ระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อม

ระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อม (อังกฤษ: Indirect injection) ในเครื่องยนต์สันดาปภายในคือระบบฉีดเชื้อเพลิงที่เชื้อเพลิงไม่ได้ถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้โดยตรง

เครื่องยนต์เบนซินที่ติดตั้งระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อม ซึ่งหัวฉีดจะจ่ายเชื้อเพลิง ณ จุดใดจุดหนึ่งก่อนถึงลิ้นไอดี ส่วนใหญ่ไม่ได้รับความนิยมเท่าระบบฉีดเชื้อเพลิงตรง อย่างไรก็ตาม ผู้ผลิตบางราย เช่น ฟ็อลคส์วาเกิน โตโยต้าและฟอร์ดได้พัฒนาระบบ "ฉีดเชื้อเพลิงคู่" (dual injection) ซึ่งรวมหัวฉีดตรงเข้ากับหัวฉีดพอร์ต (แบบอ้อม) ทำให้ได้ประโยชน์จากระบบฉีดเชื้อเพลิงทั้งสองประเภท ระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงช่วยให้สามารถจ่ายเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเผาไหม้ได้อย่างแม่นยำภายใต้แรงดันสูงซึ่งนำไปสู่กำลังและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่มากขึ้น ปัญหาของระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงคือโดยทั่วไปแล้วจะก่อให้เกิดอนุภาคฝุ่นละอองมากขึ้นและเนื่องจากเชื้อเพลิงไม่ได้สัมผัสกับลิ้นไอดีอีกต่อไป คาร์บอนจึงสามารถสะสมบนลิ้นไอดีเมื่อเวลาผ่านไป การเพิ่มระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อมทำให้เชื้อเพลิงยังคงฉีดพ่นบนลิ้นไอดี ช่วยลดหรือขจัดการสะสมของคาร์บอนบนลิ้นไอดี และในสภาวะภาระต่ำ ระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อมช่วยให้การผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศดีขึ้น ระบบนี้ส่วนใหญ่ใช้ในรถยนต์รุ่นที่มีราคาสูงเนื่องจากมีค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนเพิ่มขึ้น

ระบบฉีดพอร์ต (Port injection) หมายถึงการฉีดเชื้อเพลิงไปที่ด้านหลังของลิ้นไอดี ซึ่งช่วยเร่งการระเหยของเชื้อเพลิงให้เร็วขึ้น^[1]

เครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อมจะจ่ายเชื้อเพลิงเข้าไปในห้องที่แยกออกจากห้องเผาไหม้หลัก อาจเป็นห้องเผาไหม้ล่วงหน้า (prechamber) หรือห้องหมุนวน (swirl chamber) โดยการเผาไหม้จะเริ่มต้นในห้องดังกล่าวแล้วจึงขยายไปยังห้องเผาไหม้หลัก ห้องเผาไหม้ล่วงหน้าได้รับการออกแบบอย่างพิถีพิถันเพื่อให้มั่นใจว่าเชื้อเพลิงที่เป็นละอองจะผสมคลุกเคล้ากับอากาศที่ถูกอัดจนร้อนได้อย่างเพียงพอ

เครื่องยนต์เบนซิน

ข้อได้เปรียบอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์เบนซินระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อมเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์เบนซินระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงคือคราบเขม่าที่ลิ้นไอดีจากระบบระบายอากาศห้องข้อเหวี่ยงจะถูกชะล้างโดยน้ำมันเชื้อเพลิง^[2] เครื่องยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อมยังมีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดอนุภาคฝุ่นละอองในปริมาณต่ำกว่าเครื่องยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงเนื่องจากการผสมของเชื้อเพลิงและอากาศเป็นไปอย่างสม่ำเสมอกว่า

เครื่องยนต์ดีเซล

ภาพรวม

จุดประสงค์ของห้องเผาไหม้แบบแยกส่วนคือการเร่งกระบวนการเผาไหม้ และเพิ่มกำลังขับโดยการเพิ่มความเร็วรอบเครื่องยนต์^[3] การเพิ่มห้องเผาไหม้ล่วงหน้าทำให้เกิดการสูญเสียความร้อนไปยังระบบระบายความร้อนมากขึ้นและส่งผลให้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ลดลง เครื่องยนต์ชนิดนี้จำเป็นต้องใช้หัวเผาในการสตาร์ต ในระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อม อากาศจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ผสมเชื้อเพลิงและอากาศ สิ่งนี้ทำให้การออกแบบเครื่องยนต์ (หัวลูกสูบ ฝาสูบ ลิ้น หัวฉีด ห้องเผาไหม้ล่วงหน้า ฯลฯ) ง่ายขึ้นและทำให้สามารถใช้การออกแบบที่มีความคลาดเคลื่อนในการผลิตมากขึ้นซึ่งง่ายต่อการผลิตและมีความน่าเชื่อถือมากกว่า ตรงกันข้าม ระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงใช้อากาศที่เคลื่อนที่ช้าและเชื้อเพลิงที่เคลื่อนที่เร็ว ทั้งการออกแบบและการผลิตหัวฉีดจึงมีความซับซ้อนมากกว่า การปรับปรุงการไหลของอากาศภายในกระบอกสูบให้เหมาะสมนั้นยากกว่าการออกแบบห้องเผาไหม้ล่วงหน้า มีความเชื่อมโยงกันระหว่างการออกแบบหัวฉีดและการออกแบบเครื่องยนต์มากกว่ามาก^[4] ด้วยเหตุผลนี้เองที่เครื่องยนต์ดีเซลสำหรับรถยนต์เกือบทั้งหมดเป็นแบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อมจนกระทั่งมีการใช้งานระบบจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคณนา (CFD) ที่มีประสิทธิภาพอย่างแพร่หลาย ทำให้การนำระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงมาใช้ได้จริง^{[ต้องการอ้างอิง]}

การจำแนกประเภทของห้องเผาไหม้แบบอ้อม

ห้องหมุนวน

ห้องหมุนวน (swirl chambers) คือโพรงทรงกลมที่อยู่ในฝาสูบและแยกออกจากกระบอกสูบเครื่องยนต์ด้วยช่องคอคอด (throat) ที่สัมผัสเป็นเส้นตรง ประมาณร้อยละ 50 ของอากาศจะไหลเข้าสู่ห้องหมุนวนระหว่างจังหวะอัดของเครื่องยนต์ ทำให้เกิดการหมุนวน^[5] หลังการเผาไหม้ ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะไหลกลับผ่านช่องคอคอดเดิมไปยังกระบอกสูบหลักด้วยความเร็วที่สูงกว่ามาก ดังนั้นจึงมีการสูญเสียความร้อนไปยังผนังทางเดินมากขึ้น ห้องเผาไหม้ประเภทนี้ถูกนำไปใช้ในเครื่องยนต์ที่การควบคุมเชื้อเพลิงและความเสถียรของเครื่องยนต์มีความสำคัญกว่าความประหยัดเชื้อเพลิง ห้องเหล่านี้ยังถูกเรียกว่าห้องริคาร์โด (Ricardo chambers) ซึ่งตั้งชื่อตามเซอร์ แฮร์รี ริคาร์โด ผู้ประดิษฐ์^[6]^[7]

ห้องเผาไหม้ช่วย

ห้องเผาไหม้ช่วย (precombustion chamber) ตั้งอยู่ที่ฝาสูบและเชื่อมต่อกับกระบอกสูบเครื่องยนต์ด้วยรูเล็ก ๆ หลายรู มีปริมาตรคิดเป็นร้อยละ 40 ของปริมาตรกระบอกสูบทั้งหมด ในช่วงจังหวะอัด อากาศจากกระบอกสูบหลักจะไหลเข้าไปในห้องเผาไหม้ช่วย ในขณะนั้น เชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้ช่วยและเริ่มทำการเผาไหม้ ความดันเพิ่มขึ้นและละอองเชื้อเพลิงจะถูกดันผ่านรูเล็ก ๆ เข้าไปยังกระบอกสูบหลัก ส่งผลให้เกิดการผสมกันของเชื้อเพลิงและอากาศที่ดีมาก การเผาไหม้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจริงในกระบอกสูบหลัก ห้องเผาไหม้ประเภทนี้สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลายชนิดเนื่องจากอุณหภูมิในห้องเผาไหม้ล่วงหน้าจะทำให้เชื้อเพลิงกลายเป็นไอก่อนจะเกิดการเผาไหม้หลัก^[8]

ห้องเผาไหม้เล็ก

ระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบแอโคร รุ่นก่อนหน้าของระบบลาโนวา ก็ได้รับการออกแบบโดยฟรันทซ์ ลังเช่นกัน

ห้องเผาไหม้เล็ก (air cell chamber) คือห้องทรงกระบอกขนาดเล็กที่มีรูเปิดอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง มันถูกติดตั้งโดยมีแกนกลางเกือบจะเป็นแนวเดียวกันกับหัวฉีด โดยแกนนี้ขนานกับส่วนบนของลูกสูบ หัวฉีดจะฉีดเชื้อเพลิงผ่านช่องว่างเล็ก ๆ ซึ่งเปิดสู่กระบอกสูบ เข้าไปในรูที่ปลายของห้องเผาไหม้เล็ก ห้องเผาไหม้เล็กถูกติดตั้งเพื่อลดการสัมผัสทางความร้อนกับส่วนใหญ่ของฝาสูบ ใช้หัวฉีดแบบเข็ม (pintle injector) ที่มีรูปแบบการฉีดแคบ ที่ศูนย์ตายบน (Top Dead Centre - TDC) มวลประจุส่วนใหญ่จะอยู่ในช่องว่างและห้องเผาไหม้เล็ก^{[ต้องการอ้างอิง]}

เมื่อหัวฉีดทำงาน พ่นละอองเชื้อเพลิงเข้าไปในห้องเผาไหม้เล็กและเกิดการจุดระเบิด สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดเปลวไฟพุ่งออกมาจากห้องเผาไหม้เล็กโดยตรงไปยังละอองเชื้อเพลิงที่ยังคงพ่นออกมาจากหัวฉีด ความร้อนและความปั่นป่วนนี้ทำให้การกลายเป็นไอและการผสมของเชื้อเพลิงเป็นไปอย่างดีเยี่ยม นอกจากนี้ เนื่องจากการเผาไหม้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นภายนอกห้องเผาไหม้เล็กในช่องว่าง ซึ่งเชื่อมต่อโดยตรงกับกระบอกสูบ จึงมีการสูญเสียความร้อนน้อยกว่าในการถ่ายเทประจุที่กำลังเผาไหม้เข้าไปในกระบอกสูบ

ระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบห้องเผาไหม้เล็กสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นการประนีประนอมระหว่างระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบอ้อมและแบบตรง โดยได้รับข้อดีด้านประสิทธิภาพบางประการของระบบฉีดเชื้อเพลิงตรง ขณะที่ยังคงความเรียบง่ายและความสะดวกในการพัฒนาของระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อมไว้^{[ต้องการอ้างอิง]}

ห้องเผาไหม้เล็กมักถูกเรียกว่าห้องเผาไหม้ลาโนวา^[9] ระบบเผาไหม้ลาโนวาได้รับการพัฒนาโดยบริษัทลาโนวา ซึ่งก่อตั้งขึ้นใน ค.ศ. 1929 โดยฟรันทซ์ ลัง, ก็อททาร์ด วิลิช และอัลแบร์ท วิลิช^[10]

ในสหรัฐ ระบบลาโนวาถูกใช้งานโดยแม็กทรักส์ ตัวอย่างหนึ่งคือเครื่องยนต์ดีเซลแม็ก-ลาโนวา ED ที่ติดตั้งในรถบรรทุกแม็ก เอ็นอาร์

ข้อดีของห้องเผาไหม้แบบอ้อม

สามารถผลิตเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็กได้
แรงดันในการฉีดที่ต้องการต่ำ ทำให้หัวฉีดมีต้นทุนการผลิตถูกกว่า
ทิศทางการฉีดมีความสำคัญน้อยกว่า
ออกแบบและผลิตได้ง่ายกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องยนต์เบนซิน ต้องการการพัฒนาหัวฉีดน้อยกว่าและใช้แรงดันในการฉีดต่ำ (1500 psi/100 บาร์ เทียบกับ 5000 psi/345 บาร์ และสูงกว่าสำหรับระบบฉีดตรง)
ความเค้นที่ระบบฉีดเชื้อเพลิงอ้อมส่งผลต่อชิ้นส่วนภายในต่ำกว่า หมายความว่าสามารถผลิตเครื่องยนต์เบนซินและดีเซลแบบฉีดอ้อมจากพื้นฐานเครื่องยนต์เดียวกันได้ ในกรณีที่ดีที่สุด เครื่องยนต์ทั้งสองประเภทจะแตกต่างกันเพียงฝาสูบ โดยรุ่นเบนซินต้องติดตั้งจานจ่ายและหัวเทียน ขณะที่รุ่นดีเซลต้องติดตั้งปั๊มหัวฉีดและหัวฉีด ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์บีเอ็มซี เอ-ซีรีส์และบี-ซีรีส์ และเครื่องยนต์ 4 สูบแลนด์โรเวอร์ขนาด 2.25/2.5 ลิตร การออกแบบเช่นนี้ช่วยให้สามารถสร้างรถยนต์รุ่นเบนซินและดีเซลจากพื้นฐานเดียวกันได้โดยมีการเปลี่ยนแปลงการออกแบบน้อยที่สุด
สามารถทำความเร็วรอบเครื่องยนต์ที่สูงขึ้นได้ เนื่องจากมีการเผาไหม้ต่อเนื่องในห้องเผาไหม้ช่วย
เชื้อเพลิงทางเลือก เช่น ไบโอดีเซลและน้ำมันพืชเสียมีโอกาสน้อยที่จะสร้างความเสียหายให้กับระบบเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดอ้อม เนื่องจากไม่ต้องการแรงดันในการฉีดสูง ในเครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดตรง (โดยเฉพาะเครื่องยนต์สมัยใหม่ที่ใช้ระบบคอมมอนเรลแรงดันสูง) การดูแลรักษาไส้กรองเชื้อเพลิงให้อยู่ในสภาพดีมีความสำคัญมากกว่า เนื่องจากเศษสิ่งสกปรกสามารถสร้างความเสียหายให้กับปั๊มและหัวฉีดได้เมื่อใช้น้ำมันพืชเสียหรือน้ำมันเครื่องเสีย

ข้อเสีย

ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซลต่ำกว่าแบบฉีดตรงเนื่องจากพื้นที่สัมผัสที่ใหญ่กว่ามีแนวโน้มจะระบายความร้อนได้มากกว่าและอากาศที่ไหลผ่านช่องพอร์ตมีแนวโน้มจะทำให้แรงดันลดลง อย่างไรก็ตาม การใช้อัตราส่วนกำลังอัดที่สูงขึ้นจะช่วยลดความไม่ประสิทธิภาพนี้ได้บ้าง
หัวเผามีความจำเป็นสำหรับการสตาร์ตเครื่องยนต์ดีเซลในขณะเย็นจัด เครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดอ้อมหลายรุ่นไม่สามารถสตาร์ตได้เลยในสภาพอากาศหนาวเย็นหากไม่มีหัวเผา
เนื่องจากความร้อนและแรงดันจากการเผาไหม้ถูกกระทำต่อพื้นที่เล็ก ๆ บนลูกสูบขณะออกจากห้องเผาไหม้ช่วยหรือห้องหมุนวน เครื่องยนต์ประเภทนี้จึงไม่เหมาะสำหรับกำลังจำเพาะสูง (เช่น เทอร์โบชาร์จเจอร์ ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ หรือการปรับแต่ง) เท่ากับเครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดตรง อุณหภูมิและความดันที่เพิ่มขึ้นบนส่วนหนึ่งของหัวลูกสูบทำให้เกิดการขยายตัวที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งอาจนำไปสู่การแตกร้าว การบิดเบี้ยว หรือความเสียหายอื่น ๆ แม้ความก้าวหน้าในเทคนิคการผลิตจะช่วยให้ผู้ผลิตสามารถบรรเทาผลกระทบจากการขยายตัวที่ไม่สม่ำเสมอได้มาก ทำให้เครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดอ้อมสามารถใช้ระบบอัดอากาศได้
เครื่องยนต์แบบฉีดอ้อมมักมีเสียงดังกว่าเครื่องยนต์แบบฉีดตรงระบบคอมมอนเรลมาก
สารช่วยสตาร์ท ("อีเทอร์") มักไม่สามารถใช้ในเครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดอ้อมได้เนื่องจากหัวเผาจะเพิ่มความเสี่ยงของการจุดระเบิดล่วงหน้าอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดตรง

อ้างอิง

↑ Kerr, Jim. "Direct vs. port injection". The Chronicle Herald. สืบค้นเมื่อ 28 June 2016.
↑ Smith, Scott; Guinther, Gregory (2016-10-17). "Formation of Intake Valve Deposits in Gasoline Direct Injection Engines". SAE International Journal of Fuels and Lubricants (ภาษาอังกฤษ). 9 (3): 558–566. doi:10.4271/2016-01-2252. ISSN 1946-3960.
↑ Stone, Richard. "An introduction to ICE", Palgrace Macmillan, 1999, p. 224
↑ Two-stroke engine
↑ Electromechanical Prime Movers: Electric Motors. Macmillan International Higher Education. 18 June 1971. pp. 21–. ISBN 978-1-349-01182-7.^{[ลิงก์เสีย]}
↑ "Sir Harry Ricardo". oldengine.org. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 17 October 2010. สืบค้นเมื่อ 8 January 2017.
↑ Dempsey, P. (1995). Troubleshooting and Repairing Diesel Engines. TAB Books. p. 127. ISBN 9780070163485. สืบค้นเมื่อ 8 January 2017.
↑ Dempsey, Paul (2007). Troubleshooting and Repair of Diesel Engines. McGraw Hill Professional. ISBN 9780071595186. สืบค้นเมื่อ 2 December 2017.
↑ Dempsey, P. (1995). Troubleshooting and Repairing Diesel Engines. TAB Books. p. 128. ISBN 9780070163485. สืบค้นเมื่อ 8 January 2017.
↑ "The Lanova Combustion System". The Commercial Motor. 6 January 1933. สืบค้นเมื่อ 11 November 2017.

[1] Kerr, Jim. "Direct vs. port injection". The Chronicle Herald. สืบค้นเมื่อ 28 June 2016.

[2] Smith, Scott; Guinther, Gregory (2016-10-17). "Formation of Intake Valve Deposits in Gasoline Direct Injection Engines". SAE International Journal of Fuels and Lubricants (ภาษาอังกฤษ). 9 (3): 558–566. doi:10.4271/2016-01-2252. ISSN 1946-3960.

[3] Stone, Richard. "An introduction to ICE", Palgrace Macmillan, 1999, p. 224

[4] Two-stroke engine

[5] Electromechanical Prime Movers: Electric Motors. Macmillan International Higher Education. 18 June 1971. pp. 21–. ISBN 978-1-349-01182-7.^{[ลิงก์เสีย]}

[oldengine-6] "Sir Harry Ricardo". oldengine.org. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 17 October 2010. สืบค้นเมื่อ 8 January 2017.

[google-7] Dempsey, P. (1995). Troubleshooting and Repairing Diesel Engines. TAB Books. p. 127. ISBN 9780070163485. สืบค้นเมื่อ 8 January 2017.

[buaa-8] Dempsey, Paul (2007). Troubleshooting and Repair of Diesel Engines. McGraw Hill Professional. ISBN 9780071595186. สืบค้นเมื่อ 2 December 2017.

[google2-9] Dempsey, P. (1995). Troubleshooting and Repairing Diesel Engines. TAB Books. p. 128. ISBN 9780070163485. สืบค้นเมื่อ 8 January 2017.

[10] "The Lanova Combustion System". The Commercial Motor. 6 January 1933. สืบค้นเมื่อ 11 November 2017.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]