Как работает система старт-стоп в машине, ее назначение, плюсы и минусы

Автор:Иван Баранов

Непрерывное ужесточение экологических требований к автомобилям с двигателями внутреннего сгорания вынуждает автопроизводителей внедрять на своей продукции различные устройства. Одним из таких узлов является система старт-стоп, управляющая работой силового агрегата при простоях в пробках и на светофорах. Благодаря ей повторный пуск мотора выполняется без участия водителя.

[ Скрыть]

Цель изобретения Start-Stop системы

Проведенные исследования режимов движения транспортных средств показали, что до трети времени работы мотор находится на оборотах холостого хода. Это связано с движением в плотном городском трафике с частыми простоями на светофорах. Для сокращения вредных выбросов было предложено ввести автоматическое глушение и запуск силового агрегата.

Компания Toyota начала применять принудительную остановку двигателя на ряде моделей еще в середине 70-х гг.. Но массовое появление старт-стопа относится к периоду времени после 2005 года.

Система позволяет:

• уменьшить расход топлива;
• сократить число выбросов в атмосферу;
• снизить шумность работы автомобиля во время остановок.

Characteristics

Start/stop technology came to Europe first, due to regulatory differences. 25 percent of the New European Driving Cycle (NEDC) is spent idling. In comparison, only an estimated 11 percent of the United States United States Environmental Protection Agency (EPA) test is spent at idle. Start/stop activation depends on specific driver inputs as well as operating conditions. The engine must have reached proper temperature to get adequate light-off of its catalytic converter and also to ensure proper lubrication and as effortless a restart as possible.

With a manual-gearbox car, engine shutdown typically comes with braking to a complete stop, gearbox in neutral and clutch release. Cars with automatic transmissions shut down upon braking to a full stop – the shut down is activated by the footbrake pedal being in use when the car comes to a halt. If the car is slowed initially by manual use of the automatic gear box and final stoppage is by use of the handbrake the engine will not shut down.

Принцип работы системы старт-стоп

Система старт-стоп работает по принципу принудительного окончания работы мотора после остановки автомобиля и повторного автоматического пуска. Прекращение движения транспортного средства фиксируется датчиком скорости, передающим сигнал на блок управления. Одновременно поступает информация о частоте вращения коленчатого вала двигателя. На машинах с ручной коробкой требуется поставить рычаг в нейтральное положение, и отпустить педаль сцепления. Автомобили с автоматической трансмиссией активируют систему по сигналу от удерживаемой педали тормоза.

На основании этих параметров происходит остановка мотора. Работа климатической установки или аудиосистемы продолжается от аккумулятора. При этом на комбинации приборов включается индикатор, информирующий водителя о работе системы.

Для выполнения цикла запуска требуется:

• на автомобилях с механической трансмиссией — нажать на педаль сцепления;
• на авто с автоматической коробкой — отпустить педаль тормоза.

На аккумуляторах автомобилей с системой старт-стоп установлен специальный сенсор, определяющий уровень заряда и возможность повторного запуска мотора. При падении напряжения на клеммах батареи происходит автоматическое выключение системы.

Обзор принципов работы функции Start/Stop на VW Passat седьмого поколения продемонстрирован в видео от канала «Dmitry Force».

History

Carbon monoxide emissions and fuel shortage/oil crisis of the 1970s pushed car manufacturers finding solutions to reduce gas consumption. The first vehicle to use the automatic on/off switch was the six-cylinder Toyota Crown in 1974 and was already claiming a 10-percent gas saving in traffic. In the 1980s, the Fiat Regata “ES” with the City-matic system and Volkswagen Polo “Formel E”[citation needed

] also used a similar technology. The Volkswagen Group also adopted it in the Golf
Ecomatic
in 1994 and in the and the in 1999. Though these early implementations were considered rather disconcerting by many drivers, and high pricing failed to yield these cars much commercial success, both the Volkswagen Lupo and the Audi A2 (in their “3 litre” leverage) were more efficient than any production car available in the US at the time of their release.

Since normes Euro 5, more and more vehicles include such system, whatever the price level. The Valeo system is included in Citroën, Peugeot, Smart, Land Rover, Volvo, while the Bosch system is included in Volkswagen, SEAT, Nissan or Fiat with various motorizations including essence and Diesel. In 2010, Valeo declared its second Start-Stop generation would appear in the same year. This new generation is called « i-StARS ». Bosch did the system works with automatic cars.

The Smart Idle Stop System

Mazda system avoids electrical restart: at stop, the motor is stopped in a configuration which allow immediate starting in 0.35 seconds.

The ISG EcoDynamics system provided by Kia uses Bosch, Valeo and Varta components.

Конструкция системы

В системе используется большое количество датчиков и блоков управления. Перечисление и схема касаются автомобилей концерна Volkswagen, поскольку они являются наиболее распространенными машинами с системой старт-стоп. Продукция других производителей транспортных средств имеет незначительные конструктивные отличия.

Принципиальная схема компонентов системы старт-стоп

В состав системы входят следующие компоненты:

Кроме того, в системе используются:

• 1 — усилитель рулевого управления;
• 2 — датчик скорости;
• 3 — различные датчики на двигателе;
• 4 — сенсор застегнутого ремня безопасности водителя;
• 5 — климатическая установка;
• 6 — клемма 50R;
• 7 — клемма 30;
• 8 — бортовая мультимедийная система.

Для обеспечения повышенного числа запусков двигателя применяются аккумуляторы с наполнителем из стекловолокна (EFB). Электролит в таких устройствах находится внутри пор стекловолоконной ткани, проложенной между пластинами батареи. Аккумуляторы не требуют обслуживания и обеспечивают повышенную силу тока при запуске.

Схема конструкции батареи EFB

Другим отличием машин с системой старт-стоп является генератор и регулятор напряжения, подключенные через цифровую шину данных. Подобное подсоединение позволяет контролировать параметры работы узлов и использовать эти данные при работе системы. Стартер обладает повышенной прочностью и износостойкостью. Обмотки приспособлены к многократным повторным пускам через малые промежутки времени.

В состав электроники входит специальный стабилизатор напряжения с выходной мощностью 180-300 Вт. Внутри установлен накопитель электрической энергии, которая передается в бортовую сеть через электронный выпрямитель. Устройство сглаживает пульсации напряжения в моменты срабатывания стартера. Благодаря этому, при работе старт-стопа не происходит отключения мультимедийной системы, комбинации приборов и ламп внешнего освещения.

На ряде автомобилей (например, Honda или Mercedes-Benz) встречается система старт-стоп, построенная на базе реверсивного генератора. Устройство оборудовано усиленным приводным ремнем и натяжителем особой конструкции. Переключаемое натяжное приспособление позволяет электрической машине работать в режиме генератора или стартера. Плюсом конструкции является бесшумность работы и быстрота срабатывания (в 2 раза быстрее, чем при обычном стартере).

Система с реверсивным генератором

Японская компания Mazda предлагает оригинальную систему, построенную на принципе впрыска и воспламенения топливной смеси в цилиндрах. Остановка мотора выполняется по сигналу от датчиков, при этом поршни останавливаются в определенном положении. После подачи сигнала на пуск, происходит опрос положения поршней. По полученным данным блок управления осуществляет впрыск топлива в цилиндры и воспламенение в заданной последовательности. Дополнительный импульс коленчатому валу дает стартер, подключаемый на короткое время.

Система старт-стоп от Mazda

Гидравлическая альтернатива

Для сегмента тяжелого коммерческого транспорта, на долю которого приходится порядка 30 % вредных выбросов, предназначена разработка — гидравлическая система «CleanStart». Главным компонентом «CleanStart» является лёгкий и компактный гидромотор-стартёр, который можно установить непосредственно на коленчатом валу и тем самым свести к минимуму механические потери. Свойства, присущие гидростатическому приводу (момент в данном случае достигает 800 Н∙м), позволяют запускать тяжёлые двигатели объёмом до 16 литров практически мгновенно (время пуска составляет 0,4 секунды) без шума и вибрации. Поэтому данная разработка особенно заинтересовала производители автобусов, силовой агрегат которых можно выключать не только в ожидании разрешающего сигнала светофора, но и во время посадки и высадки пассажиров на остановке. Здесь система старт-стоп даёт ещё больше преимуществ, чем в сегменте легкового транспорта.

Контур системы «CleanStart» помимо гидромотора мощностью 15 кВт включает ещё несколько элементов: насос (может использоваться существующий гидронасос, питающий различные виды вспомогательного оборудования), управляющий клапан, гидравлический аккумулятор [2] и бак. Пока работает насос, электромагнитный клапан направляет часть потока рабочей жидкости в гидроаккумулятор, где масло через разделительную мембрану сжимает газообразный азот. Запасённая таким образом энергия без потерь на различные преобразования сохраняется для последующего старта. Разрядом управляет пропорциональный клапан, причем мощности хватает не на один, а на несколько пусков, общий же ресурс системы составляет порядка 4 млн. циклов. Важно и то, что гидроаккумулятор позволяет производить быстрые циклы заряда и разряда, не требует обслуживания и по сравнению с химическими источниками энергии имеет более высокую удельную мощность. Но если говорить о системе «CleanStart» в целом, то она всё же уступает своим конкурентам по массогабаритным характеристикам — снаряжённая масса транспортного средства при оснащении гидростартёром увеличивается примерно на 40 кг, однако для автобуса или грузовика это не слишком большое увеличение массы.

По данным разработчика, у автобуса, оснащённого системой «CleanStart», в условиях городского цикла (12 остановок продолжительностью 15 секунд на дистанции 7 км) расход топлива сокращается более чем на 10 %. Учитывая, что оборудование может монтироваться не только на новые, но и на находящиеся в эксплуатации транспортные средства, эту систему можно считать серьёзным резервом для улучшения экологии.

Условия для активации системы

После включения зажигания производится опрос бортовой сети с целью обеспечения условий активации системы:

• автомобиль неподвижен;
• двигатель работает на холостом ходу;
• система охлаждения прогрета до определенной температуры (15-25ºС, зависит от производителя автомобиля);
• тормозная система исправна (на ряде авто производится замер давления в вакуумном усилителе тормозов);
• батарея автомобиля достаточно заряжена и прогрета;
• корректно настроена система микроклимата (разница между внешней и внутренней температурой не больше определенного значения, обычно порогом является 5-6ºС);
• на дизельном моторе проверяется состояние регенерации сажевого фильтра (во время процедуры старт-стоп отключается);
• водитель пристегнут ремнем безопасности;
• закрыты внешние панели кузова (двери, капот);
• педаль сцепления выжата и рычаг коробки находится в нейтрали (для механической трансмиссии);
• педаль тормоза полностью отпущена (для автоматических коробок передач).

Несоблюдение хотя бы одного из перечисленных условий приводит к выключению системы старт-стоп. Повторная инициализация возможна только после перевключения системы зажигания.

Enhanced components

The system needs to be implemented in conjunction with modifications and reinforcements on many of the car’s components in order to reinforce the engine and electrical system durability and long-term wear resistance, due to the increased loads that the added stopping and starting cycles impose. To accomplish similar levels of durability, comfort and user experience to that of older cars without the system, the car’s manufacturer can include one or more of the following enhancements in the car’s industrial design:

• The engine main (crankshaft) bearings are coated with special polymers that have properties of dry lubricants, such as Polyamide. This aids the lack of the motor oil film and hydrodynamic lubrication when the crankshaft stops, preventing metal-to-metal contact that would otherwise produce accelerated wear on the bearing surfaces.
• The main battery is either or EFB technology, both supporting an increased number of charging cycles and increased load. This is important because all the car’s electrical system must be maintained by the battery after the alternator stops generating current.
• The starter is reinforced and designed to withstand continuous use without wearing too fast or overheating.
• An independent cooling circuit is added in conjunction with an electrical runoff water pump that keeps on running when the main mechanical pump goes out. This ensures the coolant supply to heat sensitive engine components like turbocharger bearings and to keep cabin temperature in winter time.
• Special sensors and ECUs can be added to ensure proper system running conditions, and to keep parameters between tolerance like a good battery charge, essential to guarantee future starts.

Преимущества и недостатки системы старт-стоп

По отзывам владельцев можно выделить следующие плюсы от использования системы:

• сокращение расхода топлива и, как следствие, выбросов вредных веществ в атмосферу;
• использование улучшенной батареи и мощного стартера упрощает запуск двигателя при низкой температуре воздуха.

Недостатков отмечается гораздо больше:

1. Система обеспечивает хорошие параметры экономии только при движении от светофора к светофору. При движении в затяжных пробках, когда автомобиль проезжает по несколько метров и останавливается, старт-стоп менее эффективен. Дополнительно, от частых срабатываний стартера падает уровень заряда батареи, который не успевает восполняться. В итоге система автоматически отключается. Проведенные тесты показали, что эффективность старт-стопа в указанных ситуациях отличается в 2 раза.
2. Повышенная нагрузка на аккумулятор, что приводит к его быстрому износу. Стоимость же EFB-батареи на 50-60% выше, чем у обычных.
3. Установка усиленного стартера, способного выполнять частые пуски. Устройство имеет высокую стоимость.

Комбинированный вариант переделки

Как показывает практика, комбинированную схему переделки может воплотить в реальность даже начинающий автомобилист, который хоть немного знаком с электрическим устройством своего ТС. Для этого придется обзавестись следующими комплектующими:

• реле ЗПТФ;
• 4-контактное реле;
• 5-контактное реле;
• кнопка запуска и выключения ДВС;
• диоды и клеммы.

Подготовив все необходимое, включая инструменты (кусачки, плоскогубцы, изолирующая лента), следует произвести соединение контактов по схеме с дальнейшим монтажом диода, который можно устанавливать практически в любом месте.

Отключение старт-стоп системы

Несмотря на преимущества, которые дает система, иногда требуется ее отключить:

1. Изготовители автомобилей предусмотрели специальную кнопку, нажатием которой водитель отключает систему старт-стоп. Однако эта функция работает только в пределах одного цикла включения зажигания. При повторном запуске мотора требуется снова нажимать кнопку.
2. Возможен обход запуска системы при помощи отключения сигнального провода от датчика уровня заряда батареи. При этом на комбинации приборов будут появляться иконки, указывающие на попытки срабатывания старт-стопа. В памяти блока управления будет присутствовать ошибка, однако она не скажется на характеристиках автомобиля. Отрицательным моментом станет отсутствие связи электроники с аккумулятором, что не позволит автомобилю автоматически контролировать уровень заряда. На ряде автомобилей Volkswagen возможно отключение иконок на комбинации приборов через диагностический интерфейс. Однако эта возможность зависит от версии установленной на машине комбинации приборов.
3. Отключить старт-стоп возможно путем снятия штекера от кнопки управления функцией. Блок управления фиксирует обрыв в цепи и отключает систему.
4. Впайка конденсатора в цепь управления кнопкой. Дополнительная емкость эмулирует ситуацию запуска мотора нажатием кнопки. Блок управления, получая такой сигнал, деактивирует систему. Способ решения подходит не для всех автомобилей.
5. На некоторых автомобилях Volkswagen возможно полное отключение системы диагностической программой «ВАСЯ-диагност». Операция проводится в специализированных центрах или самостоятельно, если владелец имеет оборудование и может им пользоваться.

Примечания

1. ↑
2. ↑
3. (англ.). Bosch. Дата обращения 7 ноября 2015.
4. ↑ (англ.). Volvo. Дата обращения 7 ноября 2015.
5. Ali Emadi.
   Advanced Electric Drive Vehicles. — CRC Press, 2014. — С. 346. — 616 с. — ISBN 9781466597693.
6. John Fordham.
   (англ.). The Independent (23 октября 2011). Дата обращения 7 ноября 2015.
7. C2 gets Stop & STart technology // Autocar. — Haymarket Motoring Pub., 2006. — С. 19-20.
8. (англ.). Valeo. Дата обращения 6 декабря 2015.
9. (англ.). PR Newswire / DENSO International America, Inc.. Дата обращения 6 декабря 2015.
10. DK Publishing.
    Car: The Definitive Visual History of the Automobile. — Penguin, 2011. — С. 101. — 360 с. — ISBN 9780756689384.
11. Eric Loveday.
    (англ.). AutoBlog. Дата обращения 6 декабря 2015.
12. (англ.). BMW. Дата обращения 6 декабря 2015.
13. (англ.). Mercedes-Benz. Дата обращения 6 декабря 2015.
14. (англ.). Mazda. Дата обращения 6 декабря 2015.
15. (англ.). Mazda. Дата обращения 6 декабря 2015.
16. (англ.). Volkswagen. Дата обращения 6 декабря 2015.
17. (нем.). KIA. Дата обращения 6 декабря 2015.
18. (англ.). Hyundai. Дата обращения 6 декабря 2015.
19. (англ.). Peugeot. Дата обращения 6 декабря 2015.
20. (нем.). Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG – Porsche Deutschland. Дата обращения 23 июня 2016.

Фотогалерея

Стартер для системы старт-стоп

Внешний вид реверсивного генератора

Кнопка отключения системы

Индикация работы старт-стоп на экране комбинации приборов