“หนืด” แค่ไหน ให้เครื่องสนุก ?!

ใครที่ได้ใช้รถมานานพอ และมีความสนใจใคร่รู้ น่าจะพอมีประสบการณ์ในการเลือก “ค่าความหนืด” (VISCOSITY) ของน้ำมันเครื่องสำหรับรถของตัวเองกันมาบ้าง แน่นอนว่าถ้าเลือกผิดเกรดก็จะสามารถสร้างความเสียหายให้แก่เครื่องยนต์ชนิดกู่ไม่กลับได้ โดยขอยกตัวอย่างของผู้เขียนเป็นกรณีศึกษา

เมื่อสิบกว่าปีก่อน ผู้เขียนใช้ SUBARU IMPREZA (ซูบารุ อิมพเรซา) รหัสตัวถัง GC8 วางเครื่อง STI คอแดง 280 แรงม้า ตามสเปคแนะนำให้ใช้น้ำมันเครื่องแบบมัลทิเกรด (มีค่าความหนืดเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ขึ้นกับว่าอุณหภูมิต่ำ หรือสูง) 20W-50 นั่นคือ น้ำมันเกรดมาตรฐานที่รถในยุค 90 นิยมใช้กัน แต่ในยุค 2000 ต้นๆ น้ำมันเครื่องสังเคราะห์รุ่นล่าสุดจากบแรนด์ดัง ได้รับการโฆษณาประชาสัมพันธ์อย่างหนักทางสื่อต่างๆ โดยใช้สโลแกนชวนติดหูว่า “ดีสำหรับ…(บแรนด์ซูเพอร์คาร์อิตาเลียน)...ดีสำหรับรถคุณ” 

แน่นอนว่าผู้เขียนเองก็เป็นหนึ่งในเหยื่อโฆษณานี้ ลอจิคในสมองตอนนั้น คือ มีการพัฒนามาเป็นสิบปีแล้ว และเป็นน้ำมันเครื่องที่ดีสำหรับซูเพอร์คาร์ด้วย นั่นคงเหลือเฟือสำหรับรถเก่าๆ ของเราด้วยสิ

คลับคล้ายคลับคลาว่าเกรด หรือค่าความหนืดของน้ำมันที่เอามาเติม คือ น้ำมันเครื่องสังเคราะห์ 5W-40 หลังจากเติมแล้ว รถวิ่งใช้งานได้ตามปกติทั่วไป แต่อยู่มาคืนหนึ่งได้ขับรถกลับมาจากทางบางปะกงช่วงกลางดึกบนทางด่วนบูรพาวิถี (ถนนโล่งมาก) จึงมีโอกาสขับด้วยความเร็วประมาณ 200 กม./ชม. ซึ่งก็ไม่ได้เร็วมากสำหรับรถคันนั้น และใช้ความเร็วคงที่มาเรื่อยๆ จนใกล้ถึงโค้งใหญ่แถวบางนา รถก็เสียกำลังลงดื้อๆ พร้อมกับเสียงดัง “แต๊กๆๆๆ” เครื่องเดินสะดุดแล้วก็ดับ สุดท้ายต้องเรียกยานแม่มาขนรถไปที่อู่ 

หลังจากที่ผ่าเครื่องออกมาก็พบว่ามันมีอาการที่เรียกกันว่า “ชาฟท์ละลาย” หรือเต็มๆ คือ แผ่นแบริงปะกับรองเพลาข้อเหวี่ยงละลาย ซึ่งเป็นอาการที่ชิ้นส่วนเกิดความร้อนสูงจนเสียรูป เนื่องจากน้ำมันเครื่องทนความร้อนได้ต่ำเกินไป เรียกง่ายๆ ว่าไม่สามารถรักษาความหนืดไว้ได้ หรือ “บางเกินไป” จนเกิดการเสียดสีทำให้ความร้อนสะสมกระทั่งชิ้นส่วนไหม้ละลายติดกัน

หลังจากนั้นมา ผู้เขียนถึงได้ตระหนักถึงความสำคัญของความหนืดของน้ำมันเครื่องว่า “ห้ามซื้อน้ำมันเครื่องที่เกรดความหนืดตัวหลัง (ค่าความหนืดที่อุณหภูมิสูง) ต่ำ หรือน้อยกว่าค่าแนะนำของผู้ผลิต” เพราะนั่นคือ ดัชนีชี้วัดว่า ช่วงที่เครื่องยนต์มีการทำงานหนัก มีความร้อนสะสมเยอะ น้ำมันเครื่องจะรักษาความหนืดได้ดีเพียงใด ถ้าโรงงานแนะนำเลขตัวหลังไม่ต่ำกว่า 30 แต่คุณอยากเอาไปวิ่งความเร็วสูง ก็ให้เลือกดัชนีความหนืดเพิ่มขึ้นเป็น 40 แต่ถ้าเลือกตัวหลังต่ำกว่า ก็จะพังเหมือนรถของผู้เขียน

ส่วนเลขตัวหน้า หรือดัชนีความหนืดที่อุณหภูมิต่ำ ก็ไม่ควรซื้อเลขสูงกว่าที่โรงงานกำหนดมา เพราะในช่วงอุณหภูมิต่ำ น้ำมันเครื่องอาจหนืดเกินไป ทำให้การดูดน้ำมันไปเลี้ยงชิ้นส่วนในช่วงอุณหภูมิเครื่องยนต์ต่ำทำได้ไม่ดีนัก

จากเหตุการณ์ดังกล่าว ผู้เขียนไม่คิดจะไปซื้อน้ำมันเครื่องเองตามใจชอบอีกเลย โดยฝากให้ช่างประจำรถคันนั้นๆ เลือกใช้น้ำมันที่เหมาะสมใส่ให้แทน ซึ่งก็ไม่เคยต้องเจอปัญหาอะไร

เรื่องค่าความหนืดของน้ำมันเครื่อง โดยเฉพาะตัวเลขตัวหลังน้อย ทำให้ชวนกังวลว่าไม่ทนความร้อน ไม่ได้มีเฉพาะคนเล่นรถรุ่นเก่า เพราะในต่างประเทศ เช่น สหรัฐอเมริกา ปัญหานี้ได้เกิดขึ้นกับรถใหม่ของค่าย GM (เจเนอรัล มอเตอร์ส) โดยเกิดกับเครื่องยนต์รหัส L87 ซึ่งเป็นแบบ วี 8 สูบ ความจุ 6.2 ลิตร ที่ประจำการในรถกระบะ และเอสยูวีขนาดใหญ่อย่าง CHEVROLET SILVERADO (เชฟโรเลต์ ซิลเวอราโด), CADILLAC ESCALADE (แคลดิลแลค เอสกาเลด) และ GMC YUKON (จีเอมซี ยูคอน) ที่มีเกรดน้ำมันเครื่องแนะนำจากผู้ผลิต คือ 0W-20 !

ปัญหาที่เกิดขึ้นนับได้เกือบ 30,000 ครั้ง กับเครื่องยนต์บลอคนี้ คือ เกิดการสึกหรอของชิ้นส่วน เพลาข้อเหวี่ยง ข้อต่อของก้านสูบ ฯลฯ ซึ่งทำให้รถไม่สามารถขับเคลื่อนได้ จนถึงกับต้องเปลี่ยนเครื่องยนต์ใหม่ให้ลูกค้านับหมื่นเครื่อง ประเด็นนี้ได้รับการชี้แจงโดยยูทูเบอร์สายวิศวกรรมยานยนต์ชื่อดัง “ENGINEERING EXPLAINED” จนเกิดความกระจ่างถึงธรรมชาติของน้ำมันเครื่อง และการหล่อลื่น ไปจนถึงต้นตอของปัญหา เพื่อตอบคำถามว่า “คุณควรใช้น้ำมันเครื่องที่หนืดกว่า เพื่อความทนทานหรือไม่ ?”

วิธีการแก้ปัญหาของ GM ที่ผ่านมา คือ พวกเขาตรวจเลขเครื่องยนต์ว่า ถ้ารถที่คุณใช้เข้าข่ายต้องเปลี่ยนเครื่องยนต์ พวกเขาก็จะเปลี่ยนให้ แม้ยังไม่เสียหายในตอนนั้น หรือถ้าไม่เข้าข่ายที่ต้องเปลี่ยน ก็จะแนะนำให้เปลี่ยนน้ำมันเครื่อง จากเดิมที่แนะนำแบบมัลทิเกรด 0W-20 ไปใช้ 0W-40 แทน

ทำไมการเปลี่ยนเกรดของน้ำมันเครื่องให้ค่าความหนืดที่อุณหภูมิสูงนั้นมากขึ้นถึงแก้ปัญหานี้ได้ เราต้องเข้าใจถึงความรู้พื้นฐานของการหล่อลื่นกันก่อน ซึ่งมันมีวิชาที่ศึกษาถึงพฤติกรรมที่เกิดขึ้นของการสัมผัสกันระหว่างสองพื้นผิวสัมผัส และมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ต่อกัน เรียกว่า TRIBOLOGY (ทไรโบโลจี ) อันเป็นศาสตร์ที่จะอธิบายถึงแรงเสียดทานที่ก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานในรูปแบบต่างๆ โดยหลักการนั้นจะพูดถึง 3 เรื่อง ได้แก่

1. ความเสียดทาน (FRICTION) 2. ความสึกหรอ (WEAR) 3. การหล่อลื่น (LUBRICATION)

ความเสียดทาน แบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ คือ การเลื่อนไถล (SLIDING) กับ การกลิ้ง (ROLLING) ซึ่งการเสียดทานในเครื่องยนต์นั้นมักจะเป็นรูปแบบแรก คือ การเสียดทานแบบไถล (SLIDING FRICTION) ก่อนอื่นต้องยอมรับว่า ทางวิศวกรรมนั้นไม่มีพื้นผิวใดที่เรียบจริง แม้จะมองด้วยตาเปล่าจะเห็นว่าเรียบ แต่หากใช้กล้องที่มีกำลังขยายสูงก็จะพบว่ามันขรุขระ และบริเวณที่สัมผัสกันของ 2 วัสดุก็จะเกิดความเค้นสูง ซึ่งหากใช้กล้องขยายกำลังสูงมากก็จะเห็นเหมือนเป็นยอดเขาหันหัวชนกัน เมื่อไถลเข้า หรือออกจากกันก็จะเกิดการเสียดสี ซึ่งความสึกหรอ (WEAR) ที่เกิดขึ้นได้หลายรูปแบบ ทั้งแบบการสึกหรอแบบยึดติด (ADHESIVE WEAR) หรือการสึกหรอแบบขูดขีด (ABRASIVE WEAR) 

วิธีการลดการสึกหรอ คือ การใช้สารหล่อลื่น (LUBRICANT) ไปทำหน้าที่เป็นฟีล์มบางๆ กั้นกลางระหว่างพื้นผิวทั้งสองฝั่งให้แยกออกจากกัน ซึ่งในเครื่องยนต์เราจะเรียกสภาวะนั้นว่าเป็น ขอบเขตการหล่อลื่นด้วยฟีล์มที่เกิดจากกำลังของ ของเหลวแบบสมบูรณ์ (FULL HYDRODYNAMIC FILM) นั่นคือ ฟีล์มน้ำมันที่หนาพอจะแยกพื้นผิวของวัสดุทั้งคู่ออกจากกันโดยสิ้นเชิง

ความแตกต่างด้านการป้องกันการสึกหรอของน้ำมันเครื่องที่มีค่าความหนืดแตกต่างกัน สามารถอธิบายได้ด้วยกราฟที่มีชื่อว่า STRIBECK-HERSEY CURVE

กราฟช่วงแรกมีชื่อ การหล่อลื่นแบบ BOUNDARY LUBRICATION เป็นช่วงที่มีความสึกหรอสูง เพราะการหล่อลื่นมีน้อยมาก ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะสูงมาก ถ้าเครื่องยนต์ทำงานในช่วงนี้รับรองว่าพังแน่ๆ 

ช่วงถัดมา คือ ช่วงผสม หรือกึ่งหล่อลื่น (MIXED LUBRICATION) เป็นช่วงที่มีน้ำมันหล่อลื่นเข้ามาบ้าง แรงเสียดทานเริ่มลดน้อยลง

ขั้นสุดท้าย คือ การหล่อลื่นสมบูรณ์ด้วยชั้นฟีล์มของน้ำมันหล่อลื่น หน้าสัมผัสของวัสดุ ถูกแยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์ด้วยชั้นฟีล์ม นี่คือ สถานะที่ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ต้องการ

หากพิจารณาสมการของแกน X จะเห็นว่า เป็นสมการที่ประกอบด้วย ค่า (Z) คือ ค่าความหนืดของน้ำมันหล่อลื่น (LUBRICANT VISCOSITY)x(V) ความเร็วของการไถล (SLIDING SPEED) หารด้วย ภาระ หรือแรงดันของโหลด (LOAD PRESSURE) หรือ (P) ในกรณีนี้ หากเครื่องยนต์หมุนเร็วขึ้น (V) ความเสียดทานก็น้อยลงด้วยเช่นกัน เรียกว่าสำหรับเครื่องยนต์ ทุกเช้าตอนสตาร์ทเครื่องจะต้องผ่านกระบวนทั้ง 3 นี้เสมอ คือ ฝืดมาก ในช่วงแรก ไปจนถึงลื่นปรื้ดๆ เมื่อน้ำมันเครื่องอุ่นได้ที่

และเมื่อพิจารณาถึงค่า Z คือ ค่าความหนืดของน้ำมันหล่อลื่น เราจะต้องมาดูว่า ยิ่งดัชนีค่าความหนืดที่อุณหภูมิสูงมากขึ้น กราฟมันก็ยิ่งวิ่งไปทางขวามากขึ้น แต่ในขณะเดียวกัน ความเสียดทานก็มากขึ้นด้วยเช่นกัน

ส่วนค่า (P) ซึ่งก็คือ LOAD PRESSURE หรือกำลังที่เราใช้ ยิ่งเรากดคันเร่งน้อย กราฟก็จะไปทางขวา ถ้ากดคันเร่งหนัก มันก็จะยิ่งวิ่งย้อนกลับไปทางซ้าย

ตรงจุดนี้จะสังเกตได้ว่า หากชิ้นส่วนเราไม่เรียบสนิท และอาจจะอยู่ในขอบเขตของแบบกึ่งหล่อลื่น การทำให้ขยับเข้ามาสู่การหล่อลื่นสมบูรณ์ได้ดีขึ้น ทำได้ทั้งทำให้มันเคลื่อนที่แบบไถลให้เร็วขึ้น หรือลดกำลัง แต่ทางที่ดีที่สุด คือ การสร้างฟีล์มน้ำมันนั่นเอง และฟีล์มน้ำมันที่หนืด และหนากว่า ก็จะช่วยให้เกิดชั้นฟีล์มที่ทนทานกว่าได้ 

หากกลับมาดูที่กราฟอีกครั้ง เราจะเห็นว่า ปลายของกราฟทางด้านขวาจะเชิดขึ้น แปลว่ายิ่งความหนืดสูงขึ้น และมีการเคลื่อนที่ของกลไกเร็วขึ้น มันกลับจะยิ่งมีความเสียดทานสูงขึ้นด้วย แสดงว่าความหนืดที่สูงขึ้นไม่ได้เพิ่มการปกป้องความสึกหรอใดๆ เพราะในช่วงนั้นผิวสัมผัสได้แยกจากกันโดยสมบูรณ์ไปแล้ว ยิ่งหนืดกลับจะยิ่งสูญเสียประสิทธิภาพ เพราะก่อให้เกิดความเสียดทานมากขึ้น

สรุปว่า หากน้ำมันเครื่องที่แนะนำถูกใช้งานในโหลดที่เหมาะสม มันก็ควรจะปกป้องได้ดีตามสมควร การเพิ่มความหนืดไม่ได้ช่วยในการปกป้องใดๆ

แต่หากคุณเพิ่มภาระการทำงาน หรือ LOAD (P) เช่น การขับด้วยรอบเครื่องสูง และความเร็วสูง ตัวหาร (P) ที่สูงขึ้นก็จะผลักให้กราฟไหลไปทางด้านซ้ายของกราฟจนอาจจะเข้าไปอยู่ในช่วง “กึ่งหล่อลื่นสมบูรณ์” (MIXED LUBRICATION) ซึ่งทำให้เราต้องปรับสมการด้วยการเพิ่มค่าความหนืด (Z) ให้สูงขึ้น เพื่อช่วยให้กราฟยังคงอยู่ในช่วง ไฮโดรไดนามิค (HYDRODYNAMIC LUBRICATION) สมบูรณ์ และหากโหลดที่เราใส่ไปสูงมากๆ น้ำมันเครื่องที่ความหนืดต่ำจะถูกตัวหารที่สูงขึ้น จนผลักไปยังช่วง “กึ่งหล่อลื่นสมบูรณ์” ได้ นั่นคือ กรณีที่เกิดขึ้นกับรถของผู้เขียน เพราะภาระของเครื่องยนต์ส่งผลโดยตรงกับการหล่อลื่น

สรุปอีกครั้งว่า ถึงน้ำมันเครื่องเกรดที่ผู้ผลิตแนะนำมาจะปลอดภัย และปกป้องเครื่องยนต์ได้ดีตามสมควร แต่ถ้าคุณมีการขับขี่แบบหนักหน่วง ก็เป็นการดีที่จะเพิ่มดัชนีความหนืดที่ความร้อนสูงตามสมควร 

การที่ค่าย GM ปรับให้ผู้ใช้เปลี่ยนจากน้ำมันเครื่องเกรด 0W-20 ไปเป็น 0W-40 ก็เพราะเชื่อว่า มันจะสามารถเพิ่มความยืดหยุ่นในการใช้งาน และยังคงอยู่ในช่วงการทำงานแบบหล่อลื่นสมบูรณ์ได้ แม้จะอยู่ในช่วงโหลดเครื่องยนต์สูง หรือบรรทุกหนัก

เป็นที่น่าสนใจว่า แม้พวกเขาจะแนะนำให้ผู้ที่ซื้อรถไปแล้วเปลี่ยนไปใช้น้ำมันเครื่องเกรด 0W-40 แต่สำหรับเครื่องยนต์ใหม่ที่ติดกับรถที่ออกจากโชว์รูม พวกเขาก็ยังคงใส่น้ำมันเครื่องเกรด 0W-20 มาจากโรงงาน เหตุผลก็เพราะ มันให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำที่สุด และช่วยทำให้อัตราบริโภคเชื้อเพลิงต่ำจนผ่านเกณฑ์ของ CAFE (CORPORATE AVERAGE FUEL ECONOMY) หรือค่าเฉลี่ยการบริโภคเชื้อเพลิงขององค์กร ที่กำหนดขึ้นโดย NHTSA หรือ NATIONAL HIGHWAY TRAFFIC SAFETY ADMINISTRATION หน่วยงานที่ดูแลเรื่องมาตรฐานรถยนต์ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งจะเรียก “ค่าปรับ” จากรถทุกคันที่จำหน่ายออกไปแล้วทำตัวเลขสูงกว่าเกณฑ์ที่กำหนด