Ziel dieser Arbeit ist es, im Rahmen einer Kooperationsarbeit einen Motorprüfstand zu konzipieren, zu konstruieren und aufzubauen, mit dem eine neu entwickelte Membran eines Membranvergasers getestet werden kann. Insbesondere stehen der Einfluss des Membranmaterials auf die Gemischbildung im Vergaser und die anschließenden Vorgänge wie Verbrennung und Emission des Zweitakt-Motos im Vordergrund.
Die aktuelle Diskussion um die luftverschmutzende Wirkung von Kraftfahrzeugen, insbesondere in deutschen Innenstädten, verstärkt den Druck auf die Hersteller von Verbrennungskraftmaschinen, umweltfreundlichere Antriebe zu entwickeln. Mit Hilfe von alternativen Kraftstoffen wie E10 lässt sich eine Reduktion von CO2-Emissionen erreichen. E10 ist ein Kraftstoff, der eine fünf bis zehnprozentige Beimischung von Bioethanol in fossilen Ottokraftstoffen enthält und im Rahmen der Erneuerbare-Energien-Richtlinie im Jahr 2010 eingeführt wurde.
Die Vorteile dieser Kraftstofftechnologie möchte man sich auch bei handbetriebenen Kleingeräten zu Nutze machen. Die eingesetzten Alkoholbestandteile können jedoch bei Gummiverbindungen, wie sie beispielsweise in Vergasern zum Einsatz kommen, dauerhafte Schädigungen hervorrufen. Von besonderer Bedeutung für die Hersteller solcher Geräte ist in diesem Zusammenhang die Verwendung alternativer Materialien oder Materialzusammensetzungen bei der Herstellung von Membranen für Membranvergasern.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation und Zielsetzung
1.2 Aufbau der Arbeit und Methodik
2 Grundlagen
2.1 Motorenmesstechnik
2.1.1 Belastungsmaschine
2.1.2 Mechanische Größen
2.1.3 Temperaturen und Drücke
2.1.4 Massen und Volumenströme
2.1.5 Abgasmesstechnik
2.2 Kraftstoffe
2.3 Der Versuchsträger
2.3.1 Allgemeines zum Zwei-Takt-Ottomotor
2.3.2 Der Vergaser
2.3.2.1 Funktionsprinzip eines Vergasers
2.3.2.2 Der Kaltstart
2.3.2.3 Die Lastzustände des Membranvergasers
2.4 Entwicklungsprozess nach VDI 2221
2.5 Der Morphologische Kasten
2.6 Das Wertigkeitsverfahren
2.6.1 Variantenauswahl nach Pahl und Beitz
2.6.2 Bewertung ausgewählter Varianten
3 Konstruktion des Kleinmotorenprüfstands
3.1 Planen und Klären der Aufgabe
3.1.1 Aufgabenstellung
3.1.2 Terminplanung/Projektplanung
3.1.3 Ausgangslage
3.1.4 Ermittlung des Anforderungsprofils
3.1.4.1 Aufbau der Anforderungsliste
3.1.4.2 Erstellung der Anforderungsliste
3.2 Konzeption, Entwurf und Ausarbeitung
3.2.1 Identifikation von Teillösungen mit Hilfe des Morphologischen Kastens
3.2.2 Festlegung der Gesamtlösung mit Hilfe des Wertigkeitsverfahrens
3.2.2.1 Variantenauswahl nach Pahl und Beitz
3.2.2.2 Bewertung ausgewählter Varianten
3.2.3 Weitere benötigte Bauteile und Anpassungen
3.2.3.1 Der elektrische Antrieb
3.2.3.2 Getriebe
3.2.3.3 Luftansaugung
3.2.3.4 Anpassungen an Abgassystem und Sensorik
3.2.3.5 Verbindung der An- und Abtriebswellen
3.2.3.6 Wellenschutz
3.2.3.7 Servomotor für Gasannahme
3.2.3.8 Notausschalter
4 Inbetriebnahme des Motorprüfstands
4.1 Aufbau des Motorprüfstands
4.2 Planung der Messungen
4.3 Weitere Schritte
4.4 Funktionsüberprüfung der notwendigen Mess- und Regelungstechnik
4.4.1 Warmlaufphase
4.4.2 Überprüfung des Drehzahlreglers
5 Fazit
5.1 Allgemeines Fazit
5.2 Persönliches Fazit
Anhang
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Motorenmesstechnik
Abbildung 2: Aufbau eines Zweitakt-Ottomotors
Abbildung 3: Funktionsprinzip eines Vergasers
Abbildung 4: Venturiquerschnitt
Abbildung 5: Die Membranpumpe
Abbildung 6: Aufbau einer Hauptdüse
Abbildung 7: Einstellung des Vergasers für den Startbetrieb
Abbildung 8: Einstellung des Vergasers für den Leerlaufbetrieb
Abbildung 9: Einstellung des Vergasers für den Teilllastbetrieb
Abbildung 10: Einstellung des Vergasers für den Volllastbetrieb
Abbildung 11: Entwicklungsprozess nach VDI 2221
Abbildung 12: Auswahlliste nach Pahl und Beitz
Abbildung 13: Stihl MS 171
Abbildung 14: Morphologischer Kasten mit den gefundenen Teillösungen
Abbildung 15: Teillösung A1
Abbildung 16: Teillösung A2
Abbildung 17: Teillösung A3
Abbildung 18: Teillösung A4
Abbildung 19: Teillösung A5
Abbildung 20: Teillösung B1.1
Abbildung 21: Teillösung B1.2
Abbildung 22: Teillösung B1.3
Abbildung 23: Teillösung B1.4
Abbildung 24: Teillösung B2.1a
Abbildung 25: Teillösung B2.1b
Abbildung 26: Teillösung B2.2
Abbildung 27: Aerotrim
Abbildung 28: Teillösung B2.3
Abbildung 29: Teillösung B2.4
Abbildung 30: Teillösung C1
Abbildung 31: Teillösung C2
Abbildung 32: Teillösung C3
Abbildung 33: Teillösung C4
Abbildung 34: Teillösung C5
Abbildung 35: Teillösung C6
Abbildung 36: Teillösung D1
Abbildung 37: Teillösung D2
Abbildung 38: Teillösung D3
Abbildung 39: Teillösung D4
Abbildung 40: Teillösung D5
Abbildung 41: Teillösung D6
Abbildung 42: Teillösung D7
Abbildung 43: Morphologischer Kasten mit potentiellen Lösungswegen
Abbildung 44: CAD-Modell der Gesamtlösung "Rot"
Abbildung 45: RimFire 65cc
Abbildung 46: Drehmomentverlauf des Elektromotors RimFire 65cc (blau), Drehmomentverlauf des Kettensägenmotors (rot)
Abbildung 47: Regler MAMBA XL X EXTREME 1:5 SCALE ESC der Firma Castle Creations
Abbildung 48: Präzisionsgetriebe PLE040 der Firma Neugart
Abbildung 49: Drehmomentverlauf des Elektromotors RimFire 65cc (blau), Drehmomentverlauf des Elektromotors RimFire 65cc mit Getriebe (grün), Drehmomentverlauf des Kettensägenmotors (rot)
Abbildung 50: Luftansaugung mit Heißfilm-Anemometer
Abbildung 51 : Anpassung am Abgassystem
Abbildung 52: Swagelog T-Stück (links); Abgasschlauch (rechts)
Abbildung 53: Drehzahlsensor
Abbildung 54: UniLat-Kupplung (links)
Abbildung 55: Wellenschutz
Abbildung 56: Befestigung des Servomotors (links); Stellhebel der Drosselklappe (rechts)
Abbildung 57: Relais (rot markiert)
Abbildung 58: Schaltplan Notaus
Abbildung 59: Mechanischer Aufbau des Motorprüfstands
Abbildung 60: Elektromotor mit Regler
Abbildung 61: Wellenverbindung zwischen Kettensägen- und Elektromotor
Abbildung 62: Versuchsablauf
Abbildung 63: Planung des zeitlichen Ablaufs der Messungen
Abbildung 64: Ablauf einer Einzelmessung
Abbildung 65: Ausschnitt aus dem Reglermodell in Simulink
Abbildung 66: Berechnung des Drehmomentverlaufs des Elektromotors RimFire 65cc
Abbildung 67: Mechanisches Schaubild der Drehmomentmessung mit Kraftmessdose
Abbildung 68: Warmlaufphase mit RPM_Hall, T_Zyl und T_Abgas
Abbildung 69: Warmlaufphase mit MAF_HFM und LAMB_vk
Abbildung 70: Warmlaufphase mit CO2, COH, O2 und THC
Abbildung 71: Reglerinbetriebnahme mit RPM_Hall, Solldrehzahl_aktiv und Alpha_KS (I) ..
Abbildung 72: Reglerinbetriebnahme mit RPM_Hall, Solldrehzahl_aktiv und Alpha_KS (II) .
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Schema des Morphologischen Kastens
Tabelle 2: Werteskala
Tabelle 3: Bewertungsschema zur gewichteten Punktebewertung
Tabelle 4: Gruppen von Hauptmerkmalen der Anforderungsliste
Tabelle 5: Relevanzkategorien
Tabelle 6: Anforderungsliste Gesamtsystem
Tabelle 7: Anforderungsliste Gestell
Tabelle 8: Anforderungsliste Halterung Motor
Tabelle 9: Anforderungsliste Halterung dynamische Bremse
Tabelle 10: Auswahlliste der Teillösungen (I)
Tabelle 11: Auswahlliste der Teillösungen (II)
Tabelle 12: Bewertung der drei Lösungswege mittels des Wertigkeitsverfahrens
Tabelle 13: Empfohlene Voreinstellung des Motorreglers
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1 Einleitung
1.1 Motivation und Zielsetzung
Einhergehend mit der fortschreitenden Verknappung von Ölreserven und den anvisierten klimapolitischen Zielen gewinnt die Erzeugung und Nutzung von Biokraftstoffen in Deutschland stärker an Bedeutung. Neben der Emissionsreduktion umweltschädlicher Treibhausgase sind durch die Nutzung von Biokraftstoffen weitere Vorteile, wie beispielsweise die geringere Abhängigkeit von erdölfördernden Ländern mit politischer Instabilität, zu erwarten.
Die Politik arbeitet stetig an strengeren Regulierungen, um die emittierten Schadstoffe beim Betrieb von Maschinen im Automobilbereich wie auch bei handbetriebenen Arbeitsgeräten mit Verbrennungsmotor zu reduzieren. Bereits im Jahr 1995 hat die Environmental Protection Agency (EPA) in den Vereinigten Staaten von Amerika einen Regulationsprozess eingeführt, mit welchem unter anderem die Emissionen von Arbeitsmaschinen unter 25 Pferdestärken begrenzt werden sollten (vgl. Sicking/Zavala 2002, S. 1). Im Jahr 2000 beschloss die Europäische Union eine zweistufige Harmonisierung mit der geltenden amerikanischen Gesetzgebung, um die Emissionen von handbetriebenen Arbeitsgeräten zu limitieren (vgl. Van Basshuysen/Schäfer 2017, S 491).
Die aktuelle Diskussion um die luftverschmutzende Wirkung von Kraftfahrzeugen, insbesondere in deutschen Innenstädten, verstärkt den Druck auf die Hersteller von Verbrennungskraftmaschinen, umweltfreundlichere Antriebe zu entwickeln. Mit Hilfe von alternativen Kraftstoffen wie E10 lässt sich eine Reduktion von C02-Emissionen erreichen. E10 ist ein Kraftstoff, der eine fünf bis zehnprozentige Beimischung von Bioethanol in fossilen Ottokraftstoffen enthält und im Rahmen der Erneuerbare-Energien-Richtlinie im Jahr 2010 eingeführt wurde (vgl. Europäisches Parlament / Europäischer Rat 2009, L 140/17).
Die Vorteile dieser Kraftstofftechnologie möchte man sich auch bei handbetriebenen Kleingeräten zu Nutze machen. Die eingesetzten Alkoholbestandteile können jedoch bei Gummiverbindungen, wie sie beispielsweise in Vergasern zum Einsatz kommen, dauerhafte Schädigungen hervorrufen. Von besonderer Bedeutung für die Hersteller solcher Geräte ist in diesem Zusammenhang die Verwendung alternativer Materialien oder Materialzusammensetzungen bei der Herstellung von Membranen für Membranvergasern.
Ziel dieser Arbeit ist es, im Rahmen einer Kooperationsarbeit einen Motorprüfstand zu konzipieren, zu konstruieren und aufzubauen, mit dem eine neu entwickelte Membran eines Membranvergasers getestet werden kann. Insbesondere stehen der Einfluss des Membranmaterials auf die Gemischbildung im Vergaser und die anschließenden Vorgänge wie Verbrennung und Emission des Zweitakt-Motos im Vordergrund.
1.2 Aufbau der Arbeit und Methodik
Zunächst werden in Kapitel 2 die wichtigsten Begriffe und Funktionsprinzipien als Grundlage für die weitere Arbeit behandelt. Das umfasst einen Überblick über relevante Motorenmesstechniken und Kraftstoffe. Dem schließt sich eine Beschreibung des Versuchsträgers mit dessen typischem 2-Takt- und Vergaserprinzip an.
Anschließend werden zur Unterstützung und als Werkzeuge des Konstruktionsprozesses der Entwicklungsprozess nach VDI 2221, der Morphologische Kasten und das Wertigkeitsverfahren als methodische Grundlagen der Arbeit dargestellt. Die beschriebenen Prozesse sollen die strukturierte Lösungsfindung eines komplexen Problems durch Analyse und Synthese der Gesamtaufgabe unterstützen und zu möglichst validen und reproduzierbaren Ergebnissen führen.
In Kapitel 3 erfolgt die Dokumentation der Konstruktion des Kleinmotorenprüfstands. Dies umfasst die Anwendung der vorher beschriebenen Prozesse, also das Planen und Klären der Aufgabenstellung, die Suche nach verschiedenen Teillösungen und die anschließende Auswahl sowie Ausarbeitung einer geeigneten Gesamtlösung.
Anschließend wird die ausgewählte Lösung in Kapitel 4 mechanisch aufgebaut und der Motorprüfstand in Betrieb genommen. Außerdem erfolgt die Planung der durchzuführenden Messungen und eine Funktionsüberprüfung der notwendigen Mess- und Regelungstechnik.
Das Fazit in Kapitel 5 schließt die Arbeit ab.
2 Grundlagen
2.1 Motorenmesstechnik
Zur Entwicklung relevanter Motorenbauteile dient die Versuchsphase der Validierung, Auslegung, Optimierung sowie Kalibrierung von Neuentwicklungen. Zur Erfüllung dieser Aufgaben können mit Hilfe eines Motorprüfstands reproduzierbare Motorbetriebspunkte erzeugt, Kennwerte des Motors erfasst und diese anschließend ausgewertet werden (siehe Abbildung 1).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Motorenmesstechnik (Quelle: Eigene Abbildung in Anlehnung an Böge/Böge 2017, S.1039)
Die für die Arbeit relevanten Bereiche, wie die Belastungsmaschine, mechanische Größen, Temperaturen und Drücke, Massen und Volumenströme sowie die Auswertung von Abgasströmen werden im Folgenden kurz erläutert.
2.1.1 Belastungsmaschine
Allgemein wird zwischen aktiven und passiven Belastungsmaschinen unterschieden. Im Gegensatz zu passiven ist es mit aktiven Belastungsmaschinen möglich, den Verbrennungsmotor zu starten, zu belasten, anzutreiben oder im Schleppbetrieb zu betreiben. Zum Einsatz kommen bei aktiven Belastungsmaschinen Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommaschinen. Bei kleineren Maschinen kann dies mit Hilfe eines integrierten Starter-Generators (ISG), eines riemengetriebenen Startergenerators (RSG) oder eines konventionellen Anlassers umgesetzt werden. Mit ihnen lassen sich neben der Einstellung bestimmter Belastungszustände auch relevante Motordaten wie Drehmoment, Drehzahl oder Leistung ermitteln (vgl. Böge/Böge 2017, S. 1039 f.).
2.1.2 Mechanische Größen
Die relevantesten mechanischen Messgrößen eines Motorprüfstands sind Drehmoment, Drehzahl und abgegebene Leistung. Zur Messung des abgegebenen Drehmoments empfehlen sich Dehnmessstreifen. Alternativ kann das Drehmoment auch mit Hilfe eines generativ betriebenen Elektromotors über die Stromstärke als Hilfsgröße ermittelt werden. Die Drehzahl der Kurbelwelle lässt sich nach dem so genannten „Impulszählverfahren“ (Böge/Böge 2017, S. 1041) ermitteln. Dies kann mit Hilfe eines Hall-Sensors in Verbindung mit einer Zahnscheibe oder einer optischen Messeinheit in Verbindung mit Teilungsmarken erfolgen. Bei bestimmten Elektromotoren ist es zudem möglich, das Drehfeld an einer der drei Phasen abzugreifen und daraus die an der Welle anliegende Drehzahl zu berechnen. Die abgegebene Leistung kann mit Hilfe des fließenden Stroms und den Motorkenndaten ermittelt werden.
2.1.3 Temperaturen und Drücke
Die Messung relevanter Temperaturen und Drücke erfolgt in der Regel an der direkten Umgebung, an zu- und abströmenden Fluiden, Verbrennungsluit, Kraftstoffen oder austretenden Abgasen. Bei der Druckmessung wird auf absolut und relativ messende Druckaufnehmer zurückgegriffen. Zur Messung von Temperaturen können Thermoelemente verwendet werden. Je nach Einsatzbereich werden Materialien mit unterschiedlicher Temperaturbeständigkeit benötigt.
2.1.4 Massen und Volumenströme
Informationen über die Massenströme angesaugter Verbrennungsluft oder die Menge an verbranntem Kraftstoff sind zur Beurteilung des Motorbetriebsverhaltens von großer Relevanz. Mit dem Verhältnis von „Luftmassenstrom zu Kraftstoffmassenstrom“ (Böge/Böge 2017, S. 1039) können zentrale Rückschlüsse über die Art der Verbrennung im Motor gezogen werden.
Bei der Messung der angesaugten Frischluft eines Motors unterscheidet man zwischen volumen- (z.B. Durchflussmessung nach dem Verdrängerprinzip oder durch Differenzdruckmessung an einer Blende) und massenbasierenden Messverfahren (Heißfilmanemometer). Beim Heißfilmanemometer wird der massenstromabhängige Wärmetransport zwischen einem Heizelement und einem Temperatursensor mit Hilfe einer Messelektronik in einen Massestrom umgerechnet (vgl. Böge/Böge 2017, S. 1040). Hierfür wird das Heizelement auf konstanter Temperatur gehalten und der sich ergebende Regelstrom ausgewertet (vgl. Lenz 1990, S. 288).
2.1.5 Abgasmesstechnik
Bei der exothermen Reaktion von angesaugter Umgebungsluft und Kraftstoff findet innerhalb des Brennraums eines Otto-Motors in der Regel eine unvollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs statt. Neben Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser (vollständige Verbrennung) enthalten die Abgase daher noch weitere Komponenten, die für die Umwelt unter Umständen schädlich sein können und daher gesetzlichen Limitationen unterliegen.
Lambda (λ), das Verhältnis von Luft und Kraftstoff, beeinflusst maßgeblich die Vollständigkeit der Verbrennung. Es ist definiert als „Verhältnis von tatsächlicher vorhandener Luftmenge relativ zur idealerweise stöchiometrisch benötigter Menge" (Van Basshuysen 2017, S. 933).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gründe für eine unvollständige Verbrennung können Unterbrechungen der Reaktionsketten „aufgrund der kurzen Verweildauer im Brennraum" (Van Basshuysen 2017, S. 933). sein. Aber auch eine inhomogene Gemischbildung, Verunreinigungen des Kraftstoffs oder Brennwandeffekte sind Mitverursacher dieses ungewünschten Effekts.
Ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung von Motorkomponenten ist daher die Reduktion schädlicher bei der Kraftstoffverbrennung entstehender Abgase.
Je nach beschriebener Verbrennungsgüte können die Abgase folgende Komponenten enthalten (vgl. Böge/Böge 2017, S. 1050):
Vollständige Verbrennung:
- C02 (Kohlenstoffdioxid)
- H20 (Wasser)
- N2 (Stickstoff)
- 02 (Sauerstoff)
Unvollständige Verbrennung:
- CO (Kohlenstoffmonoxid)
- HC (Kohlenwasserstoff)
- N0X (Stickoxide)
- PM (Feststoffe)
2.2 Kraftstoffe
In diesem Kapitel sollen die für diese Arbeit relevanten Kraftstoffe kurz dargestellt werden. Dabei handelt es sich ausschließlich um die Gruppe der Ottokraftstoffe (OK).
Bei OK handelt es sich um leichtsiedende Komponenten des geförderten Erdöls. OK zeichnen sich durch eine obere (viel Kraftstoffdampf) und untere (wenig Kraftstoffdampf) Explosionsgrenze aus, zwischen denen ein zündfähiges Medium vorherrscht. Es handelt sich in der Regel um ein Gemisch von „Reformaten, Crackbenzinen (Olefinen), Pyrolyse-Benzinen, Iso-Parafinen, Butan, Alkylaten“ (Böge/Böge 2017, S. 882). Darüber hinaus finden sogenannte Ersatzkomponenten, wie beispielsweise Alkohole und Ether, Anwendung. Aufgrund des eingeführten Verbleiungsverbots werden heute als Ergänzung zu klassischen Komponenten und alkoholischen Beimischungen Ether-Komponenten als Klopfbremse in den Kraftstoffen verwendet (vgl. Böge/Böge 2017, S. 883).
Die heute bei den alternativen Kraftstoffen anzusiedelnden Beimischungen Methanol (MEOH) und Ethanol (ETOH) verfügen über einen sehr hohen Sauerstoffanteil und gute Klopfwerteigenschaften (vgl. Böge/Böge 2017, S. 902). Mit den Vorgaben der Erneuerbare-Energien-Richt- line des Europäischen Parlaments und des Rats (Richtlinie 2009/28/EG) wurde der verpflichtende Einsatz von Bio-Kraftstoffen im Verkehrssektor festgelegt, um einen Energieanteil von 10% aus erneuerbaren Quellen zu erreichen. Ethanol wird aus zuckerhaltigen Pflanzen gewonnen und wird auch als Spiritus oder Sprit bezeichnet (vgl. Todsen 2012, S. 78). Üblicherweise werden Ottokraftstoffe mit einem Ethanol-Anteil von 5% (E95) bis 10% (E10) verwendet (vgl. Europäisches Parlament / Europäischer Rat 2009, S. 17 ff.). Höhere Beimischungen unterliegen häufig der Kritik, unerwünschte Nebenwirkungen auszulösen. Zum einen können bei tiefen Temperaturen Entmischungen sowie zu hohe Abmagerungen vorkommen, die zu ungewollten Funktionsstörungen an Verbrennungskraftmaschinen führen. Darüber hinaus, und in dieser Arbeit von zentraler Bedeutung, können zu hohe Ethanol-Anteile im Kraftstoff aufgrund ihrer Aggressivität Bauteile aus Elastomeren und Metallen nachhaltig schädigen. Insbesondere Membrane im Kraftstoffsystem eines Vergasers sind von einer durch Ethanole hervorgerufenen Eigenschaftsänderung betroffen. Dies kann sich negativ auf das Betriebsverhalten des Motors auswirken (vgl. Böge/Böge 2017, S. 903). Die Entwicklung ethanolbeständiger Bauteile gewinnt daher an Bedeutung.
Unabhängig vom gewählten Kraftstoff muss bei 2-Takt-Motoren zur ausreichenden Schmierung der Motorkomponenten in der Regel eine Kraftstoffbeimischung von Öl stattfinden. Bei Kettensägenmotoren der Firma Stihl muss auf 50 Anteile Kraftstoff ein Anteil Öl beigemischt werden.
2.3 Der Versuchsträger
Bei den Messungen kommt eine Kettensäge des Typs MS 171 des Herstellers Stihl zum Einsatz. Das verwendete Triebwerk mit einem Hubraum von 31,8 cm3 bei einer Zylinderbohrung von 38 mm und einem Kolbenhub von 28 mm generiert bei 10.000 Umdrehungen pro Minute eine Leistung von 1,3 KW (1,8 PS). Die Leerlaufdrehzahl beträgt 2800 Umdrehungen pro Minute. Die Zündung erfolgt mit Hilfe eines elektronisch gesteuerten Magnetzünders in Verbindung mit einer klassischen Zündkerze. Zur Verwendung kommt ein lageunempfindlicher Membranvergaser mit integrierter Kraftstoffpumpe (siehe Kapitel 2.3.2). Ohne Kraftstoff und ohne Schneidgarnitur beträgt das Gewicht des Geräts 4,3 Kilogramm (vgl. Andreas STIHL AG & Co. KG o.J., S. 51).
2.3.1 Allgemeines zum Zwei-Takt-Ottomotor
Ein klassischer Zwei-Takt-Ottomotor besteht in der Regel aus folgenden Bauteilen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
A: Zylinder und Zylinderkopf
Bei einfachen Motoren werden Zylinderkopf und Zylinder oftmals als ein Teil ausgeführt. Der Zylinder hat die Aufgabe, den Brenn- bzw. Arbeitsraum des Motors zu begrenzen. Innerhalb des Zylinders wird der Kolben mit dessen Kolbenringen geführt. Gleichzeitig befinden sich bei Zwei-Takt-Motoren Schlitze in den Zylinderflächen, die die Einlass- und Auslasssteuerung des Motors ohne Ventiltrieb ermöglichen. Der Zylinderkopf begrenzt und dichtet den Arbeitsraum des Motors nach oben hin ab. In ihm werden die Kanäle sowie Steuerorgane für den Ladungswechsel (4-Takt) sowie die Zündkerzen untergebracht (vgl. Lenz 1990, S. 199 ff.).
B: Kolben und Kolbenringe
Der Kolben ist zur Übertragung der sich aus der Expansion des Gemisches ergebenden Gaskraft zuständig. In Verbindung mit den Kolbenringen dichtet er das Kurbelgehäuse gegen die entstehenden Verbrennungsrückstände und gegen Öl aus dem Kurbelgehäuse ab. Die Kolbenringe befinden sich dabei in den dafür vorgesehenen Nuten und tragen zusätzlich zu einer ausreichenden Ölschmierung an der Zylinderlauffläche sowie einer Wärmeleitung vom Kolben an den Zylinder bei (vgl. Lenz 1990, S. 190 ff.).
C: Pleuelstange
Die Pleuelstange ist mit der Unterseite des Kolbens (B) drehbar verbunden. Sie überträgt die Bewegung und Kraft des Kolbens auf die Kurbelwelle (D) (vgl. Lenz 1990, S. 188).
D: Kurbelwelle
Die drehbar gelagerte Kurbelwelle nimmt die Kräfte und Bewegung der Pleuelstange (C) auf und überträgt das entstehende Drehmoment an ein Schwungrad. Durch ihre exzentrische Form sorgt sie für einen Masseausgleich. Dies ist besonders bei höheren Drehzahlen von großer Bedeutung (vgl. Lenz 1990, S. 186).
E: Kurbelgehäuse
Das Kurbelgehäuse schließt den Motor nach unten hin ab und lagert die Kurbelwelle. Gleichzeitig kann das Kurbelgehäuse bei einem Zwei-Takt-Motor als Ladepumpe bei der Versorgung des Motors mit Frischluft dienen.
Ein Zwei-Takt-Motor führt nacheinander die zwei Arbeitsvorgänge Verdichten und Expandieren durch:
Im Anschluss an die Gemischbildung und Beförderung eines brennbaren Gemisches in den Zylinder (siehe Kapitel 2.3.2) wird das Gemisch im Ottomotor, im Gegensatz zum klassischen Dieselprozess, mittels einer Fremdzündungsquelle, beispielsweise mit Hilfe einer elektrischen Zündkerze, zur Explosion angeregt (vgl. Todsen 2012, S. 18; Böge/Böge 2017, S. 667). Dabei wird in der direkten Umgebung der Zündkerze ein kleiner Teil des Gemisches bei einer Temperatur von 3.000 - 6.000 Grad Celsius mit Hilfe eines elektrischen Funkens gezündet (vgl. Lenz 1990, S. 11). Die minimale Zündspannung beträgt dabei in der Regel zwischen 5 und 30 kV und wird oft mit Hilfe einer einfachen Spule an der Kurbelwelle erzeugt (vgl. ebd., S. 91).
Nach der Expansion werden die Abgase in den Auspuff abgeführt und der Prozess beginnt erneut. Zwischen den beiden Arbeitstakten werden die Abgase im Brennraum mit der Frischladung ausgespült. Dabei kann die genannte Ladeluftpumpe mit Hilfe des Kurbelgehäuses zum Einsatz kommen. Die dafür notwendige Steuerung wird mit Hilfe kleiner Schlitze im Zylinder ermöglicht. Dies reduziert den maximal möglichen Hub, der für die Verdichtung und Expansion genutzt werden kann. Allerdings ist durch eine solche Ausführung kein aufwendiger Ventiltrieb zur Einlass- und Auslasssteuerung notwendig. Dies ist insbesondere für kleine und kostengünstige Motoren, wie beispielsweise bei handbetriebenen Kettensägen, von Vorteil (vgl. Todsen 2012, S. 16 f.).
2.3.2 Der Vergaser
Ein Vergaser hat im Motor die Aufgabe, „der Verbrennungsluft den Kraftstoff in einem bestimmten Verhältnis mit möglichst großer Oberfläche (in Form möglichst feiner Tropfen oder als Dampf) beizumischen“ (Lenz 1990, S. 81). Der Einsatz klassischer Vergaser zur Gemischbildung kommt in modernen Motoren sehr wenig bis gar nicht mehr vor. Eine Ausnahme bilden länderspezifische Motorvarianten und Motoren für Kleingeräte, wie beispielsweise Kettensägen. Bei handgehaltenen Arbeitsgeräten finden in der Regel Membranvergaser Anwendung, da sie im Gegensatz zu Vergasern mit klassischen Schwimmerkammern eine vibrations- und lageunabhängige Kraftstoffversorgung des Motors gewährleisten. Da in dieser Arbeit eine neu entwickelte Membran für einen Serienvergaser auf ihre Leistungsfähigkeit überprüft werden soll, ist das Funktionsprinzip des Vergasers für die Arbeit von besonderer Bedeutung.
Der Vergaser wird bei einem konventionellen Ottomotor zur externen Gemischbildung genutzt. Hierbei wird aus Luft und Kraftstoff ein homogenes brennbares Gemisch erzeugt, das anschließend im Brennraum gezündet wird. Die für die Erzeugung und den Transport des Kraftstoffs notwendige Energie wird aus der Energie des Ansaugluftstroms bezogen. Eine sogenannte innere Gemischbildung findet statt, wenn das homogene brennbare Gemisch innerhalb des Brennraums gebildet wird (vgl. Böge/Böge 2017, S. 532).
2.3.2.1 Funktionsprinzip eines Vergasers
Grundsätzlich beruht das Prinzip des Vergasers auf der durch einen verringerten Kanalquerschnitt erzeugten höheren Strömungsgeschwindigkeit. Dies erzeugt einen im Vergleich zur Umgebung geringeren Druck und führt dadurch den Kraftstoff durch eine Düse in die Mischkammer des Vergasers (vgl. Abbildung 3).
Dabei ist die Nutzung eines Differenzdrucksignals zur Erzeugung eines Kraftstoffstroms für Vergaser charakteristisch. Die Massenströme auf Kraftstoff- und Luftseite lassen sich unter der vereinfachenden Annahme inkompressibler Strömungen mit der Bernoulli-Gleichung darstellen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Ein klassischer Vergaser verfügt über eine Kraftstoffniveauregulierung. Dies wird in der Regel mit Hilfe eines Kraftstoffspeichers, der so genannten „Schwimmerkammer“ (Böge/Böge 2017, S. 553) ermöglicht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Venturiquerschnitt (Quelle: https://de.wikipedia.org/w/index.php?oldid=167167818, Ab-rufdatum: 27.07.2017)
Dabei kann zwischen verschiedenen Vergaserkonzepten unterschieden werden: Im Gegensatz zu Vergasern mit veränderlichem Lufttrichterquerschnitt wird beim Festlufttrichtervergaser (siehe Abbildung 3) ein venturiartig (siehe Abbildung 4) geformter Lufttrichter mit festem Querschnitt verwendet. Eine Herausforderung hierbei ist die ausreichende Funktionsfähigkeit bei geringen Druckdifferenzen durch Luftströme geringer Geschwindigkeit.
Für die Nutzung wird mindestens eine Hauptkraftstoffdüse benötigt. Um einen gleichmäßigen Kraftstofffluss zu gewährleisten, verfügen Festlufttrichtervergaser in der Regel zusätzlich über mehrere Düsensysteme sowie eine Beschleunigerpumpe. Durch die Zugabe von Korrekturluft werden die Auswirkungen abweichender Reynoldszahlen der Kraftstoff- und Luftströmung korrigiert.
Bei Vergasern mit einem veränderlichen Lufttrichterquerschnitt erfolgt die Anpassung des Querschnitts durch bewegliche Elemente wie beispielsweise
- „eine Luftklappe
- ein den Kanal durchdringender Kolben und
- eine den Kanal einengende Schwinge“ (Böge/Böge 2017, S. 553),
um den Motor sowohl bei schwachen als auch bei starken Luftströmen mit geringen Differenzdruckänderungen betreiben zu können.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Die Membranpumpe (Quelle: http://www.hcrs.at/BILDER/VTVAC3.GIF, Abrufdatum: 05.10.2017)
Zudem lassen sich Vergaser bauartbedingt nach Anzahl und Lage der Ansaugluftkanäle unterscheiden: Einfachvergaser verfügen über nur einen Ansaugluftkanal mit einer Drosselklappe. Analog dazu werden Doppel-, Dreifach- und Registervergaser verwendet. Von Bedeutung ist der Registervergaser, der mit Hilfe von zwei parallelen Ansaugkanälen eine Aufteilung des eingehenden Luftstroms ermöglicht, und dessen beide Drosselklappen hintereinander angeordnet werden. Während eine Stufe für den Leerlauf und den Teillastbereich zuständig ist, regelt die zweite das Vergaserverhalten im Volllastbereich.
Um im Vergaser ein möglichst homogenes Gemisch im betriebswarmen Zustand zu erzeugen, muss zu jeder Zeit genügend Kraftstoff gefördert werden können. Dies wird mit Hilfe von so genannten Beschleunigerpumpen umgesetzt, die über eine zwischen Saug- und Druckventil liegende Pumpenkammer verfügen (siehe Abbildung 5).
Durch Saug- bzw. Förderhub wird Kraftstoff aus der Schwimmerkammer in die Pumpenkammer, beziehungsweise von dieser über einen Zerstäuberkopf in den Ansaugluftkanal befördert. Die Hubprozesse werden bei einem Membranvergaser durch eine mechanisch betätigte Membranpumpe in Verbindung mit einer Pumpenfeder bewerkstelligt (vgl. Böge/Böge 2017, S. 555).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Aufbau einer Hauptdüse (Quelle: Lenz 1990, S. 144)
Zur Regulierung der Kraftstoffmenge kommen in Vergasern Düsen zum Einsatz. Abbildung 6 zeigt den typischen Aufbau einer Hauptdüse mit einem Einlauf- sowie einem Auslaufkonus, durch die die sich in der Mitte befindliche Kalibrierstrecke geschützt wird.
2.3.2.2 Der Kaltstart
Zur Gewährleistung eines unproblematischen Kaltstarts muss der Vergaser über eine Starteinrichtung verfügen. Bei kleinen Handgeräten, wie beispielsweise bei Kettensägen, wird dies in der Regel durch einen zu betätigenden Hebel umgesetzt. Insbesondere aufgrund besonderer Anforderungen, wie eine erhöhte Reibung durch eine noch geringe Betriebstemperatur oder durch eine noch mangelhafte Gemischaufbereitung, ist eine veränderte Vergasereinstellung für die Warmlaufphase notwendig. Problematisch ist der bei Umgebungsdruck bei ca. 35 Grad Celsius liegende Taupunkt des Kraftstoffs. Solange der betriebswarme Zustand des Motors und Vergasers noch nicht erreicht ist, kann eine homogene Gemischausbildung nicht erreicht werden. Dies erfordert eine „Anreicherung des Gemisches gegenüber dem betriebswarmen Zustand“ (Böge/Böge 2017, S. 557). Die Berücksichtigung dieses Umstandes betrifft die Start- und die Nachstartphase, den Hochlauf auf eine stabile Leerlaufdrehzahl sowie den anschließenden Warmlauf auf Betriebstemperatur. Während dieser Phasen findet eine Anpassung der Kraftstoffanreicherung durch den Vergaser statt.
2.3.2.3 Die Lastzustände des Membranvergasers
Verschiedene Lastzustände des Motors werden mit Hilfe unterschiedlicher Drossel- (D) und Startklappenpositionen (S) geregelt. Zur Erläuterung des Funktionsprinzips werden der Start, Leerlauf-, Teillast- sowie der Volllastbetrieb gesondert betrachtet und knapp erläutert:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Einstellung des Vergasers für den Startbetrieb (Quelle: BING Power Sys¬tems GmbH, o.J., S. 3)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Einstellung des Vergasers für den Leerlaufbetrieb (Quelle: BING Power Systems GmbH, o.J., S. 3)
Start
Zum Starten des Motors wird die Startklappe (S) des Vergasers vollständig geschlossen. Die Drosselklappe (D) ist derweil zu einem Teil geöffnet. Der dadurch entstehende Unterdruck während der Startversuche saugt Kraftstoff an und sorgt für eine Anreicherung des Kraftstoff- Luft-Gemischs. Sobald die ersten Zündungen im Motor vonstatten gehen, kann die Startklappe geöffnet werden.
2. Leerlaufbetrieb
Im Leerlaufbetrieb bezieht der Vergaser ausschließlich durch die Leerlaufaustrittsbohrung (LA) Kraftstoff. Dies wird durch eine geschlossene Drosselklappe (D) des Vergasers ermöglicht. Durch die Bypass-Bohrung (BP) vermischt sich eintretende Luft zusätzlich mit dem durch die Leerlaufaustrittsbohrung (LA) austretenden Kraftstoff. Durch Ein- oder Ausschrauben der Leerlaufdüse (L) kann eine optimale Leerlaufdrehzahl eingestellt werden.
3. Teillastbetrieb
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Einstellung des Vergasers für den Teilllastbetrieb (Quelle: BING Power Systems GmbH, o.J., S. 2)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: Einstellung des Vergasers für den Volllastbetrieb (Quelle: BING Power Systems GmbH, o.J., S. 2)
Bei Teillast ist die Drosselklappe (D) so weit geöffnet, dass keine Luft mehr an der BypassBohrung (BP) eintreten kann. Der Kraftstoff wird somit über die Bypass- (BP) sowie die Leerlaufaustrittsbohrung (LA) angesaugt.
4. Volllastbetrieb
In diesem Zustand befinden sich die Drosselklappe (D) und die Startklappe (S) in voll geöffneter Position. Durch den sich entwickelnden Unterdruck wird Kraftstoff zusätzlich zur Bypass-Bohrung (BP) und zur Leerlaufaustrittsbohrung (LA) über das Rückschlagventil (V) angesaugt. Das Ein- oder Ausschrauben der Hauptdüse (H) ermöglicht eine Veränderung des Kraftstoffdurchflusses unter Volllast.
Beim Entwicklungsprozess nach der Richtlinie des Verbands Deutscher Ingenieure 2221 handelt es sich um einen branchen- und produktunabhängigen Arbeitsfluss des Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses. Die beschriebene Methodik eignet sich „zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte“ (Verein Deutscher Ingenieure 1993, S.1).
Das allgemein beschriebene Vorgehen ist im Einzelfall an die konstruktionsspezifischen Anforderungen anzupassen und daher als Leitlinie zu verstehen, die bei ihrer Anwendung weder alle Teilaspekte beinhalten muss, noch Anspruch auf Vollständigkeit erfüllt. Eine Trennung einzelner Phasen ist in vielen Fällen nicht möglich oder sinnvoll (vgl. Conrad 2003, S. 62).
Grundsätzlich wird der Prozess in vier Phasen eingeteilt: Planen und Klären der Aufgabe, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten (siehe Abbildung 11).
1. Planen und Klären der Aufgabe:
Gemäß der Empfehlung muss zunächst die exakte Aufgabenstellung für das Gesamtproblem exakt geklärt werden. Dies beinhaltet die Erfassung aller Grundvoraussetzungen und Anforderungen an die zukünftige Konstruktion. Das iterative Vorgehen erlaubt eine spätere Anpassung, sofern sich die Anforderungen an die Konstruktion geändert haben.
2. Konzipieren:
In dieser Phase wird das vorher definierte Gesamtproblem in dessen relevante Teilprobleme aufgeteilt. Dies kann nach Funktionsbereichen und deren Strukturen erfolgen, wodurch eine Funktionsstruktur mit ihren funktionalen Zusammenhängen ersichtlich wird. Nach Ermittlung von Lösungsprinzipien und Teillösungen für die Teilprobleme wird durch Verknüpfung der Teillösungen eine Gesamtlösung ermittelt. Das Resultat ist eine mögliche Lösung, die für das Gesamtproblem das bestmögliche Ergebnis darstellt. Das heißt, die festgelegten Anforderungen werden durch die prinzipielle Lösung am wahrscheinlichsten und besten erfüllt.
3. Entwerfen:
In dieser Phase erfolgt die qualitative und quantitative Ausarbeitung der Gesamtlösung. Die erstellten Konzepte werden hierzu iterativ aufeinander abgestimmt und festgelegt. Als Ergebnis erhält man einen Gesamtentwurf, durch den alle wichtigen Eigenschaften und Details der Konstruktion festgehalten werden.
4. Ausarbeiten:
Im Anschluss an die Entwurfsphase werden alle Maße sowie Details der Konstruktion festgelegt. Dies beinhaltet die Auswahl geeigneter Werkstoffe und die Erstellung finaler Zeichnungen. Als Ergebnis erhält man die Dokumentation aller für die Herstellung und Nutzung relevanten Details der Konstruktion (vgl. Gröte/ Feldhusen 2007, F12; Feldhusen/Gröte 2013, S. 17).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: Entwicklungsprozess nach VDI 2221 (Quelle: Conrad 2003, S. 61)
In dieser Arbeit wird ähnlich vorgegangen. Zunächst wird die Aufgabenstellung geklärt. Dies beinhaltet die Festlegung der konkreten Aufgabenstellung, die Projektdefinition, eine Termin- und Projektplanung, die Analyse der Ausgangslage sowie die Ermittlung eines Anforderungsprofils für das Gesamtsystem sowie dessen Teilbereiche. In der anschließenden Phase findet die Lösungsfindung für die Teilprobleme, die Auswahl der besten Lösung sowie die Gestaltung dieser statt. Im Rahmen der Anpassung an den vorgeschlagenen Idealprozess wurden Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten in einem Teilkapitel zusammengefasst.
2.5 Der Morphologische Kasten
Zur systematischen Suche nach Lösungen für Teilprobleme hat sich die morphologische Methode mit Hilfe eines Morphologischen Kastens gut bewährt. Sie eignet sich sehr gut, da sie sich neben der Suche nach Varianten auch zur anschließenden Auswahl dieser eignet (vgl. Naefe 2009, S. 80).
Der Morphologische Kasten weist folgenden Aufbau auf:
In den Zeilen (1,2,...n) werden die Teilfunktionen F¿ des vorher zerlegten Gesamtproblems aufgelistet. In jeder Zeile werden potentielle Teillösungen eingetragen, die die gestellten Anforderungen erfüllen könnten.
In den Spalten (1,2...m) werden zu jeder Teilfunktion Fi jeweils unterschiedlich viele Einzellösungen eingetragen (vgl. Grote / Feldhusen 2007, F6).
Durch dieses Vorgehen entsteht eine i x j-Matrix (siehe Tabelle 1):
Tabelle 1: Schema des Morphologischen Kastens (Eigene Darstellung in Anlehnung an Naefe 2009, S. 83)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im nächsten Schritt wird jeweils ein Element mit einem Element aus der darauffolgenden Zeile verbunden, bis ein durchgängiger Pfad von der ersten bis zur letzten Zeile entstanden ist. Der angegebene Pfad stellt eine prinzipielle Lösungsvariante zur Lösung des Gesamtproblems dar. Die Anzahl an möglichen Varianten hängt dabei von der Zahl der Teillösungen und Teilfunktionen sowie von der Verträglichkeit der Teillösungen unterschiedlicher Zeilen zueinander ab (vgl. Grote/ Feldhusen 2007, F7).
2.6 Das Wertigkeitsverfahren
Durch den vorgelagerten Prozess der Lösungsfindung werden meist mehrere Varianten ermittelt, die unterschiedlich gut die gestellten Anforderungen an die Konstruktion erfüllen. Dies erfolgt, um bei der Lösungsfindung eine große Variantenvielfalt zu erzeugen und um zunächst keine Beurteilung oder Priorisierung durchzuführen.
Daher sind in einem nachgelagerten Auswahlprozess geeignete Varianten auszuwählen, aus welchen mit Hilfe eines anschließenden Bewertungsverfahrens mit einer Punktebewertung nach der VDI-Richtlinie 2225 die beste Lösung ermittelt wird (vgl. Künne 2001, S. 5).
Bei der Variantenvorauswahl empfiehlt sich die Methode „Auswahlliste“ von Pahl und Beitz (vgl. Pahl et al. 2013, S. 234). Arbeitsgrundlage der Methode stellt ein Bewertungsformular dar (siehe Abbildung 12).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: Auswahlliste nach Pahl und Beitz (Quelle: Pahl et al. 2013, S. 234)
Dabei werden die ermittelten Lösungen mit Hilfe allgemeiner Auswahlkriterien hinsichtlich ihres generellen Potentials dahingegen untersucht, die gestellten Anforderungen an die Konstruktion erfüllen zu können. Die Kriterien können dabei individuell aus den Anforderungslisten der Konstruktion erstellt werden (vgl. Grote / Feldhusen 2007, F7).
Die Beurteilung wird nicht mit wertenden, sondern mit „Ja-“ oder „Nein-“ Entscheidungen (geeignet / ungeeignet) vorgenommen (vgl. Meier 2002, S. 5).
Das Ergebnis des Auswahlprozesses ist eine reduzierte Menge an grundsätzlich geeigneten Lösungen, die im weiteren Vorgehen näher untersucht sowie bewertet werden. Lösungen, die als ungeeignet eingestuft werden, werden im weiteren Prozess nicht näher betrachtet.
2.6.2 Bewertung ausgewählter Varianten
Die ausgewählten Lösungen erfüllen die Anforderungen an die Konstruktion unterschiedlich gut. Zur Ermittlung der geeignetsten Lösung für das Gesamtproblem werden sinnvolle Bewertungskriterien angegeben und anschließend mit dem Bewertungssystem gemäß der VDI-Richt- linie 2225 mit Punkten bewertet. Dabei findet ein Vergleich der Soll-Vorgaben mit den Ist- Eigenschaften der Lösung statt. Hierfür wird eine Werteskala genutzt, mit der einzelne Eigenschaften der Varianten als Rechengröße dargestellt werden:
Tabelle 2: Werteskala (Eigene Darstellung in Anlehnung an Böge/Böge 2017, S. 17)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bei den Kriterien kann eine Gewichtung mit wachsender Bedeutung von 1 bis 4 vorgenommen werden. Bei der anschließenden Bewertung sind Werte im Intervall von 0 bis 4 möglich (siehe Tabelle 2). 0 stellt dabei eine unbefriedigende und 4 eine sehr gute Lösung dar.
Mit Hilfe folgender Formel lassen sich die Teilergebnisse für jede Teillösung hinsichtlich jedes Bewertungskriteriums berechnen (vgl. Grote/ Feldhusen 2007, F8):
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die ermittelten Teilergebnisse werden anschließend zu einem Gesamtwert summiert. Je größer die errechnete Zahl ist, desto besser schneidet die untersuchte Variante bei der Bewertung ab. Die erreichte Punkteanzahl jeder Teillösung errechnet sich wie folgt (vgl. Grote / Feldhusen 2007, F8):
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 3: Bewertungsschema zur gewichteten Punktebewertung (Eigene Darstellung in Anlehnung an Meier 2002, S. 10)
3 Konstruktion des Kleinmotorenprüfstands
3.1 Planen und Klären der Aufgabe
3.1.1 Aufgabenstellung
Das verwendete Handgerät wird mit handelsüblichen Kraftstoffen betrieben. Diese bestehen in der Regel aus einem Gemisch von Benzin und Alkoholen, insbesondere Ethanol. Alkoholische Kraftstoffbestandteile können serienmäßig verwendete Gummiverbindungen innerhalb des Motors irreparabel schädigen und zu unerwünschten Fehlfunktionen des Handgeräts führen. Die Membran des verwendeten Membranvergasers ist in ständigem Kontakt mit dem Kraftstoff und stellt daher einen besonderen Problembereich innerhalb des Kraftstoffsystems dar. Die Verwendung alternativer Werkstoffe für die Membranherstellung steht daher besonders im Fokus.
Aus diesem Grund soll ein Kleinmotorenprüfstand konstruiert werden, mit dem der Einfluss des Membranmaterials auf die Gemischbildung sowie auf das Verbrennungs- und das Emissionsverhalten des Testgeräts untersucht werden kann. Er soll den Betrieb des Motors in verschiedenen Arbeitspositionen ermöglichen und mit verhältnismäßig wenig Aufwand auf weitere Motorentypen anpassbar sein.
3.1.2 Terminplanung/Projektplanung
Die Projektdauer für die reine Messzeit seitens des beauftragenden Unternehmens ist auf eine Dauer von einem Monat angesetzt. Mit Konzeption, Konstruktion, Aufbau und Nachbereitung beträgt die gesamte Projektlaufzeit drei Monate beginnend mit dem 01. Juni 2017.
Die angesprochenen Messungen sind aufgrund des inhaltlichen und zeitlichen Umfangs nicht Teil der Arbeit.
3.1.3 Ausgangslage
Die Ausgangslage der erforderlichen Konstruktion stellt der bereitgestellte Serienmotor für Handgeräte des Herstellers Stihl Typ MS 171 dar (siehe Abbildung 13). Dieser wird in Verbin- dung mit einem Vergaser des Herstellers Zama Typ C1Q betrieben. Um eine optimale Montierbarkeit des Motors gewährleisten zu können, werden der Haltegriff, das Schwert, die Kette sowie nicht benötigte Anbauteile, wie die Verkleidung, demontiert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13: Stihl MS 171 (Quelle: http://www.stihl.de/STIHL-Produkte/Motors%C3%A4gen-und- Kettens%C3%A4gen/S%C3%A4gen-f%C3%BCr-den-Privatanwender/21326-110/MS-171.aspx, Abrufdatum: 02.08.2017)
3.1.4 Ermittlung des Anforderungsprofils
Zur strukturierten Dokumentation von Anforderungen wird im weiteren Vorgehen nach Festlegung der Anforderungskategorien durch die Erstellung von Anforderungslisten eine Auswahl des geeignetsten Konzepts getroffen. Hierfür wird zunächst eine allgemeine Anforderungsliste für das Gesamtprojekt erstellt. Anschließend erfolgt die Zerlegung des Gesamtsystems in dessen Hauptbestandteile und die Erstellung von Anforderungslisten für jeden Teilbereich. Bauteile oder -gruppen, für die keine passende Alternative existiert, werden bereits in dieser Phase einer Vorauswahl unterzogen.
3.1.4.1 Aufbau der Anforderungsliste
Die Anforderungen an die Konstruktion stellen die notwendige Basis für den anschließenden Bewertungs- und Auswahlprozess von Lösungskonzepten dar. Die fehlerhafte und unvollständige Definition von Anforderungen kann den Aufwand des Entwicklungsprozesses gravierend erhöhen und somit die Termin- und Kostenplanung eines Projektes gefährden (vgl. Ponn/Lindemann 2011, S. 35)
Die für dieses Projekt verwendete Anforderungsliste umfasst vier Spalten:
Die erste Spalte ordnet jeder Anforderung eine nachvollziehbare unverwechselbare Identifikationsnummer zu. In der zweiten Spalte werden die Namen der Anforderungen genannt und diese nach Hauptmerkmalen (Kräfte, Ergonomie/Handhabung, Funktion, Geometrie, Stoff/Material) kategorisiert. Die Hauptmerkmale werden in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 4: Gruppen von Hauptmerkmalen der Anforderungsliste (Eigene Darstellung in Anlehnung an Ponn/Lindemann 2011: Konzeptentwicklung und Gestaltung technischer Produkte, S. 43)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zwei weitere Spalten beinhalten die genaue Ausprägung, Werte und Daten (z.B. Gewicht, Maße o.ä.) sowie notwendige Erläuterungen zu den Anforderungen.
Die Vielzahl an Anforderungen macht eine Priorisierung, das heißt Gruppierung der Anforderungen nach ihrer Relevanz für das Projekt, notwendig (vgl. Ponn/Lindemann 2011, S. 50). Dies geschieht mit der letzten Spalte der Anforderungsliste, in die Anforderungen in eine von drei Relevanzkategorien eingruppiert werden. Hierfür wird zunächst zwischen Anforderungen, die unbedingt einzuhalten sind, und Wünschen, die nach Möglichkeit zu berücksichtigen sind, unterschieden. Festforderungen (FF) legen eine Ausprägung fest, die bei der Konstruktion unbedingt einzuhalten ist. Bereichsforderungen (BF) geben ein Intervall vor, das einzuhalten ist (vgl. Ehrlenspiel 2009, S. 378 ff.). Tabelle 5 listet die drei Kategorien mit deren Abkürzungen auf.
Tabelle 5: Relevanzkategorien (Eigene Darstellung in Anlehnung an Ponn/Lindemann 2011, S. 50).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
3.1.4.2 Erstellung der Anforderungsliste Gesamtsystem
Tabelle 6: Anforderungsliste Gesamtsystem (Eigene Darstellung)
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