汽車曲軸位置傳感器小議

王長建

（廣州市白云工商高級技工學(xué)校，廣東 廣州 510450）

曲軸位置傳感器是現(xiàn)代汽車上重要的傳感器之一。曲軸位置傳感器一旦出現(xiàn)故障，汽車發(fā)動機的經(jīng)濟性能和加速性能都會受到很大影響，嚴(yán)重的還會造成發(fā)動機不能起動。同時，由于曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理相對復(fù)雜，檢測和故障判斷難度較大，因此在專業(yè)教學(xué)和汽車維修作業(yè)中都是一個難點。本人憑著多年對曲軸位置傳感器的研究和理解，現(xiàn)對其進(jìn)行歸納總結(jié)，望對其他教學(xué)工作者、學(xué)生及企業(yè)維修人員有一定的幫助。

1 曲軸位置傳感器的定義與作用

1.1 曲軸位置傳感器的定義

在許多汽車維修書籍中，曲軸位置傳感器單指一個信號即1°信號 （發(fā)動機轉(zhuǎn)過1°轉(zhuǎn)角的信號）。仔細(xì)分析，這種說法是不準(zhǔn)確的，發(fā)動機控制單元只得到1°信號是不能判定曲軸所處的位置的。所以本文所講的曲軸位置傳感器，不是某一個信號或某一個傳感器，而是一組信號。將這一組信號傳遞給發(fā)動機控制單元，再由發(fā)動機控制單元進(jìn)行計算，才可以準(zhǔn)確判斷曲軸所處的位置。具體來說，這一組信號為：1°信號、上止點信號和判缸信號。

1.2 曲軸位置傳感器的作用

發(fā)動機控制單元根據(jù)曲軸位置傳感器提供的信號，確定曲軸所處的位置，保證了噴油正時與點火正時精確進(jìn)行。同時，曲軸位置傳感器中的1°信號也為發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，發(fā)動機控制單元根據(jù)空氣流量計信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號確定基本噴油量。

2 曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

按照曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)區(qū)分，可將其分為：磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器、光電式曲軸位置傳感器、霍爾式曲軸位置傳感器3種類型。

2.1 磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器

2.1.1 結(jié)構(gòu)

磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器主要由信號發(fā)生器和信號盤組成 （圖1）。信號發(fā)生器由永久磁鐵和線圈組成；信號盤為導(dǎo)磁的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有齒。

2.1.2 工作原理

信號盤隨著發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，信號盤上的齒經(jīng)過信號發(fā)生器時，電磁線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生了增加到最大然后減少的過程。增加的過程在線圈里產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，減小的過程在線圈里產(chǎn)生了相反方向的感應(yīng)電壓。信號盤轉(zhuǎn)速越快，線圈內(nèi)磁通量變化率就越大，所產(chǎn)生的感應(yīng)峰值電壓就越高。

2.1.3 基本電路

按照磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器的工作原理，一般產(chǎn)生一個信號只需要兩條線，即信號正和信號負(fù)，但為了防止外界信號的干擾，增加了一條屏蔽線。從線束插頭看就是3條線 （圖2）。

2.2 光電式曲軸位置傳感器

2.2.1 結(jié)構(gòu)

光電式曲軸位置傳感器主要由光電信號發(fā)生器和信號盤組成 （圖3）。光電信號發(fā)生器 （即光電耦合器）一般由發(fā)光二極管和光敏三極管耦合而成，信號盤上有光孔，信號盤處于發(fā)光二極管和光敏三極管之間。

2.2.2 工作原理

信號盤隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)動，信號盤上由于有光孔，所以發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線將間斷地投射在光敏三極管上。當(dāng)光線投射在光敏三極管上時，三極管導(dǎo)通；當(dāng)信號盤遮住了光線時，三極管截止。發(fā)動機運轉(zhuǎn)的過程中光敏三極管處于導(dǎo)通和截止的交替狀態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越快，交替的頻率就越大。

2.2.3 基本電路

從基本電路圖 （圖4）可以看出：當(dāng)三極管導(dǎo)通時，信號電壓U為0；當(dāng)三極管截止時，信號電壓U為5 V。用示波器可以測出0~5 V的方波信號 （圖5）。

2.3 霍爾式曲軸位置傳感器

2.3.1 結(jié)構(gòu)

霍爾式曲軸位置傳感器主要由霍爾發(fā)生器和信號盤組成 （圖6）。霍爾發(fā)生器由霍爾元件和永久磁鐵構(gòu)成；信號盤一般由鐵片制成，有缺口，處于霍爾元件與永久磁鐵之間。

2.3.2 工作原理

要理解霍爾傳感器的工作原理就必須知道霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)指給霍爾元件前后方向通電流，上下垂直方向通磁場。如此一來，霍爾元件左右將產(chǎn)生電壓差，如果磁場消失，霍爾電壓就消失 （圖7）?；魻柺角S位置傳感器就是利用霍爾元件這一特性制作而成的。信號盤隨著發(fā)動機一起旋轉(zhuǎn)，由于信號盤上有缺口，磁力線將間斷地穿過霍爾元件，從而使霍爾元件上產(chǎn)生間斷的電壓。發(fā)動機轉(zhuǎn)速越快，霍爾電壓間斷的頻率也就越高。

2.3.3 基本電路

圖8為霍爾式曲軸位置傳感器的電路圖。從圖8中可以分析出：當(dāng)霍爾電壓產(chǎn)生時，三極管導(dǎo)通，信號電壓U為0；當(dāng)霍爾電壓消失時，信號電壓為12V。用示波器可以測出0~12V的方波信號（參見圖5）。

3 曲軸位置傳感器的歸納分析

通過前面對曲軸位置傳感器的定義、結(jié)構(gòu)與工作原理的理解，可以歸納分析出以下幾點。

1）曲軸位置傳感器安裝的位置

曲軸位置傳感器一定安裝在與曲軸轉(zhuǎn)速相關(guān)的地方，如曲軸上、凸輪軸上、分電器內(nèi)或飛輪上等。但可以明確一點：曲軸位置傳感器中的判缸信號一定要安裝在凸輪軸上或分電器內(nèi) （奇數(shù)缸發(fā)動機可以安裝在曲軸上）。

2）信號盤形狀決定了傳感器產(chǎn)生的具體信號

無論是哪種類型的曲軸位置傳感器，具體產(chǎn)生1°信號、上止點信號還是判缸信號，都是由傳感器的信號盤形狀決定的。如果信號盤上只有一個齒或一個光孔，或者是霍爾式曲軸位置傳感器只有一個窗口，這個信號盤產(chǎn)生的信號一般是判缸信號，當(dāng)然該信號盤還要滿足安裝在分電器內(nèi)或凸輪軸上。如果信號盤上有許多相同的齒、光孔或窗口，這個信號盤產(chǎn)生的信號一般是1°信號。

3）曲軸位置傳感器的檢測

對曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理及電路的理解，是正確檢測曲軸位置傳感器的前提條件，從而可以根據(jù)身邊的檢測工具合理地進(jìn)行檢測并做出判斷。一般情況可以從以下幾方面檢測曲軸位置傳感器：①用萬用表檢測傳感器本身電阻。一般磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器才可以測試電阻，而光電式和霍爾式曲軸位置傳感器內(nèi)部為整形電路，測試其電阻沒有實際的意義。②用萬用表檢測傳感器信號電壓。根據(jù)電路圖及信號波形分析，發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器信號峰值電壓和頻率發(fā)生了變化，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，信號峰值電壓和頻率都變大，如果用萬用表檢測其信號電壓，信號電壓也隨之變大。而光電式和霍爾式曲軸位置傳感器信號峰值電壓和占空比，不會隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化而改變，只是頻率發(fā)生了變化，如果用萬用表檢測其信號電壓，信號電壓將不變。③用示波器檢測傳感器波形。用示波器能非常直觀地觀察傳感器的波形，磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器波形一般為鋸齒波；而光電式和霍爾式曲軸位置傳感器波形為方波。

4）常見車型的曲軸位置傳感器類型與生產(chǎn)廠家

目前汽車上使用霍爾式曲軸位置傳感器的車型較多，常見車型使用曲軸位置傳感器類型與生產(chǎn)廠家見表1。

表1 常見車型使用曲軸位置傳感器類型與生產(chǎn)廠家

4 發(fā)動機控制單元對曲軸位置傳感器的運用

曲軸位置傳感器中的1°信號也為發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，發(fā)動機控制單元根據(jù)空氣流量計信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號確定基本噴油量。同時發(fā)動機控制單元還根據(jù)曲軸位置傳感器發(fā)出的信號判斷曲軸所處的位置，準(zhǔn)確地發(fā)出點火與噴油指令。下面以帕薩特B5為例，說明發(fā)動機控制單元是如何根據(jù)曲軸位置傳感器信號來判斷曲軸所處的位置。

帕薩特B5發(fā)動機為雙缸同時點火，順序噴射。曲軸位置傳感器共有3個信號，分別為：1°信號（發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號）、上止點信號 （點火基準(zhǔn)信號）、判缸信號。其中1°信號與上止點信號由安裝在曲軸后端的電磁感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生，而判缸信號由安裝在凸輪軸前端的霍爾式傳感器產(chǎn)生。電磁感應(yīng)式傳感器的信號盤在圓周上等分布置著60個齒，其中空缺兩個齒。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，感應(yīng)線圈中產(chǎn)生交變電壓信號，相鄰的兩個信號表示曲軸轉(zhuǎn)過6°，發(fā)動機控制單元再把該信號平均分為6份就得到1°信號。而缺齒經(jīng)過感應(yīng)線圈時便產(chǎn)生一個畸變的交變電壓信號，該信號產(chǎn)生在1缸上止點前70°，為1缸上止點信號。假設(shè)，發(fā)動機控制單元根據(jù)多方面的信號確定即將點火的1缸點火提前角為17°，這樣發(fā)動機控制單元在得到1缸上止點信號后開始記1°信號。在曲軸再轉(zhuǎn)過53°時發(fā)動機控制單元發(fā)出點火命令，這樣1缸點火剛好在1缸上止點前17°產(chǎn)生。

由于帕薩特B5發(fā)動機為雙缸同時點火，在1缸點火的同時與之同步的4缸也點火，所以發(fā)動機控制單元在發(fā)出點火指令的時候，不需要判斷是壓縮行程還是排氣行程。因此在雙缸同時點火的發(fā)動機中，發(fā)動機控制單元只需要上止點信號和1°信號就可以完成點火控制。如果發(fā)動機為順序點火，就一定要判缸信號，發(fā)動機控制單元才能分辨出壓縮行程還是排氣行程。

帕薩特B5的發(fā)動機為順序噴射，噴油正時為排氣上止點前，發(fā)動機控制單元在確定某一缸排氣上止點前具體某一位置時，就必需得到1°信號和判缸信號。發(fā)動機控制單元在得到1°信號和判缸信號后，具體確定曲軸位置的過程與點火過程一樣。

5 曲軸位置傳感器常見故障及其對發(fā)動機的影響

1）曲軸位置傳感器無1°信號或信號很弱。如果出現(xiàn)這種情況，發(fā)動機控制單元將無法確定曲軸所處的位置，且不能準(zhǔn)確地發(fā)出點火指令。發(fā)動機控制單元得不到1°信號，則發(fā)動機無法起動。

2）無判缸信號或信號很弱。如果出現(xiàn)這種情況，對發(fā)動機的影響還要看判缸信號具體起什么作用。如果判缸信號只是噴油基準(zhǔn)信號，而不是點火基準(zhǔn)信號，則發(fā)動機可以工作，故障現(xiàn)象不明顯，對發(fā)動機的經(jīng)濟性和動力性有一定影響。

3）無上止點信號或信號很弱。如果出現(xiàn)這種情況，也要看上止點信號具體起什么作用。一般來講，上止點信號都作為點火基準(zhǔn)信號。所以，無上止點信號或信號很弱時，發(fā)動機將無法起動。

6 結(jié)束語

通過上述對曲軸位置傳感器的各方面分析，希望與同行、學(xué)生及企業(yè)維修人員共同探討?，F(xiàn)代汽車集成了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，這給汽車維修人員提出了更高的要求。只有系統(tǒng)地學(xué)習(xí)現(xiàn)代汽車控制技術(shù)，更重要的是學(xué)會歸納總結(jié)，才能在學(xué)習(xí)與工作中提高品質(zhì)與效果。

［1］夏令偉.汽車電控發(fā)動機構(gòu)造與維修［M］.北京：人民交通出版社，2002：35-37.

［2］蔡秀琴.曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)、原理與檢測診斷［J］.新疆農(nóng)機化，2005,(1)：60. （編輯羅茜）