Vier Takte: Ansaugen, Verdichten, Leistung, Abgas

In den meisten Autos wiederholt der Kolben immer wieder denselben Viertaktzyklus. Der Name kommt von den vier Kolbenhüben, die dafür nötig sind:

1. Ansaugen. Die Ansaugklappe öffnet sich, und der Kolben bewegt sich nach unten. Dabei saugt er frische Luft an. In einem Benzinmotor mit Saugrohreinspritzung wird Kraftstoff in die einströmende Luft gesprüht; in einem Motor mit Direkteinspritzung wird er direkt in den Zylinder gesprüht.
2. Verdichten. Beide Klappen sind geschlossen. Der Kolben bewegt sich nach oben und drückt das Gas in einen viel kleineren Raum. Durch das Zusammendrücken wird es heiß und für die Verbrennung vorbereitet.
3. Leistung. Nahe dem oberen Ende des Verdichtungstakts zündet die Zündkerze. Das Gemisch verbrennt, das heiße Gas dehnt sich aus und drückt den Kolben nach unten. Das ist der einzige Takt, der Energie an die Kurbelwelle abgibt. Beide Klappen bleiben geschlossen.
4. Abgas. Die Abgasklappe öffnet sich, und der Kolben bewegt sich nach oben. Dabei drückt er das verbrannte Gas hinaus. Dann beginnt der Zyklus von vorn.

Zähle die Umdrehungen der Kurbel: Jeder Takt entspricht einer halben Umdrehung (180°), also ist ein Zyklus 4 × 180° = 720°, also zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle. Die Nockenwelle, die die Klappen öffnet, muss jede Klappe nur einmal pro Zyklus öffnen. Deshalb dreht sie sich mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle, also eine Umdrehung pro Zyklus. In einem Motor wird sie durch einen Riemen oder eine Kette mit einem Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 angetrieben.

Das bedeutet auch, dass ein einzelner Zylinder alle zwei Umdrehungen einen Leistungstakt hat, nicht bei jeder Umdrehung. Bei 3 000 rpm macht die Kurbelwelle 50 Umdrehungen pro Sekunde, also zündet ein Zylinder 25-mal pro Sekunde.

Woher kommt die Energie für die anderen drei Takte? Vom Schwungrad und bei einem Mehrzylindermotor von den anderen Zylindern, die gerade ihren eigenen Leistungstakt ausführen. Die Ansaug-, Verdichtungs- und Abgastakte benötigen jeweils etwas Arbeit, um Gas zu bewegen und zusammenzudrücken.

Wenn du den Gasdruck über dem Zylindervolumen während des Zyklus aufträgst, erhältst du eine Schleife: das P–V-Diagramm. Die Fläche innerhalb der Schleife ist die Nutzarbeit pro Zyklus. Die Welt „Wärmekraftmaschinen“ im Partikel-Labor zeichnet dieses Diagramm für den Otto-Zyklus und leitet daraus den Wirkungsgrad ab. Hier beobachten wir nur, wie die Schleife gezeichnet wird, während sich der Kolben bewegt.

Einige kleine Triebwerke (Rasenmäher, Kettensägen, kleine Motorroller) sind Zweitakter: Sie zünden bei jeder Umdrehung, indem sie die Hübe kombinieren. Dadurch sind sie leicht und einfach, aber schwieriger sauber zu halten. Autos verwenden fast immer den Viertaktzyklus, weil er den Gasaustausch besser steuert.