Lubricant degradation in internal combustion engines correlation with artificial ageing

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, die Öldegradation in Verbrennungsmotoren besser zu verstehen und gebrauchte Öle durch künstliche Alterung in ausreichender Menge für Prüfstands- und Systemuntersuchungen reproduzierbar herzustellen. Zu diesem Zweck wurde eine umfassende Gebrauchtöldatenbank aufgebaut, die 35 Diesel- und 77 Benzinproben umfasste, mit Laufleistungen von bis zu 30.000 km und insgesamt 15 Frischölen aus 26 Fahrzeugen. Die Proben wurden mit konventionellen Methoden analysiert, darunter Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR) zur Bestimmung des Additivabbaus, der Oxidation, Nitration und Rußakkumulation. Neutralisationszahl (NN) und Basenzahl (TBN) wurden mittels Säure-Base-Titration bestimmt, während Additiv- und Verschleißelemente durch induktiv gekoppelte Plasma-Optische Emissionsspektroskopie (ICP-OES) quantifiziert wurden. Die Ergebnisse zeigten deutliche Unterschiede zwischen Benzin- und Dieselmotoren. In Benzinölen dominierten Oxidation, Nitration und Additivabbau, während Dieselöle vor allem kraftstoffbedingte Kontaminationen, insbesondere Ruß, anreicherten. Der Eisengehalt, verwendet als Indikator für die tribologische Performance, war in den Dieselproben deutlich höher. Dies deutet darauf hin, dass tribokorrosiver Verschleiß infolge von Rußanreicherung in Dieselmotoren den Effekten von Additivabbau in Benzinmotoren überwiegt. Ein Partial-Least-Squares (PLS)-Regressionsmodell konnte erfolgreich entwickelt werden, um den Eisengehalt mit hoher Genauigkeit aus FT-IR-Spektren zu bestimmen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine neuartige Methode zur Großmengenalterung (Large-Scale Ageing, LSA) vorgestellt. Hierbei wurden 200 L Öl künstlich gealtert, um einen ausgewählten gebrauchten Benzinöl (19.800 km) möglichst genau nachzustellen. Das gealterte Öl zeigte einen sehr ähnlichen Abbau von Antioxidantien und Verschleißschutzadditiven, vergleichbare Werte für Oxidation, Nitration, NN, TBN sowie eine ähnliche elementare Zusammensetzung. Eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) der FT-IR-Spektren bestätigte die große Ähnlichkeit zwischen künstlich gealterten und real gebrauchten Ölen und unterstrich gleichzeitig die Unterschiede zwischen Benzin- und Dieselproben. Diese Ergebnisse zeigen, dass mit LSA realistische Ölabbauprozesse reproduziert werden können, wodurch verlässliche Prüföle für die Entwicklung von Motoren und Komponenten bereitgestellt werden.

The goal of this study was to better understand oil degradation in internal combustion engines and to reproduce used oils via artificial ageing in sufficient quantity for bench testing and system analysis. For this purpose, a comprehensive used oil database was established, comprising 35 diesel and 77 petrol samples, covering up to 30,000 km and representing 15 fresh oils from 26 vehicles. The samples were analyzed with conventional methods, including Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) to monitor additive depletion, oxidation, nitration, and soot accumulation. Neutralization number (NN) and total base number (TBN) were determined by acid–base titration, while additive and wear elements were quantified by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES). The results showed distinct degradation patterns between petrol and diesel engines. Petrol oils were dominated by oxidation, nitration, and additive depletion, whereas diesel oils mainly accumulated fuel-related contaminants, especially soot. Iron content, used as an indicator of tribological performance, revealed considerably higher wear in diesel samples, suggesting that tribocorrosive wear associated with soot in diesel engines outweighs the effects of additive depletion in petrol engines. A partial least squares (PLS) regression model was successfully developed to estimate iron content from FT-IR spectra with high accuracy. In the second part of the study, a novel large-scale ageing (LSA) method was introduced. Here, 200 L of oil was artificially aged to closely match a selected petrol used oil (19,800 km). The aged oil showed remarkably similar depletion of antioxidants and antiwear additives, oxidation, nitration, NN, TBN, and elemental composition. Principal component analysis (PCA) of the FT-IR spectra confirmed the close similarity between aged and real used oils, while again distinguishing between petrol and diesel degradation profiles. These findings demonstrate that LSA can reproduce realistic oil degradation, providing reliable test oils for engine and component development.