性能特點和作用說明

凸輪軸位置和轉速傳感器的結構與原理圖

 

摘要：凸輪軸位置和曲軸轉速傳感器的作用是檢測曲軸或凸輪軸的位置，為ECU進行噴油正時控制、氣門正時控制等提供依據。此外，ECU還利用轉速傳感器的信號計算柴油發電機的轉速，作為控制柴油發電機運轉的重要參數。康明斯公司在本文中將其安裝位置和工作原理及結構進行了說明，以供維修工程師和用戶更好的掌握康明斯發電機組的相關知識。

 

1、安裝位置及作用

      轉速傳感器通常安裝在帶輪后、飛輪附近或凸輪軸附近。當轉速傳感器安裝在曲軸帶輪附近或飛輪附近時，ECU可以根據其信號確定曲軸轉動的位置，或判定各氣缸活塞到達上止點的位置，因此常被稱為轉速傳感器，并將其信號稱為NE信號；當其安裝在凸輪軸附近時，ECU除了可以根據其信號確定凸輪軸轉動的位置、曲軸轉動的位置外，還可以判定第一缸活塞到達壓縮上止點的位置，因此有時也稱其為凸輪軸位置傳感器，并將其產生的用于判定第一缸活塞到達壓縮上止點的信號稱為G信號。其具體作用如下：

（1）檢測發動機轉速，PCM據此計算進氣量，確定噴油量和點火提前角。

（2）檢測發動機基準缸（一缸或其他缸）的基準位置（活塞壓縮上止點或壓縮上止點前、后一固定角度）,進行缸序判別，進一步確定活塞的任一位置。

（3）檢測曲軸轉過的角度，PCM判定活塞運行的任一位置，確定點火時刻和噴油時刻。

（4）控制噴油和點火之外，還用于怠速控制、廢氣再循環控制、燃油蒸發控制等。

2、結構與工作原理

      曲軸位置傳感器按結構和工作原理不同分為電磁感應式、霍爾式、光電式、磁控電阻式等，現在應用比較廣泛的是電磁感應式、霍爾式和光電式。按傳感器功能不同分為綜合式和獨立式，綜合式即檢測轉速信號和活塞位置信號共用一個元件和電路，有一個信號輸出端；獨立式即檢測轉速信號和活塞位置信號分別采用不同元件和電路，有兩個獨立的信號輸出端。其中獨立式又按安裝方式不同分為組合安裝式和獨立安裝式，組合安裝式即將檢測轉速信號和活塞位置信號的傳感器組合安裝在一起；獨立安裝式即將檢測轉速信號和活塞位置信號的傳感器分開獨立安裝在不同位置。

（1）電磁感應式曲軸位置傳感器

      電控柴油發電機轉速傳感器廣泛采用電磁感應式，極個別的采用霍爾式。曲軸的轉速信號直接反映柴油發電機的速度工況，曲軸的位置信號則用來判斷活塞上止點的位置，以便控制燃料供給系統的噴油時序。常見的電磁式曲軸轉速與位置傳感器如圖1左圖所示。它的觸發輪（或稱為信號盤）裝在曲軸上與曲軸同步旋轉，觸發輪上加工出若干等節距的齒（例如博世公司4缸柴油發電機為60-2＝58個齒，其中兩個齒空缺，空缺處相應于1缸活塞位置），當各齒轉過固定在柴油發電機機體上的磁頭（由永磁鐵、軟鐵心和繞組組成）時，由于氣隙的周期變化，在繞組兩端產生交變的感應電動勢，這一交流信號即可作為轉速信號，經整形與放大以后形成方波送至ECU。同時，觸發輪上的兩個齒缺對應著一定的曲軸位置，從而產生了相應的上止點信號，如圖1右圖所示。控制電路如圖2所示。

 

圖1 轉速傳感器結構與工作原理圖

圖2 轉速傳感器電路示意圖

 

（2）霍爾式凸輪軸位置傳感器

      凸輪軸位置傳感器采用霍爾元件的居多，這是因為霍爾元件低頻工作特性比電磁式傳感器好。在四沖程柴油發電機中，曲軸每兩轉才完成一個工作循環，為了區別壓縮上止點與排氣上止點，還應在凸輪軸（其結構如圖3所示）上加裝霍爾效應傳感器才能保證正確的噴油時序。這種傳感器的結構如圖4所示，它由霍爾元件和帶有凹槽的觸發輪等構成。霍爾元件處在永磁鐵產生的磁場內，磁力線與晶片垂直并通過氣隙流向由鐵磁材料制成的觸發輪，構成磁通回路。當凸輪軸旋轉時，觸發輪齒頂和齒槽交替通過它們與霍爾元件之間形成的氣隙，引起磁場的劇烈變化（齒頂處氣隙小，磁場最強，齒槽處磁場最弱）。如果這時有恒定電流通過霍爾元件，根據霍爾效應便會在其晶片兩端與磁場和電流垂直的方向上產生脈沖電壓信號，其值只正比于磁場的強度而與凸輪的轉速無關，因此只要正確布置觸發輪，即可確定柴油發電機1缸壓縮上止點的位置，從而保證正確的噴油正時。

      與曲軸信號齒輪相似，凸輪軸上也需要設置信號輪。這種信號輪根據實際結構的情況，有時設置在配氣凸輪軸上，有時設置在燃油泵的凸輪軸上。對比飛輪這些軸尺寸都較小，凸輪軸上的信號輪的  直徑也都較小。6缸柴油發電機的凸輪信號輪橫截面如圖3中的帶正時記號的觸發輪所示，從圖4中可見，這種信號輪的齒其實只是一些凹槽。6缸柴油發電機信號輪的凹槽一般是沿圓周分布的6個凹槽，其中兩個凹槽間距離前一凹槽1/4間距處也加工出一個凹槽，這一凹槽稱為多齒。多齒的作用與缺齒相似，也是為了確定齒計數的始點。一般將多齒后第一齒編為1號齒，以后依次為2～6號。這種凸輪信號輪稱為6＋1型，如4缸凸輪信號輪稱為4＋1型、8缸凸輪信號輪稱為8＋1型。

      由于凸輪軸在柴油發電機一個工作循環內轉一圈，所以，每一個凸輪齒可以確定無疑地定下柴油發電機曲軸的一個轉角相位。但由于凸輪齒數較少，所以這種定位只能確定較大的轉角范圍。如在上述6缸柴油發電機的情況，凸輪齒只能對720°／6＝120°的曲軸轉角范圍定位。

 

圖3  凸輪軸機構組成圖.

圖4  霍爾凸輪軸位置傳感器結構示意圖

（3）光電式曲軸位置傳感器

① 光電式曲軸位置傳感器的結構

      光電式曲軸位置傳感器由傳感器體和信號盤(遮光盤)組成，傳感器體由光源、光接收器、控制電路等組成。信號盤安裝在曲軸、凸輪軸或分電器軸上，隨其同步轉動，其上均布有若干光孔，通常還有一個較寬的特殊光孔。光源采用發光二極管，通過信號盤光孔正對著光接收器。光接收器采用光敏二極管或光敏三極管，接收發光二極管的光信號，轉換為電信號，再經控制電路處理后產生數字信號送至發動機PCM。

② 光電式曲軸位置傳感器的工作原理

      信號盤隨分電器軸旋轉，當光孔對準光源時，光接收器導通，傳感器輸出高電平信號；當光孔離開光源時，光接收器截止，傳感器輸出低電平信號。信號盤不停地轉動，傳感器輸出數字脈沖信號，信號的頻率隨發動機轉速的增大而增大。

      光電式曲軸位置傳感器的優點是不受電磁干擾；缺點是受灰塵影響大。光電式傳感器的功能元件通常被密封得很好，但損壞的分電器軸套或密封墊，以及當維修時可能使油污和污物進入敏感區域造成污損，這就可能引起發動機不能起動、失速和斷火。

3、控制電路

      霍爾式轉速傳感器內部的霍爾元件及放大電路都需要電源才能正常工作，它可以利用由蓄電池提供的24V（或12V）電壓，如圖5所示，或由ECU提供的5V電壓作為工作電源，如圖6所示。圖4是一個能產生兩組曲軸位置信號（G信號和NE信號）的霍爾式轉速傳感器，它有4條接線，分別是電源線、搭鐵線、G信號線和NE信號線。圖5是兩個分別獨立的霍爾式凸輪軸位置傳感器，每個傳感器有3條接線，分別是電源線、搭鐵線和信號線。

 

圖5 霍爾元件的控制電路（電源1）

圖6 霍爾元件的控制電路（電源2）

 

      在傳感器內部的放大電路中，霍爾電壓用于驅動一個晶體管開關電路，使該電路處于飽和（即導通）或截止狀態。ECU中的5V基準電壓通過一個較大的電阻后施加在晶體管開關電路上，如圖4所示，當霍爾電壓為高電位時，晶體管開關電路處于飽和狀態，此時傳感器的信號輸出端與搭鐵導通，5V電壓經過ECU中的電阻后在該端子處被短路，其電壓變為0；當霍爾電壓為低電位時，晶體管開關電路處于截止狀態，使傳感器的信號輸出端相對于搭鐵斷路，其電壓變為5V。由此可知，霍爾式轉速傳感器的輸出信號電壓是通過信號輸出端相對于搭鐵端導通狀態的改變，由ECU施加在該端子上的電壓產生的。由于該電路在斷路狀態時是一個5V電壓，因此，在傳感器轉子轉動一圈過程中，傳感器輸出和轉子葉片（或窗口）數目相同個數的、幅值為5V的矩形電壓脈沖信號。ECU通常將脈沖信號的下降沿作為判定曲軸或凸輪軸位置的基準點。

 

 總結：

      控制發動機運行需要知道發動機轉速信號和活塞運行位置信號，這就要求安裝曲軸位置傳感器（又稱發動機轉速傳感器、曲軸轉角傳感器等），它是發動機控制的主控參數。一般情況下，曲軸位置傳感器安裝在曲軸（曲軸的前端、中部、后端）、凸輪軸、分電器軸上。如果曲軸位置傳感器安裝在曲軸上，當傳感器產生活塞基準位置信號時，發動機PCM不能判定活塞是處于壓縮上止點還是排氣上止點，此時需要有一個判缸信號，要求安裝凸輪軸位置傳感器（又稱判缸傳感器），它安裝在凸輪軸或分電器軸上。凸輪軸位置傳感器的類型、結構、工作原理與曲軸位置傳感器相同，不再另行說明。

 

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