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Das innovative Wassereinspritzsystem.
07. Okt. 15


Als erstes in Serie gefertigtes Straßenfahrzeug verfügt der BMW M4 GTS über ein innovatives und wegweisendes Wassereinspritzsystem, das Leistung und Verbrauch des aufgeladenen Sechszylinder-Reihenmotors bei Volllast noch weiter optimiert. Dazu nutzen die BMW M Ingenieure den physikalischen Effekt des Wassers, um beim Verdampfen die hierfür erforderliche Energie aus der Umgebungsluft zu ziehen. Indem Wasser als feiner Sprühnebel in den Sammler des Saugmoduls eingespritzt wird, sorgt es beim Verdampfen für eine signifikante Abkühlung der Ansaugluft. Dadurch sinkt die Verdichtungsendtemperatur im Brennraum und somit die Klopfneigung, so dass der Turbomotor mit einem höheren Ladedruck und einem früheren Zündzeitpunkt operieren kann. Die Wassereinspritzung optimiert auch den Wirkungsgrad des Motors deutlich, denn sie sorgt für ein Leistungs- und Drehmomentplus. Trotz der Leistungssteigerung sinkt zudem die thermische Belastung der performancerelevanten Bauteile. Alles Effekte, die letztendlich die Standfestigkeit und die Dauerhaltbarkeit des Motors verbessern.

Die günstigen Auswirkungen der Wassereinspritzung lassen sich je nach Motor und Fahrzeugkonzept auf unterschiedliche Weise nutzen. In einem vergleichsweise breiten Spektrum steht es den Entwicklern frei, inwiefern sie einen Motor in Richtung Leistung oder in Richtung Verbrauch optimieren möchten. Wird die Wassereinspritzung bereits bei der Auslegung eines Hochleistungsmotors berücksichtigt, lassen sich Turbolader mit entsprechend hohem Aufladegrad bei gleichzeitig hohem Verdichtungsverhältnis realisieren. Ein Turbomotor, dessen Turbolader bei Maximaldrehzahl seine Nennleistung erreicht, kann so eine Leistungssteigerung von rund acht Prozent realisieren. Zugleich werden Leistungsverluste infolge steigender Umgebungstemperaturen (> 20 °C) durch Erhöhung der Wassereinspritzmenge kompensiert.

Animation.

Die erzielbare Leistung eines Verbrennungsmotors wird physikalisch 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 auf bis zu 160 °C erwärmt wird. Zwar sorgt ein Ladeluftkühler für die notwendige Absenkung der Temperatur, doch auch seine Leistungsfähigkeit hat physikalische Grenzen. Je nach Auslegung und Dimensionierung des Kühlsystems und der Aerodynamik des Fahrzeugs lässt sich die Ansaugluft auf unter 70 °C abkühlen, bevor sie in den Sammler gelangt. Eine Erhöhung des Ladedrucks hingegen würde die Klopfgrenze überschreiten und kommt daher als Mittel zur Leistungssteigerung nicht in Betracht.

Genau hier setzt die BMW M GmbH an: Mit der Einspritzung von Wasser als feinem Sprühnebel in den Sammler lässt sich die Verbrennungsluft noch einmal um etwa 25 °C abkühlen. Durch die nochmals kühlere Ladeluft kann der Zündzeitpunkt nach vorne und damit näher an den Bestwert verschoben werden. Das steigert den Wirkungsgrad der Verbrennung, während gleichzeitig die Verbrennungsendtemperatur sinkt. Außerdem 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 einer Reihe elementarer Bauteile. Das schont nicht nur Kolben, Auslassventile und Katalysatoren, sondern entlastet auch die Turbolader, die durch niedrigere Abgastemperaturen weniger beansprucht werden.

Die Ausweitung der Klopfgrenze durch die Wassereinspritzung hilft zudem, einen bekannten Zielkonflikt bei der Auslegung leistungsstarker Motoren weitgehend aufzulösen: Leistung und Verbrauch werden maßgeblich durch das Verdichtungsverhältnis bestimmt. Das gilt auch und gerade für hoch aufgeladene Turbomotoren wie den M TwinPower Turbo Reihen-Sechszylinder, der dank hoher Verdichtung besonders im Teillastbereich mit einem hohen Wirkungsgrad und niedrigen Verbrauchswerten überzeugen kann. Im Volllastbereich dagegen verhindert die Klopfgrenze eine höhere Verdichtung. Dementsprechend bietet die Wassereinspritzung speziell hier Vorteile, weil sie die Klopfneigung zugunsten einer höheren Verdichtung nach oben verschiebt. So kann der Turbomotor über weite Bereiche im leistungsoptimierten Betriebszustand gehalten werden. Das Potenzial der Technologie ist umso ausgeprägter, je niedriger die Oktanzahl des verwendeten Kraftstoffs ist.

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.

In der Gepäckraumwanne unterhalb des Kofferraums sind ein Wassertank mit fünf Liter Volumen, die Wasserpumpe sowie Sensoren und Ventile untergebracht. 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 zirka 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 ausgeführt.




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