Thermodynamik des Kraftfahrzeugs: Grundlagen und Anwendungen - mit Prozesssimulationen

673 Pages·2017·23.11 MB·German

by  Cornel Stan (auth.)

Cornel Stan
Thermodynamik
des Kraftfahrzeugs
Grundlagen und Anwendungen –
mit Prozesssimulationen
3. Aufl age
Thermodynamik des Kraftfahrzeugs
CORNEL STAN
Thermodynamik des
Kraftfahrzeugs
Grundlagen und Anwendungen –
mit Prozesssimulationen
3. Auflage
ProfessorDr.-Ing.habil.Prof.E.h.Dr.h.c.CORNELSTAN
Forschungs-undTransferzentrume.V.
anderWestsächsischeHochschuleZwickau
Zwickau,Deutschland
ISBN978-3-662-53721-3 ISBN978-3-662-53722-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-53722-0
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„Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden,
aber nicht einfacher“
Albert Einstein (1879 – 1955)

Vorwort zur 3. Auflage
In dem Vorwort der 2. Auflage wurde zur Methodik dieses Buches Fol-
gendes vermerkt: Jeder Prozess wird von einem theoretischen Modell, über
seine mathematische Beschreibung bis hin zur Darstellung der Anwen-
dungsmöglichkeiten und zu Rechenbeispielen geführt – was bei Studenten
und Entwicklungsingenieuren gut ankam. Bereits im Vorwort der 1. Auf-
lage wurde aber auch auf die zunehmend angewandte numerische Simula-
tion der Prozesse in modernen Kraftfahrzeugmodulen Bezug genommen.
In der Zwischenzeit wird die Analyse thermodynamischer Prozesse haupt-
sächlich mittels Simulation vorgenommen. Das war der Anlass, die Kette
theoretisches Modell -mathematische Beschreibung – Anwendungsmög-
lichkeiten - Rechenbeispiele mit einem weiteren Glied zu ergänzen:
In der neuen Auflage werden zahlreiche Grundlagen und Beispiele der
Prozesssimulation in Verbrennungsmotoren, Kühlsystemen und Einspritz-
anlagen in einem separaten Kapitel zusammengefasst und mit vielen Bil-
dern illustriert.
Ein erster, grundsätzlicher Vorteil der numerischen Simulation thermody-
namischer Prozesse in den Funktionsmodulen eines Kraftfahrzeuges be-
steht in der großen Anzahl der Kombinationen von Variablen und Parame-
tern, welche eindeutige Trends über die Funktion erkennen lassen.
VI Vorwort zur 3. Auflage
Dadurch kann stets ein Optimum zwischen Funktion und Aufwand bei der
Modulauslegung erreicht werden. Ein solches Ergebnis ist durch experi-
mentelle Untersuchungen bei vertretbaren Kosten und Dauer praktisch
nicht mehr erreichbar.
Ein weiterer grundsätzlicher Vorteil der nummerischen Simulation ther-
modynamischer Prozesse besteht in einer tiefgehenden Analyse der Ver-
kettung von Prozessstadien: Das ermöglicht den Aufbau von Kausalketten,
welche die Optimierungsmöglichkeiten erweitern. Es gibt zahlreiche Pro-
zessstadien, die experimentell nicht detektiert werden können.
Der direkte Übergang von der thermodynamischen Berechnung eines
Funktionsmoduls zur Prozesssimulation mittels Computer hat allerdings
selten korrekte Ergebnisse erbracht. Zwischen diesen beiden Stationen er-
scheinen die Grundlagen der Simulation, die Gegenstand des neuen Kapi-
tels dieses Buches sind, als unverzichtbar. Dazu gehören einerseits um-
fangreiche Kenntnisse über die mögliche Ausführung des jeweiligen Mo-
duls, anderseits eine klare Arbeitsstrategie. Ausführungen und Strategien
werden in dem neuen Kapitel mit konkreten Beispielen illustriert, die aus
der Arbeit des Autors mit Doktoranden, Diplomanden und Projektpartnern
der Automobilindustrie entstammen.

September 2016 Cornel Stan
Vorwort zur 2. Auflage
Das Energiemanagement bestimmt zunehmend die Entwicklung zukünfti-
ger Kraftfahrzeuge, als Vorreiter des allgemeinen Maschinenbaus.
Die Komplexität, der Umfang und die phänomenologische Analyse der
thermodynamischen Prozesse, die jeden Energieaustausch in einer Ma-
schine bestimmen, waren die Anfangsbedingungen von denen aus die Me-
thodik dieses Buches entwickelt wurde: jeder Prozess wird von einem the-
oretischen Modell, über seine mathematische Beschreibung bis hin zur
Darstellung der Anwendungsmöglichkeiten und zu Rechenbeispielen ge-
führt.
Diese Herangehensweise kam sowohl bei Studenten als auch bei Entwick-
lungsingenieuren gut an.
Die 2. Auflage der Thermodynamik des Kraftfahrzeugs bringt zwei neue,
wesentliche Elemente in diese Methodik:
(cid:120) erstens:
thermodynamische Modelle, mathematische Zusammenhänge und
Diagramme werden nicht mehr nur von schematischen Darstellun-
gen von Vorgängen und Anlagen ergänzt – hinzu kommen zahlrei-
che praktische Beispiele in Form von Querschnitten oder von
transparenten Darstellungen entsprechender Baumodule wie Moto-
ren, Lader, Turbinen, Düsen, Wärmetauscher, Karosserien, Spei-
cher, Dämpfer, Klima- und Heizanlagen. Für die neu eröffnete
Möglichkeit solche Darstellungen in Farbe zu bringen gebührt
dem Springer Vieweg Verlag Lob und Anerkennung.
(cid:120) zweitens:
um den Studenten eine effektivere Vorbereitung auf Prüfungen
und den Entwicklungsingenieuren einen schnelleren Zugang zur
Lösung einer konkreten Anwendung zu ermöglichen wurden die
Anwendungsbeispiele und die gelösten Übungen der 1. Ausgabe
mit theoretischen Fragen und mit konkreten Rechenaufgaben
ergänzt.
VIII Vorwort zur 2. Auflage
Die Fragen und Aufgaben stammen größtenteils aus Prüfungen,
die der Autor in den vergangenen 20 Jahren für seine Studenten an
mehreren Hochschulen gestaltet hat – ihr Schwierigkeitsgrad und
ihre Wirkung sind demzufolge ausreichend geprüft.
Der Autor empfiehlt jedem Leser, nach dem Studium eines Kapitels die
Fragen ohne jegliche Unterlagen zu beantworten, dann die Aufgaben – wie
ein Ingenieur bei der Arbeit – mit allen Unterlagen von Thermodynamik-
büchern bis zu Tabellen und Formelsammlungen zu lösen.
Die Lösungen für die Fragen und Aufgaben aller Kapitel sind am Ende des
Buches zusammengefasst.
Wenn der Leser, der sich auf diesen Weg begibt von der ursprünglichen
Panik vor der Thermodynamik am Ende die Schaltung zur Prozessgestal-
tung findet, dann hat dieses Buch sein Ziel erreicht.
Viel Erfolg!

Dezember 2011 Cornel Stan
Vorwort zur 1. Auflage
Die Thermodynamik ist eine tragende Säule der Ingenieurswissenschaften,
aber oftmals auch – durch ihre Komplexität und ihren Umfang sowie durch
die phänomenologische Herangehensweise – eine Herausforderung für die
Ingenieure.
Die Kraftfahrzeugtechnik ist auf nahezu allen Ebenen von thermodynami-
schen Prozessen geprägt: Motoren, Aufladesysteme, Ladeluftkühler, Kühl-
und Heizkreisläufe, Klimaanlagen, Karosserieaerodynamik, Dämpfungs-
systeme, Einspritzsysteme, Auspuffanlagen, Bremsanlagen, Reifen.
Ziel dieses Buches ist – durch eine methodische Verkettung der theore-
tischen Grundlagen, ihrer mathematischen Darstellung, der typischen An-
wendungsgebiete in der Kraftfahrzeugtechnik und vieler spezifischer
Übungen und Beispiele – den Kraftfahrzeugingenieuren und -studenten ei-
ne geistige Werkstatt zur Forschung, Entwicklung oder numerischen Simu-
lation vielfältiger Fahrzeugmodule oder -funktionen anzubieten.
Die Hauptthemen bilden dabei die Grundlagen der Energieumwandlungs-
prozesse, die Arbeitsmedien, die Prozesse in Wärmekraftmaschinen und
Kälteanlagen, die Verbrennung und die zukunftsträchtigen Brennstoffe für
die Kraftfahrzeugtechnik, die Wärmeübertragungsformen, sowie einige
spezifische Messverfahren thermodynamischer Größen.
Es gibt zahlreiche und dabei auch wertvolle Thermodynamik-Bücher.
Manche werden allerdings durch die überwiegend theoretische Betrach-
tung derart abstrakt, dass eine praktische Anwendung der Erkenntnisse in
der Technik nur schwer ableitbar ist; einige andere sind derart auf prakti-
sche Anwendungen fixiert, dass ihr theoretisches Fundament nicht eindeu-
tig erkennbar wird. Ein weiterer Umstand erschwert zusätzlich die effekti-
ve Nutzung thermodynamischer Kenntnisse: Anwendungsbeispiele, wo-
rauf theoretische oder experimentelle Betrachtungen zielen, bleiben oft au-
ßerhalb der realen Technik – um so mehr außerhalb der Kraftfahrzeug-
technik.
Die Betrachtung eines Vorgangs von dem theoretischen Modell, über seine
mathematische Beschreibung, bis hin zur Anwendungsanalyse und Re-
chenbeispielen erhöht die Effektivität jeder objektbezogenen thermodyna-
mischen Analyse.
X Vorwort zur 1. Auflage
Diese Betrachtungsweise ist insbesondere bei der zunehmend ange-
wandten numerischen Simulation der Prozesse in modernen Fahrzeugmo-
dulen von Vorteil. Zahlreiche kommerzielle Programmpakete – beispiels-
weise dreidimensionale CFD (Computational Fluid- Dynamics) Codes für
die Berechnung von Gasströmungen, Gemischbildung, Verbrennung und
Wärmeübertragung unter stationären und instationären Bedingungen – wie
FIRE, KIVA, STAR CD, VECTIS, FLUENT – sind praktisch zu einer un-
verzichtbaren Basis solcher Simulation geworden. Ihre korrekte Anwen-
dung für spezifische Aufgaben erfordert allerdings die kritische Bewer-
tung, Korrektur, Anpassung oder Weiterentwicklung der angebotenen phy-
sikalischen Modelle, Gleichungssysteme, Konstanten oder Koeffizienten
sowie der Darstellungsformen der Ergebnisse.
Die numerische Simulation gekoppelter thermodynamischer Vorgänge –
so beispielsweise in einem Kraftstoff-Direkteinspritzsystem und in einem
Brennraum – wird sehr effizient durch Verknüpfung speziell angepasster
ein- und dreidimensionaler Modelle in einer kompatiblen, funktionellen
Vernetzung. Diese horizontale Verbindung erfordert einen soliden vertika-
len Aufbau – von der theoretischen zur experimentellen Analyse jedes
Vorgangs, der horizontal zu verknüpfen ist.
In Hinblick auf diese Zielrichtung wurden in diesem Buch theoretische
Betrachtungen und Darstellungsformen, die dem modernen Stand der
Technik nicht mehr entsprechen oder von einer kraftfahrzeugtechnischen
Anwendung zu weit entfernt sind, bewusst nicht einbezogen.
Umfangreiche Forschungsprojekte – von Aufladesystemen, Direktein-
spritzverfahren, unkonventionellen Verbrennungskonzepten, alternativen
Antriebssystemen, alternativen Kraftstoffen bis hin zu Wärmetauschern,
Wärmepumpen und Brennstoffzellen – bilden die Erfahrungsbasis für die
theoretischen und praktischen Betrachtungen in diesem Buch.
Die Anregungen für Aufbau, Anpassung oder Weiterleitung einzelner
Themen und ihrer Darstellungsform in dieser Kraftfahrzeugthermodyna-
mik gewann der Autor in dem stets interaktiven Dialog mit den For-
schungspartnern und -kollegen, aber auch mit den Studenten und Dokto-
randen im Rahmen seiner Lehr- und Forschungstätigkeit in den Universitä-
ten von Paris (F), Pisa (I), Perugia (I), Catania (I), Vigo (E), Guimaraes
(P), Belfast (GB) und nicht zuletzt in der Westsächsischen Hochschule
Zwickau – als exzellente und traditionsreiche Schmiede von Kraftfahrzeu-
gingenieuren.

Dezember 2003 Cornel Stan