Kaltstart als Schadstoffquelle: Die ersten Minuten sind entscheidend

Beim Starten eines Benzinmotors zeigt der Katalysator noch kaum Wirkung. Minutenlang gelangen grosse Mengen an unbehandelten Abgasen in die Luft. Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) hat nun ein Katalysatorsystem entwickelt, welches das Problem entschärfen könnte. Damit die Industrie aufspringen, braucht es aber strengere Abgasvorschriften. 

Text: Nicolas Gattlen

Kaltstart
© Connel_Design/iStock

Moderne Abgaskatalysatoren sind extrem wirksam: Sie eliminieren bis zu 99 % aller relevanten Luftschadstoffe, die in einem Benzinmotor entstehen. Allerdings erzielen sie diesen Höchstwert nur im «heissen» Betrieb, bei 200 bis 300 °C. Und solche Temperaturen werden erst nach mehreren Minuten Fahrt erreicht. An kühlen Frühlings- und Herbsttagen sowie im Winter dauert es besonders lange, bis der Katalysator durchgeheizt und voll leistungsfähig ist. 

Was während der ersten Fahrminuten im Katalysator eines 2,0-Liter-Benzinmotors passiert, hat ein Forschungsteam der Empa um Viola Papetti und Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler berechnet. Ihre Modellrechnung startet an einem Wintertag bei minus 13 °C. In den ersten 30 Sekunden der Autofahrt geschieht im Katalysator noch gar nichts. Dann beginnt sich das erste Viertel des Katalysators zu erwärmen, nach einer Minute startet die Erwärmung im zweiten Viertel; erst zwei Minuten nach Motorstart wird das dritte Viertel warm. Dreieinhalb Minuten dauert es insgesamt, bis der Katalysator zu Dreivierteln durchgeheizt ist und bei 140 °C Betriebstemperatur einen wesentlichen Teil der Abgase beseitigen kann. 

Beträchtliche Schadstoffmengen

Messungen der Empa haben gezeigt, dass rund 40 % der gesamten Kohlenmonoxidemissionen (CO), 90 % der Kohlenwasserstoffemissionen (HC), 59 % der Stickoxidemissionen (NOX) und 50 % der Partikel von Benzinfahrzeugen der Abgasnorm Euro 6b aus den ersten 300 Sekunden nach einem Kaltstart stammen. «In den ersten 300 Sekunden emittieren moderne Benziner mehr Luftschad­stoffe als bei einer 1300 Kilometer langen Fahrt mit betriebswarmem Motor», erklärt Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler. Auch Dieselautos emittieren beim Kaltstart beträchtliche Mengen an schädlichen Gasen: 73 % der CO-, 39 % der HC-, 33 % der NOX- und 75 % der Partikel-Emissionen stammen aus dem Kaltstart. 

Besonders tückisch sind die aromatischen Kohlenwasserstoffe, deren toxische und krebserzeugende Wirkung seit Jahrzehnten bekannt ist. Mit den NOX können sich Kohlenwasserstoffe zudem in der Atmosphäre chemisch verbinden und mikroskopisch kleine Partikel bilden. Weil sich Feinstaub negativ auf die Gesundheit auswirkt, ist auch dieser «sekundäre Feinstaub» zu reduzieren, und zwar genauso wie jene «primären» Staubteilchen, die direkt aus den Motoren der Autos strömen und heute grösstenteils durch Partikelfilter zurückgehalten werden.

Zu besonders vielen emissionsreichen Kaltstarts kommt es bei Hybridautos und Plug-in-Hybriden: Ihre Antriebssysteme schalten im Stop-and-go-Verkehr regelmässig auf den Elektromotor um; Verbrennungsmotor, Auspuffanlage und Katalysator kühlen in dieser Phase ab. Startet der Verbrennungsmotor danach wieder, strömen Abgase teils ungereinigt durch den Katalysator. Immerhin startet das Aufheizen des Katalysators auf einem höheren Temperaturniveau als bei einem «echten» Kaltstart, was günstiger für das Einsetzen der ersten Reinigungsreaktionen ist. 

Die Empa simulierte auch den Kaltstart auf der Autobahnauffahrt: ein typisches Szenario für Plug-in-Hybride, die mit Batteriestrom bis an den Stadtrand fahren und dann Gas geben. Auch in diesem Fall stossen die Fahrzeuge noch minutenlang giftige Schadstoffe aus. Das ist umso brisanter, als die Hybrid-Flotte in der Schweiz rasant wächst: 2020 wurden im ersten Quartal bereits über 6000 Vollhybride (75 % mehr als im Vor­jahresquartal) und über 2200 Plug-in-Hybride eingelöst (+194 %).

Mikrowellen heizen Katalysator auf

Das Kaltstartproblem lässt sich nur lösen, wenn der Katalysator gezielt aufgeheizt wird, sobald der Verbrennungsmotor anspringt. Oder noch besser: bevor er anspringt. Ein Team um Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler hat im Rahmen eines BAFU-Förderprojekts ein entsprechendes System entwickelt: Die Aufheizung erfolgt bereits beim Öffnen der Autotür mittels einer Mikrowellen­quelle – einem handelsüblichen Magnetron, wie es auch in Haushaltsgeräten zu finden ist. Den nötigen Strom (1 Kilowatt) bezieht der Mikrowellensender von der Autobatterie.

Damit sich ein Katalysator in etwa 30 Sekun-den auf 300 °C aufheizen lässt, muss er klein sein und Mikrowellen gut absorbieren können. Das Empa-Team entwickelte deshalb eine neuartige Katalysatorstruktur, die einen besseren Wärmeübergang ermöglicht. Das Innenleben des Katalysators besteht nicht wie üblich aus geradlinigen Kanälen, sondern aus tausenden hohlen, würfel­förmigen Elementen, die eine Verwirbelung der Abgase bewirken. Dadurch haben die Gase einen intensiveren Kontakt mit den katalytisch wirksamen Edelmetallen; die Umwandlung der Schadstoffe erfolgt so schneller und besser. Die jüngsten Messungen mit einem Benziner (Zulassung 2020) sind vielversprechend: Beim Kaltstart liessen sich die Schadstoffemissionen um 40 % verringern – obschon der Katalysator und das Magnetron nicht ideal platziert werden konnten. 

Suche nach der besten Methode

Neben Mikrowellen bieten sich noch weitere Optionen an, um den Aufwärmprozess im Katalysator zu beschleunigen. «Der Motor könnte so abgestimmt werden, dass während des Kaltstarts heissere Abgase produziert werden», erklärt Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler. «Das kostet allerdings zusätzlich Treibstoff. Bei Hybriden liesse sich die Hybridbatterie nutzen, um die Abgase elektrisch vorzuwärmen.» In Simulationsrechnungen hat die Empa für einen Hybridwagen analysiert, mit welcher Methode sich Schadstoffe am effizientesten vermeiden lassen und welche am wenigsten Energie kostet. Demnach ist es beim Kaltstart im Stop-and-go-Verkehr am günstigsten, nur die Abgase vorzuheizen. Beim Kaltstart auf der Autobahn würde das wegen der grossen Abgasmenge zu viel Energie kosten. Hier lohnt es sich, den Katalysator mit Mikrowellen direkt vorzuwärmen. «Am Ende bringt eine Kombination aus allen Methoden die besten Ergebnisse», bilanziert der Forscher. 

Die Autoindustrie kennt das Problem. Auch sie ist dabei, Lösungen zu entwickeln: BMW zum Beispiel arbeitet daran, die Abwärme des Motors zu speichern, um Motor, Auspuff und Katalysator warmzuhalten. Ihr Wärmespeicher entspricht dem Prinzip einer überdimensionalen Thermoskanne: Der Motor wird rundum eingekapselt. Ob der Katalysator dadurch über zwölf Stunden hinweg warm bleibt, ist noch ungewiss. 

Harmonisiertes Testverfahren 

Dass wirksamere Katalysatoren und Wärmespeicher zwar entwickelt werden, aber noch nicht im Serieneinsatz sind, hat vor allem einen Grund: Solche Massnahmen waren bis vor Kurzem für die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasmessungen nicht notwendig. Der Kaltstart war lediglich der erste Teil der vorgeschriebenen Abgasmessung, die zudem bei einer Umgebungstemperatur von 23 °C durchgeführt wurde. Die Grenzwerte werden jedoch über die Ergebnisse des gesamten Zyklus angewendet. In den letzten Jahren wurden die Abgasvorschriften nun aber kontinuierlich verschärft beziehungsweise um neue Testbedingungen ergänzt (repräsentativerer Zyklus, reale Fahremissionen, tiefere Umgebungstemperaturen).

Das BAFU setzt sich im Weltforum für die Harmonisierung von Fahrzeugvorschriften für strengere Kaltstart-Vorgaben ein, die den Temperaturen in unserem Land gerecht werden, und fördert die Entwicklung von entsprechenden Testverfahren durch die Empa (internationale Zusammenarbeit, siehe Box). Im Frühjahr 2020 einigte man sich auf internationaler Ebene auf ein neues harmonisiertes Testverfahren für die Abgasmessung bei tiefer Umgebungstemperatur (Kaltstart bei –7 °C). Es umfasst alle relevanten Luftschadstoffe und gilt für sämtliche Fahrzeuge (auch Hybride). Dieses harmonisierte Verfahren kann nun von der Europäischen Kommission in die neue Abgasnorm Euro 7 aufgenommen werden, die dann auch für die Schweiz gelten wird.

Bessere Luft dank internationalem Zusammenspiel

Die Verbesserung der Luftqualität wird in der Schweiz von zwei Seiten angegangen: über Immissionsgrenzwerte und über Emissionsgrenzwerte. Bei den in der Luftreinhalte-Verordnung (LRV) festgelegten Immissionsgrenzwerten steht der Schutzgedanke im Vordergrund: Die Bevölkerung und die belebte Umwelt sollen vor Luftschadstoffen geschützt werden. Die Schweiz hat sich zudem dem Übereinkommen über weiträumige grenzüberschreitende Luftverunreinigung (CLRTAP) angeschlossen. Darin sind verbindliche Belastungsgrenzen für verschiedene Schadstoffe festgelegt. Bund und Kantone überprüfen die Luftschadstoffe an verschiedenen Standorten. Sind die Immissionen zu hoch, müssen die Kantone zusätzliche Massnahmen ergreifen. Bei der Festlegung von Emissionsgrenzen orientiert man sich am Vorsorgeprinzip, das im Umweltschutzgesetz (USG) aufgeführt ist. Schadstoffemissionen sollen bereits an der Quelle reduziert werden oder vielmehr gar nicht erst entstehen. 

Um den Schadstoffausstoss des Strassenverkehrs zu senken, passt der Bund die Vorschriften über Abgase und Treibstoffqualität laufend dem Stand der Technik an. So wurde der Gehalt an problematischen Substanzen in Benzin (Blei, Benzol) und Diesel (Schwefel) nach und nach begrenzt. Bleifreies Benzin mit tiefem Benzolgehalt und schwefelarmer Diesel sind heute Standard. Von 1982 bis 1995 hatte die Schweiz eigene und im Vergleich mit anderen Ländern viel strengere Abgasgrenzwerte. Diese hatten zur Folge, dass sich der Katalysator in der Schweiz früher etablierte. Seit 1995 sind die Abgasvorschriften der Schweiz vollständig mit denjenigen der EU harmonisiert, die inzwischen ebenfalls strenger geworden sind.Der Bund (ASTRA, BAFU) beteiligt sich in internationalen Gremien wie dem Weltforum für die Harmonisierung der Fahrzeugvorschriften (eine Arbeitsgruppe der Wirt­schaftskommission für Europa der Vereinten Nationen UNECE) an der Entwicklung von Abgasnormen und Testverfahren, beispielsweise im Bereich der Kaltstart-Thematik (siehe Haupttext).

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Letzte Änderung 24.02.2021

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