Study of the Effects of Biofuels on the Characteristics of Ultrafine Particulate Matter from Diesel Engine integrated Unit of Partially Premixed Compression Ignition (PPCI) and the Installation of Diesel Particulate Filter (DPFs) into the exhaust line

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