Διαφορετικοί Τύποι Αισθητήρων Στροφαλοφόρου

Ο Ρόλος του Αισθητήρα Στροφαλοφόρου στα Συστήματα Διαχείρισης Κινητήρα

Λειτουργία και Σημασία του Αισθητήρα Θέσης Στροφαλοφόρου στα Σύγχρονα Συστήματα Ανάφλεξης

Ο αισθητήρας θέσης του στροφαλοφόρου, που συχνά συντομεύεται ως CPS, διαδραματίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη λειτουργία των κινητήρων. Παρακολουθεί την ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται ο στροφαλοφόρος άξονας και την ακριβή του θέση κάθε στιγμή. Οι πληροφορίες από αυτόν τον αισθητήρα βοηθούν τον υπολογιστή του αυτοκινήτου να καθορίσει πότε θα εκκενώσει τα μπουζί, πόση καύσιμη ύλη θα εγχύσει και πώς θα διαχειριστεί τα καυσαέρια. Μικρά προβλήματα στις ενδείξεις του CPS μπορούν να προκαλέσουν αναποτελεσματική λειτουργία του κινητήρα ή να κάνουν το αυτοκίνητο να καταναλώνει περισσότερο καύσιμο αντί για αποδοτική λειτουργία, μερικές φορές μειώνοντας την οικονομία καυσίμου έως και 15 τοις εκατό, σύμφωνα με ορισμένες μελέτες από το περασμένο έτος. Αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν συνειδητοποιούν είναι ότι αυτοί οι αισθητήρες κάνουν πολλά περισσότερα από το να διατηρούν την ομαλή λειτουργία. Στην πραγματικότητα επιτρέπουν λειτουργίες που σήμερα δεχόμαστε ως δεδομένες, όπως η απενεργοποίηση κυλίνδρων όταν δεν χρειάζονται και η προσαρμογή της πίεσης του τούρμπο εν κινήσει. Γι' αυτόν τον λόγο τα σύγχρονα οχήματα απλώς δεν θα λειτουργούσαν σωστά χωρίς αυτούς.

Πώς ο αισθητήρας στροφαλοφόρου συγχρονίζει την εγχύση καυσίμου και το χρονισμό του σπινθήρα

Με την παρακολούθηση της θέσης του στροφαλοφόρου σε σχέση με την κίνηση του εμβόλου, ο αισθητήρας CPS επιτρέπει στην ECU να χρονοδιαγράψει τις εγχύσεις καυσίμου και τους σπινθηρισμούς με μεγάλη ακρίβεια:

• Οι εγχυτήρες ενεργοποιούνται εκατοστά του δευτερολέπτου πριν από το άνοιγμα της βαλβίδας εισαγωγής
• Τα μπουζί εκκενώνονται στο βέλτιστο σημείο της φάσης συμπίεσης
  Αυτός ο συγχρονισμός αποτρέπει την κρούση και μεγιστοποιεί την απόδοση ισχύος. Σε συστήματα διαδοχικής έγχυσης με φάσεις, η ακρίβεια του αισθητήρα CPS είναι ιδιαίτερα σημαντική· λάθη χρονισμού όσο μόλις 2° μπορούν να αυξήσουν τις εκπομπές υδρογονανθράκων κατά 22% (SAE 2023).

Επίδραση της βλάβης του αισθητήρα στην απόδοση και τη διάγνωση του κινητήρα

Όταν ο αισθητήρας θέσης του εκκεντροφόρου άξονα χαλάσει, τα οχήματα συνήθως εμφανίζουν συμπτώματα όπως δυσκολία εκκίνησης, ανομοιόμορφη παραμονή, ή ακόμη και πλήρης σβήση κατά την οδήγηση. Οι περισσότεροι μηχανικοί αναφέρονται στον κωδικό DTC P0335 όταν υπάρχει πρόβλημα με τον ίδιο τον αισθητήρα, αλλά μην ξεχνάτε ότι μπορεί να υπάρχουν και προβλήματα στην καλωδίωση. Σύμφωνα με ορισμένα στοιχεία του κλάδου από το περασμένο έτος, περίπου μία στις πέντε περιπτώσεις αποδεικνύεται τελικά ότι οφείλεται σε πρόβλημα καλωδίωσης και όχι σε ελαττωματικό αισθητήρα. Ο υπολογιστής στα σύγχρονα αυτοκίνητα συνήθως επαναφέρεται σε μια βασική ρύθμιση χρονισμού όταν χάνει το σήμα από τον CPS, κάτι που μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τη λειτουργία του κινητήρα, μερικές φορές μειώνοντας την απόδοση έως και κατά το ήμισυ. Γι' αυτόν τον λόγο, οι έμπειροι τεχνικοί συνιστούν την αντικατάσταση αυτών των αισθητήρων πριν εντελώς χαλάσουν, ειδικά γύρω στα 100.000 μίλια. Αυτό εξοικονομεί χρήματα μακροπρόθεσμα, καθώς προλαμβάνει ακριβείς επισκευές σε εξαρτήματα που βρίσκονται πιο μπροστά στο σύστημα εξάτμισης, συμπεριλαμβανομένων των ακριβών καταλυτικών μετατροπέων και των αισθητήρων οξυγόνου, οι οποίοι τείνουν να υποστούν ζημιά όταν ο κινητήρας δεν λειτουργεί σωστά.

Κύριοι τύποι αισθητήρων θέσης εκκεντροφόρου αξονα βάσει αρχής λειτουργίας

Μαγνητικοί επαγωγικοί (μεταβλητής αντίδρασης) αισθητήρες και λειτουργία μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής

Οι μαγνητικοί επαγωγικοί αισθητήρες λειτουργούν με βάση τις αρχές της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, προκειμένου να ανιχνεύσουν όταν ο εκκεντροφόρος άξονας κινείται. Όταν ένας διαβαθμισμένος τροχός περιστρέφεται κοντά στη διάταξη πηνίου και μαγνήτη του αισθητήρα, το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί εναλλασσόμενη τάση (AC), η οποία μεταβάλλεται ανάλογα με την ταχύτητα λειτουργίας του κινητήρα. Το πλεονέκτημα αυτών των αισθητήρων είναι ότι δεν χρειάζονται εξωτερική πηγή ενέργειας, κάτι που εξοικονομεί κόστος σε απλούστερους κινητήρες όπου το κόστος είναι καθοριστικό. Ωστόσο, υπάρχει ένα μειονέκτημα: σε ταχύτητες κάτω από περίπου 100 στροφές ανά λεπτό, το σήμα γίνεται πολύ ασθενές και αναξιόπιστο, οπότε δεν είναι κατάλληλοι για καταστάσεις όπου απαιτούνται ακριβείς μετρήσεις σε πολύ χαμηλές ταχύτητες.

Αναλογικοί αισθητήρες εκκεντροφόρου άξονα και συμπεριφορά σήματος εξόδου AC

Οι παλιού τύπου αναλογικοί αισθητήρες στροφαλοφόρου άξονα παράγουν τα κλασικά εναλλασσόμενα σήματα με μορφή ημιτονοειδούς κύματος, τα οποία μεταβάλλονται ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Ο υπολογιστής του αυτοκινήτου διαβάζει αυτές τις μεταβολές για να προσδιορίσει τη θέση κάθε εμβόλου και να γνωρίζει πότε πρέπει να γίνει ψεκασμός καυσίμου και ανάφλεξη. Αυτοί οι αισθητήρες λειτουργούν ικανοποιητικά όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε φυσιολογικές ή υψηλότερες στροφές, αλλά εμφανίζονται προβλήματα όταν το αυτοκίνητο βρίσκεται σε πλήρη ακινησία ή όταν επιταχύνει γρήγορα. Μια έκθεση από το Ινστιτούτο Αισθητήρων Αυτοκινήτων του 2022 αποκάλυψε επίσης κάτι ενδιαφέρον σχετικά με αυτούς: στις περίπου 800 RPM, αυτοί οι αναλογικοί τύποι μπορεί να έχουν απόκλιση περίπου ±1,5 μοίρες στο χρονισμό σε σύγκριση με τους ψηφιακούς αντιστοιχείς τους. Αυτό μπορεί να μην ακούγεται πολύ, αλλά στους όρους λειτουργίας του κινητήρα κάνει πραγματική διαφορά.

Αισθητήρες Στροφαλοφόρου Άξονα Hall Effect με Ψηφιακή Μετάδοση Σήματος

Οι αισθητήρες Hall λειτουργούν χρησιμοποιώντας τεχνολογία ημιαγωγών για να δημιουργήσουν τα τετραγωνικά ψηφιακά σήματα όταν μεταβάλλονται τα μαγνητικά πεδία γύρω τους. Αυτές οι συσκευές τριών καλωδίων μπορούν πραγματικά να παρέχουν αρκετά καλές πληροφορίες θέσης, ακόμη και όταν τα πράγματα δεν κινούνται καθόλου, κάτι που βοηθά στα σύγχρονα χαρακτηριστικά εκκίνησης-σταματήματος των αυτοκινήτων και εξασφαλίζει αξιόπιστη εκκίνηση του κινητήρα ακόμη και σε κρύο καιρό. Το ψηφιακό σήμα που παράγουν διατηρεί τον χρονισμό ακριβώς, παραμένοντας εντός περίπου ενός τετάρτου βαθμού, ανεξάρτητα από τις συνθήκες λειτουργίας. Τα περισσότερα νέα αυτοκίνητα από το 2023, περισσότερα από 7 στα 10 μοντέλα, στην πραγματικότητα, εξαρτώνται από αυτούς τους αισθητήρες για να προσδιορίσουν τη θέση του εκκεντροφόρου άξονα, επειδή απλώς λειτουργούν πολύ καλά και διαρκούν για πάντα σε σύγκριση με άλλες επιλογές που υπάρχουν.

Χρήση φωτοηλεκτρικών και οπτικών αισθητήρων σε ειδικές εφαρμογές κινητήρων

Οι οπτικοί αισθητήρες λειτουργούν χρησιμοποιώντας ένα LED μαζί με έναν τροχό με εγκοπές, ώστε να ανιχνεύουν πότε στρίβει ο εκκεντροφόρος άξονας, βάσει του πώς φράσσεται το φως. Δεν είναι συχνά σε συμβατικούς κινητήρες καύσης, επειδή έχουν την τάση να διαταράσσονται εύκολα από βρωμιά και υγρασία. Ωστόσο, σε περιπτώσεις όπου οι συνθήκες παραμένουν καθαρές και στεγνές, όπως σε αγωνιστικά αυτοκίνητα ή σκάφη, οι οπτικοί αισθητήρες μπορούν να είναι εξαιρετικά ακριβείς, μερικές φορές εντός μόλις 0,1 μοίρας από την πραγματική θέση. Χρειάζονται όμως περισσότερη φροντίδα σε σύγκριση με άλλους τύπους. Παρ' όλα αυτά, πολλοί κατασκευαστές κινητήρων τους προτιμούν για υψηλής απόδοσης μηχανές, όπου η ακριβής χρονική στιγμή ανοίγματος των βαλβίδων είναι κρίσιμη για την απόδοση και την αξιοπιστία.

Αναλογικοί έναντι Ψηφιακών Αισθητήρων Εκκεντροφόρου: Σύγκριση Απόδοσης και Αξιοπιστίας

Διαφορές Εξόδου Σήματος και Ακρίβειας Ανάμεσα σε Αναλογικούς και Ψηφιακούς Αισθητήρες Εκκεντροφόρου

Οι παραδοσιακοί αναλογικοί αισθητήρες δημιουργούν μεταβαλλόμενα εναλλασσόμενα ρεύματα, τα οποία κυμαίνονται από περίπου 3 βολτ όταν είναι ακίνητοι έως περίπου 50 βολτ σε υψηλότερες στροφές του κινητήρα. Παράλληλα, οι αισθητήρες φαινομένου Hall εκπέμπουν σταθερά τετραγωνικά κύματα DC σήματα είτε 5 βολτ είτε 12 βολτ, ανεξάρτητα από την ταχύτητα περιστροφής. Όσον αφορά την ακρίβεια θέσης, οι ψηφιακοί αισθητήρες ξεχωρίζουν, επιτυγχάνοντας ± μόλις 0,2 μοίρες, σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες της SAE το 2023. Αυτό είναι πολύ καλύτερο από ό,τι μπορούν να επιτύχουν οι αναλογικοί αισθητήρες, οι οποίοι συνήθως κυμαίνονται μεταξύ ± 1,5 μοίρες. Λόγω αυτού του πλεονεκτήματος στην ακρίβεια, οι ψηφιακοί αισθητήρες λειτουργούν πολύ καλύτερα σε καταστάσεις όπου η ακριβής χρονική διαχείριση έχει μεγάλη σημασία, ειδικά όταν οι κινητήρες δεν λειτουργούν γρήγορα, δηλαδή κάτω από περίπου 1500 στροφές ανά λεπτό.

Πλεονεκτήματα των Αισθητήρων Φαινομένου Hall Σε Σχέση με τους Επαγωγικούς Τύπους στην Ακριβή Χρονική Διαχείριση

Οι αισθητήρες Hall παρέχουν σταθερά σήματα ακόμη και όταν ο κινητήρας είναι εντελώς ακίνητος, γεγονός που σημαίνει ότι τα αυτοκίνητα μπορούν να ξεκινούν πολύ γρηγορότερα και με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τους κινητήρες με τούρμπο, όπου η χρονική στιγμή πρέπει να είναι ακριβής, μερικές φορές μέσα σε μόλις 0,1 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Όταν δοκιμάσαμε αυτό σε δυναμόμετρα, τα οχήματα εξοπλισμένα με αισθητήρες Hall κατάφεραν να ξεκινήσουν περίπου 30% γρηγορότερα σε ψυχρή εκκίνηση σε σύγκριση με εκείνα που χρησιμοποιούσαν παλαιότερους επαγωγικούς αισθητήρες. Ένα ακόμη μεγάλο πλεονέκτημα είναι η δυνατότητά τους να διατηρούν ισχυρά σήματα σε πολύ χαμηλές ταχύτητες. Αυτό τους καθιστά πιο αποτελεσματικούς σε συχνές καταστάσεις στάσης-εκκίνησης που αντιμετωπίζουν οι οδηγοί στην κυκλοφορία της πόλης καθημερινά.

Περιορισμοί των αισθητήρων AC εξόδου σε χαμηλές στροφές κινητήρα

Κάτω από 800 RPM, οι αναλογικοί αισθητήρες αντιμετωπίζουν τρία βασικά προβλήματα:

• Το πλάτος του σήματος μπορεί να πέσει κάτω από τα όρια ανίχνευσης της μονάδας ECU (<2V)
• Η διαστρέψη φάσης αυξάνεται κατά 12-18% (SAE Technical Paper 2021-01-0479)
• Η ευαισθησία στις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές αυξάνεται κατά 40% σε σύγκριση με τα ψηφιακά συστήματα
  Αυτοί οι περιορισμοί επιβάλλουν επαναβαθμονόμηση σε βιομηχανικούς κινητήρες ντίζελ με επιμήκυνση της λειτουργίας σε πολύ χαμηλές στροφές, με αποτέλεσμα τη μείωση της αξιοπιστίας μακροπρόθεσμα.

Αξιοπιστία Ψηφιακών έναντι Αναλογικών Αισθητήρων Στροφαλοφόρου Υπό Ακραίες Συνθήκες

Οι αισθητήρες Hall λειτουργούν αρκετά καλά σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από -40 βαθμούς Κελσίου έως 150 βαθμούς Κελσίου (περίπου -40 βαθμοί Φαρενάιτ έως 302 βαθμοί Φαρενάιτ). Καλύπτουν περίπου 35 τοις εκατό μεγαλύτερη θερμοκρασιακή περιοχή σε σύγκριση με τους παλιούς επαγωγικούς αισθητήρες. Όταν εξετάζουμε τα αποτελέσματα δοκιμών διάρκειας ζωής, οι ψηφιακές εκδόσεις αντέχουν περίπου 200 χιλιάδες θερμικούς κύκλους πριν εμφανίσουν σημάδια φθοράς. Αυτό τους φέρνει σχεδόν δύο και μισές φορές μπροστά σε σύγκριση με τους αναλογικούς αντίστοιχούς τους. Ωστόσο, πολλοί μηχανικοί προτιμούν τους επαγωγικούς αισθητήρες όταν αντιμετωπίζουν πολύ δύσκολες συνθήκες με συνεχή κραδασμό. Σκεφτείτε για παράδειγμα τις μηχανές πλοίων, ειδικά εκείνες που δονούνται σε συχνότητες μεγαλύτερες από 500 Hz. Αυτά τα επαγωγικά μοντέλα έχουν αυτό το πλεονέκτημα επειδή κατασκευάζονται ως στερεά κυκλώματα χωρίς τα ευαίσθητα ημιαγωγικά εξαρτήματα που θα μπορούσαν να υποστούν ζημιά κατά τη διάρκεια έντονων κραδασμών.

Λεπτομερής Ανασκόπηση της Τεχνολογίας Αισθητήρα Στροφαλοφόρου Άξονα Μεταβλητής Επαγωγικής Αντίδρασης (Επαγωγικής)

Πώς η Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή Δημιουργεί Τάση Χρησιμοποιώντας Οδοντωτούς Τροχούς Επαγωγής

Αυτοί ο αισθητήρες μεταβλητής επαγωγικής αντίδρασης λειτουργούν βάσει της αρχής της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday. Μέσα στις περισσότερες μηχανές, υπάρχει συνήθως μια διάταξη που αποτελείται από ένα μόνιμο μαγνήτη και πηνίο, τα οποία λειτουργούν μαζί με έναν ειδικό οδοντωτό τροχό συνδεδεμένο στο στροφαλοφόρο άξονα. Όταν τα δόντια περνούν από τον αισθητήρα, διαταράσσουν το μαγνητικό πεδίο, αλλάζοντας το διάκενο μεταξύ των εξαρτημάτων, γεγονός που δημιουργεί μικρές κορυφές τάσης στο πηνίο. Το αποτέλεσμα είναι ένα εναλλασσόμενο σήμα ρεύματος που δείχνει ακριβώς τη θέση του στροφαλοφόρου άξονα και την ταχύτητα περιστροφής του. Αυτή η πληροφορία είναι κρίσιμη για τη μονάδα ελέγχου της μηχανής όταν καθορίζει τη χρονική στιγμή ανάφλεξης, ειδικά σε παλαιότερα αυτοκίνητα που βασίζονται ακόμα σε αναλογικά συστήματα αντί για ψηφιακά.

Χαρακτηριστικά Σήματος Εξαρτώμενα από την Ταχύτητα σε Επαγωγικούς Αισθητήρες Στροφαλοφόρου Άξονα

Το σήμα από τους επαγωγικούς αισθητήρες αυξάνεται καθώς ο κινητήρας περιστρέφεται γρηγορότερα. Στις στροφές βραδυπορίας, συνήθως παρατηρούμε περίπου 0,3 V AC, αλλά όταν επιταχύνουμε δυνατά στις 6.000 RPM, αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να παράγουν μέχρι και 4,8 V AC. Παρουσιάζονται δυσκολίες όμως σε στροφές κάτω από 100 RPM, επειδή το σήμα γίνεται πολύ ασθενές, κάτι που καθιστά τα δεδομένα χρονισμού αναξιόπιστα· γι' αυτόν τον λόγο πολλοί μηχανικοί χρησιμοποιούν ψηφιακούς αισθητήρες σε εφαρμογές χαμηλών στροφών. Επίσης, είναι πολύ σημαντικό να είναι η ρύθμιση του αέρινου διακένου σωστή. Οι περισσότεροι κατασκευαστές συνιστούν να διατηρείται μεταξύ 0,5 και 1,5 χιλιοστών. Αν η απόσταση δεν είναι ακριβής, η ποιότητα του σήματος επιδεινώνεται και ο κινητήρας αρχίζει να χάνει σπινθηρισμούς. Οι σύγχρονοι σχεδιασμοί αισθητήρων περιλαμβάνουν πλέον προσαρμοστικά κυκλώματα κατωφλίου που διασφαλίζουν ομαλή λειτουργία σε διαφορετικές περιοχές στροφών. Σύμφωνα με δεδομένα της SAE του 2022, περίπου 9 στους 10 κινητήρες εσωτερικής καύσης χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία αυτές τις μέρες.