曲軸位置和轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理

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曲軸位置傳感器是發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中最主要的傳感器之一，它提供點火時刻（點火提前角）、確認曲軸位置的信號，用于檢測活塞上止點、曲軸轉(zhuǎn)角及發(fā)動機轉(zhuǎn)速。曲軸位置傳感器所采用的結(jié)構(gòu)隨車型不同而不同，可分為磁脈沖式、光電式和霍爾式三大類。它通常安裝在曲軸前端、凸輪軸前端、飛輪上或分電器內(nèi)。 一、磁脈沖式曲軸位置傳感器的檢測 1、磁脈沖式曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 （1）日產(chǎn)公司磁脈沖式曲軸位置傳感器 該曲軸位置傳感器安裝在曲軸前端的皮帶輪之后，如圖 1所示。在皮帶輪后端設(shè)置一個帶有細齒的薄圓齒盤（用以產(chǎn)生信號，稱為信號盤），它和曲軸皮帶輪一起裝在曲軸上，隨曲軸一起旋轉(zhuǎn)。在信號盤的外緣，沿著圓周每隔4°有個齒。共有90個齒，并且每隔120°布置1個凸緣，共3個。安裝在信號盤邊沿的傳感器盒是產(chǎn)生電信號信號發(fā)生器。信號發(fā)生器內(nèi)有3個在永久磁鐵上繞有感應(yīng)線圈的磁頭，其中磁頭②產(chǎn)生120°信號，磁頭①和磁頭③共同產(chǎn)生曲軸1°轉(zhuǎn)角信號。磁頭②對著信號盤的120°凸緣，磁頭①和磁頭③對著信號盤的齒圈，彼此相隔了曲軸轉(zhuǎn)角安裝。信號發(fā)生器內(nèi)有信號放大和整形電路，外部有四孔連接器，孔“1”為120°信號輸出線，孔“2”為信號放大與整形電路的電源線，孔“3”為1°信號輸出線，孔“4”為接地線。通過該連接器將曲軸位置傳感器中產(chǎn)生的信號輸送到ECU。 發(fā)動機轉(zhuǎn)動時，信號盤的齒和凸緣引起通過感應(yīng)線圈的磁場發(fā)生變化，從而在感應(yīng)線圈里產(chǎn)生交變的電動勢，經(jīng)濾波整形后，即變成脈沖信號（如圖 2所示）。發(fā)動機旋轉(zhuǎn)一圈，磁頭②上產(chǎn)生3個120°脈沖信號，磁頭①和③各產(chǎn)生90個脈沖信號（交替產(chǎn)生）。由于磁頭①和磁頭③相隔3°曲軸轉(zhuǎn)角安裝，而它們又都是每隔4°產(chǎn)生一個脈沖信號，所以磁頭①和磁頭③所產(chǎn)生的脈沖信號相位差正好為90°。將這兩個脈沖信號送入信號放大與整形電路中合成后，即產(chǎn)生曲軸1°轉(zhuǎn)角的信號（如圖 3所示）。 產(chǎn)生120°信號的磁頭②安裝在上止點前70°的位置（圖 4），故其信號亦可稱為上止點前70°信號，即發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中，磁頭②在各缸上止點前70°位置均產(chǎn)生一個脈沖信號。 （2）豐田公司磁脈沖式曲軸位置傳感器 豐田公司TCCS系統(tǒng)用磁脈沖式曲軸位置傳感器安裝在分電器內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖 5所示。該傳感器分成上、下兩部分，上部分產(chǎn)生G信號，下部分產(chǎn)生Ne信號，都是利用帶有輪齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，使信號發(fā)生器感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通變化，從而在感應(yīng)線圈里產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢，再將它放大后，送入ECU。 Ne信號是檢測曲軸轉(zhuǎn)角及發(fā)動機轉(zhuǎn)速的信號，相當于日產(chǎn)公司磁脈沖式曲軸位置傳感器的1°信號。該信號由固定在下半部具有等間隔24個輪齒的轉(zhuǎn)子（N0.2正時轉(zhuǎn)子）及固定于其對面的感應(yīng)線圈產(chǎn)生（如圖 6（a）所示）。 當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，輪齒與感應(yīng)線圈凸緣部（磁頭）的空氣間隙發(fā)生變化，導(dǎo)致通過感應(yīng)線圈的磁場發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。輪齒靠近及遠離磁頭時，將產(chǎn)生一次增減磁通的變化，所以，每一個輪齒通過磁頭時，都將在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生一個完整的交流電壓信號。N0.2正時轉(zhuǎn)子上有24個齒，故轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1圈，即曲軸旋轉(zhuǎn)720°時，感應(yīng)線圈產(chǎn)生24個交流電壓信號。Ne信號如圖 6（b）所示，其一個周期的脈沖相當于30°曲軸轉(zhuǎn)角（720°÷24=30°）。更精確的轉(zhuǎn)角檢測，是利用30°轉(zhuǎn)角的時間由ECU再均分30等份，即產(chǎn)生1°曲軸轉(zhuǎn)角的信號。同理，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速由ECU依照Ne信號的兩個脈沖（60°曲軸轉(zhuǎn)角）所經(jīng)過的時間為基準進行計測。 G信號用于判別氣缸及檢測活塞上止點位置，相當于日產(chǎn)公司磁脈沖式曲軸位置傳感器120°信號。 G信號是由位于Ne發(fā)生器上方的凸緣轉(zhuǎn)輪（No.1正時轉(zhuǎn)子）及其對面對稱的兩個感應(yīng)線圈（G1感應(yīng)線圈和G2感應(yīng)線圈）產(chǎn)生的。其構(gòu)造如圖 7所示。其產(chǎn)生信號的原理與Ne信號相同。G信號也用作計算曲軸轉(zhuǎn)角時的基準信號。 G1、G2信號分別檢測第6缸及第1缸的上止點。由于G1、G2信號發(fā)生器設(shè)置位置的關(guān)系，當產(chǎn)生G1、G2信號時，實際上活塞并不是正好達到上止點（BTDC），而是在上止點前10°的位置。圖 8所示為曲軸位置傳感器G1、G2、Ne信號與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系。 2、磁脈沖式曲軸位置傳感器的檢測 以皇冠3.0轎車2JZ-GE型發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中使用的磁脈沖式曲軸位置傳感器為例說明其檢測方法，曲軸位置傳感器電路如圖 9所示。 （1）曲軸位置傳感器的電阻檢查 點火開關(guān)OFF，拔開曲軸位置傳感器的導(dǎo)線連接器，用萬用表的電阻檔測量曲軸位置傳感器上各端子間的電阻值（表 1）。如電阻值不在規(guī)定的范圍內(nèi)，必須更換曲軸位置傳感器。 表 1 曲軸位置傳感器的電阻值 端子 條件 電阻值（Ω） G1-G- 冷態(tài) 125-200 熱態(tài) 160-235 G2-G- 冷態(tài) 125-200 熱態(tài) 160-235 Ne-G- 冷態(tài) 155-250 熱態(tài) 190-290 （2）曲軸位置傳感器輸出信號的檢測 拔下曲軸位置傳感器的導(dǎo)線連接器，當發(fā)動機轉(zhuǎn)動時，用萬用表的電壓檔檢測曲軸位置傳感器上G1-G-、G2-G-、Ne-G-端子間是否有脈沖電壓信號輸出。如沒有脈沖電壓信號輸出，則須更換曲軸位置傳感器。 （3）感應(yīng)線圈與正時轉(zhuǎn)子的間隙檢查 用厚薄規(guī)測量正時轉(zhuǎn)子與感應(yīng)線圈凸出部分的空氣間隙（圖 10），其間隙應(yīng)為0.2-0.4mm。若間隙不合要求，則須更換分電器殼體總成。 二、光電式曲軸位置傳感器 1、光電式曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)和工作 （1）日產(chǎn)公司光電式曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)和工作 日產(chǎn)公司光電式曲軸位置傳感器設(shè)置在分電器內(nèi)，它由信號發(fā)生器和帶縫隙和光孔的信號盤組成（圖 11）。信號盤安裝在分電器軸上，其外圍有360條縫隙，產(chǎn)生1°（曲軸轉(zhuǎn)角）信號；外圍稍靠內(nèi)側(cè)分布著6個光孔（間隔60°），產(chǎn)生120°信號，其中有一個較寬的光孔是產(chǎn)生對應(yīng)第1缸上止點的120°信號的，如圖 12所示。 信號發(fā)生器固裝在分電器殼體上，主要由兩只發(fā)光二極管、兩只光敏二極管和電子電路組成（圖 13）。兩只發(fā)光二極管分別正對著光敏二極管，發(fā)光二極管以光敏二極管為照射目標。信號盤位于發(fā)光二極管和光敏二極管之間，當信號盤隨發(fā)動機曲軸運轉(zhuǎn)時，因信號盤上有光孔，產(chǎn)生透光和遮光的交替變化，造成信號發(fā)生器輸出表征曲軸位置和轉(zhuǎn)角的脈沖信號。圖 14所示為光電式信號發(fā)生器的作用原理。 當發(fā)光二極管的光束照射到光敏二極管上時，光敏二極管感光而導(dǎo)通；當發(fā)光二極管的光束被遮擋時，光敏二極管截止。信號發(fā)生器輸出的脈沖電壓信號送至電子電路放大整形后，即向電控單元輸送曲軸轉(zhuǎn)角1°信號和120°信號。因信號發(fā)生器安裝位置的關(guān)系，120°信號在活塞上止點前70°輸出。發(fā)動機曲軸每轉(zhuǎn)2圈，分電器軸轉(zhuǎn)1圈，則1°信號發(fā)生器輸出360個脈沖，每個脈沖周期高電位對應(yīng)1°，低電位亦對應(yīng)1°，共表征曲軸轉(zhuǎn)角720°。與此同時，120°信號發(fā)生器共產(chǎn)生6個脈沖信號。 （2）“現(xiàn)代SONATA”汽車用光電式曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)和工作 “現(xiàn)代SONATA”，汽車光電式曲軸位置傳感器的工作原理與日產(chǎn)公司光電式曲軸位置傳感器相似，其信號盤的結(jié)構(gòu)稍有不同，如圖 15所示。 對于帶有分電器的汽車，傳感器總成裝于分電器殼內(nèi)；對于無分電器的汽車，傳感器總成安裝在凸輪軸左端部（從車前向后看）。信號盤外圈有4個孔，用來感測曲軸轉(zhuǎn)角并將其轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號，電控單元根據(jù)該信號計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并控制汽油噴射正時和點火正時。信號盤內(nèi)圈有一個孔，用來感測第1缸壓縮上止點（在有些SONATA車上，設(shè)有兩孔，用來感測第1、4缸的壓縮上止點，目的是為了提高精度），并將它轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號輸入電控單元，電控單元根據(jù)此信號計算出汽油噴射順序。其輸出特性如圖 16所示。 曲軸位置傳感器的線路連接如圖 17所示。其內(nèi)設(shè)有兩個發(fā)光二極管和兩個光敏二極管，當發(fā)光二極管照射到信號盤光孔中的某一孔時，光線便照射到光敏二極管上，使電路導(dǎo)通。 2、光電式曲軸位置傳感器的檢測 （1）曲軸位置傳感器的線束檢查 圖 18所示為韓國“現(xiàn)代SONATA”汽車光電式曲軸位置傳感器連接器（插頭）的端子位置。檢查時，脫開曲軸位置傳感器的導(dǎo)線連接器，把點火開關(guān)置于“ON”，用萬用表的電壓檔（圖 19）測量線束側(cè)4#端子與地間的電壓應(yīng)為12V，線束側(cè)2#端子和3#端子與地間電壓應(yīng)為4.8-5.2V，用萬用表的電阻檔測量線束側(cè)1#端子與地間應(yīng)為0Ω（導(dǎo)通）。 （2）光電式曲軸位置傳感器輸出信號檢測 用萬用表電壓檔接在傳感器側(cè)3#端子和1#端子上，在起動發(fā)動機時，電壓應(yīng)為0.2-1.2V。在起動發(fā)動機后的怠速運轉(zhuǎn)期間，用萬用表電壓檔檢測2#端子和1#端子電壓應(yīng)為1.8-2.5V。否則應(yīng)更換曲軸位置傳感器。 三、霍爾式曲軸位置傳感器的檢測 霍爾式曲軸位置傳感器是利用霍爾效應(yīng)的原理，產(chǎn)生與曲軸轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的電壓脈沖信號的。它是利用觸發(fā)葉片或輪齒改變通過霍爾元件的磁場強度，從而使霍爾元件產(chǎn)生脈沖的霍爾電壓信號，經(jīng)放大整形后即為曲軸位置傳感器的輸出信號。 1、霍爾式曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)和工作 （1）采用觸發(fā)葉片的霍爾式曲軸位置傳感器 美國GM公司的霍爾式曲軸位置傳感器安裝在曲軸前端，采用觸發(fā)葉片的結(jié)構(gòu)型式。在發(fā)動機的曲軸皮帶輪前端固裝著內(nèi)外兩個帶觸發(fā)葉片的信號輪，與曲軸一起旋轉(zhuǎn)。外信號輪外緣上均勻分布著18個觸發(fā)葉片和18個窗口，每個觸發(fā)葉片和窗口的寬度為10°弧長；內(nèi)信號輪外緣上設(shè)有3個觸發(fā)葉片和3個窗口，3個觸發(fā)葉片的寬度不同，分別為100°、90°和110°弧長，3個窗口的寬度亦不相同，分別為20°、30°和10°弧長。由于內(nèi)信號輪的安裝位置關(guān)系，寬度為100°弧長的觸發(fā)葉片前沿位于第1缸和第4缸上止點（TDC）前75°，90°弧長的觸發(fā)葉片前沿在第6缸和第3缸上止點前75°，110°弧長的觸發(fā)葉片前沿在第5缸和第2缸上止點前75°。 霍爾信號發(fā)生器由永久磁鐵、導(dǎo)磁板和霍爾集成電路等組成。內(nèi)外信號輪側(cè)面各設(shè)置一個霍爾信號發(fā)生器。信號輪轉(zhuǎn)動時，每當葉片進入永久磁鐵與霍爾元件之間的空氣隙時，霍爾集成電路中的磁場即被觸發(fā)葉片所旁路（或稱隔磁），這時不產(chǎn)生霍爾電壓；當觸發(fā)葉片離開空氣隙時，永久磁鐵2的磁通便通過導(dǎo)磁板3穿過霍爾元件這時產(chǎn)生霍爾電壓。將霍爾元件間歇產(chǎn)生的霍爾電壓信號經(jīng)霍爾集成電路放大整形后，即向ECU輸送電壓脈沖信號,外信號輪每旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生18個脈沖信號（稱為18X信號），1個脈沖周期相當于曲軸旋轉(zhuǎn)20°轉(zhuǎn)角的時間，ECU再將1個脈沖周期均分為20等份，即可求得曲軸旋轉(zhuǎn)1°所對應(yīng)的時間，并根據(jù)這一信號，控制點火時刻。該信號的功用相當于光電式曲軸位置傳感器產(chǎn)生1°信號的功能。內(nèi)信號輪每旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生3個不同寬度的電壓脈沖信號（稱為3X信號），脈沖周期均為120°曲軸轉(zhuǎn)角的時間，脈沖上升沿分別產(chǎn)生于第1、4缸、第3、6缸和第2、5缸上止點前75°作為ECU判別氣缸和計算點火時刻的基準信號，此信號相當于前述光電式曲軸位置傳感器產(chǎn)生的120°信號。 （2）采用觸發(fā)輪齒的霍爾式曲軸位置傳感器 克萊斯勒公司的霍爾式曲軸位置傳感器安裝在飛輪殼上，采用觸發(fā)輪齒的結(jié)構(gòu)。同時在分電器內(nèi)設(shè)置同步信號發(fā)生器，用以協(xié)助曲軸位置傳感器判別缸號。北京切諾基車的霍爾式曲軸位置傳感器，在2.5L四缸發(fā)動機的飛輪上有8個槽，分成兩組，每4個槽為一組，兩組相隔180°，每組中的相鄰兩槽相隔20°。在4.OL六缸發(fā)動機的飛輪上有12個槽，4個槽為一組，分成三組，每組相隔120°，相鄰兩槽也間隔20°。 當飛輪齒槽通過傳感器的信號發(fā)生器時，霍爾傳感器輸出高電位（5V）；當飛輪齒槽間的金屬與傳感器成一直線時，傳感器輸出低電位（0.3V）。因此，每當1個飛輪齒槽通過傳感器時，傳感器便產(chǎn)生1個高、低電位脈沖信號。當飛輪上的每一組槽通過傳感器時，傳感器將產(chǎn)生4個脈沖信號。其中四缸發(fā)動機每1轉(zhuǎn)產(chǎn)生2組脈沖信號，六缸發(fā)動機每1轉(zhuǎn)產(chǎn)生3組脈沖信號。傳感器提供的每組信號，可被發(fā)動機ECU用來確定兩缸活塞的位置，如在四缸發(fā)動機上，利用一組信號，可知活塞1和活塞4接近上止點；利用另一組信號，可知活塞2和活塞3接近上止點。故利用曲軸位置傳感器，ECU可知道有兩個氣缸的活塞在接近上止點。由于第4個槽的脈沖下降沿對應(yīng)活塞上止點（TDC）前4°，故ECU根據(jù)脈沖情況很容易確定活塞上止點前的運行位置。另外，ECU還可以根據(jù)各脈沖間通過的時間，計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。 2、霍爾式曲軸位置傳感器的檢測 霍爾式曲軸位置傳感器的檢測方法有一個共同點，即主要通過測量有無輸出電脈沖信號來判斷其是否良好。下面以北京切諾基的霍爾式曲軸位置傳感器為例來說明其檢測方法。 曲軸位置傳感器與ECU有三條引線相連。其中一條是ECU向傳感器加電壓的電源線，輸入傳感器的電壓為8V；另一條是傳感器的輸出信號線，當飛輪齒槽通過傳感器時，霍爾傳感器輸出脈沖信號，高電位為5V，低電位為0.3V；第三條是通往傳感器的接地線。 （1）傳感器電源、電壓的測試 點火開關(guān)置于“ON”，用萬用表電壓檔測量ECU側(cè)7#端子的電壓應(yīng)為8V，在傳感器導(dǎo)線連接器“A”端子處測量電壓也應(yīng)為8V，否則為電源、線斷路或接頭接觸不良。 （2）端子間電壓的檢測 用萬用表的電壓檔，對傳感器的ABC三個端子間進行測試，當點火開關(guān)置于“ON”時，A-C端子間的電壓值約為8V；B-C端子間的電壓值在發(fā)動機轉(zhuǎn)動時，在0.3-5V之間變化，且數(shù)值顯示呈脈沖性變化，最高電壓5v，最低電壓0.3V。如不符合以上結(jié)果，應(yīng)更換曲軸位置傳感器。 （3）電阻檢測 點火開關(guān)置于“OFF”位置，拔下曲軸位置傳感器導(dǎo)線連接器，用萬用表Ω檔跨接在傳感器側(cè)的端子A-B或A-C間，此時萬用表顯示讀數(shù)為∞（開路），如果指示有電阻，則應(yīng)更換曲軸位置傳感器。 GM（通用）公司觸發(fā)葉片式霍爾傳感器的測試方法與上述相似，只是端子為4個，上止點信號（內(nèi)信號輪觸發(fā)）輸出端與接地端為脈沖電壓顯示。

回答者：2016-05-13 00:00