Untersuchung der Benzin-Wasser-Emulsion Direkteinspritzung zur Effizienzsteigerung von Ottomotoren

Zukünftige Abgasnormen stellen die Motorentwicklung vor große Herausforderungen.
CO₂-Flottenemissionen, welche direkt mit Kraftstoffverbrauch gekoppelt sind, müssen bis zum Jahr 2020 drastisch gesenkt werden. Wassereinspritzung ist eine wirksame Technologie, um Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu reduzieren oder Leistung zu steigern. Wasser besitzt eine hohe Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie im Vergleich zu Benzin. Durch das Verdampfen des Wassers ist es möglich, die Ladelufttemperatur sowie die Gemischtemperatur im Brennraum zu reduzieren. Wasser kann dabei auf verschiedene Weisen über das Ansaugsystem oder direkt in den Brennraum eingebracht werden - die resultierende Wirkung unterscheidet sich je nach Variante. Die Direkteinspritzung der Benzin-Wasser-Emulsion weist bessere Effizienz hinsichtlich Kraftstoff- und Wasserverbrauch auf, ist aber die aufwendigere Variante. Diese Methode der Wassereinspritzung wird in der Studie untersucht.
Für die Untersuchungen wurde ein Prüfstand aufgebaut, der eine Implementierung der Wassereinspritzung in den Niederdruck- und Hochdruckkreislauf des Kraftstoffsystems vorsieht. An diesen Prüfstand kann die Emulsion nach deren Austritt aus der Hochdruckpumpe beobachtet werden. Weiter werden Versuche zur Emulsionserzeugung durchgeführt und hinsichtlich Herstellung und Stabilität für den Einsatz im Verbrennungsmotor bewertet. Die Emulgierungen wurden anhand des Prüfstands und Ultraschall-Homogenisators mit verschiedenen Benzinsorten und Additive für verschiedene Wasseranteile durchgeführt.
Ferner wurde der Einfluss des Wasseranteils auf das Spraybild bei Einspritzung einer Benzin-Wasser-Emulsion mit Wasseranteil von 0-100% untersucht. Hierzu wird das Spraybild eines Benzin-DI-Injektors in einer Hochdruck-Einspritzkammer mittels Highspeed-Kamera im Schattenverfahren aufgenommen und vermessen sowie statistisch analysiert.