Um den CO 2 -Ausstoß zu senken werden in Kraftfahrzeugen vermehrt Bio
kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt. Diese werden z.B. in Form von Ethanol konventionellen Kraftstoffen beigemischt. Durch die von der EU geplante Steigerung des Ethanolgehaltes im Kraftstoff steigt auch die Möglichkeit von Alkoholatkorrosion in motornahen Bereichen kraftstoffführender Komponenten aus Aluminiumlegierungen. Nach ersten Erkenntnissen spielt die Passivität des Aluminiums eine entscheidende Rolle hinsichtlich des Auftretens von Alkoholatkorrosion. Daher ist das Ziel der Arbeit der Gewinn von Erkenntnissen zum Passivierungsverhalten von Aluminiumlegierungen in ethanolhaltigen Kraftstoffen. Das Verhalten der Passivschicht von Aluminiumlegierungen bei Alkoholatkorrosion ist noch nicht ausreichend untersucht worden. Da Alkoholatkorrosion nur in nahezu wasserfreien alkoholhaltigen Kraftstoffen bei hohen Temperaturen auftreten kann, muss im ersten Schritt eine Möglichkeit gefunden werden, die Leitfähigkeit von trockenem Kraftstoff zu erhöhen. Dazu kann das Leitsalz Lithiumperchlorat dienen. Um die nötigen Mengen des Leitsalzes herauszufinden, werden Vorversuche durchgeführt. Um sicherzustellen, dass Lithiumperchlorat keinen Einfluss auf das Korrosionsverhalten hat, werden vergleichende Korrosionsversuche im Autoklaven mit und ohne Leitsalz durchgeführt.
Anschließend werden Stromdichtepotenzialmessungen und Impedanzspektren unterschiedlicher Oberflächenzustände, Aluminiumlegierungen und Ethanolbeimischungen aufgezeichnet, um unterschiedliche Einflüsse auf das Passivierungsverhalten zu untersuchen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Aluminium-Legierungen und deren Anwendung bei kraftstoffführenden Teilen
2.1.1 Herstellung und Eigenschaften von Aluminium
2.1.2 Passivität
2.1.3 Legierungselemente und deren Einfluss
2.1.4 Anwendung bei kraftstoffführenden Teilen
2.2 Korrosionsverhalten in alkoholhaltigen Kraftstoffen
2.2.1 Elektrochemische Korrosion in wasserhaltigen Kraftstoffen
2.2.1.1 Flächige Korrosion
2.2.1.2 Wässrige Korrosion
2.2.2 Alkoholatkorrosion in „trockenen“ ethanolhaltigen Kraftstoffen
2.3 Elektrochemische Korrosionsuntersuchung
2.3.1 Durchführung elektrochemischer Messungen
2.3.2 Stromdichte-Potenzial-Kurven
2.2.3 Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
3 Versuchsdurchführung
3.1 Untersuchte Werkstoffe und Kraftstoffe
3.1.1 Werkstoffe
3.1.1.1 Verwendete Probenformen
3.1.1.2 Verwendete Probenmaterialien
3.1.2 Kraftstoffe
3.1.2.1 ASTM-C
3.1.2.2 Ethanol
3.1.2.3 Iso-Propanol
3.1.2.4 Tertiäres Butanol
3.2 Sicherheitshinweise
3.3 Voruntersuchungen zum Ansatz der Elektrolyt-Lösung für elektrochemische Untersuchungen
3.3.1 Das Leitsalz Lithiumperchlorat
3.3.2 Vorversuche zur Steigerung der Leitfähigkeit
3.2.2.1 Abwiegen des Salzes
3.2.2.2 Leitfähigkeitsmessung der einzelnen Kraftstoffe bei unterschiedlichem Salzgehalt
3.3.2 Ergebnisse der Vorversuche zur Steigerung der Leitfähigkeit
3.4 Anmischen der Versuchskraftstoffe
3.5 Auslagerungsversuche zur Untersuchung des Einflusses von Lithiumperchlorat auf die Alkoholatkorrosion von Al-Legierungen
3.5.1 Versuchsaufbau
3.5.2 Beschreibung des Versuchsablaufs
3.5.3 Versuchsabbau und Reinigung
3.5.4 Auswertung der Messdaten
3.6 Elektrochemische Korrosionsuntersuchungen
3.6.1 Versuchsaufbau
3.6.2 Stromdichte-Potenzial-Kurven
3.6.2.1 Aufzeichnung zyklischer Stromdichte-Potenzial-Kurven mit der Potenziostat-Software „Thales“
3.6.2.2 Auswertung der Messdaten
3.6.3 Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
3.6.3.1 Aufzeichnung mit der Potenziostat-Software „Thales“
3.6.3.2 Auswertung der Messdaten
3.6.4 Versuchsabbau und Reinigung
4 Ergebnisse und Auswertung
4.1 Auslagerungsversuche bei erhöhten Temperaturen und Drücken
4.1.1 Auslagerungsversuche in E25 mit und ohne Lithiumperchlorat im Vergleich
4.1.1.1 Al99,5
4.1.1.2 AlMgSi1
4.1.1.3 AlSi12
4.1.2 Schlussfolgerung
4.2 Elektrochemische Korrosionsuntersuchungen
4.2.1 Stromdichte-Potenzial-Kurven
4.2.1.1 Beurteilung der zyklischen Messungen
4.2.1.1 Einfluss der Legierung
4.2.1.1 Einfluss des Wassers
4.2.2 Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
4.2.2.1 Beurteilung der Impedanzspektren und der elektrischen Ersatzschaltbilder
4.2.2.2 Elektrolytwiderstand Rel
4.2.2.3 Impedanzbetrag R0,01Hz
4.2.2.4 Kapazität der Probe Qy
4.2.2.5 Warburg-Diffusion Wy
5 Zusammenfassung und Ausblick
6 Anhang
6.1 Auslagerungsversuche bei erhöhten Temperaturen und Drücken
6.1.1 Nomenklaturerklärung
6.1.2 Dokumentation der Auslagerungsversuche
6.1.2.1. Al99,5
6.1.2.2 AlMgSi1
6.1.2.3 AlSi12
6.2 Elektrochemische Korrosionsuntersuchungen
6.2.1 Nomenklaturerklärung
6.2.2 Dokumentation der zyklischen Stromdichte-Potenzial-Kurven
6.2.2.1 Al99,5
6.2.2.2 AlMgSi1
6.2.2.3 AlSi12
6.2.3 Dokumentation der elektrochemischen Impedanzspektren
6.2.3.1 Al99,5
6.2.3.2 AlMgSi1
6.2.3.3 AlSi12
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Passivierungs- und Korrosionsverhalten von Aluminiumlegierungen in „trockenen“ ethanolhaltigen Kraftstoffen unter Verwendung elektrochemischer Methoden, um das Risiko der Alkoholatkorrosion besser zu verstehen.
- Einfluss von Leitsalzen (Lithiumperchlorat) auf die Leitfähigkeit von Kraftstoffen.
- Korrosionsbeständigkeit verschiedener Aluminium-Legierungen (Al99,5, AlMgSi1, AlSi12).
- Analyse des Einflusses von Wasserbeimischungen auf Korrosionsmechanismen.
- Methodik zur Durchführung elektrochemischer Messungen (Stromdichte-Potenzial-Kurven, Impedanzspektroskopie).
- Beurteilung der Passivschichtstabilität unter praxisrelevanten Versuchsbedingungen.
Auszug aus dem Buch
2.2.2 Alkoholatkorrosion in „trockenen“ ethanolhaltigen Kraftstoffen
In wasserfreien Alkoholen kann es bei manchen Aluminium-, Magnesium- und Bleilegierungen durch eine chemische Reaktion zur „trockenen“ Korrosion, der sog. Alkoholatkorrosion kommen. Für die Alkoholatkorrosion von Aluminium in Ethanol können die nachfolgenden Reaktionsgleichungen aufgestellt werden. In der ersten Reaktion (Gleichung 4) entstehen zunächst Alkoxide, die auch Alkoholate genannt werden. Diese werden entweder hydrolisiert (Gleichung 5) oder zersetzt (Gleichung 6).
3 C2H5OH + Al → (C2H5O)3Al + 3/2 H2 Gleichung 4
(C2H5O)3Al + 3 H2O → Al(OH)3 + 3 C2H5OH Gleichung 5
2 (C2H5O)3Al → Al2O3 + 6 C2H4 + 3 H2O Gleichung 6
Die im ersten Schritt entstandenen Alkoholate sind sehr basisch und salzartig. In nassem Zustand haben sie eine gallertartige Konsistenz. Nach [WEST99] können bereits Wassergehalte von 0,1 bis 0,2 % eine Passivierung des Aluminiums auslösen, sodass eine Alkoholatkorrosion verhindert wird.
Im Betrieb muss Alokoholatkorrosion unbedingt vermieden werden, da es durch die Auflösung des Aluminiums zu einer kompletten Zerstörung des Bauteils kommen kann. Die Auflösung wird durch den Druckanstieg, ausgelöst durch den entstandenen Wasserstoff (Gleichung 4), zusätzlich beschleunigt. Der Druckanstieg kann als Indikator für die Alkoholatkorrosion genutzt werden, wodurch diese in sog. Auslagerungsversuchen in geschlossenen Behältern (siehe Abschnitt 3.5) leicht gemessen werden kann.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Arbeit beleuchtet die zunehmende Verwendung von Aluminium in Kraftfahrzeugen im Kontext von Biokraftstoffen und die damit einhergehenden Herausforderungen der Alkoholatkorrosion.
2 Grundlagen: Hier werden die Werkstoffeigenschaften von Aluminium, die Mechanismen der Korrosion in verschiedenen Kraftstoffumgebungen und die elektrochemischen Messverfahren erläutert.
3 Versuchsdurchführung: Dieser Abschnitt beschreibt die Probenmaterialien, die Vorbereitungen der Elektrolytlösungen sowie den Aufbau und die Durchführung der Korrosions- und Auslagerungsversuche.
4 Ergebnisse und Auswertung: Die Resultate der Auslagerungsversuche und elektrochemischen Messungen werden präsentiert, interpretiert und hinsichtlich des Einflusses von Legierungselementen und Wassergehalt bewertet.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Diese Sektion fasst die wesentlichen Erkenntnisse zusammen und diskutiert den weiteren Forschungsbedarf zur Absicherung der Ergebnisse.
Schlüsselwörter
Aluminiumlegierungen, Alkoholatkorrosion, Elektrochemische Korrosionsuntersuchung, Lithiumperchlorat, Ethanol, Kraftstoffsysteme, Passivierung, Stromdichte-Potenzial-Kurve, Impedanzspektroskopie, Korrosionsbeständigkeit, Werkstoffprüfung, Biokraftstoffe, Wasserstoffentwicklung, Oberflächentechnik, Anodische Polarisation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der vorliegenden Bachelor-Thesis grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Korrosionsverhalten von Aluminiumlegierungen, wenn diese in Kontakt mit ethanolhaltigen Kraftstoffen kommen, insbesondere unter dem Aspekt der sogenannten Alkoholatkorrosion.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Das Hauptaugenmerk liegt auf der Passivität von Aluminium, den chemischen Reaktionen in "trockenen" Kraftstoffen, der elektrochemischen Charakterisierung mittels Stromdichte-Potenzial-Kurven sowie der Wirksamkeit von Leitsalzen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es zu klären, wie sich verschiedene Aluminiumlegierungen in ethanolhaltigen Kraftstoffen verhalten und ob der Einsatz von Lithiumperchlorat zur Leitfähigkeitssteigerung das Korrosionsverhalten signifikant beeinflusst.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zur Anwendung?
Es werden Auslagerungsversuche unter hohen Temperaturen und Drücken sowie elektrochemische Messungen, speziell zyklische Stromdichte-Potenzial-Kurven und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen, die detaillierte Versuchsplanung und -durchführung inklusive Sicherheitsvorkehrungen sowie die umfangreiche Dokumentation und Auswertung der Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Aluminiumlegierungen, Alkoholatkorrosion, elektrochemische Messungen, Passivierung, Lithiumperchlorat und Impedanzspektroskopie.
Warum wird Lithiumperchlorat in den Versuchen eingesetzt?
Da die untersuchten Kraftstoffe natürlicherweise keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit für elektrochemische Messungen besitzen, wird Lithiumperchlorat als Leitsalz zugesetzt.
Welche Rolle spielt der Wassergehalt bei der Korrosion?
Wasser kann bei sehr geringen Konzentrationen eine schützende Passivierung bewirken, führt in höheren Mengen jedoch zu elektrochemischer Korrosion, die den Abbau der Passivschicht verstärkt.
Wie werden die Ergebnisse der Auslagerungsversuche visuell interpretiert?
In den Tabellen zur Auswertung werden die Versuchsbedingungen durch farbige Felder dargestellt: Rot markiert einen korrosiven Angriff (Alkoholatkorrosion), während Grün eine unveränderte Probe anzeigt.
- Arbeit zitieren
- Johannes Kraft (Autor:in), 2009, Untersuchung des Passivierungsverhaltens von Aluminiumlegierungen in ethanolhaltigen Kraftstoffen mit Hilfe elektrochemischer Methoden, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/179769
