1. Zusammensetzung
Moderne Motorenöle basieren je nach ihrer Art und Leistungsfähigkeit auf unterschiedlichen Basisölen oder auf den sich daraus ergebenden Basisölmischungen. Zusätzlich werden Additive eingesetzt, die unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen. Nur eine ausgewogene Formulierung (Basisöl und Additivkomponenten) ergibt ein leistungsstarkes Motorenöl.
2. Aufbau eines typischen Mehrbereichs-Motorenöles
Ein typisches Motorenöl besteht zu:
78% aus Basisöl,
10% Viskositätsindex-Verbesserern,
3% Detergenten,
5% Dispersanten,
1% Verschleißschutz und
3% sonstigen Bestandteilen
3. Viskositäten
Die Viskosität bildete 1911 die Grundlage des ersten Motorenöl-Klassifikations-Systems und wurde in dem SAE-Klassifikationssystem (Society of Automotive Engineers) festgelegt. Auch heute ist die Viskosität immer noch eine der wichtigsten Eigenschaften eines Öles. Die Entwicklung von Prüfverfahren, mit deren Hilfe das motorische Verhalten besser vorhergesagt werden kann, führte zur Viskositätsmessung (DIN 51511) bei unterschiedlichen Temperaturen und Geschwindigkeitsgefällen. Unter Viskosität versteht man eine Flüssigkeitseigenschaft, die auf innerer Reibung basiert und Geschwindigkeitsdifferenzen benachbarter Flüssigkeitsteilchen entgegenwirkt. Man kann sie sich als Fließwiderstand vorstellen. Bewegen sich zwei durch eine Flüssigkeitsschicht bestimmter Dicke getrennte Flächen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, d.h. Relativgeschwindigkeit, zueinander, so kann man folgende physikalische Größen definieren:
Schubspannung [Tau] = Scherkraft je Flächeninhalt horizontal zur y-Koordinate (Pa)
Geschwindigkeitsgefälle [D] = Geschwindigkeitsdifferenz pro Einheit der Filmdicke (s-1)
Bei der Viskositätsbetrachtung unterscheidet man zwei Meßgrößen:
4. Dynamische Viskosität
Bei Newtonschen Flüssigkeiten ist die Schubspannung proportional zu dem Geschwindigkeitsgefälle. Den Proportionalitätsfaktor nennt man "Dynamische Viskosität". Maßeinheit: Milli Pascal Sekunde [mPas], früher centi Poise [cP].
Schubspannung = dyn. Viskosität x Geschwindigkeitsgefälle
5. Meßmethode
Der Cold-Cranking-Simulator (Rotationsviskosimeter) ist ein speziell zur Messung von Ölviskositäten bei tiefenTemperaturen entwickeltes Viskosimeter. Ein Elektromotor mit konstantem Drehmoment treibt einen Rotor, dessen Drehzahl sich entsprechend den viskosimetrischen Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeit einstellt. Mit Hilfe einer Eichkurve (die unter Verwendung von Eichölen aufgestellt wurde) wird die dynamische Viskosität in mPas ermittelt. Hier erfolgt die Einteilung in die Winter-Viskositätsklassen 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W. Je kleiner die Zahl vor dem W, umso "dünnflüssiger" das Öl in der Kälte. Die Kälteviskosität hat u.a. Einfluß auf die Anlasserdrehzahl.
6. Kinematische Viskosität
Das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte bei einer bestimmten Temperatur. Maßeinheit: [mm²/s], früher centi Stoke [cSt].
Kinematische Viskosität = Dynamische Viskosität / Dichte
7. Meßmethode
Bei der Bestimmung der kinematischen Viskosität werden Kapillarviskosimeter verwendet. Der Aufbau der genannten Viskosimeter kann sich unterscheiden, das Meßprinzip ist aber bei allen identisch. Eine bestimmte Ölmenge durchläuft, bedingt durch seine Schwerkraft, bei einer festgelegten Prüftemperatur eine definierte Strecke der Kapillare. Über die Auslaufzeit wird die kinematische Viskosität in Millimeterquadrat pro Sekunde bestimmt. Hier erfolgt bei einer Prüftemperatur von 100°C die Einteilung der SAE-Sommer-Viskositätsklassen 20, 30, 40, 50, 60. Je größer die Zahl hinter dem W, umso "dickflüssiger" das Öl bei 100 Grad Celsius.
8. HTHS
Neben den beschriebenen Viskositätsklassen (Winter, Sommer) gibt es noch die sogenannte HTHS-Viskosität. HTHS steht für "High Temperature High Shear" und beschreibt die dynamische Viskosität gemessen bei 150°C und einem Schergefälle von 10 pro Sekunde. Durch die Festlegung von Grenzwerten der HTHS soll erreicht werden, dass Motorenöle auch im Lagerbereich (hohe Schergefälle, hohe Öltemperaturen) die nötige Schmiersicherheit besitzen. Der Grenzwert bei Motorenölen mit der Spezifikation ACEA A2/A3 und ACEA B2/B3 liegt bei m 3,5 mPas. Motorenölqualitäten der Kategorie ACEA A1/B1 haben eine abgesenkte HTHS bis 2,9 mPas. Grund der Absenkung ist eine zu erwartende Kraftstoffeinsparung. Zurzeit laufen Untersuchungen, wieweit die dynamische Viskosität abgesenkt werden kann, ohne daß erhöhter Verschleiß erzeugt wird.
9. SAE Viskositätsklassen, SAE J300 - Motorenöle
Einbereichsmotorenöle erfüllen nur eine SAE-Klasse und werden heute üblicherweise nur bei 100°C abgeprüft. Mehrbereichsmotorenöle hingegen müssen mindestens zwei SAE-Klassen erfüllen, sowohl in der Kälte als auch im Hochtemperaturbereich bei 100°C. Die Grenzpumpentemperatur ist ein weiteres Prüfkriterium des SAE- Klassifikationssystems. Das Motorenöl muss je nach Viskositätsklasse bestimmte Grenzpumpentemperaturen erreichen, bei denen das Öl der Ölpumpe noch von selbst zuläuft. Werden diese Vorgaben nicht erfüllt, kann es zu Lufteinschlüssen und damit zur Mangelschmierung kommen. Kapitale Motorschäden wären die Folge.
10. SAE-Klassen für Kfz-Getriebeöle nach DIN 51512
Die Bezugstemperaturen im kalten Zustand liegen, abhängig von der SAE-Klasse, zwischen -12°C und -55°C. Hierbei darf die dynamische Viskosität von 150.000 mPas noch nicht erreicht sein. Gemessen wird die Kälteviskosität im Brookfield-Rotations-Viskosimeter. Die SAE-Klassen mit definiertem Kälteverhalten tragen, wie auch bei den Motorenölen, den Zusatz "W". Als Mindestviskosität bei höheren Temperaturen bestehen weiterhin die Grenzwerte bei 100°C.
11. ISO - VG Klassen - Hydrauliköle
Die "International Organisation for Standardization" - ISO - erarbeitete eine Viskositätsklassen-Einteilung (Viscosity-Grades - VG), die 18 Viskositätsklassen im Bereich von 2mm²/s bis 1500 mm²/s bei 40°C umfaßt. Im Gegensatz zu Automobilschmierstoffen sind hier die Viskositätsbereiche enger begrenzt. Es wird nur eine Viskosität bei einer Bezugstemperatur von 40°C vorgegeben, mit dem Toleranzfeld von +/- 10%. Ein Viskositätsindex wird nicht angegeben. In der gleichen ISO-VG sind damit bei verschiedenen Ölen auch Viskositätsunterschiede bei hohen oder tiefen Temperaturen möglich. In der Praxis ist ein derartiger Unterschied von untergeordneter Bedeutung und wird u.U. durch die Toleranz von +/- 10% kompensiert.
12. Der Viskositäts-Index (VI)
Auf der Basis zweier Grundölschnitte aus der Mineralölverarbeitung haben Dean und Davis schon 1929 den Viskositäts-Index als handliche Maßzahl entwickelt. Die Änderung der Viskosität durch Temperaturänderung kann von Öl zu Öl unterschiedlich sein. Deshalb wird der VI auch heute noch gern zur Charakterisierung des VT-Verhaltens (Viskosität-Temperatur-Verhalten) von Schmierstoffen in einem bestimmten Temperaturbereich benutzt. Der dimensionslose VI wird aus der kinematischen Viskosität bei 40°C und 100°C berechnet. Ein hoher Viskositätsindex kennzeichnet eine relativ geringe Änderung der Viskosität mit zunehmender Temperatur und umgekehrt. Üblicherweise wird das VT-Verhalten von Schmierstoffen in einem Ubbelohdediagramm dargestellt. Synthetische Produkte dünnen mit zunehmender Temperatur nicht so stark aus wie mineralische Produkte.
13. Mischbarkeit von Motorenölen
Generell gilt, dass Motorenöle untereinander mischbar sein müssen, unabhängig davon, ob es sich um synthetische oder mineralölbasische Produkte handelt. Diese Forderung wird auch von den Automobilfirmen erhoben. Vermischungen von Motorenölen verschiedener Marken oder Zusammensetzungen sollten allerdings nur dann vorgenommen werden, wenn der Nachfüllbedarf nicht anders gedeckt werden kann. So ist es nicht empfehlenswert, synthetische bzw. teilsynthetische Motorenöle mit mineralölbasischen Motorenölen zu mischen, da hierdurch der höhere Qualitätsstandard der synthetischen Öle herabgesetzt wird. Die sich einstellende Qualität ist nur so gut, wie das schwächste Glied in der Kette.
14. Weiterführende Links
Der Schmierstoff Hersteller Castrol hat eine Schmierstoff Wissensdatenbank erstellt.
Dort werden alle Fragen bezüglich Öl beantwortet.
Castrol Deutschland Motoröl und Schmierstoffe - Schmierstoffwissen