汽车发动机曲轴与凸轮轴位置传感器

一、任务分析

曲轴位置传感器是用于检测曲轴转角和发动机转速的装置，凸轮轴位置传感器是用于检测凸轮轴位置的装置。本任务主要学习曲轴与凸轮轴位置传感器作用和类型，磁感应式、霍尔式和光电式曲轴与凸轮轴位置传感器的结构与工作原理。通过任务的学习掌握曲轴与凸轮轴位置传感器各端子的检测方法，判断曲轴与凸轮轴位置传感器是否损坏。

二、相关知识

(一)曲轴与凸轮轴位置传感器作用和类型

曲轴位置传感器也称为发动机转速传感器，用来检测曲轴转角和发动机转速信号，输送给ECU，用以确定燃油喷射时刻和点火控制时刻。

凸轮轴位置传感器，用来检测凸轮轴位置信号，输送给ECU，以便ECU确定第一缸压缩上止点，从而进行顺序喷射控制和点火时刻控制;同时，还用于发动机起动时识别第一次点火时刻，因此也称为判缸传感器。

曲轴位置传感器一般安装在分电器内、曲轴飞轮旁、曲轴皮带轮后，也有的安装在发动机缸体中部。凸轮轴位置传感器安装在分电器内、凸轮前或后端。根据结构和工作原理不同，可分为磁感应式、霍尔式和光电式三种类型。

(二)磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器

磁感应式传感器由信号转子、传感线圈和永久磁铁等组成，工作原理如图2-16所示，磁力线穿过的路径为永久磁铁N极→定子与转子间的气隙→转子凸齿→转子凸齿与定子磁头间的气隙→磁头→导磁板→永久磁铁S极。当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会周期性地发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性变化。根据电磁感应原理，传感线圈中就会感应产生交变电动势。

图2-16 磁感应式传感器工作原理

1—信号转子;2—传感线圈;3—永久磁铁

由此可见，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期性交变电动势，即电动势出现一次最大值和一次最小值，传感线圈也就相应地输出一个交变电压信号。磁感应式传感器的突出优点是不需要外加电源，永久磁铁起着将机械能变换为电能的作用，其磁能不会损失。当发动机转速变化时，转子凸齿转动的速度将发生变化，铁心中的磁通变化率也将随之发生变化。转速越高，磁通变化率就越大，传感线圈中的感应电动势也就越高。

由于转子凸齿与磁头间的气隙直接影响磁路的磁阻和传感线圈输出电压的高低，因此在使用中，转子凸齿与磁头间的气隙不能随意变动。气隙如有变化，必须按规定进行调整，气隙一般设计在0.2～0.4mm范围内。

(1)桑塔纳2000GSi型轿车磁感应式曲轴位置传感器。

桑塔纳2000GSi型轿车磁感应式曲轴位置传感器安装在曲轴箱内靠近离合器一侧的缸体上，主要由信号发生器和信号转子组成。信号发生器用螺钉固定在发动机缸体上，由永久磁铁、传感线圈和线束插头组成，永久磁铁带有一个磁头，其结构如图2-17所示。

信号转子的圆周上均匀地制成58个凸齿，其中有57个小齿缺和1个大齿缺。每个凸齿和小齿缺所占的曲轴转角均为3°，大齿缺为15°。信号转子每转过一个凸齿，线圈相应地输出一个交变电压信号，每当信号转子随曲轴转动一圈，线圈就会向控制单元ECU输入58个脉冲信号。因此，ECU每接收到曲轴位置传感器58个信号，就可知道发动机曲轴旋转了一圈，因此在一分钟内，ECU便可计算出曲轴转速。当大齿缺转过磁头时，信号电压所占的时间较长，即输出信号为一宽脉冲信号，如图2-18所示，该信号对应于1缸或4缸压缩上止点前一定角度。当ECU接收到宽脉冲信号时，便知道1缸或4缸上止点位置即将到来，ECU再根据凸轮轴位置传感器输入的信号来确定1缸或4缸上止点位置。由于信号转子上有58个凸齿，因此信号转子每转一圈(发动机曲轴转一圈)，传感线圈就会产生58个交变电压信号输入电子控制单元。

图2-17 桑塔纳2000GSi型轿车磁感应式曲轴位置传感器

1—信号转子;2—传感器磁头;3—缸体;4—大齿缺

图2-18 桑塔纳2000GSi型轿车磁感应式曲轴位置传感器输出信号

(2)丰田公司磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器。

丰田公司TCCS系统用磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器安装在分电器内，其结构如图2-19所示。该传感器分成上、下两部分，上部分产生G信号，下部分产生Ne信号，都是利用带有轮齿的转子旋转时，使信号发生器感应线圈内的磁通变化，从而在感应线圈里产生交变的感应电动势，再将它放大后，送入ECU。

Ne信号是检测曲轴转角及发动机转速的信号。该信号由固定在下半部具有等间隔24个轮齿的转子(NO.2正时转子)及固定于其对面的感应线圈产生，如图2-20(a)所示。

当转子旋转时，轮齿与感应线圈凸缘部(磁头)的空气间隙发生变化，导致通过感应线圈的磁场发生变化而产生感应电动势。轮齿靠近及远离磁头时，将产生一次增减磁通的变化，所以，每一个轮齿通过磁头时，都将在感应线圈中产生一个完整的交流电压信号。NO.2正时转子上有24个齿，故转子旋转1圈，即曲轴旋转720°时，感应线圈产生24个交流电压信号。Ne信号如图2-20(b)所示，其一个周期的脉冲相当于30°曲轴转角(720°/24=30°)。更精确的转角检测，是利用30°转角的时间由ECU再均分30等份，即产生1°曲轴转角的信号。同理，发动机的转速由ECU依照Ne信号的两个脉冲(60°曲轴转角)所经过的时间为基准进行计算。

图2-19 丰田公司磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器

1—G1感应线圈;2—NO.2正时转子;3—NO.1正时转子;4—G2感应线圈;5—Ne感应线圈

图2-20 Ne信号发生器结构与波形

1—Ne感应线圈;2—正时转子

G信号用于判别气缸及检测活塞上止点位置。G信号是由位于Ne发生器上方的凸缘转轮(NO.1正时转子)及其对面对称的两个感应线圈(G1感应线圈和G2感应线圈)产生的。其构造如图2-21所示。其产生信号的原理与Ne信号相同。G信号也用作计算曲轴转角时的基准信号。

G1、G2信号分别检测第6缸及第1缸的上止点。由于G1、G2信号发生器设置位置的关系，当产生G1、G2信号时，实际上活塞并不是正好达到上止点(BTDC)，而是在上止点前10°的位置。图2-22所示为曲轴位置传感器G1、G2、Ne信号与曲轴转角的关系。

图2-21 G信号发生器的结构及波形

1—G1感应线圈;2—正时转子;3—G2感应线圈

图2-22 G、Ne信号与曲轴转角的关系

(三)光电式曲轴与凸轮轴位置传感器

丰田、日产、三菱汽车公司生产的光电式曲轴与凸轮轴位置传感器常常安装在分电器内，它由信号发生器和带缝隙和光孔的信号盘组成(图2-23)。信号盘安装在分电器轴上，其外围有360条缝隙，产生1°(曲轴转角)信号;外围稍靠内侧分布着6个光孔(间隔60°)，产生120°信号，其中有一个较宽的光孔是产生对应第1缸上止点的120°信号的，如图2-24所示。

信号发生器固装在分电器壳体上，主要由两只发光二极管、两只光敏二极管和电子电路组成(图2-25)。两只发光二极管分别正对着光敏二极管，发光二极管以光敏二极管为照射目标。信号盘位于发光二极管和光敏二极管之间，当信号盘随发动机曲轴运转时，因信号盘上有光孔，产生透光和遮光的交替变化，造成信号发生器输出表征曲轴位置和转角的脉冲信号。图2-26所示为光电式信号发生器的作用原理。

图2-23 光电式曲轴与凸轮轴位置传感器

1—曲轴与凸轮轴位置传感器;2—信号盘

图2-24 信号盘的结构

1—120°信号孔(第一缸);2—1°信号缝隙;3—120°信号孔

图2-25 信号发生器的布置

1—光敏二极管;2—发光二极管;3—分火头;4—密封盖;5—转盘;6—电子电路

图2-26 光电式信号发生器的作用原理

当发光二极管的光束照射到光敏二极管上时，光敏二极管感光而导通;当发光二极管的光束被遮挡时，光敏二极管截止。信号发生器输出的脉冲电压信号送至电子电路放大整形后，即向电控单元输送曲轴转角1°信号和120°信号。因信号发生器安装位置的关系， 120°信号在活塞上止点前70°输出。发动机曲轴每转2圈，分电器轴转1圈，则1°信号发生器输出360个脉冲，每个脉冲周期高电位对应1°，低电位亦对应1°，共表征曲轴转角720°。与此同时，120°信号发生器共产生6个脉冲信号。(www.xing528.com)

(四)霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器

1. 霍尔效应

霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器及其他形式的霍尔式传感器都是根据霍尔效应制成的传感器。

霍尔效应原理指出:在磁场中，当电流以垂直于磁场方向，流过置于磁场中的霍尔半导体基片时，在与电流和磁场垂直的霍尔基片两个横向侧面上，将产生一个与电流和磁场强度成正比的电位差，称为霍尔电压UH，如图2-27所示。霍尔电压UH与霍尔半导体材料的特性、基片厚度、通过电流的大小及磁场强度等因素有关，当电流为定值时，霍尔电压UH与磁场强度B成正比。霍尔电压UH可用下式表示:

式中 RH——霍尔系数;

d——基片厚度;

I——流过基片的电流;

B——磁场强度。

图2-27 霍尔效应原理图

2. 霍尔式传感器基本结构

霍尔式传感器主要由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片(磁轭)与永久磁铁等组成。以霍尔式凸轮轴为例，如图2-28所示，触发叶轮安装在转子轴上，叶轮上制有叶片(在霍尔式点火系统中，叶片数与发动机气缸数相等)。当触发叶轮随转子轴一同转动时，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动。霍尔集成电路由霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电路、信号变换电路和输出电路等组成。

霍尔式凸轮轴位置传感器的工作原理。霍尔元件固定在支座上，永久磁铁装在其对面，两者之间有空气间隙。霍尔元件的工作电流由A、B端供给，霍尔电压由C、D端输出。触发叶轮上有和发动机气缸数相同的缺口和叶片，随同分电器轴或曲轴一起旋转。当叶片离开永久磁铁与霍尔元件之间的间隙时，永久磁铁的磁场穿过霍尔元件，产生霍尔电压;当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的间隙时，磁场被叶片隔离，没有磁场加在霍尔元件上，霍尔电压为零。如此往复，即产生脉冲的凸轮轴位置传感器信号。

图2-28 霍尔式凸轮轴位置传感器的工作原理

三、任务实施

(一)教学设备

(1)电控发动机实验台架或汽车;

(2)万用表、故障诊断仪、示波器;

(3)磁感应式曲轴位置传感器、光电式曲轴与凸轮轴位置传感器、霍尔式凸轮轴位置传感器。

(二)曲轴与凸轮轴位置传感器的检修

1. 磁感应式曲轴位置传感器检测

以桑塔纳2000GSi型轿车的电磁式曲轴位置传感器为例进行说明。当发动机运行时，若磁感应式传感器出现故障导致信号中断，则发动机将立刻熄火而无法运转，这时，电控单元ECU能够检测到故障信息，利用故障诊断仪，可以读取故障信息。

当用万用表检测传感器信号线圈电阻时，断开点火开关，拔下传感器插头接线如图2-29所示，各端子间的阻值应符合表2-2中规定，如阻值不符合则应更换线束或传感器总成。信号转子凸齿与磁头间的气隙应在0.2～0.4mm范围内。

图2-29 桑塔纳磁感应式曲轴位置传感器

表2-2 各端子间的阻值

测量其输出波形，首先正确连接示波器，然后起动发动机，使之怠速工作，观察并记录测量的波形，参照标准波形(如图2-30所示)，进行分析。各种电磁式曲轴位置传感器的输出信号波形基本相同，若出现波形过于平缓，或有间断时，说明传感器有故障。

图2-30 电磁式曲轴位置传感器的标准波形

2. 光电式曲轴与凸轮轴位置传感器检测

日本三菱汽车光电式曲轴位置传感器的控制电路如图2-31所示。检测时，先拆下线束插头，将点火开关转至“ON”位置，测量电脑侧1与2端子之间电压应为12V，否则说明线路或ECU有故障;给传感器侧的1与2端子之间直接施加12V电源电压，并分别在信号输出端子3和4与1之间接上电流表，转动转子一圈时，两个电流表应分别摆动1次和4次(与透光孔数量相等)，每次电流表指示电流应约为1m A，否则应更换传感器。

图2-31 日本三菱汽车光电式曲轴位置传感器检测电路

测量其输出波形，正确连接示波器，起动发动机，使之怠速工作，观察并记录测量的波形，参照标准波形(如图2-32所示)进行分析，若波形不符，说明传感器有故障。

图2-32 光电式位置传感器的标准波形

3. 霍尔式凸轮轴位置传感器检测

以桑塔纳2000GSi型轿车的霍尔式凸轮轴位置传感器为例进行说明。当发动机运行时，若霍尔式凸轮轴位置传感器出现故障而导致信号中断时，发动机会继续运转，也能再次起动。但是，喷油不是在进气门打开时完成，而是在进气门关闭之前完成，由此对混合气品质产生的影响很小，不会影响发动机的总体性能。与此同时，由于控制单元不能判别即将到达压缩上止点的是哪一缸，因此爆震调节将停止。为了防止发动机产生爆震，控制单元将自动减小点火提前角。

当霍尔传感器出现故障，信号中断时，控制单元ECU能够检测到故障信息，用故障诊断仪可以读取故障信息。如故障代码显示霍尔传感器有故障，可用万用表检测传感器电源电压和导线电阻进行检测，传感器插头接线如图2-33所示，测试参考条件和数据见表2-3。

图2-33 桑塔纳霍尔式凸轮轴位置传感器

表2-3 测试参考条件和数据

测量其输出波形，正确连接示波器，起动发动机，使之怠速工作，观察并记录测量的波形，参照标准波形(如图2-34所示)进行分析。各种霍尔式位置传感器的输出信号波形基本相同，为方波形。若波形不符，说明传感器有故障。

图2-34 霍尔式凸轮轴位置传感器的标准波形

四、检查与评估

本次课程主要依据表2-4考核学生对任务的完成情况。

表2-4 曲轴与凸轮轴位置传感器考核卡