سنسور موقعیت گاز چه نقشی در موتور ایفا می‌کند؟

درک سنسور موقعیت گاز (TPS) و وظایف اصلی آن

وظیفه سنسور موقعیت گاز چیست؟

سنسور موقعیت گاز یا به اختصار TPS، موقعیت دریچه گاز را در هر لحظه پیگیری می‌کند. این اطلاعات زاویه‌ای را به واحد کنترل موتور یا ECU ارسال می‌کند. معنای این موارد چیست؟ خب، این موضوع کنترل بهتری را بر روی مخلوط هوا و سوخت ورودی به موتور فراهم می‌کند که تأثیر مستقیمی بر روی بازدهی سوخت و همچنین روانی حرکت خودرو دارد. برای خودروهایی که با سیستم‌های تزریق الکترونیکی سوخت مدرن تجهیز شده‌اند، TPS نقش بسیار مهمی در تحویل دقیق مقدار سوخت لازم در زمان باز یا بسته شدن دریچه گاز ایفا می‌کند. این موضوع به موتور کمک می‌کند تا به درستی واکنش نشان دهد، چه در هنگام شتاب گرفتن سریع و چه در هنگام کاهش تدریجی سرعت، که رانندگان این تفاوت را در تجربه روزمره خود به خوبی احساس می‌کنند.

عملکرد اصلی و محل قرارگیری سنسور موقعیت گاز

سنسور موقعیت گاز (TPS) دقیقاً روی شفت بدنه گاز قرار دارد و مانند یک مقاومت متغیر عمل می‌کند. در واقع آن زوایای مختلف دریچه گاز را دریافت کرده و به سیگنال‌های ولتاژی تبدیل می‌کند که خودرو قادر به فهمیدن آن است. وقتی کسی پدال گاز را فشار می‌دهد، ولتاژ نیز به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. در حالت دور آرام موتور ولتاژ حدود نیم ولت است و تا تقریباً چهار و نیم ولت وقتی گاز کاملاً باز است، افزایش می‌یابد. ECU این اطلاعات را بسیار نیاز دارد چرا که به تعیین میزان بار موتور کمک می‌کند و تصمیم می‌گیرد چه مقدار سوخت در لحظات شتاب‌دهی سریع باید تزریق شود. بدون خواندن صحیح از سنسور موقعیت گاز، سیستم مدیریت سوخت در بیشتر مواقع در حال حدس زدن خواهد بود.

نحوه ادغام سنسور موقعیت گاز با سیستم‌های EFI و ECU

سیستم‌های TPS امروزه سیگنال‌های دیجیتالی بسیار واضح‌تری نسبت به نمونه‌های آنالوگ قدیمی‌تر خود تولید می‌کنند و پاسخگویی آن‌ها نیز حدود 5٪ سریع‌تر است. وقتی واحد کنترل موتور می‌خواهد متوجه شود چه اتفاقی می‌افتد، اطلاعات TPS را با خوانش‌های حس‌گر دبی هوا و حس‌گر فشار مطلق منیفولد مقایسه می‌کند. این کار به تنظیم مواردی مانند زمان جرقه‌زنی شمع‌ها، سرعت ایجاد شدن دور آرام موتور و مدیریت درست انتشارات کمک می‌کند. فرض کنید فردی به طور ناگهانی دهانه گاز را کاملاً باز کند. سیستم باید مخلوط سوخت را بلافاصله غنی کند، که این کار از طریق تغییر در مدت زمان باز بودن انژکتورها انجام می‌شود. اما چنین واکنش فوری‌ای تنها زمانی ممکن است که بازخورد لحظه‌ای از TPS به درستی دریافت شود.

نقش حس‌گر موقعیت گاز در مخلوط هوا-سوخت و بهره‌وری موتور

تنظیم لحظه‌ای نسبت هوا-سوخت بر اساس داده‌های TPS

حسگر موقعیت دریچه گاز نقش مهمی در نحوه مصرف سوخت موتور دارد، زیرا موقعیت دریچه گاز را در هر لحظه به کامپیوتر می‌گوید. وقتی کسی پدال گاز را فشار می‌دهد، ولتاژ به تدریج از حدود نیم ولت (هنگام کاملاً بسته بودن) تا تقریباً پنج ولت (هنگام کاملاً باز شدن) افزایش می‌یابد. واحد کنترل موتور از این اطلاعات برای تصمیم‌گیری در مورد مقدار سوختی که باید به هر سیلندر تزریق شود استفاده می‌کند. این موضوع به حفظ روانی کارکرد موتور و همچنین حفظ نسبت بهوا به سوخت در حدود ۱۴/۷ به ۱ کمک می‌کند، بی‌درنگ اتفاق می‌افتد – گاهی حتی در عرض ۵۰ میلی‌ثانیه پس از حرکت پا روی پدال گاز.

تأثیر عملکرد سنسور دریچه گاز بر مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌ها

یک سنسور پوزیشن گاز (TPS) به‌خوبی کارکرد، مصرف سوخت در شرایط شهری را با جلوگیری از غنی‌شدن غیرضروری مخلوط سوخت تا 6-12٪ بهبود می‌بخشد (EPA 2022). سنسورهای معیوب باعث احتراق ناقص می‌شوند و انتشار هیدروکربن‌ها را تا 30٪ و اکسیدهای نیتروژن را تا 15٪ افزایش می‌دهند. بر اساس گزارش انجمن مهندسان خودرو، داده‌های نادرست پوزیشن گاز 23٪ از شکست‌های آزمون انتشار آلاینده‌ها را سبب می‌شوند.

مطالعه موردی: خرابی سنسور پوزیشن گاز که به شرایط مخلوط غنی/لاغر منجر می‌شود

تحلیلی در سال 2023 روی 1,200 خودرو با کدهای خطا P0121/P0221 نشان داد که 68٪ از آن‌ها شرایط لاغر در حالت ایجاد (ولتاژ سنسور کمتر از 0.4 ولت) و مخلوط غنی تحت بار (ولتاژ بیش از 4.6 ولت) را تجربه کرده‌اند. این خرابی‌ها منجر به:

• کاهش 15٪ای متوسط بهره‌وری سوخت
• افزایش 40٪ای دمای کاتالیستیک کنورترها
• تاخیرهای مکرر در بازه 25-35٪ دامنه گاز
  در 89٪ از موارد، بازتنظیم یا تعویض سنسور عملکرد عادی را بازیابی کرد و نقش اساسی سنسور پوزیشن گاز در کنترل مخلوط را برجسته ساخت.

سنسور پوزیشن گاز و ارتباط با ماژول کنترل موتور

نحوه ارسال سیگنال‌های ولتاژ توسط سنسور موقعیت گاز به مدول کنترل موتور بر اساس زاویه گاز

سنسور موقعیت گاز عملکردی شبیه یک پتانسیومتر دقیق دارد و در واقع حرکت فیزیکی صفحه گاز را به تغییرات ولتاژ تبدیل می‌کند، معمولاً در محدوده‌ای بین 0.5 ولت تا 4.5 ولت. وقتی کسی پدال گاز را فشار می‌دهد، ولتاژ به صورت مستقیم با میزان باز شدن گاز افزایش می‌یابد، از موقعیت تقریباً بسته در دور آرام موتور که ممکن است باز شدن کمتر از 10 درصدی داشته باشد، تا شتاب کامل هنگامی که گاز کاملاً باز است. مدول‌های کنترل موتور مدرن این خوانش‌های ولتاژ پیوسته را دریافت کرده و آنها را به اطلاعات دیجیتال تبدیل می‌کنند، با استفاده از یک سیستم استاندارد 5 ولتی. این امر به وسایل نقلیه اجازه می‌دهد موقعیت دقیق گاز را در زمان واقعی پایش کنند، گاهی تا دقت یک دهم درجه در مدل‌های جدید که از سنسورهای با کیفیت بالا بهره می‌برند.

پاسخ مدول کنترل موتور به ورودی سنسور موقعیت گاز: زمان‌بندی جرقه، کنترل دور آرام، و مدیریت بار

دریافت داده‌های TPS، ماژول کنترل موتور را به سه واکنش کلیدی ترغیب می‌کند:

• زمان‌بندی جرقه : جرقه را 2-6 درجه به ازای هر 10 درصد افزایش دنده گاز در حالت بارگذاری پیش می‌برد (مطالعات جرقه‌زنی Federal Mogul 2022)
• کنترل هوای ایستاده : در صورت کاهش موقعیت گاز زیر 2 درصد، شیرهای بای‌پس را فعال می‌کند
• مدیریت بار گیربکس : قفل کردن مبدل گشتاور را بر اساس نرخ پیشرفت دنده گاز دستور می‌دهد

بازخورد حلقه بسته در سیستم‌های ECU مدرن برای کنترل دقیق دنده گاز

ECUهای مدرن از ورودی‌های TPS همراه با داده‌های MAF و سنسور اکسیژن برای تولید نقشه‌های دنده گاز تطبیقی استفاده می‌کنند، که در موتورهای تزریق مستقیم 50-100 بار در ثانیه به‌روزرسانی می‌شوند. این سیستم حلقه بسته برای جبران موارد زیر عمل می‌کند:

• سایش مکانیکی در بدنه دنده گاز (حداکثر 0.2 میلی‌متر نوسان تیغه را می‌پذیرد)
• انحراف سیگنال ناشی از تغییرات دما
• تغییرات سریع بار در هنگام تعویض دنده
  در مقایسه با سیستم‌های اولیه باز با خطای مجاز ±5 درصد، سیستم‌های امروزی بسته دقتی برابر با ±0.8 درصد حفظ می‌کنند که برای تطابق با استانداردهای EURO 7 و EPA Tier 4 ضروری است.

TPS در میان سنسورهای دیگر موتور: سلسله مراتب و ادغام سیستمی

مقایسه سنسور موقعیت دریچه گاز با سنسورهای MAF و MAP

موتورهای مدرن به سه سنسور اصلی برای تنظیم صحیح فرآیند احتراق متکی هستند: سنسور دبی هوا (MAF)، سنسور فشار مطلق منیفولد (MAP) و سنسور موقعیت دریچه گاز (TPS). سنسور MAF در واقع میزان هوای ورودی به موتور را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که MAP فشار داخل مانیفولد را تحت نظارت دارد. در همین حال، سنسور TPS به‌طور مداوم اطلاعاتی درباره موقعیت پره‌های دریچه گاز در هر لحظه ارائه می‌دهد. این سیگنال‌ها به ماژول کنترل موتور کمک می‌کنند تا آنچه فکر می‌کند در حال اتفاق افتادن است را با آنچه در زمان فشردن پدال گاز واقعاً اتفاق می‌افتد مقایسه کند. وقتی راننده به شدت پدال گاز را فشار می‌دهد، خوانش TPS اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، چون سنسورهای MAF ممکن است نسبت به تغییرات ناگهانی در شرایط جریان هوا کمی کُند عمل کنند.

نقش سنسور TPS در محاسبه بار موتور و اولویت‌بندی ورودی سنسورها

ماژول کنترل موتور (ECM) برای تشخیص اینکه راننده چه می‌خواهد از خودرو، به سیگنال ولتاژ سنسور موقعیت گاز (TPS) متکی است. وقتی کارها به خوبی پیش می‌رود و سرعت ثابت است، سنسور جریان هوا (MAF) و سنسور فشار مطلق منیفولد (MAP) مسئول محاسبه بار موتور می‌شوند. اما زمانی که اتفاقی می‌افتد - فکر کنید به شتاب گرفتن ناگهانی یا بالا رفتن از شیب‌های تند - سنسور TPS ناگهان مهم‌ترین ورودی را فراهم می‌کند. در واقع این موضوع منطقی است، چون زمانی که کسی پدال گاز را به کف فشار می‌دهد، تغییر واقعی در جریان هوا یا فشار داخل سیستم ورودی حدود 100 تا 300 میلی‌ثانیه پس از باز شدن گاز ثبت می‌شود. این تاخیر به این معنی است که ECM باید ابتدا بر اساس داده‌های دریافتی از TPS سریع‌تر از انتظار برای تایید از سایر سنسورها واکنش نشان دهد.

افزایش اهمیت دقت TPS در سیستم‌های تزریق مستقیم و EFI پیشرفته

در مورد موتورهای توربوشارژر و تزریق مستقیم، کنترل بهتر بر روی مخلوط هوا-سوخت باعث شده است که سنسور موقعیت گاز (TPS) اهمیت بیشتری نسبت به یک قطعه پشتیبانی داشته باشد. امروزه، واحدهای کنترل موتور اطلاعاتی را از TPS کنار هم قرار می‌دهند و موقعیت شفت چرخ‌دنده و اطلاعات ارائه شده توسط سنسورهای اکسیژن را در نظر می‌گیرند. این ترکیب امکان تنظیم زمان تزریق سوخت را با دقتی در حد کسری از میلی‌ثانیه فراهم می‌کند. بر اساس مطالعات اخیر که در گزارش ادغام سنسورهای خودرویی 2024 آمده است، حتی خطا در خوانش TPS به میزان بیش از 2 درصد می‌تواند باعث افزایش 9 درصدی مصرف سوخت و افزایش 15 درصدی انتشار گازهای مضر NOx شود. با توجه به اینکه خودروها به تدریج از اتصالات مکانیکی قدیمی به سیستم‌های گاز الکترونیکی روی آورده‌اند، نقش TPS فراتر از نظارت ساده گسترش یافته است. این سنسور در واقع به شکل دادن به پاسخگویی گاز کمک می‌کند و در حفظ ثبات خودرو در هنگام شتاب‌گیری در سیستم‌های تزریق سوخت مدرن نقش دارد.

تشخیص و نگهداری عملکرد سنسور موقعیت گاز

علائم رایج خرابی TPS: تعلل، خاموش شدن موتور و مشکلات دور آرام

خرابی TPS باعث اختلال در رانندگی می‌شود و اغلب منجر به تعلل در هنگام شتاب‌گیری، خاموشی غیرمنتظره موتور در حالت دور آرام، یا نوسان دور موتور بین 500 تا 1500 RPM می‌شود. این مشکلات از سیگنال‌های ولتاژ معیوب ناشی می‌شوند که مانع از درک دقیق موقعیت گاز توسط ECU می‌شوند و منجر به هماهنگی ضعیف مخلوط هوا-سوخت می‌گردند.

چراغ هشدار موتور و کدهای عیب‌یابی (P0121، P0221)

معایب مداوم TPS معمولاً چراغ هشدار موتور را روشن کرده و کدهای OBD-II را فعال می‌کنند. کد P0121 به معنای ناسازگاری ولتاژ بین موقعیت بسته و کاملاً باز دسته گاز است، در حالی که P0221 به پیشرفت غیرخطی ولتاژ در هنگام حرکت دسته گاز اشاره دارد. تکنسین‌ها از این کدها به همراه داده‌های زنده برای تأیید خرابی سنسور قبل از تعویض آن استفاده می‌کنند.

آزمایش TPS با مولتی‌متر و اسکنر OBD-II

برای تشخیص دقیق به دو ابزار نیاز است:

1. مولتی‌متر دیجیتال : ولتاژ در کانکتور TPS را اندازه‌گیری می‌کند و خروجی بین 0.5 ولت (بسته) و 4.5 ولت (باز) را تأیید می‌کند
2. اسکنر OBD-II : داده‌های لحظه‌ای موقعیت گاز را نسبت به ورودی پدال مانیتور می‌کند
   انحراف‌هایی که از محدوده ±0.7 ولت فاصله بگیرند یا خواندن‌های ثابت در حین عملکرد، خرابی سنسور را تأیید می‌کنند.

روش تنظیم مجدد TPS پس از تعویض

تنظیم مجدد پس از تعویض برای عملکرد صحیح ضروری است:

1. حافظه تطبیقی ECU را با استفاده از یک اسکنر دو طرفه ریست کنید
2. روش یادگیری دور آرام را انجام دهید: موتور را بدون روشن کردن مصرف‌کننده‌ها به مدت 2 دقیقه در حالت دور آرام کار دهید
3. ولتاژ گاز بسته را از طریق اسکنر در محدوده 0.48-0.52 ولت تأیید کنید
   در صورت عدم انجام تنظیم مجدد ممکن است با ناپایداری دور آرام یا مشکلات مربوط به مبدل گشتاور در گیربکس مواجه شوید.

‫سوالات متداول‬

نشانه‌های خرابی سنسور موقعیت گاز چیست؟

از جمله نشانه‌های خرابی سنسور موقعیت گاز می‌توان به تعلل در شتاب‌گیری، خاموش شدن ناگهانی موتور در حالت ایدول، ناپایداری دور موتور و نوسانات دور موتور اشاره کرد. همچنین ممکن است چراغ چک موتور روشن شود و کدهای تشخیص خطا نمایان شوند.

سنسور موقعیت گاز چگونه بر راندمان سوخت تأثیر می‌گذارد؟

یک سنسور موقعیت گاز سالم، ترکیب صحیح هوا و سوخت را تضمین می‌کند و این امر راندمان سوخت را بهینه کرده و انتشارات آلاینده را کاهش می‌دهد. سنسور معیوب می‌تواند منجر به احتراق ناقص و افزایش انتشارات شود.

تکنسین‌ها چگونه خطاها را در سنسور موقعیت گاز تشخیص می‌دهند؟

تکنسین‌ها برای تشخیص خطا در سنسور موقعیت گاز از اسکنرهای OBD-II و مولتی‌متر دیجیتال استفاده می‌کنند تا خروجی ولتاژ سنسور را بررسی کرده و خطاها را با استفاده از داده‌های زنده تأیید کنند.

چرا تنظیم مجدد پس از تعویض سنسور موقعیت گاز ضروری است؟

تنظیم مجدد سنسور موقعیت گاز اطمینان می‌دهد که سیگنال‌های دقیقی به ECU ارسال می‌شوند و این امر باعث پایداری دور ایدول و بهینه‌سازی عملکرد گیربکس می‌شود. در صورت عدم تنظیم مجدد، ممکن است دور ایدول ناپایدار شود.