凸輪軸位置感測器

1、功用與類型

凸輪軸位置感測器(Camshaft Position Sensor，CPS)，其功用是採集凸輪軸動角度信號，並輸入電子控制單元(ECU)，以便確定點火時刻和噴油時刻。凸輪軸位置感測器(Camshaft Position Sensor，CPS)又稱為氣缸識別感測器(Cylinder Identification Sensor，CIS)，為了區別於曲軸位置感測器(CPS)，凸輪軸位置感測器一般都用CIS表示。凸輪軸位置感測器的功用是採集配氣凸輪軸的位置信號，並輸入ECU，以便ECU識彆氣缸1壓縮上止點，從而進行順序噴油控制、點火時刻控制和爆燃控制。此外，凸輪軸位置信號還用於發動機起動時識別出第一次點火時刻。因為凸輪軸位置感測器能夠識別哪一個氣缸活塞即將到達上止點，所以稱為氣缸識別感測器。

日產公司生產的光電式曲軸與凸輪軸位置感測器是由分電器改進而成的，主要由信號盤(即信號轉子)、信號發生器、配電器、感測器殼體和線束插頭等組成。

信號盤是感測器的信號轉子，壓裝在感測器軸上。在靠近信號盤的邊緣位置製作有均勻間隔弧度的內、外兩圈透光孔。其中，外圈製作有360個透光孔(縫隙)，間隔弧度為1。(透光孔佔0．5。，遮光孔佔0．5。)，用於產生曲軸轉角與轉速信號；內圈製作有6個透光孔(長方形孑L)，間隔弧度為60。，用於產生各個氣缸的上止點信號，其中有一個長方形的寬邊稍長，用於產生氣缸1的上止點信號。

信號發生器固定在感測器殼體上，它由Ne信號(轉速與轉角信號)發生器、G信號(上止點信號)發生器以及信號處理電路組成。Ne信號與G信號發生器均由一個發光二極體(LED)和一個光敏晶體管(或光敏二極體)組成，兩個LED分別正對著兩個光敏晶體管。

信號盤安裝在發光二極體(LED)與光敏晶體管(或光敏二極體)之間。當信號盤上的透光孔旋轉到LED與光敏晶體管之間時，LED發出的光線就會照射到光敏晶體管上，此時光敏晶體管導通，其集電極輸出低電平(0．1～O．3V)；當信號盤上的遮光部分旋轉到LED與光敏晶體管之間時，LED發出的光線就不能照射到光敏晶體管上，此時光敏晶體管截止，其集電極輸出高電平(4．8～5．2V)。

如果信號盤連續旋轉，透光孔和遮光部分就會交替地轉過LED而透光或遮光，光敏晶體管集電極就會交替地輸出高電平和低電平。當感測器軸隨曲軸和配氣凸輪軸轉動時，信號盤上的透光孔和遮光部分便從LED與光敏晶體管之間轉過，LED發出的光線受信號盤透光和遮光作用就會交替照射到信號發生器的光敏晶體管上，信號感測器中就會產生與曲軸位置和凸輪軸位置對應的脈衝信號。

由於曲軸旋轉兩轉，感測器軸帶動信號盤旋轉一圈，因此，G信號感測器將產生6個脈衝信號。Ne信號感測器將產生360個脈衝信號。因為G信號透光孔間隔弧度為60。，曲軸每旋轉120。就產生一個脈衝信號，所以通常G信號稱為120。信號。設計安裝保證120。信號在上止點前70。(BTDC70。)時產生，且長方形寬邊稍長的透光孔產生的信號對應於發動機氣缸1上止點前70。，以便ECU控制噴油提前角與點火提前角。因為Ne信號透光孔間隔弧度為1。(透光孔佔0．5。，遮光孔佔0．5。)，所以在每一個脈衝周期中，高、低電平各佔1。曲軸轉角，360個信號表示曲軸旋轉720。。曲軸每旋轉120。，G信號感測器產生一個信號，Ne信號感測器產生60個信號。

磁感應式位置感測器又可以分為霍爾式和磁電式，前者採用利用霍爾效應，產生固定幅值的位置信號，如圖1；後者則利用磁感應原理，產生幅值隨頻率變化的位置信號，其幅值隨轉速變化範圍從幾百毫伏到上百伏，幅值變化較大。以下是對感測器工作原理的具體介紹：

工作原理

磁力線穿過的路徑為永久磁鐵N極一定子與轉子間的氣隙一轉子凸齒一轉子凸齒與定子磁頭間的氣隙一磁頭一導磁板一永久磁鐵S極。當信號轉子旋轉時，磁路中的氣隙就會周期性地發生變化，磁路的磁阻和穿過信號線圈磁頭的磁通量隨之發生周期性變化。根據電磁感應原理，感測線圈中就會感應產生交變電動勢。

當信號轉子按順時針方向旋轉時，轉子凸齒與磁頭間的氣隙減小，磁路磁阻減小，磁通量φ增多，磁通變化率增大(dφ/dt>0)，感應電動勢E為正(E>0)。當轉子凸齒接近磁頭邊緣時，磁通量φ急劇增多，磁通變化率最大[dφ/dt=(dφ/dt)max]，感應電動勢E最高(E=Emax)。轉子轉過b點位置后，雖然磁通量φ仍在增多，但磁通變化率減小，因此感應電動勢E降低。

當轉子旋轉到凸齒的中心線與磁頭的中心線對齊時(見圖2-24b)，雖然轉子凸齒與磁頭間的氣隙最小，磁路的磁阻最小，磁通量φ最大，但是由於磁通量不可能繼續增加，磁通變化率為零，因此感應電動勢E為零。

當轉子沿順時針方向繼續旋轉，凸齒離開磁頭時(見圖2-23c)，凸齒與磁頭間的氣隙增大，磁路磁阻增大，磁通量φ減少(dφ/dt< 0)，所以感應電動勢E為負值。當凸齒轉到將要離開磁頭邊緣時，磁通量φ急劇減少，磁通變化率達到負向最大值[dφ/df=-(dφ/dt)max]，感應電動勢E也達到負向最大值(E=-Emax)。

由此可見，信號轉子每轉過一個凸齒，感測線圈中就會產生一個周期性交變電動勢，即電動勢出現一次最大值和一次最小值，感測線圈也就相應地輸出一個交變電壓信號。磁感應式感測器的突出優點是不需要外加電源，永久磁鐵起著將機械能變換為電能的作用，其磁能不會損失。當發動機轉速變化時，轉子凸齒轉動的速度將發生變化，鐵心中的磁通變化率也將隨之發生變化。轉速越高，磁通變化率就越大，感測線圈中的感應電動勢也就越高。

由於轉子凸齒與磁頭間的氣隙直接影響磁路的磁阻和感測線圈輸出電壓的高低，因此在使用中，轉子凸齒與磁頭間的氣隙不能隨意變動。氣隙如有變化，必須按規定進行調整，氣隙一般設計在0．2～0．4mm範圍內。

2)捷達、桑塔納轎車磁感應式曲軸位置感測器

1)曲軸位置感測器結構特點：捷達AT和GTX、桑塔納2000GSi型轎車的磁感應式曲軸位置感測器安裝在曲軸箱內靠近離合器一側的缸體上，主要由信號發生器和信號轉子組成。

信號發生器用螺釘固定在發動機缸體上，由永久磁鐵、感測線圈和線束插頭組成。感測線圈又稱為信號線圈，永久磁鐵上帶有一個磁頭，磁頭正對安裝在曲軸上的齒盤式信號轉子，磁頭與磁軛(導磁板)連接而構成導磁迴路。

信號轉子為齒盤式，在其圓周上均勻間隔地製作有58個凸齒、57個小齒缺和一個大齒缺。大齒缺輸出基準信號，對應發動機氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。大齒缺所佔的弧度相當於兩個凸齒和三個小齒缺所佔的弧度。因為信號轉子隨曲軸一同旋轉，曲軸旋轉一圈

(360。)，信號轉子也旋轉一圈(360。)，所以信號轉子圓周上的凸齒和齒缺所佔的曲軸轉角為360。，每個凸齒和小齒缺所佔的曲軸轉角均為3。(58×3。+57×3。=345。)，大齒缺所佔的曲軸轉角為15。(2×3。+3×3。=15。)。

2)曲軸位置感測器工作情況：當曲軸位置感測器隨曲軸旋轉時，由磁感應式感測器工作原理可知，信號轉子每轉過一個凸齒，感測線圈中就會產生一個周期性交變電動勢(即電動勢出現一次最大值和一次最小值)，線圈相應地輸出一個交變電壓信號。因為信號轉子上設有一個產生基準信號的大齒缺，所以當大齒缺轉過磁頭時，信號電壓所佔的時間較長，即輸出信號為一寬脈衝信號，該信號對應於氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。電子控制單元(ECU)接收到寬脈衝信號時，便可知道氣缸1或氣缸4上止點位置即將到來，至於即將到來的是氣缸1還是氣缸4，則需根據凸輪軸位置感測器輸入的信號來確定。由於信號轉子上有58個凸齒，因此信號轉子每轉一圈(發動機曲軸轉一圈)，感測線圈就會產生58個交變電壓信號輸入電子控制單元。

每當信號轉子隨發動機曲軸轉動一圈，感測線圈就會向電子控制單元(ECU)輸入58個脈衝信號。因此，ECU每接收到曲軸位置感測器58個信號，就可知道發動機曲軸旋轉了一圈。如果在1min內ECU接收到曲軸位置感測器116000個信號，ECU便可計算出曲軸轉速n為2000(n=116000/58=2000)r/rain；如果ECU每分鐘接收到曲軸位置感測器290000個信號，ECU便可計算出曲軸轉速為5000(n=290000/58=5000)r/min。依此類推，ECU根據每分鐘接收曲軸位置感測器脈衝信號的數量，便能計算出發動機曲軸旋轉的轉速。發動機轉速信號和負荷信號是電子控制系統最重要、最基本的控制信號，ECU根據這兩個信號就能計算出基本噴油提前角(時間)、基本點火提前角(時間)和點火導通角(點火線圈一次電流接通時間)三個基本控制參數。

捷達AT和GTx、桑塔納2000GSi型轎車磁感應式曲軸位置感測器信號轉子上大齒缺產生的信號為基準信號，ECU控制噴油時間和點火時間是以大齒缺產生的信號為基準進行控制的。當ECu接收到大齒缺產生的信號后，再根據小齒缺信號來控制點火時間、噴油時間和點火線圈一次電流接通時間(即導通角)。

3)豐田轎車TCCS磁感應式曲軸與凸輪軸位置感測器

豐田計算機控制系統(1FCCS)採用的磁感應式曲軸與凸輪軸位置感測器由分電器改進而成，由上、下兩部分組成。上部分為檢測曲軸位置基準信號(即氣缸識別與上止點信號，稱為G信號)發生器；下部分為曲軸轉速與轉角信號(稱為Ne信號)發生器。

1)Ne信號發生器的結構特點：Ne信號發生器安裝在G信號發生器的下面，主要由No．2信號轉子、Ne感測線圈和磁頭組成。信號轉子固定在感測器軸上，感測器軸由配氣凸輪軸驅動，軸的上端套裝分火頭，轉子外製有24個凸齒。感測線圈及磁頭固定在感測器殼體內，磁頭固定在感測線圈中。

2)轉速與轉角信號的產生原理與控制過程：當發動機曲軸旋轉時，配氣凸輪軸便驅動感測器信號轉子旋轉，轉子凸齒與磁頭間的氣隙交替發生變化，感測線圈的磁通隨之交替發生變化，由磁感應式感測器工作原理可知，在感測線圈中就會感應產生交變電動勢。因為信號轉子有24個凸齒，所以轉子旋轉一圈，感測線圈就會產生24個交變信號。感測器軸每轉一圈(360。)相當於發動機曲軸旋轉兩圈(720。)，所以一個交變信號(即一個信號周期)相當於曲軸旋轉30。(720。÷24=30。)，相當於分火頭旋轉15。(30。÷2=15。)。ECU每接收Ne信號發生器24個信號，即可知道曲軸旋轉了兩圈、分火頭旋轉了一圈。ECU內部程序根據每個Ne信號周期所佔時間，即可計算確定發動機曲軸轉速和分火頭轉速。為了精確控制點火提前角和噴油提前角，還需將每個信號周期所佔的曲軸轉角(30。角)分得更小。微機完成這一工作十分方便，由分頻器將每個Ne信號(曲軸轉角30。)等分成30個脈衝信號，每個脈衝信號就相當於曲軸轉角1。(30。÷30=1。)。如將每個Ne信號等分成60個脈衝信號，則每個脈衝信號相當於曲軸轉角0．5。(30。÷60=0．5。)。具體設定由轉角精度要求和程序設計確定。

3)G信號發生器的結構特點：G信號發生器用來檢測活塞上止點位置與判別是哪一個氣缸即將到達上止點位置等基準信號。故G信號發生器又稱為氣缸識別與上止點信號發生器或基準信號發生器。G信號發生器由No．1信號轉子、感測線圈G1、G2和磁頭等組成。信號轉子帶有兩個凸緣，固定在感測器軸上。感測線圈G1、G2相隔180。安裝，G1線圈產生的信號對應於發動機第六缸壓縮上止點前10。、G2線圈產生的信號對應於發動機第一缸壓縮上止點前lO。。

4)氣缸識別與上止點信號的產生原理與控制過程：G信號發生器的工作原理與Ne信號發生器產生信號的原理相同。當發動機凸輪軸驅動感測器軸旋轉時，G信號轉子(No．1信號轉子)的凸緣便交替經過感測線圈的磁頭，轉子凸緣與磁頭之間的氣隙交替發生變化，在感測線圈Gl、G2中就會感應產生交變電動勢信號。當G信號轉子的凸緣部分接近感測線圈G1的磁頭時，由於凸緣與磁頭之間的氣隙減小、磁通量增大、磁通變化率為正，因此感測線圈G1中產生正向脈衝信號，稱為G1信號；當G信號轉子的凸緣部分接近感測線圈G2時，由於凸緣與磁頭之間的氣隙減小、磁通量增大、磁通變化率為正，因此感測線圈G2中也產生正向脈衝信號，稱為G2信號。當G信號轉子的凸緣部分經過G1、G2的磁頭時，由於凸緣與磁頭之間的氣隙不變、磁通量不變、磁通變化率為零，因此感測線圈G1、G2中的感應電動勢均為零。當G信號轉子的凸緣部分離開G1、G2的磁頭時，由於凸緣與磁頭之間的氣隙增大、磁通量減小、磁通變化率為負，因此感測線圈G1、G2中將感應產生負向交變電動勢信號。感測器每轉一圈(360。)相當於曲軸轉兩圈(720。)，因為感測線圈G1、G2相隔180。安裝，所以G1、G2中各產生一個正向脈衝信號。其中G1信號對應於發動機第六缸，用來檢測第六缸上止點的位置；G2信號對應於第一缸，用來檢測第一缸上止點的位置。電子控制單元檢測的對應位置實際上是G轉子凸緣的前端接近並與感測線圈G1、G2的磁頭對齊時刻(此時磁通量最大、信號電壓為零)的位置，該位置對應於活塞壓縮上止點前10。(BT-DCl0。)位置。