Welche Funktion hat der Kurbelwellensensor im Fahrzeug?
Der Kurbelwellensensor (auch Motordrehzahlsensor genannt) ist der zentrale Sensor des elektronischen Motorsteuergeräts. Er erfasst die Kurbelwellenposition, den oberen Totpunkt des Kolbens und die Motordrehzahl und sendet Signale an das Motorsteuergerät (ECU) zur Steuerung von Zündung und Kraftstoffeinspritzung. Der Sensor ist üblicherweise am vorderen Ende der Kurbelwelle, am vorderen Ende der Nockenwelle, am Schwungrad oder am Zündverteiler montiert. Er arbeitet eng mit dem Nockenwellenpositionssensor zusammen.
Gemäß ihrem Funktionsprinzip lassen sich Sensoren in drei Typen einteilen: Magnetimpulssensoren, Hall-Sensoren und fotoelektrische Sensoren. Magnetimpulssensoren erzeugen ein Sinussignal, indem sie durch eine Signalscheibe eine Magnetfeldänderung auslösen. Hall-Sensoren geben mithilfe eines Triggersignals ein Rechtecksignal aus. Fotoelektrische Sensoren erzeugen eine Impulsspannung durch Lichtwellenleiter. Hall-Sensoren benötigen eine externe 5-V-Stromversorgung, während fotoelektrische Sensoren durch Ölverschmutzung anfällig für Signalverschlechterungen sind. Typische Fehlerquellen sind Signalstörungen durch alternde Verkabelung und Startschwierigkeiten aufgrund eines verschmutzten Sensors. Im Fehlerfall kann die Motorkontrollleuchte aufleuchten und zu Leistungsverlust oder Startproblemen führen. Die moderne Technologie entwickelt sich von analogen zu digitalen Signalen.
Das Detektionsprinzip des Kurbelwellenpositionssensors vom Magnetimpulstyp
Magnetischer Impuls-Kurbelwellenpositionssensor von Nissan
Dieser Kurbelwellenpositionssensor ist hinter der Riemenscheibe am vorderen Ende der Kurbelwelle montiert. Am hinteren Ende der Riemenscheibe befindet sich eine dünne, fein verzahnte Kreisscheibe (Signalscheibe), die zusammen mit der Kurbelwellenriemenscheibe auf der Kurbelwelle sitzt und sich mit dieser dreht. Am Außenrand der Signalscheibe befindet sich alle 4° ein Zahn. Insgesamt sind es 90 Zähne. Zusätzlich sind alle 120° drei Vorsprünge angeordnet. Der am Rand der Signalscheibe montierte Sensorkasten ist ein Signalgenerator, der ein elektrisches Signal erzeugt. Dieser Signalgenerator verfügt über drei Magnetköpfe, die um einen Permanentmagneten auf der Induktionsspule gewickelt sind. Magnetkopf ② erzeugt ein 120°-Signal, während die Magnetköpfe ① und ③ gemeinsam ein 1°-Kurbelwellenwinkelsignal erzeugen. Magnetkopf ② ist auf den 120°-Vorsprung der Signalscheibe gerichtet, Magnetköpfe ① und ③ auf den Zahnkranz der Signalscheibe, wobei die Phasenverschiebung der Kurbelwellenwinkelanordnung entspricht. Der Signalgenerator verfügt über Signalverstärkungs- und -formungsschaltungen sowie einen externen Vierpolstecker. Anschluss „1“ ist die 120°-Signalausgangsleitung, Anschluss „2“ die Stromversorgung für die Signalverstärkungs- und -formungsschaltung, Anschluss „3“ die 1°-Signalausgangsleitung und Anschluss „4“ die Masseleitung. Über diesen Stecker wird das vom Kurbelwellenpositionssensor erzeugte Signal an das Steuergerät (ECU) übertragen.
Bei der Motorrotation bewirken die Zähne und Vorsprünge der Signalscheibe eine Änderung des Magnetfelds in der Induktionsspule und erzeugen so eine Wechselspannung. Nach Filterung und Formung entsteht daraus ein Impulssignal. Pro Motorumdrehung erzeugt Magnetkopf ② drei 120°-Impulse, während Magnetköpfe ① und ③ jeweils 90 (abwechselnd) Impulse erzeugen. Da die Magnetköpfe ① und ③ im Abstand von 3° Kurbelwellenwinkel angeordnet sind und jeweils alle 4° einen Impuls erzeugen, beträgt die Phasenverschiebung zwischen den Impulsen exakt 90°. Diese beiden Impulse werden zur Synthese an die Signalverstärkungs- und -formungsschaltung weitergeleitet, woraus ein 1°-Kurbelwellenwinkelsignal entsteht.
Der Magnetkopf ②, der das 120°-Signal erzeugt, ist 70° vor dem oberen Totpunkt angeordnet, sodass sein Signal auch als 70°-vor-dem-Totpunkt-Signal bezeichnet werden kann. Das heißt, während des Motorbetriebs erzeugt der Magnetkopf ② ein Impulssignal am oberen Totpunkt jedes Zylinders.
Magnetischer Impuls-Kurbelwellenpositionssensor der Firma Toyota
Das TCCS-System von Toyota verwendet einen Kurbelwellenpositionssensor mit magnetischem Impuls im Verteiler. Der Sensor besteht aus einem oberen und einem unteren Teil. Der obere Teil erzeugt ein G-Signal, der untere ein Ne-Signal. Beide nutzen einen Rotor mit Zähnen, der durch seine Rotation eine Änderung des magnetischen Flusses in der Induktionsspule des Signalgenerators bewirkt. Dadurch wird in der Spule eine Wechselspannung induziert, die verstärkt und an das Steuergerät (ECU) weitergeleitet wird.
Das Ne-Signal dient zur Erfassung des Kurbelwellenwinkels und der Motordrehzahl und entspricht dem 1°-Signal des magnetischen Impuls-Kurbelwellenpositionssensors von Nissan. Dieses Signal wird von einem Rotor (Steuerrotor Nr. 0,2) mit 24 gleichmäßig verteilten Zähnen im unteren Bereich und einer angrenzenden Messspule erzeugt.
Bei Rotation des Rotors ändert sich der Luftspalt zwischen den Zähnen und dem Flansch (Magnetkopf) der Messspule. Dies führt zu einer Änderung des Magnetfelds in der Messspule und induziert eine elektromotorische Kraft. Annäherung und Entfernung der Zähne vom Magnetkopf bewirken eine Änderung des magnetischen Flusses. Jeder Zahn erzeugt beim Durchgang durch den Magnetkopf ein vollständiges Wechselspannungssignal in der Messspule. Der N0.2-Steuerrotor besitzt 24 Zähne. Bei einer vollen Umdrehung des Rotors (720° Kurbelwellendrehung) erzeugt die Messspule 24 Wechselspannungssignale. Ein Impuls des Ne-Signals pro Zyklus entspricht 30° Kurbelwellendrehung (720° ÷ 24 = 30°). Eine präzisere Winkelmessung wird durch die Unterteilung der 30°-Drehzeit in 30 gleiche Teile durch das Steuergerät erreicht. Dadurch wird ein Kurbelwellendrehsignal von 1° erzeugt. Die Motordrehzahl wird vom Steuergerät anhand der Zeitspanne zwischen zwei Impulsen des Ne-Signals (60° Kurbelwellendrehung) gemessen. Das G-Signal dient zur Zylinderidentifizierung und zur Bestimmung des oberen Totpunkts des Kolbens, entsprechend dem 120°-Signal des magnetischen Impuls-Kurbelwellenpositionssensors von Nissan. Das G-Signal wird von einem Flanschrotor (Steuerrotor Nr. 1) oberhalb des Ne-Generators und seinen beiden symmetrischen Messspulen (Messspule G1 und Messspule G2) erzeugt. Das Erzeugungsprinzip des G-Signals ist identisch mit dem des Ne-Signals. Das G-Signal dient außerdem als Referenzsignal zur Berechnung des Kurbelwellenwinkels.
Die Signale G1 und G2 erfassen den oberen Totpunkt des 6. bzw. 1. Zylinders. Aufgrund der Position des Signalgenerators für G1 und G2 befindet sich der Kolben zum Zeitpunkt der Signalerzeugung nicht exakt im oberen Totpunkt (v. OT), sondern 10° davor.
Erkennung des Kurbelwellenpositionssensors mit magnetischem Impuls
Nehmen wir den im elektronischen Steuerungssystem des 2JZ-GE-Motors der Crown 3.0 Limousine verwendeten Magnetimpuls-Kurbelwellenpositionssensor als Beispiel, um seine Erfassungsmethode zu veranschaulichen.
Widerstandsprüfung des Kurbelwellenpositionssensors
Schalten Sie die Zündung aus, ziehen Sie den Stecker des Kurbelwellenpositionssensors ab und messen Sie die Widerstandswerte zwischen den Anschlüssen des Kurbelwellenpositionssensors mit einem Multimeter im Widerstandsmessbereich (Tabelle 1). Liegen die Widerstandswerte außerhalb des angegebenen Bereichs, muss der Kurbelwellenpositionssensor ausgetauscht werden.
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