Systemy „start-stop”. Wyłączać czy nie?

Idea wyłączania silnika w momentach, gdy pracuje on bezużytecznie, choćby pod czerwonym sygnalizatorem czy w korku, liczy sobie kilkadziesiąt lat. Toyota opracowała taki system w 1964 r. i testowała go do połowy lat siedemdziesiątych w modelu Crown. Elektronika automatycznie wyłączała silnik po 1,5 s jałowej pracy. Podczas testów na ulicach Tokio uzyskano podobno 10-procentową oszczędność paliwa, co było znakomitym wynikiem, a jednak japońska firma nie była wśród pionierów seryjnie montujących takie urządzenia.

W latach osiemdziesiątych możliwość zatrzymywania silnika na postojach pojawiło się w Fiacie Regata ES (Energy Saving) z systemem Citymatic, produkowanym od 1985 do 1987 r. O wyłączeniu decydował kierowca, mający do dyspozycji specjalny przycisk. By ponownie uruchomić silnik musiał nacisnąć pedał „gazu”. Podobne rozwiązanie w latach osiemdziesiątych przyjął Volkswagen, zaś firma Hella produkująca samochodowy osprzęt elektryczny zdecydowała się w swoim systemie na wyłączanie i włączanie silnika przyciskiem.

Pierwszym seryjnym modelem z systemem start-stop, który automatycznie wyłączał silnik w określonych sytuacjach, był Golf trzeciej generacji w wersji Ecomatic, wprowadzony na rynek jesienią 1993 r. Wykorzystano w nim doświadczenia zebrane podczas prac przy prototypie Öko-Golf, bazującym na Golfie drugiej generacji. Wyłączanie silnika następowało nie tylko po 5 s pracy silnika na biegu jałowym, ale również podczas jazdy, gdy kierowca nie naciskał pedału ”gazu”. Ponowne naciśnięcie pedału ponownie włączało wolnossącego diesla. By włączyć silnik wyłączony podczas postoju trzeba było włączyć pierwszy bieg. Robiło się to bez użycia sprzęgła, bowiem Golf Ecomatic po prostu go nie miał (przekładnia półautomatyczna).

To nie jedyna zmiana techniczna względem bazowej wersji Golfa. Kolejne to wprowadzenie elektro-hydraulicznego wspomagania układu kierowniczego, umieszczenie na desce rozdzielczej wyłącznika systemu „start-stop”, zamontowanie większego akumulatora oraz dodatkowego, mniejszego akumulatora pomocniczego. Kolejnymi autami koncernu VW, wyposażonymi w system „start-stop”, były Lupo 3L i Audi A2 3L z 1999 r. (wersje ekologiczne ze spalaniem na poziomie 3 l/100 km

Volkswagen jako pierwszy zareagował na nowe regulacje prawne, obowiązujące w Unii Europejskiej od 1 stycznia 1996 r., jego śladem poszli wkrótce inni producenci. Ta zmiana przepisów to nowy cykl pomiarowy NEDC (New European Driving Cycle) do badania zużycia paliwa dla samochodów osobowych, podczas którego przez około jedną czwartą wyznaczonego czasu silnik pracował na biegu jałowym (częste zatrzymywanie samochodu i ponowne ruszanie). To właśnie dlatego pierwsze seryjne systemy „start-stop” powstały w Europie. W Stanach Zjednoczonych sytuacja była zupełnie inna. W obowiązującym za oceanem cyklu pomiarowym tamtejszej Agencji Ochrony Środowiska (EPA) tylko nieco ponad 10% wyznaczonego czasu przypadało na jałową pracę silnika. Dlatego jego wyłączanie nie rzutowało by tak mocno na końcowy wynik.

Z faktu, że producenci określają korzyści wynikające z zastosowania systemu „start-stop” na podstawie wyników testu pomiarowego, wynikają w praktycznych warunkach eksploatacji samochodu liczne rozczarowania. Nie każdy jest zadowolony, gdy dopłata za system mający poprawić ekonomikę auta okazuje się w zasadzie bezcelowym wydatkiem. „Start-stop” daje bowiem wymierne korzyści w postaci zaoszczędzonego paliwa gdy samochód porusza się w gęstym ruchu miejskim. Jeśli w godzinach szczytu ktoś musi dotrzeć z centrum miasta do odległej dzielnicy musi się liczyć z przejazdem trwającym 1,5-2 h, i to praktycznie w niekończącym się korku. W takich warunkach samochód zatrzymuje się dosłownie co chwilę, setki razy. Zsumowany czas wyłączeń silnika może sięgać nawet kilkunastu minut. Biorąc pod uwagę, że zużycie paliwa na biegu jałowym wynosi w zależności od jednostki napędowej od 0,5 do 1 litra na godzinę, a samochód pokonuje taką trasę dwa razy dziennie, to miesięczna oszczędność na paliwie może sięgnąć nawet kilkunastu litrów paliwa, a rocznie ok. 120 l. W takich warunkach eksploatacyjnych system „start-stop” ma sens.

W tym samym samochodzie, ale jeżdżącym 1,5 czy 2 h w normalnym ruchu miejskim zsumowany czas wyłączeń wyniesie 2-3 minuty. Oszczędności, które sięgną 1,5-2 litrów paliwa miesięcznie i ok. 20 l paliwa rocznie, będą nieadekwatne do ewentualnej nadpłaty za system „start-stop”, dodatkowych czynności obsługowych czy komplikacji konstrukcyjnej samochodu, mogącej skutkować awariami. W przypadku aut, które jeżdżą głównie na długich trasach zyski generowane dzięki wyłączaniu silnika na postojach są jeszcze mniejsze.

Praktyka pokazuje, że w benzynowym samochodzie klasy średniej, eksploatowanym w przeciętny sposób w zróżnicowanych warunkach drogowych, łączny czas wyłączeń silnika przez system „start-stop” wynosi około 8 minut na każdych 100 km. Daje to 0,13 l litra benzyny. Przy rocznym przebiegu rzędu 50 000 km oszczędności sięgną 65 l. Ale praktyka pokazuje też, że wyniki bywają bardzo różne w zależności od warunków eksploatacyjnych i rodzaju silnika. W dużych benzynowcach mogą sięgać nawet 2 l/100 km, w niewielkich turbodieslach ledwie setne części litra. A zatem – jeśli za system „start-stop” trzeba dopłacić to trzeba dobrze przeanalizować wszystkie za i przeciw.

Obecnie kwestia dopłaty za system „start-stop” i jej bezpośredniego zestawienia z ewentualnymi korzyściami dla kieszeni użytkownika przestaje jednak funkcjonować. Dzieje się tak, bo „start-stop” przestał być elementem wyposażenia dodatkowego, a stał się seryjnym składnikiem konkretnych wersji silnikowych. Wybierając zatem odmianę silnikową z seryjnie montowanym systemem „start-stop” możemy zapomnieć o tym, w jaki sposób będzie eksploatowany samochód. Po prostu jesteśmy skazani na obecność takiego systemu.

Ale oprócz spraw ekonomicznych związanych z systemami „start-stop” są jeszcze kwestie typowo użytkowe. We współczesnych autach standardem jest ponowne uruchamianie silnika po wyłączeniu go przez system poprzez naciśnięcie pedału sprzęgła. I tu pojawiają się problemy, bowiem w niektórych sytuacjach jednoczesne manipulowanie pedałami sprzęgła i „gazu” w momencie gdy system chce włączyć silnik kończy się unieruchomieniem samochodu. Spore znaczenie ma w tym przypadku to, jak szybko system potrafi uruchamiać wyłączony wcześniej silnik (im szybciej tym lepiej).

Chociaż takie sytuacje nie zdarzają się nagminnie potrafią obrzydzić system „start-stop”. Wielu kierowców nie lubi go zresztą nawet bez szczególnych powodów. Automatyczne wyłączanie silnika po prostu ich denerwuje. Dlatego zaraz po wejściu do samochodu, albo przy pierwszym wyłączeniu silnika, sięgają do przycisku dezaktywacji systemu. Grupa entuzjastów tego proekologicznego rozwiązania jest pewnie większa, a powszechna obecność systemu „start-stop” w seryjnym wyposażeniu budzi ich zadowolenie. Prawda jest jednak taka, że trzeba zapłacić za niego w cenie samochodu. Nikt nie daje niczego za darmo, a zwłaszcza czegoś, co tylko pozornie jest proste od strony technicznej.

Systemy „start-stop”. Prosta funkcja – duża komplikacja

Wydawało by się, że włączanie i wyłączanie silnika jest sprawą banalną i nie wymaga zastosowania szczególnych rozwiązań technicznych. W praktyce wygląda to zupełnie inaczej. Nawet w najprostszych układach, opartych o tradycyjny rozrusznik trzeba wprowadzić specjalne układy zarządzania energią, które nie tylko kontrolują, do jakiego poziomu naładowany jest akumulator, jaką ma temperaturę i zdolność rozruchową, ale również zmniejszają zużycie prądu przez inne urządzenia w momencie rozruchu i odpowiednio sterują prądem ładowania akumulatora. Sam akumulator musi być wykonany w zupełnie innej technologii niż ta tradycyjna, by uzyskał odporność na szybkie i mocne rozładowanie a także na ładowanie prądem o dużym natężeniu.

System „start-stop” musi też otrzymać od pokładowej elektroniki informację o temperaturze zewnętrznej, temperaturze oleju (zimny silnik nie zostanie zatrzymany) oraz o temperaturze turbosprężarki w jednostkach z turbodoładowaniem. Jeśli „turbo” wymaga wystudzenia po forsownej jeździe silnik również nie zostanie wyłączony. W niektórych, bardziej zaawansowanych rozwiązaniach turbosprężarka ma niezależny system smarowania działający nawet po wyłączeniu silnika. Nawet tradycyjny rozrusznik pracujący w systemie „start-stop” ma większą moc, bardziej trwałe elementy wewnętrzne (np. szczotki i element sprzęgający) oraz zmodyfikowane koło zębate (zmniejszenie hałaśliwości).

W bardziej skomplikowanych a tym samym i droższych systemach „start-stop” tradycyjny rozrusznik zastępuje się albo maszyną elektryczną wmontowaną w koło zamachowe albo alternatorem o specjalnej konstrukcji. W obu przypadkach mamy do czynienia z urządzeniem, które może pełnić zarówno rolę rozrusznika jak i prądnicy, w zależności od potrzeby. Na tym nie koniec.

Elektronika musi zliczać czas między wyłączeniami silnika i sprawdzić, czy samochód osiągnął odpowiednią prędkość od momentu uruchomienia. Mutacji systemu „start-stop” jest wiele. Niektóre współpracują z układami odzyskiwania energii podczas hamowania (rekuperacja), inne wykorzystują specjalne kondensatory kumulujące energię elektryczną i wspomagające akumulator w chwilach, gdy jego zdolność rozruchowa jest zmniejszona. Są też takie, w których po przerwaniu pracy silnika jego tłoki zostają ustawione w pozycji optymalnej dla ponownego uruchomienia. W momencie rozruchu wystarczy zaledwie drgnięcie rozrusznika. Paliwo zostaje podane wtryskiwaczem tylko do tego cylindra, w którym tłok jest gotowy do wykonania suwu pracy i jednostka napędowa bardzo szybko i cicho zaczyna pracę. I właśnie o to najbardziej chodzi konstruktorom przy tworzeniu systemów „start-stop” – szybkie działanie i mała hałaśliwość.