Verschillende soorten krukasensoren

De rol van de krukasensor in motormanagementsystemen

Functie en belang van de krukassingevalsensor in moderne ontstekingssystemen

De krukaspositiesensor, vaak afgekort tot CPS, speelt een zeer belangrijke rol in het functioneren van motoren. Hij houdt de draaisnelheid van de krukas en de exacte positie ervan op elk moment bij. De informatie van deze sensor helpt de auto's computer om te bepalen wanneer de bougies moeten vonken, hoeveel brandstof moet worden geïnjecteerd en wat er door de uitlaat wordt afgevoerd. Kleine problemen met de CPS-metingen kunnen leiden tot motoruitslagen of ertoe zorgen dat de auto meer verbruikt in plaats van efficiënt te rijden, soms tot wel 15 procent minder brandstofefficiëntie volgens sommige studies van vorig jaar. Wat de meeste mensen niet beseffen, is dat deze sensoren veel meer doen dan alleen het soepel laten verlopen van het motorproces. Ze maken namelijk functies mogelijk die we tegenwoordig als vanzelfsprekend beschouwen, zoals het uitschakelen van cilinders wanneer die niet nodig zijn en het dynamisch aanpassen van de turbodruk. Daarom zouden moderne voertuigen zonder deze sensoren gewoon niet goed werken.

Hoe de krukasensor brandstofinspuiting en ontstekingstijdstip synchroniseert

Door de positie van de krukas ten opzichte van de zuigerbeweging te volgen, kan de CPS de ECU in staat stellen om het moment van brandstofinspuiting en vonkenoverslag met hoge precisie af te stemmen:

• Injectoren worden geactiveerd milliseconden voor het openen van de inlaatklep
• Bougies slaan vonk op het optimale punt in de compressieslag
  Deze synchronisatie voorkomt detonatie en maximaliseert het vermogen. In gefaseerde sequentiële inspuitsystemen is de nauwkeurigheid van de CPS bijzonder belangrijk — tijdsfouten van slechts 2° kunnen de koolwaterstofemissies met 22% verhogen (SAE 2023).

Invloed van sensorstoring op motorprestaties en diagnose

Wanneer de krukaspositiesensor defect raakt, vertonen voertuigen doorgaans symptomen zoals moeite bij het starten, onregelmatig stationair toerental of zelfs volledig afslaan tijdens het rijden. De meeste monteurs wijzen op foutcode P0335 wanneer er een probleem is met de sensor zelf, maar vergeet ook bedradingproblemen niet. Volgens gegevens uit de branche van vorig jaar blijkt in ongeveer één op de vijf gevallen dat het probleem eigenlijk aan de bedrading ligt, en niet aan een defecte sensor. De computer in moderne auto's schakelt meestal over op een basis-tijdsinstelling wanneer het signaal van de CPS verloren gaat, en dit kan de motorprestaties aanzienlijk verstoren, soms zelfs de prestaties met bijna de helft verminderen. Daarom raden ervaren technici aan om deze sensoren te vervangen voordat ze volledig uitvallen, met name rond de 160.000 kilometer. Dit bespaart op lange termijn geld, omdat het duurdere reparaties voorkomt aan onderdelen in het uitlaatsysteem, waaronder de dure katalysatoren en zuurstofsensor die vaak beschadigd raken wanneer de motor niet goed functioneert.

Belangrijkste soorten krukaspositiesensoren op basis van werkwijze

Magnetisch inductieve (variabele reluctantie) sensoren en elektromagnetische inductie werking

Magnetisch inductieve sensoren werken volgens het principe van elektromagnetische inductie om te detecteren wanneer de krukas beweegt. Wanneer een getand wiel dicht bij de spoel en magneet van de sensor draait, ontstaat er door het veranderende magnetische veld een wisselspanning die varieert met het toerental van de motor. Het voordeel van deze sensoren is dat ze geen externe stroombron nodig hebben, wat kosten bespaart in eenvoudigere motoren waar prijs een belangrijke factor is. Maar er zit wel een addertje onder het gras. Bij snelheden onder ongeveer 100 omwentelingen per minuut wordt het signaal erg zwak en onbetrouwbaar, waardoor ze minder geschikt zijn voor situaties waarin nauwkeurige metingen bij zeer lage snelheden nodig zijn.

Analoge krukassensoren en gedrag van AC-uitgangssignaal

Oudere analoge krukas-sensoren genereren die klassieke sinusvormige wisselstroomsignalen die veranderen op basis van het toerental van de motor. De auto-computer leest deze schommelingen om te bepalen waar elke zuiger zich bevindt, zodat hij weet wanneer brandstof moet worden gespoten en vonken moeten worden aangestuurd. Deze sensoren functioneren redelijk goed wanneer de motor draait met normale of hogere toeren, maar er treden problemen op wanneer de auto stationair draait of snel versnelt. Een rapport van het Automotive Sensors Institute uit 2022 toonde ook iets interessants over deze sensoren. Bij ongeveer 800 RPM kunnen deze analoge typen afwijken tot plus of min 1,5 graad in tijdopname vergeleken met hun digitale tegenhangers. Dat lijkt misschien niet veel, maar in motortermen maakt het een reëel verschil.

Hall-effect krukas-sensoren met digitale signaaloverdracht

Hall-effect sensoren werken door gebruik te maken van semiconductortechnologie om die digitaal vierkante golfsignalen te genereren wanneer magnetische velden rondom hen veranderen. Deze drie-draads apparaten kunnen zelfs vrij nauwkeurige positie-informatie geven wanneer er helemaal geen beweging is, wat helpt bij de stop-startfuncties die auto's tegenwoordig hebben en zorgt ervoor dat motoren betrouwbaar starten, zelfs bij koud weer. Het digitale signaal dat ze produceren, houdt de timing exact op punt, binnen ongeveer een kwart graad, ongeacht de werkomstandigheden. Meer dan 7 op de 10 automodellen uit 2023 zijn afhankelijk van deze sensoren om de positie van de krukas te bepalen, omdat ze gewoon zo goed presteren en oneindig lang meegaan in vergelijking met andere beschikbare opties.

Gebruik van foto-elektrische en optische sensoren in gespecialiseerde motorapplicaties

Optische sensoren werken door gebruik te maken van een LED in combinatie met een gesneden wieltje om aan te geven wanneer de krukas draait, gebaseerd op hoe licht wordt geblokkeerd. Deze komen niet vaak voor in standaard verbrandingsmotoren, omdat ze vrij gemakkelijk verstoord kunnen worden door vuil en vocht. Maar in situaties waar het schoon en droog blijft, zoals bij raceauto's of boten, kunnen optische sensoren erg nauwkeurig zijn, soms tot binnen 0,1 graad van de werkelijke positie. Ze vereisen echter meer onderhoud dan andere typen. Toch houden veel motorbouwers er toch aan vast voor hoogwaardige prestatieapparatuur, waarbij het precies op tijd openen van de kleppen veel betekent voor vermogen en betrouwbaarheid.

Analoog versus digitaal krukas-sensoren: vergelijking van prestaties en betrouwbaarheid

Verschillen in signaaluitgang en nauwkeurigheid tussen analoge en digitale krukas-sensoren

Traditionele analoge sensoren genereren wisselende AC-spanningen die variëren van ongeveer 3 volt bij stilstand tot ongeveer 50 volt bij hogere motortoerentalen. Hall-effectsensoren daarentegen geven consistente blokgolfvormige gelijkspanningssignalen af, hetzij 5 volt of 12 volt, ongeacht hoe snel de onderdelen draaien. Als we kijken naar positienauwkeurigheid, vallen digitale sensoren echt op doordat ze volgens recente studies van SAE uit 2023 een nauwkeurigheid behalen van plus of min slechts 0,2 graden. Dat is aanzienlijk beter dan wat analoge sensoren kunnen presteren, die meestal variëren tussen plus of min 1,5 graden. Vanwege dit precisievoordeel werken digitale sensoren veel beter in situaties waarin nauwkeurige timing het belangrijkst is, met name wanneer motoren niet erg snel draaien, onder ongeveer 1500 toeren per minuut.

Voordelen van Hall-effectsensoren ten opzichte van inductieve types bij precisieregeling

Hall-effect sensoren geven consistente signalen, zelfs wanneer de motor volledig stilstaat, wat betekent dat auto's veel sneller en nauwkeuriger kunnen starten. Dit is vooral belangrijk voor turbomotoren waarbij de timing exact moet zijn, soms binnen slechts 0,1 milliseconde. Toen we dit testten op dynamometers, waren voertuigen uitgerust met Hall-effect sensoren ongeveer 30 procent sneller bij koude starts in vergelijking met die met oudere inductieve sensoren. Een ander groot voordeel is dat ze sterke signalen behouden bij zeer lage snelheden. Dit zorgt voor betere prestaties tijdens de vele stop-and-go situaties waarmee bestuurders dagelijks in stadsverkeer worden geconfronteerd.

Beperkingen van AC-outputsensoren bij lage motortoeren

Beneden 800 RPM kennen analoge sensoren drie hoofdproblemen:

• Signaalamplitude kan onder de detectiedrempel van de ECU vallen (<2 V)
• Fasedistorsie neemt toe met 12-18% (SAE Technical Paper 2021-01-0479)
• Gevoeligheid voor elektromagnetische interferentie stijgt met 40% ten opzichte van digitale systemen
  Deze beperkingen vereisen een herkalibratie van industriële dieselmotoren met langdurige stationaire toestand, wat de betrouwbaarheid op lange termijn verlaagt.

Betrouwbaarheid van digitale versus analoge krukaspositiesensoren onder extreme omstandigheden

Hall-effect sensoren functioneren goed over een temperatuurbereik van min 40 graden Celsius tot wel 150 graden Celsius (dat is ongeveer -40 Fahrenheit tot 302 Fahrenheit). Ze bestrijken ruwweg 35 procent meer temperatuurbereik in vergelijking met de ouderwetse inductieve sensoren. Uit levenscyclus-testresultaten blijkt dat digitale versies ongeveer 200.000 thermische cycli kunnen doorstaan voordat er slijtage zichtbaar wordt. Daarmee presteren ze bijna tweeëneenhalf keer beter dan hun analoge tegenhangers. Toch houden veel ingenieurs vast aan inductieve sensoren wanneer het gaat om zeer ruwe omstandigheden met constante trillingen. Denk bijvoorbeeld aan scheepsmotoren, met name die welke trillen op frequenties hoger dan 500 Hz. Deze inductieve modellen hebben dit voordeel doordat ze zijn opgebouwd als solid-state apparaten zonder gevoelige halfgeleidercomponenten die tijdens hevige trillingen beschadigd kunnen raken.

Diepgaande blik op variabele reluctantie (inductieve) krukas-sensortechnologie

Hoe elektromagnetische inductie spanning genereert met behulp van getande reluctantiewielen

Deze variabele reluctantiesensoren werken volgens Faraday's principe van elektromagnetische inductie. In de meeste motoren zit doorgaans een opstelling met een permanente magneet en een spoel die samenwerken met een speciaal getand wiel dat verbonden is met de krukas. Wanneer deze tanden voorbijkomen, verstoren ze het magnetisch veld door de afstand tussen componenten te wijzigen, waardoor er kleine spanningspieken in de spoel ontstaan. Het resultaat is een wisselstroomsignaal dat precies aangeeft waar de krukas zich bevindt en hoe snel deze draait. Deze informatie is cruciaal voor de motorstuureenheid bij het instellen van het ontstekingstijdstip, met name in oudere auto's die nog steeds afhankelijk zijn van analoge systemen in plaats van digitale systemen.

Snelheidsafhankelijke signaalkenmerken van inductieve krukas-sensoren

De uitgang van inductieve sensoren neemt toe naarmate de motor sneller draait. Bij stationair toerental zien we meestal ongeveer 0,3 volt AC, maar bij volle belasting op 6.000 RPM kunnen deze sensoren tot wel 4,8 volt AC produceren. Onder de 100 RPM wordt het lastig, omdat het signaal daar erg zwak wordt. Dit maakt de tijdgegevens onbetrouwbaar, wat de reden is dat veel monteurs overstappen op digitale sensoren voor toepassingen met lage snelheid. Ook het instellen van de luchtspleet is zeer belangrijk. De meeste fabrikanten adviseren deze tussen de 0,5 en 1,5 millimeter te houden. Als de afstand niet precies klopt, neemt de signaalkwaliteit af en begint de motor vonken te missen. Moderne sensors ontwerpen bevatten nu aanpasbare drempelcircuiten die ervoor zorgen dat alles soepel blijft werken over verschillende toerenbereiken heen. Volgens SAE-gegevens uit 2022 gebruikt ongeveer 9 op de 10 verbrandingsmotoren vandaag de dag deze technologie.