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
