任务一 曲轴、凸轮轴位置传感器结构和工作原理

项目二发动机电控系统传感器的结构及工作原理曲轴、凸轮轴位置传感器结

构和工作原理任

务

1情境描述>一辆2016年款一汽大众迈腾B7轿车，装备CEA

汽油电控发动机，报修时发动机故障警告灯异常点亮，有时候发动机不能起动，没有高压点火。故障的原因出在哪?情境提示>曲轴位置传感器是最有可能导致发动机没有点火的传感器，发动机故障灯异常点亮，需要利用诊断仪器读取故障码，如果读取到的故障码和曲轴位置传感器有关，那么需

要对其进行检查。凸轮轴位置传感器故障也会导致发动机点火、供油异常。>本情境中，曲轴位置传感器出故障的可能性很大，但并非一定是传感器损坏，可能原因如下：1.传感器线路(包括连接器)断路；2.传感器本身或信号轮安装不当；3.传感器本体损坏；4.传感器信号受到干扰；5.其他原因。检修时应从简单到复杂的顺序进行排除。情境导入

曲轴凸轮轴位置传感器检修知识目标>1.能够描述曲轴位置传感器的功用、类型、结构与工作原理；>2.能够描述凸轮轴位置传感器的功用、类型、结构与工作原

理

；>3.能够描述曲轴传感器各端子的功用及检测数据；>4.能够描述凸轮轴位置传感器各端子的功用及检测数据。技能目标>1.能够利用电路图及检测工具检测曲轴位置传感器；>2.能够利用电路图及检测工具检测凸轮轴位置传感器；>3.能排除传感器的电路故障及更换曲轴位置传感器；>4.能排除传感器的电路故障及更换凸轮轴位置传感器。学习目标

曲轴凸轮轴位置传感器检修电磁感应电磁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，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),迈克尔法拉第是一般被认定为于1831年发现了电磁感应的人。>在电流通过霍尔元件的同时，如果垂直施加磁场，霍尔元件就会产生垂直于此电流和磁场的电压差，此电压差所产生的电压和磁

通量密度成正比地变化(即霍尔

电压),这就是霍尔效应。霍尔效应图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，因此一简称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，而且还可以般都测导线中

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。霍尔传感器的优点：1、输出电压信号近似于方

波信号；2、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。(1)曲轴位置传感器的功用>曲轴位置传感器(CKP)

又称为发动机转速传感器、曲轴转角传感器等。>曲轴位置传感器一般安装在曲轴的一端，发动机缸体或变速器壳体上。>曲轴位置传感器主要用于采集发动机曲轴转速与曲轴的旋转位置信号并输入ECM,以便计算确定并控制喷油提前角与点火提前角。是电控系统点火和燃油喷射的主控制信号。基本知识1.曲轴位置/凸轮轴传感器的功用曲轴凸轮轴位置传感器检修故障现象曲轴位置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，会造成发动机工作不良，甚至不着车，或在运转中熄火。(2)曲轴位置传感器工作原理曲轴位置传感器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。曲轴位置传感器由绕着线圈的磁铁和两个接线端子组成。线圈两个端子就是传感器的输

出端子，当铁质环状齿轮(有时称为信号盘)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变化，所以线圈里会产生感应电压。1-屏蔽电缆

2-永久磁铁3-传感器外

壳

4-

安装机架

5

-

铁芯6-线圈

7-空气间隙

8-信号齿轮图3

磁脉冲式发动机转速传感器结构信号盘上相同齿型会产生相同形式的连续脉冲，脉冲有致的形状幅值(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，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。由于磁电式曲轴位置传感器信号比较弱，而且敏感，容易受高压点火线、车载电话、风扇和起动机等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，在制造发动机线束过程中，曲轴位置传感器的两根信号线采用了双绞线结构形式，以有效地防止外界信号对曲轴位置传感器信号的影响，也降低了生产成本。(3)曲轴位置传感器的波形图转速越高，波形越密观察缺齿波形图1-35曲轴位置传感器的输出波形1—曲轴位置传感器2—正常齿波形3—缺齿波形(4)曲轴位置传感器的相关故障1)发动机转动，但不能起动。2)发动机无点火信号(曲轴位置传感器不正确的安装)3)转速表不起作用。4)发动机运转粗暴或停止(曲轴位置传感器不正确的安装)5)油耗增加。(5)曲轴位置传感器故障原因1)传感器与信号盘之间空气间隙太宽，曲轴位置传感器磁场太弱。2)曲轴位置传感器线束断路。3)曲轴位置传感器线束短路。4)曲轴位置传感器线束高电阻。5)腐蚀或机械原因，磁力环精度差。6)飞轮或驱动盘失圆而导致曲轴位置传感器信号失真。7)曲轴径向移动而导致曲轴位置传感器信号变化。8)错误的缺齿布置方式，

EOU不能实现曲轴与软件之间的同步。9)传感器装配不正确或不完整或传感器进水。(6)曲轴位置传感器的检查1)曲轴位置传感器的电阻检查。关闭点火开关，拔下传感器插接器插头，检测传感器上3和2端子间的电阻，应

为450~10002。若电阻为无穷大，则

说明信号线圈存在断路，应更换传感器。检查传感器上端子T3i/3或端子T3i/2与屏蔽线端子T3i/1之间的电阻，

电阻值应为无穷大，如果电阻值不是无穷大，则应更换传感器。J361T80/53

T80/640.35

0.35blSWris

rsizrsin0.5

gr/geG28220图1-362011

软挺达曲轴位置传感箭G28电路2)信号转子与磁头间的间隙检查。用塞尺检查信号转子与磁头间的间隙，该间隙的标准值为0.2~0.5mm,若该值不在标准值范围内时，则需进行调整。3)输出电压测量。用万用表的交流电压档，在线路正常连接、发动机运转时测量端子T3i/3

与端

子T3i/2间的电压，该电压值在0.2~2V范围内波动。J361T80/53

T80/640.35blrsis

rsi2Tin0.5

gr/geG282204)检查传感器与ECU之间的连接线束。分别检查T3i/2与ECUT80/64端子、T3i/3与ECUT80/53

端子、T3i/1

端子与

发动机线束内电源线间的电阻值，应不超过1.52。如果电阻值为无穷大，则说明

存在导线断路或接触不良，需进行维修。图1-362011

软挺达曲轴位置传感箭G28电路0.35

SW基本知识1.2凸轮轴传感器(1)凸轮轴位置传感器的安装位置>凸轮轴位置传感器(CMP)又称为气缸识别传感器。>凸轮轴位置传感器一般安装在发动机缸盖上，传感器的触发轮装在凸轮轴上。>传感器转子是圆柱面形钢质叶片或带有间隙不等的圆盘。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。(2)凸轮轴位置传感器的作用凸轮轴位置传感器为发动机ECU提供凸轮轴的相位信息，此信息与曲轴位置传感器

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，结合曲轴位置传感

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，凸轮轴位置传感器还

用于各缸的爆燃调节。凸轮轴位置传感器为辅助传感器，对发动机排放影响很大。(2)凸轮轴位置传感器的结构及工作原理凸轮轴位置传感器是利用霍尔效应原理，通过与凸轮轴一同旋转的触

Hai

传感器G40发轮来改变磁场，因此产生周期性的变化电压。霍尔传感器固定，转子装在凸轮轴上。转子是一个范围为180°的圆柱面

进气凸轮轴连同铸模传感器轮形钢质叶片。当叶片遮住霍尔传感器

轴承盖凸轮轴壳体时输出高电平信号；否则有输出低电平信号。这就区分了两个不同的上止点。196-019(2)凸轮轴位置传感器的结构及工作原理凸轮轴位置传感器是利用霍尔效应原理，通过与凸轮轴一同旋转的触发轮来改变磁场，因此产生周期性的变化电压。霍尔传感器固定，转子装在凸轮轴上。转子是一个范围为180°的圆柱面

形钢质叶片。当叶片遮住霍尔传感器

时输出高电平信号；否则有输出低电平信号。这就区分了两个不同的上止点。图

2

-

1

1

凸轮轴位置传感器电路图G40-霍尔传感器

J220-发动机ECUI3d/3①T3d/3ge/b¹T3d/2G40T80/62

5vT80/600.5br/blJ2200.5发动机曲轴每转两圈，霍尔传感器触发轮就转一圈。凸轮轴位置传感器和转速传感器相配合，为ECU提供曲轴相位信息，即区分1缸的压缩上止点和排气上止点。720°CA360

CA30

CANE

信

号10°CAG

信号基本知识

曲轴凸轮轴位置传感器检修2.曲轴位置/凸轮轴传感器的类型、结构与工作原理>曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器有光电式、磁电式(又称磁感应式或电磁式)、磁阻式、霍尔式等类型。光电式曲轴位置或凸轮轴位置传感器通常安装在分电器内部，随着分电器的淘汰，也不再采用。以下介绍磁电式、磁阻式、霍尔式曲轴位置/凸轮轴位置传感器的工作原理。(b)

对正

(c)

离开磁力线穿过的路径为：永久磁铁N极→

定子与转子间的气隙→转子凸齿→信号

转子→转子凸齿与定子磁头间的气隙→

磁头

→

导磁板(磁轭)

→

永久磁铁S极。

当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会

周期性的发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性

的变化。根据电磁感应原理，传感线圈中感应产生交变电动势。信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中则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

线圈相应地输出一个交变电压信号。(1)磁电式曲轴位置/凸轮轴传感器的工作原理>磁电式传感器由信号转子、传感线圈、永久磁铁和导磁磁轭组成，工作原理如图2-4-1所示。曲轴凸轮轴位置传感器检修基本知识磁力线穿过的路径为：永久磁铁N极→定子与转子间的气隙→转子凸齿→信号转子→转子凸齿与定子磁头间的气隙

→

磁头

→

导磁板(磁轭)

→

永久磁铁S极。当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会周期性的发生

变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性的变化。根据电磁感应原理，传感线圈中

感应产生交变电动势。信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中则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，传感线圈相应地输出一个交变电压信号。磁电式传感器不需要外接电源。当发动机转速变化时，转子凸齿转动的速度将发生变化，铁芯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。基本知识

曲轴凸轮轴位置传感器检修>磁电式传感器曲轴位置传感器(丰田也称NE

传感器，如图2-4-2),由曲轴位置传感器齿板和感应线圈组成。传感器齿板有34个齿，被安装在曲轴上。感应线圈由缠绕的铜线、铁芯和磁铁构成。>传感器齿板旋转，每个齿通过感应线圈时，产生脉冲信号。发动机每转动一转，感应线圈就产生34个信号。根据这些信号，ECM计算曲轴位置以及发动机的转速。利用这些计算值，燃油喷射时间和点火正时得到控制。曲轴凸轮轴位置传感器检修基本知识图2-4-2曲轴位置传感器>近年来，汽车上逐渐采用新型的磁阻效应(MRE)

传感器，它具有灵敏度高、低转速信号测试可靠、集成加工容易、成本低的优点。MRE传感器采用透磁合金材料(MRE

材料),这种材料通电后在

外部磁场的作用下，本身磁场方向发生改变，因

而电阻发生变化。>如图2-4-3所示，

MRE材料安装在集成电路板上，当带磁铁的转子(磁环)旋转时，

MRE传感器外部磁场方向发生变化，

MRE的电阻也发生变化，集成电路根据电阻的变化输出脉冲信号(脉冲数量和磁环的磁极数量相同)。MRE

传感器是一种主动型的传感器，发动机控制模块必须施加电源(根据车型，通常有5V、8V、9V

或12V

几种电压)才能工作。VCVIG2发动机ECUG²-正时转子曲轴凸轮轴位置传感器检修b

凸轮轴位置传感器电路原理图图2-4-3磁阻式传感器工作原理图(2)磁阻式曲轴位置/凸轮轴传感器的工作原理基本知识进气凸轮轴

位置传感器a磁阻效应原理>丰田新型发动机采用的凸轮轴位置传感器(丰田也称G信号传感器，图2-4-3)为磁阻式，由磁铁和MRE

元件组成。凸轮轴上有一个凸轮轴位置传感器的正时转子。凸轮轴旋转时，正时转子和MRE

元件之间的空气间隙随之变化，从而影响磁铁磁场变化，

MRE

材料的电阻也同时发生变化。凸轮轴位置传

感器将凸轮轴旋转数据转换为脉冲信号，并据此判断凸轮轴角度，然后发送到ECM,作为ECM控制燃

油喷射时间和喷射正时的数据。>MRE

型凸轮轴位置传感器和用于常规车型的耦合线圈型凸轮轴位置传感器的区别如下表，信号对比见

图2-4-4。表2-4-1

MRE

传感器和耦合线圈传感器对比项目传感器类型MRE耦合线圈输出信号自低发动机转速开始的恒定数字输出模拟输出随发动机转速变化凸轮轴位置检测通过比较NE信号与正时转子凸起/未凸起部分的Hi/Lo输出开关正时，或根据Hi/Lo输出期间输入NE信号数量进行检测。通过比较NE信号与正时转子的突起部分通过时输出的波形变化进行检测。基本知识

曲轴凸轮轴位置传感器检修曲轴凸轮轴位置传感器检修基本知识图2-4-4MRE

传感器和耦合线圈传感器信号对比图耦合线圈型MRE型>霍尔式传感器都是根据霍尔效应制成。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。>霍尔效应的原理如图2-4-5所示。在电流通过霍尔元件的同时，如果垂直施加磁场，霍尔

元件就会产生垂直于此电流和磁场的电压差，

此电压差所产生的电压和磁通量密度成正比

地变化(即霍尔电压),这就是霍尔效应。>霍尔式曲轴位置/凸轮轴位置传感器就是利用这个原理，将曲轴或凸轮轴转速的变化转变

成脉冲式的霍尔电压信号提供给ECM。曲轴凸轮轴位置传感器检修(3)霍尔式曲轴位置/凸轮轴传感器的工作原理基本知识图2-4-5霍尔效应原理图>大众汽车(如迈腾、帕萨特等车型)采用的霍尔式凸轮

轴位置传感器(如图2-4-6

(a)

所示)安装在发动机配

气凸轮轴的一端，主要由霍尔信号发生器(如图2-4-6

(b)所示)和信号转子组成(如图2-4-6

(c)

所

示

)

。>信号转子又称为触发叶轮，安装在配气凸轮轴的一端，用定位螺栓和座圈定位固定，如图2-4-6(c)

所示。>当隔板(也称叶片或切割片)进入气隙(即在气隙内)时，霍尔元件不产生霍尔电压，传感器输出高电平(5V

或12V,

根据ECM的参考信号)信号；>当隔板离开气隙(即窗口进入气隙)时，霍尔元件产生

霍尔电压，传感器输出低电平信号(0.1V),如图2-4-

6(d)

所示。发动机曲轴每转两转，霍尔传感器信号转子转一圈，对

应产生一个低电平信号和一个高电平信号，其中低电平

信号对应于1缸压缩上止点前一定角度。曲轴凸轮轴位置传感器检修基本知识图2-4-6大众汽车霍尔式凸轮轴位置传感器(a)霍尔式凸轮轴位置传感器(b)

霍尔信号发生器(d)

霍尔效应信号(c)

信号转子盘>丰田、日产、三菱汽车公司生产的光电式曲轴位置与凸轮轴位置传感器安装在分电器内，结构如图2-4-23所示，主要由信号发生器、信号盘(即信号转子)、配电器、传感器壳体和线束连接器等组成。>信号盘是传感器的信号转子，压装在传感器轴上，结构如图2-4-23(a)所示。在靠近信号盘的边缘位置制作有间隔弧度均匀的内、外两圈透光孔。其中，外圈制作有360个长方形透光孔(缝隙),间隔弧度为1°,用于产生曲轴转角与转速信号；6缸发动机信号盘内圈制作有6个透光孔(长方形孔),间隔弧度为60°,用于产生6缸各个气缸的上止点位置信号，其中有1个长方形宽边稍长的透光孔，用于产生第一缸上止点位置信号。>信号发生器固定在传感器壳体上，由Ne

信号(曲轴位置信号)

发生器、G

信号(凸轮轴位置信号)发生器以及信号处理电路组成，如图3-4-23(c)

所示。Ne

与G

信号发生器均由一

只发光二极管LED

和一只光敏晶体管(三极管)组成，两只

LED分别正对着两只光敏晶体管。分火头线束猫头9防护盖G信号，信号发生器

〔上

号

信号)传感器转速与转角Nd信号传感器止点信拓展知识1.光电式曲轴/凸轮轴位置传感器介绍(b)

传感器结构

(c)

他号发生器结构图2-4-23光电式曲轴位置与凸轮轴位置传感器曲轴凸轮轴位置传感器检修信号盘传感器壳体定

位销传感

密轴、第一缸上止点

信号透光孔由轴转角信号透光孔(a)

信号盘结构上止点信号遇光孔传感

器

轴传感器盖>光电式传感器的工作原理如图2-4-24所示。因为传感器轴上的斜齿轮与发动机配气凸轮轴上的斜齿轮啮合，所以当

发动机带动传感器轴转动时，信号盘上的透光孔便从信号发生器的发光二极管

LED

与光敏晶体管之间转过。曲轴凸轮轴位置传感器检修(a)

工作原理图

(b)

实物图拓展知识图2-4-24光电式传感器>当信号盘上的透光孔旋转到LED

与光敏晶体管之

间

时

，LED发出的光线就会照射到光敏晶体

管上，此时光敏晶体管导通，其集电极输出低电平(0.1～0.3V);当信号盘上的遮光部

分旋转到LED

与光敏晶体管之间时，

LED

发出

的光线就不能照射到光敏晶体管上，此时光敏晶体管截止，其集电极输出高电平(4.8~

5.2V)。

如果信号盘连续旋转，透光孔和遮

光部分就会交替地转过LED

而透光或遮光，光

敏晶体管集电极便交替地输出高电平和低电

平。>当传感器轴随曲轴和配气凸轮轴转动时，信号盘上的透光孔和遮光部分便从LED与光敏晶

体管之间转过，LED发出的光线受信号盘透光

和遮光作用交替照射到信号发生器的光敏晶

体管上，信号传感器中产生与曲轴位置和凸

轮轴位置对应的脉冲信号。曲轴凸轮轴位置传感器检修拓展知识(a)

工作原理图

(b)

实物图图2-4-24光电式传感器光电式曲轴位置传感器检测方法如下：用万用表直流电压档检测传感器信号(1°信号)电压接脚(如图2-4-25),起动发动机时的电压应为0.2～