车用曲轴位置传感器的结构与故障检测

1、车用曲轴位置传感器的结构与故障检测摘 要：介绍了电子控制汽油喷射系统的各种曲轴位置传感器的基本结构、工作原理，并且以各种车型为 例，介绍曲轴位置传感器出现故障时，应该如何检测。本文有助于维修人员检修曲轴位置传感器。关键词：曲轴位置传感器、结构、工作原理、故障检测曲轴位置传感器是发动机电子控制系统中最主要的传感器之一，它提供点 火时刻（点火提前角）、确认曲轴位置的信号，用丁检测活塞上止点、曲轴转角 及发动机转速。曲轴位置传感器所采用的结构随车型不同而不同，可分为磁脉冲式、光电式和霍尔式三大类。它通常安装在曲轴前端、凸轮轴前端、飞轮上或分 电器内。如果曲轴位置传感器出现故障，发动机将会不着车或工作

2、不良。下面分 析常见车用曲轴位置传感器的结构及故障检测。一、磁脉冲式曲轴位置传感器 i.磁脉冲式曲轴位置传感器的结构和工作原理 （D日产公司磁脉冲式曲轴位置传感器该曲轴位置传感器安装在曲轴前端的皮带轮之后，如 图i所示。在皮带轮后 端设置一个带有细齿的薄圆齿盘（用以产生信号，称为信号盘），它和曲轴皮带 轮一起装在曲轴上，随曲轴一起旋转。在信号盘的外缘，沿着圆周每隔4。有个齿。共有90个齿，并且每隔120°布置1个凸缘，共3个。安装在信号盘边沿 的传感器盒是产生电信号信号发生器。信号发生器内有3个在永久磁铁上绕有感 应线圈的磁头，其中磁头产生120°信号，磁头和磁头共同产生曲

3、轴 1° 转角信号。磁头对着信号盘的120°凸缘，磁头和磁头对着信号盘的齿圈， 彼此相隔了曲轴转角安装。信号发生器内有信号放大和整形电路， 外部有四孔连 接器，孔“1为120°信号输 出线，孔“2” 为信号放大与 整形电路的电 源线，孔“ 3” 为1°信号输出 线，孔“4”为 接地线。通过该 连接器将曲轴 位置传感器中 产生的信号输 送到ECU发动机转动时，抽号最信号用的凸壕磁头盒板部豪头o）r信号(4)地绕 J冲电一|«号（对地线图1日产公词供脉冲脂轴位皆传感器信号盘的齿和凸缘引起通过感应线圈的磁场发生变化， 从而发动机旋转在感应线圈里产生交

4、变的电动势， 经滤波整形后，即变成脉冲信号。 一圈，磁头上产生3个120°脉冲信号，磁头和各产生90个脉冲信号（交 替产生）。由丁磁头和磁头相隔 3°曲轴转角安装，而它们乂都是每隔 4° 产生一个脉冲信号，所以磁头和磁头所产生的脉冲信号相位差正好为907将这两个脉冲信号送入信号放大与整形电路中合成后，即产生曲轴1。转角的信号。产生120°信号的磁头安装在上止点前 700的位置，故其信号亦可称为上止点前700信号，即发动机在运转过程中，磁头在各缸上止点前70。位置均产生一个脉冲信号。（2）丰田公司磁脉冲式曲轴位置传感器丰田公司TCCSS统用磁脉冲式曲轴位置

5、传感器安装在分电器内，其结构如图2所示。该传感器分成上、下两部分，上部分产生 G信号，下部分产生NL信 号，都是利用带有轮齿的转子旋转时， 使信号发生器感应线圈内的磁通变化， 从图w丰田会司碰脉冲送曲轴位置传感器1.%感应技阍正时转子正时轩子4一单应貌圈5,担专感疵戒圈而在感应线圈里产生交 变的感应电动势，再将它 放大后，送入ECUNe信号是检测曲轴 转角及发动机转速的信 号，相当丁日产公司磁脉 冲式曲轴位置传感器的 1 °信号。该信号由固定 在下半部具有等间隔24 个轮齿的转子（N0.2正 时转子）及固定丁其对面 的感应线圈产生（如图 3 （a）所示）。当转子旋转时，轮齿与感 应线

6、圈凸缘部（磁头）的空气间隙发生变化，导致通过感应线圈的磁场发生变化 而产生感应电动势。轮齿靠近及远离磁头时，将产生一次增减磁通的变化，所以,图3 偌号发坐器与波雁每一个轮齿通过磁头时，都 将在感应线圈中产生一个完 整的交流电压信号。N0.2正 时转子上有24个齿，故转子 旋转1圈，即曲轴旋转720° 时,感应线圈产生24个交流 电压信号。Ne信号如图3（ b） 所示，其一个周期的脉冲相 当丁 30°曲轴转角SI C信号发生器的结物与波厝（720° / 24=30° ）。更精确 的转角检测，是利用30。转 角的时间由ECUW均分30 等份，即产生1

7、6;曲轴转角 的信号。同理，发动机的转 速由EC昧照Ne信号的两个 脉冲（60°曲轴转角）所经 过的时间为基准进行计测。G信号用丁判别气缸及 检测活塞上止点位置，相当 丁日产公司磁脉冲式曲轴位 置传感器120。信号。G信号是由位丁 Ne发生器上方的凸缘转轮（No.1正时转子）及其对面对称的两个感应线圈（G感应线圈和G感应线圈）产生的。其构造如图4所示。其产生信号的原理与Ne信号相同。G信号也用作计算曲轴转角时 的基准信号。G、G信号分别检测第6缸及第1缸的上止点。由丁 G、G信号发生器设置实际上活塞并不是正好达到上止点(BTDC, 一 E 图S皇冠3一。轿车2JZ-CE型曲轴位置住唐

8、器电路位置的关系，当产生G、G信号时， 而是在上止点前10°的位置。2.磁脉冲式曲轴位置传感器的检测以皇冠3.0轿车2JZ-GE型发动机电子控制系统中使用的磁脉冲式 曲轴位置传感器为例说明其检测方 法，曲轴位置传感器电路如 图5所 示。(1) 曲轴位置传感器的电阻检测点火开关OFF拔开曲轴位置传 感器的导线连接器，用万用表的电阻 档测量曲轴位置传感器上各端子间的电阻值 (表1 )。如电阻值不在规定的范围内，必须更换曲轴位置传感器表1曲轴位置传感器的电阻值端子条件电阻值(Q)Gi-G-冷态125-200热态160-235G2-G-冷态125-200热态160-235Ne-G-冷态155

9、-250热态190-290(2)曲轴位置传感器输出信号的检测拔下曲轴位置传感器的导线连接器，当发动机转动时，用万用表的电压档检 测曲轴位置传感器上G-G-、G-G-、N-G-端子间是否有脉冲电压信号输出。如没有脉冲电压信号输出，则须更换曲轴位置传感器(3)感应线圈与正时转子的间隙检测用厚薄规测量正时转子与感应线圈凸出部分的空气间隙，其间隙应为图6光电式幽轴位置倍职器1 一曲轴并角传感器 N信号it0.2-0.4mm。若间隙不合要求，则须更换分电 器壳体总成。二、光电式曲轴位置传感器1.光电式曲轴位置传感器的结构和工作原理(1)日产公司光电式曲轴位置传感器日产公司光电式曲轴位置传感器设置在 分电

10、器内，它由信号发生器和带缝隙和光孔的 信号盘组成(图6)。信号盘安装在分电器轴 上，其外围有360条缝隙，产生1° (曲轴转 角)信号；外围稍靠内侧分布着6个光孔(问 隔60°),产生120°信号，其中有一个较宽的 光孔是产生对应第1缸上止点的120°信号的， 如图7所示。信号发生器固装在分电器壳体上，主要由两只发光二极管、两只光敏二极管和电子电路组成。 两只发光二极管信号瘩的结构wiriEL株 I 虹）分别正对着光敏二极管，发光二极管以光敏二极管为照 射目标。信号盘位丁发光二极管和光敏二极管之间，当 信号盘随发动机曲轴运转时，因信号盘上有光孔，产生 透

11、光和遮光的交替变化，造成信号发生器输出表征曲轴 位置和转角的脉冲信号。图8所示为光电式信号发生器 的作用原理。当发光二极管的光束照射到光敏二极管上时，光敏 二极管感光而导通；当发光二极管的光束被遮挡时，光 敏二极管截止。信号发生器输出的脉冲电压信号送至电0 J图8光电式信号发生器作用原理子电路放大整形后，即向 电控单元输送曲轴转角 1。信号和120。信号。因 信号发生器安装位置的关 系，120°信号在活塞上止 点前70°输出。发动机曲 轴每转2圈，分电器轴转1 圈，则1。信号发生器输出 360个脉冲，每个脉冲周期 高电位对应1°，低电位亦信号发生器共产生6个脉冲K

12、9 SONATA曲轴位置传感器信号盘 1,感测曲糊转常的光孔2,111上止点的充札对应1° ,共表征曲轴转角720°。与此同时,120° 信号。（2） “现代SONATA光电式曲轴位置传感器“现代SONATA，汽车光电式曲轴位置传感器 的工作原理与日产公司光电式曲轴位置传感器相 似，其信号盘的结构稍有不同，如 图9所示。对 丁带有分电器的汽车，传感器总成装丁分电器壳 内；对丁无分电器的汽车，传感器总成安装在凸轮 轴左端部（从车前向后看）。信号盘外圈有4个孔， 用来感测曲轴转角并将其转化为电压脉冲信号， 电 控单元根据该信号计算发动机转速，并控制汽油喷 射正时和点火

13、正时。信号盘内圈有一个孔，用来感ECU图1。SONATA曲轴位冒传感器的线路测第1缸压缩上止点（在有些SONATA上，设 有两孔，用来感测第1、4缶工的压缩上止点，H 的是为了提高精度），并将它转换成电压脉冲 信号输入电控单元，电控单元根据此信号计算 出汽油喷射顺序。曲轴位置传感器的线路连接如 图10所示。 其内设有两个发光二极管和两个光敏二极管， 当发光二极管照射到信号盘光孔中的某一孔 时，光线便照射到光敏二极管上，使电路导通。2.光电式曲轴位置传感器的检测（1）曲轴位置传感器的线束检测图11所示为韩国“现代SONATA汽车光电式曲轴位置传感器连接器(插头)的端子位置。检查时，脱开曲轴位置传

14、感器的导线连接器，把点火开关置丁 “ ON ,用万用表的电压档测量线束侧 4#端子图11 SONATAUfi位置传唇器迷接器与地间的电压应为12V,线束侧2#端子和3#端 子与地间电压应为4.8-5.2V ,用万用表的电阻 档测量线束侧1#端子与地间应为0Q (导通)。(2) 光电式曲轴位置传感器输出信号检测用万用表电压档接在传感器侧3#端子和1# 端子上，在起动发动机时，电压应为0.2-1.2V。 在起动发动机后的怠速运转期间，用万用表电 压档检测2#端子和1#端子电压应为1.8-2.5V。 否则应更换曲轴位置传感器。三、霍尔式曲轴位置传感器霍尔式曲轴位置传感器是利用霍尔效应的原理， 产生与

15、曲轴转角相对应的电 压脉冲信号的。它是利用触发叶片或轮齿改变通过霍尔元件的磁场强度，从而使霍尔元件产生脉冲的霍尔电压信号，经放大整形后即为曲轴位置传感器的输出信1.霍尔式曲轴位置传感器的结构和工作原理 (1)采用触发叶片的霍尔式曲轴位置传感器图12 GM公司的雷尔式曲轴位宵传感器结构1,外信号论2.内信号轮美国GM公司的霍尔式曲轴位置传感器 安装在曲轴前端，米用触发叶片的结构型 式，如图12所示。在发动机的曲轴皮带轮 前端固装着内外两个带触发叶片的信号轮， 与曲轴一起旋转。外信号轮外缘上均匀分布 着18个触发叶片和18个窗口，每个触发叶 片和窗口的宽度为10°弧长；内信号轮外缘 上设

16、有3个触发叶片和3个窗口，3个触发 叶片的宽度不同，分别为100°、90°和110°弧长，3个窗口的宽度亦不相同，分别 为20°、30°和10°弧长。由丁内信号轮弧长的触发叶片前沿位丁第1缸和第4缸上止点图L3寝尔信号发生器的工作原哩食)脸定叶片进点空气神中,噩妣尺杵中的峰场敏帝路叶片筋开空气隙.霍东元件整磴场恂种I.信号推的触发叶片2 件3,永久廷快4.底振5.导础板的安装位置关系，宽度为100° (TD。前 75° , 900 弧长 的触发叶片前沿在第6缸和 第3缸上止点前750 ,110° 弧长的触

17、发叶片前沿在第 5 缸和第2缸上止点前750。(a)所示。这时不产生霍尔电压；当触发叶片离霍尔信号发生器由永久 磁铁、导磁板和霍尔集成电 路等组成。内外信号轮侧面 各设置一个霍尔信号发生 器。信号轮转动时，每当叶 片进入永久磁铁与霍尔元件 之间的空气隙时，霍尔集成 电路中的磁场即被触发叶片 所旁路(或称隔磁)，如图13开空气隙时，永久磁铁2的磁通便通过导磁板3穿过霍尔元件（图13 （b）,这 时产生霍尔电压。将霍尔元件间歇产生的霍尔电压信号经霍尔集成电路放大整形后，即向ECLB送电压脉冲信号（图14）。外信号轮每旋转1周产生18个脉冲 信号（称为18X信号），1个脉冲周期相当丁曲轴旋转20&#

18、176;转角的时间，ECUS 将1个脉冲周期均分为 20等份，即可求得曲轴 旋转1°所对应的时 问，并根据这一信号， 控制点火时刻。该信号 的功用相当丁光电式 曲轴位置传感器产生二个IfiX豚仲宽崖 三个LSK豚冲宽度1个豚冲宽度fi/LrLrLnjn!niRnrLn4Ln|rLrLrLnLTLr-15L75tTEJCj X?5-行买匕(L17图14 *1公司的很尔式曲轴位置传感翌输出借号J8X 脉冲 信号?一I 3X '豚冲 _1信导（小上L蛊动机（04.虬食料机I,槽2.置柳携基3一飞轮1 °信号的功能。内信号轮每旋转 1周产生3个不同宽度的电压脉冲信号（称为3

19、X信号），脉冲周期均为120。曲轴转角的时间，脉冲上升沿分别产生丁第1、4缸、第3、6缸和第2、5缸上止点前75°作为ECUR别气缸和计算点火时刻的基准信号，此信号相当丁前述光电式曲轴位置传感器产生的120。信号.（2）采用触发轮齿的霍尔式曲轴位置传感器克莱斯勒公司的霍尔式曲轴位置传感器安装在飞轮壳上，采用触发轮齿的结 构。同时在分电器内设置同步信号发生器，用以协助曲轴位置传感器判别缸号。 北京切诺基车的霍尔式曲轴位置传感器如 图15所示，在2.5L四缸发动机的飞 轮上有8个槽，分成两组，每4个槽为一组，两组相隔180° ,每组中的相邻两 槽相隔20°。在4.OL

20、六缸发动机的飞轮上有12个槽，4个槽为一组，分成三组, 每组相隔120°，相邻两 槽也间隔20°。当飞轮齿槽通过传 感器的信号发生器时，霍 尔传感器输出高电位（5V ；当飞轮齿槽间的 金届与传感器成一直线 时，传感器输出低电位（0.3V）。因此，每当1 个飞轮齿槽通过传感器 时，传感器便产生1个 高、低电位脉冲信号。当 飞轮上的每一组槽通过 传感器时，传感器将产生 4个脉冲信号。其中四缸发动机每1转产生2组脉冲信号，六缸发动机每1转产生3组脉冲信号。传感器 提供的每组信号，可被发动机EClffl来确定两缸活塞的位置，如在四缸发动机上， 利用一组信号，可知活塞1和活塞4接近上止点；利用另一组信号，可知活塞 2 和活塞3接近上止点。故利用曲轴位置传感器，ECK知道有两个气缸的活塞在 接近上止点。由丁第4个槽的脉冲下降沿对应活塞上止点（TDC前4° ,故ECU 根据脉冲情况很容易确定活塞上止点前的运行位置。另外，ECUS可以根据各脉冲问通过的时间，计算出发动机的转速。2.霍尔式曲轴位置传感器的检