การศึกษาผลกระทบของเชื้อเพลิงชีวภาพต่อคุณลักษณะของอนุภาคฝุ่นละอองขนาดเล็กมากจากเครื่องยนต์ดีเซลที่มีระบบจุดระเบิดด้วยการอัดแบบการผสมก่อนบางส่วน และการติดตัวกรองอนุภาคมลพิษจากเครื่องยนต์ดีเซล

โครงการวิจัยนี้ต้องการศึกษาผลกระทบของเชื้อเพลิงชีวภาพ เช่น ไบโอดีเซล ที่มีต่อปริมาณของอนุภาคฝุ่น
ละอองขนาดเล็ก PM 2.5 และ UP ภายใต้สภาวะการทางานของเครื่องยนต์ดีเซลสาหรับไบโอดีเซลที่ได้มีการ
ปรับปรุงโดยการเพิ่มเทคโนโลยีการอัดแบบการผสมก่อนบางส่วน (Partially Premixed Compression Ignition,
PCCI) [8] และการใช้ระบบบาบัดไอเสียด้วยชุดกรอง Diesel particulate filter (DPF) เพื่อลดการปลดปล่อย
มลพิษและฝุ่นขนาดเล็กในระบบไอเสียของเครื่องยนต์ดีเซล และ ยกระดับมาตรฐานเครื่องยนต์และน้ามันเชื้อเพลิง
แบบไบโอดีเซล ให้สามารถเข้าสู่มาตรฐาน Euro 5 หรือสูงขึ้นไป
สาหรับการเผาไหม้แบบสันดาปภายในของเครื่องยนต์ดีเซล ก๊าซไอเสียที่ได้จากการเผาไหม้ประกอบด้วย
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ไอน้า (H2O) และ อากาศ (Air) ส่วนเกิน (ได้แก่ ออกซิเจนส่วนเกิน (O2) และ ไนโตรเจน
ส่วนเกิน (N2)) รวมถึงมลพิษ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ไฮโดรคาร์บอน (HC) ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และ
ออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) ขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์ในการเผาให้ที่เกิดขึ้นภายในห้องเครื่องยนต์ โดยทั่วไป
เครื่องยนต์ดีเซลเป็นเครื่องยนต์ที่มีระบบฉีดน้ามันเข้าสู่กระบอกสูบโดยตรง (direct injection) ทาให้สามารถเพิ่ม
สัดส่วนกาลังอัด (compression ratio) ได้ เพราะไม่เกิดการชิงจุดระเบิดก่อน (knock) ส่งผลให้มีประสิทธิภาพทาง
ความร้อนสูงกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน แต่เนื่องจากการฉีดน้ามันเข้าสู่กระบอกสูบโดยตรงทาให้พฤติกรรมการเผา
ไหม้เป็นแบบไม่ผสมมาก่อน (non-premixed combustion) ส่งผลให้บริเวณที่ส่วนผสมหนา (rich mixture) เกิด
เขม่าขึ้นเพราะออกซิเจนไม่เพียงพอ และบริเวณที่ส่วนผสมบาง (lean mixture) จะเกิด NOx ขึ้น เพราะมีอุณหภูมิ
สูงและมีจานวนอากาศมาก แผนภาพดังรูปที่ 4 [9] แสดงถึงการปล่อยไอเสียของเครื่องยนต์ชนิดต่างๆ ที่อุณหภูมิ
การเผาไหม้และค่าสัดส่วนสมมูล (equivalence ratio) ที่แตกต่งกัน ซึ่งจะเห็นได้ว่าเครื่องยนต์ดีเซลแบบดั้งเดิมมี
การปล่อย NOx เมื่ออุณหภูมิการเผาไหม้สูง และปล่อยเขม่าเมื่อมีการใช้เชื้อเพลิงส่วนผสมหนา (rich mixture)
อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ สาหรับเทคโนโลยี Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) สามารถช่วยลดข้อจากัดของการ
เผาไหม้แบบไม่ผสมมาก่อน โดยการใช้หัวฉีดหน้าลิ้นไอดี (port injector) ฉีดน้ามันเชื้อเพลิงปริมาณเล็กน้อยให้ผสม
10
กับอากาศก่อนถูกส่งเข้าไปยังกระบอกสูบ และเชื้อเพลิงหลักจะถูกฉีดเพิ่มจากหัวฉีดตรงเครื่องยนต์ ( direct
injector) โดยปริมาณของน้ามันจากหัวฉีดหน้าลิ้นไอดีต้องไม่มากเกินไปจนกระทั่งทาให้เกิดการชิงจุดระเบิดก่อน วิธี
นี้จะสามารถควบคุมปริมาณการจ่ายเชื้อเพลิงในช่วงผสมก่อนให้มีความสัมพันธ์กับการทางานของเครื่องยนต์ได้ โดย
ไม่ห่วงเรื่องของการชิงจุดระเบิดก่อนหรือไม่เกิดการจุดระเบิด นอกจากนี้ความสามารถในการควบคุมปริมาณ
เชื้อเพลิงที่ฉีดผสมก่อนได้ของเทคโนโลยี PCCI มีข้อได้เปรียบในการใช้เชื้อเพลิงได้มากกว่า 1 ชนิด เพราะมีหัวฉีด
สองชุดอิสระต่อกัน โดยมีหลายงานวิจัยที่นาเทคโนโลยี PCCI มาศึกษาโดยการใช้ก๊าซธรรมชาติร่วมด้วย [10]
นอกจากนี้การใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิง [7] โดยใช้ส่วนผสมเอทานอลร้อยละ 15 ของดีเซล (E15D) มีการรายงาน
ว่า PCCI สามารถลดการเกิดก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ร้อยละ 28 เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดตรง (direct
injection) ในกรณีที่หัวฉีดหน้าลิ้นไอดีและหัวฉีดตรงด้วยน้ามันดีเซล (diesel-diesel) และสามารถลดการเกิดก๊าซ
ไนโตรเจนออกไซด์ได้สูงสุดร้อยละ 85 เมื่อฉีดน้ามันดีเซลผสมเอทานอลทั้งสองหัวฉีด (E15D-E15D) ส่วนการเกิด
เขม่าสามารถลดการเกิดได้สูงสุดร้อยละ 34 เมื่อฉีดน้ามันแบบ E15D-E15D [8] ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์
ดัดแปลงชนิด PCCI สามารถลดปริมาณมลพิษจากไอเสียได้อย่างเห็นได้ชัด
แนวคิดในการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อลดมลพิษจากยานยนต์ประกอบด้วย 3 องค์ประกอบหลัก ได้แก่ 1.การ
พัฒนาประสิทธิภาพการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ (ดังที่กล่าวไว้แล้วในเบื้องต้น) 2. การพัฒนาคุณภาพของเชื้อเพลิง
และ 3. การพัฒนาระบบบาบัดไอเสีย (After-treatment System) ซึ่งปัจจุบันสารประกอบไฮโดรคาร์บอน และก๊าซ
คาร์บอนมอนออกไซด์จากเครื่องยนต์ถูกกาจัดได้โดยการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชั่นซึ่งเป็นกระบวนการที่ไม่ซับซ้อน
และราคาเข้าถึงได้ สาหรับก๊าซไนโตรเจนออกไซด์สามารถกาจัดได้โดยใช้อุปกรณ์ดัก (NOx traps) ส่วนเขม่าจะมีตัว
ดักจับเรียกว่า Diesel particulate filter (DPF) [11-13] แต่เทคโนโลยีข้างต้นเป็นเพียงการบาบัดมลพิษที่ปลายทาง
ไม่ได้แก้ไขในส่วนการเผาไหม้โดยตรง
ในปัจจุบันยานยนต์สาหรับโดยสารและบรรทุกที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลตามมาตรฐาน Euro 5 จะมีการติดตั้ง
อุปกรณ์กรองอนุภาคฝุ่นของไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Particulate Filter, DPF) ซึ่งจะช่วยดักเขม่าควัน
ต่าง ๆ จากการเผาไหม้ โดยเฉพาะฝุ่นละอองขนาดเล็ก (Particulate Matter) รวมถึงการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาสาหรับ
ดีเซลออกซิเดชัน (Diesel Oxidation Catalysts, DOC) ซึ่งเป็นอุปกรณ์เพื่อลดการเกิดของคาร์บอนมอนอกไซด์
(CO) และ ไฮโดรคาร์บอน (HC) สาหรับยานยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลตามมาตรฐาน Euro 6 จะต้องมีการติดตั้งชุด
ซีเล็คทีฟคะตะลิสต์รีดักชั่น (Selective Catalytic Reduction, SCR) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้สาหรับกระบวนการ
เกิดปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อลดปริมาณออกไซด์ของไนโตรเจน ร่วมกับอุปกรณ์บาบัดไอเสีย DPF, DOC ดังที่กล่าว
มาแล้ว แต่การใช้อุปกรณ์ SCR ยังมีข้อจากัดอยู่หลายด้าน เช่น ราคาที่ค่อนข้างสูง การสูญเสียประสิทธิภาพการ
ทางานที่อุณหภูมิต่า สาหรับกรณีรถยนต์ที่ใช้น้ามันดีเซลในต่างประเทศมีการส่งเสริมการติดตั้งชุด DPF ในระบบท่อ
ไอเสียที่ออกจากเครื่องดีเซล รวมถึงการใช้น้ามันทางเลือกตัวอย่างเช่น น้ามันไบโอดีเซล [14] ที่มีปริมาณออกซิเจน
ที่เยอะกว่าในน้ามันดีเซล และมีปริมาณซัลเฟอร์ที่ต่ากว่ามาตรฐาน ทาให้สามารถลดประมาณมลพิษ เขม่าและฝุ่นที่
เกิดจากการสันดาปของเครื่องยนต์ได้ [15-16]
ในการพิจารณาลักษณะของฝุ่นขนาดเล็กที่เกิดขึ้นจาการสันดาปในห้องเครื่องยนต์สามารถจาแนกเป็น
ประเภทต่างๆได้ดังนี้ (i) แบ่งตามกระบวนการเกิดฝุ่น (Nucleation Mode, เส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 5-50 nm;
Accumulation mode, เส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 30-500 nm; Coarse mode, เส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่า 1
micron) [17] (ii) แบ่งตามขนาดของฝุ่น (Coarse particles, เส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่า 10 microns; Fine
particles, เส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 2.5 microns, Ultrafine particles, เส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 100 nm;
Nanoparticles, เส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 50 nm) [17-18] นอกจากนี้ในการใช้น้ามันไบโอดีเซลนั้นมีผลต่อการ
เกิดฝุ่นขนาดเล็ก คือ ในกรณีที่น้ามันเชื้อเพลิงมีอัตราส่วนของน้ามันไบโอดีเซลที่ผสมกับน้ามันดีเซลมากขึ้น ส่งผลให้
การเกิดฝุ่นขนาดเล็กมีปริมาณลดลง [10] ถึงแม้ว่าการใช้ไบโอดีเซลสามารถลดปริมาณฝุ่นละอองขนาดเล็ก (เช่น
11
PM2.5) ในภาพรวมได้ก็ตาม แต่ปริมาณของอนุภาคฝุ่นละอองขนาดเล็กมาก (UP) นั้นมีจานวนเพิ่มมากขึ้น [15, 19-
21] สอดคล้องกับปริมาณฝุ่นที่เกิดขึ้นจากกระบวนการ Nucleation Mode ที่มีมากขึ้นแต่ปริมาณฝุ่นใน
Accumulation Mode มีจานวนลดลง [21]
นอกจากนี้ฝุ่นละอองที่เกิดจากอัตราส่วนของเชื้อเพลิงผสมระหว่างไบโอดีเซลและน้ามันดีเซลสาหรับการจุด
ระเบิดที่ไม่เหมาะสม สามารถใช้ระบบบาบัดแก๊สไอเสียที่สามารถลดปริมาณของฝุ่นลงได้ เช่น การใช้ชุด DPF เป็น
อุปกรณ์ที่ใช้บาบัดแก๊สไอเสีย ซึ่งสามารถลดปริมาณของฝุ่นละอองในภาพรวม [22] รวมถึงกระบวนการปรับปรุง
ประสิทธิภาพการทางานของเครื่องยนต์ดีเซล เช่น การปรับจังหวะของหัวฉีดในการฉีดน้ามันเชื้อเพลิงสู่ห้องเผาไหม้
ส่งผลต่อการเกิดฝุ่น ในกรณีของจังหวะการฉีดน้ามันที่อาศัยเชื้อเพลิงแบบมีการผสมก่อนบางส่วน (Premixed
Charge Compression Ignition, PCCI) นั้นสามารถลดปริมาณของฝุ่นในกระบวนการ Nucleation mode และ
Accumulation mode ลดลงได้ เมื่อเทียบกับการฉีดน้ามันเชื้อเพลิงล่วงหน้าแบบปกติ [23-24] นอกจากนี้การ
ตรวจวัดเพื่อหาความหนาแน่นและขนาดของฝุ่นขนาดเล็กมากนั้นจะสามารถทาได้โดยใช้เทคนิค Transmissions
Electron Microscopy (TEM) และ Scanning Electron Microscopy (SEM)
จากงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี PCCI ข้างต้น ยังขาดผลการศึกษาด้านปรับอัตราส่วน
และปริมาณเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าสู่กระบอกสูบด้วยหัวฉีดหน้าลิ้นไอดี ซึ่งส่วนใหญ่ยังใช้การฉีดด้วยปริมาตรเชื้อเพลิงคงที่
และในงานวิจัยบางส่วนมีการใช้เอทานอลร่วมในระบบหัวฉีด ซึ่งทาให้ไม่เหมาะกับการใช้งานจริง เพราะผู้ใช้งานต้อง
เติมเชื้อเพลิงถึง 2 ชนิด ดังนั้นเทคโนโลยี PCCI สาหรับเครื่องยนต์ดีเซลยังจาเป็นต้องทาการศึกษาวิจัยเพิ่มเติมเพื่อ
พัฒนาไปสู่การใช้งานจริง ซึ่งทางคณะวิจัยจะได้นาเอาเทคโนโลยี PCCI มาศึกษาและดัดแปลงประยุกต์ใช้งานร่วมกับ
น้ามันเชื้อเพลิงประเภทไบโอดีเซล เพื่อให้สามารถใช้งานได้กับเครื่องยนต์ดีเซลสาหรับรถยนต์บรรทุกสาหรับการ
ขนส่ง (logistic) ที่มีอัตราเพิ่มขึ้นเป็นอย่างมากในปัจจุบัน และมีเป้าหมายในการลดการใช้เชื้อเพลิงจากฟอสซิล
รวมถึงการลดมลพิษทางอากาศโดยเฉพาะฝุ่นละออง PM2.5 โดยใช้งานร่วมกับอุปกรณ์บาบัดไอเสีย DPF