汽车发动机电控系统中的光电式曲轴位置与转速传感器应用

1）一些日产公司汽车发动机使用的光电式曲轴位置传感器设置在分电器内，它由信号发生器和带光孔的信号盘组成，如图1-41所示，信号盘安装在分电器轴上，外围有360条缝隙（光栅），相邻缝隙产生2°曲轴转角信号；对于6缸发动机，在缝隙内侧间隔60°曲轴转角的圆周上分布着6个光孔，产生120°曲轴转角信号，其中有一个较宽的光孔用于产生一缸上止点对应的120°曲轴转角信号，如图1-42所示。

图1-41 光电式曲轴位置传感器

图1-42 信号盘结构

脉冲信号发生器固装在分电器壳体上，主要由两只发光二极管、两只光敏二极管和电子电路组成，如图1-43所示。两只发光二极管分别正对着两只光敏二极管，发光二极管以光敏二极管为照射目标。信号盘位于发光二极管和光敏二极管之间，当信号盘随发动机曲轴运转时，光线通过信号盘上的缝隙和光孔，在光敏二极管上产生透光和遮光的交替变化。将光敏二极管产生的脉冲电压送至电子电路放大整形后，即可向ECU输送2°信号和120°信号。

图1-43 日本公司光电式曲轴位置传感器结构

在设计上，保证120°信号发生器在各缸压缩上止点前70°产生一个脉冲，曲轴转两周共产生6个脉冲信号，2°信号发生器曲轴转两周输出360个脉冲。

如图1-44、图1-45所示，分别为2°和120°曲轴转角位置传感器在怠速和经济转速条件下信号的波形。

2）现代索纳塔汽车发动机上使用光电式曲轴位置传感器信号盘的结构，如图1-46所示。对于有分电器的点火系统，传感器总成装于分电器壳内；对于无分电器的点火系统，传感器总成安装在凸轮轴前端。信号盘外圈有四个孔，用来检测曲轴转角并将其转化为电压脉冲信号，发动机控制单元根据该信号计算发动机转速。信号盘内圈有1～2孔，用来检测第1缸或1、4缸压缩上止点，并将它转换成电压脉冲信号输入发动机控制单元。发动机控制单元根据内、外圈光孔信号控制点火提前角和燃油喷射正时。

图1-44 2°曲轴转角信号

a）怠速波形 b）经济转速波形

图1-45 120°曲轴转角信号

a）怠速波形 b）经济转速波形

曲轴位置传感器的线路连接如图1-47所示。其内设有两个发光二极管和两个光敏二极管，当发光二极管照射到信号盘光孔中的某一孔时，光线便照射到光敏二极管上，使电路导通。(www.xing528.com)

图1-46 现代索纳塔汽车发动机上的光电式曲轴位置传感器

图1-47 曲轴位置传感器的线路连接

3）某克莱斯勒汽车发动机上的光电式曲轴位置传感器，在分电器上装有由两个发光二极管和两个光敏二极管组成的光电型传感器总成。在分电器轴上固定有一个薄板，板上方是发光二极管，板下方是光敏二极管，薄板就在发光二极管和光敏二极管之间旋转，如图1-48所示。薄板内圈均布有六个槽，这六个槽在内侧的发光二极管和光敏二极管之间旋转，内侧的发光二极管和光敏二极管用作参考传感器。与霍尔效应传感器中的参考传感器一样，这里的参考传感器向ECU提供曲轴位置信号及转速信号。当接通点火开关时，ECU给光电传感器提供电压，使发光二极管发光。如果薄板的实心部分转到参考发光二极管的正下方，发光二极管发出的光就照射不到光敏二极管上，此时光敏二极管就不能传导电流，因此此时送给ECU的参考电压是5V。若一个参考槽转到内侧发光二极管的正下方，发光二极管发出的光就会照射到光敏二极管上，此时光敏二极管就能传导电流，因此送给ECU的参考电压是0V。

图1-48 克莱斯勒汽车发动机上的光电式传感器及其与ECU的连接

1—信号盘 2—轴 3—发光二极管 4—光敏二极管

图1-49 日立公司的光电式传感器

1—高分辨率数据槽 2—光学装置 3—低分辨率数据槽

外侧的发光二极管、光敏二极管以及一圈槽的作用与装有霍尔效应传感器的分电器内的同步传感器的作用类似。外圈的槽排列得很密，每个槽之间的宽度为2°的曲轴转角。在外圈的某个地方缺少一个槽，当这个地方转到发光二极管的正下方时，就产生了不同于其他信号的同步电压信号。这个同步信号告诉ECU第一缸活塞的位置。ECU根据这个信号对喷油器进行控制。当外侧的槽在外侧的发光二极管正下方旋转时，传送给ECU的同步电压信号为0V或5V，这两个值循环变化。参考传感器的信号告诉ECU每个活塞到达压缩上止点前某个特定角度所需要的时间。

当ECU接收到参考信号时，就会扫描输入信号，计算发动机所需要的点火提前角，同步传感器信号总是让ECU获知精确的曲轴位置，当参考信号发出后，该发火气缸的活塞到达点火位置时ECU切断初级电路，从而控制点火提前角。

大多数光电式传感器是由日立公司生产的，并被广泛应用于亚洲车型发动机以及某些克莱斯勒公司和通用汽车公司发动机上。传感器使用红外线装置或是发光二极管向接收器传输光信号。传输和接收元件被安装在分电器轴上的薄圆片隔开，如图1-49所示，在圆盘的圆周上开了一组相互平行的内缝和外缝。每一圈窄缝使用一个光源和接收器。当点火开关接通时，ECU向光学传感器提供电压。当圆片转动时，光源被圆片上的窄缝所中断，接收器从每个传感器处检出光脉冲，并将这个数字信号传送至ECU。

三菱公司与克莱斯勒公司的传感器在构造上有许多相似之处，并且都是在20世纪80年代后期问世的。外圈的窄缝排列得非常紧密，每个窄缝代表着2°的曲轴转角，这就意味着圆盘旋转一周即曲轴旋转两圈或一个完整的工作循环输出信号会变化360次。这种信号也被称为高变化率数据或高分辨率信号。在圆盘的某一特定位置上没有窄缝，ECU使用这个信号来识别是否是第一个气缸。内部窄缝的数目与气缸的数目相同，这样会产生小变化率数据或是产生低分辨率信号。通用汽车公司的光学系统稍有不同，它的外圈也有相同数目的窄缝但没有缺少窄缝。其内圈的窄缝被切成不同的宽度（以角度度量）以识别曲轴位置。此外，在通用汽车公司V8发动机中所用的光学系统将独特的分电器安装在水泵后面，并且由凸轮轴直接驱动。

光电式传感器之所以用于汽车的各种系统，是因为即使在发动机不转动的情况下，它们也能感知旋转元件的位置，而且不受电磁干扰。在任何转速条件下，传感器发出信号的振幅都会保持一致。目前由于高温光纤维技术的迅猛发展，使光电传感器在汽车上的应用范围也越来越广。