การทำงานของเครื่องยนต์เล็กดีเซล 4 จังหวะ หัวฉีดจะฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง

ปั๊มหัวฉีดในเครื่องยนต์ดีเซล

เครื่องยนต์ดีเซลนั้นทำงานอย่างไร?

ก่อนอื่นขอกล่าวถึงการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินก่อนนะครับ ในเครื่องยนต์เบนซินทำงานโดยอาศัยลิ้นเร่ง หรือ throttle valve ซึ่งทำงานตามจังหวะในการเหยียบแป้นคันเร่งนั่นเอง โดยทำหน้าที่ควบคุมปริมาณของอากาศที่จะไหลผ่าน ในขณะเดียวกันปริมาณของน้ำมันเชื้อเพลิงที่ฉีดออกมาผสมกับอากาศจะต้องอยู่ในปริมาณที่เหมาะสมกับการทำงานของเครื่องยนต์ เมื่อผสมกันเสร็จแล้วก็จะได้ไอดี (gas mixture) ป้อนให้กับกระบอกสูบ เมื่อปริมาตรของไอดีในกระบอกสูบถูกอัดในจังหวะอัดก็พร้อมที่จะจุดระเบิดโดยหัวเทียน และได้จังหวะกำลังตามมา

สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลทำงานโดยอาศัยการจุดระเบิดด้วยการอัดอากาศ อากาศจะถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลง โดยมีอัตราส่วนการอัด 22:1 ทำให้อุณหภูมิ ของอากาศสูงขึ้นถึง 538°C (1000°F) เมื่อสิ้นสุดจังหวะอัด น้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไปในกระบอกสูบ ด้วยแรงดันที่สูงกว่า 100 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร หลังจากนั้นอากาศร้อนภายในกระบอกสูบที่ถูกอัดจนร้อนจะจุดระเบิดน้ำมันเชื้อเพลิงทำให้ให้เกิดจังหวะกำลังตามมา ด้วยเหตุนี้เครื่องยนต์ดีเซลจึงต้องมีปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง เพื่อสร้างแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงให้สูงพอที่จะฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ที่มีแรงดันสูงมาก และน้ำมันเชื้อเพลิงที่ฉีดออกไปจะต้องแตกเป็นละอองคลุกเคล้ากับอากาศได้อย่างพอเหมาะ

ระบบน้ำมันเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซล

น้ำมันเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าห้องเผาไหม้จะต้องมีปริมาณที่เหมาะกับความต้องการของเครื่องยนต์

1. เมื่อรอบเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นอย่างทันทีทันใด น้ำมันเชื้อเพลิงจะต้องฉีดเข้าห้องเผาไหม้เพียงพอกับความต้องการ
2. น้ำมันเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าห้องเผาไหม้จะต้องมีแรงดันที่สูงกว่า ความดันในกระบอกสูบมาก (เมื่อสิ้นสุดจังหวะอัดในห้องเผาไหม้จะมีแรงดันสูงถึง 3,447 kPa (500 psi)

น้ำมันเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าเครื่องยนต์ดีเซลจะต้องมีแรงดันสูงมากเพื่อฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ที่มีความดันสูงซึ่งเป็นที่มาของปั๊มฉีดน้ำมันเครื่องยนต์ดีเซล

โครงสร้างของระบบฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงดีเซล

ระบบหัวฉีดน้ำมันดีเซลประกอบด้วย

• ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel injection pump)  ทำหน้าที่สร้างแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงให้สูงเพื่อป้อนให้กับหัวฉีดหัวฉีดน้ำมัน (Injection nozzle) ทำหน้าที่ฉีดน้ำมันเข้าไปในกระบอกสูบ
• ปั๊มน้ำดูดน้ำมันเชื้อเพลิง (Feed pump) ทำหน้าที่ดูดน้ำมันจากถังน้ำมัน
• กรองน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel filter)  ทำหน้าที่กรองสิ่งสกปรกออกจากน้ำมันเชื้อเพลิง
• ท่อส่งน้ำมันแรงดันสูง (High-pressure pipe)
• ท่อน้ำมันไหลกลับ (return pipe)

ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องยนต์ดีเซล

ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง มีหน้าที่ควบคุมการฉีดจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงผ่านหัวฉีดเข้าสู่กระบอกสูบของแต่ละสูบของเครื่องยนต์ ตามจังหวะการทำงานของเครื่องยนต์ เปรียบเสมือนได้กับจังหวะการทำงานของจานจ่านกับการเกิดประกายไฟที่หัวเทียนของเครื่องยนต์เบนซิน

ชนิดของปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง

ชนิดของปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องยนต์ดีเซล มีทั้งแบบควบคุมด้วยกลไก และควบคุมด้วยอีเล็คทรอนิคส์ โดยทั่วไปนิยมใช้กันคือ

1. ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ควบคุมด้วยกลไก แบบแถวเรียง หรือ PE (in-line pump)

2. ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ควบคุมด้วยกลไก แบบจานจ่าย หรือ VE (distributor pump)

3. ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ควบคุมการทำงานด้วยอีเล็คทรอนิคส์ แบบคอมม่อนเรล (common rail pump)

1. ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงแบบแถวเรียง (in-line pump)

ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงแบบแถวเรียง (In-line Pump) เป็นปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงที่ถูกออกแบบให้มีจำนวนลูกปั๊มเท่ากับจำนวนสูบของเครื่องยนต์เพื่อจ่ายน้ำมันให้กับแต่ละกระบอกสูบ ใช้ในเครื่องยนต์ตั้งแต่ 1 สูบจนถึงเครื่องยนต์ขนาด 12 สูบ ปั๊มแบบนี้มักพบในเครื่องยนต์ดีเซลในบ้านเรา ทำงานโดยการขับเคลื่อนด้วยเฟืองกับเพลาราวลิ้น ประกอบด้วย

• ปั๊มดูดน้ำมัน (Feed pump)
• กัฟเวอร์เนอร์ (Governor) ทำหน้าที่ควบคุมการจ่ายน้ำมันให้เหมาะสมกับภาระของเครื่องยนต์ในขณะนั้น โดยการปรับปริมารณการฉีดของน้ำมันเชื้อเพลิงตามภาระของเครื่องยนต์เพื่อควบคุมความเร็วรถยนต์
  • ควบคุมการจ่ายน้ำมันให้รอบเครื่องยนต์เดินเบาและรอบสูงสุดให้คงที่
  • ควบคุมความเร็วตามภาระของเครื่องยนต์
  • เพื่อไม่ให้น้ำมันเชื้อเพลิงที่ปั้มหัวฉีด ฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้มากเกินไปขณะที่เร่งเครื่องอย่างทันทีทันใดโดยการจำกัดปริมาณของน้ำมันเชื้อเพลิง เพื่อให้เครื่องยนต์เผาไหม้ได้อย่างหมดจดและไม่มีปัญหาเรื่องควันดำ
  • ควบคุมขณะสตาร์ทเครื่องยนต์ให้ติดง่าย
  • ป้องกันไม่ให้เครื่องยนต์ดับในขณะรอบเดินเบา จากการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงน้อยเกินไป
  • อัตราส่วนผสมระหว่างอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซลอยู่ในช่วงประมาณ 10:1 ถึง 20:1 (ภายใต้ภาระเต็มที่) กัฟเวอร์เนอร์จะควบคุมอัตราส่วนผสมนี้ให้อยู่ในช่วงนี้ ในกรณีที่อัตราส่วนผสมมากกว่า 20:1 จะทำให้เกิดควันมากในไอเสีย
• ไทเมอร์อัตโนมัติ(Automatic Timer) เป็นกลไกเร่งการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงให้สอดคล้องกับความเร็วรอบเครื่องยนต์ที่สูงขึ้น เพื่อให้เพียงพอกับความต้องการของเครื่องยนต์ซึ่งทำงานด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางที่ขับโดยเพลาลูกเบี้ยวของปั๊ม
• ปั๊มดูดน้ำมัน(Feed Pump) ทำหน้าที่ดูดน้ำมันเชื้อเพลิงจากถังน้ำมันผ่านกรองน้ำมันเชื้อเพลิงถูกขับโดยเพลาลูกเบี้ยว
• ตัวปั๊ม (Pump Body) เป็นที่ติดตั้งของกลไกสร้างแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงและกลไกควบคุมปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงที่ถูกขับโดยเพลาลูกเบี้ยวและส่งไปให้กับกระบอกสูบของแต่ละสูบ

2. ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงแบบจานจ่าย (distributor pump)

ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงแบบจานจ่าย (Distributor Pump) เป็นปั๊มที่มีชุดสร้างแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงแรงดันสูงเพื่อจ่ายให้แต่ละกระบอกสูบผ่านท่อแรงดันสูงเพียงชุดเดียวตามจังหวะการจุดระเบิดของเครื่องยนต์ ประกอบด้วยกัฟเวอร์เนอร์ ไทเมอร์ และปั๊มดูดน้ำมัน โดยมีลักษณะของปั๊มดังนี้

• ตัวปั๊มมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา

• สามารถทำงานที่ความเร็วสูงได้ดี อัตราเร่งไว

• ง่ายในการปรับปริมาณการฉีดน้ำมันเพราะมีลูกปั๊มชุดเดียว

• หล่อลื่นตนเองด้วยน้ำมันดีเซล จึงไม่ต้องบำรุงรักษา

• มักใช้กับ รถกระบะ รถโฟรค์ลิฟ รถไถ  เป็นต้น

มักใช้ในเครื่องยนต์ขนาดเล็ก ภายในประกอบด้วย

ปั๊มดูดน้ำมัน (Feed pump)

ทำหน้าที่ดูดน้ำมันจากถังน้ำมัน  ทำงานโดยอาศัยแรงเหวี่ยงหนีศูนยกลางในการปั๊มน้ำมัน และมีตัวระบายความดันเพื่อไม่ให้ความดันน้ำมันสูงเกินไป

• กลไกกัฟเวอร์เนอร์ (Governor) จะติดตั้งอยู่ด้านบนของปั๊มหัวฉีด ทำหน้าที่ควบคุมการจ่ายน้ำมันให้เหมาะสมกับความเร็วภาระของเครื่องยนต์
• ควบคุมการจ่ายน้ำมันให้เครื่องยนต์ตั้งแต่รอบเดินเบายังรอบสูงสุดให้คงที่
• ควบคุมความเร็วตามภาระของเครื่องยนต์
• ควบคุมปั๊มจ่ายน้ำมันขณะเร่งไม่ให้ไอเสียมีควันดำ
• ควบคุมขณะสตาร์ทเครื่องยนต์ให้ติดง่าย
• ไทเมอร์ (Timer) ไทเมอร์มีหน้าที่ควบคุมจังหวะการฉีดน้ำมัน จะถูกติดตั้งในส่วนของปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงแรงดันต่ำ

3. ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงแบบคอมม่อนเรล (common rail pump) ควบคุมการทำงานด้วยอีเล็คทรอนิคส์

เป็นระบบการจ่ายน้ำมันดีเซล แบบรางร่วมที่นิยมใช้มากในเครื่องยนต์ดีเซลปัจจุบัน ที่สามารถสร้างแรงบิดและแรงม้าได้สูง

[youtube=//www.youtube.com/watch?v=jWv5gYWvXaY&feature=related]

[youtube=//www.youtube.com/watch?v=QR8dH8cPRSE&feature=related]

ในระบบคอมมอนเรลจะมีอุปกรณ์หลักๆคือ

ปั๊มแรงดันสูง สามารถสร้างแรงดันได้ 1,600-1,800bar ขึ้นอยู่กับการออกแบบของผู้ผลิต (ระบบกลไกลแบบเก่า แรงดันหัวฉีดอยู่ที่ 100-250bar)  ในระบบคอมมอนเรล จะใช้ปั๊มแรงดันสูงทำหน้าที่สร้างแรงดันน้ำมันสูง อัดน้ำมันเข้าสู่รางร่วม (Common rail) เพื่อรักษาแรงดันในระบบให้ทุกสูบเท่ากัน รอจังหวะการฉีดที่เหมาะสม ที่คำนวณจากหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Control Unit;ECU) โดยECUจะรับค่าจากเซ็นเซอร์ต่างๆ เช่นเซ็นเซอร์ตำแหน่งขาคันเร่ง ความเร็วรอบเครื่องยนต์ อุณหภูมิน้ำ อุณหภูมิอากาศ แรงดันเทอร์โบ เป็นต้น นำมาคำนวณหาปริมาณการฉีดที่เหมาะสมและจังหวะการฉีดที่ถูกต้อง ส่งสัญญาณไปยังหัวฉีด ซึ่งหัวฉีดถูกควบคุมการจ่ายน้ำมันด้วยโซลีนอยด์ไฟฟ้าให้หัวฉีด เปิดน้ำมันเข้ากระบอกสูบตามจังหวะและปริมาณตรงตามความต้องการของเครื่องยนต์ เนื่องจากECUเป็นตัวควบคุมการจ่ายน้ำมัน ซึ่งสามารถทำงานได้รวดเร็วและแม่นยำ ในปัจจุบันระบบคอมมอนเรลจึง สามารถสั่งการฉีดน้ำมันได้ถึง 5 ครั้งต่อการทำงาน 1วัฐจักร (จากเดิมฉีดน้ำมัน 1 ครั้ง ต่อการทำงาน 1 วัฐจักร) เป็นการลดปริมาณมลพิษ ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) และเขม่ำควันดำต่างๆ เพื่อให้ได้ตามกฏข้อบังคับก๊าซไอเสีย ซึ่งประเทศไทยใช้มาตราฐานของยุโรป(EURO) อีกทั้งยังเป็นการลดการเผาไหม้ที่รุนแรง ช่วยลดเสียงน็อคของเครื่องยนต์ โดยการฉีดของหัวฉีดแต่ละครั้งคือ

• การฉีดครั้งที่1 เป็นการฉีดนำร่อง (Pilot Injection) เป็นส่วนช่วยให้เชื้อเพลิงส่วนแรกผสมกับอากาศได้ดีก่อน
• การฉีดครั้งที่2 การฉีดก่อน เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของเชื้อเพลิงในการเริ่มการเผาไหม้ส่วนแรก
• การฉีดครั้งที่3 เป็นการฉีดเชื้อเพลิงหลัก (Main-Injection) เป็นการฉีดที่ควบคุมสภาวะการทำงานของเครื่องยนต์ตามคันเร่ง
• การฉีดครั้งที่4 เป็นการฉีดหลัง เพื่อเผาเขม่าหรืออนุภาคคาร์บอน (Particulate matter;PM) ส่วนสุดท้ายเพื่อให้มีการเผาไหม้สมบูรณ์ที่สุด
• การฉีดครั้งที่5 เป็นการฉีดปิดท้ายเพื่อควบคุมอุณหภูมิไอเสีย

อ่านต่อ ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงแบบคอมม่อนเรล