【任务描述】
一辆宝骏630轿车，行驶里程80000km，车主反映行驶过程中车速不稳、加速不良，有游车现象。经维修人员检查，发现电子节气门工作异常。现需要对电子节气门进行检修，必要时进行更换，任务完成后交付验收。
【学习目标】
一、知识目标
1.能叙述节气门位置传感器的结构、作用及工作原理；
2.能叙述节气门位置传感器类型及常见故障现象；
3.能绘制和分析节气门位置传感器电路；
4.能叙述电子节气门控制系统的控制策略。
二、技能目标
1.能正确检测、判断节气门位置传感器的好坏；
2.能排除节气门位置传感器的一般故障。
建议学时：4学时
【知识准备】
一、节气门位置传感器概述
1.节气门位置传感器的作用
节气门位置传感器安装在节气门体上，用于检测节气门的开度及其开启速度，并且把节气门的这种状态转化为电信号输送给电控单元ECU，ECU利用该信号对喷油量、点火正时、怠速等进行修正控制，以实现某些特定的控制功能。例如：加速及大负荷工况时对混合气进行适度加浓，怠速工况时维持转速稳定，强制怠速（挂挡下坡、急减速等）时进行断油控制等。可见，该传感器发生故障时，可能会带来发动机加速不良、最大功率不足、怠速不稳等方面的问题。
另外，节气门位置传感器还是自动变速器换挡控制的主要传感器之一，对自动换挡影响重大，发生故障时可能会引起不能换挡、换挡冲击等方面的问题。
节气门位置传感器在空气供给系统中的安装位置如图3.9.1所示。
图3.9.1 节气门位置传感器的安装位置
2.节气门位置传感器的类型
节气门位置传感器按结构大致可分为触点开关式、滑线电阻式、复合式和电子节气门等。
（1）触点开关式节气门位置传感器。触点开关式节气门位置传感器输出的是简单的开关信号，可以用于判断发动机的怠速、大负荷等几个简单的工况点。
（2）滑线电阻式节气门位置传感器。滑线电阻式节气门位置传感器输出的是连续的电压信号，可以用于判断发动机负荷的连续变化情况。
（3）复合式节气门位置传感器。复合式节气门位置传感器同时输出开关信号和连续的电压信号，既可以判断简单的工况点，又可以判断负荷的连续变化。
（4）电子节气门位置传感器。为了提高汽车行驶的安全性、动力性、平稳性及经济性，并减少排放污染，现代汽车推出了控制特性优良的电子节气门。采用电子节气门控制系统，节气门开度控制更加精确，这样一方面可以提高燃油经济性、减少排放，同时系统响应更加迅速，操控性能更加良好；另一方面，电子节气门控制系统还可实现怠速控制、巡航控制和车辆稳定控制等的集成，简化了控制系统结构。
电子节气门位置传感器按控制方式又可分为：
①电液式节气门。电液式节气门，大多数应用在有液压系统的工程机械中。它具有结构简单、成本低、驱动力大、功耗低等特点，其电液控制的转换主要通过高速开关数字阀来实现，控制精度高，对液压油没有太高的要求。但是由于液压系统存在供油压力波动、液压执行机构之间的摩擦力以及阀所具有的启闭特性等方面的影响，致使其位置响应不精确，速度响应慢。因此，电液式节气门很少应用在汽车上。
②线性电磁铁式节气门。电磁铁式节气门用比例电磁铁作为控制器。它用电磁力作为驱动力，其中控制信号为电流信号，具有结构简单、体积小、控制方便、响应速度快、稳态精度好等优点。但它的最大作用力受到线圈匝数和最大工作电流的限制，而且在一定的工作负荷下所需的电功耗相对较大。因此，线性电磁式节气门很少在汽车上应用。
③步进电机式节气门。步进电机式节气门通过步进电机直接驱动节气门轴实现油门的开度控制。驱动步进电机通常采用桥式电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。步进电机具有结构简单、可靠性高和成本低的优点，但它的控制精度不高。因此，步进电机式节气门也较少在汽车上应用。
④直流伺服电机式节气门。直流伺服电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小。此外，电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。由于以上的优点，直流伺服电机广泛应用于汽车电子节气门的控制。
3.节气门位置传感器的结构及工作原理
节气门位置传感器的结构及工作原理基本相同，下面重点介绍触点开关式、复合式以及电子节气门位置传感器的结构及工作原理。
（1）触点开关式节气门位置传感器（TPS）结构及工作原理。
这种节气门位置传感器主要由节气门轴、怠速触点（IDL）、大负荷触点（又称功率触点PSW）及随节气门轴转动的凸轮等组成，其结构、电路及所产生的信号如图3.9.2所示。
图3.9.2 触点开关式节气门位置传感器结构、电路及信号
ECU通过线路分别向IDL、PSW这两个触点输出5V的信号参考电压，触点闭合时，该线路被搭铁，信号参考电压变为0V，ECU接收到低电平信号“0”；触点张开时，线路没有被搭铁，信号参考电压维持为5V，ECU接收到高电平信号“1”。
当IDL信号和PSW信号分别为1、0时，ECU判定节气门处于怠速位置，因而对发动机进行怠速方面的控制，包括：正常水温低怠速、低水温高怠速、开空调高怠速、强制怠速断油等。
当IDL信号和PSW信号分别为0、1时，ECU判定发动机处于大负荷状态，因而对发动机进行大负荷加浓控制，即适当增大喷油量，以提高发动机的功率。
当IDL信号和PSW信号分别为0、0时，ECU判定发动机处于部分负荷状态，因而根据其他传感器信号确定喷油量和点火正时，以确保发动机的经济性和排放性能。
（2）复合式节气门位置传感器结构及工作原理。
这种节气门位置传感器包括滑线电阻式传感器和怠速触点两个部分，主要由滑线电阻、滑动触点、节气门轴、怠速触点及传感器壳体等组成。其结构和电路原理如图3.9.3所示，其滑线电阻制作在传感器底板上，一端由ECU提供5V工作电源（VC脚），另一端通过ECU搭铁；滑线电阻的滑臂与信号输出端子VTA相连，并随节气门轴一同转动；怠速触点的一端由ECU提供5V（或12V）的信号参考电压（IDL端子），另一端也通过ECU搭铁。
图3.9.3 复合式节气门位置传感器结构、电路
节气门开度变化时，滑臂上的触点在滑线电阻上滑动，从而从滑线电阻上获得分压电压，并作为节气门开度信号输送给ECU。
由于该传感器可以检测到节气门开度的连续变化情况，因而ECU可以实现更多的控制功能，例如：加速加浓控制、空气流量信号替代控制（即空气流量传感器发生故障时，利用节气门位置和发动机转速计算进气量）等。
传感器中的怠速触点专门用于判断发动机的怠速状态，部分汽车则取消了怠速触点，通过滑线电阻式传感器信号的阈值来判断怠速状态，从而简化了节气门位置传感器的结构。
（3）电子节气门位置传感器结构及工作原理。
电子节气门位置传感器外观结构如图3.9.4（a）所示，它安装在节气门体上，省略掉了我们常见的怠速步进电机。内部结构如图3.9.4（b）所示，是有驱动电机、节气门位置传感器和驱动传递机构（小齿轮、中间齿轮和扇形齿轮）三个组成部分。
图3.9.4 电子节气门位置传感器
电子节气门控制系统的工作原理是这样的：驾驶员操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入发动机ECU，发动机ECU首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率分析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制，使节气门的开度达到司机所需要的理想位置。
电控单元ECU还可以对系统的功能进行监控，如果发现电子节气门控制系统故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶员系统有故障。同时电磁离合器被分离，节气门不再受电机控制。节气门在回位弹簧的作用下返回到一个较小开度的位置，使车辆能够慢速开到维修地点。
（4）宝骏630轿车电子节气门的电路分析。
宝骏630轿车电子节气门的控制电路如图3.9.5所示。
图3.9.5 宝骏630轿车电子节气门控制电路
该电子节气门控制系统利用两个节气门位置传感器监测节气门的状态。节气门位置传感器1和节气门位置传感器2位于节气门体总成内。传感器具有以下电路：
一个5V参考电压电路，一个低电平参考电压电路，两个信号电路。同时还使用两个处理器以监测节气门执行器控制系统数据。两个处理器位于发动机控制模块ECU内。每个信号电路都向两个处理器提供与节气门刮片位移量成比例的信号电压。两个处理器互相监测彼此的数据，以确认所显示的节气门位置计算正确。
节气门位置传感器1故障诊断典型数据如表3.9.1所示。
表3.9.1 节气门位置传感器1故障诊断典型数据
节气门位置传感器2故障诊断典型数据如表3.9.2所示。
表3.9.2 节气门位置传感器2故障诊断典型数据
传感器1与传感器2的信号为互补信号，它们电压值之和始终为5V。传感器1为负相关信号，传感器2为正相关信号。
二、电子节气门控制系统的控制策略
1.基于发动机扭矩需求的节气门控制
传统油门的节气门开度完全取决于驾驶员的操作意图。电子节气门系统的节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是控制单元根据当前行驶状况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。因此，节气门的实际开度并不完全与驾驶员的操作意图一致。
控制单元根据整车扭矩需求获得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提前角和发动机负荷信号求得。在发动机扭矩调节过程中，控制单元首先将实际扭矩与理论扭矩进行对比，如果两者有偏差，发动机电控系统将通过适当的调节作用使实际扭矩值和理论扭矩值一致。
2.传感器冗余设计
电子节气门系统采用两个踏板位置传感器和两个节气门位置传感器，传感器两两反接，实现阻值的反向变化，即两个传感器阻值变化量之和为零。对两个传感器施加相同的电压，两者输出的电压信号也相应反向变化，且其和始终等于供电电压。
从控制角度上讲，使用一个传感器就可以使系统正常运转，但冗余设计可以使两个传感器相互检测，当一个传感器发生故障时能及时被识别，在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。
3.可选的工作模式
驾驶员可根据不同的行车需要，通过模式开关选择不同的工作模式，一般有正常模式、动力模式和雪地模式三种，区别在于节气门对加速踏板的响应速度不同。在正常模式下，节气门对加速踏板的响应速度适合于大多数行驶工况。在动力模式下，节气门加快对加速踏板的响应速度，发动机能提供额外的动力。在附着较差的工况下（比如：雪地、雨天）驾驶员可选择雪地模式驾驶车辆，此时节气门对加速踏板的响应降低，发动机输出的功率比正常情况下小，使车轮不易打滑，保持车辆稳定行驶。
4.海拔高度补偿
在海拔较高的地区，大气压下降，空气稀薄，氧气含量下降，会导致发动机输出动力下降。此时电子节气门系统可按照大气压强和海拔高度的函数关系对节气门开度进行补偿，保证发动机输出动力和加速踏板位置的关系保持稳定。
5.控制功能扩展及其原理
现代电子节气门控制系统，可实现牵引力控制、巡航控制、怠速控制、减少换档冲击控制等多种控制功能，既提高行驶可靠性，又使结构简化，成本降低。
三、节气门位置传感器常见故障
节气门位置传感器常见故障主要是触点接触不良、传感器可变电阻变化无规律。这种故障会影响发动机的怠速和加速性能，造成发动机怠速不稳或无怠速，加速性变差或加速性时好时坏等现象。电控系统是由电控元件、线路和电控单元组成的一个综合体，发动机某个电控系统出现故障，并不意味着这个系统的某个元件出现问题，更多的可能是出现在线路问题上。
【任务准备】
一、工、量具及材料的准备
1.设备及相关物品：宝骏630轿车及其维修手册、节气门位置传感器（单件）、车内外护套。
2.工、量具：常用拆装工具一套、数字万用表2只、KT600诊断仪。
3.材料：抹布等。
二、检测流程的准备
1.单件检测：电阻检测（技术标准）
2.就车检测：电压检测、故障诊断仪检测（技术标准和分析流程）
【实施步骤】
一、传统节气门位置传感器的单件检测
对于传统节气门位置传感器的单件检测，一般是先对传感器进行外观检查，看是否有裂纹、破损、脏污，转动是否灵活。然后用万用表20kΩ档进行电阻检测，初步判断传感器的好坏。节气门位置传感器单件检测的步骤按表3.9.3实施（以B12发动机节气门位置传感器为例）。
表3.9.3 节气门位置传感器单件检测的步骤
二、电子节气门位置传感器的就车检测
下面以宝骏630轿车为例，对电子节气门位置传感器进行就车检测，步骤按表3.9.4实施。
表3.9.4 电子节气门位置传感器的就业检测步骤
当检测到宝骏630轿车电子节气门位置传感器有故障，可以按方法对电路系统进行检测分析：
1.点火开关置于OFF位置，断开Q38节气门体处的线束连接器。使发动机控制模块有2分钟的时间完全断电。
2.将点火开关置于OFF位置，测试低电平参考电压电路端子C和搭铁之间的电阻是否小于5Ω。如果大于5Ω，则要测试低电平参考电压电路是否开路。如果电路测试正常，则更换K20发动机控制模块。
3.将点火开关置于ON位置，测试5V参考电压电路端子E和搭铁之间的电压是否为4.8～5.2V。如果低于4.8V，测试5V参考电压电路是否对搭铁短路或开路。如果电路测试正常，则更换K20发动机控制模块；如果高于5.2V，测试5V参考电压电路是否对电压短路。如果电路测试正常，则更换K20发动机控制模块。
4.确认故障诊断仪节气门位置传感器1电压低于0.1V。如果高于0.1V，则测试信号电路端子D是否对电压短路。如果电路测试正常，则更换K20发动机控制模块。
5.确认故障诊断仪节气门位置传感器2电压高于4.8V。如果低于4.8V，则测试信号电路端子F是否对搭铁短路。如果电路测试正常，则更换K20发动机控制模块。
6.在信号电路端子D和5V参考电压电路端子E之间安装一条带3A保险丝的跨接线。确认节气门位置传感器1电压高于4.8V。如果低于4.8V，测试信号电路是否对搭铁短路或开路大。如果电路测试正常，则更换K20发动机控制模块。
7.在信号电路端子F和搭铁之间安装一个测试灯，测试灯应不点亮。如果测试灯点亮，则测试信号电路端子F是否对电压短路。如果电路测试正常，则更换K20发动机控制模块。
8.在信号电路端子F和低电平参考电压电路端子C之间安装一条带3A保险丝的跨接线。检查并确认节气门位置传感器2电压低于0.1V。如果高于1.0V，则测试信号电路是否开路。如果电路测试正常，则更换K20发动机控制模块。
9.将点火开关置于OFF位置，断开K20发动机控制模块的线束连接器。
10.测试节气门位置传感器上所有以下电路端子之间的电阻是否小于5Ω：
（1）K20发动机控制模块，X2信号电路端子5至节气门位置端子D；
（2）K20发动机控制模块，X2信号电路端子9至节气门位置端子F；
（3）K20发动机控制模块，X25伏参考电压电路端子56至端子E。
如果以上测试大于5Ω，则检查受影响的电路是否开路。
11.测试信号电路端子D和信号电路端子F之间的电阻是否为无穷大。如果电阻低于无穷大，则修理信号电路端子D和信号电路端子F之间的短路电路。
12.如果所有电路测试正常，则更换Q38节气门体。
【评价与反馈】
对本学习任务进行评价，如表3.9.5节气门位置传感器的单件检测评分表和表3.9.6电子节气门位置传感器的就车检测评分表所示。
表3.9.5 节气门位置传感器的单件检测评分表
表3.9.6 电子节气门位置传感器的就车检测评分表
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