第四节 凸轮轴位置传感器
一、凸轮轴位置传感器的作用和安装位置
凸轮轴位置传感器（CMP），又称为凸轮轴转角传感器、相位传感器、同步信号传感器、缸位传感器（CYP）、汽缸识别传感器（CIS）、汽缸位置传感器（CID），有的车上还称为1缸上止点传感器（No.1TDC）。
1.作用
凸轮轴位置传感器的作用主要是检测凸轮轴位置和转角，从而确定第一缸活塞的压缩上止点位置。在启动时，发动机ECU根据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器提供的信号，识别出各个汽缸活塞的位置和冲程，控制燃油喷射顺序和点火顺序，进行准确的喷油和点火控制。
2.安装位置
凸轮轴位置传感器一般安装在凸轮轴罩盖前端对着进排气凸轮轴前端的位置。
二、磁电式凸轮轴位置传感器
1.结构
丰田K3-VE发动机使用的是三销磁电式凸轮轴位置传感器，安装于发动机1号进气凸轮轴前端。因为该机型配备可变气门系统，所以凸轮轴位置传感器要进行汽缸识别和检测VVT-i提前角的值两项功能。其安装位置与结构见图2-50。
图2-50 磁电式凸轮轴位置传感器安装位置
2.工作原理
1号进气凸轮轴上的前端设置有三个正时销，分别代表60°、180°、360°曲轴转角，根据正时销的输出信号，ECU进行实际凸轮轴位置的检测和汽缸识别，凸轮轴转动时，正时销与凸轮转角传感器间气隙发生变化，从而改变通过凸轮转角传感器的磁通量，凸轮轴每转动一圈产生3个脉冲，输出波形如图2-51所示。根据来自曲轴位置传感器信号，1号凸轮轴相位被检测，根据这个相位，可变气门正时控制器发挥作用。
图2-51 凸轮转角传感器输出波形
3.连接电路
丰田K3-VE发动机凸轮轴位置传感器与ECU的连接电路如图2-52所示。
图2-52 凸轮轴位置传感器与ECU的连接电路
4.检测
（1）电阻检测
冷态时（传感器温度为-10～50℃）凸轮轴位置传感器电阻为835～1400Ω，热态时（传感器温度为50～100℃）凸轮轴位置传感器电阻为1060～1645Ω。
（2）解码器检查
利用DS-21诊断测试仪进行检测，如果凸轮轴位置传感器损坏或相关线路出现故障，会出现故障代码P0340，或闪码14，其原因可能有凸轮轴位置传感器故障、凸轮轴位置传感器线路开路或短路，或者ECU故障。
（3）示波器检测
连接示波器，其输出波形应与图2-51相同。
三、霍尔式凸轮轴位置传感器
1.触发叶片型霍尔式凸轮轴位置传感器
（1）结构
触发叶片型霍尔式凸轮轴位置传感器安装在发动机进气凸轮的一端，其结构如图2-53所示。它主要由霍尔传感器和信号转子组成。它被广泛使用于大众轿车上。
图2-53 触发叶片型霍尔式凸轮轴位置传感器
信号转子或叫触发叶轮，安装在进气凸轮上，用螺栓和座圈固定。信号转子的隔板又叫叶片，在隔板上有一个窗口，窗口对应产生的信号为低电平信号，隔板对应产生的信号为高电平信号。霍尔传感器主要由集成电路、永久磁铁和导磁片组成。
（2）工作原理
霍尔元件与永磁铁之间有1mm的间隙，当信号转子随进气凸轮轴一同转动时，隔板和窗口从集成电路与永磁铁之间的间隙中转过。当信号转子的隔板进入间隙时，霍尔集成电路中的磁场被旁路，霍尔元件上没有磁力线穿过，霍尔电压为零，集成电路输出级三极管截止，传感器输出的信号电压为高电位，约4.0V；当信号转子的隔板离开间隙时，永磁铁的磁通经导磁片和霍尔元件集成电路构成回路，这时产生的霍尔电压约为2.0V，集成电路输出级三极管导通，传感器输出的信号电压为0.1V，为低电位。
发动机工作时，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器产生的信号不断地输入ECU。当ECU同时接收到曲轴位置传感器大齿缺对应的低电位信号（15°）和凸轮轴位置传感器窗口对应的低电位信号时，可以识别出1缸活塞在压缩上止点、4缸活塞处于排气行程，并根据曲轴位置传感器小齿缺对应输出的信号控制点火提前角。由于凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器同时输出信号，凸轮轴位置传感器信号作为判缸信号，因此凸轮轴位置传感器也称为同步信号传感器。
（3）电路连接
霍尔式凸轮轴位置传感器与ECU的连接电路如图2-54所示。该传感器G40导线连接器有三个接线端子，1为传感器电源正极端子；2为传感器信号输出端子；3为传感器电源负极端子。这三个端子分别与ECU的62、76和67端子相连。
图2-54 霍尔式凸轮轴位置传感器与ECU的连接电路
（4）检测
当凸轮轴位置传感器出现故障时，ECU可以检测到故障信息，使用VAG1551或VAG1552故障诊断仪可以读取传感器的故障码。故障码显示出凸轮轴位置传感器有故障时，可以用万用表检查传感器电源电压和导线电阻进行故障的判定和排除。
①检测传感器电源电压 断开点火开关，拔下传感器导线连接器插头，用万用表的正、负表笔分别与连接器1与3端子相连接，接通点火开关时，电压应为4.5V以上。若电压为零，说明线束存在断、短路，或ECU有故障；当断开点火开关后，应继续检查导线是否存在断路或短路。
②检测导线电阻 用万用表的电阻挡检查传感器的1端子与ECU的62端子、传感器的2端子与ECU的76端子、传感器的3端子与ECU的67端子的电阻值，各导线间电阻值应不大于1.5Ω。若电阻过大或为无穷大，则说明线束接触不良或导线断路，应进行维修或更换线束。
再用万用表电阻挡继续检查传感器连接器端子1与2、3端子间电阻，或检查ECU的62端子与76、67端子间电阻，测得的电阻均应为无穷大。若阻值不是无穷大，则说明导线存在短路，应进行更换。
2.触发轮齿型霍尔式凸轮轴位置传感器
（1）结构
触发轮齿型霍尔式凸轮轴位置传感器由双轨信号转子轮和霍尔传感器组成，如图2-55所示。
图2-55 触发轮齿型霍尔式凸轮轴位置传感器结构
信号转子轮有两条并排轨道，并存在一定的距离。信号转子轮上的轨道1和轨道2交错分布着齿。霍尔传感器内有两个并排霍尔元件，分别是霍尔元件1和霍尔元件2，被称为差分霍尔传感器。轨道1与霍尔元件1对应产生一组信号，同样，轨道2与霍尔元件2对应产生另一组信号。
（2）工作原理
双轨信号转子轮安装在进气凸轮轴的一端，随进气凸轮轴一起转动。发动机工作过程中，当双轨信号转子轮轨道1的齿转到霍尔元件1时，霍尔元件1产生一个高电平信号，霍尔元件2产生一个低电平信号，如图2-56（a）所示。同理，当双轨信号转子轮轨道2的齿转到霍尔元件2时，霍尔元件2产生一个高电平信号，霍尔元件1产生一个低电平信号，如图2-56（b）所示。因为霍尔传感器的两个霍尔元件是总是产生不同的信号。ECU通过比较两个信号，所以ECU能够识别凸轮轴的位置及1缸活塞位置。
图2-56 触发轮齿型霍尔式凸轮轴位置传感器工作原理
（3）电路
触发轮齿型霍尔式凸轮轴位置传感器与ECU连接电路如图2-57所示。
图2-57 触发轮齿型霍尔式凸轮轴位置传感器与ECU连接电路
（4）检测
触发轮齿型霍尔式凸轮轴位置传感器的检测与霍尔式凸轮轴位置传感器的检测一样，在这里就不再赘述。
四、磁阻元件式凸轮轴位置传感器
磁阻效应是指半导体材料的电阻值随与电流相同或垂直方向的磁场强弱而变化的现象。在一个长方形半导体元件的两端面通电，在无磁场时，电流电极间的电阻值取最小电流分布。当长方形元件处于磁场中时，由于两电极间的电流路径因磁场作用而加长，从而使电极间的电阻值增加。利用磁阻效应，可实现磁和电→电阻的转换。对于非铁磁性物质，外加磁场通常使电阻率增加，即产生正的磁阻效应，见图2-58。
图2-58 磁阻效应
1.结构
磁阻元件式凸轮轴位置传感器由信号发生器、磁铁和用树脂封装的信号处理电路的集成电路模块组成，见图2-59。
图2-59 磁阻元件式凸轮轴位置传感器结构
2.工作原理
当传感器的磁头正对转子凹槽时，磁力线向两侧的叶片分布构成闭合磁路，此时磁阻元件电阻较小，通过磁阻元件的磁力线较少，磁场强度较弱，且磁力线与磁阻元件成一定角度，如图2-60（a）所示，此时磁阻元件输出5V高电平信号；当磁阻传感器的磁头正对转子叶片时，磁力线通过正对的叶片构成闭合磁路，此时磁阻元件电阻较大，通过磁阻元件的磁力线较多，磁场强度较强，且磁力线与磁阻元件垂直，如图2-60（b）所示，此时磁阻元件输出0V低电平信号。
图2-60 磁阻元件式凸轮轴位置传感器工作原理
随着转子的旋转，叶片的凸起与凹槽交替变化，引起通过磁阻元件的磁力线的强弱和角度发生改变，由于磁阻效应的作用，磁阻元件的电阻也发生变化，通过磁阻元件的电流也随之改变，这种电流的变化由信号放大电路、滤波电路和整形电路转换成二进制数字信号，并传给发动机ECU。发动机ECU根据此信号判别进、排气凸轮轴位置。
3.连接电路
丰田轿车上的磁阻元件式凸轮轴位置传感器与ECU的连接电路如图2-61所示。
图2-61 磁阻元件式凸轮轴位置传感器与ECU的连接电路
4.检测
这里以丰田新皇冠车的磁阻元件式凸轮轴位置传感器检测为例介绍其检测方法。
（1）工作电压的检测
关闭点火开关，断开凸轮轴位置传感器，旋转点火开关至“ON”位置，用万用表检查VC端子与VV-之间的电压，应为5V，若没有5V电压，应分别检查与ECU间线路的连接情况，若线路正常，则发动机ECU有故障。
（2）参考电压的检测
关闭点火开关，断开凸轮轴位置传感器，旋转点火开关至“ON”位置，用万用表检查VV+端子与VV-之间的电压，应为4.6V，若没有4.6V电压，应检查VV+与ECU间线路的连接情况，若线路正常，则发动机ECU有故障。
（3）波形检测
在线路正常连接的情况下，使发动机运转，用示波器检测输出信号，其标准波形如图2-62所示。
图2-62 磁阻元件式凸轮轴位置传感器输出标准波形