น้ำมันเบนซินและเลขออกเทน (๒) MO Memoir : Thursday 26 October 2566

ก่อนจะเข้าเรื่องว่าเลขออกเทนสำคัญอย่างไรกับเครื่องยนต์เบนซิน เรามาทบทวนความรู้เรื่องการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินกันก่อนดีกว่า

รูปที่ ๑ ข้างล่างแสดงการทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ โดยเริ่มจากการที่ลูกสูบเครื่องที่ลงและวาล์วไอดีเปิด (Intake stroke) โดยวาล์วไอเสียปิดอยู่ การเคลื่อนที่ลงของลูกสูบทำให้เกิดสุญญากาศในกระบอกสูบ ไอดี (อากาศ + ไอระเหยของเชื้อเพลิง) จะถูกดูดเข้ามาในกระบอกสูบเข้าทางวาล์วไอดีจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุด ตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดนี้มีชื่อเรียกว่า "Bottom Dead Centre (ย่อว่า BDC)" หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่า "ศูนย์ตายล่าง"

เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดแล้วก็จะเคลื่อนที่ขึ้นไปใหม่ โดยที่วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิดอยู่ (Compression stroke) ในขณะนี้ลูกสูบจะทำการอัดไอดีในกระบอกสูบให้มีปริมาตรเล็กลง (ทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบเพิ่มขึ้น) การอัดจะเกิดต่อเนื่องไปจนถึงตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่สูงสุด ตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่สูงจนสุดทางนี้มีชื่อเรียกว่า "Top Dead Centre (ย่อว่า TDC)" หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่า "ศูนย์ตายบน"

ปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดต่อปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจนสุดเรียกว่า "อัตราส่วนการอัด" หรือ "Compression ratio" สำหรับเครื่องยนต์เบนซินจะอยู่ที่ประมาณ 9:1 ถึง 12:1 ในขณะที่เครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะขึ้นไปได้ถึง 20:1 ส่วนที่ว่าอัตราส่วนนี้สำคัญอย่างไรเดี๋ยวค่อยมาว่ากัน

จังหวะถัดไปคือจังหวะกำลัง (Power stroke) โดยหัวเทียน (spark plug) จะทำการจุดระเบิดไอดีที่ถูกอัด ทำให้เกิดเปลวไฟวิ่งจากเขี้ยวหัวเทียนแผ่กระจายออกไปทั่วกระบอกสูบ ทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบเพิ่มสูงขึ้น ลูกสูบจะถูกดันลงล่างจากการขยายตัวของแก๊สร้อน

รูปที่ ๑ การทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน ๔ จังหวะ (ที่มาของภาพปรากฏอยู่ในรูปแล้ว)

ในทางปฏิบัตินั้น จังหวะการจุดระเบิดของหัวเทียนไม่จำเป็นต้องเป็นจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด อาจจะจุดระเบิดก่อนหรือหลังก็ได้ ขึ้นอยู่กับการตั้งเครื่องยนต์และออกเทนของน้ำมันที่ใช้

จังหวะถัดไปคือจังหวะคาย (Exhaust stroke) คือเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดแล้วก็จะเคลื่อนที่กลับขึ้นไปใหม่ โดยในจังหวะนี้วาล์วไอเสียจะเปิด ลูกสูบจะดันให้ไอเสียระบายผ่านวาล์วไอเสียออกไป และพอลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจนสุดก็จะกลับไปเริ่มจังหวะดูดหรือ Intake stroke ใหม่

อันที่จริงเครื่องยนต์เบนซินมีทั้งแบบ 2 และ 4 จังหวะ ในกรณีของเครื่องยนต์ 4 จังหวะจะเห็นว่ามีจังหวะกำลัง 1 ครั้งต่อ 2 รอบการหมุน ในขณะที่เครื่องยนต์ 2 จังหวะมีจังหวะกำลัง 1 ครั้งทุก 1 รอบการหมุน เครื่องยนต์ 4 จังหวะจึงต้องมีล้อตุนกำลังหรือล้อช่วยแรง (flywheel) เพื่อช่วยให้เครื่องยนต์หมุนได้ตั้งแต่ช่วงจังหวะคายไปจนถึงช่วงจังหวะกำลังใหม่ เครื่องยนต์เบนซินขนาดใหญ่จะเป็นเครื่อง 4 จังหวะเพราะให้ประสิทธิภาพการทำงานที่สูงกว่าในขณะที่เครื่องยนต์ 2 จังหวะจะใชักับเครื่องเบนซินขนาดเล็ก รถมอเตอร์ไซค์บ้านเราแต่ก่อนก็ใช้เครื่อง 2 จังหวะกันเยอะมาก แต่ด้วยเรื่องการประหยัดน้ำมันและมลพิษ เครื่อง 2 จังหวะจึงถูกแทนที่ด้วยเครื่อง 4 จังหวะไปมาก

ทีนี้ลองมาดูในแง่เทอร์โมไดนามิกส์กันบ้าง วัฏจักรกำลังของเครื่องยนต์เบนซินคือ Otto cycle ที่มี PV diagram ดังแสดงในรูปที่ ๒ โดยรูปซ้ายเป็นแผนผังการทำงานทางทฤษฎี ส่วนรูปขวาเป็นแผนผังการทำงานในทางปฏิบัติ

รูปที่ ๒ แผนผัง PV (Pressure-Volume หรือความดัน-ปริมาตร) แสดงการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินที่ทำงานตาม Otto cycle รูปซ้ายเป็นแผนผังการทำงานในอุดมคติ ส่วนรูปขวาเป็นแผนผังการทำงานแบบที่เป็นจริง (รูปจาก https://nuclear-power.com/wp-content/uploads/2017/04/Otto-engine-vs.-Otto-cycle.png)

จังหวะดูด (Intake stroke) คือแนวเส้น 0-1 (ในทางทฤษฎีปริมาตรเพิ่มขึ้นแต่ความดันไม่เพิ่มเพราะไอดีไหลเข้ามา) จังหวะอัดคือเส้น 1-2 (อันที่จริงอุณหภูมิเพิ่มขึ้นด้วยจากการที่แก๊สถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลง) จังหวะจุดระเบิดคือเส้น 2-3 ซึ่งเป็นจังหวะที่เชื้อเพลิงเกิดการเผาไหม้คายความร้อนออกมาในเวลาอันสั้น ตามด้วยเส้น 3-4 คือจังหวะกำลังที่แก๊สร้อนขยายตัวดันลูกสูบลงล่าง ท้ายสุดก็เป็นจังหวะคายไอเสียคือเส้น 4-1-0 (ในทางทฤษฎีปริมาตรลดลงแต่วาล์วไอเสียเปิด ทำให้ความดันในระบบไม่เพิ่มขึ้น)

งานที่ได้จากการเปลี่ยนพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานกลคือพื้นที่ในรูปปิด 1-2-3-4-1 นี้ และความเข้าใจตรงนี้สำคัญในการทำความเข้าใจว่าเชื้อเพลิงที่มีองค์ประกอบทางเคมีต่างกันนั้นส่งผลต่อการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงอย่างไร

ช่วง 2-3 คือช่วงที่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงทำให้เกิดแก๊สร้อนที่ขยายตัวดันลูกสูบ ดังนั้นถ้าเปรียบเทียบที่ต้องการให้ได้พลังงานความร้อนเท่ากัน เชื้อเพลิงที่มีค่าพลังงานความร้อนสูง (kJ/kg) จะใช้ในปริมาณที่น้อยกว่าเชื้อเพลิงที่มีค่าพลังงานความร้อนต่ำกว่า ค่าเฉลี่ยของไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันเบนซินไม่ว่าจะมีเลขออกเทนเท่าใด จะมีค่าพอ ๆ กัน สารประกอบที่มีอะตอมออกซิเจนแทรกอยู่ในโมเลกุล (เช่นแอลกอฮอล์หรืออีเทอร์) จะมีค่าพลังงานความร้อนต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน ดังนั้นถ้าใช้เชื้อเพลิงที่มีสารเหล่านี้ผสมอยู่ ต้องใช้ในปริมาณที่มากกว่าการใช้เชื้อเพลิงที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนล้วน ๆ

ในช่วงวิกฤตการณ์น้ำมันทศวรรษ ๑๙๗๐ มีการหาแหล่งพลังงานอื่นเพื่อลดการใช้น้ำมันปิโตรเลียม และหนึ่งในนั้นก็คือแอลกอฮอล์ ผลการทดลองในช่วงนั้นแสดงให้เห็นว่าน้ำมันที่มีแอลกอฮอล์ผสมนั้นวิ่งได้ระยะทางน้อยกว่าน้ำมันที่ไม่มีแอลกอฮอล์ผสม แต่ตรงนี้ต้องเข้าใจว่าในยุคนั้นสารที่ใช้เพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันคือสารตะกั่วที่ใช้ในปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาตรน้ำมัน ดังนั้นน้ำมันเบนซินที่ไม่มีแอลกอฮอล์ผสมในยุคนั้นจะหมายถึงน้ำมันที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนล้วน ๆ แต่ถ้าเปรียบเทียบกับน้ำมันที่ใช้อีเทอร์ (ตัวหลักคือ methyl tertiary butyl ether - MTBE) เป็นสารเพิ่มเลขออกเทน ผลจะไม่แตกต่างกัน เพราะอีเทอร์มีค่าพลังงานในตัวพอ ๆ กับแอลกอฮอล์

รูปที่ ๓ เห็นกระทู้นี้ปรากฏบนหน้า facebook ก็เลย save เอามาไว้ที่นี่หน่อย การพบว่าแก๊สโซฮอล์ E20 วิ่งได้ทางน้อยกว่า แก๊สโซฮอล์ E10 นั้นเป็นแก๊สโซฮอล์ E20 มีค่าพลังงานต่อหน่วยปริมาตรที่ต่ำกว่า

คุณสมบัติน้ำมันเบนซินนั้นกำหนดไว้กว้าง ๆ คือกำหนดอุณหภูมิสูงสุดที่ทำให้น้ำมันระเหยจนหมด ของเขตความดันไอ ณ อุณหภูมิต่าง ๆ และปริมาณอะโรมาติกที่ยอมให้มี ไฮโดรคาร์บอนพวกโครงสร้างเป็นสายโซ่อะลิฟาติก (aliphatic) ไม่ว่าโซ่ตรงหรือโซ่กิ่ง และพวกวงอะโรมาติกนั้นค่าพลังงานความร้อนต่อหน่วยน้ำหนักนั้นพอ ๆ กัน แต่เราขายน้ำมันด้วย "ปริมาตร" และด้วยการที่อะโรมาติกนั้นมีความหนาแน่นสูงกว่าพวกอะลิฟาติกประมาณ 10% ดังนั้นที่ "ปริมาตร" เท่ากัน พวกอะโรมาติกก็จะให้พลังงานมากกว่า และนี่ก็เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ทำไมน้ำมันต่างยี่ห้อกันจึงทำให้รถวิ่งได้ระยะทางไม่เท่ากัน (แต่มีอะโรมาติกมากไปก็ไม่ได้ เพราะมันมีจุดเดือดสูง ก่อให้เกิดปัญหาที่รอบเครื่องยนต์ต่ำได้)

ถ้าต้องการให้ได้พลังงานสูงขึ้นก็ต้องหาทางเพิ่มขนาดพื้นที่ผิว 1-2-3-4-1 นี้ ระดับความสูงของเส้น 1-2 ถูกกำหนดด้วยอุณหภูมิของแหล่งรับความร้อน ซึ่งในทางปฏิบัติก็คือน้ำที่ไหลเวียนผ่านหม้อน้ำ ดังนั้นระดับความสูงของเส้น 1-2 นี้คงจะไม่สามารถลดต่ำลงได้ สิ่งที่ทำได้ก็คือการเพิ่มระดับความสูงของเส้น 3-4 หรือขยายช่วงความกว้างระหว่าง TDC กับ BDC หรือการเพิ่มอัตราส่วนการอัดนั่นเอง แต่การเพิ่มตรงนี้จะทำได้แค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับตัวเชื้อเพลิงด้วยว่าทนต่อการจุดระเบิดด้วยตนเองได้มากน้อยแค่ไหน

ในจังหวะที่ไอดีถูกอัดนั้น อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงขึ้น และเมื่อหัวเทียนจุดระเบิดไอดี เปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียนก็จะทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูงเพิ่มสูงขึ้นไปอีก (คือช่วงเส้น 2-3) ในขณะนี้เชื้อเพลิงที่ยังไม่ถูกเผาไหม้จะต้องไม่ลุกไหม้เอง (ผลจาก auto-ignition temperature) จะต้องลุกไหม้ด้วยเปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียน เพราะถ้าหากมันชิงจุดระเบิดเองก่อนที่เปลวไฟจากหัวเทียนวิ่งมาถึง ก็จะเกิดหน้าคลื่นการเผาไหม้จากหลายจุดวิ่งมาชนกัน ทำให้เกิดการกระแทกและเสียงดังเหมือนโลหะถูกเคาะให้เราได้ยิน นี่คือการ "knock" ของเครื่องยนต์

การเพิ่มอัตราส่วนการอัด (ความกว้างระหว่าง TDC กับ BDC) ทำให้ความดันและอุณหภูมิไอดีก่อนการจุดระเบิดเพิ่มสูงขึ้น โอกาสที่จะเกิดการน็อคก็จะเพิ่มตามไปด้วย ดังนั้นเครื่องยนต์ที่มีค่าอัตราส่วนการอัดที่สูงก็ต้องการน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีคุณสมบัติต้านทานการน็อก (ที่บ่งบอกด้วยเลขออกเทน) ที่สูงตามไปด้วย

อย่างในกรณีของเอทานอลนั้น แม้ว่าเอทานอลจะมีค่าพลังงานความร้อนต่อหน่วยปริมาตรที่ต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน แต่ด้วยการที่เอทานอลมีเลขออกเทนที่สูงกว่า (ระดับ 100+) จึงสามารถทำงานกับเครื่องยนต์ที่มีค่าอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นไปอีกได้ ประสิทธิภาพที่ได้จากการเผาไหม้เอทานอลในเครื่องยนต์นี้จะสูงกว่าที่ได้จากการเผาไหม้ในเครื่องยนต์เบนซินทั่วไป แต่เครื่องยนต์นี้จะเติมน้ำมันเบนซินไม่ได้

เครื่องยนต์ทั่วไปจะทำงานที่ค่าอัตราส่วนการอัดคงที่ การเพิ่มงานที่จะได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงต้องทำด้วยการทำให้จุด 3 นั้นขึ้นไปสูงที่สุดเท่าที่จะทำได้ ตรงนี้ต้องอาศัยจังหวะการจุดระเบิด ในทางทฤษฎีนั้นการจุดระเบิดจะเกิดเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นถึง TDC แล้ว แต่ในทางปฏิบัตินั้นการจุดระเบิดมักจะเกิดก่อนที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุดเล็กน้อย ถ้าเป็นช่างแบบเก่ายุคสมัยที่ใช้คาร์บิวเรเตอร์ผสมน้ำมันกับอากาศ เขาจะเรียกว่า "ตั้งไฟแก่" ส่วนจะตั้งให้จุดระเบิดได้ก่อนมากน้อยแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าน้ำมันนั้นมีเลขออกเทนสูงเท่าใด เพราะการจุดระเบิดในขณะที่ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ขึ้นนั้น ความดันในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงกว่าการจุดระเบิดเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่จนถึงจุด TDC หรือเคลื่อนที่ลง (ผลจากการอัดไอดีและความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เป็นไปในทิศทางเดียวกัน

การจุดระเบิดในจังหวะที่ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ลงจะทำให้ความดันสูงสุดในกระบอกสูบลดลง กำลังเครื่องยนต์ก็จะตกลง แต่บางครั้งก็จำเป็นที่ต้องตั้งจังหวะจุดระเบิดแบบนี้ (ที่เรียกว่า "ตั้งไฟอ่อน) เมื่อพบว่าเครื่องยนต์มีปัญหาเรื่องการน็อก ซึ่งอาจเกิดจากน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้นั้นมีเลขออกเทนต่ำเกินไป ถ้าเป็นยุคสมัยใช้คาร์บิวเรเตอร์ผสมน้ำมันกับอากาศก็สามารถใช้ไขควงปรับตั้งองศาการจุดระเบิดได้ แต่สำหรับเครื่องยนต์ปัจจุบันที่ใช้ระบบหัวฉีดอิเล็กทรอนิสก์ควบคุมและมี knock sensor ระบบจะทำการปรับองศาการจุดระเบิดให้อัตโนมัติ ดังนั้นจึงไม่แปลกถ้าพบว่าทำไมรถยนต์ที่ตามคู่มือบอกว่าใช้เบนซินออกเทน 95 แต่เมื่อเติมออกเทน 91 กลับไม่พบว่าเครื่องเกิดการน็อค เพียงแต่กำลังที่ได้นั้นลดต่ำลง

รูปที่ ๔ ความดันในกระบอกสูบกับองศาการจุดระเบิด BTDC คือ before top dead centre และ ATDC คือ after top dead centre (จาก http://www.mbs.id.au/tuning/Tuning/Ign_advance.htm)

รูปที่ ๔ แสดงค่าความดันในกระบอกสูบที่องศาการจุดระเบิดต่างกัน ในอุดมคตินั้นจังหวะที่ความดันเพิ่มขึ้นสูงสุดควรเป็นจังหวะเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด (ถึงระดับ TDC) การตั้งการจุดระเบิดให้เร็วเกินไปจะทำให้ความดันจากการเผาไหม้เพิ่มขึ้นสูงสุดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนทึ่ขึ้นสูงสุดซึ่งเป็นการขัดกัน (เส้นสีม่วงหรือ 40 deg BTDC) เพราะความดันจากการเผาไหม้จะผลักลูกสูบออกไปในขณะที่ลูกสูบยังต้องเคลื่อนที่เข้าไปให้ถึง TDC ก่อน แต่ถ้าตั้งจังหวะการจุดระเบิดล่าช้าเกินไป (เส้นสีเหลืองหรือ 15 deg ATDC) ความดันในกระบอกสูบก็จะลดต่ำลง กำลังเครื่องยนต์ก็จะลดลงตามไปด้วย

รถระบบหัวฉีดอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน เวลาที่เราใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำกว่าที่ผู้ผลิตกำหนด ตัว knock sensor ก็จะปรับองศาการจุดระเบิดให้ล่าช้าลด (ลดความดันสูงสุดในห้องเผาไหม้) แต่ถ้าใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนสูงกว่าที่ผู้ผลิตกำหนด อันนี้ก็ไม่รู้ว่ามันจะตั้งองศาการจุดระเบิดให้เร็วขึ้นหรือไม่ เพราะรถที่ขับอยู่ผู้ผลิตก็บอกให้ใช้ออกเทน 91 เวลาที่ต้องเติมออกเทน 95 (เมื่อเจอปั๊มที่ไม่ขายออกเทน 91) ก็ไม่รู้สึกว่าแตกต่างอะไร ระยะทางที่วิ่งได้ก็ยังคงเดิม ตรงนี้ไม่รู้เป็นเพราะว่าระบบอิเล็กทรอนิกส์ของรถที่ใช้นั้นมันจำกัดองศาการจุดระเบิดเอาไว้หรือเปล่า และรถแต่ละรุ่นแต่ละยี่ห้อนั้นระบบอิเล็กทรอนิกส์มันปรับแต่งตรงนี้ได้ดีแค่ไหน

สำหรับตอนที่ ๒ คงขอจบตรงนี้ก่อน