Hệ thống VANOS đơn và kép là công nghệ điều khiển thời điểm phối khí trên động cơ BMW, cho phép điều chỉnh góc trục cam theo tải và tốc độ. Nội dung nêu rõ cấu tạo từng biến thể, nguyên lý điều khiển thủy lực–điện tử, ưu/nhược điểm và dấu hiệu hư hỏng để chẩn đoán – sửa chữa hiệu quả.
1. Single VANOS
Single VANOS là phiên bản đầu tiên, ra mắt vào năm 1992. Hệ thống này chỉ tác động lên trục cam nạp (intake camshaft). Nó sử dụng áp suất thủy lực của dầu động cơ để dịch chuyển một pít-tông, làm xoay bánh răng trên trục cam.
Cách hoạt động: Ban đầu, Single VANOS chỉ có hai vị trí cố định:
Vòng tua thấp (idle): Trục cam nạp được đặt ở vị trí trễ (retarded) để xupap nạp mở muộn hơn. Điều này giúp cải thiện chất lượng cầm chừng và tạo ra mô-men xoắn ở dải vòng tua thấp.
Vòng tua cao: Trục cam nạp được đặt ở vị trí sớm (advanced) để xupap nạp mở sớm hơn, giúp tăng công suất động cơ.
1.1 Cấu tạo hệ thống vanos đơn
Thân VANOS (Vanos housing/ cover plate)
Vị trí: lắp trực tiếp ở đầu trước trục cam, giữa trục cam và đĩa cam/bánh răng.
Chức năng: chứa piston, kênh dầu, gioăng và các van dẫn dầu. Thân có ren và mặt bích để cố định lên đầu máy.
Piston / Rotor (cơ cấu chuyển vị)
Là chi tiết trượt ra-vào trong thân, chia hai buồng dầu (một phía advance, một phía retard). Trên piston có răng/cơ cấu bánh răng truyền động (transfer gear) được splined (then) vào trục cam. Khi piston dịch chuyển, bánh răng này làm xoay trục cam so với bánh răng dẫn.
Transfer gear/ spline (bánh truyền/khớp then)
Kết nối cơ học giữa piston và trục cam, thường là splined hub gắn cố định với piston và cho phép truyền mô-men sang trục cam. Có vít hoặc chốt giữ
Van điều khiển dầu (VANOS solenoid / control valve)
Van điện từ do ECU/DME điều khiển đóng/mở để phân phối dầu vào hai buồng piston (để advance hoặc retard). Vanos solenoid nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển động cơ (DME) dựa trên tốc độ, tải, vị trí bướm ga và cảm biến trục cam/đầu máy.
Kênh dầu và gioăng phớt (oil feed galleries & seals)
Dầu động cơ được dẫn từ hệ thống bôi trơn qua các kênh khoan trong khối máy và qua thân Vanos đến pittông. Gioăng/Phớt ngăn rò rỉ dầu ra ngoài và đảm bảo áp lực vào buồng đúng. Các ron hỏng là nguyên nhân phổ biến làm Vanos hoạt động kém.
Bánh răng / xích cam (cam sprocket / timing chain interaction)
Trục cam vẫn được dẫn bởi xích/đai cam; Vanos nằm giữa trục cam và bánh răng dẫn để thay đổi góc pha mà không làm thay đổi tỉ lệ truyền chính. Khi piston Vanos xoay trục cam, mối quan hệ góc so với trục khuỷu thay đổi.
Cảm biến và phần mềm điều khiển (DME logic)
ECU theo dõi thông số (vòng tua, góc trục khuỷu, tải, vị trí cam nếu có cảm biến cam) rồi điều khiển van solenoid để đạt góc pha mong muốn. Các chiến lược điều khiển (maps) xác định khi nào và bao nhiêu dầu được nạp vào buồng piston.
1.2 Nguyên lý hoạt động
Nguồn dầu: Dầu động cơ được bơm, dẫn qua kênh cấp dầu đến van solenoid VANOS. Khi solenoid đóng/mở, nó định hướng dòng dầu vào một trong hai buồng phía sau hoặc phía trước piston.
Tạo áp lực và dịch chuyển piston: Dòng dầu vào buồng bên phải hoặc bên trái piston đẩy piston dịch chuyển về phía tương ứng. Piston có kết cấu răng truyền (transfer gear) nối với trục cam nên khi piston dịch chuyển, nó gây xoay trục cam một góc nhỏ (thường vài độ cơ bản; ví dụ single VANOS thường ~12° camshaft phasing)
Thay đổi pha cam: Xoay trục cam tức thời thay đổi thời điểm mở/đóng van — tức valve timing. Ở tua thấp/giữa, hệ thống thường advance (đẩy cam sớm hơn) để tăng mô-men; ở tua cao có thể chịu retard để tối ưu hiệu suất và tránh va chạm van. ECU quyết định góc pha dựa trên bản đồ chức năng.
Khóa / thoát dầu: Khi cần giữ góc pha, van solenoid giữ áp lực trong buồng tương ứng; khi cần thay đổi hướng, dầu được xả về trục khuỷu/lọc nhớt qua kênh xả, piston dịch chuyển sang phía khác. Gioăng và khe hở chuẩn đảm bảo phản hồi chính xác.
1.3 Các hiện tượng hư hỏng
Hiện tượng “rattle” của Vanos thực chất được gây ra bởi độ rơ dọc trục (axial play) trong các vòng bi nằm bên trong piston Vanos.
Chìa khóa để khắc phục vấn đề này là loại bỏ độ rơ dọc trục (siết chặt lại) và lý tưởng nhất là tạo ra một độ tiền tải nhẹ (preload) cho các vòng bi con lăn (roller bearings)
Để thực hiện điều này, bạn sẽ kiểm tra lượng rơ, sau đó lắp các vòng bi (bearing rings) mới của ECS thay cho vòng nguyên bản, rồi kiểm tra lại độ rơ.
Do dung sai chế tạo rất nhỏ và mức độ mài mòn linh kiện khác nhau ở từng xe, có thể sẽ cần canh chỉnh tinh.
Sau khi lắp vòng bi mới, bạn có thể nhận thấy:
- Vòng bi vẫn hơi lỏng (còn độ rơ dọc trục).
- Vòng bi quá chặt (không tốt).
- Hoặc vòng bi không còn rơ và có tiền tải nhẹ — đây là trạng thái lý tưởng.
Nếu cần thiết, bạn sẽ điều chỉnh bằng cách loại bỏ một lượng vật liệu rất nhỏ từ:
Vòng bi mới (bearing ring) → để siết chặt thêm,hoặc vành chặn vòng bi (bearing race) → để nới lỏng.
Bất kỳ độ lỏng nào trong ổ bi của piston đều được gọi là độ rơ dọc trục (axial play). Giá trị này được xác định chủ yếu bằng cảm giác khi kiểm tra, và rất dễ phát hiện.
Để kiểm tra axial play, giữ piston cố định bằng một tay và đẩy nhẹ bánh răng truyền (transfer gear) ra–vào bằng tay còn lại.
Độ rơ ngang (radial play) — cảm nhận được khi bạn đẩy transfer gear sang trái–phải so với piston — là hoàn toàn bình thường.
Khi khe hở ổ bi được điều chỉnh đúng, bạn sẽ cảm nhận được lực cản đều, mượt khi giữ piston và xoay transfer gear.
Khi piston được lắp ráp, vành chặn vòng bi (bearing race) và các vòng bi con lăn (roller bearings) sẽ nằm bên trong vòng bi (bearing ring) rồi chúng được “ép kẹp” lại khi các long đen chặn ở hai đầu (end washers) được lắp sát vào nó.
Để loại bỏ tiếng kêu Vanos (Vanos rattle), không được phép có bất kỳ khe hở nào giữa:
- Vòng bi con lăn (roller bearings)
- Vành chặn vòng bi (bearing race)
- Các long đen chặn (end washers)
Bên cạnh đó còn có hiện tượng xảy ra độ dịch trục trong các ổ bi. Các ổ bi bị lỏng quá do khe hở giữa các con lăn, vòng bi và các vòng đệm cuối. Trong trường hợp này, vòng bi về cơ bản là quá rộng. Các ổ bi được siết chặt và khe hở được loại bỏ bằng cách giảm chiều rộng của vòng bi.
Mặt khác nữa là các vòng bi sẽ quá chặt. Vòng bi trong trường hợp này, thực tế, quá hẹp. Khi piston được lắp ráp, các vòng đệm ở đầu sẽ “ép” các vòng bi khi chúng cố gắng tiếp xúc với vòng bi.
Trong tình huống này, vì bạn không thể tăng chiều rộng của vòng bi, để giải quyết vấn đề bạn sẽ làm lỏng các vòng bi bằng cách giảm bề rộng của đường chạy vòng bi.
2. Double VANOS
Double VANOS là một cải tiến lớn, được giới thiệu vào năm 1996. Hệ thống này điều khiển cả trục cam nạp và xả (intake and exhaust camshafts). Quan trọng hơn, nó cho phép điều chỉnh thời gian đóng/mở xupap một cách liên tục và linh hoạt trên toàn bộ dải vòng tua động cơ.
Cách hoạt động: Thay vì chỉ có 2 vị trí, Double VANOS sử dụng các van điện từ để điều tiết áp suất dầu, xoay các bánh răng trên cả hai trục cam nạp và xả một cách độc lập. Điều này giúp tối ưu hóa thời gian phối khí cho mọi điều kiện vận hành, từ khi khởi động đến tăng tốc.
Vòng tua thấp: Xupap nạp mở muộn, xupap xả mở sớm. Điều này giúp cải thiện hiệu quả đốt cháy, giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải.
Tải nặng và tăng tốc: Xupap nạp và xả được điều chỉnh để tối đa hóa lượng khí nạp vào và khí xả ra, tạo ra mô-men xoắn và công suất cực đại.
Cải thiện đáng kể hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu, và giảm khí thải so với Single VANOS nhờ khả năng điều chỉnh liên tục và tác động lên cả hai trục cam. Double VANOS góp phần tạo nên đặc trưng “mượt mà và mạnh mẽ” cho động cơ BMW.
Hệ thống Double VANOS biến thiên vô cấp được giới thiệu lần đầu trên động cơ M52B20TU.
Thiết kế của nó tương tự hệ thống VANOS nạp hai chế độ trước đây; điểm khác biệt chính là ngoài việc thay đổi thời điểm trục cam nạp, thời điểm trục cam xả cũng có thể được điều chỉnh. Hệ thống cho phép thay đổi vô cấp thời điểm của cả hai trục cam theo các lệnh điều khiển từ bộ điều khiển động cơ ECM.
Những ưu điểm của hệ thống Double VANOS biến thiên vô cấp gồm:
- Mô-men xoắn cao hơn ở dải tốc độ thấp và trung bình.
- Giảm lượng khí thải dư trong buồng đốt khi chạy không tải nhờ giảm độ chồng van, từ đó cải thiện độ ổn định tốc độ không tải.
- Tuần hoàn khí xả nội bộ (Internal EGR) ở dải tải trung bình giúp giảm phát thải NOx.
- Làm nóng bộ xúc tác nhanh hơn và giảm mức phát thải thô sau khởi động lạnh.
- Giảm mức tiêu hao nhiên liệu
2.1 Cấu tạo hệ thống Vanos kép
Hệ thống Double VANOS biến thiên vô cấp trên động cơ BMW N52 sử dụng bộ chấp hành thủy lực kiểu “hydraulic oscillating motor”, hay còn gọi là mô-tơ dao động thủy lực.
Kiểu mô-tơ này được BMW trang bị cho cả trục cam nạp và cam xả, cho phép thay đổi pha cam một cách liên tục (infinitely variable) theo lệnh điều khiển của ECM.
Mặc dù VANOS nạp và VANOS xả có chức năng giống nhau, thiết kế loại mô-tơ dao động là bản nâng cấp của thế hệ VANOS kiểu “vane-type” ở các động cơ trước đây. Toàn bộ cụm này được BMW thiết kế như một chi tiết tích hợp trong cơ cấu dẫn động xích cam, được lắp trực tiếp lên đầu mỗi trục cam thông qua bu-lông trung tâm.
Khi hệ thống không được cấp áp suất dầu, lò xo hồi sẽ đẩy cụm VANOS về vị trí cơ bản (base position), đảm bảo động cơ có thể khởi động và vận hành ổn định ngay cả trong trường hợp áp dầu thấp.
Cấu tạo chi tiết VANOS kiểu mô-tơ dao động (Hydraulic oscillating motor):
Dựa trên sơ đồ và bảng chỉ mục trong hình, bộ VANOS của động cơ N52 gồm các thành phần chính sau:
1. Front plate – Nắp mặt trước
Đây là nắp che phía trước của cụm VANOS, đồng thời là nơi giữ định vị các thành phần bên trong.
2. Locking pin – Chốt khóa
Chốt dùng để cố định rotor khi không có áp suất dầu. Khi áp suất được cấp, chốt mở ra cho phép rotor xoay – chính là quá trình thay đổi pha cam.
3 & 8. Oil channel – Đường dẫn dầu
Hệ thống có nhiều đường dẫn dầu bố trí trong thân VANOS, đưa dầu vào hai khoang áp suất khác nhau (advance/retard) nhằm tạo lực đẩy piston/rotor.
4. Casing with ring gear – Vỏ ngoài với vành răng
Phần vỏ kiêm bánh răng ngoài (ring gear). Vành răng này ăn khớp với xích cam và chính là phần được dẫn động từ trục khuỷu. Khi roto bên trong xoay lệch so với vỏ ngoài, pha cam thay đổi.
5. Pressure chamber for advancing – Buồng áp suất cho pha sớm
Buồng này nhận dầu cao áp để đẩy rotor xoay theo hướng advance (pha sớm), nhằm mở xu-páp sớm hơn so với vị trí ban đầu.
6. Oscillating rotor – Rotor dao động
Đây là chi tiết quan trọng nhất. Rotor nằm bên trong vỏ và được nối cứng với trục cam. Khi dầu tác động lên các khoang áp, rotor xoay với biên độ nhất định, kéo theo sự thay đổi thời điểm cam.
7. Pressure chamber for retarding – Buồng áp suất cho pha muộn
Ngược với buồng số 5, buồng này nhận dầu để đẩy rotor theo hướng retard (pha muộn), khiến xu-páp mở trễ hơn.
Bộ điều khiển áp suất dầu – Solenoid điều tiết 4/3
Các cụm VANOS không hoạt động bằng điện mà hoàn toàn dựa trên áp suất dầu động cơ.
Áp suất dầu được điều tiết bởi van điện từ tỉ lệ 4/3 (4/3 proportional solenoid valve).
Hai van điện từ được lắp ở phía trước của nắp quy-lát,
Mỗi van điều khiển một trục cam (nạp hoặc xả)
Hai van điện từ được lắp ở phía trước của nắp quy-lát,
Mỗi van điều khiển một trục cam (nạp hoặc xả),
ECM điều chỉnh các van này theo các thông số vận hành như
Solenoid sẽ phân phối dầu vào hai khoang áp suất (advance & retard) bên trong VANOS → rotor dao động → pha cam thay đổi → động cơ tối ưu hóa mô-men và khí thải theo từng điều kiện hoạt động.
Bố trí tổng thể hệ thống VANOS trên N52:
Trong hình tổng quan hệ thống N52, ta có:
1. VANOS unit – Exhaust (cụm VANOS trục cam xả)
Điều khiển pha cam xả để tối ưu nội EGR và khí thải.
2. VANOS unit – Intake (cụm VANOS trục cam nạp)
Điều khiển pha cam nạp nhằm tối ưu mô-men xoắn và hiệu suất nạp.
3. Intake camshaft sensor – Cảm biến vị trí trục cam nạp
Theo dõi vị trí thực tế của trục cam nạp để ECM đóng vòng điều khiển hồi tiếp.
4. Exhaust camshaft sensor – Cảm biến vị trí trục cam xả
Tương tự, theo dõi vị trí của cam xả.
5 & 6. VANOS solenoid valves – Van điện từ điều khiển VANOS
Một van điều khiển VANOS nạp, một van điều khiển VANOS xả. Hai van hoạt động độc lập nhưng đều do ECM quản lý.
2.2 Nguyên lý hoạt động của Vanos kép trên động cơ N63&N74
Chu trình nạp trong động cơ N63 được thực hiện với bốn xu-páp mỗi xy-lanh, được dẫn động bởi hai trục cam đặt trên đỉnh.
Thời điểm phối khí có thể được điều chỉnh vô cấp thông qua hai bộ VANOS.
Các VANOS sử dụng trên động cơ N63 có khả năng điều chỉnh:
VANOS nạp: 50° góc trục khuỷu
VANOS xả: 50° góc trục khuỷu
Các bộ VANOS trên động cơ N63 có thiết kế khác so với VANOS trên động cơ N62.
Chức năng giống nhau nhưng nhiều chi tiết đã được tối ưu, loại bỏ những thành phần không cần thiết.
Trên động cơ N63, các phiến (vane) trong bộ VANOS không còn là các chi tiết rời như trước, mà được thiết kế thành một rotor dao động (oscillating rotor) – giống cách thiết kế VANOS trên động cơ N52.
Lò xo xoắn trong VANOS N62 nay được thay bằng lò xo cuộn (coil spring) đặt phía trước bộ VANOS và được bảo vệ bằng một nắp nhựa
VANOS của N63 là dạng Double VANOS vô cấp, điều chỉnh liên tục thời điểm đóng mở xu-páp cả hai trục cam trong suốt quá trình hoạt động của động cơ.
Khả năng điều chỉnh:
Trục cam nạp: ±50° góc trục khuỷu
Trục cam xả: ±50° góc trục khuỷu
Cho phép kiểm soát góc trùng điệp (Valve Overlap) linh hoạt hơn nhiều so với các thế hệ trước.
Giống như tất cả các động cơ xăng BMW hiện tại, động cơ N74 cũng được trang bị VANOS kép biến thiên. Các bộ VANOS là các bộ phận chung được chia sẻ với động cơ N63, ngoại trừ bộ phận nạp trên dãy xi lanh, mặc dù cũng được thiết kế theo cùng nguyên tắc, nó có một mặt bích truyền với một khe cho bơm chân không. N74 sử dụng hai van một chiều VANOS, hiện nay chúng được tích hợp vào van điện từ VANOS. Các bộ VANOS có các góc điều chỉnh như sau:
Bộ VANOS nạp: 50° góc trục khuỷu
Bộ VANOS xả: 50° góc trục khuỷu
Hy vọng với những chia sẻ trên của VATC, bạn đã hiểu rõ hơn về chủ đề hệ thống VANOS đơn và kép. Mong rằng bạn đã có thêm một kiến thức kỹ thuật thú vị trong ngày.
Nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
Xem thêm:
