Tipuri diferite de senzori de arbore cotit

Rolul senzorului de arbore cotit în sistemele de management ale motorului

Funcția și importanța senzorului de poziție a arborelui cotit în sistemele moderne de aprindere

Senzorul de poziție al arborelui cotit, adesea numit pe scurt CPS, are un rol foarte important în funcționarea motoarelor. Acesta urmărește cât de repede se rotește arborele cotit și unde este poziționat exact în orice moment dat. Informațiile provenite de la acest senzor ajută computerul mașinii să determine când trebuie să producă scânteia în bujii, cât combustibil să injecteze și cum să gestioneze evacuarea gazelor. Probleme mici legate de citirile CPS pot face motorul să rateze sau poate determina mașina să consume mai mult combustibil în loc să funcționeze eficient, uneori reducând economia de combustibil cu până la 15 la sută, conform unor studii din anul trecut. Ceea ce majoritatea oamenilor nu realizează este că aceste senzori fac mult mai mult decât doar menținerea funcționării lină a motorului. Ele permit de fapt funcții de care beneficiăm astăzi și pe care le considerăm normale, cum ar fi oprirea cilindrilor atunci când nu sunt necesari sau ajustarea presiunii turbo în timp real. De aceea vehiculele moderne pur și simplu nu ar funcționa corect fără ele.

Cum sincronizează senzorul arborelui cotit injecția de combustibil și momentul scânteii

Prin urmărirea poziției arborelui cotit în raport cu mișcarea pistonului, CPS permite ECU să sincroneze injecția de combustibil și apariția scânteii cu mare precizie:

• Injectoarele sunt activate milisecunde înainte de deschiderea supapei de admisie
• Bujile produc scânteia în punctul optim al cursei de compresie
  Această sincronizare previne detonația și maximizează puterea motorului. În sistemele de injecție secvențială etapizată, precizia CPS este deosebit de importantă — erori de temporizare de doar 2° pot crește emisiile de hidrocarburi cu 22% (SAE 2023).

Impactul defectării senzorului asupra performanței motorului și a diagnosticului

Când senzorul de poziție al arborelui cotit se defectează, vehiculele prezintă în mod tipic simptome precum dificultăți la pornire, mers neregulat la ralanti sau chiar oprire completă în timpul conducerii. Majoritatea mecanicilor vor indica codul DTC P0335 atunci când există o problemă legată de senzorul în sine, dar nu uitați nici de problemele legate de cablaj. Conform unor date din industrie din anul trecut, aproximativ un caz din cinci se dovedește a fi legat de cablaj, nu de un senzor defect. Calculatorul din mașinile moderne comută de obicei pe o setare de bază a avansului atunci când pierde semnalul de la CPS, iar acest lucru poate afecta grav performanța motorului, reducând uneori eficiența cu aproape jumătate. Din acest motiv, tehnicienii experimentați recomandă înlocuirea acestor senzori înainte ca aceștia să cedeze complet, mai ales în jurul pragului de 160.000 km. Această măsură economisește bani pe termen lung, deoarece previne reparațiile costisitoare ale altor componente din sistemul de evacuare, inclusiv convertizoarele catalitice scumpe și senzorii de oxigen care tind să se deterioreze atunci când motorul nu funcționează corect.

Principalele tipuri de senzori de poziție arbore cotit după principiul de funcționare

Senzori magnetici inductivi (reluctanță variabilă) și funcționarea prin inducție electromagnetică

Senzorii magnetici inductivi funcționează pe baza principiilor de inducție electromagnetică pentru a detecta mișcarea arborelui cotit. Atunci când o roată dințată se învârte în apropierea bobinei și a sistemului magnetic al senzorului, câmpul magnetic variabil generează o tensiune alternativă care crește și scade proporțional cu viteza motorului. Avantajul acestor senzori este că nu necesită o sursă externă de alimentare, ceea ce reduce costurile în cazul motoarelor mai simple, unde bugetul este cel mai important. Totuși, există un dezavantaj: la viteze sub aproximativ 100 de rotații pe minut, semnalul devine foarte slab și nesigur, astfel încât nu sunt potriviți pentru situații în care sunt necesare măsurători precise la viteze foarte reduse.

Senzori analogi de arbore cotit și comportamentul semnalului de ieșire AC

Senzorii analogici vechi de arbore cotit generează acele semnale clasice de curent alternativ în formă de sinusoidă, care se modifică în funcție de viteza de rotație a motorului. Calculatorul mașinii citește aceste variații pentru a determina poziția fiecărui piston, astfel încât să știe când să pulverizeze combustibilul și să declanșeze scânteile la bujii. Acești senzori funcționează acceptabil atunci când motorul rulează la turații normale sau mai mari, dar apar probleme atunci când mașina este la ralanti sau accelerează rapid. Un raport al Institutului de Senzori Auto din 2022 a evidențiat un aspect interesant despre ei. La aproximativ 800 RPM, acești senzori de tip analogic pot avea o abatere de circa plus sau minus 1,5 grade în ceea ce privește sincronizarea, comparativ cu omologii lor digitali. Aceasta poate părea puțin, dar în termeni de funcționare a motorului face o diferență reală.

Senzori de arbore cotit cu efect Hall și transmisie digitală a semnalului

Senzorii cu efect Hall funcționează folosind tehnologia semiconductorilor pentru a genera acele semnale digitale în formă de undă pătrată atunci când câmpurile magnetice se modifică în jurul lor. Aceste dispozitive cu trei fire pot oferi de fapt informații destul de precise despre poziție chiar și atunci când lucrurile nu se mișcă deloc, ceea ce ajută la funcțiile start-stop pe care le au mașinile în prezent și asigură pornirea sigură a motorului chiar și în vreme rece. Semnalul digital pe care îl generează menține sincronizarea perfectă, rămânând în limite de aproximativ un sfert de grad, indiferent de condițiile de funcționare. Majoritatea mașinilor noi din 2023, mai mult de 7 din 10 modele de fapt, depind de acești senzori pentru a determina poziția arborelui cotit, deoarece funcționează atât de bine și au o durată de viață extrem de lungă în comparație cu celelalte variante disponibile.

Utilizarea senzorilor fotoelectrici și optici în aplicații specializate de motor

Senzorii optici funcționează folosind un LED împreună cu un sistem de roată striată pentru a detecta când arborele cotit se rotește, în funcție de modul în care lumina este blocată. Aceștia nu sunt frecvent întâlniți în motoarele obișnuite cu ardere internă, deoarece tind să fie afectați ușor de murdărie și umiditate. Totuși, în situații în care mediul rămâne curat și uscat, cum ar fi în mașinile de curse sau bărci, senzorii optici pot fi extrem de preciși, atingând uneori o acuratețe de până la 0,1 grade față de poziția reală. Cu toate acestea, ei necesită mai multă întreținere comparativ cu alte tipuri. Încă așa, mulți constructori de motoare le preferă pentru mașinile de performanță maximă, unde deschiderea supapelor exact în momentul potrivit este esențială pentru putere și fiabilitate.

Senzori analogi vs. senzori digitali pentru arborele cotit: comparație de performanță și fiabilitate

Diferențe ale semnalului de ieșire și acuratețe între senzorii analogi și cei digitali pentru arborele cotit

Senzorii analogici tradiționali creează tensiuni alternative variabile care pornesc de la aproximativ 3 volți în stare de repaus și ajung până la circa 50 de volți la viteze mai mari ale motorului. Între timp, senzorii cu efect Hall emit semnale continue în curent continuu sub formă de undă pătrată, fie la 5 volți, fie la 12 volți, indiferent de viteza de rotație. Când analizăm precizia poziției, senzorii digitali se remarcă cu claritate, atingând o toleranță de plus-minus doar 0,2 grade, conform unor studii recente realizate de SAE în 2023. Acest rezultat este mult mai bun decât cel al senzorilor analogici, care în mod tipic variază între plus-minus 1,5 grade. Datorită acestui avantaj de precizie, senzorii digitali funcționează mult mai bine în situațiile în care temporizarea precisă este esențială, mai ales atunci când motoarele nu rulează foarte repede, sub aproximativ 1500 de rotații pe minut.

Avantajele senzorilor cu efect Hall față de tipurile inductive în temporizarea precisă

Senzorii cu efect Hall oferă semnale constante chiar și atunci când motorul este complet oprit, ceea ce înseamnă că mașinile pot porni mult mai rapid și precis. Acest lucru este foarte important pentru motoarele turboalimentate, unde sincronizarea trebuie să fie perfectă, uneori chiar în limite de doar 0,1 milisecunde. Atunci când am testat acest lucru pe standuri dinamometrice, vehiculele echipate cu senzori cu efect Hall au reușit porniri reci cu aproximativ 30 la sută mai rapide în comparație cu cele care folosesc senzori inductivi mai vechi. Un alt avantaj major este capacitatea lor de a menține semnale puternice la viteze foarte scăzute. Acest lucru le face să funcționeze mai bine în situațiile frecvente de tip stop-and-go cu care se confruntă șoferii în traficul urban de zi cu zi.

Limitările senzorilor cu ieșire AC la turații scăzute ale motorului

Sub 800 RPM, senzorii analogici se confruntă cu trei provocări principale:

• Amplitudinea semnalului poate scădea sub pragurile de detecție ale UCE (<2 V)
• Distorsiunea de fază crește cu 12-18% (SAE Technical Paper 2021-01-0479)
• Suscetibilitatea la interferențele electromagnetice crește cu 40% în comparație cu sistemele digitale
  Aceste limitări necesită recalibrarea motoarelor diesel industriale cu funcționare prelungită în gol, reducând fiabilitatea pe termen lung.

Fiabilitatea senzorilor digitali versus cei analogici de arbore cotit în condiții extreme

Senzorii cu efect Hall funcționează destul de bine într-un domeniu de temperaturi cuprins între minus 40 de grade Celsius și până la 150 de grade Celsius (adică aproximativ -40 Fahrenheit până la 302 Fahrenheit). Acoperă un interval termic cu aproximativ 35 la sută mai larg comparativ cu vechii senzori inductivi. Analizând rezultatele testelor de ciclu de viață, variantele digitale pot suporta aproximativ 200.000 de cicluri termice înainte de a arăta semne de uzură. Acest lucru le plasează cu aproape două ori și jumătate în fața versiunilor analogice. Totuși, mulți ingineri continuă să folosească senzori inductivi atunci când lucrează în condiții foarte dificile, unde există vibrații constante. Gândiți-vă, de exemplu, la motoarele navale, mai ales cele care vibrează la frecvențe mai mari de 500 Hz. Acești senzori inductivi au un avantaj deoarece sunt construiți ca dispozitive solide, fără componentele sensibile din semiconductor care s-ar putea deteriora în timpul vibrațiilor intense.

Analiză detaliată a tehnologiei senzorului de arbore cotit cu reluctanță variabilă (inductiv)

Cum generează inducția electromagnetică tensiunea folosind roți reluctor cu dinți

Acești senzori cu reluctanță variabilă funcționează pe baza principiului lui Faraday al inducției electromagnetice. În interiorul majorității motoarelor, există de obicei o configurație formată dintr-un magnet permanent și o bobină care lucrează împreună cu o roată specială, prevăzută cu dinți, conectată la arborele cotit. Când acești dinți trec pe lângă magnet, ei perturbă câmpul magnetic prin modificarea spațiului dintre componente, ceea ce creează impulsuri mici de tensiune în bobină. Rezultatul este un semnal de curent alternativ care ne indică exact poziția arborelui cotit și viteza sa de rotație. Aceste informații sunt esențiale pentru unitatea de control a motorului atunci când se stabilește momentul aprinderii, mai ales în mașinile mai vechi care se bazează încă pe sisteme analogice, nu digitale.

Caracteristici ale semnalului dependente de viteză la senzorii inductivi de arbore cotit

Ieșirea senzorilor inductivi crește pe măsură ce motorul se rotește mai repede. La viteze de ralanti, obișnuim să vedem în jur de 0,3 volți CA, dar la turații mari de 6.000 RPM, acești senzori pot produce până la 4,8 volți CA. Lucrurile devin dificile sub 100 RPM, deoarece semnalul devine foarte slab acolo. Acest lucru face ca datele de sincronizare să fie nesigure, motiv pentru care mulți mecanici trec la senzori digitali în aplicațiile cu viteză redusă. Este esențial să setați corect jocul aerian. Majoritatea producătorilor recomandă menținerea acestuia între 0,5 și 1,5 milimetri. Dacă jocul nu este precis, calitatea semnalului scade și motoarele încep să piardă scântei. Modelele moderne de senzori includ acum circuite adaptive cu praguri care mențin funcționarea stabilă în diferite game de turație. Conform datelor SAE din 2022, aproximativ 9 din 10 motoare cu ardere internă utilizează astăzi această tehnologie.