任務一 曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器的結構及工作原理

學習目標

1.學習曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器的結構及工作原理

2.掌握曲軸位置傳感器的故障現象及引起故障的原因

課程準備

知識準備1

曲軸位置傳感器是根據電磁感應原理開發的。電磁感應（Electromagnetic Induction）又稱磁電感應現象，是指放在變化磁通量中的導體會產生電動勢，此電動勢稱為感應電動勢或感生電動勢，若將此導體閉合成一回路，則該電動勢會驅使電子流動，形成感應電流（感生電流）。電磁感應現象驗證試驗如圖1-2-2。

知識準備2

霍爾效應（Hall Effect）是美國約翰·霍普金斯大學物理學家愛德華·霍爾（Edward H.Hall）博士于1879年首先發現的。霍爾效應是指將一個通有電流I的長方形白金導體垂直于磁力線放入磁感應強度為B的磁場中，如圖1-2-3所示，在白金導體的兩個橫向側面上就會產生一個與電流方向和磁場方向垂直的電壓，當取消磁場時電壓立即消失。產生的電壓后來被稱之為霍爾電壓U_H，U_H與通過白金導體的電流I和磁感應強度B成正比。

圖1-2-2 電磁感應原理試驗

圖1-2-3 霍爾效應原理圖

利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾元件，利用霍爾元件制成的傳感器稱為霍爾效應式傳感器，簡稱霍爾傳感器。由于半導體材料也存在霍爾效應，其霍爾系數遠遠大于金屬材料的霍爾系數，因此一般都采用半導體材料制作霍爾元件。利用霍爾效應不僅可以通過接通和切斷磁場來檢測電壓，而且還可以檢測導線中流過的電流，因為導線周圍的磁場強度與流過導線的電流成正比關系。20世紀80年代以來，汽車電子產品中應用霍爾傳感器與日俱增，主要原因在于霍爾傳感器有兩個顯著的優點：一是輸出電壓信號近似于方波信號；二是輸出電壓高低與被測物體的轉速無關。霍爾傳感器與磁感應式傳感器的不同之處是需要外加電源。

課前引入

在發動機電控系統中存在著一個至關重要的傳感器，如果這個傳感器工作不良，將會造成發動機不能起動或使正在運轉的發動機停止運轉。那么這是哪個傳感器呢？為什么它的作用如此重要？

在發動機電控系統中還存在著一個傳感器，一般這個傳感器采用霍爾效應的原理，用于判斷氣缸的基準信號，當此傳感器出現故障時，汽車將出現加速無力的現象，那么這個傳感器是什么傳感器呢，又為什么會出現這種故障現象呢？

一、曲軸位置傳感器（CKP）的結構及工作原理

1.曲軸位置傳感器功能及安裝位置

曲軸位置傳感器的英文名是（Crank shaft Position，CKP）。CKP也稱作發動機轉速傳感器，大多采用磁感應式傳感器，配合60齒減去3齒或60齒減去2齒的靶輪。CKP用于測定發動機轉速和曲軸的旋轉位置信號，發動機ECU根據此傳感器信號計算基本的噴油時間和基本的點火提前角。如果CKP傳感器信號不正確或缺失，發動機系統將不知道何時點火和噴油，因此會工作不良，甚至會不著車，或在運轉中熄火。

目前大多數發動機電控系統采用的CKP是電磁感應式傳感器，它安裝在發動機缸體或變速器殼體上，與安裝在曲軸上的齒圈共同工作。其安裝位置和外觀如圖1-2-4、圖1-2-5所示。

圖1-2-4 CKP傳感器安裝位置

圖1-2-5 CKP傳感器外觀

2.曲軸位置傳感器工作原理

CKP傳感器主要由線圈繞著的磁鐵和兩個接線端子組成，結構如圖1-2-6所示。線圈兩個端子就是傳感器的輸出端子，當鐵質環狀齒輪（有時稱信號盤）轉動經過傳感器時，由于此時線圈內磁鐵通過線圈的磁通量會有一定的變化，所以線圈里會產生感應電壓。

信號盤上相同齒型會產生相同形狀的連續脈沖，脈沖有一致的形狀幅值（峰對峰電壓）與曲軸信號輪的轉速成正比，輸出信號的頻率基于信號輪的轉動速度，傳感器磁極與信號輪間隙對傳感器信號的幅值影響極大（因此安裝時要注意齒隙）。在生產加工過程中，剔除信號輪上一個齒（見圖1-2-7），信號盤上的缺口位置與發動機上止點的位置相匹配，ECU利用此信號確定在第一缸的基準位置。

圖1-2-6 CKP傳感器結構

圖1-2-7 CKP傳感器信號齒圈

由于磁電式CKP傳感器信號比較弱，而且敏感，容易受高壓點火線，車載電話、風扇、起動機等電氣與電子設備的電磁干擾，它會引起行駛性能故障或產生故障碼，為了防止該現象的出現，故此在制造發動機線束過程中，CKP傳感器的兩根信號線采用了雙絞線結構形式，采用這種形式可以有效的防止外界信號對CKP傳感器信號的影響，而且也降低了生產成本。

3.CKP傳感器的波形

電磁感應式發動機CKP傳感器波形如圖1-2-8所示，正確的波形應連續，圖中的波形頻率隨發動機的轉速變化，轉速越高，波形越密。圖中波形較寬的部分為缺兩個齒的位置處波形。

圖1-2-8 電磁感應式發動機CKP傳感器波形

4.CKP傳感器的相關故障

（1）故障癥狀

如果CKP傳感器信號出現故障，可能會觀察到下列癥狀：

①發動機轉動，但不能起動。

②發動機無點火信號（CKP傳感器的不正確安裝）。

③轉速表不起作用。

④發動機運轉粗暴或停止（CKP傳感器的不正確安裝）。

⑤油耗增加。

（2）導致故障原因

保持傳感器與信號盤正確的空氣間隙非常重要，如果空氣間隙太寬，則CKP傳感器信號會變得太弱，可能會導致發動機熄火的情況發生。

CKP傳感器可能會出現以下故障或提供不正確的信號：

①空氣間隙太寬。

②CKP傳感器磁場太弱。

③CKP傳感器線束斷路。

④CKP傳感器線束短路。

⑤CKP傳感器線束高電阻。

⑥腐蝕或機械原因，磁力環精度差。

⑦飛輪或驅動盤失圓而導致CKP傳感器信號失真。

⑧曲軸徑向移動而導致CKP傳感器信號變化。

⑨錯誤的缺齒布置方式，ECU不能實現曲軸與軟件之間的同步。

⑩傳感器裝配不正確或傳感器進水。

課程互動

如果CKP傳感器線路斷路，發動機將會出現什么情況？

二、凸輪軸位置傳感器（CMP）的結構及工作原理

1.凸輪軸位置傳感器安裝位置

凸輪軸位置傳感器的英文名為（Camshaft Position Sensor，CMP Sensor），大多車型采用霍爾傳感器，配合具有幾個不等距缺口的信號轉子。CMP傳感器固定，信號輪裝在凸輪軸上。信號輪是圓柱面形鋼質葉片或帶有間隙不等的圓盤。CMP傳感器一般安裝在氣門室罩蓋后部，信號輪安裝在凸輪軸后部，和凸輪軸同步運轉。傳感器和信號輪安裝部位如圖1-2-9所示，CMP傳感器及信號輪見圖1-2-10所示。

圖1-2-9 傳感器和信號輪安裝部位

圖1-2-10 CMP傳感器及信號輪

1—霍爾元件 2—信號輪 3—信號輪間隙

2.CMP傳感器作用

CMP傳感器為發動機ECU提供凸輪軸的相位信息，此信息與CKP傳感器所提供的信息結合起來判斷發動機處于工作循環中的哪個行程。凸輪軸每轉一周，傳感器就根據霍爾效應產生一系列電磁脈沖，ECU在得到這些信息后，結合CKP傳感器信息，控制噴油器向正確的氣缸噴油以及確定點火順序，此外CMP傳感器還用于各缸的爆燃調節。CMP傳感器為輔助傳感器，對發動機排放影響很大。

3.CMP傳感器的結構及工作原理

CMP傳感器是利用霍爾效應原理，通過與凸輪軸一同旋轉的信號輪來改變磁場的，因此產生周期性變化的電壓。該傳感器內部為霍爾傳感器，三線式，由ECU提供參考電壓。圖1-2-11所示為CMP傳感器電路。

圖1-2-11 某車型CMP傳感器電路

G40—霍爾傳感器 J220—發動機電控單元

圖1-2-12 CMP傳感器輸出信號波形

某車型CMP傳感器輸出信號波形如圖1-2-12所示，CMP傳感器信號與CKP傳感器輸出信號之間的關系如圖1-2-13所示。由圖可見發動機曲軸每轉兩轉，霍爾傳感器信號輪就轉一圈。

圖1-2-13 CKP傳感器與CMP傳感器輸出波形的對應關系

發動機工作時，CKP傳感器和CMP傳感器產生的信號電壓不斷輸入ECU。當ECU同時接收到CKP傳感器齒缺對應的低電平信號和CMP傳感器窗口對應的低電平信號時，便可識別出此時為1缸活塞處于壓縮行程、4缸活塞處于排氣行程，并根據CKP傳感器小齒缺所對應的輸出信號控制點火提前角。ECU識別出1缸壓縮上止點位置后，便可進行順序噴油控制和各缸點火時刻控制。如果發動機產生了爆震，ECU還能根據爆震傳感器輸入的信號判別出是哪一個缸產生了爆震，從而減小點火提前角，以便消除爆震。

4.CMP傳感器相關故障

當CMP傳感器信號中斷后，控制單元收到曲軸位置信號只能識別出再經一定的曲軸轉角到達1、4缸的上止點，但不知1、4缸中的哪一個缸是壓縮行程上止點。控制單元仍可噴油，但由順序噴射改為同時噴射，控制單元仍可點火，但將點火正時向后推遲到絕對不爆震的安全角度。此時發動機功率和扭矩都會降低，駕駛中的感覺就是加速不良，達不到規定的最高車速，燃油消耗增加，怠速不穩。

（1）故障癥狀

如果CMP傳感器出現故障，ECU將進入故障應急模式。噴油時刻會調整，對駕駛員來說，感覺不到發動機性能在低速范圍內的任何變化。但排放將會超標，發動機故障燈會點亮。

（2）導致故障的原因

CMP傳感器可能會以下列方式出現故障或提供不正確的信號：

①CMP傳感器被金屬性碎片污染。

②CMP傳感器磁場太弱。

③CMP傳感器線束斷路。

④CMP傳感器線束短路。

⑤CMP傳感器高電阻。

⑥由于機械損傷，磁力環精度降低。

⑦排氣凸輪軸正時不正確。

⑧進氣凸輪軸正時不正確。

⑨不正確的傳感器的安裝。

（3）維修方法

①檢查傳感器的導線、插頭和傳感器的電氣接口是否正確連接、斷裂和腐蝕。

②清潔傳感器的插頭。

③讀取故障碼存儲器記錄。

④檢查傳感器是否損壞。

課程互動

1）如果CMP傳感器出現故障，發動機會出現什么情況？

2）請畫出CMP傳感器與發動機電控單元連接的電路簡圖。

故障案例

凸輪軸位置傳感器故障案例

一臺帕薩特B5轎車，配置ANQ型發動機，大修后出現起動困難故障，嚴重時類似于無點火癥狀，熱車后故障有所減輕。使用VAG1552診斷儀進行檢測，發動機系統存儲了如下故障碼：

00515 霍爾傳感器G40對地短路；

00561 混合氣超過調整極限；

17967 節氣門控制單元基本設置故障；

18020 發動機控制單元編碼錯誤。

清除故障碼后起動著車，查詢故障碼只剩下00515故障碼。試車兩分鐘，又出現00561故障碼。進入動態數據流功能，查看001組4區怠速節氣門開啟的角度，為7°，正常值應為2°～5°之間，分析原因是0節氣門體臟污所致。在沒有清洗節氣門體的情況下，輸入098組號進行“基本設定”儀器顯示“不支持本功能”。由此想起起動困難可能與節氣門控制單元設定失敗有關，以前曾遇到過此類故障，但它都同時伴有嚴重的游車（發動機轉速忽高忽低）現象，與本例癥狀存在較明顯的差別。決定先不考慮此問題，繼續檢查控制單元的編碼代號。診斷儀所顯示的發動機控制單元編碼為04031，即按歐Ⅱ標準要求配置01N型自動變速器的帕薩特車輛，與本車實際配置相符。于是就剩下00515故障碼問題，經過反復試車，發現有這樣的故障特征：在點火開關打開狀態（發動機并不運轉），將故障碼清除，但只要一起動發動機，就會立即重現。這表明該故障碼是真實碼。但它的靜態值應是正常的，動態值（脈沖信號輸出）則出了問題。為此測量霍爾傳感器3個針腳之間阻值，沒有相互短路的跡象；在打開點火開關狀態下，測量各針腳電壓，分別為5V、12V、0V，這又進一步驗證了霍爾傳感器信號線無“對地短路”問題，也許傳感器本身已損壞，拆下后發現里面的霍爾元件沾有機油，查看是進氣凸輪軸油封未正確安裝，修復并擦拭干凈傳感器試車，故障依舊，使用示波儀測量傳感器信號，可看到一組標準的12V矩形方波輸出。至此，已沒有任何理由證明霍爾傳感器G40信號存在“對地短路”的問題，那么是什么原因產生了00515故障碼？

仔細觀察發動機運轉狀況，發現有時會因轉速偏低而悄然熄火。將氣門室蓋拆下，檢查排氣凸輪軸與進氣凸輪軸之間的配氣相位，果然進氣凸輪軸角度相對排氣凸輪軸提前了一個鏈節。重新安裝后故障立即消失。

故障小結：本案例故障是維修人員安裝的配氣機構錯誤造成的，深入分析，還是在于修理人員沒有理解和掌握ANQ型發動機的進排氣凸輪軸特殊的裝配原理。ANQ是一種配置于帕薩特B5的發動機，采用了雙凸輪軸，因此它的配氣機構的裝配分為兩部分：

1）排氣凸輪軸與曲軸采用正時傳動帶進行裝配。正時傳動帶位于發動機前方，在排氣凸輪軸傳動帶輪及曲軸傳動帶輪護罩上有明顯的正時標記，它又與我們熟知的時代超人發動機的配氣方法相同，因此在這一環節維修人員通常不會犯錯誤。

2）進氣凸輪軸與排氣凸輪軸則采用鏈條傳動作為配氣相位的裝配方式。鏈條位于缸蓋后方，凸輪軸調整電磁閥N205位于進氣凸輪軸后部，N205用于實現可變配氣相位功能，也就是說電控單元可以根據發動機實際的工況要求來控制N205。令進氣凸輪軸相對調整一個角度，使發動機的進氣更充分，增大功率輸出。鏈條張緊器則位于兩個凸輪軸鏈輪之間，它是依靠發動機運轉后產生的機油壓力繃緊鏈條的。由于未繃緊的鏈條有一定的松弛度，當兩根凸輪軸安裝好后，驗證正時記號時就會看到，進氣凸輪軸相對排氣凸輪軸存在一個較明顯的自由行程，這就隨之帶來一個問題，如果我們以凸輪軸對準瓦蓋上的記號的常規方法進行裝配，就會存在這個正常的自由行程，進氣凸輪軸在3個輪齒角內部可對正瓦蓋上的標記，因此這種對正時的方法是錯誤的，不能作為ANQ發動機的兩個凸輪軸間驗證正時的標準。維修手冊中詳細的說明了凸輪軸與鏈條的裝配方法：“鏈條不能用沖小點、刻槽或其他類試的方法作為標記，兩個箭頭以及顏色標記之間的距離為16個鏈節箭頭是指兩根凸輪軸鏈條輪頸部的凹槽徑向嚙合的鏈齒為起點（包括這兩個嚙合的鏈節）之間共為16個鏈節，本例裝成了15節，結果導致進氣門開啟時間滯后，發動機進氣不充分而功率不足，呈現出怠速轉速明顯偏低卻轉速相對穩定的故障特征。

霍爾傳感器G40也是安裝在進氣凸輪軸處，但位于前方，因此G40信號與進氣凸輪軸旋轉角度同步。顯然，控制單元通過發動機轉速傳感器G28與霍爾傳感器G40的信號對比，得到相位不正確的結論。但由于自診斷原則上只能識別電信號類型的故障，因此便認為G40元件損壞或信號輸出錯誤，設置00515號故障碼，維修手冊中對該故障排除是這樣說明的：檢查線路，檢查或更換G40，沒有涉及任何有關配氣相位機械方面的信息。

課程互動

1）凸輪軸位置傳感器的作用是什么？

2）如果凸輪軸位置傳感器出現故障，發動機會有什么現象發生？

3）請問凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器的信號是否有關聯，為什么？