第四节 凸轮轴位置传感器
凸轮轴位置传感器（Camshaft Position Sensor，CMP），又称为凸轮轴转角传感器、相位传感器、同步信号传感器、缸位传感器（Cylinder Position Sensor，CYP）、气缸识别传感器（Cylinder Identify Sensor，CIS）、气缸位置传感器（CID），有的车上还称为1缸上止点传感器（No.1 Top Dead Center Sensor，No.1 TDC）。
一、概述
凸轮轴位置传感器的作用主要是检测凸轮轴位置和转角，从而确定第一缸活塞的压缩上止点位置。在起动时，发动机ECU根据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器提供的信号，识别出各个气缸活塞的位置和行程，控制燃油喷射顺序和点火顺序，进行准确的喷油和点火控制。在发动机起动期间，凸轮轴位置传感器是一个关键性的输入。在某些车型上，如果没有凸轮轴位置传感器的输入，发动机将不能正常起动。一旦发动机正常运转，在下一个点火循环之前，就不再需要凸轮轴位置传感器信号，发动机可以正常运转。这是因为ECU已经确定了第1缸的压缩上止点位置，发动机ECU可以利用曲轴位置传感器信号，便可推算出其他各缸的工作情况。
随着可变气门正时技术的出现和发展，凸轮轴位置传感器也被赋予了新的内涵，除了在起动时用于压缩上止点判定外，在发动机正常工作后，还要肩负起监控可变的进气或排气凸轮是否达到预定位置的重任。
按照工作原理的不同，凸轮轴位置传感器可分为磁电式凸轮轴位置传感器、光电式凸轮轴位置传感器、霍尔式凸轮轴位置传感器、磁阻元件式凸轮轴位置传感器。
二、霍尔式凸轮轴位置传感器
1．结构
大众Polo1.4L 16气门55kW发动机采用霍尔式凸轮轴位置传感器，如图2-70所示，霍尔传感器位于凸轮轴壳体的飞轮一端，在进气凸轮轴上方。连接到进气凸轮轴的是三个铸模齿，霍尔传感器对其进行扫描。
图2-70 霍尔传感器安装位置
由霍尔传感器和发动机转速传感器提供的信号被用来确定第一缸的上止点。该信息被用于对各个气缸的爆燃控制和点火顺序喷射的控制。
如果传感器故障，发动机继续运转并可以重新起动，此时，发动机控制单元进入紧急运行模式。气缸内的喷油是同时进行的，而不再是顺序进行的。
如图2-71所示，霍尔传感器同节气门电位计G69一起由发动机控制单元提供电源。
图2-71 霍尔传感器的电路结构
2．工作过程
如图2-72所示，当一个齿通过霍尔传感器时会产生一个霍尔电压。霍尔电压脉冲的持续时间取决于齿的长度。该霍尔电压被传递到发动机控制单元并在那里被运算。霍尔电压信号可以使用VAS 5051的数字式示波仪显示。
图2-72 霍尔信号的产生
（1）第一缸识别功能 如图2-73所示，如果发动机控制单元从霍尔传感器接收到霍尔电压的同时，也从发动机转速传感器接收到参考标记信号，则表明发动机处于第一缸的压缩冲程。发动机控制单元计算转速传感器轮在参考标记后的齿数并据此计算出曲轴的位置。如参考标记后的14齿对应于第一缸的上止点。
图2-73 第一缸识别功能
（2）快速起动识别功能 如图2-74所示，仅仅使用三个齿就可以确定凸轮轴相对于曲轴的瞬间位置。这样第一个压缩循环就可以尽快地开始，发动机可以更快地起动。
图2-74 快速起动识别功能
三、磁阻式凸轮轴位置传感器
1．磁阻效应
利用磁阻效应制成的磁敏电阻元件称为磁阻元件，简称MRE（Magneto Resistance Ele-ment）。磁阻效应是指半导体材料的电阻值随与电流相同或垂直方向的磁场强弱而变化的现象，如图2-75所示。在一个长方形半导体元件的两端面通电，在无磁场时，电流电极间的电阻值取最小电流分布。当长方形元件处于磁场中时，由于两电极间的电流路径因磁场作用而增长，从而使电极间的电阻值增加。利用磁阻效应，可实现磁和电→电阻的转换。对于非铁磁性物质，外加磁场通常能使其电阻率增加，即产生正的磁阻效应。
图2-75 磁阻效应
2．检测原理
MRE凸轮轴位置传感器由信号发生器、磁铁和用树脂封装的信号处理电路集成的电路模块组成，如图2-76所示。当传感器的磁头正对转子凹槽时，磁力线向两侧的叶片分布构成闭合磁路，此时磁阻元件电阻较小，通过磁阻元件的磁力线较少，磁场强度较弱，且磁力线与磁阻元件成一定角度，如图2-77a所示，此时磁阻元件输出5V高电平信号。当磁阻传感器的磁头正对转子叶片时，磁力线通过正对的叶片构成闭合磁路，此时磁阻元件电阻较大，通过磁阻元件的磁力线较多，磁场强度较强，且磁力线与磁阻元件垂直，如图2-77b所示，此时磁阻元件输出0V低电平信号。
图2-76 磁阻式曲轴位置传感器的结构
图2-77 磁阻式曲轴位置传感器的工作原理
a）传感器输出高电平 b）传感器输出低电平
因此，随着转子的旋转，叶片的凸起与凹槽交替变化，引起通过磁阻元件的磁力线的强弱和角度发生改变，由于磁阻效应的作用，磁阻元件的电阻也发生变化，通过MRE装置的电流也随之改变，这种电流的变化由信号放大电路、滤波电路和整形电路转换成二进制数字信号，并输送给发动机ECU。发动机ECU根据此信号判别进、排气凸轮轴的位置。
磁阻传感器具有体积小、结构简单、精度高、灵敏度高、分辨率高、输出信号幅值大、抗电磁干扰能力强、耐油污粉尘、稳定性和可靠性良好、工作温度范围宽等特点，而且频率特性优良，在静止状态下也有信号输出。
3．控制电路
磁阻式曲轴/凸轮轴位置传感器的控制电路（图2-78）的形式和霍尔式曲轴/凸轮轴位置传感器、光电式曲轴/凸轮轴位置传感器的完全相同，由电源线、搭铁线和信号线组成；用蓄电池提供的12V电压或ECU提供的5V电压作为工作电源；其输出信号也是通过一个晶体管开关电路的饱和或截止状态的变化，使信号输出端改变与搭铁端的导通状态，由ECU通过一个电阻后施加在该端子上的5V电压产生的。在传感器转子转动一圈的过程中，传感器输出和转子的凸齿或叶片数目相同的、幅值为5V的矩形电压脉冲信号。
图2-78 磁阻式曲轴位置传感器的控制电路
4．磁阻式（MRE）凸轮轴位置传感器检测
丰田系列新皇冠、汉兰达、雷克萨斯以及红旗HQ300等发动机智能可变气门正时系统VVT-i采用MRE凸轮轴位置传感器，在每一气缸组上的进、排气凸轮轴上都装有1个MRE凸轮轴位置传感器（也称为MRE式VVT传感器，共4个），其安装位置如图2-79所示。
图2-79 MRE式凸轮轴位置传感器的安装位置
进、排气凸轮轴上凸轮轴位置传感器正时转子有三个凸起，所对应的凸轮轴角分别为90°、60°、30°，即所对应的曲轴转角为180°、120°、60°，曲轴每旋转两周，进、排气凸轮轴旋转一圈，产生3个大小不同的脉冲，智能可变气门正时系统通过凸轮轴位置传感器的检测，由ECU占空比控制油压控制电磁阀，从而把进、排气凸轮轴分别控制在40°和35°曲轴转角之间，提供最适合发动机工作特性的气门正时，改善发动机所有转速范围内的转矩，提高燃油经济性，减少污染物的排放。MRE传感器的连接电路如图2-80所示，信号波形如图2-81所示。
图2-80 MRE传感器的连接电路
图2-81 传感器数字信号波形
（1）工作电压的检测 关闭点火开关，断开凸轮轴位置传感器，打开点火开关至ON位置，用万用表检查VC端子与VV-端子之间的电压，应为5V，如果没有5V电压，则应分别检查与ECU间线路的连接情况，如果线路正常，则说明发动机ECU有故障。
（2）参考电压的检测 关闭点火开关，断开凸轮轴位置传感器，打开点火开关至ON位置，用万用表检查VV+端子与VV-端子之间的电压，应为4.6V，如果没有4.6V电压，则应检查VV+与ECU间线路的连接情况，如果线路正常，则说明发动机ECU有故障。
（3）波形检测 在线路正常连接的情况下，使发动机运转，用示波器检测输出信号，其标准波形应与图2-81所示的波形相同。
四、新捷达霍尔式凸轮轴位置传感器检修
新款捷达霍尔式凸轮轴位置传感器（简称霍尔传感器）向ECU J361提供第1缸点火位置信号，故又称为判缸传感器。霍尔传感器安装在气缸盖前端凸轮轴正时齿轮之后，如图2-82所示。霍尔传感器是一个电子开关，按霍尔原理工作。霍尔传感器隔板上有一个霍尔窗口，曲轴每转两周产生一个信号，根据霍尔传感器信号和发动机转速传感器的点火时间信号，ECU识别出1缸点火上止点，其电路图如图2-83所示。
图2-82 霍尔式凸轮轴位置传感器的外形及结构
1—凸轮轴正时齿轮 2—信号转子 3—霍尔信号发生器
图2-83 凸轮轴位置传感器的电路连接
G40—霍尔传感器 G42—进气温度传感器 G71—进气压力传感器 J361—发动机控制单元 T3a—3芯黑色插头连接 T4g—4芯灰色插头连接 T80—80芯黑色插头连接
—发动机线束中的搭铁连接（传感器搭铁）
—喷射装置线束中的正极连接1
（1）检测霍尔传感器的供电电压
1）关闭点火开关。
2）拔下霍尔传感器的3芯插头。
3）打开点火开关，用万用表的电压档测量3芯插头的T3a/1与T3a/3两孔之间的电压约为5V。
4）用万用表电压档测量T3a/2与T3a/3两孔之间的电压值约为12V（蓄电池电压）。
（2）检测霍尔传感器的线束导通性
1）关闭点火开关。
2）拔下控制单元J361的连接插头。
3）拔下霍尔传感器的3芯插头。
4）用万用表电阻档测量3芯插头的T3a/1端子与ECU J361的T80/82端子之间应导通。
5）测量3芯插头上T3a/2端子与控制单元J361的T80/60端子之间应导通。
6）测量3芯插头上T3a/2端子与
发动机线束内传感器搭铁之间应导通。
（3）霍尔传感器工作情况的检测
1）关闭点火开关。
2）拔下燃油泵G6的熔丝S37号（20A）。
3）释放燃油系统的压力。
4）将二极管连接到传感器T3a/1与T3a/3之间。
5）短暂起动发动机检测二极管，二极管应有规律地闪烁。