Rôzne typy snímačov klikovej hriadele

Úloha snímača kľukového hriadeľa v systémoch riadenia motora

Funkcia a význam snímača polohy kľukového hriadeľa v moderných zapaľovacích systémoch

Snímač polohy kľukového hriadeľa, často označovaný skratkou CPS, zohráva veľmi dôležitú úlohu pri fungovaní spaľovacích motorov. Sleduje, ako rýchlo sa kľukový hriadeľ otáča a presne kde sa v danom okamihu nachádza. Informácie od tohto snímača pomáhajú počítaču vozidla určiť, kedy má dôjsť k zapáleniu, koľko paliva sa má vprásknuť a ako riadiť emisie cez výfukovú sústavu. Malé chyby v údajoch zo snímača CPS môžu spôsobiť prerušovaný chod motora alebo nadmernú spotrebu paliva namiesto efektívneho behu, niekedy až so znížením spotreby o 15 percent podľa niektorých štúdií z minulého roku. To, čo väčšina ľudí nevie, je, že tieto snímače robia omnoho viac, ako len zabezpečujú hladký chod motora. Práve oni umožňujú funkcie, ktoré dnes považujeme za samozrejmosť, ako napríklad vypínanie valcov pri nízkych zaťaženiach alebo prispôsobenie tlaku turbodmychadla v reálnom čase. Preto by moderné vozidlá bez nich jednoducho správne nefungovali.

Ako snímač klikového hriadeľa synchronizuje vstrekovanie paliva a časovanie iskrenia

Sledovaním polohy klikového hriadeľa vzhľadom na pohyb piestov umožňuje snímač CPS riadiacej jednotke ECU presne časovať vstrekovanie paliva a vznik iskry:

• Vstrekovače sa aktivujú milisekundy pred otvorením sacieho ventilu
• Zápalky vyrážajú v optimálnom bode kompresného zdvihu
  Táto synchronizácia zabraňuje detonácii a maximalizuje výkon. V postupných sekvenčných systémoch vstrekovania je presnosť snímača CPS obzvlášť dôležitá – chyby v časovaní len o 2° môžu zvýšiť emisie uhľovodíkov o 22 % (SAE 2023).

Vplyv poruchy snímača na výkon motora a diagnostiku

Keď sa pokazí snímač polohy kľukového hriadeľa, vozidlá zvyčajne vykazujú príznaky, ako sú problémy so štartovaním, nerovnomerný voľnobeh alebo dokonca úplné zhasnutie počas jazdy. Väčšina mechanikov upozorňuje na diagnostický kód poruchy P0335, keď je problém práve so snímačom, no nemali by sme zabúdať ani na problémy s elektrickým vedením. Podľa niektorých odborných údajov z minulého roku sa približne každý piaty prípad ukáže byť spôsobený chybou vedenia a nie pokazeným snímačom. Počítač moderných áut sa zvyčajne prepne na základné nastavenie časovania, keď stratí signál zo snímača CPS, a to môže výrazne ovplyvniť výkon motora, niekedy až do takej miery, že sa výkon zníži takmer na polovicu. Preto skúsení technici odporúčajú tieto snímače vymeniť ešte pred ich úplným zlyhaním, najmä okolo hranice 160 000 km. Takáto výmena ušetrí peniaze na dlhú trať, pretože zabraňuje drahým opravám komponentov výfukového systému, vrátane nákladných katalyzátorov a kyslíkových snímačov, ktoré sa často poškodia, keď motor nebeží správne.

Hlavné typy snímačov polohy kľukového hriadeľa podľa princípu fungovania

Magnetické indukčné (s premenlivým odporom) snímače a prevádzka na základe elektromagnetickej indukcie

Magnetické indukčné snímače pracujú na základe princípov elektromagnetickej indukcie, ktoré zisťujú pohyb kľukového hriadeľa. Keď sa zubové koleso otáča blízko cievky a magnetu snímača, meniace sa magnetické pole generuje striedavé napätie, ktoré sa mení v závislosti od otáčok motora. Výhodou týchto snímačov je, že nepotrebujú žiadne vonkajšie napájanie, čo šetrí náklady na jednoduchších motoroch, kde najviac záleží na rozpočte. Avšak existuje aj nevýhoda. Pri rýchlostiach pod približne 100 otáčok za minútu sa signál stáva veľmi slabým a nespoľahlivým, takže nie sú vhodné pre situácie, keď sú potrebné presné merania pri veľmi nízkych rýchlostiach.

Analógové snímače polohy kľukového hriadeľa a správanie striedavého výstupného signálu

Staršie analógové senzory klikovky generujú klasické sínusové striedavé signály, ktoré sa menia v závislosti od otáčok motora. Počítač auta tieto kolísania vyhodnocuje, aby zistil polohu každého piesta a vedel, kedy dodávať palivo a zapájať sviečky. Tieto senzory fungujú spoľahlivo pri bežných alebo vyšších otáčkach motora, no vznikajú problémy pri voľnobehu alebo rýchlom zrýchľovaní. Správa Automobilového inštitútu pre senzory z roku 2022 odhalila aj zaujímavý fakt o nich. Pri približne 800 otáčkach za minútu môžu mať analógové typy odchýlku približne plus alebo mínus 1,5 stupňa vo vzhľadom na digitálne náprotivky. Znie to možno málo, no z hľadiska motoru ide o významný rozdiel.

Senzory klikovky s Hallovým efektom s digitálnym prenosom signálu

Snímače Hall-effectu fungujú využitím polovodičovej technológie na generovanie digitálnych signálov typu priebežná vlna pri zmene magnetického poľa okolo nich. Tieto trojvodičové zariadenia dokážu poskytnúť pomerne presné informácie o polohe aj vtedy, keď sa nič nehýbe, čo pomáha pri funkciách štart-stop, ktoré dnes majú automobily, a zabezpečuje spoľahlivý štart motora aj za studeného počasia. Digitálny signál, ktorý vytvárajú, udržiava časovanie presne na mieste, s odchýlkou približne štvrť stupňa bez ohľadu na prevádzkové podmienky. Viac ako 7 z každých 10 modelov nových áut z roku 2023 závisí práve od týchto snímačov pri určovaní polohy kľukového hriadeľa, pretože fungujú veľmi spoľahlivo a vydržia oveľa dlhšie v porovnaní s inými dostupnými možnosťami.

Použitie fotoelektrických a optických snímačov v špecializovaných motorových aplikáciách

Optické snímače pracujú pomocou LED spolu so systémom výrezového kolesa, ktorý zisťuje, kedy sa kliková hriadeľ otáča, na základe toho, ako sa blokuje svetlo. Tieto snímače sa bežne nenachádzajú v bežných spaľovacích motoroch, pretože sa veľmi ľahko poškodia prachom a vlhkosťou. Avšak v situáciách, keď je prostredie čisté a suché, napríklad v závodných automobiloch alebo člnoch, môžu byť optické snímače veľmi presné, niekedy dosahujúce presnosť až do 0,1 stupňa skutočnej polohy. Vyžadujú však väčšiu starostlivosť oproti iným typom. Napriek tomu mnohí zostavovatelia motorov ich používajú vo vysoko výkonných strojoch, kde otváranie ventilov presne v správnom okamihu veľmi ovplyvňuje výkon a spoľahlivosť.

Analogové a digitálne snímače klikovej hriadele: porovnanie výkonu a spoľahlivosti

Rozdiely v signálovom výstupe a presnosti medzi analogovými a digitálnymi snímačmi klikovej hriadele

Tradičné analógové snímače vytvárajú rôzne striedavé napätia, ktoré sa pohybujú približne od 3 voltov pri nehybnom stave až po asi 50 voltov pri vyšších otáčkach motora. Medzitým snímače typu Hall vydávajú konzistentné obdĺžnikové impulzy jednosmerného prúdu buď 5 voltov, alebo 12 voltov, bez ohľadu na to, ako rýchlo sa niečo otáča. Keď sa pozrieme na presnosť polohy, digitálne snímače sa výrazne vyznačujú – dosahujú presnosť plus mínus len 0,2 stupňa, podľa najnovších štúdií SAE z roku 2023. To je oveľa lepšie v porovnaní s analógovými snímačmi, ktoré sa bežne pohybujú v rozmedzí plus mínus 1,5 stupňa. Vzhľadom na túto výhodu v presnosti digitálne snímače fungujú oveľa lepšie v situáciách, keď je najdôležitejšia presná časová synchronizácia, najmä keď motory bežia pomaly, pod hranicou približne 1500 otáčok za minútu.

Výhody snímačov typu Hall oproti indukčným typom v presnej časovej synchronizácii

Senzory Hall-effect poskytujú konzistentné signály, aj keď je motor úplne nehybný, čo znamená, že vozidlá môžu štartovať oveľa rýchlejšie a presnejšie. To je veľmi dôležité pre motory s turbodmychadlom, kde musí byť časovanie presné, niekedy v rozmedzí len 0,1 milisekundy. Keď sme to testovali na dyno, vozidlá vybavené senzormi Hall-effect dokázali chladný štart približne o 30 percent rýchlejšie v porovnaní s tými, ktoré používali staršie indukčné senzory. Ďalšou veľkou výhodou je, že udržiavajú silné signály pri veľmi nízkych otáčkach. To zlepšuje ich fungovanie pri častých situáciách zastavovania a rozbiehania, s ktorými sa vodiči stretávajú každý deň v mestskom prevádzke.

Obmedzenia snímačov striedavého výstupu pri nízkych otáčkach motora

Pod 800 ot./min. čelia analógové snímače trom hlavným výzvam:

• Amplitúda signálu môže klesnúť pod prahy detekcie riadiacej jednotky (<2 V)
• Fázové skreslenie sa zvyšuje o 12–18 % (SAE Technical Paper 2021-01-0479)
• Náchylnosť na elektromagnetické rušenie stúpa o 40 % oproti digitálnym systémom
  Tieto obmedzenia si vyžadujú rekali­bráciu priemyselných dieselových motorov s predlženým voľnobehom, čo znižuje dlhodobú spoľahlivosť.

Spoľahlivosť digitálnych a analógových snímačov klikovej hriadele za extrémnych podmienok

Senzory Hall-effectu fungujú veľmi dobre v rozsahu teplôt od mínus 40 stupňov Celzia až po 150 stupňov Celzia (čo je približne -40 stupňov Fahrenheita do 302 stupňov Fahrenheita). Pokrývajú približne o 35 percent väčší teplotný rozsah v porovnaní so staršími indukčnými senzormi. Pri posudzovaní výsledkov testov životnosti digitálne verzie vydržia približne 200 tisíc tepelných cyklov, než sa začnú prejavovať známky opotrebenia. To ich umiestňuje takmer dvaapolkrát lepšie ako ich analógoví kolegovia. Napriek tomu mnohí inžinieri stále uprednostňujú indukčné senzory pri práci v extrémnych podmienkach, kde dochádza k trvalému traseniu. Stačí si predstaviť námorné motory, najmä tie, ktoré vibrujú na frekvenciách vyšších ako 500 Hz. Práve tieto indukčné modely majú výhodu, pretože sú vyrobené ako solid-state zariadenia bez citlivých polovodičových komponentov, ktoré by mohli byť poškodené pri intenzívnych vibráciách.

Podrobný pohľad na technológiu snímača kľukového hriadeľa s premenlivým reluktančným odporom (indukčného)

Ako elektromagnetická indukcia generuje napätie pomocou zubových kolesov s reluktančným odporom

Tieto reluktančné snímače fungujú na základe Faradayovho princípu elektromagnetickej indukcie. Vo väčšine motorov sa obvykle nachádza usporiadanie tvorené permanentným magnetom a cievkou, ktoré spoločne pracujú so špeciálnym zubovým kolesom spojeným s kľukovým hriadeľom. Keď tieto zuby prechádzajú okolo, ovplyvňujú magnetické pole zmenou medzery medzi jednotlivými komponentmi, čím v cievke vznikajú malé napäťové impulzy. Výsledkom je striedavý signál, ktorý presne udáva polohu kľukového hriadeľa a jeho otáčky. Tieto informácie sú rozhodujúce pre riadiacu jednotku motora pri nastavovaní časovania zapálenia, najmä v starších automobiloch, ktoré stále používajú analógové systémy namiesto digitálnych.

Charakteristiky signálu závislé od rýchlosti u indukčných snímačov kľukového hriadeľa

Výstup indukčných snímačov stúpa s rastúcou otáčkami motora. Pri voľnobehu zvyčajne vidíme približne 0,3 V striedavého prúdu, ale pri vysokých otáčkach 6 000 ot./min. môžu tieto snímače vyprodukovať až 4,8 V striedavého prúdu. Pod 100 ot./min. sa situácia komplikuje, pretože signál tam veľmi oslabuje. To spôsobuje nespoľahlivosť časovacích údajov, a preto mnohí mechanici pre nízke otáčky prechádzajú na digitálne snímače. Dôležitá je aj správna medzera. Väčšina výrobcov odporúča udržiavať ju medzi 0,5 a 1,5 milimetra. Ak nie je vzdialenosť presná, klesá kvalita signálu a motor začína meškať so zapálením. Moderné konštrukcie snímačov teraz obsahujú adaptačné prahové obvody, ktoré zabezpečujú hladký chod v rôznych rozsahoch otáčok. Podľa údajov SAE z roku 2022 používa túto technológiu dnes približne 9 z 10 spaľovacích motorov.