ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีน, Gasoline Fuel Injection System

เมนูสำหรับสมาร์ทโฟน เปิดบทความของเว็บบล็อกช่างยนต์

เครื่องยนต์ที่ 1-8 ในแผนกช่างยนต์

เครื่องยนต์ที่ 9-14 ในแผนกช่างยนต์

เครื่องยนต์ที่ 15-20 ในแผนกช่างยนต์

เครื่องยนต์ Toyota, Honda, Isuzu และ Nissan ในศูนย์บริการรถยนต์

เครื่องยนต์ Mitsubishi, Mazda, Ford และ MG ในศูนย์บริการรถยนต์

ดีเซลคอมมอนเรล

ระบบวินิจฉัยข้อบกพร่อง

ระบบฉีดเชื้อเพลิงแก๊สโซลีน

EFI

โครงสร้างเครื่องยนต์หัวฉีด

จังหวะการฉีดเชื้อเพลิง

ระบบจุดระเบิด

วงจรไฟฟ้าเครื่องยนต์หัวฉีด

วงจรไฟฟ้า Mitsubishi ECI-multi

วงจรไฟฟ้า Nissan ECCS

วงจรไฟฟ้า Honda PGM-FI

เครื่องยนต์แก๊สโซลีน 4 จังหวะ

เครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ

ชิ้นส่วนเครื่องยนต์

อัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิง

องค์ประกอบการสันดาป

Valve Timing Diagram

Port Timing Diagram

EGR

CAT

พจนานุกรมศัพท์ยานยนต์

ต้นกำลังงาน

การเปลี่ยนพลังงานความร้อน

เครื่องยนต์โรตารี่

คำศัพท์น่ารู้

แรงบิด,กำลัง

เคมีสำหรับช่างยนต์

คุณธรรมสำหรับช่าง

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)