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2012 | Buch

Einleitung Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Grundlagen Verbrennungsmotoren

Funktionsweise, Simulation, Messtechnik

herausgegeben von: Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

Buchreihe : ATZ/MTZ-Fachbuch

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das Buch spannt einen Bogen von einfachen thermodynamischen Grundlagen des Verbrennungsmotors hin zu komplexen Modellansätzen zur Beschreibung der Gemischbildung, Zündung, Verbrennung und Schadstoffbildung unter Beachtung der Motorperipherie von Otto- und Dieselmotoren. Damit liegt der inhaltliche Schwerpunkt des Buches auf den Simulationsmodellen und deren strömungstechnischen, thermodynamischen und verbrennungschemischen Grundlagen, wie sie für die Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren unentbehrlich sind. Die sechste Auflage wurde um zahlreiche Literaturstellen zu Großmotoren ergänzt und durchgängig vierfarbig gedruckt. Zuvor wurden schon als neue Themen aufgenommen: Möglichkeiten und Grenzen der Simulation, Potential des Diesel- und Ottomotors, Hybridmotoren, Gasmotoren, Schwerölmotoren, Abgas- und Partikelmesstechnik, Optimierungsstrategien.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einleitung

1. Einleitung
Zusammenfassung
Der Verbrennungsmotor hat in den letzten hundert Jahren als Antriebsaggregat für Landund Wasserfahrzeuge aber auch als Stationärmotor zum Antrieb von Arbeitsmaschinen und Generatoren eine weltweite Verbreitung gefunden und damit letztendlich die heutige Mobilität erst ermöglicht. Personen- und Nutzfahrzeuge werden überwiegend durch Ottobzw. Dieselmotoren angetrieben. Der Otto- bzw. Benzinmotor geht auf Nikolaus August Otto und auf Gottlieb Daimler mit Wilhelm Maybach und damit auf die Jahre 1876 und 1886 zurück. Rudolf Diesel hat die Thermodynamik und die Konstruktion seines Dieselmotors in seinem Buch im Detail beschrieben (Diesel 1893). Im gleichen Jahr lief auch sein erster Versuchsmotor.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann

Der Hubkolbenmotor

Frontmatter
2. Motorische Verbrennung
Zusammenfassung
Verbrennungsmotoren basieren auf der Nutzung von chemisch gebundener Energie durch die Verbrennung von Brennstoff und Sauerstoff. Die Teilprozesse der Gemischbildung, Entflammung und Verbrennung des Ottomotors und des Dieselmotors unterscheiden sich in grundlegenden Punkten.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
3. Thermodynamik des Verbrennungsmotors
Zusammenfassung
Bei der Energiewandlung kann man im Sinne einer hierarchischen Ordnung zwischen allgemeiner, thermischer und motorischer Energiewandlung unterscheiden.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
4. Aufladung von Verbrennungsmotoren
Zusammenfassung
Die Aufladung war ursprünglich ausschließlich als Verfahren zur Leistungssteigerung gedacht. Sie nimmt aber zunehmend einen immer größeren Stellenwert ein, wobei Verbrauchs- und auch Emissionsfragen immer stärker in den Vordergrund treten. Für eine ausführliche Darstellung wird auf Zinner (1985) und Pischinger et al. (2002) verwiesen. Eine interessante Darstellung der geschichtlichen Entwicklung der Aufladung hat Jenni (1993) gegeben.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann

Verbrennung, Schadstoffbildung, Emissionsmesstechnik

Frontmatter
5. Reaktionskinetik
Zusammenfassung
Ein chemische Reaktion zwischen den Edukten Aa, Ab, usw., die die Produkte Ac, Ad, usw.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
6. Schadstoffbildung
Zusammenfassung
Bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus C- und H-Atomen bestehenden, so genannten CxHy -Brennstoffes enthält das Abgas die Komponenten Sauerstoff (O2), Stickstoff ( N2 ), Kohlendioxid (CO2 ) und Wasserdampf ( H2O ).
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
7. Emissionsmesstechnik
Zusammenfassung
Die Bestimmung der Abgaszusammensetzung sowie der Gesamtmassen an emittierten Schadstoffen und Klimagasen wird ein immer wichtiger und aufwendiger Teil der Motoren- und Fahrzeugentwicklung. Die Motivation, Abgas zu messen, kann man in drei Hauptbereiche unterteilen:
  • Gesetzliche Vorgaben erfüllen: Regierungen haben den Auftrag den Bürger vor Umweltgefahren zu schützen und haben deshalb die zulässigen Emissionswerte von Kraftfahrzeugen limitiert. Diese Begrenzung unterliegt einer ständigen Verschärfung, da die Gesamtzahl des weltweiten Fahrzeugbestandes und andere Anwendungen von Verbrennungsmotoren seit Jahrzehnten stetig steigen. Diese Entwicklung wird sich auch in Zukunft fortsetzen. Fahrzeuge und Motoren dürfen nur verkauft werden (Typfreigabe) wenn nachgewiesen ist, dass sie diese Vorgaben erfüllen. Dazu werden in definierten Prüfzyklen die gesamt emittierten Massen der einzelnen Schadstoffkomponenten bestimmt und entweder auf die Fahrstrecke (g/km) oder die geleistete Arbeit (g/kWh) bezogen. Neuerdings werden in Europa auch die Anzahl an Partikel limitiert, dies erfolgt analog zu den anderen Limits bezogen auf die Wegstrecke (N/km) oder erbrachte Arbeit (N/kWh).
  • Motorenentwicklung: Die Zusammensetzung der Abgase gibt einen Einblick in die Verbrennungsqualität des Motors (Gemischbildung, Verbrennung, Luft/Kraftstoff- Verhältnis, usw.), sowie über die Funktion eines Abgasnachbehandlungssystems. Dafür werden vor allem die emittierten Abgas-Konzentrationen gemessen und zusammen mit den gemessenen Ansaugluft- und Kraftstoffmassen bewertet (Mengenbilanzen).
  • Umweltrelevanz: Für eine nachhaltige und verantwortungsvolle Verwendung von Verbrennungsmotoren muss die Umweltbelastung, die von emittierten Schadstoffen und Klimagasen ausgeht, minimiert werden. Die Abgasmessung bestimmt was (Komponenten) und wie viel (Masse) der einzelne Motor oder das einzelne Fahrzeug emittiert. Es wird kontinuierlich gemessen, welche Massen der einzelnen Schadstoff- und Klimagaskomponenten je Zeiteinheit (g/s) emittiert werden.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
8. Verbrennungsdiagnostik
Zusammenfassung
Der Verbrennungsmotor bezieht seine Energie aus der Umsetzung der chemischen Energie in Wärme. Diesen Vorgang zu verstehen, so effizient und schadstoffarm wie möglich zu gestalten ist das Ziel der Verbrennungsdiagnostik. Während die Messung des Verbrennungsdruckes (Abb. 8-1 oben) so alt wie der Verbrennungsmotor selbst ist, und einen globalen Wert aus dem Brennraum repräsentiert, bestand immer der Wunsch zusätzliche Informationen oder auch räumliche Information von der Verbrennung für eine Optimierung zur Verfügung zu haben. Dafür hat sich die optische Messtechnik (Abb. 8-1 unten) durchgesetzt. Neben dem Einsatz in Forschungslabors oder in der Vorentwicklung kommmt sich diese Technik gerade in den letzten Jahren ob ihrer Robustheit und einfachen Applizierbarkeit auch ergänzend in der Serienentwicklung zum Einsatz.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann

0D- und 1D-Simulation des Gesamtprozesses

Frontmatter
9. Reale Arbeitsprozessrechnung
Zusammenfassung
Bei der Füll- und Entleermethode, einer nulldimensionalen Methode, bei der die Prozessgrößen nur von der Zeit, aber nicht vom Ort abhängen, werden die einzelnen Teilsysteme des Motors, z. B.:
  • Brennraum,
  • Ansaug- und Abgasleitungen,
  • Ventile und Klappen, sowie das
  • Aufladesystem
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
10. Phänomenologische Verbrennungsmodelle
Zusammenfassung
Für die Berechnung von motorischen Verbrennungsvorgängen kommen heute verschiedene Modellkategorien zum Einsatz, die sich zum Teil sehr stark in ihrem Detaillierungsgrad aber auch in ihren Rechenzeiterfordernissen unterscheiden, siehe Stiesch (2003). Als phänomenologische Modelle werden dabei üblicherweise die Berechnungsmodelle bezeichnet, die die Verbrennung und Schadstoffbildung in Abhängigkeit übergeordneter physikalischer und chemischer Phänomene wie Strahlausbreitung, Gemischbildung, Zündung, Reaktionskinetik usw. vorausberechnen. Weil hierfür eine räumliche Aufteilung des Brennraums in Zonen verschiedener Temperatur und Zusammensetzung erforderlich ist, werden die Modelle auch als quasi-dimensionale Modelle bezeichnet. Diese phänomenologischen Modelle grenzen sich auf der einen Seite von den nulldimensionalen (oder thermodynamischen) Modellen ab, die den Brennraum zu jedem Zeitpunkt vereinfachend als ideal durchmischt annehmen und die auf empirischen Ansätzen für die Brennrate beruhen. Auf der anderen Seite unterscheiden sich die phänomenologischen Verbrennungsmodelle von den CFD-Codes (CFD = computational fluid dynamics, vgl. Teil D, Kapitel 14 ff.), indem auf eine explizite Lösung des turbulenten dreidimensionalen Strömungsfeldes bewusst verzichtet wird, siehe Abb. 10-1. Dadurch kann die Rechenzeit erheblich reduziert werden. Für eine Motorumdrehung liegt sie bei phänomenologischen Modellen im Bereich von Sekunden, bei CFD-Codes dagegen im Bereich von Stunden, siehe Abb. 10-2.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
11. Abgasnachbehandlungssysteme
Zusammenfassung
Die Herabsetzung von gesetzlich erlaubten Emissionen ist ein seit vielen Jahren weltweit stattfindender kontinuierlicher Prozess. Emissionsvorschriften sind dabei stark diversifiziert und berücksichtigen Unterschiede im Motortyp, Fahrzeug/Motorkategorie, Motorleistung und Land/Region in denen sie zur Anwendung kommen. Beim Motortyp wird zwischen Diesel und Ottomotorischer Verbrennung unterschieden, wobei auch bei neuen direkt einspritzenden Ottomotoren ähnliche Emissionsvorschriften wie bei Dieselmotoren gelten. Bei Fahrzeugen und Motoren gibt es unterschiedliche Emissionsvorschriften für PKWs und leichte Nutzfahrzeuge, mittlere und schwere Nutzfahrzeuge (LKW, Bus), Off- Road-Anwendungen (Traktoren, Baumaschinen etc.), stationäre Dieselmotoren (z. B. für Generatoren) sowie Motoren für Lokomotiven und Marine-Anwendungen. Bei den Off- Road Anwendungen werden die Emissionsvorschriften auch durch die Motorleistung bestimmt. Die Länder/Regionsspezifischen Normen unterscheiden sich durch die durchzuführenden Testzyklen (z. B. US FTP, Euro NEDC, Japan JC08 etc.) und die einzuhaltenden Emissionsstandards. In Europa unterteilt man Emissionsvorschriften für den On- Road-Bereich nach Euro 2,3,4,5 und 6 bzw. und für den Off-Road-Bereich in Stufe II, IIIA, IIIB und IV. In den USA gelten etwa die US-2004 US-2007 und US-2010 Normen für On-Road und die Tier 2, Tier 3, Tier 4 interim und Tier 4-Normen für Off-Road. In Ländern wie China und Indian werden lokale Emissionsvorschriften oft in Anlehnung an europäische und US-amerikanische Standards mit zeitlicher Verzögerung eingeführt. Die derzeit strengsten Normen (Euro 6, Tier 4, Stufe IV) sollen kontinuierlich ab 2013/2014 in Europa und den USA eingeführt werden. Diese Normen legen somit die Richtschnur für alle zukünftigen Motor- und Abgasnachbehandlungstechnologien fest.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
12. Gesamtprozessanalyse
Zusammenfassung
Als Gesamtprozessanalyse versteht man die Simulation gesamtheitlicher Motorkonfigurationen unter stationären und transienten Betriebsbedingungen. Die Modellierung setzt dabei als Basis auf den Motorgrundbausteinen, wie z. B. Zylinder, Behälter, Rohre, Blenden bzw. Drosseln und Aufladeaggregaten, die in Kapitel 9 beschrieben sind, auf. Da die Arbeitsprozessrechnung im Zylinder nur indizierte Größen liefert, müssen geeignete Ansätze für die Reibung des Motors in das Gesamtsimulationsmodell integriert werden. Zusätzlich muss das Verhalten des Öl- und Kühlkreislaufes berechnet werden, um bei thermisch instationären Vorgängen eine Berechnung des Reibmomentes möglich zu machen, da der Einfluss von Öl- und Kühlwassertemperaturen auf das Reibmoment des Motors beträchtlich ist. Hinzu kommen noch Modelle, mit denen eine Simulation der an den Verbrennungsmotor angeschlossenen Verbraucher möglich ist, um möglichst exakt die Randbedingungen für die Verbrennungskraftmaschine beschreiben zu können.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
13. Beherrschung komplexer Entwicklungsprozesse
Zusammenfassung
Verbrennungsmotorische Antriebe haben in den letzten Jahren signifikante Verbesserungen insbesondere in ihrem Verbrauchs- und Emissionsverhalten erfahren. Ausschlaggebend dafür sind neben dem besseren Verständnis innermotorischer Vorgänge vor allem die intelligenten Steuer- und Regelsysteme, welche neue Technologien ermöglichen und weitere Optimierungspotentiale erschließen. Damit verbunden ist die große Herausforderung einer zunehmenden Komplexität in der Entwicklung, die in besonderem Maß für Fahrzeugmotoren gilt, aber letztlich für alle Antriebssysteme einen Schlüsselaspekt darstellt. Dementsprechend kann eine Entwicklung nur dann erfolgreich durchgeführt werden, wenn eine systematische Vorgangsweise die große Zahl der Freiheitsgrade adressiert und einer gezielten Optimierung unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Gesamtsystems zuführt.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann

3D-Simulation des Arbeitsprozesses

Frontmatter
14. Dreidimensionale Strömungsfelder
Zusammenfassung
Eine immer wesentlichere Rolle bei der Simulation motorischer Vorgänge spielt die 3Dströmungsmechanische oder CFD-Simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics), da sie prinzipiell die detaillierteste physikalisch-chemische Beschreibung der relevanten Prozesse ermöglicht. Sie ist aus der modernen Motorenentwicklung nicht mehr wegzudenken, und unter dem Aspekt stetig wachsender Rechnerkapazitäten und –leistungen wird ihre Bedeutung auch weiterhin anwachsen. Mit CFD werden heute die verschiedensten Fragestellungen untersucht, vom Gaswechsel bis hin zur Kühlmittelströmung. Im Rahmen des vorliegenden Buches werden wir uns auf die Themenkomplexe Gaswechsel, Gemischbildung, Verbrennung und Aufladung beschränken.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
15. 3D-Simulation der Aufladung
Zusammenfassung
In Kapitel 4 wurden bereits die Grundlagen für die Auslegung und Dimensionierung von Turbolader-Komponenten für die Aufladung von Verbrennungsmotoren dargestellt. Mit Hilfe der diskutierten Verfahren können die grundlegenden Dimensionen und Geometrieparameter wie Durchmesser, Querschnittsverläufe, Radien, Formen aber auch andere Kenngrößen wie beispielsweise Nenndrehzahlen festgelegt werden, um sicherzustellen, dass die betreffende Strömungsmaschine die grundsätzlichen Anforderungen an sie erfüllt. Die diskutierten Verfahren basieren allerdings auf strömungsmechanischen und thermodynamischen Vereinfachungen, empirischen Ansätzen oder teilweise auch auf Diagrammen, die die grundlegenden Zusammenhänge visuell darstellen und grafische Festlegungen erlauben. So gehen beispielsweise viele der zugrundegelegten Gleichungen unter anderem davon aus, dass die stationäre Stromfadentheorie gilt, d.h. dass die Strömung als rein eindimensional betrachtet werden kann. Zudem wird meist angenommen, dass die Strömung als viskositätsfrei betrachtet werden kann. In erster Näherung sind diese Annahmen sicher auch gerechtfertigt. Strömungen in Strömungsmaschinen sind jedoch im Allgemeinen sehr viel komplexer als die obigen Prämissen dies nahelegen. Insbesondere führen die teilweise stark gekrümmten Oberflächen (vgl. Abb. 15-1) in Verbindung mit der Rotation des Laufrades zu dreidimensionalen, teilweise instationären Strömungsvorgängen, die aufgrund der typischerweise hohen Reynoldszahlen turbulent und stark wirbelbehaftet sind. Die endgültige Festlegung der Bauteilgeometrie sollte daher schon frühzeitig vor der endgültigen Fertigung mit Hilfe der dreidimensionalen Strömungssimulation verifiziert und bestätigt werden. Auch sind die Wirkungsgrade von Strömungsmaschinen mittlerweile so hoch, dass die weitere Optimierung oder auch die Analyse von Verschlechterungen im Entwicklungsprozess ohne tiefer gehende Einblicke in die beteiligten detaillierten Strömungsvorgänge nicht mehr möglich ist.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
16. Simulation von Einspritzprozessen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel ist der Simulation von Einspritzprozessen gewidmet. Von theoretischer Seite betrachtet stellt sich die Thematik viel komplexer dar, als es die Existenz leicht handhabbarer „Strahlmodule“ in allen gängigen CFD-Codes zunächst vermuten ließe. Wenn man sich aber die meisten der damit erzielten Ergebnisse kritisch betrachtet, wird man sich der ganzen Schwierigkeiten der Thematik schnell bewusst. Nach wie vor gilt, dass sich mit den heute für motorische Applikationen verfügbaren Codes sinnvolle Resultate nur mit großem Aufwand erzeugen lassen.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
17. Simulation der Verbrennung
Zusammenfassung
Dieser Abschnitt ist der strömungsmechanischen Simulation der turbulenten Verbrennung für Diesel- wie Ottomotoren gewidmet. Im Kern geht es dabei „nur“ um die turbulente Mittelung des Quellterms der Spezies-Transportgleichungen (14.18); allerdings ist unmittelbar einsichtig, dass dies ein schwieriges Unterfangen darstellt, da Reaktionskinetik typischerweise exponentiell von der Temperatur abhängt. Der notwendige Modellierungsaufwand dafür ist nicht unerheblich. Mit der reinen Applikation kommerziell standardisierter Modellierungen kommt man (leider) immer noch nicht sehr weit.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann

Systembetrachtungen und Ausblick

Frontmatter
18. Der Verbrennungsmotor als Teil des gesamten Antriebsstrangs
Zusammenfassung
Die zukünftigen CO2-Szenarien (Abb. 18-1) stellen weltweit die wesentlichste Entwicklungsherausforderung für PKW-Antriebe dar. Die aktuelle und zukünftige Gesetzgebung ist in Abb. 18-1 dargestellt. Die von einigen Herstellern mit ihrer Fahrzeugflotte im Jahr 2008 und 2009 erreichten CO2-Emissionen sind vor dem Hintergrund der für Europa geplanten CO2-Zielwerte in Abb. 18-2 aufgetragen. Während in den letzten Jahren in Europa die Reduzierung des Flottenmittelwerts stark durch die Erhöhung des Dieselanteils realisiert wurde, erfolgt jetzt durch neue Benzindirekteinspritztechnologien in Verbindung mit verbessertem Energiemanagement und Start/Stopp sowie Hybridantrieben ein echter Stufensprung bei den Ottomotoren. Dabei sind verschiedene Entwicklungsrichtungen zu beobachten:
  • Saugmotor-Schichtladekonzepte, siehe Langen et al. (2007) und Waltner et al. (2006), als Speerspitze der rein ottomotorischen Verbrauchskonzepte,
  • die Kombination der Benzin-Direkteinspritzung mit Abgasturboaufladung, Prevedel und Kapus 2006 und Fraidl et.al (2007), die wohl im Moment den am stärksten ausgeprägten Technologietrend bei Ottomotoren darstellt,
  • milde Hybridanwendungen mit vergleichsweise moderaten elektrischen Leistungen, nach Bachmann (2009) sowie
  • Vollhybride, siehe Weiss et al. (2009).
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
19. Zukunft des Verbrennungsmotors
Zusammenfassung
Der Verbrennungsmotor ist die am weitesten verbreitete Energiewandlungsmaschine und hat z. B. als Antrieb für Fahrzeuge, Schiffe und Generatoren größte Bedeutung. Weit über eine Milliarde Verbrennungsmotoren sind heute als Antrieb für Fahrzeuge (Pkws, Nutzfahrzeuge, Schiffe usw.), zur Energieversorgung (Block-Heizkraftwerke, Notstromaggregate usw.) oder für andere Zwecke wie z. B. als handgehaltene Arbeitsgeräte (Motorsägen, Motorsensen, Trennschleifer usw.) im Einsatz. Als Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung ist er zudem die effizienteste Wärmekraftmaschine überhaupt. Bei alleiniger Nutzung der abgegebenen mechanischen Energie werden in bestimmten Antrieben bereits Wirkungsgrade von über 50 % erreicht. Wird die bei der Verbrennung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme über den aufgrund der Gesetze der Thermodynamik limitierten, in mechanische Arbeit umwandelbaren Anteil hinaus genutzt, können sogar deutlich höhere Systemwirkungsgrade erreicht werden. Vor dem Hintergrund dieses außerordentlichen Erfolges sind die weitere Entwicklung und die dazu bestehenden Möglichkeiten von großem Interesse. Der Bedarf an mechanischer, elektrischer und insbesondere auch thermischer Energie hat durch die Industrialisierung kontinuierlich zugenommen und wird auch in Zukunft weltweit weiter steigen. Aufgrund seiner hohen Flexibilität und seiner einfachen Bauform wird der Hubkolbenmotor in Zukunft weiterhin eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung spielen und in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Die Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren befindet sich dabei im Spannungsfeld unterschiedlicher treibender Faktoren. Höchste Ansprüche werden vor allem bei der Reduzierung des Schadstoffausstoßes und des Kraftstoffverbrauches bzw. der CO2-Emission gestellt. Darüber hinaus ist das Entwicklungspotenzial des Verbrennungsmotors noch lange nicht ausgeschöpft.
Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
Backmatter
Metadaten
Titel
Grundlagen Verbrennungsmotoren
herausgegeben von
Günter P. Merker
Christian Schwarz
Rüdiger Teichmann
Copyright-Jahr
2012
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-8348-1988-8
Print ISBN
978-3-8348-1987-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-1988-8

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