第二节 节气门位置传感器
一、节气门位置传感器的作用和安装位置
节气门位置传感器（Throttle Position Sensor，TPS），是汽车电控制系统中最重要的传感器之一，主要用于发动机电子燃油喷射系统和电控自动变速器系统。
1.作用
在发动机电控系统中，节气门位置传感器的作用主要是将节气门开度以及节气门开度变化快慢，转变为电信号输入发动机ECU，用于判别发动机的各种工况，从而控制不同的喷油量和点火正时。在装备电子控制自动变速器的汽车上，节气门位置传感器信号是变速器换挡和变矩器锁止时的主要信号。在新型的智能电子节气门控制系统中，节气门开启角度不再由油门踏板拉索直接进行控制，而是由节气门伺服电机根据ECU信号进行驱动。电子节气门轴上节气门位置传感器用来检测节气门的实际开度，ECU以此作为反馈信号，实时控制节气门伺服电机，对节气门开度作出适当的调整。
传统的拉索控制式节气门配备的节气门位置传感器，按总体结构分为触点开关式、滑动电阻式、怠速开关与滑动电阻整合的综合式。新型的智能电子节气门控制系统所用的节气门位置传感器常见的有双滑动电阻式和线性双霍尔式两种。
2.安装位置
节气门位置传感器安装在节气门体总成上，检测节气门开度，见图2-1。
图2-1 节气门位置传感器安装位置
二、触点开关式节气门位置传感器
1.结构
触点开关式节气门位置传感器主要由节气门轴、大负荷触点（PSW）、凸轮、怠速触点（IDL）和接线插接器组成，其结构如图2-2所示。凸轮与节气门轴同轴转动，控制怠速触点和全负荷触点的开启与闭合，节气门轴随油门开度的大小而转动。
图2-2 触点开关式节气门位置传感器结构
2.工作原理
（1）怠速和减速
当节气门关闭时，传感器的怠速触点IDL闭合，全开触点PSW断开，怠速触点IDL输出端子输出一个低电平信号“0”，全开触点PSW输出端子输出一个高电平信号“1”，见图2-3。电控单元接收到节气门位置传感器TPS输入的这两个电压信号时，如果车速传感器输入电控单元的信号表示车速为0，那么电控单元便可根据这两个信号判定发动机处于怠速状态，并控制喷油器增加喷油量，保证发动机怠速转速稳定而不致熄火；如果此时车速传感器输入ECU的信号表示车速不为0，那么ECU便可根据这两个信号判定发动机处于减速状态，从而控制喷油器停止喷油，以减少排放量和提高经济性。
图2-3 怠速状态
（2）加速
当节气门开度逐渐增大时，凸轮随节气门轴转动并将怠速触点IDL顶开，从而使怠速触点处于断开状态，但由于此时全开触点PSW也处于断开状态，因此怠速触点IDL端子输出高电平信号“1”，功率触点PSW端子也输出高电平信号“1”。ECU接收到两个高电平信号时，便可判定发动机处于部分负荷状态，此时ECU再根据空气流量传感器信号和曲轴转速信号计算确定喷油量，保证发动机的经济性和排放性能。
（3）大负荷
当节气门接近全部开启（80%以上负荷）时，凸轮转动使全开触点PSW闭合，此时PSW端子输出一个低电平信号“0”，而IDL端子仍处于断开状态，从而输出一个高电平信号“1”，见图2-4。ECU接收到这两个信号时，便可判定发动机处于大负荷运行状态，从而控制喷油器增加喷油量，保证发动机输出足够的动力。
图2-4 大负荷状态
当节气门全开时，ECU将控制系统进入开环控制模式，此时不采用氧传感器信号。如果此时汽车空调器在工作，那么ECU将中断空调主继电器信号约15s，以便切断空调电磁离合器的线圈电流，使空调压缩机停止工作，增大发动机输出功率，提高汽车的动力性。
为检测发动机的加减速状况，在部分发动机的节气门位置传感器上还增加了ACC1和ACC2信号输出触点，如图2-5所示，工作原理如下。
图2-5 带ACC1和ACC2信号触点的触点开关式节气门位置传感器
①怠速时 IDL触点处于ON（闭合）状态，即可检测出怠速状态。同时，在发动机转速高时，如该触点闭合（ON），ECU将判断为减速状态，进行“燃油喷射中断”的控制。
②加速时 加速检测触点与印刷线路板的加速线路、ACC1和ACC2交替处于ON/OFF（闭合/打开）状态。对在一定时间内的急加速，在信号检出的同时，ECU进行非同步喷射控制，以提高加速油量。
③高负荷时 在节气门打开一定程度的高负荷时，全负荷（功率）触点（PSW）处于“ON”（闭合）状态，即可检测出高负荷状态。
④减速时 加速检测触点处于“OFF”（打开）状态，ECU不进行非同步喷射控制。
3.连接电路
触点开关式节气门位置传感器与ECU的连接电路如图2-6所示。
图2-6 触点开关式节气门位置传感器与ECU的连接电路
4.检测
（1）一般性检查
开关触点式节气门位置传感器结构简单，对其检查时只需测量怠速触电和功率触点的通断情况即可判定其好坏；在节气门全闭时怠速触点应闭合，节气门略打开一点即断开。在节气门开度小于50°时，功率触点应断开，节气门开度超过50°时应闭合。
（2）检测电源电压
触点开关式节气门位置传感器的电源电压检测如图2-7所示。检测时应拔下传感器插头，用万用表电压挡测量线束插接器中可动触点（TL端子）的电源电压，应为12V，否则应检查线路是否断路。
图2-7 检测电源电压
（3）检测输出信号电压
检测时，传感器应正常连接，接通点火开关，输出的信号电压应为高电平或低电平，并且随节气门轴的转动而交替变化（由低电平“0”变为高电平“1”或由高电平“1”变为低电平“0”）。
（4）检测端子电阻
①检查怠速端子电阻 拔下传感器接线插头，用万用表的电阻挡测量怠速端子（IDL）与可动端子（TL）之间的电阻，其电阻值应为0。转动节气门轴约40°，其电阻值应为∞，如图2-8所示。
图2-8 检查怠速端子电阻
②检测全开触点端子电阻 拔下传感器接线插头，用万用表的电阻挡测量传感器的全开触点端子（PSW）与可动端子（TL）之间的电阻值，其电阻值应为∞，如图2-9所示。转动节气门轴约55°，电阻值应为0。
图2-9 检测全开触点端子电阻
三、可变电阻式节气门位置传感器
1.结构
可变电阻式节气门位置传感器也叫线性输出型节气门位置传感器，其结构如图2-10所示，由滑动触点a、滑动触点b、电阻器、节气门轴、接线插头组成。传感器的两个活动触点与节气门轴联动，分别用于测量节气门开度的滑动触点a和用于确定节气门全闭位置时的滑动触点b。
图2-10 可变电阻式节气门位置传感器的结构
2.工作原理
可变电阻式节气门位置传感器的滑动触点a可在电阻器上滑动，并与电阻器构成一电位计，利用电阻器电阻值的变化将节气门的开度值转化为一个线性电压信号，并将此线性电压信号输入给电控单元（ECU），ECU根据此信号确定节气门的开度，并对喷油量进行修正。而滑动触点b则在节气门全闭时与怠速触点IDL接触，用于提供怠速信号，并将此怠速信号输入ECU，使ECU根据此信号来实现断油及点火提前角的控制。传感器的输出特性如图2-11所示。
图2-11 可变电阻式节气门位置传感器的输出特性
3.连接电路
可变电阻式节气门位置传感器与ECU的连接电路如图2-12所示。
图2-12 可变电阻式节气门位置传感器与ECU的连接电路
由图2-12可知，传感器内部的电阻r的两端加有从ECU输送来的5V电压，动触点α根据节气门开度的状况在电阻r上滑动，从而改变ECU的UTA端子的电压。UTA端子的电压信号是模拟信号，须经A/D转换器变成数字信号，再输入到微机中去。
当节气门全闭时，IDL触点接通，IDL端子的电位变为0，这一信号传输给ECU。ECU根据UTA端子和IDL端子传来的信号之后，判断出车辆的行驶状态，修正过渡时期的空燃比，或是减少燃油供给，或是进行怠速稳定修正。
4.检测
可变电阻式节气门位置传感器的常见故障一般为怠速触头或电位计可动触头接触不良，或电位计电阻值不够准确，容易造成发动机怠速不稳或无怠速、加速性能不良、加速性能时好时坏。故障机理：怠速触头或电位计可动触头接触不良，或电位计电阻值不够准确，从而使ECU不能接收到怠速信号或接收到的节气门开度信号不准及节气门开度信号时断时通等。
这里以丰田皇冠3.0轿车的可变电阻式节气门位置传感器为例对此类型传感器的检测方法进行介绍。丰田皇冠3.0轿车的可变电阻式节气门位置传感器与ECU的连接如图2-13所示。
图2-13 可变电阻式节气门位置传感器与ECU的连接电路
（1）电压测量
重新插好导线连接器，打开点火开关，用万用表测量IDL-E2、UC-E2、UTA-E2间的电压值，标准值见表2-3。
表2-3 电压标准值
（2）电阻测量
①测量怠速端子电阻 关闭点火开关，拔下节气门位置传感器导线连接器，用万用表的电阻挡检查导线连接器上IDL触点的导通情况，如图2-14所示。当节气门全关闭时，IDL-E2端子间应导通，电阻为0；当节气门打开时，IDL-E2端子间不导通，电阻应为∞；否则应更换节气门位置传感器。
图2-14 传感器电阻检查（一）
②测量其他端子电阻 关闭点火开关，拔下节气门位置传感器导线连接器，用万用表电阻挡测量UTA与E2端子间电阻，其电阻值应随节气门开度的增大而呈线性增大，如图2-15所示。
图2-15 传感器电阻检查（二）
在节气门限位螺钉和限位杆之间插入不同厚度的厚薄规片，用万用表电阻挡测量传感器导线连接器上各端子间的电阻，其电阻值应符合表2-4中列出的规定值。
表2-4 可变电阻式节气门位置传感器各端子间的电阻值
5.调整
使用起子松开节气门位置传感器的两个固定螺钉，如图2-16所示。在限位螺钉和限位杆之间插入0.50mm厚薄规片，同时用万用表检查IDL与E2的导通情况，如图2-17所示。逆时针转动节气门位置传感器，使怠速触点断开，然后再顺时针方向慢慢转动节气门位置传感器，直到怠速触点闭合为止，这时万用表的电阻挡有读数显示，再拧紧两个固定螺钉。其次用0.45mm的厚薄规片先后插入限位螺钉和限位杆之间，测量IDL和E2之间的导通情况。当用0.45mm厚薄规片时，IDL和E2端子间应导通。最后用0.55mm的厚薄规片先后插入限位螺钉和限位杆之间，测量IDL和E2之间的导通情况。当用0.55mm厚薄规片时，IDL和E2端子间应不导通。上述两种情况，若有一种不符，则应再次调整节气门位置传感器。
图2-16 松开固定螺钉
图2-17 检查IDL与E2的导通情况
6.更换
①将节气门开度保持在45°左右。
②拧下节气门位置传感器的两个固定螺钉，拆下节气门位置传感器。
③将新的节气门位置传感器的芯轴转到底，然后装到节气门轴上，拧紧两个固定螺钉。
④重新调整节气门位置传感器。
四、霍尔式节气门位置传感器
1.结构
双霍尔式线性节气门位置传感器广泛用于三菱和丰田轿车上。
位于节气门体的节气门位置传感器的功能是测量节气门的位置，向发动机ECU输出与节气门轴转角成正比的电压信号。根据该传感器输出的电压，发动机ECU控制节气门控制伺服电机进行反馈控制。
非接触式的霍尔传感器包括一个固定在踏板轴上的永磁铁、一个输出电压与磁通量成正比的线性霍尔集成电路、一个有效地将永磁铁的磁通量转入霍尔集成电路的定子。构造如图2-18所示。
图2-18 双霍尔式线性节气门位置传感器
2.工作原理
这里以丰田车上的双霍尔式线性节气门位置传感器为例介绍霍尔式线性节气门位置传感器工作原理。
当节气门全闭时，即如图2-19（a）所示，磁场方向向上，流入霍尔集成电路的磁通量最大，此时，节气门位置传感器电压输出最小。当节气门全开时，如图2-19（c）所示，磁场方向反向向下，流入霍尔集成电路的磁通量最大，此时，节气门位置传感器电压输出最大。当节气门半开时，即如图2-19（b）所示，磁通量为零，节气门位置传感器输出电压在中间值。节气门位置传感器通过两个系统（主、副）输出，这就提高了系统测量故障的准确性，增强了故障保护功能，确保了可靠性。
图2-19 霍尔式节气门位置传感器的工作原理
图2-20所示是丰田凯美瑞（混合动力版）双霍尔式线性节气门位置传感器输出特性曲线。
图2-20 霍尔式节气门位置传感器的输出特性曲线
节气门位置传感器有两个传感器电路VTA和VTA2，各传送一个信号。VTA用于检测节气门开度，VTA2用于检测VTA的故障。传感器信号电压与节气门开度成比例，在0～5V之间变化，并且传输至混合动力车辆控制ECU的端子VTA。
节气门关闭时，传感器输出电压降低；节气门打开时，传感器输出电压升高。混合动力车辆控制ECU根据这些信号来计算节气门开度并响应驾驶员输入来控制节气门执行器。这些信号同时也用来计算空燃比修正值、功率提高修正值和燃油切断控制。
混合动力车辆失效保护功能如下。
存储这些DTC中的任何一个和与电子节气门控制系统故障有关的其他DTC时，混合动力车辆控制ECU进入失效保护模式。在失效保护模式下，混合动力车辆控制ECU切断流向节气门执行器的电流，且节气门在回位弹簧的作用下恢复到6.5°节气门位置。混合动力车辆控制ECU停止发动机，可仅使用混合动力系统驾驶车辆。如果平稳而缓慢地踩下加速踏板，车辆会缓慢行驶。
失效保护模式一直运行，直至检测到通过条件并且随后电源开关置于OFF位置。
3.连接电路
图2-21和图2-22所示分别是丰田轿车和三菱轿车上的霍尔式节气门位置传感器与ECU的连接电路。
图2-21 丰田轿车霍尔式节气门位置传感器与ECU的连接电路
图2-22 三菱轿车霍尔式节气门位置传感器与ECU的连接电路
4.检测
这里以三菱轿车霍尔式节气门位置传感器为例介绍检测方法。
（1）电压测量
①测量输入电压 关闭点火开关，断开节气门位置传感器插头，打开点火开关，用万用表的电压挡测量线束侧5#端子，检查是否有5V电压输入。如果没有，应检查传感器5#端子与ECU C-113中的106#端子是否导通，如果不导通，检查线路线束，如果导通，说明ECU没有5V电压输出，应更换ECU。
②测量输出电压 由于在使用万用表检测输出电压时，需要配备专用线束三通接头，或刺破信号线，因此，三菱公司推荐使用其专用解码器MUT-Ⅲ，通过读取数据流从而进行输出电压的检测。
将点火开关置于“ON”，应用MUT-Ⅲ，断开进气软管，用手慢慢打开节气门，从数据流读出14项节气门位置传感器（副）和79项节气门位置传感器（主）的电压数值，看电压数值是否可以随节气门的打开而同步变大，如果变化不同步或中间有断点，则节气门位置传感器线路或本体有故障。有关节气门位置传感器的数据流见表2-5。
表2-5 有关节气门位置传感器的数据流
③测量搭铁 关闭点火开关，断开节气门位置传感器插头，打开点火开关，用万用表的电压挡测量线束侧3#端子与蓄电池负极是否导通。正常情况下，应该导通，如果不导通，应检查线路、接头、ECU。
（2）电控节气门系统的初始化
在更换新的节气门体后，或由于节气门阀片区有油污被清洁后，都要进行节气门的学习，进行初始化，方法如下。
①启动发动机，进行暖机，使发动机水温达到80℃以上。若发动机水温就在80℃以上，则不必进行暖机。
②将点火开关置于“ON”位置。
③把点火开关旋回至“LOCK”位置，停止发动机运转。
④在“LOCK”位置停止10s，然后再次启动发动机，使发动机怠速运转。
⑤10min后，在变速箱“N”挡，灯类及散热器冷却风扇等电器附件全关条件下，检查发动机怠速是否正常。如怠速正常，说明节气门自学习后节气门位置适当，怠速节气门开度正常。至此，节气门学习 完成。反之，如怠速不正常，节气门需按上述过程重新进行学习操作。