任务一  曲轴/凸轮轴位置传感器检测

任务引入

汽修厂接收了一辆待维修的别克威朗轿车，客户反映汽车发动机点火困难，行驶油耗增加。请你根据专业知识对汽车点火系统进行分析，对曲轴/凸轮轴位置传感器进行检修。针对该故障，请你结合相关知识完成本项检修任务。

一、点火系统概述

汽油发动机气缸内燃料与空气的混合气，在压缩行程终了时采用高压电火花点火。为了在气缸中定时地产生高压电火花，汽油发动机设置了专门的点火系统，简称发动机点火系统。

（一）点火系统的基本作用

在发动机各种工况和使用条件下，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，使汽油发动机实现做功。

（二）点火系统类型

发动机点火系统按其控制方式的不同，可分为传统点火系统、电子点火系统、微机控制点火系统三类，其各自特点如下。

1．传统点火系统

结构简单、成本低廉，但故障率高、高速性能差、使用过程中需经常检查和维护。

2．电子点火系统

使用点火器替代了断电器，高速性能好，点火时间精确，使用方便。

3．微机控制点火系统

点火系统的点火提前角由微机控制，使发动机在各种工况下都具备最佳点火提前角，提高了发动机的动力性和经济性。

微机控制点火系统又称电控点火系统。主要由各种传感器、ECU、点火器、点火线圈、火花塞等组成。在发动机的工作过程中，各传感器不断地检测发动机的转速、负荷、冷却水温、进气温度等信号，并将发动机工作过程中检测到的信号经接口电路输入给ECU，ECU再根据这些信号参数进行查找、运算、修正，将计算结果转变为控制信号，向点火模块发出控制指令，接通点火线圈的初级电路；经过最佳的导通时间后，再发出控制指令，使点火模块切断点火线圈的初级电路，初级电流中断后，会在点火线圈次级绕组中产生高压电，经配电装置送到火花塞，点燃混合气。各车型使用的传感器类别、数量、结构及安装位置不同，但其作用大同小异。微机控制的电子点火系统中所用到的主要传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、空气流量计（或进气歧管压力传感器）、节气门位置传感器、水温传感器、爆震传感器、氧传感器等。

二、曲轴位置传感器

曲轴位置传感器如图5-1所示，常安装在曲轴前端（皮带轮处）、曲轴后端（靠近大飞轮处）或曲轴中间，早期车型也有安装在分电器内，是控制系统中最重要的传感器之一。

曲轴位置传感器的作用主要有：检测发动机转速，因此又称为转速传感器；检测活塞上止点位置，故也称为上止点传感器，包括检测用于控制点火的各缸上止点信号、用于控制顺序喷油的第一缸上止点信号。

图5-1  曲轴位置传感器

三、曲轴位置传感器的类型

曲轴传感器主要有三种类型：磁电感应式、霍尔效应式和光电式。

（一）磁电感应式

磁电感应式转速传感器和曲轴位置传感器分上、下两层安装在分电器内，如图5-2所示。传感器由永磁感应检测线圈和转子（正时转子和转速转子）组成，转子随分电器轴一起旋转。正时转子有一、二或四个齿等多种形式，转速转子为24个齿。永磁感应检测线圈固定在分电器体上。若已知转速传感器信号和曲轴位置传感器信号，以及各缸的工作顺序，就可知道各缸的曲轴位置。磁电感应式转速传感器和曲轴位置传感器的转子信号盘也可安装在曲轴或凸轮轴上。

1—永久磁铁；2—曲轴传感器壳体；3—变速器壳体；4—软铁芯；5—线圈；6—齿隙（基准标记）；7—气隙

图5-2  磁电式曲轴位置传感器

（二）霍尔效应式

霍尔效应式转速传感器和曲轴位置传感器是一种利用霍尔效应工作的信号发生器，如图5-3所示。霍尔信号发生器安装在分电器内，与分火头同轴，由封装的霍尔芯片和永久磁铁组成，整体固定在分电器盘上。触发叶轮上的缺口数应和发动机气缸数相同。当触发叶轮上的叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间，霍尔触发器的磁场被叶片旁路，这时不产生霍尔电压，传感器无输出信号；当触发叶轮上的缺口部分进入永久磁铁和霍尔元件之间时，磁力线进入霍尔元件，霍尔电压升高，传感器输出电压信号。

图5-3  霍尔效应式曲轴位置传感器

1—霍尔半导体元件；2—永磁铁；3—挡隔磁力线的叶片；I—示意电流方向；A、E—控制电流输入端；B、C—霍尔电压输出端；D—霍尔电压信号输出方向

（三）光电式

光电式曲轴位置传感器一般装在分电器内，由信号发生器和带光孔的信号盘组成，如图5-4所示。其信号盘与分电器轴一起转动，信号盘外圈有360条光刻缝隙，能产生1°的曲轴转角信号；稍靠内有间隔60°均匀布置的6个光孔，能产生120°的曲轴转角信号，其中有1个光孔较宽，用以产生相对于1缸上止点的信号。信号发生器安装在分电器壳体上，由两只发光二极管、两只光敏二极管和电路组成。发光二极管正对着光敏二极管。信号盘位于发光二极管和光敏二极管之间，由于信号盘上有光孔，会产生透光和遮光交替变化的现象。当发光二极管的光束照到光敏二极管时，光敏二极管产生电压；当发光二极管光束被挡住时，光敏二极管电压为0。这些电压信号经电路部分被整形放大后，即向电子控制单元输送曲轴转角为1°和120°时的信号，电子控制单元根据这些信号计算发动机转速和曲轴位置。

图5-4  光电式曲轴位置传感器

1—输出信号；2一光敏二极管；3一发光二极管；4一电源5一转盘；6一转子头盖；7一密封盖；8一波成形电路；9—第一缸 1200°信号缝隙；10一信号缝隙；11—120°信号隙

四、凸轮轴位置传感器

凸轮轴位置传感器如图5-5所示，其作用是采集凸轮轴角度信号，并输入给ECU，以便确定点火时刻和喷油时刻。凸轮轴位置传感器又称为气缸识别传感器，为了区别于曲轴位置传感器（CKP），凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。凸轮轴位置传感器的作用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入给ECU，以便ECU识别气缸1的压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆燃控制。此外，凸轮轴位置信号还用于帮助发动机启动时识别第一次点火时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别哪一个气缸活塞即将到达上止点，所以也被称为气缸识别传感器。

图5-5  凸轮轴位置传感器

五、凸轮轴位置传感器类型及工作原理

凸轮轴位置传感器又可以分为霍尔式和磁电式，前者利用霍尔效应，产生固定幅值的位置信号，如图5-6；后者则利用磁感应的原理，来产生幅值随频率变化的位置信号，其幅值随转速变化范围从几百毫伏到上百伏，幅值变化较大，如图5-6所示。

图5-6  霍尔式凸轮轴位置传感器信号幅值

曲轴位置传感器的工作原理：当曲轴位置传感器随曲轴旋转时，由磁感应式传感器的工作原理可知，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期性交变电动势（电动势出现一次最大值和一次最小值），线圈相应地输出一个交变电压信号。因为信号转子上设有一个产生基准信号的大齿缺，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，该信号对应于气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。ECU接收到宽脉冲信号时，便可知道气缸1或气缸4上止点位置即将到来，至于即将到来的是气缸1还是气缸4，则需根据凸轮轴位置传感器输入的信号来确定。

凸轮位置传感器由G（G1、G2）和Ne两部分信号发生器组成，ECU根据G1、G2和Ne信号判别气缸位置、检测曲轴转角以及决定点火时刻的初始点火提前角。G1信号用于发动机第4缸的判断和点火的转换，即依靠此信号来检测第4缸是否处于压缩行程，活塞是否接近上止点。G2信号是发动机第1缸的判断和点火的转换信号。依靠此信号来检测第1缸压缩行程时活塞上是否已接近上止点。

六、任务实施

（一）实施方案

1．作业准备

使用万用表时，不要将红黑表笔接反。

设备器材：实训用车若干台、常用工具（一套）、万用表、示波器。

耗材：干净抹布。

2．学生分组

以6～8人为一组，选出组长并进行任务分配，填入表5-1中。

表5-1 小组概况及分工情况表

（二）操作步骤

1．检查曲轴位置传感器

检查外观是否完好。

检查线束插头是否插接牢靠。

用故障诊断仪读取故障码。

2．测量各端子间的阻值

第一步：拔下传感器线束插头。

第二步：如图5-7所示，用万用表测量传感器一侧各端子阻值，即为传感器信号线圈的阻值，车型不同时，传感器阻值不同。

第三步：如图5-8所示，将点火开关拨至“ON”挡，用万用表测量各端子电压。

图5-7  曲轴位置传感器电阻检测

图5-8  曲轴位置传感器电压检测

请将实际测量的数据与对故障的判断填入表5-2中。

表5-2 实测数据与故障判断信息表

3．测量传感器的输出信号

对于安装在曲轴或凸轮轴附近的传感器，可通过转动曲轴，然后用万用表测量其输出信号情况，若有电压输出，说明传感器能工作，否则，说明传感器有故障。

对于安装在分电器内的电磁感应式传感器，也可以将分电器拆下，用手转动分电器轴，再用万用表测量其输出信号情况，若有电压输出，说明传感器能工作，否则，说明传感器有故障。

4．测量曲轴位置传感器的输出波形

第一步：正确连接示波器。

第二步：启动发动机，使之怠速工作。

第三步：观察并记录测量的波形。

第四步：参照标准波形图（见图5-9），进行分析。

各种电磁感应式曲轴位置传感器输出信号波形基本相同，若出现波形过于平缓，或有间断时，则说明传感器有故障。

图5-9  曲轴位置传感器参照标准波形图

（三）任务评价（每组一份）

将小组成员评价分数填入表5-3中。

表5-3　任务评价表