Wirkung von Wasser auf die Verbrennung in Dieselmotoren
Die positiven Effekte von Wasser auf die Entstehung von Schadstoffen während der dieselmotorischen Verbrennung sind seit langem bekannt und werden angesichts der seit einiger Zeit anhaltenden Bestrebungen zur Reduzierung von Schadstoffemissionen verstärkt untersucht. Grundsätzlich gibt es drei unterschiedliche Systeme:
- Das Humid Air System (HAM), bei dem die Ladeluft für die Zylinder befeuchtet wird,
- Die Wasser-Direkteinspritzung (Water direct injection - WDI), bei dem Wasser über eine zweite Einspritzdüse während der Kompression und teilweise gleichzeitig mit dem Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt wird , sowie
- Kraftstoff-Wasser-Emulsionen (Fuel Water Emulsions - FWE), bei denen Kraftstoff und Wasser vor dem Einspritzsystem miteinander emulgiert werden und anschließend in herkömmlicher Weise in den Zylinder zur Verbrennung eingebracht werden.
Alle drei Systeme beruhen, im Gegensatz zur Abgasnachbehandlung, auf dem Ansatz die Entstehung der Schadstoffe bereits bei der Verbrennung zu minimieren.
Die Funktion von HAM und WDI beruht auf der Befeuchtung der Luft und verteilen das Wasser (gleichmäßig) in der Zylinderladung. Im Gegensatz hierzu wird beim FWE-System Wasser in den Kraftstoff gemischt und somit konzentriert in die Flammenfront eingebracht.
Die Befeuchtung der Zylinderladung reduziert den Temperaturanstieg während der Kompressions- und Verbrennungsphase. Physikalisch gesehen ist dies eine Folge der Verdampfungsenergie des Wassers und der höheren Wärmekapazität der Zylinderladung. Dieses führt zu reduzierter NOx-Bildung, aber auch zu schlechteren Zünd- und Verbrennungsbedingungen. In Folge sind erhöhte Ruß- und Partikelemissionen zu beobachten. Zur Erreichung einer signifikanten NOx-Reduktion sind relativ große Wassermengen erforderlich. Wassermengen von 70-80% der Volllastkraftstoffmenge wurden berichtet.
Im Gegensatz dazu beeinflusst das FWE-System Ladungswechsel- und Kompressionsphase nicht. Somit sind negative Einflüsse auf die Zündung des Kraftstoffes nicht zu erwarten. Das mit dem Kraftstoff eingebrachte Wasser verdampft aufgrund der hohen Gastemperatur und Einspritzenergie explosionsartig (micro explosion). Dieses führt zu einer verbesserten Gemischbildung in Folge verkleinerter Kraftstofftropfen. Aufgrund der Verdampfungsenergie des Wassers und vergrößerten Wärmekapazität des Gases kommt es zu der angestrebten Temperaturabsenkung direkt in der Flammfront. Beide Effekte führen zu:
- Verbesserter Tröpfchenbildung / Gemischbildung
- Gleichmäßig verteiltem Flammen- und Temperaturprofil
- Reduzierter Ruß-Bildung
- Reduzierter Stickoxid-Bildung
- Reduzierter CO- und Formaldehyd-Bildung
Das FWE-System kann in das Kraftstoffsystem ohne Eingriffe in den Motor integriert werden. Lediglich kleinere Eingriffe in das Einspritzsystem (z.B.: größere Düsenquerschnitte) können notwendig werden, um den höheren volumetrischen Durchfluss bei Volllast auszugleichen.
Im Gegensatz hierzu sind bei HAM- und WDI-Systemen größere Modifikationen am Motor und der Gesamtanlage erforderlich (Humidifier beim HAM-System, zweites Einspritzsystem bei WDI).
HAM-Systeme können mit Seewasser betrieben werden. WDI- und FWE-Systeme werden im Gegensatz hierzu mit VE-Wasser oder im Fall der FWE mit Trinkwasser betrieben. Hieraus ergibt sich im maritimen Umfeld ein Versorgungsproblem. Aufgrund des im Vergleich zur WDI geringeren Wasserdurchsatzes relaitviert sich dieses Problem allerdings für den Emulsionseinsatz.