曲軸感測器工作原理及檢測方法

曲軸位置感測器是發動機電子控制系統中最主要的感測器之一，它提供點火時刻（點火提前角）、確認曲軸位置的信號，用於檢測活塞上止點、曲軸轉角及發動機轉速。曲軸位置感測器所採用的結構隨車型不同而不同，可分為磁脈衝式、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。

一、磁脈衝式曲軸位置感測器的檢測

1、磁脈衝式曲軸位置感測器的結構和工作原理

（1）日產公司磁脈衝式曲軸位置感測器

該曲軸位置感測器安裝在曲軸前端的皮帶輪之後，如圖 1所示。在皮帶輪後端設置一個帶有細齒的薄圓齒盤（用以產生信號，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。在信號盤的外緣，沿著圓周每隔4°有個齒。共有90個齒，並且每隔120°布置1個凸緣，共3個。安裝在信號盤邊沿的感測器盒是產生電信號信號發生器。信號發生器內有3個在永久磁鐵上繞有感應線圈的磁頭，其中磁頭②產生120°信號，磁頭①和磁頭③共同產生曲軸1°轉角信號。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，彼此相隔了曲軸轉角安裝。信號發生器內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感測器中產生的信號輸送到ECU。

發動機轉動時，信號盤的齒和凸緣引起通過感應線圈的磁場發生變化，從而在感應線圈裡產生交變的電動勢，經濾波整形后，即變成脈衝信號（如圖 2所示）。發動機旋轉一圈，磁頭②上產生3個120°脈衝信號，磁頭①和③各產生90個脈衝信號（交替產生）。由於磁頭①和磁頭③相隔3°曲軸轉角安裝，而它們又都是每隔4°產生一個脈衝信號，所以磁頭①和磁頭③所產生的脈衝信號相位差正好為90°。將這兩個脈衝信號送入信號放大與整形電路中合成后，即產生曲軸1°轉角的信號（如圖 3所示）。

產生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，即發動機在運轉過程中，磁頭②在各缸上止點前70°位置均產生一個脈衝信號。

（2）豐田公司磁脈衝式曲軸位置感測器

豐田公司TCCS系統用磁脈衝式曲軸位置感測器安裝在分電器內，其結構如圖 5所示。該感測器分成上、下兩部分，上部分產生G信號，下部分產生Ne信號，都是利用帶有輪齒的轉子旋轉時，使信號發生器感應線圈內的磁通變化，從而在感應線圈裡產生交變的感應電動勢，再將它放大后，送入ECU。

Ne信號是檢測曲軸轉角及發動機轉速的信號，相當於日產公司磁脈衝式曲軸位置感測器的1°信號。該信號由固定在下半部具有等間隔24個輪齒的轉子（N0.2正時轉子）及固定於其對面的感應線圈產生（如圖 6（a）所示）。

當轉子旋轉時，輪齒與感應線圈凸緣部（磁頭）的空氣間隙發生變化，導致通過感應線圈的磁場發生變化而產生感應電動勢。輪齒*近及遠離磁頭時，將產生一次增減磁通的變化，所以，每一個輪齒通過磁頭時，都將在感應線圈中產生一個完整的交流電壓信號。N0.2正時轉子上有24個齒，故轉子旋轉1圈，即曲軸旋轉720°時，感應線圈產生24個交流電壓信號。Ne信號如圖 6（b）所示，其一個周期的脈衝相當於30°曲軸轉角（720°÷24=30°）。更精確的轉角檢測，是利用30°轉角的時間由ECU再均分30等份，即產生1°曲軸轉角的信號。同理，發動機的轉速由ECU依照Ne信號的兩個脈衝（60°曲軸轉角）所經過的時間為基準進行計測。

G信號用於判彆氣缸及檢測活塞上止點位置，相當於日產公司磁脈衝式曲軸位置感測器120°信號。 G信號是由位於Ne發生器上方的凸緣轉輪（No.1正時轉子）及其對面對稱的兩個感應線圈（G1感應線圈和G2感應線圈）產生的。其構造如圖 7所示。其產生信號的原理與Ne信號相同。G信號也用作計算曲軸轉角時的基準信號。

G1、G2信號分別檢測第6缸及第1缸的上止點。由於G1、G2信號發生器設置位置的關係，當產生G1、G2信號時，實際上活塞並不是正好達到上止點（BTDC），而是在上止點前10°的位置。圖 8所示為曲軸位置感測器G1、G2、Ne信號與曲軸轉角的關係。

2、磁脈衝式曲軸位置感測器的檢測

以皇冠3.0轎車2JZ-GE型發動機電子控制系統中使用的磁脈衝式曲軸位置感測器為例說明其檢測方法，曲軸位置感測器電路如圖 9所示。

（1）曲軸位置感測器的電阻檢查

點火開關OFF，拔開曲軸位置感測器的導線連接器，用萬用表的電阻檔測量曲軸位置感測器上各端子間的電阻值（表 1）。如電阻值不在規定的範圍內，必須更換曲軸位置感測器。

表 1 曲軸位置感測器的電阻值

端子 條件 電阻值（Ω）

G1-G- 冷態 125-200

熱態 160-235

G2-G- 冷態 125-200

熱態 160-235

Ne-G- 冷態 155-250

熱態 190-290

（2）曲軸位置感測器輸出信號的檢

拔下曲軸位置感測器的導線連接器，當發動機轉動時，用萬用表的電壓檔檢測曲軸位置感測器上G1-G-、G2-G-、Ne-G-端子間是否有脈衝電壓信號輸出。如沒有脈衝電壓信號輸出，則須更換曲軸位置感測器。

（3）感應線圈與正時轉子的間隙檢查

用厚薄規測量正時轉子與感應線圈凸出部分的空氣間隙（圖 10），其間隙應為0.2-0.4mm。若間隙不合要求，則須更換分電器殼體總成。

二、光電式曲軸位置感測器

1、光電式曲軸位置感測器的結構和工作

（1）日產公司光電式曲軸位置感測器的結構和工作

日產公司光電式曲軸位置感測器設置在分電器內，它由信號發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，產生1°（曲軸轉角）信號；外圍稍*內側分佈著6個光孔（間隔60°），產生120°信號，其中有一個較寬的光孔是產生對應第1缸上止點的120°信號的，如圖 12所示。

信號發生器固裝在分電器殼體上，主要由兩隻發光二極體、兩隻光敏二極體和電子電路組成（圖 13）。兩隻發光二極體分別正對著光敏二極體，發光二極體以光敏二極體為照射目標。信號盤位於發光二極體和光敏二極體之間，當信號盤隨發動機曲軸運轉時，因信號盤上有光孔，產生透光和遮光的交替變化，造成信號發生器輸出表徵曲軸位置和轉角的脈衝信號。圖 14所示為光電式信號發生器的作用原理。

當發光二極體的光束照射到光敏二極體上時，光敏二極體感光而導通；當發光二極體的光束被遮擋時，光敏二極體截止。信號發生器輸出的脈衝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角1°信號和120°信號。因信號發生器安裝位置的關係，120°信號在活塞上止點前70°輸出。發動機曲軸每轉2圈，分電器軸轉1圈，則1°信號發生器輸出360個脈衝，每個脈衝周期高電位對應1°，低電位亦對應1°，共表徵曲軸轉角720°。與此同時，120°信號發生器共產生6個脈衝信號。

（2）「現代SONATA」汽車用光電式曲軸位置感測器的結構和工作

「現代SONATA」，汽車光電式曲軸位置感測器的工作原理與日產公司光電式曲軸位置感測器相似，其信號盤的結構稍有不同，如圖 15所示。 對於帶有分電器的汽車，感測器總成裝於分電器殼內；對於無分電器的汽車，感測器總成安裝在凸輪軸左端部（從車前向後看）。信號盤外圈有4個孔，用來感測曲軸轉角並將其轉化為電壓脈衝信號，電控單元根據該信號計算髮動機轉速，並控制汽油噴射正時和點火正時。信號盤內圈有一個孔，用來感測第1缸壓縮上止點（在有些SONATA車上，設有兩孔，用來感測第1、4缸的壓縮上止點，目的是為了提高精度），並將它轉換成電壓脈衝信號輸入電控單元，電控單元根據此信號計算出汽油噴射順序。其輸出特性如圖 16所示。

曲軸位置感測器的線路連接如圖 17所示。其內設有兩個發光二極體和兩個光敏二極體，當發光二極體照射到信號盤光孔中的某一孔時，光線便照射到光敏二極體上，使電路導通。

2、光電式曲軸位置感測器的檢測

（1）曲軸位置感測器的線束檢查

圖 18所示為韓國「現代SONATA」汽車光電式曲軸位置感測器連接器（插頭）的端子位置。檢查時，脫開曲軸位置感測器的導線連接器，把點火開關置於「ON」，用萬用表的電壓檔（圖 19）測量線束側4#端子與地間的電壓應為12V，線束側2#端子和3#端子與地間電壓應為4.8-5.2V，用萬用表的電阻檔測量線束側1#端子與地間應為0Ω（導通）。

（2）光電式曲軸位置感測器輸出信號檢測

用萬用表電壓檔接在感測器側3#端子和1#端子上，在起動發動機時，電壓應為0.2-1.2V。在起動發動機后的怠速運轉期間，用萬用表電壓檔檢測2#端子和1#端子電壓應為1.8-2.5V。否則應更換曲軸位置感測器。

三、霍爾式曲軸位置感測器的檢測

霍爾式曲軸位置感測器是利用霍爾效應的原理，產生與曲軸轉角相對應的電壓脈衝信號的。它是利用觸發葉片或輪齒改變通過霍爾元件的磁場強度，從而使霍爾元件產生脈衝的霍爾電壓信號，經放大整形后即為曲軸位置感測器的輸出信號。

1、霍爾式曲軸位置感測器的結構和工作

（1）採用觸發葉片的霍爾式曲軸位置感測器

美國GM公司的霍爾式曲軸位置感測器安裝在曲軸前端，採用觸發葉片的結構型式。在發動機的曲軸皮帶輪前端固裝著內外兩個帶觸發葉片的信號輪，與曲軸一起旋轉。外信號輪外緣上均勻分佈著18個觸發葉片和18個窗口，每個觸發葉片和窗口的寬度為10°弧長；內信號輪外緣上設有3個觸發葉片和3個窗口，3個觸發葉片的寬度不同，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。由於內信號輪的安裝位置關係，寬度為100°弧長的觸發葉片前沿位於第1缸和第4缸上止點（TDC）前75°，90°弧長的觸發葉片前沿在第6缸和第3缸上止點前75°，110°弧長的觸發葉片前沿在第5缸和第2缸上止點前75°。

霍爾信號發生器由永久磁鐵、導磁板和霍爾集成電路等組成。內外信號輪側面各設置一個霍爾信號發生器。信號輪轉動時，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葉片所旁路（或稱隔磁），這時不產生霍爾電壓；當觸發葉片離開空氣隙時，永久磁鐵2的磁通便通過導磁板3穿過霍爾元件這時產生霍爾電壓。將霍爾元件間歇產生的霍爾電壓信號經霍爾集成電路放大整形后，即向ECU輸送電壓脈衝信號,外信號輪每旋轉1周產生18個脈衝信號（稱為18X信號），1個脈衝周期相當於曲軸旋轉20°轉角的時間，ECU再將1個脈衝周期均分為20等份，即可求得曲軸旋轉1°所對應的時間，並根據這一信號，控制點火時刻。該信號的功用相當於光電式曲軸位置感測器產生1°信號的功能。內信號輪每旋轉1周產生3個不同寬度的電壓脈衝信號（稱為3X信號），脈衝周期均為120°曲軸轉角的時間，脈衝上升沿分別產生於第1、4缸、第3、6缸和第2、5缸上止點前75°作為ECU判彆氣缸和計算點火時刻的基準信號，此信號相當於前述光電式曲軸位置感測器產生的120°信號。

（2）採用觸發輪齒的霍爾式曲軸位置感測器

克萊斯勒公司的霍爾式曲軸位置感測器安裝在飛輪殼上，採用觸發輪齒的結構。同時在分電器內設置同步信號發生器，用以協助曲軸位置感測器判別缸號。北京切諾基車的霍爾式曲軸位置感測器，在2.5L四缸發動機的飛輪上有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°。

當飛輪齒槽通過感測器的信號發生器時，霍爾感測器輸出高電位（5V）；當飛輪齒槽間的金屬與感測器成一直線時，感測器輸出低電位（0.3V）。因此，每當1個飛輪齒槽通過感測器時，感測器便產生1個高、低電位脈衝信號。當飛輪上的每一組槽通過感測器時，感測器將產生4個脈衝信號。其中四缸發動機每1轉產生2組脈衝信號，六缸發動機每1轉產生3組脈衝信號。感測器提供的每組信號，可被發動機ECU用來確定兩缸活塞的位置，如在四缸發動機上，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。故利用曲軸位置感測器，ECU可知道有兩個氣缸的活塞在接近上止點。由於第4個槽的脈衝下降沿對應活塞上止點（TDC）前4°，故ECU根據脈衝情況很容易確定活塞上止點前的運行位置。另外，ECU還可以根據各脈衝間通過的時間，計算出發動機的轉速。

2、霍爾式曲軸位置感測器的檢測

霍爾式曲軸位置感測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衝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感測器為例來說明其檢測方法。

曲軸位置感測器與ECU有三條引線相連。其中一條是ECU向感測器加電壓的電源線，輸入感測器的電壓為8V；另一條是感測器的輸出信號線，當飛輪齒槽通過感測器時，霍爾感測器輸出脈衝信號，高電位為5V，低電位為0.3V；第三條是通往感測器的接地線。

（1）感測器電源、電壓的測試

點火開關置於「ON」，用萬用表電壓檔測量ECU側7#端子的電壓應為8V，在感測器導線連接器「A」端子處測量電壓也應為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，對感測器的ABC三個端子間進行測試，當點火開關置於「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動機轉動時，在0.3-5V之間變化，且數值顯示呈脈衝性變化，最高電壓5v，最低電壓0.3V。如不符合以上結果，應更換曲軸位置感測器。

（3）電阻檢測

點火開關置於「OFF」位置，拔下曲軸位置感測器導線連接器，用萬用表Ω檔跨接在感測器側的端子A-B或A-C間，此時萬用表顯示讀數為∞（開路），如果指示有電阻，則應更換曲軸位置感測器。 （通用）公司觸發葉片式霍爾感測器的測試方法與上述相似，只是端子為4個，上止點信號（內信號輪觸發）輸出端與接地端為脈衝電壓顯示

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