Stop-Štart systém – výhody a nevýhody

Nie tak dávno bol Stop-Štart systém ojedinelou lastovičkou v tzv. ECO verziách bežných automobilov. Hovorí sa, že jedna lastovička leto nerobí, v tomto prípade však porekadlo absolútne prepadlo. Systém Stop-Štart sa šíri novými automobilmi, ako výtlky po našich cestách. Priaznivci a hlavne automobilky podporené nariadeniami z  Bruselu prezentujú tento systém ako čarovné otočenie rumburakovho prsteňa na zníženie spotreby. Odporcovia na druhej strane hundrú, že systém robí autá ešte zložitejšími ako sú, čo negatívne vplýva na ich cenu, spoľahlivosť, životnosť a v mnohých prípadoch je prínos k znižovaniu spotreby minimálny. Nuž či ho chceme alebo nie, v prípade kúpy nového vozidla nastane čoskoro situácia, že túto ekologickú vymoženosť aj tak dostaneme.

Trocha legislatívnej teórie

Masové zavádzanie Stop-Štart systému môže vzbudzovať dojem, že je žiadaný samotnými motoristami. Ako je už ale v európskych končinách zvykom, realita je značne odlišná. Systém Stop-Štart môžeme zaradiť k podobným ekologickým vymoženostiam ako sú DPF (FAP) filtre, EGR ventily alebo aj samotné neustále sa sprísňujúce emisné normy. Nikto ich síce nechce, teda dopyt po nich prirodzene nie je a ani nerastie, naopak rastie tlak na ich zavádzanie z bruselskej centrály pomocou neustále sa sprísňujúcich emisných noriem. Priznám sa, poznám naozaj málokoho kto by do svojho vozidla chcel tieto ekologické vymoženosti zvyšujúce cenu, vo väčšine prípadov aj prevádzkové náklady a často zásadným spôsobom vplývajú na zníženej spoľahlivosti. Väčšina motoristov tieto systémy len ticho toleruje, lebo inak to ani nejde. Nájdu sa však aj takí, čo ich vyslovene neznášajú a vysporiadajú sa s nimi po svojom. Napr. odstavením – vykuchaním DPF filtra alebo odstránením EGR ventilu. Ale spať k systému Stop-Štart. Ten je obľúbený hlavne v Európe, keďže test normovanej spotreby stanovený európskou komisiou je stanovený tak, že sa v ňom vypnutie motora pri státí na mieste prejaví lepším výsledkom. Ďalšou vecou je platnosť limitov na maximálne priemerné množstvo vypúšťaného CO₂ naprieč modelovým radom automobiliek. Určite si mnohí všimli, že produkcia CO₂ úzko súvisí so spotrebou paliva. Čím je teda normovaná spotreba paliva nižšia, tým je nižšia aj produkcia CO₂.

V súčasnosti platí v Európe norma na meranie spotreby 93/11 6/EC, ktorá stanovuje postup merania mestského cyklu odvodeného od skutočnej prevádzky pozorovaného za dopoludňajšej špičky v preplnenom meste. Trvá 1200 sekúnd a približne štvrtinu z celkového času tvorí státie na voľnobeh. Na priemernej spotrebe, ku ktorej sa vzťahujú limity CO2 naprieč modelovým radom, sa pritom mestský cyklus podieľa 36,8%, preto sa vo výslednej hodnote každé zlepšenie spotreby v meste citeľne prejaví. Ak sa teda výrobcovia vozidiel chceli čo najskôr zmestiť do emisných limitov stanovených európskou komisiou, zistili, že najjednoduchšia cesta je zaviesť systém Stop-Štart, ako umelo znižovať výkony alebo nedajbože platiť pokuty za nadlimitné emisie CO2. Preto systém Stop-Štart nájdeme aj v takých automobiloch, akým je aj Ferrari, BMW M3 či Porsche Panamera. Našťastie veľká časť výrobcov v snahe znižovať normovanú spotrebu neostala len pri zavádzaní do značnej miery diskutabilného systému Štart- Stop. Mnoho výrobcov naozaj zapracovalo na vývoji motorov a posunulo ich k vyššej efektívnosti, príkladom môže byť v posledných rokoch znižovanie vnútorného trenia pohybujúcich sa súčastí motora, znižovanie aerodynamických – jazdných odporov vozidla a tiež výrazne rozšírenie preplňovania, či variabilného časovania (zdvihu) ventilov pri benzínových motoroch, rovnako tak sa už atmosféricky plnený diesel v európskej ponuke osobných vozidiel nenachádza. Na škodu je, že len pozvoľna pribúda modelov s aditívom SCR alebo podobnú katalytickou redukciou oxidov dusíka, ktorá odbúrava nutnosť umelého obohacovania zmesi a škrtenia motora pri nízkom zaťažení, pretože práve tento systém ušetrí  v bežnej prevádzke podstatne viac paliva Štart-Stop. Pre objektívnosť uvediem, ako sa darí systému Stop-Štart v Amerike, ktorá je nám predkladaná v mnohom ako vzor. Systém sa začal intenzívnejšie zavádzať až od roku 2012, pričom plán je do roku 2017 predať 8 miliónov automobilov vybavených týmto systémom. Zaujímavosťou je, že niektoré automobilky umožňujú svojim US klientom dať si tento systém trvalo deaktivovať. To znamená, keď sa vypne motor, nebude po opätovnom štarte znova aktivovaný, ako príklad slúži najnovšie BMW radu F30. Asi Američanom často stojacim v kolónach došla trpezlivosť, nad vypínaním svojho startstopu pri každej jazde. Mnoho z nich radšej vymenilo 0,1 – 0,2 litra ušetreného paliva na 100 km za komfort, ktorý ponúka trvale spustený agregát. Predsa len 10 x štartovaný motor a pokročiť v kolóne o pár desiatok metrov obzvlášť ak ide o motor naftový, nie je nič komfortné. Nehovoriac, ako takéto časté štarty vplývajú na životnosť akumulátora, alternátora, štartéra a samozrejme aj samotného motora. Škoda, že sa podobná možnosť nedá vybaviť aj v Európe.

Fungovanie systému Stop-Štart

Ako už bolo spomínané, systém Stop-Štart je dnes súčasťou prakticky každého nového auta, pričom dostáva sa aj do vozidiel, ktoré sa už vyrábajú nejaký ten rôčik a v rámci nového modelového roku sú týmto systémom dovybavené. Finančné náklady na tento systém sa pohybujú v závislosti od modelu od cca 400 € do 700 €. Mnohí si poviete, síce mnoho nešetrí, ale predsa každé ušetrené deci paliva sa počíta. Je to pravda, ale realita je trochu zložitejšia.

Stručne napísané, Stop-Štart je systém, ktorý s ohľadom na aktuálnu situáciu (zohriaty motor, klimatizovaný interiér podľa potreby, plusová vonkajšia teplota) dokáže automaticky vypnúť motor v momente, kedy je jeho fungovanie nepotrebné a opäť ho uviesť do chodu (stlačením spojky), kedy je činnosť motora potrebná. Vypínať motor pri voľnobehu sa ponúka ako najjednoduchšie možnosť, ako sa vojsť do stanovených noriem, ale treba mať na pamäti, že z technického pohľadu to až také jednoduché nie je. Mnohé komponenty sa častejšie namáhajú, musia byť preto robustnejšie poprípade vyrobené inou technológiou, čo vždy znamená drahšie. Netreba zabudnúť ani na fakt, že vypnutý motor chladne. Meranie podľa metodiky prebieha pri 20 ° C, a akonáhle sa ochladí, môže najmä pri liatinových motorov vzniknúť situácia, že energia potrebná na zohriatie schladeného motora je vyššia ako energia ušetrená počas vypnutia. Obzvlášť tento fakt platí v zime, kedy je treba v aute naviac aj kúriť, preto sa systém v mrazivom počasí automaticky deaktivuje. Výhodnosť systému (zníženie spotreby) sa najviac prejaví v meste – pri státí v zápchach, či na križovatkách. Naopak ak často jazdíte diaľnice, systém sa málokedy dostane k slovu a vozidlo tak zbytočne vezie nejaký ten kg naviac (väčší akumulátor, robustnejší štartér, atď), čo vo výsledku môže spotrebu dokonca o niečo zvýšiť. Z tohto pohľadu sa teda javí ako logické, aby si zákazníci mohli systém podľa želania do vozidla prikupovať.

Systém Stop-Štart po konštrukčnej stránke

Zjednodušene napísané, systém potrebuje pre svoje dlhodobé spoľahlivé fungovanie silnejší štartér, odolnejší akumulátor s väčšou kapacitou, inteligentný alternátor a samozrejme obslužnú elektroniku, ktorá celý systém riadi. Nie vždy sa podarilo systém odladiť správne a tak pri niektorých vozidlách je štart trocha pomalý a môže zdržiavať pri rozjazdoch, alebo sa aktivuje podľa záhadného kľúča, ktorému niekedy chýba logika a naopak pri niektorých vozidlách funguje rýchlo a hladko.

Dôležitým faktorom pre správnu funkciu systému je teplota motora. Riadiaca elektronika sníma teplotu chladiacej kvapaliny a vypínanie motora je umožnené približne v rozmedzí 40 až 100 ° C. Správne fungujúci systém by teda nemal vypnúť príliš zohriaty motor a taktiež by nemalo prísť k vypnutiu zakrátko po studenom štarte. V prípade automatických klimatizácii sa sleduje rozdiel medzi zvolenou a dosiahnutou teplotou a akonáhle prekročí tento rozdiel tri až štyri ° C, systém sa deaktivuje. Pri mechanicky riadených klimatizáciach táto automatická regulácia nefunguje a tak musí systém deaktivovať vodič sám. Najmodernejšie systémy vyhodnocujú aj nadmernú záťaž motora, kedy je riziko vysokej teploty motorového oleja. Ako vieme, teplota oleja sa do určitej miery líši od teploty kvapaliny a to aj napriek tomu, že v motoroch sa nachádza tepelný výmeník, ktorý teploty oboch kvapalín vyrovnáva. Ak sa totiž vypne motor napríklad po veľmi rýchlej jazde po diaľnici, existuje riziko následného poškodenia turbodúchadla. Výhodou v tomto smere majú vodou chladené turbodúchadlá, ktoré sú podstatne intenzívnejšie dochladzované a tak nedochádza ku karbonizácii oleja ako v klasickom olejom a vzduchom chladenom turbodúchadle.

Ďalším dôležitými prvkami, ktoré museli byť modifikované sú akumulátor a štartér. Oba prvky sú značne zaťažované opakovanými štartmi a v prípade akumulátora je situácia mnohokrát sťažená aj nemožnosťou ho rýchlo dobíjať. Bohužiaľ, ani najmodernejšie akumulátory stále ešte neznesú príliš vysoký nabíjací prúd. Do určitej miery tento problém riešia tzv. rekombinačné akumulátory, ktoré sú svojou konštrukciou a charakteristikou podobné záložným zdrojom známym napr. z výpočtovej techniky. Vzhľadom k svojej odlišnej energetickej charakteristike sú tieto akumulátory schopné odolávať krátkodobým prudkým zmenám stavu pri vybíjaní a pri dobíjaní, keďže krátkodobo znesú vyšší nabíjací/vybíjací prúd oproti klasickým olovenným akumulátorom. Taktiež musia mať tieto akumulátory podstatne väčšiu kapacitu, keďže musia čo nadlhšie dodávať energiu rôznej elektronike vozidla, počas vypnutého motora, kedy sa akumulátor nedobíja. Akumulátory majú teda robustnejšie puzdro, väčšiu kapacitu a elektrolyt je zväčša gelovej konzistencie, alebo sa jedná o akumulátory, kde je elektrolyt nasiaknutý do špeciálnej sklenenej tkaniny AGM (Absorbed Glass Mat). Výhody gélových a AGM akumulátorov oproti klasickým mokrým olovenným akumulátorom sú vysoká odolnosť voči otrasom, veľmi pomalé samovybíjanie (menej gelové), vyššia kapacita pri rovnakej hmotnosti a lepší okamžitý výkon pri rovnakej kapacite  (lepšie AGM) a úplná bezúdržbovosť. Tieto akumulátory majú lepšiu schopnosť rekombinácie plynov (premena vodíka a kyslíka, ktoré sa tvoria v akumulátore, naspäť na vodu). Rekombinačný akumulátor znamená, že kyslík a vodík sa rekombinujú vo vnútri akumulátora. Takéto akumulátory využívajú prenos plynnej fázy kyslíka na zápornú dosku, aby umožnili jeho spätnú rekombináciu s vodíkom na vodu v priebehu nabíjania. Zabráni sa tak strate vody z elektrolytu po dobu procesu elektrolýzy. Efektívnosť takejto rekombinácie je viac ako 99%. Stručne napísané, zamedzuje skracovaniu životnosti akumulátora v dôsledku straty vody. Plnému vybitiu však tieto akumulátory vzdorujú horšie (o niečo slabšie AGM) a nemožno ich len tak nahradiť klasickým mokrým olovenným typom. Modernejšie vozidlá sú totiž vybavené inteligentným riadením dobíjania, ktorého logika so zmenou typu akumulátora a teda aj charakteristiky nepočíta. Keďže rekuperačné dobíjanie je podstatne intenzívnejšie ako dobíjanie pri bežných vozidlách bez systému Stop-Štart, mohlo by klasickú mokrú batériu prehriať a následne zničiť.

Ďalšou úpravou musel prejsť štartér a to najmä z pohľadu zvýšenia odolnosti a zníženia hluku. Obvykle to obnáša robustnejšie ložiská, vyšší výkon, zosilnenie permanentných magnetov a mechanizmu vysúvania pastorka, kvalitnejší materiál cievky, viac dimenzované ozubenie kolies venca zotrvačníka, prípadne tlmič kmitov. Z uvedených faktov vyplýva, že štartér bude nielen o niečo ťažší, ale najmä drahší a náročnejší na výrobu.

Ďalším aj keď menej viditeľným faktom je zvýšené opotrebovanie kľukového hriadeľa. Pri každom zošliapnutí spojkového pedálu sa  kľukový hriadeľ posúva v axiálnych ložiskách, pričom sa naruší olejový film, čo znamená, že pri chýbajúcom mazacom tlaku pri štartovaní sa pootočí na sucho. Je síce pravda, že kvalita ložiskových materiálov je dnes vysoká, predsa len časté mačkanie spojky pri vypnutom motore musí po čase zanechať nejaké následky.

Zmena k lepšiemu?

Ako už bolo spomínané, jedným z hlavných problémov systému Stop-Štart je nadmerné zaťažovanie akumulátora a jeho problematické rýchlo nabíjanie. Moderné batérie síce znesú podstatne väčší nabíjací prúd ako bežné olovené akumulátory, k ideálnym potrebám systému Stop-Štart však majú ešte ďaleko. Vývoj ale nespí a ako šanca na zmenu k lepšiemu sa ponúka ukladať elektrickú energiu do vysokokapacitného kondenzátora.

Je všeobecne známe, že značné množstvo kinetickej-pohybovej energie sa premení na teplo brzdením. Plnohybridné vozidlá sú schopné veľké množstvo tejto energie zachytiť a premeniť na elektrickú energiu. Táto energia sa ukladá do Ni-Mh alebo Li-Ion akumulátorov, ktoré sú pomerne rozmerné a ťažké, keďže musia disponovať značnou kapacitou, aby pomohli roztočiť niekoľko desiatok kilowattový elektromotor. Samotná rekuperácia brzdnej energie prebieha pomocou premyslenej spolupráce elektroniky a hydraulického brzdového systému. Pri jemnom stlačení brzdového pedálu sa hydraulika bŕzd vôbec neaktivuje a spomalenie zabezpečuje len elektromotor pripojený k pohonnému reťazcu cez automatickú prevodovku. Tzv. mikrohybridné systémy, často označované rôznymi ekoprívlastkami, využívajú trocha odlišný a hlavne menej účinný spôsob. Využívajú dva režimy alternátora. Prvým je zvýšená záťaž alternátora pri brzdení motorom – zvýšené dobíjanie a druhým je zníženie zaťaženia v ostatných režimoch (ak prevádzkové podmienky dovolia). Systém je síce menej účinný a dodáva do akumulátora len zlomok elektrickej energie oproti plnohybridným vozidlám, no stal sa pomerne lacným štandardom pre optimalizáciu dobíjania. Vďaka tomu je možná aj pomerne jednoduchá aplikácia vysokokapacitného kondenzátora.

Vysokokapacitný kondenzátor

Kondenzátor je súčiastka používaná v elektronike na dočasné uchovanie elektrického náboja – elektrickej energie. Zásadnou nevýhodou kondenzátora je meniace sa napätie úmerne zadržanému množstvu energie, čo v praxi znamená najmä pokles napätia počas vybíjania. V prípade použitia pri vozidlách je nutnosť odber energie presne regulovať. Druhou nevýhodou je vysoká miera samovybíjania. Kondenzátor stráca za mesiac viac ako polovicu naakumulovanej elektrickej energie, zatiaľ čo bežné olovené akumulátory od 5-20%. Z tohto faktu vyplýva skutočnosť, že kondenzátor najviac vyhovie ako krátkodobý zdroj elektrickej energie. Dlho bola najväčším obmedzením kondenzátora nízka energetická hustota, ktorá neumožňovala vyrobiť dostatočne malú súčiastku s vyhovujúcou kapacitou. Vďaka novým materiálom a výrobným postupom sa však tento problém podarilo do veľkej miery prekonať. V prípade použitia automobilového priemyslu sa o výrobu sériového kondenzátora najviac pričinila kalifornská spoločnosť Maxwell Technologies. Jej kondenzátor zapracovala do svojho systému E-Booster firma Continental. Systém E-Booster obsahuje aj regulačný obvod a výkonný reverzibilný alternátor, ktorý v prípade vypnutia motora je schopný prebrať funkciu štartéra a opätovne naštartovať spaľovací motor. Kapacita takéhoto kondenzátora je naozaj úctyhodná a dosahuje hodnoty 630 faradov.

Systém ako prvý použil koncern PSA vo svojich modeloch označených prívlastkom e-HDi, so spaľovacím motorom 1,6 HDi. Po konštrukčnej stránke obsahuje vozidlo aj bežný štartér, avšak iba na štartovanie vozidla pomocou kľúča/tlačidla. Reverzibilný alternátor je pripojený k motoru pomocou ozubeného remeňa a dosahuje výkon 2,2 kW. Pri naštartovanom motore dobíja akumulátor alebo kondenzátor podľa príkazov riadiacej jednotky. V prípade aktivácie systému Stop-Štart preberie funkciu štartéra a plynule naštartuje motor. Štartovanie motora tak prebieha bez vysúvania pastorka štartéra a následnom točení ozubeného kolesa štartéra po ozubenom venci (trvá menej ako 0,1 sekundy). Ďalšou výhodou tohto systému je aj vypínanie motora pri jazde veľmi nízkou rýchlosťou. Ak sa teda napríklad dobieha do križovatky a sú splnené aj ďalšie podmienky (teplota, dostatočný tlak v posilňovači brzdenia, atď.), systém vypne spaľovací motor. Samozrejmosťou je možnosť kedykoľvek motor opäť naštartovať. Kapacita plne nabitého kondenzátora postačuje približne na štyri štarty, opätovné nabitie kondenzátora zaberie podľa údajov výrobcu približne 5-10 min. Nejedná sa teda o zázračné hodnoty, obzvlášť ak vozidlo stojí v zápche sa kapacita kondenzátora rýchlo vyčerpá a ďalšia energia sa musí čerpať z akumulátora. Jedná sa však o perspektívne riešenie ako akumulovať elektrickú energiu a následne ju podľa potreby využívať.