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Wie beeinflusst die Temperaturänderung die Viskosität des Öls?
Tipps und Tricks

Wie beeinflusst die Temperaturänderung die Viskosität des Öls?

  • Katarina Knafelj Jakovac

    5. Dezember 2023

Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften jedes Schmierstoffs sind das Grundöl, die Viskosität des Öls, der Viskositätsindex und der Fließpunkt, der durch Temperaturänderungen beeinflusst wird.

Eigenschaften des Grundöls

Jedes Schmieröl für Maschinen und Ausrüstungen besteht aus Grundöl und einer bestimmten Menge entsprechender Additive, abhängig von der spezifischen Anwendung.

Mineralische oder nichtsynthetische Grundöle haben eine spezifische chemische Zusammensetzung, die im Wesentlichen durch die Reinigung von Rohöl entstanden ist, wobei schwere paraffinische Verbindungen entfernt und durch eine Behandlung mit Wasserstoff verbessert wurden.

In späteren Schritten des Herstellungsprozesses werden Additive gemischt, um die gewünschten Schmierstoffeigenschaften zu erreichen, wie Additive zur Verbesserung der Viskosität und Stabilität, zur Verhinderung der Paraffinkristallisation oder zum Schutz vor Korrosion.

Neben naphtenischem Ursprung können mineralische Grundöle paraffinisch oder aromatisch sein, wobei die letzten beiden Gruppen einen höheren Viskositätsindex haben. Auf der anderen Seite sind Grundöle naphtenischen Ursprungs empfindlicher gegenüber Temperaturänderungen im Vergleich zu paraffinischen Ölen.

Öle paraffinischen Ursprungs sind aufgrund ihrer Stabilität eine bevorzugte Rohstoffquelle für die Mischung mit anderen Komponenten bei der Schmierstoffherstellung und für den Einsatz in Maschinen, die bei höheren Temperaturen arbeiten.

Grundöle unterschiedlichen Ursprungs, von links nach rechts: mineralisch, synthetisch, hydrogecrackt, synthetisch mit hohem Viskositätsindex, synthetisch Polyalphaolefin
Bild: Grundöle unterschiedlichen Ursprungs, von links nach rechts: mineralisch, synthetisch, hydrogecrackt, synthetisch mit hohem Viskositätsindex, synthetisch Polyalphaolefin (Quelle)

Additive im Grundöl reagieren auf Temperaturänderungen und helfen dabei, die Schmierstoffeigenschaften auf dem gewünschten Niveau zu halten.

Was ist Viskosität?

Die wichtigste Eigenschaft jedes Schmieröls und der Hauptfaktor für die Klassifizierung ist die Fähigkeit zum Fließen oder inneren Reiben, das beim Fließen des Schmierstoffs aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten seiner Schichten entsteht.

Es wird in Zentistokes ((cSt, 1 cSt = 0.01 St = 1 mm²/s= 10⁻⁶ m²/s) bei 40 °C und 100 °C gemessen.

Die Ölviskosität ist das Hauptkriterium für die Handhabung, Lagerung und Betriebsbedingungen bei der Anwendung. Daher ist sie eine obligatorische Angabe in den technischen Spezifikationen der Schmierstoffhersteller, in Schmierstoffkatalogen und in den Benutzerhandbüchern der Maschinenhersteller.

Der Standard ASTM D445 legt Prüfmethoden für die kinematische Viskosität von klaren und undurchsichtigen Flüssigkeiten fest und definiert die Methode zur Berechnung der dynamischen Viskosität.

Die kinematische Viskosität des Öls wird durch Messung der Zeit bestimmt, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge Öl unter dem Einfluss der Schwerkraft durch einen kalibrierten Glasviskosimeter fließen zu lassen.

Die dynamische Viskosität (mPa·s) wird durch Multiplikation des Werts der kinematischen Viskosität mit der Dichte erhalten.

Zum Beispiel, wenn ein Ölfilm zwischen Lager und Welle entsteht, haften einige Ölmoleküle an der metallischen Oberfläche der Welle, während andere sich auf der Oberfläche des Lagers ablagern und Widerstand gegen Belastung erzeugen.

Die Temperatur beeinflusst dieses Verhalten des Öls. Öle mit niedriger Viskosität haben einen höheren Widerstand gegen Belastung, während Einheitsöle einen geringeren Widerstand gegen Belastung haben.

Niedrigviskose Schmieröle mit potenziellem höherem Widerstand gegen Belastung müssen eine ausreichende Ölfilmdicke aufrechterhalten, sonst wird bei steigender Temperatur der Ölfilm dünn oder verschwindet, und es entsteht Reibung zwischen den beiden metallischen Oberflächen, was unbedingt vermieden werden sollte.

Wenn es dennoch zu einem Kontakt zwischen den beiden metallischen Oberflächen kommt, sagen wir, dass es zu einem Festklemmen gekommen ist.

In Bild 1 sehen wir, wie sich die Viskosität des Öls je nach Temperaturanstieg oder -abfall für eine bestimmte VG-Klassifizierung verhält.

Änderung der Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur
Bild: Änderung der Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur (Quelle)

Wenn die Ölviskosität zu hoch ist, bei potenziell geringem Widerstand gegen Belastung, wird der innere Reibungswiderstand die Temperatur des Öls drastisch erhöhen und zu Überhitzung und Öloxidation führen.

Aus diesem Grund muss bei der Auswahl des geeigneten Schmierstoffs unbedingt auf die Betriebstemperatur während der gesamten Lebensdauer der Maschine geachtet werden.

Was ist der Fließpunkt des Öls?

Der Fließpunkt wird als die niedrigste Temperatur definiert, bei der das Schmieröl die Fähigkeit zum Fließen hat.

In der Praxis wird es oft fälschlicherweise als Kriterium für die Auswahl der Viskositätsklasse VG betrachtet.

Zum Beispiel, wenn das Öl einen Fließpunkt von -30 °C hat, werden die meisten Menschen automatisch annehmen, dass das Öl bei einer Außentemperatur von -30 °C über die Oberfläche des Maschinenteils verlaufen wird.

Und sie liegen falsch.

Im besten Fall, wenn Öl mit einem Fließpunkt von -30 °C eine Maschine schmiert, die sich in einer Umgebung mit einer Temperatur von -30 °C befindet, wird es zu einem Schlagen kommen, das infolge der Erhöhung der Öltemperatur durch die innere Bewegung der Schichten entsteht.

Die Temperaturerhöhung ermöglicht eine Verringerung der Viskosität genau so viel, wie es erforderlich ist, damit das Öl langsam über die Maschinenteile und -rillen fließen kann.

Dieser Prozess dauert oft 5 bis 10 Minuten (manchmal länger), wobei die Maschine mit ungeschmierten Komponenten arbeitet, was zu einem Festklemmen führen kann, da das Öl zu dick geworden ist, um ordnungsgemäß zu schmieren.

Der Punkt dieser beschriebenen Situation ist: Verlassen Sie sich nicht auf den Fließpunkt als Hauptkriterium bei der Auswahl der Viskositätsklasse des Schmieröls.

Was ist der Viskositätsindex?

Der Viskositätsindex (VI oder IV nach dem englischen Begriff viscosity index) beschreibt die Beständigkeit gegenüber Änderungen der Viskosität je nach Temperaturänderung.

Das Bild zeigt die Änderung der kinematischen Viskosität je nach Temperatur für Motor-, synthetische und mineralische Öle, wobei mineralische Öle einen niedrigen Viskositätsindex aufweisen.

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Bild: Änderung des Viskositätsindex je nach Temperatur und Art des Öls

Um die Beständigkeit der Viskosität gegenüber Temperaturschwankungen zu verbessern, muss der Herstellungsprozess verbessert oder dem Motoröl Additive zugesetzt werden.

Wenn wir einen Ölfilm betrachten, dessen Dicke abnimmt, wenn die Temperatur steigt, sagen wir, dass das Öl einen niedrigen Viskositätsindex hat.

Wenn die Viskosität des Öls sich nicht signifikant ändert, wenn es erhitzt wird, hat es einen höheren Viskositätsindex und wird als stabiler betrachtet.

Diese Temperatur- und Viskositätsabhängigkeit ist wichtig, wenn wir ein Öl auswählen, das eine Maschine schmieren soll, deren Betriebstemperatur sich drastisch ändert, insbesondere wenn eine solche Maschine in nördlichen Breitengraden oder arktischen Gebieten arbeiten soll.

Alle bisher genannten Eigenschaften müssen von den Herstellern von Schmierölen gemäß den Anforderungen der Normen ISO 2909:2002 oder ASTM D2270 in den technischen Spezifikationen jedes Schmierstoffs aufgeführt werden.

In einer Tabelle, die aus einer solchen technischen Spezifikation übernommen wurde, sind die Eigenschaften mit gelber Farbe markiert, wobei die Eigenschaft im ersten Spaltenkopf aufgeführt ist, im zweiten Spaltenkopf der Standard, nach dem jede Eigenschaft unter Laborbedingungen getestet wurde.

Im dritten Spaltenkopf sind die Einheiten angegeben, und im vierten Spaltenkopf wird der gemessene Wert angegeben.

Tabelle

(Izvor)

Zum Beispiel wurde der Viskositätsindex des Motoröls gemäß dem ASTM D2270-Standard getestet, hat keine Einheit und beträgt 164.

Maschinenhersteller geben in den Handbüchern für Betrieb und Wartung oft nicht den Viskositätsindex im Abschnitt über Schmierstoffe und Schmierung an, daher wird empfohlen, die Kompatibilität vor der Verwendung eines bestimmten Schmierstoffs zu überprüfen.

Instandhalter von Maschinen und alle anderen Benutzer von Motorölen wenden sich selten an die Hersteller von Schmierölen, um fachkundige Unterstützung bei der Auswahl von Schmierstoffen gemäß definierten Anforderungen, technischen Spezifikationen oder in Situationen zu erhalten, in denen spezifische Betriebsbedingungen vorliegen.

Aus meiner Erfahrung antworten Schmierstoffhersteller jedoch gerne auf konkrete Fragen und sind bereit, technische Daten zu Ölen bereitzustellen, Anleitungen für den Umgang mit Altölen zu geben, an der Erstellung von Schmierplänen teilzunehmen und Anleitungen sowie Empfehlungen für die Anwendung von Schmierstoffen zu geben.

Einige Hersteller sind sogar bereit, kurze Schulungen und Workshops zu Schmierstoffen und den Grundlagen der Schmierung zu organisieren.

Ich empfehle Ihnen, sich bei Ihrem Lieferanten oder beim Hersteller von Motorölen für Maschinen und Ausrüstungen, die Sie verwenden, nach Schulungen zu erkundigen und Ihr Fachteam zu schulen. Stellen Sie ihm unbedingt alle Fragen zu seinen Schmierstoffen, wenn dies bisher nicht Ihre Praxis war.

Außerdem, wenn Sie Probleme mit einer bestimmten Art von Schmierstoff hatten und ein Maschinenausfall aufgetreten ist, geben Sie dem Lieferanten oder Hersteller unbedingt Rückmeldung.

Auf diese Weise erhält der Hersteller Einblick in das Verhalten seines Produkts unter realen Bedingungen, und Sie erhalten Unterstützung bei der Untersuchung, warum der Ausfall aufgetreten ist.

Wie berechnen wir den Viskositätsindex von Öl?

Der Viskositätsindex für ein ausgewähltes Öl wird gemäß der ASTM D2270-Norm für die gemessene Viskosität bei Temperaturen von 40°C und 100°C berechnet.

Ein Standardöl paraffinischen Ursprungs hat einen Viskositätsindex VI=100, während ein Standardöl naphtenischen Ursprungs einen Viskositätsindex VI=0 hat.

Zuerst wird die Viskosität des Öls bei 100°C gemessen, dann werden die Parameter aus dem Diagramm in der ASTM D2270-Norm abgelesen:
L – Viskosität des naphtenisch-aromatischen Öls bei 40°C
H – Viskosität des paraffinischen Öls bei 40°C
U – Viskosität des getesteten Öls bei 40°C
Alle genannten Parameter sind durch die Formel miteinander verbunden:

IV=LULH×100IV = \frac{L-U}{L-H}\times 100

Die Beziehungen dieser Parameter werden grafisch durch das Verhältnis in einem Diagramm zwischen 20°C und 100°C dargestellt.

Bild: Verhältnis der Viskosität von naphtenisch-aromatischem und paraffinischem Öl
Bild: Verhältnis der Viskosität von naphtenisch-aromatischem und paraffinischem Öl (Quelle

Eine schnellere Möglichkeit, die Viskosität des Öls mit der beschriebenen Formel zu berechnen, besteht darin, einen verfügbaren Rechner online zu verwenden oder eine mobile Anwendung zu nutzen.

Ölviskosität in praktischen Beispielen

Neue Pumpen werden mit einem leeren Lagergehäuse geliefert, und vor dem ersten Start der Pumpe muss das Lagergehäuse unbedingt mit einer Menge Schmieröl und Viskositätsgraden gefüllt werden, die vom Pumpenhersteller vorgeschrieben sind.

Es ist nicht erlaubt, Öle unterschiedlicher Viskositätsgrade zu mischen, da dies mehr Schaden als Nutzen verursachen kann.

Für eine gewöhnliche einstufige Zentrifugalpumpe mit einer Leistung von 50 kW sind grundlegende Eigenschaften definiert, die das Schmieröl unter den Betriebsbedingungen in einer Umgebungstemperatur zwischen -10 °C und 40 °C erfüllen muss. Die maximale Betriebstemperatur der Lager beträgt 110 °C.

Das Öl muss eine mineralische oder synthetische Basis haben, einen minimalen Viskositätsindex VI min: 95, eine Viskositätsklasse ISO VG 100, eine Betriebstemperatur des Öls von -10 °C bis +170 °C und einen Flammpunkt >200 °C.

Das Intervall für den vollständigen Ölwechsel liegt zwischen 1000 und 1500 Betriebsstunden, wobei der Wechsel mindestens einmal im Jahr erfolgen muss.

Schnitt durch eine einstufige Zentrifugalpumpe
Bild:Schnitt durch eine einstufige Zentrifugalpumpe (Quelle)

Die grundlegende Prozedur für den Ölwechsel im Lagergehäuse einer einstufigen Zentrifugalpumpe umfasst die folgenden Schritte:

  1. Entfernen Sie den Stopfen an Position 1 am Lagergehäuse und gießen Sie das vorgeschriebene Öl mit einem Trichter ein.
  2. Überprüfen Sie am Peilglas, ob die eingebrachte Ölmenge im Lagergehäuse die Markierung am Peilglas erreicht hat, die an Position 4 in der Abbildung gekennzeichnet ist. Die Ölmenge ist ausreichend für den kontinuierlichen Betrieb der Pumpe.

Das Nachfüllen des Öls erfolgt durch Anheben und Kippen der Ölschale an Position 2, wie in der Abbildung gezeigt:

Schnitt durch das Lagergehäuse und markierte Schritte der Ölwechselprozedur
Bild: Schnitt durch das Lagergehäuse und markierte Schritte der Ölwechselprozedur (Quelle)

Dann wird die Ölschale in die Ausgangsposition zurückgebracht, wobei der Ölstand so hoch sein muss, dass das Kugellager an Position 3 bis zur Höhe der zentralen Linie eingetaucht ist.

Die Ölmenge im Lagergehäuse wird während des Pumpenbetriebs allmählich verbraucht, daher ist es erforderlich, den Ölstand regelmäßig am Peilglas zu überprüfen und regelmäßig Ölnachfüllungen vorzunehmen.

Es sollte beachtet werden, dass sich die Viskosität des verwendeten Öls von der des neuen nachgefüllten Öls unterscheidet, wenn die Öle im Lagergehäuse gemischt werden.

Das gebrauchte Öl ist älter, kann Spuren von Schmutzpartikeln enthalten, oxidiert sein oder Ablagerungen aufweisen, was sich auf die Viskosität auswirkt.

Aus diesem Grund ist es notwendig, regelmäßige Laboranalysen durchzuführen und den Ölzustand zu überwachen, insbesondere bei leistungsstarken Maschinen wie Turbokompressoren, Gasturbinen oder Dieselaggregaten.

Wenn es um Autos geht, ermöglichen neuere Forschungen die Herstellung von Motorölen mit einem höheren Viskositätsindex, der sich bei Betriebstemperaturänderungen nicht wesentlich ändert und somit zu einer wirtschaftlichen Kraftstoffverbrauch beiträgt.

Jeder Autokraftstoffmotor ist so konstruiert, dass er mit Öl geschmiert wird, dessen Viskosität innerhalb bestimmter Werte liegen muss, um Reibung zu reduzieren und den Verschleiß von Teilen zu verhindern.

Je weniger sich die Viskosität eines bestimmten Motoröls aufgrund von Temperaturänderungen ändert, desto größer ist die Möglichkeit, dieses Motoröl bei niedrigen und hohen Umgebungstemperaturen zu verwenden.

Wenn das Motoröl kalt ist (weil es draußen kalt ist oder weil der Motor gerade aus dem Stillstand gestartet wird), ist seine Viskosität niedrig, es gelangt nicht schnell genug an die Stellen, an denen Schmierung erforderlich ist, und es kann zu Oberflächenschäden aufgrund von Reibung kommen.

ACEA (Association des Constructeurs Europeens de I’Automobile) ist der Verband der europäischen Automobilhersteller, der die Kriterien zur Bestimmung der Qualität von Motoröl festgelegt hat. Die Mitglieder des Verbandes sind alle europäischen Automobilhersteller.

In der technischen Spezifikation des Motorölherstellers sind High-Performance-Automarken aufgeführt, die das Öl verwenden, die Übereinstimmung mit dem ACEA-Kriterium C3 für Öle mit hoher Torsionsstabilität (bleibt in der Klasse, bleibt in der Graduierung) und die Kompatibilität mit dem Filter für feste Partikel des Abgases von Dieselmotoren sowie die Kompatibilität mit dem Katalysator.

Einfüllen von Öl in den Automotormotor
Bild: Einfüllen von Öl in den Automotormotor (Quelle)

Es werden auch Effizienztests durchgeführt, denen das Schmieröl unterzogen wurde, um die Genehmigung für den Verkauf auf dem Markt zu erhalten. In diesem Fall wurde das Öl am Porsche- und VW-Motor getestet.

Auszug aus der technischen Spezifikation des Motorölherstellers
Bild: Auszug aus der technischen Spezifikation des Motorölherstellers (Quelle

Eine weitere interessante Tatsache ist, dass bestimmte Automarken wie Porsche ihr eigenes Motoröl herstellen und dessen Verwendung in ihren Modellen empfehlen.

Porsche Motoröl
Bild: Porsche Motoröl (Quelle)

Katarina Knafelj Jakovac
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5. Dezember 2023

Katarina Knafelj Jakovac ist eine Maschinenbauingenieurin mit langjähriger Berufserfahrung in der Erdölindustrie. Sie ist zertifizierte Führungskraft für die Zuverlässigkeit von Ausrüstungen, spezialisiert auf maschinelle Ausrüstung und operative Exzellenz. Sie ist die Autorin des Blogs Strojarska Radionica (Mechanische Werkstatt), in dem sie ihr berufliches Wissen und persönliche Erfahrungen im Bereich Wartung verschiedener Rotationsmaschinen, Maschinensysteme und Prozessausrüstungen teilt. Sie liebt Mechanik, Wärmelehre und Verbrennungsmotoren. Ihr Engagement gilt der kontinuierlichen Verbesserung der Maschinenwartung und einer qualitätsvollen Verwaltung von Sachanlagen.