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About this book

In der neuen Auflage dieses Buches wurden neben Korrekturen und Aktualisierungen weitere praxisgerechte Übungsbeispiele und vertiefende Fragen ergänzt. Zahlreiche Grundlagen und Beispiele der Prozesssimulation in Verbrennungsmotoren, Kühlsystemen und Einspritzanlagen werden zusammengefasst und mit Bildern anschaulich illustriert. Das Kraftfahrzeug ist auf nahezu allen Ebenen von thermodynamischen Prozessen geprägt: Antriebssysteme – von Verbrennungsmotoren und Hybriden bis hin zu den Elektromotoren mit Brennstoffzellen – Aufladung, Kühl- und Heizkreisläufe, Klimaanlagen, Karosserie-Aerodynamik, Dämpfungssysteme, Einspritzsysteme, Auspuffanlagen, Bremsanlagen, Reifen.
Die Thermodynamik ist allerdings durch ihre Komplexität und ihren Umfang sowie durch die phänomenologische Herangehensweise eine Herausforderung für die Ingenieure. Dieses Buch verknüpft die theoretischen Grundlagen und ihre mathematische Darstellung mit den Anwendungsgebieten in der Kraftfahrzeugtechnik. Zahlreiche spezifische Beispiele für Kraftfahrzeugingenieure und Studenten erleichtern das Verständnis und die praktische Anwendung des Grundlagenwissens.

Table of Contents

Frontmatter

1. Grundlagen der Technischen Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Technische Thermodynamik hat sich im letzten Jahrhundert zu einer eigenständigen Wissenschaft entwickelt, deren Hauptgebiete
- die Energieumwandlung und
- die Energieübertragung
in technischen Systemen sind.
Dabei werden für den Energieaustausch zwischen einem System und seiner Umgebung insbesondere die Energieformen
- Wärme und
- Arbeit
bzw. für den Energie-Inhalt eines Systems die Energieformen
- Innere Energie und
- Enthalpie
in Betracht gezogen.
Cornel Stan

2. Energiebilanz: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Energiebilanz, bekannt auch als 1. Hauptsatz der Thermodynamik bezieht sich auf den Austausch von Wärme und Arbeit zwischen den Teilen eines Gesamtsystems. Im Zusammenhang mit geschlossenen und offenen thermodynamischen Systemen werden die Energieformen innere Energie und Enthalpie eingeführt und gegenüber gestellt. Auf Basis der Energieformen Wärme, Arbeit, innere Energie und Enthalpie werden zahlreiche konkrete Beispiele für die Energiebilanz bei thermodynamischen Prozessen in Kolbenmaschinen, Wärmetauschern, Gasturbinen, Düsen und Leitungen aufgeführt.
Das Kapitel enthält zahlreiche Aufgaben und Übungen zu diesen Themen.
Cornel Stan

3. Arbeitsmedien: Gase und Gasgemische

Zusammenfassung
Die Arbeitsmedien in thermodynamischen Prozessen werden zunächst als ideale, dann als reale Gase und Gasgemische betrachtet – von Luft, Wasserdampf, feuchter Luft, Luft-/Kraftstoffgemisch bis hin zu verschiedenen Abgaskomponenten aus der Verbrennung in einer Wärmekraftmaschine. Für solche Medien wird die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen und bei konstantem Druck eingeführt und gegenüber gestellt.
Auf dieser Basis werden elementare Prozesse in gasförmigen Arbeitsmedien – isochore, isobare, isotherme, isentrope und polytrope Zustandsänderungen – beschrieben und für geschlossene und offene Systeme – exemplifiziert mit Kolbenmaschinen und Gasturbinen – analysiert.
Das Kapitel enthält zahlreiche Aufgaben und Übungen zu diesen Themen.
Cornel Stan

4. Energieumwandlung: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Grundlagen thermodynamischer Energieumwandlungen, bekannt auch als der 2. Hauptsatz der Thermodynamik, werden mittels repräsentativer Beispiele formuliert und analysiert. In diesem Zusammenhang wird der thermische Wirkungsgrad eingeführt.
Auf dieser Basis wird die Entropie reversibler und irreversibler Prozesse definiert und diskutiert. Es werden Zusammenhänge zur konkreten Berechnung der Entropie in technischen Systemen und Darstellungsformen für isochore, isobare, isotherme, isentrope und polytrope Zustandsänderungen sowie für gesamte Kreisprozesse mittels Entropie abgeleitet.
Das Kapitel enthält zahlreiche Aufgaben und Übungen zu diesen Themen.
Cornel Stan

5. Prozesse in thermischen Maschinen für Kraftfahrzeuge

Zusammenfassung
Die Prozesse in thermischen Maschinen und Anlagen werden für Wärmekraftmaschinen (rechtslaufende Kreisprozesse) und für Klimaanlagen und Wärmepumpen (linkslaufende Kreisprozesse) analysiert.
Für Wärmekraftmaschinen mit sukzessiven Zustandsänderungen – Kolbenmotoren im Otto-, Diesel- und Seiliger Kreisprozess – und für solche mit simultanen Zustandsänderungen – Gasturbinen im Joule-Kreisprozess – werden vollständige Ableitungen und Prozessberechnungen dargestellt.
In ähnlicher Form werden linkslaufende Kreisprozesse in Klimaanlagen und Wärmpumpen analysiert. Er werden konkrete Beispiele von Motoren und Anlagen aus der Kraftfahrzeugtechnik aufgeführt, die Rechenbeispiele beziehen sich ebenfalls auf Werte aus diesem Anwendungsbereich.
Das Kapitel enthält zahlreiche Aufgaben und Übungen zu diesen Themen.
Cornel Stan

6. Arbeitsmedien: Dämpfe und Gas-Dampf-Gemische

Zusammenfassung
Dämpfe und Gas-Dampfgemische, als Arbeitsmedien in thermodynamischen Prozessen, werden auf Basis ihrer Phasen und Komponenten analysiert. Es werden Diagrammdarstellungen der Zustands- und energetischen Größen eingeführt und kommentiert.
Auf dieser Grundlage werden Kreisprozesse mit Dampf in der Kraftfahrzeugtechnik dargestellt. Für Gas-Dampf-Gemische werden charakteristische Kenngrößen eingeführt und ihre Verwendung in Diagrammen am Beispiel der feuchten Luft dargestellt. Ihre Anwendung wird im Falle der Erwärmung, Kühlung und Trocknung feuchter Luft gezeigt. Mischung feuchter Luftströme exemplifiziert mit der Bildung von Nebel wird mittels Gleichungen und Diagrammen analysiert.
Das Kapitel enthält zahlreiche Aufgaben und Übungen zu diesen Themen.
Cornel Stan

7. Verbrennung

Zusammenfassung
Die Darstellung und Analyse der Verbrennungsvorgänge, insbesondere in Wärmekraftmaschinen, beginnt mit der Aufführung fossiler und regenerativer Energieträger, ihrer Strukturen und ihrer Eigenschaften. Für Kraftstoff-Luft-Gemische werden repräsentative Heizwerte, wie der untere Heizwert des Kraftstoffs und die massen- und volumenbezogenen Gemischheizwerte abgeleitet und für unterschiedliche Mischungen verglichen. Eigenschaften konventioneller und alternativer Kraftstoffe für Fahrzeugverbrennungsmotoren von der Struktur, Dichte, Viskosität, Heizwerte und Luftbedarf bis hin zur Verdampfungsenthalpie werden verglichen.
Die Verbrennungsrechnung wird für vollständige und für unvollständige Verbrennung abgeleitet. Auf Grundlage des realen Ablaufs von Verbrennungsreaktionen werden Berechnungsformeln für die Bildung von Dissoziationsprodukten wie NO, NO2, O, H abgeleitet und repräsentative Ergebnisse kommentiert.
Die Verbrennungsformen in Otto- und Dieselmotoren werden anhand konkreter Beispiele und Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Dabei werden klassische und zukünftige Konzepte für Gemischbildung und Verbrennungsprozessgestaltung präsentiert und bewertet.
Das Kapitel enthält zahlreiche Aufgaben und Übungen zu diesen Themen.
Cornel Stan

8. Wärmeübertragung

Zusammenfassung
Die Wärmeübertragung wird entsprechend ihrer Hauptformen – Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung – anhand zahlreicher konkreter Beispiele dargestellt und analysiert. Für alle drei Formen werden Ableitungen auf Basis der gleichen Bewertungskriterien – Wärmestrom, Wärmestromdichte, Wärmewiderstand – vorgenommen. Als Träger werden ein- und mehrschichtige ebene Wände und Röhren betrachtet.
Bei der Darstellung und Analyse der Konvektionsprozesse werden Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie dargestellt und repräsentativer Fälle und Berechnungsmethoden gezeigt. Für die Wärmestrahlung werden ebenfalls konkrete Beispiele aufgeführt.
Das Kapitel enthält zahlreiche Aufgaben und Übungen zu diesen Themen.
Cornel Stan

9. Messung thermodynamischer Größen

Zusammenfassung
Als Grundlage zur Darstellung der Messung thermodynamischer Kenngrößen wird das Verhalten der Arbeitsmedien – Gase, Gasgemische, Dämpfe, Gas-Dampf-Gemische, Flüssigkeiten – bezüglich Zustandsgrößen und energetischen Größen dargestellt. Es werden gegenwärtige und zukunftsträchtige Geräte und Verfahren zur Druck-, Temperatur- und Feuchtemessung dargestellt. Auf dieser Basis wird die Ermittlung von Zustandsänderungen in Wärmekraftmaschinen analysiert und diskutiert.
Cornel Stan

10. Grundlagen und Beispiele der Prozesssimulation

Zusammenfassung
Die Gestaltung, Optimierung und Anpassung thermodynamischer Prozesse im Kraftfahrzeug, für alle gegebenen Fahrzustände und Umgebungsbedingungen betreffen sowohl den Antrieb als auch die Klimatisierung, einschließlich Elektromotoren und Batterien sowie den Wärmetausch über die Karosserie und die Dämpfungs- und Federungssysteme.
Die Komplexität und die Variabilität der Prozesse in solchen Funktionsmodulen für moderne Kraftfahrzeuge zwingen zur Erweiterung der Gestaltung und der experimentellen Untersuchung mit einer akkuraten numerischen Simulation. Der Ablauf der Modellierung mittels numerischer Simulation verläuft über vier Hauptstationen: Problemstellung, mathematische Formulierung, Diskretisierung und numerische Lösung. Diese Stationen werden anhand konkreter, anschaulicher Beispiele aus der Kraftfahrzeugtechnik dargestellt.
Als Beispiele für die Simulation solcher Vorgänge werden die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum eines Kolbenmotors mit anschließender Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, die Verbrennung eines solchen Gemisches mit Bildung von Schadstoffen, ein gesamter Motorprozess von Ladungswechsel, Kraftstoffdirekteinspritzung und Gemischbildung bis hin zur Verbrennung und die Vorgänge in einem Kühlmittelkreislauf im Kraftfahrzeug dargestellt.
Cornel Stan

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