10. September 2025

4-Takt-Motor Funktionsweise im Motorrad

Ottomotoren, die nach dem sogenannten Viertakt-Prinzip arbeiten, sind weit verbreitet. Nahezu jeder Verbrennungsmotor in einem Lkw, Pkw oder Motorrad funktioniert nach diesem Prinzip. Ein Viertaktmotor, auch Ottomotor genannt, ist ein Verbrennungsmotor, bei dem vier voneinander getrennte Prozesse nacheinander ablaufen, damit dieser Leistung vollbringt. Diese sogenannten Arbeitsschritte lauten Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Auslassen.

Der Viertaktmotor ist die am häufigsten verwendete Motorenbauweise im PKW-Bau, so gut wie alle Modelle werden mit diesen Motoren ausgestattet. Das 4-Taktverfahren wurde um 1870 von Nicolaus August Otto entwickelt. Vom Prinzip her einfach, technisch aber ein wenig aufwendiger als bei einem Zweitaktmotor, da deutlich mehr bewegte Mechanik für die Steuerung des Motors notwendig ist.

Der Viertaktmotor besteht aus einem Kolben, der über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden ist und im Zylinder auf- und abfährt. Die Kurbelwelle leitet diese Rotationsbewegung an das Getriebe weiter und treibt auf diese Weise das Rad voran. Bei Viertaktmotor werden insgesamt vier Takte benötigt, um die Antriebsleistung zu erzeugen, die Kurbelwelle vollführt dabei insgesamt zwei komplette Drehungen, eine mehr als beim Zweitaktmotor.

Bestandteile und Funktion

Das Motorgehäuse bildet den äußeren Rahmen des Motors und beherbergt alle internen Komponenten. Das Kurbelgetriebe besteht aus der Kurbelwelle und den Pleuelstangen. Die Kurbelwelle wandelt die auf- und absteigende Bewegung der Kolben in eine rotierende Bewegung um. Die Motorsteuerung umfasst verschiedene Komponenten wie Nockenwelle, Ventile und Steuerungssysteme. Die Gemischbildungsanlage ist für die richtige Mischung von Kraftstoff und Luft verantwortlich. Der Viertaktmotor verfügt über verschiedene Hilfseinrichtungen, die den Betrieb unterstützen.

Es gibt verschiedene Zylinderkonfigurationen. Bei einem Einzelzylinder-Motor gibt es nur einen einzelnen Zylinder, der Kolben und Verbrennungsraum beherbergt. Ein Mehrzylinderblock besteht aus mehreren Zylindern, die nebeneinander angeordnet sind und gemeinsam eine Einheit bilden. Typischerweise haben Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen mehrere Zylinder, wie z.B. Vierzylinder, Sechszylinder oder Achtzylinder.

Es gibt auch Unterschiede in der Zylinderkühlung. Bei Zylindern mit nassen Laufbuchsen sind die Zylinderwände von einer Kühlmittelflüssigkeit umgeben. Das Kühlmittel entzieht dem Zylinder Wärme und trägt zur Kühlung bei. Im Gegensatz dazu sind bei Zylindern mit trockenen Laufbuchsen die Zylinderwände nicht von einer Kühlmittelflüssigkeit umgeben. Stattdessen erfolgt die Kühlung durch den Luftstrom oder durch Ölspritzung.

Auch die Verdichtungsräume unterscheiden sich. Der dachförmige Verdichtungsraum zeichnet sich durch ein kegelförmiges Design aus, bei dem der Brennraum in Richtung der Zündkerze hin verjüngt ist. Dieser Verdichtungsraum ermöglicht eine effiziente Verbrennung, da das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerze konzentriert wird, was zu einer schnellen und gleichmäßigen Flammenausbreitung führt. Der keilförmige Verdichtungsraum hat eine ähnliche Form wie ein Keil, wobei die Form im oberen Bereich des Kolbens breiter ist und sich dann in Richtung der Zündkerze verjüngt. Dieser Verdichtungsraum ermöglicht eine effiziente Verwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemischs während der Kompression, was zu einer verbesserten Verbrennung beiträgt.

Die vier Takte im Detail

Im Viertakt-Ottomotor finden also vier solche Bewegungen statt, bevor die Prozesse sich wiederholen. Im Folgenden werden die einzelnen Takte beschrieben:

  1. Ansaugtakt: Im ersten Takt wird der Ansaugvorgang durchgeführt. Das Einlassventil, das sich am Zylinderkopf befindet, geöffnet, sodass das Benzin-Luft-Gemisch in den Zylinder gesaugt wird. Dabei wird der Kolben von der Kurbelwelle nach unten gezogen. Ansaugen des Benzin-Luftgemisches des Vergasers durch das Einlassventil bei geschlossenem Auslassventil. Der Kolben bewegt sich nach unten.
  2. Verdichtungstakt: Im darauf folgenden zweiten Takt wird das Gas innerhalb des Kolbens bedingt durch die Aufwärtsbewegung immer weiter verdichtet, der Druck steigt auf 10-12 bar an, die Temperatur steigt auf 300°C-400°C. Im nächsten Schritt, in Takt zwei, wird das Einlassventil geschlossen, der Kolben nach oben gedrückt und das Benzin-Luft-Gemisch im Zylinder verdichtet. Der sich nach oben bewegende Kolben verdichtet bei geschlossenen Ventilen den Brennstoff und erwärmt ihn hierbei.
  3. Arbeitstakt: Im dritten Takt, dem Arbeitstakt, bringt der Viertaktmotor die eigentliche Leistung. Beim Dieselmotor und beim Benzindirekteinspritzer, wird bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht der Kraftstoff eingespritzt. Bei den indirekten Bauweisen wird das Gasgemisch bereits entzündet. Die Zündkerze funkt, wodurch sich das komprimierte Benzin-Luft-Gemisch entzündet und explosionsartig verbrennt. Im Arbeitstakt drückt der Kolben die Pleuelstange nach unten und beschleunigt so die Kurbelwelle. Durch diese Energieumwandlung schnellt der Kolben wieder nach unten. Im dritten Takt dehnt sich das entzündete Gas aus und erzeugt so einen Druck zwischen 50 und 70 bar, die Temperatur liegt bei ca. 2000°C. Durch den Druck wird der Kolben nach unten gedrückt und so wird mechanische Arbeit verrichtet. Beide Ventile sind geschlossen. Im Moment der größten Verdichtung wird das Benzin-Luft-Gemisch durch die Zündkerze gezündet. Durch die explosionsartige Verbrennung wird der Kolben nach unten gedrückt, es wird an ihm Arbeit verrichtet.
  4. Ausstoßtakt: Sobald der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, beginnt der vierte Takt. Im 4-Takt wird das Auslassventil geöffnet und das verbrauchte Abgas kann aus dem Zylinder entströmen. Im vierten und letzten Takt öffnet sich das Auslassventil, der Kolben bewegt sich erneut nach oben und drückt die entstandenen Abgase aus dem Zylinder heraus. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt durch das geöffnete Auslassventil die Verbrennungsgase aus dem Zylinder heraus.

Ein nach dem Viertakt-Prinzip arbeitender Motor verrichtet nur in einem seiner vier Takte Arbeit. In der Regel möchte man jedoch möglichst gleichmäßig Arbeit verrichten. Daher verbindet man mehrere Zylinder, häufig vier Stück, miteinander und regelt diese so, dass sich immer genau ein Zylinder im Arbeitstakt befindet. Ein Zylinder sorgt daher immer für eine Kraft auf die Kurbelwelle, sodass mit ihrer Hilfe relativ gleichmäßig Arbeit verrichtet werden kann.

Kurz vor Ende des Ausstoßtaktes kommt es zu einer Ventilüberschneidung. Schon vor dem Erreichen des oberen Totpunktes das Einlassventil geöffnet, während das Abgasventil noch offen ist. Durch den Sog der ausströmenden Abgase entsteht ein Unterdruck, durch den die Frischluft oder das Gemisch bereits gegen die Kolbenbewegung einströmen kann. Dadurch wird ein besserer Füllungsgrad erreicht. Das Abgasventil schließt erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat.

Für jeden Zylinder muss es mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil geben, üblich sind allerdings drei oder vier Ventile pro Zylinder, seltener werden auch fünf Ventile pro Zylinder verwendet (hauptsächlich bei Audi). Die sogenannten 16V-Motoren bestehen meistens aus vier Zylindern mit je vier Ventilen. Diese haben im Vergleich zu den Zweiventil-Motoren einen deutlich besseren Gasaustausch und dadurch bedingt etwas mehr Leistung.

Die Ventile werden von der Nockenwelle gesteuert, die von der Kurbelwelle über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette angetrieben wird.

Wirkungsgrad

Der heute erreichte Wirkungsgrad von Ottomotoren liegt im Idealfall bei etwa \(\eta=35\,\%\). Unter Volllast bzw. bei höherer Drehzahl ist der Wirkungsgrad etwas niedriger.

Optimierung der Luftzufuhr

Um die Motorleistung zu optimieren, spielt die Luftzufuhr eine entscheidende Rolle. Durch eine möglichst optimale Luftzufuhr in den Brennraum kann die Leistung gesteigert werden. Ein Verbrennungsmotor benötigt reichlich kühle Luft, um effizient zu arbeiten.

Der höchste Luftdruck entsteht am Motorrad dort, wo der Luftstrom frontal auf einen Körper prallt und sich staut - deshalb die Wortschöpfung vom Staudruck. An einem Motorrad ist dies die Verkleidungsschnauze. Genau aus diesem Grund sitzt bei den meisten Sport- und Rennmaschinen der Lufteinlass zum Motor genau an der vordersten Stelle. Dort ist der Luftdruck am höchsten, während an den Rundungen der Frontverkleidung und der Scheibe der Winddruck deutlich ab-, die Reibung des Luftstromes aber zunimmt.

Für einen möglichst effizienten Staudruck im Luftfilterkasten - neudeutsch: Airbox - ist daher die direkte Anströmung im rechten Winkel die beste Lösung. Ob der Schlund einteilig gestaltet ist oder sich auf zwei Öffnungen verteilt (Honda RCV-MotoGP) ist unwichtig. Wichtig ist die exponierte Lage am vordersten Teil der Verkleidung. Zwar stört er dort die Aerodynamik der Verkleidung, doch unterm Strich überlagert der Zuwachs an Leistung bei hohem Tempo den etwas schlechteren Luftwiderstandsbeiwert (cw-Wert) wegen der an der Öffnung auftretenden Turbulenzen.

Allerdings stellen sich dem Luftstrom bis zum Eintritt in den Zylinder noch jede Menge Hindernisse in den Weg. Mehr oder weniger gekrümmte Luftschächte, Kanten und Ecken in der Luftfilterkammer und nicht zuletzt der Luftfilter selbst bremsen den heranbrausenden Orkan. Von dem nur wenige Quadratzentimeter kleinen Ringspalt zwischen Ventilsitz und Ventilteller ganz zu schweigen. Trotzdem hat sich der Trick mit dem Staudruck bei allen Sportmaschinen durchgesetzt.

Obwohl der Fahrtwind mit der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit in die Airbox gelenkt wird, ist der Effekt nicht annähernd so hoch wie bei einer mechanischen Aufladung mittels Turbolader oder Kompressor. Das liegt einfach daran, dass das Staudrucksystem nicht geschlossen ist und der Fahrtwind am Luftkanal ausweichen kann, sobald sich dort ein zu hoher Gegendruck aufbaut.

Ein optimal ausgelegtes Ramair-System bringt es rein rechnerisch und unter besten Bedingungen auf zirka 18 Millibar bei 200 kmh, bei 300 km/h auf rund 40 Millibar. Soweit die Theorie. Nach den echten Messwerten einer Werks-MotoGP-Maschine erreicht ein gutes Staudrucksystem bei rund 300 km/h eine Erhöhung des „Ladedrucks“ von lediglich 25 Millibar (das entspricht 0,025 bar). Als Faustformel gilt: Pro zehn Millibar erhöht sich die Motorleistung um rund ein Prozent. Im Fall der 1000er-MotoGP-Maschinen mit rund 260 PS wären das 6,5 PS.

Ansauglufttemperatur

Ein weiteres Argument für diese Frischluftzufuhr ist die mehr oder weniger kühle Ansaugluft. Denn kühle Luft dehnt sich weniger aus, womit die Sauerstoffmenge pro Liter kühler Luft höher ist als bei einem Liter erhitzter Luft. Der Sauerstoffanteil gemessen am Gesamtvolumen der Luft ändert sich jedoch nicht. Bei kühler wie bei heißer Luft beträgt dieser rund 21 Prozent.

Um den tatsächlichen atmosphärischen Umgebungsluftdruck und den Luftdruck im Ansaugtrakt abzugleichen, werden an modernen Einspritzanlagen zwei Sensoren verwendet, die durch ein Thermometer für die Ansaugluft ergänzt, diese Daten an den Rechner für die optimale Einspritzmenge weiterleiten.

Füllungsgrad der Zylinder

Ein ganz entscheidender Faktor für maximale Höchstleistung ist der Füllungsgrad der Zylinder. Aus dieser Größe leitet sich neben anderen Parametern auch ab, wie viel Luft der Motor bei Nenndrehzahl unter Volllast ansaugen muss. Bedingt durch die Drosselwirkung des Luftwiderstands auf dem Weg bis zur Airbox und dem folgenden, eingeschnürten Ansaugkanal im Ventilbereich, schafft es der Viertakt-Saugmotor nur in einem sehr begrenzten Drehzahlbereich, annähernd den zur Verfügung stehenden Einzelhubraum der Zylinder komplett mit zündfähigem Benzin/Luftgemisch zu füllen.

Ein entscheidender Faktor bei der optimalen Zylinderfüllung mit kraftspendendem Benzin/Luftgemisch ist die geometrische Auslegung der Airbox mitsamt Lufttrichter und Saugrohren. Das notwendige Airboxvolumen ist hauptsächlich von der Zylinderzahl und den Zündwinkeln abhängig.

Als Faustformel gilt: Bei einem symmetrisch alle 180 Kurbelwellengrad zündenden 1000er-Vierzylindermotor sollte die Luftfilterkammer zehnmal so viel Volumen haben wie der Motor, also zehn Liter. Ein Zweizylinder-500er-Motor benötigt das 20-fache, ein 250er-Einzylinder gar das 40-fache des Hubvolumens, also jeweils auch zehn Liter, für eine optimale Leistungsausbeute.

Auch die Geometrie der Saugrohre hat klare Regeln: Lange Saugrohre mit kleinem Durchmesser steigern die Füllung bei niederen und mittleren Drehzahlen, hemmen aber bei hohen Drehzahlen den Luftstrom und verschlechtern damit die Höchstleistung.

Maximale Höchstleistung ist nur mit kurzen Saugrohren in Verbindung mit großen Durchmessern möglich, da diese Konfiguration einen großen Gasdurchsatz bei hohen Drehzahlen zulässt. Mit dem Nachteil, dass der Motor in unteren und mittleren Drehzahlen entsprechend an Leistung und damit Drehmoment einbüßt.

Variable Saugrohrlängen

Die Techniker versuchen mit variablen Saugrohrlängen die gewünschte Resonanz der jeweiligen Drehzahl anzupassen. Bei den Automotoren werden dazu riesige Rohr- und Resonanzkörpersysteme verbaut, die über elektronisch gesteuerte Klappen ein möglichst breites Drehmomentband erzeugen. Allein aus Platzgründen sind solche Tricks bei Motorrädern jedoch kaum möglich.

Die einzige praktikable Alternative sind derzeit die variablen Ansaugtrichterlängen, die meist in zwei Stufen arbeiten. Die verlängerte Version für den unteren Drehzahlbereich, die kurze für hohe Drehzahlen und maximale Power. Die simple Variante unterschiedlich langer Trichter ist die, dass bei einem Vierzylindermotor zwei lange und zwei kürzere Trichter verbaut werden, um dem Motor dadurch einen Kompromiss aus Durchzugskraft und Drehfreudigkeit anzuerziehen. Eine simple und kostengünstige Methode mit jedoch vergleichsweise bescheidenem Effekt.

Technische Grundlagen

Den zur Verbrennung notwendigen Sauerstoff liefert die angesaugte Luft aus der Erdatmosphäre. Diese besteht zu rund 21 Prozent aus Sauerstoff, das restliche Volumen wird von Stickstoff (ca. 78 Prozent), dem Edelgas Argon (knapp ein Prozent) und anderen Gasen aufgefüllt. Unter Normbedingungen wiegt ein Kubikmeter Luft 1,293 Kilogramm. Um daraus das erwünschte Gemisch mit dem Lambdawert 1,0 zu mixen, sollte das Massenverhältnis von Kraftstoff zu Luft 1:14,7 betragen. Um einen Liter Kraftstoff (Dichte im Mittelwert rund 0,75 Kilogramm) zu verbrennen sind also 14,7 Kilogramm Luft notwendig. Da ein Kubikmeter Luft 1,293 Kilogramm wiegt, muss der Motor für die Verbrennung von einem Liter Sprit rund 19 Kubikmeter Luft ansaugen.

Optimierungsmöglichkeiten

Um die Abwärme des Motors so gut wie möglich vom Einlasstrakt, also Airbox und Drosselklappenkörper, abzuschirmen, kann jeder handwerklich begabte Sportsmann sein Motorrad entsprechend optimieren. Eine als großflächige Trennwand zwischen Zylinderkopf und Ansaugtrakt eingelegte Wärmedämmmatte hält einen Großteil der aufsteigenden Hitze ab und kann die Leistung durchaus im mess-baren Bereich steigern. Mit selbstklebender Dämmmatte können Luftfilterkasten und Ansaugschnorchel auch direkt beklebt werden. Dasselbe gilt für die Tankunterseite, die so isoliert verhindert, dass sich der Sprit erwärmt, was einen ähnlichen Effekt hat wie aufgeheizte Luft. Allerdings ist streng darauf zu achten, dass die Dämmmatte genügend Raum lässt, damit die heiße Abluft des Motors nach hinten ausströmen kann.

4-Takt Motoren sind aufgrund ihrer Effizienz, Langlebigkeit und geringeren Emissionen die bevorzugte Wahl für zahlreiche Anwendungen in der Automobil- und Industriebranche. Ihre vielseitige Anwendbarkeit reicht von Straßenfahrzeugen bis zu industriellen Maschinen.

Verwandte Beiträge:

Tags: #Motorrad

Kommentar schreiben

Kommentare: 0