Title: Impact of bio-ethanol as oxygenated fuel component in gasoline on the engine oil performance
Other Titles: Der Einfluß von Treibstoffkomponenten, die aus erneuerbaren Rohstoffquellen stammen, auf die Leistungsfähigkeit von Motorölen
Language: English
Authors: Besser, Charlotte 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Motoröl; Ölzusätze; Treibstoff
Motor oil; Oil additives; fuel
Advisor: Allmaier, Günter 
Issue Date: 2015
Number of Pages: 126
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Aufgrund gesetzgebender Maßnahmen erfuhr die Beimengung von Substanzen, die aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen werden, zu fossilen Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren - Ethanol (Bioethanol) zu Benzin und Fettsäuremethylester (Biodiesel) zu Dieselkraftstoff - in den letzten Jahrzehnten einen großen Aufschwung. Biodiesel sowie sein Einfluss auf die Motorleistung, das Emissionsprofil und das Schmiersystem wurden bereits intensiv untersucht, wohingegen der Effekt von Ethanol und seinen partiellen Verbrennungsprodukten noch weitgehend unklar ist. Im Zuge dieser Arbeit werden die Entwicklung einer neuen künstlichen Alterungsmethode, speziell konzipiert zur Simulation von Belastungen, die in einem mit bioethanolhältigem Kraftstoff betankten Auto auftreten können, sowie Ergebnisse davon präsentiert. Durch künstliche Alterungen von drei vollformulierten Motorölen mit der Beifügung von Ethanol, Acetaldehyd und Essigsäure konnte gezeigt werden, dass sowohl Ethanol als auch Acetaldehyd so gut wie keinen Effekt auf die Ölalterung haben, im Besonderen bei Ölen mit modernen Additivtechnologien, wohingegen die Essigsäure einen signifikanten Einfluss auf Ölstabilität aufweist und sogar zu Schlammbildung führt. Der Einsatz der neuen künstlichen Alterungsmethode bewies, dass eine klare Differenzierung des Einflusses einzelner Komponenten bei der Simulierung erhöhter Stressbedingungen ohne den Aufwand von zeit- und kostenintensiven Motorprüfstandstests möglich ist. Damit wird ein wertvoller Beitrag zur Formulierung und Vorauswahl zukünftiger Motoröle mit erhöhter Verträglichkeit hinsichtlich Biokraftstoffkomponenten geleistet. Als weiterführender Schritt wurden bereits im Labor evaluierte Öle auf einem Rollenprüfstand eingesetzt, um sie unter realistischeren Bedingungen zu untersuchen. Zusätzlich zu Referenzläufen wurden auch Prüfstandsläufe mit der Beifügung von Essigsäure zum Ölkreislauf durchgeführt. Ölzustandsanalysen ermöglichten nich nur eine Differenzierung zwischen Läufen mit und ohne Essigsäurezugabe, sondern auch eine Unterscheidung der Interaktion der Öle mit der Essigsäure je nach Formulierung. Optische Emissionsspektroskopie von Ölproben, die im Zuge der Zustandsanalysen gezogen wurden, gaben weiters Hinweis auf ein erhöhtes Korrosionspotential der Öle gegenüber Eisen und Kupfer bei der Zugabe von Essigsäure, obwohl diese während der Testläufe weitgehend in die Gasphase übergeführt wurde. Trotzdem ergab eine Untersuchung mittels Rasterelektronenmikroskopie von gebrauchten Motorbauteilen aus dem Rollenprüfstand keine signifikanten Anzeichen für Korrosion oder mechanischen Verschleiß und somit für einen Materialabtrag. Zur Untermauerung dieser Erkenntnisse wurden statische Korrosionsexperimente im Labor durchgeführt, die eine gute Korrelation zu Ergebnissen aus den Prüfstandtests zeigten. Als abschließende Untersuchung wurden infrarotspektroskopische Daten aus der künstlichen Alterung im Labor mit jenen aus den Rollenprüfstandtests mittels eines chemometrischen Ansatzes - PCA - verglichen. Die Quantifizierung der Restmengen an Antioxidantien und Verschleißschutzadditiven (Zinkdithiophosphat) in den Ölproben durch Infrarotspektroskopie zeigte einen Abbau von phenolischen Antioxidantien während der Ölalterung im Rollenprüfstand, jedoch eine Abnahme von Zinkdithiophosphat während der künstlichen Alterung im Labor. Durch PCA (Hauptkomponentenanalyse) wurden Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen beiden Alterungstypen aufgezeigt. Zusätzlich wurde herausgefunden, dass die künstliche Alterung im Labor hauptsächlich durch oxidative Prozesse bedingt ist, wohingegen durch die Alterung im Rollenprüfstand hohe Mengen sowohl an Oxidations- als auch an Nitrationsprodukten entstehen.

Due to legislative issues, the admixture of bio-components to fossil fuels for combustion engines - i.e. ethanol in gasoline and fatty acid methyl esters (bio-diesel) in diesel - has come up in the last decades. Bio-diesel and its impact on the engine performance, the emission profile as well as the lubrication system have been intensively investigated, whereas the effect of ethanol and its partial combustion products is widely unclear. In the course of this thesis, the development of a novel lab-based artificial alteration method especially designed to simulate strains occurring in bio-ethanol fuelled automotives and the results thereof are presented. Artificial alteration of three fully formulated engine oils with addition of ethanol, acetaldehyde, and acetic acid was carried out. It was shown that ethanol as well as acetaldehyde has almost no effect on the oil degradation especially in the case that advanced additive technology was used. On the contrary, acetic acid significantly affected the formulated oil showing influence on the detergent chemistry and even caused sludge formation. The use of the novel artificial alteration method proved to clearly differentiate the impact of the respective compounds combined with the possibility to simulate enhanced stress conditions without the need of time-consuming and expensive engine bench tests, hence, offering valuable input for the formulation and the pre-selection of future engine oils suitable for bio-fuel application. As a consecutive step, oils evaluated in the laboratory were subjected to a chassis dynamometer bench test for examination under more realistic conditions. In addition to reference runs, bench tests were performed with addition of acetic acid to the oil circuit. Oil condition monitoring enabled the differentiation between runs with and without addition of acid. Moreover, interaction of the oils with acetic acid could be differentiated attributed to different oil formulations. Optical emission spectroscopy of oil samples collected during condition monitoring provided an indication of an elevated corrosion potential towards iron and copper when adding acetic acid although this contamination has been largely evaporated during the bench tests. However, failure assessment by scanning electron microscopy of used parts demounted from the passenger car after the bench tests showed no significant signs of corrosion or mechanical wear giving evidence for material ablation. As corroboration of these findings, static corrosion experiments were performed in the laboratory with good correlation to results obtained from the chassis dynamometer bench test. As concluding investigation, data achieved during artificial alteration in the laboratory were compared with findings during chassis dynamometer bench tests by joint use of Fourier transformation infrared (FTIR) spectroscopic data and chemometrics. Quantification of residual amounts of antioxidant and antiwear additive (zinc dithiophosphate) in the oil samples by FTIR spectroscopy showed depletion of phenolic antioxidant during engine alteration but zinc dithiophosphate degradation during artificial alteration. The chemometric method principal component analysis (PCA) elucidated similarities and differences between both alteration types, verifying the findings of FTIR spectroscopy. Additionally, it was found, that laboratory-based artificial alteration was mainly driven by oxidative processes whereas engine alteration showed higher amounts of both oxidation and nitration products.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-86417
http://hdl.handle.net/20.500.12708/4649
Library ID: AC12265666
Organisation: E164 - Institut für Chemische Technologien und Analytik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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