汽车曲轴位置传感器小议

2012-07-19王长建

汽车电器 2012年6期

王长建

（广州市白云工商高级技工学校，广东广州 510450）

曲轴位置传感器是现代汽车上重要的传感器之一。曲轴位置传感器一旦出现故障，汽车发动机的经济性能和加速性能都会受到很大影响，严重的还会造成发动机不能起动。同时，由于曲轴位置传感器的结构与工作原理相对复杂，检测和故障判断难度较大，因此在专业教学和汽车维修作业中都是一个难点。本人凭着多年对曲轴位置传感器的研究和理解，现对其进行归纳总结，望对其他教学工作者、学生及企业维修人员有一定的帮助。

1 曲轴位置传感器的定义与作用

1.1 曲轴位置传感器的定义

在许多汽车维修书籍中，曲轴位置传感器单指一个信号即1°信号（发动机转过1°转角的信号）。仔细分析，这种说法是不准确的，发动机控制单元只得到1°信号是不能判定曲轴所处的位置的。所以本文所讲的曲轴位置传感器，不是某一个信号或某一个传感器，而是一组信号。将这一组信号传递给发动机控制单元，再由发动机控制单元进行计算，才可以准确判断曲轴所处的位置。具体来说，这一组信号为：1°信号、上止点信号和判缸信号。

1.2 曲轴位置传感器的作用

发动机控制单元根据曲轴位置传感器提供的信号，确定曲轴所处的位置，保证了喷油正时与点火正时精确进行。同时，曲轴位置传感器中的1°信号也为发动机转速信号，发动机控制单元根据空气流量计信号和发动机转速信号确定基本喷油量。

2 曲轴位置传感器的结构与工作原理

按照曲轴位置传感器的结构区分，可将其分为：磁感应式曲轴位置传感器、光电式曲轴位置传感器、霍尔式曲轴位置传感器3种类型。

2.1 磁感应式曲轴位置传感器

2.1.1 结构

磁感应式曲轴位置传感器主要由信号发生器和信号盘组成（图1）。信号发生器由永久磁铁和线圈组成；信号盘为导磁的转子，转子上有齿。

2.1.2 工作原理

信号盘随着发动机旋转，信号盘上的齿经过信号发生器时，电磁线圈内的磁通量发生了增加到最大然后减少的过程。增加的过程在线圈里产生了感应电压，减小的过程在线圈里产生了相反方向的感应电压。信号盘转速越快，线圈内磁通量变化率就越大，所产生的感应峰值电压就越高。

2.1.3 基本电路

按照磁感应式曲轴位置传感器的工作原理，一般产生一个信号只需要两条线，即信号正和信号负，但为了防止外界信号的干扰，增加了一条屏蔽线。从线束插头看就是3条线（图2）。

2.2 光电式曲轴位置传感器

2.2.1 结构

光电式曲轴位置传感器主要由光电信号发生器和信号盘组成（图3）。光电信号发生器（即光电耦合器）一般由发光二极管和光敏三极管耦合而成，信号盘上有光孔，信号盘处于发光二极管和光敏三极管之间。

2.2.2 工作原理

信号盘随着发动机转动，信号盘上由于有光孔，所以发光二极管产生的光线将间断地投射在光敏三极管上。当光线投射在光敏三极管上时，三极管导通；当信号盘遮住了光线时，三极管截止。发动机运转的过程中光敏三极管处于导通和截止的交替状态，发动机转速越快，交替的频率就越大。

2.2.3 基本电路

从基本电路图（图4）可以看出：当三极管导通时，信号电压U为0；当三极管截止时，信号电压U为5 V。用示波器可以测出0~5 V的方波信号（图5）。

2.3 霍尔式曲轴位置传感器

2.3.1 结构

霍尔式曲轴位置传感器主要由霍尔发生器和信号盘组成（图6）。霍尔发生器由霍尔元件和永久磁铁构成；信号盘一般由铁片制成，有缺口，处于霍尔元件与永久磁铁之间。

2.3.2 工作原理

要理解霍尔传感器的工作原理就必须知道霍尔效应。霍尔效应指给霍尔元件前后方向通电流，上下垂直方向通磁场。如此一来，霍尔元件左右将产生电压差，如果磁场消失，霍尔电压就消失（图7）。霍尔式曲轴位置传感器就是利用霍尔元件这一特性制作而成的。信号盘随着发动机一起旋转，由于信号盘上有缺口，磁力线将间断地穿过霍尔元件，从而使霍尔元件上产生间断的电压。发动机转速越快，霍尔电压间断的频率也就越高。

2.3.3 基本电路

图8为霍尔式曲轴位置传感器的电路图。从图8中可以分析出：当霍尔电压产生时，三极管导通，信号电压U为0；当霍尔电压消失时，信号电压为12V。用示波器可以测出0~12V的方波信号（参见图5）。

3 曲轴位置传感器的归纳分析

通过前面对曲轴位置传感器的定义、结构与工作原理的理解，可以归纳分析出以下几点。

1）曲轴位置传感器安装的位置

曲轴位置传感器一定安装在与曲轴转速相关的地方，如曲轴上、凸轮轴上、分电器内或飞轮上等。但可以明确一点：曲轴位置传感器中的判缸信号一定要安装在凸轮轴上或分电器内（奇数缸发动机可以安装在曲轴上）。

2）信号盘形状决定了传感器产生的具体信号

无论是哪种类型的曲轴位置传感器，具体产生1°信号、上止点信号还是判缸信号，都是由传感器的信号盘形状决定的。如果信号盘上只有一个齿或一个光孔，或者是霍尔式曲轴位置传感器只有一个窗口，这个信号盘产生的信号一般是判缸信号，当然该信号盘还要满足安装在分电器内或凸轮轴上。如果信号盘上有许多相同的齿、光孔或窗口，这个信号盘产生的信号一般是1°信号。

3）曲轴位置传感器的检测

对曲轴位置传感器结构与工作原理及电路的理解，是正确检测曲轴位置传感器的前提条件，从而可以根据身边的检测工具合理地进行检测并做出判断。一般情况可以从以下几方面检测曲轴位置传感器：①用万用表检测传感器本身电阻。一般磁感应式曲轴位置传感器才可以测试电阻，而光电式和霍尔式曲轴位置传感器内部为整形电路，测试其电阻没有实际的意义。②用万用表检测传感器信号电压。根据电路图及信号波形分析，发动机转速发生变化时，磁感应式曲轴位置传感器信号峰值电压和频率发生了变化，发动机转速越高，信号峰值电压和频率都变大，如果用万用表检测其信号电压，信号电压也随之变大。而光电式和霍尔式曲轴位置传感器信号峰值电压和占空比，不会随发动机转速变化而改变，只是频率发生了变化，如果用万用表检测其信号电压，信号电压将不变。③用示波器检测传感器波形。用示波器能非常直观地观察传感器的波形，磁感应式曲轴位置传感器波形一般为锯齿波；而光电式和霍尔式曲轴位置传感器波形为方波。

4）常见车型的曲轴位置传感器类型与生产厂家

目前汽车上使用霍尔式曲轴位置传感器的车型较多，常见车型使用曲轴位置传感器类型与生产厂家见表1。

表1 常见车型使用曲轴位置传感器类型与生产厂家

4 发动机控制单元对曲轴位置传感器的运用

曲轴位置传感器中的1°信号也为发动机转速信号，发动机控制单元根据空气流量计信号和发动机转速信号确定基本喷油量。同时发动机控制单元还根据曲轴位置传感器发出的信号判断曲轴所处的位置，准确地发出点火与喷油指令。下面以帕萨特B5为例，说明发动机控制单元是如何根据曲轴位置传感器信号来判断曲轴所处的位置。

帕萨特B5发动机为双缸同时点火，顺序喷射。曲轴位置传感器共有3个信号，分别为：1°信号（发动机转速信号）、上止点信号（点火基准信号）、判缸信号。其中1°信号与上止点信号由安装在曲轴后端的电磁感应式传感器产生，而判缸信号由安装在凸轮轴前端的霍尔式传感器产生。电磁感应式传感器的信号盘在圆周上等分布置着60个齿，其中空缺两个齿。发动机运转时，感应线圈中产生交变电压信号，相邻的两个信号表示曲轴转过6°，发动机控制单元再把该信号平均分为6份就得到1°信号。而缺齿经过感应线圈时便产生一个畸变的交变电压信号，该信号产生在1缸上止点前70°，为1缸上止点信号。假设，发动机控制单元根据多方面的信号确定即将点火的1缸点火提前角为17°，这样发动机控制单元在得到1缸上止点信号后开始记1°信号。在曲轴再转过53°时发动机控制单元发出点火命令，这样1缸点火刚好在1缸上止点前17°产生。

由于帕萨特B5发动机为双缸同时点火，在1缸点火的同时与之同步的4缸也点火，所以发动机控制单元在发出点火指令的时候，不需要判断是压缩行程还是排气行程。因此在双缸同时点火的发动机中，发动机控制单元只需要上止点信号和1°信号就可以完成点火控制。如果发动机为顺序点火，就一定要判缸信号，发动机控制单元才能分辨出压缩行程还是排气行程。

帕萨特B5的发动机为顺序喷射，喷油正时为排气上止点前，发动机控制单元在确定某一缸排气上止点前具体某一位置时，就必需得到1°信号和判缸信号。发动机控制单元在得到1°信号和判缸信号后，具体确定曲轴位置的过程与点火过程一样。