ประเภทต่างๆ ของเซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยง

บทบาทของเซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงในระบบจัดการเครื่องยนต์

หน้าที่และความสำคัญของเซ็นเซอร์ตำแหน่งเพลาข้อเหวี่ยงในระบบจุดระเบิดสมัยใหม่

เซ็นเซอร์ตำแหน่งเพลาข้อเหวี่ยง หรือที่มักเรียกกันสั้นๆ ว่า CPS มีบทบาทสำคัญอย่างมากในการทำงานของเครื่องยนต์ โดยทำหน้าที่ติดตามความเร็วในการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง และตำแหน่งที่แน่นอนของเพลาในแต่ละช่วงเวลา ข้อมูลจากเซ็นเซอร์นี้ช่วยให้คอมพิวเตอร์ของรถยนต์คำนวณจังหวะการจุดระเบิดหัวเทียน ปริมาณการฉีดเชื้อเพลิง และการควบคุมก๊าซที่ปล่อยผ่านท่อไอเสีย ปัญหาเล็กน้อยเกี่ยวกับค่าที่อ่านได้จาก CPS อาจทำให้เครื่องยนต์เกิดการจุดระเบิดผิดจังหวะ หรือทำให้รถกินน้ำมันมากกว่าปกติ ไม่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ บางครั้งอาจทำให้อัตราประหยัดน้ำมันลดลงได้ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ ตามรายงานการศึกษาเมื่อปีที่แล้ว สิ่งที่คนส่วนใหญ่ไม่รู้คือ เซ็นเซอร์เหล่านี้ทำหน้าที่ได้มากกว่าแค่ช่วยให้เครื่องยนต์ทำงานได้อย่างราบรื่น เพราะพวกมันยังเป็นตัวเปิดใช้งานฟีเจอร์ต่างๆ ที่เราใช้งานกันอยู่ทั่วไปในปัจจุบัน เช่น การปิดการทำงานของกระบอกสูบเมื่อไม่จำเป็น หรือการปรับแรงดันเทอร์โบโดยอัตโนมัติตามสภาพการขับขี่ นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมยานยนต์สมัยใหม่จึงไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องหากขาดชิ้นส่วนเหล่านี้

เซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงทำงานอย่างไรในการประสานจังหวะการฉีดเชื้อเพลิงและเวลาการจุดระเบิด

โดยการติดตามตำแหน่งของเพลาข้อเหวี่ยงเทียบกับการเคลื่อนที่ของลูกสูบ เซ็นเซอร์ CPS ทำให้หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) สามารถกำหนดจังหวะการฉีดเชื้อเพลิงและการจุดระเบิดได้อย่างแม่นยำสูง:

• หัวฉีดจะถูกเปิดใช้งานไม่กี่มิลลิวินาทีก่อนที่วาล์วไอดีจะเปิด
• หัวเทียนจุดระเบิดในจุดที่เหมาะสมที่สุดของการอัดตัวในแต่ละจังหวะ
  การประสานงานนี้ช่วยป้องกันการระเบิดผิดจังหวะและเพิ่มกำลังเครื่องยนต์สูงสุด ในระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบลำดับเฟส การแม่นยำของเซ็นเซอร์ CPS มีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยความคลาดเคลื่อนเพียง 2° อาจทำให้การปล่อยสารไฮโดรคาร์บอนเพิ่มขึ้นถึง 22% (SAE 2023)

ผลกระทบจากการเสียหายของเซ็นเซอร์ต่อสมรรถนะเครื่องยนต์และการวินิจฉัย

เมื่อเซ็นเซอร์ตำแหน่งเพลาข้อเหวี่ยงเสีย รถมักจะแสดงอาการ เช่น สตาร์ทติดยาก เครื่องยนต์เดินไม่เรียบขณะอยู่ในเกียร์ว่าง หรือดับเครื่องกลางคันขณะขับขี่ ช่างส่วนใหญ่มักจะชี้ไปที่รหัส DTC P0335 เมื่อมีปัญหากับตัวเซ็นเซอร์เอง แต่อย่าลืมตรวจสอบปัญหาสายไฟด้วย เพราะจากข้อมูลอุตสาหกรรมบางส่วนเมื่อปีที่แล้ว พบว่าประมาณหนึ่งในห้าของกรณีทั้งหมดที่เกิดขึ้นกลับเกิดจากปัญหาสายไฟ ไม่ใช่เซ็นเซอร์เสีย คอมพิวเตอร์ในรถยนต์สมัยใหม่มักจะปรับไปใช้การตั้งเวลาแบบพื้นฐานโดยอัตโนมัติเมื่อสัญญาณจาก CPS หายไป และสิ่งนี้อาจส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องยนต์ลดลงอย่างมาก บางครั้งอาจลดกำลังลงได้ถึงเกือบครึ่งหนึ่ง นั่นจึงเป็นเหตุผลที่ช่างผู้เชี่ยวชาญแนะนำให้เปลี่ยนเซ็นเซอร์เหล่านี้ก่อนที่มันจะเสียหายสมบูรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรถวิ่งมาประมาณ 100,000 ไมล์ การเปลี่ยนล่วงหน้าจะช่วยประหยัดเงินในระยะยาว เพราะสามารถป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนอื่นๆ ในระบบไอเสีย รวมถึงตัวแปลงสัญญาณแคตาไลติก (catalytic converters) และเซ็นเซอร์ออกซิเจนที่มักจะเสียหายเมื่อเครื่องยนต์ทำงานผิดปกติ

ประเภทหลักของเซ็นเซอร์ตำแหน่งเพลาข้อเหวี่ยงตามหลักการทำงาน

เซ็นเซอร์แม่เหล็กเหนี่ยวนำ (ความต้านทานแปรผัน) และการปฏิบัติการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

เซ็นเซอร์แม่เหล็กเหนี่ยวนำทำงานโดยใช้หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อตรวจจับการเคลื่อนที่ของเพลาข้อเหวี่ยง เมื่อล้อฟันเฟืองหมุนใกล้กับขดลวดและแม่เหล็กของเซ็นเซอร์ สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างแรงดันไฟฟ้าสลับ (AC) ซึ่งมีค่าสูงต่ำตามความเร็วในการทำงานของเครื่องยนต์ ข้อดีของเซ็นเซอร์เหล่านี้คือไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก ทำให้ประหยัดต้นทุนในเครื่องยนต์ที่เน้นความคุ้มค่า แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง กล่าวคือ เมื่อความเร็วต่ำกว่าประมาณ 100 รอบต่อนาที สัญญาณจะอ่อนมากและไม่น่าเชื่อถือ จึงไม่เหมาะกับสถานการณ์ที่ต้องการการวัดที่แม่นยำในความเร็วต่ำมาก

เซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงแบบแอนะล็อก และพฤติกรรมสัญญาณเอาต์พุต AC

เซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงแบบแอนะล็อกรุ่นเก่ายังคงสร้างสัญญาณกระแสสลับรูปไซน์เวฟคลาสสิก ซึ่งเปลี่ยนแปลงตามความเร็วในการหมุนของเครื่องยนต์ คอมพิวเตอร์ของรถยนต์จะอ่านการเปลี่ยนแปลงขึ้นลงเหล่านี้ เพื่อระบุตำแหน่งของลูกสูบแต่ละตัว และคำนวณช่วงเวลาที่เหมาะสมในการฉีดเชื้อเพลิงและจุดระเบิด เซ็นเซอร์ประเภทนี้ทำงานได้ดีเมื่อเครื่องยนต์เดินที่ความเร็วปกติหรือสูงกว่า แต่จะเริ่มเกิดปัญหาเมื่อรถอยู่ในสภาวะเดินเบาหรือเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว รายงานจากสถาบันเซ็นเซอร์ยานยนต์ในปี ค.ศ. 2022 ยังเปิดเผยข้อมูลที่น่าสนใจเกี่ยวกับเซ็นเซอร์เหล่านี้ด้วย โดยที่รอบประมาณ 800 รอบต่อนาที เซ็นเซอร์แบบแอนะล็อกอาจมีความคลาดเคลื่อนทางเวลาประมาณ ±1.5 องศา เมื่อเทียบกับรุ่นดิจิทัล แม้ตัวเลขนี้อาจดูไม่มากนัก แต่ในบริบทของการทำงานของเครื่องยนต์แล้ว ความแตกต่างนี้มีผลอย่างชัดเจน

เซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงแบบเอฟเฟกต์ฮอลล์ พร้อมการส่งสัญญาณดิจิทัล

เซ็นเซอร์แบบเอฟเฟกต์ฮอลล์ทำงานโดยใช้เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ในการสร้างสัญญาณดิจิทัลแบบคลื่นสี่เหลี่ยมเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กรอบตัวมัน เซ็นเซอร์สามสายชนิดนี้สามารถให้ข้อมูลตำแหน่งที่ค่อนข้างแม่นยำได้แม้ในขณะที่ชิ้นส่วนไม่มีการเคลื่อนไหว ซึ่งช่วยให้ระบบเริ่มต้น-หยุดทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในรถยนต์สมัยใหม่ และทำให้มั่นใจได้ว่าเครื่องยนต์จะสตาร์ทได้อย่างเชื่อถือได้แม้ในสภาพอากาศหนาวเย็น สัญญาณดิจิทัลที่ผลิตขึ้นมานี้รักษามุมจุดระเบิดให้แม่นยำอยู่ภายในประมาณหนึ่งในสี่องศา ไม่ว่าจะอยู่ในสภาวะการทำงานใดๆ รถยนต์รุ่นใหม่ส่วนใหญ่ตั้งแต่ปี 2023 มากกว่า 7 จาก 10 รุ่นพึ่งพาเซ็นเซอร์เหล่านี้ในการตรวจสอบตำแหน่งเพลาข้อเหวี่ยง เพราะมันทำงานได้ดีมากและมีอายุการใช้งานยาวนานเมื่อเทียบกับตัวเลือกอื่นๆ ที่มีอยู่

การใช้งานเซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกและออปติคัลในแอปพลิเคชันเครื่องยนต์เฉพาะทาง

เซ็นเซอร์ออปติคัลทำงานโดยใช้ LED ร่วมกับชุดล้อที่มีช่องเปิดเพื่อตรวจจับการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง โดยอาศัยหลักการที่แสงถูกบังในแต่ละช่วง การใช้งานเซ็นเซอร์ประเภทนี้ไม่พบได้บ่อยในเครื่องยนต์สันดาปทั่วไป เนื่องจากมักเกิดความผิดพลาดได้ง่ายเมื่อมีฝุ่นหรือความชื้นเข้าไป อย่างไรก็ตาม ในสภาพแวดล้อมที่สะอาดและแห้ง เช่น รถยนต์แข่งหรือเรือ เซ็นเซอร์ออปติคัลสามารถให้ความแม่นยำสูงมาก บางครั้งคลาดเคลื่อนเพียง 0.1 องศาจากตำแหน่งจริง ถึงกระนั้น เซ็นเซอร์เหล่านี้ต้องการการดูแลรักษามากกว่าเซ็นเซอร์ชนิดอื่น แต่ผู้สร้างเครื่องยนต์จำนวนมากยังคงเลือกใช้เพราะต้องการประสิทธิภาพสูงสุด โดยเฉพาะในเครื่องยนต์สมรรถนะสูง ที่การเปิดวาล์วในช่วงเวลาที่แม่นยำยิ่งยวดมีผลต่อพละกำลังและการทำงานอย่างเสถียร

เซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงแบบแอนะล็อก เทียบกับ แบบดิจิทัล: การเปรียบเทียบสมรรถนะและความน่าเชื่อถือ

ความแตกต่างของสัญญาณขาออกและความแม่นยำระหว่างเซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงแบบแอนะล็อกกับแบบดิจิทัล

เซนเซอร์แบบแอนะล็อกดั้งเดิมสร้างแรงดันไฟฟ้าสลับที่เปลี่ยนแปลงได้ ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 3 โวลต์เมื่อเครื่องยนต์หยุดนิ่ง และเพิ่มขึ้นสูงสุดประมาณ 50 โวลต์เมื่อความเร็วเครื่องยนต์สูงขึ้น ขณะที่เซนเซอร์แบบเอฟเฟกต์ฮอลล์จะปล่อยสัญญาณกระแสตรงรูปคลื่นสี่เหลี่ยมที่คงที่ ไม่ว่าจะหมุนเร็วเพียงใด ก็ยังคงอยู่ที่ 5 โวลต์ หรือ 12 โวลต์ เมื่อพิจารณาความแม่นยำของตำแหน่งแล้ว เซนเซอร์แบบดิจิทัลโดดเด่นอย่างชัดเจน โดยสามารถบรรลุค่าความแม่นยำที่บวกหรือลบเพียง 0.2 องศาเท่านั้น ตามการศึกษาล่าสุดโดย SAE ในปี 2023 ซึ่งดีกว่าเซนเซอร์แบบแอนะล็อกมาก เนื่องจากเซนเซอร์แอนะล็อกมักมีค่าความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ประมาณบวกหรือลบ 1.5 องศา ด้วยข้อได้เปรียบในด้านความแม่นยำนี้ เซนเซอร์ดิจิทัลจึงทำงานได้ดีกว่ามากในสถานการณ์ที่ต้องการความแม่นยำในการจังหวะเวลาเป็นพิเศษ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเครื่องยนต์ทำงานที่ความเร็วต่ำกว่าประมาณ 1,500 รอบต่อนาที

ข้อดีของเซนเซอร์แบบเอฟเฟกต์ฮอลล์เมื่อเปรียบเทียบกับเซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำในด้านความแม่นยำของการจังหวะเวลา

เซนเซอร์แบบเอฟเฟกต์ฮอลล์ให้สัญญาณที่สม่ำเสมอแม้เครื่องยนต์จะหยุดนิ่งอย่างสิ้นเชิง ซึ่งหมายความว่ารถยนต์สามารถสตาร์ทได้เร็วและแม่นยำกว่ามาก สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จ ที่ต้องการจังหวะเวลาที่แม่นยำเป๊ะ บางครั้งอาจต้องแม่นยำภายในเพียง 0.1 มิลลิวินาที เมื่อเราทดสอบบนไดนามอมิเตอร์ พบว่ายานพาหนะที่ติดตั้งเซนเซอร์แบบเอฟเฟกต์ฮอลล์สามารถสตาร์ทขณะเครื่องเย็นได้เร็วกว่าประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับรถที่ใช้เซนเซอร์เหนี่ยวนำรุ่นเก่า อีกข้อดีสำคัญคือความสามารถในการรักษาระดับสัญญาณที่แข็งแรงในความเร็วต่ำมาก ซึ่งทำให้มันทำงานได้ดีขึ้นในสถานการณ์ที่ต้องหยุด-ออกตัวบ่อยๆ ซึ่งผู้ขับขี่ต้องเผชิญในสภาพการจราจรในเมืองทุกวัน

ข้อจำกัดของเซนเซอร์เอาต์พุต AC ที่ความเร็วเครื่องยนต์ต่ำ

ที่ความเร็วต่ำกว่า 800 รอบต่อนาที เซนเซอร์แบบแอนะล็อกต้องเผชิญกับปัญหาหลักสามประการ:

• แอมพลิจูดของสัญญาณอาจลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่ ECU ตรวจจับได้ (<2V)
• การบิดเบือนเฟสเพิ่มขึ้น 12-18% (เอกสารเทคนิค SAE 2021-01-0479)
• ความไวต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 40% เมื่อเทียบกับระบบดิจิทัล
  ข้อจำกัดเหล่านี้จำเป็นต้องมีการปรับเทียบใหม่ในเครื่องยนต์ดีเซลอุตสาหกรรมที่ทำงานเดินเบาเป็นเวลานาน ซึ่งจะลดความน่าเชื่อถือในระยะยาว

ความน่าเชื่อถือของเซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงแบบดิจิทัลเทียบกับแบบอะนาล็อกภายใต้สภาวะสุดขั้ว

เซนเซอร์แบบเอฟเฟกต์ฮอลล์ทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่ตั้งแต่ลบ 40 องศาเซลเซียส จนถึง 150 องศาเซลเซียส (หรือประมาณ -40 ถึง 302 ฟาเรนไฮต์) ซึ่งครอบคลุมพื้นที่อุณหภูมิได้มากกว่าเซนเซอร์เหนี่ยวนำรุ่นเก่าราว 35 เปอร์เซ็นต์ เมื่อพิจารณาผลการทดสอบอายุการใช้งาน เวอร์ชันดิจิทัลสามารถทนต่อรอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ประมาณ 200,000 รอบ ก่อนจะเริ่มแสดงอาการเสื่อม ส่งผลให้มีอายุการใช้งานยาวนานกว่ารุ่นแอนะล็อกเกือบ 2.5 เท่า อย่างไรก็ตาม วิศวกรจำนวนมากยังคงเลือกใช้เซนเซอร์เหนี่ยวนำในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง โดยเฉพาะเมื่อมีการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง เช่น ในเครื่องยนต์เรือ ซึ่งมีการสั่นสะเทือนที่ความถี่สูงกว่า 500 เฮิรตซ์ โมเดลเหนี่ยวนำเหล่านี้มีข้อได้เปรียบตรงที่ถูกสร้างขึ้นในรูปแบบของอุปกรณ์สเตตัสแข็ง (solid state) โดยไม่มีส่วนประกอบกึ่งตัวนำที่ไวต่อการเสียหายจากแรงสั่นสะเทือนรุนแรง

การวิเคราะห์อย่างละเอียดเกี่ยวกับเทคโนโลยีเซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงแบบต้านทานแปรผัน (เหนี่ยวนำ)

หลักการทำงานของแม่เหล็กไฟฟ้าในการสร้างแรงดันไฟฟ้าโดยใช้ล้อรีลัคเตอร์แบบมีฟัน

เซ็นเซอร์ต้านทานแปรผันเหล่านี้ทำงานตามหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาเรเดย์ ภายในเครื่องยนต์ส่วนใหญ่มักจะมีชุดอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวรและคอยล์ ซึ่งทำงานร่วมกับล้อฟันเฟืองพิเศษที่เชื่อมต่อกับเพลาข้อเหวี่ยง เมื่อฟันของล้อนั้นเคลื่อนผ่าน จะทำให้สนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงเนื่องจากช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนมีการปรับตัว ส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระชากเล็กๆ ในคอยล์ สิ่งที่ได้คือสัญญาณกระแสสลับ ซึ่งบ่งบอกตำแหน่งที่แน่นอนของเพลาข้อเหวี่ยงและความเร็วในการหมุน สัญญาณนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อหน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) ในการตั้งจังหวะเวลาการจุดระเบิด โดยเฉพาะในรถยนต์รุ่นเก่าที่ยังพึ่งพาอาศัยระบบอะนาล็อกมากกว่าระบบดิจิทัล

ลักษณะสัญญาณที่ขึ้นอยู่กับความเร็วของเซ็นเซอร์เพลาข้อเหวี่ยงแบบเหนี่ยวนำ

สัญญาณขาออกจากระบบเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นเมื่อเครื่องยนต์หมุนเร็วขึ้น ที่ความเร็วเดินเบา เรามักพบค่าประมาณ 0.3 โวลต์ AC แต่เมื่อเร่งเครื่องถึง 6,000 รอบต่อนาที เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถผลิตสัญญาณได้สูงถึง 4.8 โวลต์ AC อย่างไรก็ตาม ปัญหาจะเกิดขึ้นที่ความเร็วต่ำกว่า 100 รอบต่อนาที เพราะสัญญาณจะอ่อนมากในช่วงนั้น ส่งผลให้ข้อมูลจังหวะเวลาไม่น่าเชื่อถือ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ช่างเทคนิคหลายรายเปลี่ยนไปใช้เซ็นเซอร์ดิจิทัลสำหรับการใช้งานที่ความเร็วต่ำ การตั้งค่าระยะห่างอากาศ (air gap) ให้ถูกต้องมีความสำคัญมากเช่นกัน ผู้ผลิตส่วนใหญ่แนะนำให้คงระยะห่างไว้ระหว่าง 0.5 ถึง 1.5 มิลลิเมตร หากช่องว่างไม่แม่นยำ สัญญาณจะลดคุณภาพลง และทำให้เครื่องยนต์ขาดประกายไฟ เทคโนโลยีการออกแบบเซ็นเซอร์รุ่นใหม่ในปัจจุบันรวมวงจรปรับเกณฑ์อัตโนมัติ (adaptive threshold circuits) ที่ช่วยให้ระบบทำงานได้อย่างราบรื่นตลอดช่วงความเร็วรอบต่างๆ ตามข้อมูลจาก SAE ปี 2022 พบว่าประมาณ 9 จาก 10 เครื่องยนต์เผาไหม้ภายในใช้เทคโนโลยีนี้ในปัจจุบัน