การวเคราะหมลพษไอเสย (Emission Analyzer)

1. ผรบผดชอบปฏบตการ วาทรอยตรสมเกยรต หมายถมกลาง

2. รายละเอยดปฏบตการ ปฏบตการวเคราะหมลพษไอเสย (Emission Analyzer) เปนปฏบตการทท าการศกษาและตรวจวดมลพษทเกดขนจากเครองยนตสนดาปภายในดวยเครองตรวจวดกาซไอเสย โดยเครองยนตทใชในการทดสอบเปนเครองยนตประเภทจดระเบดดวยการอดหรอเครองยนตดเซล ซงท าการทดสอบกบเชอเพลงตางชนดกน (เชอเพลงทมออกซเจนเปนองคประกอบ : เอทานอล ความบรสทธต า 95%) ทความเรวรอบเครองยนตตางๆ ภายใตเงอนไขการควบคมภาระกรรม และมลพษไอเสยทท าการตรวจวดจะประกอบไปดวยออกไซดของไนโตรเจน (NOX) ไฮโดรคารบอน (HC) คารบอนมอนอกไซด (CO) และเขมาควนด า (Smoke) 3. หนงสอทใชส าหรบการเรยน W. Addy Majewski and Magdi K. Khair, “Diesel Emissions and Their Control”, 2006

John B. Heywood (1998). Internal Combustion Engine Fundamentals. Singapore: McGrawHill.

Willard W. Pulkrabek (1997). Engineering Fundamentals of Internal Combustion Engine: Pearson Education.

4. ทฤษฎและงานวจยทเกยวของ ปจจบนความตองการพลงงานมแนวโนมเพมสงขนทกๆ ป เนองจากการเพมขนของจ านวน

ประชากรน าไปสการปลดปลอยมลพษสสงแวดลอมทมากขน น ามนเชอเพลงดเซลสวนใหญจะประกอบดวยไฮโดรคารบอนประเภทตางๆ และมจ านวนอะตอมของคารบอนประมาณ 8-20 อะตอม (C8-C20) และอณหภมการเดอดอยในชวง 130 – 370 องศาเซลเซยส ทความดนบรรยากาศ มลพษไอเสยจากเครองยนตดเซลซงเกดขนในกระบวนการสนดาปของรถยนตและเครองยนตสนดาปภายในอนๆ

2

ทเปนมลพษในอากาศและถกควบคมประกอบดวยไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ออกไซดของไนโตรเจน (Oxides of Nitrogen) คารบอนมอนอกไซด (Carbon monoxide) และเขมาคว นด า (Particulate Matter/Smoke/Soot) มลพษเหลานสรางมลภาวะใหกบสงแวดลอม โดยสาเหตทท าใหเกดมลพษไอเสยคอการทเครองยนตสนดาปไมสมบรณ การแตกตวของไนโตรเจนและสงแปลกปลอมทไมพงประสงคในเชอเพลงและอากาศ มลพษเครองยนตดเซล

ไนโตรเจนออกไซด (Nitrogen Oxides, NOX) ไนโตรเจนออกไซด เปนมลพษหลกของเครองยนตดเซล ซงถกก าหนดใหเปนมลพษควบคม โดยสวนใหญจะประกอบดวยไนตรกออกไซด (Nitric Oxide, NO) ประมาณรอยละ 70 ถง 80 และไนโตรเจนไดออกไซด (Nitrogen Dioxide NO2) ประมาณรอยละ 20 เปนสารพษทเปนอนตรายตอทางเดนระบบหายใจ อกทงยงท าปฏกรยากบอากาศท าใหเกดเปนโอโซน ซงเปนสาเหตหลกท าใหเกดหมอกควน ทงนปรมาณของออกไซดของไนโตรเจน (NOX) ส าหรบเครองยนตดเซลโดยทวไปแลวอยทประมาณ 50-1000 ppm และถาก าหนดปรมาณของไนโตรเจนออกไซดในหนวยมวลตามปกตจะอยในรปอตราสวน NO2

ไนตรกออกไซด (NO) เปนแกสทไมมส ไมมกลน สามารถสงเคราะหไดโดยตรงจากไนโตรเจนและออกซเจนภายใตอณหภมและความดนสง:

N2 + O2 = 2NO – 182.4 kJ/mol (4.1)

คาความรอนทมผลเปนลบแสดงใหเหนถงปฏกรยาแบบดดกลนความรอนของไนตรกออกไซดเกดขนดงสมการท 4.1 ภายในกระบอกสบของเครองยนตทสภาวะทมอณหภมและความดนสง ทงนทสภาวะอณหภมและความดนต าการสมดลเคมแตกออกไดดงดานซายมอของสมการท 4.1 ทงน ไนโตรเจนออกไซดเกดขนจากปฏกรยากบไนโตรเจนในอากาศสวนใหญ โดยไนตรก ออกไซดเกดขนไดหลายปฏกรยาในระหวางการเผาไหมหรอสนสดการเผาไหมทนท ตวอยางเชน O + N NO + N (4.2) N + O NO +O (4.3) N +OH NO + H (4.4) ไนตรกออกไซดทเกดขนสามารถท าปฏกรยาตอเปนไนโตรเจนไดออกไซดไดดงปฏกรยาดงตอไปน

3

NO + H2O NO2 + H2 (4.5) N + O2 NO2 +O (4.6) กลไลทท าใหเกดไนโตรเจนออกไซดจากการเผาไหมสามารถแบงออกไดเปน 3 กลไก ดงน

1. การเ กด Prompt NOX เ กดจากโมเลกลของไนโตรเจนในอากาศท าปฏ ก รย ากบไฮโดรคารบอนเมอมการเผาไหม โดยจะเกดขนเมอมการเผาไหมทสวนผสมเชอเพลงทหนา

2. การเกด Fuel NOX เกดจากการเผาไหมของเชอเพลงทมสวนผสมของไนโตรเจน เชน แอมโมเนย (NH3) เปนตน แตในการเกดไนโตรเจนออกไซดจากเชอเพลงจะมปรมาณทนอยมาก

3. การเกด Thermal NOX เกดจากไนโตรเจนในอากาศเมออยในทอณหภมสงอยางหอง เผาไหมของเครองยนต บางสวนของไนโตรเจนอะตอมค (N2) จะแตกตวเปนไนโตรเจนอะตอมเดยว (N) ซงสามารถท าปฏกรยากบสารอนไดงายกวา ดงนน เมอเกดอณหภมสงจะสงผลใหมการเกดไนโตรเจนออกไซดทสงขน กลไกการเกดไนโตรเจนออกไซดตามทกลาวมาขางตนยงมปจจยอนๆ ทสงผลตอการเกดไนโตรเจนออกไซด เชน ความดน อตราสวนอากาศตอเชอเพลง เปนตน นอกจากน การเกดไนโตรเจนออกไซดภายในหองเผาไหมจะเกดขนไมเทากนดวย

ไฮโดรคารบอน (Hydrocarbons, HC) ไฮโดรคารบอน (HC) พบในสถานะแกสในไอเสยของเครองยนตดเซลทประกอบไปดวยไฮโดรคารบอนชนดตางๆ ท เกดจากน ามนเ ชอเพลงดเซลและน ามนหลอลน โดยเชอเพลงไฮโดรคารบอนมคณลกษณะทเปนคารบอนชนดโซส น ในทางตรงกนขามไฮโดรคารบอนของน ามนหลอลนประกอบไปดวยโลหะหนก ซงทวไปแลวไฮโดรคารบอนจะมสตรโครงสรางทางเคมเปน CnHm โดย n คอ จ านวนอะตอมของคารบอน และ m คอ จ านวนอะตอมของไฮโดรเจน

มาตรฐานมลพษไอเสยในเครองยนต ไฮโดรคารบอนโดยปกตแลวเกดขนจากสารประกอบของเชอเพลงทยงไมถกเผาไหมหรอมการเผาไหมไมสมบรณ สวนใหญจะเปนโมเลกลทมขนาดเลกทแตกตวจากโมเลกลขนาดใหญทถกเผาไหมแตเผาไหมไมหมด ไฮโรคารบอนทเกดขนจะแตกตางกนไปจากการเผาไหมของเชอเพลงทมสวนผสมและรปรางทแตกตางกน ส าหรบเครองยนตดเซลโดยทวไปแลวอยทประมาณ 20 ถง 300 ppm สาเหตการเผาไหมไมสมบรณของไฮโดรคารบอนมาจากหลายแหลง ดงน

4

1. ภายในหองเผาไหมทมซอกหรอชองแคบๆ ทเชอเพลงหรอไอดสามารถเขาไปอยตามซอกตางๆ เมอลกสบเคลอนทขนในจงหวะการอด ความดนในกระบอกสบจะดนใหเชอเพลงเขาไปตดตามซอกหรอชองตางๆ เมอเกดการเผาไหมเชอเพลงในสวนนจะไมเกดการเผาไหมหรอเผาไหมไมสมบรณ

2. บรเวณผนงกระบอกสบเมอเปลวไฟลามไปถงผนงสบกระบอกสบ ซงบรเวณดงกลาวมอณหภมต าเนองจากอยใกลระบบระบายความรอนจงสงผลใหเปลวไฟดบ ซงท าใหเชอเพลงบางสวนไมถกเผาไหม

3. ไฮโดรคารบอนทเกดขนจากสารหลอลนสามารถดดซบและปลอยไฮโดรคารบอนได เปนผลใหเชอเพลงไฮโดรคารบอนนนไมสามารถเผาไหมได

ไฮโดรคารบอนในไอเสยจะสงกลนและท าใหอวยวะตางๆ ในรางกายเกดการระคายเคอง อกทงยงท าปฏกรยากบอากาศเกดเปนหมอกควน

คารบอนมอนอกไซด (Carbon Monoxide, CO) คารบอนมอนอกไซด เปนกาซพษ ไมมส ไมมกลน ทเกดขนในเครองยนตทมการเผาไหมเมอมออกซเจนไมเพยงพอ ซงสงผลใหคารบอนไมสามารถท าปฏกรยาใหเกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2) ได เชอเพลงบางสวนจงไมถกเผาไหมและท าปฏกรยากบออกซเจนเปนคารบอนมอนอกไซด ส าหรบในเครองยนตดเซลทมการเผาไหมแบบเชอเพลงบาง (Lean Combustion) มกจะไมพบการปลอยคารบอนมอนอกไซดจากการเผาไหมทมากนก เนองจากมออกซเจนเพยงพอตอการเผาไหม ส าหรบเครองยนตดเซลโดยทวไปแลวอยทประมาณ 10 ถง 500 ppm ซงการเกดคารบอนมอนอกไซดสวนใหญมกเกดกบเครองยนตจดระเบดดวยประกายไฟ

เขมาควนด า (Smoke) ไอเสยของเครองยนตดเซลจะมการปลอยเขมาหรอฝ นละออง ซงกคอละอองของคารบอนทอยในสถานะของแขง เขมาทออกมาจากทอไอเสยสามารถเหนไดในรปควนทมสด าและจะมกลนไมพงประสงค เขมาจะเกดขนบรเวณทมเชอเพลงผสมหนา (Rich Combustion) ขณะเผาไหม เนองจากเชอเพลงมสวนประกอบของคารบอน ละอองคารบอนนจะมความเขมขนสงเมอเครองยนตมภาระการท างานทสงขน เปนผลมาจากเครองยนตมการฉดเชอเพลงเขาสหองเผาไหมทมากขน

5

ละอองของคารบอนเหลานเมอรวมตวเกาะกนเปนกอนคารบอนและมสถานะเปนของแขงมขนาดตงแต 10 ถง 80 นาโนเมตร แตสวนใหญเขมาในเครองยนตดเซลจะมขนาด 15 ถง 30 นาโนเมตร กอนคารบอนเหลานจะดดซบไฮโรคารบอนและสารประกอบอนๆ ไวทผวได เชอเพลงทางเลอก (ไบโอแอลกอฮอล)

รปท 4.1 เชอเพลงชวภาพ

ไบโอแอลกอฮอลหรอแอลกอฮอลชวภาพ (Bioalcohol) คอ แอลกอฮอลทผลตไดจากกระบวนการทางชวภาพ ไบโอแอลกอฮอลไดรบความสนใจในการพฒนามาเปนพลงงานทดแทน เนองจากสามารถน ามาดดแปลงหรอใชในเครองยนตไดโดยตรง เพอทดแทนน ามนเบนซนและน ามนดเซลในรปน ามนเชอเพลงผสม ซงไบโอแอลกอฮอลสามารถผลตไดจากการหมกคารโบไฮเดรต ไดแก น าตาล แปง และเซลลโลส ทมอยในพชชนดตางๆ ไดแก ซงขาวโพด ขเลอย เศษไม ชานออย รวมทงของเหลอทงประเภทแปง และน าตาลจากโรงงานอตสาหกรรมการเกษตร ซงของเหลอทงจากการเกษตรและอตสาหกรรม เพอเปนสารตงตนใหจลนทรยเปลยนเปนแอลกอฮอล ไบโอแอลกอฮอลทมความส าคญส าหรบการน ามาเปนเชอเพลงในเครองยนต ไดแก เมทานอล (Methanol) เอทานอล (Ethanol) โพรพานอล (Propanol) และบวทานอล (Butanol) โดยน าไปผสมกบน ามนเบนซนเรยกวา แกสโซฮอล (Gasohol) หรอผสมกบน ามนดเซลเรยกวา ดโซฮอล (Diesohol) นอกจากน ยงใชเปนสารเตมแตงหรอใชเปนสารเคมเพมคาออกเทนใหแกเครองยนตเปนทดแทนการใชสารตะกว อยางไรกตามไบโอแอลกอฮอลไดรบความนยมน ามาใชมากขนส าหรบเครองยนตจดระเบดดวยประกายไฟ แตในทางตรงกนขามส าหรบการน ามาใชในเครองยนตดเซลนนกลบไมไดรบความนยม เนองจากคาจ านวนซเทนทต าและปญหาดานการจดระเบดดวยการอด

6

ในปจจบนเ ชอเพลงไบโอแอลกอฮอล ทไดรบความสนใจในอตสาหกรรมยานยนต และในเครองยนตจดระเบดดวยการอดหรอเครองยนตดเซลมอย 2 ประเภท คอ ไบโอเอทานอลและ ไบโอบวทานอล โดยใชระบบเชอเพลงสองชนดส าหรบการเผาไหมรวมกนของแอลกอฮอลและ น ามนดเซล ซงวธทนยมใชคอ การฉดเชอเพลงแอลกอฮอลในบรเวณใกลกบวาลวไอดของเครองยนต และการฉดเชอเพลงทผสมระหวางแอลกอฮอลกบน ามนดเซลเขาสหองเผาไหมโดยตรง ทงนส าหรบปฏบตการนจะน ามาใชผสมกบน ามนดเซล เพอทดสอบการปลดปลอยมลพษไอเสย โดยคณสมบตทางกายภาพและทางเคมทส าคญของไบโอแอลกอฮอลทจะกลาวถงแสดงดงตารางท 4.1

ตารางท 4.1 คณสมบตของเชอเพลงไบโอแอลกอฮอล Properties Diesel Methanol Ethanol Propanol Butanol

Molecular formula CXHY CH3–OH C2H5–OH C3H7–OH C4H9–OH

Molecular weight (Kg/kmol) 190–211.7 32.04 46.07 60.09 74.12

C (%wt) 86.13 37.48 52.14 59.96 64.82

H (%wt) 13.87 12.48 13.02 13.31 13.49

O (%wt) 0 49.93 34.73 26.62 21.59

Solubility (g/L) Immiscible Miscible Miscible Miscible 77

Lubricity (μm corrected wear scar) 315 1100 1057 922 591

Cetane number 52 5 8 12 17

Self-ignition temperature (°C) 254–300 463 420 350 345

Density (kg/m3) at 15°C 835 791.3 789.4 803.7 809.7

Viscosity at 40 °C (mm/s2)

Lower heating value (MJ/Kg)

Latent heat of evaporation (kJ/kg)

Vapor pressure (mmHg)

CFPP b (°C)

Boiling point (°C)

2.72

42.49

270–375

0.4

17

180–360

0.58

19.58

1162.64

127

o51

64.7

1.13

26.83

918.42

55

o51

78.3

1.74

30.63

727.88

20

o51

97.1

2.22

33.09

581.4

7

o51

117.5

Flash point (°C) 455 11–12 17 11.7 35–37

7

5. เครองมอและอปกรณการทดสอบ 1) เครองยนตดเซล

เครองยนตจดระเบดดวยการอด (Compression Ignition Engine : CI Engine) ทใชส าหรบการทดสอบเปนเครองยนตดเซล 4 จงหวะ 4 สบ ขนาด 2.449 ลตร แบบฉดเชอเพลงตรงเขาหองเผาไหม ระบายความรอนดวยน า ดงรปท 5.1 ซงขอมลจ าเพาะของเครองยนตแสดงดงตารางท 5.1

รปท 5.1 เครองยนตส าหรบใชในการทดสอบ

ตารางท 5.1 ขอมลจ าเพาะของเครองยนต

Engine Specification

Engine model ISUZU 4JA1 Engine type 4-Stroke, 4 - Cycle, Water Cooled, Direct Injection Number of cylinder – Bore x Stroke 4 – 93.0 x 92.0 mm. (3.66 x 3.62 in.) Total piston displacement 2.449 (152.4) Compression ratio 18.4 Fuel injection timing (BTDC) 14 Degrees- Rated power 64.9 kW @4000 rpm Max.Torque 171.5 N-m @2000 rpm

8

2) ไดนาโมมเตอร ไดนาโมมเตอรทใชส าหรบการทดสอบเครองยนตเปนแบบของเหลวหรอ

ไฮดรอลคไดนาโมมเตอร โดยใชน าเปนตวสรางภาระกรรม (Water Brake) ดงรปท 5.2 มระบบการ

ท างานโดยอาศยแรงดนของน ามนไฮดรอลคหรอน าเปนตวสรางภาระกรรมใหแกเครองยนตทใช

ทดสอบ ซงมรายละเอยดดงตารางท 5.2

รปท 5.2 ไฮดรอลคไดนาโมมเตอร

ตารางท 5.2 ขอมลจ าเพาะของไฮดรอลคไดนาโมมเตอร Dynamometer

Make SAJ Group Type Hydraulic Capacity 160 HP Load Water

Load Cell

Model 614 Type M Range 300 kg

9

3) เครองวเคราะหแกสไอเสย

เครองวเคราะหแกสไอเสย (Flue Gas Analyzer) ส าหรบการทดสอบจะใช

ประกอบดวยเครองมอวด TESTO รน TESTO 350 เครองมอวด HORIBA รน MEXA - 584L เครองมอ

วดเขมา MAHA รน MDO 2 LON และเครองมอวดดชนเขมา TESTO รน TESTO 308โดยรายละเอยด

ขอมลเครองมอวดดงน

รปท 5.3 เครองวเคราะหกาซไอเสย (Flue Gas Analyzer) (ก) เครองมอวด TESTO รน TESTO 308

(ข) เครองมอวด TESTO รน TESTO 350

รปท 5.4 เครองมอวด HORIBA รน MEXA - 584L

(ก) (ข)

10

รปท 5.5 เครองมอวดเขมา MAHA รน MDO 2 LON

6. ขนตอนการทดสอบ ในการทดสอบนเปนการทดสอบสมรรถนะและตรวจวดการปลอยมลพษไอเสยของเครองยนต

โดยท าการทดสอบกบน ามนดเซล ส าหรบใชเปนน ามนเชอเพลงอางองและเปรยบเทยบผลกบการ

ทดสอบน ามนเชอเพลงชนดตางๆ ซงมขนตอนการทดสอบดงน

รปท 6.1 ผงการตดตงเครองยนต

11

1) ท าการตดเครองยนตแลวปลอยใหเครองยนตเดนเบา จนเครองยนตอยในชวงทเหมาะสมส าหรบการทดสอบ (อณหภมน ามนเครองอยทประมาณ 70 องศาเซลเซยส)

2) เรมท าการทดสอบดวยการปรบความเรวรอบของเครองยนตใหอยท 1,600 รอบตอนาท แลวปรบการจายภาระกรรมใหกบเครองยนตท 27 นวตนเมตร ซงเมอจายภาระกรรมใหกบเครองยนตความเรวรอบจะลดลง จงตองเรงปรบความเรวใหคงทตามทก าหนด

3) ท าการวดอตราการไหลของน ามนเชอเพลง ดวยการจบเวลาอตราการใชน ามนเชอเพลง โดยใชปรมาตรในการวดท 50 มลลลตร

4) ท าการตรวจวดมลพษไอเสยดวยเครองวเคราะหแกสไอเสย ณ บรเวณปลายทอไอเสยของเครองยนต (ในสวนการวดเขมาควนด าจะท าการเรงเครองยนตจนสดจ านวน 3 ครง)

5) บนทกขอมลผลการทดสอบ ไดแก อณหภมแกสไอเสย และอตราการใชน ามนเชอเพลง 6) ท าการทดสอบตามขนตอนการปฏบตท 3 ถง 7 โดยการเปลยนแปลงความเรวททดสอบเปน

1,800 , 2,000 และ 2,200 รอบตอวนาท ตามล าดบ และท าการทดสอบเชนเดยวกนนกบน ามนเชอเพลงทดสอบชนดอนๆ โดยในปฏบตการนใชเชอเพลงผสมระหวางน ามนดเซลกบ เอทานอลความบรสทธต าท 10 เปอรเซนตโดยปรมาตร (DE10)

12

เอกสารแนบทายปฏบตการ