第四节 曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器

点火提前角和通电闭合角确定后，计算机是靠曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器的信号来识别气缸发火顺序，计量点火提前角和通电闭合角，从而保证向确定的气缸在通电时刻和点火时刻向点火模块发出初级电路通、断信号。还有些发动机在起动时，由曲轴（凸轮轴）位置传感器信号直接触发点火模块，起动后再切换至计算机控制。曲轴（凸轮轴）位置传感器的精度和采集信号的方式直接影响发动机的起动速度。

在电控燃油喷射系统中，曲轴（凸轮轴）转速信号被用来将空气流量传感器检测的单位时间的空气流量，转换成每个工作循环吸入的空气量；当采用顺序喷射和分组喷射时，曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器信号还被用来判定气缸喷油时刻和顺序。曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器信号还用于喷油量的修正、怠速控制和电动燃油泵的运行控制等。

常用的曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器有以下几种：

1）按照工作原理不同分，有电磁式、霍尔式和光电式三类测量转角的传感器。

2）按照采集信号的方式和精度不同分，有些传感器可以用于发动机的快速起动点火系统，有些则只能用于一般起动点火系统。

3）有些传感器自带信号处理电路，有些则不带，需要到ECU中去处理。

4）某些传感器嵌入了计算机，可以代替ECU做一部分工作。

曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器在发动机上常见的安装方式有：

1）安装在分电器内，如图1-18、图1-19所示。

2）安装在飞轮上，如图1-20所示。

3）安装在曲轴前端，如图1-21所示。

4）安装在曲轴箱上，如图1-22所示。

5）安装在凸轮轴传动链上的通常又称为凸轮轴位置传感器。有些发动机同时装有曲轴位置与转速传感器和凸轮轴位置传感器，如图1-23所示。一些V型发动机左、右两列气缸各装有一套凸轮轴位置传感器。

图1-18 分电器内的两个霍尔式传感器

1—具有四个叶片的触发轮 2—分火头 3—霍尔元件（参考信号） 4—霍尔元件（同步信号） 5—具有一个叶片的触发轮

图1-19 分电器内的电磁式传感器

1—触发轮 2—传感线圈调节装置 3—传感线圈总成

图1-20 飞轮上的电磁式传感器

1—液力变矩器主动轮 2—传感器 3—触发槽

图1-21 曲轴前端的电磁式传感器

一、电磁式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器工作原理

电磁式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器是根据电磁感应的基本原理来工作的。图1-24所示为丰田汽车发动机安装在分电器内的曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器，该传感器主要由永久磁铁及绕在磁铁上的线圈（又称为定子、传感器线圈）和压装在分电器轴上的触发轮（又称为转子、磁阻轮等）组成。触发轮上均布有1～2个或有与气缸相同数量的齿，当分电器轴转动时，分电器轴上的触发轮齿经过永久磁铁端部，线圈内就会感应出交流电压信号。

当轮齿接近磁铁端部时，磁场开始增强并且开始感应出电压（见图1-24b中A处）。电压会持续升高直到齿与线圈对正为止（见图1-24b中B处），当轮齿离开线圈中心时，电压会突然下降至0V以下并转变为负极性（见图1-24b中C处），随着轮齿离开线圈，磁场减弱到某一程度或消失。如果把轮齿与线圈对正的位置设计为活塞相对于上止点运动的某一特定位置，则当计算机检测到此交流电压由正到负所经过的0位时，即可判定此时气缸活塞所处的位置。计算机通过对交流电压信号计数即可得出任意时刻发动机的转速，不难看出触发轮的齿数越多测量越精确。

图1-22 曲轴箱上的传感器

1—触发轮 2—曲轴位置传感器 3—点火线圈和模块总成

图1-23 具有凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器的发动机

图1-24 电磁式曲轴位置与转速传感器及传感器信号

a）电磁式曲轴位置与转速传感器 b）传感器信号 1、7—永久磁铁 2、5—线圈 3、6—转子 4—拖架

某些发动机，起动时由曲轴位置传感器直接触发点火模块，触发轮的齿与线圈对正之前点火模块中的晶体管是导通的，点火线圈处于充电状态，当轮齿离开线圈中心时，电压突降至0V以下，点火模块中的晶体管被截止，切断了初级点火线圈中的电流，火花塞发火。点火模块一般需要0.25V的交流电压，以便接通控制初级线圈电流的晶体管。

电磁式曲轴位置与转速传感器线圈输出信号电压的大小和质量受许多因素的影响，包括发动机转速、触发轮与线圈之间的空气间隙以及线圈内磁铁的状况。线圈的输出电压会波动，在发动机起动时低至0.3～0.4V，在发动机高速运转时高达100V或更高。

二、电磁式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器的应用

1）丰田某4缸发动机分电器内上、下装有两套电磁式曲轴（凸轮轴）位置传感器，如图1-25所示，分别用于识别气缸（G信号）和检测曲轴转角及发动机转速（Ne信号）。Ne信号触发轮有24个齿、一个线圈，计算机每检测到一个线圈输出信号就相当于曲轴转过了30°。G信号触发轮有一个齿分别对应相差180°布置的两个线圈，如果G₁信号线圈的位置对应1缸活塞压缩行程上止点前（BTDC）10°，则G₂信号线圈对应的是4缸活塞同样的位置。G₁、G₂、Ne信号的对应关系如图1-26所示。

图1-25 分电器内装有G₁、G₂和Ne信号传感器

1—G转子 2—信号线圈G₁ 3—信号线圈G₂ 4、5、6—Ne信号线圈 7—分电器

将三个信号组合起来，计算机就可以测定任何气缸在任意时刻活塞的位置，以满足发动机点火顺序及在不同工况下对点火提前角和通电闭合角控制的需要。曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器也用于发动机计算机控制燃油喷射系统的喷油顺序、喷油量（与喷油时间成正比）和喷油正时的控制。

2）日产某V型6缸发动机，曲轴位置和转速传感器的触发轮安装在曲轴前端的带轮之后，如图1-27所示，沿触发轮圆周均布有90个齿，两齿间隔4°。紧邻齿内侧均布有3个凸缘，每个间隔120°。传感器线圈（磁头）安装在触发轮边缘，其中磁头②对应凸缘每转产生3个间隔为的120°信号，磁头①和③间隔3°，对应触发轮的齿，每转各产生90个间隔为4°的周期信号，信号宽度为2°，磁头③滞后磁头①1°。传感器信号处理电路在磁头①和③信号的上升沿和下降沿各触发一个的信号，这些信号相加后产生1°信号，如图1-28所示。

按照1-6、2-5、3-4的点火顺序设定当某凸缘对准磁头②时，则该凸缘对应的气缸活塞恰好位于压缩行程上止点前70°，如图1-29所示。所以又称磁头②信号为上止点前70°信号。

电磁式曲轴位置传感器的输出信号比较脆弱，极易受到类似于火花塞高压线、车载电话等其他电器所产生的磁场影响，所以这种电磁式曲轴位置传感器与ECU之间的连接导线通常被一个静电屏蔽管所屏蔽。

图1-26 G₁，G₂和Ne信号确定的点火和喷油时刻

图1-27 日产某V型6缸发动机电磁式曲轴位置与转速传感器

三、霍尔式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器工作原理

霍尔式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器利用霍尔效应原理来产生电压脉冲信号。霍尔式曲轴（凸轮轴）位置传感器主要由霍尔元件或霍尔电路、永久磁铁和触发轮等组成，触发轮一般为叶片或轮齿形式，如图1-30所示。当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空气隙中时，通过霍尔元件的磁场被触发叶片所旁路（或称隔磁），这时霍尔元件不产生霍尔电压；当触发叶片离开空气隙时，永久磁铁的磁通便穿过霍尔元件，这时产生霍尔电压。

图1-28 磁头的信号合成1°信号的原理

图1-29 上止点前70°信号

图1-30 霍尔式传感器原理

a）有霍尔电压 b）无霍尔电压

由霍尔电压触发的传感器输出电压有两种形式：一种是当霍尔元件的磁场被阻断时，传感器对外输出电源电压或高电位，被接通时输出零电压或低电位；另一种正好与前述相反。

四、霍尔式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器的应用

1）在某通用汽车3.8L 6缸涡轮增压发动机上，霍尔式凸轮轴位置传感器被安装在原用来安装分电器的分电器孔内，用于输出气缸识别信号。霍尔式曲轴位置传感器被安装在位于曲轴前端传动带轮后面，用于输出曲轴转角信号，如图1-31所示。

图1-32所示为曲轴位置传感器的触发轮，它安装在曲轴传动带轮背面，触发轮沿圆周均布有三个叶片，这些叶片旋转时会穿过曲轴位置传感器内的霍尔元件。当叶片进入霍尔元件然后离开时，霍尔传感器输出电压从高电平（6～8V）变到低电平（0～0.5V）。

在6缸发动机上，曲轴每转一圈，曲轴位置传感器产生三个高电平信号，信号的上升沿总是出现在上止点前（BTDC）10°位置。因此，初始点火提前角被设置为上止点前10°。由此产生的三个信号是相同的，所以起动时计算机不能决定将这些信号中的哪个信号赋给某个特定的点火线圈。

凸轮轴位置传感器如图1-33所示，被安装在分电器孔内，并由凸轮轴驱动。其触发轮只有一个叶片作为气缸识别传感器的信号，在起动时告诉点火模块。凸轮轴位置传感器信号要与曲轴位置传感器第一缸位置信号同步。然后，点火模块就能够根据发动机的发火顺序给点火线圈通电。发动机一旦被起动，对点火而言凸轮轴位置传感器的信号便没有用了。

图1-31 霍尔式凸轮轴和曲轴位置传感器

图1-32 带有三个叶片的曲轴传动带轮

图1-33 凸轮轴位置传感器的结构

对送给点火模块的凸轮轴位置传感器信号来说，如图1-34所示，其上升沿总是出现在第一缸压缩行程上止点后26°，下降沿总是出现在第一缸进气行程上止点后26°。凸轮轴位置传感器信号也被用来使燃油喷射时刻同步。

当发动机起动时，点火模块等候凸轮轴位置传感器信号从高到低或从低到高的变化，同时为紧接着应该点火的线圈做好发火准备，此即为点火模块与发动机取得同步。

2）在某较新的通用汽车发动机上，装备了对上述传感器更新后的一种点火系统。其霍尔式曲轴位置传感器安装在曲轴前端的带轮背后，如图1-35所示。传感器内装有内外两个触发轮，内侧轮上有宽度不等的三个叶片，分别是110°、100°和90°，这三个叶片空间分布不均匀，叶片间隔分别是10°、20°和30°。外侧轮上具有等宽度、等间距的18个叶片。内侧霍尔电路发出的信号被称为3x信号，而外侧霍尔电路发出的信号被称为18x信号。

3x信号的上升沿间隔120°，对应3个叶片1-4缸、3-6缸和2-5缸分别在3x信号上升沿后75°时到达压缩行程上止点，因此火花塞仍然会每隔精确的时间间隔时发火。很明显可以看出，18x信号的上升沿和下降沿每隔10°曲轴转角出现一次，如图1-36所示。

图1-34 凸轮轴位置传感器的工作情况以及产生的信号

图1-35 装在曲轴传动带轮上的霍尔传感器触发轮

图1-36 3x和18x曲轴位置传感器信号

点火模块根据旋转期间在每个3x窗口内接收到的18x信号的数量来判断该哪个点火线圈发火了。例如，如果接收到两个18x信号，那么点火模块被编程为根据发火顺序紧接着该使3-6点火线圈发火了。在120°的曲轴转角内，点火模块能够识别出点火线圈的发火次序，从而使火花塞开始发火。所以这种系统与前述的普通起动点火系统相比，在初始起动时曲轴只需转过较小的角度，起动后计算机就会向点火模块发送一个5V信号。点火模块接收到此信号后，就将系统转换到计算机控制模式，然后计算机就使用18x信号来确定曲轴位置和转速信息。

如果没有产生18x信号，那么发动机将不能起动。如果在发动机运转期间3x信号发生故障，发动机会继续运转但是不能重新起动。

在这种系统中，凸轮轴位置传感器信号被用来确定喷油器喷油顺序，但不用来确定点火顺序。如果凸轮轴位置传感器信号失效，计算机将按照标准的次序使每个喷油器接地。如果计算机不能这样做，那么发动机在加速时的反应会迟钝。

3）某北京切诺基发动机将霍尔式曲轴位置传感器装在变速器飞轮壳体上，如图1-37所示，在2.5L 4缸发动机的飞轮外沿上有8个齿槽，平均分成两组，两组之间相隔180°。每一组中每个齿槽宽度为2°，齿槽相隔18°齿宽。在4.0L 6缸发动机的飞轮外沿上有12个齿槽，均分为3组，每组相隔120°，齿槽与上述相同。

图1-37 北京切诺基霍尔式曲轴位置传感器

当飞轮齿槽通过传感器的霍尔元件和磁铁之间时，霍尔传感器输出5V的高电位，当飞轮齿通过时，霍尔效应传感器输出0.3V的低电位。当飞轮上的每组齿槽通过传感器时，传感器将产生4个脉冲信号。其中2.5L 4缸发动机每转一转产生两组脉冲信号，4.0L 6缸发动机每转一转产生三组脉冲信号。传感器提供的每组信号输入发动机控制单元后，可被发动机控制单元用来确定两缸活塞的位置。如在4缸发动机上，利用一组信号，在同一时间内，得知1缸活塞和4缸活塞到达上止点前某一位置，利用另一组信号，得知2缸活塞和3缸活塞到达上止点前同样位置。同理，在6缸发动机上，利用一组信号，在同一时间内也可确定3-4、2-5、1-6各组缸活塞到达上止点前的某一位置。

如图1-38所示，由于每组信号中的第四个脉冲下降沿对应活塞上止点前（TDBC）4°的位置，因此其他三个脉冲信号下降沿对应活塞上止点前的位置也可以确定，如每组第一个脉冲信号下降沿对应活塞上止点前64°。

图1-38 曲轴位置传感器信号与气缸活塞位置对应图

图1-39 曲轴位置传感器与ECU的连接电路

上述发动机的初始点火提前角是在压缩行程上止点前（BTDC）10°左右，如果发动机控制单元收不到曲轴位置传感器信号，发动机将不会被点火起动。燃油喷射也与曲轴位置传感器信号有关，一般是在排气行程上止点前（BTDC）64°时开始喷油。

利用曲轴位置传感器信号，发动机控制单元可以知道有两个活塞在接近上止点，并处于相应位置，但并不清楚是哪两个气缸的活塞，也分不清谁处于排气行程、谁处于压缩行程，因此还需要有判缸信号，即需要有同步信号传感器（分电器内的凸轮位置传感器）向发动机控制单元提供信息，以保证按规定的点火顺序，向处于压缩行程的气缸发出点火信号。

曲轴位置传感器与发动机ECU有三条引线相连，如图1-39所示，其中输入传感器的电源对于不同的出厂年代，有8V和5V之分；CKP是传感器输出的矩形脉冲信号，高电位为5V，低电位为0.3V；最后是传感器地线。

霍尔效应传感器主要应用于北美和欧洲生产的许多车辆上。

五、光电式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器工作原理

如图1-40所示，光电式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器主要由发光二极管、光敏二极管及其电路和带光孔的信号盘组成。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并产生电压；当发光二极管的光束被遮挡时，光敏二极管截止，产生的电压为零。将光敏晶体管产生的脉冲电压送至电子电路放大整形后，即可向ECU输送曲轴（凸轮轴）位置与转速信号。

图1-40 光电式曲轴位置与转速传感器工作原理

六、光电式曲轴（凸轮轴）位置与转速传感器的应用

1）一些日产公司汽车发动机使用的光电式曲轴位置传感器设置在分电器内，它由信号发生器和带光孔的信号盘组成，如图1-41所示，信号盘安装在分电器轴上，外围有360条缝隙（光栅），相邻缝隙产生2°曲轴转角信号；对于6缸发动机，在缝隙内侧间隔60°曲轴转角的圆周上分布着6个光孔，产生120°曲轴转角信号，其中有一个较宽的光孔用于产生一缸上止点对应的120°曲轴转角信号，如图1-42所示。

图1-41 光电式曲轴位置传感器

图1-42 信号盘结构

脉冲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，如图1-43所示。两只发光二极管分别正对着两只光敏二极管，发光二极管以光敏二极管为照射目标。信号盘位于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，光线通过信号盘上的缝隙和光孔，在光敏二极管上产生透光和遮光的交替变化。将光敏二极管产生的脉冲电压送至电子电路放大整形后，即可向ECU输送2°信号和120°信号。

图1-43 日本公司光电式曲轴位置传感器结构

在设计上，保证120°信号发生器在各缸压缩上止点前70°产生一个脉冲，曲轴转两周共产生6个脉冲信号，2°信号发生器曲轴转两周输出360个脉冲。

如图1-44、图1-45所示，分别为2°和120°曲轴转角位置传感器在怠速和经济转速条件下信号的波形。

2）现代索纳塔汽车发动机上使用光电式曲轴位置传感器信号盘的结构，如图1-46所示。对于有分电器的点火系统，传感器总成装于分电器壳内；对于无分电器的点火系统，传感器总成安装在凸轮轴前端。信号盘外圈有四个孔，用来检测曲轴转角并将其转化为电压脉冲信号，发动机控制单元根据该信号计算发动机转速。信号盘内圈有1～2孔，用来检测第1缸或1、4缸压缩上止点，并将它转换成电压脉冲信号输入发动机控制单元。发动机控制单元根据内、外圈光孔信号控制点火提前角和燃油喷射正时。

图1-44 2°曲轴转角信号

a）怠速波形 b）经济转速波形

图1-45 120°曲轴转角信号

a）怠速波形 b）经济转速波形

曲轴位置传感器的线路连接如图1-47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。

图1-46 现代索纳塔汽车发动机上的光电式曲轴位置传感器

图1-47 曲轴位置传感器的线路连接

3）某克莱斯勒汽车发动机上的光电式曲轴位置传感器，在分电器上装有由两个发光二极管和两个光敏二极管组成的光电型传感器总成。在分电器轴上固定有一个薄板，板上方是发光二极管，板下方是光敏二极管，薄板就在发光二极管和光敏二极管之间旋转，如图1-48所示。薄板内圈均布有六个槽，这六个槽在内侧的发光二极管和光敏二极管之间旋转，内侧的发光二极管和光敏二极管用作参考传感器。与霍尔效应传感器中的参考传感器一样，这里的参考传感器向ECU提供曲轴位置信号及转速信号。当接通点火开关时，ECU给光电传感器提供电压，使发光二极管发光。如果薄板的实心部分转到参考发光二极管的正下方，发光二极管发出的光就照射不到光敏二极管上，此时光敏二极管就不能传导电流，因此此时送给ECU的参考电压是5V。若一个参考槽转到内侧发光二极管的正下方，发光二极管发出的光就会照射到光敏二极管上，此时光敏二极管就能传导电流，因此送给ECU的参考电压是0V。

图1-48 克莱斯勒汽车发动机上的光电式传感器及其与ECU的连接

1—信号盘 2—轴 3—发光二极管 4—光敏二极管

图1-49 日立公司的光电式传感器

1—高分辨率数据槽 2—光学装置 3—低分辨率数据槽

外侧的发光二极管、光敏二极管以及一圈槽的作用与装有霍尔效应传感器的分电器内的同步传感器的作用类似。外圈的槽排列得很密，每个槽之间的宽度为2°的曲轴转角。在外圈的某个地方缺少一个槽，当这个地方转到发光二极管的正下方时，就产生了不同于其他信号的同步电压信号。这个同步信号告诉ECU第一缸活塞的位置。ECU根据这个信号对喷油器进行控制。当外侧的槽在外侧的发光二极管正下方旋转时，传送给ECU的同步电压信号为0V或5V，这两个值循环变化。参考传感器的信号告诉ECU每个活塞到达压缩上止点前某个特定角度所需要的时间。

当ECU接收到参考信号时，就会扫描输入信号，计算发动机所需要的点火提前角，同步传感器信号总是让ECU获知精确的曲轴位置，当参考信号发出后，该发火气缸的活塞到达点火位置时ECU切断初级电路，从而控制点火提前角。

大多数光电式传感器是由日立公司生产的，并被广泛应用于亚洲车型发动机以及某些克莱斯勒公司和通用汽车公司发动机上。传感器使用红外线装置或是发光二极管向接收器传输光信号。传输和接收元件被安装在分电器轴上的薄圆片隔开，如图1-49所示，在圆盘的圆周上开了一组相互平行的内缝和外缝。每一圈窄缝使用一个光源和接收器。当点火开关接通时，ECU向光学传感器提供电压。当圆片转动时，光源被圆片上的窄缝所中断，接收器从每个传感器处检出光脉冲，并将这个数字信号传送至ECU。

三菱公司与克莱斯勒公司的传感器在构造上有许多相似之处，并且都是在20世纪80年代后期问世的。外圈的窄缝排列得非常紧密，每个窄缝代表着2°的曲轴转角，这就意味着圆盘旋转一周即曲轴旋转两圈或一个完整的工作循环输出信号会变化360次。这种信号也被称为高变化率数据或高分辨率信号。在圆盘的某一特定位置上没有窄缝，ECU使用这个信号来识别是否是第一个气缸。内部窄缝的数目与气缸的数目相同，这样会产生小变化率数据或是产生低分辨率信号。通用汽车公司的光学系统稍有不同，它的外圈也有相同数目的窄缝但没有缺少窄缝。其内圈的窄缝被切成不同的宽度（以角度度量）以识别曲轴位置。此外，在通用汽车公司V8发动机中所用的光学系统将独特的分电器安装在水泵后面，并且由凸轮轴直接驱动。

光电式传感器之所以用于汽车的各种系统，是因为即使在发动机不转动的情况下，它们也能感知旋转元件的位置，而且不受电磁干扰。在任何转速条件下，传感器发出信号的振幅都会保持一致。目前由于高温光纤维技术的迅猛发展，使光电传感器在汽车上的应用范围也越来越广。