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Dielektrischer Sensor
Hintergrund
Die durch politische Rahmenbedingungen motivierte Entwicklung von Plug-in
Hybridfahrzeugen stellt neue Anforderungen an die Qualität von Kraftstoffen. Der in Plug-in
Hybridfahrzeugen vorhandene Verbrennungsmotor wird nur gestartet, wenn die
leistungsstarke Batterie bei längeren Fahrten nicht genügend Energie liefern kann. Bei
Kurzstreckenfahrten reicht die Leistung der Batterie jedoch aus und sie kann nach Beendigung
der Fahrt wieder am Stromnetz aufgeladen werden, ohne dass der Verbrennungsmotor
gestartet werden muss. Es ist daher anzunehmen, dass sich bei Plug-in Hybridfahrzeugen die
Standzeiten des Kraftstoffs im Tank gegenüber dem heutigen Stand deutlich verlängern. Damit
nehmen auch die Probleme mit alterungsbedingten Veränderungen des Kraftstoffs zu.
Im Dieselkraftstoffbereich wird zurzeit flächendeckend ein Blend aus fossilem Dieselkraftstoff
mit bis zu 7% Biodiesel angeboten. Gerade bei steigenden Anteilen an Fettsäuremethylestern
(FAME, Biodiesel) steigt in Abhängigkeit des Sättigungsgrades auch die Wahrscheinlichkeit des
Auftretens von alterungsbedingten Ausfallprodukten. Hierfür sind oxidative Prozesse
verantwortlich, die zur Bildung von höhermolekularen Abbauprodukten, sog. Oligomeren,
führen. Diese können Ablagerungen im Tank bilden und den Kraftstofffilter verstopfen. Auch
ist anzunehmen, dass Oligomere die Einspritzdüsen schädigen und den Brennverlauf und
damit Emissionen negativ beeinflussen. Zudem gelangen bei PKW mit Dieselpartikelfiltern
Kraftstoff und damit der höher siedende Biodieselanteil sowie dessen Alterungsprodukte in
das Motoröl und induzieren dort Ölschlammbildung.
Neben der Detektion von Alterungsprodukten ist auch die Bestimmung der
Biodieselkonzentration von Interesse. Höhere Stickoxidemissionen, die durch Biodiesel
verursacht werden können, sind durch eine Anpassung der Motorsteuerung bei bekannter
Biodieselkonzentration reduzierbar.
Um mögliche negative Einflüsse durch alternde Kraftstoffe oder differierende Biodieselanteile
zu verhindern, ist eine Detektion dieser Kraftstoffparameter notwendig. Durch dielektrische
Spektroskopie kann dies schnell und robust realisiert werden. Dem Motormanagement kann
damit gezielt mitgeteilt werden, wie auf die jeweilige Biodieselkonzentration oder alternde
Kraftstoffe zu reagieren ist.
Messtechnik und Ergebnisse
In zahlreichen Anwendungen zeigt sich das Verfahren der dielektrischen Spektroskopie als
robust und zuverlässig und gewinnt deshalb in anwendungsorientierten Fragestellungen
immer mehr an Bedeutung. Insbesondere bei chemisch-physikalischen Zusammenhängen auf
molekularer Ebene kann durch die dielektrische Spektroskopie ein Einblick in die Qualität von
Kraftstoffen geboten werden. Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass mittels dielektrischer
Spektroskopie sowohl nieder- als auch höhermolekulare (Oligomere) Abbauprodukte des
gealterten Kraftstoffs sowie die Biodieselkonzentration detektiert werden können. Hierzu
werden dielektrische Größen wie real- und imaginär Anteil der Permittivität herangezogen.
Die zur Messung dielektrischer Größen eingesetzte Sensorik wird durch einen Kondensator im
Leiterplatinenformat dargestellt (Abbildung 1).
Abbildung 1: Prototyp einer Kondensatoreinheit zur Bestimmung dielektrischer
Kraftstoffkenngrößen
Abbildung 2 zeigt die Veränderung der Permittivität von reinem fossilem Dieselkraftstoff (B0)
und Dieselkraftstoff mit zehn Prozent Biodieselanteil während einer künstlich beschleunigten
Kraftstoffalterung. Im nicht gealterten Zustand zeigt das Gemisch mit zehn Prozent
Biodieselanteil aufgrund der höheren Polarität der Biodieselmoleküle eine höhere
Permittivität. Während der Alterung steigt der Anteil polarer Alterungsprodukte nur im mit
Biodiesel versetzten Kraftstoff. Eine Detektion, ab wann der Kraftstoff unbrauchbar ist, kann
damit durchgeführt werden.
2.6
2.5
B10
B0
2.4
,r [ ]
2.3
2.2
2.1
2.0
1.9
0
10
20
Aging [h]
30
40
Abbildung 2: Realanteil der relativen Permittivität für reinen fossilen Dieselkraftstoff und
Dieselkraftstoff mit zehn Prozent Biodieselanteil während einer künstlich beschleunigten
Kraftstoffalterung
Weiterhin können mit Hilfe der dielektrischen Größen beispielsweise die Relaxationszeit τ
bestimmt werden. Dabei handelt es sich um den zeitverzögerten Aufbau der Polarisation P
eines Systems (Dielektrikum) nach Anlegen eines elektrischen Feldes E. Mit Hilfe des durch die
Relaxation der Moleküle verursachten zeitverzögerten Abbaus der Polarisation ist eine
differenzierte Aussage über höhermolekulare Abbauprodukte möglich. Die zu Ablagerung und
damit zu Schäden führenden höhermolekulare Abbauprodukte können somit frühzeitig
erkannt werden. Darüber hinaus wurde in präliminaren Untersuchungen gezeigt, dass eine
gute Korrelation zur Rancimat-Methode (DIN EN 15751) besteht. Derzeit wird an einer
Miniaturisierung der elektronischen Komponenten des Sensors geforscht und es werden
weitere Kraftstoffeigenschaften wie Wassergehalt mittels der ersten Prototypen untersucht.
Anwendungsbeispiele
Neben den oben genannten Einsatzbereichen in Plug-in Hybridfahrzeugen zur Detektion des
Alterungsgrades oder Biodieselgehalts kann der Sensor zur dauerhaften Überwachung der
Kraftstoffqualität eingesetzt werden. Neben Tankstellen oder Heizöltanks sind lange
Verweilzeiten des Kraftstoffes auch in mit Dieselkraftstoff betriebenen Notstromaggregaten
möglich. Im Falle eines Stromausfalles beispielsweise in einem Krankenhaus muss das
Notstromaggregat innerhalb kürzester Zeit anlaufen, sodass eine sichere medizinische
Versorgung der Patienten gewährleistet ist. Gerade solche Notsituationen verzeihen daher
keine Qualitätseinbußen des gelagerten Kraftstoffes im Tank.
Denkbar sind auch Anwendungen in Form von Handgeräten zur schnellen und robusten
Bestimmung von Kraftstoffqualitäten. Insbesondere auch in Kombination mit anderen
Messmethoden wie Fluoreszenzspektroskopie oder Infrarotspektroskopie.
Kontakt
Anschrift:
Technologietransferzentrum Automotive
der Hochschule Coburg (TAC)
Friedrich-Streib-Straße 2
96450 Coburg
Telefon: +49 (0)9561 317-339
Fax: +49 (0)9561 317-514
E-Mail: [email protected]

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