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Luftgehalt und Luftabscheidevermögen

Wie viel Luft ist bitte in meinem Öl?
Besonders bei der Untersuchung von Hydraulik- und Turbinenölen, aber auch zunehmend bei der beabsichtigten Verwendung von Online-Sensoren, wird uns immer wieder diese Frage gestellt.

Doch darauf gibt es leider keine direkte Antwort, denn Luft ist in jedem Öl enthalten. Selbst in völlig transparentem Öl, in dem Luft nicht in Form von Luftbläschen zu erkennen ist, können ca. 8 bis 11 % in Form von „gelöster Luft“ vorhanden sein. Wie viel Luft ein frisches Öl aufnehmen kann, hängt von seinem Sättigungsverhalten ab. Dieses wird maßgeblich beeinflusst durch die Öltemperatur, den Öltyp, die Viskosität, dem Druck im System, der Additivierung und weiteren Faktoren.

Luft, die im Öl nicht mehr gelöst bleibt, weil z.B. das Luftaufnahmevermögen mit zunehmender Temperatur nachlässt, bildet Bläschen. Diese wirken sich u.a. negativ auf die Schmiereigenschaften aus. Setzen sich Luftbläschen zwischen zwei Reibpartner, kann sich an dieser Stelle kein Schmierfilm bilden. Druckschwankungen können zu einem so genannten Dieseleffekt oder zu Kavitation führen. Besonders in hydraulischen Anwendungen und bei der Schmierung von Gleitlagern wird dadurch Verschleiß in Form von Erosionspartikeln erzeugt.

Die Menge der im Öl gelösten Luft kann nicht ohne weiteres bestimmt werden. Haben sich erst einmal sichtbare Luftbläschen im betriebswarmen Öl gebildet, hilft die exakte Bestimmung des Luftgehaltes bei der Lösung des Problems nicht viel weiter. Durch Verweil- und Lagerzeiten auf dem Weg einer Probe ins Labor kann sich der Luftgehalt so stark verändern, dass eine sinnvolle Beurteilung des Wertes nicht mehr möglich ist.

Bestimmung des LAV bei 50 °C

Um trotzdem eine Aussage über das Verhalten von Luft im Öl treffen zu können, wird ein Umweg eingeschlagen. Es wird das Luftabscheidevermögen oder kurz LAV bestimmt. Das LAV informiert über die Fähigkeit des Öls, eingeblasene oder dispergierte Luft wieder abzuscheiden.

Zur Messung werden 200 ml des Prüföls in eine Impingerflasche, d.h. eine spezielle Gaswaschflasche aus Glas, die zum Sammeln von Luftschadstoffen- und Partikeln in Flüssigkeiten konzipiert wurde, eingefüllt. Nach der Bestimmung der Dichte des Öls im Ruhezustand wird bei einer Öltemperatur von 50° C über 7 Minuten bei konstantem Druck vorgewärmte Luft eingeblasen. Die Luft blubbert durch das Öl im Impinger und bringt es in Kontakt mit der Luft. Weil sich dabei viele feinstverteilte Luftblasen bilden, wird das Öl dabei immer trüber. Nach Beendigung der Luftzufuhr wird eine kontinuierliche Dichtemessung gestartet, die nach der normgerechten Wartezeit von 60 s alle 10 s die Dichte des Öl-Luftgemisches angibt.

Die Wartezeit zwischen Beendigung des Lufteinleitens und dem Start der Messung wird benötigt, um den Impinger so umzubauen, dass sich die Dichte über ein an einer Waage hängendes Aeräometer mit Hilfe des Auftriebsprinzips überhaupt bestimmen lässt. Durch die Luftblasen ist das Öl „fluffig“ oder schaumig geworden. Das Volumen hat sich vergrößert. Deswegen hat sich auch das spezifische Gewicht, also die Dichte, verringert.

Nach dem Abstellen der Luftzufuhr gast die Luft langsam aus dem Öl aus. Die leichten Luftblasen steigen im Öl dabei nach oben. Dadurch wird das Öl „schwerer“ und der Dichtewert steigt an. Wenn die Dichte sich dem Ausgangswert zu 99,8 % angenähert hat, ist die Messung beendet. Die Zeitdauer in Minuten, die nötig ist, um diesen Punkt zu erreichen, wird als Luftabscheidevermögen angegeben.

Luftgehalt und LAV bei 80 °C

Das LAV bei 50° C, der Betriebstemperatur von Turbinen- und Hydraulikölen, ist ein wichtiger Indikator, um wie viel schlechter das Öl durch den praktischen Einsatz geworden ist. Doch bei Ölen, die in Turbokupplungen oder Automatikgetrieben verwendet werden, reicht die Temperatur nicht aus.

Ein typischer Fall sind Turbogetriebe, die z.B. ein „weiches“ Anfahren von Lokomotiven ermöglichen. Sie müssen die Kraft, die durch die Diesel- oder Elektroaggregate erzeugt wird, auf die Schiene bringen. Die zum Teil mehrstufigen Strömungsgetriebe bestehen aus hydrodynamischen Drehmomentwandlern und Retardern. Echte Alleskönner, die kuppeln, schalten und bremsen. Befüllt sind sie mit bis zu 350 Liter dünnflüssigem, meist speziell additiviertem Öl. Es ist nahezu pausenlos im Einsatz und höchsten Beanspruchungen ausgesetzt. Erhöhte Öloxidation und verschlechterte Antriebsleistung wegen zuviel Luft im Öl können problematisch werden. Sie können auch die Ursache für Verschleiß in diesen Getrieben werden, die daher oft kontinuierlich durch Ölanalysen überwacht werden.

Für einige Einsatzbereiche ist es also wichtiger zu wissen, wie schnell und vollständig die Luft aus dem Öl ausgast und nicht wie lange dies insgesamt dauert:

  • Öle in Flüssigkeitskupplungen oder Automatikgetrieben haben sehr hohe Umwälzraten. Die Antriebsleistung wird nur über das Öl übertragen. Lufthaltiges Öl hat eine schlechtere Kraftübertragung zur Folge.
  • Für die Sensorentwicklung ist Beurteilung des Luftgehaltes, des „Verschäumungsgrades“, von Interesse. Durch Luft im Öl ändern sich die meisten der Ölparameter, die mit Sensoren bestimmt werden können. Die Kenntnis über das im Öl zusätzlich vorhandene Luftvolumen ermöglicht die Kalkulation eines Korrekturfaktors für Sensoren.
  • Die Volumenänderung durch Luft im Öl kann bei der Konzeption von Tanks und Behältern berücksichtigt werden. Um den Luftgehalt im Öl bestimmen zu können, hat OELCHECK den Umbau des Impinger-Kolbens so beschleunigt, dass bereits nach wenigen Sekunden nach dem Abstellen der Luftzufuhr und nicht erst nach einer Minute die Dichte bestimmt werden kann. So ist es möglich, neben der normgerechten Angabe des LAV auch eine Dichtekurve zu plotten, die nach 25 s startet. Die nach 25 s ermittelte Dichte dient im Verhältnis zur Ausgangsdichte des Öls dazu, die prozentuale Menge an Luft zu berechnen, die im Öl verblieben ist.

Zur Realisation praxisgerechter Betriebstemperaturen, werden Öl- und Lufttemperatur von üblichen 50 auf 80° C angehoben. Neben der Temperatur von 50 oder 80° C und der Angabe des LAV-Wertes in Minuten wird im Laborbericht zusätzlich der Luftgehalt angegeben und der zeitliche Verlauf in einem Diagramm dargestellt. Bei der Auswahl der erhöhten Öltemperatur wurden die speziellen Anforderungen an Turbogetriebe berücksichtigt.

Es hat sich gezeigt, dass ein zu hoher Anfangs-Luftgehalt nach 25 s das Ende der Öllebensdauer ankündigt.