Vanos – co to jest? Wyjaśniamy!

Spis treści:

• Vanos – co to daje? Dlaczego stosuje się układy zmiennych faz rozrządu?
• Co to jest Vanos? Budowa i zasada działania
• Jak poznać co to jest? Vanos w silnikach BMW
• Vanos – obsługa i typowe awarie
• Podobne układy zmiennych faz rozrządu
• Co to jest Vanos w silnikach BMW – podsumowanie

Vanos – co to daje? Dlaczego stosuje się układy zmiennych faz rozrządu?

W samochodach seryjnych układy zmiennych faz rozrządu pojawiły się w latach 80 XX wieku. Pierwszym modelem z takim urządzeniem była Alfa Romeo Spider 2000. W następnych latach swoje układy skonstruowała Honda i wielu innych producentów, jednym z nich był system BMW – Vanos. Dlaczego to rozwiązanie stało się tak popularne?

Układy te pozwalają zwiększyć moc i moment obrotowy, a także zmniejszyć ilość szkodliwych substancji w spalinach.

W standardowym silniku spalinowym wysokość i czas otwarcia zaworów dolotowych i wylotowych są niezmienne bez względu na prędkość obrotową silnika. Wałek rozrządu zawsze obraca się z prędkością 2 razy mniejszą od wału korbowego, a kształt jego krzywek determinuje jak mocno, na jak długo i kiedy poszczególne zawory zostaną otwarte. 

To rozwiązanie tanie, ale nieefektywne. Maksymalna moc jest dostępna w stosunkowo wąskim zakresie obrotów silnika, poniżej nich zwykle jednostka napędowa traci znacznie sprawność, ze względu na niewłaściwe napełnianie i skład mieszanki. 

Przy małej prędkości obrotowej dochodzi do strat przepływu na skutek zbyt długiego otwarcia zaworów dolotowych. W efekcie silnik nie może pracować z rzeczywistą mocą, nie jest w pełni elastyczny, zużywa więcej paliwa, a jego spaliny są bardziej toksyczne.

Mechanizmy zmiennych faz rozrządu mają poszerzyć zakres prędkości obrotowych, w których silnik pracuje w sposób optymalny. Zmieniają moment otwierania zaworów dolotowych i wylotowych. Przeważnie takie systemy wyposażone są w dodatkowe krzywki na wałku lub oddzielny wałek, które obsługują zawory w określonych przez konstruktora zakresach obciążenia silnika. Za przełączanie pomiędzy nastawami może odpowiadać sterowany elektronicznie siłownik (układy nowocześniejsze) lub wariator odśrodkowy (systemy starszego typu), w którym większa prędkość obrotowa doprowadza do zmiany nastaw rozrządu.

Dzięki temu następuje poprawa momentu obrotowego oraz zwiększenie sprawności silnika, zmniejsza się zużycie paliwa oraz emisja szkodliwych składników spalin. Dla kierowcy najbardziej istotne jest to, że silnik działa sprawnie w szerokim zakresie obrotów. Szczególnie usprawniło to jazdę samochodami o sportowym charakterze, które przed erą układów zmiennych faz rozrządu, wymagały niemal nieustannych wysokich obrotów, nawet podczas zwykłej jazdy miejskiej. 

Co to jest Vanos? Budowa i zasada działania

Vanos to system, którego zadaniem jest zmiana momentu otwarcia zaworów. Zadebiutował w 1992 roku w jednostce napędowej, oznaczonej symbolem M50 (dokładniej M50TUB20 i M50TUB25), montowany w BMW serii 3 E36 i serii 5 E34. W 1994 roku został on zastąpiony przez unowocześnioną jednostkę M52. Od 2001 stosowany jest on wspólnie z systemem Valvetronic, który pozwala na zmianę czasu otwarcia (wzniosu) zaworów.

Pierwsza generacja systemu Vanos obejmowała wyłącznie zmianę faz pracy zaworów dolotowych. Tzw. podwójny Vanos, wprowadzony w 1996 roku (silnik S50B32 montowany w BMW M3 oraz BMW Z3 M generacji E36) zmieniał również fazy zaworów wylotowych.

Jak zbudowany jest układ Vanos?

W skład układu wchodzą następujące elementy:

• elektroniczna jednostka sterująca;
• zawór elektromagnetyczny;
• pompa hydrauliczna;
• siłownik;
• kanały sterujące;
• wariator mechaniczny.

W układzie podwójnym każdy z tych elementów jest zdublowany. W pierwszej generacji sterownik opierał się na danych z:

• czujnika prędkości obrotowej wału korbowego;
• czujnika otwarcia przepustnicy;
• czujnika temperatury cieczy chłodzącej. 

W kolejnych latach na sterowanie układu miały kolejne czujniki pracy silnika. Obecnie układ zintegrowany jest z magistralą CAN i na jego pracę mogą mieć wpływ niemal wszystkie parametry pojazdu.

Jak działa pojedynczy układ Vanos?

Układ rozrządu napędzany łańcuchem z dwoma wałkami w głowicy przy niskich prędkościach obrotowych pracuje tak jak w samochodzie ze stałymi fazami. Wałki obracają się z ½ prędkości wału korbowego, krzywki naciskają na popychacze, które otwierają zawory. 

Elektroniczna jednostka sterująca monitorująca dane z trzech czujników oraz z mapy silnika zaczyna działać, gdy kierowca zwiększy obciążenie silnika i wkręci go na wyższe obroty. Sygnał otwiera zawór elektromagnetyczny, co pozwala pompie systemu Vanos na wpompowanie oleju do specjalnych kanałów. 

Wałek rozrządu zakończony jest kołem z uzębieniem śrubowym, dzięki czemu możliwa jest zmiana jego położenia kątowego w czasie pracy (wariator). Olej pod dużym ciśnieniem dopływa do tłoka hydraulicznego siłownika kanałem, powodując jego przesunięcie. Tłok przemieszcza się w kierunku koła zębatego wałka rozrządu. Zazębienie z wewnętrzną powierzchnią wariatora powoduje zmianę kąta między krzywkami a zaworami, co zmienia moment otwarcia zaworu na wcześniejszy. 

Gdy prędkość obrotowa spada, elektrozawór kieruje olej do siłownika z drugiej strony tłoka, co powoduje cofnięcie się wałka i opóźnienie momentu otwarcia względem martwych punktów położenia cylindrów. 

System Vanos BMW ma działanie dwuetapowe. Przy niskich obrotach moment otwarcia zaworów jest późny. Świeży ładunek mieszanki trafia do cylindra po pełnym zamknięciu kanałów dolotowych, przez co nie jest wysysany do kanałów wydechowych. Następuje spalanie całości ładunku, minimalizowane są straty energii, a dawka paliwa może zostać zmniejszona bez utraty mocy czy zubożenia mieszanki. 

Przy wyższych prędkościach obrotowych układ przyspiesza moment otwarcia zaworów dolotowych. W momencie otwarcia dolotu zawory wydechowe są jeszcze uchylone. Poprawia to napełnianie cylindra, ponieważ ciśnienie wydechowe zasysa mieszankę z kolektora dolotowego. Dodatkowo gazy spalinowe częściowo powracają do komory spalania, maleje temperatura spalania, a w spalinach jest mniej szkodliwych substancji, ponieważ są ponownie spalane. 

Gdy prędkość obrotowa dalej rośnie, zwykle powyżej około 5500 obr/min (wartość zależy od charakterystyki konkretnej jednostki napędowej), wałek rozrządu ponownie cofa się i ustawia w pozycji takiej jak przy niskich obrotach (moment otwarcia jest opóźniany). Przy wysokiej prędkości obrotowej, podciśnienie wytwarzane przez pracę tłoka jest wystarczające do właściwego napełnienia cylindra, dlatego zbędne jest wspomaganie go ciśnieniem zaworów wydechowych. Wczesne otwarcie zaworów powoduje pewne straty, ponieważ część mieszanki wypływa z cylindra przed jej sprężeniem. Dzięki opóźnieniu na wysokich obrotach możliwe jest oszczędzenie paliwa bez zmniejszenia mocy.

Zobacz także: Zmienne fazy rozrządu - poprawiają dynamikę, ale czy są awaryjne?

Jak poznać co to jest? Vanos w silnikach BMW

Wiesz już co to jest Vanos i jak działa, ale czy łatwo sprawdzić, które auto ma silnik z tym systemem? Wariatory zmiennych faz rozrządu montowane są przy głowicy, od strony łańcucha rozrządu (w BMW zwykle z przodu auta). W niektórych silnikach Vanos występował zawsze, są to na przykład:

• N42 R4 1.8 – 2.0 l, z Valvetronic, montowany w BMW 3 E46;
• N46 R4 1.8 – 2.0 l, z Valvetronic, montowany w BMW 1 E81 – 87, E46, E90, X3, X5;
• N45 1.6 – 2.0 l, montowany w BMW 1 E81 – 87, E90 316;
• N20 / N13 1.6 – 2.0 l, z Valvetronic, montowany w BMW 1 (F20), 3 (F30), X1 (E84), X3 (F25);
• M52 2.0 – 2.8 l;

W silniku M50 zaprojektowanym w 1989 roku układ ten pojawił się od września 1992, dlatego w przypadku BMW E34 i E36, podstawowym czynnikiem jest rocznik. Oczywiście nie daje to pewności, silnik mógł być wymieniony (zarówno na nowszy, jak i na starszy). Jest jednak szczegół, który pozwoli łatwo rozstrzygnąć, czy w danym silniku jest Vanos. Co to? Kształt przedniej, górnej pokrywy rozrządu. W M50 bez zmiennych faz rozrządu pokrywa jest płaska i blaszana, w silnikach po 1992 roku wykonana jest w formie aluminiowego odlewu i ma złożony kształt (wystający ścięty stożek przy wałku dolotowym), doprowadzone są do niej także przewody olejowe i elektryczne. Wewnątrz wystającego elementu znajduje się siłownik i wariator układu Vanos.

Vanos – obsługa i typowe awarie

Pojedynczy Vanos z wczesnych silników (przed 1996 rokiem) jest układem samoregulującym. Jeżeli nie nastąpi przestawienie faz na kołach łańcuchowych, nie powinien się rozregulować.

Podwójny Vanos wymaga kontroli synchronizacji pomiędzy wałkiem dolotowym i wydechowym. Niezbędny jest do tego interfejs diagnostyczny. Do 1998 roku BMW stosowało okrągły wtyk diagnostyczny z 20 pinami, którego gniazdo znajduje się pod maską. Po 1998 wprowadzono gniazdo standardu OBD 2, umieszczone w kabinie.

Układ zmiennych faz rozrządu Vanos jest podatny na awarie, a koszt ich usunięcia w ASO jest wysoki. Im większy jest przebieg i poziom zużycia mechanicznego silnika, tym większe jest ryzyko awarii układu. 

Zasadniczą kwestią, o której powinien pamiętać każdy posiadacz auta BMW z silnikiem wyposażonym w układ zmiennych faz rozrządu Vanos, jest stosowanie oleju silnikowego najwyższej jakości, zgodnego z zaleceniami producenta auta, dbanie o terminową wymianę (wraz z filtrem) i utrzymywanie odpowiedniego poziomu oleju w silniku. Olej w silnikach z tym układem, jest nie tylko smarowidłem, ale także obsługuje siłownik zmiennych faz rozrządu. Jeżeli nie będzie dostosowany do pracy jako płyn hydrauliczny lub straci swoje właściwości, praca Vanosa może być zakłócona.

Gdy dojdzie do usterki układu Vanos to konieczna jest odpowiednia, precyzyjna diagnostyka, wykonana przy użyciu komputera diagnostycznego. W przypadku awarii układu Vanos warto jak najszybciej odwiedzić wyspecjalizowany warsztat niezależny. Znalezienie przyczyny u mechanika, który zna ten układ, nie będzie trudne.

Typowe awarie układu Vanos w silnikach BMW

Układ Vanos trapi szereg dość typowych usterek, w większości mimo tego, że są one niewielkie, to wpływają wyraźnie na pracę silnika. Dlatego warto szybko je usunąć.

Jedną z najczęściej spotykanych awarii jest zużywanie się uszczelek w zaworach hydraulicznych. Materiał, z którego zostały fabrycznie wykonane, z czasem twardnieje i uszczelki zaczynają pękać oraz przepuszczać olej. Uniemożliwia to utrzymanie właściwego ciśnienia w siłowniku, czyli także pozycji wałka. Fazy rozrządu zmieniają się w sposób niekontrolowany. Powoduje to nierówną pracę silnika na biegu jałowym, przygasanie, a nawet gaśnięcie silnika. Obecnie stosuje się w naprawach nowoczesne uszczelki teflonowe, o wiele bardziej odporne od tych, stosowanych przez producenta na pierwszym montażu.

Inną często zgłaszaną awarią są luzy w zazębieniu wariatora. Powodują one charakterystyczne grzechotanie spod maski. Źródłem grzechotu może być uszkodzony tłoczek, w którym awaria uszczelki spowodowała uszkodzenie łożyska. Częściej dochodzi do zużycia powierzchni pracujących ze sobą trybów śrubowych, przez co rosną luzy. Ciche grzechotanie pojawiało się nawet w nowych układach Vanos, gdzie wynikało ono z niezbędnej do pracy wariatora tolerancji wymiarów.

Rzadziej od poprzednio opisanych problemów zdarzają się awarie elektrozaworu. Nie podaje on wówczas oleju do siłownika. Powoduje to zablokowanie układu. Do blokady Vanosa może dojść także w wyniku zatarcia się tłoczka lub wariatora. 

Na pracę układu zmiennych faz rozrządu wpływają awarie układu smarowania (zbyt niskie ciśnienie oleju). Powodem może być niewłaściwy olej, zatkane przewody olejowe lub „smok” pompy, zużyta pompa oleju po bardzo dużych przebiegach. Mocniej zużyte silniki mogą także spalać olej, co doprowadzi do spadku jego poziomu. Podobne skutki będą miały wycieki. Z tego powodu w silnikach z Vanosem koniecznością jest częste kontrolowanie stanu oleju. 

Przy każdej naprawie układu Vanos zaleca się wymianę przewodu olejowego. Zawsze należy też wymienić olej silnikowy oraz filtr.

Sprawdź również: Czym jest złącze diagnostyczne w samochodzie? Gdzie znajdziesz je w swoim aucie?

Znajdź warsztaty wykonujące usługę wymiany oleju i filtra oleju w swojej okolicy:

Podobne układy zmiennych faz rozrządu

Układy zmiennych faz rozrządu stosowane są przez wielu producentów samochodów. Ich nazwy handlowe mogą być różne, ale w założeniu to, co to jest Vanos w BMW i pokrewne systemy innych marek jest tożsame, ale mogą mieć inną konstrukcję i wykonywać także dodatkowe zadania.

VTec/i-VTec oraz VVT/VVT-i

Variable Valve Timing (VVT) to system opracowany przez Toyotę i wprowadzony na rynek w 1991 roku. Wcześniej, w roku 1983, Honda zaprezentowała i zastosowała system VTec. Oba układy funkcjonowały podobnie.

Zasada działania jest tutaj nieco inna niż w BMW, ponieważ wałek zmienia swoje położenie wzdłużne, a nie kątowe. Na każdym z nich znajduje się podwójny zestaw krzywek, jedne obsługują silnik przy niskich, drugie przy wysokich obrotach. Dzięki temu jeden układ może zmieniać zarówno moment otwarcia, jak i wznios zaworów. System BMW ma tę przewagę, że pozwala na wieloetapowe zmiany faz o różne kąty. W przypadku systemów japońskich praca jednostki napędowej musi być sterowana przez jeden z dwóch zestawów krzywek. 

W VTec-u i VVT początkowo stosowano wariator odśrodkowy, w którym siła odśrodkowa wymuszała otwarcie zaworów siłownika. W i-VTec i VVT-i zastosowano sterowniki elektroniczne, działające podobnie jak w BMW. 

VarioCam 

Opracowany przez firmę Porsche. Na końcach dwóch wałków rozrządu, sterujących pracą zaworów dolotowych i wylotowych, znajdują się wirniki zewnętrzne i wewnętrzne, mogące się obracać względem siebie. Wirniki zewnętrzne są napędzane łańcuchem rozrządu. 

Pomiędzy wirnikami znajduje się przestrzeń robocza. Jest ona wypełniana olejem pod ciśnieniem (regulowanym przez zawory zmiany położenia wałka rozrządu, jeden dla zaworów dolotowych i drugi dla wylotowych). Olej dostający się do przestrzeni roboczych powoduje zmianę położenia wałków rozrządu.

Co to jest Vanos w silnikach BMW – podsumowanie

Układ zmiennych faz rozrządu bardzo zmienił jednostki napędowe firmy BMW, zwiększając ich elastyczność, moc i moment obrotowy, a równocześnie zmniejszając spalanie i emisję szkodliwych związków do atmosfery. Wraz ze zużyciem może stać się problematyczny, ale zwykle wystarczy zregenerować elektrozawór przez wymianę uszczelek, by przywrócić mu pełną sprawność. Wysokie koszty naprawy występują jedynie gdy dojdzie do uszkodzenia wariatora mechanicznego.

Wiesz już co to jest Vanos w BMW i jak działa, jeżeli szukasz samochodu tej marki lub już takim jeździsz, nie trzeba się go obawiać. Mechanicy obecnie mają dużą wiedzę na temat serwisowania takich układów. Należy jednak pamiętać, że kluczem do naprawy systemu Vanos jest profesjonalna diagnostyka, eliminująca niepotrzebne wydatki. Wyszukiwarka na stronie Motointegrator.com pozwala na szybkie znalezienie warsztatu samochodowego, specjalizującego się w naprawach BMW, działającego w Twojej okolicy.