BMW ontwikkelt directe waterinjectie voor turbomotoren

Tijdens de Innovation Day op het Miramas-testcircuit presenteerde BMW behalve het nieuwe plug-in hybridesysteem ook zijn directe waterinjectie voor turbomotoren. Het is een ontwikkeling in het kader van BMW’s Efficient Dynamics om het gebruik van fossiele brandstof terug te dringen en emissies te verlagen.

Waterinjectie is niet nieuw. Water heeft een koelende invloed op de lucht in de verbrandingsruimte. Een lagere temperatuur voorkomt spontane ontbranding van het brandstofluchtmengsel (detonatie of pingelen), maar verhoogt ook de prestaties. Het werd in de oorlog al gebruikt om gevechtsvliegtuigen meer vermogen te geven, bijvoorbeeld bij de start. Later gebruikten autofabrikanten zoals Chrysler en Ford de techniek om water in de carburateur te spuiten van de grote V8-motoren teneinde het vermogen op te voeren. Het werd ook lange tijd gebruikt door motorentuners en in racewagens. In Europa zal men zich misschien herinneren dat ook Saab 99 Turbo S uit 1978 waterinjectie had. Van de S, die 15 tot 20 pk meer vermogen had dan de Turbo, zijn er maar honderd gebouwd.

BMW M GmbH haalde waterinjectie weer van stal en past dit toe in de M4 MotoGP Safety Car, die begin dit jaar werd onthuld. De basis is de  gewone M4, waarin een aangepaste versie staat van de zescilinder M TwinPower Turbomotor die normaal gesproken 431 pk levert met een koppel van 550 Nm. BMW M wil niet zeggen hoeveel extra vermogen en koppel de Safety Car heeft dankzij de waterinjectie die in de M4 met name gericht is op prestaties en niet op brandstofverbruik.

Verbrandingskamer

Dat laatste is wél het geval met de door de BMW-divisie ontwikkelde waterinjectie, die op Miramas in een prototype van de  vijfdeurs 1-Serie werd voorgesteld. In plaats van water te spuiten in het inlaatspruitstuk, zoals bij de M4, wordt het direct gespoten in de verbrandingskamer van de driecilindermotor van het prototype. Het water wordt als een fijne nevel ingespoten,  zodat de onder druk staande mix van lucht en brandstof vóór de ontsteking wordt gekoeld. Dit koelende effect kan volgens BMW het brandstofverbruik tot acht procent reduceren, maar kan ook het vermogen tot tien procent verhogen. BMW zegt ook dat met waterinjectie de turbomotoren een hogere compressie kunnen hebben en dan toch nog steeds kunnen lopen op RON 95 benzine. In de driecilinder van het prototype is de compressieverhouding dan ook verhoogd van 9,5 : 1 tot 11 : 1. Het koelende effect vermindert bovendien de thermische belasting van componenten zoals zuigers, kleppen, turbocompressoren en katalysatoren.

Met een hogere compressieverhouding heeft de motor een beter rendement, dus hogere prestaties met dezelfde hoeveelheid brandstof, of gelijke prestaties met minder brandstof.

Omdat de tussenkoeler bij een lage belasting en tijdens cruisen zelf de lucht kan koelen die uit de turbo stroomt, is dan waterinjectie eigenlijk niet nodig. Het heeft pas effect bij accelereren.

Drie procent water

Dit kon AM op de testbaan zelf ondergaan met ontwikkelingsingenieur Werner Mährle op de passagiersstoel. BMW gebruikt de 1.5 driecilinderturbomotor die ook in de Mini Cooper en de 2-Serie Active Tourer wordt geleverd. Hij levert 150 kW/201 pk, maar met waterinjectie is dat 160 kW/215 pk.

"Voor optimale verbranding hebben we een mengsel nodig van drie procent water," legt Mährle uit. "Daarmee kan het vermogen worden verhoogd met vijf tot tien procent en kan het brandstofverbruik dalen met drie tot acht procent." De M4 heeft nog een watertank die steeds moet worden gevuld maar in de 1-Serie wordt het water teruggewonnen uit het airconditioningsysteem. Mährle zegt dat tachtig procent van de klanten rond twaalf duizend kilometer per jaar rijdt en nooit de watertank hoeven bij te vullen. "De andere twintig procent bestaat uit mensen die niet of nauwelijks de airconditioning gebruiken of die regelmatig op het circuit rijden."

Airco

We reden met verschillende snelheden en verschillende acceleratie tussen 70 en  120 km/u. Op de monitor, die speciaal is geïnstalleerd, is te zien wanneer water wordt geïnjecteerd, dus tijdens het accelereren. Gedurende de testrit was het brandstofverbruik 1,06 L/100 km minder dan zonder waterinjectie. Een voordeel van 15,7 procent. Maar dit is dan wel onder ideale omstandigheden met een buitentemperatuur van 35 graden zodat de airco hard moest werken en meer dan genoeg water leverde om het verbruik van 0,2 liter aan te vullen.

Het is de bedoeling dat in productiemodellen een waarschuwing wordt gegeven wanneer het waterniveau te laag is. Dan is de tank gemakkelijk bij te vullen met gedistilleerd water.  Om te zorgen dat het systeem niet kan bevriezen, worden alle leidingen automatisch leeg gezogen en het water teruggevoerd in de op een vorstvrije locatie geplaatste tank wanneer de motor wordt uitgezet.
BMW zegt nog niets over plannen om deze directe waterinjectie op een turbomotor van een productiemodel te introduceren maar de techniek lijkt er inmiddels klaar voor te zijn.(HHemmes)

 

 

 

BMW ontwikkelt directe waterinjectie voor turbomotoren - Automobielmanagement.nl

BMW ontwikkelt directe waterinjectie voor turbomotoren

Tijdens de Innovation Day op het Miramas-testcircuit presenteerde BMW behalve het nieuwe plug-in hybridesysteem ook zijn directe waterinjectie voor turbomotoren. Het is een ontwikkeling in het kader van BMW’s Efficient Dynamics om het gebruik van fossiele brandstof terug te dringen en emissies te verlagen.

Waterinjectie is niet nieuw. Water heeft een koelende invloed op de lucht in de verbrandingsruimte. Een lagere temperatuur voorkomt spontane ontbranding van het brandstofluchtmengsel (detonatie of pingelen), maar verhoogt ook de prestaties. Het werd in de oorlog al gebruikt om gevechtsvliegtuigen meer vermogen te geven, bijvoorbeeld bij de start. Later gebruikten autofabrikanten zoals Chrysler en Ford de techniek om water in de carburateur te spuiten van de grote V8-motoren teneinde het vermogen op te voeren. Het werd ook lange tijd gebruikt door motorentuners en in racewagens. In Europa zal men zich misschien herinneren dat ook Saab 99 Turbo S uit 1978 waterinjectie had. Van de S, die 15 tot 20 pk meer vermogen had dan de Turbo, zijn er maar honderd gebouwd.

BMW M GmbH haalde waterinjectie weer van stal en past dit toe in de M4 MotoGP Safety Car, die begin dit jaar werd onthuld. De basis is de  gewone M4, waarin een aangepaste versie staat van de zescilinder M TwinPower Turbomotor die normaal gesproken 431 pk levert met een koppel van 550 Nm. BMW M wil niet zeggen hoeveel extra vermogen en koppel de Safety Car heeft dankzij de waterinjectie die in de M4 met name gericht is op prestaties en niet op brandstofverbruik.

Verbrandingskamer

Dat laatste is wél het geval met de door de BMW-divisie ontwikkelde waterinjectie, die op Miramas in een prototype van de  vijfdeurs 1-Serie werd voorgesteld. In plaats van water te spuiten in het inlaatspruitstuk, zoals bij de M4, wordt het direct gespoten in de verbrandingskamer van de driecilindermotor van het prototype. Het water wordt als een fijne nevel ingespoten,  zodat de onder druk staande mix van lucht en brandstof vóór de ontsteking wordt gekoeld. Dit koelende effect kan volgens BMW het brandstofverbruik tot acht procent reduceren, maar kan ook het vermogen tot tien procent verhogen. BMW zegt ook dat met waterinjectie de turbomotoren een hogere compressie kunnen hebben en dan toch nog steeds kunnen lopen op RON 95 benzine. In de driecilinder van het prototype is de compressieverhouding dan ook verhoogd van 9,5 : 1 tot 11 : 1. Het koelende effect vermindert bovendien de thermische belasting van componenten zoals zuigers, kleppen, turbocompressoren en katalysatoren.

Met een hogere compressieverhouding heeft de motor een beter rendement, dus hogere prestaties met dezelfde hoeveelheid brandstof, of gelijke prestaties met minder brandstof.

Omdat de tussenkoeler bij een lage belasting en tijdens cruisen zelf de lucht kan koelen die uit de turbo stroomt, is dan waterinjectie eigenlijk niet nodig. Het heeft pas effect bij accelereren.

Drie procent water

Dit kon AM op de testbaan zelf ondergaan met ontwikkelingsingenieur Werner Mährle op de passagiersstoel. BMW gebruikt de 1.5 driecilinderturbomotor die ook in de Mini Cooper en de 2-Serie Active Tourer wordt geleverd. Hij levert 150 kW/201 pk, maar met waterinjectie is dat 160 kW/215 pk.

"Voor optimale verbranding hebben we een mengsel nodig van drie procent water," legt Mährle uit. "Daarmee kan het vermogen worden verhoogd met vijf tot tien procent en kan het brandstofverbruik dalen met drie tot acht procent." De M4 heeft nog een watertank die steeds moet worden gevuld maar in de 1-Serie wordt het water teruggewonnen uit het airconditioningsysteem. Mährle zegt dat tachtig procent van de klanten rond twaalf duizend kilometer per jaar rijdt en nooit de watertank hoeven bij te vullen. "De andere twintig procent bestaat uit mensen die niet of nauwelijks de airconditioning gebruiken of die regelmatig op het circuit rijden."

Airco

We reden met verschillende snelheden en verschillende acceleratie tussen 70 en  120 km/u. Op de monitor, die speciaal is geïnstalleerd, is te zien wanneer water wordt geïnjecteerd, dus tijdens het accelereren. Gedurende de testrit was het brandstofverbruik 1,06 L/100 km minder dan zonder waterinjectie. Een voordeel van 15,7 procent. Maar dit is dan wel onder ideale omstandigheden met een buitentemperatuur van 35 graden zodat de airco hard moest werken en meer dan genoeg water leverde om het verbruik van 0,2 liter aan te vullen.

Het is de bedoeling dat in productiemodellen een waarschuwing wordt gegeven wanneer het waterniveau te laag is. Dan is de tank gemakkelijk bij te vullen met gedistilleerd water.  Om te zorgen dat het systeem niet kan bevriezen, worden alle leidingen automatisch leeg gezogen en het water teruggevoerd in de op een vorstvrije locatie geplaatste tank wanneer de motor wordt uitgezet.
BMW zegt nog niets over plannen om deze directe waterinjectie op een turbomotor van een productiemodel te introduceren maar de techniek lijkt er inmiddels klaar voor te zijn.(HHemmes)