คาร์บูเรเตอร์ (Carburetor) MO Memoir : Thursday 6 December 2555

น้ำมันเบนซินจากผู้ผลิตไม่ว่ารายใดนั้น แม้ว่าจะต้องเป็นไปตามประกาศกรมธุรกิจพลังงานเรื่องที่เกี่ยวกับ "กำหนดลักษณะและคุณภาพน้ำมันเบนซิน" เดียวกัน ก็ไม่จำเป็นต้องมีรายละเอียดปลีกย่อยที่เหมือนกัน ซึ่งส่วนที่เป็นรายละเอียดปลีกย่อยนี้ทำให้น้ำมันเบนซินที่มาจากผู้ผลิตแต่ละรายส่งผลที่แตกต่างกันต่อสมรรถนะการทำงานของเครื่องยนต์ได้

ปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อคุณภาพน้ำมันเบนซินคือเส้นกราฟอุณหภูมิการกลั่น (distillation curve) ซึ่งเป็นตัวบอกว่าน้ำมันเบนซินนั้นประกอบด้วยองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่าง ๆ กันนั้นในสัดส่วนเท่าใด ซึ่งตรงนี้มันสัมพันธ์กับค่าการระเหยของสารที่ใช้เพิ่มค่าออกเทนด้วย ส่วนที่ว่าเส้นกราฟอุณหภูมิการกลั่นนั้นคืออะไรขอยกยอดออกไปเป็นฉบับต่างหาก แต่ก่อนอื่นเราลองมาทำความเข้าใจกันก่อนว่าอัตราการระเหยของน้ำมันเบนซินนั้นมันส่งผลอย่างไรต่อการทำงานของเครื่องยนต์

เรื่องวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้นผมเคยเขียนไว้ใน Memoir ปีที่ ๑ ฉบับที่ ๒๓ วันพุธที่ ๒๑ มกราคม ๒๕๕๒ เรื่อง "เครื่องยนต์เบนซิน" ส่วนในฉบับนี้จะเป็นการแนะนำให้รู้จักกับอุปกรณ์ตัวหนึ่งที่ใช้สำหรับผสมน้ำมันเบนซินเข้ากับอากาศที่มีชื่อว่า "คาร์บูเรเตอร์ - carburetor" ซึ่งเรื่องต่าง ๆ เหล่านี้มันจะเกี่ยวพันไปถึงคำการทำความเข้าใจว่าการเพิ่มออกเทนน้ำมันเบนซินด้วย benzene, toluene, xylenes, ethylbenzene หรือ trimethybenzenes นั้นจะส่งผลอย่างไรต่อการทำงานของเครื่องยนต์

วัตถุประสงค์ของ Memoir ฉบับนี้ก็เพื่อเป็นการปูพื้นฐานให้พวกเราที่เป็นวิศวกรเคมี ซึ่งเป็นผู้ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงโดยตรง ได้เข้าใจหลักการทำงานของเครื่องยนต์ที่จะนำเอาน้ำมันเชื้อเพลิงที่พวกเราผลิตได้ไปใช้ ว่ามันมีความต้องการอย่างไรบ้าง และส่วนผสมในน้ำมันเชื้อเพลิงที่ผลิตได้นั้นจะส่งผลต่อการทำงานของเครื่องยนต์อย่างไรบ้าง

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายแสดงการทำงานของคาร์บูเรเตอร์

ส่วนที่อยู่ในกรอบสีส้มคือโครงสร้างของคาร์บูเรเตอร์ซึ่งจะว่าไปแล้วหลักการทำงานของมันก็อาศัยหลักการของท่อเวนจูรี (venturi tube) นั่นเอง โครงสร้างส่วนที่เป็นคอคอด (ท่อเวนจูรี) ของคาร์บูเรเตอร์นั้นจะมีท่อจ่ายน้ำมันโผล่เข้ามา เมื่อลูกสูบ (ที่อยู่ในกระบอกสูบของเครื่องยนต์) นั้นเคลื่อนที่ลง ก็จะเกิดการดูดอากาศเข้าเครื่องยนต์ผ่านทางท่อเวนจูรี เมื่ออากาศไหลผ่านท่อเวนจูรีที่มีพื้นที่หน้าตัดเล็กลง อัตราการไหลของอากาศก็จะเพิ่มสูงขึ้น ในขณะที่ความดันจะลดลง ดังนั้นน้ำมันที่อยู่ในท่อที่ต่อเข้ามาโผล่ในท่อเวนจูรีก็จะระเหยผสมออกไปกับอากาศที่ไหลผ่าน อากาศที่ไหลผ่านท่อเวนจูรีออกไปจึงเป็นอากาศผสมกับน้ำมันเชื้อเพลิงที่เรียกว่า "ไอดี"

ตรงนี้ต้องทบทวนความเข้าใจหน่อยนะว่า ของเหลวนั้นสามารถระเหยกลายไปไอได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดของมัน คือออกมาในรูปของไอระเหย และจะอยู่ในภาวะที่เป็นไอได้ตราบเท่าที่ความดันไอของมันนั้นยังต่ำกว่าความดันไออิ่มตัวที่อุณหภูมินั้น ที่อุณหภูมิเดียวกัน ของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำกว่าก็จะมีความดันไอสูงกว่าของเหลวที่มีจุดเดือดสูงกว่า

อัตราการระเหยของไอน้ำมันในท่อเวนจูรีนั้นจะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลัก ๆ ๓ ปัจจัยคือ อุณหภูมิอากาศที่ไหลผ่าน ความเร็วอากาศที่ไหลผ่าน และองค์ประกอบของน้ำมันเบนซิน

กล่าวคือถ้าอากาศที่ไหลผ่านมีอุณหภูมิสูง น้ำมันก็จะระเหยได้ง่าย ถ้าอากาศไหลผ่านด้วยอัตราเร็วที่สูง ความดันบริเวณท่อเวนจูรีก็จะลดต่ำลงมาก น้ำมันก็จะระเหยได้ง่าย และถ้าน้ำมันมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำอยู่มาก น้ำมันก็จะระเหยได้ง่าย

อุณหภูมิอากาศนั้นจะขึ้นอยู่กับอากาศในห้องเครื่องยนต์ (ใต้ฝากระโปรง) ถ้าเริ่มติดเครื่องจากตอนเครื่องเย็น อุณหภูมิอากาศก็คืออุณหภูมิอากาศรอบนอกตัวรถนั่นเอง แต่พอเริ่มเดินเครื่องแล้ว ความร้อนจากเครื่องยนต์จะทำให้อากาศที่อยู่รอบ ๆ เครื่องยนต์ร้อนขึ้น หรือบางทีก็ใช้การดึงเอาอากาศ

จากบริเวณที่อยู่ใกล้เครื่องยนต์หรือท่อไอเสียไปผสม ทำให้อุณหภูมิอากาศที่ไหลเข้าคาร์บูเรเตอร์สูงขึ้น พออุณหภูมิอากาศสูงขึ้น น้ำมันก็ระเหยได้ง่ายขึ้น

ส่วนอัตราการไหลของอากาศนั้นจะขึ้นอยู่กับความเร็วรอบของเครื่องยนต์ ที่ความเร็วรอบต่ำ ลูกสูบก็เคลื่อนที่ช้า อัตราการไหลของอากาศก็ต่ำ ที่ความเร็วรอบสูงขึ้น ลูกสูบก็เคลื่อนที่เร็วขึ้น อัตราการไหลของอากาศก็สูงขึ้น ซึ่งก็ส่งผลให้ความดันในท่อเวนจูรีลดต่ำลงไปอีก น้ำมันก็ระเหยได้ง่ายขึ้น

ในขณะที่เริ่มเดินเครื่องนั้น มอเตอร์ไฟฟ้าจะทำงานโดยไปหมุนเครื่องยนต์เพื่อให้ลูกสูบเคลื่อนที่ลง แต่เป็นการหมุนที่รอบต่ำ ทำให้อากาศที่ไหลผ่านท่อเวนจูรีนั้นมีความเร็วต่ำ ความดันในท่อเวนจูรีจึงลดลงไม่มาก ประจวบกับอุณหภูมิของอากาศก็ต่ำด้วย ดังนั้นไอดีที่ไหลเข้าเครื่องยนต์จึงมีไอน้ำมันเพียงเล็กน้อย เพื่อที่จะช่วยให้เครื่องยนต์เริ่มเดินเครื่องได้ ก็จะมีการใช้โช้ค (choke) ช่วย โช้คก็คือวาล์วปีกผีเสื้อที่อยู่ทางด้านอากาศเข้าคาร์บูเรเตอร์ ในตอนสตาร์ทเครื่องนั้นวาล์วตัวนี้จะปิดขวางทางไหลอากาศเอาไว้ ทำให้อากาศไหลเข้าคาร์บูเรเตอร์ลดลง ไอดีที่ไหลไปยังเครื่องยนต์ก็จะมีความเข้มข้นไอน้ำมันสูงขึ้น เครื่องยนต์ก็จะสตาร์ทติดได้ง่ายขึ้น พอสตาร์ทเครื่องยนต์ติดแล้ววาล์วตัวนี้ก็จะเปิดออก

ที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์ต่ำนั้นพวกที่มีจุดเดือดต่ำจะระเหยได้ง่าย ส่วนที่ความเร็วรอบสูงพวกที่มีจุดเดือดสูงจะระเหยได้ง่ายขึ้น สิ่งที่เครื่องยนต์ต้องการคือส่วนผสมของเชื้อเพลิงที่มีค่าออกเทนคงที่ เลขออกเทนที่เราเรียกนั้นเป็นค่าเฉลี่ยของไฮโดรคาร์บอนและออกซีจีเนตต่าง ๆ ที่มีเลขออกเทนต่ำและเลขออกเทนสูง ดังนั้นไอระเหยของน้ำมันนั้นไม่ว่าจะเป็นที่อุณหภูมิต่ำ (ซึ่งเป็นพวกระเหยได้ดีที่รอบเครื่องต่ำ) หรือที่อุณหภูมิสูง (ซึ่งระเหยได้ดีมากขึ้นที่รอบเครื่องยนต์สูง) ควรที่จะมีเลขออกเทนคงที่

ดังนั้นสมมุติว่าเรามีน้ำมันที่มีเลขออกเทน 95 แต่าเป็นน้ำมันที่พวกที่มีจุดเดือดต่ำเป็นพวกเลขออกเทนต่ำกว่า 95 มาก และพวกที่มีจุดเดือดสูงเป็นพวกเลขออกเทนสูงเกิน 100 ที่ความเร็วรอบต่ำไอระเหยของน้ำมันก็จะมีแต่พวกเลขออกเทนต่ำมาก ค่าเฉลี่ยก็จะต่ำกว่า 95 ทำให้เครื่องยนต์เกิดการน๊อคที่รอบต่ำได้ แต่พอรอบเครื่องยนต์สูงขึ้น พวกสารประกอบที่มีเลขออกเทนสูงก็จะระเหยได้มากขึ้น ไอระเหยของน้ำมันก็จะมีเลขออกเทนสูงถึงระดับ 95 หรือมากกว่า อาการน๊อคของเครื่องยนต์ก็จะหายไป

ช่วงราว ๆ เกือบ ๒๐ ปีที่แล้วที่มีการนำน้ำมันไร้สารตะกั่วออกวางตลาดนั้น น้ำมันเบนซินพิเศษ (มีสารตะกั่ว) ที่ขายกันในท้องตลาดมีเลขออกเทนสูงถึง 97 ในขณะที่น้ำมันเบนซินพิเศษไร้สารตะกั่วมีเลขออกเทนสูงถึง 98 วันหนึ่งคุณน้าข้างบ้านผมเขาเรียกผมให้ไปฟังเสียงเครื่องยนต์รถเขาที่เพิ่งไปทดลองเติมเบนซินไร้สารตะกั่วมา ปรากฏว่าได้ยินเสียงเครื่องยนต์น๊อคอย่างชัดเจนที่รอบเดินเบา และในช่วงนั้นก็มีเสียงบ่นว่าพอเปลี่ยนไปใช้น้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่วแล้วปรากฏว่าเครื่องยนต์อืดขึ้น (เร่งไม่ขึ้น)

สาเหตุตรงนี้ได้ยินภายหลังว่าเนื่องจากน้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่วที่ออกมาในช่วงแรกนั้นมีพวกอะโรมาติกที่มีจุดเดือดสูงมากเกินไป แม้ว่าสารพวกนี้จะมีเลขออกเทนสูงแต่มันก็มีจุดเดือดที่สูงด้วย ดังนั้นไอระเหยของน้ำมันที่รอบต่ำจึงเป็นไอระเหยที่มีสารประกอบที่มีเลขออกเทนต่ำเป็นหลัก และการที่น้ำมันระเหยได้ยากที่ความเร็วรอบต่ำทำให้การตอบสนองของเครื่องยนต์ไม่ดี ผู้ใช้รถจึงรู้สึกว่าเครื่องยนต์อืด (ช่วงเร่งความเร็วนั้นเครื่องยนต์ต้องการไอดีที่มีความเข้มข้นน้ำมันสูงขึ้น ในขณะที่เครื่องยนต์ทำงานที่รอบคงที่นั้นต้องการไอดีที่มีความเข้มข้นน้ำมันต่ำกว่า)

ปัจจุบันดูเหมือนว่ารถยนต์นั่งส่วนบุคคลที่ออกมาใหม่ (ที่ใช้เครื่องยนต์เบนซิน) นั้นจะไปใช้ระบบหัวฉีดอิเล็กทรอนิกส์กันหมดแล้ว แม้แต่มอเตอร์ไซค์เองก็เริ่มมีการใช้ระบบหัวฉีดเข้าไปแทนที่ ดังนั้นองค์ประกอบของน้ำมันที่ออกมาผสมกับอากาศจึงไม่ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลหรืออุณหภูมิอากาศ (ปรับแต่ปริมาณที่ฉีดออกมา) แต่ถึงกระนั้นก็ตาม ระบบหัวฉีดก็ยังคงเป็นการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวให้เข้าไปผสมกับอากาศที่ไหลเข้ากระบอกสูบ ซึ่งละอองน้ำมันที่ฉีดออกมาควรที่จะระเหยเป็นไอและผสมเข้ากับอากาศได้ดีก่อนที่จะไหลเข้ากระบอกสูบ

หวังว่าพวกคุณคงจะพอมองเห็นภาพการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินบ้างแล้ว ต่อไปพอเล่าเรื่องเส้นกราฟอุณหภูมิการกลั่นและจุดเดือดของสารเพิ่มค่าออกเทนต่าง ๆ จะได้เข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าอะโรมาติกแต่ละตัวนั้นแม้ว่าจะมีเลขออกเทนที่สูงเกิน 120 แต่ก็มีสิทธิที่จะทำให้ได้น้ำมันเบนซินที่แตกต่างกันได้