Thermodynamische Untersuchung des Einflusses der Wassereinspritzung auf die Effizienz des ottomotorischen Arbeitsprozesses

Die Wassereinspritzung in den Brennraum eines Motors bewirkt aufgrund der Verdampfungsenthalpie und der Wärmekapazität des Wassers eine Kühlung der Frischladung. Dadurch wird die Klopfneigung des Motors deutlich reduziert, das Abgas gekühlt und somit die Notwendigkeit einer Gemischanreicherung wegen des Bauteilschutzes bei hohen Motorleistungen erheblich verringert. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO-Emissionen. Neben diesem primären Ansatz könnte die Wassereinspritzung auch in Kombination mit einem höheren Verdichtungsverhältnis eingesetzt werden und somit den Wirkungsgrad im Teillastbereich verbessern.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Vorgehensweise und die Ergebnisse der thermodynamischen Untersuchung des Einflusses der Wassereinspritzung auf das ottomotorische Brennverfahren. Das Ziel ist es, diesen Einfluss zu quantifizieren und den Wirkungsgrad der Wassereinspritzung - also die genutzte Kühlleistung bezogen auf die maximal mögliche Kühlleistung - zu bestimmen. Um eine abschließende Effizienzbewertung durchzuführen werden die einzelnen Prozesse der Wassereinspritzung kaskadenartig betrachtet. Dies führt auch zu einem besseren Verständnis ihrer Wirkpfade. Insbesondere die thermodynamischen Prozesse, die zur Erwärmung und Verdunstung eines Wassertropfens führen, sowie die kalorischen Einflüsse des Wasserdampfes auf den ottomotorischen Verbrennungsprozess, stehen im Fokus dieser Arbeit.

Zur Analyse und Bewertung der systembedingten Einflüsse und Randbedingungen auf die Tropfenverdunstung wurde ein Grundlagenprüfstand "Verdunstungskammer" entwickelt und genutzt, um ein detailliertes Verdunstungsmodul für ein nulldimensionales Simulationsmodul zu entwickeln, das den Wärme- und Stofftransport auf der Ebene einzelner Tropfen quantiïfiziert. Dieses Modul wird anschließend mit einem vereinfachten Ansatz für ein Spray kombiniert, um das Verhalten des Tropfenkollektivs in der Gasphase zu beschreiben.