Date: September 22, 2005 at 04:28:54
From: Düseltrieb, [pd951fd71.dip.t-dialin.net]
Subject: @JO & Werner wg. Wassereinspritzung

Hallo zusammen, ich erlaube mir, einfach doch hier mitzudiskutieren, obwohl ich es (insbesondere wegen eurer Statuten und weil es bei mir immer ziemlich lange bis zum nächsten Mal dauern kann) vielleicht besser nicht täte ... Es ist aber hier eine ziemlich hochprozentige Mannschaft beisammen, wo allein das Mitlesen als Zaungasts schon Freude macht. Aber manchmal auch nach Mitsprache verlangt. Die Crux bei der Wassereinspritzung, die in jedweder Form schon angewandt wurde, sind hauptsächlich folgende Punkte: Idee des Einsatzes der Verdampfungswärme für die (Innen-)Kühlung, Idee der Nutzung der „Hochtemperatur-Crack-Produkte“ H2 + O für die Verbrennung, wobei das größte begleitende Problem Kavitation ist: Verdampfen die infolge Einspritzung nur als Tröpfchen vorliegenden Wasserteilchen, führt dies zu Material-Auswaschungen an den umgebenden Bauteilen und damit schlußendlich zum Funktionsausfall. Der Wunch nach mehr Kühlung und dann mehr Wärme sind aber einander ziemlich gegensätzlich. Bei Flugmotoren, wenn diese überaufgeladen kurzzeitig Höchstleistung abzugeben hatten, war der Wunsch nach mehr Kühlung verständlich. Bei mehr Leistung aus gleichem Hubraum ist der Wunsch nach einem hochwertigeren Brenn-Stoff/-Gas, etwa H2, und einem Oxidator O auch verständlich. Stellt sich aber gleich darauf die Frage, wohin mit der bei jedem Zyklus höher werdenden Wärme(menge)? Somit kommt die Welt der Techniker schnell auf die Idee eines wärme-un-empfindlicheren Stoffes und damit gleich auf die Keramik. Diese hat aber mannigfaltige Schwächen: Ihr Kristallgefüge läßt zunächst höhere Belastungen nicht zu, - es fehlt etwas, das man sich z.B. wie eine Armierung vorstellen könnte. Sie könnte z.B. sehr druckfest sein, aber nicht zugleich sehr wechsel-biegefest. Als Oberfläche, aufgetragen auf ein „formgebendes (z.B.metallenes) Unterteil“, sagen wir von der Form eines Kolbens, macht sie auch wieder eine Menge Schwierigkeiten: Die Wärmedehnungkoeffizienten beider Teile eines solchen Verbundwerkstoffes liegen weit auseinander, die Fähigkeiten der Wärmedurchleitung und –Abgabe sind sehr verschieden und eine Keramikschicht mit einem metallenen Träger haftfest zu verbinden ist, gerade bei thermischer Beanspruchung nicht ganz einfach. Grundsätzlich ist meiner Ansicht nach ein Motor ganz aus Keramik, weil man dann den Wirkungsgrad einer solchen Maschine, zumindest theoretisch, immens steigern könnte, ein schönes Denkmodell, weil man dann das gesamte Temperaturniveau weiter nach oben schieben und somit, wiederum theoretisch, zu einem höheren Wirkungsgrad kommen könnte. Vereinfacht ausgedrückt: Könnten die Kolben heißer arbeiten, müßten sie nicht bei jedem Zyklus wieder auf bauteilspezifische Temperaturen gekühlt werden. Dann müßte beim nächsten Brennzyklus auch wieder weniger Brennstoff zugeführt werden. Die Frage ist nur, um welchen Preis? Wie ist die Gesamtbilanz für den ganzen Aufwand? Ist es Ziel, infolge immer geringerer Kosten oder immer geringeren Aufwandes möglichst jeden teilhaben zu lassen? Idealerweise eine solche Vereinfachung zu schaffen, die (fast) nichts mehr kostet? Dann müßten wir eigentlich jetzt innehalten und uns auf das besinnen und dessen bedienen, was wir alles schon haben. Der Keramikmotor zumindest würde einen solchen entwicklungs-, fertigungs- und verfahrenstechnischen Aufwand erfordern, daß immer weniger Menschen ihn sich leisten könnten. In einer für viele Menschen erschwinglichen, serienfähigen Form wird dieser deshalb mit Sicherheit nie kommen! Die Ansätze von Werner zu „Dampf für die Dampfmaschine“ und „Pfarrer Stirling“ und der Welt der „IngInieure“ halte auch ich für ziemlich zutreffend, obwohl der Stirlingmotor zu unseren heutigen Ansprüchen ebenso keine Alternative darstellt und stellen wird, - trotz anderslautender Annahmen. Die thermodynamischen Eigenschaften des Stirlingmotors finden ihre Grenzen in den möglichen Zyklen pro Zeit, somit also letzlich in Drehzahl und Regelbereich. Von etwas war Pfarrer Stirling sehr wahrscheinlich weitaus weniger getrieben, als wir heute: Immer weiter, immer höher, immer schneller. Idealerweise stelle ich mir vor, daß es für ihn weniger um das Erringen von Vorteil ging, sondern mehr um das Erlangen von Erkenntnis. Nun gut. Hanomedes sagt, bei Wassereinspritzung verringert sich die Kompressionsarbeit. Die Kompressionsarbeit ist jene Arbeit, die nötig ist, um die für die Selbstzündung erforderliche Kompressionswärme zu erzeugen. Richtig: Um die eingespritzte Wassermenge wird das Brennraumvolumen kleiner. Nur, wenn dann mit des Wassers druckerhöhender Wirkung leichter gezündet wurde, kommt anschließend, - im Falle des Wunsches nach mehr Kühlung akzeptierbar - , die Verdampfung jenes Wassers. Und die für die Verdampfung erforderliche Wärme wird dem Brennprozeß entzogen, weshalb dieser an Wirkungsgrad verliert. (Da die Rückkondensation im Auspuff erfolgt, hat der Prozeß nichts davon). Würde es durch den o.e. Hochtemperatur-Crack-Vorgang zu einer Erhöhung der Brennraumwärme kommen, hätte das tatsächlich einen höheren NOx-Wert zur Folge, insbesondere, weil aus dem Wasser ordentlich O zur Verfügung stünde. Ausgeglichene Bilanz? Allerdings muß es bei Werner heißen: Würde man das Wasser eher zugeben, verdampft es nicht, weil noch zuwenig komprimiert wurde und deshalb zuwenig Wärme vorliegt, es unterstützt dann aber, weil in flüssiger Form, den Kompressionsvorgang. Gibt man es später hinzu, wenn also schon genügend Wärme vorliegt, verdampft es recht schnell, wobei es aber zunächst dem Brenngas und dann den Bauteilen die zum Verdampfen erforderliche Wärme entzieht und deshalb kühlend wirkt. Und dann kommen wir tatsächlich u.U. in den Bereich dessen, was Werner mit „Zündtemperatur nicht mehr ordentlich“ meint. Ist aber im Wesentlichen eine Auslegungssache. Trotzdem (siehe Werner): Also wieder hinlegen. Das Wasserauto kommt noch nicht/doch nicht. Und sind dann auch wieder bei Hanomedes und seiner Feststellung, daß man die Wassereinspritzung vorwiegend mit dem Ziel der Kühlung und damit NOx-Reduktion einsetzt. Womit der Satz „ich hoffe ich hab einem Haufen Spinnern keine neue Munition geliefert...“ seinen Sinn bekommt, weil er ja eigentlich über Wärme-„Verlust“ = letztlich Leistungsverlust aufklärt und nicht von einem (ominösen) Wärme-„Gewinn“ = Leistungsgewinn bis hin zum Wasserauto spricht. Und nicht davon, daß vorne rein, Wasser dazu, Dampf hinten raus und das ganze nochmal und noch’n bißchen Zündstrahl dazu, weil’s so schön ist, schließlich hinten, nach aller Schönrechnung, das Wasserauto herauskommt. Daß das Wasser für die Wassereinspritzung nur destilliertes sein kann, erklärt sich wohl von selbst ... Eine Dampfturbine mit etwas anderem würde nicht mal ein erstes Mal ihren Betriebspunkt erreichen, da wäre sie schon kaputt. Aber Hannomedes! Tesla-Turbinen, Darrieus-Windräder, Wankelmotoren und Wassereinspritzung in einem Atemzug zu nennen, ist ja schon etwas ehrenrührig. Tesla-Turbinen etc., o.k. (siehe www. wuerth-ag.de). Darrieus-Windräder, Einspruch: Sind keine Zaubermaschinen, wenn ihr Name sich auch etwas mystisch anhören mag. Darrieus-Windräder sind (nicht hoch-, aber) effiziente Vertikalläufer-Maschinen, die aus allen Himmelsrichtungen angeströmt werden können und, nachdem sie angelaufen sind, gute Werte bringen bei verhältnismäßig geringem technischem Aufwand. Zu Wankelmotoren gibts wohl wenig hinzuzufügen. Und Wassereinspritzung in WKII-Flugmotoren ist auch Stand der Technik. Alles andere teile ich mit Dir. Ziemlich übereinstimmen tue ich auch mit Rainer, - bis auf die Keramikkolben. Eine keramische Gleitringdichtung bei Hochdruckpumpen (hier also doch etwas „kühleren“ Medien) besteht aus aufeinander gleichtenden Keramikflächen, die auch noch vom jeweiligen Medium gut geschmiert werden. Keramik und Kolben daraus siehe weiter oben. Anmerkung hierzu noch: Keramik würde bei Wärmekraftmaschinen, hier insbesondere Kolbenmotoren, nur Sinn machen, wenn die wesentlichen, den Verbrennungsprozeß „umgebenden“ Bauteile daran teilnehmen würden: Kolben + Zylinder + Brennraum. Nur wenn diese alle aus dem gleichen Material bestünden, ändern sich die Bauteilspalte nicht zum Nachteil des Prozesses! Anschaulich: Dehnen sich die Kolben nicht mehr oder weniger aus als die Zylinder(-Laufbüchsen), verbreitern sich die Kolbenringe nicht mehr oder weniger als die Ringnuten, muß eine Kopfdichtung mit allen ihren Nachteilen nicht unterschiedliche Dehnungen zwischen Kolbenlaufbahn und Kopf ausgleichen, dann ist das ein Gewinn. (eingedenks Ludwig Elsbetts Grundlagenarbeiten zur Funktion von Pflanzenölmotoren). Die (präzise) Umformung von Keramik ist das andere Thema. So jetzt reichts aber. Bei mir könnte man wohl sagen: Selten, aber dafür mehr. Zuviel? Ich hoffe ihr verdaut’s. Sonst nehme ich euere Rüge entgegen. Aber eure Gedanken haben mir schon so viel genutzt, daß ich euch auch an meinen teilhaben lassen wollte. Seid alle vielmals gegrüßt! Düseltrieb