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霍爾式曲軸與凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器
(1)霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理
霍爾式曲軸與凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器及其他形式的霍爾式傳感器都是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的傳感器。
1)霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)(Hall Effect)是美國約翰霍普金斯大學物理學家霍爾博士(Dr．E．H．Hall)于1879年首先發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)把一個通有電流I的長方體形白金導(dǎo)體垂直于磁力線放入磁感應(yīng)強度為B的磁場中時(見圖2-27)，在白金導(dǎo)體的兩個橫向側(cè)面上就會產(chǎn)生一個垂直于電流方向和磁場方向的電壓UH，當取消磁場時，電壓立即消失。該電壓后來稱為霍爾電壓，UH與通過白金導(dǎo)體的電流I和磁感應(yīng)強度B成正比，即(見下頁）
利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件，利用霍爾元件制成的傳感器稱為霍爾式傳感器。利用霍爾效應(yīng)不僅可以通過接通和切斷磁場來檢測電壓，而且可以檢測導(dǎo)線中流過的電流，因為導(dǎo)線周圍的磁場強弱與流過導(dǎo)線的電流成正比關(guān)系。20世紀80年代以來，汽車上應(yīng)用的霍爾式傳感器與日劇增，主要原因在于霍爾式傳感器有兩個突出優(yōu)點：一是輸出電壓信號近似于方波信號；二是輸出電壓高低與被測物體的轉(zhuǎn)速無關(guān)。霍爾式傳感器與磁感應(yīng)式傳感器不同的是需要外加電源。
2)霍爾式傳感器基本結(jié)構(gòu)：霍爾式傳感器主要由觸發(fā)葉輪、霍爾集成電路、導(dǎo)磁鋼片(磁軛)與*磁鐵等組成。觸發(fā)葉輪安裝在轉(zhuǎn)子軸上，葉輪上制有葉片(在霍爾式點火系統(tǒng)中，葉片數(shù)與發(fā)動機氣缸數(shù)相等)。當觸發(fā)葉輪隨轉(zhuǎn)子軸一同轉(zhuǎn)動時，葉片便在霍爾集成電路與*磁鐵之間轉(zhuǎn)動。霍爾集成電路由霍爾元件、放大電路、穩(wěn)壓電路、溫度補償電路、信號變換電路和輸出電路等組成。
3)霍爾式傳感器工作原理：當傳感器軸轉(zhuǎn)動時，觸發(fā)葉輪的葉片便從霍爾集成電路與*磁鐵之間的氣隙中轉(zhuǎn)過：當葉片離開氣隙時，*磁鐵的磁通便經(jīng)霍爾集成電路和導(dǎo)磁鋼片構(gòu)成回路，此時霍爾元件產(chǎn)生電壓(UH=1．9～2．0V)，霍爾集成電路輸出級的晶體管導(dǎo)通，傳感器輸出的信號電壓U0為低電平(實測表明：當電源電壓Ucc=14．4V或5V時，信號電壓U0=0．1～0．3 V)。
當葉片進入氣隙時，霍爾集成電路中的磁場被葉片旁路，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級的晶體管截止，傳感器輸出的信號電壓U0為高電平(實測表明：當電源電壓Ucc=14．4V時，信號電壓U0=9．8 V；當電源電壓Ucc=5V時，信號電壓U0=4．8 V)。
(2)捷達、桑塔納轎車霍爾式凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器
1)結(jié)構(gòu)特點：捷達AT和GTx、桑塔納2000GSi型轎車采用的霍爾式凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器安裝在發(fā)動機進氣凸輪軸的一端，結(jié)構(gòu)如圖2-28所示。它主要由霍爾信號發(fā)生器和信號轉(zhuǎn)子組成。信號轉(zhuǎn)子又稱為觸發(fā)葉輪，安裝在進氣凸輪軸上，．用定位螺栓和座圈定位固定。信號轉(zhuǎn)子的隔板又稱為葉片，在隔板上制有一個窗口，窗口對應(yīng)產(chǎn)生的信號為低電平信號，隔板(葉片)對應(yīng)產(chǎn)生的信號為高電平信號。霍爾式信號發(fā)生器主要由霍爾集成電路、*磁鐵和導(dǎo)磁鋼片等組成。霍爾元件用硅半導(dǎo)體材料制成，與*磁鐵之間留有0．2～0．4mm的間隙，當信號轉(zhuǎn)子隨進氣凸輪軸一同轉(zhuǎn)動時，隔板和窗口便從霍爾集成電路與*磁鐵之間的氣隙中轉(zhuǎn)過。
該傳感器接線插座上有三個引線端子，端子1為傳感器電源正子，與控制單元端子62連接：端子2為傳感器信號輸出端子，與控制單元端子76連接：端子3為傳感器電源負子，與控制單元端子67連接。
2)工作情況：由霍爾式傳感器工作原理可知，當隔板(葉片)進入氣隙(即在氣隙內(nèi))時，霍爾元件不產(chǎn)生電壓，傳感器輸出高電平(5V)信號；當隔板(葉片)離開氣隙(即窗口進入氣隙)時，霍爾元件產(chǎn)生電壓。傳感器輸出低電平信號(0．1V)。凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器輸出的信號電壓與曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器輸出的信號電壓之間的關(guān)系如圖2-29所示。發(fā)動機曲軸每轉(zhuǎn)兩圈(720。)，霍爾式傳感器信號轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一圈(360。)，對應(yīng)產(chǎn)生一個低電平信號和一個高電平信號，其中低電平信號對應(yīng)于氣缸1壓縮上止點前一定角度。
發(fā)動機工作時，磁感應(yīng)式曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器(CPS)和霍爾式凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器(CIS)產(chǎn)生的信號電壓不斷輸入電子控制單元(ECU)。當ECU同時接收到曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器大齒缺對應(yīng)的低電平(15。)信號和凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器窗口對應(yīng)的低電平信號時，便可識別出此時為氣缸1活塞處于壓縮行程、氣缸4活塞處于排氣行程，并根據(jù)曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器小齒缺對應(yīng)輸出的信號控制點火提前角。電子控制單元識別出氣缸1壓縮上止點位置后，便可進行順序噴油控制和各缸點火時刻控制。
如果發(fā)動機產(chǎn)生了爆燃，電子控制單元還能根據(jù)爆燃傳感器輸入的信號判別出是哪一個缸產(chǎn)生了爆燃，從而減小點火提前角，以便消除爆燃。
差動霍爾式曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器
切諾基(Cherokee)吉普車與紅旗CA7220E型轎車采用了差動霍爾式曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器，其凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器均為普通霍爾式傳感器。
(1)差動霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)特點
差動霍爾式傳感器又稱為雙霍爾式傳感器，其結(jié)構(gòu)與磁感應(yīng)式傳感器相似，如圖2-30a所示。它由帶凸齒的信號轉(zhuǎn)子和霍爾信號發(fā)生器組成。差動霍爾式傳感器的工作原理與普通霍爾式傳感器相同。根據(jù)霍爾式傳感器的工作原理。當發(fā)動機飛輪上的齒缺與凸齒轉(zhuǎn)過差動霍爾電路的兩個探頭時，齒缺或凸齒與霍爾探頭之間的氣隙就會發(fā)生變化，磁通量隨之變化，在傳感器的霍爾元件中就會產(chǎn)生交變電壓信號，如圖2-30b所示。其輸出電壓由兩個霍爾信號電壓疊加而成。因為輸出信號為疊加信號，所以轉(zhuǎn)子凸齒與信號發(fā)生器之間的氣隙可以增大到(1±0．5)mm(普通霍爾式傳感器僅為0．2～0．4mm)，因而便可將信號轉(zhuǎn)子制成像磁感應(yīng)式傳感器轉(zhuǎn)子一樣的齒盤式結(jié)構(gòu)，其突出優(yōu)點是信號轉(zhuǎn)子便于安裝。在汽車上，一般將凸齒轉(zhuǎn)子裝在發(fā)動機曲軸上或?qū)l(fā)動機飛輪作為傳感子。
器的信號轉(zhuǎn)
(2)切諾基吉普車差動霍爾式曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器
1)結(jié)構(gòu)特點：切諾基吉普車2．5L(四缸)、4．0L(六缸)電子控制燃油噴射式發(fā)動機采用了差動霍爾電路的霍爾式曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器。它安裝在變速器殼體上。該傳感器向ECu提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸位置(轉(zhuǎn)角)信號，作為計算噴油時刻和點火時刻的重要依據(jù)之一。
2．5L四缸電子控制發(fā)動機的飛輪上制有8個齒缺，如圖2-31a所示。8個齒缺分成兩組，每4個齒缺為一組，兩組之間相隔角度為180。，同一組中相鄰兩個齒缺之間間隔角度為20。。4．0L六缸電子控制發(fā)動機的飛輪上制有12個齒缺，如圖2．3lb所示。12個齒缺分成三組，每4個齒缺為一組，相鄰兩組之間相隔角度為120。，同一組中相鄰兩個齒缺之間間隔角度也為20。
2)工作情況：飛輪上的每一組齒缺轉(zhuǎn)過霍爾探頭時，傳感器就會產(chǎn)生一組共4個脈沖信號。其中，四缸發(fā)動機每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生兩組共8個脈沖信號；六缸發(fā)動機每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生三組共12個脈沖信號。
對于四缸發(fā)動機，ECU每接收到8個信號，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)，再根據(jù)接收8個信號所占用的時間，就可計算出曲軸轉(zhuǎn)速。對于六缸發(fā)動機，ECU每接收到12個信號，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)，再根據(jù)接收12個信號所占用的時間，就可計算出曲軸轉(zhuǎn)速。
電子控制單元控制噴油和點火時，都有一定的提前角，因此需要知道活塞接近上止點的位置。切諾基吉普車在每組信號輸入ECU時，可以知道有兩個氣缸的活塞即將到達上止點位置。 例如，在四缸發(fā)動機控制系統(tǒng)中，利用一組信號，ECU可知氣缸1、4活塞接近上止點；利用另一組信號可知氣缸2、3活塞接近上止點。在六缸發(fā)動機控制系統(tǒng)中。利用一組信號，可知氣缸1與6、2與5、3與4活塞接近上止點。由于第4個齒缺產(chǎn)生的脈沖下降沿對應(yīng)于壓縮上止點前4。(BTDC4。)，因此第1個齒缺產(chǎn)生的脈沖信號下降沿對應(yīng)于壓縮上止點前64。(BT-DC64。)，如圖2-32所示。當氣缸1、4對應(yīng)的第1個脈沖下降沿到來時，ECU即可知道此時氣缸1、4活塞位于壓縮上止點前64。(BTDC64。)，從而便可控制噴油提前角和點火提前角。但是，僅有曲軸轉(zhuǎn)角信號，ECU還不能確定是哪一個缸位于壓縮行程，哪一個缸位于排氣行程，為此還需要一個氣缸判別信號(即需要一只凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器)。
(3)切諾基吉普車霍爾式凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器
1)結(jié)構(gòu)特點：切諾基吉普車發(fā)動機控制系統(tǒng)的氣缸判別信號由霍爾式凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器提供，該傳感器又稱為同步信號傳感器，安裝在分電器內(nèi)，主要由脈沖環(huán)(信號轉(zhuǎn)子)、霍爾信號發(fā)生器組成。
脈沖環(huán)上制有凸起的葉片，占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(相當于360。曲軸轉(zhuǎn)角)。沒有葉片的部分也占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(360。曲軸轉(zhuǎn)角)。脈沖環(huán)安裝在分電器軸上，隨分電器軸一同轉(zhuǎn)動。
2)工作情況：當脈沖環(huán)上的葉片進入信號發(fā)生器時，傳感器輸出高電平(5V)；當脈沖環(huán)上的葉片離開信號發(fā)生器時，傳感器輸出低電平(0V)。分電器軸轉(zhuǎn)一圈，傳感器輸出一個高電平和一個低電平，高、低電平各占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(分別相當于360。曲軸轉(zhuǎn)角)。同步信號的波形如圖2-32所示。
當脈沖環(huán)的葉片前沿進入信號發(fā)生器、傳感器輸出高電平(5V)時，對于四缸發(fā)動機，表示氣缸1、4活塞即將到達上止點，其中氣缸1活塞位于壓縮行程，氣缸4活塞位于排氣行程；對于六缸發(fā)動機，表示氣缸3、4活塞即將到達上止點，其中氣缸4活塞位于壓縮行程，氣缸3活塞位于排氣行程。
當脈沖環(huán)的葉片后沿進入信號發(fā)生器、傳感器輸出低電平(0V)時，對于四缸發(fā)動機，表示即將到達上止點的仍然是氣缸1、4活塞，其中氣缸4活塞位于壓縮行程，氣缸1活塞位于排氣行程；對于六缸發(fā)動機，表示氣缸3活塞位于壓縮行程，氣缸4活塞位于排氣行程。
利用凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器判別出是哪一個氣缸即將到達排氣上止點之后，ECU根據(jù)曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器信號，即可控制噴油提前角和點火提前角。
設(shè)某一時刻的噴油提前角為上止點前64。(BTI)C64。)，當凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器脈沖環(huán)的葉片進入信號發(fā)生器、傳感器輸出高電平(5V)時，ECU判定四缸發(fā)動機的氣缸4活塞位于排氣行程(六缸發(fā)動機的氣缸3活塞位于排氣行程)，此時ECU在接收到曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器(CPS)*個脈沖信號的下降沿(BTDC64。)時，向噴油器發(fā)出噴油信號，從而實現(xiàn)提前64。噴油。在凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器輸出高電平(5V))時，ECU還判定四缸發(fā)動機的氣缸1活塞(六缸發(fā)動機氣缸4活塞)位于壓縮行程，此時ECU根據(jù)曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器CPS信號和點火提前角計算值，在活塞運行到上止點前點火提前角度時，向點火控制器發(fā)出點火指令，控制火花塞點火，實現(xiàn)點火提前。
利用凸輪軸德國FESTO費斯托位置傳感器對兩個氣缸的位置判定作為參考點，即可按照四缸發(fā)動機1—3—4—2(六缸發(fā)動機l一5—3—6—2—4)的工作順序，對各個氣缸進行提前噴油與提前點火控制。
(4)紅旗CA7720E型轎車差動霍爾式曲軸德國FESTO費斯托位置傳感器