Jedes Mal, wenn ein Motor startet, beginnen tausende Metallteile sich mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen. Die Kurbelwelle dreht sich, die Kolben bewegen sich, die Nockenwellen öffnen die Ventile, und die Lager nehmen enorme Belastungen auf. All das geht mit Reibung einher.

Ohne Ölfilm beginnt die Schädigung fast augenblicklich: Turboladerlager, bei denen der Film nur 6-9 Mikrometer dick ist und die Drehzahlen über 100.000 U/min erreichen, können bereits Sekunden nach dem Verlust des Öldrucks ausfallen. Kurbelwellen-Haupt- und Pleuellager sind widerstandsfähiger, beginnen aber ebenfalls innerhalb von 30 bis 60 Sekunden Schaden zu nehmen, und irreversibler Verschleiß tritt bereits nach wenigen Minuten ein. Genau deshalb besteht die Hauptaufgabe des Motoröls darin, einen stabilen Ölfilm zu bilden, der die Oberflächen der Bauteile voneinander trennt.

Woher die Reibung kommt

Unter dem Mikroskop ist selbst perfekt bearbeitetes Metall mit mikroskopisch kleinen Unebenheiten bedeckt, man nennt sie Oberflächenrauheit. Bei der Bewegung der Bauteile interagieren diese mikroskopischen Erhebungen miteinander, erzeugen Bewegungswiderstand und verursachen Reibung. Genau das Verhältnis zwischen der Dicke des Ölfilms und der Höhe dieser Unebenheiten bestimmt, wie zuverlässig die Bauteile voneinander geschützt sind.

Drei Schmierungszustände: die Stribeck-Kurve

Tribologen (Reibungsspezialisten) beschreiben das Verhalten der Schmierung mit der Stribeck-Kurve, benannt nach dem deutschen Ingenieur Richard Stribeck, der zu Beginn des 20. Jahrhunderts den Zusammenhang zwischen Reibung und der Geschwindigkeit bewegter Teile untersuchte. Die Kurve zeigt, dass die Schmierung im Motor je nach Geschwindigkeit, Belastung und Ölviskosität in einem von drei Zuständen arbeitet.

Im hydrodynamischen Zustand beträgt die Dicke des Ölfilms üblicherweise einige bis etwa hundert Mikrometer, was für eine vollständige Trennung der Oberflächen bei hoher Geschwindigkeit ausreicht. Wichtig zu verstehen: Alle drei Schmierungszustände wirken im laufenden Motor gleichzeitig, nur eben in unterschiedlichen Bauteilen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Zyklus.

Wo im Motor welcher Zustand herrscht

Kurbelwellen-Haupt- und Pleuellager arbeiten die meiste Zeit im hydrodynamischen Zustand: Die hohe Drehgeschwindigkeit erzeugt einen stabilen Ölfilm, der Welle und Lagerschale vollständig trennt. Kolbenringe hingegen geraten regelmäßig unter Bedingungen der Grenzschmierung: Im oberen und unteren Totpunkt kommt der Kolben für einen Moment zum Stillstand, die Geschwindigkeit sinkt fast auf null, und der Ölfilm hat keine Zeit, seine volle Dicke aufzubauen. Auch der Ventiltrieb (der Kontakt zwischen Nockenwellenlappen und Stößel) arbeitet überwiegend im Grenz- oder Mischzustand, aufgrund hoher punktueller Belastungen und geringer Gleitgeschwindigkeit.

Warum Metall nicht verschweißt

Fehlt zwischen Bauteilen der Ölfilm, führt der direkte Metall-Metall-Kontakt zu schnellem Verschleiß, lokaler Überhitzung und Schäden an den Arbeitsoberflächen, bis hin zum Mikroverschweißen einzelner Kontaktpunkte. Genau deshalb benötigt der Grenzschmierungszustand, in dem ein solcher Kontakt teilweise unvermeidlich ist, nicht so sehr eine bestimmte Ölviskosität als vielmehr spezielle Verschleißschutzadditive.

Das klassische Verschleißschutzadditiv ZDDP (Zinkdialkyldithiophosphat) wirkt genau im Grenzschmierungszustand: Bei Reibung bildet es auf der Metalloberfläche einen Schutzfilm, üblicherweise 50 bis 150 Nanometer dick, der sich anstelle des Grundmetalls opfert, sich allmählich abnutzt und wieder neu bildet. Dieser Film entsteht nur dort, wo er gebraucht wird, also genau in den Zonen der Grenzschmierung, nicht gleichmäßig über die gesamte Motoroberfläche.

Häufige Irrtümer

Reibung im Motor ist immer schlecht.

Nicht ganz. Die Aufgabe des Öls ist es nicht, Reibung vollständig zu beseitigen, sondern sie in einen kontrollierten und vorhersehbaren Zustand zu bringen, der den Verschleiß minimiert, statt jede Interaktion zwischen den Oberflächen physisch zu unterbinden.

Je dicker der Ölfilm, desto besser in jeder Situation.

Nein. Im Grenzschmierungszustand (etwa beim Motorstart oder an den Totpunkten des Kolbens) ist die Filmdicke physikalisch durch Geschwindigkeit und Belastung begrenzt, und unter diesen Bedingungen sorgt nicht die Filmdicke für Schutz, sondern die chemische Zusammensetzung der Verschleißschutzadditive.

In einem gut geschmierten Motor berührt sich Metall niemals mit Metall.

Nein. Kurzzeitiger Kontakt zwischen Oberflächenunebenheiten im Grenz- und Mischschmierungszustand ist ein normaler Teil des Motorbetriebs, besonders bei Bauteilen wie Kolbenringen an den Totpunkten und im Ventiltrieb. Additive existieren genau dafür, in diesen Momenten Schutz zu bieten, nicht um sie vollständig auszuschließen.

Häufig gestellte Fragen

Warum verschleißt ein Motor beim Kaltstart am schnellsten?

Beim Start ist das Öl noch nicht durch das gesamte System gepumpt und hat aufgrund der niedrigen Temperatur eine höhere Viskosität, weshalb sich viele Bauteile kurzzeitig im Grenzschmierungszustand mit erhöhtem Risiko für Metall-Metall-Kontakt befinden.

Was ist die Stribeck-Kurve einfach erklärt?

Es ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Reibung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bewegter Teile, der Belastung und der Ölviskosität ändert, und das die Schmierung anschaulich in Grenz-, Misch- und hydrodynamische Zustände unterteilt.

Kann dasselbe Motorbauteil gleichzeitig in verschiedenen Schmierungszuständen arbeiten?

Ja. Ein Kolbenring etwa wechselt innerhalb einer einzigen Kurbelwellenumdrehung vom Grenzschmierungszustand an den Totpunkten in den hydrodynamischen Zustand in der Mitte des Kolbenhubs, wo die Geschwindigkeit am höchsten ist.

Hängt der Schmierungszustand von der Ölviskosität ab?

Ja, die Viskosität ist neben Geschwindigkeit und Belastung einer der drei Faktoren der Stribeck-Kurve: Ein zähflüssigeres Öl verschiebt ein Bauteil bei sonst gleichen Bedingungen näher zum hydrodynamischen Zustand, kann den Grenzschmierungszustand dort, wo die Geschwindigkeit auf null sinkt, aber nicht vollständig beseitigen.

Fazit

Reibung im Motor ist kein einheitliches Phänomen, sondern eine Kombination aus drei unterschiedlichen physikalischen Zuständen, die gleichzeitig in verschiedenen Bauteilen wirken: von der nahezu vollständigen Trennung der Oberflächen in den Kurbelwellenlagern bis zum kurzzeitigen Kontakt der Oberflächenunebenheiten an den Totpunkten des Kolbens. Dieses Bild erklärt, warum Motoröl nicht einfach eine zähflüssige Flüssigkeit ist, sondern ein komplexes System, in dem Viskosität und Additive unter unterschiedlichen Bedingungen unterschiedliche Aufgaben übernehmen.