怠速熄火裝置(四)停車後才熄火?停車前就熄火?

Nissan March則是正統派,停車後1秒才熄火,感覺較為自然。
 
既然叫做怠速熄火,當然就是在車輛停止時切斷引擎供油並熄火,這就是早期的怠速熄火裝置,這樣是可以省下虛耗的燃油、對降低油耗做出貢獻;但若想更有效率,考量之後就是在車輛停止前熄火。


 
我們知道在車輛停止時的供油就是虛耗,而若在停車前就能更早一點切斷供油,這樣更能降低油耗。最早以這種模式令油耗之爭加劇的就是輕型車—Mira e:S。在停車前速度低於7km/h時引擎就熄火,Wagon R更早、低於13km/h就熄火,但是像這樣提前熄火的話,很難判斷是要停車或只是減速,因此考量的條件包括持續踩著煞車等等,這時就會在停車前熄火。
 
在實際的測試下,低於7km/h感覺已經幾乎要停車了,而13km/h儘管以步行速度來說仍然很快,但在行駛時也是幾乎要停車的感覺。不過,倘若對手的油耗數據有所進展,別家也會跟進,證明怠速熄火仍然有進化的空間。
 

Suzuki Wagon R在踩著煞車踏板減速時,車速低於13km/h就會熄火。
 
Daihatsu Mira e:S也會在停車前熄火,但標準是低於7km/h,亦即在幾乎停車時熄火。
  
以回生常保電池健康
          搭載鋰電池或電容的車款登場
 
負責電力的發電機會消耗引擎約10%的動力,就像腳踏車燈要亮時必須更用力踩踏板的感覺一樣,為了減輕這類發電時的負荷,就是利用能量回生,追加鋰離子副電池,或是設置電容。將回生時的高效率的電力儲存起來,就能降低油耗,因為這些電力可以供應再啟動,以及怠速熄火時空調或其他電裝品的用電,甚至還有延長怠速熄火期間的優點。如果愈來愈多車款具備將減速時虛耗的能量用於回生,將會提高效率。
 

Mazda Atenza搭載了電容(如圖下),除了能減少發電機運作時間之外,還能延長怠速熄火期間。
 

Suzuki Wagon R除了鉛酸電瓶之外、還搭載了小型鋰電池,有效使用回生的電力、降低油耗。
 
 

怠速熄火裝置(一)Mazda是怠速熄火普及化的鼻祖?

一般的引擎在運轉時,即便遇到紅燈等停車狀況,只要不轉鑰匙就不會將引擎熄火,怠速熄火機構則是在停車時切斷供油、以圖降低油耗的系統。除了日本車廠之外,世界各車廠也都開始採用、並有獨自的命名,並且持續進化以提昇效率。而日本由Mazda首度採用,並從小型車開始普及。
  
怠速熄火裝置日漸普及,普及的原因是因為Mazda Axela首度採用的怠速熄火系統,活用直噴式引擎的特性,縮短熄火後再啟動的時間,並致力減少啟動時的震動與不適感。

然而,怠速熄火裝置並不是才剛剛面世的技術,Toyota的Starlet和Crown、Mitsubishi的Pistachio等車款早在1980年代即將其列為選配,只不過當年還不普及。自從車廠從節能減碳、環境淨化的視野為出發點,降低油耗成為各大車廠首要的課題,油耗數據的優劣直接影響銷售的狀況,在這個環境下造就Mazda的怠速熄火系統開啟了影響龐大市場的第一槍。

停車時將引擎熄火、起步時將引擎再啟動,怠速熄火系統看起來簡單,但是引擎熄火的時機,到再啟動之間的時間、啟動時的震動和異音、電瓶的消耗等等,這些都是必須克服的各項難題。車廠投入獨自的工夫,企圖在價格上取得平衡,並依照不同的車型搭配出適應性最佳的系統。

日本車廠怠速熄火裝置名稱
Toyota           Smart Stop
Nissan            Idling Stop
Honda            Idling Stop System
Mazda            i-Stop
Mitsubishi      AS&G
Subaru           Idling Stop
Daihatsu        Eco Idle
Suzuki            Idling Stop
表格說明=各車廠有各自的名稱,不僅是引擎熄火再啟動這麼單純,各家也在運行時機上投入了工夫。

小齒條伸出式:

在曲軸運轉停止、環狀齒輪運轉也完全停止的狀態下,啟動馬達伸出小齒條、嚙合環狀齒輪的方式,這是怠速熄火裝置的基本方式。


小齒條常時嚙合式:

環狀齒輪內建單向離合器、維持與環狀齒輪接合的常時嚙合式,特色是能縮短再啟動的時間,而且沒有小齒條與環狀齒輪嚙合瞬間的異音和震動。


怠速熄火裝置的先驅
Mazda Axela

令現代的怠速熄火裝置能夠普及的是Mazda Axela,藉由活用直噴引擎、讓汽缸停在易於點火再啟動的位置,能縮短從怠速熄火到再啟動的時間,但是光靠直噴點火的運轉扭力會不足,還需要借助啟動馬達。
 
怠速熄火並不是新的技術,1980年代Toyota Starlet就有採用,2000年Mitsubishi也開始試用,甚至連Crown也有配備,但是尚難以精密控制,兼且當時尚無此需求,因此沒有普及,如今的怠速熄火已是第二代的怠速熄火。

 
第二代怠速熄火的先驅是Mazda 3 Axela,活用直噴引擎,可縮短再啟動的時間。


引擎停止時,汽缸停在易於再啟動的位置,是Mazda所採用方式的特色。


1980年代Toyota Starlet曾經採用名為「Eco Run System」的怠速熄火機構。

 

怠速熄火裝置(二)再啟動除了啟動馬達之外,也使用發電機?

小齒條伸出式
在曲軸運轉停止、環狀齒輪運轉也完全停止的狀態下,啟動馬達伸出小齒條、嚙合環狀齒輪的方式,這是怠速熄火裝置的基本方式。
 
通常要啟動引擎就是轉鑰匙、或是按下啟動鈕,讓啟動馬達運轉,怠速熄火裝置也是活用相同的機構,自動運轉啟動馬達,在這裡就有多種運作方式。將啟動訊號傳送到啟動馬達,就會有小齒條伸出去嚙合環狀齒輪,再去啟動馬達,這種方式在齒輪嚙合時免不了發生震動和異音。
 
解決這個問題的做法就是,在環狀齒輪和曲軸之間插入單向離合器,讓小齒條和環狀齒輪保持嚙合狀態。Nissan Serena等部分車款採用的是將大型發電機活用為啟動馬達的方式,再啟動時幾乎沒有震動和異音。小齒條伸出式還有衍生的技術,就是採用個別分開控制小齒條伸出與馬達運轉的方式。
 

小齒條常時嚙合式
環狀齒輪內建單向離合器、維持與環狀齒輪接合的常時嚙合式,特色是能縮短再啟動的時間,而且沒有小齒條與環狀齒輪嚙合瞬間的異音和震動。
 

▲兩段電磁式
將小齒條伸出與馬達運轉採用不同迴路,在小齒條與環狀齒輪嚙合前同步啟動馬達運轉的方式,曲軸不用完全停止,小齒條和環狀齒輪也能嚙合。
 

▲發電機活用式
活用大容量發電機,以及高強度寬幅度的皮帶,不靠啟動馬達發動引擎、而是使用發電機的方式,再啟動時就和常時嚙合式一樣沒有震動和異音。
 

▲節能馬達運轉
曲軸運轉
節能馬達帶動皮帶運轉滑輪

怠速熄火裝置(三)縮短再啟動的時間是關鍵

基本上,觸發再啟動的訊號來自鬆開煞車踏板,但也有車款還加上感應方向盤操作,也可以控制到即使在停車時左打右打、引擎也不會停止。
 
怠速熄火從送出再啟動訊號到引擎再啟動之間的時間很重要,啟動太慢的話,綠燈時就會對周遭的車子帶來麻煩。
 
因此,各車廠為了縮短啟動時間,無不絞盡腦汁。小齒條伸出式以0.4秒為標準值,這種程度的時間差對駕駛者尚不至於產生不適感、可以平順的起步。有的車款則是善用直噴引擎的特性,將其中一個活塞停在易於點火燃燒的位置,實現加快再啟動的時間。
 

Nissan March活用直噴機構,可於第二行程啟動,目的在縮短啟動時間。
 
小齒條常時嚙合式可將時間稍稍縮短至0.35秒,發電機活用式的平均再啟動時間也是0.35秒。前文有稍微提到,小齒條伸出與啟動馬達的運轉可以個別的控制,因此在環狀齒輪並未完全停止的狀態下,小齒條也可以同步旋轉並嚙合,所以在瞬間停止再啟動的狀況時,得以更早進入啟動狀態。雖然一般觸發再啟動的訊號來自鬆開煞車踏板,但也有車款還會感應方向盤的少許動作再作啟動。
 

▲小齒條伸出與馬達驅動採用不同的電磁閥,與環狀齒輪同步旋轉,即使曲軸並未停止,小齒條和環狀齒輪亦能嚙合,縮短啟動時間。