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Alle Flüssigkeiten haben innere Reibung, wodurch sie dem Fließen widerstehen. Die Viskosität ist das Maß für diesen Strömungswiderstand. Ohne Viskosität könnte Öl sofort zwischen den Lagerflächen herausgedrückt werden.

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Öle verlieren mit steigender Temperatur an Viskosität. Der Grund dafür ist, dass Flüssigkeiten durch Molekül-zu-Molekül-Anziehungskräfte zusammengehalten werden, die Temperatur jedoch ein Maß für die durchschnittliche molekulare Aktivität ist. Je wärmer die Flüssigkeit ist, desto mehr Energie haben ihre Moleküle und desto leichter können sie ihre gegenseitigen Anziehungskräfte überwinden. Wenn eine Flüssigkeit abkühlt, haben ihre Moleküle weniger Energie, um sie auseinanderzutreiben, wodurch die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen ihre Bewegung aneinander vorbei behindern.

Motoröle müssen in einem erwärmten Motor über den gesamten Temperaturbereich hinweg ausreichend geschmiert werden - von den relativ kühlen Bedingungen in den Zapfenlagern der Kurbelwelle und den unteren Zylinderwänden bis zu den viel höheren Temperaturen in der oberen Kolbenringnut, der oberen Zylinderwand. und die Auslassventilführung.

Im Idealfall sollte jeder Teil des Motors ein eigenes Öl haben, das in den Hochtemperaturzonen des Motors dicker und bei kühleren Bedingungen dünner ist. Für die Funktionalität ist jedoch ein Öl für den gesamten Motor erforderlich. Infolgedessen ist Öl in den Kurbellagern am kühlsten und viskosesten, wo die lokale Temperatur in der Größenordnung von 180 Grad Fahrenheit liegt, und am heißesten und wird in den 300–350 Grad oberen Ringnuten und dem noch heißeren Auslassventil wasserdünn Führer.

Nachdem fleißige Mitarbeiter wie George Saybolt (1853–1924) von Standard Oil Standardmethoden zur Messung der Viskosität bei bestimmten Temperaturen entwickelt hatten, stellte sich heraus, dass Öle aus Rohöl aus Pennsylvania in Motoren häufig eine bessere Leistung zeigten als andere Öle mit derselben nominalen Viskositätsklasse. Durch viele Tests wurde dies auf ihre langsamere Geschwindigkeit des Viskositätsverlusts mit der Temperatur zurückgeführt, wodurch sie mehr Last zwischen heißen Teilen ohne schnellen Verschleiß tragen konnten.

VERBINDUNG: Haben Sie jemals einen Motor mitten im Winter von Hand gestartet?

Das vorliegende Verfahren zur Quantifizierung der Geschwindigkeit des Viskositätsverlusts mit steigender Temperatur, genannt Viskositätsindex (VI), wurde 1929 von Ernest Dean und Garland Davis entwickelt und als ASTM International (früher als D2270-Standard der American Society for Testing and Materials bekannt) übernommen. Sie definiert jetzt zwei Temperaturen, 40 und 100 Grad Celsius (104 und 212 Grad Fahrenheit), bei denen die Viskosität gemessen wird. Die Steigung einer Linie, die diese Messungen auf einem logarithmischen Diagramm der Viskosität gegen die Temperatur verbindet, ist der Viskositätsindex.

Diese Steigung beschreibt, wie schnell das jeweilige Öl an Viskosität verliert, wenn es sich im Bereich der Motorbetriebstemperaturen erwärmt. Der VI eines Pennsylvania-Grundöls (Öl vor der Kombination von Additiven) wurde willkürlich auf 100 und der eines Golfküstennaphthengrundöls auf Null eingestellt. Der Viskositätsindex wird nur innerhalb dieses Bereichs von 104 bis 212 Grad Fahrenheit definiert. Beispielsweise können zwei Öle mit identischem VI in diesem Bereich beim Kaltstart des Motors im Winter im Norden von Minnesota noch sehr unterschiedliche Viskositäten aufweisen. Die Viskosität bei niedriger Temperatur wird durch einen separaten Standard definiert: den Stockpunkt des Öls (die niedrigste Temperatur, bei der es gegossen werden kann; etwas kälter und das Öl erstarrt).

Anschließend wurden Öle mit einem viel höheren Viskositätsindex mit VIs bis zu 250 erzeugt. Warum sollte ein Öl mit der Temperatur schneller an Viskosität verlieren als ein anderes? Obwohl in diesem Bereich viele Doktoranden promoviert wurden, geht aus einer vereinfachten Sicht hervor, dass der Unterschied entsteht durch: 1) temperaturbedingte Veränderungen in der Form von Ölmolekülen; und 2) Unterschiede in der "Assoziativität" oder dem Grad der gegenseitigen Anziehung zwischen Molekülen. Wenn eine bestimmte Klasse von Ölmolekülen dazu neigt, bei niedrigeren Temperaturen kompakter zu werden, tragen sie bei diesen Temperaturen weniger zur Viskosität bei als Öle, deren Moleküle in Form langer gerader Ketten verbleiben, deren Reibung viele Moleküle miteinander verbindet. Wenn Ölmoleküle mehr voneinander angezogen werden, kann der Fluss nicht stattfinden, ohne diese Anziehung zu überwinden.

Wenn die molekulare Aktivität bei höheren Teiletemperaturen zunimmt, werden solche Moleküle durch das entstehende Aufschlagen zunehmend "abgewickelt", wodurch der Viskositätsverlust verlangsamt wird. Irving Langmuir (1881–1957) führte die Idee der Polarität in Molekülen ein. Viele chemische Bindungen bestehen aus zwei oder mehr Atomen, die sich ein oder mehrere äußere Elektronen teilen, und ein Teil des zutiefst nicht-intuitiven Geheimnisses der Quantenphysik (ein Geheimnis für mich jedenfalls) ist, dass solche Elektronen mehr Zeit an einem Ende des Resultats verbringen können Molekül als am anderen. Dadurch ist das insgesamt elektrisch neutrale Molekül an einem Ende leicht positiv und am anderen negativ. Das ist die Polarität. Wie Sie sich vorstellen können, kann dies dazu führen, dass sich Moleküle in bestimmten Orientierungen anziehen. Eine solche Anziehung kann dazu führen, dass sich mehr polare Ölmoleküle bei niedrigeren Temperaturen schneller verdicken als unpolare Moleküle (fehlende Polarität ist ein Hauptgrund, warum synthetische Öle auf Polyalphaolefin-Basis wie Mobil 1 außergewöhnlich niedrige Stockpunkte aufweisen können).

Da Erdölchemiker wussten oder vermuteten, dass Unterschiede im Viskositätsindex verschiedener Öle auf physikalische Ursachen wie die oben genannten zurückzuführen sind, stellten sie fest, dass sie dieselben Effekte nutzen könnten, um Additive zu erzeugen, die den VI eines Öls auf Pennsylvania-Grade oder höher anheben würden. Sie erzeugten langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle, die in Schmieröl etwas löslich waren und bei niedrigen Motortemperaturen eine kompakte, niedrigviskose Form annahmen (zusammengerollt zu etwas Ballartigem oder Gefaltetem wie eine Tischlerregel), jedoch molekular Die Aktivität nahm bei höheren Temperaturen der Teile zu, und das resultierende Aufschlagen von Molekülen würde solche Moleküle progressiv "abrollen", wodurch der Viskositätsverlust verlangsamt würde.

Ich erinnere mich noch gut an das langsame Schleifen des 6-Volt-Starters, als meine Eltern versuchten, das Familienauto bei kaltem Wetter zu starten. Mehrbereichsöle erleichterten diese Aufgabe. Dies ist die Basis der heutigen Mehrbereichsöle - solche mit API-Service-Ratings wie 20w-50. Um ein 20w-50-Mehrbereichsöl herzustellen, beginnen Sie mit einem dünnen Öl mit einer Bewertung von 20 bei 0 Grad Fahrenheit und fügen langkettige Polymere hinzu, um den Viskositätsverlust bei steigender Temperatur zu verlangsamen. Das Öl wird nicht viskoser, wenn es heißer wird. Es verliert nur langsamer an Viskosität als das Basisöl mit 20 Gew .-%. Bis zu dem Zeitpunkt, an dem 20 W Öl 212 Grad erreicht hat, ist seine Viskosität bei derselben Temperatur nur noch auf einen Grad von 50 Grad gesunken. Da seine Viskosität geringer ist, kann er mehr Last aufnehmen, ohne zwischen beweglichen Teilen herausgedrückt zu werden.

Solche Mehrbereichs-Motorenöle wurden erstmals um 1950 als "Allwetter" -Öle vermarktet. Ich erinnere mich noch gut an das langsame Schleifen des 6-Volt-Starters, als meine Eltern versuchten, das Familienauto bei kaltem Wetter zu starten. Mehrbereichsöle erleichterten diese Aufgabe, sodass Starter die Motoren schneller drehen und bei einem Wetter starten konnten, das früher bestenfalls „vielleicht“ war.

Anfangs waren viele Ölverwender, insbesondere diejenigen, die Hochleistungsdiesel einsetzen, skeptisch. Frühe VI-Verbesserer waren zerbrechlich, und ihre langen Ketten brachen bei höheren Temperaturen oder unter Bedingungen hoher Scherung (Zahnräder, Nocken und Ventilstößel). Dieses Kettenbrechen verursachte, dass solche Öle mit zunehmendem Alter "aus der Qualität geraten" und ihre heiße Viskosität verloren, wenn die langen Ketten des VI-Verbesserer-Additivs gebrochen wurden. Eine weitere Befürchtung war, dass Mehrbereichsöle, da sie hauptsächlich aus einem niedrigviskosen Grundöl bestanden, einen schnelleren Verdunstungsverlust durch heiße Zylinderwände erleiden würden (was in unseren Rennwagen in den 1970er Jahren unter Verwendung eines beliebten 20-W-50-Öls der Fall war).

Die Probleme wurden durch intensive Entwicklung überwunden; Sogar die Dieselbetreiber akzeptierten schließlich Mehrbereichsöle. Dank solcher Öle werden die heißesten Motorteile jetzt dauerhaft mit Öl geschmiert, das weniger an Viskosität verloren hat als ein Nicht-Mehrbereichsöl oder „normales“ Öl.