Wassereinspritzsysteme - Eine alte Technologie erlebt ein Comeback

Wassereinspritzsysteme wurden erstmals in der militärischen Luftfahrt eingesetzt, um die Leistung und den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren für kurze Zeit zu erhöhen (z. B. bei Hundekämpfen oder während des Starts). Damals nannte man sie Anti-Detonations-Einspritzung oder ADI. Durch die Verringerung der unbeabsichtigten Denotationen war es möglich, die Zündzeitpunkte vorzuverlegen und mehr Leistung aus einem Motor herauszuholen - insbesondere aus einem Motor mit Zwangsansaugung. Zur Erinnerung: Unter Zwangsansaugung versteht man das Erzwingen eines höheren als des atmosphärischen Drucks in einem Motor, um eine höhere Leistung zu erzielen, und zwar mit Hilfe eines Super- oder Turboladers. Je höher ein Flugzeug fliegt, desto dünner wird die Luft und es muss ein Weg gefunden werden, mehr Luft hineinzupacken, damit der Motor atmen kann.

Die Wassereinspritzung wurde zur Kühlung verwendet, um die größeren Verdichtungsverhältnisse auszugleichen, die für hohe Leistungen erforderlich sind. In früheren Artikeln haben wir bereits erwähnt, dass ein Verbrennungsmotor im Wesentlichen eine Luftpumpe ist, so dass die Schaffung einer Umgebung mit höherer Verdichtung die Leistung und die Effizienz dieser Pumpe steigert, allerdings auf Kosten der Wärme. Wärme erzeugt Temperaturen, die zu einer frühzeitigen oder falschen Detonation des Luft-Kraftstoff-Gemischs führen können und somit den Motor ruinieren oder zumindest die reibungslose Leistung stark einschränken.

Daher wurde Wasser in den Zylinder eingespritzt, um dieses Problem zu kühlen und zu beheben. Wasser hat eine sehr hohe Verdampfungswärme. Wenn das Wasser bei Umgebungstemperatur in den Motor eingespritzt wird, überträgt sich die Wärme vom heißen Zylinderkopf und der Ansaugluft auf das Wasser. Dadurch verdampft es und kühlt die Ansaugluft. Eine kühlere Ansaugladung bedeutet, dass sie dichter ist (höherer volumetrischer Wirkungsgrad) und auch weniger zum Klopfen neigt. Allerdings verdrängt der Wasserdampf einen Teil der Luft, wodurch der Vorteil der dichteren Ansaugung teilweise wieder aufgehoben wird. Klopfen ist im Allgemeinen ein größeres Problem bei Motoren mit Zwangsansaugung als bei Saugmotoren, so dass dies zur Vermeidung von Klopfen beitragen kann. Bei elektronischen Zündsystemen wird der Zündzeitpunkt in der Regel verzögert, um Klopfen zu verhindern, aber bei der Wassereinspritzung kann er näher an den Zeitpunkt des maximalen Bremsmoments (MBT) herangeführt werden, um zusätzliche Leistung zu erzielen.

In einem Kolbenmotor kühlt die anfängliche Wassereinspritzung das Kraftstoff-Luft-Gemisch erheblich ab, wodurch sich seine Dichte und damit die Menge des Gemischs, die in den Zylinder gelangt, erhöht. Das Wasser (wenn es in kleinen Flüssigkeitströpfchen vorliegt) kann Wärme absorbieren (und den Druck senken), wenn die Ladung komprimiert wird, wodurch die Kompressionsarbeit verringert wird. Ein zusätzlicher Effekt tritt später während der Verbrennung ein, wenn das Wasser beim Verdampfen große Wärmemengen absorbiert, was die Spitzentemperatur und die daraus resultierende NOx-Bildung verringert und die Menge der in den Zylinderwänden absorbierten Wärmeenergie reduziert. Dadurch wird auch ein Teil der Verbrennungsenergie von der Form der Wärme in die Form des Drucks umgewandelt. Wenn die Wassertröpfchen durch die Aufnahme von Wärme verdampfen, verwandeln sie sich in Hochdruckdampf. Der Alkohol im Gemisch verbrennt, ist aber auch viel widerstandsfähiger gegen Detonation als Benzin. Das Ergebnis ist eine Ladung mit höherer Oktanzahl, die sehr hohe Verdichtungsverhältnisse oder hohe Ansaugdrücke ermöglicht, bevor es zu einer Detonation kommt.

Diese Technologie gibt es bereits seit den frühen 1940er Jahren. Zuletzt wurde sie 1962 von Oldsmobile eingesetzt, als sie das erste Auto mit Turbolader auf den Markt brachten. Seitdem ist sie aus der Mode gekommen, weil Ladeluftkühler die Ansaugtemperaturen ausreichend senken können, um die Leistungsziele zu erreichen. Da wir jedoch immer mehr Leistung von unseren Autos verlangen, stoßen wir an die Grenzen der mechanischen Machbarkeit von Wasser-Ladeluftkühlern, so dass wir die Wiedereinführung von Wassereinspritzsystemen erleben, um dieses Problem zu lösen. Das jüngste Beispiel ist der BMW M4 GTS.

Wassereinspritzsysteme können auch zur Reduzierung von Schadstoffen eingesetzt werden. Niedrigere Temperaturen bedeuten geringere NOx-Werte und können modernen Motoren helfen, die immer strengeren Emissionsvorschriften zu erfüllen. Unterm Strich kann man davon ausgehen, dass diese Technologie in modernen Verbrennungsfahrzeugen vermehrt zum Einsatz kommen wird, bevor sie von den Behörden zugunsten von Elektrofahrzeugen komplett verboten wird.

Wir von Fastlane Tuning Schweiz halten uns gerne auf dem Laufenden über aufkommende - oder in diesem Fall - wieder auftauchende Technologien, damit wir unsere Tunings anpassen und Leistungssteigerungen anbieten können. Wir betrachten die Wiedereinführung von Wassereinspritzsystemen als eine sehr positive Entwicklung, sowohl in Bezug auf mögliche Leistungssteigerungen als auch auf eine sauberere Verbrennung.

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