Weniger Schadstoffe durch Wassereinspritzung. HFH-Absolvent testet Einsatz in Diesel-PKW
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 PKW potenziell geeignet, die Abgasproblematik des Diesels zu entschärfen.
"Die Wassereinspritzung kann den Schadstoffausstoß beim Diesel reduzieren", sagt Stefan Nahs. (Bild: Bögl)
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 (Bachelor) der HFH · Hamburger Fern-Hochschule 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.
Einbau des Nachrüstsets zur Wassereinspritzung in den Kofferraum des Testfahrzeugs. "Nachrüsten wäre einfach möglich", sagt Nahs. (Bild: Nahs)
Fokus auf Senkung der Emissionen statt Leistungssteigerung
„Bei Gasturbinen ist die direkte Wassereinspritzung seit Jahrzehnten Stand der Technik, um die Emissionen zu senken.“ 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.
Eines dieser im Handel erhältlichen Sets hat er umprogrammiert und in sein eigenes Auto eingebaut, um 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.“
Testfahrzeug bei der Abgasmessung im Rollenprüfstand der TU Nürnberg (Bild: Nahs)
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.
Die Messwerte zeigen ein Absinken der Ansaugluft-Temperatur durch die Wassereinspritzung. (Grafik: 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 mit seiner Abschlussarbeit "Auswirkungen einer Wassereinspritzung in die Ladeluftstrecke auf das Betriebsverhalten eine aufgeladenen Dieselmotors". (Bild: Bögl)
„Hier hat alles gestimmt" – Interview mit Dr. Bettina Steitz
Dr. Bettina Steitz ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachbereich Technik. Sie betreut das Modul Virtuelle Produktentwicklung im Master Maschinenbau und den Studienschwerpunkt Produktentwicklung (auch als Zertifikatsmodul) im Bachelor Wirtschaftsingenieurwesen. Als sie die Bachelorarbeit von Stefan Nahs auf den Tisch bekam, war sie von Inhalt und Qualität der Arbeit begeistert. Im Kurzinterview erzählt sie, warum die Arbeit besonders ist.
Frau Dr. Steitz, wie war Ihr erster Eindruck, als Sie die Bachelorarbeit gesichtet haben?
Mir ist bereits die Themenvereinbarung, in der im Vorfeld der Rahmen der Bachelorarbeit festgelegt wurde, aufgefallen. Natürlich ist das Thema Diesel brandaktuell und wird teils emotional diskutiert. Gleichzeitig war die Themenvereinbarung aber sachlich und sehr gut strukturiert aufgebaut.
Was ist das Besondere an der Arbeit?
Besonders auffällig ist die Transferleistung, die bereits im Exposé der Arbeit deutlich wurde: Herr Nahs zieht die Querverbindungen zwischen verschiedenen Anwendungen und Branchen so, wie man sich das für die als Allrounder gesehenen Wirtschaftsingenieure wünscht. Insgesamt war die Aufbereitung von auffallend hoher Qualität, was sich auch in der sehr guten Benotung durch die Prüfer wiederspiegelt.
Wie kommen Studierende an die Themen für die Abschlussarbeit – wird dort schon geforscht?
Die meisten Studierenden bringen ein Thema aus ihrem beruflichen Umfeld mit, davon hängt auch ab, wie hoch der Forschungsanteil ist. In der Bachelorarbeit geht es im Wesentlichen erstmal darum, wirklich wissenschaftlich zu arbeiten, also das Grundhandwerk der wissenschaftlichen Arbeitsweise zu lernen und nachzuweisen, dass man dieses beherrscht.
Die Arbeit von Herrn Nahs hat für mich in allen Gebieten, die eine gute Arbeit ausmachen, die Erwartungen übertroffen. Hier hat einfach alles gestimmt. Sehr gut gewähltes Thema, ein sehr hoher Eigenanteil bei der Bearbeitung, ein überdurchschnittliches, eigenständiges Engagement und eine sehr gute handwerkliche Aufbereitung.
