Verkehr: Das Kaltstart-Dilemma der Autos mit Hybridantrieb

Bei Hybridautos und Plugin-Hybriden kommt es häufiger zu Kaltstarts als bei normalen Verbrennungsmotoren - wenn der Verbrennungsmotor ausgeht und der Elektromotor das Auto durch die Stadt schiebt. Wie schnell lässt sich der Katalysator vorwärmen, damit er Abgase dennoch gut reinigen kann?

Artikel von Rainer Klose/Edison veröffentlicht am 14. Februar 2020, 14:30 Uhr

Motor auf dem Prüfstand: Der Katalysator braucht eine Betriebstemperatur von 140 Grad Celsius. (Bild: Daimler)

Im vergangenen Jahr wurden in Deutschland fast eine Viertelmillion Pkw mit Hybridantrieb neu zugelassen - 83,7 Prozent mehr als im Vorjahreszeitraum. Und die starke Nachfrage nach dieser Antriebsform, ist, befeuert durch steuerliche Fördermaßnahmen und ein wachsendes Modellangebot, weiterhin sehr groß. Denn diese Autos können einige Kilometer weit rein elektrisch durch die Stadt fahren, so dass sie im Alltag deutlich weniger Kraftstoff benötigen. Das gilt erst recht für die so genannten Plugin-Hybride - Teilzeitstromer, bei denen der Akku an einer Steckdose wieder aufgeladen werden kann. Sie bewegen sich bis zu 50 Kilometer weit elektrisch durch die Stadt. Der Verbrennungsmotor springt hier erst an, wenn das Auto auf der Autobahn oder der Landstraße beschleunigt wird.

Das Problem dabei: Der Motor legt dabei jedes Mal einen Kaltstart hin, bei hoher Drehzahl und Motorlast - ganz anders als bislang üblich. Kann die Abgasreinigung da mithalten? Sind die Katalysatoren, die wir seit den 1980er-Jahren einsetzen, für solche Fälle geeignet? Viola Papetti und Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler von der Empa, der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, haben dies mit einem speziell entwickelten mathematischen Modell nachgerechnet. Und sie geben Empfehlungen, wie Katalysatoren in Zukunft vorgewärmt werden könnten, um optimal zu funktionieren.

Nur ein warmer Kat ist ein guter Kat

Bei einem Kaltstart bläst der Motor heiße Verbrennungsgase in den kalten Katalysator. Dieser muss sich sukzessive aufwärmen, um seine chemische Reinigungswirkung zu entfalten. Solange er kalt ist, entweichen Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe ungehindert an die Außenluft. Die guten Emissionswerte moderner Euro-6-Fahrzeuge werden erst bei warmem Katalysator erreicht. Die Unterschiede zwischen warm und kalt sind allerdings drastisch: In den ersten drei Minuten nach dem Kaltstart emittiert ein Fahrzeug mehr Schadstoffe als bei einer 1000 Kilometer langen Fahrt mit einem betriebswarmen Motor.

Für ihre Modellrechnungen wählten die Forscher aus der Schweiz einen typischen Katalysator eines 2,0-Liter-Benzinmotors. Mithilfe von eigens entwickelten Programmen auf Basis der Open-Source-Softwareplattform OpenFOAM berechneten sie, wie die heißen Auspuffgase die Keramikwaben des Katalysators und die katalytische Reinigungsschicht, genannt "Washcoat", aufheizen. Zunächst wird der Kat durch die heißen Gase nur "warmgeföhnt", dann durchdringt die Hitze allmählich die Keramik und die Blechhülle des Katalysators. Etwas später setzen die ersten chemischen Reaktionen im vorderen Teil des Katalysators ein: Die Schadstoffe werden am Washcoat zunächst teilweise chemisch zerlegt. Das sorgt für zusätzliche Wärme, die zur Aufheizung des restlichen Katalysators ausreicht.