Weniger Schadstoffe durch Wassereinspritzung?

Stefan Nahs, Absolvent der HFH · Hamburger Fern-Hochschule, hat in seiner Bachelorarbeit für eine Technik der Wassereinspritzung Aspekte der Anwendbarkeit bei Dieselantrieben in PKWs untersucht: Mit ihr könnten nicht nur die Leistung der Motoren gesteigert, sondern auch die Stickoxid-Emissionen deutlich gesenkt werden, so ein Ergebnis der wissenschaftlichen Arbeit. Damit sei die z.B. aus dem Gasturbinenbau bekannte Technik beim Einsatz in PKWs potenziell geeignet, die Abgasproblematik des Diesels zu entschärfen.

Bis zum Abgasskandal war der Diesel ein Lieblingskind deutscher Autofahrer. „Die Entwicklungen der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass bei Dieselmotoren eine hohe Leistungsdichte bei niedrigen Kosten bislang klar zu Lasten der Umwelt ging“, sagt Stefan Nahs.

Der 31-jährige Kraftwerktechniker ist Absolvent des Studiengangs Wirtschaftsingenieurwesen der Hamburger Fern-Hochschule (HFH) und hat sich in seiner Bachelorarbeit näher mit der Abgas-Problematik beschäftigt.

Eine These der Arbeit: Die z.B. in der Kraftwerktechnik genutzte Technik der Wassereinspritzung könne auch effektiv genutzt werden, um den Schadstoffausstoß von PKW-Dieselmotoren zu senken. Bislang werde die Wassereinspritzung bei PKWs vor allem in der Tuningszene zur Leistungssteigerung eingesetzt.

Fokus auf Senkung der Emissionen statt Leistungssteigerung

„Bei Gasturbinen ist die direkte Wassereinspritzung seit Jahrzehnten Stand der Technik, um die Emissionen zu senken“, sagt Nahs. Auch im Schiffs-, Flugzeug- und Autobau sei die Technik bereits seit längerem bekannt. Im Bereich der PKWs zeichne sich ihr Einsatz zum Zweck der Emissionsreduktion erst ab. „Noch liegt der Fokus vor allem darauf, die Leistung zu steigern. Hierfür bieten bereits mehrere bekannte Hersteller Nachrüstsets für Wasser- bzw. Methanoleinspritzungen an“, sagt Nahs.

Umprogrammiertes Set im eigenen PKW getestet

Eines dieser im Handel erhältlichen Sets hat er umprogrammiert und in sein eigenes Auto eingebaut, um die Technik auf ihr Potenzial zur Schadstoffreduzierung zu testen. Dabei hat Nahs sich auf das Verhalten der Abgaskomponenten Ruß und Stickoxide konzentriert.

„Mit den bestehenden Techniken kann man immer nur eine dieser beiden Komponenten reduzieren – Ruß oder Stickoxide – nicht aber die gesamten Emissionen beider Komponenten zugleich“, so Nahs. Eine Lösung dieses Problems könne seinen Recherchen zufolge die Wassereinspritzung darstellen.

Wassereinspritzung: „Luftbefeuchter für den Motor“

In der untersuchten Technikanwendung wird destilliertes Wasser in die Ladeluft gespritzt. „Die Wassereinspritzung funktioniert in diesem Fall wie ein Luftbefeuchter“, sagt Nahs. „Durch die hohen Temperaturen verdunstet das Wasser und kühlt dabei das gesamte Temperaturprofil des Motors ab – das reduziert wiederum die Emissionen.“

Reduktion der Schadstoffe nachgewiesen

Die schadstoffreduzierende Wirkung hat Nahs in seiner Abschlussarbeit sowohl theoretisch als auch praktisch untersucht. Mit einer Simulationssoftware stellte er zunächst den thermodynamischen Prozess dar und fütterte das Programm dann mit realen Daten seines umgebauten PKWs.

Dank Unterstützung der TH Nürnberg konnte er das umgebaute Fahrzeug im dortigen Rollen­prüf­stand testen und verschiedene Lastfälle mit paralleler Abgasmessung durchführen. „Die erwartete Senkung der Temperatur und Stickoxidbildung hat sich in diesen Tests eindeutig bestätigt“, sagt Nahs.

Erkenntnis: Weniger Stickoxide, mehr Leistung

Während die Stickoxid-Werte um mehr als ein Viertel sanken, zeigten sich beim Kraftstoffverbrauch keine nennenswerten Unterschiede. „Die Leistung allerdings hat sich trotz des geringeren Schadstoffausstoßes signifikant um rund 20 Prozent vergrößert“, sagt Nahs. Der Leistungsgewinn sei aber nur indirekt durch die Wassereinspritzung erzielt worden: „Die Kühlung hatte in den Tests den Effekt, dass der Turbolader die eigene Leistungsdrosselung erst bei höheren Drehzahlen aktiviert. Dem Motor steht somit auch bei höheren Drehzahlen noch das volle Drehmoment zur Verfügung, was die Motorleistung erhöht.“

„Potenzial für kleine Dieselmotoren“

„Die Nachrüstung des Einspritz-Systems wäre einfach möglich. Zudem ist durch die Wassereinspritzung, im Gegensatz zum Chiptuning, keine geringere Lebensdauer des PKWs zu erwarten“, betont Nahs. Einen Einsatz hält er vor allem bei kleineren und Kleinstmotoren für vielversprechend.

Diese werden häufig unter hoher Last betrieben, wodurch der kühlende Verdunstungseffekt am besten zum Tragen komme. Nahs: „Für kleine Dieselmotoren hat die Wasserein­spritzung meiner Meinung nach großes Potenzial, um den Schadstoffausstoß auch in der Stadt zu senken.“

„Arbeit zeigt interdisziplinäre Herangehensweise“

„Die Ergebnisse sind vor allem für eine Bachelorarbeit sehr beachtlich“, sagt Prof. Dr. Ronald Deckert, Dekan des Fachbereichs Technik der HFH. „Die Arbeit zeigt in besonderer Weise eine Verbindung von persönlichem Engagement und interdisziplinärer Herangehensweise. Auch das Thema fügt sich hervorragend in die Innovationsdynamik am Fachbereich Technik ein, die neben Interdisziplinarität insbesondere auch durch Beiträge zu nachhaltiger Entwicklung gekennzeichnet ist.“

Stefan Nahs (B.Eng.)
HFH-Absolvent Wirtschaftsingenieurwesen

snahs@gmx.net

Dr. Bettina Steitz
HFH · Hamburger Fern-Hochschule
Wiss. Mitarbeiterin, Fachbereich Technik

bettina.steitz@hamburger-fh.de

http://www.hfh-fernstudium.de/aktuelles-hfh-absolvent-testet-wassereinspritzung-… Text der Mitteilung mit weiteren Fotos und Interview von HFH-Wissenschaftlerin Dr. Bettina Steitz