Wassereinspritzung

Optimierung der Leistung durch Temperaturkontrolle

Im Bereich der Hochleistungsmotoren stellt das „Klopfen“ (oder vorzeitige Detonation) ein großes Problem dar, das die Fähigkeit eines Motors einschränkt, seine volle Leistung zu entfalten. Das Klopfen tritt auf, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch unkontrolliert entzündet, bevor die Zündkerze den Zündzeitpunkt einleitet. Dies führt zu erhöhtem Verschleiß oder sogar zur Beschädigung von internen Bauteilen. Um dieses Phänomen zu beheben, ohne auf eine übermäßige Anreicherung des Gemischs zurückzugreifen (was die Leistung mindern würde), haben einige Hersteller, wie BMW bei ihrem M4 GTS der F-Serie, auf die Wassereinspritzung gesetzt.

Prinzip der Wassereinspritzung

Die Wassereinspritzung besteht darin, einen feinen Wassernebel direkt in den Ansaugkrümmer oder die Brennkammer zu sprühen. Wenn das Wasser verdampft, absorbiert es eine große Menge Wärme, was die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Gemischs senkt. Diese Kühlung ermöglicht es nicht nur, die Klopfgrenze zu verschieben, sondern auch die Zündzeitpunkte vorzuziehen und den Ladedruck zu erhöhen. Beim BMW M4 GTS beispielsweise ermöglicht dieses System, den Ladedruck von 1,19 bar auf 1,49 bar zu erhöhen – das entspricht einer Steigerung von etwa 26 % – was zu einer Leistungssteigerung von 431 auf 500 PS führt.

Technische Umsetzung im BMW M4 GTS

Technisch zeichnet sich das Wassereinspritzsystem des M4 GTS durch mehrere innovative Aspekte aus. Drei Injektoren sind strategisch im Ansaugkrümmer platziert, um eine gleichmäßige Verteilung des feinen Nebels zu gewährleisten und so die Kühlung der verdichteten Luft zu optimieren. Ein im Heck des Fahrzeugs befindlicher Tank liefert das notwendige Wasser. Um jedoch eine unsachgemäße Nutzung zu verhindern, verhindert die Motorsteuerung die volle Entwicklung des Ladedrucks, wenn die Außentemperatur unter 5°C liegt. Diese Begrenzung schützt das System vor Risiken, die durch eine übermäßige Abkühlung entstehen könnten. Darüber hinaus ist die Einspritzpumpe reversibel, was es ermöglicht, die Einspritzleitungen nach Gebrauch vollständig zu entleeren, um stehendes Wasser zu vermeiden, das Korrosion oder Verstopfungen verursachen könnte.

Eine kurze Geschichte der Wassereinspritzung

Diese technischen Lösungen basieren auf historischen Forschungen: Bereits in den 1930er Jahren untersuchte Harry Ricardo, wie man das Klopfen in aufgeladenen Brennräumen kontrollieren kann. In Hugh MacInnes‘ Buch „Turbochargers“ (H. P. Books, 1978) wird gezeigt, wie die Einspritzung eines feinen Wassernebels dazu beitrug, Wärme zu absorbieren und höhere Verbrennungsdrücke zu erreichen. Diese Technik wurde auch während des Zweiten Weltkriegs verwendet, insbesondere bei einigen Varianten des BMW 801-Sternmotors, der in der Luftfahrt eingesetzt wurde.

Wasser und Methanol

Obwohl die Wassereinspritzung im Mittelpunkt dieser Technologie steht, erhöht die Zugabe von Methanol zum Gemisch dessen Oktanzahl. Diese Praxis, die bei extremen Hochleistungs-Tunings weit verbreitet ist, ermöglicht es, die Einstellungen weiter zu optimieren, ohne das Risiko von Detonationen. Sie kombiniert die kühlende Wirkung des Wassers mit den klopfmindernden Eigenschaften des Methanols und verschiebt so die Grenzen von Effizienz und Motorleistung.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wassereinspritzung eine besonders interessante technisch-wissenschaftliche Lösung darstellt, um die Grenzen der Motorleistung zu erweitern. Das System des BMW M4 GTS, mit seinen drei Einspritzpunkten, seiner optimierten Steuerung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und seiner reversiblen Pumpe, zeigt perfekt, wie ein vor fast einem Jahrhundert entwickeltes Konzept nach wie vor eine relevante Technologie zur Verbesserung von Ladedruck und Leistung ist. Bei WOT Engineering sind wir leidenschaftlich an Technik interessiert, insbesondere an solchen, die Leistung und Zuverlässigkeit verbinden, um das volle Potenzial eines Motors auszuschöpfen, ohne seine Haltbarkeit zu gefährden.