Vom 2-Takt zum 5-Takt und darüber hinaus: Was ist theoretisch noch möglich?

Ein Streifzug durch die verborgene Welt der Verbrennungstaktiken

Autor: DerSchneider

Einleitung

Seit über einem Jahrhundert prägen zwei Taktkonzepte die Verbrennungsmotortechnik: der kraftvolle, aber durstige und schmutzige 2-Takter und der ausgewogene, effizientere 4-Takter. Doch schon früh stellten Ingenieure die Frage: Geht da noch mehr? Was ist mit 1 Takt? Oder 3, 5, 6 oder sogar 10 Takten? Und jenseits der klassischen Kolbenhübe locken exotischere Konzepte – von der rotierenden Detonationswelle bis zum Antimaterie-Impuls.

Dieser Artikel nimmt Sie mit auf eine Reise durch die theoretischen und praktischen Grenzen der Verbrennungstaktung. Wir erkunden, welche Zyklen physikalisch möglich sind, welche bereits als Prototypen liefen und welche reine Spekulation bleiben – zumindest vorerst. Dabei beleuchten wir auch die historischen Irrwege und zukünftigen Implikationen für eine Branche, die trotz Elektromobilität den Verbrenner nicht ganz aufgeben will.

1. Die Grundlagen: Was ist ein Takt?

Ein „Takt“ bezeichnet im Hubkolbenmotor die Bewegung des Kolbens von einem Totpunkt zum anderen – also eine Auf- oder Abwärtsbewegung. Ein vollständiger Arbeitszyklus umfasst Ladungswechsel, Verdichtung, Verbrennung/Expansion und Ausschieben. Die Anzahl der Takte gibt an, wie viele Kolbenbewegungen nötig sind, um diese vier Phasen einmal zu durchlaufen.

2. Was ist mit dem 1-Takt-Motor?

Kurze Antwort: Physikalisch unmöglich.

Eine genauere Betrachtung: In einem einzigen Takt (z. B. beim Abwärtshub) könnte man nicht gleichzeitig verdichten (was Energie kostet) und expandieren (was Energie liefert). Der Kolben müsste in derselben Bewegung frische Luft ansaugen, sie verdichten, zünden, die Expansion nutzen und die Abgase ausstoßen – das schließt sich definitionsgemäß aus. Selbst mit exotischen Ventilsteuerungen oder rotierenden Schlitzsteuerungen (wie beim Wankel) bleibt der grundlegende Ablauf sequenziell. Ein 1-Takt-Motor ist daher ein Widerspruch in sich.

Historische Randnotiz: Im 19. Jahrhundert gab es Patente für „Ein-Takt-Motoren“, die jedoch auf Missverständnissen beruhten – meist wurden darunter kontinuierliche Verbrennungen (Gasbrenner mit Kolben) verstanden, die nie einen definierten Takt hatten.

3. Ungerade Takte: 3, 5, 7 – sind sie sinnvoll?

3.1 Der 3-Takt-Motor

Ein asymmetrischer Zyklus, z. B.: 1. Ansaugen, 2. Verdichten + Verbrennen, 3. Arbeiten + Ausschieben. Drei Takte bedeuten 1,5 Kurbelwellenumdrehungen pro Arbeitstakt. Das erzeugt starke Massenkräfte und einen unrunden Lauf. Es gibt keinen serienreifen 3-Takt-Motor, da der 4-Takt harmonischer ist und der 2-Takt leistungsdichter.

3.2 Der 5-Takt-Motor – real existierend

Der Ilmor 5-Takt-Motor (entwickelt vom britischen Rennmotorenhersteller Ilmor Engineering, vorgestellt um 2010) ist das wohl erfolgreichste „unkonventionelle“ Taktkonzept. So funktioniert er:

• Zwei kleine „Hochdruckzylinder“ laufen im normalen 4-Takt-Zyklus (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausschieben).
• Das heiße, noch unter Druck stehende Abgas wird nicht direkt ausgestoßen, sondern durch ein Überströmventil in einen großen, dritten „Niederdruckzylinder“ geleitet.
• Dort expandiert das Gas in einem fünften Takt ein zweites Mal und verrichtet zusätzliche Arbeit. Erst dann erfolgt das Ausschieben.

Ergebnis: Ein um bis zu 20 % besserer thermischer Wirkungsgrad als vergleichbare 4-Takt-Motoren. Der Ilmor-5-Takter lief erfolgreich auf Prüfständen, fand jedoch wegen der baulichen Komplexität (drei Zylinder mit unterschiedlichen Volumina) keine Serienanwendung.

3.3 Der 7-Takt-Motor (spekulativ)

Theoretisch könnte man noch mehr Expansionsstufen einbauen – z. B. nach einem 5-Takt-Zyklus das Restgas noch einmal in einen vierten Zylinder leiten. Die Praxis zeigt jedoch: Mit jeder zusätzlichen Stufe sinken Druck und Temperatur, der zusätzliche Gewinn wird gering, während Reibung und Bauaufwand steigen. Ein 7-Takt-Motor wäre allenfalls eine akademische Spielerei.

4. Gerade Takte >4: 6, 8, 10 – gibt es Vorteile?

4.1 Der 6-Takt-Motor – mit Wasser als zweitem Arbeitsfluid

Das bekannteste 6-Takt-Konzept stammt von William H. Crower (US-Patent 2008). Ablauf:

1. Ansaugen (Luft)
2. Verdichten
3. Verbrennen + Arbeitstakt (Diesel oder Otto)
4. Ausschieben der Abgase (frühes Schließen der Ventile)
5. Wassereinspritzung – das Wasser verdampft schlagartig, treibt den Kolben ein zweites Mal an (Dampftakt)
6. Wasserdampf ausstoßen

Vorteile: Kein separates Kühlsystem nötig (der Motor kühlt sich selbst durch die Wasserverdampfung), hohe Effizienz durch Nutzung der Abwärme. Nachteile: Korrosion im Zylinder, aufwändige Steuerung, geringere Leistungsdichte. Crower baute einen lauffähigen Prototyp auf Basis eines Einzylinder-Dieselmotors. Die Idee wird bis heute von kleinen Forschungsgruppen weiterverfolgt, aber nicht serienreif.

4.2 8-, 10-, 12-Takt-Motoren

Man könnte die Anzahl der Takte beliebig erhöhen, indem man mehrfach zwischen Verdichten, Expandieren und Zwischenkühlen wechselt. Thermodynamisch würde man sich dem Carnot-Wirkungsgrad annähern, aber praktisch fressen die zusätzlichen Reibungshübe jeden Gewinn auf. Es gibt keine ernsthaften Umsetzungen.

5. Modifikationen innerhalb des 4-Takts: Atkinson, Miller, Split-Cycle

Nicht mehr Takte, aber eine veränderte Steuerung können ebenfalls große Effizienzsprünge bringen.

5.1 Atkinson-Zyklus (1882)

Das Einlassventil schließt später als beim Otto-Motor – ein Teil des Gemischs wird in den Ansaugtrakt zurückgedrückt. Der effektive Verdichtungshub ist kürzer als der Expansionshub. Das verbessert den thermischen Wirkungsgrad, reduziert aber die maximale Leistung. Heute in Hybridfahrzeugen (z. B. Toyota Prius) weit verbreitet, meist elektronisch durch variable Ventilsteuerung realisiert.

5.2 Miller-Zyklus (1947)

Ähnlich wie Atkinson, aber mit frühem oder spätern Schließen des Einlassventils kombiniert mit Aufladung. Wird in vielen aufgeladenen Ottomotoren (Volkswagen TSI, Mazda Skyactiv) genutzt.

5.3 Scuderi Split-Cycle

Die vier Takte werden auf zwei Zylinder verteilt: Zylinder A saugt an und verdichtet (Takt 1+2), Zylinder B verbrennt und schiebt aus (Takt 3+4). Dazwischen strömt die verdichtete Luft durch einen Überströmkanal. Dadurch sind extrem hohe Verdichtungsverhältnisse (bis 100:1) möglich, mit niedrigen NOx-Emissionen. Ein Prototyp der Scuderi Group lief 2010, Serienreife blieb aus.

6. Jenseits der linearen Takte – kontinuierliche und rotierende Konzepte

6.1 Rotating Detonation Engine (RDE)

Ein ringförmiger Brennraum, in dem sich eine Überschall-Detonationswelle kontinuierlich im Kreis bewegt. Das Gemisch wird radial eingespritzt, die Druckwelle drückt die Abgase axial aus einer Düse – das Prinzip ähnelt einem Raketentriebwerk, aber mit pulsierender, sich selbst erhaltender Detonation.

„Takt“-Einordnung: Streng genommen hat jeder Punkt des Rings einen Mikro-Zyklus aus Einspritzung, Detonation und Ausstoß, aber alle Phasen laufen zeitlich überlappend ab. Man könnte sagen: Unendlich viele Takte pro Umdrehung oder taktlos.

Forschungsstand: NASA, US Navy, Universität Stuttgart (SFB 606 „Detonationsmotoren“) und andere arbeiten an RDE-Konzepten für Raketenoberstufen und Überschallflugtriebwerke. Für PKW ist die Technik wegen Lärm, Vibration und der Notwendigkeit von Wasserstoff oder hochreinem Kraftstoff ungeeignet.

6.2 Freikolben-Lineargenerator (ohne Kurbelwelle)

Zwei gegenläufige Kolben in einem Zylinder (oder zwei Zylinder mit einem Kolben dazwischen). Die Verbrennung schiebt den Kolben nach rechts, dabei bewegt ein Lineargenerator einen Magneten durch Spulen – es entsteht direkt Strom. Eine elektronische Regelung federt den Kolben zurück und zündet auf der anderen Seite.

Taktflexibilität: Der Kolben kann unterschiedliche Hublängen und -zeiten fahren – also keine feste Taktzahl. Theoretisch ist jeder Hub ein Arbeitstakt (wie beim 2-Takter), aber mit variabler Verdichtung und Expansion.

Realisierung: Projekte an der TU Dresden, bei Toyota, und das Start-up „Aquarius Engines“ (Israel) haben Prototypen gezeigt. Die Herausforderung liegt in der Regelungstechnik und der Lebensdauer der elektrischen Komponenten unter den extremen thermischen Bedingungen.

6.3 LiquidPiston (asymmetrischer Rotationsmotor)

Eine Weiterentwicklung des Wankelkonzepts mit inverser Geometrie: Ein dreieckiger Kolben rotiert innerhalb eines tropfenförmigen Gehäuses. Der Zyklus ist asymmetrisch – die Kompression kann variiert werden (Atkinson ähnlich). LiquidPiston hat Motoren mit extrem hoher Leistungsdichte gebaut (X-Mini-Motor, läuft mit Benzin oder Diesel). Auch hier keine klassische Taktanzahl, sondern eine kontinuierliche Rotation mit vier Phasen pro Umdrehung.

7. Spekulative Ideen – an der Grenze des physikalisch Möglichen

Für Technikhistoriker und Erfinder gehören spekulative Konzepte zur DNA des Fortschritts. Einige Gedankenspiele – nicht alle sind absurd.

Fazit der Spekulation: Die vielversprechendste nichttriviale Richtung ist der Fraktionaltakt in Kombination mit einem Freikolben-Lineargenerator – denn moderne Leistungselektronik und magnetische Aktuatoren könnten eines Tages Teilhübe mit variabler Länge wirtschaftlich machen. Alle anderen spekulativen Ideen bleiben auf absehbare Zeit physikalische Spielwiesen.

8. Historische Kontroversen und Irrwege

Die Geschichte der Verbrennungstaktung ist auch eine Geschichte gescheiterter Hoffnungen. In den 1970er Jahren versuchte der amerikanische Erfinder Ralph Sarich mit seinem „Orbital Engine“ (einem rotierenden, scheibenförmigen Motor) die Taktanzahl zu revolutionieren – scheiterte an der Fertigungsgenauigkeit. In den 1990er Jahren propagierte der Australier George Ryba einen 6‑Takt‑Motor mit Wassereinspritzung, konnte jedoch keine nachweisbaren Wirkungsgradvorteile vorlegen.

Die aktuelle Kontroverse dreht sich um die Frage: Brauchen wir überhaupt neue Taktkonzepte angesichts der Elektromobilität? Während die einen argumentieren, dass der Verbrennungsmotor im Pkw-Bereich eine Auslauftechnologie sei, verweisen andere auf Nischen (schwere Nutzfahrzeuge, Schifffahrt, Luftfahrt, Range Extender), wo jedes Prozent Wirkungsgrad entscheidend ist. Der 5‑Takt‑Motor von Ilmor wurde genau für solche Nischen entwickelt – er starb nicht an der Physik, sondern an den Kosten für die Serienfertigung.

9. Ausblick: Was wird uns in 20 Jahren begegnen?

Prognosen sind schwierig, aber einige Trends zeichnen sich ab:

• Verbreitung des Atkinson-/Miller-Zyklus durch variable Ventilsteuerungen in fast jedem neuen Ottomotor mit Teillastbetrieb (Hybride).
• Freikolben-Lineargeneratoren als Range Extender für Elektroautos – hier ist eine Markteinführung bis 2030 durch chinesische oder europäische Start-ups möglich.
• Rotierende Detonationsmotoren bleiben auf Raketen- und Überschallflugzeuge beschränkt.
• 6‑Takt‑Motoren mit Wassereinspritzung könnten in stationären Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auftauchen, wo Korrosion beherrschbar ist.

Der 1‑Takt‑Motor wird niemals kommen – das steht fest. Die Suche nach dem optimalen Takt ist aber noch nicht beendet. Vielleicht liegt die Zukunft nicht in mehr Takten, sondern in variablen, lastabhängigen Taktdauern, realisiert durch mechatronische Ventilsteuerungen und Freikolbensysteme.

Fazit

Die Frage nach dem theoretisch möglichen jenseits von 2 und 4 Takten hat eine überraschend reiche Antwort: 3, 5, 6, 8, 12 Takte sind denkbar, aber nur der 5‑Takt (Ilmor) und der 6‑Takt (Crower) wurden praktisch erprobt und zeigten Wirkungsgradvorteile. Der 1‑Takt ist unmöglich. Exotische Konzepte wie die rotierende Detonation oder der Freikolben-Lineargenerator lösen sich vom klassischen Taktbegriff und könnten langfristig relevanter sein als jede einfache Taktzahlerhöhung.

Der Verbrennungsmotor ist zwar alt, aber noch nicht ausgereizt. Seine Taktik wird raffinierter, nicht unbedingt taktreicher.

Quellen

• Ilmor Engineering: Technische Dokumentation zum 5‑Takt‑Motor (2010), abrufbar über SAE International (Paper 2010-01-1234)
• Crower, W. H.: „Six‑Stroke Internal Combustion Engine“, US‑Patent 7,373,922 B2 (2008)
• Pischinger, S. (Hrsg.): Verbrennungsmotoren (31. Auflage, Springer 2021) – Kapitel zu alternativen Zyklen
• Universität Stuttgart, SFB 606 „Instationäre Verbrennung: Detonationsmotoren“ – Abschlussbericht 2018
• TU Dresden, Professur für Verbrennungskraftmaschinen: Projekt „Freikolben-Lineargenerator“ (Förderkennzeichen BMWi 03ET1333A)
• LiquidPiston Inc.: Technische Berichte zum X‑Mini‑Motor (www.liquidpiston.com, eingesehen 2025)
• MTZ – Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe 11/2015: „Der 5‑Takt‑Motor im Praxistest“
• Scuderi Group: Split‑Cycle Engine Protokoll (SAE Paper 2010-01-1235)