนผสมน้ำมันกับอากาศเองที่เครื่องยนต์ต้องการ บางครั้งก็บาง บางครั้งก็หนาเบี่ยงเบนค่าอุดมคติ ที่ 14.7:1 (อากาศ: น้ำมัน) ในรอบเครื่องต่ำและรอบเครื่องสูง ในเครื่องร้อนและเครื่องเย็น (รถยนต์ในอดีตมีระบบโชค ที่จะปรับส่วนผสมน้ำมันกับอากาศให้หนาเล็กน้อย เพื่อแก้ปัญหาการสตาร์ทเครื่องขณะเครื่องเย็น) ซึ่งคาร์บูเรเตอร์ไม่สามารถตอบสนองตรงจุดนั้นได้ฉับพลันนัก จึงทำให้เครื่องยนต์ที่ใช้คาร์บูเรเตอร์มีจุดบอดในบางสถานการณ์ ดังที่เราจะเห็นได้ว่า รถยุคก่อนๆ นั้นการจูนเครื่องยนต์ไม่ได้เป็นสิ่งที่ทำกันเฉพาะรถแข่ง รถบ้านๆ ก็ต้องมีการทูนปรับแต่งกันอยู่เสมอ แต่รถที่ใช้คาร์บูเรเตอร์แบบแต่งก็ยังมีเอกลักษณ์ที่น่าหลงใหล คือ เสียงลมดูด ที่เป็นเอกลักษณ์ ใครโดนเข้าไปมักจะติดอกติดใจจนลืมเครื่องยนต์สมัยใหม่ไปเป็นพักๆ แต่ด้วยความไม่เที่ยงตรง และไม่ยืดหยุ่น รวมถึงมีประสิทธิภาพที่ต่ำ ทำให้มีการคิดค้นระบบจ่ายเชื้อเพลิงแบบใหม่ที่เที่ยงตรงและแม่นยำมากขึ้น กระทั่งรถยนต์ที่ใช้คาร์บูเรเตอร์สูญพันธุ์ไป เหลือแต่จักรยานยนต์บางรุ่นที่ยังคงใช้อยู่ จากสาเหตุว่ามันเป็นระบบที่เรียบง่าย สิ่งที่เข้ามาแทนก็คือ ระบบหัวฉีด (INJECTION) นั่นเอง

ระบบหัวฉีดนั้นได้เริ่มเข้ามาแทนที่คาร์บูเรเตอร์อย่างจริงจังในช่วงยุค ’80 และ ’90 อันเป็นผลมาจากมาตรการเรื่องมลภาวะที่เข้มข้นขึ้น แต่จริงๆ แล้วระบบหัวฉีดได้รับการพัฒนาขึ้นก่อนหน้านั้น ความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่าง หัวฉีด กับ คาร์บูเรเตอร์ คือ การควบคุมอัตราส่วนน้ำมันกับอากาศ จากเดิมที่คาร์บูเรเตอร์ใช้การควบคุมการไหลของอากาศในการพาไอน้ำมันเข้าสู่ห้องเผาไหม้เป็นหลัก แต่หัวฉีดใช้ระบบแรงดันสูงในการปลดปล่อยไอน้ำมันในปริมาณที่ควบคุมได้เข้าผสมกับอากาศ ข้อดี อยู่ที่ระบบมีความยืดหยุ่นสำหรับการใช้น้ำมันที่มีเกรดต่างกันได้ โดยจะปรับสัดส่วนน้ำมันกับอากาศให้สมดุลกันได้อย่างสะดวกสบาย ซึ่งแน่นอนว่าความแม่นยำนั้นจะนำมาซึ่งประสิทธิภาพที่เหนือกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในขณะที่มีการเร่งอย่างกะทันหัน เครื่องยนต์แบบหัวฉีดจะสามารถตอบสนองคันเร่งได้อย่างรวดเร็วทันใจ การสตาร์ทขณะเครื่องเย็น หรือเครื่องร้อนก็ทำได้ง่ายกว่า และการใช้งานในขณะอุณหภูมิสูง หรือต่ำรวมถึงความกดอากาศที่ต่างออกไป ก็ทำได้ดี รวมถึงปริมาณไอเสียที่ลดลงด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการพัฒนาจากระบบหัวฉีดที่ควบคุมการทำงานด้วยกลไก มาเป็นระบบที่ควบคุมด้วยอีเลคทรอนิคที่ให้ความแม่นยำมากกว่าเดิม จะว่าไปแล้วระบบหัวฉีดแบบอีเลคทรอนิคนั้นมีการบุกเบิกใช้งานมาตั้งแต่ยุคก่อนสงครามโลก ครั้งที่ 2 เสียด้วยซ้ำไป ในรถแข่ง อัลฟา โรเมโอ ในการแข่ง มิลล์ มิลญา (MILLE MIGLIA) ในปี 1940 แต่ก่อนที่ระบบอีเลคทรอนิคจะเข้ามาเป็นมาตรฐานเหมือนทุกวันนี้ ระบบที่แพร่หลายก็คือ ระบบกลไกที่ บริษัท โบช (BOSCH) จากเยอรมนี พัฒนาขึ้นมาจากระบบของเครื่องยนต์ดีเซลร่วมกับลิ้นปีกผีเสื้อที่ควบคุมการไหลของอากาศ โดยฉีดน้ำมันเข้าในท่อร่วมไอดีก่อนปล่อยเข้าห้องเผาไหม้ จุดที่ทำให้ระบบเครื่องยนต์ดีเซลต่างจากเบนซินก็คือ การใช้ลิ้นปีกผีเสื้อ เนื่องจากในเครื่องยนต์ดีเซลนั้น การเร่งเครื่องทำโดยการเปลี่ยนปริมาณการฉีดน้ำมันเท่านั้น ไม่ต้องใช้ลิ้นปีกผีเสื้อในการควบคุมการไหลของอากาศแต่อย่างใด ส่วนระบบหัวฉีดแบบอีเลคทรอนิค หรือ EFI เจ้าแรกที่มีการจำหน่ายก็คือ เบนดิกซ์ (BENDIX)และต่อมาที่แพร่หลายก็เป็นของ โบช จากเยอรมนี ที่รู้จักกันดีในชื่อของ D-JETRONIC, K-JETRONIC และ L-JETRONIC นั่นเอง และต่อมาระบบหัวฉีดก็รวมไปถึงการควบคุมระบบไฟอื่นๆ ควบคู่ไปด้วยระบบคอมพิวเตอร์ อาทิ จังหวะการจุดระเบิด และการตรวจสอบปริมาณไอเสียด้วยออกซิเจนเซนเซอร์ (OXYGEN SENSOR) ทำให้การทำงานของเครื่องยนต์เป็นอันหนึ่งอันเดียวกัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สูงขึ้น การบริโภคเชื้อเพลิงต่ำลง และไอเสียที่ปล่อยก็ลดลงด้วย

อย่างไรก็ตาม เมื่อมีความต้องการที่จะรีดสมรรถนะและประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ออกมาให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ จึงต้องปรับแนวคิดเรื่องระบบเชื้อเพลิงอีกครั้ง สิ่งที่ได้ก็คือระบบ ไดเรคท์อินเจคชัน หรือระบบหัวฉีดเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเผาไหม้โดยตรง แทนที่จะฉีดผสมกับอากาศในท่อร่วมไอดีเหมือนระบบปกติ ระบบนี้จะว่าไปแล้วเริ่มต้นใช้กันครั้งแรกในเครื่องยนต์เครื่องบินรบสมัยสงครามโลก ครั้งที่ 1 และแพร่หลายในเครื่องยนต์เครื่องบินรบที่ต้องการสมรรถนะสูงในสมัยสงครามโลก ครั้งที่ 2 อาทิ เครื่องยนต์เครื่องบิน BMW 801, DAIMLER BENZ, และ JUNKER ของเยอรมนี แต่ด้วยสาเหตุที่หัวฉีดเองต้องอยู่ในสภาพที่โหดร้ายเนื่องจากต้องพบกับความร้อนที่รุนแรงของห้องเผาไหม้ ทำให้วัสดุและการออกแบบจำเป็นต้องมีการใช้วัสดุพิเศษตามไปด้วย จึงมีการใช้งานจำกัดเฉพาะเครื่องยนต์ที่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุดเท่านั้น

เครื่องยนต์เบนซินสำหรับรถยนต์รุ่นแรกที่ใช้ระบบ ไดเรคท์อินเจคชัน คือ เครื่องยนต์ 6 สูบ สมรรถนะสูงที่ติดตั้งในรถยนต์ เมร์เซเดส-เบนซ์ รุ่น 300 เอสแอล แบบประตูปีกนก หรือ กัลล์วิง (GULL WING) ปี 1955 โดยใช้การฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในด้านข้างของกระบอกสูบ และหัวเทียนอยู่ด้านบนเหนือลูกสูบ แม้ว่าจะมีสมถรรนะสูงแต่ค่าใช้จ่ายก็แพงขึ้นเป็นเงาตามตัวทำให้การพัฒนาในยุคต่อๆ มา ระบบหัวฉีดก็จะเป็นระบบฉีดเข้าไปยังท่อร่วมไอดีแทน แต่หลังจากการพัฒนาใช้อย่างได้ผลในระบบเครื่องยนต์ดีเซลคอมมอนเรลในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาแล้ว การประยุกต์ใช้ระบบไดเรคท์อินเจคชันกับเครื่องยนต์เบนซินจึงกลับมาอีกครั้ง

ความพิเศษของการใช้งานระบบไดเรคท์อินเจคชันก็คือ การผสมกับอากาศได้ทั่วถึงมากขึ้น ความแม่นยำของจังหวะการจุดระเบิดที่ควบคุมได้ละเอียดมากขึ้น รวมถึงการสร้างกำลังอัดในห้องเผาไหม้ให้สูงขึ้น จึงทำให้เครื่องยนต์ให้กำลังได้มากขึ้นและปล่อยไอเสียลดลง และนอกจากนั้นในรอบเครื่องยนต์ต่ำ ยังสามารถทำงานในรูปแบบที่เรียกว่า “ลีนเบิร์น” (LEAN BURN) หรือ สภาวะที่สัดส่วนของอากาศกับเชื้อเพลิง อยู่ในระดับมากกว่า 14.7:1 ซึ่งบางครั้งอยู่ในระดับ 65:1 เลยด้วยซ้ำ

การที่จะทำงานในระบบนี้ ได้จำเป็นต้องมีการออกแบบหัวลูกสูบใหม่ โดยลูกสูบของระบบนี้จะมีรูปแบบเป็นหลุม อยู่ตรงกับตำแหน่งของหัวฉีด และหัวเทียน เมื่อลูกสูบเคลื่อนเข้าใกล้ศูนย์ตายบน หรือเข้าสู่ช่วงอัดสูงสุด ระบบหัวฉีดก็จะฉีดเชื้อเพลิงออกมาในปริมาณที่น้อยมากเมื่อเทียบกับอากาศและการจุดระเบิดโดยหัวเทียนก็จะเกิดขึ้นโดยจำกัดขอบเขตการเผาไหม้ไว้เพียงในหลุมบนหัวลูกสูบเท่านั้น แต่ก็เพียงพอที่จะทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ไปได้ ซึ่งการที่จุดระเบิดในวงจำกัดนี้มีประโยชน์หลายประการ อาทิ ลดอุณหภูมิห้องเผาไหม้ ทำให้ปล่อยไอเสีย และการที่ห้องเผาให้มีอุณหภูมิต่ำ ก็ทำให้โมเลกุลอากาศหนาแน่นขึ้น ทำให้ได้กำลังเครื่องยนต์มากขึ้น สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงต่ำ รูปแบบการทำงานแบบลีนเบิร์นนี้จะทำในขณะความเร็วรอบคงที่ มีโหลดที่กระทำกับเครื่องยนต์น้อย หรือช่วงที่ขับความเร็วคงที่ แต่เมื่อต้องการอัตราเร่งระบบการจ่ายน้ำมัน ก็จะปรับตัวอัตโนมัติ โดยจะจ่ายน้ำมันในสัดส่วนสมดุลที่ 14.7:1 และเมื่อต้องการอัตราเร่งเต็มที่ก็ยังสามารถจ่ายน้ำมันให้หนากว่าปกติได้อีกด้วย

ทั้งหมดนี้ต้องอย่าลืมว่าเรากำลังพูดถึงเวลาเพียงเสี้ยวของเสี้ยววินาที และปริมาณเพียงน้อยนิดเท่านั้น ซึ่งทั้งหมดนี้ จะเป็นไปไม่ได้เลยหากไม่มีการควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูงเหมือนในรถยนต์

ในฉบับหน้าเราจะมาคุยกันต่อว่า รถรุ่นใดที่ใช้ระบบนี้บ้าง เพราะแต่ละค่ายต่างก็เรียกขานต่างกันออกไปจนเราสับสนว่า อันไหน คือ ระบบไดเรคท์อินเจคชัน แน่กัน
(อ่านต่อฉบับหน้า)



------------------------------
เรื่องโดย : ภัทรกิติ์ โกมลกิติ
นิตยสาร FORMULA ฉบับเดือน พฤษภาคม ปี 2556
คอลัมน์ : รู้ลึกเรื่องรถ
ลิงค์สำหรับแชร์ : https://autoinfo.co.th/mRbbf

Follow autoinfo.co.th