BMW Vanos

A motortechnikában már szakkifejezés lett a „vanos”. Azt bizonyára a fiatalok közül is sokan tudják, hogy a VANOS név és szerkezet a BMW-ez kötődik, de már sokan használják a vezérléstechnikában általánosítva is. A VANOS a tinédzserkoron már túl van, szériagyártású motorba először a BMW 520i M50B20TU erőforrásba, 21 évvel ezelőtt, 1992-ben került. Ezek az autók már youngtimer korba jutottak. Cikkünk a VANOS technikatörténetét, szerkezetét követi nyomon, több részletben, napjainkig.

A VANOS rövidítés, a német Variable NOckenwellenSteuerung kifejezés kezdőbetűiből áll össze. Változtatható bütyköstengelyvezérlés lehet a szöveghű fordítása. Mielőtt a magyar szakkifejezésről szólunk, nézzük meg, milyen vezérlésbeli változtatást érhetünk el a VANOS-rendszerrel. A VANOS szerkezetcsalád azonos funkciót tölt be, de ennek több alfaja is van.

➊ BMW 520i, motor: M50B20TU, hengerenként 4 szelep, DOHC, szívósori VANOS (1992)

A hengertöltetcsere – levegő, keverék, illetve kipufogógáz – a motortechnika történetében, motorfajtákra tekintettel vagy attól függetlenül ugyan sokféle megoldással lehetséges, de a kúpos ülésű tányérszelepes megoldásnak végül is vetélytársa nincsen. A tányérszelepet forgó bütyökkel nyitjuk, rugó zárja, mely – ha nincs rendellenesség – hűen követi a bütyök alakját. A bütyökprofil határozza meg a szelepnyitás szögtartományát és a szelepemelés folyamatát. Ez rögzített paraméterű rendszer. A nagyon változó üzemi körülményekhez igazodni a töltetcsere optimalizálása, mai követelményként a belső kipufogógáz-visszavezetéshez, nem tud. Egy üzemállapot-tartományra hegyezték ki, a többiben lehetne jobb is.

➋ Az M50B20TU motor vezérlési diagramja

A motortechnika kezdetétől ez ismert probléma, számos „ravasz” mechanizmus is született, hogy a vezérlést több üzemi tartományban is lehessen optimalizálni.

Három dolgot is jó lenne állítani:

– a nyitvatartási szögtartományt,

– a nyitás szöghelyzetét a dugattyú lökethelyzetéhez viszonyítva,

– a szelepemelést.

„Bonuszként” még a szelepemelés függvényét (alakját) sem lenne rossz befolyásolni.

Mindezek nem vágyálmok. Ma számos sorozatgyártású motorban több eleme (vagy mind együtt is!) megvalósított.

➌ VANOS hidraulikakör, M50TU és M52 motor 1 – olajteknő, 2 – olajszivattyú, 3 – visszacsapószelep, 4 – olajszűrő, 5 – vezérlő mágnesszelep, 6 – VANOS-beavatkotó (munkahenger)

Egyszerűnek tűnik, ha csak a szelep nyitási szöghelyzetét változtatjuk, az alapértékhez képest előresiettetjük vagy hátratoljuk. A hajtással (lánccal, fogaskerékkel, fogazott szíjjal) a dugattyú lökethelyzetéhez viszonyítva rögzített szöghelyzet adódik. Így adjuk meg, mint az ismert, a vezérlési szögeket, például szívószelep nyit az FHP előtt 12 főtengelyfokkal.

Tehát a szelepnyitvatartás kezdete és szögtartománya rögzített helyen van. Kötött a fázisa. Az idegen szavak szótára azt írja, hogy „fázis = valamely folyamat, történés meghatározott szakasza, mozzanata.” Ha ezt előbbre hozzuk, vagy későbbre visszük, akkor a vezérlés fázisát állítjuk. Tehát esetünkben „vezértengely-fázisállítás” lehet a megfelelő kifejezés. A szakmában használják a „fáziselállítás” és az „elékelésiszög-állítás” kifejezéseket is.

Rendszerleltár

Táblázatban soroljuk fel a kezdetektől 2005-ig a VANOS-rendszerrel szerelt típusokat, cikksorozatunk folytatásának rendszereit is belevéve. Itt csak egy gyors áttekintést adunk:

Kétállású VANOS: M50TU és M52

Fokozatmentes szívósori VANOS: M62TU

Fokozatmentes biVANOS: M52TU, M54, N40, N42, N45, N46, N52, N62, N62TU, N73,

Fokozatmentes nagynyomású szívósori VANOS: S50, S50TU,

Fokozatmentes nagynyomású biVANOS: S50B32, S52, S54.

➍ A kétállású VANOS egység 1 – ferdefogazású fogaskerék, 2 – vezérlőhüvely, 3 – lánckerék, 4 – „késői” állítás nyomáskamra, 5 – vezérlő mágnesszelep, 6 – olajcsatorna, 7 – vezérlődugattyú, 8 – olajcsatorna, 9 – visszatérítő rugó, 10 – olajcsatorna, 11 – VANOS-beavatkozó (munkadugattyú), 12 – „korai” állítás nyomáskamra

Vezértengely-fázisállítás

➎ A beavatkozóegység (állítómű) a ferde fogazású tolóhüvellyel
 

Az alaphelyzethez képest késleltetett szívószelepnyitásnak 20 évvel ezelőtti indoka az volt, hogy ezzel a motor fordulatszámát lehessen növelni, csúcsteljesítményét fokozni, miközben közepes fordulatszámokon is optimális marad a töltetcsere. Nagy fordulatszámoknál a szívószelep zárásának késleltetése hoz eredményt a hengerfeltöltésben. Tehát a vezértengely fázisát az eddigi főtengelyszöghelyzet-együttállásból forgásirány szerint hátrább kell venni, tehát később kell nyitni a szívószelepet (hogy a zárása is később legyen, mert a nyitvatartási szögtartomány természetesen nem változik).

A „fekete/fehér” vagy kétállású VANOS tehát azt tudja, hogy az átváltás meghatározott fordulatszámán visszafordítja a bütykös tengelyt a megadott szögértékkel. Ha le akarják gyengíteni, le akarják szabályozni a motort egy meghatározott nagy fordulatszámnál, akkor korai fázishelyzetet állítanak.

➏ M62TU motor: 1 és 4 –mágneszelep, 2 és 3 – szívósori VANOS-egység jeladó póluskerékkel

Kétállású VANOS

A szívó vezértengelyre ható kétállású VANOS (BMW szakzsargonja: Schwarz/weiss Einlass-VANOS) a BMW M50TU motoron jelent meg ➊, két vezérlőrendszerrel:

M50B20TU Siemens ECU MS40.1

M50B25TU Bosch ECU ME3.3.1.

A két rendszer eltér a vezértengely-jeladóban (az első Hall, a második magnetorezisztív), valamint funkcióinak egy részében. Az állítás tényét, névleges fordulatszámát a motorhőmérséklet és a terhelés is befolyásolja. Az „előre” és „hátra” kapcsolás hiszterézissel, tehát nem azonos fordulatszámnál történik.

Az állítás „késői” kb. 4500 min-1 felett, de az alsó fordulatszám-tartományban is, de itt terheléstől függ a kapcsolási fordulatszám.

A 2,0 literes motornál a szívószelepnyitás maximális emelési szöghelyzete késői beállításban 105 °ft az FHP után (lásd a ➋. ábrát), korai szöghelyzete 80 °ft az FHP után. Tehát a fáziselállítás 25 °ft.

A beavatkozás működtető erejét munkadugattyúra gyakorolt motorolajnyomás adja. Hidraulikus kapcsolása a ➌. ábrán látható. A nyomás alatt lévő motorolajat az 5-ös jelű, 4/3 útú mágnesszelep vagy a dugattyú egyik vagy a másik oldalára engedi, véghelyzetek egyikébe hozva az állítóművet, és ezzel a vezértengelyt késői vagy korai állásba fordítva. (A „4/3-as” szelep a „4/2-estől” annyiban tér el, hogy a szelep középhelyzetében mind a 4 csatlakozó le van zárva és a kimeneteket leszellőzteti.) Az olaj a dugattyúterekből a hengerfejbe folyik ki.

A szerkezete a címképen és a ➍. ábrán látható. A működési leírásban hagyatkozunk a [2] irodalomban leírtakra.

➐ Lánckerék a végállás-érzékelő kontakt érintkezővel (1)

A VANOS-rendszer építőelemei az alábbiak:

– külső ferde fogazattal ellátott szívó bütyköstengely-végződés,

– lánckerék belső, ferde fogazatú lánckerék,

– hidromechanikus állítómű hidraulika-munkadugattyúval és külső és belső ferde fogazatú tolóhüvellyel,

– elektromágneses 4/3 vezérlőszelep,

– motorolaj-szállító csővezeték a motorblokktól a 4/3 vezérlőszelepig.

A munkadugattyúban ferde fogazatú, üreges tengely van elforgathatóan csapágyazva. A tengelyirányú elmozdulás elfordítja a vezértengelyt a lánckerékhez viszonyítva. Az ➎. ábra a beavatkozó munkahenger egységet és a ferde fogazatú tolóhüvelyt mutatja.

A B25 jelű motorváltozatnál a VANOS vezérlő mágnesszelepét a DME M3.3.1. 7-es lába vezérli test oldalról. A DME-be beépített VANOS-vezérlőelektronika két jellegmezőt tartalmaz. Ezek közül, a hűtőfolyadék hőmérsékletétől függően, vagy az egyik, vagy a másik érvényes. A szívó vezértengely elállításának pillanatában a DME a befecskendezési és a gyújtási folyamatba is beavatkozik.

A B20 jelű motorváltozatnál viszont az MS40.1 vezérlőegység 25-ös számú lába ad testet a VANOS vezérlő mágnesszelepének. Ennek az elektronikának a tudománya arra is kiterjed, hogy a vezértengely-szöghelyzetjeladó információját az előírt értékkel összehasonlítsa. Ennek a jelentősége abban áll, hogy az ún. adaptív vagy öntanuló szabályzási elvet felhasználva, a szerelésből adódó, még tűrésmezőn belüli hibák üzem közben kiküszöbölhetők legyenek. A másik előny abból származik, hogy a helyzetvisszajelzésnek köszönhetően a kivezérlésen kívül, a mechanikai működtetés is az öndiagnosztika látómezőjébe vonható.

➑ Az M62TU motor hidraulikaköre, 1 – olajteknő, 2 – olajszivattyú, 3 – visszacsapószelep, 4 – motorolajszűrő,  5 – visszacsapószelep, 6 – visszacsapószelep, 7 – szűrő, 8 – szűrő, 9 – mágnesszelep, 10 – mágnesszelep, 11 – VANOS beavatkozó, 12 – VANOS beavatkozó

A vezértengely-szöghelyzetjeladó lábkiosztása központi vezérlőegységben a következő:

PIN 36 – árnyékolás,

PIN 83 – test,

PIN 84 – jel.

Az átállási idő üzem közben függ a motorfordulatszámtól, az olajhőmérséklettől és az állítási iránytól. A „korai” helyzetbe alapvetően hosszabb ideig tart az átállítás, mint a „késői”-be, mivel ilyenkor a vezértengely hajtási nyomatékát is le kell győzni, míg ellenkező irányban ez segíti a relatív elfordítást. Ez az időkülönbség kis motorfordulatszámon a legnagyobb, ilyenkor kb. 0,5 másodpercet tesz ki.

Az átállítás 1-2 munkaütem alatt lezajlik, tehát a motor működésében észrevehető zavart nem okoz.

Az első fokozatmentes

A kétállású VANOS-vezérlést, az előzővel azonos állítóművel az M62TU V8-as motornál ➏ felváltotta az első fokozatmentes állítás. Mindkét hengersoron a szívósori bütykös tengelyt egy-egy VANOS-egységgel állítják. A dugattyúoldalakra állandó olajnyomást vezérelve tartható, rögzíthető az adott szögállás, fázishelyzet. A „késői” végálláselérést három kontakt érintkező jelzi ➐. A jó kontaktról ellenállásméréssel győződhetünk meg. Hidraulikus kapcsolása ➑ csak annyiban tér el az előzőtől, hogy itt két VANOS-egység van a két hengersor miatt.

Cikksorozatunk következő részében a fokozatmentes állítású bi-VANOS (a szívó és a kipufogó bütykös tengelyt egymástól függetlenül is állító) rendszereket tárgyaljuk.

Forrás:

[1] BMW AG. Aftersales Training Produktinformation – VANOS, 2005.

[2] Dr. Lakatos István: Gépjárműmotorok szelepvezérlése, AJAKSZ Szakkönyvtár, kiadó Jaurinum Bt., 1994.

[3] Dr. Kalmár István – Dr. Stukovszky Zsolt: Belsőégésű motorok folyamatai, Műegyetemi kiadó, 1998.