أنواع مختلفة من مستشعرات العمود المرفقي

دور مستشعر العمود المرفقي في أنظمة إدارة المحرك

وظيفة مستشعر موضع العمود المرفقي وأهميته في أنظمة الإشعال الحديثة

مستشعر موضع عمود المرفق، والمعروف اختصارًا بـ CPS، يلعب دورًا مهمًا جدًا في طريقة عمل المحركات. فهو يقوم بمراقبة سرعة دوران عمود المرفق وموقعه الدقيق في كل لحظة. تساعد المعلومات الواردة من هذا المستشعر الحاسوب المركزي للسيارة على تحديد توقيت شرارة الإشعال، وكمية الوقود التي يجب رشها، وإدارة ما يتم تصريفه عبر أنبوب العادم. يمكن أن تؤدي المشكلات الصغيرة في قراءات مستشعر CPS إلى حدوث احتراق غير منتظم في المحرك أو جعل السيارة تستهلك كمية كبيرة من الوقود بدلًا من العمل بكفاءة، وقد تؤدي أحيانًا إلى انخفاض كفاءة استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 15 بالمئة وفقًا لبعض الدراسات الصادرة العام الماضي. ما لا يدركه معظم الناس هو أن هذه المستشعرات تقوم بأكثر من مجرد الحفاظ على تشغيل المحرك بسلاسة. فهي في الواقع تمكّن من ميزات نعتبرها أمرًا مسلّمًا به حاليًا، مثل إيقاف أسطوانات معينة عند عدم الحاجة إليها، وتعديل ضغط الشاحن التوربيني بشكل فوري. ولهذا السبب لا يمكن للمركبات الحديثة أن تعمل بشكل صحيح بدونها.

كيف يقوم مستشعر عمود المرفق بتوحيد حقن الوقود وتوقيت الشرر

من خلال تتبع موقع عمود المرفق بالنسبة لحركة المكبس، يمكن لمستشعر CPS وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) من توقيت أحداث حقن الوقود والشرر بدقة عالية:

• تُفعَّل الحقنات بعدة ملي ثانية قبل فتح صمام السحب
• تنفجر شمعات الإشعال عند النقطة المثلى خلال دورة الضغط
  يمنع هذا التناسق حدوث الانفجار ويُحسِّن أقصى قدرة خرج. في أنظمة الحقن المتسلسل المزامنة، تكون دقة مستشعر CPS أمرًا بالغ الأهمية — حيث يمكن لأخطاء التوقيت الصغيرة مثل 2° أن تزيد انبعاثات الهيدروكربونات بنسبة 22٪ (SAE 2023).

تأثير عطل المستشعر على أداء المحرك والتشخيص

عندما يتعطل مستشعر موضع عمود المرفق، فإن المركبات تُظهر عادةً أعراضًا مثل صعوبة في التشغيل، أو دوران غير منتظم عند التوقف، أو حتى توقف تام أثناء القيادة. غالبًا ما يشير الفنيون إلى رمز خطأ التشخيص P0335 عندما تكون هناك مشكلة في المستشعر نفسه، ولكن لا تنسَ أيضًا احتمال وجود مشاكل في الأسلاك. وفقًا لبعض بيانات القطاع من العام الماضي، يتضح أن حالة واحدة من كل خمس حالات تقريبًا تكون فعليًا ناتجة عن مشاكل في الأسلاك وليس بسبب عطل في المستشعر. عادةً ما تقوم وحدة الحاسوب في السيارات الحديثة بالتحول تلقائيًا إلى إعداد توقيت أساسي عندما تفقد الإشارة القادمة من مستشعر موضع عمود المرفق، مما قد يؤثر سلبًا بشكل كبير على أداء المحرك، وأحيانًا يقلل الأداء بنحو النصف. ولهذا السبب، يوصي الفنيون ذوو الخبرة باستبدال هذه المستشعرات قبل أن تفشل تمامًا، خاصة عند بلوغ علامة 100 ألف ميل. ويُعد هذا إجراءً موفرًا للمال على المدى الطويل لأنه يمنع الحاجة إلى إصلاحات مكلفة للأجزاء الواقعة لاحقًا في نظام العادم، بما في ذلك المحولات الحفازة وأجهزة استشعار الأكسجين الباهظة الثمن التي تميل إلى التلف عندما لا يعمل المحرك بشكل صحيح.

الأنواع الرئيسية لأجهزة استشعار موضع عمود المرفق حسب مبدأ التشغيل

أجهزة الاستشعار المغناطيسية الحثية (التغير في الممانعة) وعملية الحث الكهرومغناطيسي

تعمل أجهزة الاستشعار المغناطيسية الحثية من خلال استخدام مبادئ الحث الكهرومغناطيسي للكشف عن حركة عمود المرفق. عندما يدور عجلة ذات أسنان بالقرب من ملف ومغناطيس الجهاز، فإن التغير في المجال المغناطيسي يولد جهدًا تيارًا مترددًا يتغير حسب سرعة تشغيل المحرك. والميزة في هذه الأجهزة أنها لا تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي، مما يوفر التكلفة في المحركات البسيطة حيث يكون الميزانية أمرًا مهمًا. ولكن هناك عيبًا: عند السرعات التي تقل عن حوالي 100 دورة في الدقيقة، يصبح الإشارة ضعيفًا جدًا وغير موثوق به، وبالتالي فهي ليست مناسبة للحالات التي تتطلب قياسات دقيقة عند السرعات البطيئة جدًا.

أجهزة استشعار عمود المرفق التناظرية وسلوك إشارة الخرج التيار المتردد

تُنتج مستشعرات العمود المرفقي التناظرية من الطراز القديم إشارات تيار متردد كلاسيكية على شكل موجة جيبية تتغير حسب سرعة دوران المحرك. تقوم وحدة تحكم السيارة بقراءة هذه التقلبات لتحديد موقع كل مكبس وبالتالي معرفة متى يتم رش الوقود وإرسال الشرارة إلى شمعات الإشعال. تعمل هذه المستشعرات بشكل مقبول عندما يعمل المحرك بسرعة طبيعية أو أعلى، لكن تظهر مشكلات عندما تكون السيارة في وضع الخمول أو عند التسارع السريع. كما أظهر تقرير صادر عن معهد مستشعرات السيارات عام 2022 معلومة مثيرة للاهتمام حولها. حيث وجد أن هذه الأنواع التناظرية يمكن أن تختلف بحوالي زائد أو ناقص 1.5 درجة في التوقيت عند سرعة 800 دورة في الدقيقة بالمقارنة مع نظيراتها الرقمية. قد لا يبدو هذا الفارق كبيرًا، لكن من حيث أداء المحرك فإنه يُحدث فرقًا حقيقيًا.

مستشعرات العمود المرفقي ذات تأثير هول مع إرسال إشارة رقمية

تعمل مستشعرات تأثير هول باستخدام تقنية أشباه الموصلات لإنشاء إشارات رقمية مربعة الشكل عندما تتغير المجالات المغناطيسية المحيطة بها. يمكن لهذه الأجهزة ذات الأسلاك الثلاثة أن تقدم معلومات دقيقة جدًا عن الموضع حتى عندما لا تتحرك الأجزاء إطلاقًا، مما يساعد في ميزات التشغيل والإيقاف التي تمتلكها السيارات حاليًا، ويضمن تشغيل المحركات بشكل موثوق حتى في الطقس البارد. تحافظ الإشارة الرقمية التي يولدها على ضبط التوقيت بدقة، بحيث تظل ضمن ربع درجة تقريبًا بغض النظر عن الظروف التشغيلية. تعتمد معظم السيارات الجديدة من عام 2023، أكثر من 7 من كل 10 طرازات فعليًا، على هذه المستشعرات لتحديد موقع عمود المرفق نظرًا لأدائها العالي وطول عمرها الافتراضي مقارنةً بالخيارات الأخرى المتاحة.

استخدام المستشعرات الكهروضوئية والمستشعرات البصرية في تطبيقات المحركات المتخصصة

تعمل أجهزة الاستشعار الضوئية باستخدام صمام ثنائي باعث للضوء (LED) مع ترتيب عجلة مشقوقة لتحديد لحظة دوران عمود المرفق بناءً على كيفية حجب الضوء. لا تُوجد هذه الأجهزة عادةً في محركات الاحتراق التقليدية لأنها تكون عرضة للتلف بسهولة بسبب الأتربة والرطوبة. ولكن في الحالات التي تبقى فيها الظروف نظيفة وجافة، مثل السيارات السباقية أو القوارب، يمكن أن تكون أجهزة الاستشعار الضوئية دقيقة جدًا، وتصل دقتها أحيانًا إلى حد 0.1 درجة من الموضع الفعلي. ومع ذلك، فهي تتطلب عناية وصيانة أكثر مقارنة بأنواع أخرى. وعلى الرغم من ذلك، يظل العديد من مصنعي المحركات يعتمدون عليها في الآلات عالية الأداء، حيث يُعد فتح الصمامات في اللحظة الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أقصى قدر من القوة والموثوقية.

أجهزة استشعار العمود المرفقي التناظرية مقابل الرقمية: مقارنة بين الأداء والموثوقية

الاختلافات في إخراج الإشارة والدقة بين أجهزة استشعار العمود المرفقي التناظرية والرقمية

تُنشئ أجهزة الاستشعار التناظرية التقليدية جهود تيار متردد متفاوتة تتراوح من حوالي 3 فولت عند السكون، لتصل إلى نحو 50 فولت عند السرعات العالية للمحرك. في المقابل، تُصدر أجهزة استشعار تأثير هول إشارات تيار مستمر على شكل موجات مربعة ثابتة إما بجهد 5 فولت أو 12 فولت بغض النظر عن سرعة الدوران. وعند النظر إلى دقة الموقع، فإن أجهزة الاستشعار الرقمية تبرز بشكل حقيقي، حيث تحقق دقة تبلغ زائد أو ناقص 0.2 درجة فقط وفقًا لدراسات حديثة أجراها معهد SAE في عام 2023. وهذا أفضل بكثير مما يمكن لأجهزة الاستشعار التناظرية تحقيقه، التي تتراوح دقتها عادة بين زائد أو ناقص 1.5 درجة. وبفضل هذه الميزة في الدقة، تعمل أجهزة الاستشعار الرقمية بشكل أفضل بكثير في الحالات التي تكون فيها الدقة الزمنية مهمة للغاية، خاصة عندما لا يعمل المحرك بسرعة كبيرة، أي أقل من حدود 1500 دورة في الدقيقة.

مزايا أجهزة استشعار تأثير هول مقارنةً بأنواع الحث في التوقيت الدقيق

توفر أجهزة استشعار تأثير هول إشارات ثابتة حتى عندما يكون المحرك واقفًا تمامًا، مما يعني أن السيارات يمكن أن تبدأ بشكل أسرع بكثير وأكثر دقة. هذا أمر مهم جدًا في محركات التوربو حيث يجب أن تكون الأوقات دقيقة جدًا، أحيانًا ضمن 0.1 ميلي ثانية فقط. وعندما قمنا باختبار هذا على أجهزة الدينامو، تمكنت المركبات المزودة بأجهزة استشعار تأثير هول من بدء التشغيل البارد بسرعة أكبر بنسبة 30 بالمئة تقريبًا مقارنة بتلك التي تستخدم أجهزة الاستشعار الحثية القديمة. وميزة كبيرة أخرى هي قدرتها على الحفاظ على إشارات قوية عند السرعات المنخفضة جدًا. وهذا يجعلها تعمل بشكل أفضل أثناء حالات التوقف والانطلاق المتكررة التي يواجهها السائقون يوميًا في حركة المرور داخل المدن.

محددات أجهزة الاستشعار ذات المخرجات التيار المتردد عند السرعات المنخفضة للمحرك

أسفل 800 دورة في الدقيقة، تواجه أجهزة الاستشعار التناظرية ثلاث تحديات رئيسية:

• قد تنخفض سعة الإشارة إلى ما دون عتبة كشف وحدة التحكم الإلكترونية (<2 فولت)
• يزداد تشوه الطور بنسبة 12-18% (ورقة تقنية SAE 2021-01-0479)
• تزداد قابلية التداخل الكهرومغناطيسي بنسبة 40% مقارنة بالأنظمة الرقمية
  تستدعي هذه القيود إعادة معايرة المحركات الصناعية التي تعمل بالديزل مع الاستمرار في العمل بوضع الكساد لفترات طويلة، مما يقلل الموثوقية على المدى الطويل.

موثوقية مستشعرات العمود المرفقي الرقمية مقابل التناظرية في الظروف القاسية

تعمل مستشعرات تأثير هول بشكل جيد نسبيًا عبر نطاقات درجات الحرارة التي تتراوح من 40 درجة مئوية تحت الصفر حتى 150 درجة مئوية (ما يعادل -40 فهرنهايت إلى 302 فهرنهايت). وتشمل ما يقارب 35 بالمئة أكثر من النطاق الحراري الذي تغطيه المستشعرات الحثية التقليدية. وعند النظر إلى نتائج اختبارات دورة الحياة، يمكن للإصدارات الرقمية تحمل نحو 200 ألف دورة حرارية قبل أن تظهر عليها علامات التآكل، مما يجعلها متقدمة بما يقرب من مرتين ونصف مقارنة بإصداراتها التناظرية. ومع ذلك، ما زال العديد من المهندسين يعتمدون على المستشعرات الحثية عند التعامل مع الظروف القاسية جدًا التي تتضمن اهتزازات مستمرة. فكّر في محركات السفن على سبيل المثال، خصوصًا تلك التي تهتز بترددات أعلى من 500 هرتز. وتتميّز هذه النماذج الحثية بهذا الأفضلية لأنها مصنوعة كأجهزة صلبة الحالة (Solid State) دون مكوّنات شبه موصلة حساسة قد تتعرض للتلف أثناء الاهتزازات الشديدة.

نظرة متعمقة على تقنية مستشعر عمود المرفق ذو الممانعة المتغيرة (الحثية)

كيف يولد الحث الكهرومغناطيسي جهدًا باستخدام عجلات المُرَدِّد المسننة

تعمل هذه المستشعرات ذات الممانعة المتغيرة بناءً على مبدأ فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. داخل معظم المحركات، هناك عادةً ترتيب يتكون من مغناطيس دائم ولفة يعملان معًا مع عجلة مسننة خاصة متصلة بعمود المرفق. عندما تمر الأسنان، فإنها تؤثر على المجال المغناطيسي عن طريق تعديل المسافة بين المكونات، مما يُنتج قفزات صغيرة في الجهد داخل اللفة. ما نحصل عليه من هذا كله هو إشارة تيار متردد تخبرنا بدقة بموقع عمود المرفق وسرعة دورانه. تصبح هذه المعلومات بالغة الأهمية لوحدة تحكم المحرك عند ضبط توقيت الإشعال، خاصةً في السيارات القديمة التي لا تزال تعتمد على الأنظمة التناظرية بدلًا من الرقمية.

خصائص الإشارة المعتمدة على السرعة في المستشعرات الحثية لعمود المرفق

يزداد خرج أجهزة الاستشعار الحثية كلما زادت سرعة دوران المحرك. عند السرعات الافتراضية، نلاحظ عادةً حوالي 0.3 فولت تيار متردد، ولكن عند الدوران بسرعة عالية تصل إلى 6000 دورة في الدقيقة، يمكن لهذه المستشعرات أن تولد ما يصل إلى 4.8 فولت تيار متردد. تصبح الأمور معقدة عند السرعات أقل من 100 دورة في الدقيقة لأن الإشارة تضعف كثيرًا عندها. مما يجعل بيانات التوقيت غير موثوقة، ولهذا السبب يتحول العديد من الميكانيكيين إلى مستشعرات رقمية للتطبيقات ذات السرعة المنخفضة. كما أن ضبط فجوة الهواء بشكل دقيق أمر بالغ الأهمية أيضًا. توصي معظم الشركات المصنعة بالإبقاء عليها بين 0.5 و1.5 مليمتر. إذا لم تكن المسافة صحيحة تمامًا، فإن جودة الإشارة تنخفض ويبدأ المحرك في فقدان الشرارات. تتضمن الآن تصميمات المستشعرات الحديثة دوائر حدية تكيفية تحافظ على تشغيل النظام بسلاسة عبر نطاقات مختلفة من سرعة الدوران. وفقًا لبيانات جمعية مهندسي السيارات (SAE) لعام 2022، يستخدم نحو 9 من أصل 10 محركات احتراق داخلي هذه التقنية حاليًا.