ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีน, Gasoline Fuel Injection System

ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีน (Gasoline Fuel Injection System)
หมายเหตุ  

หัวฉีด (Injector) ในพจนานุกรมศัพท์ยานยนต์ ฉบับบัณฑิตยสถาน ๒๕๔๒ เรียกว่า "ตัวฉีด"

มาตรวัดการไหลอากาศ (Air Flow Meter) ในพจนานุกรมฯ เรียกว่า "มาตรอากาศไหล"
ตัวตรวจจับ (Sensor) ในพจนานุกรมฯ เรียกว่า "ตัวรับรู้"

รูปที่ 1 เครื่องยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีนแบบหัวฉีดกลไกร่วมกับอิเล็กทรอนิกส์ (KE-Jetronic)

          เครื่องยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีน (โดยทั่วไปแล้วใช้กับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน 4 จังหวะ) ถูกแบ่งออกเป็น 2 ชนิดตามการทำงานของหัวฉีด (หรือตัวฉีด) ดังต่อไปนี้

          1.  หัวฉีดกลไก เริ่มถูกนำมาใช้กับรถยนต์เมอร์เซดิส-เบนซ์ (MERCEDES–BENZ) ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2497 (ค.ศ. 1954) โดยเป็นแบบฉีดเชื้อเพลิงตรงเข้ากระบอกสูบ ต่อมาจึงพัฒนาเป็นการฉีดเชื้อเพลิงแบบฉีดโดยอ้อม คือฉีดเชื้อเพลิงที่ปลายท่อร่วมไอดี โดยคูเกลฟิสเชอร์ (Kugelfischer) ซึ่งระบบนี้เป็นการฉีดเชื้อเพลิงด้วยกลไก  (Mechanical Fuel Injection) 

            1.1  หัวฉีดกลไกล้วน (K–Jetronic ) ใช้กับวอลโว่ (VOLVO) และเมอร์เซเดส-เบนซ์  W-123

            1.2  หัวฉีดกลไกร่วมกับอิเล็กทรอนิกส์ (KE–Jetronic) ระบบนี้นำมาใช้ในประเทศไทยกับรถยนต์ เมอร์เซดิส-เบนซ์ W-124 (เช่นในรุ่น 190E, 230E และ 300E เป็นต้น) โดยเรียกชื่อย่อว่า CIS-E (Continuous Injection System-Electronic Adaptation of Mixture) ดังแสดงในรูปที่ 1  สำหรับตัวอย่างของระบบ KE-Jetronic นี้ในสหรัฐอเมริกาใช้กับรถยนต์ Ferrari GTSi QV ปี ค.ศ. 1984 

          2.  หัวฉีดไฟฟ้า หัวฉีดไฟฟ้าได้เริ่มนำมาใช้กับรถยนต์เมอร์เซดิส-เบนซ์ เมื่อปี พ.ศ. 2511 (ค.ศ. 1968) ออกแบบโดยบอสช์ (BOSCH) ต่อจากนั้นมา รถยนต์ของญี่ปุ่นจึงเริ่มใช้ในปี พ.ศ. 2514 (ค.ศ. 1971)

            ระบบการทำงานของเครื่องยนต์ที่ใช้หัวฉีดไฟฟ้านี้ถูกเรียกว่าระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีนควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์หรือเรียกสั้น ๆ ว่า EFI (Electronic Fuel Injection)  เครื่องยนต์รุ่นเก่าบางรุ่นการฉีดเชื้อเพลิงจะเป็นแบบฉีดโดยอ้อม ถ้าหัวฉีดถูกติดตั้งที่ตัวเรือนลิ้นเร่งเรียกว่า การฉีดแบบจุดเดียว (Single Point Injection) หรือ SPI แต่บางบริษัทเรียกว่า การฉีดที่ตัวเรือนลิ้นเร่ง (Throttle Body Injection) หรือ TBI ดังแสดงในรูปที่ 2 สำหรับการฉีดเชื้อเพลิงแบบจุดเดียวนี้บางบริษัทใช้หัวฉีดเพียงหัวเดียวแต่บางบริษัทใช้ 2 หัว ระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบนี้รถยนต์ใหม่ในปัจจุบันไม่ผลิตแล้ว

รูปที่  2  หัวฉีดไฟฟ้าแบบจุดเดียว

            ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีนควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากและใช้อยู่ปัจจุบัน คือหัวฉีดถูกติดตั้งที่ปลายท่อร่วมไอดีเรียกว่าการฉีดแบบหลายจุด (Multi Point Injection) หรือ MPI แต่มีบางบริษัทเรียกว่า การฉีดเชื้อเพลิงที่ท่อ (Port Fuel Injection) หรือ PFI ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 หัวฉีดไฟฟ้าแบบหลายจุด
(จังหวะการฉีดเชื้อเพลิงมีอยู่ 3 แบบ)

            ในประเทศญี่ปุ่นเมื่อปี ค.ศ.1996 โตโยต้าเริ่มพัฒนาต้นแบบเครื่องยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีนเข้าห้องเผาไหม้โดยตรง เรียกระบบนี้ว่า D-4 ซึ่งหมายถึงการฉีดเชื้อเพลิงโดยตรง 4 โหมด (4 Modes Direct Injection  Gasoline) แต่มิตซูบิชิได้ผลิตเครื่องยนต์ระบบเดียวกันนี้ใช้เชิงพาณิชย์เมื่อปี ค.ศ.1997 โดยเรียกระบบว่า GDI (Gasoline Direct Injection) ซึ่งต่อมาหลายบริษัทได้พัฒนามาใช้จนถึงปัจจุบันโดยเรียกหลายชื่อเช่น Petrol Direct Injection หรือ Direct Petrol Injection หรือ Spark Ignited Direct Injection (SIDI) หรือ Fuel Stratified Injection (FSI)

          ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีนควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (EFI) สามารถแบ่งตามวิธีการตรวจจับปริมาณอากาศที่ประจุเข้ากระบอกสูบได้ 2 แบบ คือ

          2.1  ระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบ L (L-Type EFI หรือ L–Jetronic) (L มาจากภาษาเยอรมันว่า Lüft Mengen Messer หมายถึงวัดส่วนผสมจากอากาศ) EFI แบบ L นี้ใช้การตรวจจับปริมาตรของอากาศที่ประจุเข้ากระบอกสูบจากมาตรวัดการไหลอากาศ (หรือมาตรอากาศไหล) (Air Flow Meter) หรือบางบริษัทเรียกว่า มาตรวัดมวลอากาศ (Air Mass Meter) เป็นสัญญาณหลักที่ส่งเข้าหน่วยควบคุมทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Control Unit) หรือ ECU  โดย ECU จะประมวลผลร่วมกับสัญญาณความเร็วรอบเครื่องยนต์และอื่น ๆ แล้วกำหนดปริมาณการฉีดเชื้อเพลิงของหัวฉีด  สำหรับมาตรวัดการไหลอากาศนั้นมีอยู่ 4 ชนิด คือแบบครีบหรือแผ่นวัด (Flap หรือ Vane) แบบคลื่นไหลวนคาร์มาน (Karman Vortex) แบบขดลวดร้อน (Hot Wire) และแบบฟิล์มร้อน (Hot Film) ซึ่งมาตรวัดการไหลอากาศ 2 แบบแรกนั้นปัจจุบันเลิกผลิตแล้ว

รูปที่ 4  โครงสร้างระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบ  L

            2.2  ระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบ D (D–Type EFI หรือ D–Jetronic) (D มาจากภาษาเยอรมันว่า Druckfühler หมายถึงวิธีวัดจากความดัน) (EFI แบบ D นี้ ใช้การตรวจจับความดันอากาศในห้องประจุไอดีจากตัวตรวจจับความดันในท่อร่วมไอดี (Manifold Pressure Sensor) หรือเรียกได้ว่า ตัวตรวจจับ (หรือตัวรับรู้) สุญญากาศ (Vacuum Sensor) สำหรับรถยนต์ยุโรปและฮอนด้าจะเรียกว่า ตัวตรวจจับความดันสมบูรณ์ในท่อร่วมไอดี (Manifold Absolute Pressure Sensor) (MAP Sensor) ซึ่ง ECU จะประมวลผลของสัญญาณนี้ร่วมกันกับสัญญาณความเร็วรอบเครื่องยนต์และสัญญาณอื่น ๆ สำหรับการกำหนดปริมาณการฉีดเชื้อเพลิงโดยควบคุมระยะเวลาการฉีดเชื้อเพลิงที่หัวฉีด

รูปที่ 5 โครงสร้างระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบ D

ระบบฉีดเชื้อเพลิงด้วยอิเล็กทรอนิกส์แบบต่างๆ

            หน่วยควบคุมทางอิเล็กทรอนิกส์หรือ ECU (Electronic Control Unit) หรือบางบริษัทเรียกว่า ECM (Electronic Control Module) ระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิม (Conventional EFI) หรือ EFI ธรรมดา ภายใน ECU ยังไม่ได้นำระบบไมโครคอมพิวเตอร์มาใช้ โดยใช้เพียงไอซีขยายสัญญาณการทำงาน (IC-Op Amp) ECU จึงมีหน้าที่ควบคุมการฉีดเชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียว จึงมิได้ควบคุมจังหวะการจุดระเบิด และความเร็วรอบเดินเบา (ที่จานจ่ายมีชุดเร่งไฟด้วยสุญญากาศ (Vacuum Advance) และชุดเร่งไฟด้วยกลไก (Mechanical Advance) ต่อมาได้นำระบบไมโครคอมพิวเตอร์มาใช้ใน ECU โดยมีหน่วยประมวลผลกลางหรือ CPU 8 บิต (Bit) ทำให้ ECU มีความสามารถมากขึ้นด้วยการควบคุมการทำงานของเครื่องยนต์มิใช่แค่ควบคุมระบบฉีดเชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียว (เช่นควบคุมอัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิง, ควบคุมจังหวะและมุมการจุดระเบิด, ควบคุมความเร็วรอบเดินเบา, ควบคุมการประจุอากาศ และการวินิจฉัยข้อบกพร่องตัวเองเป็นต้น) โดยแต่ละบริษัทได้ตั้งชื่อเรียกระบบเหล่านี้ไว้เช่น

            ECCS (Electronic Concentrated Engine Control System) หรือระบบควบคุมเครื่องยนต์ด้วยศูนย์กลางทางอิเล็กทรอนิกส์ เป็นระบบของนิสสัน (NISSAN) เริ่มใช้ในปี  พ.ศ.2522  (ค.ศ.1979)

            TCCS (Toyota Computer-Controlled System) หรือระบบควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ของของโตโยต้า เริ่มใช้ในปี พ.ศ.2526  (ค.ศ.1983)      

            PGM-FI (Programmed-Fuel Injection) หรือการฉีดเชื้อเพลิงด้วยโปรแกมของฮอนด้า (HONDA) 

            โมโทรนิค (Motronic) (Digital Motor Electronics) หรือ DME ซึ่งบอสช์ (BOSCH) เป็นผู้ผลิตให้กับหลายบริษัท เช่นบีเอ็มดับเบิลยู (BMW) เริ่มใช้ในปี พ.ศ.2522 (ค.ศ.1979)

รูปที่ 6 หน้าที่การควบคุมของ ECU

             ปัจจุบัน CPU ของ ECU มีระบบปฏิบัติการประมวลผล 32 บิต (Bit) มีหน้าที่ควบคุมการฉีดเชื้อเพลิงด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Fuel Injection) การจุดระเบิดล่วงหน้าด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Spark Advance) หรือ ESA ควบคุมความเร็วรอบเดินเบา (Idle Speed Control) หรือ ISC การวิเคราะห์ข้อบกพร่องตัวเอง (Self Diagnostic) ควบคุมระบบเสริมประสิทธิภาพต่าง ๆ ของเครื่องยนต์ รวมทั้งยังสามารถควบคุมระบบการทำงานของเกียร์อัตโนมัติ และควบคุมความเย็นของระบบปรับอากาศรถยนต์อีกด้วย

อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมของเครื่องยนต์ EFI

คลิปที่ 1 การทำงานของเครื่องยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิงด้วยอิเล็กทรอนิกส์

(ขอขอบคุณที่มาของคลิปจากบางส่วนของไฟล์ภาพเคลื่อนไหวรักษาหน้าจอของ Deutz Engine)

คลิปที่ 2 การทำงานของหัวฉีด (หรือตัวฉีด) 

(ขอขอบคุณที่มาของคลิปจาก Wikipedia.com)

Read more »