انواع مختلف سنسور میل لنگ

نقش سنسور میل لنگ در سیستم‌های مدیریت موتور

عملکرد و اهمیت سنسور موقعیت میل لنگ در سیستم‌های جرقه‌زنی مدرن

سنسور موقعیت میل لنگ، که اغلب به اختصار CPS نامیده می‌شود، نقش بسیار مهمی در نحوه کار موتورها ایفا می‌کند. این سنسور به طور مداوم سرعت چرخش میل لنگ و همچنین دقیقاً موقعیت آن را در هر لحظه ردیابی می‌کند. اطلاعات حاصل از این سنسور به کامپیوتر ماشین کمک می‌کند تا زمان مناسب برای جرقه زدن شمع‌ها، مقدار سوخت مورد نیاز برای تزریق و همچنین مدیریت گازهای خروجی از مسیر دودکش را تعیین کند. مشکلات جزئی در خواندن‌های CPS می‌تواند باعث ایجاد احتراق ناقص در موتور یا مصرف بیش از حد سوخت به جای کارکرد بهینه شود و گاهی اوقات با توجه به برخی مطالعات سال گذشته، مصرف سوخت تا ۱۵ درصد افزایش یابد. چیزی که بیشتر مردم متوجه آن نیستند این است که این سنسورها کارهای بیشتری نسبت به صرفاً نرم‌کار کردن عملکرد انجام می‌دهند. در حقیقت، امکان ویژگی‌هایی را فراهم می‌کنند که امروزه به طور عادی از آنها استفاده می‌کنیم، مانند خاموش کردن سیلندرها در مواقعی که نیازی به آنها نیست و تنظیم پویای فشار توربو. به همین دلیل است که وسایل نقلیه مدرن بدون این سنسورها نمی‌توانند به درستی کار کنند.

چگونه سنسور میل لنگ زمان‌بندی تزریق سوخت و جرقه را هماهنگ می‌کند

با ردیابی موقعیت میل لنگ نسبت به حرکت پیستون، سنسور CPS امکان زمان‌بندی دقیق تزریق سوخت و رویدادهای جرقه توسط ECU را فراهم می‌کند:

• انژکتورها چند میلی‌ثانیه قبل از باز شدن شیر ورودی فعال می‌شوند
• شمع‌ها در نقطه بهینه سیلندر در حین مرحله فشرده‌سازی جرقه می‌زنند
  این هماهنگی از انفجار غیرعادی جلوگیری کرده و خروجی توان را به حداکثر می‌رساند. در سیستم‌های تزریق ترتیبی فازی، دقت سنسور CPS به ویژه حیاتی است؛ خطاهای زمان‌بندی به اندازه ۲ درجه نیز می‌توانند انتشار هیدروکربن‌ها را تا ۲۲٪ افزایش دهند (SAE 2023).

تأثیر خرابی سنسور بر عملکرد موتور و تشخیص خرابی

هنگامی که سنسور موقعیت میل لنگ خراب می‌شود، وسایل نقلیه معمولاً علائمی مانند مشکل در روشن شدن، دور آرام ناپایدار یا حتی خاموشی کامل هنگام رانندگی نشان می‌دهند. اغلب مکانیک‌ها در صورت بروز مشکل در خود سنسور به کد خطای DTC P0335 اشاره می‌کنند، اما مشکلات سیم‌کشی را نیز فراموش نکنید. طبق برخی داده‌های صنعتی منتشر شده در سال گذشته، تقریباً یکی از هر پنج مورد در واقع مربوط به سیم‌کشی است و نه خرابی سنسور. کامپیوتر موجود در خودروهای مدرن معمولاً هنگام قطع سیگنال از سنسور CPS (CPS)، به تنظیم زمان‌بندی پایه‌ای برمی‌گردد و این امر می‌تواند عملکرد موتور را به شدت تحت تأثیر قرار دهد و گاهی باعث کاهش تقریباً نصفی در عملکرد شود. به همین دلیل تکنسین‌های با تجربه توصیه می‌کنند که این سنسورها قبل از اینکه کاملاً خراب شوند تعویض شوند، به‌ویژه در حدود ۱۰۰ هزار مایل کارکرد. این کار در بلندمدت پول صرفه‌جویی می‌کند، زیرا از تعمیرات گران‌قیمت قطعات بعدی سیستم خروجی، از جمله مبدل‌های کاتالیستی گران‌قیمت و سنسورهای اکسیژن که معمولاً هنگام عدم عملکرد مناسب موتور آسیب می‌بینند، جلوگیری می‌کند.

انواع اصلی سنسورهای موقعیت میل لنگ بر اساس اصل عملکرد

سنسورهای القای مغناطیسی (تغییر در رلوکتانس) و عملکرد القای الکترومغناطیسی

سنسورهای القای مغناطیسی با استفاده از اصول القای الکترومغناطیسی، تشخیص می‌دهند که آیا میل لنگ در حال حرکت است یا خیر. هنگامی که چرخ دندانه‌داری نزدیک به سیم‌پیچ و مجموعه آهنربای سنسور می‌چرخد، تغییرات در میدان مغناطیسی، ولتاژ متناوبی ایجاد می‌کند که بسته به سرعت موتور بالا و پایین می‌رود. مزیت این سنسورها این است که نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارند و این موضوع در موتورهای ساده‌تر که هزینه مهم است، صرفه‌جویی ایجاد می‌کند. اما یک مشکل وجود دارد. در سرعت‌های پایین‌تر از حدود ۱۰۰ دور در دقیقه، سیگنال بسیار ضعیف و نامطمئن می‌شود؛ بنابراین این سنسورها برای شرایطی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق در سرعت‌های بسیار پایین است، مناسب نیستند.

سنسورهای آنالوگ میل لنگ و رفتار سیگنال خروجی AC

سنسورهای قدیمی میل لنگ آنالوگ، سیگنال‌های متناوب کلاسیک موج سینوسی تولید می‌کنند که بر اساس سرعت چرخش موتور تغییر می‌کنند. کامپیوتر خودرو این نوسانات بالا و پایین را می‌خواند تا تشخیص دهد هر پیستون در چه موقعیتی قرار دارد و بتواند زمان تزریق سوخت و جرقه شمع‌ها را تعیین کند. این سنسورها در دور موتور عادی یا بالاتر به خوبی کار می‌کنند، اما مشکلاتی هنگام کار در حالت آرام (idle) یا شتاب‌گیری سریع پیش می‌آید. یک گزارش از مؤسسه سنسورهای خودرویی در سال 2022 چیز جالبی درباره این سنسورها نشان داد. در حدود 800 دور در دقیقه، این نوع آنالوگ می‌توانند در زمان‌بندی حدود 1.5 درجه به صورت مثبت یا منفی نسبت به نمونه‌های دیجیتال اختلاف داشته باشند. این عدد شاید زیاد به نظر نرسد، اما از دیدگاه موتور تفاوت قابل توجهی ایجاد می‌کند.

سنسورهای میل لنگ اثر هال با انتقال سیگنال دیجیتال

سنسورهای اثر هال با استفاده از فناوری نیمهرسانا، سیگنال‌های دیجیتال موج مربعی را هنگام تغییر میدان‌های مغناطیسی در اطراف خود تولید می‌کنند. این دستگاه‌های سه سیمه قادر به ارائه اطلاعات نسبتاً دقیق از موقعیت حتی در حالت سکون نیز هستند که این ویژگی به قابلیت‌های استارت-استاپ امروزی در خودروها کمک می‌کند و تضمین می‌کند که موتورها حتی در هوای سرد نیز به‌طور قابل اعتمادی روشن شوند. سیگنال دیجیتالی که تولید می‌کنند، زمان‌بندی را بسیار دقیق نگه می‌دارد و در تمام شرایط کاری در حدود یک چهارم درجه ثابت می‌ماند. بیش از ۷ از هر ۱۰ مدل خودروی جدید از سال ۲۰۲۳ به این سنسورها متکی هستند تا موقعیت میل‌لنگ را تعیین کنند، چرا که عملکرد آن‌ها در مقایسه با سایر گزینه‌ها بسیار بهتر است و عمر طولانی‌تری دارند.

کاربرد سنسورهای فوتوالکتریک و نوری در کاربردهای موتورهای تخصصی

سنسورهای نوری با استفاده از یک دیود نورگسیل (LED) همراه با چرخ دنده شیاردار، کار می‌کنند و زمانی که میله بادامک دوران می‌کند را تشخیص می‌دهند، بر اساس نحوه مسدود شدن نور. این سنسورها به ندرت در موتورهای احتراقی معمولی دیده می‌شوند، زیرا به راحتی تحت تأثیر گرد و غبار و رطوبت قرار می‌گیرند. اما در شرایطی که محیط تمیز و خشک باشد، مانند ماشین‌های مسابقه‌ای یا قایق‌ها، سنسورهای نوری می‌توانند بسیار دقیق باشند و گاهی تنها با خطای ۰٫۱ درجه نسبت به موقعیت واقعی عمل کنند. با این حال، نسبت به انواع دیگر نیاز به نگهداری بیشتری دارند. با این وجود، بسیاری از سازندگان موتور همچنان از آنها در ماشین‌های پرформانس بالا استفاده می‌کنند، جایی که باز شدن دقیق شیرها در لحظه مناسب، نقش بسیار مهمی در تولید قدرت و قابلیت اطمینان دارد.

مقایسه سنسورهای میله بادامک آنالوگ و دیجیتال: عملکرد و قابلیت اطمینان

تفاوت‌های خروجی سیگنال و دقت بین سنسورهای میله بادامک آنالوگ و دیجیتال

سنسورهای آنالوگ سنتی ولتاژهای متناوب متغیری تولید می‌کنند که از حدود ۳ ولت هنگام سکون تا حداکثر حدود ۵۰ ولت در سرعت‌های بالاتر موتور افزایش می‌یابد. در همین حال، سنسورهای اثر هال سیگنال‌های مربعی مستقیم با دامنه ثابت ۵ ولت یا ۱۲ ولت تولید می‌کنند، صرف‌نظر از اینکه قطعات چقدر سریع می‌چرخند. هنگامی که دقت موقعیت را بررسی می‌کنیم، سنسورهای دیجیتال واقعاً برجسته می‌شوند و طبق مطالعات انجام‌شده توسط SAE در سال ۲۰۲۳ به دقتی در حدود ±۰٫۲ درجه دست می‌یابند. این مقدار بسیار بهتر از عملکرد سنسورهای آنالوگ است که معمولاً دقتی بین ±۱٫۵ درجه دارند. به دلیل این مزیت در دقت، سنسورهای دیجیتال در شرایطی که زمان‌بندی دقیق اهمیت بیشتری دارد — به‌ویژه زمانی که موتورها در سرعت‌های پایین‌تر از حدود ۱۵۰۰ دور در دقیقه کار می‌کنند — عملکرد بسیار بهتری دارند.

مزایای سنسورهای اثر هال نسبت به انواع القایی در زمان‌بندی دقیق

سنسورهای اثر هال سیگنال‌های سازگاری را حتی زمانی که موتور کاملاً ساکن است، تولید می‌کنند که به معنای راه‌اندازی بسیار سریع‌تر و دقیق‌تر خودروهاست. این موضوع برای موتورهای توربوشارژ بسیار مهم است که در آن‌ها زمان‌بندی باید کاملاً دقیق باشد، گاهی اوقات در محدوده تنها ۰٫۱ میلی‌ثانیه. هنگامی که ما این موضوع را روی دینامومترها آزمایش کردیم، خودروهای مجهز به سنسورهای اثر هال توانستند راه‌اندازی سرد را حدود ۳۰ درصد سریع‌تر از خودروهایی که از سنسورهای القایی قدیمی‌تر استفاده می‌کردند، انجام دهند. مزیت دیگر قابل توجه این است که این سنسورها در سرعت‌های بسیار پایین نیز سیگنال قوی خود را حفظ می‌کنند. این امر باعث عملکرد بهتر آن‌ها در شرایط متداول توقف و حرکت مکرر می‌شود که رانندگان هر روز در ترافیک شهری با آن مواجه هستند.

محدودیت‌های سنسورهای خروجی AC در سرعت‌های پایین موتور

در سرعت‌های پایین‌تر از ۸۰۰ دور در دقیقه، سنسورهای آنالوگ با سه چالش اصلی مواجه هستند:

• دامنه سیگنال ممکن است به زیر آستانه تشخیص ECU کاهش یابد (<۲ ولت)
• اعوجاج فاز ۱۲ تا ۱۸ درصد افزایش می‌یابد (مقاله فنی SAE 2021-01-0479)
• حساسیت به تداخل الکترومغناطیسی ۴۰ درصد نسبت به سیستم‌های دیجیتال افزایش می‌یابد
  این محدودیت‌ها نیازمند تنظیم مجدد کالیبراسیون در موتورهای دیزل صنعتی با کارکرد طولانی در حالت آرام هستند که این امر قابلیت اطمینان بلندمدت را کاهش می‌دهد.

قابلیت اطمینان سنسورهای دیجیتال در مقابل سنسورهای آنالوگ کرانک‌شفت در شرایط شدید

سنسورهای اثر هال در محدوده دمایی بین ۴۰- درجه سانتیگراد تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد (معادل ۴۰- تا ۳۰۲ درجه فارنهایت) به خوبی کار می‌کنند. این محدوده دمایی حدوداً ۳۵ درصد بیشتر از سنسورهای القایی قدیمی است. با بررسی نتایج آزمون چرخه عمر، نسخه‌های دیجیتالی قادرند حدود ۲۰۰ هزار چرخه حرارتی را قبل از نشان دادن علائم فرسودگی تحمل کنند. این عدد آنها را تقریباً دو و نیم برابر پیش از نسخه‌های آنالوگ خود قرار می‌دهد. با این حال، بسیاری از مهندسان در شرایط سختی که لرزش مداوم وجود دارد، به سنسورهای القایی روی می‌آورند. به عنوان مثال موتورهای دریایی، به ویژه آن‌هایی که در فرکانس‌های بالاتر از ۵۰۰ هرتز ارتعاش دارند. این مدل‌های القایی این مزیت را دارند که به صورت دستگاه‌های حالت جامد ساخته شده‌اند و فاقد قطعات نیمه‌هادی حساسی هستند که ممکن است در اثر ارتعاشات شدید آسیب ببینند.

نگاهی عمیق به فناوری سنسور شفت چرخ دنده با مقاومت متغیر (القایی)

چگونه القای الکترومغناطیسی با استفاده از چرخ‌های دندانه‌دار رلوکتور، ولتاژ تولید می‌کند

این سنسورهای مقاومت متغیر بر اساس اصل فارادی در زمینه القای الکترومغناطیسی کار می‌کنند. در داخل بیشتر موتورها معمولاً یک آهنربای دائمی و سیم‌پیچ وجود دارد که با هم و در کنار یک چرخ دندانه‌دار خاص متصل به شفت چرخ دنده کار می‌کنند. هنگامی که دندانه‌ها از کنار این قطعات عبور می‌کنند، فاصله بین اجزا تغییر کرده و میدان مغناطیسی تغییر می‌کند و این امر باعث ایجاد نوسان‌های کوچک ولتاژ در سیم‌پیچ می‌شود. نتیجه این فرآیند، یک سیگنال جریان متناوب است که دقیقاً موقعیت شفت چرخ دنده و سرعت چرخش آن را مشخص می‌کند. این اطلاعات برای واحد کنترل موتور در تنظیم زمان‌بندی جرقه‌زنی بسیار حیاتی است، به‌ویژه در خودروهای قدیمی‌تری که هنوز به سیستم‌های آنالوگ بجای دیجیتال وابسته هستند.

ویژگی‌های سیگنال وابسته به سرعت در سنسورهای القایی شفت چرخ دنده

خروجی سنسورهای القایی با افزایش سرعت موتور بالا می‌رود. در حالت دور آرام، معمولاً حدود 0.3 ولت AC مشاهده می‌شود، اما هنگامی که موتور به 6,000 دور در دقیقه رسیده و شتاب می‌گیرد، این سنسورها می‌توانند تا 4.8 ولت AC تولید کنند. با این حال، زیر 100 دور در دقیقه وضعیت پیچیده می‌شود، زیرا سیگنال در این ناحیه بسیار ضعیف می‌شود. این امر داده‌های زمان‌بندی را غیرقابل اعتماد می‌کند و دلیل آن است که بسیاری از متخصصان برای کاربردهای کم‌سرعت به سنسورهای دیجیتال روی می‌آورند. تنظیم فاصله هوایی نیز بسیار مهم است. اکثر تولیدکنندگان توصیه می‌کنند که این فاصله بین 0.5 تا 1.5 میلی‌متر نگه داشته شود. اگر این شکاف دقیق نباشد، کیفیت سیگنال کاهش یافته و موتور شروع به قطع جرقه می‌کند. طراحی‌های جدید سنسورها اکنون شامل مدارهای آستانه تطبیقی هستند که عملکرد را در محدوده‌های مختلف دور موتور به‌خوبی حفظ می‌کنند. بر اساس داده‌های SAE از سال 2022، امروزه حدود 9 از هر 10 موتور احتراق داخلی از این فناوری استفاده می‌کنند.