น้ำมันเบนซินและเลขออกเทน (๒) MO Memoir : Thursday 26 October 2566

ก่อนจะเข้าเรื่องว่าเลขออกเทนสำคัญอย่างไรกับเครื่องยนต์เบนซิน เรามาทบทวนความรู้เรื่องการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินกันก่อนดีกว่า

รูปที่ ๑ ข้างล่างแสดงการทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ โดยเริ่มจากการที่ลูกสูบเครื่องที่ลงและวาล์วไอดีเปิด (Intake stroke) โดยวาล์วไอเสียปิดอยู่ การเคลื่อนที่ลงของลูกสูบทำให้เกิดสุญญากาศในกระบอกสูบ ไอดี (อากาศ + ไอระเหยของเชื้อเพลิง) จะถูกดูดเข้ามาในกระบอกสูบเข้าทางวาล์วไอดีจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุด ตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดนี้มีชื่อเรียกว่า "Bottom Dead Centre (ย่อว่า BDC)" หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่า "ศูนย์ตายล่าง"

เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดแล้วก็จะเคลื่อนที่ขึ้นไปใหม่ โดยที่วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิดอยู่ (Compression stroke) ในขณะนี้ลูกสูบจะทำการอัดไอดีในกระบอกสูบให้มีปริมาตรเล็กลง (ทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบเพิ่มขึ้น) การอัดจะเกิดต่อเนื่องไปจนถึงตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่สูงสุด ตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่สูงจนสุดทางนี้มีชื่อเรียกว่า "Top Dead Centre (ย่อว่า TDC)" หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่า "ศูนย์ตายบน"

ปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดต่อปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจนสุดเรียกว่า "อัตราส่วนการอัด" หรือ "Compression ratio" สำหรับเครื่องยนต์เบนซินจะอยู่ที่ประมาณ 9:1 ถึง 12:1 ในขณะที่เครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะขึ้นไปได้ถึง 20:1 ส่วนที่ว่าอัตราส่วนนี้สำคัญอย่างไรเดี๋ยวค่อยมาว่ากัน

จังหวะถัดไปคือจังหวะกำลัง (Power stroke) โดยหัวเทียน (spark plug) จะทำการจุดระเบิดไอดีที่ถูกอัด ทำให้เกิดเปลวไฟวิ่งจากเขี้ยวหัวเทียนแผ่กระจายออกไปทั่วกระบอกสูบ ทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบเพิ่มสูงขึ้น ลูกสูบจะถูกดันลงล่างจากการขยายตัวของแก๊สร้อน

รูปที่ ๑ การทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน ๔ จังหวะ (ที่มาของภาพปรากฏอยู่ในรูปแล้ว)

ในทางปฏิบัตินั้น จังหวะการจุดระเบิดของหัวเทียนไม่จำเป็นต้องเป็นจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด อาจจะจุดระเบิดก่อนหรือหลังก็ได้ ขึ้นอยู่กับการตั้งเครื่องยนต์และออกเทนของน้ำมันที่ใช้

จังหวะถัดไปคือจังหวะคาย (Exhaust stroke) คือเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนสุดแล้วก็จะเคลื่อนที่กลับขึ้นไปใหม่ โดยในจังหวะนี้วาล์วไอเสียจะเปิด ลูกสูบจะดันให้ไอเสียระบายผ่านวาล์วไอเสียออกไป และพอลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจนสุดก็จะกลับไปเริ่มจังหวะดูดหรือ Intake stroke ใหม่

อันที่จริงเครื่องยนต์เบนซินมีทั้งแบบ 2 และ 4 จังหวะ ในกรณีของเครื่องยนต์ 4 จังหวะจะเห็นว่ามีจังหวะกำลัง 1 ครั้งต่อ 2 รอบการหมุน ในขณะที่เครื่องยนต์ 2 จังหวะมีจังหวะกำลัง 1 ครั้งทุก 1 รอบการหมุน เครื่องยนต์ 4 จังหวะจึงต้องมีล้อตุนกำลังหรือล้อช่วยแรง (flywheel) เพื่อช่วยให้เครื่องยนต์หมุนได้ตั้งแต่ช่วงจังหวะคายไปจนถึงช่วงจังหวะกำลังใหม่ เครื่องยนต์เบนซินขนาดใหญ่จะเป็นเครื่อง 4 จังหวะเพราะให้ประสิทธิภาพการทำงานที่สูงกว่าในขณะที่เครื่องยนต์ 2 จังหวะจะใชักับเครื่องเบนซินขนาดเล็ก รถมอเตอร์ไซค์บ้านเราแต่ก่อนก็ใช้เครื่อง 2 จังหวะกันเยอะมาก แต่ด้วยเรื่องการประหยัดน้ำมันและมลพิษ เครื่อง 2 จังหวะจึงถูกแทนที่ด้วยเครื่อง 4 จังหวะไปมาก

ทีนี้ลองมาดูในแง่เทอร์โมไดนามิกส์กันบ้าง วัฏจักรกำลังของเครื่องยนต์เบนซินคือ Otto cycle ที่มี PV diagram ดังแสดงในรูปที่ ๒ โดยรูปซ้ายเป็นแผนผังการทำงานทางทฤษฎี ส่วนรูปขวาเป็นแผนผังการทำงานในทางปฏิบัติ

รูปที่ ๒ แผนผัง PV (Pressure-Volume หรือความดัน-ปริมาตร) แสดงการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินที่ทำงานตาม Otto cycle รูปซ้ายเป็นแผนผังการทำงานในอุดมคติ ส่วนรูปขวาเป็นแผนผังการทำงานแบบที่เป็นจริง (รูปจาก https://nuclear-power.com/wp-content/uploads/2017/04/Otto-engine-vs.-Otto-cycle.png)

จังหวะดูด (Intake stroke) คือแนวเส้น 0-1 (ในทางทฤษฎีปริมาตรเพิ่มขึ้นแต่ความดันไม่เพิ่มเพราะไอดีไหลเข้ามา) จังหวะอัดคือเส้น 1-2 (อันที่จริงอุณหภูมิเพิ่มขึ้นด้วยจากการที่แก๊สถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลง) จังหวะจุดระเบิดคือเส้น 2-3 ซึ่งเป็นจังหวะที่เชื้อเพลิงเกิดการเผาไหม้คายความร้อนออกมาในเวลาอันสั้น ตามด้วยเส้น 3-4 คือจังหวะกำลังที่แก๊สร้อนขยายตัวดันลูกสูบลงล่าง ท้ายสุดก็เป็นจังหวะคายไอเสียคือเส้น 4-1-0 (ในทางทฤษฎีปริมาตรลดลงแต่วาล์วไอเสียเปิด ทำให้ความดันในระบบไม่เพิ่มขึ้น)

งานที่ได้จากการเปลี่ยนพลังงานความร้อนของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานกลคือพื้นที่ในรูปปิด 1-2-3-4-1 นี้ และความเข้าใจตรงนี้สำคัญในการทำความเข้าใจว่าเชื้อเพลิงที่มีองค์ประกอบทางเคมีต่างกันนั้นส่งผลต่อการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงอย่างไร

ช่วง 2-3 คือช่วงที่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงทำให้เกิดแก๊สร้อนที่ขยายตัวดันลูกสูบ ดังนั้นถ้าเปรียบเทียบที่ต้องการให้ได้พลังงานความร้อนเท่ากัน เชื้อเพลิงที่มีค่าพลังงานความร้อนสูง (kJ/kg) จะใช้ในปริมาณที่น้อยกว่าเชื้อเพลิงที่มีค่าพลังงานความร้อนต่ำกว่า ค่าเฉลี่ยของไฮโดรคาร์บอนในช่วงน้ำมันเบนซินไม่ว่าจะมีเลขออกเทนเท่าใด จะมีค่าพอ ๆ กัน สารประกอบที่มีอะตอมออกซิเจนแทรกอยู่ในโมเลกุล (เช่นแอลกอฮอล์หรืออีเทอร์) จะมีค่าพลังงานความร้อนต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน ดังนั้นถ้าใช้เชื้อเพลิงที่มีสารเหล่านี้ผสมอยู่ ต้องใช้ในปริมาณที่มากกว่าการใช้เชื้อเพลิงที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนล้วน ๆ

ในช่วงวิกฤตการณ์น้ำมันทศวรรษ ๑๙๗๐ มีการหาแหล่งพลังงานอื่นเพื่อลดการใช้น้ำมันปิโตรเลียม และหนึ่งในนั้นก็คือแอลกอฮอล์ ผลการทดลองในช่วงนั้นแสดงให้เห็นว่าน้ำมันที่มีแอลกอฮอล์ผสมนั้นวิ่งได้ระยะทางน้อยกว่าน้ำมันที่ไม่มีแอลกอฮอล์ผสม แต่ตรงนี้ต้องเข้าใจว่าในยุคนั้นสารที่ใช้เพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันคือสารตะกั่วที่ใช้ในปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาตรน้ำมัน ดังนั้นน้ำมันเบนซินที่ไม่มีแอลกอฮอล์ผสมในยุคนั้นจะหมายถึงน้ำมันที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนล้วน ๆ แต่ถ้าเปรียบเทียบกับน้ำมันที่ใช้อีเทอร์ (ตัวหลักคือ methyl tertiary butyl ether - MTBE) เป็นสารเพิ่มเลขออกเทน ผลจะไม่แตกต่างกัน เพราะอีเทอร์มีค่าพลังงานในตัวพอ ๆ กับแอลกอฮอล์

รูปที่ ๓ เห็นกระทู้นี้ปรากฏบนหน้า facebook ก็เลย save เอามาไว้ที่นี่หน่อย การพบว่าแก๊สโซฮอล์ E20 วิ่งได้ทางน้อยกว่า แก๊สโซฮอล์ E10 นั้นเป็นแก๊สโซฮอล์ E20 มีค่าพลังงานต่อหน่วยปริมาตรที่ต่ำกว่า

คุณสมบัติน้ำมันเบนซินนั้นกำหนดไว้กว้าง ๆ คือกำหนดอุณหภูมิสูงสุดที่ทำให้น้ำมันระเหยจนหมด ของเขตความดันไอ ณ อุณหภูมิต่าง ๆ และปริมาณอะโรมาติกที่ยอมให้มี ไฮโดรคาร์บอนพวกโครงสร้างเป็นสายโซ่อะลิฟาติก (aliphatic) ไม่ว่าโซ่ตรงหรือโซ่กิ่ง และพวกวงอะโรมาติกนั้นค่าพลังงานความร้อนต่อหน่วยน้ำหนักนั้นพอ ๆ กัน แต่เราขายน้ำมันด้วย "ปริมาตร" และด้วยการที่อะโรมาติกนั้นมีความหนาแน่นสูงกว่าพวกอะลิฟาติกประมาณ 10% ดังนั้นที่ "ปริมาตร" เท่ากัน พวกอะโรมาติกก็จะให้พลังงานมากกว่า และนี่ก็เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ทำไมน้ำมันต่างยี่ห้อกันจึงทำให้รถวิ่งได้ระยะทางไม่เท่ากัน (แต่มีอะโรมาติกมากไปก็ไม่ได้ เพราะมันมีจุดเดือดสูง ก่อให้เกิดปัญหาที่รอบเครื่องยนต์ต่ำได้)

ถ้าต้องการให้ได้พลังงานสูงขึ้นก็ต้องหาทางเพิ่มขนาดพื้นที่ผิว 1-2-3-4-1 นี้ ระดับความสูงของเส้น 1-2 ถูกกำหนดด้วยอุณหภูมิของแหล่งรับความร้อน ซึ่งในทางปฏิบัติก็คือน้ำที่ไหลเวียนผ่านหม้อน้ำ ดังนั้นระดับความสูงของเส้น 1-2 นี้คงจะไม่สามารถลดต่ำลงได้ สิ่งที่ทำได้ก็คือการเพิ่มระดับความสูงของเส้น 3-4 หรือขยายช่วงความกว้างระหว่าง TDC กับ BDC หรือการเพิ่มอัตราส่วนการอัดนั่นเอง แต่การเพิ่มตรงนี้จะทำได้แค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับตัวเชื้อเพลิงด้วยว่าทนต่อการจุดระเบิดด้วยตนเองได้มากน้อยแค่ไหน

ในจังหวะที่ไอดีถูกอัดนั้น อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงขึ้น และเมื่อหัวเทียนจุดระเบิดไอดี เปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียนก็จะทำให้อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูงเพิ่มสูงขึ้นไปอีก (คือช่วงเส้น 2-3) ในขณะนี้เชื้อเพลิงที่ยังไม่ถูกเผาไหม้จะต้องไม่ลุกไหม้เอง (ผลจาก auto-ignition temperature) จะต้องลุกไหม้ด้วยเปลวไฟที่แผ่ออกมาจากหัวเทียน เพราะถ้าหากมันชิงจุดระเบิดเองก่อนที่เปลวไฟจากหัวเทียนวิ่งมาถึง ก็จะเกิดหน้าคลื่นการเผาไหม้จากหลายจุดวิ่งมาชนกัน ทำให้เกิดการกระแทกและเสียงดังเหมือนโลหะถูกเคาะให้เราได้ยิน นี่คือการ "knock" ของเครื่องยนต์

การเพิ่มอัตราส่วนการอัด (ความกว้างระหว่าง TDC กับ BDC) ทำให้ความดันและอุณหภูมิไอดีก่อนการจุดระเบิดเพิ่มสูงขึ้น โอกาสที่จะเกิดการน็อคก็จะเพิ่มตามไปด้วย ดังนั้นเครื่องยนต์ที่มีค่าอัตราส่วนการอัดที่สูงก็ต้องการน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีคุณสมบัติต้านทานการน็อก (ที่บ่งบอกด้วยเลขออกเทน) ที่สูงตามไปด้วย

อย่างในกรณีของเอทานอลนั้น แม้ว่าเอทานอลจะมีค่าพลังงานความร้อนต่อหน่วยปริมาตรที่ต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน แต่ด้วยการที่เอทานอลมีเลขออกเทนที่สูงกว่า (ระดับ 100+) จึงสามารถทำงานกับเครื่องยนต์ที่มีค่าอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นไปอีกได้ ประสิทธิภาพที่ได้จากการเผาไหม้เอทานอลในเครื่องยนต์นี้จะสูงกว่าที่ได้จากการเผาไหม้ในเครื่องยนต์เบนซินทั่วไป แต่เครื่องยนต์นี้จะเติมน้ำมันเบนซินไม่ได้

เครื่องยนต์ทั่วไปจะทำงานที่ค่าอัตราส่วนการอัดคงที่ การเพิ่มงานที่จะได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงต้องทำด้วยการทำให้จุด 3 นั้นขึ้นไปสูงที่สุดเท่าที่จะทำได้ ตรงนี้ต้องอาศัยจังหวะการจุดระเบิด ในทางทฤษฎีนั้นการจุดระเบิดจะเกิดเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นถึง TDC แล้ว แต่ในทางปฏิบัตินั้นการจุดระเบิดมักจะเกิดก่อนที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุดเล็กน้อย ถ้าเป็นช่างแบบเก่ายุคสมัยที่ใช้คาร์บิวเรเตอร์ผสมน้ำมันกับอากาศ เขาจะเรียกว่า "ตั้งไฟแก่" ส่วนจะตั้งให้จุดระเบิดได้ก่อนมากน้อยแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าน้ำมันนั้นมีเลขออกเทนสูงเท่าใด เพราะการจุดระเบิดในขณะที่ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ขึ้นนั้น ความดันในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงกว่าการจุดระเบิดเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่จนถึงจุด TDC หรือเคลื่อนที่ลง (ผลจากการอัดไอดีและความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เป็นไปในทิศทางเดียวกัน

การจุดระเบิดในจังหวะที่ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ลงจะทำให้ความดันสูงสุดในกระบอกสูบลดลง กำลังเครื่องยนต์ก็จะตกลง แต่บางครั้งก็จำเป็นที่ต้องตั้งจังหวะจุดระเบิดแบบนี้ (ที่เรียกว่า "ตั้งไฟอ่อน) เมื่อพบว่าเครื่องยนต์มีปัญหาเรื่องการน็อก ซึ่งอาจเกิดจากน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้นั้นมีเลขออกเทนต่ำเกินไป ถ้าเป็นยุคสมัยใช้คาร์บิวเรเตอร์ผสมน้ำมันกับอากาศก็สามารถใช้ไขควงปรับตั้งองศาการจุดระเบิดได้ แต่สำหรับเครื่องยนต์ปัจจุบันที่ใช้ระบบหัวฉีดอิเล็กทรอนิสก์ควบคุมและมี knock sensor ระบบจะทำการปรับองศาการจุดระเบิดให้อัตโนมัติ ดังนั้นจึงไม่แปลกถ้าพบว่าทำไมรถยนต์ที่ตามคู่มือบอกว่าใช้เบนซินออกเทน 95 แต่เมื่อเติมออกเทน 91 กลับไม่พบว่าเครื่องเกิดการน็อค เพียงแต่กำลังที่ได้นั้นลดต่ำลง

รูปที่ ๔ ความดันในกระบอกสูบกับองศาการจุดระเบิด BTDC คือ before top dead centre และ ATDC คือ after top dead centre (จาก http://www.mbs.id.au/tuning/Tuning/Ign_advance.htm)

รูปที่ ๔ แสดงค่าความดันในกระบอกสูบที่องศาการจุดระเบิดต่างกัน ในอุดมคตินั้นจังหวะที่ความดันเพิ่มขึ้นสูงสุดควรเป็นจังหวะเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด (ถึงระดับ TDC) การตั้งการจุดระเบิดให้เร็วเกินไปจะทำให้ความดันจากการเผาไหม้เพิ่มขึ้นสูงสุดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนทึ่ขึ้นสูงสุดซึ่งเป็นการขัดกัน (เส้นสีม่วงหรือ 40 deg BTDC) เพราะความดันจากการเผาไหม้จะผลักลูกสูบออกไปในขณะที่ลูกสูบยังต้องเคลื่อนที่เข้าไปให้ถึง TDC ก่อน แต่ถ้าตั้งจังหวะการจุดระเบิดล่าช้าเกินไป (เส้นสีเหลืองหรือ 15 deg ATDC) ความดันในกระบอกสูบก็จะลดต่ำลง กำลังเครื่องยนต์ก็จะลดลงตามไปด้วย

รถระบบหัวฉีดอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน เวลาที่เราใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำกว่าที่ผู้ผลิตกำหนด ตัว knock sensor ก็จะปรับองศาการจุดระเบิดให้ล่าช้าลด (ลดความดันสูงสุดในห้องเผาไหม้) แต่ถ้าใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนสูงกว่าที่ผู้ผลิตกำหนด อันนี้ก็ไม่รู้ว่ามันจะตั้งองศาการจุดระเบิดให้เร็วขึ้นหรือไม่ เพราะรถที่ขับอยู่ผู้ผลิตก็บอกให้ใช้ออกเทน 91 เวลาที่ต้องเติมออกเทน 95 (เมื่อเจอปั๊มที่ไม่ขายออกเทน 91) ก็ไม่รู้สึกว่าแตกต่างอะไร ระยะทางที่วิ่งได้ก็ยังคงเดิม ตรงนี้ไม่รู้เป็นเพราะว่าระบบอิเล็กทรอนิกส์ของรถที่ใช้นั้นมันจำกัดองศาการจุดระเบิดเอาไว้หรือเปล่า และรถแต่ละรุ่นแต่ละยี่ห้อนั้นระบบอิเล็กทรอนิกส์มันปรับแต่งตรงนี้ได้ดีแค่ไหน

สำหรับตอนที่ ๒ คงขอจบตรงนี้ก่อน

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