Controle de combustível: tudo o que você precisa saber sobre injeção eletrônica

Rodrigo Passos 26 dezembro, 2017 0
Controle de combustível: tudo o que você precisa saber sobre injeção eletrônica

Com o aumento da necessidade pelo maior controle de emissões, maior eficiência e também maior potência, os carburadores começaram a abrir espaço para a injeção de combustível, ficando em segundo plano no final da década de 1980. As vantagens do controle eletrônico são inegáveis, e hoje nós vamos destrinchar as funções, características e opções de unidades de controle.

Mas antes de começarmos efetivamente, devo avisar a vocês que este papo é uma introdução ao assunto. Questões profundas e detalhes de ajuste cabem a profissionais especializados da área, então com toda certeza várias dúvidas sobre o assunto irão surgir. Na verdade esta é a intenção, fomentar a discussão e atiçar a curiosidade de vocês sobre o assunto para que cada um busque mais informações e possa conversar mais claramente com seu preparador. Dito isto, vamos ao que interessa.

 

O início da era injetada

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Antes da eletrônica se tornar o principal caminho para o gerenciamento de combustível, fabricantes procuraram um meio mais preciso e flexível de alimentar o motor que os carburadores. Na década de 1960 a FAG Kugelfisher (posteriormente adquirida pela Bosch), que produzia bombas de injeção para motores Diesel, passou a fornecer bombas para a Alfa Romeo, BMW, Citroën, Lancia, Peugeot e Porsche. Carros icônicos como o BMW 2002 Tii turbo, o superesportivo BMW M1 e o 911 Carrera RS utilizavam essa tecnologia.

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Estas bombas possuem uma árvore de cames que aciona diversos pistões responsáveis por pressurizar o combustível que será enviado para cada bico injetor. Para ajustar a demanda, o sistema se baseia na posição da borboleta, temperatura do motor e em alguns casos na pressão ambiente.

Dentro do corpo da bomba há uma alavanca que controla a altura das câmaras com base no deslocamento de um tronco de cone. Este possui um perfil que chamamos de igual percentagem. Quando as câmaras estão na posição mais baixa canais de comunicação fazem com que parte do combustível retorne para o header, reduzindo a quantidade de combustível efetivamente bombeada para os bicos. Quando as câmaras estão na posição mais elevada os pistões realizam seu curso sem interferência dos canais, assim o volume máximo é atomizado pelos bicos.

Esta era uma forma muito efetiva de controle, pois permitia um bom controle de demanda. Pela sua robustez, as bombas foram e ainda são muito utilizadas no motorsport, a exemplo do vídeo acima.

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Paralelo a isso (na verdade antes) num canto do Mississipi, Stuart Hilborn criava a injeção mecânica de fluxo contínuo. Ele era um químico, veterano da segunda guerra e gearhead. Com a ideia de fazer um “carburador melhor” para seu streamliner, ele colocou injetores individuais no seu V8 e os alimentou com uma bomba de grande capacidade. Mas a chave estava em controlar a vazão de acordo com a demanda. Em 1948 ele apresentou seu sistema numa exposição de hot rods.

A principal diferença para o sistema da Kugelfisher está no fornecimento constante de combustível. Vejam o vídeo acima: mesmo quando as borboletas estão fechadas o sistema está vertendo combustível. Isso prejudica a dirigibilidade em rotações mais baixas, então esse tipo de injeção é indicada somente para as pistas, sendo mais usada em motores de arrancada vintage.

As injeções eletrônicas vieram após isso, e sua história foi bem detalhada aqui pelo Leo. No Brasil a EFI chegou através do Gol GTI em 1989. Uma central Bosch LE Jetronic gerenciava os 120 cv do hot hatch brazuca e também do Voyage que a Volkswagen exportava para os EUA como “Fox”.

 

Ferramentas

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Qualquer entusiasta tem uma caixa de ferramentas com o básico. Chaves de fenda, phillips, alicate universal, de bico, trena, etc. Mas se você quer ajustar a sua injeção eletrônica (ou mesmo virar um profissional da área), só uma maletinha com ferramentas manuais não é suficiente.

Comece com um bom multímetro, ele é a ferramenta essencial para checar os sensores e atuadores de um veículo. Tensão, corrente, resistência e mesmo temperatura podem ser lidos com essa ferramenta. Por isso invista num modelo de boa qualidade. Pela minha referência industrial eu indico os equipamentos da Fluke, mesmo tendo preços mais salgados que a maioria eles valem o investimento (tenho um em casa há quase 10 anos). Existem fabricantes como Minipa, HT e outros, que também produzem bons multímetros a preços mais baixos.

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Se você tem um pouco mais de grana para gastar, invista também em um osciloscópio portátil ou mesmo de bancada. Eles te darão uma melhor visão do comportamento de sensores que trabalham com frequência, sinais de rede (caso você esteja lidando com a rede CAN, por exemplo) ou sinais que variam em função do tempo, como acontece com o sensor de posição de borboleta.

Além do osciloscópio, procure também por uma pistola estroboscópica para o ajuste do ponto base de ignição. Somente com ele ajustado você consegue partir o motor, e ficar na tentativa e erro pode lhe consumir um bom tempo até você realmente ganhar o feeling da coisa.

O cascalho não é problema? Então invista também num controlador/indicador de lambda e num indicador de detonação. Assim você poderá fazer os ajustes de modo mais seguro.

 

Os sensores

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As ECU, assim como humanos, precisam de referências para tomar decisões. E ao contrário dos humanos, computadores sempre se pautam em dados sólidos. No caso das injeções esses dados são adquiridos através de sensores. Cada sensor apresenta um princípio de funcionamento e aplicação específicos.

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O sensor MAF (Mass Air Flow) ou sensor de vazão mássica de ar. Ele mede a vazão de ar entra no motor. E ele o faz através do princípio de dispersão térmica. Um nome difícil para um fenômeno relativamente simples. Quando é inverno e está ventando, a sensação térmica é menor que a temperatura real, não é? Isso acontece porque o calor do nosso corpo aquece uma micro camada de ar ao nosso redor, e quando o vento sopra ele leva essa camada além de parte do calor da superfície. O mesmo ocorre com o sensor. Nele há um filme, fio ou bulbo resistivo aquecido, que dispersa calor no ambiente. A resistência deste elemento varia de acordo com a temperatura dele, quando o fluxo de ar ocorre, ele rouba calor do elemento variando a sua temperatura. Ligado a este elemento está um circuito que compara a potência enviada e a que retorna. Baseado no diferencial entre estas o circuito determina o fluxo passante. O sinal de saída é analógico, variando ente zero e 5 V.

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Então você pode se perguntar. Mas se a resistência varia com a temperatura, quando a temperatura do ambiente variar, o sensor não apresentaria erro de leitura? A resposta é sim. Então pensando nisso, é instalado um sensor passivo (não aquecido) com as mesmas características de resistência do sensor ativo. Assim ele serve de referência para a temperatura do ambiente. E como ele não possui calor maior que o encontrado no ar, o fluxo não influencia na sua resistência.

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O Sensor MAP (Mass Air Pressure), sensor de pressão do ar, indica para ECU o valor de pressão lido dentro do coletor de admissão, após a borboleta. Com base nessa informação pode-se calcular a massa que está sendo admitida pelo motor, daí a referência a mass. Dentro do encapsulamento há um cristal piezoeléctrico que varia linearmente a tensão de acordo com a pressão aplicada. Para evitar leituras incorretas, antes da partida a ECU verifica o sinal indicado pelo sensor e o toma como referência de pressão atmosférica. Pois neste momento a pressão dentro do coletor está equalizada com o ambiente. Os modelos mais modernos integram ainda um sensor de temperatura do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient), que é outro fator de correção para o cálculo da ECU. Estes modelos são chamados de TMAP, acrescentando a temperatura à sigla já existente.

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Os sensores magnéticos são alicerces para o funcionamento de um motor moderno, pois eles indicam a posição e velocidade do virabrequim e do comando de válvulas. Há dois tipos de sensor que executam estas funções.

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Os sensores indutivos são analógicos e geram seu sinal a partir da interferência do campo magnético causada pela proximidade de um material ferromagnético.  Explicando de forma simples. Dentro do sensor há uma bobina enrolada ao redor de um imã, o que gera uma tensão constante, devido ao campo magnético do imã. Quando o dente da roda fônica se aproxima do sensor ele interfere neste campo magnético gerando uma onda senoidal. É baseada nesta onda que a ECU realiza sua medição, pois quanto maior a velocidade angular da roda fônica, maior a amplitude (altura) da onda. Já os sensores de efeito Hall são digitais. Eles possuem dois transistores de efeito Hall dentro da cápsula. Quando o dente da roda fônica se aproxima dos transistores ele interfere no campo gerado por estes, então é gerada uma onda quadrada, que varia sua frequência de acordo com a velocidade angular da roda fônica.

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Para que a ECU interprete corretamente o sinal é necessário sincronizar o ponto morto superior do cilindro 1 com um dente da roda fônica. A tabela acima mostra os dentes a posição sugerida para cada motor usando uma roda fônica 36-1. Lembrando que a contagem começa no dente que se segue a falha (dente faltante), considerando o sentido de rotação de rotação do motor. Esse tipo de informação também é encontrada nos manuais dos fabricantes de ECUs programáveis. As centrais mais modernas não pedem um dente específico, apenas é necessário que você informe o dente que está alinhado, se o sinal é ascendente (rise) ou descendente (fall) e aonda o ângulo estimado, caso a borda do dente não esteja exatamente alinhada com o sensor.

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Além dos sensores de vazão, a ECU utiliza o sensor de ângulo da borboleta (Throttle Position Sensor) para determinar a carga necessária. O TPS é um potenciômetro que varia a resistência de saída linearmente. Assim o ângulo da borboleta é convertido em um sinal linear de tensão de 0 a 5 Volts. Em motores mais modernos não há mais um sensor TPS. Este foi substituído por sensores ligados diretamente ao pedal do acelerador iniciando a era drive by wire para os automóveis. Onde a abertura da borboleta de aceleração leva em conta outros fatores e não somente a demanda que o motorista impõe ao pedalzinho da direita.

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Para monitorar a temperatura de operação do motor são utilizados sensores do tipo NTC, sobre os quais já falamos acima. Eles utilizam o principio de variação negativa da resistência, ou seja, quanto maior a temperatura do sensor menor será a resistência deste e maior será a tensão de saída.

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Para o controle preciso de combustível é importante que a central tenha um feedback da mistura que entra no motor. Essa função é desempenhada pelo sensor de oxigênio. Mais conhecido como sonda lambda, este sensor analisa a quantidade de oxigênio presente nos gases de escape. Para comparar a quantidade de oxigênio residual o circuito de análise toma referência de uma célula Nernst. Os modelos de sonda mais modernos como a LSU 4.9 da Bosch abandonaram o uso da célula de referência por problemas de contaminação. Ao invés disso, elas utilizam uma referência de tensão equivalente ao valor apresentado anteriormente pela célula.

 

Atuadores

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Após receber e processar os dados, a ECU precisa atuar no motor, controlando a sua potência de acordo com a demanda. Para isso existem diversos atuadores, dentro os quais se destacam os bicos injetores e as bobinas de ignição. Aqui vamos falar especificamente dos bicos injetores. Eles são válvulas de controle que trabalham variando seu estado entre aberto e fechado. Não há meio termo para isso.

Podemos dividir os bicos em duas classes.

  • Saturados: São bicos de alta impedância (> 10 ohms), eles necessitam de uma corrente de excitação muito baixa para operar e apresentam baixo tempo de resposta (dead time).
  • Peak and hold: São bicos de baixa impedância (<3 ohms), recebem esse nome porque necessitam de uma corrente de excitação de pico (por volta de 4 A) e uma corrente mais baixa para manterem-se abertos ( aproximadamente 1 A).

Existem pros e contras na escolha de cada um, por exemplo. Os saturados normalmente são encontrados com capacidade de vazão menor que os peak and hold. Porém os P&H precisam de módulos de maior potência para sua operação.

 

Tamanho faz diferença

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Imagine que você está montando seu projeto meticulosamente. Comando de válvulas adequado, cabeçote com aquele talento especial, coletores, pistões, tudo nos conformes. E quando chega a hora de dimensionar o hardware do sistema de combustível, a dúvida bate a porta. Algumas empresas e preparadores se baseiam em valores estatísticos de BSFC. O Break Specific Fuel Conumption (numa tradução livre, consumo específico de combustível em carga) é a quantidade de combustível consumido pelo motor para gerar um valor X de potência.

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Onde:

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Os valores expressos em gramas por Joule estão de acordo com o SI, porém normalmente encontramos as medições em quilogramas por quilowatt hora (kg/kW.h) ou libras por cavalo hora (lb/hp.h). A grande questão do consumo específico é, só podemos saber seu real valor quando colocamos o motor em um dinamômetro para aferir seu desempenho ao mesmo tempo em que medimos a massa de combustível consumida para a condição em que o motor opera. Então entramos num beco sem saída?

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Não necessariamente. Os valores, na maioria das vezes, baseiam-se em dados estatísticos. E esse é sempre um bom alicerce para iniciar uma análise. Porém é importante saber que os valores se referem ao consumo de gasolina. Para combustíveis como Etanol, Metanol ou GNV é necessário efetuar o cálculo de proporção. Por exemplo, a gasolina tem poder calorífico aproximadamente 61,3% maior que o do etanol, então para converter o consumo para este combustível, é necessário multiplicar por 1,613. Abaixo temos uma tabela com os valores mais comuns de BSFC.

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Abaixo segue a tabela de conversão entre combustíveis, basta multiplicar o valor do consumo específico pelo fator de conversão.

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Com base nesses dados podemos calcular a vazão necessária para alimentar uma potência Y. Por exemplo, um motor com alta taxa de compressão, naturalmente aspirado, produzindo duzentos cavalos de potência (149,14 kW), segundo nossa tabela, consumirá 42,71 kg/h. Dividindo por 60, temos uma vazão aproximada de 712 gramas por minuto. Se o nosso motor tem quatro cilindros, dividimos então a vazão total pelo número de cilindros (4). Então a vazão por cilindro deve ser de 178 gramas por minuto. Precisamos ainda levar em conta o ciclo de carga dos bicos injetores, pois trabalhar a 100% deste ciclo significa a saturação dos injetores, ou seja, a perda de controle. Alguns fabricantes falam de um ciclo ótimo entre 40% e 60% da capacidade máxima de vazão dos bicos, mas é plenamente comum utilizar valores até 80% da vazão nominal. Trocando em miúdos, vamos multiplicar o valor encontrado por 1,2 ao menos, assim garantirmos estar dentro do ciclo de carga mesmo no limite de potência. Então chegamos ao valor de 213,5 gramas por minuto de vazão mássica. Para os valores em libras por hora (muito comuns mesmo aqui no país) você pode utilizar os valores da tabela em lb/hp.h, ou multiplicar o resultado encontrado aqui por 0,132.

Aí você diz: Rodrigo, eu já ouvi falar que aumentando a pressão de combustível eu consigo ter ganhos em vazão.

Cara… esqueça isso. Se você dobrar a pressão de injeção, a vazão aumenta apenas em 40%. Porém esse aumento de pressão gera uma força maior que se opõe a abertura ou fechamento da agulha. Ela pode chegar a um ponto onde a agulha não abra mais.  E mesmo antes dessa condição, você afetará o dead time do injetor que demora mais para abrir e fechar afetando o controle da mistura. Ou seja, o prejuízo é maior que o ganho. Sério, não vale a pena.

Quando vamos dimensionar a bomba que suprirá temos que considerar a vazão e pressão em vários pontos operacionais. Bombas elétricas apresentam rotação constante, então com a mudança de pressão no sistema a de combustível irá variar em proporção inversa. Por exemplo, uma bomba que fornece 400 litros por hora a uma pressão de 2 bar, pode ter sua vazão reduzida para 250 litros por hora se a pressão no sistema subir para 5 bar.

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Por isso o ideal é que tenhamos a curva de desempenho da bomba em mãos para fazer a escolha correta. Se isso não for possível, procure a vazão da bomba para um valor de pressão que seja ao menos 15% maior que a projetada para o sistema de combustível.

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Sempre use filtros antes e após a bomba, para garantir a vida útil dela e também evitar o bloqueio dos bicos por sujeita. O filtro a montante da bomba deve ser uma de tela, caso ela seja centrífuga, pois esse tipo de bomba corre o risco de cavitar se houver uma restrição maior na sucção. Para as linhas de combustível lembre-se de procurar mangueiras ou tubulações que possam resistam a uma pressão 1,5 vezes maior que a pressão de trabalho. Mangueiras com tramas internas ou tubulações em aço inox são recomendáveis. O diâmetro interno deve ser maior que 8 mm sempre. E por favor, mantenha as linhas longe de fontes de calor, atrito e nunca, mas nunca mesmo, passe essas linhas por dentro do carro.

 

Setup do motor

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Para que a ECU saiba como gerenciar o motor é necessário informar a configuração da sua usina de força. Dados como número de cilindros, deslocamento volumétrico, modo de ignição (centelha perdida, individual ou distribuidor) e modo de injeção (simultânea, semi-sequencial ou sequencial) são o mínimo de informações necessárias para o gerenciamento.

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Vencida essa etapa, precisamos configurar corretamente os tipos de range dos sensores usados para monitoramento como o MAP, sensor de roda fônica, sensor de posição de borboleta, dentre outros. Normalmente em cada aba há um menu com sensores pré configurados, assim como a opção de configuração pelo usuário onde as características de operação daquele sensor devem ser inseridas.

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Por exemplo, o sensor TMAP da imagem acima tem um range de operação entre 0,4 e 4,65 volts correspondendo às pressões de 20 e 300 kPa respectivamente. Então estes valores devem ser inseridos nos campos indicados de limite inferior e superior. Assim a ECU pode realizar o cálculo de interpolação dos valores. Caso o sensor que você está configurando não seja linear, é necessário inserir diversos pontos em uma tabela de valores para que o cálculo acompanhe a taxa variação da curva.

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Lembre-se sempre de salvar o arquivo que você está editando. E aqui eu faço uma recomendação. Sempre que você avançar no ajuste, salve um arquivo de backup com uma descrição da alteração salva. Por exemplo, nomeie “Configuração dos sensores” quando finalizar esta fase, e “mapa de partida” quando conseguir fazer seu motor rodar. Assim você terá todo o histórico do que foi feito e caso o arquivo que está sendo editado contenha um erro, fica mais fácil lembrar-se de onde você partiu e rastrear a falha. Se houver um campo para comentários, detalhe ali o que foi feito, para ter ainda mais informação se você precisar. Outra questão importante é sempre modificar um ponto de cada vez. Com isso se pode avaliar o efeito da mudança antes de partir para o próximo ponto.

Vou contar uma coisa aqui pra vocês, para ilustrar o quanto é importante seguir estas boas práticas. No começo da minha vida profissional (os primeiros cinco anos) eu trabalhava diretamente com o desenvolvimento de lógicas de automação industrial. E uma das primeiras determinações que eu recebi foi: salve todos os bacukps com comentários e cada entrada, saída ou qualquer tipo de instrução com a sua descrição. Ok, segui fazendo tudo como solicitado. Mas num certo dia, um projeto teve o prazo encurtado. E eu para atender a demanda comecei a trabalhar com pressa e a não fazer os backups devidamente. Então a lógica ficou pronta, não havia erros de sintaxe, tudo lindo. Mas quando partimos para a bancada de simulação algumas válvulas não atuavam como deveriam. E para achar o erro eu levei três dias virando as madrugadas. Depois disso nunca mais deixei meus documentos sem descrição, e cada alteração é testada antes de partir para a próxima.

 

Check list

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Lançadas as características do motor e de cada entrada e saída da ECU, precisamos conferir se todas as partes envolvidas estão ok. Começando pelo cabeamento. Para isso um laptop, um multiteste e alguns jumpers são ferramentas essenciais. Se você tiver um osciloscópio, parabéns, você está em condições ideais.

Com o manual em mãos verifique a pinagem do conector e sua respectiva terminação. Teste a continuidade entre as duas e sua resistência. Faça isso para cada um dos pinos. É um trabalho demorado e meticuloso, mas que garante que você não tenha surpresas. Verificar a resistência do cabo é importante para que não tenhamos perda de sinal significativa, o que falsearia os valores lidos pela ECU.

Para cabos de sensores eletro-magnéticos (fase, roda fônica, ABS, ESP), cheque também a fixação e aterramento da malha que envolve o cabo. Pois esta serve para proteger o sinal de interferências eletromagnéticas como os ruídos gerados pelo sistema de ignição. O aterramento da malha deve ser feito em apenas uma das extremidades.

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Nesta fase vamos chegar os sensores. Alimentando a ECU e todos os sistemas auxiliares, mas sem acionar a ignição, verifique os sinais indicados. A pressão do sensor MAP (se estiver usando um) deve indicar valores muito próximos à pressão atmosférica. Ao nível do mar temos 101,325 kPa, então algo em torno dos 100 kPa é o que você deve encontrar nessa altitude. Em cidades mais altas os valores são diferentes, pois a pressão atmosférica diminui em um hectopascal (hPa) a cada 8 metros de elevação, assim se você mora em Campos do Jordão o valor de leitura deve estar próximo dos 85 kPa. A temperatura do ar, da água e do óleo (caso utilize) devem ser próximas a temperatura ambiente com o motor fora de operação por pelo menos 8 horas. O sensor de borboleta (TPS) deve estar indicando a abertura mínima, que normalmente é ajustada para valores entre 15% e 20%, e deve indicar todo o seu curso sem picos nem vales. Se encontrar algum destes, seu sensor precisa de reparo.

 

Preparação para o ajuste

Antes de iniciar o ajuste o carro é sempre importante fazer um check list para não interromper o trabalho no meio do caminho. A imagem abaixo traz uma lista abrangente para você guardar.

Foto XXVII

Clique para ampliar

Até aqui trilhamos o caminho para chegar ao dinamômetro. No próximo post trataremos da criação do mapa base, mapas de correção e ajustes adicionais. Fiquem de olho porque logo estaremos de volta!

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