第一节　曲轴位置传感器

一、概述

曲轴位置传感器（Crankshaft Position Sensor，CPS），又称为发动机转速与曲轴转角传感器，其作用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入ECU，以便确定喷射顺序、喷射正时、点火顺序、点火正时，然后根据信号监测到的曲轴转角波动大小来判断发动机是否有失火现象。它是发动机集中控制系统最主要的传感器之一，是控制发动机燃油喷射和点火时刻，确认曲轴位置的信号源，同时也是测量发动机转速的信号源。曲轴位置传感器用来检测活塞上止点及曲轴转角的信号并将其输入发动机ECU，用来对点火时刻和喷油正时进行控制。

在现代电控发动机上，曲轴位置传感器和发动机转速传感器制成一体，既可用于发动机曲轴位置、活塞上止点位置的测定，又可用于发动机转速的测定。曲轴位置传感器一般安装于曲轴前端、靠近飞轮的变速器壳体位置，如图2-1所示。该传感器按其工作原理的不同可分为磁感应式曲轴位置传感器、霍尔式曲轴位置传感器和光电式曲轴位置传感器等。

二、磁感应式曲轴位置传感器

1．结构原理

磁感应式曲轴位置传感器，又称为磁脉冲式传感器、可变磁阻式传感器。主要由导磁材料制成的信号转子、永久磁铁、信号线圈等组成，传感器的位置是固定的，软磁铁头与信号转子齿间必须保持一定间隙，如图2-2所示。

传感器插头接线形式主要有二线制和三线制两种。二线制的两根线为信号回路线，信号正负交替变化，三线制中多出的一根线为屏蔽线。

① 当信号转子凸齿靠近传感器时，磁头与齿间隙逐渐缩小，磁路中的磁阻逐渐减小，传感器的磁场便开始产生集中的现象，磁场强度增大，磁通量的变化率也逐渐增大，因此产生一个逐渐增大的正的感应电动势。磁场的变化越大，则感应出的电压也越强。其相对位置如图2-3（a）所示；磁通量和感应电动势的变化如图2-4的ab段所示。

② 当凸齿继续靠近磁头时，磁通量仍在增大，但磁通量的变化率则减小，因此产生一个正的、逐渐减小的感应电动势，其相对位置如图2-3（b）所示；磁通量和感应电动势的变化如图2-4的bc段所示。

③ 当信号转子凸齿与磁头对齐成一条直线时，磁头与齿间隙最小，磁路中的磁阻最小，磁场强度最强，磁通量最大。但在该点磁场强度没有变化，磁场变化率为0，所以感应电压和电流强度为0。其相对位置如图2-3（c）所示；磁通量和感应电动势的变化如图2-4的c点所示。

④ 信号转子凸齿继续转动，其相对位置如图2-3（d）所示，凸齿远离磁头准备离开传感器时，两者间隙逐步变大，磁路中的磁阻逐渐增大，磁通量逐渐减小，但磁通量的变化率仍逐渐增大，所以产生一个负的但绝对值仍逐渐增大的感应电动势，如图2-4的cd段所示。

⑤ 当凸齿继续转动离开磁头时，磁路中的磁阻继续增大，磁通量继续减小，磁通量的变化率也逐渐减小，因此产生一个负的绝对值逐渐减小直至为0的感应电动势。其相对位置如图2-3（e）所示；磁通量和感应电动势的变化如图2-4的de段所示。

2．2011年款捷达轿车曲轴位置传感器的检测

（1）结构原理　捷达轿车的磁感应式曲轴位置传感器安装在气缸体左侧、发动机后端靠近飞轮处，零件编号G28。传感器用螺钉固定在发动机缸体上，信号转子为齿盘式，齿数为60-2齿，即在原来为60齿的圆周上，切掉两个齿，形成在其圆周上均匀间隔的58个凸齿、57个小齿缺和1个大齿缺。因为原来的60个齿在圆周上呈均匀分布，齿与齿的间隔度数为360°/60=6°，因此每个凸齿和小齿缺所占的曲轴转角均为3°。曲轴旋转一圈360°，将会产生58个脉冲信号。大齿缺所占的弧度相当于两个凸齿和3个小齿缺所占的弧度，大齿缺所占总的曲轴转角为15°（2×3°+3×3°=15°）。大齿缺输出基准信号，对应发动机气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。

信号转子上设有一个产生基准信号的大齿缺，所以当大齿缺转过磁头时，信号电压所占的时间较长，即输出信号为一个宽脉冲信号，该信号对应于气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。ECU接收到宽脉冲信号时，便可知道气缸1或气缸4上止点位置即将到来，至于即将到来的是气缸1还是气缸4，则需根据凸轮轴位置传感器输入的信号来确定。由于信号转子上有58个凸齿，因此信号转子每转一圈（发动机曲轴转一圈），传感线圈就会产生58个交变电压信号输入ECU。因此，ECU每接收到曲轴位置传感器58个信号，就可知道发动机曲轴旋转了一圈。依此类推，ECU根据每分钟接收曲轴位置传感器脉冲信号的数量，便能计算出发动机曲轴旋转的转速和曲轴的位置。其位置如图2-5所示，曲轴位置传感器的输出波形如图2-6所示。

曲轴位置传感器G28的安装位置如图2-7所示，曲轴位置传感器电路如图2-8所示。端子T3i/2为传感器其中一极，与ECU的T80/64端子相连；端子T3i/3与ECU的T80/53端子相连；端子T3i/1为屏蔽线端子，在发动机线束内的搭铁连接。

（2）检测

① 故障征兆检测。在发动机运行中，当曲轴位置传感器出现故障时，会导致信号中断，发动机不能启动或在运行时立即熄火，这时ECU可以诊断到故障并进行故障码存储。

② 曲轴位置传感器的电阻检查。关闭点火开关，拔下传感器插接器插头，检测传感器上端子3和端子2之间的电阻，应为450～1000Ω。若电阻为无穷大，则说明信号线圈存在断路，应更换传感器。检查传感器上端子T3i/3或端子T3i/2与屏蔽线端子T3i/1之间的电阻，应为无穷大；如果电阻不是无穷大，则应更换传感器。

③ 信号转子与磁头间的间隙检查。用塞尺检查信号转子与磁头间的间隙，该间隙的标准值为0.2～0.5mm；若该值不在标准值范围内，则需进行调整。

④ 输出电压测量。用万用表的交流电压挡，在线路正常连接、发动机运转时测量端子T3i/3与端子T3i/2之间的电压，该电压值在0.2～2V范围内波动。

⑤ 检查传感器与ECU之间的连接线束。分别检查T3i/2与ECU T80/64端子、T3i/3与ECU T80/53端子、T3i/1端子与发动机线束内电源线之间的电阻值，应不超过1.5Ω；如果电阻为无穷大，则说明存在导线断路或接触不良，需进行维修。

⑥ 利用VAS 5052故障诊断仪通过故障诊断插座可以读取故障信息，如果曲轴位置传感器发生故障，则会出现故障码00513——发动机转速传感器G28故障。

3．2006年款凯美瑞曲轴位置传感器的检测

2006年款凯美瑞曲轴位置传感器安装在曲轴正时护罩内，曲轴的正时转子由34个齿组成，带有2个齿缺。曲轴位置传感器每转过10°便输出曲轴旋转信号，齿缺用于确定上止点，曲轴位置传感器的安装位置如图2-9所示。磁电感应式曲轴位置传感器的检测方法如下。

① 曲轴位置传感器的电阻检查。关闭点火开关，拔下传感器插接器插头，检查传感器上端子122和端子121之间的电阻，20℃时应为1850～2450Ω；若电阻为无穷大，则说明信号线圈存在断路，应更换传感器。其电路图如图2-10所示。

② 检查传感器上端子122或端子121与屏蔽线端子之间的电阻，应为无穷大；如果电阻不是无穷大，则应更换传感器。

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原理，产生与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号。它可分为触发叶片式和触发轮齿式两种曲轴位置传感器。

1．霍尔元件工作原理

如图2-11所示，把一块半导体基片（霍尔元件）放在磁场中。当在与磁场垂直的方向上通以电流时，在与磁场和电流相垂直的另外横向侧面上会产生电压。这种现象是1879年正在就读于美国霍普金斯大学的物理学家霍尔发现的，因此命名为霍尔效应。

实验证明：霍尔效应中产生的电压UH（霍尔电压）大小与通过半导体基片的电流I和磁场的磁感应强度B成正比，与基片的厚度d成反比，即

式中　UH——霍尔电压，V；

　　　RH——霍尔系数，m3/C；

　　 　d——半导体基片厚度，m；

　　 　I——电流强度，A；

　　　B——磁感应强度，T。

由上式可知，当通过的电流I为定值时，产生的霍尔电压UH与磁感应强度B成正比。即霍尔电压随磁感应强度的大小而变化。当B≠0时，半导体产生霍尔电压；当B=0时，霍尔电压降为0。这一原理在汽车上被广泛使用。

2．触发叶片霍尔式曲轴位置传感器

（1）结构　触发叶片霍尔式曲轴位置传感器的结构如图2-12所示，主要由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片（磁扼）与永久磁铁等组成。触发叶轮安装在转子轴上，叶轮上制有叶片。霍尔集成电路由霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电路、信号变换电路和输出电路等组成。其中触发叶轮安装在转子轴上，随转子轴一起转动；当曲轴带动转子轴转动时，触发叶轮随其一起转动，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动。

（2）工作原理　当触发叶轮随转子轴一同转动时，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动，霍尔式集成电路中的磁场就会发生变化，霍尔元件中就会产生霍尔电压，经过信号处理电路处理后，就可输出方波信号。当传感器轴转动时，触发叶轮的叶片便从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中转过。当叶片进入气隙时，霍尔集成电路中的磁场被叶片旁路，如图2-12（a）所示，霍尔电压UH为零，集成电路输出级的三极管截止，传感器输出的信号电压U0为高电平（实测表明：当电源电压UCC=14.4V时，信号电压U0=9.8V；当电源电压UCC=5V时，信号电压U0=0.1～0.3V）。

当叶片离开气隙时，永久磁铁的磁通便经霍尔集成电路和导磁钢片构成回路，如图2-12（b）所示，此时霍尔元件产生电压（UH=1.9～2.0V），霍尔集成电路输出级的三极管导通，传感器输出的信号电压U0为低电平（实测表明：当电源电压UCC=14.4V或UCC=5V时，信号电压U0=0.1～0.3V）。

ECU便根据输入的脉冲信号计算出曲轴的转角及活塞上止点位置，从而对发动机的点火和喷油时刻进行控制。

3．触发轮齿霍尔式曲轴位置传感器

（1）结构　触发轮齿霍尔式曲轴位置传感器即差动霍尔式曲轴位置传感器，也叫双霍尔式曲轴位置传感器，其结构与磁脉冲式曲轴位置传感器相似，由带凸齿的信号转子和霍尔信号发生器组成。其基本结构和输出信号电压波形如图2-13所示。

（2）工作原理　触发轮齿霍尔式曲轴位置传感器的工作原理与触发叶片霍尔式曲轴位置传感器的工作原理相同。触发轮齿霍尔式曲轴位置传感器的信号转子即凸齿转子安装在发动机曲轴上（部分汽车以发动机的飞轮为信号转子），当发动机曲轴或飞轮转动时，传感器的信号转子随其一起转动，从而使信号转子的齿缺与凸齿转过霍尔电路（与触发叶片式霍尔电路相同，由霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电阻、信号变换电路和输出电路等组成）的探头，使齿缺或凸齿与霍尔探头之间的气隙发生变化，磁通量随之变化，即磁场强度B发生变化。根据霍尔效应，在传感器的霍尔元件中就会产生交变电压信号，如图2-13（b）所示，其输出电压由两个霍尔信号电压叠加而成。因为输出信号为叠加信号，所以转子凸齿与信号发生器之间的气隙可以增大到1.0mm±0.5mm（普通霍尔式传感器仅为0.2～0.4mm），从而便可将信号转子设置成像磁感应式传感器转子一样的齿盘式结构，其突出优点是信号转子便于安装。

汽车上用霍尔式传感器一般为三线或两线。三线：第一根为电源线，供给工作电压，一般为12V，也有的用8V、5V或9V；第二根为信号线，需要提供5V参考电压，通过三极管的导通或关闭，实现0和5V的脉冲变化；第三根为搭铁线。两线：一根为电源线、一根为信号线。

4．上海别克轿车触发叶片霍尔式曲轴位置传感器的检测

24X曲轴位置传感器为3导线触发叶片霍尔式传感器，位于发动机右侧，曲轴端部，如图2-14所示。24X曲轴位置传感器主要由叶轮和信号发生器组成。信号发生器用螺栓连接在正时链条盖前端，叶轮安装于曲轴配重后部。叶轮上均布有24个叶片和窗口，曲轴每转一圈，传感器便产生24个脉冲信号。24X参照信号直接送给PCM，用于改善发动机的怠速点火控制。在1200r/min的发动机转速下，PCM采用24X参照信号计算发动机转速和曲轴位置。PCM连续监视24X参照电路上的脉冲数，并将24X参照脉冲数与正在接收的3X参照脉冲数和凸轮轴信号脉冲数进行对比。如果PCM接收的24X参照电路脉冲数不正确，将设置故障码DTC P0336，且PCM将利用3X参照信号电路控制燃油和点火。发动机将继续启动并仅采用3X参照信号和凸轮位置信号运行。

24X曲轴位置传感器与PCM的连接电路如图2-15所示。24X曲轴位置传感器的插头端子如图2-16所示，其中A端子为电源线，B端子为信号线，C端子为搭铁线。24X曲轴位置传感器的检测方法如下。

（1）检测传感器的输出信号　关闭点火开关，在曲轴位置传感器的信号线路上串接一个无源试灯（或发光二极管），启动发动机，观察灯（或发光二极管）的闪烁情况，试灯（或发光二极管）应有规律闪烁，否则表明曲轴位置传感器信号不良。

（2）检测传感器的电源电压　关闭点火开关，拔下曲轴位置传感器的3芯插头，打开点火开关，用万用表电压挡测量曲轴位置传感器端子A与搭铁之间的电压值，应为12V（蓄电池电压），否则表明曲轴位置传感器的电源线路不良。

5．大众CC曲轴位置传感器检测

由于霍尔式曲轴位置传感器具有能克服电磁式传感器输出信号电压幅值随车转速变化而变化，响应频率不高，以及抗电磁波干扰能力差等缺点，因而其被广泛应用于汽车。

（1）结构　随着科学技术的发展，现代制造业对汽车生产技术要求不断提高，同时为降低汽车生产成本，近年来，越来越多的汽车采用一种新型霍尔式曲轴位置传感器。普通霍尔式曲轴位置传感器有三根引线，分别为电源线、信号线和搭铁线，而新型霍尔式曲轴位置传感器只有两根引线，如图2-17所示，分别为电源线和信号线。新型霍尔式曲轴位置传感器与普通霍尔式曲轴位置传感器的输出信号均为方波脉冲信号，占空比范围为30％～70%，一般为50%，如图2-18所示，但输出信号的高、低电压存在差异。新型霍尔式曲轴位置传感器输出信号的高、低电压不受速度影响。主要由电控单元内部的电阻R决定，电阻R一定，高、低电压便一定，即使转速很低，发动机电控单元仍能检测到输出信号电压，这就克服了电磁式曲轴位置传感器输出信号电压随转速变化而变化的缺点。

（2）检测　大众CC汽车发动机曲轴位置传感器与发动机ECU的连接如图2-19所示。

① 工作电压的检测。拔掉曲轴位置传感器插头，打开点火开关，用万用表的电压挡测量线束侧T2jp/1端与搭铁是否有约为5V电压。如果没有，则检查插头端子T2ip/1与控制单元T60/51的线束导通性。如果导通，说明控制单元故障。

② 检测传感器的输出信号。关闭点火开关，在曲轴位置传感器的信号线路T2jp/1与T2jp/2端子上串接一个发光二极管试灯，启动发动机，观察发光二极管试灯的闪烁情况。试灯应有规律闪烁，否则说明曲轴位置传感器信号不良。如二极管试灯不闪烁，应检查T2jp/2端子与控制单元的T60/36线束的导通性。如果导通，检查端子T2jp/1与搭铁应有5V电压。电压正常，说明传感器故障，否则说明控制单元故障。

6.霍尔传感器失灵的诊断方法

① 检查霍尔传感器线路有无断路或短路，以及连接器端子有无腐蚀。

② 清洁霍尔传感器头部。

③ 检查霍尔传感器的供电与搭铁情况。

④ 用示波器读取波形，波形应为方波信号。

⑤ 串接一个发光二极管，启动发动机，观察发光二极管的闪烁情况，发光二极管应有规律闪烁，否则说明曲轴位置传感器信号不良。

四、光电式曲轴位置传感器

1．结构原理

光电式曲轴位置传感器由发光二极管和光敏三极管及转盘等组成（图2-20）。它通常安装在分电器内（图2-21）。在分电器底板上固定着由两对发光二极管和光敏三极管组成的信号发生器。分电器轴上装有转盘，盘上开有弧形槽。在转盘随分电器轴转动时，弧形槽交替地阻断从发光二极管射向光敏三极管的光线，使光敏三极管导通或截止，由此产生脉冲信号。转盘外圈弧形槽的个数与气缸数目相同，与它对应的一对发光二极管和光敏三极管产生各缸活塞到达上止点的基准信号（Ne信号）及转速信号；转盘内圈的弧形槽只有一个，与它对应的发光二极管和光敏三极管产生第一缸活塞到达上止点的基准信号（G信号），见图2-21（b）。

光电式曲轴位置传感器输出信号和霍尔式曲轴位置传感器一样，也是矩形脉冲信号，它也能检测转速很低的运动状态。其缺点是必须保持发光二极管和光敏三极管表面的清洁，否则就会影响传感器的工作。

2．控制电路

光电式曲轴位置传感器内部的光电元件及放大电路都需要电源才能正常工作，它通常利用蓄电池提供的12V电压作为工作电源。光电式曲轴位置传感器的控制电路和霍尔式曲轴位置传感器完全相同，由电源线、搭铁线和信号线组成（图2-22）。

在传感器内部的放大电路中，用光敏三极管组成一个晶体管开关电路，ECU中的5V基准电压通过一个较大的电阻后施加在晶体管开关电路上（图2-22）。当发光二极管的光线照射到光敏三极管上时，开关电路处于饱和状态，此时传感器的信号输出端与搭铁导通，5V电压经过ECU中的电阻后在该端子处被短路，其电压变为0；当发光二极管的光线被转子遮住时，晶体管开关电路处于截止状态，使传感器的信号输出端相对于搭铁开路，其电压变为5V。由此可知，和霍尔式曲轴位置传感器一样，光电式曲轴位置传感器的输出信号电压也是通过信号输出端相对于搭铁端导通状态的改变，由ECU施加在该端子上的电压产生的，在传感器转子转动一圈的过程中，传感器输出和转子叶片（或窗口）数目相同的、幅值为5V的矩形电压脉冲信号。