Warum produziert der Motor in den ersten Minuten die höchsten Emissionen?

Ein kalter Motor erzeugt in den ersten Minuten nach dem Start ein Vielfaches der Emissionen eines warmen Motors; denn der Katalysator hat seine Arbeitstemperatur noch nicht erreicht, der Motor läuft zum Schutz der Sicherheit mit fettem Gemisch und der Kraftstoff kann nicht vollständig verdampfen. Messungen zufolge entsteht der Großteil der Schadgasemissionen einer Fahrt in den ersten ein bis zwei Minuten nach dem Start. Auf dieser Seite untersuchen wir den Mechanismus dieser ersten Minuten und die Lösungsansätze der Hersteller mit ihren Zahlen.

Warum erzeugt ein kalter Motor mehr Emissionen?

Der Kern des Problems ist ein Wärmeproblem. Der Katalysator, der Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) im Abgas in harmlose Verbindungen umwandelt, arbeitet wie ein chemischer Reaktor - und diese Reaktionen setzen erst oberhalb einer bestimmten Temperatur ein. Diese Schwelle, ab der der Konverter effizient arbeitet, wird als Light-off-Temperatur bezeichnet und liegt bei Benzinfahrzeugen typischerweise bei etwa 200 °C, also rund 400 °F. In den ersten Minuten nach dem Kaltstart liegt der Konverter unterhalb dieser Schwelle; jedes Gramm Schadstoff, das in den Auspuff gelangt, geht nahezu unumgewandelt in die Atmosphäre über.

Das Zahlenwerk veranschaulicht ein klares Beispiel: Ein modernes Benzinfahrzeug, das bei -4 °F gestartet wird, stößt etwa das 15-fache an CO und das 35-fache an HC aus. In dieselbe Richtung geht die Messung, dass die CO-Emission bei kaltem Motor auf etwa das Dreifache eines warmen Motors steigt, die gesamten Kohlenwasserstoffe auf etwa das Vierfache. Hinzugefügt werden sollte die Schätzung, dass jede Absenkung der Umgebungstemperatur um 20 °F die Partikelemissionen beim Kaltstart pro Meile etwa verdoppelt.

Der Anteil dieser ersten Phase am Gesamtbudget einer Fahrt ist beeindruckend. Nach Herstellerangaben entstehen mehr als 70 % der Schadgasemissionen einer durchschnittlichen Fahrt beim Kaltstart; bei konventionellen Fahrzeugen kann das 30-40 Sekunden lange Fenster, in dem der aufgewärmte Konverter eingreift, bis zu 80-90 % der Gesamtemissionen des Fahrzyklus ausmachen. Daher stammt auch der bekannteste Vergleich zum Thema: Die Zeit, die man an einem kalten Wintertag braucht, um ins Auto zu steigen, den Sicherheitsgurt anzulegen und die Spiegel einzustellen, kann mehr Schadgase erzeugen als eine 200-Meilen-Autobahnfahrt.

Was passiert in den ersten Minuten? Die mechanischen Ursachen des Emissionshöhepunkts

Der Emissionsspitze beim Kaltstart liegt nicht eine einzige Ursache zugrunde, sondern das Aufeinander treffen mehrerer sich gegenseitig verstärkender Mechanismen. Wenn wir diese einzeln beleuchten:

Fettes Gemisch und unvollständige Verbrennung

Trifft der Kraftstoff im kalten Motor auf die Zylinderwände, kann er nicht verdampfen; dass er flüssig bleibt, schwächt die Verbrennung und kann dazu führen, dass der Motor abstirbt. Um das zu verhindern, injiziert das Steuergerät in den ersten Minuten mehr Kraftstoff als üblich, fettet das Gemisch also bewusst an. Die natürliche Folge des fetten Gemischs ist, dass ein Teil des Kraftstoffs mangels Sauerstoff nicht vollständig verbrennt und als CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe ins Abgas gelangt. Nachdem Motor und Kühlmittel aufgeheizt sind, zieht das Steuergerät das Gemisch auf den Nennwert, doch bis zu diesem Punkt ist der Schaden in die Emissionsbilanz eingegangen.

Die Auswirkung von kaltem Öl auf Reibung und Abdichtung

Die Viskosität des Öls ist stark temperaturabhängig. Kaltes Öl ist zäher; die innere Motorreibung steigt, und die Abdichtung rund um Kolbenringe und Ventilschaftdichtungen lässt nach. Das Ergebnis ist in den ersten Minuten eine weniger effiziente und schmutzigere Verbrennung. Deshalb kann die Verbrennungsqualität vor Erreichen der vollen Betriebstemperatur nicht das Niveau des warmen Motors erreichen.

Verzögerung der Verdampfung und kalte Oberflächen

Ein weiterer Posten in der Emissionsbilanz ist die Verzögerung der Verdampfung. Damit der Kraftstoff vollständig verdampfen kann, ist ausreichend Wärme im Zylinder nötig; im kalten Motor fehlt diese Wärme, und ein Teil des Kraftstoffs gelangt unverbrannt ins Abgas. Außerdem sind Auspuffkrümmer und Konvertergehäuse ebenfalls kalt, weshalb die ankommenden Gase durch Wärmeverlust weiter abkühlen und der ohnehin geringe Konverterwirkungsgrad noch etwas weiter sinkt.

Wie lange dauert ein Kaltstart? Warum variiert die Definition der Dauer?

Ein interessantes technisches Detail: In der Literatur gibt es keine einheitliche Definition, wie lange die Kaltstartphase dauert. In verschiedenen Messstudien wird die kalte Phase als 120 Sekunden, 165-230 Sekunden, im Durchschnitt 1 km (maximal 3 km) oder im Durchschnitt 5,2 km definiert. Ein weiterer verbreiteter Ansatz zählt die Phase, bis das Kühlmittel 70°C erreicht hat. Der Grund für den Unterschied ist die Definition: manche Studien nehmen die Erwärmung des Konverters zum Maßstab, manche das Erwärmen des Kühlmittels, wieder andere die Rückkehr der Kraftstoffabschaltung zum Normalzustand.

Auch die Standzeit ist wichtig. Ein vollständiges Auskühlen des Motors kann bis zu 12 Stunden dauern, doch der Großteil des Wärmeverlusts tritt in den ersten 2 Stunden auf. Nach einer Standzeit von 45 Minuten kühlt der Konverter deutlich aus; die CO- und HC-Emissionen steigen wieder auf die Hälfte der Kaltstartwerte zurück, die NOx-Differenz auf mehr als 85%. Schon eine kurze Pause von 15 Minuten genügt, um die Startemissionen zu erhöhen. In der Praxis bedeutet das, dass sich die gesamte Emissionsbilanz von Fahrzeugen, die tagsüber häufig kurze Fahrten mit kurzen Pausen machen, sichtbar aufbläht.

Wie lösen die Hersteller dieses Problem?

Das ingenieurtechnische Ziel lässt sich in einem Satz zusammenfassen: den Konverter möglichst schnell auf seine Zündtemperatur zu bringen und die dabei entstehenden Emissionen zu reduzieren. Die Wege zu diesem Ziel lassen sich in mehrere sich ergänzende Strategien unterteilen.

Close-coupled (nahe angeordneter) Katalysator

Die direkteste Lösung ist geometrisch: den Katalysator aus dem Unterboden zu nehmen und so nah wie möglich ans Abgaskrümmer, also an den Motor, zu verlegen. Das heiße Abgas erreicht den Katalysator mit geringerem Wärmeverlust, die Light-off-Zeit verkürzt sich; ein motornah positionierter Katalysator erreicht im Vergleich zum Unterbodenkatalysator deutlich höhere Temperaturen. Der Preis für diesen Ansatz liegt in Paketierung und Wärmemanagement: die Nähe des Katalysators zum Motor birgt das Risiko einer ungewollten Wärmeübertragung in den Fahrgastraum, und die Wärmedämmung der Abgasanlage wird kritisch.

Elektrisch beheizter Katalysator (EHC)

Der zweite Weg ist, den Katalysator nicht warten zu lassen, sondern aktiv zu beheizen. Bei elektrisch beheizten Katalysatoren bringt ein resistanzähnliches Heizelement den Katalysator direkt nach dem Start auf die Light-off-Temperatur. Die Anwendungen der ersten Generation konnten wegen Bedenken hinsichtlich Energieeffizienz und Haltbarkeit nicht weit verbreitet werden; doch die leistungsstärker werdenden elektrischen Architekturen in Fahrzeugen, insbesondere die großen Batterien in Hybrid- und Plug-in-Hybridfahrzeugen, haben diese Technologie mit nur geringem zusätzlichen Kraftstoffverbrauch praktikabel gemacht. Heute zielen Bosch' Rapid Catalyst Heating System und Eberspächers Lamella Heater Lösung darauf ab, die Katalysatoraktivierung zu beschleunigen und so die Emissionen in der Kaltstartphase zu senken. Auch auf der Dieselseite hat die Kombination aus nah angeordnetem SCR und EHC erhebliches Potenzial zur Emissionsreduzierung. Corning's FLORA-Substratstruktur geht dagegen einen anderen Weg: da der Katalysator mit weniger Energie die Light-off-Temperatur erreicht, sinkt der zusätzliche Kraftstoffbedarf beim Kaltstart.

Wärmemanagement und HC-Fallen in Hybridsystemen

Hybridfahrzeuge lösen das Kaltstartproblem auf zwei Arten. Erstens versorgt die leistungsstarke Batterie den EHC; zweitens heizt der beim Eingreifen des Motors stärkere Abgasstrom den Katalysator schnell auf. Bei Plug-in-Hybrid-Messungen ist der Katalysator nach etwa 90 Sekunden in der Lage, sämtliche Abgase zu reinigen; ein abgekühlter Katalysator hingegen benötigt selbst bei einer Restwärme von etwa 90°C bis zur vollständigen Betriebstemperatur drei Minuten. Auch die Wärmespeicherung ist ein wirksames Mittel: ein Prototyp-Katalysator mit phasenwechselmaterialien, die die Wärme des Katalysators speichern, konnte seine Temperatur statt 25 Minuten ganze 17 Stunden halten; eine 500-sekündige Vorheizung erzielte in diesem System eine Verringerung von CO um 64 % und von HC um 15 %.

Um die bis zur Light-off des Katalysators entstehenden Emissionen zu beseitigen, gibt es noch eine weitere Technologie: Kohlenwasserstoff-Fallen. Diese Strukturen mit einer Silber-Zeolith-Mischung fangen die beim kalten Motor zunehmenden Kohlenwasserstoffe vorübergehend ein; ist der Katalysator aufgeheizt, geben sie die gebundenen Kohlenwasserstoffe wieder frei und überlassen die Umwandlung ihm. Auf der Motorseite gilt der verzögerte Zündwinkel als klassischer Hebel, der durch Erhöhung der Abgastemperatur das Aufheizen des Katalysators beschleunigt, und wird als Alternative zur elektrischen Beheizung betrachtet. Jeder Ansatz hat einen Kompromiss: elektrische Heizung ist schnell, bringt aber zusätzliche Komponenten und eine mögliche Fehlerquelle mit sich; ein nah gekoppelter Katalysator benötigt keine zusätzliche Energie, macht aber das Wärmemanagement schwieriger.

Wozu dient der zweite Lambdasonde?

Eine häufige Frage von Autofahrern betrifft die Aufgabe des zweiten Sauerstoffsensors im Auspuff. Die Grundaufgabe der Lambdasonde im Oberstrom, also vor dem Katalysator, ist die Kraftstoffregelung: Sie misst den Sauerstoff im Abgas und sorgt dafür, dass das Steuergerät das Gemisch beim stöchiometrischen Wert hält. Der zweite Sensor im Unterstrom überwacht dagegen den Bereich hinter dem Katalysator; seine Hauptaufgabe ist die Messung der Effizienz des Katalysators. Durch den Vergleich der Signale beider Sensoren wird die Sauerstoffspeicher- und Umwandlungskapazität des Katalysators bewertet; sinkt die Effizienz unter die definierte Grenze, schaltet das Steuergerät die Motorkontrollleuchte ein. Im Kontext des Kaltstarts ist dieser zweite Sensor der Kontrollmechanismus, der bestätigt, ob der Katalysator nach dem Start tatsächlich seine Arbeit erledigt.

Was sollten Autofahrer tun? Warum ist Warmlauf im Leerlauf falsch?

Einer der häufigsten Fehler ist es, das Auto bei kaltem Wetter im Leerlauf warm laufen zu lassen. Messungen empfehlen genau das Gegenteil: Bei milden Temperaturen erzeugt der Leerlauf höhere Emissionen als eine Aufwärmfahrt und heizt die Abgasnachbehandlung nicht so schnell auf wie die Fahrt. Da Abgasstrom und Motorlast im Leerlauf gering sind, erwärmt sich der Katalysator langsam; bei einer sanften Fahrt erreichen dagegen sowohl Motor als auch Katalysator viel schneller ihre Betriebstemperatur. Der einzige Fall, in dem Warmlauf im Leerlauf vertretbar bleibt, ist extreme Kälte wie Frost, wenn Scheiben enteist und der Motor geschützt werden müssen.

Auch andere praktische Schlussfolgerungen beruhen auf derselben Logik:

• Verbinden Sie kurze Stopps im Tagesverlauf so weit wie möglich miteinander; nach Pausen von 15-45 Minuten steigen die Startemissionen deutlich an.
• Fahren Sie direkt nach dem Start des Fahrzeugs mit niedriger Drehzahl und sanftem Gasgeber los; vermeiden Sie langes Warten im Leerlauf.
• Wenn die Check engine-Leuchte besonders bei kaltem Wetter leuchtet, lassen Sie den Kühlmitteltemperatursensor überprüfen; Dieser Sensor liefert die Information, mit denen das Steuergerät (ECU) die Einspritzmenge und den Zündzeitpunkt beim Kaltstart einstellt; ein Defekt kann das Gemisch verändern.

Warum wird der Kaltstart im Zeitalter von Euro 7 noch kritischer?

Die Emissionsgesetzgebung greift das Kaltstart-Problem direkt auf. Euro 7 führt Verschärfungen ein, wie eine nominal 25% niedrigere Grenze bei Dieselfahrzeugen und die Senkung des Konformitätsfaktors von 1,43 auf 1; die neueste Emissionstechnologie kann die NOx-Emissionen von Lkw im Vergleich zur vorherigen Norm um 75-96% und die NOx-Emissionen von Benzinfahrzeugen um 40-64% reduzieren. Je enger die Grenzen werden, desto mehr rückt die Verkürzung der Kaltstart-Phase, die den Großteil der Gesamtemissionen ausmacht, unvermeidlich in den Mittelpunkt der Ingenieurskunst. Auch die Verbreitung von Hybridfahrzeugen verändert das Bild: Es wird geschätzt, dass der Anteil der Kaltstart-Emissionen von Hybridfahrzeugen an den gesamten CO-, HC- und NOx-Emissionen im Jahr 2035 jeweils 14%, 25% und 13% betragen könnte; die Elektrifizierung beseitigt dieses Problem also nicht, sondern formt es neu.

Das Ergebnis ist eine einfache Gleichung: Bis der Katalysator warm ist, kann das Fahrzeug nicht sauber laufen, und diese erste Minute bestimmt das Emissionsschicksal der gesamten Fahrt. Nah angeordnete Katalysatoren, elektrische Beheizung, Wärmespeicherung und HC-Fallen sind Lösungen, die alle auf dasselbe Ziel ausgerichtet sind; der Beitrag des Fahrers besteht darin, die Leerlaufphase zu beenden und das Fahrzeug sanft loszufahren.

Quellen

• The problem of cold starts: A closer look at mobile source emissions levels (Reiter & Kockelman)
• Cold Start Emission Reduction (Corning)
• The cold-start dilemma (Empa)
• Review of thermal management of catalytic converters (Gao u. a., 2019)
• Bosch Rapid Catalyst Heating
• Reducing emissions through shorter cold-start phases (Eberspächer)
• Impacts of cold starts and hybrid electric vehicles (Jiang u. a., 2024)
• Close-coupled Catalytic Converters (Pfalzgraf u. a., SAE 960261)
• Monitoring Emission Efficiency With O2 Sensors
• Euro 7 emission standards (Infineum Insight)
• Euro 7 factsheet (AECC)
• Comprehensive experimental analysis of diesel engine ccSCR + EHC (Li u. a., 2025)
• Contribution of Cold Starts to Real-World Trip Emissions (Hu u. a., 2022)