HD-Animation: Steuerdiagramm eines Viertakt-Ottomotors

Beschreibung der Animation

Das Steuerdiagramm stellt die Ventilsteuerzeiten eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit vom Winkel der Nockenwelle dar. Die Länge der jeweiligen Phasen hängt unmittelbar davon ab, wie die Nocken auf der Nockenwelle ausgerichtet sind. Das Steuerdiagramm wird daher manchmal auch als Nockenwellendiagramm bezeichnet.

Dabei bestimmt nicht nur die Ausrichtung der Nocken die Steuerzeiten, sondern auch ihre Form. Ein steiles Nockenprofil öffnet das Ventil schnell und hält es lange offen – das begünstigt hohe Füllung bei hohen Drehzahlen. Ein flacheres Profil öffnet das Ventil sanfter und kürzer, was bei niedrigen Drehzahlen einen ruhigeren Motorlauf ermöglicht. Asymmetrische Nockenprofile, bei denen die Öffnungsflanke steiler ist als die Schließflanke, ermöglichen schnelles Öffnen bei gleichzeitig sanftem Schließen des Ventils – das reduziert mechanische Belastung und Geräusche. Die Form des Nockens bestimmt also unmittelbar, wie das Steuerdiagramm aussieht: Breitere Nocken erzeugen längere Bögen im Diagramm, steilere Nocken sorgen für abruptere Übergänge.

Im Steuerdiagramm ist der Zündzeitpunkt eingezeichnet.

Das Luft-Kraftstoffgemisch wird gezündet, schon bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Dies ist der Punkt, an dem sich der Kolben im Zylinder ganz oben befindet.

Der Zündzeitpunkt verschiebt sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors. In der Animation kann die Drehzahl interaktiv verändert werden, wie es beim Drücken des Gaspedals geschieht.

Bei niedriger Drehzahl (z. B. 1.000 U/min) beträgt der Zündvoreilwinkel typischerweise etwa 10° vor OT. Bei höheren Drehzahlen (z. B. 5.000 U/min) verschiebt sich der Zündzeitpunkt auf bis zu 35–40° vor OT. Der Grund: Bei höherer Drehzahl bleibt der Flammenfront weniger Zeit zur Ausbreitung, daher muss früher gezündet werden, damit der maximale Verbrennungsdruck weiterhin im optimalen Bereich von 10–15° nach OT liegt. In der Animation lässt sich dieser Zusammenhang beobachten, wenn Sie die Drehzahl verändern und dabei die Position des Zündzeitpunkts im Steuerdiagramm verfolgen.

Der Querschnitt des Viertakt-Ottomotors kann herangezoomt werden. Dann wird auch die Ventilüberschneidung sichtbar. Ventilüberschneidung bedeutet, dass beim Ausstoßen kurze Zeit beide Ventile gleichzeitig geöffnet sind.

Die Ventilüberschneidung bietet einige Vorteile:

• Effizienterer Gasaustausch: Abgase werden besser ausgestoßen. Es gelangt mehr Frischluft in die Brennkammer.
• Verbesserte Kühlung: Durch den verbesserten Luftaustausch wird der Motor besser gekühlt.

Die Dauer und Position der Ventilüberschneidung sind von Motor zu Motor unterschiedlich und hängen von den Konstruktionsmerkmalen und den Leistungszielen ab. Die sorgfältige Optimierung der Ventilüberschneidung kann die Motorleistung, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionswerte beeinflussen.

Die vier Takte im Detail

Ein Viertakt-Ottomotor durchläuft einen vollständigen Arbeitszyklus in vier Kolbenhüben, die zwei vollen Kurbelwellenumdrehungen (720°) entsprechen.

1. Ansaugtakt

Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) nach unten. Das Einlassventil öffnet sich, und die Abwärtsbewegung erzeugt einen Unterdruck, der ein frisches Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder saugt.

2. Verdichtungstakt

Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet das Gemisch auf etwa 1/8 bis 1/12 seines ursprünglichen Volumens (Verdichtungsverhältnis 8:1 bis 12:1). Temperatur und Druck steigen deutlich an. Gegen Ende zündet die Zündkerze.

3. Arbeitstakt (Verbrennung)

Das gezündete Gemisch verbrennt rasch. Die expandierenden Gase drücken den Kolben kraftvoll nach unten – dies ist der einzige Takt, der mechanische Arbeit leistet. Spitzendrücke erreichen 40 bis 60 bar, Temperaturen über 2000 °C.

4. Ausstoßtakt

Das Auslassventil öffnet sich, der Kolben bewegt sich nach oben und schiebt die verbrannten Gase aus dem Zylinder. Das Auslassventil öffnet bereits kurz vor dem UT, um den Restdruck für das Ausstoßen zu nutzen.

Warum wird vor dem oberen Totpunkt gezündet?

Das Steuerdiagramm zeigt, dass die Zündkerze vor dem OT zündet. Der Grund ist die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit: Die Flammenfront braucht 1–2 Millisekunden, um die Brennkammer zu durchqueren. Würde genau am OT gezündet, wäre der maximale Druck erst erreicht, wenn der Kolben schon weit nach unten gewandert ist – Energie ginge verloren.

Durch die Vorzündung wird der maximale Druck etwa 10–15° nach OT erreicht – genau dann, wenn der Kolben die größte Kraft auf die Kurbelwelle übertragen kann.

Folgen eines falschen Zündzeitpunkts

• Zu früh: Es kommt zum Klopfen – einer unkontrollierten Detonation, die Kolben und Lager beschädigen kann.
• Zu spät: Leistungsverlust, höhere Abgastemperaturen und erhöhter Kraftstoffverbrauch.

Moderne Motoren nutzen elektronische Motorsteuergeräte (ECUs), die den Zündzeitpunkt kontinuierlich nach Drehzahl, Last und Temperatur anpassen. In der Animation können Sie diese Verschiebung interaktiv beobachten.

Ventilüberschneidung im Detail

Das Einlassventil öffnet vor dem OT am Ende des Ausstoßtakts, weil die Gasträgheit der strömenden Abgase einen Spüleffekt erzeugt, der frisches Gemisch in den Zylinder zieht. Das Auslassventil schließt nach dem OT, damit die Restabgase durch ihre Strömungsenergie weiter ausgetrieben werden. Das verbessert den Liefergrad.

Eine feste Ventilüberschneidung ist immer ein Kompromiss: Zu viel verursacht unruhigen Leerlauf bei niedrigen Drehzahlen, zu wenig begrenzt die Leistung bei hohen Drehzahlen. Der Grund für den unruhigen Leerlauf liegt in der geringen Gasgeschwindigkeit bei niedrigen Drehzahlen. Der gewünschte Spüleffekt kommt dann nicht zustande, weil die Strömungsenergie der Abgase nicht ausreicht, um frisches Gemisch nachzuziehen. Stattdessen können Abgase durch das bereits geöffnete Einlassventil zurück ins Saugrohr strömen. Dadurch verschlechtert sich die Gemischqualität im Zylinder, die Verbrennung wird ungleichmäßig und der Motor läuft unrund. Bei hohen Drehzahlen kehrt sich die Situation um: Die Gasgeschwindigkeit ist hoch genug, um den Spüleffekt voll auszunutzen – hier wäre eine größere Überschneidung vorteilhaft, um mehr Frischluft in den Zylinder zu bekommen. Moderne variable Ventilsteuerungen (Honda VTEC, BMW VANOS/Valvetronic, Toyota VVT-i) passen die Überschneidung dynamisch an jede Betriebssituation an.

Vergleich: Ottomotor vs. Dieselmotor

Der Dieselmotor erreicht höhere Wirkungsgrade durch das größere Verdichtungsverhältnis und das Fehlen von Drosselverlusten. Der Ottomotor läuft dafür laufruhiger, ist leiser und springt bei Kälte leichter an.

Die Drosselklappe und ihr Einfluss auf die Ventilsteuerung

In der Vergleichstabelle ist ein wesentlicher Unterschied aufgeführt: Der Ottomotor verwendet eine Drosselklappe, der Dieselmotor nicht. Die Drosselklappe sitzt im Ansaugtrakt und regelt die Luftmenge, die in den Zylinder gelangt. Bei Teillast – also im normalen Fahrbetrieb – ist die Drosselklappe nur teilweise geöffnet. Dadurch entsteht ein Unterdruck im Saugrohr, der den Motor bremst und den Wirkungsgrad senkt (Drosselverluste).

Dieser Zusammenhang hat direkten Einfluss auf die Ventilsteuerung: Bei gedrosselter Luftzufuhr verändert sich die Strömungsgeschwindigkeit am Einlassventil, und die Ventilüberschneidung wirkt anders als bei Volllast. Besonders interessant ist hier das BMW-Valvetronic-System: Es variiert den Ventilhub so, dass die Luftmenge direkt über die Ventile gesteuert wird – die herkömmliche Drosselklappe wird damit weitgehend überflüssig. Das reduziert die Drosselverluste erheblich und verbessert den Wirkungsgrad des Ottomotors.

Historische Entwicklung der Motorsteuerung

Die frühesten Viertaktmotoren (Nikolaus Otto, 1876) verwendeten einfache seitliche Ventile mit festen, konservativen Steuerzeiten. Die OHV-Bauweise (hängende Ventile) verbesserte die Brennraumform. OHC (obenliegende Nockenwelle) und DOHC (zwei obenliegende Nockenwellen) ermöglichten präzisere Ventilsteuerung bei hohen Drehzahlen.

Seit den 1980er-Jahren haben variable Ventilsteuerungen den Motorenbau revolutionär verändert:

• Honda VTEC (1989): verwendet zwei unterschiedliche Nockenprofile auf derselben Nockenwelle. Bei niedrigen Drehzahlen folgen die Ventile einem flachen Nocken für sparsamen, ruhigen Lauf. Oberhalb einer bestimmten Drehzahl koppelt ein hydraulischer Stift die Kipphebel an einen steileren Nocken um – die Ventile öffnen weiter und länger, was deutlich mehr Leistung ermöglicht. Der Übergang ist im Fahrbetrieb spürbar.
• BMW VANOS (1992): verdreht die Nockenwelle stufenlos relativ zur Kurbelwelle. Dadurch verschieben sich alle Ventilereignisse gleichmäßig nach früh oder spät, ohne dass sich Ventilhub oder Öffnungsdauer ändern. Im Steuerdiagramm wandern die Bögen als Ganzes im Kreis. Spätere Varianten (Doppel-VANOS) steuern Einlass- und Auslassnockenwelle unabhängig voneinander.
• Toyota VVT-i (1996): arbeitet ähnlich wie VANOS und verstellt die Einlassnockenwelle stufenlos. Dadurch wird die Ventilüberschneidung je nach Betriebszustand vergrößert oder verkleinert – bei niedrigen Drehzahlen minimal, bei hohen Drehzahlen maximal.
• BMW Valvetronic (2001): variiert zusätzlich zur Nockenwellenverstellung auch den Ventilhub stufenlos. Ein Zwischenhebel zwischen Nocken und Ventil wird über einen Elektromotor verstellt. Bei geringer Last öffnen die Ventile nur wenige Millimeter – das ersetzt die Drosselklappe und reduziert Drosselverluste erheblich.
• Fiat MultiAir (2009): ersetzt den mechanischen Nockenantrieb auf der Einlassseite durch ein elektrohydraulisches System. Ein Ölvolumen zwischen Nocken und Ventil wird über ein Magnetventil gesteuert. Das erlaubt, jeden einzelnen Ventilhub in Höhe und Dauer frei zu variieren – unabhängig von der Nockenform und sogar von Zylinder zu Zylinder unterschiedlich.

Steuerdiagramm lesen lernen

Das kreisförmige Diagramm bildet 720° Kurbelwellendrehung ab. OT (oberer Totpunkt) steht oben, UT (unterer Totpunkt) unten. Das Diagramm wird im Uhrzeigersinn gelesen.

Wichtige Ventilereignisse und typische Winkel:

• EÖ – Einlass Öffnet: 5–20° vor OT
• ES – Einlass Schließt: 30–60° nach UT
• AÖ – Auslass Öffnet: 40–60° vor UT
• AS – Auslass Schließt: 5–20° nach OT

Wo sich die Einlass- und Auslassbögen nahe dem OT überlappen, liegt die Ventilüberschneidung. Der Zündvoreilwinkel ist nahe dem OT am Übergang von Verdichtung zu Arbeitstakt markiert – beobachten Sie in der Animation, wie er sich mit der Drehzahl verschiebt.

Was passiert bei falschen Steuerzeiten?

Reißt ein Zahnriemen oder springt eine Steuerkette über, verlieren die Ventile die Synchronisation mit den Kolben. Bei Motoren mit Ventilberührung können Kolben auf geöffnete Ventile treffen – verbogene Ventile, beschädigte Kolben, Reparaturkosten von mehreren tausend Euro.

Verschobene Steuerzeiten (z. B. Zahnriemen um einen Zahn versetzt montiert) führen zu Leistungsverlust, unruhigem Leerlauf, erhöhten Emissionen und schlechtem Startverhalten.

Verschleiß an Nocken und Ventilfedern verändert die effektiven Steuerzeiten schleichend. Regelmäßige Wartung – Ventilspielkontrolle und Zahnriemenwechsel nach Herstellervorgabe – hält den Motor im spezifizierten Zustand. Das Steuerdiagramm in der Animation zeigt den Idealzustand; Abweichungen davon sind ein zentrales Diagnosewerkzeug in der Kfz-Werkstatt.

Zahnriemen und Steuerkette im Vergleich

Für den Antrieb der Nockenwelle kommen zwei Systeme zum Einsatz, die sich in ihrem Verschleißverhalten grundlegend unterscheiden. Der Zahnriemen besteht aus einem faserverstärkten Gummiband mit Zahnprofil. Er läuft leise, ist leicht und kostengünstig, altert jedoch durch Wärme, Öl und mechanische Belastung. Ein gealterter Zahnriemen kann ohne Vorwarnung reißen – sämtliche Steuerzeiten fallen dann schlagartig aus, und bei Motoren mit Ventilberührung kommt es zum Kolben-Ventil-Kontakt. Deshalb schreiben Hersteller feste Wechselintervalle vor (typisch 60.000–120.000 km oder 5–8 Jahre).

Die Steuerkette ist eine Metallkette, die deutlich langlebiger ist und in vielen Motoren auf die gesamte Lebensdauer ausgelegt wird. Ihr Verschleiß zeigt sich anders: Die Kettenglieder längen sich im Laufe der Zeit minimal, wodurch sich die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle geringfügig verdreht. Im Steuerdiagramm der Animation würde das bedeuten, dass sich alle Ventilereignisse leicht verschieben – die Öffnungs- und Schließzeitpunkte wandern um wenige Grad. Ein hydraulischer Kettenspanner gleicht diese Längung bis zu einem gewissen Grad aus. Ist der Spanner am Ende seines Regelbereichs, macht sich die gelängte Kette durch ein rasselndes Geräusch beim Kaltstart bemerkbar – ein typisches Frühwarnzeichen, bevor die Kette überspringt.

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Überblick und Download

Mitwirkende

C. Hein, S. Rikowski

Quellangaben

• Technische Zeichnung des Motors: in Anlehnung an Ulrich Rapp (http://www.ulrich-rapp.de/stoff/fahrzeug/motor/index.htm)
• Autorenwerkzeug (Steuerungselemente mitgeliefert): Adobe Animate