Przepływomierz w silniku zasilanym LPG

Zadanie przepływomierza

Sygnał przepływomierza "mówi" sterownikowi układu wtrysku paliwa, ile powietrza przepływa aktualnie przez układ dolotowy, a ten dobiera dawkę paliwa tak, aby zachować parametry silnika, zużycie paliwa i emisję na wymaganym poziomie. Oprócz dawki paliwa, sygnał z przepływomierza ma także wpływ na pracę układu zapłonowego. Praca przepływomierza przekłada się zatem na działanie gazowego układu zasilania.

fot. gazeo.plPrzepływomierz z termicznym elementem pomiarowym w samochodzie BMW X5

Przepływomierz a instalacja LPG

Instalacje gazowe nie korzystają bezpośrednio z sygnałów generowanych przez przepływomierz, tylko z sygnałów pośrednich, które są m.in. jego wypadkową, np. wskazań sondy lambda (instalacje II generacji) czy też pracujących wtryskiwaczy benzynowych (instalacje IV generacji). Dokładność pomiaru powietrza dostarczanego do silnika ma zatem duży wpływ na prawidłową pracę jednostki napędowej zasilanej gazem.

Pomiar przepływu powietrza dostarczanego do komór spalania i wynikająca z tego masa tlenu jest podstawowym kryterium dawkowania paliwa. We współczesnych samochodach pomiar tego parametru może odbywać się na dwa sposoby: za pomocą przepływomierza lub z wykorzystaniem czujnika ciśnienia w kolektorze dolotowym (MAP sensor). Znając jego wartość i temperaturę powietrza, sterownik systemu wtryskowego oblicza ilość powietrza pobieranego przez silnik. Trudno powiedzieć, która z metod jest bardziej popularna - poszczególni producenci pojazdów z reguły pozostają wierni jednemu lub drugiemu rozwiązaniu. Z pewnością zastosowanie przepływomierza gwarantuje bardziej precyzyjny pomiar.

Rodzaje przepływomierzy

Przepływomierz jest elementem pomiarowym, od którego wymaga się szczególnej precyzji działania w specyficznych warunkach, jakie panują w układzie dolotowym silnika.

fot. gazeo.plPrzepływomierz klapowy w komorze silnikowej BMW serii 3

Przepływ powietrza nie jest stały - występują pulsacje, a także zjawisko cofania się słupa powietrza. Aby wyeliminować te niekorzystne warunki, konstrukcje przepływomierzy i ich elementów pomiarowych zmieniały się. Zmianom podlegają także algorytmy służące do obróbki generowanych przez nie sygnałów.

Historycznie

Początkowo przepływomierze były urządzeniami mechanicznymi. Umieszczona w układzie dolotowym klapa wychylała się proporcjonalnie do ilości przepływającego w kierunku silnika powietrza. W zależności od typu systemu wtrysku paliwa, przepływomierz oddziałuje na układ wtryskowy czysto mechanicznie (Bosch K-Jetronic) lub generuje sygnał elektryczny (napięciowy), dzięki zastosowaniu potencjometru umieszczonego na osi obrotu klapy (Bosch L-Jetronic). Tego typu przepływomierze nie są już stosowane w samochodach nowych, choć w warsztatach montujących instalacje LPG samochody z tego typu układami pomiarowymi czasami jeszcze się pojawiają.

LPG w silnikach z wtryskiem K-Jetronic

Bezpieczne zamontowanie instalacji gazowej w silniku z układem wtrysku benzyny K-Jetronic jest praktycznie niemożliwe i doświadczone warsztaty unikają takich samochodów. Brak elektrycznych wtryskiwaczy powoduje, że nie można zamontować w takim silniku instalacji IV generacji (wtrysk gazu, w którym podstawowym sygnałem sterującym są impulsy pracujących wtryskiwaczy benzynowych). Natomiast zastosowanie w takim silniku systemu II generacji (z mieszalnikiem) powoduje, że cały układ dolotowy jest wypełniony mieszanką gazowo-powietrzną i nieprawidłowości w działaniu układu zapłonowego, czy też chwilowe zubożenie mieszanki, skutkuje niekontrolowanym zapłonem w kolektorze dolotowym (powrót płomienia) i możliwością uszkodzenia przepływomierza (nie ma możliwości skutecznego zabezpieczenia tego elementu). Tego typu silniki czasami adaptowało się do zasilania gazem systemami LPG III generacji, w których gaz był podawany w pobliżu zaworów dolotowych, a sterowanie instalacją nie wymagało sygnału pracujących wtryskiwaczy benzynowych.

fot. gazeo.plPrzepływomierz Bosch w komorze silnikowej Audi A4 zasilanego LPG za pomocą systemu Landi Renzo Omegas (widoczne wtryskiwacze MED)

LPG w silnikach z przepływomierzem klapowym

Nieco częściej w warsztatach montujących instalacje gazowe pojawiają się samochody z przepływomierzami klapowymi generującymi sygnał elektryczny. W czasach, kiedy na rynku dominowały instalacje II generacji (mieszalnikowe Instalacje podciśnieniowe), adaptacja takich samochodów wymagała stosowania specjalnych zabezpieczeń, które chroniły przepływomierz przed skutkami zjawiska powrotu płomienia. Stosowano klapy montowane przed przepływomierzem, które zamykając się w czasie niekontrolowanego zapłonu zapobiegały jego uszkodzeniu.

Obecnie, kiedy instalacje IV generacji stały się bardziej dostępne (ich ceny nieznacznie przekraczają koszty instalacji II generacji przy niewspółmiernie wyższym komforcie użytkowania), problem możliwości uszkodzenia przepływomierza właściwie zniknął. Objętość kanałów dolotowych wypełniona mieszanką gazowo-powietrzną jest ograniczona do minimum (pomiędzy dyszami podającymi gaz a zaworami dolotowymi) i nawet jeśli dojdzie do zapłonu mieszanki w kolektorze, nie grozi to uszkodzeniem przepływomierza.

fot. BoschPrzepływomierz Bosch HFM7 generuje sygnał cyfrowy, opcjonalnie może pracować w trybie analogowym

Współcześnie

W obecnie produkowanych samochodach wykorzystuje się przepływomierze pracujące na innej zasadzie. Są to tzw. przepływomierze z gorącym drutem i będące ich rozwinięciem urządzenia z gorącym filmem.

Przepływomierze z gorącym drutem wprowadzono wraz z pojawieniem się układów wtryskowych benzyny Bosch LH-Jetronic. Element pomiarowy tego rodzaju przepływomierzy ma postać metalowego elementu (początkowo drutu, obecnie płytki), który jest podgrzewany elektrycznie. Jest on umieszczony w przepływającym przez układ dolotowy strumieniu powietrza, co powoduje jego chłodzenie. Zmiana temperatury elementu pomiarowego powoduje zmianę jego rezystancji, co następuje w funkcji ilości przepływającego powietrza.

Najnowocześniejszą odmianą przepływomierzy są urządzenia typu HFM (Hot Film Air Mass Meter). Elementem pomiarowym w takim przepływomierzu jest bardzo cienka płytka, w której jest umieszczony element grzejny. Przed i za grzałką znajdują się czujniki temperatury, a różnica ich wskazań jest miarą ilości przepływającego przez układ dolotowy powietrza.

Wpływ przepływomierza na pracę instalacji LPG

fot. BoschOdpowiedni przepływ powietrza przez układ pomiarowy przepływomierza HFM zapewnia wysoką dokładność wskazań oraz minimalizuje możliwość jego uszkodzenia przez zanieczyszczenia i kropelki wody mogące znajdować się w strumieniu powietrza dostarczanego do silnika

Pomimo że sygnał z przepływomierza nie jest uwzględniany bezpośrednio w regulacji dawki paliwa gazowego, jego działanie ma bardzo duży wpływ na prawidłową pracę silnika zasilanego LPG.

W powszechnie stosowanych systemach IV generacji (Sekwencyjne wtryski gazu Fazy lotnej) nieprawidłowe działanie przepływomierza może być przyczyną zwiększonego zużycia paliwa gazowego i obniżenia mocy. Możliwości diagnostyki przepływomierza dostępnymi urządzeniami są ograniczone. Tolerancja wskazań przepływomierzy jest dość szeroka i nawet jeśli wykazują one pewne niedomagania, to nie powodują zaświecenia kontrolki awarii silnika, podczas gdy mogą wystąpić już pierwsze objawy nieprawidłowej pracy silnika.

Innym objawem uszkodzonego przepływomierza w silniku o zapłonie iskrowym mogą być kłopoty z rozruchem, ponieważ sygnał przepływomierza służy także do tworzenia mapy zapłonów. W przypadku uszkodzenia przepływomierza dochodzi do zmiany kąta wyprzedzenia zapłonu i samochód na benzynie może mieć trudności z uruchomieniem. Na gazie silnik w takiej sytuacji charakteryzuje się niższą mocą.

Często użytkownik dowiaduje się o uszkodzeniu przepływomierza właśnie po zamontowaniu instalacji gazowej. Jeśli przepływomierz ulega normalnemu (powolnemu) zużyciu eksploatacyjnemu, zmieniające się wartości generowanego przez niego sygnału są kompensowane w ramach funkcji autoadaptacji sterownika benzynowego. Montaż instalacji gazowej w samochodzie wiąże się z odłączeniem akumulatora, co w niektórych samochodach powoduje skasowanie autoadaptacji, czyli cofnięcie nastaw sterownika do parametrów bazowych. Ponowne podłączenie akumulatora powoduje, że nie można uruchomić silnika (z uwagi na cofnięcie autoadaptacji sterownika i uszkodzony przepływomierz). W tej sytuacji pozostaje jedynie wymiana przepływomierza na nowy.

Przepływomierz - oryginał czy zamiennik?

Przepływomierze powietrza są elementami bardzo precyzyjnymi, a w związku z tym ich ceny są stosunkowo wysokie. Powoduje to, że na rynku pojawiają się różnego rodzaju zamienniki. Najczęściej są to tylko elementy pomiarowe (bez obudowy). Wymusza to wykręcenie uszkodzonego elementu, czego firma Bosch nie zaleca. Demontaż elementu pomiarowego z obudowy powoduje rozkalibrowanie przepływomierza, który jest kalibrowany jako całość w czasie montażu na linii produkcyjnej (po zamontowaniu elementu pomiarowego w obudowie). Pozwala to na precyzyjne jego zestrojenie i pracę z bardzo dużą dokładnością oraz wyeliminowanie niedokładności wskazań związanych z tolerancjami wymiarowymi obudowy i elementu pomiarowego. Aby ograniczyć możliwość demontażu przepływomierzy, Bosch stosuje w swych przepływomierzach specjalne śruby mocujące element pomiarowy lub jego wklejanie na stałe do obudowy.

Demontaż przepływomierza, w połączeniu z nieznaną dokładnością działania elementu pomiarowego, może być przyczyną nieprecyzyjnego działania układów zasilania (benzynowego i gazowego), co ilustruje poniższy przykład.

Badaniom poddano oryginalny przepływomierz Bosch HFM5 oraz jego zamiennik. Okazało się, że ilość powietrza mierzona przez zamiennik była o 40% zawyżona w stosunku do wartości podawanej przez przepływomierz oryginalny.

fot. BoschWnętrze elementu pomiarowego przepływomierza Bosch HFM7

W efekcie układ wtryskowy dawkował zwiększoną dawkę paliwa, co spowodowało 15-procentowy wzrost jego zużycia. Przy przebiegu rocznym rzędu 20 tys. km oraz zużyciu benzyny 8,5 l/100 km, a LPG 9,8 l/100 km (przepływomierz Bosch) i 9,8 l/100 km – benzyna, 12 l/100 km – LPG (zamiennik). 

Zamiennik przepływomierza zwiększy koszty paliwa o 1000 zł na benzynie i 735 zł na LPG.

Zatem zaoszczędzone przy zakupie zamiennika przepływomierza pieniądze zostaną dość szybko stracone przez zwiększony apetyt silnika na paliwo.

Niektóre zamienniki de facto nimi nie są. Zamiast elementu pomiarowego są wyposażone w zwykły opornik. Dzięki niemu układ sterujący silnika nie koduje błędu związanego z usterką przepływomierza, ale silnik pracuje nadal tak, jak z uszkodzonym przepływomierzem.

Podsumowanie

Ceny zamienników części zamiennych są bardzo atrakcyjne i w wielu przypadkach stosowanie części oryginalnych jest ekonomicznie nieuzasadnione. Jednak w przypadku elementów, od których działania zależy nasze bezpieczeństwo czy też, jak w przypadku przepływomierzy, ekonomika eksploatacji samochodu, warto zainwestować w produkt markowy, gwarantujący utrzymanie właściwych parametrów w długim okresie eksploatacji.