2.4 节气门位置传感器
问题链接：
1.常见节气门位置传感器有哪些类型？
2.节气门位置传感器有哪些用途？
节气门位置传感器（TPS）用于发动机控制。发动机控制系统之所以要有节气门开度信号，是为了下列用途：
1）用于清除溢流功能。发动机起动时，若完全踩下加速踏板，ECU将发出大量减油指令或彻底断油指令，以清除溢出的燃油。
2）用来判断发动机的工况处于怠速控制区、部分负荷区还是节气门接近全开的加浓区（或催化转化器的高温保护区），即用来界定开环、闭环控制区。
3）用节气门转角变化率的大小作为加速、减速过程中修正喷油量的条件。它直接反映驾驶员的意图，比其他负荷响应更快。
4）用于控制液力变矩器锁止离合器的接合和分离。加速状态时，锁止离合器分离，变速器将最大转矩传送给驱动轮。当松开加速踏板时，锁止离合器也是处于分离状态，以利于发动机制动。
5）用于决定换档时刻。如果节气门全开，换档点延时，允许发动机转速提升，保障发动机输出更大的功率，促进加速。如果节气门几乎没有开启，则以最低速度换档。
6）可与MAF、MAP传感器的信号对照互检，提供后者发生损坏的信息，并代替后者与转速配合，作为ECU控制喷油量的条件参数。
7）还用于点火正时修正、废气再循环控制、空调系统控制、燃油蒸发控制、车辆动态稳定性控制、巡航控制、牵引力控制等。如ECU判断出节气门处于完全关闭或完全开启状态，则空调压缩机会被分离。
2.4.1 节气门位置传感器的类型及工作原理
节气门位置传感器安装在节气门体上，主要类型有以下几种。
2.4.1.1 开关触点式节气门位置传感器
开关触点式节气门位置传感器内部有3个触点：它们是怠速开关触点IDL、全负荷开关触点PSW和搭铁的动触点E，如图2-32所示。发动机在怠速或突然减速时，怠速触点闭合，ECU根据此信号对怠速时的混合气进行控制，并修正点火提前角，切断废气再循环系统。减速断油时，暂时切断供油。当节气门开度超过一定角度时，全负荷触点闭合，ECU据此信号加浓混合气，提高发动机输出功率。
图2-32 开关触点式节气门位置传感器原理
发动机怠速运转时，IDL触点闭合，IDL信号电压为0V，ECU以此信号控制发动机怠速时的运转工况。加速时，IDL触点断开，其电压变为5V。当全负荷时，PSW触点闭合，PSW电压为0V，ECU控制发动机在全负荷工况工作。开关式节气门位置传感器的数据见表2-10。
表2-10 开关式节气门位置传感器数据
2.4.1.2 线性式节气门位置传感器
1.线性式节气门位置传感器结构原理
如图2-33所示，它采用线性电位计，由节气门轴带动电位计的滑动触点，在不同的节气门开度下，接入回路的电阻不同。发动机怠速运转时，怠速触点闭合，IDL信号端子电压为0，VTA信号端子与VC电源端子间电阻较大，传感器信号电压较低，在0.6～0.9V。ECU以IDL信号控制发动机怠速时的运转工况。随着节气门开度的增加，电位计的滑动触点在电阻膜上滑动，从而在该触点上得到与节气门开度成比例的线性电压输出，即VTA电压信号，如图2-34所示。节气门开启后，IDL触点断开，IDL信号电压则为电源电压（12V左右）。全负荷时，VTA信号电压达到最大，约为3.5～4.7V。ECU根据全负荷时VTA信号进行空燃比修正、加浓修正和燃油切断控制等。线性式节气门位置传感器在各种工况下的数据如表2-11所示。
图2-33 线性式节气门位置传感器结构及原理
图2-34 线性式节气门位置传感器信号电压变化趋势
表2-11 线性式节气门位置传感器数据
开关触点式节气门位置传感器只能检测发动机的怠速和全负荷工况。当IDL触点断开，PSW触点还未闭合时，发动机处于加速状态，该传感器无法输出节气门所在位置的准确信号。线性式节气门位置传感器的设计避免了开关式传感器的弊端，利用电位计的变化可检测出节气门所在的准确位置。目前的线性节气门位置传感器已无IDL怠速触点，或虽有怠速触点但并不与发动机ECU相连接。这些型号用VTA信号探测怠速运行工况，如图2-35所示。
图2-35 无怠速触点的线性式节气门位置传感器电路原理及信号变化趋势
a）电路原理 b）信号变化
2.电控节气门中的同向双信号线性节气门位置传感器
第一种：日系车上的双信号正比例输出的线性式节气门位置传感器。
在智能电控节气门（ETCS-i）系统中，采用双信号输出型的节气门位置传感器，传感器内部有两个电位计、两个滑动触点，并有两个信号VTA1和VTA2来提高可靠性，如图2-36所示。
图2-36 双信号输出型的线性式节气门位置传感器电路原理
注意：如图2-37所示，随着节气门的开启，VTA1和VTA2信号都呈比例线性增加，但增加速率不同，VTA2信号比VTA1信号先到达最大值。发动机ECU检测到这两个信号，来感知节气门的位置，并能通过比较两个信号，及时发现问题，提高工作的可靠性。
第二种：德系车上的反向双信号线性式节气门位置传感器
如图2-38所示，德系车将节气门信号用作主要的负荷信号，采用具有两个电阻片和两个触点臂的电位计。这两个电位计的电压变化情况通常是相反的，如图2-39所示，这增加了使用安全性。
图2-37 同向双信号输出型的线性式节气门位置传感器信号变化趋势
图2-38 反向双信号输出型的线性式节气门位置传感器结构
图2-39 反向双信号输出型的线性式节气门位置传感器信号特征
2.4.1.3 霍尔元件型节气门位置传感器
霍尔元件型节气门位置传感器由霍尔集成芯片（霍尔IC）和可绕其转动的磁铁构成。磁铁与节气门轴同轴，也就是和节气门一起转动。当节气门开启时，磁铁也一同转动，改变位置，见图2-40。此时，霍尔IC探测磁铁位置变化所造成的磁通量变化并产生霍尔电压，从VTA1端子和VTA2端子输出信号电压。此传感器不仅能精确地探测节气门开启程度，还采用了无接触方式，简化了构造，所以不易发生故障。而且，为了确保传感器的可靠性，还由具有不同的输出特性的两个系统输出信号，如图2-41所示。
图2-40 霍尔元件型节气门位置传感器
图2-41 霍尔元件型节气门位置传感器电路原理及信号变化趋势
2.4.2 节气门位置传感器安装调整的必要性和方法
对于有安装螺钉槽孔和垫片的节气门位置传感器，需要进行安装调整；对于圆孔螺钉槽孔的节气门位置传感器则不需要安装调整，如图2-42所示。
1.节气门位置传感器安装调整的必要性
节气门初始开度过小或节气门由于污染堵塞，就需要调整节气门的初始位置。节气门体出厂时已经过调整，节气门保持0°～3°的初始开度，以维持发动机对基本怠速转速的要求。如果开度调整过小或使用一段时间后节气门积炭污染物过多，将使基本空气量减少，ECU便会通过调节怠速空气通道来补充空气量，从而使怠速控制阀开度增加。由于怠速时怠速控制阀开启角度已经很大，当发动机怠速运转时开空调或自动变速器起步，怠速控制阀将进一步开大，以维持怠速转速的稳定。而此时的怠速控制阀开度已无法进一步开大，这样便会出现空气量不足，造成开空调发动机怠速和自动变速器起步时怠速转速过低。
图2-42 节气门位置传感器安装调整类型
a）安装不需调整 b）安装需要调整
2.节气门位置传感器安装调整的方法
1）不需调整的节气门位置传感器，每次打开点火开关，ECU会自动将其信号“归零”，只要该传感器信号电压在0.2～1.25V之间，ECU即认为节气门开度为0 °。基于此位置，节气门开启角度的变化，被以百分比表示。
2）安装需调整的节气门位置传感器，调整时先要接上手持测试仪，将点火开关置于“ON”，安装螺栓，直到节气门开度满足要求，再按规定力矩紧紧螺栓。
2.4.3 节气门位置传感器的检测方法
以无怠速触点的线性式节气门位置传感器为例。
1）第一步：用手持式测试仪读取故障码为：P0120或P021。
2）第二步：用手持式测试仪读取节气门开度的百分数。
3）第三步：针对节气门位置传感器的电阻、线束、插头和ECU进行检测。
2.4.4 节气门位置传感器的故障诊断及检测
2.4.4.1 OBDⅡ系统设置节气门位置传感器故障码的条件
1.节气门位置传感器信号电压超出可能的范围
在点火开关打开，OBDⅡ系统只需一个检测行驶工况周期即可检测到该故障，即传感器信号电压低于0.1V或高于4.9V。若故障发生，OBDⅡ系统设置故障码P0120，ECU启用失效保护模式，固定以0°开度代替现有传感器的信号值。
故障码P0120：节气门/踏板位置传感器/开关“A”电路。
与P0120相关的故障码：
P0122：节气门/踏板位置传感器/开关“A”电路低。
P0123：节气门/踏板位置传感器/开关“A”的电路高。
P0124：节气门/踏板位置传感器/开关“A”电路间歇性。
引起的故障现象：
1）MIL（故障指示灯）点亮。
2）怠速或高速行驶时失火。
3）怠速质量差。
4）可能无怠速。
5）可能起动并停止。
引起故障的原因：
1）节气门复位弹簧卡死。
2）MAP或TPS插接器腐蚀。
3）线束布线错误导致擦伤。
4）不良的TPS。
5）ECU错误。
2.节气门传感器信号与其他信号不一致
ECU可以根据进气歧管绝对压力（MAP）传感器信号和转速信号数值倒推出节气门开度。当进气歧管绝对压力（MAP）读数低于50kPa时，诊断检查节气门位置传感器是否偏高；当进气歧管绝对压力（MAP）读数高于70kPa时，诊断检查节气门位置传感器是否偏低。如果此时算出的节气门开度与节气门位置传感器信号指示的开度值相差甚远，并且没有节气门位置传感器电路及进气歧管绝对压力传感器的故障信息记录等，所检测状况持续10s以上，OBDⅡ系统只需一个检测行驶工况周期即可检测到该故障，设置故障码P0121，见表2-12。
表2-12 节气门传感器的故障诊断
根据其他传感器相关性设置的故障码：
1）P0068：MAP/MAF-节气门位置相关。
2）P0510：节气门位置开关。
3）P060E：内部控制模块节气门位置性能。
4）P2073：进气歧管绝对压力/空气流量-怠速时的节气门位置相关。
5）P2074：进气歧管绝对压力/空气流量-高负荷时的节气门位置相关。
2.4.4.2 OBDⅡ系统设置与节气门相关故障码和数据流
1.读取节气门位置感知相关故障码
（1）与非接触式节气门位置传感器相关故障码
P212A：节气门位置传感器/开关“G”电路。
P212B：节气门位置传感器/开关“G”的电路范围/性能。
P212C：节气门位置传感器/开关“G”的电路低。
P212D：节气门位置传感器/开关“G”的电路高。
P212E：节气门位置传感器/开关“G”电路间歇性。
P212F：节气门/加速踏板位置传感器/开关“F”/“G”的电压相关。
（2）与电控节气门相关故障码
在电控节气门控制（ETC）系统中，加速踏板位置（APP）传感器的作用是将加速踏板的位置以电信号的形式传递给节气门控制模块，作为节气门执行器控制节气门开度的参考依据。
P2130：节气门/加速踏板位置传感器/开关“F”电路。
P2131：节气门/加速踏板位置传感器/开关“F”的电路范围/性能。
P2132：节气门/加速踏板位置传感器/开关“F”电路电压低。
P2133：节气门/加速踏板位置传感器/开关“F”电路高。
P2134：节气门/加速踏板位置传感器/开关“F”的电路间歇性。
（3）加速踏板与节气门位置信息对比设置的故障码
电控节气门控制（ETC）系统中加速踏板位置和节气门位置是两个关联因子。踩下加速踏板时，向下推动加速踏板位置传感器，该传感器指示期望的节气门开度，该传感器将需求信号发送至ECU。作为响应，ECU将电压发送到电动机以打开节气门。内置在节气门体中的两个节气门位置传感器将节气门开度转换为电压信号，并传送给ECU。ECU监视加速踏板位置和节气门位置两个信号电压的相关性。当两个电压一致时，系统运行正常。当它们偏离时，将设置故障码P2135，指示系统中某处出现故障。该故障码可能会附带其他故障码，以进一步识别问题。最重要的是，如果ECU失去对节气门的控制，可能会造成危险。
P2135：节气门/加速踏板位置传感器/开关“A”/“B”的电压相关。
P2136：节气门/加速踏板位置传感器/开关“A”/“C”的电压相关。
P2137：节气门/加速踏板位置传感器/开关“B”/“C”的电压相关。
P2138：节气门/加速踏板位置传感器/开关“D”/“E”的电压相关。
P2139：节气门/加速踏板位置传感器/开关“D”/“F”的电压相关。
2.读取节气门位置传感器相关数据流
节气门位置绝对值范围：0%～100%。
TP：xxx.x %。显示节气门位置绝对值的百分比。
其他节气门位置绝对值显示：如果使用5.0V的参考电压，则节气门关闭位置的信号电压为1.0V时，TP在关闭时应显示（1.0/5.0）=20%节气门位置，2.5V时为50%。空转时的节气门位置通常表示大于0%，并且节气门全开时的位置通常表示小于100%。对于输出与输入电压成比例的系统，TP绝对值为此时信号电压比输入参考电压的百分比。对于输出与输入电压成反比的系统，TP绝对值是100%减去信号电压比输入参考电压的百分比。单个节气门最多可具有3个节气门位置传感器A、B和C。双节气门系统最多可以有4个节气门位置传感器A、B、C和G。
节气门位置相对（或学习）值范围：从0%到100%；
TP_R：xxx.x%。显示节气门位置相对（或学习）值百分比。
其他节气门位置相对（或学习）值显示：如果使用5.0V的参考电压，则节气门关闭位置的信号电压1.0V时，TP在关闭时应显示（1.0-1.0）/5.0=0%节气门位置，2.5V信号电压时为（2.5-1.0）/5.0=30%。由于节气门关闭偏移，节气门全开通常会指示大大低于100%。对于输出与输入电压成比例的系统，TP相对值为（信号电压-1.0）/输入参考电压的百分比。对于输出与输入电压成反比的系统，TP相对值是100% -（信号电压-1.0）/输入参考电压的百分比。