Różne typy czujników wału korbowego

Rola czujnika wału korbowego w systemach zarządzania silnikiem

Funkcja i znaczenie czujnika położenia wału korbowego w nowoczesnych systemach zapłonowych

Czujnik położenia wału korbowego, często nazywany krótko CPS, odgrywa bardzo ważną rolę w działaniu silników. Śledzi on prędkość obrotową wału korbowego oraz dokładnie określa jego położenie w danej chwili. Informacje z tego czujnika pomagają komputerowi samochodu ustalić moment wywołania iskry w świecach zapłonowych, ilość wtryskiwanego paliwa oraz kontrolować to, co trafia do układu wydechowego. Nawet niewielkie problemy z odczytami CPS mogą powodować przerywanie pracy silnika lub zwiększone spalanie paliwa zamiast efektywnego działania, czasem obniżając oszczędność paliwa aż o 15 procent, według niektórych badań z zeszłego roku. Większość ludzi nie zdaje sobie sprawy, że te czujniki robią znacznie więcej niż tylko utrzymują płynne działanie silnika. Właściwie umożliwiają one funkcje, które obecnie traktujemy jako oczywiste, takie jak wyłączanie cylindrów, gdy nie są potrzebne, czy dynamiczna regulacja ciśnienia w układzie turbosprężarkowym. Dlatego współczesne pojazdy po prostu nie mogłyby prawidłowo działać bez nich.

Jak czujnik wału korbowego synchronizuje wtrysk paliwa i moment zapłonu

Śledząc położenie wału korbowego względem ruchu tłoków, czujnik CPS umożliwia jednostce sterującej (ECU) precyzyjne wyznaczenie momentu wtrysku paliwa i zapłonu:

• Wtryskiwacze są aktywowane milisekundy przed otwarciem zaworu ssącego
• Świeczki zapłonowe wywołują iskrę w optymalnym punkcie suwu sprężania
  Ta synchronizacja zapobiega detonaции i maksymalizuje moc silnika. W systemach wtrysku sekwencyjnego, dokładność czujnika CPS jest szczególnie ważna – błędy czasowania o zaledwie 2° mogą zwiększyć emisję węglowodorów o 22% (SAE 2023).

Wpływ awarii czujnika na pracę silnika i diagnostykę

Gdy czujnik położenia wału korbowego ulegnie uszkodzeniu, pojazdy zazwyczaj wykazują objawy takie jak trudności z uruchomieniem, niestabilne obroty jałowe lub nawet całkowite zgaszenie silnika podczas jazdy. Większość mechaników wskazuje na kod błędu P0335, gdy występuje problem z samym czujnikiem, ale nie należy zapominać również o problemach z przewodami elektrycznymi. Zgodnie z niektórymi danymi branżowymi z ubiegłego roku, mniej więcej jeden na pięć przypadków okazuje się być związany z okablowaniem, a nie uszkodzonym czujnikiem. Komputer w nowoczesnych samochodach zazwyczaj powraca do podstawowego ustawienia wyprzedzenia zapłonu, gdy traci sygnał z czujnika CPS, co może znacząco wpłynąć na pracę silnika, czasem obniżając jego wydajność nawet o połowę. Dlatego doświadczeni technicy zalecają wymianę tych czujników przed ich całkowitym uszkodzeniem, szczególnie około przebiegu 160 tys. km. Takie postępowanie pozwala zaoszczędzić pieniądze na dłuższą metę, ponieważ zapobiega kosztownym naprawom elementów dalszych w układzie wydechowym, w tym drogim katalizatorom i czujnikom tlenu, które często ulegają uszkodzeniu, gdy silnik nie pracuje poprawnie.

Główne typy czujników położenia wału korbowego według zasady działania

Czujniki magnetyczno-indukcyjne (zmiennej reluktancji) i działanie na zasadzie indukcji elektromagnetycznej

Czujniki magnetyczno-indukcyjne działają na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, wykrywając ruch wału korbowego. Gdy koło zębate obraca się w pobliżu cewki i magnesu czujnika, zmieniające się pole magnetyczne generuje napięcie przemienne, którego amplituda zmienia się wraz z prędkością obrotową silnika. Zaletą tych czujników jest brak potrzeby zewnętrznego źródła zasilania, co obniża koszty w przypadku prostszych silników, gdzie najważniejszy jest budżet. Istnieje jednak pewna wada: przy prędkościach poniżej około 100 obrotów na minutę sygnał staje się bardzo słaby i niestabilny, przez co nie nadają się one do zastosowań wymagających dokładnych pomiarów przy bardzo niskich prędkościach.

Analogowe czujniki wału korbowego i zachowanie sygnału wyjściowego AC

Tradycyjne analogowe czujniki wału korbowego generują klasyczne sinusoidalne sygnały przemienne, których kształt zmienia się w zależności od prędkości obrotowej silnika. Komputer samochodu odczytuje te wahania, aby określić położenie każdego z tłoków i wiedzieć, kiedy podać paliwo oraz wytworzyć iskrę. Te czujniki działają poprawnie przy normalnych lub wyższych obrotach silnika, jednak pojawiają się problemy podczas pracy na jałowym biegu lub szybkiego przyspieszania. Raport Instytutu Czujników Samochodowych z 2022 roku ujawnił również ciekawy fakt dotyczący tych urządzeń. Przy około 800 obr./min. analogowe czujniki mogą mieć odchylenie czasowe rzędu plus minus 1,5 stopnia w porównaniu do swoich cyfrowych odpowiedników. Może to nie brzmieć jak wiele, ale w kontekście pracy silnika ma to istotne znaczenie.

Czujniki wału korbowego typu Hall z transmisją sygnału cyfrowego

Czujniki efektu Halla działają, wykorzystując technologię półprzewodnikową do generowania sygnałów cyfrowych w postaci przebiegu prostokątnego pod wpływem zmian pola magnetycznego wokół nich. Te trzyprzewodowe urządzenia potrafią dostarczać dość dokładnych informacji o położeniu nawet wtedy, gdy nie ma ruchu, co pomaga w realizacji funkcji stop-start obecnych we współczesnych samochodach i zapewnia niezawodne uruchamianie silnika nawet w warunkach niskich temperatur. Sygnał cyfrowy, który generują, gwarantuje precyzyjne ustalenie momentu zapłonu z dokładnością do około jednej czwartej stopnia, niezależnie od warunków pracy. Większość nowych samochodów z 2023 roku, a dokładniej ponad 7 na 10 modeli, polega na tych czujnikach do określania położenia wału korbowego, ponieważ działają one wyjątkowo dobrze i charakteryzują się znacznie dłuższą żywotnością w porównaniu z innymi dostępnymi rozwiązaniami.

Zastosowanie czujników fotoelektrycznych i optycznych w specjalizowanych układach silnikowych

Czujniki optyczne działają, wykorzystując diodę LED oraz układ szczelinowy z kołem zębem, aby wykryć obrót wału korbowego na podstawie blokowania światła. Rzadko występują one w standardowych silnikach spalinowych, ponieważ łatwo ulegają zabrudzeniu i wilgoci. Jednak w warunkach, gdzie panuje czysto i sucha atmosfera, jak w samochodach wyścigowych czy łodziach, czujniki optyczne mogą być bardzo dokładne, czasem osiągając dokładność do 0,1 stopnia rzeczywistej pozycji. Wymagają jednak większej konserwacji niż inne typy. Mimo to wielu budowniczych silników nadal je stosuje w wysokowydajnych maszynach, gdzie otwieranie zaworów dokładnie w odpowiednim momencie ma ogromne znaczenie dla mocy i niezawodności.

Czujniki wału korbowego analogowe a cyfrowe: porównanie wydajności i niezawodności

Różnice w sygnale wyjściowym oraz dokładność między czujnikami wału korbowego analogowymi a cyfrowymi

Tradycyjne analogowe czujniki generują zmienne napięcia przemienne, które wynoszą około 3 woltów, gdy silnik stoi, aż do około 50 woltów przy wyższych prędkościach obrotowych silnika. Tymczasem czujniki typu Halla emitują stabilne impulsowe sygnały stałe o wartości 5 lub 12 woltów, niezależnie od prędkości obrotowej. Jeśli chodzi o dokładność pozycjonowania, czujniki cyfrowe wyraźnie się wyróżniają, osiągając dokładność ±0,2 stopnia według najnowszych badań SAE z 2023 roku. To znacznie lepszy wynik niż osiągany przez czujniki analogowe, których dokładność zwykle mieści się w zakresie ±1,5 stopnia. Dzięki tej przewadze pod względem precyzji, czujniki cyfrowe działają dużo lepiej w sytuacjach, w których kluczowe znaczenie ma dokładne sterowanie czasowe, szczególnie gdy silniki pracują z niewielkimi prędkościami poniżej granicy około 1500 obr./min.

Zalety czujników Halla w porównaniu z typami indukcyjnymi w precyzyjnym sterowaniu czasowym

Czujniki efektu Halla generują spójne sygnały nawet wtedy, gdy silnik jest całkowicie nieruchomy, co oznacza, że samochody mogą uruchamiać się znacznie szybciej i dokładniej. Ma to duże znaczenie dla silników z turbosprężarkami, gdzie moment załączenia musi być idealnie dopasowany, czasem z dokładnością do zaledwie 0,1 milisekundy. Gdy przetestowaliśmy to na hamowniach, pojazdy wyposażone w czujniki efektu Halla uruchamiały się na zimno o około 30 procent szybciej niż te z tradycyjnymi czujnikami indukcyjnymi. Kolejną dużą zaletą jest ich zdolność do utrzymywania silnych sygnałów przy bardzo niskich prędkościach obrotowych. Dzięki temu lepiej sprawdzają się w częstych sytuacjach typu stop-and-go, z którymi kierowcy mierzą się codziennie w ruchu miejskim.

Ograniczenia czujników wyjściowych AC przy niskich obrotach silnika

Poniżej 800 obr./min. czujniki analogowe napotykają trzy główne wyzwania:

• Amplituda sygnału może spaść poniżej progu wykrywalności przez jednostkę sterującą (ECU) (<2 V)
• Zniekształcenie fazy wzrasta o 12–18% (SAE Technical Paper 2021-01-0479)
• Podatność na zakłócenia elektromagnetyczne rośnie o 40% w porównaniu z systemami cyfrowymi
  Te ograniczenia wymagają kalibracji ponownej silników przemysłowych z długim postoje na biegu jałowym, co zmniejsza niezawodność w długim okresie.

Niezawodność cyfrowych i analogowych czujników wału korbowego w ekstremalnych warunkach

Czujniki efektu Halla działają poprawnie w zakresie temperatur od minus 40 stopni Celsjusza aż do 150 stopni Celsjusza (to około -40 stopni Fahrenheita do 302 stopni Fahrenheita). Obejmują one o około 35 procent większy zakres temperatur w porównaniu do tych starych indukcyjnych czujników. Jeśli przyjrzymy się wynikom testów cyklu życia, wersje cyfrowe wytrzymują około 200 tysięcy cykli termicznych przed pojawieniem się oznak zużycia. To oznacza, że są lepsze o prawie dwie i pół razy w porównaniu z ich analogowymi odpowiednikami. Niemniej wiele inżynierów nadal używa czujników indukcyjnych w przypadku bardzo trudnych warunków, w których występuje ciągłe wstrząsanie. Wystarczy pomyśleć o silnikach okrętowych, szczególnie tych drgających z częstotliwością powyżej 500 Hz. Te modele indukcyjne mają przewagę, ponieważ są urządzeniami całkowicie elektronicznymi bez wrażliwych komponentów półprzewodnikowych, które mogą ulec uszkodzeniu podczas intensywnych wibracji.

Szczegółowe spojrzenie na technologię czujników wału korbowego o zmiennej reluktancji (indukcyjnych)

Jak indukcja elektromagnetyczna generuje napięcie przy użyciu ząbkowanych kół reluktancyjnych

Te czujniki o zmiennej reluktancji działają na podstawie prawa Faradaya dotyczącego indukcji elektromagnetycznej. Wewnątrz większości silników zwykle znajduje się układ składający się z magnesu trwałego i cewki współpracujących z specjalnym ząbkowanym kołem połączonym z wałem korbowym. Gdy zęby przemieszczają się obok, zaburzają one pole magnetyczne, zmieniając odstęp między komponentami, co powoduje powstawanie krótkich impulsów napięcia w cewce. Wynikiem jest sygnał prądu przemiennego informujący dokładnie o położeniu wału korbowego oraz jego prędkości obrotowej. Informacja ta ma kluczowe znaczenie dla jednostki sterującej silnikiem przy ustalaniu momentu zapłonu, szczególnie w starszych pojazdach, które nadal opierają się na systemach analogowych, a nie cyfrowych.

Zależne od prędkości cechy sygnału czujników indukcyjnych wału korbowego

Wyjście z czujników indukcyjnych wzrasta wraz ze zwiększaniem się prędkości obrotowej silnika. W biegu jałowym zwykle obserwujemy około 0,3 V prądu przemiennego, ale przy intensywnym przekręcaniu do 6000 obr./min. te czujniki mogą generować nawet do 4,8 V prądu przemiennego. Poniżej 100 obr./min. sytuacja staje się trudna, ponieważ sygnał staje się tam bardzo słaby. To sprawia, że dane dotyczące wyprzedzenia zapłonu są niestabilne, dlatego wielu mechaników przełącza się na czujniki cyfrowe w zastosowaniach niskich prędkości. Ważne jest również prawidłowe ustawienie szczeliny powietrznej. Większość producentów zaleca utrzymywanie jej w zakresie od 0,5 do 1,5 milimetra. Jeśli luz nie jest idealny, jakość sygnału spada, a silniki zaczynają tracić iskrę. Nowoczesne konstrukcje czujników obejmują teraz obwody adaptacyjne progowe, które zapewniają płynną pracę w różnych zakresach obrotów. Zgodnie z danymi SAE z 2022 roku, około 9 na 10 silników spalinowych używa obecnie tej technologii.