ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับน้ำมันพื้นฐาน: คุณภาพควรเริ่มต้นที่พื้นฐาน

การหล่อลื่นมีมาตั้งแต่การประดิษฐ์ล้อ รถลากม้าที่มีเพลาไม้จะใช้จาระบีเนื้อน้ำมันสนและไขมันสัตว์ในรูปแบบต่างๆ เป็นน้ำมันหล่อลื่น ต่อมาจึงใช้น้ำมันลินซีด (Linseed oil) เดิมเป็นไม้ที่ใช้ในการถนอมอาหารถูกเปลี่ยนมาใช้เป็นสารหล่อลื่นหลักในช่วงสั้นๆ

ระบบการเผาไหม้ในยุคแรกๆ ใช้ผลิตภัณฑ์ที่สกัดจากน้ำมันดิบซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของน้ำมันพื้นฐานยุคใหม่ เนื่องจากเครื่องยนต์ IC มีความซับซ้อนมากขึ้นและทำงานด้วยความเร็วและอุณหภูมิที่สูงขึ้น จึงจำเป็นต้องมีการหล่อลื่นที่ดีขึ้นเพื่อให้รองรับกับเครื่องยนต์รุ่นใหม่ๆ ดังนั้นจึงมีการเติมสารเพิ่มคุณภาพลงไปในน้ำมันพื้นฐาน การผสมผสานนี้ช่วยเพิ่มความหนืดและปกป้องเครื่องยนต์จากการสึกหรอ การเสียดสี และป้องกันการกัดกร่อนได้ดียิ่งขึ้น ในรถยนต์รุ่นใหม่ๆ น้ำมันพื้นฐานยังคงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหลักเพื่อให้เครื่องยนต์มีสมรรถนะที่ดีขึ้น ในผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจะมีน้ำมันพื้นฐานอยู่ถึง 70-80% ขณะที่ส่วนที่เหลือเป็นสารเพิ่มคุณภาพ (10%-20%) และยังมีสารเพิ่มคุณภาพค่าดัชนีความหนืด ซึ่งช่วยให้ความหนืดยังคงอยู่ในเกณฑ์ที่กำหนดเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โดยใช้เป็นส่วนประกอบหนึ่งของน้ำมันเครื่องที่เหลือพร้อมกับสารยับยั้งอื่นๆ ที่เติมลงไป  

ในปัจจุบันเราผลิตน้ำมันพื้นฐานโดยการกลั่นจากน้ำมันดิบ ผลผลิตน้อยกว่าร้อยละ 1 จากน้ำมันดิบ ต่อขนาดถัง 42 แกลลอนบาร์เรล ถูกนำไปใช้ในการผลิตน้ำมันหล่อลื่น ส่วนที่เหลือกลายเป็นน้ำมันเบนซิน ดีเซล และเชื้อเพลิงพวกน้ำมันก๊าซ (kerosene) ที่ใช้กับเครื่องบินเจ็ท

สถาบันปิโตรเลียมแห่งอเมริกาจำแนกน้ำมันพื้นฐานออกเป็น 5 กลุ่ม (I-V) โดยอ้างอิงจากกระบวนการผลิต

น้ำมันกลุ่ม II มีความแตกต่างจากกลุ่ม I ที่ผ่านกระบวนการกลั่นน้อยกว่าเนื่องจากมีความบริสุทธิ์สูงกว่า มีสารกำมะถัน ไนโตรเจน และสารประกอบ

อะโรเมติก ในระดับที่ต่ำ มีความทนทานต่อการเกิดออกซิเดชันที่ดีกว่า น้ำมันพื้นฐานบริสิทธิ์กลุ่ม II มีความใสเหมือนน้ำแต่มีสารเพิ่มคุณภาพที่ทำให้น้ำมันเครื่องสำเร็จรูปมีสีเข้มขึ้น น้ำมันกลุ่ม I ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการน้ำมันพื้นฐานระดับพรีเมี่ยมและมีการใช้งานที่ลดลงเรื่อยๆ น้ำมันกลุ่ม II สามารถใช้ทดแทนการใช้งานของน้ำมันกลุ่ม I ได้หลายประเภท โดยทั่วไปแล้วน้ำมันพื้นฐานในกลุ่มเหล่านี้ (ทั้ง I และ II) จะเรียกว่า“ น้ำมันพื้นฐานทั่วไป”

น้ำมันพื้นฐานกลุ่ม III และ IV เป็นน้ำมันคุณภาพสูงที่ออกแบบมาสำหรับใช้กับน้ำมันเครื่องสมรรถนะสูงที่มีความหนืดต่ำ (เช่น 0W-20) ในเครื่องยนต์ที่มีเทคโนโลยีที่ทันสมัย ในทางเทคนิคน้ำมันที่ทำจากน้ำมันพื้นฐานเหล่านี้จัดอยู่ในประเภทน้ำมันสังเคราะห์ มีคุณสมบัติป้องกันการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่ดีเยี่ยม ช่วยประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง และช่วยยืดระยะการเปลี่ยนถ่ายให้ยาวนานยิ่งขึ้น ในบางประเทศน้ำมันกลุ่ม IV หรือที่เรียกว่า “โพลี-อัลฟา-โอลิฟีน” (poly-alpha olefins) หรือ PAOs ถือเป็นน้ำมันพื้นฐานชนิดเดียวที่เป็นน้ำมันเครื่องสังเคราะห์อย่างแท้จริง

ผู้ผลิตยานยนต์และผู้ผลิตน้ำมันหล่อลื่นเลือกใช้น้ำมันพื้นฐานกลุ่ม I - V โดยเลือกใช้งานตามความเหมาะสม เช่น สมรรถนะของการใช้งานในเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่มีอุณหภูมิสูง ใช้งานในสภาพอากาศที่มีอุณหภูมิเย็นจัด ต้องการยืดระยะการเปลี่ยนถ่าย หรือแม้กระทั่งการขับๆ หยุดๆ ในสภาพการจราจรติดขัดก็ต้องการประสิทธิภาพของน้ำมันเครื่องในระดับที่สูงขึ้น ซึ่งสามารถทำได้โดยการเลือก “น้ำมันพื้นฐานที่เหมาะสม” สำหรับสูตรน้ำมันเครื่องที่ต้องการ

คุณสมบัติ 4 ประการ ของน้ำมันพื้นฐานที่ช่วยกำหนดประสิทธิภาพที่ต้องการใช้งาน:

• จุดไหลเท (Pour point) คือ อุณหภูมิต่ำสุดที่น้ำมันสามารถไหลเทได้ เป็นตัวกำหนดจุดไหลเทของน้ำมัน
• ความหนืด (Viscosity) คือ การต้านทานการไหลของน้ำมันเรียกว่าความหนืด เช่น น้ำผึ้งจะมีความหนืดมากกว่าน้ำ
• ดัชนีความหนืด (Viscosity Index) เมื่ออุณหภูมิของน้ำมันมีการเปลี่ยนแปลง ความหนืดของน้ำมันก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย หรือที่เรียกว่า ค่าดัชนีความหนืด (Viscosity Index) หรือ VI ตัวอย่างเช่น น้ำมันที่มีค่าดัชนีความหนืดสูง ความหนืดจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิน้อยกว่าน้ำมันที่มีค่าความหนืดต่ำ น้ำมันเครื่องเกรดรวมที่ผู้ผลิตรถยนต์ต้องการก็คือ น้ำมันพื้นฐานที่มีค่าความหนืดสูง ถือเป็นส่วนประกอบแรกๆ ของกระบวนการคิดค้นเลยทีเดียว น้ำมันเครื่องพื้นฐานค่าดัชนีความหนืดสูงมีคุณสมบัติในการระเหยเป็นไอได้ต่ำกว่าและออกแบบให้สามารถใช้งานได้ทั้งที่อุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิสูง
• ความบริสุทธิ์ (Purity) องค์ประกอบของน้ำมันหล่อลื่นหลายๆ ชนิด เช่น กำมะถัน ไนโตรเจน และสารประกอบโพลีไซคลิกอะโรมาติก จะต้องอยู่ในขอบเขตที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด

สิ่งสำคัญที่ต้องจำเกี่ยวกับน้ำมันพื้นฐานก็คือ น้ำมันเครื่องสำเร็จรูปมีน้ำมันพื้นฐานเป็นส่วนประกอบหลัก ดังนั้นการเลือกประเภทของน้ำมันพื้นฐานที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญในการพัฒนาน้ำมันที่จะช่วยหล่อลื่นชิ้นส่วนต่างๆ ของโลหะ และทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยน้ำมันพื้นฐานเป็นเพียงส่วนหนึ่งของน้ำมันเครื่อง นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจำเป็นจะต้องพิจารณาถึงผลกระทบของเทคโนโลยี และสารเพิ่มคุณภาพด้วย ขั้นตอนสุดท้ายของสารหล่อลื่นคือ การผสมผสานกันระหว่าง น้ำมันพื้นฐาน สารเพิ่มคุณภาพ และความรู้ในการใช้งาน