การศึกษาแนวทางที่เหมาะสมในการใช้ก๊าซชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ดีเซลระบบเชื้อเพลิงคู่

Abstract

งานวิจัยนี้เป็นการแนวทางที่เหมาะสมในการใช้ก๊าซชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงคู่ (ใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพ) กับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็กชนิดห้องเผาไหม้ล่วงหน้า (KUBOTA RT 120) รวมไปถึงนำเสนอผลกระทบต่าง ๆ ต่อเครื่องยนต์โดยแบ่งการทดสอบเป็น 3 ส่วนคือ หนึ่งการออกแบบมิกเซอร์ผสมก๊าซชีวภาพกับอากาศเพื่อสามารถใช้ก๊าซชีวภาพเชื้อเพลิงคู่ให้กับเครื่องยนต์ได้ สองวิเคราะห์สมรรถนะของเครื่องยนต์ซึ่งแบ่งเป็น 2 ส่วนคือที่สภาวะภาระสูงสุดและที่ภาระบางส่วน และสามวิเคราะห์ผลกระทบต่อเครื่องยนต์เมื่อใช้ก๊าซชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงคู่ต่อเนื่องระยะยาว จากผลการทดสอบและวิเคราะห์ผลพบว่าสามารถใช้มิกเซอร์เป็นอุปกรณ์ผสมชีวภาพกับอากาศเพื่อเป็นเชื้อเพลิงคู่ให้กับเครื่องยนต์ทำงานตามจุดทดสอบที่กำหนดได้ ซึ่งพบว่าเมื่อใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพสามารถให้แรงบิดเบรกสูงสุดเทียบเท่ากับเมื่อใช้น้ำมันดีเซลในทุกความเร็วรอบ โดยสามารถแทนที่น้ำมันดีเซลได้ 36-95 เปอร์เซ็นต์แต่อัตราการสิ้นเปลืองพลังงานรวมจำเพาะเมื่อใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพที่แรงบิดเบรกต่ำมีค่าสูงกว่า เมื่อใช้น้ำมันดีเซล 50-93 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งผลต่างจะลดลงจนมีค่าใกล้เคียงกับการใช้ดีเซลเมื่อแรงบิดเบรกต่ำมีค่าสูงกว่า เมื่อใช้น้ำมันดีเซล 50-93 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งผลต่างจะลดลงจนมีค่าใกล้เคียงกับการใช้ดีเซลเมื่อแรงบิดเบรคมีค่าเพิ่มขึ้นจนเข้าใกล้ค่าที่แรงบิดเบรกสูงสุด และที่ความเร็วรอบ 1800 รอบต่อนาทีอัตราการสิ้นเปลืองพลังงานรวมจำเพาะเมื่อใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพมีค่าต่ำกว่าเมื่อใช้น้ำมันดีเซลเล็กน้อย ค่าอัตราส่วนสมมูลที่แรงบิดเบรกต่ำเมื่อใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพมีค่าสูงกว่าเมื่อใช้น้ำมันดีเซลประมาณ 0.2-0.3 และลดลงจนมีค่าใกล้เคียงกันที่แรงบิดเบรกสูงสุด อุณหภูมิไอเสียของเครื่องยนต์เมื่อใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพมีค่าใกล้เคียงกับเมื่อใช้น้ำมันดีเซลที่แรงบิดเบรกต่ำ และต่ำกว่าดีเซลเมื่อแรงบิดเบรกสูงขึ้น โดยต่ำกว่าประมาณ 45 เปอร์เซ็นต์ที่ภาระสูงสุดของความเร็วรอบ 1000 รอบต่อนาทีและต่ำกว่าประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ที่ภาระสูงสุดของความเร็วรอบ 2400 รอบต่อนาที อุณหภูมิน้ำมันหล่อลื่นและน้ำหล่อเย็นของเครื่องยนต์เมื่อใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพมีค่าสูงกว่า เมื่อใช้น้ำมันดีเซลประมาณ 1-3 เปอร์เซ็นต์ในทุกจุดการทำงาน จากการวิเคราะห์ผลกระทบต่อเครื่องยนต์เมื่อใช้ก๊าซชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงคู่ต่อเนื่องพบว่า ที่ภาระสูงสุดของเครื่องยนต์ ที่ความเร็วรอบ 2400 รอบต่อนาที เกิดปัญหาด้านภาระทางความร้อนก่อให้เกิดความเสียหายกับฝาสูบและลูกสูบ เนื่องจากเมื่อใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพอุณหภูมิภายในห้องเผาไหม้มีค่าสูงกว่าเมื่อใช้น้ำมันดีเซล ถึงแม้ว่าอุณหภูมิน้ำมันหล่อลื่นและน้ำหล่อเย็นจะเพิ่มขึ้นเพียง 1-3 เปอร์เซ็นต์ (1-3 องศาเซลเซียส) ก็ตาม เมื่อลดภาระลงที่ 6.7 กิโลวัตต์ ซึ่งเป็นภาระที่เครื่องยนต์สามารถทำงานต่อเนื่องได้อย่างปกติ อัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันหล่อลื่นมีค่าเพิ่มขึ้นในอัตราที่สูงซึ่งเป็นผลทำให้อุณหภูมิน้ำมันหล่อลื่นลดลงในช่วงการทดสอบการทดสอบความทนทาน เมื่อใช้น้ำมันดีเซลร่วมกับก๊าซชีวภาพพบว่ามีปริมาณโลหะในน้ำมันหล่อลื่นสูงกว่าเมื่อใช้น้ำมันดีเซล โดยเฉพาะโครเมียม (ซึ่งเป็นส่วนประกอบของแหวนลูกสูบ) และอลูมิเนียม (ซึ่งเป็นส่วนประกอบของลูกสูบ) ซึ่งสอดคล้องกับผลการชั่งน้ำหนักของชิ้นส่วนทั้งสอง สรุปคือสามารถนำก๊าซชีวภาพมาใช้เป็นเชื้อเพลิงคู่ให้กับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็กชนิดห้องเผาไหม้ล่วงหน้าได้ แต่ควรหลีกเลี่ยงช่วงการทำงานที่ภาระ 90-100 เปอร์เซ็นต์ของภาระสูงสุดที่ความเร็วรอบ 2000 และ 2400 รอบต่อนาที ซึ่งเป็นภาระที่ก่อให้เกิดความเสียหายเมื่อใช้งานต่อเนื่อง โดยมีจุดทำงานที่เหมาะสมที่สุดที่ความเร็วรอบ 1800 รอบต่อนาที เนื่องจากที่ภาระใช้งานส่วนใหญ่พบว่าความเร็วรอบ 1800 รอบต่อนาทีมีต้นทุนค่าเชื้อเพลิงต่ำที่สุดซึ่งสามารถลดลงได้ร้อยละ 42-68 เมื่อเทียบกับการใช้น้ำมันดีเซล ช