VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING IMPLEMENTACE "START&STOP" SYSTÉMU DO OSOBNÍHO VOZIDLA SE VZNĚTOVÝM MOTOREM "START&STOP" SYSTEM DIESEL ENGINE IMPLEMENTATION INTO PASSENGER CAR BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHLEOR`S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO 2009 MARTIN FAJKUS ING. FRANTIŠEK RASCH
ANOTACE Tato práce pojednává o implementaci Start&Stop systému u osobních vozidel se vznětovými motory. Vytváří přehled úprav a změn nutných k zařazení systému, dále posuzuje vliv systému na jízdu vozidla, jak z hlediska komfortu tak i bezpečnosti, jeho výhody a nevýhody v městském i jiném cyklu. Jelikož nebývá tento systém zařazen samostatně, budou zde rozebrány i nadřazené systémy, ve kterých je implementován. Klíčová slova start, stop, systém, startér, alternátor, ECU, rekuperace ANNOTATION This thesis treat of implementation Start&Stop system off passenger car with diesel engine. Creates summary of adjustments and changes necessary to insertion system, further critize effect of system on ride vehicles, as on the part of komfort so and safety factor, the advantages and disavantages in urban and super urban cycle. This system has not always been ranked separately, will be there described superiors systems, on which is implemented. Key words start, stop, system, starter, alternator, ECU, rekuperation
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE MÉ PRÁCE FAJKUS, M. Implementace "Start&Stop" systému do osobního vozidla se vznětovým motorem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 31 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. František Rasch.
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Implementace "Start&Stop" systému do osobního vozidla se vznětovým motorem vypracoval samostatně, pod vedením Ing. Františka Rasche s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce. V Brně dne 27. 05. 2009 Podpis
Obsah 1. ÚVOD... 10 2. HISTORICKÝ PŘEHLED... 11 3. 2.1. První kroky k hybridizaci... 11 2.2. Příchod a historie samotného systému... 13 2.3. Současnost a budoucnost... 14 TECHNICKÁ SPECIFIKACE START&STOP SYSTÉMU... 16 3.1. Schéma a prvky Start&Stop systému BOSCH... 16 3.1.1. Schéma... 16 3.1.2. Prvky systému... 17 3.1.3. Shrnutí... 19 3.2. Další systémy (StARS, SISS) a jejich popis... 20 3.2.1. Systém StARS od firmy VALEO... 20 3.2.2. Systém SISS (Mazda)... 21 3.3. 4. Shrnutí... 21 FUNKCE SYSTÉMU... 22 4.1. Popis funkce systému... 22 4.2. Startování motoru... 23 4.2.1. Startování u systému BOSCH... 23 4.2.2. Startování u systému Valeo... 24 4.2.3. Startování u systému SISS I/II... 24 5. SYSTÉM A STUPNĚ HYBRIDIZACE... 26 6. ZAŘAZENÍ SYSTÉMU U JEDNOTLIVÝCH AUTOMOBILEK... 27 7. 6.1. BMW EfficientDynamics... 27 6.2. Volkswagen BlueMotion... 28 6.3. Volvo DRIVe... 28 ZÁVĚR... 30 7
SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ A TABULEK... 31 Obrázky... 31 Tabulky a schémata... 31 ZDROJE... 32 Webové stránky... 32 Literatura... 33 8
9
1. ÚVOD Nároky kladené na moderní automobily jsou vysoké, ať už po stránce designu, konstrukce, výrobních nákladů, funkčnosti, výkonu, emisí či spotřeby. K těmto a dalším aspektům se letos připojila i Světová finanční krize, která silně ovlivnila automobilový průmysl a zapříčinila stagnaci prodeje vozů, ale naproti tomu přinesla i něco dobrého a to urychlenou modernizaci a vývoj technologii přinášejících úspory ať už samotným výrobcům nebo koncovým zákazníkům. Proto se výrobci dnes zaměřují především na inovativní technologie zlepšující buďto samotný spalovací cyklus, nebo jiné podpůrné systémy zpracovávající energii. Jedním z těchto systému je i Start&Stop systém, který významně šetří palivo a emise vypnutím spalovacího motoru během stání. Jeho koncepce je známá již dlouho, přesto se začal ve větší míře nasazovat do automobilů až nyní. Jeho nevýhody spočívající ve velké spotřebě elektrické energie se v současnosti eliminují dalšími prvky na rekuperaci energie, ve výsledku vznikají nejrůznější stupně hybridizace současných pohonů. Start/Stop systémy doznávají v posledních letech velké obliby, a to díky jejich snadné implementaci do téměř každé motorizace, mají skvělý poměr cena/výkon. Start/Stop systém dnes najdeme schovaný pod označením hybrid a to buď micro, mild nebo strong. Jeho podstatou je vypínání motoru během stání za účelem úspory paliva a snížení emisí. Systém najde uplatnění především v provozu ve městě, pro něž je primárně určen, jelikož při jízdě ve městě strávíme přibližně 30-40% času stáním. Kapitola: ÚVOD Obr 1.1 - START/STOP systém BMW [1] 10
2. HISTORICKÝ PŘEHLED 2.1. První kroky k hybridizaci Jako první historický krok k zavedení hybridního pohonu můžeme vzít automobil, který navrhl v roce 1901 Ferdinand Porsche, jedná se o vůz Mixte který vznikl z jeho staršího návrhu plně elektricky poháněného automobilu. Vůz Mixte měl v každém náboji kola umístěn elektromotor o výkonu od 2,5hp do 3,5hp který mohl být krátkodobě navýšen na 7hp, elektromotory byly poháněny malým benzínovým generátorem. Vůz dosahoval max. rychlosti 50km/h a výkonu 10, 14 až 28hp. Ještě tentýž rok s ním samotný F. Porsche vyhrál Exelberg Rally.[2] Obr. 2.1 automobil Mixte[2] Obr. 2.2 automobil Dual Power [3] V 60. A 70. letech 20. století se velkou mírou do historie hybridních vozu zapsal muž jménem Victor Wouk, který byl označován za patrona hybridních vozů. V. Wouk a Ch. Rosen vyměnili standardní V8 motor Z Buicku Skylark za rotační motor od Mazdy a přidali Kapitola: HISTORICKÝ PŘEHLED Další krok nastal v roce 1915 kdy firma Woods Motor Wehicle předvedla vůz Dual Power, který byl poháněn benzínovým čtyřválcem společně s elektromotorem (generátorem). Při rychlosti do 25km/h pracoval jen elektromotor napájený akumulátorem, při jízdě nad 25km/h se zapíná i čtyřválec, který umožňuje maximální rychlost 55km/h. V roce 1918 se těchto automobilů vyrobilo na 600 kusů.[3] 11
stejnosměrný elektromotor. Woukovi byl na vývoj tohoto automobilu udělen grant od Environmental Protection Agency která mu i pak celý vývoj pozastavila.[4] Obr. 2.3 Victor Wouk a automobil Buick Skylark [4] Rok 1978 byl dalším milníkem v historii technického vývoje hybridních pohonů. V tomto roce David Arthurs navrhnul a vyvinul regenerativní brzdný systém, který jen v malých změnách používají i dnešní automobily. D. Arthurs tento systém vytvořil z běžných elektrosoučástek, které nainstaloval do vozu Opel GT. Jeho spotřeba byla velice malá 75mpg (miles per gallon) což je 3,14l na 100km. Moderní historie zavádění hybridních pohonu se datuje k roku 1990, kdy mnoho automobilek začíná masověji nasazovat hybridní pohony. V čele byly Asijské automobilky Honda s modelem Insight a Toyota Prius. První Evropská společnost, která nasazuje hybridní pohony do sériové výroby je Audi a model Duo, který vznikl z modelu Audi 100 Avant quattro. Kapitola: HISTORICKÝ PŘEHLED Obr. 2.4 Automobil Opel GT 1900 [5] 12
2.2. Příchod a historie samotného systému O první použití systému Start&Stop se dělí dvě automobilky, jednou je Volkswagen a druhou Fiat. Obě zavedly tuto technologii v roce 1980. Volkswagen jej umístil do Modelu Polo Mark II (Typ 86c) zvaného také jako Formel E (E jako Economy), tento model měl dvouválcový přeplňovaný dieselový motor o obsahu 1272ccm, díky přeplňování dosahoval výkonu až 83kW. Druhou zmíněnou značkou byl Fiat, který tento systém vyvinul ve své společnosti Fiat Powertrain Technologies společně s firmou Bosch a zakomponoval jej do modelu Regata ES (Energy Saving), tento model měl zážehový motor s rozvodem OHC a zdvihový objem 1301ccm, výkon 65koní a točivý moment 100Nm, kombinovaná spotřeba byla 6,7l/100km. [6] Obr. 2.5 Automobil Fiat Regata ES [6] Obr. 2.6 Automobil VW Polo 2 [7] K obratu však došlo v roce 2006, kdy se systém začal objevovat u mnoha automobilek a v podstatně lepší kvalitě. Pomalu se začínal těšit většímu a většímu zájmu jak od řadových řidičů, tak od samotných automobilek. Mezi hlavní patři BMW, Fiat a Citroën. Obr. 2.7 Automobil BMW 1 [8] Kapitola: HISTORICKÝ PŘEHLED Až o deset let později se o opětovné zařazení pokusila automobilka VW v modelech Golf III Ecomatic a Lupo 3l. Lupo, bylo první v řadě aut se spotřebou pod 3l/100km a to se zážehovým motorem o zdvihovém objemu 1200ccm, výkonu 45kW a točivém momentu 140Nm. Tyto automobily se netěšily velkému zájmu z mnoha důvodů, mezi tyto důvody patřily mimo jiné, vysoká energetická náročnost celého systému a tudíž malý počet reálných startů, relativně náročná zástavba a větší počet dílů oproti standardním modelům a tudíž i větší pořizovací cena a hlavně obrovská poruchovost systému, která ovlivnila funkci celého vozu. Tato byla zapříčiněná nedostatečnou technickou kvalitou a brzkým zavedením systému do provozu, bez všech potřebných zkoušek. 13
V letech 2007-2008 se SS (Start&Stop) systémy stávají stále oblíbenější a do svých vozů je umisťují další automobilky např. Kia a MINI. Obr. 2.8 Automobil Kia Eco Cee`d [9] 2.3. Současnost a budoucnost V letošním roce se systém opětovně objevuje u fiatu model 500 a nově u Mazdy 3. Pro většinu automobilek tento systém vyrábí německá společnost BOSCH, která má s tímto systémem mnoholeté zkušenosti. Prezident divize Bosch Starter Motors and Generators věří, že tento trh v několika příštích letech rychle poroste. V roce 2008 je zhruba pět procent vozidel v Evropě vybaveno systémem start/stop. Do roku 2012 odhadujeme, že jej bude mít každé druhé auto, většinou technologii Bosch. [11] Zkušební jízdy dle NEDC (New European Driving Cycle / Nový Evropský cyklus řízení) prokázaly, že úspory paliva v městské části dosahují 8% (zkoušky firmy Bosch). Toto procento se liší podle použité motorizace vozu, popř. závisí na stupni hybridizace pohonu a v reálu na hustotě dopravy. V současnosti to vypadá, že trend zavádění systému Start&Stop přetrvá i do budoucnosti, jelikož zprávy o chystaném zavedení systému se objevují jako houby po dešti. V budoucnosti Kapitola: HISTORICKÝ PŘEHLED Takový hromadný boom použití tohoto systému přinesly hlavně nové, pokročilé metody pro rekuperaci energie, díky nimž se systém stává téměř nesmrtelným (má velkou životnost) jelikož spotřebovaná energie je při jízdním cyklu opět získána a uchována do okamžiku potřeby. Další příčinou je snižování celosvětových zásob ropy a tudíž nechat zbytečně běžet motor během stání je velký luxus. Navíc s rostoucím počtem vozů, roste i množství emisí, a dnešní snahou je tyto co nejvíce omezit. 14
se chystají zavést tento systém automobilky: Renault (ve všech evropských modelech od roku 2010). PSA (Citroen & Puegeot) se jej chystá zavést u všech svých modelů po roce 2012. Volkswagen se jej chystá zavést jako doplněk za příplatek i u normálních modelů, ne jen ve verzích BlueMotion. Citroen plánuje rozšíření i na ostatní modely, od letošního roku to bude i model C2. BMW plánuje zařazení systému mimo jiné i do prototypu sportovního vozu BMW Z10 ED (Efficient Dynamics), jako důkaz že i sportovní vozy mohou být šetrné k životnímu prostředí. Tata Motors chce systém zavádět u nejlevnějšího automobilu světa Tata Nano, který bude v tu chvíli v kategorii mikro-hybridů. V těchto měsících se zprávy o zavádění systému u různých značek a modelů rychle množí, tudíž zde nemohu podchytit zdaleka všechny, ale budou uváděny jen ty, které byly uveřejněny zkraje roku. Kapitola: HISTORICKÝ PŘEHLED Obr. 2.9 Skica automobilu BMW Z10 ED [10] 15
3. TECHNICKÁ SPECIFIKACE START&STOP SYSTÉMU 3.1. Schéma a prvky Start&Stop systému BOSCH Obr. 3.1 Schéma Start&Stop Systému od firmy BOSCH [11] Popis schéma: 1 Řídicí jednotka se softwarem pro funkci start/stop 2 12-voltový DC/DC měnič 3 Senzor stavu baterie 4 Startér optimalizovaný pro start/stop 5 Senzor zjišťující zařazení neutrálu 6 Senzor otáček kola 7 Senzor natočení klikového hřídele 8 Vysoce účinný generátor s rekuperací brzdné energie. Žlutě je vyznačena síť napájení. Zeleně komunikační síť. Kapitola: TECHNICKÁ SPECIFIKACE START&STOP SYSTÉMU 3.1.1. Schéma 16
3.1.2. Prvky systému Řídicí jednotka Je jednou z nejdůležitějších částí systému. Řídi všechny elektronické části automobilu na základě dat získaných z nespočtu senzorů a snímačů, od váhy vzduchu, přes komfort posádky až po jízdní situaci před automobilem (u nejmodernějších vozů). Jejím úkolem je získávat data, která následně zpracovává, vyhodnocuje, a buďto prezentuje (palubní počítač), nebo řídí další systémy. Obr. 3.2 Řídicí jednotka BOSCH[11] Senzor stavu baterie (EBS-Electronic battery sensor) Je centrálním prvkem elektronického managementu. Je umístěn na pólu baterie a dynamicky zaznamenává bateriové hodnoty, jako jsou napětí, proud, teplota s maximální přesností. Z naměřených hodnot integrovaný software v EBS pro rozpoznání stavu baterie (BSR battery status recognition) monitoruje proud a odhaduje stav baterie. EBS umožňuje spolehlivé napájení vozu i s rostoucím počtem elektrospotřebičů. Zabezpečuje dostatek napájecí kapacity pro start i po dlouhém stání, nebo při chodu elektrospotřebičů během vypnutého motoru. Další výhodu umožňuje optimalizace výkonnosti baterie a generátoru, jenž zvýší životnost baterie. EBS nabízí i další diagnostické funkce, např. zaznamenává historii dat pro pozdější potřebu. Obr. 3.3 EBS BOSCH [11] Kapitola: TECHNICKÁ SPECIFIKACE START&STOP SYSTÉMU 12 V DC/DC měnič Jedná se o 12 ti voltový stejnosměrný měnič, který slouží k vyrovnání napěťových špiček a propadů během startování, které způsobují výpadky ostatních elektrických systémů, jako rádio či GPS navigace. Dále upravuje napětí během nabíjení pomocí generátoru, který produkuje daleko větší napětí, než které je v napájecí síti vozu. generátory se vyrábí v několika výkonnostních verzích, osazeni ve voze je závislé na použitém generátoru, 100W, 200W a 400W. 17
Start/Stop Startér Jedná se v podstatě o výkonný stejnosměrný elektromotor, který je konstruován pro krátkodobé zatížení. Ve voze má jediný účel a to roztočeni klikového hřídele a následný start motoru. Do pracovní pozice se dostane pomocí elektromagneticky vysouvaného pastorku s ozubeným kolem. Výkony startéru se většinou pohybují okolo 1kW. Výjimkou je R startér od firmy Bosch který je konstruován pro 12V nebo 24V napájení a jeho výkon je od 1,5 do 6,5kW, jeho zapouzdřená konstrukce zajišťuje životnost 800 000Km. Je optimální pro studené starty dieselových motorů do objemu 13l. [11] Tab. 3.1 Srovnání startérů BOSCH [11] Obr. 3.4 R Startér BOSCH[11] Senzor otáček (rychlosti) kola Zjišťuje otáčky (rychlost) kola v reálném čase, je schopen zjistit směr a rychlost otáčeni, nebo detekovat zastavení kol. Obecně se používá bezkontaktní Hallový senzor, jenž je dostatečně malý a flexibilní na to aby mohl být integrován přímo do kola, nebo ložiska kola. Tento senzor využívají i další systémy jako např. ABS (Antilock Braking systém), TCS (Traction Control Systém), ESP (Electronic Stability Program). Obr. 3.5 - Senzor otáček kola BOSCH[11] Kapitola: TECHNICKÁ SPECIFIKACE START&STOP SYSTÉMU Senzor zařazení neutrálu Slouží ke zjištění, zdali je vyřazen rychlostní stupeň, neboli zařazen neutrál. Tento senzor bývá zabudován v převodové skříni. Typově muže být použit koncový spínač, indukční nebo Hallový senzor. 18
Senzor natočení klikového hřídele Je to důležitý prvek Start/Stop systému, jelikož se díky němu optimalizují starty. Pomocí úhlu natočení klikového hřídele jsme schopni určit polohu všech pístu a následně jí upravit tak, aby start proběhl co nejekonomičtěji. Je umístěn v bloku motoru a snímá natočení a otáčky motoru. Je použit indukční nebo Hallův senzor, jedná se o bezkontaktní senzory využívající magnetickou indukci. Pracovní rozsah otáček je od 0 do 8000 ot/min. [11] Obr. 3.6 Senzor klikového hřídele BOSCH[11] Obr. 3.7 Generátor BOSCH[11] 3.1.3. Shrnutí Systémy BOSCH jsou v dnešní době nejpoužívanější, využívá je mnoho automobilek a v jednotlivých vozech se téměř neliší, rozdíly mohou být v různých řídicích jednotkách nebo u odlišně výkonných prvků (např. generátory atd.) u různě silných motorizací vozů. BOSH u svého systému uvádí úspory paliva okolo 8% dle NEDC (New European Driving Cycle). [11] Kapitola: TECHNICKÁ SPECIFIKACE START&STOP SYSTÉMU Generátor s rekuperací brzdné energie Jedná se o vysoce výkonný generátor, který má velký výstupní výkon 3.8kW a proud 276A při 6000ot/min, čímž je schopen pokrýt velice vysoké energetické nároky kladené dnešními vozy, které jsou vybaveny značným množstvím elektrických zařízení. Zároveň je schopen velice rychle a účinně dobíjet spotřebovanou energii z akumulátoru. [11] 19
3.2. Další systémy (StARS, SISS) a jejich popis 3.2.1. Systém StARS od firmy VALEO Obr. 3.8 StARS systém od firmy Valeo [12] Kapitola: TECHNICKÁ SPECIFIKACE START&STOP SYSTÉMU Systém StARS ( Starter Alternator Reversible Systém) od firmy Valeo má od předešlého systému BOSCH jednu zásadní odlišnost, a to tu že v systému není zařazen startér. Startování obstarává výkonný generátor/elektromotor(alternátor), který je schopen pracovat v režimech generátor a elektromotor dle aktuální potřeby. Generátor je spojen s klikovou hřídelí pomocí násobného klínového řemene. Díky tomuto typu pohonu může generátor pohánět i další prvky během nečinnosti motoru, jako jsou např. pohon ventilace posilovač řízení atd. Díky použití vysoce výkonného generátoru místo startéru je start motoru rychlejší. Valeo uvádí čas nastartování do 400 milisekund. Odlišnosti ve zbytku systému jsou zanedbatelné a týkají se pouze použití různých typů senzorů. [12] 20
3.2.2. Systém SISS (Mazda) Obr. 3.9 Idle Stop systém od firmy Mazda [13] 3.3. Shrnutí Všechny uvedené systémy pracují v podstatě úplně stejně, důležitým aspektem pro použití systému je přímý vstřik paliva, jen tehdy je zaručena dostatečná optimalizace klidných startů, zvláště pak u vznětových automobilů. Všechny systémy dále obsahují snímače nutné ke správné funkci systému a upravenou řídící jednotku pro start-stop režim. Celý systém lze v případě potřeby vypnout a posléze zase zapnout ovládacím prvkem na palubní desce. Kapitola: TECHNICKÁ SPECIFIKACE START&STOP SYSTÉMU Systém SISS (Smart Idle Stop Systém) vyvinula společnost Mazda Motor Corporation, od systému BOSCH se liší pouze v jiném naprogramování řídicí jednotky a typem startu motoru. Systém SISS využívá tzv. kopnutí motoru (předstřik paliva a následný zážeh), které usnadňuje práci samotnému startéru. Automobilka chtěla původně u svého prvního SISS systému úplně vyřadit startér a statovat motor jen za pomoci samotných předstřiků a zážehů, ale po řadě testů se rozhodla od tohoto řešení upustit a startér v systému ponechat, systém má teď kultivovanější a rychlejší starty zvláště u vznětových automobilů. Automobilka Mazda garantuje nastartování motoru do 350 milisekund.[13] 21
4. FUNKCE SYSTÉMU 4.1. Popis funkce systému Schéma 1 Princip vypnutí motoru [11] Během vypnutého motoru nejsou ovlivněny ostatní elektrické systémy jako při vypnutí klíčem. Například rádio, palubní počítač, GPS atd. fungují bez přerušení dál, systémy jako je vytápění či klimatizace a další energeticky náročné systémy jsou převedeny do tzv. stand-by módu, což znamená, že jsou spuštěny jen v případě potřeby (zvýšení/snížení teploty v kabině). Ovšem vše je sledováno čidlem na akumulátoru, a pokud v něm není Kapitola: FUNKCE SYSTÉMU Start&stop systém má za úkol dvě věci a to automatické vypnutí a zapnutí motoru v režimu stání automobilu. Systém funguje automaticky bez zásahu řidiče (vypnutí motoru klíčem nebo spínačem) a vypíná spalovací motor, pokud se automobil nachází v klidovém stavu a motor by běžel naprázdno. Typickým příkladem je stání na červenou, nebo v zácpě. Aby došlo k vypnutí motoru, musí řídící jednotka vyhodnotit tyto podmínky jako splněny: nulová rychlost od čidel na kolech, vyřazený rychlostní stupeň/zařazen neutrál a dostatečně nabitý akumulátor pro další start. Poté řídící jednotka zastaví motor a to tak aby poloha pístů byla optimální pro další start vozidla, polohu zjišťuje čidlo natočení na klikové hřídeli a předává informace řídící jednotce, která pomocí získaných dat brzdí hřídel generátorem. Tím je dosažena požadovaná hodnota natočení hřídele a tím i poloha pístů. 22
z jakéhokoliv důvodu dostatek energie, dojde k odpojení všech nepotřebných systémů, aby se zajistil bezpečný start a bylo umožněno opětovné nabití. Pro opětovné rozjetí stačí lehce stisknout spojku a řídící jednotka automaticky okamžitě vyšle signál k nastartování motoru. Automobilka Kia experimentuje se systémem, který vypíná motor dokonce ještě během jízdy. A to v režimu jízdy kdy je maximální rychlost do 16km/h, je zařazen neutrál a uvolněný akcelerační pedál. Příkladem může být dojíždění na křižovatku, nebo popojíždění v koloně z kopce, kdy vlastně ani v jednom případě hnací sílu od motoru nepotřebujeme, startování je totožné s předchozím případem, při sešlápnutí spojky dojde okamžitě k automatickému nastartování motoru. 4.2. Startování motoru Startování motoru pomocí systému Start-Stop můžeme principiálně rozdělit na tři základní druhy. Prvním je nejrozšířenější způsob, u něhož probíhá startování v režimu StartStop stejným způsobem jako při běžném startu vozidla, zástupcem tohoto typu jsou systémy BOSCH. Druhým je systém vyvinutý společností Valeo, který se od systému BOSCH liší tím, že úlohu startéru v něm přebírá elektromotor/generátor. Třetí v řadě systémů je systém, který vyvinula Japonská automobilka Mazda a je dosti originální jelikož jako jediný využívá ke startu primárně sílu vyvozenou od předstřiku paliva do určitých válců a startér používá jen jako sekundární prvek. 4.2.1. Startování u systému BOSCH Obr. 4.1 Schéma startu u systému BOSCH [14] Kapitola: FUNKCE SYSTÉMU Systém BOSCH jako nejrozšířenější výrobce systému Start-Stop využívá principiálně stejného startování, jako při běžném startu vozidla Tzn., že po vypnutí motoru se písty ustálí v téměř libovolné poloze, pro nejrychlejší start je nutné znát polohu jednotlivých pístů, to zajišťuje snímač na klikovém hřídeli. Při pokynu k nastartování motoru od řídící jednotky dojde k vysunutí pastorku startéru do záběrné polohy, poté startér roztáčí klikovou hřídel motoru a následují vstřiky paliva do určitých válců a následuje start motoru. 23
4.2.2. Startování u systému Valeo Systémy od společnosti Valeo se vyznačují jedním hlavním technickým rozdílem a to je fyzická absence startéru, ten je nahrazen generátorem, který je pomocí násobného klínového řemene spojen s klikovou hřídelí motoru, a během startu motoru zastává i funkci startéru. Samotný start pak probíhá stejně jako v předchozím případě. Po vyslání signálu od řídící jednotky generátor za pomoci klínového řemene roztáčí klikovou hřídel motoru, následují vstřiky paliva, jejich vznícení pomocí žhavící svíčky a následuje start motoru. U tohoto systému tedy odpadá problém s malým výkonem běžných startérů. Obr. 4.2 Schéma startu u systému Valeo [14] 4.2.3. Startování u systému SISS I/II Obr. 4.3 Schéma startu u systému SISS I [14] Kapitola: FUNKCE SYSTÉMU Japonští technici vymysleli systém, který je značně originální. Jako primární zdroj energie ke startu motoru využívá samotné spalování, díky tomu lze startér úplně vyřadit, což také technici u Mazdy udělali u první verze SISS systému. Systém fungoval na principu kopnutí motoru což v praxi vypadalo tak, že po zastavení motoru se písty vyrovnaly v určité poloze pro optimální start. Při pokynu ke startu se do válců kde mněla probíhat komprese vstříklo palivo a to se následně zapálilo, tlak způsobený hořením paliva roztočil motor opačným směrem a stlačil písty ve válcích, kde měla probíhat expanze, do těchto se během stlačení vstříklo palivo a před horní úvratí zapálilo, následný výbuch paliva uvolnil více energie než předchozí a motor se rozběl správným směrem. Po řadě dalších testů zařadily u druhé generace SISS startér zpět. Primární funkcí plní zase spalování, ale startér dopomáhá ke kultivovanějšímu chodu startu a jeho větší rychlosti. 24
Obr. 4.4 Schéma startu u systému SISS II [14] Kapitola: FUNKCE SYSTÉMU 25
5. SYSTÉM A STUPNĚ HYBRIDIZACE V dnešní době najdeme Start-Stop systém schovaný pod nejrůznějšími hesly, různých automobilek. Ale všechny patří do jedné hlavní skupiny, která je spojuje, tou skupinou jsou hybridní vozy. Už pouze samotný Start-Stop systém implementovaný do motorové skupiny zařazuje automobil mezi hybridní vozy a to do kategorie micro-hybrid. Další typy hybridních vozů obsahují kromě systému Start-Stop i další podpůrné systémy, díky kterým se dále dělí do skupin mild-hybrid a strong-hybrid. Názorné rozdělení je v tabulce (5.1). Funkce a použití ve třech třídách hybridních vozů Micro hybrid Mild hybrid Strong hybrid * Regenerativní brzdění Podpora točivého momentu Start/Stop Funkce E-driving redukce spotřeby a emisí Primární redukce spotřeby a emisí Více jízdní zábavy Více jízdní zábavy redukce spotřeby a emisí Použití Sekundární *SES=Smart electronic Start/Stop systém E-Driving umožňuje jízdu i pouze na elektromotor Tab. 5.1 třídy hybridních vozů a použité systémy [11] Zavedení Start-Stop systému je nejvhodnější se systémem rekuperace brzdné energie, a to z prostého důvodu, při častých startech se spotřebovává značné množství elektrické energie z akumulátoru, a toto je třeba nějak kompenzovat, vhodné jsou vysoce výkonné generátory a rekuperace brzdné energie, které nám i během krátkého času jízdy doplní spotřebovanou elektrickou energii na start vozidla i energii spotřebovanou během stání s vypnutým motorem ostatními systémy. Další systémy jako různé 3D-elektromotory zařazeny do hnacího ústrojí automobilu už nesouvisí se samotným Start-Stop systémem nýbrž jim tento slouží jako doplněk. Nespornou výhodou hybridních vozů krom snížení spotřeby a emisí je i to že s jeho koupí majitel získá mnohé výhody, jako jsou např. stání v centrech a parkovacích domech zdarma. Toto ale bohužel zatím neplatí pro naši republiku ale pro blízké sousední země. Kapitola: SYSTÉM A STUPNĚ HYBRIDIZACE Nejčastěji se dnes setkáváme, s třídami Micro a Mild hybridů, Jelikož nejčastějšími počiny hybridizace jsou zavádění Start-Stop systému a regenerativního brzdění. Tyto systémy mají obrovskou výhodu v nízké ceně a poměrně velké úspoře paliva a emisí. O ostatních systémech to už říci nejde, v úspoře paliva jsou výkonnější, ale bohužel jsou pro většinu lidí peněžně nedostupné, ale i toto se časem změní. 26
6. ZAŘAZENÍ SYSTÉMU U JEDNOTLIVÝCH AUTOMOBILEK V dnešní době se mezi nejpokročilejší automobilky na Evropském trhu řadí Volkswagen, Volvo a v neposlední řadě BMW, které už několik let po sobě dostává ocenění v novinářské anketě International Engine of the Year o motor roku. Tyto automobilky jsou lídry v nejrůznějších opatřeních jak chránit životní prostředí. Proto bych zde chtěl uvést jejich programy, které obsahují nejen Start/Stop systém. Každá z automobilek má trochu odlišný program na snížení spotřeby a emisí, jenž zahrnuje různé prvky, od zakrytování kol a podvozku až po speciální pneumatiky. 6.1. BMW EfficientDynamics Výkonné a úsporné motory s přímým vstřikem paliva. Start-Stop systém pro vypínání motoru během stání. Rekuperaci brzdné energie pro rychlé a spolehlivé dobíjení akumulátoru Elektrický posilovač řízení, který pracuje jen tehdy, je-li potřeba. Např. při zatáčení a ne při jízdě v přímém směru nebo konstantním poloměru. Regulaci přívodu vzduchu k chladiči- tento systém optimalizuje vzdušný odpor a zároveň umožňuje optimální chlazení motoru. Ukazatel doporučeného rychlostního stupně, jenž ukazuje řidiči vhodný rychlostní stupeň. Pneumatiky se sníženým válivým odporem, tyto nám snižují setrvačný odpor při zrychlení. Všechny tyto prvky mají jediný účel a to snížení spotřeby. Tento program nalezneme u všech motorizací těchto řad: Řada 1,3,5. U řad X5 a 7 se jedná o strong-hybrid třídu. Jako příklad si zde uvedeme hodnoty spotřeby a emisí od modelové řady 1 ED EfficientDynamics. BMW řada 1 Spotřeba l/100km 116d 118d 120d Město 5,3 l 5,4 l [7,0] 6,1 l [7,3] 6,5 l [7,3] Mimo město 3,9 l 4,0 l [4,6] 4,1 l [4,5] 4,4 l [4,6] kombinovaná 4,4 l 4,5 l [5,5] 4,8 l [5,5] 5,2 l [5,6] emise g/km 118 125 [146] 128 [146] 138 [148] *-+ - automatická převodovka Tab. 6.1 Spotřeba a emise BMW řady 1 [15] 123d Kapitola: ZAŘAZENÍ SYSTÉMU U JEDNOTLIVÝCH AUTOMOBILEK EfficientDynamics od automobilky BMW je program na produkci ekologičtějších automobilů, který dostal četná ocenění nejrůznějších automobilových časopisů. Tento komplexní program obsahuje: 27
6.2. Volkswagen BlueMotion Program BlueMotion je ekologické přepracování sériových modelů, vznikl na základě snahy o co největší podporu ochrany životního prostředí. BlueMotion vychází z modrého podkladu značky VW. Program se bude zařazovat i u ostatních koncernových značek, jako Seat apod. Program se zaměřuje na tři základní úpravy: Snížení jízdních odporů V této kategorii se VW snaží snížit válivý odpor pomocí kol z lehkých slitin a pneumatik s nízkým válivým odporem. Dále je upravena přední maska pro snížení součinitele vzdušného odporu c x. Úprava převodovky Nejvyšší tři stupně u manuální převodovky jsou prodlouženy, tím se dosáhne pokrytí většího rychlostního rozmezí a snížení otáček. Úsporné motory TDI Dávají základ celému systému. Start-Stop systém pro vypnutí motoru během stání. Systémy pro rekuperaci energie např. rekuperace kinetické energie. Program BlueMotion od VW se výbavově liší model od modelu, v tabulce (6.2) jsou uvedeny hodnoty spotřeb a emisí pro nový model GOLF s 6-ti stupňovou manuální převodovkou. Spotřeba l/100km 1,6 TDI DPF 77 kw 2,0 TDI DPF 81 kw 2,0 TDI DPF 103 kw 2,0 TDI DPF 125 kw Město 5,7 l 6,4 l [6,9] 6,4 l [7,1] 7,0 l [7,2] Mimo město 3,9 l 4,0 l [4,4] 4,0 l [4,5] 4,3 l [4,7] kombinovaná 4,5 l 4,9 l [5,3] 4,9 l [5,4] 5,3 l [5,6] emise g/km 119 128 [140] 129 [142] 139 [147] *-+ - automatická převodovka Tab. 6.2 Spotřeba a emise GOLF [16] 6.3. Volvo DRIVe Program DRIVe vychází z konceptu vozidla Volvo Efficiency, představného v roce 2007 za účelem snížení emisí CO2. Posléze byly mezi modely DRIVe zařazeny verze C30, S40 a V50. Modely V70, S80, XC60 a XC70 Se také řadí do kategorie DRIVe, ale neobsahují Start-Stop systém. Snížení spotřeby paliva u Volva bylo dosaženo optimalizací vozidel ve čtyřech hlavních směrech: Snížení odporu vzduchu Tohoto je dosaženo snížením a zakrytováním podvozku, snížení o cca 1cm. Zakrytá mřížka chladiče, za níž je deflektor. Deflektory před předními koly. Aerodynamické disky upravující obtékání vzduchu okolo kol. Upravené přední a zadní spoilery. Kapitola: ZAŘAZENÍ SYSTÉMU U JEDNOTLIVÝCH AUTOMOBILEK VW GOLF 28
Obr. 6.1 Modely DRIVe od Volva [17] Model Motor Výkon CO2 Spotřeba paliva C30 Start/Stop S40 Start/Stop V50 Start/Stop V70 S80 XC60 XC60 1.6D 1.6D 1.6D 1.6D 1.6D 2.4D 2.4D 109 hp/240 Nm 109 hp/240 Nm 109 hp/240 Nm 109 hp/240 Nm 109 hp/240 Nm 175 hp/420 Nm 175 hp/420 Nm 104 g/km 107 g/km 107 g/km 129 g/km 129 g/km 159 g /km 159 g /km 72.4 mpg 70.6 mpg 70.6 mpg 57.6 mpg 57.6 mpg 47.1 mpg 47.1 mpg mpg - mílí na galon Tab. 6.3 Spotřeba a emise DRIVe Volvo [18] Kapitola: ZAŘAZENÍ SYSTÉMU U JEDNOTLIVÝCH AUTOMOBILEK Nižší válivý odpor Automobily jsou vybaveny pneumatikami s nízkým válivým odporem. Vyšší převodové poměry převodovky se změněnými třemi nejvyššími převody. Efektivnější hnací ústrojí Optimalizované chlazení motoru, posilovač řízení. Nový převodový olej. Indikátor řazení a Start/Stop systém. 29
7. ZÁVĚR V dnešní době je v nejrůznějších oblastech, ne jen u automobilového průmyslu kladen důraz na ekologický provoz systému. V automobilním průmyslu to znamená snižování výfukových emisí, v nejlepším případě na nulu. Toto je ovšem těžko proveditelné za stávajících technických možností, a tak se výrobci snaží používat nejrůznější systémy, aby dosáhli co nejlepších hodnot. Jedním z těchto systémů je i Start/Stop systém. Nespornou předností tohoto systému je jeho jednoduchost a tím i nízká pořizovací cena. Jeho zástavba je taktéž nenáročná. Systém je vhodný pro všechny motorizace, a právě na použité motorizaci závisí hodnoty úspory paliva. Systém má největší potenciál v hustém městském provozu, kdy automobil často zastavuje, naopak na dálnici prakticky ztrácí význam. Co se týče komfortu jízdy, tak při správné funkci všech jeho prvků by jeho zásahy (vypínání motoru) neměly být prakticky postřehnutelné (okamžitý start motoru). V případě že by systém přeci jen řidiče obtěžoval neustálým vypínáním bez jeho vůle, tak se dá vypnout. Systém funguje automaticky, a jeho kroky řídí výkonná řídicí jednotka, která s dalšími potřebnými systémy zůstává funkční i při vypnutém motoru, tudíž systém neovlivňuje bezpečnost jízdy a v režimu stání jsou všechny potřebné systémy k dispozici. Kapitola: ZÁVĚR Další výhodou je, že automobil se zabudovaným Start/Stop systémem je zařazen na úrovni hybridních vozů, ve vyspělých zemích z toho plynou výhody v podobě daňových úlev na koupi vozu, nebo jiné zvýhodnění. Nevýhody u tohoto systému jso dle mého názoru zanedbatelné a dnes i technicky dobře ošetřené. 30
SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ A TABULEK Obrázky START/STOP systém BMW automobil Mixte automobil Dual Power Victor Wouk a automobil Buick Skylark Automobil Opel GT 1900 Automobil Fiat Regata ES Automobil VW Polo 2 Automobil BMW 1 Automobil Kia Eco Cee`d Skica automobilu BMW Z10 ED Schéma Start&Stop Systému od firmy BOSCH Řídicí jednotka BOSCH EBS BOSCH R Startér BOSCH Senzor otáček kola BOSCH Senzor klikového hřídele BOSCH Generátor BOSCH StARS systém od firmy Valeo Idle Stop systém od firmy Mazda Schéma startu u systému BOSCH Schéma startu u systému Valeo Schéma startu u systému SISS I Schéma startu u systému SISS II Modely DRIVe od Volva 09 10 10 11 11 12 12 12 13 14 15 16 16 17 17 18 18 19 20 22 23 23 24 28 Tabulky a schémata Tab. 3.1 Tab. 5.1 Tab. 6.1 Tab. 6.2 Tab. 6.3 Srovnání startérů BOSCH třídy hybridních vozů a použité systémy Spotřeba a emise BMW řady 1 Spotřeba a emise GOLF Spotřeba a emise DRIVe Volvo Schéma 1 Princip vypnutí motoru 17 25 26 27 28 21 Kapitola: SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ A TABULEK Obr. 1.1 Obr. 2.1 Obr. 2.2 Obr. 2.3 Obr. 2.4 Obr. 2.5 Obr. 2.6 Obr. 2.7 Obr. 2.8 Obr. 2.9 Obr. 3.1 Obr. 3.2 Obr. 3.3 Obr. 3.4 Obr. 3.5 Obr. 3.6 Obr. 3.7 Obr. 3.8 Obr. 3.9 Obr. 4.1 Obr. 4.2 Obr. 4.3 Obr. 4.4 Obr. 6.1 31
ZDROJE Webové stránky [1] BMW EfficientDynamics : Auto Start Stop function [online]. 2008 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z [4] Victor Wouk [online]. [2009], Last updated, 02/03/2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.supereco.com/person/victor-wouk/>. [5] Opel GT World [online]. 2007 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://opelgtworld.de/>. [6] Italiaspeed [online]. 2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.italiaspeed.com/2009/cars/fiat/02/regatta_es/1602.html>. [7] 1982 Volkswagen Polo : Volkswagen Cars [online]. 2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://yourvolkswagencars.blogspot.com/2008/08/1982-volkswagenpolo.html>. [8] BMW Česká republika [online]. 2008 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.bmw.com.cz> [9] Kia-World blog [online]. 2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.kiaworld.net/index.php>. [10] Bmw z10 : Top Speed [online]. 2009 [cit. 2009-05-25]. Dostupný z WWW: <http://www.topspeed.com/cars/bmw-z10/ke2380.html>. [11] Robert Bosch GmbH [online]. 2008 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.bosch.com>. [12] Valeo Innovation : Powertrain efficiency [online]. 2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.valeo.com/innovation/en/home/>. [13] MAZDA:Idling stop technology [online]. 2008 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.mazda.com/mazdaspirit/env/engine/siss.html>. [14] MAZDA [online]. 2008 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.mazda.com>. [15] BMW Česká republika [online]. 2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.bmw.com.cz/cz/cs/index.html>. [16] Volkswagen : Golf [online]. 2006-2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.vw-zlin.cz/modely/golf/>. [17] Volvo představuje ekologickou řadu modelů [online]. 2008 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.autoweb.cz/autonovinky-nova-auta/volvo-predstavujeekologickou-radu-modelu/15620>. [18] VOLVO DRIVe WITH START/STOP TECHNOLOGY [online]. 2009 [cit. 2009-05-25]. Dostupný z WWW: <http://www.newspress.co.uk/daily_links/arc_feb_2009/57058vol.htm>. Kapitola: ZDROJE WWW: <http://www.bmw.com/com/en/insights/technology/efficient_dynamics/phase_2/technologies /auto_start_stop.html>. [2] Wikipedia, the free encyclopedia : Lohner-Porsche Mixte Hybrid [online]. 2009, This page was last modified on 12 May 2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://en.wikipedia.org/wiki/lohner-porsche_mixte_hybrid>. [3] CanadianDriver : Green Technology [online]. Canada : c1999-2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.canadiandriver.com/2007/06/25/alternative-power-lessons-from-thepast.htm>. 32
[19] AUTO.CZ [online]. c1997-2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.auto.cz/>. [20] Www.autolexicon.net [online]. c2008 [cit. 2009-05-25]. Dostupný z WWW: <http://cs.autolexicon.net/home/>. [21] History Of Hybrid Cars [online]. c2008 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.historyofhybridcars.com/>. [22] Hybrid.cz [online]. c2006-2008 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.hybrid.cz/>. [23] Hybrid Cars [online]. c2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.hybridcars.com/>. [24] Autoevolution [online]. c2008-2009 [cit. 2009-05-25+. Dostupný z WWW: <http://www.autoevolution.com/>. Literatura Kapitola: ZDROJE [25] VLK, František. Alternativní pohony motorových vozidel. 1. vyd. Brno : Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2004. 234 s. ISBN 80-239-1602-5. [27] VLK, František. Koncepce motorových vozidel. 1. vyd. Brno : Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2000. 365 s. ISBN 80-238-5276-0 33