Μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων…
Ο μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων έρχεται με πολλά ονόματα. Όλοι γνωρίζουν το σύστημα VTEC της Honda, η Mitsubishi το ονομάζει MiVEC, η Toyota το ονομάζει VVT-i, η Porsche το ονομάζει VariVEC Cam. Αλλά είναι το VANOS της BMW που είναι ίσως το πιο διάσημο σύστημα μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων. Από πού προέρχεται το όνομά του και πώς λειτουργεί το VANOS;
Ο έλεγχος χρονισμού βαλβίδων ήταν ένα χτύπημα στη δεκαετία του ’90 του προηγούμενου αιώνα. Οι κατασκευαστές ανταγωνίστηκαν μεταξύ τους για την εισαγωγή αυτής της λύσης στην αγορά. Σήμερα, είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης που δεν θα ήταν εξοπλισμένος με μηχανισμό που σας επιτρέπει να ρυθμίσετε το χρονισμό της βαλβίδας.
Ας ξεκινήσουμε με το τι είναι ο μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων και γιατί αυτή η λύση είναι τόσο δημοφιλής. Όπως γνωρίζουμε, ένας βενζινοκινητήρας εσωτερικής καύσης λειτουργεί σε τέσσερις κύκλους – δηλαδή, είναι τετράχρονος. Κατά τη διάρκεια της διαδρομής εισαγωγής, οι βαλβίδες εισαγωγής ανοίγουν και το έμβολο κινείται προς τα κάτω. Κατά τη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης, καθώς το έμβολο κινείται προς τα πάνω, το αναρροφούμενο μείγμα καυσίμου/αέρα συμπιέζεται – όλες οι βαλβίδες είναι καλά κλειστές. Ένα κλάσμα του δευτερολέπτου αφού το έμβολο φτάσει στο άνω νεκρό σημείο, συμβαίνει ανάφλεξη και διαδρομή εργασίας – οι βαλβίδες είναι ακόμα κλειστές, επειδή όλη η ενέργεια από την ελεγχόμενη ανάφλεξη του μείγματος πρόκειται να μετατραπεί σε δύναμη που μετακινεί το έμβολο προς τα κάτω. Όταν το έμβολο φτάσει στο κάτω νεκρό κέντρο, ήρθε η ώρα για τον κύκλο εξάτμισης – οι βαλβίδες εξαγωγής ανοίγουν, τα καυσαέρια φεύγουν από το θάλαμο καύσης, ωθούμενα έξω από το έμβολο. Όταν το έμβολο φτάσει ξανά στο πάνω νεκρό κέντρο, οι βαλβίδες εξαγωγής είναι ήδη κλειστές και οι βαλβίδες εισαγωγής είναι έτοιμες να ανοίξουν, επειδή επιστρέφουμε στην αρχή της διαδρομής συμπίεσης.
Όλα τα εξαρτήματα του κινητήρα συνδέονται “άκαμπτα” – δηλαδή η περιστροφή των εκκεντροφόρων, η οποία προκαλεί το άνοιγμα και το κλείσιμο των βαλβίδων, προκύπτει απευθείας από την περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα. Αυτό σημαίνει ότι ανεξάρτητα από τις στροφές του άξονα (δηλαδή “στροφές κινητήρα”), στον κλασικό σχεδιασμό, οι βαλβίδες ανοίγουν και κλείνουν πάντα ταυτόχρονα.
Αν και αυτό έχει λειτουργήσει για περισσότερα από εκατό χρόνια της ιστορίας των κινητήρων εσωτερικής καύσης, δεν είναι μια τέλεια λύση. Με διαφορετικές ταχύτητες άξονα, οι συνθήκες στο θάλαμο καύσης είναι διαφορετικές. Σε μια δεδομένη ποσότητα καυσίμου, η ίδια η καύση διαρκεί πάντα τον ίδιο χρόνο, οπότε για παράδειγμα, σε χαμηλές στροφές, ο κινητήρας χρησιμοποιεί άσκοπα ενέργεια για να συμπιέσει καυσαέρια που θα μπορούσαν ήδη να εγκαταλείψουν το θάλαμο καύσης, αλλά οι βαλβίδες εξαγωγής δεν είναι ανοιχτές. Από την άλλη, με υψηλές απαιτήσεις ισχύος, απαιτείται πολύς αέρας – οι βαλβίδες εισαγωγής θα μπορούσαν να ανοίξουν και να κλείσουν νωρίτερα, δίνοντας στον κινητήρα περισσότερο χρόνο για να συμπιέσει το μείγμα. Αυτό δεν μπορεί να γίνει χωρίς αλλαγή του χρονισμού του εκκεντροφόρου. Δηλαδή, τα στοιχεία χρονισμού που είχαν συνδεθεί «άκαμπτα» μέχρι τώρα έπρεπε να έχουν κάποια ευελιξία.
Η ΒΑΝΟΣ μπαίνει στη σκηνή
Χωρίς την τεχνολογική πρόοδο, ένα τέτοιο σύστημα δεν θα ήταν εφικτό, και θα απαιτούνταν πολύς χρόνος για αποτελεσματικές λύσεις στον μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων. Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, εμφανίστηκαν οι πρώτοι αξιόπιστοι μηχανισμοί, όπως το VANOS. Αυτός ο όρος είναι συντομογραφία των γερμανικών λέξεων “Variable Nockenwellensteuerung”, που σημαίνει μεταβλητός έλεγχος εκκεντροφόρων.
Η αναφερόμενη ευελιξία επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση μιας ειδικής παραλλαγής στο γρανάζι του εκκεντροφόρου άξονα. Η παραλλαγή, που μοιάζει με ένα μικρό, ερμητικά κλειστό μπολ, έχει δόντια στην περιφέρειά της όπου είναι τοποθετημένος ο άξονας. Μέσα στην παραλλαγή υπάρχει ένα σύνολο γραναζιών που ελέγχονται από ένα μικρό έλασμα. Η πίεση λαδιού του κινητήρα, που ελέγχεται από τον υπολογιστή, περιστρέφει το έλασμα επιτρέποντας στο εσωτερικό της παραλλαγής – που είναι συνδεδεμένο με τον άξονα – να περιστραφεί σε σχέση με το περίβλημα, το οποίο είναι προσαρτημένο στην κεφαλή. Έτσι, ο εκκεντροφόρος άξονας μπορεί να “προσπεράσει” ή να “καθυστερήσει” την περιστροφή του σε σχέση με τον στροφαλοφόρο άξονα, επιτρέποντας στις βαλβίδες να ανοίξουν νωρίτερα ή αργότερα από την άκαμπτη σύνδεση τους με τους εκκεντροφόρους.
Το πρώτο VANOS στη BMW
Για πρώτη φορά, το VANOS σε κινητήρα BMW εμφανίστηκε σε βενζινοκινητήρες της οικογένειας M5 και πιο συγκεκριμένα στις εκδόσεις TU (από το 1992). Ήταν διαθέσιμο σε δύο εκδόσεις με χωρητικότητες από 2,0 έως 2,5 λίτρα. Αυτός ο κινητήρας βρίσκεται στην BMW Σειρά 5 E34 (στις εκδόσεις 520i και 525i). Το VANOS προσφέρθηκε επίσης σε μια σπορ έκδοση του κινητήρα M50, που ονομάστηκε S5. Αυτός ο κινητήρας ήταν διαθέσιμος στο μοντέλο M3 E36. Ήταν ακόμα ένα σχετικά απλό σύστημα, στο οποίο χρησιμοποιήθηκε μια παραλλαγή δύο θέσεων μόνο στον άξονα εισαγωγής. Στις ρυθμισμένες στροφές του κινητήρα (περίπου 2000 / λεπτό), ο άξονας ρυθμίστηκε κατά 12,5 μοίρες σε σχέση με τις ονομαστικές ρυθμίσεις, μόνο για να επιστρέψει σε αυτές στις 5000 σ.α.λ. Με αυτόν τον τρόπο, η ροπή αυξήθηκε στο εύρος μεσαίων στροφών, χωρίς να χάσει ούτε ομαλές στροφές ρελαντί (θα μπορούσατε να βάλετε ένα νόμισμα σε αυτόν τον κινητήρα στο “ουδέτερο” και δεν έπεσε), ούτε ισχύ στο ανώτερο εύρος στροφών.
Πλεονεκτήματα ΒΑΝΟΣ
Τα οφέλη του μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων ήταν τόσο σημαντικά που σύντομα εφαρμόστηκε και στον άξονα εξάτμισης. Αυτό το σύστημα, γνωστό ως «διπλό VANOS», χρησιμοποιείται επιτυχώς στους κινητήρες της BMW μέχρι σήμερα, με δύο σημαντικές εξελίξεις.
Η πρώτη ήταν η εισαγωγή του συνεχώς μεταβλητού VANOS το 1998. Σε αντίθεση με τον προκάτοχό του, η αλλαγή του χρονισμού της βαλβίδας δεν εξαρτιόταν πλέον από τις στροφές του κινητήρα και οι φάσεις δεν άλλαζαν απλώς από τη θέση Α στη θέση Β. Το συνεχώς μεταβλητό VANOS προσαρμόζεται στη ζήτηση ισχύος του οδηγού, με τους εκκεντροφόρους να μπορούν να ρυθμίζονται ανεξάρτητα σε οποιαδήποτε γωνία από 0 έως 13 μοίρες. Έτσι, οι βαλβίδες ανοίγουν και κλείνουν ακριβώς όταν χρειάζεται, παρέχοντας στον οδηγό την επιθυμητή δύναμη, ενώ οι κινητήρες της BMW διατηρούν μέτρια κατανάλωση καυσίμου παρά την υψηλή τους ισχύ.
Η δεύτερη σημαντική βελτίωση ήταν η εισαγωγή του Valvetronic, το «κρίκο που λείπει» στον έλεγχο του χρονισμού. Το VANOS ρυθμίζει πότε και για πόσο χρόνο ανοίγουν οι βαλβίδες, ενώ το Valvetronic πόσο ανοίγουν. Αυτό επιτρέπει στον υπολογιστή του κινητήρα να έχει πλήρη έλεγχο των παραμέτρων χρονισμού.
Το VANOS είναι ένα πολύπλοκο σύστημα που απαιτεί ακριβή ρύθμιση. Ανομοιόμορφη λειτουργία του κινητήρα, έλλειψη ισχύος και η ενεργοποίηση της λυχνίας Check Engine συχνά οφείλονται σε βλάβη του VANOS στις BMW. Οι τιμές επισκευής στην αντιπροσωπεία είναι υψηλές, οπότε συνίσταται η αναζήτηση ειδικευμένου σέρβις για επισκευές BMW.
