English Title: Measurements concerning the interaction of high frequency surface acoustic waves and motor oils : development of an oilquality-sensor

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Abstract

In dieser Arbeit werden Motoröle und ihre Komponenten in ihrem viskosen Verhalten bei hochfrequenter mechanischer Anregung durch Oberflächenwellen charakterisiert. Dazu wurden Oberflächenwellen der Frequenzen 82 MHz, 245 MHz und 435 MHz auf 36° rot LiTaO3-Substraten, mit aufgesputterten 1m dicken SiO2 Wellenleiterschichten (Love-Wellen), angeregt und detektiert. Es wurden Dämpfungsmessungen an Poly-a-Olefinen, die als Modelsystem fungierten, durchgeführt. Dabei wurde die Viskosität sowohl durch die Wahl verschiedener Öle als auch über die Temperatur variiert. Es zeigen sich Diskrepanzen in diesen Messungen, die nicht mit dem maxwellsche Flüssigkeitsmodell in übereinstimmung gebracht werden können. Als Erklärung wird ein auf den Sensoren adsorbierter Wasserfilm angenommen. Diese Hypothese wird in einem mathematischen Modell formuliert. Das Modell erlaubt es, die Diskrepanzen mit einem einzigen Parameter, der Schichtdicke des Wassers, in einem Viskositätsbereich bis zu ca. 8700 cPoise zu erklären. Unter der Verwendung der normalen Volumenviskosität des Wassers kann die Dicke des Wasserfilms zu 0,37 nm bestimmt werden. Sowohl zwei verschiedene bei vielfach verwendeten Sensoren beobachtete Effekte der Alterung, als auch Messungen an einer Konzentrationsserie von ZnDDP (Zinkdialkyldithiophosphat) lassen sich ebenfalls über dieses Model erklären. Messungen an einer Automotorölserie wiesen deutliche Abweichungen vom maxwellschen Verhalten auf. Diese Abweichungen werden von VI-Verbesserern verursacht, welche zusätzliche Strukturviskosität erzeugen. Keine VI-Zusätze hatte dagegen das von einem Heizkraftwerkmotor verwendete Motoröl. Dessen oxidative Alterung konnte mit dem untersuchten Viskositätssensor sehr gut bestimmt werden.

Translation of abstract (English)

This dissertation focuses on the characterisation of motoroils in general and some of their compounds. In particular the viscous response of motoroils to mechanical, high frequency excitations (surface acoustic waves (SAW)) are studied. These surface acoustic waves (Love-waves) of frequencies 82 MHz, 245 MHz and 435 MHz are generated on 36° rot LiTaO3-substrats, with a sputtered 1m thick SiO2 waveguide layer. Measurements of the damping of surface acousic waves on Poly-a-Olefines, which are used as a model system, were carried out. Here, the viscosity was altered through either the choice of oil or temperature of operation. The data shows discrepancies which cannot be understood on the basis of the Maxwell model of viscosity. Instead, a thin film of water, coating the sensors, is postulated to account for the observed deviations. This hypotheses is formultated as a mathematical model, that allows to describe the data in an operating region of viscosity of up to 8700 cPoise by the use of just one single parameter: the thickness of the waterfilm. Employment of the viscosity of volume-water yields an effective thickness of 0.37 nm. This model, postulating a film of water on the sensor, also allows to explain two different effects of ageing encountered with versatilely used sensors and another effect observed when variing the concentration of the additive ZnDDP. Measurements on different motor oils used for cars showed significant variations from the maxwell-model. This can be understood when taking the VI-improvers of these oils into account. Motor oil of a combined heat and power plant does not have any VI-compounds. Here oxidative aging is measured with the same SAW-sensor and gave very good results.