ระบบแผ่นกั้นฝาครอบวาล์วช่วยลดการสิ้นเปลืองน้ำมันเครื่องในเครื่องยนต์สมัยใหม่อย่างไร

ระบบฝาครอบวาล์วแบบบัฟเฟอร์แยกหยดน้ำมันออกจากก๊าซในห้องเครื่องก่อนที่ก๊าซจะเข้าสู่พอร์ต PCV ซึ่งช่วยลดการสิ้นเปลืองน้ำมันโดยตรง หากระบบบัฟเฟอร์ไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอ ละอองน้ำมันจะไหลเข้าสู่ทางเดินไอดี ส่งผลให้น้ำมันถูกเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ ทำให้เกิดคราบสกปรกสะสมบนวาล์วไอดี (ปัญหานี้พบได้บ่อยโดยเฉพาะในเครื่องยนต์ที่ใช้ระบบฉีดจ่ายเชื้อเพลิงโดยตรง เช่น เครื่องยนต์ไฮundai Theta II GDI และเครื่องยนต์ VW EA888) และส่งผลให้ตัวเร่งปฏิกิริยา (catalytic converter) เสื่อมสมรรถนะลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป ในการทดสอบเบื้องต้นที่โรงงานของเรา ต้นแบบที่มีระบบบัฟเฟอร์ไม่ดีพอทำให้อัตราการพัดพาเอาน้ำมันไปด้วย (oil carryover) เพิ่มขึ้นจากค่าปกติที่อยู่ที่ 0.02 กรัม/ชั่วโมง เป็นมากกว่า 0.15 กรัม/ชั่วโมง ภายใต้ภาระงานที่คงที่ — ซึ่งเท่ากับการสิ้นเปลืองน้ำมันเพิ่มขึ้นเกือบ 1 ลิตรระหว่างการบำรุงรักษาตามรอบสำหรับยานพาหนะในฝูงรถที่ขับขี่อย่างหนัก

แผ่นกั้นทำงานโดยการดักจับก๊าซที่ปนเปื้อนด้วยน้ำมันผ่านพื้นผิวที่ทำหน้าที่เป็นตัวกระทบ ก๊าซจะถูกดันขึ้นไปด้านบนโดยแรงดันในฝาครอบกระบอกสูบ แผ่นกั้นจะจับละอองน้ำมันไว้ จากนั้นละอองน้ำมันจะไหลกลับลงสู่หัวสูบผ่านรูระบายน้ำที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำ (โดยทั่วไปมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5–4.0 มม. สำหรับฝาครอบพอลิเมอร์รุ่นใหม่) ส่วนก๊าซที่สะอาดจะออกจากช่อง PCV หลักการทางฟิสิกส์นั้นเรียบง่ายมาก คือ ละอองน้ำมันมีความเฉื่อยมากกว่าก๊าซที่พามันเคลื่อนที่ไปอย่างมาก เมื่อทิศทางการไหลถูกเปลี่ยนอย่างฉับพลัน ละอองน้ำมันจึงชนเข้ากับผนังของแผ่นกั้นและรวมตัวกันเป็นหยดน้ำ ในขณะที่ก๊าซไหลเลี้ยวผ่านไปรอบๆ

รูปแบบการออกแบบมีความสำคัญอย่างยิ่ง แผ่นกั้นแบบแบน (Flat plate baffles) — ซึ่งโดยหลักการคือแผ่นโลหะหรือพลาสติกที่ขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูปหรือขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ วางอยู่เหนือบริเวณแคม — สามารถแยกน้ำมันได้ 70–80% และยังคงเพียงพอสำหรับเครื่องยนต์ที่ไม่มีเทอร์โบและมีการรั่วของก๊าซกลับเข้าสู่ระบบ (blowby) ต่ำ เช่น เครื่องยนต์โตโยต้ารุ่นเก่า 2AZ-FE หรือฮอนด้า K24 ส่วนการออกแบบแบบเขาวงกตหรือแบบลabyrinths ซึ่งบังคับให้ก๊าซไหลผ่านห้องแยกกัน 3–5 ห้อง โดยแต่ละห้องมีการเปลี่ยนทิศทาง 90 องศา จะสามารถแยกน้ำมันได้ 85–92% และเป็นมาตรฐานในปัจจุบันสำหรับเครื่องยนต์เทอร์โบ เช่น ฟอร์ด เอโคบูสต์ 2.0 และไฮundai/เคีย 1.6 T-GDI ส่วนตัวแยกแบบไซโคลน (Cyclonic separators) ใช้ห้องหมุนที่ฉีดก๊าซเข้าแบบสัมผัสเส้นรอบวง (tangentially injected swirl chamber) เพื่อทำให้หยดน้ำมันหมุนเหวี่ยงออกด้านนอก จึงสามารถแยกน้ำมันได้ 90–97% และกำลังถูกกำหนดใช้งานมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับเครื่องยนต์ GDI ที่ให้กำลังสูง โดยฝาครอบเครื่องยนต์ของโฟล์คสวาเกน/ออเดี้ยร์ 2.0 TFSI เป็นตัวอย่างที่รู้จักกันดี

ความเข้าใจผิดทั่วไปในห้องปฏิบัติการคือ การรั่วของฝาครอบวาล์วหมายความว่ามีปัญหากับจอยต์ (gasket) โดยอัตโนมัติ แต่ในความเป็นจริง เราพบกรณีจำนวนมากที่ช่างเทคนิคเปลี่ยนจอยต์แล้วขันสกรูให้แน่นตามแรงบิดที่กำหนดอย่างสมบูรณ์แบบ แต่ปัญหาการรั่วยังกลับมาภายในเวลาไม่กี่สัปดาห์ — เนื่องจากสาเหตุที่แท้จริงคือแผ่นกั้นภายใน (internal baffle) แตก ทำให้เกิดความดันส่วนเกินในครานเคส (crankcase) ซึ่งดันน้ำมันผ่านซีลที่อยู่ในสภาพสมบูรณ์ดีอย่างสมบูรณ์แบบ ช่างผู้หนึ่งในกรณีศึกษาของเครื่องยนต์ Nissan VQ35DE ของเรา สามารถระบุสาเหตุของการรั่วซึมซ้ำๆ ของซีลหลักด้านหลัง (rear main seal) ได้ถึงรอยร้าวเล็กมากบนแผ่นกั้นแบบบูรณาการ (integrated baffle plate) ซึ่งมองไม่เห็นจากภายนอก

การเปรียบเทียบโครงสร้างทั้งสามแบบในรูปแบบข้อความ: แผ่นเรียบมีต้นทุนต่ำ ผลิตด้วยวิธีอัดฉีดได้ง่าย และเพียงพอสำหรับปริมาตรของก๊าซรั่วผ่าน (blowby) ที่อยู่ภายใต้ประมาณ 15 ลิตร/นาที โครงสร้างแบบเขาวงกต (labyrinth) แลกกับการสูญเสียแรงดันเล็กน้อย (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.5–1.5 กิโลพาสคาล) เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการแยกที่สูงขึ้นอย่างมาก และสามารถจัดการกับก๊าซรั่วผ่านได้สูงสุดประมาณ 30 ลิตร/นาที ส่วนการออกแบบแบบไซโคลนิกต้องควบคุมขนาดอย่างแม่นยำยิ่งขึ้น (เราควบคุมความเบี่ยงเบนไว้ที่ ±0.15 มม. สำหรับผนังห้องหมุน (swirl chamber) ที่สำคัญ) และเพิ่มความซับซ้อนของแม่พิมพ์ขึ้น 20–30% แต่ยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ได้แม้ก๊าซรั่วผ่านจะเพิ่มสูงขึ้นเกิน 40 ลิตร/นาที — ซึ่งเป็นช่วงที่เครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จทำงานภายใต้แรงดันเสริม (boost)

นาเซน ออโต้ ผสานรูปทรงของแผ่นกั้นที่ออกแบบเฉพาะสำหรับการใช้งานแต่ละประเภท ครอบคลุมแบบจำลองฝาครอบวาล์วมากกว่า 150 รุ่น ซึ่งผ่านการตรวจสอบความแน่นสนิทของอากาศที่ความต่างของแรงดัน 30 กิโลพาสคาล และการทดสอบความทนทานภายใต้อุณหภูมิสูงที่ 150 องศาเซลเซียส เป็นระยะเวลา 1,000 ชั่วโมง ตามมาตรฐาน IATF 16949 รูปทรงภายในที่ได้รับสิทธิบัตรของเรา—พัฒนาขึ้นหลังจากการศึกษาเปรียบเทียบการออกแบบฝาครอบวาล์วของผู้ผลิตรายใหญ่กว่า 40 แบบ ได้แก่ Nissan, Toyota, Honda, Hyundai/Kia, VW/Audi และ Ford—ประกอบด้วยผนังปะทะหลัก ช่องทางเขาวงกตแบบทุติยภูมิ และวงจรระบายน้ำมันกลับลงสู่เครื่องยนต์โดยอาศัยแรงโน้มถ่วง ซึ่งสามารถต้านทานการกระเด็นของน้ำมันขณะเลี้ยวโค้งได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทุกชุดการผลิตจะผ่านการตรวจสอบรูปทรงของแผ่นกั้นด้วยระบบภาพก่อนนำไปประกอบ

เราควรยอมรับข้อจำกัดอย่างตรงไปตรงมา: ไม่มีระบบแผ่นกั้นใดที่สามารถกำจัดการพัดพาของน้ำมันได้หมดทั้งหมด และในเครื่องยนต์ที่ใช้งานมานานจนแหวนลูกสูบสึกหรอ ปริมาตรของก๊าซรั่ว (blowby) อาจสูงเกินขีดความสามารถในการจัดการของตัวแยกแบบพาสซีฟใดๆ กรณีเช่นนี้ การแก้ไขปัญหาที่แท้จริงคือการเปลี่ยนแหวนลูกสูบที่สึกหรอ ส่วนการเปลี่ยนฝาครอบวาล์วใหม่เพียงอย่างเดียวจะช่วยควบคุมอาการเท่านั้น

คำถามที่พบบ่อย:

คำถามที่พบบ่อย: คำถาม: แผ่นกั้นที่เสียหายสามารถทำให้อัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเครื่องเพิ่มขึ้นได้หรือไม่? คำตอบ: ได้ แผ่นกั้นที่แตกร้าวหรือหลุดหายจะทำให้ละอองน้ำมันเครื่องเข้าสู่ท่อระบบ PCV ส่งผลให้อัตราการสิ้นเปลืองเพิ่มขึ้น 0.3–1.0 ลิตรต่อช่วงการบำรุงรักษาตามปกติสำหรับรถยนต์ที่ใช้งานประจำวัน และอาจเพิ่มขึ้นอย่างมากยิ่งกว่านั้นในกรณีเครื่องยนต์เทอร์โบที่ทำงานภายใต้แรงดันเทอร์โบอย่างต่อเนื่อง

คำถามที่พบบ่อย: คำถาม: แผ่นกั้นสามารถซ่อมแซมหรือเปลี่ยนแยกต่างหากได้หรือไม่? คำตอบ: ในฝาครอบวาล์วแบบพลาสติกที่ขึ้นรูปสมัยใหม่ แผ่นกั้นจะถูกเชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกหรือขึ้นรูปเป็นชิ้นเดียวกับฝาครอบ จึงไม่สามารถซ่อมแซมหรือเปลี่ยนแยกต่างหากได้ การเปลี่ยนแปลงจำเป็นต้องใช้ชุดฝาครอบวาล์วทั้งชุด อย่างไรก็ตาม ฝาครอบวาล์วแบบอะลูมิเนียมหล่อรุ่นเก่าบางรุ่น (เช่น บางรุ่นของ BMW M-series หรือ GM LS รุ่นเก่า) ยังสามารถเปลี่ยนแผ่นกั้นแยกต่างหากได้ โดยใช้สกรูและสารยึดติดชุดใหม่

คำถามที่พบบ่อย: คำถาม: จะรู้ได้อย่างไรว่าตัวกั้นลม (baffle) ของฉันเริ่มเสื่อมสภาพโดยไม่ต้องถอดฝาครอบออก? คำตอบ: สังเกตสัญญาณสามประการ ได้แก่ การบริโภคน้ำมันเครื่องเพิ่มขึ้นโดยไม่มีรอยรั่วภายนอกที่มองเห็นได้, คราบน้ำมันสะสมอยู่ภายในท่อรับอากาศ (intake manifold) หรือตัวควบคุมการไหลของอากาศ (throttle body), และเสียงหวีดเบาๆ หรือความดันสะสมที่ฝาปิดช่องเติมน้ำมันเครื่อง ในการทดสอบความดันในฝาสูบ (crankcase pressure test) ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 1–4 kPa สำหรับเครื่องยนต์ที่ทำงานปกติ ค่าที่วัดได้จะสูงกว่าปกติหากทางเดินระบบ PCV อุดตันด้วยเศษสิ่งสกปรกที่อิ่มตัวด้วยน้ำมัน

คำถามที่พบบ่อย: คำถาม: จำเป็นต้องใช้ตัวกั้นลม (baffle) แบบพิเศษหากติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์ หรือใช้งานภายใต้แรงดันสูงกว่าปกติหรือไม่? คำตอบ: โดยทั่วไปแล้ว คำตอบคือใช่ เนื่องจากตัวกั้นลมแบบธรรมชาติ (NA) ที่ผลิตโดยโรงงานถูกออกแบบให้รองรับปริมาณก๊าซรั่ว (blowby volume) ตามมาตรฐานเดิมเท่านั้น แต่การปรับแต่งให้ใช้ระบบอัดอากาศบังคับ (forced-induction) อาจทำให้ปริมาณก๊าซรั่วเพิ่มขึ้นเป็นสองหรือสามเท่า ดังนั้นสำหรับการใช้งานที่มีการปรับแต่ง เราขอแนะนำให้อัปเกรดเป็นฝาครอบที่มีตัวกั้นลมแบบลากูน (labyrinth) หรือแบบไซโคลนิก (cyclonic) หรือติดตั้งถังแยกน้ำมัน (catch-can) แบบภายนอกต่อเข้ากับระบบ PCV แบบเดิม