Gemeinsame Weisheit besagt, dass Motoröle, die den Kraftstoffverbrauch erhöhen, weniger Reibung zulassen und die Lebensdauer des Motors verlängern. Der Zweck dieses Artikels ist es, die konventionelle Weisheit in Frage zu stellen, insbesondere in Bezug auf moderne (GF-3 ILSAC/API Starburst) Motorenöle.
Kraftstoffeinsparung: Does Anyone Really Care?
Zunächst sollten wir der Tatsache ins Auge sehen, dass der amerikanische Verbraucher sich in der Regel nicht um den Kraftstoffverbrauch kümmert, außer in wirtschaftlich schwierigen Zeiten. Der meistverkaufte Personenwagen ist der Ford F-Series Pickup. Fünf der 10 meistverkauften Fahrzeuge sind Lastkraftwagen, und Lastkraftwagen verkaufen sich besser als Autos.
Einige der Lastkraftwagen werden als Sport Utility Vehicles bezeichnet, auch bekannt als SUVs, weil ihre Besitzer nicht zugeben wollen, dass sie Lastkraftwagen sind. Die Masse (Größe, Gewicht) dieser Fahrzeuge ist nicht gerade förderlich für einen niedrigen Kraftstoffverbrauch.
Abbildung 1. Lagerverschleiß
Betrachten Sie außerdem, wie die meisten Fahrzeuge gefahren werden. Wer langsam beschleunigt oder sich an die Geschwindigkeitsbegrenzung hält, um Energie zu sparen, gefährdet sich selbst und andere Fahrer, die es viel eiliger haben.
Die Autohersteller hingegen sind um den Kraftstoffverbrauch besorgt. Den Herstellern drohen hohe Geldstrafen, wenn die von ihnen produzierte Fahrzeugflotte die von der Bundesregierung auferlegten Anforderungen an den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch (Corporate Average Fuel Economy, CAFE) nicht erfüllt.
Der Übergang zu dünneren Ölen
Dünnere Öle werden heutzutage aus drei Gründen verwendet: Sie sparen Kraftstoff in Testmotoren, die Viskositätsregeln haben sich geändert, und die Hersteller empfehlen dünnere Ölsorten.
Die Sequenz VI-B ist der Test, der zur Bewertung des Kraftstoffverbrauchs für die GF-3-Spezifikation verwendet wird. Der VI-B-Testmotor ist mit einer Rollennocke ausgestattet, während beim alten Sequence VI-Test eine Gleitnocke verwendet wurde. Der alte Sequence-VI-Test sprach gut auf Reibungsmodifikatoren an, der Sequence-VI-B-Test hingegen auf dünnere Öle.
Die Kraftstoffeffizienz des Testöls wird mit der Kraftstoffeffizienz eines Referenzöls im Sequence-VI-B-Test verglichen. Um den Test zu bestehen, muss das Testöl den Kraftstoffverbrauch um ein bis zwei Prozent verbessern, je nach Viskositätsklasse. SAE 5W-20 muss eine höhere relative Kraftstoffeffizienz aufweisen als SAE 5W-30.
Interessanterweise ist das Referenzöl ein vollsynthetisches PAO SAE 5W-30. Um sich für den GF-3 Starburst zu qualifizieren, mussten normale Mineralöle den Kraftstoffverbrauch des vollsynthetischen Referenzöls übertreffen. (Es scheint, dass es bei der Kraftstoffersparnis um mehr geht als um ein magisches Grundöl.)
Ein weiterer Faktor für die Kraftstoffersparnis ist die vorübergehende Polymerscherung. Diese Polymere sind Additive, die als Viskositätsindexverbesserer (oder Modifikatoren) bekannt sind. Polymere sind Kunststoffe, die in Öl gelöst werden, um mehrviskose Eigenschaften zu erzielen. So wie einige Kunststoffe härter, spröder oder hitzebeständiger sind als andere, haben verschiedene Polymere unterschiedliche Eigenschaften.
Polymere sind riesige Moleküle mit vielen Verzweigungen. Wenn sie erhitzt werden, wickeln sie sich ab und breiten sich aus. Die Verzweigungen verschränken sich mit denen anderer Polymermoleküle und fangen viele winzige Ölmoleküle ein und kontrollieren sie. Daher kann eine relativ kleine Menge an Polymeren eine enorme Auswirkung auf die Ölviskosität haben.
Wenn Öl zwischen ein Lager und einen Zapfen gepresst wird, haben viele Polymere die Tendenz, sich aneinander auszurichten, ähnlich wie ineinandergeschachtelte Löffel. Wenn dies geschieht, sinkt die Viskosität. Wenn das Öl dann durch das Lager fließt, verschränken sich die Polymermoleküle wieder, und die Viskosität kehrt zum Normalwert zurück. Dieses Phänomen wird als temporäre Scherung bezeichnet.
Da der Sequenz-VI-B-Test auf eine Verringerung der Viskosität reagiert, verlassen sich die Ölformulierer auf die Scherung des Polymers, um den Test zu bestehen. Ein scherstabiles Polymer macht das Bestehen des GF-3-Kraftstoffverbrauchstests viel schwieriger.
Im Juni 2001 traten neue Vorschriften in Kraft, die die Kaltfließanforderungen für SAE-Viskositätsklassen (SAE J300) definieren. Die Automobilhersteller befürchteten, dass moderne Einspritzsysteme den Motor bei niedrigeren Temperaturen starten könnten, als das Öl in die Ölpumpe fließen könnte. Folglich wirkten sich die neuen Vorschriften auf die Verdünnung des Öls aus.
Die Autohersteller empfehlen heute dünnere Öle für ihre Fahrzeuge als früher. Vor Jahren war SAE 10W-40 die am häufigsten empfohlene Viskositätsklasse, die später zu SAE 10W-30 überging. Heute ist SAE 5W-30 am beliebtesten, aber Ford und Honda empfehlen SAE 5W-20. Es ist wahrscheinlich, dass SAE 5W-20 und andere dünnflüssige Öle in größerem Umfang eingesetzt werden, um die CAFE-Anforderungen zu erfüllen.
Aufgrund der geänderten Kaltfließanforderungen und der Kraftstoffeinsparungstests, die die Formulierer an den unteren Rand der Viskositätsklasse drängen, ähneln die heutigen SAE 10W-30 Öle eher den SAE 5W-30 Ölen von gestern (GF-1 Spezifikation). Darüber hinaus gibt es einen Trend, dass die Autohersteller dünnere Sorten empfehlen. Das erscheint lächerlich. Geländewagen und Lastwagen mit ihrem inhärent weniger effizienten Allradantrieb und ihrer mauerartigen Aerodynamik brauchen starke, benzinfressende Motoren, um ihre Masse schnell zu bewegen. Als Reaktion darauf empfehlen die Autohersteller die Verwendung von dünnflüssigen Ölen, um Kraftstoff zu sparen. Unglaublich!
Viskosität und Verschleiß
Dünnere Öle haben weniger Luftwiderstand und daher weniger Reibung und Verschleiß. Oder? Vielleicht im Testmotor oder in Motoren, die im Normalbetrieb laufen. Aber etwas dickere Öle bieten möglicherweise mehr Schutz bei härteren Einsätzen, wie z.B. beim Fahren durch Berge, beim Ziehen eines Bootes, bei staubigen Bedingungen, bei kurzen Fahrten, bei hohen Drehzahlen, bei Überlastung, Überhitzung und Unterkühlung.
Abbildung 2. Ringverschleiß
Alle abrasiven Partikel, die gleich oder größer als die Ölfilmdicke sind, verursachen Verschleiß. Filter sind notwendig, um Verunreinigungen klein zu halten. Die andere Seite der Gleichung ist die Ölfilmdicke. Dickere Ölfilme können größere Verunreinigungen aufnehmen.
Die Temperatur hat einen großen Einfluss auf Viskosität und Filmdicke. Als Anhaltspunkt gilt, dass eine Erhöhung der Viskosität um eine SAE-Klasse notwendig ist, um den Einfluss eines Anstiegs der Motortemperatur um 20°F auszugleichen. An einem bestimmten Bezugspunkt besteht ein Unterschied von etwa 20°F zwischen den Viskositätsklassen SAE 30, 40 und 50. SAE 20 liegt etwas näher an 30 als die anderen Sprünge, da SAE 30 um 30°F höher sein muss als SAE 20, um annähernd die gleiche Viskosität zu haben.
Mit anderen Worten, ein SAE 20 bei 190°F ist ungefähr die gleiche kinematische Viskosität wie ein SAE 30 bei 220°F, was ungefähr die gleiche Viskosität ist wie ein SAE 40 bei 240°F. Diese Annäherung funktioniert gut im Temperaturbereich von 190°F bis 260°F. Man könnte überrascht sein, wie gering der Unterschied zwischen reinen Viskositätsölen und Mehrbereichsölen mit derselben Rückennummer ist (z. B. SAE 30, SAE 5W-30 und SAE 10W-30).
Wenn ein SAE 50-Öl bei 260°F so dünn ist wie ein SAE 20-Öl bei 190°F, stellen Sie sich vor, wie dünn der Ölfilm wird, wenn Sie ein SAE 5W-20 verwenden und Ihr Motor überhitzt. Wenn ein Motor überhitzt, wird der Ölfilm gefährlich dünn und kann reißen.
Ford stößt sich an seinen CAFE-Anforderungen und empfiehlt SAE 5W-20 Öl für die meisten seiner Motoren in den Vereinigten Staaten. Das Unternehmen behauptet, SAE 5W-20 sei optimal für die Kraftstoffeffizienz und den Verschleiß.
Um festzustellen, ob SAE 5W-20-Öle das gleiche Schutzniveau bieten wie SAE 5W-30-Öle, wurde Dagenham Motors in England, einer der größten Ford-Händler in Europa, befragt. SAE 5W-30 ist in England für Garantiezwecke vorgeschrieben, und SAE 5W-20 ist nicht einmal erhältlich. Wenn SAE 5W-20 sowohl im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch als auch auf den Verschleiß besser wäre, warum würde Ford es dann nicht für seine Motoren in Europa empfehlen?
Änderungen der Verschleißeigenschaften
Eine weitere Änderung, die bei Pkw-Motorenölen mit GF-2 und GF-3 vorgenommen wurde, ist ein strengerer Grenzwert für Phosphor, der Teil des Verschleißschutzadditivs Zinkphosphat (ZDDP) ist. Die Automobilhersteller befürchten, dass sich Phosphor auf den Oberflächen des Katalysators ablagert und dessen Lebensdauer verkürzt.
Dies ist ein kompliziertes Thema, und die Ablagerungen hängen von der spezifischen ZDDP-Chemie und der fertigen Ölrezeptur ab. Der Industrie ist es nicht gelungen, einen Motortest für die Neigung eines Öls zur Bildung von Ablagerungen im Katalysator zu entwickeln. Daher haben die Automobilhersteller einen willkürlichen Grenzwert von 0,1 Prozent Phosphor für Motoröl festgelegt.
Verschleißschutzadditive sind wichtig, wenn kein hydrodynamischer Film vorhanden ist, wie z.B. im Ventiltrieb. Die Verschleißschutzadditive werden durch Reibungshitze aktiviert, wodurch sie mit der heißen Oberfläche reagieren und eine chemische Barriere gegen Verschleiß bilden.
Der Mechanismus, durch den sich Phosphorablagerungen auf Katalysatoroberflächen bilden, ist nicht vollständig geklärt. Er korreliert nicht direkt mit der Ölflüchtigkeit oder dem Ölverbrauch. Wenn jedoch der Motorverschleiß zu einem höheren Ölverbrauch führt, würde sich das Risiko der Bildung von Phosphorablagerungen im Katalysator drastisch erhöhen. Es scheint, dass die Vermeidung von Verschleiß und Ölverbrauch Vorrang haben sollte.
In der Vergangenheit konnten Ölformulierer ein Premium-Produkt herstellen, indem sie einfach mehr ZDDP hinzufügten. Ein ähnlicher Schritt würde heute zu einer Ölrezeptur führen, die keine Neuwagengarantien mehr zulässt.
Kurzfristiges Denken
Mit zunehmendem Verschleiß sinkt die Effizienz eines Motors. Der Verschleiß des Ventiltriebs verändert die Ventilsteuerung und -bewegung geringfügig. Ring- und Laufbuchsenverschleiß beeinträchtigen die Kompression. Der Verschleiß beeinträchtigt die Kraftstoffeffizienz und die Leistungsabgabe zunächst unmerklich, aber dann ist der Unterschied im Kraftstoffverbrauch zwischen einem SAE 10W-30 und einem SAE 5W-20 kaum noch spürbar. Mit fortschreitendem Verschleiß nimmt die Effizienz weiter ab. Vielleicht ist die Optimierung des Verschleißschutzes der Weg, um den Kraftstoffverbrauch über die gesamte Lebensdauer des Motors zu senken.
Motoren, bei denen ein erheblicher Ring- und Laufbuchsenverschleiß aufgetreten ist, profitieren sicherlich von dickeren Ölen. Die Verwendung von dickeren Ölen führt zu einer Erhöhung der Kompression, zu Leistungsverbesserungen und zu einem geringeren Ölverbrauch.
Öle für hohe Laufleistungen sind eine relativ neue Kategorie von Pkw-Motorenölen. Diese Produkte enthalten in der Regel mehr Reinigungs-/Dispergiermittel und Verschleißschutzadditive als Neuwagenöle. Sie enthalten in der Regel ein Dichtungsquellmittel und sind in dickeren Viskositätsklassen erhältlich, als die meisten Neuwagenöle empfehlen. „
Was zu verwenden ist
Obwohl dünnere Öle mit weniger Verschleißschutzadditiven im 96-Stunden-Kraftstoffverbrauchstest besser abschneiden als robustere Produkte, ist nicht klar, ob diese Produkte über die gesamte Lebensdauer des Motors Kraftstoff sparen.
Jede Flüssigkeit ist ein Kompromiss. Die von den Automobilherstellern empfohlenen Öle scheinen den Schutz vor Verschleiß unter schwierigen Bedingungen zu beeinträchtigen, um den Kraftstoffverbrauch und die Haltbarkeit des Katalysators zu verbessern. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Verwendung eines Produkts, das mehr Schutz vor Verschleiß bietet, höchstwahrscheinlich Ihre Garantie beeinträchtigt. Dickere Öle beeinträchtigen auch die Fließfähigkeit bei kalten Temperaturen, was je nach Klima und Jahreszeit von Bedeutung sein kann.
Der beste Verschleißschutz ist wahrscheinlich ein Produkt, das etwas dicker ist (wie SAE 10W-30 oder 15W-40) und mehr Verschleißschutzadditive enthält als die Öle, die die Garantie unterstützen. Das beste Öl für Ihr Fahrzeug hängt von Ihren Fahrgewohnheiten, dem Alter Ihres Motors und dem Klima ab, in dem Sie fahren, aber es ist nicht unbedingt die Ölsorte, die in der Betriebsanleitung angegeben oder auf dem Peilstab aufgedruckt ist.
