Systemy Start-Stop. To działa?

Jednym ze sposobów na zmniejszenie zużycia paliwa, znanym od wielu lat, jest wyłączanie silnika podczas nawet krótkiego postoju samochodu. W nowoczesnych samochodach za to zadanie odpowiadają systemy Start-Stop.

W testach trakcyjnych przeprowadzonych w Niemczech w latach 55-tych na Audi LS z silnikiem 0,35 kW stwierdzono, że zużycie paliwa na biegu jałowym wynosi 1,87 cm5. XNUMX./s, a na początku XNUMX patrz XNUMX. Te dane pokazały, że wyłączenie silnika z postojem na dłużej niż XNUMX sekund oszczędza paliwo.

Mniej więcej w tym samym czasie podobne testy przeprowadzili inni producenci samochodów. Możliwość zmniejszenia zużycia paliwa poprzez zatrzymanie silnika nawet przy bardzo krótkim postoju i ponowne jego uruchomienie doprowadziła do opracowania urządzeń sterujących, które wykonują te czynności automatycznie. Pierwszą była chyba Toyota, która w latach siedemdziesiątych zastosowała w modelu Crown elektroniczne urządzenie wyłączające silnik na postoju na ponad 1,5 sekundy. Testy w korkach w Tokio wykazały 10% redukcję zużycia paliwa. Podobnie działający system został przetestowany w Fiacie Regacie i Volkswagenie Polo 1st Formel E. Urządzenie w tym ostatnim samochodzie pozwalało kierowcy zatrzymać silnik lub po prostu automatycznie, w zależności od prędkości, temperatury silnika i położenia dźwigni zmiany biegów. Silnik został ponownie uruchomiony przy włączonym rozruszniku, gdy kierowca nacisnął pedał przyspieszenia przy wciśniętym pedale sprzęgła i włączony był 2. lub 5. bieg. Gdy prędkość pojazdu spadła poniżej XNUMX km/h, system wyłączył silnik, zamykając kanał biegu jałowego. Jeśli silnik był zimny, czujnik temperatury blokował wyłączenie silnika, aby zmniejszyć zużycie rozrusznika, ponieważ uruchomienie ciepłego silnika trwa znacznie krócej niż zimnego. Ponadto system sterowania, aby zmniejszyć obciążenie akumulatora, wyłączał podgrzewaną tylną szybę, gdy samochód był zaparkowany.

Testy drogowe wykazały zmniejszenie zużycia paliwa nawet o 10% w niesprzyjających warunkach drogowych. Emisja tlenku węgla również spadła o 10%. Nieco ponad 2 proc. natomiast wzrosła zawartość tlenków azotu i prawie 5 węglowodorów w spalinach. Co ciekawe, nie stwierdzono negatywnego wpływu układu na trwałość rozrusznika.

Nowoczesne systemy start-stop

Nowoczesne systemy start-stop automatycznie wyłączają silnik podczas postoju (w określonych warunkach) i uruchamiają go ponownie, gdy tylko kierowca wciśnie pedał sprzęgła lub zwolni pedał hamulca w pojeździe z automatyczną skrzynią biegów. Zmniejsza to zużycie paliwa i emisję dwutlenku węgla, ale tylko w ruchu miejskim. Korzystanie z systemu Start-Stop wymaga, aby niektóre elementy pojazdu, takie jak rozrusznik lub akumulator, działały dłużej i chroniły inne przed skutkami częstego wyłączania silnika.

Systemy Start-Stop są wyposażone w mniej lub bardziej wyrafinowane systemy zarządzania energią. Do ich głównych zadań należy sprawdzenie stanu naładowania akumulatorów, konfiguracja odbiorników na szynie danych, zmniejszenie poboru mocy oraz uzyskanie optymalnego w danej chwili napięcia ładowania. Wszystko po to, aby uniknąć zbyt głębokiego rozładowania akumulatora i zapewnić możliwość uruchomienia silnika w dowolnym momencie. Stale oceniając stan akumulatora, sterownik systemu monitoruje jego temperaturę, napięcie, prąd oraz czas pracy. Parametry te określają chwilową moc rozruchową oraz aktualny stan naładowania. Jeśli system wykryje niski poziom naładowania baterii, zmniejsza liczbę włączonych odbiorników zgodnie z zaprogramowaną kolejnością wyłączania.

Systemy Start-Stop mogą być opcjonalnie wyposażone w odzysk energii hamowania.

Pojazdy z systemami Start Stop wykorzystują akumulatory EFB lub AGM. Akumulatory typu EFB w odróżnieniu od klasycznych posiadają płyty dodatnie pokryte powłoką poliestrową, która zwiększa odporność masy czynnej płytek na częste wyładowania i ładunki wysokoprądowe. Z kolei akumulatory AGM mają między płytkami włókno szklane, które całkowicie pochłania elektrolit. Praktycznie nie ma z tego powodu strat. Nieco wyższe napięcie można uzyskać na zaciskach tego typu baterii. Są też bardziej odporne na tzw. głębokie rozładowanie.

Czy to szkodzi silnikowi?

Jeszcze kilkadziesiąt lat temu wierzono, że każde uruchomienie silnika zwiększa jego przebieg o kilkaset kilometrów. Gdyby tak było, to system Start-Stop, który działa w aucie jeżdżącym tylko w ruchu miejskim, musiałby bardzo szybko gasić silnik. Włączanie i wyłączanie prawdopodobnie nie jest tym, co silniki lubią najbardziej. Należy jednak wziąć pod uwagę postęp techniczny, na przykład w dziedzinie smarów. Ponadto system Start-Stop wymaga skutecznej ochrony różnych układów, przede wszystkim silnika, przed skutkami częstych wyłączeń. Dotyczy to między innymi zapewnienia dodatkowego wymuszonego smarowania turbosprężarki

Rozrusznik w systemie Start-Stop

W większości stosowanych systemów start-stop silnik uruchamiany jest za pomocą tradycyjnego rozrusznika. Jednak ze względu na znacznie zwiększoną liczbę operacji, ma zwiększoną trwałość. Rozrusznik jest mocniejszy i wyposażony w bardziej odporne na zużycie szczotki. Mechanizm sprzęgła ma przeprojektowane sprzęgło jednokierunkowe, a koło zębate ma poprawiony kształt zęba. Powoduje to cichszą pracę rozrusznika, co jest ważne dla komfortu jazdy przy częstym uruchamianiu silnika. 

Odwracalny generator

Takie urządzenie o nazwie StARS (Starter Alternator Reversible System) zostało opracowane przez firmę Valeo dla systemów Start-Stop. System oparty jest na rewersyjnej maszynie elektrycznej, która łączy w sobie funkcje rozrusznika i alternatora. Zamiast klasycznego generatora można łatwo zainstalować generator rewersyjny.

Urządzenie zapewnia bardzo płynny start. W porównaniu z konwencjonalnym rozrusznikiem nie ma tutaj procesu łączenia. Podczas rozruchu uzwojenie stojana odwracalnego alternatora, który w tym czasie staje się silnikiem elektrycznym, musi być zasilane napięciem przemiennym, a uzwojenie wirnika napięciem stałym. Uzyskanie napięcia AC z akumulatora pokładowego wymaga zastosowania tzw. falownika. Ponadto uzwojenia stojana nie powinny być zasilane napięciem przemiennym poprzez stabilizator napięcia i mostki diodowe. Na ten czas regulator napięcia i mostki diodowe muszą być odłączone od uzwojeń stojana. W momencie rozruchu prądnica rewersyjna staje się silnikiem elektrycznym o mocy 2 - 2,5 kW, rozwijającym moment obrotowy 40 Nm. Pozwala to na uruchomienie silnika w ciągu 350-400 ms.

Po uruchomieniu silnika napięcie prądu przemiennego z falownika przestaje płynąć, a odwracalny generator ponownie staje się alternatorem z diodami podłączonymi do uzwojeń stojana i regulatorem napięcia, który dostarcza napięcie stałe do instalacji elektrycznej pojazdu.

W niektórych rozwiązaniach, oprócz rewersyjnej prądnicy, silnik wyposażony jest również w tradycyjny rozrusznik, który służy do pierwszego rozruchu po długim okresie bezczynności.

Akumulator energii

W niektórych rozwiązaniach systemu Start-Stop oprócz typowego akumulatora występuje również tzw. akumulator energii. Jego zadaniem jest gromadzenie energii elektrycznej w celu ułatwienia pierwszego uruchomienia silnika i ponownego uruchomienia w trybie „Start-Stop”. Składa się z dwóch połączonych szeregowo kondensatorów o pojemności kilkuset faradów. W momencie rozładowania jest w stanie podtrzymać układ rozruchowy prądem o wartości kilkuset amperów.

Warunki pracy

Działanie systemu Start-Stop jest możliwe tylko w kilku różnych warunkach. Przede wszystkim w akumulatorze musi być wystarczająca ilość energii, aby ponownie uruchomić silnik. Ponadto m.in. prędkość pojazdu od pierwszego uruchomienia musi przekroczyć określoną wartość (na przykład 10 km/h). Czas między dwoma kolejnymi postojami samochodu jest większy niż minimum ustawione przez program. Temperatura paliwa, alternatora i akumulatora mieści się w określonym zakresie. Liczba przystanków nie przekroczyła limitu w ostatniej minucie jazdy. Silnik ma optymalną temperaturę roboczą.

To tylko niektóre z wymagań, które muszą być spełnione, aby system działał.