Direkte Wassereinspritzung im BMW M4 MotoGP Safety Car
BMW
Die Wassereinspritzung stellt ein wirksames Mittel zur Verschiebung der Klopfgrenze dar. Für die Herausforderungen im Fahrzeugeinsatz wie Instationärbetrieb, Motorsteuerung, Diagnose und Betrieb bei Frost stehen Lösungen zur Verfügung. Auch für die Wasserversorgung werden zahlreiche Ideen diskutiert.
Aktuelle Fahrzeugmotoren werden durch Downsizing-Konzepte und drehzahlabsenkende Getriebe-Übersetzungen zunehmend bei hohen spezifischen Lasten betrieben. Durch das frühzeitige Erreichen der Klopfgrenze und die Gemischanreicherung zum Bauteilschutz wird der Wirkungsgrad begrenzt. Der Gemischanreicherung stehen jedoch neue Anforderungen der Abgasgesetzgebung und neue Testzyklen entgegen (RDE). Mit einer Wassereinspritzung lässt sich die Klopfneigung unterdrücken und die Gemischanreicherung vermeiden.
Bereits 1998 beschrieb Professor Dr.-Ing. Koji Takasaki in seinem Aufsatz "Verbesserung der Verbrennung im Dieselmotor durch geschichtete Wassereinspritzung" in der Ausgabe 4/1998 von MTZ die Anwendung der geschichteten Wassereinspritzung bei Dieselmotoren. Mit diesem System, so Takasaki damals, sei es möglich, während der Kraftstoffeinspritzung Wasser durch die gleiche Düse einzuspritzen, ohne die beiden Flüssigkeiten zu mischen. Takasaki zeigte, dass unter Verwendung dieses Systems NOX- und Rußemission reduziert und gleichzeitig der thermische Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Die Gründe, die zu diesen Verbesserungen der Verbrennung führen, wurden mithilfe eines speziell entwickelten Testmotors untersucht, bei dem die Flammen durch einen durchsichtigen Kolben mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt wurden. Außerdem wird durch Berechnungen die Verteilung des Wasserdampfes im Einspritzstrahl bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen, so Takasaki, könne die geschichtete Wassereinspritzung in kurzer Zeit praktisch verwirklicht werden.
Potenzial zur Schadstoffreduzierung
Damit sollte er recht behalten. Zwischenzeitlich ist allgemein anerkannt, dass bei einem Dieselmotor nach derzeitigem Stand der Technik mithilfe der Diesel-Wasser-Emulsion eine beachtliche Reduzierung der Ruß- und NOX-Konzentration möglich ist. Selbst bei einer eher geringen Wasserbeimischung von nur 10 Prozent ist immerhin mit einer mittleren Rußabsenkung über alle Betriebspunkte von etwa 21 Prozent zu rechnen. Die NOX-Reduzierung fällt mit circa 23 Prozent in gleicher Größenordnung aus. Diese Zahlen ermittelten Christof Simon, Heinrich Dörksen und Holger Dornbusch in ihrem Aufsatz "Schadstoffreduzierung durch Diesel-Wasser-Emulsionen" in der MTZ 1/2013.
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Inzwischen die Technik auch auf Ottomotoren adaptiert. BMW-Forscher entwickeln eine direkte Wassereinspritzung für aufgeladene Ottomotoren. Die neue Technik führt durch eine Temperaturabsenkung im Verbrennungsprozess zu einem höheren Wirkungsgrad. Bei der Wassereinspritzung für das M4 MotoGP Safety Car von BMW nutzen die Ingenieure den physikalischen Effekt des Wassers, beim Verdampfen die dafür 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.
Direkte Einspritzung in den Brennraum
Alternativ wird das Wasser nicht nur in das Saugrohr, sondern hauptsächlich direkt in den Brennraum injiziert. Dieses Prinzip präsentierte BMW im Sommer 2015 anhand eines BMW 1er mit Dreizylinder-Ottomotor der jüngsten Generation. Wie Katrin Pudenz in ihrem Bericht von der Erstpräsentation auf Springer für Professionals berichtete, soll sich mit der direkten Wassereinspritzung 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 Grad Celsius 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.
Wasserversorgung ohne Nachfüllen
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 neuen 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.