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Kaltstart

Unter dem Kaltstart eines Geräts, z. B. eines Verbrennungsmotors, versteht man das Starten des Betriebs im kalten Zustand. Die Betriebsphase vom Kaltstart bis zum Erreichen der normalen Betriebstemperatur wird als die Warmlaufphase bezeichnet. Dieser Artikel behandelt den Kaltstart speziell im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren in der Form von Hubkolbenmotoren, wie sie vor allem in Fahrzeugen eingesetzt werden.

Wenn ein Motor während des Startens bereits annähernd seine Betriebstemperatur hat (etwa weil er kurz vorher schon lief), spricht man von einem Warmstart. Ein Heißstart liegt vor, wenn der Motor anfangs bereits eine besonders hohe Temperatur hat – beispielsweise wenn er vor kurzem nach dem Betrieb mit hoher Leistung abgestellt wurde.

Probleme im Zusammenhang mit dem Kaltstart

Verminderte Schmierung

Die bewegten Teile in einem Hubkolbenmotor müssen ausreichend geschmiert werden, um übermäßigen Verschleiß zu vermeiden. Diese Schmierung funktioniert jedoch beim Kaltstart noch nicht gut, weil einerseits das kalte Schmieröl wesentlich zähflüssiger ist als bei der normalen Betriebstemperatur, und andererseits noch nicht alle kritischen Stellen (z. B. Gleitlager) gut mit Schmieröl versorgt sind. (Wenn ein Motor abgestellt wird, tropft ein wesentlicher Teil des Schmieröls von den Teilen nach unten; erst bei wieder laufendem Motor wird es durch die Schmierölpumpe wieder an die kritischen Stellen gebracht, was aber etwas Zeit braucht.)

Außer dem hohen Verschleiß in der Warmlaufphase tritt auch erhöhte Reibung auf, beispielsweise an den Kolbenwänden, und dies hat erhöhte Energieverluste zur Folge. Der Wirkungsgrad des Motors wird hierdurch deutlich verschlechtert, und der Kraftstoffverbrauch ist entsprechend erhöht.

Ein weiterer negativer Effekt ist, dass etwas unverbrannter Kraftstoff in das Schmieröl gelangen kann und dieses dann verdünnt. Die Ölverdünnung wirkt sich dann auch im warmen Zustand des Motors nachteilig auf die Schmierung aus. Dieser Effekt ist einer der Gründe, die einen regelmäßigen Austausch des Schmieröls (Ölwechsel) nötig machen.

Bei kaltem Motor kann auch Wasserdampf aus dem Abgas kondensieren und in Form kleiner Wassertröpfchen in das Öl gelangen. Dies vermindert ebenfalls die Schmierwirkung. Das Wasser kann allerdings später wieder aus dem Öl ausgetrieben werden, wenn das Öl genügend heiß wird.

Besonders belastend ist die verminderte Schmierung für den Motor, wenn ihm bereits ganz kurz nach dem Starten eine hohe Last abverlangt wird, besonders auch bei hohen Drehzahlen.

Gestörte Kraftstoffversorgung

Einem mit Benzin betriebenen Ottomotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt – außer wenn es sich um einen Motor mit Direkteinspritzung handelt. Solange die Wände des Ansaugkanals noch recht kalt sind, kann ein wesentlicher Teil des Kraftstoffs an diesen Wänden kondensieren, sodass das Kraftstoff-Luft-Gemisch "magerer" wird. Dies kann zu einer unvollständigen Verbrennung und zu unruhigem Motorlauf mit verminderter Leistung führen. Der kondensierte Kraftstoff kann später wieder verdampfen, wenn die Temperatur angestiegen ist, und das Gemisch dann entsprechend anreichern.

Bei manchen Motoren wird in der Warmlaufphase eine elektrische Beheizung der angesaugten Luft vorgenommen, um die Problematik der Kondensation zu reduzieren. Eine andere Möglichkeit ist es, die zugeführte Verbrennungsluft vorzuwärmen, indem man sie zumindest im Winterbetrieb am Abgaskrümmer vorbeiführt, der sich nach dem Start relativ schnell aufwärmt.

Dieser Effekt kann durch eine deutlich vermehrte Kraftstoffzufuhr ausgeglichen werden. Früher wurde dafür häufig ein so genannter Choke verwendet – eine zusätzliche verstellbare Klappe im Vergaser, der vor der Kraftstoffdüse liegt. Durch teilweises Schließen der Chokeklappe konnte der Unterdruck im Ansaugkanal erhöht werden, sodass entsprechend mehr Benzin angesogen wurde. Wegen der Schwierigkeit einer angemessenen Dosierung führte dies jedoch häufig zu einem zu fetten Gemisch und damit einerseits zu einem unnötig erhöhten Kraftstoffverbrauch und andererseits zu sehr schlechten Abgaswerten (siehe unten). Dieses Verfahren wird bei Autos nicht mehr verwendet, sondern nur noch vor allem bei kleinen, einfacheren Motoren.

Eine viel genauere Dosierung der Kraftstoffzufuhr ist mit einer elektronisch geregelten Kraftstoffeinspritzung möglich, die heute in benzinbetriebenen Fahrzeugen Standard ist. Allerdings kann die elektronische Steuerung unmittelbar nach dem Start noch nicht "wissen", eine wie starke Anfettung des Gemischs tatsächlich notwendig ist; die Dosierung muss zunächst auf der Basis von Erfahrungswerten anhand der gemessenen Temperatur eingestellt werden, meist ohne Unterstützung durch Messdaten, die Aufschluss über das Verbrennungsluftverhältnis in den Zylindern geben. Allerdings wird normalerweise die Lambdasonde relativ schnell aktiv und erlaubt dann eine genauere Überwachung des Verbrennungsluftverhältnisses.

Übrigens sollte das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Warmlaufphase in den Zylindern keineswegs zu fett sein – nicht nur wegen der erhöhten Erzeugung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sondern auch wegen der Reduktion der Verbrennungstemperatur, die gerade dann unerwünscht ist. Ein Kaltlaufregler wird das Gemisch also eher etwas magerer einstellen (d. h. mit einem Verbrennungsluftverhältnis etwas oberhalb von 1) – natürlich unter Berücksichtigung möglicher Abmagerung durch die Kondensation von Kraftstoff (siehe oben). Hierfür wird bei älteren Fahrzeugen dem Ansaugtrakt oft zusätzliche Luft zugeführt.

Bei Dieselmotoren treten tendenziell weniger Probleme mit der Kraftstoffversorgung in der Warmlaufphase auf, da die Kraftstoffeinspritzung entweder direkt in die Zylinder oder auch in direkt an die Zylinder angebaute Vorkammern erfolgt. Probleme gibt es bei sehr niedrigen Außentemperaturen am ehesten mit der sogenannten Versulzung des Dieselkraftstoffs; der Kraftstoff wird zu zähflüssig, um Leitungen und vor allem Kraftstofffilter zu durchlaufen. Dies ist allerdings nicht speziell ein Problem des Kaltstarts, sondern kann auch bei längst warmgelaufenem Motor auftreten.

Unvollständige oder gestörte Verbrennung

In der Warmlaufphase kommt es besonders häufig zu einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs. Bei benzingetriebenen Motoren liegt dies vor allem an Problemen mit der richtigen Dosierung der Kraftstoffzufuhr (siehe oben). Bei Dieselmotoren kann es vorkommen, dass die Temperatur der Verbrennungsluft in der Kompressionsphase für eine zuverlässige Zündung nicht weit genug ansteigt. Dem kann beispielsweise durch Verwendung von elektrisch beheizten Glühkerzen (für ein "Vorglühen" vor dem Start) entgegengewirkt werden.

Besonders problematisch ist oft der Betrieb im Leerlauf. Hier treten besonders große Wärmeverluste in der Kompressionsphase auf, was die Zündung unzuverlässig macht.

Bei Ottomotoren kann auch die Funktion des elektrischen Zündsystems gestört sein, beispielsweise wenn durch übermäßigen Gebrauch eines Chokes flüssiger Kraftstoff an den Zündkerzen einen Kurzschluss verursacht. Unter Umständen kann ein Motor hierdurch sogar völlig "absaufen", also ganz versagen, eventuell bis zur Reinigung der Zündkerzen.

Die Folgen einer unvollständigen Verbrennung sind oft ein unruhiger Motorlauf mit deutlich verminderter Leistung sowie eine starke Zunahme der Schadstoffemissionen über das Abgas (vor allem betreffend Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, beim Dieselmotor auch von Feinstaubpartikeln). Unverbrannte oder nur teilweise verbrannte (oxidierte) Kohlenwasserstoffe sind im Abgas sehr unerwünscht – gerade in der Warmlaufphase, wo ein Abgaskatalysator gar nicht oder höchstens teilweise effektiv ist (siehe unten).

Bei Dieselmotoren tritt in der Warmlaufphase häufig das sogenannte Nageln auf, d. h. eine erhöhte Geräuschentwicklung durch eine hart verlaufende Verbrennung. Dieses Phänomen ist auch mit einer erhöhten mechanischen Belastung des Motors (z. B. von Gleitlagern) verbunden. Das Nageln wird bei modernen Dieselmotoren durch eine Reihe von Maßnahmen minimiert, vor allem durch eine optimierte Kraftstoffeinspritzung. Auch eine hohe Kraftstoffqualität ist hilfreich.

Fehlende Effektivität des Abgaskatalysators

Ein Abgaskatalysator soll die Schadstoffe im Abgas reduzieren, indem er diese abbauende chemische Reaktionen beschleunigt. Dies funktioniert allerdings erst, wenn ein Katalysator eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius erreicht hat (wobei die nötige Betriebstemperatur stark von den jeweils verwendeten Katalysatormaterialien abhängt). Leider sind Katalysatoren deswegen gerade in der kritischen Phase direkt nach dem Starten des Motors weitgehend unwirksam, wo die Abgaszusammensetzung noch besonders ungünstig ist.

Vereinzelt wurde versucht, durch eine elektrische Zusatzheizung den Katalysator schneller auf Betriebstemperatur zu bringen. Dies erfordert allerdings eine recht hohe Heizleistung. Gebräuchlicher ist heute eine Platzierung des Katalysators relativ nahe am Abgaskrümmer, um Wärmeverluste des Abgases auf dem Weg zum Katalysator zu minimieren. Dies erhöht leider aber auch die Gefahr einer Überhitzung des Katalysators und kann deswegen bei hoher Last die häufigere Verwendung der recht schädlichen Volllastanreicherung nötig machen.

Noch nicht arbeitende Lambdasonde

Bei Fahrzeugen mit so genanntem geregeltem Katalysator (Drei-Wege-Katalysator) wird der Restsauerstoffgehalt des Abgases mithilfe einer Lambdasonde überwacht. Auch diese funktioniert erst, wenn sie eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat. Dieses Problem ist allerdings deutlich geringer als beim Katalysator, da solche Sonden relativ einfach elektrisch beheizt werden können, um innerhalb von Sekunden eine ausreichend hohe Temperatur zu erreichen.

Mögliche Maßnahmen für Problemlösungen

Minimierung von Kaltstartvorgängen

Am besten ist es, wenn Kaltstarts so weit wie möglich vermieden werden. Die Benutzer von Autos können hierzu beitragen, indem sie entweder das Auto für kurze Strecken gar nicht verwenden oder aber versuchen, kurze Fahrten möglichst zusammenzulegen. Beispielsweise erledigt man einen kleinen Einkauf vorzugsweise kurz nach der Rückkehr von einer anderen Fahrt oder bei einem kurzen Halt während dieser Fahrt, und nicht erst Stunden später.

Aufwärmung vor dem Start

Ein in einer nicht allzu kalten Garage geparktes Fahrzeug kann einen Kaltstart natürlich viel leichter absolvieren als eines, welches im Winter im Freien geparkt wird. Eine andere Möglichkeit ist, den Motor mithilfe einer Standheizung einige Minuten vor dem Start aufzuwärmen. Die Standheizung verbraucht zwar auch Kraftstoff, soweit sie nicht elektrisch erfolgt (mit Anschluss an das öffentliche Stromnetz), jedoch kann zumindest ein wesentlicher Teil dieser Kraftstoffmenge durch den vermiedenen Kaltstart wieder eingespart werden, und die gesamte Menge erzeugter Schadstoffe dürfte wesentlich geringer ausfallen als ohne Standheizung.

Schmierung vor dem Start

Es gibt Motoren, die über eine elektrische Schmierölpumpe verfügen. Dies erlaubt die Aufnahme der Schmierung schon vor dem Start des Motors und ist besonders dann nützlich, wenn der Motor sehr schnell die volle Leistung erbringen soll. Bei Fahrzeugen ist diese Technik allerdings nicht gebräuchlich; sie wird eher für große Notstromaggregate verwendet.

Wärmerückgewinnung aus dem Abgas

Nur bei wenigen Fahrzeugen wird eine Wärmerückgewinnung aus dem Abgas praktiziert, beispielsweise mithilfe eines Wärmerohrs zwischen dem Abgasstrang (hinter dem Abgaskatalysator) und dem Kühlwassersystem. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Kühlwasser schneller seine normale Betriebstemperatur erreicht. Damit ist auch schneller Wärme für die Beheizung des Fahrzeugs verfügbar, was insbesondere für das Freihalten der Windschutzscheibe wichtig ist. Dieselbe Einrichtung ist auch nützlich bei langsamen Fahrten bei sehr kaltem Wetter, vor allem bei Verwendung besonders energieeffizienter Antriebe, z. B. Hybridantriebe mit Atkinson-Motor.

Manche Fahrzeuge weisen einen wassergekühlten Abgaskrümmer auf, was ebenfalls zu einer schnelleren Aufheizung des Kühlwassers führt, allerdings auch eine erhöhte Kapazität des Kühlsystems erfordert. Der Hauptzweck dieser Maßnahme ist allerdings eher eine Verminderung der Klopfneigung, sodass der Einsatz der Volllastanreicherung vermindert werden kann.

Gestaltung der Warmlaufphase

Unmittelbar nach dem Start sollte ein Motor nur gering belastet und vor allem nur mit moderaten Drehzahlen betrieben werden, um den Verschleiß zu minimieren. Andererseits ist es vorteilhaft, wenn z. B. eine halbe Minute nach dem Start allmählich eine etwas höhere Motorleistung angefordert wird, weil der Motor dann schneller die Betriebstemperatur erreicht. Dies ist freilich schwer möglich, wenn man beispielsweise erst ein Wohngebiet mit niedrigem Tempo durchfahren muss. Ungünstig ist natürlich das Warmlaufen im Leerlauf; dies sollte nur praktiziert werden, wenn nur so die Scheiben genügend freigehalten werden können.

Verbesserte Möglichkeiten bestehen in Fahrzeugen mit Hybridantrieb. Hier kann die Motorsteuerung in der Warmlaufphase einen erhöhten Anteil der erzeugten Leistung für das Laden der Hybridbatterie verwenden, den Motor also mit entsprechend erhöhter Leistung betreiben. (Diese Methode ist zwar auch bei einem herkömmlichen Fahrzeug anwendbar, aber wegen der niedrigen Kapazität der Starterbatterie nur in sehr begrenztem Ausmaß; man wird diese Technik in der Regel hauptsächlich in Leerlaufphasen anwenden, da die Schadstoffemissionen bei völlig unbelastetem Betrieb besonders schlecht sind.) Umgekehrt kann bei kurzzeitig hoher Leistungsanforderung ein Teil der Leistung der Batterie entnommen werden, um eine übermäßige Belastung des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Wegen dieser und anderer Vorteile erreichen Fahrzeuge mit Hybridantrieb oft eine besonders gute Abgasqualität.

Üblich ist auch eine gewisse Erhöhung der Leerlaufdrehzahl in der Warmlaufphase, um eine stabilere Verbrennung und eine schnellere Aufwärmung des Motors und des Katalysators zu erreichen, freilich unter Inkaufnahme eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs.

Das Aufwärmen des Motors kann außerdem beschleunigt werden, indem die Motorsteuerung die Zufuhr von Kraftstoff und Verbrennungsluft erhöht, gleichzeitig aber die erzeugte Leistung durch Wahl eines späteren Zündzeitpunkts (beim Dieselmotor eine späteren Einspritzzeitpunkts) zu reduzieren. Hierdurch steigt vor allem die Abgastemperatur deutlich an, sodass der Abgaskatalysator schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Auf diese Weise können die Schadstoffemissionen in der Warmlaufphase deutlich reduziert werden, allerdings auf Kosten eines eher noch stärker erhöhten Kraftstoffverbrauchs – auch wenn die Verbrauchserhöhung dafür nur noch über kürzere Zeit geschieht.

Optimierung der Motorsteuerung

Die obigen Ausführungen machen deutlich, dass die Optimierung der Warmlaufphase in vieler Hinsicht eine speziell optimierte Motorsteuerung erfordert; die früher üblichen simplen Kaltstarthilfen wie beispielsweise ein Choke genügen schon lange nicht mehr den heutigen Anforderungen. Die Fahrzeughersteller haben heute einen gewissen Anreiz dafür, die Warmlaufphase möglichst gut zu gestalten, da bereits seit ca. dem Jahr 2000 das offizielle Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte auch den Kaltstart berücksichtigt – wenn auch in unvollkommener Weise.

Auswirkungen des Kaltstarts auf den Kraftstoffverbrauch

Die Auswirkung des Kaltstarts auf den Kraftstoffverbrauch kann vereinfacht so dargestellt werden, dass auf dem ersten Kilometer ein Zuschlag von z. B. 0,1 Litern Kraftstoff zusätzlich zum regulären Verbrauch in Kauf genommen werden muss. Der genannte Zuschlag ist ein grober Schätzwert für einen kleineren Benzin- oder Dieselmotor mit einem Liter Hubraum und einen Start bei 0 °C. Er entspricht einer Wärmemenge von knapp einer Kilowattstunde. Für größere Motoren ergeben sich tendenziell höhere Zuschläge.

Wenn also nach einem Kaltstart jeweils eine Strecke von 10 km gefahren wird und der Motor dann vor dem nächsten Start wieder vollkommen abkühlt, ergeben sich zehn Kaltstarts pro 100 km und entsprechend für einen kleineren Motor wie oben angenommen eine Erhöhung des Durchschnittsverbrauchs um 1 l / 100 km. Für ganz kurze Strecken von z. B. 2 km ergibt sich eine viel stärkere Erhöhung des Durchschnittsverbrauchs um ca. 5 l / 100 km.

Siehe auch: Verbrennungsmotor, Hubkolbenmotor, Verbrennung, Kraftstoff, Ottomotor, Dieselmotor, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte