ผลกระทบของ Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซลีนต่อรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์แบบใหม่ Gasoline Direct Injection (GDI)

       1.1 หลักการทำงานของ GDI ประเด็นสำคัญที่ทำให้ผู้ผลิตรถยนต์หันมาสนใจในปัญหาของ Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซลีนนั้นอยู่ที่ว่ามาตรฐานข้อบังคับที่ระบุว่าต้องการให้ CO2 และ อัตราสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงลดต่ำลงมา ส่งผลให้เกิดการวิจัยและคิดค้นเทคโนโลยีใหม่ขึ้นในเครื่องยนต์แก๊สโซลีน โดยประเด็นหลักนั้นอยู่ที่ว่าจะทำอย่างไรให้เครื่องยนต์แก๊สโซลีนมีอัตรา สิ้นเปลืองน้ำมันที่ต่ำลงที่ได้ออกมาเพียงพอทุกรอบการทำงาน และผลจากโจทย์นี้ก็ได้ทำให้เกิดการคิดค้นเทคโนโลยีแบบใหม่ขึ้นคือ Stratified Charge Engine หรือ Gasoline Direct Injection Engine

       ปกติเครื่องยนต์แก๊สโซลีนจะมีการเผาไหม้ที่อัตราส่วนผสมของน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศ

       อย่างสมบูรณ์อยู่ที่ประมาณ 15:1 ตามทฤษฎีแบบ Stoichiometric แต่ เครื่องยนต์แบบนี้ถึงแม้ว่าจะมีการติดตั้งเทคโนโลยีแบบใหม่ที่มีการปรับ อัตราส่วนผสมของน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศที่เข้ามาตามความเร็วรอบหรือตาม ภาระการใช้งานโดยใช้อุปกรณ์อิเลคโทรนิกส์เข้ามาช่วยนั้น อัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงก็ยังไม่สามารถลดลงมาถึงขั้นที่ว่า ประหยัดแบบสุด ๆ ได้ และส่งผลให้ CO2 ก็ยังสูงอยู่แต่ไม่มากนัก โดยเครื่องยนต์แบบนี้มีการติดตั้งหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงที่ท่อร่วมไอดีแต่ละท่อหรือแบบ Multi-point Injection ทำให้น้ำมันกับอากาศผสมกันก่อนที่จะเข้าห้องเผาไหม้เรียกว่า Homogeneous Charge

        โดยเทคโนโลยีแบบใหม่คือ GDI นั้น จะปรับเปลี่ยนการติดตั้งหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงใหม่ให้เข้าไปฉีดโดยตรงที่ ห้องเผาไหม้เหมือนกับเครื่องยนต์ดีเซล และสามารถที่จะทำงานได้ในแบบ Lean Burn ในรอบการทำงานของเครื่องยนต์ที่ต่ำไม่ต้องการกำลังสูง โดยการทำงานแบบนี้ในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นมาจากศูนย์ตายล่างหรือ BDC ในจังหวะการอัด (Compression) ของเครื่องยนต์แบบ 4 จังหวะ พร้อมกับอากาศที่ถูกดูดเข้ามาในตอนแรกและใกล้จะถึงศูนย์ตายบนหรือ TDC นั่น ทำให้อุณหภูมิของอากาศร้อนถึงระดับหนึ่งแต่ต้องออกแบบให้อากาศไม่ร้อนมากจน เกิดการจุดระเบิดด้วยตัวเองหลังจากที่น้ำมันถูกฉีดเข้ามาแล้ว เพราะนั่นหมายถึงการเกิด Knock ทำให้เครื่องยนต์ เกิดความเสียหายได้ หลังจากนั้นน้ำมันจะถูกฉีดเข้าผสมกับอากาศและจุดระเบิดพร้อมกับหัวเทียนที่ มีการติดตั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่มีความเที่ยงตรงสูง โดยอัตราส่วนผสมระหว่างน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศจะอยู่ที่ประมาณ 40/50:1 นั่นคือ อากาศ 40/50 ต่อน้ำมัน 1 ส่วน ทำให้อัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงน้อยลง และมากกว่านั้น เมื่อเครื่องยนต์ต้องการกำลังที่สูงขึ้นหรือรอบการทำงานสูงขึ้น เครื่องยนต์ชนิดนี้จะถูกฉีดเข้ามาผสมกับอากาศ ตั้งแต่จังหวะการดูดของเครื่องยนต์ แต่อย่างไรก็ตามอัตราส่วนผสมระหว่างน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศก็ต่ำกว่า เครื่องยนต์แบบเดิมนั่นคือ อยู่ที่ประมาณ 24:1

       1.2 มลภาวะจาก GDI ถึงแม้ว่าเครื่องยนต์ GDI จะสามารถทำให้อัตราสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงต่ำลงมามาก แต่ผลของ NOx ก็จะสูงตามเนื่องมาจากตามหลักของการ Lean Burn นั้น จะทำให้ไอเสียจากเครื่องยนต์มี NOx ออกมาในปริมาณสูง เป็นผลทำให้ TWC แบบเดิมนั้นไม่สามารถที่จะทำให้ NOx อยู่ในปริมาณที่ต่ำกว่าที่กำหนดได้ ผลจากปัญหานี้เอง ผู้ผลิตรถยนต์จึงได้มีการคิดค้นเทคโนโลยีของ Catalyst แบบใหม่ขึ้นนั่นคือ NOx Storage Trap (NST) โดยจะทำงานร่วมกับ TWC แบบเดิมเพื่อให้ประสิทธิภาพสูงสุดในการลดมลภาวะจากไอเสียของเครื่องยนต์

       โดย NST นั้นจะมีการกัก NOx ไว้ก่อนที่ตัวมันจากไอเสียครั้งแรก แล้วหลังจากนั้นเมื่อถึง

       ค่าที่ค่าหนึ่งที่ NST จะต้องปล่อย NOx ออกไปนั้น ระบบอิเล็กทรอนิกส์จะไปปรับให้เครื่องยนต์ทำงานที่ Rich Burn นั่นคือ ให้มีปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงมากขึ้น แล้วหลังจากนั้นเมื่อไอเสียผ่านออกมาถึง NST อีกครั้งจะมีการปล่อย NOx ที่กักไว้ออกมารวมตัวกับ Oxygen เพื่อมีการ Oxidation เกิดขึ้น ทำให้อะตอมของไนโตรเจนแตกตัวออกมาเป็น N2 ที่ไม่มีผลต่อสิ่งแวดล้อม โดยมลภาวะอื่นคือ HC, CO ก็จะมีการ Oxidation เกิดขึ้นเช่นกัน ทำให้มลภาวะที่ออกมาจากไอเสียลดต่ำลง

       จากเทคโนโลยีของ NST ทำให้มีการวิเคราะห์ปัญหาผลกระทบของ Sulphur Content ที่มีอยู่ในน้ำมันแก๊สโซลีน โดยปัญหาคือ เมื่อ Sulphur มีการเผาไหม้เกิดขึ้นจะก่อให้เกิด SO2 ในไอเสียและจากผลนี้เอง เมื่อไอเสียไหลผ่าน NST ทำให้ SO2 จะไปแย่ง Nitric Oxides เข้าไปแทรกรวมตัวกันระหว่างช่อง Cells ของ NST เป็นผลทำให้ NST ไม่สามารถกัก NOx ไว้ได้ ส่งผลถึงประสิทธิภาพการทำงานของ NST ลดลง จากรูปที่ 3 (ACEA (2)) เช่นเดียวกับปัญหาของ TWC ถึงแม้ว่า SO2 จะสามารถแตกตัวได้แต่ก็จะทำได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิที่สูงเช่นกัน และจะต้องสูงกว่าอุณหภูมิของการ Oxidation ของ NOx เสีย อีก ปัญหานี้ส่งผลทางอ้อมให้มีการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงสูงขึ้น เพราะความต้องการอุณหภูมิที่เพิ่มมากกว่าเดิมจาการเผาไหม้ ทำให้น้ำมันต้องถูกฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ในปริมาณที่มากและบ่อยครั้งขึ้น เพื่อที่จะทำให้ SO2 แตกตัวเป็น Sulphate ที่ไม่มีผลต่อสภาพแวดล้อม

       จากรูปที่ 3 จะเห็นว่าแม้แต่ค่า Sulphur Content ที่ 50ppm ที่จะมีผลบังคับใช้ใน EURO IV นั้นก็ทำให้ประสิทธิภาพของ NST ที่จะลด NOx ก็ต่ำลง โดยผลจากจุดนี้จะส่งผลกระทบเช่นเดียวกันต่อมลภาวะของ HC, CO ถ้ามีการใช้ NST อย่างเดียวโดยไม่มีการผ่าน TWC มาก่อน

       1.3 น้ำมันเชื้อเพลิง VS. GDI และผลกระทบจาก Sulphur Content ถึงแม้ว่าเครื่องยนต์ GDI และ NST จะเป็นเรื่องใหม่และค่อนข้างที่จะมีผลกระทบมากต่อปริมาณ Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซลีน และในยุโรปเอง EURO IV ที่จะมีผลบังคับใช้ในวันที่ 1 มกราคม 2005 นั้น Sulphur Content ในน้ำมันเชื้อเพลิงยังอยู่ที่ปริมาณ 50ppm นั่นส่งผลโดยตรงต่อ NST ที่จะทำให้ประสิทธิภาพในการทำงานลดลง และมีการประเมินว่าเครื่องยนต์แบบนี้และ NST จะ ยังไม่มีการนำมาใช้อย่างถาวรในเร็ววันนี้ เพราะความที่ยังไม่พร้อมในเรื่องของน้ำมัน อย่างไรก็ตามในญี่ปุ่นเองนั้น ได้มีการนำเครื่องยนต์ GDI พร้อมกับ NST มาผลิตและได้มีรถยนต์แบบนี้วิ่งในถนนเป็นที่เรียบร้อย เพราะจากการที่ญี่ปุ่น สามารถผลิตน้ำมันแก๊สโซลีนที่ไม่มี Sulphur Content ผสมอยู่ ทำให้ปัญหาที่จะเกิดขึ้นกับ NST หรือ TWC นั้นแทบจะไม่มีเลยทีเดียว (ข้อมูลจาก ACEA (2)

       กล่าวโดยสรุป ในเรื่องผลกระทบของ Sulphur Content ในน้ำมันแก๊สโซลีนต่อ Catalyst

       ชนิดใหม่ที่ใช้ร่วมกับเครื่องยนต์ GDI นั้น มีผลกระทบค่อนข้างสูง เพราะประสิทธิภาพของ NST ในการลดมลภาวะจาก NOx นั้นลดลงค่อนข้างจะรวดเร็ว โดยผลจากอุณหภูมิในการแตกตัวหรือ Oxidation ของ SO2 ที่ต้องการจะสูงกว่าอุณหภูมิที่ใช้ในการ Oxidation ของ NOx เสียอีก นั่นส่งผลทำให้มีอัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงที่สูงขึ้นและประสิทธิภาพของ NST ลดต่ำลงอย่างมาก โดยที่แม้แต่ค่า Sulphur Content ที่ 50ppm ที่จะเป็นข้อบังคับของ EURO IV เองนั้นก็ไม่สามารถรองรับกับเครื่องยนต์และ Catalyst แบบใหม่นี้ได้ อย่างไรก็ตาม เป็นที่คาดการณ์กันว่า เมื่อ Sulphur Content ในน้ำมันเบนซินสามารถที่จะลดลงมาได้ต่ำมาก ๆ คือ ต่ำกว่า 10ppm หรือ เป็นศูนย์ ก็จะมีแนวโน้มเป็นไปได้ว่า เครื่องยนต์ GDI และ NST จะถูกผลิตออกมาจำหน่ายอย่างจริงจังในยุโรป เพราะในอนาคตข้อบังคับที่ว่าค่า SO2 และอัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงต้องต่ำลงมามากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบันนี้ จะถูกนำมาใช้โดยทั่วไปในยุโรป

       บทความโดย...เสกสม ณ นครพนม
       แผนกศึกษาและวิเคราะห์