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Wassereinspritzung

Die Einspritzung von Kraftstoff (→ Kraftstoffeinspritzung) durch feine Düsen ist ein bei Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung schon lange breit eingesetztes Verfahren. Bisher wenig verbreitet ist dagegen die Wassereinspritzung, also die Zugabe von Wasser zum Verbrennungsprozess, was die Verbrennungstemperaturen absenkt. In den letzten Jahren sind verstärkte Bemühungen für die Weiterentwicklung der Wassereinspritzung aufgenommen worden, und zwar für unterschiedliche Motortypen. Je nach Art von Motor können damit deutlich unterschiedliche Ziele verfolgt werden.

Wassereinspritzung bei Dieselmotoren

Es ist möglich, in die Brennräume von Dieselmotoren Wasser durch feine Düsen einzuspritzen. Die konzeptionell einfachste Methode ist die Verwendung separater Einspritzdüsen für das Wasser, was freilich die Komplexität des Motors deutlich erhöht.

Eine andere, zum Teil auch für die Nachrüstung anwendbare Möglichkeit besteht darin, eine Emulsion von Dieselkraftstoff und Wasser herzustellen ("Wasserdiesel") und diese durch die gewöhnlichen Kraftstoff-Einspritzdüsen zu verabreichen. Da Dieselkraftstoff und Wasser schlecht mischbar sind, muss häufig ein geeigneter Emulgator (ein Tensid) zugesetzt werden, um eine genügend gleichmäßige Zusammensetzung des Wasserdiesels zu erzielen. Eine solche Emulsion kann entweder in dieser Form getankt werden, oder sie wird im Fahrzeug nach Bedarf hergestellt – gegebenenfalls auch mit variablem Mischungsverhältnis. Das letztere Verfahren hat auch den Vorteil, dass die Emulsion deutlich weniger langzeitstabil sein muss. Im Idealfall wird die Emulsion in einem Injektor unmittelbar vor der Einspritzung hergestellt, und die Emulsionseinspritzung funktioniert ohne Zusatz von Tensiden.

Es gibt auch spezielle Einspritzdüsen, denen separat Dieselkraftstoff und Wasser zugeführt wird, und die eine sogenannte geschichtete Wassereinspritzung ermöglichen. Beispielsweise kann ein Einspritzvorgang mit einer vorgelagerten (kleineren) Menge von Dieselkraftstoff beginnen, dann wird Wasser eingespritzt und danach die größte Menge des Dieselkraftstoffs. Die relevanten Parameter können je nach Betriebszustand variiert werden.

Die unmittelbare Wirkung der Wassereinspritzung besteht darin, dass die Verbrennungstemperaturen gesenkt werden, hauptsächlich weil die Verdampfungswärme des Wassers dem Gas entzogen wird. Es mag zunächst widersinnig erscheinen, einerseits Kraftstoff zu verwenden, gerade um die Temperatur des Gases zu erhöhen, und gleichzeitig die Temperatur durch Einspritzen von Wasser wieder zu senken. Jedoch ist es möglich, auf diese Weise einen hohen Druck während des Arbeitstakts zu erreichen und damit eine hohe Motorleistung, ohne gleichzeitig stark ansteigende Stickoxidemissionen aufgrund zu hoher Verbrennungstemperaturen in Kauf nehmen zu müssen. (Auch die Verminderung der thermischen Belastung des Motors kann ein wichtiger Aspekt sein.) Man beachte hierbei, dass die Wassereinspritzung den Druck im Zylinder auf zwei Weisen beeinflusst, nämlich einerseits vermindernd durch die Absenkung der Temperatur und andererseits erhöhend durch den zusätzlich entstehenden Wasserdampf; der letztere Effekt überwiegt in der Regel. Deswegen macht man mit dem Wasser nicht etwa die erwünschte Wirkung des Kraftstoffs zunichte.

Günstige Auswirkungen der Wassereinspritzung sind eine mögliche Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um einige Prozent, also auch eine Erhöhung der Energieeffizienz, und zusätzlich eine Senkung der Rußemissionen. Das schlagartige Verdampfen des Wassers führt nämlich zu einer besseren lokalen Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum. Andererseits besteht aber die Gefahr, dass die Emissionen von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen ansteigen, etwa wenn die Flammentemperatur mancherorts zu weit abfällt. In welchem Ausmaß die einzelnen Vor- und Nachteile auftreten, hängt von der genauen Gestaltung und Dosierung der Wassereinspritzung ab. Die maximale Verminderung des Kraftstoffverbrauchs wird oft bei einem moderaten Wasseranteil (z. B. 25 %) erreicht; bei höherem Wasseranteil steigt der Kraftstoffverbrauch wieder an, aber die Abgasqualität wird noch erheblich besser.

Die Methode der Wassereinspritzung wird derzeit vor allem für die Anwendung bei alten Schiffsmotoren von Binnenschiffen untersucht. Hierbei besteht die Hoffnung, dass deren Stickoxid- und Rußemissionen mit begrenztem technischem und finanziellem Aufwand erheblich reduziert werden können, wobei eine leichte Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und der damit verbundenen CO₂-Emissionen natürlich ein willkommener Zusatzeffekt ist. Dieser technische Ansatz scheint realistischer als die Ausstattung dieser Motoren mit modernen Mitteln zur Nachbehandlung der Abgase insbesondere zur Reduktion von Stickoxid- und Rußemissionen, weil sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten damit deutlich niedriger ausfallen können. Teils wird auch eine Kombination von Wassereinspritzung mit einem dann kleiner ausgeführten SCR-Katalysator verwendet.

Wassereinspritzung bei Ottomotoren

Auch beim Ottomotor ist die unmittelbare Auswirkung der Wassereinspritzung eine Absenkung der Verbrennungstemperatur. Auch hier kann eine Absenkung der Stickoxidemissionen erreicht werden, zusätzlich vor allem aber auch eine Verringerung der Klopfneigung. Letzteres erlaubt eine entsprechende Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und/oder einen früheren Zündzeitpunkt, was sich beides positiv auf die Energieeffizienz des Motors auswirkt. Das diesbezügliche Verbesserungspotenzial ist bei Ottomotoren (vor allem mit Turboaufladung) deswegen deutlich größer als bei Dieselmotoren. Auch eine Erhöhung der hubraumspezifischen Leistung um z. B. 30 % ist möglich, was das Downsizing von Motoren erleichtert.

Besonders erwünscht ist der kühlende Effekt der Wassereinspritzung bei Motoren mit Turboaufladung, bei denen die Verbrennungstemperatur ein besonders kritischer Faktor ist. Effektiv erreicht man so eine zusätzliche Ladeluftkühlung. Auch in der Formel 1 wurde diese Methode eine Zeit lang angewandt, solange Turbomotoren zum Einsatz kamen. Bereits während des Zweiten Weltkriegs wurde damit bei Flugzeugmotoren experimentiert. In jüngster Zeit nimmt das Interesse an der Wassereinspritzung wieder zu, weil die Notwendigkeit der damit zu erzielenden Verbesserungen deutlich zugenommen hat.

Die Einspritzung des Wassers kann beim Benzinmotor am einfachsten in den Luft-Ansaugtrakt erfolgen, also nicht direkt in den Brennraum. Die Dosierung des Wassers kann abhängig von den Lastverhältnissen erfolgen – häufig verstärkt im Betrieb mit hoher Motorleistung (im Falle von Turbomotoren bei hohem Ladedruck).

In manchen Fällen wird statt reinem (destilliertem oder demineralisiertem) Wasser auch ein Gemisch von Wasser und Methanol oder Ethanol verwendet.

Bei manchen Zweitaktmotoren kommt eine ganz andere Art der Wassereinspritzung zur Anwendung, nämlich das Einspritzen von Wasser in den Auspuff. Da die Schallgeschwindigkeit durch die Zufuhr von Wasserdampf vermindert wird, lässt sich damit die Resonanzfrequenz der Abgasschwingung im Auspufftrakt durch geeignete Dosierung auf die Motordrehzahl anpassen. Auf diese Weise kann das vom Motor geleistete Drehmoment über einen weiteren Drehzahlbereich durch den Resonanzeffekt erhöht werden. Die Druckverhältnisse im Auspufftrakt sind nämlich beim Zweitaktmotor besonders wichtig für die Funktion; sie beeinflussen nämlich ganz wesentlich die Gemischzufuhr.

Technische Probleme durch Wassereinspritzung bei Automotoren

Gewisse technische Probleme müssen gelöst werden, wenn die Wassereinspritzung bei Ottomotoren eingesetzt werden soll:

• Bei Frost kann der Wasservorrat einfrieren. Dies lässt sich kaum durch Zugabe eines Frostschutzmittel verhindern, da dieses die Verbrennung stören könnte. Man wird also am ehesten einfach auf die Wassereinspritzung verzichten, wenn das Wasser eingefroren ist; sie ist auch etwas weniger nötig, wenn die Ansaugluft kalt ist. Eine ggf. etwas reduzierte Motorleistung wäre unter solchen Umständen vielleicht auch zu tolerieren. Dasselbe gilt, wenn nicht rechtzeitig Wasser nachgefüllt wurde.
• Verstopfungen des Wasser-Einspritzsystems müssen vermieden werden, beispielsweise durch Verwendung des destillierten Wassers.
• Es muss verhindert werden, dass das Schmieröl durch übermäßigen Eintrag von Wasser seine Funktion verliert. Dazu muss entweder der Eintrag von Wasser durch eine sorgfältig optimierte Einspritzstrategie minimiert werden, oder man verwendet einen Wasserabscheider im Schmiersystem.

Wassereinspritzung bei Flugzeugtriebwerken

Vor einigen Jahrzehnten wurde eine Wassereinspritzung bei etlichen Strahltriebwerken von mehrstrahligen Verkehrsflugzeugen angewandt. Wiederum wurde der kühlende Effekt durch die Verdampfung des Wassers in Verbindung mit dem gleichzeitig entstehenden Druckanstieg durch die Volumenzunahme ausgenutzt. Die Wassereinspritzung erfolgte vor allem beim Start eines solchen Flugzeuges ("Nassstart") für eine temporäre Erhöhung der Triebwerksleistung, und zwar besonders bei warmem Wetter.

Heute wird diese Methode kaum mehr angewandt, da sie einerseits gewisse technische Nachteile mit sich bringt: Es gibt eine verstärkte Materialbelastung von Triebwerksteilen beim plötzlichem Einschalten der Wassereinspritzung, ebenfalls gewisse Korrosionsprobleme, und einen hohen Strombedarf der nötigen Wasserpumpen. Auch die zusätzlich nötige Betankung mit hochreinem Wasser ist ein Nachteil in der Betriebsführung, und Defekte und Störungen solcher Systeme traten relativ häufig auf, z. B. durch Vereisungserscheinungen. Auch wurden erhöhte Emissionen an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen beobachtet. Andererseits ist die zeitweilige Leistungserhöhung mit den heute verfügbaren sehr leistungsfähigen Triebwerken auch nicht mehr notwendig.

Siehe auch: Verbrennungsmotor, Ottomotor, Dieselmotor, Klopfen beim Ottomotor, Stickoxide, Kraftstoffeinspritzung