康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

 

性能特点和作用说明

凸轮轴位置和转速传感器的结构与原理图

 

摘要：凸轮轴位置和曲轴转速传感器的作用是检测曲轴或凸轮轴的位置，为ECU进行喷油正时控制、气门正时控制等提供依据。此外，ECU还利用转速传感器的信号计算柴油发电机的转速，作为控制柴油发电机运转的重要参数。康明斯公司在本文中将其安装位置和工作原理及结构进行了说明，以供维修工程师和用户更好的掌握康明斯发电机组的相关知识。

 

1、安装位置及作用

      转速传感器通常安装在带轮后、飞轮附近或凸轮轴附近。当转速传感器安装在曲轴带轮附近或飞轮附近时，ECU可以根据其信号确定曲轴转动的位置，或判定各气缸活塞到达上止点的位置，因此常被称为转速传感器，并将其信号称为NE信号；当其安装在凸轮轴附近时，ECU除了可以根据其信号确定凸轮轴转动的位置、曲轴转动的位置外，还可以判定第一缸活塞到达压缩上止点的位置，因此有时也称其为凸轮轴位置传感器，并将其产生的用于判定第一缸活塞到达压缩上止点的信号称为G信号。其具体作用如下：

（1）检测发动机转速，PCM据此计算进气量，确定喷油量和点火提前角。

（2）检测发动机基准缸（一缸或其他缸）的基准位置（活塞压缩上止点或压缩上止点前、后一固定角度）,进行缸序判别，进一步确定活塞的任一位置。

（3）检测曲轴转过的角度，PCM判定活塞运行的任一位置，确定点火时刻和喷油时刻。

（4）控制喷油和点火之外，还用于怠速控制、废气再循环控制、燃油蒸发控制等。

2、结构与工作原理

      曲轴位置传感器按结构和工作原理不同分为电磁感应式、霍尔式、光电式、磁控电阻式等，现在应用比较广泛的是电磁感应式、霍尔式和光电式。按传感器功能不同分为综合式和独立式，综合式即检测转速信号和活塞位置信号共用一个元件和电路，有一个信号输出端；独立式即检测转速信号和活塞位置信号分别采用不同元件和电路，有两个独立的信号输出端。其中独立式又按安装方式不同分为组合安装式和独立安装式，组合安装式即将检测转速信号和活塞位置信号的传感器组合安装在一起；独立安装式即将检测转速信号和活塞位置信号的传感器分开独立安装在不同位置。

（1）电磁感应式曲轴位置传感器

      电控柴油发电机转速传感器广泛采用电磁感应式，极个别的采用霍尔式。曲轴的转速信号直接反映柴油发电机的速度工况，曲轴的位置信号则用来判断活塞上止点的位置，以便控制燃料供给系统的喷油时序。常见的电磁式曲轴转速与位置传感器如图1左图所示。它的触发轮（或称为信号盘）装在曲轴上与曲轴同步旋转，触发轮上加工出若干等节距的齿（例如博世公司4缸柴油发电机为60-2＝58个齿，其中两个齿空缺，空缺处相应于1缸活塞位置），当各齿转过固定在柴油发电机机体上的磁头（由永磁铁、软铁心和绕组组成）时，由于气隙的周期变化，在绕组两端产生交变的感应电动势，这一交流信号即可作为转速信号，经整形与放大以后形成方波送至ECU。同时，触发轮上的两个齿缺对应着一定的曲轴位置，从而产生了相应的上止点信号，如图1右图所示。控制电路如图2所示。

 

图1 转速传感器结构与工作原理图

图2 转速传感器电路示意图

 

（2）霍尔式凸轮轴位置传感器

      凸轮轴位置传感器采用霍尔元件的居多，这是因为霍尔元件低频工作特性比电磁式传感器好。在四冲程柴油发电机中，曲轴每两转才完成一个工作循环，为了区别压缩上止点与排气上止点，还应在凸轮轴（其结构如图3所示）上加装霍尔效应传感器才能保证正确的喷油时序。这种传感器的结构如图4所示，它由霍尔元件和带有凹槽的触发轮等构成。霍尔元件处在永磁铁产生的磁场内，磁力线与晶片垂直并通过气隙流向由铁磁材料制成的触发轮，构成磁通回路。当凸轮轴旋转时，触发轮齿顶和齿槽交替通过它们与霍尔元件之间形成的气隙，引起磁场的剧烈变化（齿顶处气隙小，磁场最强，齿槽处磁场最弱）。如果这时有恒定电流通过霍尔元件，根据霍尔效应便会在其晶片两端与磁场和电流垂直的方向上产生脉冲电压信号，其值只正比于磁场的强度而与凸轮的转速无关，因此只要正确布置触发轮，即可确定柴油发电机1缸压缩上止点的位置，从而保证正确的喷油正时。

      与曲轴信号齿轮相似，凸轮轴上也需要设置信号轮。这种信号轮根据实际结构的情况，有时设置在配气凸轮轴上，有时设置在燃油泵的凸轮轴上。对比飞轮这些轴尺寸都较小，凸轮轴上的信号轮的  直径也都较小。6缸柴油发电机的凸轮信号轮横截面如图3中的带正时记号的触发轮所示，从图4中可见，这种信号轮的齿其实只是一些凹槽。6缸柴油发电机信号轮的凹槽一般是沿圆周分布的6个凹槽，其中两个凹槽间距离前一凹槽1/4间距处也加工出一个凹槽，这一凹槽称为多齿。多齿的作用与缺齿相似，也是为了确定齿计数的始点。一般将多齿后第一齿编为1号齿，以后依次为2～6号。这种凸轮信号轮称为6＋1型，如4缸凸轮信号轮称为4＋1型、8缸凸轮信号轮称为8＋1型。

      由于凸轮轴在柴油发电机一个工作循环内转一圈，所以，每一个凸轮齿可以确定无疑地定下柴油发电机曲轴的一个转角相位。但由于凸轮齿数较少，所以这种定位只能确定较大的转角范围。如在上述6缸柴油发电机的情况，凸轮齿只能对720°／6＝120°的曲轴转角范围定位。

 

图3  凸轮轴机构组成图.

图4  霍尔凸轮轴位置传感器结构示意图

（3）光电式曲轴位置传感器

① 光电式曲轴位置传感器的结构

      光电式曲轴位置传感器由传感器体和信号盘(遮光盘)组成，传感器体由光源、光接收器、控制电路等组成。信号盘安装在曲轴、凸轮轴或分电器轴上，随其同步转动，其上均布有若干光孔，通常还有一个较宽的特殊光孔。光源采用发光二极管，通过信号盘光孔正对着光接收器。光接收器采用光敏二极管或光敏三极管，接收发光二极管的光信号，转换为电信号，再经控制电路处理后产生数字信号送至发动机PCM。

② 光电式曲轴位置传感器的工作原理

      信号盘随分电器轴旋转，当光孔对准光源时，光接收器导通，传感器输出高电平信号；当光孔离开光源时，光接收器截止，传感器输出低电平信号。信号盘不停地转动，传感器输出数字脉冲信号，信号的频率随发动机转速的增大而增大。

      光电式曲轴位置传感器的优点是不受电磁干扰；缺点是受灰尘影响大。光电式传感器的功能元件通常被密封得很好，但损坏的分电器轴套或密封垫，以及当维修时可能使油污和污物进入敏感区域造成污损，这就可能引起发动机不能起动、失速和断火。

3、控制电路

      霍尔式转速传感器内部的霍尔元件及放大电路都需要电源才能正常工作，它可以利用由蓄电池提供的24V（或12V）电压，如图5所示，或由ECU提供的5V电压作为工作电源，如图6所示。图4是一个能产生两组曲轴位置信号（G信号和NE信号）的霍尔式转速传感器，它有4条接线，分别是电源线、搭铁线、G信号线和NE信号线。图5是两个分别独立的霍尔式凸轮轴位置传感器，每个传感器有3条接线，分别是电源线、搭铁线和信号线。

 

图5 霍尔元件的控制电路（电源1）

图6 霍尔元件的控制电路（电源2）

 

      在传感器内部的放大电路中，霍尔电压用于驱动一个晶体管开关电路，使该电路处于饱和（即导通）或截止状态。ECU中的5V基准电压通过一个较大的电阻后施加在晶体管开关电路上，如图4所示，当霍尔电压为高电位时，晶体管开关电路处于饱和状态，此时传感器的信号输出端与搭铁导通，5V电压经过ECU中的电阻后在该端子处被短路，其电压变为0；当霍尔电压为低电位时，晶体管开关电路处于截止状态，使传感器的信号输出端相对于搭铁断路，其电压变为5V。由此可知，霍尔式转速传感器的输出信号电压是通过信号输出端相对于搭铁端导通状态的改变，由ECU施加在该端子上的电压产生的。由于该电路在断路状态时是一个5V电压，因此，在传感器转子转动一圈过程中，传感器输出和转子叶片（或窗口）数目相同个数的、幅值为5V的矩形电压脉冲信号。ECU通常将脉冲信号的下降沿作为判定曲轴或凸轮轴位置的基准点。

 

 总结：

      控制发动机运行需要知道发动机转速信号和活塞运行位置信号，这就要求安装曲轴位置传感器（又称发动机转速传感器、曲轴转角传感器等），它是发动机控制的主控参数。一般情况下，曲轴位置传感器安装在曲轴（曲轴的前端、中部、后端）、凸轮轴、分电器轴上。如果曲轴位置传感器安装在曲轴上，当传感器产生活塞基准位置信号时，发动机PCM不能判定活塞是处于压缩上止点还是排气上止点，此时需要有一个判缸信号，要求安装凸轮轴位置传感器（又称判缸传感器），它安装在凸轮轴或分电器轴上。凸轮轴位置传感器的类型、结构、工作原理与曲轴位置传感器相同，不再另行说明。

 

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