第一節　曲軸位置傳感器

一、概述

曲軸位置傳感器（Crankshaft Position Sensor，CPS），又稱為發動機轉速與曲軸轉角傳感器，其作用是采集曲軸轉動角度和發動機轉速信號，并輸入ECU，以便確定噴射順序、噴射正時、點火順序、點火正時，然后根據信號監測到的曲軸轉角波動大小來判斷發動機是否有失火現象。它是發動機集中控制系統最主要的傳感器之一，是控制發動機燃油噴射和點火時刻，確認曲軸位置的信號源，同時也是測量發動機轉速的信號源。曲軸位置傳感器用來檢測活塞上止點及曲軸轉角的信號并將其輸入發動機ECU，用來對點火時刻和噴油正時進行控制。

在現代電控發動機上，曲軸位置傳感器和發動機轉速傳感器制成一體，既可用于發動機曲軸位置、活塞上止點位置的測定，又可用于發動機轉速的測定。曲軸位置傳感器一般安裝于曲軸前端、靠近飛輪的變速器殼體位置，如圖2-1所示。該傳感器按其工作原理的不同可分為磁感應式曲軸位置傳感器、霍爾式曲軸位置傳感器和光電式曲軸位置傳感器等。

二、磁感應式曲軸位置傳感器

1．結構原理

磁感應式曲軸位置傳感器，又稱為磁脈沖式傳感器、可變磁阻式傳感器。主要由導磁材料制成的信號轉子、永久磁鐵、信號線圈等組成，傳感器的位置是固定的，軟磁鐵頭與信號轉子齒間必須保持一定間隙，如圖2-2所示。

傳感器插頭接線形式主要有二線制和三線制兩種。二線制的兩根線為信號回路線，信號正負交替變化，三線制中多出的一根線為屏蔽線。

① 當信號轉子凸齒靠近傳感器時，磁頭與齒間隙逐漸縮小，磁路中的磁阻逐漸減小，傳感器的磁場便開始產生集中的現象，磁場強度增大，磁通量的變化率也逐漸增大，因此產生一個逐漸增大的正的感應電動勢。磁場的變化越大，則感應出的電壓也越強。其相對位置如圖2-3（a）所示；磁通量和感應電動勢的變化如圖2-4的ab段所示。

② 當凸齒繼續靠近磁頭時，磁通量仍在增大，但磁通量的變化率則減小，因此產生一個正的、逐漸減小的感應電動勢，其相對位置如圖2-3（b）所示；磁通量和感應電動勢的變化如圖2-4的bc段所示。

③ 當信號轉子凸齒與磁頭對齊成一條直線時，磁頭與齒間隙最小，磁路中的磁阻最小，磁場強度最強，磁通量最大。但在該點磁場強度沒有變化，磁場變化率為0，所以感應電壓和電流強度為0。其相對位置如圖2-3（c）所示；磁通量和感應電動勢的變化如圖2-4的c點所示。

④ 信號轉子凸齒繼續轉動，其相對位置如圖2-3（d）所示，凸齒遠離磁頭準備離開傳感器時，兩者間隙逐步變大，磁路中的磁阻逐漸增大，磁通量逐漸減小，但磁通量的變化率仍逐漸增大，所以產生一個負的但絕對值仍逐漸增大的感應電動勢，如圖2-4的cd段所示。

⑤ 當凸齒繼續轉動離開磁頭時，磁路中的磁阻繼續增大，磁通量繼續減小，磁通量的變化率也逐漸減小，因此產生一個負的絕對值逐漸減小直至為0的感應電動勢。其相對位置如圖2-3（e）所示；磁通量和感應電動勢的變化如圖2-4的de段所示。

2．2011年款捷達轎車曲軸位置傳感器的檢測

（1）結構原理　捷達轎車的磁感應式曲軸位置傳感器安裝在氣缸體左側、發動機后端靠近飛輪處，零件編號G28。傳感器用螺釘固定在發動機缸體上，信號轉子為齒盤式，齒數為60-2齒，即在原來為60齒的圓周上，切掉兩個齒，形成在其圓周上均勻間隔的58個凸齒、57個小齒缺和1個大齒缺。因為原來的60個齒在圓周上呈均勻分布，齒與齒的間隔度數為360°/60=6°，因此每個凸齒和小齒缺所占的曲軸轉角均為3°。曲軸旋轉一圈360°，將會產生58個脈沖信號。大齒缺所占的弧度相當于兩個凸齒和3個小齒缺所占的弧度，大齒缺所占總的曲軸轉角為15°（2×3°+3×3°=15°）。大齒缺輸出基準信號，對應發動機氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。

信號轉子上設有一個產生基準信號的大齒缺，所以當大齒缺轉過磁頭時，信號電壓所占的時間較長，即輸出信號為一個寬脈沖信號，該信號對應于氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。ECU接收到寬脈沖信號時，便可知道氣缸1或氣缸4上止點位置即將到來，至于即將到來的是氣缸1還是氣缸4，則需根據凸輪軸位置傳感器輸入的信號來確定。由于信號轉子上有58個凸齒，因此信號轉子每轉一圈（發動機曲軸轉一圈），傳感線圈就會產生58個交變電壓信號輸入ECU。因此，ECU每接收到曲軸位置傳感器58個信號，就可知道發動機曲軸旋轉了一圈。依此類推，ECU根據每分鐘接收曲軸位置傳感器脈沖信號的數量，便能計算出發動機曲軸旋轉的轉速和曲軸的位置。其位置如圖2-5所示，曲軸位置傳感器的輸出波形如圖2-6所示。

曲軸位置傳感器G28的安裝位置如圖2-7所示，曲軸位置傳感器電路如圖2-8所示。端子T3i/2為傳感器其中一極，與ECU的T80/64端子相連；端子T3i/3與ECU的T80/53端子相連；端子T3i/1為屏蔽線端子，在發動機線束內的搭鐵連接。

（2）檢測

① 故障征兆檢測。在發動機運行中，當曲軸位置傳感器出現故障時，會導致信號中斷，發動機不能啟動或在運行時立即熄火，這時ECU可以診斷到故障并進行故障碼存儲。

② 曲軸位置傳感器的電阻檢查。關閉點火開關，拔下傳感器插接器插頭，檢測傳感器上端子3和端子2之間的電阻，應為450～1000Ω。若電阻為無窮大，則說明信號線圈存在斷路，應更換傳感器。檢查傳感器上端子T3i/3或端子T3i/2與屏蔽線端子T3i/1之間的電阻，應為無窮大；如果電阻不是無窮大，則應更換傳感器。

③ 信號轉子與磁頭間的間隙檢查。用塞尺檢查信號轉子與磁頭間的間隙，該間隙的標準值為0.2～0.5mm；若該值不在標準值范圍內，則需進行調整。

④ 輸出電壓測量。用萬用表的交流電壓擋，在線路正常連接、發動機運轉時測量端子T3i/3與端子T3i/2之間的電壓，該電壓值在0.2～2V范圍內波動。

⑤ 檢查傳感器與ECU之間的連接線束。分別檢查T3i/2與ECU T80/64端子、T3i/3與ECU T80/53端子、T3i/1端子與發動機線束內電源線之間的電阻值，應不超過1.5Ω；如果電阻為無窮大，則說明存在導線斷路或接觸不良，需進行維修。

⑥ 利用VAS 5052故障診斷儀通過故障診斷插座可以讀取故障信息，如果曲軸位置傳感器發生故障，則會出現故障碼00513——發動機轉速傳感器G28故障。

3．2006年款凱美瑞曲軸位置傳感器的檢測

2006年款凱美瑞曲軸位置傳感器安裝在曲軸正時護罩內，曲軸的正時轉子由34個齒組成，帶有2個齒缺。曲軸位置傳感器每轉過10°便輸出曲軸旋轉信號，齒缺用于確定上止點，曲軸位置傳感器的安裝位置如圖2-9所示。磁電感應式曲軸位置傳感器的檢測方法如下。

① 曲軸位置傳感器的電阻檢查。關閉點火開關，拔下傳感器插接器插頭，檢查傳感器上端子122和端子121之間的電阻，20℃時應為1850～2450Ω；若電阻為無窮大，則說明信號線圈存在斷路，應更換傳感器。其電路圖如圖2-10所示。

② 檢查傳感器上端子122或端子121與屏蔽線端子之間的電阻，應為無窮大；如果電阻不是無窮大，則應更換傳感器。

三、霍爾式曲軸位置傳感器

霍爾式曲軸位置傳感器是利用霍爾效應原理，產生與曲軸轉角相對應的電壓脈沖信號的。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沖的霍爾電壓信號，經放大整形后即為曲軸位置傳感器的輸出信號。它可分為觸發葉片式和觸發輪齒式兩種曲軸位置傳感器。

1．霍爾元件工作原理

如圖2-11所示，把一塊半導體基片（霍爾元件）放在磁場中。當在與磁場垂直的方向上通以電流時，在與磁場和電流相垂直的另外橫向側面上會產生電壓。這種現象是1879年正在就讀于美國霍普金斯大學的物理學家霍爾發現的，因此命名為霍爾效應。

實驗證明：霍爾效應中產生的電壓UH（霍爾電壓）大小與通過半導體基片的電流I和磁場的磁感應強度B成正比，與基片的厚度d成反比，即

式中　UH——霍爾電壓，V；

　　　RH——霍爾系數，m3/C；

　　 　d——半導體基片厚度，m；

　　 　I——電流強度，A；

　　　B——磁感應強度，T。

由上式可知，當通過的電流I為定值時，產生的霍爾電壓UH與磁感應強度B成正比。即霍爾電壓隨磁感應強度的大小而變化。當B≠0時，半導體產生霍爾電壓；當B=0時，霍爾電壓降為0。這一原理在汽車上被廣泛使用。

2．觸發葉片霍爾式曲軸位置傳感器

（1）結構　觸發葉片霍爾式曲軸位置傳感器的結構如圖2-12所示，主要由觸發葉輪、霍爾集成電路、導磁鋼片（磁扼）與永久磁鐵等組成。觸發葉輪安裝在轉子軸上，葉輪上制有葉片。霍爾集成電路由霍爾元件、放大電路、穩壓電路、溫度補償電路、信號變換電路和輸出電路等組成。其中觸發葉輪安裝在轉子軸上，隨轉子軸一起轉動；當曲軸帶動轉子軸轉動時，觸發葉輪隨其一起轉動，葉片便在霍爾集成電路與永久磁鐵之間轉動。

（2）工作原理　當觸發葉輪隨轉子軸一同轉動時，葉片便在霍爾集成電路與永久磁鐵之間轉動，霍爾式集成電路中的磁場就會發生變化，霍爾元件中就會產生霍爾電壓，經過信號處理電路處理后，就可輸出方波信號。當傳感器軸轉動時，觸發葉輪的葉片便從霍爾集成電路與永久磁鐵之間的氣隙中轉過。當葉片進入氣隙時，霍爾集成電路中的磁場被葉片旁路，如圖2-12（a）所示，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級的三極管截止，傳感器輸出的信號電壓U0為高電平（實測表明：當電源電壓UCC=14.4V時，信號電壓U0=9.8V；當電源電壓UCC=5V時，信號電壓U0=0.1～0.3V）。

當葉片離開氣隙時，永久磁鐵的磁通便經霍爾集成電路和導磁鋼片構成回路，如圖2-12（b）所示，此時霍爾元件產生電壓（UH=1.9～2.0V），霍爾集成電路輸出級的三極管導通，傳感器輸出的信號電壓U0為低電平（實測表明：當電源電壓UCC=14.4V或UCC=5V時，信號電壓U0=0.1～0.3V）。

ECU便根據輸入的脈沖信號計算出曲軸的轉角及活塞上止點位置，從而對發動機的點火和噴油時刻進行控制。

3．觸發輪齒霍爾式曲軸位置傳感器

（1）結構　觸發輪齒霍爾式曲軸位置傳感器即差動霍爾式曲軸位置傳感器，也叫雙霍爾式曲軸位置傳感器，其結構與磁脈沖式曲軸位置傳感器相似，由帶凸齒的信號轉子和霍爾信號發生器組成。其基本結構和輸出信號電壓波形如圖2-13所示。

（2）工作原理　觸發輪齒霍爾式曲軸位置傳感器的工作原理與觸發葉片霍爾式曲軸位置傳感器的工作原理相同。觸發輪齒霍爾式曲軸位置傳感器的信號轉子即凸齒轉子安裝在發動機曲軸上（部分汽車以發動機的飛輪為信號轉子），當發動機曲軸或飛輪轉動時，傳感器的信號轉子隨其一起轉動，從而使信號轉子的齒缺與凸齒轉過霍爾電路（與觸發葉片式霍爾電路相同，由霍爾元件、放大電路、穩壓電路、溫度補償電阻、信號變換電路和輸出電路等組成）的探頭，使齒缺或凸齒與霍爾探頭之間的氣隙發生變化，磁通量隨之變化，即磁場強度B發生變化。根據霍爾效應，在傳感器的霍爾元件中就會產生交變電壓信號，如圖2-13（b）所示，其輸出電壓由兩個霍爾信號電壓疊加而成。因為輸出信號為疊加信號，所以轉子凸齒與信號發生器之間的氣隙可以增大到1.0mm±0.5mm（普通霍爾式傳感器僅為0.2～0.4mm），從而便可將信號轉子設置成像磁感應式傳感器轉子一樣的齒盤式結構，其突出優點是信號轉子便于安裝。

汽車上用霍爾式傳感器一般為三線或兩線。三線：第一根為電源線，供給工作電壓，一般為12V，也有的用8V、5V或9V；第二根為信號線，需要提供5V參考電壓，通過三極管的導通或關閉，實現0和5V的脈沖變化；第三根為搭鐵線。兩線：一根為電源線、一根為信號線。

4．上海別克轎車觸發葉片霍爾式曲軸位置傳感器的檢測

24X曲軸位置傳感器為3導線觸發葉片霍爾式傳感器，位于發動機右側，曲軸端部，如圖2-14所示。24X曲軸位置傳感器主要由葉輪和信號發生器組成。信號發生器用螺栓連接在正時鏈條蓋前端，葉輪安裝于曲軸配重后部。葉輪上均布有24個葉片和窗口，曲軸每轉一圈，傳感器便產生24個脈沖信號。24X參照信號直接送給PCM，用于改善發動機的怠速點火控制。在1200r/min的發動機轉速下，PCM采用24X參照信號計算發動機轉速和曲軸位置。PCM連續監視24X參照電路上的脈沖數，并將24X參照脈沖數與正在接收的3X參照脈沖數和凸輪軸信號脈沖數進行對比。如果PCM接收的24X參照電路脈沖數不正確，將設置故障碼DTC P0336，且PCM將利用3X參照信號電路控制燃油和點火。發動機將繼續啟動并僅采用3X參照信號和凸輪位置信號運行。

24X曲軸位置傳感器與PCM的連接電路如圖2-15所示。24X曲軸位置傳感器的插頭端子如圖2-16所示，其中A端子為電源線，B端子為信號線，C端子為搭鐵線。24X曲軸位置傳感器的檢測方法如下。

（1）檢測傳感器的輸出信號　關閉點火開關，在曲軸位置傳感器的信號線路上串接一個無源試燈（或發光二極管），啟動發動機，觀察燈（或發光二極管）的閃爍情況，試燈（或發光二極管）應有規律閃爍，否則表明曲軸位置傳感器信號不良。

（2）檢測傳感器的電源電壓　關閉點火開關，拔下曲軸位置傳感器的3芯插頭，打開點火開關，用萬用表電壓擋測量曲軸位置傳感器端子A與搭鐵之間的電壓值，應為12V（蓄電池電壓），否則表明曲軸位置傳感器的電源線路不良。

5．大眾CC曲軸位置傳感器檢測

由于霍爾式曲軸位置傳感器具有能克服電磁式傳感器輸出信號電壓幅值隨車轉速變化而變化，響應頻率不高，以及抗電磁波干擾能力差等缺點，因而其被廣泛應用于汽車。

（1）結構　隨著科學技術的發展，現代制造業對汽車生產技術要求不斷提高，同時為降低汽車生產成本，近年來，越來越多的汽車采用一種新型霍爾式曲軸位置傳感器。普通霍爾式曲軸位置傳感器有三根引線，分別為電源線、信號線和搭鐵線，而新型霍爾式曲軸位置傳感器只有兩根引線，如圖2-17所示，分別為電源線和信號線。新型霍爾式曲軸位置傳感器與普通霍爾式曲軸位置傳感器的輸出信號均為方波脈沖信號，占空比范圍為30％～70%，一般為50%，如圖2-18所示，但輸出信號的高、低電壓存在差異。新型霍爾式曲軸位置傳感器輸出信號的高、低電壓不受速度影響。主要由電控單元內部的電阻R決定，電阻R一定，高、低電壓便一定，即使轉速很低，發動機電控單元仍能檢測到輸出信號電壓，這就克服了電磁式曲軸位置傳感器輸出信號電壓隨轉速變化而變化的缺點。

（2）檢測　大眾CC汽車發動機曲軸位置傳感器與發動機ECU的連接如圖2-19所示。

① 工作電壓的檢測。拔掉曲軸位置傳感器插頭，打開點火開關，用萬用表的電壓擋測量線束側T2jp/1端與搭鐵是否有約為5V電壓。如果沒有，則檢查插頭端子T2ip/1與控制單元T60/51的線束導通性。如果導通，說明控制單元故障。

② 檢測傳感器的輸出信號。關閉點火開關，在曲軸位置傳感器的信號線路T2jp/1與T2jp/2端子上串接一個發光二極管試燈，啟動發動機，觀察發光二極管試燈的閃爍情況。試燈應有規律閃爍，否則說明曲軸位置傳感器信號不良。如二極管試燈不閃爍，應檢查T2jp/2端子與控制單元的T60/36線束的導通性。如果導通，檢查端子T2jp/1與搭鐵應有5V電壓。電壓正常，說明傳感器故障，否則說明控制單元故障。

6.霍爾傳感器失靈的診斷方法

① 檢查霍爾傳感器線路有無斷路或短路，以及連接器端子有無腐蝕。

② 清潔霍爾傳感器頭部。

③ 檢查霍爾傳感器的供電與搭鐵情況。

④ 用示波器讀取波形，波形應為方波信號。

⑤ 串接一個發光二極管，啟動發動機，觀察發光二極管的閃爍情況，發光二極管應有規律閃爍，否則說明曲軸位置傳感器信號不良。

四、光電式曲軸位置傳感器

1．結構原理

光電式曲軸位置傳感器由發光二極管和光敏三極管及轉盤等組成（圖2-20）。它通常安裝在分電器內（圖2-21）。在分電器底板上固定著由兩對發光二極管和光敏三極管組成的信號發生器。分電器軸上裝有轉盤，盤上開有弧形槽。在轉盤隨分電器軸轉動時，弧形槽交替地阻斷從發光二極管射向光敏三極管的光線，使光敏三極管導通或截止，由此產生脈沖信號。轉盤外圈弧形槽的個數與氣缸數目相同，與它對應的一對發光二極管和光敏三極管產生各缸活塞到達上止點的基準信號（Ne信號）及轉速信號；轉盤內圈的弧形槽只有一個，與它對應的發光二極管和光敏三極管產生第一缸活塞到達上止點的基準信號（G信號），見圖2-21（b）。

光電式曲軸位置傳感器輸出信號和霍爾式曲軸位置傳感器一樣，也是矩形脈沖信號，它也能檢測轉速很低的運動狀態。其缺點是必須保持發光二極管和光敏三極管表面的清潔，否則就會影響傳感器的工作。

2．控制電路

光電式曲軸位置傳感器內部的光電元件及放大電路都需要電源才能正常工作，它通常利用蓄電池提供的12V電壓作為工作電源。光電式曲軸位置傳感器的控制電路和霍爾式曲軸位置傳感器完全相同，由電源線、搭鐵線和信號線組成（圖2-22）。

在傳感器內部的放大電路中，用光敏三極管組成一個晶體管開關電路，ECU中的5V基準電壓通過一個較大的電阻后施加在晶體管開關電路上（圖2-22）。當發光二極管的光線照射到光敏三極管上時，開關電路處于飽和狀態，此時傳感器的信號輸出端與搭鐵導通，5V電壓經過ECU中的電阻后在該端子處被短路，其電壓變為0；當發光二極管的光線被轉子遮住時，晶體管開關電路處于截止狀態，使傳感器的信號輸出端相對于搭鐵開路，其電壓變為5V。由此可知，和霍爾式曲軸位置傳感器一樣，光電式曲軸位置傳感器的輸出信號電壓也是通過信號輸出端相對于搭鐵端導通狀態的改變，由ECU施加在該端子上的電壓產生的，在傳感器轉子轉動一圈的過程中，傳感器輸出和轉子葉片（或窗口）數目相同的、幅值為5V的矩形電壓脈沖信號。