ปัญหาการใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน MO Memoir : Wednesday 1 May 2567

เนื่องจากเราไม่สามารถทำให้ไฮโดรเจน (Hydrogen H₂) กลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว การใช้ไฮโดรเจนกับยานพาหนะจึงต้องใช้การกักเก็บในรูปถังความดันสูง ทำให้เกิดปัญหาเรื่องน้ำหนักและปริมาตรของถังบรรจุที่ต้องใช้เพื่อให้ยานพาหนะนั้นสามารถเดินทางได้เป็นระยะทางที่เหมาะสม และยังมีปัญหาเรื่องการลำเลียงไฮโดรเจนจากแหล่งผลิตไปยังสถานีบริการ แบบเดียวกับที่บ้านเรามีปัญหาในการส่ง CNG ไปยังปั๊มเติมต่าง ๆ (ภาษา "สากลและกฎหมายไทย" เรียกแก๊สธรรมชาติอัดความดันที่ใช้กับยานพาหนะว่า CNG ที่ย่อมาจาก Compressed Natural Gas ส่วนยานยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงเรียกว่า NGV ที่ย่อมาจาก Natural Gas Vehicle กล่าวคือถ้าต้องการกล่าวถึงแก๊สเติมรถก็ต้องเรียก CNG ถ้าต้องการกล่าวถึงรถที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงก็ต้องเรียก NGV)

พอเห็นว่าการนำเอาไฮโดรเจนไปใช้เป็นเชื้อเพลิงหลักยังห่างไกลจากความเป็นจริงเพราะยังมีอีกหลากหลายปัญหาที่ยังแก้ไม่ตก (ถึงขนาดเริ่มมีการประกาศปิดปั๊มเติมไฮโดรเจนแล้ว) ก็เริ่มมีการเปลี่ยนเรื่องคุยด้วยการหยิบยกเอาแอมโมเนีย (Ammonia NH₃) ขึ้นมาพูดแทน (ส่วนเรื่องไฮโดรเจนที่คุยโอ้อวดไว้ว่าเป็นพลังงานแห่งอนาคตอันใกล้นี้ก็ลืม ๆ ไปก่อน)

Coal gasification เป็นปฏิกิริยาระหว่างถ่านหินกับไอน้ำที่อุณหภูมิสูง แก๊สผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีคาร์บอนมอนอกไซด์ (Carbon monoxide CO) และไฮโดรเจนเป็นตัวหลัก แก๊สที่ได้จากปฏิกิริยานี้สามารถนำไปเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงเหลวด้วยกระบวนการ Fischer-Tropsch synthesis หรือแยกเอาไฮโดรเจนไปใช้ในปฏิกิริยา Coal liquefaction ซึ่งสองกระบวนการนี้จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นไฮโดรคาร์บอนเหลว หรือจะนำไปสังเคราะห์เป็นเมทานอล (Methanol CH₃OH) หรือจะแยกเอาไฮโดรเจนไปผลิตเป็นแอมโมเนีย

รูปที่ ๑ การใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์นั้นมีมานานแล้ว ตั้งแต่ยุคทศวรรษ ๑๙๓๐ (ก่องสงครามโลกครั้งที่ ๒ อีก) ถ้านับจนถึงปัจจุบันก็เรียกว่าเกือบ ๑๐๐ ปีแล้ว

แอมโมเนียที่ผลิตขึ้นส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้ในการผลิตปุ๋ยเคมี (ปุ๋ยไนโตรเจนพวกยูเรีย) หรือสารประกอบไนเทรต (เช่นแอมโมเนียมไนเทรตและกรดไนตริก) แต่เนื่องจากมันเป็นแก๊สที่ติดไฟได้ แม้ว่าจะจุดติดยากและให้ค่าพลังงานความร้อนต่ำ ก็ยังเคยมีคนพยายามนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (รูปที่ ๑) เมื่อเกือบ ๑๐๐ ปีที่แล้ว

รูปที่ ๒ คุณสมบัติของแอมโมเนียเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่น (จากบทความเรื่อง "Ammonia as zero-carbon fuel for Internal Combustion Enginer: "where are we today?" 15th International Conference on Engines & Vehicles (ICE2021) โดย Prof. Christine Mounaim-Rousselle)

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Enginer - ICE) ที่เราใช้งานกันหลัก ๆ ในชีวิตประจำวันคือเครื่องยนต์แก๊ซโซลีนหรือที่บ้านเราเรียกเครื่องเบนซิน และเครื่องยนต์ดีเซล เครื่องยนต์สองแบบนี้มีรูปแบบการจุดระเบิดเชื้อเพลิงที่แตกต่างกัน โดยเครื่องยนต์เบนซินจะใช้การผสมอากาศกับเชื้อเพลิงให้กลายเป็นไอผสมเนื้อเดียวกันก่อน จากนั้นจึงค่อยใช้ประกายไฟจากหัวเทียนจุดระเบิดไอผสม ให้เปลวไฟที่เกิดขึ้นวิ่งแผ่กระจายออกไปจากเขี้ยวหัวเทียน (ตำแหน่งจุดระเบิด) ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะใช้การอัดอากาศเพียงอย่างเดียวให้มีปริมาตรเล็กลง ซึ่งจะทำให้อากาศที่ถูกอัดนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น จากนั้นจึงฉีดน้ำมันให้สัมผัสกับอากาศร้อน น้ำมันนั้นก็จะลุกติดไฟได้เองทันที

ด้วยเหตุนี้เครื่องยนต์ทั้งสองแบบจึงต้องการเชื้อเพลิงที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน คือเครื่องยนต์เบนซินต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมิจุดติดไฟได้ตนเองหรือ auto-ignition temperature ที่สูง เพื่อป้องกันไม่ให้ไอผสมในกระบอกสูบเกิดการจุดระเบิดขึ้นเองก่อนเปลวไฟจะวิ่งไปถึง ในขณะที่เครื่องยนต์ดีเซลต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่า auto-ignition temperature ที่ต่ำ เพื่อให้เชื้อเพลิงติดไฟได้ทันทีเมื่อสัมผัสกับอากาศร้อน

แอมโมเนียมึค่าอุณหภูมิ auto-ignition temperature ที่สูงกว่าไฮโดรเจนและมีเทน (รูปที่ ๒) ดังนั้นการใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียวในเครื่องยนต์ดีเซลจึงไม่ใช่เรื่องง่ายในทางปฏิบัติ ที่ทำได้ง่ายกว่าคือการใช้ในรูปของเชื้อเพลิงผสม คือการใช้ร่วมกับน้ำมันดีเซล โดยให้น้ำมันดีเซลเป็นตัวจุดติดไฟก่อนจากนั้นจึงค่อยเผาแอมโมเนียร่วม (การใช้ CNG (มีเทน) เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลก็มีการทำแบบนี้มาก่อน แต่ไม่ค่อยแพร่หลาย ที่ทำกันมากกว่าคือแปลงเครื่องยนต์ดีเซลให้กลายเป็นเบนซินด้วยการเปลี่ยนฝาสูบและติดตั้งหัวเทียน)

เครื่องยนต์เบนซินที่ใช้หัวเทียนจุดระเบิดดูแล้วน่าจะช่วยแก้ปัญหาเรื่องการเผาแอมโมเนียได้ แต่มันก็มีปัญหาอื่นตามมาอีก ปัญหาแรกคือพลังงานกระตุ้นที่ใช้ในการจุดระเบิดแอมโมเนียมีค่าสูง ในบ้านเราเองมีแอมโมเนียรั่วจากโรงงานผลิตน้ำแข็งหลายครั้งแต่ไม่เคยมีการระเบิด แต่ตรงนี้ก็แก้ได้ง่ายด้วยการออกแบบหัวเทียนที่เหมาะสม แต่มันมีอีก ๓ ปัญหาที่แก้ยากกว่าก็คือการที่มันมีความเร็วเปลวไฟของการเผาไหม้ (flame speed) ต่ำ, มีระยะห่างผนังที่เปลวไฟดับ (quenching distance) ที่กว้าง และเกิดไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในปริมาณมาก

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการออกแบบห้องเผาไหม้แอมโมเนีย พึงสังเกตว่าจะวางตำแหน่งจุดระเบิดไว้ตรงกลางห้องเผาไหม้ที่เป็นทรงกลม (รูปจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,455,282)

ในเครื่องยนต์เบนซินที่ใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิงนั้น เขี้ยวหัวเทียนที่เป็นตัวจุดระเบิดไอดีจะอยู่ทางด้านบนใกล้กับฝาสูบ การจุดระเบิดจะเกิดขึ้นที่นี่และวิ่งแผ่กระจายออกไป โดยเชื้อเพลิงควรต้องเผาได้ไหม้หมดโดยเร็วเพื่อให้เกิดแก๊สร้อนความดันสูงอย่างรวดเร็วเพื่อผลักดันลูกสูบเคลื่อนที่ลงล่าง เปลวไฟการเผาไหม้ที่เคลื่อนที่ช้าจะทำให้ความดันในกระบอกสูบนั้นเพิ่มขึ้นช้ากว่า ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพที่จะได้

(ในทางทฤษฎี เครื่องยนต์เบนซินทำงานตาม OTTO cycle ซึ่ง ณ จังหวะจุดระเบิดนั้นความดันในห้องเผาไหม้จะต้องเพิ่มขึ้นทันทีโดยไม่มีการเปลี่ยนปริมาตร ยิ่งความดันสุดท้ายที่ได้นั้นสูงเท่าใด ประสิทธิภาพการเปลี่ยนความร้อนเป็นพลังงานก็จะมากขึ้น แต่ในความเป็นจริงนั้นลูกสูบไม่ได้อยู่นิ่ง มีการเคลื่อนที่ขึ้นลง ถ้าการเผาไหม้ยังคงเกิดขึ้นในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลง ความดันสูงสุดที่ได้ก็จะลดลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงตามไปด้วย)

รูปที่ ๓ เป็นตัวอย่างหนึ่งของวิธีการแก้ปัญหาที่มีการจดสิทธิบัตรไว้ กล่าวคือออกแบบห้องเผาไหม้ให้มีลักษณะเป็นทรงกลมโดยวางตำแหน่งเขี้ยวหัวเทียนไว้ที่จุดศูนย์กลาง ทรงกลมนั้นเกิดจากโครงสร้างของฝาสูบที่เว้าขึ้นด้านบน และพื้นผิวด้านบนของลูกสูบที่เว้าลงล่าง ดังนั้นเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งสูงสุด (ศูนย์ตายบนหรือ top dead centre) ก็จะเกิดห้องเผาไหม้ที่มีรูปร่างทรงกลม ระยะจากเขี้ยวหัวเทียนไปยังผนังในทิศทางต่าง ๆ ก็จะเท่ากันหมด (รัศมีของทรงกลม) ตรงนี้จะแตกต่างจากเครื่องยนน์เบนซินปรกติที่ตำแหน่งเขี้ยวหัวเทียนจะอยู่ใกล้กับด้านบนของผนังฝาสูบ ซึ่งจะทำให้ระยะทางที่เปลวไฟต้องวิ่งจากบนลงล่างนั้นมีค่าเป็นอย่างน้อยสองเท่าของรัศมีทรงกลม แต่ด้วยการที่ไฮโดรคาร์บอนและไฮโดรเจนมีความเร็วในการเผาไหม้ที่สูง มันจึงไม่มีปัญหาเผาเชื้อเพลิงไม่ทันเวลา

รูปที่ ๔ องค์ประกอบแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้แอมโมเนีย (บน) เทียบกับมีเทน (ล่าง) แกนนอนคือ mixture equivalent ratio คืออัตราส่วน (ความเข้มข้นเชื้อเพลิงในส่วนผสมเชื้อเพลิงกับอากาศที่ทำการเผาไหม้จริง) ต่อ (ความเข้มข้นเชื้อเพลิงในส่วนผสมที่ stoichiometric ratio) กล่าวคือถ้ามีค่ามากกว่า 1 คืออากาศไม่เพียงพอสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์ ถ้าถ้าน้อยกว่า 1 คืออากาศเพียงพอสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์และยังมีออกซิเจนเหลือ ถ้าเท่ากับ 1 คืออากาศพอดีสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์ (ไม่มีออกซิเจนเหลือ) ที่เรียกว่า stoichiometric ratio ทิศทางของสเกลนี้มันจะกลับกับ Air/Fuel ratio ที่ทางเครื่องกลใช้กัน

การมี quenching distance ที่กว้างจะทำให้มีไอผสมที่ไม่ถูกเผาไหม้ในปริมาณมากขึ้น (คือส่วนที่อยู่ระหว่างผนังกับตำแหน่งที่เปลวไฟดับ) ตรงนี้จะส่งผลต่อมลภาวะที่จะออกทางท่อไอเสีย รูปที่ ๔ เป็นตัวอย่างองค์ประกอบแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเผาแอมโมเนียและมีเทนที่สัดส่วนอากาศต่างกัน โดยการเผาเป็นแบบจุดให้เป็นเปลวไฟลุกไหม้ต่อเนื่องแล้ววัดองค์ประกอบที่ตำแหน่ง 40 มิลลิมเตรทางด้าน downstream ของจุดที่เกิดความร้อนมากที่สุด (รูปแบบการเผาไหม้แตกต่างไปจากการเผาไหม้ในเครื่องยนต์เบนซิน) พึงสังเกตว่าการเผาแอมโมเนียนั้น ถ้าเผาไหม้ในสภาวะที่มีอากาศมากเกินพอจะเกิดแก๊สไนตริกออกไซด์ (Nitric oxide NO) สูงกว่าการเผามีเทนถึง 10 เท่า และยังเกิดไนโตรเจนไดออกไซด์ (Nitrogen dioxide NO₂) ที่เมื่อละลายน้ำแล้วจะกลายเป็นกรดไนตริก (HNO₃)

แต่ถ้าเผาในสภาวะอากาศน้อยเกินไป นอกจากจะเหลือแอมโมเนียในปริมาณมากแล้ว ยังจะเกิดไนตรัสออกไซด์ (Nitrous oxide N₂O) ขึ้นอีกด้วย

และที่สำคัญคือ N₂O นี้เป็น green house gas ที่แรงกว่า CO₂ 200-300 เท่า (ข้อมูลหลายแหล่งให้ตัวเลขแตกต่างกันอยู่ แต่ก็อยู่ในระดับที่สูงกว่า 200)

กรองไอเสีย (ตัวเร่งปฏิกิริยาสามทางหรือ catalytic converter) ของเครื่องยนต์เบนซินนั้นจะใช้ไฮโดรคาร์บอนที่หลงเหลือจากการเผาไหม้ และ CO ในการทำลาย NOx ในกรณีของการเผาไหม้แอมโมเนียนั้นแก๊สไอเสียจะไม่มีไฮโดรคาร์บอนและ CO สำหรับกำจัด NOx การกำจัด NOx ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอีกกลุ่มหนึ่งที่เรียก DeNOx catalyst (อ่านว่า "ดีน็อก") โดยจะใช้แอมโมเนียเป็นตัวทำลาย NOx นั่นก็คือถ้าเครื่องยนต์ทำงานในช่วงที่มีออกซิเจนมากเกินพอ ก็ต้องมีการแบ่งแอมโมเนียมาส่วนหนึ่งมาผสมกับไอเสียก่อนผ่านเข้าสู่ระบบกำจัด แต่ถ้าเครื่องยนต์ทำงานในช่วงที่มีแอมโมเนียหลงเหลือจากการเผาไหม้ ก็สามารถใช้แอมโมเนียที่หลงเหลือนั้นเป็นตัวกำจัด NOx ได้ แต่ทั้งนี้ไม่ว่าจะเป็นกรณีไหนก็ต้องไม่ให้มีแอมโมเนียหลงเหลือในแก๊สที่ผ่านการกำจัด NOx เพราะแอมโมเนียก็เป็นแก๊สพิษตัวหนึ่งเช่นกัน

แต่มันก็มีปัญหาตรงที่ ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับกำจัด NOx ด้วยแอมโมเนียนั้นจะมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ไม่กว้าง (ส่วนจะอยู่ตรงช่วงไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวไหน) ถ้าอุณหภูมิแก๊สนั้นสูงเกินไป แอมโมเนียที่ป้อนเข้าไปกำจัด NOx จะกลายเป็น NOx เสียเอง ทำให้แก๊สปล่อยทิ้งมี NOx เพิ่มมากกว่าเดิมอีก แต่ถ้าอุณหภูมิแก๊สนั้นต่ำเกินไป จะมีแอมโมเนียเพิ่มเข้ามาในแก๊สปล่อยทิ้ง สำหรับโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว การควบคุมอุณหภูมินี้ไม่ใช่ปัญหา เพราะต้องออกแบบระบบเพื่อควบคุมช่วงอุณหภูมิการทำงานตั้งแต่ตอนติดตั้งแล้ว แต่สำหรับรถยนต์นั้นไม่ใช่ เพราะมันไม่มีที่ให้ติดตั้ง

รูปที่ ๕ ตัวอย่างการคำนวณที่ต้องใช้ในการผลิตแอมโมเนียเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง

สุดท้าย บรรดาเชื้อเพลิงที่บอกว่าเป็น "Green" ทั้งหลาย พอถามว่าแล้วพลังงานที่ใช้ในการผลิตได้มาจากไหน ยังได้มาจากพลังงานจากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลอยู่หรือไม่ พอเจอคำถามนี้เข้าไปก็มักจะตอบกันว่าใช้พลังงานไฟฟ้าที่ได้จากพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ผลิต CO₂ รูปที่ ๕ เป็นตัวอย่างแหล่งพลังงานคาร์บอนต่ำที่บอกว่าจะนำมาใช้ในการผลิต "Green ammonia" ซึ่งได้แก่พลังงาน น้ำ, นิวเคลียร์, ลม และแสงอาทิตย์ (ด้านซ้ายสุดของรูป) ซึ่งจะว่าไปพลังงานน้ำก็เอาแน่เอานอนไม่ได้ แถมยังมีข้อจำกัดที่ภูมิประเทศที่เหมาะสมกับการสร้างเขื่อนไม่ได้มีมาก ส่วนพลังงานนิวเคลียร์ก็โดนต่อต้านอยู่แล้ว (โรงงานนิวเคลียร์ที่มีอยู่เดิมพอหมดอายุการใช้งานก็มีการเรียกร้องกันให้ปิดถาวรไปเลย) ทางเลือกที่เหลืออยู่ก็มีเพียงแค่แสงอาทิตย์กับพลังงานลม ที่ต่างก็มีปัญหาเรื่องสถานที่ติดตั้งที่เหมาะสมเช่นกัน

และที่สำคัญคือมักจะอ้างว่าใช้พลังงานเท่านั้นเท่านี้จากแหล่งพลังงานนี้ แต่ไม่ยักเห็นการคำนวณว่าถ้าต้องการพลังงานขนาดดังกล่าวจากลมหรือแสงอาทิตย์ ต้องใช้พื้นที่ในการติดตั้งแค่ไหนสำหรับโรงงานที่ต้อง "เดินเครื่อง ๒๔ ชั่วโมงทุกสภาพลมฟ้าอากาศ" และสถานที่ที่มีความเหมาะสมและพื้นที่ที่มีอยู่นั้น สามารถทำการสร้างโรงไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนเหล่านี้ได้หรือไม่ เพราะถ้าต้นทางไม่เกิด ขั้นตอนถัดมามันก็เกิดไม่ได้

ด้วยเหตุนี้บทความเมื่อวันที่ ๑๒ เมษายนที่ผ่านมาถึงได้เกริ่นไว้ว่า

"วงการนี้เขาก็อยู่กันแบบนี้แหละ เขาชอบให้เราฟังอย่างเดียว ไม่อยากให้เราถาม บางคำถามถือว่าเป็นคำถามต้องห้ามด้วยซ้ำ ขืนถามไปเขาก็เลิกคุยด้วย"

การจุดระเบิดจากรถที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซล MO Memoir : Wednesday 13 December 2560

ในหลายโรงงาน ในบริเวณที่พื้นที่การผลิตมีความเสี่ยงที่จะมีโอกาสที่จะแก๊สเชื้อเพลิงรั่วไหลออกมาได้นั้น มักจะไม่อนุญาตให้รถที่ใช้เครื่องยนต์ "เบนซิน" ผ่านเข้าไปในพื้นที่ในขณะที่โรงงานเดินเครื่อง แต่อนุญาตให้รถที่ใช้เครื่องยนต์ "ดีเซล" ผ่านเข้าไปในพื้นที่ดังกล่าวได้ โดยมีเหตุผลว่าเครื่องยนต์ดีเซลนั้นไม่มีระบบ "จานจ่าย (distributor)" ที่เป็นสวิตช์ปิด-เปิดที่ทำหน้าที่ควบคุมการจ่ายไฟฟ้าไปยังหัวเทียนของกระบอกสูบต่าง ๆ (เป็นอุปกรณ์ที่มีประกายไฟฟ้าเกิดขึ้นได้ในระหว่างการทำงาน) ผมเองก็ยังเคยมีโอกาสนั่นรถบัสโดยสารที่ทางโรงกลั่นน้ำมันจัดให้เพื่อเข้าชมพื้นที่ภายในหน่วยการผลิต (แต่เขาให้นั่งอยู่แต่บนรถนะ ไม่ให้ลงมาเดินนอกรถ) แต่มันก็มีบันทึกอุบัติเหตุเอาไว้เหมือนกันว่า รถที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลนั้นก็สามารถจุดระเบิดไอเชื้อเพลิงที่รั่วไหลออกมาได้เช่นเดียวกัน

คำถามหนึ่งที่คนที่เรียนทางด้านเครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal combustion engine หรือที่คนที่เรียนวิชานี้มักจะเรียกชื่อย่อว่า ICE) มักจะต้องเตรียมตัวตอบคือ "จะเกิดอะไรขึ้น ถ้านำน้ำมันเบนซินไปเติมให้กับเครื่องยนต์ดีเซล และนำน้ำมันดีเซลไปเติมให้กับเครื่องยนต์เบนซิน" คำตอบของคำถามดังกล่าวคือเครื่องยนต์จะเกิดการน๊อคเพราะน้ำมันทั้งสองชนิดมีคุณสมบัติหนึ่งที่ตรงข้ามกันอยู่ นั่นคือ "ความยากง่ายของการจุดระเบิดด้วยตนเอง" โดยพารามิเตอร์หนึ่งที่บ่งบอกถึงความยากง่ายในการจุดระเบิดด้วยตนเองของเชื้อเพลิงก็คือ "autoignition temperature" หรืออุณหภูมิลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง

รูปที่ ๑ เหตุการณ์การจุดระเบิดแก๊สบิวเทนที่รั่วออกมา จากพื้นผิวเครื่องยนต์หรือท่อไอเสียที่ร้อน (จากวารสาร Loss Prevention Bulletin Vol. 13 ปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐) หน้า ๘)
 

๓ องค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้คือ เชื้อเพลิง สารออกซิไดซ์ (ปรกติก็คืออากาศ) และแหล่งพลังงาน (ซึ่งอาจเป็น เปลวไฟ ประกายไฟ ความร้อน หรือตัวเร่งปฏิกิริยา ก็ได้) เครื่องยนต์เบนซินนั้นทำงานด้วยการผสมน้ำมันกับอากาศเข้าด้วยกันก่อน กลายเป็นแก๊สผสมมที่เรียกว่า "ไอดี" จากนั้นจึงป้อนไอดีนั้นเข้าสู่กระบอกสูบและทำการอัดส่วนผสมนั้นให้มีความดันสูงขึ้นก่อนที่จะทำการจุดระเบิดโดยใช้ประกายไฟฟ้าจากหัวเทียน แต่ในจังหวะที่เปลวไฟที่เกิดจากการจุดระเบิดที่หัวเทียนนั้นกำลังแผ่ขยายไปทั่วกระบอกสูง แก๊สไอดีที่ยังไม่ลุกไหม้นั้นจะมีความดันและอุณหภูมิสูงขึ้น และถ้าเชื้อเพลิงนั้นมีค่า autoignition temperature ต่ำเกินไป ไอดีนั้นก็จะเกิดการระเบิดขึ้นเองก่อนที่เปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียนจะเคลื่อนที่มาถึง ทำให้จังหวะการเกิดความดันสูง (อันเป็นผลจากการเผาไหม้) ในกระบอกสูบนั้นไม่สัมพันธ์กับจังหวะการเคลื่อนที่ของกระบอกสูบ 
  

ด้วยเหตุนี้เพื่อที่จะป้องกันการเกิดอาการน็อคของเครื่องยนต์เบนซิน เครื่องยนต์เบนซินจึงมักจะทำงานที่ค่าอัตราส่วนการอัด (compression ratio คือปริมาตรที่มากที่สุดของกระบอกสูบที่เกิดขึ้นเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงต่ำสุด ต่อปริมาณที่เล็กที่สุดของกระบอกสูบที่เกิดขึ้นเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด) ไม่สูงมาก (คือประมาณ 10:1) และในกรณีที่จำเป็นต้องใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำ ก็อาจต้องใช้การตั้งองศาการจุดระเบิดช่วย คือตั้งให้หัวเทียนทำการจุดระเบิดในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่มาจนถึงตำแหน่งสูงสุดแล้วและกำลังเคลื่อนที่ลง
 

เครื่องยนต์ดีเซลนั้นดูดอากาศเพียงอย่างเดียวเข้ากระบอกสูบ จากนั้นจึงทำการอัดอากาศนั้นให้มีปริมาตรเล็กลงซึ่งทำให้ความดันและอุณหภูมิของอากาศที่ถูกอัดนั้นเพิ่มสูงตามไปด้วย ในทางทฤษฎีนั้นไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซล ยิ่งเครื่องยนต์ทำงานด้วยอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น จะทำให้ประสิทธิภาพของวัฏจักรกำลังนั้นสูงตามไปด้วย ที่ค่าอัตราส่วนการอัดเท่ากัน ประสิทธิภาพของวัฏจักรเบนซิน (Otto cycle) จะสูงกว่าของวัฏจักรดีเซล แต่ด้วยด้วยการที่เครื่องยนต์ดีเซลนั้นแก๊สที่อัดนั้นมีแต่อากาศ จึงทำให้สามารถอัดด้วยอัตราส่วนการอัดที่สูงกว่าเครื่องยนต์เบนซินได้ (ระดับประมาณ 20:1) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้รถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลสามารถประหยัดน้ำมันได้มากกว่ารถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์เบนซิน 
  

ไอเสียที่ระบายออกจากเครื่องยนต์จะไหลออกทางท่อไอเสีย แก๊สไอเสียนี้จะมีอุณหภูมิสูง ส่วนที่ว่าสูงแค่ไหนนั้นก็ดูได้จากการที่เขาไม่ทาสีระบบท่อไอเสีย (คือตั้งแต่ท่อร่วมไอเสีย (exhaust manifold) ที่รับแก๊สจากแต่ละกระบอกสูบมารวมกัน ไปจนถึงท่อไอเสีย (exhaust pipe) ที่ปล่อยไอเสียออกทางด้านหลังรถ) เพราะมันไม่มีสีที่ทนอุณหภูมิสูงได้ (ทาไปก็ไหม้หมด) ประเด็นเรื่องอุณหภูมิของท่อไอเสียนี้มักจะไม่ได้รับการพิจารณาในแง่ที่ว่าถ้ามันสูงพอมันก็สามารถทำให้ไอเชื้อเพลิงนั้นจุดระเบิดได้เช่นเดียวกัน
 

วารสาร Loss Prevention Bulletin Vol. 13 ปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐) หน้า ๘ ยกเหตุการณ์การระเบิดที่เกิดขึ้นในระหว่างการถ่ายแก๊สบิวเทนจากรถบรรทุก (มีรถบรรทุก ๒ คันอยู่ในเหตุการณ์) เนื้อหาในเอกสาร (รูปที่ ๑) กล่าวว่าในระหว่างที่ทำการถ่ายแก๊สบิวเทนออกจากรถนั้นสังเกตเห็นไอของบิวเทนรั่วออกมา (ผลจากข้อต่อสายยางที่ไม่แน่นและสายยางมีรูรั่ว) พนักงานขับรถจึงส่งสัญญาณเตือนและปิดการทำงานของปั๊มถ่ายบิวเทน แต่ไม่ทันเวลา ไอบิวเทนที่รั่วออกมานั้นพบกับแหล่งพลังงานและเกิดการลุกติดไฟ แหล่งพลังงานที่ทำให้แก๊สลุกติดไฟนั้นเชื่อว่าเป็นส่วนของเครื่องยนต์ที่ร้อนหรือไม่ก็ท่อไอเสีย นอกจากนี้พนักงานขับรถทั้งสองคนยังรายงานว่า ก่อนที่จะเกิดเหตุไฟไหม้นั้น เครื่องยนต์ของรถมีการเร่งเครื่องได้เอง
 

แก๊ส LPG (พวกโพรเพนและบิวเทน) นั้นจะบรรจุในถังความดันที่เก็บแก๊สในรูปของของเหลวภายใต้ความดันที่อุณหภูมิห้อง และการถ่ายแก๊สจากถังใบหนึ่งไปยังถังอีกใบหนึ่งด้วยการใช้ปั๊มก็เป็นการถ่ายในสภาพที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน ดังนั้นเมื่อรั่วออกมาจึงพอจะมองเห็นเป็นละอองไอได้

เมื่อแก๊สที่รั่วออกมาจากรูรั่วนั้นเกิดการจุดระเบิด เปลวไฟที่เกิดจากการเผาไหม้ก็จะวิ่งจากแหล่งจุดระเบิดกลับไปยังจุดที่รั่วออกมาและเกิดการลุกไหม้ต่อที่นั่น (หาจุดที่รั่วออกง่ายกว่าหาจุดเริ่มต้นการระเบิด) ด้วยเหตุนี้จึงทำให้สามารถตามกลับไปได้ว่าจุดที่เกิดการรั่วนั้นอยู่ที่ไหน ซึ่งในเหตุการณ์นี้พบอยู่สองตำแหน่งคือที่ตัวสายยาง (ที่การเผาไหม้ตรงตำแหน่งนั้นทำให้เกิดรูขนาด 2 นิ้ว) และที่ข้อต่อของสายยางเข้ากับท่อ

รูปที่ ๒ การระเบิดที่เกิดจากเครื่องยนต์ดีเซลที่ดูดเอาอากาศที่ผสมกับไอระเหยของไซโคลเฮกเซนเข้าไป

ประเด็นที่เราควรตั้งข้อสังเกตตรงนี้คือ ปรกติแล้วแก๊สหุงต้มที่เราใช้เป็นเชื้อเพลิงกันตามบ้านเรือนนั้นเวลาที่มันรั่วออกมา แม้ว่าจะมีปริมาณเพียงเล็กน้อยก็ตาม เราก็จะได้กลิ่นเหม็นแล้ว ปรกติแล้วแก๊สไฮโดรคาร์บอน C1-C4 เป็นแก๊สที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ดังนั้นเพื่อความปลอดภัยจึงมักทำการเติมสารที่มีกลิ่นเหม็น (พวก mercaptan) ผสมเข้าไปเพื่อให้รู้ว่ามีแก๊สรั่วหรือไม่ (คือถ้าได้กลิ่นเหม็นก็แสดงว่ามีแก๊สรั่ว) แต่ในเหตุการณ์นี้แก๊สบิวเทนได้รั่วออกมาในปริมาณที่มากถึงระดับหนึ่งแล้วโดยที่พนักงานขับรถที่ทำการขนถ่ายบิวเทนอยู่นั้นไม่ทราบเรื่อง ส่อให้เห็นว่าแก๊สบิวเทนที่ทำการขนถ่ายอยู่นั้นไม่มีการผสมสารที่มีกลิ่นเข้าไป ซึ่งก็มีอยู่หลายงานเช่นกันที่ต้องการแก๊สบิวเทนที่ไม่มีการผสมสารให้กลิ่น 
ตัวอย่างหนึ่งของงานเช่นนี้ได้แก่การนำแก๊สบิวเทนไปใช้เป็น propellent gas ในกระป๋องสเปรย์ต่าง ๆ
 

ตามรายงานเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในรูปที่ ๑ นั้นแสดงให้เห็นว่ามีการรั่วไหลของแก๊สออกมาเป็นระยะหนึ่งแล้ว นั่นคือการที่เครื่องยนต์ดีเซลของรถนั้นเร่งเครื่องได้ด้วยตนเอง ตรงนี้เป็นผลจากการที่เครื่องยนต์ดูดเอาอากาศที่มีบิวเทนผสมอยู่เข้าไป ในกรณีเช่นนี้มีบันทึกไว้เหมือนกันว่าในบางกรณีนั้นแม้ว่าจะปิดสวิตช์เครื่องยนต์ คือตัดน้ำมันไม่ให้จ่ายไปยังเครื่องยนต์ แต่เครื่องยนต์ก็ยังทำงานต่อไปและเร่งความเร็วรอบขึ้นเรื่อย ๆ อันเป็นผลจากเชื้อเพลิงที่ผสมอยู่กับอากาศที่เครื่องยนต์ดูดเข้าไป
 

Prof. Trevor Kletz เคยได้บรรยายเหตุการณ์การระเบิดที่เกิดจากการที่เครื่องยนต์ดีเซลดูดเอาไอระเหยของไซโคลเฮกเซน (cyclohexane C₆H₁₂) เข้าไปไว้ในเอกสาร ICI Safety Newsletter No. 23 ในปีค.ศ. ๑๙๗๐ (รูปที่ ๒ - หาดาวน์โหลดจากอินเทอร์เน็ตได้) ในเหตุการณ์นั้น (ที่เกิดขึ้นในปีค.ศ. ๑๙๖๙) ไอระเหยของไซโคลเฮกเซนที่ผสมอยู่กับอากาศที่เครื่องยนต์ดูดเข้าไป ทำให้เครื่องยนต์ดีเซลเร่งตนเอง (แม้ว่าจะตัดการจ่ายน้ำมันแล้วก็ตาม) จนกระทั่งเกิด flash back ออกมาจากเครื่องยนต์ จากเหตุการณ์ดังกล่าวจึงส่งผลให้เกิดการพัฒนาอุปกรณ์เพื่อป้องกันไม่ให้เหตุการณ์เช่นนั้นเกิดขึ้นซ้ำอีก
 

แต่การจุดระเบิดตามเหตุการณ์ในรูปที่ ๑ และเหตุการณ์ในรูปที่ ๒ นั้นแตกต่างกัน เหตุการณ์ในรูปที่ ๒ นั้นการจุดระเบิดเกิดจากที่วิ่งย้อนออกมาจากช่องดูดอากาศเข้าของเครื่องยนต์ ดังนั้นถ้าสามารถหยุดการทำงานของเครื่องยนต์ได้ ก็จะไม่มีการเกิดเปลวไฟวิ่งย้อนออกมา ส่วนเหตุการณ์ในรูปที่ ๑ นั้นเกิดจากพื้นผิวที่ร้อนจัด ดังนั้นแม้ว่าจะไม่มีการดูดเอาไอเชื้อเพลิงเข้าไปในเครื่องยนต์ แต่ถ้าตัวเครื่องยนต์หรือท่อไอเสียนั้นมีอุณหภูมิสูงมากพอ ก็จะสามารถจุดระเบิดไอระเหยของเชื้อเพลิงที่มาสัมผัสกับพื้นผิวดังกล่าวได้

ปิดท้ายที่ว่างของหน้ากระดาษด้วยภาพแม่น้ำเจ้าพระยาที่ถ่ายจากสะพานกรุงธนเมื่อราวหกโมงเย็นเศษของวันนี้ก็แล้วกันครับ

ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า autoignition temperature (๑) MO Memoir : Wednesday 16 August 2560

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้อิงมาจากบทความเรื่อง "Self-ignition temperature of combustible liquids" โดย Nicholas P. Setchkin ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Research of the National Bureau of Standard Vol. 53 No. 1 ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. ๑๙๕๔ (พ.ศ. ๒๔๙๗) (รูปที่ ๑ ข้างล่าง)

รูปที่ ๑ บทความที่เป็นต้นเรื่องของเนื้อหาชุดนี้ เป็นบทความในปีค.ศ. ๑๙๕๔ (พ.ศ. ๒๔๙๗) หรือเมื่อกว่า ๖๐ ปีที่แล้ว

การที่ไอผสมระหว่างเชื้องเพลิงกับอากาศ (คำว่า "อากาศ" ในตอนที่นี้หมายความรวมถึงตัวออกซิไดซ์ทั่วไปนอกเหนือจากอากาศปรกติที่เราใช้หายใจกัน เช่น ออกซิเจนบริสุทธิ์ แก๊ส N₂O เป็น) จะสามารถลุกติดไฟได้นั้น สิ่งแรกที่ต้องเกิดก่อนคือสัดส่วนการผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศต้องอยู่ในช่วงที่พอเหมาะที่เรียกว่า flammability limit หรือ explosive limit คือปริมาณเชื้อเพลิงไม่น้อยเกินไป (ค่า lower limit) และปริมาณอากาศต้องไม่น้อยเกินไป (ค่า upper limit) จากนั้นสิ่งที่ต้องมีตามมาก็คือแหล่งพลังงานที่จะมากระตุ้นให้เชื้อเพลิงกับอากาศเริ่มทำปฏิกิริยา แหล่งพลังงานกระตุ้น (เช่นประกายไฟ ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง) จะอยู่ ณ จุดใดจุดหนึ่งของไอส่วนผสม และทำการกระตุ้นเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ เพียงครั้งเดียวแล้วก็หยุดกระตุ้น เพื่อให้เชื้อเพลิงที่ได้รับพลังงานจากแหล่งพลังงานกระตุ้นนั้นทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศแล้วคายความร้อนออกมา ถ้าพลังงานความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยาการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นสามารถทำให้เกิดเปลวไฟแผ่ขยายออกไปจากแหล่งพลังงานกระตุ้นได้ ส่วนผสมนั้นก็จะถือว่าอยู่ในช่วง flammability limit

รูปที่ ๒ ปัญหาที่เกิดขึ้นจากการใช้วิธีการทดสอบและใช้นิยาม "จุดลุกติดไฟได้เอง" ที่แตกต่างกัน ส่งผลทำให้ได้ค่าที่แตกต่างกันมาก (องศาเซนติเกรด (degree centigrade) เป็นชื่อเดิมก่อนเปลี่ยนมาเป็นองศาเซลเซียส (degree Celsius))
 

ในอีกกรณีหนึ่งนั้น ถ้าไอผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศที่มีความเข้มข้นอยู่ในช่วง flammability limit นั้นมีอุณหภูมิสูงมากพอจนทำให้โมเลกุลของเชื้อเพลิงกับออกซิเจนในอากาศทำปฏิกิริยากันได้เองโดยไม่ต้องมีแหล่งพลังงานกระตุ้นจากภายนอก ไอผสมนั้นก็จะเกิดการลุกไหม้ขึ้นเองได้ อุณหภูมิต่ำสุดที่ทำให้ไอผสมนี้ลุกติดไฟได้เองเรียกว่า "อุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง" ที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า Autoignition temperature (AIT) หรือ Self-ignition temperature (SIT)
 

การเกิดส่วนผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศที่มีอุณหภูมิสูงพอที่จะเกิดการลุกติดไฟได้เองนั้นเกิดได้หลายวิธี เช่น
 

- การผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าด้วยกันก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิของไอผสมนั้นให้สูงขึ้น
 

- การฉีดเชื้อเพลิงเหลวเข้าไปในอากาศร้อนที่มีอุณหภูมิสูงพอ ความร้อนในอากาศร้อนนั้นจะทำให้เชื้อเพลิงเหลวส่วนหนึ่งกลายเป็นไอและเกิดการเผาไหม้ สิ่งนี้คือสิ่งที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์ดีเซล ที่ใช้การฉีดน้ำมันดีเซลเข้าไปในอากาศร้อนที่เกิดจากการอัดในกระบอกสูบ
 

- การที่เชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวกระทบกับพื้นผิวที่ร้อน เชื้อเพลิงเหลวนั้นจะระเหยกลายเป็นไอผสมกับอากาศอยู่รอบ ๆ พื้นผิวที่ร้อนนั้นและเกิดการลุกติดไฟได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ในโรงกลั่นน้ำมันและโรงงานอุตสาหกรรมปิโตรเคมีต่าง ๆ ดังนั้นการออกแบบการวางท่อโรงงานจึงจำเป็นต้องแยกแนวท่อลำเลียงสารไวไฟและท่อที่ร้อน (เช่นท่อไอน้ำ) เพื่อไม่ให้ของเหลวไวไฟที่รั่วไหลออกจากท่อลำเลียง (อาจจะเนื่องด้วยการผุกร่อนของท่อ หรือการถอดแยกชิ้นส่วนเพื่อการซ่อมบำรุง) มีโอกาสหยดลงบนพื้นผิวท่ออื่นที่ร้อนจัดจนเกิดการระเบิดขึ้นได้

รูปที่ ๓ ภาคตัดขวางตัวอย่างหนึ่งของอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดค่า autoignition temperature รูปต่าง ๆ ทั้งหมดในที่นี้นำมาจากเอกสารของ Nicholas P. Setchkin ที่กล่าวมาข้างต้น
 

พิ้นผิวที่มีอุณหภูมิสูง (เช่นท่อไอน้ำ) สามารถเป็นแหล่งจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงกับอากาศได้ ถ้าหากอุณหภูมิของผิวท่อนั้นสูงกว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองของเชื้อเพลิงชนิดนั้น เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นได้เมื่อมีการรั่วไหลของเชื้อเพลิงในโรงงาน ไอผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศจะแผ่กว้างออกไป และเมื่อใดก็ตามที่ไอผสมที่แผ่ขยายออกไปนั้นพบกับพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงพอ ก็จะเกิดการระเบิดขึ้นได้

ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองของแต่ละสารและสารผสมนั้นได้รับความสนใจมานานแล้ว เพราะมันเกี่ยวข้องกับความปลอดภัยในการทำงาน แต่พอจะวัดจริง ๆ ก็พบว่ามันมีหลายปัจจัยที่ทำให้ค่าอุณหภูมิที่วัดได้นั้นแตกต่างกัน เช่น
 

- ความเข้มข้นไอผสมที่อยู่ในช่วง flammability limit นั้นส่งผลหรือไม่ กล่าวคือถ้าใช้ค่าสัดส่วนการผสมที่แตกต่างกัน (แต่ยังคงอยู่ในช่วง flammability limit) ค่าที่วัดได้นั้นจะแตกต่างกันหรือไม่
 

- วิธีการทำให้เกิดไอผสมและการเพิ่มอุณหภูมิให้กับไอผสมนั้น จะใช้การผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าด้วยกันก่อน แล้วค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิส่วนผสมนั้น หรือใช้การหยดเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวลงบนพื้นผิวของแข็งที่ร้อนที่อุณหภูมิหนึ่ง หรือใช้การเพิ่มอุณหภูมิอากาศให้ร้อนก่อนแล้วจึงฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศร้อนนั้น
 

และด้วยความแตกต่างของวิธีการวัดนี้เอง ทำให้ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่วัดได้นั้นแตกต่างไปตามผู้ที่รายงาน รูปที่ ๒ เป็นตัวอย่างที่ Setchkin นำมารวบรวมเอาไว้เพื่อแสดงให้เห็นถึงปัญหาเรื่องนี้

รูปที่ ๔ ผลของขนาดภาชนะที่ใช้ในการทดสอบที่มีต่อค่าอุณหภูมิที่วัดได้ (ต่างกันที่ขนาด แต่ใช้โครงสร้างแบบเดียวกับในรูปที่ ๓) จะเห็นว่าเมื่อใช้ภาชนะที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ค่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง (ที่ย่อว่า SIT) ที่วัดได้มีแนวโน้มที่จะลดต่ำลง และระยะเวลาการหน่วงก่อนเกิดการระเบิดจะเพิ่มมากขึ้น

ความแตกต่างของวิธีการวัดที่ผ่านมานั้น อาจเกิดจากข้อจำกัดด้านอุปกรณ์ทดลอง หรือต้องการจำลองสถานการณ์ให้ใกล้เคียงกับความเป็นจริงที่ผู้ทดลองนั้นสนใจ เช่นการหยดของเหลวลงบนพื้นผิวที่ร้อนนั้น มองได้ว่าเป็นการจำลองการรั่วไหลของเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวออกจากท่อ และหยด (หรือถูกฉีดพุ่ง) ไปกระทบกับพื้นผิวท่อข้างเคียงที่มีอุณหภูมิสูง ในขณะที่การผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าด้วยกันก่อนที่จะเพิ่มอุณหภูมิ มองได้ว่าเป็นการจำลองการแผ่ขยายของไอผสมเชื้อเพลิงจากแหล่งที่มีการรั่วไหล เป็นต้น
 

ด้วยเหตุนี้เราจึงควรที่จะเข้าใจว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่เรานำมาใช้งานนั้นได้มาจากวิธีการวัดแบบใด และในการทำงานของเรานั้นมันมีโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์นี้ในรูปแบบใดบ้าง เพื่อที่จะได้ประมาณผลได้ว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองในสภาพการทำงานแท้จริงของเรานั้น จะมีค่าต่ำกว่าหรือสูงกว่าค่าที่เรานำมาใช้อ้างอิงในการออกแบบ
 

รูปที่ ๓ เป็นภาคตัดขวางอุปกรณ์วัดค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่ Setchkin ใช้ในการทดลอง โดยดัดแปลงมาจากอุปกรณ์วัดตามมาตรฐาน ASTM ในการทดลองนี้ (ในบทความไม่ได้ให้รายละเอียดไว้ แต่จากข้อมูลที่นำมาแสดงทำให้คาดได้ว่า) ใช้การอุ่นอากาศให้ร้อนอากาศจนมีอุณหภูมิระดับที่ต้องการก่อน จากนั้นจึงทำการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศร้อนนั้น (ในปริมาณที่กำหนดเพื่อให้ได้ไอผสมที่มีสัดส่วนตามต้องการ) แล้วเฝ้าสังเกตการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใน ในช่วงแรกที่ฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปนั้นอุณหภูมิในระบบจะลดต่ำลงเล็กน้อยเป็นระยะเวลาสั้น ๆ (ผลจากการที่เชื้อเพลิงเหลวระเหยกลายเป็นไป มีการดึงความร้อนจากอากาศออกส่วนหนึ่ง) ถ้าหากไม่เกิดการลุกไหม้หรือไม่มีการลุกไหม้ต่อเนื่อง อุณหภูมิภายในฟลาสค์ก็จะคืนกลับมาที่เดิม แต่ถ้าเกิดการลุกไหม้ต่อเนื่อง ก็จะเห็นอุณหภูมิในฟลาสค์เพิ่มสูงขึ้น และถ้าเป็นการระเบิด ก็จะเห็นอุณหภูมิในฟลาสค์พุ่งขึ้นอย่างรวดเร็ว 
  

ข้อมูลในรูปที่ ๔ ยังแสดงให้เห็นผลของขนาดภาชนะบรรจุที่ส่งผลต่อค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองและระยะเวลาหน่วงการระเบิดที่วัดได้ จากข้อมูลจะเห็นว่าเมื่อขนาดภาชนะบรรจุมีขนาดใหญ่ขึ้น ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองมีแนวโน้มที่จะลดต่ำลง ในขณะที่ค่าระยะเวลาหน่วงการระเบิดนั้นกลับเพิ่มขึ้น
 

ระยะเวลาการหน่วงก่อนการระเบิด (time lag) คือระยะเวลาที่ไอผสมเกิดการระเบิด (หรือลุกไหม้) เมื่อคงอยู่ที่อุณหภูมิระดับหนึ่ง "นานพอ" และนิยามของระยะเวลาที่ "นานพอ" นี้เองก็เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ค่าอุณหภูมิที่วัดได้นั้นแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นกรณีของเมทิลไซโคลเฮกเซน (methyl cyclohexane - C₆H₁₁-CH₃) Setchkin กล่าวไว้ว่าถ้าที่อุณหภูมิ 275ºC จะเห็นการระเบิดเกิดขึ้นหลังจากปล่อยทิ้งไว้นานเพียง 30 วินาที แต่ถ้าเป็นที่อุณหภูมิ 248ºC จะเห็นการระเบิดเกิดขึ้นถ้าปล่อยทิ้งไว้นานถึง 20 นาที 10 วินาที ดังนั้นถ้าผู้ทำการทดลองไม่รอให้ไอผสมคงอยู่ที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่งเป็นระยะเวลานานพอ ก็จะไม่พบการระเบิดของไอผสมนั้น ทั้ง ๆ ที่มันสามารถเกิดขึ้นได้ถ้าปล่อยทิ้งไว้นานพอ
 

ระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิดนี้เป็นผลมาจากการที่ปฏิกิริยาการเผาไหม้นั้นเป็นปฏิกิริยาที่คายความร้อนออกมา และความร้อนที่คายออกมานั้นไปทำให้อุณหภูมิของไอผสมที่อยู่ข้างเคียงนั้นร้อนขึ้น ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มเร็วขึ้นไปอีก และเกิดเช่นนี้ต่อเนื่องออกไปเรื่อย ๆ แต่ถ้าอุณหภูมิของไอผสมนั้นต่ำเกินไป ปฏิกิริยาการเผาไหม้ก็จะไม่เกิด หรือเกิดในปริมาณที่ไม่มากพอที่จะชดเชยการสูญเสียความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้ไม่เกิดการเผาไหม้ที่ต่อเนื่องได้ ถ้าความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยานั้นสูงกว่าการสูญเสียความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมไม่มาก ความร้อนที่เหลือให้กับการเร่งปฏิกิริยาก็มีน้อย ทำให้กว่าจะเห็นการลุกไหม้ที่ขยายตัวออกไป (หรือการระเบิด) ต้องรอเวลานาน แต่ถ้าความร้อนที่เหลือให้กับการเร่งปฏิกิริยานั้นมีค่าสูงกว่าความร้อนที่สูญเสียออกสู่สิ่งแวดล้อมมาก ระยะเวลาหน่วงการระเบิดก็จะหดสั้นลง

รูปที่ ๕ ผลของวัสดุที่ใช้ทำผนังภาชนะที่ใช้ในการทดสอบ จะเห็นว่าค่าที่ได้นั้นเปลี่ยนไปตามวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ด้วย
 

รูปที่ ๕ แสดงให้เห็นผลของวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์วัด (ผนังส่วนที่สัมผัสกับไอผสมเชื้อเพลิง-อากาศ) จะเห็นว่าค่าที่วัดได้นั้นขึ้นอยู่กับชนิดวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ด้วย สาเหตุหนึ่งคงเป็นเพราะความสามารถในการนำความร้อนของวัสดุที่ใช้ เมื่อเกิดการเผาไหม้ขึ้นภายในนั้น จะมีความร้อนส่วนหนึ่งสูญเสียให้กับฟลาสค์ที่บรรจุไอผสมนั้น ถ้าฟลาสค์นั้นทำจากวัสดุที่นำความร้อนได้ดี ก็จะมีความร้อนสูญเสียให้กับวัสดุที่ใช้ทำฟลาสค์นั้นมากกว่าฟลาสค์ที่ทำจากวัสดุที่นำความร้อนได้ต่ำกว่า ทำให้เห็นค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองนั้นสูงกว่า (จากข้อมูลในรูปที่ ๕ จะเห็นว่าพื้นผิวโลหะทำให้วัดค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองสูงกว่าพื้นผิวชนิดอื่น)
 

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (internal combustion engine) ที่เราพบเห็นทั่วไปในชีวิตประจำวันได้แก่เครื่องยนต์เบนซิน (gasoline engine) และเครื่องยนต์ดีเซล (diesel engine) คำถามพื้นฐานคำถามหนึ่งที่คนที่เรียนวิชาเครื่องยนต์สันดาปภายในมักจะโดนถามเป็นประจำได้แก่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเอาน้ำมันเบนซินไปเติมให้กับเครื่องยนต์ดีเซล และเอาน้ำมันดีเซลไปเติมให้กับเครื่องยนต์เบนซิน
 

น้ำมันเบนซิน (ภาษาอังกฤษเรียก gasoline) กับน้ำมันดีเซลมีคุณสมบัติการเผาไหม้ที่ตรงข้ามกัน ไฮโดรคาร์บอนที่มีเลขออกเทนสูง (พวกอะโรมาติก โซ่กิ่ง) จะมีเลขซีเทนต่ำ ในทางกลับกันไฮโดรคาร์บอนที่มีเลขซีเทนสูง (พวกโซ่ตรง) จะมีเลขออกเทนต่ำ
 

เครื่องยนต์เบนซินนั้นใช้การผสมอากาศกับน้ำมันเข้าด้วยกันก่อน จากนั้นจึงทำการจุดระเบิดด้วยหัวเทียน เปลวไฟการเผาไหม้จะแผ่กระจายออกจากหัวเทียนไปทั่วกระบอกสูบ และควรเป็นไปในทิศทางนี้เท่านั้น ในขณะที่เปลวไฟแผ่กระจายออกไปนั้น ความดันและอุณหภูมิของไอผสมส่วนที่เปลวไฟยังเคลื่อนมาไม่ถึงจะเพิ่มสูงขึ้น และไอผสมส่วนนี้ไม่ควรที่จะเกิดการจุดระเบิดด้วยตนเองอันเป็นผลจากความดันและอุณหภูมิที่สูงขึ้น เพราะจะทำให้เกิดหน้าคลื่นการเผาไหม้แผ่ออกไปปะทะกับคลื่นการเผาไหม้ที่แผ่ออกมาจากหัวเทียน หรือเกิดการระเบิดรุนแรงขึ้นกระทันหัน ที่เป็นอาการที่เรียกว่าเครื่องยนต์น็อค

รูปที่ ๖ ตัวอย่างค่า autoignition temperature และระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิดของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม พังสังเกตค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง (SIT) ของน้ำมันเบนซินที่มีเลขออกเทนต่างกัน และน้ำมันดีเซลที่มีเลขซีเทนต่างกัน
 

การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะใช้การอัดอากาศเพียงอย่างเดียวเพื่อทำให้อากาศนั้นมีอุณหภูมิสูงก่อน จากนั้นจึงทำการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศร้อนนั้น เมื่อเชื้อเพลิงสัมผัสกับอากาศร้อนก็ควรที่จะเกิดการลุกไหม้ได้ทันทีเพื่อทำให้เกิดความร้อนและแก๊สร้อนในการดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ลง ถ้าหากเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปนั้นไม่เกิดการเผาไหม้ เครื่องยนต์ก็จะไม่ทำงาน (ปัญหาที่เกิดกับเครื่องยนต์ดีเซลเวลาที่อากาศเย็น ทำให้ต้องมีการ "เผาหัว" คืออุ่นอากาศที่เครื่องยนต์ดูดเข้านั้นให้ร้อนก่อน ทำให้ติดเครื่องได้ง่าย) หรือถ้าหากมีเชื้อเพลิงบางส่วนที่ฉีดเข้าไปนั้นไม่เผาไหม้และสะสมอยู่ในกระบอกสูบ พอเครื่องยนต์ร้อนจัดขึ้น เชื้อเพลิงส่วนที่สะสมอยู่นี้ก็เกิดการระเบิดขึ้นเองในจังหวะที่ไม่เหมาะสม ก่อให้เกิดอาการที่เรียกว่าการน็อคของเครื่องยนต์ดีเซล
 

ถ้าพิจารณาข้อมูลในรูปที่ ๖ จะเห็นว่าน้ำมันดีเซลจะมีค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองค่อนข้างต่ำ ส่วนน้ำมันเบนซินนั้นพวกที่มีเลขออกเทนต่ำจะมีค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่ต่ำ และพวกที่มีเลขออกเทนสูงจะมีค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่สูงขึ้น ทำให้น้ำมันออกเทนสูงทนต่ออุณหภูมิและความดันได้มากขึ้นโดยไม่ชิงจุดระเบิดเองก่อน ทำให้ใช้กับเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดสูงได้ (อัตราส่วนการอัดยิ่งสูง ประสิทธิภาพการทำงานก็ยิ่งเพิ่มขึ้น) ส่วนน้ำมันดีเซลนั้นแม้ว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองจะไม่แตกต่างกันมากนักตามเลขซีเทนที่เปลี่ยนไป แต่เมื่อพิจารณาระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิด (lag time) ในรูปที่ ๗ จะเห็นว่าน้ำมันดีเซลที่เลขซีเทนสูงจะมีระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิดที่สั้นกว่าพวกที่มีเลขซีเทนต่ำกว่า ทำให้เกิดการเผาไหม้ได้รวดเร็วกว่า เครื่องยนต์จึงทำงานที่รอบสูงได้ (หมายเหตุ : การเผาไหม้ในเครื่องยนต์ดีเซลนั้นใช้การฉีดพ่นให้เป็นละอองฝอยเล็ก ๆ จึงเกิดการเผาไหม้ได้ง่ายขึ้น ดังนั้น lag time การเผาไหม้ในเครื่องยนต์จริงจึงสั้นกว่าการทดสอบในอุปกรณ์วัด)

รูปที่ ๗ ตัวอย่างค่า autoignition temperature และระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิดของน้ำมันดีเซลที่มีค่าเลขซีเทน (cetane number) ต่างกัน คำว่า Straight run หมายถึงน้ำมันที่ได้จากหอกลั่นโดยตรง โดยที่ยังไม่นำไปทำการปรับสภาพใด ๆ ในกรณีของน้ำมันดีเซลที่ใช้น้ำมันดิบที่มีไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรงในสัดส่วนที่สูง น้ำมันที่กลั่นได้จะมีค่าเลขซีเทนสูงพอสำหรับการนำไปใช้งานได้เลย (ถ้าไม่คำนึงถึงกำมะถันปนเปื้อน) แต่ถ้าเป็นน้ำมันเบนซิน น้ำมัน straight run ที่ได้จากหอกลั่นนั้นจะมีเลขออกเทนที่ต่ำ ยังไม่สามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์ได้ ต้องนำไปผ่านกระบวนการเพิ่มเลขออกเทนก่อน

การน๊อคของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน และสารเพิ่มเลขออกเทนของน้ำมัน MO Memoir : Wednesday 2 January 2556

ในการทำงานของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (gasoline engine) หรือที่เรามักเรียกว่าเครื่องยนต์เบนซิน) นั้น จะทำการผสมน้ำมันกับอากาศให้กลายเป็นเนื้อเดียวกันก่อน โดยน้ำมันจะต้องระเหยกลายเป็นไอผสมกับอากาศก่อนที่จะไหลเข้าสู่กระบอกสูบผ่านทางวาล์วไอดี ไอผสมระหว่างน้ำมันกับอากาศนี้เรียกว่า "ไอดี" และเมื่ออยู่ในกระบอกสูบแล้วไอดีจะถูกจุดระเบิดด้วยหัวเทียน ทำให้เกิดเปลวไฟวิ่งออกจากตำแหน่งหัวเทียนแผ่ออกไปจนทั่วปริมาตรกระบอกสูบ

สำหรับเรื่องพื้นฐานการทำงานของเครื่องยนต์แก๊สโซลีนนั้น อ่านได้จาก Memoir

ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๒๓ วันพุธที่ ๒๑ กรกฎาคม ๒๕๕๒ เรื่อง "เครื่องยนต์เบนซิน" และ

ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๔๕ วันพฤหัสบดีที่ ๖ ธันวาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "คาร์บูเรเตอร์ (Carburator)"

รูปที่ ๑ (ซ้าย) การเผาไหม้ในกรณีที่ไม่เกิดการน๊อค (ขวา) การเผาไหม้ในกรณีที่เกิดการน๊อค

ในการจุดระเบิดปรกตินั้น จะมีหน้าคลื่นการเผาไหม้ที่เกิดจากหัวเทียนเท่านั้นที่แผ่ไปจนทั่วปริมาตรกระบอกสูบ (รูปที่ ๑ ซ้าย) แต่ในขณะที่เกิดการเผาไหม้นั้น ความดันและอุณหภูมิในกระบอกสูบจะสูงขึ้น ในช่วงเวลานี้ถ้าหากน้ำมันนั้นไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิและความดันที่เพิ่มสูงขึ้นได้ ไอน้ำมันนั้นก็จะเกิดการจุดระเบิดขึ้นเองก่อนที่เปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียนจะเดินทางมาถึง (อาจเกิดขึ้นได้หลายตำแหน่ง) ทำให้เกิดหน้าคลื่นการเผาไหม้หลายหน้าคลื่นวิ่งเข้าปะทะกัน (รูปที่ ๑ ขวา) เกิดอาการที่เรียกว่า "น๊อค"

 
การป้องกันการเกิดน๊อคนั้นทำได้โดยการปรับแต่งการทำงานของเครื่องยนต์ (เช่น ปรับองศาการจุดระเบิด ปรับสัดส่วนผสมของไอดี) และ/หรือการใช้เชื้อเพลิงที่ทนต่อภาวะการเผาไหม้ในกระบอกสูบได้โดยไม่เกิดการชิงจุดระเบิดด้วยตนเอง (autoignition)

 
การวัดความสามารถของเชื้อเพลิงในการทนต่อภาวะการเผาไหม้ในกระบอกสูบได้โดยไม่เกิดการชิงจุดระเบิดด้วยตนเองของน้ำมันแก๊สโซลีน (ผมขอใช้คำนี้แทนคำว่า "น้ำมันเบนซิน" เพื่อหลีกเลี่ยงความสับสนกับสาร "เบนซีน") จะทำการทดสอบด้วยเครื่องยนต์ทดสอบ ส่วนหน่วยวัดความความสามารถของเชื้อเพลิงในการทนต่อภาวะการเผาไหม้ในกระบอกสูบได้โดยไม่เกิดการชิงจุดระเบิดด้วยตนเองของน้ำมันแก๊สโซลีนนั้นคือ "เลขออกเทน (Octane number)"

 
การทดสอบที่ใช้กันมากนั้นมีอยู่ ๒ การทดสอบ คือการวัดค่า Research Octane Number (ย่อว่า RON หรืออ่านว่า "รอน") และ Motor Octane Number (ย่อว่า MON หรืออ่านว่า "มอน")

 
ค่า RON นั้นวัดตามมาตรฐาน ASTM D 2699-03a Test method for research octane number of spark-ignition engine fuel ส่วนค่า MON นั้นวัดตามมาตรฐาน ASTM D 2700-03a Test method for motor octane number of spark-ignition engine fuel

 
ในการวัดค่า RON นั้นจะกระทำในเครื่องยนต์ทดสอบที่ 600 รอบต่อนาที และปรับเปลี่ยนอัตราส่วนการอัด (compression ratio - ปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงต่ำสุด (ปริมาตรมากที่สุด) ต่อปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด (ปริมาตรน้อยที่สุด)) ส่วนการวัดค่า MON นั้นจะกระทำที่รอบเครื่องยนต์สูงกว่า (วัดที่ 900 รอบต่อนาที) และยังมีการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ต่าง ๆ มากกว่า (ใกล้เคียงการทำงานจริงมากกว่า RON แต่ก็จัดว่าห่างจากการทำงานจริงของเครื่องยนต์ในปัจจุบัน) ทำให้ค่า MON ที่วัดได้นั้นมักจะต่ำกว่าค่า RON อยู่เสมอ

 
มาตรฐานที่ใช้ในการวัดนั้นกำหนดให้ n-heptane มึค่า RON และ MON เป็น 0 และ iso-octane มีค่า RON และ MON เป็น 100

 
น้ำมันที่ส่วนผสมระหว่าง n-heptane 30 vol% + iso-octane 70 vol% ก็จะมี RON = 70 และน้ำมันใด ๆ ที่มีคุณลักษณะต้านการน๊อคเทียบเท่านั้นมันตัวนี้ก็จะถือว่ามีเลขออกเทน 70 เช่นเดียวกัน 
 

น้ำมันที่ส่วนผสมระหว่าง n-heptane 70 vol% + iso-octane 30 vol% ก็จะมี RON = 30 และน้ำมันใด ๆ ที่มีคุณลักษณะต้านการน๊อคเทียบเท่านั้นมันตัวนี้ก็จะถือว่ามีเลขออกเทน 30 เช่นเดียวกัน

 
สำหรับเลขออกเทนที่สูงเกิน 100 นั้น จะใช้การเทียบจากมิลิลิตรของ tetraethyl lead ((C₂H₅)₄Pb) ที่เติมลงไปใน iso-octane บริสุทธิ์ สำหรับค่าเลขออกเทนที่สูงกว่า 100 นั้นตามมาตรฐาน ASTM ให้คำนวณจากสมการต่อไปนี้

เมื่อ ON คือเลขออกเทน (ค่า RON) TEL คือ ml ของ tetraethyl lead ต่อ iso-octane 1 USgal (3.7854 l) ตัวอย่างเช่นน้ำมันที่ประกอบด้วย tetraethyl lead 6 ml ต่อ iso-octane 1 USgal (3.7854 l) จะมีค่า RON = 120.3

(สมการข้างบนมาจากหนังสือ Fundamentals of internal combustion engines โดย H.N. Gupta)

สมการข้างบนยังแสดงให้เห็นความสามารถของ tetraethyl lead ในการเพิ่มเลขออกเทน จะเห็นว่าถ้าใช้ tetra-ethyl lead เพียงแค่ 6 ml/3.7854 l หรือประมาณ 1.59 ml/l ก็สามารถเพิ่มค่า RON ได้ถึง 20 หน่วย ซึ่งจัดว่าใช้ในปริมาณที่ต่ำมาก

 
น้ำมันแก๊สโซลีนนั้นเป็นสารผสมของไฮโดรคาร์บอนหลายชนิด มีการพบว่าไฮโดรคาร์บอนหลายชนิดนั้นเมื่ออยู่ในรูปสารบริสุทธิ์กับรูปสารผสมนั้นแสดงเลขออกเทนที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นสมมุติว่านำไฮโดรคาร์บอน A ที่บริสุทธิ์มาวัดค่า RON ได้ 90 แต่เมื่อนำน้ำมันผสมระหว่าง n-heptane 50% (RON = 0) + hydrocarbon A 50% (RON = 90) กลับพบว่าน้ำมันผสมที่ได้นั้นมีค่า RON เท่ากับ 60 แทนที่จะเป็น 45 นั่นแสดงว่าในน้ำมันผสมนั้น hydrocarbon A แสดงเลขออกเทน 120 ค่าเลขออกเทน 120 ของ hydrocarbon A ตัวนี้เมื่อผสมกับน้ำมันตัวอื่นเรียกว่า "Blending octane number"

 
เอทานอลก็เป็นแอลกอฮอล์ตัวหนึ่งที่มีเลขออกเทนสูง เอทานอลบริสุทธิ์นั้นมีค่า RON ประมาณ 99 แต่เมื่อผสมเข้าไปในน้ำมันกลับแสดงค่า blending octane number ประมาณ 128-135 (ตัวเลขไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มา) ตัวอย่างค่า RON และ MON ทั้ง actual และ blending octane number ของไฮโดรคาร์บอนบางชนิดแสดงไว้ในตารางที่ ๑

ตารางที่ ๑ เลขออกเทนของไฮโดรคาร์บอนบางชนิด

(จาก http://www.refiningonline.com/engelhardkb/crep/tcr4_29.htm)

ทีนี้ลองสมมุติว่าเราต้องการเตรียมน้ำมันที่มีค่า RON 120 โดยใช้ cyclopentane (RON เมื่อผสมคือ 141) ผสมกับ iso-octane พบว่าน้ำมันนั้นต้องประกอบด้วย iso-octane 500 50% + cyclopentane 50% (เลขออกเทน (0.5 x 100) + (0.5 x 141) = 120.5) หรือในน้ำมัน 1 l จะมี iso-octane 500 ml + cyclopentane 500 ml ในขณะที่ถ้าใช้ tetraethyl lead นั้นในน้ำมัน 1 l จะมี iso-octane 998.41 ml + tetraethyl lead 1.59 ml ซึ่งตรงจุดนี้คงทำให้เห็นว่าทำไมในยุคสมัยหนึ่งจึงมีการนิยมใช้ tetraethyl lead ในการเพิ่มเลขออกเทน เพราะมันใช้ในปริมาณน้อยเมื่อเทียบกับปริมาณน้ำมันทั้งหมด ถ้าเลขออกเทนยังไม่สูงพอก็เพียงแค่เติมเพิ่มลงไปอีกนิดหน่อย (เรื่องการใช้ cyclopentane เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนในน้ำมัน ผมเคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๐๕ วันเสาร์ที่ ๑๕ กันยายน ๒๕๕๕ เรื่อง "เอา pentane ไปทำอะไรดี")

ในกรณีของเครื่องยนต์ที่ใช้คาร์บูเรเตอร์ผสม "ไอน้ำมัน" เข้ากับอากาศนั้น ปริมาณ "ไอน้ำมัน" ที่จะผสมเข้ากับอากาศจะขึ้นกับอุณหภูมิของอากาศ (ถ้าสูง น้ำมันก็ระเหยได้มาก) และอัตราการไหลของอากาศ (ถ้าไหลผ่านเร็ว จะทำให้ความดันลดต่ำลงมาก น้ำมันก็ระเหยได้มาก) ดังนั้นถ้าสารเพิ่มเลขออกเทนนั้นระเหยได้ยากที่อุณหภูมิต่ำ ก็อาจทำให้เครื่องยนต์มีปัญหาในช่วงสตาร์ทเครื่องหรือที่รอบต่ำได้

 
ส่วนเครื่องยนต์หัวฉีดนั้นจะใช้การฉีด "น้ำมันที่เป็นของเหลว" เข้าไปในอากาศที่กำลังไหลเข้ากระบอกสูบ ดังนั้นน้ำมันจะต้องระเหยกลายเป็นไอให้ทันเวลา ความเข้มข้นของไอน้ำมันในไอดีจะขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำมันที่หัวฉีดจ่ายออกมา อุณหภูมิของอากาศ และจุดเดือดของส่วนผสมต่าง ๆ ที่อยู่ในน้ำมัน ถ้าอากาศนั้นมีอุณหภูมิสูงพอและน้ำมันนั้นไม่มีพวกที่เป็นองค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูง น้ำมันที่เป็นของเหลวที่ฉีดเข้าไปก็จะระเหยกลายเป็นไอได้หมด แต่ถ้าอากาศนั้นมีอุณหภูมิไม่สูงพอและ/หรือน้ำมันนั้นมีพวกที่เป็นองค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูงอยู่ในปริมาณมาก องค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูงเหล่านั้นอาจจะระเหยกลายเป็นไอได้ไม่หมด และเมื่อหลุดเข้าไปในกระบอกสูบ พวกที่เป็นของเหลวก็สามารถที่จะละลายเข้าไปในน้ำมันเครื่องที่หล่อลื่นผนังกระบอกสูบได้ ทำให้เมื่อเวลาผ่านไปนานขึ้นน้ำมันเครื่องก็จะมีความหนืดลงลดได้

(การเผาไหม้ไอดีในกระบอกสูบนั้น แม้ว่าจะมีอากาศมากเกินพอแต่ก็ไม่สามารถเผาไหม้ได้หมด เพราะเมื่อเปลวไฟเคลื่อนตัวมาถึงผนังกระบอกสูบ เปลวไฟจะสูญเสียความร้อนให้กับผนังกระบอกสูบ ทำให้เปลวไฟดับ ไอน้ำมันที่อยู่บริเวณผนังกระบอกสูบจึงไม่ถูกเผาไหม้)

ที่ผมสงสัยคือถ้ามีการนำเอาสารพวก trimethylbenzene ไปใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันแก๊สโซลีน จะส่งผลต่อการทำงานของเครื่องยนต์หรือไม่ โดยเฉพาะช่วงที่เครื่องยนต์ทำงานรอบต่ำ (เช่นตอนเริ่มติดเครื่อง) และ/หรือตอนที่อากาศเย็น ข้อมูลในตารางที่ ๑ แสดงให้เห็นว่าสารประกอบพวก alkyl aromatic นั้นแม้ว่าจะเป็นพวกที่มีเลขออกเทนสูง โดยเฉพาะ 1,3,5-trimethylbenzene ที่แสดงค่า RON เมื่อนำไปผสมสูงถึง 171 แต่สารกลุ่ม trimethylbenzene เหล่านี้จัดเป็นพวกที่มีจุดเดือดสูง (ประมาณ 165-175ºC) หรืออยู่ในกลุ่มพวก 10% สุดท้ายของน้ำมันเบนซินที่กฎหมายยอมให้มีได้ (ดู Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๔๘ วันพฤหัสบดีที่ ๑๓ ธันวาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "กราฟอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซิน" ประกอบ) พวก alkyl aromatic ตั้งแต่ C10 ขึ้นไปนั้นเป็นพวกที่มีจุดเดือดสูงระดับประมาณ 170-200ºC เช่นเดียวกัน

ที่กล่าวมาใน Memoir ฉบับนี้และฉบับอื่นที่มีการอ้างถึงใน Memoir ฉบับนี้ เป็นพื้นฐานที่นำไปสู่แนวความคิดของผมเรื่องการสังเคราะห์เอทิลเบนซีน (จากเบนซีนและเอทานอล) เพื่อนำไปใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันแก๊สโซลีน (ที่ได้กล่าวไว้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๔๔ วันอังคารที่ ๔ ธันวาคม ๒๕๕๕ เรื่อง "เอาเบนซีนกันเอทานอลไปทำอะไรดี") เอทิลเบนซีนนั้นมีจุดเดือดเพียง 136ºC ทำให้ไม่ถูกจำกัดปริมาณด้วยข้อจำกัดเรื่องจุดเดือด (แต่ก็ยังถูกจำกัดปริมาณด้วยข้อจำกัดเรื่องปริมาณอะโรมาติกรวมที่ต้องไม่เกิน 35 vol% อยู่ดี) ซึ่งน่าจะช่วยบรรเทาปัญหาเรื่องการหาทางใช้ประโยชน์จากเบนซีนและค่าใช้จ่ายที่สูงในการผลิตเอทานอลความบริสุทธิ์สูงเพื่อนำไปผสมเป็นน้ำมันแก๊สโซฮอล์ และถ้ามีการเปลี่ยน pentane ไปเป็น cyclopentane เพื่อใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันแก๊สโซลีน น่าจะทำให้สามารถดึงเอาอะโรมาติกพวกโทลูอีนและไซลีนไปใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีแทนได้

ที่เหลือก็ขึ้นกับคนที่ถามถามเห็นผมมาแล้วว่า เขาจะพิจารณาว่ามันคุ้มค่าหรือไม่อย่างไร เพราะเขาเป็นคนถือตัวเลขราคาต้นทุนสารต่าง ๆ และปริมาณการผลิตของสารต่าง ๆ แต่ละปีอยู่ในมือ ส่วนผมทำเพียงแค่เสนอแนวความคิดให้เขาฟังแค่นั้นเอง