Forskellige typer krumtapfølere

Rollen for krumtapvægtsensoren i motormanagementssystemer

Funktion og betydning af krumtapvægtsensor i moderne tændingssystemer

Krumtapvæglspositionssensoren, ofte kaldet CPS for forkortet, spiller en meget vigtig rolle i motorens funktion. Den holder øje med, hvor hurtigt krumtapvæglen roterer, og nøjagtigt hvor den befinder sig i ethvert givent øjeblik. Oplysningerne fra denne sensor hjælper bilens computer med at afgøre, hvornår tændrørene skal tænde, hvor meget brændstof der skal indsprøjtes, og hvordan udstødningsrøret styres. Små fejl i CPS-målingerne kan få motoren til at misantænde eller få bilen til at sluge benzin i stedet for at køre effektivt, nogle gange med op til 15 procent fald i brændstoføkonomi ifølge visse undersøgelser fra sidste år. Det, de fleste ikke indser, er, at disse sensorer gør langt mere end blot at holde tingene kørende jævnt. De muliggør faktisk funktioner, vi i dag tager for givet, såsom at slukke cylinderne, når de ikke er nødvendige, og justere turboladetryk dynamisk. Derfor ville moderne køretøjer simpelthen ikke fungere korrekt uden dem.

Hvordan krumtappositionssensoren synkroniserer brændstofindsprøjtning og tændrørtidspunkt

Ved at spore krumtappositionen i forhold til stempelbevægelse, muliggør CPS, at ECU kan tidsmæssigt koordinere brændstofindsprøjtning og tændrør med høj præcision:

• Indsprøjtningen aktiveres millisekunder før indsuget ventiler åbner
• Tændrør antændes i det optimale punkt i kompressionshuben
  Denne synkronisering forhindrer detonation og maksimerer effektudgang. I fasesekventielle indsprøjtningssystemer er CPS-præcision særlig afgørende – timingfejl så små som 2° kan øge kooltebrintemissioner med 22 % (SAE 2023).

Påvirkning af sensortab på motorydelse og diagnostik

Når krumtappositionssensoren går i stykker, viser køretøjer typisk symptomer som vanskeligheder ved at starte, ujævn tomgang eller endda komplet motorstop under kørsel. De fleste mekanikere vil pege på fejlkode P0335, når der er et problem med sensoren selv, men glem ikke heller mulige ledningsproblemer. Ifølge nogle brancheoplysninger fra sidste år viser det sig, at cirka én ud af fem tilfælde faktisk skyldes ledningsfejl frem for en defekt sensor. Computere i moderne biler skifter typisk til en grundlæggende tidsindstilling, når signalet fra CPS forsvinder, og dette kan virkelig påvirke motorens ydelse negativt, nogle gange reducerer den med næsten halvdelen. Derfor anbefaler erfarne teknikere at udskifte disse sensorer, inden de helt svigter, især omkring 160.000 km. Det sparer penge på længere sigt, da det forhindrer dyre reparationer af dele længere henne i udstødningssystemet, herunder de kostbare katalysatorer og ilt-sensorer, som ofte beskadiges, når motoren ikke kører korrekt.

Primære typer krumtappositionssensorer efter funktionsprincip

Magnetisk induktive (variabel reluctans) sensorer og elektromagnetisk induktionsdrift

Magnetisk induktive sensorer virker ved at anvende principper for elektromagnetisk induktion til at registrere, når krumtappen bevæger sig. Når et tændt hjul roterer tæt på sensorens spole- og magnetafsnit, skaber det skiftende magnetfelt en vekselstrømsspenning, der stiger og falder i takt med motorens omdrejningshastighed. Det positive ved disse sensorer er, at de ikke kræver en ekstern strømkilde, hvilket sparer penge på enklere motorer, hvor omkostningerne er afgørende. Men der er dog et ulempe: Ved hastigheder under ca. 100 omdrejninger i minuttet bliver signalet meget svagt og upålideligt, så de egner sig ikke godt til situationer, hvor nøjagtige målinger ved meget lave hastigheder er nødvendige.

Analoge krumtap-sensorer og AC-udgangssignals opførsel

Gamle analoge krumtap-sensorer genererer de klassiske sinusformede vekselstrømssignaler, der ændrer sig baseret på motorens omdrejningstal. Bilens computer aflæser disse udsving for at afgøre, hvor hver stempel befinder sig, så den ved, hvornår der skal sprøjtes brændstof og tændes tændrør. Disse sensorer fungerer acceptabelt, når motoren kører med normale eller højere omdrejninger, men der opstår problemer, når bilen er i tomgang eller accelererer hurtigt. Et rapport fra Automotive Sensors Institute fra 2022 viste også noget interessant om dem. Ved cirka 800 omdrejninger i minuttet kan disse analoge typer afvige med ca. plus/minus 1,5 grader i timing sammenlignet med deres digitale modstykker. Det lyder måske ikke af meget, men set med motorøjne gør det en reel forskel.

Hall-effekt krumtap-sensorer med digital signaloverførsel

Hall-effekt-sensorer fungerer ved at bruge halvlederteknologi til at generere digitale firkantsignaler, når der sker ændringer i de omgivende magnetfelter. Disse tre-ledede enheder kan faktisk levere ret præcis positionsinformation, selv når der ikke er nogen bevægelse, hvilket er en fordel for de start-stopp-funktioner, som moderne biler har, og som sikrer pålidelig motorkøling også ved lav temperatur. Det digitale signal, de producerer, holder tændingstidspunktet nøjagtigt inden for ca. en kvart grad uanset arbejdsmiljø. Flere end 7 ud af 10 bilmodeller fra 2023 anvender disse sensorer til at bestemme krumtapakslenes position, fordi de fungerer så sikkert og har en lang levetid sammenlignet med andre løsninger.

Brug af fotoelektriske og optiske sensorer i specialiserede motortillæg

Optiske sensorer fungerer ved at bruge en LED sammen med et slået hjularrangement til at registrere, hvornår krumtapakslen drejer, baseret på, hvordan lys bliver blokeret. Disse findes ikke ofte i almindelige forbrændingsmotorer, fordi de nemt kan blive påvirket af snavs og fugt. Men i situationer, hvor det forbliver rent og tørt, som i racerbiler eller både, kan optiske sensorer være meget præcise – nogle gange inden for kun 0,1 grad af den faktiske position. De kræver dog mere vedligeholdelse end andre typer. Alligevel vælger mange motorbyggere at bruge dem i højtydende maskiner, hvor det er afgørende, at ventilerne åbnes nøjagtigt til det rigtige tidspunkt for optimal effekt og pålidelighed.

Analoge og digitale krumtapfølere: Ydelse og pålideligheds sammenligning

Forskelle i signaloutput og nøjagtighed mellem analoge og digitale krumtapfølere

Traditionelle analoge sensorer genererer varierende vekselstrøms-spændinger, der går fra omkring 3 volt, når de står stille, op til ca. 50 volt ved højere motorture. Hall-effekt-sensorer derimod sender ensartede firkantede jævnspændingssignaler enten på 5 volt eller 12 volt, uanset hvor hurtigt det roterer. Når vi ser på positionsnøjagtighed, skiller digitale sensorer sig virkelig ud og opnår plus/minus kun 0,2 grader ifølge nyere undersøgelser fra SAE i 2023. Det er langt bedre end, hvad analoge sensorer kan præstere, da disse typisk varierer mellem plus/minus 1,5 grader. På grund af denne præcisionsfordel fungerer digitale sensorer meget bedre i situationer, hvor nøjagtig timing er afgørende, især når motorer kører med lave omdrejninger under ca. 1500 omdrejninger i minuttet.

Fordele ved Hall-effekt-sensorer i forhold til induktive typer ved præcist timing

Hall-effekt-sensorer giver konsekvente signaler, selv når motoren er helt stillestående, hvilket betyder, at biler kan starte meget hurtigere og mere præcist. Dette er særlig vigtigt for turboforsynede motorer, hvor timingen skal være nøjagtig, nogle gange inden for blot 0,1 millisekund. Når vi testede dette på dynamometre, startede køretøjer udstyret med Hall-effekt-sensorer omkring 30 procent hurtigere ved koldstart sammenlignet med dem, der brugte ældre induktive sensorer. Et andet stort plus er, at de bevarer stærke signaler ved meget lave hastigheder. Dette gør dem mere effektive i de hyppige stop-and-go-situationer, som chauffører står overfor i bytrafik hver dag.

Begrænsninger af AC-udgangssensorer ved lave motorture

Under 800 omdr./min. står analoge sensorer over for tre hovedudfordringer:

• Signalamplituden kan falde under ECU-detekteringstærsklen (<2 V)
• Faseforvrængning øges med 12-18 % (SAE Technical Paper 2021-01-0479)
• Modtagelighed over for elektromagnetisk interferens stiger med 40 % i forhold til digitale systemer
  Disse begrænsninger kræver en genkalibrering af industrielle dieselmotorer med langvarig tomgang, hvilket nedsætter langtidsholdbarheden.

Pålidelighed af digitale og analoge krumtap-sensorer under ekstreme forhold

Hall-effekt-sensorer fungerer ret godt over temperaturområder fra minus 40 grader Celsius helt op til 150 grader Celsius (det svarer til ca. -40 Fahrenheit til 302 Fahrenheit). De dækker cirka 35 procent mere temperaturinterval sammenlignet med de gamle induktive sensorer. Når vi ser på livscyklustestresultater, kan digitale versioner klare omkring 200.000 termiske cyklusser, før der vises tegn på slitage. Det placerer dem næsten to og en halv gang foran deres analoge modstykker. Alligevel holder mange ingeniører fast i induktive sensorer, når de arbejder med virkelig barske forhold med konstant rysten. Tænk f.eks. på marine motorer, især sådanne, der vibrerer ved frekvenser højere end 500 Hz. Disse induktive modeller har dette forspring, fordi de er bygget som solid-state-enheder uden de følsomme halvlederkomponenter, som kan blive beskadiget under intense vibrationer.

Indgående kig på variabelt reluktans (induktiv) krumtap-sensorteknologi

Hvordan elektromagnetisk induktion genererer spænding ved hjælp af tandede reluktanhjul

Disse variable reluktanssensors virkemåde er baseret på Faradays princip om elektromagnetisk induktion. Inde i de fleste motorer findes der typisk et system bestående af en permanentmagnet og en spole, som arbejder sammen med et specielt tandet hjul forbundet til krumtapakslen. Når tænderne passerer forbi, ændrer de det magnetiske felt ved at justere afstanden mellem komponenterne, hvilket skaber små spændingsspikes i spolen. Resultatet er et vekselstrømssignal, der fortæller præcist, hvor krumtapakslen er placeret, og hvor hurtigt den roterer. Denne information er afgørende for motorstyringsenheden, når den indstiller tændingspunktet, især i ældre biler, der stadig er afhængige af analoge systemer frem for digitale.

Hastighedsafhængige signalegenskaber for induktive krumtap-sensorer

Udgangen fra induktive sensorer stiger, når motoren kører hurtigere. Ved tomgangs omdrejninger ser vi typisk omkring 0,3 volt vekselstrøm, men ved høje omdrejninger på 6.000 omdr./min. kan disse sensorer producere op til 4,8 volt vekselstrøm. Det bliver dog vanskeligt under 100 omdr./min., fordi signalet bliver meget svagt i det område. Dette gør tidsindstillingen usikker, hvilket er grunden til, at mange mekanikere skifter til digitale sensorer til lavhastighedsapplikationer. At få luftspillet rigtigt er også meget vigtigt. De fleste producenter anbefaler at holde det mellem 0,5 og 1,5 millimeter. Hvis afstanden ikke er præcis, falder signalkvaliteten, og motoren begynder at springe tændinger over. Moderne sensordesigner indeholder nu adaptive tærskelkredsløb, som sikrer stabil drift over forskellige omdrejningsområder. Ifølge SAE-data fra 2022 bruger cirka 9 ud af 10 forbrændingsmotorer denne teknologi i dag.