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Rußindex bei Untersuchung von Ottomotorenölen

In den Laborberichten für die Motorenöle unserer Ottomotoren führen Sie unter der Rubrik "Ölzustand" auch einen "Rußindex" auf. 

Ein Rußindex bei Benzinmotoren – gibt es dafür überhaupt einen Grund?

OELCHECK antwortet:

Das Thema Rußgehalt im Motorenöl wird immer mit schwarzen Ölen aus Dieselmotoren in Verbindung gebracht. Zunehmend werden auch Öle in Ottomotoren in den letzten Jahren dunkler. Aber handelt es sich hierbei auch um Ruß, der diese Öle dunkel werden lässt?

Doch betrachten wir erst einmal die Bildung von Rußpartikeln und deren Bewertung in gebrauchten Ölen von Dieselmotoren. Hier entstehen bei der Verbrennung von Diesel Rußpartikel, die auch in das Motorenöl gelangen. Bei Motoren nach dem Common-Rail-Verfahren kann die Belastung, besonders mit sehr feinen Rußpartikeln, extrem hoch werden. Ein Rußgehalt von mehr als 2 % im Öl erhöht die Viskosität, wirkt abrasiv, verringert die Wärmeabgabe, führt zu Ablagerungen und beeinträchtigt die Lebensdauer eines Motors. Die allen Motorenölen zugegebenen Detergentien (Calcium- oder Magnesiumhaltige Additive) halten den Motor sauber. Sie verhindern solche Rußablagerungen, die vorzugsweise in der Kolbenringnut oder an den Auslassventilen entstehen. Die Wirkstoffe funktionieren auch als Dispergentien, die Partikel in Schwebe halten und u.a. zum Filter transportieren, in dem diese zurückgehalten werden. Doch steigt die Anzahl der Rußpartikel im Öl durch Fehler im Einspritzsystem oder durch eine falsche Ventilsteuerung zu stark an, können nicht mehr alle Partikel von den Additiven in Schach gehalten werden; das Schmutztragevermögen des Motoröls nimmt ab, das Risiko von Ablagerungen steigt an. Dabei nimmt auch die Viskosität des Motorenöls zu, es dickt ein. Besonders beim Kaltstart ist eine zuverlässige Schmierung nicht mehr gewährleistet. Gleichzeitig steigt der Kraftstoffverbrauch.

Der Rußgehalt in Dieselmotorenölen, für den von den meisten Motorenherstellern Grenzwerte spezifiziert werden, wird nach DIN 51452 bestimmt. Das IR-Messverfahren wurde allerdings ausdrücklich nur zur Bestimmung des Rußgehaltes von Dieselmotorenölen konzipiert. Der Rußgehalt, der in % angegeben wird, informiert dabei aber nicht direkt über die Veränderung der für die Motorsauberkeit verantwortlichen Additive. Hierzu wird das Schmutztrage- und Dispergiervermögen mit Hilfe des "Tüpfeltestes" ermittelt. Bei diesem Test wird ein Tropfen Motorenöl auf ein spezielles Filterpapier aufgebracht. Wenn die Additive noch genügend Dispergierwirkung zeigen, breitet sich der Tropfen unter Temperatur gleichmäßig aus. Bilden sich deutliche Ringe, so ist dies ein Zeichen für ungenügendes Schmutztragevermögen oder auch für zu viel Kraftstoff im Öl.

Doch nicht nur Diesel- auch Ottomotorenöle können sich durch Ruß dunkel verfärben. Bei der Benzindirekteinspritzung ist das verwendete Verfahrenskonzept (luft-, strahl- oder wandgeführt) für eine verstärkte Rußproblematik verantwortlich – wenn auch auf einem geringerem Niveau als bei der dieselmotorischen Verbrennung. Betroffen sind häufig moderne Motoren, bei denen Ruß mit viel feineren Partikelgrößen wie im Dieselmotor entsteht. Wenn dann noch Probleme mit der Motorsteuerung auftreten, erhöht sich die Belastung des Motorenöles mit schwarzen Oxidationsprodukten, abgebauten Verschleißschutzadditiven oder mit Ruß aus einer unvollkommenen Verbrennung so, dass dies z.B. zum Verschleiß der Steuerketten führt.

Obwohl von den Motorenherstellern noch kein Grenzwert für Ruß im Öl von Ottomotoren veröffentlicht wurde, u.a. weil der Rußgehalt im Abgas von Benzinern erst nach 2017 ein Thema werden soll, wurden wir von mehreren Kunden dringend gebeten, den Rußgehalt in Ottomotorenölen zu messen und im Laborbericht mit aufzuführen.

Wir haben uns zunächst eine große Anzahl unterschiedlicher gebrauchter Ottomotorenöle mit der konventionellen Rußmessung genauer angesehen. Doch eine quantitative Rußbestimmung, so wie sie bei Dieselmotorenölen funktioniert, ist nicht auf Öle aus Benzinmotoren übertragbar. Die Rußpartikel an sich sind beim Benziner wesentlich kleiner und auch der Gesamtgehalt ist deutlich niedriger. Mit der FT-IR-Methode kann für Dieselmotorenöle der Rußanteil gerundet auf 0,1 % angegeben werden. Die Wiederholbarkeit liegt bei 10 % relativ vom Mittelwert. Bei Ottomotorenölen sind meist Werte unter 0,1 %, d.h. unterhalb der Messgenauigkeit des Verfahrens, zu erwarten. Werte über 0,1 % werden als "hoch" eingestuft. Deshalb funktioniert die Rußbestimmung nach DIN 51452 nicht für Benzinmotoren.

Da zur Bestimmung des Schmutztragevermögens ein auf dem Filterpapier vorhandener Öltüpfel mit einem CCD Photometer DT 100 ausgewertet wird, lag es nahe, diese Methode so zu erweitern, dass über die Intensität der Schwarzfärbung dieses Tüpfels der Rußanteil auch von Benzinern angegeben werden kann. Heute sind wir in der Lage, bei Rußgehalten zwischen 0,01 % und 0,4 % genauer zu differenzieren. Neben der IR-Spektroskopie kann durch die Auswertung des Schwärzegrades des Öltüpfels eine Veränderung durch mehr oder weniger Ruß angegeben werden. Da Referenzflüssigkeiten mit genauen Rußgehalten fehlen und auch Verfahren wie die TGA (thermogravimetrische Analyse) bei den geringen Rußgehalten zu ungenau sind, geben wir seit einigen Wochen für Ottomotorenölen den Ruß nicht in %, sondern als Rußindex in Form einer dimensionslosen Zahl an.

Es handelt sich beim Rußindex um eine "Hausmethode" von OELCHECK, für die wir allerdings auch Grenzwerte definiert haben. So ist z.B. ein Rußindex >0,3 bei Gebrauchtölen aus Benzinmotoren nach dem bisherigen Erfahrungsstand ein Hinweis auf eine etwaige problematische Veränderung beim Direkteinspritzverfahren. Auch angestiegene Verbrennungstemperaturen oder eine veränderte thermische Ölbelastung kann Ursache für mehr feine Rußpartikel sein, die sich nicht nur im Abgas sondern auch im Motorenöl wiederfinden.

Wir werden die beim Rußindex festgestellten Veränderungen noch weiter verfeinern und intensiv mit den Erfahrungen unserer Kunden aus der Praxis abgleichen. So können wir mögliche Ursachen und Auswirkungen noch individueller beurteilen und die Laborberichte außerdem spezifischer kommentieren.