Introduzione

Motori diesel

Nella linea Maginot, i lavori sono dotati di gruppi elettrogeni esercitati da motori ad esplosione (principalmente diesel). Abbiamo dunque trovato utile di creare un documento che tratta della parte tecnica dei motori diesel 4 tempi.

Piano del documento

- presentazione di un cilindro di motore diesel,

- principio del motore diesel a 4 tempi,

- elementi di calcoli e calcoli,

- applicazione ad un motore SMIM della linea Maginot (lavoro di Fressinea - SFAM-),

- allegati.

Omaggio

Abbiamo realizzato questo studio in memoria di nostro padre (Gaston Cima), specialista dei motori diesel nell'esercito dell'aria, quindi professore di termodinamica alla IUT di città di Avray. Bernard e Raymond Cima.

È dopo avere seguito i corsi di mio padre (quindi altri) che ho sostenuto una tesi di dottorato sui motori diesel, nel 1982, all'Université Pierre e Marie Curie di Parigi. Bernard Cima.

Presentazione di un cilindro

Schema di cilindro

Il motore ad esplosione nasce alla fine della XIX° secolo. Due figure si staccano ad alcuni anni d'intervallo: il francese bello di Rochas (1815-1893 brevetto in 1862) ed il tedesco diesel (1858-1913 brevetto in 1893). Il motore a combustione interna è sorto.

La tecnologia di base è comune ai due tipi: la camicia (*), tubo chiuso ad un'estremità dal bullone (*), comporta un pistone (*) mobile che si muove tra la PMB (punto morto basso) e la PMH (punto morto su). Orifizi bucati nel bullone comportano otturatori, le valvole (*), che mettono la camicia in comunicazione con l'aria esterna. Un altro orifizio funge da sostegno all'organo che causerà l'esplosione: la candela (motore a benzina) o l'iniettore (*) (motore diesel a gasolio).

Alphonse BEAU (1815-1893)

Stato civile

Nato a degni in 1815, bello è il figlio di Alexandre BEAU e di Lucrèce JACQUES de ROCHAS (vecchia famiglia dignoise).

Suo padre, bonapartiste notorio, dispositivo di controllo alle imposte dirette, è scaduto delle sue funzioni ufficiali dopo l'abdicazione di Napoleone. Incontra allora alcune difficoltà per fare vivere la sua famiglia ed in 1823, il zio materno di Alphonse Beau (il cavaliere Henri-Justin de Rochas), assumersi l'istruzione del suo nipote, alla condizione che porti i due nomi, paterni e materni: Bello di Rochas.

Dopo una vita piena di rimbalzi, Beau di Rochas muore a Vincennes in 1893.

Vita professionale

A sedici anni guadagna il primo prezzo di matematica del collegio reale di Orlèans. Quindi, ingegnere Civil, fa a sua volta ricerca e della politica.

Il 16 gennaio 1862, Beau di Rochas deposita, presso la società di protezione industriale, il brevetto n°52-593 nel quale propone un motore a combustione interna a quattro tempi:

- aspirazione durante una corsa intera del pistone

- compressione durante la corsa seguente di ritorno

- infiammazione al punto morto e rilassamento durante la terza corsa

- rimozione dei gas bruciati, fuori del cilindro, all'ultimo ritorno di pistone.

Bello di Rochas precisa che l'infiammazione del gas che è in disaccordo, in anticipo compresso, può essere causata da una scintilla o essere spontanea con auto-allumage.

Così ha appena descritto il funzionamento dei futuri motori a benzina (primo caso d'infiammazione) ma non completamente quello dei motori diesel (secondo caso d'infiammazione) a causa della nozione di - gas che è in disaccordo in anticipo compressa (vedere il nostro documento su motore diesel).

Bello di Rochas non farà mai costruire tali motori. Ed è soltanto in 1876 qu ' ingegnere tedesco, Nicolas OTTO (1832-1891), realizza il primo 4 tempi a benzina.

Rudolf DIESEL (1858-1913)

Stato civile

Nato a Parigi, in 1858, è figlio di una coppia modesta che lascia la Francia al momento della guerra di 1870.

Fa i suoi studi alla scuola politecnica di Monaco ed in esce con il titolo dell'ingegnere.

Rudolph Diesel scompare in pieno incrocio della Manica, nel 1913, in circostanze non ancora delucidate.

Vita professionale

Ingegnere in vari settori, in 1893 deposita un brevetto di motore a combustione interno a quattro tempi (come quello di Beau di Rochas), alla differenza - importante vicino che la sostanza infiammabile (per questo brevetto è un olio pesante, residuo di distillazione del petrolio) che produce l'esplosione è iniettato quando l'aria e già compressa dal pistone. Più di quest'iniezione causa l'infiammazione spontanea della sostanza, senza richiedere sistemi d'accensione.

In 1897, costruisce un prototipo funzionale e partecipa alla creazione, a bar il duca (Mosa), di - società francese dei motori diesel a combustione interna.

Nel 1900, all'esposizione universale di Parigi, Rudolf Diesel fa girare il suo motore all'olio d'arachide. Ma poiché il gasolio è meno costoso, questo combustibile resta aneddotico. Questo non impedisce a Rudolf Diesel di dichiarare, nel 1911, che il suo motore, grazie agli oli vegetali, sarà un giorno in grado di contribuire fortemente allo sviluppo dell'agricoltura dei paesi che la utilizzeranno. Predice allora che l'utilizzo di oli vegetali poiché carburando per motori diventerà presto così importante come quella un petrolio. Dichiarazione profetica?

Tuttavia, a causa di difficoltà di iniezioni, il rendimento dei motori non è tanto buono quanto auspicato ed è il francese Lucien Inchauspé (1867-1930) che, inventando la pompa ad iniezione nel 1924, ne fa un motore che diventerà alcuni anni più tardi molto efficiente.

La linea Maginot approfitta di quest'aumento di rendimento ed i motori a benzina inizialmente previsti per i primi forti da costruire sono sostituiti da motori diesel.

SMIM 4 cilindri della Agnès santa (SFAM)

I dati

Per un motore, se vogliamo calcolare:

- Le pressioni, volumi e temperature che corrispondono ai vari punti del ciclo,

- Il lavoro e la quantità di calore individuati durante il ciclo, cosa che condurrà al calcolo della potenza meccanica in uscita di motore,

abbiamo bisogno di alcuni dati e di qualche prato necessario ricordati sotto.

Dati: produttore

Il produttore del motore distribuzione, in generale, la cilindrata totale (C), il numero di cilindri (N) e la relazione volumetrica (ε), relazione tra il volume massimo del cilindro ed il suo volume minimo. (ε = V1/V2). Di questi 3 valori si trae:

Cilindrata unitaria (utile per cilindro) Vu_ = V1 - V2 = C/n

V1 = ε. Vu_/(ε - 1)

V2 = Vu_/(ε - 1)

Dati: aria ambientale

Ammissione: Definiscono la pressione e la temperatura dell'aria che entra nel cilindro. Per un motore - atmosferico la pressione d'ammissione (p1) è uguale alla pressione atmosferica (attorno a 100.000 Pa) e per un motore - suralimenté- questa pressione dipende dal turbo o dalla pompa di suralimentation.

Scappamento: si fa quasi sempre all'aria libera dunque la pressione di scappamento è uguale alla pressione atmosferica.

Sempre per quest'aria, si definiscono 2 dimensioni termodinamiche:

-la costante massique (o di Meyer) r = Cp - Cv che è la differenza dei calore massiques (*) applicati a trasformazioni a pressione costante (Cp) ed a volume costante (Cv). Per l'aria r = 287 J/kg/K

il coefficiente isentropique γ = Cp/Cv = 1,4 per l'aria.


Prima di lanciarsi nei valori digitali sui vari punti del ciclo potrebbe sembrare necessario misurare 2 masse: la massa d'aria che entra nel cilindro e la massa di gas che partecipa alle trasformazioni. La differenza merita di stabilirsi un momento.

Alla fine dello scappamento, il pistone è alla PMH ma resta un piccolo volume tra lui ed il bullone. I gas bruciati contenuti in questo volume sono espulsi verso l'esterno o restano nella camera di combustione? Nel primo caso, il volume ammesso sarà uguale a (V1) mentre nel secondo caso sarà uguale a (Vu_). La sfumatura può sembrare debole ma influisce sul calcolo del contributo energetico del gasolio.

Per un motore a benzina si considera che restano gas incombusti in fine di scappamento. Ma per un motore diesel, il fenomeno di - balayage- fa che in fine d'ammissione non ci è soltanto dell'aria. Si conduce a considerare, per un motore diesel, che la massa d'aria che entra è uguale alla massa di gas che partecipa alle trasformazioni: m = (p1. V1)/(r. T1) secondo la legge di Mariotte (*).

Dati: combustibile

Il gasolio (gasolio) è estratto del petrolio e contiene per lo più l'esadecano (C16H34). Per i calcoli si ha bisogno:

- della relazione (massa d'aria che entra/massa di combustibile iniettato) che conduce ad una combustione stechiometrica (*) del combustibile. Qui questa relazione è vicina di 15.

- del potere calorifico (*) del combustibile, PCI = 44.000.000 J/kg.

Richiamo sulle unità standardizzate dipendenti

Sono le seguenti:

Massa (M) in kg (chilogrammo)

Pressioni (P) in Pa (Pascal)

Volumi (V) in m3 (metro-cubico)

Temperature (T) in K (Kelvin); ad esempio 15° Celsius = 15 + 273 = 288 K

Le formule da applicare

Ciclo diesel

Precisazioni sulle trasformazioni termodinamiche

Nel diagramma, si vedono apparire tre tipi di curve:

- Curva verticale (a volume che racconta) chiamata isochore,

- Curva orizzontale (a pressione costante) chiamata isobare,

- Curva arrotondata (arco di esponenziale) chiamata isentropique o adiabatique.

Ad ogni curva corrisponde un tipo di calcolo.

Pressione, volume e temperatura ad ogni punto del ciclo

Tra i punti 1 e 2

Compressione adiabatique. È disciplinata dalla legge: p1. V1 γ = p2. V2 γ.

Poiché si conosce p1, V1, V2 e γ si può calcolare p2.

In seguito, con applicazione di p2. V2 = il sig. r. T2 (legge di Mariotte), si trova T2.

Tra i punti 2 e 3

Combustione isobare. Poiché la pressione resta p3 costante = p2

Il contributo energetico dovuto alla combustione del gasolio dà una quantità di calore Q 2-3 = mc. PCI (massa di gasolio x potere calorifico).

Per una trasformazione isobare, questo termine Q 2-3 è uguale a ((il sig. r. γ/(γ - 1)) (T3 - t2) e questo permette di calcolare T3 quindi V3 (con la legge di Mariotte).

Tra i punti 3 e 4

Rilassamento adiabatique. Si trova la stessa legge per la trasformazione 1-2. E poiché v.4. = V1 si può calcolare p4 e T4.

Tra i punti 4 e 1

Rilassamento isochore. Nessun calcolo è necessario poiché si ricade sul punto 1 di cui si conoscono già le caratteristiche.

Lavoro e quantità di calore

Ricerca delle energie attuate nel corso del ciclo

Tra i punti 1 e 2

Il lavoro meccanico (a fornire al pistone perché comprima il gas) è uguale a W 1-2 = ((il sig. r)/(γ - 1)) (T2 - T1)

Il calcolo è facile poiché si conoscono tutti i termini. Questo lavoro è positivo. Si esprime in Joule (J).

La quantità di calore scambiato, Q 1-2 è uguale a 0 (per definizione di una adiabatique).

Tra i punti 2 e 3

Il lavoro meccanico fornito dal gas, cosa che comporta lo spostamento del pistone, è uguale W 2-3 = - il sig. r (T3 - t2). Questo lavoro è negativo.

La quantità di calore è stata già definita sopra; è uguale al contributo energetico del gasolio.

Tra i punti 3 e 4

Come per la fase 1-2, W 3-4 = ((il sig. r)/(γ - 1)) (T4 - T3). Questo lavoro è negativo. Là ancora Q 3-4 = 0.

Tra i punti 4 e 1

Il lavoro meccanico è nullo e Q 4-1 = ((il sig. r)/(γ - 1)) (T1 - T4). Questa quantità di calore è negativa.

Bilancio del ciclo

Lavoro: un ciclo - motore deve dare una somma del W negativa. Il valore assoluto di questa somma |Σ W| corrisponde al lavoro motore del ciclo. Il primo principio della termodinamica precisa che Σ W + Σ Q = 0

Potenza: il motore gira ad una frequenza di rotazione N (tr/min); un ciclo che corrisponde a 2 giri, la durata di un ciclo (in secondi) è dunque uguale a Δt = 120/N. essendo la potenza, per definizione, la relazione del lavoro alla durata, si ha: P = |Σ W|. N/120 (P in Watt)

Per ottenere la potenza totale del motore, occorre infine moltiplicare il risultato precedente con il numero di cilindri.

Ed in seguito?

Non rimane soltanto da programmare un elaboratore, con queste formule, a dargli le caratteristiche relative al motore studiato, e si ottengono i valori digitali che corrispondono ai vari punti del ciclo di questo motore.

Principio. I 4 tempi di un motore diesel

Animazione dell'immagine?

Sospensione dell'animazione?

Spiegazioni + avanzano passo per passo?

Spiegazioni + arretrano passo per passo?

Osservazione

Si constata che ci sono più di 4 - tempo per ciclo. In realtà, 4 tempi significano 4 spostamenti successivi del pistone con: tempo d'ammissione, tempo di compressione, tempo d'esplosione e rilassamento (motore), tempo di scappamento.

Applicazione ai motori SMIM di Fressinea (SFAM)

SMIM de Fressinea

Motori SMIM (società dei motori per l'industria e la marina) SR 14 n° 8124 e 8126 del lavoro d'infanteria di Fressinéa (SFAM). Alcuni valori sono stati trovati negli archivi dell'ingegneria (Vincennes), da altri provengono da diversi documenti generali sui motori diesel.

Ipotesi

Dati del produttore

Motore diesel 2 cilindri

Diametro del pistone: d = 140mm

Corsa: c = 180mm

Frequenza di rotazione a regime normale: 750 tr/min

Potenza nominale = 24 CV (17,7kW)

Dati personali

Si prenderà come ipotesi che, in un lavoro rinforzato, al livello della fabbrica la temperatura è vicina di 20°C (15° altrove) sia T1 = 20 + 273 = 293K e la pressione leggermente superiore alla pressione atmosferica (la sovrapressione è voluta in previsione d'attacco da gas di combattimenti e per evacuare l'aria vicié) sia p1 = 102000Pa. Per l'aria si utilizzeranno le costanti abituali: r = 287 J/kg/K e γ = 1,4

Calcoli preliminari

Cilindrata unitaria: Vu_ = Π. d 2. c/4 = 2770884,5mm3 sia 0,00277m3

Con una relazione volumetrica ε = 12 si trova: V1 = 0,00305m3 et V2 = 0,00025m3

Massa di gas durante il ciclo: il mio = p1. V1/(r. T1) = 0,0037kg

Della relazione il mio/mc = 15 si deducono mc = 0,0037/15 = 0,000247kg

Punti del ciclo

L'applicazione delle formule ottenute nello studio teorico dà:

Punto 1

p1 = 102000Pa; V1 = 0,00305m3; T1 = 293K

Punto 2

p2 = 3307150Pa; V2 = 0,00025m3; T2 = 779 K

Punto 3

p3 = 3307150Pa; V3 = 0,00115m3; T3 = 3570K

Punto 4

p4 = 844133Pa; V.4. = 0,00305m3; T4 = 2424K

Energia

Lavoro

W 1-2 = 1290J

W 2-3 = -2963J

W 3-4 = -3042J

W 4-1 = 0J

Bilancio: ΣW = 1290 - 2963 - 3042 = - 4715J

Quantità di calore

Q 1-2 = 0J

Q 2-3 = 10374J

Q 3-4 = 0J

Q 4-1 = 5657J

Bilancio: ΣQ = 10374 - 5657 = 4717J

Osservazione

Il primo principio della termodinamica precisa che l'energia interna di un ciclo chiuso è nulla. Si dovrebbe dunque avere lo stesso valore assoluto per ΣW e ΣQ, come avviene quasi.

Potenza

Il motore gira a 750 tr/min. Un ciclo (2 giri) corrisponde dunque a Δt = 120/N = 120/750 = 0,16 s

La potenza (per 1 cilindro) è dunque, in teoria, di: P = |ΣW| /Δt = 4715/0,16 = 29469W

La potenza totale del motore è dunque di 2 x 29469 = 58938W (o 58,9 kW)

Discussione

Si è visto che il produttore dà 24 CV sia 17,7kW. Le stime quì sopra sarebbero dunque ottimiste?

In realtà numerose differenze esistono tra il ciclo teorico, sul quale sono basati i calcoli, ed il ciclo reale. Perché?

Ciclo teorico. Si è supposto:

- Apertura e chiusura delle valvole istantanea e senza perdita di carico (diminuzione della pressione in occasione del passaggio a livello della valvola).

- Apertura o chiusura delle valvole alla PMH o alla PMB.

- Iniezione (e dunque combustione) istantanea, alla PMH.

- Compressione e rilassamento adiabatique.

- r e γ costanti.

Ciclo reale

- Ci sono perdite di carico al passaggio delle valvole, perdite parzialmente compensate aumentando la durata delle fasi d'apertura e di chiusura (anticipo apertura ammissione, ritardo chiusura ammissione ed idem per lo scappamento).

- L'iniezione e la combustione hanno una durata da 1,5 a 3 millisecondes. Durante questo tempo lo spostamento del pistone non è trascurabile, soprattutto per motori rapidi.

- La compressione ed il rilassamento non sono isentropiques (adiabatiques) ma polytropiques che comporta uno scambio di calore (Q1-2 e Q3-4 non sono uguale a zero).

- Infine r e γ non sono costanti (ma la loro variazione è tuttavia molto debole).

Ed allora?

In queste condizioni non è stupefacente constatare che i risultati teorici siano ottimisti rispetto alla realtà. Per correggerli si introduce allora uno - coefficiente di forma (vicino di 0,5) e, soprattutto, non si dimentica di tenere conto della potenza assorbita dagli assistenti (pompe, compressore, attriti ecc.) che lasciano soltanto una potenza utile stimata al 60% (0,6 volte) della potenza totale.

Risultati

58,9 x 0,5 x 0,6 = 17,7kW. Il conto è buono e riporta questi risultati tutt'al più vicini ai valori reali, misurati su banco di prova.

Didacticiel sulle fasi di un ciclo diesel 4 tempi

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Il disegno rappresenta il cilindro in fase:

ammissione

compressione

iniezione - esplosione

rilassamento (motore)

scappamento

balayage

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Gaston Cima, specialista dei motori diesel

Marzo 1939. Cima Gaston (a destra) pone a Rochefort, la sua BS meccanico aereo in tasca.

Stato civile

Nato a santa Maxime nel 1917, sposa Josette Fornari nel 1942 con che ha due figli: Raymond e Bernard Cima. Muore a mento, nel 2008.

Vita professionale

La sua vita professionale, tanto militare che civile, è imperniata sui motori; ed in particolare i motori diesel.

Volontario nel 1937 nell'esercito dell'aria, si specializza nei motori a scuola di Rochefort ed ottiene il suo brevetto superiore meccanico aereo il 31 marzo 1939.

Sergente, nel 1939 e 1940 è capo del livello mobile del gruppo di caccia 1/6.

Adjudant, nel 1949 è moniteur di tirocinio di specializzazione diesel, tirocinio organizzato alla CIOA a Arzew (Algeria) con la marina, per l'esercito dell'aria!

Incrociatore Duquesne sul quale si effettua una grande parte del tirocinio. Il adjudant Cima è al centro della fotografia.

Cima Gaston anima questo tirocinio per occasione? Infatti, in fine di tirocinio il capitano di vascello Maggiar rende conto al Contro-ammiraglio che comanda la marina a Oran:

In mancanza di personale qualificato in numero sufficiente, le conferenze sono state generalmente fatte dal Adjudant CIMA essendo che, il primo meccanico BS arrivato alla CIOA, immediatamente, è stato considerato come monitor.

Quindi, ne nota, precisa che essendo il tirocinio terminato:

Fino ad oggi nulla è venuto a confermare che era bene a questo scopo che questo classificato era stato designato per Arzew!

Tuttavia il segno di vaso aggiunge:

Il Adjudant CIMA, monitor del tirocinio, si è rivelato notevole organizzatore ed istruttore eccellente.

E gli affidano la gestione di un nuovo tirocinio (il secondo ed ultimo di questo tipo, organizzato dalla CIOA), del quale il capitano di vascello Maggiar scrive ancora, il 12 ottobre 1949:

Questo classificato si è mostrato istruttore perfetto ed organizzatore fuori di paio. Ha condotto di mano di padrone tutte le questioni di relazione e di disciplina ed ha organizzato un vero corso professato.

In ogni caso, il Adjudant raggiunge la ZDA 902 ed il forte del Revère (SFAM) dove è influito.

Nel 1953 propone un corso sul motore diesel. La sua gerarchia trasmette.

La ricompensa che sembra ottenerne, se ricompensa supposta c'è, è un cambiamento sul teatro delle operazioni dell'Indochine! Inoltre, nel 1962 lascia l'esercito per l'istruzione nazionale dove inizia una seconda carriera. Il suo corso sul motore diesel (e di altri), sono come il professore di termodinamica all'istituto universitario aeronautico, quindi alla IUT di città di Avray, che lo insegnerà ai suoi studenti. Prende la sua pensione a mento.

Le sue medaglie principali, oltre a quelle di guerra, sono: la medaglia dell'aeronautica e la medaglia militare.

Cilindro di motore a combustione interno.

L'ingegnere

L'ingegnere.

Conoscenze necessarie per condurre a termine i calcoli di termodinamica.

I calcoli, per un motore diesel.

Precisazioni sui 4 tempi del motore diesel.

Applicazione della teoria ai motori SMIM di Fressinea (SFAM).

Per provare le sue conoscenze sulle fasi di un motore diesel 4 tempi.

Specialista dei motori diesel.

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Pistone

Camicia

Bullone

Valvola

Iniettore

qui è l'energia individuata sotto forma di calore dalla reazione di combustione del gasolio con l'ossigeno.

Il calore massique (o capacità termica massique) è la quantità d'energia da portare per alzare di un grado la temperatura dell'unità di massa di una sostanza. Per i gas si distinguono le capacità a volume costante (Cv) e le capacità a pressione costante (Cp).

Combustione stechiometrica: combustione completa e totale del combustibile, non che lascia alcun residuo di carbonio.

Legge di Mariotte: p.V = m.r.T; il prodotto della pressione con il volume è uguale alla massa moltiplicata dalla costante massique, moltiplicata dalla temperatura. È la legge che collega le 3 dimensioni caratteristiche di un gas: pressione - volume - temperatura.

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Il pistone è al punto morto su (PMH). Le 2 valvole sono aperte. Si è in fase di balayage. L'aria pura che entra caccia l'aria vicié verso l'uscita.

Il pistone inizia a scendere. La valvola di scappamento si chiude. È l'inizio reale dell'ammissione.

Il pistone prosegue la sua discesa. Il cilindro si riempie poco a poco d'aria.

Il pistone raggiunge il punto morto basso (PMB). Il senso di spostamento si inverte.

Il pistone risale leggermente. La valvola d'ammissione si chiude. È la fine dell'ammissione e l'inizio reale della compressione.

Il pistone risale e la pressione aumenta nel cilindro.

Il pistone raggiunge quasi la PMH. La pressione è al massimo, l'iniettore è attivato ed invia gasolio ad alta pressione. È l'iniezione seguita dall'esplosione.

L'esplosione viene ad avere luogo. Il pistone passa alla PMH, il suo senso si inverte e comincia una seconda discesa, azionato dai gas. È l'inizio del rilassamento.

Il pistone prosegue la sua discesa e la pressione all'interno del cilindro diminuisce.

Il pistone raggiunge quasi la PMB. La valvola di scappamento si apre. È la fine del rilassamento e l'inizio reale dello scappamento.

Il pistone ha nuovamente cambiato senso alla PMB. Risalendo, con la valvola di scappamento evacua i gas bruciati.

Il pistone prosegue la sua risalita. I gas bruciata si evacuano.

Il pistone raggiunge quasi la PMH. La valvola d'ammissione si apre a sua volta che permette all'aria esterna di - pulire la camera di combustione. È l'inizio dell'balayage. Poco dopo si trova la fase n° 1 ed un ciclo ricomincia.

Linea Maginot - motori diesel; Documento realizzato da B Cima. R Cima ©2008

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