第二節(jié)　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(zhuǎn)角傳感器、相位傳感器、同步信號(hào)傳感器、缸位傳感器（Cylinder Position Sensor，CYP）、氣缸識(shí)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(diǎn)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(cè)凸輪軸位置和轉(zhuǎn)角，從而確定第一缸活塞的壓縮上止點(diǎn)位置。在啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器提供的信號(hào)，識(shí)別出各個(gè)氣缸活塞的位置和行程，控制燃油噴射順序和點(diǎn)火順序，進(jìn)行準(zhǔn)確的噴油和點(diǎn)火控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間，凸輪軸位置傳感器是一個(gè)關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)將不能正常啟動(dòng)。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在下一個(gè)點(diǎn)火循環(huán)之前，就不再需要凸輪軸位置傳感器信號(hào)。這是因?yàn)镋CU已經(jīng)確定了第1缸的壓縮上止點(diǎn)位置，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU利用曲軸位置傳感器信號(hào)，便可推算出其他各缸的工作情況。

隨著可變氣門正時(shí)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，凸輪軸位置傳感器也被賦予了新的內(nèi)涵，除了在啟動(dòng)時(shí)用于壓縮上止點(diǎn)判定外，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后，還要肩負(fù)起監(jiān)控可變的進(jìn)氣或排氣凸輪是否達(dá)到預(yù)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(jié)構(gòu)

波羅1.4L 16氣門55kW發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣凸輪軸上方。連接到進(jìn)氣凸輪軸的是三個(gè)鑄模齒，霍爾式凸輪軸位置傳感器對(duì)其進(jìn)行掃描。

由霍爾式凸輪軸位置傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器提供的信號(hào)被用來確定第一缸的上止點(diǎn)。該信息被用來對(duì)各個(gè)氣缸的爆震和點(diǎn)火順序噴射進(jìn)行控制。

如果傳感器出現(xiàn)故障，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并可以重新啟動(dòng)，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元進(jìn)入緊急運(yùn)行模式。氣缸內(nèi)的噴油是同時(shí)進(jìn)行的，而不再是順序進(jìn)行的。

如圖2-24所示，霍爾式凸輪軸位置傳感器同節(jié)氣門電位計(jì)G69一起由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元提供電源。

2．工作過程

如圖2-25所示，當(dāng)一個(gè)齒通過霍爾式凸輪軸位置傳感器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)霍爾電壓。霍爾電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間取決于齒的長(zhǎng)度。該霍爾電壓被傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元并在那里被運(yùn)算。霍爾電壓信號(hào)可以使用VAS 5051的數(shù)字式示波儀顯示。

（1）第一缸識(shí)別功能　如圖2-26所示，如果發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，也從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器接收到參考標(biāo)記信號(hào)，則表明發(fā)動(dòng)機(jī)處于第一缸的壓縮沖程。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元計(jì)算轉(zhuǎn)速傳感器輪在參考標(biāo)記后的齒數(shù)，并據(jù)此計(jì)算出曲軸的位置，如參考標(biāo)記后的14齒對(duì)應(yīng)于第一缸的上止點(diǎn)。

（2）快速起動(dòng)識(shí)別功能　如圖2-27所示，僅僅使用3個(gè)齒就可以確定凸輪軸相對(duì)于曲軸的瞬間位置。這樣第一個(gè)壓縮循環(huán)就可以盡快地開始，發(fā)動(dòng)機(jī)可以更快地啟動(dòng)。

3．檢測(cè)

新款捷達(dá)霍爾式凸輪軸位置傳感器（簡(jiǎn)稱霍爾傳感器）向ECU J361提供第一缸點(diǎn)火位置信號(hào)，故又稱為判缸傳感器。霍爾傳感器安裝在氣缸蓋前端凸輪軸正時(shí)齒輪之后，如圖2-28所示。霍爾傳感器是一個(gè)電子開關(guān)，按霍爾原理工作。霍爾傳感器隔板上有一個(gè)霍爾窗口，曲軸每轉(zhuǎn)兩周產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，根據(jù)霍爾傳感器信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的點(diǎn)火時(shí)間信號(hào)，ECU識(shí)別出一缸點(diǎn)火上止點(diǎn)，其電路圖如圖2-29所示。

（1）檢測(cè)霍爾傳感器的供電電壓

① 關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)。

② 拔下霍爾傳感器的3芯插頭。

③ 打開點(diǎn)火開關(guān)，用萬用表的電壓擋測(cè)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(cè)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(cè)霍爾傳感器的線束導(dǎo)通性

① 關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)。

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(cè)量3芯插頭的T3a/1端子與ECU J361的T80/82端子之間，應(yīng)導(dǎo)通。

⑤ 測(cè)量3芯插頭上T3a/2端子與控制單元J361的T80/60端子之間，應(yīng)導(dǎo)通。

⑥ 測(cè)量3芯插頭上T3a/2端子與220發(fā)動(dòng)機(jī)線束內(nèi)傳感器搭鐵之間，應(yīng)導(dǎo)通。

（3）霍爾傳感器工作情況的檢測(cè)

① 關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)。

② 拔下燃油泵G6的熔絲S37號(hào)（20A）。

③ 釋放燃油系統(tǒng)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?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)二極管，二極管應(yīng)有規(guī)律地閃爍。

三、磁阻式凸輪軸位置傳感器

1．磁阻效應(yīng)

利用磁阻效應(yīng)制成的磁敏電阻元件稱為磁阻元件（Magneto Resistance Element，MRE）。磁阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料的電阻值隨與電流相同或垂直方向的磁場(chǎng)強(qiáng)弱而變化的現(xiàn)象，如圖2-30所示。在一個(gè)長(zhǎng)方形半導(dǎo)體元件的兩端面通電，在無磁場(chǎng)時(shí)，電流電極間的電阻值取最小電流分布。當(dāng)長(zhǎng)方形元件處于磁場(chǎng)中時(shí)，由于兩電極間的電流路徑因磁場(chǎng)作用而增長(zhǎng)，從而使電極間的電阻值增加。利用磁阻效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)磁和電向電阻的轉(zhuǎn)換。對(duì)于非鐵磁性物質(zhì)，外加磁場(chǎng)通常能使其電阻率增加，即產(chǎn)生正的磁阻效應(yīng)。

2．檢測(cè)原理

磁阻式凸輪軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2-31所示。當(dāng)傳感器的磁頭正對(duì)轉(zhuǎn)子凹槽時(shí)，磁力線向兩側(cè)的葉片分布構(gòu)成閉合磁路，此時(shí)磁阻元件電阻較小，通過磁阻元件的磁力線較少，磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)磁阻元件輸出5V高電平信號(hào)。當(dāng)磁阻傳感器的磁頭正對(duì)轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，磁力線通過正對(duì)的葉片構(gòu)成閉合磁路，此時(shí)磁阻元件電阻較大，通過磁阻元件的磁力線較多，磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，且磁力線與磁阻元件垂直，如圖2-32（b）所示，此時(shí)磁阻元件輸出0V低電平信號(hào)。

因此，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，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(qiáng)弱和角度發(fā)生改變，由于磁阻效應(yīng)的作用，磁阻元件的電阻也發(fā)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(hào)放大電路、濾波電路和整形電路轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，并輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)此信號(hào)判別進(jìn)、排氣凸輪軸的位置。

磁阻傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、靈敏度高、分辨率高、輸出信號(hào)幅值大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐油污粉塵、穩(wěn)定性和可靠性良好、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，而且頻率特性優(yōu)良，在靜止?fàn)顟B(tài)下也有信號(hào)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(hào)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(hào)也是通過一個(gè)三極管開關(guān)電路的飽和或截止?fàn)顟B(tài)的變化，使信號(hào)輸出端改變與搭鐵端的導(dǎo)通狀態(tài)，由ECU通過一個(gè)電阻后施加在該端子上的5V電壓產(chǎn)生的。在傳感器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過程中，傳感器輸出與轉(zhuǎn)子的凸齒或葉片數(shù)目相同的、幅值為5V的矩形電壓脈沖信號(hào)。

4．檢測(cè)

豐田系列新皇冠、漢蘭達(dá)、雷克薩斯以及紅旗HQ300等發(fā)動(dòng)機(jī)智能可變氣門正時(shí)系統(tǒng)VVT-i采用磁阻式凸輪軸位置傳感器，在每個(gè)氣缸組上的進(jìn)、排氣凸輪軸上都裝有1個(gè)磁阻式凸輪軸位置傳感器（也稱為磁阻式VVT傳感器，共4個(gè)），其安裝位置如圖2-34所示。

進(jìn)、排氣凸輪軸上凸輪軸位置傳感器正時(shí)轉(zhuǎn)子有三個(gè)凸起，所對(duì)應(yīng)的凸輪軸角分別為90°、60°、30°，即所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為180°、120°、60°，曲軸每旋轉(zhuǎn)兩周，進(jìn)、排氣凸輪軸旋轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生3個(gè)大小不同的脈沖，智能可變氣門正時(shí)系統(tǒng)通過凸輪軸位置傳感器的檢測(cè)，由ECU占空比控制油壓控制電磁閥，從而把進(jìn)、排氣凸輪軸分別控制在40°和35°曲軸轉(zhuǎn)角之間，提供最適合發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的氣門正時(shí)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)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(hào)波形如圖2-36所示。

（1）工作電壓的檢測(cè)　關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，斷開凸輪軸位置傳感器，打開點(diǎn)火開關(guān)至“ON”位置，用萬用表檢查VC端子與VV-端子之間的電壓，應(yīng)為5V，如果沒有5V電壓，則應(yīng)分別檢查與ECU間線路的連接情況，如果線路正常，則說明發(fā)動(dòng)機(jī)ECU有故障。

（2）參考電壓的檢測(cè)　關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，斷開凸輪軸位置傳感器，打開點(diǎn)火開關(guān)至“ON”位置，用萬用表檢查VV+端子與VV-端子之間的電壓，應(yīng)為4.6V，如果沒有4.6V電壓，則應(yīng)檢查VV+與ECU之間線路的連接情況，如果線路正常，則說明發(fā)動(dòng)機(jī)ECU有故障。

（3）波形檢測(cè)　在線路正常連接的情況下，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，用示波器檢測(cè)輸出信號(hào)，其標(biāo)準(zhǔn)波形應(yīng)與圖2-36所示的波形相同。