การละลายของเอทานอลในไฮโดรคาร์บอน MO Memoir : Saturday 25 November 2566

โครงสร้างโมเลกุลของเอทานอลนั้นมีทั้งส่วนที่มีขั้วที่แรงคือหมู่ -OH และส่วนที่ไม่มีขั้วคือหมู่ -C₂H₅ ด้วย ด้วยการที่ส่วนที่ไม่มีขั้วมีขนาดเล็กจึงทำให้เอทานอลละลายในน้ำได้ในทุกสัดส่วน ที่มีปัญหามากกว่าน่าจะเป็นการละลายในตัวทำละลายที่ไม่มีขั้วเช่นไฮโดรคาร์บอน

ในกรณีของพวก "light hydrocarbon" (พวกที่มีจุดเดือดต่ำ) นั้นพบว่าเอทานอลที่ปราศจากน้ำ (absolute ethanol หรือ anhydrous ethanol) สามารถละลายได้ในทุกสัดส่วน แต่ในกรณีของเอทานอลที่มีน้ำผสมอยู่ด้วยนั้น (เช่นเอทานอลที่เราใช้ในการผลิตแก๊สโซฮอล์ที่มีน้ำผสมอยู่ได้ไม่เกิน 0.3 wt% หรือถังเก็บน้ำมันแก๊สโซฮอล์ที่มีน้ำปนเปื้อน) พบว่า การละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันระหว่าง น้ำ + เอทานอล + ไฮโดรคาร์บอนนั้น ยังขึ้นกับรูปร่างโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนด้วยว่าเป็นชนิดสายโซ่หรืออะโรมาติก

รูปที่ ๑ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + นอร์มัลเฮปเทน (n-Heptane (C₇H₁₆) นำมาจากบทความเรื่อง "Vapour–liquid–liquid and vapour–liquid equilibrium of the system water + ethanol + heptane at 101.3 kPa", Vicente Gomis, Alicia Font, Maria Dolores Saquete, Fluid Phase Equilibria, 248 (2006) 206-210. หน่วยของแต่ละแกนในรูปนี้คือ mol%

รูปที่ ๑ เป็นเฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + นอร์มัลเฮปเทน ก่อนอื่นขอให้ข้อมูลในการอ่านกราฟแบบนี้สำหรับผู้ที่ไม่เคยใช้กราฟแบบนี้มาก่อน แกนนอนในรูปที่ ๑ ที่อยู่ระหว่างคำ Water ทางด้านซ้าย กับ n-Heptane ทางด้านขวาคือสัดส่วนน้ำในสารละลาย ตัวเลข 100 ที่อยู่ทางฝั่งคำ "Water" คือมีน้ำเพียงอย่างเดียว (น้ำบริสุทธิ์) ตัวเลข 0 ที่อยู่ทางฝั่งคำ "n-Heptane" คือสารละลายที่ไม่มีน้ำเลย (มีแต่นอร์มัลเฮปเทน) แกนทางด้านซ้าย (เริ่มจาก 0 ที่คำ "Water' ไปจนถึง 100 ที่คำ "Ethanol") คือสัดส่วนเอทานอลในสาละลาย และในทำนองเดียวกันแกนทางด้านขวา (เริ่มจาก 0 ที่คำ "Ethanol' ไปจนถึง 100 ที่คำ "n-Heptane") คือสัดส่วนนอร์มัลเฮปเทนในสารละลาย ทุก ๆ องค์ประกอบที่อยู่บนแกนทางด้านขวาคือสารละลายผสมระหว่างเอทานอลกับนอร์มัลเฮปเทนที่ไม่มีน้ำปนอยู่เลย

ส่วนที่เป็นโค้งรูปโดมอยู่ในรูปสามเหลี่ยมเป็นเส้นแบ่งระหว่างส่วนผสมที่ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน (ส่วนที่อยู่เหนือเส้นรูปโดม) และส่วนผสมที่มีการแยกออกเป็นสองเฟส (ส่วนที่อยู่ใต้เส้นรูปโดม) เส้นตรงสีส้มที่ลากอยู่ใต้โค้งรูปโดมเรียกว่า "Tie line" เป็นเส้นที่เป็นตัวบอกว่าในกรณีของส่วนผสมที่มีการแยกเป็นสองเฟสนั้น แต่ละเฟสจะมีองค์ประกอบอะไรบ้าง โดยจุดทางด้านซ้ายองค์ประกอบหลักเป็นเฟสน้ำ + เอทานอล โดยมีนอร์มัลเฮปเทนเป็นส่วนน้อย ส่วนจุดทางด้านขวาองค์ประกอบหลักจะเป็น เอทานอล + นอร์มัลเฮปเทน โดยมีน้ำเป็นส่วนน้อย

รูปที่ ๒ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + เฮกเซน (Hexane C₆H₁₄) รูปนี้นำมาจากบทความที่ปรากกฏอยู่ในรูปแล้ว หน่วยของแต่ละแกนในรูปนี้คือmol fraction หรือสัดส่วนโมล ซึ่ง mole fraction x 100 = mol%

รูปที่ ๓ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + เพนเทน (Pentane C₅H₁₂) สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ mol fraction รูปนี้นำมาจากบทความเดียวกันกับรูปที่ ๒

รูปที่ ๔ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + ไซโคลเฮกเซน (Cyclohexane C₆H₁₂)สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ mol fraction

รูปที่ ๒ และ ๓ เป็นเฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + เฮกเซน/เพนเทน ทั้งนอร์มัลเฮปเทน, เฮกเซน และเพนเทน ต่างเป็น aliphatic hydrocarbon (ไฮโดรคาร์บอนที่มีโครงสร้างแบบเส้น) เหมือนกัน ต่างกันที่จำนวนอะตอมคาร์บอน พึงสังเกตตำแหน่งจุดสูงสุดของโค้งรูปโดม จะเห็นว่าเมื่อโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนมีขนาดเล็กลง จุดสูงสุดของโค้งรูปโดมจะลดต่ำลง แสดงให้เห็นว่าช่วงสารละลายผสมที่ประกอบด้วย น้ำ + เอทานอล + ไฮโดรคาร์บอน ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันได้นั้นมีช่วงกว้างขึ้น

รูปที่ ๔ เป็นเฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + ไซโคลเฮกเซน ที่เป็นไฮโดรคาร์บอนรูปร่างโมเลกุลเป็นวงแหวนอิ่มตัว (cycloaliphatic) ถ้าเทียบกับกรณีของเฮกเซนแล้วจะเห็นว่าตำแหน่งความสูงของโค้งรูปโดมนั้นอยู่ในระดับใกล้เคียงกัน (อนึ่ง ความสูงของโค้งรูปโดมนั้นยังขึ้นกับอุณหภูมิที่ทำการทดลอง กล่าวคือที่อุณหภูมิสูงขึ้นการละลายเข้าเป็นเฟสเดียวกันจะเกิดได้ดีขึ้น ทำให้ความสูงของโค้งรูปโดมลดต่ำลง)

รูปที่ ๕ เป็นเฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + โทลูอีน (C₆H₅-CH₃) โครงสร้างโมเลกุลของโทลูอีนนั้นเป็นวงแหวนอะโรมาติกที่มีหมู่เมทิล (-CH₃) เกาะหนึ่งหมู่ ในกรณีนี้พึงสังเกตว่าความสูงของโดมในวงแหวนลดต่ำลงไปอีก นั่นแสดงว่าช่วงสัดส่วนที่สารทั้งสามสามารถละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันได้นั้นกว้างขึ้นไปอีก

รูปที่ ๕ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + โทลูอีน นำมาจากบทความเรื่อง "Homogeneity of the water + ethanol + toluene azeotrope at 101.3 kPa", Vicente Gomis, Alicia Font, Maria Dolores Saquete, Fluid Phase Equilibria, 266 (2008), 8-13. สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ mol%

แม้ว่าโครงสร้างอะโรมาติกของโทลูอีนและวงแหวนของไซโคลเฮกเซนนั้นจะมีจำนวนอะตอมคาร์บอน 6 อะตอมเหมือนกัน แต่รูปร่างแตกต่างกัน กล่าวคือโครงสร้างวงแหวนอะโรมาติกมีความแบนราบในขณะที่โครงสร้างของไซโคลเฮกเซนนั้นไม่ใช่

กราฟทั้งหมดที่แสดงมาข้างต้นแสดงให้เห็นว่ารูปร่างโครงสร้างโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนนั้นส่งผลต่อการผสมเข้าเป็นเนื้อเดียวกันของ น้ำ + เอทานอล + ไฮโดรคาร์บอน ดังนั้นการนำเอทานอลมาผสมกับไฮโดรคาร์บอนเพื่อผลิตแก๊สโซฮอล์นั้นจึงต้องเลือกสัดส่วนผสมที่ทำให้สารละลายนั้นรวมเป็นเนื้อเดียวกันโดยไม่มีการแยกเฟส

น้ำมันเบนซิน (หรือที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า gasoline) เป็นสารผสมที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนหลากหลายชนิด สำหรับบ้านเรานั้นกำหนดให้มีสารประกอบอะโรมาติก (ทุกชนิดรวมกัน) ไม่เกิน 35 vol% (ร้อยละโดยปริมาตร) และกำหนดจุดเดือดเอาไว้ว่า 90 vol% ต้องระเหยที่อุณหภูมิไม่เกิน 170ºC และจุดที่ระเหยจนหมดต้องไม่เกิน 200ºC ในกรณีของน้ำมันแก๊สโซฮอล์นั้นกำหนดส่วนผสมด้วยหน่วย "vol%"

รูปที่ ๖ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + แก๊สโซลีน นำมาจากบทความเรื่อง "Bioethanol fule quality and downstream marketting constraints" โดย S. Gunawardena, Proceeding of SAARC Regional Training on Biofuels, 22-26 September 2008. สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ wt%

รูปที่ ๖ เป็นเฟสไดอะแกรมของ น้ำ + เอทานอล + น้ำมันเบนซิน โดยหน่วยสัดส่วนผสมที่เขาใช้นั้นคือ "wt%" (หมายเหตุ : เอทานอลมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำมันเบนซินอยู่เล็กน้อย) ถ้าดูตามรูปนี้ก็จะเห็นว่าเราสามารถผสมเอทานอลกับน้ำมันเบนซินด้วยสัดส่วนใดก็ได้

รูปที่ ๗ เป็นเฟสไดอะแกรมของ น้ำ + เอทานอล + น้ำมันเบนซิน ที่อุณหภูมิต่าง ๆ (หน่วยสัดส่วนผสมที่ใช้ในกราฟนี้คือ "vol%" (คนละหน่วยกับรูปที่ ๑-๕) พึงสังเกตว่าเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง บริเวณสัดส่วนผสมที่ยังทำให้สารละลายยังคงเป็นเนื้อเดียวกันนั้นจะแคบลง ดังนั้นการเลือกสัดส่วนผสมจึงต้องคำนึงถึงช่วงอุณหภูมิอากาศที่นำน้ำมันไปใช้งานด้วย

รูปที่ ๗ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + น้ำมันเบนซิน (แก๊สโซลีน) ที่อุณหภูมิต่างกัน นำมาจากบทความเรื่อง "Gasoline made with hydrous ethanol", Orlando Volpato Filho, Conference Paper, September 2008 (https://www.researchgate.net/publication/309564235) สเกลของแต่ละแกนในรูปนี้คือ vol%

เดคเคน มีจุดเดือดอยู่ที่ประมาณ 174ºC (อยู่ในช่วง 10% สุดท้ายของน้ำมันเบนซิน) เส้นสีเขียวในรูปที่ ๘ เป็นเส้นแบ่งสัดส่วนความเข้มข้นที่ละลายเป็นเนื้อเดียวกันและแยกเป็นสองเฟสของสารผสม น้ำ + เอทานอล + เดคเคน (หน่วยเป็น mol%) พึงสังเกตว่าช่วงองค์ประกอบที่สารผลมสามารถละลายเป็นเนื้อเดียวกันได้นั้นจะแคบลงไปอีก โดยเฉพาะแนวแกนด้านขวาที่เป็นส่วนผสมระหว่างเอทานอลกับเดคเคน ที่โค้งรูปโดมนั้นแทบจะแนบไปกับแนวแกนดังกล่าว ซึ่งแสดงให้เห็นว่าถ้ามีน้ำผสมอยู่เพียงปริมาณเล็กน้อยก็จะเกิดปัญหาการแยกเฟสได้ทันที (ต้องไม่ลืมว่าเอทานอลที่เอามาผสมกับน้ำมันเพื่อผลิตแก๊สโซฮอล์นั้นจะมีน้ำปนอยู่เล็กน้อย ยิ่งผสมเอทานอลมากขึ้น สัดส่วนน้ำในสารผสมก็จะมากขึ้นไปด้วย)

รูปที่ ๘ เฟสไดอะแกรมของสารละลาย น้ำ + เอทานอล + เดคเคน (Decane C₁₀H₂₂) /ออกทานอล (Octanol C₈H₁₅-OH) (หน่วยเป็น mol%) ในรูปนี้มุมซ้ายล่างของสามเหลี่ยมคือจุด เอทานอล 100%, มุมขวาล่างคือ เดคเคน/ออกทานอล 100% และมุมบนคือเอทานอล 100%

ปัญหาเรื่องการผสมเอทานอลเข้ากับไฮโดรคาร์บอนที่มีขนาดใหญ่ขึ้นไปอีกนั้นเห็นได้ชัดเมื่อมีความต้องการเอาเอทานอลไปผสมกับน้ำมันดีเซล ซึ่งจำเป็นต้องมีการเติมสารลดแรงตึงผิว (surfactant) เพื่อให้ละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกันและละลายได้มากขึ้น ในขณะที่ในกรณีของน้ำมันเบนซินนั้นไม่จำเป็นต้องใช้ ข้อดีของการผสมเอทานอลในน้ำมันดีเซลคือทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์ขึ้นเนื่องจากโมเลกุลเอทานอลมีขนาดเล็กและมีออกซิเจนอยู่ในตัว แต่ก็มีช้อเสียคือไปทำให้เลขซีเทนของน้ำมันดีเซลลดต่ำลง (รูปที่ ๙)

รูปที่ ๙ เลขซีเทนของน้ำมันดีเซลเมื่อผสมเอทานอลด้วยอัตราส่วนต่าง ๆ กัน

แม้เอทานอลจะมีเลขออกเทนที่สูงแต่มีพลังงานความร้อนที่ต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน เพื่อที่จะดึงประโยชน์จากเลขออกเทนที่สูงของเอทานอลจึงควรต้องใช้เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น แต่นั่นจะไปก่อให้เกิดปัญหาเมื่อต้องใช้น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิง (เพราจะมันจะน็อคได้ง่ายขึ้น) สำหรับรถยนต์ทั่วไปนั้นอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์ที่ติดรถมานั้นจะคงที่ ดังนั้นอีกทางเลือกที่ทำได้คือการเปลี่ยนองศาการจุดระเบิด ดังเช่นผลการทดลองในรูปที่ ๑๐ ที่เปรียบเทียบระหว่างน้ำมันเบนซินที่จุดระเบิดที่ 9 BTDC แต่ถ้าใช้แก๊สโซฮอล์ที่มีสัดส่วนเอทานอลผสม 50% จะต้องจุดระเบิดเร็วขึ้นที่ 12-15 องศา

แต่เครื่องยนต์ที่บทความนี้ใช้เป็นเครื่องยนต์ทดสอบชนิดลูกสูบเดียว รอบเครื่องยนต์ที่เห็นจึงจัดว่าสูงอยู่

 

รูปที่ ๑๐ แรงบิดและกำลังที่ได้จากการจุดระเบิดที่องศาการจุดระเบิดต่างกันระหว่างน้ำมันเบนซิน (แก๊สโซลีน) และแก๊สโซฮอล์ที่มีเอทานอลผสม 50% บทความได้ระบุว่าสัดส่วนผสมเป็นหน่วยใด แต่เข้าใจว่าน่าจะเป็นโดยปริมาตร BTDC ย่อมาจาก Before Top Dead Centre ที่แปลว่าก่อนถึงจุดศูนย์ตายบน ลูกสูบเคลื่อนที่ลง-ขึ้นหนึ่งรอบเพลามีการหมุน 360 องศา 9 BTDC ก็คือเพลาแล้ว 361 องศา ขาดอีก 9 องศาลูกสูบก็จะเคลื่อนที่ขึ้นถึงจุดสูงสุด

น้ำมันเบนซินและเลขออกเทน (๓) MO Memoir : Monday 30 October 2566

น้ำมันเบนซินที่ขายกันอยู่นั้นประกอบด้วย

(ก) ไฮโดรคาร์บอน (ที่เป็นตัวเชื้อเพลิงหลัก)
(ข) สารเพิ่มเลขออกเทน (ที่ปัจจุบันทำหน้าที่เป็นตัวเชื้อเพลิงหลักด้วย)
(ค) สี (ที่มีไว้จำแนกประเภทและตรวจสอบการปลอมปน) และ
(ง) สารเติมแต่ง (เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของน้ำมัน)

สิ่งที่หน่วยงานรัฐกำหนดไว้ชัดเจนคือ ตัวไฮโดรคาร์บอน, สารเพิ่มเลขออกเทน และสี ส่วนพวกสารเติมแต่งนั้นไม่ได้กำหนดไว้โดยตรง แต่ต้องไม่ทำให้คุณสมบัติรวมของน้ำมันนั้นเปลี่ยนไปจากข้อกำหนด

รูปที่ ๑ ประกาศกระทรวงพาณิชย์ฉบับที่ ๒ ปีพ.ศ. ๒๕๒๓ เรื่องกำหนดคุณภาพน้ำมันเบนซินธรรมดา

ย้อนหลังไปปีพ.ศ. ๒๕๒๓ น้ำมันเบนซินที่ขายในบ้านเรานั้นมี ๒ ชนิดคือ เบนซินชนิดธรรมดาออกเทน ๘๓ และเบนซินชนิดพิเศษออกเทน ๙๕ (รูปที่ ๑ และ ๒) ตอนนั้นยังใช้สารตะกั่ว (Tetra Ethyl Lead (C₂H₅)₄Pb) เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนอยู่ ดูจากปริมาณธาตุตะกั่วที่ยอมให้มีในน้ำมัน ๑ ลิตรแล้วจะเห็นว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณน้ำมัน (ประมาณว่าน้ำมัน ๑ ลิตรหนักประมาณ ๗๐๐ - ๘๐๐ กรัม ดังนั้นปริมาณตะกั่วก็อยู่ที่ราว ๆ 0.1%)

ผ่านมาอีก ๑๐ ปีในปีพ.ศ. ๒๕๓๓ (รูปที่ ๓) ก็มีการแยกเบนซินธรรมดาออกเป็น ๒ ชนิด คือชนิดที่ ๑ มีเลขออกเทน ๘๓ และชนิดที่ ๒ มีเลขออกเทน ๘๗ ส่วนเบนซินพิเศษยังคงไว้ที่เลขออกเทน ๙๕ อยู่ (ตอนนั้นยังไม่มีเบนซินธรรมดาออกเทน ๙๑ จำหน่าย)

รูปที่ ๒ ประกาศกระทรวงพาณิชย์ฉบับที่ ๓ ปีพ.ศ. ๒๕๒๓ เรื่องกำหนดคุณภาพน้ำมันเบนซินพิเศษ

รูปที่ ๓ ประกาศกระทรวงพาณิชย์ฉบับที่ ๑ ปีพ.ศ. ๒๕๓๓ เรื่องกำหนดคุณภาพน้ำมันเบนซินชนิดธรรมดาและชนิดพิเศษ พึงสังเกตว่ามีการลดปริมาณสารตะกั่วลงเหลือไม่เกิน ๐.๔๐ กรัมต่อลิตร และจะให้ไม่เกิน ๐.๑๕ กรัมต่อลิตร

เบนซินไร้สารตะกั่วมาปรากฏในปีพ.ศ. ๒๕๓๔ (รูปที่ ๔) แต่ตอนนั้นมีเฉพาะเบนซินพิเศษออกเทน ๙๕ ปีนี้มีการกำหนดปริมาณสูงสุดของเบนซีน (Benzene C₆H₆) ที่ยอมให้มีได้ในน้ำมันเบนซินไว้ที่ไม่เกิน 5 %vol โดยยังไม่มีการกำหนดปริมาณรวมสูงสุดของสารอะโรมาติกที่ยอมให้มีได้ และยังยอมให้จุดเดือดสุดท้ายของน้ำมันนั้นอยู่ที่ 215ºC

การออกน้ำมันไร้สารตะกั่วมาก็เพื่อลดมลพิษจากสารตะกั่วในอากาศ และเพื่อรองรับรถยนต์ที่มีการติดตั้งเครื่องกรองไอเสีย (catalytic converter) ที่จำเป็นต้องใช้น้ำมันไร้สารตะกั่วเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกทำลาย และเพื่อรองรับกฎหมายที่จะบังคับให้รถใหม่ทุกคันต้องมีเครื่องกรองไอเสียเป็นอุปกรณ์มาตรฐาน

รูปที่ ๔ ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๓๔ ฉบับนี้มีน้ำมันไร้สารตะกั่วปรากฏแล้ว

สารตะกั่วในน้ำมันเชื้อเพลิงเมื่อถูกเผาไหม้จะระเหยกลายเป็นไอ ไอระเหยบางส่วนจะควบแน่นเป็นของแข็งที่บริเวณบ่าวาล์ว (จุดที่วาล์วมีการปิดกระแทก) เนื่องจากตะกั่วเป็นโลหะอ่อน มันจึงทำหน้าที่รองรับการกระแทกของวาล์ว รถที่ผลิตจากประเทศที่ใช้น้ำมันมีสารตะกั่วก็ใช้ประโยชน์จากตรงนี้ คือไม่ได้ทำให้บ่าวาล์วแข็งแรงพอรับการกระแทก (เรียกว่าบ่าวาล์วอ่อน) ในขณะที่รถที่ผลิตจากประเทศที่ลดหรือเลิกการใช้สารตะกั่วก็มีการเปลี่ยนบ่าวาล์วให้รับการกระแทกตรงนี้ได้โดยไม่ต้องพึ่งตะกั่วที่ควบแน่นบริเวณนั้น (เรียกว่าบ่าวาล์วแข็ง) ตอนที่บ้านเราเลิกใช้น้ำมันชนิดมีสารตะกั่วนั้นก็มีบริษัทหนึ่งออกน้ำมันเบนซินไร้สารที่มีการเพิ่มสารปกป้องบ่าวาล์วแทนสารตะกั่ว และจำหน่ายในราคาที่สูงกว่าปรกติ แต่จำหน่ายได้ไม่นานก็เลิกไป (ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนบ่าวาวล์มันถูกกว่าค่าน้ำมัน)

มาตรฐานปี ๒๕๓๔ นี้ยังไม่มีการกำหนดว่าจะเพิ่มเลขออกเทนให้ถึง ๙๕ โดยไม่ใช้สารตะกั่วต้องทำอย่างไร คือจะเลือกใช้การเพิ่มสัดส่วนปริมาณสารประกอบอะโรมาติกก็ได้ เพราะสารประกอบอะโรมาติกเป็นพวกที่มีเลขออกเทนสูง (เกิน ๑๐๐ ขึ้นไปทั้งนั้น) และมีพลังงานในตัวสูง แต่ด้วยการที่เบนซีนมีความเป็นพิษสูงจึงต้องมีการควบคุมเป็นพิเศษ (ปัจจุบันอยู่ที่ไม่เกิน 1 %vol) หรือจะเลือกใช้การเติมสารออกซีจีเนตด้วยก็ได้ (มีไม่ได้เกิน 10%vol)

สารออกซีจีเนตตอนนั้นที่ใช้กันคือ MTBE ที่ย่อมาจาก Methyl Tertiary Butyl Ether สารประกอบอีเทอร์ตัวนี้มีความเป็นขั้วต่ำ คุณสมบัติใกล้เคียงกับน้ำมันเบนซิน ไม่ก่อให้เกิดปัญหากับชิ้นส่วนที่เป็นยางหรือพอลเมอร์ในระบบจ่ายเชื้อเพลิง แต่มันมีข้อเสียอย่างหนึ่งคือพลังงานในตัวต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอน ทำให้เทียบกันต่อลิตรแล้วจะวิ่งได้ทางน้อยกว่าน้ำมันที่ไม่มีสารออกซีจีเนตเป็นส่วนผสม

มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๓๕ (รูปที่ ๕) เบนซินออกเทน ๘๓ หายไปแล้ว เหลือแค่เบนซินธรรมดาออกเทน ๘๗ และเบนซินพิเศษออกเทน ๙๕ โดยเบนซินพิเศษแต่ละชนิดยังถูกแบ่งออกเป็นอีก ๒ ชนิดย่อยคือ ชนิดที่ ๑ ไม่บังคับใช้สารออกซีจีเนตเป็นสารเพิ่มเลขออกเทน (แต่กำหนดปริมาณขั้นสูง) ส่วนชนิดที่ ๒ มีการกำหนดปริมาณขั้นต่ำ (และขั้นสูง) ของสารออกซีจีเนตที่ใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทน (แต่สำหรับคนเติมน้ำมันตามปั๊มจะเห็นเพียงแค่เบนซินพิเศษแบบมีสารตะกั่วและไร้สารตะกั่วเท่านั้น) 

รูปที่ ๕ มีการแยกเบนซินพิเศษทั้งแบบมีสารตะกั่วและไม่มีสารตะกั่วออกเป็น ๒ ชนิด คือชนิดที่ ๑ ไม่มีการกำหนดปริมาณขั้นต่ำของสารออกซีจีเนตที่ใช้เพิ่มเลขออกเทน ส่วนชนิดที่ ๒ มีการกำหนดปริมาณขั้นต่ำ

มาตรฐานปี ๒๕๓๕ นี้ยังมีการกำหนดปริมาณรวมของสารอะโรมาติกจากเดิมที่ไม่เกิน 50 %vol ให้เหลือ 35%vol ลดปริมาณเบนซีนให้เหลือไม่เกิน 3.5 %vol และลดอุณหภูมิจุดเดือดสูงสุดให้เหลือไม่เกิน 200ºC ทั้งนี้เป็นเพราะแม้ว่าสารประกอบอะโรมาติกจะมีเลขออกเทนสูงและมีพลังงานในตัวสูง แต่การที่มันมีจุดเดือดสูงก็ก่อให้เกิดปัญหาในการใช้งาน โดยเฉพาะเมื่อเครื่องยนต์เดินรอบต่ำหรือเมื่ออากาศเย็น เพราะมันไม่ค่อยจะระเหย ในกรณีของเครื่องยนต์ที่ใช้คาร์บิวเรเตอร์ผสมน้ำมันกับอากาศนั้น ถ้าไอระเหยของน้ำมันนั้นมีแต่สารประกอบที่มีเลขออกเทนต่ำ ก็จะทำให้เครื่องยนต์เกิดการน็อคได้ ในกรณีของเครื่องยนต์ที่ใช้หัวฉีดนั้น ถ้าน้ำมันระเหยไม่หมดก่อนเข้าไปในกระบอกสูบ น้ำมันเชื้อเพลิงจะละลายเข้าไปในน้ำมันหล่อลื่น ทำให้ความหนืดของน้ำมันหล่อลื่นลดต่ำลง ถ้าลดลงมากเกินไปก็ก่อให้เกิดปัญหาในการหล่อลื่นได้

สิ่งหนึ่งที่ยอมให้มีในน้ำมันไร้สารตะกั่วชนิดที่ใช้สารออกซีจีเนตเพิ่มเลขออกเทนคือ "น้ำ" ทั้งนี้เพราะความมีขั้วของโมเลกุลสารออกซีจีเนตที่แม้ว่าจะมีอยู่เพียงเล็กน้อย แต่ก็ทำให้มีน้ำละลายปนมากับสารออกซีจีเนตและเข้าไปผสมในน้ำมันได้ แต่จะไม่เกิดการแยกชั้นออกมา ในกรณีของแก๊สโซฮอล์ที่ใช้เอทานอลเป็นส่วนผสมก็มีลักษณะเช่นนี้เหมือนกัน เพราะเอทานอลที่นำมาผสมนั้นเป็นเอทานอลบริสุทธิ์ 99.5% โดยส่วนที่เหลือก็คือน้ำ

มาตรฐานปี ๒๕๓๗ (รูปที่ ๖) ทำการยกเลิกเบนซินธรรมดาชนิดมีสารตะกั่ว แต่ยังคงเลขออกเทนไว้ที่ ๘๗ ในขณะที่เบนซินพิเศษยังมีตัวเลือกให้อยู่ว่าจะใช้ชนิดมีหรือไม่มีสารตะกั่ว ดังนั้นใครใช้รถยนต์ที่เดิมเติมเบนซินธรรมดาแบบมีสารตะกั่ว ถ้ายังอยากใช้น้ำมันมีสารตะกั่วก็ต้องเปลี่ยนไปเติมเบนซิน ๙๕ แทน โดยเบนซินธรรมดานั้นยังไม่มีการบังคับให้ต้องมีการผสมสารออกซีจีเนต

รูปที่ ๖ ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๓๗ ยกเลิกเบนซินธรรมดาชนิดมีสารตะกั่ว เปลี่ยนเป็นชนิดไม่มีสารตะกั่ว ในขณะที่เบนซินพิเศษยังมีทั้งแบบมีและไม่มีสารตะกั่ว

มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๓๘ ยกเลิกเบนซินพิเศษชนิดที่ไม่มีสารออกซีจีเนต (รูปที่ ๗) คือกำหนดให้ต้องมีสารออกซีจีเนตเป็นส่วนผสม แต่ไม่บังคับสำหรับเบนซินธรรมดา

วันหนึ่ง เพื่อนบ้านบ้านติดกันเขาชวนให้ไปฟังเสียงเครื่องยนต์รถเขาที่เพิ่งจะเปลี่ยนมาใช้เบนซินไร้สารออกเทน ๙๘ แทนเบนซินมีสารตะกั่วออกเทน ๙๗ ปรากฏว่าพอเปลี่ยนมาใช้เบนซินไร้สารออกเทน ๙๘ เครื่องมีอาการน็อคที่รอบเดินเบา (รอบเครื่องต่ำ) ในขณะที่ก่อนหน้านั้นที่ใช้แบบมีสารตะกั่วออกเทน ๙๗ ไม่มีปัญหานี้ (สมัยนั้นเครื่องยนต์เบนซินยังใช้คาร์บิวเรเตอร์เป็นหลัก) เหตุการณ์นี้ส่งผลต่อภาพลักษณ์ของเบนซินไร้สารตะกั่วมากจนทำให้คนไม่กล้าเปลี่ยนไปใช้เบนซินไร้สารตะกั่ว ทางผู้ผลิตจึงต้องมีการปรับองค์ประกอบของน้ำมันเพื่อให้ปัญหาดังกล่าวหายไป สาเหตุหนึ่งเข้าใจว่าเกิดจากส่วนผสมที่มีองค์ประกอบที่เป็นอะโรมาติกจุดเดือดสูงมากเกินไป คืออะโรมาติกที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน8 หรือ 9 อะตอมมีเลขออกเทนสูงกว่าเบนซีนมาก แต่ก็มีจุดเดือดที่สูงกว่าด้วย ทำให้ระเหยน้อยที่ความเร็วรอบต่ำ

ในยุคที่สมัยยังใช้คาร์บิวเรเตอร์ในการผสมไอระเหยน้ำมันกับอากาศ การตั้งองศาการจุดระเบิด คือจะให้จุดระเบิดเมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งก่อนหรือหลังจุดศูนย์ตายบนแค่ไหนก็ทำได้ง่าย ดังนั้นคนที่มีรถที่ต้องการน้ำมันที่มีเลขออกเทนต่างไปจากมาตรฐาน (เช่นรถญี่ปุ่นที่ต้องการน้ำมันออกเทน ๙๐ หรือ ๙๑) ก็มักจะมีการปรับองศาการจุดระเบิดให้เหมาะสมสำหรับน้ำมันเบนซินพิเศษ (เพื่อให้ได้กำลังเพิ่มขึ้นบ้าง เพราะถ้าปรับให้ไปรับกับน้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำกว่า กำลังเครื่องยนต์จะตกลง) และจุดนี้ก็ก่อให้เกิดปัญหาภายหลังเมื่อมีการรณรงค์ให้ใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนที่ตรงกับที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ เพราะผู้ที่ใช้รถยนต์ที่คู่มือบอกว่าใช้ออกเทน ๙๑ (รถญี่ปุ่นเป็นหลัก) ไม่รู้ว่าเครื่องได้รับการปรับให้ทำงานกับน้ำมันออกเทน ๙๕ พอกลับมาเติมน้ำมันออกเทน ๙๑ เครื่องยนต์ก็เกิดการน็อค

รูปที่ ๗ ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๓๘ ยกเลิกเบนซินพิเศษชนิดที่ไม่มีสารออกซีจีเนตเป็นส่วนผสม

การใช้น้ำมันออกเทนสูงเกินความต้องการของเครื่องยนต์ถูกมองว่าเป็นการสิ้นเปลือง (แน่นอนว่าน้ำมันประเภทเดียวกันที่มีเลขออกเทนสูงจะมีต้นทุนสูงกว่าน้ำมันที่มีเลขออกเทนต่ำ) ก็เลยมีการรณรงค์ให้ใช้น้ำมันที่มีเลขออกเทนถูกชนิดกับเครื่องยนต์ มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๔๑ (รูปที่ ๘) จึงมีการแยกน้ำมันเบนซินออกเป็น ๓ เกรดคือ ออกเทน ๘๗, ๙๑ และ ๙๕ (ออกเทน ๙๑ โผล่มาแล้ว) แต่เอาเข้าจริงในช่วงเวลานั้นเครื่องยนต์ที่ใช้เบนซินออกเทน ๘๗ มีน้อยมากเมื่อเทียบกับรถทั้งหมด ผู้ผลิตเบนซินออกเทน ๘๗ ออกจำหน่ายก็มีอยู่รายเดียว และจำหน่ายเพียงแค่บางปั๊มด้วย ก่อนที่จะเลิกจำหน่ายไป

และในขณะเดียวกันก็เลิกการจำหน่ายเบนซินชนิดมีสารตะกั่ว (แต่ในข้อกำหนดลักษณะและคุณภาพยังยอมให้มีอยู่ในปริมาณเล็กน้อยนะ)

ปีพ.ศ. ๒๕๔๐ ประเทศไทยเกิดวิฤตการณ์การเงิน มีการลอยตัวค่าเงินบาท จากเดิม ๒๗ บาทต่อ ๑ ดอลล่าร์สหรัฐอเมริกา ช่วงแรกมีความผันผวนมากแบบหลุดไปเกิน ๕๐ บาทต่อ ๑ ดอลล่าร์สหรัฐอเมริกา ก่อนที่จะกลับมานิ่งที่ราว ๆ ๓๗ บาทต่อ ๑ ดอลล่าร์สหรัฐอเมริกา ทำให้มีแนวความคิดที่จะลดการพึ่งพาพลังงานน้ำมันที่ต้องใช้เงินตราต่างประเทศซื้อ และตัวเลือกที่มาเป็นอันดับต้น ๆ ก็คือการใช้แก๊สโซฮอล์โดยใช้เอทานอลที่ผลิตจากผลิตผลทางการเกษตรในประเทศมาผสมกับน้ำมันเบนซิน นั่นหมายถึงการต้องตั้งโรงงานผลิตเอทานอลและโรงงานสำหรับผสมเอทานอลกับน้ำมันเบนซิน ซึ่งกว่าจะมีน้ำมันแก๊สโซฮอล์ให้ออกมาใช้ก็เป็นปีพ.ศ. ๒๕๔๕ (รูปที่ ๙) ซึ่งตอนนั้นมีแต่ออกเทน ๙๕ (ชนิด E10 เท่านั้น)

ในช่วงเวลาถัดจากนั้น เวลาที่มีประกาศข้อกำหนดลักษณะและคุณภาพก็จะแยกประกาศกันระหว่างน้ำมันเบนซิน (คือพวกที่ไม่ใช้เอทานอลเป็นสารเพิ่มเลขออกเทน) และน้ำมันแก๊สโซฮอล์ (พวกที่ใช้เอทานอลเป็นสารเพิ่มเลขออกเทน)

รูปที่ ๘ มาตราฐานปีพ.ศ. ๒๕๔๑ เป็นครั้งแรกที่มีการกำหนดมาตรฐานเบนซิน ๙๑

เอทานอลมีพลังงานในตัวใกล้เคียงกับอีเทอร์ ดังนั้นน้ำมันเบนซินที่ใช้อีเทอร์เป็นสารเพิ่มออกเทนกับแก๊สโซฮอล์ที่มีสัดส่วนเท่ากันจะให้พลังงานพอ ๆ กัน ความแตกต่างที่สำคัญไปอยู่ตรงที่ความเป็นขั้วของเอทานอลที่สูงกว่าอีเทอร์มาก ก่อให้เกิดปัญหากับชิ้นส่วนที่เป็นยางกับพอลิเมอร์ในระบบเชื้อเพลิงได้ ช่วงเวลานั้นรถยนต์ส่วนใหญ่ไม่ค่อยมีปัญหา พวกที่มีปัญหามากกว่าคือมอเตอร์ไซค์และเครื่องยนต์ขนาดเล็ก (เช่นเครื่องยนต์อเนกประสงค์ เครื่องตัดหญ้า) ที่พอเปลี่ยนมาใช้แก๊สโซฮอล์แล้วพบว่าชิ้นส่วนที่เป็นพลาสติกหรือยางเดิมนั้นเกิดการบวม ต้องมีการเปลี่ยนชิ้นส่วนเหล่านี้

รูปที่ ๙ มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๔๕ กับการปรากฏตัวครั้งแรกของแก๊สโซฮอล์ ๙๕

รูปที่ ๑๐ ปีพ.ศ. ๒๕๔๗ เบนซินออกเทน ๘๗ หายไปแล้ว

ในปีพ.ศ. ๒๕๔๗ ก็มีการเปลี่ยนแปลงอีก คือยกเลิกน้ำมันเบนซินออกเทน ๘๗ เหลือไว้เฉพาะออกเทน ๙๑ และ ๙๕ (รูปที่ ๑๐) และการปรากฏตัวของแก๊สโซฮอล์ ๙๑ (รูปที่ ๑๑) โดยน้ำมันแก๊สโซฮอล์ในยุคแรกนั้นมีเฉพาะที่มีเอทานอลเป็นส่วนผสมแค่ 10%

รูปที่ ๑๑ มาตรฐานแก๊สโซฮอล์ปีพ.ศ. ๒๕๔๗ กับการปรากฏตัวของแก๊สโซฮอล์ ๙๑

อย่างที่กล่าวไว้ก่อนหน้าว่าเอทานอลมีพลังงานในตัวพอ ๆ กับอีเทอร์ ดังนั้นถ้าระบบเชื้อเพลิงของรถยนต์นั้นทนต่อการกัดกร่อนของเอทานอลได้ การเปลี่ยนมาใช้แก๊สโซฮอล์ก็จะไม่แตกต่างกันในแง่ความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง แต่ถ้าผสมเอทานอลในปริมาณที่สูงขึ้น เช่น E20 ที่ผสมเอทานอล 20% หรือใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิงหลัก เช่น E85 ที่มีเอทานอล 85% ค่าพลังงานในตัวของเชื้อเพลิงเหล่านี้จะต่ำกว่าของแก๊สโซฮอล์ E10 หรือน้ำมันเบนซินอย่างเห็นได้ชัด รถยนต์ที่จะใช้เชื้อเพลิงเหล่านี้ได้ต้องสามารถที่จะปรับปริมาณน้ำมันที่จ่ายให้เหมาะสมกับน้ำมันที่ใช้ คือต้องจ่ายน้ำมันเพิ่มมากขึ้นเพื่อให้ได้กำลังเท่าเดิม ดังนั้นจึงไม่แปลกถ้าผู้ใช้จะพบว่าแม้ว่าน้ำมัน E20 จะมี "ราคาขาย" ที่ถูกกว่า E10 (ทั้ง ๆ ที่ต้นทุน E20 สูงกว่า) แต่ระยะทางที่วิ่งได้ต่อลิตรจะน้อยกว่า

รูปที่ ๑๒ น้ำมันเบนซินออกเทน ๘๗ กลายเป็นน้ำมันเบนซินพื้นฐานสำหรับนำไปผสมเป็นน้ำมันตัวอื่นที่มีเลขออกเทนสูงขึ้น

แต่การผลิตน้ำมันเบนซิน ๘๗ ก็ไม่ได้หมดไป เพียงแต่ไปปรากฏในน้ำมันเบนซินพื้นฐาน (รูปที่ ๑๒) ประกาศปีพ.ศ. ๒๕๔๘ แบ่งน้ำมันเบนซินพื้นฐานออกเป็นออกเทน ๘๗ และ ๘๙ เพื่อใช้สำหรับผสมกับเอทานอลเพื่อให้ได้แก๊สโซฮอล์ E10 ออกเทน ๙๑ และ ๙๕ (ตอนนั้นยังไม่มีแก๊สโซฮอล์ E20)

ตอนที่ ๓ นี้ถือได้ว่าเป็นการรีวิวการเปลี่ยนแปลงลักษณะและคุณภาพของน้ำมันเบนซินในบ้านเรา จากยุคสมัยที่ยังใช้สารตะกั่วและเบนซินธรรมดาออกเทน ๘๓ มาจนถึงยุคแก๊สโซฮอล์ E10 ออกเทน ๙๑ และ ๙๕ แต่การผลิตน้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์ก็ยังมีอยู่ มาตรฐานปีพ.ศ. ๒๕๖๒ (รูปที่ ๑๓) เป็นของน้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์ แต่ก็มีเฉพาะเบนซิน ๙๕ ที่ตอนนี้ขายแพงกว่าแก๊สโซฮอล์มาก (ทั้ง ๆ ที่ต้นทุนมันถูกกว่าแก๊สโซฮอล์เสียอีก เพราะเอทานอลราคาแพงกว่าน้ำมัน ยิ่งมีเอทานอลเป็นส่วนผสมมากขึ้นต้นทุนก็จะยิ่งสูงขึ้น เช่นเดียวกับน้ำมันดีเซลที่ไบโอดีเซลต้นทุนสูงกว่าน้ำมันดีเซล ยิ่งผสมไบโอดีเซลมากต้นทุนก็ยิ่งสูงขึ้นตาม)

สำหรับตอนที่ ๓ นี้คงขอจบเพียงเท่านี้

รูปที่ ๑๓ มาตรฐานสำหรับน้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์ก็ยังมีอยู่ ฉบับปีพ.ศ. ๒๕๖๒ นี้มีเฉพาะเบนซิน ๙๕

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

น้ำมันเบนซินและเลขออกเทน (๑) MO Memoir : Wednesday 25 October 2566

เห็นช่วงนี้มีโฆษณาขายน้ำมันเบนซินค่าออกเทนสูงกว่ามาตรฐาน (และแน่นอนว่าราคาแพงกว่าหลายบาทด้วย) ทำให้นึกย้อนไปเมื่อราว ๆ ๒๕ ปีที่แล้วที่น้ำมันเบนซินที่ขายในบ้านเรานั้นมีเลขออกเทนสูงกว่ามาตรฐานไปมาก ด้วยการทำให้คนเชื่อว่าน้ำมันออกเทนยิ่งสูงก็ยิ่งดี ก่อนที่จะมีการรณรงค์ให้ใช้ออกเทนให้เหมาะกับเครื่องยนต์ และให้โรงกลั่นผลิตน้ำมันที่มีเลขออกเทนไม่สูงเกินมาตรฐาน เพื่อลดต้นทุนการผลิตน้ำมัน

แต่ก่อนอื่น อยากให้ลองอ่านบทความที่เผยแพร่ในหน้าเว็บแห่งหนึ่งก่อน เกี่ยวกับกระบวนการเพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันเบนซิน (รูปที่ ๑) และกระบวนการเพิ่มเลขซีเทนให้กับน้ำมันดีเซล (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๑ คำอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างเลขออกเทนกับสัดส่วนไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงจากเว็บแห่งหนึ่ง

รูปที่ ๒ คำอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างเลขซีเทนกับสัดส่วนไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงจากเว็บแห่งหนึ่ง

การน็อคของเครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์เซลนั้นแตกต่างกัน ในกรณีของเครื่องยนต์เบนซินนั้นเกิดจากการจุดระเบิดของไอผสม เชื้อเพลิง + อากาศ ณ เวลาที่ไม่ควรจุดระเบิด (ค่อยมาว่ากันอีกที) ส่วนในกรณีของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นเกิดจากการไม่เกิดการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงเมื่อผสมกับอากาศ ณ เวลาที่ควรเกิดการเผาไหม้ ในกรณีของน้ำมันเบนซินนั้นจะใช้ "เลขออกเทน (octane number)" เป็นตัวบ่งบอกว่าเชื้อเพลิงนั้นป้องกันการจุดระเบิด ณ เวลาที่ไม่เหมาะสมได้ดีแค่ไหน กล่าวคือเลขออกเทนยิ่งสูงก็ยิ่งป้องกันได้ดี ส่วนในกรณีของน้ำมันดีเซลนั้นจะใช้ "เลขซีเทน (cetane number)" เป็นตัวบ่งบอกว่าเชื้อเพลิงนั้นป้องกันการไม่เกิดการเผาไหม้ ณ เวลาที่ควรเกิดการเผาไหม้ได้ดีแค่ไหน

การที่จะบอกว่าเชื้อเพลิงนั้นติดไฟได้ง่ายมันมีอุณหภูมิ ๒ ค่าต้องพิจารณาคือ

ค่าแรกคือจุดวาบไฟ (flash point) คืออุณหภูมิที่เชื้อเพลิงนั้นสามารถระเหยเป็นไอผสมกับอากาศจนมีความเข้มข้นต่ำสุดที่สามารถลุกติดไฟได้ "ถ้ามี" แหล่งพลังงานที่อาจเป็นเปลวไฟหรือประกายไฟมากระตุ้น

ค่าที่สองคือจุดลุกติดไฟได้เอง (autoignition temperature) คืออุณหภูมิที่ส่วนผสมที่ประกอบด้วยเชื้อเพลิงและอากาศที่มีความเข้มข้นอยู่ในสัดส่วนที่สามารถลุกติดไฟได้ (อยู่ในช่วง explosive limit) สามารถลุกติดไฟได้เองโดยไม่ต้องมีเปลวไฟหรือประกายไฟมากระตุ้น

สองค่านี้ไม่ได้เป็นไปในทางทิศเดียวกันหรือต้องข้ามกันเสมอไป เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟต่ำก็อาจมีอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองสูงหรือต่ำก็ได้ และในทำนองเดียวกันเชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟสูงก็อาจมีอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองสูงหรือต่ำก็ได้ เช่นแก๊สมีเทน (methane CH₄) มีอุณหภูมิจุดวาบไฟอยู่ที่ประมาณ -188ºC และอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองอยู่ที่ 537ºC (รูปที่ ๓) ในขณะที่เฮกซะเดคเคนหรือซีเทน (hexadecane/cetane C₁₆H₃₄) มีอุณหภูมิจุดวาบไฟอยู่ที่ประมาณ 136ºC และอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองอยู่ที่ 202ºC (แต่อุณหภูมิจุดเดือดอยู่ที่ 287ºC)

ดังนั้นถ้าแก๊สมีเทนที่มีอุณหภูมิ 220ºC ที่ไหลอยู่ในท่อนั้นรั่วออกมาและยังไม่พบกับเปลวไฟหรือประกายไฟใด ๆ มันจะไม่เกิดการลุกไหม้ ในขณะที่ถ้าซีเทนที่อุณหภูมิเดียวกันนั้นรั่วไหลออกมา มันจะลุกติดไฟทันที

และค่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองตัวนี้มีบทบาทในการบ่งบอกเลขออกเทน (ของน้ำมันเบนซิน) หรือเลขซีเทน (ของน้ำมันดีเซล) โดยน้ำมันเบนซินนั้นต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองนี้สูง ในขณะที่น้ำมันดีเซลนั้นต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้เองนี้ต่ำ

ทีนี้เรากลับมาที่สัดส่วนไฮโดรเจนในเชื้อเพลิงก่อนว่ามันมีความสัมพันธ์กับเลขออกเทนหรือเลขซีเทนหรือไม่อย่างไร ในกรณีของน้ำมันเบนซินนั้น ไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่เป็นโซ่ตรงจะมีเลขออกเทนที่ต่ำกว่าไฮโดรคาร์บอนที่เป็นโซ่กิ่งแม้ว่าโมเลกุลจะมีจำนวนอะตอมคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่ากัน เช่น n-octane (C₈H₁₈) มีเลขออกเทน -20 ในขณะที่ iso-octane (C₈H₁₈ เช่นกัน) มีเลขออกเทน 100 หรือในกรณีของ n-pentane (C₅H₁₂) มีเลขออกเทน 62 ในขณะที่ 1-pentene (C₅H₁₀) มีเลขออกเทนเพียงแค่ 34 หรือในกรณีของมีเทนที่เป็นเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนที่องค์ประกอบเป็นไฮโดรเจนมากสุด ปรากฏว่ามีเลขออกเทนสูงถึง 120

ดังนั้นคำกล่าวที่ว่า "เชื้อเพลิงยิ่งมีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจนน้อยลง ยิ่งจุดระเบิดได้ยากขึ้น" จึงไม่ถูกต้อง

สารอีกกลุ่มหนึ่งที่มีเลขออกเทนสูงคือสารประกอบอะโรมาติก โมเลกุลสารเหล่านี้มีสัดส่วนไฮโดรเจนต่อคาร์บอนต่ำกว่าพวกโครงสร้างที่เป็นเส้นหรือกิ่ง ที่นำมาใช้ในน้ำมันเบนซินได้จะเป็นพวกมีจำนวนอะตอมคาร์บอนอยู่ในช่วง 7-8 อะตอม เบนซีนที่มีเป็นสารที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน 6 อะตอมจัดเป็นสารก่อมะเร็งที่อันตราย จึงถูกควบคุมปริมาณไว้ต่ำมาก ในขณะที่พวก trimethyl benzene ที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน 9 อะตอม เป็นกลุ่มที่มีจุดเดือดสูง แทบจะสูงเกินอุณหภูมิการกลั่นสูงสุดของน้ำมันเบนซินที่ใช้งานกันอยู่ จึงไม่สามารถผสมเข้าไปได้มาก

การบอกว่าที่จำนวนอะตอมคาร์บอนเท่ากัน สารประกอบอะโรมาติก (ที่เป็นพวกที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนต่อคาร์บอนต่ำ) มีเลขออกเทนสูงกว่าพวกที่มีโครงสร้างเป็นเส้นหรือกิ่งหรือวงอิ่มตัว เป็นเรื่องไม่ผิด แต่ถ้าบอกว่าถ้าลดสัดส่วนไฮโดรเจนลงแล้วจะทำให้เลขออกเทนสูงขึ้นนั้น มันไม่จริงเสมอไป

รูปที่ ๓ เลขออกเทนของเชื้อเพลิงต่าง ๆ นำมาจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Octane_rating โดยเลือกมาเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น RON คือ Research Octane Number บ้านเราใช้ตัวนี้ MON คือ Motor Octane Number แต่ในบางประเทศจะใช้เป็นค่าเฉลี่ยคือ (RON + MON)/2

ทีนี้มาลองดูกรณีของน้ำมันดีเซลบ้าง ตรงที่เขาบอกว่า "เชื้อเพลิงที่มีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจนสูง ก็ยิ่งจุดระเบิดได้ง่ายขึ้น" ขอทบทวนนิดนึงว่าสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลนั้น เมื่อฉีดน้ำมันเข้าไปเจอกับอากาศร้อนในกระบอกสูบ น้ำมันควรต้องลุกติดไฟทันที เลขซีเทนที่สูงแสดงว่าน้ำมันนั้นลุกติดไฟได้ง่ายขึ้น ข้อมูลในรูปที่ ๔ ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนอะตอมคาร์บอนของไฮโดรคาร์บอนกับเลขซีเทน สังเกตเห็นอะไรไหมครับ

รูปที่ ๔ เลขซีเทนของไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนต่าง ๆ นำมาจากบทความเรื่อง Fuels ใน Encyclopedia of Physical Science and Technology (Third Edition), 2003

ที่จำนวนอะตอมคาร์บอนเดียวกัน n-paraffins (พวกโซ่ตรง) กับ i-paraffins (พวกโซ่กิ่ง) olefins (พวกโมเลกุลเป็นเส้นแต่มีพันธะคู่ อาจมีกิ่งหรือไม่มีกิ่งก็ได้) กับ mono-cyclo-naphthenes (โครงสร้างเป็นวงไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว) จะมีจำนวนอะตอมไฮโดรเจนเท่ากัน แต่เลขซีเทนต่างกันคนละระดับเลย ดังนั้นการจะไปบอกว่าน้ำมันดีเซลที่ดีต้องเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวสูงก็ไม่ถูกต้องเสมอไป เพราะมันมีเรื่องรูปร่างโมเลกุลเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวพวกโครงสร้างเป็นเส้น (aliphatic) ที่อยู่ในน้ำมัน มันก่อปัญหาเรื่องคราบสกปรกในระบบเชื้อเพลิงได้ง่าย เพราะตำแหน่งพันธะคู่ C=C มันมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยา ยิ่งเป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง มันก็เกาะรวมกันเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น ทำให้ระบบจ่ายเชื้อเพลิงอุดตันได้ จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมปริมาณไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวในน้ำมัน วิธีการหนึ่งคือการเติมไฮโดรเจนเข้าไปที่พันธะ C=C เพื่อให้มันกลายเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว

ขอเริ่มเรื่องบทความชุดนี้ด้วยเนื้อหาเพียงแค่นี้ก่อน

การใช้แอลกอฮอล์เป็นสารเพิ่มค่าออกเทนให้กับน้ำมันเบนซิน MO Memoir : Sunday 11 October 2563

จะว่าไป เวลาอ่านบทความวิชาการหรือข้อเสนอโครงการวิจัย ส่วนที่เป็นบทนำที่ผู้เขียนพยายามแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของงานนั้น มันบอกให้เราเห็นว่าผู้เขียนนั้นมีความเข้าใจดีในงานนั้นมากเพียงใด เพราะจากประสบการณ์ที่พบว่าที่บ่อยครั้งที่พบว่าเหตุผลที่ยกมานั้นถ้าฟังดูเผิน ๆ หรือเนื่องด้วยไม่มีความรู้ทางด้านนั้น ก็สามารถทำให้ผู้ฟังนั้นเข้าไปไปว่าเหตุผลนั้นมันสมเหตุสมผลกับงานที่นำเสนอ

เลขออกเทนของน้ำมันเบนซิน (นี่คือชื่อที่บ้านเราเรียก ส่วนชื่อทางการคือ gasoline ที่บางประเทศก็เรียกว่า gas บางประเทศก็เรียกว่า petrol) เป็นตัวเลขที่บอกความสามารถในการป้องกันไม่ให้เครื่องยนต์เกิดการน็อคของเชื้อเพลิง วิธีการวัดค่านี้มีอยู่ ๒ แบบคือ Research Octane Number (RON) และ Motor Octane Number (MON) ค่า RON คือค่าที่เราเห็นกันทั่วไปตามปั๊มน้ำมันในบ้านเรา เรื่องของค่า RON และ MON นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๕๖ วันพุธที่ ๒ มกราคม ๒๕๕๖ เรื่อง "การน๊อคของเครื่องยนต์แก๊สโซลีนและสารเพิ่มเลขออกเทนของน้ำมัน"

รูปที่ ๑ โครงสร้างโมเลกุลของ n-Heptane ที่ใช้เป็นตัวอ้างอิงเลขออกเทน 0 Isooctane ที่ใช้เป็นตัวอ้างอิงเลขออกเทน 100 Ethanol ที่ใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนในน้ำมันแก๊สโซฮอล์ และ 1-Butanol ที่มีคนอ้างว่าสามารถใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนแทนเอทานอลได้

สารหลายตัวนั้นเมื่อทดสอบในรูปสารบริสุทธิ์จะมีเลขออกเทนค่าหนึ่ง แต่เมื่อนำไปผสมกับน้ำมันแล้วปรากฏว่ามันแสดงเลขออกเทนที่เปลี่ยนไป ที่เห็นก็คือมันจะแสดงเหมือนว่ามันมีเลขออกเทนสูงขึ้น เลขออกเทนที่ได้เมื่ออยู่ในรูปผสมกับน้ำมันนั้นเรียกว่า Blending Octane Number ซึ่งอาจเป็น Blending RON หรือ Blending MON ก็ขึ้นอยู่กับการทดสอบ ค่า Blending Octane Number นี้ขึ้นอยู่กับน้ำมันพื้นฐานที่นำมาผสมด้วย กล่าวคือน้ำมันพื้นฐานที่มีเลขออกเทนเท่ากัน แต่มีส่วนผสมที่แตกต่างกัน เมื่อผสมด้วยสารเพิ่มเลขออกเทนชนิดเดียวกันในสัดส่วนที่เท่ากัน น้ำมันผสมที่ได้สุดท้ายก็มีเลขออกเทนแตกต่างกันได้

ตัวอย่างเช่นค่า RON ของเอทานอลนั้นอยู่ที่ 110 ถ้าเราเอาน้ำมันเบนซินที่มีเลขออกเทน 87 มา 90 ส่วน ผสมกับเอทานอลที่มีเลขออกเทน 110 อีก 10 ส่วน ถ้าเอทานอลและน้ำมันนั้นไม่มีอันตรกิริยาระหว่างกัน เลขออกเทนของน้ำมันผสมก็ควรจะเป็น (87x 0.9) + (110 x 0.1) = 89.3 แต่เมื่อนำไปทดสอบกลับพบว่าน้ำมันเบนซินผสมที่ได้นั้นมีเลขออกเทน 91 นั่นแสดงว่าเมื่อเอทานอลผสมเข้ากับน้ำมันเบนซินนั้นเอทานอลทำตัวเสมือนว่าเป็นสารที่มีเลขออกเทนสูงขึ้นคือกลายเป็นประมาณ 127 เลขออกเทน 127 นี้คือค่า Blending Octane Number ซึ่งสำหรับเอทานอลแล้วค่านี้จะอยู่ในช่วงประมาณ 120-135 (Blending RON) ซึ่งขึ้นอยู่กับน้ำมันพื้นฐานที่นำมาผสม (รูปที่ ๒)

 

รูปที่ ๒ ตัวอย่างคุณสมบัติของเอทานอลที่นำมาใช้ผลิตแก๊สโซฮอล์ (จาก https://www.iea-amf.org/content/fuel_information/fuel_info_home/ethanol/e10/ethanol_properties)

น้ำมันแก๊สโซฮอล์ในบ้านเรามีอยู่ด้วยกัน ๓ แบบ แบบแรกมีเอทานอลผสมอยู่ 10% หรือที่เรียกว่า E10 น้ำมันแบบนี้มีทั้งชนิดออกเทน 91 และ 95 แบบที่สองมีเอทานอลผสมอยู่ 20% หรือ E20 ที่มีเฉพาะออกเทน 95 เท่านั้น และแบบที่สามมีเอทานอลเป็นหลักถึง 85% ที่เรียกว่า E85 ที่มีเฉพาะเลขออกเทน 95 เท่านั้น สำหรับน้ำมันเบนซินพื้นฐานที่จะใช้ผสมกับเอทานอลนั้น รายละเอียดแนบท้ายประกาศกรมธุรกิจพลังงานฉบับปีพ.ศ. ๒๕๖๒ กำหนดไว้สองชนิดคือ ชนิดที่มีเลขออกเทนขั้นต่ำ 87 และ 89 (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ เลขออกเทนของน้ำมันเบนซินพื้นฐานที่นำมาใช้ผลิตแก๊สโซฮอล์ในบ้านเรา

ถ้าคิดที่ส่วนผสมเอทานอล 10% และเอทานอลมี Blending Octane Number ที่ระดับ 130 การเพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันเบนซินพื้นฐานจนได้แก๊สโซฮอล์ที่มีเลขออกเทน 91 หรือ 95 ที่เราใช้กันอยู่ทั่วไปนั้นมันก็เป็นสิ่งที่ทำได้และทำกันอยู่ในปัจจุบัน

1-Butanol หรือ n-Butanol เป็น primary alcohol (คือมีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายโซ่) ที่สามารถสังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยา aldol condensation ของ acetaldehyde 2 โมเลกุล ตามด้วยปฏิกิริยา dehydration และ hydrogenation โดย acetaldehyde สามารถเตรียมได้จากปฏิกิริยา dehydrogenation หรือ oxidation ของเอทานอล (อ่านเพิ่มเติมได้จากเรื่อง "การเปลี่ยนเอทานอล (Ethanol) ไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์ (Acetaldehyde)" ในMemoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๒๔ พฤษภาคม ๒๕๖๑ และ "Aldol condensation กับ Cannizzaro reaction" ใน Memoir ฉบับวันศุกร์ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘)

บิวทานอลนั้นมีหมู่ alkyl ที่ใหญ่กว่าเอทานอล ทำให้มันผสมเข้ากับน้ำมันเบนซินได้ดีกว่าเอทานอล ทำให้มีการเสนอแนวความคิดว่าถ้าเปลี่ยนเอทานอลมาเป็นบิวทานอลก่อน (ซึ่งตัวที่ได้ก็คือ 1-Butanol) เราก็จะได้แอลกอฮอล์ที่มีเลขออกเทน 96 (รูปที่ ๔) ที่มีค่าสูงกว่าเลขออกเทนของน้ำมันเบนซินที่ใช้กันอยู่ (คือ 91 และ 95) และยังไม่มีปัญหาในการผสมเข้าเป็นเนื้อเดียวกับน้ำมันเบนซินดังเช่นเอทานอล

แนวความคิดในย่อหน้าข้างบนฟังเผิน ๆ ก็ดูดีครับ แต่ก่อนจะนำมาใช้จริงมันยังมีอีกหลายคำถามที่ต้องตอบ

ตัวอย่างเช่นค่าความดันไอของน้ำมัน (Reid Vapour Pressure - RVP) เมื่อผสม 1-Butanol ลงไปจะเป็นอย่างไรเพราะ 1-Butanol นั้นมีจุดเดือดประมาณ 117ºC ซึ่งสูงกว่าเอทานอลที่มีจุดเดือดประมาณ 78ºC อยู่มาก เอทานอลนั้นแม้ว่าจะมีจุดเดือดต่ำ แต่เมื่อผสมเข้าไปในน้ำมันแล้วกลับทำให้น้ำมันระเหยได้ยากขึ้น (เมื่อเทียบกับน้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์) ปัญหาเรื่องการระเหยยากของเอทานอลนี้เป็นที่ทราบกันมานานแล้ว (รายงานเก่าสุดที่เคยเห็นก็น่าจะราว ๆ ๕๐ ปีแล้ว)และก่อให้เกิดปัญหาในการเริ่มเดินเครื่องเครื่องยนต์ที่ใช้คาบูเรเตอร์ได้ยากเมื่อสภาพอากาศเย็น

รูปที่ ๔ คุณสมบัติของ butanol โครงสร้างต่าง ๆ เมื่อนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องยนต์เบนซิน https://www.iea-amf.org/content/fuel_information/butanol/properties

ประเด็นที่สองที่ควรต้องพิจารณาคือค่าออกเทนเมื่อนำมาผสม จากข้อมูลในตารางที่ ๔ จะเห็นว่า 1-Butanol นั้นมีค่า Blending RON เพียงแค่ประมาณ 95 เท่านั้นเอง ซึ่งตัวมันเองในสภาพสารบริสุทธิ์อาจนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์เบนซิน แต่ถ้าจะนำมาใช้เป็นสารเพิ่มค่าออกเทนน้ำมันเบนซินพื้นฐานให้สูงถึง 95 คงทำไม่ได้ แม้ว่าจะให้ถึง 91 ก็คงต้องใช้สัดส่วนที่สูงน่าดู ซึ่งจะไปส่งผลต่อค่าความร้อนของเชื้อเพลิงผสมที่ลดต่ำลงไปอีก

ประเด็นที่สามที่น่าสนใจก็คือ ถ้าเอทานอลที่จะนำมาใช้ผลิต 1-Butanol นั้นเป็นเอทานอลที่ได้จากกระบวนการหมัก (fermentaion) ถ้าเช่นนั้นทำไมไม่ผลิต 1-Butanol จากกระบวนการหมักโดยตรง ซึ่งกระบวนการดังกล่าวเป็นที่รู้จักกันมานานกว่า ๑๐๐ ปีแล้วตั้งแต่ช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๑ (Acetone-Butanol-Ethanol fermentation process) ที่อังกฤษใช้เพื่อผลิต Acetone ที่ใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับทำวัตถุระเบิด (รูปที่ ๕)

และในหมู่บรรดาไอโซเมอร์ต่าง ๆ ของบิวทานอลนั้น 1-Butanol เป็นตัวที่มีจุดเดือดสูงสุด แต่มีค่าออกเทนต่ำสุด

จากประสบการณ์ที่ผ่านมานั้น บางเหตุผลมันฟังขึ้น มันใช้ได้ และมีแค่นั้นก็พอแล้ว แต่การพยายามเพิ่มเหตุผลเยอะ ๆ ให้กับงานที่วางแผนจะทำโดยคิดว่าเพื่อให้งานมันดูดีสำหรับผู้รับฟังนั้น มันอาจเป็นการฟ้องตัวผู้ที่นำเสนอเองว่าอันที่จริงแล้วไม่ได้มีพื้นฐานเข้าใจที่มาที่ไปของงานดังกล่าวดี และการนำไปใช้งานจริงตามที่กล่าวอ้างได้ แต่ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับตัวผู้รับฟังเป็นหลักด้วย ว่ามีความรู้ในด้านนั้นเท่าใด

 

รูปที่ ๕ สิทธิบัตรการผลิต 1-Butanol จากกระบวนการหมักของ Charles Weizmann ผู้ที่ต่อมาได้กลายเป็นประธานาธิบดีคนแรกของประเทศอิสราเอล