Wasser im Benzin?

Rückkehr der Wassereinspritzung – für mehr Leistung und weniger Schadstoffe

BMW M wird ein Modell mit Wassereinspritzung in Serie bringen. Die Wassereinspritzung ist ein System zur Leistungssteigerung und Verbrauchsminimierung von Verbrennungsmotoren. Erstmals wird diese Technologie im BMW M4 MotoGP Safety Car der Saison 2015 eingesetzt.

Die früher übliche Wassereinspritzung (letztmalig im Saab 99 Turbo – 1968 -1972) steigert die Leistung und reduziert den  Treibstoffverbrauch, ebenso die Emissionen von Kohlendioxid und Stickoxiden. Außerdem reduziert sie die Gefahr vorzeitiger Zündung des Treibstoff-Luftgemischs – das soganannte Klopfen, das Motorschäden verursachen kann. Bei einem Wasseranteil von 35 Prozent reduziert sich der Kraftstoffverbrauch um 13 Prozent, hat zum Beispiel Bosch festgestellt.

Frank van Meel, Vorsitzender der Geschäftsleitung der BMW M GmbH: “Mit dem BMW M4 MotoGP Safety Car unterstreicht die BMW M GmbH ihre Innovationskraft und folgt der Marken-Philosophie, Motorsport-Technologie auf die Straße zu bringen. Zugleich bietet das Modell einen konkreten Ausblick auf ein M Automobil, das eine neue Benchmark in Sachen Performance, Exklusivität und Individualität setzen wird. Neben höherer Leistung bei gleichzeitig hervorragenden Verbrauchs- und Emissionswerten profitiert der Kunde dann von einer innovativen Wassereinspritzung, die sowohl auf der Rennstrecke wie auch im Alltag relevante Vorteile bietet.”

Der Wirkungsmechanismus der Wassereinspritzung im Detail

BMW M erklärt den Sachverhalt auf m-power.com so: “Die erzielbare Leistung eines Verbrennungsmotors ist nicht zuletzt durch die Prozesstemperatur im Verbrennungsraum begrenzt. Wird diese Temperatur überschritten, kommt es zu einer unkontrollierten Verbrennung (Klopfen) und damit zu Leistungsverlusten, im schlimmsten Fall zu kapitalen Motorschäden. Dies ist besonders bei aufgeladenen Motoren von Bedeutung, da die Ansaugluft bereits im Verdichter des Turboladers stark aufgeheizt wird.

Zwar sorgt ein Ladeluftkühler für die notwendige Absenkung der Temperatur, doch auch seine Leistungsfähigkeit stößt an physikalische Grenzen. Je nach Auslegung und Dimensionierung des Kühlsystems und der Aerodynamik des Fahrzeugs werden die maximal zulässigen Ansauglufttemperaturen nur knapp unterschritten.

Eine Erhöhung des Ladedrucks würde die Klopfgrenze überschreiten und kommt daher als Mittel zur Leistungssteigerung nicht in Betracht. Genau hier setzt die BMW M GmbH an: Denn mit der Einspritzung des Wassers als feiner Sprühnebel in den Sammler lässt sich die Verbrennungsluft noch einmal deutlich abkühlen.

Die kühlere Ladeluft reduziert die Klopfneigung des Motors, so dass der Zündzeitpunkt in Richtung früh und damit näher an den Bestwert verschoben werden kann. Das steigert den Wirkungsgrad der Verbrennung, während gleichzeitig die Verbrennungsendtemperatur sinkt. Zum anderen besitzt kühle Luft eine höhere Dichte, was den Sauerstoffanteil im Brennraum erhöht. Daraus resultiert ein höherer Mitteldruck im Brennverlauf, der zu einer optimierten Leistungs- und Drehmomentausbeute führt. Schließlich reduziert die effektive Innenkühlung des Brennraums die thermische Belastung zahlreicher performancerelevanter Bauteile. Das schont nicht nur Kolben, Auslassventile und Katalysatoren, sondern entlastet auch die Turbolader, die mit geringeren Abgastemperaturen beaufschlagt werden.

Die geringeren Prozesstemperaturen reduzieren zudem die Entstehung von Schadstoffen, insbesondere die von Stickoxiden (NOX). Im Ergebnis optimiert die Wassereinspritzung den Wirkungsgrad des Motors deutlich.

Die Ausweitung der Klopfgrenze durch die Wassereinspritzung hilft zudem, einen bekannten Zielkonflikt bei der Auslegung leistungsstarker Motoren weitgehend aufzulösen. Leistung und Verbrauch werden nämlich nicht zuletzt vom Verdichtungsverhältnis bestimmt. Das gilt auch und gerade für hoch aufgeladene Turbomotoren wie den BMW M TwinPower Turbo Reihensechszylinder, der dank hoher Verdichtung besonders im Teillastbereich mit einem hohen Wirkungsgrad und niedrigen Verbrauchswerten punkten kann. Das maximale Verdichtungsverhältnis wird aber durch die Klopfneigung an der Volllast begrenzt. Folglich bringt die Wassereinspritzung auch hier echte Vorteile, weil sie die Klopfneigung zugunsten einer höheren Verdichtung nach oben verschiebt. So kann der Turbomotor über weite Bereiche in leistungsoptimierten Betriebspunkten gehalten werden.

Die technische Umsetzung im BMW M4 MotoGP Safety Car

Bei der Platzierung der Wasserinjektoren haben sich die Ingenieure der BMW M GmbH für ein Layout mit drei Einspritzventilen im Luftsammler entschieden, die jeweils zwei Zylinder des Reihen-Sechszylinders versorgen. Diese Lösung stellt eine hohe Gleichverteilung sicher und ermöglicht zudem die kompakte Auslegung des Systems.

Im Kofferraum des BMW M4 MotoGP Safety Car ist ein Wassertank mit rund fünf Litern Bruttovolumen untergebracht, der Wasserpumpe, Sensoren und Ventile beherbergt. Die Ansteuerung der Pumpe und der kompletten Sensorik und Aktuatorik erfolgt durch die entsprechend erweiterte Motor-Elektronik. In der Praxis befördert die Pumpe das Wasser mit einem Druck von zehn Bar an die Injektoren, wobei die Mengenzuteilung bedarfsgerecht in Abhängigkeit von Last, Drehzahl und Temperatur erfolgt. So ist sichergestellt, dass der Wasserverbrauch auf das erforderliche Minimum beschränkt bleibt. Im harten Rennstreckeneinsatz ist ein Nachfüllen des Wasservorrats immer dann erforderlich, wenn auch Kraftstoff getankt werden muss. Im Normalbetrieb sind die Intervalle je nach Fahrstil deutlich länger. Selbst bei schneller Autobahnfahrt reicht es aus, den Wasserbehälter bei etwa jedem fünften Tankstopp aufzufüllen. Im Sinne maximaler Praxistauglichkeit erfordert das System keinen zusätzlichen Wartungsaufwand.

Aus Sicherheitsgründen arbeitet die Wassereinspritzung von BMW M mit einer aufwendigen Selbstdiagnose. Bei leerem Wassertank oder einer Fehlfunktion des Systems sorgen entsprechende Maßnahmen für den Schutz des Triebwerks. Ladedruck und Zündzeitpunkt werden zurückgenommen, so dass der Motor uneingeschränkt mit reduzierter Leistung weiter betrieben werden kann. Doch auch im Regelbetrieb stellen diverse Maßnahmen die Funktionsbereitschaft sicher. Nach jedem Abschalten des Motors wird das Wasser aus dem Leitungssystem zurück in den Tank gefördert, um ein Vereisen der Systemkomponenten bei Minusgraden zu verhindern. Der Wassertank selbst ist ebenfalls frostsicher untergebracht.”

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