Электроника и безопасность автомобиля

Системы экологической безопасности автомобиля

Экологической безопасности автомобилей в последние годы уделяется все более пристальное внимание. Поэтому многие из современных автомобилей оборудуются нейтрализаторами отработавших газов, системами рециркуляции выхлопа, а также системами типа «старт-стоп».

Системы «старт-стоп»

В эпоху назревающих экологических катастроф защитники природы начали уделять все более пристальное внимание техногенным причинам, вызывающим загрязнение атмосферы и окружающей природной среды, в т. ч. почвенным и водным ресурсам.
Сейчас уже не является тайной, что отходы работающих двигателей внутреннего сгорания, которыми оснащается львиная доля моторизованной техники, составляют до 80 % от общей доли загрязнения атмосферного воздуха всеми индустриальными загрязнителями, включая выбросы из труб промышленных предприятий, котельных и т. п.
Вносят свою лепту в это «грязное» дело и автомобили, оснащенные ДВС.

При этом характер эксплуатации автотранспортных средств показывает, что далеко не все время работы двигателей используется продуктивно, т. е. с пользой. Исследования показали, что до 30% от общего времени эксплуатации автомобиль работает на холостых оборотах, бесполезно используя при этом топливо, загрязняя атмосферу вредными выбросами, и издавая излишний шум.
Эти факты, подкрепленные исследованиями и требованиями экологов, заставили призадуматься инженеров-разработчиков автомобильной техники над способами и методами устранения описанных негативных явлений.

Одной из реализованных конструкторами идей явилась так называемая система «старт-стоп» (на английском — «Start-stop» system или «Stop&Start») — технология, предназначенная для автоматического отключения и перезапуска двигателя автомобиля с целью экономии топлива, снижения вредных выбросов и уровня шума за счёт сокращения времени работы двигателя на холостом ходу.
Принцип работы системы «старт-стоп» заключается в выключении двигателя при остановке автомобиля и его последующем запуске при нажатии на педаль сцепления (на автомобилях с механической трансмиссией) или отпускании педали тормоза (на автомобилях с автоматической трансмиссией).

Первые эксперименты по созданию такой системы предприняла японская компания «Toyota» в середине 1970-х годов, установив на модель «Crown» устройство, автоматически выключающее работающий двигатель после через пару секунд после остановки автомобиля, и запускающее его после определенных манипуляций водителем педалями управления.
Картина выглядела следующим образом: водитель остановил автомобиль (на светофоре, у подъезда или в уличной пробке), и после короткого промежутка времени (примерно 1,5 секунды) простоя двигатель отключался системой управления «старт-стоп» в автоматическом режиме.
После манипуляции педалью акселератора, тормоза или сцепления (в зависимости от используемой конфигурации системы) двигатель вновь запускался, и водитель мог продолжать движение.

По утверждению разработчиков, использование этой системы позволило сократить расход топлива при эксплуатации автомобиля в условиях города Токио почти на 10 %. Конечно, это существенная экономия денежных средств автовладельца, и ощутимое сокращение вредных выбросов в атмосферу мегаполиса.
Кроме этого, по мнению разработчиков, система «старт-стоп» позволяет несколько снизить уровень шума от работающих двигателей, что тоже немаловажно, особенно в условиях населенного пункта.

Идею японских конструкторов подхватили и другие разработчики автотранспортной техники, и уже спустя несколько лет системами «старт-стоп» аналогичного типа оснащались и европейские, и американские автомобили. Иногда эту систему называют несколько иначе – «стоп-старт», в частности по названию разработанной компанией «Citroën» системы «Stop and Start», применявшейся на автомобилях моделей C2 и C3 от этого автопроизводителя.

В настоящее время существует несколько разновидностей системы «старт-стоп» (или «стоп-старт»), использующих для выполнения функций различные принципы. Тем не менее, все эти системы объединяют общие элементы конструкции:

• устройства, обеспечивающие многократный останов и запуск двигателя;
• систему управления (как правило, электронную, на основе информационных датчиков).

В большинстве используемых разработчиками систем «старт-стоп» нет отдельного электронного блока управления, вместо этого используется электронный блок управления двигателем, в котором заложено соответствующее программное обеспечение.
Некоторые системы (например, система «Starter Alternator Reversible System» от компании «Valeo») используют собственный блок управления, который, тем не менее, взаимодействует с ЭБУ двигателя.

Существует несколько подходов к реализации функции многократного запуска двигателя:

• специальный стартер — классическая система, лидером разработок которой является компания «Bosch»;
• реверсивный генератор (стартер-генератор) – лидеры разработок компании «Valeo» и «Denso»;
• впрыск топлива в цилиндры и воспламенение смеси — разработка компании «Mazda».

В некоторых источниках упоминается об идее использовать для запуска двигателя после кратковременной остановки специальный маховик, который раскручивается приводом при движении автомобиля, накапливая тем самым механическую энергию, и отдает ее при необходимости запуска двигателя (раскручивая силами инерции коленчатый вал), но практического применения этот принцип пока не нашел.

Системы «Stop&Start» от компании «Bosch»

Наиболее часто европейские автомобили комплектуются системой «старт-стоп» («Stop&Start») от компании «Bosch», в которой многократный запуск двигателя обеспечивает специальный мощный стартер, рассчитанный на большое количество пусков двигателя и имеющий увеличенный срок эксплуатации (ресурс). Стартер оборудован усиленным малошумным механизмом привода, гарантирующим быстрый, надёжный и бесшумный запуск двигателя.
Схема подключения приборов и устройств такой системы представлена здесь.

Система управления осуществляет остановку и запуск двигателя, а также контролирует уровень заряда аккумуляторной батареи. Как и все современные электронные системы управления, она включает информационные датчики, блок управления и исполнительные устройства.
При остановке автомобиля система «старт-стоп», на основании сигналов соответствующих датчиков (скорости автомобиля, частоты вращения колес, положения дроссельной заслонки, педали тормоза или педали сцепления), останавливает двигатель, перекрывая подачу топлива и отключая систему зажигания. Питание потребителей электрической энергии после остановки двигателя осуществляется от аккумуляторной батареи.

При отпускании водителем педали тормоза (нажатии на педаль сцепления или включения передачи КПП) система «старт-стоп» активирует стартер и производит запуск двигателя. В некоторых системах (автомобили с автоматической трансмиссией) управление пуском двигателя осуществляется посредством манипуляции педалью акселератора, т. е. по сигналам датчика положения дроссельной заслонки (ДПДЗ).
В дальнейшем цикл остановки и последующего запуска двигателя может многократно повторяться по мере необходимости.

Поскольку пуск двигателя осуществляется посредством мощного стартера, система «старт-стоп» внимательно следит за состоянием аккумуляторной батареи. Если величина заряда аккумуляторной батареи опускается ниже предусмотренной программой величины, система на основании сигнала соответствующего датчика автоматически отключается, и перестает функционировать до восстановления емкости и заряда аккумуляторной батареи.
В случае необходимости система «старт-стоп» может быть принудительно отключена с помощью специальной кнопки на панели приборов.

Системы «старт-стоп» типа «ISG»

Компания «Kia Motors» разработала собственную систему «старт-стоп» — «ISG» («Idle Stop&Go»), несколько отличающуюся по принципу действия от классической. Главное отличие системы «ISG» в управлении автомобильным генератором.
Система «ISG» способна отключать генератор во время пиковых нагрузок двигателя, что позволяет уменьшить нагрузку на силовой агрегат и сэкономить топливо (работающий генератор использует значительную часть мощности двигателя).
И наоборот, когда водитель нажимает на педаль тормоза и двигатель не нуждается в избытке мощности, система «ISG» включает генератор, который начинает использоваться в качестве основного источника электроэнергии и подзаряжает аккумуляторную батарею.
Как и во всех «старт-стоп» системах, в случае снижения уровня заряда аккумуляторной батареи ниже допустимого (примерно 75%) система «ISG» автоматически отключается.

Еще одна не менее популярная система, использующая манипуляции с генератором и стартером, получившая название «STARS» («Starter Alternator Reversible System») от компании «Valeo» использует для экономии топлива реверсивный (реверсионный) генератор.
Этой системой оборудованы автомобили таких компаний как: «BMW» и «Citroen», благодаря ей автовладельцам удается добиться более чем 10%-й экономии топлива.

Известно, что любой электродвигатель способен работать в двух режимах – двигателя и генератора. Реверсивный генератор — это электрическая машина переменного тока, способная чередовать (изменять) свою работу, выполняя в зависимости от необходимости либо функцию генератора, либо функцию стартера.
Применённая конструкция — ISG, (аббревиатура в среде русскоязычных механиков переводится, как «интегрированный стартер-генератор»), сочетает в себе роль стартера и генератора в одном устройстве.
Производить такой стартер-генератор стали французская компания «Valeo» и японская «Denso».

Стартер-генератор при помощи специального приводного ремня и реверсного натяжителя может передавать крутящий момент в ту или иную сторону. При этом по команде электронного блока управления стартер-генератор может либо вращать коленчатый вал двигателя (режим стартера), либо преобразовывать механическую энергию в электрическую (режим генератора).

В отличие рассмотренных выше систем «старт-стоп» управление «STARS» осуществляется отдельным блоком управления, взаимодействующим ЭБУ двигателя. Все остальные элементы конструкции (входные датчики и исполнительные механизмы) практически идентичны используемым в других системах «старт-стоп».

Среди многочисленных разработок в этом направлении можно отметить систему «старт-стоп», использующую рекуперативное торможение, т. е. преобразующую тепловую энергию, выделяющуюся при торможении автомобиля, в электроэнергию для подзарядки аккумуляторной батареи.

Системы «старт-стоп» типа «SISS»

Разработчиком первой системы «старт-стоп» типа «SISS» («Smart Idle Stop System») является японская компания «Mazda». В этой системе запуск двигателя осуществляется посредством впрыска топлива в цилиндры с последующим его воспламенением.
Принципиальным отличием этой системы является пуск двигателя без стартера, использованием импульса, передаваемого коленчатому валу от поршневой группы цилиндра, в котором осуществлен рабочий ход. Далее двигатель запускается по обычному сценарию, как и при раскручивании коленчатого вала стартером.
Конечно же, такая система запуска двигателя требует безукоризненной работы систем питания и зажигания, чтобы при единственном обороте коленчатого вала двигатель начал работать.

С целью обеспечения оптимальной работы системы «SISS» остановка поршней в цилиндрах осуществляется в строго определенном положении, которое наиболее оптимально для последующего запуска двигателя.
В некоторых системах типа «SISS» специальный датчик определяет (возможна интеграция с датчиком фаз – ДПРВ), — в каком из цилиндров поршень находится в положении, предшествующем рабочему ходу, и для запуска двигателя используется этот цилиндр.
При старте в нужный цилиндр впрыскивается порция топлива, после чего осуществляется воспламенение полученной топливовоздушной смеси от искры, коленчатый вал начинает вращение и двигатель запускается. В некоторых конструкциях «SISS» для обеспечения надежного запуска двигателя используется стартер, включаемый на короткое время.

Системой «SISS» оборудуются преимущественно автомобили с бензиновыми двигателями, в которых реализована функция непосредственного впрыска топлива и автоматическая трансмиссия.

Условия работы систем «старт-стоп»

Несмотря на разность конструкций, программные обеспечения всех применяемых систем «старт-стоп» реализуют несколько общих обязательных для функционирования системы условий.

Любая система «старт-стоп» функционирует только на малой скорости движения автомобиля (менее 4км/ч), при этом дверь водителя должна быть закрыта, а сам водитель должен быть пристёгнут ремнем безопасности.
Кроме того, система не будет включаться на непрогретом автомобиле (ЭБУ системы улавливает несоответствие частоты вращения коленчатого вала его номинальной частоте вращения на холостом ходу), при включении относительно мощных электропотребителей (обогрев стёкол, зеркал и т. п.), если неисправен генератор или уровень заряда АКБ ниже нормы.

Электронный блок управления системой «старт-стоп» постоянно анализирует показания различных датчиков, чтобы исключить неправильный останов двигателя.
Так, если водитель отпустил педаль акселератора, выжав при этом сцепление или установив нейтраль КПП, блок управления не остановит двигатель, поскольку такая же ситуация имеет место при движении автомобиля накатом под уклон, а остановка двигателя чревата отключением усилителей тормозной системы и рулевого управления. Поэтому блок управления анализирует показания датчиков частоты вращения колес, и если сигнал от этих датчиков линейный (колеса не вращаются), значит, автомобиль остановлен, и можно выключить двигатель.

Дополнительным сигналом для ЭБУ может быть и повышение давления в тормозном приводе (водитель удерживает ногу на педали тормоза), о чем сигнализирует соответствующий датчик. В этом случае блок управления системы «старт-стоп» может согласовывать действия с другими системами — антиблокировки колес и динамической стабилизации движения, поскольку датчик давления в тормозном контуре участвует в управлении и этими системами, и отключать двигатель при блокировке колес (нажатие на тормозную педаль) тоже не всегда допустимо.

Отдельные производители вводят в программу запрет включения системы «старт-стоп» при остановке автомобиля после движения задним ходом (вдруг водитель не выключил передачу) или если управляемые колеса повернуты на большой угол (например, после маневра на стоянке). В последнем случае система предотвращает пуск двигателя при неэффективно работающем усилителе рулевого управления.

О пользе систем «старт-стоп» у водителей нет единого мнения. Многие считают ее непозволительной роскошью, поскольку автомобили, оснащенные такими системами, стоят дороже.
Конечно же, для автовладельцев (особенно российских) вопросы экологии и лишнего шума являются несущественными, а реальной (хоть и небольшой) экономии топлива можно достичь лишь при интенсивной эксплуатации автомобиля в крупном городе.
Тем не менее, работы над усовершенствованием систем «старт-стоп» не прекращаются, и, можно полагать, что по настоянию экологов они вскоре могут стать обязательным элементом конструкции всех автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.

Источник Источник http://k-a-t.ru/PM.01_mdk.01.02/10_bezopasnost_11/index.shtml