Wassereinspritzung

Die Wassereinspritzung ist ein Verfahren zur Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen.

Dabei wird in den Ansaugtrakt eines aufgeladenen Kolbenmotors oder im Verdichter einer Gasturbine destilliertes Wasser oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch in die Verbrennungsluft eingespritzt. Die verdampfende Flüssigkeit hat kühlende Wirkung und vermindert die Verdichtungsarbeit. Das Verfahren ist wieder in der Untersuchung, da es den Schadstoffausstoß, insbesondere von Stickoxiden von Strahltriebwerken senken kann. Die Wassereinspritzung dient nicht der Wirkungsgradsteigerung.

Kolbenmotoren

Die eingespritzten Flüssigkeiten dienen dabei durch die aufzubringende Verdampfungswärme einer effektiven Innenkühlung der Maschine und als Ladeluftkühlung. Durch die höhere Dichte der Verbrennungsluft ergibt sich eine Leistungssteigerung. Des Weiteren kann der Zündwinkel weiter in Richtung Frühzündung eingestellt werden, da die kühlere Brennluft weniger zum Klopfen neigt. Beigemischtes Methanol erhöht zudem die Klopffestigkeit enorm und fungiert als zusätzlicher Treibstoff.

Wassereinspritzung wurde vornehmlich im Zweiten Weltkrieg und in den 1950er Jahren zur Leistungssteigerung von Maschinen in der Luftfahrt eingesetzt. In den 1980er Jahren, als Turbomotoren von der FIA noch erlaubt waren, entdeckte die Formel 1 die Vorzüge von Wassereinspritzungen neu. Aktuell werden Wassereinspritzungen im Motorsport, beispielsweise in der Rallye-Weltmeisterschaft (WRC), eingesetzt. Die Technologie ist seitdem weiterentwickelt und verfeinert worden. Moderne Wassereinspritzanlagen regeln die Einspritzmenge mittels der Daten des Luftmassenmessers, dem anliegenden Ladedruck, Kraftstoffeinspritzmenge und zusätzlich über die Abgastemperatur.

Auch bei Zweitakt-Motoren fand die Wassereinspritzung Anwendung. Durch Eindüsen von flüssigem Wasser in den Auspuff wurde die Schallgeschwindigkeit im unteren Drehzahlbereich maßgeblich vermindert. Dadurch konnte der Resonanzeffekt des Auspuffs auch nach unten verschoben werden. Dadurch wurde die Drehmomentkurve und damit die Leistungscharakteristik deutlich flacher und das nutzbare Drehzahlband wesentlich erhöht. Vor allem Honda setzte diese Technik in den 1980er-Jahren im Rennbereich ein.

Die Technik kommt heute beim Fahrzeugtuning zum Einsatz. Darüber hinaus erfolgt der Einsatz im Versuch zur Beeinflussung des Abgasverhaltens von Dieselmotoren.

Auch im Bereich der Diesel-Blockheizkraftwerke wird Wassereinspritzung seit kurzem angewendet.

Gasturbinen

KC-135 beim Start mit Wassereinspritzung und deutlich sichtbaren Rauchschwaden.

Besonders nach der Entwicklung der ersten strahlgetriebenen Passagierflugzeuge wurde die Wassereinspritzung zur Schuberhöhung beim Start verwendet. Man sprach in solchen Fällen von einem „Nassstart“. Hierzu wurde destilliertes Wasser oder ein Wasser-Methanol-Gemisch in die Triebwerke eingespritzt, um deren Leistung für Volllaststarts zu erhöhen. Diese Schuberhöhung kommt durch zwei Faktoren zustande: Zum Einen erzeugt die Verdampfung des Wassers zusätzliches Gas und damit zusätzlichen Schub (Umsetzung von Wärmeenergie in Volumenarbeit). Aus einem Liter Wasser entstehen bei 25°C und 1013 hPa Druck so 1673 Liter Wasserdampf. Zum Zweiten wird das Triebwerk durch die Verdampfungsenthalpie des Wassers gekühlt, so dass dort mehr Treibstoff verbrannt werden kann, ohne die zulässige Betriebstemperatur des Triebwerks zu überschreiten. Ein Nachteil des Verfahrens waren teilweise starke Rauchschwaden, die Flugzeugtriebwerke beim Nassstart entwickeln konnten, wenn Wasser- und Treibstoffzufuhr nicht aufeinander abgestimmt waren. Nassstarts werden zur Zeit nur selten durchgeführt.^[1]

Ein Grund hierfür ist darin zu suchen, dass heutzutage in hohem Maße zweistrahlige Flugzeuge zum Einsatz kommen. Diese müssen für den Fall eines Triebwerksausfalls hohe Leistungsreserven vorhalten, weshalb sie meist stark genug motorisiert sind, um auch ohne Wassereinspritzung problemlos starten zu können. Ein weiterer Grund liegt in verstärktem Materialverschleiß: Beim Start wurde das Wasser in die bereits laufenden und dementsprechend heißen Triebwerke eingespritzt, die dadurch schlagartig abgekühlt wurden, was zu Verschleiß durch plötzliches Zusammenziehen des Materials führte. Aus diesen Gründen wurden Nassstarts nur relativ selten angewandt.

Wichtige Flugzeugtypen, bei denen Wassereinspritzung zum Einsatz kam, waren die Boeing 707, die Douglas DC-9, und die Sud Aviation Caravelle und der bekannte Bomber Boeing B-52 der US Air Force. Auch die ersten Baureihen der Boeing 747 nutzten diese Technik, insbesondere in Triebwerken vom Typ Pratt & Whitney JT9D. Die entsprechenden Anlagen wurden jedoch später aus den meisten Flugzeugen entfernt.^[2]

Ein missglückter Nassstart war die Ursache für die spektakuläre Notlandung einer BAC 1-11 auf der A7 nördlich von Hamburg am 6. September 1971. Anstelle von demineralisiertem Wasser wurde eine brennbare Kerosin-Wasser-Mischung in die entsprechenden Tanks gefüllt, so dass beide Triebwerke wegen Überhitzung ausfielen.

Siehe auch

Wasserdiesel

Einzelnachweise

1. ↑ Luftfahrt-Lexikon: W. luftpiraten.de, 13. Oktober 2010, abgerufen am 8. August 2009. 
2. ↑ Willy J. G. Bräunling: Flugzeugtriebwerke. Springer, 2004, ISBN 3540405895, S. 179 (S.179 in der Google Buchsuche)., abgerufen am 8. August 2009