Start-stop

V článku o tříhrnku jsem se dotknul problematiky systému start-stop, což vyvolalo nějaké dotazy. Pokusím se váženému čtenářstvu přiblížit některé peripetie tohoto systému, který kupodivu není jednoduchý a prorůstá doslova celým autem.

Nehodlám zde zabřednout do diskusí o tom, zda je start-stop k něčemu nebo není. Pokud jde o ekonomickou stránku, odhady automobilek ohledně úspory paliva se pohybují mezi 0,1% a 10%. Čím to je? Vypočtená úspora paliva může být teoreticky jakákoli, záleží, jaký jízdní cyklus uvažujeme. Reálně se dá očekávat něco kolem 1-2% úspory paliva.

Hlavním důvodem „popularity“ start-stopu byl zkušební cyklus NEDC, ve kterém motor setrvával přesně 295 s z celkových 1180 s ve volnoběhu. Současně to byl druhý nejvýznamnější ojeb v tomto cyklu (hned po pomalé akceleraci). Pokud tedy vaše auto žere o třetinu víc než má napsáno v techničáku a vy každou pracovní cestu dotujete z vlastní kapsy, tak pošlete hned v letošním květnu poděkování do Bruselu, kde si nikdo „nevšiml“, že žádné auto neprostojí čtvrtinu provozního času ve volnoběhu. Je to skvělá ukázka toho, jak automobilky a zákonodárci kooperují ve snaze vnutit konečnému zákazníkovi výrobky, které by si sám nikdy nekoupil. Ve WLTP je to asi 235 z celkových 1800 s a v RDE to bude ještě méně (ale nedá se říct kolik, protože to není stanoveno, cyklus je zkonstruovaný z různých průměrných hodnot). Pak jsou tady státní regulace, například v socialistickém Torontu je trestné ponechat motor (auta, lodě, autobusu) ve volnoběhu na delši dobu než minutu za hodinu trestáno pokutou.

Poměrně častou zábavou na internetových fórech je výpočet, za jak dlouho se spotřeba energie na udržování motoru a jeho nový start vyrovná.. Na jedné straně stojí energie nutná ke spuštění motoru (většinou vypočtená z proudu odebíraného z baterie při startu, tedy třeba 150 A za 1 s) a na straně druhé energie spotřebovaná na udržení motoru ve volnoběhu, a v break even bodu se množství paliva nutné k vyrobení elektrické energie na spuštění motoru právě rovná palivu uspořenému na volnoběh. Tento break-even vychází na nějakých 5 sekund, což je nesmyslně málo. Ve většině těchto výpočtů totiž není zahnuto několik důležitých věcí. Například při odstavení motoru start-stopem se nevypnou všechny spotřebiče v autě, naopak, zůstanou zapnuté a odebírají dál energii z baterie, kam ji potom motor musí skrze dobíjecí soustavu dosypat. Někdy jde o celkem velké proudy, třeba 30 A, protože se při vypnutí motoru musejí zaparkovat různé aktuátory do polohy, odkud pak proběhne spuštění motoru. Stejně tak musí motor „dovyrobit“ energii pro klimatizování nebo vytápění interiéru, který se po dobu vypnutí motoru vychladí nebo ohřeje. Také je třeba vzít v úvahu palivo spotřebované na opětovné roztočení motoru na 750 rpm, což v podstatě odpovídá energii nutné k překonání setrvačného momentu všech pohyblivých částí v motoru. Hodně odhadem bude break-even někde kolem 15 s. Ale ani pak ale není vyhráno, protože po uplynutí těchto 15 s začne start-stop „na sebe vydělávat“ a jde mu to skutečně pomalu (spotřeba motoru na volnoběh je asi 0.7 l/h).

Hodně lidí se domnívá, že start-stop prostě zhasíná a startuje motor stejně, jako by to dělal řidič kličkem a proto stačí do auta dodělat něco jako automatický vypínač. Ve skutečnosti je za ním daleko komplexnější problematika a jakkoli se to jeví neuvěřitelné, start-stop je drahá a komplikovaná věc.

Důvod proč nejde použít „automatický vypínač“ je nasnadě. Motor by se tak dal sice snadno vypnout (stačí na to minimum hardware, tedy snímač pedálu spojky a snímač neutrálu), ale takový systém by negarantoval, že v autě bude dost energie na opětovný start motoru, protože kondice baterie může být všelijaká a i když je kondice baterie skvělá, v autě mohou být připojeny spotřebiče, které ji mohou zatěžovat natolik, že by na opětovný start motoru už nezbylo. V autě tak musí být něco jako management řízení energie.

Většina OEM systémů, tedy těch, co si automobilky vyrobily samy, je založena na systému omezujících podmínek. Například u Fordu dojde k vypnutí motoru tehdy, pokud:

rychlost vozidla je 0 km/h.
signál ze snímače polohy pedálu plynu je volnoběh
spojka není sešlápnutá
ABS není aktivováno
podtlak v posilovači brzd je ve stanovené toleranci
řadící páka je v poloze „neutrál“ u manuální převodovky nebo „D“ u automatické
teplota baterie je mezi 5°C a 60°C
v motorové ECU není zaznamenaná chyba (některé lze ignorovat)
pokud je klimatizace vypnutá, během aktivace start-stopu nepřišel požadavek na zapnutí klimatizace
pokud je klimatizace zapnutá, vnější teplota není vyšší než 35°C

podélný sklon vozidla není vyšší než 15°
všechny dveře jsou zavřené
signál zapnutých bezpečnostních pásů u obsazených sedadel je beze změny
pokud má vozidlo měnič na 220 V nebo 110 V, jeho příkon není větší než 10 W
není připojený přívěs
vozidlo není taženo
pokud má vozidlo přiřaditelný pohon druhé nápravy nebo elektronicky uzavíratelný diferenciál, nepřišel požadavek na jeho aktivaci během aktivace start-stopu
neprobíhá odmlžení ani odmrazení skel
klimatizace neběží na maximum
během ativace start-stopu nepřišel požadavek na změnu otáček větráku kabiny
napětí baterie je vyšší než 11.3 V
změřený nebo spočtený proudový odběr je menší než zadaný (příklad: 65 A)
volant není stočený o víc než 90° od středové polohy
během aktivace start-stopu nedošlo ke změně pozice volantu
není aktivní hill holder
automatická převodovka není přehřátá
stav paliva není pod 12%
není aktivní kontrolka nouzového stavu paliva

Mimochodem několik z těchto podmínek se dá použít k permanentnímu vyřazení start-stopu. Znám lidi, co u SUV například používají falešnou zástrčku přívěsu, kde je vývod na koncová světla proklemovaný přes odpor na zem. Hodně štěstí.

Všechna tato omezení mají zajistit, aby ve vozidle zůstalo dost šťávy pro další start a pro napájení systémů auta po dobu odstavení motoru. Pokud tedy v autě přestane z ničeho nic fungovat start-stop, pravděpodobně došlo k nesplnění některých z uvedených podmínek a start-stop se odpojil z důvodu zachování mobility. Nejčastěji za to může špatný stav baterie nebo je zapsaná nějaká chyba v motorové ECU.

Snaha zdokonalit energetický management, eliminovat extenzívní systém podmínek a snížit zátěž baterie (v důsledku toho umožnit použití levnější baterie nebo prodloužit životnost té dražší) vedla k použití EBS senzoru. Senzor monitoruje stav baterie v reálném čase a předává po CAN lince informace o stavu baterie do nadřazené řídící jednotky.

Systém s konvenčním hardware, tedy používající startér, nahodí motor asi 700 – 1000 ms. Napomáhá tomu celá řada triků, například cílené zastavení pístů v pozici, odkud bude snadno startovat.

Jako příklad systému, který konvenční hardware nepoužívá, se hodí Valeo StARS. Na trhu je už asi deset let, výrobce ho představil v roce 2010, kdy zelené šílenství vrcholilo, ale nezdá se, že by trh nějak ovládl. Ke startu se používá reverzibilní alternátor, který otáčí klikovou hřídelí přes násobný klínový řemen. Výhodou tohoto řešení je rychlost, protože odpadá čekání na přesunutí pastorku startéru a generátor je výkonnější než startér. Tímto alternátorem také lze pohánět různé systémy, pokud motor stojí, nebo dokonce celé auto (mikrohybrid). Valeo udává, že tento jeho systém je schopen motor nahodit za 400 ms, ale rychlost zjevně není všechno, protože Valeo současně nabízí systém s klasickým start-stop optimalizovaným startérem.

Ještě větší odvaz jsou systémy SISS od Mazdy. Zdá se, že Mazda utratila všechny peníze, které ušetřila za antikorozní ochranu, na výzkum start-stopu. Původní SISS vůbec nepočítal se startérem, spuštění zážehového motoru se dělo tak, že motor byl cíleně zastaven ve vhodné poloze a odtud poté spuštěn tak, že se do válce vstříklo palivo a zapálilo se svíčkou. Kupodivu to k „nadrcnutí“ motoru stačilo, ale jen v laboratoři. Sám nápad není nijak nový, přišli na to už uživatelé Fordu T, kteří si chtěli ušetřit točení klikou. Další vývoj systému směřoval k tomu, že se motor vstřikem paliva do jednoho válce pootočil mírně nazpátek, aby se tak zvýšila komprese v jiném válci, kde se pak provedl odpal. To už fungovalo o něco spolehlivěji. Kdyby se to podařilo dovést do série, byl by to jistě úspěch, protože by nebyla potřeba žádná speciální baterie ani startér, kromě toho výrobce sliboval start za 350 ms. V sériové podobě systému SISS se přesto startér uplatnil, a to pouze proto, aby s „nadrcnutím“ motoru pomohl, a v té podobě si ho můžeme nyní koupit. Shodou okolností dieselová Mazda CX-3 performovala úplně nejhůře ve studii rychlosti start-stop systémů, takže na tom u Mazdy budou muset asi ještě pracovat.

Postupem času se vývoj start-stopu začal ubírat ještě jiným směrem. Pomohl tomu SRR neboli radar krátkého dosahu, který umožnil efektivitu systému poněkud zvýšit tím, že vypíná motor ještě za jízdy a nechává auto „doplachtit“, a naopak startuje sám, když se vozidlo před ním rozjede. Ani to však zákazníky moc neuchvátilo, spíš se tak stalo chování systému ještě méně předvídatelné.

Start-stop má určité marginální výhody. Pokud jezdíte po městě s mnoha semafory, jako jsou třeba České Budějovice, bude se vaše jízda podobat NEDC a úspora paliva bude také podobná té určené v NEDC. Dál by se dalo spekulovat o určitém vlivu na lokální emise zplodin a hluku, protože procházet jako chodec kolem řady krutě rodinných dieselových kombi radostně nýtujících při čekání na křižovatce není příjemné. Tím výčet výhod končí.

Seznam nejrůznějších potíží je oproti tomu velmi dlouhý. Ať je to jak chce, motor je tepelný stroj a jeho životnost je daná počtem mechanických a tepelných cyklů. Start je pro motor jeden velký stres a provádět to záměrně není dobrý nápad. V motoru je hromada součástek, jejichž životnost není dána v hodinách ani kilometrech, ale právě ve startech, a žádná nemá ze start-stopu radost.

Třeba takový startér. Zatímco u běžného startéru se počítá asi se 50.000 starty za celou jeho životnost, u startéru pro motor se start-stopem je to 10x tolik. Startér je proto mnohem robustnější, například má místo kluzných jehlová ložiska.

Dál je tu problém s mazáním těch ložisek v motoru, které používají hydrodynamickou lubrikaci a jsou proto napojená na nucený mazací oběh. Jsou to třeba ložiska klikové hřídele. Vypnutím motoru přestane olejové čerpadlo poskytovat tlak a hydrodynamický efekt, který dosud snižoval tření mezi kluznými plochami, postupně mizí s tím, jak klesá tlak oleje po zastavení čerpadla. Dosavadní přístup založený na modifikaci vlastností olejů a kluzných povrchů ložisek pomohl odstranit největší škody, ale uvidíme za pár let. Momentálně nelze prokázat, že by auta provozovaná se systémem start-stop byla nějak poruchovější než vozidla bez něj. Co však prokázat lze, je zvýšené opotřebení vozidel, která kolem dokola startují, jako třeba taxíky.

Start-stop je kritický pro životnost baterie, protože zvyšuje jejich cyklické zatížení. Je proto třeba používat EFB nebo AGM baterie, ty druhé pak zejména v případě, pokud vozidlo má rekuperaci brzdné energie. U auta z druhé ruky, kterému záhadně nefunguje start-stop nebo hlásí chyby (veselá škodovácká hláška „Vysoká spotřeba energie pro tento automobil“) se většinou ukáže, že je v něm namontovaná nejlevnější „zatopená“ baterie z Kauflandu, kterou tam minulý majitel nacpal, protože věděl, že auto bude prodávat a bylo mu zatěžko vydat peníze za drahou start-stop kompatibilní baterii. EFB baterie stojí totiž třeba dvojnásobek a AGM více než třínásobek. Jiná sorta vyčůránků si řekne, že tedy nekoupí EFB ani AGM baterii, protože do Oktáfky stojí originál sedm litrů, a že tedy vezme sice levnější „zatopenou“ baterii, ale „silnější“, tedy s větší kapacitou, aby se to jako vykompenzovalo. Ani to však nefunguje, protože podstatou problému není kapacita, ale cyklická životnost.

Proč se start-stop vždy znovu aktivuje poté, co ho řidič tlačítkem nebo v menu vypnul? Předně není pravda, že by se vždy a všude aktivoval. Například moje Giulietta má deaktivační tlačítko a po jeho použití zůstane start-stop deaktivovaný tak dlouho, jak dlouho si ho deaktivovaný přejete mít, což je v mém případě již třetí rok nepřetržitě. Mezi lidem se tvrdí, že na to je nějaká „norma“. Nicméně jsem nebyl s to najít, jaká norma by to měla být. Je sice pravda, že výrobce musí vozidlo prodávat v konfiguraci, v jaké ho homologoval, tedy se zapnutým start-stopem, ale tento požadavek je zcela splněn tím, že výrobce prodá vozidlo a start-stop je v okamžiku prodeje aktivovaný. Výrobce také nese odpovědnost za jeho další funkci, ale nenese žádnou odpovědnost za jeho opakované zapínání. Nenašel jsem tedy žádnou „normu“, tedy ISO standard, evropskou směrnici, FMVSS regulaci, prostě nic, co by výslovně stanovilo, že start-stop musí být „non-latched“ a aby se vždy znova aktivoval (třeba ji najdete vy), takže se domnívám, že se jedná o zlovolnost neseriózních výrobců automobilů, jak zákazníkům systém „nanutit“ a přimět je si na něj zvyknout a používat ho.

Proč nepomůže prostě tlačítko vypnutí start-stopu přemostit? Protože řídící jednotku nezajímá momentální stav tlačítka, ale změna jeho stavu. Pokud je tedy v ECU nastaveno, že defaultní status start-stopu je „aktivován“ a k jeho deaktivaci je třeba změnit stav tlačítka, bude reálný důsledek „proklemování“ tlačítka s největší pravděpodobností pouze to, že start-stop nepůjde už ani vypnout. Kdo chce s tlačítkem vyjebat, musí si pořídit nějaké zařízení, které bude po nějaké době od startu „mačkat“ tlačíko za něj. Samozřejmě nemám na mysli mačkat tlačítko mechanicky, ale realizovat to elektrickým obvodem umístěným „pod“ tlačítko (příklad). Hledejte na e-bayi, možná najdete nějaký přímo s konektory pro váš vůz. Část vozidel má vyčůraně zkonstruované tlačítko, které v sobě integruje spínač i rozpínač, a pro deaktivaci start-stopu je třeba změna stavu obou, což komplikuje použití výše popsaných oblbovátek. Také nefungují na vozidla, která mají vypínání start-stopu v menu. U některých aut jde start-stop komfortně vypnout v motorové ECU, protože na to mají buď přímo připravenou funkci, anebo je třeba změnit hodnotu minimálního napětí, při které se start-stop neaktivuje, na 12.2 V (to dobře funguje na VW s motory 1.4 TSI), anebo jsou zapotřebí permanentní zásahy, jako třeba „dongl“ do OBD zásuvky (příklad).

V poslední době, z důvodů nastíněných hned na začátku článku, nastává soumrak systému start-stop. Jednak je na trhu pár nových aut, která nemají start-stop a bude jich víc. Automobilky také lépe slyší na „vypínatelnost“ start-stopu. Osobně si myslím, že start-stop je tak trochu v roli oběti, do které se dostal jeho demagogickým prosazováním a současně zanedbáním vývoje. Možná bylo možné dotáhnout ho do stádia, aby přinášel skutečný benefit, ale jeho pověst se ještě předtím natolik pokazila, že nad ním zákazníci zlomili hůl. Například vůbec nic nehovoří proti tomu, propojit start-stop s infrastrukturou tak, že by si start-stop „povídal“ se semaforem a aktivoval (nebo naopak neaktivoval) se podle toho, kolik časů zbývá do zelené. V prostředí, kde je vlastníkem silniční infrastruktury stát a ten není kvůli špatnému hospodaření a neschopnosti úředníků zajistit ani základní opravy a údržbu, je to víceméně scifi. Na konceptech jako „start-stop coasting“ se zase podepsala kontraproduktivnost evropského cyklu NEDC, ačkoli jinak mohly fungovat. Start-stop tak nečeká žádná velká budoucnost.

17.02.2019 D-FENS

Související články: