การวิเคราะก๊าซไอเสียรถยนต์ [exhaust analyzer]

การวิเคราะห์ก๊าซไอเสียรถยนต์ [exhaust analyzer]

เราสามารถตรวจสอบการเผาไหม้หรือการทำงานของเครื่องยนต์ว่าสมบูรณ์หรือไม่ จากก๊าซไอเสียนี้  ซึ่งอาจจะใช้เครื่องวัดก๊าซไอเสียที่เรียกว่า Exhaust Gas Analyzers เป็นต้น   ดังนั้นการศึกษาวิเคราะห์ก๊าซไอเสียเหล่านี้สามารถทำให้เราเข้าใจระบบเผาไหม้ในเครื่องยนต์ได้มากยิ่งขึ้น

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=oIdVc1pxq70&feature=related]

คาร์บอนไดออกไซค์ (CO2) ในก๊าซไอเสีย

การเผาไหม้ของเครื่องยนต์ในอุดมคตินั้น ปริมาณคาร์บอนไดออกไซค์และไอน้ำ (H2O,Water Vapor) ที่ได้จากการเผาใหม้ในเครื่องยนต์จะต้องมีปริมาณที่สูง (ที่อัตราส่วน 14.7/1)  ในกรณีที่อัตราส่วนผสมอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิงไม่เหมาะสม การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์  หรือกลไกการทำงานของเครื่องยนต์มีปัญหาจะทำให้ปริมาณคาร์บอนไดออกไซค์ลดลง

ออกซิเจน (02) ในก๊าซไอเสีย

ที่อัตราส่วนผสมน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศตามทฤษฎี ปริมาณออกซิเจนในก๊าซไอเสียจะมีปริมาณต่ำ ถ้าอัตราส่วนผสมบางลงจะทำให้ออกซิเจนในก๊าซไอเสียมีปริมาณเพิ่มขึ้น

กราฟแสดงความสัมพันธ์ของก๊าซต่างๆ ที่อยู่ในไอเสียที่ออกจากเครื่องยนต์

ก๊าซอื่นๆที่ปล่อยออกมากับไอเสีย

• ไอน้ำ (Water Vapor-H2O)
• ซัลเฟอร์ออกไซค์ (Sulfur Dioxide-SO2) ได้มาจากการเผาไหม้น้ำมันเชื้อเพลิงเบนซินที่มีกำมะถันที่ผสมอยู่ เป็นก๊าซพิษไม่มีสี มีกลิ่นฉุน สามารถเกิดปฎิกิริยาทางเคมีเปลี่ยนรูปเป็นซัลเฟอร์ไตรออกไซค์ (SO3) เมื่อผสมกับน้ำจะกลายเป็นกรดซัลฟูริก (H2SO4)
• ไฮโดรเจน (HO) เมื่อซัลเฟอร์ทำปฎิกิริยากับไฮโดรเจนก็จะกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (Hydrogen Sulfide Gas) หรือที่เรียกว่าก๊าซไขเน่านั่นเอง
• เขม่าคาร์บอน (C) เป็นลักษณะของควันดำที่ออกจากท่อไอเสีย

สาเหตุที่ทำให้ก๊าซไอเสีย HC, CO, NOx ถูกปล่อยออกมามากกว่าปกติ

• ปริมาณไฮโดรคาร์บอน(HC) มากเกินไปเกิดจากการจุดระเบิดที่ผิดปกติ หรือเครื่องยนต์ทำงานไม่ครบสูบ
• ปริมาณคาร์บอนมอน๊อกไซค์(CO) มากเกินไปเกิดจากส่วนผสมน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศหนากว่าตามทฤษฎี
• ปริมาณไนโตรเจนออกไซค์(NOx) มากเกินไปเกิดจากอุณหภูมิการเผาไหม้ที่สูงเกินไป

สาเหตุที่ในก๊าซไอเสียมีไฮโดรคาร์บอน(HC) มากเกินไป

ก๊าซไฮโดรคาร์บอนที่มีปริมาณสูงเนื่องจากความผิดปกติในการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ (Engine misfire) ซึ่งอาจจะเกิดจากสาเหตุต่างๆ ดังนี้

• ระบบจุดระเบิดไม่ทำงาน
• ส่วนผสมน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศบางไป
  • แกนปีกผีเสื้อสึกหรอ
  • ปะเก็นไอดีรั่ว
• EGR เสีย
  • วาล์ว EGR เปิดค้าง
• สัญญาณที่เซนเซอร์ส่งให้ ECU ไม่ถูกต้อง
  • เช่นสัญญาณอุณหภูมิน้ำหล่อเย็น
• ก๊าซไอเสียรั่วออกจากวาล์วไอเสีย
• จังหวะการจุดระเบิดไม่ถูกต้อง
  • เวลาเริ่มต้นไม่ถูกต้อง
  • สัญญาณจากเซ็นเซอร์ส่งให้ ECU ไม่ถูกต้อง
• โบลว์บายที่เกิดจากการเผาไหม้มากเกินไป (โบลว์บาย คือก๊าซที่รั่วจากห้องเผาไหม้ผ่านแหวนลูกสูบลงสู่ห้องเครื่องด้านล่าง)
  • เกิดจากการสึกหรอของแหวนลูกสูบ หรือปอกสูบ
• กำลังอัดของกระบอกสูบน้อยเกินไป
• มีการสะสมของคาร์บอนเกาะที่วาล์วไอดี

สาเหตุที่ในก๊าซไอเสียมีคาร์บอนมอน๊อกไซค์(CO) มากเกินไป

ก๊าซคาร์บอนมอน๊อกไซค์ที่มีปริมาณสูงสาเหตุเกิดจากอะไรก็ตามที่ทำให้ส่วนผสมน้ำมันเชื่อเพลิงกับอากาศหนากว่าตามทฤษฎี ซึ่งอาจจะเกิดจากสาเหตุต่างๆ เช่น

• มีแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงที่หัวฉีดสูงเกินไป
• หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงรั่ว
• เกิดการฉีดขาดของไดอะแฟรมรักษาระดับแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิง
• สัญญาณที่เซนเซอร์ส่งให้ ECU ไม่ถูกต้อง เช่นสัญญาณอุณหภูมิน้ำหล่อเย็น ,สัญญาณภาระเครื่องยนต์
• ฯลฯ

สาเหตุที่ในก๊าซไอเสียมีไนโตรเจนออกไซค์(NOx) มากเกินไป

ก๊าซไนโตรเจนออกไซค์ที่มากเกินไปเกิดจากสาเหตุอะไรก็ได้ที่ทำให้อุณหภูมิการเผาไหม้สูงขึ้น  เช่น

• ปัญหาจากระบบระบายความร้อน
• ส่วนผสมอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิงบางเกินไป อาจเกิดจาก
  • ปะเก็นท่อร่วมไอดีรั่ว
  • แกนเพลาปีกผีเสื้อสึกหรอ
• ออกซิเจนเซนเซอร์ทำงานไม่ถูกต้อง
• EGR ทำงานไม่ถูกต้อง
• ระบบจุดระเบิดล่วงหน้าทำงานไม่ถูกต้อง
• มีคาร์บอนเกาะสะสมที่วาล์วไอดี

ในการวิเคราะห์ปัญหาเราจะต้องเปรียบเทียบกับสมการเคมีเกี่ยวกับการเผาไหม้ดังนี้

น้ำมันเชื้อเพลิง(ไฮโดรเจน, คาร์บอน, ซัลเฟอร์) + อากาศ(ไนโตรเจน, ออกซิเจน) = คาร์บอนไดออกไซค์ + ไอน้ำ + ออกซิเจน + คาร์บอนมอน๊อกไซค์ + ไฮโดรคาร์บอน + ออกไซค์ของไนโตรเจน + ซัลเฟอร์ออกไซค์

ไอเสียจากการเผาไหม้ตามทฤษฎี

• ไฮโดรคาร์บอน(HC) ที่วัดจากเครื่องวัดไอเสีย ก็คือน้ำมันเชื้อเพลิงที่ยังไม่ได้เผาไหม้ ที่เป็นผลมาจากการจุดระเบิดไม่ครบสูบ ค่าไฮโดรคาร์บอนก็จะสูง
• คาร์บอนมอน๊อกไซค์(CO) เป็นผลิตผลจากการเผาไหม้ นั่นคือถ้าไม่มีการเผาไหม้เกิดขึ้น ก๊าซคาร์บอนมอน๊อกไซค์ก็จะไม่ถูกสร้างขึ้น
• ไนโตรเจนออกไซค์(NOx) อะไรก็ตามที่ทำให้อุณหภูมิการเผาไหม้สูงขึ้น  ก๊าซไนโตรเจนออกไซค์ก็จะมากขึ้นด้วย การเผาไหม้ไม่ครบสูบ ก็สามารถทำให้ NOx สูงได้เนื่องจากการเพิ่มออกซิเจนในแคตตาไลติดคอนเวอร์เตอร์
• คาร์บอนไดออกไซค์(CO2)  เครื่องยนต์ที่มีการเผาไหม้อย่างมีประสิทธิภาพจะมีคาร์บอนไดออกไซค์ในไอเสียใกล้เคียงกับทฤษฎี (15.5%)
• ออกซิเจน ปริมาณก๊าซออกซิเจนในก๊าซไอเสียจะมีปริมาณต่ำถ้ามีการเผาไหม้เกิดขึ้นไม่ว่าส่วนผสมอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิงจะหนาหรือใกล้เคียงทฤษฎี แต่ปริมาณออกซิเจนจะมากถ้าส่วนผสมบางหรือไม่มีการเผาไหม้เกิดขึ้นในกระบอกสูบหรือจุดระเบิดไม่ครบสูบ

ตัวแปรอย่างอื่นที่มีผลต่อปริมาณ NOx ในก๊าซไอเสียก็คืออุปกรณ์เพิ่มเติมที่มีหน้าที่ควบคุมปริมาณ NOx ในก๊าซไอเสียนั่นคือ EGR และระบบลดก๊าซพิษ ถ้าอุปกรณ์เหล่านี้เสียก็จะทำให้ปริมาณ NOx ในก๊าซไอเสียเพิ่มขึ้น

แคตตาไลติคคอนเวอร์เตอร์แบบ 3 ทาง

สิ่งที่แตกต่างกันระหว่างก๊าซไอเสียก่อนเข้าแคตตาไลติคฯ และหลังออกจากแคตตาไลติค

ก๊าซไอเสียที่ไหลผ่านแคตตาไลติคคอนเวอร์เตอร์จะเกิดกระบวนการทางเคมีขึ้นสองอย่างคือ

1. ปฎิกิริยารีดักชั่น(Catalyst Reductioon) ก่อนอื่นเลยไนโตรเจนออกไซค์(NOx)จะแยกออกจากออกซิเจน โดยจะเกิดขึ้นเมื่อปริมาณคาร์บอนมอน๊อกไซค์(CO) มีมากเพียงพอที่จะเกิดพันธะกับออกซิเจน(O2) ปฎิกิริยาทางเคมีนี้เกิดจากการลด(reduction) ไนโตรเจนอ๊อกไซค์(NOx) ไปเป็นไนโตรเจนบริสุทธิ์ (N2) และการออกซิเดชั่นของคาร์บอนมอน๊อกไซค์(CO) เปลี่ยนรูปไปเป็นคาร์บอนไดออกไซค์ (CO2)
2. ปฎิกิริยาออกซิเดชั่น(Catalyst Oxidation) ต่อมาไฮโดรคาร์บอน(HC) และคาร์บอนมอน๊อกไซค์(CO) จะถูกเผาไหม้ต่อไปซึ่งการเผาไหม้นี้จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อปริมาณออกซิเจนมีอยู่เพียงพอที่จะทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจน(H)และคาร์บอน(C) ปฎิกิริยาเคมีนี้ทำให้เกิดออกซิเดชั่นของไฮโดรเจนและคาร์บอนเปลี่ยนรูปไปเป็นไอน้ำ(H2O) และคาร์บอนไดออกไซค์ (CO2)

เครื่องยนต์ทำงานไม่ครบสูบ(ตัวอย่าง1)

ตัวอย่าง1 จากรูปในกรณีที่เครื่องยนต์เกิดการเผาไหม้ไม่ครบสูบ จะทำให้ก๊าซไอเสียก่อนเข้าแคตตาไลติดคอนเวอร์เตอร์ มีปริมาณ HC, O2 เพิ่มขึ้น ปริมาณ CO2 ลดลง  เมื่อผ่านแคนตาไลติคฯ จะเกิดขบวนการออกซิเดชั่น ปริมาณ HC ที่มากเกินไปจะถูก oxidize ทำให้ปริมาณ HC และ O2 ลดต่ำลง ปริมาณ CO2 เพิ่มขึ้น ถ้าเราใช้เครื่องวัดก๊าซไอเสียผลที่ได้จะดูเหมือนว่าการทำงานของเครื่องยนต์เป็นปกติดี ดังนั้นเราจึงต้องพิจารณาจากก๊าซ NOx เนื่องจากมีปริมาณเพิ่มขึ้น เนื่องจากปริมาณก๊าซคาร์บอนมอน๊อกไซค์(CO) ลดลง และก๊าซออกซิเจนเพิ่มขึ้น

ส่วนผสมของไอดีหนา

กฎในการวิเคราะห์ก๊าซไอเสีย

• ถ้า CO เพิ่มขึ้น O2 จะลดลง ในทางกลับกันถ้า O2 เพิ่มขึ้น CO จะลดลง ปริมาณ CO แสดงถึงส่วนผสมที่หนา และปริมาณ O2 แสดงถึงส่วนผสมที่บาง
• ถ้า HC เพิ่มขึ้นเนื่องจากการจุดระเบิดไม่ครบสูบ (lean misfire) ปริมาณ O2 จะเพิ่มขึ้นด้วย
• CO2 จะลดลงในกรณีข้างต้น เนื่องจากส่วนผสมน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศไม่สมดุลย็ หรือไม่มีการเผาไหม้
• ปริมาณ CO ที่เพิ่มขึ้นไม่จำเป็นว่า HC จะต้องเพิ่มขึ้นตามด้วย นอกจากบริเวณเริ่มต้นของส่วนผสมหนาที่ไม่ได้เผาไหม้ปริมาณ HCจะเพิ่มขึ้น
• ในเวลาเดียวกันที่มีปริมาณ HC สูง, CO ต่ำ, และ O2 สูง แสดงว่าไม่มีการเผาไหม้และส่วนผสมบาง หรือ EGR เจือจางส่วนผสม
• ปริมาณ HC, CO, O2 สูง่ในเวลาเดียวกันแสดงว่าไม่มีการเผาไหม้ทำให้ส่วนผสมหนา