EM865 parte 7 ICE

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A combustão normal em motores ICE
Efeito do ponto de ignição
Combustão anormal: Detonação e Pré-ignição
Tipos de câmaras de combustão
O sistema de ignição
Sistemas de alimentação de combustível
Controle de carga – comando de válvulas variável
7. Os motores de ignição por centelha
EM 865 - Gallo 
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1. A combustão normal em motores ICE
Uma centelha provocada na vela inicia a combustão da mistura homogênea ar-vapor de combustível. A combustão é RÁPIDA, mas não EXPLOSIVA  leva algum tempo p/ ocorrer.
O ângulo onde ocorre a centelha é determinante para a evolução de pressão no motor
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7. Os motores de ignição por centelha
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1. A combustão normal em motores ICE
Papel da vela: fornecer energia de ativação para iniciar a combustão de uma massa não desprezível de mistura, que consiga então propagar-se por toda a câmara (kernel).
Faísca  energia térmica, ionização, formação de radicais
A partir da vela: propagação de uma frente de chama  gases queimados aquecem a camada seguinte de mistura, que queima e assim por diante... 
Frente de chama: esférica a partir da região da vela (se não houvesse turbulência)
7. Os motores de ignição por centelha
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1. A combustão normal em motores ICE
A turbulência (primária) aumenta com a rotação  aumenta também a velocidade de propagação de chama
Velocidade de chama: depende do combustível, da qualidade da mistura, P e T
Velocidade de chama laminar: baixa
Turbulência causada pela admissão
  velocidade de chama turbulenta
 (muito mais rápida).
A turbulência “arrasta” blocos de 
 mistura queimando (Va) em regiões
 não queimadas, aumentando área 
 de queima e desfazendo o padrão
 esférico. Expansão do queimado.
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7. Os motores de ignição por centelha
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1. A combustão normal em motores ICE
As fases da combustão normal:
Período de indução (com atraso químico)  após faísca, tempo p/ formar a reação em cadeia e propagar a combustão p/ massa de mistura que sustente a combustão (1%, kernel). P na câmara não é afetada pela queima ainda. 
Propagação rápida da chama: P aumenta rapidamente; mistura não queimada é comprimida pela expansão dos gases queimados; duração desta fase depende da turbulência; 
Queima retardada e extinção de chama  momentos finais; próximo às paredes, “resfriamento da chama” (taxa de extinção de radicais > taxa de formação de radicais);
Após o “final” da combustão  reações pós-chama, dissociação e recombinação  até a abertura da VE
7. Os motores de ignição por centelha
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1. A combustão normal em motores ICE
Diferentes combustíveis e/ou
 câmaras  diferentes curvas
 p X  
 período de indução 
 massa queimada x  
 propagação rápida
 extinção de chama
 volume varrido x  
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7. Os motores de ignição por centelha
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1. A combustão normal em motores ICE
Curva de Wiebe aproxima
 bem a queima real.
 período de indução
 queima rápida
 extinção de chama
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7. Os motores de ignição por centelha
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1. A combustão normal em motores ICE
Curva de Wiebe aproxima
 bem a queima real.
 período de indução
 queima rápida
 extinção de chama
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7. Os motores de ignição por centelha
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2. Efeito do ponto de ignição
Ignição atrasada: perda  
 pressão não subiu quanto
 podia;
Ignição “no ponto”: maior
 trabalho por ciclo
Ignição adiantada: maior 
 trabalho negativo (antes do
 TC). Pressão máxima muito
 alta. Pode haver detonação. 
Como chegar no ótimo?
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7. Os motores de ignição por centelha
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2. Efeito do ponto de ignição
Como chegar no ótimo?
Experimentalmente:
Avançar a centelha até obter
 o maior torque, p/ cada 
 rotação e carga (se não 
 houver detonação)  mapear
 o motor
MBT  mínimo avanço p/ 
 melhor torque
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7. Os motores de ignição por centelha
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2. Efeito do ponto de ignição
Mapa do ponto de ignição: para cada carga e rotação do motor
Mapa da esquerda: sistemas mecânicos de avanço centrífugo e a vácuo  margem de segurança p/
 evitar a detonação. 
Mapa da direita: sistema de ignição 
 comandada eletronicamente, com 
 microprocessador + sensores
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7. Os motores de ignição por centelha
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3. Combustão anormal: detonação e pré-ignição
Detonação no diagrama p x : distúrbio de alta freqüência,
 que induz vibrações no
 motor, pode “quebrar” a
 película de óleo, piorar a
 lubrificação, superaquecer
 o motor, danificar anéis e
 pistão.
É um tipo de combustão
 anormal, que deve ser
 evitado.
Como surge e por que? 
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7. Os motores de ignição por centelha
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3. Combustão anormal: detonação e pré-ignição
Auto ignição de uma mistura A/C 
Surgimento da AI em motores ICE: 
 Efeito compressivo: gases queimados se expandem e “espremem” a mistura não queimada  sobe T e a densidade  iniciam focos de auto ignição, de onde se propagam novas frentes de chama, acelerando a velocidade da combustão.
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3. Combustão anormal: detonação e pré-ignição
Cada foco de auto-ignição gera um distúrbio de pressão (pulso), que contribui para reduzir ainda mais o período de indução da mistura não queimada. 
Processo se realimenta.
Se a velocidade de queima se torna supersônica, gera ondas de choque na câmara, que atravessam e refletem nas paredes do motor. É a DETONAÇÃO  queima com velocidade supersônica.
Um sensor de pressão “percebe” um pulso de p anormal, seguido de um vale, outro pulso, etc. É a oscilação de pressão verificada no diagrama p x 
A existência de AI pode não causar detonação (se v < v supersônica).
Assim: AI (ICE)  (pode causar) DETONAÇÃO 
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3. Combustão anormal: detonação e pré-ignição
Características da detonação em motores ICE:
Ocorre próximo ao final da combustão
Produz impacto sobre componentes e estrutura do motor
Produz cargas oscilantes sobre o pistão (vibração)
Piora as condições de lubrificação
Danos na superfície do pistão (erosão – porosidades)
Superaquece o motor
Pode produzir pontos quentes e originar a pré-ignição
Fatores que influenciam a detonação:
Qualidade do combustível (octanagem)
Temperatura e densidade da mistura  obstáculo ao uso
 de turbo-alimentação
Rotação (menor rpm, menor turbulência, menor
 velocidade de queima, maior tempo p/ a AI operar
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Combustão anormal: detonação e pré-ignição
Fatores que influenciam a detonação (cont.):
Taxa de compressão
Ponto de ignição (adiantado  detonação)
Abertura do acelerador: carga elevada  detonação
Formato da câmara (distância a percorrer)
Área grande na região final  esfria a chama
Turbulência  acelera a chama, evita detonação 
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Combustão anormal: detonação e pré-ignição
Detonação: intensidade
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7. Os motores de ignição por centelha
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Combustão anormal: detonação e pré-ignição
Pré-ignição: AI da mistura ANTES da faísca
Provocada por pontos quentes: vela, válvula de escape,
 carvão incandescente nas paredes da câmara
Aumento de P e T bem antes do usual  valores muito
 altos
Trabalho negativo elevado  motores monocilíndricos 
 param; multi-cilíndricos: perda de potência, os cilindros
 sem pré-ignição mantém o que tem pré-ignição em
 funcionamento  pode ocorrer falha catastrófica do
 pistão em segundosResistência à pré-ignição: baixa para o etanol; a água do
 etanol hidratado atua como inibidor  etanol anidro não 
 é recomendável.
Componentes da gasolina: não há regra simples.
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Combustão anormal: detonação e pré-ignição
Pré-ignição e detonação: efeitos sobre pistões
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7. Os motores de ignição por centelha
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4. Tipos de câmaras de combustão
Projeto das câmaras de combustão: minimizar ocorrência de detonação e proporcionar boa queima da mistura
Tamanho: para menor percurso de chama  menor; MAS isso afeta a relação Área/Volume e aumenta a perda de calor.
 
 Câmaras com válvulas 
 laterais: baixa eficiência
 Usadas em motores de 
 baixa potência, por ser
 simples.
 Limitação p/ taxa de
 compressão; muita perda
 de calor 
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4. Tipos de câmaras de combustão
Câmara em L ou Ricardo: hoje em desuso. Válvulas acionadas por eixo de cames lateral. Região final da combustão com grande relação área/volume (detonação) MAS  
 resfriamento de chama (emissões).
 Facilidade de instalar válvulas de 
 grande diâmetro (2 válvulas) 
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4. Tipos de câmaras de combustão
Câmara hemisférica: melhor rendimento na combustão, maior taxa de compressão, menor perda de calor. 
 Pode dificultar a instalação de
 4 válvulas por cilindro, MAS 
 permite diâmetro de válvulas 
 maiores (c/ 2 válvulas)
 Menor trajeto para a frente de 
 chama; menor relação área/ volume
 (reduz perdas)
 
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4. Tipos de câmaras de combustão
Câmara em “telhado”: compromisso entre a câmara hemisférica e a possibilidade de usar 4 válvulas por cilindro
 Pode ser vista como uma 
 evolução da câmara em 
 cunha ( a seguir). 
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4. Tipos de câmaras de combustão
Câmara em cunha: facilita a colocação do comando de válvulas de único eixo, pois as válvulas são paralelas.
A região do final da combustão está no vértice da cunha e possui grande relação área / volume (aumenta a perda de calor, mas pode ajudar a evitar a detonação)
 
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4. Tipos de câmaras de combustão
Câmara em banheira: apropriada para motores de baixa cilindrada; menos eficiente que as anteriores.
 Permite válvulas de grande diâmetro (2 por cilindro)
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4. Tipos de câmaras de combustão
Câmara aberta na cabeça do pistão: facilidade de construção, permite altas taxas de compressão.
Cabeçote e pistão mais quentes; dificuldade de válvulas com grande diâmetro;
 
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5. Sistemas de ignição
Para entender: sistema convencional por bateria (antigo)
Identificação de componentes 
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5. Sistemas de ignição
Para entender: sistema convencional por bateria 
Função dos componentes:
Bateria: fonte de energia elétrica
Contato: chave geral – desliga o circuito
Bobina: armazena energia eletromagnética, age como 
 amplificador de tensão (transformador)
Interruptor (came e platinado): aciona e interrompe o 
 circuito elétrico periodicamente (mecânico)
Condensador: armazena energia, evita centelha no
 platinado, evita oscilações no circuito
Distribuidor: põe em contato a bobina com a vela do
 cilindro onde deve ocorrer a centelha
Vela: alta tensão, na hora certa, gera arco voltaico
Sistema de avanço centrífugo e a vácuo (mapa)
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5. Sistemas de ignição – Como funciona
Circuito fecha  inicia corrente no primário, 
 cria campo magnético na bobina
Circuito abre (platinado)  desaparece a 
 corrente primária. Rompimento brusco do 
 campo magnético INDUZ alta tensão no 
 secundário (muito maior que a relação de 
 multiplicação de tensão) – Lei de Lenz
Se o circuito secundário está conectado com 
 uma vela  tensão suficiente p/ arco voltaico
Depois de iniciado o arco voltaico precisa de
 tensão menor p/ se manter
Grandeza das tensões  bateria: 12V; primário
 c/ corrente: ~10V; induzida no primário: ~300V
 induzida no secundário: 10 a 30 kV
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5. Sistemas de ignição – Como funciona
Tensão para gerar arco voltaico na vela: 8-12 kV
Bobina: efeito transformador de tensão (relação
 entre n. espiras do primário e secundário);
 valores usuais: 300 espiras (primário) e de
 15000 a 30000 espiras (secundário); relação de
 multiplicação de tensão: de 60 a 150 vezes.
Condensador: armazena energia (campo elét.)
 amortece as oscilações do transitório
Resistência primária: dissipa energia das etapas
 transientes (efeito Joule)
Quando rpm aumenta, diminui o tempo p/ o 
 circuito primário armazenar energia  limita
 o n. de faíscas por minuto a ~18000
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5. Sistemas de ignição – Como funciona
Ignição por magneto: um gerador eletromagnético acionado pelo motor substitui a bateria no fornecimento de energia para a ignição. Quando rpm aumenta, tensão no primário aumenta  não tem problemas p/ grande n. de faiscas por minuto. Bom p/ motores de muitos cilindros e/ou alta rotação. A bobina é parte integrante do magneto (enrolamento da bobina no próprio magneto). Falha em baixas rpm.
Ignição eletrônica com microprocessador: elimina a necessidade de came / platinado (abertura e fechamento do circuito primário por tiristores integrados na unidade de comando). Sensor de posição dos pistões indica o momento da faísca e para qual pistão.
Uso de múltiplas bobinas  sem distribuidor mecânico, faíscas em dois cilindros ou bobinas individuais 
 
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5. Sistemas de ignição – Como funciona
Bobinas modernas: para pares de cilindros ou conectadas diretamente na vela (elimina os cabos de vela de alta tensão).
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5. Sistemas de ignição – Como funciona
Velas de ignição: conduzem altíssimas tensões  importância do estado do isolador, da folga entre os eletrodos
Grau térmico: ponto quente x carbonização
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6. Sistemas de alimentação de combustívelMotor ICE: mistura é admitida no cilindro e deve estar homogênea no momento da faísca  preparada com antecedência (durante a admissão e/ou compressão)
Preparação da mistura: carburador (antigo - motos), sistemas de injeção mecânicos (antigos – aviões), ou eletrônicos (modernos).
Qualquer sistema deve cumprir as funções:
Dosar a quantidade correta de combustível em função da quantidade de ar, rotação e carga do motor
Atomizar o combustível p/ facilitar sua evaporação e mistura com o ar
Permitir variações na qualidade da mistura (λ)
Garantir funcionamento suave do motor em cargas parciais, plena carga, acelerações, partidas a frio, marcha lenta
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Característica básica: dosar a quantidade de combustível em torno da estequiométrica, em função da massa de ar.
Dispositivos auxiliares:
Correção para motor frio (partida e fase de aquecimento)
Correção p/ demanda: marcha lenta e transição (rica)
Correção p/ demanda: baixa carga  pobre (eficiência)
Correção p/ demanda: carga alta  rica (potência max.)
Correção p/ demanda: aceleração rápida  rica
Correção de temperatura e densidade do ar
Correção p/ demanda: desaceleração  pobre ou corte
Nem todas as correções acima são incorporadas em todos os sistemas de alimentação.
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Carburadores: para explicação detalhada do funcionamento, ver Apostila de 1986.
Princípio básico: ar passa por um venturi, cai a pressão na garganta (vácuo), e aumenta sua velocidade. Após a garganta, reduz a velocidade e aumenta a pressão. Quanto maior a rotação, maior a aspiração de ar, maior o vácuo na garganta.
Circuito de combustível: bomba de combustível alimenta uma cuba de nível constante; um tubo com orifício calibrado (gicleur) é conectado à garganta do venturi, e o vácuo suga combustível da cuba.
Necessita de vários outros dispositivos para atender a demanda do motor: partida a frio e fase de aquecimento (abafador), economizador, marcha lenta e transição, enriquecimento para acelerações rápidas e para plena carga.
 
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Carburadores:
 
 de moto 
 de automóvel:
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Sistemas de injeção mecânicos: usados em aviões desde há muito tempo (cuba de nível constante não serve em curvas, grandes ângulos de subida/descida, em manobras acrobáticas). Princípio de funcionamento: bomba que dosa o combustível sob pressão (e não vácuo).
Sistemas de injeção mecânicos para automóveis  introduzidos na década de 50, para veículos de competição e/ou esportivos de alto desempenho. Melhoram distribuição de combustível entre os vários cilindros, melhorar o rendimento volumétrico do motor (mais ar = maior potência). Complexos e caros.
Introdução da eletrônica veicular: possibilitou desenvolvimento de sistemas com comando eletrônico (microprocessadores) e empregam VÁRIOS sensores para alimentar o controlador
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Sistemas de injeção eletrônica: monoponto, multiponto no coletor (simultânea ou pulsada) ou direta no cilindro
Monoponto: substitui o carburador Maiores possibilidades
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Sistemas de injeção eletrônica multiponto no coletor:
Evoluíram rapidamente. Uma bomba de combustível manda combustível sob pressão para o conduto comum;
A quantidade de combustível injetada depende
 do tempo em que o injetor permanece aberto
O controle do microprocessador é
 apenas sobre o tempo de injeção, que
 deve ser calculado em função das 
 condições de operação do motor
 (qual carga, rotação, T do motor, 
 detonação? Aceleração rápida?
 emissões, etc.). Cálculos em tempo 
 real a partir de tabelas de demanda
 e fatores de correção.
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Funcionamento de um injetor. Pressão: 2 a 5 bar
Tempo de injeção: milessegundos
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Funcionamento de um injetor. Formato do jato no coletor.
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Mapa do tempo de injeção em função da carga e da rotação (mapa básico)
Sensores de rotação e carga definem o ponto-base no mapa.
Correções possíveis: 
 Temperatura do motor;
 Temperatura do ar;
 Altitude (densidade do ar)
 Emissões (sonda lambda)
 Transiente de aceleração
 Transiente de deceleração
 Detonação
 Flex: qual combustível?
 
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Magneti Marelli FLEX 
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6. Sistemas de alimentação de combustível
 
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Sensores: sonda lambda
 
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Definição da carga: posição da borboleta de aceleração
Sensor de posição (potenciômetro) e software de cálculo da derivada da posição (determinar aceleração ou desaceleração)
Corpo de borboleta (M.Mareli)  
incorpora vários sensores
Medição da massa de ar: direta ou
Indiretamente (Bosch) 
 
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6. Sistemas de alimentação de combustível
Sensores vários:
 
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7. Controle de carga
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Comando de válvulas variável
Possibilidades de variação  diferentes graus de dificuldade mecânica
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Possibilidades de variação  combinação de efeitos
Fonte: Mahle
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7. Controle de carga
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7. Controle de carga
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Objetivo: melhoria de desempenho a plena carga
Defasar as curvas de válvulas de forma a atender tanto as baixas quanto as altas rotações. Variar o cruzamento de válvulas. Pode ser contínuo ou “binário” (duas posições)
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Objetivo: controlar a carga sem estrangulamento
 Controle usual Fechamento antecipado da válvula de admissão
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 Objetivo: controlar a carga sem estrangulamento
Controle normal
(estrangulamento)
FVA antecipado
FVA retardado 
(Injeção direta na
 câmara)
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7. Controle de carga
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