Wie funktioniert ein Viertaktmotor?
Ein Viertaktmotor verbrennt ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in einem geschlossenen Zylinder. Der Kolben bewegt sich pro Arbeitsspiel viermal: Er lässt das Gemisch einströmen (Ansaugen), presst es zusammen (Verdichten), wird vom verbrennenden Gas nach unten gedrückt (Arbeiten) und schiebt das Abgas hinaus (Ausstoßen). Dafür dreht sich die Kurbelwelle zweimal, und nur einer der vier Takte leistet Arbeit.
In dieser Tour folgst du einem Zylinder eines aufgeschnittenen Benzinmotors in 3D durch alle vier Takte und findest heraus, warum er alle vier braucht.
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3D-Tour hier startenAufbau: Was steckt in einem Viertaktmotor?
Von außen wirkt ein Automotor kompliziert. Der Teil, der ihn antreibt, ist aber einfach gebaut: ein oben geschlossenes Rohr, der Zylinder, in dem ein Kolben auf und ab gleitet. Die Pleuelstange verbindet den Kolben mit der Kurbelwelle. Die macht aus dem Auf und Ab eine Drehung, so wie deine Beine beim Radfahren die Pedale drehen.
Oben auf dem Zylinder sitzt der Zylinderkopf. Darin stecken das Einlassventil, durch das Luft und Kraftstoff hineinkommen, das Auslassventil, durch das das Abgas hinausgeht, und dazwischen die Zündkerze. Eine Nockenwelle über den Ventilen öffnet jedes Ventil im richtigen Moment; angetrieben wird sie über einen Zahnriemen oder eine Kette von der Kurbelwelle. Unter der Kurbelwelle liegt die Ölwanne, und an einem Ende sitzt das schwere Schwungrad, das alles gleichmäßig weiterdrehen lässt.
Die meisten Automotoren haben vier Zylinder in einer Reihe. Jeder davon arbeitet aber gleich: Wer einen Zylinder verstanden hat, versteht den ganzen Motor.
Schritt für Schritt
Vier Aufgaben, je ein Takt
Um aus Kraftstoff Bewegung zu machen, muss ein Zylinder vier Dinge nacheinander erledigen: sich mit einem Gemisch aus Luft und Kraftstoff füllen, es zusammendrücken, es verbrennen und das Abgas loswerden. Er kann immer nur eins davon tun, denn über dem Kolben gibt es nur einen Raum.
Jede Aufgabe dauert einen Takt: Der Kolben fährt einmal vom oberen Ende des Zylinders zum unteren oder zurück. Die beiden Umkehrpunkte heißen oberer Totpunkt (OT) und unterer Totpunkt (UT). Vier Aufgaben, vier Takte: Daher hat der Motor seinen Namen. Die Takte heißen Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen.
1. Takt, Ansaugen: Der Luftdruck schiebt das Gemisch hinein
Der Kolben startet oben und fährt nach unten, während das Einlassventil offen ist. Oft heißt es, der Kolben saugt das Gemisch an. Genau genommen macht er nur Platz: Der Druck im Zylinder sinkt unter den Druck der Luft draußen, und die Außenluft drückt in den freien Raum. Auf dem Weg nimmt sie einen feinen Benzinnebel aus der Einspritzdüse mit.
Im Motor der Tour nimmt jeder Zylinder pro Arbeitsspiel rund 400 cm³ frisches Gemisch auf, alle vier zusammen ergeben einen 1,6-Liter-Motor. Das Einlassventil öffnet schon kurz vor dem OT und schließt erst etwa 50° Kurbelwinkel nach dem UT. So lange strömt die Luft durch ihren eigenen Schwung weiter hinein.
2. Takt, Verdichten: Warum das Gemisch zuerst zusammengedrückt wird
Jetzt sind beide Ventile zu, und der Kolben fährt wieder hoch. Er presst das Gemisch in den kleinen Raum, der oben über ihm bleibt: ein Neuntel des Volumens, das es unten hatte. Dieses Verdichtungsverhältnis von 9:1 ist typisch, bei Benzinmotoren in Autos liegt es meist zwischen 8:1 und 12:1. Bei Vollgas steigt der Druck auf rund 15 bar, und das Gas wird etwa 400 °C heiß.
Verdichten kostet Arbeit. Warum also der Aufwand? Weil verdichtetes Gemisch schneller verbrennt, danach viel stärker drückt und das über den ganzen nächsten Takt. Das zeigt das p-V-Diagramm, in dem der Druck im Zylinder über seinem Volumen aufgetragen ist: Die Fläche innerhalb der Schleife ist die Arbeit, die ein Arbeitsspiel liefert. Je höher die Verdichtung, desto größer die Schleife. Motoren ohne Verdichtung gab es um 1860; sie machten nur etwa 4 % ihres Kraftstoffs zu Arbeit.
3. Takt, Arbeiten: Der Funke zündet, das Gas drückt
Kurz bevor der Kolben oben ankommt, in diesem Motor 10° Kurbelwinkel vor dem OT, springt an der Zündkerze der Funke über. Viele denken, der Funke selbst drückt den Kolben nach unten. Das stimmt nicht: Er zündet das Gemisch nur an, wie ein Streichholz. Er kommt etwas früher, weil die Flamme rund 2 Millisekunden braucht, um sich auszubreiten, und der Druck am höchsten sein soll, kurz nachdem der Kolben den OT überschritten hat.
Das brennende Gas wird sehr heiß, und sein Druck springt bei Vollgas auf 40 bis 60 bar. Dieser Druck schiebt den Kolben kräftig nach unten und dreht über die Pleuelstange die Kurbelwelle. Der Arbeitstakt ist der einzige der vier, der Arbeit abgibt. Die anderen drei kosten ein wenig.
4. Takt, Ausstoßen: Der Zylinder wird leer
Nach dem Arbeitstakt ist der Zylinder voller Abgas, und frisches Gemisch kommt erst hinein, wenn es draußen ist. Das Auslassventil öffnet schon etwa 50° vor dem UT, solange das Gas noch unter Druck steht. Ein großer Teil strömt dadurch von allein hinaus, den Rest schiebt der aufsteigende Kolben hinterher.
Kurz vor dem OT schließt das Auslassventil gerade, während das Einlassventil schon öffnet. Rund 20° Kurbelwinkel lang sind beide gleichzeitig offen. Das heißt Ventilüberschneidung: Das ausströmende Abgas hilft, dass die frische Ladung ihm nachströmt. Dann beginnt das Arbeitsspiel von vorn mit dem nächsten Ansaugtakt.
Zwei Umdrehungen, ein Arbeitstakt
Jeder Takt ist eine halbe Umdrehung der Kurbelwelle, ein ganzes Arbeitsspiel aus vier Takten also zwei Umdrehungen. Nur eine dieser vier halben Umdrehungen treibt an. Das schwere Schwungrad speichert Energie aus dem Arbeitstakt und trägt die Kurbelwelle durch die anderen drei, so wie ein Kreisel weiterdreht, wenn du ihn loslässt.
Ein Vierzylinder läuft dadurch viel ruhiger. Seine Zylinder wechseln sich in der Zündfolge 1-3-4-2 ab, jeder eine halbe Umdrehung nach dem vorigen. So ist in jedem Moment einer im Arbeitstakt. Beim Starten dreht der elektrische Anlasser die Kurbelwelle, bis die ersten Zylinder zünden und der Motor von allein läuft.
Ventilsteuerung: Warum die Nockenwelle halb so schnell dreht
Jedes Ventil muss pro Arbeitsspiel genau einmal öffnen, und ein Arbeitsspiel dauert zwei Kurbelwellenumdrehungen. Deshalb dreht sich die Nockenwelle nur einmal, während sich die Kurbelwelle zweimal dreht: Ihr Zahnrad ist doppelt so groß wie das auf der Kurbelwelle. Auf der Nockenwelle sitzt für jedes Ventil ein eiförmiger Nocken. Dreht er sich, drückt er das Ventil auf, eine Feder schließt es wieder.
Form und Stellung der Nocken legen die Steuerzeiten fest. Im Motor der Tour ist das Einlassventil von 10° vor OT bis 50° nach UT offen, das Auslassventil von 50° vor UT bis 10° nach OT. Früh öffnen und spät schließen gibt dem Gas mehr Zeit zum Strömen. Das zählt bei hoher Drehzahl, wenn ein ganzer Takt nur wenige tausendstel Sekunden dauert.
Viertakter und Zweitakter im Vergleich
Ein Zweitaktmotor erledigt dieselben vier Aufgaben in nur zwei Takten, also in einer Kurbelwellenumdrehung. Er hat keine Ventile und keine Nockenwelle. Stattdessen gibt der Kolben beim Auf und Ab selbst Öffnungen in der Zylinderwand frei, und das frische Gemisch strömt ein, während das Abgas noch hinausströmt. So hat er bei jeder Umdrehung einen Arbeitstakt, nicht nur bei jeder zweiten.
Zweitakter sind deshalb leicht, einfach gebaut und für ihre Größe stark. Man findet sie in Kettensägen, kleinen Rollern und Modellmotoren. Der Nachteil: Ein Teil des frischen Gemischs entweicht mit dem Abgas, und das Schmieröl ist dem Kraftstoff beigemischt und verbrennt mit. Ein Viertakter trennt den Gaswechsel sauber und hält sein Öl in einem geschlossenen Kreislauf. Er verbraucht weniger und hat sauberere Abgase. Darum fahren fast alle Autos, die meisten Motorräder und moderne Rasenmäher mit Viertaktmotoren.
Ottomotor und Dieselmotor: beide im Viertakt
Der Motor in der Tour ist ein Benzinmotor, auch Ottomotor genannt. Ein Dieselmotor durchläuft dieselben vier Takte, Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen, entzündet seinen Kraftstoff aber anders. Er nimmt nur Luft auf und verdichtet sie viel stärker, meist zwischen 15:1 und 23:1. Dadurch wird die Luft so heiß, dass sich der Diesel, der am Ende des Verdichtens eingespritzt wird, von selbst entzündet. Eine Zündkerze braucht er nicht, er ist ein Selbstzünder.
Die höhere Verdichtung ist auch der Grund, warum Diesel sparsamer sind: Diesel-Pkw-Motoren machen bis zu etwa 43 % der Energie im Kraftstoff zu Arbeit, mehr als Benzinmotoren schaffen.
Häufige Fragen
Wer hat den Viertaktmotor erfunden?
Der französische Ingenieur Alphonse Beau de Rochas beschrieb das Viertaktprinzip 1862 in einem Patent, baute aber nie einen Motor. Nicolaus August Otto aus Köln baute 1876 den ersten funktionierenden Viertaktmotor mit Verdichtung. Deshalb heißt der Benzinmotor bis heute Ottomotor.
Wie oft dreht sich die Kurbelwelle bei einem Arbeitsspiel?
Zweimal. Jeder Takt ist eine halbe Umdrehung, die vier Takte zusammen also zwei volle Umdrehungen oder 720°. In dieser Zeit liefert jeder Zylinder einmal Arbeit, und die Nockenwelle dreht sich einmal.
Warum braucht ein Motor vier Takte und nicht nur einen?
Über dem Kolben gibt es nur einen Raum, also kann der Zylinder immer nur eine Aufgabe erledigen: füllen, verdichten, verbrennen oder leeren. Für jede muss sich der Kolben einmal bewegen. Ein Arbeitsspiel braucht deshalb vier Takte, und nur einer davon liefert Arbeit.
Was ist besser, Viertakt- oder Zweitaktmotor?
Das hängt vom Einsatz ab. Ein Viertakter verbraucht weniger, hat sauberere Abgase und hält länger, deshalb steckt er in Autos und den meisten Motorrädern. Ein Zweitakter ist leichter, einfacher und für seine Größe stärker, deshalb passt er gut in Kettensägen und kleine Geräte.
Wie wird ein Viertaktmotor geschmiert?
Mit Motoröl aus der Ölwanne. Eine Ölpumpe drückt es zu den Lagern und zur Nockenwelle, und von unten hochspritzendes Öl benetzt die Zylinderwände. Anders als beim Zweitakter kommt kein Öl in den Kraftstoff.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines Viertakt-Ottomotors?
Ein moderner Benzinmotor macht im günstigsten Betriebspunkt etwa 30 bis 35 % der Energie im Kraftstoff zu Arbeit, im Stadtverkehr weniger. Der Rest geht größtenteils als Wärme mit dem Abgas und dem Kühlwasser verloren.