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

กราฟอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซิน (Gasoline distillation curve) MO Memoir : Thursday 13 December 2555

ใน Memoir ฉบับวันที่ ๖ ธันวาคมเรื่องคาร์บูเรเตอร์นั้นผมได้เกริ่นถึงกราฟอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซิน ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกองค์ประกอบของน้ำมันเบนซินในแง่ที่ว่าประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดเท่าใดบ้าง ซึ่งอัตราการระเหยของไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้จะส่งผลกระทบต่อสมรรถนะการทำงานของเครื่องยนต์ได้

เนื่องจากในการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินต้องทำการระเหยน้ำมันและผสมเข้ากับอากาศ (กลายเป็นแก๊สที่เรียกว่า "ไอดี") ก่อนที่จะป้อนเข้าสู่กระบอกสูบเพื่อทำการจุดระเบิด ดังนั้นความยาก-ง่ายในการระเหยของน้ำมันจึงส่งผลต่อการทำงานของเครื่องยนต์ น้ำมันที่ระเหยได้ง่ายจะช่วยให้เครื่องยนต์ทำงานได้ดีในขณะที่เครื่องยนต์เย็นอยู่ รอบเครื่องต่ำ หรือเมื่ออากาศหนาวเย็น แต่ถ้านำมาใช้ในเขตอากาศร้อนก็จะทำให้น้ำมันระเหยมากเกินไป เกิดการสูญเสียไป ส่วนน้ำมันที่ระเหยได้ยากนั้นจะเหมาะสมกับการใช้งานในเขตอากาศร้อน ทำให้เครื่องยนต์ทำงานได้ดีที่รอบเครื่องสูงและเมื่อเครื่องยนต์มีอุณหภูมิสูง แต่จะทำให้เครื่องยนต์สตาร์ทติดยากเมื่ออากาศเย็น และยังทำงานได้ไม่ดีที่รอบเครื่องยนต์ต่ำ นอกจากนี้พวกที่ไม่ระเหยกลายเป็นไอ เมื่อเข้าไปในกระบอกสูบจะละลายเข้าไปในน้ำมันหล่อลื่นได้ ทำให้ความหนืดของน้ำมันหล่อลื่นลดลงและประสิทธิภาพการหล่อลื่นจะลดลงไปด้วย

ดังนั้นเพื่อให้น้ำมันเบนซินนั้นสามารถใช้งานได้ตลอดช่วงการทำงานของเครื่องยนต์และสภาพอากาศ ในแต่ละท้องถิ่นจึงต้องมีการกำหนดค่าการระเหยของน้ำมันเบนซินให้เหมาะสมกับแต่ละประเทศนั้น พารามิเตอร์ที่ใช้บ่งบอกค่าการระเหยมีอยู่ด้วยกัน ๒ ตัวคืออุณหภูมิการกลั่นและความดันไอ

ค่าความดันไอของน้ำมันเบนซินนั้นเรียกว่าค่า Reid vapour pressure หรือย่อว่า RVP ซึ่งตามมาตรฐานสากลนั้นจะวัดที่อุณหภูมิ 100ºF หรือ 37.8ºC ถ้าค่าความดันนี้สูงจะทำให้เครื่องยนต์สตาร์ทติดงานเมื่ออากาศเย็น แต่ถ้าสูงเกินไปจะทำให้เกิดปัญหา vapour lock คือเชื้อเพลิงกลายเป็นไอในระบบจ่ายน้ำมัน ทำให้ระบบจ่ายเชื้อเพลิงทำงานได้ไม่เต็มที่ ซึ่งอาจส่งผลให้เครื่องยนต์สูญเสียกำลังหรือหยุดการทำงานได้ ซึ่งเกิดปัญหากับระบบคาร์บูเรเตอร์มากกว่าระบบหัวฉีด

สำหรับประเทศไทยเองนั้นก็มีการกำหนดค่าอุณหภูมิการกลั่นและความดันไอของน้ำมันเบนซินและน้ำมันแก๊สโซฮอล์เอาไว้เหมือน ๆ กัน ตามที่แสดงไว้ในรูปที่ ๑ และ ๒ ที่นำมาจากรายละเอียดแนบท้ายประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่องกำหนดลักษณะและคุณภาพของน้ำมัน 

 

กราฟอุณหภูมิการกลั่นนี้สร้างโดยการนำเอาน้ำมันเบนซินมาให้ความร้อนด้วยอัตราที่กำหนด และทำการควบแน่นไอที่ได้รองใส่กระบอกตวง เพื่อให้เห็นภาพขอยกตัวอย่างว่าเราอาจเอาน้ำมันเบนซินมา 100 ml มาให้ความร้อนอย่างช้า ๆ และทำการควบแน่นไอที่ระเหยออกนั้นกลับเป็นของเหลวใหม่รองใส่กระบอกตวงอีกใบหนึ่ง อุณหภูมิที่ต้มจนเก็บรวบรวมของเหลวในกระบอกตวงได้ 10 ml ก็คืออุณหภูมิการกลั่นร้อยละ ๑๐ และเมื่อต้มต่อไปจนถึงอุณหภูมิที่สามารถเก็บรวบรวมของเหลวในกระบอกตวงได้ 50 ml ก็คืออุณหภูมิการกลั่นร้อยละ ๕๐ ซึ่งทำอย่างนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าน้ำมันเบนซินจะระเหยหมด ส่วนที่ตกค้างอยู่ก็จะกลายเป็นกากตะกอนไป (ทางที่ดีไม่ควรมีกากตะกอนหลงเหลืออยู่) 

 

พึงสังเกตว่าในข้อกำหนดนั้นไม่ได้ระบุว่าจะเก็บรวบรวมน้ำมันได้ร้อยละ ๑๐๐ แต่กำหนดอุณหภูมิสูงสุดที่ส่วนที่เป็นของเหลวจะระเหยออกมา เพราะเขาเปิดช่องให้มีกากตะกอนปะปนอยู่ในน้ำมันได้ส่วนหนึ่ง

รูปที่ ๑ ข้อกำหนดเรื่องอุณหภูมิการกลั่นและความดันไอของน้ำมันเบนซิน ๙๕ ตามประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่อง กำหนดลักษณะและคุณภาพของน้ำมันเบนซิน พ.ศ. ๒๕๕๕

รูปที่ ๒ ข้อกำหนดเรื่องอุณหภูมิการกลั่นและความดันไอของน้ำมันแก๊สโซฮอล์ ตามประกาศกรมธุรกิจพลังงาน เรื่อง กำหนดลักษณะและคุณภาพของน้ำมันแก๊สโซฮอล์ พ.ศ. ๒๕๕๓

รูปที่ ๓ ขอบเขตกราฟอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซิน เส้นสีส้มคือกรณีที่น้ำมันเบนซินมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูงอยู่มาก ส่วนเส้นสีเขียนคือกรณีที่น้ำมันเบนซินมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำอยู่มาก ส่วนเส้นสีน้ำเงินเป็นตัวอย่างกราฟของน้ำมันที่ประกอบด้วยสารที่มีจุดเดือดต่ำในปริมาณมากกับสารที่มีจุดเดือดสูงในปริมาณมาก โดยมีสารที่มีจุดเดือดปานกลางในปริมาณน้อย และเส้นสีม่วงเป็นกรณีของน้ำมันที่มีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดปานกลางในปริมาณมาก โดยมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำและจุดเดือดสูงในปริมาณน้อย

ถ้าเราเอาขอบเขตอุณหภูมิและร้อยละการกลั่นที่กำหนดไว้ในมาตรฐานไปเขียนกราฟ เราก็จะได้กราฟขอบเขตอุณหภูมิการกลั่นของน้ำมันเบนซินดังแสดงในรูปที่ ๓ ข้างล่าง

สมมุติว่าเราเอาน้ำมันเบนซินชนิดที่หนึ่งที่เริ่มระเหยที่อุณหภูมิ -40ºC น้ำมันนี้ต้องระเหยออกมาร้อยละ 10 ก่อนที่อุณหภูมิจะเกิน 70ºC (ดูตามเส้นสีส้ม) และต้องระเหยออกมาร้อยละ 50 ที่อุณหภูมิไม่เกิน 110ºC และต้องระเหยออกมาร้อยละ 90 ที่อุณหภูมิไม่เกิน 170ºC และน้ำมันหยดสุดท้ายที่ระเหยออกมาต้องออกมาก่อนอุณหภูมิสูงเกิน 200ºC

ที่นี้ถ้าเราเอาน้ำมันอีกชนิดที่เริ่มระเหยที่อุณหภูมิ -40ºC เหมือนกัน แต่น้ำมันตัวหลังนี้มีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำอยู่มาก แล้วเราพบว่ามันระเหยออกมาได้ร้อยละ 50 ที่อุณหภูมิ 70ºC นั่นก็แสดงว่ามันระเหยออกมาได้ร้อยละ 10 ที่อุณหภูมิไม่เกิน 70ºC ซึ่งก็เป็นไปตามข้อกำหนด (ตามเส้นสีเขียว) แต่น้ำมันตัวนี้ยังต้องระเหยออกมาร้อยละ 90 ที่อุณหภูมิไม่เกิน 170ºC และน้ำมันหยดสุดท้ายที่ระเหยออกมาต้องออกมาก่อนอุณหภูมิสูงเกิน 200ºC

เส้นที่ลากในรูปที่ ๓ นั้นเป็นการลากเส้นตรงเชื่อมจุด แต่เส้นกราฟการกลั่นนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นเส้นตรง โดยปรกติก็เป็นเส้นโค้งที่อยู่ในขอบเขตของจุดเหล่านั้น ดังเช่นเส้นสีน้ำเงินก็ได้ ซึ่งถ้าเป็นดังเส้นสีน้ำเงินก็แสดงว่าน้ำมันเบนซินดังกล่าวประกอบด้วยองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำมากและจุดเดือดสูงมากปนกันอยู่ เพราะน้ำมันระเหยได้เร็วในช่วงอุณหภูมิต่ำและช่วงอุณหภูมิสูง แต่ระเหยได้น้อยในช่วงอุณหภูมิปานกลาง (ดูจากการที่อุณหภูมิในแกน y เปลี่ยนแปลงไม่มาก แต่ปริมาตรที่กลั่นได้ในแกน x เปลี่ยนแปลงมาก) 

 

ส่วนเส้นสีม่วงก็จะเป็นกรณีของน้ำมันที่มีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดปานกลางในปริมาณมาก โดยมีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำและจุดเดือดสูงในปริมาณน้อย

กราฟการกลั่นเส้นสีน้ำเงินและเส้นสีม่วงที่วาดให้ดูค่อนข้างจะเป็นน้ำมันที่มันสุดขั้วไปหน่อย โดยเฉพาะเส้นสีน้ำเงิน เพราะแม้ว่ามันจะผ่านข้อกำหนดเรื่องการกลั่น แต่ก็อาจไม่ผ่านข้อกำหนดเรื่องความดันไอก็ได้ และน้ำมันที่มีองค์ประกอบที่เน้นไปที่ส่วนใดส่วนหนึ่งมากเกินไปนั้นก็จะทำให้ไม่สามารถตอบสนองต่อการทำงานของเครื่องยนต์ได้ทุกสภาวะ ดังนั้นเพื่อให้น้ำมันสามารถตอบสนองการทำงานของเครื่องยนต์ได้ทุกสภาวะ น้ำมันดังกล่าวก็ควรต้องมีสัดส่วนองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่าง ๆ กันในสัดส่วนที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่นน้ำมันที่มีกราฟอุณภูมิการกลั่นเป็นไปตามเส้นสีเหลืองแสดงว่าน้ำมันชนิดนี้มีองค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่าง ๆ กันโดยที่ไม่มีกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งมากเกินไป

ที่ต้องเอาเรื่องนี้ขึ้นมากล่าวก็เพราะมันเกี่ยวข้องกับชนิดของสารเพิ่มเลขออกเทนที่ใช้กับน้ำมัน (โดยเฉพาะอะโรมาติกที่จะกล่าวถึงต่อไป) สารเร่งออกเทนที่ดีนั้นควรต้องสามารถระเหยออกมากับน้ำมันได้ทุกสัดส่วน ไม่ใช่ระเหยได้ดีที่อุณหภูมิต่ำจนระเหยออกหมดก่อนใช้น้ำมันหมดถัง หรือระเหยได้ดีที่อุณภูมิสูงแต่พออากาศเย็นกลับไม่ระเหย ไอน้ำมันที่ระเหยออกมามีแต่พวกออกเทนต่ำ ก็จะทำให้การจุดระเบิดมีปัญหาได้