คอมมอนเรล

ระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงแบบคอมมอนเรล  เป็นระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงที่สร้างขึ้นจากรางเชื้อเพลิงแรงดันสูง (มากกว่า) ที่จ่ายให้กับวาล์วโซลินอยด์ ต่างจากปั๊มเชื้อเพลิงแรงดันต่ำที่จ่ายให้กับหัวฉีดแบบยูนิต (หรือหัวฉีดปั๊ม) การฉีดเชื้อเพลิงแรงดันสูงให้ประโยชน์ด้านกำลังและอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่เหนือกว่าระบบฉีดเชื้อเพลิงแรงดันต่ำแบบเดิม โดยการฉีดเชื้อเพลิงเป็นละอองขนาดเล็กจำนวนมาก ทำให้มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงกว่ามาก ช่วยให้การระเหยจากพื้นผิวของละอองเชื้อเพลิงดีขึ้น และดังนั้นการรวมตัวของออกซิเจนในอากาศกับเชื้อเพลิงที่ระเหยแล้วจึงมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น
ระบบฉีดคอมมอนเรลถูกใช้อย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์ดีเซล ทั้งยังเป็นพื้นฐานของระบบฉีดตรงที่ใช้ในเครื่องยนต์เบนซิน (Gasoline Direct Injection - GDI) อีกด้วย
ประวัติศาสตร์.
ใน ค.ศ. 1916 บริษัทวิคเกอส์เป็นผู้บุกเบิกการใช้ระบบคอมมอนเรลเชิงกลในเครื่องยนต์เรือดำน้ำชั้น G สำหรับการหมุนทุก 90 องศา ปั๊มลูกสูบสี่ตัวสร้างแรงดันฉีดคงที่ โดยมีการปิดการจ่ายเชื้อเพลิงไปยังแต่ละสูบด้วยวาล์วในท่อหัวฉีด ตั้งแต่ ค.ศ. 1921 ถึง 1980 บริษัทดอกซ์ฟอร์ดเอ็นจินส์ใช้ระบบคอมมอนเรลในเครื่องยนต์เรือเดินทะเลแบบลูกสูบตรงข้าม ซึ่งปั๊มเชื้อเพลิงแบบลูกสูบหลายกระบอกสูบจะสร้างแรงดันประมาณ โดยมีเชื้อเพลิงเก็บไว้ในขวดสะสม การควบคุมแรงดันทำได้โดยการปรับระยะชักของปั๊มและการใช้ "วาล์วระบาย" วาล์วตั้งเวลาเชิงกลที่ทำงานด้วยเพลาลูกเบี้ยวถูกใช้เพื่อจ่ายเชื้อเพลิงไปยังหัวฉีด Brice/CAV/Lucas ที่มีสปริง ซึ่งฉีดเชื้อเพลิงผ่านด้านข้างกระบอกสูบเข้าไปในห้องที่เกิดจากลูกสูบ เครื่องยนต์รุ่นแรก ๆ มีลูกเบี้ยวตั้งเวลาสองตัว ตัวหนึ่งสำหรับการเดินหน้า และอีกตัวสำหรับการถอยหลัง เครื่องยนต์รุ่นต่อมามีหัวฉีดสองหัวต่อสูบ และเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จแรงดันคงที่รุ่นสุดท้ายติดตั้งหัวฉีดสี่หัว ระบบนี้ถูกใช้สำหรับการฉีดทั้งน้ำมันดีเซลและน้ำมันเตาหนัก (600cSt ที่อุณหภูมิใกล้ 130 องศาเซลเซียส)
เครื่องยนต์คอมมอนเรลถูกนำมาใช้ในการใช้งานทางทะเลและรถจักรมาเป็นระยะเวลาหนึ่งแล้ว เครื่องยนต์ดีเซลคอมมอนเรลแบบไฮดรอลิกของ คูเปอร์-เบสเซเมอร์ GN-8 (ราวปี 1942) เป็นตัวอย่างหนึ่ง เรียกอีกชื่อหนึ่งว่าคอมมอนเรลแบบปรับปรุง
ระบบคอมมอนเรลต้นแบบสำหรับเครื่องยนต์ยานยนต์ได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1960 โดยรอเบิร์ต ฮิวเบอร์ ชาวสวิส และเทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมโดยดร. มาร์โก แกนเซอร์ที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์สวิส ในซือริช ต่อมาคือบริษัทแกนเซอร์-ไฮโดรแม็ก อาเก (ก่อตั้งปี 1995) ในโอเบอเรเกรี
เครื่องยนต์ดีเซลระบบคอมมอนเรลเครื่องแรกที่ใช้ในพาหนะบนท้องถนนคือเครื่องยนต์ MN 106 ของ "เฟาอีบี อีเอฟอา โมโทเรินแวร์เคอ นอร์ทเฮาเซิน" จากเยอรมนีตะวันออก ถูกติดตั้งในรถ IFA W50 คันเดียวใน ค.ศ. 1985 เนื่องจากการขาดแคลนเงินทุน การพัฒนาจึงถูกยกเลิกและการผลิตจำนวนมากไม่เคยเกิดขึ้น
รถผลิตจำนวนมากที่ประสบความสำเร็จคันแรกที่ใช้ระบบคอมมอนเรล ถูกขายในประเทศญี่ปุ่นใน ค.ศ. 1995 ดร. โชเฮอิ อิโตะ และมาซาฮิโกะ มิยาเกะ จากบริษัทเด็นโซ่คอร์ปอเรชัน เป็นผู้พัฒนาระบบคอมมอนเรล ECD-U2 ซึ่งติดตั้งอยู่ในรถบรรทุกฮีโน่ เรนเจอร์ เด็นโซ่อ้างว่าเป็นระบบคอมมอนเรลแรงดันสูงเชิงพาณิชย์ระบบแรก
ระบบคอมมอนเรลสมัยใหม่ถูกควบคุมโดยหน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) ซึ่งควบคุมหัวฉีดด้วยระบบไฟฟ้าแทนระบบกลไก มีการสร้างต้นแบบในช่วงทศวรรษ 1990 โดยแมกเนติ มาเรลลี, ศูนย์วิจัยเฟียตในบารี และเอลาซิส โดยมีการพัฒนาเพิ่มเติมโดยนักฟิสิกส์ชื่อมาริโอ ริกโก แห่งเฟียตกรุป น่าเสียดายที่เฟียตมีสถานะทางการเงินไม่ดีในขณะนั้น ทำให้การออกแบบถูกซื้อโดยบริษัทโรเบิร์ต บ๊อช เพื่อปรับปรุงและผลิตจำนวนมาก รถยนต์นั่งส่วนบุคคลคันแรกที่ใช้ระบบนี้คืออัลฟาโรเมโอ 156 ปี 1997 ที่มีเครื่องยนต์ 2.4 ลิตร JTD และต่อมาในปีเดียวกันนั้น เมอร์เซเดส-เบนซ์ ได้เปิดตัวรุ่น W202 ใน ค.ศ. 2001 ระบบฉีดคอมมอนเรลเข้ามาสู่รถกระบะด้วยการเปิดตัวเครื่องยนต์ดูราแม็กซ์ LB7 V8 ขนาด 6.6 ลิตร ที่ใช้ในเชฟโรเบต ซิลเวอราโด HD และจีเอ็มซี เซียร์รา HD ใน ค.ศ. 2003 ดอดจ์และคัมมินส์เปิดตัวเครื่องยนต์คอมมอนเรล และฟอร์ดก็ตามมาใน ค.ศ. 2008 ด้วยเครื่องยนต์เพาเวอร์สโตรกขนาด 6.4 ลิตร ปัจจุบันรถยนต์ดีเซลที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมดใช้ระบบคอมมอนเรล
การใช้งาน.
ระบบคอมมอนเรลนั้นเหมาะสมสำหรับรถยนต์บนท้องถนนทุกประเภทที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซล ตั้งแต่รถยนต์นั่งขนาดเล็กมาก (เช่น เฟียต แพนดา) ไปจนถึงรถยนต์นั่งขนาดใหญ่ (เช่น อาวดี้ เอ8) ผู้ผลิตหลักของระบบคอมมอนเรลสมัยใหม่ ได้แก่ บ๊อช, เดลฟีเทคโนโลจีส์, เด็นโซ่ และซีเมนส์วีดีโอ (ปัจจุบันเป็นเจ้าของโดยคอนติเนนทัล อาเก)
คำย่อและเครื่องหมายการค้า.
ผู้ผลิตยานยนต์เรียกเครื่องยนต์คอมมอนเรลของตนเองด้วยตราสินค้าของตนเองดังนี้:
หลักการ.
วาล์วแบบโซลินอยด์หรือแบบเพียโซอิเล็กทริกทำให้สามารถควบคุมเวลาและปริมาณการฉีดเชื้อเพลิงด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างละเอียด และแรงดันที่สูงขึ้นซึ่งเทคโนโลยีคอมมอนเรลมีให้ช่วยให้การฉีดเชื้อเพลิงเป็นฝอยละอองได้ดีขึ้น เพื่อลดเสียงดังของเครื่องยนต์ หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ของเครื่องยนต์สามารถฉีดน้ำมันดีเซลจำนวนเล็กน้อยก่อนการฉีดหลัก (การฉีด "นำร่อง") ซึ่งจะช่วยลดแรงระเบิดและการสั่นสะเทือน รวมถึงปรับจังหวะและปริมาณการฉีดให้เหมาะสมกับความแปรผันของคุณภาพน้ำมัน การสตาร์ทเครื่องยนต์ขณะเย็น และอื่น ๆ ระบบจ่ายเชื้อเพลิงคอมมอนเรลขั้นสูงบางระบบทำการฉีดมากถึงห้าครั้งต่อจังหวะ
เครื่องยนต์คอมมอนเรลต้องการระยะเวลาอุ่นเครื่องที่สั้นมากหรือไม่ต้องการเลย ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิภายนอก และก่อให้เกิดเสียงเครื่องยนต์และการปล่อยไอเสียที่ต่ำกว่าระบบเก่า
เครื่องยนต์ดีเซลในอดีตมีการใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงหลายรูปแบบ สองประเภทที่พบได้ทั่วไปคือระบบหัวฉีดแบบรวม (unit-injection system) และระบบปั๊มแบบแถวเรียง/แบบจานจ่าย (distributor/inline-pump systems) ขณะที่ระบบเก่าเหล่านี้ให้การควบคุมปริมาณเชื้อเพลิงและจังหวะการฉีดที่แม่นยำ แต่ก็มีข้อจำกัดหลายประการ:
ในระบบคอมมอนเรล ปั๊มแรงดันสูงจะเก็บกักเชื้อเพลิงแรงดันสูงไว้ในอ่างเก็บ โดยมีแรงดันสูงถึงและสูงกว่า คำว่า "คอมมอนเรล" หมายถึงข้อเท็จจริงที่ว่าหัวฉีดเชื้อเพลิงทั้งหมดได้รับน้ำมันจากรางน้ำมันร่วมกันซึ่งแท้จริงแล้วก็คือตัวสะสมแรงดันที่เก็บเชื้อเพลิงไว้ภายใต้แรงดันสูง ตัวสะสมนี้จะจ่ายน้ำมันแรงดันสูงให้กับหัวฉีดเชื้อเพลิงหลายหัว ทำให้หน้าที่ของปั๊มแรงดันสูงง่ายขึ้นเนื่องจากมีหน้าที่เพียงรักษาแรงดันเป้าหมาย (ควบคุมด้วยกลไกหรืออิเล็กทรอนิกส์) โดยทั่วไปแล้ว หัวฉีดเชื้อเพลิงจะถูกควบคุมโดยหน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) เมื่อหัวฉีดเชื้อเพลิงถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้า วาล์วไฮดรอลิก (ประกอบด้วยหัวฉีดและลูกสูบ) จะถูกเปิดด้วยกลไกหรือไฮดรอลิกและเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไปในกระบอกสูบด้วยแรงดันที่ต้องการ เนื่องจากพลังงานแรงดันเชื้อเพลิงถูกเก็บไว้ภายนอกและหัวฉีดถูกสั่งงานด้วยไฟฟ้า แรงดันฉีดที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการฉีดจึงใกล้เคียงกับแรงดันในตัวสะสม (ราง) มาก ทำให้เกิดอัตราการฉีดที่เป็นรูปสี่เหลี่ยม หากตัวสะสม ปั๊ม และท่อทางมีขนาดเหมาะสม แรงดันและอัตราการฉีดจะเท่ากันสำหรับการฉีดหลายครั้งแต่ละครั้ง
เครื่องยนต์ดีเซลคอมมอนเรลรุ่นที่สาม ในปัจจุบันมีหัวฉีดแบบเพียโซอิเล็กทริกเพื่อเพิ่มความแม่นยำ โดยมีแรงดันเชื้อเพลิงสูงถึง