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Konstruktion und Inbetriebnahme eines Schwenkprüfstands für Kleinmotoren

Masterarbeit 2017 122 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

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)

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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

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Abbildung 9: Einstellung des Vergasers für den Teilllastbetrieb (Quelle: BING Power Systems GmbH, o.J., S. 2)

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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)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Details

Seiten
122
Jahr
2017
ISBN (eBook)
9783668592933
ISBN (Buch)
9783668592940
Dateigröße
12.4 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v384305
Institution / Hochschule
Technische Universität Darmstadt – Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe
Note
1,3
Schlagworte
Kettensäge Prüfstand drehbarer Prüfstand Motorprüfstand drehbar Riemenstartergenerator Kettensägenprüfstand Item Profile Verbrennungsmotor Dyno Motorenmesstechnik Abgasmesstechnik Kraftsstoffe E10 Bioethanol Vergaserprinzip 2Taktprinzip Entwicklungsprozess VDI 2221 Morphologischer Kasten Bewertungsverfahren Pahl und Beitz Auswahlverfahren VDI Anforderungsprofile Konzeption Konstruktion Entwurf Planung Messungen Drehzahlregelung Messtechnik Warmlaufphase

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Titel: Konstruktion und Inbetriebnahme eines Schwenkprüfstands für Kleinmotoren