A pneumatikus egyensúly kora volt

Mi, akik döntően a huszadik század vége tranzisztoros korszakának gyermekei vagyunk, esetleg még láttunk olyan öregeket, akik értettek ezekhez a döntően szívóoldali gumicsöves és szeleprengeteges útvesztőkhöz, melyek az 1960-2000 közötti 40 év motortereinek látványvilágát jellemezték. Cudar világ lehetett ez – mármint diagnosztikai szempontból. De hogyan kell elképzelni ezeknek a rendszereknek a működését? Ezt próbáljuk cikksorozatunkban rekonstruálni.

De induljunk az elejétől: Alapvetés. Miért a pneumatika?

A belső égésű motorok szívóoldali szabályzási megoldásainál a pneumatikus vezérlés alkalmazása történetileg kézenfekvő és indokolt választás volt, mivel a szívócsőben kialakuló vákuum már eleve rendelkezésre állt, így egyfajta „ingyenes”/már kéznél lévő energiaforrásként szolgált. A korai motorok – különösen a karburátoros és szívócső-befecskendezésű rendszerek – részüzemmódjaik során nagy “vákuumkülönbségeket” produkáltak az egyes üzemállapotaikban, amit egyszerű, olcsó és megbízható membrános pneumatikus elemekkel, ún. “vákuumaktuátorokkal” lehetett hasznosítani. Ezek a mechanizmusok nem igényeltek elektronikát vagy szenzortechnikát, így a 60-as, 70-es, sőt még a 80-as évek technikai szintjén is bőven kielégítették az akkor szükséges szabályzási pontosságot és reakcióidő követelméneket. 
A vákuum megoldások visszaszorulása akkor kezdődött, amikor a motorok szükséges reakcióideje lecsökkent, a fordulatszám és emissziószabályozás finomítása precíziós aktuátorokat és szenzorokat kívánt, valamint a közvetlen befecskendezés és a turbófeltöltés következtében depresszióvá (0…-1 bar közötti vákuum) csökkent a korábbi szívócső-vákuum erőssége. Az OBD-rendszerek (On-Board Diagnostics) és a CAN-buszos elektronikai architektúrák végül fokozatosan kiszorították a pneumatikus vezérlést, de annak működési elve és rendszerlogikája máig meghatározó a szakmai tudástárban – és más területeken elő-előkerül.

Mégis mit tudnak?

Képességeik és lehetőségeik a fizikai viselkedésükhöz – mint például nyomáskülönbség, membránmozgás, vákuumtárolás – kapcsolódnak, és több funkcióra voltak alkalmazhatóak. Egyrészt kapcsolási funkciókat láttak el: vákuumrelék segítségével adott nyomáskülönbségre mechanikai kapcsolás történt, mint például vákuumos klímakapcsoló esetén, de ide tartozott a karburátoros hidegindítás lekapcsolása a motor melegedése után, vagy a gyorsítás működtetése gyors gázadásnál, illetve a szívótorok geometriájának vákuumos változtatása is. Alkalmasak voltak szabályzásra: így vákuummal részlegesen nyitható szelepek (pl. EGR-szelepek) fordulatszám- vagy terhelésfüggő szabályozása, gyújtás előgyújtás-vákuum korrekció mechanikus elosztós rendszereknél, vagy a motorfék-üzemállapot érzékelése és váltása – például az ACV (Air Controll Valve) szelep esetében. Használhatóak voltak komplexebb logikai kapcsolások megvalósítására is: például biztosítható volt, hogy az EGR-szelep csak üzemmeleg motornál működjön, vagy hogy bekapcsolt klíma esetén a motor magasabb alapjáratra váltson (FICD-szelep Fast Idle Control Device – szabad fordításban: gyorsított alapjárat-vezérlő szelep). A vákuumrendszerek időzítési és áthangolási lehetőségeket is biztosítottak: vákuumtartályok és visszacsapó szelepek révén késleltethető vagy csillapítható egyes részegységek, például a gyorsítómembrán mozgása, pl. ne rántson a motor, vagy a szívótorok-váltás időzítése a Toyota egykori ACIS (Acoustic Control Induction System – a szívócső geometria változtató) rendszerében. Egy további fontos képességük az energiafüggetlenség – ezek a rendszerek képesek elektromos energia nélkül is működni mechanikus “vákuumlogikával”, vagy kombináltan, elektromágneses szelepekkel (VSV-Vacuum Swithching Valve), így vészüzemi működésre is alkalmasak, pl. ha az ECU leáll, az alapjárat-szabályzás továbbra is működhet. 
Mi történik, ha az egyik pneumatikus elem elromlik? Alapesetben a vákuumvezérelt rendszerek esetében bármely egyes pneumatikus elem meghibásodása komoly láncreakciót indíthatna el, amely nemcsak az adott funkció, hanem a teljes motorüzem finomhangolt egyensúlyát is felboríthatná. Ennek oka, hogy a rendszer a szívócső depresszióját nemcsak működtető közegként használja, hanem mint dinamikus információhordozót is, amely különböző vákuumágakon keresztül logikai állapotokat közvetít. Egyetlen hibás vákuumág vagy szelep nem csupán a saját funkcióját bénítaná meg, hanem közvetve a többi ágat is zavarba hozná, mivel minden membrán a differenciálnyomás alapján működik, és bármilyen szivárgás vagy idő előtti nyitás torzítaná az egész rendszer nyomásképét.
A korszak mérnökei tisztában voltak a vákuumos vezérlés ezen problematikusságával, ezért a rendszer robusztusságát nem redundanciával, hanem szegmentáltsággal biztosították, azaz

a vákuumforrásokat decentralizáltan, de funkciók szerint elkülönítve vezették ki a szívócsőből, jellemzően fojtószelep előtti (ported vacuum), szívócső utáni (manifold vacuum) vagy modulátoron keresztül. Így pl. az EVAP ágon történő szivárgás nem befolyásolta közvetlenül az EGR vagy az alapjárati bypass rendszert. Ezen túlmenően vákuumos logikai elemek (TVSV, BVSV, VCV) gondoskodtak arról, hogy egy adott vákuumút csak akkor nyílhasson meg, ha annak feltétele – például a megfelelő hőmérséklet – teljesül, így nem történhetett idő előtti kapcsolás. 
Egyes ágakba egyenirányító (check valve) vagy csillapító (silencer) szelepeket építettek be, amelyek megakadályozták a vákuumlöketek túlterjedését, és biztosították a membránok szabályozott, lassú kitérését – a rendszer válaszidejét. A hurokba zárt ágrészek biztonságot nyújtottak: ha a megfelelő nyomáskülönbség nem alakult ki, a szelep nem mozdult – ez egyfajta passzív, önkorlátozó hibaellenállást jelentett. Az elektromágneses szelepek (VSV) pedig csak az ECU engedélyével vezéreltek vákuumot, így a digitális irányítás másodlagos védelmi vonalat képzett a hibákkal szemben.

A motorszabályzás-történetének legbonyolultabb rendszerei

A belső égésű motorok történetében több gyártó is híres volt arról, hogy extrém bonyolult és összetett vákuumcsöves rendszereket alkalmazott – különösen az 1970-es és 1980-as években, amikor az emissziós szabályozásokat még nem a maihoz hasonló elektronikával és vezérlőegységekkel, hanem mechanikus és vákuumos módszerekkel próbálták megoldani. Az alábbiakban összegyűjtöttünk a legismertebb és legösszetettebb vákuumvezérlésű rendszerekből pár példát:

Toyota 22-R (címképünkön)
A Toyota 22R motor vákuumvezérlési rendszere egy analóg, pneumatikus logikai architektúra, amely a szívócső nyomásprofilját nemcsak működtető közegként, hanem valós idejű, fizikai információhordozóként használja. A rendszer működési alapját az adja, hogy a szívócsőben fellépő depresszió/vákuum – különösen zárt fojtószelep vagy részterhelés alatt – a motor aktuális üzemállapotának nyomástechnikai lenyomataként értelmezhető. Ezt az alacsony nyomást a rendszer különböző ágakon keresztül ported vacuum (fojtószelep előtti) vagy manifold vacuum (szívócső vákuum) forrásból nyeri, és szétosztja azt a különféle vákuumvezérelt pneumatikus elemek között. 
A kapcsolási logikát passzív és aktív elemek – például a TVSV (Thermal Vacuum Switching Valve) vagy a már korábban említett VSV (Vacuum Switching Valve) szelepek – strukturálják. A TVSV egy hőmérséklet-érzékeny, bimetál mechanizmuson alapuló szelep, amely 60–85 °C között nyitja meg a hozzá rendelt vákuumágat, míg a VSV egy elektromágneses működésű szeleptípus, amelyet motorvezérlő elektronika (ECU) kapcsol logikai állapot szerint. 
A további pneumatikus elemek, pl. az EGR-szelep például csak akkor nyit, ha a TVSV már nyitott és a modulátor – a szívócső vákuumának csillapításán keresztül – megfelelő mértékű vákuummennyiséget juttat annak membránjára. Ugyanez igaz az tüzelőanyagpára-visszavezetés (EVAP) esetében: amikor az ECU egy VSV szelepen keresztül vákuumot enged a szénkanniszterre, amikor a szívócső vákuum eléri a szükséges szintet, a vákuum szívó hatása az elszívott pára mennyiségét is arányosan szabályozza. Ez a rendszerlogika tehát nem bináris kapcsolólogikán, hanem analóg differenciálnyomás-függő arányosságon nyugszik. Párhuzamosan a motor terhelés, a fordulatszám, a hűtőfolyadék-hőmérséklet, a pillangószelep-helyzet adatai is leképeződnek vákuumszintek formájába, amelyek az egyes vákuumágakra különböző működési parancsokat „közvetítenek”.

Hidegindításkor: a motor hűtőfolyadék-hőmérséklete < 60 °C, az alapjárati fordulat megemelt, terhelés nincs, a klímakompresszor nem aktív. A BVSV (≈ 0,00 bar) és a TVSV (≈ 0,00 bar) szelepek zárt állásban vannak, így a vákuum nem jut el sem az EGR, sem az EVAP szelepekhez. A Charcoal Canister (≈ 0,00 bar) vákuumvezérlése inaktív, a tüzelőanyag-pára-visszavezetés még nem indul meg. A VSV (≈ 0,00 bar) zárt állapotban marad, így a kipufogógáz-befúvó rendszer (Air Injection) nem működik. Amennyiben a klímakompresszor bekapcsol, aktiválódik a FICD (≈ 0,15 bar): a VSV (for idle-up) (≈ 0,15 bar) nyit, és a vákuum eljut az alapjárat-emelő membránhoz, amely így megnövelt alapjáratot biztosít.
Pneumatikus viselkedés: a vákuum kizárólag az alapjárat-emelés irányába nyit; az emissziót szabályzó elemek zárt, inaktív állapotban vannak.
Üzemmeleg állapotban, részterhelésen: A motor hőmérséklete > 75 °C, stabil vákuum a szívócsőben, részterheléses állapot, közepes fordulatszám. A BVSV (≈ – 0,30 bar) és a TVSV (≈ – 0,32 bar) már nyitott állapotban vannak, így a vákuum eljut az EGR és EVAP rendszerekhez. Az EGR Vacuum Modulator (≈ –0,28 bar) csillapított vákuumot juttat az EGR Valve-re (≈ –0,25 bar), amely részlegesen nyit, és kis mennyiségű kipufogógázt visszavezet az égéstérbe, ezáltal csökkentve a NOx emissziót. A Charcoal Canister VCV (≈ –0,31 bar) szintén nyitott, így megkezdődik az aktív szénszűrőn keresztül az tüzelőanyagpára visszavezetése. A Pressure Regulator VSV (≈ –0,33 bar) is aktiválódik, ha szükséges, és a szívócső-vákuum alapján korrigálja az tüzelőanyagnyomást.
Pneumatikus viselkedés: több vákuumág működik egyidejűleg. A modulátorok arányosan szabályozzák a vákuumot, így precíz működést biztosítanak a membránokkal vezérelt szelepek és mechanizmusok számára.
Motorfék üzemben: A gázpedál teljesen felengedve, a pillangószelep zárt, a fordulatszám magas, és a szívócsőben a vákuum értéke maximális. A VSV EGR (≈ 0,00 bar) zárva van, így az EGR működését letiltja a vezérlés, elkerülve ezzel a rángatást motorfékezés alatt. Az EGR teljesen zárva marad (≈ 0,00 bar). Az EVAP rendszer szintén zárt állapotba kerülhet a TVSV (≈ 0,00 bar) lezárásával, ha a vákuum meghaladja az ideális szintet. Az ACIS vagy más, vákuummal vezérelt szívócső-váltó (≈ 0,00 bar) nem aktív, mert csak magas terhelésre és fordulatra kapcsol. A vákuumtárolók és visszacsapó szelepek (≈ –0,35 bar) aktívan csillapítják a hirtelen nyomásesést, biztosítva a fokozatosságot az érzékeny rendszerekben.
Pneumatikus viselkedés: vákuumintenzív állapot, de a kritikus emissziós alrendszerek (EGR, EVAP) inaktívak. A túlzott depressziót vákuumtárolók és záróelemek kezelik, a TVSV-k és VSV-k a vákuumterhelés szétosztását végzik.

Ford Ranger 2,3l, 16V SOHC (1998–2001)

Hidegindításkor: A Ford 2.3L motor hidegindítása során, amikor a hűtőfolyadék hőmérséklete még alacsony, a PRCSV (Purge Regulator Control Solenoid Valve - párologtató vezérlőszelep mágnesszelepe) és az EGR Control Solenoid Valve (kipufogógáz-visszavezetés vezérlő mágnesszelep) zárt állapotban maradnak. Ennek hatására az EGR-rendszer (Exhaust Gas Recirculation – kipufogógáz-visszavezetés) és az EVAP-rendszer (Evaporative Emission Control – üzemanyaggőz-veszteség-visszavezetés) nem aktív. A vákuum csak az alapjárat stabilizálására szolgál, és az összes fő emissziós alrendszer lekapcsolt állapotban van.
Összehasonlítás: Toyota 22R rendszerében a TVSV (termikus vákuumkapcsoló szelep) és a BVSV (bimetálos vákuumkapcsoló) végzi ugyanezt a szerepet passzívan, a hőmérséklet alapján. A 22R vákuumvezérlése ilyenkor szintén kizárólag az alapjárat-emelés felé aktív (FICD, klímaterhelés-kompenzáló membrán), ha a klímakompresszor bekapcsol.
Üzemmeleg állapotban, részterhelésen: Ebben az üzemi tartományban a motor hőmérséklete eléri az üzemi hőmérsékletét és a részterhelés stabil szívócső-vákuummal párosul. Az EGR Control Solenoid Valve (kipufogógáz-visszavezető mágnesszelep) megnyitja az utat az EGR Valve (EGR-szelep) felé, míg a Canister Purge Valve (aktívszenes szűrő elszívó szelepe) is aktiválódik, így megkezdődik az üzemanyaggőzök visszavezetése. A rendszer többi vákuumeleme – mint a Vacuum Chamber (vákuumkamra) és a Check Valve (egyirányú szelep) – gondoskodik a depresszió kiegyenlítéséről.
Összehasonlítás: Toyota 22R-nél a vákuumot nem solenoid vezérli, hanem a Modulator (vákuumcsillapító), amely a szívócső-vákuumot mechanikusan csillapított arányossággal juttatja az EGR Valve szelephez. Az EVAP működését a TVSV vezérli hőmérsékletfüggően, az EGR pedig fokozatosan nyit a vákuum mértékének megfelelően. A Toyota rendszer tehát analóg, de arányos, míg a Ford digitális vezérlésre épít.
Motorfék üzemben: A motorfék üzemi helyzetben a gázpedál felengedett, a pillangószelep zárt, és a szívócső-vákuum közel maximális. Ilyenkor az ECU logikailag zárja az EGR Control Solenoid Valve (EGR mágnesszelep) és az EVAP Solenoid Valve (párolgási veszteség mágnesszelep) elemeket. A vákuumintenzitást a Vacuum Chamber (vákuumkamra) és a Check Valve (egyirányú szelep) páros csillapítja. Az EGR Valve és az összes vákuumvezérelt emissziós szelep zárt állapotban van.
Összehasonlítás: Toyota 22R teljesen analóg módon oldja meg a motorfék alatti emisszió-mentesítést: a VSV (elektromágneses vákuumváltószelep) és a TVSV zárnak, így az EGR és EVAP ágak nem kapnak vákuumot. A vákuumrendszer passzív elemei (pl. Check Valve, Silencer) gondoskodnak arról, hogy a hirtelen nyomásváltozások ne idézzenek elő instabil állapotot - úgy csillapítják a hirtelen nyomásváltozásokat, hogy megakadályozzák a vákuum visszaáramlását és lelassítják a nyomásesések terjedését a rendszerben.

Saab H motorok:

A képen látható Saab H motorcsaládba tartozó (1985 utáni) B202 turbófeltöltött változatának egyik leglényegesebb eleme a turbófeltöltő wastegate aktuátora, amely vákuum-, illetve túlnyomásvezérelt egység. Ez szabályozza, hogy mikor nyíljon a kipufogó oldali bypass-szelep, ezzel befolyásolva a turbónyomást. A Saab-féle APC (Automatic Performance Control) rendszer elektronikusan vezérelt mágnesszelepekkel szabályozza, hogy a nyomásjel eljusson-e a wastegate-hez, vagy részben elkerülje azt – ez a rendszer szintén pneumatikusan működik, noha ECU irányítja. A motoron található még egy vákuumvezérelt tüzelőanyagnyomás-szabályozó is, amely a szívócsőben uralkodó nyomáshoz igazítja az tüzelőanyagrendszer nyomását, ezzel optimalizálva a befecskendezést. A szívócsőre csatlakozó vákuumcsövek több egyéb célra is szolgálnak, például előgyújtás szabályozásra, esetleges EGR-szelep mozgatásra, vagy más vákuummal működő segédrendszerekhez. Ezek a vákuumcsövek általában vékony, fekete gumicsövek, amelyek közvetlenül a szívócsőből veszik a vákuumot, és több helyre is elágazhatnak. A teljes rendszer összehangolt működése biztosítja a motor optimális teljesítményét és hatékonyságát a töltőnyomás és a keverékképzés szabályozásán keresztül.
A Saab H-motorcsalád - különösen a turbófeltöltős változataiban - technológiai szempontból sajátos átmenetet képvisel a Toyota 22R teljesen analóg, vákuumalapú rendszerarchitektúrája és a Ford Ranger 2.3 SOHC digitális, solenoid-vezérelt emissziólogikája között. Míg a Toyota a vákuumot kvázi "nyelvként" használta – ahol a depresszió mértéke analóg információként határozta meg az aktuátorok kitérését és az emissziós funkciók arányos aktiválását –, a Saab a 80-as évek elejétől egy másik irányba indult: fokozatosan integrálta az elektronikus felügyeletet a vákuumos működésbe, zárt hurkú (closed-loop) szabályzással. Ez leglátványosabban az APC (Automatic Performance Control) rendszerükben testesült meg, amely a knock (kopogás)-szenzor jelei alapján módosította a turbónyomás-vezérlést egy vákuummal működtetett wastegate (elkerülő-szelepes) aktuátoron keresztül. A rendszer tehát vákuummal dolgozott, de már szenzorvezérelt, adaptív beavatkozásokkal. Ezzel szemben a Toyota 22R rendszere nem érzékelt közvetlen motorparamétereket (pl. detonációt vagy turbónyomást), csupán az analóg fizikai nyomásviszonyokat (vákuum) figyelte és ezek alapján vezérelt. A Ford rendszer a 90-es évek végére viszont már az ECU által vezérelt elektromágneses szelepek nyitottak vagy zártak, nem volt, csak logikai állapot.
A Saab tehát érdekes középutat választott: a rendszerében továbbra is kulcsszerepet játszott a vákuum, amelyet viszont már elektronikus logika vezérelt. Ez kontrasztban áll a Toyota 22R filozófiájával, ahol a rendszer „önmagát értette”: a vákuum értéke egyben az információ, a működtető közeg és az időzítés is volt, passzív logikai elemeken (TVSV, BVSV, modulátor) keresztül. A Saab ezzel szemben „delegálta” a döntéshozatalt az elektronikának, de megtartotta a vákuumalapú mozgást a végrehajtásban. Ezen elv mentén például a turbónyomás szabályzása is sokkal rugalmasabb, gyorsabban reagáló és finomhangolható lett – miközben mégsem igényelt elektromos aktuátorokat, csupán vákuumirányítást és megfelelő szoftveres logikát.

Forrás: forum-auto.de, thedrive.com, enginedbdynamizing.z21.web.core.windows.net, therangerstation.com, charm.li, modd.me (install manual), gearheadinc.net