Motoröl Viskosität

Motoröl Viskosität Erklärung

Was bedeutet Öl-Viskosität?

Neben der Definition der Motoröl-Viskosität, erklärt dieser Artikel, warum die Viskosität des Öls für den Motor so wichtig ist und klärt die Missverständnisse beim Thema Motoröl-Viskosität auf.

Die Viskosität sagt, wie „zähflüssig“ das Motoröl bei einer bestimmten Temperatur ist. Sie sagt aber zunächst einmal nichts über die Qualität des Motoröls aus.

Geringe Viskosität = geringer Widerstand gegen Verformung
„dünnflüssig“ (Beispiel: Wasser)

Hohe Viskosität = hoher Widerstand gegen Verformung
„dickflüssig“ (Beispiel: Honig)

Sie suchen nach einem speziellen Motoröl? Dann hier lang: Motoröl Hersteller-Freigaben und ACEA-Spezifikationen. Wenn Sie einfache Erklärungen zum komplexen Thema Viskosität suchen, lesen Sie einfach weiter.

 

Diese Temperaturbereiche werden von den SAE-Klassen abgedeckt. Detaillierte Infos und Tabellen zu den SAE-Temperaturbereichen

Während Motoröl mit geringer Viskosität leichter fließt und sich leichter durch den Motor transportieren lässt, kann Motoröl mit hoher Viskosität höheren mechanischen Beslatungen standhalten.

Und hier beginnt das Dilemma:
Einerseits will man 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 nicht ändert.
So ein Motoröl gibt es leider nicht, alle ändern ihre Viskosität – aber eben unterschiedlich stark. Genau diese Unterschiede beschreibt der Viskositätsindex.

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.

Viskosität der SAE-Klassen – Mehrbereichsöle

Die Viskosität des Motoröles ändert sich im Betrieb durch Temperatur, Druck und Belastung (siehe Viskositätsindex). Für die heute gebräulichen (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 einer Motorölverpackung gibt zwei Werte an, beschreibt also eine „von…bis…“-Bandbreite und sieht typischerweise so aus:

 

SAE 5W-30

 

• SAE bedeutet nichts anderes,
  als dass die Klassifizierung nach SAE-Standard erfolgt.
• 5W ist der Wert der Niedrigtemperatur-Viskosität
  (das W steht für Wintereignung).
• 30 ist der Wert der Hochtemperaturviskosität.

Tipp: Motoröl 5W-30 Test. Die Niedrigtemperatur-Viskosität oder auch Grenzpumptemperatur gibt Auskunft, bis zu welchen Minusgraden (kaltes Öl = zählüssiger) das Motoröl von der Ölpumpe gut durch den Motor gepumpt werden und in die Ölwanne zurückfließen kann.

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. Die Werte für die Zuordnung lauten:

SAE-Klasse Wintereignung	Grenzpumptemperatur (für Niedrigtemperatur-Viskosität)
SAE 0W	-40 °C
SAE 5W	-35 °C
SAE 10W	-30 °C
SAE 15W	-25 °C
SAE 20W	-20 °C
SAE 25W	-15 °C

Um mit dem Motoröl bei bestimmten Temperaturen auf der sicheren Seite zu sein, sollte man aufgrund der unterschiedlichen Motorenkonstruktionen noch einen „Sicherheitsaufschlag“ einberechnen. Die Werte dazu finden Sie in der Viskositäts Temperatur-Tabelle.

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.

Um aber grundsätzlich den richtigen Viskositätsbereich zu wählen, reicht zunächst die SAE-Angabe, wie sie auf dem Etikett steht. Die entsprechenden Werte laut SAE:

SAE-Klasse	(Hochtemperatur)-Viskosität minimaler Wert bei 100 °C
SAE 16 Diese SAE-Klasse für noch spritsparendere Motoröle ist relativ neu (2013) und sollte keinesfalls in älteren Motoren oder Fahrzeugen ohne explizite Freigabe für so ein Öl eingesetzt werden.	5,6 mm²/s
SAE 20	6,9 mm²/s
SAE 30	9,3 mm²/s
SAE 40	12,5 mm²/s
SAE 50	16,3 mm²/s
SAE 60	21,9 mm²/s

Für welche Temperaturbereiche die Mehrbereichs-Motoröle nach den SAE-Spezifikationen dann in der Praxis geeignet sind, sehen Sie in der folgenden Temperaturtabelle.

Motoröl-Viskosität Temperaturtabelle (SAE)

SAE-Klasse	Temperaturbereich Für diese Umgebungstemperaturen ist das jeweilige Öl geeignet*
SAE 0W-20	-35°C bis 20°C
SAE 0W-30	-35°C bis 30°C
SAE 0W-40	-35°C bis 40°C
SAE 5W-20	-30°C bis 20°C
SAE 5W-30	-30°C bis 30°C
SAE 5W-40	-30°C bis 40°C
SAE 10W-30	-20°C bis 30°C
SAE 10W-40	-20°C bis 40°C
SAE 10W-50	-20°C bis 50°C
SAE 10W-60	-20°C bis 55°C
SAE 15W-40	-15°C bis 40°C
SAE 15W-50	-15°C bis 50°C
SAE 20W40	0°C bis 40°C
SAE 20W50	0°C bis 50°C
	* Die Umgebungstemperaturen (also die Außentemperaturen) in denen das jeweilige Öl eingesetzt werden kann, die Sie in dieser Viskositätstabelle ablesen, sind Näherungswerte. Warum? Weil die Spezifikation SAE J300 zwar beschreibt, welche „Zähflüssigkeit“ das Öl bei bestimmten Temperaturen nicht überschreiten darf, aber Automotoren unterschiedlich konstruiert sind. Deswegen geben Autohersteller ja auch für jedes Auto die genauen Motoröl-Spezifikationen an.

Motoröl Viskosität Definition

Viskosität bezeichnet den Widerstand des Öls gegen Verformung.  (Umgangssprachlich ist das die „Zähflüssigkeit“.)

Flüssigkeiten mit geringer Viskosität haben eine geringe innere Reibung und können daher leichter fließen, also leichter verformt werden. (Beispiel: Wasser.)

Die innere Reibung einer Flüssigkeit und damit ihre Viskosität hängt vor allem von der Größe und der Gleichartigkeit ihrer Moleküle unn der Molekülketten ab:
Je größer die Moleküle, desto höher ist die innere Reibung. Stellen Sie sich einen Eimer mit frisch angerührtem Beton vor: je mehr Sand und Kiesel eingerührt werden, desto zähflüssiger wird die Mischung. Bei unterschiedlich großen Molekülen bestimmt die durchschnittliche Molekülgröße über die Viskosität.

Beim Motoröl sind hier die vollsynthetischen Öle klar im Vorteil: Ihre Moleküle sind gleichartig, weisen also im Vergleich zum Mineralöl kaum Größenunterschiede und es gibt keine fremdartigen Moleküle, die das Öl verunreinigen – ein Grund dafür, warum bei Motorölen der 0W-Klasse nur synthetische Öle Verwendung finden.

Am besten verdeutlicht man Viskosität und die zugrunde liegende innere Reibung am Beispiel Honig. Versucht man Honig, der gerade aus dem Kühlschrank kommt, auf einen Löffel zu nehmen, passiert folgendes: Man braucht einige Kraft, den Honig im Glas zu bewegen und der Honig bleibt auch bei umgedrehten Löffel einigermaßen fest an diesem haften, er fließt kaum. Kalt wehrt sich der Honig also gegen Verformung, er hat in kaltem Zustand eine hohe Viskosität.

Erwärmt man den Honig, kann man ihm im Glas besser rühren und er fließt/tropft leichter vom Löffel: jetzt hat er eine geringere Viskosität.

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 finden Sie hier.

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 wird.

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 Sie beimischen möchten, diese sogar übertrifft, ist die Mischung kein Problem. (Darum sollten Sie die Hersteller-Vorgaben fürs Motoröl vor allem bei Neuwagen beachten.)