Co to jest VANOS w BMW?

Zmienne fazy rozrządu występują pod wieloma nazwami. Wszyscy znają system VTEC Hondy , Mitsubishi nazywa go MiVEC, Toyota – VVT-i, Porsche – VarioCam. Ale to VANOS produkcji BMW jest bodaj najbardziej znanym układem zmiennych faz rozrządu. Skąd wzięła się jego nazwa i jak działa VANOS?

Sterowanie fazami rozrządu było przebojem lat 90. poprzedniego stulecia. Producenci prześcigali się we wprowadzaniu tego rozwiązania na rynek. Dziś nie sposób wyobrazić sobie silnika spalinowego, który nie byłby wyposażony w mechanizm pozwalający regulować fazy rozrządu.

Zmienne fazy rozrządu

Zacznijmy od tego, na czym polegają zmienne fazy rozrządu i skąd popularność tego rozwiązania. Jak wiemy, spalinowy silnik benzynowy pracuje w czterech cyklach – czyli jest czterosuwowy. Podczas suwu ssania otwierają się zawory dolotowe, a tłok rusza się w dół. Podczas suwu sprężania, gdy tłok porusza się w górę, zassana mieszanka paliwa i powietrza poddawana jest kompresji – wszystkie zawory są szczelnie zamknięte. Ułamek sekundy po tym, gdy tłok osiągnie górny martwy punkt, następuje zapłon i suw pracy – zawory nadal są zamknięte, bo cała energia z kontrolowanego zapłonu mieszanki ma zmienić się w siłę przesuwającą tłok w dół. Gdy tłok osiągnie dolny martwy punkt, pora na cykl wydechu – otwierają się zawory wylotowe, spaliny opuszczają komorę spalania, wypychane przez tłok. Gdy tłok ponownie osiągnie górny martwy punkt, zawory wylotowe są już zamknięte, a dolotowe – gotowe do otwarcia, bo wracamy do początku suwu sprężania.

Wszystkie elementy silnika połączone są „na sztywno” – czyli obroty wałków rozrządu, które powodują otwieranie i zamykanie zaworów, wynikają bezpośrednio z obrotów wału korbowego. Oznacza to, że niezależnie od tego, jakie są obroty wału (czyli „obroty silnika”), w klasycznej konstrukcji zawory otwierają się i zamykają zawsze w tym samym momencie.

Choć działało to przez z górą sto lat historii silników spalinowych, nie jest to idealne rozwiązanie. Przy różnych obrotach wału warunki w komorze spalania są bowiem różne. Przy danej ilości paliwa samo spalanie trwa zawsze tyle samo, więc na przykład przy niskich obrotach silnik niepotrzebnie zużywa energię na kompresowanie spalin, które mogłyby już opuszczać komorę spalania, ale zawory wylotowe nie są otwarte. Z kolei przy dużym zapotrzebowaniu na moc potrzeba dużo powietrza – zawory dolotowe można by otworzyć i zamknąć wcześniej, dając silnikowi więcej czasu na skompresowanie mieszanki. Nie da się tego zrobić bez zmiany faz rozrządu. Czyli – połączonym do tej pory „na sztywno” elementom rozrządu trzeba było dać nieco elastyczności.

Na scenę wchodzi VANOS

Bez postępu technologicznego nie dałoby się takiego postulatu zrealizować, więc na skuteczne rozwiązania zmiennych faz rozrządu przyszło sporo czekać. W połowie lat 80. pojawiły się pierwsze działające niezawodnie mechanizmy, w tym właśnie VANOS. Ta ciekawa nazwa jest skrótem niemieckich słów „Variable Nockenwellensteuerung” – zmienne sterowanie wałków rozrządu.

Wspomniana wcześniej elastyczność została osiągnięta – tak samo jak w przypadku innych systemów – przez zamocowanie na zębatce napędzającej wałek rozrządu specjalnego wariatora. Wariator to urządzenie, które przypomina wyglądem małą, szczelnie zamkniętą miseczkę. Na jej obwodzie znajdują się zęby, na które założony jest wałek rozrządu, a wariator jest zamontowany na wałku rozrządu. Wewnątrz wariatora znajduje się zestaw kół zębatych sterowanych małym ślimakiem. W zależności od kontrolowanego przez komputer silnika ciśnienia oleju, który obraca ślimakiem wariatora, jego wnętrze – połączone z wałkiem – potrafi się obrócić w stosunku do obudowy, przymocowanej do głowicy. W ten sposób wałek rozrządu może „wyprzedzać” wał korbowy lub „opóźniać” swój obrót względem obrotu wału. Co za tym idzie – zawory mogą otwierać się wcześniej lub później, niż wynikałoby to ze sztywnego połączenia wału korbowego z wałkami rozrządu.

Pierwszy VANOS w BMW

Po raz pierwszy VANOS w silniku BMW pojawił się w jednostkach benzynowych z rodziny M50, a dokładnie w odmianach TU (od roku 1992). Był dostępny w dwóch wersjach o pojemnościach od 2,0 do 2,5 l. Motor ten znajdziemy w BMW Serii 5 E34 (w odmiany 520i i 525i). VANOS był oferowany również w sportowej wersji silnika M50, oznaczonej jako S50. Motor ten był dostępny w modelu M3 E36. Był to jeszcze stosunkowo prosty system, w którym zastosowano dwupozycyjny wariator wyłącznie na wałku dolotowym. Przy zadanych obrotach silnika (ok. 2000/min) wałek przestawiany był o 12,5 stopnia w stosunku do ustawień nominalnych, aby przy 5000 obr./min do nich powrócić. W ten sposób podniesiono moment obrotowy w średnim zakresie obrotów, nie tracąc ani gładkich obrotów biegu jałowego (na „luzie” można było postawić na tym silniku monetę i nie przewracała się), ani mocy w górnym zakresie obrotów.

Zalety układu VANOS

Zalety zmiennych faz rozrządu były tak duże, że wkrótce wariator trafił również na wałek wylotowy. Ten system znamy jako „podwójny VANOS” i jest stosowany z powodzeniem do dziś w silnikach BMW, choć dziś już z dwoma ważnymi uzupełnieniami.

Pierwszym z nich było wprowadzenie w roku 1998 VANOS w wersji bezstopniowej. W przeciwieństwie do poprzednika, przesunięcie faz rozrządu nie było uzależnione od obrotów silnika, a fazy nie były zmieniane tylko z pozycji A do pozycji B. Bezstopniowy VANOS jako punkt wyjścia postawił zapotrzebowanie kierowcy na moc, a wałki można było niezależnie od siebie przyspieszyć lub opóźnić o dowolną wartość z zakresu od 0 do 13 stopni. Dzięki temu otwieranie i zamykanie zaworów następuje dokładnie wtedy, kiedy jest potrzebne, aby kierowca miał do dyspozycji tyle mocy, ile sobie zażyczy. W efekcie silniki BMW mimo sporych mocy wykazują się bardzo umiarkowanym zapotrzebowaniem na paliwo.

Drugim, kluczowym udoskonaleniem VANOS-a było wprowadzenie „brakującego ogniwa” do sterowania rozrządem. VANOS pozwala ustalić, kiedy i na jak długo otwierają się zawory – Valvetronic pozwala regulować, jak bardzo się uchylają. W określonych sytuacjach lepiej jest zostawić dłużej uchylony delikatnie zawór, w innych na krótko otworzyć go bardzo szeroko. Tandem VANOS i Valvetronic pozwala komputerowi silnika na pełną dowolność wszystkich parametrów rozrządu.

VANOS jest oczywiście układem skomplikowanym i wymagającym zegarmistrzowskiej precyzji. Nierówna praca silnika, brak mocy, kontrolka Check Engine często wynikają w BMW właśnie z awarii układu VANOS. Ceny naprawy w ASO są horrendalne, dlatego warto znaleźć serwis, który specjalizuje się w naprawach BMW.