Сензор за положение на коляновия вал(CKP): как работи, симптоми, проблеми, тестване

ОБЩИ СВДЕНИЯ

За работата на произволна запалителна система е необходима информация за положението на коляновия вал на вдигателя. Преобразувателя (датчика) за ъгловото положение на коляновия вал трябва да издържа на суровите условия на работа в отсека на двигателя, да притежава висока надеждност, трябва да функционира при много ниски честоти на въртене и да е евтин. Понастоящем са известни редица безконтактни датчици, в основата на принципа на работа стоят различни физични явления: магнитоелектрически, основани на ефекта на Хол, високочестотни, оптоелектронни, вихровотокови, основани на ефекта на Виганд, фотоелектрически. Изхождайки от цената, изискването за точност на момента на искрообразуване, шумозащитеност и устойчивост на външни въздействия първите два типа датчици са получили най-широко приложение.Сензорът за положение на коляновия вал измерва скоростта на въртене (RPM) и точното положение на коляновия вал на двигателя. Без датчик за положение на коляновия вал двигателят не би стартирал.Дефектите в CKP неизбежно водят до повреда на двигателя и автомобилът няма да работи. Сензорът за положение на коляновия вал (CKP) е електромагнитен сензор, с помощта на който системата за впръскване на гориво извършва синхронизация на работата на инжекторите за гориво и системата за запалване. СКР сензорът изпраща сигнал за скоростта и положението на коляновия вал към бордовия контролер. Този сигнал представлява серия от повтарящи се импулси на електрическо напрежение, генерирани от сензора при въртене на коляновия вал. Въз основа на тези импулси бордовият контролер управлява инжекторите за гориво и системата за запалване.

Принцип на работа на зъбното колело на коляновия вал и CKP сензорната двойка
CKP се поставя на конзолата към зъбното колело на коляновия вал.Между сензора и зъбното колело се оставя въздушна междина. Тази празнина трябва да бъде около 1 mm ± 0,4 mm. Зъбното колело на коляновия вал се произвежда като специален диск, който обикновено има 58 зъба на всеки 6 градуса. Има два липсващи зъба, които се използват за генериране на синхронизиращ импулс. Въртенето на коляновия вал причинява промяна на магнитното поле на сензора и по този начин създава импулси на напрежението. Чрез импулсната синхронизация от сензора CKP, бордовият контролер определя позицията и скоростта на коляновия вал и изчислява точния момент на работа на инжекторите за гориво и точния момент за генериране на искрата. Началото на 20-ти зъб (след липсващите) на зъбното колело съвпада с горната мъртва точка (TDC) на първия и четвъртия цилиндър Единственото нещо, което трябва да се следи, е да се предотврати проникването на малки частици и мръсотия между зъбите.Когато извършвате ремонти, трябва да внимавате да не допуснете деформация на зъбното колело, защото това може да доведе до срив на двигателя.

Използваните видове сензори
СКР са разделени на два типа: индуктивен, и Ефект на Хол

Генераторен датчик от комутаторен тип с пулсиращ магнитен поток  Принципът на действие на този датчик се състои в изменението на магнитното съпротивление в магнитна  верига, състояща се от постоянен магнит и намотка, при изменение на въздушната междина посредством разпределител на потока (комутатор)

 

1 – магнитна верига (статор);

2 – постоянен магнит;

3 – намотка;

4 – разпределител на потока          (комутатор)

При въртене на ротора в намотките на статора (съгласно закона за електромагнитната индукция) се индуктира променливо е.д.н. Когато един от зъбите на ротора (4) се приближава към полюс на статора (1), в намотката (3) напрежението нараства. При съвпадане на фронта на зъба на ротора с полюс на статора (със средната линия на намотката), напрежението в намотката достига максимум, след това бързо сменя знака си и нараства в противоположна посока до максимум при отдалечаване от зъба. От тази зависимост става ясно, че максималната стойност  зависи от честотата на въртене на разпределителя на потока.Напрежението бързо се изменя от положителен максимум до отрицателен, поради което нулевата стойност (точката 0) между двата максимума може да се използува за управление на запалителната система при получаването на точният момент на искрообразуването. Точката на прехода през нулата е сложно да се детектира с помощта на електрониката, т.к. схемата ще е чувствителна към смущаващи сигнали, поради което за получаване на момента на искрообразуване се използуват точките „а” или „б”, които се избират по допустими ниски нива.

Разгледаната схема е чувствителна относно влиянието на паразитни изменения на въздушната междина, появяващи се вследствие на конструктивни допуски, вибрации, предавани от двигателя на детайли, влизащи във състава на магнитната верига . Всичко това води до недопостим асинхронен момент на искрообразуване в цилиндрите на двигателя. Поради това се използува симетрична магнитна система, която обезпечава за всяко положение на разпределителя на потока средна въздушна междина, която се явява сума от елементарни въздушни междини. Мощността на сигнала на преобразувателя е недостатъчна за управление на първичната намотка на запалителната бобина, поради което в системата е включен усилвател на запалването.

 

1 – постоянен магнит;

2 – намотка с магнитопровод;

3 – променлива въздушна междина

4 – тригерно колело (разпределител на потока).

Преобразувател на ъгъла на въртене на коляновия вал – работи на същия принцип както и генераторния преобразувател от комутаторен тип с пулсиращ магнитен поток. Обикновено се монтира в непосредствена близост до маховика на двигателя. По периферията на маховика равномерно се монтират стоманени щифтове. Обикновено те се разполагат през 10⁰, т.е 36 щифта. По този начин маховика изпълнява ролята на диск на преобразувателя. Постоянният магнит на преобразувателя се монтира в непосредствена близост до маховика и създава постоянно магнитно поле. При въртене на маховика щифтовете последователно преминават през магнитното поле и генерират в намотката на преобразувателя променливо напрежение, честотата на което е пропорционална на честотата на въртене.  Top dead center (TDC)

 

Ако един щифт преднамерено се пропусне (или се поставят вместо един –  два щифта), изменението на честотата на импулсите ще покаже преминаването през горна мъртва точка (ГМТ). Местоположението на пропуснатият щифт не е задължително да се намира в ГМТ. То може да бъде разместено на произволен ъгъл (този ъгъл трябва да е известен на електронният блок за управление (ЕБУ).  Амплитудата на променливото напрежение се изменя пропорционално на честотата на въртене. Напрежението може да се изменя от 5V при празен ход до 100V при честота на въртене 6000 мин^-1. Т.к. за процесора е необходим цифров сигнал, променливото напрежение се преобразува в цифров сигнал.

 

Преобразувателят за ъгъла на въртене на коляновия вал може да се използува като задаващ генератор на базов сигнал за запалването и впръскването на гориво.

ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ НА ЕФЕКТА НА ХОЛ

Ефекта на Хол възниква в полупроводникова пластина, внесена в магнитно поле, при пропускане през нея на електрически ток. Ако се внесе елемент с дебелина h в магнитно поле по такъв начин, че посоката на магнитната индукция В да е перпендикулярна на плоскостта на пластината и пропуснем ток през пластината, то на токоносителите в пластината им действа сила на Лоренц, и между срещуположните и страни възниква е.д.н. на Хол:

Посоката на поляризация на токоносителите се определя съгласно правилото на изпънатите пръсти на дясната ръка (дланта се пробожда от магнитната индукция; изпънатите пръсти показват посоката на движение на зарядите, а палеца посоката на силата). Поради единичното захранване изходното напрежение без магнитно поле (Offset Voltage) VoutО е равно на 0,5VCC, нараства над тази стойност при приближаване на единия полюс (N или S в зависимост от модела) на магнит към предната част на сензора и намалява под нея при приближаване на другия полюс. Чувствителността на елемента на Хол зависи от съотношението между дебелината и ширината на пластината и нараства при намаляване на дебелината й. Големината на е.д.н. на Хол е много малка и поради това се налага то да бъде усилено в близост до кристала, за да се отстрани влиянието на радиоелектрическите смущения. Поради това конструктивно и технологически елемента на Хол и преобразувателната схема, съдържаща усилвател, прагов елемент, изходен усилвател и стабилизатор на напрежение се изпълнява във вид на интегрална микросхема, която се нарича магнитоуправляема интегрална схема (МУИС).

 

Чрез изменение на магнитното поле от 0 до Bmax с помощта на магнитен екран на изхода на може да се получи (при включване към него на товарно съпротивление) цифров сигнал с високо и ниско ниво. Обединявайки МУИС с магнитната система в общ пластмасов корпус се получава микропревключвател на ефекта на Хол, който се монтира в традиционния разпределител. Роторът (тригер) (2) е твърдо свързан с разпределителния вал (4) и е изработен от магнитопроводящ материал. Той има такъв брой полюси – екрани (3), колкото е  броят на цилиндрите. При преминаване на екран във въздушната междина между МУИС (1) и магнита (5), става периодично шунтиране на магнитния поток и на изхода на микропревключвателя се формира сигнал за ъгловото положение на коляновия вал на двигателя във вид на правоъгълни импулси. Фронтът на сигнала практически не зависи от честотата на въртене на екрана и, следователно, задръжката е незначителна в сравнение със задръжката на генераторния преобразувател.

 

При попадане на прорез на тригера между преобразувателя и постоянния магнит в преобразувателя на Хол се получава напрежение, т.к. магнитното поле попада на полупроводниковия кристал, а при преминаване на полюс на ротора през въздушната междина между преобразувателя и постоянния магнит напрежението на изхода на преобразувателя на Хол е нула т.к. магнитното поле се отклонява през ротора на тригерната перка.

 

Тригерът на Шмит е обобщено понятие на прагови вериги с положителна обратна връзка и коефициент на усилване >1. Схемата се нарича тригер, понеже изхода задържа стойността си, докато входа се променя. При неинвертираща конфигурация, когато съгналът на входа е по-висок от някакво прагово ниво, сигналът на изхода е висок; когато сигналът на входа е по-нисък от друго (по-ниско) прагово ниво, изходът е нисък. Когато входа е между двете нива изхода запазва стойността си. Това двойно прагово действие се нарича хистерезис и означава, че тригерът на Шмит има памет и може да работи като бистабилен ключ.

Типични симптоми на дефектнен CKP и зъбно колело на коляновия вал
      В случай на повреда на CKP или зъбното колело на коляновия вал, бордовият контролер записва събитие за повреда и свети индикаторната лампа „CHECK ENGINE“. Следните симптоми могат да бъдат причислени към неизправности на тези елементи:

• нестабилен празен ход
• спонтанно увеличаване и намаляване на оборотите на двигателя;
• спиране на двигателя;
• двигателят няма да стартира;
• лоши показатели на двигателя;
• чукане по време на ускорение;

Повреда в зъбното колело. Този отказ прави правилното синхронизиране на фазите на инжектиране и запалване невъзможно, тъй като фазите на впръскване и запалване се изместват една към друга. Както при други сензори, свързани с емисиите, компютърът на автомобила може да съхранява диагностичен код за неизправности (DTC), сочещ проблем с CKP сензора или веригата на сензора, като:

• P0315
• P0335-P0339
• P0385-P0389

Ако вашият двигател използва сензор за положение на разпределителния вал (CMP), можете също да видите свързан код:

• P0016-P0019

Затова е важно да отстраните CKP, когато подозирате CKP проблеми, за да сте сигурни, че проблемът е със сензора, схемата или един от компонентите в системата, с която работи.

Процедура за проверка на състоянието на CKP

1. Извършете външен визуален преглед на CKP и зъбното колело на коляновия вал.
2. Проверете CKP за корозия и повреди.
3. Уверете се, че щифтовете на буксата са плътно на местата си и има добър електрически контакт.
4. Проверете дали въздушната междина между зъбното колело и CKP сензора е в границите.
5. Изключете кабела на сензора.
6. Измерете с омметър активното съпротивление между изводите на CKP. Проверете базата данни каква трябва да бъде стойността на измереното съпротивление на сензора за съответната марка и модел на автомобила. Ако показанието показва изключително високо съпротивление, това означава, че в сензора има отворена верига. Нулева или близка до нула индикация означава късо съединение в намотката. 

   ЗАБЕЛЕЖКА: Независимо от измереното съпротивление това не може да се приеме като доказателство, че CKP ще може да генерира правилен сигнал.

Проверете екранирания CKP кабел:

• CKP може да има екраниран кабел (не във всички случаи). 
• Свържете една от сондата на омметъра към един от изводите на СКР (1 или 2).
• Преместете сондата от  клемата и я свържете със земята. Показанието трябва да се наклони към безкрайност.
  Забележка: В някои системи CKP екраниращият кабел е свързан към неговия CKP кабел за обратна връзка към земята. В този случай омметърът ще прочете късо съединение, което ще бъде нормално за тази система . Разгледайте електрическата верига на системата, която тествате, за да установите как точно е свързан CKP.
• Включете конектора на сензора.

Измервания на осцилоскоп

Индуктивен тип сензор  –       Свържете активния край на измервателната сонда към един от изводите на CKP, а другия край към земята. 

 

Обърнете внимание на амплитудите на електрическите импулси по време на въртене на двигателя и по време на празен ход на двигателя. В първия случай амплитудата на сигнала ще бъде значително по-ниска.
      По този начин можете да определите работата на CKP, както и износването на зъбното колело на коляновия вал. В този случай трябва да замените зъбното колело на коляновия вал.

ЗАБЕЛЕЖКА: CKP е полярният сензор и обменът на сигнални клеми „Plus“ и „Minus“ е еквивалент на неизправност.
  Хол сензор – Картината, която трябва да наблюдавате в този случай е следната 

Продължителният импулс маркира синхронизиращия импулс и всеки от другите показва зъба, преминаващ от сензора. Понякога сензорът може да има периодична повреда, която да не е налице по време на тестване.