Mistura quente egt x cht
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vi esse post a um tempo e achei interessante.
http://autoentusiastas.blogspot.com.br/2012/01/mistura-quente_5057.html esse é o link original
http://1.bp.blogspot.com/-wqfa-1ompqo/tw8-qsi735i/aaaaaaaajms/qe9jmzty1ne/s1600/escape+quente+1.jpg
temperatura do escapamento: indicador de potência e economia
não existe autoentusiasta moderno que um dia não tenha lido e discutido sobre a mistura ar-combustível. nessas conversas e leituras se discute sobre potência, consumo, quebras, mas poucos conhecem muitas das minúcias e de fatos importantes a respeito dela.
vamos começar pela história. a primeira guerra mundial introduziu a mobilidade motorizada, incluindo a armada, em todas as frentes de combate. mas a tecnologia do motor a combustão ainda estava em seus primórdios e eles eram muito ineficientes.
nos vinte anos seguintes, a engenharia de motores evoluiu rapidamente, potencializando as grandes dimensões que tomaria a segunda guerra mundial.
a história da segunda guerra mundial esconde um fato pouco notado. lendo sobre a tecnologia da época, vemos vezes sem fim o desenvolvimento dos aviões a jato, dos mísseis balísticos e da bomba atômica. mas quase não é mencionado que a grande parte dos equipamentos usados ao longo da guerra pelos dois lados foi projetada antes de seu início, sendo apenas aperfeiçoada ao longo dela.
as exigências sempre crescentes da guerra tornavam esses equipamentos rapidamente obsoletos, mas substitutos não estavam disponíveis. as forças armadas de ambos os lados tinham que se contentar com o que tinham em mãos.
os historiadores apontam, por exemplo, que quando o caça japonês mitsubishi a6 “zero” foi tornado obsoleto pelo surgimento do americano grumman hellcat, em vez de projetar um caça novo, a premência da guerra cancelou qualquer projeto substituto e a produção do obsoleto zero foi incrementada para que as perdas maiores fossem compensadas.
tal comportamento é natural, afinal momentos de guerra são também de tempos de restrição a recursos, pois eles estão direcionados ao esforço de combate. então, durante todas as guerras longas os combatentes buscam tirar o máximo do equipamento que possuem, quer seja encontrando novos usos para eles, quer seja por novas formas de usá-los para as mesmas funções, quer seja obtendo o máximo rendimento deles. não foi diferente na 2ª guerra mundial.
esta questão se tornou particularmente importante a partir da batalha da inglaterra. os alemães tomaram boa parte da europa com grande facilidade, inclusive a frança. não havia mais inimigos a serem derrotados na extensão continental européia. o único que restava estava além do canal da mancha: a inglaterra.
hitler previu uma conquista fácil da inglaterra, mas a realidade se mostrou bem mais difícil. para atingir o território inglês, os alemães dependiam dos aviões da luftwaffe, e a separação entre a ilha britânica e o continente impunham uma distância próxima à de autonomia de muitos de suas aeronaves.
os caças messerschmitt bf-109 que seguiam os bombardeiros heinkel he-111 para protegê-los estavam tecnicamente à altura dos supermarine spitfires e um pouco acima dos hawker hurricanes ingleses, porém na prática se viam em forte desvantagem, pois tinham apenas 15 minutos de autonomia sobre os céus ingleses antes que atingissem o limite de combustível para retornar. enquanto isso os caças ingleses tinham autonomia total para persegui-los e depois correr atrás dos bombardeiros sobre o próprio território.
esta dificuldade técnica levou a frente inglesa a um impasse desgastante para ambos os lados, pois os aviões ingleses e posteriormente seus aliados americanos sofriam das mesmas limitações para atacar os alemães em território francês.
o desembarque aliado na costa noroeste francesa no dia d tem sua importância histórica por quebrar este impasse.
mesmo assim, era importante os aliados levar a guerra ao coração produtivo da alemanha para poder vencê-la, e para isso, seus aviões precisavam atingir todos os limites de autonomia.
o capitão-aviador janusz lewkowicz, do 309º esquadrão de reconhecimento polonês da raf (royal air force) era mais que um simples piloto de p-51 mustang i (ainda equipado com motor allison, anterior ao uso do lendário motor rolls-royce merlin), pois ele também era engenheiro.
capitão janusz lewkowicz e seu p-51 mustang i
entusiasmado com o desempenho e o alcance do mustang, se pôs em um projeto pessoal, calculando rotações, empuxos, altitudes e experimentando técnicas de consumo mínimo que até então eram usadas apenas em laboratório. seus cálculos mostraram que o mustang podia fazer uma viagem de ida e volta da escócia à noruega.
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curvas de desempenho do mustang p-51
ele solicitou repetidamente ao q.g. para que lhe permitissem comprovar a validade de seus cálculos, mas não recebeu qualquer resposta. então, em 27 de setembro de 1942 decidiu prová-lo por conta própria. decolou da escócia, reconhecendo e atacando posições alemãs na região de stavanger, noruega, retornando a salvo. os alemães, tomados de surpresa, mal ofereceram resistência.
por seu feito extraordinário, ao mesmo tempo lewkowicz recebeu reprimendas (ficando preso por alguns dias) e cumprimentos, abrindo a possibilidade de incursões de longo alcance não só do mustang, mas até de caças improváveis, como o do republic thunderbolt p-47 e seu motor radial reconhecidamente beberrão. também foi a bênção tão esperada pelos bombardeiros que até então tinham de se defender por conta própria em suas incursões.
o feito pessoal deste engenheiro-aviador é um dos fatos mais marcantes e desconhecidos da história da segunda guerra mundial, pois mudou o curso da guerra. ele, que nunca abateu qualquer inimigo, é considerado um dos maiores ases da aviação polonesa.
dentre o conjunto de técnicas usadas para maximizar o alcance dos aviões, uma em especial nos é especialmente interessante: a do ajuste de mistura do motor.
esta técnica, criada nas primeiras décadas do século 20, e refinada depois da guerra, parte do entendimento dos detalhes de como o motor a combustão transforma calor em energia mecânica útil.
quando o motor queima mistura, costuma-se dizer que apenas um terço é aproveitado, enquanto outro terço é perdido pela refrigeração do motor e o terço final se perde junto com os gases de escapamento. esta é apenas uma aproximação, válida para um ponto específico de funcionamento do motor, próximo à plena carga. na marcha-lenta, por exemplo, praticamente não se aproveita nenhuma energia útil, mas o motor consome combustível e, portanto, tem rendimento igual a zero.
monitorar as temperaturas do motor (mais especificamente da câmara de combustão) e dos gases de escapamento dão indicações bastante precisas de como o motor está transformando o calor do combustível em potência mecânica.
no painel dos aviões há dois indicadores de temperatura, voltados especialmente para elas. essas temperaturas são indicadas pelas siglas egt (exhaust gas temperature) para a temperatura dos gases de escapamento, e cht (cylinder head temperature) para a temperatura da câmara de combustão.
embora estas temperaturas sejam usadas para avaliar variáveis diferentes, estas variáveis operam e são monitoradas em conjunto, e em muitas aeronaves isso se reverte na união destes indicadores no mesmo instrumento no painel.
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instrumento combinado egt/cht
agora vamos olhar como as leituras destas temperaturas são usadas.
egt, exhaust gas temperature
a temperatura dos gases de escapmento, egt, é dependente da carga do motor, mas, ao contrário do que muitos pensam, não é uma boa medida do esforço que o motor está fazendo. esta medida é avaliada pela cht.
em vez disso, a egt mede a energia térmica residual, acumulada nos gases queimados que são descarregados pelo escapamento. ela é bastante sensível à relação ar-combustível, bem como a eficiência com que a mistura é queimada, e por isso ela serve para diagnósticos com o motor em funcionamento também.
vejamos agora como usá-la, começando pelo diagrama a seguir:
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carta de potência, consumo e temperatura de um motor, em função da mistura
neste diagrama temos no eixo horizontal inferior a escala de relação ar-combustível e no superior, o seu equivalente em termos de fluxo de combustível, como é usado pelos pilotos.
há duas curvas na parte de baixo: a tradicional curva de potência e a curva de economia relativa. a curva de economia é o inverso da tradicional curva de consumo específico (bsfc sigla em inglês de consumo específico de combustível ao freio) a que normalmente usamos no ramo automobilístico.
na parte de cima temos uma família de curvas de egt, onde cada curva está ligada a uma abertura do acelerador.
este gráfico é referente a uma determinada rotação, e para cada abertura da borboleta de aceleração, temos uma admissão de uma certa massa de ar para os cilindros. é sobre essa determinada massa que será misturada uma quantidade variável de combustível, e onde foram medidos o consumo, a potência e a temperatura dos gases de escapamento.
no próximo diagrama, vemos um fenômeno bem marcante. o pico de temperatura dos gases de escapamento ocorre precisamente na mistura estequiométrica, qualquer que seja a abertura do acelerador.
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pico de temperatura na mistura estequiométrica
este fenômeno será usado como referência pelo piloto nos ajustes posteriores de mistura do motor. os aviões aliados que iam cumprir missões de incursões profundas sempre decolavam no limite máximo de combustível e de carga bélica. estando tão pesados, subir se torna muito difícil, mas a atmosfera baixa é muito densa e aumenta muito o arrasto dos aviões, e eles precisavam subir o mais rápido que pudessem até a altitude de cruzeiro, e para isso tinham que extrair o máximo de potência dos motores.
mas, como encontrar a mistura onde o motor obtém o máximo de potência possível?
eles regulavam a potência do motor variando a mistura ar-combustível enviada pelo carburador até encontrar o pico de temperatura dos gases de escape naquela condição de aceleração. uma vez reconhecido o ponto de pico, o piloto ia progressivamente enriquecendo a mistura até atingir uma temperatura de 100 ºf/37,7 °c abaixo do pico. quando isto ocorre, o motor está trabalhando precisamente com a mistura rica de máxima potência.
é o que podemos ver no diagrama a seguir:
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encontrando a mistura de potência máxima pela temperatura egt
esta temperatura de pico egt –100 °f é chamada de “100ºf rop” (“rich of peak”) no jargão aeronáutico.
outros motores podem ter temperaturas rop diferentes (daí a diferença da temperatura fazer parte da indicação), dependentes de seu projeto.
manter esta regulagem de mistura, entretanto, exige cuidados, pois o motor está produzindo o máximo de potência porém com menor eficiência, o que torna o consumo desproporcionalmente elevado, inconsistente com um avião com a missão de atingir seu limite de alcance.
sendo assim, o piloto se esforçava para atingir o mais rapidamente possível a altitude de cruzeiro, e passar a usar a mistura de máxima economia.
e como encontrar a mistura onde o motor estaria funcionando na máxima economia?
o método para encontrar o ponto de máxima economia é muito similar ao de máxima potência, porém atingindo 50 ºf abaixo do pico ao empobrecer a mistura. este ponto é o “50ºf lop” (“lean of peak”), e podemos ver isso no diagrama a seguir:
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encontrando a mistura de máxima economia pela temperatura egt
foi com a ajuda deste e de outros métodos de otimização que os aliados voaram pela europa toda usando aviões projetados antes da guerra.
sabendo quais eram as temperaturas rop e lop de seus motores, eles poderiam facilmente calibrar suas misturas para obter o máximo de potência e economia, conforme fosse conveniente a cada situação.
por que a mistura estequiométrica é precisamente a mais quente?
fazendo os testes adequados, vemos que a mistura muito pobre possui uma carga muito grande de ar que não é queimada. este excesso de ar refrigera a mistura ao absorver muito do calor da queima do combustível. sendo assim, a queima desta mistura se torna mais fria.
atingindo uma mistura bastante rica com a mesma massa de ar constante, vemos que é o excesso de combustível que agora refrigera os gases e os resfria.
a mistura estequiométrica é balanceada, e, portanto, não possui excessos que possam refrigerar os gases queimados. todo ar é queimado junto com todo combustível em uma combustão completa. é por isso que ela se mostra a mais quente.
há várias considerações interessantes sobre o monitoramento da egt.
a primeira delas é que, por trabalhar com fluxos de gases, os vários cilindros de um motor podem captar quantidades diferentes de ar em cada situação.
hoje praticamente todas as injeções modernas são multiponto, o que permitiria a correção de mistura por cilindro. entretanto a controladora injeta a mesma quantidade de combustível para todos os cilindros. os cilindros trabalham desta forma, ora com mistura levemente pobre, ora com mistura levemente rica, uns em relação aos outros.
num carro convencional esse erro causa poucos problemas, e as emissões são compensadas pelo catalisador.
entretanto, num motor de competição, onde cada fração de potência faz diferença, monitorar a temperatura dos gases de cada cilindro permite que a injeção de competição corrija a mistura e o avanço de ignição de forma adequada.
com o monitoramento dos gases de escape, a injeção consegue tratar cada cilindro individualmente, como se ele fosse um motor monocilíndrico separado.
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pirômetros medindo as temperaturas egt individuais de cada cilindro
então, para equalizar a potência dos cilindros basta equalizar as temperaturas dos gases de escapamento, certo?
errado
há diferenças naturais significativas de temperaturas egt entre cilindros de um mesmo motor, e para se obter o máximo em potência e economia em cada cilindro individual, vale o método de achar a temperatura de pico para mistura estequométrica e encontrar as misturas rop e lop para cada cilindro.
num motor com turbo voltado para desempenho, a mistura estequiométrica é que oferece maior impulsão à turbina. a turbina é impulsionada pelos gases altamente energéticos que são despejados, e a mistura estequiométrica é a que gera gases mais quentes. a turbina aproveita exatamente essa energia térmica para funcionar. quando mais energia estiver disponível, mais a turbina impulsionará o compressor, e mais ar estará disponível para o motor gerar potência.
entretanto, nem sempre a mistura estequiométrica é a mais indicada para um motor turbo.
quando um motor aspirado abre as válvulas de escapamento, os gases são rapidamente despejados, e só sofrem restrição pelo próprio escapamento. assim, quando os gases são descarregados, eles rapidamente esfriam, e o pirômetro que mede a temperatura lê um valor médio, e não de pico.
quando um motor turbo faz a mesma coisa, os gases de escape são obstruídos pela turbina, e não conseguem se resfriar, permanecendo na temperatura de pico enquanto estiverem ali. a turbina do turbo opera exatamente como a turbina de uma usina elétrica. ela antepõe uma restrição ao fluido, e este perde energia progressivamente ao passar por ela. assim, os gases de escape permanecem quentes entre o motor e a turbina, e as altas temperaturas podem causar problemas mecânicos tanto ao motor como ao turbo.
mantendo a mistura estequiométrica, a temperatura do coletor de escapamento fica mais alta, podendo danificar o motor e/ou a turbina.
é o que vemos na foto a seguir:
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brilho amarelo e vermelho-alaranjado indicando as diferentes temperaturas dos gases no escapamento, motor turbo
sensores egt entre o motor e a turbina são importantes nos motores mais fortes para evitar quebras e desgastes acelerados em ambos, e um monitor egt após a descarga da turbina ajuda a monitorar o seu rendimento pelo esfriamento que os gases sofrem ao passar por ela.
no caso de um motor preparado, o monitor egt ajuda a detectar um problema de difícil diagnóstico. um motor precisa de uma mistura muito homogênea para ter uma boa queima. um motor original de fábrica é projetado em todos os detalhes em função desta característica.
entretanto, quando o motor passa por preparação, as modificações podem afetar a homogeneidade da mistura (bicos retrabalhados ou mal reposicionados etc.).
quando a mistura não fica homogênea, ao ser admitida no cilindro e receber o embalo para turbilhonar, a mistura irá se mesclar como quando misturamos tintas.
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mistura heterogênea de tintas, formando linhas
assim como nas tintas, a entrada de uma mistura heterogênea no cilindro que depois será turbilhonada cria linhas de mistura excessivamente ricas intercaladas com linhas de mistura excessivamente pobres dentro da câmara. evidentemente, a queima não será a ideal, mas uma sonda lambda apontará uma mistura como a esperada pois mede pela média, assim como todos os demais cálculos, mas o motor não renderá a potência esperada.
com um monitor egt, o problema é detectado na hora. a temperatura fica abaixo do que seria normal, porque queima parcelas de mistura pobre e rica lado a lado.
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cht, cylinder head tempetature
enquanto a temperatura egt é uma boa indicação do ajuste de mistura, a temperatura cht é a melhor indicação do esforço do motor em gerar potência e do estresse a que os componentes estão submetidos.
vamos olhar o diagrama a seguir:
carta de curvas de potência, consumo, egt, cht e icp de um motor
neste diagrama vemos algumas curvas já conhecidas. vemos a curva de potência, a de economia e a de egt. reparem que nesta curva o pico de potência ocorre a 50ºf rop. e vemos mais duas outras curvas: a cht e a icp.
a curva icp (“internal cylinder pressure”) mostra a pressão média interna ao cilindro que impulsiona o pistão, e por isso é que o motor atinge o pico de potência junto com o pico de pressão.
vemos também que a curva icp é muito semelhante à da cht. embora a curva cht não seja exatamente uma cópia da icp, é a melhor aproximação e que é facilmente acessível para monitoramento.
as duas curvas possuem uma característica em comum: elas atingem o pico na mistura de máxima potência, o que cria uma correlação com a temperatura egt no ponto rop.
a importância de controlar a temperatura cht (e, indiretamente, a pressão icp) está em ela ser um fator limitante da vida do motor. os componentes internos, como o conjunto móvel inferior (virabrequim, bielas, pistões e camisas) são submetidas a um esforço e temperatura proporcionais a estas duas variáveis, e quanto mais altos, mais rápido o desgaste.
além do maior esforço, a temperatura cht afeta o cabeçote de alumínio. este material possui baixo ponto de fusão, mas antes disso apresenta transformações da sua microestrutura metálica. são essas transformações que causam as deformações que empenam o cabeçote.
a válvula de escapamento é outro componente crítico. quando ela abre, fica imersa em um gás extremamente quente, e ela terá apenas o contato entre a haste e a guia e a borda da cabeça com seu assento no cabeçote para se resfriar enquanto estiver fechada. ela pode se queimar, afetando a vedação do cilindro.
padrões de temperatura da válvula de escapamento
se o motor trabalhar entre a mistura estequiométrica e a de máxima potência em carga máxima, o estresse sobre o cabeçote, válvulas e sedes é máximo. então esta é uma condição que deve ser usada o mínimo possível.
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sedes de válvula soltas por superaquecimento
evidentemente, num motor turbo que apresenta potência superior, este fator é ainda mais crítico. mais um bom motivo para ter um medidor combinado egt/cht no painel.
é importante não confundir os sensores e indicadores cht com o sensor e o marcador de temperatura da água que equipa a grande maioria dos carros.
o sensor cht tenta obter a leitura mais próxima da que ocorre dentro da câmara de combustão, e o ponto mais próximo disso e com fácil acesso é através da vela de ignição.
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sensor cht
diagnóstico
tanto a egt como a cht podem ser usadas para diagnóstico de problemas do motor, podendo ser usada até mesmo para identificar e isolar o cilindro com problemas.
um motor que queima uma determinada mistura menos eficientemente é o que produz menor potência, retirando dos gases menos energia. assim, uma parcela maior de energia é mantida nos gases, e parte dessa energia é transferida para a estrutura do motor.
então, qualquer problema que afete a boa queima da mistura elevará a leitura das temperaturas egt e cht do cilindro. para um piloto de avião, nada mais preocupante que marcadores egt e cht subindo enquanto o motor funciona em regime constante, como no vôo de cruzeiro. sinal de problemas à vista.
efeitos de ignição anômalos, como detonação, pré-ignição ou mesmo um sistema de ignição deficiente pode ser rapidamente diagnosticado desta forma. se o motor possuir sensores egt individuais, uma vela que falhe intermitentemente causará uma leitura oscilante da temperatura dos gases de escapamento.
por outro lado, esta propriedade permite ao piloto encontrar o avanço ideal de ignição para o motor.
válvulas e sedes queimadas e desgastadas que passam a vazar também irão aumentar estas temperaturas.
um pouco mais de história
ao término da 2ª guerra mundial, havia um método muito bem estruturado para regulagem dos carburadores dos motores, assim como a instrumentação necessária. para um piloto, o procedimento não era complicado, e pelo motor permanecer em regime constante por horas a fio sob o mesmo ajuste, ele também não era crítico.
entretanto, se todo o processo de ajuste for automatizado, ele poderia ser interessante para o motorista comum. foi nisso que os fabricantes de automóveis e autopeças pensaram.
carburadores constantemente se desregulavam, fazendo o motor perder potência e aumentar o consumo, e oferecer um carburador auto-regulado para alimentar o motor de forma ótima por um período mais longo era algo bastante desejável para fabricantes e motoristas.
não demorou muito para que protótipos de carburadores regulados pela temperatura egt surgissem nos laboratórios.
entretanto, os projetistas encontraram uma limitação séria no uso da egt como fator de regulação dos carburadores, e isso podemos observar no diagrama a seguir:
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carta de curvas de motor, indicando temperatura egt constante
aqui, marquei a linha de temperatura do pico deste motor com meia-aceleração (50%), a mais baixa presente. esta linha, no entanto, encontra as linhas das outras acelerações mais altas em dois pontos: um pobre e outro rico.
este diagrama nos diz que, para mantermos a temperatura dos gases de escapamento constante (para preservar o equipamento, por exemplo), partindo de uma mistura bem pobre chegando progressivamente até a mais rica, a aceleração do motor é inicialmente recuada para depois ser novamente avançada. o ponto de maior recuo ocorre na mistura estequiométrica.
isto mostra que uma determinada temperatura no escapamento não especifica uma determinada potência ou uma determinada aceleração para uma dada mistura, pois é dependente das duas. sendo assim, num veículo onde as alterações de aceleração do motor são constantes, não é possível estabelecer uma relação direta entre a temperatura egt e a mistura adequada do carburador, de forma a usá-la como parâmetro direto de controle.
isto ocorreu durante as décadas de 1950 e 1960, época da gasolina barata e motores muito simples. as dificuldades técnicas das mais variadas (como a falta de uma eletrônica mais sofisticada, por exemplo) e as inerentes ao do próprio processo fez com que testes surgissem e fossem engavetados vezes seguidas.
por outro lado, estas experiências aumentaram muito o conhecimento das relações entre as curvas egt, cht e icp, abrindo o caminho para o desenvolvimento da sonda lambda e de muitos dos fundamentos por trás da moderna injeção eletrônica.
hoje, graças ao que foi aprendido ao longo destes anos, o uso de sensores egt e cht é dispensável nas injeções eletrônicas atuais, mas eles podem aparecer caso as normas de emissões continuem a evoluir para valores mais restritivos, obrigando ao controle individual de mistura por cilindro.
por enquanto, esses medidores são usados apenas em motores de competição, onde o estresse e os níveis de temperatura limitam o uso das sondas lambda, e nos testes de desenvolvimento em dinamômetros.
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motor no dinamômetro: lambda, tubo de pitot e pirômetro no escapamento
as temperaturas egt e cht são usadas há décadas por pilotos de avião, e, portanto, não são nenhuma novidade para eles.
no entanto, toda uma nova geração de injeções eletrônicas pode surgir, tirando proveito de suas propriedades para extrair o máximo em potência e economia de combustível. é o passado mostrando que ainda tem alguns trunfos tecnológicos na manga para o futuro.
o que as temperaturas egt e cht mostram é que há várias formas de obter potência e economia dos motores, algumas privilegiando o mínimo de desgaste, outras não, muito além do que os bate-papos entusiásticos costumam focalizar.
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muito bacana…diversão garantida....ehhehe