任务一 曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器的结构及工作原理
学习目标
1.学习曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器的结构及工作原理
2.掌握曲轴位置传感器的故障现象及引起故障的原因
课程准备
知识准备1
曲轴位置传感器是根据电磁感应原理开发的。电磁感应（Electromagnetic Induction）又称磁电感应现象，是指放在变化磁通量中的导体会产生电动势，此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。电磁感应现象验证试验如图1-2-2。
知识准备2
霍尔效应（Hall Effect）是美国约翰·霍普金斯大学物理学家爱德华·霍尔（Edward H.Hall）博士于1879年首先发现的。霍尔效应是指将一个通有电流I的长方形白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中，如图1-2-3所示，在白金导体的两个横向侧面上就会产生一个与电流方向和磁场方向垂直的电压，当取消磁场时电压立即消失。产生的电压后来被称之为霍尔电压UH，UH与通过白金导体的电流I和磁感应强度B成正比。
图1-2-2 电磁感应原理试验
图1-2-3 霍尔效应原理图
利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，利用霍尔元件制成的传感器称为霍尔效应式传感器，简称霍尔传感器。由于半导体材料也存在霍尔效应，其霍尔系数远远大于金属材料的霍尔系数，因此一般都采用半导体材料制作霍尔元件。利用霍尔效应不仅可以通过接通和切断磁场来检测电压，而且还可以检测导线中流过的电流，因为导线周围的磁场强度与流过导线的电流成正比关系。20世纪80年代以来，汽车电子产品中应用霍尔传感器与日俱增，主要原因在于霍尔传感器有两个显著的优点：一是输出电压信号近似于方波信号；二是输出电压高低与被测物体的转速无关。霍尔传感器与磁感应式传感器的不同之处是需要外加电源。
课前引入
在发动机电控系统中存在着一个至关重要的传感器，如果这个传感器工作不良，将会造成发动机不能起动或使正在运转的发动机停止运转。那么这是哪个传感器呢？为什么它的作用如此重要？
在发动机电控系统中还存在着一个传感器，一般这个传感器采用霍尔效应的原理，用于判断气缸的基准信号，当此传感器出现故障时，汽车将出现加速无力的现象，那么这个传感器是什么传感器呢，又为什么会出现这种故障现象呢？
一、曲轴位置传感器（CKP）的结构及工作原理
1.曲轴位置传感器功能及安装位置
曲轴位置传感器的英文名是（Crank shaft Position，CKP）。CKP也称作发动机转速传感器，大多采用磁感应式传感器，配合60齿减去3齿或60齿减去2齿的靶轮。CKP用于测定发动机转速和曲轴的旋转位置信号，发动机ECU根据此传感器信号计算基本的喷油时间和基本的点火提前角。如果CKP传感器信号不正确或缺失，发动机系统将不知道何时点火和喷油，因此会工作不良，甚至会不着车，或在运转中熄火。
目前大多数发动机电控系统采用的CKP是电磁感应式传感器，它安装在发动机缸体或变速器壳体上，与安装在曲轴上的齿圈共同工作。其安装位置和外观如图1-2-4、图1-2-5所示。
图1-2-4 CKP传感器安装位置
图1-2-5 CKP传感器外观
2.曲轴位置传感器工作原理
CKP传感器主要由线圈绕着的磁铁和两个接线端子组成，结构如图1-2-6所示。线圈两个端子就是传感器的输出端子，当铁质环状齿轮（有时称信号盘）转动经过传感器时，由于此时线圈内磁铁通过线圈的磁通量会有一定的变化，所以线圈里会产生感应电压。
信号盘上相同齿型会产生相同形状的连续脉冲，脉冲有一致的形状幅值（峰对峰电压）与曲轴信号轮的转速成正比，输出信号的频率基于信号轮的转动速度，传感器磁极与信号轮间隙对传感器信号的幅值影响极大（因此安装时要注意齿隙）。在生产加工过程中，剔除信号轮上一个齿（见图1-2-7），信号盘上的缺口位置与发动机上止点的位置相匹配，ECU利用此信号确定在第一缸的基准位置。
图1-2-6 CKP传感器结构
图1-2-7 CKP传感器信号齿圈
由于磁电式CKP传感器信号比较弱，而且敏感，容易受高压点火线，车载电话、风扇、起动机等电气与电子设备的电磁干扰，它会引起行驶性能故障或产生故障码，为了防止该现象的出现，故此在制造发动机线束过程中，CKP传感器的两根信号线采用了双绞线结构形式，采用这种形式可以有效的防止外界信号对CKP传感器信号的影响，而且也降低了生产成本。
3.CKP传感器的波形
电磁感应式发动机CKP传感器波形如图1-2-8所示，正确的波形应连续，图中的波形频率随发动机的转速变化，转速越高，波形越密。图中波形较宽的部分为缺两个齿的位置处波形。
图1-2-8 电磁感应式发动机CKP传感器波形
4.CKP传感器的相关故障
（1）故障症状
如果CKP传感器信号出现故障，可能会观察到下列症状：
①发动机转动，但不能起动。
②发动机无点火信号（CKP传感器的不正确安装）。
③转速表不起作用。
④发动机运转粗暴或停止（CKP传感器的不正确安装）。
⑤油耗增加。
（2）导致故障原因
保持传感器与信号盘正确的空气间隙非常重要，如果空气间隙太宽，则CKP传感器信号会变得太弱，可能会导致发动机熄火的情况发生。
CKP传感器可能会出现以下故障或提供不正确的信号：
①空气间隙太宽。
②CKP传感器磁场太弱。
③CKP传感器线束断路。
④CKP传感器线束短路。
⑤CKP传感器线束高电阻。
⑥腐蚀或机械原因，磁力环精度差。
⑦飞轮或驱动盘失圆而导致CKP传感器信号失真。
⑧曲轴径向移动而导致CKP传感器信号变化。
⑨错误的缺齿布置方式，ECU不能实现曲轴与软件之间的同步。
⑩传感器装配不正确或传感器进水。
课程互动
如果CKP传感器线路断路，发动机将会出现什么情况？
二、凸轮轴位置传感器（CMP）的结构及工作原理
1.凸轮轴位置传感器安装位置
凸轮轴位置传感器的英文名为（Camshaft Position Sensor，CMP Sensor），大多车型采用霍尔传感器，配合具有几个不等距缺口的信号转子。CMP传感器固定，信号轮装在凸轮轴上。信号轮是圆柱面形钢质叶片或带有间隙不等的圆盘。CMP传感器一般安装在气门室罩盖后部，信号轮安装在凸轮轴后部，和凸轮轴同步运转。传感器和信号轮安装部位如图1-2-9所示，CMP传感器及信号轮见图1-2-10所示。
图1-2-9 传感器和信号轮安装部位
图1-2-10 CMP传感器及信号轮
1—霍尔元件 2—信号轮 3—信号轮间隙
2.CMP传感器作用
CMP传感器为发动机ECU提供凸轮轴的相位信息，此信息与CKP传感器所提供的信息结合起来判断发动机处于工作循环中的哪个行程。凸轮轴每转一周，传感器就根据霍尔效应产生一系列电磁脉冲，ECU在得到这些信息后，结合CKP传感器信息，控制喷油器向正确的气缸喷油以及确定点火顺序，此外CMP传感器还用于各缸的爆燃调节。CMP传感器为辅助传感器，对发动机排放影响很大。
3.CMP传感器的结构及工作原理
CMP传感器是利用霍尔效应原理，通过与凸轮轴一同旋转的信号轮来改变磁场的，因此产生周期性变化的电压。该传感器内部为霍尔传感器，三线式，由ECU提供参考电压。图1-2-11所示为CMP传感器电路。
图1-2-11 某车型CMP传感器电路
G40—霍尔传感器 J220—发动机电控单元
图1-2-12 CMP传感器输出信号波形
某车型CMP传感器输出信号波形如图1-2-12所示，CMP传感器信号与CKP传感器输出信号之间的关系如图1-2-13所示。由图可见发动机曲轴每转两转，霍尔传感器信号轮就转一圈。
图1-2-13 CKP传感器与CMP传感器输出波形的对应关系
发动机工作时，CKP传感器和CMP传感器产生的信号电压不断输入ECU。当ECU同时接收到CKP传感器齿缺对应的低电平信号和CMP传感器窗口对应的低电平信号时，便可识别出此时为1缸活塞处于压缩行程、4缸活塞处于排气行程，并根据CKP传感器小齿缺所对应的输出信号控制点火提前角。ECU识别出1缸压缩上止点位置后，便可进行顺序喷油控制和各缸点火时刻控制。如果发动机产生了爆震，ECU还能根据爆震传感器输入的信号判别出是哪一个缸产生了爆震，从而减小点火提前角，以便消除爆震。
4.CMP传感器相关故障
当CMP传感器信号中断后，控制单元收到曲轴位置信号只能识别出再经一定的曲轴转角到达1、4缸的上止点，但不知1、4缸中的哪一个缸是压缩行程上止点。控制单元仍可喷油，但由顺序喷射改为同时喷射，控制单元仍可点火，但将点火正时向后推迟到绝对不爆震的安全角度。此时发动机功率和扭矩都会降低，驾驶中的感觉就是加速不良，达不到规定的最高车速，燃油消耗增加，怠速不稳。
（1）故障症状
如果CMP传感器出现故障，ECU将进入故障应急模式。喷油时刻会调整，对驾驶员来说，感觉不到发动机性能在低速范围内的任何变化。但排放将会超标，发动机故障灯会点亮。
（2）导致故障的原因
CMP传感器可能会以下列方式出现故障或提供不正确的信号：
①CMP传感器被金属性碎片污染。
②CMP传感器磁场太弱。
③CMP传感器线束断路。
④CMP传感器线束短路。
⑤CMP传感器高电阻。
⑥由于机械损伤，磁力环精度降低。
⑦排气凸轮轴正时不正确。
⑧进气凸轮轴正时不正确。
⑨不正确的传感器的安装。
（3）维修方法
①检查传感器的导线、插头和传感器的电气接口是否正确连接、断裂和腐蚀。
②清洁传感器的插头。
③读取故障码存储器记录。
④检查传感器是否损坏。
课程互动
1）如果CMP传感器出现故障，发动机会出现什么情况？
2）请画出CMP传感器与发动机电控单元连接的电路简图。
故障案例
凸轮轴位置传感器故障案例
一台帕萨特B5轿车，配置ANQ型发动机，大修后出现起动困难故障，严重时类似于无点火症状，热车后故障有所减轻。使用VAG1552诊断仪进行检测，发动机系统存储了如下故障码：
00515 霍尔传感器G40对地短路；
00561 混合气超过调整极限；
17967 节气门控制单元基本设置故障；
18020 发动机控制单元编码错误。
清除故障码后起动着车，查询故障码只剩下00515故障码。试车两分钟，又出现00561故障码。进入动态数据流功能，查看001组4区怠速节气门开启的角度，为7°，正常值应为2°～5°之间，分析原因是0节气门体脏污所致。在没有清洗节气门体的情况下，输入098组号进行“基本设定”仪器显示“不支持本功能”。由此想起起动困难可能与节气门控制单元设定失败有关，以前曾遇到过此类故障，但它都同时伴有严重的游车（发动机转速忽高忽低）现象，与本例症状存在较明显的差别。决定先不考虑此问题，继续检查控制单元的编码代号。诊断仪所显示的发动机控制单元编码为04031，即按欧Ⅱ标准要求配置01N型自动变速器的帕萨特车辆，与本车实际配置相符。于是就剩下00515故障码问题，经过反复试车，发现有这样的故障特征：在点火开关打开状态（发动机并不运转），将故障码清除，但只要一起动发动机，就会立即重现。这表明该故障码是真实码。但它的静态值应是正常的，动态值（脉冲信号输出）则出了问题。为此测量霍尔传感器3个针脚之间阻值，没有相互短路的迹象；在打开点火开关状态下，测量各针脚电压，分别为5V、12V、0V，这又进一步验证了霍尔传感器信号线无“对地短路”问题，也许传感器本身已损坏，拆下后发现里面的霍尔元件沾有机油，查看是进气凸轮轴油封未正确安装，修复并擦拭干净传感器试车，故障依旧，使用示波仪测量传感器信号，可看到一组标准的12V矩形方波输出。至此，已没有任何理由证明霍尔传感器G40信号存在“对地短路”的问题，那么是什么原因产生了00515故障码？
仔细观察发动机运转状况，发现有时会因转速偏低而悄然熄火。将气门室盖拆下，检查排气凸轮轴与进气凸轮轴之间的配气相位，果然进气凸轮轴角度相对排气凸轮轴提前了一个链节。重新安装后故障立即消失。
故障小结：本案例故障是维修人员安装的配气机构错误造成的，深入分析，还是在于修理人员没有理解和掌握ANQ型发动机的进排气凸轮轴特殊的装配原理。ANQ是一种配置于帕萨特B5的发动机，采用了双凸轮轴，因此它的配气机构的装配分为两部分：
1）排气凸轮轴与曲轴采用正时传动带进行装配。正时传动带位于发动机前方，在排气凸轮轴传动带轮及曲轴传动带轮护罩上有明显的正时标记，它又与我们熟知的时代超人发动机的配气方法相同，因此在这一环节维修人员通常不会犯错误。
2）进气凸轮轴与排气凸轮轴则采用链条传动作为配气相位的装配方式。链条位于缸盖后方，凸轮轴调整电磁阀N205位于进气凸轮轴后部，N205用于实现可变配气相位功能，也就是说电控单元可以根据发动机实际的工况要求来控制N205。令进气凸轮轴相对调整一个角度，使发动机的进气更充分，增大功率输出。链条张紧器则位于两个凸轮轴链轮之间，它是依靠发动机运转后产生的机油压力绷紧链条的。由于未绷紧的链条有一定的松弛度，当两根凸轮轴安装好后，验证正时记号时就会看到，进气凸轮轴相对排气凸轮轴存在一个较明显的自由行程，这就随之带来一个问题，如果我们以凸轮轴对准瓦盖上的记号的常规方法进行装配，就会存在这个正常的自由行程，进气凸轮轴在3个轮齿角内部可对正瓦盖上的标记，因此这种对正时的方法是错误的，不能作为ANQ发动机的两个凸轮轴间验证正时的标准。维修手册中详细的说明了凸轮轴与链条的装配方法：“链条不能用冲小点、刻槽或其他类试的方法作为标记，两个箭头以及颜色标记之间的距离为16个链节箭头是指两根凸轮轴链条轮颈部的凹槽径向啮合的链齿为起点（包括这两个啮合的链节）之间共为16个链节，本例装成了15节，结果导致进气门开启时间滞后，发动机进气不充分而功率不足，呈现出怠速转速明显偏低却转速相对稳定的故障特征。
霍尔传感器G40也是安装在进气凸轮轴处，但位于前方，因此G40信号与进气凸轮轴旋转角度同步。显然，控制单元通过发动机转速传感器G28与霍尔传感器G40的信号对比，得到相位不正确的结论。但由于自诊断原则上只能识别电信号类型的故障，因此便认为G40元件损坏或信号输出错误，设置00515号故障码，维修手册中对该故障排除是这样说明的：检查线路，检查或更换G40，没有涉及任何有关配气相位机械方面的信息。
课程互动
1）凸轮轴位置传感器的作用是什么？
2）如果凸轮轴位置传感器出现故障，发动机会有什么现象发生？
3）请问凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器的信号是否有关联，为什么？