Технология «стоп-старт»: долгосрочное влияние на двигатель автомобиля

Действительно ли система Start/Stop так хороша как ее стараются представить?

Экономия топлива за счёт глушения двигателя при относительно долгих простоях на перекрёстке или в пробке – не новая технология. В современных автомобилях, особенно оснащённых моторами большого объёма, автоматизация этого процесса за счёт внедрения системы «стоп-старт» уже давно доказала свою эффективность. Главным вопросом, который по-прежнему волнует автомобилистов, остаётся негативное влияние на ресурс двигателя при длительной эксплуатации в таком режиме.

Что такое технология Start/Stop

Сама по себе эта система довольно проста: электроника анализирует режим движения, и как только автомобиль полностью останавливается, используется тормоз или размыкается механизм сцепления – двигатель, вне зависимости от используемого топлива, глушится. Как только педаль тормоза отпущена или включен механизм сцепления, происходит автоматический запуск мотора.

Как работает система

Как правило, система работает в полностью автоматическом режиме, однако у водителя есть возможность её отключить, если в ней не будет необходимости. При вышеописанных условиях, бортовая электроника прекращает подачу топлива и отключает зажигание. Современный уровень автоматизации позволяет без труда реализовать такую схему работы, поскольку современные моторы запускаются гораздо легче, нежели их предшественники, а также имеют достаточно высокую надёжность.

Сам же механизм запуска практически не изменился: стартер активизирует двигатель за счёт зацепления малой зубчатой шестерни с большой, закреплённой на маховике. Однако во многих современных моделях реализована схема «TS» или «тандемного соленоида», предполагающая плавный переход между режимами замедления и остановки, а также разгоном, для снижения износа элементов мотора. Особенности этой конструкции могут проявиться, когда водитель был намерен совершить остановку, но изменил своё решение и начал интенсивное ускорение. В этот момент система может произвести глушение двигателя, но под действием внутренней инерции маховик продолжит своё вращательное движение.

Чтобы избежать хруста и преждевременного износа зубчатой передачи, один из соленоидов активизирует стартер двигателя и обеспечит его синхронизацию с маховиком, что при разгоне позволит бесшумно и легко привести основную пару шестерен в зацепление.

Тем не менее, запуск двигателя – это сложный процесс, который приводит к дополнительным нагрузкам на все системы автомобиля, поэтому потенциальная выгода от экономии топлива может быть утрачена из-за преждевременного износа или поломки одного из важнейших механизмов, если, конечно, не принять должных конструктивных мер. По мнению Герхарда Арнольда, ответственного за разработку подшипников в компании Federal Mogul, обычный двигатель с лёгкостью выдерживает до 50 000 циклов остановки, но в случае применения системы «стоп-старт» количество циклов может превысить 500 000 за расчётный период эксплуатации автомобиля.

Это существенный рост нагрузок на все элементы, ввиду чего некоторые из них стоит рассмотреть подробнее.

Основным компонентом двигателя, а также одним из самых тяжелых элементов является коленчатый вал. Он поддерживается по мере своего вращения множеством отполированных цилиндрических вкладышей вдоль своей длины, работающих в «простых» подшипниках (без шариковых или роликовых механизмов). Это основные подшипники. Когда двигатель работает, коленчатый вал и основные опорные поверхности фактически не касаются друг друга и разделены сверхтонкой пленкой масла, подаваемой под давлением и прокачиваемой вокруг опорных поверхностей под действием вращающегося коленчатого вала. Этот процесс называется «гидродинамической смазкой», но когда двигатель останавливается, кривошип опускается на подшипник, причем две металлические поверхности входят в контакт.

Как коррозия помогает снизить износ

Во время запуска двигателя, как бы надёжен и современен он ни был, имеет место момент, когда коленвал уже пришёл в движение, а смазывающая плёнка ещё не разделила соприкасающиеся поверхности – это так называемое «граничное условие». Именно в этот момент и происходит наиболее интенсивный износ. Таким образом, внедрение системы «стоп-старт» автоматически увеличивает число возникновений таких «граничных условий» с 50000 до 500 000, что приводит к преждевременному износу подшипников и опорных элементов коленчатого вала.

Инженеры многих компаний разрабатывают технологии, позволяющие повысить надёжность этой группы элементов, в частности за счёт увеличения износостойкости и смачиваемости поверхностей смазочными материалами. Так, компания Federal Mogul разработала новый материал под названием Irox, основной особенностью которого является полимерное покрытие содержащее частицы оксида железа (ржавчины), которая в этой микроскопической форме обеспечивает снижение коэффициента поверхностного трения. По заявлениям производителя, в сравнении с обычным алюминиевым подшипником данный показатель снижен вдвое, что позволяет обеспечить высокий уровень долговечности.

Следует, однако, принимать во внимание то, что для подобных сравнений используют «обезличенные» конструктивные элементы устаревших моделей, поэтому объективного сопоставления с современными аналогами такие данные обеспечить не могут.

Высокоэффективные смазочные материалы

Вторым направлением совершенствования двигателя является разработка современных масел, которые содержат комплекс присадок и, по сути, являются сложной химической смесью. Технический директор британской фирмы Millers Oils Мартин Манн заявил, что правильный подбор состава подобных масел имеет решающее значение: «Мы уменьшили трение с нашими маслами и улучшили долговечность масляной пленки, и мы предполагаем, что это должно способствовать активному продвижению систем «стоп-старт»».

Компания Millers Oils проводит исследования масел с низким показателем трения в своих лабораториях еще с 2006 году. «Мы разработали многокомпонентную смесь, испытали ее на фрикционной установке и обнаружили, что мы можем уменьшить трение скольжения между типичными компонентами, такими как поршни и вкладыши, на 50 процентов» — говорит Манн.

Как правило, это снижает тепловыделение, потерю мощности, расход топлива и износ, но новая трехкомпонентная нанотехнология Miller, известная как Nanodrive, идет дальше. Крошечные наночастицы, такие как микроскопические шарикоподшипники, благодаря высокому давлению и полимерной структуре концентрируются на поверхностях износа и обеспечивают их защиту. Пока это решение доступно только в элитных гоночных маслах Miller, но касательно рассматриваемой системы «стоп-старт» она также может уменьшить износ при каждом повторном старте.

Теоретически, при использовании технологий подшипника скольжения и смазки с низким трением потенциальная угроза ресурсу двигателя должна быть преодолена. Но нынешние технологии все еще относительно новы, и только время может доказать или опровергнуть их эффективность. Кроме того, агрегатирование наночастиц на поверхности смазываемых деталей автоматически приводит к локальному повышению вязкости до момента формирования устойчивой молекулярной связи, что при определённых условиях может оказать отрицательное влияние.

Действительно ли система «стоп-старт» экономит топливо

С учётом того факта, что исправный двигатель на холостых оборотах во время простоя на светофоре или в пробке потребляет крайне небольшое количество топлива, а в момент запуска этот показатель существенно превышает усреднённую величину, возникают вполне обоснованные сомнения в эффективности использования подобных систем экономии.

Показатели экономичности являются причиной ожесточённых споров, а реальные величины напрямую зависят от режима езды и характера вождения. Очевидно, что длительное время простоя обеспечивает большую экономию топлива, однако следует принимать во внимание то, что в некоторых случаях электроника не позволит заглушить мотор — например, если двигатель холодный, система не будет его отключать, чтобы обеспечить полноценный прогрев. Электроника также может не глушить двигатель, если уровень аккумулятора находится ниже заданной величины, а также если, как в системе Volvo, водитель расстегнул свой ремень безопасности или включил кондиционер.

По заверениям экологов, система «стоп-старт» также предназначена для снижения выбросов в городских районах, где движения автотранспорта крайне затруднено и время простоя значительно увеличивается, что делает подобные технологии не только выгодными, но и безопасными. Это довольно спорный аргумент, поскольку, как и в случае с расходом топлива, работа на холостых оборотах сводит выбросы к минимальному уровню, а вот запуск сопровождается резким выделением вредных веществ из выхлопной трубы.

Что же касается экономичности, столь важной для конечного потребителя, не стоит забывать и о том, что величина расхода топлива должна быть не просто ниже, чем у такого же двигателя без системы «стоп-старт», её снижение должно окупать удорожание конструкции автомобиля, потенциальное снижение его ресурса, а также возросшую сложность обслуживания.

В конечном итоге, на нынешнем этапе развития технологий машиностроения эффективность данных электронных систем при длительной эксплуатации вовсе не так велика, как заявляют разработчики и маркетологи. Таким образом, делать окончательные выводы ещё рано, поскольку огромное количество работ в этом направлении, а также мнения различных экспертов сводятся к тому, что нужны длительные ресурсные испытания, которые и позволят поставить точку в этом вопросе.

Автор: Сергей Василенков