ITMI20081771A1 - Metodo e dispositivo per l'ottimizzazione della combustione di combustibili diesel con differenti numeri di cetano in un motore a combustione interna a ciclo diesel - Google Patents
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Description
METODO E DISPOSITIVO PER L’OTTIMIZZAZIONE DELLA
COMBUSTIONE DI COMBUSTIBILI DIESEL CON DIFFERENTI NUMERI DI CETANO IN UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA A CICLO DIESEL
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo e un dispositivo per l’ottimizzazione della combustione di combustibili diesel con differenti numeri di cetano in un motore a combustione interna a ciclo diesel.
In motori a combustione interna a ciclo diesel dei veicoli a motore di oggi, l’andamento della combustione (decorso di combustione) nei cilindri del motore a combustione interna viene adattato, per mezzo di una corrispondente impostazione preliminare di certi parametri che determinano la combustione, come per esempio il momento di una o più preiniezioni, il momento dell’iniezione principale, la quantità del combustibile diesel iniettato nelle preiniezioni e rispettivamente nell’iniezione principale, la pressione di iniezione o pressione del rail (pettine di alimentazione) di un sistema di iniezione di carburante a common rail, in maniera tale che il numero di cetano del carburante usato si possa trovare per esempio in un campo compreso tra 51 e 54 senza che le emissioni del motore a combustione interna o il comportamento di marcia del veicolo a motore vengano compromessi in una qualsiasi maniera in caso di una variazione del numero di cetano all’interno di questo campo.
A motivo delle più recenti esigenze per ciò che riguarda le emissioni, per esempio BIN 5, vengono però impiegati in modo crescente dei combustibili diesel nei quali il numero di cetano è più basso di 50, dove soprattutto negli Stati Uniti trovano uso combustibili diesel con numeri di cetano al di sotto di 40, fino addirittura a 38. Per un campo di carburanti così ampio, che comprende carburanti con numeri di cetano compresi tra 54 e 38, non è però più possibile trovare alcun parametro che determina la combustione che permetta per tutti questi carburanti di ottenere dei risultati soddisfacenti per ciò a che si riferisce alle emissioni e al comportamento di marcia.
Partendo da ciò, alla base della presente invenzione vi è il problema di mettere a punto un metodo e un dispositivo del tipo citato all’inizio con i quali nel caso di una variazione del numero di cetano del carburante usato si possa effettuare un adattamento che tiene conto di questa variazione della curva di combustione nei cilindri del motore a combustione interna al fine di evitare un peggioramento delle emissioni o rispettivamente di evitare che venga compromesso il comportamento di marcia.
Questo problema viene risolto per ciò che si riferisce al metodo, conformemente all'invenzione, mediante il fatto che in almeno un cilindro del motore a combustione interna nel corso della durata della combustione vengono misurate delle pressioni nel cilindro, che almeno una parte delle pressioni nel cilindro misurate viene valutata al fine di derivare una grandezza caratteristica per il combustibile diesel alimentato nel cilindro, e che la grandezza caratteristica viene usata per modificare parametri che determinano la combustione nei cilindri.
Il dispositivo conforme all'invenzione comprende un congegno per la misura di pressioni nel cilindro in almeno un cilindro del motore a combustione interna, congegni per la valutazione di una parte delle pressioni nel cilindro misurate e per la derivazione di una grandezza caratteristica per il combustibile diesel alimentato nel cilindro, nonchè un congegno per la modifica di parametri che determinano la combustione nei cilindri in risposta ad una deviazione della grandezza caratteristica da un valore stabilito a priori.
Alla base della presente invenzione vi è il fatto di aver riconosciuto che per mezzo di una variazione del numero di cetano del combustibile diesel usato viene provocata una variazione del comportamento (andamento, curva) di combustione nei cilindri che, a condizioni al contorno per il resto non modificate, si può riconoscere per un diverso andamento della pressione nel cilindro. A questo riguardo, con una riduzione del numero di cetano del carburante usato, in conseguenza del più alto ritardo di accensione, si sposta verso un momento più ritardato, in particolare il momento in cui il 50% del combustibile diesel alimentato nel cilindro è stato convertito, e di conseguenza anche la pressione nel cilindro associata a questo punto. Viceversa, con il crescere del numero di cetano questo punto e con esso anche la corrispondente pressione nel cilindro si sposta, in conseguenza del più scarso ritardo di accensione, verso momenti più anticipati. Considerazioni corrispondenti valgono anche per le pressioni nel cilindro che vengono misurate circa dopo la metà della durata della combustione.
In questo modo, nel caso in cui si usi un carburante con un numero di cetano sconosciuto, dalla pressione nel cilindro misurata ad un angolo dell'albero a manovelle stabilito a priori o da un minimo di pressione misurato in un campo stabilito a priori di angoli nell’albero a manovella, per confronto con quello determinato in precedenza per un carburante con un numero di cetano definito nelle stesse condizioni al contorno allo stesso angolo dell'albero a manovelle o rispettivamente nello stesso campo di angolo dell'albero a manovelle e da un valore di riferimento registrato in un diagramma di curve caratteristiche è possibile derivare una grandezza caratteristica che è una misura delle proprietà di autoaccensione del carburante sconosciuto e di conseguenza può essere definita come equivalente del numero di cetano.
Quando la grandezza caratteristica derivata dalle pressioni nel cilindro misurate devìa da un valore di riferimento definito in precedenza per un carburante con un numero di cetano definito, in seguito vengono variati in modo mirato uno o più parametri che influiscono sulla combustione nei cilindri del motore a combustione interna o che la determinano, in modo tale che la pressione nel cilindro e di conseguenza in modo approssimativo anche la curva di combustione nei cilindri corrisponda a quella che si ottiene nelle stesse condizioni di funzionamento nel caso in cui si usi il carburante con il numero di cetano definito. In questo modo è possibile ottimizzare le emissioni del motore a combustione interna e rispettivamente il comportamento di marcia del veicolo a motore in modo indipendente dal numero di cetano del carburante di volta in volta usato.
Una possibilità per la misura delle pressioni nel cilindro prevede che queste vengano misurate direttamente in uno dei cilindri per mezzo di un sensore di pressione. Però in alternativa le pressioni nel cilindro possono anche venire misurate in un modo indiretto, per esempio per mezzo di un sensore che misura la deformazione della testata di cilindro provocata dalla pressione nel cilindro.
La valutazione delle pressioni nel cilindro misurate e la derivazione della grandezza caratteristica da queste pressioni nel cilindro con l’uso di un adatto software vengono opportunamente effettuate nella centralina di controllo motore del motore a combustione interna, però esse possono anche venire effettuate in una centralina di controllo aggiuntiva.
Di preferenza vengono valutate le pressioni nel cilindro che vengono misurate dopo la combustione di circa la metà del combustibile diesel introdotto nel cilindro e/o che vengono misurate circa dopo la metà della durata della combustione per il fatto che l’andamento delle pressioni nel cilindro lungo l’angolo dell'albero a manovelle nel caso in cui si usino dei carburanti con numeri di cetano diversi in questo campo presenta le differenze più grandi.
Conformemente ad una forma preferenziale di esecuzione della presente invenzione, la grandezza caratteristica derivata dalle pressioni nel cilindro misurate viene confrontata con un valore di riferimento che è stato determinato in precedenza per un combustibile diesel con un numero di cetano definito, per esempio 52, in condizioni di funzionamento corrispondenti ed è stato registrato in un diagramma di curve caratteristiche, per esempio in una memoria della centralina di comando del motore.
In caso di necessità, il che vuol dire quando la grandezza caratteristica derivata devìa dal valore di riferimento o valore di confronto memorizzato nel diagramma di curve caratteristiche per le stesse condizioni di funzionamento, dalla grandezza caratteristica viene formato un valore di correzione per la modifica di uno o più dei parametri determinanti per la combustione nei cilindri. Questi parametri possono tra l’altro comprendere la quantità del carburante alimentato nei cilindri in occasione di una o più preiniezioni, il momento in cui inizia la preiniezione o rispettivamente in cui iniziano le preiniezioni, la distanza temporale tra le preiniezioni o rispettivamente tra una preiniezione e l’iniezione principale, il livello della pressione di iniezione o rispettivamente della pressione del rail di un dispositivo di iniezione a common rail, il movimento vorticoso del carburante iniettato, il tasso di riciclo dei gas di scarico, il che vuol dire la quantità del gas di scarico riciclata nei cilindri, nonchè la pressione di sovralimentazione di un sovralimentatore del motore a combustione interna.
La variazione di uno o più di questi parametri viene effettuata in un modo stabilito a priori che dipende dalla grandezza caratteristica di volta in volta registrata e rispettivamente dalla sua deviazione dal valore di riferimento, dove è opportuno che per ogni grandezza caratteristica e rispettivamente ogni deviazione siano registrati dei corrispondenti valori di correzione in una memoria della centralina di comando motore. I valori di correzione sono scelti in modo tale che dopo la modifica dei parametri la curva di combustione nei cilindri del motore a combustione interna corrisponda alla curva (andamento) della combustione che si ha quando si usa il combustibile diesel con il numero di cetano definito, per esempio 52, dove anche le emissioni e il comportamento di marcia corrispondono a quelli che si hanno con l’uso di un tale carburante.
Sia la misura delle pressioni nel cilindro come pure la loro valutazione e i provvedimenti che in seguito vengono eventualmente presi possono venire effettuati in un modo di funzionamento speciale che è opportuno che venga attivato dopo un rifornimento del carburante del veicolo, per esempio quando il livello di carburante nel serbatoio del carburante aumenta di una misura minima stabilita a priori. Però è anche possibile in modo altrettanto buono effettuare la misura e la valutazione delle pressioni nel cilindro in continuo nel corso del funzionamento di marcia.
Oltre ad un andamento ottimale della combustione nei cilindri del motore a combustione interna, con i provvedimenti conformi all'invenzione è anche possibile impostare dei parametri ottimali per il trattamento secondario dei gas di scarico, per esempio per un filtro delle particelle o un catalizzatore ad accumulo di Nox nel tratto dei gas di scappamento del motore a combustione interna.
Per di più con i provvedimenti conformi all'invenzione vengono determinate non solo una grandezza caratteristica per un combustibile diesel sconosciuto, ma anche una grandezza caratteristica corrispondente per un carburante biodiesel, di modo che per mezzo della valutazione delle pressioni nel cilindro si può anche concludere che è stato usato un tale carburante e di conseguenza si può fare a meno dell’impiego di un sensore di estere metilico dell’olio di ravizzone (RME).
Nel seguito la presente invenzione viene spiegata in un modo più preciso sulla base di un esempio di esecuzione rappresentato nel disegno. Nelle figure:
Figura 1 mostra una vista schematica di un dispositivo conforme all'invenzione per l’ottimizzazione della combustione di combustibili diesel con differenti numeri di cetano in un motore diesel;
Figura 2 mostra una rappresentazione dell’andamento della pressione nel cilindro in un cilindro del motore diesel nel caso in cui vengano usati combustibili diesel con un numero di cetano di 52 e rispettivamente di 38.
Il dispositivo 1 rappresentato in figura 1 per l’ottimizzazione della combustione di combustibili diesel con differenti numeri di cetano in un motore diesel comprende la centralina di comando motore 2 del motore diesel nonché un sensore di pressione 4 montato nella testata di cilindro 4 del motore diesel che è collegato con la centralina di comando motore 2 attraverso una linea di segnale 5.
Il sensore di pressione 4 è inserito in un foro nella testata di cilindro 3 in modo tale che esso nel corso del funzionamento del motore diesel misura in continuo le pressioni nel cilindro Pzylche vi sono nella camera di combustione 6 del cilindro 7 che poi vengono comunicate alla centralina di comando del motore 2 per la valutazione attraverso la linea di segnale 5. In alternativa però si può anche usare un sensore di pressione che è integrato nella testata di cilindro 3 e che misura la deformazione della testata di cilindro 3 provocata dalle variazioni di pressione nel cilindro 7 per calcolare da ciò l’andamento della pressione nel cilindro Pzyl.
La figura 2 mostra l’andamento della pressione nel cilindro Pzylmisurata dal sensore di pressione 4 nel cilindro 7 in funzione dell’angolo dell'albero a manovelle – Kurbelwellenwinkel (KW) in condizioni di funzionamento definite nel funzionamento a carico parziale del motore diesel, come per esempio per due preiniezioni – Voreinspritzung – VE2 e VE1 nonché un’iniezione principale – Haupteinspritzung – HE che sono registrate insieme con la loro rispettiva durata temporale e le distanze temporali tra le iniezioni sotto l’andamento della pressione lungo l’angolo dell'albero a manovelle.
Mentre nel cilindro 7 si stabilisce l’andamento di pressione rappresentato in figura 2 come linea a tratto continuo A quando in esso viene bruciato un combustibile diesel con un numero di cetano di 52, la linea punteggiata B in figura 2 rispecchia la curva della pressione nel cilindro 7 nel caso di una combustione di un combustibile diesel con un numero di cetano di 38.
Come si può ricavare da figura 2, la curva della pressione per un angolo dell'albero a manovelle compreso tra meno 60 gradi di angolo dell'albero a manovelle e 0 gradi di angolo dell'albero a manovelle per tutti e due i carburanti è in sostanza uguale, però la curva della pressione nel carburante con il numero di cetano di 38 devìa in modo notevole a valori di angolo dell'albero a manovelle compresi tra 0 gradi KW (angolo dell'albero a manovelle) e circa 45 gradi KW a motivo del più grande ritardo di accensione, da quella del carburante con il numero di cetano di 52. Per di più, nel caso in cui si usi un carburante con un numero di cetano di 38 anche le emissioni di CO e di HC sono più alte.
In particolare si vede da figura 2 che il momento T50 in corrispondenza del quale è stata convertita la metà del carburante alimentato nel cilindro nel caso di un carburante con un numero di cetano di 52 (ct 52) si trova a circa 35 gradi di angolo dell'albero a manovelle, mentre nel caso di un carburante con un numero di cetano di 38 questo momento si trova a circa 46 gradi di angolo dell'albero a manovelle e pertanto è spostato verso un ritardo di oltre 10 gradi di angolo dell'albero a manovelle. Dato che l’andamento della rispettiva pressione nel cilindro Pzylpresenta un minimo di pressione Pminche si trova tra il punto morto superiore a 0 gradi di angolo dell'albero a manovelle e il rispettivo momento T50, nel caso di un carburante con un numero di cetano di 38 in confronto con un carburante con un numero di cetano di 52 per effetto dello spostamento del momento T50 verso un maggiore ritardo, ad un angolo dell'albero a manovelle di circa 35 gradi KW si ottiene una differenza notevole nella pressione nel cilindro Pzyl. Per di più, le due curve di pressione mostrano anche una differenza significativa per ciò che si riferisce al livello assoluto del minimo di pressione Pminper il fatto che il Pminnel caso di un carburante con un numero di cetano di 38 è notevolmente più basso in confronto con quello di un carburante con un numero di cetano di 52.
Tutte e due le differenze possono venire sfruttate mediante la valutazione delle pressioni nel cilindro Pzyla 35 gradi KW e rispettivamente nel campo compreso tra 0 gradi KW e 45 gradi KW per derivare, dalla pressione nel cilindro misurata a 35 gradi KW o rispettivamente dal livello del minimo di pressione Pminmisurato tra 0 gradi di angolo dell'albero a manovelle e 45 gradi di angolo dell'albero a manovelle, una grandezza caratteristica per il carburante di volta in volta bruciato nel cilindro 7, nella forma di un equivalente del numero di cetano.
Per quanto riguarda l’equivalente del numero di cetano derivato, si tratta di un valore che corrisponde circa al numero di cetano sconosciuto del carburante di fatto usato, il che vuol dire che si tratta di un valore caratteristico per le proprietà di autoaccensione del carburante quando viene iniettato nell’aria compressa nella camera di combustione 6, che in Germania viene determinata per i combustibili diesel di solito conformemente alla norma DIN-51773 in condizioni normalizzate.
La valutazione delle pressioni nel cilindro Pzylmisurate viene effettuata nella forma di realizzazione rappresentata nella centralina di comando del motore 2 che contiene un adatto circuito di valutazione 8. Questo circuito di valutazione 8 confronta per esempio la pressione nel cilindro Pzylmisurata ad un angolo dell'albero a manovelle di 35 gradi KW con una pressione che serve da valore di riferimento e che è stata misurata in precedenza con l’uso di un carburante con un numero di cetano definito, per esempio 52, di volta in volta nelle stesse condizioni di funzionamento ad un angolo dell'albero a manovelle di 35 gradi KW e poi è stata registrata in corrispondenti diagrammi di curve caratteristiche per le diverse condizioni di funzionamento possibili del motore, e ne deriva l’equivalente del numero di cetano del carburante usato. In alternativa, si può anche usare il minimo di pressione Pminper la valutazione o rispettivamente per la derivazione dell’equivalente del numero di cetano.
Quando nel corso della valutazione delle pressioni nel cilindro Pzylmisurate o rispettivamente dell’equivalente del numero di cetano da esse derivato è stato accertato che la pressione nel cilindro Pzylmisurata dal sensore di pressione 4 devìa dal valore di riferimento registrato per le stesse condizioni di funzionamento o rispettivamente l’equivalente del numero di cetano derivato devìa dal numero di cetano del carburante usato per la determinazione del valore di riferimento, dalla centralina di controllo motore 2 uno o più dei parametri che sono determinanti per la combustione nei cilindri 7 del motore, come la quantità del carburante alimentato nei cilindri 7 in occasione della prima o della seconda preiniezione VE1 e VE2 o rispettivamente dell’iniezione principale HE, il momento di inizio della prima o rispettivamente della seconda preiniezione VE1 e VE2, la distanza temporale tra la fine della prima preiniezione VE1 e l’inizio della seconda preiniezione VE2 o rispettivamente tra la fine della seconda preiniezione VE2 e l’inizio dell’iniezione principale HE, il livello della pressione di iniezione o rispettivamente della pressione nel rail di un dispositivo di iniezione a common rail del motore diesel o la quantità di gas di scarico riciclata vengono modificati in modo mirato fino a quando ad un angolo dell'albero a manovelle di 35 gradi KW la pressione nel cilindro Pzylmisurata, il minimo di pressione Pminmisurato nel campo tra 0 gradi di angolo dell'albero a manovelle e 45 gradi di angolo dell'albero a manovelle o rispettivamente l’equivalente del numero di cetano da esso derivato coincide di nuovo con il valore di riferimento. Questa coincidenza ha allora come conseguenza il fatto che anche la curva di combustione nel cilindro 7 corrisponde in modo approssimativo con la curva di combustione che si ha nel caso in cui si usi il carburante con il numero di cetano definito usato per la determinazione del valore di riferimento.
ELENCO DELLE CIFRE DI RIFERIMENTO
1 dispositivo
2 centralina di comando motore
3 testata di cilindro
4 sensore di pressione
5 linea di segnale
6 camera di combustione
7 cilindro
8 circuito di valutazione
VE1 prima preiniezione
VE2 seconda preiniezione
HE iniezione principale
KW angolo dell'albero a manovelle
Pzylpressione nel cilindro
Pminminimo di pressione
T50 50% di conversione
Claims (19)
- RIVENDICAZIONI Metodo per l’ottimizzazione della combustione di combustibili diesel con differenti numeri di cetano in un motore a combustione interna a ciclo diesel in cui in almeno un cilindro (7) del motore a combustione interna nel corso della durata della combustione vengono misurate delle pressioni nel cilindro (Pzyl), dove almeno una parte delle pressioni nel cilindro (Pzyl) misurate viene valutata al fine di derivare una grandezza caratteristica per il combustibile diesel alimentato nei cilindri (7) del motore a combustione interna, e dove la grandezza caratteristica viene usata per modificare parametri che determinano la combustione nei cilindri (7) del motore a combustione interna.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che i parametri che determinano la combustione nei cilindri (7) vengono modificati quando la grandezza caratteristica devia da un valore di riferimento stabilito a priori.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che vengono valutate le pressioni nel cilindro (Pzyl) che vengono misurate dopo la combustione di circa la metà del combustibile diesel introdotto nel cilindro (7).
- 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che vengono valutate le pressioni nel cilindro (Pzyl) che vengono misurate circa dopo la metà della durata della combustione.
- 5. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le pressioni nel cilindro (Pzyl) misurate o la grandezza caratteristica derivata da essa vengono confrontate con un valore di riferimento che è stato determinato per un combustibile diesel con un numero di cetano definito in condizioni di funzionamento corrispondenti ed è stato registrato in un diagramma di curve caratteristiche.
- 6. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene derivata mediante il confronto di una pressione nel cilindro (Pzyl) misurata e di un valore di riferimento.
- 7. Metodo secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene derivata mediante il confronto di una pressione nel cilindro (Pzyl) misurata tra 30 e 45 gradi di angolo dell'albero a manovelle e un valore di riferimento.
- 8. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene derivata mediante il confronto di un minimo di pressione (Pmin) delle pressioni nel cilindro (Pzyl) misurate e un valore di riferimento.
- 9. Metodo secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene derivata mediante il confronto di un minimo di pressione (Pmin) delle pressioni nel cilindro (Pzyl) misurate tra 0 e 45 gradi di angolo dell'albero a manovelle e un valore di riferimento.
- 10. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica derivata è un equivalente del numero di cetano.
- 11. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le pressioni nel cilindro (Pzyl) vengono misurate direttamente per mezzo di un sensore di pressione (4).
- 12. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le pressioni nel cilindro vengono misurate in modo indiretto per mezzo di un sensore che misura una deformazione della testata di cilindro provocata dalla pressione nel cilindro.
- 13. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene utilizzata allo scopo di variare la quantità del combustibile diesel alimentata nei cilindri (7) del motore a combustione interna nel corso di una preiniezione – Voreinspritzung (VE) – o di un'iniezione principale -Haupteinspritzung (HE).
- 14. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene usata per modificare la distanza temporale tra due iniezioni (VE1, VE2, HE) di combustibile diesel nei cilindri (7) del motore a combustione interna.
- 15. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene usata per variare la pressione nel rail di un dispositivo di iniezione a common rail del motore a combustione interna.
- 16. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene usata per modificare il movimento rotatorio del carburante iniettato al momento dell’iniezione di combustibile diesel nei cilindri (7) del motore a combustione interna.
- 17. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene usata per modificare la quantità del gas di scarico riciclata nei cilindri (7) del motore a combustione interna.
- 18. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la grandezza caratteristica viene usata per modificare la pressione di sovraalimentazione di un sovraalimentatore del motore a combustione interna.
- 19. Dispositivo per l’ottimizzazione della combustione di combustibili diesel con differenti numeri di cetano in un motore a combustione interna a ciclo diesel di un veicolo a motore con un congegno (4) per la misura di pressioni nel cilindro (Pzyl) in almeno un cilindro (7) del motore a combustione interna, congegni (2, 8) per la valutazione di una parte delle pressioni nel cilindro (Pzyl) misurate e per la derivazione di una grandezza caratteristica per il combustibile diesel alimentato nei cilindri (7) del motore a combustione interna, nonchè un congegno (2) per la modifica di parametri che determinano la combustione nei cilindri (7) in risposta ad una deviazione della grandezza caratteristica da un valore di riferimento stabilito a priori.
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