Thermodynamik des Kraftfahrzeugs

Transkript

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2 Thermodynamik des Kraftfahrzeugs

3 Cornel Stan Thermodynamik des Kraftfahrzeugs 2. Auflage

4 Professor Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. CORNEL STAN Professor an den Universitäten Berkeley, Paris, Pisa, Perugia, Kronstadt und an der Westsächsischen Hochschule Zwickau ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004, 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der FachverlagsgruppeSpringer Science+Business Media

5 Vorwort Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden, aber nicht einfacher Albert Einstein ( ) 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 thermodynamischen Prozessen geprägt: Motoren, Aufladesysteme, Ladeluftkühler, Kühlund Heizkreisläufe, Klimaanlagen, Karosserieaerodynamik, Dämpfungssysteme, Einspritzsysteme, Auspuffanlagen, Bremsanlagen, Reifen. Ziel dieses Buches ist durch eine methodische Verkettung der theoretischen Grundlagen, ihrer mathematischen Darstellung, der typischen Anwendungsgebiete in der Kraftfahrzeugtechnik und vieler spezifischer Übungen und Beispiele den Kraftfahrzeugingenieuren und -studenten eine geistige Werkstatt zur Forschung, Entwicklung oder numerischen Simulation vielfältiger Fahrzeugmodule oder -funktionen anzubieten. Die Hauptthemen bilden dabei die Grundlagen der Energieumwandlungsprozesse, 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 Betrachtung derart abstrakt, dass eine praktische Anwendung der Erkenntnisse in der Technik nur schwer ableitbar ist; einige andere sind derart auf praktische Anwendungen fixiert, dass ihr theoretisches Fundament nicht eindeutig erkennbar wird. Ein weiterer Umstand erschwert zusätzlich die effektive Nutzung thermodynamischer Kenntnisse: Anwendungsbeispiele, wo-

6 VI Vorwort rauf theoretische oder experimentelle Betrachtungen zielen, bleiben oft außerhalb der realen Technik um so mehr außerhalb der Kraftfahrzeugtechnik. Die Betrachtung eines Vorgangs von dem theoretischen Modell, über seine mathematische Beschreibung, bis hin zur Anwendungsanalyse und Rechenbeispielen erhöht die Effektivität jeder objektbezogenen thermodynamischen Analyse. Diese Betrachtungsweise ist insbesondere bei der zunehmend angewandten numerischen Simulation der Prozesse in modernen Fahrzeugmodulen von Vorteil. Zahlreiche kommerzielle Programmpakete beispielsweise 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 unverzichtbaren Basis solcher Simulation geworden. Ihre korrekte Anwendung für spezifische Aufgaben erfordert allerdings die kritische Bewertung, Korrektur, Anpassung oder Weiterentwicklung der angebotenen physikalischen 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 vertikalen 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, Direkteinspritzverfahren, 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 Kraftfahrzeugthermodynamik gewann der Autor in dem stets interaktiven Dialog mit den Forschungspartnern und -kollegen, aber auch mit den Studenten und Doktoranden im Rahmen seiner Lehr- und Forschungstätigkeit in den Universitäten von Paris (F), Pisa (I), Perugia (I), Catania (I), Vigo (E), Guimaraes

7 Vorwort VII (P), Belfast (GB) und nicht zuletzt in der Westsächsischen Hochschule Zwickau als exzellente und traditionsreiche Schmiede von Kraftfahrzeugingenieuren. Dezember 2003 Cornel Stan

8 Vorwort zur 2. Auflage IX Vorwort zur 2. Auflage Das Energiemanagement bestimmt zunehmend die Entwicklung zukünftiger Kraftfahrzeuge, als Vorreiter des allgemeinen Maschinenbaus. Die Komplexität, der Umfang und die phänomenologische Analyse der thermodynamischen Prozesse, die jeden Energieaustausch in einer Maschine bestimmen, waren die Anfangsbedingungen von denen aus die Methodik dieses Buches entwickelt wurde: jeder Prozess wird von einem theoretischen Modell, über seine mathematische Beschreibung bis hin zur Darstellung der Anwendungsmöglichkeiten und zu Rechenbeispielen geführt. Diese Herangehensweise kam sowohl bei Studenten als auch bei Entwicklungsingenieuren gut an. Die 2. Auflage der Thermodynamik des Kraftfahrzeugs bringt zwei neue, wesentliche Elemente in diese Methodik: erstens: thermodynamische Modelle, mathematische Zusammenhänge und Diagramme werden nicht mehr nur von schematischen Darstellungen von Vorgängen und Anlagen ergänzt hinzu kommen zahlreiche praktische Beispiele in Form von Querschnitten oder von transparenten Darstellungen entsprechender Baumodule wie Motoren, Lader, Turbinen, Düsen, Wärmetauscher, Karosserien, Speicher, Dämpfer, Klima- und Heizanlagen. Für die neu eröffnete Möglichkeit solche Darstellungen in Farbe zu bringen gebührt dem Springer Vieweg Verlag Lob und Anerkennung. 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.

9 X 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 Thermodynamikbüchern 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 Prozessgestaltung findet, dann hat dieses Buch sein Ziel erreicht. Viel Erfolg! Dezember 2011 Cornel Stan

10 Inhaltsverzeichnis Vorwort... V Vorwort zur 2. Auflage...IX Inhaltsverzeichnis...XI Liste der Formelzeichen... XVII 1 Grundlagen der Technischen Thermodynamik Gegenstand und Untersuchungsmethodik Thermodynamisches System Austausch zwischen System und Umgebung Thermische Zustandsgrößen; Thermische Zustandsgleichungen Thermodynamische Zustandsänderungen Anwendbarkeit von Differentialquotienten der Zustandsgrößen Reversible und irreversible Zustandsänderungen Formen der Energieübertragung zwischen System und Umgebung Volumenänderungsarbeit Druckänderungsarbeit Wärme Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Anwendbarkeit von Differentialquotienten der Zustandsgrößen Reversible und irreversible Zustandsänderungen Volumenänderungs- und Druckänderungsarbeit Fragen zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Energiebilanz: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Einführung; Erläuterung Energiebilanz für Zustandsänderungen in geschlossenen Systemen; Innere Energie... 72

11 XII Inhaltsverzeichnis Innere Energie Energiebilanz für Zustandsänderungen in offenen Systemen (stationäre Prozesse); Enthalpie Enthalpie Gegenüberstellung der inneren Energie und der Enthalpie Energiebilanz auf Basis der Enthalpie für Zustandsänderungen in geschlossenen und in offenen Systemen Anwendung des Ersten Hauptsatzes in elementaren Prozessen Elementare Prozesse in geschlossenen Systemen Elementare Prozesse in offenen Systemen Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Energiebilanz, Innere Energie, Enthalpie Fragen zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Arbeitsmedien: Gase und Gasgemische Ideale und reale Gase Thermische Zustandsgleichung für ideale Gase Universelle (allgemeine; molare) Gaskonstante Molar-spezifische Größen Normkubikmeter Reale Gase Spezifische Wärmekapazität der idealen Gase Gesetz der inneren Energie bei idealen Gasen (Joule) Formen der spezifischen Wärmekapazität Zusammenhang der spezifischen Wärmekapazität bei konstanten Volumen und bei konstanten Druck Das ideale Gasgemisch Die Gaskonstante eines Gasgemisches Molare Masse, Dichte, Zusammenhänge der Massenund Volumenanteile Innere Energie, Enthalpie und spezifische Wärmekapazität eines Gasgemisches Elementare Zustandsänderungen in gasförmigen Arbeitsmedien Isochore Zustandsänderung (V = konst.) Isobare Zustandsänderung (p = konst.) Isotherme Zustandsänderung (T = konst.) Adiabate Zustandsänderung ( pv k = konst.) Polytrope Zustandsänderung (pv n = konst.) Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Zustandsänderungen in Gasen und Gasgemischen

12 Inhaltsverzeichnis XIII Fragen zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Energieumwandlung: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Formulierungen Thermischer Wirkungsgrad Entropie reversibler (idealer) Prozesse Entropie irreversibler (natürlicher) Prozesse Berechnung der Entropie Darstellungsformen von Prozessen mittels Entropie: (T,s), (U,s), (h,s) - Diagramme T,s-Diagramme (Wärmediagramme) Elementare, reversible Zustandsänderungen im T,s-Diagramm u,s- und h,s-diagramme Exergie und Anergie Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Berechnung der Entropie in thermodynamischen Vorgängen Fragen zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Prozesse in thermischen Maschinen für Kraftfahrzeuge Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen Rechtslaufende Kreisprozesse Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen mit sukzessiven Zustandsänderungen Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen mit simultanen Zustandsänderungen Kreisprozesse in Klimaanlagen und Wärmepumpen Linkslaufende Kreisprozesse Kreisprozesse in Kältemaschinen Kreisprozesse in Wärmepumpen (Heizanlagen) Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen Fragen zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Arbeitsmedien: Dämpfe und Gas-Dampf-Gemische Phasen und Komponenten eines Dampfes Diagrammdarstellungen der Zustands- und energetischen Größen eines Dampfes Kreisprozesse mit Dampf in der Kraftfahrzeugtechnik

13 XIV Inhaltsverzeichnis Rechtslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Kraftanlagen Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Klimaanlagen Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Wärmepumpenanlagen Drosselung von Nassdampf Gas-Dampf-Gemische Kenngrößen der Gas-Dampf-Gemische Kenngrößen der Gas-Dampf-Gemische in Diagrammform Zustandsänderungen der feuchten Luft in der Kraftfahrzeugtechnik Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Dampf und Gas-Dampf-Gemische Fragen zu Kapitel Verbrennung Kraftstoffe Kraftstoff-Luft-Gemische Heizwerte Verbrennungsrechnung Verfahren zur Verbrennungsrechnung Stöchiometrischer Luftbedarf Zusammensetzung der Abgaskomponenten bei vollständiger Verbrennung Zusammensetzung der Abgaskomponenten bei unvollständiger Verbrennung Ablauf der Verbrennungsreaktionen Verbrennungsformen in Otto- und Dieselmotoren Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Verbrennung Fragen zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Wärmeübertragung Arten der Wärmeübertragung Die Wärmeleitung Elementares Modell der Wärmeleitung Wärmeleitung durch eine ebene Wand Wärmeleitung durch Rohrwände Der Wärmeübergang (die Konvektion) Elementare Modelle der Konvektion Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie im Bezug auf die Konvektion

14 Inhaltsverzeichnis XV Wärmetauscher Die Wärmestrahlung Elementare Modelle der Wärmestrahlung Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen Körperoberflächen Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Wärmeleitung Fragen zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Messung thermodynamischer Größen Thermodynamische Messgrößen in der Kraftfahrzeugtechnik Arbeitsmedium Verhalten des Arbeitsmediums in thermodynamischen Prozessen Messung von Zustandsgrößen in Arbeitsmedien Temperaturmessung Feuchtemessung Wegmessung Ermittlung von Zustandsänderungen Literatur Sachwortverzeichnis Verzeichnis angeführter Thermodynamiker Lösungen zu den Fragen Lösungen zu den Aufgaben

15 Liste der Formelzeichen 2 A m a Fläche Absorptionskoeffizient bei Wärmestrahlung a C s c c c p m 2 s W m m s 2 K 4 kg C kg Kst kj kgk Temperaturleitzahl bei Konvektion Konstante bei Wärmestrahlung Geschwindigkeit Kohlenstoffanteil im Kraftstoff (Kst) bei Verbrennung spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck c V d d kj kgk m E J,kJ spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen Durchlasskoeffizient bei Wärmestrahlung Durchmesser Energie