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

ขอขอบคุณผู้มีอุปการะคุณทุกท่าน MO Memoir : Tuesday 1 January 2556

ฉบับแรกของปีใหม่ก็คงต้องขอสรุปงานในช่วงปีที่ผ่านมาซึ่งเป็นปีที่ ๓ ของ blog นี้ Memoir ฉบับแรกของปีพ.ศ. ๒๕๕๕ คือฉบับที่ ๓๘๑ และฉบับสุดท้ายคือฉบับที่ ๕๕๔ รวมแล้วในรอบปีที่ผ่านมามีบันทึกออกไป ๑๗๔ ฉบับจำนวนประมาณ ๖๖๖ หน้า A-4 (ไม่รวมหน้าของเอกสารแนบ) ในรอบปีที่ผ่านมามีผู้เข้ามาเยี่ยมชมกว่า ๑๐๖,๔๙๓ ครั้ง หรือเฉลี่ยประมาณ ๒๙๐ ครั้งต่อวัน

ภาพรวมของสถิติการเยี่ยมชมในรอบปีพ.ศ. ๒๕๕๕ ที่ google บันทึกเอาไว้อยู่ในตารางที่ ๑ ข้างล่าง โดยเดือนที่มีผู้เข้าเยี่ยมชมมากที่สุดคือเดือนกรกฎาคม มีผู้เข้าเยี่ยมชม ๑๓,๒๗๑ ครั้งหรือเฉลี่ยเกือบ ๔๓๐ ครั้งต่อวัน

ตารางที่ ๑ จำนวนครั้งการเยี่ยมชมในแต่ละเดือนในรอบปีพ.ศ. ๒๕๕๕ ที่ google บันทึกไว้

เดือน	ครั้งการเยี่ยมชม	เดือน	ครั้งการเยี่ยมชม	เดือน	ครั้งการเยื่ยมชม
มกราคม	๕,๗๗๒	พฤษภาคม	๖,๐๘๗	กันยายน	๑๑,๙๐๕
กุมภาพันธ์	๔,๕๙๑	มิถุนายน	๙,๗๘๗	ตุลาคม	๑๐,๐๐๑
มีนาคม	๔,๗๖๒	กรกฎาคม	๑๓,๒๗๑	พฤศจิกายน	๑๓,๐๕๗
เมษายน	๓,๘๙๗	สิงหาคม	๑๐,๔๗๖	ธันวาคม	๑๒,๘๙๖

รูปแรกในหน้าถัดไปเป็นภาพรวมสถิติของ blog นับตั้งแต่ google เริ่มทำการบันทึก (เดือนพฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๕๓ หรือ ค.ศ. ๒๐๑๐ แต่ที่เห็นในรูปมันเป็นเดือนมิถุนายน ปีค.ศ. ๒๐๐๘ ซึ่งมันผิด เพราะตอนนั้น google ยังไม่มีการจดสถิติและผมเองก็ยังไม่ได้เขียน blog ด้วย)

และนับตั้งแต่ google เริ่มมีการบันทึกสถิติการเยี่ยมชม (พฤษภาคม พ.ศ. ๒๕๕๓) ๑๐ อันดับแรกของ

- บทความที่มีผู้เข้าอ่านมากที่สุด

- URL ที่แนะนำมา

- ไซต์ที่แนะนำมา

- คำหลักในการค้นหา

- ประเทศที่มาของผู้อ่าน

- เว็บเบราว์เซอร์ที่ใช้อ่าน และ

- ระบบปฏิบัติการของคอมพิวเตอร์/โทรศัพท์เคลื่อนที่ที่ใช้อ่าน

ก็ได้แสดงไว้ในรูปในหน้าถัดไป

ส่วนปีใหม่นี้จะมีเรื่องเล่าสักกี่เรื่องก็ยังไม่รู้เหมือนกัน รู้แต่ว่าตอนนี้เรื่องมีที่เปิดไฟล์ใหม่ตั้งชื่อเรื่องรอเอาไว้แล้ว ๗ เรื่อง บางเรื่องเตรียมเอาไว้ตั้ง ๓-๔ เดือนแล้วก็ยังไม่ได้เขียนให้จบสักที ก็คงจะค่อย ๆ ทำออกไป

ปีใหม่แล้วก็ขอให้มีความสุขทั่วหน้ากันทุกคนก็แล้วกัน สวัสดี