Combustibili

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11/23/2011

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Combustibili per M.C.I.

Andrea Montorfano

Sommario

1. Introduzione: esigenze dei MCI

2. Tipologie di combustibili

3. Principali proprietà dei combustibili e metodologie per la loro

misurazione

4. Combustibili gassosi:

• Gas naturale

• Idrogeno

5. Biocombustibili

• Etanolo

• Biodiesel



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Introduzione

Nei motori a c.i. le reazioni chimiche di ossidazione del combustibile con

l’ossigeno dell’aria avvengono internamenteal cilindroe devono:

• completarsi in tempi brevissimi(qualche ms)

• non lasciare residui

• non produrre sostanze tossiche

Le caratteristiche ottimali della miscela aria-combustibile dipendono dal tipo di

motore (Otto o Diesel) e dal sistema di alimentazione del combustibile (iniezione

o carburazione):

• motori a carburazione/iniezione indiretta: il carburante deve evaporare

rapidamente,miscelarsi e formare una carica il più possibile omogenea

• motori a iniezione diretta: il combustibile deve polverizzarsi, evaporare e

miscelarsi con l’aria compressa

• La combustione deve avvenire all’istante desiderato (accendibilità/potere

antidetonante)

Ottimizzazione del binomio motore-combustibile

Introduzione

Esigenze dei M.C.I

Requisiti per i combustibili:

Disponibilità

Alto potere calorifico

Facilità di trasporto e stoccaggio

Rapidità di avviamento e sviluppo della combustione

Combustione completa

Emissioni non tossiche

Assenza di residui solidi

Queste esigenze sono state storicamente soddisfatte dai combustibili

liquidi derivati dal petrolio



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Introduzione

Combustibili Alternativi

I combustibil i liquidi derivati dal petrolio si sono affermati per

l’alimentazione dei m.c.i poiché relativamente disponibili e facilmente

elaborabili.

Tuttavia a partire dagli anni settanta la problematica della limitatezza

delle riserve disponibili di energia è diventata sempre più attuale.

Interesse crescenteverso combustibilialternativi:

• Combustibili gassosi (gas naturale, idrogeno)

• Biocombustibili• combustibili sintetici prodotti a partire dal carbone (liquidi o

gassosi)

Tipologie di Combustibili

SOLIDI:

Polverino di carbone

LIQUIDI:

Benzina (20 – 200 °C)

Gasolio (180 – 360 °C)

Olio combustibile (200 – 390 °C) Etanolo

Biodiesel

GASSOSI:

Metano (gas naturale)

GPL

Idrogeno

Biogas



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Proprietà dei combustibili

Aria necessaria per la combustione (αst)

Resistenza alla detonazione (NO)

Accendibilità (NC)

Volatilità

Viscosità

Filtrabilità

Tenore di gomme

Percentuale di zolfo


Aria necessaria per la combustione

rapporto di miscela (o dosatura):

rapporto di miscela stechiometrico: rapporto per il quale l’aria

impiegata per la combustione è quella minima per una

ossidazione completa del combustibile



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reazione di ossidazione:

rapporto stechiometrico:



rapporto di equivalenza:

indice di eccesso d’aria:

< 1: miscelamagra

> 1: miscelaricca



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Andamento delle frazioni

molari dei costituenti dei

gas di scarico in funzionedi

Φ


Resistenza alla detonazione Detonazione forma di combustione anomala in un motore ad accensione

comandata

Resistenza alla detonazione è una importante proprietà del combustibile per

motori A.C.

La detonazione è un fenomeno complesso che coinvolge:

• caratteristiche del combustibile

• parametri di progetto e funzionamento del motore

Per caratterizzare questa proprietà si fa riferimento a una misura su

di un motore standard , per integrare gli effetti reali di tutte le

variabili in gioco

Un apposito comitato di ricerca (Cooperative Fuel Research) ha fissato:

1. combustibili di riferimento

2. caratteristiche del motore di prova

3. metodologie di misura



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Misurazione della resistenza alla detonazione

Combustibili di Riferimento

Combustibili di riferimento per definire

la scala con cui misurare la resistenza

alla detonazione:

iso-ottano: struttura compatta,

resistente alla detonazione

NO = 100

normal-eptano: catena dritta,

facilmente detonante

NO = 0


Numero di Ottano

Si definisce Numero di Ottano i l numero intero più vicino alla percentuale in

volume di iso-ottano in una miscela di iso-ottano + normal-eptano le cui

caratteristiche antidetonanti siano equivalenti a quelle del carburante in esame,

quando il confronto è eseguito su un motore CFR secondo una metodologia

standard.

100 28.28

1 0.736 1.0 1.472 0.0352

Per combustibili più resistenti alla detonazione rispetto all’iso-ottano, la scala

viene estesa a valori maggiori di 100, assumendo come riferimento l’iso-ottano

addizionato conpercentuali crescenti di piombotetraetile (T)



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Motore CFR robusto monocilindroad accesso ottico

rapporto di compressione variabile

(r = 4-30)

collegato a motore elettrico asincrono che

mantiene costante la velocità di rotazione

dotato di detonimetro(sensore di pressione di

tipo magnetorestrittivo) che misura la derivata

rispetto al tempo della pressione nel cilindro


Metodologia generale di misurazione

1. Il motore viene alimentato con il combustibile in esame, facendo variare il

rapporto di compressione f ino ad ottenere un’intensità di detonazione

standard.

2. Il rapporto di miscela viene regolato in modo da ottenere la massima intensità

di detonazione

3. Si individua il Numero di Ottano di prima approssimazione mediante tabelle

che fornisconoNO in funzionedel rapporto di compressione.

4. Si cercano due miscele di riferimento che, a pari rapporto di compressione,

abbiano intensità di detonazione superiore e inferiore a quelle del

combustibilein esame.

5. Il numero di Ottano del combustibile in esame è quindi calcolato per

interpolazionetra i NO delle misceledi riferimento.



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Metodo Motore e Ricerca

Le condizioni di prova sono fissate da normative. Due metodisi sono imposti:

Metodo Motore (norma ASTM-D 2699)

Metodo Ricerca (normaASTM-D 2700)

Metodo Motore Ricerca

Alesaggio [mm] 82,6 82,6

Corsa [mm] 114,3 114,3

Cilindrata [cm3] 613 613

Rapp. Compress. [-] 4 – 16 4 – 16

RPM 900 600

Anticipo accensione 19° – 26° 13°

Temp. acqua [°C] 100 100

Temp. aria alim. [°C] 149 Libera

Umidità aria alim. [g/kgaria] 3 - 7 3 – 7

Rapp. miscela Max. det. Max. det.


Sensitività

Il metodo Motore è più severo di quello Ricerca (miscela riscaldata, anticipo di

accensione crescente con r)

NumeroOttano Motore (NOM) < Numero OttanoRicerca (NOR)

Si definisce:

Sensitività = NOR – NOM

che indica la tendenza di un combustibile a comportarsi in modo diverso

dalle miscele di riferimento al variare delle condizioni di funzionamento del

motore

Paraffinici

Aromatici S

Olefinici Sensitività funzione della composizione chimica



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NO strada Il numero di Ottano misurato in condizioni stazionarie su motore CFR tiene

conto in modo imperfetto del comportamento del combustibili in condizioni di

esercizio reale

Procedure per la determinazione del numero di Ottano in condizioni reali (su

strada o bancoa rulli):Numerodi OttanoStrada

Correlazioniper legare il Numero di OttanoStrada a NOM e NOR:

NO strada = a NOR + b NOM + c

Correlazioniper tenere conto del comportamento in accelerata:

NO strada = a + b NOR + c ΔR(100°C)

ΔR(100°C) : differenza tra i NOR del combustibile e quello della frazione leggera

che distillaa 100°C


Richiesta Ottanica

Richiesta Ottanica di un motore (motore+veicolo): numero di Ottano minimo del

carburanteper evitarela detonazione



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Accendibilità

Ritardo di accensione deve essere limitato nei motori ad accensione per

compressione

Se il ritardo di accensione è troppo lungo buona parte del combustibile viene

introdotto prima che l’accensione avvenga, con eccessive velocità di reazione e

picchi di pressionenon appena la combustione si avvia.

La tendenza del combustibile ad avere piccoli ritardi di accensione viene espressa

dall’accendibilità

L’accendibilità viene espressa tramite una misura, eseguita su un motorestandard, che ne confronta il comportamento con quello di una miscela di due

idrocarburidi riferimento.

Misurazione dell’ accendibilità

Combustibili di Riferimento

Combustibili di riferimento per

definire la scala con cui misurare

l’accendibilità:

cetano: catena lunga e dritta,

numerosi punti di attacco per

l’ossidazione NC = 100

eptametilnonano: resistente

all’ossidazioneNO = 15



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Misurazione dell’ accendibilità

Numero di Cetano

Il Numero di Cetano si definisce in base alla composizione della miscela di

normal-esadecano e epta-metil-nonano, il cui ritardo di accensione risulta

equivalente a quello del gasolio in esame, quando il confronto è eseguito su di

un motore CFR Diesel normalizzato, secondo una metodologiacodificata.

Il numero di Cetano del combustibile in prova sarà dato da:

NC = n-esadecano [%] + 0.15 epta-metil-nonano [%]

Misurazione dell’accendibilità

Motore CFR

Alesaggio [mm] 82,6

Corsa [mm] 114,3

Cilindrata [cm3] 613

Rapp. Compressione [-] 8 –24

Regime [g/min] 900

Anticipo Iniezione 13°

Pressione d’iniezione [MPa] 10,3

Temp. acqua [°C] 100

Temp. aria alim. [°C] 65,6

Le caratteristiche del monocilindro di prova e le sue condizioni di

funzionamentosono stabilite dalla norma ASTM – D 61365



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Metodologia di misurazione

1. Con il combustibile in esame, variare r fino a portare l’accensione al PMS (con un

ritardo di 13° dall’iniezione)

2. Trovare due miscele di riferimento che accendano per r leggermente superiore e

inferiore a quello in prova (ΔNC<5)

3. Trovare NC del combustibile in prova per interpolazione.


Indice Diesel

L’indice Diesel cerca di prevedere l’accendibilità del gasolio in funzione della

percentuale di idrocarburi normalparaffinici presenti.

La percentuale di idrocarburi normal-paraffinici è individuata da due

proprietà semplici e facilmente misurabili:

punto di anilina: la più bassa T [°F] per cui un volume di gasolio ècompletamente miscibile in un ugual volume di anilina (misura del contenuto

di composti paraffinici)

densità, espressa in gradi API (American Petroleum Institute):

Densità API = 141.5/ρrel – 131.5

Indice Diesel = densità API x Punto di Anilina[°F] / 100



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Indice Diesel

Corrispondenza dei valori di Indice

Diesel e di Numero di Cetano

Valida per solo per gasoli di tipo

paraffinico ottenuti per distillazione


Volatilità La volatilità può essere calcolata a

partire da:

• curva di distillazione

• tensione di vapore

Nei motori Diesel influenza

l’evoluzione dello spray in camera

Nei motori Otto permette la

miscelazione del combustibile conl’aria

Viene data come frazione distillata a

diverse temperature

Es: benzina senza piombo AGIP



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Viscosità

Proprietà importante per un gasolio:

parametro fisico che influenza il processo di rottura e polverizzazione del getto

di combustibile all’uscita dell’iniettore

garantisce la lubrificazione e la tenuta degli accoppiamenti meccanici

dell’apparato di iniezione

influenza la potenza assorbita dalle pompe di circolazione e iniezione del gasolio


Filtrabilità

Proprietà che misura la tendenza di un gasolio a separare cristalli di paraffina a

bassa temperatura,provocando l’otturazione dei filtri.

E’ misurata da due indici:

punto di intorbidimento: temperatura alla quale, durante il raffreddamento

di un campione di gasolio, cominciano ad apparire cristalli di paraffina

dispersi nella fase liquida.

punto di scorrimento: temperatura alla quale il gasolio riprende a scorrere,

dopo essere stato portato a una temperatura sufficientemente bassa da

bloccare lo scorrimentodelle molecole.

A volte viene indicato il CFPP (Cold Filter Plugging Point): temperaturache provoca

l’otturazione di un filtro standard

Esempio: gasolio per auto AGIP (dati 2004)

• CFPP gasolio estivo: 0 °C

• CFPP gasolio invernale: -10°C

• CFPP gasolio alpino: -20°C



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Tenore di gomme

Proprietà che misura la tendenza di una benzina a lasciare depositi non

volatili(gomme) durante la sua evaporazione.

Le gomme sono il risultato di ossidazione di composti olefinici presenti nella

benzina.

Si accumulano nei punti del sistema di aspirazione dove la vaporizzazione è

più forte: punti caldi del condotto, stelo e fungo della valvola, getti del

carburatore.

Problemi funzionamento:incrostazioni, punti caldi,assorbimentodi HC


Tenore di zolfo

Il petrolio grezzocontieneun tenore di zolfo variabile con la sua origine.

Nei distillati il tenore di zolfo aumenta con il peso molecolare medio della sua

frazione: si passa da 0.1% per le benzine a 4% nelle frazioni più pesanti.

Durante il processo di combustione lo zolfo si trasforma in anidride solforosa,

che provoca:• inquinamento dell’ambiente

• formazionedi depositiin camera di combustione

• avvelenamentodei catalizzatori

• corrosione

Il contenuto di zolfo nei prodotti finali è regolato dalle direttive europee

< 10 mg/kg



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Combustibili alternativi

Combustibili gassosi

• Gas naturale

• Idrogeno

• GPL

Biocombustibili

• Etanolo• Biodiesel

Combustibili gassosi: effetti sulle prestazioni

+⋅+

=

476.41

1

mn

X fuel

( )22222

476.3

276.3

4 N mnO H

mnCO N O

mn H C

mn

+++⇒+

++

air air fuel fuel

fuel fuel

air fuel

fuel

fuel MM X MM X

MM X

mm

mY

⋅+⋅

⋅=

+=

air air fuel fuelmix MM X MM X MM ⋅+⋅=

Fraz. molare combustibile

Massa molecolare miscela

Fraz. massica combustibile

IVC

mix

IVC IVC IVC

T MM

R

V Pm

⋅=

fuelisair IVC comb H Y m E ,⋅⋅⋅= α

Massa aspirata (iniez.

indiretta)

Energia disponibile



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benzina(iso-ottano)

Metano Idrogeno

Composizione 8 C - 18 H 1 C - 4 H 0 C - 2 H

Fraz molare combustibile 1.7% 9.5% 29.6%

Fraz molare aria 98.3% 90.5% 70.4%

Fraz massica combustibile 6% 5% 3%

Fraz massica aria 94% 95% 97%

A/F stechiometrico 15.1 17.2 34.5

Massa di miscela aspirata [mg] 609 556 421

Aria aspirata [mg] 571 526 409

Massa di combustibile IVC [mg] 38 30 12

Pot. calorifico inferiore [kJ/kg] 42500 38100 120000

Energia disponibile [J] 1606 1165 1424

Confronto con motore a benzina 100% 72% 89%

Combustibili gassosi: effetti sulle prestazioni

Possibilità di usare miscele

molto magre

Resistenza alla detonazione

Bassa temperatura

(minori NOx)

Minore riempimento

Gas naturale: proprietà



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Esempio di composizione di GN [% vol]

• Metano 88.33

• Etano 6.3

• Propano 1.38

• Iso-butano 0.19

• Iso-pentano 0.05

• Esano e IC superiori 0.04

• Azoto 2.35

• CO2 1.32

• Elio 0.04

Proprietà medie

• αst [-] 15.86

• Hi [MJ/kg] 46.2

• H/C 3.81

Gas naturale: composizione

Veicoli leggeri (automobili)

• Status: comunemente considerati veicoli “poveri”, poco brillanti

• Target: equivalenza con veicoli a benzina, mantenendo buone qualità

ambientali

Veicoli pesanti (autocarri, autobus)

• Status: motori originali Diesel modificati: potenza di targa limitata da carichi

termici

• Target: equivalenza con veicoli Diesel, mantenendo buone qualità ambientali

Motori a gas naturale: caratteristiche



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Motori a gas naturale: prestazioni

Motori a gas naturale: caratteristiche costruttive



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1) Da gas naturale

Steam Reforming

Ossidazione parziale

Autothermal Reforming

CH 4 + H 2 O + Q CO + 3H 2

CO + H 2 O CO 2 + H 2 + Q

CH 4 + ½ O 2 CO + 2 H 2 + Q

CO + H 2 O CO 2 + H 2 + Q

C(s) + H 2 O + Q CO + H 2

Catodo:K + + e - K

K + H 2 O K + + H + OH

H + H H 2

Anodo:OH - OH + e –

OH ½ H 2 0 + ½ O

O + O O 2

2) Da carbone:

3) Da acqua (elettrolisi):

Produzione dell’idrogeno

Main properties

Idrogeno: proprietà



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Motori ad idrogeno: caratteristiche

Richieste modifiche a:

• Candela

• Iniettori• Sedi valvola e iniettori

• Rapporto di compressione

• Moti della carica

• Punti caldi

• Fasce elastiche

Grande capacità antidetonante:

• Possibilità di aumentare il rapporto di

compressione

L’idrogeno è molto reattivo:

• Grande campo d’infiammabilità

• Bassa energia d’attivazione

Tendenza a forme anomale di

combustione:

• Preaccensione

• Flashback

Punti caldi del motore:

• Elettrodo

• Valvole

• Spigoli acuti

• Depositi

Motori ad idrogeno: riempimento



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Motori ad idrogeno: coppia

• Combustibile derivante da materiali naturali di origine recente (contrapposto ai

combustibili fossili)

• Forma rinnovabile di energia, che deriva dalla conversione di energia solare in

biomassa, tramite fotosintesi

• Bilancio CO2 favorevole rispetto ai combustibili fossili, grazie alla fotosintesi

• Minori emissioni

• Disponibilità geografica maggiore• Prima generazione: derivati da coltivazioni alimentari (mais, canna da zucchero, soia,

colza, ecc...)

• Seconda generazione: derivati da scarti (cellulosa) o colture dedicate

Biocombustibili

Principali biocombustibili per motori a C.I.

• [Bio]-etanolo

• [Bio]-Diesel

• [Bio]-gas

• [Bio]-idrogeno



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Biomassa

Syn-oil Syn-gas Altri prodotti

BioetanoloBiodiesel

trattamento

Conversione termochimicaConversione biochimica

PirolisiGassificazione

Liquefazione

Biocombustibili: produzione

• Sostanza pura: una sola temperatura di transizione di fase (90 °C)

• La benzina, invece, ha un’ampio range di evaporazione essendo una

miscela di più componenti.

• Spesso, quindi, l’etanolo è usato in miscela con la benzina per

aumentarne la volatilità

• Le miscele più usate sono: E10 (10% etanolo)

E85 (85% etanolo) usato soprattutto per autovetture

E100 (100% etanolo)

AGE-85 (85% etanolo)

Etanolo: introduzione



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Property EtanoloBenzina

E85(NO = 87)

Formula C2H5OH Da 4 a 12 C *

Composizione 52 C, 13 H, 35 O 85-88 C, 12-15 H 57 C, 13 H, 30 O

NO 98-100 86-94 96

Hi, [kcal/kg] 12133 19500 13190

Litri equivalenti1,5 1 1,4

(rispetto alla benzina)

Dimensione serbatoio(stessa autonomia benzina)

+1,5 1 +1,4

Tensione di vapore [Pa] 15858 34473-103421 41368-82736

Temperatura critica [C] 454 257 *

Avviamento a freddo Cattivo Buono Cattivo

A/F stechiometrico 9 14,7 10

Etanolo: proprietà

Etanolo: consumi



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• Temperatura della carica fresca:

( )vhambamb IVC T T T T T T −+=∆+=

• T h : aumento di T per scambio

termico con le pareti

• T v : diminuzione di T per

evaporazione del combustibile

• Rispetto alla benzina, l ’etanolo ha

maggior calore latente di

vaporizzazione (minore Tv) e

maggior capacità termica(maggiore Th).

• Fino ad una miscela in rapporto

20% prevale l’effetto

dell’evaporazione

Etanolo: effetti sul riempimento

Etanolo: emissioni

CO HC

Minori emissioni di incombusti (CO e HC) per la maggior frazione molare di ossigeno

nell’etanolo



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Introduction

• Biodiesel: combustibile alternativo derivatoda olii vegetali

• Composizione: esteri metilici degli acidi grassi

• Proprietà molto simili a quelle del combustibile Diesel tradizionale

Biodiesel: introduzione

Il processo di conversione degli olii in combustibile è detto trans-esterificazione

TrattamentoProduzione BiodieselRecupero del

glicerolo

• raccolta semi

• pulitura

• estrazione dell’olio

• filtrazione, ecc...

• De-gommaggio

• de-acidificazione

• Trans-esterificazione

• Purificazione

• Separazione del glicerolo

• Recupero del metanolo

• distillazione

• purificazione

Olio crudo Olio neutro Biodiesel Glicerolo

Olio + metanolo + catalizzatore → biodiesel + glicerolo

Biodiesel: produzione



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Biodiesel: proprietà

Biodiesel applied to different engines:

• B100 : 100% biodiesel

• B20 : 20% biodiesel, 80% diesel fuel

Motori funzionanti a biodiesel



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Nessuna modifica ai motori è richiesta se il biodiesel è usato in

miscele fino a 20-30%. Lievi modifiche per usare biodiesel puro

Maggiori problemi riscontrati

• Compatibilità e durata dei materiali (corrosione)

• Problemi agli iniettori

• Prestazioni

• Avviamento a freddo

• Consumi

Motori funzionanti a biodiesel

T o r q u e [ N m ]

Air fuel index excess λ

Motori funzionanti a biodiesel: prestazioni

B S F C [ g / k W h ]

Air fuel index excess λ

Confronto fra:

• • Biodiesel da colza

• + Biodiesel da olii alimentari

• Diesel tradizionale

Il biodiesel ha minore potere calorifico:

• Maggiori consumi per ottenere le stesse prestazioni



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% biodiesel % biodiesel

Motori funzionanti a biodiesel: emissioni

% biodiesel

• Aumento della temperatura di

fiamma

• Aumento di NC

• Maggiore tenore di ossigeno




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Combustibili

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