Po co silnikowi zasilanemu LPG wariator zapłonu?

Silniki benzynowe są fabrycznie projektowane i kalibrowane do pracy na benzynie. Po zamontowaniu instalacji LPG ich elektroniczne układy sterowania nadal korzystają z map zapłonu opracowanych przez producenta samochodu, choć właściwości paliwa ulegają zmianie.

LPG i CNG mają wyższą odporność na spalanie stukowe niż benzyna. Różnice dotyczą również szybkości i przebiegu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Oznacza to, że moment zapłonu optymalny dla benzyny nie zawsze jest najlepszy dla silnika pracującego na gazie.

Właśnie w tym kontekście zastosowanie wariatora kąta wyprzedzenia zapłonu jest zasadne.

Urządzenie modyfikuje sygnały położenia wału korbowego i wałków rozrządu, które docierają do fabrycznego sterownika silnika. Dzięki temu może on spowodować wcześniejsze wyzwolenie zapłonu mieszanki gazowo-powietrznej bez konieczności bezpośredniej modyfikacji map zapłonu zapisanych w sterowniku benzynowym. Celem jest takie dobranie momentu zapłonu (kąta wyprzedzenia zapłonu), aby maksymalne ciśnienie spalania występowało w korzystnym położeniu tłoka po jego przejściu przez górne martwe położenie (GMP), tak jak na benzynie. Odpowiednio dobrany kąt wyprzedzenia zapłonu może poprawić sprawność silnika, jego reakcję na obciążenie oraz ograniczyć zużycie paliwa gazowego.

TAPO nie tylko przyspiesza, ale może też opóźniać zapłon

Warto podkreślić, że wariator KME TAPO/TAPO2 nie służy wyłącznie do przyspieszania zapłonu. Urządzenie może również opóźniać moment zapłonu, co w określonych zastosowaniach ma bardzo duże znaczenie.

Taka funkcja okazuje się bardzo przydatna między innymi przy konwersji na zasilanie LPG samochodów, które fabrycznie były przystosowane do pracy na gazie ziemnym CNG. Silniki przygotowane przez producenta do zasilania CNG często mają strategie zapłonu dostosowane do właściwości tego paliwa. Ponieważ CNG i LPG różnią się przebiegiem spalania, po przejściu na LPG może się okazać, że fabryczne ustawienia zapłonu nie są już optymalne, zapłon jest zbyt wczesny (kąt wyprzedzenia zapłony jest za duży).

W takich przypadkach wariator nie musi zwiększać wyprzedzenia zapłonu, lecz przeciwnie – może być wykorzystany do jego kontrolowanego opóźnienia, tak aby lepiej dopasować pracę silnika do spalania mieszanki LPG z powietrzem.

KME TAPO – od tego wszystko się zaczęło

Pierwsza generacja wariatorów KME TAPO była oferowana w dwóch odmianach: ANALOG i DIGITAL. Podział wynikał z rodzaju czujnika położenia wału korbowego stosowanego w silniku. Wersja TAPO ANALOG była przeznaczona do współpracy z indukcyjnym czujnikiem wału korbowego, natomiast TAPO DIGITAL obsługiwała czujnik cyfrowy. Obie wersje mogły dodatkowo współpracować z dwoma cyfrowymi czujnikami położenia wałków rozrządu.

Wariator TAPO nie jest prostym układem przeznaczonym wyłącznie do starszych konstrukcji silników. Już w tej generacji firma KME zastosowała rozwiązania pozwalające współpracować z zaawansowanymi elektronicznymi układami sterowania. Urządzenie obsługuje zmienne fazy rozrządu, automatycznie skanuje przebiegi sygnałów z czujników i ma wbudowany rejestrator umożliwiający analizowanie ich pracy. Możliwe jest także wykorzystanie sygnałów MAP (ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym) i TPS (położenia przepustnicy), dzięki czemu zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu może być uzależniona nie tylko od prędkości obrotowej, ale również od obciążenia silnika. TAPO współpracuje z jednostkami wyposażonymi we wtrysk bezpośredni benzyny (DI) oraz wtrysk kombinowany (DI+MPI) i oczywiście z klasycznymi silnikami z wtryskiem pośrednim.

TAPO2 jest rozwinięciem rozwiązania, które już w pierwszej generacji miało wiele zaawansowanych funkcji.

KME TAPO2 – dlaczego powstała druga generacja?

Rozwój konstrukcji silników benzynowych oznacza coraz większą liczbę informacji wykorzystywanych przez fabryczne sterowniki. Bardziej rozbudowane układy zmiennych faz rozrządu, wykorzystujące niezależną regulację położenia wałków dolotowych i wylotowych powodują, że elektroniczny sterownik silnika analizuje sygnały z większej liczby czujników położenia wałków rozrządu. Aby wariator był w stanie "obrobić" te wszystkie informacje potrzebuje większej mocy obliczeniowej i więcej kanałów, którymi te sygnały do niego trafiają. Rozszerzenie liczby obsługiwanych czujników nie było jedyną przyczyną opracowania TAPO2. Konstruktorzy KME zdecydowali się również na zmianę platformy sprzętowej i sposobu przetwarzania sygnałów.

Odpowiedzią KME na te wyzwania jest wariator TAPO2, którego wersje 5A i 5D mogą obsługiwać nawet cztery cyfrowe czujniki położenia wałków rozrządu. W porównaniu z pierwszą generacją oznacza to podwojenie maksymalnej liczby obsługiwanych czujników wałków rozrządu. Pozwala to rozszerzyć zakres zastosowań wariatora na silniki o bardziej rozbudowanej architekturze rozrządu. Czterocylindrowa, rzędowa jednostka może mieć dwa czujniki wałków rozrządu, a widlasty (dwurzędowy) silnik V6 lub V8 wyposażony w cztery wałki rozrządu może wykorzystywać cztery takie czujniki.

Cztery odmiany wariatorów KME – czym się różnią?

W rodzinie TAPO i TAPO2 można wyróżnić cztery podstawowe konfiguracje, wynikające z połączenia dwóch parametrów: rodzaju czujnika wału korbowego oraz liczby obsługiwanych czujników wałków rozrządu.

Podział ten wyjaśnia, dlaczego potrzebne są cztery konfiguracje, mimo że wszystkie urządzenia realizują to samo zadanie.

Czujnik indukcyjny czy cyfrowy? Dlaczego ma to znaczenie?

Czujnik położenia wału korbowego jest jednym z najważniejszych elementów elektronicznego układu sterowania silnikiem. Dostarcza informacji o prędkości obrotowej wału korbowego silnika i aktualnym jego położeniu, dzięki którym sterownik może określić moment wtrysku paliwa i zapłonu.

W samochodach stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne takich czujników.

Czujnik indukcyjny wytwarza sygnał napięciowy w wyniku zmian pola magnetycznego wywołanych ruchem elementów wirujących. Amplituda generowanego sygnału zależy między innymi od prędkości obrotowej. Przy niewielkich prędkościach obrotowych sygnał jest stosunkowo słaby, a wraz z jej wzrostem zwiększa się jego amplituda i częstotliwość.

Czujnik cyfrowy, najczęściej wykorzystuje zjawisko Halla. W odróżnieniu od czujnika indukcyjnego wymaga odpowiedniego zasilania i współpracuje z innymi układami elektronicznymi. Wariator musi nie tylko prawidłowo rozpoznać sygnał, ale również zmodyfikować jego przebieg i przekazać go do sterownika benzynowego w postaci zgodnej z jego wymaganiami. Nie wystarczy więc jeden układ, który przesuwa dowolny sygnał o określoną liczbę stopni obrotu wału korbowego. 

W przypadku sygnału indukcyjnego konieczne jest przetwarzanie przebiegu o zmiennej amplitudzie i polaryzacji. W przypadku sygnału cyfrowego istotne są między innymi poziomy napięć oraz precyzyjne odwzorowanie zboczy sygnału. Dla wariatora kąta wyprzedzenia zapłonu jest to zasadnicza różnica.

Stąd właśnie podział na wariatory ANALOG i DIGITAL.

Ilustracja AI: ChatGPT / OpenAI KME TAPO i TAPO2 – porównanie

Dwa czy cztery czujniki wałków rozrządu?

Drugim kryterium podziału jest liczba obsługiwanych sygnałów położenia wałków rozrządu. W prostszych konstrukcjach sterownik silnika wykorzystuje jeden lub dwa takie sygnały. W bardziej rozbudowanych jednostkach, szczególnie z dwoma wałkami rozrządu na każdej głowicy, może korzystać z większej liczby czujników. Dobrym przykładem są widlaste silniki V6 lub V8, wyposażone w dwie głowice z dwoma wałkami rozrządu na każdej z nich. Jeżeli każdy wałek ma własny czujnik położenia, daje to cztery sygnały, które mogą być analizowane przez sterownik silnika.

W takim przypadku wariator obsługujący tylko dwa czujniki nie ma wystarczającej liczby kanałów, aby prawidłowo przetworzyć wszystkie wymagane sygnały. Właśnie dla takich rozwiązań konstrukcyjnych przeznaczono wariatory TAPO2 5A i 5D.

Zmienne fazy rozrządu dodatkowo komplikują sytuację

W nowoczesnych silnikach położenie wałków rozrządu względem wału korbowego nie musi być stałe. Układy zmiennych faz rozrządu umożliwiają zmianę momentów otwarcia i zamknięcia zaworów w zależności od prędkości obrotowej, obciążenia oraz innych parametrów pracy jednostki napędowej. W praktyce oznacza to, że sterownik benzynowy nieustannie porównuje informacje o położeniu wału korbowego i wałków rozrządu. Na podstawie tych danych kontroluje zarówno synchronizację silnika, jak i działanie mechanizmów regulacji faz. Wprowadzenie wariatora kąta wyprzedzenia zapłonu stanowi dodatkowe wyzwanie.

Jeżeli urządzenie zmodyfikuje tylko sygnał położenia wału korbowego, nie uwzględniając odpowiednio sygnałów wałków rozrządu, sterownik może uznać wzajemne położenie tych elementów za nieprawidłowe. Może to skutkować zapisaniem błędów synchronizacji, zakłóceniami pracy jednostki napędowej, a nawet przejściem w tryb awaryjny. Dlatego nowoczesny wariator musi odpowiednio przetwarzać sygnały położenia wału korbowego jak wałków rozrządu, zachowując ich wzajemne zależności. Zarówno pierwszy TAPO, jak i TAPO2 uwzględniają pracę układów zmiennych faz rozrządu. Różnica polega przede wszystkim na tym, że bardziej rozbudowane odmiany TAPO2 mogą obsługiwać większą liczbę sygnałów z czujników wałków rozrządu.

Robert Szmajda podkreśla, że urządzenie nie tylko przetwarza bieżące impulsy, lecz musi odpowiednio przewidywać przebieg sygnałów, zachowując zgodność z diagnostyką fabrycznego sterownika.

Dlaczego KME nie produkuje jednego uniwersalnego wariatora?

Skoro wszystkie wariatory KME realizują to samo zadanie, naturalnie pojawia się pytanie: czy nie można skonstruować jednego urządzenia, które obsługiwałoby wszystkie rodzaje czujników i wszystkie konfiguracje silników?

Z technicznego punktu widzenia jest to możliwe.

Taki układ musiałby jednak zawierać odpowiednie obwody do przetwarzania sygnałów z czujników indukcyjnych i cyfrowych, a także komplet wejść i wyjść do obsługi maksymalnej liczby czujników wałków rozrządu. Potrzebna byłaby również bardziej rozbudowana elektronika i odpowiednio przygotowane oprogramowanie umożliwiające współpracę z różnymi konfiguracjami silników. W rezultacie każdy użytkownik kupowałby urządzenie wyposażone w pełen zestaw możliwości, nawet jeżeli większość z nich nigdy nie zostałaby wykorzystana. W samochodzie z indukcyjnym czujnikiem wału korbowego nie byłyby potrzebne obwody przeznaczone do obsługi czujnika cyfrowego. Z kolei w silniku wykorzystującym dwa czujniki wałków rozrządu dwa dodatkowe kanały pozostałyby niewykorzystane. Takie rozwiązanie mogłoby zwiększać koszt urządzenia bez zapewnienia użytkownikowi dodatkowych korzyści.

Co potrafią wariatory KME TAPO i TAPO2?

Obie generacje wariatorów mają wiele wspólnych rozwiązań technicznych. Urządzenia umożliwiają automatyczne skanowanie przebiegów sygnałów położenia wału korbowego i wałków rozrządu. Wyposażono je również w rejestrator pozwalający analizować pracę czujników podczas konfiguracji i diagnostyki. Istotną funkcją jest możliwość wykorzystania sygnału obciążenia silnika, pochodzącego z czujnika MAP lub TPS. Dzięki temu korekcja kąta wyprzedzenia zapłonu może być dobierana do różnych warunków pracy, a nie pozostawać niezmienna w całym zakresie obrotów i obciążeń. TAPO2 oferuje konfigurację z wykorzystaniem map dwu- i trójwymiarowych. Pozwala to dostosowywać sposób modyfikacji sygnałów do charakterystyki konkretnego silnika.

W praktyce warsztatowej wariator nie musi służyć wyłącznie ograniczaniu zużycia paliwa. Może również pomóc w rozwiązaniu problemów z pracą silnika, których nie udaje się wyeliminować samą regulacją instalacji gazowej.

Urządzenia wyposażono również w izolację galwaniczną obwodów czujników, ograniczającą ryzyko zakłóceń elektrycznych. Ważnym elementem konstrukcji są także mechaniczne przekaźniki, pozwalające zachować właściwe połączenia sygnałowe w przypadku określonych stanów awaryjnych urządzenia. Przyjęte rozwiązania pokazują, że współczesny wariator zapłonu nie jest już prostym elektronicznym przesuwnikiem impulsów. To mikroprocesorowy układ współpracujący z fabrycznym sterownikiem silnika i wymagający precyzyjnego dopasowania do jego architektury.

Czy wariator rzeczywiście zmniejsza zużycie LPG?

Przedstawiciel KME zwraca uwagę, że efekty optymalizacji kąta wyprzedzenia zapłonu najlepiej oceniać w dłuższym okresie eksploatacji samochodu. Jednym z praktycznych sposobów weryfikacji skuteczności działania wariatora TAPO2 jest porównanie zasięgu pojazdu na jednym tankowaniu LPG, przy zachowaniu podobnych warunków jazdy.

Według danych deklarowanych przez KME zastosowanie wariatora może przynieść ograniczenie zużycia LPG nawet o 10%, a w przypadku CNG o 15%. Producent wskazuje również możliwość uzyskania wzrostu mocy silnika – do 6% dla LPG oraz 15% dla CNG. Są to jednak wartości maksymalne podawane przez producenta, a nie rezultaty gwarantowane w każdym samochodzie. W niektórych jednostkach możliwości poprawy parametrów pracy mogą być wyraźne, natomiast w innych znacznie mniejsze. Dotyczy to szczególnie nowoczesnych silników, których fabryczne sterowniki na bieżąco dostosowują kąt wyprzedzenia zapłonu na podstawie wielu sygnałów, między innymi z czujników spalania stukowego. Samo zwiększenie wyprzedzenia zapłonu nie musi więc przynieść wymiernych korzyści. Istotne jest sprawdzenie efektów takiego zabiegu w rzeczywistych warunkach obciążenia.

TAPO2 – rozwój elektroniki LPG idzie w parze z rozwojem silników

Wariatory KME TAPO i TAPO2 pokazują, że rozwój samochodowych instalacji gazowych nie ogranicza się już tylko do doskonalenia podstawowych ich komponentów. Wariatory KME pokazują, że rozwój technologii LPG nie polega wyłącznie na dostarczaniu gazu do silnika. Równie ważne staje się wykorzystanie właściwości paliwa gazowego w procesie spalania. A to wymaga elektroniki, która rozumie sposób działania współczesnego silnika benzynowego.