Was geschieht in einer Sekunde in einem Viertaktmotor?
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Im Viertaktmotor ist eine Sekunde ein dichtes mechanisches Geschehen: Der Kolben legt zwischen oberem und unterem Totpunkt Dutzende vollständige Hin- und Herbewegungen zurück, die Ventile öffnen und schließen mit perfektem Timing, und in beiden Kurbelwellenumdrehungen erzeugt nur eine einzige Verbrennung Arbeit. Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen: Jeder dieser vier Takte entspricht genau 180 Grad der Kurbelwelle, und je höher der Motor dreht, desto kleiner der Sekundenbruchteil, in den ein Takt gequetscht wird.
Die wichtigsten Punkte
- Ein vollständiger Zyklus 720°, also zwei Kurbelwellenumdrehungen, dauert; jeder Takt 180° umfasst.
- Arbeit wird nur in einem der vier Takte erzeugt: alle 2 Umdrehungen gibt es einen Arbeitstakt.
- Die Zündkerze löst den Funken typischerweise etwa 20° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt aus.
- Der Verbrennungsmotor wandelt im Durchschnitt nur 40-45 % der zugeführten Energie in mechanische Arbeit um.
- Bei Industrieb Motoren ist die mittlere Kolbengeschwindigkeit auf etwa 10 m/s begrenzt.
Wie ein Viertaktmotor funktioniert: Die vier Schritte im Zylinder
Alles beginnt mit der Definition des „Hubes": Der Hub ist die vollständige Bewegung des Kolbens in beliebiger Richtung entlang des Zylinders. Befindet sich der Kolben an seiner höchsten Position, spricht man vom oberen Totpunkt (OT), an seiner tiefsten vom unteren Totpunkt (UT). Der Viertaktzyklus erstreckt sich zwischen diesen beiden Punkten über vier Hübe und zwei vollständige Kurbelwellenumdrehungen. Die Linearbewegung des Kolbens dreht über das Pleuel die Kurbelwelle; für alle vier Takte zusammen dreht sich die Kurbelwelle 720 Grad.
Die Rolle der Ventile in diesem Zyklus ist entscheidend. Einlass- und Auslassventile werden von einer Nockenwelle gesteuert, die mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle rotiert. Dieses Halbtempo ist kein Zufall, sondern eine Notwendigkeit: Da die Ventilereignisse an den Kurbelwinkel gekoppelt sein müssen, folgt die Nockenwelle jedem Zyklus mit einer halben Umdrehung der Kurbelwelle.
1. Ansaugen: Luft wird mit partiellem Unterdruck angesaugt
Wenn der Kolben vom oberen Totpunkt nach unten zu wandern beginnt, ist das Einlassventil offen. Die Abwärtsbewegung des Kolbens vergrößert das Zylindervolumen und erzeugt darin einen partiellen Unterdruck, also einen negativen Druck. Diese Druckdifferenz saugt das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder. Der Ansaugtakt ist die vollständige Abwärtsbewegung des Kolbens vom OT zum UT und umfasst die ersten 180 Grad des Zyklus.
2. Verdichten: Energie konzentrieren
Am unteren Totpunkt schließt das Einlassventil, und die Verdichtung beginnt. Nun sind beide Ventile geschlossen; der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet das Luft-Kraftstoff-Gemisch in das enge Volumen des Brennraums. Die Verdichtung hat zwei Funktionen: Sie bewirkt, dass der Kraftstoffdampf stärker verdampft, und setzt bei der Zündung mehr Energie frei. Die für das Verdichten aufgewendete Energie beträgt nur etwa ein Viertel der bei der Verbrennung erzeugten Energie; die Investition lohnt sich also.
Das Verdichtungsverhältnis zu messen ist einer der schnellsten Wege, den Motorcharakter zu verstehen. Bei Benzinmotoren liegt der übliche Bereich zwischen 6:1 und 10:1 ; je höher das Verhältnis, desto besser der Wirkungsgrad, aber auch das Risiko der Selbstentzündung des Benzins, also des Klopfens. Deshalb ist die Oktanzahl des Benzins ein Maß für den Widerstand gegen Selbstentzündung: eine höhere Oktanzahl erlaubt ein höheres Verdichtungsverhältnis.
3. Arbeitstakt: Der einzige Punkt des Zyklus, der Arbeit leistet
Am Ende des Verdichtungstakts, etwa 20 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt, entzündet die Zündkerze den Funken. Warum nicht genau am höchsten Punkt? Denn die Flamme braucht Zeit, um sich durch den Brennraum auszubreiten; der Funke wird vorher gezündet, sodass der Druckhöhepunkt genau dann erreicht wird, wenn der Kolben am oberen Totpunkt ist und somit Vorschub leisten kann. Das brennende Gemisch drückt den Kolben zum unteren Totpunkt und erzeugt damit die mechanische Arbeit, die die Kurbelwelle dreht. Nur in diesem Takt wird während des gesamten Zyklus Arbeit geleistet; unabhängig von der Zylinderzahl erhält jeder Viertaktmotor alle 720 Grad einen Arbeitstakt. Das Geheimnis des ruhigen Laufs von Mehrzylindermotoren liegt darin, dass diese Arbeitstakte auf der Kurbelwelle miteinander verschmolzen werden.
4. Auspufftakt: Den Brennraum entleeren
Erreicht der Kolben den unteren Totpunkt, öffnet sich das Auslassventil, und in den letzten 180 Grad des Zyklus schiebt der nach oben fahrende Kolben die Abgase durch den Auslasskanal hinaus. Ist der obere Totpunkt erreicht, ist der Zylinder gespült, das Einlassventil bereit zur Wiederöffnung, und der Zyklus beginnt von vorn. Jede Befüllung des Zylinders bedeutet die erneute Etablierung des Umlaufs über zwei Kurbelwellenumdrehungen.
Wie lange dauert ein Takt bei steigender Drehzahl?
Die Antwort auf die Frage findet sich mit reiner Arithmetik. Da ein Arbeitszyklus zwei Kurbelwellenumdrehungen dauert, bestimmt die Motordrehzahl direkt die Dauer eines Takts. Beispielsweise bei 1.000 rpm dreht der Motor etwa 16,7 Umdrehungen pro Sekunde; ein voller Zyklus dauert etwa 60 Millisekunden, das heißt, ein Takt dauert 15 Millisekunden. Bei 6.000 rpm gibt es dagegen 100 Umdrehungen pro Sekunde, und jeder Takt, einschließlich des Arbeitstakts, sinkt auf etwa 2,5 Millisekunden. Verbrennung, Ventilbewegung und Gasströmung müssen sich allesamt in diesen Größenordnungen organisieren.
Auch die Drehzahlgrenze bestimmt die Physik. Die mittlere Kolbengeschwindigkeit ist eine Funktion von Hub und Drehzahl; bei Industriemotoren ist diese Geschwindigkeit auf etwa 10 m/s begrenzt, damit die Schmierung der Zylinderwand nicht versagt. Bei hohen Drehzahlen treten zwei typische Probleme auf: Können die Ventilfedern nicht mehr folgen, tritt ein „Ventilflattern" auf, und ein Kolben-Ventil-Kontakt kann den Motor schwer beschädigen. Zudem kann das Flattern der Kolbenringe zu Druck- und Leistungsverlust im Zylinder führen. Kurz gesagt: Die Grenze dafür, wie klein ein Bruchteil einer Sekunde ein Takt sein kann, wird durch Materialfestigkeit und Schmierung gezogen.
Benziner oder Diesel: Derselbe Zyklus, andere Zündung
Die Schritte des Viertaktzyklus sind bei beiden Motoren gleich; der Unterschied liegt in der Zündmethode, die den Arbeitstakt auslöst. Der Benzinmotor ist fremdgezündet: Die Zündkerze entzündet das verdichtete Gemisch. Der Dieselmotor ist dagegen selbstgezündet: Die durch die Verdichtung entstehende hohe Hitze entzündet den Dieselkraftstoff, der sich unter den Drücken im Motor selbst entzünden kann, sodass keine Zündkerze benötigt wird. Die Zündwilligkeit des Diesels wird durch die Cetanzahl definiert; sie funktioniert nach genau umgekehrter Logik wie die Oktanzahl beim Benzin. Wegen der geringen Flüchtigkeit von Diesel ist die gängigste Methode zum Kaltstart die Verwendung von Glühkerzen.
| Eigenschaft | Benzinmotor | Dieselmotor |
|---|---|---|
| Zündung | Fremdzündung (Zündkerzen) | Selbstzündung (Verdichtungswärme) |
| Arbeitszyklus | Otto-Zyklus | Diesel-Zyklus |
| Kraftstoffwiderstandsmessung | Oktanzahl | Cetanzahl |
| Verdichtungsverhältnis | Typisch 6:1 - 10:1 | Verdichtungswärme ist hoch und begünstigt die Selbstzündung |
| Drehzahlverhalten | Läuft bei höheren Drehzahlen | Läuft bei niedrigeren Drehzahlen; der Kraftstoff verbrennt langsamer |
Dass Dieselkraftstoff langsamer verbrennt als Benzin, erklärt, warum Dieselmotoren bei niedrigeren Drehzahlen laufen; die niedrige Drehzahl wiederum reduziert den Motorverschleiß. Der charakterliche Unterschied beider Motoren ergibt sich also nicht aus dem Zyklus selbst, sondern aus der Verbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs.
Wie moderne Technologien diese 720 Grad verbessern
Der grundlegende Zyklus hat sich seit 1876 nicht geändert; geändert hat sich, wie effizient jedes 180-Grad-Segment genutzt wird. Drei moderne Beiträge stechen hervor.
Variable Ventilsteuerung (VVT)
Eine feste Nockenwelle optimiert die Ventilereignisse nur für einen einzigen Drehzahlbereich. Die variable Ventilsteuerung dagegen stellt das Timing des Ventilhubereignisses in Echtzeit je nach Motordrehzahl ein und sorgt so für eine optimale Kraftverteilung und ein flüssigeres Beschleunigen. Eine bessere Steuerung des Luft-Kraftstoff-Gemischs verbessert die Verbrennungseffizienz; unter Teillastbedingungen wurde eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bis zu 5 % gemessen.
Direkteinspritzung (GDI)
Bei der Direkteinspritzung, die heute in vielen Viertakt-Benzinmotoren verwendet wird, reicht die Injektordüse bis in den Brennraum, und das Benzin wird mit sehr hohem Druck während der Verdichtungsphase in den Zylinder eingespritzt, wenn der Kolben am oberen Totpunkt ist. Der Kraftstoff wird also nicht mehr während der Ansaugphase, sondern im kritischsten Segment des Zyklus mit millimetergenauer Präzision zugeführt.
Turbolader: Energie aus der Abgasphase gewinnen
Der Turbolader ist eine hochdrehende zweiteilige Turbine am Abgasaustritt: Die eine Seite wird vom Abgasstrom angetrieben, die andere verdichtet die Ansaugluft. Die Abgasphase trägt meist Energie, die ungenutzt verloren geht; da der Turbo mit diesem Druck arbeitet, arbeitet er effizienter und presst mehr Luft in den Zylinder, sodass aus jedem Arbeitstakt mehr Leistung gewonnen wird. In einer Studie zu variabel aufgeladenen Motoren wurde die Ausgangsleistung um 165 % verbessert. Die bekannte Schwäche des Designs ist das Turboloch: Die Leistung kommt nicht sofort, sondern erfordert Drehzahl- und Druckaufbau; im Leerlauf und bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten läuft der Motor fast wie ein Saugmotor.
Die Obergrenze der Effizienz und eine kurze Geschichte
Ein Verbrennungsmotor kann im Durchschnitt nur etwa 40-45 % der zugeführten Energie in mechanische Arbeit umwandeln; die effizientesten Otto-Zyklus-Motoren arbeiten bei etwa 30 % thermischer Effizienz und die restliche Wärme geht durch Reibung und Nebenaggregate verloren. Zudem können Motoren bewusst etwas weniger effizient gebaut werden, etwa für Emissionskontrollen wie den Katalysator. Der Atkinson-Zyklus hingegen erreicht Effizienz auf Kosten der Leistungsdichte und wird in modernen Hybridanwendungen eingesetzt; viele moderne Motoren erzielen diese Wirtschaftlichkeit mit unkonventioneller Ventilsteuerung, um den Effekt einer kurzen Verdichtung und eines langen Arbeitstakts zu erzeugen.
Auch die Geschichte ist lehrreich: Otto bemerkte 1861 beim Testen des Lenoir-Motors die Auswirkung der Verdichtung auf den Wirkungsgrad; 1876 schufen Otto und Langen den ersten erfolgreichen Verbrennungsmotor, der das Kraftstoffgemisch vor der Verbrennung verdichtete. 1883 bauten Daimler und Maybach den ersten schnellaufenden Ottomotor, 1885 schuf Daimler mit dem Reitwagen das erste Fahrzeug der Welt mit Verbrennungsmotor; 1886 entwickelte Karl Benz sein Fahrzeug mit Viertaktmotor, das als erstes Automobil gilt. Der Dieselmotor ist eine technische Verfeinerung des Otto-Kreisprozesses von 1876: Rudolf Diesel schuf seinen erfolgreichen Motor 1893. Heute ist der Viertaktentwurf die am weitesten verbreitete Verbrennungsmotor-Architektur von Straßenfahrzeugen – in einem Spektrum, das von Autos über LKW, Dieselzüge und Leichtflugzeuge bis hin zu Motorrädern reicht.
Fazit: 180 Grad, vier Takte
Die gesamte Physik des Viertaktmotors lässt sich auf die 720-Grad-Drehung der Kurbelwelle und die darin aufgeteilten vier Takte reduzieren: Befüllung durch Unterdruck, Verdichtung im geschlossenen Volumen, die einzige Arbeit leistende Verbrennung und die Reinigung. Technologien wie Ventilsteuerung, Einspritzung und Turbo dienen alle demselben Ziel: aus jeder Millisekunde dieser Takte mehr Wirkungsgrad herauszuholen. Wenn dieses Grundprinzip klar ist, wird der Rest der Motorentechnologie – vom Verdichtungsverhältnis bis zum Turboloch – viel besser lesbar.