Hohe Leistung und Effizienz kombiniert

FEV und VKA untersuchen das Potenzial der Wassereinspritzung

22. November 2016 | Engineering Service

Die Entwicklung von Benzinmotor-Antriebssträngen für das Jahr 2025 und darüber hinaus konzentriert sich auf kostenoptimierte Lösungen, die eine ausgewogene Balance von gradweiser Elektrifizierung und hocheffizienten Verbrennungsmotoren bieten. Gleichzeitig steigern Strategien für Motoren- und Fahrzeugplattformen die Anforderungen mit Blick auf die spezifischen Leistungsniveaus, wobei Erstausrüster auf 200 kW/l und mehr abzielen. Neben dem Miller-Zyklus, gekühlter Abgasrückführung und einem variablen Verdichtungsverhältnis (VCR) ist Wassereinspritzung das wichtigste Thema in diesem Kontext, welches von FEV und VKA in den letzten zwei Jahren umfangreich untersucht wurde.

Die Wassereinspritzung verspricht eine erhöhte Effizienz, reduzierte Emissionen durch verringerten Anreicherungsbedarf sowie eine gesteigerte Leistung. Mit dem BMW M4 GTS hat inzwischen der erste Automobilhersteller ein Kleinserienproduktionsfahrzeug mit Wassereinspritzung auf den Markt gebracht: Bei diesem Fahrzeug wird eine Leistungssteigerung durch Einspritzung von Wasser in den Ansaugkrümmer des Motors erzielt. In den vergangenen zwei Jahren haben FEV und VKA umfangreiche Untersuchungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durchgeführt. Diese Erforschungen zeigen das Potenzial von Hochleistungs-Motorenkonzepten in Kombination mit direkter Wassereinspritzung und den oben genannten Technologien. Dieser Ansatz bietet ideale Synergien mit einem variablen Verdichtungsverhältnis (VCR). VCR kann die erhöhte Klopfneigung bei ausbleibender Wassereinspritzung mit einem geringeren Verdichtungsverhältnis kompensieren. So ist ein optimaler Betrieb auch bei mangelnder Wasserversorgung oder geringen Umgebungstemperaturen gewährleistet. Mit Wassereinspritzung kann bis zur Höchstbelastung ein hohes Verdichtungsverhältnis von 14,7 beibehalten werden. Dies führt zu enormen Vorteilen im Teillastbetrieb, während ein geringer Kraftstoffverbrauch auch bei Motorenlasten jenseits des optimalen Betriebspunktes erzielt wird.

>> NEBEN MILLER-ZYKLUS, GEKÜHLTER ABGASRÜCKFÜHRUNG UND VARIABLEM VERDICHTUNGSVERHÄLTNIS IST DIE WASSEREINSPRITZUNG DAS WICHTIGSTE THEMA

Prüfungen am Einzylindermotor

Im ersten Schritt wurden Untersuchungen an einem Einzylindermotor mit einem Hubraum von 400 cm³ durchgeführt. Dabei wurden Kraftstoff und Wasser mit separaten Injektoren direkt eingespritzt. Im Gegensatz zu aktuellen Trends bei Anwendungen mit Miller-Zyklus und erhöhtem geometrischen Verdichtungsverhältnis zu reduzierten Spitzendrehmomenten ermöglichte die Wassereinspritzung einen hohen indizierten Mitteldruck (IMEP) von über 22 bar.
Der minimale indizierte spezifische Kraftstoffverbrauch liegt bei einer Kombination von Wassereinspritzung, Miller-Zyklus und gekühlter Abgasrückführung bei nur 197 g/kWh. Gleichzeitig wurde in weiten Teilen des Motorkennfeldes insbesondere in Richtung geringer Motordrehzahlen und hoher Lasten ein indizierter spezifischer Kraftstoffverbrauch von unter 205 g/kWh erzielt.

Simulation von Fahrzyklen

Ein Vierzylindermotor mit 1,6 l Hubraum und einem Reibungswert, der dem neusten Stand der Technik entspricht, wurde für weitere Fahrzyklus-Simulationen ausgewählt. Mit ihm wurde nicht nur das Potenzial zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs untersucht, sondern auch der Wasserverbrauch für ein solches Konzept betrachtet.
Zweistufige VCR-Systeme, beispielsweise das zweistufige Pleuel von FEV, gelten bereits als Basistechnologie und bieten eine Kombination des Verdichtungsverhältnisses von 13 und 9,5. Das Wassereinspritzungskonzept geht von einem Verdichtungsverhältnis von 14,7 und 10,7 aus. Dies gilt als guter Kompromiss, der die maximalen Vorteile der Wassereinspritzung nutzt und gleichzeitig ein annehmbar niedriges Verdichtungsverhältnis für Fälle bietet, in denen die Wassereinspritzung nicht verwendet werden kann. Die Effizienz des Wassereinspritzungskonzepts bei hohen Motorlasten ermöglicht darüber hinaus den Einsatz einer Schaltstrategie mit einem höheren Grad an Downspeeding.
Die resultierenden Kraftstoffeinsparungen liegen zwischen 4,4 % im NEFZ und 7,2 % im CADC. Für den Durchschnitt von WLTPlow und WLTPhigh lässt sich eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von nahezu 6,5 % prognostizieren.
Für ein derartig effizientes Konzept mit Wasserdirekteinspritzung muss ein Wasserverbrauch von mehr als 3 l/100 km berücksichtigt werden. Damit das Konzept in der Gesamtbetriebskostenperspektive sinnvoll ist, sollte eine Onboard-Generierung von Wasser vorgehalten werden oder zumindest die Verwendung von Leitungswasser möglich sein.

Zukünftige Untersuchungen

Weitere Verbesserungen des Wasserdirekteinspritzungskonzeptes sind durch eine optimierte Strahlausrichtung des Wasserinjektors zu erwarten. Gleichzeitig werden FEV und VKA die Wechselwirkung zwischen Kraftstoff- und Wasserverbrauch in weiteren Simulationen detaillierter untersuchen. Zukünftige Untersuchungen werden außerdem die zusätzlichen Vorteile innovativer Zündsysteme evaluieren.

Grafiken - Ottomotoren

Ergebnisse der Fahrzeugsimulation: Kraftstoff- und Wasserverbrauch einer E-Segment-Limousine mit optimierter Schaltstrategie und 8-Gang-Automatikgetriebe

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