曲轴位置传感器

曲轴位置传感器CPS（CKP）与凸轮轴位置传感器CIS（CMP）
（一）曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器的功用与型式
曲轴位置传感器CPS又称为发动机转速与曲轴转角传感器，安装在曲轴的前、中部或飞轮上，其功用是采集曲轴转动角度信号、曲轴位置信号和发动机转速信号，并输入控制单元，以便确定点火时刻和喷油时刻。
凸轮轴位置传感器又称为判缸传感器CIS（Cylinder Identification Sensor）,为了区别于曲轴位置传感器CPS，凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。凸轮轴位置传感器安装在凸轮轴的前、后部或分电器内，其功用是采集进气凸轮轴的位置信号，并输入控制单元ECU，以便控制单元ECU识别1缸压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆震选择控制。此外，凸轮轴位置信号还用于发动机启动时识别出第一次点火时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别出是哪一缸活塞即将到达上止点，所以称为判缸传感器。
凸轮轴与曲轴位置传感器的结构原理完全相同，检测方式也相同。由于它们的功用不尽相同，一般来说，有了曲轴位置传感器还应装设凸轮轴位置传感器；相反有了凸轮轴位置传感器可以不装设曲轴位置传感器。
发动机电控燃油喷射系统常用的曲轴与凸轮轴位置传感器有霍尔式、磁感应式和光电式三种。捷达GT、GTX、桑塔纳2000GSi型轿车采用的曲轴位置传感器均为磁感应式，凸轮轴位置传感器均为霍尔式；桑塔纳2000GLi型轿车和切诺基吉普车采用的曲轴位置传感器为霍尔式；三菱与捷豹吉普车采用的曲轴位置传感器为光电式。
(二)磁感应式曲轴位置传感器
1．结构
捷达GT、GTX、桑塔纳2000GSi型轿车的磁感应式曲轴位置传感器安装在曲轴箱内靠近离合器一侧的缸体上，结构及安装部位如图2-96所示，主要由磁感应式传感器和信号转子组成。

图2-96

磁感应式传感器用螺钉固定在发动机缸体上，由永久磁铁、传感线圈和线束插头组成。传感线圈又称为信号线圈，永久磁铁上带有一个磁头3，磁头正对安装在曲轴上的齿盘式信号转子4，磁头与磁轭(导磁板)连接而构成导磁回路。在齿盘式信号转子的圆周上间隔均匀地制有58个凸齿、57个小齿和一个大齿缺输出基准信号，对应于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三个小齿缺所占的弧度。因为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°。
曲轴位置传感器G28与控制单元J220的连接关系如图2-97所示。端子“1”为转速与转角信号正极，与控制单元“56”端子连接；端子“2”为转速与转角信号负极，与控制单元“63”端子连接；端子“3”为屏蔽线端子，与控制单元“67”端子连接。

图2-97

2、磁感应式传感器的工作原理
磁感应式传感器的基本工作原理是：当信号转子的凸齿接近磁头时，凸齿与磁头间的气隙减小，磁路磁阻减小，磁通量ф增多，磁通变化率增大，所以感应电动势E为正(E＞0)。
当信号转子凸齿的中心线与磁头的中心线对齐时，虽然凸齿与磁头间的气隙最小，磁路的磁阻最小，磁通量ф最多，但是由于磁通量不可能继续增加，因此磁通变化率为零，感应电动势E为零。
当信号转子的凸齿离开磁头时，凸齿与磁头间的气隙增大，磁路磁阻增大，磁通量ф减小，所以感应电动势E为负值。
信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期的交变电动势(即电动势出现一次最大值和一次最小值)，传感器线圈相应地输出一个交变电压信号。因为信号转子上有一个大齿缺，所以当大齿缺转过磁头时，信号电压所占的时间较长，即输出信号为一宽脉冲信号，如图2-98所示，该信号对应于1缸或4缸上止点前一定角度。控制单元ECU接收到宽脉冲信号时，便可知道1缸或4缸上止点位置即将到来，至于即将到来的是1缸还是4缸则需根据凸轮轴位置传感器输入的信号来确定的。由于信号转子上有58个凸齿，因此信号转子每转一圈(发动机曲轴转一转)，传感器线圈就会产生58个交变电压信号，并输入给电子控制单元ECU。

图2-98

磁感应式传感器的突出优点是不需要外加电源，永久磁铁起着将机械能变换为电能的作用，其磁能不会损失。当发动机转速变化时，转子凸齿转动的速度将发生变化，铁心中的磁通变化率也将随之发生变化。转速越高，磁通变化率就越大，传感线圈中的感应电动势也就越高。
(1)曲轴转速的检测
每当信号转子随发动机曲轴转动一转，传感线圈就会向控制单元ECU输入58个脉冲信号。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转。如在一分钟内ECU每接收到曲轴位置传感器116000个信号，ECU便可计算出曲轴转速为2000r/min(n=116000/58=2000)；如ECU每分钟接收到曲轴位置传感器290000信号，ECU便可计算出曲轴转速为5000r/min(n=290000/58=5000)。依此类推，ECU根据每分钟接收CPS脉冲信号的数量，便能迅速计算出发动机曲轴旋转的转速。
发动机转速信号和负荷信号是电控系统最重要、最基本的控制信号，ECU根据这两个信号就能计算出以下三个基本控制参数：
①基本喷油时间；
②基本点火提前角；
③点火闭合角 (导通角)。
（2）曲轴转角的检测
因为曲轴位置传感器CPS信号转子上的大齿缺对应的信号为基准信号，所以控制单元ECU控制喷油时间和点火时间是以大齿缺对应的信号为基准。信号转子上每个凸齿和每个小齿缺所占的曲轴转角均为3°，大齿缺占的曲轴转角为15°，所以控制单元ECU接收到大齿缺对应的信号后，其内部分频电路将凸齿信号和小齿缺信号进行分频处理，便可得到曲轴转角信号。如将3°分成3等份，则每等份所占曲轴转角即为1°。从而便可精确控制点火时间、喷油时间和点火线圈初级绕组导通角。
(3)曲轴转角的控制
在电控系统中，控制单元ECU控制喷油时间、点火线圈初级绕组导通角等参数都是通过控制时间进行控制，因此需要说明曲轴转角与时间的对应关系。例如，当发动机工作在2000 r/min时，曲轴位置传感器输入控制单元ECU的信号为116000个凸齿信号(2000×58=116000个高电平信号)、114000个小齿缺信号(2000×57=114000个低电平信号)和2000个大齿缺信号(2000×1=2000个低电平信号)，曲轴每转一转所占的时间为：60000/2000=30ms，58个凸齿和57个齿缺所占的时间为：30/120×(58+57)=28.75 ms，一个大齿缺相当于5个凸齿或小齿缺，所占的时间为：30/120×5=1.25ms，每个凸齿信号或小齿缺信号所占时间为：28.75/115=0.25ms，因为一个凸齿或一个小齿缺信号所占曲轴转角为3°，所以每1º曲轴转角所占时间为：0.25×1°/3°≈0.083ms。设大齿缺信号后第一个凸齿信号对应于上止点前60°(相当于提前0.083×60=5.0ms)，1缸点火提前角为上止点前20°(相当于提前0.083×20=1.67 ms)，那么控制单元ECU接收到1缸上止点前的基准信号(大齿缺信号)后3.33 ms(5.0-1.67=3.33 ms)时刻，向点火控制器发出指令，切断初级绕组电流，使次级绕组产生高压电，在火花塞电极之间跳火点燃可燃混合气，从而实现提前20°点火。

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