Die Wassereinspritzung kann Autos nicht nur sparsamer, sondern auch leistungsstärker machen.
Bosch
Die Verbrennung mit der vorgelagerten Gemischbildung bleibt auch in Zukunft zentraler Ansatz bei der Weiterentwicklung von Otto- und Dieselmotoren. Denn das Brennverfahren bestimmt maßgeblich Leistung, Kraftstoffverbrauch und Rohemissionsniveau des Verbrennungsmotors. Für viele Experten ist der nächste Schritt bei der Brennverfahrensentwicklung die Wassereinspritzung. Zum Beispiel auch für Bosch. Der Zulieferer hat ein Wassereinspritzungssystem – genannt WaterBoost – im Portfolio, das deutlich beim Kraftstoffsparen helfen soll.
"Mit der Wassereinspritzung zeigen wir, dass der Verbrennungsmotor noch einiges auf der Pfanne hat", sagt Dr. Rolf Bulander, Vorsitzender des Unternehmensbereichs Mobility Solutions und Geschäftsführer von Bosch. Insbesondere bei Downsizing-Motoren mit drei oder vier Zylindern spiele die Bosch-Technik ihre Sparsamkeit aus.
Dieser Motortechnik liegt technisch eine einfache Erkenntnis zugrunde: Ein Motor darf nicht überhitzen. Um das zu verhindern, wird bis heute bei so gut wie allen Ottomotoren zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt (Anfettung). Dieser verdampft und kühlt somit Teile des Aggregats herunter. Dieses physikalische Prinzip machen sich die Bosch-Ingenieure mit der Wassereinspritzung zunutze: Noch vor der Zündung des Kraftstoffs wird ein feiner Wassernebel in den Ansaugtrakt eingespritzt, der durch die hohe Verdampfungseigenschaft des Wassers effektiv kühlt.
Die Wassereinspritzung lässt sich neben Otto- auch bei Dieselmotoren einsetzen: Beim Ottomotor mit Turboaufladung verschiebt sie die Klopfgrenze nach hinten und erhöht damit Leistungsfähigkeit und Effizienz, beim Dieselmotor verringert sie Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Dabei ist Wassereinspritzung nichts Neues. Bei hochaufgeladenen Ottomotoren im Tuningbereich sowie bei Großdieselmotoren wird sie seit Langem eingesetzt. Das Neue ist nun, das verstärkt am Serieneinsatz im Pkw gearbeitet wird.
- Ist diese Technik schon in Serie?
Als erstes in Serie gefertigtes Straßenfahrzeug verfügt der BMW M4 GTS, der 2015 vorgestellt wurde, über ein Wassereinspritzsystem, das Leistung und Kraftstoffverbrauch des aufgeladenen Sechszylinder-Reihen-Ottomotors bei Volllast noch weiter optimieren soll. Für den BMW M4 GTS hat Bosch die Teile der Wassereinspritzung zugeliefert.
"Eine Wassereinspritzung beim Ottomotor ist ein geeignetes Hilfsmittel, um die Gemischanreicherung zum Bauteilschutz bei hohen Drehzahlen und Lasten zu vermeiden und die Schadstoffemissionen zu verringern", schreibt BMW im Artikel Ansätze zur Onboard-Wassergewinnung für eine Wassereinspritzung aus der ATZ 1-2016. Welche Möglichkeiten eine Wassereinspritzung beim Ottomotor zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads bei hohen Motorlasten sowie zur Verminderung der Schadstoffemissionen bietet, zeigt BMW im Artikel Funktionale Integration einer Wassereinspritzung in den Ottomotor aus der MTZ 1-2016.
- Wie hoch ist die Kraftstoffeinsparung im Fahrzyklus?
Im zukünftigen Verbrauchstest (WLTC) soll die Wassereinspritzung nach Angaben von Bosch eine Ersparnis von bis zu vier Prozent ermöglichen. Im realen Verkehr sei noch mehr möglich: Bei flotterem Beschleunigen oder Autobahnfahrten ließen sich in realen Fahrsituationen bis zu 13 Prozent Kraftstoff sparen.
- Welche Ansätze gibt es beim Dieselmotor?
Aktuell wird auch wieder verstärkt an der Wassereinspritzung geforscht, um die Entstehung von Schadstoffemissionen beim Dieselmotor innermotorisch zu reduzieren. Am Lehrstuhl Verbrennungsmotoren der TU Dresden wurde der Einfluss einer direkten Wassereinspritzung mit einem separaten Wasserinjektor auf die Verbrennung und die Emissionsbildung untersucht, wie die Wissenschaftler im Artikel Wassereinspritzung im Dieselmotor aus der MTZ 4-2016 beschreiben. Dass die direkte Wassereinspritzung eine wirkungsvolle Methode zur Stickoxidreduktion darstellt, konnte Springer-Autor Robert Plöntzke nachweisen, wie er im Kapitel Einfluss der Wassereinspritzung auf den dieselmotorischen Verbrennungsprozess aus dem Buch Der Verbrennungsmotor - ein Antrieb mit Vergangenheit und Zukunft erläutert.
- Wird sich die Wassereinspritzung in der Breite durchsetzen?
"Der breite Einsatz von Wassereinspritzung lässt sich noch schwer absehen – derzeit wird intensiv daran entwickelt. Grundsätzlich hilft bei hohen Lasten, also speziell im RDE-Bereich alles, was kühlt. Dabei sind die einzuspritzenden Wassermengen beträchtlich — in der gleichen Größenordnung wie der Kraftstoff selbst. Entweder man muss dafür Wasser tanken. Besser wäre, man kondensiert es aus dem Abgas. Die Kondensatmengen könnten insbesondere dann reichen, wenn man die Wassereinspritzung nur instationär bei der Beschleunigung einsetzt, um die Dynamik zu verbessern, solange Wasser vorhanden ist. Ich wage zu bezweifeln, dass das flächendeckend, also auch für kleine und preiswerte Motoren, in Serie kommt. Ich sehe die Technologie eher als Top-End-Maßnahme bei Motoren mit sehr hohen spezifischen Leistungen, bei denen trotzdem ein günstiger Volllastverbrauch realisiert werden soll", erklärt Stefan Pischinger (RWTH Aachen) im Interview "Die Zeit ist reif für neue Generationen von Kraftstoffen" aus der MTZ 4-2016.
- Rostet der Motor durch die Wassereinspritzung?
Nein, denn es verbleibt kein Wasser im Brennraum. Das Wasser verdampft vor der Verbrennung im Motor und gelangt vollständig mit dem Abgas in die Umgebung.
- Wie kann man Wasser nachtanken?
Laut Bosch muss durchschnittlich alle 3000 Kilometer Wasser nachgetankt werden. Für die Füllung des separaten Wassertanks benötigt der Autofahrer destilliertes Wasser. Sollte der Tank doch einmal leer sein, ist das nicht schlimm: Der Motor funktioniert dann problemlos – allerdings ohne das höhere Drehmoment oder den geringeren Kraftstoffverbrauch der Wassereinspritzung.
- Kann das Wasser im Tank gefrieren?
Beim Abstellen des Motors wird das Wasser zurück in den Tank befördert, wo es gefrieren kann und nach Neustart des Motors aufgetaut wird.
- Gibt es eine Wasser-Direkteinspritzung?
Bosch setzt bei der Wassereinspritzung auf eine Saugrohreinspritzung, da diese deutliche, technische Vorteile habe und weniger koste. Dadurch sei dieses Konzept für eine Großserienproduktion und viele Fahrzeugsegmente geeigneter.