Es gibt viele verschiedene Viskositätsklassen, und dünnere Motoröle werden immer häufiger verwendet. Als Erstes sollten Sie die vom Hersteller empfohlenen Viskositätsklassen beachten. Wenn Ihr Motor noch im Originalzustand ist, sollten Sie sich an das Öl halten, das die Ingenieure bei der Konstruktion und Entwicklung Ihres Motors verwendet haben. Die meisten Motoren lassen verschiedene Viskositätsklassen zu, so dass Sie das Öl auswählen können, das am besten für die Anwendung Ihrer Ausrüstung geeignet ist. Wenn Ihr Motor modifiziert wurde, kann Ihnen das helfen, die richtige Wahl zu treffen. Damit es sich nicht nur um eine Münzwurf-Auswahl handelt, wollen wir uns näher damit befassen.
Zunächst zu den Grundlagen: Es gibt zwei Arten von Viskosität, die kinematische und die dynamische. Die kinematische Viskosität wird in den Zahlen angegeben, die wir alle von einem Ölbehälter kennen. Eine kinematische Viskositätsklasse besteht in der Regel entweder aus einer einzigen Zahl (Monoviskositätsklasse) oder aus zwei Zahlen mit einem Bindestrich dazwischen (Multiviskositätsklasse). Da es sich bei den meisten Schwerlastölen um Mehrbereichsöle handelt, konzentrieren wir uns auf das zweistellige System. Bei 15W-40 steht die erste Zahl auf der linken Seite (hier 15) für die Viskosität bei kalten Temperaturen und enthält den Buchstaben „W“ (der für Winter steht, so kreativ sind die Ingenieure). Die zweite Zahl auf der rechten Seite (40 in diesem Beispiel) steht für die kinematische Viskosität bei normaler Motorbetriebstemperatur, in der Regel 100 °C. Je niedriger die kinematische Viskositätszahl, desto dünner ist das Öl. So ist beispielsweise ein 5W-40-Öl bei kalten Temperaturen dünner als ein 15W-40-Öl, aber bei normalen Betriebstemperaturen fließen beide Öle gleich gut. Vergleicht man jedoch ein 10W-30 mit einem 15W-40, so ist das 10W-30 sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen dünner und hat einen geringeren Fließwiderstand. Denken Sie daran: Maissirup ist hoch, Maislikör ist niedrig.
So viel zur kinematischen Viskosität. Lassen Sie uns nun über die neueste API-Einstufung sprechen. Wie kommt es, dass CK-Öle eine andere Viskosität haben als FA-Öle, auch wenn sie beide 10W-30 sind? Die Viskosität wird von drei Faktoren beeinflusst: Temperatur, Druck und Schergeschwindigkeit (die sich auf die Motordrehzahl bezieht). Meistens arbeiten wir bei atmosphärischem Druck oder etwas darüber, so dass wir diesen als relativ konstant betrachten können. Die Temperaturschwankungen reichen von der Umgebungstemperatur bis zur normalen Betriebstemperatur des Motors, die in der Regel bei etwa 100 Grad C liegt. Die kinetische Viskosität wird bei einer sehr langsamen Geschwindigkeit gemessen, nur unter dem Einfluss der Schwerkraft. Es gibt drei dynamische Viskositätsmessungen, die die SAE-Klasse definieren. Zwei bei niedriger Temperatur, die Cold Cranking Viscosity (CCS), die bei hoher Geschwindigkeit (Scherung) gemessen wird, und die Mini Rotary Viscosity (MRV), die bei niedriger Geschwindigkeit (Scherung) gemessen wird. Die übliche dynamische Viskosität, die zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs verwendet wird, wird als High Temperature High Shear (HTHS)-Viskosität bezeichnet. Wir verfügen heute über die Technologie, die Viskosität so zu modifizieren, dass sich die Viskosität bei wechselnden Drehzahlen anders verhält, um die Anforderungen moderner Motoren zu erfüllen.
Von der Theorie zur Praxis
Der Kompromiss besteht darin, zwischen einer niedrigeren Viskosität zur Verringerung der Pump- und Scherverluste und der Verhinderung, dass die Kurbelwelle die Buchsen berührt, indem sie auf einem Ölkeil schwimmt, zu wählen (der Fachausdruck ist hydrodynamische Schmierung). Ein Öl mit niedrigerer Viskosität verringert die parasitären Verluste und verbessert so den Kraftstoffverbrauch und die Leistung. Parasitäre Verluste sind Dinge, die die Leistung des Motors belasten – denken Sie an einen Parasiten, wie einen Blutsauger. Haben Sie jetzt ein schönes Bild vor Augen? Eine niedrigere Viskosität ist leichter zu pumpen und zu scheren. Aus diesem Grund gehen viele Schwerlastöle von dem traditionellen 15W-40 zu 10W-30 über. Wenn der Motor für die Verwendung von 10W-30 ausgelegt und hergestellt ist, können Kraftstoffverbrauch und Leistung gegenüber 15W-40 verbessert werden. Der Unterschied beim Pumpen ist ziemlich einfach, aber was ist mit dem Scheröl? Das ist die hydrodynamische Schmierung, die entsteht, wenn die Kurbelwelle über den Ölkeil gleitet, der von der Ölpumpe in den Lagern bereitgestellt wird. Je dicker das Öl ist, desto mehr Energie verbraucht es, um sich zu bewegen. Denken Sie daran, einen Baseball unter Wasser zu werfen. Wenn Sie die Bewegung sehr langsam ausführen, ist der Arbeitsaufwand nicht viel anders als in der Luft (kinematisch). Wenn Sie jedoch versuchen, den Ball schneller zu werfen, steigt die erforderliche Kraft schneller als die Geschwindigkeitsänderung Ihres Arms (dynamisch). Überlegen Sie auch, wie viel schwieriger es in Maissirup wäre als in Wasser. Das ist dasselbe Problem wie bei den parasitären Verlusten in Motoren: Kurbelwellen und andere sich bewegende Motorteile müssen das Öl abscheren. Und je langsamer es geschert wird oder je dünner das Öl ist, desto weniger Energie geht verloren. Aus diesem Grund wird die Reisegeschwindigkeit von Hochleistungsmotoren ständig gesenkt, so dass die parasitären Verluste sinken und der Kraftstoffverbrauch steigt.
Die gleichen Faktoren, die den Kraftstoffverbrauch beeinflussen, wirken sich auch auf die Leistung aus. Wenn wir jedoch die Viskosität weiter senken, erreichen wir einen Punkt, an dem das Öl nicht mehr dick genug ist, um zu verhindern, dass die Kurbelwelle während des Betriebs an den Buchsen reibt. Dann verlieren wir an Lebensdauer und Haltbarkeit des Motors. Um zu verstehen, wie dick das Öl sein muss, müssen wir etwas über das Lambda-Verhältnis erfahren, wie es die Motorentwickler nennen. Beginnen wir mit der Hardware. Der Abstand zwischen den Zapfenlagern und der Kurbelwelle hängt hauptsächlich von drei Faktoren ab: der Viskosität des Öls, der Fläche der Buchse, die die Kurbelwelle berührt, und der Kraft, die auf die Pleuelstange wirkt. Die Belastung des Kolbens durch die Pleuelstange führt dazu, dass die obere Buchse auf der Pleuelstange und die untere Buchse in den Hauptlagern als erste Verschleiß zeigen. Die Verbrennungskraft führt dazu, dass die Pleuelstange versucht, die Kurbelwelle aus dem Boden des Blocks herauszudrücken.
Der Einfachheit halber betrachten wir Lambda als ein Verhältnis von Öldicke, Kraft auf die Buchse und Höhe der Unebenheit. Wir haben alle diese Faktoren außer der Höhe der Unebenheiten definiert, also fangen wir dort an. Bei der maschinellen Bearbeitung von Teilen sind selbst sehr glatte Oberflächen nicht so glatt, wenn man genau hinsieht. Es ist logisch, dass je rauer die Oberflächen sind, desto mehr Öl benötigt man, damit sie sich nicht berühren. Je glatter wir die Kurbelwelle machen können, desto weniger Ölfilm brauchen wir, um Reibung zu verhindern. Verbesserte Herstellungsverfahren der Motorenhersteller wie Brünieren, Polieren und Superfinishing von Kurbelwellen können die Verwendung dünnerer Öle ermöglichen.
Gleichzeitig erhöhen die Motorenkonstrukteure, die einen geringeren Kraftstoffverbrauch anstreben, jedoch den Zylinderdruck, wodurch die Kraft auf die Pleuelstange erhöht und der Ölfilm dünner wird. Erhöhter Kraftstoffverbrauch und geringere Kohlenstoffemissionen werden dadurch erreicht, dass die Motordrehzahl gesenkt wird, so dass der Motor das Öl langsamer abscheren kann (denken Sie an das Werfen eines Baseballs unter Wasser). Gleichzeitig verwendet der Motor dünneres Öl, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, und übt eine höhere Kraft auf die Pleuelstange aus, was in der Vergangenheit ein dickeres Öl erfordert hätte. Modernste Fertigungstechniken machen dies möglich, und wir arbeiten eng mit den Motorenherstellern zusammen, um genau das richtige Gleichgewicht zwischen Sparsamkeit und Haltbarkeit zu schaffen.
Nun noch ein kurzer Hinweis an alle, die Chips oder Hochleistungs-Updates an ihren Dieselmotoren haben. Diese erhöhen den Zylinderdruck oft weit über die Konstruktionsgrenzen des Herstellers hinaus, daher würden wir kein Öl mit niedrigerer Viskosität empfehlen. Wenn die Änderungen, die Sie vorgenommen haben, nicht zu einer verbesserten Oberflächenbearbeitung geführt haben, sollten Sie Ihren Lagern zumindest etwas 15W-40 gönnen.
In einem kommerziellen Fuhrpark mit gutem Kraftstoffverbrauch ist der Wechsel zu einem 10W-30 CK-Öl ein guter Schritt für den Kraftstoffverbrauch. Wenn Sie sich mehr Sorgen um die Haltbarkeit Ihrer Motoren machen und diese bis zum Ende ihrer Lebensdauer betreiben und ein paar Prozentpunkte Kraftstoffeinsparung nicht so attraktiv sind, dann können Sie 15W-40 wählen. Wählen Sie die richtige Viskosität, und Ihr Motor wird es Ihnen danken, indem er weiterhin seine Arbeit verrichtet.