Emissionen

NOx-Reduktion bei allen Verfahren

Das zugeführte Wasser verdampft im Brennraum und entzieht dem Verbrennungsprozess damit Wärme (Verdampfungsenthalpie). Die Bildung von Stickoxiden ist jedoch umso stärker, je höher die Verbrennungsspitzentemperaturen sind. Sinken diese durch die Beigabe von Wasser, sinkt die NOx-Bildungsrate. Durch den Entzug von Wärme / Energie sinkt auch der thermische Wirkungsgrad des Motors geringfügig - der Kraftstoffverbrauch kann etwas ansteigen. Die NOx-Absenkung ist umso höher, je mehr Masse an Wasser zugeführt wird. Als Faustformel aus der Literatur gilt: 1% Anteil Wasser an dem gesamten dem Motor pro Arbeitsspiel zugeführten Einspritzvolumen ergibt ca. 1% NOx-Minderung. 20% volumetrischer Wasseranteil ergeben also in etwa 20% NOx-Minderung. Die Art der Einbringung ist hierbei nicht relevant.

Die erzielbaren NOx-Reduktion bei den DWI- und HAM-Verfahren liegen im Bereich von 40 bis 70% und sind damit deutlich höher, als bei der KWE mit 20 bis 40% (ohne motorspezifische Anpassungen). Dies liegt ausschließlich daran,  dass über die vorgenannten Verfahren deutlich höhere Wasseranteile in den Brennraum gebracht werden können als mit der KWE.

Quelle: /5/

Der maximal dosierbare Wasseranteil bei der KWE-Technologie ist im Wesentlichen durch die hydraulische Limitierung der gegebenen Förder- und Durchflussmöglichkeiten der Einspritzpumpen – und Einspritzdüsencharakteristika sowie dem Wunsch nach einer möglichst geringen Verminderung der maximalen Motorleistung begrenzt. Denn jedes Volumenprozent Wasser bedeutet zugleich ein Volumenprozent weniger Brennstoff pro Arbeitsspiel, damit eine geringere Brennstoffmasse und folglich eine geringere Leistungsausbeute.

 

Rußreduktion nur beim KWE-Verfahren

Nur die KWE-Technologie verbessert die Gemischbildung und damit die Verbrennung, vermindert die Rußbildung und steigert den thermischen Wirkungsgrad geringfügig.

Mikroexplosionen

Bei der KWE-Technologie wird jedes Wassertröpfchen von Kraftstoff umschlossen. Bei Einbringung der Emulsion in den heißen Brennraum verdampft der in den Emulsionströpfchen enthaltene Wasserkern sehr viel schneller als der umgebende Kraftstoff. Der Kraftstoff wird bei diesen „Mikroexplosionen“ (Microexplosion phenomenon in diesel fuel emulsions, SAE Chadderton et al., 2000) /4/  in viele noch kleinere Tröpfchen zerrissen. Es entsteht ein  feineres Kraftstoffspray im Brennraum. Gemischbildung und Verbrennung erfolgen homogener, Fett- und damit Rußbildungszonen werden drastisch verringert, der thermische Wirkungsgrad des Motors wird etwas verbessert, der Kraftstoffverbrauch kann geringfügig sinken.

Dieser Effekt ist je nach Motor und Einspritzanlagenkonzept bis zu einer jeweilig bestimmten Grenze umso intensiver, je höher die im Verhältnis zu Kraftstoff zugeführte Wassermenge ist und überkompensiert den Effekt des Wärmeentzugs durch die Verdampfungsenthalpie des Wassers in weiten Kennfeldbereichen.

 

Da weder bei dem DWI- noch bei dem HAM-Verfahren das zugeführte Wasser mit dem Kraftstoff in dieser Form vermischt wird, ereignen sich hier auch keine Mikroexplosionen. Somit ergeben sich weder die drastischen Verringerungen der Rußbildungsvorgänge noch eine  Verbesserung der Gemischbildung und somit auch keine Verbesserungen der Verbrennungsvorgänge. Im Gegenteil. MAN B&W zeigte 2001 den Einfluss der verschiedenen Methoden der Wasserzuführung auf die Rußemission in Abhängigkeit der Wassermenge bei einem Großmotor.

 


Die HAM- und DWI-Verfahren haben in Abhängigkeit des zugeführten Wasseranteils einen zunehmend negativen Einfluss, FWE= „Fuel Water Emulsion“ weist hingegen mit steigendem Wasseranteil einen positiven Einfluss auf die Rußemission des Motors auf.

 

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