第二節 凸輪軸位置傳感器
凸輪軸位置傳感器（Camshaft Position Sensor，CMP），又稱凸輪軸轉角傳感器、相位傳感器、同步信號傳感器、缸位傳感器（Cylinder Position Sensor，CYP）、氣缸識別傳感器（Cylinder Identify Sensor，CIS）、氣缸位置傳感器（CID），有的車上還稱為1缸上止點傳感器（No.1 Top Dead Center Sensor，No.1 TDC）。
一、概述
凸輪軸位置傳感器的作用主要是檢測凸輪軸位置和轉角，從而確定第一缸活塞的壓縮上止點位置。在啟動時，發動機ECU根據凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器提供的信號，識別出各個氣缸活塞的位置和行程，控制燃油噴射順序和點火順序，進行準確的噴油和點火控制。在發動機啟動期間，凸輪軸位置傳感器是一個關鍵性的輸入。在某些車型上，如果沒有凸輪軸位置傳感器的輸入，發動機將不能正常啟動。一旦發動機正常運轉，在下一個點火循環之前，就不再需要凸輪軸位置傳感器信號。這是因為ECU已經確定了第1缸的壓縮上止點位置，發動機ECU利用曲軸位置傳感器信號，便可推算出其他各缸的工作情況。
隨著可變氣門正時技術的出現和發展，凸輪軸位置傳感器也被賦予了新的內涵，除了在啟動時用于壓縮上止點判定外，在發動機正常工作后，還要肩負起監控可變的進氣或排氣凸輪是否達到預定位置的重任。
按照工作原理的不同，凸輪軸位置傳感器可分為霍爾式、磁阻式、磁電式、光電式。
二、霍爾式凸輪軸位置傳感器
1．結構
波羅1.4L 16氣門55kW發動機采用霍爾式凸輪軸位置傳感器，如圖2-23所示，霍爾式凸輪軸位置傳感器位于凸輪軸殼體的飛輪一端，在進氣凸輪軸上方。連接到進氣凸輪軸的是三個鑄模齒，霍爾式凸輪軸位置傳感器對其進行掃描。
圖2-23 霍爾式凸輪軸位置傳感器安裝位置
由霍爾式凸輪軸位置傳感器和發動機轉速傳感器提供的信號被用來確定第一缸的上止點。該信息被用來對各個氣缸的爆震和點火順序噴射進行控制。
如果傳感器出現故障，發動機繼續運轉并可以重新啟動，此時，發動機控制單元進入緊急運行模式。氣缸內的噴油是同時進行的，而不再是順序進行的。
如圖2-24所示，霍爾式凸輪軸位置傳感器同節氣門電位計G69一起由發動機控制單元提供電源。
圖2-24 霍爾式凸輪軸位置傳感器的電路結構
2．工作過程
如圖2-25所示，當一個齒通過霍爾式凸輪軸位置傳感器時會產生一個霍爾電壓。霍爾電壓脈沖的持續時間取決于齒的長度。該霍爾電壓被傳遞到發動機控制單元并在那里被運算?；魻栯妷盒盘柨梢允褂肰AS 5051的數字式示波儀顯示。
圖2-25 霍爾信號的產生
（1）第一缸識別功能 如圖2-26所示，如果發動機控制單元從霍爾式凸輪軸位置傳感器接收到霍爾電壓的同時，也從發動機轉速傳感器接收到參考標記信號，則表明發動機處于第一缸的壓縮沖程。發動機控制單元計算轉速傳感器輪在參考標記后的齒數，并據此計算出曲軸的位置，如參考標記后的14齒對應于第一缸的上止點。
圖2-26 第一缸識別功能
（2）快速起動識別功能 如圖2-27所示，僅僅使用3個齒就可以確定凸輪軸相對于曲軸的瞬間位置。這樣第一個壓縮循環就可以盡快地開始，發動機可以更快地啟動。
圖2-27 快速啟動識別功能
3．檢測
新款捷達霍爾式凸輪軸位置傳感器（簡稱霍爾傳感器）向ECU J361提供第一缸點火位置信號，故又稱為判缸傳感器?；魻杺鞲衅靼惭b在氣缸蓋前端凸輪軸正時齒輪之后，如圖2-28所示?；魻杺鞲衅魇且粋€電子開關，按霍爾原理工作?；魻杺鞲衅鞲舭迳嫌幸粋€霍爾窗口，曲軸每轉兩周產生一個信號，根據霍爾傳感器信號和發動機轉速傳感器的點火時間信號，ECU識別出一缸點火上止點，其電路圖如圖2-29所示。
圖2-28 霍爾式凸輪軸位置傳感器的外形及結構
1—凸輪軸正時齒輪；2—信號轉子；3—霍爾信號發生器
圖2-29 凸輪軸位置傳感器的電路連接
G40—霍爾傳感器；G42—進氣溫度傳感器；G71—進氣壓力傳感器；J361—發動機控制單元；
T3a—3芯黑色插頭連接；T4g—4芯灰色插頭連接；T80—80芯黑色插頭連接；
—發動機線束中
的接地連接（傳感器接地）；
—噴射裝置線束中的正極連接
（1）檢測霍爾傳感器的供電電壓
① 關閉點火開關。
② 拔下霍爾傳感器的3芯插頭。
③ 打開點火開關，用萬用表的電壓擋測量3芯插頭的T3a/1與T3a/3兩端子之間的電壓約為5V。
④ 用萬用表電壓擋測量T3a/2與T3a/3兩端子（之間）的電壓值約為12V（蓄電池電壓）。
（2）檢測霍爾傳感器的線束導通性
① 關閉點火開關。
② 拔下控制單元J361的連接插頭。
③ 拔下霍爾傳感器的3芯插頭。
④ 用萬用表電阻擋測量3芯插頭的T3a/1端子與ECU J361的T80/82端子之間，應導通。
⑤ 測量3芯插頭上T3a/2端子與控制單元J361的T80/60端子之間，應導通。
⑥ 測量3芯插頭上T3a/2端子與220發動機線束內傳感器搭鐵之間，應導通。
（3）霍爾傳感器工作情況的檢測
① 關閉點火開關。
② 拔下燃油泵G6的熔絲S37號（20A）。
③ 釋放燃油系統的壓力。
④ 將二極管連接到傳感器T3a/1與T3a/3端子之間。
⑤ 短暫啟動發動機檢測二極管，二極管應有規律地閃爍。
三、磁阻式凸輪軸位置傳感器
1．磁阻效應
利用磁阻效應制成的磁敏電阻元件稱為磁阻元件（Magneto Resistance Element，MRE）。磁阻效應是指半導體材料的電阻值隨與電流相同或垂直方向的磁場強弱而變化的現象，如圖2-30所示。在一個長方形半導體元件的兩端面通電，在無磁場時，電流電極間的電阻值取最小電流分布。當長方形元件處于磁場中時，由于兩電極間的電流路徑因磁場作用而增長，從而使電極間的電阻值增加。利用磁阻效應，可實現磁和電向電阻的轉換。對于非鐵磁性物質，外加磁場通常能使其電阻率增加，即產生正的磁阻效應。
圖2-30 磁阻效應
2．檢測原理
磁阻式凸輪軸位置傳感器的結構如圖2-31所示。當傳感器的磁頭正對轉子凹槽時，磁力線向兩側的葉片分布構成閉合磁路，此時磁阻元件電阻較小，通過磁阻元件的磁力線較少，磁場強度較弱，且磁力線與磁阻元件成一定角度，如圖2-32（a）所示，此時磁阻元件輸出5V高電平信號。當磁阻傳感器的磁頭正對轉子葉片時，磁力線通過正對的葉片構成閉合磁路，此時磁阻元件電阻較大，通過磁阻元件的磁力線較多，磁場強度較強，且磁力線與磁阻元件垂直，如圖2-32（b）所示，此時磁阻元件輸出0V低電平信號。
圖2-31 磁阻式曲軸位置傳感器的結構
圖2-32 磁阻式曲軸位置傳感器的工作原理
因此，隨著轉子的旋轉，葉片的凸起與凹槽交替變化，引起通過磁阻元件的磁力線的強弱和角度發生改變，由于磁阻效應的作用，磁阻元件的電阻也發生變化，通過MRE裝置的電流也隨之改變，這種電流的變化由信號放大電路、濾波電路和整形電路轉換成二進制數字信號，并輸送給發動機ECU。發動機ECU根據此信號判別進、排氣凸輪軸的位置。
磁阻傳感器具有體積小、結構簡單、精度高、靈敏度高、分辨率高、輸出信號幅值大、抗電磁干擾能力強、耐油污粉塵、穩定性和可靠性良好、工作溫度范圍寬等特點，而且頻率特性優良，在靜止狀態下也有信號輸出。
3．控制電路
磁阻式凸輪軸位置傳感器控制電路（圖2-33）的形式與霍爾式凸輪軸位置傳感器、光電式凸輪軸位置傳感器的完全相同，由電源線、搭鐵線和信號線組成；用蓄電池提供的12V電壓或ECU提供的5V電壓作為工作電源；其輸出信號也是通過一個三極管開關電路的飽和或截止狀態的變化，使信號輸出端改變與搭鐵端的導通狀態，由ECU通過一個電阻后施加在該端子上的5V電壓產生的。在傳感器轉子轉動一圈的過程中，傳感器輸出與轉子的凸齒或葉片數目相同的、幅值為5V的矩形電壓脈沖信號。
圖2-33 磁阻式凸輪軸位置傳感器的控制電路
4．檢測
豐田系列新皇冠、漢蘭達、雷克薩斯以及紅旗HQ300等發動機智能可變氣門正時系統VVT-i采用磁阻式凸輪軸位置傳感器，在每個氣缸組上的進、排氣凸輪軸上都裝有1個磁阻式凸輪軸位置傳感器（也稱為磁阻式VVT傳感器，共4個），其安裝位置如圖2-34所示。
圖2-34 磁阻式凸輪軸位置傳感器的安裝位置
進、排氣凸輪軸上凸輪軸位置傳感器正時轉子有三個凸起，所對應的凸輪軸角分別為90°、60°、30°，即所對應的曲軸轉角為180°、120°、60°，曲軸每旋轉兩周，進、排氣凸輪軸旋轉一圈，產生3個大小不同的脈沖，智能可變氣門正時系統通過凸輪軸位置傳感器的檢測，由ECU占空比控制油壓控制電磁閥，從而把進、排氣凸輪軸分別控制在40°和35°曲軸轉角之間，提供最適合發動機工作特性的氣門正時，改善發動機所有轉速范圍內的轉矩，提高燃油經濟性，減少污染物的排放。磁阻式凸輪軸位置傳感器的連接電路如圖2-35所示，信號波形如圖2-36所示。
圖2-35 磁阻式凸輪軸位置傳感器的連接電路
圖2-36 磁阻式凸輪軸位置傳感器數字信號波形
（1）工作電壓的檢測 關閉點火開關，斷開凸輪軸位置傳感器，打開點火開關至“ON”位置，用萬用表檢查VC端子與VV-端子之間的電壓，應為5V，如果沒有5V電壓，則應分別檢查與ECU間線路的連接情況，如果線路正常，則說明發動機ECU有故障。
（2）參考電壓的檢測 關閉點火開關，斷開凸輪軸位置傳感器，打開點火開關至“ON”位置，用萬用表檢查VV+端子與VV-端子之間的電壓，應為4.6V，如果沒有4.6V電壓，則應檢查VV+與ECU之間線路的連接情況，如果線路正常，則說明發動機ECU有故障。
（3）波形檢測 在線路正常連接的情況下，使發動機運轉，用示波器檢測輸出信號，其標準波形應與圖2-36所示的波形相同。