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Weil viertel in dem Fall ein (ungebeugtes) Adjektiv ist, welches sich auf das folgende Wort Stunden bezieht, vergleichbar mit dem (beugbaren) halb in ein halber Tag oder eine halbe Stunde.

In zu drei Vierteln gibt es dagegen kein Wort, auf das sich Viertel als Adjektiv bezieht, vielmehr ist Viertel in dem Fall selbst ein Substantiv (man sieht sogar die -n-Endung für den Dativ Plural). Ebenso: ein Viertel des Tages.

Tatsächlich würde ich statt viertel Stunde (was auch zulässig ist) lieber die Zusammenschreibung Viertelstunde verwenden (also eine Viertelstunde statt eine viertel Stunde); ich vermute, dass dieses kuriose viertel als unbeugbares Adjektiv auf eine Umdeutung zurückgeht und die Zusammensetzung der eigentliche Ursprung ist. Ähnlich: Achtzigerjahre – achtziger Jahre. (Ich ziehe Achtzigerjahre vor.)