ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า autoignition temperature (๑) MO Memoir : Wednesday 16 August 2560

เนื้อหาใน Memoir ฉบับนี้อิงมาจากบทความเรื่อง "Self-ignition temperature of combustible liquids" โดย Nicholas P. Setchkin ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Research of the National Bureau of Standard Vol. 53 No. 1 ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. ๑๙๕๔ (พ.ศ. ๒๔๙๗) (รูปที่ ๑ ข้างล่าง)

รูปที่ ๑ บทความที่เป็นต้นเรื่องของเนื้อหาชุดนี้ เป็นบทความในปีค.ศ. ๑๙๕๔ (พ.ศ. ๒๔๙๗) หรือเมื่อกว่า ๖๐ ปีที่แล้ว

การที่ไอผสมระหว่างเชื้องเพลิงกับอากาศ (คำว่า "อากาศ" ในตอนที่นี้หมายความรวมถึงตัวออกซิไดซ์ทั่วไปนอกเหนือจากอากาศปรกติที่เราใช้หายใจกัน เช่น ออกซิเจนบริสุทธิ์ แก๊ส N₂O เป็น) จะสามารถลุกติดไฟได้นั้น สิ่งแรกที่ต้องเกิดก่อนคือสัดส่วนการผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศต้องอยู่ในช่วงที่พอเหมาะที่เรียกว่า flammability limit หรือ explosive limit คือปริมาณเชื้อเพลิงไม่น้อยเกินไป (ค่า lower limit) และปริมาณอากาศต้องไม่น้อยเกินไป (ค่า upper limit) จากนั้นสิ่งที่ต้องมีตามมาก็คือแหล่งพลังงานที่จะมากระตุ้นให้เชื้อเพลิงกับอากาศเริ่มทำปฏิกิริยา แหล่งพลังงานกระตุ้น (เช่นประกายไฟ ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง) จะอยู่ ณ จุดใดจุดหนึ่งของไอส่วนผสม และทำการกระตุ้นเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ เพียงครั้งเดียวแล้วก็หยุดกระตุ้น เพื่อให้เชื้อเพลิงที่ได้รับพลังงานจากแหล่งพลังงานกระตุ้นนั้นทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศแล้วคายความร้อนออกมา ถ้าพลังงานความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยาการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นสามารถทำให้เกิดเปลวไฟแผ่ขยายออกไปจากแหล่งพลังงานกระตุ้นได้ ส่วนผสมนั้นก็จะถือว่าอยู่ในช่วง flammability limit

รูปที่ ๒ ปัญหาที่เกิดขึ้นจากการใช้วิธีการทดสอบและใช้นิยาม "จุดลุกติดไฟได้เอง" ที่แตกต่างกัน ส่งผลทำให้ได้ค่าที่แตกต่างกันมาก (องศาเซนติเกรด (degree centigrade) เป็นชื่อเดิมก่อนเปลี่ยนมาเป็นองศาเซลเซียส (degree Celsius))
 

ในอีกกรณีหนึ่งนั้น ถ้าไอผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศที่มีความเข้มข้นอยู่ในช่วง flammability limit นั้นมีอุณหภูมิสูงมากพอจนทำให้โมเลกุลของเชื้อเพลิงกับออกซิเจนในอากาศทำปฏิกิริยากันได้เองโดยไม่ต้องมีแหล่งพลังงานกระตุ้นจากภายนอก ไอผสมนั้นก็จะเกิดการลุกไหม้ขึ้นเองได้ อุณหภูมิต่ำสุดที่ทำให้ไอผสมนี้ลุกติดไฟได้เองเรียกว่า "อุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง" ที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า Autoignition temperature (AIT) หรือ Self-ignition temperature (SIT)
 

การเกิดส่วนผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศที่มีอุณหภูมิสูงพอที่จะเกิดการลุกติดไฟได้เองนั้นเกิดได้หลายวิธี เช่น
 

- การผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าด้วยกันก่อน จากนั้นจึงค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิของไอผสมนั้นให้สูงขึ้น
 

- การฉีดเชื้อเพลิงเหลวเข้าไปในอากาศร้อนที่มีอุณหภูมิสูงพอ ความร้อนในอากาศร้อนนั้นจะทำให้เชื้อเพลิงเหลวส่วนหนึ่งกลายเป็นไอและเกิดการเผาไหม้ สิ่งนี้คือสิ่งที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์ดีเซล ที่ใช้การฉีดน้ำมันดีเซลเข้าไปในอากาศร้อนที่เกิดจากการอัดในกระบอกสูบ
 

- การที่เชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวกระทบกับพื้นผิวที่ร้อน เชื้อเพลิงเหลวนั้นจะระเหยกลายเป็นไอผสมกับอากาศอยู่รอบ ๆ พื้นผิวที่ร้อนนั้นและเกิดการลุกติดไฟได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ในโรงกลั่นน้ำมันและโรงงานอุตสาหกรรมปิโตรเคมีต่าง ๆ ดังนั้นการออกแบบการวางท่อโรงงานจึงจำเป็นต้องแยกแนวท่อลำเลียงสารไวไฟและท่อที่ร้อน (เช่นท่อไอน้ำ) เพื่อไม่ให้ของเหลวไวไฟที่รั่วไหลออกจากท่อลำเลียง (อาจจะเนื่องด้วยการผุกร่อนของท่อ หรือการถอดแยกชิ้นส่วนเพื่อการซ่อมบำรุง) มีโอกาสหยดลงบนพื้นผิวท่ออื่นที่ร้อนจัดจนเกิดการระเบิดขึ้นได้

รูปที่ ๓ ภาคตัดขวางตัวอย่างหนึ่งของอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดค่า autoignition temperature รูปต่าง ๆ ทั้งหมดในที่นี้นำมาจากเอกสารของ Nicholas P. Setchkin ที่กล่าวมาข้างต้น
 

พิ้นผิวที่มีอุณหภูมิสูง (เช่นท่อไอน้ำ) สามารถเป็นแหล่งจุดระเบิดไอผสมเชื้อเพลิงกับอากาศได้ ถ้าหากอุณหภูมิของผิวท่อนั้นสูงกว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองของเชื้อเพลิงชนิดนั้น เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นได้เมื่อมีการรั่วไหลของเชื้อเพลิงในโรงงาน ไอผสมระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศจะแผ่กว้างออกไป และเมื่อใดก็ตามที่ไอผสมที่แผ่ขยายออกไปนั้นพบกับพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงพอ ก็จะเกิดการระเบิดขึ้นได้

ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองของแต่ละสารและสารผสมนั้นได้รับความสนใจมานานแล้ว เพราะมันเกี่ยวข้องกับความปลอดภัยในการทำงาน แต่พอจะวัดจริง ๆ ก็พบว่ามันมีหลายปัจจัยที่ทำให้ค่าอุณหภูมิที่วัดได้นั้นแตกต่างกัน เช่น
 

- ความเข้มข้นไอผสมที่อยู่ในช่วง flammability limit นั้นส่งผลหรือไม่ กล่าวคือถ้าใช้ค่าสัดส่วนการผสมที่แตกต่างกัน (แต่ยังคงอยู่ในช่วง flammability limit) ค่าที่วัดได้นั้นจะแตกต่างกันหรือไม่
 

- วิธีการทำให้เกิดไอผสมและการเพิ่มอุณหภูมิให้กับไอผสมนั้น จะใช้การผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าด้วยกันก่อน แล้วค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิส่วนผสมนั้น หรือใช้การหยดเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวลงบนพื้นผิวของแข็งที่ร้อนที่อุณหภูมิหนึ่ง หรือใช้การเพิ่มอุณหภูมิอากาศให้ร้อนก่อนแล้วจึงฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศร้อนนั้น
 

และด้วยความแตกต่างของวิธีการวัดนี้เอง ทำให้ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่วัดได้นั้นแตกต่างไปตามผู้ที่รายงาน รูปที่ ๒ เป็นตัวอย่างที่ Setchkin นำมารวบรวมเอาไว้เพื่อแสดงให้เห็นถึงปัญหาเรื่องนี้

รูปที่ ๔ ผลของขนาดภาชนะที่ใช้ในการทดสอบที่มีต่อค่าอุณหภูมิที่วัดได้ (ต่างกันที่ขนาด แต่ใช้โครงสร้างแบบเดียวกับในรูปที่ ๓) จะเห็นว่าเมื่อใช้ภาชนะที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ค่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง (ที่ย่อว่า SIT) ที่วัดได้มีแนวโน้มที่จะลดต่ำลง และระยะเวลาการหน่วงก่อนเกิดการระเบิดจะเพิ่มมากขึ้น

ความแตกต่างของวิธีการวัดที่ผ่านมานั้น อาจเกิดจากข้อจำกัดด้านอุปกรณ์ทดลอง หรือต้องการจำลองสถานการณ์ให้ใกล้เคียงกับความเป็นจริงที่ผู้ทดลองนั้นสนใจ เช่นการหยดของเหลวลงบนพื้นผิวที่ร้อนนั้น มองได้ว่าเป็นการจำลองการรั่วไหลของเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวออกจากท่อ และหยด (หรือถูกฉีดพุ่ง) ไปกระทบกับพื้นผิวท่อข้างเคียงที่มีอุณหภูมิสูง ในขณะที่การผสมเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าด้วยกันก่อนที่จะเพิ่มอุณหภูมิ มองได้ว่าเป็นการจำลองการแผ่ขยายของไอผสมเชื้อเพลิงจากแหล่งที่มีการรั่วไหล เป็นต้น
 

ด้วยเหตุนี้เราจึงควรที่จะเข้าใจว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่เรานำมาใช้งานนั้นได้มาจากวิธีการวัดแบบใด และในการทำงานของเรานั้นมันมีโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์นี้ในรูปแบบใดบ้าง เพื่อที่จะได้ประมาณผลได้ว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองในสภาพการทำงานแท้จริงของเรานั้น จะมีค่าต่ำกว่าหรือสูงกว่าค่าที่เรานำมาใช้อ้างอิงในการออกแบบ
 

รูปที่ ๓ เป็นภาคตัดขวางอุปกรณ์วัดค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่ Setchkin ใช้ในการทดลอง โดยดัดแปลงมาจากอุปกรณ์วัดตามมาตรฐาน ASTM ในการทดลองนี้ (ในบทความไม่ได้ให้รายละเอียดไว้ แต่จากข้อมูลที่นำมาแสดงทำให้คาดได้ว่า) ใช้การอุ่นอากาศให้ร้อนอากาศจนมีอุณหภูมิระดับที่ต้องการก่อน จากนั้นจึงทำการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศร้อนนั้น (ในปริมาณที่กำหนดเพื่อให้ได้ไอผสมที่มีสัดส่วนตามต้องการ) แล้วเฝ้าสังเกตการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใน ในช่วงแรกที่ฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปนั้นอุณหภูมิในระบบจะลดต่ำลงเล็กน้อยเป็นระยะเวลาสั้น ๆ (ผลจากการที่เชื้อเพลิงเหลวระเหยกลายเป็นไป มีการดึงความร้อนจากอากาศออกส่วนหนึ่ง) ถ้าหากไม่เกิดการลุกไหม้หรือไม่มีการลุกไหม้ต่อเนื่อง อุณหภูมิภายในฟลาสค์ก็จะคืนกลับมาที่เดิม แต่ถ้าเกิดการลุกไหม้ต่อเนื่อง ก็จะเห็นอุณหภูมิในฟลาสค์เพิ่มสูงขึ้น และถ้าเป็นการระเบิด ก็จะเห็นอุณหภูมิในฟลาสค์พุ่งขึ้นอย่างรวดเร็ว 
  

ข้อมูลในรูปที่ ๔ ยังแสดงให้เห็นผลของขนาดภาชนะบรรจุที่ส่งผลต่อค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองและระยะเวลาหน่วงการระเบิดที่วัดได้ จากข้อมูลจะเห็นว่าเมื่อขนาดภาชนะบรรจุมีขนาดใหญ่ขึ้น ค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองมีแนวโน้มที่จะลดต่ำลง ในขณะที่ค่าระยะเวลาหน่วงการระเบิดนั้นกลับเพิ่มขึ้น
 

ระยะเวลาการหน่วงก่อนการระเบิด (time lag) คือระยะเวลาที่ไอผสมเกิดการระเบิด (หรือลุกไหม้) เมื่อคงอยู่ที่อุณหภูมิระดับหนึ่ง "นานพอ" และนิยามของระยะเวลาที่ "นานพอ" นี้เองก็เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ค่าอุณหภูมิที่วัดได้นั้นแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นกรณีของเมทิลไซโคลเฮกเซน (methyl cyclohexane - C₆H₁₁-CH₃) Setchkin กล่าวไว้ว่าถ้าที่อุณหภูมิ 275ºC จะเห็นการระเบิดเกิดขึ้นหลังจากปล่อยทิ้งไว้นานเพียง 30 วินาที แต่ถ้าเป็นที่อุณหภูมิ 248ºC จะเห็นการระเบิดเกิดขึ้นถ้าปล่อยทิ้งไว้นานถึง 20 นาที 10 วินาที ดังนั้นถ้าผู้ทำการทดลองไม่รอให้ไอผสมคงอยู่ที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่งเป็นระยะเวลานานพอ ก็จะไม่พบการระเบิดของไอผสมนั้น ทั้ง ๆ ที่มันสามารถเกิดขึ้นได้ถ้าปล่อยทิ้งไว้นานพอ
 

ระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิดนี้เป็นผลมาจากการที่ปฏิกิริยาการเผาไหม้นั้นเป็นปฏิกิริยาที่คายความร้อนออกมา และความร้อนที่คายออกมานั้นไปทำให้อุณหภูมิของไอผสมที่อยู่ข้างเคียงนั้นร้อนขึ้น ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มเร็วขึ้นไปอีก และเกิดเช่นนี้ต่อเนื่องออกไปเรื่อย ๆ แต่ถ้าอุณหภูมิของไอผสมนั้นต่ำเกินไป ปฏิกิริยาการเผาไหม้ก็จะไม่เกิด หรือเกิดในปริมาณที่ไม่มากพอที่จะชดเชยการสูญเสียความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้ไม่เกิดการเผาไหม้ที่ต่อเนื่องได้ ถ้าความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยานั้นสูงกว่าการสูญเสียความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมไม่มาก ความร้อนที่เหลือให้กับการเร่งปฏิกิริยาก็มีน้อย ทำให้กว่าจะเห็นการลุกไหม้ที่ขยายตัวออกไป (หรือการระเบิด) ต้องรอเวลานาน แต่ถ้าความร้อนที่เหลือให้กับการเร่งปฏิกิริยานั้นมีค่าสูงกว่าความร้อนที่สูญเสียออกสู่สิ่งแวดล้อมมาก ระยะเวลาหน่วงการระเบิดก็จะหดสั้นลง

รูปที่ ๕ ผลของวัสดุที่ใช้ทำผนังภาชนะที่ใช้ในการทดสอบ จะเห็นว่าค่าที่ได้นั้นเปลี่ยนไปตามวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ด้วย
 

รูปที่ ๕ แสดงให้เห็นผลของวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์วัด (ผนังส่วนที่สัมผัสกับไอผสมเชื้อเพลิง-อากาศ) จะเห็นว่าค่าที่วัดได้นั้นขึ้นอยู่กับชนิดวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์ด้วย สาเหตุหนึ่งคงเป็นเพราะความสามารถในการนำความร้อนของวัสดุที่ใช้ เมื่อเกิดการเผาไหม้ขึ้นภายในนั้น จะมีความร้อนส่วนหนึ่งสูญเสียให้กับฟลาสค์ที่บรรจุไอผสมนั้น ถ้าฟลาสค์นั้นทำจากวัสดุที่นำความร้อนได้ดี ก็จะมีความร้อนสูญเสียให้กับวัสดุที่ใช้ทำฟลาสค์นั้นมากกว่าฟลาสค์ที่ทำจากวัสดุที่นำความร้อนได้ต่ำกว่า ทำให้เห็นค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองนั้นสูงกว่า (จากข้อมูลในรูปที่ ๕ จะเห็นว่าพื้นผิวโลหะทำให้วัดค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองสูงกว่าพื้นผิวชนิดอื่น)
 

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (internal combustion engine) ที่เราพบเห็นทั่วไปในชีวิตประจำวันได้แก่เครื่องยนต์เบนซิน (gasoline engine) และเครื่องยนต์ดีเซล (diesel engine) คำถามพื้นฐานคำถามหนึ่งที่คนที่เรียนวิชาเครื่องยนต์สันดาปภายในมักจะโดนถามเป็นประจำได้แก่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเอาน้ำมันเบนซินไปเติมให้กับเครื่องยนต์ดีเซล และเอาน้ำมันดีเซลไปเติมให้กับเครื่องยนต์เบนซิน
 

น้ำมันเบนซิน (ภาษาอังกฤษเรียก gasoline) กับน้ำมันดีเซลมีคุณสมบัติการเผาไหม้ที่ตรงข้ามกัน ไฮโดรคาร์บอนที่มีเลขออกเทนสูง (พวกอะโรมาติก โซ่กิ่ง) จะมีเลขซีเทนต่ำ ในทางกลับกันไฮโดรคาร์บอนที่มีเลขซีเทนสูง (พวกโซ่ตรง) จะมีเลขออกเทนต่ำ
 

เครื่องยนต์เบนซินนั้นใช้การผสมอากาศกับน้ำมันเข้าด้วยกันก่อน จากนั้นจึงทำการจุดระเบิดด้วยหัวเทียน เปลวไฟการเผาไหม้จะแผ่กระจายออกจากหัวเทียนไปทั่วกระบอกสูบ และควรเป็นไปในทิศทางนี้เท่านั้น ในขณะที่เปลวไฟแผ่กระจายออกไปนั้น ความดันและอุณหภูมิของไอผสมส่วนที่เปลวไฟยังเคลื่อนมาไม่ถึงจะเพิ่มสูงขึ้น และไอผสมส่วนนี้ไม่ควรที่จะเกิดการจุดระเบิดด้วยตนเองอันเป็นผลจากความดันและอุณหภูมิที่สูงขึ้น เพราะจะทำให้เกิดหน้าคลื่นการเผาไหม้แผ่ออกไปปะทะกับคลื่นการเผาไหม้ที่แผ่ออกมาจากหัวเทียน หรือเกิดการระเบิดรุนแรงขึ้นกระทันหัน ที่เป็นอาการที่เรียกว่าเครื่องยนต์น็อค

รูปที่ ๖ ตัวอย่างค่า autoignition temperature และระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิดของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม พังสังเกตค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเอง (SIT) ของน้ำมันเบนซินที่มีเลขออกเทนต่างกัน และน้ำมันดีเซลที่มีเลขซีเทนต่างกัน
 

การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะใช้การอัดอากาศเพียงอย่างเดียวเพื่อทำให้อากาศนั้นมีอุณหภูมิสูงก่อน จากนั้นจึงทำการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศร้อนนั้น เมื่อเชื้อเพลิงสัมผัสกับอากาศร้อนก็ควรที่จะเกิดการลุกไหม้ได้ทันทีเพื่อทำให้เกิดความร้อนและแก๊สร้อนในการดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ลง ถ้าหากเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปนั้นไม่เกิดการเผาไหม้ เครื่องยนต์ก็จะไม่ทำงาน (ปัญหาที่เกิดกับเครื่องยนต์ดีเซลเวลาที่อากาศเย็น ทำให้ต้องมีการ "เผาหัว" คืออุ่นอากาศที่เครื่องยนต์ดูดเข้านั้นให้ร้อนก่อน ทำให้ติดเครื่องได้ง่าย) หรือถ้าหากมีเชื้อเพลิงบางส่วนที่ฉีดเข้าไปนั้นไม่เผาไหม้และสะสมอยู่ในกระบอกสูบ พอเครื่องยนต์ร้อนจัดขึ้น เชื้อเพลิงส่วนที่สะสมอยู่นี้ก็เกิดการระเบิดขึ้นเองในจังหวะที่ไม่เหมาะสม ก่อให้เกิดอาการที่เรียกว่าการน็อคของเครื่องยนต์ดีเซล
 

ถ้าพิจารณาข้อมูลในรูปที่ ๖ จะเห็นว่าน้ำมันดีเซลจะมีค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองค่อนข้างต่ำ ส่วนน้ำมันเบนซินนั้นพวกที่มีเลขออกเทนต่ำจะมีค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่ต่ำ และพวกที่มีเลขออกเทนสูงจะมีค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองที่สูงขึ้น ทำให้น้ำมันออกเทนสูงทนต่ออุณหภูมิและความดันได้มากขึ้นโดยไม่ชิงจุดระเบิดเองก่อน ทำให้ใช้กับเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดสูงได้ (อัตราส่วนการอัดยิ่งสูง ประสิทธิภาพการทำงานก็ยิ่งเพิ่มขึ้น) ส่วนน้ำมันดีเซลนั้นแม้ว่าค่าอุณหภูมิติดไฟได้ด้วยตนเองจะไม่แตกต่างกันมากนักตามเลขซีเทนที่เปลี่ยนไป แต่เมื่อพิจารณาระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิด (lag time) ในรูปที่ ๗ จะเห็นว่าน้ำมันดีเซลที่เลขซีเทนสูงจะมีระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิดที่สั้นกว่าพวกที่มีเลขซีเทนต่ำกว่า ทำให้เกิดการเผาไหม้ได้รวดเร็วกว่า เครื่องยนต์จึงทำงานที่รอบสูงได้ (หมายเหตุ : การเผาไหม้ในเครื่องยนต์ดีเซลนั้นใช้การฉีดพ่นให้เป็นละอองฝอยเล็ก ๆ จึงเกิดการเผาไหม้ได้ง่ายขึ้น ดังนั้น lag time การเผาไหม้ในเครื่องยนต์จริงจึงสั้นกว่าการทดสอบในอุปกรณ์วัด)

รูปที่ ๗ ตัวอย่างค่า autoignition temperature และระยะเวลาหน่วงก่อนการระเบิดของน้ำมันดีเซลที่มีค่าเลขซีเทน (cetane number) ต่างกัน คำว่า Straight run หมายถึงน้ำมันที่ได้จากหอกลั่นโดยตรง โดยที่ยังไม่นำไปทำการปรับสภาพใด ๆ ในกรณีของน้ำมันดีเซลที่ใช้น้ำมันดิบที่มีไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรงในสัดส่วนที่สูง น้ำมันที่กลั่นได้จะมีค่าเลขซีเทนสูงพอสำหรับการนำไปใช้งานได้เลย (ถ้าไม่คำนึงถึงกำมะถันปนเปื้อน) แต่ถ้าเป็นน้ำมันเบนซิน น้ำมัน straight run ที่ได้จากหอกลั่นนั้นจะมีเลขออกเทนที่ต่ำ ยังไม่สามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์ได้ ต้องนำไปผ่านกระบวนการเพิ่มเลขออกเทนก่อน

เครื่องยนต์เบนซิน MO Memoir : วันพุธที่ ๒๑ มกราคม ๒๕๕๒

เอกสารฉบับนี้จัดทำขึ้นเพื่อประกอบการสอนวิชา 2105-445 พื้นฐานตัวเร่งปฏิกิริยา โดยมีจุดประสงค์เพื่อให้นิสิตได้เข้าใจการทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน (ตามแบบที่บ้านเราเรียก แต่ถ้าเป็นภาษาอังกฤษต้องเรียกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (gasoline engine)) 4 และ 2 จังหวะ ความพยายามในการเพิ่มสมรรถนะและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ ทั้งนี้เพื่อให้นิสิตมีพื้นฐานว่าการนำตัวเร่งปฏิกิริยาไปใช้ในการกำจัดไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นจะส่งผลต่อการออกแบบการทำงานและสมรรถนะของเครื่องยนต์อย่างใดบ้าง

เครื่องยนต์เบนซินนั้นถ้าเป็นเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ (เช่นที่ใช้กับรถยนต์นั่งทั่วไป) จะเป็นเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ (4 stroke engine) แต่ถ้าเป็นเครื่องยนต์ขนาดเล็ก (เช่นรถมอเตอร์ไซค์ เครื่องตัดหญ้า เครื่องยนต์ขนาดเล็ก ฯลฯ) มักจะเป็นเครื่องยนต์เบนซิน 2 จังหวะ (2 stroke engine)

ถ้าจะเปรียบเทียบกันแล้ว เครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะจะมีจังหวะกำลัง 1 ครั้งทุก ๆ การหมุน 2 รอบ ในขณะที่เครื่องยนต์เบนซิน 2 จังหวะจะมีจังหวะกำลัง 1 ครั้งทุก ๆ การหมุน 1 รอบ ดังนั้นที่รอบการหมุนเท่ากัน เครื่องยนต์ 2 จังหวะจะมีการจุดระเบิดที่มากกว่า (ตอนนี้พอเดาได้ไหมว่าทำไหมสิงห์มอเตอร์ไซค์บางพวกที่ชอบแต่งเครื่องแรง ๆ จึงชอบเครื่องยนต์ 2 จังหวะ) นอกจากนี้เครื่องยนต์ 2 จังหวะยังมีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่าเครื่องยนต์ 4 จังหวะ จึงทำให้นิยมใชักับเครื่องยนต์ขนาดเล็ก แต่เครื่องยนต์ 2 จังหวะก็มีปัญหาเรื่องการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่ไม่สมบูรณ์ (สู้เครื่องยนต์ 4 จังหวะไม่ได้ ดังนั้นจึงเห็นว่าในปัจจุบันรถมอเตอร์ไซค์เริ่มหันมาใช้เครื่องยนต์ 4 จังหวะมากขึ้น เพื่อให้ไอเสียที่ออกมาผ่านมาตรฐานตามที่กฎหมายกำหนด) และยังมีปัญหาเรื่องการหล่อลื่นทำให้เครื่องยนต์สึกหรอได้ง่ายกว่า (ต้องคอยเติมน้ำมันออโต้ลูป (autolube) ไม่ได้ใช้น้ำมันหล่อลื่นแบบที่เครื่องยนต์ 4 จังหวะใช้)

การทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน นั้นมีรูปแบบการทำงานตามวัฎจักรออตโต (Otto cycle) ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 Otto cycle (ซ้าย) ตามอุดมคติ และ (ขวา) ตามความเป็นจริง

(ภาพจาก http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes)

รูปที่ 1 ทางด้านซ้ายเป็นวัฎจักรการทำงานตามอุดมคติ (Ideal cycle) ส่วนทางด้านขวาเป็นวัฎจักรการทำงานตามที่เป็นจริง (Real cycle) เพื่อให้เห็นภาพการทำงานจะขอยกตัวอย่างกรณีของเครื่องยนต์ 4 จังหวะดังนี้

ขั้นตอนที่ 1 : ลูกสูบอยู่ในตำแหน่งสูงสุด (ศูนย์ตายบน - Top dead centre) ขณะนี้วาล์วไอดี (สีน้ำเงิน) และวาล์วไอเสีย (สีแดง) ปิดอยู่ (อยู่ที่จุด 5 ในรูปที่ 1)

ขั้นตอนที่ 2 : จังหวะดูด (Intake stroke) : ลูกสูบเคลื่อนที่ลง พร้อมกับวาล์วไอดีเปิด (วาล์วไอเสียยังคงปิดอยู่) การเคลื่อนที่ลงของลูกสูบทำให้เกิดสุญญากาศในกระบอกสูบ ทำให้ไอดี (สีน้ำเงิน) ซึ่งเป็นส่วนผสมระหว่างอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิง ไหลเข้ามาในกระบอกสูบจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงถึงตำแหน่งต่ำสุด (ศูนย์ตายล่าง - Bottom dead centre) (จากจุด 5 ไปยังจุด 1 ในรูปที่ 1)

ขั้นตอนที่ 3 : จังหวะอัด (Compression stroke) : วาล์วไอดีปิด (วาล์วไอเสียยังคงปิดอยู่) และลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น อัดไอดีที่อยู่ในกระบอกสูบให้มีปริมาตรลดลงและความดันเพิ่มขึ้น (อุณหภูมิของแก๊สก็เพิ่มตามไปด้วย) (จากจุด 1 ไปยังจุด 2 ในรูปที่ 1)

ขั้นตอนที่ 4 : จังหวะจุดระเบิด (Ignition) : หัวเทียน (spark plug) จุดระเบิด (วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิด) เกิดเป็นเปลวไฟเผาไหม้ไอดีที่แผ่ออกจากจากเขี้ยวหัวเทียน (ตำแหน่งที่เกิดประกายไฟเพื่อการจุดระเบิด) ในขณะนี้ความดันในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว (ปริมาตรมีการเปลี่ยนแปลงไม่มาก) จังหวะการจุดระเบิดของหัวเทียนนั้นอาจเกิดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นถึงตำแหน่งสูงสุด (เรียกว่าตั้งไฟแก่) หรือหลังจากที่ลูกสูบเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งสูงสุดและกำลังเคลื่อนที่ลง (ตั้งไฟอ่อน) ก็ได้ ขึ้นกับการออกแบบเครื่องยนต์และค่าออกเทนของเชื้อเพลิงที่ใช้ ถ้าเชื้อเพลิงมีค่าออกเทนต่ำ การจุดระเบิดหลังจากที่ลูกสูบเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งสูงสุดและกำลังเคลื่อนที่ลงจะช่วยลดอาการน๊อคของเครื่องลงได้ (จากจุด 2 ไปยังจุด 3 ในรูปที่ 1)

ขั้นตอนที่ 5 : จังหวะกำลัง (Power stroke) : แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ขยายตัวดันลูกสูบเคลื่อนที่ลงล่าง ส่งกำลังไปหมุนข้อเหวี่ยงและเพลาขับเคลื่อน (วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิด) ในขณะนี้ความดันในห้องกระบอกสูบจะลดลงในขณะที่ปริมาตรเพิ่มขึ้นจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงต่ำสุด (จากจุด 3 ไปยังจุด 4 และจุด 1 ในรูปที่ 1)

ขั้นตอนที่ 6 : จังหวะคาย (Exhaust stroke) : แรงเฉื่อยจากจังหวะกำลังจะทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่กลับไปข้างบนใหม่ วาล์วไอเสียจะเปิด (วาล์วไอดียังคงปิดอยู่) แรงดันที่เกิดจากการเคลื่อนที่ขึ้นของลูกสูบจะดันให้ไอเสีย (สีแดง) ไหลออกทางวาล์วไอเสียที่เปิดอยู่ เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด วาล์วไอเสียก็จะปิด และกลับไปเริ่มต้นขั้นตอนที่ 1 ใหม่ (จากจุด 1 ไปยังจุด 5 ในรูปที่ 1)

(ภาพประกอบขั้นตอนที่ 1-6 มาจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Four-stroke และดูภาพเคลื่อนไหวได้จากเวปไซด์ดังกล่าว)

ตามทฤษฎีแล้ว งานที่ได้จากเครื่องยนต์คือพื้นที่ของรูปปิด 1-2-3-4-1 ในรูปที่ 1 ยิ่งพื้นที่นี้ใหญ่ขึ้นเท่าใด ก็จะได้งานจากเครื่องยนต์มากขึ้น การเพิ่มพื้นที่รูปปิด 1-2-3-4-1 ดังกล่าว อาจทำได้โดย

1. ลดความดัน P₀ ให้ต่ำลง ซึ่งการลดความดัน P₀ อาจทำโดย

(ก) ลดอุณหภูมิของแก๊สที่ขยายตัว (ช่วง 4-1) ให้ต่ำลง แต่ในทางปฏิบัติเราใช้น้ำหล่อเย็นเครื่องยนต์ ดังนั้นอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นจึงเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิต่ำสุดของแก๊สที่จะทำได้

(ข) ทำให้การระบายไอเสีย (ช่วง 1-5) ทำได้สะดวก เพราะถ้าระบายไอเสียทิ้งได้มาก ก็จะดูดไอดีเข้ามาได้มาก (ช่วง 5-1) การทำให้การระบายไอเสียเป็นไปได้สะดวกทำได้โดยการเพิ่มจำนวนวาล์วไอเสีย (เป็นการเพิ่มรูระบายและเป็นวิธีการที่รถยนต์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันทำกัน) และลดความดันลดในท่อไอเสียให้ต่ำสุด (ทีนี้พอมองเห็นภาพหรือยังว่าทำไมพวกแต่งรถจึงชอบทะลวงท่อไอเสีย และเอาพวกหม้อพักต่าง ๆ ออก)

2. เพิ่มค่าอัตราส่วนการอัด (ช่วง V2-V1) ค่าอัตราส่วนการอัดคือปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงต่ำสุด (ซึ่งจะมีปริมาตรมากที่สุด) ต่อปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด (ซึ่งจะมีปริมาตรต่ำที่สุด) เครื่องเบนซินที่ใช้กับรถยนต์ทั่วไปจะมีค่าอัตราส่วนการอัดอยู่ที่ประมาณ 9:1 ถึง 10:1 ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบเครื่องยนต์และเชื้อเพลิงที่ใช้ (ยิ่งใช้อัตราส่วนการอัดที่สูง ก็เสี่ยงต่อการเกิดการน็อค)

3. เพิ่มความดันที่จุด 3 ให้สูงขึ้นไปอีก ซึ่งทำได้โดยการบรรจุไอดีให้เข้าไปในกระบอกสูบให้ได้มากที่สุด การบรรจุไอดีให้เข้าให้มากที่สุดอาจทำได้โดย

(ก) เพิ่มจำนวนวาล์วไอดี เพื่อให้แก๊สไหลเข้าได้สะดวก (รถปัจจุบันมักจะมีวาล์วไอดี 2 วาล์วต่อกระบอกสูบ)

(ข) ทำให้ความดันในกระบอกสูบลดต่ำลงให้มากที่สุดด้วยการระบายไอเสียออกให้ได้มากที่สุด (ข้อ 1(ก))

(ค) ติดเครื่องอัดอากาศที่เรียกกันว่าเทอร์โบ เพื่อช่วยอัดไอดีเข้าไปในกระบอกสูบ แต่ถ้าใส่มากเกินไปจนการระเบิดเกิดขึ้นรุนแรงมาก เครื่องยนต์ก็จะพังเร็วขึ้น

(ง) ทำให้อากาศไหลผ่านไส้กรองอากาศได้สะดวก เช่น หารูปแบบไส้กรองอากาศที่ให้อากาศไหลผ่านได้ดี หรือบางรายถึงขึ้นถอดออกเลย แต่ก็เสี่ยงกับเครื่องยนต์พัง (ทีนี้พอเข้าใจหรือยังว่าทำไมถึงต้องมีการรณรงค์ให้ทำความสะอาดไส้กรองอากาศเพื่อช่วยประหยัดน้ำมัน)

เครื่องยนต์เบนซินที่มากับรถยนต์แต่ก่อนนั้นจะมีวาล์ว 2 วาล์ว (คือไอดีกับไอเสียอย่างละ 1) ต่อ 1 กระบอกสูบ (ถ้าจะมีมากกว่านั้นก็จะเป็นพวกรถแข่ง ไม่ใช่รถที่ขายให้ขับทั่วไปบนถนน) ต่อมาก็เพิ่มเป็น 3 วาล์วต่อกระบอกสูบ (วาล์วไอดี 2 วาล์วไอเสีย 1) และในปัจจุบันส่วนการมี 4 วาล์วต่อกระบอกสูบ (วาล์วไอดี 2 วาล์วไอเสีย 2) ก็เรียกว่าเป็นเรื่องปรกติไปแล้ว ทั้งยังมีการเปลี่ยนระบบจ่ายเชื้อเพลิงจากคาร์บิวเรเตอร์ไปเป็นระบบหัวฉีด ซึ่งประหยัดน้ำมันมากกว่าและจ่ายเชื้อเพลิงได้แม่นยำกว่า (เหมาะกับรถที่ติดเครื่องกรองไอเสีย) แถมยังมีการควบคุมองศาการจุดระเบิดด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (ทำให้สามารถปรับการจุดระเบิดให้เหมาะสมกับออกเทนของน้ำมันที่ใช้ได้ ดังนั้นอย่าแปลกใจว่าทำไมรถในปัจจุบันที่สเปคเครื่องระบุว่าใช้น้ำมันออกเทน 95 แต่บางคนก็บอกว่าเอาไปเติม 91 ก็ไม่เห็นเครื่องจะมีปัญหาอะไร ทั้งนี้เป็นเพราะระบบควบคุมปรับจังหวะการจุดระเบิดใหม่เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดอาการน็อคของเครื่อง)

เครื่องยนต์ 2 จังหวะก็ยังคงรูปแบบการทำงานเช่นเดียวกันกับเครื่องยนต์ 4 จังหวะ เพียงแต่มีการรวมขั้นตอนบางขั้นตอนเข้าด้วยกัน (ดูรูปที่ 2 ประกอบ) กล่าวคือในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นเพื่ออัดไอดีที่อยู่ข้างบน ก็จะทำการดูดไอดีใหม่เข้ามาทางด้านใต้ลูกสูบ (รูปด้านซ้ายของรูปที่ 2) และในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงเนื่องจากการระเบิดของไอดี ลูกสูบก็จะทำการอัดไอดีที่อยู่ข้างใต้ลูกสูบให้ไหลตามช่องทางที่ทำไว้ขึ้นไปเหนือลูกสูบ (รูปด้านขวาของรูปที่ 2) เพื่อเข้าไปไล่ไอเสียออกทางวาล์วไอเสีย (ดูภาพเคลื่อนที่ประกอบได้จาก http://th.wikipedia.org หัวข้อเครื่องยนต์ 2 จังหวะ หรือ http://www.benzckw.com/node/72)

รูปที่ 2 การทำงานของเครื่องยนต์ 2 จังหวะ (ซ้าย) จังหวะอัดและระเบิด (ขวา) จังหวะคายและดูด

(ภาพประกอบจาก http://www.mechanicskluay.th.gs/web-m/echanicskluay/page05.htm)

จะเห็นว่าในจังหวะที่ทำการไล่ไอเสียออกนั้น ก็มีไอดีเข้าไปผสมกับไอเสียบางส่วนแล้ว ดังนั้นถ้าไม่รีบปิดช่องทางไอเสียออก ก็จะมีไอดีหลุดรอดไปกับไอเสีย แต่ถ้าปิดช่องทางไอเสียเร็วเกินไป ไอดีก็จะไหลเข้าไปอยู่ด้านบนของกระบอกสูบได้ไม่เต็มที่ นอกจากนี้การที่ไอดีเข้าทางด้านล่าง ทำให้ไม่สามารถใช้ด้านล่างของกระบอกสูบเป็นอ่างเก็บน้ำมันเครื่องเหมือนในกรณีของเครื่องยนต์ 4 จังหวะได้ การหล่อลื่นของเครื่องยนต์ 2 จังหวะจึงทำได้ไม่ดีเท่าเครื่องยนต์ 4 จังหวะ