Forschung

Umweltverträgliche Kühlmittel für Verbrennungsmotoren

Ein effizientes Kühlsystem ist in der Lage, große Wärmemengen abzuführen und damit die Leistung von Verbrennungsmotoren zu steigern. Bei konventionellen Kühlmitteln wird Monoethylenglykol (MEG) mit einem Volumenanteil bis zu 50 Prozent beigemischt, um den Gefrierpunkt zu erniedrigen. MEG hat den Nachteil, dass es sich bei Temperaturen über 165°C zersetzt und die entstehenden Zerfallsprodukte Korrosionsschäden verursachen können. Daher ist der Zusatz von Inhibitoren und Stabilisatoren erforderlich. Im FVV-Projekt ging es darum, thermisch stabile und umweltverträgliche Alternativen zu MEG zu ermitteln. Dazu wurden 24 Stoffe im Hinblick auf ihre thermische Stabilität und ihre physikalisch-chemischen Stoffeigenschaften untersucht. Die Stoffe Triethylenglykol, Natriumpropionat, Diethylenglykol und Kaliumacetat haben aufgrund ihrer hohen thermischen Stabilität das Potenzial, MEG als Gefrierpunkterniedrigungsmittel zu ersetzen. Um dieses Potenzial einschätzen zu können, sind weitere Analysen zum Korrosions- bzw. Kavitationsverhalten insbesondere beim Zusatz von Kühlmitteladditiven erforderlich.

» Die FVV steht für Kontinuität und Innovation in der Werkstoff- und Materialforschung. In diesem FVV-Projekt haben wir einen wichtigen Beitrag zur Verwendung umweltfreundlicher Alternativen zum Monoethylenglykol als Kühlmittel geleistet. «
Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe (MPA-IfW | TU Darmstadt)

Motivation

Das Kühlsystem beeinflusst die Leistung von Verbrennungsmotoren: Je größer die abgeführten Wärmemengen sind, desto effizienter kann der Motor arbeiten. So lassen sich Kraftstoffverbrauch und Emissionen reduzieren. Konventionelle Kühlmittel bestehen aus Wasser und MEG, das zur Gefrierpunkterniedrigung mit einem Volumenanteil bis zu 50 Prozent beigemischt wird. Um der thermischen Zersetzung von MEG bei Temperaturen über 165°C und damit einhergehenden Korrosionsschäden entgegenzuwirken, ist der Zusatz von Inhibitoren und Stabilisatoren erforderlich. Daher sind thermisch stabile und umweltverträgliche Alternativen zu MEG gefragt.

Methodik

Aus 140 potenziell zur Gefrierpunkterniedrigung geeigneten Stoffen und Verbindungen wurden 24 für weitere Untersuchungen ausgewählt. Im Fokus der Untersuchungen standen die thermische Stabilität und die physikalisch-chemischen Stoffeigenschaften (spezifische Wärmekapazität, Dichte, Viskosität, Dampfdruckkurven, Siedepunkte, Verdampfungsenthalpien, Flammpunkt und Wärmeleitfähigkeit). Zur Prüfung der thermischen Stabilität kamen Reaktoren mit Drucküberwachung zum Einsatz. Vor und nach den Reaktorversuchen wurden pH-Wert, Leitfähigkeit und Brechungsindex bestimmt – die Analyse der Zusammensetzung erfolgte mit chromatografischen Verfahren. Auf Basis der experimentellen Daten erfolgte eine Bewertung der Stoffgemische.

Ergebnis

Die Stoffe Triethylenglykol, Natriumpropionat, Diethylenglykol und Kaliumacetat haben aufgrund ihrer hohen thermischen Stabilität das Potenzial, MEG als Gefrierpunkterniedrigungsmittel zu ersetzen. Um dieses Potenzial einschätzen zu können, sind weitere Analysen zum Korrosions- bzw. Kavitationsverhalten insbesondere beim Zusatz von Kühlmitteladditiven, wie z.B. Korrosionsinhibitoren, Entschäumer und Hartwasserstabilisatoren, erforderlich. Untersuchungen an etablierten Prüfeinrichtungen gemäß der FVV-Prüfrichtlinie R530/2005 – beispielsweise an einer modularen Heißtestanlage oder an einer Klopfkammer – können dazu einen wichtigen Beitrag leisten.

Dokumentation

AlFreD – Alternative Gefrierpunkterniedrigungsmittel | Anforderungen an Kühlmittel für moderne Verbrennungskraftmaschinen auf Basis alternativer Gefrierpunkterniedrigungsmittel | Vorhaben-Nr. 1169

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Eigenmittel

Fördersumme
119.362,00 EUR EUR

Laufzeit
01.10.2014 bis 30.06.2015

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

Industrie

Hans Koch
MAHLE Behr GmbH & Ko. KG

Forschungsstelle

Zentrum für Konstruktionswerkstoffe (Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt - MPA und Institut für Werkstoffkunde - IfW) - Oberflächentechnik | Technische Universität Darmstadt

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. Thomas Duchardt

Technische Universität Darmstadt

Zentrum für Konstruktionswerkstoffe/Institut für Werkstoffkunde (IfW) | Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (MPA)

Grafenstr. 2
64283 Darmstadt
Deutschland

Projektmanagement

Ralf Thee

FVV
+49 (0) 69 6603 1349
+49 (0) 69 6603 2349


Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

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