Устройство и принцип работы системы «старт-стоп»
В крупных городах дорожные заторы стали частью обыденной жизни автомобилистов. Пока автомобиль стоит в пробке, двигатель продолжает работать на холостом ходу и потреблять топливо. Чтобы снизить расход и уменьшить выброс вредных веществ, автомобильные разработчики создали новую систему «старт-стоп». Производители в один голос говорят о пользе данной функции. На деле система имеет немало недостатков.
История появления системы «старт-стоп»
В условиях роста цен на бензин и дизель вопрос экономии топлива и уменьшения расхода остается актуальным для большинства автомобилистов. В то же время передвижение в городе всегда связано с регулярными остановками на светофорах, часто – с ожиданием в пробках. Статистика гласит: двигатель любого автомобиля до 30% времени работает вхолостую. При этом расход топлива и выброс вредных веществ в атмосферу продолжается. Задача автопроизводителей – постараться решить эту проблему.
Первые разработки по оптимизации работы автомобильных двигателей начала компания Toyota в середине 70-х годов прошлого столетия. В качестве эксперимента производитель стал устанавливать на одну из своих моделей механизм, отключающий мотор после двух минут простоя. Но система не прижилась.
Спустя несколько десятилетий французский концерн Citroen ввел в эксплуатацию новое устройство Start Stop, которое постепенно стало устанавливаться на серийных автомобилях. Сначала им оборудовали только транспортные средства с гибридным мотором, но потом начали применять и в автомобилях с обычным двигателем.
Наиболее значимых результатов удалось добиться компании Bosh. Система «старт-стоп», созданная этим производителем, наиболее проста и надежна. Сегодня ее устанавливают на свои автомобили автоконцерны Volkswagen, BMW и Audi. Создатели механизма уверяют, что устройство способно снизить расход топлива на 8%. Однако реальные цифры гораздо ниже: в ходе экспериментов было выяснено, что потребление топлива уменьшается лишь на 4% в условиях повседневной городской эксплуатации.
Многие автопроизводители также создали свои уникальные механизмы остановки и запуска двигателя. К ним относятся системы:
- ISG (Idle Stop&Go) от Kia;
- STARS (Starter Alternator Reversible System), устанавливаемая на автомобилях марки Mercedes и Citroen;
- SISS (Smart Idle Stop System), разработанная компанией Mazda.
Принцип работы устройства
Главная задача системы «старт-стоп» – снизить расход топлива, уровень шума и выброс вредных веществ в атмосферу во время работы мотора на холостом ходу. Для этих целей предусмотрено автоматическое отключение двигателя. Сигналом для этого может стать:
- полная остановка транспортного средства;
- нейтральное положение рычага выбора передач и отпускание педали сцепления (для машин с МКПП);
- нажатие на педаль тормоза (для транспортных средств с АКПП).
В то время, когда двигатель выключается, питание всей автомобильной электроники осуществляется с помощью аккумуляторной батареи.
После повторного запуска двигателя машина спокойно трогается с места и продолжает поездку.
- В автомобилях с механической коробкой передач механизм запускает работу мотора при выжиме педали сцепления.
- Двигатель в машинах с АКПП вновь начинает работу после того, как водитель убирает ногу с педали тормоза.
Устройство механизма «старт-стоп»
Конструкция системы «старт-стоп» состоит из электронного управления и устройства, обеспечивающего многократный запуск ДВС. В качестве последнего чаще всего используются:
- усиленный стартер;
- реверсивный генератор (стартер-генератор).
Так, например, в системе «старт-стоп», созданной компанией Bosh, применяется специальный стартер с увеличенным сроком службы. Устройство изначально рассчитано на большое количество запусков ДВС и оборудовано усиленным механизмом привода, обеспечивающим надежный, быстрый и тихий запуск мотора.
В задачи электронного управления входит:
- своевременная остановка и запуск двигателя;
- постоянный контроль заряда аккумулятора.
Конструктивно система состоит из датчиков, блока управления и исполнительных механизмов. В число устройств, посылающих сигналы в блок управления, входят датчики:
- вращения колес;
- оборотов коленчатого вала;
- нажатия на педаль тормоза или сцепления;
- нейтрального положения в коробке передач (только для МКПП);
- заряда аккумуляторной батареи и т.д.
В качестве устройства, принимающего сигналы датчиков, в системе «старт-стоп» используется блок управления двигателем с установленным в нем программным обеспечением. Роли исполнительных механизмов выполняют:
- форсунки системы впрыска; ;
- стартер.
Включить и деактивировать систему «старт-стоп» можно с помощью кнопки, расположенной на панели приборов или в настройках автомобиля. Однако, если заряд аккумулятора будет недостаточным, механизм будет отключен автоматически. Как только батарея зарядится в нужном объеме, система запуска и выключения двигателя снова начнет работать.
«Старт-стоп» с рекуперацией
Наиболее современной разработкой является система «старт-стоп» с рекуперацией энергии при торможении. При большой нагрузке на ДВС генератор отключается в целях экономии топлива. В момент торможения механизм снова начинает работать, в результате чего происходит зарядка аккумуляторной батареи. Так осуществляется рекуперация энергии.
Отличительная особенность подобных систем – применение реверсивного генератора, который также способен работать стартером.
Система «старт-стоп» с рекуперацией может работать, когда заряд АКБ составляет не менее 75%.
Слабые стороны разработки
Несмотря на явные плюсы использования системы «старт-стоп», механизм имеет важные недостатки, которые стоит учесть автовладельцам.
- Большая нагрузка на аккумулятор. Современные автомобили оснащены огромным количеством электронных приборов, за работу которых при остановке двигателя должен отвечать аккумулятор. Такая сильная нагрузка не идет на пользу батарее и быстрее выводит ее из строя.
- Вред для турбированных моторов. Регулярное резкое выключение двигателя с нагретой турбиной недопустимо. Несмотря на то, что в современные автомобили с турбинами устанавливаются турбокомпрессоры на шарикоподшипниках, они лишь уменьшают риск перегрева турбины при резком выключении мотора, но не исключают его полностью. Поэтому владельцам таких транспортных средств лучше отказаться от применения системы «старт-стоп».
- Больший износ двигателя. Даже если на автомобиле нет турбины, долговечность работы мотора, запускающегося при каждой остановке, может значительно снизиться.
Учитывая все плюсы и минусы применения системы «старт-стоп», каждый автовладелец решает для себя, стоит ли экономить довольно незначительное количество топлива или же лучше позаботиться о надежной и долговечной работе мотора, оставляя его работать на холостом ходу.
Система старт-стоп – как это работает?
Автомобильные пробки в крупных городах, тысячи светофоров на перекрестках и пешеходных переходах привели к тому, что автомобиль за все время эксплуатации около 30% времени работает на холостом ходу, стоя на месте. Миллионы тонн топлива сжигаются впустую, загрязняя выхлопами воздух. Как же с этим бороться?
Поиски решения данной проблемы начались еще в 70-е годы прошлого века в компании Toyota. Но полноценную и удобную систему «старт-стоп» удалось интегрировать в автомобили только в начале 2000-х годов немецкому и французскому автопрому. На данный момент практически 50% новых машин, сходящих с конвейера автопроизводителей, имеют данную систему как опцию.
Для чего нужна функция старт-стоп
Данная функция, установленная на автомобиле, необходима прежде всего для экономии топлива и уменьшения вредных выбросов в атмосферу. Ведь двигатель, во время простоя машины в пробке или на светофоре продолжает работать и выделять вредные вещества.
Во многих государствах на законодательном уровне требуется внедрение этих систем на стадии производства, чтобы соответствовать экологическим нормам Euro-4. Для автовладельцев опять же – польза, ведь эта функция позволяет сэкономить от 4 до 8 процентов топлива.
Как работает система старт-стоп
Принцип работы системы «старт-стоп» достаточно прост. Если автомобиль остановился более чем на 30 секунд при нажатой педали тормоза с автоматической коробкой передач или переведенной на нейтраль передаче механической коробки, двигатель автоматически отключается. Генератор при этом не работает, и вся бортовая сеть питается от аккумулятора.
Когда водитель убирает ногу с педали тормоза (АКПП) или нажимает педаль сцепления (механика), стартер запускает двигатель и машина едет дальше.
Данную опцию можно отключить принудительно кнопкой. Но не постоянно, а на одну поездку, так как алгоритм работы функции прописан в бортовом компьютере.
Старт-стоп с рекуперацией
Система «старт-стоп» с рекуперацией энергии является наиболее современной, но и более дорогостоящей в обслуживании.
На автомобиле вместо отдельных стартера и генератора применяется реверсивный генератор, который в момент торможения позволяет вырабатывать дополнительную энергию. Помимо рекуперации энергии реверсивный генератор выполняет функцию стартера при запуске двигателя. Вся система регулируется электронным блоком управления двигателем.
Плюсы и минусы технологии
Безусловно, каждый автолюбитель вправе выбирать, пользоваться ли такой технологией, у которой вполне достаточно как положительных, так и отрицательных свойств.
К плюсам можно смело отнести:
- Экономия топлива;
- Уменьшение вредных выбросов в атмосферу;
- Хотелось бы добавить еще чего-нибудь, но не нашлось…
Теперь перейдем к минусам функции «старт-стоп».
- Серьезная нагрузка на аккумулятор. Современные авто, оснащенные огромным числом электроники, во время включения данного режима запитаны только от АКБ. Да и количество запусков двигателя за одну поездку через город в час пик может приблизится к пятидесяти.
- Благодаря частым запускам «старт-стоп» убивает двигатель. Недаром говорят, что один запуск ДВС равнозначен 30 км пробега.
- Особенно вредна данная система для турбированных моторов. Резкая остановка двигателя увеличивают риск перегрева турбины и выхода ее из строя.
Почему лучше всего для автомобиля с технологией старт-стоп подходят AGM аккумуляторы?
Автомобили, оснащенные системой «старт-стоп» требуют и установки особой аккумуляторной батареи. Как правило, это AGM технология.
В батареях AGM между пластинами находится пористое стекловолокно, пропитанное электролитом. Всё это достаточно плотно спрессовано. Именно поэтому такие АКБ выдерживают довольно большое количество циклов «заряд-разряд», они достаточно быстро способны возобновить потраченную энергию. Срок службы этих аккумуляторов доходит до 10 лет.
Во время работы системы «старт-стоп», особенно при поездке в городском режиме, происходит многократная остановка и запуск двигателя. При этом, когда двигатель заглушен, все бортовые системы запитаны только на аккумулятор. Естественно, что обычная кислотная батарея не выдержит и полгода такого режима.
Один из пионеров «старт-стоп», концерн BMW еще с 2003 года начал комплектовать свои автомобили на сборочном конвейере аккумуляторами, произведенными по технологии AGM. Это продукция австрийского завода Banner.
Аккумулятор Banner Running Bull AGM имеет емкость 90А/ч и ток холодной прокрутки 900А. Рекомендован для использования на автомобилях с системой «старт-стоп».
Российские автопроизводители также не отстают от прогресса. Предприятие АКОМ наладило выпуск батарей AGM. Один из примеров АКБ с этой технологией –AKOM Ultimatum. Емкость 70А/ч, пусковой ток 760А.
В конце статьи хотим обратить Ваше внимание на важную деталь. Если на сборочном конвейере автомобиль комплектовался аккумулятором AGM, разработанном для системы «старт-стоп», менять его нужно точно на такой же.
О системах рекуперации энергии в автомобилях bmw и других
Может, это покажется странным, но автомобиль можно рассматривать как устройство для напрасного расходования энергии. Так, кпд бензиновых ДВС по оценкам экспертов составляет максимум тридцать три процента, причем часть ее теряется через систему охлаждения, часть – через систему выхлопа, а часть при торможении и разгоне, а также в пробках. Чтобы уменьшить потери, используется рекуперация энергии.
Рекуперация в автомобиле
При движении на автомобиле, особенно в условиях города, почти постоянно приходится разгоняться и тормозить. При разгоне мощность мотора тратится на увеличение скорости, а при торможении кинетическая энергия разогнавшегося авто просто теряется. Вот для того, чтобы частично ее использовать, существует система рекуперации энергии, благодаря которой осуществляется зарядка АКБ.
Наиболее простым способом это реализуется на гибридном автомобиле. При обычном режиме движения вспомогательный ДВС вращает генератор. Тяговые моторы получают от него питающее напряжение и крутят колеса. Когда машина тормозит, то генератор отключается, и уже колеса крутят тяговые моторы, а они начинают работать как генератор и вырабатывают электроэнергию, которая сохраняется аккумулятором. Вот таким образом в системе рекуперации, энергия торможения становится электроэнергией.
Подобный подход к использованию торможения возможен не только на гибридном автомобиле. Например, на многих машинах семейства bmw реализуется аналогичный способ, только несколько измененный. На некоторых моделях bmw при разгоне генератор не работает, что позволяет уменьшить нагрузку на двигатель, а также снизить потребление горючего. Когда же водитель начинает процесс торможения, то подключается генератор и начинает подзарядку АКБ.
Применение подобным образом рекуперации энергии торможения в автомобиле, для зарядки аккумуляторов, с питанием от них в дальнейшем бортовой электроники, достаточно традиционно. Как уже отмечалось, это позволяет добиться экономии топлива и повысить динамические характеристики, за счет расходования мощности двигателя исключительно на движение. Однако, это не единственный подход, который реализуют изготовители для рационального использования энергии на автомобиле в процессе торможения.
Система старт стоп с рекуперацией
Она реализована на машинах многих семейств – BMW, Audi и другие, успешно ее применяют в конструкции своих авто. Чаще всего ее назначение – экономия топлива, но зачастую при этом она работает совместно с режимом рекуперации энергии. Исследования показали, что до тридцати процентов времени, мотор работает на холостом ходу из-за остановок на светофорах, пробок и других помех движению. Вот в таких условиях применяется режим старт стоп.
Основой его является такой подход – при остановке (в пробке, на светофоре и т.д.) мотор глушится (стоп), а при необходимости начать движение запускается (старт). Все эти действия выполняет электроника, анализируя показания датчиков о режиме работы двигателя и выполняемых водителем действиях. В некоторых случаях этот процесс дополняется рекуперацией, торможение также способствует получению дополнительной зарядки АКБ.
Для того чтобы система, названная по используемому режиму старт стоп, работала успешно, необходимо наличие на машине усиленного стартера или стартер-генератора. В самом простом варианте система, принцип работы которой описан выше, позволяет экономить до восьми процентов топлива, а также снижает содержание вредных веществ в составе выхлопных газов. По оценкам специалистов, в ближайшем будущем не только машины BMW или Audi смогут работать в режиме старт стоп, но подобное станет чуть ли не обязательным для всех производителей.
Однако у ряда из них, система рекуперации энергии дополняет описанный подход. Да и не только рекуперация энергии торможения.
Управление работой генератора
Частично этот режим был затронут ранее, когда рассматривалась рекуперация на автомобилях BMW. Речь идет о том, что генератор отключается, когда машина разгоняется, что совместно с работой мотора в режиме старт стоп дает возможность снизить расход топлива. А вот при сбросе скорости подключается генератор и осуществляется зарядка АКБ.
Однако существуют условия, при которых старт стоп блокируется. Одним из них является уровень заряда аккумулятора. Когда он опускается до величины равной семидесяти пяти процентов от номинальной, то система отключается. Кроме того, водитель может принудительно отключить режим старт стоп с панели управления.
За и против подобной экономии
Стоит отметить, что не все так просто.
- Причина в том, что движение в режиме ускорение — торможение даже в городском цикле составляет малую часть от всего времени. Из-за этого рекуперация оказывается неэффективной и не обеспечивает в достаточной мере зарядку АКБ, а только вызывает усложнение машины.
- Тем не менее, на гибридных автомобилях рекуперация дает до тридцати процентов экономии энергии. В то же время надо учесть, что ведущими производителями – BMW, Audi, Kia Motors и другими, рекуперация достаточно широко внедряется в том или ином виде, в конструкции своих авто.
Очень широко рекуперация применяется на гоночных машинах, таких как Формула 1, на гибридных автомобилях, но и обычные авто, оснащенные подобными системами, позволяют более эффективно расходовать горючее и обеспечивают его экономию за счет использования энергии торможения и специальных режимов движения.
Что такое рекуперация торможения в электромобилях
Вопрос об экономии топлива, потребляемого современными автомобилями, в наши дни становится все более актуальным. Одним из эффективных способов решения этой непростой задачи является система рекуперации энергии при торможении.
Тормоза являются очень важной частью любого автомобиля. От их исправной работы во многом зависит безопасность движения. Однако, редко кто из водителей задумывался, насколько много энергии расходуется «впустую» при торможении. От трения тормозных колодок о диски выделяется значительное количество тепла, которое просто уходит на обогрев окружающего воздуха. А что если эту энергию аккумулировать и использовать повторно? Все возможно и процесс этот называется рекуперацией (то есть, частичный возврат энергии). Такие системы уже довольно давно устанавливают при производстве «гибридов» и электромобилей. В нашей обзорной статье мы постараемся кратко рассказать о разнообразных способах рекуперации.
Разновидности систем рекуперации энергии
По способу возврата энергии торможения различают три основных разновидности таких систем:
- электрические;
- механические;
- гидравлические.
Первые в настоящее время достаточно широко применяют на обычных легковых автомобилях (в основном, гибридных и электрических). Вторые используют только для спортивных болидов. Третьи в последнее время находят применение на большегрузных коммерческих грузовиках и городских автобусах.
Система рекуперации на «гибридах» и электромобилях
На данных автомобилях устанавливают электрические системы возврата энергии. Как это работает? Сначала немного теории. Любой электродвигатель постоянного тока при подаче на него напряжения начинает вращаться и работать как мотор. Если же раскрутить его вал механическим способом, то на клеммах вырабатывается напряжение. То есть, электромотор может выполнять одновременно две функции: в первом случае двигателя, а во втором генератора. Этот принцип и лег в основу электрических систем рекуперации энергии, который с успехом реализуют на электро- и гибридных автомобилях. Ведь и те и другие изначально оборудованы электродвигателями, которые довольно просто перевести в режим генератора. Принцип работы таких систем достаточно прост:
- При наборе скорости (то есть при нажатии на педаль газа) электродвигатель питается от аккумуляторной батареи и передает через трансмиссию вращательный момент на колеса автомобиля.
- В момент торможения встроенная электроника переключает его в режим генератора.
- Усилие, необходимое для его «раскручивания» замедляет вращение трансмиссии и способствует процессу остановки транспортного средства.
- Вырабатываемое мотором/генератором напряжение через специальный контроллер подзаряжает аккумуляторную батарею. То есть, часть энергии удается возвратить для ее последующего использования.
Важно! Естественно, при экстренном торможении рекуперативная система не может резко остановить автомобиль. Вследствие этого полностью отказываться от привычных конвекционных тормозов нельзя. Поэтому в зависимости от степени нажатия на педаль тормоза встроенный компьютер «принимает решение» и подключает в помощь к рекуперативному торможению стандартную тормозную систему автомобиля.
Достоинствами применения электрических систем рекуперации энергии являются:
- для электромобилей – увеличение автономности без очередной подзарядки аккумуляторных батарей;
- для гибридных транспортных средств – снижение расхода топлива.
Система рекуперации на автомобилях со «Старт-Стопом»
Любому автомобилисту известно, что при запуске двигателя происходит наибольший расход энергии аккумулятора. Транспортные средства, оборудованные системой «Старт-Стоп», отличаются тем, что после каждой остановки мотор автоматически глушится и потом при возобновлении движения заводится. То есть, батарея быстро теряет свою емкость и «требует» подзарядки. А времени, чтобы это сделать (с помощью штатного генератора) в условиях коротких пробегов и частых остановок на светофорах и в пробках, может просто не хватить. И вот тут электрическая система рекуперации смогла бы обеспечить дополнительный заряд аккумулятора. Существенным минусом ее применения на автомобилях «Старт-Стоп» является удорожание самого транспортного средства за счет установки специального генератора (подключаемого непосредственно к трансмиссии в момент торможения) и усложнение всей электронной «начинки».
SMART системы рекуперации
Как работает эта так называемая «умная» система? При разгоне транспортного средства, когда двигатель испытывает повышенные нагрузки, происходит отключение штатного генератора. Это позволяет мотору быстрее набрать обороты и израсходовать меньше топлива. При торможении генератор включается в работу и происходит рекуперация энергии. В процессе движения электроника «отслеживает» величину емкости батареи. При ее уменьшении (до 75% от номинальной) автоматически включает генератор, чтобы произвести подзарядку аккумулятора.
Система рекуперации с накопительным конденсатором
Период торможения автомобиля длится достаточно короткое время. Поэтому из-за технологических особенностей устройства современных аккумуляторных батарей (а вернее химических процессов, происходящих при их подзарядке) сохранить большое количество энергии в них довольно трудно. Компания Mazda разработала систему рекуперации с использованием накопительного конденсатора. В процессе торможения специальный генератор с напряжением 12÷25 В за короткий отрезок времени заряжает емкость. Далее накопленная энергия через конвертор (DC/DC) преобразуется в привычные 12 В и поступает либо на различные потребители (кондиционер, CD-плейер и так далее), либо подзаряжает штатную аккумуляторную батарею. По утверждению производителя экономия топлива составляет не менее 10%.
Механическая рекуперация
Механический способ рекуперации кинетической энергии:
- В момент торможения специальный маховик, установленный в заполненном вакуумом кожухе (для снижения потерь от трения), раскручивается до значительных оборотов (50000÷70000 об/мин).
- При старте энергия от вращающегося маховика передается на колеса автомобиля в течение нескольких секунд и «помогает» двигателю «разогнать» авто до нужной скорости. Это приводит к тому, что в момент трогания с места автомобиль получает дополнительные 70÷80 лс мощности.
Для информации! Экспериментальный прототип Volvo S60 с карбоновым маховиком Ø=20 см и весом всего 6 кг) разгонялся до скорости в 100 км/час всего за 5,5 сек. При испытаниях в так называемом городском цикле (с большим количеством остановок) экономия топлива составила 25% (по сравнению с базовой комплектацией).
В настоящее время такой вид рекуперации энергии нашел свое практическое применение только в болидах Формулы-1, а также в эксклюзивных моделях от Porsche и Ferrari. Но инженеры-автомобилестроители считают, что в будущем такие системы могут быть установлены и на обычных городских легковых автомобилях.
Гидравлическая система рекуперации
Автомобиль с гидравлической системой рекуперации энергии оборудован специальным мотором-помпой и двумя гидро аккумуляторами (низкого и высокого давления). Принцип работы:
- При нажатии на педаль тормоза помпа подключается к трансмиссии автомобиля и перекачивает жидкость из гидро аккумулятора низкого давления в баллон, заполненный газообразным азотом (который является своего рода накопителем энергии). Газ при этом сжимается и давление в емкости повышается. Усилие, необходимое для работы помпы замедляет движение автомобиля и «помогает» его остановить.
- До тех пор, пока водитель снова не нажмет на педаль газа, жидкость остается под давлением в аккумуляторе. После этого она поступает в мотор-помпу и передает (через трансмиссию) сохраненную энергию на колеса автомобиля.
Разработчики утверждают, что использование таких систем рекуперации позволяет «вернуть» в автомобиль до 80% энергии, обычно затрачиваемой «впустую» при торможении. Однако значительные размеры и вес дополнительного оборудования, которое необходимо установить на автомобиль для реализации такой системы рекуперативного торможения, ограничивают ее применение. Поэтому в настоящее время ее используют только на большегрузных транспортных средствах и общественном городском транспорте, работающим в режиме частых остановок и возобновления движения.