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06.07.2015 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Direkte Wassereinspritzung: Kühleffekt für mehr Leistung und Effizienz

Autor:
Katrin Pudenz

BMW-Forscher entwickeln eine direkte Wassereinspritzung für aufgeladene Ottomotoren. Die neue Technik führt durch eine Temperaturabsenkung im Verbrennungsprozess zu einem höheren Wirkungsgrad. Präsentiert wurde die Wassereinspritzung kürzlich im Rahmen der BMW-Group-Innovationstage 2015 in einem 1er BMW mit Dreizylinder-Ottomotor.

Mit der direkten Wassereinspritzung für Ottomotoren mit Turboaufladung entwickelt die Ingenieure der BMW Group sukzessive konventionelle Antriebe weiter. Dabei wird durch die präzise dosierte Einbringung von Wasser in die Brennräume des Motors eine Kühlwirkung erzielt. Insbesondere bei hoher Lastanforderung ermöglicht diese eine Steigerung von Leistung und Drehmoment bei gleichzeitiger Reduzierung des Verbrauchs und Optimierung des Emissionsverhaltens, erklären die Entwickler.

BMW M4 MotoGP Safety Car

Erstmals wird die Wassereinspritzung bei modernen Motoren des Autobauers in dem BMW M4 MotoGP Safety Car eingesetzt. Die von BMW M als Führungsfahrzeug für die Rennen in der Königsklasse des Motorrad-Rennsports konzipierte Variante des Hochleistungssportwagens wird von einem Reihensechszylinder-Motor mit M-TwinPower-Turbo-Technik und Hochdrehzahl-Konzept angetrieben. Mit der neuen Technik haben die BMW-M-Ingenieure dem Hochleistungstriebwerk des M4 Coupé (317 kW in der Serienversion; Kraftstoffverbrauch kombiniert 8,8 bis 8,3 l/100 km; CO2-Emissionen kombiniert 204 bis 194 g/km) noch einmal ein Leistungsplus verschafft. Denn mit der Wassereinspritzung lassen sich thermisch bedingte Leistungsgrenzen nach oben verschieben, betont der Hersteller.

Bei der Wassereinspritzung für das M4 MotoGP Safety Car nutzen die Ingenieure den physikalischen Effekt des Wassers, beim Verdampfen die hierfür erforderliche Energie aus dem Umgebungsmedium zu ziehen. Indem Wasser als feiner Sprühnebel in den Sammler des Saugmoduls eingespritzt wird, sorgt es beim Verdampfen für eine Abkühlung der Ansaugluft.

Leistung steigt um bis zu zehn Prozent

Im Rahmen der Innovationstage 2015 wurde die Technik erstmals in einem Prototyp eines BMW 1er mit Dreizylinder-Ottomotor der jüngsten Generation präsentiert. Hier wird das Wasser nicht nur in das Saugrohr, sondern hauptsächlich direkt in den Brennraum injiziert, erläutern die Entwickler.

Mit der direkten Wassereinspritzung soll sich das Potenzial der Turboaufladung noch intensiver nutzen lassen. Weil das als feiner Sprühnebel in den Sammler des Saugmoduls eingespritzte Wasser seiner Umgebung beim Verdampfen Energie entzieht, wird die Verbrennungstemperatur im Motor um rund 25 °C gesenkt, betonen die Experten des Herstellers. Dieser Kühleffekt führe vor allem bei Volllast zu einem deutlich gesteigerten Wirkungsgrad sowie zu weiteren positiven Auswirkungen auf den Verbrennungsprozess. Als positive Auswirkungen zählen die Ingenieure des Herstellers die folgenden Punkte auf:

  • Effizienz: Kühlung mittels Wassereinspritzung ermöglicht Verzicht auf zusätzliche Kraftstoffeinspritzung zur Temperaturabsenkung in hohen Lastbereichen. Ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch und gesteigerter Wirkungsgrad bei Volllast ermöglicht Verbrauchsreduzierung im Alltagsverkehr um bis zu acht Prozent.
  • Emissionsverhalten: geringere Prozesstemperaturen reduzieren die Entstehung von Schadstoffen.
  • Reduzierte Klopfneigung: Gefahr einer unkontrollierten Verbrennung (sogenanntes Klopfen) wird durch Temperaturabsenkung reduziert.
  • Höhere Verdichtung: Eine geringere Klopfneigung ermöglicht die Anhebung der Verdichtung des Dreizylinder-Motors im vorgestellten Prototyp von 9,5 : 1 auf 11,0 : 1. Daraus resultiert auch im Teillastbereich ein optimierter Wirkungsgrad.
  • Dynamik: Ein früherer Zündzeitpunkt und höherer Ladedruck steigern Motorleistung und Drehmoment um bis zu zehn Prozent. Ein zusätzliches Leistungsplus wird durch höheren Sauerstoffanteil in kühler Ansaugluft erzielt.
  • Kraftstoffverträglichkeit: Optimierte Leistungsausbeute auch bei Verwendung von Kraftstoff mit geringerer Oktanzahl (ROZ 95). Turbomotoren mit direkter Wassereinspritzung sind daher weltweit einsetzbar.
  • Thermische Belastung: Kühlwirkung reduziert Temperatureinflüsse auf Kolben, Ventile, Katalysator und Turbolader.

Die günstigen Effekte der Kühlung mittels direkter Wassereinspritzung können auf unterschiedliche Weise genutzt werden, heißt es weiter. Je nach Fahrzeugkonzept und Motorisierung könnten daher wahlweise die Leistung oder der Verbrauch optimiert werden.

Hohe Alltagstauglichkeit dank On-Board-Wassergewinnung

Zur Versorgung des Wassereinspritzsystems verfügt das BMW M4 MotoGP Safety Car über einen im Gepäckraum untergebrachten, fünf Liter fassenden Tank. Im Rennstreckeneinsatz mit häufigen Volllastphasen wird dieser immer dann aufgefüllt, wenn auch Kraftstoff getankt werden muss.

Bei der vorgestellten, direkten Wassereinspritzung für ein späteres Serienautomobil muss der Kunde Angaben aus München zufolge im Alltagsbetrieb gar kein Wasser nachfüllen. Von klimatischen Ausnahmefällen abgesehen, reiche die On-Board-Wassergewinnung aus, um ein autarkes System sicherzustellen.

Dabei werde Wasser, das durch Verdunstung in der Klimaanlage anfällt, gesammelt und für die kühlende Einspritzung in den Motor genutzt. Nach jedem Abschalten des Motors werde das Wasser aus dem Leitungssystem zurück in den Tank gefördert, um ein Vereisen der Systemkomponenten bei Minusgraden und Motorkorrosion zu verhindern. Der Wassertank selbst ist ebenfalls frostsicher untergebracht.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

01.01.2013 | Forschung | Ausgabe 1/2013

Schadstoffreduzierung durch Diesel-Wasser-Emulsionen

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