Projekt: Wasser-Direkt-Einspritzung zur signifikanten Reduzierung von Schadstoffen

Das Projekt hat zum Ziel, durch innermotorische Maßnahmen (frei steuerbare Direkteinspritzung von Wasser) signifikante Verbesserungen herbeizuführen, um Schadstoffe gar nicht erst entstehen zu lassen, damit diese nicht durch nachgelagerte, meist aufwändige Verfahren partiell beseitigt werden müssen. Gerade bei Dieselfahrzeugen im Stadtverkehr, mit hohem Teillastbetrieb des Dieselmotors, darf ein besonders hoher Effekt durch Schadstoffreduzierung erwartet werden, der unsere Ballungsräume entlastet.

Perspektivisch kommt auch ein Einsatz in der Luftfahrt in Frage. Der Luftverkehr hat zurzeit keine Emissionsvorgaben oder Abgasnachbehandlungen bei Kolbenmotoren, weil nicht im Teillast-Bereich geflogen wird. Aber auch hier würden sich durch Wasserdirekteinspritzung prinzipbedingte Vorteile einstellen. Entscheidend für den Erfolg ist dabei:

• Direkte. frei steuerbare Einspritzung von Wasser in den Verbrennungsraum zur direkten Regelung des Verbrennungsprozesses
• Unmittelbare Veränderung der Wassereinspritzung in Bezug auf den eingespritzten Dieselkraftstoff.
• Keine Rückvermischung von Wasser und Dieselkraftstoff damit jederzeit das exaktes Diesel-Wasser-Verhältnis im Verbrennungsraum eingestellt werden kann.
• Bauraum und Baugröße des Einspritzventils für Wasser insbesondere für Pkw-Dieselmotoren
• Korrosionsstabilität und Standzeit des Ventils
• Einspritzsystem und optimaler Verbrennungsprozeß

Hierzu wird die Entwicklung eines separaten Einspritzsystems, bestehend aus Ventil, Verbindungstechnik, Ventilansteuerung und Schnittstelle zur Motorsteuerung für die Direkteinspritzung von Wasser in Brennräume von Dieselmotoren, um Schadstoffemissionen zu senken und den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen, angestrebt.

Für das Wassereinspritzsystem werden direkt schaltende Realtime Magnetventile zum Einsatz kommen, deren Tech­nik bei KTW Systems entwickelt wurde. Es handelt sich hierbei um schnell schaltende Ventile, die für die genaue Dosierung von Flüssigkeiten und Gasen gleichermaßen geeignet sind.

Übersicht der Ventileigenschaften:

• Großer Dynamikbereich: 100 nl/min bis 5l/min in einem Bauteil; Dosierspektrum damit 1.000 Mal brei­ter als das von konventionellen Ventilen Druckbereich von 0,5 bar bis 1.000 bar
• Kurze Schaltzeiten (bis zu 1 ms)
• Regelnd und selbstabsperrend in einem (dauerhaft technisch dicht)
• Kompakte Bauweise, miniaturisierbar
• Leicht zu reinigen
• Durch Pulsweitenmodulation kann der Durchfluss linear geregelt werden (Ansteuerfrequenzen bis 1.000 Hz)
• Lange Standzeit mit >5 Milliarden Schaltspielen, da kaum Verschleißteile (keine Feder)
• Korrosionsstabil
• Keine Schmierung notwendig

 

Zylinderkopfentwicklung: Der Zylinderkopf wird so ausgelegt, dass die Zielparameter gewährleistet werden. Für die Herstellung wird eine kostengünstige Fertigungstechnik entwickelt (Al-Guss, 3D Druck oder Vollmetallbearbeitung)

 

Entwicklung der optimalen Steuerungsparameter: Für dieses Verfahrensprinzip werden zwei separate Einspritzsysteme (Diesel und Wasser) eingesetzt. Die optimalen Parameter für den Verbrennungsprozeß (Wasser/Diesel) und die -temperaturen zur optimalen Reduzierung der Schadstoffanteile und maximalen Kraftstoffersparnis sind im Zusammenspiel von Test und Simulation zu ermitteln und über gekoppelte elektronische Einspritzsysteme abzubilden.

Stand der Wissenschaft und Technik im Vergleich zur Lösung von KTW Technology

Die generell positive Wirkung der Wassereinspritzung in Bezug auf Schadstoffemissionen und Wirkungsgrad des Dieselmotors ist bekannt. Es werden unterschiedliche Verfahren angewendet. Es sind unterschiedliche Verfahren bekannt:

Beschreibung des Verfahrens (1): Wasser kann über den Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors in den Zylinder gelangen. Für die Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt gibt es beispielsweise von der Firma Bosch das sogenannte Water-Boost-System.

Vergleich zum neuen System: Das Verfahren führt das Wasser nicht in den Verbrennungsraum zu und ist deshalb nicht geeignet, die innermotorische Verbrennung unmittelbar zu beeinflussen. Die Folge sind deutlich reduzierte Effekte bei Schadstoffreduzierung und Kraftstoffeinsparung.

Beschreibung des Verfahrens (2): Wenn Wasser direkt in den Brennraum gespritzt wird, hat dies den Vorteil, dass die Flamme im Brennraum auch erst nach der Zündung der Flamme durch Wasser beeinflussbar wird, es ist insbesondere auch eine geschichtete Wassereinspritzung möglich. In einer Arbeit von Koji Takasaki (MTZ Motorentechnische Zeitschrift 59 (1998) 4 S.276) wurde berichtet, dass durch die geschichtete Wassereinspritzung (Kraftstoff, Wasser, Kraftstoff) in einem Dieselmotor die NO_x-Emissionen um 40% gesenkt, die Rußemissionen beträchtlich reduziert und der Wirkungsgrad erhöht werden konnte.

Vergleich zum neuen System: In dem verwendeten Versuchsmotor konnte allerdings das Wasser nicht völlig unabhängig von der Kraftstoffeinspritzung eingespritzt werden, da dasselbe Einspritzventil verwendet wurde. Im neuen Verfahren wird ein separates, spezielles Ventil zur Hochdruckeinspeisung von Wasser verwendet.

Beschreibung des Verfahrens (3): Verwendung von Diesel-Wasser-Emulsionen bei der Direkteinspritzung

Dabei muss das Wasser vor der Hochdruckpumpe mit Diesel gemischt werden. Die Hochdruckpumpe selbst wird aber mit Diesel geschmiert, reagiert kritisch hinsichtlich Schmierung. Die Emulsion besitzt eine geringe Schmierfähigkeit (höhere HFRR-Zahl) mit der Gefahr von Pumpenschäden, die einen teuren Wechsel des gesamten Kraftstoff-Systems bis hin zu Tank bedeuten.

Darüber hinaus entsteht beim Dieselsystem immer eine „Rücklaufmenge Diesel“ zurück in den Tank. In diesem Falle jedoch kein reiner Diesel, sondern eine Emulsion aus Wasser/Diesel, die nicht wieder getrennt werden kann. Mit zunehmender Fahrzeit wird aus dem Tank nicht mehr reiner Diesel angesaugt, sondern eine Emulsion, die im Tank entsteht und sich auch noch mit jedem weiteren gefahrenen Kilometer ändert. Bei nicht bekannter Emulsionszusammensetzung ist aber nicht mehr zu ermitteln, welche Wassermenge noch zuzumischen ist, um die gewünschte richtige Einspritzemulsion zu erhalten. Der Prozeß wird instabil.

Vergleich zum neuen System: Das Verfahren mischt Wasser vor der Hochdruckpumpe dem Diesel zu und ist ebenfalls ungeeignet zur optimalen Regelung/Steuerung der Verbrennung und der Verbrennungstemperatur. Das neue Verfahren weist nicht die vorgenannten „Emulsions-Probleme“ auf.

Erst die unabhängige Einspritzung von Kraftstoff und Wasser erlaubt eine optimale Beeinflussung der Verbrennung und der Verbrennungstemperatur durch Wasser. In einer Veröffentlichung von R. Plöntzke und H. Zellbeck (MTZ Motorentechnische Zeitschrift 77 (2016) 4 S.28) wird von einer solchen unabhängigen Einspritzung berichtet. Hierbei wurde für die Wassereinspritzung in den Brennraum eines Diesel-Versuchsmotors ein servohydraulisches Ventil verwendet, und die Wassereinspritzung erfolgte einmalig während der Verdichtungsphase. Die NO_x-Emissionen des Versuchsmotors konnten durch die Wassereinspritzung zwischen 60% und 70% reduziert werden (bei hoher Verbrennungstemperatur entsteht NO_x), allerdings wurde in diesem Fall ein moderater Anstieg der Partikelemissionen beobachtet.

Einsparpotentiale:

Parameter	Actual Tech	Neu	Differenz
Verbrauch	Abhängig vom Motor, und Lastbereich		5-10%
NOX Emission	ca. 100mg/km (Euro 6)	ca. 50-60mg/km	40-50%
CO2 Emission	Motorabhängig		ca.10%
Feinstaub HC+NOx CO	4,5mg/Km (Euro 6) 170g/km (Euro 6) 500mg/km (Euro 6)	n.a. ca.120g/km ca.450mg/km	n.a. ca.25% ca. 10%
Wirkungsgraderhöhung	40- 42%	42-44%	2-3%

 

	CO2/a	NOx [t/a]	Kraftstoff [mio. L/a]
Schiffe Europa (kein Schweröl)	272	./.	880.952
Einsparungspotential	54 Tg	./.	17.619
Diesel-PKW Deutschland	509t	1.155	4.950
Diesel-PKW projektrelevant	127t	144	16

 

Wirtschaftliche und wissenschaftliche Konkurrenzsituation

Das Prinzip der Wasser-Direkteinspritzung konnte bislang nicht industriell um- und eingesetzt werden. Innermotorisch wirkende Verfahren mit vergleichbarem Potential der Reduzierung von fossilen Brennstoffen und des Schadstoffausstoßes (NO_x, Partikel) sind weder bekannt noch demzufolge in der Entwicklung.

Fa. Bosch bewirbt sein Water-Boost-System, in dem Wasser in den Ansaugkanal von Benzinmotoren eingespritzt wird. Fünf Prozent mehr Motorleistung, bis zu 13% Kraftstoffeinsparung (lt. Hersteller mit den Einschränkungen bei starker Beschleunigung/langen Autobahnfahrten) und bis zu 4% weniger CO₂-Ausstoß (nach WLTC-Testzyklus) sollen sich einstellen.

Beim NO_x-Speicherkat (Tenneco Inc.) werden die Stickoxide auf einer Bariumverbindung oxidiert und absorbiert und bei Sättigung des SpeicherKat wieder abgegeben und zu N₂ reduziert. Der Speicherkat kann nur im Temperaturbereich zwischen 250-500°C speichern.