Die physikalischen Eigenschaften von Schmierstoffen werden anhand von Merkmalen wie Viskosität, Scherstabilität, Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen oder Flüchtigkeit gemessen. Die Viskosität eines Schmierstoffs und wie sie sich bei verschiedenen Temperaturen und Betriebsbedingungen verändert, ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die seine Leistung und seinen Schutz bestimmen. Hier erfahren Sie mehr über das Konzept der Viskosität!

Die Bedeutung der Viskosität von Motoröl

Die Viskosität drückt die innere Reibung einer Flüssigkeit aus, d. h. ihren Fließwiderstand. Wenn eine Flüssigkeit äußeren Kräften wie der Schwerkraft oder einem Differenzdruck ausgesetzt ist, bewegen sich die Moleküle in ihr relativ zueinander. Diese Verschiebung verursacht Reibung auf molekularer Ebene, die der Strömung entgegenwirkt. Je größer diese innere Reibung ist, desto größer ist die Viskosität der Flüssigkeit. Einfach ausgedrückt ist die Viskosität ein Indikator dafür, wie "fließfähig" oder "dicht" eine Flüssigkeit ist.

Es gibt zwei Haupttypen von Viskosität: die dynamische Viskosität, die in Pascal-Sekunden (Pa-s) gemessen wird, und die kinematische Viskosität, die das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte der Flüssigkeit darstellt und üblicherweise in mm²/s oder Zentistokes (cSt) gemessen wird. Der Wert der Viskosität hängt stark von der Temperatur ab: Bei höheren Temperaturen nimmt die Viskosität der Flüssigkeit im Allgemeinen ab, da sich die Moleküle schneller bewegen und leichter aneinander vorbeigleiten. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für Schmierstoffe, deren Widerstand gegen Temperaturänderungen durch den Viskositätsindex beschrieben wird.

Die Viskositätseinstufung von Schmierstoffen basiert auf verschiedenen Normen, wie SAE (Society of Automotive Engineers) oder ISO VG (International Standards Organization Viscosity Grade). Das SAE-System wird hauptsächlich für Kfz-Schmierstoffe verwendet, und seine Bezeichnung, z. B. SAE 10W-40, umfasst sowohl die Kalt- als auch die Heißviskosität. Das ISO VG-System hingegen stuft Industrieschmierstoffe nach ihrer kinematischen Viskosität bei 40 °C ein, z. B. ISO VG 32, 46 oder 68.

Das Phänomen der Viskosität lässt sich an alltäglichen Beispielen verdeutlichen: Wasser hat eine niedrige Viskosität und fließt daher schnell, während Honig aufgrund seiner hohen Viskosität langsam fließt. Es gibt auch nicht-newtonsche Flüssigkeiten, deren Viskosität nicht konstant ist, sondern je nach der ausgeübten Kraft variiert. Beispiele hierfür sind Ketchup, der sich bei schnellerem Fließen verdünnt, oder Oobleck (ein Gemisch aus Wasser und Stärke), das sich bei einer plötzlichen Bewegung verfestigt.

Einfluss der Temperatur auf die Viskosität

Auch extremer Druck und mechanische Beanspruchung können die Viskosität des Schmierstoffs verändern, ein Phänomen, das als mechanische Scherung bezeichnet wird. In diesem Fall werden die Moleküle des Schmierstoffs teilweise oder vollständig "aufgebrochen", was zu einer Verringerung der Viskosität führt. Diese Verringerung schwächt die Stärke des Ölfilms, der normalerweise den direkten Kontakt mit Metalloberflächen verhindert. Ein schwächerer Ölfilm kann zu erhöhtem Verschleiß, Reibung und Bauteilschäden führen, insbesondere in Systemen, die stark belastet werden oder bei hohen Geschwindigkeiten laufen.

Viele Menschen versuchen, den Schereffekt durch die Verwendung eines Öls mit höherer Viskosität auszugleichen. Dies ist jedoch nicht immer praktikabel, da ein zu dichtes Öl die Fließeigenschaften des Schmierstoffs beeinträchtigt, insbesondere beim Kaltstart. Ein schwächerer Durchfluss verringert auch die Kühlkapazität des Öls, was das Risiko von Überhitzung und Schmierproblemen erhöht.

Daher ist es von größter Bedeutung, einen Schmierstoff mit der richtigen Viskosität für die jeweilige Anwendung zu wählen. Ziel ist es, eine ausreichende Zirkulation des Öls zu gewährleisten und einen Ölfilm von ausreichender Dicke und Festigkeit auf den Reibungsflächen zu bilden, auch bei hohen Drücken und Temperaturen. Die Viskosität hat daher nicht nur einen direkten Einfluss auf die Schmierfähigkeit, sondern auch auf die Kühlung, die Energieeffizienz und die Lebensdauer der Bauteile.

Auswirkung von Druck auf die Viskosität

Extremer Druck kann die Viskosität eines Schmierstoffs verringern, ein Phänomen, das als mechanische Scherung bekannt ist. In diesem Fall bewirkt die hohe Belastung, dass die Moleküle des Schmierstoffs teilweise zerfallen oder ihre Struktur verändern, was zu einer Verringerung der Viskosität der Flüssigkeit führt. Das Öl mit der geringeren Viskosität führt zur Bildung eines dünneren Schmierfilms, der den direkten Kontakt mit Metalloberflächen weniger gut verhindern kann. Dies kann zu erhöhtem Verschleiß, Reibung und langfristigen Schäden an den Komponenten führen.

Um dieses Problem auszugleichen, wird häufig ein Schmierstoff mit höherer Viskosität verwendet, der die Stärke des Schmierfilms tatsächlich verbessern kann, was jedoch mit Nachteilen verbunden ist. Ein dickeres Öl ist schwieriger zu fließen, vor allem bei niedrigen Temperaturen, was die Zirkulationseffizienz des Schmierstoffs verringert und seine Kühlkapazität reduziert. Dies ist besonders kritisch bei Hochleistungs- oder Präzisionssystemen, bei denen die Wärmeableitung ebenso wichtig ist wie die Schmierung selbst.

Daher ist die optimale Viskosität für die jeweilige Anwendung entscheidend. Es muss ein Schmierstoff gewählt werden, der sowohl eine gute Zirkulation des Öls, eine stabile Ölfilmbildung unter Druck als auch eine wirksame Wärmeableitung gewährleistet. Die richtige Wahl hängt nicht nur von der "Höhe" der Viskosität ab, sondern auch von deren Temperaturabhängigkeit, Scherfestigkeit und Zusammensetzung - insbesondere bei Verbrennungsmotoren, bei denen sich die Schmierstoffbelastung ständig ändert.

Viskosität von zweistufigem Motorenöl

Zur Bestimmung der Viskosität von Zweistufen-Motorenölen verwenden wir eine Kombination aus zwei Zahlen und einem Buchstaben, die 5W-30, 5W-40, 0W-30 usw. lauten kann. Die Viskositätsbezeichnung des Motoröls sollte jeder Autobesitzer kennen, da sie in der Regel die Grundlage für die Wahl des Motoröls für ein Fahrzeug ist. Am Beispiel eines Motoröls der Viskosität 0W-30 zeigen wir, was diese Zahlen tatsächlich bedeuten.

Betrachten wir zunächst den ersten Teil der Bezeichnung, der in diesem Fall 0W lautet. Die meisten von uns wissen, dass dies die Kaltstartfähigkeit ist und die Viskosität des Motoröls bei niedrigen Temperaturen angibt. Die Bezeichnung W kommt vom englischen Wort Winter, das Winter bedeutet. Die zweite Zahl in der Bezeichnung ist 30, die die Viskosität des Motoröls bei normalen Betriebstemperaturen angibt. Diese wird bei 100°C gemessen.

Die Viskositätseigenschaften von Motoröl werden in der Regel mit zwei verschiedenen Methoden angegeben: kinematische Viskosität und dynamische Viskosität. Jede Methode gibt eine andere Eigenschaft an.

Kinematische Viskosität

Sie wird normalerweise zur Messung der zweiten Zahl verwendet, in unserem Beispiel 30.

Die kinematische Viskosität misst die Betriebstemperaturviskosität des Motoröls bei 100 °C. Sie wird in Centistokes (cSt) gemessen, kann aber auf dem technischen Datenblatt des Motoröls im Format mm2/s angegeben sein. Die kinematische Viskosität bei 100 °C wird verwendet, um jedes Motoröl in eine Viskositätsklasse einzustufen.

Die dynamische oder absolute Viskosität

Diese Messmethode wird verwendet, um die erste Zahl des Motoröls anzugeben - in unserem Beispiel 0W. Die dynamische Viskosität wird in Centipoise cP (Millipascal-Sekunde mPa.s kann mit der SI-Maßeinheit bezeichnet werden) gemessen.

Die dynamische Viskosität von Motoröl wird zur Angabe der Kaltstartleistung verwendet. Die dynamische Viskosität ist der Fließwiderstand eines Schmierstoffs, der mit einem Widerstand gemessen wird. Die Messung der dynamischen Viskosität des Motoröls ist wichtig, da 65-75 % des Motorverschleißes eines durchschnittlichen Fahrzeugs durch den Kaltstart verursacht wird. Bei Motoröl gibt der erste Wert die Kraft an, die erforderlich ist, um das Motoröl bei etwa -35 °C zu mischen.

Es gibt zwei Messmethoden zur Bestimmung der Kaltstarteigenschaft, und in der Regel ist es die Kombination dieser Werte, die ein Motoröl in die eine oder andere Klasse einordnet.

Eine Methode ist der Tieftemperatur-Starttest - er zeigt, ob das Motoröl den Anlasser bei sehr niedrigen Temperaturen durchdrehen und den Motor starten lässt.

Der zweite Test ist der Test der Pumpfähigkeit bei niedrigen Temperaturen - er zeigt, ob das Motoröl bei niedrigen Temperaturen flüssig genug bleibt, um das Pumpen der Ölpumpe zu ermöglichen.

Damit ein Motoröl als 0W eingestuft werden kann, muss es sowohl den Niedrigtemperatur-Starttest bei minus 35°C als auch den Niedrigtemperatur-Pumpbarkeitstest bei minus 40°C bestehen.
Wie aus den Ölviskositätsbezeichnungen in der obigen Tabelle ersichtlich ist, muss ein 0W-Öl viel niedrigere Temperaturtestbedingungen bestehen als beispielsweise ein 20W-Öl, das bis in die 1970er Jahre das vorherrschende Motorenöl war.

HTHS-Viskosität

Die HTHS-Viskosität ist der Widerstand eines Motoröls gegen das Fließen bei extrem hohen Temperaturen (150°C) und konstanter Scherung. Diese Messung simuliert die engen Toleranzen und hohen Oberflächengeschwindigkeiten zwischen beweglichen Motorteilen, wenn der Motor heiß ist. Je niedriger das gemessene Drehmoment ist, desto niedriger ist die HTHS-Viskosität des Öls, was zu einer höheren Kraftstoffeffizienz führt.

Ein Motoröl mit einem niedrigen HTHS-Wert sorgt für eine bessere Kraftstoffeffizienz und geringere Emissionen. Umgekehrt hat ein Motoröl mit einem höheren HTHS-Wert einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch und geringere Emissionen, schützt den Motor aber besser vor möglichem Verschleiß. Für moderne Motoren können "nur" niedrigviskose Motorenöle mit niedrigem HTHS-Wert verwendet werden.

Fazit

Die Viskosität der Motorenöle, die in einem Fahrzeugmotor verwendet werden können, hängt vom Spiel der im Motor verwendeten Lager und von der Konstruktion des Ölsystems ab. Da das Motoröl einen wesentlichen Einfluss auf das ordnungsgemäße Funktionieren eines Motors hat, ist eine sorgfältige Auswahl des Motoröls immer von größter Bedeutung.