macchine t motori a combustione interna endotermici

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MACCHINE T

MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA ENDOTERMICI ALTERNATIVI Principi Funzionali e Termodinamica

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Principi di Funzionamento Generali Principi di funzionamento generali

Classificazione e campi di applicazione Modalità del processo di combustione: introduzione generali Il diagramma di indicatore del ciclo reale (motore a ciclo Otto – Pieno carico) I cicli termodinamici La potenza per via termica ed i parametri caratteristici La regolazione Le curve caratteristiche (Potenza-Coppia-Consumo specifico) Combustione motori ad accensione comandata e per compressione

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Principi di Funzionamento Generali

I MOTORI ENDOTERMICI ALTERNATIVI SONO macchine volumetriche motrici a funzionamento ciclico ad espansione interrotta Deve essere previsto ad ogni ciclo un ricambio del fluido operatore tramite scarico dei gas combusti ed aspirazione di aria dall’ambiente (ed iniezione di combustibile)-> SPESA ENERGETICA La macchina ha un rendimento di conversione dell’energia in lavoro meccanico relativamente basso: dai liquidi di raffreddamento e dai gas di scarico E’ DISPONIBILE energia termica per: - produzione di calore in processi industriali - riscaldamento

4


5

Principi di Funzionamento Generali – 4 Tempi

Aspirazione

Compressione

Combustione - Espansione

Scarico

6

Principi di Funzionamento Generali – 4 Tempi

Espansione interrotta

Lavoro di espansione (positivo)

Lavoro di pompaggio (dissipato)

7


8


9


10


11


12

Principi di Funzionamento Generali MOTORE ENDOTERMICO ALTERNATIVO DIESEL 4 TEMPI

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Principi di Funzionamento Generali MOTORE ENDOTERMICO ALTERNATIVO F1 4 TEMPI

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ESEMPIO MOTORE - 2 Tempi

Cilindri: 12

Peso: 2300 Tonn. (di cui 300 per albero a gomiti)

Lunghezza: circa 25 m - Altezza: circa 13 m.

Potenza Massima: circa 68 MW at 102 giri/1’

Potenza specifica > 5 MW/cilindro – pme= 18 bar.

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CLASSIFICAZIONE – 1/2

CRITERI TERMO-FLUIDODINAMICI

Innesco della combustione - Motori ad accensione comandata (ciclo Otto)

- Motori ad accensione per compressione (ciclo Diesel)

Durata del ciclo - Motori a 4 tempi - Motori a 2 tempi

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CLASSIFICAZIONE – 2/2

CRITERI SPECIFICI

Natura del combustibile (benzina, gasolio, metano, bi-fuel)

Alimentazione dell’aria (aspirato, sovralimentato)

- Sovralimentazione dinamica (compressore centrifugo trascinato da turbina centrifuga attarversata a

dai gas discarico)

-Sovralimentazione meccanica (compressore volumetrico trascinato dal motore)

Alimentazione del combustibile (inizione diretta o indiretta)

Regolazione del carico (qualità, quantità)

Tipo di moto (alternativo, rotatorio)

Sistema di raffreddamento (aria, acqua)

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CAMPI DI APPLICAZIONE

MOTORI A CICLO OTTO (a 2 e 4 tempi)

Ciclo Diesel (a 2 e 4 tempi)

Basse potenze (< 1MW)

Alte potenze specifiche (bassi ingombri e pesi ridotti)

Trazione stradale, Piccoli aeromobili e imbarcazioni

Alte potenze

Bassi costi di esercizio Trazione stradale pesante, Trazione Marina e Ferroviaria Impianti di cogenerazione ed industriali

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Basse potenze (< 1MW):

- A pari numero di giri, la potenza è proporzionale alla massa d’aria intrappolata per ciclo e, quindi, alla cilindrata ed al numero di cilindri (<12). E’ evidente che in prima approssimazione l’incremento di potenza può avvenire solo incrementando il diametro dei cilindri per le limitazioni sulla corsa (velocità media pistone). Nei motori a ciclo Otto, il diametro dei cilindri è limitato (circa 100/110 mm) dall’insorgere della detonazione, a pieno carico e, pertanto, la potenza è limitata

-La detonazione è l’accensione spontanea delle parti più periferiche di miscela di aria e combustibile prima che siano raggiunte dalla fiamma. E’ pertanto una forma anomala di combustione che, se avviene in modo ripetitivo, porta a danneggiamenti termo meccanici delle componenti.

- La detonazione può avvenire perché nei motori ad accensione comandata la miscela aria-combustibile è preformata in un rapporto aria/combustibile ottimale per all’accensione una volta raggiunte le idonee condizioni di p e T. (La miscela ha una composizione ideale all’accensione per la quale però manca l’energia)

- La combustione normale prevede che sia la fiamma, che si avvia dalla candela, a raggiungere e creare le condizioni di ossidazione del combustibile in modo regolare e continuo.

- La detonazione avviene quando le zone periferiche, compresse e scaldate e dalla fase di compressione e dalla combustione, ricevono energia ed impiegano un tempo per rompere i legami di C e H del combustibile minore del tempo che impiega la fiamma a raggiungerle.

- E’ evidente che maggiore è l’alesaggio, a pari velocità di combustione, maggiore è il rischio che la detonazione avvenga in funzione delle condizioni di p e T della miscela. Come detto esiste un limite di circa 100/110 mm.

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La velocità di avanzamento della fiamma in motori ad accensione comandata deve essere la massima possibile per: 1) Massimizzare il lavoro (rendimento di indicatore, vedere dopo) 2) Allontanare il rischio di detonazione La velocità di avanzamento della fiamma in motori ad accensione comandata dipende linearmente da: 1) Superficie del fronte di fiamma (attraverso la quale viene trasferito il calore alla

miscela che deve bruciare) I motori promuovo la superficie di fiamma aumentando la turbolenza della miscela

2) Velocità laminare di fiamma, che è tipica di ogni combustibile e caratterizza la velocità

di reazione con il comburente. Essa dipende dalle proprietà fisiche della miscela (principali: titolo l, temperatura).

A pari temperatura la dipendenza della velocità di fiamma laminare dal titolo presenta un massimo per miscele leggermente ricche (l=0.9, f= 1/l) ed un calo deciso per valori sia maggiori sia minori determinando, di fatto, la necessità, almeno in prima analisi (la realtà è più complessa), di operare con titolo circa costante compreso fra 0.9<l<1.0

Velocità laminare di fiamma

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Ciclo Diesel (a 2 e 4 tempi)

- Nei motori a ciclo Diesel la detonazione non rappresenta un problema ( e quindi non ci sono limiti al diametro dei cilindri) perché il concetto di accensione per compressione si basa sul principio che il sistema sia nelle condizioni energetiche idonee per rompere i legami e preparare il combustibile all’accensione ma, di fatto, manca la miscela accendibile (e senza miscela preformata di qualità idonea all’accensione, è evidente che l’accensione stessa non può avvenire). -La miscela aria/combustibile è, infatti, formata durante l’evento di combustione stesso. Il cilindro (sistema) contiene inizialmente solo aria molto calda (>700 K) poco prima dell’evento di combustione. Solo nell’istante e nell’intervallo in cui si è deciso che la combustione debba iniziare e avere luogo (in prossimità del punto morto superiore) il combustibile viene iniettato per generare una miscela di qualità accendibile.

-Il combustibile iniettato si miscela con l’aria e forma una miscela che immediatamente reagisce dando luogo alla combustione regolare. In altre parole, il combustibile è iniettato con una portata strettamente necessaria all’evento di combustione e, nel sistema, non ci sono accumuli di combustibile che possa formare una miscela “accendibile”, lontana dalle zone priniciplai di reazione dando luogo ad accensioni non controllate

INTRODUCTION TO ENGINE COMBUSTION PROCESS

THE AIR MASS FLOW RATE IS THE LIMITING FACTOR IN BOTH GASOLINE

AND DIESEL ENGINES:

Engine Power is linked (limited by) to the air mass trapped since:

1. SI engines: flame speed is greatly linked to l which must be tuned within narrow

window around 0.9 otherwise engine faces with low effciency or knock

2. CI-DIDiesel engines: soot emission is limiting the mass air-to-fuel ratio l (l>1.2)

( )( )stFA

FA

/

/l where A is the air mass, F the fuel mass and st means stoichiometric

Mixture Air Index (l=1 Stoichiometric mixture l<1 Rich Mixture, l> 1 Lean Mixture)

lf

1

Mixture Equivalence ratio


( )( )

( ) device, volumetric a is engine and fuel) diesel for 14.97 and gasoline for (14.68 fixed is

and

cost

st

st

FA

FA

FA

/

/

/l

It results that the mass of fuel (F) which can be burnt per cycle (e.g., the energy released per cycle by combustion)

is determined (limited) by the mass of air trapped (A) by the engine in its cylinders per cycle

Mixture Air Index Affect Engine Work (Power)

Since the air index might be limited in both SI and DI-Diesel engines for different reasons:

GENERAL ASPECTS OF COMBUSTION:

Ignition of by not premixed air/fuel mixture

Heat release controlled by air/fuel ratio limits

since energy for auto-ignition is available

Combustion is occuring SIMULTANEOUSLY

with fuel injection and mixing with air.

There is no flame front propagation

Oxygen must be used efficently since

combustion is locally highly rich

Compression Ignition (DI) Diesel

Ignition of premixed air/fuel mixture (stratified

GDI: at least close to spark plug)

Heat release controlled by heat transfer

across a defined flame front:

Combustion is occuring by a smooth

propagation of a defined flame front which

propagates on local l and turbulence

Spark Ignited (PFI/DI) Gasoline


CRITICAL ASPECTS OF COMBUSTION:

Mixing is the main issue thus the best match

between injection, intake system and

combustion chamber must be achieved

Aftertreatment device availability will define

the combustion concept

Injector faced with dynamic non-repetable

behaviour when operating multiple injection

pulses

Compression Ignition (DI) Diesel

The flame speed is limiting the engine

performance:

1. repeatible value of l and u’ must be

achieved

2. l for maximum flame speed and large u’

must be seeked

Knock is likely to occur at large compression

ratio and leaner mixture conditions

Particulate emissions are an issue in GDI

engines especially at cold start

Spark Ignited (PFI/DI) Gasoline


ENGINE CYCLE EVENTS (SI Engines)


TC (TDC): Punto Morto Superiore

BC (BDC): Punto Morto Inferiore

IVO: Apertura Valvole di Aspirazione

IVC: Chiusura Valvole di Aspirazione

EVO: Apertura Valvole di Scarico

EVC: Chiusura Valvole di Scarico


DIESEL ENGINE (Automotive Oriented)

INIEZIONE FUEL

COMBUSTIONE


GASOLINE ENGINE (Automotive Oriented)

Evoluzione combustione

Miscela già preparata

durante la fase di

aspirazione

COMBUSTIONE


Evoluzione combustione


New advanced combustion regimes

HCCI

30


Tabella Ferrari

31


32

CICLI TERMODINAMICI

Ciclo Otto (Comb. a volume costante)

Ciclo Diesel (Comb a pressione costante)

Cicli ideali: fluido (gas perfetto con cp e cv costanti) e macchina ideali

Analisi di sensibilità ai parametri

Influenza delle proprietà del fluido

Ciclo Sabathe’

33

CICLI TERMODINAMICI

Influenza delle proprietà del fluido

La qualità della miscela (l) modifica il valore del rapporto fra i calori specifici k e, quindi:

- Il rendimento teorico (termodinamico) del motore - Il rendimento indicato - La pressione e la temperatura a fine compressione (trasformazione politropica)

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Ciclo Otto Quasi-Reale-1

Pressione [bar] - Lavoro Indicato [J]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

Apertura scarico ideale

(massima espansione)

Apertura scarico reale

(espansione interrotta)

Angolo di Manovella [° PPMS]

Pressione ciclo Otto - Combustione

cp=cost-Qw=0 - Diversi anticipi

Potenza per via termica: definisce l’influenza dei principali parametri

caratteristici ed operativi sulla potenza e sulla coppia (vedere

dimostrazione su appunti di lezione)

Potenza per via Termica e Parametri caratteristici

oitho

oio

ithi

thth

QL

LL

LL

QL

Q

1

1

1

yl][J/ciclo/c alberoall' meccanico Lavoro

yl][J/ciclo/c alberoall' meccanico Lavoro 3.

yl][J/ciclo/c indicato Lavoro 2.

yl][J/ciclo/c icotermodinam Lavoro 1.

ausil iari degli toassorbimendell ' e meccaniche perdite delle conto tiene

ecc.) calore, di perdite reale, ecombustion perdite, valvole, (fasature fluido del e ciclo del realtà della conto tiene

ciclo nel introdotto enteeffettivam calore dove

Potenza per via termica:


c

aria

1

V unitaria ci l indrata della e ambiente condizioni delle base sulla

aspirabile teteoricamen quella e ciclo per aspirata aria di massa la fra rapporto i l ossia ovolumetric rendimento i l arappresent dove

aspirata) aria di massa (della termica tonalità della funzione in riscritto viene introdotto calore Il

ecc.) calore, di perdite reale, ecombustion perdite, valvole, (fasature fluido del e ciclo del realtà della conto tiene

termica tonalità la definita e

aria) di massa di unitàdell ' completa e teorica onecombustibi al la associata (energia K' termica

tonalità la attarverso aria di massa di unitàall ' ma lecombustibi di massa di unitàall ' non energetica capacità la

riferisce si lecombustibi di non e aria di massa sulla e' massa sulla l imite i l Poichè

ecombustion di rendimento al ed inferiore clorifico potere al legato teteoricamen e dove

[J/kg

yl][J/ciclo/cQ ESPLICITA SI

v

cvcaca

stc

a

i

a

acif

cif

KVKmQ

m

m

KK

m

mKmQ

KmQ

Q

l

''

]'

1

1

1

1



potenza. assorbe cui motore del alberoall' entemeccanicam connesso chè fatto dal atorappresent è svantaggio Lo carico. variazioni alle risposta pronta la è vantaggio Il

ne.compressio alla grazie ambiente valore al rispetto aumenta cilindro nel densità la :mente)prevalente (meccanica avolumetric tazioneSovralimen B.

carico. di variazioni le durante risposta di ritardo un presenta

gas dei inerzial' per sia rotanti masse delle inerzial' per sia gruppo tale che è svantaggio Lo turbina. una su lavoro eraccoglier per scarico di gas dei residua sensibile entalpial'

sfrutta si che è vantaggio Il ne.compressio alla grazie ambiente valore al rispetto aumenta cilindro nel densità la :discarico gas a (turbo) dinamica tazioneSovralimen A.

ambiente) valore al rispetto aumenta cilindro nel densità (la condotti nei pressione di onde di nePropagazio B.

ambiente) valore al rispetto aumenta cilindro nel densità (la easpirazion di condotti nei ariadell' moto del Inerzia A.

ambiente) valore al rispetto diminuisce cilindro nel densità (la condotti nei fluida vena della eseparazion e attrito per carico di Perdite B.

ambiente) valore al rispetto diminuisce cilindro nel densità (la easpirazion di condotti nei ariadell' ntoRiscaldame A.

i )ottimizzat (se 1 di maggiore essere ad portano lo che ecompressor con TAZIONESOVRALIMEN -

variabil i condotti dei lunghezze e fasature prevedere bisogna

motore del rotazione di velocità di ranfe ampio un su iottimizzrl vuole si Se aspirata). aria di massa massima la richiesta è

quale i l per massima coppia di quello genere (in regime fissato un ad solo sono lo pertanto, che, e

condotti dei lunghezza e valvole delle fasatura di valori fissati per solo iottimizzat essere possonofenomeni tal i che sottolinea Si

i)ottimizzat (se 1 di maggiore essere ad portano lo che DINAMICI EFFETTI -

1 di minore essere ad portano lo che STAZIONARIQUASI EFFETTI -

:da dipende ovolumetric rendimento Il



( )

( )

( )

( )

( )

4222

'

'

'

4

1

:]

2'

2

2

:]

'

mp

mpco

oithcva

c

o

ithcva

c

i

oithcvcao

oo

oithcvcaooo

oithcvcao

cpme

n

n

cpme

nVpmeP

KV

Lpme

KV

Lpmi

KVL

PM

nKV

nL

nLP

KVL

:pistone del media velocità della funzione in doesplicitan ricava, si cui Da

:motore del termico carico di indice un arappresent [bar] effettiva media Pressione

:motore del termico carico di indice un arappresent [bar] indicata media Pressione

4

[Nm/cyl cilindro per alberoall' coppia La

tempi 4 a motore un per 4 ,

[W/cyl cilindro per alberoall' potenza La

yl][J/ciclo/c alberoall' meccanico lavoro del finale espresionenell' ottie si termini i tutti oSostituend

Potenza per via termica: definisce l’influenza dei principali parametri

caratteristici ed operativi sulla potenza e sulla coppia (vedere

dimostrazione su appunti di lezione)


Parametri caratteristici:

Geometrici:

- Rapporto di compressione volumetrico r A. Motori ciclo otto aspirati: r = 9-14

B. Motori ciclo otto sovralimentati: r = 8-10

C. Motori a ciclo Diesel r = 15-19 (Automotive: 15-17)

- Pressione media indicata o effettiva (bar)

- Velocità media del pistone

Operativi:

- Titolo della miscela (Otto: 0.8<l<1.0 – Diesel l> 1.24)

- Carico

- Velocità di rotazione

( )( )stFA

FA

/

/l

Per realizzare un accoppiamento corretto fra motore ed utilizzatore è

indispensabile conoscere come variano le prestazioni del primo in funzione delle

richieste del secondo.

Le curve caratteristiche esprimono il consumo specifico, la potenza e la coppia

effettivi di un motore in funzione del regime di rotazione.

LE CONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO NON SONO DEFINIBILI DA UN SOLO

PARAMETRO:

Per fissato regime di rotazione un motore puo’ erogare potenze diverse agendo

sull’organo di regolazione che determina la massa di combustibile da iniettare per

ciclo (da cui l’energia rilasciata dipende).

In condizioni di funzionamento stazionario, i parametri che definiscono il punto

operativo sono due:

1. Regime di rotazione dell’albero motore

2. Carico imposto dall’utilizzatore

Curve caratteristiche

Coppia, Potenza e consumo specifico sono i parametri essenziali per

DEFINIRE le prestazioni di un motore Coppia:

Potenza:

eM

eee MnMP 2

Consumo specifico di combustibile:

Rendimento globale del motore:

Motori Otto (traz. Autom.): 0.28-0.36 (0.4 sovralimentati)

Motori Diesel (traz.pesante): 0.36-0.44

Motori Diesel: 0.42 (Automotive)-0.53 (Impianti industriali)

[g/kWh] e

csc

P

mc

mc i

e

sc

totK

P

c

1


Coppia, Potenza e consumo specifico sono i parametri essenziali per

DEFINIRE le prestazioni di un motore

Vedere appunti di lezione


DIFFERENZE NELLE CURVE CARATTERISTICHE:

1. La curva caratteristica di coppia di un motore Diesel è in generale più piatta di

quella di un motore a benzina per la maggiore costanza del coefficiente di

riempimento (e per l’impiego della sovralimentazione)

2. I motori Diesel presentano un regime di massima potenza inferiore a quello

caratteristico di un motore a ciclo Otto.

3. Motori sovralimentati: poiché la curva di coppia è regolata in base alla pressione

di sovralimentazione (che determina la massa intrappolata), le curve di coppia dei

motori sovralimentati rispetto ad un motore aspirato:

- Sono più piatte (circa costanti al valore max a partire da 1700-2000 rpm)

- Il valore massimo della coppia è raggiunto ad una velocità di rotazione

minore rispetto ad un motore aspirato


La regolazione nei motori ad accensione per compressione

Per “REGOLAZIONE” si intende la variazione della percentuale di carico (coppia)

rispetto al valore massimo in funzione della richiesta dell’utilizzatore

Motori a Ciclo Diesel: Regolazione per “qualità”, ossia con variazione del titolo

della miscela

Motori a Ciclo Otto: Regolazione per “quantità”, ossia con variazione massa

d’aria intrappolata per ciclo a titolo della miscela costante

In entrambi i casi varia la massa di combustibile iniettata (ossidata) per ciclo e,

quindi, l’energia disponibile per ciclo

La regolazione

Non essendo presente nei motori AC la valvola a farfalla, in fase di regolazione

non si registrano le rilevanti cadute di rendimento volumetrico tipiche dei motori

AS.

Il rendimento totale si mantiene pressoché costante in quanto la maggiore

importanza percentuale assunta dalle perdite meccaniche ai bassi carichi è

compensata da un miglioramento del rendimento termodinamico, derivante dal

fatto che a parità di incremento entropico ds, al diminuire del carico, aumenta il

rapporto fra la temperature medie di introduzione e di scarico del calore.

La regolazione

Motori ad accensione per compressione (Diesel)

Nei motori Diesel si opera una regolazione "per qualità" nella quale si

modifica il rapporto di miscela in funzione del carico: a parità di massa

d'aria aspirata, ad ogni ciclo viene iniettata una massa di combustibile tanto

maggiore quanto maggiore è il carico del motore (la massima quantità di

gasolio è introdotta al massimo carico).

In fase di regolazione, quindi, alla diminuzione della massa di combustibile

iniettato fa riscontro un minore lavoro utile per ciclo e quindi una minore

potenza.

Non essendo presente nei motori Diesel la valvola a farfalla, in fase di

regolazione non si registrano le rilevanti cadute di rendimento volumetrico

tipiche dei motori Diesel.

Il rendimento totale si mantiene pressoché costante in quanto la maggiore

importanza percentuale assunta dalle perdite meccaniche ai bassi carichi è

compensata da un miglioramento del rendimento termodinamico, derivante

dal fatto che a parità di incremento entropico ds, al diminuire del carico,

aumenta il rapporto fra la temperature medie di introduzione e di scarico del

calore.

ds ds s

T

1

2

3r

4r

3

4

La regolazione

Motori ad accensione comandata (Otto)

Non essendo possibile modificare la qualità della miscela in quanto la velocità di combustione

(in particolare la velocità laminare di fiamma) è strettamente dipendente dal titolo della miscela l, nei

motori ad accensione comandata si adotta una regolazione per "quantità", variando la massa di aria

(e quindi di miscela) introdotta nel cilindro per ciclo.

Questo risultato è ottenuto strozzando il condotto di aspirazione con una valvola (detta valvola a

farfalla) e quindi inducendo una perdita di carico nel fluido cui si associa una riduzione di densità.

Poiché lo strozzamento del condotto di aspirazione determina contemporaneamente una diminuzione

del lavoro utile (si brucia meno combustibile) ed un aumento del lavoro resistente di pompaggio

(maggiori perdite di carico), gli effetti della regolazione sono immediati rendendo i motori Otto più rapidi

dei mo-tori Diesel nella risposta alle variazioni di carico.

Al contrario di ciò che accade nei motori ad accensione per compressione, nei motori ad accensione

comandata il rendimento totale crolla decisamente ai bassi carichi a causa dell'influenza nefasta

esercitata dallo strozzamento del condotto di aspirazione sul rendimento indicato a causa del

maggiore lavoro di pompaggio. Inoltre, il rendimento termodinamico subisce anch'esso un calo al

diminuire del carico in quanto le perdite di calore diventano percentualmente più rilevanti.

La regolazione

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Principi di Funzionamento Generali – CICLO DIESEL

49

Principi di Funzionamento Generali – CICLO OTTO

macchine t motori a combustione interna endotermici

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