Các Loại Cảm biến Trục khuỷu Khác nhau

Vai Trò của Cảm Biến Trục Khuỷu trong Các Hệ Thống Quản Lý Động Cơ

Chức Năng và Tầm Quan Trọng của Cảm Biến Vị Trí Trục Khuỷu trong Các Hệ Thống Đánh Lửa Hiện Đại

Cảm biến vị trí trục khuỷu, thường được gọi tắt là CPS, đóng một vai trò rất quan trọng trong hoạt động của động cơ. Cảm biến này theo dõi tốc độ quay của trục khuỷu và xác định chính xác vị trí của nó tại bất kỳ thời điểm nào. Thông tin từ cảm biến này giúp bộ điều khiển của xe xác định thời điểm đánh lửa bu-gi, lượng nhiên liệu phun vào và điều chỉnh khí thải. Những lỗi nhỏ trong tín hiệu của CPS có thể khiến động cơ bị mất lửa hoặc làm xe tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn thay vì vận hành hiệu quả, đôi khi làm giảm hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu tới 15 phần trăm theo một số nghiên cứu năm ngoái. Điều mà hầu hết mọi người không nhận ra là các cảm biến này thực hiện nhiều chức năng hơn cả việc duy trì sự vận hành ổn định. Chúng thực sự cho phép các tính năng mà chúng ta thường xem là hiển nhiên ngày nay, như tắt bớt xi-lanh khi không cần thiết và điều chỉnh áp suất tăng áp tức thì. Đó là lý do tại sao các phương tiện hiện đại sẽ không thể hoạt động đúng nếu thiếu chúng.

Cảm biến trục khuỷu đồng bộ hóa phun nhiên liệu và đánh lửa như thế nào

Bằng cách theo dõi vị trí trục khuỷu so với chuyển động của piston, cảm biến CPS cho phép ECU điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu và đánh lửa với độ chính xác cao:

• Vòi phun được kích hoạt vài miligiây trước khi van nạp mở
• Bugi đánh lửa tại điểm tối ưu trong hành trình nén
  Sự đồng bộ này ngăn ngừa hiện tượng kích nổ và tối đa hóa công suất. Trong các hệ thống phun nhiên liệu tuần tự theo pha, độ chính xác của cảm biến CPS đặc biệt quan trọng – sai số thời gian chỉ 2° có thể làm tăng lượng phát thải hydrocarbon lên 22% (SAE 2023).

Tác động của sự cố cảm biến đến hiệu suất động cơ và chẩn đoán

Khi cảm biến vị trí trục khuỷu bị hỏng, các phương tiện thường biểu hiện các triệu chứng như khó khởi động, chạy không tải không ổn định hoặc thậm chí chết máy hoàn toàn khi đang lái. Hầu hết thợ sửa chữa sẽ chỉ ra mã lỗi DTC P0335 khi có vấn đề với bản thân cảm biến, nhưng cũng đừng quên khả năng do sự cố dây điện. Theo một số dữ liệu ngành từ năm ngoái, khoảng một trong mỗi năm trường hợp thực tế lại liên quan đến dây điện chứ không phải do cảm biến hỏng. Bộ xử lý trên ô tô hiện đại thường mặc định chuyển sang chế độ đánh lửa cơ bản khi mất tín hiệu từ cảm biến CPS, và điều này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất hoạt động của động cơ, đôi khi làm giảm hiệu suất xuống gần một nửa. Vì vậy, các kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm khuyên nên thay thế các cảm biến này trước khi chúng hoàn toàn hỏng, đặc biệt là vào khoảng mốc 100.000 dặm. Việc này giúp tiết kiệm chi phí về lâu dài vì ngăn ngừa những sửa chữa tốn kém cho các bộ phận phía sau hệ thống xả, bao gồm cả bộ chuyển đổi xúc tác và cảm biến oxy đắt tiền vốn dễ bị hư hại khi động cơ hoạt động không đúng cách.

Các Loại Chính Cảm Biến Vị Trí Trục Khuỷu Theo Nguyên Lý Hoạt Động

Cảm Biến Từ Trường Cảm Ứng (Điện Trở Thay Đổi) và Hoạt Động Cảm Ứng Điện Từ

Cảm biến từ cảm hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để phát hiện chuyển động của trục khuỷu. Khi một bánh răng quay gần bộ phận cuộn dây và nam châm của cảm biến, từ trường thay đổi sẽ tạo ra điện áp xoay chiều dao động theo tốc độ động cơ. Ưu điểm của các cảm biến này là chúng không cần nguồn điện bên ngoài, giúp tiết kiệm chi phí cho các động cơ đơn giản nơi ngân sách là yếu tố quan trọng nhất. Tuy nhiên, có một hạn chế: ở tốc độ dưới khoảng 100 vòng/phút, tín hiệu trở nên rất yếu và không đáng tin cậy, do đó chúng không phù hợp trong các tình huống yêu cầu đo lường chính xác ở tốc độ rất thấp.

Cảm Biến Trục Khuỷu Dạng Tương Tự và Đặc Tính Tín Hiệu Đầu Ra AC

Các cảm biến trục khuỷu kiểu analog cũ tạo ra các tín hiệu xoay chiều hình sin cổ điển, thay đổi tùy theo tốc độ quay của động cơ. Bộ xử lý trên xe đọc các tín hiệu tăng giảm này để xác định vị trí của từng piston, từ đó biết được thời điểm phun nhiên liệu và đánh lửa. Những cảm biến này hoạt động ổn khi động cơ chạy ở tốc độ bình thường hoặc cao hơn, nhưng sẽ phát sinh vấn đề khi xe đang chạy không tải hoặc tăng tốc nhanh. Một báo cáo từ Viện Cảm biến Ô tô năm 2022 cũng chỉ ra một điều thú vị về chúng: ở khoảng 800 vòng/phút, loại analog có thể sai lệch khoảng ±1,5 độ về thời gian so với các loại kỹ thuật số tương ứng. Con số này nghe có vẻ không lớn, nhưng xét theo tiêu chuẩn động cơ thì lại tạo nên sự khác biệt thực tế.

Cảm biến trục khuỷu hiệu ứng Hall với truyền tín hiệu kỹ thuật số

Cảm biến hiệu ứng Hall hoạt động bằng cách sử dụng công nghệ bán dẫn để tạo ra các tín hiệu kỹ thuật số dạng sóng vuông khi từ trường xung quanh chúng thay đổi. Những thiết bị ba dây này thực tế có thể cung cấp thông tin vị trí khá chính xác ngay cả khi không có chuyển động, điều này hỗ trợ các tính năng khởi động-tạm dừng trên ô tô hiện nay và đảm bảo động cơ khởi động đáng tin cậy ngay cả trong thời tiết lạnh. Tín hiệu kỹ thuật số mà chúng tạo ra giữ cho thời gian chính xác tuyệt đối, duy trì sai số trong khoảng một phần tư độ bất kể điều kiện vận hành như thế nào. Hầu hết các mẫu xe mới từ năm 2023, thực tế hơn 7 trên 10 mẫu xe, phụ thuộc vào các cảm biến này để xác định vị trí trục khuỷu vì chúng hoạt động hiệu quả và có tuổi thọ lâu dài hơn so với các lựa chọn khác hiện có.

Sử dụng cảm biến quang điện và cảm biến quang học trong các ứng dụng động cơ chuyên biệt

Cảm biến quang hoạt động bằng cách sử dụng một đèn LED cùng với cơ cấu bánh xe rãnh để xác định khi trục khuỷu quay dựa trên cách ánh sáng bị che khuất. Những cảm biến này không phổ biến trong các động cơ đốt thông thường vì chúng dễ bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn và độ ẩm. Tuy nhiên, trong những điều kiện sạch sẽ và khô ráo như ở xe đua hoặc tàu thủy, cảm biến quang có thể rất chính xác, đôi khi đạt độ sai lệch chỉ trong khoảng 0,1 độ so với vị trí thực tế. Dù vậy, chúng đòi hỏi việc bảo trì nhiều hơn so với các loại khác. Dù sao thì nhiều kỹ sư lắp ráp động cơ vẫn ưa chuộng chúng cho các máy móc hiệu suất cao, nơi mà việc mở van đúng vào thời điểm chính xác rất quan trọng đối với công suất và độ tin cậy.

Cảm biến trục khuỷu tương tự và số: So sánh hiệu suất và độ tin cậy

Sự khác biệt về tín hiệu đầu ra và độ chính xác giữa cảm biến trục khuỷu tương tự và số

Các cảm biến tương tự truyền thống tạo ra điện áp xoay chiều thay đổi, dao động từ khoảng 3 vôn khi đứng yên lên tới khoảng 50 vôn ở tốc độ động cơ cao hơn. Trong khi đó, các cảm biến hiệu ứng Hall phát ra tín hiệu một chiều dạng sóng vuông ổn định ở mức 5 vôn hoặc 12 vôn bất kể tốc độ quay nhanh đến đâu. Khi xem xét độ chính xác về vị trí, các cảm biến kỹ thuật số thực sự nổi bật khi đạt được độ sai lệch chỉ ±0,2 độ theo nghiên cứu gần đây của SAE năm 2023. Điều này vượt trội hơn nhiều so với khả năng của các cảm biến tương tự, vốn thường dao động trong khoảng ±1,5 độ. Nhờ lợi thế về độ chính xác này, các cảm biến kỹ thuật số hoạt động tốt hơn nhiều trong những tình huống đòi hỏi độ chính xác về thời gian cao, đặc biệt là khi động cơ không chạy ở tốc độ thấp dưới mức khoảng 1500 vòng/phút.

Ưu điểm của cảm biến hiệu ứng Hall so với loại cảm ứng trong việc điều chỉnh thời gian chính xác

Các cảm biến hiệu ứng Hall cung cấp tín hiệu ổn định ngay cả khi động cơ hoàn toàn đứng yên, điều này có nghĩa là xe có thể khởi động nhanh hơn và chính xác hơn nhiều. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các động cơ tăng áp, nơi mà thời gian phải được điều chỉnh chính xác tuyệt đối, đôi khi chỉ trong vòng 0,1 mili giây. Khi chúng tôi thử nghiệm trên máy đo công suất (dyno), các phương tiện được trang bị cảm biến hiệu ứng Hall đã khởi động lạnh nhanh hơn khoảng 30 phần trăm so với những xe sử dụng cảm biến cảm ứng cũ hơn. Một lợi ích lớn khác là khả năng duy trì tín hiệu mạnh ở tốc độ rất thấp. Điều này giúp chúng hoạt động tốt hơn trong các tình huống dừng và khởi hành thường xuyên mà người lái gặp phải mỗi ngày trong giao thông đô thị.

Hạn chế của cảm biến đầu ra AC ở tốc độ động cơ thấp

Dưới 800 vòng/phút, các cảm biến analog gặp ba thách thức chính:

• Biên độ tín hiệu có thể giảm xuống dưới ngưỡng phát hiện của ECU (<2V)
• Độ méo pha tăng từ 12-18% (Bài báo kỹ thuật SAE 2021-01-0479)
• Khả năng bị nhiễu điện từ tăng 40% so với các hệ thống kỹ thuật số
  Những hạn chế này đòi hỏi phải hiệu chuẩn lại đối với động cơ diesel công nghiệp có thời gian cầm chừng kéo dài, làm giảm độ tin cậy lâu dài.

Độ tin cậy của Cảm biến trục khuỷu kỹ thuật số so với tương tự trong điều kiện khắc nghiệt

Các cảm biến hiệu ứng Hall hoạt động khá tốt trong dải nhiệt độ từ âm 40 độ C đến tận 150 độ C (tương đương khoảng -40 độ F đến 302 độ F). Chúng bao phủ vùng nhiệt độ rộng hơn khoảng 35 phần trăm so với các cảm biến cảm ứng kiểu cũ. Khi xem xét kết quả thử nghiệm tuổi thọ, các phiên bản kỹ thuật số có thể chịu được khoảng 200.000 chu kỳ nhiệt trước khi xuất hiện dấu hiệu hao mòn. Điều này giúp chúng vượt trội gần hai rưỡi lần so với các phiên bản tương tự analog. Tuy nhiên, nhiều kỹ sư vẫn ưu tiên dùng cảm biến cảm ứng khi làm việc trong điều kiện khắc nghiệt thực sự, nơi thường xuyên xảy ra rung động mạnh. Hãy nghĩ đến các động cơ tàu thủy, đặc biệt là những loại rung ở tần số cao hơn 500 Hz. Các mẫu cảm biến cảm ứng này có lợi thế vì chúng được chế tạo dưới dạng thiết bị trạng thái rắn, không chứa các linh kiện bán dẫn nhạy cảm dễ bị hư hỏng trong điều kiện rung động dữ dội.

Cái nhìn sâu về công nghệ cảm biến trục khuỷu điện trở thay đổi (cả ứng)

Cách cảm ứng điện từ tạo ra điện áp bằng cách sử dụng bánh răng thụ động có răng

Các cảm biến điện trở thay đổi này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ của Faraday. Bên trong hầu hết các động cơ, thường có một cấu tạo gồm nam châm vĩnh cửu và cuộn dây hoạt động cùng với một bánh răng đặc biệt có răng được nối với trục khuỷu. Khi các răng này đi qua, chúng làm thay đổi từ trường bằng cách điều chỉnh khoảng không giữa các bộ phận, từ đó tạo ra các xung điện áp nhỏ trong cuộn dây. Kết quả thu được là một tín hiệu dòng điện xoay chiều cho biết chính xác vị trí và tốc độ quay của trục khuỷu. Thông tin này trở nên then chốt đối với bộ điều khiển động cơ khi thiết lập thời điểm đánh lửa, đặc biệt là ở các xe cũ vẫn còn sử dụng hệ thống analog thay vì hệ thống kỹ thuật số.

Đặc tính tín hiệu phụ thuộc tốc độ của cảm biến trục khuỷu cảm ứng

Tín hiệu đầu ra từ các cảm biến cảm ứng tăng lên khi động cơ quay nhanh hơn. Ở tốc độ cầm chừng, chúng ta thường thấy khoảng 0,3 volt AC, nhưng khi tăng ga mạnh ở 6.000 vòng/phút, các cảm biến này có thể tạo ra tới 4,8 volt AC. Tuy nhiên, mọi thứ trở nên phức tạp dưới 100 vòng/phút vì tín hiệu lúc đó rất yếu. Điều này khiến dữ liệu về thời điểm đánh lửa trở nên không đáng tin cậy, đó là lý do tại sao nhiều thợ máy chuyển sang dùng cảm biến kỹ thuật số cho các ứng dụng tốc độ thấp. Việc điều chỉnh khe hở không khí cho chính xác cũng rất quan trọng. Hầu hết các nhà sản xuất khuyến nghị giữ khe hở trong khoảng từ 0,5 đến 1,5 milimét. Nếu độ hở không chính xác, chất lượng tín hiệu sẽ giảm và động cơ bắt đầu bị mất tia lửa. Các thiết kế cảm biến hiện đại hiện nay đã tích hợp mạch ngưỡng thích ứng giúp duy trì hoạt động ổn định trên các dải vòng tua khác nhau. Theo số liệu SAE năm 2022, khoảng 9 trên 10 động cơ đốt trong hiện nay đang sử dụng công nghệ này.