Fluidzerstäubung und Sprühvorgänge

Abschlussbericht
DFG-Schwerpunktprogramm 1061
)OXLG]HUVWlXEXQJXQG6SUKYRUJlQJH
3/1998 – 2/2004
3URJUDPPDXVVFKXVV
Prof. Dr.-Ing. C. Tropea, Darmstadt (Koordinator)
Prof. Dr.-Ing. J. Janicka, Darmstadt
Prof. Dr. rer. nat. F. Obermeier, Freiberg
Prof. Dr. techn. P. Walzel, Dortmund
Juni 2004
,QKDOW
1. Einleitung und Zusammenfassung
2. Fachliche Ergebnisse des Schwerpunktprogramms
3. Ablauf des Programms
4. Bildergalerie
Anhänge
I. Inhaltsverzeichnis des Abschlussbandes
II. Liste der Veröffentlichungen (ohne Abschlussband)
(LQOHLWXQJXQG=XVDPPHQIDVVXQJ
Zwischen
April
1998 und März 2004
wurden im
Rahmen
des
Schwerpunktprogramms
‚Fluidzerstäubung
und
Sprühvorgänge’
32
Forschungsvorhaben mit einem Gesamtvolumen von über 8,3 MEURO von der DFG
gefördert. Es wurden insgesamt vier Kolloquien, vier Workshops und zwei
internationale Symposien veranstaltet. Das Abschlusskolloquium fand am 18. und 19.
März 2004 in Dortmund statt. Das Schwerpunktprogramm ist im Allgemeinen auf
großes Interesse bei den Forschungseinrichtungen in Deutschland gestoßen. In der
nachfolgenden Tabelle sind die Antragseingänge und Bewilligungen der vier
Antragsperioden zusammengefasst.
(LQUHLFKXQJ
$Q]DKOGHU$QWUlJH
$Q]DKOGHU3URMHNWH
November 1997
56
15
Oktober 1998
28
21
Oktober 1999
29
24
November 2001
24
20
Fluidzerstäubung und Sprühvorgänge sind als Schlüsseltechnologien vieler
technischer Prozesse und alltäglicher Gebrauchsgüter von immenser wirtschaftlicher
Bedeutung (Kraftstoffeinspritzung, Spritzlackierung, Inhalatoren, Sprühtrocknung
usw.). Dennoch erfolgten zu Beginn des Schwerpunktprogramms Auslegungs- und
Optimierungsarbeiten von Zerstäubern und Sprüheinrichtungen weitgehend
empirisch. Fundamentales Wissen über den Prozess des primären Strahlzerfalls,
Transportprozesse wie Verdampfung oder Tropfenkoalesenz und über die
Gesamtmodellierung von Sprühsystemen hat gefehlt. Die Ziele des
Schwerpunktprogramms wurden daher formuliert, um durch Theorie, Experiment und
numerische Simulation dieses Defizit zu beseitigen. Besonderes Augenmerk wurde
bereits vor der ersten Antragstellung auf eine möglichst enge Abstimmung zwischen
experimentellen und theoretischen Vorhaben gelegt, was auch auf exemplarische
Weise während der Laufzeit des Schwerpunktprogramms gelungen ist.
Fachlich sind viele der Ziele des Schwerpunktprogramms erreicht worden. Bereits bei
der ersten Antragstellung ist ein Schwerpunkt auf den primären Strahlzerfall gelegt
worden. Selbst am Ende des Programms haben sich nur wenige der Vorhaben mit
den nachfolgenden Transportvorgängen im Spray beschäftigt. Der Strahlzerfall ist
das erste Glied in einer theoretischen Beschreibung oder numerischen Simulation
eines Sprays. Folgerichtig wurde versucht die Wirkung vieler Einflussparameter auf
den Strahlzerfall für verschiedene Zersäubertypen quantitativ zu beschreiben. So
entstand z.B. eine Aufteilung der Vorhaben in die Gruppen
¾Einstoffdüsen
¾Zweistoffdüsen
¾Kavitierende Düsen
¾Angeregte/instationäre Zerstäubung
wobei alle Zerstäubungstypen breite Anwendungsbereiche abdecken. Es ist in vielen
Fällen gelungen sehr fundamentale und bislang nicht erkannte oder verstandene
Zusammenhänge aufzudecken und auf systematische Weise zu dokumentieren.
Darüber hinaus ist durch die Vielzahl der Kooperationen innerhalb und außerhalb
2
des Schwerpunktprogramms die Übermittlung dieses Wissen auf den Anwender in
Form von Modellen bzw. Theorien sehr effektiv gelungen.
International hat das Schwerpunktprogramm die Forschung auf dem Gebiet der
Fluidzerstäubung und Sprühvorgängen nachdrücklich geprägt. Dies wird durch eine
Vielzahl von Publikationen und Konferenzbeiträgen belegt. Noch wichtiger ist, dass
dieses Forschungsprofil in Deutschland nachhaltig, auch nach Abschluss des
Schwerpunktprogramms besteht. Insofern ist die angestoßene Zusammenarbeit und
Forschungsschwerpunkte inzwischen sehr gut etabliert.
An dieser Stelle ist es angebracht die erstmals erprobte gemeinsame Nutzung von
Investitionen zu erwähnen. Zum Beginn des Schwerpunktprogramms wurde eine
Hochgeschwindigkeitskamera angeschafft, die in zwei bis drei wöchigem Rhythmus
allen beteiligten experimentellen Projekten zur Verfügung gestellt worden ist. Auch
nach sechs Jahren, wandert die Kamera innerhalb der Forschungseinrichtungen in
Deutschland. Dieses Nutzungsmodell könnte als Muster für die Anschaffung und
Nutzung anderer Großgeräte in Schwerpunktprogrammen dienen.
Der Bericht geht nun auf einige Einzelheiten des Schwerpunktprogramms näher ein.
Im nachfolgenden Kapitel werden auf einige fachliche Erkenntnisse aus dem
Schwerpunktprogramm eingegangen. Im Abschnitt 3 werden der Ablauf des
Programms, die Kooperation innerhalb des Schwerpunktprogramms sowie die
Nachwuchsförderung zusammengefasst. Als Besonderheit wird im letzten Kapitel
eine Zusammenstellung von Bildern der einzelnen Projekte vorgestellt.
In den Anhängen befinden sich Listen der aus dem Schwerpunktprogramm
entstandenen Veröffentlichungen.
3
)DFKOLFKH(UJHEQLVVHGHV6FKZHUSXQNWSURJUDPPV
Das Schwerpunktprogramm hat sich mit verschiedenen Teilaspekten der
Zerstäubung und nachfolgenden Transportprozesse beschäftigt. Die Aufteilung der
verschiedenen Projekte lässt sich bildlich darstellen.
1R]]OH)ORZ
-HW'LVLQWHJUDWLRQ
Koschel, DLR
Janicka, Darmstadt
Laurien, Stuttgart
Merker, Hannover
Peric, Hamburg
Renz/ Ruder, Aachen
Tropea, Darmstadt
Walzel, Essen
Beushausen, Göttingen
Binninger, Aachen
Eggers, Hamburg
Koschel/Mayer, DLR
Obermeier, Freiberg
Sommerfeld, Halle
Spicher, Karlsruhe
&DYLWDWLRQ
([FLWHG,QVWDELOLWLHV
Ballmann, Aachen
Knoche/Lucas, Aachen
Schneer, Karlsruhe
$WRPL]DWLRQ
Brenn, Erlangen
Chaves, Freiberg,
Wittig, Karlsruhe
7UDQVSRUW3URFHVVHV
Grünefeld, Bielefeld
Fritsching, Bremen
Weigand/RothStuttgart
6XSHUFULWLFDO7ZR3KDVH
Bauckhage, Bremen
Ernst, Erlangen
Mewes, Hannover
Sattelmayer, München
Schweiger, Bochum
Diese bildliche Darstellung unterstreicht auch die enge Zusammenarbeit zwischen
beteiligten Forschungsgruppen.
Ein Schwerpunkt der Forschung ist sehr deutlich auf die Primärzerstäubung gefallen,
darunter auch systematische Untersuchungen der wichtigsten Einflussparameter. So
haben sich allein elf Gruppen mit dem Einfluss der Düseninnenströmung auf die
nachfolgende Zerstäubung beschäftigt, ein Bereich, der bislang kaum in der Literatur
behandelt wurde. Innerhalb dieser Gruppen entstanden mehrere bi-, tri- und
multilaterale Zusammenarbeiten. So haben zwei Gruppen experimentell mit
identischen Düsen aber verschiedenen Messtechniken gearbeitet, weitere zwei
Gruppen haben die gleiche Geometrie mit verschiedenen numerischen
Simulationsverfahren untersucht. Überhaupt entstanden fast keine experimentellen
Ergebnisse, ohne begleitende numerische Untersuchung.
Zur Primärzerstäubung sind auch wichtige Erkenntnisse und Modelle entstanden.
Grundsätzlich ist die Rolle der Turbulenz in der Düse und auch der
Grenzschichtzustand auf die Zerstäubung qualitativ erfasst worden. Die
experimentellen Befunde konnten mit direkten numerischen Simulationen
nachtgebildet werden. Auch indirekte Ursachen von Turbulenz, z.B. Kavitation, sind
sowohl experimentell als auch numerisch weitestgehend geklärt worden. Einige
Projekte haben sich damit beschäftigt diese Kenntnisse in Form von Arbeitsmodelle
zu formulieren, die für die praxisbezogene Anwendung geeignet sind und inzwischen
industriellen Einsatz gefunden haben.
Eine Reihe von Projekten hat sich mit angeregter Zerstäubung beschäftigt, d.h.
Zerstäubung
mit
einem
sehr
gezielten
und
z.B.
monodispersen
Tropfengrößenspektrum. Auch hier sind sehr erfolgreiche Steuerungsmöglichkeiten
4
entstanden, die aber auch grundlegende Kenntnisse über den Zerfall von
Flüssigkeitsstrahlen liefern.
Einige weitere Projekte konnten mit Hilfe einer Gasphase z.T. erheblich effizientere
Zerstäubung nachweisen. Diese Zweistoffdüsen werden sicherlich in den
kommenden Jahren Einzug in verschiedenste Anwendungsgebiete finden.
Neben
den
gewonnenen
physikalischen
Kenntnissen
über
die
Zerstäubungsprozesse sind auch eine ganze Reihe methodischer Entwicklungen
geleistet worden, sowohl experimentell als auch numerischer Natur. Experimentell
sind diese Entwicklungen hauptsächlich auf dem Gebiet der optischen
Messtechniken zu verzeichnen; numerisch auf dem Gebiet der direkten numerischen
Simulation. Solch Entwicklungen sind sehr nachhaltig und prägen heute noch die
Sprayforschung in Deutschland.
Die fachlichen Ergebnisse des Schwerpunktprogramms sind in zwei Bänden
zusammenfasst, die diesem Abschlussbericht als Anlage beigelegt worden sind. Der
erste Band entstand als Proceedings-Band eines internationalen Symposiums in
Darmstadt im Jahr 2000, die WK $QQXDO &RQIHUHQFH RQ /LTXLG $WRPL]DWLRQ DQG
6SUD\ 6\VWHPV,/$66(XURSH 6HSW Der Inhalt dieses Bandes ist
als PDF-Datei aus dem Netz erhältlich: (http://www.ilass-eu.ic.ac.uk/downloads.htm)
Der zweite Band, auch in englischer Sprache verfasst, ist der Tagungsband vom
Abschlusskolloquium in Dortmund: $WRPL]DWLRQDQG6SUD\3URFHVVHV0lU]
'RUWPXQG, erschienen als Band 7 der Schriftenreihe Mechanische
Verfahrenstechnik, Shaker Verlag (ISBN 3-8322-2570-6). Das Inhaltsverzeichnis
dieses Bandes, als Anhang I dieses Berichtes aufgeführt, spiegelt die Liste der SPPVorhaben zum Abschluss des Programms.
Ohne Anspruch auf Vollständigkeit befindet sich eine Liste der projektrelevanten
Veröffentlichungen im Anhang II dieses Berichtes, aufgeteilt nach referierten
Zeitschriftenartikeln, Konferenzbeiträgen und Dissertationen.
5
$EODXIGHV3URJUDPPV
Der Ablauf des Schwerpunktprogramms wurde von einer Vielzahl von begleitenden
Konferenzen und Workshops flankiert, die in chronologischer Folge im Bild 1
zusammengefasst sind.
,/$66 (XURSH: Institute for Liquid Atomization and Spray Systems. Diese
Konferenz wird einmal im Jahr gehalten und ist die einschlägige Konferenz für
Forschung auf dem Gebiet der Zerstäubung. Im Laufe des
Schwerpunktprogramms wurde die Konferenz einmal in Deutschland gehalten
(Darmstadt 2000). Einige Mitglieder des Schwerpunktprogramms sind Offiziere
im ILASS-Europe. Herr Tropea ist Sekretär der internationalen ICLASS, das
jede drei Jahre eine Konferenz abwechselnd in Amerika, Europa und Asien
veranstaltet. Während der Laufzeit des Schwerpunktprogramms war die
deutsche Beteiligung an den ILASS-Konferenzen stets über 25%, wie im
nachfolgenden Bild ersichtlich.
,/$66&RQIHUHQFH3DSHUV
Total
250
[
H
J
D
W
Q
H
F
U
H
3
U
H
E
Percentage from Germany
200
150
100
P
X
1
50
20
03
IC
ag
oz
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r
LA
a
SS
20
02
1
20
0
h
Zu
ric
SS
LA
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ad
t
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m
D
20
00
0
20
0
9
19
9
se
lo
u
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u
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te
r
19
98
19
97
M
an
ch
re
nc
e
Fl
o
Lu
nd
19
96
0
6SUD\ :RUNVKRS EHU 7HFKQLNHQ GHU )OXLG]HUVWlXEXQJ XQG 6SUKYRUJlQJH:
Jedes Jahr seit 1994 wird ein nationaler Workshop über Zerstäubung gehalten.
Während des Schwerpunktprogramms wurde der Workshop ausschließlich von
Mitgliedern des Schwerpunktprogramms gehalten.
633:RUNVKRSV: Zur Förderung des Nachwuchses wurde jedes Jahr ein Workshop
in Freiberg für die Sachbearbeiter im Schwerpunktprogramm gehalten. Diese
Workshops wurden mit zwei weiteren Workshops über die Benutzung der
Hochgeschwindigkeitskamera ergänzt.
Während des Schwerpunktprogramms wurden die Aktivitäten aller beteiligten
Forschungsgruppen auf einer gemeinsamen Webseite auf dem neusten Stand
gehalten (http://www.sla.tu-darmstadt.de/dfgspp/dfgspp.ger.html). Diese Webseite
wird noch einige Jahre lang gepflegt.
6
,/$66
/XQG
6SUD\
%UHPHQ
,/$66 6SUD\
)ORUHQ]
'/5
,/$66 6SUD\
0DQFKHVW (VVHQ
$QWUlJH
.XU]DQWUDJ /DQJDQWUDJ (LQULFKWXQJ
,/$66 6SUD\
=ULFK
++
%HZLOOLJXQJVMDKUH
:RUNVKRS
)UHLEHUJ
,/$66
7RXORXVH
.ROORTXLXP
$QWUlJH
3URMHNWH
3URMHNWH
.ROORTXLXP
$QWUlJH
,/$66
'DUPVWDGW
%HZLOOLJXQJVMDKU
:RUNVKRS
)UHLEHUJ
,/$66 6SUD\
=DUDJR]D )UHLEHUJ
,&/$66
3DVDGHQD
%HZLOOLJXQJVMDKU
.ROORTXLXP
$QWUlJH
6SUD\
%UHPHQ
%HZLOOLJXQJVMDKUH
3URMHNWH
:RUNVKRS
.DPHUD'$
:RUNVKRS
.DPHUD'$
,&/$66
6RUUHQWR
%HZLOOLJXQJVMDKUH
$EVFKOXVV
.ROORTXLXP
%LOG$EODXIGHV6FKZHUSXQNWSURJUDPPVÃ)OXLG]HUVWlXEXQJXQG6SUKYRUJlQJH¶
7
+RFKJHVFKZLQGLJNHLWVNDPHUD
In einem getrennten Antrag mit dem Titel
+RFKJHVFKZLQGLJNHLWV9LVXDOLVLHUXQJVV\VWHP
wurde eine Hochgeschwindigkeitskamera zur gemeinsamen Nutzung aller Beteiligten
des Schwerpunktprogramms beantragt. Als Teil dieses Großgeräte-Antrages wurden
auch Personalmittel für eine ständige Betreuung des Terminplans und
Gerätetransports sowie evtl. anfallende Reparaturen beantragt. Über die insgesamt
fünf Jahre wurde die Kamera ca. 50 Mal ausgeliehen, z.T. auch an Kollegen
außerhalb des Schwerpunktprogramms, die aber auf dem Gebiet der Zerstäubung
tätig sind. Eine Transportversicherung wurde kollektiv von allen Beteiligten getragen.
Der Anforderungskatalog an die Kamera bei der Bestellung war wie folgt
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
Gewünschte Bildfrequenz:
Mindestanzahl der Bilder:
Pixel-Auflösung/Bild:
Intensitäts-Auflösung:
Intensitäts-Verstärkung:
Möglichst leicht und mobil
> 10MHz
4 eher 8
>500x400
≥ 8 bit
ja
Die folgenden Zubehörteile waren Teil des Angebotes.
⇒ Transportkoffer
⇒ Dreifuß mit Universalgelenk für die Kamera
⇒ Rechner und Software für Datenübertragung und Bildanalyse: Rechner mit
hoher Speicherkapazität, Drucker sowie Zip-Drive oder ähnliches
⇒ enn notwendig, On-Line Monitor (falls nicht in Software bereits vorhanden
⇒ 3 Jahre Garantie (max. 2 Wochen Ausfallzeit)
⇒ Kurzzeitblitz: ca. 20µm
⇒ Langzeitblitz
⇒ Dreifuß für Blitzlampen
⇒ Auswahl von Objektiven für Aufnahme von Dieseleinspritzdüsen mit ca.
2mm x 2mm Bildfläche, sowie für sonstigen Laborbedarf
⇒ Long Distance Microscope
⇒ Notwendige Adapter für Objektive
Nach einer Gegenüberstellung aller verfügbaren Modelle wurde eine Kamera der Fa.
IMCO bestellt.
Diese Kamera wird zur Kosten des Transports an Interessenten heute nach
regelmäßig ausgeliehen.
%LOGHUJDOHULH
Ein kommentarloser Auszug der Sichtbarmachung im Schwerpunktprogramm folgt
als Bildergalerie
9
10
11
$QKDQJ,,QKDOWVYHU]HLFKQLVGHV$EVFKOXVVEDQGHV
6HVVLRQ
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)
(LQVWRIIGVHQ6LQJOHIOXLGQR]]OHV
Klein, M., Scholz, J., Janicka, J.: „'HYHORSPHQWRIDQ/(6EDVHGPRGHOIRUWKH
SUHGLFWLRQRIDWRPL]DWLRQ“
Gnirß, M., Heukelbach, K., Tropea, C.: „,QIOXHQFH RI QR]]OH IORZ RQ WKH
DWRPL]DWLRQRIOLTXLGVKHHWVDQGURXQGMHWV“
Platzer, E., Sommerfeld, M.: „0RGHOOLQJRIWKHWXUEXOHQWDWRPLVDWLRQRIOLTXLGV
DQGVSUD\IRUPDWLRQ”
Czisch, K., Huang, Z., Lohner, H., Fritsching, U., Bauckhage, K.: “$WRPL]DWLRQ
RIPLQHUDOPHOWVZLWKKRWJDV”
Rossmeissl, M., Wirth, K.-E.: “6WUDKO]HUIDOOEHLEHUKLW]WHQ
)OVVLJNHLWHQ“
Schugger, C., Renz, U.: “6SUD\VWUXNWXUXQG*HVFKZLQGLJNHLWVIHOGGHV
SULPlUHQ6WUDKODXIEUXFKVEHLGHU'LHVHOGLUHNWHLQVSULW]XQJ“
Feggeler, D., Landwehr, F., Walzel, P.: „([SHULPHQWDOLQYHVWLJDWLRQRIVXUIDFH
ZDYHVDWWKHH[LWRIDKROORZFRQHQR]]OH“
Hobbie, M., Eggers, R.: “-HWGLVLQWHJUDWLRQDQGGURSIRUPDWLRQLQSUHVVXUL]HG
JDVHV”
6HVVLRQ
(2.1)
=ZHLVWRIIGVHQ7ZRIOXLGQR]]OHV
Schmidt, F., Lörcher, M., Mewes, D.: „$WRPL]DWLRQRIJDVOLTXLGPL[WXUHV”
6HVVLRQ
(3.1)
NDYLWLHUHQGH'VHQ&DYLWDWLQJQR]]OHV
Baumgarten, C., Merker, G. P.: „)XQGDPHQWDOLQYHVWLJDWLRQRIWKHLQIOXHQFHRI
FDYLWDWLRQRQSULPDU\EUHDNXSRIKLJKSUHVVXUHOLTXLGMHWV”
Dickopp, C., Ballmann, J.: “1XPHULFDOVLPXODWLRQRIFDYLWDWLRQSKHQRPHQDLQ
LQMHFWLRQQR]]OHV”
Genge, O., Lucas, K., Roosen, P.: “2SWLPLHUXQJYRQ=HUVWlXEXQJVGVHQ
GXUFKH[SHULPHQWHOOH$QZHQGXQJHYROXWLRQlUHU$OJRULWKPHQXQGRSWLVFKH
6WU|PXQJVDQDO\VHQ“
Schnerr, G., Yuan, W.: “0RGHOLQJDQGVLPXODWLRQRIXQVWHDG\FDYLWDWLRQ
G\QDPLFVLQLQMHFWLRQQR]]OHVZLWKLQWHUDFWLRQRIH[WHUQDOMHWIRUPDWLRQ“
DQJHUHJWHLQVWDWLRQlUH=HUVWlXEXQJ([FLWHGLQVWDWLRQDU\DWRPL]DWLRQ
Brenn, G., Prebeg, Z., Rensink, D.: „7KHFRQWURORIOLTXLGVKHHWEUHDNXSIRU
VSUD\IRUPDWLRQ”
Kirmse, C., Chaves, H., Obermeier, F.: ,QYHVWLJDWLRQRIRSWLFDOO\GHQVHVSUD\V
XVLQJFRUUHODWLRQYHORFLPHWU\”
Müller, A., Meier, R., Schäfer, O., Wittig, S.: “7KHLQIOXHQFHRIXQVWHDG\IORZ
FRQGLWLRQVRQOLTXLGVKHHWDWRPLVDWLRQ“
Geschner, F., Chaves, H., Obermeier, F.: „1RQGLPHQVLRQDOPDSIRUWKH
DSSHDUDQFHRIVSUD\VWUXFWXUHVRIDSHULRGLFDOO\H[FLWHGOLTXLGMHW”
(3.2)
(3.3)
(3.4)
6HVVLRQ
(4.1)
(4.2)
(4.3)
(4.4)
6HVVLRQ
(5.1)
(5.2)
(5.3)
7UDQVSRUWSKHQRPHQH7UDQVSRUW3KHQRPHQD
Henlein, J., Fritsching, U.: “'HWHFWLRQDQGHYDOXDWLRQRIGURSOHWFRQFHQWUDWLRQ
YDULDWLRQLQVSUD\V”
Hase, M., Roth, N., Weigand, B.: “$QXPHULFDOPHWKRGIRUWKH'FRPSXWDWLRQ
RIKHDWDQGPDVVWUDQVIHUSURFHVVHV”
Rossow, B., Grünefeld, G.: “(YDSRUDWLRQRIGURSOHWVWUHDPVDQGLVRODWHGIUHH
IDOOLQJGURSOHWVLQYHVWLJDWHGE\PHDQVRI,/,'6DQGSODQDU/,)´
12
$QKDQJ,,/LVWHGHU9HU|IIHQWOLFKXQJHQRKQH$EVFKOXVVEDQG
9HU|IIHQWOLFKXQJHQLQUHIHULHUWHQ=HLWVFKULIWHQ
Baumgarten, C., Merker, G.P. (2004) 6LPXODWLRQGHV3ULPlU]HUIDOOVEHLGHU+RFKGUXFN
'LHVHOHLQVSULW]XQJ Motortechnische Zeitschrift (MTZ), /2004
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'UXFNUlXPHQ Chemie Ingenieur Technik, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, , 11,
1371-1375
Czerwonatis,N.; Eggers, R. (2001) 'LVLQWHJUDWLRQRI/LTXLG-HWVDQG'URS'UDJ&RHIILFLHQWVLQ
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