ปี ค.ศ. 1942 Cooper-Bessemer GN-8 ใช้เคื่องยนต์ดีเซลของเรือที่มีรางร่วมแต่หัวฉีดไม่ได้ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์
ปี ค.ศ. 1960 ต้นแบบถูกคิดค้นโดย Robert Huber of Switzerland แล้วพัฒนาต่อโดย Dr. Marco Ganser at the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich
ปี ค.ศ. 1990 พัฒนาต่อยอดสู่รถยนต์ญี่ปุ่นได้สำเร็จโดย Dr. Shohei Itoh and Masahiko Miyaki ของบริษัท Denso ใช้กับรถบรรทุก Hino ขายในปี ค.ศ. 1995
ปี ค.ศ. 1997 พัฒนาโดยบริษัท Bosch ใช้ระบบรางร่วมกับรถยนต์นั่งส่วนบุคคลให้กับกลุ่มบริษัท Fiat Mercedes-Benz และ Alfa Romeo (คำว่า Common rail engines เป็นชื่อที่ Fiat ใช้เรียกเป็นบริษัทแรก)
สาเหตุและความสำคัญของเครื่องยนต์ดีเซลระบบรางร่วม
เครื่องยนต์ดีเซลระบบรางร่วมจัดอยู่ในประเภทหนึ่งของเครื่องยนต์ดีเซลหัวฉีดควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ คือ
1. เครื่องยนต์ดีเซลหัวฉีดควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ แบบหัวฉีดหน่วยเดียวกับปั๊ม (Unit Injector)
1.1 ระบบลูกเบี้ยว (PDE) เคยใช้กับเครื่องยนต์เรือขนาดใหญ่
1.2 ระบบรางร่วมน้ำมันเครื่อง (Oil Common Rail System) เคยใช้กับ Isuzu รุ่น Truper
2. เครื่องยนต์ดีเซลหัวฉีดควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ แบบระบบรางร่วม (Common Rail System) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ดีกว่าเครื่องยนต์ตามแบบที่ 1.1 และ 1.2
จากกฎหมายควบคุมมลพิษยูโรระดับ 3 (ล่าสุดบางประเทศเตรียมใช้กฎหมายควบคุมมลพิษยูโรระดับ 7) ทำให้บริษัทผู้ผลิตรถยนต์ต้องเร่งพัฒนาเทคโนโลยีของเครื่องยนต์ ทั้งนี้เพื่อให้สังคมในเมืองใหญ่ได้สัมผัสกับสภาวะแวดล้อมทางอากาศที่สะอาดขึ้น เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องยนต์ดีเซลจึงต้องเป็นระบบรางร่วม
ในการลดมลพิษให้ต่ำลงได้มากๆ นั้นนอกจากจะต้องใช้เครื่องยนต์ระบบรางร่วมแล้วในส่วนของเครื่องยนต์ยังต้องออกแบบให้มีหลายลิ้น (Multi Valve) (เช่น 4 ลิ้น ต่อ 1 สูบ) พร้อมกับใช้ตัวอัดบรรจุอากาศเทอร์โบ เพื่อเพิ่มอากาศช่วยให้การเผาไหม้สมบูรณ์ขึ้น ลดเขม่าควันซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ของเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงดีเซล นอกจากนี้แล้วยังต้องมีระบบควบคุมแก๊สพิษ (Emission Control) อีก 2 ระบบเพื่อลดแก๊ส
NOX คือต้องมี
CAT (Catalytic Converter) หรือเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา และต้องมี
EGR (Exhaust Gas Recirculation) หรือการหมุนเวียนไอเสีย ดังนั้นถ้า
อุด EGR และผ่า CAT ก็จะเกิดปัญหาต่อสภาวะแวดล้อมด้วยเช่นกัน
หลักการทำงานขั้นพื้นฐานของเครื่องยนต์ระบบรางร่วมเหมือนกันกับ
เครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ แต่แตกต่างกันที่วิธีการควบคุมจังหวะและปริมาตรการฉีดเชื้อเพลิงโดยเครื่องยนต์ระบบรางร่วมใช้ความดันของเชื้อเพลิงสูงกว่าเครื่องยนต์ดีเซลธรรมดา (ปั๊มแบบจานจ่ายและแบบแถวเรียง) ประมาณ 7 เท่าขึ้นไป ความดันสูงสะสมอยู่ในรางร่วม มีหัวฉีดไฟฟ้าฉีดเชื้อเพลิงตามการสั่งการของหน่วยควบคุมทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งทำให้การเผาไหม้เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสมบูรณ์ที่สุดคือมลพิษต่ำกว่า พลังงานมากกว่า และประหยัดเชื้อเพลิงมากกว่าเครื่องยนต์ดีเซลระบบอื่น
รูปที่ 2 แสดงหลักการทำงานของเครื่องยนต์คอมมอนเรล (Common Rail Engine)
หลักการโดยสังเขปของเครื่องยนต์ดีเซลระบบรางร่วม
เชื้อเพลิง (น้ำมันดีเซล) ป้อนเข้าสู่ปั๊มซึ่งมีอยู่ 2 วิธีคือใช้ปั๊มไฟฟ้าจุ่มในถังเชื้อเพลิงดังในรูปที่ 2 (นิยมใช้กับรถยุโรป) กับแบบกลไกติดตั้งอยู่หน่วยเดียวกับปั๊มจ่ายเชื้อเพลิง (นิยมใช้กับรถกระบะในประเทศไทย) ปั๊มจ่ายเชื้อเพลิงหรือปั๊มความดันสูงควบคุมความดันด้วยลิ้นควบคุมความดันหรือลิ้นควบคุมการดูด (Suction Control Valve หรือ SCV) ความดันสูงนี้ถูกส่งไปเก็บสะสมยังท่อความดันสูง (High Pressure Vessel หรือรางร่วม Common Rail) ซึ่งมีรูปร่างอยู่ 2 แบบคือทรงกระบอกยาว (นิยมใช้กันมาก) กับแบบทรงกระบอกสั้น ดังนั้นหัวฉีดทุกหัวจึงมีความดันเชื้อเพลิงที่สูงมากเท่ากันทุกกระบอกสูบ รออยู่ที่ปลายหัวฉีดพร้อมตลอดเวลาสำหรับการฉีดให้เป็นฝอยละอองที่ละเอียดที่สุดผ่านรูเล็กๆ ของปลายหัวฉีดลงไปคลุกเคล้ากับอากาศที่ถูกอัดตัวจนมีความดันและอุณหภูมิที่สูงเหมาะสม ทั้งหมดควบคุมการทำงานโดยหน่วยควบคุมทางอิเล็กทรอนิกส์หรือ ECU (Electronic Control Unit) หรือ ECM (Electronic Control Module) ซึ่งจะรับสัญญาณต่างๆ เช่นสัญญาณตำแหน่งของลูกสูบ ความเร็วรอบ ตำแหน่งคันเร่ง อุณหภูมิน้ำ อุณหภูมิเชื้อเพลิง อุณหภูมิอากาศ ปริมาตรอากาศที่ประจุเข้า ความดันตัวอัดบรรจุอากาศเทอร์โบและความดันบรรยากาศ ความดันเชื้อเพลิง ความเร็วรถยนต์ ตำแหน่งเกียร์ เครื่องปรับอากาศ เป็นต้น เมื่อ ECU (ที่มี CPU 16 - 32 บิต) ประมวลผลแล้วส่งสัญญาณการฉีดไปยังหน่วยส่งแรงขับหัวฉีดหรือ EDU (Electronic Drive Unit) (บางแบบ ECU และ EDU อยู่ในชุดเดียวกัน) เพื่อเพิ่มแรงเคลื่อนไฟฟ้าจาก 12 โวลต์เป็น 100 โวลต์ (บางแบบ 60 - 150 โวลต์ซึ่งแล้วแต่รุ่นของรถยนต์และแบบของหัวฉีด)
ข้อมูลทางเทคนิคเพิ่มเติมของเครื่องยนต์ดีเซลระบบรางร่วม
หมายเหตุ สำหรับค่ากำหนดที่จะยกตัวอย่างต่อไปนี้เป็นตัวอย่างสำหรับเครื่องยนต์ 4 สูบขนาดความจุกระบอกสูบ 2500 - 3000 cc
1. ปั๊มความดันสูง (High Pressure Pump) หรือปั๊มจ่ายเชื้อเพลิง (Supply Pump)
รูปที่ 3 ปั๊มความดันสูงหรือปั๊มจ่ายเชื้อเพลิงแบบต่างๆ ของเครื่องยนต์คอมมอนเรล
รูปที่ 4 แสดงการทำงานของปั๊มความดันสูงหรือปั๊มจ่ายเชื้อเพลิง ของเครื่องยนต์คอมมอนเรล
เชื้อเพลิงจากถังจะถูกป้อนเข้าปั๊มจ่ายเชื้อเพลิง ซึ่งปั๊มป้อนเชื้อเพลิงเป็นปั๊มความดันต่ำบางแบบอยู่หน่วยเดียวกับปั๊มจ่ายเชื้อเพลิง แต่บางแบบเป็นปั๊มไฟฟ้าจุ่มในถังเชื้อเพลิงตามรูปที่ 2
หลักการทำงานของปั๊มจ่ายเชื้อเพลิงจากรูปที่ 4 จะอาศัยกำลังขับของเฟืองไทมิ่งเพลาข้อเหวี่ยงทำให้เฟืองขับปั๊มจ่ายเชื้อเพลิงหมุน ลูกเบี้ยวเยื้องศูนย์อัดลูกปั๊มให้ทำงาน โดยปริมาตรการดูดเชื้อเพลิงที่เข้าปั๊มจ่ายเชื้อเพลิงนี้ถูกควบคุมด้วยลิ้นควบคุมการดูด (Suction Control Valve หรือ SCV) แล้วจากนั้นลูกปั๊มจะถูกอัดกระแทกจากลูกเบี้ยวเยื้องศูนย์ให้อัดเชื้อเพลิงออกทางลิ้นกันกลับด้านส่ง จ่ายเชื้อเพลิงความดันสูงไปสะสมยังรางร่วม (Common Rail)
เครื่องยนต์ระบบรางร่วมรุ่นที่ 1 ใช้ความดันสูงสุด 1350 bar (บางรุ่นขณะเดินเบาอยู่ที่ 30 bar)
เครื่องยนต์ระบบรางร่วมรุ่นที่ 2 (เริ่มปี ค.ศ. 2001) ใช้ความดันสูงสุด 1600 - 1800 bar
เครื่องยนต์ระบบรางร่วมรุ่นที่ 3 (เริ่มปี ค.ศ. 2003) ใช้ความดันสูงสุด 2000 bar
อนึ่งในปี ค.ศ. 2014 บางประเทศที่เจริญแล้วในยุโรปจะใช้กฎหมายควบคุมมลพิษยูโรระดับ 6 ทำให้บริษัทผู้ผลิตรถยนต์จะต้องพัฒนาเครื่องยนต์ดีเซลให้มีแก๊สพิษต่ำลงไปอีก ซึ่งจะใช้ระบบรางร่วมรุ่นที่ 4 ที่มีความดันสูงสุดถึง 3000 bar จังหวะการฉีดเชื้อเพลิงอาจถึง 7 ครั้งต่อ 1 กลวัตรการทำงานของแต่ละสูบ
2. รางร่วม (Common Rail)
รางร่วมหมายถึงท่อร่วมเชื้อเพลิง เป็นท่อหรือห้องสะสมความดันเพื่อจ่ายเชื้อเพลิงไปยังหัวฉีดสูบแต่ละสูบผ่านทางท่อฉีดเชื้อเพลิง (Injection Pipe) และที่ปลายด้านหนึ่งของรางร่วมจะมีตัวจำกัดความดัน (Pressure Limiter) เพื่อป้องกันมิให้ความดันเชื้อเพลิงมีค่าสูงเกินกว่าที่กำหนดไว้สูงสุด บางแบบมีลิ้นควบคุมการระบายความดัน (Pressure Discharge Valve หรือ Pressure Relief Valve)
High Pressure Vessel หรือ Common Rail มี 2 แบบคือแบบทรงกระบอกยาว (นิยมใช้เป็นส่วนใหญ่) กับแบบทรงกระบอกสั้น ดังแสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 แบบของ High Pressure Vessel หรือ Common Rail ของเครื่องยนต์คอมมอนเรล
3. หัวฉีด (Injector)
หลักการทำงานของหัวฉีดคือขณะที่ยังไม่ฉีดเชื้อเพลิงในตำแหน่งนี้ลิ้นโซเลนอยด์จะปิดช่องทางของห้องควบคุมความดันสูงของเชื้อเพลิงเข้ากระทำตามลูกศรซึ่งจะมีพื้นที่หน้าตัดมากกว่าห้องความดันที่ด้านล่างของเข็มหัวฉีด (Nozzle Needle) ดังนั้นตรงหน้าลิ้นของเข็มหัวฉีดจึงถูกกดให้อยู่ในตำแหน่งปิดสนิท เชื้อเพลิงความดันสูงไม่อาจรั่วออกไปจากปลายหัวฉีดได้ ในขณะที่มีสัญญาณการฉีดจาก ECU ส่งไปยังหน่วยส่งแรงขับด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (EDU) แรงเคลื่อนสูง (ประมาณ 100 V ) จะไหลผ่านเข้าขดลวดโซเลนอยด์ของหัวฉีดครบวงจร ซึ่งจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเอาชนะแรงของสปริงที่กดอยู่ด้านบนของลิ้นโซเลนอยด์ ลิ้นโซเลนอยด์จึงยกขึ้น เปิดช่องทางของห้องควบคุมทำให้ความดันในห้องควบคุมตกเกือบเป็นศูนย์ (เชื้อเพลิงความดันสูงจากรางร่วมถูกกีดขวางระหว่างห้องความดันโดยรูเล็กหรือ Orifice) ดังนั้นความดันเชื้อเพลิงที่ด้านล่างของเข็มหัวฉีดจะยกเข็มหัวฉีดเปิดช่องทางให้เชื้อเพลิงไหลผ่านลิ้นหัวฉีดผ่านรูหัวฉีด (หลายรู) ให้เป็นฝอยละอองดังแสดงการทำงานในรูปที่ 6
รูปที่ 6 แสดงหลักการทำงานของหัวฉีด (แบบโซเลนอยด์) ในเครื่องยนต์คอมมอนเรล
(มีจังหวะการฉีด 2 ครั้ง คือฉีดนำร่องและฉีดหลัก)
จำนวนรูหัวฉีดมี 6 - 8 รู (หัวฉีดไพอิโซอิเล็กทริกรุ่นล่าสุดบางรุ่นมีรูจำนวน 10 รู และระบบรางร่วมรุ่นที่ 4 ในปี ค.ศ. 2014 หัวฉีดอาจมี 11 รู)
หัวฉีดมีรูโต 0.13 - 0.147 mm (รุ่น 8 รู แต่ละรูโต 0.0876 mm) ปริมาตรการฉีดเชื้อเพลิงขณะเดินเบา เมื่อเครื่องยนต์ร้อนประมาณ 3 – 4
mm3/Stroke
หน่วยขับหัวฉีดหรือหน่วยส่งแรงขับด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Driver Unit หรือ EDU) ส่งแรงเคลื่อนไฟฟ้าเปิดหัวฉีด 60 - 150 V
จังหวะการฉีดเชื้อเพลิงขณะเดินเบาบางรุ่นเริ่มฉีดหลังศูนย์ตายบน 2 องศา และที่ 3,000 rpm ไม่มีภาระจะเริ่มฉีดก่อนศูนย์ตายบน 1 ถึง 4 องศา
เครื่องยนต์ระบบรางร่วมรุ่นที่ 1 - 2 มีจังหวะการฉีด 2 จังหวะ คือการฉีดนำร่อง (Pilot Injection) ระยะเวลาการฉีดประมาณ 0.5 – 0.6 ms และการฉีดหลัก (Main Injection) มีระยะเวลาประมาณ 0.7 – 0.9 ms เครื่องยนต์ระบบรางร่วมรุ่นที่ 3 จะมีการฉีด 5 ครั้ง แต่ละครั้งจะมีระยะเวลาการฉีดเชื้อเพลิงประมาณ 0.1 - 0.2 ms การฉีดหลายครั้งเรียกว่า Multiple Injection การฉีดครั้งที่ 1 เรียกว่าการฉีดนำร่อง (Pilot Injection) การฉีดครั้งที่ 2 เรียกว่าการฉีดก่อน (Pre Injection) การฉีดครั้งที่ 3 เรียกว่าการฉีดหลัก (Main Injection) การฉีดครั้งที่ 4 เรียกว่าการฉีดภายหลัง (After Injection) และการฉีดสุดท้ายครั้งที่ 5 เรียกว่าการฉีดตามหลัง (Post Injection)
อนึ่งผู้เขียนเคยทราบข้อมูลมาว่าที่ประเทศเยอรมันได้มีการทดลองการฉีดเชื้อเพลิง 9 ครั้ง
หัวฉีดมี 2 แบบคือหัวฉีดลิ้นโซเลนอยด์ (Solenoid Injector) และแบบใหม่ซึ่งใช้กับเครื่องยนต์ระบบรางร่วมรุ่นที่ 3 คือหัวฉีดไพอิโซอิเล็กทริก (Piezo Injector หรือ Piezoelectric Injector)
รูปที่ 7 แบบของหัวฉีดในเครื่องยนต์คอมมอนเรล
หมายเหตุ ผู้เขียนได้ค้นคว้าข้อมูลเพิ่มเติมจากสิทธิบัตรสรุปได้ว่าผลึกแร่ไพอิโซ (Piezo Crystals) ของหัวฉีดแบบไพอิโซอิเล็กทริก (Piezoelectric Injector) ถูกวางเรียงซ้อนกัน 350 ชั้น รวมความยาว 30 mm ใช้แรงเคลื่อนไฟฟ้า 150 V เกิดแรงผลัก 2500 N สามารถยกเข็มหัวฉีดระยะทาง 40 micrometers (0.04 mm) ที่มีความดันเชื้อเพลิง 2000 bar ซึ่งสามารถฉีดเชื้อเพลิงปริมาตร 1 mm3 ต่อการยกเข็มหัวฉีด 1 ครั้ง (หัวฉีดแบบโซเลนอยด์ไม่สามารถยกเข็มหัวฉีดให้มีความถี่ 4-5 ครั้งต่อ 1 กลวัตรการทำงานของแต่ละสูบได้)
4. กรองเชื้อเพลิง (Fuel Filter)
กรองเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลระบบรางร่วมจะต้องเปลี่ยนตามอายุการใช้งานที่ 40,000 km จึงสมควรปฏิบัติตามข้อกำหนดอย่างเคร่งครัดและไม่ควรใช้กรองเชื้อเพลิงของเทียม ซึ่งอาจจะเป็นสาเหตุทำให้เกิดความเสียหายกับระบบเชื้อเพลิงได้ รถยนต์บางแบบจะมีหลอดไฟเตือนให้เปลี่ยนกรองเชื้อเพลิงเมื่อถึงระยะทาง 40,000 ก.ม.
หมายเหตุ คุณภาพของเชื้อเพลิงที่ต่ำเกินไปจากปั๊มน้ำมันที่ไม่ได้มาตรฐานหรือน้ำมันที่มีสารเจือปน (Solvent) จะเป็นอันตรายอย่างมากต่อเครื่องยนต์ระบบรางร่วม
ข้อมูลเสริมชื่อเรียกที่เป็นเครื่องหมายการค้าแทนเครื่องยนต์รางร่วมหรือคอมมอนเรล
ชื่อเรียกเครื่องยนต์รางร่วมหรือคอมมอนเรล ที่เป็นมาตรฐานสากลและเป็นที่รู้จักกันมากที่สุด 3 ชื่อคือ
Common Rail System (CRS), Common Rail Injection System (CRIS), Common Rail Diesel (CRD) แต่ในทางการตลาดของบริษัทรถยนต์จะต้องสร้างความแตกต่างเพื่อผลเชิงพาณิชย์จึงได้ตั้งชื่อเฉพาะของตนเองขึ้นมาใหม่ อย่างไรก็ตามบริษัทรถยนต์มิได้พัฒนาและผลิตอุปกรณ์ของรถยนต์เองทั้งหมดหากแต่ได้ร่วมทุนหรือซื้อเทคโนโลยีมาจากบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์รถยนต์เช่น Bosch ND Delphi AG เป็นต้น ผู้เขียนได้ลองสืบค้นชื่อเรียกของบริษัทต่างๆ มาให้อ่านเป็นความรู้เพิ่มเติมดังต่อไปนี้
รถยนต์
|
ชื่อย่อทางการค้า
|
ชื่อเต็ม
|
Daimler (Mercedes-Benz), Chrysler
|
CDI, CRD
|
Common-rail Direct Injection
Common Rail Diesel
|
Chevrolet
|
VCDi
|
Variable geometry turbocharger
Common rail Direct Injection
|
Fiat Group (Fiat, Alfa Romeo and Lancia)
|
JTD, MultiJet, JTDm, Ecotec CDTi, TiD, TTiD, DDiS, Quadra-Jet
|
uniJet Turbo Diesel
|
Ford
|
TDCi
|
Turbo Diesel Common rail Injection
|
Toyota
|
D-4D, D-Cat
|
Direct injection-4 stroke common rail Diesel engine
|
Nissan, Renault
|
dCi
|
Direct Common-rail Injection
|
Opel
|
CDTI
|
Common rail Diesel Turbo Injection
|
Cummins
|
CCR
|
Cummins Common Rail
|
Cummins and Scania
|
XPI
|
Xtra high Pressure Injection
|
Peugeot, Citroën
|
HDI, HDi
|
High-pressure Direct Injection
|
Isuzu
|
iTEQ
|
Intelligent-Technology
|
Honda
|
i-CTDi , i-DTEC
|
Intelligent Common rail Turbocharged Direct injection
|
Hyundai, Kia
|
CRDi
|
Common Rail Direct Injection
|
Mitsubishi
|
DI-D
|
Direct Injection-hyper common rail Diesel
|
Tata
|
DICOR
|
Direct Injection COmmon Rail diesel
|
Volkswagen, Seat, Skoda, Audi
|
TDI
|
Turbocharged Direct Injection
|
Mazda
|
CD
|
Common rail Diesel
|
Proton
|
SCDi
|
Super Common rail Direct Injection
|
คลิปที่ 1 การทำงานของเครื่องยนต์แบบรางร่วม (Audi common rail engine)
คลิปที่ 1 สัญญาณต่างๆ ของเครื่องยนต์แบบรางร่วม (Toyota common rail engine)
แหล่งที่มาของข้อมูลอ้างอิงจาำกหนังสือและเว็บไซต์ดังต่อไปนี้
Automotive Handbook - 8th Edition
Toyota D-4D Workshop Manual
.JPG)
1.jpg)
