Motoröl Viskosität

Inhalt dieses Artikels (ausklappen)

• Motoröl Viskosität
• Das große Motoröl-Dilemma
• SAE Motoröl Temperaturbereich Tabelle
• SAE-Klassen – Mehrbereichsöle
• Kälteeignung von Motoröl – Die Zahl vor dem W
• Belastbarkeit von Motoröl – Die Zahl nach dem W
• Viskositätsindex (VI)
• HTHS-Viskosität (HTHS-Wert)
• Dynamische / kinematische Viskosität messen
• Motoröl mit gleicher/unterschiedlicher Viskosität mischen

Mit dem Honig-Experiment verstehst du in einer Minute, was Viskosität ist

Nimm ein Glas Honig aus dem Kühlschrank und versuche, mit einem Löffel darin herumzurühren. Du brauchst schon einige Kraft, um den kalten Honig im Glas zu bewegen. Er bleibt auch bei umgedrehten Löffel einigermaßen fest haften und fließt kaum. Kalt wehrt sich der Honig also gegen Verformung, er hat in kaltem Zustand eine hohe Viskosität.

Erwärmst du den Honig, kannst du ihn im Glas besser rühren und er fließt leichter vom Löffel. Warm hat er eine geringere Viskosität.

Die Viskosität von Flüssigkeiten sinkt also bei steigender Temperatur. Übrigens auch die von Wasser – bloß nehmen wir den Unterschied nicht so stark wahr wie beim Honig. Funfact: Seit dem Jahr 1930 läuft ein Langzeitexperiment zur Untersuchung der Viskosität von Pech.

Kalter Honig	Warmer Honig
Hohe Viskosität	Geringe Viskosität
„zähflüssig“	„dünnflüssig“
hoher Widerstand gegen Verfomung	geringer Widerstand gegen Verformung

Motoröl Viskosität

Jetzt wird’s magisch. Die Ölhersteller können ein Öl so „tunen“, dass es sowohl im kalten Zustand wie im warmen Zustand besser funktioniert. Ich vergleiche dafür ein 5W-30 mit einem 0W-40 jeweils im kalten und heißen Zustand.

Kaltes 0W-40	Kaltes 5W-30
„weniger zähflüssig“	„zähflüssig“

Heißes 0W-40	Heißes 5W-30
„Weniger dünnflüssig“	„dünnflüssig“

Klingt zu gut, um wahr zu sein? Als aufmerksamer Leser und Autofan denkst du dir jetzt: „Ha, dann nehm ich am besten ein 0W-50, dann habe ich das Beste für Winter wie Sommer.“

Ich gebe dir zwei gute Gründe, es nicht zu tun:

• Wenn du nicht gerade einen Supersportler fährst, hat dein Auto vermutlich keine Freigabe für ein 0W-50.
• Motoröle, die einen großen Wertebereich abdecken, z.B. 0W-40 oder 0W-50, erreichen das durch sogenannte VI-Verbesserer. Ein „dünnes“ Grundöl (0W) wird mithilfe von Polymerketten zu einem 0W-50 getunt. Der 50er-Wert nimmt aber ab, wenn in deinem Motor diese Polymerketten bei hoher Last zerfetzt werden. Les dir dazu am besten den nächsten Abschnitt durch.

Das große Motoröl-Dilemma

Einerseits willst du beim Kaltstart im Winter ein einigermaßen dünnflüssiges, leicht zu pumpendes Motoröl.

Andererseits soll es bei hohen Temperaturen und schneller Fahrt den hohen Scherkräften widerstehen, alle wichtigen Motorteile gut schmieren und damit vor Verschleiß schützen.

Vor allem im Lager- und Ventilbereich, der Nockenwelle und an der Zylinderwand treten unter Last im oberen Drehzahlbereich sehr hohe Geschwindigkeiten und Belastungen auf. Das Öl darf dann also nicht zu „dünnflüssig“ sein. Das Problem:

Die Motoröl-Viskosität ändert sich bei:
– unterschiedlichen Temperaturen
– unterschiedlichem Druck
– unterschiedlicher Belastung (Schergefälle) bei Motorölen mit VI-Verbesserern

Am liebsten hätte man in unseren Breitengraden, wo fast niemand mehr von Sommer- auf Winteröl (Einbereichsöle) umstellt, sondern fast alle mit Mehrbereichsölen fahren –  ein Motoröl, das seine Viskosität gerade bei den unterschiedlichen Temperaturen in Winter und Sommer kaum ändert. Wir wünschen uns also ein Öl, das in jeder Situation perfekt funktioniert.

So ein Motoröl gibt es leider nicht, alle ändern ihre Viskosität bei steigender Temperatur und Belastung – aber eben unterschiedlich stark. Wie stark, das beschreibt der Viskositätsindex oder VI.

Motoröl ist immer ein Kompromiss.
Du wirst ja auch keinen erfolgreichen Gewichtheber finden, der gleichzeitig ein Top Marathonläufer ist.

Natürlich könnte man auf die Idee kommen, ein Motoröl zu kaufen, das möglichst große Bereiche abdeckt. Z.B. ein 5W-40 oder gar ein 0W-40. Die Hersteller bieten solche Öle ja schließlich an. Bedenke aber, dass trotz aller Ingenieurskunst und zweifellos wirkungsvoller Zusatzstoffe noch niemand in der Lage ist, die Physik zu besiegen.

Tipp: Motoröl 5W-30 Test. Lesen Sie hier, was genau 5W-30 bedeutet.

SAE Motoröl Temperaturbereich Tabelle

SAE-Klassen – Mehrbereichsöle

Für die heute gebräuchlichen (Mehrbereichs-)Motoröle hat die SAE die Einteilung in Viskositätsklassen vorgenommen, während sich die ACEA-Spezifikationen darum kümmern, für welche Motorenart das Öl geeignet und wie leistungsfähig es ist. Anhand der SAE-Klasse lässt sich also sagen, für welchen Temperaturbereich ein Motoröl geeignet ist.

Die Angabe zur SAE-Klassifizierung auf einem Ölkanister gibt zwei Werte an und sieht so aus wie im folgenden Bild.

Kälteeignung von Motoröl – Die Zahl vor dem W

Die Niedrigtemperatur-Viskosität oder auch Grenzpumptemperatur gibt Auskunft, bis zu welchen Minusgraden (kaltes Öl = zähflüssiger) das Motoröl von der Ölpumpe gut durch den Motor gepumpt werden und in die Ölwanne zurückfließen kann. Ein 0W-Öl lässt sich z.B. bis -40 °C verwenden.

„Pumpbares“ Motoröl für PKW hat nach den SAE-Anforderungen eine dynamische Viskosität von höchstens 60.000 mPa·s. Um ein Motoröl zu klassifizieren, prüft man, bis zu welcher Temperatur (kälter werdend) das Öl diesen Grad von „Dünnflüssigkeit“ noch  schafft.

Belastbarkeit von Motoröl – Die Zahl nach dem W

Die Hochtemperatur-Viskosität sagt, wie dick- oder dünnflüssig das Motoröl bei 100 °C ist. Damit kann man etwas über die Belastbarkeit des Öles im laufenden Betrieb erfahren. Realitätsnäher ist allerdings die HTHS-Viskosität, die auch für die Eingruppierung in ACEA-Klassen und für Hersteller-Freigaben herangezogen wird.

Viskositätsindex (VI)

Nimmt die Viskosität eines Motoröls bei steigenden Temperaturen nur wenig ab, hat es einen hohen Viskositätsindex (VI). Je niedriger der VI, desto stärker ändert sich die Viskosität.

Einfach ausgedrückt: Motoröl mit niedrigem VI wird beim Erhitzen dünnflüssiger und beim Abkühlen zähflüssiger als ein Öl mit hohem VI. Beides ist im Automotor nicht gut. Insofern kann der Viskositätsindex (VI) im Gegensatz zur Viskosität etwas über die Qualität eines Motoröls aussagen.

Der VI kann nicht direkt gemessen werden. Er wird aus zwei Viskositätsmessungen berechnet (bei 40 °C und bei 100 °C).

Im allgemeinen haben gut raffinierte Grundöle einen VI von ca. 90 bis 100. Hydrocracköle und Synthetiköle (PAO)  haben einen VI von ca. 110 bis 150.

Vollsynthetische Motoröle haben also „von Natur aus“ einen höheren Viskositätsindex als Mineralöle und die daraus hergestellten Hydrocracköle – auch wenn deren VI bei der Formulierung mittels VI-Verbesserern künstlich verbessert wurde. Schon bei den Grundölen mineralischer Motoröle gibt es Unterschiede: Gruppe II und -III-Öle haben einen besseren VI als die günstigen Gruppe I-Öle.

Motoröl ändert im laufenden Betrieb (gerade bei starker Belastung) zudem seine chemische Zusammensetzung und die Struktur seiner Molekülketten. Und das verändert wiederum die Ölviskosität. Gerade Mehrbereichsöle, die mithilfe von besonders viel VI-Verbesserern einen hohen Temperaturbereich abdecken sollen, neigen hier zur schnelleren Alterung und der daraus resultierenden Änderung der Viskosität.

Eine weitere Herausforderung fürs Motoröl sind zwei sich widersprechende Anforderungen: Zum einen soll das Motoröl den Motor vor Abnutzung schützen. Dafür wäre ein Öl mit höherer Viskosität gut, denn das widersteht den (Scher-)Kräften im Motor besser als ein niedrigviskoses Öl. Dummerweise hat das hochviskose Öl eine höhere innere Reibung, was zu einem (leicht) erhöhten Kraftstoffverbrauch führt.

Hier kommen Umweltschutz und Autohersteller ins Spiel: Ihnen ist daran gelegen, den Spritverbrauch zu senken – das spräche wiederum für ein Motoröl mit geringerer Viskosität bei Betriebstemperatur, wie es sogenannte Leichtlauföle mit abgesenktem HTHS-Wert bieten.

HTHS-Viskosität (HTHS-Wert)

Der HTHS-Wert bzw. die HTHS-Viskosität (auch Hochtemperaturviskosität) eines Motoröls bezeichnet die Viskosität (Zähflüssigkeit) des Öls bei hoher Temperatur und hoher Schergeschwindigkeit.

HTHS ist dabei die Abkürzung für das englische „High Temperature High Shear“. Die HTHS-Viskosität wird bei 150 °C und bei einer Belastung (Schergefälle) von 10⁶ s^-1 mit einem Rotationsviskosimeter gemessen (z.B. nach ASTM D4683.)

Ein hoher HTHS-Wert wäre 3,5 mPa·s.
Ein niedriger HTHS-Wert bewegt sich zwischen 2,9 und max 3,5 mPa·s

Hohe Temperatur und hohe Schergeschwindigkeiten herrschen im Motor insbesondere dort, wo sich Bauteile schnell bewegen (u.a. Zylinderlaufbahn, Kurbelwelle, Ventile) und erreichen ihre Extremwerte bei hoher Motordrehzahl, beispielsweise also bei schneller Autobahnfahrt.

Unter diesen Bedingungen ist das Motoröl besonders starken Belastungen ausgesetzt und der Ölfilm darf keinesfalls reißen. Aus Sicht des Motorherstellers – und sicher auch des Autobesitzers – würde man wohl sagen: Je stabiler und belastbarer das Motoröl unter diesen Bedingungen (Temperatur, mechanische Belastung) ist, desto besser.

Ein Motoröl mit relativ hoher HTHS-Viskosität wäre mit Blick auf den Schutz vor Abnutzung des Motors also wünschenswert.

Andererseits lässt sich durch den Einsatz von Motorölen mit abgesenktem HTHS-Wert aufgrund ihrer geringeren inneren Reibung Sprit sparen. Das ermöglicht zum einen bessere Abgaswerte (Umweltaspekt) und auch die Autohersteller werben gerne mit niedrigeren Verbrauchswerten.

Fazit: Bei der Wahl des Motoröls ist es notwendig, einen guten Kompromiss zwischen möglichst gutem Motorschutz und geringem Treibstoffverbrauch zu finden.

Dynamische / kinematische Viskosität messen

Es gibt zwei Maßstäbe für Viskosität: die kinematische und die dynamische.
Vereinfacht ausgedrückt sagt die kinematische Viskosität, wie leicht oder schwer das Öl bei einer bestimmten Temperatur aufgrund der Schwerkraft nach unten fließt. Die dynamische Viskosität beschreibt dagegen, wie gut oder schlecht sich das Öl bei einer bestimmten Temperatur pumpen oder „rühren“ lässt.

Die Viskosität (von Motoröl) wird mit einem sogenannten Viskosimeter gemessen, das es in verschiedenen Ausführungen gibt – je nachdem, ob man die kinematische oder die dynamische Viskosität messen möchte:

• Kapillarviskosimeter
  Eine bestimmte Menge Öl fließt bei Prüftemperatur durch eine bestimmte Strecke einer Kapillare (ein langes, sehr enges Röhrchen). Die Dauer bestimmt die Viskosität (Nierdige Viskosität = dünnflüssiger = schneller).
  Für die Messung gibt es zwei Möglichkeiten: Messung der kinematischen oder  – bei zusätzlichem auf das Öl ausgeübten Druck und damit höherem Schergefälle – der dynamischen Viskosität.
• Kugelfallviskosimeter
  Zur Messung der dynamischen Viskosität. Ein Glasrohr ist mit dem (auf Prüftemperatur) temperierten Öl gefüllt, in dem sich auch eine Metallkugel befindet. Kippt man das Rohr schräg,  „fällt“ die Kugel in einer bestimmten Zeit durchs Öl – je nach Ölviskosität schneller oder langsamer.
• Rotationsviskosimeter
  Zur Messung der dynamischen Viskosität. Vereinfacht dargestellt: Man stellt ein kleine in eine größere Schüssel. In den Zwischenraum wird das temperierte Öl gefüllt. Jetzt misst man die Kraft, die nötig ist, um die kleine Schüssel im Ölbad zu drehen. Einen fachlich korrekten Aufbau findest de hier.

Schon gewusst: Der Begriff „Viskosität“ hat seinen Ursprung vom zähflüssigen Saft der Mistelbeere (Viscum) zurück. Der Saft war so dickflüssig und klebrig wie Leim und wurde früher zum Fangen von Vögeln benutzt. Viskos bedeutete früher „zäh wie Vogelleim“.

Dynamische Viskosität

Wissenschaftlich ausgedrückt beschreibt Viskosität die Eigenschaft einer Flüssigkeit, der gegenseitigen Verschiebung zweier benachbarter Grenzschichten einen Widerstand bzw.  eine innere Reibung entgegenzusetzen. Diese Eigenschaft wird dementsprechend nur beim Fließen deutlich.

Die dynamische Viskosität sagt, wie leicht oder schwer sich Öl verformen, also z.B. pumpen lässt. Sie bestimmt den Fließwiderstand in Leitungen, im Schmierspalt von Lagern usw.
Die Einheit der dynamischen Viskosität lautet PascalSekunde (Pa s). Für Motoröle wird meist die Einheit mPa·s genutzt (mPa·s = milli Pascal Sekunde, früher cP=centi Poise).

1Pa·s ist die Viskosität, die zwischen zwei parallelen Flüssigkeitsschichten von 1 cm² Fläche und einem Abstand von 1 cm, bei einem Geschwindigkeitsunterschied von 1 cm/s, eine Querkraft von 10^-4N erfordert.  Jede Viskositätsangabe benötigt die gleichzeitige Angabe der Messtemperatur. 1Pa·s = 1 N s/m²

Wenn man sich ein Ölteilchen in Form eines kleinen Würfels vorstellt, zeigt sich Folgendes: Im ruhenden Zustand behält der Würfel seine Form. Greift eine Quer- oder Schubkraft an, so wird der Würfel in ein schiefes Prisma verformt. Je mehr Kraft notwendig ist, um den Würfel mit einer gewissen Geschwindigkeit um eine gewisse Länge zu verformen, desto höher die Viskosität.

Kinematische Viskosität

Die kinematische Viskosität sagt, wie leicht sich Öl allein aufgrund der Schwerkraft verformt – also, wie gut oder schlecht es fließt. Sie wird in mm²/s angegeben (früher cSt = centi Stokes).

Die dynamische und die kinematische Viskosität können jeweils ineinander umgerechnet werden, wenn man die Dichte des Öls kennt.
Umrechnungsformel dynamische kinematische Viskosität.

Motoröl mit gleicher/unterschiedlicher Viskosität mischen

Grundsätzlich gilt: Motoröl kann man mischen, wenn man einige Punkte beachtet.
Werden zwei (Mehrbereichs-)Motoröle unterschiedlicher Viskositätsklassen, z.B. ein SAE 0W-30 und ein SAE 5W-30 gemischt, kann das Viskositätsverhalten der Mischung nur so gut sein, wie das „schlechtere“ der beiden Öle – in diesem Fall also 5W-30.

Solange sie die Anforderungen Ihres Autoherstellers ans Motoröl erfüllen oder das Öl, das du beimischen möchten, diese sogar übertrifft, ist die Mischung kein Problem. (Darum solltest du die Hersteller-Vorgaben fürs Motoröl vor allem bei Neuwagen beachten.)