Hintergrund: Die Wassereinspritzung von BMW

Der 1er-Prototyp mit Wasserstoffeinspritzung verfügt über einen Dreizylinder-Ottomotor der neuesten Generation, bei dem zusätzlich zum Kraftstoff H2O in den Brennraum injiziert wird. Bilder: BMW

Im Rahmen seiner Innovationstage 2015 hat BMW einen Prototypen mit zusätzlicher direkter Wassereinspritzung vorgestellt, der auf einem Fahrzeug der aktuellen 1er-Reihe basiert. Neben den beiden positiven Haupteffekten, mehr Leistung bei gleichzeitig geringerem Verbrauch, bewirkt das Wasser noch weitere Vorteile. Außerdem interessant: Das H2O wird an Bord gewonnen.

Dass BMW ein Autobauer ist, der stets an neuen Technologien feilt und diese vorantreibt ist unbestritten. Jüngste Beispiele dafür sind der i3 und der i8. Doch neben den elektrobetriebenen Fahrzeugen entwickeln die Bayern natürlich auch Technologien, die dem konventionellen Antrieb zu mehr Effizienz verhelfen. Exemplarisch dafür steht die direkte Wassereinspritzung für Ottomotoren mit Turboaufladung. Diese stellte das Unternehmen kürzlich auf seinen Innovationstagen vor. Und das an einem Prototyp, der auf einem Fahrzeug der aktuellen 1er-Serie basiert und in dem sich ein Dreizylinderbenziner der jüngsten Motorengeneration befindet.

Effekt der H2O-Einspritzung
Durch die präzise dosierte Einbringung von Wasser in die Brennräume des Motors wird eine Kühlwirkung erzielt. Das ermöglicht insbesondere bei hoher Lastanforderung eine Steigerung von Leistung und Drehmoment bei gleichzeitiger Reduzierung des Verbrauchs. Ein optimiertes Emissionsverhaltens ist ebenfalls die Folge. Um den Effekt der Wassereinspritzung bestmöglich zu nutzen, haben die Entwickler den Prototypen-Dreizylinder so konzipiert, dass die Einspritzung nicht nur in das Saugrohr, sondern hauptsächlich direkt in den Brennraum erfolgt. Wie das technisch umgesetzt ist, dazu später.  
BMW zufolge lässt sich mit dieser Art der Wassereinspritzung die Leistung um bis zu zehn Prozent steigern und der tatsächliche Verbrauch um bis zu acht Prozent senken. Außerdem soll die Wassereinspritzung auch das Potenzial der Turboaufladung noch weiter anheben. Weil das eingespritzte Wasser seiner Umgebung beim Verdampfen Energie entzieht, wird die Verbrennungstemperatur im Motor um rund 25 °C gesenkt – was letztlich zu besserem Wirkungsgrad und verringertem Schadstoffausstoß führt.  
Der Kühleffekt durch das Wasser im Brennraum zieht außer diesen Vorteilen noch weitere positive Effekte auf den Verbrennungsprozess nach sich. Welche das sind, listet wir nachfolgend auf.


Vorteile der Wassereinspritzung

  1. Effizienz: Kühlung mittels Wassereinspritzung ermöglicht Verzicht auf zusätzliche Kraftstoffeinspritzung zur Temperaturabsenkung in hohen Lastbereichen. Damit kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch auch bei Volllast homogen bleiben, was zu einem gesteigerten Wirkungsgrad führt und eine Verbrauchsreduzierung im Alltagsverkehr von bis zu acht Prozent bewirkt.
  2. Emissionsverhalten: Geringere Verbrennungstemperaturen durch die Wassereinspritzung reduzieren die Entstehung von Schadstoffen.
  3. Reduzierte Klopfneigung: Die Gefahr einer unkontrollierten Verbrennung (sogenanntes Klopfen) reduziert sich mit der Temperaturabsenkung bei der Verbrennung.
  4. Höhere Verdichtung: Geringere Klopfneigung wiederum ermöglicht die Anhebung der Verdichtung des Dreizylindermotors im vorgestellten BMW-Prototyp von 9,5 : 1 auf 11,0 : 1. Das soll auch im Teillastbereich den Wirkungsgrad optimieren.
  5. Dynamik: Früherer Zündzeitpunkt und höherer Ladedruck steigern Motorleistung und Drehmoment um bis zu 10 Prozent. Außerdem: zusätzliches Leistungsplus durch höheren Sauerstoffanteil in kühler Ansaugluft.
  6. Kraftstoffverträglichkeit: Optimierte Leistungsausbeute auch bei Verwendung von Kraftstoff mit geringerer Oktanzahl (ROZ 95). BMW zufolge sind Turbomotoren mit direkter Wassereinspritzung daher weltweit einsetzbar.
  7. Thermische Belastung: Kühlwirkung reduziert Temperatureinflüsse auf Kolben, Ventile, Katalysator und Turbolader.
  8. Zusatzinformation: Die günstigen Effekte der Kühlung mittels direkter Wassereinspritzung lassen sich auf unterschiedliche Weise nutzen. Je nach Fahrzeugkonzept und Motorisierung können daher wahlweise die Leistung oder der Verbrauch optimiert werden.


Technische Umsetzung

Wie die direkte Wassereinspritzung in den Brennraum umgesetzt erläuterte ein Sprecher von BMW gegenüber KRAFTHAND. Seinen Worten zufolge sind keine gesonderten Einspritzdüsen notwendig, um das Wasser in den Brennraum zu injizieren. Dies erfolgt nämlich über die Injektoren der Benzin-Direkteinspritzung. Das bedeutet: Es wird ein Benzin-Wasser-Gemisch eingespritzt. Der Anteil des kühlenden Nass kann dabei bis zu 30 Prozent betragen. Um das Benzin mit Wasser zu mischen, befindet sich eine spezielle Komponente/Pumpe an Bord des Fahrzeugs.
Ergänzend zu der direkten Einspritzung haben die Entwickler bei dem Versuchsfahrzeug noch eine Wassereinspritzung über das Saugrohr vorgesehen. Übrigens haben die Bayern damit schon Erfahrung. Denn der spezielle BMW M4, den der Autobauer in der MotoGP als Safety Car einsetzt, verfügt ebenfalls über eine Wasser-Saugrohreinspritzung. Hier allerdings erfolgt die Wasserinjektion ausschließlich darüber. Doch zurück zur direkten Variante. 

Wassergewinnung on board
Sollte die direkte Wassereinspritzung in Serie gehen (einen Zeitpunkt dafür gibt es noch nicht wie der BMW-Sprecher auf Nachfrage der Redaktion erklärt), möchte BMW seinen Kunden das Auffüllen von Wasser ersparen – abgesehen von klimatischen Ausnahmen. Denn der Autobauer plant, in spätere Serienautomobile ein autarkes System zu integrieren. Dieses sammelt das durch Verdunstung in der Klimaanlage anfallende Wasser, um es anschließend für die kühlende Einspritzung in den Motor zur Verfügung zu stellen. Nach jedem Abschalten des Motors wird das Wasser aus dem Leitungssystem zurück in den Tank gefördert, um ein Vereisen der Systemkomponenten bei Minusgraden sowie Motorkorrosion zu verhindern. Der Wassertank selbst ist BMW zufolge ebenfalls frostsicher untergebracht.
Doch was ist im Winter, wenn die Klimaanlage nicht arbeitet und somit kein Wasser anfällt? Auf diese Frage entgegnet der Experte des Autobauers sinngemäß: Im Winter wird die Wassereinspritzung aufgrund der niedrigen Außentemperaturen wesentlich seltener benötigt. Denn schließlich wird hauptsächlich dann Wasser beigemischt, wenn der Motor zum Klopfen neigt. Und Motoren kommen eben hauptsächlich bei hohen (thermischen) Belastungen, begünstigt durch höhere Ansauglufttemperaturen, an ihre Klopfgrenze.  

Schon im ‚Renneinsatz’
Der 1er-BMW-Prototyp ist nicht das einzige Fahrzeug, das der Münchner Autobauer mit der Wassereinspritzung versehen hat. Denn das ‚M4 MotoGP Safety Car’, also der BMW M4, der als Führungsfahrzeug in der Königsklasse des Motorrad-Rennsports zum Einsatz kommt, ist ebenfalls damit ausgestattet – wenn auch ‚nur’ mit einer Saugrohr- und keiner direkten Einspritzung in den Brennraum. Auch bei der Wasserversorgung gibt es einen Unterschied. Denn über eine Onboard-Gewinnung verfügt dieser Wagen nicht. Vielmehr verfügt er im Gepäckraum über einen Wassertank mit 5 l Fassungsvolumen. Im Rennstreckeneinsatz mit häufigen Volllastphasen wird dieser immer dann aufgefüllt, wenn die Mechaniker auch Kraftstoff nachfüllen. 
Das BMW M4 MotoGP Safety Car wird von einem Reihensechszylinder-Motor mit ‚M TwinPower Turbo’-Technologie und Hochdrehzahlkonzept angetrieben, dessen Werte gegenüber dem Serienmodell optimiert sind. Der ‚normale’ M4 wartet mit einer Leistung von 317 kW/431 PS und einem maximalem Drehmoment von 550 Nm auf.