การดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็กให้เป็นเครื่องยนต์ HCCI สำหรับใช้เชื้อเพลิง DME

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็กให้เป็นเครื่องยนต์ HCCI สำหรับใช้ DME เป็นเชื้อเพลิง โดยการดำเนินงานได้แบ่งเป็น 2 ขั้นตอนคือ ขั้นตอนที่หนึ่งเป็นการดัดแปลงเครื่องยนต์ ได้แก่ การคำนวณหาอัตราส่วนกำลังอัดที่เหมาะสม การดัดแปลงท่อทางเข้าของอากาศเพื่อลดอัตราการไหลวน (Swirl) การออกแบบห้องเผาไหม้โดยเพิ่มการไหลวนรอบแกนตั้งฉากกับแกนกระบอกสูบ (Tumble) และการติดตั้งระบบควบคุมเชื้อเพลิงก๊าซ ขั้นตอนที่สอง เป็นการศึกษาผลของอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์และอัตราส่วนสมมูลต่อการทำงานต่อสมรรถนะของเครื่องยนต์ HCCI ที่ใช้ DME เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งทำการทดสอบเครื่องยนต์บนแท่นทดสอบที่สภาวะคงตัวที่ภาระสูงสุด ด้วยความเร็วรอบคงที่ค่าต่างๆ โดยควบคุมความดันของการจ่ายเชื้อเพลิง DME ให้คงที่ ที่ทุกสภาวะการทดสอบ โดยขณะทำการทดสอบได้ทำการปรับเปลี่ยนค่าอัตราส่วนผสมที่จ่ายให้กับเครื่องยนต์ด้วยการปรับการเปิดวาล์วเข็มชนิดปรับละเอียด (Needle Valve) โดยทำการทดสอบที่อัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์ที่ 18, 13.7 และ 10.3 ตามลำดับ จากการดัดแปลงเครื่องยนต์ พบว่า ในส่วนของการดัดแปลงท่อทางเข้าของอากาศเพื่อลดอัตราการไหลวน (Swirl) โดยขยายทางเข้าของอากาศ และตัดผนังที่บังคับทิศทางการไหลวนออก สามารถลดพลังงานความร้อนที่ถูกถ่ายเทให้กับผนังห้องเผาไหม้ และการออกแบบห้องเผาไหม้โดยเพิ่มการไหลวนรอบแกนตั้งฉากกับแกนกระบอกสูบ (Tumble) โดยออกแบบปรับเปลี่ยนลักษณะหัวลูกสูบให้มีรูปทรงคล้ายกรวย ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนที่สม่ำเสมอในทุกๆตำแหน่งของห้องเผาไหม้ ส่งผลให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพการเผาไหม้ที่ดีขึ้น นอกจากนี้ในการติดตั้งระบบการจ่ายเชื้อเพลิงก๊าซ พบว่าระบบเวนทูรี่มิกเซอร์ที่มาใช้นั้น ได้ถูกออกแบบให้สามารถจ่ายเชื้อเพลิงเข้าสู่ท่อร่วมไอดีให้เหมาะสมกับความต้องการส่วนผสมระหว่าง DME กับอากาศของเครื่องยนต์ HCCI ที่พัฒนาขึ้น เมื่อพิจารณาอุณหภูมิการจุดติดเองของเชื้อเพลิง DME และความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิภายในกระบอกสูบที่เกิดจากการหมุนเครื่องยนต์โดยไม่มีการเผาไหม้กับองศาเพลาข้อเหวี่ยง (Motored Cycle) แล้ว พบว่าที่อัตราส่วนการอัด 10.3 มีความเหมาะสมที่สุด เนื่องจากที่อัตราส่วนการอัดนี้ คาดว่าจะมีองศาเริ่มต้นการจุดระเบิด ณ ตำแหน่งองศาเพลาข้อเหวี่ยงที่เหมาะสมไม่เร็วเกินไปจึงเกิดแรงดันต้านการอัดต่ำและมีอุณหภูมิภายในกระบอกสูบสูงเพียงพอที่จะชดเชยกับความร้อนที่สูญเสียไปในการถ่ายเทความร้อนไปสู่ผนังห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ จึงได้แรงบิดเบรกสูงสุด (Maximum brake torque) 520 จากการทดสอบสมรรถนะของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัด10.3 ณ สภาวะคงตัวภาระสูงสุด ที่ความเร็วคงที่ พบว่าที่ความเร็วรอบ 1300 rpm และอัตราส่วนสมมูล 0.415 ค่าแรงบิดเบรกแก้ไขมีค่าสูงสุดคือ 21.8 N.m และค่าความดันยังผลเฉลี่ยเบรกมีค่าสูงสุดคือ 387 kPa ขณะที่ความเร็วรอบ 1400 rpm และอัตราส่วนสมมูล 0.344 ค่าอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจำเพาะเบรกมีค่าต่ำสุดคือ 395 g/kW.h ค่าอัตราการสิ้นเปลืองพลังงานรวมจำเพาะมีค่าต่ำสุดคือ 11.2 MJ/kW.h และค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนมีค่าสูงสุดคือ 32 % ในส่วนของอิทธิพลจากค่าอัตราส่วนสมมูลต่อการทำงานและสมรรถนะของเครื่องยนต์ พบว่าการเพิ่มอัตราส่วนสมมูลของเชื้อเพลิง DME จะส่งผลทำให้เครื่องยนต์มีค่าแรงบิดเบรกมีค่าต่ำลง ทั้งนี้อาจเป็นผลมาจากการเพิ่มอัตราส่วนสมมูล จะทำให้องศาการจุดระเบิดเกิดขึ้นล่วงหน้าห่างจากศูนย์ตายบนมากขึ้น โดยเมื่อพิจารณาอุณหภูมิการจุดติดเองของเชื้อเพลิง DME พบว่า จะอยู่ในช่วงที่ห้องเผาไหม้มีอุณหภูมิ 235 C หรือ 502 K ซึ่งหากจังหวะการจุดระเบิดเองเกิดขึ้นเร็วเกินไป จะส่งผลให้เกิดแรงดันต้านการอัดเพิ่มขึ้น และพบว่าหากค่าอัตราส่วนสมมูลของเชื้อเพลิง DME บางมากเกินไป จะส่งผลให้จังหวะการจุดระเบิดเกิดขึ้นล่าช้าเกินไป จนส่วนใหญเกิดในจังหวะขยายตัว ทำให้เครื่องยนต์มีค่าแรงบิดเบรกมีค่าต่ำลงเช่นเดียวกัน สำหรับอิทธิพลของความเร็วรอบของเครื่องยนต์นั้น พบว่าที่อัตราส่วนสมมูลคงที่ใดๆ ที่ทุกอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์ เมื่อความเร็วรอบของเครื่องยนต์มีค่ามากขึ้น จะส่งผลให้ค่าแรงบิดเบรกมีค่าต่ำลง ผลการวิจัยสรุปได้ว่า เครื่องยนต์ DME-HCCI ที่ทำการพัฒนาขึ้นนี้ สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องทำการอุ่นไอดี สามารถทำงานได้คงที่และราบเรียบเช่นเดียวกับเครื่องยนต์ดีเซลเดิมแม้ว่ากำลังที่ได้จะลดลงตามสัดส่วนของค่าความร้อนของเชื้อเพลิง โดยไอเสียที่ปล่อยออกมาปราศจากควันดำที่ทุกสภาวะการทดสอบ ผลจากงานวิจัยนี้นอกจากจะเป็นแนวทางในการนำเครื่องยนต์ HCCI เพื่อประยุกต์ใช้งานจริงต่อไปแล้ว ยังสามารถนำผลไปประยุกต์เพื่อพัฒนาวิธีการควบคุมปริมาณเชื้อเพลิง DME ที่จ่ายให้กับเครื่องยนต์ HCCI ได้อีกด้วย