IT202000029540A1 - Metodo e dispositivo per l'utilizzo di biodiesel in motori a combustione interna (ciclo diesel) - Google Patents

Metodo e dispositivo per l'utilizzo di biodiesel in motori a combustione interna (ciclo diesel) Download PDF

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Pietri Federico De
Mola Marco Di
Gabriele Rebecchi
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Adriano Cordisco
Dangelo Tommaso
Pietri Federico De
Mola Marco Di
Gabriele Rebecchi
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Description

Descrizione dell?Invenzione Industriale avente per titolo:
?METODO E DISPOSITIVO PER L?UTILIZZO DI BIODIESEL IN MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (CICLO DIESEL)?
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un metodo e a un dispositivo per l?attuazione di detto metodo per l?utilizzo di carburante biodiesel in motori a combustione interna ad accensione spontanea.
Il biodiesel viene utilizzato in miscela con diesel da petrolio per l?alimentazione di motori diesel. Nonostante i notevoli vantaggi che deriverebbero dell?impiego di biodiesel, in quanto ricavato da biomasse, l?utilizzo tal quale di detto biodiesel ? causa di notevoli inconvenienti.
In primo luogo il biodiesel ? soggetto a biodegradazione assai pi? del diesel da petrolio.
Rispetto al diesel da petrolio il biodiesel registra differenti dati, ovviamente dipendenti dalla materia prima del medesimo, in riferimento al punto di intorbidimento (c.d. cloud point) e il punto di scorrimento (c.d. pour point) i quali rispettivamente si segnalano -1?C (-17?C per il diesel da petrolio) e -6?C (-26?C per il diesel da petrolio).
Inoltre, l?analisi chimico-fisica delle propriet? del biodiesel, delinea una configurazione molecolare pi? vantaggiosa in termini di biodegradabilit?. Difatti, la catena lineare di carbonio con atomi di ossigeno all?estremit?, caratterizzante il biodiesel, risulta pi? facilmente attaccabile dai batteri (tasso di biodegradabilit? del 95% a 28 giorni), rispetto al diesel da petrolio che, essendo povero di ossigeno, risulta difficilmente scomponibile. Bisogna infatti considerare che per attaccare gli acidi grassi ed i loro derivati quali gli esteri, i microrganismi dispongono degli enzimi necessari (quali l'AcetilcoA deidrogenasi) mentre, nonostante le notevoli possibilit? di adattamento ai vari substrati dei batteri, non ? altrettanto semplice o comunque immediata la capacit? di degradare il diesel da petrolio. Tali propriet? ora indicate comportano una minor stabilit?, dunque criticit? in stoccaggio del prodotto e nell?impiego delle miscele biodiesel/diesel da petrolio.
Le propriet? chimico-fisiche del biodiesel fanno s? che l?impiego di detto biodiesel in alte percentuali superiori al 10%, in climi freddi o particolarmente rigidi, ovvero in stagioni invernali, possano comportare complicanze nell?impiego del medesimo.
La degradazione del biodiesel riguarda sia il biodiesel contenuto nel serbatoio quanto le percentuali rimanenti nel circuito di alimentazione una volta effettuato lo spegnimento del motore. Questa permanenza genera fenomeni di adesione su ugelli e pistoni della pompa di alta pressione (HP).
Nei motori diesel per autotrazione viene normalmente installato un filtro anti-particolato (FAP), cio? un dispositivo di post-trattamento dei gas di scarico che ha la funzione di ridurre le emissioni di particolato trattenendo le polveri sottili che sono inquinanti cancerogeni. Essendo un filtro risulta necessaria la sua pulizia periodica (c.d. rigenerazione). Detta rigenerazione, che avviene automaticamente, viene di solito effettuata innalzando la temperatura del filtro in modo tale da trasformare il particolato in CO? e H?O, che vengono espulse insieme agli altri gas di scarico. Se la rigenerazione non dovesse avvenire, il filtro occluso provocherebbe un malfunzionamento del motore, fino al suo arresto.
Il particolato brucia tra i 550 e i 650 gradi centigradi, temperature che difficilmente si raggiungono nel FAP, specie se esso ? lontano dal motore. Per questo motivo, la rigenerazione del filtro anti particolato avviene mediante iniezione del carburante in camera di combustione del motore in fase di scarico (fenomeno che non avviene durante il normale funzionamento del motore). Evaporando il carburante raggiunge, insieme ai gas combusti, il catalizzatore ossidante nel quale brucia, elevando cos? la temperatura all?interno del FAP in modo tale da bruciare il particolato ed espellerlo dal FAP stesso, rigenerandolo.
Nel caso di impiego di biodiesel, le propriet? chimico-fisiche di quest?ultimo comportano una maggiore temperatura di evaporazione rispetto al diesel da petrolio. Per questo motivo, nelle condizioni che si verificano durante l?iniezione di carburante in camera di combustione durante la fase di scarico, il biodiesel non riesce ad evaporare. L?impiego di elevate percentuali di biodiesel nel diesel da petrolio configurano le problematica del c.d. blowby ossia, il combustibile non evaporato passa attraverso le tenute del pistone e va a diluire l?olio lubrificante del motore. L?olio motore cos? diluito ha un potere lubrificante minore, comportando inevitabilmente l?usura degli organi in strisciamento relativo.
Il brevetto GM US8011177B2 descrive un dispositivo per la rigenerazione del FAP che prevede l?iniezione di carburante nel condotto di scarico. In questo caso non si verifica la problematica del blowby.
Nel caso di iniezione nel condotto di scarico, non si verifica la problematica del blowby, tuttavia l?alta temperatura di evaporazione ? un ostacolo all?accensione del carburante iniettato in quanto la temperatura nel condotto di scarico ? pi? bassa che in camera di combustione.
Per tali ragioni l?impiego di biodiesel, in miscela con diesel da petrolio, ? utilizzato in percentuali oscillanti tra il 7 e il 10%, poich? individuate come percentuali per le quali il filtro riesce a rigenerare secondo l?ordinario ciclo diesel, senza eccessivo blowby.
Lo scopo dell?invenzione ? quello di risolvere le problematiche legate all?utilizzo di elevate percentuali di biodiesel in motori a ciclo diesel, quali: rigenerazione del FAP, se presente, congelamento e deterioramento del biodiesel, compreso quello presente nei condotti di alimentazione e, dunque, difficolt? all?avviamento del motore. Criticit? le quali rappresentano l?attuale ragione per cui non possano essere utilizzate percentuali maggiori al 7?10% di biodiesel miscelato nel diesel da petrolio.
Quello descritto e altri scopi, come verr? esplicitato nel seguito, vengono raggiunti con un metodo ed un dispositivo conformi, rispettivamente, alle rivendicazioni 1 e 6.
Il metodo per l?utilizzo di carburante biodiesel in motori a combustione interna ad accensione spontanea, detto carburante biodiesel essendo presente in una miscela diesel da petroliobiodiesel con percentuale di biodiesel superiore al 7%, in cui detta percentuale di biodiesel superiore al 7% provoca un aumento della temperatura di evaporazione di detta miscela, detto aumento della temperatura di evaporazione influenzando negativamente l?avviamento a freddo di detto motore, ? caratterizzato dal fatto di ridurre la concentrazione di biodiesel al di sotto del 7% nella fase di avviamento di detto motore, detta riduzione di concentrazione essendo ottenuta tramite aggiunta di diesel da petrolio a detta miscela diesel da petrolio-biodiesel.
Il metodo secondo l?invenzione prevede inoltre di ridurre detta concentrazione di biodiesel al di sotto del 7% anche nella fase di spegnimento del motore, in modo da evitare che nei condotti di alimentazione di detto motore resti della miscela diesel da petrolio-biodiesel con concentrazione di biodiesel superiore al 7%, in modo da evitare che nei condotti di alimentazione di detto motore resti della miscela diesel da petrolio-biodiesel con concentrazione di biodiesel superiore al 7%.
Il dispositivo per l?utilizzo di miscele diesel da petrolio-biodiesel, con percentuali di biodiesel superiori al 7%, in motori a combustione interna ad accensione spontanea, del tipo comprendente una ECU (Engine Control Unit) atta a controllare il funzionamento di detto motore, ? caratterizzato dal fatto di comprendere:
- un serbatoio ausiliario per il contenimento di diesel da petrolio;
- una valvola miscelatrice atta a miscelare detta miscela diesel da petrolio-biodiesel con il diesel da petrolio proveniente da detto serbatoio ausiliario;
- un Refuel Controller;
in cui detto Refuel Controller ? collegato con detta ECU e detta valvola miscelatrice, detto Refuel Controller ricevendo informazioni sul funzionamento del motore da detta ECU e inviando segnali per il controllo di detta valvola miscelatrice, in modo da regolare la percentuale di biodiesel nella miscela diesel da petroliobiodiesel.
Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l?oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Il vantaggio derivante dall?impiego dell?invenzione consiste nell?aumentare la percentuale di carburante rinnovabile.
Risulter? immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalit? equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione, come appare dalle rivendicazioni allegate.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.
La presente invenzione verr? meglio descritta da una forma preferita di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali
- la figura 1 mostra lo schema di funzionamento del dispositivo secondo l?invenzione.
Con riferimento alla FIG. 1, con (1) ? indicato un sistema comprendente un motore diesel (2), provvisto di filtro anti particolato (FAP) (3), del relativo catalizzatore ossidante (3a) e di un dispositivo (4) per l?utilizzo di biodiesel in detto motore diesel (2).
Nell?esempio di realizzazione dell?invenzione mostrato in FIG. 1 ? presente il FAP (3), ma il dispositivo (4) per l?utilizzo di biodiesel ? applicabile anche se detto FAP (3) non fosse presente.
Il motore (2) ? alimentato tramite una miscela, contenuta in un serbatoio principale (5), composta da diesel da petrolio e da biodiesel, con una percentuale di biodiesel che pu? arrivare al 100%.
Detta miscela viene inviata ad un piccolo serbatoio riscaldato (6) tramite una prima pompa di bassa pressione (5a).
In un serbatoio ausiliario (7) ? contenuto del diesel da petrolio. Una seconda e una terza pompa di bassa pressione (6a, 7a) pompano, rispettivamente, la miscela diesel da petroliobiodiesel dal serbatoio riscaldato (6), ed il diesel da petrolio dal serbatoio ausiliario (7), verso una valvola miscelatrice (8), preparando cos? la miscela che andr? ad alimentare il motore diesel (2), attraverso una pompa ad alta pressione (9), e un iniettore (10), applicato ad un condotto di scarico (11) che collega detto motore (2) con il FAP (3). Sul condotto che porta la miscela all?iniettore (10) ? posta una unit? di dosaggio (10a), mentre tra il condotto di scarico (11) e il collettore di aspirazione (non rappresentato) del motore (2) ? posta, se presente, una valvola EGR (Exhaust Gas Recirculation) (11a), secondo la tecnica nota.
Detto dispositivo (4) per l?utilizzo di biodiesel nel motore (2) comprende:
- detto serbatoio riscaldato (6) per la miscela diesel da petrolio-biodiesel e relativa seconda pompa di bassa pressione (6a);
- detto serbatoio ausiliario (7) per il diesel da petrolio e relativa terza pompa di bassa pressione (7a);
- detta valvola miscelatrice (8);
- un Refuel Controller (12).
Detto Refuel Controller (12) ? collegato con una pluralit? di sensori (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26) e una ECU (Engine Control Unit) (13). Detti sensori (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26) e detta ECU (13) sono atti a rilevare i parametri di funzionamento del sistema motore (2)-FAP (3).
Detta pluralit? di sensori (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26) comprende:
- un primo sensore di temperatura (20) atto a rilevare la temperatura dei gas di scarico all?ingresso del FAP (3);
- un secondo sensore di temperatura (21) atto a rilevare la temperatura dei gas di scarico all?uscita del FAP (3);
- un sensore di pressione differenziale (22) atto a rilevare la differenza di pressione tra ingresso ed uscita del FAP (3);
- una prima sonda lambda (23,) atta a rilevare la percentuale di ossigeno nei gas di scarico, posizionata nel condotto di scarico (11), a monte dell?iniettore supplementare (10);
- una seconda sonda lambda (24), atta a rilevare la percentuale di ossigeno nei gas di scarico, posizionata nel condotto di scarico (11), a valle del catalizzatore ossidante (3a);
- un terzo sensore di temperatura (25) atto a rilevare la temperatura nel serbatoio riscaldato (6);
- un quarto sensore di temperatura (26) atto a rilevare la temperatura all?uscita dal serbatoio principale (5).
Ovviamente, qualora non fosse presente il FAP (3), mancherebbero anche tutti i componenti associati, cio? il catalizzatore ossidante (3a), l?iniettore (10) e la linea di alimentazione in cui ? presente l?unit? di dosaggio (10a), e i sensori (20), (21), (22), (23) e (24).
Il funzionamento del sistema (1) ? descritto nel seguito.
Il problema tecnico affrontato e risolto dalla presente invenzione consiste nel fatto che una percentuale di biodiesel nella miscela diesel da petrolio-biodiesel superiore al 7?10% ? fonte di vari inconvenienti. L?invenzione consente di ottenere un regolare funzionamento del motore (2) e del FAP (3) anche con una miscela diesel da petrolio-biodiesel (con percentuale di biodiesel compresa tra il 10% e il 100%) contenuta nel serbatoio principale (5). Ci? avviene con l?aggiunta del diesel da petrolio, contenuto nel serbatoio ausiliario (7), nelle fasi di:
- avviamento del motore (2), in climi freddi, in quanto favorita dalla minor viscosit? del diesel da petrolio, che ? influenzata dalla temperatura in modo minore rispetto a quella del biodiesel;
- rigenerazione del FAP (3), in quanto favorita anch?essa dalla maggiore volatilit? del diesel da petrolio;
- spegnimento del motore (2), in modo tale da non lasciare eccessiva quantit? di biodiesel nel circuito di alimentazione del motore (2).
L?aggiunta di diesel da petrolio nella miscela dovr? essere tale da limitare la percentuale di biodiesel al 7?10% (preferibilmente al 7%), nelle due fasi di avviamento e spegnimento del motore (2) e rigenerazione del FAP (3), in modo da non avere gli inconvenienti lamentati.
Secondo una forma preferita di attuazione, la valvola miscelatrice (8) ? sostituita da una valvola deviatrice (8a). In questo modo al motore (2) ed all?iniettore (10) ? inviato il solo diesel da petrolio, escludendo del tutto il biodiesel nelle fasi dell?avviamento e spegnimento del motore (2).
Nel caso il veicolo si trovasse a operare in condizioni ambientali particolarmente rigide dal punto di vista delle temperature, la miscela diesel da petrolio-biodiesel viene riscaldata prima del suo utilizzo poich? la viscosit? di detta miscela aumenta al diminuire della temperatura, arrivando addirittura a solidificazione. Detto riscaldamento, rilevato da detto primo sensore di temperatura (25), avviene nel piccolo serbatoio riscaldato (6), detto riscaldamento essendo regolato dal Refuel Controller (12), in funzione della temperatura della miscela diesel da petrolio-biodiesel in uscita dal serbatoio principale (5), rilevata dal quarto sensore di temperatura (26).
La valvola miscelatrice (8) o, preferibilmente, la valvola deviatrice (8a), per mezzo della quale avverr? il passaggio dal diesel da petrolio al biodiesel in fase di fine avviamento e da biodiesel a diesel da petrolio in fase di spegnimento, garantisce l?assenza o residuale traccia di biodiesel nel circuito di alimentazione. In tal modo si evita di avere biodiesel stagnante nel sistema di iniezione del motore (causa di danni dopo un prolungato periodo di ?fermo macchina?) e si garantisce una pi? rapida accensione del motore (2), quando richiesto.
La rigenerazione del FAP (3), se presente, avviene nel modo seguente. In primo luogo il Refuel Controller (12) riceve informazioni da tutti i sensori posti sulla linea di scarico, in particolare:
- la differenza di temperatura tra ingresso e uscita dal FAP (3), dal primo e dal secondo sensore di temperatura (20, 21);
- la differenza di pressione tra ingresso e uscita dal FAP (3), dal sensore di pressione differenziale (22);
- la concentrazione di ossigeno a monte dell?iniettore supplementare (10) e a valle del catalizzatore ossidante (3a), rispettivamente dalla prima e dalla seconda sonda lamba (23, 24).
Il Refuel Controller (12) registra la costrizione del FAP (3) e ordina e gestisce la rigenerazione dello stesso che avviene secondo le seguenti fasi:
- preparazione all?iniezione: chiusura della valvola EGR (11a), se presente, e piccole iniezioni di carburante, tramite l?iniettore supplementare (10), per un primo aumento di temperatura del FAP (3) fino alla temperatura di 350?450?C;
- iniezioni di carburante: tramite l?iniettore supplementare (10), nel condotto di scarico (11), in modo da aumentare la temperatura del FAP (3) fino alla temperatura di rigenerazione (550?650?C), rilevata da detti primo e secondo sensore di temperatura (20, 21), la quantit? di carburante iniettato essendo controllata per mezzo delle sonde lamba (23, 24);
- fine iniezione: quando il sensore di pressione differenziale (20) rileva che il FAP (3) non ? pi? intasato, si smette gradualmente di iniettare.
Si ? descritta una forma preferita di attuazione dell?invenzione, ma naturalmente essa ? suscettibile di ulteriori modifiche e varianti nell?ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L?articolo "un", "uno" o "una" precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralit? di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI
1. Metodo per l?utilizzo di carburante biodiesel in motori a combustione interna (2) ad accensione spontanea, detto carburante biodiesel essendo presente in una miscela diesel da petroliobiodiesel con percentuale di biodiesel superiore al 7%, in cui detta percentuale di biodiesel superiore al 7% provoca un aumento della temperatura di evaporazione di detta miscela, detto aumento della temperatura di evaporazione influenzando negativamente l?avviamento a freddo di detto motore (2), caratterizzato dal fatto di ridurre la concentrazione di biodiesel al di sotto del 7% nella fase di avviamento di detto motore (2), detta riduzione di concentrazione essendo ottenuta tramite aggiunta di diesel da petrolio a detta miscela diesel da petrolio-biodiesel.
2. Metodo per l?utilizzo di carburante biodiesel in motori a combustione interna (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere detta riduzione della concentrazione di biodiesel al di sotto del 7% anche nella fase di spegnimento di detto motore (2), in modo da evitare che nei condotti di alimentazione di detto motore (2) resti della miscela diesel da petroliobiodiesel con concentrazione di biodiesel superiore al 7%.
3. Metodo per l?utilizzo di carburante biodiesel in motori a combustione interna (2) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che le fasi di avviamento e/o spegnimento sono effettuate con il solo diesel da petrolio.
4. Metodo per l?utilizzo di carburante biodiesel in motori a combustione interna (2) secondo almeno una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto di alimentare il motore (2) con una miscela diesel da petrolio-biodiesel, con percentuale di biodiesel non superiore al 7%, durante la rigenerazione del FAP (3).
5. Metodo per l?utilizzo di carburante biodiesel in motori a combustione interna (2) secondo almeno una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto di prevedere il riscaldamento di detta miscela diesel da petrolio-biodiesel, in modo da ridurne la viscosit?.
6. Dispositivo (4) per l?utilizzo di miscele diesel da petrolio-biodiesel, con percentuali di biodiesel superiori al 7%, in motori a combustione interna (2) ad accensione spontanea, del tipo comprendente una ECU (Engine Control Unit) (13) atta a controllare il funzionamento di detto motore (2), caratterizzato dal fatto di comprendere:
- un serbatoio ausiliario (7) per il contenimento di diesel da petrolio;
- una valvola miscelatrice (8) atta a miscelare detta miscela diesel da petrolio-biodiesel con il diesel da petrolio proveniente da detto serbatoio ausiliario (7);
- un Refuel Controller (12);
in cui detto Refuel Controller (12) ? collegato con detta ECU (13) e detta valvola miscelatrice (8); detto Refuel Controller (12) ricevendo informazioni sul funzionamento del motore (2) da detta ECU (13) e inviando segnali per il controllo di detta valvola miscelatrice (8), in modo da regolare la percentuale di biodiesel nella miscela diesel da petrolio-biodiesel.
7. Dispositivo (4) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto motore a combustione interna (2) ad accensione spontanea, ? provvisto di filtro anti particolato (FAP) (3) e catalizzatore ossidante (3a), del tipo comprendente:
- un iniettore supplementare (10) atto ad iniettare carburante, in modo che detto carburante bruci con i gas di scarico, per aumentare la temperatura di detto filtro anti particolato (FAP) (3) fino ad una temperatura di rigenerazione di detto FAP (3);
- un primo sensore di temperatura (20) atto a rilevare la temperatura dei gas di scarico all?ingresso del FAP (3);
- un secondo sensore di temperatura (21) atto a rilevare la temperatura dei gas di scarico all?uscita del FAP (3);
- un sensore di pressione differenziale (22) atto a rilevare la differenza di pressione tra ingresso ed uscita del FAP (3);
- una prima sonda lambda (23), atta a rilevare la percentuale di ossigeno nei gas di scarico, posizionata nel condotto di scarico (11), a monte dell?iniettore supplementare (10);
- una seconda sonda lambda (24), atta a rilevare la percentuale di ossigeno nei gas di scarico, posizionata nel condotto di scarico (11), a valle del catalizzatore ossidante (3a);
- un regolatore di flusso (10a);
detto Refuel Controller (12) ricevendo informazioni sul funzionamento del FAP (3) e inviando segnali a: - detto regolatore di flusso (10a) in modo da regolare la portata di carburante all?iniettore supplementare (10);
- detto iniettore supplementare (10) in modo da regolarne l?apertura.
8. Dispositivo (4) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta valvola miscelatrice (8) ? sostituita da una valvola deviatrice (8a), in modo tale che al motore (2) ed all?iniettore (10) sia inviato il solo diesel da petrolio, escludendo del tutto il biodiesel nelle fasi dell?avviamento-spegnimento del motore (2) e rigenerazione del FAP (3).
9. Dispositivo (4) secondo almeno una delle rivendicazioni da 6 a 8, caratterizzato dal fatto di prevedere ulteriormente la presenza di:
- un serbatoio riscaldato (6), provvisto di un terzo sensore di temperatura (25), atto a riscaldare la miscela diesel da petrolio-biodiesel nel caso in cui la temperatura di detta miscela, dovesse risultare troppo bassa per l?utilizzo;
- un quarto sensore di temperatura (26), atto a rilevare la temperatura della miscela diesel da petrolio-biodiesel contenuta in un serbatoio principale (5);
detti terzo e quarto sensore di temperatura (25, 26) essendo collegati con detto Refuel Controller (12), in cui detto Refuel Controller (12) ? atto a controllare il riscaldamento di detto serbatoio riscaldato (6) in funzione della temperatura di detta miscela presente in detto serbatoio principale (5).
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