ITMO20010174A1 - Motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato - Google Patents
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Description
Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:
“MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA A FUNZIONAMENTO ALTERNATIVO PERFEZIONATO”.
DESCRIZIONE
Il presente trovato ha per oggetto un motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato.
E’ noto che i motori a combustione interna a funzionamento alternativo, ad accensione comandata o ad accensione spontanea, consentono di trasformare un fluido operante in energia utile.
I motori hanno un funzionamento ciclico che comprende le fasi di aspirazione, compressione, combustione-espansione e scarico del fluido.
I cicli di lavoro dei motori a combustione interna di tipo noto possono essere approssimati con il ciclo termodinamico ideale Sabathè che riproduce la fase di combustione con due trasformazioni: la prima a volume costante e la seconda a pressione costante.
Sono noti altri due cicli termodinamici ideali, semplificazioni del dclo Sabathè: il dclo Otto, nel quale la combustione è rappresentata con una trasformazione a volume costante, e il dclo Diesel, nel quale la combustione è rappresentata con una trasformazione a pressione costante.
E’ noto che il rendimento termodinamico del ciclo Otto ideale è, a parità di rapporto di compressione, più elevato rispetto a quello del dclo Diesel o del dclo Sabathè ideali.
Parte della perdita del rendimento termodinamico del ciclo di lavoro reale di un motore rispetto a quello di un ciclo termodinamico ideale è, senza dubbio, da attribuire alle modalità con cui avviene il processo di combustione e ai collegamenti fra stantuffi ed albero motore.
I meccanismi di collegamento dei motori di tipo noto sono costituiti da sistemi biella/manovella che consentono la trasformazione del moto rettilineo alternato degli stantuffi in moto rotatorio dell’albero motore.
Gli stantuffi sono connessi con l'albero motore tramite biella, il cui piede è incernierato allo spinotto degli stantuffi e la cui testa è accoppiata al perno di manovella dell'albero motore.
II piede si muove di moto rettilineo alternato assieme al rispettivo stantuffo, mentre la testa descrive una circonferenza di raggio pari alla metà della corsa dello stantuffo, ovvero al raggio di manovella.
Questi motori a combustione interna a funzionamento alternativo di tipo noto non sono scevri di inconvenienti tra i quali vanno annoverati il fatto che hanno rendimenti termodinamici molto inferiori ai rendimenti termodinamici ideali, non consentono una combustione a volume costante e comportano elevati consumi specifici.
Compito precipuo del presente trovato è quello di eliminare gli inconvenienti sopra lamentati dei motori di tipo noto escogitando un motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato che consenta di migliorare il rendimento termodinamico del ciclo di lavoro, di ottenere una combustione prossima a quella prevista dal ciclo Otto, di ridurre il consumo specifico e di aumentare la potenza ottenibile a parità di cilindrata e di velocità di rotazione.
Ulteriori scopi del presente trovato consistono nell’aumentare il rapporto tra potenza resa e peso del motore e tra potenza resa ed ingombro del motore, di ridurre le complesse articolazioni nella trasmissione del moto, di semplificare gli organi di trasmissione della potenza dalla camera di combustione all'uscita dell'albero motore e di attenuare gli squilibri e le vibrazioni delle masse alterne. Nell’ambito di tale compito tecnico, altro scopo del presente trovato è quello di assolvere i compiti precedenti con una struttura semplice, di relativamente facile attuazione pratica, di sicuro impiego ed efficace funzionamento, nonché di costo relativamente contenuto.
Questo compito e questi scopi vengono tutti raggiunti dal presente motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato del tipo comprendente almeno un cilindro cavo al cui interno è definito un vano di evoluzione di un fluido operante e che ha un’estremità chiusa da una testata e l’estremità contrapposta chiusa da uno stantuffo scorrevole di moto rettilineo alternato in detto vano fra un punto morto inferiore, di massima distanza da detta testata, e un punto morto superiore, di minima distanza da detta testata, e un dispositivo di trasformazione di detto moto rettilineo alternato in moto rotatorio di un albero motore che comprende almeno un’asta di spinta, sostanzialmente ortogonale a detto albero ed avente una prima estremità associata allo stantuffo e una seconda estremità provvista di elementi di spinta, e almeno un eccentrico sagomato che è calettato su detto albero e su cui è definito un elemento circuitale percorribile da detti elementi di spinta ad esso meccanicamente vincolati, l’evoluzione del fluido nel vano imprimendo allo stantuffo una spinta di azionamento dell’asta in moto rettilineo alternato con lo scorrimento degli elementi di spinta lungo l’elemento circuitale a trasferire detta spinta all’eccentrico per l’azionamento in rotazione dell’albero motore, caraterizzato dal fato che comprende mezzi di regolazione di deto scorrimento degli elementi di spinta lungo l’elemento circuitale che, quando lo stantuffo è almeno in prossimità di uno di detti punti morti, sono atti a mantenere l’asta e lo stantuffo in una configurazione di sostanziale stazionarietà per un predefinibile angolo di rotazione dell’albero motore.
Ulteriori carateristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di dettaglio di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato illustrato a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:
la figura 1 è una vista schematica, parzialmente sezionata, di un motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato secondo il trovato all’inizio della fase di aspirazione;
la figura 2 è una vista parzialmente sezionata del motore di figura 1 all’inizio della fase di compressione;
la figura 3 è una vista parzialmente sezionata del motore di figura 1 all’inizio della fase di combustione espansione;
la figura 4 è una vista parzialmente sezionata del motore di figura 1 all’inizio della fase di scarico;
la figura 5 è ima vista schematica in assonometria del dispositivo di trasformazione del moto rettilineo alternato dello stantuffo in moto rotatorio dell’albero motore del motore secondo il trovato;
la figura 6 è una vista schematica frontale del dispositivo di figura 5;
la figura 7 è una sezione schematica di figura 6.
Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato con 1 un cilindro di un motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato, secondo il trovato.
11 cilindro 1 ha un’estremità chiusa da una testata 2 provvista di una luce di alimentazione di un fluido operante F, comandata da una valvola di aspirazione 3, e di una luce di scarico del fluido F, comandata da una valvola di scarico 4; l’estremità contrapposta del cilindro 1 è chiusa da uno stantuffo 5 scorrevole di moto rettilineo alternato all’interno del cilindro 1 stesso.
Il fluido operante entra nel vano 2a individuato dalle pareti interne del cilindro 1, dal cielo dello stantuffo 5 e dalla superficie inferiore della testata 2, ed evolve termodinamicamente al'intemo del vano 2a quando questo varia in dimensioni. Lo stantuffo 5 è associato solidale ad una prima estremità di un’asta di spinta 6 che ha la seconda estremità 7 provvista di elementi di spinta costituiti da un primo e da un secondo perno 8 e 9 meccanicamente vincolati a scorrere lungo un elemento circuitale 10 definito su un eccentrico sagomato 11.
L’eccentrico 11 è costituito da un corpo discoidale calettato su un albero motore 12 e su una faccia del quale è definito in rilievo l’elemento circuitale 10.
Il primo perno 8 e il secondo perno 9 scorrono, rispettivamente, lungo il profilo esterno ed interno dell’elemento circuitale 10.
L’albero 12, rettilineo e ortogonale all’asta 6, è reso motore dalla trasformazione d'energia del fluido F che muove lo stantuffo 5.
L’elemento circuitale 10 è costituito da due lobi tra loro raccordati e sfasati a 180° l’uno rispetto all’altro con due rami per ciascun lobo, così che l’evoluzione del fluido F operante nel vano 2a avvenga in 360° di rotazione dell’albero 12.
Si sono indicati con A, B, C e D, i punti teorici tra i quali si svolgono le quattro fasi lungo i rispettivi rami AB, BC, CD e DA dell'elemento circuitale 10.
Lo stantuffo 5 trasmette il moto all’albero motore 12 tramite estremità 7 dell’asta 6, che è meccanicamente vincolata, attraverso i perni 8 e 9, a seguire l’elemento circuitale 10 dell’eccentrico 11 rotante alla stessa velocità dell’albero 12.
Il moto dell’albero 12 è sostanzialmente costante, mentre lo stantuffo 5 è dotato di un moto periodico variabile in velocità tra due valori nulli: il punto morto superiore (PMS), rappresentato nelle figure 1 e 3 e a cui corrispondono i punti A e C dell’elemento circuitale 10, e il punto morto inferiore (PMI), rappresentato nelle figure 2 e 4 e a cui corrispondono i punti B e D dell’elemento circuitale 10.
Durante una corsa dal PMS al PMI, e viceversa, lo stantuffo 5 definisce un volume (cilindrata) calcolato come prodotto della superficie del cielo dello stantuffo 5 per la corsa.
L’ingresso e l’uscita del fluido operatore sono regolati rispettivamente dalla valvola di aspirazione 3 e dalla valvola di scarico 4.
Il motore secondo il trovato comprende, inoltre, mezzi di regolazione 13 dello scorrimento dei perni 8 e 9 lungo l’elemento circuitale 10 che mantengono l’asta 6, e quindi lo stantuffo 5, in configurazione di sostanziale stazionarietà, per un angolo di rotazione dell’albero 12 di ampiezza predefinibile, quando lo stantuffo 5 è in prossimità del PMS e/o del PMI.
Quando lo stantuffo 5 è in prossimità del PMS corrispondente alla fase di combustione (punto C), durante la stessa il volume del vano 2a rimane pressoché costante e ciò consente di realizzare un ciclo di lavoro prossimo al ciclo ideale Otto a combustione a volume costante.
Analogamente, quando lo stantuffo 5 è in prossimità del PMS corrispondente alla fase di aspirazione (punto A) e/o in prossimità del PMI corrispondente alla fase di scarico (punto D), durante le stesse il volume del vano 2a rimane pressoché costante e ciò consente di realizzare un ciclo di lavoro ad aspirazione e/o scarico a volume costante.
I mezzi di regolazione 13 comprendono raccordi 14a e 14b a forma di archi di circonferenza, corrispondenti al suddetto angolo predefinibile di rotazione dell’albero 12, che collegano rispettivamente i due rami BC e CD, costituenti uno dei due lobi in corrispondenza del punto C, e i due rami AB e DA, costituenti l’altro lobo in corrispondenza del punto A.
I mezzi di regolazione 13 comprendono, inoltre, raccordi 15 a forma di archi di circonferenza, corrispondenti al suddetto angolo predefinibile di rotazione dell’albero 12, che collegano rispettivamente i due rami CD e DA in corrispondenza del punto D e i due rami AB e BC in corrispondenza del punto B. L’ampiezza dell’arco di circonferenza dei raccordi 14a, 14b e 15 è compresa fra i 5 e i 60 gradi sessagesimali.
I mezzi di regolazione 13 comprendono, inoltre, mezzi di stabilizzazione dell’asta 6 che sono costituiti da un bilanciere 16 e che consentono di mantenere lo stantuffo 5 in configurazione di stazionarietà per un maggiore angolo di rotazione dell’albero 12.
II bilanciere 16, sagomato a forma di corona circolare, è associato all’asta 6 ed è interposto fra il primo perno 8 e l’elemento circuitale 10; il bilanciere 16 è provvisto di rotelle 17 vincolate a scorrere lungo l’elemento circuitale 10.
Si è indicato con 18 un supporto e con 19 mezzi di guida del moto rettilineo dell’asta 6 costituiti da una feritoia 20 ricavata nel supporto 18 ed all’intemo della quale scorrono rulli di guida 21 montati in aggetto sul retro dell’asta 6.
In figura 1 è rappresentata la fase di aspirazione in cui il fluido F entra nel vano 2a attraverso la luce di alimentazione, la valvola di aspirazione 3 essendo aperta e la valvola di scarico 4 chiusa.
La fase di aspirazione si compie in 90° di rotazione dell’albero 12: inizia quando 10 stantuffo 5 è al PMS, i perni 8 e 9 essendo in corrispondenza del punto A dell’elemento circuitale 10, e termina quando lo stantuffo 5 raggiunge il PMI, i perni 8 e 9 essendo in corrispondenza del punto B dell’elemento circuitale 10. 11 raccordo 14b, definito in corrispondenza del punto A (PMS), consente di mantenere in condizioni di stazionarietà l’asta 6 e lo stantuffo 5, per un angolo di rotazione dell’albero 12 corrispondente alla fase di aspirazione.
In figura 2 è rappresentata la fase di compressione che inizia con lo stantuffo 5 al PMI, con la valvola di aspirazione 3 in fase di chiusura e la valvola di scarico 4 completamente chiusa, e termina con lo stantuffo 5 al PMS (punto C.
La fase di compressione corrisponde al ramo BC dell’elemento circuitale 10 percorso dai perni 8 e 9 e si compie nei successivi 90° di rotazione dell’albero 12. In figura 3 è rappresentata la fase utile di combustione ed espansione che ha inizio con lo stantuffo 5 al PMS (punto C e con le valvole 3 e 4 chiuse e che termina quando lo stantuffo 5 raggiunge il PMI (punto D).
La fase utile corrisponde al ramo CD dell’elemento circuitale 10 e si compie in 90° di rotazione dell’albero 12.
Il raccordo 14a definito in corrispondenza del punto C (PMS) consente di mantenere l’asta 6 e lo stantuffo 5 in configurazione di stazionarietà per un certo angolo di rotazione dell’albero 12, durante il quale si svolge la fase di combustione.
La presenza del bilanciere 16 è utile per ampliare l’intervallo di tempo, ossia l’angolo di rotazione dell’albero 12, durante il quale l’asta 6 e lo stantuffo 5 permangono in configurazione di stazionarietà.
La combustione espansione si completa lungo l’arco CD.
Infine in figura 4 è rappresentata la fase di scarico che inizia con lo stantuffo 5 al PMI (punto D), la valvola di scarico 4 aperta e la valvola di aspirazione 3 chiusa, e che termina quando lo stantuffo 5 raggiunge il PMS (punto A).
La fase di scarico corrisponde al ramo DA dell’elemento circuitale 10 e si compie in 90° di rotazione dell’albero 12.
In tal caso il raccordo 15, definito in corrispondenza del punto D (PMI), consente di mantenere in condizioni di stazionarietà l’asta 6 e lo stantuffo 5, per un angolo di rotazione dell’albero 12 corrispondente alla fase di scarico.
Il motore perfezionato nella forma di realizzazione raffigurata è quindi un motore a quattro tempi in cui le varie fasi del ciclo si succedono serialmente durante un solo giro (360°) di rotazione dell’albero motore, mentre nei motori di tipo noto esse si succedono durante due giri.
Perciò il numero di fasi utili per ciclo raddoppia: la potenza in uscita dall’albero motore raddoppia rispetto a quella in uscita dall’albero di un equivalente motore a quattro tempi di tipo tradizionale, a parità di cilindrata e velocità di rotazione. Vantaggiosamente il numero delle fasi utili ottenibili ad ogni giro di rotazione dell’albero motore 12 aumenta modificando il profilo dell’eccentrico 11, ovvero l’elemento circuitale 10; ad esempio, si possono avere tre, quattro o più fasi utili per ogni giro.
Infatti, l’elemento circuitale 10 può essere costituito da tre lobi tra loro raccordati e sfasati a 120° l’uno rispetto all’altro con due rami per ciascuno di essi, così che l’evoluzione del fluido operante nel vano 2a avvenga in 240° di rotazione dell’albero 12.
Oppure i lobi possono essere quattro, tra loro raccordati e sfasati a 90° l’uno rispetto all’altro con due rami per ciascuno di essi, così che l’evoluzione del fluido operante nel vano 2a avvenga in 180° di rotazione dell’albero 12.
Si è in pratica constatato come il trovato descritto raggiunga gli scopi proposti. La potenza in uscita dall’albero motore aumenta rispetto ad un motore equivalente di tipo tradizionale, a parità di cilindrata e di velocità di rotazione, in quanto aumenta il numero di fasi utili ottenibili ad ogni giro di rotazione dell’albero motore.
Il moto dell’asta di spinta è di tipo alternato in una sola direzione e ne consegue che il comportamento cinematico del manovellismo corrisponde a quello che si avrebbe in un motore tradizionale con una biella di lunghezza infinita.
La legge del suddetto moto è quindi del tipo puramente armonico, generando un profilo di accelerazione perfettamente cosinusoidale con annullamento di tutte le componenti di ordine superiore al primo.
Una diretta conseguenza di ciò è l’annullamento delle forze di inerzia delle masse alterne di secondo ordine, che sono una delle cause più importanti delle vibrazioni dei motori a combustione interna.
A solo titolo esemplificativo, realizzando un motore bicilindrico a cilindri contrapposti, con elemento circuitale a due lobi come rappresentato nelle suddette figure, si realizza l’equilibratura delle forze d’inerzia del primo e secondo ordine, mentre non sono presenti coppie d’inerzia, ottenendo un grado di equilibratura pari a quello di un motore tradizionale con sei cilindri in linea.
Infine, con il raccordo 14a in corrispondenza del PMS e con il bilanciere 16 la fase di combustione avviene secondo un ciclo ideale a volume costante di tipo Otto: l’asta 6 e lo stantuffo 5 stazionano infatti in prossimità del PMS per un angolo di rotazione dell’albero 12 durante il quale si svolge la combustione.
Come è noto, il ciclo di un motore a combustione interna con combustione a volume costante (ciclo Otto) è quello caratterizzato dal più elevato rendimento termodinamico rispetto ad altri cicli proponibili, quale il ciclo Diesel o il ciclo Sabathé a cui sono riconducibili gli attuali cicli dei motori endotermici ad accensione comandata e spontanea.
Il motore perfezionato secondo il trovato consente pertanto di incrementare il rendimento termodinamico del ciclo di trasformazione del fluido operante e di aumentare la potenza in uscita all’albero motore.
Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo.
Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri tecnicamente equivalenti.
In pratica i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze senza per questo uscire dall’ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni.
Claims (18)
- RIVENDICAZIONI 1) Motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato del tipo comprendente almeno un cilindro cavo al cui interno è definito un vano di evoluzione di un fluido operante e che ha un’estremità chiusa da una testata e estremità contrapposta chiusa da uno stantuffo scorrevole di moto rettilineo alternato in detto vano fra un punto morto inferiore, di massima distanza da detta testata, e un punto morto superiore, di minima distanza da detta testata, e un dispositivo di trasformazione di detto moto rettilineo alternato in moto rotatorio di un albero motore che comprende almeno un’asta di spinta, sostanzialmente ortogonale a detto albero ed avente una prima estremità associata allo stantuffo e una seconda estremità provvista di elementi di spinta, e almeno un eccentrico sagomato che è calettato su detto albero e su cui è definito un elemento circuitale percorribile da detti elementi di spinta ad esso meccanicamente vincolati, l’evoluzione del fluido nel vano imprimendo allo stantuffo una spinta di azionamento dell’asta in moto rettilineo alternato con lo scorrimento degli elementi di spinta lungo l’elemento circuitale a trasferire detta spinta all’eccentrico per l’azionamento in rotazione dell’albero motore, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi di regolazione di detto scorrimento degli elementi di spinta lungo l’elemento circuitale che, quando lo stantuffo è almeno in prossimità di uno di detti punti morti, sono atti a mantenere l’asta e lo stantuffo in una configurazione di sostanziale stazionarietà per un predefinibile angolo di rotazione dell’albero motore.
- 2) Motore secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione sono atti a mantenere l’asta e lo stantuffo in detta configurazione di stazionarietà quando lo stantuffo è in prossimità del punto morto superiore corrispondente alla fase di combustione, durante la quale il volume del vano rimane sostanzialmente costante.
- 3) Motore secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione sono atti a mantenere l’asta e lo stantuffo in detta configurazione di stazionarietà quando lo stantuffo è in prossimità del punto morto superiore corrispondente alla fase di aspirazione, durante la quale il volume del vano rimane sostanzialmente costante.
- 4) Motore secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione sono atti a mantenere l’asta e lo stantuffo in detta configurazione di stazionarietà quando lo stantuffo è in prossimità del punto morto inferiore corrispondente alla fase di scarico, durante la quale il volume del vano rimane sostanzialmente costante.
- 5) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che il profilo di detto elemento circuitale è costituito da due lobi tra loro raccordati e sfasati a 180° l’uno rispetto all’altro con due rami per ciascuno di detti lobi, l’evoluzione del fluido operante nel vano avvenendo in 360° di rotazione dell’albero motore.
- 6) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che il profilo di detto elemento circuitale è costituito da tre lobi tra loro raccordati e sfasati a 120° l’uno rispetto all’altro con due rami per ciascuno di detti lobi, l’evoluzione del fluido operante nel vano avvenendo in 240° di rotazione dell’albero motore.
- 7) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che il profilo di detto elemento circuitale è costituito da quattro lobi tra loro raccordati e sfasati a 90° l’uno rispetto all’altro con due rami per ciascuno di detti lobi, l’evoluzione del fluido operante nel vano avvenendo in 180° di rotazione dell’albero motore.
- 8) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione comprendono un raccordo dei due rami di almeno uno di detti lobi avente forma sostanzialmente di arco di circonferenza.
- 9) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione comprendono un raccordo di almeno due rami contigui di almeno due lobi consecutivi avente forma sostanzialmente di arco di circonferenza.
- 10) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione comprendono mezzi di stabilizzazione dell’asta che sono atti ad ampliare detto angolo di rotazione dell’albero motore corrispondente a detta configurazione di stazionarietà dello stantuffo.
- 11) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detto arco di circonferenza ha ampiezza compresa fra 5 gradi sessagesimali e 60 gradi sessagesimali.
- 12) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detti mezzi di stabilizzazione comprendono un bilanciere sagomato che è associato a detta asta e vincolato a scorrere lungo detto elemento circuitale.
- 13) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detto bilanciere ha forma sostanzialmente di un arco di corona circolare.
- 14) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detto arco di corona circolare ha ampiezza sostanzialmente pari all’ampiezza di detto arco di circonferenza.
- 15) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detto eccentrico comprende un corpo discoidale calettato su detto albero motore e su una faccia del quale è definito in rilievo detto elemento circuitale e che detti elementi di spinta sono costituti da almeno un primo perno e un secondo perno atti ad abbracciare detto elemento circuitale e a scorrere lungo i rispettivi profili esterno ed interno.
- 16) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detti mezzi di stabilizzazione sono interposti fra detto primo perno e detto elemento circuitale.
- 17) Motore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che detto albero motore è rettilineo.
- 18) Motore a combustione interna a funzionamento alternativo perfezionato, secondo quanto descritto ed illustrato agli scopi specificati.
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