ผลกระทบของ Sulphur Content
       ในน้ำมันแก๊สโซลีนต่อรถยนต์ ที่ใช้เครื่องยนต์แบบปกติทั่วไปหรือ Stoichiometric Engine

       1.1 Stoichiometric Engine คืออะไร เครื่องยนต์แก๊สโซลีนแบบ Stoichiometric นั้นคือเครื่องยนต์แก๊สโซลีนปกติทั่วไป ที่มีกระบวนการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ตามทฤษฎีที่ว่า อัตราส่วนผสมระหว่างอากาศกับน้ำมันหรือ Air/Fuel Ratio อยู่ที่ประมาณ 15:1 หรืออากาศ 15 ส่วนต่อน้ำมัน 1 ส่วน โดยเครื่องยนต์ชนิดนี้ถูกติดตั้งในรถยนต์รุ่นปัจจุบันทั่วไปและเป็นที่คาด การณ์ว่าน่าจะยังมีใช้ต่อไปเรื่อย ๆ อย่างน้อยก็ถึงปี ค.ศ.2010 เพราะการแพร่หลายของเครื่องยนต์แบบใหม่คือ GDI นั้นยังไม่มากนัก

        1.2 ปัญหาด้านมลภาวะ การที่จะลดมลภาวะที่ออกมาจากเครื่องยนต์ชนิดนี้นั้น ปัจจุบันทางผู้ผลิตได้มีการติดตั้ง Catalyst แบบ Three-way catalytic converter (TWC) ใส่ไว้ในระบบไอเสียของรถยนต์โดย TWC จะทำงานร่วมกับ Lamda หรือ Oxygen Sensors เพื่อควบคุมปริมาณ Oxygen ที่ผ่านออกมาจากเครื่องยนต์หลังการเผาไหม้ วิธีการที่จะควบคุม Oxygen ให้ได้นั้น Sensors จะส่งข้อมูลปริมาณของ Oxygen ในระบบไอเสียผ่านไปยังกล่องควบคุมหรือ ECU เพื่อควบคุมปริมาณอากาศและน้ำมันก่อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้ โดย Catalyst ชนิดนี้ จะถูกออกแบบมาเพื่อลด CO, HC, และ NOx แต่ปัญหาที่สำคัญที่ส่ง Catalyst ค่อนข้างต่ำตอนติดเครื่องยนต์ครั้งแรก ทำให้ Catalyst ยังไม่สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพเพราะปกติแล้วตัวแปลงไอเสียนี้จะทำงานได้ดีเมื่ออุณหภูมิที่สูงเพียงพอ และอีกประการที่สำคัญ Three-way catalyst รุ่น ใหม่ ๆ ต้องการความคงที่ในด้านอุณหภูมิเพื่อที่จะทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ นั่นหมายถึงผู้ผลิตได้มีการปรับเปลี่ยนวัสดุสารประกอบตัวกรองใหม่หันมาใช้ palladium ที่มีความคงที่เรื่องอุณหภูมิในตัวมันเองสูงกว่า Platinum ที่มีการใช้อยู่เดิม จากกรณีนี้เองเป็นผลให้มีการศึกษาผลกระทบของ Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซลีนขึ้นมา เพราะว่า palladium นั้นค่อนข้างจะไวต่อผลกระทบจาก Sulphur ข้อมูลจาก ACEA ข้อมูลอ้างอิง (2) โดยหลังจากการเผาไหม้ระหว่างน้ำมันกับอากาศในห้องเผาไหม้แล้วนั้นจะมี SO2 ออกมาสู่ Catalyst ซึ่งเป็นผลทำให้ Catalyst มีการอุดตันได้

       1.3 Sulphur Content จากผลกระทบในเรื่องนี้ทำให้มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับ Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซลีน โดยปัจจุบันประเทศทางแถบยุโรป มาตรฐานข้อบังคับ EURO III นั้น Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซลีนมีปริมาณไม่เกิน 150 ppm (Part per million) และ EURO IV นั้นจะถูกกำหนดไว้ไม่ให้เกิน 50 ppm และจากผลการวิจัยของ ACEA (2) นั้น ได้มีการทดสอบโดยการใช้น้ำมันแก๊สโซลีนที่มี Sulphur Content แตกต่างกันกับรถยนต์จำนวน 50 คัน และได้ข้อสรุปที่ว่า มลภาวะลดลงเมื่อมีการใช้น้ำมันแก๊สโซลีนที่มีค่า Sulphur Content ต่ำลงมาตามรูปที่ 1 โดยจากรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าเมื่อมีการลดระดับค่า Sulphur Content ลงมาจาก 30 ถึง 1 ppm นั้นระดับของ NOx ต่ำลงถึง 13%

       และจากผลการวิจัยต่อมาที่ว่าผลของ SO2 ต่อ TWC นั้นสามารถที่จะแปรผันกลับได้ หมายถึงสามารถที่จะมีการรวมตัวกับ Oxygen และเกิดการ Oxidation เพื่อทำให้เกิดสารประกอบ Sulphate ที่ไม่มีผลต่อสิ่งแวดล้อมหลังจากที่อุณหภูมิของ TWC สูงขึ้น แต่จากการวิจัยพบว่า TWC นั้นไม่สามารถที่จะกลับมาสู่สภาพเดิมได้อย่างสมบูรณ์ โดยการวิจัยได้มีการทดลองใช้รถยนต์หนึ่งคันใช้น้ำมันที่มี Sulphur อยู่ 600 ppm และหลังจากนั้นเปลี่ยนกลับมาที่ 50 ppm และวัดปริมาณมลภาวะแล้วประสิทธิภาพของ TWC ไม่ได้กลับมาคงสภาพเดิมหลังจากใช้น้ำมันที่มี Sulphur สูงกว่ามาก่อน (รูปที่ 2)

       จากผลการวิจัยเพิ่มเติมของบริษัท Ford (ข้อมูลอ้างอิง (3)) นั้นได้กล่าวว่า เมื่อ SO2 ได้เข้ามาอุดตันใน Cells ของ Catalyst แล้วจะมีผลทำให้ Light-off time (ระยะเวลาที่ Catalyst สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพจากอุณหภูมิเริ่มต้น) นั้นมีการล่าช้าขึ้น ส่งผลถึงอุณหภูมิ Light-off สูงขึ้นตามและประสิทธิภาพของ Catalyst ลดต่ำลง โดยจากการวิจัยได้มีการสรุปไว้ว่า หลังจากที่มีการเผาไหม้ในเครื่องยนต์แก๊สโซลีนแล้ว SO2 จะทำปฏิกิริยากับส่วนประกอบที่เป็น Cells เล็ก ๆ ใน TWC และจะไม่รวมเป็นเนื้อเดียวกัน แต่อย่างไรก็ตามเมื่อเครื่องยนต์ทำงานภายใต้ส่วนผสมอากาศหนากับน้ำมันที่เบาบาง (Lean Conditions) โดยมีปริมาณ Oxygen ที่ค่อนข้างสูง Sulphur เองจะไม่ค่อยมีผลกระทบต่อ TWC มากนักเพราะปฏิกิริยาทางเคมีของ SO2 นั้น สามารถจะรวมตัวกับ Oxygen (Oxidation) เกิดเป็น SO3  ที่ตัวมันเองจะไม่รวมตัวหรืออุดตันเข้ากับส่วนประกอบจำพวกเหล็กใน TWC แต่ปัญหาที่พบคือ เมื่อเครื่องยนต์ทำงานที่ส่วนผสมของอากาศเบาบางกับปริมาณน้ำมันที่สูง (Rich Conditions) Sulphur จะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับส่วนประกอบจำพวกเหล็กใน TWC และจะทำให้เกิดการอุดตันได้ โดยอุณหภูมิที่จะทำให้ SO2 ทำปฏิกิริยากับ Oxygen (Oxidation) เกิดเป็น SO3 นั้นสูงขึ้นกว่าแบบ Lean Conditions อยู่ 100ํC และอุณหภูมิการ Oxidation จะอยู่ที่ 700ํC ส่วนที่ Lean Conditions อยู่ที่ 600ํC

       เนื่องมาจากผลการวิจัยที่ได้กล่าวไว้ในข้างต้นนั้นผลกระทบของปริมาณ Sulphur Content ที่สูงในน้ำมันแก๊สโซลีนเมื่อเทียบกับน้ำมันเชื้อเพลิงชนิดเดียวกันที่ปริมาณ Sulphur Content ค่อนข้างต่ำจนถึงไม่มีเลย ส่งผลให้มลภาวะที่ออกมาจากท่อไอเสียสูงขึ้นตาม เพราะว่า Light-off Temperature และ Time สูงขึ้นเป็นผลทำให้ HC, NOx, Co นั้น ทำปฏิกิริยากับ Oxygen ช้าลง และส่งผลถึงประสิทธิภาพที่ลดลงของ TWC ในระยะยาว

        1.4 สรุปผลกระทบจาก Sulphur Content ต่อ Three-way Catalyst กล่าวโดยสรุปจากการวิจัยในส่วนของรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์แบบปกติ (Stoichiometric Engine) ทำงานงานร่วมกับ TWC (Three-way Catalyst) นั้นถ้าน้ำมันแก๊สโซลีนมีปริมาณ Sulphur Content สูงจะทำให้เกิดมลภาวะมากขึ้นและประสิทธิภาพของ TWC เองจะลดลง แต่จากการวิจัยไม่ได้กล่าวถึง TWC จะทำให้เครื่องยนต์พังหรือเสียหายแต่อย่างใด เพียงแต่ระบุไว้ว่า ประสิทธิภาพของ TWC ต่ำลง มลภาวะมากขึ้นเท่านั้น เมื่อมีการใช้งานไปแล้วในระยะหนึ่ง

        อย่างไรก็ตามปัญหานี้ได้มีการวิจัยโดยผู้ผลิตรถยนต์และ Catalyst ที่มีความร่วมมือกันโดย

        มีการปรับปรุงเทคโนโลยีชนิดนี้ให้สามารถทำงานเต็มประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำขณะเครื่องยนต์เริ่มติด (Cold Start) เพราะปัจจัยสำคัญที่ SO2 จะมาอุดตันในส่วนประกอบของ TWC นั้นอยู่ที่ Cold Start หรือการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ โดยผู้ผลิตได้คิดค้นเทคโนโลยีต่าง ๆ เช่น มีการเพิ่มความร้อนของ TWC ขึ้นก่อนที่เครื่องยนต์จะทำงานหลังจากที่มีการบิดกุญแจเพื่อให้ Catalyst นั้นร้อนเพียงพอที่อุณหภูมิสูง เพื่อให้ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ หรือการที่ปรับตำแหน่งของ TWC ไว้ให้ใกล้กับท่อร่วมไอเสียของเครื่องยนต์มากที่สุดเพื่อที่จะได้รับความร้อน ของไอเสียเร็วที่สุด และลดการสูญเสียความร้อนที่ออกมาจากเครื่องยนต์ ส่งผลให้ TWC มีอุณหภูมิสูงขึ้นเร็วกว่าเดิมแต่ปัญหาก็อาจจะตามมาได้เพราะความร้อนที่มากเกินไปจากเครื่องยนต์ส่งผลให้ Catalyst เองมีอุณหภูมิสูงมากเกินไป แต่ปัจจุบันการทงานของ TWC ก็ทำงานร่วมกับ Lamda หรือ Oxygen Sonsors อยู่แล้ว ที่มากกว่านั้นรถยนต์บางรุ่นได้มีการติดตั้ง EGR (Exhaust Gas Recirculation) เข้าไปเพิ่มเติมด้วยเพื่อให้ TWC มี Light-off Temperature กับ Time เร็วขึ้น

        ถึงแม้ว่าในอนาคตมาตรฐานเรื่องมลภาวะและอัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงจะ เข้มงวดมากขึ้น และได้มีการคิดค้นเทคโนโลยีเครื่องยนต์แบบใหม่ขึ้นมาเพื่อรองรับจุดนี้ แต่เครื่องยนต์ที่ทำงานแบบ Stoichiometric เองก็ถูกคาดการณ์ว่าจะยังคงถูกใช้งานอยู่ต่อไปอย่างน้อย ๆ ก็ถึงปี ค.ศ.2010 หรือนานกว่านั้น และเครื่องยนต์แบบนี้ยังคงทำงานร่วมกับ TWC ต่อไป โดยรถยนต์รุ่นใหม่ที่จะมีการใช้ในปี ค.ศ.2005 ตามมาตรฐาน EURO IV นั้น ตัวอย่างเช่น Ford Ka ก็ยังคงมีการใช้เครื่องยนต์แบบเดิมและทำงานร่วมกับ TWC เช่นกัน แต่อย่างไรก็ตาม Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซล่นตามมาตรฐาน EURO IV ได้ถูกปรับลดให้ไม่เกิน 50 ppm ทั่วยุโรป และถึงแม้ว่า Sulphur Content ยังมีปริมาณสูงอยู่ก็ตาม แต่รถยนต์ที่จะถูกจำหน่ายและใช้เครื่องยนต์แบบเดิมร่วมกับ TWC ก็สามารถที่จะผ่านมาตรฐานนี้ไปได้ อย่างไรก็ตามในอนาคต Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซลีนก็คงจะถูกปรับลดลงมาอีกเพื่อการลดมลภาวะในระยะยาวและส่งผลให้ Catalyst ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพยาวนานขึ้น

       บทความโดย...เสกสม ณ นครพนม
       แผนกศึกษาและวิเคราะห์