Saugrohr-Wassereinspritzung für Großgasmotoren

Die zur stationären Energieerzeugung eingesetzten Hochleistungs-Gasmotoren neueren Entwicklungsstandes arbeiten überwiegend nach dem Magerkonzept. Der Grund sind die niedrigen Stickoxidemissionen, wodurch auch ohne Katalysator bzw. ohne sehr aufwändige Abgasnachbehandlungsverfahren die halben NOx-Grenzwerte nach TA-Luft eingehalten werden. Begrenzt ist jedoch ihre Leistungsfähigkeit bei effektiven Mitteldrücken von pe=20…22 bar. Diese Begrenzung ist aber nicht durch die mechanische Belastbarkeit der Motoren gegeben - im Dieselmotorenbereich werden Motoren oftmals für Mitteldrücke von 25 bar ausgelegt und betrieben - sondern bedingt durch die zunehmende Einschränkung des Betriebsfensters bei steigenden Mitteldrücken. Die in einem Vorgängerprojekt bereits erzielten Ergebnisse mit der Wasser-Direkteinspritzung (DWI) haben gezeigt, dass diese Mitteldruckbegrenzung mit einer optimierten Wassereinspritzung wirkungsvoll aufgehoben werden kann, wobei gleichzeitig deutliche Verbesserungen wichtiger Verbrennungskennwerte (Verbrennungsdauer und -stabilität) sowie des Wirkungsgrades erzielt wurden. Das vorliegende Projekt zielte darauf ab, diese Potentiale nun auf die Saugrohr-Wassereinspritzung (SWI) zu übertragen, die zudem im Vergleich zur Direkteinspritzung eine wesentliche Vereinfachung des Einspritzsystems und seiner konstruktiven Einbindung in den Motor erlaubt. An einem 1-Zylinder-Forschungsmotor mit 4,8 l Hubraum wurde deshalb der Einfluss einer Saugrohr-Wassereinspritzung auf wichtige Kennwerte und das Betriebsverhalten des Motors untersucht. In einer Reihe von Versuchen wurden zunächst mit verschiedenen Sprühdüsen grundsätzliche Untersuchungen zum Einfluss von SWI auf das Betriebsverhalten und die Kennwerte des Motors durchgeführt. Es folgten Untersuchungen mit verschiedenen Einspritzparametern, in denen ermittelt wurde, wie sich SWI auf das Klopfverhalten und damit auf das sich jeweils ergebende Betriebsfenster und den realisierbaren Mitteldruck auswirkten. Im Ergebnis zeigte sich die stark NOx-mindernde Wirkung einer SWI, die sogar noch stärker ausgeprägt als bei DWI war. Unter dem Einfluss der Wassereinspritzung verschiebt sich die Klopfgrenze bei SWI wie auch bei DWI Richtung früherer Zündzeitpunkte. Dies hatte eine Verbreiterung des Betriebsfensters zur Folge. Dadurch war es möglich, den fahrbaren Mitteldruckbereich des Motors deutlich auszuweiten. Die Versuche zeigten aber auch, dass das volle Potenzial einer Wassereinspritzung hinsichtlich Wirkungsgrad erzielt wurde, mit einer Saugrohr-Wassereinspritzung noch nicht ausgeschöpft werden konnte.