สารเติมแต่งเชื้อเพลิงสามารถลดการปล่อยมลพิษจากระบบเชื้อเพลิงได้หรือไม่

กลไกการทำงานของสารเติมแต่งเชื้อเพลิงในการลดการปล่อยมลพิษ

เส้นทางทางเคมี: สารเติมออกซิเจน สารปรับปรุงค่าเซเทน และสารเร่งปฏิกิริยาที่เปลี่ยนแปลงเคมีของการเผาไหม้

สารเติมแต่งสำหรับเชื้อเพลิงออกฤทธิ์โดยการเปลี่ยนแปลงวิธีการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงในระดับโมเลกุล ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์ที่ใช้เอทานอลจะเพิ่มออกซิเจนเข้าไปในส่วนผสมของเชื้อเพลิง ซึ่งช่วยกำจัดโมเลกุลคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรคาร์บอนที่เหลือทิ้ง ให้กลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล มีสิ่งที่เรียกว่าตัวเพิ่มค่าเซเทน (cetane boosters) เช่น EHN ที่ช่วยให้เชื้อเพลิงติดไฟได้ดีขึ้น โดยการลดช่วงเวลาการรอคอยก่อนที่การเผาไหม้จะเริ่มต้น ทำให้เครื่องยนต์ทำงานได้นุ่มนวลยิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังมีสารเติมแต่งชนิดเร่งปฏิกิริยาที่มีโลหะผสมอยู่ เช่น เซเรียมออกไซด์ ซึ่งเป็นตัวอย่างหนึ่งที่พบได้บ่อย สารเหล่านี้ช่วยให้เชื้อเพลิงเริ่มเผาไหม้ได้ง่ายขึ้น เพราะช่วยลดพลังงานกระตุ้น (activation energy) ที่นักเคมีเรียกว่า ผลลัพธ์ที่ได้คือ การเผาไหม้ที่สะอาดยิ่งขึ้น แม้อุณหภูมิภายในเครื่องยนต์จะไม่สูงมากก็ตาม กลไกทางเคมีต่างๆ เหล่านี้เกิดขึ้นภายในห้องเผาไหม้โดยตรง ช่วยลดเศษของเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ซึ่งเป็นสาเหตุของมลพิษ ส่วนผู้ผลิตส่วนใหญ่รายงานว่า การใช้สารเติมแต่งที่สูตรอย่างเหมาะสมสามารถลดการปล่อยมลพิษอันตรายได้อย่างมีนัยสำคัญ

ผลกระทบเชิงเทอร์โมไดนามิก: การลุกลามของเปลวไฟที่เร็วขึ้น ช่วงเวลาการจุดระเบิดสั้นลง และการเผาไหม้ที่สม่ำเสมอมากขึ้น

สารเติมแต่งทางเคมีบางชนิดสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ได้ โดยการปรับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับความร้อนภายในเครื่องยนต์ให้เหมาะสม เมื่อเติมสารปรับปรุงค่าเซเทน (cetane improvers) ลงในเชื้อเพลิงดีเซล จะช่วยลดระยะเวลาที่ใช้ในการจุดติดของเชื้อเพลิงหลังจากถูกฉีดเข้าไปในห้องเครื่องยนต์ได้ประมาณ 30% หรือมากกว่านั้น ซึ่งหมายความว่าเชื้อเพลิงจะติดไฟได้เร็วขึ้นทันทีที่ถูกฉีดเข้าไป ส่งผลให้เปลวไฟแพร่กระจายอย่างสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งห้องเผาไหม้ หากไม่มีสารเติมแต่งเหล่านี้ มักจะมีบริเวณในกระบอกสูบที่มีเชื้อเพลิงที่ยังไม่ได้เผาไหม้สะสมอยู่มากเกินไป ทำให้เกิดอนุภาคเล็กๆ ที่เราเรียกว่ามลพิษฝุ่นละออง (PM pollution) การควบคุมการเผาไหม้ที่ดีขึ้นยังช่วยป้องกันไม่ให้อุณหภูมิภายในสูงเกินไป ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเพราะอุณหภูมิสูงคือสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ที่เป็นอันตราย นอกจากนี้ ยังส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องยนต์ดีขึ้น ประหยัดค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิง และลดมลภาวะทางอากาศทั่วไปรวมถึงการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) พร้อมกันอีกด้วย

การจัดการมลพิษ: สารเติมแต่งช่วยยับยั้งการปล่อย CO, NOx, THC และฝุ่นละอองตั้งแต่ต้นทางอย่างไร

สารเติมแต่งเชื้อเพลิงในปัจจุบันทำงานโดยการลดการปล่อยมลพิษบางชนิดผ่านองค์ประกอบทางเคมีของมัน เมื่อสารที่มีออกซิเจนผสมเข้าไป จะช่วยลดการปล่อยคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรคาร์บอนรวม เนื่องจากช่วยให้เชื้อเพลิงเผาไหม้ได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น โดยเฉพาะในสภาวะที่มีออกซิเจนจำกัด สารเติมแต่งบางชนิดมีโลหะ เช่น เซเรียม หรือเหล็ก ซึ่งช่วยเร่งการเผาไหม้อนุภาคเขม่าในเครื่องยนต์ การวิจัยพบว่าสิ่งนี้สามารถลดการปล่อยฝุ่นละอองขนาดเล็กจากเครื่องยนต์ได้ระหว่าง 18 ถึง 31 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ สารสูตรพิเศษบางชนิดยังสามารถควบคุมอุณหภูมิการเผาไหม้ได้ ซึ่งช่วยลดระดับไนโตรเจนออกไซด์โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องยนต์ สิ่งที่ทำให้สารเติมแต่งเหล่านี้มีคุณค่าอย่างยิ่งคือ สามารถจัดการกับแหล่งกำเนิดมลพิษหลายประการพร้อมกัน ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันเพิ่มเติมก่อนที่ก๊าซไอเสียจะออกจากเครื่องยนต์ พร้อมๆ กับการเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ และช่วยให้ยานพาหนะวิ่งได้ไกลขึ้นในแต่ละถังน้ำมัน

สารเสริมที่มีออกซิเจนและการเผาไหม้ที่สะอาดขึ้นในเครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์ดีเซล

สารเสริมที่มีออกซิเจนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ โดยเพิ่มการมีออกซิเจนในผสมเชื้อเพลิง สนับสนุนการออกซิเดนที่สมบูรณ์แบบมากขึ้น และลดการปล่อยคาร์บอนโมโนออกไซด์และไฮโดรคาร์บอนที่ไม่เผาไหม

อีธานอลและผสม 1-บูธานอล: ลดการปล่อยคาร์บอนโมโนออกไซด์และไฮโดรคาร์บอนถึง 22%

อีธานอลและ 1-บูธานอลเป็นสารออกซิเจนที่มั่นคงดี เมื่อผสมกับเบนซินหรือดีเซล สามารถลดการปล่อย CO และไฮโดรคาร์บอนได้ถึง 22% (SAE 2020) เนื้อหาออกซิเจนสูงของพวกเขาสนับสนุนการเผาไหม้อย่างละเอียดมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพเผาไหม้ที่เปียกที่ออกซิเจนจํากัดอย่างอื่น ผลลัพธ์เป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่เผาไหม้บางส่วนน้อยลง

การสอดคล้องในการลด NOx และ PM ในกรณีการทํางานด้วยน้ํามันดีเซลแรงหนัก

ออกซิเจนเนตทำหน้าที่ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรคาร์บอนได้ดี แต่เมื่อพิจารณาถึงไนโตรเจนออกไซด์และอนุภาคฝุ่นละอองในช่วงที่เครื่องยนต์ดีเซลทำงานหนัก ผลลัพธ์กลับไม่ชัดเจนนัก การมีออกซิเจนมากขึ้นหมายถึงการเผาไหม้ที่ร้อนขึ้นภายในเครื่องยนต์ ซึ่งส่งผลให้การผลิต NOx เพิ่มขึ้น นักวิจัยยังสังเกตเห็นสิ่งที่น่าสนใจด้วย โดยงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Combustion and Flame เมื่อปี 2017 ระบุว่า มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของอนุภาคขนาดนาโนเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม ปริมาณเขม่าดำโดยรวมมักจะลดลง สิ่งที่กล่าวมาทั้งหมดนี้แสดงให้เห็นว่า สารมลพิษแต่ละชนิดมีพฤติกรรมแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับภาระการทำงานของเครื่องยนต์ในแต่ละช่วงเวลา

สารเติมแต่งตัวเร่งปฏิกิริยาแบบนาโนและโลหะสำหรับการควบคุมการปล่อยมลพิษขั้นสูง

อนุภาคนาโน Al2O3 และ CeO2: ลด PM จากไอเสียของเครื่องยนต์ได้ 18–31% และเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้เขม่าดำ

อนุภาคนาโนบางชนิด เช่น อลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) และเซเรียมออกไซด์ (CeO2) ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาภายในกระบอกสูบเครื่องยนต์ ช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อน และทำให้เชื้อเพลิงเผาไหม้อย่างสมบูรณ์มากขึ้น เมื่อมีการผสม CeO2 ประมาณ 50 ถึง 100 ส่วนในล้านส่วนลงในเชื้อเพลิงดีเซล งานวิจัยระบุว่า การปล่อยสารมลพิษฝุ่นอนุภาคจากเครื่องยนต์ลดลงระหว่าง 18% ถึง 31% ระดับคาร์บอนมอนอกไซด์ก็ลดลงเช่นเดียวกับสารไฮโดรคาร์บอนที่เหลือจากการเผาไหม้ ซึ่งปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนั้นน่าสนใจมาก เซเรียมจะทำงานผ่านปฏิกิริยาบนพื้นผิวและปล่อยออกซิเจนออกมาในระหว่างการเผาไหม้ สร้างโมเลกุลของออกซิเจนที่มีปฏิกิริยาแรง ซึ่งจะเข้าทำลายอนุภาคของเขม่าควัน การทำงานสองทางนี้ช่วยลดการเกิดเขม่าควันตั้งแต่ต้นทาง และยังช่วยกำจัดคราบคาร์บอนที่สะสมอยู่ภายในห้องเผาไหม้อีกด้วย ช่างเครื่องยนต์ที่ดูแลเครื่องยนต์สมัยใหม่สังเกตเห็นว่าห้องเผาไหม้มีความสะอาดมากขึ้นเมื่อใช้สารเติมแต่งเหล่านี้อย่างสม่ำเสมอ

สารประกอบเหล็กและเซเรียมในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาในเชื้อเพลิง: เพิ่มประสิทธิภาพและลดภาวะขัดแย้งระหว่าง NOx กับ PM

การเติมสารประกอบของเหล็กและเซเรียมกำลังก้าวหน้าในการแก้ปัญหาที่เรื้อรังมานานเกี่ยวกับการลดระดับการปล่อย NOx และฝุ่นละออง (PM) จากเครื่องยนต์ดีเซล สารเติมแต่งเหล่านี้ทำงานโดยการลดช่วงเวลาการจุดระเบิด และสร้างรูปแบบการเผาไหม้ที่สม่ำเสมอมากขึ้นภายในกระบอกสูบ ส่งผลให้ระดับควันลดลงอย่างมาก — การทดสอบบางครั้งแสดงถึงการลดลงประมาณ 40-45% — โดยไม่ทำให้การผลิตไนโตรเจนออกไซด์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้มีประโยชน์โดยเฉพาะคือความสามารถในการทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิการใช้งานที่กว้าง จึงยังคงทำงานได้ไม่ว่าเครื่องยนต์จะเดินเครื่องภายใต้ภาระเบาหรือพาวเวอร์เต็มที่ ซึ่งแตกต่างจากวิธีการบำบัดไอเสียแบบดั้งเดิมที่จัดการกับมลภาวะหลังจากที่เกิดขึ้นแล้วระหว่างกระบวนการเผาไหม้ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผสมในเชื้อเพลิงจะเข้าไปจัดการปัญหาตั้งแต่ต้นกระบวนการ ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่สะอาดกว่า และต้องการชิ้นส่วนควบคุมการปล่อยมลพิษโดยรวมน้อยลง

สารปรับปรุงค่าซีเทนและผลกระทบต่อการปล่อยมลพิษจากดีเซล

2-Ethylhexyl nitrate (EHN): ผลกระทบจริงต่อ CO, HC, NOx และความทึบแสงของควันจากการทดสอบ NEDC

EHN หรือ 2-เอทิลเฮกซิล ไนเตรต เป็นสารเติมแต่งที่นิยมใช้เพื่อเพิ่มเลขเซเทน (cetane number) ของน้ำมันดีเซล ซึ่งหมายความว่าช่วยให้เครื่องยนต์ดีเซลจุดระเบิดได้เร็วขึ้น เมื่อทดสอบตามมาตรฐาน NEDC เดิม พบว่าการเติม EHN ลงในน้ำมันสามารถลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรคาร์บอนได้ประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากน้ำมันถูกเผาไหม้อย่างสมบูรณ์มากขึ้น ส่วนการปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) จะขึ้นอยู่กับภาระงานของเครื่องยนต์ ที่ภาระต่ำจะเห็นการลดลงได้สูงสุดถึง 8% แต่เมื่อเครื่องยนต์ทำงานที่กำลังเต็ม อุณหภูมิจะสูงมากจนทำให้การปล่อย NOx เพิ่มขึ้นประมาณ 1.8% ข่าวดีคือระดับควันและสารมลพิษแบบฝุ่นละออง (particulate matter) มักลดลงระหว่าง 10 ถึง 20% เนื่องจากการจุดระเบิดที่ดีขึ้นทำให้การเผาไหม้สะอาดยิ่งขึ้น สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลรุ่นเก่า EHN จึงเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าในการลดการปล่อยมลพิษ โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์ที่มีราคาแพง อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ที่ได้จริงขึ้นอยู่กับการออกแบบเครื่องยนต์เฉพาะรุ่น วิธีการใช้งานในแต่ละวัน และประเภทของน้ำมันดีเซลพื้นฐานที่ใช้ผสมกับสารเติมแต่งนี้

สารเติมแต่งเชื้อเพลิงเทียบกับระบบหลังการเผา: ประสิทธิภาพ ต้นทุน และข้อจำกัดเชิงปฏิบัติ

เปรียบเทียบสารเติมแต่งเชื้อเพลิงกับเครื่องแปลงสัญญาณเชิงประจุ: การลดการปล่อยมลพิษต่อเงินที่ใช้ ความทนทาน และความท้าทายในการติดตั้งร่วมกัน

เมื่อพูดถึงการควบคุมการปล่อยมลพิษ สารเติมแต่งเชื้อเพลิงและระบบบำบัดหลังการเผาไหม้ เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยา จะใช้วิธีการที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง สารเติมแต่งเชื้อเพลิงทำงานโดยการเปลี่ยนแปลงกระบวนการเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์เอง ซึ่งไม่จำเป็นต้องดัดแปลงชิ้นส่วนกลไกของรถ มีต้นทุนเริ่มต้นค่อนข้างต่ำ และสามารถเติมลงในเชื้อเพลิงปกติได้อย่างง่ายดายโดยไม่ยุ่งยาก แต่ข้อเสียคือ สารเติมแต่งเหล่านี้จำเป็นต้องใช้อย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาประสิทธิภาพ ดังนั้นอาจทำให้ต้นทุนการดำเนินงานเพิ่มขึ้นในระยะยาว ตัวเร่งปฏิกิริยาให้สิ่งที่ต่างออกไปโดยสิ้นเชิง โดยมีอายุการใช้งานที่ยาวนานและสามารถลดก๊าซพิษ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ ออกไซด์ของไนโตรเจน และไฮโดรคาร์บอน ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ก็มีข้อเสียเช่นกัน เนื่องจากระบบเหล่านี้มีค่าติดตั้งสูง ต้องใช้พื้นที่ในตัวรถพอสมควร และต้องการการตรวจสอบบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ โดยทั่วไปแล้ว การพิจารณาต้นทุนต่อลิตรมักบ่งชี้ว่า สารเติมแต่งเหมาะสมกว่าสำหรับกองยานพาหนะขนาดเล็ก หรือเมื่อต้องจัดการกับเครื่องยนต์หลายประเภท ในทางกลับกัน ระบบบำบัดหลังการเผาไหม้มักให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าในสถานการณ์ที่ยานพาหนะต้องทำงานต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน ส่วนใหญ่แล้ว บริษัทต่างๆ มักอยู่ในจุดกึ่งกลางระหว่างสองวิธีนี้ โดยมักใช้ทั้งสองวิธีร่วมกันเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดภายใต้สถานการณ์เฉพาะของตนเอง

ส่วน FAQ

สารเติมแต่งเชื้อเพลิงคืออะไร และทำงานอย่างไรในการลดการปล่อยมลพิษ

สารเติมแต่งเชื้อเพลิงคือสารที่เติมลงในน้ำมันเบนซินหรือน้ำมันดีเซลเพื่อเปลี่ยนแปลงกระบวนการเผาไหม้และปรับปรุงสมรรถนะของเครื่องยนต์ สารเหล่านี้ช่วยลดการปล่อยมลพิษโดยการเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง ส่งเสริมการออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ และลดมลสารอันตรายตั้งแต่ต้นทาง เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO), ออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx), ไฮโดรคาร์บอนรวม (THC) และฝุ่นละออง

สารเติมแต่งเชื้อเพลิงสามารถแทนที่เครื่องกำจัดมลพิษ (catalytic converters) ได้หรือไม่

ถึงแม้ว่าสารเติมแต่งเชื้อเพลิงจะเป็นวิธีที่สะดวกในการลดการปล่อยมลพิษโดยตรงภายในเครื่องยนต์ แต่อาจไม่สามารถแทนที่เครื่องกำจัดมลพิษได้อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากเครื่องกำจัดมลพิษถูกออกแบบมาเพื่อลดความเข้มข้นของก๊าซเสียเพิ่มเติมก่อนที่จะปล่อยออกจากตัวรถ

สารปรับปรุงค่าเซเทนทำงานอย่างไรในเครื่องยนต์ดีเซล

สารปรับปรุงค่าเซเทน เช่น 2-เอทิลเฮกซิล ไนเตรต (EHN) จะช่วยเพิ่มคุณภาพการจุดระเบิดของน้ำมันดีเซล ทำให้เชื้อเพลิงจุดติดได้เร็วขึ้นทันทีที่ถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้ จึงช่วยลดช่วงเวลาหน่วงและปรับปรุงความสม่ำเสมอของการเผาไหม้

การใช้สารเติมแต่งที่มีออกซิเจนเป็นส่วนประกอบมีข้อเสียหรือไม่

สารเติมแต่งที่มีออกซิเจนช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรคาร์บอนอย่างมีนัยสำคัญ แต่อาจทำให้เกิดการผลิตไนโตรเจนออกไซด์เพิ่มขึ้นในการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลภายใต้ภาระสูง เนื่องจากอุณหภูมิการเผาไหม้ที่สูงขึ้น