Auf die Viskosität kommt es an

Motoröl ist ein wichtiger Bestandteil des Verbrennungsmotors. Ohne Öl läuft der Motor nicht. Diese Tatsache wurde bereits zu Beginn der über hundertjährigen Geschichte des Automobils erkannt. Der Benz Patent-Motorwagen, der 1886 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde und gemeinhin als erstes Serienfahrzeug mit Viertakt-Verbrennungsmotor gilt, verwendete eine eher fremdartige Tropfschmierung und einen Fettbecher. Das erste wirklich in Serie produzierte Automobil, das berühmte Ford Model T, das 1908 auf den Markt kam, verwendete jedoch bereits ein Spritzölsystem, das konzeptionell dem ähnelt, was wir in modernen Autos sehen, mit dem Unterschied, dass sowohl der Motor als auch das Getriebe des Model T das gleiche Öl verwendeten.

Da der Verbrennungsmotor so stark vom Öl abhängig ist, wurde die Notwendigkeit einer Standardisierung des Motoröls schnell erkannt. Tatsächlich wurde bereits 1911 die erste Klassifizierung von Motorölen von der neu gegründeten Society of Automotive Engineers (SAE) übernommen. Diese erste SAE-Klassifizierung – die sogenannte Spezifikation Nr. 26 – stufte Motorenöle nach spezifischem Gewicht, Flammen- und Brandpunkten ein. Viskosere Öle waren "schwerer" und hatten höhere Flamm- und Feuerpunkte. Seitdem - auch heute noch - werden Motorenöle manchmal immer noch nach Gewicht bezogen, obwohl seit 1923 die Ölviskosität als Grundlage für alle zukünftigen SAE-Spezifikationen verwendet wurde. Die neueste SAE J300-Spezifikation wurde 2015 verabschiedet. 

Tatsächlich spezifiziert SAE J300 vier verschiedene Arten von Viskosität: kinematische Viskosität bei 100 °C (KV100), maximal zulässige Viskosität für Kaltstart (CCS) und Kalttemperaturpumpfähigkeit sowie Hochtemperatur-High-Shear-Viskosität (HTHS). Daher kann man mit Bestimmtheit sagen, dass die Viskosität eine Rolle spielt!

Die Viskosität des Öls ist ein wichtiger Quantifizierer für seine Eignung für einen bestimmten Zweck. Bei einer Feuerungsmaschine laufen alle beweglichen Teile auf einem Ölfilm. Jeder ungeschmierte Metall-Metall-Kontakt kann katastrophale Folgen haben und muss um jeden Preis vermieden werden. Damit Öl seine Aufgabe erfüllen kann, muss es rechtzeitig an die kritischen Schmierstellen geliefert werden. Der Ölfluss durch die Ölkanäle – oder -kanäle – im Motor wird maßgeblich durch seine kinematische Viskosität bestimmt, weshalb KV100 bei der Auswahl des richtigen Öls als erstes zu beachten ist. Allerdings sollten Sie Ihr Auto auch im Winter starten können. Mit sinkenden Temperaturen wird Motoröl immer zähflüssiger und verwandelt sich schließlich in eine seifenartige feste Substanz. In diesem Fall können Sie Ihren Motor nicht mehr starten. Aus diesem Grund listet SAE J300 auch CCS und Niedertemperatur-Pumpfähigkeit auf. Schließlich kann bei hoher Motorlast die Öltemperatur in den Lagern auf 150-200 °C ansteigen, und gleichzeitig neigen sehr hohe Scherkräfte dazu, Ölmoleküle in kleinere Fragmente zu zerkleinern. Dadurch sinkt die Viskosität des Öls. Um eine ausreichende Schmierung der Lager unter solch rauen Bedingungen zu gewährleisten, definiert SAE J300 die minimale HTHS-Viskosität für jede Viskositätsklasse.

Wenn die Viskosität zu hoch ist, ist sie nicht gut: Das Öl kann nicht rechtzeitig ankommen und die Wärme schnell genug abführen. Die Verwendung von dickflüssigerem Öl als empfohlen ist jedoch nicht tödlich: Schließlich passiert dies jedes Mal, wenn Sie einen kühlen Motor starten. Ist die Viskosität zu niedrig, ist es weitaus gefährlicher: Das Öl fließt zu leicht ab und baut keinen ausreichenden Druck auf. Dies führt zu schnellem Lagerverschleiß, Kolben-/Ringabrieb, Festfressen und anderen kritischen Problemen. Sie werden mit ziemlicher Sicherheit auch einen erhöhten Ölverbrauch feststellen.

Viele wichtige Subsysteme im Motor sind entscheidend vom Öldruck abhängig, z. B. hydraulische Steuerkettenspanner und VVT-Systeme (Variable Valve Timing). Wenn der Öldruck niedrig ist, kann es zu Fehlfunktionen dieser Systeme kommen: Die Kettenspanner können nicht genügend Druck aufbauen, um das Durchhängen der Kette zu beseitigen, und die Nockenversteller können den Nocken nicht normal vorschieben. Dadurch wird die Motorsteuerung ausgeglichen, was sich wiederum auf die Motorleistung, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen auswirkt und schließlich die Kontrollleuchte "Motor prüfen" aufleuchtet.

Herkömmliche Grundöle, die zur Herstellung von Kurbelgehäuseschmierstoffen verwendet werden, werden durch Destillation und Reinigung von Rohmineralöl gewonnen. Leichte Destillatfraktionen werden zur Herstellung verschiedener Arten von Kraftstoffen verwendet, die die Hauptgewinnquelle für die Raffinerien darstellen, während schwere Bodenfraktionen – oft als Fassboden bezeichnet – zur Herstellung von Schmierstoffen und einigen anderen Produkten wie Asphalt und Wachs verwendet werden. In der Vergangenheit galt die Schmierstoffherstellung als das billige Ende des Ölraffinationsprozesses, bei dem versucht wurde, ein Nebenprodukt der Kraftstoffherstellung in ein Mehrwertprodukt umzuwandeln. 

In der Vergangenheit waren die wichtigsten Grundöle, die zur Formulierung von Kurbelgehäuseschmierstoffen verwendet wurden, solche mit einer Viskosität von 100 bis 600 SUS (20 bis 130 cSt bei 100 °F) sowie die viskoseste Klasse mineralischer Grundöle mit einem typischen Viskositätsbereich von 1000 bis 5000 SUS – die sogenannten hellen Aktien. In den letzten Jahrzehnten ist jedoch ein stetiger Rückgang des Produktionsvolumens und der Verwendung konventioneller mineralischer Grundöle (die API-Gruppe I bildend) zu verzeichnen, da das alte Lösemittelraffinationsverfahren an Boden verliert und einem moderneren, wirtschaftlicheren und umweltverträglicheren Raffinationsverfahren, dem sogenannten Hydroraffinieren, unterliegt. Letzteres wird zur Herstellung von Grundölen der API-Gruppen II und III verwendet. Ein großer Nachteil der Hydroraffination ist, dass sie keine hochviskosen Produkte herstellen kann – nicht höher als 200 SUS. Daher sind moderne Schmierstoffe stark auf polymere Verdicker angewiesen, die als Ersatz für helle Schmierstoffe verwendet werden. Solche polymeren Verdicker haben noch eine weitere nützliche Funktion – sie erhöhen den Viskositätsindex (VI) des Öls, daher ihr gebräuchlicher Name – Viskositätsindexverbesserer (VII).

Heutzutage sind fast alle Kfz-Motorenöle "Mehrbereichsöle", da sie sowohl in kalten als auch in heißen Klimazonen eine ausreichende Leistung bieten. Mehrbereichsöle werden durch zwei Ziffern wie folgt beschrieben: SAE 10W-40. Die erste Ziffer – 10 gefolgt von "W" – bezieht sich auf die Leistung bei niedrigen Temperaturen. Grundsätzlich heißt es, dass sich dieses Öl im Winter wie ein altes SAE 10W Winteröl verhält: Es sollte Ihnen ermöglichen, Ihren Motor bei -25 °C zu starten, und es wird seine Fähigkeit, bei Temperaturen von bis zu -30 °C zu fließen, nicht verlieren. Die zweite Abbildung, 40, besagt, dass sich das gleiche Öl im Sommer wie ein altes SAE 40-Einbereichsöl verhält: Es hat KV100 im Bereich von 12,5 bis 16,3 cSt und eine HTHS-Viskosität von mindestens 3,5 cP.

Je größer die Differenz zwischen der zweiten und der ersten Zahl ist, desto breiter ist der Mehrbereichsbereich.  Die breitesten Multigrade von heute, wie 0W-40, 5W-50 und 10W-60, verfügen über ein VI um 180, obwohl es möglich ist, das VI noch weiter zu erhöhen, auf bis zu 200-220. Ein hoher VI-Wert ist ein willkommenes Merkmal, da ein Öl mit hohem VI-Wert weniger Schwankungen in der Viskosität mit der Temperatur aufweist. Das tatsächliche Nutzenspektrum hängt jedoch davon ab, wie dieser hohe VI-Wert erreicht wurde, da es viele Fallstricke gibt.

Betrachten wir ein Beispiel dafür, wie polymere VI-Booster in der Praxis verwendet werden.  Angenommen, Sie haben ein 150N API-Grundöl der Gruppe II mit KV40 = 28 cSt und KV100 = 5,2 cSt (VI = 109). Wenn Sie einen VI-Verbesserer vom Typ 15 % Olefin-Copolymer (OCP) hinzufügen, wie z. B. Paratone 8006, erhalten Sie ein polymerverdicktes Produkt mit KV40 = 83 cSt und KV100 = 12 cSt (VI = 140). So hat sich das VI von 109 auf 140 erhöht. Wie kann man entschlüsseln, dass es sich um ein Polymer-Öl-Gemisch und nicht um ein polymerfreies 600N-Öl handelt? Das erste, was zu überprüfen ist, ist der Flammpunkt: Polymerverdickte Öle haben fast den gleichen Flammpunkt wie das ursprüngliche Grundöl (150 N, FP 220 °C), der viel niedriger ist als der Flammpunkt eines äquiviskosen polymerfreien Grundöls (600 N, FP 270 °C). Die zweite nützliche Prüfung ist der Verdunstungsverlust: Polymerverdickte Öle weisen fast den gleichen Verdunstungsverlust auf wie das ursprüngliche Grundöl (150 N, 15 Gew.-% Noack), der viel höher ist als der Verdunstungsverlust eines äquiviskosen polymerfreien Grundöls (600 N, 2 Gew.-% Noack).  

Die Schlussfolgerung aus diesem Beispiel ist, dass die Polymerverdickung und das VI-Boosting mit Vorsicht verwendet werden sollten: Obwohl es Ihnen hilft, die Produktviskosimetrie leicht einzustellen, können einige andere wichtige Eigenschaften übersehen werden. Der übermäßige Einsatz von Polymeren kann die Scherstabilität beeinträchtigen – deshalb definiert SAE J300 den HTHS-Bereich für jede Viskositätsklasse und warum kommerzielle VII-Additive durch den Scherstabilitätsindex (SSI) gekennzeichnet sind. Andere häufige Probleme sind oxidative Verdickung und Gelierung in gebrauchten Ölen.

Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen verschiedenen Klassen von VI-Verbesserern in Bezug auf Effizienz, Scherstabilität, Löslichkeit und natürlich Preis. Zum Beispiel sind Olefin-Copolymer (OCP) VI-Verbesserer heutzutage zu einer "Plain-Vanilla"-Art von VI-Verbesserungstechnologie geworden, wobei der Schwerpunkt auf wertorientierten Produkten liegt, während Styrol- und Polyalkylmethacrylat (PAMA) VI-Verbesserer zunehmend in Spitzenprodukten verwendet werden. Diese Tatsache beweist, dass die Viskositätsdaten, auf die in der SAE J300 Bezug genommen wird, immer noch nicht das ganze Bild zeichnen: Sie können alle vier Viskositätsmesswerte abgleichen und immer noch Unterschiede in der Produktleistung feststellen. Denn die konventionelle Viskosimetrie sagt nichts über die chemische Stabilität von VII-Molekülen, ihre möglichen Wechselwirkungen mit anderen Inhaltsstoffen von Schmierstoffformulierungen oder das nicht-newtonsche rheologische Verhalten von polymerhaltigen Schmierfilmen aus. Auch wenn das theoretische Verständnis der VII-Wirkung verschiedener Polymerklassen und ihrer Wirkung auf die Schmierstofftribologie enorm fortgeschritten ist, bleibt die Erfahrung der beste Lehrmeister auf diesem weitgehend empirischen Gebiet.

Heutzutage werden dünnere Öle aktiv beworben, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.  Bedenken Sie jedoch, dass bei einem laufenden Motor der Kurbelgehäuseschmierstoff immer bis zu einem gewissen Grad durch Kraftstoff "verdünnt" wird. Der Grad der Kraftstoffverdünnung hängt vom Motortyp und den Fahrbedingungen ab. Der Stop-and-Go-Stadtverkehr ist ein ungünstiges Szenario, das den meisten Menschen nicht einmal bewusst ist. Im schlimmsten Fall kann Öl bis zu 10-15 % Kraftstoff enthalten. Ein weiteres ungünstiges Szenario sind Hochgeschwindigkeitsfahrten, wie z. B. Stock-Car-Rennen, bei denen fettreiche Luft-Kraftstoff-Gemische absichtlich zur Kühlung von Motoren verwendet werden. Durch die Verdünnung des Kraftstoffs sinkt der Motorölpreis leicht um eine Stufe nach unten: Sie beginnen mit 5W-30-Öl und stellen bald fest, dass es auf ein Niveau von 5W-20 verdünnt ist. Öl wird auch dünnflüssiger, wenn der Motor stark belastet ist und heiß läuft, zum Beispiel beim Ziehen eines Anhängers. Einige Hersteller neigen dazu, eine größere Sicherheitsmarge in ihre Formulierungen einzubauen, indem sie das v100-Ziel genau in der Mitte der jeweiligen Viskositätsklasse und HTHS weit über dem zulässigen Mindestwert ansetzen. Andere versuchen, ihre Produkte an die Grenzen zu bringen, um die Vorteile des Kraftstoffverbrauchs zu maximieren. Zum Beispiel hält ein 5W-40 mit KV100 = 14,5 cSt einer Kraftstoffverdünnung von 4-5 % stand, ohne von der Qualität abzufallen. Ein ähnliches 5W-40-Produkt mit erhöhter Kraftstoffeinsparung und KV100 = 13,0 cSt wird bereits bei einer Kraftstoffverdünnung von 2 % von der Qualität abfallen. Daher können Sie im Allgemeinen immer eine Stufe höher gehen als das, was Ihr Motorenhersteller empfiehlt, aber verwenden Sie niemals dünnere Öle als empfohlen.

Mit Ausnahme einiger Flaggschiffprodukte sind Mainstream-Schmierstoffe immer auf Wert ausgelegt. Aber wir bei BIZOL sind besessen von Qualität – wir wollen unseren Kunden das Beste bieten, was wir können. Um den Unterschied zu verstehen, schauen Sie sich das folgende Diagramm an oder – noch besser – probieren Sie BIZOL aus.