第三节 曲轴位置传感器
一、曲轴位置传感器的作用和安装位置
1. 作用
曲轴位置传感器（CKP或CPS-Crankshaft Position Sensor），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，并输入电子控制单元（ECU），以便确定喷射顺序、喷射正时、点火顺序、点火正时，并根据信号监测到的曲轴转角波动的大小来判断发动机是否有失火现象。
无曲轴位置传感器信号，发动机ECU认为发动机没有运转，因此喷油器不能喷油。点火和喷油集中控制的电子控制发动机，还不能点火。所以，曲轴位置传感器是计算机控制点火系统、发动机电子控制系统最重要的传感器之一。
2.安装位置
曲轴位置传感器一般安装于曲轴前端、分电器内、靠近飞轮的变速器壳体上三个位置，个别的车辆还有安装于发动机缸体中部下侧。曲轴位置传感器常见的安装位置如图2-23所示。
图2-23 曲轴位置传感器的安装位置
二、磁脉冲式曲轴位置传感器
1.丰田车系磁脉冲式曲轴位置传感器
（1）结构
丰田公司TCCS系统使用转子磁脉冲式曲轴位置传感器，安装在分电器内，其结构如图2-24所示。该传感器分上下两部分，上部分产生G信号，下部分产生Ne信号。两部分都是利用带轮齿的转子旋转，使信号发生器内的线圈磁通变化，从而产生交变电势，经放大后，将该信号输入电子控制单元。
图2-24 转子磁脉冲式曲轴位置传感器
Ne信号用来检测曲轴转角和发动机转速信号，它相当于轮齿式曲轴位置传感器的1°信号。它由固定在分电器内下半部等间隔24个齿轮的转子（即Ne正时转子）及固定在轮齿转子对面的感应线圈组合而成。
（2）工作原理
轮齿随转子的转动而转动，与感应线圈凸缘（即磁头）的空气间隙变化，使感应线圈的磁场变化而产生感应电动势。轮齿靠近或远离磁头时，都会产生一次增减磁通的变化。每一个轮齿通过磁头时，都会在感应线圈中产生一个完整的交流电压信号。
Ne正时转子上有24个齿，转子转一圈，即曲轴转两圈（720°）时，感应线圈产生24个交流信号，即Ne信号。Ne信号如图2-25所示，它的一个周期的脉冲相当于30°曲轴转角（720°÷24=30°）。更精确的转角测量是利用30°转角的时间，由ECU再均分30等份，产生1°曲轴转角的信号。同时，检测发动机的转速，是由ECU依照Ne信号的两个脉冲，即60°曲轴转角所经过的时间为基准测量发动机的转速。
图2-25 Ne信号发生器结构与波形
G信号用于识别汽缸及检测活塞上止点位置，这相当于轮齿磁脉冲式曲轴位置传感器的120°信号。G信号是位于Ne信号发生器上方的凸缘轮（即G正时转子）及其对面对称的两个感应线圈产生的，其结构如图2-26所示。G信号的产生原理与Ne信号产生原理相同，G信号也用于作为Ne信号计算曲轴转角的基准信号。
图2-26 G信号发生器结构与波形
G1、G2信号分别用于检测六缸及一缸上止点位置，由于G1、G2信号发生器设置的关系，当产生G1、G2信号时，实际上活塞并不是正好在上止点，而是在上止点前10°的位置。曲轴位置传感器的G1、G2和Ne信号与曲轴转角的关系如图2-27所示。
图2-27 G、Ne信号与曲轴转角的关系
（3）连接电路
曲轴位置传感器与ECU的连接电路如图2-28所示。
图2-28 曲轴位置传感器与ECU的连接电路
（4）检测
①曲轴位置传感器的电阻检测 关闭点火开关，拔下曲轴位置传感器连接器插头，用万用表的电阻挡测量曲轴位置传感器上各端子间电阻，其电阻值应符合表2-6中的规定。如果电阻值不在规定范围内，必须更换曲轴位置传感器。
表2-6 曲轴位置传感器各端子间电阻
②检查曲轴位置传感器的输出信号 拔下曲轴位置传感器上的连接器，当发动机运转时，用万用表的电压挡检测曲轴位置传感器上G1-G_、G2-G_、Ne-G_端子间是否有电压脉冲信号输出。如果没有电压脉冲信号输出，则应更换曲轴位置传感器。
③检查感应线圈与正时转子的间隙 用厚薄硅片测量正时转子与感应线圈凸出部分的空气间隙，其标准间隙为0.2～0.4mm，如图2-29所示。若间隙不在规定范围，则应调整或更换分电器总成。
图2-29 感应线圈与正时转子的间隙检查
2.大众车系磁脉冲式曲轴位置传感器
大众轿车使用轮齿磁脉冲式曲轴位置传感器G28，用它检测发动机曲轴转角和活塞上止点，并将检测信号及时输入发动机电子控制单元，用以控制点火时刻和喷油正时，同时也用于测量发动机的转速。
（1）结构
磁脉冲式传感器用螺钉固定在发动机缸体上，由传感器磁头、齿缺、信号转子和连接器插头组成，如图2-30所示。线圈即为信号线圈，永磁铁上带有一个磁头，磁头与信号转子相对安装，磁头与导磁板连接构成导磁回路。
图2-30 曲轴位置传感器的结构
在信号转子的圆周上均匀制有58个凸齿、57个小齿缺和1个大齿缺，大齿缺输出基准信号，对应1缸或4缸上止点前一定角度。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。所以每个凸齿和小齿缺所占的曲轴转角均为3°，所以大齿缺所占的曲轴转角为15°。
（2）原理
当信号转子凸齿的中心线与磁头对正时，磁通的变化率为零，在线圈中的感应电动势为零；而当信号转子的凸齿离开磁头时，磁通量减少，感应电动势为负值；而当信号转子的凸齿接近磁头时，凸齿与磁头间的气隙减小、磁通量增多，感应电动势为正值。可知，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就产生一个交变电动势，即一个最大值和一个最小值，感应线圈即输出一个交变电压信号。信号转子上的大齿缺转过磁头时，输出一个宽脉冲信号，该信号对应1缸或4缸上止点前一定角度。ECU接收到宽脉冲信号时，再根据凸轮轴位置传感器输入的信号最终判定是1缸还是4缸在上止点前。信号转子上有58个凸齿，所以信号转子每转一转，传感器线圈就产生58个交变电压信号，并输入ECU，作为计算曲轴转速和曲轴转角的依据。
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，发动机立即熄火，这时电子控制单元可以诊断到故障并进行存储。利用VAG1551或VAG1552故障诊断仪，通过故障诊断插座可以读取故障信息。对于曲轴位置传感器的检测，主要测量各端子间电阻、信号转子凸齿与磁头间间隙等。
（3）电路连接
曲轴位置传感器与ECU的电路连接如图2-31所示。端子1为转速与转角正极，与ECU的56端子相连；端子2为转速与转角的负极，与ECU的63端子相连；端子3为屏蔽线端子，与ECU的67端子相连。
图2-31 曲轴位置传感器与ECU的电路连接
（4）测量
①检查曲轴位置传感器的电阻 关闭点火开关，拔下传感器连接器插头，按图2-31进行，检查传感器上1与2端子间电阻，应为450～1000Ω。若电阻为无穷大，说明信号线圈存在断路，应更换传感器。检查传感器上1或2端子与屏蔽线端子3之间的电阻，阻值应为无穷大。如果电阻不是无穷大，则应更换传感器。
②检查传感器与ECU之间的连接线束 分别检查1与56端子、2与63端子、3与67端子间的电阻值，应不超过1.5Ω。如果电阻为无穷大，说明存在导线断路或接触不良，需进行维修。
③检查信号转子与磁头间间隙 用厚薄规片检查信号转子与磁头间间隙，标准值为0.2～0.4mm。若有变化，需进行调整。
3.日产车系磁脉冲式曲轴位置传感器
（1）结构
日产车系的轮齿磁脉冲式曲轴位置传感器由轮齿式信号盘、磁头、线圈、脉冲成形电路、连接器等组成，如图2-32所示。它安装在曲轴前端的带轮之后。在带轮后端有一个带细齿的薄齿盘，即信号盘。信号盘和曲轴带轮一起安装在曲轴上，与曲轴一起旋转。在信号盘的外缘，沿圆周每隔4°加工一个齿，共90个齿。此外，每隔120°布置一个凸缘，共3个。安装在信号盘边沿的传感器盒是产生信号的发生器，在内部有3个绕有线圈的永磁铁磁头，其中磁头A和磁头C共同产生曲轴1°信号，磁头B产生120°信号。磁头A和磁头C对着信号盘的齿圈，磁头A相对于磁头C间隔3°曲轴转角位置。磁头B对着信号盘的120°凸缘。信号发生器内有信号形成与放大电路，外部有四孔连接器，1#端子为120°信号输出，2#端子为信号形成与放大电路的电源孔，3#端子为1°信号输出线，4#端子为接地线。通过连接器将曲轴位置传感器的感应信号输入电子控制单元。
图2-32 轮齿磁脉冲式曲轴位置传感器
（2）原理
发动机运转时，信号盘的齿和凸缘切割磁场的磁感线，使绕在磁铁上的感应线圈产生感应电动势，经滤波整形后，形成脉冲信号，如图2-33所示。曲轴每转一圈，在磁头B上产生120°脉冲信号，在磁头A和C上交替各产生90个脉冲信号。
图2-33 脉冲信号的产生
因为磁头A和C相隔3°，而磁头A和C又都是每隔4°产生一个脉冲信号，所以磁头A和C产生的脉冲信号实际上存在90°相位差，将这两个信号送入信号形成与放大电路合成信号，即产生曲轴1°转角信号，如图2-34所示。
图2-34 曲轴1°转角信号产生原理
产生120°信号的磁头B安装在上止点前70°的位置，如图2-35所示。该信号也叫作上止点前70°信号，即发动机在运转时，各缸上止点前70°均由磁头B产生一个脉冲信号。
图2-35 磁头B与曲轴的位置关系
4.别克车系磁脉冲式曲轴位置传感器
别克轿车有两种类型曲轴位置传感器，分别为24X曲轴位置传感器和7X曲轴位置传感器。其中7X曲轴位置传感器属于磁脉冲式曲轴位置传感器，是利用磁感应的原理制成的。它主要作用是测定发动机高速运转时曲轴的位置和发动机的转速。
（1）结构
7X曲轴位置传感器的信号盘铸在曲轴上的一个特殊的轮上，有7个加工的切槽，其中6个槽以60°间隔均匀分布，第7个槽距离前一个槽为10°，如图2-36所示。
图2-36 7X曲轴位置传感器的信号盘结构
（2）原理
当发动机转动时，7X曲轴位置传感器的信号盘的齿和凸缘引起通过信号发生器中感应线圈的磁场发生变化，从而在感应线圈里产生交变的电动势，经滤波整形后，即变成脉冲信号，此脉冲信号输入ECU后，ECU用来计算曲轴位置和发动机转速。
（3）检测
①检测电阻值 关闭点火开关，拔下7X曲轴位置传感器的2芯插头。用万用表电阻挡测量曲轴位置传感器的电阻值，应在800～1000Ω之间。
②检测脉冲信号 将传感器拆下，用一根铁棒或一块磁铁迅速靠近或者离开传感器，同时用万用表测量两接线柱之间有无脉冲感应电压的产生。如没有感应电压或感应电压很微弱，说明传感器有故障，应更换。
③检测线束导通性 关闭点火开关。分别拔下点火控制模块上的3芯插头和7X曲轴位置传感器的2芯插头。用万用表电阻挡测量点火控制模块上3芯插头的A端子与传感器2芯插头的A端子之间的电阻值，如图2-37（a）所示。用万用表电阻挡测量ICM上3芯插头的C端子与传感器2芯插头的B端子之间的电阻值，如图2-37（b）所示。所测阻值均应小于0.5Ω。
图2-37 检测7X曲轴位置传感器的线束导通性
三、光电式曲轴位置传感器
1.结构
光电式曲轴位置传感器一般安装在分电器内（无分电器则一般安装在凸轮轴左前部），由带缝隙、光孔的信号盘和信号发生器组成，如图2-38所示。
图2-38 光电式曲轴位置传感器的安装位置
信号盘安装在分电器轴上，和分电器轴一起随曲轴转动，其结构如图2-39所示。它的外围均匀分布着360条缝隙（即透光孔），用于产生1°信号。对于6缸发动机，在信号盘外围稍靠内的圆上，均匀分布着6个间隔60°的透光孔，分别产生120°曲轴转角信号，其中有一个较宽的光孔是用于产生第1缸上止点对应的120°信号缝隙。
图2-39 信号盘的结构
信号发生器安装在分电器壳体上，它由两只发光二极管、两只光电二极管和电子电路组成，如图2-40所示。两只发光二极管分别正对着两只光电二极管，信号盘在发光二极管和光电二极管之间。
图2-40 信号盘发生器的结构
2.工作原理
光电式曲轴位置传感器是利用发动机曲轴运转带动分电器轴和信号盘转动，使发光二极管发出的光线通过信号盘上（边缘刻有小孔），产生交替变化的透光和遮光，从而使光电二极管导通与截止产生脉冲电压信号的原理制成的。
当信号发生器中的发光二极管的光束通过信号盘的小孔照射到与其正对的光敏二极管上时，光电二极管感光导通产生电压信号；当发光二极管的光束被信号盘遮挡时，光电二极管截止，产生的电压为零，如图2-41所示。因为信号盘边缘刻有360个小孔，所以信号盘每旋转一圈将产生360个脉冲电压信号，其中一个脉冲信号代表曲轴2°角转角（分电器转一周曲轴转2周即曲轴转720°），其中一个脉冲信号又由一个高电压信号（光电二极管导通时产生的）和一个零电压信号（光电二极管截止时产生的）组成，因此它们便分别代表曲轴1°转角。120°转角产生的原理相同，由小孔里面的6个光孔产生，产生的信号表示活塞位于上止点位置时的曲轴位置。将光电二极管产生的脉冲电压信号经电子电路放大后，便向ECU输入曲轴转角的1°信号和120°信号。由于信号发生器安装位置的关系，120°信号并不是指活塞上止点时曲轴位置，而是在活塞上止点前70°曲轴位置。
图2-41 光电式信号发生器的工作原理
3.连接电路
如图2-42所示是日产千里马轿车曲轴位置传感器与ECU的连接电路。
图2-42 日产千里马轿车曲轴位置传感器与ECU的连接电路
4.检测
这里以日产千里马轿车的曲轴位置传感器为例对曲轴位置传感器的检测方法进行介绍，电路图如图2-42所示。
（1）检查电源电压
接通点火开关，测量端子a与地线之间的电压，正常时应为蓄电池电压。如电压正常，应进一步检查输入信号。
（2）检查ECU与传感器之间的导线导通情况
关闭点火开关，拔下传感器接线器，拆下ECU、SMJ接线器，检查ECU接线器49号、59号端子与端子a之间是否导通，正常时应导通，即所测阻值小于1.5Ω。
（3）检查输入信号
启动发动机，用万用表或示波器检查ECU端子41、51（120°信号端子）及端子42、52（1°信号端子）的信号。正常时应有脉冲信号，如无脉冲信号或脉冲信号缺损，则需更换传感器。
（4）检查ECU与传感器之间的导线和接线器的导通情况
发动机熄火，拔下传感器和ECU、SMJ的接线器，检查ECU接线器端子41、51与端子b，端子42、52与端子c间是否导通，正常时应导通。若导通正常，则应继续检查曲轴位置传感器，若不通，应修理或更换配线或接线器。
（5）检查搭铁回路
熄火，断开传感器和ECU、SMJ的连接器，检测d端子与搭铁间是否导通，正常时应导通，如不通，则应检测配线或接线器。
四、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产生与曲轴转角相对应的电压脉冲信号的原理制成的。曲轴位置传感器分为触发叶片式和触发轮齿式两种。
霍尔效应是指把一块金属或半导体薄片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场方向通过电流I，会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，如图2-43所示。所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。
图2-43 霍尔效应原理图
1.触发叶片式霍尔曲轴位置传感器
（1）结构
触发叶片式霍尔曲轴位置传感器主要由触发叶轮、霍尔集成电路、磁轭（导磁钢片）和永久磁铁组成，如图2-44所示。而集成电路又由霍尔元件、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组成。触发叶轮安装在转子轴上，随转子轴一起转动，叶轮上制有叶片；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。
图2-44 触发叶片式霍尔曲轴位置传感器的结构
（2）工作原理
触发叶片式霍尔曲轴位置传感器工作原理如图2-45所示。
图2-45 触发叶片式霍尔曲轴位置传感器工作原理
当曲轴转动并带动转子轴转动时，触发叶轮随转子轴一起转动，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2-45（a）所示，此时霍尔元件产生的霍尔电压为零，集成电路输出级的三极管截止，传感器输出一个高电平信号电压U0。
当叶片离开气隙时，永久磁铁的磁通便经过霍尔集成电路和导磁钢片构成回路，如图2-45（b）所示，此时霍尔元件产生霍尔电压UH，霍尔集成电路输出级的三极管导通，传感器输出一个低电平电压信号U0。
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。
2.触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器
（1）结构
触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器一般都是由霍尔信号发生器和信号转子两个基本元件组成。但在不同车系的触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器会略有差别，如图2-46所示是大众汽车上的触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器。
图2-46 大众汽车上的触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器
（2）工作原理
为了更好地说明触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器的工作原理，此处以北京切诺基吉普的触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器为例对此种类型的传感器结构原理进行进一步的介绍。
北京切诺基吉普的触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器的结构如图2-47所示。4缸发动机所用的曲轴位置传感器与6缸发动机所用的略有差异。
图2-47 切诺基吉普霍尔曲轴位置传感器的结构
在2.5L4缸发动机的飞轮上有8个槽，分为两组，4个槽为一组，两组相隔180°，每组中的每个槽相隔20°。在4.0L6缸机的飞轮上有12个槽，4个槽为一组，分为3组，每组相隔120°，每组中的每个槽也相隔20°。
当切诺基吉普飞轮的凹槽（飞轮为信号转子）通过传感器的信号发生器时，霍尔传感器向外输出5V高电位；当飞轮凹槽间的金属凸齿与传感器信号发生器成一直线时，霍尔传感器输出0.3V低电位。每当飞轮从一个凸齿转到另一个凸齿经过传感器信号发生器时，传感器便产生一个高低电位脉冲信号。当飞轮上的每组齿槽通过传感器信号发生器时，传感器将产生4个脉冲信号。4缸发动机每转一周产生两组脉冲信号，6缸发动机飞轮每转一周传感器产生三组脉冲信号。ECU根据传感器输入的脉冲信号即可计算出曲轴的位置及发动机的转速。
与此同时传感器提供的每组脉冲信号可被ECU用来确定两缸活塞的位置。例如，在4缸发动机上，利用一组脉冲信号，可知1缸活塞和4缸活塞接近上止点，利用另一组脉冲信号，可知2缸活塞和3缸活塞接近上止点。同样，在6缸发动机上，利用一组脉冲信号，在同一时间内可知1与6、2与5、3与4缸活塞接近上止点。由于信号盘与霍尔位置传感器的信号发生器的位置关系，ECU从接收每一组脉冲信号的第一个脉冲信号的上升沿开始，能确定有两缸的活塞正在向上止点运动，6缸发动机也一样。由于第4个脉冲信号的下降沿与活塞位于上止点前4°位置相对应，因此，ECU根据一组脉冲信号的第一个脉冲信号的下降沿，就能确定正在向上止点运动的两个活塞的位置，但不能确定是哪个缸的活塞，也不能对这两个缸的工作行程进行判断，所以还需要一个汽缸判断信号，即还需要一个同步信号发生器。
（3）连接电路
图2-48所示切诺基吉普霍尔曲轴位置传感器与ECU的连接电路。
图2-48 切诺基吉普霍尔曲轴位置传感器与ECU的连接电路
（4）测量
这里以切诺基吉普霍尔曲轴位置传感器为例介绍霍尔曲轴位置传感器的检测方法。
切诺基吉普霍尔曲轴位置传感器与线束插头为三端子插头，插头上有A、B、C三个端子，如图2-49所示。A端子为电源端子，连接ECU插座端子7#；B端子为信号输出端子，连接ECU插座端子24#；C端子为搭铁端子，连接ECU插座端子4#，如图2-48所示。曲轴位置传感器的检测方法如下。
图2-49 切诺基吉普霍尔曲轴位置传感器接头端子
①检测传感器电源电压
a.检测传感器电源电压 点火开关置于“ON”，用万用表电压挡测量ECU侧7#端子与4#端子间的电压，应为8V，测量传感器接头端子“A”与“C”间的电压，其值也应为8V，否则为电源线断路或接头接触不良。
b.检测传感器输出信号电压 用万用表的电压挡对传感器的A、B、C三个端子间的电压进行测试。当点火开关置于“ON”时，A-C端子间的电压值应为8V；发电机转动时，B-C端子间的电压值应在0.3～5V之间变化，且数值显示应呈脉冲性变化，最高电压为5V，最低电压为0.3V。若无脉冲电压或电压值不在此范围内，则应更换曲轴位置传感器。
②检测传感器端子电阻 点火开关置于“OFF”位置，拔下曲轴位置传感器导线连接器，用万用表电阻挡测量端子A-B或A-C间的电阻值，此时万用表应显示∞（开路）。若指示有电阻，则应更换曲轴位置传感器。